DE4006623A1

DE4006623A1 - Ionenstrahlquelle

Info

Publication number: DE4006623A1
Application number: DE4006623A
Authority: DE
Inventors: Ohmori Tatsuo; Kouichi Ono
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 1989-04-21
Filing date: 1990-03-02
Publication date: 1990-10-25
Also published as: JPH02281536A; KR920010700B1; KR900017084A; US5115135A; JP2947813B2

Description

Die Erfindung betrifft eine Ionenstrahlquelle zum Ionisieren von Teilchen mit Hilfe eines Lasers. Solche Ionenstrahlquel len werden verwendet, um z. B. dünne Filme herzustellen, Ionenimplantation vorzunehmen, Schichten zu ätzen oder Sput termethoden auszuführen.

Fig. 1 zeigt eine herkömmliche Ionenstrahlquelle, die mit Laserstrahlen arbeitet (JP-A 50/22 999). Ein Teilchenfluß erzeuger 1 gibt über eine Austrittsdüse 2 einen Atomstrahl 3 aus, der mit dem Licht von drei Farbstofflasern 4 a, 4 b und 4 c über jeweils eine Linse 5 a, 5 b bzw. 5 c bestrahlt wird. Die Laserstrahlen und der Teilchenstrahl kreuzen sich in einem Punkt P. Die dabei ionisierten Teilchen fliegen in einem Strahl 6 zu einer Elektrodenanordnung 7, die dazu dient, die Ionen aus dem Atomstrahl herauszuziehen. Die Teilchen im Strahl 3, z. B. Na-Atome, fliegen mit bestimmter Geschwindigkeit und treffen, wie erwähnt, im Punkt P mit den konvergierten Laserstrahlen zusammen.

Fig. 2 zeigt das Energieniveau-Diagramm des Na-Atoms. Wenn der erste Farbstofflaser 4 a eine Wellenlänge von 589 nm auf weist, werden die Na-Atome vom Grundzustand 3 s ²S_1/2 in einen Zustand 3 p ²P_3/2 angeregt. Von dort erfolgt weiteres Anregen in den Zustand 4 d mit Hilfe des zweiten Farbstoff lasers mit einer Wellenlänge von 568,8 nm. Dieser Zustand befindet sich etwa 7000 cm^-1 unter der Ionisationsgrenze der Na-Atome. Weist nun der dritte Farbstofflaser eine Wellen länge von höchstens 1,4 µm auf, werden die angeregten Na- Atome ionisiert. Das von der Elektrodenanordnung 7 erzeugte elektrische Feld lenkt nur Ionen ab und leitet sie als Ionenstrahl in einen vorgegebenen Bereich.

Für den ersten genannten Übergang ist der Einstein-Koeffi zient A ungefähr 6,3 × 10⁷(1/s), was zur Folge hat, daß zum Anregen eine Energiedichte des Laserstrahls von etwa 10W/cm² bei der Wellenlänge von 589 nm erforderlich ist. Für die zweite Anregung mit der Wellenlänge von 568,8 nm ist der Einstein-Koeffizient A ungefähr 1,3 × 10⁷(1/s), was zum An regen eine Energiedichte von etwa 40 W/cm² erfordert. Für den ionisierenden Übergang ist dagegen eine Leistungsdichte für den dritten Farbstofflaser von etwa 10⁷W/cm² erforderlich, da der Absorptionsquerschnitt für direktes Ionisieren von Na im Zustand 4 d höchstens 10^-18 cm² ist.

Nun ist zu beachten, daß selbst ein großer Farbstofflaser nur etwa eine Energiedichte von 10⁶ W aufweist, während bei kontinuierlichem Betrieb der Wert 1 W beträgt. Daher ist es erforderlich, den Laserstrahl auf einen schmalen Bereich von mindestens etwa 10^-1 cm² im Fall eines gepulsten Laser strahls zu verwenden, oder auf höchstens 10^-7 cm² im Fall eines kontinuierlichen Laserstrahls.

Aufgrund dieser Erfordernisse ist es nicht möglich, einen großen Ionenstrom zu ziehen.

Weiterhin besteht ein Problem dahingehend, daß das von den Ionen erzeugte Raumladungsfeld eine Stärke von mindestens etwa 3 kV/cm einnimmt, wenn die Ionendichte 10¹⁰/cm³ oder mehr ist, was der Fall ist, wenn ein sehr dichter Teilchen strahl verwendet wird, um die Zahl entnehmbarer Ionen zu steigern. Dadurch breiten sich die Ionen im Strahl 6 nach dem Punkt P aus, was dazu führt, daß die Anzahl an Ionen, die tatsächlich die Elektrodenanordnung 7 erreicht, nicht erhöht wird. Mit einem Erhöhen der Atomdichte im Teilchen strahl 3 kann somit kaum ein Erhöhen des Ionenstroms erhal ten werden.

Ein weiteres Problem besteht dahingehend, daß dann, wenn an dere Atome oder Moleküle als Alkalimetallatome wie Na oder Erzalkalimetallatome wie Ca ionisiert werden sollen, die Wellenlänge des ersten Farbstofflasers sehr kurz sein muß, sie muß nämlich zwischen dem Vakuumultraviolettbereich von etwa 100 nm und dem Ultraviolettbereich von etwa 400 nm lie gen. Übliche Farbstofflaser haben jedoch eine untere Wellen längengrenze von etwa 200 nm. Dadurch ist die Zahl ionisier barer Substanzen stark eingeengt.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Ionenstrahl quelle anzugeben, die so aufgebaut ist, daß auch mit relativ schwacher Laserleistung üblicher Farbstofflaser viele Sub stanzen mit gutem Wirkungsgrad ionisiert werden können.

Die Erfindung ist durch die Merkmale von Anspruch 1 gegeben. Vorteilhafte Weiterbildungen und Ausgestaltungen sind Gegen stand der Unteransprüche.

Die erfindungsgemäße Ionenstrahlquelle zeichnet sich dadurch aus, daß Teilchen zunächst bis in einen Rydberg-Zustand an geregt werden und von dort aus durch die Energie eines elek trischen Feldes ionisiert werden. Für diese Ionisierung durch ein elektrisches Feld ist der Wirkungsgrad sehr hoch.

Verschiedene der Ausführungsbeispiele und der Unteransprüche betreffen besonders vorteilhafte Ausgestaltungen zum Erzeu gen von Strahlen angeregter Teilchen.

Die Erfindung wird im folgenden anhand von durch Figuren veranschaulichten Ausführungsbeispielen näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 schematische Ansicht einer herkömmlichen Ionenstrahlquelle;

Fig. 2 Energieniveaudiagramm für Na;

Fig. 3 schematische Ansicht einer einfach aufgebau ten Ionenstrahlquelle, bei der Teilchen zunächst in einen Rydberg-Zustand überführt werden und dann durch ein elektri sches Feld ionisiert werden;

Fig. 4 Darstellung eines Laserstrahlerzeugers, wie er in der Ionenstrahlquelle gemäß Fig. 3 verwendet wird;

Fig. 5 Energieniveaudiagramm für Na, durch das das Ausnutzen eines Rydberg-Zustandes veranschaulicht wird;

Fig. 6 Diagramm betreffend die Größe des Absorp tionsquerschnitts des Übergangs 3 p-nd für Na abhängig vom Wert der Hauptquantenzahl n;

Fig. 7 Diagramm für die Abhängigkeit der Lebens dauer des Zustandes nd von Na, abhängig vom Wert der Haupt quantenzahl n;

Fig. 8 zeitkorrelierte Diagramme zum Erläutern, wie ein Laserstrahl und ein elektrisches Feld gepulst werden;

Fig. 9 schematische Darstellung einer Ionenstrahl quelle, bei der ein elektrisches Feld parallel zur Teilchen strahlrichtung verwendet wird;

Fig. 10 zeitkorrelierte Diagramme zum Erläutern, wie ein elektrisches Feld bei kontinuierliche eingestrahltem Laserlicht gepulst wird;

Fig. 11 Ionenstrahlquelle entsprechend der von Fig. 3, jedoch mit einem Magnetfeld parallel zum elektrischen Feld;

Fig. 12 Ionenstrahlquelle entsprechend der von Fig. 9, jedoch mit einem im Ionenstrahl angeordneten Substrat;

Fig. 13 Ionenstrahlquelle mit zwei Teilchenflußer zeugern;

Fig. 14 Laserstrahlerzeuger entsprechend dem von Fig. 4, jedoch für die Ionenstrahlquelle gemäß Fig. 13;

Fig. 15 schematische Darstellung eines Teilchen flußerzeugers für Teilchen aus einem Material, das bei Zim mertemperatur gasförmig ist;

Fig. 16 schematische Darstellung eines Teilchenfluß erzeugers für Teilchen als einem Material, das bei Raumtem peratur fest ist;

Fig. 17 Energieniveaudiagramm für Ga unter Ausnut zung des Rydberg-Zustandes;

Fig. 18 Diagramm zum Veranschaulichen des elektroni schen Austauschquerschnitts für den Elektronenaustausch von Xe im Rydberg-Zustand mit SF₆, CCl₄ und CCl₃F;

Fig. 19 Ionenstrahlerzeuger gemäß Fig. 13, wobei je doch eine positive statt einer negativen Spannung verwendet wird;

Fig. 20 Ionenstrahlerzeuger gemäß Fig. 13, wobei je doch zusätzlich ein magnetisches Feld verwendet wird;

Fig. 21 Ionenstrahlerzeuger gemäß Fig. 13, wobei je doch zwei einzelne Farbstofflaser vewrendet werden;

Fig. 22 Ionenstrahlerzeuger gemäß Fig. 13, wobei je doch ein Laserstrahl entgegengesetzt zur Flugrichtung von Teilchen im zweiten Teilchenstrahl verwendet wird;

Fig. 23 Ionenstrahlerzeuger gemäß Fig. 22, wobei je doch die Teilchen in einem ersten Teilchenstrahl durch ein Loch in einer Elektrode in den Raum zwischen den Elektroden eingeführt werden;

Fig. 24 schematische Darstellung eines Ultraschall- Teilchenerzeugers;

Fig. 25 Ionenstrahlquelle entsprechend der von Fig. 13, wobei jedoch statt eines Teilchenstrahlerzeugers eine Entladungskammer verwendet wird;

Fig. 26 schematische Darstellung einer Entladungs kammer;

Fig. 27 Energieniveaudiagramm von Ga, unter Ausnut zung eines Rydberg-Zustandes;

Fig. 28 Ionenstrahlquelle entsprechend der von Fig. 25, jedoch mit einem positiven statt einem negativen Poten tial an einer Elektrode;

Fig. 29 Ionenstrahlquelle entsprechend der von Fig. 25, jedoch mit einem zusätzlichen Magnetfeld;

Fig. 30 Ionenstrahlquelle entsprechend der von Fig. 25, jedoch mit zwei einzelnen Farbstofflasern;

Fig. 31 Ionenstrahlquelle entsprechend der von Fig. 25, jedoch mit einem Laserstrahl entgegengesetzt zur Flug richtung eines zweiten Teilchenstrahls;

Fig. 32 Ionenstrahlquelle entsprechend der von Fig. 25, wobei jedoch ein erster Teilchenstrahl durch ein Loch in einer Elektrode in den Raum zwischen zwei Elektroden einge führt wird;

Fig. 33 Ionenstrahlerzeuger entsprechend dem von Fig. 13, jedoch mit einem zusätzlichen Strahlerzeuger für geladene Teilchen;

Fig. 34 schematische Darstellung einer Einrichtung zum Erzeugen eines Elektronenstrahls;

Fig. 35 Ionenstrahlerzeuger entsprechend dem von Fig. 33, jedoch mit einem positiven statt einem negativen Potential an einer Elektrode;

Fig. 36 Ionenstrahlerzeuger entsprechend dem von Fig. 33, jedoch mit einem zusätzlichen Magnetfeld;

Fig. 37 Ionenstrahlerzeuger entsprechend dem von Fig. 33, jedoch mit zwei gesonderten Farbstofflasern;

Fig. 38 Ionenstrahlquelle entsprechend der von Fig. 33, jedoch mit einem Laserstrahl entgegengesetzt zur Flug richtung eines zweiten Teilchenstrahls;

Fig. 39 Ionenstrahlquelle entsprechend der von Fig. 33, wobei jedoch erste Teilchen durch ein Loch in einer Elektrode in den Raum zwischen zwei Elektroden eingeschossen werden;

Fig. 40 Ionenstrahlerzeuger, bei dem zwei unter schiedliche Teilchenstrahlen aus einem einzelnen Teilchen flußerzeuger ausgegeben werden;

Fig. 41 schematische Darstellung eines Teilchenfluß erzeugers, wie er bei der Ionenstrahlquelle gemäß Fig. 40 verwendet wird;

Fig. 42 Ionenstrahlquelle entsprechend der von Fig. 40, wobei jedoch ein positives statt ein negatives Potential an eine Elektrode angelegt wird;

Fig. 43 Ionenstrahlerzeuger entsprechend dem von Fig. 40, wobei jedoch zusätzlich ein magnetisches Feld vor handen ist;

Fig. 44 Ionenstrahlerzeuger entsprechend dem von Fig. 40, wobei jedoch zwei einzelne Farbstofflaser verwen det werden;

Fig. 45 Ionenstrahlquelle entsprechend der von Fig. 40, wobei jedoch ein Laserstrahl verwendet wird, dessen Strahlrichtung entgegengesetzt zur Flugrichtung von Teilchen ist;

Fig. 46 Ionenstrahlquelle entsprechend der von Fig. 40, wobei die Teilchen durch ein Loch in einer Elektrode in den Raum zwischen zwei Elektroden eingeschossen werden;

Fig. 47 Ionenstrahlquelle entsprechend der von Fig. 40, wobei jedoch als Teilchenflußerzeuger eine Gasentla dungskammer zum Erzeugen zweier unterschiedlicher angereg ter Teilchen verwendet wird;

Fig. 48 schematische Darstellung einer Entladungs kammer, wie sie in der Ionenstrahlquelle gemäß Fig. 47 ver wendet wird;

Fig. 49 Ionenstrahlquelle entsprechend der von Fig. 47, wobei ein positives statt ein negatives Potential an eine Elektrode gelegt wird;

Fig. 50 Ionenstrahlquelle entsprechend der von Fig. 47, wobei zusätzlich ein Magnetfeld vorhanden ist;

Fig. 51 Ionenstrahlquelle entsprechend der von Fig. 47, bei der jedoch zwei getrennte Farbstofflaser verwendet werden;

Fig. 52 Ionenstrahlquelle entsprechend der von Fig. 47, bei der jedoch ein Laserstrahl verwendet wird, der ent gegengesetzt zur Flugrichtung der Teilchenstrahlrichtung ist;

Fig. 53 Ionenstrahlquelle entsprechend der von Fig. 47, wobei jedoch die Teilchen durch ein Loch in einer Elek trode in den Raum zwischen zwei Elektroden eingestrahlt wer den;

Fig. 54 Ionenstrahlquelle entsprechend der von Fig. 47, wobei jedoch zusätzlich Elektronen in den Raum zwischen den Elektroden eingeschossen werden;

Fig. 55 Ionenstrahlquelle entsprechend der von Fig. 54, bei der jedoch ein positives statt ein negatives Poten tial an eine Elektrode gelegt wird;

Fig. 56 Ionenstrahlquelle entsprechend der von Fig. 54, bei der jedoch zusätzlich ein magnetisches Feld vorhan den ist;

Fig. 57 Ionenstrahlquelle entsprechend der von Fig. 54, wobei jedoch zwei getrennte Farbstofflaser verwendet werden;

Fig. 58 Ionenstrahlquelle entsprechend der von Fig. 54, bei der jedoch ein Laserstrahl verwendet wird, der ent gegengesetzt zur Flugrichtung von Teilchen strahlt; und

Fig. 59 Ionenstrahlquelle entsprechend der von Fig. 54, bei der jedoch Teilchen durch ein Loch in einer Elektro de in den Raum zwischen zwei Elektroden eingestrahlt werden.

Beim Ausführungsbeispiel 3 einer Ionenquelle ist ein Teil chenflußerzeuger 1 vorhanden, der dazu dient, zu ionisieren des Material in Form eines Teilchenflusses von Atomen oder Molekülen bereitzustellen. Das Material wird über eine Aus gabedüse 2 in Form eines Strahls 3 ausgegeben. Im folgenden wird angenommen, daß es sich um einen Strahl von Atomen han delt. Der Strahl 3 wird über eine Einrichtung 9 zum Einstel len eines optischen Pfades vom Licht von einem Laser 8 er zeugt, der mit einer solchen Wellenlänge oder mit mehreren Wellenlängen strahlt, in denen die Atome vom Grundzustand in einen angeregten Zustand überführbar sind, und zwar in einen Rydberg-Zustand, bei dem die Hauptquantenzahl des Valenz elektrons hoch ist. Das Bestrahlen erfolgt dicht hinter der Ausgabedüse 2. Als Einrichtung zur Strahlanpassung ist eine konvexe Linse eingezeichnet. Der Einstrahlbereich in den Atomstrahl ist mit 10 a gekennzeichnet. Dort findet das Anre gen in den Rydberg-Zustand statt. Im weiteren Verlauf des Atomstrahls sind Querschnitte des Strahles 10 b, 10 c und 10 d eingezeichnet. Benachbart zu letzten Bereich 10 d sind zwei parallele Elektroden 11 a und 11 b benachbart zum Strahl ange ordnet. An diese wird eine Spannung angelegt, die ein elek trisches Feld erzeugt, das dazu dient, die Atome im Rydberg- Zustand zu ionisieren.

In der plattenförmigen Elektrode 11 b, die der Elektrode 11 a parallel gegenüber liegt, ist ein Ausgangsloch 12 vorhanden. An die Eletkrode 11 a ist eine Pulsspannungsversorgung 13 an geschlossen, die eine positive Spannung erzeugt. Zwischen den Elektroden wird ein elektrisches Feld IE erzeugt, dessen Richtung durch einen Pfeil 14 gekennzeichnet ist. Das Ioni sieren durch die Spannung erfolgt also nach dem Anregen in den Rydberg-Zustand durch Bestrahlen mit dem Laserstrahl. Ein Ionenstrahl 15 tritt durch das Ausgangsloch 12 in der Elektrode 11 b, da die Ionen durch das elektrische Feld 14 in Richtung auf diese Elektrode beschleunigt werden.

Fig. 4 zeigt ein Beispiel für den Laserstrahlerzeuger 8, wie er bei der ersten Ausführungsform verwendet wird. Er umfaßt zwei Farbstofflaser 16 a und 16 b, die Laserlicht mit einer Wellenlänge λ 1 als mittlerer Wellenlänge bzw. λ 2 als mittle rer Wellenlänge emittieren. Eine optische Anordnung 17 dient zum Justieren des Laserstrahls vom ersten Farbstofflaser 16 a. Ein halbdurchlässiger Spiegel 18 läßt das Licht von diesem ersten Farbstofflaser 16 a durch, reflektiert aber das Licht vom zweiten Farbstofflaser 16 b. Es handelt sich um einen dielektrischen Spiegel. Von ihm strahlt ein Laserstrahl 19 mit den beiden Wellenlängen λ 1 und λ 2 ab.

Wenn bei diesem Ausführungsbeispiel ein Na-Strahl erzeugt werden soll, wird Na in den Teilchenflußerzeuger 1 gegeben und ein Atomstrahl von Na wird durch die Ausgabedüse 2 aus gegeben. Gepulstes Laserlicht mit einer Wellenlänge von 589 nm (λ1) und gepulstes Laserlicht mit einer Wellenlänge von 431,1 nm (λ2) werden mit dem Spiegel 17 und dem dielek trischen Spiegel 18 in der Nähe der Ausgabedüse 8 auf den Atomstrahl 3 mit Hilfe der optischen Einrichtung 9 geleitet. Fig. 5 zeigt das Energiediagramm von Na in hochangeregten Zuständen. Na-Atome werden durch Anregung mit der Laserlicht vom Grundzustand 3 s ²S_1/2 in den Zustand 3 p ²P_3/2 überführt, und zwar durch das Licht von 589 nm. Anschließend erfolgt durch das Laserlicht von 413,1 nm weiteres Anregen in einen hochangeregten Zustand (Rydberg-Zustand), in dem die Haupt quantenzahl des Valenzelektrons des 20d-Zustandes 20 ist. Da der Einstein-Koeffizient A für den Übergang 3 s S_1/2-3 p ²P_3/2 (Übergangswellenlänge von 589 nm) für Natrium ungefähr 6,3 × 10⁷ (1/s) ist, wird Sättigung des Übergangs vom Grund zustand in den 3p ²P_3/2 erhalten, wenn ein Laser mit einer Wellenlänge von 589 nm mit einer Leistungsdichte von minde stens etwa 10 W/cm² verwendet wird. Der Absorptionsquer schnitt für den Übergang vom Zustand 3 p ²P_3/2 in den hochan geregten nd-Zustand ist in Fig. 6 dargestellt. Er liegt zwi schen 10^-14 cm² und 10^-17 cm², abhängig vom Wert der Haupt quantenzahl n des hochangeregten Zustandes. Da der Absorp tionsquerschnitt für den Übergang 3 p ²P_3/2-20d (Übergangs wellenlänge 413,1 nm) etwa 10^-15 cm² ist, wird Sättigung für den genannten Übergang erhalten, wenn der Laserstrahl mit der Wellenlänge 413,1 nm eine Leistungsdichte von mindestens etwa 10⁴ W/cm² aufweist.

Wie vorstehend beschrieben, kann Übergang vom Grundzustand in den hochangeregten Rydberg-Zustand 20 d in Sättigung er folgen, wenn die beiden gepulsten Laserstrahlen mit den un terschiedlichen Wellenlängen vom Laserstrahlerzeuger 8 Lei stungen von jeweils mindestens etwa 10⁴ W/cm² aufweisen.

Fig. 7 zeigt die Strahlungslebensdauer im Rydberg-Zustand, die von der Hauptquantenzahl n abhängt. Beim Wert 20 d ist die Lebensdauer etwa 30 µs, was bedeutet, daß dann, wenn die n Atome einmal in den Zustand 20 d durch den Laserstrahl überführt sind, diese Atome im genannten Zustand für etwa 30 µs verbleiben, wenn der Laserstrahl abgeschaltet wird.

Beim Austritt aus der Ausgabedüse 3 weisen die in den Ryd berg-Zustand angeregten Na-Atome hohe Teilchendichte auf. Sie verringern jedoch ihre Dichte mit zunehmendem Flugweg. Das Volumen vergrößert sich, was aus den dargestellten Quer schnitten für die Bereiche 10 b, 10 c und 10 d leicht erkenn bar ist. Durch diese Bereiche fliegen die Atome während der Anregungslebensdauer von etwa 30 µs. Die Volumenzunahme be trägt etwa l³/Vo, wobei Vo das Volumen des Atomstrahls im Rydberg-Zustand im Bereich 10 a ist und wobei l die Entfer nung vom Bereich 10 a ist. Dieser Zusammenhang gilt, da die Geschwindigkeitsverteilung der Na-Atome eine Maxwell-Vertei lung ist und sich der Atomstrahl 3 nach einer Cosinus-Regel aufweitet, wenn sich die Na-Atome im Teilchenflußerzeuger in thermischem Gleichgewicht befinden und die Ausgabedüse 2 ein dünnes einziges Loch ist. Wenn z. B. der Lasereinstrahlbe reich etwa 10^-1 cm² ist und der Atomstrahl im Rydberg- Zustand im Bereich 10 a ein Volumen von 3 × 10^-2 cm² auf weist, verhundertfacht sich das Volumen nach einem Weg von etwa 15 mm, so daß die Dichte der Na-Atome etwa 1/100 wird.

Der beschriebene Ablauf kann auch auf andere Atome im Ryd berg-Zustand angewendet werden. Nach R.S. Stebbings, et al., in "Rydberg States of Atoms and Molecules", Cambridge Uni versity Press, London, 1983, hängen die Eigenschaften jedes Atoms oder Moleküls im hochangeregten Zustand (Rydberg-Zu stand), bei dem die Hauptquantenzahl eines Valenzelektrons groß ist, in erster Linie von der Hauptquantenzahl (n) ab, wobei für die Lebensdauer τ im Rydberg-Zustand gilt:

τ∼n³.

Die Lebensdauer steigt also mit Erhöhung der Hauptquanten zahl n stark an. Da sich darüber hinaus das Valenzelektron im hochangeregten Zustand nahe der Ionisationsgrenze befin det, kann es leicht durch ein externes elektrisches Feld ionisiert werden. Die minimale Feldstärke Ec zum Ionisieren ist gegeben durch

Ec∼3.2×10⁸n ^-4 (V/cm) (1)

wobei für n = 20, der Wert Ec∼2 kV/cm erhalten wird.

Der Na-Atomstrahl 3 wird also mit dem gepulsten Laserstrahl bestrahlt, wodurch die Na-Atome in den Rydberg-Zustand mit der Hauptquantenzahl 20 übergehen. Anschließend wird durch die Spannungsversorgung 13 eine gepulste Spannung an die Elektroden 11 a und 11 b angelegt, wodurch das elektrische Feld 14 wiederholt anliegt, wie dies durch das Diagramm von Fig. 8 veranschaulicht ist. In Fig. 8 ist mit dem Bezugs zeichen 20 die Wiederholzeit des gepulsten Laserstrahls be zeichnet, und mit dem Bezugszeichen 21 ist die Verzögerungs zeit zwischen dem Anwenden des gepulsten Laserstrahls und dem Anwenden des elektrischen Feldes bezeichnet. Das Bezugs zeichen 22 kennzeichnet die Zeitspanne, während der das elektrische Feld anliegt und das Bezugszeichen 24 kennzeich net die elektrische Feldstärke.

Beim ersten Ausführungsbeispiel beträgt die Wiederholzeit 20 des gepulsten Laserstrahls etwa 1 ms, die Verzögerungszeit 21 für das Anlegen des elektrischen Feldes beträgt etwa 30 µs, die Anlegezeitspanne für das elektrische Feld beträgt etwa 1 µs und die Feldstärke 24 ist 5 kV/cm. Der Einstrahl bereich für den Laserstrahl ist etwa 10^-1 cm² und die Ent fernung zwischen dem Einstrahlort des Laserstrahls und dem Ort der beiden Elektroden 11 a und 11 b ist 15 mm.

Die mittlere thermische Geschwindigkeit der Atome im Atom strahl 3 beträgt etwa 100 m/s. Bei dieser Geschwindigkeit und den genannten Zeitspannen erreichen die in den Rydberg- Zustand im Bereich 10 a angeregten Atome den Bereich 10 d zwi schen den Elektroden gerade dann, wenn das elektrische Feld angelegt wird. Da die Feldstärke zwischen den Elektroden 5 kV/cm ist, werden die im Rydberg-Zustand befindlichen Na- Atome leicht ionisiert und die erzeugten Na-Ionen werden durch das elektrische Feld zur Elektrode 11 b beschleunigt und treten dort durch das Ausgangsloch 12 aus.

Wie vorstehend erläutert, beträgt das Volumen im Bereich 10 d etwa 3 cm³, was etwa 100mal größer ist als das Volumen im Einstrahlbereich 10 a für den Laserstrahl. Die Dichte ist also 1/100. Daher wird die Anzahl von Na-Atomen, die ohne den Einfluß einer Raumladung durch erzeugte Na-Ionen erhal ten werden, etwa das 100-fache.

Mit der vorstehend beschriebenen Anordnung kann also ein Ionenstrom mit mindestens etwa 100-facher Stärke, vergli chen mit bekannten Anordnungen, erhalten werden. Bei den be kannten Anordnungen wird ein gepulster Farbstofflaser mit einer Ausgangsleistung von etwa 1 kW verwendet.

Mit der angegebenen Anordnung kann ein noch größerer Ionen strom erhalten werden, wenn der Abstand zwischen den Berei chen 10 a und 10 b vergrößert wird und die Na-Atome in einen Rydberg-Zustand mindestens mit der Quantenzahl 20 angeregt werden und die Verzögerungszeit zwischen dem Anregen und dem Anlegen des elektrischen Feldes mindestens 30 µs beträgt. Es wird darauf hingewiesen, daß die Laserstrahlen nicht alle in horizontaler Richtung nahe der Ausgabedüse einstrahlen müs sen, sondern daß Laserstrahlen von unterschiedlichen Rich tungen eingestrahlt werden können.

Das Ausführungsbeispiel wurde anhand der Erzeugung von Na- Ionen erläutert. Es kann jedoch ein Ionenstrahl aus beliebi gen Ausgangsatomen oder -molekülen erzeugt werden, da ein Anregen in den Rydberg-Zustand erfolgt und in diesem Zustand die Eigenschaften durch die Hauptquantenzahl (n) bestimmt werden. Wenn Ga-Ionen erzeugt werden, wird ein erster Farb stofflaser 16 a mit einer Wellenlänge λ 1 von 403,3 nm verwen det, um ein Anregen vom Grundzustand in den Zustand 5 s zu erhalten, und ein zweiter Farbstofflaser 16 b mit einer Wel lenlänge λ 2 von weniger als 429 nm wird verwendet, um den Übergang 5 s-np zu bewerkstelligen.

Beim zweiten Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 9 sind Elektro den 11 a und 11 b vorhanden, die Löcher aufweisen. Sie sind so angeordnet, daß sie ein elektrisches Feld im wesentlichen parallel zur Flußrichtung des Atomstrahls auf die im Ryd berg-Zustand befindlichen Atome ausüben. Ein gepulstes Feld oder ein Gleichspannungsfeld wird zwischen die Elektroden 11 a und 11 b durch die Spannungsversorgung 13 gelegt. Ein Elektronenstrahl wird in der Achse des Atomstrahls erzeugt. Da die Löcher 12 in den Elektroden 11 a und 11 b in derselben Achse liegen, werden alle im Rydberg-Zustand befindlichen Atome im Atomstrahl 10 als Ionen-Strahl herausgezogen.

Fig. 10 zeigt ein Zeitdiagramm für das Anlegen des elektri schen Feldes, wenn ein Ionenstrahl dadurch erzeugt wird, daß gemäß dem zweiten Ausführungsbeispiel kontinuierliche Laser strahlung verwendet wird. Das elektrische Feld wird in einer vorgegebenen Zeitspanne angelegt.

Wenn Atome durch den kontinuierlich eingestrahlten Laser strahl in den Rydberg-Zustand angeregt werden, ist die Le bensdauer im Rydberg-Zustand einige 10 µs lang, selbst wenn die Leistungsdichte niedrig ist im Vergleich zu dem Fall, in dem ein gepulster Laserstrahl verwendet wird. Das Anregen in den Rydberg-Zustand und die Akkumulation dort kann allmäh lich erfolgen. Wenn Na-Atome vom Zustand 3 p ²P₃/₂ in den Zu stand 20 d angeregt werden, kann der Übergang mit einer Strahldichte von einigen 10 W/cm² gesättigt werden.

Wenn Atome also durch kontinuierlich eingestrahltes Laser licht in den Rydberg-Zustand überführt werden, können die angeregten Atome den Elektrodenbereich auch dann noch im Rydberg-Zustand erreichen, wenn die Laserausgangsleistung nur einige 10 W/cm² beträgt, was niedriger ist als die Lei stung im Fall eines gepulsten Laserstrahls.

Wenn das elektrische Feld angelegt wird, wie in Fig. 10 dar gestellt, werden Ionen im Takt des Feldes erzeugt, da sich im Atomstrahl dauernd Atome im Rydberg-Zustand befinden, die mit dem Zeittakt ionisiert werden, mit dem das elektrische Feld angelegt wird. Beträgt die Feldanlegefrequenz etwa 1 MHz, kann ein Ionenstrahl von einigen mA/cm² erzeugt wer den. Wenn ein Gleichfeld zwischen die Elektroden 11 a und 11 b gelegt wird, können alle Atome im Rydberg-Zustand ionisiert und als Ionenstrahl herausgezogen werden. In diesem Fall hängt der Ionenstromwert von der Zahl von Atomen im Rydberg- Zustand zwischen den Elektroden ab. Es kann dann ein Ionen strahl hoher Reinheit von einigen mA/cm² kontinuierlich pro blemlos gezogen werden.

Bei der dritten Ausführungsform gemäß Fig. 11 wird zusätz lich ein magnetisches Feld 25 parallel zum elektrischen Feld zwischen den Elektroden 11 a und 11 b angelegt. Dies dient dazu, ein Diffundieren des Ionenstrahls zu vermeiden.

Bei den Ausführungsbeispielen war bisher nur vom Erzeugen von Ionenstrahlen aus Atomen oder Molekülen die Rede. Es können jedoch auch Ionenstrahlen besonderer Isotope dadurch erzeugt werden, daß die Bandbreite des Laserlichts, das das Anregen in den Rydberg-Zustand besorgt, verringert wird. Da durch ist es z. B. möglich, selektiv Uran 235 aus Uran zu ionisieren.

Fig. 12 veranschaulicht in einem vierten Ausführungsbei spiel, wie ein dünner Film von z. B. Ga auf einem Substrat erzeugt wird, wobei als Ionenquelle diejenige des zweiten Ausführungsbeispiels von Fig. 9 verwendet wird.

Ein Substrat 26 wird außerhalb der Elektrode 11 b angeordnet, durch das der Elektronenstrahl hindurchtritt. Er fällt dann auf das Substrat.

Darüber hinaus ist es möglich, die Ionenstrahlquelle zur Ionenimplantation statt zum Bilden dünner Filme zu verwen den. Es werden dann z. B. P oder As Atome ionisiert, wobei die elektrische Feldstärke auf einige 10 kV/cm gesetzt wird. Dadurch wird eine hohe Strahlgeschwindigkeit für die Ionen implantation erhalten.

Weiterhin ist es möglich, die Ionenstrahlquelle zum Ätzen zu verwenden, wozu z. B. Atome wie Fluor oder Chlor oder Moleküle ionisiert werden und zum Ätzen auf das Substrat 26 gestrahlt werden.

Beim dargestellten Ausführungsbeispiel ist das Substrat 26 außerhalb der Elektroden angeordnet. Da jedoch das Ionisie ren gleichmäßig zwischen den Elektroden 11 a und 11 b erfolgt, kann das Substrat 26 auch statt der Elektrode 11 b verwendet werden. Die beschriebenen Effekte können also auch erreicht werden, wenn das Substrat 26 zwischen den Elektroden 11 a und 11 b angeordnet wird.

Bei den bisher beschriebenen Ausführungsbeispielen wird ein Strahl zu ionisierender Teilchen nahe einer Austrittsdüse mit einem Laserstrahl bestrahlt, wodurch Anregen in den Ryd berg-Zustand erfolgt, und anschließend wird mit Hilfe eines elektrischen Feldes ionisiert. Dadurch kann ein Ionenstrahl hoher Reinheit und mit großem Strom leicht und wirksam unter Verwendung eines einfach aufgebauten Lasers mit niedriger Leistung erzeugt werden.

Die Fig. 13 und 14 dienen zum Veranschaulichen eines fünften Ausführungsbeispiels. Es ist ein Teilchenflußerzeuger 101 vorhanden, der einen Teilchenfluß von SF₆ erzeugt. Die Teil chen treten durch eine Austrittsdüse 102 als Teilchenstrahl 103 aus. Von einem zweiten Teilchenflußerzeuger 104 werden Teilchen ausgegeben, die in den Rydberg-Zustand anzuregen sind. Beim Ausführungsbeispiel handelt es sich um Ga. Diese Teilchen treten durch eine zweite Austrittsdüse 105 am zwei ten Teilchenflußerzeuger 104 als zweiter Teilchenfluß 106 aus.

In einem schraffiert dargestellten Überlappungsbereich 107 überlappen sich der erste Teilchenfluß 103 und der zweite Teilchenfluß 106. In diesen Bereich strahlt Laserlicht von einem Laserstrahlerzeuger 108 über eine Einrichtung 109 zum Justieren des Strahlweges ein. Der Laser gibt mindestens eine Wellenlänge aus, die geeignet ist, Atome vom Grundzu stand in einen hochangeregten Zustand, d. h. den Rydberg- Zustand, zu überführen, in dem die Hauptquantenzahl des Va lenzelektrons groß ist. Beim Ausführungsbeispiel wird als Einrichtung zum Justieren des Strahls auf den genannten Überlappungsbereich ein Hohlspiegel verwendet.

Im Überlappungsbereich 107, in dem die Anregung mit dem La serlicht erfolgt, sind angeregte Ga-Atome 110 im Rydberg- Zustand vorhanden. Aus diesen Atomen werden Ga-Ionen 111 er zeugt. Außerdem werden ionisierte Moleküle 112 im Überlap pungsbereich 107 erzeugt, nämlich SF₆⁻-Ionen. Das Ionisieren erfolgt zwischen zwei parallelen plattenförmigen Elektroden 113 a und 113 b, die den Überlappungsbereich 107 einschließen.

In der zweiten Elektrode 103 b ist ein Ausgangsloch vorhan den. Die erste Elektrode 103 a ist mit einer Spannungsversor gung 115 verbunden. Es wird ein elektrisches Feld IE ange legt, dessen Richtung durch einen Pfeil 116 gekennzeichnet ist. Durch dieses Feld werden SF₆⁻-Ionen in Richtung auf das Loch 114 in der zweiten Elektrode 113 b beschleunigt, und sie treten durch dieses Loch als Ionen-Strahl aus. Die Ionen wurden also im Überlappungsbereich 107 erzeugt und durch das elektrische Feld 116 beschleunigt.

Fig. 14 zeigt den Laserstrahlerzeuger 108 gemäß Fig. 13 im Detail. Er ist im Aufbau identisch mit dem bereits anhand von Fig. 4 erläuterten Erzeuger, jedoch mit anderen Wellen der Farbstofflaser. Der erste Farbstofflaser trägt das Be zugszeichen 108 a, der zweite das Bezugszeichen 108 b, der erste Spiegel das Bezugszeichen 108 c, der zweite, halbdurch lässige Spiegel das Bezugszeichen 108 d und der ausgegebene Laserstrahl mit den zwei Wellenlängen trägt das Bezugszei chen 108 e.

Der Aufbau des Teilchenflußerzeugers 101 ist durch Fig. 15 veranschaulicht. Er dient zum Erzeugen eines Teilchenstrahls von Molekülen oder Atomen bei Zimmertemperatur. Das Material befindet sich in einer Gasflasche 101 a und tritt durch ein Druckreduzierventil 101 b und einen Flußregler 101 c durch eine Öffnung 101 d als Teilchenstrahl 101 e aus. Beim darge stellten Ausführungsbeispiel handelt es sich um einen Teil chenstrahl von SF₆.

Der zweite Teilchenflußerzeuger 104, wie er beim fünften Ausführungsbeispiel verwendet wird, ist durch Fig. 16 veran schaulicht. Während der vorstehend beschriebene Erzeuger einen solchen für ein Material betrifft, das bei Raumtempe ratur gasförmig ist, dient der Teilchenflußerzeuger 104 ge mäß Fig. 16 zum Erzeugen eines Teilchenflusses von Material, das bei Zimmertemperatur fest ist. Es ist ein Tiegel 104 a vorhanden, der durch einen Heizer 104 b beheizt wird. Um Wärmeabstrahlung nach außen zu verringern, ist eine Abschir mung 104 c vorhanden. Im Tiegel 104 a befindet sich Material 104 d; beim Ausführungsbeispiel ist dies Ga. Die Temperatur wird mit Hilfe eines Meßelementes 104 e gemessen. Der Tiegel weist eine Öffnung 104 f auf, durch die ein Teilchenstrahl, hier ein Strahl von Ga-Atomen, austritt.

Beim fünften Ausführungsbeispiel wird also SF₆ aus einer Gasflasche zum Herstellen eines Teilchenstrahls mit Hilfe der Anordnung von Fig. 15 verwendet, und es wird festes Ga in einem Tiegel 104 a verwendet, um einen Ga-Atomstrahl mit Hilfe der Anordnung von Fig. 16 zu erzeugen. Die Teilchen strahlen treten jeweils in den Überlappungsbereich 107 (Fig. 13) ein.

Im Überlappungsbereich 107 erfolgt, wie bereits erläutert, Bestrahlen der Teilchenflüsse mit erstem Laserlicht. Dieses weist eine Wellenlänge von 403,3 nm auf. Der zweite Laser verfügt über eine Wellenlänge von 426,2 nm. Wie anhand von Fig. 14 erläutert, werden die Laserstrahlen unterschiedli cher Wellenlänge auf derselben optischen Achse eingestrahlt.

Fig. 17 zeigt das Energiediagramm von Ga-Atomen im Rydberg- Zustand. Ga-Atome im zweiten Teilchenfluß 106 werden durch den Laserstrahl mit der ersten Wellenlänge von 403,3 nm vom Grundzustand 4 p ²P_1/2 in den Zustand 5 s ²S_1/2 angeregt, von wo aus mit Hilfe des Laserstrahls mit der Wellenlänge 426,2 nm ein Anregen in den Rydberg-Zustand 30 p erfolgt, in dem die Hauptquantenzahl des Valenzelektrons 30 ist.

Der Einstein-Koeffizient A für den ersten genannten Übergang (Übergangswellenlänge 403,3 nm) von Gallium ist etwa 10⁸(1/s) . Es reicht dann eine Energiedichte von mindestens etwa 10 W/cm², um Sättigung im genannten Übergang zu erzie len. Der Übergangsquerschnitt für den folgenden Übergang in den Rydberg-Zustand np hängt umgekehrt mit der dritten Po tenz von der Hauptquantenzahl n im Rydberg-Zustand ab. Für den Übergang 5 s ²S_1/2-30p beträgt der Absorptionsquerschnitt etwa 10^-15 cm² (Übergangswellenlänge 426,2 nm), mit n = 30. Bei diesem Übergangsquerschnitt wird Sättigung für den ge nannten Übergang erhalten, wenn der Laserstrahl mit der zweiten Wellenlänge von 426,2 nm eine Leistungsdichte von mindestens etwa 10⁵W/cm² aufweist.

Aus dem Vorstehenden geht hervor, daß Ga-Atome mit hohem Wirkungsgrad vom Grundzustand in den Rydberg-Zustand 30 p uberführt werden können, wenn die Leistungsdichte des ge pulsten Farbstofflaser-Strahls mit den zwei Wellenlängen vom Laserstrahlerzeuger 108 mindestens etwa 10⁵W/cm² beträgt.

Wie bereits weiter oben zitiert (Artikel von R.F. Stebbings) hängen die Eigenschaften von Atomen im Rydberg-Zustand in erster Linie von der Hauptquantenzahl (n) ab. Zum Anregen von Ga-Atomen in den Rydberg-Zustand mit n = 30 wird, wie erläutert, ein Laserstrahlerzeuger mit einer Leistungsdichte von etwa 10⁵W/cm² benötigt.

Im Rydberg-Zustand ist die Lebensdauer lang und die Bin dungsenergie für das Valenzelektron ist klein. Die Lebens dauer verlängert sich mit der dritten Potenz von n. Für n = 30 ist sie etwa 40 µs. Die Bindungsenergie hängt umge kehrt in etwa von der zweiten Potenz von n ab. Für n = 30 ist sie etwa 20 meV.

Aufgrund der großen Lebensdauer strömen Atome oder Moleküle, die gleich zu Anfang eines Teilchenstrahls in den Rydberg- Zustand überführt wurden, bis in den Überlappungsbereich 107 (Fig. 13) in diesem Zustand.

Da das Valenzelektron des Atoms oder Moleküls im Rydberg- Zustand eine kleine Bindungsenergie aufweist, kann es leicht beim Stoß mit einem anderen Atom oder Molekül abgetrennt und übertragen werden. Wenn Moleküle mit vielen Atomen vorlie gen, tritt Elektronenaustausch resonant auf, da die Bin dungsenergie des Valenzelektrons fast mit Rotations- oder Schwingungsenergien des Moleküls zusammenfällt. Dadurch wird der Stoßquerschnitt sehr hoch.

Fig. 18 zeigt ein Diagramm mit dem elektronischen Austausch querschnitt von Xe** (Xenon) im Rydberg-Zustand, abhängig von der Hauptquantenzahl (n). Es findet Stoß mit einem Mole kül mit mehreren Atomen statt, wie SF₆, CCl₄ oder CCl₃F. Die Reaktionsformeln sind die folgenden:

Xe**+SF₆ → Xe⁺×SF₆^-
Xe**+CCl₄ → Xe⁺+CCl₃+Cl^-
Xe**+CCl₃F → Xe⁺+CCl₂F+Cl^-

Wenn CCl₄ oder CCl₃F mit Xe im Rydberg-Zustand kollidieren, werden vorübergehend CCl₄⁻ bzw. CCl₃F⁻ erzeugt, die sich je doch direkt anschließend in CCl₃ und Cl⁻ bzw. CCl₂F₁ und Cl⁻ teilen. Aus Fig. 18 ist ersichtlich, daß der elektroni sche Austauschquerschnitt für ein Atom oder Molekül im Ryd berg-Zustand etwa 10^-11 cm² beträgt. Dieser Wert ist sehr groß, verglichen mit einem Stoßquerschnitt im Grundzustand von nur etwa 10^-19 bis 10^-14 cm². Die mittlere freie Weg länge für den Elektronenaustausch ist etwa einige nm, wenn sich Atome im Rydberg-Zustand durch SF₆ mit einer Dichte von etwa 10^-5 Torr bewegen. Positive Ionen der Atome im Rydberg Zustand und negative Ionen, also SF₆⁻ werden leicht erzeugt. Wie vorstehend beschrieben, können Ga-Atome im zweiten Teil chenfluß 106 durch die Lasereinstrahlung leicht in den Ryd berg-Zustand angeregt werden. Sie kollidieren dann im Über lappungsbereich 107 mit den SF₆-Molekülen im ersten Teil chenfluß. Hierbei findet folgende Reaktion statt:

Ga**+SF₆ → Ga⁺+SF₆^-,

gemäß der Ga⁺-und SF₆⁻-Ionen mit hohem Wirkungsgrad erzeugt werden.

Da im Überlappungsbereich 107 ein elektrisches Feld 116 durch die negative Spannung erzeugt wird, die von der Span nungsversorgung 115 angelegt wird, werden die Ga⁺- und die SF₆⁻-Ionen in entgegengesetzten Richtungen beschleunigt. Da bei den Stößen der SF₆⁻-Ionen mit den Atomen im Rydberg- Zustand keine Elektronen erzeugt werden, dient das elektri sche Feld nur zum Erzeugen von Ionen, so daß es mit hohem Wirkungsgrad arbeitet. Es wird also ein Ionenstrahl von SF₆⁻-Ionen durch das Austrittsloch 114 in der Elektrode 113 b ausgegeben.

Mit der Anordnung gemäß dem fünften Ausführungsbeispiel ist es somit möglich, besondere Atome oder Moleküle mit geringe rer Laserenergiedichte zu ionisieren, als dies mit bekannten Vorrichtungen möglich ist. Dadurch kann ein hoher Ionen strahlstrom erzeugt werden.

Wird CCl₄ oder CCl₃F als Material im ersten Teilchenfluß 102 verwendet, kann ein Ionenstrahl von Cl⁻ erzeugt werden, ohne daß die Wellenlänge der Laserstrahlanordnung 108 zu ändern ist. Wird als Material für den ersten Teilchenfluß 102 SiH₄ verwendet, kann ein Ionenstrahl von SiH₄⁻ erzeugt werden. Es ist also möglich, Ionenstrahlen aus unterschiedlichen Atomen oder Molekülen herzustellen.

Die sechste Ausführungsform gemäß Fig. 19 unterscheidet sich von der fünften Ausführungsform gemäß Fig. 13 dadurch, daß die Spannungsversorgung 115 eine positive Spannung an die Elektrode 113 a statt einer negativen Spannung ausgibt. Da durch tritt durch das Loch 114 in der zweiten Elektrode 113 b ein Strahl von Ga⁺-Ionen statt ein Strahl von SF₆⁻-Ionen.

Statt eines Strahles von Ga⁺-Ionen kann auch einer ausgehend von anderen Atomen oder Molekülen entsprechend erzeugt wer den. Soll z. B. ein Ionenstrahl von Indium erzeugt werden, wird In in den Tiegel 104 a (Fig. 16) gegeben und erhitzt. Es wird dann ein erster Farbstofflaser 109 a mit einer Wellen länge von 410,3 nm verwendet, um In-Atome vom Grundzustand in den Zustand 6 s anzuregen. Der zweite Farbstofflaser 109 b weist in diesem Anwendungsfall eine Wellenlänge von weniger als 454 nm auf, zum Erzielen des Übergangs 6 s-np.

Auch mit den Vorrichtungen gemäß dem fünften und sechsten Ausführungsbeispiel ist es möglich, Ionenstrahlen besonderer Isotope zu erzeugen, wozu es jedoch erforderlich ist, zumin dest die Wellenlänge-Bandbreite des Lasers für die Anregung in den Rydberg-Zustand klein zu wählen. Es kann dann z. B. Uran 235 selektiv aus Uran ionisiert werden.

Anregung kann statt durch einen gepulsten Laser auch durch einen kontinuierlichen Laser erfolgen. Die Lebensdauer im Rydberg-Zustand beträgt einige 10 µs, wodurch es auch mit verhältnismäßig geringer Laserleistung, verglichen zur Lei stung eines gepulsten Lasers möglich ist, Atome im Rydberg- Zustand allmählich anzureichern. Sättigung kann mit einer Leistungsdichte von einigen 10 W/cm² erzielt werden, wenn Ga- Atome vom Zustand 5 s ²S_1/2 in den Zustand 30 p überführt wer den.

Beim Einstrahlen kontinuierlichen Laserlichts reicht also eine Leistungsdichte von einigen 10 W/cm², um bereits ange regte Atome in den Rydberg-Zustand zu überführen.

Bei den eben beschriebenen Ausführungsbeispielen wurde Laserlicht in zwei Wellenlängenbereichen verwendet. Es ist jedoch auch möglich, Atome oder Moleküle direkt vom Grund zustand aus in den Rydberg-Zustand anzuregen, wenn Laser licht mit kurzer Wellenlänge verwendet wird. Andererseits ist es möglich, Laserlicht zu verwenden, das in vielen Wel lenlängenbereichen strahlt, um Anregung schrittweise von einem Niveau zu einem jeweils höheren vorzunehmen.

Das siebte Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 20 unterscheidet sich vom fünften gemäß Fig. 13 dadurch, daß ein magnetisches Feld IB verwendet wird, das parallel zum elektrischen Feld IE 116 zwischen den Elektroden 113 a und 113 b liegt. Dadurch wird verhindert, daß sich der Ionenstrahl aufweitet, der durch das Austrittsloch 114 aus dem Überlappungsbereich 107 austreten soll.

Um das Feld zu erzeugen, kann eine Spule um die Elektroden 113 a und 113 b herum angeordnet werden. Auch ein Permanent magnet kann zum Erzeugen des Feldes verwendet werden.

Obwohl es am günstigsten ist, das Magnetfeld parallel zum elektrischen Feld anzulegen, ist dies nicht zwingend erfor derlich.

Beim achten Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 21 wird der Über lappungsbereich 107 mit dem Licht von zwei unterschiedlichen Farbstofflasern 108 b und 108 a bestrahlt, die jeweils in einer Wellenlänge abstrahlen. Das Licht wird jeweils durch eine optische Justiereinrichtung 109 a bzw. 109 b auf den Überlappungsbereich 107 ausgerichtet.

Beim neunten Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 22 wird das Laserlicht genau entgegen der Flußrichtung des zweiten Teil chenflusses eingestrahlt. Dadurch ist es möglich, mit beson ders hohem Wirkungsgrad Atome oder Moleküle über den gesam ten Bereich des Teilchenflusses in den Rydberg-Zustand zu überführen. Da die Lebensdauer im Rydberg-Zustand einige 10 µs beträgt, verbleiben Atome oder Moleküle in diesem An regungszustand auch dann noch für einige 10 µs, wenn der Laserstrahl abgeschaltet wird. Auch nach dem Abschalten des Laserstrahls werden dadurch Ionen noch für etwas längere Zeit erzeugt als mit der fünften Ausführungsform gemäß Fig. 13.

Bei der zehnten Ausführungsform gemäß Fig. 23 weist die erste Elektrode 113 a ein Loch 114 a auf, durch das der erste Teilchenstrahl 103 in etwa parallel zum elektrischen Feld in den Überlappungsbereich 107 eingestrahlt wird. In diesem Fall liegt der Überlappungsbereich 107 im wesentlichen sym metrisch zur Achse des Ionenflusses, wodurch dieser beson ders gleichförmig abgezogen werden kann.

Fig. 24 zeigt eine Ultraschalldüse als weiteres Beispiel für einen Teilchenflußerzeuger. Material 43, z. B. SF₆, wird aus einer Gasflasche oder einem Tiegel zugeführt. Es tritt als freier Strahl in eine Vakuumkammer 46 durch eine Düse 44 ein. Der Druck in der Vakuumkammer 46 wird durch ein Eva kuiersystem 47 konstant gehalten. Ein Teil des feinen Strahls in die Vakuumkammer 46 wird durch eine Schneidenein richtung 48 hindurch ausgestrahlt. In dem durch Ultraschall erzeugten Strahl weisen die Teilchen im wesentlichen die selbe Geschwindigkeit auf. Daher kann besonders gleichmäßige Anregung und Ionisierung erwartet werden.

Beim elften Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 25 ist eine Ent ladungskammer 119 statt dem zweiten Teilchenflußerzeuger 104 vorhanden. Dadurch ist es möglich, verschiedene Ionenflüsse zu erzeugen, wobei nur Licht im sichtbaren Bereich vom La serstrahlerzeuger 108 benötigt wird. Aus der Entladungskam mer 119 tritt durch eine Austrittsdüse 105 a ein Teilchenfluß 106 a aus, der beim Ausführungsbeispiel aus Ga-Atomen im an geregten Zustand besteht.

Der Aufbau der Entladungskammer 119, wie sie beim elften Ausführungsbeispiel verwendet wird, ist in Fig. 26 darge stellt. Sie dient zum Erzeugen eines Teilchenstrahls von Atomen oder Molekülen aus einem Material, das sich bei Zim mertemperatur in festem Zustand befindet. Das Material be findet sich in einem Tiegel 119 a, der durch einen Heizer 119 b erhitzt wird. Der Heizer wird durch eine Abschirmung 119 c gegen Wärmeverlust nach außen abgeschirmt. Als Material 119 d befindet sich beim Ausführungsbeispiel Ga im Tiegel 119 a. Die Temperatur des Tiegels wird an seiner Unterseite durch eine Meßeinrichtung 119 e gemessen. An der Oberseite des Tiegels befindet sich eine Öffnung 119 f, durch die ein Teilchenstrahl 119g von Ga-Atomen austritt.

Der Teilchenstrahl 119 g tritt in einen Behälter 119 h ein, in dem sich ein Material befindet, das bei Raumtemperatur gas förmig ist. Das Material 119 i im Ausführungsbeispiel ist He. Es dient zum Erhöhen des Ionisierwirkungsgrades. Es können auch Atome mit einem metastabilen Zustand, z. B. Xe, verwen det werden. Weiterhin ist ein Mikrowellenerzeuger 119 j vor handen, der Mikrowellen mit einer Mittenfrequenz von 2,45 Hz in den Behälter 119 h über einen Wellenleiter 119 k ein strahlt. Um den Behälter 119 j herum befinden sich Magnet spulen 119 l ₁, 119 l ₂ und 119 l ₃, die ein magnetisches Feld 119 m erzeugen. Durch die Mikrowellen wird im Behälter 119 ein Plasma mit angeregten Teilchen 119 n erzeugt. Beim Aus führungsbeispiel sind dies angeregte Teilchen Ga* und He*. Durch eine Öffnung 119 p im Behälter 119 h tritt ein Teilchen strahl 119 q von Ga- und He-Atomen im angeregten Zustand aus.

Wenn mit dem Ionenflußerzeuger gemäß Fig. 25 ein Ionenstrahl von SF₆⁻ erzeugt werden soll, wird als erster Teilchenfluß erzeuger 101 ein solcher verwendet, wie er in Fig. 15 darge gestellt ist. Der mit diesem Erzeuger hergestellte Strahl von SF₆-Molekülen fliegt durch die Austrittsdüse 102 in Fig. 25 und weitet sich dann in den Überlappungsbereich 107 auf. Zum Erzeugen des zweiten Teilchenstrahls von angeregten Ga-Atomen wird Ga im Tiegel 119 a gemäß Fig. 26 erwärmt und mit Hilfe der Temperaturmeßeinrichtung 119e auf konstanter Temperatur gehalten. Ga verdampft in den Behälter 119 a, wo, wie beschrieben, das Ionisieren von He und Ga stattfindet. Der Wirkungsgrad der Mikrowellenentladung wird erhöht, wenn das magnetische Feld 119 m angelegt wird. Elektronische Zyklotronresonanz tritt dann auf, wenn die Magnetfeldstärke 8,75 Gauss ist und die Frequenz 2,45 GHz beträgt. Der Wir kungsgrad für das Ionisieren und Anregen der Ga-Atome und der He-Atome ist dann besonders hoch. Die angeregten Teil chen werden durch die Öffnung 119 p in den Überlappungsbe reich 107 eingestrahlt.

Mit Hilfe einer optischen Justiereinrichtung 109 wird Licht von einem Farbstofflaser mit einer Wellenlänge von 426,2 nm in den Überlappungsbereich 107 eingestrahlt.

Fig. 27 zeigt ein Diagramm für die Energieniveaus des Ga- Atoms, wobei sich Atome teilweise im Rydberg-Zustand befin den. Da die Ga-Atome aus der Entladungskammer 119 bereits bis zum 5 s ²S_1/2-Zustand angeregt wurden, werden sie weiter in den Rydberg-Zustand angeregt, in dem die Hauptquantenzahl des Valenzelektrons 30 ist. Diese Anregung in den Zustand 30 p erfolgt durch das Laserlicht mit der Wellenlänge von 426,2 nm.

Der Absorptionsquerschnitt für den genannten Übergang ist im wesentlichen umgekehrt proportional zur dritten Potenz der Hauptquantenzahl n. Für den Übergang nach 30 p ist der Ab sorptionsquerschnitt etwa 10^-16 cm². Mit einer Leistungs dichte von mindestens etwa 10⁵W/cm² des Laserlichts von 426,2 nm wird für den genannten Übergang der Ga-Atome Sätti gung erzielt.

In bezug auf Stöße mit Molekülen mit mehreren Atomen, wie SF₆, CCl₄ oder CCl₃F, für die Flugrichtungen der erzeugten Ionen und für die Wirkungsquerschnitte, gilt das, was be reits weiter vorne anhand des fünften Ausführungsbeispieles von Fig. 14 erläutert wurde. Entsprechendes gilt auch für das Erzeugen von SiH₄⁻-Ionen.

Fig. 28 stellt eine zwölfte Ausführungsform eines Ionen strahlerzeugers dar. Der Unterschied zur elften Ausführungs form liegt darin, daß an die erste Elektrode 113 a eine posi tive Spannung statt einer negativen Spannung gelegt wird. Der Unterschied ist somit derselbe wie derjenige zwischen der fünften Ausführungsform gemäß Fig. 13 und der sechsten Ausführungsform gemäß Fig. 19. Es gilt demgemäß das zu Fig. 19 Ausgeführte entsprechend. Neu ist allerdings, daß die Entladungskammer 119 vorhanden ist, in der Material gasför mig in eine Entladungskammer geführt wird und dort angeregt wird.

Was die Vorteile der Vorrichtungen gemäß dem elften und zwölften Ausführungsbeispiel anbetrifft, gelten die vorste hend zu den anderen Ausführungsformen, insbesondere zu den Ausführungsformen 5 und 6 erläuterten Vorteile und Wirkungen entsprechend.

Beim dreizehnten Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 29 wird ein Magnetfeld IB 118 parallel zum elektrischen Feld IE 116 zwi schen den Elektroden 113 a und 113 b angelegt, um ein Aufwei ten des Ionenstrahls zu vermeiden.

Beim vierzehnten Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 13 werden abweichend vom elften Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 25 zwei Farbstofflaser 108 a und 108 b verwendet, die ihr Licht ge trennt in den Überlappungsbereich 107 einstrahlen. Dies er folgt über optische Justiermittel 109 a bzw. 109 b.

Beim fünfzehnten Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 31 erfolgt das Einstrahlen von Laserlicht aus dem Laserstrahlerzeuger 108 wiederum genau entgegengesetzt der Strahlrichtung des ersten Teilchenstrahls 106 a. Es gilt demgemäß entsprechend das, was zum Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 22 ausgeführt wurde.

Beim sechzehnten Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 32 ist auch in der ersten Elektrode 113 a ein Loch 114 a vorhanden, durch das ein Atomstrahl von SF₆ eingestrahlt wird. Dieses Aus führungsbeispiel stimmt somit weitgehend mit dem von Fig. 23 überein, mit dem Unterschied, daß nicht ein erster Teilchen flußerzeuger 104, sondern eine Entladungskammer 119 verwen det wird. Im übrigen gelten die Ausführungen zu Fig. 23 ent sprechend, auch dahin, daß der Ultraschall-Strahlerzeuger gemäß Fig. 24 verwendet werden kann.

Das siebzehnte Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 33 unterschei det sich vom fünften Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 13 da durch, daß ein Strahlerzeuger 150 für geladene Teilchen vor handen ist. Der Strahlerzeuger gibt einen Teilchenstrahl 151 in Form eines Elektronenstrahls, eines Ionenstrahls oder eines Plasmastrahls aus. Beim Ausführungsbeispiel handelt es sich um einen Elektronenstrahl. Er wird so eingestrahlt, daß er im Überlappungsbereich 107 auf die sich dort überlappen den anderen beiden Teilchenstrahlen trifft. Die Teilchen flußerzeuger 101 und 104 für die ersten beiden Teilchen strahlen sind ausgebildet, wie durch die Fig. 15 und 16 ver anschaulicht. Der Strahlerzeuger 115 ist aufgebaut, wie in Fig. 34 dargestellt. Mit Hilfe einer Heizdrahtanordnung 152 werden thermische Elektronen erzeugt. Die Heizdrähte 152 werden von einer Grundplatte 153 gehalten. Es wird ihnen Energie über eine Spannungsversorgung 154 zugeführt. Eine weitere Spannungsversorgungsquelle 155 dient zum Zuführen einer Beschleunigungsspannung an die Heizdrähte 152. Vor den Heizdrähten befindet sich eine Lochelektrode 156, durch die ein Elektronenstrahl 157 austritt.

Beim Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 33 treten SF₆-Moleküle aus der Austrittsdüse 102 aus und erreichen den Überlap pungsbereich 107. Aus dem zweiten Teilchenflußerzeuger 104 treten Ga-Atome aus, die dadurch erzeugt wurden, daß Ga in einem Tiegel 104 a erzeugt wurde. Die Ga-Atome strahlen aus der Öffnung 104 f aus und erreichen den Überlappungsbereich 107. Währenddessen werden die Heizdrähte 152, durch Spannung von der Spannungsversorgung 154 erzhitzt, und mit Hilfe eines Beschleunigungsfeldes werden die dabei erzeugten Elek tronen so beschleunigt, daß sie durch die Lochelektrode 156 als Elektronenstrahl 157 austreten und den Überlappungsbe reich 107 an dessen Anfang, gesehen in Flugrichtung der zu nächst genannten Teilchen, erreichen.

Die Wellenlänge des Laserstrahls, der in den Rydberg-Zustand anregt, beträgt wiederum 426,2 nm. Auf die hierbei hervor gerufenen Effekte wird auf das verwiesen, was zu den Fig. 17 und 27 erläutert wurde. Der vom Strahlerzeuger 150 in den Überlappungsbereich 107 eingestrahlte Strahl geladener Teil chen dient zum wirksamen Anregen der Ga-Atome in den Ryd berg-Zustand, was durch die Teilchen statt durch den Laser strahl erfolgt.

Wie schon beim elften Ausführungsbeispiel, ist es auch beim siebzehnten Ausführungsbeispiel möglich, besondere Atome oder Moleküle in einem weiten Bereich mit Hilfe eines Laser strahls zu ionisieren, der mit geringer Leistung im sichtba ren Bereich abstrahlt. Die erzielbaren Ionenströme sind er heblich größer, als sie mit herkömmlichen Vorrichtungen er zielt werden können. Es lassen sich wiederum, ohne Ändern der Laserwellenlänge, auch Ionenströme von z. B. Cl⁻ oder SiH₄⁻ erzeugen.

Bei der achten Ausführungsform gemäß Fig. 35 liegt wiederum positive Spannung an der Elektrode 113 a, um einen Ionenstrom von Ga⁺ zu erzeugen. Das zu anderen Ausführungsbeispielen Erläuterte zur Erzeugung eines Ga⁺-Ionenstrahls gilt hier entsprechend.

Auch für die siebzehnte und achtzehnte Ausführungsform gilt wieder, daß auch Ionenstrahle von Isotopen erzeugt werden können. Außerdem gilt für das Verwenden von kontinuierlichem Laserlicht das zu weiter vorne erläuterten Ausführungsbei spielen Angegebene entsprechend.

Bei der Vorrichtung gemäß dem siebzehnten und dem achtzehn ten Ausführungsbeispiel wurde ein Elektronenstrahl erzeugt. Es kann jedoch auch ein mit Hilfe eines Ionenquelle erzeug ter Ionenfluß oder ein mit Hilfe einer Plasmaquelle erzeug ter Plasmafluß verwendet werden.

Beim neunzehnten Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 36 ist wie der ein Magnetfeld IB 118 parallel zum elektrischen Feld IE 116 vorhanden. Das vorstehend Ausgeführte zu Vorrichtungen mit Magnetfeld gilt entsprechend. Beim zwanzigsten Ausfüh rungsbeispiel gemäß Fig. 37 sind wiederum zwei einzelne Farbstofflaser 108 a und 108 b statt einem Laserstrahlerzeuger 108, der zwei Laser zusammenfaßt, vorhanden. Das zu entspre chenden Ausführungsformen vorstehend Ausgeführte gilt ent sprechend.

Beim einundzwanzigsten Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 38 wird wiederum das Laserlicht genau entgegengesetzt zur Flug richtung der Teilchen vom zweiten Teilchenflußerzeuger 104 eingestrahlt. Das zu entsprechenden Vorrichtungen vorstehend Ausgeführte gilt entsprechend.

Beim zweiundzwanzigsten Ausführungsbeispiel gem. Fig. 39 weist die Elektrode 113 a wiederum ein Loch 114 a auf, durch das SF₆-Atome von einem Teilchenflußerzeuger 101 in den Überlappungsbereich 107 eingestrahlt werden. Es kann wiede rum ein Ultraschall-Teilchenerzeuger gem. Fig. 24 verwendet werden. Das zu entsprechenden Ausführungsformen Erläuterte gilt entsprechend.

Das dreiundzwanzigste Ausführungsbeispiel gemäß den Fig. 40 und 41 ist besonders einfach aufgebaut. Es weist einen ein zigen Teilchenflußerzeuger 141 auf, der unterschiedliche Atome oder Moleküle ausgibt. Beim Ausführungsbeispiel han delt es sich um Ga-Atome und SF₆-Moleküle. Dieser einzige Erzeuger 1041 tritt also an die Stelle der Teilchenflußer zeuger 101 und 104 im fünften Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 13. Wie aus Fig. 41 ersichtlich, ist eine Tiegelanord nung vorhanden, bei der in den oberen Tiegelbereich Gas aus einer Gasflasche 101 a, hier SF₆-Gas eingeblasen wird. Die Gasmoleküle treten zusammen mit verdampften Ga-Atomen durch die Öffnung 104 f oben am Tiegel 104 a aus.

Beim vierundzwanzigsten Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 42 liegt wiederum positive Spannung an der Elektrode 113 a, um einen Strom von Ga⁺-Ionen zu erzeugen. Beim fünfundzwanzig sten Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 43 ist wiederum ein Mag netfeld IB 118 parallel zum elektrischen Feld IE 116 vor handen. Beim sechsundzwanzigsten Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 44 liegen wiederum zwei einzelne Farbstofflaser 108 a und 108 b vor. Beim siebenundzwanzigsten Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 45 erfolgt Einstrahlung des Laserlichts wiederum entgegengesetzt zur Flugrichtung der Teilchen. Beim achtund zwanzigsten Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 46 weist die er ste Elektrode 113 a wieder ein Loch 114 a auf, durch das Teil chen eingestrahlt werden. Allerdings handelt es sich in die sem Fall nicht nur um SF₆-Moleküle, sondern zusätzlich um Ga-Atome, die aus einem Teilchenflußerzeuger 1041 einge strahlt werden. Die Ausführungsbeispiele gemäß den Fig. 42 bis 46 unterscheiden sich also von denen der Fig. 19 bis 23 dadurch, daß statt zweier Teilchenflußerzeuger nur ein ein zelner vorhanden ist.

Das Ausführungsbeispiel gemäß den Fig. 47 und 48 ist ähnlich zu dem der Fig. 23 und 24. Es ist eine Entladungskammer 1191 statt einer Entladungskammer 119 vorhanden, in die SF₆- Moleküle 119 r statt He-Atomen eingeführt werden. Dadurch wird wieder die Intensität des Magnetfeldes so eingestellt, daß die Bedingung für Elektronzyklotronresonanz erfüllt ist. Dadurch findet ein Entladen mit hohem Wirkungsgrad statt, wodurch Ga-Atome und SF₆-Moleküle angeregt oder ionisiert werden.

Das dreißigste Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 49 bis das vierunddreißigste Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 53 entspre chen dem zwölften Ausführungsbeispiel von Fig. 28 bis zum sechzehnten Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 53, wobei jeweils der Teilchenflußerzeuger 101 und die Entladungskammer 119 durch die Entladungskammer 1191 ersetzt sind.

Das fünfunddreißigste Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 54 bis das vierzigste Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 59 entsprechen dem siebzehnten Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 33 bzw. dem achtzehnten bis zweiundzwanzigsten Ausführungsbeispiel gemäß den Fig. 35 bis 39. Es sind jeweils die beiden Teilchenfluß generatoren 101 und 104 durch den gemeinsamen Teilchenfluß generator 1041 gemäß Fig. 41 ersetzt.

Claims

1. Ionenstrahlquelle mit

- einer Teilchenfluß-Erzeugungseinrichtung (101, 104, 1041, 109, 1091) zum Erzeugen mindestens eines Atom- oder Mole külstrahls,

gekennzeichnet durch

- eine Anregungseinrichtung (108; 108 a, 108 b) zum Erzeugen eines Laserstrahls mit mindestens einer Wellenlänge, um Teilchen im Teilchenstrahl vom Grundzustand oder einem an geregten Zustand in einen hochangeregten Zustand, d. h. einen Rydberg-Zustand zu überführen, in dem die Hauptquan tenzahl des Valenzelektrons groß ist,
- und eine Felderzeugungseinrichtung, die so angeordnet ist, daß der Strahl hochangeregter Teilchen durch das von ihr erzeugte elektrische Feld hindurchtritt, wobei die hochan geregten Teilchen aufgrund der Wirkung des elektrischen Feldes ionisiert werden.

2. Ionenstrahlquelle nach Anspruch 1, dadurch gekenn zeichnet, daß die Felderzeugungseinrichtung Elektroden (113 a, 113 b) aufweist, die so angeordnet sind, daß sich das elektrische Feld und die Teilchenflugrichtung kreuzen.

3. Ionenstrahlquelle nach Anspruch 1, dadurch gekenn zeichnet, daß die Felderzeugungseinrichtung Elektroden (11 a, 11 b) aufweist, die so angeordnet sind, daß das elektrische Feld parallel zur Flugrichtung der Teilchen ist.

4. Ionenstrahlquelle nach einem der vorstehenden Ansprü che, dadurch gekennzeichnet, daß die Teilchen vom Grundzu stand in den Rydberg-Zustand über mindestens einen Zwischen zustand angeregt werden, wozu ein Laserstrahlerzeuger (108) verwendet wird, der Laserlicht mit mindestens zwei Wellen längen abstrahlt.

5. Ionenstrahlquelle nach einem der vorstehenden Ansprü che, dadurch gekennzeichnet, daß der Laserstrahlerzeuger (108) ein gepulster Laser ist und daß die Felderzeugungsan ordnung (113 a, 113 b, 115) ebenfalls pulsbar ist.

6. Ionenstrahlquelle nach Anspruch 5, dadurch gekenn zeichnet, daß die Pulspause zwischen zwei Pulsen des elek trischen Feldes länger ist als die Zeit, die für Teilchen erforderlich ist, um durch das elektrische Feld zu fliegen.

7. Ionenstrahlquelle nach den Ansprüchen 5 oder 6, da durch gekennzeichnet, daß der pulsförmige Betrieb des Laser strahlerzeugers (108) und der Felderzeugungseinrichtung (113 a, 113 b, 115) wiederholt werden.

8. Ionenstrahlquelle nach Anspruch 1, dadurch gekenn zeichnet, daß der Laserstrahlerzeuger (108) kontinuierlich Laserlicht ausstrahlt und daß die Felderzeugungseinrichtung (113 a, 113 b, 115) periodisch arbeitet.

9. Ionenstrahlquelle nach Anspruch 8, dadurch gekenn zeichnet, daß die Pulspause zwischen zwei Pulsen für das elektrische Feld länger ist als die Zeit, die die Teilchen benötigen, um das elektrische Feld zu durchfliegen.

10. Ionenstrahlquelle nach Anspruch 1, dadurch gekenn zeichnet, daß die Anregung so erfolgt, daß ein Rydberg- Zustand mit einer Hauptquantenzahl von mindestens 20 er reicht wird.

11. Ionenstrahlquelle nach einem der vorstehenden Ansprü che, dadurch gekennzeichnet, daß die Felderzeugungseinrich tung außer einem elektrischen Feld auch ein magnetisches Feld erzeugt.

12. Ionenstrahlquelle nach Anspruch 11, dadurch gekenn zeichnet, daß das magnetische Feld so erzeugt wird, daß seine Feldrichtung parallel zum elektrischen Feld liegt.

13. Ionenstrahlquelle nach einem der vorstehenden Ansprü che, dadurch gekennzeichnet, daß Laserlicht von 403,3 nm verwendet wird, um Gallium aus dem Grundzustand 4 p in den angeregten Zustand 5 s zu überführen, und däß Laserlicht mit einer Wellenlänger kleiner als 403,3 nm verwendet wird, um von dort die Anregung in den Rydberg-Zustand vorzunehmen.

14. Ionenstrahlquelle nach einem der Ansprüche 1-12, dadurch gekennzeichnet, daß die Bandbreite mindestens eines der Laserstrahlen so klein ist, daß Anregung nur für ein besonderes Atom oder ein besonderes Isotop in den Rydberg- Zustand ermöglicht ist.

15. Ionenstrahlquelle nach Anspruch 1, dadurch gekenn zeichnet, daß durch den erzeugten Ionenstrahl ein dünner Film auf einem Substrat (26) erzeugt wird, oder Ionenimplan tation auf dem Substrat ausgeführt wird oder ein Teil einer Schicht abgeätzt wird.

16. Ionenstrahlquelle nach Anspruch 15, dadurch gekenn zeichnet, daß das Substrat (26) zwischen den Elektroden (11 a, 11 b) angeordnet wird.

17. Ionenstrahlquelle nach einem der vorstehenden An sprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Teilchenfluß- Erzeugungseinrichtung einen ersten Teilchenflußerzeuger (101) und einen zweiten Teilchenflußerzeuger (104) zum Er zeugen von Strahlen unterschiedlicher Teilchen aufweist.

18. Ionenstrahlquelle nach einem der vorstehenden Ansprü che, dadurch gekennzeichnet, daß die Felderzeugungseinrich tung ein Paar Elektroden (113 a, 113 b) und eine Spannungsver sorgung (115) aufweist.

19. Ionenstrahlquelle nach Anspruch 18, dadurch gekenn zeichnet, daß die Felderzeugungseinrichtung Spannungspulse negativen Potentials erzeugt.

20. Ionenstrahlquelle nach Anspruch 18, dadurch gekenn zeichnet, daß die Felderzeugungseinrichtung Pulse positiven Potentials erzeugt.

21. Ionenstrahlquelle nach Anspruch 18, dadurch gekenn zeichnet, daß die Felderzeugungseinrichtung ein kontinuier liches negatives Potential erzeugt.

22. Ionenstrahlquelle nach Anspruch 18, dadurch gekenn zeichnet, daß die Felderzeugungseinrichtung ein kontinuier liches positives Potential erzeugt.

23. Ionenstrahlquelle nach einem der vorstehenden Ansprü che, dadurch gekennzeichnet, daß eine Elektrode (113 b) in der Felderzeugungseinrichtung ein Austrittsloch (114) auf weist.

24. Ionenstrahlquelle nach einem der vorstehenden Ansprü che, dadurch gekennzeichnet, daß die Anregungseinrichtung mindestens einen ersten Laser (16 a) zum Erzeugen von Laser licht einer ersten Wellenlänge und einen zweiten Laser (16 b) zum Erzeugen von Laserlicht einer zweiten Wellenlänge auf weist.

25. Ionenstrahlquelle nach einem der vorstehenden Ansprü che, dadurch gekennzeichnet, daß die Anregungseinrichtung pulsförmiges Laserlicht erzeugt.

26. Ionenstrahlquelle nach einem der Ansprüche 1-24, dadurch gekennzeichnet, daß die Anregungseinrichtung konti nuierliches Laserlicht erzeugt.

27. Ionenstrahlquelle nach einem der vorstehenden Ansprü che, dadurch gekennzeichnet, daß Laserlicht entgegengesetzt zur Teilchenflugrichtung verwendet wird.

28. Ionenstrahlquelle nach einem der Ansprüche 1-26, dadurch gekennzeichnet, daß Laserlicht quer zu einer Teil chenflugrichtung verwendet wird.

29. Ionenstrahlquelle nach einem der vorstehenden Ansprü che, dadurch gekennzeichnet, daß die Teilfluß-Erzeugungs einrichtung integrierte Einrichtungen (1041; 1091) zum Er zeugen zweier Arten von Teilchen aufweist.

30. Ionenstrahlquelle nach einem der vorstehenden Ansprü che, dadurch gekennzeichnet, daß die Teilchenfluß-Erzeu gungseinrichtung eine Einrichtung (150) zum Erzeugen gelade ner Teilchen aufweist, die zusätzlich zu den anregenden Teilchen in den mindestens einen Teilchenstrahl eingestrahlt werden.