JPH0518220B2 - - Google Patents
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- JPH0518220B2 JPH0518220B2 JP59149935A JP14993584A JPH0518220B2 JP H0518220 B2 JPH0518220 B2 JP H0518220B2 JP 59149935 A JP59149935 A JP 59149935A JP 14993584 A JP14993584 A JP 14993584A JP H0518220 B2 JPH0518220 B2 JP H0518220B2
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- Japan
- Prior art keywords
- state
- substance
- ion beam
- synchrotron radiation
- electric field
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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せて該物質をイオン化さ
せるものである（特開昭50−22999号公報参照）。
本発明は後者に関するものであり、光源としてレ
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せて該物質をイオン化さ
せるものである（特開昭50−22999号公報参照）。
本発明は後者に関するものであり、光源としてレ
ーザ光でなくシンクロトロン放射光を使うもので
ある。
本発明は、イオン化されるべき物質をガス放電
によりその比較的下位の励起状態に励起し、シン
クロトロン放射光の照射により該励起状態からリ
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。
によりその比較的下位の励起状態に励起し、シン
クロトロン放射光の照射により該励起状態からリ
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。
まず本発明装置におけるイオン化方法をベリリ
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図はベリリ
ウム中性原子のエネルギ準位図である。
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図はベリリ
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2349Å及
び3000Åの２本のレーザビームＢ１，Ｂ２をイオ
ン化させたいベリリウム蒸気に照射する方法であ
り、即ち基底状態2s（1S）にあるベリリウム原子
をまず2349ÅのレーザビームＢ１により第１励起
状態2p（1P0）に共鳴励起し、その後3000Åのレー
ザビームＢ２によりイオン化させるものである。
び3000Åの２本のレーザビームＢ１，Ｂ２をイオ
ン化させたいベリリウム蒸気に照射する方法であ
り、即ち基底状態2s（1S）にあるベリリウム原子
をまず2349ÅのレーザビームＢ１により第１励起
状態2p（1P0）に共鳴励起し、その後3000Åのレー
ザビームＢ２により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のは、励起用の光源として
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
りベリリウム蒸気を比較的下位の励起状態からリ
ユードベルグ状態に励起できる。また、本発明方
法の従来方法と根本的に異なる点はこの最終的励
起状態としてリユードベルグ状態にすることであ
り、該励起状態からのイオン化は次式に示す電界
の印加により行なう。
イオン化方法と異なるのは、励起用の光源として
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
りベリリウム蒸気を比較的下位の励起状態からリ
ユードベルグ状態に励起できる。また、本発明方
法の従来方法と根本的に異なる点はこの最終的励
起状態としてリユードベルグ状態にすることであ
り、該励起状態からのイオン化は次式に示す電界
の印加により行なう。
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
とをいう。ベリリウム中性原子の場合、基底状態
は2s（1S）、ｎ＝２であり、リユードベルグ状態は
ｎ≧12程度の高励起状態のことを示す。
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。ベリリウム中性原子の場合、基底状態
は2s（1S）、ｎ＝２であり、リユードベルグ状態は
ｎ≧12程度の高励起状態のことを示す。
ベリリウム中性原子の12d（3D）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12d（3D）のイオン化に必要な電界強度は
Ｅ≧1.487×104V／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（3D）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2p（1P0）につい
てはｎ＊＝1.83であり、もしこの2p（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≧2.786×107V／cmと極めて大きい電
界強度が必要になる。
は、ｎ＊＝12.04であり、従つて、リユードベル
グ状態12d（3D）のイオン化に必要な電界強度は
Ｅ≧1.487×104V／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（3D）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2p（1P0）につい
てはｎ＊＝1.83であり、もしこの2p（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≧2.786×107V／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、ベリリウム中性原子の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。ベリリウム中性原子のリユードベ
ルグ状態12d（3D）に関してはτr〜2.4μs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（3D）準位に関しては
τr〜37μsとより長くなる。一方、第１励起状態2p
（1P0）については、τr〜8ns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。
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、ベリリウム中性原子の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。ベリリウム中性原子のリユードベ
ルグ状態12d（3D）に関してはτr〜2.4μs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（3D）準位に関しては
τr〜37μsとより長くなる。一方、第１励起状態2p
（1P0）については、τr〜8ns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、ベリリウム中性原子の基底状態2s（1S）
をガス放電によつて準安定状態2p（3P0）に励起
し、更にこの2p（3P0）準位を波長λ2＝1907Åのシ
ンクロトロン放射光によつてリユードベルグ状態
12d（3D）に励起し、この12d（3D）準位を電界Ｅ
＞1.487×104V／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、放電下の
ベリリウム蒸気をシンクロトロン放射光λ1にいよ
つて共鳴励起した後、リユードベルグ状態12d
（3D）の放射寿命τr〜2.4μs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。
をガス放電によつて準安定状態2p（3P0）に励起
し、更にこの2p（3P0）準位を波長λ2＝1907Åのシ
ンクロトロン放射光によつてリユードベルグ状態
12d（3D）に励起し、この12d（3D）準位を電界Ｅ
＞1.487×104V／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、放電下の
ベリリウム蒸気をシンクロトロン放射光λ1にいよ
つて共鳴励起した後、リユードベルグ状態12d
（3D）の放射寿命τr〜2.4μs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基底状態
2s（1S）から直接に光イオン化する場合、その光
電離断面積はσ1＝4.10×10-27［λ1（Å）］3cm2であ
り、
従つてその電離速度はＷ＝2.06×10-12［λ1（Å）］4I
（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＜1329
Å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。
2s（1S）から直接に光イオン化する場合、その光
電離断面積はσ1＝4.10×10-27［λ1（Å）］3cm2であ
り、
従つてその電離速度はＷ＝2.06×10-12［λ1（Å）］4I
（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＜1329
Å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、従来のイオ化方法として、ガス放電によ
つて準安定状態2p（3P0）に励起したベリリウム中
性原子を、直接に光イオン化する方法も考えられ
る。この場合、この光電離断面積はσi＝1.73×
10-27［λ2（Å）］3cm2であり、従つてその電離速度は
Ｗ＝8.70×10-13［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＜1879Å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。
つて準安定状態2p（3P0）に励起したベリリウム中
性原子を、直接に光イオン化する方法も考えられ
る。この場合、この光電離断面積はσi＝1.73×
10-27［λ2（Å）］3cm2であり、従つてその電離速度は
Ｗ＝8.70×10-13［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＜1879Å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λ2＝1907Åのシンクロトロン放射光によ
る準安定状態2p（3P0）からリユードベルグ状態
12d（3D）への光励起断面積σex＝1.28×10-22［λ2
（Å）］3cm2であり、従つてその励起速度は放射光高
度をＩとするとＷ＝6.47×10-8［λ1（Å）］4I（Ｗ／
cm2）sec-1となる。但し、上記の値は、準安定状
態2p（3P0）からリユードベルグ状態12d（3D）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12d（3D）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＝
1.487×104V／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を準安定状態
2p（3P0）の波長1907Åの放射光によるリユードベ
ルグ状態12d（3D）を経由しての電界電離速度と
することができる。
合、波長λ2＝1907Åのシンクロトロン放射光によ
る準安定状態2p（3P0）からリユードベルグ状態
12d（3D）への光励起断面積σex＝1.28×10-22［λ2
（Å）］3cm2であり、従つてその励起速度は放射光高
度をＩとするとＷ＝6.47×10-8［λ1（Å）］4I（Ｗ／
cm2）sec-1となる。但し、上記の値は、準安定状
態2p（3P0）からリユードベルグ状態12d（3D）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12d（3D）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＝
1.487×104V／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を準安定状態
2p（3P0）の波長1907Åの放射光によるリユードベ
ルグ状態12d（3D）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nd（3D）（ｎ＝12〜15、20、30）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λ2を変化させる
と、準安定状態2p（3P0）からリユードベルグ状態
nd（3D）への遷移2p（3P0）−nd（3D）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はＷ＝０となる。
ベルグ状態nd（3D）（ｎ＝12〜15、20、30）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λ2を変化させる
と、準安定状態2p（3P0）からリユードベルグ状態
nd（3D）への遷移2p（3P0）−nd（3D）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はＷ＝０となる。
第７図、第８と第９図を比較すると、リユード
ベルグ状態を経由して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。
ベルグ状態を経由して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、ガス波
長λ1＝2349Åのシンクロトロン放射光によつて基
底状態2s（1S）から第１励起状態2p（1P0）に励起
したベリリウム中性原子を、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≧2.786×107V／cmと極め
て大きい電界強度が必要になる。また、2p（1P0）
準位の放射寿命がτr〜8ns程度と極めて短いため、
放射光λ1を照射した後〜8ns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。
長λ1＝2349Åのシンクロトロン放射光によつて基
底状態2s（1S）から第１励起状態2p（1P0）に励起
したベリリウム中性原子を、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≧2.786×107V／cmと極め
て大きい電界強度が必要になる。また、2p（1P0）
準位の放射寿命がτr〜8ns程度と極めて短いため、
放射光λ1を照射した後〜8ns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、イオン化方法に比べ、入
力光エネルギに対するイオン化効率が４桁以上高
くなり、また基底状態からではなく準安定状態か
らの励起であるので光子の波長は短くてすみ、し
かも完全に共鳴のみを使うためシンクロトロン放
射光の波長を不純物原子のエネルギ準位と一致し
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。
合、従来の共鳴光励起、イオン化方法に比べ、入
力光エネルギに対するイオン化効率が４桁以上高
くなり、また基底状態からではなく準安定状態か
らの励起であるので光子の波長は短くてすみ、し
かも完全に共鳴のみを使うためシンクロトロン放
射光の波長を不純物原子のエネルギ準位と一致し
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。
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
ン化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。
度を変えることにより、容易に他種の物質のイオ
ン化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の実施例を示し、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、１ｃはスリツト、３は1907のÅ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である。
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、１ｃはスリツト、３は1907のÅ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である。
また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、これらによ
り上記容器１内において上記物質に電界を印加す
る電界発生部１５が達成されている。また１１は
上記物質雰囲気中でRF放電を発生するRF放電発
生部である誘導コイルである。なお、上記イオン
化されるべき物質が化合物又は分子状態のガスと
して上記容器１内に導入される場合は、上記励起
用ガス放電が上記物質を中性原子状態にするため
のガス放電を兼ねるようにしてもよい。
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、これらによ
り上記容器１内において上記物質に電界を印加す
る電界発生部１５が達成されている。また１１は
上記物質雰囲気中でRF放電を発生するRF放電発
生部である誘導コイルである。なお、上記イオン
化されるべき物質が化合物又は分子状態のガスと
して上記容器１内に導入される場合は、上記励起
用ガス放電が上記物質を中性原子状態にするため
のガス放電を兼ねるようにしてもよい。
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。
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、ベリリウムのイオンビー
ムを発生する場合を考える。まず容器１にガス導
入孔１ａからベリリウム蒸気１０を導入する。そ
して上記誘導コイル１１によりRF放電が発生し、
またこれと同期してシンクロトロン放射光発生部
３が発振し、さらに該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
印加される。するとこれにより、上記基底状態2s
（1S）にあるベリリウム蒸気１０にRF放電による
電子が衝突し、その結果該ベリリウム蒸気１０は
準安定状態2p（3P0）に励起される。また上記シン
クロトロン放射光発生部３の発振により1907Åの
シンクロトロン放射光Ｂ３がスリツト１ｃを介し
て容器１内に導入され、これにより上記ベリリウ
ム蒸気１０は準安定状態2p（3P0）からリユードベ
ルグ状態12d（3D）に共鳴励起され、最後に該励
起蒸気は上記電界発生部１５からの電界によりイ
オン化される。ここで、前述のように、リユード
ベルグ状態12d（3D）のイオン化に必要な電界強
度はＥ＞1.487×104V／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＞1.487×104dV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ベリリウム蒸気１０はベリリ
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。
ムを発生する場合を考える。まず容器１にガス導
入孔１ａからベリリウム蒸気１０を導入する。そ
して上記誘導コイル１１によりRF放電が発生し、
またこれと同期してシンクロトロン放射光発生部
３が発振し、さらに該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
印加される。するとこれにより、上記基底状態2s
（1S）にあるベリリウム蒸気１０にRF放電による
電子が衝突し、その結果該ベリリウム蒸気１０は
準安定状態2p（3P0）に励起される。また上記シン
クロトロン放射光発生部３の発振により1907Åの
シンクロトロン放射光Ｂ３がスリツト１ｃを介し
て容器１内に導入され、これにより上記ベリリウ
ム蒸気１０は準安定状態2p（3P0）からリユードベ
ルグ状態12d（3D）に共鳴励起され、最後に該励
起蒸気は上記電界発生部１５からの電界によりイ
オン化される。ここで、前述のように、リユード
ベルグ状態12d（3D）のイオン化に必要な電界強
度はＥ＞1.487×104V／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＞1.487×104dV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ベリリウム蒸気１０はベリリ
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
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12d（3D）を選んだ場合、得られる
イオンビームのエネルギーはVi＝Vr/2＋Va＞
0.744×104＋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7000V程度のイオンビームを
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（3D）の場合には、Vi＝Vr/2＋Va＞0.192×
103＋VaVとなり、Va＝０とすると、200V程度
の低いエネルギのイオンビームを得ることができ
る。
電極６との間に印加される電圧Vr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
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12d（3D）を選んだ場合、得られる
イオンビームのエネルギーはVi＝Vr/2＋Va＞
0.744×104＋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7000V程度のイオンビームを
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（3D）の場合には、Vi＝Vr/2＋Va＞0.192×
103＋VaVとなり、Va＝０とすると、200V程度
の低いエネルギ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、この場合ベリ
リウム、以外の不純物、酸素、窒素、炭素、水素
等が含まれていて、しかもその量がベリリウムよ
り多くても、シンクロトロン放射光の波長を上記
不純物原子のエネルギ準位と一致させないように
して希望の元素、この場合はベリリウム、のみが
イオン化された純粋なベリリ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、この場合ベリ
リウム、以外の不純物、酸素、窒素、炭素、水素
等が含まれていて、しかもその量がベリリウムよ
り多くても、シンクロトロン放射光の波長を上記
不純物原子のエネルギ準位と一致させないように
して希望の元素、この場合はベリリウム、のみが
イオン化された純粋なベリリ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。
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
は分光された単一波長のシンクロトロン放射光の
波長、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。
は分光された単一波長のシンクロトロン放射光の
波長、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。
また１４はベリリウム蒸気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。
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。
また１４はベリリウム蒸気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。
オーブン１３内にイオン化させる物質であるベ
リリウム１２を入れ、ヒータ１３ａによりオーブ
ン１３を加熱すると上記ベリリウム１２が溶融、
気化してベリリウム蒸気１０が発生する。そして
誘導コイル１１によりRF放電が発生し、またこ
れと同期して1907Åのシンクロトロン放射光Ｂ３
がスリツト１ｃを介して、上記オーブン１３内に
導入され、さらに電極５，６に電圧が印加されて
電界が発生し、これによりこれにより蒸気１０は
基底状態2s（1S）から励起状態2p（3P0）を経てリ
ユードベルグ状態12d（3D）に励起され、さらに
該リユードベルグ状態12d（3D）にあるベリリウ
ム蒸気１０の電子が自由電子となり、これにより
オーブン１３内にベリリウムイオンが生成され、
該ベリリウムイオンは引き出し電極１４によつて
イオンビーム９として放出される。
リリウム１２を入れ、ヒータ１３ａによりオーブ
ン１３を加熱すると上記ベリリウム１２が溶融、
気化してベリリウム蒸気１０が発生する。そして
誘導コイル１１によりRF放電が発生し、またこ
れと同期して1907Åのシンクロトロン放射光Ｂ３
がスリツト１ｃを介して、上記オーブン１３内に
導入され、さらに電極５，６に電圧が印加されて
電界が発生し、これによりこれにより蒸気１０は
基底状態2s（1S）から励起状態2p（3P0）を経てリ
ユードベルグ状態12d（3D）に励起され、さらに
該リユードベルグ状態12d（3D）にあるベリリウ
ム蒸気１０の電子が自由電子となり、これにより
オーブン１３内にベリリウムイオンが生成され、
該ベリリウムイオンは引き出し電極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
12d（3D）のイオン化に必要な電界強度はＥ＞
1.487×104V／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＞1.487×104dVである必要が
ある。
12d（3D）のイオン化に必要な電界強度はＥ＞
1.487×104V／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＞1.487×104dV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
形加速蒸気、２２は電子蓄積リング、２４は分光
系であり、これらによりシンクロトロン放射光発
生装置２０が構成されている。３３は該発生装置
２０からのシンクロトロン放射光が照射される容
器である。
発生装置の構成例である。図において、２１は線
形加速蒸気、２２は電子蓄積リング、２４は分光
系であり、これらによりシンクロトロン放射光発
生装置２０が構成されている。３３は該発生装置
２０からのシンクロトロン放射光が照射される容
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、さらに該放射光が分
光系２４に導入されてここで単一波長にされた光
である。
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、さらに該放射光が分
光系２４に導入されてここで単一波長にされた光
である。
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ガス放電
によりその比較的下位の励起状態に励起し、シン
クロトロン放射光の照射により該励起状態からリ
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。
置によれば、イオン化されるべき物質をガス放電
によりその比較的下位の励起状態に励起し、シン
クロトロン放射光の照射により該励起状態からリ
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。
第１図はベリリウム中性原子のエネルギ状態
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図はベリリウム中性原子の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図はベリリウム中性原子の基底状態
2s（1S）における光電離速度の波長依存性を示す
状態図、第８図はベリリウム中性原子の準安定状
態2p（3P0）における光電離速度の波長依存性を示
す状態図、第９図はベリリウム中性原子の準安定
状態2p（3P0）におけるリユードベルグ状態nd
（3D）（ｎ＝12〜15、20、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。 １，１３，３３……容器、３，２０……シンク
ロトロン放射光発生部、１１……ガス放電発生
部、１５……電界発生部、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。
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図はベリリウム中性原子の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図はベリリウム中性原子の基底状態
2s（1S）における光電離速度の波長依存性を示す
状態図、第８図はベリリウム中性原子の準安定状
態2p（3P0）における光電離速度の波長依存性を示
す状態図、第９図はベリリウム中性原子の準安定
状態2p（3P0）におけるリユードベルグ状態nd
（3D）（ｎ＝12〜15、20、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。 １，１３，３３……容器、３，２０……シンク
ロトロン放射光発生部、１１……ガス放電発生
部、１５……電界発生部、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)
- 【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シンクロトロン放射光を照
射するシンクロトロン放射光発生部と、上記容器
内の上記物質に電界を印加する電界発生部と、上
記容器内の上記物質雰囲気中でガス放電を発生す
るガス放電発生部とを備え、上記物質のイオンビ
ームを発生する装置において、上記ガス放電発生
部はガス放電により上記物質をエネルギ準位の基
底状態から比較的下位の励起状態に励起するもの
であり、上記シンクロトロン放射光発生部は上記
物質を上記比較的下位の励起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シ
ンクロトロン放射光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シンクロトロン放射光に同
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 シンクロトロン放射光発生部は、物質を比較
的下位の励起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励起するような同期した
波長の異なる複数のシンクロトロン放射光を発生
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。 ３ 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分
光器又は分光系を通過させた線幅の狭い線スペク
トルにした光を発生するものであること特徴とす
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 加速器として、電子蓄積リング又は電子サイ
クロトロンのいずれか一方又は両方を用いたこと
を特徴とする特許請求の範囲第３項記載のイオン
ビーム発生装置。 ５ 比較的下位の励起状態が準安定状態であるこ
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ビーム発生装置。 ６ 電界発生部の電界がイオンをビームとして引
き出す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５項のいずれか
に記載のイオンビーム発生装置。 ７ ガス放電発生部は、高周波（RF）放電を発
生せしめるものであ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。 ８ 物質は、化合物又は分子状態のガスとして容
器内に導入され、ガス放電は、上記容器内に導入
された物質を中性原子状態にするためのガス放電
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７項のいずれかに記載のイオンビー
ム発生装置。 ９ ガス放電は、シンクロトロン放射光及び電界
との位相が時間的に同期したものであることを特
徴とする特許請求の範囲第１項ないし第８項のい
ずれかに記載のイオンビーム発生装置。 １０ 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上記容器内に導入される
ことを特徴とする特許請求の範囲第１項ないし第
９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 |
|---|---|---|---|
| JP59149935A JPS6127043A (ja) | 1984-07-17 | 1984-07-17 | イオンビ−ム発生装置 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP59149935A JPS6127043A (ja) | 1984-07-17 | 1984-07-17 | イオンビ−ム発生装置 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPS6127043A JPS6127043A (ja) | 1986-02-06 |
| JPH0518220B2 true JPH0518220B2 (ja) | 1993-03-11 |
Family
ID=15485780
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP59149935A Granted JPS6127043A (ja) | 1984-07-17 | 1984-07-17 | イオンビ−ム発生装置 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JPS6127043A (ja) |
Families Citing this family (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JPH0610808Y2 (ja) * | 1987-12-29 | 1994-03-23 | アキレス株式会社 | 多層靴底 |
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
- 1984-07-17 JP JP59149935A patent/JPS6127043A/ja active Granted
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JPS6127043A (ja) | 1986-02-06 |
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