JPH0268835A - イオン源 - Google Patents

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】 〔産業上の利用分野〕 この発明は、光を利用して物質のイオン化を行なうイオ
ン源、特に光としてレーザ光を利用するイオン源に関す
るものである。

〔従来の技術〕

第１１図は例えば特開昭５０−２２９９９号公報に示さ
れた従来のレーザ光を利用したイオン源装誼を示す図で
あり、図において、１はイオン化する物質を原子又は分
子流の形で発生するための粒子流発生器、２は上記粒子
流発生器１の噴出孔、３は上記噴出孔２からビーム状に
引き出された原子ビーム、４は３台の色素レーザ装置、
５は上記色素し−ザ装置４からのレーザ光を上記原子ビ
ーム３とＰ点で集光するためのレンズ、６はレーザ光照
射により原子ビーム３の一部がイオン化したイオンを含
む原子ビーム、７は上記イオンを含む原子ビームからイ
オンのみを選択するための電極である。

従来のレーザ光を利用したイオン源は上記のように構成
される。たとえばＮａ　　（ナトリウム）を粒子流発生
器１に入れ、Ｎａの原子ビーム３を発生させて、レーザ
光によりイオン化を行なう場合の動作について説明する
。

粒子流発生器１の噴出孔２からＮａの原子ビーム３があ
る速度を持ってＰ点を通過している時に色素レーザ装置
４ａ、４ｂ、４ｃからのレーザ光をレンズ５ａ、５ｂ、
５ｃを用いてＰ点に同時に集光する。

Ｎａ原子のエネルギー図は第１２図のようになるので、
第１の色素レーザ装置４ａの波長（λａ）を５８９　ｎ
ｍにし、第２の色素レーザ装置４ｂの波長（λｂ）を５
６８．８　ｎｍにするとＰ点のＮａ原子はレーザ光によ
り光学的に励起され、３Ｓ”Ｓｌ／２の基底状態から３
ｐ”Ｐｓ／ｌの状態を経て４ｄ状態へ励起される。Ｎａ
原子の４ｄ状態はＮａ原子の電離限界から約７０００ｃ
ｍ−’のところにあるので、第３の色素レーザ装置４Ｃ
の波長（λＣ）を１゜４μｍより短くすると、Ｎａ原子
は光により直接的にイオン化がおこり、Ｐ点を通過した
原子ビームにはイオンが一部含まれることになる。この
イオンを含む原子ビーム６に電極７により電場を印加し
てイオンのみを偏向して所定の領域へイオンビームとし
て入射する。

〔発明が解決しようとする課題〕

上記のような従来のレーザ光を利用したイオン源では、
Ｐ点でレーザ光に照射されたＮａ原子を効率良くイオン
化するのに必要なレーザ光出力密度は、レーザ光の波長
幅と各遷移の吸収波長幅が等しいとすると、Ｎａの３　
ｓ”　Ｓ＋７ｚ　　　３１）”　Ｐ３／を遷移（遷移波
長５８９ｎｍ）のアインシュタインのＡ係数が約６．３
Ｘ１０’（１／　ｓ　）であるので、第１の色素レーザ
光は約１０Ｗ／ｃｍ”以上の出力密度が必要であり、Ｎ
ａの３ｐ！　ｐ−４ａ遷移（遷移波長５６８．８ｎｎ＋
）のアインシュタインのＡ係数が約１゜３　ＸＩＯ’（
１／　ｓ　）であるので第２の色素レーザ光は約４０　
Ｗ／ｃｍ”以上の出力密度が必要であり、Ｎａの４ｄ状
態を直接光イオン化する場合の光の吸収断面積はｉｏ−
”　ｃｆｆｌ以下であるので、第３の色素レーザ光は１
０’　Ｗ／ｃｍ”以上の出力密度が必要になる。

このように従来のレーザ光を利用したイオン源では、直
接光イオン化の光の吸収断面積がＩＱ−Ｉ　ｌＩＣ１以
下であるのでレーザ光出力密度としては１０’Ｗ／ｃｍ
”以上の大出力の色素レーザ光が必要になる。しかし一
般に入手可能な高出力の大型色素レーザの出力は、パル
スレーザの場合１０６Ｗ程度であり連続発振レーザの場
合ＩＷ程度であるので、パルスレーザの場合１０−　’
ｃｍ”以下、連続発振レーザの場合１０−’ａｍ”以下
の微小領域に集光してレーザ高出力密度を上げる必要が
ある。

したがって、イオン化できる領域が小さくてイオン量が
大きくとれないという問題点があった。

又、原子ビーム３の原子密度を大きくしてイオン量を増
加しようとしても、イオン密度が１０１０個／ｃ−３以
上になると、イオン自身による空間電場が３　ｋＶ／ｃ
■以上になるため、Ｐ点以後のイオンを含む原子ビーム
６の領域でイオンが広がってしまい、有効に電極７に到
達して所定の領域に入射できるイオン量は増加せず、原
子ビーム３の原子密度を大きくしても得られるイオン量
は大きくとれないという問題点があった。

この発明は上記のような問題点を解消するためになされ
たもので、低出力の色素レーザ装置を用いて、広い領域
に渡って高効率で原子ビームをイオン化でき、大口径・
大電流のイオンビームを発生できるレーザ光を利用した
イオン源を得ることを目的とする。

〔課題を解決するための手段〕

この発明に係るイオン源は、粒子流発生器と、該粒子流
発生器からの粒子流中の原子もしくは分子に対し、粒子
噴出孔近傍の領域にレーザ光を照射することにより特定
の原子種もしくは分子種のみを基底状態からりドベルグ
状態（Ｒｙｄｂｅｒｇ　Ｓｔａｔｅｓ）へ励起するレー
ザ光を発生するレーザ光発生器と、該レーザ光が照射さ
れた領域の下流部に上記高励起状態の原子もしくは分子
をイオン化するための最小電場を印加する電極とを設け
たものである。

〔作用〕

この発明においては、特定のイオン化したい物質のみを
基底状態からりドベルグ状態へ共鳴励起する波長にレー
ザ波長を一致させ、レーザ光を粒子流の粒子噴出孔近傍
に照射しているため、粒子噴出孔近傍の粒子密度の高い
領域を通過中の特定の原子又は分子がリドベルグ状態へ
効率良く励起される。又、リドベルグ状態の寿命は数１
０μｓ以上あり、リドベルグ状態の原子は中性であるの
で、レーザ光入射後、粒子流中のりドベルグ状態の原子
又は分子は、レーザ光の有無によらずリドベルグ状態に
数１０μｓ以上存在し、数１０μｓ以上の間リドベルグ
状態の原子又は分子はその状態を維持しつつ粒子流とな
って下流に流れていき、流れに沿って密度を下げながら
囲りに拡散して、電極付近では広い領域にリドベルグ状
態の原子又は分子が分布することになる。

又、リドベルグ状態の原子又は分子は数ｋＶ／ｃｍ以下
の弱い電場を印加することにより容易に効率良くイオン
化するため、下流部に設けた電極間に電場を印加するこ
とにより、電極間の広い領域に分布しているリドベルグ
状態の原子又は分子のみをイオン化する。

又、この時のイオン密度は、レーザ光照射領域の密度よ
り充分に低くなっているので、イオンの空間電場の影響
を受けず、有効に電極間から引き出すことができるので
、大口径、大電流のイオンビームを効率良く発生するこ
とができる。

〔実施例〕

以下、この発明の一実施例を図について説明する。

第１図はこの発明の第１の実施例によるイオン源を示し
、図において、１はイオン化する物質を原子又は分子流
の形で発生するための粒子流発生器、２は上記粒子流発
生器１の噴出孔、３は上記噴出孔２からビーム状に引き
出された原子ビーム、８は１種又は複数の波長を有する
レーザ光を照射するレーザ光発生器、９は上記レーザ光
発生器８からのレーザ光を粒子流発生器１の噴出孔２近
傍の原子ビーム３に照射するための光路調整器であって
、この実施例では凸レンズが使われている。

１０ａは上記原子ビーム３上でレーザ光が照射された領
域であって原子ビーム中の原子がリドベルグ状態に励起
されている。１０ｂ、１０ｃ、１０ｄはリドベルグ状Ｂ
１０　ａに励起された原子ビームが、時間の経過につれ
て下流に流れていく様子を示し、一定時間後のりドベル
グ状態にある原子の分布を示している。ｌｌａ、ｌｌｂ
は上記リドベルグ状態の原子ビームの下流域１０ｄに配
置された一組の電極であって、この実施例では平行平板
型の電極が配置されている。

１２は上記電１１１ｂ上の電１１１ａに対向した位置に
ある引出し孔、１３は上記電極１１ａに接続された電源
であって、この実施例では、正電′圧のパルス電圧を発
生するパルス電源が使用されている。１４は上記レーザ
光発生器８からのレーザ光を上記原子ビーム３に照射し
て、原子ビーム３をリドベルグ状態の原子ビーム１０に
励起した後、上記電源１３から電極１１ａ、ｌｌｂに印
加されたパルス電圧によって電極間に生じた電場、１５
は上記電場１４により雪掻１１ａ、ｌｌｂ間に流入した
りドベルグ状態の原子ビームがイオン化と加速を受けて
、電極１１ｂ上の引き出し孔１２から引き出されたイオ
ンビームである。

第２図は上記実施例において使用されているレーザ光発
生器８の一構成例を示す図であり、２種類の異なる波長
を有するレーザ光を同一光軸上で発生する場合を示す、
１６ａは波長λ、を中心波長にして発振する色素レーザ
、１６ｂは波長λ２を中心波長にして発振する色素レー
ザ、１７は上記色素レーザ（λ＋）１６ａからのレーザ
光の光路を調整するための光学素子であってこの例では
ミラーを使用している。１８は上記色素レーザ（λ＋）
１６ａの発振波長λ、の光は透過し、色素レーザ（７ｇ
）１６ｂの発振波長λ２の光は反射するミラーであって
、この実施例では誘電体反射ミラーが使用されている。

１９は波長λ３．λ２を有するレーザ光である。

上記のように構成された本発明の第１の実施例のイオン
源において、例えばＮａ　　（ナトリウム）のイオンビ
ームを発生する場合は、Ｎａを粒子流発生器１に入れ、
噴出孔２からＮａの原子ビーム３を発生させる。レーザ
光発生器８内のミラー１７と誘電体反射ミラー１日とに
より波長５８９ｎｍ（λ、）、波長４１３．１ｎｍ（λ
ｔ）のパルスレーザ光を同一光軸上のレーザ光とし、光
路調整器９により粒子流発生器の噴出孔２の近傍の原子
ビーム３に照射する。第３図はＮａ原子のエネルギー図
であってＮａ原子の高励起状態の一つの例が示されてい
る。レーザ光に照射されたＮａ原子流のＮａは、３３”
ＳＩ／！の基底状態から５８９　ｒ＋＋＋＋のレーザ光
（λＩ）により３ｐ”Ｐｓ／ｚの状態に励起され、４１
３．１　ｎｗのレーザ光（λ２）により２０ｄの価電子
の主量子数が２０である高励起状態（Ｒｙｄｂｅｒｇ　
５ｔａｔｅｓ＋リドベルグ状態）に励起される。必要な
レーザ出力は、Ｎａの３ｓ”　５ｌｉｔ　　３ｐ”　Ｐ
５／を遷移（遷移波長５８９　ｎｍ）のアインシュタイ
ンのＡ係数が約６．３　ＸＩＯ’（１／ｓ）であるので
、波長５８９　ｎｍのレーザ光λ、が約１０Ｗ／ｃ＋ｓ
”以上の出力密度があれば、Ｎａ原子は基底状態から３
ｐｔＰ、／２状態への励起は飽和される。Ｎａ原子の３
ｐ”Ｐｓ／ｚ状態からｎｄ状態の高励起状態への励起の
光の吸収断面積は第４図のようになり、高励起状態の主
量子数（ｎ）の値に応じて１Ｏ−１４ＣＩｌｌ！から１
Ｏ−１７Ｃｒａｚの範囲になるが、３１）”Ｐ＋／ｚ−
２０ｄ遷移（遷移波長４１３．１　ｎｍ）の時は吸収断
面積が約１Ｏ−ＩｓＣ１１！であるので、波長４１３．
１　ｒ＋＋ａのレーザ光λ８が約１０’　Ｗ／ｃ＋＊”
以上の出力密度があれば、Ｎａ原子の３９”Ｐｓ／ｚ状
態から２０ｄ状態への励起は飽和される。

以上により、レーザ光発生器８からの２波長パルスレー
ザ光の出力密度が１０’　Ｗ／ｃｍ”以上あればＮａ原
子は基底状態から２０ｄの高励起状態へ飽和され、効率
良くリドベルグ状態の原子ビームになる。

又、リドベルグ状態の放射寿命は第５図のようになり、
励起状態の主量子数（ｎ）の値に応じて変化するが、２
０ｄの時は約３０μｓであり、−度レーザ光によりｎ原
子が、２０ｄの状態に励起されると、レーザ光が消えて
もＮａ原子は約３０μｓの寿命でリドベルグ状態２０ｄ
にあることになる。

従って、２波長のパルスレーザ光によりリドベルグ状態
に励起された噴出孔２近傍の粒子密度の高い原子ビーム
３中のＮａ原子は、レーザ光照射が終了した後も約３０
μｓ以上の間リドベルグ状態を維持しつつ粒子流となっ
て下流に流れていき、流れに沿って密度を下げながら囲
りに拡散する。

つまり最初１０ａのレーザ光照射領域程度の領域を占め
ていたりドベルグ状態の原子ビームは、時間の経過につ
れて１０　ｂ、　　１０　ｃ、　　１０　ｄと示される
ように体積を増し、密度を下げて下流に流れていく。こ
の体積の増す割合は粒子流発生器内のＮａ原子が熱平衡
状態にあり、噴出孔２が厚さの薄い単一孔である時には
、Ｎａ原子の速度分布はマクスウェル分布をし、原子ビ
ーム３の流れは余弦則に従って広がるので、最初１０ａ
のりドベルグ状態の原子ビームは体積Ｖ、を占めており
、これが下流にｌだけ流れた位置では体積は約１３／ｖ
０倍になる０例えば、レーザ光照射面積が〜１Ｏ−ＩＣ
１１！であって、１０ａのリドベルグ状態の原子ビーム
が〜３　Ｘ　１０−’ｃｍ’の体積を占める時、下流に
１５　ｍｍ流れた時のりドベルグ状態の原子ビームの体
積は〜３ｃｍ’となり体積は約１００倍となり、Ｎａ原
子密度は約１／１００になる。

以上に述べた性質は、他の原子のりドベルグ状態につい
ても言え、一般に、価電子の主量子数（ｎ）が大きい高
励起状態（Ｒｙｄｂｅｒｇ　５ｔａｔｅｓ）の原子、分
子の性質は、アール　エフ　スチビンゲス（ＲｏＦ、　
Ｓｔｅｂｂｉｎｇｓ）他等の「原子および分子のりドベ
ルグ状態Ｊ　（Ｒｙｄｂｅｒｇ　５ｔａｔｅｓ　ｏｆ　
Ａｔｏａ＋ｓ　ａｎｄ　Ｍｏ１ｅｃｕｌｅｓ＋　”）　
（ケンブリッジ大学出版、ロンドン（Ｃａｍｂｒｉｄｇ
ｅ　Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ　Ｐｒｅｓｓ、　Ｌｏｎｄｏ
ｎ）、１９８３）によれば、原子、分子によらず主量子
数（ｎ）でほぼ表現でき、リドベルグ状態の寿命τは τ−ｎ３ となり、ｎが大きくなるにつれて寿命が長くなる。

また、高励起状態の価電子は電離限界の近くのエネルギ
ー準位にあるため、外部電場により容易にイオン化がお
こり、イオン化のための最低電場Ｅｃは Ｅｃ〜３．２　　ＸＩＯ’　　ｎ−’　　（Ｖ／ｃｍ）
　　　　　　　　・・・（１）で与えられ、ｎ＝２０の
場合にはＥｃ〜２ｋＶ／ＣＩｍである。

次にこのようにして、Ｎａ原子ビーム３にパルスレーザ
光を照射して、主量子数が２０のＮａのリドベルグ状態
の原子ビームに励起した後、電極１１ａ、ｌｌｂに電源
１３からパルス電圧を印加して電極間に電場１４を第６
図に示すタイミングで繰り返し印加する。第６図におい
て２０はパルスレーザ光の発振周期、２１はパルスレー
ザ光照射後、電極間に電場を印加するまでの遅れ時間で
ある電場印加遅れ時間、２２は電極間に電場が印加され
ている時間である電場印加時間、２４は電場の強さであ
る。

この実施例では、パルスレーザ光の発振周期２０は約１
μｓ、電場印加遅れ時間２１は約３０μｓ１電場印加時
間２２は約１μｓ、電場の強さ２４は５ｋＶ／ｃｍであ
り、レーザ光照射面積は約１０日ｃがであり、レーザ光
照射位置から画電極１１ａ、１１ｂ間のりドベルグ状態
の原子ビーム１０ｄまでの距離は１５１１−である。

原子ビーム３の平均熱速度は数１００ｍ／ｓ程度である
のでレーザ光により領域１０ａに励起されたりドベルグ
状態の原子ビームは、電場印加の時には、はぼ電極間の
領域１０ｄに流入していることになる。従って電極間に
印加される電場の強さが５ｋＶ／ｃａ＋であるので、電
極間の高励起状態のＮａ原子は容易にイオン化して発生
したＮａイオンは電場により加速を受けて電極１１ｂの
引き出し孔１２を通して外部へ引き出される。

前に説明したように、１０ｄのリドベルグ状態の原子が
分布する領域は、約３ｃａ＋’となり、レーザ照射領域
１０ａの体積の約１００倍に広がり、Ｎａ原子密度は１
／１００になる。従って、発生したＮａイオン自身の空
間電場に影響されず引き出せるイオン量も約１００倍に
なる。

以上述べた動作により本実施例では、レーザ光出力１ｋ
Ｗ程度の低出力のパルス色素レーザ光を用いて、従来例
に比べ１００倍以上のイオン電流を発生できる。

なお、上記実施例において、領域１０ａと１０ｄの距離
を１５ｆ１以上にし、レーザ波長を変化させて主量子数
２０以上のりドベルグ状態へＮａを励起し、電場印加遅
れ時間を３０μｓ以上にすることにより、より大電流の
イオンビームを発生できる。又、レーザ光を同一光軸に
して横方向から噴出孔近傍に照射する代わりに、各レー
ザ光の光軸をずらして噴出孔近傍でレーザ光が重なるよ
うに照射しても、またレーザ光を上方、斜めから入射す
るようにしても同様に大電流のイオンビームを発生でき
る。

なお、上記実施例では、Ｎａのイオンビームを発生する
場合を示したが、リドベルグ状態は、原子、分子に依ら
ず励起状態の主量子数（ｎ）で性質が示されるので、ど
のような原子、分子も同様にイオンビームとして発生で
きる。Ｑａのイオンビームを発生する場合は色素レーザ
１６ａの発振波長λ１をＧａの基底状態から５３の励起
状態への遷移波長４０３．３　ｎｍにし、色素レーザ１
６ｂの発振波長λ８を４２９　ｎｓより短い５ｓ−ｎｐ
遷移の遷移波長にすれば同様にイオンビームを発生でき
る。

第７図は、リドベルグ状態の原子ビームの下流に原子ビ
ームの流れにほぼ平行に電場を印加するために、孔１２
のあいた電極１１ａ、ｌｌｂを配置した本発明の第２の
実施例を示し、本実施例では電極１１ａ、ｌｌｂ間に電
源１３からパルス電場もしくは直流電場を印加して、イ
オンビームを原子ビームと同一軸上に発生する。また、
この実施例では、リドベルグ状態の原子ビーム１０を電
極１１ａの孔１２を通じて電極間に流入するようにし、
イオンビームを引き出す電極１１ｂの穴１２も同一軸上
に設けているので、電極間に流入した原子は、全てイオ
ンビームとして引き出すことができる。

第８図は本発明の第３の実施例において、連続発振のレ
ーザ光を用いてイオンビームを発生する場合のパルス電
場印加のタイミングを示す図で、一定の周期で電場を印
加する場合を示す。

連続発振のレーザ光を用いて原子をリドベルグ状態へ励
起する場合に必要なレーザ出力は、リドベルグ状態の寿
命が長く数１０μｓ程度もあるので、パルスレーザ光の
場合と比べて充分弱い出力密度であっても、徐々にリド
ベルグ状態への励起と蓄積がおこるものであり、−例と
してｎ原子を３ｐｚＰｓ／を状態から２０ｄ状態へ励起
する場合には数１０Ｗ／Ｃ１１！程度あれば遷移の飽和
が起こるものである。

従って連続発振のレーザ光を用いて原子をリドベルグ状
態へ励起するには、パルスレーザ光の場合と異なりより
低出力の数１０Ｗ／ＣＤＩ”程度のレーザ出力があれば
原子ビーム３をリドベルグ状態の原子ビームとして電極
間に流入することができる。

第８図のようにパルス電場を印加する場合は、常に電極
間に、リドベルグ状態の原子が流入しているので、パル
スイオンビームの発生の周波数は、印加電場の繰り返し
周波数と一致する。従って電場の印加をＩＭＨｚ程度で
繰り返せば、数ｍＡ／ｃｍ”程度のイオンビームを発生
できる。又、電極間１１ａ、ｌｌｂに直流電場を印加す
る場合は、電極間に流入したりドベルグ状態の原子は、
全てイオン化してイオンビームとして外部へ引き出すこ
とができるので、引き出しうる電流値は、電極間に流入
するりドベルグ状態の原子数によることとなり、容易に
数ｍ　Ａ　／　ａ１程度の高純度のイオンビームを連続
的に引き出すことができる。

第９図は、本発明の第３の実施例を示し、木筆４の実施
例は電極間１１ａ、ｌｌｂに電場に平行に磁場２５を印
加してイオンビームの拡がりを抑えるようにしたもので
ある。

なお、上記実施例では、原子又は分子のイオンビームを
発生する場合について述べたが、リドベルグ状態へ励起
するレーザ光の波長幅を狭くしてウラニウム（Ｕ）から
同位体のウラニウム２３５（２３％　ｔＪ）を選択的に
イオン化するようにして、特定の同位体を多く含んだイ
オンビームの発生器としても利用できることはいうまで
もない。

第１０図は、本発明のイオン源を用いて基板上にＧａ等
の薄膜を形成する場合の一構成例を示す。

イオンビームを引き出す電極１１ｂの外側に基板２ｂを
配置し、イオンビームを基板上に照射する。

又、原子流としてイオン打ち込みに用いるＰ。

Ａｓ等の材料原子を同様にイオン化し、電場圧の強さを
数１０ｋＶ／ｃｍ以上に設定してイオンビームが基板２
６に高速で到達するように構成すれば、上記イオン源は
薄膜形成ではなくイオン打ち込みとしても利用できる。

又、原子流としてフン素や塩素等のエツチング用の原子
・分子等を同様にイオン化してイオンビームを発生する
ように構成すれば、このイオンビームにより基板２６上
の被エツチング層をエツチングでき、エツチングにもこ
のイオン源は利用できる。

なお、上記実施例では、基板２６を電極の外側に配置し
ているが、イオン化は電極１１ａ、１１ｂの間でまんべ
んなく起こるので、基板２６を電極１１ｂの代用として
用いることもでき、基板２６を電極１１ａ、ｌｌｂの間
に配置しても同様な効果が期待できる。

また、以上のことから、本発明の実施態様としては以下
のものが考えられる。

（２）電場方向が粒子流の流れの方向と交差するように
上記電極を配置したことを特徴とする特許請求の範囲第
１項記載のイオン源。

（３）　　電場方向の粒子流の流れとほぼ平行になるよ
うに上記電極を配置したことを特徴とする特許請求の範
囲第１項記載のイオン源。

（４）上記レーザ光発生器からのレーザ光として２種以
上の波長の異なるレーザ光を用い、原子もしくは分子を
基底状態からりドベルグ状態へ多段階励起することを特
徴とする特許請求の範囲第１項ないし第３項のいずれか
に記載のイオン源。

（５）　　上記レーザ光発生器からのレーザ光のうち少
なくとも１つのレーザ光をパルスレーザとし、該パルス
レーザ光の入射によりリドベルグ状態へ励起された粒子
が上記電極間に流入した後に、上記電極間にパルス電場
を１回もしくは複数回繰り返して印加することを特徴と
する特許請求の範囲第１項ないし第４項のいずれかに記
載のイオン源。

（６）上記電極間に複数回繰り返し印加する上記パルス
電場のうちのあるパルス電場と次のパルス電場間の休止
期間を、粒子流が電場印加領域を通過するのに要する時
間より長くしたことを特徴とする特許請求の範囲第５項
記載のイオン源。

（７）上記パルスレーザ光の入射と上記パルス電場の操
り返し印加とを繰り返し行なうことを特徴とする特許請
求の範囲第５項ないし第６項記載のイオン源。

（８）上記レーザ発生器からのレーザ光を連続発振のレ
ーザ光とし、上記電極間にパルス電場を周期的に繰り返
し印加することを特徴とする特許請求の範囲第１項ない
し第４項のいずれかに記載のイオン源。

（９）上記電極間に繰り返し印加されるパルス電場のあ
るパルス電場と次のパルス電場間の休止時間を、粒子流
が電場印加領域を通過するのに要する時間より長くした
ことを特徴とする特許請求の範囲第８項記載のイオン源
。

α〔上記リドベルグ状態を、その主量子数が２０以上の
高励起状態としたことを特徴とする特許請求の範囲第１
項ないし第９項のいずれかに記載のイオン源。

αυ　上記電場間に磁場を印加するための磁場発生器を
配置したことを特徴とする特許請求の範囲第１項ないし
第１０項のいずれかに記載のイオン源。

（２）上記磁場が電場と平行であることを特徴とする特
許請求の範囲第１１項記載のイオン源。

αｊ　ガリウムを含む粒子流に波長４０３．３ｎａ＋の
レーザ光を照射してガリウムを４ｐの基底状態から５３
の励起状態へ第一段励起した後、波長４２９　ｎｍより
波長の短いレーザ光によりリドベルグ状態へ励起するこ
とを特徴とする特許請求の範囲第１項ないし第１２項の
いずれかに記載のイオン源。

（１荀　　少なくとも１つのレーザ光の波長巾を励起す
る原子の遷移波長の同位体シフトより小さくし、該レー
ザ波長をある特定の原子の同位体のみをリドベルグ状態
へ励起する波長に一致させたことを特徴とする特許請求
の範囲第１項ないし第１３項のいずれかに記載のイオン
源。

Ｑつ　　上記イオン源より引き出されたイオンビームを
用いて基板上に薄膜を形成し、あるいは基板にイオン打
ち込みを行い、あるいは基板をエツチングすることを特
徴とする特許請求の範囲第１項ないし第１４項のいずれ
かに記載のイオン源。

Ｑ６）　　上記電極間に基板を配置したことを特徴とす
る特許請求の範囲第１５項記載のイオン源。

〔発明の効果〕

以上のように、この発明によれば、イオン化する物質を
含んだ粒子流の粒子噴出孔近傍の領域にレーザ光を照射
して、特定の物質を高励起状態であるリドベルグ状態に
励起した後、このリドベルグ状態に励起された物質の下
流域に電場を印加するようにしたので、簡単な構成で、
効率良く、高純度・大電流のイオンビームを低出力のレ
ーザ光を用いて容易に発生できる効果がある。

【図面の簡単な説明】

第１図はこの発明の第１の実施例によるイオン源を示す
図、第２図は上記実施例において使用されているレーザ
光発生器の一構成例を示す図、第３図はＮａ原子のエネ
ルギー図であってＮａ原子のりドベルグ状態の一つの例
を示す図、第４図はＮａ原子の３ＰｚＰｓ／ｚ状態から
ｎｄ状態への光学遷移の光の吸収断面積を示す図、第５
図はＮａ原子のｎｄの放射寿命を示す図、第６図は上記
実施例における、パルスレーザ光照射と電場印加のタイ
ミングを示す図、第７図はこの発明の第２の実施例であ
る、粒子流の流れにほぼ平行に電場を印加する例を示す
図、第８図はこの発明の第３の実施例において、連続発
振のレーザ光を用いる場合のレーザ光照射と電場印加の
タイミングを示す図、第９図はこの発明の第４の実施例
である、電場に平行に磁場を印加する例を示す図、第１
０図は本発明のイオン源を用いて基板上に薄膜を形成す
る場合の一構成例を示す図、第１１図は従来のレーザ光
を利用したイオン源装置を示す図、第１２図はＮａ原子
のエネルギー図である。 図において、１は粒子流発生器、２は噴出孔、３は原子
ビーム、４は色素レーザ（λａ）、４ｂは色素レーザ（
λｂ）、４ｃは色素レーザ（λＣ）５ａ、５ｂ、５ｃは
レンズ、８はレーザ光発生器、９は光路調整器、１０ａ
、１０ｂ、１０ｃ、１０ｄはリドベルグ状態の原子ビー
ム、ｌｌａ、１１ｂは電極、１２は引き出し孔、１３は
電源、１４は電場、１５はイオンビーム、１６ａは色素
レーザ（λｌ）、１６ｂは色素レーザ（λｔ）、１７は
ミラー　１８は誘電体反射ミラー、１９はレーザ光、２
０はパルスレーザ光の発振周期、２１は電場印加遅れ時
間、２２は電場印加時間、２３は電場印加休止時間、２
４は電場の強さ、２５は磁場、２６は基板である。 なお図中同一符号は同−又は相当部分を示す。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. （１）原子もしくは分子よりなる粒子流を発生する粒子
   流発生器と、 上記粒子流発生器の粒子噴出孔近傍の粒子流上の全ても
   しくは一部の原子もしくは分子に１種もしくは複数の波
   長を有するレーザ光を照射するレーザ光発生器と、 上記レーザ光が照射された領域より下流の粒子流の一部
   もしくは全域にわたって電場を印加するための一組の電
   極と、 該電極間に電場を発生するための電圧を該電極に印加す
   るための電源とを備えたイオン源において、 上記レーザ光の波長を、粒子流中の特定の原子もしくは
   分子を基底状態から価電子の主量子数が大きい高励起状
   態であるリドベルグ状態（ＲｙｄｂｅｒｇＳｔａｔｅｓ
   ）へ励起する１種類もしくは複数の励起波長を有する波
   長とし、 レーザ光入射後、上記電極間に上記リドベルグ状態の原
   子もしくは分子をイオン化する最小電場以上の電場を発
   生する電圧を印加するようにし、上記電極の一部にイオ
   ンビーム引出し用の１つもしくは複数の引出し孔を設け
   たことを特徴とするイオン源。