DE3817604C2

DE3817604C2 - Ionenstrahlgenerator

Info

Publication number: DE3817604C2
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: 2000-05-18
Anticipated expiration: 2008-05-25
Also published as: DE3817604A1

Description

Die Erfindung betrifft einen Ionenstrahlgenerator gemäß Oberbegriff des Patentanspruches 1 der bei Verfahren zur Herstellung von Dünnschichten, Ionenimplantations verfahren, Ätzverfahren, Sputter- oder Zerstäubungsverfahren 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 5A, 5B und 5C besteht, ist ebenfalls vorgesehen, um den Ionenstrahl abzubremsen, der die Auflösungsapertur passiert hat.

In einem Verdampfer 6, 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 61a, 61b und 61c vorgesehen, um Laserstrahlen mit einheitlichen Wellenlängen abzustrahlen, die jeweils voneinander verschieden sind.

Linsen 62a, 62b und 62c sind vorgesehen, um die Laserstrahlen 67a, 67b und 67c, die von den Farbstofflaseroszillatoren 61a, 61b und 61c 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 67a, 67b und 67c 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 67a (bei einer Wellenlänge von 589 nm) und dem Laserstrahl 67b (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 61c so eingestellt wird, daß der Laserstrahl 67c eine kürzere Wellenlänge als 1,4 µm hat, wird das Na-Atom im 4d-Zustand durch den Laserstrahl 67c direkt 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 67a, 67b und 67c, 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 67a, 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 67b, 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 Laserstrahles 67c, die zur Ionisierung des Na-Atoms im 4d-Zustand erforderlich ist, etwa 10⁷ W/cm² aus.

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

Um die Energiedichte des Lasers 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 61c 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_ief_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.

Aus der gattungsbildenden DE 35 35 060 A1 bzw. der DE 35 35 062 A1 ist ein Ionenstrahlgenerator bekannt, bei welchem das zu ionisierende Material nicht direkt, sondern zunächst nur auf ein Zwischenniveau, d. h. dem Rydberg-Niveau angeregt wird. Vom Zwischenniveau aus erfolgt dann das Ionisieren mittels eines elektrischen Feldes unter Nutzung des Stark-Effektes oder durch Gasentladung.

In einem Behälter, welchem ein zu ionisierender Teilchenstrahl von außen zugeführt wird, sind flächige Elektroden und ein zu bestrahlendes Substrat angeordnet. Weiterhin weist der Behälter Eintrittsfenster für Laserstrahlung auf, um in einem Raum zwischen den Elektroden die Anregung auf das Rydberg-Niveau zu ermöglichen. Die Ionisation der so angeregten Atome erfolgt durch das zwischen den Elektroden sich ausbildende elektrische Feld. Die erzeugte Ionenstrahlung ist jedoch diffus und besitzt keine ausreichende Energiedichte. Eine selektive Beschichtung des oder der Substrate ist ohne weitere Mittel nicht oder nur eingeschränkt möglich.

Die US 4,070,580 zeigt ein Verfahren und eine Anordnung zur Feldionisation von Atomen zum Zweck der Isotopenhemmung. Ein Teilchenstrahl kann dort aus entgegengesetzter Richtung und Laserlicht bestrahlt werden, um eine Rydberganregung zu erreichen. Feldplatten, teilweise in Gitterform, welche ein Feld senkrecht zum Teilchenstrahl erzeugen, dienen der Ionisation.

Aufgabe der Erfindung ist es daher, einen Ionenstrahlgenerator anzugeben, der einen Ionenstrahl mit hoher Leistung bei geringen Kosten erzeugen kann, wobei sich der Ionenstrahl mit vorgegebener Geschwindigkeit und hoher Genauigkeit in einfacher Weise auf ein Substrat richten läßt. Die Lösung der Aufgabe der Erfindung erfolgt mit einem Gegenstand nach den Merkmalen des Patentanspruches 1.

Die Unteransprüche umfassen zweckmäßige Ausgestaltungen und Weiterbildungen.

Die Erfindung wird nachstehend anhand der Beschreibung von Ausführungs beispielen und unter Bezugnahme auf die beiliegenden Zeichnungen näher erläutert. Die Zeichnungen zeigen 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 Prinzips zur Ionen erzeugung über ein Rydberg-Zwischenniveau;

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 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 3p²P_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 und

Fig. 17 bis 19 schematische Darstellungen zur Erläuterung von zweiten bis vierten Ausführungsformen des Ionenstrahlgenerators.

A. Prinzip der Ionenstrahlerzeugung

Fig. 4 zeigt schematisch das Prinzip der Ionenstrahlerzeugung. 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 9a und 9b 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 9a in einen Zwischenanregungszustand angeregt werden und dann von dem Laserstrahl 9b 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 9a und 9b für eine zweistufige Anregung der Na-Atome aus einem Grundzustand in einen Rydberg-Zustand verwendet.

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

Die Wellenlänge λ₁ des Lasers 9a 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 9b 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 n eine ganze Zahl mit n ≧ 20 handelt. Die Wellenlänge λ₂ des Lasers 9b 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 9a und 9b 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 Zusammenhanges zwischen der Versorgungszeitsteuerung der laser 9a und 9b und der Anlagezeitsteuerung des elektrischen Feldes E. Wie aus Fig. 4 und 5 ersichtlich, beaufschlagt der Laser 9b 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 9a 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 Lebensdauer 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 9b 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 9a und 9b den Na-Atomstrahl 12 mit der oben beschriebenen Zeitsteuerung bestrahlen, so wird der aus dem Verdampfer 6 verdampfte Atomstrahl 12 von dem Laser 9a aus dem Grundzustand in den Übergangszustand angeregt und dann von dem Laser 9b 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 9b (Anregungswellenlänge λ₂) im Bereich von 405 nm bis 413,5 nm unter der Voraussetzung variiert wird, daß die Relation zwischen der Versorgungszeitsteuerung der Laser 9a und 9b 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 dies, 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 angeregeten 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.

Gas 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 9b (Anregungswellenlänge λ₂) auf die Übergangswellenlänge fixiert ist, die für den Übergang von dem angeregten Übergangszustand zum Rydberg-Zustand 20d 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 Bereiches, 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:

a) Die elektrische Feldstärke E, die zur Erzeugung des Ionenstrahls 14 erforderlich ist, kann niedriger sein als einige kV/cm;
b) (ii.) die elektrische Feldstärke E, die zur Erzeugung des Ionenstrahls 14 erforderlich ist, nimmt ab, wenn die effektive Hauptquantanzahl der Rydberg-Atome 13 zunimmt;
c) 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;
d) die Anzahl der erzeugten Ionen im Ionenstrahl 14 kann durch Änderung der elektrischen Feldstärke E gesteuert werden; und
e) die Anzahl der erzeugten Ionen stimmt fast überein mit der Anzahl der durch den Laser 9b 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 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 9a und 9b so fokussiert waren, daß die Laserstrahlen einen Durchmesser von ungefähr 1 mm am 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 Ionenstahl generators gemäß einer ersten Ausführungsform. Gemäß Fig. 10 hat der Ionenstrahlgenerator eine erste Elektrode 70 mit einem Loch 15 in ihrer Mitte, wobei das Loch eine vorgegebene Gestalt hat. Eine 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 einen 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_EF_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 abelaufen 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/cm 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/cm 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 Zwischenraumens 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 Lebensdauer 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 Materialtome im Grundzustand auch über einen Übergangs-Anregungszustand in den Rydberg-Zustand angeregt werden, und zwar mit zwei Lasern 9a und 9b 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 9a und 9b mit den Wellenlängen λ₁ und λ₂ verwendet werden, um die Materialatome aus dem Grundzustand in den Rydberg-Zustand anzuregen, so wird die Laserwellen länge λ₁ des Lasers 9a, die von einem Farbstofflaseroszillator 10a 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 9b, die von einem Laseroszillator 10b abgestrahlt wird, auf einem Wert von 413,1 nm eingestellt wird, um die Materialatome aus dem Übergangs-Anregungszustand (3p-Zustand) in den Rydberg-Zustand optisch anzuregen.

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

Wenn der Na-Atomstrahl 12 mit den Laserstrahlen 9a und 9b 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 9a von 589 nm in den Zustand 3p²P_3/2 angeregt und dann mit dem Laser 9b 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 × 10⁷ s^-1 beträgt, macht die minimale Ausgangsenergiedichte des Lasers 9a 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-Rydbetg- Zustand angeregt wird, hat einen Wert im Bereich von 10^-14 cm² bis 10^-17 cm², in Abhängigkeit vor der Hauptquanten zahl n des Rydberg-Zustandes, 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 9b 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 9a und 9b Impulslichtlaser sind und die Materialatome aus dem Grundzustand über einen Übergangs-Anregungszustand in den Rydberg-Zustand angeregt werden, kann der Laser 9a, 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 9b 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 erforderlich ist, einen Ga-Ionenstrahl zu erzeugen, so wird die Oszillatorwellenlänge λ₁ des Farb stofflasers 10a 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 λ₂ des Farbstofflasers 10b 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. 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, 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. 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.

Claims

1. Ionenstrahlgenerator, zum Bestrahlen eines Substrates in der Halbleitertechnologie umfassend

1. eine Versorgungseinrichtung (6) für Materialatome, die einen Teilchenstrahl (12) mit den Materialatomen einem vorgegebenen Bereich zuführt,
2. einen Lasergenerator (10, 10a, 10b), der dem Bereich Laserstrahlen (9, 9a, 9b) zuführt, um die Materialatome in einen Rydberg-Zustand anzuregen,
3. eine Einrichtung mit Elektroden (8, 11, 70) zum Anlegen eines vorgegebenen elektrischen Felds (E) an die im Rydberg-Zustand befindlichen Materialatome (13), so daß die Materialatome ionisiert und in eine auf das Substrat orientierte Richtung gelenkt werden,

dadurch gekennzeichnet, daß

1. die erste Elektrode (70) ein mittiges Loch (15) zum Absaugen erzeugter Ionen aufweist und die zweite Elektrode (8) eine Zylinderform besitzt, wobei die Größe des Loches (15) dem Zylinderdurchmesser entspricht und die zweite Elektrode (8) so positioniert ist, daß eine der Zylinderstirnflächen dem Loch (15) der ersten Elektrode (70) gegenüberliegt;
2. ein Verdampfer (6) als Versorgungseinrichtung für Materialatome so angeordnet ist, daß der Teilchenstrahl (12) quer zur Richtung des elektrischen Feldes (E) in den Elektrodenzwischenraum gelangt, und
3. der Lasergenerator (10) in einer Position angeordnet ist, daß mittels einer Einstelleinrichtung (30) für den Strahlengang des vom Lasergenerator (10) erzeugten Strahles dieser und der Teilchenstrahl (12) koaxial fluchtend ausgerichtet und die Einfallsrichtung der Laserstrahlung (9) dem Teilchenstrahl (12) entgegengesetzt gerichtet sind.

2. Ionenstrahlgenerator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Lasergenerator einen ersten und einen zweiten Laser (9a, 9b), die Strahlung unterschiedlicher Wellenlängen emittieren, umfaßt, wobei die Einstelleinrichtung für den Strahlengang einen ersten Spiegel (30a) und einen zweiten, teildurchlässigen Spiegel (30b) aufweist, so daß die Laserstrahlung des ersten und zweiten Lasers (9a, 9b) einen gemischten Strahl (9) bilden, welcher zum Teilchenstrahl koaxial verläuft.

3. Ionenstrahlgenerator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß im Raum zwischen der ersten und zweiten Elektrode (8, 70) ein im wesentlichen parallel zum elektrischen Feld (E) verlaufendes Magnetfeld (B) zur Fokussierung des Ionenstrahles (14) ausgebildet ist.

4. Ionenstrahlgenerator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die zweite Elektrode (8) an einem Zylinderende in eine Spitzenform zur Konzentration des elektrischen Feldes (E) und zur Verbesserung der Fokussierung des Ionenstrahles (14) übergeht.

5. Ionenstrahlgenerator nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß eine supraleitende Spule (71) um die Spitze der zweiten Elektrode (8) gewickelt ist.

6. Ionenstrahlgenerator nach einem der Ansprüche 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Durchmesser der zylinderförmigen zweiten Elektrode (8) größer als der Durchmesser des Laserstrahlungsbündels ist.