JPH0517653B2 - - Google Patents
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- JPH0517653B2 JPH0517653B2 JP59066899A JP6689984A JPH0517653B2 JP H0517653 B2 JPH0517653 B2 JP H0517653B2 JP 59066899 A JP59066899 A JP 59066899A JP 6689984 A JP6689984 A JP 6689984A JP H0517653 B2 JPH0517653 B2 JP H0517653B2
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- H01J27/02—Ion sources; Ion guns
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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、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、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、光の単一波長を対
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、特に光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 light and use the resulting plasma as an ion source, and the other is to focus the light and irradiate it onto a gas or liquid. to create plasma,
This is used as an ion source, and other 1
One is to use a variable wavelength light source to make a single wavelength of light resonate with the energy level of the substance to be ionized, and ionize the substance. It concerns something that uses synchrotron radiation instead of light.
本発明は、イオン化されるべき物質をシンクロ
トロン放射光の照射によりその基底状態からリユ
ードベルグ状態に共鳴光励起し、上記シンクロト
ロン放射光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4桁以上向
上でき、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 resonantly excites a substance to be ionized from its ground state to a Ryudberg state by irradiating it with synchrotron radiation, and then brings the substance to a Ryudberg state close to its ionization limit by applying a pulsed electric field synchronized with the synchrotron radiation. A compact low-energy ion beam generator with excellent selectivity in selective ionization, which improves ionization efficiency for input light energy by more than four orders of magnitude compared to conventional resonant optical excitation and ionization methods by changing the state from Rydberg level to ionization. is intended to provide.
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つて
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。
First, the ionization method in the apparatus of the present invention will be explained using an example of generating a magnesium ion beam and comparing it with a conventional method. FIG. 1 is an energy level diagram of a neutral magnesium atom.
従来のイオン化方法は、例えば波長が2853Å,
5528Åの2本のレーザビームB1,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(1S)にあるマグネシウム原
子をまず2853ÅのレーザビームB1により第1励
起状態3p(1P0)に共鳴励起し、その後5528Å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3853ÅのレーザビームB1でイ
オン化させるものである。 Conventional ionization methods, for example, have a wavelength of 2853 Å,
This is a method of irradiating the magnesium vapor to be ionized with two 5528 Å laser beams B1 and B2. In other words, magnesium atoms in the ground state 3s ( 1 S) are first transformed into the first excited state 3p (1 S) by the 2853 Å laser beam B1 . P 0 ), then resonantly excited to energy level 3d ( 1 D) by a laser beam B2 of 5528 Å, and further ionized by a laser beam B1 of 3853 Å.
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源は、最終励起状態をリユ
ードベルグ状態とする点、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に方向性を有し、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本の光子によりマ
グネシウム蒸気を気体状態からリユードベルグ状
態に励起できる。さらに該励起蒸気をイオン化す
るには該蒸気に例えば次式で示される電界をシン
クロトロン放射光と共に印加することにより、こ
の励起状態から電界によりイオン化を行うもので
あり、この点も従来のイオン化方法と異なる。 The ionization method in the device of the present invention differs from the conventional ionization method described above in that the final excited state is the Ryudberg state and that synchrotron radiation, particularly relativistic synchrotron radiation, is used as the excitation light source. . Synchrotron synchrotron radiation has directionality similar to laser light, and is much more intense and high-energy photons than laser light.
Therefore, as shown in FIG. 1, a single photon can excite magnesium vapor from the gas state to the Lyudberg state. Furthermore, in order to ionize the excited vapor, for example, an electric field expressed by the following formula is applied to the vapor together with synchrotron radiation light, and ionization is carried out from this excited state by the electric field, which is also different from the conventional ionization method. different from.
E(V/cm)≧0.13125×109・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
とをいう。マグネシウム中性原子の場合、基底状
態は3s(1S),n=3であり、リユードベルグ状態
はn≧13程度の高励起状態のことを示す。 E (V/cm)≧0.13125×10 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. In the case of a neutral magnesium atom, the ground state is 3s ( 1 S), n=3, and the Ryudberg state is a highly excited state with n≧13.
マグネシウム中性原子の13p(1P0)準位につい
ては、n*=12.40であり、従つて、リユードベ
ルグ状態13p(1P0)のイオン化に必要な電界強度
はE≧1.321×104V/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29p(1P0)準位を選んだ場合、そのイ
オン化に必要な電界強度はE≧4.418×102V/cm
とより小さくなる。一方、第1励起状態3p(1P0)
についてはn*=2.03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≧1.840×107V/cmと極めて大
きい電界強度が必要になる。 For the 13p ( 1 P 0 ) level of the neutral magnesium atom, n * = 12.40, and therefore the electric field strength required for ionization of the Ryudberg state 13p ( 1 P 0 ) is E ≥ 1.321 × 10 4 V/ cm. Furthermore, if a higher Ryudberg state, that is, closer to the ionization limit is selected, for example, the 29p ( 1 P 0 ) level, the electric field strength required for ionization is E≧4.418×10 2 V/cm.
becomes smaller. On the other hand, the first excited state 3p ( 1 P 0 )
For n*=2.03, if this 3p ( 1 P 0 )
If a level is directly ionized by an electric field, an extremely large electric field strength of E≧1.840×10 7 V/cm is required for the 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が長
くなる。第6図に、マグネシウム中性原子のp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。マグネシウム中性原子のリユード
ベルグ状態13p(1P0)に関してはτr〜2.6us程度で
よいが、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29p(1P0)準位に関しては
τr〜34usとより長くなる。一方、第1励起状態3p
(1P0)についてはτr〜10ns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 a Ryudberg state with effective principal quantum number n* is τr∝n* 3 , and under gas pressure so low that collisions can be ignored, n
The larger the * is in the highly excited state, the longer the radiation lifetime τr becomes. Figure 6 shows the relationship of the radiative lifetime τr (ns) = 1.38 x (n * - 0.0144) 3 for the p-state of a neutral magnesium atom. For the Ryudberg state 13p ( 1 P 0 ) of a neutral magnesium atom, τr ~ 2.6 us is sufficient, but for a higher Ryudberg state, that is, closer to the ionization limit, such as the 29p ( 1 P 0 ) level, τr ~ 34 us. becomes longer. On the other hand, the first excited state 3p
( 1 P 0 ) is about τr ~ 10 ns, and the radiative lifetime is extremely short compared to the Ryudberg state.
従つて、マグネシウム中性原子の基底状態3p
(1S)を波長λ1=1625Åのシンクロトロン放射光
によつてリユードベルグ状態29p(1P0)に励起し、
この29p(1P0)準位を電界E>4.418×102V/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、マグネシウム蒸気をシンクロ
トロン放射光λ1によつて共鳴励起した後、リユー
ドベルグ状態29p(1P0)の放射寿命τr〜34us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、>400V程度の電圧を立上り・立下り時間<
10us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 3p of the magnesium neutral atom
(1S) is excited to the Lyudberg state 29p ( 1 P 0 ) by synchrotron radiation with wavelength λ 1 = 1625 Å,
This 29p ( 1 P 0 ) level is applied to the electric field E>4.418×10 2 V/cm
In the case of an example of the ionization method in the device of the present invention in which magnesium vapor is ionized by synchrotron radiation λ 1 , the radiative lifetime of Rydberg state 29p ( 1 P 0 ) is approximately τr ~ 34 us. All you have to do is apply an electric field to ionize the level, and apply a voltage of >400V with a rise/fall time <
An ordinary pulse voltage generator capable of generating pulse voltage in about 10 us can be used.
従来のイオン化方法に従う一例である基底状態
3s(1S)から直接光イオン化する場合、その光電
離断面積はσi=2.50×10-27[λ1(Å)]3cm2であり
、
従つてその電離速度はW=1.25×10-12[λ1(Å)]4
I(W/cm2)sec-1となる。ここで、シンクロトロ
ン放射光波長λ1は、電離限界を超えるためλ1<
1621Åである必要がある。第7図はこの電離速度
Wを放射光波長λ1の関数として色々な放射光強度
Iに対して示す。図示のように、ある一定の放射
光強度において波長λ1を変化させると電離速度W
は連続的に変化する。 Ground state, an example of following traditional ionization methods
When photoionizing directly from 3s (1S), its photoionization cross section is σi = 2.50 × 10 -27 [λ 1 (Å)] 3 cm 2 ,
Therefore, the ionization rate is W=1.25×10 -12 [λ 1 (Å)] 4
I(W/cm 2 )sec -1 . Here, since the synchrotron radiation wavelength λ 1 exceeds the ionization limit, λ 1 <
Must be 1621Å. FIG. 7 shows this ionization rate W as a function of the radiation wavelength λ 1 for various radiation intensities I. As shown in the figure, when the wavelength λ 1 is changed at a certain radiation light intensity, the ionization rate W
changes continuously.
また、従来のイオン化方法として、波長λ1=
2853Åのシンクロトロン放射光によつて基底状態
3s(1S)から第1励起状態3p(1P0)に光励起した
マグネシウム中性原子を、直接に光イオン化方法
も考えられる。この場合、その光電離断面積はσi
=3.06×10-28[λ2(Å)]3cm2であり、従つてその電
離速度はW=1.54×10-13[λ2(Å)]4I(W/cm2)
sec-1となる。ここで、シンクロトロン放射光波
長λ2は、電離限界を超えるためλ2<3756Åである
必要がある。第8図はこの電離速度Wを放射光波
長λ2の関数として色々な放射光強度Iに対して示
す。図示のように、この場合も、ある一定の放射
光強度において波長λ2を変化させると電離速度W
は連続的に変化する。 In addition, as a conventional ionization method, the wavelength λ 1 =
ground state by synchrotron radiation of 2853 Å
A method of directly photoionizing the neutral magnesium atoms photoexcited from 3s ( 1 S) to the first excited state 3p ( 1 P 0 ) is also considered. In this case, its photoionization cross section is σi
= 3.06×10 -28 [λ 2 (Å)] 3 cm 2 , so its ionization rate is W = 1.54×10 -13 [λ 2 (Å)] 4 I (W/cm 2 )
sec -1 . Here, since the synchrotron radiation wavelength λ 2 exceeds the ionization limit, it is necessary that λ 2 <3756 Å. FIG. 8 shows this ionization rate W as a function of the radiation wavelength λ 2 for various radiation intensities I. As shown in the figure, in this case as well, if the wavelength λ 2 is changed at a certain radiation intensity, the ionization rate W
changes continuously.
一方、この発明装置におけるイオン化方法の場
合、波長λ1=1625Åのシンクロトロン放射光によ
る基底状態3s(1S)からリユードベルグ状態29p
(1P0)への光励起断面積σex=9.91×10-23[λ1
(Å)]3cm2であり、従つてその励起速度は放射光高
度をIとするW=4.98×10-8[λ1(Å)]4I(W/
cm2)sec-1となる。但し、上記の値は、基底状態
3s(1S)からリユードベルグ状態29p(1P0)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、放射光のスペクトル幅をドツプラー広がり
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29p(1P0)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・n-4=4.418×
102V/cmより1割程度高くすると、1012sec-1以
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を基底状態3s(1S)の波長
1625Åの放射光によるリユードベルグ状態29p
(1P0)を経由しての電界電離速度とすることがで
きる。 On the other hand, in the case of the ionization method in this inventive device, synchrotron radiation with a wavelength λ 1 = 1625 Å is used to convert the ground state 3s (1S) to the Lyudberg state 29p.
Photoexcitation cross section to ( 1 P 0 ) σ ex = 9.91×10 -23 [λ 1
(Å)] 3 cm 2 , and therefore its excitation rate is W=4.98×10 -8 [λ 1 (Å)] 4 I(W/
cm 2 ) sec -1 . However, the above values are for the ground state
The optical absorption spectrum from 3s (1S) to Ryudberg state 29p ( 1 P 0 ) has a Doppler broadening at room temperature, and was calculated assuming that the spectral width of the emitted light is about 10 times the Doppler broadening. When such Ryudberg state 29p ( 1 P 0 ) 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 -4 = 4.418×
When the voltage is about 10% higher than 10 2 V/cm, it separates into ions and electrons at a high speed of 10 12 sec -1 or more. Therefore, this excitation speed W is the wavelength of the ground state 3s ( 1 S)
Lyudberg state 29p due to 1625Å synchrotron radiation
( 1 P 0 ) can be defined as the field ionization rate via (1 P 0 ).
第9図にこの電離速度Wをいくつかのリユード
ベルグ状態np(1P0)(n=13〜15,21,29)に関
して色々な放射光強度Iに対して示す。ある一定
の放射光強度において放射光波長λ1を変化させる
と、基底状態3s(1S)からリユードベルグ状態np
(1P0)への遷移3s(1S)−np(1P0)に共鳴する波長
λ1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はW=0となる。 FIG. 9 shows this ionization rate W for various emitted light intensities I for several Ryudberg states np ( 1 P 0 ) (n=13-15, 21, 29). When the radiation wavelength λ 1 is changed at a certain radiation intensity, the state changes from the ground state 3s ( 1 S) to the Lyudberg state np
The ionization rate W exhibits a finite value only at the wavelength λ 1 that resonates with the transition 3s ( 1 S)−np ( 1 P 0 ) to ( 1 P 0 ), and W=0 at other wavelengths.
第7図、第8図と第9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4桁以上大きいことが
わかる。 Comparing Figures 7, 8, and 9, the ionization rate W of ionization via the Ryudberg state
It can be seen that this is more than four 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
=2853Åのシンクロトロン放射光によつて基底状
態3s(1S)から第1励起状態3p(1P0)に励起した
マグネシウム中性原子を、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≧1.840×107V/cmと極めて大
きい電界強度が必要になる。また、3p(1P0)準位
の放射寿命がτr〜10ns程度と極めて短いため放射
光λ1を照射した後〜10nsと極めて短い時間の間に
電離のための電界を印加させる必要がある。従つ
て、このイオン化方法には、>10MV程度の超高
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。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, as a conventional ionization method, the wavelength λ 1
Another possible ionization method is to directly ionize neutral magnesium atoms excited from the ground state 3s ( 1 S) to the first excited state 3p ( 1 P 0 ) by an electric field using synchrotron radiation of = 2853 Å. In this case,
As mentioned above, an extremely large electric field strength of E≧1.840×10 7 V/cm is required. In addition, since the radiative lifetime of the 3p ( 1 P 0 ) level is extremely short at ~10 ns, it is necessary to apply an electric field for ionization for an extremely short time of ~10 ns after irradiation with synchrotron radiation λ 1 . . Therefore, this ionization method requires a special high-voltage short pulse generator capable of generating an ultra-high voltage of about >10 MV in an ultra-short time of ~10 ns. 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4桁以上
高くなり、しかも完全に共鳴のみを使うため、該
放射光のエネルギ準位、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。 Therefore, in the case of the ionization method of the present invention, the ionization efficiency with respect to the input light energy is more than four orders of magnitude higher than that of the conventional resonance optical excitation and ionization method, and since only resonance is used completely, the energy level of the synchrotron radiation is By selecting the wavelength so that it does not match that of the impurity atoms, it is possible to ionize only the substance that is desired to be ionized, and moreover, it is possible to ionize the substance with high purity.
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。 Furthermore, in the case of the ionization method in this invention,
Even compared to the method of ionizing the excited state, which is much lower than the Ryudberg state, by field ionization,
There are advantages that can be achieved using conventional compact and inexpensive voltage generators without the need for specialized and expensive high voltage short pulse generators.
また上記シンクロトロン放射光の波長や電界強
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。 In addition, by changing the wavelength and electric field strength of the synchrotron radiation, it is possible to easily generate ion beams of other types of substances. You can also introduce it. 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は上記容器1を真空にする
ための真空排気装置(図示せず)に接続された排
気通路、3は1625Åの波長幅の狭いシンクロトロ
ン放射光B3を発生するシンクロトロン放射光発
生部、5,6は上記シンクロトロン放射光B3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
記容器1内に上記物質をイオン化するためのイオ
ン化電界を印加する電界発生部15を構成してい
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。なお、上記イオン化電界が上
記引き出し電界を兼ねるようにしてもよい。 FIG. 2 shows a first embodiment of the invention. In the figure, 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 an evacuation device for evacuating the container 1 (see FIG. (not shown), 3 is a synchrotron radiation generating unit that generates synchrotron radiation B3 with a narrow wavelength width of 1625 Å, and 5 and 6 are electrodes placed on both sides of the synchrotron radiation B3. , 5a and 6a are terminals for applying voltage to the electrodes 5 and 6, and these constitute an electric field generating section 15 that applies an ionizing electric field for ionizing the substance in the container 1. 8 is a sample, and 8a is a sample stand that holds the sample 8. A direct current voltage is applied between the sample stand 8a and the electrode 6, and a drawer is used to extract the ionized substance as an ion beam. An electric field is generated. Note that the ionization electric field may also serve as the extraction electric field.
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、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。そして上記シンクロトロン放射光発生部3か
ら波長1625Åのシンクロトロン放射光B3が上記
容器1内に導入され、これにより上記マグネシウ
ム蒸気10は、該放射光B3により基底状態3s
(1S)からリユードベルグ状態29p(1P0)に共鳴励
起される。 Let us consider the case where a magnesium ion beam is generated by the apparatus of this embodiment. First, magnesium vapor 10 is introduced into the container 1 through the gas introduction hole 1a. Synchrotron radiation B3 with a wavelength of 1625 Å is introduced into the container 1 from the synchrotron radiation generating section 3, and the magnesium vapor 10 is brought into the ground state 3s by the synchrotron radiation B3.
( 1 S) to the Lyudberg state 29p ( 1 P 0 ).
また蒸気シンクロトロン放射光の導入と時間的
に同期して電極5と電極6の各々に端子5a,6
aから電圧が印加され、これにより、上記リユー
ドベルグ状態29p(1P0)にあるマグネシウム蒸気
10に電界が印加され、その結果マグネシウム蒸
気10はイオン化される。ここで、前述のよう
に、リユードベルグ状態29p(1P0)のイオン化に
必要な電界強度はE>4.418×102V/cmとなる。
従つて、電極5と電極6との間隔をd(cm)とす
ると、この電極間に印加される電圧はVr>4.418
×102dV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。 In addition, terminals 5a and 6 are connected to electrodes 5 and 6, respectively, in synchronization with the introduction of vapor synchrotron radiation light.
A voltage is applied from a, thereby applying an electric field to the magnesium vapor 10 in the Lyudberg state 29p ( 1 P 0 ), and as a result, the magnesium vapor 10 is ionized. Here, as described above, the electric field strength required for ionization of the Ryudberg state 29p ( 1 P 0 ) is E>4.418×10 2 V/cm.
Therefore, if the distance between electrode 5 and electrode 6 is d (cm), the voltage applied between these electrodes is Vr>4.418
×10 2 dV. Further, a DC voltage is applied between the electrode 6 and the sample stage 8a, so that the ionized magnesium vapor 10 is extracted as an ion beam 9 consisting only of magnesium ions. The sample 8 is irradiated.
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Vr及び電極6と
試料第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
シンクロトロン放射光照射領域を電極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29p(1P0)を選んだ場合、得られる
イオンビームのエネルギーはVi=Vr/2+Va>
2.209×102+VaVとなる。従つて、電極6と試料
台8aとの間に電圧を印加しないとすると(Va
=0)、エネルギー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。 The energy Vi of the ion beam 9 is determined by the voltage Vr applied between the electrodes 5 and 6 and the voltage Va applied between the electrodes 6 and the sample 8a. For example, the synchrotron radiation irradiation area between electrode 5 and electrode 6 is
Assuming that d/ 2 is in the middle of
It becomes 2.209×10 2 +VaV. Therefore, if no voltage is applied between the electrode 6 and the sample stage 8a (Va
= 0), it is possible to obtain an ion beam with a low energy of about 200V.
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、シンクロトロン放射光のエネル
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。 The characteristics of this embodiment in the above operation description are as follows: First of all, since this embodiment performs selective ionization completely using only resonance, the substance to be ionized in the container 1, in this case, Even if impurities other than magnesium, such as oxygen, nitrogen, carbon, and hydrogen, are contained, and the amount is greater than that of magnesium, the energy level and wavelength of synchrotron radiation light should not match those of the impurities mentioned above. The result is a pure magnesium ion beam in which only the desired element, in this case magnesium, 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を制御することがで
き、低いエネルギ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
の低エネルギから1MV以上の高エネルギまで、
広いエネルギ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 the Ryudberg state is ionized 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. Further, 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 ranges from low energy of 100V or less to high energy of 1MV or more.
This is an ion source that can handle ion beams with a wide energy range.
第4にイオンビームの種類や特性を変える場合
はシンクロトロン放射光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 synchrotron radiation light and the applied voltage.
There is no need to open or close the container to replace the ion source, and 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
る容器、13aは上記容器13の外周に設けられ
たヒータであり、これにより上記容器13は上記
物質12を蒸発せしめるオーブンとなつている。
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ツト、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。 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 a container containing the substance 12 to be ionized, 13a is a heater provided on the outer periphery of the container 13, and the container 13 is thereby It serves as an oven in which the substance 12 is evaporated.
11 is a magnet that focuses the ionized magnesium vapor 10 on the axis of the container 1, and 14 is an extraction electrode that extracts the focused magnesium vapor 10 as an ion beam 9.
次に動作について説明する。 Next, the operation will be explained.
容器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により容器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が発生する。そして波
長1625Åのシンクロトロン放射光B3が上記容器
13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に電界が印加される。するとこれにより蒸気
10は基底状態3s(1S)からリユードベルグ状態
29p(1P0)に励起され、さらに外部電界によりリ
ユードベルグ状態29p(1P0)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
オンはマグネツト11により軸心に集束された
後、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。 Magnesium 12, which is a substance to be ionized, is placed in the container 13, and the container 13 is heated by the heater 13a.
When heated, the magnesium 12 is melted and vaporized to generate magnesium vapor 10. Then, synchrotron radiation B3 having a wavelength of 1625 Å is introduced into the container 13 and irradiated onto the vapor 10, and at the same time, a voltage is applied to the electrodes 5 and 6 to apply an electric field to the vapor 10. As a result, steam 10 changes from the ground state 3s (1S) to the Lyudberg state.
29p ( 1 P 0 ), and due to an external electric field, the electrons of the magnesium vapor 10 in the Ryudberg state 29p ( 1 P 0 ) become free electrons, thereby producing magnesium ions, which are axially moved by the magnet 11. After being focused on the heart, the ions are emitted as an ion beam 9 by an extraction electrode 14.
ここで、前述のように、リユードベルグ状態
29p(1P0)のイオン化に必要な電界強度はE>
4.418×102V/cmとなる。従つて、電極5と電極
6との間隔をd(cm)とすると、この電極間に印
加される電圧はVr>4.418×102dVである必要が
ある。 Here, as mentioned above, the Lyudberg state
The electric field strength required for ionization of 29p ( 1 P 0 ) is E>
It becomes 4.418×10 2 V/cm. Therefore, assuming that the distance between electrode 5 and electrode 6 is d (cm), the voltage applied between the electrodes needs to be Vr>4.418×10 2 dV.
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。図において、21は線
形加速器、22は電子蓄積リング、23はウイグ
ラー、24は分光系、33は容器である。 FIG. 4 shows an example of the configuration of a synchrotron radiation generator used in the present invention. In the figure, 21 is a linear accelerator, 22 is an electron storage ring, 23 is a wiggler, 24 is a spectroscopic system, and 33 is a container.
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2
2において相対論的速度になつた電子からシンク
ロトロン放射光が放出され、さらに分光系24に
導入され該分光系24により単一波長にされた光
である。そして本実施例はウイグラー23を設け
たので上記分光系24の波長可変性とは別に波長
可変性の範囲を拡げることができ、多種の物質の
イオンビームを発生できる。 In the synchrotron radiation introduced into the container 33, electrons are first accelerated by the linear accelerator 21 and are driven into the electron storage ring 22.
Synchrotron radiation light is emitted from the electrons that have reached relativistic speed in step 2, and is further introduced into the spectroscopic system 24, where the light is made into a single wavelength. In this embodiment, since the wiggler 23 is provided, the wavelength tunability range can be expanded in addition to the wavelength tunability of the spectroscopic system 24, and ion beams of various materials can be generated.
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シンクロ
トロン放射光の照射によりその基底状態からリユ
ードベルグ状態に共鳴光励起し、さらに上記物質
を上記シンクロトロン放射光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
力光エネルギに対するイオン化効率を4桁以上向
上でき、しかもコンパクトな低エネルギイオンビ
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 resonantly excited from its ground state to the Lyudberg state by irradiation with the synchrotron radiation light, and the substance is further excited by the synchrotron radiation light. By applying a synchronized pulsed electric field, the Ryudberg state is transformed into an ion state, resulting in excellent ion selectivity, and compared to conventional resonant optical excitation and ionization methods, the ionization efficiency for input light energy can be improved by more than four orders of magnitude. Moreover, there is an effect that a compact low-energy ion beam generator can be obtained.
第1図はマグネシ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承知の概略構成図、第4
図は本発明に用いるシンクロトロン放射光発生部
の概略構成図、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図はマグネシウ
ム中性原子のp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図はマグネ
シウム中性原子の基底状態3s(1S)における光電
離速度の波長依存性を示す状態図、第8図はマグ
ネシウム中性原子の第1励起状態3p(1P0)におけ
る光電離速度の波長依存性を示す状態図、第9図
はマグネシウム中性原子の基底状態3s(1S0)にお
けるリユードベルグ状態np(1P0)(n=13〜15,
21,29)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。
1,13,33……容器、15……電界発生
部、20……シンクロトロン放射光発生部、B3
……シンクロトロン放射光。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 magnesium neutral atoms, FIG. 2 is a schematic diagram of the shower type ion beam generator according to the first embodiment of the present invention, and FIG. Schematic configuration diagram of focused ion beam generation according to the embodiment, No. 4
The figure is a schematic diagram of the synchrotron radiation generation section used in the present invention. Figure 6 is a phase diagram showing the radiative lifetime of an excited state with effective principal quantum number n* in the p state of a neutral magnesium atom, and Figure 7 is a diagram showing the photoionization rate in the ground state 3s ( 1 S) of a neutral magnesium atom. Figure 8 is a phase diagram showing the wavelength dependence of the photoionization rate in the first excited state 3p ( 1 P 0 ) of a neutral magnesium atom. Figure 9 is a phase diagram showing the wavelength dependence of a neutral magnesium atom. Ryudberg state np ( 1 P 0 ) in state 3s ( 1 S 0 ) (n = 13 ~ 15,
21, 29) is a phase diagram showing the wavelength dependence of field ionization rate. 1, 13, 33... Container, 15... Electric field generating section, 20... Synchrotron radiation generating section, B3
... Synchrotron radiation. Note that the same reference numerals in the figures indicate the same or equivalent parts.
Claims (1)
該容器内の上記物質をこれにシンクロトロン放射
光を照射してエネルギ準位の基底状態からリユー
ドベルグ状態に共鳴光励起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をこれに上
記シンクロトロン放射光に同期したパルス電界を
印加してリユードベルグ状態からイオン状態とす
る電界発生部とを備えたことを特徴とするイオン
ビーム発生装置。 2 シンクロトロン放射光発生部は、加速器を有
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 加速器として、電子蓄積リング又は電子サイ
クロトロンを用いた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。 4 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上
記分光器又は分光系を通過させた単一波長の光を
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2項又は第3項記載のイオンビーム発生装
置。 5 シンクロトロン放射光発生部は、分光器又は
分光系を有し、物質を基底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光励起をす
るような同期した複数の単一波長の光を発生する
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。[Claims] 1. A container containing a substance to be ionized;
a synchrotron radiation generating section that irradiates the substance in the container with synchrotron radiation light to excite resonance light from the ground state of the energy level to the Ryudberg state; An ion beam generator comprising: an electric field generator that applies a pulsed electric field synchronized with synchrotron radiation to change the Ryudberg state to the ion state. 2. The ion beam generation device according to claim 1, wherein the synchrotron radiation light generation section includes an accelerator. 3. The ion beam generator according to claim 2, wherein an electron storage ring or an electron cyclotron is used as the accelerator. 4. The synchrotron radiation light generating section is characterized by having an accelerator and a spectrometer or spectroscopic system, and generating light of a single wavelength by passing the output from the accelerator through the spectrometer or spectroscopic system. An ion beam generator according to claim 2 or 3. 5 The synchrotron radiation light generating unit has a spectrometer or a spectroscopic system, and generates synchronized plural single wavelength lights that resonantly excite a substance in a stepwise manner from a ground state to an intermediate state to a Rydberg state. The first claim characterized in that
The ion beam generator described in Section 1.
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP59066899A JPS60208039A (en) | 1984-04-02 | 1984-04-02 | Ion beam generator |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP59066899A JPS60208039A (en) | 1984-04-02 | 1984-04-02 | Ion beam generator |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPS60208039A JPS60208039A (en) | 1985-10-19 |
| JPH0517653B2 true JPH0517653B2 (en) | 1993-03-09 |
Family
ID=13329238
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP59066899A Granted JPS60208039A (en) | 1984-04-02 | 1984-04-02 | Ion beam generator |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JPS60208039A (en) |
Family Cites Families (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US3914655A (en) * | 1973-06-28 | 1975-10-21 | Ibm | High brightness ion source |
-
1984
- 1984-04-02 JP JP59066899A patent/JPS60208039A/en active Granted
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JPS60208039A (en) | 1985-10-19 |
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