DE3845007C2

DE3845007C2 - Ion beam generator for semiconductor processing

Info

Publication number: DE3845007C2
Application number: DE3845007A
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: 2000-09-28
Anticipated expiration: 2008-05-25

Abstract

The generator has a supply system for atoms of material, the supply system feeding a particle beam with the atoms to preset region. Laser beams are supplied to the region by a laser generator, in order to energise the material atoms into a Rydberg state. The atoms in the latter state are exposed to a preset electric field from a semiconductor assembly. Thus the material atoms are ionised and guided into a preset direction. The field generating assembly pref. comprises a substrate with an oppositely located electrode, supplied by a preset potential from a current supply. Thus generating the required electric field between the electrode and substrate.

Description

Die Erfindung betrifft ein System zur Herstellung von Dünn schichten auf einem Substrat mittels eines Ionenstrahlgene rators gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 oder 2.The invention relates to a system for producing thin layers on a substrate by means of an ion beam gene rators according to the preamble of claim 1 or 2.

Ionenstrahlsysteme zum epitaxialen Aufwachsen mit Ionenstrahl generatoren sind beispielsweise aus der JP-OS 60-137012 oder DE 35 35 062 A1, die ein gattungsgemäßes System beschreibt, bekannt. Ein derartiges bekanntes System weist eine Ionenquelle und eine Absaugelektrode auf. Darüber hinaus ist die Verwendung eines Massenanalysators bekannt, um spezielle Ionen abzuziehen.Ion beam systems for epitaxial growth with ion beam Generators are for example from JP-OS 60-137012 or DE 35 35 062 A1, which describes a generic system, known. Such a known system has an ion source and a suction electrode. In addition, the use a mass analyzer known to extract special ions.

In einem Verdampfer, der an einem Ort unter der Ausgangsseite eines Bremssystems zur Reduzierung der Geschwindigkeit der Ionen angeordnet ist, werden Substanzen verdampft, deren Atome zur Dünnschichtbildung aufbereitet werden. Ein Substrat, auf dem eine Dünnschicht mit einem solchen System auszubilden ist, befindet sich auf der Ausgangsseite des Bremssystems.In an evaporator located in a place under the exit side a braking system to reduce the speed of the Ions is arranged, substances are vaporized, their atoms be prepared for thin layer formation. A substrate on which a thin layer is to be formed with such a system, is on the output side of the brake system.

Bei einem Verfahren zum Aufwachsen einer GaAs-Verbindungshalb leiter-Dünnschicht auf einem Substrat wird beispielsweise Gallium-Dampf der Oberfläche des Substrats von dem Verdampfer zugeführt, um Gallium-Atome auf das Substrat aufzubringen und dort abzulagern. Gleichzeitig wird eine Absaugspannung von etwa 25 kV zwischen einer Absaugelektrode und der Ionenquelle angelegt, so daß ein Ionenstrahl, der As⁺-Ionen enthält, von der Ionenquelle abgesaugt wird.In a method of growing a GaAs compound semiconductor thin film on a substrate, for example, gallium vapor is supplied to the surface of the substrate from the evaporator to deposit and deposit gallium atoms on the substrate. At the same time, a suction voltage of about 25 kV is applied between a suction electrode and the ion source, so that an ion beam which contains As ⁺ ions is extracted from the ion source.

Der derart abgesaugte Ionenstrahl wird in den Massenanalysator eingeleitet. Danach tritt der As⁺-Strahl in eine Auflösungs apertur ein. Im Anschluß daran wird der Strahl durch das bereits erwähnte Bremssystem gebremst. Der As⁺-Strahl wird in das Substrat implantiert, nachdem er einen niedrigen Energie zustand etwa 100 eV oder weniger aufweist.The ion beam extracted in this way is introduced into the mass analyzer. The As ⁺ beam then enters a resolution aperture. The jet is then braked by the braking system already mentioned. The As ⁺ beam is implanted in the substrate after it has a low energy state of about 100 eV or less.

Wenn in einem Ionenstrahlsystem zum epitaxialen Aufwachsen ein Ionenstrahlgenerator der vorbeschriebenen Art verwendet wird, so muß eine sehr hohe Spannung von ungefähr 25 kV zwischen die Ionenquelle und die Absaugelektrode angelegt werden, damit ein As⁺-Strahl mit dem gewünschten elektrischen Strom erhalten werden kann. Der durch die Absaugspannung von etwa 25 kV abge saugte Ionenstrahl hat eine hohe Strahlgeschwindigkeit. Um zu verhindern, daß sich der Strahl durch einen Raumleitungseffekt im Strahlengang vom Massenanalysator zum Substrat aufweitet, wird das elektrische Potential der Ionenquelle bei 100 V gehalten und der Massenanalysator sowie das Bremssystem befinden sich auf einem niedrigen negativen Potential.If an ion beam generator of the type described above is used in an ion beam system for epitaxial growth, a very high voltage of approximately 25 kV must be applied between the ion source and the suction electrode so that an As ⁺ beam can be obtained with the desired electrical current. The ion beam sucked off by the suction voltage of about 25 kV has a high jet speed. In order to prevent the beam from expanding due to a space conduction effect in the beam path from the mass analyzer to the substrate, the electrical potential of the ion source is kept at 100 V and the mass analyzer and the braking system are at a low negative potential.

Weiterhin soll die Strahlgeschwindigkeit niedrig sein, wenn der Strahl auf das Substrat gelangt. Es muß demnach die Strahlge schwindigkeit so verringert werden, daß die Einfallsenergie des Ionenstrahls auf das Substrat niedriger als 300 eV oder vor zugsweise niedriger als 100 eV ist. Dies deswegen, weil dann, wenn der As⁺-Strahl dem Substrat mit einer Aufprallgeschwin digkeit 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 am Substrat haftet, so daß ein Schichtwachstum verhindert wird. Es muß also demnach der Ionenstrahl abgebremst werden, unmittelbar bevor er das Substrat erreicht.Furthermore, the jet speed should be low when the jet hits the substrate. Accordingly, the speed of the beam must be reduced so that the incident energy of the ion beam onto the substrate is less than 300 eV or preferably less than 100 eV. This is because when the As ⁺ beam is supplied to the substrate at an impact speed corresponding to an energy of more than 300 eV, the amount of GaAs sputtered by the As ⁺ ions is equal to or larger than the amount of GaAs that adheres to the substrate so that layer growth is prevented. The ion beam must therefore be braked immediately before it reaches the substrate.

Bei einem bekannten System zur Herstellung von Dünnschichten sollte jedoch eine Elektrode im Bremssystem in der Strahlen richtung lang sein, da der Strahl in einem großen Bereich abgebremst werden muß. Infolgedessen ist die Rasterabtastung des Ionenstrahls, der dem Substrat zugeführt wird, nicht gut. Auch dann, wenn sich die Abtastung steuern läßt, ist es schwierig, eine gleichmäßige Verteilung der Schichtdicke zu erzielen und es ist nahezu unmöglich, eine Dünnschicht nur in einem vorgegebenen lokalen Bereich des Substrats selektiv aufwachsen zu lassen.In a known system for producing thin layers however, an electrode in the braking system should be in the rays be long because the beam is in a large area must be braked. As a result, the raster scan of the ion beam supplied to the substrate is not good. Even if the scanning can be controlled, it is difficult to evenly distribute the layer thickness achieve and it is almost impossible to get a thin film only in selectively a predetermined local area of the substrate to grow up.

Es ist daher Aufgabe der Erfindung, ein bekanntes System zur Herstellung von Dünnschichten auf einem Substrat mittels Ionenstrahlgenerator so zu verbessern, daß auf ein Bremssystem weitestgehend verzichtet werden kann und gleichzeitig die Möglichkeit besteht, definierte Dünnschicht-Strukturen auf dem Substrat maskenfrei in reproduzierbarer Weise zu erhalten.It is therefore an object of the invention to provide a known system for Production of thin layers on a substrate by means of To improve ion beam generator so that on a braking system can largely be dispensed with and at the same time the There is a possibility of defined thin-film structures to obtain on the substrate mask-free in a reproducible manner.

Die Lösung der Aufgabe der Erfindung erfolgt mit einem Gegenstand nach Patentanspruch 1 oder 2, wobei die Unteransprüche zweckmäßige Ausgestaltungen und Weiterbildungen umfassen.The object of the invention is achieved with a Object according to claim 1 or 2, wherein the subclaims expedient refinements and developments include.

Die Erfindung soll nachstehend anhand der Beschreibung von Ausführungsbeispielen sowie unter Zuhilfenahme von Figuren näher erläutert werden.The invention will now be described with reference to the description of Embodiments and with the help of figures are explained in more detail.

Hierbei zeigen:Here show:

Fig. 1 und 2 Querschnitte des allgemeinen Aufbaus bzw. zu einer ersten Ausfüh rungsform eines Systems mit einem Ionen strahlgenerator; Figures 1 and 2 cross sections of the general structure or to a first embodiment of a system with an ion beam generator.

Fig. 3 ein Zeitablaufdiagramm zur Erläuterung eines Beispiels der Versorgungszeitsteuerung des Lasers und der Anlagezeitsteuerung des elek trischen Feldes für die Ausführungsform gemäß Fig. 1 oder 2; Fig. 3 is a timing chart for explaining an example of the supply timing of the laser and the system timing of the elec trical field for the embodiment of FIG. 1 or 2;

Fig. 4 ein Zeitablaufdiagramm zur Erläuterung eines weiteren Beispiels der Versorgungszeitsteuerung des Lasers und der Anlagezeitsteuerung des elektrischen Feldes bei der Ausführungsform gemäß Fig. 1 oder 2; Fig. 4 is a timing chart for explaining another example of the supply timing of the laser and the plant timing of the electric field in the embodiment of Fig. 1 or 2;

Fig. 5 bis 8 perspektivische Darstellungen zur Erläuterung weiterer Ausführungsformen der Erfindung; Figs. 5 to 8 are perspective views of further illustrating embodiments of the invention;

Fig. 9 bis 12 Querschnitte zur Erläuterung zusätzlicher Aus führungsformen eines Systems gemäß der Erfin dung; und Fig. 9 to 12 cross sections to explain additional embodiments of a system according to the inven tion; and

Fig. 13 bis 18 perspektivische Darstellungen zu weiteren Ausführungsformen eines Systems zur Herstellung von Dünnschichten. Fig. 13 to 18 are perspective views of further embodiments of a system for the production of thin films.

Fig. 1 zeigt einen Querschnitt des grundsätzlichen Aufbaus eines Systems zur Herstellung von Dünnschichten mit einem Rydberg-Ionenstrahlgenerator. Wie aus Fig. 1 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. Verdampfer 6a und 6b als Ein richtungen für die Zuführung von Materialatomen sind so ausge legt, daß sie Atome der entsprechenden Substanzen verdampfen, die für die Dünnschichtbildung erforderlich sind, um die ver dampften Materialatome dem Raum zwischen dem Substrat 7 und der Elektrode 8 zuzuführen. Fig. 1 shows a cross section of the basic structure of a system for producing thin films with a Rydberg ion beam generator. As can be seen from FIG. 1, the system serves to produce a thin layer on the lower surface of a substrate 7 . An electrode 8 in the form of a flat plate is provided parallel to the substrate 7 in such a way that it lies opposite the substrate 7 . Evaporators 6 a and 6 b as a device for the supply of material atoms are laid out so that they evaporate atoms of the corresponding substances that are required for thin film formation in order to supply the evaporated material atoms to the space between the substrate 7 and the electrode 8 .

Bei diesem System sind zwei Laseroszillatoren 10a und 10b vorgesehen. Der Laseroszillator 10a erzeugt einen Laserstrahl 9a mit der Wellenlänge λ₁ zum Anregen der Materialatome einer bestimmten Art von einem Grundzustand in einen Übergangszu stand, während der andere Laseroszillator 10b einen Laserstrahl 9b mit einer Wellenlänge λ₂ erzeugt, um Materialatome im Über gangszustand in einen Rydberg-Zustand anzuregen. Die Elektrode 8 ist an einen Hochspannungs-Impulsgenerator 11 angeschlossen, der an die Elektrode 8 einen Hochspannungsimpuls anlegt, um eine impulsförmiges elektrisches Feld E in dem Raum zwischen der Elektrode 8 und dem Substrat 7 zu erzeugen. In this system, two laser oscillators 10 a and 10 b are provided. The laser oscillator 10 a generates a laser beam 9 a with the wavelength λ ₁ to excite the material atoms of a certain type from a basic state to a transition state, while the other laser oscillator 10 b generates a laser beam 9 b with a wavelength λ _{2 to} overlap material atoms to stimulate the current state into a Rydberg state. The electrode 8 is connected to a high-voltage pulse generator 11 which applies a high-voltage pulse to the electrode 8 in order to generate a pulsed electric field E in the space between the electrode 8 and the substrate 7 .

Bei einem System zur Dünnschichtherstellung werden in dem Atomstrahl, der von den Verdampfern 6a und 6b geliefert wird, nur Materialatome einer bestimmten Art, deren Anregungsenergie der Anregungswellenlänge der Laser 9a und 9b 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 a system for thin-film production, in the atomic beam supplied by the evaporators 6 a and 6 b, only material atoms of a certain type, the excitation energy of which corresponds to the excitation wavelength of the lasers 9 a and 9 b, are selectively changed from the ground state to the Rydberg state excited. Then, the excited material atoms are ionized by the electric field E applied to the space between the electrode 8 and the substrate 7 so that they are supplied to the surface of the substrate 7 as an ion beam to form a thin film on the substrate 7 .

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 6a bzw. 6b erzeugt. Durch Beheizung der Verdampfer 6a und 6b werden Atomstrahlen aus Phosphor und Indium erzeugt, die dem Raum zwischen dem Substrat 7 und der Elektrode 8 zuge führt werden.In a case where, for example, a compound semiconductor layer of indium phosphide (InP) is to be formed on the substrate 7 , phosphorus (P) and indium (In) are generated in the respective evaporators 6 a and 6 b, respectively. By heating the evaporators 6 a and 6 b, atomic beams are generated from phosphorus and indium, which leads to the space between the substrate 7 and the electrode 8 .

Wenn Indium für ein Verfahren zum epitaxialen Aufwachsen eines Ionenstrahls ionisiert wird, werden die jeweiligen Wellenlängen λ₁ und λ₂ der Laserstrahlen 9a und 9b auf 410,3 nm, entspre chend der Übergangswellenlänge vom 5p-Zustand zum 6s-Zustand, und auf etwa 448,6 nm gesetzt, entsprechend der Übergangs wellenlänge vom 6s-Zustand zum 25p-Zustand.When indium is ionized for a method of epitaxially growing an ion beam, the respective wavelengths λ ₁ and λ _{2 of} the laser beams 9 a and 9 b are 410.3 nm, corresponding to the transition wavelength from the 5p state to the 6s state, and on set about 448.6 nm, corresponding to the transition wavelength from the 6s state to the 25p state.

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 9a und 9b werden auf einen Ort fokussiert, der von dem Substrat 7 um ungefähr 1 mm beabstandet ist.The electric field E , which is applied to the space between the substrate 7 and the electrode 8 , is set to a field strength of about 1 kV / cm, and the lasers 9 a and 9 b are focused on a location which is from the substrate 7 is spaced about 1 mm.

Unter diesen Bedingungen kollidiert ein In-Strahl mit einer Strahlgeschwindigkeit, entsprechend einer niedrigen Energie von etwa 100 eV, mit Phosphoratomen, die von dem Verdampfer 6a geliefert werden, oder mit einer auf dem Substrat 7 vorhandenen Phosphorschicht, so daß auf dem Substrat 7 InP abgelagert wird. Dementsprechend wird eine InP-Dünnschicht höher Qualität allmählich auf dem Substrat 7 ausgebildet, wenn die Zuführung der Laserstrahlen 9a und 9b sowie das Anlegen des elektrischen Feldes E wiederholt werden.Under these conditions collides an in-beam with a jet velocity corresponding to a low energy of about 100 eV, with phosphorus atoms, which are supplied from the evaporator 6 a, or with an existing on the substrate 7 phosphor layer, so that on the substrate 7 InP is deposited. Accordingly, an InP thin film of high quality is gradually formed on the substrate 7 when the supply of the laser beams 9 a and 9 b and the application of the electric field E are repeated.

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.Although in the example described above, the thin film formed by the ionization of indium, the same thin film can also be produced by the Ioni sation of phosphorus with laser beams with a wavelength, which corresponds to the excitation wavelength of phosphorus. Dude natively both indium and phosphorus can also be ionized become.

Der Aufbau gemäß Fig. 1 kann auch verwendet werden zur Herstellung einer Galliumarsenid (GaAs)-Dünnschicht auf dem Substrat 7 als Verbindungs-Halbleiterschicht, ohne die Kon struktion wesentlich zu ändern. In einem Falle, wo nämlich Ga zum epitaxialen Aufwachsen des Ionenstrahles zu ionisieren ist, wird die Wellenlänge λ₁ des Laserstrahls 9a auf 403,3 nm eingestellt, entsprechend der Übergangswellenlänge für den Übergang vom 4p-Zustand zum 5s-Zustand, und die Wellenlänge λ₂ des anderen Laserstrahls 9b wird auf etwa 434 nm eingestellt, entsprechend der Übergangswellenlänge vom 5s-Zustand zum 25p- Zustand. Die anderen Bedingungen werden in gleicher Weise vor gegeben wie bei der beschriebenen Herstellung der InP-Schicht.The structure shown in FIG. 1 can also be used to produce a gallium arsenide (GaAs) thin film on the substrate 7 to change as a compound semiconductor layer, or construction without the Kon essential. In a case where Ga is to be ionized for epitaxial growth of the ion beam, the wavelength λ _{1 of} the laser beam 9 a is set to 403.3 nm, corresponding to the transition wavelength for the transition from the 4p state to the 5s state, and the wavelength λ _{2 of} the other laser beam 9 b is set to approximately 434 nm, corresponding to the transition wavelength from the 5s state to the 25p state. The other conditions are given in the same way as in the described production of the InP layer.

Fig. 2 zeigt einen Querschnitt einer ersten Ausführungsform eines Systems zur Dünnschichtherstellung unter Verwendung eines Rydberg-Ionenstrahlgenerators. Bei dieser Ausführungsform wird eine Nadelelektrode 50 anstelle der Elektrode 8 gemäß Fig. 1 verwendet. Die Nadelelektrode 50 ist an einer Antriebsvorrich tung 51 montiert, damit sich die Elektrode 50 mit ihr zu einer gewünschten Position bewegen läßt. Im übrigen ist die Kon struktion ähnlich aufgebaut wie bei dem System gemäß Fig. 1. FIG. 2 shows a cross section of a first embodiment of a system for thin film production using a Rydberg ion beam generator. In this embodiment, a needle electrode 50 is used instead of the electrode 8 shown in FIG. 1. The needle electrode 50 is mounted on a Antriebsvorrich device 51 so that the electrode 50 can be moved to a desired position with it. Otherwise, the construction is constructed similarly to that in the system according to FIG. 1.

Unter Verwendung der Nadelelektrode 50 wird das elektrische Feld E, das zum Ionisieren der Materialatome erforderlich ist, die von den Laserstrahlen 9a und 9b 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 zugeführt, 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 entspricht, und zwar mit der Antriebsvorrichtung 51.Using the needle electrode 50 , the electric field E , which is required for ionizing the material atoms, which are excited by the laser beams 9 a and 9 b in the Rydberg state, is concentrated on the tip part of the needle electrode 50 , so that the ionization region on one small area is limited. As a result, the ion beam is supplied only to the area on the substrate 7 opposite to the needle electrode 50 , so that the thin film can be formed in a predetermined area on the substrate 7 by moving the needle electrode 50 to the position corresponding to the predetermined one Area corresponds, specifically with the drive device 51 .

Beispielsweise kann eine Indiumphosphid (InP)-Dünnschicht als Verbindungs-Halbleiterschicht auf dem Substrat 7 hergestellt werden, und zwar unter nahezu gleichen Bedingungen wie bei der Ausführungsform gemäß Fig. 1. Eine erforderliche Bedingung zum Einstellen der elektrischen Feldstärke E auf etwa 1 kV/cm unterscheidet sich jedoch von den Betriebsbedingungen des Systems gemäß Fig. 1. Beispielsweise ist bei der zweiten Aus führungsform das Spitzenteil der Nadelelektrode 50 so ausge bildet, 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.For example, an indium phosphide (InP) thin film can be produced as a compound semiconductor layer on the substrate 7 , in fact under almost the same conditions as in the embodiment according to FIG. 1. A necessary condition for setting the electric field strength E to approximately 1 kV / cm However, differs from the operating conditions of the system according to FIG. 1. For example, in the second embodiment, the tip part of the needle electrode 50 is formed so that it has a radius of curvature of 50 μm, the distance between the substrate 7 and the needle electrode 50 being 2 mm is set, and a voltage of 30 V is applied to the needle electrode 50 so that the electric field strength near the tip part of the needle electrode 50 is set to about 1 kV / cm.

Die anderen Betriebsbedingungen werden in gleicher Weise vor gegeben wie bei der Ausführungsform gemäß Fig. 1. Unter den genannten Betriebsbedingungen werden die Bestrahlung mit den Laserstrahlen 9a und 9b 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.The other operating conditions are given in the same way as in the embodiment according to FIG. 1. Under the mentioned operating conditions, the irradiation with the laser beams 9 a and 9 b and the application of the electric field E are repeated while the needle electrode 50 is driven by the drive device 51 is moved to the position opposite to a desired area of the substrate 7 on which the InP thin film is to be formed, so that a high quality InP thin film having a desired shape is formed on the substrate 7 .

Obwohl Impulslaser als Laser 9a und 9b verwendet werden, um die Materialatome bei den Anordnungen gemäß Fig. 1 bzw. Fig. 2 aus dem Grundzustand über die Übergangs-Anregungszu stände in den Rydberg-Zustand anzuregen, kann die Dünnschicht auch erhalten werden, wenn ein kontinuierlich schwingender Laser, dessen Energie relativ klein ist, als Laser 9a verwendet wird, da die erforderliche Laser-Energiedichte zum optischen Anregen von fast allen Materialatomen aus dem Grundzustand in den Übergangs-Anregungszustand nur einige W/cm² beträgt. In diesem Falle kann die Einschaltzeitsteuerung der Laser 9a und 9b, deren Anregungswellenlängen λ₁ und l₂ sind, sowie die Anlagezeitsteuerung des elektrischen Feldes E so vorgegeben werden, wie es in Fig. 3 dargestellt ist.Although pulsed lasers are used as the laser 9 a and 9 b, the material atoms in the arrangements of FIG. 1 or FIG. 2 from the ground state through the transition Anregungszu levels in the Rydberg state to excite the thin film can also be obtained if a continuously oscillating laser, the energy of which is relatively small, is used as laser 9 a, since the required laser energy density for the optical excitation of almost all material atoms from the ground state to the transition excitation state is only a few W / cm ² . In this case, the switch-on time control of the lasers 9 a and 9 b, the excitation wavelengths of which are λ ₁ and l ₂ , and the system time control of the electric field E can be predetermined as shown in FIG. 3.

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 Lebens dauer im Rydberg-Zustand länger als einige 10 µs ist, werden fast alle Materialatome von dem Laser 9b aus dem Übergangs- Anregungszustand in den Rydberg-Zustand optisch angeregt, wobei der Laser 9b in Form eines kontinuierlich arbeitenden Lasers mit relativ kleiner Energie vorgesehen ist. In diesem Falle können die Einschaltzeiten der Laser 9a und 9b, deren Anre gungswellenlängen λ₁ bzw. λ₂ sind, und die Anlagezeit des elektrischen Feldes E vorgegeben werden, wie es Fig. 4 zeigt.Since the excitation cross section of the material atoms in the photo excitation from the transition excitation state to the Rydberg state is between 10 ^-18 cm ² and 10 ^-14 cm ² and the life time in the Rydberg state is longer than a few 10 µs, almost all Material atoms from the laser 9 b from the transition excitation state into the Rydberg state are optically excited, the laser 9 b being provided in the form of a continuously operating laser with relatively low energy. In this case, the switch-on times of the lasers 9 a and 9 b, the excitation wavelengths of which are λ ₁ and λ ₂ , and the application time of the electric field E can be predetermined, as shown in FIG .

Obwohl zwei Laser 9a und 9b mit Wellenlängen λ₁ und λ₂ ver wendet werden, um die Materialatome bei den Anordnungen gemäß Fig. 1 bzw. Fig. 2 aus dem Grundzustand in den Rydberg- Zustand anzuregen, kann auch ein einziger Laser mit einer kürzeren Wellenlänge als der der Laser 9a und 9b 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 Materialatome im Grundzustand über eine Vielzahl von Übergangs-Anregungszu ständen in den Rydberg-Zustand anzuregen.Although two laser 9 a and 9 b λ with wavelengths ₁ and λ ₂ ver 1 applies to the material atoms in the arrangements shown in Fig. And Fig. 2 to stimulate state from the ground state to the Rydberg, even a single laser can with a shorter wavelength than that of the laser 9 used a and 9 b, to excite the material atoms from the ground state to the Rydberg state; alternatively, three or more lasers, the respective wavelengths of which differ from one another, can be used to excite the material atoms in the ground state via a large number of transition excitation states into the Rydberg state.

Bei den Anordnungen gemäß Fig. 1 bzw. 2 können die Laserstrahlen 9a und 9b, die parallel zur Oberfläche des Substrats 7 zugeführt werden, periodisch in Richtung senkrecht zur Zeichenebene von Fig. 1 bzw. Fig. 2 abgelenkt werden, und zwar mit Spiegeln oder optischen Dispersionselementen, wie z. B. Prismen, wobei die jeweiligen Ablenkungen so miteinander syn chronisiert werden, daß die Laserstrahlen 9a und 9b 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 Dünnschicht mit größerer gleichmäßiger Dicke auf dem Substrat 7 gebildet wird.In the arrangements according to FIGS. 1 and 2, the laser beams can 9 a and 9 b, which are fed parallel to the surface of the substrate 7, periodically in the direction perpendicular to the drawing plane of FIG. 1 and FIG. 2 are deflected, with Mirrors or optical dispersion elements, such as. B. prisms, with the respective deflections being synchronized with one another in such a way that the laser beams 9 a and 9 b are focused on a common location which is moved periodically according to the periodic deflections. In such a case, the space irradiated with the laser beam moves within a plane opposite to the substrate 7 , the distance between the space irradiated with the laser and the substrate 7 being maintained, so that a thin layer of greater uniform thickness on the substrate 7 is formed.

Wenn der fokussierte Laserort so beschränkt ist, daß er sich in einem vorgegebenen Raum zwischen dem Substrat 7 und den Elek troden 8 befindet, kann die Dünnschicht nur auf einem Teil des Substrats 7 ausgebildet werden, die dem vorgegebenen Raum gegenüberliegt. Somit kann eine Dünnschicht mit gewünschtem Muster auf dem Substrat 7 ausgebildet werden, indem man den fokussierten Laserort längs des Musters bewegt.If the focused laser location is restricted to be in a given space between the substrate 7 and the electrodes 8 , the thin film can be formed only on a part of the substrate 7 opposite to the given space. Thus, a thin film having a desired pattern can be formed on the substrate 7 by moving the focused laser location along the pattern.

Fig. 5 zeigt ein Beispiel, bei dem die Laser 9a und 9b mit Linsensystemen 16a bzw. 16b 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. 5 wird die Dünnschicht nur auf einem bestimmten Bereich ausgebildet, der einem Raum gegenüberliegt, auf den beide Laser 9a und 9b fokussiert sind. Fig. 5 shows an example in which the lasers 9 a and 9 b are focused with lens systems 16 a and 16 b, respectively, and a thin layer is formed on a certain small area on the substrate 7 . In the system for manufacturing a thin film according to Fig. 5, the thin film is formed only on a certain area, which faces a space to which both laser 9 a and 9 b are focused.

Fig. 6 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. 5 vorgesehen ist. Wenn der gemeinsame Fokussierungsort der Laser 9a und 9b in gleicher Weise wie bei der Anordnung gemäß Fig. 5 mit periodischen Ablenkungen synchron mit der Bewegung der Nadelelektrode 50 bewegt wird, wird ein Dünnschicht-Muster gemäß dem Ort der Fokussierungsposition auf dem Substrat 7 mit hoher Genauigkeit ausgebildet. FIG. 6 shows another example, in which a needle electrode 50 , which can be moved with a drive device 51 , is provided instead of the electrode 8 in the form of a flat plate according to FIG. 5. If the common focusing location of the lasers 9 a and 9 b is moved in the same way as in the arrangement according to FIG. 5 with periodic deflections in synchronism with the movement of the needle electrode 50 , a thin-film pattern is created according to the location of the focusing position on the substrate 7 high accuracy trained.

Fig. 7 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel, wobei die Laserstrahlen 9a und 9b in ihrem Querschnitt in vertikaler Richtung in Fig. 7 mit Linsensystemen 17a und 17b, z. B. Zylin derlinsen, aufgeweitet werden. Die jeweiligen Lichtwege der Laserstrahlen 9a und 9b haben flächenförmige Gestalt parallel zur Oberfläche des Substrats 7 und überlappen einander in dem Bereich, der der Oberfläche des Substrats 7 gegenüberliegt. Bei der Ausführungsform gemäß Fig. 7 kann eine Dünnschicht gleich mäßiger Dicke auf dem Substrat 7 ausgebildet werden, auch wenn der Oberflächenbereich des Substrats 7 groß ist. Die Energie oder die Geschwindigkeit des Ionenstrahls, 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. 7 shows a further embodiment, wherein the laser beams 9 a and 9 b in their cross section in the vertical direction in Fig. 7 with lens systems 17 a and 17 b, z. B. Zylin derlinsen to be expanded. The respective light paths of the laser beams 9 a and 9 b have a flat shape parallel to the surface of the substrate 7 and overlap one another in the region which lies opposite the surface of the substrate 7 . In the embodiment according to FIG. 7, a thin layer of uniform thickness can be formed on the substrate 7 , even if the surface area of the substrate 7 is large. The energy or the speed of the ion beam supplied to the substrate 7 can be easily adjusted by changing the distance X _L between the laser focusing location and the substrate 7 so that a desired thin film can be easily manufactured.

Fig. 8 zeigt ein weiteres Beispiel, bei dem eine Nadelelektrode 50 anstelle einer plattenförmigen, erfindungsgemäß strukturierten Elektrode 8 gemäß Fig. 7 vorgesehen ist. Bei der Ausführungsform gemäß Fig. 8 können beide Vorteile der Ausführungsformen gemäß Fig. 6 und Fig. 7 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. FIG. 8 shows a further example in which a needle electrode 50 is provided instead of a plate-shaped electrode 8 structured according to the invention according to FIG. 7. In the embodiment according to FIG. 8, both advantages of the embodiments according to FIG. 6 and FIG. 7 can be obtained. If the cross sections of the laser beams, which are sheet-like in shape, are made thin, the energy dispersion of the ion beam can be suppressed, so that the thin film can be produced under optimal conditions.

Die Fig. 9 und 10 zeigen schematisch siebente und achte Aus führungsformen eines Systems zur Herstellung von Dünnschichten mit einem Ionenstrahlgenerator gemäß der Erfindung. Diese Aus führungsformen 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 Auf weitung des zum Substrat 7 fahrenden Ionenstrahls zu unter drücken. 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. FIGS. 9 and 10 schematically show seventh and eighth imple mentation of a system for the production of thin films with an ion beam generator according to the invention. These embodiments are constructed in such a way that a magnetic field B is applied to the space between the substrate 7 and the electrode 8 or 50 parallel to the electrical field E in order to suppress the expansion of the ion beam traveling to the substrate 7 . The magnetic field B can be generated with a coil which is provided around a space which encloses the substrate 7 and the electrodes 8 and 50 , the electric current supplied to the coil being adjusted; alternatively, a permanent magnet can be provided in a predetermined position. The magnetic field B and the electric field E need not be parallel to each other, although it is preferred that they are parallel to each other.

Die Fig. 11 und 12 zeigen eine allgemeine Prinzipskizze bzw. einen Querschnitt einer weiteren Ausführungsform von Systemen zur Dünnschicht-Herstellung mit einem Ionenstrahlgenerator zur Erläuterung der Materialatomzufuhr. Bei dieser Ausführungsform 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 Material atome 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 ent weder die Materialatome in dem Atomstrahl oder diejenigen in dem Molekülstrahl ionisiert. FIGS. 11 and 12 show a general schematic diagram and a cross section of another embodiment of systems for thin film preparation with an ion beam generator for explaining the material supply atom. In this embodiment, the structure is such that the material atoms which are used to produce a thin layer are supplied in the space between the substrate 7 and the electrode 8 or 50 as a molecular beam which contains the material atoms. A gas bottle 18 is filled with a molecular gas which is supplied to the space between the substrate 7 and the electrode 8 or 50 as a molecular beam, specifically through a conduit 19 which is connected to the gas bottle 18 . When both an atomic beam and a molecular beam are used together to supply the material atoms to the space between the substrate 7 and the electrodes 8 and 50 , either the material atoms in the atomic beam or those in the molecular beam are ionized.

Wenn weiterhin die Strömungs- oder Strahlrichtung des Atom strahls 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.Further, if the flow or jet direction of the atomic beam or the molecular beam is set to be parallel to the surface of the substrate 7 , most of the impurities contained in the atomic or molecular beam are prevented from entering the substrate 7 thin film to be trained, and the quality of the thin film becomes particularly high.

Fig. 13 zeigt eine perspektivische Darstellung einer weiteren 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. 1 verwendet. Im Übrigen ist der Aufbau der gleiche wie bei dem System gemäß Fig. 1. FIG. 13 shows a perspective illustration of a further embodiment of a system for thin-film production using an ion beam generator according to the invention. In this embodiment, a patterned electrode 20 having a conductive portion, the shape of which is determined to correspond to the shape of a part of the substrate 7 on which a thin film is to be formed, is used in place of the electrode 8 formed as a flat plate in FIG. 1 . Otherwise, the structure is the same as in the system according to FIG. 1.

Durch die Verwendung der musterförmigen Elektrode 20 wird das elektrische Feld E, das erforderlich ist zum Ionisieren der Materialatome, die von den Laserstrahlen 9a und 9b 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 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.By using the patterned electrode 20 , the electric field E , which is required to ionize the material atoms, which are excited by the laser beams 9 a and 9 b in the Rydberg state, only to the space between the patterned electrode 20 and the substrate 7 created. Accordingly, the ion beam is supplied only to the area on the substrate (programmed area for producing the thin film) which is opposite to the conductive area of the electrode 20 , so that the thin film is formed on a predetermined area on the substrate 7 in accordance with that Pattern of the lead area.

Die musterförmige Elektrode 20 kann nur durch den leitenden Bereich gemäß Fig. 13 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 hergestellt werden, indem man eine leitende Schicht, die auf der Isolierschicht vorgesehen ist, durch Photolitographie selektiv ätzt, oder indem man auf der Isolierschicht eine musterförmige leitende Schicht ausbildet.The patterned electrode 20 can only be formed by the conductive area according to FIG. 13, alternatively it can be constructed in such a way that the patterned conductive area is integrated with an insulating layer, not shown. In the latter case, the electrode 20 can be manufactured by selectively etching a conductive layer provided on the insulating layer by photolithography, or by forming a patterned conductive layer on the insulating layer.

Fig. 14 zeigt eine perspektivische Darstellung einer weiteren Ausführungsform, bei der eine Elektrode 21 anstelle der Elek trode 20 gemäß Fig. 13 verwendet wird; im übrigen ist der Aufbau der gleiche wie in Fig. 13. Ein Teil der Elektrode 21, der dem Substrat 7 gegenüberliegt, ist unregelmäßig ausge bildet, 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. FIG. 14 shows a perspective illustration of a further embodiment in which an electrode 21 is used instead of the electrode 20 according to FIG. 13; otherwise, the structure is the same as in Fig. 13. A part of the electrode 21 which is opposed to the substrate 7 is formed irregularly, such that the one area which is opposed to a surface of the substrate 7 on which a thin film is formed is located relatively close to the substrate 7 , while the other region, which is opposite to that surface of the substrate 7 on which no thin layer is to be formed, can be relatively far away from the substrate 7 .

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 21a stärker als in dem Raum vor einem konkaven Teil 21b. 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 21a der Elektrode 21 eine Feldstärke über dem Schwellwert hat, der für die Ionisierung der Materialatome im Rydberg-Zustand erforderlich ist.If a pulse voltage generated by the high-voltage pulse generator 11 is applied to the electrode 21 in order to apply a pulse-shaped electric field E in the space between the electrode 21 and the substrate 7 , the electric field E is in the space in front of a convex part 21 a stronger than in the room in front of a concave part 21 b. The distance between the electrode 21 and the substrate 7 is determined so that the electric field E only in the space in front of the convex part 21 a of the electrode 21 has a field strength above the threshold value required for the ionization of the material atoms in the Rydberg state is.

Unter den genannten Bedingungen wurden nur die Materialatome, die sich in dem Raum zwischen dem Substrat 7 und dem konvexen Teil 21a 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.?Under the conditions mentioned, only the material atoms, which are in the space between the substrate 7 and the convex part 21 a, were ionized with high efficiency, and the ion beam generated in this way is supplied in an accurate form only to the region of the substrate 7 on which a thin layer is to be formed so that the thin layer is formed exactly on the desired area of the substrate 7. ?

Die Anmelderin hat ein Experiment zur Herstellung einer InP- Dünnschicht durchgeführt, wobei die Wellenlängen der Laser strahlen 9a und 9b auf Werte von 410,3 nm und 448,6 nm einge stellt waren; die Laserstrahlen 9a und 9b wurden auf eine Position gerichtet, die um etwa 1 mm von dem Substrat 7 ent fernt war; die Abstände des Substrats vom konvexen Teil 21a und vom konkaven Teil 21b betrugen 5 mm bzw. 10 mm; an die Elek trode 21 wurde eine Spannung von 500 V angelegt, um das ge wünschte elektrische Feld E zu erzeugen.The applicant has carried out an experiment for the production of an InP thin film, the wavelengths of the laser beams 9 a and 9 b being set to values of 410.3 nm and 448.6 nm; the laser beams 9 a and 9 b were directed to a position which was about 1 mm away from the substrate 7 ; the distances of the substrate from the convex part 21 a and from the concave part 21 b were 5 mm and 10 mm, respectively; a voltage of 500 V was applied to the electrode 21 in order to generate the desired electric field E.

Mit einem solchen Experiment wurde bestätigt, daß nur die In- Atome in dem Raum zwischen dem Substrat 7 und dem konvexen Teil 21a ionisiert wurden, wobei ein In-Ionenstrahl von etwa 100 eV dem Substrat 7 zugeführt wurde, so daß eine InP-Dünnschicht nur auf dem Bereich des Substrats 7 ausgebildet wurde, der dem konvexen Teil 21 gegenüberlag.With such an experiment, it was confirmed that only the In atoms in the space between the substrate 7 and the convex portion 21 a were ionized, and an In ion beam of about 100 eV was supplied to the substrate 7 , so that an InP thin film was formed only on the area of the substrate 7 which was opposite to the convex part 21 .

Fig. 15 zeigt in einer Prinzipskizze den gleichen Aufbau wie Fig. 1, mit der Abweichung, daß eine andere Elektrode 22 zwischen dem Substrat 7 und der Elek trode 8 vorgesehen ist, um die Geschwindigkeit des Ionenstrahls zu steuern. Die Elektrode 22 ist eine Siebelektrode mit vielen kleinen Löchern, so daß der Ionenstrahl 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 6a und 6b geliefert wird, und die Laserstrahlen 9a und 9b 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. 1. Fig. 15 shows in a schematic diagram the same structure as Fig. 1, with the difference that a different electrode 22 is provided between the substrate 7 and the electrode 8 to control the speed of the ion beam. The electrode 22 is a sieve electrode with many small holes so that the ion beam can pass through it. A current source 23 is provided to apply a bias voltage between the screen electrode 22 and the substrate 7 . The atomic beam, which is supplied by the evaporators 6 a and 6 b, and the laser beams 9 a and 9 b are supplied to the space between the electrodes 8 and 22 . Otherwise, the structure of the system is the same as in the arrangement according to FIG. 1.

Die Laserstrahlen 9a und 9b 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 ver wendenden 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 gleichförmiges Energie von weniger als 100 eV zugeführt wird, so daß eine gewünschte Dünnschicht in präziser Form auf dem Substrat 7 ausgebildet wird.The laser beams 9 a and 9 b are focused in the space between the electrodes 8 and 22 , and an electric field E is applied to the space between the substrate 7 and the electrode 8 . Only the material atoms to be used for the production of the thin film are selectively ionized at the laser focusing location with high efficiency and accelerated by the electric field E to give an ion beam which is fed to the sieve electrode 22 . The ion beam is accelerated or braked by the electric field that exists between the sieve electrode 22 and the substrate 7 , so that it is supplied to the substrate 7 as an ion beam with a uniform energy of less than 100 eV, so that a desired thin film in a precise form is formed on the substrate 7 .

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 Laserstrahlen 9a und 9b wurden auf einen Fleck mit einem Durchmesser 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 Elek trode 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 Ionen strahls leicht einstellbar ist, indem man die Vorspannung ändert. An experiment was carried out under the following conditions: the screen electrode 22 was placed at a position 1 mm from the substrate 7 , the laser beams 9 a and 9 b were focused on a spot with a diameter of about 1 mm, which was a distance of 5 mm from the substrate 7 ; an electric field with a field strength of 5 kV / cm was applied to the space between the electrodes 8 and 22 . In this experiment, it was observed that the energy of the ion beam was about 2 keV when the bias of the electrode 22 was 0 V, and the energy of the ion beam was about 200 eV when the bias was -1500 V. The experiment confirmed that the energy of the ion beam is easily adjustable by changing the bias.

Es wurde ein weiteres Experiment zur Herstellung einer InP- Dünnschicht auf dem Substrat 7 durchgeführt. Die jeweiligen Wellenlängen der Laserstrahlen 9a und 9b wurden auf 410,3 nm bzw. 448,6 nm gesetzt; die Laserstrahlen 9a und 9b 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 500 eV erzeugt, der dem Substrat 7 zugeführt wurde, so daß eine InP-Dünnschicht hoher Qualität gebildet wurde.Another experiment for producing an InP thin film on the substrate 7 was carried out. The respective wavelengths of the laser beams 9 a and 9 b were set to 410.3 nm and 448.6 nm, respectively; the laser beams 9 a and 9 b were supplied to a position which was spaced from the bias electrode 22 by about 5 mm. The electric field strength E was set at about 1 kV / cm, and a DC bias of -450 V was applied to the screen electrode 22 . Under the above conditions, an In ion beam with an energy of about 500 eV was generated, which was supplied to the substrate 7 , so that a high quality InP thin film was formed.

Fig. 16 zeigt eine zusätzliche Ausführungsform, bei der eine Nadelelektrode 50 anstelle der flächigen Elektrode 8 gemäß Fig. 15 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 Konstruk tion die gleiche wie bei dem System gemäß Fig. 15. Bei dieser Ausführungsform gemäß Fig. 16 wird die Geschwindigkeit 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. FIG. 16 shows an additional embodiment in which a needle electrode 50 was used instead of the flat electrode 8 according to FIG. 15. In order to move the needle electrode 50 into a desired position, a drive device 51 is connected to the needle electrode 50 . Otherwise, the construction is the same as that of the system shown in FIG. 15. In this embodiment shown in FIG. 16, the speed of the ion beam supplied to the substrate 7 is precisely controlled by the function of the screen electrode 22 , and it may be one Thin film with a desired pattern can be formed on the substrate 7 in an exact manner by moving the needle electrode 50 with the drive device 51 .

Die Fig. 17 und 18 zeigen weitere Aus führungsformen. Die Konstruktionen dieser Ausführungsformen sind im wesentlichen die gleichen wie bei dem System gemäß Fig. 15, mit der Abweichung, daß die spezielle Elektrode 20 gemäß Fig. 13 oder die spezielle Elektrode 21 gemäß Fig. 14 anstelle der Elektrode 8 gemäß Fig. 15 verwendet werden. Bei diesen Aus führungsformen gemäß Fig. 17 und 18 wird die Geschwindigkeit des Ionenstrahls, der dem Substrat 7 zugeführt 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 Elektroden 20 bzw. 21 ausnutzt. FIGS. 17 and 18 illustrate further implementation form. The constructions of these embodiments are substantially the same as in the system shown in FIG. 15, except that the special electrode 20 shown in FIG. 13 or the special electrode 21 shown in FIG. 14 is used in place of the electrode 8 shown in FIG. 15 . In the case of this off according EMBODIMENTS FIGS. 17 and 18, the speed of the ion beam is supplied to the substrate 7, precisely controlled by the function of the sieve 22, and it may be a thin film in an accurate shape only on one particular area of the substrate 7 formed by using the function of the special electrodes 20 and 21 .

Mit dem System gemäß Fig. 17 wurde ein Experiment unter fol genden Bedingungen durchgeführt: Die Wellenlängen der Laser strahlen 9a und 9b betrugen 410,3 nm und 448,6 nm; die Laser strahlen 9a und 9b 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 (Vor spannungs-)Siebelektrode 22 wurde eine DC-Vorspannung von -450 V angelegt. Bei diesem Experiment wurde ein In-Ionenstrahl 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 gegenüberlag, und es wurde eine InP-Dünn schicht hoher Qualität in exakter Form auf dem gewünschten Bereich des Substrats 7 ausgebildet.An experiment was carried out with the system according to FIG. 17 under the following conditions: The wavelengths of the laser beams 9 a and 9 b were 410.3 nm and 448.6 nm; the laser beams 9 a and 9 b were fed to a position at a distance of approximately 5 mm from the biasing electrode 22 , the electric field strength E being approximately 1 kV / cm. A DC bias of -450 V was applied to the (pre-voltage) sieve electrode 22 . In this experiment, an In-ion beam with an energy of about 50 eV was generated, which was supplied only to the area on the substrate 7 opposite to the conductive area of the electrode 20 , and an InP thin film of high quality was formed in an exact form formed on the desired area of the substrate 7 .

Mit dem System gemäß Fig. 18 wurde ebenfalls ein Experiment mit nachstehenden Bedingungen durchgeführt: Die Wellenlängen der Laserstrahlen 9a und 9b waren die gleichen wie bei dem Expe riment mit dem System gemäß Fig. 17, der Abstand zwischen dem vorstehenden oder konvexen Teil 21a der Elektrode 21 und dem Substrat 7 betrug 5 mm, und der Abstand zwischen dem konkaven oder zurückgezogenen Teil 21b 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-Vor spannung von -150 V anlag. Im Ergebnis wurden nur die InP-Atome in dem Raum vor dem konvexen Teil 21a ionisiert und in einen Ionenstrahl mit einer Energie von etwa 50 eV umgewandelt, der dem Substrat 7 zugeführt wurde; dabei wurde eine InP-Dünn schicht in exakter Weise nur auf dem Bereich des Substrats 7 ausgebildet, der dem konvexen Teil 21a gegenüberlag.An experiment with the following conditions was also carried out with the system according to FIG. 18: The wavelengths of the laser beams 9 a and 9 b were the same as in the experiment with the system according to FIG. 17, the distance between the projecting or convex part 21 a of the electrode 21 and the substrate 7 was 5 mm, and the distance between the concave or retracted part 21 b of the electrode 21 and the substrate 7 was 10 mm; a voltage of 500 V was applied to the electrode 21 , while a DC bias voltage of -150 V was applied to the sieve electrode 22 . As a result, only the InP atoms in the space in front of the convex part 21 a were ionized and converted into an ion beam with an energy of about 50 eV, which was supplied to the substrate 7 ; an InP thin film was formed in an exact manner only on the area of the substrate 7 which was opposite the convex part 21 a.

Claims

1. System for the production of thin layers on a substrate by means of an ion beam generator, comprising a supply device ( 6 ; 6 a; 6 b) for material atoms, which supplies a particle beam ( 12 ) with the material atoms to a predetermined area, a laser generator ( 10 ; 10 a; 10 b), which supplies the area with laser beams ( 9 ; 9 a; 9 b) in order to excite the material atoms into a Rydberg state, a device with electrodes ( 20 ; 21 ;) for applying a predetermined electrical field ( e) to the located in the Rydberg state material atoms (13), so that this material atoms (13) is ionized and the ions are directed in a predetermined direction, wherein one of the electrodes (20; 21) facing the substrate (7), a high-voltage source ( 11 ) is connected to this electrode ( 20 ; 21 ) and the ionized material atoms ( 13 ) are moved along the elec trical field (E) to the substrate ( 7 ), characterized in that
the high voltage source provides a pulse voltage and the surface of the electrode ( 20 ) has a shape which corresponds to the pattern of the thin layer to be applied to the substrate ( 7 ), or that
the electrode ( 21 ) has a surface opposite the substrate ( 7 ), which is unevenly shaped and has a first region ( 21 a) closer to the substrate ( 7 ) and a second region ( 21 b) further away from the substrate ( 7 ), in which
the distance between the electrode ( 21 ) and the substrate ( 7 ) is determined so that the electric field ( E ) has a field strength above the threshold only in the space in front of the closer part ( 21 a) of the electrode ( 21 ) is required for the ionization of the material atoms in the Rydberg state.

2. System for the production of thin layers on a substrate by means of an ion beam generator, comprising a supply device ( 6 ; 6 a; 6 b) for material atoms which supplies a partial beam ( 12 ) with the material atoms to a predetermined area, a laser generator ( 10 ; 10 a; 10 b), which supplies the area with laser beams ( 9 ; 9 a; 9 b) in order to excite the material atoms in a Rydberg state, a device with electrodes ( 8 ; 50 ) for applying a predetermined electrical field ( e) to the located in the Rydberg state material atoms (13), so that this material atoms (13) is ionized and the ions are directed in a predetermined direction, wherein one of the electrodes (8; 50) facing the substrate (7), a high-voltage source ( 11 ) is connected to this electrode ( 8 ; 50 ) and the ionized material atoms ( 13 ) are moved along the electric field (E) to the substrate ( 7 ), characterized in that
the high-voltage source provides a pulse voltage and the laser beams are focused on a laser location in the space between the substrate ( 7 ) and the electrode ( 8 ; 50 )
and that the laser location is moved according to the pattern of the thin film to be deposited on the substrate, wherein
when using a needle electrode ( 50 ) this is moved synchronously with the laser location.

3. System according to claim 2, characterized by a drive device ( 51 ) to move the electrode ( 50 ) in a direction parallel to the surface of the substrate ( 7 ).

4. System according to claim 1, characterized in that
the laser generator ( 10 a, 10 b) generates two laser beams ( 9 a, 9 b) with corresponding, different wavelengths
and that the ion beam generator has a device ( 17 a, 17 b) to expand the two laser beams ( 9 a, 9 b) two-dimensionally, so that the corresponding light paths of the two laser beams ( 9 a, 9 b) have a flat shape parallel to the surface of the substrate ( 7 ) and overlap in an area which lies opposite the surface of the substrate ( 7 ).

5. System according to any one of the preceding claims, characterized in that
the material atoms ( 12 ) are gallium atoms,
that a laser beam ( 9 a) with a wavelength of 403.3 nm is supplied to the gallium atoms in order to excite them from a ground state to a transition state, and
that another laser beam ( 9 b) with a wavelength of about 434 nm is fed to the gallium atoms in order to excite them from the transition state to the Rydberg state.

6. System according to any one of claims 1-4, characterized in that
the material atoms ( 12 ) are indium atoms,
that a laser beam ( 9 a) with a wavelength of 410.3 nm is fed to the indium atoms in order to excite them from a ground state to a transition state, and
that another laser beam ( 9 b) with a wavelength of about 448.6 nm is fed to the indium atoms in order to excite them from the transition state to the Rydberg state.

7. System according to any one of the preceding claims, characterized in that the distance between a location to which the laser beams ( 9 , 9 a, 9 b) are supplied, and the surface of the substrate ( 7 ) is predetermined so that the value of Product from the distance and the electric field strength (E) has a value of 300 V or less.

8. System according to any one of the preceding claims, characterized in that the supply device ( 6 , 6 a, 6 b) for material atoms supplies the particle beam ( 12 ) in a direction substantially parallel to the surface of the substrate ( 7 ).

9. System according to any one of the preceding claims, characterized in that
the device for applying the electric field (E) also a sieve electrode ( 22 ), which is seen between the substrate ( 7 ) and the electrode ( 8 , 20 , 21 , 50 ) and is constructed so that an ion beam ( 14 ) it can happen and
a current source ( 23 ) to apply an electrical control potential to the sieve electrode ( 22 ) to control the speed of the ion beam.

10. System according to claim 9, characterized in that the particle beam containing the material atoms ( 12 ) a space between the electrode ( 8 , 20 , 21 , 50 ) and the sieve electrode ( 22 ) is supplied and that the direction of the elec trical field ( E) is predetermined such that the material atoms that are ionized are guided from the electrode ( 8 , 20 , 21 , 50 ) to the substrate ( 7 ).

11. System according to one of the preceding claims, characterized in that a device for applying a magnetic field (B) in the predetermined range is provided.

12. System according to any one of the preceding claims, characterized in that at least one of the laser generators ( 10 ; 10 a, 10 b) is a pulse laser.

13. System according to claim 12, characterized in that the electric field (E) is applied to the space between the substrate ( 7 ) and the electrode ( 8 , 20 , 21 , 50 ) after the pulsed laser beam the material atoms ( 12 ) has been supplied and before the life of the material atoms ( 12 ) in the Rydberg state is over, in which they have been excited with the pulsed laser beam.

14. System according to any one of the preceding claims, characterized in that at least one of the laser generators ( 10 ; 10 a, 10 b) is a continuously oscillating laser and the electrical field (E) is a periodic pulse field.