宽孔径维恩ExB质量过滤器
阅读：999发布：2023-01-18
专利汇可以提供宽孔径维恩ExB质量过滤器专利检索，专利查询，专利分析的服务。并且本 发明 涉及宽孔径维恩ExB 质量 过滤器 。一种ExB维恩质量过滤器提供与质量分离所需的偶极 电场 组合的可独立调整的电场。可独立调整的电场可以用于提供更大的光学孔径、校正像散并将波束偏转至与 磁场 平行和/或垂直的方向。，下面是宽孔径维恩ExB质量过滤器专利的具体信息内容。
1.一种带电粒子束过滤器，包括：
第一电极集合，用于提供过滤器内的第一电场；
磁极集合，用于提供过滤器内且与所述电场垂直的磁场；
电阻性导体集合；以及
所述电阻性导体中的每一个上的第二电极集合，所述第二电极集合中的每一个使电流在对应的电阻性导体上流动以在对应的电阻性导体上产生电势梯度，两个电阻性导体一起提供过滤器内的第二电场方向，第二电场具有与第一电场方向不平行的分量。
2.根据权利要求1所述的带电粒子束过滤器，其中所述电阻性导体集合包括所述磁极集合。
3.根据权利要求1所述的带电粒子束过滤器，其中所述电阻性导体集合包括附着至磁极的层集合。
4.根据权利要求1所述的带电粒子束过滤器，其中所述电阻性导体集合包括通过绝缘层附着至磁极的层集合。
5.根据前述权利要求中任一项所述的带电粒子束过滤器，其中所述磁极集合中的每一个磁极延伸至所述第一电极集合中的电极之外。
6.根据前述权利要求中任一项所述的带电粒子束过滤器，其中除任何消像散或偏转场以外，沿第一电场极的电场方向的每个坐标处的物理孔径中的电势和磁极的内表面上的每个点处的电势相同。
7.根据前述权利要求中任一项所述的带电粒子束过滤器，其中所述第二电场是与所述磁场平行定向的偶极场。
8.根据前述权利要求中任一项所述的带电粒子束过滤器，其中所述第二电场是四极场。
9.一种聚焦离子束镜筒，包括：
离子源；
第一透镜，用于从所述源接收离子；
根据前述权利要求中任一项所述的质量过滤器；以及
第二透镜，用于将离开所述质量过滤器的离子聚焦到工件表面上。
10.根据权利要求9所述的聚焦离子束镜筒，其中所述离子源是等离子体离子源。
11.根据权利要求9所述的聚焦离子束镜筒，其中所述离子源是液态金属离子源。
12.根据权利要求9至11中任一项所述的聚焦离子束镜筒，还包括第二质量过滤器，所述第二质量过滤器校正来自第一质量过滤器的色差。
13.一种对离子进行过滤的方法，包括：
在过滤区中提供第一电场的源；
在所述过滤区中提供磁场的源，所述磁场与所述电场垂直；
在所述过滤区中提供第二电场的源，所述第二电场具有与所述磁场平行的分量，所述第二电场的源是能够与所述第一电场的源无关地调整的；以及
通过所述过滤区来导向具有各种荷质比的离子，以分离具有不同荷质比的离子。
14.根据权利要求13所述的方法，其中在所述过滤区中提供第二电场的源包括：在作为所述磁场的源的一部分的磁极靴上提供电流。
15.根据权利要求13所述的方法，其中在所述过滤区中提供第二电场的源包括：在附着至作为所述磁场的源的一部分的磁极靴的电阻性导体上提供电流。
16.根据权利要求13所述的方法，其中在所述过滤区中提供第二电场的源包括：提供电场以偏转离子束。
17.根据权利要求13至16中任一项所述的方法，其中在所述过滤区中提供第二电场的源包括：提供第二电场，所述第二电场形成用于校正离子束的消像散的四极场的一部分。
宽孔径维恩ExB质量过滤器
技术领域
背景技术
[0002] 一些聚焦离子束（FIB）镜筒预期与发射多个离子种类的离子源一起使用。为了针对要在衬底上聚焦的波束选择这些离子种类中的仅一个种类，FIB镜筒将典型地包括质量过滤器。一种类型的质量过滤器“维恩（Wien）过滤器”使用交叉的电场和磁场（ExB）来离轴偏转不期望的离子种类，从而使其撞击质量分离孔径，并且该质量过滤器还被称作“ExB过滤器”。电场和磁场的相对强度被设置为使得所期望的离子种类将未偏转地经过质量过滤器，然后经过质量分离孔径，并将最终聚焦在衬底表面上。
[0003] 离子在“物理孔径”（即，由电和磁极面包围的区域）内经过维恩过滤器。理想地，在由电和磁极围绕的整个过滤器容积中，磁场和电场将彼此垂直。由于电场和磁场向着极的边缘扭曲，并且这些场仅向着过滤器区的中心接近理想的垂直定向和正确的场强比B/E，因此“光学”孔径（即，其内可使用质量分离的孔径）通常比物理孔径小得多，但比质量过滤器内的波束直径大。将期望磁极和电极均远离波束轴向外延伸完全经过物理孔径，使得极末端远离过滤器区，从而使这些场在物理孔径内更均匀，由此扩大实际接受孔径。然而，这是不可能的，原因在于电和磁极将彼此物理干扰。
[0004] 在源与衬底之间具有中间交叉（crossover）的聚焦离子束镜筒中，小的光学孔径可能是可接受的，这是由于该波束的直径相对小。许多聚焦离子束（FIB）镜筒包括一个或多个交叉，典型地处于FIB镜筒中的多个透镜之间。可以在镜筒中生成交叉，以允许在源与目标之间比在没有交叉的情况下在镜筒中可能可实现的更宽范围的放大。如果波束在经过质量过滤器之后聚焦至交叉，则可以存在多个交叉，所有均处于大致相同的平面中，其中每个交叉与波束中的不同荷质比相对应。例如，在硅金合金液态金属离子源（LMIS）中，将典型地存在针对硅和金的单电荷和双电荷单原子离子以及单电荷或多电荷硅和/或金多原子离子的交叉。
[0005] 如果具有足够小的孔径开口（一般大于交叉的直径）的质量过滤器孔径置于这些交叉的平面中，则这些离子种类中的仅一个离子种类将经过孔径以便后续聚焦在目标上，而所有其他离子种类将撞击孔径板，由此被阻止传至FIB镜筒的下部中。具有交叉的优势在于：与没有交叉的情况相比，在质量过滤器中需要更小的分散以完全分离各个离子种类。质量过滤器孔径处的交叉用作质量过滤器以下的探针形成光学器件的虚拟源。然而，离子束中的不可避免的能量扩展度将导致交叉沿质量分散轴的模糊，从而潜在地造成目标处的聚焦波束的模糊。
[0006] 交叉还具有以下劣势：1）随着粒子在交叉自身处更近地集合在一起，静电排斥增大；2）由于交叉，在整个镜筒中波束一般更小，从而增大空间电荷排斥；以及3）由于质量分离孔径板处的更高波束电流密度，对质量分离孔径的溅射损伤增大。由于空间电荷效应而引起的静电排斥放射状地扩展了波束（Loeffler效应）并增大了能量扩展度（Boersch效应），这两个效应均趋于降低工件表面处的波束电流密度。
[0007] 在不具有中间交叉的聚焦离子束镜筒中，波束直径更大，并且典型现有技术质量过滤器的更小光学孔径可能更成问题。在现有技术中存在具有宽光学孔径的ExB质量过滤器的示例，但是这种现有技术质量过滤器具有其他缺陷。这种具有较宽光学孔径的现有技术质量过滤器的一个示例在“Achromatic two-stage E x B mass filter for a focused ion beam column with collimated beam”, Teichert, J., and Tiunov, M. A., Meas. Sci. Technol. 4 (1993) pp. 754-763（参见图5至8）中示意。该现有技术质量过滤器（参见图5）中的静电电极比电极间距（图5中的物理孔径的水平尺寸）宽得多（图5中的物理孔径的垂直尺寸），以使E场在大致具有电极间隙的水平和垂直尺寸的光学孔径上相对均匀（即，该光学孔径大致是正方形的，而物理孔径是垂直方向上尺寸实质上更大的矩形）。更加正方的物理孔径比矩形物理孔径更优选，这是由于物理孔径的区域的更大部分于是可用于圆形波束。磁极（作为宽电极的结果）有必要离得相对远（图5中的垂直方向）。为了实现磁极靴的宽度（水平方向上测量）与极靴间隙（垂直间距）之间的高比率，该现有技术ExB设计需要比物理孔径的宽度大几倍的磁极靴宽度（参见图5）——这使磁电路相对低效，从而需要实质上增大的永久磁体强度或磁线圈励磁，以在物理孔径中实现充分的B场强度。该参考文献的第3节教导了分离的电极和磁极的现有技术设计方案，其中电极和磁极均为电导体且均不是电阻性的。Teichert和Tiunov讨论了在该现有技术设计方案的约束内通过对宽度和间隙的调整而对其ExB过滤器的质量分离特性的优化。
[0008] Parker和Robinson的美国专利No. 4,929,839 “Focused Ion Beam Column”描述了一种具有两个三元件静电透镜的全静电FIB镜筒，其能够在从4 keV至150 keV的能量范围上将离子束聚焦在衬底上。镜筒包含ExB维恩过滤器和静电熄灭器。最后透镜以下的单个静电八极装置扫描衬底上的波束。最后透镜以下的大工作距离实现了用于电荷中和的附加光学元件的潜在插入和/或用于成像或SIMS的次级离子的收集。维恩过滤器处的波束能量相对高，30 keV，从而降低了由质量分离而引发的色差。在镜筒中通过第一（上）透镜形成中间交叉——该交叉通常处于维恩过滤器以下的孔径的平面处。
[0009] Parker的美国专利No. 4,789,787“Wien Filter Design”描述了一种维恩ExB质量或速度过滤器，其中光学孔径是物理孔径的大小的实质一小部分。该专利描述了使用铁素体磁极靴来生成与经过维恩过滤器的离子束的方向大致垂直的磁场。流经铁素体的电流使得能够在电极靴之间生成均匀电场，其中没有由于磁极靴引起的负面效应。以与两个电极靴均物理和电气接触的方式夹住两个铁素体极靴中的每一个，这两个电极靴可以由不锈钢或任何其他非磁性导电材料组成。在电极上施加以生成电场的电压使电流流经与电极靴接触的铁素体。不存在分离的电连接以与对两个电极施加的电压无关地给铁素体提供电压。该电流使维恩过滤器中的电场线变直。由此，所述的维恩过滤器被表征为在电极靴和磁极靴之间具有接触，以实现由在与维恩过滤器中的两个电极靴之间的电场的方向平行的两个铁素体极靴中流动的电流引起的电场包围过程。
发明内容
[0011] 本发明的目的是提供一种与聚焦离子束系统一起使用的改进ExB维恩质量过滤器。
[0012] 根据本发明的优选ExB过滤器提拱了具有与磁场平行和垂直的分量的可调整电场。可调整电场可以补偿物理电极的非理想配置，以提供宽光学孔径。在一些实施例中，可调整电场还可以提供X-Y波束偏转的能力，其可以用于波束对准。在一些实施例中，可调整电场还可以提供波束消像散，其可以用于校正由质量过滤器引发的一些像差。
[0013] 以上相当宽地概述了本发明的特征和技术优势，以便可以更好地理解以下本发明的具体实施方式。以下将描述本发明的附加特征和优势。本领域技术人员应当认识到，所公开的概念和具体实施例可以容易地用作修改或设计实现本发明的相同目的的其他结构的基础。本领域技术人员还应当意识到，这种等效构造并不脱离所附权利要求中阐述的本发明的精神和范围。附图说明
[0014] 为了更透彻地理解本发明及其优势，现在参照结合附图进行的以下描述，在附图中：图1是包括维恩ExB质量过滤器的两透镜聚焦离子束（FIB）镜筒的侧面示意横截面视图。
[0015] 图2是与离子通过质量过滤器的大体传播方向垂直的横截面中所示的维恩过滤器的示意图。
[0016] 图3是具有双偏转像差校正ExB维恩质量过滤器的两透镜镜筒的示意侧面横截面视图。
[0017] 图4是现有技术维恩过滤器中的磁场线的示意。
[0018] 图5是现有技术维恩过滤器中的电场线的示意。
[0019] 图6是仅实现质量分离的本发明的实施例中的磁场线的示意。
[0020] 图7是仅实现质量分离的本发明的实施例中的电场线的示意。
[0021] 图8是仅实现Y轴偏转的本发明的实施例中的电场线的示意。
[0022] 图9是实现质量分离和Y轴偏转的本发明的实施例中的电场线的示意。
[0023] 图10是仅实现消像散的本发明的实施例中的电场线的示意。
[0024] 图11是实现质量分离和消像散的本发明的实施例中的电场线的示意。
具体实施方式
[0025] 与典型现有技术质量过滤器和聚焦离子束系统相比，本发明的实施例可以提供一个或多个优势。不是所有实施例将提供所有益处。本发明的一些实施例提供了可以基于种类的荷/质比对波束中的离子种类进行分离的ExB质量过滤器。本发明的一些实施例可以提供质量过滤器的大光学孔径。本发明的一些实施例提供了对质量过滤器中的交叉电场和磁场引发的像散的校正。本发明的一些实施例提供了波束在与电场平行的方向上的静电偏转。本发明的一些实施例提供了波束在与磁场平行的方向上的静电偏转。与Teichert和Tiunov不同，本发明实现了更高效的磁电路，这是由于极靴间隙是物理孔径的大小。由于极靴间隙更小，因此极靴宽度也可以更小以获得物理孔径内的B场均匀性所需的相同间隙宽度比。
[0026] 在一些实施例中，磁极延伸经过过滤器区，使得这些极的末端远离过滤器区，从而在过滤器区中产生更均匀的磁场。在一些实施例中，通过在磁极上提供线性分级的电势（即，与额定ExB电场方向平行）来使由磁极和电极的内表面限定的物理孔径中的电场更均匀。磁极上的线性分级的电势还可以偏转与磁场平行或与ExB电场平行的波束。此外，可调整电场可以生成消像散所需的四极静电场。通过在物理孔径的一侧的电阻性材料上施加电压来产生电势，从而在电阻性材料上生成电压降。典型地，电阻性材料是磁极或者附着至磁极的材料。在物理孔径的相对侧的两个电阻性极上产生可调整电场。通过调整电阻性材料中的一个或两个的两个末端上的电压，可以调整过滤器区中的电场。
[0027] 图1是聚焦离子束（FIB）镜筒104中的维恩（ExB）质量过滤器102的侧面横截面视图，聚焦离子束（FIB）镜筒104包括组合以将离子束聚焦到衬底表面112上的上透镜106和下透镜108。示出了三个不同离子种类的离子110，其由源尖端114发射，由在源尖端114与提取器电极（未示出）之间施加的电压引发。该源结构是液态金属离子源（LMIS）特有的，然而在本发明中可以使用其他类型的离子源。然后，上透镜106将离子110聚焦到质量分离孔径122的平面120中。图2中更详细示出的维恩过滤器102包括产生静电场的电极130以及两个磁极132（示出了一个）。磁极132处于图1的平面前和后，并且仅示出了图1的平面后的极132。极132之间的磁场可以由在线圈中流动的电流或由永久磁体生成。维恩过滤器102离轴偏转低质量离子136和高质量离子138，留下中质量离子140大部分未偏转。然后，这些中质量离子140经过孔径122并由下透镜108聚焦到衬底表面112上。对于相同波束能量，低质量离子136比高质量离子138具有更高速度。由于电力对于所有离子（具有相同电荷）来说相同，而磁力与速度成比例，因此较快的低质量离子136将比较慢的高质量离子138被磁场偏转得更多——由此在磁力的方向上（向左）偏转较低质量离子，而在电场的方向上（向右）偏转高质量离子。对于中质量离子140，电力和磁力是平衡的（即，在相反方向上具有相等量值），从而未给出净力。
[0028] ExB过滤器102根据本领域公知的原理进行操作：交叉电场和磁场（两者均大体与经过质量过滤器的波束方向垂直）与波束移动横切地、沿相反方向在波束中的离子上引发力。这两个力的相对强度由电场和磁场强度确定，所述电场和磁场强度由激励电极130和磁极132的电压源和电流源控制。
[0029] 在图1中，电场142在图的平面中是水平的（从左侧的正电极130指向右侧的负电极130——由此，正离子上的电力将导向右侧），而磁场144与该图的平面垂直并指向该图的平面外（使正离子上的磁力向左）。如果离子源114正发射具有不同的荷质比的多个离子种类，则可以将电场142和磁场144设置为使得一个种类可以无偏转地经过ExB质量过滤器——在图1中，该种类是中质量离子140。分别将低质量离子136和高质量离子138偏转至左和右，如图所示。仅中质量离子140经过质量分离孔径122，然后被下透镜108聚焦到衬底表面112上。在ExB质量过滤器102的顶部和底部处，场终止板150切断电场和磁场，从而减小了像差。离子镜筒104包括质量选择孔径122的平面120中的交叉，而其他实施例可能不包括交叉，其中虚拟源位于尖端114以上或衬底112以下。
[0030] 图2示出了使用两个静电极靴130R和130L的质量过滤器200的实施例，其中每一个静电极靴具有分离的电连接。假定波束移动大体沿着Z轴（与该图的平面垂直）。第一电极130R位于+X轴上与Y轴（垂直中央线）距离LX1处，具有所施加的电压VA。第二电极130L位于-X轴上与Y轴距离-LX1处，具有所施加的电压VC。电极面被定向为与Y-Z平面平行。VA和VC的值将是基于标准维恩过滤器操作考虑（参见以下内容）来选择的。
[0031] 存在两个磁极202U和202L，它们被定位为其极面被定向为与X-Z平面平行且处于+Y和-Y轴上的位置±LY处。线圈和/或永久磁体可以激励极靴202U和202L，从而生成与Y轴平行的磁场。极靴202U和202L由铁素体或某种类似的电阻性磁材料（典型地，处6 8
于从10 至10 ohm-cm的电阻率范围内）制造。上（+Y轴）磁极具有两个电连接：一个处于+X端（VB1）而另一个处于-X端（VB2）。下（-Y轴）磁极也具有两个电连接：一个处于+X端（VD1）而另一个处于-X端（VD2）。
于从10 至10 ohm-cm的电阻率范围内）制造。上（+Y轴）磁极具有两个电连接：一个处于+X端（VB1）而另一个处于-X端（VB2）。下（-Y轴）磁极也具有两个电连接：一个处于+X端（VD1）而另一个处于-X端（VD2）。
[0032] 四个示例操作模式的极靴电压以下提供的四个示例示出了针对本发明的质量过滤器102的各个操作模式的VA、VC、VB1、VB2、VD1和VD2的可能电压值。
[0033] 示例#1——在不具有偏转或消像散的情况下的电压设置在仅期望质量分离但不期望波束引导或消像散的情况下，对磁极的电压将被设置如下：
VB1 = VD1 = (LX2/LX1) Vms
VB2 = VD2 = -(LX2/LX1) Vms
其中电极上的电压将为：
VA = Vms
VC = -Vms
Vms的值是基于质量分离的电场需求来选择的，其中针对衬底处的波束中所期望的离子种类（例如，图1中的被透镜108聚焦到衬底112上的中质量离子140）对离子上的电力和磁力进行平衡。
VB1 = VD1 = (LX2/LX1) Vms
VB2 = VD2 = -(LX2/LX1) Vms
其中电极上的电压将为：
VA = Vms
VC = -Vms
Vms的值是基于质量分离的电场需求来选择的，其中针对衬底处的波束中所期望的离子种类（例如，图1中的被透镜108聚焦到衬底112上的中质量离子140）对离子上的电力和磁力进行平衡。
[0034] 在该示例中，总体维恩过滤器的共模电压被设置为0 V。如果离子源与维恩过滤器之间的电压差是Vaccel，则单电离离子的能量将为经过维恩过滤器的eVaccel。对于正离子，这将对应于与维恩过滤器上的偏压相对的源上的正偏压Vaccel的情况。注意，该讨论并未假定维恩过滤器必须处于地电势处，而事实上，以上现有技术美国专利No. 4,929,839中的维恩过滤器可以从地上浮至120kV，其中源（150kV处）与维恩过滤器之间的电压差为30kV。
[0035] 注意，在该第一示例中，轴上的静电电压是0 V。VB1与VB2之间的电压降分散在磁极202U的长度上。类似地，VD1与VD2之间的电压降分散在磁极202L上。由于VB1=VD1且VB2=VD2，因此磁极202U和202L上具有相同X坐标的点具有相同电势，其与130L和130R之间沿X轴的相同坐标处的电势相同。由于沿由磁极202U和202L定义的物理孔径的两个边界而变化的电势等于在静电极130L和130R之间的空间中变化的电势，因此电场线在整个物理孔径中保持很大程度上与X轴平行，从而延伸至磁极202U和202L的内表面——参见图7。
[0036] 示例#2——在具有Y轴偏转但不具有消像散的情况下的电压设置在期望质量分离和Y轴偏转的第二示例中，对磁极的电压将被设置如下：
VB1 = (LX2/LX1) Vms + VY
VB2 = - (LX2/LX1) Vms + VY
VD1 = (LX2/LX1) Vms – VY
VD2 = - (LX2/LX1) Vms – VY
其中电极上的电压将为：
VA = Vms
VC = -Vms
如示例#1中的情况那样。在该示例中，维恩过滤器200的共模电压被设置为0 V。Y轴静电偏转场仅由对两个磁极施加的±VY电压生成。通过叠加，可以与同VY成比例的（垂直）电场的偏转效果分离地考虑同Vms成比例的（水平）电场的效果。对于被选择为经过质量过滤器的离子质量种类（例如，图1中的中质量离子140），中质量离子140上的净力将仅由于由±VY电压引发的Y轴（垂直）E场引起，这是因为由于（水平）电场142引起的中质量离子140上的力（以上VB1、VB2、VD1和VD2的方程中的第一项）将被沿X轴在相反方向上导向的磁力所抵消。由此，由±VY电压引发的垂直E场不会与质量过滤器200的质量选择操作发生干扰，这是由于垂直静电力与质量分离轴（X轴）垂直。
VB1 = (LX2/LX1) Vms + VY
VB2 = - (LX2/LX1) Vms + VY
VD1 = (LX2/LX1) Vms – VY
VD2 = - (LX2/LX1) Vms – VY
其中电极上的电压将为：
VA = Vms
VC = -Vms
如示例#1中的情况那样。在该示例中，维恩过滤器200的共模电压被设置为0 V。Y轴静电偏转场仅由对两个磁极施加的±VY电压生成。通过叠加，可以与同VY成比例的（垂直）电场的偏转效果分离地考虑同Vms成比例的（水平）电场的效果。对于被选择为经过质量过滤器的离子质量种类（例如，图1中的中质量离子140），中质量离子140上的净力将仅由于由±VY电压引发的Y轴（垂直）E场引起，这是因为由于（水平）电场142引起的中质量离子140上的力（以上VB1、VB2、VD1和VD2的方程中的第一项）将被沿X轴在相反方向上导向的磁力所抵消。由此，由±VY电压引发的垂直E场不会与质量过滤器200的质量选择操作发生干扰，这是由于垂直静电力与质量分离轴（X轴）垂直。
[0037] 示例#3——在具有消像散但不具有偏转的情况下的电压设置在期望质量分离和消像散的第三示例中，对磁极的电压将被设置如下：
2
VB1 = (LX2/LX1) Vms – (LY/LX1) Vstig
2
VB2 = - (LX2/LX1) Vms – (LY/LX1) Vstig
2
VD1 = (LX2/LX1) Vms – (LY/LX1) Vstig
2
VD2 = - (LX2/LX1) Vms – (LY/LX1) Vstig
其中电极上的电压将为：
VA = Vms + Vstig
VC = - Vms + Vstig
如示例#1和#2中的情况那样，Vms是质量分离所需的电极电压。在该示例中，总体维恩过滤器的共模电压被设置为0 V。消像散静电四极场由与Vstig成比例的对静电和磁极
2
施加的电压生成——注意，磁极上的电压的(LY/LX1) 缩放因子用于补偿电极（2 LX间隙）与磁极（2 LY间隙）之间的不同间隙距离——VB1、VB2、VD1和VD2的方程中的消像散项中的“2”的指数的原因在于：用于波束消像散的四极电压随着离轴距离的平方而增加，而不是如以上示例#2中的偶极Y轴偏转中那样线性增加。根据像散的极性，Vstig的值可以为正或负。
2
VB1 = (LX2/LX1) Vms – (LY/LX1) Vstig
2
VB2 = - (LX2/LX1) Vms – (LY/LX1) Vstig
2
VD1 = (LX2/LX1) Vms – (LY/LX1) Vstig
2
VD2 = - (LX2/LX1) Vms – (LY/LX1) Vstig
其中电极上的电压将为：
VA = Vms + Vstig
VC = - Vms + Vstig
如示例#1和#2中的情况那样，Vms是质量分离所需的电极电压。在该示例中，总体维恩过滤器的共模电压被设置为0 V。消像散静电四极场由与Vstig成比例的对静电和磁极
2
施加的电压生成——注意，磁极上的电压的(LY/LX1) 缩放因子用于补偿电极（2 LX间隙）与磁极（2 LY间隙）之间的不同间隙距离——VB1、VB2、VD1和VD2的方程中的消像散项中的“2”的指数的原因在于：用于波束消像散的四极电压随着离轴距离的平方而增加，而不是如以上示例#2中的偶极Y轴偏转中那样线性增加。根据像散的极性，Vstig的值可以为正或负。
[0038] 示例#4——一般情况——质量分离、X-Y偏转和消像散在同时均期望质量分离、X-Y偏转和消像散的第四情况下，对磁极的电压将被设置如下：
2
VB1 = (LX2/LX1) (Vms + VX) + VY – (LY/LX1) Vstig
2
VB2 = (LX2/LX1) (-Vms - VX) + VY – (LY/LX1) Vstig
2
VD1 = (LX2/LX1) (Vms + VX) – VY – (LY/LX1) Vstig
2
VD2 = (LX2/LX1) (-Vms - VX) – VY – (LY/LX1) Vstig
其中电极上的电压将为：
VA = Vms + VX + Vstig
VC = - Vms – VX + Vstig
在这种最一般的情况下，电压定义如下：
Vms = 针对合适质量分离所需的电压
VX = X轴偏转电压（与质量分离轴平行）
VY = Y轴偏转电压（与质量分离轴垂直）
Vstig = 消像散器电压。
2
VB1 = (LX2/LX1) (Vms + VX) + VY – (LY/LX1) Vstig
2
VB2 = (LX2/LX1) (-Vms - VX) + VY – (LY/LX1) Vstig
2
VD1 = (LX2/LX1) (Vms + VX) – VY – (LY/LX1) Vstig
2
VD2 = (LX2/LX1) (-Vms - VX) – VY – (LY/LX1) Vstig
其中电极上的电压将为：
VA = Vms + VX + Vstig
VC = - Vms – VX + Vstig
在这种最一般的情况下，电压定义如下：
Vms = 针对合适质量分离所需的电压
VX = X轴偏转电压（与质量分离轴平行）
VY = Y轴偏转电压（与质量分离轴垂直）
Vstig = 消像散器电压。
[0039] 现有技术ExB质量过滤器中的磁场和电场图4是现有技术维恩质量过滤器400中的磁场线406、408和410的示意。磁场在上（北）极412与下（南）极414之间延伸。假定电极402和404由非磁材料制成，那么磁场线
410将无扰动地延伸经过电极402和404，如图所示。沿着垂直中央线，磁线406具有合适的定向——精确地沿着Y轴（完全垂直）。由于与X轴平行的磁极412和414的窄宽度，ExB质量过滤器的物理孔径内的磁场线408可以被视为向外膨胀，远离中央线。这种膨胀由磁
2
场减小与在容积内积分的B（其中B ≠ 0）成比例的总存储能量的趋势引起。离轴更远，诸如对于磁线410，这种膨胀甚至更显著。从图4中清楚可见，B场线408不满足合适ExB质量分离的准则，即，局部B场线不垂直于局部E场线（参见图5）。
410将无扰动地延伸经过电极402和404，如图所示。沿着垂直中央线，磁线406具有合适的定向——精确地沿着Y轴（完全垂直）。由于与X轴平行的磁极412和414的窄宽度，ExB质量过滤器的物理孔径内的磁场线408可以被视为向外膨胀，远离中央线。这种膨胀由磁
2
场减小与在容积内积分的B（其中B ≠ 0）成比例的总存储能量的趋势引起。离轴更远，诸如对于磁线410，这种膨胀甚至更显著。从图4中清楚可见，B场线408不满足合适ExB质量分离的准则，即，局部B场线不垂直于局部E场线（参见图5）。
[0040] 图5是图4所示的现有技术维恩质量过滤器400中的电场线506、508和510的示意。对电极402施加正电压并对电极404施加负电压——这生成了导向该图的左侧的大体水平的E场，如图所示。磁极412和414均施加有0 V偏压，与质量过滤器400上的0 V共模电压相对应。沿着X轴，E场线506是完全水平的——与图4的比较示出：作为结果，沿着X轴，满足一个ExB操作准则：E场是完全水平的，而B场（参见图4）是完全垂直的——这些场是垂直的。沿着Y轴，E场线是水平的，这是由于ExB质量过滤器具有关于Y轴的双边对称性——由此沿着Y轴，还满足垂直性准则。附加问题在于：为了在电力与磁力之间合适地抵消以允许无偏转地透射所期望的离子种类，还必须使E和B场的量值具有合适比率——这是除两个场之间的垂直性的需求以外的。正如对于B场那样，E场展示了向外膨胀2
以减小与在容积内积分的E（其中E ≠ 0）成比例的电场中的总存储能量的趋势。由于磁场和电场的膨胀，从图4和5的比较中可见，沿着Y轴，磁场在中央（X轴和Y轴的交点）处最弱，并向着磁极412和414增大。电场展现了沿X轴的相同行为：在中央处最弱，并向着电极402和404增大。由此，甚至沿着E和B场满足ExB垂直性需求的X轴和Y轴，场强是变化的，与合适ExB操作的准则相反。最远的电场线510“短路”至磁极412和414中，如图所示——这不是显著的，原因在于经质量过滤的离子束将离轴不如场线510那么远。
以减小与在容积内积分的E（其中E ≠ 0）成比例的电场中的总存储能量的趋势。由于磁场和电场的膨胀，从图4和5的比较中可见，沿着Y轴，磁场在中央（X轴和Y轴的交点）处最弱，并向着磁极412和414增大。电场展现了沿X轴的相同行为：在中央处最弱，并向着电极402和404增大。由此，甚至沿着E和B场满足ExB垂直性需求的X轴和Y轴，场强是变化的，与合适ExB操作的准则相反。最远的电场线510“短路”至磁极412和414中，如图所示——这不是显著的，原因在于经质量过滤的离子束将离轴不如场线510那么远。
[0041] ExB质量分离的E和B场准则本发明的一些实施例提供了用于改善满足合适ExB质量分离的两个准则时的上述困难的结构：
1）E场和B场应当垂直，其中E场被导向为与X轴平行而B场被导向为与Y轴平行。
1）E场和B场应当垂直，其中E场被导向为与X轴平行而B场被导向为与Y轴平行。
[0042] 2）E场和B场应当在所有点处具有相同强度比B / E，以便磁力抵消电力以施加至相同荷质比的离子。
[0043] 为了在合适质量过滤的情况下使离子最大化透射通过质量过滤器（即，各处相同荷质比的力抵消），必须在最大可能孔径上满足这两个准则。图6和7示意了本发明的磁场和电场，分别与现有技术的图4和5相对应。
[0044] 示例#1的电场——仅质量分离图6是根据以上示例#1的本发明的实施例600的磁场线606、608和610的示意。上（北）极612和下（南）极614被视为与ExB质量过滤器的物理孔径相比宽得多，其中“物理孔径”被定义为穿过由电极604和606以及磁极612和614的四个内表面包围的质量过滤器的物理开口。在图7中示出了本发明的可以使磁极更宽的原因。由于更宽的磁极612和
614，物理孔径的边缘附近的磁场线608与Y轴平行，如对于中央处的B场线606那样。与图7的比较示出了：在物理孔径的大部分上满足ExB垂直性准则。尽管对于B场线610仍发生B场膨胀，但是这种膨胀处于物理孔径之外，由此不对质量过滤器600的操作有影响。
在所有示例#1至#4中，磁场分布如图6所示。
614，物理孔径的边缘附近的磁场线608与Y轴平行，如对于中央处的B场线606那样。与图7的比较示出了：在物理孔径的大部分上满足ExB垂直性准则。尽管对于B场线610仍发生B场膨胀，但是这种膨胀处于物理孔径之外，由此不对质量过滤器600的操作有影响。
在所有示例#1至#4中，磁场分布如图6所示。
[0045] 图7是图6所示的本发明的实施例600中的电场线706和708的示意。通过电连接644来对电极602施加电压VA（在该示例中被示为正——参见图2），并且通过电连接648来对电极604施加电压VC（被示为负）。电压VA和VC之间的差生成了被导向至该图的左侧的大体水平的E场。如图2中所述，磁极612和614由电阻性材料制成。通过电连接654来对极612的右末端652施加电压VB1（参见图2）。类似地，分别通过电连接658、
664和668来对极612和614的末端656、662和666施加电压VB2、VD1和VD2。VB1与VB2之间的差生成了在水平方向上经过磁极612的电流710，由于极612是电阻性的，因此电流
710通过欧姆定律来在极612的内表面上生成线性电压梯度。由于VD1与VD2之间的电压差，类似的考虑对电阻性磁极614成立。图6和7适用于以上示例#1，其中不存在向对质量分离所需的E场添加的X-Y偏转偶极或消像散四极场。
664和668来对极612和614的末端656、662和666施加电压VB2、VD1和VD2。VB1与VB2之间的差生成了在水平方向上经过磁极612的电流710，由于极612是电阻性的，因此电流
710通过欧姆定律来在极612的内表面上生成线性电压梯度。由于VD1与VD2之间的电压差，类似的考虑对电阻性磁极614成立。图6和7适用于以上示例#1，其中不存在向对质量分离所需的E场添加的X-Y偏转偶极或消像散四极场。
[0046] 示例#2的电场——质量分离和Y轴偏转图8和9示意了如以上示例#2中那样针对本发明的ExB质量过滤器内的Y轴波束偏转添加偶极E场的效果。图8仅示出了用于生成Y轴偏转偶极场的所添加的E场和电压极性。如以上示例#2中所讨论，由于E场叠加，因此我们可以与ExB质量过滤器的质量分离操作所需的X轴E场的效果分离地考虑该所添加的Y轴偶极E场的效果。在Y轴上，E场
806将与Y轴平行，从而给出完全垂直的波束偏转。由于导通电极602和604的效果而离轴的E场线808将稍微膨胀开，如图所示——这将导致与所期望的完全Y轴偏转的小偏离。
为了仅生成该偏转E场，分别通过电连接654和658来对磁极612的两个末端652和656施加电压+VY，并且分别通过电连接664和668来对磁极614的两个末端662和666施加电压-VY（参见以上示例#2中的公式）。至于仅生成Y轴偶极E场（即，忽略ExB X轴E场），电极602和604上的电压将为0 V，分别通过电连接644和648而施加。
806将与Y轴平行，从而给出完全垂直的波束偏转。由于导通电极602和604的效果而离轴的E场线808将稍微膨胀开，如图所示——这将导致与所期望的完全Y轴偏转的小偏离。
为了仅生成该偏转E场，分别通过电连接654和658来对磁极612的两个末端652和656施加电压+VY，并且分别通过电连接664和668来对磁极614的两个末端662和666施加电压-VY（参见以上示例#2中的公式）。至于仅生成Y轴偶极E场（即，忽略ExB X轴E场），电极602和604上的电压将为0 V，分别通过电连接644和648而施加。
[0047] 图9示出了来自图7的X轴ExB E场和来自图8的Y轴偏转偶极E场的叠加。该示例中的组合E场具有X分量和Y分量，造成E场向下和向左倾斜，如图所示。本发明中的电极的操作的精确计算机建模指示了：对于比ExB操作所需的X轴E场更小的Y轴E场，可以实现相当好的E场均匀性，即，在物理孔径上，Y轴偏转可以相当均匀，而用于质量分离的合适X轴E场基本上不受Y轴E场的添加影响。由此，中央E场线906以及外部场线908和912将具有相对于X轴几乎相同的角度。在具有所添加的Y轴偶极E场的情况下，外部场线908可以终止910于电阻性磁极614上。其他外部场线912可以开始914于电阻性磁极612上。
[0048] 示例#3的电场——质量分离和消像散图10和11示意了如以上示例#3中那样针对本发明的ExB质量过滤器内的波束消像散添加四极E场的效果。图10仅示出了用于生成消像散四极场的所添加的E场和电压极性。如以上示例#3中所讨论，由于E场叠加，因此我们可以与ExB质量过滤器的质量分离操作所需的X轴E场的效果分离地考虑该所添加的四极场的效果。
[0049] 为了仅生成该四极E场，分别通过电连接654和658来对磁极612的两个末端6522
和656施加电压- (LY/LX1) Vstig，并且分别通过电连接664和668来对磁极614的两个
2
末端662和666施加相同电压——(LY/LX1) Vstig（参见以上示例#3中的公式）。至于仅生成四极E场（即，忽略ExB X轴E场），电极602和604上的电压将均为+ Vstig，分别通过电连接644和648而施加。
和656施加电压- (LY/LX1) Vstig，并且分别通过电连接664和668来对磁极614的两个
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末端662和666施加相同电压——(LY/LX1) Vstig（参见以上示例#3中的公式）。至于仅生成四极E场（即，忽略ExB X轴E场），电极602和604上的电压将均为+ Vstig，分别通过电连接644和648而施加。
[0050] 图11示出了来自图7的X轴ExB E场和来自图10的消像散四极E场的叠加。由场线1106、1108和1110示意的组合E场从极602稍微露出，并稍微更弱地进入极604——从对图10中的场方向的观察来看，这在直觉上合理。外部场线1110中的一些将终止于电阻性磁极612和614上，也从图10来看在直觉上合理。大多数场线仍开始和终止于电极602和604，如图7中那样，这是由于这里我们假定四极场强实质上低于ExB操作所需的X轴双极E场。
[0051] 极612和614之间的典型B场强度可以处于从3000至6000高斯的范围内，更优选地处于从4000至5000高斯的范围内。对极602和604施加的典型电压（VA和VC）可以处于从1000至5000 V的范围内，更优选地处于从2000至3500 V的范围内。根据图2中的公式，与电压VA和VC成比例地缩放对极612和614的末端施加的典型电压。与X轴平行的电极602和604的间距可以处于从5至20 mm的范围内，更优选地处于从10至15 mm的范围内。与Y轴平行的磁极612和614的间距可以处于从5至20 mm的范围内，更优选地处于从10至15 mm的范围内。轴向长度（即，与Z轴平行的电和磁极长度）可以处于从15至80 mm的范围内，更优选地处于从25至40 mm的范围内。
[0052] 本发明的实施例的聚焦离子束镜筒图3示意了离子镜筒302，其包括：包括本发明的两个ExB质量过滤器的维恩质量过滤器304；均如图1和2中那样配置的上ExB过滤器306U和下ExB过滤器306L。在同时提交的Aberration-Corrected Wien ExB Mass Filter with Removal of Neutrals from the Beam中描述了这种系统。从液态金属离子源（LMIS）的尖端314发射离子370——这里仅出于示例目的示出了LMIS源，并且备选地可以与本发明一起使用其他类型的离子源，诸如电感耦合等离子体（ICP）离子源。然后，离子370被上透镜306聚焦到平行或大致平行的波束
310中。在完全平行的波束310中，可以沿光学轴380将波束310内的个体离子轨迹外插回到负无穷大处的虚拟源（未示出）。“大致平行的”波束是以下波束：其中虚拟源不必处于负无穷大处，但外插的离子轨迹仍在同离子镜筒302的总体长度相比离源尖端（上方或下方）更远至少几倍的位置与光轴380交叉。上ExB过滤器306U包括电极314U、场终止板316U以及磁场源，该磁场源包括两个磁极318U（示出了一个）。电极314U产生该图的平面中的电场，由箭头320U指示（从左侧的正电极314U指向右侧的负电极314U——由此，正离子上的电力将向着右侧）。磁场源产生从该图伸出的磁场，由圆322U指示（使正离子上的磁力向左）。下ExB过滤器306L包括电极314L、场终止板316L以及磁场源，该磁场源包括两个磁极318L（示出了一个）。上和下ExB场是如图3所示配置的。电极314L产生电场，由该图的平面中的箭头320L指示，与上ExB过滤器306U中的电场320U在量值上相等且在方向上相反。下ExB过滤器306L中的磁场源产生进入该图的磁场，如交叉322L指示，与上ExB过滤器306U中的磁场322U在方向上相反且在量值上相等。下ExB过滤器306L与上ExB过滤器306U对称，典型地具有相同结构并产生相反方向且相等量值的电场和磁场。
310中。在完全平行的波束310中，可以沿光学轴380将波束310内的个体离子轨迹外插回到负无穷大处的虚拟源（未示出）。“大致平行的”波束是以下波束：其中虚拟源不必处于负无穷大处，但外插的离子轨迹仍在同离子镜筒302的总体长度相比离源尖端（上方或下方）更远至少几倍的位置与光轴380交叉。上ExB过滤器306U包括电极314U、场终止板316U以及磁场源，该磁场源包括两个磁极318U（示出了一个）。电极314U产生该图的平面中的电场，由箭头320U指示（从左侧的正电极314U指向右侧的负电极314U——由此，正离子上的电力将向着右侧）。磁场源产生从该图伸出的磁场，由圆322U指示（使正离子上的磁力向左）。下ExB过滤器306L包括电极314L、场终止板316L以及磁场源，该磁场源包括两个磁极318L（示出了一个）。上和下ExB场是如图3所示配置的。电极314L产生电场，由该图的平面中的箭头320L指示，与上ExB过滤器306U中的电场320U在量值上相等且在方向上相反。下ExB过滤器306L中的磁场源产生进入该图的磁场，如交叉322L指示，与上ExB过滤器306U中的磁场322U在方向上相反且在量值上相等。下ExB过滤器306L与上ExB过滤器306U对称，典型地具有相同结构并产生相反方向且相等量值的电场和磁场。
[0053] 离子310包括如图所示的四个不同离子种类：低质量离子330、下中质量离子332、上中质量离子334和上质量离子336。低质量离子330、上中质量离子334和上质量离子336撞击质量分离孔径板340并且不经过孔径342向下至下透镜308。下中质量离子332经过上ExB过滤器306U和下ExB过滤器306L，如图所示。然后，离子332经过质量分离孔径342并被下透镜308聚焦到衬底表面312上。在现有技术中，典型地对ExB过滤器进行调谐以无偏转地通过所期望的离子（在该示例中为中下质量）。在图3的实施例中，对所期望的离子进行偏转以经过孔径342，并且不期望的离子中的一些（在该示例中为中上质量334）与中性粒子346一起未被偏转并撞击孔径板340。其他不期望的离子被磁场偏转得太大（例如低质量330）或太小（例如高质量336）而无法经过孔径342。
[0054] 中性粒子346未被ExB质量过滤器304中的电场和磁场偏转，由此笔直经过从而撞击质量分离孔径板340，这是由于孔径板340中的孔342（其定义了ExB过滤器304的出口轴）以一定量326从ExB过滤器304的入口轴380偏移。尽管图3的示意图并未清楚地示出不存在针对未被透镜306偏转的中性粒子的通往衬底312的路径，但是实际系统的几何结构通过本领域技术人员熟知的各种装置（诸如，上ExB过滤器306U的入口处的孔径和/或质量过滤器304以下的镜筒中某处的孔径）消除了这种路径。
[0055] 尽管以上描述了在聚焦离子束（FIB）镜筒中使用的质量过滤器，但是还可以将质量过滤器与包括电子（其中ExB过滤器可以用作单色器以降低波束310中的电子能量扩展度）和带电粒子团的任何带电粒子束一起使用。
[0056] 尽管以上描述将电阻性材料（例如，极靴612和614）表征为磁极靴，但是在备选实施例中，电阻性材料可以附着至磁极靴612和614的表面。在又一实施例中，电阻性材料可以通过绝缘层附着至极靴612和614的表面。在这两个备选实施例中，电连接（诸如654、658、664和668）将附着至电阻性材料的末端，以提供电压VB1、VB2、VD1和VD2，如图2中所述。
[0057] “物理孔径”的备选术语是“过滤区”，强调了质量过滤的过程发生在物理孔径内。尽管这里将ExB过滤器表征为质量过滤器，但是由于磁力与速度成比例并且电力与速度无关，因此对电力和磁力进行平衡的ExB需求由此是速度过滤功能。由此在对电子束镜筒的应用中（诸如在扫描电子显微镜（SEM）、透射电子显微镜（TEM）或扫描透射电子显微镜（STEM）中），本发明的ExB过滤器可以用作速度过滤器以使电子束镜筒内的电子的能量范围变窄。
[0058] 根据本发明的一方面，一种带电粒子束过滤器包括：第一电极集合，用于提供过滤器内的第一电场；磁极集合，用于提供过滤器内且与所述电场垂直的磁场；电阻性导体集合；以及所述电阻性导体中的每一个上的第二电极集合，所述第二电极集合中的每一个使电流在对应的电阻性导体上流动以在对应的电阻性导体上产生电势梯度，这两个电阻性导体一起提供过滤器内的第二电场方向，第二电场具有与第一电场方向不平行的分量。
[0059] 根据本发明的一些实施例，所述电阻性导体集合包括所述磁极集合。
[0060] 根据本发明的一些实施例，所述电阻性导体集合包括附着至磁极的层集合。
[0061] 根据本发明的一些实施例，所述电阻性导体集合包括通过绝缘层附着至磁极的层集合。
[0062] 根据本发明的一些实施例，所述磁极集合中的每一个磁极延伸至所述第一电极集合中的电极之外。
[0063] 根据本发明的一些实施例，除任何消像散或偏转场以外，沿第一电场极的电场方向的每个坐标处的物理孔径中的电势和磁极的内表面上的每个点处的电势相同。
[0064] 根据本发明的一些实施例，所述第二电场是与所述磁场平行定向的偶极场。
[0065] 根据本发明一些实施例，所述第二电场是四极场。
[0066] 根据本发明的一方面，一种聚焦离子束镜筒包括：离子源；第一透镜，用于从所述源接收离子；根据前述权利要求中任一项所述的质量过滤器；以及第二透镜，用于将离开所述质量过滤器的离子聚焦到工件表面上。
[0067] 根据本发明的一些实施例，所述离子源是等离子体离子源或液态金属离子源。
[0068] 根据本发明的一些实施例，聚焦离子束还包括第二质量过滤器，所述第二质量过滤器校正来自第一质量过滤器的色差。
[0069] 根据本发明的另一方面，一种对离子进行过滤的方法包括：在过滤区中提供第一电场的源；在所述过滤区中提供磁场的源，所述磁场与所述电场垂直；在所述过滤区中提供第二电场的源，所述第二电场具有与所述磁场平行的分量，所述第二电场的源是能够与所述第一电场的源无关地调整的；以及通过所述过滤区来导向具有各种荷质比的离子，以分离具有不同荷质比的离子。
[0070] 在本发明的某个实施例中，在所述过滤区中提供第二电场的源包括：在作为所述磁场的源的一部分的磁极靴上提供电流。
[0071] 在本发明的某个实施例中，在所述过滤区中提供第二电场的源包括：在附着至作为所述磁场的源的一部分的磁极靴的电阻性导体上提供电流。
[0072] 在本发明的某个实施例中，在所述过滤区中提供第二电场的源包括：提供电场以偏转离子束。
[0073] 在本发明的某个实施例中，在所述过滤区中提供第二电场的源包括：提供第二电场，所述第二电场形成用于校正离子束的消像散的四极场的一部分。
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