JPS6127042A - 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つは線スペクトルで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用する。

〔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、該物質のリュー
ドベルグ状態（Ｒｙｄｂｅｒｇ５ｔａｔｅ　）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図はべり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３
（１０）０人の２本のレーザビームＥ１１．８２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（Ｉｓ）にあるベリリウム原子をまず２
３４９人のレーザビームＢ１により第１励起状態２ｐ（
ｌｐｏ）に共鳴励起し、その後３（１０）０人のレーザ
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Ｂ３
により比較的下位の励起状態から高励起状態に励起でき
る。また本発明方法が従来方法と根本的に異なる点はこ
の最終励起状態としてリュードベルグ状態にすることで
あり、また該状態からのイオン化はＲＦ放電などのガス
放電によって行なう。

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３（１０）０人のレーザビームＢ２によ
りベリリウム蒸気をエネルギ準位２ｐ　（ＩＰＯ）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。従って励起用光の出力エネルギが小
さくてすみ、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。

また上記シンクロトロン放射光の波長を変えることによ
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を差動排気して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、ＩＣはスリッ
ト、３は１９０７人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、これらは上記容器１内において
、ＲＦ放電を生ぜしめるガス放電発生部１５を構成して
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。

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よりベ
リリウム蒸気１０を導入する。そして電極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
、上記基底状態２ｓ（ＩＳ）にあるベリリウム蒸気１０
にガス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Ｆ”、２　ｐ　（’３　ＰＯ）に励
起される。また上記電圧印加と時間的に同期して上記シ
ンクロトロン放射光発生部３から１９０７人のシンクロ
トロン放射光Ｂ３がスリット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　（３ＰＯ）からりュードペルグ状態１２ｄ（３
Ｄ）に共鳴励起され、最後に該励起蒸気は上記ガス放電
による電子の衝突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はへ
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。

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。

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リすることはなく、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シンク
ロトロン放射光の波長とガス放電条件を変えれば良（、
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（、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の外周に設けられたヒータ、１１はイ
オン化されたベリリウム蒸気１０を容器１の軸心に集束
せしめるマグネット、１４は上記集束されたベリリウム
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
ると上記ベリリウム１２が溶融。

気化して′ベリリウム蒸気１０が発生し、該蒸気１０は
ガス導入孔１ａを通って容器ｌ内に導入される。そして
電極５，６に電圧が印加されて上記蒸気１０にガス放電
による電子が衝突し、またこれと同期して１９０７人の
単一波長の分光されたシンクロトロン放射光Ｂ３がスリ
ット１ｃを介して上記オーブン１３内に導入されて上記
蒸気１０に照射される。するとこれにより蒸気１０は基
底状態２ｓ（１３）からリュードベルグ状態１２ｄ（３
Ｄ）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１ｏの電子が自由電子とな
り、これによりオーブン１３内においてベリリウムイオ
ンが生成され、該ベリリウムイオンはマグネット１１に
より軸心に集束された後、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、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Ｎ３３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２２において相対論的速
度になった電子が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。

〔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、シンクロトロン放射光の照
射により該励起状態がらリュードベルグ状態に共鳴光励
起し、さらに上記物質をガス放電の電子の衝突により該
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と一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と一ム発
生装置の概略構成図、第４ＴＩ！Ｊは本発明に使用する
シンクロトロン放射光発生装置の概略構成図である。 １．１３．３３・・・容器、３，２０・・・シンクロト
ロン放射光発生部、１５・・バガス放電発生部、Ｂ３・
・・シンクロトロン放射光。

Claims (10)

【特許請求の範囲】
1. （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雰囲
   気中でシンクロトロン放射光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し、かつ後述のシンクロトロン放
   射光の照射により得られたリュードベルグ状態からイオ
   ン状態とするものであり、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ュー
   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ることを特徴とす
   るイオンビーム発生装置。
2. （２）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ような波長の異
   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. （３）上記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. （４）上記加速器として、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. （５）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４項のい
   ずれかに記載のイオンビーム発生装置。
6. （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. （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６項のいずれかに記載のイオンビーム発生装置。
8. （８）上記ガス放電発生部は、上記物質がそのリュード
   ベルグ状態からイオン状態になるように共鳴するような
   高周波電源を有することを特徴とする特許請求の範囲第
   ６項記載のイオンビーム発生装置。
9. （９）上記シンクロトロン放射光とガス放電とは各々の
   位相が時間的に同期す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. （１０）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９項のいずれ
    かに記載のイオンビーム発生装置。