JPS60235338A - イオンビ−ム発生装置 - 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】 〔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ったが、近年レーザ光を
使ったイオン源が考え出されて来ている。このレーザ光
等の光を使った方式には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
ったり、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り、本
発明は後者に関するものである。

〔発明の概要〕

本発明は、上記共鳴光励起、イオン化方式のイオンビー
ム発生装置において、イオン化させる物質の共鳴光励起
にてイオン化させる直前の状態として、該物質のシュタ
ルク効果によりイオン化できるリュードベルグ状態（Ｒ
ｙｄｂｅｒｇ　１ｅｖｅｌ　）を使うことにより、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数桁以上向上でき、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ベリリウムイオ
ンビームを発生する場合を例にとっ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２３４９人及び４
５７３人の２本のレーザビームＢｌ、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）にあるヘリリウム原子をまず２３４９
人のレーザビームＢ１によす第１励起状態２ｐ（ＩＰＯ
）に共鳴励起し、その後４５７３人のレーザビームＢ２
によりエネルギ準位３ｄ（ＩＤ）に共鳴励起し、さらに
４５７３人のレーザビ−ムＢ２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
方法と異なるのは共鳴励起のみを用いている点であり、
ベリリウム蒸気をガス放電により準安定状？、２　ｐ　
’（３ＰＯ）が支配的な状態に共鳴励起し、レーザビー
ム、第１図の例では波長３３２１人、　、１．４６μ、
　６４４９人の３本のレーザビームＢ３〜Ｂ５により上
記励起蒸気をこの励起状態からりュードヘルグ状態に共
鳴励起し、さらに従来のイオン化方法のようにベリリウ
ム蒸気をレーザビーム、第１図の例ではＢ２、により自
由電子状態、即ちイオン状態にするのではなく、次式で
示される電界により上記励起状態からイオン状態にする
。

Ｅ　（Ｖ’／ｃｍ）　−〇、３１２５Ｘ１０９　ｎ−４
ここでｎはリュードベルグ状態の有効量子数である。

この発明装置におけるイオン化方法の場合、従来のイオ
ン化方法が波長４５７３人のレーザビームＢ２にまりへ
リリウム蒸気をエネルギ準位３ｄ（ＩＤ）から直接イオ
ン化させるのに比べ、イオン化させる衝突断面積が数桁
以上高い。従ってレーザビームの出力エネルギが小さく
てすみ、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かくてすみ、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。

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って
イオンビーム発生容器内に４伏しておいても良い。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
はガス排出孔、３ａ又は３ｂは各々図示しないレーザビ
ーム発生部からのレーザビームＢ３．Ｂ５又はＢ４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Ｂ３〜Ｂ５が交差する空間はイオン生成空間４とな
っている。そして上記レーザビーム発生部は励起源用の
フラッシュランプと、これにより励起されて上記レーザ
ビームＢ３〜Ｂ５を発生する３つのレーザとからなり、
このレーザとしては、波長可変レーザ、色素レーザ、又
はアレキサンドライトレーザ等の固体レーザが用いられ
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にパルス電界を生
ぜしめる電界発生部１５を構成している。１６はこれも
上記イオン生成空間４を挟んで配置された誘導コイルで
あり、これは該イオン生成空間４において高周波（ＲＦ
）放電を生ぜしめるＲＦ放放電化生部なっている。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。

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。ます容器１にガス導入孔１ａよりベ
リリウム蒸気１０を導入する。そして上記誘導コイル１
６によりＲＦ放電が発生し、またこれと同時にレーザビ
ーム発生部が発振し、さらに該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、５ａから電圧
が印加される。するとこれにより、上記基底状ｐ　”ｌ
　Ｓ（ＩＳ）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（３ＰＯ）に励起される。また上、記レーザ
の発振により３３２１人、　６４４９人のレーザビーム
Ｂ３．ＢＳが窓３ａを介して容器ｌ内に導入され、また
１、４６μのレーザビームＢ４が窓３ｂを介して同様に
導入され、各ビームＢ３〜Ｂ５が容器１内のイオン生成
空間４において交差し、これにより上記ベリリウム蒸気
１０は３３２１人のレーザビームＢ３により準安定状態
２ｐ（３ＰＯ）から励起状態３ｓ（３Ｓ）に共鳴励起さ
れ、さらに１゜４６μのレーザビームＢ４により上記励
起状態３ｓ（３Ｓ）から励起状態３ｐ　（３ＰＯ）に励
起され、さらに６４４９人のレーザビームＢ５によりリ
ュードベルグ状態１２ｄ（３Ｄ）に階段状に共鳴励起さ
れ、最後に該励起蒸気は上記電界発生部１５からのパル
ス電界によりイオン化される。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−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。

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、しがちその量が
ベリリウムより多くても、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。

第３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、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、従って、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−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の外周に設りら共たヒータ、１４はイ
オン化されたベリリウム蒸気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
ると上記へリリウム１２が溶融。

気化してベリリウム蒸気１０が発生し、該茎気１０はガ
ス導入孔１ａを通って容器１内に導入される。そして誘
導コイル１６によりＲＦ放電が発生し、また同時に３３
２１人、　６４４９人のレーザビームＢ３、Ｂ５が窓３
ａを介して、また１、４６μのレーザビームＢ４が窓３
ｂを介して上記容器１内に導入され、さらに電極５，６
に電圧が印加されてパルス電界が発生し、これにより蒸
気ＩＯは基底状態２ｓ（１Ｓ）から励起状態２＋）（３
ＰＯ）、３ｓ（３Ｓ）、３ｐ　（３ＰＯ）を経てリュ〜
ドヘルグ状態１２ｄ（３Ｄ）に階段状に励起され、さら
に該リュードベルグ状態１２ｄ（３Ｄ）にあるベリリウ
ム蒸気１０の電子が自由電子となり、これによりイオン
生成空間４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によってイオンビーム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り、第５図は
その色素セルを部を示す。

本発明において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
のレーザビームは同期させる必要がある訳であるが、第
４図及び第５図はその同期方法の一例を示すものである
。

図において、２１はレーザ発振装置２０の反射鏡セル、
２２は２個の色素セル、２３は１本のフランシュランプ
、２４は鏡、２５は平面鏡、２６は回折格子、ω１．ω
２はレーザビームである。

本レーザ発振装置２０では、１本のフランシュランプ２
３により２個の色素セル２２が励起され、これにより波
長の異なる色素レーザビームω１゜ω２が同期して発振
される。そして本実施例装置では２つのレーザビームω
１．ω２によりイオン化すべき物質を準安定状態から中
間状態を経て上記リュードベルグ状態に階段状に共鳴励
起することとなる。

上記レーザビームω１．ω２の波長を異なるものとする
には、上記２（Ｉｌｉ！の色素セル２２として異なる色
素のものを使用して波長を変えたり、また該２個の色素
セル２２として同じ色素のものを使用し、平面鏡２５と
回折格子２６との配位角θ１゜θ２により波長を相互に
変えたりすることができ、このようにしてイオン化させ
る物質に共鳴させる波長を選択でき、かつ各レーザビー
ムを相互に時間同期でき、その結果物質を階段状に励起
できる。

また上記フラッシュランプ２３の始動と、上記電極５，
６あるいは誘導コイル１６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あるいはＲＦ放電とを
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ガス放電によりその比較
的下位の励起状態に励起し、レーザビームの照射により
該励起状態からりュードベルグ状態に共鳴光励起し、さ
らに上記物質を電界印加により該励起状態からイオン状
態にするようにしたので、イオン化効率及びイオンの選
択性を大きく向上できる効果がある。

【図面の簡単な説明】

第１図はベリリウム中性原子のシングレット系のエネル
ギ状態図、第２図は本発明の第１の実施例によるシャワ
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発生部の概略構成図、
第５図はそのフランシュランプ、色素セル部分を示し、
第５図（ａｌばその断面側面図、第５図中）はその断面
正面図である。 １．１３・・・容器、１５・・・電界発注部、１６・・
・ガス放電発生部、２０・・・レーザビーム発生部、２
２・・・色素レーザ、２３・・・フランシュランプ、Ｂ
１−Ｂ５・・・レーザビーム。 なお図中同一符号は同−又は相当部分を示す。 代理人　大　岩　増　雄

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Ｕη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、上記レ
   ーザビーム発生部はフラッシュランプと、これにより励
   起され上記物質を上記比較的下位の励起状態からりュー
   ドヘ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レーザとからなるものであり、上記
   電界発生部は上記物質をシュタルク効果によりリュード
   ベルグ状態からイオン状態とする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）上記レーザビーム発生部は、上記物質を上記比較
   的下位の励起状態から中間状態を経て上記リュードヘル
   グ状態に階段状に共鳴励起するような波長の異なる複数
   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は、１つのフラッシュラ
   ンプと、該フランシュランプからの光により励起される
   相互に時間同期可能な複数のレーザ発振セルとからなる
   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のレーザとして、ｅＬ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項ないし第３項のいずれかに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のレーザとして、色素レ
   ーザを用いたことを特徴とする特許請求の範囲第１項な
   いし第３項のいずれかに記載のイオンビーム発生装置。 （６）上記レーザビーム発生部のレーザとして、アレキ
   サンドライトレーザ等の固体レーザ又は該固体レーザか
   らの高調波によって励起される色素レーザのいずれか一
   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
   １項ないし第３項のいずれかに記載のイオンビーム発生
   装置。 （７）上記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６項のい
   ずれかに記載のイオンビーム発生装置。 （８）上記電界発生部のシュタルク効果によりイオン化
   させる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箱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）上記ガス放電発生部は、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８項のいずれかに記載のイオンビーム発
   生装置。 αΦ　上記物質は、化合物又は分子状態のガスとして上
   記容器内に導入され、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９項のいずれかに記載のイオンビーム発生装置。 （１１）上記各レーザビーム、ガス放電、電界は、これ
   らのうちの少なくこともいずれか２つの位相が時間的に
   同期でき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１０項のいずれかに記載のイオンビーム
   発生装置。 （１２）上記物質は、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１１項のいず
   れかに記載のイオンビーム発生装置。