JPS6127038A - 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（特
開昭５０−２２９９９号公報参照）、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、リュードベルグ
状態（Ｒｙｄｂｅｒｇ　５ｔａｔｅ　）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ベリリウムイオ
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図はベリリ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２３４９人。

４５７３人及び５０００人の３本のレーザビームＢｌ、
Ｂ２、Ｂ３をイオン化させたいベリリウム蒸気に照射す
る方法であり、即ち基底状態２ｓ（Ｉｓ）にあるベリリ
ウム原子をまず２３４９人のレーザビームＢ１により第
１励起状態２ｐ（ＩＰＯ）に共鳴励起し、その後４５７
３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５０００人のレーザビームＢ３
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はベリリウム蒸気をグ
ロー放電等により準安定状態２ｐ（３ＰＯ）が支配的な
状態にし、レーザビーム、第１図の例では波長３３２１
人、　１．４６μ、　６４４９人の３本のレーザビーム
Ｂ４〜Ｂ６により上記励起蒸気をこの励起状態からリュ
ードベルグ状態にし、さらに従来のイオン化方法のよう
にベリリウム蒸気をレーザビーム、第１図の例ではＢ３
、により自由電子状態、即ちイオン状態にするのではな
く、ガス放電により上記励起状態からイオン状態にする
ものであり、本発明方法が従来方法と異なるのは上記光
励起させる過程において共鳴励起のみを使っている点で
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
ン化方法が波長５０００人のレーザビームＢ３によりベ
リリウム蒸気をエネルギ準位３ｄ（ＩＤ）から直接イオ
ン化させるのに比べ、イオン化させる（ｈ突所面積が数
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、発生イオンの純度が高い。即ち、完全に共鳴
のみを使うためレーザビームの波長を不純物原子のエネ
ルギ準位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放電条件を変えることに
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又は３ｂは各々図示しないレーザビ
ーム発生部からのレーザビームＢ４．Ｂ６又はＢ５を上
記容Ｎ１内に導入する窓であり、該容器ｌ内のレーザビ
ームＢ４〜Ｂ６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、励起源用フラッシュランプと、こｈにより
励起されて上記レーザビームＢ４〜Ｂ６を発生する３つ
のレーザとからなり、この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、これにより励起される色
素レーザ又は波長可変−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に励起用高周波（
ＲＦ）ガス放電を生せしめるガス放電発生部１５を構成
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上記容器１内に導入される場
合は、上記励起用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、ベリリ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よりベ
リリウム蒸気１０を導入する。そして電極５と電極６の
各々に端子５ａ、６ａから電圧が印加される。するとこ
れにより、上記基底状態２ｓ（Ｉｓ）にあるベリリウム
蒸気１０にガス放電による電子が衝突し、その結果該ベ
リリウム蒸気１０は準安定状１２ｐ（３ＰＯ）に励起さ
れる。また上記レーザビーム発生部において、上記電圧
印加と時間的に同期して各レーザが発振し、これにより
３３２１人、　６４４９人のレーザビームＢ４゜Ｂ６が
窓３ａを介して容器１内に導入され、また１、４６μの
レーザビームＢ５が窓３ｂを介して同様゛に導入され、
各ビームＢ４〜Ｂ６が容器１内のイオン生成空間４にお
いて交差し、これにより上記ベリリウム蒸気１０は３３
２１人のレーザビームＢ４により準安定状態２ｐ（３Ｐ
Ｏ）から励起状態３Ｓ　（３Ｓ）に共鳴励起され、さら
に１．４６μのレーザビームＢ５により上記励起状ｆ１
３ｓ（３３）から励起状態３ｐ（３ＰＯ）に励起され、
さらに６４４９人のレーザビームＢ６によりリュードベ
ルグ状態１２ｄ（３Ｄ）に階段状に共鳴励起され、最後
に該励起蒸気は上記ガス放電による電子の衝突によりイ
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
れたベリリウム蒸気１０はベリリ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、この場合ベリリウム、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
ベリリウムより多くても、レーザビームの波長を上記不
純物原子のエネルギ準位と一致させないようにして希望
の元素、この場合はベリリウムのみ、がイオン化された
純粋なベリリ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
ビームの波長と放電条件を変えれば良く、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、１６はイ
オン化されたベリリウム蒸気１０を容器１の軸心に集束
せしめるマグネット、１４は上記集束されたベリリウム
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ベリリウム
１２を入れ、ヒータ１３ａによりオーブン１３を加熱す
ると上記ベリリウム１２が熔融。

気化してベリリウム蒸気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
よる電子が衝突し、またこれと同期して３３２１人、　
６４４９人のレーザビームＢ４゜Ｂ６が窓３ａを介して
、また１、４６μのレーザビームＢ５が窓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、す
るとこれにより蒸気１０は基底状態２ｓ（Ｉｓ）から励
起状態２ｐ（，３ＰＯ）、３ｓ　（３Ｓ）、３ｐ　（３
ＰＯ）を経てリュードベルグ状態１２ｄ（３Ｄ）に階段
状に励起され、さらに該リュードベルグ状態１２ｄ（３
Ｄ）にあるベリリウム蒸気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にベリリウムイオンが生
成され、該ベリリ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り、第５図は
その色素セル部を示す゛。

本発明において階段′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
数のレーザビームは同期させる必要がある訳であるが、
第４図及び第５図はその同期方法の一例を示すものであ
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は回折光子、ω１．ω
２はレーザビームである。

本レーザ発振装置２０では、１本のフラッシュランプ２
３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ω１゜ω２が同期して発振
される。そして本実施例装置では２つのレーザビームω
１．ω２によりイオン化すべき物質を準安定状態から中
間状態を経て上記リリュードベルグ状態に階段状に共鳴
励起することとなる。

上記レーザビームω１．ω２の波長を異なるものとする
には、上記２個の色素セル２２として異なる色素のもの
を使用して波長を変えたり、また該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と回折光子
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。

また上記フラッシュランプ２３の始動と、上記電極５，
６あるいはマグネット１６への電圧印加を同期して行な
うことにより、レーザビームとＲＦ放電とを時間的に同
期できることとなる。

〔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ガス放電によりその比較
的下位の励起状態に励起しζレーデビームの照射により
該励起状態からリ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の電子の衝突により該励起状態
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図はベリリウム中性原子　゛ 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概略
構成図、第５図はそのフラッシュランプ、色素セル部分
を示し、第５図（ａｌはその断面側面図、第５図（ｂ）
はその断面正面図である。 １・・・容器、１５・・・ガス放電発生部、２ｏ・・・
レーザビーム発生部、２２・・・色素レーザ、２３・・
・フラッシュランプ、Ｂｌ〜Ｂ６・・・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。

Claims (13)

【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、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、
   上記ガス放電発生部はガス放電により上記物質をエネル
   ギ準位の基底状態から比較的下位の励起状態に励起し、
   かつ後述のレーザビームの照射により得られたリュード
   ベルグ状態からイオン状態とするものであり、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
   され上記物質を上記比較的下位の励起状態からリュード
   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、上記物質を上記比較
   的下位の励起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）上記比較的下位の励起状態が準安定状態であるこ
   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は、１つのフラッシュラ
   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からなるこ
   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、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４項のいずれ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、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４項のいずれかに記載のイオンビーム発生装置。
7. （７）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４項のいずれかに
   記載のイオンビーム発生装置。
8. （８）上記レーザビーム発生部のレーザとして、固体レ
   ーザ又は該固体レーザからの高調波により励起される色
   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４項のいずれかに記
   載のイオンビーム発生装置。
9. （９）上記ガス放電発生部は、高周波（ＲＦ）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８項のいずれかに記載のイオンビーム発生
   装置。
10. （１０）上記物質は、化合物又は分子状態のガスとして
    上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９項のいずれかに記載のイオンビーム発生装置。
11. （１１）上記ガス放電発生部は、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ように共鳴するよう
    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９項記載のイオンビーム発生装置。
12. （１２）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１１項のいずれかに記載のイオンビーム発生
    装置。
13. （１３）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１２項のいず
    れかに記載のイオンビーム発生装置。