JPH0527211B2 - - Google Patents
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- JPH0527211B2 JPH0527211B2 JP59066895A JP6689584A JPH0527211B2 JP H0527211 B2 JPH0527211 B2 JP H0527211B2 JP 59066895 A JP59066895 A JP 59066895A JP 6689584 A JP6689584 A JP 6689584A JP H0527211 B2 JPH0527211 B2 JP H0527211B2
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- laser beam
- laser
- substance
- ion beam
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- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01J—ELECTRIC DISCHARGE TUBES OR DISCHARGE LAMPS
- H01J37/00—Discharge tubes with provision for introducing objects or material to be exposed to the discharge, e.g. for the purpose of examination or processing thereof
- H01J37/02—Details
- H01J37/04—Arrangements of electrodes and associated parts for generating or controlling the discharge, e.g. electron-optical arrangement or ion-optical arrangement
- H01J37/08—Ion sources; Ion guns
-
- 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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- Analytical Chemistry (AREA)
- Physics & Mathematics (AREA)
- Optics & Photonics (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
したパルスガス放電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
したパルスガス放電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（1）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（1）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
イオン化方法と異なる点はマグネシウム蒸気を第
１励起状態3p（1P0）からリユードベルグ状態13d
（1D）に励起し、さらに該励起蒸気を放電により
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
気に放電をレーザビーム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
ウム中性原子を放電による電子衝突等で電離する
ものである。
イオン化方法と異なる点はマグネシウム蒸気を第
１励起状態3p（1P0）からリユードベルグ状態13d
（1D）に励起し、さらに該励起蒸気を放電により
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
気に放電をレーザビーム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
ウム中性原子を放電による電子衝突等で電離する
ものである。
ここで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。
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。
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５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ｎ＊＝
12.04であり、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ｎ
＊＝2.03であり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５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ｎ＊＝
12.04であり、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ｎ
＊＝2.03であり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）
準位をパルスガス放電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
に放電電界を印加して該準位をイオン化すればよ
く、＞100V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放電電源を用
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）
準位をパルスガス放電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
に放電電界を印加して該準位をイオン化すればよ
く、＞100V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放電電源を用
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）］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、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６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）］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、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６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×＝9.91×10-2［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）を放電による
電子衝突によりイオン化する場合、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）を経由しての放電による電離速度とす
ることができる。第７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＝13〜15，
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６図と第７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×＝9.91×10-2［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）を放電による
電子衝突によりイオン化する場合、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）を経由しての放電による電離速度とす
ることができる。第７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＝13〜15，
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６図と第７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
性原子を放電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放電電界を印加する
必要がある。従つて、このイオン化方法には、＞
100V程度の電圧を〜10nsの超短時間の間に発生
することが可能な特殊な短パルス放電電源が必要
となるが、このような装置は規模が大きく、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放電によ
る電離は極めてコンパクトで安価な通常のパルス
放電電源で達成できる。
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
性原子を放電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放電電界を印加する
必要がある。従つて、このイオン化方法には、＞
100V程度の電圧を〜10nsの超短時間の間に発生
することが可能な特殊な短パルス放電電源が必要
となるが、このような装置は規模が大きく、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放電によ
る電離は極めてコンパクトで安価な通常のパルス
放電電源で達成できる。
従つて、この発明に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
起状態を放電によりイオン化する方式と比較して
も、特殊で高価な短パルス放電電源を用いること
なく、従来のコンパクトで安価なパルス放電電源
によつて達成できる利点がある。
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
起状態を放電によりイオン化する方式と比較して
も、特殊で高価な短パルス放電電源を用いること
なく、従来のコンパクトで安価なパルス放電電源
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を変えることによ
り、容易に多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。
り、容易に多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において高周波ガス放電を生ぜしめるガス放
電発生部１５を構成しており、該ガス放電発生部
１５は、上記物質がそのリユードベルグ状態から
イオン状態になるに充分なように共鳴するような
高周波電源を有している。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
容器１に導入される場合は、上記イオン化のため
のガス放電が上記物質を中性元素状態にするため
のガス放電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において高周波ガス放電を生ぜしめるガス放
電発生部１５を構成しており、該ガス放電発生部
１５は、上記物質がそのリユードベルグ状態から
イオン状態になるに充分なように共鳴するような
高周波電源を有している。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
容器１に導入される場合は、上記イオン化のため
のガス放電が上記物質を中性元素状態にするため
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。
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。
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Ｂ３
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よりマグネシウム蒸気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Ｂ３
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＞100V程
度の電圧が印加され、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１
０にガス放電による電子が衝突し、その結果マグ
ネシウム蒸気１０はイオン化される。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Viは、電極６と試料８ａとの間に印
加される電圧Vaによつて決まる。例えば、Va＝
100Vとすると、Vi＝Va＝100V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。
と電極６の各々に端子５ａ，６ａから＞100V程
度の電圧が印加され、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１
０にガス放電による電子が衝突し、その結果マグ
ネシウム蒸気１０はイオン化される。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Viは、電極６と試料８ａとの間に印
加される電圧Vaによつて決まる。例えば、Va＝
100Vとすると、Vi＝Va＝100V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
グ状態を放電によりイオン化してイオンを引き出
す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。
グ状態を放電によりイオン化してイオンを引き出
す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
はレーザビーム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。
はレーザビーム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
るオーブン、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。
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
るオーブン、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。
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＞100V程度
の電圧が印加されて上記蒸気１０にガス放電によ
る電子が衝突する。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、さらに上記ガス放電による電子衝突により
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。
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＞100V程度
の電圧が印加されて上記蒸気１０にガス放電によ
る電子が衝突する。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、さらに上記ガス放電による電子衝突により
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。
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
ムとガス放電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。
ムとガス放電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、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、レーザビームとガス放電とを時間的に同
期することとなる。
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、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、レーザビームとガス放電とを時間的に同
期することとなる。
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ガス放電により該リ
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３桁以上向上でき、しかもコン
パクトな低エネルギ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ガス放電により該リ
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３桁以上向上でき、しかもコン
パクトな低エネルギ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６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）におけるリユードベルグ状態
nd（1D）（ｎ＝13〜15，21，30）を経由しての放
電による電離速度の波長依存性を示す状態図であ
る。 １……容器、１５……ガス放電発生部、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６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）におけるリユードベルグ状態
nd（1D）（ｎ＝13〜15，21，30）を経由しての放
電による電離速度の波長依存性を示す状態図であ
る。 １……容器、１５……ガス放電発生部、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
ーザビーム発生部と、上記容器内の上記物質雰囲
気中でレーザビームと交差するガス放電を発生す
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
記ガス放電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
したパルスガス放電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 上記レーザビーム発生部は、上記物質を基底
状態から中間状態を経て上記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 上記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 上記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 上記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で励
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 上記ガス放電発生部は、高周波放電を生ぜし
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５項のいずれかに記載のイオンビ
ーム発生装置。 ７ 上記物質は、化合物又は分子状態のガスとし
て上記容器に導入され、上記ガス放電は、上記容
器内に導入された物質を中性元素状態にするため
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 |
|---|---|---|---|
| JP59066895A JPS60208035A (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 |
|---|---|---|---|
| JP59066895A JPS60208035A (ja) | 1984-04-02 | 1984-04-02 | イオンビ−ム発生装置 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPS60208035A JPS60208035A (ja) | 1985-10-19 |
| JPH0527211B2 true JPH0527211B2 (ja) | 1993-04-20 |
Family
ID=13329110
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP59066895A Granted JPS60208035A (ja) | 1984-04-02 | 1984-04-02 | イオンビ−ム発生装置 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JPS60208035A (ja) |
Families Citing this family (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2507992B2 (ja) * | 1986-03-15 | 1996-06-19 | 株式会社島津製作所 | イオン銃 |
| JPH08190886A (ja) * | 1995-01-10 | 1996-07-23 | Mitsubishi Electric Corp | イオン注入装置、イオン注入方法および半導体装置 |
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 JP59066895A patent/JPS60208035A/ja active Granted
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JPS60208035A (ja) | 1985-10-19 |
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