JPH0517653B2 - - Google Patents

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。

〔従来技術〕

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、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、光の単一波長を対
象とするイオン化されるべき物質のエネルギ準位
に共鳴させて該物質をイオン化させるものであ
り、本発明は後者、特に光としてレーザ光でなく
シンクロトロン放射光を使うものに関するもので
ある。

〔発明の概要〕

本発明は、イオン化されるべき物質をシンクロ
トロン放射光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、上記シンクロト
ロン放射光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４桁以上向
上でき、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。

〔発明の実施例〕

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。

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3853Å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
イオン化方法と異なる源は、最終励起状態をリユ
ードベルグ状態とする点、励起用光源としてシン
クロトロン放射光、特に相対論的シンクロトロン
放射光を使用する点にある。シンクロトロン放射
光はレーザ光と同様に方向性を有し、かつレーザ
光よりはるかに大強度、高エネルギ光子であり、
そのため第１図に示すように１本の光子によりマ
グネシウム蒸気を気体状態からリユードベルグ状
態に励起できる。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シン
クロトロン放射光と共に印加することにより、こ
の励起状態から電界によりイオン化を行うもので
あり、この点も従来のイオン化方法と異なる。

Ｅ（Ｖ／cm）≧0.13125×10⁹・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
とをいう。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13p（¹P⁰）準位につい
ては、ｎ＊＝12.40であり、従つて、リユードベ
ルグ状態13p（¹P⁰）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29p（¹P⁰）準位を選んだ場合、そのイ
オン化に必要な電界強度はＥ≧4.418×10²Ｖ／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ｐ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13p（¹P⁰）に関してはτr〜2.6us程度で
よいが、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29p（¹P⁰）準位に関しては
τr〜34us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3p
（1S）を波長λ₁＝1625Åのシンクロトロン放射光
によつてリユードベルグ状態29p（¹P⁰）に励起し、
この29p（¹P⁰）準位を電界Ｅ＞4.418×10²Ｖ／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シンクロ
トロン放射光λ₁によつて共鳴励起した後、リユー
ドベルグ状態29p（¹P⁰）の放射寿命τr〜34us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、＞400V程度の電圧を立上り・立下り時間＜
10us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基底状態
3s（1S）から直接光イオン化する場合、その光電
離断面積はσi＝2.50×10^-27［λ₁（Å）］³cm²であり
、
従つてその電離速度はＷ＝1.25×10^-12［λ₁（Å）］⁴
Ｉ（Ｗ／cm²）sec^-1となる。ここで、シンクロトロ
ン放射光波長λ₁は、電離限界を超えるためλ₁＜
1621Åである必要がある。第７図はこの電離速度
Ｗを放射光波長λ₁の関数として色々な放射光強度
Ｉに対して示す。図示のように、ある一定の放射
光強度において波長λ₁を変化させると電離速度Ｗ
は連続的に変化する。

また、従来のイオン化方法として、波長λ₁＝
2853Åのシンクロトロン放射光によつて基底状態
3s（¹S）から第１励起状態3p（¹P⁰）に光励起した
マグネシウム中性原子を、直接に光イオン化方法
も考えられる。この場合、その光電離断面積はσi
＝3.06×10^-28［λ₂（Å）］³cm²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、シンクロトロン放射光波
長λ₂は、電離限界を超えるためλ₂＜3756Åである
必要がある。第８図はこの電離速度Ｗを放射光波
長λ₂の関数として色々な放射光強度Ｉに対して示
す。図示のように、この場合も、ある一定の放射
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、この発明装置におけるイオン化方法の場
合、波長λ₁＝1625Åのシンクロトロン放射光によ
る基底状態3s（1S）からリユードベルグ状態29p
（¹P⁰）への光励起断面積σ_ex＝9.91×10^-23［λ₁
（Å）］³cm²であり、従つてその励起速度は放射光高
度をＩとするＷ＝4.98×10^-8［λ₁（Å）］⁴Ｉ（Ｗ／
cm²）sec^-1となる。但し、上記の値は、基底状態
3s（1S）からリユードベルグ状態29p（¹P⁰）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、放射光のスペクトル幅をドツプラー広がり
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29p（¹P⁰）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E_cr＝0.3125×10⁹・n^-4＝4.418×
10²Ｖ／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を基底状態3s（¹S）の波長
1625Åの放射光によるリユードベルグ状態29p
（¹P⁰）を経由しての電界電離速度とすることがで
きる。

第９図にこの電離速度Ｗをいくつかのリユード
ベルグ状態np（¹P⁰）（ｎ＝13〜15，21，29）に関
して色々な放射光強度Ｉに対して示す。ある一定
の放射光強度において放射光波長λ₁を変化させる
と、基底状態3s（¹S）からリユードベルグ状態np
（¹P⁰）への遷移3s（¹S）−np（¹P⁰）に共鳴する波長
λ₁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はＷ＝０となる。

第７図、第８図と第９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４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のシンクロトロン放射光によつて基底状
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放射
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させる必要がある。従つ
て、このイオン化方法には、＞10MV程度の超高
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。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４桁以上
高くなり、しかも完全に共鳴のみを使うため、該
放射光のエネルギ準位、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、
特殊で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。

また上記シンクロトロン放射光の波長や電界強
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。

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は上記容器１を真空にする
ための真空排気装置（図示せず）に接続された排
気通路、３は1625Åの波長幅の狭いシンクロトロ
ン放射光Ｂ３を発生するシンクロトロン放射光発
生部、５，６は上記シンクロトロン放射光Ｂ３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
記容器１内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よりマグネシウム蒸気１０を導入す
る。そして上記シンクロトロン放射光発生部３か
ら波長1625Åのシンクロトロン放射光Ｂ３が上記
容器１内に導入され、これにより上記マグネシウ
ム蒸気１０は、該放射光Ｂ３により基底状態3s
（¹S）からリユードベルグ状態29p（¹P⁰）に共鳴励
起される。

また蒸気シンクロトロン放射光の導入と時間的
に同期して電極５と電極６の各々に端子５ａ，６
ａ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29p（¹P⁰）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29p（¹P⁰）のイオン化に
必要な電界強度はＥ＞4.418×10²Ｖ／cmとなる。
従つて、電極５と電極６との間隔をｄ（cm）とす
ると、この電極間に印加される電圧はVr＞4.418
×10²dV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Vr及び電極６と
試料第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
シンクロトロン放射光照射領域を電極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29p（¹P⁰）を選んだ場合、得られる
イオンビームのエネルギーはVi＝V_r/2＋Va＞
2.209×10²＋VaV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、シンクロトロン放射光のエネル
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。

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を制御することがで
き、低いエネルギ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
の低エネルギから1MV以上の高エネルギまで、
広いエネルギ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
はシンクロトロン放射光の波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
る容器、１３ａは上記容器１３の外周に設けられ
たヒータであり、これにより上記容器１３は上記
物質１２を蒸発せしめるオーブンとなつている。
１１はイオン化されたマグネシウム蒸気１０を容
器１の軸心に集束せしめるマグネツト、１４は上
記集束されたマグネシウム蒸気１０をイオンビー
ム９として引き出す引き出し電極である。

次に動作について説明する。

容器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により容器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が発生する。そして波
長1625Åのシンクロトロン放射光Ｂ３が上記容器
１３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）からリユードベルグ状態
29p（¹P⁰）に励起され、さらに外部電界によりリ
ユードベルグ状態29p（¹P⁰）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
29p（¹P⁰）のイオン化に必要な電界強度はＥ＞
4.418×10²Ｖ／cmとなる。従つて、電極５と電極
６との間隔をｄ（cm）とすると、この電極間に印
加される電圧はVr＞4.418×10²dVである必要が
ある。

第４図は本発明に用いるシンクロトロン放射光
発生装置の構成例である。図において、２１は線
形加速器、２２は電子蓄積リング、２３はウイグ
ラー、２４は分光系、３３は容器である。

上記容器３３に導入されるシンクロトロン放射
光は、まず線形加速器２１により電子が加速され
て電子蓄積リング２２に打ち込まれ、該リング２
２において相対論的速度になつた電子からシンク
ロトロン放射光が放出され、さらに分光系２４に
導入され該分光系２４により単一波長にされた光
である。そして本実施例はウイグラー２３を設け
たので上記分光系２４の波長可変性とは別に波長
可変性の範囲を拡げることができ、多種の物質の
イオンビームを発生できる。

〔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シンクロ
トロン放射光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
を上記シンクロトロン放射光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
力光エネルギに対するイオン化効率を４桁以上向
上でき、しかもコンパクトな低エネルギイオンビ
ーム発生装置が得られる効果がある。

【図面の簡単な説明】

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承知の概略構成図、第４
図は本発明に用いるシンクロトロン放射光発生部
の概略構成図、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ｐ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
シウム中性原子の基底状態3s（¹S）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
る光電離速度の波長依存性を示す状態図、第９図
はマグネシウム中性原子の基底状態3s（¹S⁰）にお
けるリユードベルグ状態np（¹P⁰）（ｎ＝13〜15，
21，29）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。 １，１３，３３……容器、１５……電界発生
部、２０……シンクロトロン放射光発生部、Ｂ３
……シンクロトロン放射光。なお図中同一符号は
同一又は相当部分を示す。

Claims (1)

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をこれにシンクロトロン放射
   光を照射して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シンクロトロン放
   射光発生部と、上記容器内の上記物質をこれに上
   記シンクロトロン放射光に同期したパルス電界を
   印加してリユードベルグ状態からイオン状態とす
   る電界発生部とを備えたことを特徴とするイオン
   ビーム発生装置。 ２ シンクロトロン放射光発生部は、加速器を有
   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 加速器として、電子蓄積リング又は電子サイ
   クロトロンを用いた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。 ４ シンクロトロン放射光発生部は、加速器及び
   分光器又は分光系を有し、加速器からの出力を上
   記分光器又は分光系を通過させた単一波長の光を
   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２項又は第３項記載のイオンビーム発生装
   置。 ５ シンクロトロン放射光発生部は、分光器又は
   分光系を有し、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をす
   るような同期した複数の単一波長の光を発生する
   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。