JPS60208025A - イオンビ−ム発生装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

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。

〔従来技術〕

従来、イオンビーム発生装置によるイオン発注方法とし
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ったが、近年レーザ光を
使ったイオン源が考え出されて来ている。このレーザ光
等の光を使った方式には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
ったり、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
位に共鳴させ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。

〔発明の概要〕

本発明は、上記共鳴光励起、イオン化方式のイオンビー
ム発生装置において、イオン化させる物質の共鳴光励起
にてイオン化させる直前の状態として、該物質のシュタ
ルク効果によりイオン化できるリュードベルグ状態（Ｒ
ｙｄｂｅｒｇ　ｌｅνｅｌ　）又はこれに近い高励起状
態を使うことにより、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数桁以上
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。

〔発明の実施例〕

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って従来の方法と比
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。

従来のイオン化方法は、例えば波長が２８５３人。

５５２８人の２本のレーザビームＢｌ、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（１３）にあるマグネシウム原子をまず２
８５３人のレーザビームＢ１により第１励起状態３ｐ（
’ＰＯ）に共鳴励起し、その後５５２８人のレーザビー
ムＢ２によりエネルギ準位３ｄ　（Ｉ　Ｄ）に共鳴励起
し、さらに２８５３人のレーザビ一ムＢ１でイオン化さ
せるものである。

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３
ｐ（’Ｐ’）からシュタルク効果によりイオン化できる
リュードベルグ状１１３ｄ（ＩＤ）又はこれに近い高励
起状態に励起し、さらに該励起蒸気に電界を印加してイ
オン化する点にある。例えば、リュードベルグ状態１３
ｄ（ＩＤ）にする場合は波長３８５９人のレーザビーム
Ｂ３によりリュ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例えば火成で示
される電界をレーザビームＢ３と共に即用することによ
り、この励起状態からシュタルク幼果によりイオン化を
行なうものである。

Ｅ　（Ｖ／ａｍ）　＝０．３１２５Ｘ１０９　・ｎ−４
ここでｎはリュードベルグ状態の有効主量子数である。

この発明装置におけるイオン化方法の場合、従来のイオ
ン化方法がエネルギ準位３ｄ（ＩＤ）から直接イオン化
させるのに比べ、イオン化させる衝突断面積が数桁以上
高い。従ってレーザビームの出力エネルギが小さくてす
み、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。

また上記レーザビームの波長や電界強度を変えることに
より、容易に他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って
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。

次にこの発明の実施例を図について説明する。

第２図は本願の第１の発明の第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Ｂｌ、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
Ｂｌ。

Ｂ３が交差する空間はイオン生成空間４となっている。

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。

５．６は上記イオン生成室ｌＢ１４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に上記物質を
イオン化するためのイオン化電界を印加する電界発生部
１５を構成している。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。なお、上記イオン化電界が上記引き出し電界
を兼ねるようにしてもよい。

次に動作について説明する。

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２８５３人のレーザビームＢ１が窓３ａを介して上記
容器１に導入され、また３８５９人のレーザビームＢ３
が窓３ｂを介して同様に導入され、両ビームＢｌ、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、２８５３人のレーザ
ビームＢ１により基底状態３ｓ（Ｉｓ）から第１励起状
態３ｐ（ＩＰＯ）に共鳴励起され、さらに３８５９人の
レーザビームＢ３により上記第１励起状態３ｐ（ＩＰＯ
）がらりュードベルグ状ｆｉ１３ｄ（１０）に階段状に
共鳴励起される。

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がら電圧が印加され、これによ
り、上記リュードヘルグ状憇１３ｄ　（Ｉ　Ｄ）にある
マグネシウム蒸気１ｏに電界が印加され、その結果マグ
ネシウム蒸気１ｏはシュタルク効果によりイオン化され
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。

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１Ｍ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。

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。

第３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、従って、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。

第３図は本願の第１の発明の第２の実施例を示す。図に
おいて、第２図と同一符号は同−又は相当部分を示し、
１３はイオン化させるべき物質１２を収容するオープン
、１３ａは上記オープン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ット、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。

次に動作について説明する。

オープン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によりオープン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
通って容器ｌ内に導入される。そして２８５３人のレー
ザビームＢ１と３８５９人のレーザビームＢ３が各々窓
３ａ、３ｂを介して上記容器ｌ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に電圧が印加さ
れて上記蒸気１０に電界が印加される。するとこれによ
り蒸気１０は基底状態３ｓ（’Ｓ）から第１励起状態３
ｐ（’Ｐ’）を経てリュードベルグ状態１３ｄ（ＩＤ）
に階段状に励起され、さらにシュタルク効果によりリュ
ードベルグ状態１３ｄ（ＩＤ）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
イオンはマグネット１１により軸心に集束された後、引
き出し電極１４によってイオンビーム９として放出され
る。

第４図は本願の第１の発明の第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
。

本発明におけるイオン生成のためのレーザビームと電界
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。

本レーザ発振装置２ｏ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２２〜２４を励起
するための励起源レーザ２１と、ハーフミラ−２５，２
６、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
、レーザビームと電界とを時間的に同期できることとな
る。

なお上記第１の発明の各実施例では、イオン化させるべ
き物質をリュードベルグ状態に励起した後イオン化する
ようにした場合について説明したが、本願の第２の発明
では上記物質をリュードベルグ状態より少し低く、かつ
シュタルク効果によってイオン化できる高励起状態に励
起し、しかる後該物質に電界を印加してイオン化するよ
うにすればよく、このようにしても上記第１の発明の各
実施例と略同様の効果を奏する。

〔発明の効果〕

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りュードベルグ状態又はこれに近い
高励起状態に共鳴光励起し、さらに上記物質を電界の印
加により該励起状態からイオン状態にするようにしたの
で、イオン化効率及びイオンの選択性を大きく向上でき
る効果がある。

【図面の簡単な説明】

第１図はマグネシウム中性原子のシングレット系のエネ
ルギ状態図、第２図は第１の発明の第１の実施例による
シャワー型イオンビーム発生装置の概略構成図、第３図
は第１の発明の第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図は第１の発明の第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発振器
のブロック図である。 １・・・容器、１５・・・電界発生部、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−又は相当部分を示す。 代理人　大岩増雄 第１図 ！ 〇− 第３図 第４図 手続補正書（自発） 特許庁長官殿 １、事件の表示　特願昭５９−６６８９２号２、発明の
名称 イオンビーム発生装置 ３、補正をする者 事件との関係　特許出願人 住　所　東京都千代田区丸の内二丁目２番３号名　称　
（６０１）三菱電機株式会社 代表者片山仁八部 ４、代理人 住　所　東京都千代田区丸の内二丁目２番３号５、補正
の対象 明細書の発明の詳細な説明の欄 ６、補正の内容 （１）　明細書第４頁第２０行のｒｌｌｙｄｂｅｒｇ　
１ｅｖｅｌ」をｒＲｙｄｂｅｒｇ　５ｔａｔｅ　Ｊに訂
正する。 （２）　同第６頁第２行の「からシュタルク」を［から
、シュタルクＪに訂正する。 （３）同第９頁第１３行の「同期して電極」を「同期し
１μｓｅｃ程度遅れて電極」に訂正する。 （４）　同第１２頁第６行の「同時に電極」を「同時に
１μｓｅｃ程度遅れて電極」に訂正する。 以　上

Claims (1)

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に電界を印加する電界
   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りュ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、□上記電界発生部は上記物質をシュタルク効果
   によりリュードベルグ状態からイオン状態とする電界を
   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ュードベルグ状態に階段状に
   共鳴光励起するような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
   な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。 （夷　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
   相互に時間同期可能な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）上記物質は、固体又は液体の物質を加熱気化して
   生成された蒸気として上記容器に導入されることを特徴
   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）　上記電界は、上記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。 （８）　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に電界を印加する電
   界発生部とを備え、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りュードベルグ状態に近い高
   励起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、上記電界発生部は上記物質
   をシュタルク効果により上記高励起状態からイオン状態
   とする電界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。