JP2012243767A - Ｅ×ｂウィーンフィルタの磁場分布を制御するための方法及び構造 - Google Patents

Abstract

【課題】Ｅ×Ｂウィーン質量フィルタにおいて、質量フィルタの入射側及び出射側エンドキャップでの磁場分布を調整するための方法及び構造を提供する。
【解決手段】戻り経路の磁束の磁気抵抗は、入射側及び出射側エンドキャップの外径に設けられたスロット内に複数の磁気シムを設けることによって、さらに、入射側及び出射側アパーチャを囲む円形の磁束ダム内に複数の磁気プラグシムを設けることによって、変更可能である。磁場を完全に機械的に調整することの利点としては、従来の電磁石の調整方法と比較して、高い信頼性、簡素化、低コスト及び消費電力の節約を含む。質量分離の磁場を生成するため、永久磁石及び電磁石のいずれかを用いることができる。
【選択図】図７

Description

本発明は、荷電粒子ビームシステムに関し、特にイオンビームシステムのための質量フィルタに関する。

いくつかの集束イオンビーム（ＦＩＢ）カラムは、複数のイオン種を放出するイオン源を使用するように設計されている。基板上に集束されるイオンビームについて、これらのイオン種のうち一つだけを選択するため、ＦＩＢカラムには、通常、質量フィルタが含まれる。質量フィルタの一種である「ウィーンフィルタ」は、交差する電場と磁場（Ｅ×Ｂ）を用い、不要なイオン種を軸外に偏向させ、それによって不要なイオン種を質量分離アパーチャに衝突させる。このタイプのフィルタは「Ｅ×Ｂフィルタ」とも称される。電場と磁場の相対的な強度は、所望のイオン種が偏向されないで質量フィルタを通過し、次いで質量分離アパーチャを通過し、最終的には基板表面上に集束するように設定される。

イオンはウィーンフィルタの「物理的アパーチャ」内を通過する。これは電極と磁極の面で囲まれた領域である。理想的には、磁場の大きさと電場の大きさとは、質量フィルタを貫くビーム軸全体に沿って同じ比率となることが好ましい。一般的に、従来技術では、この場の整合という目的を達成するために、各種の電極及び磁極片の構成が採用されているが、質量フィルタの入射口及び出射口で電場と磁場の両方を終端するエンドキャップの近傍において適切な場の比率を維持することは難しい。一般的に、エンドキャップは小さなアパーチャを有し、それを介してイオンビームが質量フィルタに入射し、質量フィルタから出射する。アパーチャ内で反転する電場も、ピークとなる余分なＥ場もないように、Ｅ場を滑らかに終端させることは、理想的な電気伝導率を有するいずれかの金属製エンドキャップを用いれば、比較的容易である。反対に、磁性材料は、比例する電気伝導率（空気又は真空中）よりもはるかに低い透磁率を有するため、アパーチャ内で負のオーバーシュートや余分なＢ場のピークがないようにＢ場を終端することはずっと困難であることが分かっている。

入射側及び出射側アパーチャを含む質量フィルタの軸方向の長さ全体にかけてＥ場とＢ場の分布のより良い整合を得るために、Ｅ×Ｂ質量フィルタの入射側及び出射側アパーチャ内及びその近傍のＢ場分布を調整することができる改善された方法及び装置が必要である。Ｅ場に対してＢ場を調整するような場合、Ｂ場を調整するためにＥ×Ｂ質量フィルタに追加される電磁石電源及び電磁コイルを必要としないで、完全に機械的に実施されることが望ましい。

米国特許第４７８９７８７号明細書

したがって、本発明の目的は、集束イオンビームシステムに使用するための改善されたＥ×Ｂウィーン質量フィルタを提供することである。本発明の好ましい実施形態によるＥ×Ｂフィルタは、磁場分布を機械的に調整する構造及び方法を提供し、電場と磁場のより良い整合を実現するような入射側及び出射側アパーチャを提供し、それによってエンドキャップ近傍と入射側及び出射側アパーチャ内を含むＥ×Ｂフィルタの長さ全体にかけて、対向する電気力と磁気力とを一致させる。さらに本発明の目的は、エンドキャップと磁極片との間のより接近した内部間隔を実現することによって、本発明の好ましい実施形態にしたがって設計されたＥ×Ｂ質量フィルタの長さを短縮可能にすることである。

上記は、以下に記載された本発明の詳細な説明をより良く理解するために本発明の特徴と技術的利点を概説したものである。その他の本発明の特徴と利点は以下に説明する。当業者によれば、ここに開示された概念及び特定の実施形態は、本発明と同様の目的を達成するために、改良や他の構成に変形する基礎として容易に利用できるものと理解される。また、当業者は、かかる均等な構成についても、添付された特許請求の範囲に記載された発明の趣旨と範囲から逸脱しないものと理解する。

本発明の一実施形態によれば、荷電粒子ビームの質量フィルタは、質量フィルタ内で電場を形成する電極の組みと、前記質量フィルタ内で前記電場に直交する磁束を形成する磁石の組みと、前記電極及び磁石を保持し、前記磁束の戻り経路を形成するヨークと、ビームを前記質量フィルタに入射させる入射側アパーチャを含み、自己と前記ヨークとの間の磁気抵抗を機械的に調整可能である入射側エンドキャップと、前記ビームを前記質量フィルタから出射させる出射側アパーチャを含み、自己と前記ヨークとの間の磁気抵抗を機械的に調整可能である出射側エンドキャップと、を備える。

本発明の一実施形態によれば、荷電粒子ビームの質量フィルタは、質量フィルタ内で電場を形成する電極の組みと、質量フィルタ内で電場に直交する磁束を形成する磁石の組みと、電極及び磁石を保持し、磁束の戻り経路を形成するヨークと、ビームを質量フィルタに入射させる入射側アパーチャを含み、自己の外縁には第１の溝があり、自己とヨークとの間の磁気抵抗を調整するように第１の溝に複数の磁気シムが設けられる入射側エンドキャップと、ビームを質量フィルタから出射させる出射側アパーチャを含み、自己の外縁には第２の溝があり、自己とヨークとの間の磁気抵抗を調整するように第２の溝に複数の磁気シムが設けられる出射側エンドキャップと、を備える。

本発明の一実施形態では、荷電粒子ビームの質量フィルタは、入射側エンドキャップとヨークとの間の磁気抵抗が磁気シムを使用して調整され、出射側エンドキャップとヨークとの間の磁気抵抗が磁気シムを使用して調整される。本発明の一実施形態では、磁気シムが入射側及び出射側アパーチャ内の磁場を大幅に低減するように構成される。本発明の一実施形態では、磁気シムが入射側及び／又は出射側アパーチャ内の磁場の方向を変更するように構成される。そして、本発明の一実施形態では、磁気シムが入射側及び出射側アパーチャ内の磁場を質量フィルタ内の最大の磁束の１％未満の大きさに低減するように構成される。

本発明の一実施形態では、荷電粒子ビームの質量フィルタは、入射側アパーチャを囲む入射側磁束ダムと、入射側アパーチャ内の磁場の方向及び大きさを調整するように入射側磁束ダムに設けられる複数の磁気プラグシムと、出射側アパーチャを囲む出射側磁束ダムと、出射側アパーチャ内の磁場の方向及び大きさを調整するように出射側磁束ダムに設けられる複数の磁気プラグシムと、を備える。本発明の一実施形態では、入射側及び出射側アパーチャ内の磁場の大きさが質量フィルタ内の最大の磁束の１％未満の大きさに調整される。本発明の一実施形態では、磁気シム及び磁気プラグシムが、Ｅ×Ｂフィルタの全長にわたって、対向する電気力と磁気力とを等しくするように使用可能である。そして、本発明の一実施形態では、質量フィルタ内の磁場の調整は、質量フィルタを形成するいずれの構成要素の材料も変更せずに達成可能である。

本発明の一実施形態では、磁石の組みは、永久磁石の組みを含む。そして、本発明の一実施形態では、磁石の組みは、電磁石の組みを含む。

本発明の一実施形態によれば、荷電粒子ビームの質量フィルタの入射側及び出射側アパーチャ内の磁場を機械的に調整する方法は、（ａ）質量フィルタ内で電場を形成する電極の組みと、質量フィルタ内で電場に直交する磁束を形成する磁石の組みと、電極及び磁石を保持し、磁束の戻り経路を形成するヨークと、ビームを質量フィルタに入射させる入射側アパーチャを含み、自己とヨークとの間の磁気抵抗を機械的に調整可能である入射側エンドキャップと、ビームを質量フィルタから出射させる出射側アパーチャを含み、自己とヨークとの間の磁気抵抗を機械的に調整可能である出射側エンドキャップと、を備える荷電粒子ビームの質量フィルタを準備し、（ｂ）入射側アパーチャ内又はその近傍の磁場を測定する磁場測定装置を設定し、（ｃ）入射側アパーチャ内又はその近傍で測定された磁場が質量フィルタ内の最大の磁束の１％未満に低減されるように、入射側エンドキャップとヨークとの間の磁気抵抗を機械的に調整し、（ｄ）出射側アパーチャ内又はその近傍の磁場を測定する磁場測定装置を設定し、（ｅ）出射側アパーチャ内又はその近傍で測定された磁場が質量フィルタ内の最大の磁束の１％未満に低減されるように、出射側エンドキャップとヨークとの間の磁気抵抗を機械的に調整することを含む。

荷電粒子ビームの質量フィルタの入射側及び出射側アパーチャ内の磁場を機械的に調整する方法は、さらに入射側アパーチャを囲む入射側磁束ダムと、入射側磁束ダム内に設けられる複数の磁気プラグシムと、出射側アパーチャを囲む出射側磁束ダムと、出射側磁束ダム内に設けられる複数の磁気プラグシムと、備える荷電粒子ビームの質量フィルタにおいて、さらに、入射側アパーチャ内又はその近傍の磁場の方向及び大きさを測定する磁場測定装置を設定し、入射側アパーチャ内の磁場の方向及び大きさを調整するように入射側磁束ダム内の磁気プラグシムを機械的に設定し、出射側アパーチャ内又はその近傍の磁場の方向及び大きさを測定する磁場測定装置を設定し、出射側アパーチャ内の磁場の方向及び大きさを調整するように出射側磁束ダム内の磁気プラグシムを機械的に設定することを含む。

本発明とその利点をより完全に理解するため、添付の図面と併せて以下の説明を参照されたい。

添付の図面は、正しい縮尺で描かれるように意図されたものではない。図面中、同一の又はほぼ同一の構成は、様々な形状で表現されているが、同様の数字によって代表されている。分かりやすくするため、全ての図面において、全ての構成が表記されているわけではない。

従来のＥ×Ｂ質量フィルタの四分の一切欠き等角投影図である。 従来のＥ×Ｂ質量フィルタの磁気回路を示す側断面図である。 従来のＥ×Ｂ質量フィルタの入射側エンドキャップの概略平面図である。 従来のＥ×Ｂ質量フィルタの入射側エンドキャップの概略側断面図である。 図２に示された磁気回路に等価な電気回路である。 従来のＥ×Ｂ質量フィルタにおける軸方向のＢ場分布を計算したグラフであり、入射側及び出射側アパーチャのＢ場がギャップ間磁場に対して反対の方向となる。 従来のＥ×Ｂ質量フィルタにおける軸方向のＢ場分布を計算したグラフであり、入射側及び出射側アパーチャのＢ場がギャップ間磁場と同じ方向となる。 本発明の好ましい実施形態によるＥ×Ｂ質量フィルタの四分の一切欠き等角投影図である。 本発明の好ましい実施形態によるＥ×Ｂ質量フィルタの磁気回路を示す側面断面図である。 本発明の好ましい実施形態によるＥ×Ｂ質量フィルタの入射側エンドキャップの概略平面図である。 本発明の好ましい実施形態によるＥ×Ｂ質量フィルタの入射側エンドキャップの概略側断面図である。 図８に示された磁気回路に等価な電気回路である。 本発明の好ましい実施形態によるＥ×Ｂ質量フィルタの軸方向のＢ場分布を計算したグラフである。

本発明の好ましい実施形態は、磁場分布を機械的に調整するための方法及び構造を提供し、電場と磁場とのより良い整合を達成するようなＥ×Ｂ質量フィルタの入射側及び出射側アパーチャを提供し、それによって、エンドキャップの内面と磁極片の端部との間、及び入射側及び出射側アパーチャ内を含むＥ×Ｂフィルタの全長にかけて、対向する電気力と磁気力とを一致させることができる。本発明によるＥ×Ｂ質量フィルタの入射側及び出射側エンドキャップの外側の外縁は、ラジアルスロットを有する厚型リングで構成されることが好ましい。そのラジアルスロット内に磁気シムを取り付けてもよく、エンドキャップ内の二つの磁束分布が釣り合うように調整することもできる。（１）質量フィルタの外側の戻りの経路に対応する磁束について、この磁束の大部分が磁極片間に広がる磁束からなり、質量フィルタを通過したイオンに作用する力を生じさせる。（２）磁極片の端部からエンドキャップへの「漏れ」に対応する磁束について、この磁束は、質量フィルタのイオンビーム偏向作用に寄与しないので、実質的に「無駄」となる。これら二つの磁束分布は、一般的にエンドキャップ内の入射側及び出射側アパーチャの近傍で反対方向に流れるものである。

さらに、エンドキャップの近傍及びアパーチャ内のＢ場の機械的な調整が、入射側及び出射側アパーチャの両方を囲む円形の磁束ダム内で磁気プラグシムを使用して実施される。本発明の好ましい実施形態では、電磁コイル又は電源を必要とせず、完全に機械的なＢ場の調整を可能とする。本発明の好ましい実施形態において永久磁石及び電磁石のいずれの場合にもＢ場の漏れが生じるので、この利点は、本発明の好ましい実施形態において磁極片を励磁するために電磁石を用いる場合に対しても適用される。エンドキャップの近傍及びアパーチャ内部のＢ場を完全に機械的に調整すれば、従来の電磁石の方法と比較して、簡素化、低コスト、消費電力の節約及びＢ場の高い安定性（電源の変動が存在しないため）を含む利点がある。リアルタイムでのＢ場の調整は、エンドキャップのラジアルスロット内の磁気シムの数量、位置及び組成（すなわち、透磁率）、並びに、入射側及び出射側アパーチャを囲む磁束ダム内の磁気プラグシムの数量、位置及び組成（すなわち、透磁率）を調整しながら、入射側及び出射側アパーチャにおけるＢ場を検出するガウスメーターを使用して実施することができる。「Ｂ場の調整」は、磁場の大きさを低減すること（好ましくは、ピークの大きさの１％未満の値とすること）、並びに、磁場の方向を変えることの両方を含む。磁気シムを使用すると、後述するように、方向（＋又は−）を変更することができる。一方、磁気プラグシムを使用すると、入射側及び出射側アパーチャ内及びその近傍で任意の角度に磁場の方向を偏向することができる。磁場が様々な方向にシフトすることがあることを出願人が実験的に見出したことは非常に重要であり、これはおそらく質量フィルタ構成材料の不均一性に起因するものと考えられる。

このように、本発明の実施形態では、従来の典型的な質量フィルタ及び集束イオンビームシステムに対して、一つ以上の利点を提供する。すべての実施形態がすべての利点を提供するわけではない。本発明の一実施形態では、イオン種の質量電荷比に基づいてビーム中のイオン種を分離することができるＥ×Ｂ質量フィルタを提供する。本発明の一実施形態では、機械的に変更可能な磁場分布を提供することができる。本発明の一実施形態では、入射側及び出射側アパーチャ内で機械的に変更可能な磁場を提供する。本発明の一実施形態では、入射側及び出射側アパーチャ内及びその近傍の磁場の大きさを機械的に制御することを提供する。

本発明の方法及び構造をより完全に説明するために、従来のＥ×Ｂウィーンフィルタについてここでより詳細に説明する。Ｅ×Ｂウィーンフィルタ設計において、適切なＥ×Ｂ質量分離のための二つの基準がある。
（１）Ｅ場とＢ場は直交しなければならない。
（２）Ｅ場とＢ場とは、同一の質量電荷比のイオンに適用される磁気力によって電気力を打ち消すために、すべての点で、同じ強度比Ｂ／Ｅを有するものでなければならない。

適切な質量フィルタリングによって質量フィルタを通過するイオンを最大とするため（すなわち、いずれにおいても同一の質量電荷比によって力を打ち消すため）、可能な限り大開口のアパーチャ、可能な限り質量フィルタの軸方向の長さにかけて（理想的には入射側アパーチャから出射側アパーチャまでのフィルタを貫くすべての経路）、これら二つの基準を満たすことが望ましい。質量フィルタを通過するイオンビームの軌道の一部でこれらの二つの基準が満足されない範囲では、光学的な収差とビームのずれが増大し、これらは両方とも質量フィルタひいては質量フィルタを備える集束イオンビームシステムの性能を低下させてしまう。

図１は、従来のＥ×Ｂ質量フィルタ１００の四分の一切欠き等角投影図である。断面Ａ−Ａについては図２に示されている。磁極片１０２は、セラミック絶縁体１０４に取付けられており、セラミック絶縁体１０４は、磁石１０６（ネオジム−鉄−ボロン（NdFeB）若しくはサマリウム−コバルト（SmCo）の合金磁石、又はその他の類似の強力な永久磁石など）に取付けられている。他の実施形態では、ここに示されている永久磁石１０６を電磁コイルに置き換えてもよい。磁石１０６（通常は一組であるがこの切欠き図１００では一方のみ表示されている）は、典型的には比較的高飽和の磁性材料（ニッケル−鉄（例えば、NiFe43又はNiFe48）など）で構成されるヨーク１０８に取り付けられる。

図１では、質量分離を受けるイオンビームは、入射側エンドキャップ１２２のアパーチャ１２４を介して質量フィルタ１００に入射する。種々の質量分離を受けるイオンビームは、出射側エンドキャップ１２６のアパーチャ１２８を介して質量フィルタ１００から出射する。一般に、非選択のイオン種（すなわち、これらの種は試料上に集束するイオンビームにおいて望まれない）の偏向角度は、Ｅ場の軸（図１の左下から右上）に沿って偏向される。ほとんどの場合、この偏向によれば、これらの非選択イオンビームが出射側アパーチャ１２８を通過することが十分に少なくなり、Ｅ×Ｂ質量フィルタの下方の質量分離アパーチャ（図示せず）によって阻止することができる。選択イオンビームは、ほぼ、出射側アパーチャ１２８の中心を通過し、次いで、試料上に集束する。イオンビームの質量分離を実行する磁場は、二つの磁極片１０２の内面の間に形成される。これらの「ギャップ間磁場」２２４が図２に示される。

電場は、Ｂ場２２４に対して垂直方向に、電極１４２の組みの間に形成される。電極は、図示された実施形態では、絶縁体１４６を抑える取付ネジ１４４（ヨーク１０８に螺合する）によって内側方向に抑え込まれている。ヨーク１０８及びハウジング１１８のクリアランスホールを通じて放射状に外側方向に延びるロッド１４８を介して、電極１４２への電気的接続が作用する。ロッド１４８は、外側端部にコロナ防止用ボール１５４を有する。本願に示されている電極及び磁極片の構成は、参照により援用する米国特許第４７８９７８７号（１９８８年１２月６日登録）に記載された構成に対応するものである（当該特許文献の図４Ａ及び４Ｂ参照）。

入射口側スペーサ１３０及び出射口側スペーサ１３２は、各々、ヨーク１０８からエンドキャップ１２２及び１２６を離隔する。スペーサ１３０の材料選択によって、入射側エンドキャップ１２２内を放射状に流れる磁束（一般的にはイオンビームに対して垂直）と、ヨーク１０８内を軸方向に流れる磁束（一般的にはイオンビームに対して平行）との間の磁気結合の強さ（図４の磁気抵抗４３２及び４３４）が決定される。同様に、スペーサ１３２の材料選択によって、出射側エンドキャップ１３２内を放射状に流れる磁束と、ヨーク１０８内を軸方向に流れる磁束との間の磁気結合の強さ（図４の磁気抵抗４８２及び４８４）が決定される。スペーサ１３０及び１３２は、磁気結合が小さくなる（すなわち、図４の磁気抵抗４３２、４３４、４８２及び４８４の値が大きくなる）ように、アルミニウム又は３００シリーズステンレス鋼などの非磁性材料から製造されてもよい。スペーサ１３０及び１３２は、磁気結合が大きくなる（すなわち、磁気抵抗４３２、４３４、４８２及び４８４の値が小さくなる）ように、NiFe43、NiFe48又は４００シリーズアルミニウムなどの磁性材料から製造されてもよい。

一般に図１に示したようなＥ×Ｂ質量フィルタ１００では、スペーサ１３０及び１３２の材料選択が限られていることから、望ましいレベルの磁気結合を正確に達成することは困難又は不可能である。本発明の目的は、エンドキャップ１２２と１２６とヨーク１０８の間の磁気結合が望ましいレベルの磁気結合（図１０の可変の磁気抵抗１０３２、１０３４、１０８２、１０８４、１０１０及び１０６０）を達成するように、機械的に変更可能な調整手段を提供することである。

ハウジング１１８は、エンドキャップ１２２及び１２６、スペーサ１３０及び１３２、及びヨーク１０８を共に圧着するクランプリング１２０（ネジ１５６によって螺合）で、ヨーク１０８を囲い込む。Ｅ×Ｂ質量フィルタの下方には、Ｅ×Ｂ質量フィルタ１００から発生するビーム偏向誤差の補正に使用されるＸＹビーム偏向器１８２が設けられる。

図２は、従来のＥ×Ｂ質量フィルタの磁気回路を示すＡ−Ａ側断面図２００である。矢印２０２〜２３４は、ギャップ、磁性材料及び磁石内の磁束の分布を示す。Ｂ場２２４は、Ｅ×Ｂ質量フィルタを通過するイオンビームに作用し、一般的には二つの電極１４２（図１に示す）の間の電場によって誘導される電気力に近い又は同じ大きさで反対の方向の磁気力をイオンに与える。磁束２２２及び２２６は、磁極片１０２とヨーク１０８との間にあって、磁石１０６及び絶縁体１０４を貫く。入射側エンドキャップ１２２内では、磁束２０２及び２０６は、常に左方向へ流れ、磁気回路の外側を流れる両方の戻り磁束（return flux）の方向に対応し、さらに、漏れ磁束（leakage flux）２２８と２３０とを磁石１０６の外側の端で繋げる。同様に、出射側エンドキャップ１２６内では、磁束２０８及び２１２は、常に左方向へ流れ、磁気回路の外側を流れる両方の戻り磁束の方向に対応し、さらに、漏れ磁束２３２と２３４とを磁石１０６の外側の端で繋げる。磁束２１４及び２１８は、入射側エンドキャップ１２２とヨーク１０８との間を繋ぎ、スペーサ１３０を介して通過する。磁束２１６及び２２０は、出射側エンドキャップ１２６とヨーク１０８との間を繋ぎ、スペーサ１３２を介して通過する。

入射側エンドキャップ１２２は十分な電気伝導率を有するので、Ｅ場は、かなり急に終端する傾向にあり、通常アパーチャ１２４内ではＥ場がほとんどない。適切なＥ×Ｂ操作のためにＢ場強度はＥ場に比例（軸上のいずれにおいても同一の比率）しなければならないので、Ｂ場も同様にアパーチャ１２４内で強さがほぼゼロに降下するものとしなければならない。同様の考慮事項がエンドキャップ１２６のアパーチャ１２８内の磁束２１０にも当てはまる。

しかしながら、図２では、入射側アパーチャ１２４内には左方向を指す磁束２０４が現れている。このことは、磁石１０６からの戻り磁束２０２及び２０６の量が漏洩磁束２２８及び２３０（エンドキャップ１２２内を右方向に流れる）を超えることを意味する。したがって、ギャップ間磁場２２４と、磁束２０４との間には、Ｂ場の反転が存在する（図５のディップ５１０参照）。もし磁束２０４が右方向を指していた場合、磁石１０６からの戻り磁束２０２及び２０６の量が漏れ磁束２２８及び２３０よりも少ないことを意味する。この場合、ギャップ間磁場２２４と磁束２０４との間には磁束の反転がないものと考えられる（図６のピーク６１０参照）。しかしながら、入射側エンドキャップ１２２の機能は、Ｂ場及びＥ場の両方を、理想的にはＥ×Ｂ質量フィルタの軸に沿った距離の関数として減少するほぼ同一の比率で終端することであり、それによって、正しいＢ／Ｅ比を維持することができる。

いくつかの条件下では、スペーサ１３０及び１３２を製造する際の異なる材料選択によって、磁束２０４及び２１０の方向を制御することが可能かもしれないが、磁束２０４及び２１０がほとんどなくなるように、戻り磁束とギャップ間の磁束とを正確に一致させることは通常は困難である。磁束２０４及び２１０の方向と大きさを調整するため、別のオプションとして、エンドキャップ１２２及び１２６を製造する際の材料選択が可能である。適切な透磁率を有する適正な材料の例としては、合金ＳＳ４３０などの４００シリーズステンレス鋼を含む。しかしながら、これらの解決策は、以下に説明する本発明の実施形態よりもはるかに限定されたものであり柔軟性もない。

図３Ａは、図１及び図２の従来のＥ×Ｂ質量フィルタ１００のアパーチャ１２４を有する入射側エンドキャップ１２２の概略平面図３００である。入射側エンドキャップ１２２内部及びアパーチャ１２４両端の磁束分布は、矢印３０２、３０４及び３０６によって示される。通常はエンドキャップ１２２内の右から左への均一な磁束分布となるところ、アパーチャ１２４は、磁束線をかき乱す。しかしながら、磁束線３０２については、アパーチャ１２４から十分に離れており、ごく小さな乱れしか現れない。アパーチャ１２４に近い磁束線３０４ついては、図示のようにアパーチャ１２４の周囲を取り囲むような大きな乱れを有する。アパーチャ１２４の両端では、磁束３０６は、上述したとおり、磁石１０６から流れる戻り磁束２０２及び２０６と、磁極片１０２の端部からの漏洩磁束２２８及び２３０との間の釣り合いによって決定される大きさを持ったおおよそ均一な分布を有する。図３Ｂは、従来のＥ×Ｂにおけるアパーチャ１２４を有する入射側エンドキャップ１２２の概略のＢ−Ｂ側面断面３５０である。
アパーチャ１２４内の磁束３０６は、従来の質量フィルタ１００におけるＢ場がエンドキャップ１２２によって適切に終端されていないことを示す。

図４は、図２に示された磁気回路に等価な電気回路４００である。この回路図では、抵抗には、図１及び図２のＥ×Ｂ質量フィルタの各種素子の磁気抵抗に対するそれぞれの対応が付されている。電源４０２及び４０４は、二つの磁石１０６の残留磁気（ｒｅｍａｎｅｎｃｅ）を表す電圧Ｖ₀を有する。Ｒ_gap４０６は、イオンが通過するＥ×Ｂの物理的なアパーチャに対応する磁極片１０２の間のギャップの磁気抵抗を表す。Ｒ_yoke４１６は、磁石１０６によって誘導され図２の左側磁石１０６の右側から右側磁石１０６の左側へ向かう磁束の大部分を伝えるヨーク１０８の磁気抵抗を表す。Ｒ_spacer1４３２及びＲ_spacer2４３４は、各々、図２の入射側エンドキャップ１２２の左端及び右端のスペーサ１３０の両端の磁気抵抗に対応する。同様に、Ｒ_spacer3４８２及びＲ_spacer4４８４は、各々、図２の出射側エンドキャップ１２６の左端及び右端のスペーサ１３２の両端の磁気抵抗に対応する。Ｒ_aperture1４０８及びＲ_endcap1４１０は並列であって、各々、入射側アパーチャ１２４の両端の磁気抵抗及び（入射側エンドキャップ１２２内の）アパーチャ１２４の周りの磁気抵抗を表わす。Ｒ_aperture2４５８及びＲ_endcap2４６０は並列であって、各々、出射側アパーチャ１２８の両端の磁気抵抗及び（出射側エンドキャップ１２６内の）アパーチャ１２８の周りの磁気抵抗を表す。最後に、四つの抵抗Ｒ_leak1４１２、Ｒ_leak2４１４、Ｒ_leak3４６２及びＲ_leak4４６４は、磁極片１０２の端部と二つのエンドキャップ１２２及び１２６の内面との間の磁気抵抗を表す。

８個の電位のノード４２０、４２２、４２４、４２６、４２８、４３０、４７４及び４７６は図４に示されており、そこでは、例えば、ノード４２０の電位はＶ₄₂₀などと表記される。電流についても同様に表記され、例えば、抵抗Ｒ_gap４０６を流れる電流はＩ₄₀₆などである。Ｅ×Ｂ質量フィルタでは、（磁極片１０２の間のギャップでの最大のＢ場に対して、アパーチャ１２４及び１２８内のＢ場を可能な限り小さい割合に低減させるように）スペーサ１３０及び１３２の材料選択がなされることから、Ｒ_spacer1４３２、Ｒ_spacer2４３４、Ｒ_spacer3４８２及びＲ_spacer4４８４を除いたすべての磁気抵抗は、Ｅ×Ｂ質量フィルタの設計に際してあらかじめ決定されている。また、磁石１０６の強度（Ｖ₀）は、磁石材料（例えば、ネオジム−鉄−ボロン、サマリウム−コバルト又はアルニコ）の選択によってあらかじめ決定される。後述の分析を簡単にするために、以下のように仮定、定義する。
Ｒ_endcap1＝Ｒ_endcap2＝Ｒ_endcap （式１）
Ｒ_aperture1＝Ｒ_aperture2＝Ｒ_aperture （式２）
Ｒ_spacer1=Ｒ_spacer2=Ｒ_spacer3=Ｒ_spacer4＝Ｒ_spacer （式３）
Ｒ_leak1＝Ｒ_leak2＝Ｒ_leak3＝Ｒ_leak4＝Ｒ_leak （式４）
また、対称性により、以下のように仮定できる。
Ｖ₄₂₀＝−Ｖ₄₂₂＝（Ｉ₄₀₆Ｒ_gap）／２＝Ｖ_A （式５）
Ｖ₄₂₆＝Ｖ₄₇₆＝−Ｖ₄₂₄＝−Ｖ₄₇₄
＝（Ｉ₄₀₈Ｒ_aperture）／２＝（Ｉ₄₁₀Ｒ_endcap）／２＝Ｖ_Ｂ （式６）
Ｖ₄₃₀＝−Ｖ₄₂₈＝（Ｉ₄₁₆Ｒ_yoke)／２＝Ｖ_Ｃ （式７）
Ｖ₄₃₀−Ｖ₄₂₆=Ｖ_Ｃ−Ｖ_Ｂ＝Ｉ₄₃₄Ｒ_spacer （式８）
Ｖ₄₂₆−Ｖ₄₂₂=Ｖ_Ｂ−（−Ｖ_A）＝Ｖ_Ｂ＋Ｖ_A＝Ｉ₄₁₄Ｒ_l （式９）

磁極片１０２の間のギャップでの最大のＢ場に対して可能な限り小さい割合となるようにアパーチャ１２４及び１２８内のＢ場を低減するには、電流Ｉ₄₀₈及びＩ₄₅₈が、各々、両方とも回路図４００からほぼゼロでなければならならず、Ｒ_aperture及びＲ_endcapの両端のいずれにも電圧降下が存在せず、以下の式が成り立つ。
Ｖ_B＝０， （式１０）
Ｉ₄₀₈＝Ｉ₄₁₀＝Ｉ₄₅₈＝Ｉ₄₆₀＝０， （式１１）
Ｉ₄₁₂＝Ｉ₄₃₂＝Ｉ₄₁₄＝Ｉ₄₃₄＝Ｉ₄₆₂＝Ｉ₄₈₂＝Ｉ₄₆₄＝Ｉ₄₈＝Ｉ₁， （式１２）
Ｉ₄₀₆＝Ｉ₄₁₆＝Ｉ₂． （式１３）
式１２及び式１３からＩ₁とＩ₂を式５及び式７に代入すると以下が得られる。
Ｖ_A＝（Ｉ₂Ｒ_gap）／２， （式１４）
Ｖ_C＝（Ｉ₂Ｒ_yoke）／２． （式１５）
式１０からＶ_Bを、式１２及び１３からＩ₁とＩ₂を、式８及び式９に代入すると以下が得られる。
Ｖ_A＝Ｉ₁Ｒ_leak， （式１６）
Ｖ_C＝Ｉ₁Ｒ_spacer． （式１７）
式１４と式１５の比は、式１６と式１７の比と等しいので以下が得られる。
Ｖ_A／Ｖ_C＝Ｒ_gap／Ｒ_yoke＝Ｒ_leak／Ｒ_spacer. （式１８）
そして、Ｒ_spacerについて解くと以下が得られる。
Ｒ_spacer＝（Ｒ_leakＲ_yoke）／Ｒ_gap （式１９）

このように、式１８によれば、ギャップの磁気抵抗対ヨークの磁気抵抗の比が、漏れの磁気抵抗（すなわち、磁極片の端部とエンドキャップとの間の磁気抵抗）対スペーサの磁気抵抗の比に等しくなければならないことが示されている。スペーサ１３０及び１３２とエンドキャップ１２２及び１２６の材料選択や設計においては可能な限り厳密に式１９を満足するものとすべきであるが、しかしながら、従来では、式１９を満足することは、通常、所望の磁気特性を有する磁性材料の選択が限られているため実現していない。
一般的には以下が成り立つ（磁石１０６が効率的に使用された場合）。
Ｒ_gap＞＞Ｒ_yoke. （式２０）
そして、式１８から
Ｒ_leak＞＞Ｒ_spacer, （式２１）
ここで、式２１の不等性は、可能性のあるスペーサ設計の定性的な指標として有用であり、式１９に挿入されるギャップ、ヨーク及び漏れの磁気抵抗の計算又は測定が与えられる。式２０及び式２１は、磁石ヨーク及びスペーサを設計する際の定性的な指標として有用となることもある。

非対称な入射口及び出射口の幾何構造（スペーサ及び／又はエンドキャップ設計）を持たない本発明のＥ×Ｂ質量フィルタの場合、以下の式が成り立つ。
Ｒ_gap／Ｒ_yoke＝Ｒ_leak1／Ｒ_spacer1＝Ｒ_leak2／Ｒ_spacer2
＝Ｒ_leak3／Ｒ_spacer3＝Ｒ_leak4／Ｒ_spacer4． （式２２）

図５は、従来のＥ×Ｂ質量フィルタにおける軸方向のＢ場分布５０６を計算したグラフ５００である。図５の例は、スペーサの磁気抵抗が非常に小さい場合に相当し、磁石１０６からの戻り磁束（左方向へ流れる）が入射側及び出射側アパーチャの両方で右方向へ流れる漏れ磁束を超過することが可能になる。横（Ｘ軸）方向のＢ場５０４が、Ｚ軸（イオンビームが伝搬する＋Ｚ方向）に沿う軸上位置５０２に対してプロットされている。Ｂ場５１０及び５０８（図２の磁束２０４及び２１０にそれぞれ対応する）は、ギャップ間磁場５１２（図２の磁束２２４）とは対向する方向に反転する。入射側アパーチャ１２４はＺ軸上の０ｍｍの位置にあり、出射側アパーチャ１２８の中心は約４２ｍｍの位置にある。入射側アパーチャ１２４で、磁束２０４は、図２に示すように左に進む。０ｍｍの位置でのＢ場の負の窪み５１０は、入射側アパーチャ１２４内の磁場の反転に対応しており、Ｅ場とＢ場の間の好ましくない不整合を示す。出射側アパーチャ１２８での負の窪み５０８は図２に示される左方向へ進む磁束２１０に対応し、これもまた好ましくない不整合を示す。

図６は、従来のＥ×Ｂ質量フィルタの軸方向のＢ場分布６０６を計算したグラフ６００である。図６の例は、スペーサの磁気抵抗が非常に大きい場合に相当し、磁石１０６からの漏れ磁束（右方向へ流れる）が入射側及び出射側アパーチャの両方で左方向に流れる戻り磁束を超過することが可能になる。横（Ｘ軸）方向のＢ場６０４が、Ｚ軸（イオンビームが伝搬する＋Ｚ方向）に沿う軸上位置６０２に対してプロットされている。Ｂ場６１０及び６０８（各々、図２の磁束２０４及び２１０に対応する）は大きさを増すが、ギャップ間磁場（図２の磁束２２４）と同じ方向である。入射側及び出射側アパーチャは、図５のようにＺ軸上に配置されている。入射側アパーチャ１２４では、磁束２０４は右方向に進むことになる（図２に示す磁束２０４とは反対）。０ｍｍでのＢ場の正のピーク６１０は、入射側アパーチャ１２４内の場の集中に対応するものであり、Ｅ場とＢ場との好ましくない整合を示す。出射側アパーチャ１２８での正のピーク６０８は、右方向への磁束２１０に対応するものであり（図２に示す磁束２１０とは反対）、これもまたＥ場とＢ場との好ましくない整合を示す。図５と比較すれば、この例の場合の方がＥ場とＢ場との間の不一致が入射口１２４及び出射口１２８の両方の内部でかなり大きいことが示される（すなわち、ピーク６０８及び６１０は、窪み５０８及び５１０よりもずっと大きなＢ場の大きさを有する）。

図７〜図１１において説明される本発明では、エンドキャップにおける磁気シムの手段、及びエンドリングにおける磁気プラグシムの手段によって、上記の式１８の整合比に近づけることができ、このため、単にスペーサ１３０及び１３２、又はエンドキャップ１２２及び１２６の材料選択の手段によって実現可能なものよりも、Ｅ×Ｂの全長にわたって必要なＢ／Ｅ比を満たすためのはるかに優れた柔軟性を実現する。

図７は、本発明の好ましい実施形態を示すＥ×Ｂ質量フィルタ７００の四分の一切欠き等角投影図である。断面Ｃ−Ｃについては図８に示されている。磁極片７０２は、セラミック絶縁体７０４に取付けられており、セラミック絶縁体７０４は、磁石７０６（典型的にはネオジム−鉄−ボロン（NdFeB）若しくはサマリウム−コバルト（SmCo）の合金磁石、又はその他の類似の強力な永久磁石など）に取付けられている。本発明の範囲内の他の実施形態では、ここに示されている永久磁石７０６を電磁コイルに置き換えてもよい。磁石７０６（通常は一組であるがこの切欠き図７００では一方のみ表示されている）は、典型的には比較的高飽和の磁性材料（ニッケル−鉄（例えば、NiFe43又はNiFe48）など）で構成されるヨーク７０８に取り付けられる。

図７では、質量分離を受けるイオンビームは、入射側エンドキャップ７２２に取付けられた入射側リング７３０のアパーチャ７２４を介して質量フィルタ７００に入射する。種々の質量分離を受けるイオンビームは、出射側エンドキャップ７２６に取付けられた出射側リング７３２のアパーチャ７２８を介して質量フィルタ７００から出射する。一般に、非選択のイオン種（すなわち、これらの種は試料上に集束するイオンビームにおいて望まれない）の偏向角度は、Ｅ場の軸（図７の左下から右上）に沿って偏向される。ほとんどの場合、この偏向によれば、これらの非選択イオンビームが出射側アパーチャ７２８を通過することが十分に少なくなり、Ｅ×Ｂ質量フィルタの下方の質量分離アパーチャ（図示せず）によって阻止することができる。選択イオンビームは、ほぼ、出射側アパーチャ７２８の中心を通過し、次いで、試料上に集束する。イオンビームの質量分離を実行する磁場は、二つの磁極片７０２の内面の間に形成される。これらの「ギャップ間磁場」８２４が図８に示される。

電場は、Ｂ場８２４に対して垂直方向に、電極７４２の組みの間に形成される。電極は、図示された好ましい実施形態では、絶縁体７４６を抑える取付ネジ７４４（ヨーク７０８に螺合する）によって内側方向に抑え込まれている。ヨーク７０８及びハウジング７１８のクリアランスホールを通じて放射状に外側方向に延びるロッド７４８を介して、電極７４２への電気的接続が作用する。ロッド７４８は、外側端部にコロナ防止用ボール７５４を有する。ここに示された電極及び磁極片の構成は、参照により援用する米国特許第４７８９７８７号（１９８８年１２月６日登録）に記載された構成に対応するものである（当該特許文献の図４Ａ及び４Ｂ参照）。入射側エンドキャップ７２２は、図１に示した従来のＥ×Ｂ質量フィルタにおけるスペーサ１３０の代わりに厚型外周リング７９２を有する。外周リング７９２は、外周リングの軸方向の磁気抵抗を増加するように作用するラジアルスロット７５０を有する。外周リング７９２の軸方向の磁気抵抗を低減するため、磁気シム７９０がスロット７５０に挿入されてもよい。シム７９０の数量、位置及び透磁率は機械的に調整可能であるので、広いレンジにかけて小刻みに、外周リング７９２の磁気抵抗を変化させることが可能であり、それによって、図１に示すような従来技術のＥ×Ｂ質量フィルタで達成可能なものよりもずっと精細なエンドキャップの磁気抵抗の調整が可能となる。同様の考慮事項が、厚型外周リング７９４及び磁気シム７９６を有する出射側エンドキャップ７２６のラジアルスロット７５６にも当てはまる。

ハウジング７１８は、エンドキャップ７２２及び７２６、及びヨーク７０８を共に圧着するクランプリング７２０（ネジ７５７によって螺合）で、ヨーク７０８を囲い込む。Ｅ×Ｂ質量フィルタの下方には、Ｅ×Ｂ質量フィルタ７００から発生するビーム偏向誤差の補正に使用されるＸＹビーム偏向器７８２が設けられる。偏向器７８２は、本発明の一部ではない。

図１及び図２の従来の質量フィルタとは対照的に、本発明による質量フィルタ７００は、Ｂ場分布とＥ場分布とのより厳密な整合を実現する。このより良い整合は、機械的に変更可能な磁気抵抗１０１０、１０６０、１０３２、１０３４、１０８２、及び１０８４（図１０参照）によって可能となる。

図８は、本発明の好ましい実施形態を示すＥ×Ｂ質量フィルタの磁気回路のＣ−Ｃ側面断面図８００である。矢印８０２〜８３４は、ギャップ、磁気材料及び磁石内の磁束の分布を示す。Ｂ場８２４は、Ｅ×Ｂ質量フィルタを通過するイオンビームに作用し、一般的には二つの電極７４２（図７では一つ）の間の電場によって誘導される電気力に近い又は同じ大きさで反対の方向の磁気力をイオンに与える。磁束８２２と８２６は、磁極片７０２とヨーク７０８との間にあって、磁石７０６及び絶縁体７０４を貫く。入射側エンドキャップ７２２及び入射側リング７３０内では、磁束８０２及び８０６は、常に左方向へ流れ、磁気回路の外側を流れる両方の戻り磁束の方向に対応し、さらに、漏れ磁束８２８と８３０とを磁石７０６の外側の端で繋げる。同様に、出射側エンドキャップ７２６及び出射側リング７３２内では、磁束８０８及び８１２は、常に左方向に流れ、磁気回路の外側を流れる両方の戻り磁束の方向に対応し、さらに、漏れ磁束８３２と８３４と磁石７０６の外側の端で繋げる。磁束８１４及び８１８は、入射側エンドキャップ７２２とヨーク７０８との間を繋ぎ、エンドキャップ７２２の外周リング７９２、さらにラジアルスロット７５０内のいずれかの磁気シム７９０を通過する。磁束８１６及び８２０は、出射側エンドキャップ７２６とヨーク７０８との間を繋ぎ、エンドキャップ７２６の外周リング７９４、さらにラジアルスロット７５６内のいずれかの磁気シム７９６を通過する。

ここで、入射側リング７３０内の入射側アパーチャ７２４内部のＢ場を検討する。上述した従来技術の質量フィルタとは異なり、本発明による質量フィルタでは、入射側及び出射側アパーチャ内の磁場の向きと大きさは、電場と磁場とを一致させるように調整することができ、それによって、Ｅ×Ｂフィルタ長にわたって、対向する電気力と磁気力とを等しくすることができる。図８に示すように、入射側アパーチャ７２４内のＢ場を打ち消すように、磁気シム７９０の数量、配置及び透磁率が設定され、そのため、アパーチャ７２４を横切る磁束が現れない（図２の磁束２０４と比較）。以下の図９Ａ、９Ｂ及び１０の検討では、入射側アパーチャ７２４内のＢ場の低減を達成するための構造及び方法について説明する。

上述したように、入射側エンドキャップ７２２及び入射側リング７３０の機能は、Ｂ場とＥ場の両方を、理想的には、Ｅ×Ｂ質量フィルタの軸に沿った距離の関数として減少するほぼ同一の比率で終端させることであり、これによって、正しいＢ／Ｅ比を維持することができる。入射側エンドキャップ７２２及び入射側リング７３０が十分な電気伝導率を有するので、Ｅ場はかなり急に終端する傾向にあり、通常アパーチャ７２４内にはＥ場がほとんどない。適切なＥ×Ｂ操作のためには、Ｂ場強度はＥ場に比例（軸上のいずれにおいても同一の比率）するものとすべきであり、したがって、Ｂ場も同様にアパーチャ７２４内で強さがほぼゼロに降下するものとしなければならない。同様の考慮事項が、エンドキャップ７２６に取付けられた出射側リング７３２のアパーチャ７２８内部のＢ場にも当てはまる。上述した従来技術の質量フィルタとは異なり、本発明の好ましい実施形態では、入射側アパーチャ７２４及び出射側アパーチャ７２８内のＢ場は、Ｅ場に比例するように、ほぼゼロの強さに降下するように形成することができる。ここに記載された本発明を利用し、適当な材料選択によって入射側エンドキャップ７２２、出射側エンドキャップ７２６、入射側リング７３０、出射側リング７３２、磁気シム７９０、及び磁気シム７９６を製造すると、入射側アパーチャ７２４及び出射側アパーチャ７２８内のＢ場を、磁極片７０２の間のギャップでのＢ場の最大値１１１２の１％未満に打ち消すことが可能となる（図１１参照）。エンドキャップ、リング及びシムに好ましい材料の例としては、４００シリーズステンレス鋼（特にＳＳ４３０合金）などの適度な透磁率を有する材料を含む。

このように、本発明によれば、Ｅ×Ｂの入射口と出射口でのＥ場とＢ場の適切な整合を達成するための機械的な方法と構造が可能となる。当業者によく知られているとおり、より良い整合でＥ×Ｂ質量フィルタの収差が低減し、また、質量フィルタから出射するビームのより良いアライメントが可能となる。図９Ａ、９Ｂ及び１０の検討では、入射側アパーチャ７２４内のＢ場の低減を達成するための構造及び方法について説明する。出射側アパーチャ７２８内でも同じＢ場の低減が達成される。

図９Ａは、本発明の好ましい実施形態のＥ×Ｂ質量フィルタの入射側エンドキャップ７２２、入射側リング７３０及びプラグシム９０６の概略平面図９００である。入射側エンドキャップ７２２及び入射側リング７３０内の磁束分布が図８の矢印８０２及び８０６によって示されている。上述したように、入射側エンドキャップ７２２、入射側リング７３０及びシム７９０の数量、形状及び材料の適切な選択で、アパーチャ７２４内の磁場が、磁極片７０２の間のギャップにおけるＢ場の最大値の１％未満に低減する可能性がある。図９Ａ及び９Ｂは、Ｂ場の大きさと方向の両方を含む、アパーチャ７２４内のＢ場全体をさらに制御可能にする本発明の好ましい実施形態のいくつかの追加の構成要素を示す。

入射側リング７３０は、入射側エンドキャップ７２２とは異なる材料で構成されてもよい。入射側リング７３０内では、図９Ａ及び９Ｂに示すように、磁束ダム９０２がアパーチャ７２４の壁９０４を取り囲み、磁束の一部に対して高い磁気抵抗の障壁を形成する（通常磁束線９１４はアパーチャ７２４に近接して通過する（例えば、図３Ａの磁束線３０４参照））。磁束線９１２は、磁束ダム９０２から遠くにあり、このため、入射側エンドキャップ７２２及び入射側リング７３０内で右から左方向への真っすぐな流れからわずかしか偏向しない。いくつかの場合では、アパーチャ７２４内及びその近傍でのＥ場とＢ場との最適な整合のために、Ｂ場がいくらか局所的に偏向することが望ましく、例えば、磁石７０６が（一般的に起こるように）非対称的に励磁するように製造されたＥ×Ｂ質量フィルタにおいて、Ｂ場の方向を補正するが可能である。

図９Ａ及び９Ｂに示されるように、磁気プラグシム９０６が磁束ダム９０２の様々な部分に挿入されてもよい。磁気プラグシム９０６の材料選択では、典型的には、４００シリーズステンレス鋼などの軟磁性材料、又はニッケル−鉄合金などの高透磁率の磁性材料を用いることができる。プラグシム９０６は四つの円弧状セグメントとして示されているが、他の様々な形状が本発明の範囲内でもあり、薄いリング、より大きな角度で閉じられた円弧、周辺部に可変の厚みを有する円弧なども含んでよい。アパーチャ７２４内のＢ場を測定しながら磁束ダム９０２内に一つ又は複数の磁気プラグシム９０６を配置することによって、入射側リング７３０の近傍及びアパーチャ７２４内のＢ場を最適化するようなＥ×Ｂ質量フィルタのリアルタイムでの機械的な調整が実現する可能性がある。図９Ｂは、本発明の好ましい実施形態のＥ×Ｂ質量フィルタのアパーチャ７２４についての入射側エンドキャップ７２２及び入射側リング７３０の概略のＤ−Ｄ側断面図９５０である。

図１０は、図８に示された磁気回路に等価な電気回路１０００である。この概略図では、図４と同様に、抵抗には、図７及び８のＥ×Ｂ質量フィルタの各種素子に対するそれぞれの対応が付されている。電源１００２及び１００４は、二つの磁石７０６の残留磁気（ｒｅｍａｎｅｎｃｅ）を表す電圧Ｖ₀を有する。Ｒ_gap１００６は、イオンが通過するＥ×Ｂの物理的なアパーチャに対応する磁極片７０２の間のギャップの磁気抵抗を表す。Ｒ_yoke１０１６は、磁石７０６によって誘導され図８の左側磁石７０６の右側から右側磁石７０６の左側へ向かう磁束の大部分を伝えるヨーク７０８の磁気抵抗を表す。Ｒ_{flux valve 1}１０３２とＲ_{flux valve 2}１０３４は、厚型外周リング７９２の左右のラジアルスロット７５０（必要に応じて磁気シム７９０を含む）からなる二つの磁束バルブ（ｆｌｕｘ ｖａｌｖｅｓ）の両端の（調整可能な）磁気抵抗に対応する。同様に、Ｒ_{flux valve 3}１０８２とＲ_{flux valve 4}１０８４は、厚型外周リング７９４の左右のラジアルスロット７５６（必要に応じて磁気シム７９６を含む）からなる二つの磁束バルブの両端の（調整可能な）磁気抵抗に対応する。Ｒ_aperture1１００８及びＲ_endcap1１０１０は並列であって、各々、入射側アパーチャ７２４の両端の磁気抵抗、及び（入射側エンドキャップ７２２及び入射側リング７３０内の）アパーチャ７２４の周りの磁気抵抗を表わす。Ｒ_aperture2１０５８及びＲ_endcap2１０６０は並列であって、各々、出射側アパーチャ７２８の両端の磁気抵抗、及び（出射側エンドキャップ７２６及び出射側リング７３２内の）アパーチャ７２８の周りの磁気抵抗を表す。最後に、四つの抵抗Ｒ_leak1１０１２、Ｒ_leak2１０１４、Ｒ_leak3１０６２及びＲ_leak4１０６４は、磁極片７０２の端部と二つのエンドキャップ７２２及び７２６の内面との間の磁気抵抗を表す。８個の電位のノード１０２０、１０２２、１０２４、１０２６、１０２８、１０３０、１０７４及び１０７６は図８に示されており、そこでは、例えば、ノード１０２０の電位はＶ₁₀₂₀などと表記される。

図４での計算を図１０にも同様に適用する。図１０の磁気抵抗及び磁石に対応するように分かりやすく数値を置き換えた。図４と図１０との一つの違いは、四つの固定のスペーサの磁気抵抗Ｒ_spacer1、Ｒ_spacer2、Ｒ_spacer3及びＲ_spacer4が、四つの機械的に調整可能な磁束バルブの磁気抵抗Ｒ_{flux valve1}、Ｒ_{flux valve2}、Ｒ_{flux valve3}、及びＲ_{flux valve4}に置き換えられていることである。また、固定のエンドキャップの磁気抵抗Ｒ_{end cap 1}及びＲ_{end cap 2}も可変のエンドキャップの磁気抵抗に置換されている。入射側磁束バルブの磁気抵抗の調整は、ラジアルスロット７５０へ又はラジアルスロット７５０から、磁気シム７９０を挿入する又は除去すること、あるいは、ラジアルスロット７５０に異なる透磁率を有する磁気シム７９０を挿入することによって実施される。エンドキャップの磁気抵抗の調整は、磁束ダム９０２へ又は磁束ダム９０２から、磁気プラグシム９０を挿入する又は除去することによって、あるいは、磁束ダム９０２へ異なる透磁率を有する磁気プラグシム９０６を挿入することによって実施される。

図４から得られた結論、特に方程式１８及び式１９は、図１０にも適用され、Ｒ_spacerをＲ_{flux valve}に置き換えて変形させてもよい。
Ｖ_A／Ｖ_C＝Ｒ_gap／Ｒ_yoke＝Ｒ_leak／Ｒ_{flux valve}， （式２３）
Ｒ_{flux valve}＝（Ｒ_leakＲ_yoke）／Ｒ_gap． （式２４）

なお、式２３において、Ｒ_leak対Ｒ_{flux valve}の比は、個々の磁気抵抗の値ではなく、Ｅ×Ｂの場の整合において全体に関するものである。したがって、エンドキャップと磁極片との間隔を近づける（Ｒ_leakが小さくなる）ことは、（シム７９０及び７９６を調整すること又はシム７９０及び７９６をさらに追加することによって）Ｒ_{flux valve}を対応するように小さくできれば、実行可能である。エンドキャップと磁極片との間隔を近づければ、本発明の好ましい実施形態によるＥ×Ｂフィルタの全体的な長さを短縮することができる。

非対称な入射口及び出射口の幾何構造（スペーサ及び／又はエンドキャップ設計）を持つ本発明の好ましい実施形態のＥ×Ｂ質量フィルタの場合、以下の式が成り立つ。
Ｒ_gap／Ｒ_yoke＝Ｒ_{leak 1}／Ｒ_{flux valve 1}＝Ｒ_{leak 2}／Ｒ_{flux valve 2}
＝Ｒ_{leak 3}／Ｒ_{flux valve 3}＝Ｒ_{leak 4}／Ｒ_{flux valve 4}. （式２５）

図１１は、本発明の好ましい実施形態の軸方向のＢ場分布１１０６を計算したグラフ１１００である。横（Ｘ軸）方向のＢ場１１０４が、Ｚ軸（イオンビームが伝搬する＋Ｚ方向）に沿う軸上位置１１０２に対してプロットされている。質量フィルタの入射側では、Ｂ場１１１０がピーク値１１１２から０テスラに滑らかに降下し、図５のようには負のディップ５１０を持たず、図６のようには第２のピーク６１０も持たない。同様に、質量フィルタの出射側では、Ｂ場１１０８が０テスラに滑らかに降下し、図５のようには負のディップ５０８を持たず、図６のようには第２のピーク６０８も持たない。このように、グラフ１１００は、Ｅ場により近く一致するように入射側と出射側のＢ場を調整するための本発明の好ましい実施形態の有効性を示し、したがって最適なＥ×Ｂ操作のための場の整合基準を満たすのである。

本発明は、幅広い適用性を有しており、上記の例に記載され、示されたとおり、多くの利点を提供することができる。本実施形態は、特定の適用に応じて様々な変更が可能であるが、必ずしも全部の実施形態が、すべての利点を提供できるものではなく、本発明に従って達成できるすべての目的を満たすものでもない。本発明を実施するのに適した粒子ビームシステムは、例えば、本出願の譲受人であるＦＥＩ社から市販されている。

さらに、本発明の実施形態は、コンピュータハードウェア、ハードウェアとソフトウェアの組合わせによって、又は非一時的（ｎｏｎ−ｔｒａｎｓｉｔｏｒｙ）なコンピュータが読み取り可能なメモリに格納されたコンピュータ命令によって、実施可能であることを認識すべきである。本方法は、標準的なプログラミング技術を利用したコンピュータプログラム（コンピュータプログラムを伴って構成される非一時的なコンピュータが読み取り可能な記憶媒体であって、本明細書に記載された方法及び図面に従う特定の定義済みの方法でコンピュータを動作させるように構成された記憶媒体を含む）によって実施することができる。各プログラムは、コンピュータシステムと通信するために、高級の手続き型言語又はオブジェクト指向プログラミング言語によって実施可能である。ただし、プログラムは、必要に応じてアセンブリ言語又は機械語によって実施されてもよい。いずれの場合でも、言語はコンパイル言語又はインタープリタ言語であってよい。さらに、プログラムは、その目的のためにプログラムされた専用の集積回路上で実行することができる。

また、この方法は、いずれの形式のコンピュータプラットフォームでも実施可能である。これは特に限定されるものでなく、パーソナルコンピュータ、ミニコンピュータ、メインフレーム、ワークステーション、ネットワーク又は分散コンピューティング環境、分離しているコンピュータプラットフォーム、荷電粒子装置又は他の撮像素子と統合された又は通信可能な機器などを含む。本発明の態様は、記憶媒体又はデバイスに格納された機械可読コードにおいて実施でき、記憶媒体又はデバイスは、可搬式であってもよいし、コンピュータプラットフォームと一体であってもよく、例えば、ハードディスク、光学式読み取り・書き込み可能な記憶媒体、ＲＡＭ、ＲＯＭなどがある。すなわち、本明細書に記載の手順を実行するコンピュータによって記憶媒体又はデバイスが読み出されたとき、そのコンピュータを設定・動作させることができように、プログラムで制御できるコンピュータによって読み取り可能なものであればよい。さらに、機械可読コード又はその一部は、有線又は無線ネットワーク経由で送信することができる。本明細書に記載された発明は、マイクロプロセッサ又は他のデータプロセッサと協働して上記の手順を実行するための命令又はプログラムを含む場合、これら又はその他の各種のコンピュータ可読記憶媒体を含むものである。また、本発明は、本明細書に記載された方法及び技術に従ってプログラムされている場合、コンピュータそれ自体も含むものである。

コンピュータプログラムには、ここに記載された関数を演算するための入力データを適用することができ、出力データを生成するように入力データを変換することができる。出力情報は、ディスプレイモニターなどの一つ又は複数の出力デバイスに適用されてもよい。本発明の好ましい実施形態では、変換されたデータは、物理的な及び有形のオブジェクトを表すものであり、これらはディスプレイ上で物理的な及び有形のオブジェクトの特定の視覚的描写を生成することを含む。

本明細書中で使用される用語「Ｂ場」と「磁場」とは同じ意味で使用されている。用語「ＦＩＢ」又は「集束イオンビーム」は、本明細書中ではいずれのコリメートされたイオンビームも指すように使用されており、イオン光学系によって集束されるイオンビーム及び成形されたイオンビームも含む。また、「エンドキャップ内」、「エンドキャップ近傍」又は「アパーチャ近傍」の磁場についての議論では、エンドキャップ内面と、磁極片の端部と、アパーチャ入射口及び出射口内との間の領域を含むと理解される。

本発明及びその利点について詳細に説明したが、ここに記載された実施形態に対しては、添付された特許請求の範囲により定められる本発明の趣旨及び範囲から逸脱することなく、様々な変更、置換及び修正が可能であると理解されるべきである。さらに、本出願の範囲については、本明細書に記載されたプロセス、機械、製造物、組成物、手段、方法及びステップの特定の実施形態に限定されるものではない。当業者であれば、本発明、プロセス、機械、製造物、組成物、手段、方法又はステップの開示によって、既存の技術、又は本明細書に記載された実施形態に対応し、実質的に同じ機能を果たしたり、実質的に同じ効果を奏したりする将来技術についても、本発明に従って利用可能であると容易に理解することができる。したがって、添付された特許請求の範囲は、上記のようなプロセス、機械、製造物、組成物、手段、方法及びステップをその範囲に含むものである。

７００ Ｅ×Ｂ質量フィルタ
７０２ 磁極片
７０６ 磁石
７０８ ヨーク
７２２ 入射側エンドキャップ
７２４ 入射側アパーチャ
７２６ 出射側エンドキャップ
７２８ 出射側アパーチャ
７５０、７５６ ラジアルスロット
７９０、７９６ 磁気シム
９０２ 磁束ダム
９０６ 磁気プラグシム

Claims (20)

1. 質量フィルタ内で電場を形成する電極の組みと、
   前記質量フィルタ内で前記電場に直交する磁束を形成する磁石の組みと、
   前記電極及び磁石を保持し、前記磁束の戻り経路を形成するヨークと、
   ビームを前記質量フィルタに入射させる入射側アパーチャを含み、自己と前記ヨークとの間の磁気抵抗を機械的に調整可能である入射側エンドキャップと、
   前記ビームを前記質量フィルタから出射させる出射側アパーチャを含み、自己と前記ヨークとの間の磁気抵抗を機械的に調整可能である出射側エンドキャップと、を備えることを特徴とする荷電粒子ビームの質量フィルタ。
2. 前記入射側エンドキャップと前記ヨークとの間の磁気抵抗が磁気シムを使用して調整され、前記出射側エンドキャップと前記ヨークとの間の磁気抵抗が磁気シムを使用して調整されることを特徴とする請求項１に記載の荷電粒子ビームの質量フィルタ。
3. 前記磁気シムが前記入射側及び出射側アパーチャ内の磁場を大幅に低減するように構成されることを特徴とする請求項２に記載の荷電粒子ビームの質量フィルタ。
4. 前記磁気シムが入射側及び／又は出射側アパーチャ内の磁場の方向を変更するように構成されることを特徴とする請求項２に記載の荷電粒子ビームの質量フィルタ。
5. 前記磁気シムが前記入射側及び出射側アパーチャ内の磁場を前記質量フィルタ内の最大の磁束の１％未満の大きさに低減するように構成されることを特徴とする請求項２に記載の荷電粒子ビームの質量フィルタ。
6. 前記入射側アパーチャを囲む入射側磁束ダムと、
   前記入射側アパーチャ内の磁場の方向及び大きさを調整するように前記入射側磁束ダムに設けられる複数の磁気プラグシムと、
   前記出射側アパーチャを囲む出射側磁束ダムと、
   前記出射側アパーチャ内の磁場の方向及び大きさを調整するように前記出射側磁束ダムに設けられる複数の磁気プラグシムと、を備えることを特徴とする請求項１に記載の荷電粒子ビームの質量フィルタ。
7. 前記入射側及び出射側アパーチャ内の磁場の大きさが前記質量フィルタ内の最大の磁束の１％未満の大きさに調整されることを特徴とする請求項６に記載の荷電粒子ビームの質量フィルタ。
8. 前記磁気シム及び前記磁気プラグシムが、前記Ｅ×Ｂフィルタの全長にわたって、対向する電気力と磁気力とを等しくするように使用可能であることを特徴とする請求項６に記載の荷電粒子ビームの質量フィルタ。
9. 前記質量フィルタ内の磁場の調整は、前記質量フィルタを形成するいずれの構成要素の材料も変更せずに達成可能であることを特徴とする請求項６に記載の荷電粒子ビームの質量フィルタ。
10. 前記磁石の組みは、永久磁石の組みを含むことを特徴とする請求項１に記載の荷電粒子ビームの質量フィルタ。
11. 前記磁石の組みは、電磁石の組みを含むことを特徴とする請求項１に記載の荷電粒子ビームの質量フィルタ。
12. 質量フィルタ内で電場を形成する電極の組みと、
    前記質量フィルタ内で前記電場に直交する磁束を形成する磁石の組みと、
    前記電極及び磁石を保持し、前記磁束の戻り経路を形成するヨークと、
    ビームを前記質量フィルタに入射させる入射側アパーチャを含み、自己の外縁には第１の溝があり、自己と前記ヨークとの間の磁気抵抗を調整するように前記第１の溝に複数の磁気シムが設けられる入射側エンドキャップと、
    前記ビームを前記質量フィルタから出射させる出射側アパーチャを含み、自己の外縁には第２の溝があり、自己と前記ヨークとの間の磁気抵抗を調整するように前記第２の溝に複数の磁気シムが設けられる出射側エンドキャップと、を備えることを特徴とする荷電粒子ビームの質量フィルタ。
13. 前記磁気シムが前記入射側及び出射側アパーチャ内の磁場を大幅に低減するように構成されることを特徴とする請求項１２に記載の荷電粒子ビームの質量フィルタ。
14. 前記磁気シムが前記入射側及び出射側アパーチャ内の磁場を前記質量フィルタ内の最大の磁束の１％未満の大きさに低減するように構成されることを特徴とする請求項１２に記載の荷電粒子ビームの質量フィルタ。
15. 前記入射側アパーチャを囲む入射側磁束ダムと、
    前記入射側アパーチャ内の磁場の方向及び大きさを調整するように前記入射側磁束ダムに設けられる複数の磁気プラグシムと、
    前記出射側アパーチャを囲む出射側磁束ダムと、
    前記出射側アパーチャ内の磁場の方向及び大きさを調整するように前記出射側磁束ダムに設けられる複数の磁気プラグシムと、を備えることを特徴とする請求項１２に記載の荷電粒子ビームの質量フィルタ。
16. 前記入射側及び出射側アパーチャ内の磁場の大きさが前記質量フィルタ内の最大の磁束の１％未満の大きさに調整されることを特徴とする請求項１５に記載の荷電粒子ビームの質量フィルタ。
17. 前記磁気シム及び前記磁気プラグシムが、前記Ｅ×Ｂフィルタの全長にわたって、対向する電気力と磁気力とを等しくするように使用可能であることを特徴とする請求項１５に記載の荷電粒子ビームの質量フィルタ。
18. 前記質量フィルタ内の磁場の調整は、前記質量フィルタを形成するいずれの構成要素の材料も変更せずに達成可能であることを特徴とする請求項１５に記載の荷電粒子ビームの質量フィルタ。
19. 荷電粒子ビームの質量フィルタの入射側及び出射側アパーチャ内の磁場を機械的に調整する方法であって、
    （ａ）前記質量フィルタ内で電場を形成する電極の組みと、前記質量フィルタ内で前記電場に直交する磁束を形成する磁石の組みと、前記電極及び磁石を保持し、前記磁束の戻り経路を形成するヨークと、前記ビームを前記質量フィルタに入射させる入射側アパーチャを含み、自己と前記ヨークとの間の磁気抵抗を機械的に調整可能である入射側エンドキャップと、前記ビームを前記質量フィルタから出射させる出射側アパーチャを含み、自己と前記ヨークとの間の磁気抵抗を機械的に調整可能である出射側エンドキャップと、を備える荷電粒子ビームの質量フィルタを準備し、
    （ｂ）前記入射側アパーチャ内又はその近傍の磁場を測定する磁場測定装置を設定し、
    （ｃ）前記入射側アパーチャ内又はその近傍で測定された磁場が前記質量フィルタ内の最大の磁束の１％未満に低減されるように、前記入射側エンドキャップと前記ヨークとの間の磁気抵抗を機械的に調整し、
    （ｄ）前記出射側アパーチャ内又はその近傍の磁場を測定する磁場測定装置を設定し、
    （ｅ）前記出射側アパーチャ内又はその近傍で測定された磁場が前記質量フィルタ内の最大の磁束の１％未満に低減されるように、前記出射側エンドキャップと前記ヨークとの間の磁気抵抗を機械的に調整することを含むことを特徴とする方法。
20. 前記荷電粒子ビームの質量フィルタは、
    さらに、前記入射側アパーチャを囲む入射側磁束ダムと、
    前記入射側磁束ダム内に設けられる複数の磁気プラグシムと、
    前記出射側アパーチャを囲む出射側磁束ダムと、
    前記出射側磁束ダム内に設けられる複数の磁気プラグシムと、備え、
    前記方法は、
    さらに、入射側アパーチャ内又はその近傍の磁場の方向及び大きさを測定する磁場測定装置を設定し、
    前記入射側アパーチャ内の磁場の方向及び大きさを調整するように前記入射側磁束ダム内の磁気プラグシムを機械的に設定し、
    出射側アパーチャ内又はその近傍の磁場の方向及び大きさを測定する磁場測定装置を設定し、
    前記出射側アパーチャ内の磁場の方向及び大きさを調整するように前記出射側磁束ダム内の磁気プラグシムを機械的に設定することを含むことを特徴とする請求項１９に記載の方法。