JPS6127039A - 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る（特
開昭５０−２２９９９号公報参照）。本発明は後者に関
するものであり、光源としてレーザ光でなくシンクロト
ロン放射光を使うものである。

〔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
離状態（Ａｕｔｏｉｏｎｉｚａｔｉｏｎｓｔａｔｅ　）
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ホウ素イオンビ
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図はホウ素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２４９７人。

１．１７μ及び８６６８人の３本のレーザビームＢ１〜
Ｂ３をイオン化させたいホウ素蒸気に照射する方法であ
り、即ち基底状態２３２２１）（２ｐｏ）にあるホウ素
原子をまず２４９７人のレーザビームＢ１により励起状
態３Ｓ　（２Ｓ）に共鳴励起し、その後１．１７μ、　
８６６８人のレーザビームＢ２．Ｂ３により３ｐ　（２
ＰＯ）、５ｇ　　（２Ｓ）に励起し、さらに上記レーザ
ビームＢ３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、励起用光源としてシンクロトロン放
射光、特に相対論的シンクロトロン放射光を使用する点
にある。シンクロトロン放射光はレーザ光と同様、方向
性を有し、かつレーザ光よりはるかに大強度、高エネル
ギ光子であり、そのため第１図に示すように１本の光子
Ｂ４により比較的下位の励起状態から高励起状態に励起
できる。また本発明方法の従来方法と根本的に異なる点
はこの最終励起状態として自動電離状態にすることであ
り、この励起状態において該励起蒸気は所定の遷移確率
でまさしく自動電離される。なお、基底状態から上記下
位の励起状態への励起はグロー放電等による。

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５８（２３）の状態から直接イ
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。従って光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シンクロトロン放射光
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。

また上記分光された単一波長のシンクロトロン放射光の
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ｌ内に導入するためのガス導入孔、１ｂ
は上記容器１を差動排気して真空にするための真空排気
装置（図示せず）に接続された排気通路、１ｃはスリッ
ト、３は２０６７人の波長幅の狭いシンクロトロン放射
光Ｂ４を発生するシンクロトロン放射光発生部である。

また、５，６は上記シンクロトロン放射光Ｂ４を挾んで
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、これらは上記容器ｌ内においてＲ
Ｆ放電を発生するガス放電発生部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、ホウ素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よりホウ素
蒸気１０を導入する。そして上記電極５と電極６の各々
に端子５ａ、５ａから電圧が印加され、これにより、ホ
ウ素蒸気１０にグロー放電又はガス放電による電子が衝
突し、その結果ホウ素蒸気１０はその基底状態２ｓ２２
ｐ（２ＰＯ）から準安定状態２ｓ２ｐ２（４Ｐ）に共鳴
励起される。また上記電圧印加と時間的に同期して上記
シンクロトロン放射光発生部３から波長２０６７人のシ
ンクロトロン放射光Ｂ４がスリットＩＣを介して上記容
器１に導入され、これにより上記準安定状態２ｓ２ｐ２
　　（４Ｐ）にあるホウ素蒸気１０は、２０６７人のシ
ンクロトロン放射光Ｂ４により自動電離状態２ｓ２ｐ３
ｓ　（４ＰＯ）に共鳴励起され、該励起蒸気は所定の遷
移確率でもってイオン状態になる。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・イオン化されたホウ素蒸気１０はホウ素のイ
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、この場合ホウ素、以外の不純物、酸素、窒
素、炭素、水素等が含まれていて、しかもその量がホウ
素より多くても、シンクロトロン放射光の波長を上記不
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、この場合はホウ素、のみがイオン化された純粋
なホウ素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分光さ
れた単一波長のシンクロトロン放射光の波長及び放電条
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、１１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
しめる磁石コイル、１４は上記集束されたホウ素蒸気１
０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。

まず、ホウ素蒸気１０をガス導入孔１ａを介して容器１
内に導入する。そして電極５．６に電圧が印加されて上
記蒸気１０にガス放電の電子が衝突され、またこれと時
間的に同期して２０６７人のシンクロトロン放射光Ｂ４
がスリットＩＣ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は準
安定状態２ｓ２ｐ２（４Ｐ）を経て自動電離状態２１１
２１）３ｓ（４ｐＯ）に励起され、さらに該励起蒸気は
所定の遷移確率でイオン状態となり、これによりイオン
生成空間４にホウ素イオンが生成され、該ホウ素イオン
は磁石コイル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図は本発明に用いるシンクロトロン放射光発生装置
の構成例である。図おいて、２１は線形加速器、２２は
電子蓄積リング、２４は分光系であり、これらによりシ
ンクロトロン放射光発生装置２０が構成されている。３
３は該発生装置２０からのシンクロトロン放射光が照射
される容器である。

上記容器３３に導入されるシンクロトロン放射光は、ま
ず線形加速器２１により電子が加速されて電子蓄積リン
グ２２に打ち込まれ、該リング２２において相対論的速
度になった電子からシンクロトロン放射光が放出され、
さらに該放射光が分光系２４に導入されてここで単一波
長にされた光である。

〔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エネ
ルギ準位の基底状態から比較的下位の励起状態に共鳴励
起し、さらに上記物質をシンクロトロン放射光の照射に
より該励起状態から自動電離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図はホウ素中性原子会−≠蘂←、十係のエネルギ状
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図は本発明に使用するシンクロトロン放射
光発生装置の概略構成図である。 １．３３・・・容器、３．２０・・・シンクロトロン放
射光発生部、１５・・・ガス放電発生部、Ｂ４・・・シ
ンクロトロン放射光。 なお図中同一符号は同−又は相当部分を示す。

Claims (9)

【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
   器内の上記物質にシンクロトロン放射光を照射するシン
   クロトロン放射光発生部と、上記容器内の上記物質雰囲
   気中で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するもので
   あり、上記シンクロトロン放射光発生部は上記物質を上
   記励起状態から自動電離状態に共鳴光励起するような波
   長を有するシンクロトロン放射光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. （２）上記シンクロトロン放射光発生部は、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
   複数のシンクロトロン放射光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）上記シンクロトロン放射光発生部は、加速器及び
   分光器又は分光系を有し、加速器からの出力を分光器又
   は分光系を通過させた線幅の狭い線スペクトルにした光
   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項又は第２項記載のイオンビーム発生装置。
4. （４）上記加速器として、電子蓄積リング又は電子サイ
   クロトロン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３項記載のイオンビーム発生装
   置。
5. （５）上記比較的下位の励起状態が上記物質のエネルギ
   準位の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。
6. （６）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５項のいずれかに記載のイオンビーム発
   生装置。
7. （７）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６項のいずれかに記載のイオンビーム発生装置。
8. （８）上記シンクロトロン放射光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７項のいずれかに記載のイオンビーム
   発生装置。
9. （９）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８項のいずれか
   に記載のイオンビーム発生装置。