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JPH0512813B2 - - Google Patents

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Publication number
JPH0512813B2
JPH0512813B2 JP59066892A JP6689284A JPH0512813B2 JP H0512813 B2 JPH0512813 B2 JP H0512813B2 JP 59066892 A JP59066892 A JP 59066892A JP 6689284 A JP6689284 A JP 6689284A JP H0512813 B2 JPH0512813 B2 JP H0512813B2
Authority
JP
Japan
Prior art keywords
state
laser
substance
electric field
ion beam
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Expired - Lifetime
Application number
JP59066892A
Other languages
Japanese (ja)
Other versions
JPS60208025A (en
Inventor
Yoshihiro Ueda
Koichi Ono
Tatsuo Oomori
Shigeto Fujita
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Mitsubishi Electric Corp
Original Assignee
Mitsubishi Electric Corp
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Mitsubishi Electric Corp filed Critical Mitsubishi Electric Corp
Priority to JP59066892A priority Critical patent/JPS60208025A/en
Publication of JPS60208025A publication Critical patent/JPS60208025A/en
Publication of JPH0512813B2 publication Critical patent/JPH0512813B2/ja
Granted legal-status Critical Current

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    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01JELECTRIC DISCHARGE TUBES OR DISCHARGE LAMPS
    • H01J27/00Ion beam tubes
    • H01J27/02Ion sources; Ion guns
    • H01J27/24Ion sources; Ion guns using photo-ionisation, e.g. using laser beam

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  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Optics & Photonics (AREA)
  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Combustion & Propulsion (AREA)
  • Electron Sources, Ion Sources (AREA)

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, and the other is to focus laser light to release gas or liquid. The other method uses a wavelength-tunable light source, which targets the energy of the substance to be ionized with a single wavelength such as a laser beam, and uses it as an ion source. The substance is ionized by resonance with the level, and the present invention relates to the latter.

〔発明の概要〕[Summary of the invention]

本発明は、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リユードベル
グ状態に共鳴光励起し、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 resonantly optically excites a substance to be ionized from its ground state to a Rydberg state by irradiating it with a laser beam, and then brings the substance to a Rydberg level close to its ionization limit by applying a pulsed electric field synchronized with the laser beam. To provide a compact low-energy ion beam generator that can improve the ionization efficiency for input light energy by more than three orders of magnitude compared to conventional resonant optical excitation and ionization methods by converting the ions into an ionized state, and has excellent selectivity in selective ionization. The purpose is to

〔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2853Å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 ), and then the 5528 Å laser beam B2 excites the energy level 3d ( 1 D).
2853 Å laser beam B1
It ionizes it.

本発明装置におけるイオン化方法が上記従来の
イオン替方法と異なる点はマグネシウム蒸気を第
1励起状態3d( 1P0)からリユードベルグ状態
13d( 1D)に励起し、さらに該励起蒸気に電界を
印加してイオン化する点である。例えば、リユー
ドベルグ状態13d( 1D)にする場合は波長3859Å
のレーザビームB3によりリユードベルグ状態に
共鳴励起させ、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レーザ
ビームB3と共に印加することにより、このリユ
ードベルグ状態にあるマグネシウム中性原子を電
界電離するものである。
The difference between the ionization method in the device of the present invention and the conventional ion exchange method described above is that the magnesium vapor is changed from the first excited state 3d ( 1 P 0 ) to the Lyudberg state.
13d ( 1 D), and further applies an electric field to the excited vapor to ionize it. For example, for Ryudberg state 13d ( 1 D), the wavelength is 3859 Å.
The magnesium neutral atoms in the Ryudberg state are resonantly excited to the Ryudberg state by the laser beam B3, and in order to further ionize the excited vapor, an electric field expressed by the following formula is applied to the vapor together with the laser beam B3. It ionizes in an electric field.

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。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。マグネ
シウム中性原子の13d( 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
13d( 1D)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
30d( 1D)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。
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. 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 where n≧13. For the 13d ( 1D ) level of the magnesium neutral atom, n
*=12.04, therefore, Ryudberg state
The electric field strength required for ionization of 13d ( 1 D) is E≧
It becomes 1.321×10 4 V/cm. Also, higher Rydberg states, i.e. closer to the ionization limit, e.g.
When the 30d ( 1 D) level is selected, the electric field strength required for ionization is smaller, E≧3.858×10 2 V/cm. On the other hand, for the first excited state 3p ( 1 P 0 ), n * = 2.03, and if this 3p ( 1 p 0 ) level is directly ionized by an electric field, the ionization requires E≧1.840× An extremely large electric field strength of 10 7 V/cm is required.

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図にマグネシウム中性原子の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。マグネシウム中性原子の
リユードベルグ状態13d( 1D)に関してはτr
2.6μs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 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 Lyudberg state 13d ( 1 D) of the neutral magnesium atom, τ r ~
It is about 2.6 μs, but for a higher Ryudberg state, that is, closer to the ionization limit, for example, the 30d ( 1 D) level, it becomes longer, τ r ~37 μs. On the other hand, the first
For the excited state 3p ( 1 P 0 ), τ r is about 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3s(
1S)を波長λ1=2853Åのレーザ光によつて第1の
励起状態3p( 1P0)に励起し、更にこの3p( 1P0
準位を波長λ2=3859Åのレーザ光によつてリユー
ドベルグ状態13d( 1D)に励起し、この13d( 1D)
準位を電界E>1.321×104V/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、マグネシ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によつて共鳴励起した後、
リユードベルグ状態13d( 1D)の放射寿命τr
2.6μs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 3s of the neutral magnesium atom (
1 S) is excited to the first excited state 3p ( 1 P 0 ) by a laser beam with a wavelength λ 1 = 2853 Å, and further this 3p ( 1 P 0 )
The level is excited to the Ryudberg state 13d ( 1 D) by a laser beam with wavelength λ 2 = 3859 Å, and this 13d ( 1 D)
In the case of an example of the ionization method in the apparatus of the present invention in which the level is ionized by an electric field E>1.321×10 4 V/cm, magnesium vapor is ionized by synchronized first laser light λ 1 and second laser light λ 2 . After resonant excitation,
The radiative lifetime of the Lyudberg state 13d ( 1 D) τ r ~
It is sufficient to apply an electric field for about 2.6 μs to ionize the level, and a normal pulse voltage generator capable of generating 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1励起
状態3p( 1P0)から直接に光イオン化する場合、
その光電離断面積はσi=3.06×10-28[λ2(Å)]3cm
2
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、レ

ザ光波長λ2は、電離限界を超えるためλ2<3756Å
である必要がある。第7図はこの電離速度Wをレ
ーザ光波長λ2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λ2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 first excited state 3p ( 1 P 0 ), which is an example of following the conventional ionization method,
Its photoionization cross section is σ i =3.06×10 -282 (Å)] 3 cm
2
Therefore, the ionization rate is W=1.54×10 -13
2 (Å)] 4 I (W/cm 2 ) sec -1 . Here, since the laser light wavelength λ 2 exceeds the ionization limit, λ 2 <3756Å
It must be. Figure 7 shows this ionization rate W as a function of laser light wavelength λ 2 at various laser light intensities I.
shown against. As shown in the figure, when the wavelength λ 2 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λ2=3859Åのレーザ光による第1励起状態
3p( 1P0)からリユードベルグ状態13d( 1D)へ
の光励起断面積はσex=9.91×10-24[λ2(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=8.31×10-10[λ2(Å)]4I(W/cm2)sec
-1
となる。但し、上記の値は、第1励起状態3p(
1P0)からリユードベルグ状態13d( 1d)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13d( 1D)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=1.321×
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1励起状態3p( 1P0)の
波長3859Åのレーザ光によるリユードベルグ状態
13d( 1D)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( 1D)(n=9〜15、21、
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
λ2を変化させると、第1励起状態3p( 1P0)から
リユードベルグ状態nd( 1D)への遷移3p( 1P0
−nd( 1D)に共鳴する波長λ2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,
First excited state by laser light with wavelength λ 2 = 3859 Å
The photoexcitation cross section from 3p ( 1 P 0 ) to Ryudberg state 13d ( 1 D) is σ ex = 9.91×10 -242 (Å)] 3 cm 2
Therefore, the excitation speed is W=8.31×10 -102 (Å)] 4 I (W/cm 2 ) sec, where I is the laser light intensity.
-1
becomes. However, the above value is the first excited state 3p (
The optical absorption spectrum from the Lyudberg state 13d ( 1 P 0 ) to the Ryudberg state 13d ( 1 d) has a Doppler broadening at room temperature, and the spectral width of the laser beam was calculated as being about 10 times the Doppler broadening. When such Ryudberg state 13d ( 1 D) 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 = 1.321×
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 speed W is expressed as the Ryudberg state caused by the laser beam with a wavelength of 3859 Å in the first excited state 3p ( 1 P 0 ).
13d ( 1D ) can be taken as the field ionization rate via 1D. Figure 8 shows this ionization rate W in several Ryudberg states nd ( 1 D) (n = 9 to 15, 21,
30) is shown for various laser light intensities I. When the laser wavelength λ 2 is changed at a certain laser light intensity, a transition 3p ( 1 P 0 ) from the first excited state 3p ( 1 P 0 ) to the Lyudberg state nd ( 1 D ) occurs.
The ionization rate W exhibits a finite value only at the wavelength λ 2 that resonates with −nd ( 1 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
2853Åのレーザ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、レーザ光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 neutral magnesium atoms excited by a 2853 Å laser beam from the ground state 3s ( 1 S) to the first excited state 3p ( 1 p 0 ) using an electric field. In this case, as mentioned above, an extremely large electric field strength of E≧1.840×10 7 V/cm is required. Furthermore, since the radiative lifetime of the 3p ( 1 p 0 ) level is extremely short at approximately τ r ~10 ns, it is necessary to apply an electric field for ionization for an extremely short time of ~10 ns after irradiating the laser beam λ 1 . There is. 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、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。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、特殊な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 the input light energy is more than three orders of magnitude higher than that of the conventional resonant optical excitation/ionization method, and since only resonance is used, the energy level and wavelength of the laser beam can be improved. By selecting the atoms so that they do not match those of the impurity atoms, only the substance to be ionized can be ionized, and moreover, it can be made with high purity. Furthermore, the ionization method of the present invention does not require a special expensive high-voltage short pulse generator, and is compact 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,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1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となつている。なお
上記レーザビーム発生部としては、波長可変レー
ザ又は自由電子レーザ等のレーザが用いられる。
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, 1b is a gas discharge hole, 3a, 3b
1 is a window through which laser beams B1 and B3 from a laser beam generation section (not shown) are introduced into the container 1, and a space in the container 1 where the laser beams B1 and B3 intersect is an ion generation space 4. Note that as the laser beam generating section, a laser such as a wavelength tunable laser or a free electron 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。
Reference numerals 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; these are terminals for ionizing the substance in the ion generation space 4; It constitutes an electric field generating section 15 that applies an ionizing electric field. 8
is a sample, 8a is a sample stand that holds the sample 8, and a DC voltage is applied between the sample stand 8a and the electrode 6, thereby creating an extraction electric field for extracting the ionized substance as an ion beam. 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からマグネシウム蒸気10を導入す
る。そして上記レーザビーム発生部が発振し、こ
れにより波長2853Å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3859Å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B1,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、2853ÅのレーザビームB1によ
り基底状態3s( 1S)から第1励起状態3p( 1P0
に共鳴励起され、さらに3859ÅのレーザビームB
3により上記第1励起状態3p( 1P0)からリユー
ドベルグ状態13d( 1D)に階段状に共鳴励起され
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. Then, the laser beam generating section oscillates, thereby emitting a laser beam B1 with a wavelength of 2853 Å to the window 3a.
A laser beam B3 of 3859 Å is also introduced into the container 1 through the window 3b, and both beams B1 and B3 intersect in the ion production space 4 in the container 1, whereby the magnesium vapor 10 is converted from the ground state 3s ( 1 S) to the first excited state 3p ( 1 P 0 ) by the 2853 Å laser beam B1.
is resonantly excited and further laser beam B of 3859 Å
3, the first excited state 3p ( 1 P 0 ) is resonantly excited stepwise from the Ryudberg state 13d ( 1 D).

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、これにより上記リユードベルグ状態13d(
1D)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13d( 1D)のイオン化に必要な電界強度はE>
1.321×104V/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>1.321×104dV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。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13d( 1D)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>0.661×104
+Va∨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、より高い即ちより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(
1D)の場合には、Vi=Vx/2+Va>0.193×103
+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。
Also, in time synchronization with the laser oscillation, the electrode 5
A voltage is applied to each of the electrodes 6 and 6 from the terminals 5a and 6a, thereby achieving the Lyudberg state 13d (
An electric field is applied to the magnesium vapor 10 at 1 D), so that the magnesium vapor 10 is ionized. Here, as mentioned above, the electric field strength required for ionization of Ryudberg state 13d ( 1 D) is E>
It becomes 1.321×10 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>1.321×10 4 dV. Further, a DC voltage is applied between the electrode 6 and the sample stage 8a, whereby the ionized magnesium vapor 10 is extracted as an ion beam 9 consisting only of magnesium ions. The sample 8 is irradiated. The energy Vi of the ion beam 9 is
and the voltage Vx applied between the electrode 6 and the electrode 6
It is determined by the voltage Va applied between and the sample stage 8a. For example, the laser irradiation area between electrodes 5 and 6 may be
2. Assuming d=1cm, if 13d ( 1 D) is chosen as the Ryudberg state, the energy of the ion beam obtained is Vi=Vx/2+Va>0.661×10 4
+Va∨. Therefore, if no voltage is applied between the electrode 6 and the sample stage 8a (Va=0), an ion beam with an energy of less than 7000V can be obtained. Here, the energy of the ion beam becomes lower when choosing a higher Ryudberg state, ie closer to the ionization limit. For example, 30d (
1 D), then Vi=V x /2+Va>0.193×10 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
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、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。
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 it contains impurities other than magnesium, such as oxygen, nitrogen, carbon, hydrogen, etc., and the amount is larger than magnesium, the energy level of the laser beam,
A pure magnesium ion beam in which only the desired element, in this case magnesium, is ionized can be obtained by making the wavelength not coincident with those of the above-mentioned impurities.

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
はレーザビームの栄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 only need to change the laser beam height and applied voltage, which eliminates the 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
るオープン、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の軸心に収束せしめるマ
グネツト、14は上記収束されたマグネシウム蒸
気10をイオンビーム9として引き出し電極であ
る。
FIG. 3 shows a second embodiment of the invention. In the figure, the same reference numerals as those in FIG. 2 indicate the same or corresponding parts, 13 is an opening that accommodates the substance 12 to be ionized, 13a is a heater provided on the outer periphery of the oven 13, and 11 is ionized magnesium vapor 10. A magnet 14 focuses the magnesium vapor 10 on the axis of the container 1, and an electrode 14 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.

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を通つて容器1内に導
入される。そして2853ÅのレーザビームB1と
3859Å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)から第1励
起状態3p( 1P0)を経てリユードベルグ状態13d
1D)に階段状に励起され、さらに外部電界に
よりリユードベルグ状態13d( 1D)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。ここ
で、前述のようにリユードベルグ状態13d( 1D)
のイオン化に必要な電界強度はE>1.321×
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>1.321×104dVである必要がある。
Magnesium 12, which is a substance to be ionized, is placed in the oven 13, and when the oven 13 is heated by the heater 13a, the magnesium 12 is melted and vaporized to generate magnesium vapor 10, which is passed through the gas introduction hole 1a into the container. 1. And laser beam B1 of 2853Å
A laser beam B3 of 3859 Å is introduced into the container 1 through the windows 3a and 3b, respectively, and irradiates 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, the vapor 10 changes from the ground state 3s ( 1 S) to the first excited state 3p ( 1 P 0 ) to the Lyudberg state 13d.
( 1 D), and furthermore, due to the external electric field, the electrons of the magnesium vapor 10 in the Ryudberg state 13d ( 1 D) become free electrons, which generates magnesium ions in the ion generation space 4, and the magnesium ions is magnet 11
After being focused on the axis by the ion beam 9, the ion beam is emitted as an ion beam 9 by the extraction electrode 14. Here, Ryudberg state 13d ( 1 D) as mentioned above
The electric field strength required for ionization is E>1.321×
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>1.321×10 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で
ある。
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.

本発明におけるイオン生成のためのレーザビー
ムと電界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。
In the present invention, the laser beam and electric field for ion generation need to be synchronized in time, and in order to excite the elements in a stepwise manner, a plurality of laser beams each having a specific frequency are required. It is of course necessary to synchronize the laser beams, and FIG. 4 shows an example of a synchronization method.

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。そして上記励起源レーザ21の発振
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、レーザビームと電界とを時間的に同
期できることとなる。
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. By simultaneously oscillating the excitation laser 21 and applying voltage to the electrodes 5 and 6, the laser beam and the electric field can be synchronized in time.

〔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。
[Effects of the Invention] As described above, according to the ion beam generator of the present invention, a substance to be ionized is resonantly excited from its ground state to a Lyudberg state by irradiation with a laser beam, and the substance is further irradiated with the laser beam. By applying a pulsed electric field synchronized with the Rydberg state to the ionic state, the ionization has excellent ion selectivity and can improve the ionization efficiency for input light energy by more than three orders of magnitude compared to the conventional resonant optical excitation/ionization method. Moreover, there is an effect that a compact low-energy ion beam generator can be obtained.

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

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振部のブロツク図、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図はマグネシウム中性原子の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)におけるリユー
ドベルグ状態nd( 1D)(n=9〜15、21、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……容器、15……電界発生部、20……レ
ーザビーム発生部、B1〜B3……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 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 the focused ion beam generator according to the embodiment, No. 4
The figure is a block diagram of the laser beam oscillation part of the ion beam generator according to the third embodiment of the present invention, and FIG. Figure 6 is a phase diagram showing the electric field strength. Figure 6 is a phase diagram showing the radiative lifetime of the excited state with effective principal quantum number n* in the d state of a neutral magnesium atom. Figure 7 is the first excited state of a neutral magnesium atom. A phase diagram showing the wavelength dependence of the photoionization rate in 3p ( 1 P 0 ), Figure 8 shows the Ryudberg state nd ( 1 D ) (n = 9 15, 21, 30) is a phase diagram showing the wavelength dependence of field ionization rate. DESCRIPTION OF SYMBOLS 1... Container, 15... Electric field generation part, 20... Laser beam generation part, B1-B3... 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
ーザビーム発生器と、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
ビーム発生部は上記物質を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、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。 4 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。 5 レーザビーム発生部は、1つの励起源レーザ
と、該励起源レーザからのレーザビーム電子励起
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2項記
載のイオンビーム発生装置。 6 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5項のい
ずれかに記載のイオンビーム発生装置。 7 電界は、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。
[Claims] 1. A container containing a substance to be ionized;
An apparatus for generating an ion beam of the substance, comprising: a laser beam generator that irradiates the substance in the container with a laser beam; and an electric field generator that applies an electric field to the substance in the container; The generation section generates a laser beam having a wavelength that resonantly excites the substance from the ground state of energy level to the Ryudberg state, and the electric field generation section generates a laser beam that excites the substance from the Ryudberg state to the ion state. An ion beam generator characterized by generating a pulsed electric field synchronized with a beam. 2. The laser beam generator generates a plurality of synchronized laser beams with different wavelengths that resonantly excite a substance stepwise from a ground state to an intermediate state to a Lyudberg state. The ion beam generator according to scope 1. 3. The ion beam generator according to claim 1 or 2, characterized in that a wavelength tunable laser is used as the laser beam generator. 4. The ion beam generator according to claim 1 or 2, characterized in that a free electron laser is used as the laser beam generator. 5. Claim 2, characterized in that the laser beam generating section comprises one excitation source laser and a plurality of mutually time-synchronized dye lasers that are excited by laser beam electrons from the excitation source laser. The ion beam generator described. 6. The ion beam generator according to any one of claims 1 to 5, wherein the substance is introduced into the container as a vapor generated by heating and vaporizing a solid or liquid substance. . 7. The ion beam generator according to any one of claims 1 to 6, wherein the electric field also serves as an extraction electric field for extracting the ionized substance as an ion beam.
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