JPH0441461B2 - - Google Patents

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JPH0441461B2
JPH0441461B2 JP59149931A JP14993184A JPH0441461B2 JP H0441461 B2 JPH0441461 B2 JP H0441461B2 JP 59149931 A JP59149931 A JP 59149931A JP 14993184 A JP14993184 A JP 14993184A JP H0441461 B2 JPH0441461 B2 JP H0441461B2
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JP
Japan
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ion beam
state
synchrotron radiation
gas discharge
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JP59149931A
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Yoshihiro Ueda
Koichi Ono
Tatsuo Oomori
Shigeto Fujita
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Mitsubishi Electric Corp
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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。
〔従来の技術〕
従来、イオンビーム発生装置によるイオン発生
方法としては、種々の手法が考えられ実用化され
て来た。その大部分は放電を利用したものであつ
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
ーザ光等に単一波長を対象とするイオン化される
べき物質のエネルギ準位に共鳴させて該物質をイ
オン化させるものである(特開昭50−22999号公
報参照)。本発明は後者に関するものであり、光
源としてレーザ光でなくシンコロトロン放射光を
使うものである。
(発明の概要) 本発明は、上記共鳴光励起、イオン化方式のイ
オンビーム発生装置において、イオン化させる物
質の共鳴光励起にてイオン化させる直前の状態と
して、該物質の自動電離状態
(Autoionizationstate)を使うことにより、従来
の共鳴光励起、イオン化方式に比べ入力光エネル
ギに対するイオン化効率を2桁以上向上でき、か
つ選択イオン化における選択性に優れたイオンビ
ーム発生装置を提供することを目的としている。
〔発明の実施例〕
まず本発明装置におけるイオン化方式をホウ素
イオンビームを発明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図はホウ素中性
原子のエネルガ準位図である。
従来のイオン化方法は、例えば波長が2497A、
1.17μ及び8668Aの3本のレーザビームB1〜B3を
イオン化させたいホウ素蒸気に照射する方法であ
り、即ち基底状態2s22p(2p0)にあるホウ素原子
をまず2497AのレーザビームB1により励起状態
3s(2S)に共鳴励起し、その後1.17μ、8668Aのレ
ーザビームB2、B3により3p(2p0)、5s(2S)に励
起に、さらに上記レーザビームB3によりイオン
化させるものである。
本発明装置におけるイオン化方法が上記従来の
イオン化方法と異なるのは、励起用光源としてシ
ンクロトロン放射光、特に相対論的シンクロトロ
ン放射光を使用する点にある。シンクロトロン放
射光はレーザ光と同様、方向性有し、かつレーザ
光よりはるかに大強度、高エネルギ光子であり、
そのため第1図に示すように1本の光子B4によ
り比較的下位の励起状態から高励起状態に励起で
きる。また本発明方法の従来方法と根本的に異な
る点はこの最終励起状態として自動電離状態にす
ることであり、こ励起状態において該励起蒸気は
所定の遷移確率でまさしく自動電離される。な
お、基底状態から上記下位の励起状態への励起は
グロー放電等による。
この発明装置におけるイオン化方法の場合、波
長2067Åのシンクロトロン放射光による準安定状
態2S2P 24P)から自動電離状態2S2P3S 24P0)への
光励起断面積はσi=1.0×10-15cm2であり、従つて
その励起速度はシンクロトロン放射光強度をIと
するとW=1.04×103I(W/cm2)sec-1となる。こ
のような自動電離状態は、1012sec-1以上の速い
速度で自発的にイオンと電子とに分離するため、
この励起速度Wを準安定2S2P 24P)の波長2067Å
のシンクロトロン放射光による自動電離状態2S2P
3S4P0)を経由しての電離速度とすることができ
る。一方、従来のイオン化方法に従う一例である
該準安定状態2S2P 24P)から直接に光イオン化す
る場合、その光電離断面積は、σi=7.52×10-28
[λ2(Å)]3cm2であり、従つてその電離速度はW=
3.78×10-13[λ2(Å)]4I(W/cm2)ses-1となる。

こで、シンクロトロン放射光波長λ2は、電離限界
を越えるためλ2<2623Åである必要がある。第5
図はこ電離速度Wをシンクロトロン放射光波長λ2
の関数として色々なシンクロトロン放射光強度I
に対して示す。図示のようにある一定のシンクロ
トロン放射光強度において波長λ2を変化させると
電離速度Wは連続的に変化するが、λ2が準安定状
態2S2P 24P)と自動電離状態2S2P3S 24P0)との間
に共鳴波長2067Åの個所では不連続的に2桁以上
高くなる。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2
桁以上高くなり、しかも完全に共鳴のみを使うた
めシンクロトロン放射光の波長を不純物原子のエ
ネルギ順位と一致しないように選択すればイオン
化させたい物質のみをイオン化でき、しかも純度
の高いものができる。
また上記分光された単一波長のシンクロトロン
放射光の波長を変えることにより、容易に他種の
物質のイオンビームを発生することができ、この
場合イオン化される多種の物質を前もつてイオン
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の容易に変え
ることができる本発明の手法は従来の方法にない
ものであり、イオンビームで処理するイオン種の
異なるような2つ以上の行程を連続して行なうこ
とができる利点がある。
次にこの発明の実施例を図について説明する。
第2図は本発明の第1の実施例を示す。図にお
いて、1はイオン化されるべき物質が導入される
容器、1aは上記物質を該容器1内に導入するた
めのガス導入孔、1bは上記容器1を差動排気し
て真空にするための真空排気装置(図示せず)に
接続された排気通路、1cはスリツト、3は2067
Åの波長幅の狭いシンクロトロン放射光B4を発
生するシンクロトロン放射光発生部である。
また、5,6はイオン生成空間4におけるシン
クロトロン放射光B4を挟んで配置された電極、
5a、6aは上記電極5,6に電圧を印加する端
子であり。これらは上記容器1内においてRF放
電を発生するガス放電発生部15を構成してい
る。なお、上記イオン化されるべき物質が化合物
又は分子状態のガスとして上記容器1内に導入さ
れる場合は、上記励起用ガス放電が上記物質を中
性原子状態にするためのガス放電を兼ねるように
してもよい。
8は試料、8aは試料料を保持する試料台であ
り、該試料台8aと上記電極6との間には直流電
圧が印加され、これによりイオン化された物質を
イオンビームとして引き出すための引き出し電界
が発生される。
次に動作について説明する。
本実施例装置により、ホウ素イオンビームを発
生する場合を考える。まず容器1にガス導入孔1
aよりホウ素蒸気10を導入する。そして上記電
極5と電極6の各々に端子5a,6aから電圧が
印加され、これにより、ホウ素蒸気10にグロー
放電又はガス放電による電子が衝突し、その結果
ホウ素蒸気10はその基底状態2S 22P(2Po)から
準安定状態2S2P 24P)に共鳴励起される。また上
記電圧印加と時間的に同期して上記シンクロトロ
ン放射光発生部3から波長2067Åのシンクロトロ
ン放射光B4がスリツト1cを介して上記容器1
に導入され、これにより上記2S2P 24P)にあるホ
ウ素蒸気10は、2067Åのシンクトロン放射光B
4により自動電離状態2S2P3S4P0)に共鳴励起さ
れ、該励起蒸気は所定の遷移確率でもつてイオン
状態になる。また上記電極6と試料台8aとの間
には直流電圧が印加されており、これにより上記
イオン化されたホウ素蒸気10はホウ素のイオン
のみからなるイオンビーム9として引き出され、
該イオンビーム9は上記試料8に照射される。
以上の動作説明における本実施例に特徴を示す
と、まず第1に本実施例は完全に共鳴のみを用い
て選択イオン化を行なうものであるので、上記容
器1内にイオン化させるべき物質、この場合ホウ
素、以外の不純物、酸素、窒素、炭素、水素等が
含まれていて、しかもその量がホウ素より多くて
も、シンクロトロン放射光の波長を上記不純物原
子のエネルギ準位と一致させないようにして希望
の元素、この場合はホウ素、のみがイオン化され
た純粋なホウ素イオンビームが得られる。第2に
本実施例は上述のとおり、選択イオン化を行なう
ものであり、かつ共鳴光励起によるイオン化を行
なうものであるので、電子や他の元素が励起させ
たり、エネルギ吸収により温度上昇したりするこ
とはなく、その結果イオンビームを照射する対象
試料8、例えば半導体の場合は基板、の温度を上
昇させることはなく、低温処理ができる。
第3にイオンビームの種類や特性を変える場合
は分光された単一波長のシンクロトロン放射光の
波長及び放電条件を変えれは良く、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。
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、11はイオン化されたベリリウム蒸気10を
容器1の軸心に集束せしめる磁石コイル、14は
上記集束されたホウ素蒸気10をイオンビーム9
として引き出す引き出し電極である。
次に動作について説明する。
まず、ホウ素蒸気10をガス導入孔1aを介し
て容器1内に導入する。そして電極5,6に電圧
が印加されて上記蒸気10にガス放電の電子が衝
突され、またこれと時間的に同期して2067Åのシ
ンクロトロン放射光B4がスリツト1cを介して
上記容器1内に導入されて上記蒸発10に照射さ
れる。するとこれにより蒸気10は準安定状態2S
2P 24P)を経て自動電離状態2S2P3S4P0)に励起
され、さらに該励起蒸気は所定の遷移確率でイオ
ン状態となり、これによりイオン生成空間4にホ
ウ素イオンが生成され、該ホウ素イオンは磁石コ
イル11により軸心に集束された後、引き出し電
極14によつてイオンビーム9として放出され
る。
第4図は本発明に用いるシンクロトロン放射光
発生装置の構成例である。図において、21は線
形加速器、22は電子蓄積リング、24は分光系
であり、これらによりシンクロトロン放射光発生
装置20が構成されている。33は該発生装置2
0からのシンクロトロン放射光が照射される容器
である。
上記容器33に導入されるシンクロトロン放射
光は、まず線形加速器21により電子が加速され
て電子蓄積リング22に打ち込まれ、該リング2
2において相対論的速度になつた電子からシンク
ロトロン放射光が放出され、さらに該放射光が分
光系24に導入されてここで単一波長にされた光
である。
〔発明の効果〕
このように、本発明に係るイオンビーム発生装
置によれば、イオン化されるべき物質をガス放電
によりそのエネルギ準位の基底状態から比較的下
位の励起状態に共鳴励起し、さらに上記物質をシ
ンクロトロン放射光の照射により該励起状態から
自動電離状態にするようにしたので、イオンの選
択性に優れ、かつ従来の共鳴光励起、イオン化方
式に比べ、入力エネルギーに対するイオン化効率
を2桁以上向上できる効果がある。
【図面の簡単な説明】
第1図はホウ素中性原子のエネルギ状態図、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図は本発明に使用するシ
ンクロトロン放射光発生装置の概略構成図、第5
図はホウ素中性原子の準安定状態2S2P 24P)にお
ける光電離速度の波長依存性を示す状態図であ
る。 1,33……容器、3,20……シンクロトロ
ン放射光発生部、15……ガス放電発生部、B4
……シンクロトロン放射光。なお図中同一符号は
同一又は相当部分を示す。

Claims (1)

  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シンクロトロン放射光を照
    射するシンクロトロン放射光発生部と、上記容器
    内の上記物質雰囲気中でガス放電を発生するガス
    放電発生部とを備え、上記物質のイオンビームを
    発生する装置において、上記ガス放電発生部はガ
    ス放電により上記物質をエネルギ準位の基底状態
    から比較的下位の励起状態に励起するものであ
    り、上記シンクロトロン放射光発生部は上記物質
    を上記励起状態から自動電離状態に共鳴光励起す
    るような波長を有するシンクロトロン放射光を発
    生するものであることを特徴とするイオンビーム
    発生装置。 2 上記シンクロトロン放射光発生部は、上記物
    質を上記比較的下位の励起状態から中間状態を経
    て上記自動電離状態に階段状に共鳴光励起するよ
    うな波長の異なる複数のシンクロトロン放射光を
    発生するものであることを特徴とする特許請求の
    範囲第1項記載のイオンビーム発生装置。 3 上記シンクロトロン放射光発生部は、加速器
    及び分光器又は分光系を有し、加速器からの出力
    を分光器又は分光系を通過させた線幅の狭い線ス
    ペクトルにした光を発生するものであることを特
    徴とする特許請求の範囲第1項又は第2項記載の
    イオンビーム発生装置。 4 上記加速器として、電子蓄積リング又は電子
    サイクロトロンのいずれか一方又は両方を用いた
    ことを特徴とする特許請求の範囲第3項記載のイ
    オンビーム発生装置。 5 上記比較的下位の励起状態が上記物質のエネ
    ルギ準位の準安定状態であることを特徴とする特
    許請求の範囲第1項ないし第4項のいずれかに記
    載のイオンビーム発生装置。 6 上記ガス放電発生部は、高周波(RF)放電
    を発生せしめるものであることを特徴とする特許
    請求の範囲第1項ないし第5項のいずれかに記載
    のイオンビーム発生装置。 7 上記物質は、化合物又は分子状態のガスとし
    て上記容器内に導入され、上記ガス放電は、上記
    容器内に導入された物質を中性原子状態にするた
    めのガス放電を兼ねていることを特徴とする特許
    請求の範囲第1項ないし第6項のいずれかに記載
    のイオンビーム発生装置。 8 上記シンクロトロン放射光とガス放電とは
    各々の位相が時間的に同期することを特徴とする
    特許請求の範囲第1項ないし第7項のいずれかに
    記載のイオンビーム発生装置。 9 上記物質は、固体又は液体の物質を加熱気化
    して生成された蒸気として上記容器内に導入され
    ることを特徴とする特許請求の範囲第1項ないし
    第8項のいずれかに記載のイオンビーム発生装
    置。
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JPS5022999A (ja) * 1973-06-28 1975-03-12

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