特許 6244081 荷電粒子ビームのフィルタ、集束イオンビームカラム及びイオンのフィルタリング方法

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】6244081

(24)【登録日】2017年11月17日

(45)【発行日】2017年12月6日

(54)【発明の名称】荷電粒子ビームのフィルタ、集束イオンビームカラム及びイオンのフィルタリング方法

(51)【国際特許分類】

   H01J 37/05 20060101AFI20171127BHJP

   H01J 37/317 20060101ALI20171127BHJP

   H01J 37/153 20060101ALI20171127BHJP

   H01J 49/10 20060101ALI20171127BHJP

   H01J 49/48 20060101ALI20171127BHJP

【ＦＩ】

   H01J37/05

   H01J37/317 D

   H01J37/153 Z

   H01J49/10

   H01J49/48

【請求項の数】15

【外国語出願】

【全頁数】19

(21)【出願番号】特願2012-88766(P2012-88766)

(22)【出願日】2012年4月9日

(65)【公開番号】特開2012-227140(P2012-227140A)

(43)【公開日】2012年11月15日

【審査請求日】2015年4月9日

(31)【優先権主張番号】61/476,135

(32)【優先日】2011年4月15日

(33)【優先権主張国】US

(31)【優先権主張番号】13/089,875

(32)【優先日】2011年4月19日

(33)【優先権主張国】US

(73)【特許権者】

【識別番号】501233536

【氏名又は名称】エフ イー アイ カンパニ

【氏名又は名称原語表記】ＦＥＩ ＣＯＭＰＡＮＹ

(74)【代理人】

【識別番号】100123858

【弁理士】

【氏名又は名称】磯田 志郎

(72)【発明者】

【氏名】デイヴィッド タッグル

(72)【発明者】

【氏名】エヌ ウィリアム パーカー

【審査官】 杉田 翠

(56)【参考文献】

【文献】 特開２００１−０２３５６４（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開昭５２−０６６４８７（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開平０２−２０１８５５（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特表平０１−５０３４２２（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開昭５８−１５８８５１（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特表２００２−５３２８４４（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００１−２２２９６９（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）

Ｈ０１Ｊ３７／０５

３７／３１７

４９／４８

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

フィルタ内に第１の電場を形成する第１の電極の組みと、
前記フィルタ内で前記電場に対して直交する磁場を形成する磁極の組みと、
抵抗性の導電体の組みと、
前記各抵抗性の導電体の両端の第２の電極の組みと、を備え、
前記各第２の電極によって、対応する抵抗性の導電体を流れる電流が生じ、対応する抵抗性の導電体の両端に電位勾配が生じ、
二つの抵抗性の導電体によって前記フィルタ内に第２の電場の向きが提供され、
前記第２の電場は前記第１の電場の向きとは平行でない成分を有することを特徴とする荷電粒子ビームのフィルタ。

【請求項2】

前記磁極は抵抗性であり、前記磁極の組みを前記抵抗性の導電体の組みとして機能させ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フィルタ。

【請求項3】

前記抵抗性の導電体の組みは、前記磁極に付着させた層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フィルタ。

【請求項4】

前記抵抗性の導電体の組みは、前記磁極に絶縁層を介して付着させた層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フィルタ。

【請求項5】

前記磁極の組みにおける各磁極は、前記第１の電極の組みにおける電極を超えて延びることを特徴とする請求項１乃至４の何れか１項に記載の荷電粒子ビームのフィルタ。

【請求項6】

非点補正又は偏向の電場がない場合、物理的アパーチャでの第１の電極の電場の向きに沿った各座標での電位と、前記磁極の内側表面上の各点での電位とが同一であることを特徴とする請求項１乃至５の何れか１項に記載の荷電粒子ビームのフィルタ。

【請求項7】

前記第２の電場は、前記磁場に対して平行に向く双極子の電場であることを特徴とする請求項１乃至６の何れか１項に記載の荷電粒子ビームのフィルタ。

【請求項8】

前記第２の電場は、四重極子の電場であることを特徴とする請求項１乃至７の何れか１項に記載の荷電粒子ビームのフィルタ。

【請求項9】

イオン源と、
前記イオン源からのイオンを受け取る第１のレンズと、
請求項１乃至８の何れか１項に記載の質量フィルタと、
前記質量フィルタを出射したイオンをワークピースの表面に向けて集束させる第２のレンズと、を備えることを特徴とする集束イオンビームカラム。

【請求項10】

前記イオン源がプラズマイオン源であることを特徴とする請求項９に記載の集束イオンビームカラム。

【請求項11】

前記イオン源が液体金属イオン源であることを特徴とする請求項９に記載の集束イオンビームカラム。

【請求項12】

第２の質量フィルタを備え、
前記第２の質量フィルタが前記第１の質量フィルタからの色収差を補正することを特徴とする請求項９乃至１１の何れか１項に記載の集束イオンビームカラム。

【請求項13】

フィルタリング領域において第１の電場の発生源を準備し、
前記フィルタリング領域において前記電場に直交する磁場の発生源を準備し、
前記磁場の発生源の一部である磁極片の両端に電流を供給すること又は前記磁場の発生源の一部である磁極片に取付けられた抵抗性の導電体の両端に電流を供給することにより、前記フィルタリング領域において前記磁場に平行な成分を有し、前記第１の電場とは独立して調整可能である第２の電場の発生源を準備し、
前記フィルタリング領域を介して各種の質量電荷比を有するイオンを、異なる質量電荷比を有するイオン毎に分離するように指向させることを含むイオンのフィルタリング方法。

【請求項14】

前記フィルタリング領域において第２の電場の発生源を準備する際、イオンビームを偏向させる電場を準備することを含む請求項１３に記載の方法。

【請求項15】

前記フィルタリング領域において第２の電場の発生源を準備する際、イオンビームの非点補正の四重極子の電場の一部を形成する第２の電場を準備することを含む請求項１３又は１４に記載の方法。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

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。

【背景技術】

【0002】

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カラムは一般的には質量フィルタを含む。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て、不要なイオン種を質量分離アパーチャに衝突させる
。「ウィーンフィルタ」は「Ｅ×Ｂフィルタ」とも呼ばれる。電場と磁場の相対的な強さ
は、所望のイオン種が偏向せずに質量分離アパーチャを通過するように設定され、かかる
イオン種は、質量フィルタを通過した後、最終的には基板表面上に集束する。

【0003】

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、磁場と電場は、電極と磁極によって囲まれたフ
ィルタ全体の空間において相互に直交するものである。電場及び磁場は各極の端の方では
歪み、フィルタ領域の中心の方のみで、理想的な垂直の向きに近づき、かつ、正確な正し
い磁場と電場の強度比Ｂ／Ｅに近づくので、「光学的」アパーチャ（すなわち、質量分離
が可能である範囲内のアパーチャ）は、質量フィルタ内のビーム径よりは大きいが、物理
的アパーチャよりはずっと小さなものとなることが多い。磁極及び電極は、各極の端部が
フィルタ領域から離れるように、両端方向へビーム軸から十分に離れて物理的アパーチャ
を越えて外側に延びることが好ましい。これによれば、物理的アパーチャ内での電場及び
磁場をもっと均一にすることができ、実際に受け入れできるアパーチャを引き延ばす。し
かしながら、電極と磁極とが物理的に相互に干渉してしまうので、このことは不可能であ
る。

【0004】

粒子源と基板との間の中間にクロスオーバーを有する集束イオンビームカラムでは、そ
のビーム径が比較的小さいので、小さな光学的アパーチャでも許容できることがある。多
くの集束イオンビーム（ＦＩＢ）カラムは、通常、ＦＩＢカラム内の複数のレンズの間に
、一つ以上のクロスオーバーを含む。クロスオーバーによれば、カラムにおいてクロスオ
ーバーなしで達成可能である場合よりも、粒子源とターゲットとの間の倍率範囲をより広
くすることが可能となる。質量フィルタを通過した後、ビームをクロスオーバーするよう
に集束させる場合、ほぼ同一の平面全体において多様なクロスオーバーが生じる可能性が
あり、そこでは、各クロスオーバーはビーム中で異なる質量電荷比に対応するものとなる
。例えば、シリコン−金の合金の液体金属イオン源（ＬＭＩＳ）では、典型的には、１価
及び２価に帯電したシリコン及び金の単原子イオン、並びに、１価又は多価に帯電したシ
リコン及び／又は金の多原子イオンによる複数のクロスオーバーが生じることがある。

【0005】

十分に小さいアパーチャの開口部（一般的にクロスオーバーの直径よりも大きい）を有
する質量フィルタアパーチャがこれらのクロスオーバーの面に配置された場合、これらの
イオン種のただ一つのみが、アパーチャを通過して、次いでターゲット上で集束される。
一方、他のすべてのイオン種はアパーチャ板に衝突し、そのため、ＦＩＢカラムの下部へ
向かうことが阻止される。クロスオーバーを持つと、クロスオーバーなしの場合に比べて
、各種のイオン種を完全に分離する際に、質量フィルタで僅かに分散させるだけで足りる
という利点がある。質量フィルタアパーチャでのクロスオーバーは、質量フィルタの下方
のプローブ成形光学系の仮想光源として機能する。しかしながら、イオンビームでの避け
られないエネルギー拡散によって、質量散乱の軸に沿ってクロスオーバーにぼけが生じ、
その結果、ターゲット上での集束ビームにぼけが生じる可能性がある。

【0006】

クロスオーバーにも欠点がある。（１）クロスオーバーそれ自体によって各粒子が相互
に接近するにつれて、静電反発力が増大する。（２）ビームは、クロスオーバーに起因し
て、カラム全体にかけて一般的に小さいものとなり、空間電荷の反発力が増大する。（３
）質量分離アパーチャ板での高いビーム電流密度によって、質量分離アパーチャへのスパ
ッタ損傷が増大する。空間電荷の作用による静電反発力は、ビームを放射状に広げ（レフ
ラー効果（Loeffler effect））、エネルギー拡散を広げる（ベルシュ効果（Boersch eff
ect））。両効果ともワークピース表面でのビーム電流密度を低減させる傾向がある。

【0007】

中間のクロスオーバーがない集束イオンビームカラムでは、ビーム径が大きい。典型的
な従来の質量フィルタのより小さい光学的アパーチャであれば、さらに多くの問題が生じ
る可能性がある。従来技術において大きな光学的アパーチャを有するＥ×Ｂ質量フィルタ
の例があるが、かかる従来の質量フィルタは他の欠点を持っている。大きな光学的アパー
チャを有する従来の質量フィルタの一例が、「コリメートビームの集束イオンビームカラ
ム用の色収差のない２段のステージを有するＥ×Ｂ質量フィルタ（Achromatic two-stage
E x B mass filter for a focused ion beam column with collimated beam）」Teicher
t,J.、Tiunov,M.A.著，「Measurement Science and Technology」第４巻（１９９３年）
第７５４〜７６３頁（図５〜８参照）に記載されている。この従来技術の質量フィルタで
は（図５参照）、おおよそ電極の間隔の水平方向、及び垂直方向の寸法を有する光学的ア
パーチャにかけて比較的均一な電場を形成するために、静電電極（図５の物理的アパーチ
ャの垂直方向の寸法）は、電極の間隔（図５の物理的アパーチャの水平方向の寸法）より
もずっと広い。すなわち、光学的アパーチャは略正方形であるが、物理的アパーチャは垂
直方向においてかなり大きい寸法を持つ矩形である。物理的アパーチャの面積の大部分で
円形ビームが使用可能であることから、矩形の物理アパーチャよりも正方形の物理的アパ
ーチャの方がずっと好ましい。磁極（幅広の電極になる）は、相対的に遠く離す必要があ
る（図５の垂直方向）。磁極片の間隔（垂直の間隔）に対する磁極の幅（水平方向に測定
）の高い比を実現するために、この従来技術のＥ×Ｂ設定では、物理的アパーチャの幅よ
りも数倍大きい磁極片の幅が必要となる（図５参照）。このことは、磁気回路を比較的非
効率なものとしてしまい、物理的アパーチャにおいて十分な電場強度を達成するために永
久磁石の強さ又は磁気コイルの励起を大幅に増すことが必要になる。この引用文献の第３
節によれば、電極と磁極とを離す従来技術の設計手法を示唆しており、電極と磁極は両極
とも導電体であり、いずれも電気的な抵抗を持たない。Teichert及びTiunovは、この従来
技術の設計手法の制約の範囲内で、幅と間隔を調整することによって、Ｅ×Ｂフィルタの
質量分離の特性を最適化することを検討している。

【0008】

Parker及びRobinsonらによる米国特許第４９２９８３９号「集束イオンビームカラム」
によれば、二組の三重の静電レンズを備えた静電のＦＩＢカラムが記載されており、４ｋ
ｅＶ〜１５０ｋｅＶのエネルギー範囲で基板上にイオンビームを集束することができる。
このカラムは、Ｅ×Ｂウィーンフィルタ、及び静電ブランカを含む。最終レンズの下方の
一つの静電八極子は、ビームを基板上で走査する。最終レンズの下方の大きな作動距離は
、電荷の中和及び／又はイメージング又はＳＩＭＳのための二次イオンの収集のために、
追加の光学素子を挿入することを可能にする。ウィーンフィルタでのビームエネルギーは
比較的高く（３０ｋｅＶ）、そのため質量分離によって誘導される色収差を低減すること
ができる。中間のクロスオーバーが第１（上部）のレンズによってカラム内に形成される
。このクロスオーバーは、通常、以下のウィーンフィルタのアパーチャの面に存在する。

【0009】

Parkerによる米国特許４７８９７８７号「ウィーンフィルタの設計」によれば、光学的
アパーチャが物理的アパーチャの寸法のかなりの割合を占めるようなウィーンＥ×Ｂ質量
フィルタあるいは速度フィルタが記載されている。かかる特許では、ウィーンフィルタを
通過するイオンビームの方向に対してほぼ垂直な磁場を形成するためにフェライトの磁極
片を使用することが記載されている。フェライトを流れる電流によって、磁極片に起因す
る影響を受けずに、電極片の間に均一な電場を形成することができる。二つのフェライト
の磁極片は、各々、二つの電極片の両方と物理的及び電気的な接続端子で接続される。電
極片は、ステンレス鋼、又はその他の非磁性の導電性材料で構成されてもよい。電場を形
成するために電極の両端に印加される電圧は、電極片に接続するフェライトを通って流れ
る電流を生じさせる。二つの電極に印加される電圧とは独立してフェライトに電圧を供給
するような個別の電気的な接続端子はない。この電流は、ウィーンフィルタにおける電気
力線を真っすぐにする。このように上述のウィーンフィルタは、ウィーンフィルタの二つ
の電気極間の電場の向きに平行な二つのフェライトの磁極片中を流れる電流から発生する
電場の囲い込みのプロセスを達成するように、電極片と磁極片との接続を有するものとし
て特徴付けられている。

【0010】

電極片に印加される電圧における小さな変動によって、電場の軸に沿ってビームを端か
ら端まで導くことができる。この特許に記載されたウィーンフィルタは、磁場の軸に沿っ
た偏向の電場を適用する機能を持たない。さらに、ビームを非点補正する四重極子の電場
を適用する機能がない。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0011】

【特許文献1】米国特許第４９２９８３９号明細書

【特許文献2】米国特許第４７８９７８７号明細書

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0012】

本発明の目的は、集束イオンビームシステムで使用するためのＥ×Ｂウィーン質量フィ
ルタを改善して提供することである。

【0013】

本発明による好ましいＥ×Ｂフィルタは、磁場に対して平行な成分と垂直な成分の両方
を有する調整可能な電場を提供する。この調整可能な電場によれば、大開口の光学的アパ
ーチャを提供する際の物理的な電極の理想的でない設定を補償することができる。また、
この調整可能な電場は、いくつかの実施形態において、Ｘ−Ｙビーム偏向の機能を提供す
ることができ、これはビームアライメントとして使用可能である。また、この調整可能な
電場は、いくつかの実施形態において、ビームの非点補正を提供することができ、これは
質量フィルタによって引き起こされる一部の収差を補正するために使用可能である。

【0014】

上記は、以下の本発明の特徴と技術的利点を概説したものであり、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のものである。その他の本発明の特徴及び利点
については以下に説明する。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。

【課題を解決するための手段】

【0015】

本発明の一態様によれば、荷電粒子ビームのフィルタは、フィルタ内に第１の電場を形
成する第１の電極の組みと、フィルタ内で電場に対して直交する磁場を形成する磁極の組
みと、抵抗性の導電体の組みと、各抵抗性の導電体の両端の第２の電極の組みと、を備え
、各第２の電極によって、対応する抵抗性の導電体を流れる電流が生じ、対応する抵抗性
の導電体の両端に電位勾配が生じ、二つの抵抗性の導電体によってフィルタ内に第２の電
場の向きが提供され、第２の電場は第１の電場の向きとは平行でない成分を有する。

【0016】

本発明の一態様では、抵抗性の導電体の組みは、磁極の組みを含む。

【0017】

本発明の一態様では、抵抗性の導電体の組みは、磁極に付着させた層の組みを含む。

【0018】

本発明の一態様では、抵抗性の導電体の組みは、磁極に絶縁層を介して付着させた層の
組みを含む。

【0019】

本発明の一態様では、磁極の組みにおける各磁極は、第１の電極の組みにおける電極を
超えて延びる。

【0020】

本発明の一態様では、非点補正又は偏向の電場がない場合、物理的アパーチャでの第１
の電極の電場の向きに沿った各座標での電位と、磁極の内側表面上の各点での電位とが同
一である。

【0021】

本発明の一態様では、第２の電場は、磁場に対して平行に向く双極子の電場である。

【0022】

本発明の一態様では、第２の電場は、四重極子の電場である。

【0023】

本発明の一態様によれば、集束イオンビームカラムは、イオン源と、イオン源からのイ
オンを受け取る第１のレンズと、上記の何れかによる質量フィルタと、質量フィルタを出
射してワークピースの表面に向かうイオンを集束させる第２のレンズと、を備える。

【0024】

本発明の一態様では、イオン源がプラズマイオン源であるか、又は液体金属イオン源で
ある。

【0025】

本発明の一態様では、集束イオンビームカラムは、第２の質量フィルタを備え、第２の
質量フィルタが第１の質量フィルタからの色収差を補正する。

【0026】

本発明の一態様によれば、イオンのフィルタリング方法は、フィルタリング領域におい
て第１の電場の発生源を準備し、フィルタリング領域において電場に直交する磁場の発生
源を準備し、フィルタリング領域において磁場に平行な成分を有し、第１の電場とは独立
して調整可能である第２の電場の発生源を準備し、フィルタリング領域を介して各種の質
量電荷比を有するイオンを、異なる質量電荷比を有するイオン毎に分離するように指向さ
せることを含む。

【0027】

本発明の一態様では、フィルタリング領域において第２の電場の発生源を準備する際、
磁場の発生源の一部である磁極片の両端に電流を供給することを含む。

【0028】

本発明の一態様では、フィルタリング領域において第２の電場の発生源を準備する際、
磁場の発生源の一部である磁極片に取付けられた抵抗性の導電体の両端に電流を供給する
ことを含む。

【0029】

本発明の一態様では、本発明の一態様では、フィルタリング領域において第２の電場の
発生源を準備する際、イオンビームを偏向させる電場を準備することを含む。

【0030】

本発明の一態様では、フィルタリング領域において第２の電場の発生源を準備する際、
イオンビームの非点補正の四重極子の電場の一部を形成する第２の電場を準備する。

【図面の簡単な説明】

【0031】

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。

【図1】二つのレンズの間にウィーンＥ×Ｂ質量フィルタを含む集束イオンビーム（ＦＩＢ）カラムの断面の概略図である。

【図2】ウィーンフィルタの概略図であり、質量フィルタを通過するイオンの一般的な進行方向に対する垂直な断面で示す。

【図3】二つのレンズの間に偏向と収差補正の二段のＥ×Ｂウィーン質量フィルタを含むカラムの断面の概略図である。

【図4】従来のウィーンフィルタの磁力線を示す図である。

【図5】従来のウィーンフィルタの電気力線を示す図である。

【図6】質量分離のみを実現する本発明の実施形態における磁力線を示す図である。

【図7】質量分離のみを実現する本発明の実施形態における電気力線を示す図である。

【図8】Ｙ軸の偏向のみを実現する本発明の実施形態における電気力線を示す図である。

【図9】質量分離とＹ軸の偏向を実現する本発明の実施形態における電気力線を示す図である。

【図10】非点補正のみを実現する本発明の実施形態における電気力線を示す図である。

【図11】質量分離と非点補正を実現する本発明の実施形態における電気力線を示す図である。

【発明を実施するための形態】

【0032】

本発明の実施形態は、典型的な従来技術の質量フィルタと集束イオンビームシステムよ
りも一つ以上の利点を提供することができる。すべての実施形態ですべての利点が提供さ
れるわけではない。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、質量フィルタについて大開口の光学的アパーチャを提供する。本発明の一実施形態
では、質量フィルタにおいて交差する電場と磁場によって誘導される非点収差の補正を提
供する。本発明の一実施形態では、電場に平行な方向においてビームの静電偏向を提供す
る。本発明の一実施形態では、磁場に平行な方向においてビームの静電偏向を提供する。
Teichert及びTiunovとは異なって、本発明では、極片の間隔が物理的アパーチャのサイズ
であるので、より効率的な磁気回路が可能である。極片の間隔が小さいことから、物理的
アパーチャ内で均一な磁場に必要となる同一の間隔対幅の比を得るための極片の幅も小さ
くできる可能性がある。

【0033】

一実施形態では、磁極がフィルタ領域を超えて拡張され、磁極の両端部がフィルタ領域
から離れるので、それによって、フィルタ領域ではより均一な磁場を形成できる。一実施
形態では、磁極と電極の内側表面で定義される物理的アパーチャにおける電場は、磁極の
両端（すなわち、基準のＥ×Ｂの電場方向に対して平行）に線形の電位の勾配が形成され
ることによって、さらに均一なものとすることができる。また、磁極上の線形の勾配の電
位は、磁場に対して平行に、又はＥ×Ｂの電場に対して平行にビームを偏向させることが
できる。さらに、調整可能な電場は、非点補正に必要な四重極子の静電場を形成すること
も可能である。物理的アパーチャの片側の抵抗材料の両端に電圧が印加されることによっ
て電位が生じ、それによって、抵抗材料の両端に電圧降下が生じる。抵抗材料は、典型的
には、磁極又は磁極に取り付けられる材料である。調整可能な電場が物理的アパーチャの
対向する両側にある二つの抵抗材料の両端に生じる。一方又は両方の抵抗材料の両端での
電圧を調整することによって、フィルタ領域内の電場を調整することができる。

【0034】

図１は、集束イオンビーム（ＦＩＢ）カラム１０４におけるウィーン（Ｅ×Ｂ）質量フ
ィルタ１０２の側断面図であり、集束イオンビームカラムは基板表面１１２上にイオンビ
ームを集束させるよう組み合わされた上部レンズ１０６及び下部レンズ１０８を含む。三
つの異なるイオン種を含むイオン１１０は、粒子源の先端部１１４と引出電極（図示せず
）との間に印加される電圧によって誘導されて粒子源の先端部１１４から放出されるよう
に示されている。この粒子源の構造は、典型的には液体金属イオン源（ＬＭＩＳ）である
が、本発明では他の形式のイオン源を用いてもよい。次いで、イオン１１０は、上部のレ
ンズ１０６によって平面１２０の質量分離アパーチャ１２２に集束される。ウィーンフィ
ルタ１０２（図２で詳細に示す）は、静電場を形成する電極１３０と、二つの磁極１３２
（一つのみ示す）とを含む。磁極１３２は、図１の紙面の前後に存在し、図１の紙面の後
ろにある磁極１３２のみが示されている。コイルを流れる電流又は永久磁石によって、各
磁極１３２の間に磁場を発生させることができる。ウィーンフィルタ１０２は、低質量イ
オン１３６及び高質量イオン１３８を軸から離すように偏向させ、中質量イオンを大きく
偏向させない。そして、これらの中質量イオン１４０は、アパーチャ１２２を通過し、下
部レンズ１０８によって基板表面１１２上に集束される。低質量イオン１３６は、同じビ
ームエネルギーにおいて、高質量イオンより速度が大きい。電気力はすべてのイオン（同
じ電荷を有する）に対して同一であるが、磁気力は速度に比例するので、高速な低質量イ
オン１３６は、低速な高質量イオン１３８よりも、磁場によってさらに大きく偏向する。
したがって、低質量イオンは磁気力が作用する方向（左）へ偏向するが、高質量イオンは
電気力が作用する方向（右）へ偏向する。中質量イオン１４０については、電気力と磁気
力とが釣り合い（すなわち、反対方向に等しい大きさを有する）、真の力が作用しない。

【0035】

Ｅ×Ｂフィルタ１０２は、当技術分野でよく知られている原理に従って動作する。つま
り、交差する電場及び磁場（一般的にはどちらも質量フィルタを通過するビーム方向に対
して垂直である）は、ビーム中のイオンにビームの動きに対して横方向に反対向きの力を
与える。これら二つの力の相対的な強さは、電場及び磁場の強さによって定められ、これ
らは電極１３０及び磁極１３２にエネルギーを与える電圧及び電流の供給量によって制御
される。

【0036】

図１では、電場１４２は紙面において横向きである（左側の正の電極１３０から右側の
負の電極１３０へ向かう方向を指し、したがって正イオンに電気力が作用すると右へ偏向
する）。一方、磁場１４４は、紙面に垂直に向こうから手前に向かう（正イオンに作用す
る左への力を生じる）。イオン源１１４が異なる電荷対質量比で複数のイオン種を放出す
る場合、１種が偏向されずにＥ×Ｂ質量フィルタを通過するように電場１４２及び磁場１
４４を設定することが可能である。図１では、この種は中質量イオン１４０に相当する。
低質量イオン１３６と高質量イオン１３８は、図示のとおり、それぞれ、左側と右側に偏
向する。中質量イオン１４０のみが質量分離アパーチャ１２２を通過し、次いで、下部レ
ンズ１０８によって基板表面１１２上に集束される。Ｅ×Ｂ質量フィルタ１０２の上端と
下端では、終端フィールドプレートが電場及び磁場を遮断し、それによって収差を低減す
る。イオンカラム１０４は、質量選択アパーチャ１２２の平面１２０におけるクロスオー
バーを含むが、他の実施形態では、上方の先端部１１４又は下方の基板１１２のいずれか
に仮想光源が配置され、クロスオーバーを含まなくてもよい。

【0037】

図２は、二つの静電電極１３０Ｒ、１３０Ｌを用いる質量フィルタ２００の実施形態を
示し、各電極は離れており、それぞれ電気的な接続端子を持つ。ビームの動きは、概ねＺ
軸（紙面に垂直）に沿うものと仮定される。第１電極１３０Ｒは、＋Ｘ軸上のＹ軸（垂直
な中心線）から距離ＬＸ１の位置に設けられ、電圧ＶＡが印加される。第２電極片１３０
Ｌは、−Ｘ軸上のＹ軸から距離ＬＸ１の位置に設けられ、電圧ＶCが印加される。静電電
極の各面はＹＺ平面に平行に向けられる。ＶＡ及びＶＣの値は、諸条件で動作する標準的
なウィーンフィルタに基づいて選択してよい（以下参照）。

【0038】

二つの磁極２０２Ｕ及び２０２Ｌがあり、それらの各面はＸＺ平面に平行となるように
、＋Ｙ軸上の＋ＬＹの位置、及び−Ｙ軸上の−ＬＹの位置に設けられる。コイル及び／又
は永久磁石によって、磁極２０２Ｕ及び２０２Ｌを励磁し、Ｙ軸に平行な磁場を形成する
ことができる。磁極２０２Ｕ及び２０２Ｌは、フェライト又はいくらか類似する抵抗性の
磁性材料から製造され、典型的には抵抗率において１０⁶〜１０⁸Ω・ｃｍの範囲である。上部（＋Ｙ軸）の磁極は、二つ電気的な接続端子を有し、一方は＋Ｘ側端部（ＶＢ１）にあり、他方は−Ｘ型端部（ＶＢ２）にある。下部（−Ｙ軸）の磁極も、二つの電気的な接続端子を有し、一方は＋Ｘ側端部（ＶＤ１）にあり、他方は−Ｘ側端部（ＶＤ２）にある。

【0039】

［四つの動作モードの実施例の場合の極片の電圧］
以下に提示される四つの実施例は、本発明の質量フィルタ１０２における各種動作モー
ドについて、ＶＡ、ＶＣ、ＶＢ１、ＶＢ２、ＶＤ１及びＶＤ２の設定可能な電圧値を示す
。

【0040】

［実施例１］ 偏向又は非点補正がない場合の電圧設定
質量分離のみが求められ、ビームステアリング又は非点補正が必要ない場合、磁極に与
えられる電圧は以下のとおり設定してよい。
ＶＢ１＝ＶＤ１＝（ＬＸ２／ＬＸ１）Ｖms
ＶＢ２＝ＶＤ２＝−（ＬＸ２／ＬＸ１）Ｖms
ここで、電極に与えられる電圧は以下のとおりである。
ＶＡ＝Ｖms
ＶＣ＝−Ｖms
Ｖmsの値は、質量分離のための電場の条件に基づいて選択される。かかる条件では、ビ
ーム中の基板に向ける所望のイオン種に対して、イオンへの電気力及び磁気力が釣り合い
、例えば、図１での中質量イオン１４０がレンズ１０８によって基板１１２上に集束する
。

【0041】

この例において、ウィーンフィルタ全体の通常モードの電圧は０Ｖに設定される。イオ
ン源とウィーンフィルタとの間の電圧の差が「Ｖaccel」である場合、１価のイオンエネ
ルギーは、ウィーンフィルタを介して「ｅ・Ｖaccel」となる。正イオンの場合、ウィー
ンフィルタのバイアス電圧に対して、イオン源に＋Ｖaccelのバイアス電圧を印加する場合に相当する。なお、この検討では、ウィーンフィルタは必ずしも接地電位であるとは仮定されていない。上記の従来技術の米国特許第４９２９８３９号における実際のウィーンフィルタでは、イオン源の１５０ｋＶとウィーンフィルタの３０ｋＶとの間の電位差をもって、接地電位に対して１２０ｋＶに上げられている。

【0042】

なお、この第１の実施例では、軸上の静電電圧が０Ｖである。ＶＢ１とＶＢ２の間の電
圧降下は、磁極２０２Ｕの長さにわたって分布する。同様に、ＶＤ１とＶＤ２の間の電圧
降下は、磁極２０２Ｌにわたって分布する。ＶＢ１＝ＶＤ１であり、ＶＢ２＝ＶＤ２であ
るので、磁極２０２Ｕ及び２０２Ｌ上で同一のＸ座標を有する点は、同一の電位を有し、
１３０Ｌと１３０Ｒの間のＸ軸上の同一の座標での電位も同じである。磁極２０２Ｕ及び
２０２Ｌで規定される物理的アパーチャの二つの境界面に沿って変化する電位は静電電極
１３０Ｌと１３０Ｒの間の空間で変化する電位に等しいため、電気力線は、物理的アパー
チャ全体でＸ軸に平行のままであり、磁極２０２Ｕ及び２０２Ｌの内部にも広がる（図７
参照）。

【0043】

［実施例２］ Ｙ軸方向への偏向があり非点補正がない場合の電圧設定
第２の実施例では、質量分離及びＹ軸偏向が求められ、磁極に与えられる電圧は以下の
ように設定してよい。
ＶＢ１＝（ＬＸ２／ＬＸ１）Ｖms＋ＶＹ
ＶＢ２＝−（ＬＸ２／ＬＸ１）Ｖms＋ＶＹ
ＶＤ１＝（ＬＸ２／ＬＸ１）Ｖms−ＶＹ
ＶＤ２＝−（ＬＸ２／ＬＸ１）Ｖms−ＶＹ
ここで、電極に与えられる電圧は第１の実施例と同様に以下のとおりである。
ＶＡ＝Ｖms
ＶＣ＝−Ｖms
この例において、ウィーンフィルタ２００の通常モードの電圧は０Ｖに設定される。二
つの磁極に印加される±ＶＹ電圧によってＹ軸の静電偏向場が一つ形成される。重ね合わせによれば、Ｖmsに比例する（水平方向の）電場の作用は、ＶＹに比例する（垂直方向の）電場の偏向の作用とは別々に検討できる。質量フィルタを通過するように選択された質量数のイオン種、例えば、図１の中質量イオン１４０の場合、（水平の）電場１４２（上記の方程式中のＶＢ１、ＶＢ２、ＶＤ１及び上記ＶＤ２のはじめの用語）に起因する中質量イオン１４０に作用する力はＸ軸に沿って反対方向に向かう磁気力によって打ち消されるので、中質量イオン１４０に作用する真の力は±ＶＹ電圧によって誘導されるＹ軸（垂直）の電場に起因する一方向である。垂直方向の静電気力は、質量分離の軸（Ｘ軸）に垂直であるので、したがって、±ＶＹ電圧によって誘導される垂直の電場は、質量フィルタ２００の質量選択動作を妨げないと考えられる。

【0044】

［実施例３］ 非点補正があり偏向がない場合の電圧設定
第３の実施例では、質量分離及び非点補正が求められる。磁極への電圧は以下のとおり
設定してよい。
ＶＢ１＝（ＬＸ２／ＬＸ１）Ｖms−（ＬＹ／ＬＸ１）²Vstig
ＶＢ２＝−（ＬＸ２／ＬＸ１）Ｖms−（ＬＹ／ＬＸ１）²Vstig
ＶＤ１＝（ＬＸ２／ＬＸ１）Ｖms−（ＬＹ／ＬＸ１）²Vstig
ＶＤ２＝−（ＬＸ２／ＬＸ１）Ｖms−（ＬＹ／ＬＸ１）²Vstig
ここで、電極に与えられる電圧は以下のとおりである。
ＶＡ＝Ｖms＋Ｖstig
ＶＣ＝−Ｖms＋Ｖstig
第１及び第２の実施例の場合と同様に、Ｖmsは質量分離のために必要な電極電圧である
。この実施例では、ウィーンフィルタ全体の通常モード電圧は、０Ｖに設定される。非点
補正の四重極子の静電場は、静電極及び磁極に印加され、Ｖstigに比例する電圧によって
形成される。なお、電極（間隔２ＬＸ）と磁極（間隔２ＬＹ）との異なる間隔を補償する
ために、磁極に作用する電圧には係数（ＬＹ／ＬＸ１）²が用いられる。ＶＢ１、ＶＢ２
、ＶＤ１及びＶＤ２の方程式で非点補正の条件の乗数が「２」となるのは、ビームの非点
補正に用いられる四重極子の電圧が軸からの距離の二乗にしたがって増加し、上記の第２
の実施例における双極子のＹ軸方向への偏向のとおり線形でないからである。Ｖstigの値
は、非点収差の極性に応じて、正又は負のいずれかである。

【0045】

［実施例４］ 質量分離、Ｘ−Ｙ偏向及び非点補正のある包括的な場合
第４の実施例では、質量分離、ＸＹ偏向及び非点補正のすべてが同時に求められ、磁極
に与えられる電圧は以下のように設定される。
ＶＢ１＝（ＬＸ２／ＬＸ１）（Ｖms＋ＶＸ）＋ＶＹ−（ＬＹ／ＬＸ１）²Ｖstig
ＶＢ２＝（ＬＸ２／ＬＸ１）（−Ｖms-ＶＸ）＋ＶＹ−（ＬＹ／ＬＸ１）²Ｖstig
ＶＤ１＝（ＬＸ２／ＬＸ１）（Ｖms＋ＶＸ）−ＶＹ−（ＬＹ／ＬＸ１）²Ｖstig
ＶＤ２＝（ＬＸ２／ＬＸ１）（−Ｖms−ＶＸ）−ＶＹ−（ＬＹ／ＬＸ１）²Ｖstig
ここで、電極に与えられる電圧は以下のとおりである。
ＶＡ＝Ｖms＋ＶＸ＋Ｖstig
ＶＣ＝−Ｖms−ＶＸ＋Ｖstig
この最も包括的な場合では、電圧は以下のとおり定義される。
Ｖms＝適切な質量分離に求められる電圧
ＶＸ＝Ｘ軸偏向の電圧（質量分離の軸に対して平行）
ＶＹ＝Ｙ軸偏向の電圧（質量分離の軸に対して垂直）

【0046】

［従来のＥ×Ｂ質量フィルタにおける磁場及び電場］
図４は、従来技術におけるウィーン質量フィルタ４００内の磁力線４０６、４０８及び
４１０の例である。磁場は、上部（北）極４１２と下側（南）極４１４との間に生じる。
電極４０２及び４０４が非磁性材料で製造されているとすると、図示されたように、磁力
線４１０は、固定された電極４０２及び４０４を介して広がる。垂直方向の中心線に沿っ
て、磁力線４０６は、適切な指向方向を有する（すなわち、（完全に垂直な）Ｙ軸に正確
に沿ったものとなる）。Ｘ軸に平行な磁極４１２と４１４との幅が狭いため、Ｅ×Ｂ質量
フィルタの物理的アパーチャ内での磁力線４０８は、中心線から離れるにしたがって、外
側に膨らむように観察できる。この膨らみは、磁場によってＢ≠０の位置での空間で積分
されたＢ²に比例する蓄積された合計のエネルギーが低減する傾向があることから生じる
。軸からもっと離れると、磁力線４１０の場合のように、この膨らみはさらに顕著になる
。図４から、磁場の磁力線４０８が適切なＥ×Ｂ質量分離の基準を満たしていないことが
明らかである。すなわち、局所的な磁場の磁力線は、局所的な電場の電気力線（図５参照
）に対して垂直ではない。

【0047】

図５は、図４に示した従来のウィーン質量フィルタ４００における電気力線５０６、５
０８及び５１０の例である。正の電圧が電極４０２に印加され、負の電圧が電極４０４に
印加される。これによって、図示のとおり、図の左側へ向かう水平な電場が生じる。磁極
４１２及び４１４には両方とも、質量フィルタ４００上の通常モードの０Ｖに対応して、
０Ｖのバイアスが印加される。Ｘ軸に沿って、電気力線５０６は、完全に水平である。図
４との比較では、その結果として、Ｘ軸に沿って一つのＥ×Ｂの動作基準が満たされてい
ることを示す。つまり、電場が完全に水平であり、磁場（図４参照）も完全に垂直であっ
て、各場は直交する。Ｅ×Ｂ質量フィルタがＹ軸に対して左右対称性を有するので、Ｙ軸
に沿うところでは、電気力線は水平である。したがって、Ｙ軸に沿うところでは直交性の
基準も満たされる。追加の問題として、所望のイオン種を偏向させずに通過させる電気力
と磁気力との適当な打ち消しのために、電場と磁場の大きさが適当な比を有することが必
要となる。このため、二つの場の間にさらに直交性が求められるのである。磁場の場合と
同様に、電場は、電場においてＥ≠０の空間にかけて積分されたＥ²に比例する合計の蓄
積エネルギーが低減するために外側に向かって膨む傾向を示す。磁場及び電場が膨らむこ
とから、図４及び図５の比較によって、磁場についてはＹ軸に沿って中心（Ｘ軸とＹ軸の
交線）で最も弱く、磁極４１２及び４１４に向かって増加することが分かる。電場につい
てはＸ軸に沿って同じ振る舞いを示す。つまり、中心で最も弱く、電極４０２及び４０４
に向かって増加する。このように、電場及び磁場がＥ×Ｂの直交性の条件を満たすＸ軸及
びＹ軸にあっても、各場の強さは適切なＥ×Ｂ動作のための基準に反して変化する。最も
外側の電気力線５１０は、図示されたように、磁極４１２及び４１４に「短絡」する。質
量フィルタを通過するイオンビームについては電気力線５１０ほど軸から大きく外れない
ので、このことは大きな問題ではない。

【0048】

［Ｅ×Ｂ質量分離のための電場及び磁場の基準］
本発明のいくつかの実施形態では、適切なＥ×Ｂ質量分離のための二つの基準を満たし
、上記の問題を改善するための構造を提供する。
（１）電場及び磁場は直交し、電場がＸ軸に平行に向けられ、かつ磁場がＹ軸に平行に向
けられるものでなければならない。
（２）電場及び磁場は、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
取り消すために、すべての点で同一の強度比Ｂ／Ｅを有するものでなければならない。

【0049】

適切な質量フィルタリング（すなわち、いずれにおいても同一の質量電荷比のために力
が打ち消される）によって質量フィルタを通過するイオンを最大とする場合、可能な限り
大開口のアパーチャで、これらの二つの基準を満たすことが必要である。図６及び７は、
本発明の磁場及び電場を示すものであり、各々、従来技術の図４及び５に対応する。

【0050】

［実施例１の電場 質量分離のみ］
図６は、上記の第１の実施例に従う本発明の一形態６００の場合の磁力線６０６、６０８及び６１０の例である。上部（北）磁極６１２と下部（南）磁極６１４は、Ｅ×Ｂ質量フィルタの物理的アパーチャに比較してずっと幅広いものであることが分かる。ここで、「物理的アパーチャ」とは、電極６０２と電極６０４と磁極６１２と磁極６１４との四つの内面で囲まれた質量フィルタを介する物理的な開口部として定義される。本発明において磁極をより幅広く形成する理由が図７に示される。幅広い磁極６１２及び６１４のため、物理的アパーチャの端部付近の磁力線６０８は、中央のＢ場の線６０６と同様にＹ軸に平行である。図７との比較によれば、Ｅ×Ｂの垂直性の基準は、物理的アパーチャの大部分にかけて満足されることを示す。磁力線６１０では磁場の膨らみが依然として発生するが、この膨らみは物理的アパーチャの外側にあるため、質量フィルタ６００の動作に影響を与えない。第１から第４のすべての実施例で、磁場の分布は図６のとおりである。

【0051】

図７は、図６に示した本発明の一形態６００における電気力線７０６及び７０８の例で
ある。電圧ＶＡ（本例では正で示される。図２参照）が電気的な接続端子６４４を介して
電極６０２に印加され、電圧ＶＣ（負で示される）が電気的な接続端子６４８を介して電
極６０４に印加される。電圧ＶＡとＶＣとの間の電位差は、図の左側に向かう全体的に水
平な電場を形成する。図２で説明したとおり、磁極６１２及び６１４は、電気抵抗材料か
ら製造されている。電圧ＶＢ１（図２参照）が電気的な接続端子６５４を介して磁極６１
２の右端部６５２に印加される。同様に、電圧ＶＢ２、ＶＤ１及びＶＤ２が、それぞれ、
電気的な接続端子６５８、６６４及び６６８を介して磁極６１２及び６１４の端部６５６
、６６２及び６６６に印加される。ＶＢ１とＶＢ２との間の電位差は、磁極６１２を介し
て水平方向の電流７１０を生成する。磁極６１２は抵抗性であるので、オームの法則によ
って、磁極６１２の内側の両端に線形の電圧勾配を生成する。ＶＤ１とＶＤ２との間の電
位差に起因して、抵抗性の磁極６１４にも同様の考察が当てはまる。図６及び図７は上記
の第１の実施例を適用したものであり、質量分離に必要な電場に追加される、ＸＹ偏向の
双極子又は非点補正の四重極子の電場は存在しない。

【0052】

［第２の実施例の場合の電場 質量分離及びY軸偏向］
図８及び図９は、上記の本発明の第２の実施例のＥ×Ｂ質量フィルタ内に、Ｙ軸ビーム
偏向のために追加する双極子の電場の作用を示したものである。図８では、Ｙ軸偏向の双
極子の場を発生させるために追加された電場及び電圧の極性のみを示す。上記の第２の実
施例で説明したように、電場の重ね合わせによれば、この追加されるＹ軸の双極子の電場
の作用は、Ｅ×Ｂ質量フィルタの質量分離の動作に必要なＸ軸の電場の作用とは切り離し
て検討することができる。Ｙ軸上では、電場８０６はＹ軸に平行となり、完全に垂直なビ
ームの偏向を与える。軸から離れると、導電性の電極６０２及び６０４の作用に起因して
、電場の電気力線８０８は図示したようにやや膨らむ。したがって、所望する完全なＹ軸
偏向からは小さな偏りが生じる。適切な偏向電場を形成するため、電圧＋ＶＹが電気的な
接続端子６５４及び６５８を介してそれぞれ磁極６１２の両端６５２及び６５６に印加さ
れ、かつ、電圧−ＶＹが電気的な接続端子６６４及び６６８を介してそれぞれ磁極６１４
の両端６６２及び６６６に印加される（上記の第２の実施例の数式参照）。Ｙ軸の双極子
の電場を形成するのみの場合（すなわち、Ｅ×ＢのＸ軸の電場を無視する場合）、電極６
０２及び６０４上の電圧は０Ｖであってよく、電気的な接続端子６４４及び６４８を介し
てそれぞれ印加される。

【0053】

図９は、図７のＸ軸のＥ×Ｂの電場と図８のＹ軸の偏向双極子の電場との重ね合わせを
示す。この例の電場の組み合わせはＸ成分とＹ成分との両方を含み、これによって電場は
図示されたように下方に傾いて左方向に向かう結果となる。本発明の電極の動作の正確な
コンピュータモデリングによれば、Ｅ×Ｂの動作に必要なＸ軸の電場よりもＹ軸の電場が
小さい場合、十分に均一な電場を実現することができることが示されている。すなわち、
物理的アパーチャにかけてＹ軸偏向は十分に均一とすることができ、質量分離のための適
切なＸ軸の電場はＹ軸の電場の追加によってほとんど影響を受けない。したがって、中央
の電場の電気力線９０６と、外側の電気力線９０８、９１２とは、Ｘ軸に対してほぼ同じ
角度を有する。追加されたＹ軸の双極子の電場を用いると、外側の電気力線９０８は抵抗
性の磁極６１４上の９１０で終わることがある。他方の外側の電気力線９１２は、抵抗性
の磁極６１２上の９１４で始まることがある。

【0054】

［第３の実施例の場合の電場 質量分離及び非点補正］
図１０及び図１１は、上記の本発明の第３の実施例のＥ×Ｂ質量フィルタ内でのビーム
の非点補正のために追加する四重極子の電場の作用を示したものである。図１０は、非点
補正の四重極子の電場を発生させるために追加された電場及び電圧の極性のみを示す。第
３の実施例で説明したように、電場の重ね合わせによれば、この追加された四重極子の電
場の作用は、Ｅ×Ｂ質量フィルタの質量分離の動作に必要なＸ軸の電場の作用とは切り離
して検討することができる。

【0055】

この適切な四重極子の電場を形成するため、電圧−（ＬＹ／ＬＸ１）²Ｖstigが、電気
的な接続端子６５４及び６５８を介して、それぞれ、磁極６１２の両端６５２及び６５６
に印加され、かつ、同じ電圧−（ＬＹ／ＬＸ１）²Ｖstigが、電気的な接続端子６６４及
び６６８を介して、それぞれ、磁極６１４の両端６６２及び６６６に印加される（上記の
第３の実施例の数式参照）。四重極子の電場を形成するのみの場合（すなわち、Ｅ×Ｂの
Ｘ軸の電場を無視する場合）、電極６０２及び６０４の電圧は両方とも＋Ｖstigであって
、それぞれ電気的な接続端子６４４及び６４８を介して印加される。

【0056】

図１１は、図７のＸ軸のＥ×Ｂの電場と図１０の非点補正の四重極子の電場との重ね合
わせを示す。電気力線１１０６、１１０８及び１１１０で示される組み合わされた電場は
、電極６０２から現れ、やや弱くなって電極６０４に入る。これは図１０における電場の
向きの観察から直感的に理解しやすい。一部の外側の電気力線１１１０は、抵抗性の磁極
６１２及び６１４上で終わり、これもまた図１０から直感的に理解しやすい。ほとんどの
電気力線は、依然として図７のように電極６０２、６０４上で、始まり、終わる。したが
って、四重極子の電場強度は、Ｅ×Ｂ動作に必要なＸ軸の双極子の電場より大幅に低いも
のと推測される。

【0057】

磁極６１２と６１４との間の典型的な磁場強度は、３０００〜６０００ガウスの範囲で
よく、さらに好ましくは４０００〜５０００ガウスの範囲である。電極６０２及び６０４
に印加される典型的な電圧（ＶＡ及びＶＣ）は、１０００〜５０００Ｖの範囲でよく、さ
らに好ましくは２０００〜３５００Ｖの範囲である。磁極６１２及び磁極６１４の両端に
印加される典型的な電圧は、図２での式２に従って、電圧ＶＡ及びＶＣに比例して設定さ
れる。電極６０２と６０４とのＸ軸に平行な間隔は５〜２０ｍｍの範囲でよく、さらに好
ましくは１０〜１５ｍｍの範囲である。磁極６１２と６１４とのＹ軸に平行な間隔は５〜
２０ｍｍの範囲でよく、さらに好ましくは１０〜１５ｍｍの範囲である。軸方向の長さ（
すなわち、Ｚ軸について平行な電極と磁極の長さ）は、１５〜８０ｍｍの範囲でよく、さ
らに好ましくは２５〜４０ｍｍである。

【0058】

［本発明の一実施形態での集束イオンビームカラム］
図３は、本発明の二つのＥ×Ｂ質量フィルタを含むウィーン質量フィルタ３０４を備え
たイオンカラム３０２を示し、上部Ｅ×Ｂフィルタ３０６Ｕ及び下部Ｅ×Ｂフィルタ３０
６Ｌは、両方とも図１及び図２のように構成されたものである。このようなシステムは、
ビームから中性物質を取り除く収差補正のウィーンＥ×Ｂ質量フィルタとして記述され、
出願される。イオン３７０は、液体金属イオン源（ＬＭＩＳ）の先端部３１４から放出さ
れる。ただし、ＬＭＩＳイオン源は例示の目的のためのみにここに示されているのであっ
て、本発明では、代わりに、他の種類のイオン源、例えば、誘導結合型プラズマ（ＩＣＰ
）イオン源も使用することができる。次いで、イオン３７０は、上部レンズ３０６によっ
て平行又は略平行に集束され、ビーム３１０を形成する。完全に平行なビーム３１０では
、ビーム３１０内の各イオンの軌跡は、光軸３８０に沿ってマイナス方向の無限遠方に置
かれた仮想光源（図示せず）から外挿されたものと仮定してよい。「略平行」なビームは
、マイナス方向の無限遠方に仮想光源が必要とされないビームであるが、外挿されたイオ
ンの軌跡は、イオン源の先端部（上部又は下部）からイオンカラム３０２の全長に対して
少なくとも数倍の位置で光軸３８０と交差する。上部Ｅ×Ｂフィルタ３０６Ｕは、電極３
１４Ｕ、終端フィールドプレート３１６Ｕ、及び二つの磁極３１８Ｕ（一つのみ図示）を
有する磁場の発生源を含む。電極３１４Ｕは、図の平面において電場を形成し、これは矢
印３２０Ｕによって示される（左側の正の電極３１４Ｕから右側の負の電極３１４Ｕを指
し示し、したがって、正のイオンに作用する電気力は右方向になる）。磁場の発生源は、
紙面から手前に向かう磁場を形成し、これは丸印３２２Ｕで示される（正イオンに対して
左側に向う磁気力を形成する）。下部Ｅ×Ｂフィルタ３０６Ｌは、電極３１４Ｌ、終端フ
ィールドプレート３１６Ｌ、及び、二つの磁極３１８Ｌ（一つのみ図示）を有する磁場の
発生源を含む。上部及び下部のＥ×Ｂの各場は、図３に示すように設定される。電極３１
４Ｌは、紙面において矢印３２０Ｌによって示される電場を形成し、上部Ｅ×Ｂフィルタ
３０６Ｕの電場３２０Ｕと大きさが等しく、方向が反対である。下部Ｅ×Ｂフィルタ３０
６Ｌの磁場の発生源は、バツ印３２２Ｌによって示されるような紙面の向こう側に進む磁
場を形成し、上部Ｅ×Ｂフィルタ３０６Ｕの磁場３２２Ｕと方向が反対で大きさが等しい
。下部Ｅ×Ｂフィルタ３０６Ｌは、上部Ｅ×Ｂフィルタ３０６Ｕと対称であり、通常、同
一の構造を有し、方向が反対で大きさが等しい電場及び磁場を形成する。

【0059】

イオン３１０は図示のように四つの異なるイオン種を含む。すなわち、低質量イオン３
３０、中低質量イオン３３２、中高質量イオン３３４、及び高質量イオン３３６である。
低質量イオン３３０、中高質量イオン３３４、及び高質量イオン３３６は、質量分離アパ
ーチャ板３４０に衝突し、アパーチャ３４２を通過して下部レンズ３０８に到達しない。
中低質量イオン３３２は、図示のように、上部Ｅ×Ｂフィルタ３０６Ｕと下部Ｅ×Ｂフィ
ルタ３０６Ｌの両方を通過する。次いで、イオン３３２は、質量分離アパーチャ３４２を
通過し、下部レンズ３０８によって基板表面３１２上に集束される。従来技術では、Ｅ×
Ｂフィルタは、一般的には偏向を伴わないで、所望のイオン（本例では中低質量）を通過
させるように調整される。図３の実施形態では、所望のイオンは偏向されてアパーチャ３
４２を通過し、一部の望ましくないイオン（本例では、中高質量３３４）は、中性粒子３
４６とともに、偏向されないでアパーチャ板３４０に衝突する。他の望ましくないイオン
は、磁場によって大きく偏向されるか（例えば、低質量３３０）、あるいは小さく偏向さ
れて（例えば、高質量３３６）、アパーチャ３４２を通過することができない。

【0060】

中性粒子３４６は、Ｅ×Ｂ質量フィルタ３０４の電場及び磁場によって偏向されず、こ
のため、真っすぐ通過し、アパーチャ板３４０の孔３４２（Ｅ×Ｂフィルタ３０４の出口
の軸を規定する）がＥ×Ｂフィルタ３０４の入射軸３８０から変位量３２６だけずらして
設けられているので、質量分離アパーチャ板３４０に衝突する。図３の概略図では、レン
ズ３０６によって偏向されない中性粒子について、基板３１２への経路が存在しないこと
が明確にはなっていないが、当業者であれば、実際のシステムの幾何構造において、上部
Ｅ×Ｂフィルタ３０６Ｕへの入り口側のアパーチャ、及び／又は、カラムにおける質量フ
ィルタ３０４の下方のいずれかのアパーチャのような経路を、様々な手段によって排除す
ることが可能である。

【0061】

質量フィルタは、上記では集束イオンビーム（ＦＩＢ）カラムに使用されるように説明
されているが、質量フィルタは、電子（この場合Ｅ×Ｂフィルタはビーム３１０中の電子
のエネルギー拡散を低減するようなモノクロメーターとして使用することができる）、及
び帯電した粒子のクラスタを含む、いずれの荷電粒子ビームを使用することもできる。

【0062】

上記の説明では、抵抗材料、例えば、極片６１２及び６１４を、磁極片として述べたが
、他の実施形態では、電気的な抵抗材料を磁極片６１２及び６１４の表面に付着させても
よい。さらに別の実施形態では、抵抗材料は、極片６１２及び６１４の表面に絶縁層を介
して付着させてもよい。これら二つの代替の実施形態では、図２で説明したように、電気
的な接続端子６５４、６５８、６６４及び６６８などを抵抗材料の両端に接続して、電圧
ＶＢ１、ＶＢ２、ＶＤ１及びＶＤ２を供給してもよい。

【0063】

「物理的アパーチャ」の代わりの用語として、「フィルタリング領域」があり、質量フ
ィルタリングのプロセスが物理的アパーチャ内で生じることを強調するものである。Ｅ×
Ｂフィルタはここでは質量フィルタとして特徴付けられているが、磁気力が速度に比例し
、電気力が速度とは無関係であることから、電気力と磁気力の均衡をとるためのＥ×Ｂの
条件は、速度フィルタリングの機能である。したがって、走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）、
透過型電子顕微鏡（ＴＥＭ）、あるいは走査透過型電子顕微鏡（ＳＴＥＭ）などにおける
電子ビームカラムへの適用では、本発明のＥ×Ｂフィルタは、電子ビームカラム内での電
子のエネルギー範囲を絞るための速度フィルタとして用いることができる。

【0064】

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。

【符号の説明】

【0065】

１０２ ウィーン質量フィルタ
１０４ イオンカラム
１３０ 電極
１３２ 磁極
１４２ 電場
１４４ 磁場

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】

【図10】

【図11】