DE3817604A1

DE3817604A1 - Ionenstrahlgenerator

Info

Publication number: DE3817604A1
Application number: DE19883817604
Authority: DE
Inventors: Tatsuo Oomori; Kouichi Ono; Shigeto Fujita
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 1987-05-27
Filing date: 1988-05-24
Publication date: 1988-12-08
Anticipated expiration: 2008-05-25
Also published as: DE3817604C2

Description

Die Erfindung betrifft einen Ionenstrahlgenerator, der bei Verfahren zur Herstellung von Dünnschicht, Ionenimplantations verfahren, Ätzverfahren, Sputter- oder Zerstäubungsverfahren und dergleichen verwendet wird.

Fig. 1 zeigt im Querschnitt ein Ionenstrahlsystem zum epitaxialen Aufwachsen mit einem herkömmlichen Ionenstrahl generator, der beispielsweise aus der JP-OS 60-137012 bekannt ist. Wie in Fig. 1 dargestellt, weist das System eine Ionenquelle 1 und eine Absaugelektrode 2 auf, die vorgesehen ist, um die Ionen aus der Ionenquelle 1 abzusaugen. Ferner ist ein Massenanalysator 3 als Sektorfeld mit dreidimensionaler Fokussierung vorgesehen, um Ionen gewünschter Art aus dem Ionenstrahl abzuziehen, der durch die Absaugelektrode 2 erhalten wird. Eine Auflösungsapertur 4 ist auf der Ausgangsseite des Massenanalysators 3 angeordnet.

Ein Bremssystem 5, das aus drei hintereinander ausgefluchteten Zylinderlinsen 5 A, 5 B und 5 C besteht, ist ebenfalls vorgesehen, um den Ionenstrahl abzubremsen, der die Auflösungsapertur passiert hat.

In einem Verdampfer 5, der an einem Ort unter der Ausgangs seite des Bremssystems 5 angeordnet ist, werden Substanzen verdampft, deren Atome zur Dünnschichtbildung aufbereitet werden, wobei zu diesem Zweck ein Dampfstrahl erzeugt wird. Ein Substrat 7, auf dem eine Dünnschicht mit einem solchen System auszubilden ist, befindet sich auf der Ausgangsseite des Bremssystems 5. Die Spannungsangaben, die bei der Ionen quelle 1, der Absaugelektrode 2, dem Massenanalysator 3 bzw. dem Bremssystem 5 angegeben sind, stellen geeignete Beispiele dar, um einen As⁺-Strahl von 100 eV von der Ionenquelle 1 aus dem Substrat 7 zuzuführen.

Bei einem Verfahren zum Aufwachsen einer GaAs-Verbundhalbleiter- Dünnschicht auf dem Substrat 7 wird beispielsweise Ga-Dampf der Oberfläche des Substrats 7 von dem Verdampfer 6 zugeführt, um Ga-Atome auf das Substrat 7 aufzudampfen bzw. auf diesem abzulagern. Gleichzeitig wird eine Absaugspannung von etwa 25 kV zwischen die Absaugelektrode 2 und die Ionenquelle 1 angelegt, so daß ein Ionenstrahl, der As⁺-Ionen enthält, von der Ionenquelle 1 abgesaugt wird.

Der abgesaugte Ionenstrahl wird in den Massenanalysator 3 eingeleitet, durch den nur ein reiner As⁺-Strahl aus dem Ionenstrahl hindurchgeht, der verschiedene Ionen enthält. Dann tritt der As⁺-Strahl in die Auflösungsapertur 4 ein. Der As⁺-Strahl, der die Auflösungsapertur 4 passiert hat, wird durch das Bremssystem 5 abgebremst. Der As⁺-Strahl wird in das Substrat 7 implantiert, nachdem er auf einen niedrigen Energiezustand von etwa 100 eV oder weniger abgebremst worden ist. Infolgedessen wird eine GaAs-Dünnschicht auf dem Substrat 7 ausgebildet.

Wenn in einem Ionenstrahlsystem zum epitaxialen Aufwachsen ein Ionenstrahlgenerator dieser Art verwendet wird, so muß eine sehr hohe Spannung von ungefähr 25 kV zwischen die Ionenquelle 1 und die Absaugelektrode 2 angelegt werden, damit ein As⁺-Strahl mit dem gewünschten elektrischen Strom erhalten werden kann. Der durch die Absaugspannung von etwa 25 kV abgesaugte Ionenstrahl hat eine hohe Strahlgeschwindig keit. Um den Effekt zu verhindern, daß der Strahl sich durch einen Raumladungseffekt in dem Strahlengang von dem Massen analysator 3 zum Substrat 7 aufweitet, wird das elektrische Potential der Ionenquelle 1 bei 100 V gehalten, und der Massenanalysator 3 und das Bremssystem 5 werden bei sehr niedrigen negativen Potentialen gehalten, um die hohe Strahlgeschwindigkeit beizubehalten.

Andererseits soll die Strahlgeschwindigkeit niedrig sein, wenn der Strahl dem Substrat 7 zugeführt wird. Genauer gesagt, die Strahlgeschwindigkeit muß so verringert werden, daß die Einfallsenergie des Ionenstrahles auf das Substrat 7 niedriger als 300 eV oder vorzugsweise niedriger als 100 eV ist. Dies deswegen, weil dann, wenn der As⁺-Strahl dem Substrat mit einer Aufprallgeschwindigkeit zugeführt wird, die einer Energie von mehr als 300 eV entspricht, die Menge an GaAs, die von den As⁺-Ionen zerstäubt wird, gleich der oder größer als die Menge an GaAs ist, die an dem Substrat 7 haftet, so daß ein Wachsen der Schicht verhindert wird. Somit muß der Ionenstrahl abgebremst werden, unmittelbar bevor er das Substrat 7 erreicht, und die Abbremsung wird mit dem Brems system 5 vorgenommen.

Bei einem herkömmlichen System zur Herstellung von Dünnschichten sollte jedoch eine Elektrode in dem Bremssystem 5 in der Strahlengangrichtung lang sein, da der Strahl in einem großen Bereich abgebremst werden muß. Infolgedessen kann die Raster abtastung des Ionenstrahles, der dem Substrat 7 zugeführt wird, nicht gut gesteuert werden. Auch wenn die Rasterabtastung sich steuern läßt, ist es schwierig, eine gleichmäßige Ver teilung der Schichtendicke zu erzielen, und es ist nahezu unmöglich, eine Dünnschicht nur in einem lokalen Bereich des Substrats 7 selektiv aufwachsen zu lassen.

Da weiterhin der Ionenstrahl mit der gewünschten Reinheit durch ein Verfahren erhalten wird, bei dem der ursprüngliche Ionenstrahl mit verschiedenen Ionen von der Ionenquelle 1 abgesaugt und dann dem Massenanalysator 3 zugeführt wird, ist der Wirkungsgrad der Erzeugung des Ionenstrahles gering, was die Kosten und die Größe des Ionenstrahlgenerators ver gleichsweise erhöht.

Fig. 2 zeigt im Querschnitt einen anderen herkömmlichen Ionen strahlgenerator unter Verwendung eines Lasers, wobei diese Anordnung beispielsweise aus der JP-OS-50-22999 bekannt ist. Wie in Fig. 2 dargestellt, weist der Ionenstrahlgenerator einen Teilchenstrahlgenerator 60 auf, um die zu ionisierenden Substanzen in Form eines Atomstrahles 65 zuzuführen, der sich in einer bestimmten Richtung bewegt; ferner sind Farbstoff laseroszillatoren 61 a, 61 b und 61 c vorgesehen, um Laserstrahlen mit einheitlichen Wellenlängen abzustrahlen, die jeweils voneinander verschieden sind.

Linsen 62 a, 62 b und 62 c sind vorgesehen, um die Laserstrahlen 67 a, 67 b und 67 c, die von den Farbstofflaseroszillatoren 61 a, 61 b und 61 c jeweils auf einen gemeinsamen Punkt P zu fokussieren. Mit einer Elektrode 64 werden nur Ionen aus einem Atomstrahl 63 abgesaugt, der Ionen aufweist, die durch Ionisierung eines Teiles des Atomstrahles 65 mit den Laserstrahlen 67 a, 67 b und 67 c erhalten worden sind und in einer bestimmten Richtung abgezogen werden.

Wenn der Ionenstrahlgenerator zur Ionisierung von Na-Atomen verwendet wird, werden die Na-Atome dem Teilchenstrahlgenerator 60 zugeführt, und der Atomstrahl 65 aus Natrium (Na) wird aus einer Düse 66 mit konstanter Geschwindigkeit in einer bestimmten Richtung emittiert. An dem Ort P wird der Atomstrahl 65 mit dem Laserstrahl 67 a (bei einer Wellenlänge von 589 nm) und dem Laserstrahl 67 b (bei einer Wellenlänge von 568,8 nm) bestrahlt. Infolgedessen werden die Na-Atome von einem Grund zustand 3s²S _1/2 über einen Zustand 3p²P _3/2 in einen 4d-Zustand angeregt.

Fig. 3 zeigt ein Energieniveaudiagramm eines Na-Atoms. Wie sich aus Fig. 3 ergibt, liegt der 4d-Zustand des Na-Atoms um 7000 cm^-1 unter der Ionisierungsgrenze. Wenn der dritte Laser oszillator 61 c so eingestellt wird, daß der Laserstrahl 67 c eine kürzere Wellenlänge als 1,4 µm hat, wird das Na-Atom im 4d-Zustand durch den Laserstrahl 67 c ionisiert. Dem entsprechend enthält der Atomstrahl 63, der den Ort P passiert hat, teilweise Ionen und wird der Elektrode 64 zugeführt. Da ein gleichförmiges elektrisches Feld von der Elektrode 64 erzeugt wird, werden nur die Ionen, die in dem Atomstrahl 63 enthalten sind, von dem elektrischen Feld abgelenkt. Infolge dessen werden nur die Ionen in einer bestimmten Richtung abgesaugt.

Die erforderlichen Energiedichten der Laserstrahlen 67 a, 67 b und 67 c, um die Na-Atome mit einem hohen Wirkungsgrad am Ort P zu Ionisieren, betragen jeweils etwa 10 W/cm², 40 W/cm² bzw. 10⁷ W/cm², vorausgesetzt, daß die Linienbreite der Laserstrahlen identisch mit der Absorptionswellenlängenbandbreite der jeweiligen Übergänge ist. Da nämlich der Einstein′sche Koeffizient A beim Übergang des Na-Atoms aus dem Zustand 3s²S _1/2 in den Zustand 3p²P _3/2 (Übergangswellenlänge von 589 nm) etwa 6,3×10⁷ s^-1 beträgt, macht die minimale Energie dichte des Laserstrahles 67 a, die für die Sättigung der Anregung aus dem Grundzustand in den Zustand 3p²P _3/2 erforder lich ist, etwa 10 W/cm² aus.

Da der Einstein′sche Koeffizient A beim Übergang des Na-Atoms aus dem Zustand 3p²P _3/2 in den 4d-Zustand (Übergangswellen länge von 568,8 nm) etwa 1,3×10⁷ s^-1 beträgt, macht die minimale Energiedichte des Laserstrahls 67 b, die für die Sättigung der Anregung aus dem Zustand 3p²P _3/2 in den 4d-Zustand erforderlich ist, etwa 40 W/cm² aus. Da weiterhin der Absorptionsquerschnitt von Licht, das der Ionisierung des 4d-Na-Atoms entspricht, etwa 10^-18 cm² beträgt, macht die minimale Energiedichte des Laserstrahls 67 c, die zur Ionisierung des Na-Atoms im 4d-Zustand erforderlich ist, etwa 10⁷ W/cm² aus.

Dementsprechend sollten die Na-Atome mit einem Laserstrahl beauftragt werden, dessen Energiedichte größer als 10⁷ W/cm² ist, um die Na-Atome mit dem Laserstrahl zu Ionisieren.

Um die Energiedichte zu vergrößern, kann der Laserstrahl fokussiert werden. Wenn jedoch eine derartige Technik verwendet wird, werden Atome nur in einem kleinen Bereich ionisiert, so daß die Menge oder Anzahl der erhaltenen Atome abnimmt.

Außerdem kann beim jetzigen Stand der Lasertechnologie ein Laserstrahl nicht auf eine Fläche fokussiert werden, die einen kleineren Durchmesser als einige 10 µm hat, und somit beträgt die Fläche maximal etwa einige 10^-5 cm². Andererseits ist die Ausgangsleistung eines kontinuierlich arbeitenden Laser oszillators kleiner als 1 W, so daß die maximale Energiedichte, die von dem Laseroszillator erhalten wird, in der Größenordnung von 10⁵ W/cm². Somit kann ein kontinuierlich arbeitender Laseroszillator nicht als dritter Laseroszillator 61 c verwendet werden.

Andererseits kann eine maximale Ausgangsleistung von etwa 10⁶ W mit einem im Handel erhältlichen Farbstoffimpulslaser oszillator erzielt werden. Wenn der Farbstoffimpulslaser oszillator verwendet wird, kann ein gewünschter Ionenstrahl erzeugt werden. Beim Impulslaseroszillator ist jedoch die Menge oder Anzahl der pro Zeiteinheit erhaltenen Ionen proportional zur Frequenz der Impulsoszillation, vorausgesetzt, daß die Laserstrahlungszeit für jeden einzelnen Impuls konstant ist. Aus diesem Grunde sollte ein Farbstoffimpulslaseroszillator mit einer hohen Oszillatorfrequenz verwendet werden, wenn es erforderlich ist, eine große Anzahl von Ionen zu erzeugen. Wenn die Ionendichte des Ionenstrahles mehr als 10¹⁰ cm^-3 beträgt, überschreitet das von den Ionen selbst erzeugte spezielle Feld eine Feldstärke von 3 kV/cm², und der Ionenstrahl weitet sich in unerwünschter Weise auf seinem Weg von dem Ort P zur Elektrode 64 auf. Somit beträgt die maximale Ionendichte der Ionen, die zur Elektrode 64 gelangen, 10¹⁰ cm^-3.

Im allgemeinen wird der Wert der Stromdichte j (A/cm²) gemäß der nachstehenden Formel berechnet:

j = N _i ef _L (1),

wobei folgende Symbole verwendet sind:

N _i= Anzahl der Ionen pro Impulse e= Ladung eines Elektrons f _L= Oszillatorfrequenz eines Lasers.

Die Oszillatorfrequenz eines Farbstoffimpulslaseroszillators beträgt maximal etwa 1 kHz. Nimmt man an, daß die Anzahl N _i der Ionen pro Impuls 10¹⁰ cm^-3 ausmacht, die Ladung e des Elektrons 1,5×10^-19 Coulomb beträgt und die Wiederholungs- oder Oszillatorfrequenz f _L des Lasers 1 kHz beträgt, so ergibt sich beim Einsetzen dieser Werte in die Gleichung (1) eine Stromdichte j von 1,6×10^-6 A/cm².

In einem Falle, wo der Farbstoffimpulslaseroszillator verwendet wird, beträgt somit die Stromdichte des damit erzeugten Ionen strahls nur etwa einige µA/cm², und es läßt sich kaum ein Ionenstrahl mit einer großen Stromdichte erzielen.

Da weiterhin die Lebensdauer eines Farbstoffimpulslaseroszillators abgelaufen ist, wenn er 10⁹ Impulse geliefert hat, läßt sich die Lebensdauer mit etwa 300 Stunden ansetzen, wenn die Oszillatorfrequenz des Oszillators 1 kHz beträgt; somit ist davon auszugehen, daß der Laseroszillator oft in unerwünschter Weise unterbricht und repariert werden muß.

Aufgabe der Erfindung ist es daher, einen Ionenstrahlgenerator anzugeben, der einen Ionenstrahl und damit auch einen Ionen strom mit hoher Effizienz bei geringen Kosten erzeugen kann, so daß sich der Ionenstrahl mit vorgegebener Geschwindigkeit und hoher Genauigkeit auf einen gewünschten Bereich richten läßt.

Gemäß der Erfindung wird ein Ionenstrahlgenerator angegeben, der folgendes aufweist: (a) eine Einrichtung zur Lieferung von Atomen gewünschter Substanzen in Form eines Teilchen strahls, z. B. als Atomstrahl oder als Molekülstrahl, der Atome der Substanzen enthält, zu einem vorgegebenen Bereich; (b) einen Laserstrahlgenerator zum Ausstrahlen eines Laser strahles in den Bereich, um die Atome der Substanz in einen Rydberg-Zustand anzuregen; und (c) eine Einrichtung zum Anlegen eines elektrischen Feldes, um die Atome der Substanz im Rydberg-Zustand einem elektrischen Feld mit vorgegebener Feldstärke auszusetzen, so daß die Atome der entsprechenden Substanzen ionisiert und in eine vorgegebene Richtung geleitet werden können.

Dieses Ziel wird gemäß der Erfindung in zufriedenstellender Weise gelöst, wobei in vorteilhafter Weise der Ionenstrahl mit einem Laseroszillator geringer Leistung erzeugt werden kann. Ein weiterer Vorteil besteht darin, daß der so erzeugte Ionenstrahl einen großen elektrischen Strom führen kann. Der Ionenstrahlgenerator läßt sich dabei in einfacher Weise handhaben.

Die Erfindung wird nachstehend, auch hinsichtlich weiterer Merkmale und Vorteile, anhand der Beschreibung von Ausführungs beispielen und unter Bezugnahme auf die beiliegende Zeichnung näher erläutert. Die Zeichnung zeigt in

Fig. 1 einen Querschnitt eines Ionenstrahlsystems zum epitaxialen Aufwachsen unter Verwendung eines herkömmlichen Ionenstrahlgenerators;

Fig. 2 einen Querschnitt eines anderen herkömmlichen Ionenstrahlgenerators;

Fig. 3 ein Energieniveaudiagramm zur Erläuterung eines Beispiels eines Übergangszustandes eine Na-Atoms;

Fig. 4 eine schematische Darstellung zur Erläuterung des erfindungsgemäßen Prinzips zur Ionen erzeugung;

Fig. 5 ein Diagramm zur Erläuterung der zeitlichen Steuerung der Laser und der Einschaltzeit eines elektrischen Feldes;

Fig. 6 ein Diagramm zur Erläuterung des Zusammen hanges zwischen der Ionenstrahlintensität und der Wellenlänge des Lasers;

Fig. 7 ein Diagramm zur Erläuterung des Zusammen hanges zwischen der erforderlichen minimalen Feldstärke, um ein Atom einer Substanz in einem höheren angeregten Zustand zu ionisieren, und einer effektiven Hauptquantenzahl;

Fig. 8 ein Diagramm zur Erläuterung des Zusammenhanges zwischen der elektrischen Feldstärke, die zwischen einem Substrat und einer Elektrode herrscht, und der Anzahl von Ionen innerhalb des Ionenstrahls;

Fig. 9 ein Diagramm zur Erläuterung der Geschwindigkeit eines dem Substrat zugeführten Ionenstrahls, erhalten durch ein Laufzeitverfahren;

Fig. 10 eine schematische Darstellung zur Erläuterung einer ersten Ausführungsform des erfindungs gemäßen Ionenstrahlgenerators;

Fig. 11 ein Diagramm zur Erläuterung des Zusammen hanges zwischen der Lebensdauer eines Na-Atoms im Rydberg-Zustand und seiner Hauptquanten zahl;

Fig. 12 ein Zeitdiagramm zur Erläuterung der Ver sorgungszeitsteuerung des Lasers und der Anlagezeitsteuerung des elektrischen Feldes bei der ersten Ausführungsform;

Fig. 13 eine schematische Darstellung zur Erläuterung einer Konfiguration eines Lasergenerators und einer Einstelleinrichtung für den Laser strahl gemäß Fig. 10;

Fig. 14 ein Energieniveaudiagramm zur Erläuterung des Überganges eines Na-Atoms aus dem Grund zustand in den Rydberg-Zustand, hervorgerufen durch einen Laserstrahl, der von dem Laser oszillator gemäß Fig. 13 geliefert wird;

Fig. 15 ein Diagramm zur Erläuterung des Licht absorptionsquerschnitts eines Na-Atoms, wenn das Na-Atom aus einem 3 p²P _3/2-Zustand in einen nd-Rydberg-Zustand angeregt wird;

Fig. 16 ein Zeitablaufdiagramm zur Erläuterung einer anderen Versorgungszeitsteuerung des Lasers und der Anlagezeitsteuerung des elektrischen Feldes bei der Ausführungsform gemäß Fig. 10;

Fig. 17 bis 20 schematische Darstellung zur Erläuterung von zweiten bis fünften Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Ionenstrahlgenerators;

Fig. 21 und 22 Querschnitte von ersten und zweiten Ausführungs formen eines Systems mit einem Ionenstrahl generator gemäß der Erfindung;

Fig. 23 ein Zeitablaufdiagramm zur Erläuterung eines Beispiels der Versorgungszeitsteuerung des Lasers und der Anlagezeitsteuerung des elektrischen Feldes für die Ausführungsform gemäß Fig. 21 oder 22;

Fig. 24 ein Zeitablaufdiagramm zur Erläuterung eines weiteren Beispiels der Versorgungs zeitsteuerung des Lasers und der Anlagezeit steuerung des elektrischen Feldes bei der Ausführungsform gemäß Fig. 21 oder 22;

Fig. 25 bis 28 perspektivische Darstellungen von dritten bis sechsten Ausführungsformen eines Systems gemäß der Erfindung;

Fig. 29 bis 32 Querschnitte von siebenten bis zehnten Aus führungsformen eines Systems gemäß der Erfindung; und in

Fig. 33 bis 40 perspektivische Darstellungen von elften bis achtzehnten Ausführungsformen eines Systems gemäß der Erfindung.

A. Prinzip der Ionenstrahlerzeugung

Fig. 4 zeigt schematisch das Prinzip der Ionenstrahlerzeugung gemäß der Erfindung. Eine erste Elektrode 70 mit einem Loch 15 in ihrer Mitte und eine zweite Elektrode 8 in Form einer flachen Platte, die der ersten Elektrode 70 gegenüberliegt, sind parallel zueinander angeordnet. Ein Verdampfer 6 als Ein richtung zur Lieferung von Atomen gewünschter Substanzen ist, um die zu ionisierenden Atome der Substanzen zu verdampfen, so angeordnet, daß der Verdampfer 6 die Atome in Form eines Atomstrahls 12 dem Zwischenraum zwischen den ersten und zweiten Elektroden 70 und 8 zuführen kann.

Außerdem werden die Atome der Substanz, die in den Zwischen raum zwischen den ersten und zweiten Elektroden 70 und 8 zugeführt werden, mit Lasern 9 a und 9 b bestrahlt, die Anregungswellenlängen λ₁ bzw. λ₂ haben, so daß bestimmte Atome der Substanzen in dem Atomstrahl 12 von dem Verdampfer 6 aus einem Grundzustand von dem Laserstrahl 9 a in einen Zwischenanregungszustand angeregt werden und dann von dem Laserstrahl 9 b aus dem Zwischenanregungszustand in einen Rydberg-Zustand angeregt werden. Obwohl in Fig. 4 nicht dargestellt, ist ein Hochspannungs-Impulsgenerator an die Elektrode 8 angeschlossen, um in dem Raum zwischen der ersten und der zweiten Elektrode 70 und 8 ein impulsförmiges elektrisches Feld E zu erzeugen.

In einem Falle, wo ein Na-Ionenstrahl beispielsweise zu erzeugen ist, erfolgt die Strahlbildung folgendermaßen: Der Verdampfer 6 als Erzeugungseinrichtung für den Atomstrahl wird so präpariert, daß er zur Erzeugung eines Na-Atomstrahls 12 Na-Atome verdampft. Als Laser werden Farbstoffimpulslaser 9 a und 9 b für eine zweistufige Anregung der Na-Atome aus einem Grundzustand in einen Rydberg-Zustand verwendet.

Der Laser 9 a ist ein Farbstoffimpulslaser zum optischen Anregen der Na-Atome aus dem Grundzustand (3s-Zustand) in einen Übergangszustand (3p-Zustand).

Die Wellenlänge λ₁ des Lasers 9 a beträgt 589,0 nm, seine Laserenergie beträgt etwa 100 µJ, die Laserimpulsbreite beträgt etwa 8 ns, und die Laserlinien breite macht 5 cm^-1 aus.

Der Laser 9 b ist ein weiterer Farbstoffimpulslaser zum optischen Anregen der Na-Atome aus dem Übergangszustand (3p-Zustand) in den Rydberg-Zustand, und zwar bei einer Hauptquantenzahl, die gleich oder größer als 20 ist, so daß es sich um einen ns-Zustand oder einen nd-Zustand handelt, wobei es sich bei n um eine ganze Zahl mit n≧20 handelt. Die Wellenlänge λ₂ des Lasers 9 b kann sich innerhalb eines Bereiches von 404 nm bis 414 nm ändern, seine Laserenergie beträgt etwa 100 µJ, seine Laserimpulsbreite macht etwa 15 ns aus, während die Laserlinienbreite 0,2 cm^-1 beträgt.

Zwischen der ersten und der zweiten Elektrode 70 bis 8 wird ein impulsförmiges elektrisches Feld E erzeugt, dessen Feld stärke kleiner oder gleich 5 kV/cm ist. Die Situation in Fig. 4 ist so dargestellt, daß der Na-Atomstrahl 12, der von den Lasern 9 a und 9 b aus dem Grundzustand in den Rydberg- Zustand angeregt ist, mit Rydberg-Atomen 13 dargestellt ist, während die Rydberg-Atome 13, die durch das elektrische Feld E ionisiert und als Na-Ionenstrahl der ersten Elektrode 70 zugeführt werden, als Ionenstrahl 14 bezeichnet sind. Der Ionenstrahl 14 wird durch das Loch 15 hindurch in einen nicht dargestellten Ionendetektor eingeleitet. Die verschiedenen Eigenschaften des Ionenstrahls werden dann von dem Ionen detektor gemessen.

Fig. 5 zeigt ein Zeitablaufdiagramm zur Erläuterung des Zusammenhangs zwischen der Versorgungszeitsteuerung der Laser 9 a und 9 b und der Anlagezeitsteuerung des elektrischen Feldes E. Wie aus Fig. 4 und 5 ersichtlich, beaufschlagt der Laser 9 b mit der Anregungswellenlänge λ₂ zum Anregen der Na-Atome aus dem Übergangszustand in den Rydberg-Zustand den Na-Atomstrahl 12 mit einer Verzögerungszeit tl, nachdem der Laser 9 a mit der Anregungswellenlänge λ₁ Laserstrahlen aus sendet, um die Na-Atome aus dem Grundzustand in den Übergangs zustand anzuregen.

Der Wert der Verzögerungszeit tl sollte so gewählt werden, daß er gleich der oder kürzer als die Lebendauer der Na-Atome im Übergangszustand ist, die etwa 15 ns beträgt, und die Verzögerungszeit tl hat bei dieser Ausführungsform einen Wert von etwa 5 ns oder weniger. Das impulsförmige elektrische Feld E wird an den Raum zwischen der ersten und der zweiten Elektrode 70 bzw. 8 mit einer Verzögerungszeit te angelegt, nachdem der Laser 9 b mit einer Wellenlänge λ₂ eingeschaltet hat, wie es in Fig. 5 dargestellt ist. Die Verzögerungszeit te muß kürzer sein als die Lebensdauer im Rydberg-Zustand und beträgt etwa 50 ns bei dieser Ausführungsform. Die Zeit zum Anlegen des impulsförmigen elektrischen Feldes E, die in Fig. 5 mit der Impulsbreite tW bezeichnet ist, beträgt bei dieser Ausführungsform etwa 500 ns.

Wenn die Laser 9 a und 9 b den Na-Atomstrahl 12 mit der oben beschriebenen Zeitsteuerung bestrahlen, so wird der aus dem Verdampfer 6 verdampfte Atomstrahl 12 von dem Laser 9 a aus dem Grundzustand in den Übergangszustand angeregt und dann von dem Laser 9 b aus dem Übergangszustand in den Rydberg-Zustand angeregt, so daß die Rydberg-Atome 13 entstehen. Die Rydberg-Atome 13 werden dann von dem elektrischen Feld E ionisiert, das an dem Raum zwischen den ersten und zweiten Elektroden 70 und 8 anliegt. Das ionisierte Natrium wird der ersten Elektrode 70 als Ionenstrahl 14 zugeführt, geht durch das Loch 15 in der ersten Elektrode 70 hindurch und wird von dem nicht dargestellten Ionendetektor gemessen.

Fig. 6 zeigt im Diagramm das Ergebnis von Ionenstrahl- Intensitätsmessungen, wobei die Wellenlänge des Lasers 9 b (Anregungswellenlänge λ₂) im Bereich von 405 nm bis 413,5 nm unter der Voraussetzung variiert wird, daß die Relation zwischen der Versorgungszeitsteuerung der Laser 9 a und 9 b und der Anlagezeitsteuerung des elektrischen Feldes E der Darstellung gemäß Fig. 5 genügt.

Wie aus Fig. 6 ersichtlich, wird die Erzeugung des Ionen strahles 14 nur dann beobachtet, wenn die Erregerwellen länge λ₂ den gleichen Wert hat wie die Übergangswellenlänge von Natrium für den Übergang vom Übergangszustand zum Rydberg-Zustand. Da die Erzeugung des Ionenstrahls 14 beim System gemäß Fig. 4 zu beobachten ist, bestätigt diese, daß die Ionisierung mit hoher Effizienz mit einem Laseroszillator geringer Energie bzw. Leistung erzielt werden kann, wenn die Rydberg-Atome 13 mit dem elektrischen Feld E ionisiert werden.

Gemäß der Veröffentlichung "Rydberg States of Atoms and Molecules", R. F. Stebbings et al, Cambridge University Press, London, 1983, ist die minimale elektrische Feldstärke E _C, die zum Ionisieren der Rydberg-Atome 13 im angeregten Rydberg- Zustand erforderlich ist, gegeben durch:

E _C ≅ 3,21 × 10⁸ (n*) ^-4 V/cm (2)

wobei n* die effektive Hauptquantenzahl der Rydberg-Atome ist. Wie in Fig. 7 dargestellt, nimmt somit die minimale elektrische Feldstärke E _C drastisch ab, wenn n* zunimmt. Die Feldstärke E _C beträgt etwa 2 kV/cm bei n*=20, während die Feldstärke E _C etwa 830 V/cm bei n*=25 ausmacht.

Das Diagramm in Fig. 8 zeigt die quantitative Änderung der Ionen im Ionenstrahl 14, die verursacht wird durch die Änderung der elektrischen Feldstärke E, die an dem Raum zwischen der ersten Elektrode 70 und der zweiten Elektrode 8 anliegt. Die Anzahl der Ionen wurde unter der Voraussetzung gemessen, daß der Laser 9 b (Anregungswellenlänge λ₂) auf die Übergangswellenlänge fixiert ist, die für den Übergang von dem angeregten Übergangszustand zum Rydberg-Zustand 20 d erforderlich ist, und die Temperatur des Verdampfers 6 wurde auf die Werte von 175°C, 195°C, 210°C, 225°C, 240°C bzw. 255°C eingestellt.

Wie aus Fig. 8 ersichtlich, ist die Erzeugung eines Ionenstrahls 14 nicht zu beobachten, wenn die elektrische Feldstärke E niedriger als 2 kV/cm ist, was in Übereinstimmung mit Gleichung (2) steht. Andererseits ist die Erzeugung des Ionenstrahls 14 zu beobachten, wenn die elektrische Feldstärke über 2 kV/cm liegt, wobei eine weitere Steigerung der elektrischen Feld stärke E eine drastische Zunahme der Anzahl von Ionen in dem Ionenstrahl 14 mit sich bringt.

Wenn die elektrische Feldstärke E größer ist als einige kV/cm, so wird die Ladung des Ionenstrahles 14 gesättigt. Es gibt eine Korrelation zwischen dem Wert der Sättigungsladung und der Atomdichte des mit dem Laser bestrahlten Bereichs, die von der Temperatur des Verdampfers 6 abhängt. Der Wert der Sättigungsladung in dem Ionenstrahl 14 stimmt nämlich mit dem durch Berechnung erhaltenen Wert überein, der unter der Bedingung erhalten wird, daß der Übergang der Atome im Rydberg- Zustand in dem mit dem Laser bestrahlten Bereich gesättigt ist und sämtliche Rydberg-Atome 13 ionisiert werden.

Aufgrund dieser Untersuchungen können die folgenden Schluß folgerungen gezogen werden:

(i) Die elektrische Feldstärke E, die zur Erzeugung des Ionenstrahls 14 erforderlich ist, kann niedriger sein als einige kV/cm;
(ii) die elektrische Feldstärke E, die zur Erzeugung des Ionenstrahls 14 erforderlich ist, nimmt ab, wenn die effektive Hauptquantenanzahl der Rydberg-Atome 13 zunimmt;
(iii) die Ionisierung hat einen Schwellwert bezüglich der elektrischen Feldstärke E, dergestalt, daß keine Ionisierung zu beobachten ist bei einem schwachen elektrischen Feld mit einer geringeren elektrischen Feldstärke als der gemäß Gleichung (2), während fast sämtliche Rydberg-Atome 13 ionisiert werden, wenn die elektrische Feldstärke den Schwell wert überschreitet;
(iv) die Anzahl der erzeugten Ionen im Ionenstrahl 14 kann durch Änderung der elektrischen Feldstärke E gesteuert werden; und
(v) die Anzahl der erzeugten Ionen stimmt fast überein mit der Anzahl der durch den Laser 9 b angeregten Rydberg-Atome 13, und fast sämtliche Na-Atome in dem Atomstrahl 12 werden ionisiert.

Das Diagramm in Fig. 9 zeigt das Ergebnis der Geschwindigkeits messungen des Ionenstrahls 14, die unter Verwendung eines Laufzeitverfahrens durchgeführt wurden. Die Abszisse gibt dabei den Abstand L in Millimeter von der ersten Elektrode 70 zum Ionendetektor an, während die Ordinate die Verzögerungszeit in µs angibt, mit der die Ionen in dem Ionendetektor gemessen wurden, nachdem die elektrische Feldstärke E mit der Zeitsteuerung gemäß Fig. 5 angelegt wurde.

Die charakteristische Linie A in Fig. 9 zeigt das Ergebnis der Messungen, wenn die elektrische Feldstärke E, die an den Raum zwischen der ersten Elektrode 70 und der zweiten Elektrode 8 angelegt wurde, auf 5 kV/cm eingestellt war und die Laser 9 a und 9 b so fokussiert waren, daß die Laserstrahlen einen Durchmesser von ungefähr 1 mm an dem Ort haben, der von der ersten Elektrode 70 in Richtung der zweiten Elektrode 8 um eine Strecke X _L von 1,5 mm entfernt ist. Aus der charakteristischen Linie A in Fig. 9 wird eine Geschwindig keit von etwa 7×10⁴ m/s als Geschwindigkeit des Ionenstrahls 14 erhalten, der unter obigen Bedingungen erzeugt wird. Die der Strahlgeschwindigkeit entsprechende Energie beträgt etwa 550 eV, was nahezu dem Produkt aus der elektrischen Feld stärke E und dem Abstand X _L von der ersten Elektrode 70 zu dem Laserfokussierungsort entspricht.

In dem Verhältnis, wie die elektrische Feldstärke E zunimmt, die an dem Raum zwischen der ersten und der zweiten Elektrode 70 bzw. 8 anliegt, ändert sich die Geschwindigkeit des Ionenstrahls 14. Wenn beispielsweise die elektrische Feld stärke E den Wert 2 kV/cm hat, beträgt die der Strahlge schwindigkeit entsprechende Energie etwa 200 eV. Aus diesen Umständen ergibt sich, daß ein niederenergetischer Ionen strahl 14 mit einer Energie von einigen Hundert Elektronenvolt oder weniger leicht erzeugt werden kann, indem man die elektrische Feldstärke E und/oder den Abstand X _L von der ersten Elektrode 70 zum Laserfokussierungsort einstellt.

B. Ausführungsformen des Ionenstrahlgenerators

Fig. 10 zeigt eine schematische Darstellung eines Ionenstrahl generators gemäß einer ersten Ausführungsform der Erfindung. Gemäß Fig. 10 hat der Ionenstrahlgenerator eine erste Elektrode 70 mit einem Loch 15 in ihrer Mitte, wobei das Loch eine vorgegebene Gestalt hat. Ein zweite Elektrode 8 hat die Gestalt eines Zylinders, wobei die Größe der Stirn flächen im Verhältnis zur Größe des Loches 15 in der ersten Elektrode 70 ausgebildet sind. Die zweite Elektrode 8 ist so positioniert, daß ihre eine Stirnfläche dem Loch 15 der ersten Elektrode 70 gegenüberliegt.

Ein Verdampfer 6 als Einrichtung zur Lieferung von Atomen gewünschter Substanzen ist in einer Position unter den ersten und zweiten Elektroden 70 und 8 vorgesehen, um Atome aus den zu ionisierenden Substanzen dem Raum zwischen der ersten und der zweiten Elektrode 70 bzw. 8 zuzuführen. Ein Laserstrahlgenerator 10 ist in einer Position oberhalb der ersten und zweiten Elektroden 70 und 8 vorgesehen, um bestimmte Atome der Substanzen in einem Atomstrahl 12 anzuregen, der von dem Verdampfer 6 geliefert wird, und zwar aus einem Grundzustand in einem Rydberg-Zustand.

Der Ionenstrahlgenerator umfaßt ferner eine Einstelleinrichtung 30 für den Strahlengang des Lichtes, um den Strahlengang eines Laserstrahles 9 so einzustellen, daß der Strahlengang des Laserstrahles 9 und der Atomstrahl 12 koaxial ausgefluchtet sind und die Einfallsrichtung des Laserstrahls 9 der Strömungs richtung des Atomstrahls 12 entgegengesetzt ist. Ein Hoch spannungs-Impulsgenerator 11 ist an die zweite Elektrode 8 angeschlossen, um ein impulsförmiges elektrisches Feld E an den Raum zwischen der ersten Elektrode 70 und der zweiten Elektrode 8 anzulegen.

Die Größe der Stirnflächen der zweiten Elektrode 8 wird in Abhängigkeit von der Größe des Loches 15 in der ersten Elektrode 70 bestimmt; vorzugsweise wird der Durchmesser der Stirnfläche so vorgegeben, daß er größer ist als der Durchmesser des Laserstrahls 9, um den Ionisierungs-Wirkungs grad zu verbessern.

Gemäß einer Analyse des Falles, wo ein Ionenstrahl, der Atome der gewünschten Substanz enthält, von dem Generator gemäß Fig. 10 erzeugt wird, werden die Atome der vom Verdampfer 6 emittierten Substanz von einem Grundzustand in einen Rydberg-Zustand angeregt, und zwar mit dem Laserstrahl 9, der aus der entgegengesetzten Richtung wie der Atomstrahl zugeführt wird. Die angeregten Rydberg-Atome 13 werden in den Raum zwischen den ersten und zweiten Elektroden 70 und 8 eingeleitet, damit sie durch das elektrische Feld E ionisiert werden. Die so erzeugten Ionen werden von dem impulsförmigen elektrischen Feld E zur ersten Elektrode 70 hin beschleunigt, wo sie durch das Loch 15 in der ersten Elektrode 70 abgesaugt werden.

Da bei einer Ausführungsform mit einem solchen Aufbau die Atome der entsprechenden Substanzen dadurch ionisiert werden, daß man das impulsförmige elektrische Feld E an die Atome im Rydberg-Zustand anlegt, ist es nicht erforderlich, die Atome im letzten Stadium der Ionisierung mit einem Laser zu ionisieren. Somit kann der Ionenstrom mit einem Laser oszillator erzeugt werden, dessen Ausgangsenergiedichte niedriger ist als die des beim Stande der Technik verwendeten Oszillators gemäß Fig. 2.

Bei Verwendung der Konstruktion gemäß Fig. 10 werden nicht nur die Atome der jeweiligen Substanz, die sich zwischen den ersten und zweiten Elektroden 70 und 8 befinden, sondern sämtliche Atome der Substanz in dem Atomstrahl 12 mit dem Impulslaserstrahl 9 bestrahlt und aus dem Grundzustand in den Rydberg-Zustand angeregt. Sobald einmal die Atome der Substanz in den Rydberg-Zustand angeregt sind, bleiben die Atome in dem Rydberg-Zustand für eine bestimmte Zeitspanne auch wenn der Impulslaser 9 nicht abstrahlt.

Wenn somit der Atomstrahl 12 mit dem Impulslaser 9 bestrahlt wird, werden die Atome der Substanz im Rydberg-Zustand von der stromaufwärtigen Seite des Atomstrahls 12 dem Raum zwischen den ersten und zweiten Elektroden 70 und 8 für eine bestimmte Zeitspanne bei jeder Impulsbestrahlung zugeführt. Wenn dabei das impulsförmige elektrische Feld E mit einer Frequenz, deren entsprechende Periode kürzer ist als die Lebensdauer der Atome im Rydberg-Zustand, an den Raum zwischen den ersten und zweiten Elektroden 70 und 8 angelegt wird, so werden die Atome der Substanz, die durch das Loch 15 nach außen abzusaugen sind, synchron mit der Anlagezeitsteuerung des impulsförmigen elektrischen Feldes E ionisiert.

Aus diesem Umstand ergibt sich, daß in dem Verhältnis, wie die Frequenz des impulsförmigen elektrischen Feldes E ansteigt, die Absaugfrequenz zunimmt, so daß ein Ionenstrahl mit einem großen elektrischen Strom erzeugt wird. Wenn das Zeitintervall, mit dem sich an eine Impulsbestrahlung die nächste Impuls bestrahlung anschließt, so vorgegeben ist, daß es gleich der oder größer als die Lebensdauer der Atome im Rydberg-Zustand ist, so ist die Frequenz F _I der Absaugung des Ionenstrahls 14 pro Zeiteinheit gegeben durch:

F _I = C _E F _R (3)

wobei die Symbole folgende Bedeutung haben:

C _E = Anzahl der Impulse des impulsförmigen elektrischen Feldes E, das an den Raum zwischen den ersten und zweiten Elektroden 70 und 8 angelegt wird, von dem Zeitpunkt an, wo die Atome mit dem Laser 9 bestrahlt werden, bis zu dem Zeitpunkt, wo die Lebensdauer der Atome im Rydberg- Zustand abgelaufen ist; F _R = Oszillatorfrequenz des Impulslasers 9.

Wie sich aus Gleichung (3) ergibt, kann ein Ionenstrahl mit einem größeren elektrischen Strom als herkömmlicherweise möglich dadurch erzeugt werden, daß man die Impulszahl C _E des impulsförmigen elektrischen Feldes E auf einen Wert setzt, der gleich oder größer als zwei ist, auch wenn die Oszillator frequenz F _R des Impulslasers 9 identisch ist mit der einer herkömmlichen Anordnung.

Durch Umformulierung von Gleichung (3) wird folgender Ausdruck erhalten:

F _R = F _I /C _E (4)

Wie sich aus Gleichung 4 ergibt, nimmt die Oszillatorfrequenz F _R des Lasers 9, die zum Absaugen des Ionenstrahles mit bestimmten Werten von F _I erforderlich ist, im Verhältnis zur Zunahme der Impulszahlen C _E des impulsförmigen elektrischen Feldes E ab. In dem Falle, wo ein Ionenstrahl mit einem vorgegebenen Wert eines elektrischen Stromes zu erzeugen ist, kann die Oszillatorfrequenz F _R des Impulslasers 9 in dem Verhältnis abnehmen wie die Impulszahl C _E zunimmt, so daß die Lebensdauer des Impulslaseroszillators durch die Verringerung der Laserstrahlungsfrequenz verlängert wird.

Das Diagramm in Fig. 11 zeigt den Zusammenhang zwischen der Lebensdauer von Na-Atomen im Rydberg-Zustand und der Hauptquantenzahl n von Na-Atomen. Wie aus Fig. 11 ersichtlich, wird die Strahlungslebensdauer im Rydberg-Zustand verlängert, wenn die Hauptquantenzahl n des Na-Atoms zunimmt. Wenn die Hauptquantenzahl im Rydberg-Zustand den Wert 20 hat, beträgt die Strahlungslebensdauer im Rydberg-Zustand etwa 30 µs. Sobald ein Na-Atom einmal in den 20d-Zustand angeregt ist, bleibt das Na-Atom in dem 20d-Zustand für 30 µs ohne weitere Bestrahlung durch den Laser 9.

Aus dem Ionenstrahlgenerator gemäß Fig. 10 kann somit ein Ionenstrahl mit einem größeren elektrischen Strom als her kömmlicherweise möglich erzeugt und in der Zeitfolge abge zogen werden, die in Fig. 12 dargestellt ist. Wie aus Fig. 12 ersichtlich, wird der Laserstrahl 9 zum Anregen der Na-Atome aus dem Grundzustand in den 20d-Zustand dem Na-Atomstrahl 12 wiederholt zugeführt, und zwar mit einer Wiederholungsperiode t _i. Ferner wird das impulsförmige elektrische Feld E an den Raum zwischen den ersten und zweiten Elektroden 70 und 8 mit der Zeitfolge gemäß Fig. 12 angelegt.

Beispielsweise werden folgende Werte verwendet: Die Oszillator- oder Wiederholungsperiode t _i des Lasers 1 ms, die Verzögerungs zeit t _e beim Anlegen des elektrischen Feldes beträgt etwa 40 ns, die Impulsbreite oder die Zeitdauer t _W für das Anlegen des elektrischen Feldes beträgt etwa 400 ns, und die Unter brechungszeit t _s des elektrischen Feldes macht etwa 600 ns aus, während die elektrische Feldstärke E auf 5 kV/cm² eingestellt ist.

Unter diesen vorstehend beschriebenen Bedingungen lassen sich die Na-Atome im 20d-Zustand, die sich zwischen den ersten und zweiten Elektroden 70 und 8 befinden, leicht ionisieren, da die elektrische Feldstärke E _p, die in dem Raum zwischen den ersten und zweiten Elektroden 70 und 8 nach der Zuführung des Laserstrahls 9 herrscht, 5 kv/cm² beträgt. Die so erzeugten Na-Ionen werden von dem elektrischen Feld E zu der ersten Elektrode 70 hin beschleunigt und dann durch das Loch 15 in der ersten Elektrode 70 nach außen abgesaugt.

Wenn bei dem Zeitablaufdiagramm gemäß Fig. 12 das erste impulsförmige elektrische Feld E an den Raum zwischen den ersten und zweiten Elektroden 70 und 8 nach der Zuführung des Laserstrahls 9 angelegt wird, wird ein Na-Ionenstrahl 14 für die Zeitspanne t _W von etwa 400 ns erzeugt, wie es oben beschrieben ist. Dann wird das elektrische Feld E abgeschaltet, so daß die Erzeugung des Ionenstrahls 14 unterbrochen und der Zustand des fehlenden Ionenstrahls dauert für die Zeit spanne t _s von etwa 600 ns an.

Die während der Zeitspanne t _s angeregten Na-Atome werden jedoch dem Raum zwischen den ersten und zweiten Elektroden 70 und 8 von der stromaufwärtigen Seite des Atomstrahles 12 zugeführt, wie oben beschrieben. Wenn das elektrische Feld E wieder an den Raum zwischen den ersten und zweiten Elektroden 70 und 8 angelegt wird, wird in gleicher Weise wie oben ein Na-Ionenstrahl 14 für die Zeitdauer t _W erzeugt. Während die Na-Atome sich im 20d-Zustand befinden, werden das Absaugen des Ionenstrahls und die Zuführung von angeregten Na-Atomen abwechselnd mit einer Periode von etwa 1 µs wiederholt, also der Summe aus den Zeitspannen t _W und t _s.

Um einen hohen Wirkungsgrad bei der Ionenstrahlerzeugung zu erzielen, wird bevorzugt, die Zeitspanne t _s auf einen Wert zu setzen, der gleich der oder größer als die Zeit ist, die die Na-Atome benötigen, um den Raum zwischen den ersten und zweiten Elektroden 70 und 8 zu durchlaufen. Dies deswegen, weil dann, wenn die Zeitspanne t _s auf einen kürzeren Wert als die Zeit gesetzt wird, die die Na-Atome zum Durchlaufen des Zwischenraumes zwischen den ersten und zweiten Elektroden 70 und 8 benötigen, nur ein Teil des Raumes zwischen den ersten und zweiten Elektroden 70 und 8 mit Na-Atomen im 20d-Zustand versorgt ist, wenn das nächste impulsförmige elektrische Feld E angelegt wird, so daß dadurch der Ionenerzeugungs- Wirkungsgrad verringert würde.

Aus der vorstehenden Analyse ergibt sich, daß der elektrische Strom des Ionenstrahls, der unter den oben beschriebenen Bedingungen abgezogen wird, ungefähr dreißig Mal höher ist als der bei einem herkömmlichen Generator gemäß Fig. 2. Dies deswegen, weil die Lebensdauer im Rydberg-Zustand, also der 20d-Zustand eines Na-Atoms, etwa 30 µs beträgt und die Wiederholungsperiode des impulsförmigen elektrischen Feldes E etwa 1 µs ist, so daß die Impulszahl C _E des impulsförmigen elektrischen Feldes E den Wert 30 hat.

Wie sich aus Gleichung (4) ergibt, ist die Oszillatorfrequenz F _R des Lasers 9, die zum Absaugen des Impulsionenstrahls für eintausend Male pro Zeiteinheit erforderlich ist, etwa 33 Hz. Vergleicht man dies Ergebnis mit dem herkömmlichen Fall gemäß Fig. 2, wo die Oszillatorfrequenz des Lasers, die zum Absaugen des Ionenstrahls für eintausend Male pro Zeiteinheit erforderlich ist, 1 kHz beträgt, so kann die Oszillator frequenz gemäß der Erfindung erheblich gesenkt werden. Mit anderen Worten, die Laserstrahlungsfrequenz, die für die Erzeugung eines Ionenstrahles mit einem gewünschten elektrischen Strom erforderlich ist, kann verringert werden, so daß sich die Lebendauer des Laseroszillators verlängert. Infolgedessen wird der Betrieb des Laseroszillators zuverlässiger.

Obwohl die Na-Atome bei der oben beschriebenen Ausführungsform in den 20d-Zustand angeregt werden, können die Na-Atome auch in einen anderen Rydberg-Zustand mit einer großen Haupt quantenzahl angeregt werden, dessen Lebensdauer zumindest gleich dem oder größer als der Wert von 30 µs ist. Nehmen wir beispielsweise an, daß die Na-Atome in einen Rydberg- Zustand angeregt werden, der eine Hauptquantenzahl hat, die einer größeren Lebensdauer als 1 ms entspricht. Da in diesem Falle die Lebensdauer der Na-Atome im Rydberg-Zustand gleich der oder länger als die Oszillatorfrequenz t _i des Lasers 9 ist, werden die Na-Atome im Rydberg-Zustand kontinuierlich dem Raum zwischen den ersten und zweiten Elektroden 70 und 8 zugeführt.

Dementsprechend wird die Absaugfrequenz F _I des Ionenstrahles pro Zeiteinheit durch die Frequenz des angelegten elektrischen Feldes E bestimmt. Da die Wiederholungsperiode (t _W + t _s) des impulsförmigen elektrischen Feldes E den Wert 1 µs hat, hat das angelegte elektrische Feld E eine Frequenz von 1 MHz. Wenn somit die Absaugfrequenz F _I des Ionenstrahles pro Zeit einheit 1 MHz beträgt, so kann ein Ionenstrahl mit einem elektrischen Strom von einigen mA/cm² abgesaugt werden.

Obwohl nur ein einziger Laser 9 verwendet wird, um bei der oben beschriebenen Ausführungsform die Atome der jeweiligen Substanz aus dem Grundzustand in den Rydberg-Zustand anzuregen, können die Materialatome im Grundzustand auch über einen Übergangs-Anregungszustand in den Rydberg-Zustand angeregt werden, und zwar mit zwei Lasern 9 a und 9 b gemäß Fig. 13 mit Wellenlängen λ₁ und λ₂. Weiterhin können die Materialatome aus dem Grundzustand über eine Vielzahl von Übergangs-An regungszuständen mit drei oder mehr Lasern mit entsprechenden, unterschiedlichen Wellenlängen in den Rydberg-Zustand angeregt werden.

Wenn zwei Laser 9 a und 9 b mit den Wellenlägen λ₁ und λ₂ verwendet werden, um die Materialatome aus dem Grundzustand in den Rydberg-Zustand anzuregen, so wird die Laserwellen länge λ₁ des Lasers 9 a, die von einem Farbstofflaseroszillator 10 a ausgestrahlt wird, auf den Wert 589,0 nm eingestellt, um die Na-Atome aus dem Grundzustand (3s-Zustand) in den Übergangs-Anregungszustand (3p-Zustand) optisch anzuregen, während die Laserwellenlänge λ₂ des Lasers 9 b, die von einem Laseroszillator 10 b abgestrahlt wird, auf einen Wert von 413,1 nm eingestellt wird, um die Materialatome aus dem Übergangs-Anregungszustand (3p-Zustand) in den Rydberg-Zustand optisch anzuregen.

Ein Spiegel 30 a zur Änderung bzw. Einstellung des Lichtweges vom Laser 9 a zu dem Raum zwischen den ersten und zweiten Elektroden 70 und 8 sowie ein weiterer Spiegel 30 b, durch den der vom Laser 9 a ausgehende und am Spiegel 30 a reflektierte Laserstrahl hindurchgeht und mit dem der Lichtweg vom Laser 9 b geändert bzw. eingestellt werden kann, sind so vorgesehen und angeordnet, daß die Einfallsrichtung der Laserstrahlen von den Lasern 9 a und 9 b entgegengesetzt zur Ausbreitungsrichtung des Na-Atomstrahles ist, wobei der Laserstrahl 9, also ein gemischter Laserstrahl bestehend aus den Laserstrahlen 9 a und 9 b, zweckmäßigerweise koaxial mit dem Na-Atomstrahl 12 ist. Bei der Ausführungsform gemäß Fig. 13 wird ein Spiegel aus dielektrischem Material als Spiegel 30 b verwendet.

Wenn der Na-Atomstrahl 12 mit den Laserstrahlen 9 a und 9 b bestrahlt wird, werden die Na-Atome aus dem Grundzustand in den Rydberg-Zustand angeregt. Die Na-Atome werden nämlich aus dem Grundzustand 3s²S _1/2 mit dem Laser 9 a von 589 nm in den Zustand 3p²P _3/2 angeregt und dann mit dem Laser 9 b bei 413,1 nm in den 20d-Rydberg-Zustand angeregt, in welchem die Hauptquantenzahl des Valenzelektrons den Wert 20 hat.

Da der Einstein′sche Koeffizient A beim Übergang des Na-Atoms vom Zustand 3s²S _1/2 in den Zustand 3p²P _3/2 (Übergangswellen länge 589 nm) etwa 6,3×10⁷s^-1 beträgt, macht die minimale Ausgangsenergiedichte des Lasers 9 a etwa 10 W/cm² aus, die für die Sättigung des Überganges vom Grundzustand in den Zustand 3p²P _3/2 erforderlich ist.

Der Lichtabsorptionsquerschnitt des Na-Atoms in einem Falle, wo das Na-Atom aus dem Zustand 3p²P _3/2 in den nd-Rydberg- Zustand angeregt wird, hat einen Wert im Bereich von 10^-14 cm² bis 10^-17 cm², in Abhängigkeit von der Hauptquanten zahl n des Rydberg-Zustands, wie es in Fig. 15 dargestellt ist. Wie aus Fig. 15 ersichtlich, beträgt der Absorptions querschnitt im Zustand 3p²P _3/2 für den 20d-Übergang (Über gangswellenlänge 413,1 nm) etwa 10^-15 cm², und somit beträgt die minimale Ausgangsenergiedichte des Lasers 9 b etwa 10⁴ W/cm², die für die Sättigung des Überganges vom Zustand 3p²P _3/2 in den Rydberg-Zustand erforderlich ist.

Obwohl die obigen Beispiele für den Fall gelten, wo die Laser 9 a und 9 b Impulslichtlaser sind und die Materialatome aus dem Grundzustand über einen Übergangs-Anregungszustand in den Rydberg-Zustand angeregt werden, kann der Laser 9 a, der im Zusammenhang mit der Absaugung des Ionenstrahles 14 verwendet wird, auch ein kontinuierlich schwingender Laser mit relativ geringer Energie sein, da die Laserausgangsenergie dichte, die erforderlich ist, um fast alle Atome aus dem Grundzustand in den Rydberg-Zustand anzuregen, klein ist und nur einige W/cm² beträgt.

Da weiterhin der Übergangsquerschnitt der Materialatome bei der optischen Anregung aus dem Übergangs-Anregungszustand in den Rydberg-Zustand etwa 10^-14 cm² bis 10^-18 cm² beträgt und die Lebensdauer im Rydberg-Zustand relativ lang ist und einige 10 µs beträgt, kann die optische Anregung aus dem Übergangs-Anregungszustand in den Rydberg-Zustand nahezu vollständig erreicht werden, auch wenn der Laser 9 b ein kontinuierlich schwingender Laser mit relativ geringer Energie ist. Wenn beispielsweise die Na-Atome aus dem Zustand 3p²P _3/2 in den 20d-Zustand angeregt werden, so ist der Übergang gesättigt, wenn ein Laser mit einer Ausgangsenergiedichte von mindestens etwa einigen 10 W/cm², verwendet wird.

In einem solchen Falle kann die Versorgungszeitsteuerung des Lasers 9 und die Anlagezeitsteuerung des elektrischen Feldes E beispielsweise gemäß Fig. 16 vorgegeben werden. Wenn ein kontinuierlich oszillierender Laser verwendet wird, werden die Atome im Rydberg-Zustand kontinuierlich dem Raum zwischen der ersten und der zweiten Elektrode 70 bzw. 8 zugeführt, so daß die Absaugfrequenz des Ionenstrahles pro Zeiteinheit identisch ist mit der Frequenz des impulsförmigen elektrischen Feldes E, das an den Raum zwischen den ersten und zweiten Elektroden 70 und 8 angelegt wird. Somit kann ein Ionenstrahl mit einigen mA/cm² erzeugt werden, wenn das Anlegen des elektrischen Feldes E mit einer Frequenz von etwa 1 MHz wiederholt wird.

Wenn ein statisches elektrisches Feld an den Raum zwischen den ersten und zweiten Elektroden 70 und 8 angelegt wird, so ist der Wert des Ionenstromes, der abgesaugt werden kann, bestimmt durch die Anzahl von Atomen im Rydberg-Zustand, die dem Raum zwischen den ersten und zweiten Elektroden 70 und 8 zugeführt werden, da sämtliche Atome im Rydberg- Zustand, die dem Raum zwischen den ersten und zweiten Elektroden 70 und 8 zugeführt werden, ionisiert werden, damit sie sich als Ionenstrom nach außen absaugen lassen. Dem entsprechend kann ein Ionenstrahl hoher Reinheit mit einigen mA/cm² ohne Schwierigkeit kontinuierlich abgesaugt werden.

Obwohl die vorstehend beschriebenen Ausführungsformen im Zusammenhang mit der Erzeugung eines Na-Ionenstrahles erläutert sind, kann die Erfindung selbstverständlich auch Anwendung finden auf die Ionenstrahlerzeugung unter Verwendung von beliebigen anderen Atomen und/oder Molekülen, da die Eigenschaft des Rydberg-Zustandes im wesentlichen in Abhängig keit von der Hauptquantenzahl n bestimmt ist, unabhängig davon, um welche Atome oder Moleküle es sich handelt.

Wenn es beispielsweise erfor 48657 00070 552 001000280000000200012000285914854600040 0002003817604 00004 48538derlich ist, einen Ga-Ionenstrahl zu erzeugen, so wird die Oszillatorwellenlänge λ₁ des Farb stofflasers 10 a auf einen Wert von 403,3 nm gesetzt, welches die Übergangswellenlänge für den Übergang von einem Grundzu stand in einen 5s-Anregungszustand von Ga ist, und die Oszillatorwellenlänge g₂ des Farbstofflasers 10 b wird auf die Übergangswellenlänge vom 5s-Zustand zum np-Übergang ge setzt, wobei diese Wellenlänge kürzer als 430 nm ist, so daß ein Ga-Ionenstrahl in gleicher Weise wie oben beschrieben erzeugt werden kann.

Fig. 17 zeigt eine schematische Darstellung eines Ionenstrahl generators gemäß einer zweiten Ausführungsform der Erfindung. Diese Ausführungsform ist so aufgebaut, daß sie nicht nur den Aufbau der ersten Ausführungsform gemäß Fig. 10 enthält, vielmehr wird zusätzlich ein Magnetfeld B an den Raum zwischen der ersten und der zweiten Elektrode 70 und 8 parallel zum elektrischen Feld E angelegt, um die Aufweitung des Ionen strahles zu unterdrücken, der der ersten Elektrode 70 zuge führt wird.

Das Magnetfeld B kann angelegt werden, indem man eine Spule um einen Raum wickelt, der die erste und die zweite Elektrode 70 und 8 in seinem Innenraum umschließt und indem man den zugeführten elektrischen Strom einstellt; alternativ kann das Magnetfeld angelegt werden, indem man einen Magneten statt der Elektroden vorsieht. Es kann auch eine andere Konstruktion verwendet werden, um das Magnetfeld B zu erzeugen. Obwohl bevorzugt wird, daß das Magnetfeld B, welches an den Raum zwischen der ersten und der zweiten Elektrode 70 und 8 angelegt wird, eine parallele Richtung zum elektrischen Feld E hat, kann es auch eine nicht-parallele Richtung zum elektrischen Feld E haben.

Fig. 18 zeigt schematisch einen Ionenstrahlgenerator gemäß einer dritten Ausführungsform gemäß der Erfindung, die im wesentlichen identisch ist mit der ersten Ausführungsform gemäß Fig. 10, wenn man von der Gestalt der zweiten Elektrode 8 absieht. Wie in Fig. 18 dargestellt, ist die zweite Elektrode 8 bei der dritten Ausführungsform eine Nadelelektrode, bestehend aus einem stabförmigen Basisteil und einem scharfen Spitzen- Teil. Wenn eine solche Elektrode 8 verwendet wird, konzentriert sich das elektrische Feld E auf das Spitzenteil, so daß der Bereich, in welchem die Ionisierung hervorgerufen wird, auf einen kleinen Bereich beschränkt und die Fokussierung des Ionenstrahls verbessert wird.

Fig. 19 zeigt schematisch einen Ionenstrahlgenerator gemäß einer vierten Ausführungsform der Erfindung. Diese vierte Ausführungsform ist identisch aufgebaut wie die dritte Ausführungsform gemäß Fig. 18, jedoch mit folgenden Ab weichungen. Es ist eine Spule 71 aus einem Supraleiter, dessen spezifischer Widerstand in einem Temperaturbereich unterhalb der Temperatur von flüssigem Stickstoff Null ist, um das Spitzenteil der zweiten Elektrode 8 herumgewickelt, so daß sie mit dem spitzen Teil in Kontakt steht, und die zweite Elektrode 8 ist auf eine Temperatur abgekühlt, die gleich der oder etwa gleich der Temperatur von flüssigem Stickstoff ist.

Gemäß der vierten Ausführungsform erzeugt ein permanenter Strom, der in der supraleitenden Spule 71 fließt, das Magnet feld B ohne Energieverlust. Da das elektrische Feld E und das magnetische Feld B auf den kleinen Bereich des Spitzen teiles konzentriert sind, ist der Raum, in welchem die Material atome ionisiert werden, auf einen kleinen Raum beschränkt, und die Aufweitung des Ionenstrahles wird durch das Magnet feld B unterdrückt, so daß die Fokussierung des Ionenstrahles weiter verbessert wird.

Fig. 20 zeigt schematisch einen Ionenstrahlgenerator gemäß einer fünften Ausführungsform der Erfindung. Wie aus Fig. 20 ersichtlich, hat der Ionenstrahlgenerator eine erste Elektrode 70 mit einem Loch 72 vorgegebener Gestalt in der Nähe ihres Zentrums sowie eine zweite Elektrode 8 mit einem Loch 73 vorgegebener Gestalt in der Nähe ihres Zentrums, und zwar der ersten Elektrode 70 parallel gegenüberliegend. Ein Verdampfer 6 als Einrichtung zur Lieferung von Atomen gewünschter Substanzen ist unterhalb der zweiten Elektrode 8 vorgesehen, um zu ionisierende Materialatome dem Zwischenraum zwischen den ersten und zweiten Elektroden 70 und 8 durch das Loch 73 in der zweiten Elektrode 8 zuzuführen.

Ein Laserstrahlgenerator 10 ist oberhalb der ersten und zweiten Elektroden 70 und 8 vorgesehen, um bestimmte Material atome in einem Atomstrahl 12 von einem Grundzustand in einen Rydberg-Zustand anzuregen. Mit einer Lichtstrahl-Justier einrichtung 30 wird der Lichtweg eines Laserstrahls 9 von dem Laserstrahlgenerator 10 so eingestellt, daß der Strahlengang des Laserstrahles koaxial mit dem Atomstrahl 12 ist, und die Einfallsrichtung des Laserstrahls 9 ist zweckmäßigerweise entgegengesetzt zur Strahlrichtung des Atomstrahles 12. Ein Spannungsgenerator 11 ist an die zweite Elektrode 8 ange schlossen, um an den Raum zwischen den ersten und zweiten Elektroden 70 und 8 ein impulsförmiges elektrisches Feld oder ein statisches elektrisches Feld anzulegen.

Gemäß der fünften Ausführungsform werden Rydberg-Atome 13, die von dem Laserstrahl 9 angeregt werden, dem Raum zwischen den ersten und zweiten Elektroden 70 und 8 durch das Loch 73 in der zweiten Elektrode 8 zugeführt und dann mit dem elektrischen Feld E ionisiert, das an dem Raum zwischen den ersten und zweiten Elektroden 70 und 8 anliegt, so daß die erzeugten Ionen als Ionenstrahl 14 durch das Loch 72 in der ersten Elektrode 70 abgesaugt werden. Da die jeweiligen Löcher 72 und 73 in den Elektroden 70 und 8 mit dem Strahlweg des Atomstrahles 12 ausgefluchtet sind und im Lichtweg des Laserstrahls 9 liegen, können sämtliche Atome, die dem Raum zwischen den ersten und zweiten Elektroden 70 und 8 zuge führt werden, in Form des Ionenstrahles 14 abgesaugt werden.

Bei der fünften Ausführungsform kann ein magnetisches Feld an den Raum zwischen der ersten und zweiten Elektrode 70 und 8 parallel zum elektrischen Feld E angelegt werden. In diesem Falle kann die Aufweitung des Ionenstrahles, der in die erste Elektrode 70 eintritt, unterdrückt werden. Das Magnetfeld kann angelegt werden, indem man eine Spule um den Raum wickelt, der die ersten und zweiten Elektroden 70 und 8 umschließt, und indem man den der Spule zugeführten elektrischen Strom einstellt, oder indem man einen Permanent magneten in einer vorgegebenen Position anbringt. Obwohl bevorzugt ist, daß das an den Raum zwischen den ersten und zweiten Elektroden 70 und 8 angelegte Magnetfeld parallel zum elektrischen Feld E ist, kann das Magnetfeld auch in anderer Richtung angelegt werden.

Auch wenn die vorstehend beschriebenen Ausführungsformen sich auf Fälle beziehen, wo ein Ionenstrahl aus Atomen oder Molekülen erzeugt wird, können derartige Ausführungsformen auch Verwendung finden als Ionenstrahlgeneratoren, die einen Ionenstrahl mit reichhaltigen Isotopen einer bestimmten Art erzeugen, wenn die Linienbreite des Lasers zur Anregung in einen Rydberg-Zustand schmalbandig gemacht wird, so daß beispielsweise nur Uran 235 (²³⁵U) als Uranisotop selektiv ionisiert werden kann.

C. Systeme mit Ionenstrahlgeneratoren

Fig. 21 zeigt einen Querschnitt einer ersten Ausführungsform eines Systems zur Herstellung von Dünnschichten mit einem Ionenstrahlgenerator gemäß der Erfindung. Wie aus Fig. 21 ersichtlich, dient das System zur Herstellung einer Dünnschicht auf der unteren Oberfläche eines Substrats 7. Parallel zum Substrat 7 ist eine Elektrode 8 in Form einer flachen Platte so vorgesehen, daß sie dem Substrat 7 gegenüberliegt. Ver dampfer 6 a und 6 b als Einrichtungen für die Zuführung von Materialatomen sind so ausgelegt, daß sie Atome der ent sprechenden Substanzen verdampfen, die für die Dünnschicht bildung erforderlich sind, um die verdampften Materialatome dem Raum zwischen dem Substrat 7 und der Elektrode 8 zuzu führen.

Bei diesem System sind zwei Laseroszillatoren 10 a und 10 b vorgesehen. Der Laseroszillator 10 a erzeugt einen Laser strahl 9 a mit der Wellenlänge λ₁ zum Anregen der Material atome einer bestimmten Art von einem Grundzustand in einen Übergangszustand, während der andere Laseroszillator 10 b einen Laserstrahl 9 b mit einer Wellenlänge λ₂ erzeugt, um Materialatome im Übergangszustand in einen Rydberg-Zustand anzuregen. Die Elektrode 8 ist an einen Hochspannungs-Impuls generator 11 angeschlossen, der an die Elektrode 8 einen Hochspannungsimpuls anlegt, um ein impulsförmiges elektrisches Feld E in dem Raum zwischen der Elektrode 8 und dem Substrat 7 zu erzeugen.

Bei einem System zur Dünnschichtherstellung werden in dem Atomstrahl, der von den Verdampfern 6 a und 6 b geliefert wird, nur Materialatome einer bestimmten Art, deren Anregungsenergie der Anregungswellenlänge der Laser 9 a und 9 b entspricht, selektiv aus dem Grundzustand in den Rydberg-Zustand angeregt. Dann werden die angeregten Materialatome von dem elektrischen Feld E ionisiert, das an dem Raum zwischen der Elektrode 8 und dem Substrat 7 anliegt, so daß sie der Oberfläche des Substrats 7 als Ionenstrahl zugeführt werden, damit eine Dünnschicht auf dem Substrat 7 ausgebildet wird.

In einem Falle, wo beispielsweise eine Verbindungs-Halbleiter schicht aus Indiumphosphid (InP) auf dem Substrat 7 auszubilden ist, werden Phosphor (P) und Indium (In) in den jeweiligen Verdampfern 6 a bzw. 6 b erzeugt. Durch Beheizung der Verdampfer 6 a und 6 b werden Atomstrahlen aus Phosphor und Indium erzeugt, die dem Raum zwischen dem Substrat 7 und der Elektrode 8 zugeführt werden.

Wenn Indium für ein Verfahren zum epitaxialen Aufwachsen eines Ionenstrahles ionisiert wird, werden die jeweiligen Wellen längen λ₁ und λ₂ der Laserstrahlen 9 a und 9 b auf 410,3 nm, entsprechend der Übergangswellenlänge vom 5p-Zustand zum 6s-Zustand, und auf etwa 448,6 nm gesetzt, entsprechend der Übergangswellenlänge vom 6s-Zustand zum 25p-Zustand.

Wenn beide Laser 9 a und 9 b Impulslaser sind, werden die beiden Laser 9 a und 9 b sowie das elektrische Feld E gemäß dem in Fig. 5 dargestellten Zeitdiagramm angelegt. Das elektrische Feld E, das an den Raum zwischen dem Substrat 7 und der Elektrode 8 angelegt wird, wird auf eine Feldstärke von etwa 1 kV/cm eingestellt, und die Laser 9 a und 9 b werden auf einen Ort fokussiert, der von dem Substrat 7 um ungefähr 1 mm beabstandet ist.

Unter diesen Bedingungen kollidiert ein In-Strahl mit einer Strahlgeschwindigkeit, entsprechend einer niedrigen Energie von etwa 100 eV, mit Phosphoratomen, die von dem Verdampfer 6 a geliefert werden, oder mit einer auf dem Substrat 7 vor handenen Phosphorschicht, so daß auf dem Substrat 7 InP abgelagert wird. Dementsprechend wird eine InP-Dünnschicht hoher Qualität allmählich auf dem Substrat 7 ausgebildet, wenn die Zuführung der Laserstrahlen 9 a und 9 b sowie das Anlegen des elektrischen Feldes E wiederholt werden.

Obwohl bei dem oben beschriebenen Beispiel die Dünnschicht durch die Ionisierung von Indium gebildet wird, kann die gleiche Dünnschicht auch hergestellt werden durch die Ioni sierung von Phosphor mit Laserstrahlen mit einer Wellenlänge, die der Anregungswellenlänge von Phosphor entspricht. Alter nativ können auch sowohl Indium als auch Phosphor ionisiert werden.

Die Ausführungsform gemäß Fig. 21 kann auch verwendet werden zur Herstellung einer Galliumarsenid (GaAs)-Dünnschicht auf dem Substrat 7 als Verbindungs-Halbleiterschicht, ohne die Konstruktion wesentlich zu ändern. In einem Falle, wo nämlich Ga zum epitaxialen Aufwachsen des Ionenstrahles zu ionisieren ist, wird die Wellenlänge λ₁ des Laserstrahls 9 a auf 403,3 nm eingestellt, entsprechend der Übergangswellenlänge für den Übergang vom 4p-Zustand zum 5s-Zustand, und die Wellenlänge λ₂ des anderen Laserstrahls 9 b wird auf etwa 434 nm eingestellt, entsprechend der Übergangswellenlänge vom 5s-Zustand zum 25p-Zustand. Die anderen Bedingungen werden in gleicher Weise vorgegeben wie bei der beschriebenen Herstellung der InP-Schicht.

Fig. 22 zeigt einen Querschnitt einer zweiten Ausführungsform eines Systems zur Dünnschichtherstellung unter Verwendung eines erfindungsgemäßen Ionenstrahlgenerators. Bei dieser Ausführungsform wird eine Nadelelektrode 50 anstelle der Elektrode 8 gemäß Fig. 21 verwendet. Die Nadelelektrode 50 ist an einer Antriebsvorrichtung 51 montiert, damit sich die Elektrode 50 mit ihr zu einer gewünschten Position bewegen läßt. Im übrigen ist die Konstruktion ähnlich aufgebaut wie bei dem System gemäß Fig. 21.

Unter Verwendung der Nadelelektrode 50 wird das elektrische Feld E, das zum Ionisieren der Materialatome erforderlich ist, die von den Laserstrahlen 9 a und 9 b in den Rydberg- Zustand angeregt sind, auf das Spitzenteil der Nadelelektrode 50 konzentriert, so daß der Ionisierungsbereich auf einen kleinen Bereich beschränkt wird. Infolgedessen wird der Ionenstrahl genau nur dem Bereich auf dem Substrat 7 zuge führt, der der Nadelelektrode 50 gegenüberliegt, so daß die Dünnschicht in einem vorgegebenen Bereich auf dem Substrat 7 genau ausgebildet werden kann, indem man die Nadelelektrode 50 in die Position bewegt, die dem vorgegebenen Bereich ent spricht, und zwar mit der Antriebsvorrichtung 51.

Beispielsweise kann eine Indiumphosphid (InP)-Dünnschicht als Verbindungs-Halbleiterschicht auf dem Substrat 7 herge stellt werden, und zwar unter nahezu gleichen Bedingungen wie bei der Ausführungsform gemäß Fig. 21. Eine erforderliche Bedingung zum Einstellen der elektrischen Feldstärke E auf etwa 1 kV/cm unterscheidet sich jedoch von den Betriebs bedingungen des Systems gemäß Fig. 21. Beispielsweise ist bei der zweiten Ausführungsform das Spitzenteil der Nadel elektrode 50 so ausgebildet, daß es einen Krümmungsradius von 50 µm hat, wobei der Abstand zwischen dem Substrat 7 und der Nadelelektrode 50 auf 2 mm gesetzt ist, und es wird eine Spannung von 30 V an die Nadelelektrode 50 angelegt, so daß die elektrische Feldstärke in der Nähe des Spitzenteiles der Nadelelektrode 50 auf etwa 1 kV/cm eingestellt wird. Die anderen Betriebsbedingungen werden in gleicher Weise vorgegeben wie bei der Ausführungsform gemäß Fig. 21. Unter den genannten Betriebsbedingungen werden die Bestrahlung mit den Laserstrahlen 9 a und 9 b sowie das Anlegen des elektrischen Feldes E wiederholt, während die Nadelelektrode 50 von der Antriebsvorrichtung 51 in die Position bewegt wird, die einem gewünschten Bereich des Substrats 7 gegenüberliegt, auf dem die InP-Dünnschicht auszubilden ist, so daß eine InP-Dünnschicht hoher Qualität mit gewünschter Gestalt auf dem Substrat 7 ausgebildet wird.

Obwohl Impulslaser als Laser 9 a und 9 b verwendet werden, um die Materialatome bei den Ausführungsformen gemäß Fig. 21 bzw. Fig. 22 aus dem Grundzustand über die Übergangs-An regungszustände in den Rydberg-Zustand anzuregen, kann die Dünnschicht auch erhalten werden, wenn ein kontinuierlich schwingender Laser, dessen Energie relativ klein ist, als Laser 9 a verwendet wird, da die erforderliche Laser- Energiedichte zum optischen Anregen von fast allen Material atomen aus dem Grundzustand in den Übergangs-Anregungszustand nur einige W/cm² beträgt. In diesem Falle kann die Einschalt zeitsteuerung der Laser 9 a und 9 b, deren Anregungswellenlängen λ₁ und λ₂ sind, sowie die Anlagezeitsteuerung des elektrischen Feldes E so vorgegeben werden, wie es in Fig. 23 dargestellt ist.

Da der Anregungsquerschnitt der Materialatome bei der Photo anregung aus dem Übergangs-Anregungszustand in den Rydberg- Zustand zwischen 10^-18 cm² und 10^-14 cm² liegt und die Lebensdauer im Rydberg-Zustand länger als einige 10 µs ist, werden fast alle Materialatome von dem Laser 9 b aus dem Übergangs-Anregungszustand in den Rydberg-Zustand optisch angeregt, wobei der Laser 9 b in Form eines kontinuierlich arbeitenden Lasers mit relativ kleiner Energie vorgesehen ist. In diesem Falle können die Einschaltzeiten der Laser 9 a und 9 b, deren Anregungswellenlängen λ₁ bzw. λ₂ sind, und die Anlagezeit des elektrischen Feldes E vorgegeben werden, wie es Fig. 24 zeigt.

Obwohl zwei Laser 9 a und 9 b mit Wellenlängen g₁ und λ₂ ver wendet werden, um die Materialatome bei den Ausführungsformen gemäß Fig. 21 bzw. Fig. 22 aus dem Grundzustand in den Rydberg-Zustand anzuregen, kann auch ein einziger Laser mit einer kürzeren Wellenlänge als der der Laser 9 a und 9 b verwendet werden, um die Materialatome aus dem Grundzustand in den Rydberg-Zustand anzuregen; alternativ können auch drei oder mehr Laser, deren jeweilige Wellenlängen sich voneinander unterscheiden, verwendet werden, um die Material atome im Grundzustand über eine Vielzahl von Übergangs- Anregungszuständen in den Rydberg-Zustand anzuregen.

Bei den Ausführungsformen gemäß Fig. 21 bzw. 22 können die Laserstrahlen 9 a und 9 b, die parallel zur Oberfläche des Substrats 7 zugeführt werden, periodisch in Richtung senkrecht zur Zeichenebene von Fig. 21 bzw. Fig. 22 abgelenkt werden, und zwar mit Spiegeln oder optischen Dispersionselementen, wie z. B. Prismen, wobei die jeweiligen Ablenkungen so mit einander synchronisiert werden, daß die Laserstrahlen 9 a und 9 b auf einen gemeinsamen Ort fokussiert werden, der gemäß den periodischen Ablenkungen periodisch bewegt wird. In einem solchen Falle bewegt sich der mit dem Laserstrahl bestrahlte Raum innerhalb einer dem Substrat 7 gegenüberliegenden Ebene, wobei der Abstand zwischen dem mit dem Laser bestrahlten Raum und dem Substrat 7 beibehalten wird, so daß eine Dünn schicht mit größerer gleichmäßiger Dicke auf dem Substrat 7 gebildet wird.

Wenn der fokussierte Laserort so beschränkt ist, daß er sich in einem vorgegebenen Raum zwischen dem Substrat 7 und den Elektroden 8 befindet, kann die Dünnschicht nur auf einem Teil des Substrats 7 ausgebildet werden, die dem vorgegebenen Raum gegenüberliegt. Somit kann eine Dünnschicht mit ge wünschtem Muster auf dem Substrat 7 ausgebildet werden, indem man den fokussierten Laserort längs des Musters bewegt.

Fig. 25 zeigt ein Beispiel, bei dem die Laser 9 a und 9 b mit Linsensystemen 16 a bzw. 16 b fokussiert werden, und es wird eine Dünnschicht auf einem bestimmten kleinen Bereich auf dem Substrat 7 ausgebildet. Bei dem System zur Herstellung einer Dünnschicht gemäß Fig. 25 wird die Dünnschicht nur auf einem bestimmten Bereich ausgebildet, der einem Raum gegenüberliegt, auf den beide Laser 9 a und 9 b fokussiert sind.

Fig. 26 zeigt ein anderes Beispiel, wobei eine Nadelelektrode 50, die mit einer Antriebsvorrichtung 51 bewegbar ist, anstelle der als flache Platte ausgebildeten Elektrode 8 gemäß Fig. 25 vorgesehen ist. Wenn der gemeinsame Fokussierungsort der Laser 9 a und 9 b in gleicher Weise wie bei der Anordnung gemäß Fig. 25 mit periodischen Ablenkungen synchron mit der Bewegung der Nadelelektrode 50 bewegt wird, wird ein Dünn schicht-Muster gemäß dem Ort der Fokussierungsposition auf dem Substrat 7 mit hoher Genauigkeit ausgebildet.

Fig. 27 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel, wobei die Laserstrahlen 9 a und 9 b in ihrem Querschnitt in vertikaler Richtung in Fig. 27 mit Linsensystemen 17 a und 17 b, z. B. Zylinderlinsen, aufgeweitet werden. Die jeweiligen Lichtwege der Laserstrahlen 9 a und 9 b haben flächenförmige Gestalt parallel zur Oberfläche des Substrats 7 und überlappen einander in dem Bereich, der der Oberfläche des Substrats 7 gegenüber liegt. Bei der Ausführungsform gemäß Fig. 27 kann ein Dünn schicht gleichmäßiger Dicke auf dem Substrat 7 ausgebildet werden, auch wenn der Oberflächenbereich des Substrats 7 groß ist. Die Energie oder die Geschwindigkeit des Ionen strahls, der dem Substrat 7 zugeführt wird, kann leicht eingestellt werden, indem man den Abstand X _L zwischen dem Laserfokussierungsort und dem Substrat 7 ändert, so daß eine gewünschte Dünnschicht leicht hergestellt werden kann.

Fig. 28 zeigt ein weiteres Beispiel, bei dem eine Nadel elektrode 50 anstelle einer plattenförmigen Elektrode 8 gemäß Fig. 27 vorgesehen ist. Bei der Ausführungsform gemäß Fig. 28 können beide Vorteile der Ausführungsformen gemäß Fig. 26 und Fig. 27 erhalten werden. Wenn die Querschnitte der Laserstrahlen, die flächenförmige Gestalt haben, dünn gemacht werden, kann die Energiedispersion des Ionenstrahles unterdrückt werden, so daß die Dünnschicht unter optimalen Bedingungen hergestellt werden kann.

Die Fig. 29 und 30 zeigen schematisch siebente und achte Ausführungsformen eines Systems zur Herstellung von Dünn schichten mit einem Ionenstrahlgenerator gemäß der Erfindung. Diese Ausführungsformen sind so aufgebaut, daß ein Magnetfeld B an den Raum zwischen dem Substrat 7 und der Elektrode 8 bzw. 50 parallel zum elektrischen Feld E angelegt wird, um die Aufweitung des zum Substrat 7 führenden Ionenstrahls zu unterdrücken. Das Magnetfeld B kann erzeugt werden mit einer Spule, die um einen Raum herum vorgesehen ist, der das Substrat 7 und die Elektrode 8 bzw. 50 einschließt, wobei eine Einstellung des der Spule zugeführten elektrischen Stromes erfolgt; alternativ kann ein Permanentmagnet in einer vorgegebenen Position vorgesehen sein. Das Magnetfeld B und das elektrische Feld E brauchen nicht parallel zueinander zu sein, obwohl es bevorzugt ist, daß sie parallel zueinander verlaufen.

Die Fig. 31 und 32 zeigen Querschnitte von neunten und zehnten Ausführungsformen von Systemen zur Dünnschicht-Her stellung mit einem Ionenstrahlgenerator gemäß der Erfindung. Bei diesen Ausführungsformen ist der Aufbau so getroffen, daß die Materialatome, die zur Herstellung einer Dünnschicht verwendet werden, im Raum zwischen dem Substrat 7 und der Elektrode 8 bzw. 50 als Molekülstrahl zugeführt werden, der die Materialatome enthält. Eine Gasflasche 18 ist mit einem Molekulargas gefüllt, das dem Raum zwischen dem Substrat 7 und der Elektrode 8 bzw. 50 als Molekülstrahl zugeführt wird, und zwar durch ein Leitungsrohr 19, das an die Gasflasche 18 angeschlossen ist. Wenn sowohl ein Atomstrahl als auch ein Molekülstrahl zusammen verwendet werden, um dem Raum zwischen dem Substrat 7 und der Elektrode 8 bzw. 50 die Materialatome zuzuführen, werden entweder die Materialatome in dem Atom strahl oder diejenigen in dem Molekülstrahl ionisiert.

Wenn weiterhin die Strömungs- oder Strahlrichtung des Atomstrahls oder des Molekülstrahls so vorgegeben wird, daß sie parallel zur Oberfläche des Substrats 7 verläuft, werden die meisten Verunreinigungen, die in dem Atom- oder Molekülstrahl enthalten sind, daran gehindert, in die auf dem Substrat 7 auszubildende Dünnschicht einzutreten, und die Qualität der Dünnschicht wird besonders hoch.

Fig. 33 zeigt eine perspektivische Darstellung einer elften Ausführungsform eines Systems zur Dünnschichtherstellung unter Verwendung eines Ionenstrahlgenerators gemäß der Erfindung. Bei dieser Ausführungsform wird eine musterförmige Elektrode 20 mit einem leitenden Bereich, dessen Form so bestimmt ist, daß sie der Form eines Teiles des Substrats 7 entspricht, auf dem eine Dünnschicht auszubilden ist, anstelle der als flache Platte ausgebildeten Elektrode 8 gemäß Fig. 21 verwendet. Im übrigen ist der Aufbau der gleiche wie bei dem System gemäß Fig. 21.

Durch die Verwendung der musterförmigen Elektrode 20 wird das elektrische Feld E, das erforderlich ist zum Ionisieren der Materialatome, die von den Laserstrahlen 9 a und 9 b in den Rydberg-Zustand angeregt sind, nur an den Raum zwischen der musterförmigen Elektrode 20 und das Substrat 7 angelegt. Dementsprechend wird der Ionenstrahl genau nur dem Bereich auf dem Substrat (programmierter Bereich zur Herstellung der Dünnschicht) zugeführt, der dem leitenden Bereich der Elektrode 20 gegenüberliegt, so daß die Dünnschicht auf einem vorgegebenen Bereich auf dem Substrat 7 genau ausgebildet wird, entsprechend dem Muster des leitenden Bereiches.

Die musterförmige Elektrode 20 kann nur durch den leitenden Bereich gemäß Fig. 33 gebildet werden, alternativ kann sie so aufgebaut werden, daß man den musterförmigen leitenden Bereich mit einer nicht dargestellten isolierenden Schicht integriert. In letzterem Falle kann die Elektrode 20 herge stellt werden, indem man eine leitende Schicht, die auf der Isolierschicht vorgesehen ist, durch Photolithographie selektiv ätzt, oder indem man auf der Isolierschicht eine musterförmige leitende Schicht ausbildet.

Fig. 34 zeigt eine perspektivische Darstellung einer elften Ausführungsform, bei der eine Elektrode 21 anstelle der Elektrode 20 gemäß Fig. 33 verwendet wird; im übrigen ist der Aufbau der gleiche wie in Fig. 33. Ein Teil der Elektrode 21, der dem Substrat 7 gegenüberliegt, ist unregelmäßig aus gebildet, derart, daß der eine Bereich, der einer Fläche des Substrats 7 gegenüberliegt, auf der eine Dünnschicht auszu bilden ist, sich relativ dicht bei dem Substrat 7 befindet, während der andere Bereich, der derjenigen Fläche des Substrats 7 gegenüberliegt, auf der keine Dünnschicht auszubilden ist, relativ weit von dem Substrat 7 entfernt sein kann.

Wenn eine vom Hochspannungs-Impulsgenerator 11 erzeugte Impulsspannung an die Elektrode 21 angelegt wird, um ein impulsförmiges elektrisches Feld E in dem Raum zwischen der Elektrode 21 und dem Substrat 7 anzulegen, so ist das elektrische Feld E in dem Raum vor einem konvexen Teil 21 a stärker als in dem Raum vor einem konkaven Teil 21 b. Der Abstand zwischen der Elektrode 21 und dem Substrat 7 ist so bestimmt, daß das elektrische Feld E nur in dem Raum vor dem konvexen Teil 21 a der Elektrode 21 eine Feldstärke über dem Schwellenwert hat, der für die Ionisierung der Material atome im Rydberg-Zustand erforderlich ist.

Unter den genannten Bedingungen wurden nur die Materialatome, die sich in dem Raum zwischen dem Substrat 7 und dem konvexen Teil 21 a befinden, mit hohem Wirkungsgrad ionisiert, und der so erzeugte Ionenstrahl wird in akkurater Form nur dem Bereich des Substrats 7 zugeführt, auf dem eine Dünnschicht auszubilden ist, so daß die Dünnschicht exakt auf dem gewünschten Bereich des Substrats 7 ausgebildet wird.

Die Anmelderin hat ein Experiment zur Herstellung einer InP- Dünnschicht durchgeführt, wobei die Wellenlängen der Laser strahlen 9 a und 9 b auf Werte von 410,3 nm und 448,6 nm einge stellt waren; die Laserstrahlen 9 a und 9 b wurden auf eine Position gerichtet, die um etwa 1 mm von dem Substrat 7 entfernt war; die Abstände des Substrats vom konvexen Teil 21 a und vom konkaven Teil 21 b betrugen 5 mm bzw. 10 mm; an die Elektrode 21 wurde eine Spannung von 500 V angelegt, um das gewünschte elektrische Feld E zu erzeugen.

Mit einem solchen Experiment wurde bestätigt, daß nur die In-Atome in dem Raum zwischen dem Substrat 7 und dem konvexen Teil 21 a ionisiert wurden, wobei ein In-Ionenstrahl von etwa 100 eV dem Substrat 7 zugeführt wurde, so daß eine InP-Dünn schicht nur auf dem Bereich des Substrats 7 ausgebildet wurde, der dem konvexen Teil 21 gegenüberlag.

Fig. 35 zeigt eine dreizehnte Ausführungsform, die den gleichen Aufbau hat wie das System gemäß Fig. 21, mit der Abweichung, daß eine andere Elektrode 22 zwischen dem Substrat 7 und der Elektrode 8 vorgesehen ist, um die Geschwindigkeit des Ionenstrahls zu steuern. Die Elektrode 22 ist eine Siebelektrode mit vielen kleinen Löchern, so daß der Ionen strahl durch sie hindurchgehen kann. Eine Stromquelle 23 ist vorgesehen, um eine Vorspannung zwischen der Siebelektrode 22 und dem Substrat 7 anzulegen. Der Atomstrahl, der von den Verdampfern 6 a und 6 b geliefert wird, und die Laserstrahlen 9 a und 9 b werden dem Raum zwischen den Elektroden 8 und 22 zugeführt. Im übrigen ist der Aufbau des Systems der gleiche wie bei der Anordnung gemäß Fig. 21.

Die Laserstrahlen 9 a und 9 b werden in dem Raum zwischen den Elektroden 8 und 22 fokussiert, und es wird ein elektrisches Feld E an den Raum zwischen dem Substrat 7 und der Elektrode 8 angelegt. Nur die für die Herstellung der Dünnschicht zu verwendenden Materialatome werden selektiv am Laserfokussierungs ort mit hohem Wirkungsgrad ionisiert und von dem elektrischen Feld E beschleunigt, um einen Ionenstrahl zu ergeben, der der Siebelektrode 22 zugeführt wird. Der Ionenstrahl wird von dem elektrischen Feld, das zwischen der Siebelektrode 22 und dem Substrat 7 herrscht, beschleunigt oder gebremst, so daß er dem Substrat 7 als Ionenstrahl mit gleichförmiger Energie von weniger als 100 eV zugeführt wird, so daß eine gewünschte Dünnschicht in präziser Form auf dem Substrat 7 ausgebildet wird.

Es wurde ein Experiment unter den nachstehenden Bedingungen durchgeführt: Die Siebelektrode 22 wurde in einer Position im Abstand von 1 mm vom Substrat 7 angeordnet, die Laser strahlen 9 a und 9 b wurden auf einen Fleck mit einem Durch messer von etwa 1 mm fokussiert, der einen Abstand von 5 mm von dem Substrat 7 hatte; an den Raum zwischen den Elektroden 8 und 22 wurde ein elektrisches Feld mit einer Feldstärke von 5 kV/cm angelegt. Bei diesem Experiment war zu beobachten, daß die Energie des Ionenstrahls etwa 2 keV betrug, wenn die Vorspannung der Elektrode 22 den Wert 0 V hatte, und die Energie des Ionenstrahls betrug etwa 200 eV, wenn die Vorspannung -1500 V betrug. Mit dem Experiment wurde bestätigt, daß die Energie des Ionenstrahls leicht einstellbar ist, indem man die Vorspannung ändert.

Es wurde ein weiteres Experiment zur Herstellung einer InP- Dünnschicht auf dem Substrat 7 durchgeführt. Die jeweiligen Wellenlängen der Laserstrahlen 9 a und 9 b wurden auf 410,3 nm bzw. 448,6 nm gesetzt; die Laserstrahlen 9 a und 9 b wurden einer Position zugeführt, die von der Vorspannungselektrode 22 um etwa 5 mm beabstandet war. Die elektrische Feldstärke E wurde auf etwa 1 kV/cm eingestellt, und an die Siebelektrode 22 wurde eine DC-Vorspannung von -450 V angelegt. Unter den genannten Bedingungen wurde ein In-Ionenstrahl mit einer Energie von etwa 55 eV erzeugt, der dem Substrat 7 zugeführt wurde, so daß eine InP-Dünnschicht hoher Qualität gebildet wurde.

Fig. 36 zeigt eine vierzehnte Ausführungsform, bei der eine Nadelelektrode 50 anstelle der flächigen Elektrode 8 gemäß Fig. 35 verwendet wurde. Um die Nadelelektrode 50 in eine gewünschte Position zu bewegen, ist eine Antriebsvorrichtung 51 an die Nadelelektrode 50 angeschlossen. Im übrigen ist die Konstruktion die gleiche wie bei dem System gemäß Fig. 35. Bei dieser Ausführungsform gemäß Fig. 36 wird die Geschwindig keit des Ionenstrahls, der dem Substrat 7 zugeführt wird, durch die Funktion der Siebelektrode 22 genau gesteuert, und es kann eine Dünnschicht mit gewünschtem Muster in exakter Weise auf dem Substrat 7 ausgebildet werden, indem man die Nadelelektrode 50 mit der Antriebsvorrichtung 51 bewegt.

Die Fig. 37 und 38 zeigen eine fünfzehnte bzw. sechzehnte Ausführungsform. Die Konstruktionen dieser Ausführungsformen sind im wesentlichen die gleichen wie bei dem System gemäß Fig. 35, mit der Abweichung, daß die spezielle Elektrode 20 gemäß Fig. 33 oder die spezielle Elektrode 21 gemäß Fig. 34 anstelle der Elektrode 8 gemäß Fig. 35 verwendet werden. Bei diesen Ausführungsformen gemäß Fig. 37 und 38 wird die Geschwindigkeit des Ionenstrahls, der dem Substrat 7 zuge führt wird, durch die Funktion der Siebelektrode 22 genau gesteuert, und es kann eine Dünnschicht in genauer Form nur auf einem bestimmten Bereich des Substrats 7 ausgebildet werden, indem man die Funktion der speziellen Elektrode 20 bzw. 21 ausnutzt.

Mit dem System gemäß Fig. 37 wurde ein Experiment unter folgenden Bedingungen durchgeführt: Die Wellenlängen der Laserstrahlen 9 a und 9 b betrugen 410,3 nm und 448,6 nm; die Laserstrahlen 9 a und 9 b wurden einer Position im Abstand von etwa 5 mm von der Vorspannungselektrode 22 zugeführt, wobei die elektrische Feldstärke E etwa 1 kV/cm betrug. An die (Vorspannungs-)Siebelektrode 22 wurde eine DC-Vorspannung von -450 V angelegt. Bei diesem Experiment wurde ein In-Ionen strahl mit einer Energie von etwa 50 eV erzeugt, der nur dem Bereich auf dem Substrat 7 zugeführt wurde, der dem leitenden Bereich der Elektrode 20 gegenüberliegt, und es wurde eine InP-Dünnschicht hoher Qualität in exakter Form auf dem gewünschten Bereich des Substrats 7 ausgebildet.

Mit dem System gemäß Fig. 38 wurde ebenfalls ein Experiment mit nachstehenden Bedingungen durchgeführt: Die Wellenlängen der Laserstrahlen 9 a und 9 b waren die gleichen wie bei dem Experiment mit dem System gemäß Fig. 37; der Abstand zwischen dem vorstehenden oder konvexen Teil 21 a der Elektrode 21 und dem Substrat 7 betrug 5 mm, und der Abstand zwischen dem konkaven oder zurückgezogenen Teil 21 b der Elektrode 21 und dem Substrat 7 betrug 10 mm; an die Elektrode 21 wurde eine Spannung von 500 V angelegt, während an der Siebelektrode 22 eine DC-Vorspannung von -150 V anlag. Im Ergebnis wurden nur die InP-Atome in dem Raum vor dem konvexen Teil 21 a ionisiert und in einen Ionenstrahl mit einer Energie von etwa 50 eV umgewandelt, der dem Substrat 7 zugeführt wurde; dabei wurde eine InP-Dünnschicht in exakter Weise nur auf dem Bereich des Substrats 7 ausgebildet, der dem konvexen Teil 21 a gegenüberlag.

Fig. 39 zeigt eine siebzehnte Ausführungsform. Der Unterschied zwischen dieser Ausführungsform und dem System gemäß Fig. 21 besteht lediglich darin, daß zusätzlich eine Maske zwischen dem Substrat 7 und der Elektrode 8 bei dem System vorgesehen ist, wobei die Maske so ausgebildet ist, daß sie einen Ionen strahl nur in einem Bereich hindurchtreten läßt, der dem Bereich des Substrats 7 gegenüberliegt, auf dem eine Dünnschicht auszubilden ist. Die Maske 24 besteht aus einer für Ionen strahlen undurchlässigen Substanz, wie z. B. Metall, und ist mit Ionenstrahl-Durchgangsfenstern 24 a versehen, die in dem Bereich offen sind, der dem Bereich des Substrats 7 gegen überliegt, auf dem die Dünnschicht auszubilden ist. Bei diesem System wird ein Atomstrahl von den Verdampfern 6 a und 6 b zugeführt, während die Laserstrahlen 9 a und 9 b dem Raum zwischen der Maske und der Elektrode 8 zugeführt werden. Im übrigen ist die Konstruktion in gleicher Weise ausgebildet wie das System gemäß Fig. 21.

Bei dieser Ausführungsform gemäß Fig. 39 sind die Laser strahlen 9 a und 9 b auf den Raum zwischen der Maske 24 und der Elektrode 8 gerichtet; ein elektrisches Feld E ist an den Raum zwischen dem Substrat 7 und der Elektrode 8 angelegt, so daß nur die zur Herstellung der Dünnschicht zu verwendenden Materialatome selektiv mit hohem Wirkungsgrad an der Stelle ionisiert werden, auf der die Laserstrahlen 9 a und 9 b ge richtet sind; daraufhin werden die Ionen von dem elektrischen Feld E in Form eines Ionenstrahls beschleunigt und der Maske 24 zugeführt.

Ein Teil des Ionenstrahles, der die Ionenstrahl-Durchgangs fenster 24 a erreicht, geht durch diese Durchgangsfenster 24 a ohne jede Störung hindurch und wird dem Substrat 7 zugeführt, während der andere Teil des Ionenstrahles, der den anderen Bereich der Maske 24 erreicht, von der für Ionenstrahlen undurchlässigen Substanz unterbrochen wird. Infolgedessen wird der Ionenstrahl in exakter Form nur dem Bereich des Substrats 7 zugeführt, auf dem die Dünnschicht auszubilden ist, so daß eine exakte Dünnschicht hoher Qualität auf dem gewünschten Bereich des Substrats 7 ausgebildet wird.

Fig. 40 zeigt eine achtzehnte Ausführungsform. Der Aufbau dieser Ausführungsform ist der gleiche wie bei dem System gemäß Fig. 39, mit der Abweichung, daß eine Nadelelektrode 50 anstelle der Elektrode 8 sowie eine Antriebsvorrichtung 51 vorgesehen sind, um die Nadelelektrode 50 in eine gewünschte Position zu bewegen. Bei dem System gemäß Fig. 40 wird ein Teil des Ionenstrahles, der das Ionenstrahl-Durchgangsfenster 24 a erreicht, durch dieses Durchgangsfenster 24 a ohne jede Störung durchgelassen und dem Substrat 7 zugeführt, während der andere Teil des Ionenstrahles, der den anderen Bereich der Maske 24 erreicht, von ihrem für Ionenstrahlen undurch lässigen Material wie bei System gemäß Fig. 39 unterbrochen wird.

Wenn dementsprechend die Nadelelektrode 50 so bewegt wird, daß die Oberfläche des Substrats 7 in Form eines Scan abgefahren wird, so wird der Ionenstrahl in exakter Weise nur dem Bereich auf dem Substrat 7 zugeführt, wo die Dünnschicht herzustellen ist; dadurch wird eine Dünnschicht exakter Form und hoher Qualität auf dem gewünschten Bereich des Substrats 7 ausgebildet.

Die Maske 24 kann eine Konstruktion haben, die dadurch er halten wird, daß man eine Ionenstrahl-Durchgangsschicht aus Kunststoff oder dergleichen mit einer Metallschicht (undurch lässige Schicht für Ionenstrahlen) integriert, wobei eine musterförmige Gestalt gemäß der Form des Bereiches des Substrats 7 gewählt wird, auf der die Dünnschicht auszubilden ist.

Weiterhin kann die Maske 24 eine leitende Schicht aus Metall oder dergleichen sein, an die eine Vorspannung angelegt wird, so daß die Geschwindigkeit des Ionenstrahls dadurch gesteuert wird.

Mit der achtzehnten Ausführungsform wurde ein Experiment zur Herstellung einer InP-Dünnschicht auf dem Substrat 7 gemäß folgenden Konditionen durchgeführt: Die Wellenlängen der Laserstrahlen 9 a und 9 b betrugen 410 nm bzw. 448,6 nm, wobei die Laserstrahlen 9 a und 9 b auf einen Ort im Abstand von etwa 1 mm von der Maske 24 gerichtet waren. Die Feldstärke des elektrischen Feldes E wurde auf etwa 1 kV/cm eingestellt. Unter diesen Bedingungen wurde ein In-Ionenstrahl mit einer Energie von etwa 100 eV dem Substrat 7 durch die Ionenstrahl- Durchgangsfenster 24 a zugeführt, so daß eine InP-Dünnschicht hoher Qualität in exakter Form auf einem gewünschten Bereich des Substrats 7 ausgebildet wurde.

Obwohl die Ausführungsformen gemäß Fig. 21 bis Fig. 40 als Systeme beschrieben wurden, die zur Herstellung eine Ver bindungs-Halbleiterdünnschicht in Form von InP, GaAs usw. verwendet wurden, können die beschriebenen Ausführungsformen auch verwendet werden, um andere Schichten auf dem Substrat 7 herzustellen; dabei kann es sich um atomare Schichten handeln, die aus Einzelatomen bestehen, wie z. B. Si, Ge oder der gleichen; es kann sich dabei auch um Oxidschichten, Nitrid schichten oder dergleichen handeln, für die solche Systeme in gleicher Weise geeignet sind.

Die Systeme können auch verwendet werden, um beispielsweise das Uranisotop 235 (²³⁵U) von Uran (U) zu trennen. In diesem Falle wird die Linienbreite des Lasers so gewählt, daß sie kleiner ist als die Differenz zwischen den jeweiligen An regungswellenlängen der Atomisotope, und die zentrale Wellen länge des Lasers wird auf die Anregungswellenlänge von ²³⁵U eingestellt. Dementsprechend werden bei den Uranatomen, die in einem Atomstrahl enthalten sind, nur die Uranisotopen 235 selektiv in einen Rydberg-Zustand angeregt, um ionisiert zu werden, woraufhin eine Uran 235-Dünnschicht auf dem Substrat 7 ausgebildet wird.

Weiterhin können die Systeme gemäß Fig. 21 bis Fig. 40 als Ionenimplantationssystem verwendet werden anstatt als Dünnschicht-Erzeugungssysteme. In diesem Falle wird der Atomstrahl so erzeugt, daß er Materialatome enthält, die für die Ionenimplantation zu verwenden sind, wobei es sich um Phosphor (P), Arsen (As) oder dergleichen handeln kann, und diese Atome werden dann einer Ionisierung unterworfen. Die elektrische Feldstärke E wird so eingestellt, daß sie höher ist als einige 10 kV. Der so erhaltene Ionenstrahl hat eine hohe kinetische Energie, und die darin enthaltenen Ionen werden mit hoher Geschwindigkeit in ein Substrat implantiert.

Die in den Fig. 21 bis Fig. 40 dargestellten Systeme können auch als Ätzsystem verwendet werden. Der Atomstrahl wird dabei so erzeugt, daß er Atome oder Moleküle enthält, die für Ätzverfahren verwendet werden, wobei es sich um Atome von Fluor (F), Chlor (Cl) oder dergleichen handeln kann, die einer Ionisierung unterworfen werden. Der so erhaltene Ionenstrahl wird einer Schicht auf dem Substrat zugeführt, um diese zu ätzen.

Wenn die elektrische Feldstärke E so gesteigert wird, daß der Ionenstrahl eine ausreichende Geschwindigkeit besitzt, um Atome auf der Oberfläche des Substrats zu zerstäuben, können die Systeme gemäß Fig. 21 bis Fig. 40 auch als Sputter- oder Zerstäubungssysteme verwendet werden.

Claims

1. Ionenstrahlgenerator, gekennzeichnet durch

- eine Versorgungseinrichtung (6, 6 a, 6 b) für Materialatome, die einen Teilchenstrahl (12) mit den Materialatomen einem vorgegebenen Bereich zuführt,
- einen Lasergenerator (10, 10 a, 10 b), der dem Bereich Laserstrahlen (9, 9 a, 9b) zuführt, um die Materialatome in einen Rydberg-Zustand anzuregen, und
- eine Einrichtung (7, 8, 11, 20, 21, 50, 70) zum Anlegen eines vorgegebenen elektrischen Feldes (E) an die im Rydberg-Zustand befindlichen Materialatome (13), so daß die Materialatome ionisiert und in eine vorgegebene Richtung gelenkt werden.

2. Generator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtung zum Anlegen des elektrischen Feldes folgendes aufweist:

- ein Substrat (7),
- eine dem Substrat (7) gegenüberliegende Elektrode (8, 20, 21, 50), und
- eine Stromversorgung (11), um an die Elektrode (8, 20, 21, 50) ein vorgegebenes elektrisches Potential anzulegen, um ein elektrisches Feld (E) zwischen dem Substrat (7) und der Elektrode (8, 20, 21, 50) zu erzeugen.

3. Generator nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet,
daß der die Materialatome enthaltende Teilchenstrahl (12) einem Raum zwischen dem Substrat (7) und der Elektrode (8, 20, 21, 50) zugeführt wird, und
daß die Richtung des elektrischen Feldes (E) so vorge geben ist, daß die Materialatome, die ionisiert sind, von der Elektrode (8, 20, 21, 50) dem Substrat (7) zugeführt werden.

4. Generator nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet,
daß die Elektrode (20) einen leitenden Bereich mit einer Form aufweist, die der Gestalt eines Bereiches auf dem Substrat (7) entspricht, dem ein Ionenstrahl (14) zuzuführen ist.

5. Generator nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet,
daß die Elektrode (21) eine dem Substrat (7) gegenüberliegende Oberfläche aufweist,
daß die Oberfläche unregelmäßig geformt ist und einen ersten Bereich (21 a) relativ dicht bei dem Substrat (7) und einen zweiten Bereich (21 b) relativ weit weg vom Substrat (7) aufweist, und
daß der erste Bereich (21 a) einem Bereich auf dem Substrat (7) gegenüberliegt, dem ein Ionenstrahl (14) zu zuführen ist, während der zweite Bereich (21 b) einem Bereich auf dem Substrat (7) gegenüberliegt, dem kein Ionenstrahl zugeführt werden soll.

6. Generator nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet,
daß die Elektrode (50) ein scharfes Spitzenteil aufweist, das dem Substrat (7) gegenüberliegt.

7. Generator nach Anspruch 6, gekennzeichnet durch eine Antriebsvorrichtung (51), um die Elektrode (50) in einer Richtung parallel zur Oberfläche des Substrats (7) zu bewegen.

8. Generator nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet,
daß der Lasergenerator (10, 10 a, 10 b) Laserstrahlen (9, 9 a, 9 b) mit entsprechenden Wellenlängen erzeugt, die voneinander verschieden sind, und daß die Materialatome (12) mit den Laserstrahlen (9, 9 a, 9 b) aus einem Grundzustand über eine mehrstufige Anregung durch einen Übergangszustand in einen Rydberg-Zustand angeregt werden.

9. Generator nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet,
daß mindestens einer der Lasergeneratoren (10, 10 a, 10 b) ein Impulslaser ist und daß das elektrische Feld (E) an einen Raum zwischen dem Substrat (7) und der Elektrode (8, 20, 21, 50) angelegt wird, nachdem der impulsförmige Laserstrahl den Materialatomen (12) zugeführt worden ist und bevor die Lebensdauer der Materialatome (12) im Rydberg-Zustand vorüber ist, in den sie mit dem impulsförmigen Laserstrahl angeregt worden sind.

10. Generator nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet,
daß das elektrische Feld (E) ein impulsförmiges elektrisches Feld mit derselben Frequenz wie die Oszillatorfrequenz des Impulslasergenerators (10, 10 a, 10 b) ist.

11. Generator nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet,
daß der Lasergenerator (10 a, 10 b) zwei Laserstrahlen (9 a, 9 b) mit entsprechenden, voneinander verschiedenen Wellenlängen erzeugt, und
daß der Ionenstromgenerator eine Einrichtung (17 a, 17 b) aufweist, um die beiden Laserstrahlen (9 a, 9 b) in einer zweidimensionalen Richtung aufzuweiten, so daß die ent sprechenden Lichtwege der beiden Laserstrahlen (9 a, 9 b) flächenförmige Gestalt parallel zur Oberfläche des Substrats (7) haben und sich in einem Bereich überlappen, der der Ober fläche des Substrats (7) gegenüberliegt.

12. Generator nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet,
daß die Materialatome (12) Galliumatome sind,
daß ein Laserstrahl (9 a) mit einer Wellenlänge von 403,3 nm den Galliumatomen zugeführt wird, um diese aus einem Grund zustand in einen Übergangszustand anzuregen, und
daß ein weiterer Laserstrahl (9 b) mit einer kürzeren Wellenlänge als 434 nm den Galliumatomen zugeführt wird, um diese aus dem Übergangszustand in den Rydberg-Zustand anzuregen.

13. Generator nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet,
daß die Materialatome (12) Indiumatome sind,
daß ein Laserstrahl (9 a) mit einer Wellenlänge von 410,3 nm den Indiumatomen zugeführt wird, um diese aus einem Grund zustand in einen Übergangszustand anzuregen, und
daß ein weiterer Laserstrahl (9 b) mit einer kürzeren Wellenlänge als 449 nm den Indiumatomen zugeführt wird, um diese aus dem Übergangszustand in den Rydberg-Zustand an zuregen.

14. Generator nach einem der Ansprüche 1 bis 13, gekennzeichnet durch eine Einrichtung (30, 30 a, 30 b) zur Orientierung der Laserstrahlen (9, 9 a, 9 b) in einer Richtung parallel zur Oberfläche des Substrats (7).

15. Generator nach einem der Ansprüche 1 bis 14, gekennzeichnet durch eine Einrichtung (16 a, 16 b) zur Fokussierung der Laserstrahlen (9, 9 a, 9 b) in einem bestimmten Raum zwischen dem Substrat (7) und der Elektrode (8, 20, 21, 50),

16. Generator nach einem der Ansprüche 1 bis 15, gekennzeichnet durch eine Einrichtung zum periodischen Ablenken der Laserstrahlen (9, 9 a, 9 b) längs einer bestimmten Richtung in einer Ebene parallel zur Oberfläche des Substrats (7).

17. Generator nach einem der Ansprüche 1 bis 16, dadurch gekennzeichnet,
daß der Abstand zwischen einem Ort, dem die Laserstrahlen (9, 9 a, 9 b) zugeführt werden, und der Oberfläche des Substrats (7) so vorgegeben ist, daß der Wert des Produktes aus dem Abstand und der elektrischen Feldstärke (E) einen Wert von 300 V oder weniger hat.

18. Generator nach einem der Ansprüche 1 bis 17, dadurch gekennzeichnet,
daß die Versorgungseinrichtung (6, 6 a, 6 b) für Materialatome den Teilchenstrahl (12) in einer Richtung im wesentlichen parallel zur Oberfläche des Substrats (7) zuführt.

19. Generator nach einem der Ansprüche 1 bis 18, dadurch gekennzeichnet,
daß die Einrichtung zum Anlegen des elektrischen Feldes (E) folgendes aufweist:

- ein Substrat (7),
- eine erste Elektrode (8, 20, 21, 50), die dem Substrat (7) gegenüberliegt,
- eine erste Stromquelle (11), um an die erste Elektrode (8, 20, 21, 50) ein vorgegebenes elektrisches Potential anzulegen, um ein elektrisches Feld (E) in dem Raum zwischen dem Substrat (7) und der ersten Elektrode (8, 20, 21, 50) zu erzeugen,
- eine zweite Elektrode (22), die zwischen dem Substrat (7) und der ersten Elektrode (8, 20, 21, 50) vorgesehen und so aufgebaut ist, daß ein Ionenstrahl (14) die zweite Elektrode (22) passieren kann, und
- eine zweite Stromquelle (23), um an die zweite Elektrode (22) ein elektrisches Steuerpotential anzulegen, um die Geschwindigkeit des Ionenstrahls (14) zu steuern.

20. Generator nach einem der Ansprüche 1 bis 19, dadurch gekennzeichnet,
daß der die Materialatome enthaltende Teilchenstrahl (12) einem Raum zwischen der ersten Elektrode (8, 20, 21, 50) und der zweiten Elektrode (22) zugeführt wird, und
daß die Richtung des elektrischen Feldes (E) so vorgegeben ist, daß die Materialatome, die ionisiert sind, von der ersten Elektrode (8, 20, 21, 50) zum Substrat (7) geführt werden.

21. Generator nach Anspruch 19 oder 20, dadurch gekennzeichnet,
daß die erste Elektrode (20, 21) gemäß der Gestalt des Substrats (7) geformt ist.

22. Generator nach einem der Ansprüche 19 bis 21, dadurch gekennzeichnet,
daß die erste Elektrode (20) einen leitenden Bereich mit einer Form entsprechend der Form eines Bereiches auf dem Substrat (7) hat, dem der Ionenstrahl (14) zuzuführen ist.

23. Generator nach einem der Ansprüche 19 bis 21, dadurch gekennzeichnet,
daß die erste Elektrode (21) eine dem Substrat (7) gegen überliegende Oberfläche hat,
daß die Oberfläche der ersten Elektrode (21) unregelmäßig geformt ist und einen ersten Bereich (21 a) relativ dicht beim Substrat (7) und einen zweiten Bereich (21 b) relativ weit weg vom Substrat (7) aufweist, und
daß der erste Bereich (21 a) einem Bereich auf dem Substrat (7) gegenüberliegt, dem ein Ionenstrahl (14) zuzuführen ist, während der zweite Bereich (21 b) einem Bereich auf dem Substrat (7) gegenüberliegt, dem kein Ionenstrahl zuzuführen ist.

24. Generator nach Anspruch 19 oder 20, dadurch gekennzeichnet,
daß die erste Elektrode (50) ein scharfes Spitzenteil aufweist, das dem Substrat (7) gegenüberliegt.

25. Generator nach Anspruch 24, gekennzeichnet durch eine Antriebsvorrichtung (51), um die erste Elektrode (50) in einer Richtung parallel zur Oberfläche des Substrats (7) relativ zu dieser zu bewegen.

26. Generator nach einem der Ansprüche 19 bis 25, dadurch gekennzeichnet,
daß die zweite Elektrode (22) eine Siebelektrode ist.

27. Generator nach einem der Ansprüche 1 bis 26, dadurch gekennzeichnet,
daß der Lasergenerator (10, 10 a, 10 b) Laserstrahlen (9, 9 a, 9 b) mit entsprechenden, voneinander verschiedenen Wellenlängen erzeugt, und daß die Materialatome (12) von den Laserstrahlen (9, 9 a, 9 b) über eine mehrstufige Anregung aus einem Grund zustand über einen Übergangszustand in den Rydberg-Zustand angeregt werden.

28. Generator nach einem der Ansprüche 1 bis 27, dadurch gekennzeichnet,
daß mindestens einer der Lasergeneratoren (10, 10 a, 10 b) impulsförmige Laserstrahlen (9, 9 a, 9 b) erzeugt und
daß das elektrische Feld (E) an einen Raum zwischen der ersten Elektrode (8, 20, 21, 50) und dem Substrat (7) angelegt wird, nachdem den Materialatomen (12) ein impuls förmiger Laserstrahl (9, 9 a, 9 b) zugeführt worden ist und bevor die Lebensdauer der Materialatome (12) im Rydberg- Zustand vorüber ist, in den sie mit dem Laserstrahl angeregt worden sind.

29. Generator nach Anspruch 28, dadurch gekennzeichnet,
daß das elektrische Feld (E) ein impulsförmiges elektrisches Feld ist, dessen Frequenz identisch ist mit der Oszillator frequenz des Impulslasergenerators (10, 10 a, 10 b).

30. Generator nach einem der Ansprüche 1 bis 29, dadurch gekennzeichnet,
daß die Materialatome (12) Galliumatome sind,
daß ein Laserstrahl (9 a) mit einer Wellenlänge von 403,3 nm den Galliumatomen zugeführt wird, um diese aus einem Grund zustand in einen Übergangszustand anzuregen, und
daß ein weiterer Laserstrahl (9 b) mit einer kürzeren Wellenlänge als 434 nm den Galliumatomen zugeführt wird, um diese aus dem Übergangszustand in den Rydberg-Zustand anzuregen.

31. Generator nach einem der Ansprüche 1 bis 29, dadurch gekennzeichnet,
daß die Materialatome (12) Indiumatome sind,
daß ein Laserstrahl (9 a) mit einer Wellenlänge von 410,3 nm den Indiumatomen zugeführt wird, um diese aus einem Grund zustand in einen Übergangszustand anzuregen, und
daß ein weiterer Laserstrahl (9 b) mit einer kürzeren Wellenlänge als 449 nm den Indiumatomen zugeführt wird, um diese aus dem Übergangszustand in den Rydberg-Zustand anzuregen.

32. Generator nach einem der Ansprüche 1 bis 31, gekennzeichnet durch eine Einrichtung (30, 30 a, 30 b) zur Orientierung der Laser strahlen (9, 9 a, 9 b) in einer Richtung parallel zur Ober fläche des Substrats (7).

33. Generator nach einem der Ansprüche 1 bis 32, gekennzeichnet durch eine Einrichtung (16 a, 16 b) zur Fokussierung der Laser strahlen (9 a, 9 b) in einem bestimmten Raum zwischen der ersten Elektrode (8, 20, 21, 50) und der zweiten Elektrode (22).

34. Generator nach einem der Ansprüche 1 bis 33, gekennzeichnet durch eine Einrichtung zum periodischen Ablenken der Laserstrahlen (9, 9 a, 9 b) längs einer bestimmten Richtung in einer Ebene parallel zur Oberfläche des Substrats (7).

35. Generator nach einem der Ansprüche 1 bis 34, dadurch gekennzeichnet,
daß die Versorgungseinrichtung (6, 6 a, 6 b) für Materialatome den Teilchenstrahl (12) in einer Richtung im wesentlichen parallel zur Oberfläche des Substrats (7) zuführt.

36. Generator nach einem der Ansprüche 1 bis 35, gekennzeichnet durch eine Maske (24), die zwischen dem Substrat (7) und der Elektrode (8, 20, 21, 50) vorgesehen ist, wobei die Maske (24) so aufgebaut ist, daß ein Ionenstrahl (14) die Maske (24) nur in einem vorgegebenen Bereich (24 a) passieren kann, der einem Bereich auf dem Substrat (7) gegenüberliegt, dem der Ionenstrahl (14) zuzuführen ist.

37. Generator nach Anspruch 36, dadurch gekennzeichnet,
daß der Teilchenstrahl (12), der die Materialatome enthält, zwischen der Maske (24) und der Elektrode (8, 20, 21, 50) zugeführt wird, und
daß die Richtung des elektrischen Feldes (E) so vorgegeben ist, daß die Materialatome, die ionisiert werden, von der Elektrode (8, 20, 21, 50) dem Substrat (7) zugeführt werden.

38. Generator nach einem der Ansprüche 1 bis 37, dadurch gekennzeichnet,
daß die Elektrode (20, 21) entsprechend der Gestalt des Substrats (7) geformt ist.

39. Generator nach einem der Ansprüche 1 bis 37, dadurch gekennzeichnet,
daß die Elektrode (50) ein scharfes Spitzenteil aufweist, das dem Substrat (7) gegenüberliegt.

40. Generator nach Anspruch 39, gekennzeichnet durch eine Antriebsvorrichtung (51), um die Elektrode (50) in einer Richtung parallel zur Oberfläche des Substrats relativ zu diesem zu bewegen.

41. Generator nach einem der Ansprüche 1 bis 40, dadurch gekennzeichnet,
daß die Maske (24) aus einer für Ionenstrahlen undurchlässigen Substanz besteht und entsprechend der Gestalt eines Bereichs auf dem Substrat (7) geformt ist, dem ein Ionenstrahl (14) zuzuführen ist.

42. Generator nach einem der Ansprüche 1 bis 41, dadurch gekennzeichnet,
daß die Maske (24) aus einer für Ionenstrahlen undurchlässigen Schicht auf einer für Ionenstrahlen durchlässigen Schicht besteht, wobei die für Ionenstrahlen undurchlässige Schicht eine Gestalt (24 a) mit einem Muster besteht, das der Gestalt des Bereichs aus dem Substrat (7) entspricht, dem ein Ionenstrahl (14) zuzuführen ist.

43. Generator nach einem der Ansprüche 1 bis 41, dadurch gekennzeichnet,
daß die Maske (24) aus einem leitenden Material besteht und
daß der Ionenstrahlgenerator eine Steuerstromquelle auf weist, um an die Maske (24) ein elektrisches Steuerpotential anzulegen und dadurch die Geschwindigkeit eines Ionenstrahles (14) zu steuern, der dem Substrat (7) zugeführt wird.

44. Generator nach einem der Ansprüche 1 bis 43, dadurch gekennzeichnet,
daß der Lasergenerator (10, 10 a, 10 b) Laserstrahlen (9, 9 a, 9 b) mit jeweils unterschiedlichen Wellenlängen erzeugt und daß die Materialatome (12) mit einer mehrstufigen Anregung von den Laserstrahlen (9, 9 a, 9 b) aus einem Grundzustand über einen Übergangszustand in den Rydberg-Zustand angeregt werden.

45. Generator nach einem der Ansprüche 1 bis 44, dadurch gekennzeichnet,
daß mindestens einer der Lasergeneratoren (10, 10 a, 10 b) ein Impulslaser ist und
daß das elektrische Feld (E) an einen Raum zwischen der Elektrode (8, 20, 21, 50) und dem Substrat (7) angelegt wird, nachdem der gepulste Laserstrahl (9, 9 a, 9 b) an die Material atome angelegt worden ist und bevor die Lebensdauer der vom gepulsten Laserstrahl angeregten Materialatome im Rydberg- Zustand vorüber ist.

46. Generator nach einem der Ansprüche 1 bis 45, dadurch gekennzeichnet,
daß das elektrische Feld (E) ein impulsförmiges elektrisches Feld ist, dessen Frequenz identisch mit der Oszillatorfrequenz der Impulsgeneratoren (10, 10 a, 10 b) ist.

47. Generator nach einem der Ansprüche 1 bis 46, dadurch gekennzeichnet,
daß die Materialatome (12) Galliumatome sind,
daß ein Laserstrahl (9 a) mit einer Wellenlänge von 403,3 nm den Galliumatomen zugeführt wird, um diese aus einem Grund zustand in einen Übergangszustand anzuregen, und
daß ein weiterer Laserstrahl (9 b) mit einer kürzeren Wellenlänge als 434 nm den Galliumatomen zugeführt wird, um diese aus dem Übergangszustand in den Rydberg-Zustand anzuregen.

48. Generator nach einem der Ansprüche 1 bis 46, dadurch gekennzeichnet,
daß die Materialatome (12) Indiumatome sind,
daß ein Laserstrahl (9 a) mit einer Wellenlänge von 410,3 nm den Indiumatomen zugeführt wird, um diese aus dem Grundzustand in einen Übergangszustand anzuregen, und
daß ein weiterer Laserstrahl (9 b) mit einer kürzeren Wellenlänge als 449 nm den Indiumatomen zugeführt wird, um diese aus dem Übergangszustand in den Rydberg-Zustand anzuregen.

49. Generator nach einem der Ansprüche 1 bis 48, gekennzeichnet durch
eine Einrichtung (30, 30 a, 30 b) zur Orientierung der Laser strahlen (9, 9 a, 9 b) in einer Richtung parallel zur Oberfläche des Substrats (7).

50. Generator nach einem der Ansprüche 1 bis 49, gekennzeichnet durch
eine Einrichtung (16 a, 16 b) zur Fokussierung des Laserstrahls (9 a, 9 b) in einem bestimmten Raum zwischen der Maske (24) und der Elektrode (8, 20, 21, 50).

51. Generator nach einem der Ansprüche 1 bis 50, gekennzeichnet durch
eine Einrichtung zum periodischen Ablenken des Laserstrahls (9, 9 a, 9 b) längs einer bestimmten Richtung in einer Ebene parallel zu Oberfläche des Substrats (7).

52. Generator nach einem der Ansprüche 1 bis 51, dadurch gekennzeichnet,
daß die Versorgungseinrichtung (6, 6 a, 6 b) für Materialatome den Teilchenstrahl (12) in einer Richtung im wesentlichen parallel zur Oberfläche des Substrats (7) zuführt.

53. Generator nach einem der Ansprüche 1 bis 52, dadurch gekennzeichnet,
daß die Einrichtung zum Anlegen des elektrischen Feldes (E) folgendes aufweist:

- eine erste Elektrode (70) mit einem Loch (15), durch welches ein Ionenstrahl (14) abgesaugt wird,
- eine zweite Elektrode (8), die der ersten Elektrode (70) gegenüberliegt, und
- eine Stromquelle (11) zum Anlegen eines vorgegebenen elektrischen Potentials an mindestens eine der ersten und zweiten Elektrode (8, 70), um ein elektrisches Feld (E) in einem Raum zwischen der ersten Elektrode (70) und der zweiten Elektrode (8) zu erzeugen.

54. Generator nach Anspruch 53, dadurch gekennzeichnet,
daß der Teilchenstrahl (12), der die Materialatome enthält, dem Raum zwischen der ersten Elektrode (70) und der zweiten Elektrode (8) von der einen Seite des Raumes zugeführt wird, daß Laserstrahlen (9, 9 a, 9 b) dem Raum zwischen der ersten Elektrode (70) und der zweiten Elektrode (8) von der anderen Seite des Raumes zugeführt werden, wobei der Lichtweg der Laserstrahlen (9, 9 a, 9 b) koaxial mit der Strömungsbahn des Teilchenstrahles (12) ist, und
daß die Richtung des elektrischen Feldes (E) so vorgegeben ist, daß die Materialatome, die ionisiert sind, von der zweiten Elektrode (8) der ersten Elektrode (70) zugeführt werden.

55. Generator nach Anspruch 53 oder 54, dadurch gekennzeichnet,
daß die Oberfläche der zweiten Elektrode (8), die der ersten Elektrode (70) gegenüberliegt, eine Form hat, die der Form des Loches (15) in der ersten Elektrode (70) entspricht.

56. Generator nach einem der Ansprüche 53 bis 55, dadurch gekennzeichnet,
daß die zweite Elektrode (8, 50) ein scharfes Spitzenteil aufweist, das der ersten Elektrode (70) gegenüberliegt.

57. Generator nach Anspruch 56, dadurch gekennzeichnet,
daß eine Spule aus einem Supraleiter an dem scharfen Spitzen teil vorgesehen ist und daß die zweite Elektrode (8) mit flüssigem Stickstoff gekühlt ist.

58. Generator nach einem der Ansprüche 1 bis 57, dadurch gekennzeichnet,
daß der Lasergenerator (10, 10 a, 10 b) Laserstrahlen (9, 9 a, 9 b) erzeugt, deren jeweilige Wellenlänge voneinander verschieden sind, und daß die Materialatome (12) mit den Laserstrahlen (9, 9 a, 9 b) über eine mehrstufige Anregung aus einem Grund zustand über einen Übergangszustand in den Rydberg-Zustand angeregt werden.

59. Generator nach einem der Ansprüche 1 bis 58, dadurch gekennzeichnet,
daß mindestens einer des Lasergeneratoren (10, 10 a, 10 b) ein Impulslaser ist und
daß das elektrische Feld (E) an einen Raum zwischen der ersten Elektrode (70) und der zweiten Elektrode (8) angelegt wird, nachdem der gepulste Laserstrahl (9, 9 a, 9 b) den Materialatomen (12) zugeführt worden ist, und bevor die Lebensdauer der vom impulsförmigen Laserstrahl in den Rydberg-Zustand angeregten Materialatome vorüber ist.

60. Generator nach Anspruch 59, dadurch gekennzeichnet,
daß das elektrische Feld (E) ein impulsförmiges elektrisches Feld ist, dessen Frequenz identisch ist mit der Oszillator frequenz des Impulslasers.

61. Generator nach einem der Ansprüche 1 bis 60, dadurch gekennzeichnet,
daß die Materialatome (12) Galliumatome sind,
daß ein Laserstrahl (9 a) mit einer Wellenlänge von 403,3 nm den Galliumatomen zugeführt wird, um diese aus einem Grund zustand in einen Übergangszustand anzuregen, und
daß ein weiterer Laserstrahl (9 b) mit einer kürzeren Wellenlänge als 434 nm den Galliumatomen zugeführt wird, um diese aus dem Übergangszustand in den Rydberg-Zustand anzu regen.

62. Generator nach einem der Ansprüche 1 bis 60, dadurch gekennzeichnet,
daß die Materialatome (12) Indiumatome sind,
daß ein Laserstrahl (9 a) mit einer Wellenlänge von 410,3 nm den Indiumatomen zugeführt wird, um diese aus einem Grund zustand in einen Übergangszustand anzuregen, und
daß ein weiterer Laserstrahl (9 b) mit einer kürzeren Wellenlänge als 449 nm den Indiumatomen zugeführt wird, um diese aus dem Übergangszustand in den Rydberg-Zustand anzuregen.

63. Generator nach einem der Ansprüche 1 bis 62, gekennzeichnet durch eine Einrichtung (30, 30 a, 30 b) zur Orientierung des Laser strahles (9, 9 a, 9 b) in einer Richtung parallel zur Ober fläche der ersten Elektrode (70).

64. Generator nach einem der Ansprüche 1 bis 63, dadurch gekennzeichnet,
daß das elektrische Feld (E) ein periodisches impulsförmiges elektrisches Feld ist, und
daß die Impulsunterbrechungsperiode des periodischen impulsförmigen elektrischen Feldes (E), die zwischen einer Impulsaktivierungsperiode und einer folgenden Impulsaktivierungs periode liegt, so vorgegeben ist, daß sie länger ist als eine Periode, welche die Materialatome in dem Teilchenstrahl (12) benötigen, um einen Bereich zwischen der ersten Elektrode (70) und der zweiten Elektrode (8) zu durchlaufen, an welchem das elektrische Feld (E) anliegt.

65. Generator nach einem der Ansprüche 1 bis 64, dadurch gekennzeichnet,
daß die Einrichtung zum Anlegen des elektrischen Feldes folgendes aufweist:

- eine erste Elektrode (70), die mit einem ersten Loch (72) zum Absaugen eines Ionenstrahls (14) in einem vorgegebenen Bereich der ersten Elektrode (70) versehen ist,
- eine zweite Elektrode (8), die der ersten Elektrode (70) gegenüberliegt und die ein zweites Loch (73) aufweist, um die Materialatome (12) in einem Bereich der zweiten Elektrode (8) zuzuführen, der dem ersten Loch (72) gegenüberliegt, und
- eine Stromquelle (11), um ein vorgegebenes elektrisches Potential an mindestens eine der ersten und zweiten Elektroden (70, 8) anzulegen, um ein elektrisches Feld (E) in einem Raum zwischen der ersten Elektrode (70) und der zweiten Elektrode (8) zu erzeugen, wobei der Teilchenstrahl (12), der die Materialatome enthält, dem Raum zwischen der ersten Elektrode (70) und der zweiten Elektrode (8) durch das zweite Loch (73) zugeführt wird.

66. Generator nach Anspruch 65, dadurch gekennzeichnet,
daß der Lasergenerator (10, 10 a, 10 b) Laserstrahlen (9,9 a, 9 b) mit entsprechenden Wellenlängen erzeugt, die voneinander verschieden sind, und daß die Materialatome über eine Mehrfach anregung von den Laserstrahlen (9, 9 a, 9 b) aus einem Grund zustand über einen Übergangszustand in den Rydberg-Zustand angeregt werden.

67. Generator nach Anspruch 66, dadurch gekennzeichnet,
daß mindestens einer der Lasergeneratoren (10, 10 a, 10 b) ein Impulslaser ist und daß das elektrische Feld (E) an den Raum zwischen der ersten und zweiten Elektrode (70, 8) angelegt wird, nachdem der gepulste Laserstrahl (9, 9 a, 9 b) den Material atomen (12) zugeführt worden ist und bevor die Lebensdauer der durch den gepulsten Laserstrahl in den Rydberg-Zustand angeregten Materialatome (12) vorüber ist.

68. Generator nach einem der Ansprüche 1 bis 67, dadurch gekennzeichnet,
daß das elektrische Feld (E) ein impulsförmiges elektrisches Feld ist, dessen Frequenz identisch ist mit der Oszillator frequenz des Impulslasers (69).

69. Generator nach einem der Ansprüche 1 bis 68, dadurch gekennzeichnet,
daß die Materialatome (12) Galliumatome sind,
daß ein Laserstrahl (9 a) mit einer Wellenlänge von 403,3 nm den Galliumatomen zugeführt wird, um diese aus einem Grund zustand in einen Übergangszustand anzuregen, und
daß ein weiterer Laserstrahl (9 b) mit einer kürzeren Wellenlänge als 434 nm den Galliumatomen zugeführt wird, um diese aus dem Übergangszustand in den Rydberg-Zustand anzuregen.

70. Generator nach einem der Ansprüche 1 bis 68, dadurch gekennzeichnet,
daß die Materialatome (12) Indiumatome sind,
daß ein Laserstrahl (9 a) mit einer Wellenlänge von 410,3 nm den Indiumatomen zugeführt wird, um diese aus einem Grund zustand in einen Übergangszustand anzuregen, und
daß ein weiterer Laserstrahl (9 b) mit einer kürzeren Wellenlänge als 449 nm den Indiumatomen zugeführt wird, um diese aus dem Übergangszustand in den Rydberg-Zustand anzu regen.

71. Generator nach einem der Ansprüche 1 bis 70, dadurch gekennzeichnet,
daß die Laserstrahlen (9, 9 a, 9 b) dem Raum zwischen der ersten Elektrode (70) und der zweiten Elektrode (8) durch das erste Loch (72) zugeführt werden, und
daß der Lichtweg der Laserstrahlen (9, 9 a, 9 b) koaxial ist mit dem Strömungsweg des Teilchenstrahls (12), wobei die Zuführungsrichtung der Laserstrahlen (9, 9 a, 9 b) der Strömungs richtung des Teilchenstrahls (12) entgegengesetzt ist.

72. Generator nach einem der Ansprüche 1 bis 71, dadurch gekennzeichnet,
daß das elektrische Feld (E) ein periodisches impulsförmiges elektrisches Feld ist und
daß eine Impulsunterbrechungsperiode des periodischen impulsförmigen elektrischen Feldes (E), die zwischen einer Impulsaktivierungsperiode und der nächsten Impulsaktivierungs periode liegt, so vorgegeben ist, daß sie länger ist als eine Zeitspanne, die die Materialatome in dem Teilchenstrahl (12) benötigen, um den Bereich zwischen der ersten Elektrode (70) und der zweiten Elektrode (8) zu durchlaufen, an dem das elektrische Feld (E) anliegt.

73. Generator nach einem der Ansprüche 1 bis 72, dadurch gekennzeichnet,
daß der Lasergenerator (10, 10 a, 10 b) Laserstrahlen (9, 9 a, 9 b) mit entsprechenden Wellenlängen erzeugt, die voneinander verschieden sind, und daß die Materialatome (12) von den Laserstrahlen (9, 9 a, 9 b) über eine mehrstufige Anregung aus einem Grundzustand über einen Übergangszustand in den Rydberg-Zustand angeregt werden.

74. Generator nach einem der Ansprüche 1 bis 73, dadurch gekennzeichnet,
daß mindestens einer der Lasergeneratoren (10, 10 a, 10 b) ein Impulslaser ist und
daß das elektrische Feld (E) an die Materialatome (12) im Rydberg-Zustand angelegt wird, nachdem der gepulste Laserstrahl (9, 9 a, 9 b) zugeführt worden ist und bevor die Lebensdauer der von dem gepulsten Laserstrahl in den Rydberg- Zustand angeregten Materialatome vorüber ist.

75. Generator nach Anspruch 74, dadurch gekennzeichnet,
daß das elektrische Feld (E) ein impulsförmiges elektrisches Feld ist, dessen Frequenz identisch ist mit der Oszillator frequenz des Impulslasers.

76. Generator nach einem der Ansprüche 1 bis 75, dadurch gekennzeichnet,
daß der Lasergenerator (10, 10 a, 10 b) ein kontinuierlich arbeitender Laser ist und daß das elektrische Feld (E) ein periodisches impulsförmiges elektrisches Feld ist.

77. Generator nach einem der Ansprüche 1 bis 76, dadurch gekennzeichnet,
daß die Anregungswellenlänge der Lasergeneratoren (10, 10 a, 10 b) auf Wellenlängen eingestellt ist, die zum Anregen der Material atome (12) in den Rydberg-Zustand erforderlich sind, die eine Hauptquantenzahl eines Valenzelektrons haben, die größer oder gleich 20 ist.

78. Generator nach einem der Ansprüche 1 bis 77, dadurch gekennzeichnet,
daß der Lichtweg der Laserstrahlen (9, 9 a, 9 b) koaxial zur Strömungsrichtung des Teilchenstrahles (12) ist und
daß die Zuführungsrichtung der Laserstrahlen (9, 9 a, 9 b) entgegengesetzt zur Strömungsrichtung des Teilchenstrahles (12) ist.

79. Generator nach einem der Ansprüche 1 bis 78, gekennzeichnet durch eine Einrichtung zum Anlegen eines Magnetfeldes, um das Magnetfeld (B) in dem vorgegebenen Bereich anzulegen.

80. Generator nach Anspruch 79, dadurch gekennzeichnet,
daß das Magnetfeld (B) parallel zum elektrischen Feld (E) verläuft.

81. Generator nach einem der Ansprüche 1 bis 80, dadurch gekennzeichnet,
daß die Materialatome (12) Isotopen einer bestimmten Art umfassen und
daß die Laserstrahlen (9, 9 a, 9 b) eine Linienbreite haben, die kleiner ist als die Differenz zwischen ent sprechenden Anregungswellenlängen der Isotope, so daß nur ein bestimmtes Isotop in den Isotopen von dem Laserstrahl (9, 9 a, 9 b) angeregt werden kann.

82. Generator nach einem der Ansprüche 1 bis 81, dadurch gekennzeichnet,
daß er zur Herstellung von Dünnschichten aus den Materialatomen (12) verwendet wird.

83. Generator nach einem der Ansprüche 1 bis 81, dadurch gekennzeichnet,
daß er zur Ionenimplantation der Materialatome (12) verwendet wird.

84. Generator nach einem der Ansprüche 1 bis 81, dadurch gekennzeichnet,
daß er zum Zerstäuben mit den Materialatomen (12) verwendet wird.

85. Generator nach einem der Ansprüche 1 bis 81, dadurch gekennzeichnet,
daß er zum Ätzen mit den Materialatomen (12) verwendet wird.

86. Verfahren zur Erzeugung von Ionenstrahlen, insbesondere zur Behandlung eines Substrats mit den im Ionenstrahl ent haltenen Teilchen, gekennzeichnet durch folgende Schritte:

- Verdampfen einer die Teilchen enthaltenden Substanz zur Erzeugung eines Teilchenstrahls der gewünschten Material atome,
- Bestrahlen des Teilchenstrahls mit einer Strahlungsquelle mit vorgegebener Energie, um die Materialatome, gegebenen falls stufenweise, optisch anzuregen und in einen Rydberg- Zustand zu versetzen,
- Anlegen eines elektrischen Feldes vorgegebener Feldstärke an die angeregten Atome, so daß diese ionisiert werden, und
- Abziehen der so gebildeten Ionen mit vorgewählter Ge schwindigkeit in Richtung des zu behandelnden Substrats.

87. Verfahren nach Anspruch 86, dadurch gekennzeichnet,
daß die Anregung der Materialatome mit, gegebenenfalls ge pulsten, Laserstrahlen erfolgt und die Ionen mit einem gepulsten elektrischen Feld in zeitlicher Abstimmung erzeugt werden.

88. Verfahren nach Anspruch 86 oder 87, dadurch gekennzeichnet,
daß mit dem erzeugten Ionenstrahl das Substrat abgefahren wird und/oder bestimmte Bereiche des Substrats vor dem Ionenstrahl abgeschirmt werden.

89. Verfahren nach einem der Ansprüche 86 bis 88, dadurch gekennzeichnet,
daß der auf das Substrat gerichtete Ionenstrahl mit einem Magnetfeld gebündelt wird.