JP3449473B2 - 低速多価イオンビームの発生装置 - Google Patents
低速多価イオンビームの発生装置Info
- Publication number
- JP3449473B2 JP3449473B2 JP2000019487A JP2000019487A JP3449473B2 JP 3449473 B2 JP3449473 B2 JP 3449473B2 JP 2000019487 A JP2000019487 A JP 2000019487A JP 2000019487 A JP2000019487 A JP 2000019487A JP 3449473 B2 JP3449473 B2 JP 3449473B2
- Authority
- JP
- Japan
- Prior art keywords
- laser
- multiply
- trapped
- ions
- ring electrode
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Expired - Fee Related
Links
- 238000010884 ion-beam technique Methods 0.000 title claims description 26
- 150000002500 ions Chemical class 0.000 claims description 128
- 230000007935 neutral effect Effects 0.000 claims description 18
- 238000000960 laser cooling Methods 0.000 claims description 16
- 238000000651 laser trapping Methods 0.000 claims description 5
- 239000010949 copper Substances 0.000 description 14
- IGLNJRXAVVLDKE-UHFFFAOYSA-N rubidium atom Chemical compound [Rb] IGLNJRXAVVLDKE-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 13
- RYGMFSIKBFXOCR-UHFFFAOYSA-N Copper Chemical compound [Cu] RYGMFSIKBFXOCR-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 12
- 229910052802 copper Inorganic materials 0.000 description 12
- 229910052701 rubidium Inorganic materials 0.000 description 12
- 238000000034 method Methods 0.000 description 9
- 238000001816 cooling Methods 0.000 description 8
- 238000010521 absorption reaction Methods 0.000 description 6
- 238000010894 electron beam technology Methods 0.000 description 6
- 239000007789 gas Substances 0.000 description 6
- 238000004458 analytical method Methods 0.000 description 4
- 238000000608 laser ablation Methods 0.000 description 4
- 238000005381 potential energy Methods 0.000 description 4
- 229920006395 saturated elastomer Polymers 0.000 description 4
- JPVYNHNXODAKFH-UHFFFAOYSA-N Cu2+ Chemical compound [Cu+2] JPVYNHNXODAKFH-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 3
- 229910001431 copper ion Inorganic materials 0.000 description 3
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 3
- 230000000694 effects Effects 0.000 description 3
- 230000005684 electric field Effects 0.000 description 3
- 238000005530 etching Methods 0.000 description 3
- 230000010355 oscillation Effects 0.000 description 3
- 238000001228 spectrum Methods 0.000 description 3
- 239000000758 substrate Substances 0.000 description 3
- XKRFYHLGVUSROY-UHFFFAOYSA-N Argon Chemical compound [Ar] XKRFYHLGVUSROY-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- GYHNNYVSQQEPJS-UHFFFAOYSA-N Gallium Chemical group [Ga] GYHNNYVSQQEPJS-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 229910001218 Gallium arsenide Inorganic materials 0.000 description 2
- IGLNJRXAVVLDKE-NJFSPNSNSA-N Rubidium-87 Chemical compound [87Rb] IGLNJRXAVVLDKE-NJFSPNSNSA-N 0.000 description 2
- 238000004847 absorption spectroscopy Methods 0.000 description 2
- RQNWIZPPADIBDY-UHFFFAOYSA-N arsenic atom Chemical group [As] RQNWIZPPADIBDY-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 238000001514 detection method Methods 0.000 description 2
- 238000002474 experimental method Methods 0.000 description 2
- 238000004880 explosion Methods 0.000 description 2
- 230000001678 irradiating effect Effects 0.000 description 2
- 229910052756 noble gas Inorganic materials 0.000 description 2
- 238000001449 potential sputter etching Methods 0.000 description 2
- 239000004065 semiconductor Substances 0.000 description 2
- 239000000126 substance Substances 0.000 description 2
- 238000010408 sweeping Methods 0.000 description 2
- KVUYSIIZYQUVMT-UHFFFAOYSA-N 1,2-diisothiocyanatoethane Chemical compound S=C=NCCN=C=S KVUYSIIZYQUVMT-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 102220491117 Putative postmeiotic segregation increased 2-like protein 1_C23F_mutation Human genes 0.000 description 1
- 229910004298 SiO 2 Inorganic materials 0.000 description 1
- 230000001133 acceleration Effects 0.000 description 1
- 230000003321 amplification Effects 0.000 description 1
- 229910052786 argon Inorganic materials 0.000 description 1
- 238000009826 distribution Methods 0.000 description 1
- 239000012535 impurity Substances 0.000 description 1
- 230000003993 interaction Effects 0.000 description 1
- 238000005468 ion implantation Methods 0.000 description 1
- 229910052743 krypton Inorganic materials 0.000 description 1
- DNNSSWSSYDEUBZ-UHFFFAOYSA-N krypton atom Chemical compound [Kr] DNNSSWSSYDEUBZ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 238000002156 mixing Methods 0.000 description 1
- 150000002835 noble gases Chemical class 0.000 description 1
- 238000003199 nucleic acid amplification method Methods 0.000 description 1
- 230000003334 potential effect Effects 0.000 description 1
- 239000007787 solid Substances 0.000 description 1
- 230000006641 stabilisation Effects 0.000 description 1
- 238000011105 stabilization Methods 0.000 description 1
- 229910052724 xenon Inorganic materials 0.000 description 1
- FHNFHKCVQCLJFQ-UHFFFAOYSA-N xenon atom Chemical compound [Xe] FHNFHKCVQCLJFQ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
Landscapes
- Welding Or Cutting Using Electron Beams (AREA)
- ing And Chemical Polishing (AREA)
- Electron Sources, Ion Sources (AREA)
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、低速多価イオンビ
ームの発生装置に関し、さらに詳細には、半導体プロセ
ス分野において用いて好適な低速多価イオンビームの発
生装置に関する。
ームの発生装置に関し、さらに詳細には、半導体プロセ
ス分野において用いて好適な低速多価イオンビームの発
生装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】従来の半導体プロセス分野においては、
電子サイクロトロン共鳴（ＥＣＲ）などにより生成され
るプラズマのイオンによって活性な反応種を作り、それ
により非等方的なエッチングを行うという手法が知られ
ている。
電子サイクロトロン共鳴（ＥＣＲ）などにより生成され
るプラズマのイオンによって活性な反応種を作り、それ
により非等方的なエッチングを行うという手法が知られ
ている。
【０００３】この手法においては、プラズマのイオンは
１価のイオンが主体であるが、その速度分布は低速から
高速にまで分布するためイオンの運動エネルギーは大き
く、例えば、ＳｉＯ２などのエッチングを行う際にも十
分なエッチング速度を得ることができるものであった。
１価のイオンが主体であるが、その速度分布は低速から
高速にまで分布するためイオンの運動エネルギーは大き
く、例えば、ＳｉＯ２などのエッチングを行う際にも十
分なエッチング速度を得ることができるものであった。
【０００４】また、１価の高速なイオンを打ち込むイオ
ン注入技術においては、イオンを打ち込む速度やイオン
の運動エネルギーの大きさがプロセスの重要なパラメー
タとなっていた。
ン注入技術においては、イオンを打ち込む速度やイオン
の運動エネルギーの大きさがプロセスの重要なパラメー
タとなっていた。
【０００５】ところが、上記したようなプロセスにおい
ては、イオンの運動エネルギーが大きいために、プロセ
スの進行とともにイオンの衝突により基板や素子が損傷
したり、あるいは素子中へのイオンの混入により不純物
が発生したりする恐れがあるなどの問題点があった。
ては、イオンの運動エネルギーが大きいために、プロセ
スの進行とともにイオンの衝突により基板や素子が損傷
したり、あるいは素子中へのイオンの混入により不純物
が発生したりする恐れがあるなどの問題点があった。
【０００６】ここで、こうした問題点を解決するために
は、低速でかつ内部ポテンシャルエネルギーの高い多価
イオンによるプロセシングを行う必要があると考えられ
てきた。
は、低速でかつ内部ポテンシャルエネルギーの高い多価
イオンによるプロセシングを行う必要があると考えられ
てきた。
【０００７】ところが、従来の多価イオンを発生可能な
イオン発生装置においては、特定の価数の多価イオンを
効率よく発生することは極めて困難であった。
イオン発生装置においては、特定の価数の多価イオンを
効率よく発生することは極めて困難であった。
【０００８】即ち、従来の多価イオンを発生可能なイオ
ン発生装置としては、電子ビームイオン源（ＥＢＩＳ：
Ｅｌｅｃｔｒｏｎ Ｂｅａｍ Ｓｏｕｒｃｅ）や電子サ
イクロトロン共鳴イオン源（ＥＣＲＩＳ：Ｅｌｅｃｔｒ
ｏｎ ＣｙｃｌｏｔｒｏｎＲｅｓｏｎａｎｃｅ Ｉｏｎ
Ｓｏｕｒｃｅ）などが知られている。
ン発生装置としては、電子ビームイオン源（ＥＢＩＳ：
Ｅｌｅｃｔｒｏｎ Ｂｅａｍ Ｓｏｕｒｃｅ）や電子サ
イクロトロン共鳴イオン源（ＥＣＲＩＳ：Ｅｌｅｃｔｒ
ｏｎ ＣｙｃｌｏｔｒｏｎＲｅｓｏｎａｎｃｅ Ｉｏｎ
Ｓｏｕｒｃｅ）などが知られている。
【０００９】ここで、電子ビームイオン源は、希ガスに
高速な電子ビームを衝突させることによりイオン化し、
そこから電界によってイオンを引き出し、さらにフィル
ターにより価数を選択し、その後に減速するというよう
な構成を備えており、装置全体が大型化せざるをえず、
効率があまりよくないという問題点があった。
高速な電子ビームを衝突させることによりイオン化し、
そこから電界によってイオンを引き出し、さらにフィル
ターにより価数を選択し、その後に減速するというよう
な構成を備えており、装置全体が大型化せざるをえず、
効率があまりよくないという問題点があった。
【００１０】また、電子サイクロトロン共鳴イオン源
は、電子サイクロトロン共鳴によりイオンを生成するこ
とになるが、電子ビームイオン源と同様に、フィルター
を通過させることにより所望の多価イオンを得るもので
あるので、効率があまりよくないという問題点があっ
た。
は、電子サイクロトロン共鳴によりイオンを生成するこ
とになるが、電子ビームイオン源と同様に、フィルター
を通過させることにより所望の多価イオンを得るもので
あるので、効率があまりよくないという問題点があっ
た。
【００１１】さらに、電子ビームイオン源と電子サイク
ロトロン共鳴イオン源との両者とも、価数選択の前後に
おいて電界による加速と減速とを必要とするため、低速
であっても数１００ｅＶ程度の運動エネルギーを持つこ
とになる。その結果、多価イオンの内部ポテンシャル効
果が必ずしも低価数域では顕著ではなく、プロセスとし
ても効率が悪いという問題点があった。
ロトロン共鳴イオン源との両者とも、価数選択の前後に
おいて電界による加速と減速とを必要とするため、低速
であっても数１００ｅＶ程度の運動エネルギーを持つこ
とになる。その結果、多価イオンの内部ポテンシャル効
果が必ずしも低価数域では顕著ではなく、プロセスとし
ても効率が悪いという問題点があった。
【００１２】なお、高強度レーザーを固体ターゲットに
照射してプラズマを発生させることにより、多価イオン
の発生を効率的に行うことができるが、こうしたプラズ
マ中ではイオンの価数は動的に変化しており、所望の価
数のイオンを選択的に生成して利用することは極めて困
難であるという問題点があった。
照射してプラズマを発生させることにより、多価イオン
の発生を効率的に行うことができるが、こうしたプラズ
マ中ではイオンの価数は動的に変化しており、所望の価
数のイオンを選択的に生成して利用することは極めて困
難であるという問題点があった。
【００１３】
【発明が解決しようとする課題】本発明は、上記したよ
うな従来の技術に対する種々の問題点に鑑みてなされた
ものであり、その目的とするところは、所定の価数に制
御された低速多価イオンビームを効率よく発生すること
のできる低速多価イオンビームの発生装置を提供しよう
とするものである。
うな従来の技術に対する種々の問題点に鑑みてなされた
ものであり、その目的とするところは、所定の価数に制
御された低速多価イオンビームを効率よく発生すること
のできる低速多価イオンビームの発生装置を提供しよう
とするものである。
【００１４】
【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に、本発明は、高強度レーザーによってプラズマを発生
させて低速多価イオンを生成するようにしたものであ
る。ここで、高強度レーザーとしては、例えば、フェム
ト秒レーザーを用いることができる。
に、本発明は、高強度レーザーによってプラズマを発生
させて低速多価イオンを生成するようにしたものであ
る。ここで、高強度レーザーとしては、例えば、フェム
ト秒レーザーを用いることができる。
【００１５】また、本発明は、低速多価イオンをトラッ
プするように制御するものである。ここで、低速多価イ
オンのトラップには、ＲＦを用いることができ、自動的
に所望の価数の多価イオンのみがトラップされるように
トラップ条件を設定するものである。なお、イオンがト
ラップされるということは、イオンの運動エネルギーが
極めて小さくなっているものであり、こうしてトラップ
された運動エネルギーの極めて小さいイオンを、電圧を
かけることによって所望の運動エネルギーによって所望
の方向に向けてトラップから掃き出させるか、引き出す
かするものである。これにより、多価イオンを低速で所
望の対象へ出射することができるものである。
プするように制御するものである。ここで、低速多価イ
オンのトラップには、ＲＦを用いることができ、自動的
に所望の価数の多価イオンのみがトラップされるように
トラップ条件を設定するものである。なお、イオンがト
ラップされるということは、イオンの運動エネルギーが
極めて小さくなっているものであり、こうしてトラップ
された運動エネルギーの極めて小さいイオンを、電圧を
かけることによって所望の運動エネルギーによって所望
の方向に向けてトラップから掃き出させるか、引き出す
かするものである。これにより、多価イオンを低速で所
望の対象へ出射することができるものである。
【００１６】また、本発明は、レーザー冷却によるトラ
ップとＲＦを用いたトラップとの２重構造によるトラッ
プを用いるようにしたものである。レーザー冷却による
トラップにより対象の原子を空間的に所定の位置にトラ
ップしておく。なお、レーザー冷却であるので、原子は
ドップラー温度程度の極めて低い温度（例えば、ルビジ
ウムであれば、１５０μＫである。）であり、原子は止
まっている状態である。レーザー冷却によるトラップは
中性原子をトラップすることができるが、ＲＦはイオン
のみしかトラップすることができないので、レーザー冷
却によるトラップにある中性原子にレーザー光（例え
ば、フェムト秒レーザー光）を照射してイオン化し、Ｒ
Ｆを用いたトラップにおいてトラップされるようにす
る。そして、ＲＦを用いたトラップにおいては、上記と
同様に掃き出し電圧、引き出し電圧をかけることによっ
て、所望の運動エネルギーで所望の方向に多価イオンを
出射することができる。
ップとＲＦを用いたトラップとの２重構造によるトラッ
プを用いるようにしたものである。レーザー冷却による
トラップにより対象の原子を空間的に所定の位置にトラ
ップしておく。なお、レーザー冷却であるので、原子は
ドップラー温度程度の極めて低い温度（例えば、ルビジ
ウムであれば、１５０μＫである。）であり、原子は止
まっている状態である。レーザー冷却によるトラップは
中性原子をトラップすることができるが、ＲＦはイオン
のみしかトラップすることができないので、レーザー冷
却によるトラップにある中性原子にレーザー光（例え
ば、フェムト秒レーザー光）を照射してイオン化し、Ｒ
Ｆを用いたトラップにおいてトラップされるようにす
る。そして、ＲＦを用いたトラップにおいては、上記と
同様に掃き出し電圧、引き出し電圧をかけることによっ
て、所望の運動エネルギーで所望の方向に多価イオンを
出射することができる。
【００１７】即ち、本発明のうち請求項１に記載の発明
は、ターゲット原子をレーザー冷却するためのレーザー
光を出射する第１のレーザー手段と、ターゲット原子か
ら多価イオンを発生させるためのレーザー光を出射する
第２のレーザー手段と、上記第１のレーザー手段から出
射されたレーザー光によってターゲット原子をレーザー
冷却してトラップする第１のトラップ制御手段と、上記
第１のトラップ制御手段によってトラップされたターゲ
ット原子を入力して、上記第１のレーザー手段から出射
されたレーザー光によって該入力したターゲット原子を
レーザー冷却してトラップするとともに、上記第２のレ
ーザー手段から出射されたレーザー光によって該トラッ
プしたターゲット原子から多価イオンを発生させ、該発
生された多価イオンのなかで所定の価数の多価イオンの
みをトラップするとともに、トラップした多価イオンを
所定の運動エネルギーで所定の方向に出力する第２のト
ラップ制御手段とを有するようにしたものである。
は、ターゲット原子をレーザー冷却するためのレーザー
光を出射する第１のレーザー手段と、ターゲット原子か
ら多価イオンを発生させるためのレーザー光を出射する
第２のレーザー手段と、上記第１のレーザー手段から出
射されたレーザー光によってターゲット原子をレーザー
冷却してトラップする第１のトラップ制御手段と、上記
第１のトラップ制御手段によってトラップされたターゲ
ット原子を入力して、上記第１のレーザー手段から出射
されたレーザー光によって該入力したターゲット原子を
レーザー冷却してトラップするとともに、上記第２のレ
ーザー手段から出射されたレーザー光によって該トラッ
プしたターゲット原子から多価イオンを発生させ、該発
生された多価イオンのなかで所定の価数の多価イオンの
みをトラップするとともに、トラップした多価イオンを
所定の運動エネルギーで所定の方向に出力する第２のト
ラップ制御手段とを有するようにしたものである。
【００１８】また、本発明のうち請求項２に記載の発明
は、本発明のうち請求項１に記載の発明において、上記
第２のレーザーをフェムト秒レーザーとしたものであ
る。
は、本発明のうち請求項１に記載の発明において、上記
第２のレーザーをフェムト秒レーザーとしたものであ
る。
【００１９】また、本発明のうち請求項３に記載の発明
は、本発明のうち請求項１または請求項２に記載の発明
において、上記第２のトラップ制御手段は、筒状のリン
グ電極と、上記リング電極の軸方向における両方の端部
側に配置された一対のキャップ電極と、上記リング電極
にＲＦ周波数のＲＦ電圧およびＤＣ電圧を印加するため
の第一の電源と、上記一対のキャップ電極の一方にＤＣ
パルス電圧を印加するための第二の電源とを有し、上記
第２のレーザー手段から出射されたレーザー光によって
発生された多価イオンについて、上記リング電極に対し
て上記第一の電源から印加されるＲＦ周波数のＲＦ電圧
およびＤＣ電圧に応じて、上記リング電極内において所
定の単一の価数の低速な多価イオンのみをトラップし、
上記一対のキャップ電極の一方に上記第二の電源により
ＤＣパルス電圧を印加することにより、上記一対のキャ
ップ電極の一方に印加するＤＣパルス電圧に応じた方向
ならびに速度で、上記リング電極内にトラップされた所
定の単一の価数に制御されたイオンを出射するものとし
たものである。
は、本発明のうち請求項１または請求項２に記載の発明
において、上記第２のトラップ制御手段は、筒状のリン
グ電極と、上記リング電極の軸方向における両方の端部
側に配置された一対のキャップ電極と、上記リング電極
にＲＦ周波数のＲＦ電圧およびＤＣ電圧を印加するため
の第一の電源と、上記一対のキャップ電極の一方にＤＣ
パルス電圧を印加するための第二の電源とを有し、上記
第２のレーザー手段から出射されたレーザー光によって
発生された多価イオンについて、上記リング電極に対し
て上記第一の電源から印加されるＲＦ周波数のＲＦ電圧
およびＤＣ電圧に応じて、上記リング電極内において所
定の単一の価数の低速な多価イオンのみをトラップし、
上記一対のキャップ電極の一方に上記第二の電源により
ＤＣパルス電圧を印加することにより、上記一対のキャ
ップ電極の一方に印加するＤＣパルス電圧に応じた方向
ならびに速度で、上記リング電極内にトラップされた所
定の単一の価数に制御されたイオンを出射するものとし
たものである。
【００２０】また、本発明のうち請求項４に記載の発明
は、ターゲット原子中の中性原子をレーザー冷却するた
めのレーザー光を出射する第１のレーザー手段と、上記
中性原子から多価イオンを発生させるためのレーザー光
を出射する第２のレーザー手段と、上記第１のレーザー
手段から出射されたレーザー光によって上記ターゲット
原子の中から上記中性原子をレーザー冷却してトラップ
する第１のトラップ制御手段と、上記第１のトラップ制
御手段によってトラップされた上記中性原子を入力し
て、上記第１のレーザー手段から出射されたレーザー光
によって該入力した上記中性原子をレーザー冷却してト
ラップするとともに、上記第２のレーザー手段から出射
されたレーザー光によって該トラップした上記中性原子
から多価イオンを発生させ、該発生された上記多価イオ
ンのなかで所定の価数の多価イオンのみをトラップする
とともに、該トラップした上記所定の価数の多価イオン
を所定の運動エネルギーで所定の方向に出力する第２の
トラップ制御手段とを有するようにしたものである。
は、ターゲット原子中の中性原子をレーザー冷却するた
めのレーザー光を出射する第１のレーザー手段と、上記
中性原子から多価イオンを発生させるためのレーザー光
を出射する第２のレーザー手段と、上記第１のレーザー
手段から出射されたレーザー光によって上記ターゲット
原子の中から上記中性原子をレーザー冷却してトラップ
する第１のトラップ制御手段と、上記第１のトラップ制
御手段によってトラップされた上記中性原子を入力し
て、上記第１のレーザー手段から出射されたレーザー光
によって該入力した上記中性原子をレーザー冷却してト
ラップするとともに、上記第２のレーザー手段から出射
されたレーザー光によって該トラップした上記中性原子
から多価イオンを発生させ、該発生された上記多価イオ
ンのなかで所定の価数の多価イオンのみをトラップする
とともに、該トラップした上記所定の価数の多価イオン
を所定の運動エネルギーで所定の方向に出力する第２の
トラップ制御手段とを有するようにしたものである。
【００２１】また、本発明のうち請求項５に記載の発明
は、本発明のうち請求項４に記載の発明において、上記
第２のレーザーをフェムト秒レーザーとしたものであ
る。
は、本発明のうち請求項４に記載の発明において、上記
第２のレーザーをフェムト秒レーザーとしたものであ
る。
【００２２】また、本発明のうち請求項６に記載の発明
は、本発明のうち請求項４または請求項５に記載の発明
において、上記第２のトラップ制御手段は、筒状のリン
グ電極と、上記リング電極の軸方向における両方の端部
側に配置された一対のキャップ電極と、上記リング電極
にＲＦ周波数のＲＦ電圧およびＤＣ電圧を印加するため
の第一の電源と、上記一対のキャップ電極の一方にＤＣ
パルス電圧を印加するための第二の電源とを有し、上記
第２のレーザー手段から出射されたレーザー光によって
発生された多価イオンについて、上記リング電極に対し
て上記第一の電源から印加されるＲＦ周波数のＲＦ電圧
およびＤＣ電圧に応じて、上記リング電極内において所
定の単一の価数の低速な多価イオンのみをトラップし、
上記一対のキャップ電極の一方に上記第二の電源により
ＤＣパルス電圧を印加することにより、上記一対のキャ
ップ電極の一方に印加するＤＣパルス電圧に応じた方向
ならびに速度で、上記リング電極内にトラップされた所
定の単一の価数に制御されたイオンを出射するものとし
たものである。
は、本発明のうち請求項４または請求項５に記載の発明
において、上記第２のトラップ制御手段は、筒状のリン
グ電極と、上記リング電極の軸方向における両方の端部
側に配置された一対のキャップ電極と、上記リング電極
にＲＦ周波数のＲＦ電圧およびＤＣ電圧を印加するため
の第一の電源と、上記一対のキャップ電極の一方にＤＣ
パルス電圧を印加するための第二の電源とを有し、上記
第２のレーザー手段から出射されたレーザー光によって
発生された多価イオンについて、上記リング電極に対し
て上記第一の電源から印加されるＲＦ周波数のＲＦ電圧
およびＤＣ電圧に応じて、上記リング電極内において所
定の単一の価数の低速な多価イオンのみをトラップし、
上記一対のキャップ電極の一方に上記第二の電源により
ＤＣパルス電圧を印加することにより、上記一対のキャ
ップ電極の一方に印加するＤＣパルス電圧に応じた方向
ならびに速度で、上記リング電極内にトラップされた所
定の単一の価数に制御されたイオンを出射するものとし
たものである。
【００２３】
【発明の実施の形態】以下、添付の図面を参照しなが
ら、本発明による低速多価イオンビームの発生装置の実
施の形態の一例を詳細に説明する。
ら、本発明による低速多価イオンビームの発生装置の実
施の形態の一例を詳細に説明する。
【００２４】図１には、本発明による低速多価イオンビ
ームの発生装置の第１の実施の形態が示されている。
ームの発生装置の第１の実施の形態が示されている。
【００２５】この低速多価イオンビームの発生装置は、
多価イオンを発生させる多価イオン生成部１０と、所定
の価数の多価イオンのみをトラップするとともに、トラ
ップした多価イオンを所定の運動エネルギーで所定の方
向に出力するＲＦトラップ制御部２０とを有して構成さ
れている。
多価イオンを発生させる多価イオン生成部１０と、所定
の価数の多価イオンのみをトラップするとともに、トラ
ップした多価イオンを所定の運動エネルギーで所定の方
向に出力するＲＦトラップ制御部２０とを有して構成さ
れている。
【００２６】ここで、多価イオン生成部１０は、高強度
レーザーとしてフェムト秒レーザーシステム１２を備え
て構成されている。後述するように、ＲＦトラップ制御
部２０の真空チャンバー２２内において、フェムト秒レ
ーザーシステム１２から照射されるフェムト秒レーザー
光をサンプル（ｓａｍｐｌｅ）１４に照射することによ
り、多価イオンを生成するようになされている。
レーザーとしてフェムト秒レーザーシステム１２を備え
て構成されている。後述するように、ＲＦトラップ制御
部２０の真空チャンバー２２内において、フェムト秒レ
ーザーシステム１２から照射されるフェムト秒レーザー
光をサンプル（ｓａｍｐｌｅ）１４に照射することによ
り、多価イオンを生成するようになされている。
【００２７】また、ＲＦトラップ制御部２０は、真空チ
ャンバー２２内に配置された円筒状のリング電極２４
と、リング電極２４の軸方向における両方の端部側に配
置されたキャップ電極２６、２８と、リング電極２４に
ＲＦ周波数のＲＦ電圧およびＤＣ電圧を印加するための
ＲＦ＋ＤＣ電源３０と、キャップ電極２８にＤＣパルス
電圧を印加するためのＤＣ電源３２と、真空チャンバー
２２内のガスを吸引して真空チャンバー２２内を真空状
態にするためのターボ分子ポンプ３４と、真空チャンバ
ー２２内に可変リークバルブ３６を介してバッファーガ
スを供給するためのバッファーガス供給システム３８
と、真空チャンバー２２内に配置された４重極質量分析
器（ＱＭＳ：Ｑｕａｄｒｕｐｏｌｅ Ｍａｓｓ Ｓｐｅ
ｃｔｒｏｍｅｔｅｒ）４０と、電子増幅管よりなる検出
器（ＤＥＴ）４２とを有して構成されている。
ャンバー２２内に配置された円筒状のリング電極２４
と、リング電極２４の軸方向における両方の端部側に配
置されたキャップ電極２６、２８と、リング電極２４に
ＲＦ周波数のＲＦ電圧およびＤＣ電圧を印加するための
ＲＦ＋ＤＣ電源３０と、キャップ電極２８にＤＣパルス
電圧を印加するためのＤＣ電源３２と、真空チャンバー
２２内のガスを吸引して真空チャンバー２２内を真空状
態にするためのターボ分子ポンプ３４と、真空チャンバ
ー２２内に可変リークバルブ３６を介してバッファーガ
スを供給するためのバッファーガス供給システム３８
と、真空チャンバー２２内に配置された４重極質量分析
器（ＱＭＳ：Ｑｕａｄｒｕｐｏｌｅ Ｍａｓｓ Ｓｐｅ
ｃｔｒｏｍｅｔｅｒ）４０と、電子増幅管よりなる検出
器（ＤＥＴ）４２とを有して構成されている。
【００２８】ここで、フェムト秒レーザーシステム１２
から出射されたフェムト秒レーザー光は、リング電極２
４の胴部２４ａに形成された第１貫通孔２４ｂから胴部
２４内に入射し、第１貫通孔２４ｂに対向するようにし
て胴部２４ａに形成された第２貫通孔２４ｃを通過して
胴部２４ａの外部へ出射され、胴部２４ａの外部に配置
されたサンプル１４に照射されるようになされている。
から出射されたフェムト秒レーザー光は、リング電極２
４の胴部２４ａに形成された第１貫通孔２４ｂから胴部
２４内に入射し、第１貫通孔２４ｂに対向するようにし
て胴部２４ａに形成された第２貫通孔２４ｃを通過して
胴部２４ａの外部へ出射され、胴部２４ａの外部に配置
されたサンプル１４に照射されるようになされている。
【００２９】なお、サンプル１４は、胴部２４ａの外部
に配置するのではなくて、胴部２４ａの内部に配置する
ようにしてもよい。
に配置するのではなくて、胴部２４ａの内部に配置する
ようにしてもよい。
【００３０】以上の構成において、フェムト秒レーザー
システム１２としては、例えば、波長７９０ｎｍ、パル
ス幅１１０ｆｓ、パルスエネルギー１ｍＪ、繰り返し１
ｋＨｚのものを用いるものとし、また、サンプル１４と
しては、例えば、銅（Ｃｕ）を用いるものとした場合に
ついて説明する。
システム１２としては、例えば、波長７９０ｎｍ、パル
ス幅１１０ｆｓ、パルスエネルギー１ｍＪ、繰り返し１
ｋＨｚのものを用いるものとし、また、サンプル１４と
しては、例えば、銅（Ｃｕ）を用いるものとした場合に
ついて説明する。
【００３１】なお、フェムト秒レーザーシステム１２の
波長、パルス幅、パルスエネルギーならびに繰り返し
は、所望の値を適宜に設定することができるものであ
り、また、サンプル１４としては、銅以外の所望の物質
を適宜に選択することができるものである。
波長、パルス幅、パルスエネルギーならびに繰り返し
は、所望の値を適宜に設定することができるものであ
り、また、サンプル１４としては、銅以外の所望の物質
を適宜に選択することができるものである。
【００３２】そして、この低速多価イオンビームの発生
装置において、フェムト秒レーザーシステム１２によっ
て照射されるフェムト秒レーザー光を、リング電極２４
の胴部２４ａに形成された第１貫通孔２４ｂから胴部２
４内に入射すると、当該入射されたフェムト秒レーザー
光は第１貫通孔２４ｂに対向するようにして胴部２４ａ
に形成された第２貫通孔２４ｃを通過して胴部２４ａの
外部へ出射され、胴部２４ａの外部に配置されたサンプ
ル１４たる銅に照射されることになる。
装置において、フェムト秒レーザーシステム１２によっ
て照射されるフェムト秒レーザー光を、リング電極２４
の胴部２４ａに形成された第１貫通孔２４ｂから胴部２
４内に入射すると、当該入射されたフェムト秒レーザー
光は第１貫通孔２４ｂに対向するようにして胴部２４ａ
に形成された第２貫通孔２４ｃを通過して胴部２４ａの
外部へ出射され、胴部２４ａの外部に配置されたサンプ
ル１４たる銅に照射されることになる。
【００３３】こうしてフェムト秒レーザー光が銅に照射
されると、銅からイオン（銅イオン）が生成される。
されると、銅からイオン（銅イオン）が生成される。
【００３４】なお、上記のようにしてサンプル１４にフ
ェムト秒レーザー光を照射することによりイオンを生成
する他に、真空チャンバー２２内にアルゴン（Ａｒ）、
クリプトン（Ｋｒ）、キセノン（Ｘｅ）などの希ガスを
ガスジェットなどで導入し、この希ガスに対してフェム
ト秒レーザー光を照射することにより多価イオンを生成
するようにしてもよい。
ェムト秒レーザー光を照射することによりイオンを生成
する他に、真空チャンバー２２内にアルゴン（Ａｒ）、
クリプトン（Ｋｒ）、キセノン（Ｘｅ）などの希ガスを
ガスジェットなどで導入し、この希ガスに対してフェム
ト秒レーザー光を照射することにより多価イオンを生成
するようにしてもよい。
【００３５】そして、生成された銅イオンは、そのまま
リング電極２４の胴部２４ａ内に入り込み、ＲＦ＋ＤＣ
電源３０から印加されるＲＦ周波数（Ω）のＲＦ電圧お
よびＤＣ電圧（ＲＦ周波数（Ω）のＲＦ電圧およびＤＣ
電圧＝ＶａｃｃｏｓΩｔ＋Ｖ ｄｃ）の制御により、胴部
２４ａ内において所定の単一の価数の低速な銅イオンの
みがトラップされることになる（以下、上記したＲＦ周
波数（Ω）のＲＦ電圧およびＤＣ電圧（ＶａｃｃｏｓΩ
ｔ＋Ｖｄｃ）の制御によるトラップを、「ＲＦトラッ
プ」と適宜に称することとする。）。即ち、１０ｅＶ以
下の低速イオンはトラップされるが、高速イオンはトラ
ップされない。
リング電極２４の胴部２４ａ内に入り込み、ＲＦ＋ＤＣ
電源３０から印加されるＲＦ周波数（Ω）のＲＦ電圧お
よびＤＣ電圧（ＲＦ周波数（Ω）のＲＦ電圧およびＤＣ
電圧＝ＶａｃｃｏｓΩｔ＋Ｖ ｄｃ）の制御により、胴部
２４ａ内において所定の単一の価数の低速な銅イオンの
みがトラップされることになる（以下、上記したＲＦ周
波数（Ω）のＲＦ電圧およびＤＣ電圧（ＶａｃｃｏｓΩ
ｔ＋Ｖｄｃ）の制御によるトラップを、「ＲＦトラッ
プ」と適宜に称することとする。）。即ち、１０ｅＶ以
下の低速イオンはトラップされるが、高速イオンはトラ
ップされない。
【００３６】なお、イオンをトラップするときには、キ
ャップ電極２６、２８はアースされている。
ャップ電極２６、２８はアースされている。
【００３７】具体的には、リング電極２４とキャップ電
極２６、２８との間に「Ｖ＝ＶａｃｃｏｓΩｔ＋
Ｖｄｃ）の電圧を加えて動作させる。そして、ＲＦ電圧
の半周期毎に、ポテンシャルを閉じこめる方向をｒ方向
（胴部２４ａの径方向）とｚ方向（胴部２４ａの軸方
向）とに交互に変えて、イオンをトラップするものであ
る。
極２６、２８との間に「Ｖ＝ＶａｃｃｏｓΩｔ＋
Ｖｄｃ）の電圧を加えて動作させる。そして、ＲＦ電圧
の半周期毎に、ポテンシャルを閉じこめる方向をｒ方向
（胴部２４ａの径方向）とｚ方向（胴部２４ａの軸方
向）とに交互に変えて、イオンをトラップするものであ
る。
【００３８】そして、キャップ電極２８にＤＣ電源３２
によりＤＣパルス電圧を印加することにより、キャップ
電極２８に印加するＤＣパルス電圧に応じて、所望な方
向ならびに所望な速度で、胴部２４ａ内にＲＦトラップ
された所定の単一の価数に制御されたイオンが掃き出さ
れることになる。
によりＤＣパルス電圧を印加することにより、キャップ
電極２８に印加するＤＣパルス電圧に応じて、所望な方
向ならびに所望な速度で、胴部２４ａ内にＲＦトラップ
された所定の単一の価数に制御されたイオンが掃き出さ
れることになる。
【００３９】即ち、多価イオンはプラスイオン（＋イオ
ン）であるので、図１０（ａ）に示すように、キャップ
電極２８に＋ＤＣパルス電圧を印加することにより、胴
部２４ａ内にＲＦトラップされた所定の単一の価数に制
御された多価イオンを掃き出すことができる。
ン）であるので、図１０（ａ）に示すように、キャップ
電極２８に＋ＤＣパルス電圧を印加することにより、胴
部２４ａ内にＲＦトラップされた所定の単一の価数に制
御された多価イオンを掃き出すことができる。
【００４０】ここで、電場中での、質量ｍ、電荷ｅのイ
オンの運動方程式は、無次元化すると、図２に示すマシ
ュー（Ｍａｔｈｉｅｕ）方程式で表される。
オンの運動方程式は、無次元化すると、図２に示すマシ
ュー（Ｍａｔｈｉｅｕ）方程式で表される。
【００４１】また、図３には、ＲＦトラップの安定領域
を示すグラフが示されている。即ち、マシュー方程式の
安定領域をｒ方向、ｚ方向について重ね合わせた領域
が、ＲＦトラップの安定領域となっている。こうしたＲ
Ｆトラップの安定領域は、離散的に多数存在する。
を示すグラフが示されている。即ち、マシュー方程式の
安定領域をｒ方向、ｚ方向について重ね合わせた領域
が、ＲＦトラップの安定領域となっている。こうしたＲ
Ｆトラップの安定領域は、離散的に多数存在する。
【００４２】なお、本発明の発明者による実験では、原
点付近の第１安定領域内（図３における「βｒ＝０」、
「βｒ＝１」、「βｚ＝０」、「βｚ＝１」の４本の曲
線で囲まれた黒色部分の領域）にパラメータを設定すれ
ばよいことが判明した。
点付近の第１安定領域内（図３における「βｒ＝０」、
「βｒ＝１」、「βｚ＝０」、「βｚ＝１」の４本の曲
線で囲まれた黒色部分の領域）にパラメータを設定すれ
ばよいことが判明した。
【００４３】また、図４には、サンプル１４としての銅
にフェムト秒レーザーシステム１２からフェムト秒レー
ザー光を照射して、銅をフェムト秒レーザーアブレーシ
ョンした場合における、検出器４０によって検出された
銅２価イオン（Ｃｕ２＋）の４重極質量分析器（ＱＭ
Ｓ）３８の分析結果を表すＱＭＳ信号強度の時間的な変
化を示している。
にフェムト秒レーザーシステム１２からフェムト秒レー
ザー光を照射して、銅をフェムト秒レーザーアブレーシ
ョンした場合における、検出器４０によって検出された
銅２価イオン（Ｃｕ２＋）の４重極質量分析器（ＱＭ
Ｓ）３８の分析結果を表すＱＭＳ信号強度の時間的な変
化を示している。
【００４４】図４における第１（１ｓｔ）パルスは、レ
ーザーアブレーション直後にＲＦトラップ制御部２０の
リング電極２４にトラップされないで、直接に４重極質
量分析器３８に入ってきた銅２価イオンの信号である。
ーザーアブレーション直後にＲＦトラップ制御部２０の
リング電極２４にトラップされないで、直接に４重極質
量分析器３８に入ってきた銅２価イオンの信号である。
【００４５】また、図４における第２（２ｎｄ）パルス
は、リング電極２４から銅２価イオンを掃き出すための
ＤＣパルス電圧に４００ｍｓの遅延時間（ｄｅｌａｙ
ｔｉｍｅ）を与えたため、４００ｍｓの間リング電極２
４にＲＦトラップされた後に、４重極質量分析器３８方
向に掃き出された銅２価イオンの信号である。
は、リング電極２４から銅２価イオンを掃き出すための
ＤＣパルス電圧に４００ｍｓの遅延時間（ｄｅｌａｙ
ｔｉｍｅ）を与えたため、４００ｍｓの間リング電極２
４にＲＦトラップされた後に、４重極質量分析器３８方
向に掃き出された銅２価イオンの信号である。
【００４６】即ち、上記した本発明による低速多価イオ
ンビームの発生装置によれば、所定の単一の価数の多価
イオンをＲＦトラップし、ＲＦトラップした所定の単一
の価数の多価イオンを所望な方向ならびに所望な速度で
掃き出すことができるものであり、従って、低速多価イ
オンビームを所望の方向に出力することができることに
なる。
ンビームの発生装置によれば、所定の単一の価数の多価
イオンをＲＦトラップし、ＲＦトラップした所定の単一
の価数の多価イオンを所望な方向ならびに所望な速度で
掃き出すことができるものであり、従って、低速多価イ
オンビームを所望の方向に出力することができることに
なる。
【００４７】次に、図５には、本発明による低速多価イ
オンビームの発生装置の第２の実施の形態が示されてい
る。
オンビームの発生装置の第２の実施の形態が示されてい
る。
【００４８】この低速多価イオンビームの発生装置は、
冷却用レーザー１０２と、再励起用レーザー１０４と、
飽和吸収分光部１０６と、光音響素子高速スイッチ部１
０８と、各５０巻の反ヘルムホルツコイルを備えた第１
磁気光学トラップ部１１０と、ターゲット原子輸送部１
１２と、第２磁気光学／ＲＦトラップ部１１４と、ＭＣ
Ｐイオン検出部１１６と、高強度レーザーとしてのフェ
ムト秒レーザー１１８とを有して構成されている。
冷却用レーザー１０２と、再励起用レーザー１０４と、
飽和吸収分光部１０６と、光音響素子高速スイッチ部１
０８と、各５０巻の反ヘルムホルツコイルを備えた第１
磁気光学トラップ部１１０と、ターゲット原子輸送部１
１２と、第２磁気光学／ＲＦトラップ部１１４と、ＭＣ
Ｐイオン検出部１１６と、高強度レーザーとしてのフェ
ムト秒レーザー１１８とを有して構成されている。
【００４９】ここで、第２磁気光学／ＲＦトラップ部１
１６は、レーザー光の照射による磁気光学トラップと、
上記した第１の実施の形態において説明したＲＦトラッ
プとを行うものである。
１６は、レーザー光の照射による磁気光学トラップと、
上記した第１の実施の形態において説明したＲＦトラッ
プとを行うものである。
【００５０】以上の構成において、上記した低速多価イ
オンビームの発生装置においては、飽和吸収分光部１０
６のフィードバック制御により安定したレーザー発振周
波数を維持してレーザー発振する冷却用レーザー１０２
から出射されたレーザー光を、水平方向において４方向
から、また、垂直方向において２方向から第１磁気光学
トラップ部１１０へ入射し、レーザー冷却により中性の
ターゲット原子をトラップする（以下、レーザー冷却に
よるトラップを「磁気光学トラップ」と適宜に称す
る。）。
オンビームの発生装置においては、飽和吸収分光部１０
６のフィードバック制御により安定したレーザー発振周
波数を維持してレーザー発振する冷却用レーザー１０２
から出射されたレーザー光を、水平方向において４方向
から、また、垂直方向において２方向から第１磁気光学
トラップ部１１０へ入射し、レーザー冷却により中性の
ターゲット原子をトラップする（以下、レーザー冷却に
よるトラップを「磁気光学トラップ」と適宜に称す
る。）。
【００５１】こうして第１磁気光学トラップ部１１０に
おいて磁気光学トラップされた中性のターゲット原子
は、ターゲット原子輸送部１１２を介して第２磁気光学
／ＲＦトラップ部１１４へ輸送される。
おいて磁気光学トラップされた中性のターゲット原子
は、ターゲット原子輸送部１１２を介して第２磁気光学
／ＲＦトラップ部１１４へ輸送される。
【００５２】ここで、第２磁気光学／ＲＦトラップ部１
１６は、第１の実施の形態において説明したＲＦトラッ
プ制御部２０と同様な構成を備えており、さらに、リン
グ電極２４の胴部２４ａ内に、水平方向において４方向
から、また、垂直方向において２方向から、冷却用レー
ザー１０２から出射されたレーザー光ならびにフェムト
秒レーザー１１８から出射されたフェムト秒レーザー光
が入射されるようになされており、冷却用レーザー１０
２および再励起用レーザー１０４から出射されたレーザ
ー光によるレーザー冷却により中性のターゲット原子を
磁気光学トラップするとともに、フェムト秒レーザー１
１８から出射されたフェムト秒レーザー光により磁気光
学トラップされた中性のターゲット原子を多価イオン化
して、こうして生成された多価イオンのなかで所望の単
一の価数の多価イオンのみを選択的にＲＦトラップする
ものである。
１６は、第１の実施の形態において説明したＲＦトラッ
プ制御部２０と同様な構成を備えており、さらに、リン
グ電極２４の胴部２４ａ内に、水平方向において４方向
から、また、垂直方向において２方向から、冷却用レー
ザー１０２から出射されたレーザー光ならびにフェムト
秒レーザー１１８から出射されたフェムト秒レーザー光
が入射されるようになされており、冷却用レーザー１０
２および再励起用レーザー１０４から出射されたレーザ
ー光によるレーザー冷却により中性のターゲット原子を
磁気光学トラップするとともに、フェムト秒レーザー１
１８から出射されたフェムト秒レーザー光により磁気光
学トラップされた中性のターゲット原子を多価イオン化
して、こうして生成された多価イオンのなかで所望の単
一の価数の多価イオンのみを選択的にＲＦトラップする
ものである。
【００５３】こうして第２磁気光学／ＲＦトラップ部１
１６にＲＦトラップされた所望の単一の価数の多価イオ
ンは、上記した第１の実施の形態について説明したよう
に、キャップ電極２８にＤＣ電源３２によりＤＣパルス
電圧を印加することにより、キャップ電極に印加するＤ
Ｃパルス電圧に応じて、所望な方向ならびに所望な速度
で、リング電極２４の胴部２４ａ内にＲＦトラップされ
た所定の単一の価数に制御されたイオンが掃き出される
ものである。
１６にＲＦトラップされた所望の単一の価数の多価イオ
ンは、上記した第１の実施の形態について説明したよう
に、キャップ電極２８にＤＣ電源３２によりＤＣパルス
電圧を印加することにより、キャップ電極に印加するＤ
Ｃパルス電圧に応じて、所望な方向ならびに所望な速度
で、リング電極２４の胴部２４ａ内にＲＦトラップされ
た所定の単一の価数に制御されたイオンが掃き出される
ものである。
【００５４】ここで、ターゲット原子のレーザー冷却に
よる磁気光学トラップについて、説明すると、まず、飽
和吸収分光法により、飽和吸収分光部１０６においてほ
ぼドップラーフリーの超微細構造スペクトルを得ること
ができる。図６には、飽和吸収分光部１０６によるルビ
ジウムの超微細構造スペクトルが示されている。
よる磁気光学トラップについて、説明すると、まず、飽
和吸収分光法により、飽和吸収分光部１０６においてほ
ぼドップラーフリーの超微細構造スペクトルを得ること
ができる。図６には、飽和吸収分光部１０６によるルビ
ジウムの超微細構造スペクトルが示されている。
【００５５】さらに、冷却用レーザー１０２ならびに再
励起用レーザー１０４内のグレーティングの微動用ピエ
ゾに、周波数安定化を目的としたサーボロック回路によ
りフィードバック制御した電圧を印加することで、不安
定なレーザーの発振周波数を制御することができるよう
になる。
励起用レーザー１０４内のグレーティングの微動用ピエ
ゾに、周波数安定化を目的としたサーボロック回路によ
りフィードバック制御した電圧を印加することで、不安
定なレーザーの発振周波数を制御することができるよう
になる。
【００５６】具体的には、本発明者の実験によれば、９
０分間にわたり線幅５ＭＨｚの範囲内に、発振周波数を
安定化させることができ、冷却用レーザー１０２と再励
起用レーザー１０４と飽和吸収分光部１０６と光音響素
子高速スイッチ部１０８とを、ルビジウム原子をレーザ
ー冷却するためのルビジウム原子冷却用狭線幅レーザー
システムとして構築することができた。
０分間にわたり線幅５ＭＨｚの範囲内に、発振周波数を
安定化させることができ、冷却用レーザー１０２と再励
起用レーザー１０４と飽和吸収分光部１０６と光音響素
子高速スイッチ部１０８とを、ルビジウム原子をレーザ
ー冷却するためのルビジウム原子冷却用狭線幅レーザー
システムとして構築することができた。
【００５７】そして、冷却用レーザー１０２から出射さ
れる周波数安定化した波長７８０ｎｍの６本のビーム
を、各５０巻の反ヘルムホルツコイルを備えた第１磁気
光学トラップ部１１０に水平方向において４方向から、
また、垂直方向において２方向から入射すると、ルビジ
ウム原子を磁気光学トラップすることができた。
れる周波数安定化した波長７８０ｎｍの６本のビーム
を、各５０巻の反ヘルムホルツコイルを備えた第１磁気
光学トラップ部１１０に水平方向において４方向から、
また、垂直方向において２方向から入射すると、ルビジ
ウム原子を磁気光学トラップすることができた。
【００５８】具体的には、共鳴周波数から負に離調する
ことで、ターゲット原子であるルビジウム８７を磁気光
学トラップすることができた。図７には、ルビジウムを
磁気光学トラップした状態が示されているが、直径１ｍ
ｍ程度の大きさの球状に磁気光学トラップされたルビジ
ウム８７の個数は１．６×１０８個程度、トラップされ
た領域における原子密度は４．０×１０１１個／ｃｍ３
と見積もることができる。
ことで、ターゲット原子であるルビジウム８７を磁気光
学トラップすることができた。図７には、ルビジウムを
磁気光学トラップした状態が示されているが、直径１ｍ
ｍ程度の大きさの球状に磁気光学トラップされたルビジ
ウム８７の個数は１．６×１０８個程度、トラップされ
た領域における原子密度は４．０×１０１１個／ｃｍ３
と見積もることができる。
【００５９】ここで、電離係数を原子、イオンのイオン
化ポテンシャル、レーザー強度、パルス形状、パルス幅
などから求め、レート方程式を解き、各価数の数密度の
時間変化を簡便に計算できるＡＤＫ（Ａｍｍｏｓｏｖ、
Ｄｅｌｏｎｅ、Ｋｒａｉｎｏｖ）モデルによりルビジウ
ムのトンネルイオン化について解析した結果が図８
（ａ）（ｂ）（ｃ）に示されている。
化ポテンシャル、レーザー強度、パルス形状、パルス幅
などから求め、レート方程式を解き、各価数の数密度の
時間変化を簡便に計算できるＡＤＫ（Ａｍｍｏｓｏｖ、
Ｄｅｌｏｎｅ、Ｋｒａｉｎｏｖ）モデルによりルビジウ
ムのトンネルイオン化について解析した結果が図８
（ａ）（ｂ）（ｃ）に示されている。
【００６０】図８（ａ）（ｂ）（ｃ）はいずれも光強度
をパラメータとしており、図８（ａ）は「Ｉ＝１０１４
Ｗ／ｃｍ２」の場合を示し、図８（ｂ）は「Ｉ＝１０
１５Ｗ／ｃｍ２」の場合を示し、図８（ｃ）は「Ｉ＝１
０１６Ｗ／ｃｍ２」の場合を示している。
をパラメータとしており、図８（ａ）は「Ｉ＝１０１４
Ｗ／ｃｍ２」の場合を示し、図８（ｂ）は「Ｉ＝１０
１５Ｗ／ｃｍ２」の場合を示し、図８（ｃ）は「Ｉ＝１
０１６Ｗ／ｃｍ２」の場合を示している。
【００６１】ここで、図８（ａ）に示す「Ｉ＝１０１４
Ｗ／ｃｍ２」の場合ではパルス終了時に１価イオンま
で、図８（ｂ）に示す「Ｉ＝１０１５Ｗ／ｃｍ２」の場
合ではパルス終了時に２価イオンまで、図８（ｃ）に示
す「Ｉ＝１０１６Ｗ／ｃｍ２」の場合ではパルス終了時
に７価イオンまで、多価イオン化が可能であることが判
明した。
Ｗ／ｃｍ２」の場合ではパルス終了時に１価イオンま
で、図８（ｂ）に示す「Ｉ＝１０１５Ｗ／ｃｍ２」の場
合ではパルス終了時に２価イオンまで、図８（ｃ）に示
す「Ｉ＝１０１６Ｗ／ｃｍ２」の場合ではパルス終了時
に７価イオンまで、多価イオン化が可能であることが判
明した。
【００６２】さらに、多価イオンと表面との相互作用に
ついて、クーロン爆発モデルを構築して解析した。
ついて、クーロン爆発モデルを構築して解析した。
【００６３】クーロン爆発モデルでは、
（１）多価イオンの速度は零
（２）半球体状の電荷領域の生成
（３）多価イオンの総ポテンシャルエネルギーは電荷領
域の静電エネルギーに移乗 を仮定した。
域の静電エネルギーに移乗 を仮定した。
【００６４】図９は基板をＧａＡｓとしたときの多価イ
オン照射効果を示しており、ルビジウム９価イオンで、
ポテンシャルエネルギーは６３３．２ｅＶあり、１個の
ルビジウム９価イオンで、各６以上づつのガリウム原子
ならびに砒素原子のポテンシャルスパッタリングを行う
ことが可能であることがわかる。
オン照射効果を示しており、ルビジウム９価イオンで、
ポテンシャルエネルギーは６３３．２ｅＶあり、１個の
ルビジウム９価イオンで、各６以上づつのガリウム原子
ならびに砒素原子のポテンシャルスパッタリングを行う
ことが可能であることがわかる。
【００６５】また、ルビジウム７価イオンで、ポテンシ
ャルエネルギーは３４７．２ｅＶあり、１個のルビジウ
ム７価イオンで、各３以上づつのガリウム原子ならびに
砒素原子のポテンシャルスパッタリングを行うことが可
能であることがわかる。
ャルエネルギーは３４７．２ｅＶあり、１個のルビジウ
ム７価イオンで、各３以上づつのガリウム原子ならびに
砒素原子のポテンシャルスパッタリングを行うことが可
能であることがわかる。
【００６６】なお、上記した実施の形態においては、多
価イオンはプラスイオン（＋イオン）であるので、リン
グ電極２４の胴部２４ａ内にＲＦトラップされた所定の
単一の価数に制御された多価イオンを出射させる際に、
図１０（ａ）に示すように、多価イオンの出射方向とは
逆方向側に位置するキャップ電極２８に＋ＤＣパルス電
圧を印加することにより、胴部２４ａ内にＲＦトラップ
された所定の単一の価数に制御された多価イオンを掃き
出すようにした。しかしながら、これに限られることな
しに、図１０（ｂ）に示すように、多価イオンの出射方
向側に位置するキャップ電極２６に−ＤＣパルス電圧を
印加することにより、胴部２４ａ内にＲＦトラップされ
た所定の単一の価数に制御された多価イオンを引き出す
ようにしてもよい。
価イオンはプラスイオン（＋イオン）であるので、リン
グ電極２４の胴部２４ａ内にＲＦトラップされた所定の
単一の価数に制御された多価イオンを出射させる際に、
図１０（ａ）に示すように、多価イオンの出射方向とは
逆方向側に位置するキャップ電極２８に＋ＤＣパルス電
圧を印加することにより、胴部２４ａ内にＲＦトラップ
された所定の単一の価数に制御された多価イオンを掃き
出すようにした。しかしながら、これに限られることな
しに、図１０（ｂ）に示すように、多価イオンの出射方
向側に位置するキャップ電極２６に−ＤＣパルス電圧を
印加することにより、胴部２４ａ内にＲＦトラップされ
た所定の単一の価数に制御された多価イオンを引き出す
ようにしてもよい。
【００６７】
【発明の効果】本発明は、以上説明したように構成され
ているので、所定の価数に制御された低速多価イオンビ
ームを効率よく発生することのできる低速多価イオンビ
ームの発生装置を提供することができるという優れた効
果を奏する。
ているので、所定の価数に制御された低速多価イオンビ
ームを効率よく発生することのできる低速多価イオンビ
ームの発生装置を提供することができるという優れた効
果を奏する。
【図１】本発明による低速多価イオンビームの発生装置
の第１の実施の形態の概念構成説明図である。
の第１の実施の形態の概念構成説明図である。
【図２】マシュー（Ｍａｔｈｉｅｕ）方程式を示す説明
図である。
図である。
【図３】ＲＦトラップの安定領域を示すグラフである。
【図４】銅にフェムト秒レーザー光を照射して銅をフェ
ムト秒レーザーアブレーションした場合における、銅２
価イオン（Ｃｕ２＋）の４重極質量分析器（ＱＭＳ）の
分析結果を表すＱＭＳ信号強度の時間的な変化を示すグ
ラフである。
ムト秒レーザーアブレーションした場合における、銅２
価イオン（Ｃｕ２＋）の４重極質量分析器（ＱＭＳ）の
分析結果を表すＱＭＳ信号強度の時間的な変化を示すグ
ラフである。
【図５】本発明による低速多価イオンビームの発生装置
の第２の実施の形態の概念構成説明図である。
の第２の実施の形態の概念構成説明図である。
【図６】飽和吸収分光部によるルビジウムの超微細構造
スペクトルを示すグラフである。
スペクトルを示すグラフである。
【図７】ルビジウムを磁気光学トラップした状態を示す
ＣＣＤカメライメージである。
ＣＣＤカメライメージである。
【図８】ＡＤＫ（Ａｍｍｏｓｏｖ、Ｄｅｌｏｎｅ、Ｋｒ
ａｉｎｏｖ）モデルによるルビジウムのトンネルイオン
化の解析結果を示すグラフであり、（ａ）（ｂ）（ｃ）
はいずれも光強度をパラメータとしており、（ａ）は
「Ｉ＝１０１４Ｗ／ｃｍ２」の場合を示し、（ｂ）は
「Ｉ＝１０１５Ｗ／ｃｍ２」の場合を示し、（ｃ）は
「Ｉ＝１０１６Ｗ／ｃｍ２」の場合を示している。
ａｉｎｏｖ）モデルによるルビジウムのトンネルイオン
化の解析結果を示すグラフであり、（ａ）（ｂ）（ｃ）
はいずれも光強度をパラメータとしており、（ａ）は
「Ｉ＝１０１４Ｗ／ｃｍ２」の場合を示し、（ｂ）は
「Ｉ＝１０１５Ｗ／ｃｍ２」の場合を示し、（ｃ）は
「Ｉ＝１０１６Ｗ／ｃｍ２」の場合を示している。
【図９】基板をＧａＡｓとしたときの多価イオン照射効
果を示すグラフである。
果を示すグラフである。
【図１０】リング電極の胴部内にＲＦトラップされた所
定の単一の価数に制御された多価イオンを出射させる際
の手法を示し、（ａ）は、多価イオンの出射方向とは逆
方向側に位置するキャップ電極に＋ＤＣパルス電圧を印
加することにより、リング電極の胴部内にＲＦトラップ
された所定の単一の価数に制御された多価イオンを掃き
出すようにした場合を示し、（ｂ）は、多価イオンの出
射方向側に位置するキャップ電極に−ＤＣパルス電圧を
印加することにより、リング電極の胴部内にＲＦトラッ
プされた所定の単一の価数に制御された多価イオンを引
き出すようにした場合を示す。
定の単一の価数に制御された多価イオンを出射させる際
の手法を示し、（ａ）は、多価イオンの出射方向とは逆
方向側に位置するキャップ電極に＋ＤＣパルス電圧を印
加することにより、リング電極の胴部内にＲＦトラップ
された所定の単一の価数に制御された多価イオンを掃き
出すようにした場合を示し、（ｂ）は、多価イオンの出
射方向側に位置するキャップ電極に−ＤＣパルス電圧を
印加することにより、リング電極の胴部内にＲＦトラッ
プされた所定の単一の価数に制御された多価イオンを引
き出すようにした場合を示す。
１０ 多価イオン生成部
１２ フェムト秒レーザーシステム
１４ サンプル（ｓａｍｐｌｅ）
２０ ＲＦトラップ制御部
２２ 真空チャンバー
２４ リング電極
２４ａ 胴部
２４ｂ 第１貫通孔
２４ｃ 第２貫通孔
２６、２８ キャップ電極
３０ ＲＦ＋ＤＣ電源
３２ ＤＣ電源
３４ ターボ分子ポンプ
３６ 可変リークバルブ
３８ バッファーガス供給システム
４０ ４重極質量分析器（ＱＭＳ：Ｑｕａｄ
ｒｕｐｏｌｅ Ｍａｓｓ Ｓｐｅｃｔｒｏｍｅｔｅｒ） ４２ 検出器（ＤＥＴ） １０２ 冷却用レーザー １０４ 再励起用レーザー １０６ 飽和吸収分光部 １０８ 光音響素子高速スイッチ部 １１０ 第１磁気光学トラップ部 １１２ ターゲット原子輸送部 １１４ 第２磁気光学／ＲＦトラップ部 １１６ ＭＣＰイオン検出部 １１８ フェムト秒レーザー
ｒｕｐｏｌｅ Ｍａｓｓ Ｓｐｅｃｔｒｏｍｅｔｅｒ） ４２ 検出器（ＤＥＴ） １０２ 冷却用レーザー １０４ 再励起用レーザー １０６ 飽和吸収分光部 １０８ 光音響素子高速スイッチ部 １１０ 第１磁気光学トラップ部 １１２ ターゲット原子輸送部 １１４ 第２磁気光学／ＲＦトラップ部 １１６ ＭＣＰイオン検出部 １１８ フェムト秒レーザー
フロントページの続き
(72)発明者 小林 徹
埼玉県和光市広沢２番１号 理化学研究
所内
(56)参考文献 特開 平８−213363（ＪＰ，Ａ)
特開 平４−67599（ＪＰ，Ａ)
特開 平10−69878（ＪＰ，Ａ)
特開 平６−102168（ＪＰ，Ａ)
(58)調査した分野(Int.Cl.7，ＤＢ名)
H01J 27/24
H01J 37/08
B23K 15/00 508
C23F 4/00
Claims (6)
- 【請求項１】 ターゲット原子をレーザー冷却するため
のレーザー光を出射する第１のレーザー手段と、 ターゲット原子から多価イオンを発生させるためのレー
ザー光を出射する第２のレーザー手段と、 前記第１のレーザー手段から出射されたレーザー光によ
ってターゲット原子をレーザー冷却してトラップする第
１のトラップ制御手段と、 前記第１のトラップ制御手段によってトラップされたタ
ーゲット原子を入力して、前記第１のレーザー手段から
出射されたレーザー光によって該入力したターゲット原
子をレーザー冷却してトラップするとともに、前記第２
のレーザー手段から出射されたレーザー光によって該ト
ラップしたターゲット原子から多価イオンを発生させ、
該発生された多価イオンのなかで所定の価数の多価イオ
ンのみをトラップするとともに、トラップした多価イオ
ンを所定の運動エネルギーで所定の方向に出力する第２
のトラップ制御手段とを有するものである低速多価イオ
ンビームの発生装置。 - 【請求項２】 請求項１に記載の低速多価イオンビーム
の発生装置において、 前記第２のレーザーは、フェムト秒レーザーである低速
多価イオンビームの発生装置。 - 【請求項３】 請求項１または請求項２のいずれか１項
に記載の低速多価イオンビームの発生装置において、 前記第２のトラップ制御手段は、筒状のリング電極と、
前記リング電極の軸方向における両方の端部側に配置さ
れた一対のキャップ電極と、前記リング電極にＲＦ周波
数のＲＦ電圧およびＤＣ電圧を印加するための第一の電
源と、前記一対のキャップ電極の一方にＤＣパルス電圧
を印加するための第二の電源とを有し、 前記第２のレーザー手段から出射されたレーザー光によ
って発生された多価イオンについて、前記リング電極に
対して前記第一の電源から印加されるＲＦ周波数のＲＦ
電圧およびＤＣ電圧に応じて、前記リング電極内におい
て所定の単一の価数の低速な多価イオンのみをトラップ
し、 前記一対のキャップ電極の一方に前記第二の電源により
ＤＣパルス電圧を印加することにより、前記一対のキャ
ップ電極の一方に印加するＤＣパルス電圧に応じた方向
ならびに速度で、前記リング電極内にトラップされた所
定の単一の価数に制御されたイオンを出射するものであ
る低速多価イオンビームの発生装置。 - 【請求項４】 ターゲット原子中の中性原子をレーザー
冷却するためのレーザー光を出射する第１のレーザー手
段と、 前記中性原子から多価イオンを発生させるためのレーザ
ー光を出射する第２のレーザー手段と、 前記第１のレーザー手段から出射されたレーザー光によ
って前記ターゲット原子の中から前記中性原子をレーザ
ー冷却してトラップする第１のトラップ制御手段と、 前記第１のトラップ制御手段によってトラップされた前
記中性原子を入力して、前記第１のレーザー手段から出
射されたレーザー光によって該入力した前記中性原子を
レーザー冷却してトラップするとともに、前記第２のレ
ーザー手段から出射されたレーザー光によって該トラッ
プした前記中性原子から多価イオンを発生させ、該発生
された前記多価イオンのなかで所定の価数の多価イオン
のみをトラップするとともに、該トラップした前記所定
の価数の多価イオンを所定の運動エネルギーで所定の方
向に出力する第２のトラップ制御手段とを有するもので
ある低速多価イオンビームの発生装置。 - 【請求項５】 請求項４に記載の低速多価イオンビーム
の発生装置において、 前記第２のレーザーは、フェムト秒レーザーである低速
多価イオンビームの発生装置。 - 【請求項６】 請求項４または請求項５のいずれか１項
に記載の低速多価イオンビームの発生装置において、 前記第２のトラップ制御手段は、筒状のリング電極と、
前記リング電極の軸方向における両方の端部側に配置さ
れた一対のキャップ電極と、前記リング電極にＲＦ周波
数のＲＦ電圧およびＤＣ電圧を印加するための第一の電
源と、前記一対のキャップ電極の一方にＤＣパルス電圧
を印加するための第二の電源とを有し、 前記第２のレーザー手段から出射されたレーザー光によ
って発生された多価イオンについて、前記リング電極に
対して前記第一の電源から印加されるＲＦ周波数のＲＦ
電圧およびＤＣ電圧に応じて、前記リング電極内におい
て所定の単一の価数の低速な多価イオンのみをトラップ
し、 前記一対のキャップ電極の一方に前記第二の電源により
ＤＣパルス電圧を印加することにより、前記一対のキャ
ップ電極の一方に印加するＤＣパルス電圧に応じた方向
ならびに速度で、前記リング電極内にトラップされた所
定の単一の価数に制御されたイオンを出射するものであ
る低速多価イオンビームの発生装置。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2000019487A JP3449473B2 (ja) | 2000-01-28 | 2000-01-28 | 低速多価イオンビームの発生装置 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2000019487A JP3449473B2 (ja) | 2000-01-28 | 2000-01-28 | 低速多価イオンビームの発生装置 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JP2001210247A JP2001210247A (ja) | 2001-08-03 |
| JP3449473B2 true JP3449473B2 (ja) | 2003-09-22 |
Family
ID=18546175
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP2000019487A Expired - Fee Related JP3449473B2 (ja) | 2000-01-28 | 2000-01-28 | 低速多価イオンビームの発生装置 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP3449473B2 (ja) |
Families Citing this family (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2006080029A (ja) * | 2004-09-13 | 2006-03-23 | Japan Atom Energy Res Inst | 微小イオンビーム発生方法及び装置 |
| JP5794990B2 (ja) * | 2009-09-18 | 2015-10-14 | エフ・イ−・アイ・カンパニー | 分散イオン源加速カラム |
-
2000
- 2000-01-28 JP JP2000019487A patent/JP3449473B2/ja not_active Expired - Fee Related
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JP2001210247A (ja) | 2001-08-03 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| JP4664315B2 (ja) | イオントラップ及びイオントラップ内のイオン開裂方法 | |
| US5864136A (en) | Mass spectrometry method with two applied trapping fields having the same spatial form | |
| JP7286192B2 (ja) | イオンの活性化及び貯蔵を強化するためのセグメント化リニアイオントラップおよび当該リニアイオントラップにおいてイオンを処理する方法 | |
| JP3020490B2 (ja) | イオントラップを利用した質量分析方法 | |
| JP5697259B2 (ja) | イオンを冷却するためのイオントラップ | |
| JP4312708B2 (ja) | 衝突エネルギーを変化させることによる質量分析における広いイオンフラグメント化範囲を得る方法 | |
| JP5289937B2 (ja) | 質量分析法、質量分析計、質量分析計の制御装置により実行されるコンピュータプログラムおよびコンピュータプログラムを保存しているコンピュータ記憶媒体 | |
| US5381007A (en) | Mass spectrometry method with two applied trapping fields having same spatial form | |
| JP4331398B2 (ja) | パルスイオン源及びイオン運動を制動するための輸送デバイスを備えた分析計並びにその使用方法 | |
| JP2007188882A (ja) | 線形イオン処理装置の軸に沿ったイオン運動エネルギーの増加 | |
| JP3676298B2 (ja) | 化学物質の検出装置および化学物質の検出方法 | |
| CA2643534C (en) | Fragmentation methods for mass spectrometry | |
| JP2010244903A (ja) | 質量分析装置 | |
| JPH02103856A (ja) | イオントラップ型質量分析計の操作方法 | |
| Williams et al. | Determination of positions, velocities, and kinetic energies of resonantly excited ions in the quadrupole ion trap mass spectrometer by laser photodissociation | |
| Skalyga et al. | Gasdynamic ECR source of multicharged ions based on a cusp magnetic trap | |
| JP3449473B2 (ja) | 低速多価イオンビームの発生装置 | |
| Nusinovich et al. | Cherenkov radiation of electromagnetic waves by electron beams in the absence of an external magnetic field | |
| JP2003059699A (ja) | イオン加速装置 | |
| Belloni et al. | Study of particle acceleration of Cu plasma | |
| Li et al. | Sympathetic cooling of trapped negative ions by self-cooled electrons in a fourier transform ion cyclotron resonance mass spectrometer | |
| JP4367336B2 (ja) | 質量分析装置 | |
| JP5333072B2 (ja) | イオントラップ装置 | |
| JPH0684835A (ja) | 表面処理方法及びその装置 | |
| Hasselbrink | Photodynamics on surfaces revealed by laser studies |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| R250 | Receipt of annual fees |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R250 |
|
| LAPS | Cancellation because of no payment of annual fees |