JPH0512813B2 - - Google Patents
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- JPH0512813B2 JPH0512813B2 JP59066892A JP6689284A JPH0512813B2 JP H0512813 B2 JPH0512813 B2 JP H0512813B2 JP 59066892 A JP59066892 A JP 59066892A JP 6689284 A JP6689284 A JP 6689284A JP H0512813 B2 JPH0512813 B2 JP H0512813B2
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- state
- laser
- substance
- electric field
- ion beam
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- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01J—ELECTRIC DISCHARGE TUBES OR DISCHARGE LAMPS
- H01J27/00—Ion beam tubes
- H01J27/02—Ion sources; Ion guns
- H01J27/24—Ion sources; Ion guns using photo-ionisation, e.g. using laser beam
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- Physics & Mathematics (AREA)
- Optics & Photonics (AREA)
- Chemical & Material Sciences (AREA)
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Combustion & Propulsion (AREA)
- Electron Sources, Ion Sources (AREA)
Description
【発明の詳細な説明】
〔発明の技術分野〕
本発明は、半導体加工装置をはじめ材料改質、
材料合成等に使われるイオンビーム発生装置に関
するものである。
材料合成等に使われるイオンビーム発生装置に関
するものである。
従来、イオンビーム発生装置によるイオン発生
方法としては、種々の手法が考えられ実用化され
て来た。その大部分は放電を利用したものであつ
たが、近年レーザ光を使つたイオン源が考え出さ
れて来ている。このレーザ光等の光を使つた方式
には２つあり、１つはレーザ光を金属等の固体に
照射してそのプラズマをイオン源として使つた
り、レーザ光を集光して気体、液体に照射してプ
ラズマを作り、これをイオン源としたりするもの
であり、他の１つは波長の可変な光源を使い、レ
ーザ光等の単一波長を対象とするイオン化される
べき物質のエネルギ準位に共鳴されて該物質をイ
オン化させるものであり、本発明は後者に関する
ものである。
方法としては、種々の手法が考えられ実用化され
て来た。その大部分は放電を利用したものであつ
たが、近年レーザ光を使つたイオン源が考え出さ
れて来ている。このレーザ光等の光を使つた方式
には２つあり、１つはレーザ光を金属等の固体に
照射してそのプラズマをイオン源として使つた
り、レーザ光を集光して気体、液体に照射してプ
ラズマを作り、これをイオン源としたりするもの
であり、他の１つは波長の可変な光源を使い、レ
ーザ光等の単一波長を対象とするイオン化される
べき物質のエネルギ準位に共鳴されて該物質をイ
オン化させるものであり、本発明は後者に関する
ものである。
本発明は、イオン化されるべき物質をレーザビ
ームの照射によりその基底状態からリユードベル
グ状態に共鳴光励起し、上記レーザビームに同期
したパルス電界の印加により該物質の電離限界に
近いリユードベルグ状態（Rydberg level）から
イオン状態にすることにより、従来の共鳴光励
起、イオン化方式に比べ入力光エネルギに対する
イオン化効率を３桁以上向上でき、かつ選択イオ
ン化における選択性に優れたコンパクトな低エネ
ルギーイオンビーム発生装置を提供することを目
的としている。
ームの照射によりその基底状態からリユードベル
グ状態に共鳴光励起し、上記レーザビームに同期
したパルス電界の印加により該物質の電離限界に
近いリユードベルグ状態（Rydberg level）から
イオン状態にすることにより、従来の共鳴光励
起、イオン化方式に比べ入力光エネルギに対する
イオン化効率を３桁以上向上でき、かつ選択イオ
ン化における選択性に優れたコンパクトな低エネ
ルギーイオンビーム発生装置を提供することを目
的としている。
まず本発明装置におけるイオン化方法をマグネ
シウムイオンビームを発生する場合を例にとつて
従来の方法と比較しつつ説明する。第１図はマグ
ネシウム中性原子のエネルギ準位図である。
シウムイオンビームを発生する場合を例にとつて
従来の方法と比較しつつ説明する。第１図はマグ
ネシウム中性原子のエネルギ準位図である。
従来のイオン化方法は、例えば波長が2853Å、
5528Åの２本のレーザビームＢ１，Ｂ２をイオン
化させたいマグネシウム蒸気に照射する方法であ
り、即ち基底状態3s（ 1S）にあるマグネシウム原
子をまず2853ÅのレーザビームＢ１により第１励
起状態3p（ 1P0）に共鳴励起し、その後5528Åの
レーザビームＢ２によりエネルギ準位3d（ 1D）
に共鳴励起し、さらに2853ÅのレーザビームＢ１
でイオン化させるものである。
5528Åの２本のレーザビームＢ１，Ｂ２をイオン
化させたいマグネシウム蒸気に照射する方法であ
り、即ち基底状態3s（ 1S）にあるマグネシウム原
子をまず2853ÅのレーザビームＢ１により第１励
起状態3p（ 1P0）に共鳴励起し、その後5528Åの
レーザビームＢ２によりエネルギ準位3d（ 1D）
に共鳴励起し、さらに2853ÅのレーザビームＢ１
でイオン化させるものである。
本発明装置におけるイオン化方法が上記従来の
イオン替方法と異なる点はマグネシウム蒸気を第
１励起状態3d（ 1P0）からリユードベルグ状態
13d（ 1D）に励起し、さらに該励起蒸気に電界を
印加してイオン化する点である。例えば、リユー
ドベルグ状態13d（ 1D）にする場合は波長3859Å
のレーザビームＢ３によりリユードベルグ状態に
共鳴励起させ、さらに該励起蒸気をイオン化する
には該蒸気に例えば次式で示される電界をレーザ
ビームＢ３と共に印加することにより、このリユ
ードベルグ状態にあるマグネシウム中性原子を電
界電離するものである。
イオン替方法と異なる点はマグネシウム蒸気を第
１励起状態3d（ 1P0）からリユードベルグ状態
13d（ 1D）に励起し、さらに該励起蒸気に電界を
印加してイオン化する点である。例えば、リユー
ドベルグ状態13d（ 1D）にする場合は波長3859Å
のレーザビームＢ３によりリユードベルグ状態に
共鳴励起させ、さらに該励起蒸気をイオン化する
には該蒸気に例えば次式で示される電界をレーザ
ビームＢ３と共に印加することにより、このリユ
ードベルグ状態にあるマグネシウム中性原子を電
界電離するものである。
Ｅ（Ｖ／cm）≧0.3125×109・ｎ＊-4
ここでｎ＊はリユードベルグ状態の有効主量子
数であり、第５図にこの関係を示す。リユードベ
ルグ状態とは、一般に基底状態に比べ10程度以上
大きな主量子数ｎをもつ原子の高励起状態のこと
を言う。マグネシウム中性原子の場合、基底状態
は3s（ 1S）、ｎ＝３であり、リユードベルグ状態
はｎ≧13程度の高励起状態のことを示す。マグネ
シウム中性原子の13d（ 1D）準位については、ｎ
＊＝12.04であり、従つて、リユードベルグ状態
13d（ 1D）のイオン化に必要な電界強度はＥ≧
1.321×104V／cmとなる。また、より高い即ちよ
り電離限界に近いリユードベルグ状態、例えば
30d（ 1D）準位を選んだ場合、そのイオン化に必
要な電界強度はＥ≧3.858×102V／cmとより小さ
くなる。一方、第１励起状態3p（ 1P0）について
はｎ＊＝2.03であり、もしこの3p（ 1p0）準位を
電界によつて直接電離しようとすると、そのイオ
ン化にはＥ≧1.840×107V／cmと極めて大きい電
界強度が必要になる。
数であり、第５図にこの関係を示す。リユードベ
ルグ状態とは、一般に基底状態に比べ10程度以上
大きな主量子数ｎをもつ原子の高励起状態のこと
を言う。マグネシウム中性原子の場合、基底状態
は3s（ 1S）、ｎ＝３であり、リユードベルグ状態
はｎ≧13程度の高励起状態のことを示す。マグネ
シウム中性原子の13d（ 1D）準位については、ｎ
＊＝12.04であり、従つて、リユードベルグ状態
13d（ 1D）のイオン化に必要な電界強度はＥ≧
1.321×104V／cmとなる。また、より高い即ちよ
り電離限界に近いリユードベルグ状態、例えば
30d（ 1D）準位を選んだ場合、そのイオン化に必
要な電界強度はＥ≧3.858×102V／cmとより小さ
くなる。一方、第１励起状態3p（ 1P0）について
はｎ＊＝2.03であり、もしこの3p（ 1p0）準位を
電界によつて直接電離しようとすると、そのイオ
ン化にはＥ≧1.840×107V／cmと極めて大きい電
界強度が必要になる。
ところで、有効主量子数ｎ＊のリユードベルグ
状態の放射による寿命は、τr∝ｎ＊3であり、衝
突が無視できる程度の低いガス圧力のもとでは、
ｎ＊が大きい高励起状態であるほど放射寿命τrが
長くなる。第６図にマグネシウム中性原子のｄ状
態についての放射寿命τr（ns）＝1.38×（ｎ＊−
0.0144）3の関係を示す。マグネシウム中性原子の
リユードベルグ状態13d（ 1D）に関してはτr〜
2.6μs程度であるが、より高い即ちより電離限界
に近いリユードベルグ状態例えば30d（ 1D）準位
に関してはτr〜37μsとより長くなる。一方、第１
励起状態3p（ 1P0）についてはτr〜10ns程度であ
り、リユードベルグ状態と比較して放射寿命は極
めて短い。
状態の放射による寿命は、τr∝ｎ＊3であり、衝
突が無視できる程度の低いガス圧力のもとでは、
ｎ＊が大きい高励起状態であるほど放射寿命τrが
長くなる。第６図にマグネシウム中性原子のｄ状
態についての放射寿命τr（ns）＝1.38×（ｎ＊−
0.0144）3の関係を示す。マグネシウム中性原子の
リユードベルグ状態13d（ 1D）に関してはτr〜
2.6μs程度であるが、より高い即ちより電離限界
に近いリユードベルグ状態例えば30d（ 1D）準位
に関してはτr〜37μsとより長くなる。一方、第１
励起状態3p（ 1P0）についてはτr〜10ns程度であ
り、リユードベルグ状態と比較して放射寿命は極
めて短い。
従つて、マグネシウム中性原子の基底状態3s（
1S）を波長λ1＝2853Åのレーザ光によつて第１の
励起状態3p（ 1P0）に励起し、更にこの3p（ 1P0）
準位を波長λ2＝3859Åのレーザ光によつてリユー
ドベルグ状態13d（ 1D）に励起し、この13d（ 1D）
準位を電界Ｅ＞1.321×104V／cmによつてイオン
化する本発明装置におけるイオン化方法の例の場
合、マグネシウム蒸気を同期した第１のレーザ光
λ1、第２のレーザ光λ2によつて共鳴励起した後、
リユードベルグ状態13d（ 1D）の放射寿命τr〜
2.6μs程度の間に電界を印加して該準位をイオン
化すればよく、＞10kV程度の電圧を立上り・立下
り時間＜1μs程度で発生可能な通常のパルス電圧
発生装置を用いることができる。
1S）を波長λ1＝2853Åのレーザ光によつて第１の
励起状態3p（ 1P0）に励起し、更にこの3p（ 1P0）
準位を波長λ2＝3859Åのレーザ光によつてリユー
ドベルグ状態13d（ 1D）に励起し、この13d（ 1D）
準位を電界Ｅ＞1.321×104V／cmによつてイオン
化する本発明装置におけるイオン化方法の例の場
合、マグネシウム蒸気を同期した第１のレーザ光
λ1、第２のレーザ光λ2によつて共鳴励起した後、
リユードベルグ状態13d（ 1D）の放射寿命τr〜
2.6μs程度の間に電界を印加して該準位をイオン
化すればよく、＞10kV程度の電圧を立上り・立下
り時間＜1μs程度で発生可能な通常のパルス電圧
発生装置を用いることができる。
従来のイオン化方法に従う一例である第１励起
状態3p（ 1P0）から直接に光イオン化する場合、
その光電離断面積はσi＝3.06×10-28［λ2（Å）］3cm
2
であり、従つてその電離速度はＷ＝1.54×10-13
［λ2（Å）］4I（Ｗ／cm2）sec-1となる。ここで、レ
ー
ザ光波長λ2は、電離限界を超えるためλ2＜3756Å
である必要がある。第７図はこの電離速度Ｗをレ
ーザ光波長λ2の関数として色々なレーザ光強度Ｉ
に対して示す。図示のようにある一定のレーザ光
強度において波長λ2を変化させると電離速度Ｗは
連続的に変化する。
状態3p（ 1P0）から直接に光イオン化する場合、
その光電離断面積はσi＝3.06×10-28［λ2（Å）］3cm
2
であり、従つてその電離速度はＷ＝1.54×10-13
［λ2（Å）］4I（Ｗ／cm2）sec-1となる。ここで、レ
ー
ザ光波長λ2は、電離限界を超えるためλ2＜3756Å
である必要がある。第７図はこの電離速度Ｗをレ
ーザ光波長λ2の関数として色々なレーザ光強度Ｉ
に対して示す。図示のようにある一定のレーザ光
強度において波長λ2を変化させると電離速度Ｗは
連続的に変化する。
一方、この発明におけるイオン化方法の場合、
波長λ2＝3859Åのレーザ光による第１励起状態
3p（ 1P0）からリユードベルグ状態13d（ 1D）へ
の光励起断面積はσex＝9.91×10-24［λ2（Å）］3cm2
で
あり、従つてその励起速度はレーザ光強度をＩと
するとＷ＝8.31×10-10［λ2（Å）］4I（Ｗ／cm2）sec
-1
となる。但し、上記の値は、第１励起状態3p（
1P0）からリユードベルグ状態13d（ 1d）への光吸
収スペクトルは室温でのドツプラー広がりを有
し、レーザ光のスペクトル幅はドツプラー広がり
の10倍程度として計算したものである。このよう
なリユードベルグ状態13d（ 1D）を電界によりイ
オン化する場合、電界強度をイオン化に必要な電
界のしきい値Ecr＝0.3125×109・ｎ＊-4＝1.321×
104V／cmより１割程度高くすると、1012sec-1以
上の速い速度でイオンと電子とに分離する。従つ
て、この励起速度Ｗを第１励起状態3p（ 1P0）の
波長3859Åのレーザ光によるリユードベルグ状態
13d（ 1D）を経由しての電界電離速度とすること
ができる。第８図にこの電離速度Ｗをいくつかの
リユードベルグ状態nd（ 1D）（ｎ＝９〜15、21、
30）に関して色々なレーザ光強度Ｉに対して示
す。ある一定のレーザ光強度においてレーザ波長
λ2を変化させると、第１励起状態3p（ 1P0）から
リユードベルグ状態nd（ 1D）への遷移3p（ 1P0）
−nd（ 1D）に共鳴する波長λ2においてのみ電離
速度Ｗは有限の値を示し、それ以外の波長におい
てＷ＝０となる。第７図と第８図を比較すると、
リユードベルグ状態を経由してのイオン化の電離
速度Ｗは、従来の光イオン化より３桁以上大きい
ことがわかる。
波長λ2＝3859Åのレーザ光による第１励起状態
3p（ 1P0）からリユードベルグ状態13d（ 1D）へ
の光励起断面積はσex＝9.91×10-24［λ2（Å）］3cm2
で
あり、従つてその励起速度はレーザ光強度をＩと
するとＷ＝8.31×10-10［λ2（Å）］4I（Ｗ／cm2）sec
-1
となる。但し、上記の値は、第１励起状態3p（
1P0）からリユードベルグ状態13d（ 1d）への光吸
収スペクトルは室温でのドツプラー広がりを有
し、レーザ光のスペクトル幅はドツプラー広がり
の10倍程度として計算したものである。このよう
なリユードベルグ状態13d（ 1D）を電界によりイ
オン化する場合、電界強度をイオン化に必要な電
界のしきい値Ecr＝0.3125×109・ｎ＊-4＝1.321×
104V／cmより１割程度高くすると、1012sec-1以
上の速い速度でイオンと電子とに分離する。従つ
て、この励起速度Ｗを第１励起状態3p（ 1P0）の
波長3859Åのレーザ光によるリユードベルグ状態
13d（ 1D）を経由しての電界電離速度とすること
ができる。第８図にこの電離速度Ｗをいくつかの
リユードベルグ状態nd（ 1D）（ｎ＝９〜15、21、
30）に関して色々なレーザ光強度Ｉに対して示
す。ある一定のレーザ光強度においてレーザ波長
λ2を変化させると、第１励起状態3p（ 1P0）から
リユードベルグ状態nd（ 1D）への遷移3p（ 1P0）
−nd（ 1D）に共鳴する波長λ2においてのみ電離
速度Ｗは有限の値を示し、それ以外の波長におい
てＷ＝０となる。第７図と第８図を比較すると、
リユードベルグ状態を経由してのイオン化の電離
速度Ｗは、従来の光イオン化より３桁以上大きい
ことがわかる。
ところで、従来のイオン化方法として波長λ1＝
2853Åのレーザ光によつて基底状態3s（ 1S）から
第１励起状態3p（ 1p0）に励起したマグネシウム
中性原子を、電界によつて直接電離するイオン化
方法も考えられる。この場合には、上記のように
Ｅ≧1.840×107V／cmと極めて大きい電界強度が
必要になる。また、3p（ 1p0）準位の放射寿命が
τr〜10ns程度と極めて短いため、レーザ光λ1を照
射した後〜10nsと極めて短い時間の間に電離のた
めの電界を印加する必要がある。従つて、このイ
オン化方法には、＞10MVの超高電圧を〜10nsの
超短時間の間に発生することが可能な特殊な高電
圧短パルス発生装置が必要となるが、このような
装置はレーザ装置より遥かに規模が大きく、しか
も高価である。これと比較して、本発明装置のイ
オン化方法に係るリユードベルグ状態の電界電離
のための電圧発生は極めてコンパクトで安価な通
常の装置で達成できる。
2853Åのレーザ光によつて基底状態3s（ 1S）から
第１励起状態3p（ 1p0）に励起したマグネシウム
中性原子を、電界によつて直接電離するイオン化
方法も考えられる。この場合には、上記のように
Ｅ≧1.840×107V／cmと極めて大きい電界強度が
必要になる。また、3p（ 1p0）準位の放射寿命が
τr〜10ns程度と極めて短いため、レーザ光λ1を照
射した後〜10nsと極めて短い時間の間に電離のた
めの電界を印加する必要がある。従つて、このイ
オン化方法には、＞10MVの超高電圧を〜10nsの
超短時間の間に発生することが可能な特殊な高電
圧短パルス発生装置が必要となるが、このような
装置はレーザ装置より遥かに規模が大きく、しか
も高価である。これと比較して、本発明装置のイ
オン化方法に係るリユードベルグ状態の電界電離
のための電圧発生は極めてコンパクトで安価な通
常の装置で達成できる。
従つて、この発明におけるイオン化方法の場
合、従来の共鳴光励起・イオン化方式に比べ、入
力光エネルギーに対するイオン化効率が３桁以上
高くなり、しかも完全に共鳴のみを使うためレー
ザビームのエネルギ準位、波長を不純物原子のそ
れらと一致しないように選択すればイオン化させ
たい物質のみをイオン化でき、しかも純度の高い
ものができる。更に、この発明におけるイオン化
方法の場合、リユードベルグ状態よりも遥かに低
い励起状態を電界電離によりイオン化する方式と
比較しても、特殊な高価な高電圧短パルス発生装
置を用いることなく、従来のコンパクトで安価な
電圧発生装置によつて達成できる利点がある。
合、従来の共鳴光励起・イオン化方式に比べ、入
力光エネルギーに対するイオン化効率が３桁以上
高くなり、しかも完全に共鳴のみを使うためレー
ザビームのエネルギ準位、波長を不純物原子のそ
れらと一致しないように選択すればイオン化させ
たい物質のみをイオン化でき、しかも純度の高い
ものができる。更に、この発明におけるイオン化
方法の場合、リユードベルグ状態よりも遥かに低
い励起状態を電界電離によりイオン化する方式と
比較しても、特殊な高価な高電圧短パルス発生装
置を用いることなく、従来のコンパクトで安価な
電圧発生装置によつて達成できる利点がある。
また上記レーザビームの波長や電界強度を変え
ることにより、容易に他種の物質のイオンビーム
を発生することができ、この場合イオン化される
多種の物質を前もつてイオンビーム発生容器内に
導入しておいても良い。このように発生するイオ
ンビームの種類を容易に変えることができる本発
明の手法は従来の方法にないものであり、イオン
ビームで処理する２つ以上の行程を連続して行な
うことができる利点がある。
ることにより、容易に他種の物質のイオンビーム
を発生することができ、この場合イオン化される
多種の物質を前もつてイオンビーム発生容器内に
導入しておいても良い。このように発生するイオ
ンビームの種類を容易に変えることができる本発
明の手法は従来の方法にないものであり、イオン
ビームで処理する２つ以上の行程を連続して行な
うことができる利点がある。
次にこの発明の実施例を図について説明する。
第２図は本発明の第１の実施例を示す。図にお
いて、１はイオン化されるべき物質が導入される
容器、１ａは上記物質を該容器１内に導入するた
めのガス導入孔、１ｂはガス排出孔、３ａ，３ｂ
は図示しないレーザビーム発生部からのレーザビ
ームＢ１，Ｂ３を上記容器１内に導入する窓であ
り、該容器１内のレーザビームＢ１，Ｂ３が交差
する空間はイオン生成空間４となつている。なお
上記レーザビーム発生部としては、波長可変レー
ザ又は自由電子レーザ等のレーザが用いられる。
いて、１はイオン化されるべき物質が導入される
容器、１ａは上記物質を該容器１内に導入するた
めのガス導入孔、１ｂはガス排出孔、３ａ，３ｂ
は図示しないレーザビーム発生部からのレーザビ
ームＢ１，Ｂ３を上記容器１内に導入する窓であ
り、該容器１内のレーザビームＢ１，Ｂ３が交差
する空間はイオン生成空間４となつている。なお
上記レーザビーム発生部としては、波長可変レー
ザ又は自由電子レーザ等のレーザが用いられる。
５，６は上記イオン生成空間４を挟んで配置さ
れた電極、５ａ，６ａは上記電極５，６に電圧を
印加する端子であり、これらは上記イオン生成空
間４に上記物質をイオン化するためのイオン化電
界を印加する電界発生部１５を構成している。８
は試料、８ａは該試料８を保持する試料台であ
り、該試料台８ａと上記電極６との間には直流電
圧が印加され、これによりイオン化された物質を
イオンビームとして引き出すための引き出し電界
が発生される。なお、上記イオン化電界が上記引
き出し電界を兼ねるようにしてもよい。
れた電極、５ａ，６ａは上記電極５，６に電圧を
印加する端子であり、これらは上記イオン生成空
間４に上記物質をイオン化するためのイオン化電
界を印加する電界発生部１５を構成している。８
は試料、８ａは該試料８を保持する試料台であ
り、該試料台８ａと上記電極６との間には直流電
圧が印加され、これによりイオン化された物質を
イオンビームとして引き出すための引き出し電界
が発生される。なお、上記イオン化電界が上記引
き出し電界を兼ねるようにしてもよい。
次に動作について説明する。
本実施例装置により、マグネシウムのイオンビ
ームを発生する場合を考える。まず容器１にガス
導入孔１ａからマグネシウム蒸気１０を導入す
る。そして上記レーザビーム発生部が発振し、こ
れにより波長2853ÅのレーザビームＢ１が窓３ａ
を介して上記容器１に導入され、また3859Åのレ
ーザビームＢ３が窓３ｂを介して同様に導入さ
れ、両ビームＢ１，Ｂ３が容器１内のイオン生成
空間４において交差し、これにより上記マグネシ
ウム蒸気１０は、2853ÅのレーザビームＢ１によ
り基底状態3s（ 1S）から第１励起状態3p（ 1P0）
に共鳴励起され、さらに3859ÅのレーザビームＢ
３により上記第１励起状態3p（ 1P0）からリユー
ドベルグ状態13d（ 1D）に階段状に共鳴励起され
る。
ームを発生する場合を考える。まず容器１にガス
導入孔１ａからマグネシウム蒸気１０を導入す
る。そして上記レーザビーム発生部が発振し、こ
れにより波長2853ÅのレーザビームＢ１が窓３ａ
を介して上記容器１に導入され、また3859Åのレ
ーザビームＢ３が窓３ｂを介して同様に導入さ
れ、両ビームＢ１，Ｂ３が容器１内のイオン生成
空間４において交差し、これにより上記マグネシ
ウム蒸気１０は、2853ÅのレーザビームＢ１によ
り基底状態3s（ 1S）から第１励起状態3p（ 1P0）
に共鳴励起され、さらに3859ÅのレーザビームＢ
３により上記第１励起状態3p（ 1P0）からリユー
ドベルグ状態13d（ 1D）に階段状に共鳴励起され
る。
また上記レーザ発振と時間的に同期して電極５
と電極６の各々に端子５ａ，６ａから電圧が印加
され、これにより上記リユードベルグ状態13d（
1D）にあるマグネシウム蒸気１０に電界が印加
され、その結果マグネシウム蒸気１０はイオン化
される。ここで、前述のようにリユードベルグ状
態13d（ 1D）のイオン化に必要な電界強度はＥ＞
1.321×104V／cmとなる。従つて、電極５と電極
６との間隔をｄ（cm）にすると、この電極間に印
加される電圧はVx＞1.321×104dVである必要が
ある。また上記電極６と試料台８ａとの間には直
流電圧が印加されており、これにより上記イオン
化されたマグネシウム蒸気１０はマグネシウムの
イオンのみからなるイオンビーム９として引き出
され、該イオンビーム９は上記試料８に照射され
る。イオンビーム９のエネルギーViは、電極５
と電極６との間に印加される電圧Vx及び電極６
と試料台８ａとの間に印加される電圧Vaによつ
て決まる。例えば、電極５と電極６との間におけ
るレーザ照射領域を電極５と電極６の中間ｄ／
２、ｄ＝１cmとすると、リユードベルグ状態とし
て13d（ 1D）を選んだ場合、得られるイオンビー
ムのエネルギーはVi＝Vx／２＋Va＞0.661×104
＋Va∨となる。従つて、電極６と試料台８ａと
の間に電圧を印加しないとすると（Va＝０）、エ
ネルギー7000V足らずのイオンビームを得ること
ができる。ここで、イオンビームのエネルギー
は、より高い即ちより電離限界に近いリユードベ
ルグ状態を選ぶとより低くなる。例えば、30d（
1D）の場合には、Vi＝Vx／２＋Va＞0.193×103
＋Va∨となり、Va＝０とすると、200V程度の
低いエネルギーのイオンビームを得ることができ
る。
と電極６の各々に端子５ａ，６ａから電圧が印加
され、これにより上記リユードベルグ状態13d（
1D）にあるマグネシウム蒸気１０に電界が印加
され、その結果マグネシウム蒸気１０はイオン化
される。ここで、前述のようにリユードベルグ状
態13d（ 1D）のイオン化に必要な電界強度はＥ＞
1.321×104V／cmとなる。従つて、電極５と電極
６との間隔をｄ（cm）にすると、この電極間に印
加される電圧はVx＞1.321×104dVである必要が
ある。また上記電極６と試料台８ａとの間には直
流電圧が印加されており、これにより上記イオン
化されたマグネシウム蒸気１０はマグネシウムの
イオンのみからなるイオンビーム９として引き出
され、該イオンビーム９は上記試料８に照射され
る。イオンビーム９のエネルギーViは、電極５
と電極６との間に印加される電圧Vx及び電極６
と試料台８ａとの間に印加される電圧Vaによつ
て決まる。例えば、電極５と電極６との間におけ
るレーザ照射領域を電極５と電極６の中間ｄ／
２、ｄ＝１cmとすると、リユードベルグ状態とし
て13d（ 1D）を選んだ場合、得られるイオンビー
ムのエネルギーはVi＝Vx／２＋Va＞0.661×104
＋Va∨となる。従つて、電極６と試料台８ａと
の間に電圧を印加しないとすると（Va＝０）、エ
ネルギー7000V足らずのイオンビームを得ること
ができる。ここで、イオンビームのエネルギー
は、より高い即ちより電離限界に近いリユードベ
ルグ状態を選ぶとより低くなる。例えば、30d（
1D）の場合には、Vi＝Vx／２＋Va＞0.193×103
＋Va∨となり、Va＝０とすると、200V程度の
低いエネルギーのイオンビームを得ることができ
る。
以上の動作説明における本実施例の特徴を示す
と、まず第１に本実施例は完全に共鳴のみを用い
て選択イオン化を行なうものであるので、上記容
器１内にイオン化させるべき物質、この場合マグ
ネシウム、以外の不純物、酸素、窒素、炭素、水
素等が含まれていて、しかもその量がマグネシウ
ムより多くても、レーザビームのエネルギ準位、
波長を上記不純物等のそれらと一致させないよう
にして希望の元素、この場合はマグネシウム、の
みがイオン化された純粋なマグネシウムイオンビ
ームが得られる。
と、まず第１に本実施例は完全に共鳴のみを用い
て選択イオン化を行なうものであるので、上記容
器１内にイオン化させるべき物質、この場合マグ
ネシウム、以外の不純物、酸素、窒素、炭素、水
素等が含まれていて、しかもその量がマグネシウ
ムより多くても、レーザビームのエネルギ準位、
波長を上記不純物等のそれらと一致させないよう
にして希望の元素、この場合はマグネシウム、の
みがイオン化された純粋なマグネシウムイオンビ
ームが得られる。
第２に本実施例は上述のとおり、選択イオン化
を行なうものであり、かつ共鳴光励起によるイオ
ン化を行なうものであるので、電子や他の元素が
励起されたり、エネルギ吸収により温度上昇した
りすることはなく、その結果イオンビームを照射
する対象試料８、例えば半導体の場合は基板、の
温度を上昇させることはなく、低温処理ができ
る。
を行なうものであり、かつ共鳴光励起によるイオ
ン化を行なうものであるので、電子や他の元素が
励起されたり、エネルギ吸収により温度上昇した
りすることはなく、その結果イオンビームを照射
する対象試料８、例えば半導体の場合は基板、の
温度を上昇させることはなく、低温処理ができ
る。
第３に本実施例は上述のとおり、リユードベル
グ状態を電界によりイオン化する際の印加電圧に
よりイオンビームのエネルギーを制御することが
でき、低いエネルギーのイオンビームを得ること
ができる。従つて、該イオンビームを照射する対
象試料８、例えば半導体基板に損傷を与えること
なく表面を処理することができる。また、このよ
うな低いエネルギーのイオンビームは、ビームを
引き出した後、更に加速することによつて高いエ
ネルギーのイオンビームとして用いることもでき
る。従つて、本実施例におけるイオンビームは、
100V以下の低エネルギーから1MV以上の高エネ
ルギーまで広いエネルギー範囲のイオンビームに
対応できるイオン源となる。
グ状態を電界によりイオン化する際の印加電圧に
よりイオンビームのエネルギーを制御することが
でき、低いエネルギーのイオンビームを得ること
ができる。従つて、該イオンビームを照射する対
象試料８、例えば半導体基板に損傷を与えること
なく表面を処理することができる。また、このよ
うな低いエネルギーのイオンビームは、ビームを
引き出した後、更に加速することによつて高いエ
ネルギーのイオンビームとして用いることもでき
る。従つて、本実施例におけるイオンビームは、
100V以下の低エネルギーから1MV以上の高エネ
ルギーまで広いエネルギー範囲のイオンビームに
対応できるイオン源となる。
第４にイオンビームの種類や特性を変える場合
はレーザビームの栄長及び印加電圧を変えれば良
く、従来のような試料を取り出したり、イオン源
部を交換するために容器を開閉したりする必要は
なく、従つて、イオン注入とアニーリング等の連
続動作が容易にできる。
はレーザビームの栄長及び印加電圧を変えれば良
く、従来のような試料を取り出したり、イオン源
部を交換するために容器を開閉したりする必要は
なく、従つて、イオン注入とアニーリング等の連
続動作が容易にできる。
第３図は本発明の第２の実施例を示す。図にお
いて、第２図と同一符号は同一又は相当部分を示
し、１３はイオン化させるべき物質１２を収容す
るオープン、１３ａは上記オーブン１３の外周に
設けられたヒータ、１１はイオン化されたマグネ
シウム蒸気１０を容器１の軸心に収束せしめるマ
グネツト、１４は上記収束されたマグネシウム蒸
気１０をイオンビーム９として引き出し電極であ
る。
いて、第２図と同一符号は同一又は相当部分を示
し、１３はイオン化させるべき物質１２を収容す
るオープン、１３ａは上記オーブン１３の外周に
設けられたヒータ、１１はイオン化されたマグネ
シウム蒸気１０を容器１の軸心に収束せしめるマ
グネツト、１４は上記収束されたマグネシウム蒸
気１０をイオンビーム９として引き出し電極であ
る。
次に動作について説明する。
オーブン１３内にイオン化させる物質であるマ
グネシウム１２を入れ、ヒータ１３ａによりオー
ブン１３を加熱すると上記マグネシウム１２が溶
融、気化してマグネシウム蒸気１０が発生し、該
蒸気１０はガス導入孔１ａを通つて容器１内に導
入される。そして2853ÅのレーザビームＢ１と
3859ÅのレーザビームＢ３が各々窓３ａ，３ｂを
介して上記容器１内に導入されて上記蒸気１０に
照射され、また同時に電極５，６に電圧が印加さ
れて上記蒸気１０に電界が印加される。するとこ
れにより蒸気１０は基底状態3s（ 1S）から第１励
起状態3p（ 1P0）を経てリユードベルグ状態13d
（ 1D）に階段状に励起され、さらに外部電界に
よりリユードベルグ状態13d（ 1D）にあるマグネ
シウム蒸気１０の電子が自由電子となり、これに
よりイオン生成空間４にマグネシウムイオンが生
成され、該マグネシウムイオンはマグネツト１１
により軸心に集束された後、引き出し電極１４に
よつてイオンビーム９として放出される。ここ
で、前述のようにリユードベルグ状態13d（ 1D）
のイオン化に必要な電界強度はＥ＞1.321×
104V／cmとなる。従つて、電極５と電極６との
間隔をｄ（cm）にすると、この電極間に印加され
る電圧はVx＞1.321×104dVである必要がある。
グネシウム１２を入れ、ヒータ１３ａによりオー
ブン１３を加熱すると上記マグネシウム１２が溶
融、気化してマグネシウム蒸気１０が発生し、該
蒸気１０はガス導入孔１ａを通つて容器１内に導
入される。そして2853ÅのレーザビームＢ１と
3859ÅのレーザビームＢ３が各々窓３ａ，３ｂを
介して上記容器１内に導入されて上記蒸気１０に
照射され、また同時に電極５，６に電圧が印加さ
れて上記蒸気１０に電界が印加される。するとこ
れにより蒸気１０は基底状態3s（ 1S）から第１励
起状態3p（ 1P0）を経てリユードベルグ状態13d
（ 1D）に階段状に励起され、さらに外部電界に
よりリユードベルグ状態13d（ 1D）にあるマグネ
シウム蒸気１０の電子が自由電子となり、これに
よりイオン生成空間４にマグネシウムイオンが生
成され、該マグネシウムイオンはマグネツト１１
により軸心に集束された後、引き出し電極１４に
よつてイオンビーム９として放出される。ここ
で、前述のようにリユードベルグ状態13d（ 1D）
のイオン化に必要な電界強度はＥ＞1.321×
104V／cmとなる。従つて、電極５と電極６との
間隔をｄ（cm）にすると、この電極間に印加され
る電圧はVx＞1.321×104dVである必要がある。
第４図は本発明の第３の実施例によるイオンビ
ーム発生装置におけるレーザ発振装置の構成例で
ある。
ーム発生装置におけるレーザ発振装置の構成例で
ある。
本発明におけるイオン生成のためのレーザビー
ムと電界とは時間的に同期される必要があり、ま
た階段状に元素を励起させるためには複数の各々
特定周波数のレーザビームが必要であり、該複数
のレーザビームももちろん同期させる必要がある
訳であるが、第４図はその同期方法の一例を示す
ものである。
ムと電界とは時間的に同期される必要があり、ま
た階段状に元素を励起させるためには複数の各々
特定周波数のレーザビームが必要であり、該複数
のレーザビームももちろん同期させる必要がある
訳であるが、第４図はその同期方法の一例を示す
ものである。
本レーザ発振装置２０は、３台の波長可変のダ
イレーザ２２，２３，２４と、該各ダイレーザ２
２〜２４を励起するための励起源レーザ２１と、
ハーフミラー２５，２６と、全反射ミラー２７と
から構成されている。このように励起源を１台の
レーザ１で構成したことにより、発振するレーザ
ビームω１，ω２，ω３は時間的に同期されたも
のとなる。そして上記励起源レーザ２１の発振
と、上記電極５，６への電圧印加を同時に行なう
ことにより、レーザビームと電界とを時間的に同
期できることとなる。
イレーザ２２，２３，２４と、該各ダイレーザ２
２〜２４を励起するための励起源レーザ２１と、
ハーフミラー２５，２６と、全反射ミラー２７と
から構成されている。このように励起源を１台の
レーザ１で構成したことにより、発振するレーザ
ビームω１，ω２，ω３は時間的に同期されたも
のとなる。そして上記励起源レーザ２１の発振
と、上記電極５，６への電圧印加を同時に行なう
ことにより、レーザビームと電界とを時間的に同
期できることとなる。
〔発明の効果〕
このように、本発明に係るイオンビーム発生装
置によれば、イオン化されるべき物質をレーザビ
ームの照射によりその基底状態からリユードベル
グ状態に共鳴光励起し、さらに上記物質を上記レ
ーザビームに同期したパルス電界の印加により該
リユードベルグ状態からイオン状態にするように
したので、イオンの選択性に優れ、従来の共鳴光
励起・イオン化方式に比べ、入力光エネルギーに
対するイオン化効率を３桁以上向上でき、しかも
コンパクトな低エネルギーのイオンビーム発生装
置が得られる効果がある。
置によれば、イオン化されるべき物質をレーザビ
ームの照射によりその基底状態からリユードベル
グ状態に共鳴光励起し、さらに上記物質を上記レ
ーザビームに同期したパルス電界の印加により該
リユードベルグ状態からイオン状態にするように
したので、イオンの選択性に優れ、従来の共鳴光
励起・イオン化方式に比べ、入力光エネルギーに
対するイオン化効率を３桁以上向上でき、しかも
コンパクトな低エネルギーのイオンビーム発生装
置が得られる効果がある。
第１図はマグネシウム中性原子のシングレツト
系のエネルギ状態図、第２図は本発明の第１の実
施例によるシヤワー型イオンビーム発生装置の概
略構成図、第３図は本発明の第２の実施例による
集束型イオンビーム発生装置の概略構成図、第４
図は本発明の第３の実施例によるイオンビーム発
生装置のレーザビームの発振部のブロツク図、第
５図は有効主量子数ｎ＊の励起状態にある原子を
電界によりイオン化するのに必要な電界強度を示
す状態図、第６図はマグネシウム中性原子のｄ状
態にある有効主量子数ｎ＊の励起状態の放射寿命
を示す状態図、第７図はマグネシウム中性原子の
第１励起状態3p（ 1P0）における光電離速度の波
長依存性を示す状態図、第８図はマグネシウム中
性原子の第１励起状態3p（ 1P0）におけるリユー
ドベルグ状態nd（ 1D）（ｎ＝９〜15、21、30）を
経由しての電界電離速度の波長依存性を示す状態
図である。 １……容器、１５……電界発生部、２０……レ
ーザビーム発生部、Ｂ１〜Ｂ３……レーザビー
ム。なお図中同一符号は同一又は相当部分を示
す。
系のエネルギ状態図、第２図は本発明の第１の実
施例によるシヤワー型イオンビーム発生装置の概
略構成図、第３図は本発明の第２の実施例による
集束型イオンビーム発生装置の概略構成図、第４
図は本発明の第３の実施例によるイオンビーム発
生装置のレーザビームの発振部のブロツク図、第
５図は有効主量子数ｎ＊の励起状態にある原子を
電界によりイオン化するのに必要な電界強度を示
す状態図、第６図はマグネシウム中性原子のｄ状
態にある有効主量子数ｎ＊の励起状態の放射寿命
を示す状態図、第７図はマグネシウム中性原子の
第１励起状態3p（ 1P0）における光電離速度の波
長依存性を示す状態図、第８図はマグネシウム中
性原子の第１励起状態3p（ 1P0）におけるリユー
ドベルグ状態nd（ 1D）（ｎ＝９〜15、21、30）を
経由しての電界電離速度の波長依存性を示す状態
図である。 １……容器、１５……電界発生部、２０……レ
ーザビーム発生部、Ｂ１〜Ｂ３……レーザビー
ム。なお図中同一符号は同一又は相当部分を示
す。
Claims (1)
- 【特許請求の範囲】 １ イオン化されるべき物質を収容する容器と、
該容器内の上記物質にレーザビームを照射するレ
ーザビーム発生器と、上記容器内の上記物質に電
界を印加する電界発生部とを備え、上記物質のイ
オンビームを発生する装置において、上記レーザ
ビーム発生部は上記物質をエネルギ準位の基底状
態からリユードベルグ状態に共鳴光励起するよう
な波長を有するレーザビームを発生するものであ
り、上記電界発生部は上記物質をリユードベルグ
状態からイオン状態とする上記レーザビームに同
期したパルス電界を発生するものであることを特
徴とするイオンビーム発生装置。 ２ レーザビーム発生部は、物質を基底状態から
中間状態を経てリユードベルグ状態に階段状に共
鳴光励起するような同期した波長の異なる複数の
レーザビームを発生するものであることを特徴と
する特許請求の範囲第１項記載のイオンビーム発
生装置。 ３ レーザビーム発生部として、波長可変レーザ
を用いたことを特徴とする特許請求の範囲第１項
又は第２項記載のイオンビーム発生装置。 ４ レーザビーム発生部として、自由電子レーザ
を用いたことを特徴とする特許請求の範囲第１項
又は第２項記載のイオンビーム発生装置。 ５ レーザビーム発生部は、１つの励起源レーザ
と、該励起源レーザからのレーザビーム電子励起
される相互に時間同期した複数の色素レーザとか
らなることを特徴とする特許請求の範囲第２項記
載のイオンビーム発生装置。 ６ 物質は、固体又は液体の物質を加熱気化して
生成された蒸気として容器に導入されることを特
徴とする特許請求の範囲第１項ないし第５項のい
ずれかに記載のイオンビーム発生装置。 ７ 電界は、イオン化された物質をイオンビーム
として引き出すための引き出し電界を兼ねている
ことを特徴とする特許請求の範囲第１項ないし第
６項のいずれかに記載のイオンビーム発生装置。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP59066892A JPS60208025A (ja) | 1984-04-02 | 1984-04-02 | イオンビ−ム発生装置 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP59066892A JPS60208025A (ja) | 1984-04-02 | 1984-04-02 | イオンビ−ム発生装置 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPS60208025A JPS60208025A (ja) | 1985-10-19 |
| JPH0512813B2 true JPH0512813B2 (ja) | 1993-02-19 |
Family
ID=13329017
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP59066892A Granted JPS60208025A (ja) | 1984-04-02 | 1984-04-02 | イオンビ−ム発生装置 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JPS60208025A (ja) |
Families Citing this family (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN106842095B (zh) * | 2017-01-06 | 2019-06-28 | 山西大学 | 基于里德堡原子量子相干效应的射频电场校对方法及装置 |
Family Cites Families (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US3914655A (en) * | 1973-06-28 | 1975-10-21 | Ibm | High brightness ion source |
-
1984
- 1984-04-02 JP JP59066892A patent/JPS60208025A/ja active Granted
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JPS60208025A (ja) | 1985-10-19 |
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