DE3782240T2 - Schnelle parallelabtastung mit ionenstrahlen mit einer bipolaren magnetischen linse mit uneinheitlichem feld. - Google Patents

Description

• Diese Erfindung bezieht sich auf eine magnetische Linse, die als eine Alternative zu dem "konstant gleichförmigen Feldmagneten in Keilform" benutzt werden kann, auf den in WO 87/06391 von Berrian et al. mit dem Titel ION BEAM SCANNING METHOD AND APPARATUS Bezug genommen wird. In der Beschreibung von Berrian et al. wurde der keilförmige Magnet insbesondere so bezeichnet, daß das Magnetfeld überall innerhalb der Magnetpole dasselbe ist. Als eine Konsequenz des keilförmigen Profils der Pole wurden die von einem Punkt ausstrahlenden Ionenbahnen so abgelenkt, daß alle Ionen, die aus dem Magneten heraustreten, parallel zueinander sind. Im Ergebnis wirkt der Magnet als eine Linse, in der Ionen, die in verschiedene Gegenden des Magneten eintreten, eine unterschiedliche Weglänge in demselben Magnetfeld besitzen, und folglich um verschiedene Winkel abgelenkt werden.
• US 4 276 477 offenbart ein Gerät, das eine Ionenstrahlquelle, eine Ablenkeinrichtung zur Ablenkung des Ionenstrahls und eine magnetischen Dipoleinrichtung enthält, um einen Abtastionenstrahl zur Verfügung zu stellen, der parallele Bahnen besitzt. Die Ablenkmagneten, die in US 4 276 477 benutzt werden, unterscheiden sich im Aufbau und erzeugen eine von der des Antragstellers abweichende Feldkonfiguration.
• US 2 777 958 offenbart ein magnetisches Gerät zur Fokussierung eines Teilchenstrahls zum Gebrauch in einem Elektronenspektrometer.
• Der hier offenbarte Magnet wirkt auch als eine Linse, in der Ionen um verschiedene Winkel, abhängig vom Eintrittspunkt, abgelenkt werden, aber er unterscheidet sich von dem Keilmagneten dadurch, daß die Ionen alle im wesentlichen dieselbe Weglänge im Gebiet des Magnetfeldes besitzen. In diesem Fall ergeben sich verschiedene Ablenkwinkel, da das Magnetfeld in verschiedenen Bereichen des Magneten unterschiedlich ist. Die Magnetpole sind rechteckig, wenn sie aus einer Richtung, die senkrecht zur Mittelebene des Spaltes ist, gesehen werden, jedoch ändert sich die Spaltweite mit der Position x entlang des Magneten. Die Änderung von D verursacht eine Änderung im Magnetfeld B in dem Spalt, derart, daß B (x)α 1/D(x) ist. Fig. 1 veranschaulicht die Form der Pole, indem es den rechteckigen Querschnitt und die sich verändernde Spaltbreite zeigt.
• Nimmt man an, daß die Änderung des Feldes in dem Magneten als Funktion von x gegeben ist durch
• B(x) = B&sub0; (1 + ax + bx² + ----),
• wobei B&sub0; das Feld bei x=0 und a, b, -- Konstanten sind. Die Werte von Bo und den Konstanten können mit einem Computerprogramm berechnet werden, derart, daß Ionen, die von einem Punkt vor dem Magneten ausstrahlen, aus dem Magneten parallel zueinander hervortreten. Das Programm "Raytrace" berechnet die Austrittswinkel einer Reihe von Strahlen, und die Konstanten a, b, --- werden dann so lange angepaßt, bis die Bedingung der Parallelität mit der erforderlichen Genauigkeit erfüllt werden. Um das erforderliche magnetische Feldprofil zu erreichen, soll der Spalt D gegeben sein durch:
• D = D&sub0; (1 + ax + bx + - -)&supmin;¹
• Diese Änderung von D wird durch mechanische Bearbeitung des entsprechenden Profils auf jedem der Pole, wie in Fig. 1 gezeigt, erreicht.
• Fig. 2 veranschaulicht Ionenbahnen, die von einem Punkt ausstrahlen und die durch einen rechteckigen, nicht gleichförmigen Feldmagneten so abgelenkt werden, daß alle Bahnen aus dem Magneten parallel zueinander heraustreten.
• Es ist hinreichend bekannt (s. z. B. H.A. Enge, Rev. Sci. Instrum. 35, 1964, 278), daß das Magnetfeld zwischen Polen mit scharfen Ecken sich über die physikalischen Polecken hinaus ausdehnt. Um die Ablenkung von geladenen Teilchen zu berechnen, kann eine effektive Feldgrenze (EFB) von "Effective Field Boundary" definiert werden, und im allgemeinen ist die Entfernung Δ von den Polecken zu der EFB proportional zu dem Polspalt D:
• Σ 0,07 D, wie in dem oben zitierten Aufsatz dargelegt wird. Die Änderung des Magnetfeldes B mit der Entfernung z von den Polenden und die Anordnung der EFB für zwei unterschiedliche Werte von D, ist in Fig. 3a veranschaulicht. Fig. 4a zeigt den Ort der EFB in der x-z-Ebene für die Magnetpole, die in Fig. 1 veranschaulicht sind. Die EFB ist gebogen im Verhältnis zu der Krümmung des Polspaltprofils, wobei die Ausdehnung des Streufeldes größer ist, wo der Polspalt größer ist. Folglich unterscheidet sich die Weglänge der Strahlen in den Streufeldern für unterschiedliche Gegenden des Magneten, und es ist notwendig, dies in Betracht zu ziehen, wenn die Werte für die Konstanten a, b, ---, die das Polprofil definieren, berechnet werden. Die Methode zur Berechnung besteht darin, Anfangswerte der Konstanten unter Vernachlässigung der EFB-Krümmung zu bestimmen und dann iterativ neue Werte unter Einschluß der Krümmung zu berechnen, bis eine selbstkonsistente Lösung erhalten wird.
• Eine alternative Ausführungsform der Erfindung besteht darin, eine Magneten herzustellen, bei dem die Streufelder mittels Feldhalteeinrichtungen oder "Feldklemmen" (auch bekannt als Spiegelplatten) beschränkt werden, derart, daß die EFB linear wird, wie in Fig. 4b gezeigt. Die Benutzung von Feldklemmen wurde schon früher beschrieben (s. den zitierten Aufsatz). Der Effekt einer solchen Klemme ist es, das Feld auf einen sehr niedrigen Wert innerhalb des Spaltes der Klemme zu beschränken und folglich das EFB an einer festgelegten Stelle zu erhalten, unabhängig von dem Polspalt D oder dem Feld B (s. Fig. 3b). Als ein Ergebnis der Benutzung von Feldklemmen ist es möglich, die erforderliche Form der Pole zu berechnen unter der Annahme, daß die EFBs auf jeder Seite des Magneten linear und parallel sind. Dies vereinfacht die Berechnung, und überdies kann, wenn der Magnet gefertigt wird, die Linearität und Parallelität der EFBs durch die Abstimmung der Form und der Plazierung der Feldklemmen sichergestellt werden.
• Fig. 5 zeigt ein komplettes ionenoptisches System, das auf der Benutzung eines rechtwinkligen, nicht gleichförmigen Feldmagneten, wie er hier beschrieben wurde, zusammen mit anderen magnetischen und elektrostatischen Komponenten, die alle in der Patentanmeldung von Berrian et al. beschrieben wurden, basiert.

Claims (6)

1. Vorrichtung zum Erzeugen eines Abtastionenstrahls mit im wesentlichen parallelen Ionenbahnen, wobei die Vorrichtung aufweist: eine Ionenstrahlquelle, eine Ablenkeinrichtung, um den Ionenstrahl im wesentlichen in einer Strahlebene abzulenken und einen abgelenkten Ionenstrahl zu liefern, eine magnetische Dipollinseneinrichtung zum Ausbilden eines Magnetfelds zur Ablenkung des abgelenkten Ionenstrahls, um einen Abtastionenstrahl mit im wesentlichen parallelen Ionenbahnen zu bilden, der nach Austritt aus der magnetischen Dipollinseneinrichtung längs einer ersten Achse verläuft, wobei die magnetische Dipollinseneinrichtung ein Paar von Magnetpolen hat, dadurch gekennzeichnet, daß jeder der Magnetpole Rechteckquerschnitt in Ebenen hat, die zu der Strahlebene parallel sind, wobei diese Pole zwischen sich einen Spalt gleichmäßiger Breite an jedem Punkt entlang der genannten ersten Achse und veränderlicher Breite entlang einer zweiten Achse, die parallel zu der Strahlebene und senkrecht zu der ersten Achse verläuft, bilden, so daß in dem Spalt ein nichtgleichmäßiges Magnetfeld ausgebildet ist.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Ablenkeinrichtung Mittel zum Ablenken des Ionenstrahls zu einem Abtaststrahl mit divergierenden Ionenbahnen aufweist,

daß die magnetische Dipollinseneinrichtung die divergierenden Abtastionenbahnen zu einem Abtaststrahl ablenkt, der im wesentlichen parallele Ionenbahnen hat, die entlang der ersten Achse und in einer Ebene verlaufen, die durch die erste Achse und eine dazu quer verlaufende zweite Achse definiert ist, und

daß die magnetische Dipollinseneinrichtung aufweist

ein Paar von Magnetpolstücken mit gegenüberstehenden Flächen, die zwischen sich einen Spalt bilden, durch den die divergierenden Ionenbahnen gehen,

wobei die Magnetpolstücke den Spalt so begrenzen, daß er eine im wesentlichen gleichmäßige Längendimension entlang der ersten Achse und zwischen den Polstücken eine ausgewählte Breitendimension hat, die mit der Lage entlang der zweiten Achse veränderlich ist, wobei die zweite Achse zu der Spaltbreite quer verläuft,

so daß die Magnetpolstücke in dem Spalt ein Magnetfeld ausbilden, das entlang der ersten Achse im wesentlichen gleichförmig ist und sich entlang der zweiten Achse selektiv ändert.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß jedes Polstück mit einer Seite des Rechteckquerschnitts parallel zu der ersten Achse orientiert ist und mit einer weiteren Seite parallel zu einer zweiten Achse quer zu der ersten Achse verläuft.

4. Vorrichtung nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch Mittel, um das Magnetfeld zwischen dem Paar von Polstücken im wesentlichen zu beschränken, so daß es im Inneren des Spalts liegt.

5. Vorrichtung nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch eine Feldhalteeinrichtung, um die effektive Feldgrenze des Magnetfelds zwischen dem Paar von Polen so zu halten, daß sie eine im wesentlichen unveränderliche bekannte Lage hat.

6. Verfahren zum Erzeugen eines Abtastionenstrahls mit im wesentlichen parallelen Ionenbahnen entlang einer ersten Achse, wobei das Verfahren folgende Schritte aufweist:

Aussetzen eines Abtastionenstrahls mit divergierenden Ionenbahnen einem Ablenkmagnetfeld, das von einem Paar von Magnetpolen erzeugt wird, die gegenüberstehende Flächen haben, die zwischen sich einen Spalt zum Durchtritt der divergierenden Bahnen definieren, gekennzeichnet durch den Schritt der Ausbildung des Ablenkmagnetfelds mit einem Wert, der sich mit der Position entlang einer zweiten Achse ändert, die parallel zu der Ebene des Strahls und quer zu der ersten Achse verläuft, den Schritt der Bereitstellung des Ablenkmagnetfelds, der aufweist: Anordnen der magnetischen Polstücke derart, daß sie zwischen sich eine Spaltbreite - senkrecht zu der ersten und der zweiten Achse gemessen - haben, die im wesentlichen gleichförmig - entlang der ersten Achse gemessen - ist und sich fortschreitend entlang der zweiten Achse ändert, und Anordnen der magnetischen Polstücke so, daß sie in Ebenen, die parallel zu der Ebene des Strahls sind, einen Rechteckquerschnitt haben.