JPS60235339A - 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、該物質の自動電
離状Ｄ　（Ａｕｔｏｉｏｎｉｚａｔｉｏｎｌｅｖｅｌ　
）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励起状態３ｄ
（２Ｄ）に共鳴励起し、その後６２００人のレーザビー
ムＢ２により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
化方法と異なるのは共鳴励起のみを用いている点であり
、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。」−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　（４Ｐ）
に共鳴励起し、同時に波長３０５０人のレーザビームＢ
４により該励起状態から自動電離状態３ｓ３ｐ４ｓ（４
ＰＯ）に励起させ、該自動電離状態３３３ｐ４ｓ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。

この発明装置にあ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）等から直接イオン
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図ないし第４図は本発明の第１の実施例を示す。ま
ず、本実施例装置の概略構成を示す第２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、■ｂ
はガス排出孔、３ａ。

３ｂは第３図に示すレーザビーム発生部２０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。

６は上記イオン生成空間４の下部に配設された電極、６
ａ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電
界が発生される。

第３図は本実施例装置のし〜ザビーム発生部であるレー
ザ発振装置の構成例を、第４図はその色素セル部を示す
。

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
３図及び第４図のレーザ発振装置２０はこのような同期
ができる。ものである。

図において、２１はレーザ発振装置２０の反射鏡セル、
２２は２個の色素セル、２３は１本のフラッシュランプ
、２４は鏡、２５は平面鏡、２６は回折格子、Ｂ３．Ｂ
４はレーザビームである。

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１にガス導入孔１ａより
アルミニウム蒸気１０を導入する。

そして上記し〜ザ発振装置２０において１本のフランシ
ュランプ２３により２個の色素セル２２が励起され、こ
れにより波長の異なる色素レーザビームＢ３．Ｂ４が同
期して発振される。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３
０５０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３Ｓ３ｐ２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ｌ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、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５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、気化してアルミニ
ウム蒸気１０が発生し、該茎気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Ｂ３，３０５０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。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３ｓ３ｐ２を経て自動電離状態３
　ｓ　３　ｐ　４　”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。

なお、上記実施例ではレーザビームＢ３．Ｂ４の波長を
異なるものとするために、上記２個の色素セル２２とし
て異なる色素のものを使用したが、これとは逆に該２個
の色素セル２２として同じ色素のものを使用し、平面鏡
２５と回折格子２６との配位角θ１．θ２により波長を
相互に変えたりすることができ、このようにしてもイオ
ン化させる物質に共鳴させる波長を選択でき、かつ各レ
ーザビームを相互に時間同期でき、その結果物質を階段
状に励起できる。

また、上記実施例では、フラッシュランプにより励起さ
れる発振用レーザが色素レーザである場合について説明
したが、この発振用レーザとしては、アレキサンドライ
トレーザ等の固体レーザ。

波長可変レーザを用いることもできる。

〔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図はアルミニ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図はそ
のレーザビーム発生部の概略構成図、第４図はその色素
セル部分を示し、第４図＋ａ）はその断面平面図、第４
図ｆｂ）はその断面正面図、第５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で
ある。 １．１３・・・容器、２０・・・レーザビーム発生部、
２２・・・レーザ、２３・・・フラッシュランプ、Ｂ１
〜Ｂ４・・・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 ↑ 工 子 ｉし へ （ｃ　ｍ”） 第３図 第４図 第５図 １

Claims (8)

【特許請求の範囲】
1. （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フラッシュラン
   プと、これにより励起され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. （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. （３）上記レーザビーム発生部は、１つのフラ・ノンユ
   ランプと、該フラッシュランプからの光により励起され
   る相互に時間同期可能な複数のレーザ発振セルとからな
   る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. （４）上記レーザビーム発生部のレーザとして、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
   項ないし第３項のいずれかに記載のイオンビーム発生装
   置。
5. （５）上記レーザビーム発生部のレーザとして、色素レ
   ーザを用いたことを特徴とする特許請求の範囲第１項な
   いし第３項のいずれかに記載のイオンビーム発生装置。
6. （６）　上記レーザビーム発生部のレーザとして、アレ
   キサンドライトレーザ等の固体レーザ又は該固体レーザ
   からの高調波によって励起される色素レーザのいずれか
   一方又は両方を用いたことを特徴とする特許請求の範囲
   第１項ないし第３項のいずれかに記載のイオンビーム発
   生装置。
7. （７）　上記各レーザビームの各々の位相が相互に時間
   的に同期す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。
8. （８）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内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７項のいずれか
   に記載のイオンビーム発生装置。