JPH01503422A

JPH01503422A - 改良型ウィーンフィルター設計

Info

Publication number: JPH01503422A
Application number: JP63505149A
Authority: JP
Inventors: パーカー，ノーマン・ウィリアム
Original assignee: マイクロビーム・インコーポレーテッド
Priority date: 1987-05-27
Filing date: 1988-05-27
Publication date: 1989-11-16
Also published as: NL8820413A; GB2211656A; WO1988009559A1; GB2211656B; US4789787A

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるため要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】改良型ウィーンフィルター設計１、発明の技術分野本発明は、同一質量粒子用速度フイルター若しくはある範囲の質量粒子を含むビーム用の質量フィルターとしての使用を含む、改良型汎用ウィーンフィルターの設計に関する。

２、従来技術従来、交差型電磁界を用いた速度又は質量フィルター（ウィーンフィルター）が知られている。アール・ヘルツオーク著、１９３４、Ｖｏｌ、８９．ｐ４４７）およびダブりニー・ヘンネベルグ著、１９３４、アニ二アル　フィジックス、１９（５）巻、３３５頁（Ｈｅｎｎｅｂｅｒｇ、　Ｗ。

（１９３４）Ａｎｎ、Ｐｈｙｓ、　Ｖｏｌ、　１９（５）、ｐ３３５）を含む初期文献は、フィルターを速度分光計として機能させて電子のエネルギースペクトルを得るウィーンフィルターの使用に関するものである。また、Ｋ、Ｗ、オウジルピー、Ｒ９Ｊ、キットリッジ、Ｔ、Ｄ、ウイルカーソン共著（１９６８）レビュー・オブ・サイエンテイフ什ツク・インストルーメンツ、３９巻、４５９頁（Ｏｇｉｌｖｉｅ、）（、ｗ、、Ｋｉｔｔｒｉｄｇｅ。

Ｒ，Ｊ、、　Ｗｉｌｋｅｒｓｏｎ、　Ｔ、　Ｄ、　（１９６８）Ｒｅｖ、　Ｓ　ｃｉ、　１　ｎｓｔｒｕｍ、　Ｖｏｌ。

３９、ｐ４５９）は、重質量粒子分析用ウィーンフィルターに関するものであり、Ｒ，Ｌ、セリガー著（１９７２）ジャーナル・オブ・アプライド・フィジックス、４３巻、２３５２頁（Ｓ　ｅｌｉｇｅｒ、　Ｒ，Ｌ、（１９７２）Ｊ、Ａｐｐｌ、　Ｐｈｙｓ、　Ｖｏｌ、　４３．　ｐ２３５２は質量分析計に使用するウィーンフィルターと考えられる。

全ての応用においても、質量（速度）フィルターの有効口径の寸法は重要である。現在知られているウィーンフィルターを通過する物理的口径の範囲内ではあるが、有効口径外の粒子は、収差となり易く、これが速度または質量フィルターの動作モードのいずれにおいてもウィーンフィルターで達成しうる性能を制限する。

発明の概要本発明は交差型電磁場を利用したウィーンフィルターの設計の改良である。ウィーンフィルターの物理的口径は磁極および電極片で囲まれた空間として定義される。ウィーンフィルターの有効口径は、イオンビームが通過可能で、所望の質量（速度）分離を受け得る物理的口径の範囲内の領域である。従来技術では、磁極および電極片の設計構造により、その有効口径が実際の物理的口径の小部分に制限されている。本発明は有効口径をほぼ物理的口径の寸法にまで増大させる磁極および電極片の設計の改良である。

本発明の主要構成要素は、フェライトのような、低導電性磁性材料で作られた二つの磁極片を含む。これらの極片は装置の物理的口径の両側に相互に相対して配置されている。

また、本発明は、二つの電極片をも含み、これらは、電流が一方の電極片から他方の電極片へ磁極片を通って流れ得るように、相互に相対して、かつ、磁極片の縁と接触して装着するように設計されている。これらの電極片は装置の物理的口径の両側に磁極片に対して垂直に装着されている。磁極片間に物理的口径を横断する磁場を励起させる二つコイルが磁極片に隣接して、かつ、それから絶縁して配設されている。

所要電圧を電極片に伝導するワイヤおよび所要電流を磁極片に伝導するワイヤはこれらの部材に電気的に接続されている。

磁気ハウジングおよび取り付は構造体は、コイル、磁極片および電極片を固定構造で保持する。

本発明は、有効入射口径を物理的口径の一部として増大させることによって、ＥｘＢウィーンフィルターを通る帯電粒子の伝送を著しく増大させるものである。

これは、集束イオンビーム器械を用いるフォトマスク修復のような応用には大切な利点である。というのは、伝送の増大はＳ／Ｎ比を高め、より速いおよび／またはより良い撮像を可能にし、また、スパッタ除去行程の終点検出の向上を可能にするからである。

図面の簡単な説明第１図はウィーンフィルターの動作原理の説明図、第２図は従来のウィーンフィルターの動作を示す図、第３図は本発明の実施例に係るウィーンフィルターの動作を示す図、第４図は本発明の好ましい実施例を示す図である。

好ましい実施例の詳細な説明第１図はウィーンフィルターの動作原理を示す。この型式の質量（速度）フィルターは、フィルターを通過する帯電粒子に逆方向の力を作用させるため交差した電磁界を用いている。Ｘ−Ｙ−Ｚ直交座標系８を示しである。大きさＢの平等磁界１０はＹ軸に平行で負方向に向かっている。大きさＥの平等電界１２はＸ軸に平行で負の方向に向かっている。帯電粒子のビーム１４は、最初（磁界１０および電界１２に出会う前）Ｚ軸に平行で正方向に向けられ、電磁界を通る。電磁界１０．１２は、電磁界１０．１２の大きさが軌導１４に沿って常に同じ割合で、初期値Ｏガウス（Ｇ）、Ｏポルト／”センチメートル（Ｖ　／　ｃｘ）からある所定の最大値にまで増加し、次いで再びＯＧ、ＯＶ／ｃＩＮにまで減少するような空間に置かれている。磁界１０および電界１２は粒子のビーム１４に力を付与する。式１６は電界１２によりビーム１４に働く力を表わす。この力は、第１図にカベクトル１８で示すように、正（＋）の粒子について−Ｘ方同であることに注意されたい。

ウィーンフィルターを速度分離に使用する場合、ビーム１４に及ぼす磁力および電気力の前記説明が適用される。速度Ｖ（中心）を中心とする狭い範囲の速度（ ΔＶ）を有する帯電粒子（例えば、電子）のみを伝送するのが要求されるとすると、ΔＶ／Ｖ　（中心）　＜　ｌ　、、、、、、（式Ｉ）である。

そこで、Ｅ／Ｂ＝Ｖ（中心）／Ｃ、、、、、、（式Ｊ）に従って磁界および電界の強度の比を設定すると、速度Ｖ（中心）の帯電粒子は偏向されずにウィーンフィルターを通り抜ける。わずかに遅い粒子［Ｖ　＜　Ｖ　（中心）］は、電気力１８が磁力２２よりもわずかに大きいため、小さなネ・７トカを受ける。わずかに速い粒子［Ｖ＞■（中心）］は、磁力２２が電気力１８をわずかに超えるため、逆方向に小さなネット力を受ける。全ての速度く〉■（中心）の帯電粒子はＸ軸に平行な方向に磁界の強さＢに比例する角度でＺ軸外へ偏向させられる。

速度分離口径が電磁界から＋Ｚ方向の位置でＺ軸上にあれば、帯電粒子ビーム１４はウィーンフィルターを通過した後、速度分離口径に遭遇する。電磁界の強度の比が式Ｊに従って設定されていれば、速度Ｖ（中央値）の帯電粒子のみが偏向されずにウィーンフィルターを通って伝送される。磁界１０が十分に強ければ、所望の速度範囲（ΔＶ）外の粒子は、速度分離口径を通過し得ない十分に遠くのＺ軸外に偏向される。速度分離に用いるウィーンフィルターの動作は一般に当業者に理解されているところである。

式２０は磁界１０によるビーム１４への力を表わす。この力はビーム１４中の各帯電粒子の速度Ｖと磁界１０の強度Ｂとのベクトルのクロス積であることに注意されたい。■が初期に＋Ｚ方向でＢが−Ｙ方向である場合の入射ビーム１４については、このクロス積は、第１図に力ベクトル２２として示される＋Ｘ方向の力を与える。両方の力ベクトル１８．２２ともイオンの電荷ｎｅ（ｅは基本電荷１．６０２０９Ｘ１０”クーロンで、ｎはイオンの正味の全電荷で単位はｅである）に比例するので、二つの力の比は粒子電荷と無関係である。

Ｆ　ＩＩＩａｇ／　Ｆ　ｅｌｅ＝　［（Ｖ／Ｃ）Ｂコ／Ｅ　、、、、（式Ａ）力ベクトル１８．２２が大きさが等しければ、これらはＸ軸に平行な反対方向に向いているため、完全に相殺される。この同等性は式Ａ＝１、即ち、Ｅ／Ｂ＝Ｖ／Ｃ、、、、、、、、、（弐Ｂ）であるときに起こる。従って、ビーム１４がＶ＝Ｃ（Ｅ／Ｂ）　、、、、、、、、、（式Ｃ）（式中、Ｃは光速＝２．９９７９２５Ｘ　１０”ｃｍ／ｓｅｅである。）を満足する速１ｉＶを持っていれば、ビームはその最初の方向から偏向されずにウィーンフィルターを通り抜け、フィルターから出てＺ軸に平行に正方向に進む。粒子のビーム１４がその平均速度Ｖａｖに対して狭い速度の広がりΔＶを持っていれば、ΔＶ／　Ｖａｖ　＜　１　、、、、、、、、（式Ｄ）であり、電界１２の強さＥと磁界１０の強さＢを、Ｅ／Ｂ　＝Ｖａｖ／Ｃ、、、、、、、、（弐Ｅ）となるように選べば、ビームは質量フィルターを通ることにより少量の発散を受ける。この発散は、電気力１８が磁力２２をわずかに超えるので、わずかに遅いイオン（Ｖ　＜　Ｖ　ａｖ）が小さなネット力を受けるために生じる。わずかに速いイオン（Ｖ＞Ｖａｖ）は、磁力２２が電気力１８よりわずかに大きいので、反対方向に小さなネット力を受ける。

ビーム１４が、異なる質量ｍ（ｉ）、　ｉ＝１．・・・Ｎ、（Ｎは異なる種の数）を持つが、同じ平均エネルギーＥａｖを持つ、帯電位子種の分布状態を含むものとすると、各々の種ｉについて、非相対論的ビームエネルギーを仮定すれば、Ｖ（ｉ）＝ＳＱＲＴ［２Ｅａｖ／ｍ（ｉ）］　、、、、、（弐Ｆ）である。弐Ｆは、異なる質量ｍ（ｉ）の種々の種（ｉ）が異なる速度Ｖ（ｉ）を持つことを示している。また、イオンエネルギー範囲（ΔＥ）が狭いことが必要であれば、 □ΔＥ／Ｅａｖ　＜　１　、、、、、（式Ｇ）で、式りを満足する。ここで、Ｅ／Ｂ＝ＳＱＲＴ［２Ｅａｖ／ｍ（ｊ）］／Ｃ−・・（式Ｈ）に設定すると、種ｊ（１≦ｊ≦Ｎ）の粒子は、偏向されることなく交差電磁界を通り抜ける。他の全ての種＋　（１＜　＞　ｊｌ　１≦ｉ≦Ｎ）は、Ｘ軸に対して平行な方向にＺ軸外へ偏向される。

質量分離口径を電磁界から＋Ｚ方向の位置でＺ軸上に置けば、帯電粒子ビーム１４はウィーンフィルターを通過した後、それに打当たる。電磁界の強さの比が式Ｈに従って設定されていれば、種ｊのみが偏向されることなくウィーンフィルターを通り抜ける。磁界１０が十分に強ければ、他の全ての種ｉ　（ｉ＜＞ｊ、ｌ ≦ｉ≦Ｎ）はＺ軸外へ十分遠くへ偏向され、質量分離口径を通り抜けることはない。質量分離に使用されるウィーンフィルターの動作は、当業者に一般に知られているところである。

第２図ａはウィーンフィルターの磁極片４０．４２および電極片４４．４６についての代表的な従来技術の設計例を示す。第２図ａに磁界線を示してあり、これらは磁極片４０．４２の磁性体およびビーム１４が通過する両極片間の空間４８を通る。磁極および電極は図示のように適合させるように設計されている。一般に、従来技術では、極片４０．４２は、良い導電体である軟鉄あるいはミューメタルのような磁性体で作られ、それらの電位は図示のようにＯｖである。極片４０．４２は、良導電体であるため、電圧がそれぞれ＋Ｖ、−Ｖである電極片４４．４６と接触させられない。このため極片４０．４２の許容幅が制限される。対称面に沿う磁界線５ｏは、所望の通り真直である。この場合、縁では、磁界線５２は磁界線間の自然反発作用により図示のようにふくらむ。従って、空間４ｓの縁近傍では磁界はもはやＹ軸に平行に配向されず、第１図についての前記要件を破ることになる。

第２図すは電極片４４．４６にそれぞれ＋Ｖ、　−Ｖの電圧を印加したときに生ずる電界線を示す。第２図ａについても述べた制約により、これらの極片の幅も電圧が異なることに束縛されて制限される。対称面に沿う電界線５４は、所望通り、真直である。対称面から離れると、電界線５６は電界線間の反発により外方へふくらむ。

対称面からさらに遠ざかると、電極片４４から始まる電界線５８は、極片４４から極片４６に入る代わりに、磁極片４ｏまたは４２で終端する。他の電界線６０が極片４ｏまたは４２がら極片４６に入る。

従って、空間４８の縁の近傍では、電界もはやＸ軸に平行に配向されていず、第１図で与えられた要件をはずれる。

磁界線および電界線が空間４８の縁近傍で不適当であるため、ウィーンフィルターは、そのいずれかの電磁極片の近傍を通るビーム１４に対して適切に機能しない。これにより、ウィーンフィルターの有効口径は、一般に空間４８に相当する物理的口径の小部分に制限される。

第３図ａは本発明で実施された磁極電極片の改良された設計を示す。第２図における磁極片４０．４２（これらは電気的に伝導性であった。）は、フェライトのような電気的に絶縁性の磁性材料を用いて作られた磁極片８０．８２に置換されている。磁極片８０．８２は電極片８４．８６と電気的に接触している。磁極片８ｏ、８２は電気的にグランドから絶縁され、電極片どうしを短絡させることがないので、従来技術でのこれらの極片間の接触に対する全ての制限が除去される。これらの制限の除去に伴い、極片８ｏおよび８２は図示のように幅を広くできる。磁界線８８は、所望の通り、対称軸上にあって真直である。幅広い磁極片８ｏ、８２が、空間４８の外にある磁界線９２で示すように、縁近傍以外の磁界線のふくれを阻止するので、磁界線９０もほとんど真直である。従って、空間４８内においては、全ての磁界線はほぼＹ軸についての平行性に対する第１図の要件を満足する。

第３図は電極片８４および８６にそれぞれ電圧＋Ｖ、−Ｖを印加したときに生じる電界線を示す。磁極片８ｏは電極片８４と領域９４で電気的接触をしている。

極片のこの部分に導電性被覆を形成すると、良好な接触が得られる。同様な接続が極片８ｏおよび８２と極片８４および８６との他の三つの接触部で行われる。

今、電圧が電極片に印加されると、図示のように、Ｘ軸に平行に電流９６が磁極片８０および８２を流れる。この電流は極片８ｏと８２の内面（空間４８に面する側）を横切る直線的電圧勾配を生じさせる。電界線９８は対称面上にあり、所望通り真っすぐである。電界線１００は極片８０の表面の近傍にある。従来技術では、第２図に示されるように、この電界線はＸ軸との平行を乱される。しかし、本発明においては、電流９６によって生じた直線的電圧勾配が、第１図での説明により要求されるような、電界線１００のＸ軸との平行を維持させる。極片８０および８２の磁性材料の電気的固有抵抗は、適切な電圧勾配を生じさせるため十分な電流を許容するように設定しなければならないが、過剰な熱を発散させるだけ電流を許容するものであってはならない。一般に、電流９６は、飛散する帯電粒子が所望の直線的電圧勾配を撹乱させるという問題を避けるために、ビーム１４の電流の予期される最大値を超えるべきである。

磁界および電界は共に、実質的に本発明における全空間４８で適切であるから、有効口径はほぼ物理的口径、即ち、空間４８と概略等しい。

第４図は第３図に記載した改良型極片設計を用いたウィーンフィルターの好適な実施例を示す。これはＸ−Ｙ面での断面図で、ビーム１４は図の平面から放射される。極片１０６および１０８管に磁界を生起させるため、コイル１０２および１０４に電流が供給される。好ましい実施例では、極片１０６および１０８は、ｌＸｌ０＠〜Ｉ　Ｘ　１０”Ω−ｃｍの範囲内の電気的固有抵抗を有するフェライトで作られる。極片１０６と１０８間の磁界分布状態を示しである。

第３図に示すように、極片１０６および１０８共に、それぞれ表面１１０および１１２を絶縁材料、例えば、カプトン（Ｋａｐｔｏｎ）またはマイラー（Ｍｙｌａｒ）の薄膜で電気的に絶縁されている。

電極片１１４及び１１６は、ステンレス鋼３０４のような真空適合性で導電性の非磁性材料を用いて作られている。マウントスクリュウ１１８および１２０は極片１１４および１１６を所定位置に保持するため絶縁体１２２および１２４に押圧している。ワイヤ（図示せず。）が電圧＋Ｖ、−Ｖを印加するため各極片１１４．１１６にそれぞれ接続されている。本実施例では、電極片１１４．１１６が磁極片１０６．１０８０表面１２６を押圧する模型構造が示しである。このようにすると、極片１０６．１０８を押圧して絶縁体１１０．１１２に対する適切な接続と共に、良好な電気的接触が容易となる。磁束線１２８は、一般に軟鉄あるいはミニ−メタルのような通常の磁性材料で作られたウィーンフィルターの外部ハウジング内を流れる。

第４図６は第４図ａと同じ（同一断面図を示すが、ここでは極片１１４．１１６にそれぞれ印加された電圧＋Ｖ、−■により生じた電界が示しである。磁極片１０６．１０８を通って、電流１４０が電極片１１．４．１１６間を流れる。空間４８中の電界線は、第１図での説明によって要求されるように、Ｘ軸と実質的に総て平行である。

第４図ａおよび第４図すは、物理的口径全てにわたり、電界および磁界が第１図で述べた適切な質量（速度）分離のための方向性に関する要件を満足していることを示している；第１表に第４図に示す本発明の実施例の物理的設計パラメータを示す。

第１表電極片材料　ステンレス鋼３０４イオン軌道方向長さ　８０ｍｍ物理的口径横断幅　８ｍｍ磁極片材料　フェライト固有抵抗　１〜１００ＭΩ−ａｍイオン軌道方向長さ　８０ｍｍ物理的口径横断幅　１５ｍｍ厚さ　３　ｍｍ磁気コイル材料　軟鉄巻き数　３６０／片側（２方）標準ワイヤ　２３ＡＷＧ抵抗　３．７Ω／片側外部ハウジング、材料　軟鉄直径　８２．５＋ｎｍ以上、好ましい実施例について説明し、第１表に実例となる設計パラメーターを示したが、当業者であれば、これらを添付の請求の範囲によってのみ定義されべきである本発明の技術的思想から逸脱することな（、拡張し又は変形の仕方を容易に認識し得よう。

ＦＩＧＵＲＥ７ＦＩＧＵＲＥ２Ａ、（ＰＲＩＯＲＡＲＴ）ＦＩＧＵＲＥ　２Ｂ、　（ＰＲＩＯＲＡＲＴ）ＦＩＧＵＲＥ３ＡＦＩＧＵＲＥ３Ｂ国際調査報告

Claims

【特許請求の範囲】

１．所定間隔をおいて配置された二つの抵抗性磁極片部材と、所定間隔をおいて配置された二つの電極片とを含み、前記磁極片が相互にほぼ平行に配向され、各々それに係合する電気的に絶縁性の材料からなる層で該磁極片から分離された励磁コイルを有し、前記電極片が前記磁極片と電極片の表面で包囲されたほぼ矩形の物理的口径を形成するように、前記磁極片に対し直交して、かつ、前記磁極片と物理的に接触して配設された質量フィルター２．前記磁極片が、前記物理的口径に平等電界を生じさせるように、該磁極片を通って前記電極片間を十分な電流が流れる固有抵抗を有することを特徴とする請求項１記載の質量フィルター。