DE3535060A1 - Ionenstrahlerzeuger - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen Ionenstrahlerzeuger, wie er zur Materialverbesserung oder Materialsynthese z. B. bei einem Halbleiter-Herstellprozeß dient.

Es sind verschiedene Verfahren vorgeschlagen und in die Praxis überführt worden, um Ionen durch einen Ionenstrahlerzeuger herzustellen. Die meisten dieser Erzeuger benutzen einen Entladevorgang. Erzeuger, die Laserlicht verwenden, sind erst in jüngster Zeit entwickelt worden. Es bestehen zwei Ionisierverfahren, die Laserlicht ausnutzen. Das eine Verfahren nutzt Plasma als Ionenquelle, welches Plasma durch Aufstrahlen von Laserlicht auf ein festes Material, wie z. B. Metall hergestellt wird. Das Plasma kann auch dadurch erzeugt werden, daß gebündeltes Laserlicht auf ein Gas oder eine Flüssigkeit gestrahlt wird. Das andere Verfahren geht dahin, das Material dadurch zu ionisieren, daß monochromatisches Laserlicht einer solchen Wellenlänge auf das zu ionisierende Material gestrahlt wird, daß dieses resonanzangeregt wird, was durch Verwenden eines durchstimmbaren Lasers möglich ist. Die Erfindung betrifft einen Ionenstrahlerzeuger, der gemäß dem letzteren Verfahren arbeitet.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Ionenstrahlerzeuger mit einem im Vergleich zu herkömmlichen Erzeugern verbesserten Ionisierwirkungsgrad anzugeben.

Die Erfindung ist durch die Merkmale des Hauptanspruchs gegeben. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind Gegenstand der Unteransprüche.

Die Erfindung zeichnet sich dadurch aus, daß das zu ionisierende Material durch einen Laserstrahl nicht direkt ionisiert, sondern nur auf ein Zwischenniveau erregt wird.

Erst vom Zwischenniveau aus erfolgt das Ionisieren. Ein derartiger Ionenstrahlerzeuger hat den Vorteil, daß er ein sehr selektives Ionisieren zuläßt. Der Ionisierwirkungsgrad ist gegenüber herkömmlichen Ionenstrahlerzeugern um ein mehrfaches verbessert.

Die Erfindung wird im folgenden anhand von Figuren mehr veranschaulicht. Es zeigen:

Fig. 1 ein Energieniveaudiagramm, das die Energieniveaus Singulettzustandes eines neutralen Magnesiumatoms darstellt; das Diagramm dient zum Erläutern des Ionisierverfahrens gemäß einer herkömmlichen und gemäß einer ersten erfindungsgemäßen Methode;

Fig. 2 einen Querschnitt durch einen Ionenstrahlerzeuger vom Schauertyp, als erster Ausführungsform;

Fig. 3 einen Querschnitt durch einen Ionenstrahlerzeuger vom bündelnden Typ als modifizierter Version der ersten Ausführungsform;

Fig. 4 ein schematisches Diagramm eines Laserstrahlerzeugers für die erste Ausführungsform mit Farbstofflasern, die durch einen Pumplaser gepumpt werden;

Fig. 5 und 6 schematische Darstellungen einer modifizierten Version des Laserstrahlerzeugers, bei dem die Farbstofflaser durch eine Blitzlampe gepumpt werden;

Fig. 7 und 8 schematische Darstellungen einer zweiten und einer dritten modifizierten Version des Laserstrahlerzeugers, wobei zwei Laser durch ein elektrisches Signal getriggert werden;

Fig. 9 ein Energieniveaudiagramm, das die Energieniveaus des Singulett-Terms eines neutralen Magnesiumatoms darstellt, zum Erläutern eines herkömmlichen Ionisierverfahrens und eines Ionisierverfahrens gemäß einer zweiten anmeldegemäßen Ausführungsform;

Fig. 10 einen schematischen Querschnitt durch eine zweite Ausführungsform eines Ionenstrahlerzeugers vom Schauertyp;

Fig. 11 einen schematischen Querschnitt durch einen Ionenstrahlerzeuger vom bündelnden Typ gemäß einer modifizierten Version der zweiten Ausführungsform;

Fig. 12 ein Digramm zum Erläutern des Aufbaus eines Synchrotronstrahl- Lichterzeugers für die zweite Ausführungsform;

Fig. 13 ein Diagramm betreffend eine Abwandlung eines Synchrotronstrahl- Lichterzeugers; und

Fig. 14 und 15 Energieniveaudiagramme, die die Energieniveaus im Singulettzustand eines neutralen Aluminiumatoms darstellen, zum Erläutern eines bekannten Ionisierverfahrens und von Ionisierverfahren gemäß einer dritten bzw. einer vierten anmeldegemäßten Ausführungsform.

Anhand der Fig. 1 bis 8 wird nun eine erste Ausführungsform des Erfindungsgegenstandes beschrieben.

Beim herkömmlichen Ionisierverfahren wird das Licht zweier Laserstrahlen B 1 und B 2 von 285,3 nm bzw. 552,8 nm auf zu ionisierenden Magnesiumdampf gestrahlt, wie dies im Energieniveaudiagramm gemäß Fig. 1 dargestellt ist. Durch den Laserstrahl B 1 der Wellenlänge 285,3 nm wird das Magnesiumatom vom Grundniveau 3s(¹ S) durch Resonanz auf das erste Anregungsniveau 3p(¹ P ⁰) erregt. Danach erfolgt Resonanzerregung auf das zweite Anregungsniveau 3d(¹ D) durch den Laserstrahl B 2 der Wellenlänge 552,8 nm. Das Ionisieren erfolgt dann durch den Laserstrahl B 1 der Wellenlänge 285,3 nm.

Mit der Vorrichtung gemäß der ersten Ausführungsform wird dagegen der Magnesiumdampf durch einen oder mehrere Laserstrahlen, wie z. B. die Laserstrahlen B 1 und B 3 von 285,3 nm bzw. 385,9 nm durch Resonanz ins Rydberg-Niveau 13d(¹ D) vom Grundzustand 3s(¹ S) aus angeregt, und dann wird der angeregte Dampf vom Rydberg-Niveau aus durch Anlegen eines elektrischen Feldes zum Erzeugen des Stark- Effektes oder durch Anwenden einer Gasentladung an den angeregten Dampf ionisiert. Im Fall des Anlegens eines elektrischen Feldes an den auf das Rydberg-Niveau 13d(¹ D) angeregten Dampf gilt für den Wert der Stärke des elektrischen Feldes, das zusammen mit dem Laserstrahl B 3 auf den angeregten Dampf einwirkt:

E(V/cm) = 0.3125 × 10⁹ × n ^-4,

worin n eine zutreffende Hauptquantenzahl darstellt.

Im Fall des Anwendens einer Gasentladung wird der angeregte Dampf dadurch ionisiert, daß Elektronenzusammenstöße stattfinden, die durch die Gasentladung hervorgerufen sind.

Das Ionisierverfahren gemäß dieser ersten Ausführungsform hat den Vorteil, daß der Kollisionsquerschnitt für die Ionisierung mehrfach größer ist als für die direkte Ionisierung vom Energieniveau 3d(¹ D) aus wie bei der herkömmlichen Methode. Dadurch ist es möglich, mit geringerer Ausgangsleistung des Lasers auszukommen. Darüberhinaus ist es möglich, nur das gewünschte Material selektiv zu ionisieren, indem die Wellenlänge des Laserstrahls so ausgewählt wird, daß sie nicht mit dem Energieniveau von Verunreinigungsatomen übereinstimmt. Dies ist möglich, da die vorliegende Erfindung ausschließlich Resonanzen nutzt.

Darüberhinaus ist es auf einfachste Art und Weise möglich, Ionenstrahlen anderer Materialien zu erzeugen, indem die Wellenlänge des Laserstrahls und die Intensität des elektrischen Feldes oder die Bedingungen der Gasentladung verändert werden. So ist es möglich, zahlreiche Materialien, die ionisiert werden sollen, in das Behältnis des Ionenstrahlerzeugers einzuführen. Dadurch können auf einfache Art und Weise zwei oder mehr Ionenstrahlprozesse aufeinanderfolgend ausgeführt werden.

Mit dem Ionenstrahlerzeuger vom Schauertyp gemäß Fig. 2 wird z. B. Magnesium durch schrittweise Resonanzanregung mit Hilfe der Laserstrahlen B 1 und B 3 ionisiert.

Das zu ionisierende Material wird in einen Behälter 1 eingeführt. Dies erfolgt über einen Gaseinlaß, der den Dampf des Materials einläßt, welcher Dampf z. B. durch Erhitzen und Verdampfen festen oder flüssigen Materials erzeugt wird. Durch einen Galsauslaß 1 b wird Gas ausgelassen. Durch Fenster 3 a und 3 b werden Laserstrahlen B 1 und B 3 von einem nicht in Fig. 2 dargestellten Laserstrahlerzeuger in den Behälter 1 gestrahlt. In einem Ionenerzeugungsraum 4 überkreuzen die Laserstrahlen B 1 und B 3 einander. Als Laserstrahlerzeuger werden z. B. Laser mit variabler Wellenlänge oder ein Laser mit freien Elektronen verwendet.

Der Ionenerzeugungsraum 4 ist zwischen Elektroden 5 und 6 angeordnet. Über Anschlüsse 5 a und 6 a wird den Elektroden 5 bzw. 6 Spannung zugeführt. Die Elektroden 5 und 6 mit den Anschlüssen 5 a und 6 a bilden einen Erzeuger für ein elektrisches Feld oder eine Gasentladung 15 zum Anlegen eines elektrischen Feldes oder einer HF-Gasentladungsspannung zum Ionisieren des Materials im Ionenerzeugungsraum 4. Der Ionenstrahl wird auf Objekte 8 geleitet, z. B. auf ein Halbleitersubstrat. Die Objekte sind auf einem Träger 8 a gelagert. Zwischen dem Träger 8 a und der Elektrode 6 liegt eine Gleichspannung an, um ein elektrisches Feld zu erzeugen, das das ionisierte Material als Ionenstrahl zu den Objekten leitet. Über das ionisierende elektrische Feld können auch Ionen ausgesondert werden.

Die Vorrichtung funktioniert wie folgt:

Zunächst wird Magnesiumdampf 10 durch den Gaseinlaß 1 a in den Behälter 1 geleitet. Durch den Laserstrahlerzeuger wird ein Laserstrahl B 1 einer Wellenlänge von 285,3 nm erzeugt und durch das Fenster 3 a in den Behälter 1 geleitet. Entsprechend wird der Laserstrahl B 3 von 385,9 nm durch das Fenster 3 b in den Behälter geleitet. Beide Laserstrahlen B 1 und B 3 überkreuzen einander im Ionen erzeugenden Raum 4. Dort wird der Magnesiumdampf 10 in Resonanz durch den ersten Laserstrahl B 1 von 285,3 nm vom Grundniveau 3s(¹ S) in das erste Anregungsniveau 3p(¹ P ⁰) erregt. Von dort ausgehend erregt der Laserstrahl B 3 von 385,9 nm die Atome in das Rydberg-Niveau 13d(¹ D).

Synchron mit der Anregung des Lasers wird mit einer Verzögerung von etwa 1 µsec eine Spannung über die Anschlüsse 5 a und 6 a an die Elektroden 5 bzw. 6 gelegt, wodurch ein elektrisches Feld oder eine HF-Gasentladungsspannung an den sich im Rydberg-Niveau 13d(¹ D) befindenden Magnesiumdampf 10 gelegt wird, wodurch dieser durch den Stark-Effekt oder durch Gasentladung ionisiert wird. Eine Gleichspannung wird zwischen die Elektrode 6 und den Materialträger 8 a gelegt, wodurch ionisierter Magnesiumdampf 10 als Ionenschauer 9 nur mit Magnesiumionen auf das Objekt 8 gestrahlt wird.

Die Merkmale dieser ersten Ausführungsart sind die folgenden:

Erstens ist es bei dieser ersten Ausführungsart, die selektives Ionisieren nur mit Resonanzen durchführt, möglich, einen reinen Magnesium-Ionenstrahl ausschließlich mit Magnesiumionen zu erhalten, indem die Wellenlänge des Laserstrahles so gewählt wird, daß sie nicht einem Energieniveau von Verunreinigungen entspricht. Verunreinigungen können z. B. Sauerstoff, Stickstoff, Kohlenstoff oder Wasserstoff im Behälter 1 sein.

Zweitens können bei dieser ersten Ausführungsform aufgrund der Resonanzanregung Elektronen oder andere Elemente nicht angeregt oder durch Energieabsorption aufgeheizt werden. Daher wird das Objekt 8, z. B. ein Halbleitersubstrat, auf das der Ionenstrahl gestrahlt wird, nicht aufgeheizt, so daß ein Verfahren mit niedriger Temperatur durchführbar ist.

Drittens ist es zum Ändern der Charakteristik des Ionenstrahles ausreichend, die Wellenlänge des Lasers und die Stärke des elektrischen Feldes oder die Bedingungen für die Gasentladung zu ändern. Es ist nicht erforderlich, den Behälter zu öffnen oder zu schließen, um das zu bestrahlende Objekt, herauszunehmen oder um die Ionenstrahlquelle zu ändern, wie dies bei herkömmlichen Anordnungen der Fall ist. Dementsprechend ist es einfach, einen fortlaufenden Verfahrensgang des Ioneninjizierens und des Temperns, oder dergleichen, auszuführen.

Beim Ionenstrahlgenerator vom bündelnden Typ gemäß Fig. 3 als modifizierter Version der ersten Ausführungsform gemäß Fig. 2 sind für gleiche Bauteile dieselben Bezugszeichen verwendet wie beim Generator gemäß Fig. 2. In einem Ofen 13 ist zu ionisierendes Material 12 (Magnesium) enthalten. Der Ofen 13 ist von einem Heizer 13 a umgeben. Durch einen Magneten 11 wird ionisierter Magnesiumdampf 10 in das Zentrum des Behälters 1 gebündelt. Mit Hilfe einer Elektrode 14 wird Magnesiumdampf 10 als Ionenstrahl 9 der Kammer entnommen.

Dieser Ionenstrahlgenerator arbeitet wie folgt:

Zu ionisierendes Magnesium 12 wird in den Ofen 13 gegeben, der durch den Heizer 13 a erhitzt wird. Das Magnesium 12 schmilzt dabei und verdampft unter Erzeugung von Magnesiumdampf 10, der durch den Gaseinlaß 1 a in den Behälter 1 eingeführt wird. Durch Fenster 3 a und 3 b wird das Licht von Laserstrahlen B 1 von 285,3 nm bzw. eines Laserstrahles B 3 von 385,9 nm in den Behälter 1 eingestrahlt, in dem sich der Dampf 10 befindet. Gleichzeitig wird eine Spannung zwischen den Elektroden 5 und 6 angelegt, so daß mit einer Verzögerung von etwa 1 µsec ein elektrisches Feld oder eine HF-Gasentladungsspannung auf den Dampf 10 einwirkt. Der Dampf 10 wird schrittweise vom Grundniveau 3s(¹ S) auf das Rydbergniveau 13d(¹ D) über den ersten Anregungszustand 3p(¹ P ⁰) angeregt. Vom Rydbergniveau 13d(¹ D) aus wird ein Elektron von einem Atom des Dampfes 10 durch Stark-Effekt oder HF-Gasentladurng abgelöst, wodurch ein Magnesiumion entsteht. Dieses Ion wird durch den Magneten 10 in das axiale Zentrum des Behälters 1 gebündelt und von dort als Ionenstrahl 9 mit Hilfe der Elektrode 14 entnommen.

In Fig. 4 ist der Aufbau eines Laserstrahlerzeugers für die erste Ausführungsform dargestellt.

Die Laserstrahlen und das elektrische Feld bzw. die HF- Gasentladungsspannung, die bei der ersten Ausführungsform zum Erzeugen von Ionen angewendet werden, sollten synchron miteinander erzeugt werden. Der Aufbau gemäß Fig. 4 ermöglicht die synchrone Wirkungsweise.

Der Laserstrahlerzeuger 20 weist drei Farbstofflaser 22, 23 und 24 mit einstellbarer Wellenlänge, einen Pumplaser 21 zum Pumpen der Farbstofflaser, zwei Halbspiegel 25 und 26 und einen Vollreflektionsspiegel 27 auf. Vom Pumplaser 21 wird Laserlicht W 0 abgestrahlt, während die Farbstofflaser 22, 23 und 24 Laserlicht W 1, W 2 bzw. W 3 abstrahlen. Dadurch, daß ein einziger Pumplaser für alle drei Farbstofflaser verwendet wird, sind die Laserstrahlen W 1, W 2 und W 3 synchron miteinander. Als Pumplaser kann ein Excimer- oder ein Stickstofflaser verwendet werden. Diese Laser können statt als Pumplaser auch direkt als anregende Laser verwendet werden. Darüberhinaus können Festkörperlaser, wie z. B. ein Alexandrit-Laser als Pumplaser zum Anregen der Farbstofflaser in einer höheren Harmonischen verwendet werden. Auch diese Festkörperlaser können direkt als anregende Laser selbst und nicht nur als Pumplaser verwendet werden. Das Anlegen des elektrischen Feldes synchron mit dem Erzeugen der Laserstrahlen erfolgt mit einer Verzögerungszeit von etwa 1 µsec dadurch, daß Spannung an die Elektroden 5 und 6 synchron mit dem Anregen des Pumplasers 21 mit einer Verzögerung von etwa 1 µsec erfolgt.

Auch die in den Fig. 5 und 6 dargestellte erste modifizierte Version des Laserstrahlgenerators 20 ermöglicht synchrone Wirkungsweise. Es liegen eine Reflektionsspiegelzelle 121 des Laserstrahlgenerators 20, eine Farbstofflaserzelle 122, eine Blitzlampe 123, ein Spiegel 124, ein ebener Spiegel 125, ein Beugungsgitter 126 und Laserstrahlen W 4 und W 5 vor.

Zwei Farbstofflaserzellen 122 werden durch die Blitzlampe 123 angeregt, wodurch die zwei Laserstrahlen W 4 und W 5 synchron miteinander, jedoch mit unterschiedlichen Wellenlängen abgestrahlt werden.

Es ist möglich, die Wellenlängen der Laserstrahlen W 4 und W 5 dadurch zu ändern, daß Laserzellen 122 mit unterschiedlichen Farbstoffen verwendet werden, oder daß die Winkel R 1 und R 2 zwischen den Planspiegeln 125 und den Beugungsgittern 126 verändert werden. Durch dieses Einstellen der Wellenlängen der Laserstrahlen ist es möglich, jeweils diejenige Wellenlänge auszuwählen, bei der sich das zu ionisierende Material in Resonanz befindet. Auch ist es dadurch möglich, die Laserstrahlen zueinander zu synchronisieren. Dadurch kann das zu ionisierende Material durch schrittweise Resonanzanregung angeregt werden. Das Ausstrahlen der Laserstraheln und das Anlegen des elektrischen Feldes oder der Gasentladungsspannung können dadurch zueinander synchronisiert werden, daß das Triggern der Blitzlampe 123 und das Anlegen der Spannung an die Elektroden 5 und 6 gleichzeitig erfolgen.

Bei der zweiten modifizierten Version gemäß Fig. 7 eines Laserstrahlgenerators 20 ist ebenfalls synchroner Betrieb möglich. Der Generator 20 weist drei Laser 222, 223 und 224 mit unterschiedlichen Wellenlängen sowie einen Triggergenerator 221 auf, der elektrische Impulse an die drei Laser abgibt, um deren Abstrahlung zu triggern. Alle drei Laser werden durch einen einzigen Triggerimpuls von einem Triggergenerator 221 getriggert, wodurch die drei Laserstrahlen W 6, W 7 und W 8 von den drei Lasern synchron zueinander sind. Das Anlegen des elektrischen Feldes oder der Gasentladung kann dadurch synchron mit dem Erzeugen der Laserstrahlen erfolgen, daß Spannung an die Elektroden 5 und 6 synchron mit der Impulserzeugung des Triggergenerators 221 erfolgt.

Die dritte modifizierte Version eines Laserstrahlgenerators 20 gemäß Fig. 8 weist drei Laserköpfe 325 bis 327 von Festkörperlasern auf. Weiter liegen eine Blitzlampenspannungsversorgung 328 und eine Spannungsversorgung 329 für eine Pockel-Zelle vor, die als Q-Schalter wirkt. Beide Spannungsversorgungen 328 und 329 dienen als Triggereinrichtung 330 zum Triggern der Laser 325 bis 327. Dadurch, daß allen drei Lasern die Spannungsversorgungen 328 und 329 gemeinsam sind, sind die von diesen Lasern abgestrahlten Strahlen W 9, W 10 und W 11 miteinander synchron.

Bei dieser ersten Ausführungsform wird das Material durch Resonanzanregung mit dem Rydberg-Niveau als Zwischenniveau ionisiert. Ein hohes Anregungsniveau nahe dem Rydberg- Niveau kann als Zwischenniveau statt dem Rydberg-Niveau verwendet werden.

Bei der ersten Ausführungsform wird Magnesium als monomerer Dampf in den Behälter 1 überführt. Das Material kann jedoch auch als Gas einer Verbindung oder in molekularem Zustand in den Behälter eingeführt werden, und die Gasentladung kann dazu dienen, das eingeführte Material in den Zustand neutraler Atome zu überführen.

Eine zweite Ausführungsform wird nun anhand der Fig. 9 bis 13 näher beschrieben.

Das herkömmliche Ionisierverfahren, von dem ausgegangen wird, ist dasselbe, wie es in Fig. 1 dargestellt ist. Dagegen wird bei der zweiten Ausführungsform, die die Übergänge gemäß Fig. 9 ausnutzt, der Magnesiumdampf durch Synchrotron-Strahlung B 4 der Wellenlänge 162,5 nm direkt vom Grundniveau 3s(¹ S) in das Rydberg-Niveau 29p(¹ p ⁰) durch resonante Absorption angeregt. Synchrotron-Strahlung nahe Lichtgeschwindigkeit ist nicht nur ähnlich gut gerichtet wie ein Laserstrahl, sondern weist auch sehr hohe Intensität und Energie auf, wodurch es möglich ist, durch einen Strahl einer einzigen Wellenlänge den Magnesiumdampf vom Grundniveau in einen hohen Anregungszustand zu überführen. Die Ionisierung ausgehend vom Rydberg- Niveau erfolgt wie anhand des ersten Ausführungsbeispiels beschrieben.

Das Ionisierverfahren gemäß dieser zweiten Ausführung hat beinahe dieselben Vorteile wie das der ersten Ausführung, mit der Ausnahme, daß der Laserstrahl durch Synchrotron- Strahlen zu ersetzen ist.

In Fig. 10 ist ein Ionenstrahlgenerator vom Schauertyp als zweiter Ausführungsform dargestellt, der das Ionisieren von Magnesium durch schrittweise Resonanzanregung unter Ausnutzung der Synchrotron-Strahlung B 4 gemäß Fig. 9 ausführt.

Für gleiche Bauteile sind in Fig. 10 gleiche Bezugszeichen verwendet wie in Fig. 2. Ein Synchrotron-Strahlungserzeuger 43 erzeugt die Synchrotron-Strahlung B 4 der Wellenlänge 162,5 nm mit enger Bandbreite. Die Zelle weist noch einen Schlitz 1 c auf, durch den die Synchrotronstrahlung eingestrahlt wird.

Die Anordnung arbeitet wie folgt:

Zunächst wird Magnesiumdampf 10 über den Gaseinlaß 1 a in den Behälter 1 geführt. Synchrotron-Strahlung B 4 der Wellenlänge 162,5 nm, die durch den Synchrotron-Strahlungserzeuger 43 erzeugt ist, wird in den Behälter 1 gestrahlt, wodurch der Magnesiumdampf 10 resonant vom Grundniveau 3s(¹ S) in das Rydberg-Niveau 29p(¹ P ⁰) angeregt wird.

Synchron mit einer Verzögerung von etwa 1 µsec gegenüber der Synchrotron-Strahlung wird eine Spannung an die Elektroden 5 und 6 über die Anschlüsse 5 a und 6 a angelegt, wodurch ein elektrisches Feld oder eine HF-Gasentladungsspannung an den sich im Rydberg-Niveau 29p(¹ P ⁰) befindlichen Magnesiumdampf 10 gelegt wird, wodurch dieser durch den Stark-Effekt oder durch HF-Gasentladung ionisiert wird. eine Gleichspannung wird zwischen der Elektrode 6 und dem Träger 8 a angelegt, wodurch der ionisierte Magnesiumdampf 10 als nur aus Magnesiumionen bestehender Ionenschauer 9 auf das Objekt 8 gestrahlt wird.

Dieser Generator gemäß Fig. 10 weist dieselben Vorteile auf, wie sie aus den vom Generator gemäß Fig. 2 weiter oben beschrieben sind.

Beim Ionenstrahlgenerator vom bündelnden Typ gemäß Fig. 11 sind für gleiche Bauteile dieselben Bezugszeichen verwendet wie beim Generator gemäß Fig. 3. Insbesondere sind der Ofen 13, der das zu verdampfende Material 12 enthält, der Heizer 13 a, der bündelnde Magnet 11 und die herausziehende Elektrode 14 vorhanden.

Zu ionisierendes Magnesium 12 wird in den Ofen 13 gegeben, der durch der Heizer 13 a erhitzt wird. Magnesium 12 wird aufgeschmolzen und zu Magnesiumdampf 10 verdampft. Die Synchrotron-Strahlung B 4 von 162,5 nm wird auf den Dampf 10 im Ofen 13 gestrahlt, und gleichzeitig wird mit einer Verzögerung von etwa 1 µsec an die Elektroden 5 und 6 ein elektrisches Feld oder eine HF-Gasentladungsspannung angelegt. Der Dampf 10 wird vom Grundniveau 3s(¹ S) in das Rydberg-Niveau 29p(¹ P ⁰) angeregt und dann von diesem Niveau aus durch den Stark-Effekt oder HF-Gasentladung ionisiert. Die ionisierten Magnesiumionen werden durch den Magneten 11 in das axiale Zentrum gebündelt und als Ionenstrahl 9 über die herausziehende Elektrode 14 entnommen.

Der Synchrotron-Strahlungserzeuger 43 gemäß der zweiten Ausführungsform von Fig. 12 weist einen Linearbeschleuniger 421, einen Elektronenspeicherring 422, einen Undulator 423, ein Spektroskopiesystem 424 und einen Behälter 401 auf. Die in den Behälter 401 eingeleitete Synchrotron- Strahlung wird wie folgt erzeugt: Durch den Linearbeschleuniger 421 werden Elektronen beschleunigt und in den Elektronenspeicherring 422 injiziert. Synchrotron-Strahlung wird von solchen Elektronen abgestrahlt, die bis auf etwa Lichtgeschwindigkeit im Ring 422 beschleunigt worden sind. Vom Ring 422 wird über das spektroskopische System 422 monochromatische Kanalstrahl-Strahlung ausgegeben.

Mit einem Synchrotron-Strahlerzeuger derartiger Bauart ist es möglich, einen breiteren Bereich der Wellenlängenänderung mit Hilfe des Undulators 423 zu erhalten, was eine andere Möglichkeit der Wellenlängenänderung darstellt, als sie durch das spektroskopische System 424 gegeben ist.

Die in Fig. 13 dargestellte modifizierte Version eines Synchrotron-Strahlungserzeugers weist einen Linearbeschleuniger 421, ein zirkulares Synchrotron 425, das sich vom Elektronenspeicherring 422 gemäß Fig. 2 unterscheidet, ein spektroskopisches System 424 und einen Behälter 401 auf. Die in den Behälter 401 geleitete Synchrotron-Strahlung wird wie folgt erzeugt: Durch den Linearbeschleuniger 421 werden Elektronen beschleunigt und in das Synchrotron 425 geleitet. Synchrotron-Strahlung wird von solchen Elektronen abgegeben, die bis nahe Lichtgeschwindigkeit beschleunigt worden sind. Monochromatische Synchrotron- Strahlung wird über das spektroskopische System 424 vom Elektronen-Synchrotron 425 ausgegeben.

Eine dritte Ausführungsform der Erfindung wird nun ausgehend von Fig. 14 beschrieben. Es wird vom Energieniveau- Diagramm für ein neutrales Aluminiumatom im Singulettzustand ausgegangen und das erfindungsgemäße Verfahren wird mit einem bekannten Verfahren verglichen.

Beim bekannten Verfahren wird das Licht von zwei Lasern B 5 und B 6 der Wellenlängen 308,2 nm und 620,0 nm auf zu ionisierenden Aluminiumdampf gestrahlt. Aluminiumatome werden vom Grundniveau 3p(¹ p ⁰) durch Resonanz in einen ersten Anregungszustand 3d(² D) durch den Laserstrahl B 5 von 308,2 nm angeregt. Danach erfolgt Photoionisierung durch den Laserstrahl B 6 von 620,0 nm.

Beim erfindungsgemäßen Verfahren wird das Material dagegen durch einen oder mehrere Laserstrahlen durch Resonanzabsorption vom Grundniveau aus in das Selbstionisierungsniveau überführt. Z. B. wird der Aluminiumdampf resonant durch einen Laserstrahl B 7 von 344,0 nm in den Zwei- Elektronen-Anregungszustand 3s3p ²(⁴ P) vom Grundniveau aus erregt und gleichzeitig erfolgt resonante Anregung vom genannten Zwei-Elektronen-Anregungsniveau aus in das Selbstionisierungsniveau 3s3p4s(⁴ P ⁰) mit Hilfe des Laserstrahls B 8 der Wellenlänge 305,0 nm. Danach erfolgt das Ionisieren von selbst mit einer vorgegebenen Übergangswahrscheinlichkeit aus dem Selbstionisierungsniveau 3s3p4s(⁴ P ⁰).

Beim Ionisierverfahren dieser dritten Ausführungsart besteht der Vorteil, daß der Stoßquerschnitt für Ionisierung um ein mehrfaches höher ist als bei direkter Ionisierung aus dem Energieniveau 3d(² D), wie es beim herkömmlichen Verfahren angewendet wird, wodurch es möglich ist, die Ausgangsenergie des Laserstrahls zu verringern. Darüberhinaus ist es möglich, selektiv gerade nur dasjenige Material zu ionisieren, von dem dies erwünscht ist, da nur Resonanzen ausgenutzt werden, also keine Energieniveaus, die mit solchen von Verunreinigungsatomen übereinstimmen.

Darüberhinaus ist es auf einfache Art und Weise möglich, auch strahlen anderer Materialien durch Verändern der Wellenlänge des Laserstrahles herzustellen. Zu diesem Zweck können viele Arten von Materialien ionisiert werden, die zunächst gemeinsam in den Behälter des Ionenstrahlerzeugers eingeführt worden sind. Dies führt dazu, daß mehrere Ionenstrahl-Bearbeitungsschritte aufeinanderfolgend hergestellt werden können.

Der Ionenstrahlerzeuger der dritten Ausführungsart weist einen Laserstrahlerzeuger auf, der schrittweise Resonanzanregung von Aluminiumdampf vom Grundzustand 3p(² P ⁰) in den Selbstionisierungszustand 3s3p4s(⁴ P ⁰) über das Zwischenniveau 3s3p ²(⁴ P) mit Hilfe eines Laserstrahls B 7 von 344,0 nm und eines Laserstrahls B 8 von 305,0 nm durchführt.

Die Erzeuger gemäß den Fig. 2 und 3 können bei dieser dritten Ausführungsform dadurch verwendet werden, indem lediglich die Laser B 1 und B 3 durch die Laser B 7 und B 6 ersetzt werden. Jedoch sind die Elektroden 5 und 6 insoweit nicht mehr erforderlich, als sie nur als Erzeuger eines elektrischen Feldes oder für Gasentladung verwendet werden. Die Elektrode 5 kann also in der Anordnung gemäß Fig. 2 entfernt werden und die Elektroden 5 und 6 in der Anordnung gemäß Fig. 3.

Die Laserstrahlerzeuger gemäß Fig. 4 und den drei modifizierten Versionen gemäß den Fig. 5 bis 8 können als Laserstrahlerzeuger für die dritte Ausführungsform verwendet werden.

Eine vierte Ausführungsform wird nun anhand von Fig. 15 näher erläutert, in der das Niveaudiagramm für ein neutrales Aluminiumatom im Singulettzustand dargestellt ist. Bei der vierten Ausführungsform wird Aluminiumdampf durch Synchrotronstrahlung B 9 der Wellenlänge 176,2 nm resonant so angeregt, daß direkt der Übergang vom Grundniveau 3p ²(P ⁰) in das Selbstionisierniveau 3s3p ²(² P ⁰) erfolgt. Die Synchrotronstrahlung hat die oben beschriebenen Eigenschaften des Gerichtetseins und der sehr großen Intensität und Energie, was es ermöglicht, daß der Aluminiumdampf vom Grundniveau aus durch nur einen Anregungsschritt in ein hohes Anregungsniveau überführt wird. Das Ionisieren ausgehend vom Selbstionisierniveau ist dasselbe wie anhand der dritten Ausführungsform beschrieben.

Das Ionisierverfahren der vierten Ausführungsart hat dieselben Vorteile wie die anhand der dritten Ausführungsart beschriebenen. Es ist lediglich der Laserstrahl durch Synchrotronstrahlung zu ersetzen, die mit 176,2 nm die Anregung vom Grundniveau 3p ²(P ⁰) direkt in das Selbstionisierniveau 3s3p ²(² P ⁰) durchführt.

Die Generatoren gemäß den Fig. 10 und 11 können dadurch für die vierte Ausführungsform verwendet werden, daß die Lichtquelle B 4 durch die Lichtquelle B 9 ersetzt wird. Beim Erzeuger gemäß Fig. 10 kann die Elektrode 5 weggelassen werden und beide Elektroden 5 und 6 können beim Erzeuger gemäß Fig. 11 weggelassen werden.

Die Synchrotronstrahlerzeuger gemäß den Fig. 12 und 13 können auch als Synchrotronstrahlungsquellen bei der vierten Ausführungsform verwendet werden.

Die Erfindung zeichnet sich also dadurch aus, daß das zu ionisierende Material durch Resonanzanregung in ein Zwischenniveau, wie das Rydbergniveau oder das Selbstionisierungsniveau vom Grundniveau aus durch Licht vorgegebener Wellenlänge überführt wird, und daß dann von diesem Zustand aus das Ionisieren erfolgt. Dadurch wird nur das gewünschte Material ionisiert, was den Ionisierwirkungsgrad und die Ionenselektivität stark erhöht.

Claims (12)

1. Ionenstrahlerzeuger, gekennzeichnet durch
- einen ionenerzeugenden Abschnitt (4), in den das zu ionisierende Material eingeführt wird,
- eine Lichtquelle (B 1, B 3) zum Einstrahlen von Licht in den ionenerzeugenden Abschnitt, welches Licht eine solche Wellenlänge aufweist, daß es das zu ionisierende Material vom Grundniveau auf ein Zwischenniveau durch Resonanzerregung anhebt, und
- eine Ionisiereinrichtung (15) zum selektiven Ionisieren des besonderen, als Ionenstrahl abzustrahlenden Materials vom Zwischenniveau aus.

2. Ionenstrahlerzeuger gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Lichtquelle eine solche ist, die Licht von mindestens zwei Wellenlängen abgibt, um das Material durch schrittweise Resonanzanregung auf das Zwischenniveau zu erregen.

3. Ionenstrahlerzeuger nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Zwischenniveau das Rydbergniveau ist.

4. Ionenstrahlerzeuger nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Zwischenniveau ein Selbstionisierungsniveau ist.

5. Ionenstrahlerzeuger nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Material vom Rydbergniveau durch den Starkeffekt in den ionisierten Zustand überführt wird.

6. Ionenstrahlerzeuger nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Material vom Rydbergniveau durch Gasentladung in den ionisierten Zustand überführt wird.

7. Ionenstrahlerzeuger nach einem der Ansprüche 4 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Lichtquelle mindestens einen Laser (22-24) aufweist, der durch einen Pumplaser gepumpt wird.

8. Ionenstrahlerzeuger gemäß Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß der gepumpte Laser ein Farbstofflaser ist.

9. Ionenstrahlerzeuger gemäß einem der Ansprüche 4 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Lichtquelle (B 1, B 3) mindestens einen Farbstofflaser aufweist, der durch eine Blitzlampe gepumpt wird.

10. Ionenstrahlerzeuger gemäß einem der Ansprüche 4 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Lichtquelle (B 1, B 3) mindestens zwei Laser aufweist, die synchron miteinander schwingen und durch ein elektrisches Pulssignal getriggert sind.

11. Ionenstrahlerzeuger nach einem der Ansprüche 4 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Lichtquelle eine solche ist, die mindestens eine monochromatische Lichtstrahlung aufgrund von Synchrotronstrahlung abgibt, die durch ein spektroskopisches System geführt wird.

12. Ionenstrahlerzeuger gemäß einem der Ansprüche 4 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Lichtquelle eine solche ist, die mindestens eine monochromatische Lichtstrahlung erzeugt, die aus Kanalstrahl- Strahlung erhalten wird, die durch ein spektroskopisches System gesandt wird.