JPS60208038A - 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自動電離状態（Ａｕｔｏ
ｉｏｎｉｚａｔｉｏｎ　１ｅｖｅｌ　）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アルミニウムイ
オンビームを発生する場合を例にとって従来のイオン化
方法と比較しつつ説明する。第１図はアルミニウム中性
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３０８２人。

６２００人の２本のレーザビームＢｌ、Ｂ２をイオン化
させたいアルミニウム蒸気に照射する方法であり、即ち
基底状態３ｐ（２ＰＯ）にあるアルミニウム原子をまず
３０８２人のレーザビームＢ１により第１励起状！５３
ｄ（２Ｄ）に共鳴励起し、その後６２００人のレーザビ
ームＢ２により光電離させるものである。

この従来のイオン化方法に対し、本発明装置におけるイ
オン化方法は、イオン化させるべき物質をその基底状態
から自動電離状態に１本のレーザビームにより直接共鳴
励起させるか又は２本以上のレーザビームにより階段状
に共鳴励起せしめるものである。上記アルミニウム蒸気
をイオン化せしめる場合は、波長３４４０人のレーザビ
ームＢ３により基底状態から２電子励起状態３Ｓ３ｐ２
に共鳴励起し、同時に波長３０５０人のレーザビームＢ
４により該２電子励起状態３ｓ３ｐ２から自動電離状態
３ｓ３ｐ４Ｓに励起させ、該自動電離状態３Ｓ３ｐ４Ｓ
において、所定の遷移確率でもって自動電離、イオン化
させるものである。

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（２Ｄ）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を変えることにより、容易
に（Ｔｏ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図は本発明の第１の実施例を示す。図において、ｌ
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Ｂ３．Ｂ４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Ｂ３．Ｂ４
が交差する空間はイオン生成空間４となっている。そし
て上記レーザビーム発生部には、図示していないが波長
可変レーザ又は自由電子レーザ等の２つのレーザと、該
各レーザの発振のトリガとなる電気信号パルスを発生す
るパルス発生回路が設けられている。

６は電極、６ａは該電極６に電圧を印加する端子、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、アルミニウムのイオンビームを発
生する場合を考える。まず容器ｌにガス導入孔１ａより
アルミニウム蒸気１０を導入する。

そして上記レーザビーム発生部において、そのパルス発
生回路から各レーザにトリガパルスが与えられる。する
と波長３４４０人のレーザビームＢ３が窓３ａを介して
上記容器１に導入され、また３０５０人のレーザビーム
Ｂ４が窓３ｂを介して同様に導入され、両ビームＢ３．
Ｂ４が容易１内のイオン生成空間４において交差し、こ
れにより上記アルミニウム蒸気１０は、３４４０人のレ
ーザビームＢ３により基底状態から２電子励起状態３ｓ
３ｐ２に共鳴励起され、さらに３０５０人のレーザビー
ムＢ４により上記２電子励起状態３ｓ３ｐ２から自動電
離状態３ｓ３ｐ４ｓに階段状に共鳴励起され、これによ
り該励起蒸気は所定の遷移確率でもってイオン状態とな
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アルミニウ
ム蒸気１０はアルミニ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、この場合アルミニウム、以外の不純物、酸
素、窒素、炭素５水素等が含まれていて、しかもその量
がアルミニウムより多くても、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、この場合はアルミニウム、のみがイオン化
された純粋なアルミニ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
オン化されたアルミニウム蒸気１０を容器１の軸心に集
束せしめるマグネット、１４は上記集束されたアルミニ
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。

オーブン１３内にイオン化させる物質であるアルミニウ
ム１２を入れ、ヒータ１３ａによりオーブン１３を加熱
すると上記アルミニウム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１内に導入される。そして３４４０人のレー
ザビームＢ３と３０５０人のレーザビームＢ４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に照射されるゆするとこれにより蒸気１０は基底状
態から２電子励起状態３ａ３ｐ２を経て自動電離状態３
　ｓ　３　ｐ４Ｓに階段状に励起され、その結果該励起
蒸気が所定の遷移確率で自動電離されてイオン生成空間
４にアルミニウムイオンが生成され、該アルミニウムイ
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。

本発明において元素を階段状に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
のレーザビームを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２０は、３台の波長の異なるレーザ２
２，２３．２４と、該各レーザ２２〜２４にレーザ発振
のトリガとなる電気信号パルスを与える１台のトリガ発
生器２１とから構成されている。このように各レーザ２
２〜２４をトリガ発生器２１からのトリガパルスによっ
て発振するように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。

第５図は本発明の第４の実施例によるイオンビーム発生
装置のレーザ発振装置の構成例であり、図において、２
５〜２７は固体レーザのレーザヘッド、２８はフラッシ
ュランプ電源、２９はＱスイッチのボッケルセル電源で
あり、該１組の電源は各レーザヘッド２５〜２７を同期
して発振せしめるトリガ手段３０となっている。この実
施例では各レーザヘッド２５〜２７が上記１組の電源２
８．２９を共用しているので、発振するレーザビームω
１〜ω３は時間的に同期されたものとなる。

〔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自動電離状態に共鳴光励起し、該励
起蒸気が所定の遷移確率で自動電離してイオン状態にな
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図は本発明の第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図ハ本発明の第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発振器のブロック図
、第５図は本発明の第４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。 代理人　大岩増雄 １　第１図 エ ネ Ｉし 式 （） 第４図 第５図 ０ 手続補正書（自発） １、事件の表示　特願昭５９−６６８９８号３、補正を
する者 代表者片山仁八部 ５、？ｉｌｉ正の対象 明細書の発明の詳細な説明の欄１図面の簡単な説明の欄
、及び図面（第１図） ６、？ｉｉ正の内容 ｉｌｌ　明細書第４頁第５〜６行の「該物質のシュタル
ク効果によりイオン化できる自動電離状態」を「該物質
の自動電離状態」に訂正する。 （２）同第１３頁第７行の「マグネシウム」を「アルミ
ニウム」に訂正する。 （３）　第１図を別紙の通り訂正する。 以　上 第１図 （ｃｍ″） 基々５４大態１、

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 ＋１１　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レーザ発振の
   トリガとなる電気信号を発生するトリガ手段と、上記物
   質をエネルギ準位の基底状態から自動電離状態に共鳴光
   励起するような波長を有するレーザビームを発生するレ
   ーザとからな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ン　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自動電離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そ
   のトリガ手段からの１つのトリガパルスによって相互に
   時間同期して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のトリガ手段は、複数
   のレーザの各々に１つのトリガパルスを与えるトリガパ
   ルス発生器であ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）上記レーザビーム発生部のトリガ手段は、複数の
   レーザヘッドを駆動する１つのフラッシュランプ電源と
   １つのボッケルセル電源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。 （７）　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６項のいずれか
   に記載のイオンビーム発生装置。