JPH0527211B2 - - Google Patents

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JPH0527211B2
JPH0527211B2 JP59066895A JP6689584A JPH0527211B2 JP H0527211 B2 JPH0527211 B2 JP H0527211B2 JP 59066895 A JP59066895 A JP 59066895A JP 6689584 A JP6689584 A JP 6689584A JP H0527211 B2 JPH0527211 B2 JP H0527211B2
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JP
Japan
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state
laser beam
laser
substance
ion beam
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JP59066895A
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Japanese (ja)
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JPS60208035A (en
Inventor
Yoshihiro Ueda
Koichi Ono
Tatsuo Oomori
Shigeto Fujita
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Mitsubishi Electric Corp
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Mitsubishi Electric Corp
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Publication date
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    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01JELECTRIC DISCHARGE TUBES OR DISCHARGE LAMPS
    • H01J37/00Discharge tubes with provision for introducing objects or material to be exposed to the discharge, e.g. for the purpose of examination or processing thereof
    • H01J37/02Details
    • H01J37/04Arrangements of electrodes and associated parts for generating or controlling the discharge, e.g. electron-optical arrangement or ion-optical arrangement
    • H01J37/08Ion sources; Ion guns
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01JELECTRIC DISCHARGE TUBES OR DISCHARGE LAMPS
    • H01J27/00Ion beam tubes
    • H01J27/02Ion sources; Ion guns
    • H01J27/24Ion sources; Ion guns using photo-ionisation, e.g. using laser beam

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Description

【発明の詳細な説明】 〔発明の技術分野〕 本発明は、半導体加工装置をはじめ材料改質、
材料合成等に使われるイオンビーム発生装置に関
するものである。
[Detailed Description of the Invention] [Technical Field of the Invention] The present invention relates to semiconductor processing equipment, material modification,
This relates to ion beam generators used for materials synthesis, etc.

〔従来技術〕[Prior art]

従来、イオンビーム発生装置によるイオン発生
方法としては、種々の手法が考えられ実用化され
て来た。その大部分は放電を利用したものであつ
たが、近年レーザ光を使つたイオン源が考え出さ
れて来ている。このレーザ光等の光を使つた方式
には2つあり、1つはレーザ光を金属等の固体に
照射してそのプラズマをイオン源として使つた
り、レーザ光を集光して気体、液体に照射してプ
ラズマを作り、これをイオン源としたりするもの
であり、他の1つは波長の可変な光源を使い、レ
ーザ光等の単一波長を対象とするイオン化される
べき物質のエネルギ準位に共鳴されて該物質をイ
オン化させるものであり、本発明は後者に関する
ものである。
Conventionally, various methods have been considered and put into practical use as ion generation methods using ion beam generators. Most of them used electric discharge, but in recent years ion sources using laser light have been devised. There are two methods of using light such as laser light. One is to irradiate a solid such as a metal with laser light and use the resulting plasma as an ion source, and the other is to focus laser light to release gas or liquid. The other method uses a wavelength-tunable light source, which targets the energy of the substance to be ionized with a single wavelength such as a laser beam, and uses it as an ion source. The substance is ionized by resonance with the level, and the present invention relates to the latter.

〔発明の概要〕[Summary of the invention]

本発明は、イオン化されるべき物質をレーザビ
ームの照射によりその基底状態からリユードベル
グ状態に共鳴光励起し、上記レーザビームに同期
したパルスガス放電により該物質の電離限界に近
いリユードベルグ状態(Rydberg level)からイ
オン状態にすることにより、従来の共鳴光励起、
イオン化方式に比べ入力光エネルギに対するイオ
ン化効率を3桁以上向上でき、かつ選択イオン化
における選択性に優れたコンパクトな低エネルギ
ーイオンビーム発生装置を提供することを目的と
している。
The present invention involves resonant optical excitation of a substance to be ionized from its ground state to the Rydberg state by irradiation with a laser beam, and ionization from the Rydberg level near the ionization limit of the substance by pulsed gas discharge synchronized with the laser beam. Conventional resonant optical excitation, by making the state
It is an object of the present invention to provide a compact low-energy ion beam generator that can improve the ionization efficiency for input optical energy by three orders of magnitude or more compared to the ionization method, and has excellent selectivity in selective ionization.

〔発明の実施例〕[Embodiments of the invention]

まず本発明装置におけるイオン化方法をマグネ
シウムイオンビームを発生する場合を例にとつて
従来の方法と比較しつつ説明する。第1図はマグ
ネシウム中性原子のエネルギ準位図である。
First, the ionization method in the apparatus of the present invention will be explained using an example of generating a magnesium ion beam and comparing it with a conventional method. FIG. 1 is an energy level diagram of a neutral magnesium atom.

従来のイオン化方法は、例えば波長が2853Å、
5528Åの2本のレーザビームB1,B2をイオン
化させたいマグネシウム蒸気に照射する方法であ
り、即ち基底状態3s(1)にあるマグネシウム原子
をまず2853ÅのレーザビームB1により第1励起
状態3p(1P0)に共鳴励起し、その後5528Åのレー
ザビームB2によりエネルギ準位3d(1D)に共鳴
励起し、さらに2853ÅのレーザビームB1でイオ
ン化させるものである。
Conventional ionization methods, for example, have a wavelength of 2853 Å,
This is a method of irradiating the magnesium vapor to be ionized with two 5528 Å laser beams B1 and B2. In other words, magnesium atoms in the ground state 3s ( 1 ) are first ionized by the 2853 Å laser beam B1 into the first excited state 3p ( 1 P). 0 ), then resonant excitation to energy level 3d ( 1 D) with a 5528 Å laser beam B2, and further ionization with a 2853 Å laser beam B1.

本発明装置におけるイオン化方法が上記従来の
イオン化方法と異なる点はマグネシウム蒸気を第
1励起状態3p(1P0)からリユードベルグ状態13d
1D)に励起し、さらに該励起蒸気を放電により
イオン化する点である。例えば、リユードベルグ
状態13d(1D)にする場合は波長3859Åのレーザ
ビームB3によりリユードベルグ状態に共鳴励起
させ、さらに該励起蒸気をイオン化するには該蒸
気に放電をレーザビームB3と共に印加すること
により、このリユードベルグ状態にあるマグネシ
ウム中性原子を放電による電子衝突等で電離する
ものである。
The difference between the ionization method in the device of the present invention and the conventional ionization method described above is that the magnesium vapor changes from the first excited state 3p ( 1 P 0 ) to the Lyudberg state 13d.
( 1D ), and the excited vapor is further ionized by electric discharge. For example, to create the Ryudberg state 13d ( 1 D), the Ryudberg state is resonantly excited by a laser beam B3 with a wavelength of 3859 Å, and to further ionize the excited vapor, a discharge is applied to the vapor together with the laser beam B3. Magnesium neutral atoms in this Ryudberg state are ionized by electron collisions caused by discharge.

ここでリユードベルグ状態とは、一般に基底状
態に比べ10程度以上大きな主量子数nをもつ原子
の高励起状態のことを言う。マグネシウム中性原
子の場合、基底状態は3s(1S),n=3であり、
リユードベルグ状態はn≧13程度の高励起状態の
ことを示す。
Here, the Ryudberg state generally refers to a highly excited state of an atom that has a principal quantum number n that is about 10 or more larger than the ground state. In the case of a neutral magnesium atom, the ground state is 3s ( 1 S), n=3,
The Ryudberg state indicates a highly excited state where n≧13.

ところで、有効主量子数n*のリユードベルグ
状態の放射による寿命は、τr∝n*3であり、衝
突が無視できる程度の低いガス圧力のもとでは、
n*が大きい高励起状態であるほど放射寿命τr
長くなる。第5図にマグネシウム中性原子のd状
態についての放射寿命τr(ns)=1.38×(n*−
0.0144)3の関係を示す。マグネシウム中性原子の
リユードベルグ状態13d(1D)に関してはn*=
12.04であり、τr〜2.6μs程度であるが、より高い
即ちより電離限界に近いリユードベルグ状態例え
ば30d(1D)準位に関してはτr〜37μsとより長く
なる。一方、第1励起状態3p(1P0)についてはn
*=2.03でありτr〜10ns程度であり、リユードベ
ルグ状態と比較して放射寿命は極めて短い。
By the way, the radiative lifetime of the Ryudberg state with effective principal quantum number n* is τ r ∝n* 3 , and under gas pressure so low that collisions can be ignored,
The higher the excited state is, the larger n* is, the longer the radiation lifetime τ r becomes. Figure 5 shows the radiative lifetime τ r (ns) = 1.38×(n*−
0.0144) shows the relationship of 3 . For the Lyudberg state 13d ( 1 D) of the neutral magnesium atom, n*=
12.04, which is about τ r ~2.6 μs, but for a higher Rydberg state, that is, closer to the ionization limit, such as the 30d ( 1 D) level, it becomes longer, τ r ~37 μs. On the other hand, for the first excited state 3p ( 1 P 0 ), n
*=2.03, τ r ~10 ns, and the radiative lifetime is extremely short compared to the Ryudberg state.

従つて、マグネシウム中性原子の基底状態3s
1S)を波長λ1=2853Åのレーザ光によつて第1
の励起状態3p(1P0)に励起し、更にこの3p(1P0
準位を波長λ2=3859Åのレーザ光によつてリユー
ドベルグ状態13d(1D)に励起し、この13d(1D)
準位をパルスガス放電によつてイオン化する本発
明装置におけるイオン化方法の例の場合、マグネ
シウム蒸気を同期した第1のレーザ光λ1、第2の
レーザ光λ2によつて共鳴励起した後、リユードベ
ルグ状態13d(1D)の放射寿命τr〜2.6μs程度の間
に放電電界を印加して該準位をイオン化すればよ
く、>100V程度の電圧を立上り・立下り時間<
1μs程度で発生可能な通常のパルス放電電源を用
いることができる。
Therefore, the ground state 3s of the magnesium neutral atom
( 1 S) with a laser beam of wavelength λ 1 = 2853 Å.
is excited to the excited state 3p ( 1 P 0 ), and further this 3p ( 1 P 0 )
The level is excited to the Ryudberg state 13d ( 1 D) by a laser beam with wavelength λ 2 = 3859 Å, and this 13d ( 1 D)
In the case of an example of the ionization method in the device of the present invention in which levels are ionized by pulsed gas discharge, magnesium vapor is resonantly excited by synchronized first laser light λ 1 and second laser light λ 2 , and then the Ryudberg It is sufficient to ionize the level by applying a discharge electric field during the radiation lifetime of state 13d ( 1 D) τ r ~2.6 μs, and apply a voltage of about >100 V with a rise/fall time of <
A normal pulse discharge power source that can generate the discharge in about 1 μs can be used.

従来のイオン化方法に従う一例である第1励起
状態3p(1P0)から直接に光イオン化する場合、そ
の光電離断面積はσi=3.06×10-28[λ2(Å)]3cm2

あり、従つてその電離速度はW=1.54×10-13[λ2
(Å)]4I(W/cm2)sec-1となる。ここで、レーザ
光波長λ2は,電離限界を超えるためλ2<3756Åで
ある必要がある。第6図はこの電離速度Wをレー
ザ光波長λ2の関数として色々なレーザ光強度Iに
対して示す。図示のようにある一定のレーザ光強
度において波長λ2を変化させると電離速度Wは連
続的に変化する。
When photoionizing directly from the first excited state 3p ( 1 P 0 ), which is an example of following the conventional ionization method, the photoionization cross section is σ i =3.06×10 -282 (Å)] 3 cm 2
Therefore, the ionization rate is W=1.54×10 -132
(Å)] 4 I (W/cm 2 ) sec -1 . Here, since the laser light wavelength λ 2 exceeds the ionization limit, it is necessary that λ 2 <3756 Å. FIG. 6 shows this ionization rate W as a function of the laser light wavelength λ 2 for various laser light intensities I. As shown in the figure, when the wavelength λ 2 is changed at a certain laser light intensity, the ionization rate W changes continuously.

一方、この発明におけるイオン化方法の場合、
波長λ2=3859Åのレーザ光による第1励起状態
3p(1P0)からリユードベルグ状態13d(1D)への
光励起断面積はσex×=9.91×10-2[λ2(Å)]3cm2

あり、従つてその励起速度はレーザ光強度をIと
するとW=8.31×10-10[λ2(Å)]4I(W/cm2
sec-1となる、但し、上記の値は、第1励起状態
3p(1P0)からリユードベルグ状態13d(1D)への
光吸収スペクトルは室温でのドツプラー広がりを
有し、レーザ光のスペクトル幅はドツプラー広が
りの10倍程度として計算したものである。このよ
うなリユードベルグ状態13d(1D)を放電による
電子衝突によりイオン化する場合、1012sec-1
上の速い速度でイオンと電子とに分離する。従つ
て、この励起速度Wを第1励起状態3p(1P0)の波
長3859Åのレーザ光によるリユードベルグ状態
13d(1D)を経由しての放電による電離速度とす
ることができる。第7図にこの電離速度Wをいく
つかのリユードベルグ状態nd(1D)(n=13〜15,
21,30)に関して色々なレーザ光強度Iに対して
示す。ある一定のレーザ光強度においてレーザ波
長λ2を変化させると、第1励起状態3p(1P0)から
リユードベルグ状態nd(1D)への遷移3p(1P0)−
nd(1D)に共鳴する波長λ2においてのみ電離速度
Wは有限の値を示し、それ以外の波長においてW
=0となる。第6図と第7図を比較すると、リユ
ードベルグ状態を経由してのイオン化の電離速度
Wは、従来の光イオン化より3桁以上大きいこと
がわかる。
On the other hand, in the case of the ionization method in this invention,
First excited state by laser light with wavelength λ 2 = 3859 Å
The photoexcitation cross section from 3p ( 1 P 0 ) to Ryudberg state 13d ( 1 D) is σ ex × = 9.91 × 10 -22 (Å)] 3 cm 2
Therefore, the excitation speed is W=8.31×10 -102 (Å)] 4 I (W/cm 2 ), where the laser light intensity is I.
sec -1 , however, the above value is the first excited state
The optical absorption spectrum from 3p ( 1 P 0 ) to Ryudberg state 13d ( 1 D) has a Doppler broadening at room temperature, and the spectral width of the laser beam was calculated as being about 10 times the Doppler broadening. When such Ryudberg state 13d ( 1 D) is ionized by electron collision due to discharge, it separates into ions and electrons at a high speed of 10 12 sec -1 or more. Therefore, this excitation speed W is expressed as the Ryudberg state caused by the laser beam with a wavelength of 3859 Å in the first excited state 3p ( 1 P 0 ).
The ionization rate due to discharge via 13d ( 1 D) can be taken as the ionization rate. Figure 7 shows this ionization rate W in several Ryudberg states nd ( 1 D) (n = 13 to 15,
21, 30) are shown for various laser light intensities I. When the laser wavelength λ 2 is changed at a certain laser light intensity, a transition from the first excited state 3p ( 1 P 0 ) to the Ryudberg state nd ( 1 D) 3p ( 1 P 0 ) −
The ionization rate W shows a finite value only at the wavelength λ 2 that resonates with nd ( 1 D), and at other wavelengths W
=0. Comparing FIG. 6 and FIG. 7, it can be seen that the ionization rate W of ionization via the Ryudberg state is more than three orders of magnitude larger than that of conventional photoionization.

ところで、従来のイオン化方法として波長λ1
2853Åのレーザ光によつて基底状態3s(1S)から
第1励起状態3p(1P0)に励起したマグネシウム中
性原子を放電によつて直接電離するイオン化方法
も考えられる。この場合には、上記のように3p
1P0)準位の放射寿命がτr〜10ns程度と極めて短
いため、レーザ光λ1を照射した後〜10nsと極めて
短い時間の間に電離のための放電電界を印加する
必要がある。従つて、このイオン化方法には、>
100V程度の電圧を〜10nsの超短時間の間に発生
することが可能な特殊な短パルス放電電源が必要
となるが、このような装置は規模が大きく、しか
も高価である。これと比較して、本発明装置のイ
オン化方法に係るリユードベルグ状態の放電によ
る電離は極めてコンパクトで安価な通常のパルス
放電電源で達成できる。
By the way, in the conventional ionization method, the wavelength λ 1 =
Another possible ionization method is to directly ionize magnesium neutral atoms excited by a 2853 Å laser beam from the ground state 3s ( 1 S) to the first excited state 3p ( 1 P 0 ) by discharge. In this case, 3p as above
Since the radiative lifetime of the ( 1 P 0 ) level is extremely short, τ r ~10 ns, it is necessary to apply a discharge electric field for ionization for an extremely short time of ~10 ns after irradiation with the laser beam λ 1 . . Therefore, this ionization method requires >
A special short-pulse discharge power supply that can generate a voltage of about 100V in an extremely short period of ~10ns is required, but such equipment is large-scale and expensive. In comparison, ionization by Ryudberg state discharge according to the ionization method of the apparatus of the present invention can be achieved with an extremely compact and inexpensive ordinary pulse discharge power source.

従つて、この発明にけるイオン化方法の場合、
従来の共鳴光励起・イオン化方式に比べ、入力光
エネルギーに対するイオン化効率が3桁以上高く
なり、しかも完全に共鳴のみを使うためレーザビ
ームのエネルギ準位、波長を不純物原子のそれら
と一致しないように選択すればイオン化させたい
物質のみをイオン化でき、しかも純度の高いもの
ができる。更に、この発明におけるイオン化方法
の場合、リユードベルグ状態よりも遥かに低い励
起状態を放電によりイオン化する方式と比較して
も、特殊で高価な短パルス放電電源を用いること
なく、従来のコンパクトで安価なパルス放電電源
によつて達成できる利点がある。
Therefore, in the case of the ionization method according to the present invention,
Compared to the conventional resonant optical excitation/ionization method, the ionization efficiency for the input light energy is more than three orders of magnitude higher, and since only resonance is used, the energy level and wavelength of the laser beam are selected so that they do not match those of the impurity atoms. By doing this, you can ionize only the substance you want to ionize, and you can also achieve high purity. Furthermore, in the case of the ionization method of the present invention, even compared to the method of ionizing an excited state far lower than the Ryudberg state by discharge, the ionization method of the present invention does not require the use of a special and expensive short pulse discharge power source, and can be used in a conventional compact and inexpensive manner. There are advantages that can be achieved with pulsed discharge power supplies.

また上記レーザビームの波長を変えることによ
り、容易に多種の物質のイオンビームを発生する
ことができ、この場合イオン化される多種の物質
を前もつてイオンビーム発生容器内に導入してお
いても良い。このように発生するイオンビームの
種類を容易に変えることができる本発明の手法は
従来の方法にないものであり、イオンビームで処
理する2つ以上の行程を連続して行なうことがで
きる利点がある。
In addition, by changing the wavelength of the laser beam, ion beams of various kinds of substances can be easily generated, and in this case, various kinds of substances to be ionized can be introduced into the ion beam generation container in advance. good. The method of the present invention, which allows the type of ion beam generated to be easily changed, is different from conventional methods, and has the advantage of being able to perform two or more processing steps using an ion beam in succession. be.

次にこの発明の実施例を図について説明する。 Next, embodiments of the invention will be described with reference to the drawings.

第2図は本発明の第1の実施例を示す。図にお
いて、1はイオン化されるべき物質が導入される
容器、1aは上記物質を該容器1内に導入するた
めのガス導入孔、1bはガス排出孔、3a,3b
は図示しないレーザビーム発生部からのレーザビ
ームB1,B3を上記容器1内に導入する窓であ
り、該容器1内のレーザビームB1,B3が交差
する空間はイオン生成空間4となつている。な
お、上記レーザビーム発生部としては、波長可変
レーザ又は自由電子レーザ等のレーザが用いられ
る。
FIG. 2 shows a first embodiment of the invention. In the figure, 1 is a container into which a substance to be ionized is introduced, 1a is a gas introduction hole for introducing the substance into the container 1, 1b is a gas discharge hole, 3a, 3b
1 is a window through which laser beams B1 and B3 from a laser beam generation section (not shown) are introduced into the container 1, and a space in the container 1 where the laser beams B1 and B3 intersect is an ion generation space 4. Note that as the laser beam generating section, a laser such as a wavelength tunable laser or a free electron laser is used.

5,6は上記イオン生成空間4を挟んで配置さ
れた電極、5a,6aは上記電極5,6に電圧を
印加する端子であり、これらは上記イオン生成空
間4において高周波ガス放電を生ぜしめるガス放
電発生部15を構成しており、該ガス放電発生部
15は、上記物質がそのリユードベルグ状態から
イオン状態になるに充分なように共鳴するような
高周波電源を有している。なお、上記イオン化さ
れるべき物質が化合物又は分子状態のガスとして
容器1に導入される場合は、上記イオン化のため
のガス放電が上記物質を中性元素状態にするため
のガス放電を兼ねるようにしてもよい。
Reference numerals 5 and 6 are electrodes arranged with the ion generation space 4 in between; 5a and 6a are terminals for applying voltage to the electrodes 5 and 6; The gas discharge generator 15 constitutes a discharge generator 15, and the gas discharge generator 15 has a high frequency power source that resonates enough to change the substance from its Rydberg state to an ion state. Note that when the substance to be ionized is introduced into the container 1 as a gas in a compound or molecular state, the gas discharge for the ionization also serves as a gas discharge for converting the substance into a neutral element state. It's okay.

8は試料、8aは該試料8を保持する試料台で
あり、該試料台8aと上記電極6との間には直流
電圧が印加され、これによりイオン化された物質
をイオンビームとして引き出すための引き出し電
界が発生される。
8 is a sample, and 8a is a sample stand that holds the sample 8. A direct current voltage is applied between the sample stand 8a and the electrode 6, and a drawer is used to extract the ionized substance as an ion beam. An electric field is generated.

次に動作について説明する。 Next, the operation will be explained.

本実施例装置により、マグネシウムのイオンビ
ームを発生する場合を考える。まず容器1にガス
導入孔1aよりマグネシウム蒸気10を導入す
る。そして上記レーザビーム発生部が発振し、こ
れにより波長2853ÅのレーザビームB1が窓3a
を介して上記容器1に導入され、また3859Åのレ
ーザビームB3が窓3bを介して同様に導入さ
れ、両ビームB1,B3が容器1内のイオン生成
空間4において交差し、これにより上記マグネシ
ウム蒸気10は、2853ÅのレーザビームB1によ
り基底状態3s(1S)から第1励起状態3p(1P0)に
共鳴励起され、さらに3859ÅのレーザビームB3
により上記第1励起状態3p(1P0)からリユードベ
ルグ状態13d(1D)に階段状に共鳴励起される。
Let us consider the case where a magnesium ion beam is generated by the apparatus of this embodiment. First, magnesium vapor 10 is introduced into the container 1 through the gas introduction hole 1a. Then, the laser beam generating section oscillates, thereby emitting a laser beam B1 with a wavelength of 2853 Å to the window 3a.
A laser beam B3 of 3859 Å is also introduced into the container 1 through the window 3b, and both beams B1 and B3 intersect in the ion production space 4 in the container 1, whereby the magnesium vapor 10 is resonantly excited from the ground state 3s ( 1 S) to the first excited state 3p ( 1 P 0 ) by the 2853 Å laser beam B1, and further excited by the 3859 Å laser beam B3.
As a result, the first excited state 3p ( 1 P 0 ) is resonantly excited stepwise to the Ryudberg state 13d ( 1 D).

また上記レーザ発振と時間的に同期して電極5
と電極6の各々に端子5a,6aから>100V程
度の電圧が印加され、これにより、上記リユード
ベルグ状態13d(1D)にあるマグネシウム蒸気1
0にガス放電による電子が衝突し、その結果マグ
ネシウム蒸気10はイオン化される。また上記電
極6と試料台8aとの間には直流電圧が印加され
ており、これにより上記イオン化されたマグネシ
ウム蒸気10はマグネシウムのイオンのみからな
るイオンビーム9として引き出され、該イオンビ
ーム9は上記試料8に照射される。イオンビーム
9のエネルギViは、電極6と試料8aとの間に印
加される電圧Vaによつて決まる。例えば、Va
100Vとすると、Vi=Va=100V程度の低いエネル
ギのイオンビームを得ることができる。
Also, in time synchronization with the laser oscillation, the electrode 5
A voltage of about >100 V is applied to each of the electrodes 6 and 6 from the terminals 5a and 6a, and as a result, the magnesium vapor 1 in the Lyudberg state 13d ( 1 D)
Electrons from the gas discharge collide with the magnesium vapor 10, and as a result, the magnesium vapor 10 is ionized. Further, a DC voltage is applied between the electrode 6 and the sample stage 8a, whereby the ionized magnesium vapor 10 is extracted as an ion beam 9 consisting only of magnesium ions. The sample 8 is irradiated. The energy V i of the ion beam 9 is determined by the voltage V a applied between the electrode 6 and the sample 8a. For example, V a =
When the voltage is 100V, an ion beam with a low energy of about V i =V a =100V can be obtained.

以上の動作説明における本実施例の特徴を示す
と、まず第1に本実施例は完全に共鳴のみを用い
て選択イオン化を行なうものであるので、上記容
器1内にイオン化させるべき物質、この場合マグ
ネシウム、以外の不純物、酸素、窒素、炭素、水
素等が含まれていて、しかもその量がマグネシウ
ムより多くても、レーザビームのエネルギ準位、
波長を上記不純物等のそれらと一致させないよう
にして希望の元素、この場合はマグネシウム、の
みがイオン化された純粋なマグネシウムイオンビ
ームが得られる。
The characteristics of this embodiment in the above operation description are as follows: First of all, since this embodiment performs selective ionization completely using only resonance, the substance to be ionized in the container 1, in this case, Even if it contains impurities other than magnesium, such as oxygen, nitrogen, carbon, hydrogen, etc., and the amount is larger than magnesium, the energy level of the laser beam,
A pure magnesium ion beam in which only the desired element, in this case magnesium, is ionized can be obtained by making the wavelength not coincident with those of the above-mentioned impurities.

第2に本実施例は上述のとおり、選択イオン化
を行なうものであり、かつ共鳴光励起によるイオ
ン化を行なうものであるので、電子や他の元素が
励起されたり、エネルギ吸収により温度上昇した
りすることはなく、その結果イオンビームを照射
する対象試料8、例えば半導体の場合は基板、の
温度を上昇させることはなく、低温処理ができ
る。
Second, as mentioned above, this embodiment performs selective ionization and ionization by resonant optical excitation, so there is no possibility that electrons or other elements will be excited or that the temperature will rise due to energy absorption. As a result, low-temperature processing can be performed without increasing the temperature of the target sample 8 to be irradiated with the ion beam, such as a substrate in the case of a semiconductor.

第3に本実施例は上述のとおり、リユードベル
グ状態を放電によりイオン化してイオンを引き出
す際の印加電圧によりイオンビームのエネルギを
制御することができ、低いエネルギのイオンビー
ムを得ることができる。従つて、該イオンビーム
を照射する対象試料8、例えば半導体基板に損傷
を与えることなく表面を処理することができる。
また、このような低いエネルギのイオンビーム
は、ビームを引き出した後、更に加速することに
よつて高いエネルギのイオンビームとして用いる
こともできる。従つて、本実施例におけるイオン
ビームは、100V以下の低エネルギから1MV以上
の高エネルギまで広いエネルギ範囲のイオンビー
ムに対応できるイオン源となる。
Thirdly, in this embodiment, as described above, the energy of the ion beam can be controlled by the applied voltage when the Ryudberg state is ionized by discharge and the ions are extracted, and an ion beam with low energy can be obtained. Therefore, the surface of the target sample 8 to be irradiated with the ion beam, such as a semiconductor substrate, can be treated without damaging it.
Further, such a low energy ion beam can be used as a high energy ion beam by further accelerating the beam after extraction. Therefore, the ion beam in this embodiment is an ion source that can handle ion beams in a wide energy range from low energy of 100 V or less to high energy of 1 MV or more.

第4にイオンビームの種類や特性を変える場合
はレーザビームの波長及び印加電圧を変えれば良
く、従来のような試料を取り出したり、イオン源
部を交換するために容器を開閉したりする必要は
なく、従つて、イオン注入とアニーリング等の連
続動作が容易にできる。
Fourth, if you want to change the type or characteristics of the ion beam, you can simply change the wavelength of the laser beam and the applied voltage, and there is no need to open and close the container to take out the sample or replace the ion source, as in the past. Therefore, continuous operations such as ion implantation and annealing can be easily performed.

第3図は本発明の第2の実施例を示す。図にお
いて、第2図と同一符号は同一又は相当部分を示
し、13はイオン化させるべき物質12を収容す
るオーブン、13aは上記オーブン13の外周に
設けられたヒータ、11はイオン化されたマグネ
シウム蒸気10を容器1の軸心に集束せしめるマ
グネツト、14は上記集束されたマグネシウム蒸
気10をイオンビーム9として引き出す引き出し
電極である。
FIG. 3 shows a second embodiment of the invention. In the figure, the same reference numerals as in FIG. 2 indicate the same or corresponding parts, 13 is an oven containing the substance 12 to be ionized, 13a is a heater provided on the outer periphery of the oven 13, 11 is ionized magnesium vapor 10 14 is an extraction electrode that extracts the focused magnesium vapor 10 as an ion beam 9.

次に動作について説明する。 Next, the operation will be explained.

オーブン13内にイオン化させる物質であるマ
グネシウム12を入れ、ヒータ13aによりオー
ブン13を加熱すると上記マグネシウム12が溶
融、気化してマグネシウム蒸気10が発生し、該
蒸気10はガス導入孔1aを通つて容器1内に導
入される。そして2853ÅのレーザビームB1と
3859ÅのレーザビームB3が各々窓3a,3bを
介して上記容器1内に導入されて上記蒸気10に
照射され、また同時に電極5,6に>100V程度
の電圧が印加されて上記蒸気10にガス放電によ
る電子が衝突する。するとこれにより蒸気10は
基底状態3s(1S)から第1励起状態3p(1P0)を経
てリユードベルグ状態13d(1D)に階段状に励起
され、さらに上記ガス放電による電子衝突により
リユードベルグ状態13d(1D)にあるマグネシウ
ム蒸気10の電子が自由電子となり、これにより
イオン生成空間4にマグネシウムイオンが生成さ
れ、該マグネシウムイオンはマグネツト11によ
り軸心に集束された後、引き出し電極14によつ
てイオンビーム9として放出される。
Magnesium 12, which is a substance to be ionized, is placed in the oven 13, and when the oven 13 is heated by the heater 13a, the magnesium 12 is melted and vaporized to generate magnesium vapor 10, which is passed through the gas introduction hole 1a into the container. 1. And laser beam B1 of 2853Å
A laser beam B3 of 3859 Å is introduced into the container 1 through the windows 3a and 3b, respectively, and irradiates the vapor 10. At the same time, a voltage of about >100 V is applied to the electrodes 5 and 6 to cause the vapor 10 to become a gas. Electrons from the discharge collide. As a result, the vapor 10 is excited in a stepwise manner from the ground state 3s ( 1 S) to the Ryudberg state 13d ( 1 D) via the first excited state 3p ( 1 P 0 ), and further changes to the Ryudberg state due to the electron collision caused by the gas discharge. The electrons in the magnesium vapor 10 at 13d ( 1D ) become free electrons, which generates magnesium ions in the ion generation space 4. After the magnesium ions are focused to the axis by the magnet 11, they are focused by the extraction electrode 14. The ions are then emitted as an ion beam 9.

第4図は本発明の第3の実施例によるイオンビ
ーム発生装置におけるレーザ発振装置の構成例で
ある。
FIG. 4 shows an example of the configuration of a laser oscillation device in an ion beam generator according to a third embodiment of the present invention.

本発明におけるイオン生成のためのレーザビー
ムとガス放電とは時間的に同期される必要があ
り、また階段状に元素を励起させるためには複数
の各々特定周波数のレーザビームが必要であり、
該複数のレーザビームももちろん同期させる必要
がある訳であるが、第4図はその同期方法の一例
を示すものである。
In the present invention, the laser beam and gas discharge for ion generation need to be synchronized in time, and in order to excite the elements in a stepwise manner, a plurality of laser beams each having a specific frequency are required.
Of course, it is necessary to synchronize the plurality of laser beams, and FIG. 4 shows an example of a synchronization method.

本レーザ発振装置20は、3台の波長可変のダ
イレーザ22,23,24と、該各ダイレーザ2
2〜24を励起するための励起源レーザ21と、
ハーフミラー25,26、全反射ミラー27とか
ら構成されている。このように励起源を1台のレ
ーザ1で構成したことにより、発振するレーザビ
ームω1,ω2,ω3は時間的に同期されたもの
となる。そして上記励起源レーザ21の発振と、
上記電極5,6への電圧印加を同時に行なうこと
により、レーザビームとガス放電とを時間的に同
期することとなる。
This laser oscillation device 20 includes three wavelength-tunable dye lasers 22, 23, and 24, and each dye laser 2.
an excitation source laser 21 for exciting 2 to 24;
It is composed of half mirrors 25 and 26 and a total reflection mirror 27. By configuring the excitation source with one laser 1 in this manner, the oscillated laser beams ω1, ω2, and ω3 are temporally synchronized. and oscillation of the excitation source laser 21,
By simultaneously applying voltage to the electrodes 5 and 6, the laser beam and the gas discharge are temporally synchronized.

〔発明の効果〕〔Effect of the invention〕

このように、本発明に係るイオンビーム発生装
置によれば、イオン化されるべき物質をレーザビ
ームの照射によりその基底状態からリユードベル
グ状態に共鳴光励起し、さらに上記物質を上記レ
ーザビームに同期したパルスガス放電により該リ
ユードベルグ状態からイオン状態にするようにし
たので、イオンの選択性に優れ、従来の共鳴光励
起・イオン化方式に比べ、入力光エネルギに対す
るイオン化効率を3桁以上向上でき、しかもコン
パクトな低エネルギのイオンビーム発生装置が得
られる効果がある。
As described above, according to the ion beam generator of the present invention, the substance to be ionized is resonantly excited from its ground state to the Lyudberg state by irradiation with a laser beam, and the substance is further excited by pulsed gas discharge synchronized with the laser beam. Since the Ryudberg state is changed from the Ryudberg state to the ion state, it has excellent ion selectivity and can improve the ionization efficiency for the input light energy by more than three orders of magnitude compared to the conventional resonant optical excitation/ionization method. This has the effect of providing an ion beam generator.

【図面の簡単な説明】[Brief explanation of the drawing]

第1図はマグネシウム中性原子のシングレツト
系のエネルギ状態図、第2図は本発明の第1の実
施例によるシヤワー型イオンビーム発生装置の概
略構成図、第3図は本発明の第2の実施例による
集束型イオンビーム発生装置の概略構成図、第4
図は本発明の第3の実施例によるイオンビーム発
生装置のレーザビームの発振部のブロツク図、第
5図はマグネシウム中性原子のd状態にある有効
主量子数n*の励起状態の放射寿命を示す状態
図、第6図はマグネシウム中性原子の第1励起状
態3p(1P0)における光電離速度の波長依存性を示
す状態図、第7図はマグネシウム中性原子の第1
励起状態3p(1P0)におけるリユードベルグ状態
nd(1D)(n=13〜15,21,30)を経由しての放
電による電離速度の波長依存性を示す状態図であ
る。 1……容器、15……ガス放電発生部、20…
…レーザビーム発生部、B1〜B3……レーザビ
ーム。なお図中同一符号は同一又は相当部分を示
す。
FIG. 1 is an energy phase diagram of a singlet system of magnesium neutral atoms, FIG. 2 is a schematic diagram of the shower type ion beam generator according to the first embodiment of the present invention, and FIG. Schematic configuration diagram of the focused ion beam generator according to the embodiment, No. 4
The figure is a block diagram of the laser beam oscillation part of the ion beam generator according to the third embodiment of the present invention, and FIG. Figure 6 is a phase diagram showing the wavelength dependence of the photoionization rate in the first excited state 3p ( 1 P 0 ) of the neutral magnesium atom, and Figure 7 is the phase diagram showing the wavelength dependence of the photoionization rate in the first excited state 3p (1 P 0 ) of the neutral magnesium atom.
Rydberg state in excited state 3p ( 1 P 0 )
FIG. 2 is a phase diagram showing the wavelength dependence of the ionization rate due to discharge via nd( 1 D) (n=13 to 15, 21, 30). DESCRIPTION OF SYMBOLS 1... Container, 15... Gas discharge generating part, 20...
...Laser beam generating section, B1 to B3...Laser beam. Note that the same reference numerals in the figures indicate the same or equivalent parts.

Claims (1)

【特許請求の範囲】 1 イオン化されるべき物質を収容する容器と、
該容器内の上記物質にレーザビームを照射するレ
ーザビーム発生部と、上記容器内の上記物質雰囲
気中でレーザビームと交差するガス放電を発生す
るガス放電発生部とを備え、上記物質のイオンビ
ームを発生する装置において、上記レーザビーム
発生部は上記物質をエネルギ準位の基底状態から
リユードベルグ状態に共鳴光励起するような波長
を有するレーザビームを発生するものであり、上
記ガス放電発生部は上記物質をリユードベルグ状
態からイオン状態とする上記レーザビームに同期
したパルスガス放電を発生するものであることを
特徴とするイオンビーム発生装置。 2 上記レーザビーム発生部は、上記物質を基底
状態から中間状態を経て上記リユードベルグ状態
に階段状に共鳴光励起するような同期した波長の
異なる複数のレーザビームを発生するものである
ことを特徴とする特許請求の範囲第1項記載のイ
オンビーム発生装置。 3 上記レーザビーム発生部として、波長可変レ
ーザを用いたことを特徴とする特許請求の範囲第
1項又は第2項記載のイオンビーム発生装置。 4 上記レーザビーム発生部として、自由電子レ
ーザを用いたことを特徴とする特許請求の範囲第
1項又は第2項記載のイオンビーム発生装置。 5 上記レーザビーム発生部は、1つの励起源レ
ーザと、該励起源レーザからのレーザビームで励
起される相互に時間同期した複数の色素レーザと
からなることを特徴とする特許請求の範囲第2項
記載のイオンビーム発生装置。 6 上記ガス放電発生部は、高周波放電を生ぜし
めるものであることを特徴とする特許請求の範囲
第1項ないし第5項のいずれかに記載のイオンビ
ーム発生装置。 7 上記物質は、化合物又は分子状態のガスとし
て上記容器に導入され、上記ガス放電は、上記容
器内に導入された物質を中性元素状態にするため
のガス放電を兼ねていることを特徴とする特許請
求の範囲第1項ないし第6項のいずれかに記載の
イオンビーム発生装置。
[Claims] 1. A container containing a substance to be ionized;
A laser beam generating section that irradiates the substance in the container with a laser beam, and a gas discharge generating section that generates a gas discharge that intersects with the laser beam in the atmosphere of the substance in the container, the ion beam of the substance In the apparatus for generating a gas discharge, the laser beam generation section generates a laser beam having a wavelength that resonantly excites the substance from the ground energy level to the Ryudberg state, and the gas discharge generation section An ion beam generator, characterized in that it generates a pulsed gas discharge synchronized with the laser beam to change the ion beam from the Ryudberg state to the ion state. 2. The laser beam generating section is characterized in that it generates a plurality of synchronized laser beams with different wavelengths that resonantly excite the substance stepwise from the ground state to the Lyudberg state via the intermediate state. An ion beam generator according to claim 1. 3. The ion beam generator according to claim 1 or 2, wherein a wavelength tunable laser is used as the laser beam generator. 4. The ion beam generating device according to claim 1 or 2, wherein a free electron laser is used as the laser beam generating section. 5. Claim 2, wherein the laser beam generating section comprises one excitation source laser and a plurality of mutually time-synchronized dye lasers excited by the laser beam from the excitation source laser. The ion beam generator described in Section 1. 6. The ion beam generator according to any one of claims 1 to 5, wherein the gas discharge generating section generates a high-frequency discharge. 7. The substance is introduced into the container as a gas in a compound or molecular state, and the gas discharge also serves as a gas discharge to bring the substance introduced into the container into a neutral element state. An ion beam generator according to any one of claims 1 to 6.
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