JPS60235341A - 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、該物質のりュー
ドベルグ状態（Ｒｙｄｂｅｒｇｌｅｖｅｌ　）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（ＩＳ）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（
ＩＰＯ）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（ＩＤ）に共鳴励起し、
さらに２８５３人のレーザビーム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、共鳴励起のみを用いている点であり
、マグネシウム蒸気を第１励起状態３ｐ（ＩＰＯ）から
りュードベルグ状態１３ｄ（ＩＤ）に例えば波長３８５
９人のレーザビームＢ３により共鳴励起させ、該励起蒸
気の該励起状態からのイオン化はガス放電による電子衝
突等でなされる。

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
ムで処理するイオン種の異なるような２つ以上の行程を
連続して行なうこともできる利点がある。

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、】
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】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、２つ
のレーザと、該各レーザの発振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とが設けられている。な
お、上記レーザとしては、エキシマや窒素等の気体レー
ザ、アレキサンドライトレーザ等の固体レーザ、これら
により励起される色素レーザ、波長可変レーザ、又は自
由電子レーザ等の各種のレーザを用いることができる。

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（
ＲＦ）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
ュ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おり、また該ガス放
電の位相と上記レーザビームの位相とは時間的に同期で
きるようになっている。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
を中性原子状態にするためのガス放電を兼ねるようにし
てもよい。

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。

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、該各レ
ーザが発振し、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３
８５９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（ｔＳ）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（Ｉ
ＰＯ）からりュードベルグ状！＠１３ｄ（ＩＤ）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から電圧が印加され、これによ
り、上記リュードベルグ状態１３ｄ　（Ｉ　Ｄ）にある
マグネシウム蒸気１０にＲＦ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。

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。

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
通って容器１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（ＩＳ）から
第１励起状態３ｐ（’１ｐＯ）を経てリュードベルグ状
態１３ｄ（ＩＤ）に階段状に励起され、さらに上記ガス
放電による電子衝突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・ノド１
１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。

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
のパルス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。そして上記トリガ発生器２１のパルスの発生と、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できることと
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はフランシ
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りュードベルグ状態に共鳴光励起し
、さらに上記物質をガス放電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発生部のブロック図
、第５図は本発明の第４の実施例によるイオンビーム発
生装置発生装置のレーザビーム発生部のブロック図であ
る。 １．１３・・・容器、１５・・・ガス放電発生部、２０
・・・レーザビームＱ生部、８１〜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 工 第３図 第４図 第５図 ０

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りュードヘ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レーザと
   からなるものであり、上記ガス放電発生部はガス放電に
   より上記物質をリュードベルグ状態からイオン状態とす
   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トヘルグ状態に階段状
   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のレーザとして、エキシ
   マや窒素等の気体レーザ又は該気体レーザにより励起さ
   れる色素レーザのいずれか一方又はその両方を用いたこ
   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
   からの高調波で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
   又は第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
   項又は第２項記載のイオンビーム発生装置。 （７）上記レーザビーム発生部のし・−ザとして、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。 （＆）上記ガス放電発生部は、高周波（ＲＦ）放電を発
   生せ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７項のいずれかに記載のイオンビーム発
   生装置。 （９）上記物質は、化合物や分子状態のガスとして１−
   記容器内に導入され、上記ガス放電は、上記容器内に導
   入された物質を中性原子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８項のいずれかに記載のイオンビーム発生装置。 ００）上記ガス放電発生部は、上記物質がリューＦベル
   グ状態からイオン状態になるに充分な又は共鳴するよう
   な高周波電源を有することを特徴とする特許請求の範囲
   第８項記載のイオンビーム発生装置。 （１１）上記レーザビームとガス放電とは、各々の位相
   が時間的に同期することを特徴とする特許請求の範囲第
   １項ないし第１０項のいずれかに記載のイオンビーム発
   生装置。 （１２）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１１項のいず
   れ力弓こ記載のイオンビーム発生装置。