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JPH0512814B2 - - Google Patents
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JPH0512814B2 - - Google Patents

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Publication number
JPH0512814B2
JPH0512814B2 JP59093495A JP9349584A JPH0512814B2 JP H0512814 B2 JPH0512814 B2 JP H0512814B2 JP 59093495 A JP59093495 A JP 59093495A JP 9349584 A JP9349584 A JP 9349584A JP H0512814 B2 JPH0512814 B2 JP H0512814B2
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JP
Japan
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laser
state
ion beam
substance
beam generator
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Inventor
Yoshihiro Ueda
Koichi Ono
Tatsuo Oomori
Shigeto Fujita
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Mitsubishi Electric Corp
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Mitsubishi Electric Corp
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    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01JELECTRIC DISCHARGE TUBES OR DISCHARGE LAMPS
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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。
[Detailed Description of the Invention] [Technical Field of the Invention] The present invention relates to semiconductor processing equipment, material modification,
This relates to ion beam generators used for materials synthesis, etc.

〔従来技術〕[Prior art]

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のであつた
が、近年レーザ光を使つ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つた方式に
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つたり、
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れて該物質をイオン
化させるものであり、本発明は後者に関するもの
である。
Conventionally, various methods have been considered and put into practical use as ion generation methods using ion beam generators. Most of them used electric discharge, but in recent years ion sources using laser light have been devised. There are two methods of using light such as laser light. One is to irradiate a solid such as a metal with laser light and use the resulting plasma as an ion source.
One is to focus a laser beam and irradiate it onto a gas or liquid to create a plasma, which is then used as an ion source. The present invention relates to the latter method, in which the target substance is ionized by being resonated with the energy level of the substance to be ionized.

〔発明の概要〕[Summary of the invention]

本発明は、イオン化させ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、レー
ザビームの照射により該励起状態からリユードベ
ルグ状態に共鳴光励起し、さらに上記レーザビー
ムに同期したパルス電界の印加により該物質の電
離限界に近いリユードベルグ状態(Rydberg
level)からイオン状態にすることにより、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3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コンパク
トな低エネルギー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。
The present invention excites a substance to be ionized to a relatively lower excited state by gas discharge, resonantly optically excites the substance to be ionized from the excited state to the Ryudberg state by irradiation with a laser beam, and further applies a pulsed electric field in synchronization with the laser beam. Rydberg state (Rydberg state) close to the ionization limit of the substance
By converting the ionized state from the level) to the ionized state, the ionization efficiency for the input light energy can be improved by more than three orders of magnitude compared to conventional resonant optical excitation and ionization methods, and a compact low-energy ion beam generator with excellent selectivity in selective ionization has been developed. is intended to provide.

〔発明の実施例〕[Embodiments of the invention]

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つて従
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。
First, the ionization method in the apparatus of the present invention will be explained by comparing it with a conventional method using an example in which a beryllium ion beam is generated. FIG. 1 is an energy level diagram of beryllium neutral atoms.

従来のイオン化方法は、例えば波長が2349Å及
び4573Åの2本のレーザビームB1,B2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( 1S)にあるベリリウム原子
をまず2349ÅのレーザビームB1により第1励起
状態2p( 1P0)に共鳴励起し、その後4573Åのレ
ーザビームB2によりエネルギ準位3d( 1D)に
共鳴励起し、さらに4573ÅのレーザビームB2で
イオン化させるものである。
The conventional ionization method is, for example, to irradiate beryllium vapor to be ionized with two laser beams B1 and B2 with wavelengths of 2349 Å and 4573 Å. In other words, beryllium atoms in the ground state 2s ( 1 S) are first ionized into 2349 Å wavelengths. It is resonantly excited to the first excited state 2p ( 1 P 0 ) by laser beam B1, then resonantly excited to energy level 3d ( 1 D) by laser beam B2 of 4573 Å, and further ionized by laser beam B2 of 4573 Å. be.

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、ベリリウム蒸気をガス放電により
準安定状態2p( 3P0)が支配的な状態に共鳴励起
し、レーザビーム、第1図の例では波長3321Å、
1.46μ、6449Åの3本のレーザビームB3〜B5
により上記励起蒸気をこの準安定状態2p( 3P0
から第2の励起状態3s( 3S)、第3の励起状態3p
3P0)を経由してリユードベルグ状態12d( 3D)
に共鳴励起し、さらに従来のイオン化方法によう
にベリリウム蒸気をレーザビーム、第1図の例で
はB2、により自由電子状態、即ちイオン状態に
するのではなく、次式で示される電界により上記
励起状態からイオン状態にする。
The ionization method used in the device of the present invention differs from the conventional ionization method described above in that only resonance excitation is used, and beryllium vapor is resonantly excited to a state in which the metastable state 2p ( 3 P 0 ) is dominant by gas discharge. The laser beam, in the example shown in Figure 1, has a wavelength of 3321 Å,
Three laser beams B3 to B5 of 1.46μ, 6449Å
The above excited vapor is reduced to this metastable state 2p ( 3 P 0 ) by
from the second excited state 3s ( 3S ), the third excited state 3p
Ryudberg state 12d ( 3D ) via ( 3P0 )
Instead of resonantly exciting the beryllium vapor into a free electronic state, that is, an ionic state, using a laser beam, B2 in the example of FIG. 1, as in the conventional ionization method, state to ionic state.

E(V/cm)≧0.3125×109・n*-4 ここでn*はリユードベルグ状態の有効主量子
数であり、第5図にこの関係を示す。リユードベ
ルグ状態とは、一般に基底状態に比べ10程度以上
大きな主量子数nをもつ原子の高励起状態のこと
を言う。ベリリウム中性原子の場合、基底状態は
2s( 1S)、n=2であり、リユードベルグ状態は
n≧12程度の高励起状態のことを示す。ベリリウ
ム中性原子の12d( 1D)準位については、n*=
12.04であり、従つて、リユードベルグ状態12d(
1D)のイオン化に必要な電界強度はE≧1.487×
104V/cmとなる。また、より高い即ちより電離
限界に近いリユードベルグ状態、例えば30d(
3D)準位を選んだ場合、そのイオン化に必要な
電界強度はE≧3.858×102V/cmとより小さくな
る。一方、第1励起状態2p( 1P0)についてはn
*=1.83であり、もしこの3p( 1P0)準位を電界
によつて直接電離しようとすると、そのイオン化
にはE≧2.786×107V/cmと極めて大きい電界強
度が必要になる。
E (V/cm)≧0.3125×10 9 ·n* -4 where n* is the effective principal quantum number of the Rydberg state, and this relationship is shown in FIG. The Ryudberg state generally refers to a highly excited state of an atom that has a principal quantum number n that is about 10 or more larger than the ground state. For beryllium neutral atoms, the ground state is
2s ( 1 S), n=2, and the Ryudberg state indicates a highly excited state where n≧12. For the 12d ( 1 D) level of beryllium neutral atom, n*=
12.04 and therefore Ryudberg state 12d (
1 The electric field strength required for ionization of D) is E≧1.487×
10 4 V/cm. Also, higher Rydberg states, i.e. closer to the ionization limit, e.g. 30d (
3 D) If the level is selected, the electric field strength required for ionization will be smaller, E≧3.858×10 2 V/cm. On the other hand, for the first excited state 2p ( 1 P 0 ), n
*=1.83, and if this 3p ( 1 P 0 ) level is directly ionized by an electric field, an extremely large electric field strength of E≧2.786×10 7 V/cm is required for ionization.

ところで、有効主量子数n*のリユードベルグ
状態の放射による寿命は、τr∝n*3であり、衝
突が無視できる程度の低いガス圧力のもとでは、
n*が大きい高励起状態であるほど放射寿命τr
長くなる。第6図にベリリウム中性原子のd状態
についての放射寿命τr(ns)=1.38×(n*−
0.0144)3の関係を示す。ベリリウム中性原子のリ
ユードベルグ状態12d( 1D)に関してはτr〜2.4μs
程度であるが、より高い即ちより電離限界に近い
リユードベルグ状態例えば30d( 1D)準位に関し
てはτr〜37μsとより長くなる。一方、第1励起状
態2p( 1P0)についてはτr〜8ns程度であり、リユ
ードベルグ状態と比較して放射寿命は極めて短
い。
By the way, the radiative lifetime of the Ryudberg state with effective principal quantum number n* is τ r ∝n* 3 , and under gas pressure so low that collisions can be ignored,
The higher the excited state is, the larger n* is, the longer the radiation lifetime τ r becomes. Figure 6 shows the radiative lifetime τ r (ns) = 1.38×(n*−
0.0144) shows the relationship of 3 . For the Ryudberg state 12d ( 1D ) of beryllium neutral atoms, τ r ~2.4 μs
However, for higher Ryudberg states, that is, closer to the ionization limit, for example, the 30d ( 1D ) level, it becomes longer, τ r ~37 μs. On the other hand, the first excited state 2p ( 1 P 0 ) has a radiation lifetime of approximately τ r ~8 ns, which is extremely short compared to the Ryudberg state.

従つて、ベリリウム中性原子の基底状態2s(
1S)をガス放電によつて準安定状態2p( 3P0)に
励起し、更にこの2p( 3P0)準位を波長λ1=3321
Å、λ2=1.46μ、λ3=6449Å、の3本のレーザ光
によつてリユードベルグ状態12d( 3D)に励起
し、この12d( 3D)準位を電界E>1.487×
104V/cmによつてイオン化する本発明装置にお
けるイオン化方法の例の場合、放電化のベリリウ
ム蒸気を同期した第1のレーザ光λ1、第2のレー
ザ光λ2、第3のレーザ光λ3によつて共鳴励起した
後、リユードベルグ状態12d( 3D)の放射寿命τr
〜2.4μs程度の間に電界を印加して該準位をイオ
ン化すればよく、>10kV程度の電圧を立上り・立
下り時間<1μs程度で発生可能な通常のパルス電
圧発生装置を用いることができる。
Therefore, the ground state 2s of the beryllium neutral atom (
1 S) is excited to the metastable state 2p ( 3 P 0 ) by gas discharge, and this 2p ( 3 P 0 ) level is further converted to the wavelength λ 1 = 3321
The Ryudberg state 12d (3D) is excited by three laser beams of Å, λ 2 = 1.46 μ, and λ 3 = 6449 Å, and this 12d ( 3 D) level is controlled by an electric field E>1.487×
In the case of an example of the ionization method in the device of the present invention in which ionization is performed by 10 4 V/cm, the discharged beryllium vapor is synchronized with a first laser beam λ 1 , a second laser beam λ 2 , and a third laser beam. After resonant excitation by λ 3 , the radiative lifetime of the Ryudberg state 12d ( 3D ) τ r
It is sufficient to apply an electric field for about ~2.4 μs to ionize the level, and a normal pulse voltage generator that can generate a voltage of about >10 kV with a rise/fall time of about <1 μs can be used. .

従来のイオン化方法に従う一例である第3励起
状態3p( 3P0)から直接に光イオン化する場合、
その光電離断面積はσi=8.97×10-29[λ3(Å)]3cm
2
であり、従つてその電離速度はW=4.51×10-14
[λ3(Å)]4I(W/cm2)sec-1となる。ここで、レ

ザ光波長λ3は、電離限界を越えるためλ2<6141Å
である必要がある。第7図はこの電離速度Wをレ
ーザ光波長λ3の関数として色々なレーザ光強度I
に対して示す。図示のようにある一定のレーザ光
強度において波長λ3を変化させると電離速度Wは
連続的に変化する。
When photoionizing directly from the third excited state 3p ( 3P0 ), which is an example of following the conventional ionization method,
Its photoionization cross section is σ i =8.97×10 -293 (Å)] 3 cm
2
Therefore, the ionization rate is W=4.51×10 -14
3 (Å)] 4 I (W/cm 2 ) sec -1 . Here, since the laser light wavelength λ 3 exceeds the ionization limit, λ 2 <6141Å
It must be. Figure 7 shows this ionization rate W as a function of laser light wavelength λ 3 at various laser light intensities I.
shown against. As shown in the figure, when the wavelength λ 3 is changed at a certain laser light intensity, the ionization rate W changes continuously.

一方、この発明におけるイオン化方法の場合、
波長λ3=6449Åのレーザ光による第3励起状態
3p( 3P0)からリユードベルグ状態12d( 3D)へ
の光励起断面積はσex=1.28×10-23[λ3(Å)]3cm2

あり、従つてその励起速度はレーザ光強度をIと
するとW=6.47×10-10[λ3(Å)]4I(W/cm2)sec
-1
となる。但し、上記の値は、第3励起状態3p(
3P0)からリユードベルグ状態12d( 3D)への光
吸収スペクトルは室温でのドツプラー広がりを有
し、レーザ光のスペクトル幅はドツプラー広がり
の10倍程度として計算したものである。このよう
なリユードベルグ状態12d( 3D)を電界によりイ
オン化する場合、電界強度をイオン化に必要な電
界のしきい値Ecr=0.3125×109・nx-4=1.487×
104V/cmより1割程度高くすると、1012sec-1
上の速い速度でイオンと電子とに分離する。従つ
て、この励起速度Wを第3励起状態3p( 3P0)の
波長6449Åのレーザ光によるリユードベルグ状態
12d( 3D)を経由しての電界電離速度とすること
ができる。第8図にこの電離速度Wをいくつかの
リユードベルグ状態nd( 3D)(n=8〜13、20、
30)に関して色々なレーザ光強度Iに対して示
す。ある一定のレーザ光強度においてレーザ波長
λ3を変化させると、第3励起状態3p( 3P0)から
リユードベルグ状態nd( 3D)への遷移3p( 3P0
−nd( 3D)に共鳴する波長λ3においてのみ電離
速度Wは有限の値を示し、それ以外の波長におい
てW=0となる。第7図と第8図を比較すると、
リユードベルグ状態を経由してのイオン化の電離
速度Wは、従来の光イオン化より3桁以上大きい
ことがわかる。
On the other hand, in the case of the ionization method in this invention,
Third excited state by laser light with wavelength λ 3 = 6449 Å
The photoexcitation cross section from 3p ( 3P0 ) to Ryudberg state 12d ( 3D ) is σ ex = 1.28×10 -23 [ λ3 (Å)] 3 cm2
Therefore, the excitation speed is W=6.47×10 -103 (Å)] 4 I (W/cm 2 ) sec, where I is the laser light intensity.
-1
becomes. However, the above value is the third excited state 3p (
The optical absorption spectrum from 3 P 0 ) to the Ryudberg state 12d ( 3 D) has a Doppler broadening at room temperature, and the spectral width of the laser beam was calculated to be about 10 times the Doppler broadening. When such Ryudberg state 12d ( 3D ) is ionized by an electric field, the electric field strength is changed to the electric field threshold required for ionization E cr = 0.3125×10 9・n x-4 = 1.487×
When the voltage is about 10% higher than 10 4 V/cm, it separates into ions and electrons at a high speed of 10 12 sec -1 or more. Therefore, this excitation rate W can be expressed as the Ryudberg state caused by the laser beam with a wavelength of 6449 Å in the third excited state 3p ( 3 P 0 ).
The field ionization rate can be via 12d ( 3D ). Figure 8 shows this ionization rate W in several Ryudberg states nd ( 3 D) (n = 8 to 13, 20,
30) is shown for various laser light intensities I. When the laser wavelength λ 3 is changed at a certain laser light intensity, a transition 3p ( 3 P 0 ) from the third excited state 3p ( 3 P 0 ) to the Ryudberg state nd ( 3 D ) occurs.
The ionization rate W shows a finite value only at the wavelength λ 3 that resonates with −nd( 3 D), and W=0 at other wavelengths. Comparing Figure 7 and Figure 8,
It can be seen that the ionization rate W of ionization via the Ryudberg state is more than three orders of magnitude larger than that of conventional photoionization.

ところで、従来のイオン化方法として波長λ1
2349Åのレーザ光によつて基底状態2s( 1S)から
第1励起状態2p( 1p0)に励起したベリリウム中
性原子を、電界によつて直接電離するイオン化方
法も考えられる。この場合には、上記のようにE
≧2.786×107V/cmと極めて大きい電界強度が必
要になる。また、2p( 1p0)準位の放射寿命がτr
〜8ns程度と極めて短いため、レーザ光λ1を照射
した後〜8nsと極めて短い時間の間に電離のため
の電界を印加する必要がある。従つて、このイオ
ン化方法には、>10MVの超高電圧を〜10nsの超
短時間の間に発生することが可能な特殊な高電圧
短パルス発生装置が必要となるが、このような装
置はレーザ装置より遥かに規模が大きく、しかも
高価である。これと比較して、本発明装置のイオ
ン化方法に係るリユードベルグ状態の電界電離の
ための電圧発生は極めてコンパクトで安価な通常
の装置で達成できる。
By the way, in the conventional ionization method, the wavelength λ 1 =
Another possible ionization method is to directly ionize beryllium neutral atoms excited by a 2349 Å laser beam from the ground state 2s ( 1 S) to the first excited state 2p ( 1 p 0 ) using an electric field. In this case, E
An extremely large electric field strength of ≧2.786×10 7 V/cm is required. Also, the radiative lifetime of the 2p ( 1 p 0 ) level is τ r
Since it is extremely short at about ~8 ns, it is necessary to apply an electric field for ionization for an extremely short time of ~8 ns after irradiating the laser beam λ 1 . Therefore, this ionization method requires a special high-voltage short pulse generator that can generate ultra-high voltages of >10 MV in an ultra-short time of ~10 ns, but such a device is It is much larger in scale and more expensive than a laser device. In comparison, voltage generation for field ionization of the Ryudberg state according to the ionization method of the apparatus of the present invention can be achieved with an extremely compact and inexpensive ordinary apparatus.

従つて、この発明におけるイオン化方法の場
合、従来の共鳴光励起・イオン化方式に比べ、入
力光エネルギーに対するイオン化効率が3桁以上
高くなり、また基底状態からではなく準安定状態
からの励起であるので光子の波長は短くてすみ、
しかも完全に共鳴のみを使うためレーザービーム
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。更に、この発明におけるイオン化方法の場
合、リユードベルグ状態よりも遥かに低い励起状
態を電界電離によりイオン化する方式と比較して
も、特殊で高価な高電圧短パルス発生装置を用い
ることなく、従来のコンパクトで安価な電圧発生
装置によつて達成できる利点がある。
Therefore, in the case of the ionization method of the present invention, the ionization efficiency with respect to input light energy is more than three orders of magnitude higher than that of the conventional resonant optical excitation/ionization method, and since excitation is from a metastable state rather than a ground state, photons are The wavelength of is short,
Moreover, since only resonance is used, if the energy level and wavelength of the laser beam are selected so that they do not match those of the impurity atoms, only the substance that is desired to be ionized can be ionized, and it is possible to achieve high purity. Furthermore, the ionization method of the present invention does not require a special and expensive high-voltage short pulse generator, and is more compact than the conventional method, even when compared to the method of ionizing an excited state far lower than the Rydberg state by field ionization. There are advantages that can be achieved with an inexpensive voltage generator.

また上記レーザービームの波長や電界強度を変
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つ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。
Furthermore, by changing the wavelength and electric field strength of the laser beam, ion beams of other types of substances can be easily generated.In this case, various types of substances to be ionized can be introduced into the ion beam generation container in advance. You can leave it there. The method of the present invention, which allows the type of ion beam generated to be easily changed, is different from conventional methods, and has the advantage of being able to perform two or more processing steps using an ion beam in succession. be.

次にこの発明の実施例を図について説明する。 Next, embodiments of the invention will be described with reference to the drawings.

第2図は本発明の第1の実施例を示し、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3
bは各々図示しないレーザービーム発生部からの
レーザビームB3,B5又は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〜B5が交差する空間はイオン生成空間4と
なつている。そして上記レーザビーム発生部は励
起源用のフラツシユランプと、これにより励起さ
れて上記レーザビームB3〜B5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、波長
可変レーザ、色素レーザ、自由電子レーザ、アレ
キサンドライトレーザ等の固体レーザ又はエキシ
マ、窒素等の気体レーザが用いられる。
FIG. 2 shows a first embodiment of the present invention, in which 1 is a container into which a substance to be ionized is introduced, 1a is a gas introduction hole for introducing the substance into the container 1, and 1b is is gas exhaust hole, 3a or 3
b is a window through which laser beams B3, B5, or B4 from a laser beam generator (not shown) is introduced into the container 1, and the space in the container 1 where the laser beams B3 to B5 intersect is the ion generation space 4. It's summery. The laser beam generating section consists of a flash lamp for an excitation source and three lasers that are excited by the flash lamp and generate the laser beams B3 to B5. A solid laser such as an electron laser or an alexandrite laser, or a gas laser such as an excimer or nitrogen laser is used.

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にパルス電界を生ぜしめる電界発生部15を
構成している。16はこれも上記イオン生成空間
4を挟んで配置された誘導コイルであり、これは
該イオン生成空間4において高周波(RF)放電
を生ぜしめるRF放電発生部となつている。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。
5 and 6 are electrodes arranged with the ion generation space 4 in between; 5a and 6a are terminals for applying voltage to the electrodes 5 and 6; 15. Reference numeral 16 designates an induction coil that is also placed across the ion generation space 4, and serves as an RF discharge generating section that generates radio frequency (RF) discharge in the ion generation space 4. 8 is a sample, 8a is a sample stand that holds the sample 8,
A DC voltage is applied between the sample stage 8a and the electrode 6, thereby generating an extraction electric field for extracting the ionized substance as an ion beam.

次に動作について説明する。 Next, the operation will be explained.

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1にガス導
入孔1aからベリリウム蒸気10を導入する。そ
して上記誘導コイル16によりRF放電が発生し、
またこれと同時にレーザビーム発生部が発振し、
さらに該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
れる。するとこれにより、上記基底状態2s( 1S)
にあるベリリウム蒸気10にRF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
定状態2p( 3P0)に励起される。また上記レーザ
の発振により3321Å、6449ÅのレーザビームB
3,B5が窓3aを介して容器1内に導入され、
また1.46μm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B3〜B5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3221Åのレーザビー
ムB3により準安定状態2p( 3P0)から励起状態
3s( 3S)に共鳴励起され、さらに1.46μmのレー
ザビームB4により上記励起状態3s( 3S)から励
起状態3p( 3P0)に励起され、さらに6449Åのレ
ーザビームB5によりリユードベルグ状態12d(
3D)に階段状に共鳴励起され、最後に該励起蒸
気は上記電界発生部15からのパルス電界により
イオン化される。ここで、前述のようにリユード
ベルグ状態12d( 3D)のイオン化に必要な電界強
度はE>1.487×104V/cmとなる。従つて、電極
5と電極6との間隔をd(cm)にすると、この電
極間に印加される電圧はVx>1.487×104dVであ
る必要がある。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。イオンビーム9のエネルギーViは、電
極5と電極6との間に印加される電圧Vx及び電
極6と試料台8aとの間に印加される電圧Vaに
よつて決まる。例えば、電極5と電極6との間に
おけるレーザ照射領域を電極5と電極6の中間
d/2、d=1cmとすると、リユードベルグ状態
として12d( 3D)を選んだ場合、得られるイオン
ビームのエネルギーはVi=Vx/2+Va>0.744
×104+Vaとなる。従つて、電極6と試料台8
aとの間に電圧を印加しないとすると(Va=
0)、エネルギー7000V足らずのイオンビームを
得ることができる。ここで、イオンビームのエネ
ルギーは、より高い即ち電離限界に近いリユード
ベルグ状態を選ぶとより低くなる。例えば、30d
3D)の場合には、Vi=Vx/2+Va>0.192×
103+Vaとなり、Va=0とすると、200V程度
の低いエネルギーのイオンビームを得ることがで
きる。
Let us consider the case where a beryllium ion beam is generated by the apparatus of this embodiment. First, beryllium vapor 10 is introduced into the container 1 through the gas introduction hole 1a. Then, RF discharge is generated by the induction coil 16,
At the same time, the laser beam generator oscillates,
Further, a voltage is applied to each of the electrodes 5 and 6 from terminals 5a and 6a in temporal synchronization with the laser oscillation. Then, this causes the above ground state 2s ( 1 S)
Electrons from the RF discharge collide with beryllium vapor 10 located at , and as a result, beryllium vapor 10 is excited to a metastable state 2p ( 3 P 0 ). Also, due to the oscillation of the above laser, laser beams B of 3321 Å and 6449 Å are generated.
3, B5 is introduced into the container 1 through the window 3a,
Also, a 1.46 μm laser beam B5 is similarly introduced through the window 3b, and each of the beams B3 to B5 is attached to the container 1.
The beryllium vapor 10 is changed from the metastable state 2p ( 3 P 0 ) to the excited state by the 3221 Å laser beam B3.
3s ( 3 S), and further excited from the excited state 3s ( 3 S) to the excited state 3p ( 3 P 0 ) by the 1.46 μm laser beam B4, and then to the Ryudberg state 12d (
3D ), and finally the excited vapor is ionized by the pulsed electric field from the electric field generator 15. Here, as mentioned above, the electric field strength required for ionization of the Ryudberg state 12d ( 3D ) is E>1.487×10 4 V/cm. Therefore, if the distance between electrode 5 and electrode 6 is d (cm), the voltage applied between the electrodes needs to be Vx>1.487×10 4 dV. Further, a DC voltage is applied between the electrode 6 and the sample stage 8a, whereby the ionized beryllium vapor 10 is extracted as an ion beam 9 consisting only of beryllium ions. The sample 8 is irradiated. The energy Vi of the ion beam 9 is determined by the voltage Vx applied between the electrodes 5 and 6 and the voltage Va applied between the electrodes 6 and the sample stage 8a. For example, if the laser irradiation area between electrodes 5 and 6 is d/2 midway between electrodes 5 and 6, and d = 1 cm, if 12d ( 3D ) is selected as the Ryudberg state, the resulting ion beam will be Energy is Vi=Vx/2+Va>0.744
×10 4 +Va. Therefore, the electrode 6 and the sample stage 8
Assuming that no voltage is applied between a and a (Va=
0), it is possible to obtain an ion beam with an energy of less than 7000V. Here, the energy of the ion beam becomes lower when a higher Rydberg state is selected, that is, closer to the ionization limit. For example, 30d
( 3D ), Vi=V x /2+Va>0.192×
10 3 +Va, and if Va=0, an ion beam with a low energy of about 200V can be obtained.

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
る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。
The characteristics of this embodiment in the above operation description are as follows: First of all, this embodiment performs selective ionization using only resonance, so the substance to be ionized, in this case beryllium, is in the container 1. , even if it contains impurities other than oxygen, nitrogen, carbon, hydrogen, etc., and the amount thereof is greater than beryllium, it is desired that the energy level and wavelength of the laser beam do not match those of the above impurities, etc. A pure beryllium ion beam is obtained in which only the element, in this case beryllium, is ionized.

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。
Second, as mentioned above, this embodiment performs selective ionization and ionization by resonant optical excitation, so there is no possibility that electrons or other elements will be excited or that the temperature will rise due to energy absorption. As a result, low-temperature processing can be performed without increasing the temperature of the target sample 8 to be irradiated with the ion beam, such as a substrate in the case of a semiconductor.

第3に本実施例は上述のとおり、リユードベル
グ状態を電界によりイオン化する際の印加電圧に
よりイオンビームのエネルギーを制御することが
でき、低いエネルギーのイオンビームを得ること
ができる。従つて、該イオンビームを照射する対
象試料8、例えば半導体基板に損傷を与えること
なく表面を処理することができる。また、このよ
うな低いエネルギーのイオンビームは、ビームを
引き出した後、更に加速することによつて高いエ
ネルギーのイオンビームとして用いることもでき
る。従つて、本実施例におけるイオンビームは、
100V以下の低エネルギーから1MV以上の高エネ
ルギーまで広いエネルギー範囲のイオンビームに
対応できるイオン源となる。
Thirdly, as described above, in this embodiment, the energy of the ion beam can be controlled by the applied voltage when ionizing the Ryudberg state by an electric field, and an ion beam with low energy can be obtained. Therefore, the surface of the target sample 8 to be irradiated with the ion beam, such as a semiconductor substrate, can be treated without damaging it. Moreover, such a low energy ion beam can be used as a high energy ion beam by further accelerating the beam after extraction. Therefore, the ion beam in this example is
This is an ion source that can handle ion beams with a wide energy range, from low energy below 100V to high energy above 1MV.

第4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、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、従つて、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。
Fourth, if you want to change the type or characteristics of the ion beam, you can simply change the wavelength of the laser beam and the applied voltage, and there is no need to open and close the container to take out the sample or replace the ion source, as in the past. Therefore, continuous operations such as ion implantation and annealing can be easily performed.

第3図は本発明の第2の実施例を示す。図にお
いて、第2図と同一符号は同一又は相当部分を示
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、14はイオン化されたベリリ
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。
FIG. 3 shows a second embodiment of the invention. In the figure, the same reference numerals as in FIG. 2 indicate the same or equivalent parts, 13 is an oven containing the substance 12 to be ionized, 13a is a heater provided on the outer periphery of the oven 13, and 14 is ionized beryllium vapor 10. This is an extraction electrode that extracts the ion beam as an ion beam 9.

次に動作について説明する。 Next, the operation will be explained.

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を加熱すると蒸気ベリリウム12が溶融、
気化してベリリウム蒸気10が発生し、該蒸気1
0はガス導入孔1aを通つて容器1内に導入され
る。そして誘導コイル16によりRF放電が発生
し、また同時に3221Å、6449ÅのレザービームB
3,B5が窓3aを介して、また1.46μのレーザ
ビームB4が窓3bを介して上記容器1内に導入
され、さらに電極5,6に電圧が印加されてパル
ス電界が発生し、これにより蒸気10は基底状態
2s( 1S)から励起状態2p( 3P0)、3s( 3S)、3p(
3P0)を経てリユードベルグ状態12d( 3D)に階
段状に励起され、さらに該リユードベルグ状態
12d( 3D)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
は引き出し電極14によつてイオンビーム9とし
て放出される。ここで、前述のようにリユードベ
ルグ状態12d( 3D)のイオン化に必要な電界強度
はE>1.487×104V/cmとなる。従つて、電極5
と電極6との間隔をd(cm)にすると、この電極
間に印加される電圧はVx>1.487×104dVである
必要がある。
When beryllium 12, which is a substance to be ionized, is placed in the oven 13 and the oven 13 is heated by the heater 13a, the vapor beryllium 12 is melted.
The vaporization generates beryllium vapor 10, and the vapor 1
0 is introduced into the container 1 through the gas introduction hole 1a. Then, RF discharge is generated by the induction coil 16, and at the same time laser beams B of 3221 Å and 6449 Å are generated.
3 and B5 are introduced into the container 1 through the window 3a, and a 1.46μ laser beam B4 is introduced into the container 1 through the window 3b, and a voltage is applied to the electrodes 5 and 6 to generate a pulsed electric field. Steam 10 is the ground state
2s ( 1S ) to excited states 2p ( 3P0 ) , 3s ( 3S ), 3p(
3 P 0 ), it is excited in a stepwise manner to the Ryudberg state 12d ( 3 D), and then the Ryudberg state
The electrons in the beryllium vapor 10 located at 12d ( 3 D) become free electrons, thereby generating beryllium ions in the ion generation space 4, and the beryllium ions are emitted as an ion beam 9 by the extraction electrode 14. Here, as mentioned above, the electric field strength required for ionization of the Ryudberg state 12d ( 3D ) is E>1.487×10 4 V/cm. Therefore, electrode 5
If the distance between the electrode 6 and the electrode 6 is d (cm), the voltage applied between the electrodes needs to be Vx>1.487×10 4 dV.

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を
示す。
FIG. 4 shows an example of the configuration of a laser oscillation device in an ion beam generator according to a third embodiment of the present invention.

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図はその同期方法の一例
を示すものである。
In the present invention, in order to excite elements stepwise, a plurality of laser beams each having a specific frequency are required, and the plurality of laser beams must be synchronized. Fig. 4 shows the synchronization method. This is an example.

本レーザ発振装置20は、3台の波長可変のダ
イレーザ22,23,24と、該各ダイレーザ2
2〜24を励起するための励起源レーザ21と、
ハーフミラー25,26と、全反射ミラー27と
から構成されている。このように励起源を1台の
レーザ1で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。
This laser oscillation device 20 includes three wavelength-tunable dye lasers 22, 23, and 24, and each dye laser 2.
an excitation source laser 21 for exciting 2 to 24;
It is composed of half mirrors 25 and 26 and a total reflection mirror 27. By configuring the excitation source with one laser 1 in this manner, the oscillated laser beams ω1, ω2, and ω3 are temporally synchronized.

また上記励起源レーザ21の発振、上記電極
5,6及び誘導コイル16への電圧印加を同時に
行なうことにより、レーザビーム、電界及びRF
放電を時間的に同期できることとなる。
Furthermore, by simultaneously oscillating the excitation laser 21 and applying voltage to the electrodes 5 and 6 and the induction coil 16, the laser beam, electric field, and RF
This allows the discharge to be temporally synchronized.

〔発明の効果〕〔Effect of the invention〕

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、レー
ザビームの照射により該励起状態からリユードベ
ルグ状態に共鳴光励起し、さらに上記物質を上記
レーザービームに同期したパルス電界の印加によ
り該リユードベルグ状態からイオン状態にするよ
うにしたので、イオンの選択性に優れ、従来の共
鳴光励起・イオン化方式に比べ、入力光エネルギ
ーに対するイオン化効率を3桁以上向上でき、し
かもコンパクトな低エネルギーのイオンビーム発
生装置が得られる効果がある。
As described above, according to the ion beam generator of the present invention, the substance to be ionized is excited to a relatively lower excited state by gas discharge, and the substance to be ionized is resonantly optically excited from the excited state to the Lyudberg state by laser beam irradiation. Furthermore, by applying a pulsed electric field synchronized with the laser beam, the substance is changed from the Ryudberg state to the ionic state, resulting in superior ion selectivity and lower input light energy than the conventional resonant optical excitation/ionization method. This has the effect of improving the ionization efficiency by three orders of magnitude or more, and providing a compact, low-energy ion beam generator.

【図面の簡単な説明】[Brief explanation of drawings]

第1図はベリリウム中性原子のシングレツト系
のエネルギ状態図、第2図は本発明の第1の実施
例によるシヤ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の発生部のブロツク図、第5
図は有効主量子数n*の励起状態にある原子を電
界によりイオン化するのに必要な電界強度を示す
状態図、第6図はベリリウム中性原子のd状態に
ある有効主量子数n*の励起状態の放射寿命を示
す状態図、第7図はベリリウム中性原子の第3励
起状態3p( 3P0)における光電離速度の波長依存
性を示す状態図、第8図はベリリウム中性原子の
第3励起状態3p( 3P0)におけるリユードベルグ
状態nd( 3D)(n=8〜13、20、30)を経由して
の電界電離速度の波長依存性を示す状態図であ
る。 1,13……容器、15……電界発生部、16
……ガス放電発生部、20……レーザビーム発生
部、B1〜B5……レーザビーム。なお図中同一
符号は同一又は相当部分を示す。
FIG. 1 is an energy phase diagram of a singlet system of beryllium neutral atoms, FIG. 2 is a schematic configuration diagram of a shower type ion beam generator according to the first embodiment of the present invention, and FIG. FIG. 4 is a schematic configuration diagram of a focused ion beam generator according to an embodiment of the present invention; FIG. 4 is a block diagram of a laser beam generating section of an ion beam generator according to a third embodiment of the present invention; FIG.
The figure shows the electric field strength necessary to ionize atoms in the excited state with effective principal quantum number n*. Figure 6 shows the electric field strength necessary to ionize atoms in the excited state with effective principal quantum number n*. Figure 6 shows the effective principal quantum number n* in the d state of beryllium neutral atoms. Figure 7 is a phase diagram showing the radiative lifetime of the excited state. Figure 7 is a phase diagram showing the wavelength dependence of the photoionization rate in the third excited state 3p ( 3P 0 ) of beryllium neutral atoms. Figure 8 is the phase diagram showing the wavelength dependence of the photoionization rate in the third excited state 3p (3 P 0 ) of beryllium neutral atoms. It is a phase diagram showing the wavelength dependence of the field ionization rate via the Ryudberg state nd ( 3D ) (n=8 to 13, 20, 30) in the third excited state 3p ( 3P0 ) of . 1, 13... Container, 15... Electric field generating section, 16
...Gas discharge generating section, 20...Laser beam generating section, B1 to B5...Laser beam. Note that the same reference numerals in the figures indicate the same or equivalent parts.

Claims (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に電
界を印加する電界発生部と、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
起状態からリユ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もの
であり、上記電界発生部は上記物質をリユードベ
ルグ状態からイオン状態とする上記レーザビーム
に同期したパルス電界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 レーザビーム発生部は、物質を比較的下位の
励起状態から中間状態を経てリユードベルグ状態
に階段状に共鳴励起するような同期した波長の異
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 レーザビーム発生部として、エキシマ、窒素
等の気体レーザ又は該気体レーザからの高調波に
よつ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項又は第2項記載のイオンビーム発生装置。 4 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。 5 レーザビーム発生部として、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。 6 レーザビーム発生部として、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
の高調波によつ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項又は第2項記載のイオンビーム発
生装置。 7 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。 8 レーザビーム発生部は、1つの励起源レーザ
と、該励起源により励起される相互に時間同期し
た複数の色素レーザ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。 9 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 電界発生部の電界がイオンをビームとして
引き出す引き出し電界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 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10項のいずれかに記載
のイオンビーム発生装置。 12 物質は、化合物又は分子状態のガスとして
容器内に導入され、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11項のいずれかに記載のイオン
ビーム発生装置。 13 ガス放電は、各レーザビーム及び電界との
位相が時間的に同期した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12項のいず
れかに記載のイオンビーム発生装置。 14 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13項
のいずれかに記載のイオンビーム発生装置。
[Claims] 1. A container containing a substance to be ionized;
a laser beam generator that irradiates the substance in the container with a laser beam; an electric field generator that applies an electric field to the substance in the container; and a gas discharge that generates a gas discharge in the atmosphere of the substance in the container. and a generator for generating an ion beam of the substance, wherein the gas discharge generating unit excites the substance from a ground state of energy level to a relatively lower excited state by gas discharge; The laser beam generating unit generates a laser beam having a wavelength that resonantly excites the substance from the relatively lower excited state to the Ryudberg state, and the electric field generating unit changes the substance from the Ryudberg state to the ionic state. An ion beam generator, characterized in that it generates a pulsed electric field synchronized with the laser beam. 2. The laser beam generation unit is characterized in that it generates a plurality of synchronized laser beams with different wavelengths that resonantly excite the substance in a stepwise manner from a relatively lower excited state to an intermediate state to a Lyudberg state. An ion beam generator according to claim 1. 3. Claim 1, characterized in that either or both of an excimer, a gas laser such as nitrogen, or a dye laser excited by harmonics from the gas laser is used as the laser beam generating section. The ion beam generator according to item 1 or 2. 4. The ion beam generator according to claim 1 or 2, characterized in that a wavelength tunable laser is used as the laser beam generator. 5. The ion beam generator according to claim 1 or 2, characterized in that a dye laser is used as the laser beam generator. 6. Claim 1, characterized in that either or both of a solid-state laser such as an alexandrite laser or a dye laser excited by harmonics from the solid-state laser is used as the laser beam generating section. Or the ion beam generator according to item 2. 7. The ion beam generator according to claim 1 or 2, characterized in that a free electron laser is used as the laser beam generator. 8. The laser beam generating section includes one excitation source laser and a plurality of mutually time-synchronized dye lasers excited by the excitation source, according to claim 1 or 2. ion beam generator. 9 Claims 1 to 8, characterized in that the relatively lower excited state is a metastable state.
2. The ion beam generator according to any one of paragraphs. 10. The ion beam generator according to any one of claims 1 to 9, wherein the electric field of the electric field generator also serves as an extraction electric field for extracting ions as a beam. 11. The ion beam generator according to any one of claims 1 to 10, wherein the gas discharge generating section generates radio frequency (RF) discharge. 12. A patent characterized in that the substance is introduced into the container as a compound or molecular gas, and the gas discharge also serves as a gas discharge to bring the substance introduced into the container into a neutral atomic state. An ion beam generator according to any one of claims 1 to 11. 13. The ion beam generator according to any one of claims 1 to 12, wherein the gas discharge is temporally synchronized in phase with each laser beam and the electric field. 14. The ion beam generator according to any one of claims 1 to 13, wherein the substance is introduced into the container as a vapor generated by heating and vaporizing a solid or liquid substance. .
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