低速多価イオンビームの発生装置
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、低速多価イオンビームの発生装置に関し、さらに詳細には、半導体プロセス分野において用いて好適な低速多価イオンビームの発生装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】従来の半導体プロセス分野においては、電子サイクロトロン共鳴（ＥＣＲ）などにより生成されるプラズマのイオンによって活性な反応種を作り、それにより非等方的なエッチングを行うという手法が知られている。
【０００３】この手法においては、プラズマのイオンは１価のイオンが主体であるが、その速度分布は低速から高速にまで分布するためイオンの運動エネルギーは大きく、例えば、ＳｉＯ２などのエッチングを行う際にも十分なエッチング速度を得ることができるものであった。
【０００４】また、１価の高速なイオンを打ち込むイオン注入技術においては、イオンを打ち込む速度やイオンの運動エネルギーの大きさがプロセスの重要なパラメータとなっていた。
【０００５】ところが、上記したようなプロセスにおいては、イオンの運動エネルギーが大きいために、プロセスの進行とともにイオンの衝突により基板や素子が損傷したり、あるいは素子中へのイオンの混入により不純物が発生したりする恐れがあるなどの問題点があった。
【０００６】ここで、こうした問題点を解決するためには、低速でかつ内部ポテンシャルエネルギーの高い多価イオンによるプロセシングを行う必要があると考えられてきた。
【０００７】ところが、従来の多価イオンを発生可能なイオン発生装置においては、特定の価数の多価イオンを効率よく発生することは極めて困難であった。
【０００８】即ち、従来の多価イオンを発生可能なイオン発生装置としては、電子ビームイオン源（ＥＢＩＳ：Ｅｌｅｃｔｒｏｎ Ｂｅａｍ Ｓｏｕｒｃｅ）や電子サイクロトロン共鳴イオン源（ＥＣＲＩＳ：Ｅｌｅｃｔｒｏｎ ＣｙｃｌｏｔｒｏｎＲｅｓｏｎａｎｃｅ Ｉｏｎ Ｓｏｕｒｃｅ）などが知られている。
【０００９】ここで、電子ビームイオン源は、希ガスに高速な電子ビームを衝突させることによりイオン化し、そこから電界によってイオンを引き出し、さらにフィルターにより価数を選択し、その後に減速するというような構成を備えており、装置全体が大型化せざるをえず、効率があまりよくないという問題点があった。
【００１０】また、電子サイクロトロン共鳴イオン源は、電子サイクロトロン共鳴によりイオンを生成することになるが、電子ビームイオン源と同様に、フィルターを通過させることにより所望の多価イオンを得るものであるので、効率があまりよくないという問題点があった。
【００１１】さらに、電子ビームイオン源と電子サイクロトロン共鳴イオン源との両者とも、価数選択の前後において電界による加速と減速とを必要とするため、低速であっても数１００ｅＶ程度の運動エネルギーを持つことになる。その結果、多価イオンの内部ポテンシャル効果が必ずしも低価数域では顕著ではなく、プロセスとしても効率が悪いという問題点があった。
【００１２】なお、高強度レーザーを固体ターゲットに照射してプラズマを発生させることにより、多価イオンの発生を効率的に行うことができるが、こうしたプラズマ中ではイオンの価数は動的に変化しており、所望の価数のイオンを選択的に生成して利用することは極めて困難であるという問題点があった。
【００１３】
【発明が解決しようとする課題】本発明は、上記したような従来の技術に対する種々の問題点に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、所定の価数に制御された低速多価イオンビームを効率よく発生することのできる低速多価イオンビームの発生装置を提供しようとするものである。
【００１４】
【課題を解決するための手段】上記目的を達成するために、本発明は、高強度レーザーによってプラズマを発生させて低速多価イオンを生成するようにしたものである。ここで、高強度レーザーとしては、例えば、フェムト秒レーザーを用いることができる。
【００１５】また、本発明は、低速多価イオンをトラップするように制御するものである。ここで、低速多価イオンのトラップには、ＲＦを用いることができ、自動的に所望の価数の多価イオンのみがトラップされるようにトラップ条件を設定するものである。なお、イオンがトラップされるということは、イオンの運動エネルギーが極めて小さくなっているものであり、こうしてトラップされた運動エネルギーの極めて小さいイオンを、電圧をかけることによって所望の運動エネルギーによって所望の方向に向けてトラップから掃き出させるか、引き出すかするものである。これにより、多価イオンを低速で所望の対象へ出射することができるものである。
【００１６】また、本発明は、レーザー冷却によるトラップとＲＦを用いたトラップとの２重構造によるトラップを用いるようにしたものである。レーザー冷却によるトラップにより対象の原子を空間的に所定の位置にトラップしておく。なお、レーザー冷却であるので、原子はドップラー温度程度の極めて低い温度（例えば、ルビジウムであれば、１５０μＫである。）であり、原子は止まっている状態である。レーザー冷却によるトラップは中性原子をトラップすることができるが、ＲＦはイオンのみしかトラップすることができないので、レーザー冷却によるトラップにある中性原子にレーザー光（例えば、フェムト秒レーザー光）を照射してイオン化し、ＲＦを用いたトラップにおいてトラップされるようにする。そして、ＲＦを用いたトラップにおいては、上記と同様に掃き出し電圧、引き出し電圧をかけることによって、所望の運動エネルギーで所望の方向に多価イオンを出射することができる。
【００１７】即ち、本発明のうち請求項１に記載の発明は、ターゲット原子をレーザー冷却するためのレーザー光を出射する第１のレーザー手段と、ターゲット原子から多価イオンを発生させるためのレーザー光を出射する第２のレーザー手段と、上記第１のレーザー手段から出射されたレーザー光によってターゲット原子をレーザー冷却してトラップする第１のトラップ制御手段と、上記第１のトラップ制御手段によってトラップされたターゲット原子を入力して、上記第１のレーザー手段から出射されたレーザー光によって該入力したターゲット原子をレーザー冷却してトラップするとともに、上記第２のレーザー手段から出射されたレーザー光によって該トラップしたターゲット原子から多価イオンを発生させ、該発生された多価イオンのなかで所定の価数の多価イオンのみをトラップするとともに、トラップした多価イオンを所定の運動エネルギーで所定の方向に出力する第２のトラップ制御手段とを有するようにしたものである。
【００１８】また、本発明のうち請求項２に記載の発明は、本発明のうち請求項１に記載の発明において、上記第２のレーザーをフェムト秒レーザーとしたものである。
【００１９】また、本発明のうち請求項３に記載の発明は、本発明のうち請求項１または請求項２に記載の発明において、上記第２のトラップ制御手段は、筒状のリング電極と、上記リング電極の軸方向における両方の端部側に配置された一対のキャップ電極と、上記リング電極にＲＦ周波数のＲＦ電圧およびＤＣ電圧を印加するための第一の電源と、上記一対のキャップ電極の一方にＤＣパルス電圧を印加するための第二の電源とを有し、上記第２のレーザー手段から出射されたレーザー光によって発生された多価イオンについて、上記リング電極に対して上記第一の電源から印加されるＲＦ周波数のＲＦ電圧およびＤＣ電圧に応じて、上記リング電極内において所定の単一の価数の低速な多価イオンのみをトラップし、上記一対のキャップ電極の一方に上記第二の電源によりＤＣパルス電圧を印加することにより、上記一対のキャップ電極の一方に印加するＤＣパルス電圧に応じた方向ならびに速度で、上記リング電極内にトラップされた所定の単一の価数に制御されたイオンを出射するものとしたものである。
【００２０】また、本発明のうち請求項４に記載の発明は、ターゲット原子中の中性原子をレーザー冷却するためのレーザー光を出射する第１のレーザー手段と、上記中性原子から多価イオンを発生させるためのレーザー光を出射する第２のレーザー手段と、上記第１のレーザー手段から出射されたレーザー光によって上記ターゲット原子の中から上記中性原子をレーザー冷却してトラップする第１のトラップ制御手段と、上記第１のトラップ制御手段によってトラップされた上記中性原子を入力して、上記第１のレーザー手段から出射されたレーザー光によって該入力した上記中性原子をレーザー冷却してトラップするとともに、上記第２のレーザー手段から出射されたレーザー光によって該トラップした上記中性原子から多価イオンを発生させ、該発生された上記多価イオンのなかで所定の価数の多価イオンのみをトラップするとともに、該トラップした上記所定の価数の多価イオンを所定の運動エネルギーで所定の方向に出力する第２のトラップ制御手段とを有するようにしたものである。
【００２１】また、本発明のうち請求項５に記載の発明は、本発明のうち請求項４に記載の発明において、上記第２のレーザーをフェムト秒レーザーとしたものである。
【００２２】また、本発明のうち請求項６に記載の発明は、本発明のうち請求項４または請求項５に記載の発明において、上記第２のトラップ制御手段は、筒状のリング電極と、上記リング電極の軸方向における両方の端部側に配置された一対のキャップ電極と、上記リング電極にＲＦ周波数のＲＦ電圧およびＤＣ電圧を印加するための第一の電源と、上記一対のキャップ電極の一方にＤＣパルス電圧を印加するための第二の電源とを有し、上記第２のレーザー手段から出射されたレーザー光によって発生された多価イオンについて、上記リング電極に対して上記第一の電源から印加されるＲＦ周波数のＲＦ電圧およびＤＣ電圧に応じて、上記リング電極内において所定の単一の価数の低速な多価イオンのみをトラップし、上記一対のキャップ電極の一方に上記第二の電源によりＤＣパルス電圧を印加することにより、上記一対のキャップ電極の一方に印加するＤＣパルス電圧に応じた方向ならびに速度で、上記リング電極内にトラップされた所定の単一の価数に制御されたイオンを出射するものとしたものである。
【００２３】
【発明の実施の形態】以下、添付の図面を参照しながら、本発明による低速多価イオンビームの発生装置の実施の形態の一例を詳細に説明する。
【００２４】図１には、本発明による低速多価イオンビームの発生装置の第１の実施の形態が示されている。
【００２５】この低速多価イオンビームの発生装置は、多価イオンを発生させる多価イオン生成部１０と、所定の価数の多価イオンのみをトラップするとともに、トラップした多価イオンを所定の運動エネルギーで所定の方向に出力するＲＦトラップ制御部２０とを有して構成されている。
【００２６】ここで、多価イオン生成部１０は、高強度レーザーとしてフェムト秒レーザーシステム１２を備えて構成されている。後述するように、ＲＦトラップ制御部２０の真空チャンバー２２内において、フェムト秒レーザーシステム１２から照射されるフェムト秒レーザー光をサンプル（ｓａｍｐｌｅ）１４に照射することにより、多価イオンを生成するようになされている。
【００２７】また、ＲＦトラップ制御部２０は、真空チャンバー２２内に配置された円筒状のリング電極２４と、リング電極２４の軸方向における両方の端部側に配置されたキャップ電極２６、２８と、リング電極２４にＲＦ周波数のＲＦ電圧およびＤＣ電圧を印加するためのＲＦ＋ＤＣ電源３０と、キャップ電極２８にＤＣパルス電圧を印加するためのＤＣ電源３２と、真空チャンバー２２内のガスを吸引して真空チャンバー２２内を真空状態にするためのターボ分子ポンプ３４と、真空チャンバー２２内に可変リークバルブ３６を介してバッファーガスを供給するためのバッファーガス供給システム３８と、真空チャンバー２２内に配置された４重極質量分析器（ＱＭＳ：Ｑｕａｄｒｕｐｏｌｅ Ｍａｓｓ Ｓｐｅｃｔｒｏｍｅｔｅｒ）４０と、電子増幅管よりなる検出器（ＤＥＴ）４２とを有して構成されている。
【００２８】ここで、フェムト秒レーザーシステム１２から出射されたフェムト秒レーザー光は、リング電極２４の胴部２４ａに形成された第１貫通孔２４ｂから胴部２４内に入射し、第１貫通孔２４ｂに対向するようにして胴部２４ａに形成された第２貫通孔２４ｃを通過して胴部２４ａの外部へ出射され、胴部２４ａの外部に配置されたサンプル１４に照射されるようになされている。
【００２９】なお、サンプル１４は、胴部２４ａの外部に配置するのではなくて、胴部２４ａの内部に配置するようにしてもよい。
【００３０】以上の構成において、フェムト秒レーザーシステム１２としては、例えば、波長７９０ｎｍ、パルス幅１１０ｆｓ、パルスエネルギー１ｍＪ、繰り返し１ｋＨｚのものを用いるものとし、また、サンプル１４としては、例えば、銅（Ｃｕ）を用いるものとした場合について説明する。
【００３１】なお、フェムト秒レーザーシステム１２の波長、パルス幅、パルスエネルギーならびに繰り返しは、所望の値を適宜に設定することができるものであり、また、サンプル１４としては、銅以外の所望の物質を適宜に選択することができるものである。
【００３２】そして、この低速多価イオンビームの発生装置において、フェムト秒レーザーシステム１２によって照射されるフェムト秒レーザー光を、リング電極２４の胴部２４ａに形成された第１貫通孔２４ｂから胴部２４内に入射すると、当該入射されたフェムト秒レーザー光は第１貫通孔２４ｂに対向するようにして胴部２４ａに形成された第２貫通孔２４ｃを通過して胴部２４ａの外部へ出射され、胴部２４ａの外部に配置されたサンプル１４たる銅に照射されることになる。
【００３３】こうしてフェムト秒レーザー光が銅に照射されると、銅からイオン（銅イオン）が生成される。
【００３４】なお、上記のようにしてサンプル１４にフェムト秒レーザー光を照射することによりイオンを生成する他に、真空チャンバー２２内にアルゴン（Ａｒ）、クリプトン（Ｋｒ）、キセノン（Ｘｅ）などの希ガスをガスジェットなどで導入し、この希ガスに対してフェムト秒レーザー光を照射することにより多価イオンを生成するようにしてもよい。
【００３５】そして、生成された銅イオンは、そのままリング電極２４の胴部２４ａ内に入り込み、ＲＦ＋ＤＣ電源３０から印加されるＲＦ周波数（Ω）のＲＦ電圧およびＤＣ電圧（ＲＦ周波数（Ω）のＲＦ電圧およびＤＣ電圧＝ＶａｃｃｏｓΩｔ＋Ｖｄｃ）の制御により、胴部２４ａ内において所定の単一の価数の低速な銅イオンのみがトラップされることになる（以下、上記したＲＦ周波数（Ω）のＲＦ電圧およびＤＣ電圧（ＶａｃｃｏｓΩｔ＋Ｖｄｃ）の制御によるトラップを、「ＲＦトラップ」と適宜に称することとする。）。即ち、１０ｅＶ以下の低速イオンはトラップされるが、高速イオンはトラップされない。
【００３６】なお、イオンをトラップするときには、キャップ電極２６、２８はアースされている。
【００３７】具体的には、リング電極２４とキャップ電極２６、２８との間に「Ｖ＝ＶａｃｃｏｓΩｔ＋Ｖｄｃ）の電圧を加えて動作させる。そして、ＲＦ電圧の半周期毎に、ポテンシャルを閉じこめる方向をｒ方向（胴部２４ａの径方向）とｚ方向（胴部２４ａの軸方向）とに交互に変えて、イオンをトラップするものである。
【００３８】そして、キャップ電極２８にＤＣ電源３２によりＤＣパルス電圧を印加することにより、キャップ電極２８に印加するＤＣパルス電圧に応じて、所望な方向ならびに所望な速度で、胴部２４ａ内にＲＦトラップされた所定の単一の価数に制御されたイオンが掃き出されることになる。
【００３９】即ち、多価イオンはプラスイオン（＋イオン）であるので、図１０（ａ）に示すように、キャップ電極２８に＋ＤＣパルス電圧を印加することにより、胴部２４ａ内にＲＦトラップされた所定の単一の価数に制御された多価イオンを掃き出すことができる。
【００４０】ここで、電場中での、質量ｍ、電荷ｅのイオンの運動方程式は、無次元化すると、図２に示すマシュー（Ｍａｔｈｉｅｕ）方程式で表される。
【００４１】また、図３には、ＲＦトラップの安定領域を示すグラフが示されている。即ち、マシュー方程式の安定領域をｒ方向、ｚ方向について重ね合わせた領域が、ＲＦトラップの安定領域となっている。こうしたＲＦトラップの安定領域は、離散的に多数存在する。
【００４２】なお、本発明の発明者による実験では、原点付近の第１安定領域内（図３における「βｒ＝０」、「βｒ＝１」、「βｚ＝０」、「βｚ＝１」の４本の曲線で囲まれた黒色部分の領域）にパラメータを設定すればよいことが判明した。
【００４３】また、図４には、サンプル１４としての銅にフェムト秒レーザーシステム１２からフェムト秒レーザー光を照射して、銅をフェムト秒レーザーアブレーションした場合における、検出器４０によって検出された銅２価イオン（Ｃｕ２＋）の４重極質量分析器（ＱＭＳ）３８の分析結果を表すＱＭＳ信号強度の時間的な変化を示している。
【００４４】図４における第１（１ｓｔ）パルスは、レーザーアブレーション直後にＲＦトラップ制御部２０のリング電極２４にトラップされないで、直接に４重極質量分析器３８に入ってきた銅２価イオンの信号である。
【００４５】また、図４における第２（２ｎｄ）パルスは、リング電極２４から銅２価イオンを掃き出すためのＤＣパルス電圧に４００ｍｓの遅延時間（ｄｅｌａｙ ｔｉｍｅ）を与えたため、４００ｍｓの間リング電極２４にＲＦトラップされた後に、４重極質量分析器３８方向に掃き出された銅２価イオンの信号である。
【００４６】即ち、上記した本発明による低速多価イオンビームの発生装置によれば、所定の単一の価数の多価イオンをＲＦトラップし、ＲＦトラップした所定の単一の価数の多価イオンを所望な方向ならびに所望な速度で掃き出すことができるものであり、従って、低速多価イオンビームを所望の方向に出力することができることになる。
【００４７】次に、図５には、本発明による低速多価イオンビームの発生装置の第２の実施の形態が示されている。
【００４８】この低速多価イオンビームの発生装置は、冷却用レーザー１０２と、再励起用レーザー１０４と、飽和吸収分光部１０６と、光音響素子高速スイッチ部１０８と、各５０巻の反ヘルムホルツコイルを備えた第１磁気光学トラップ部１１０と、ターゲット原子輸送部１１２と、第２磁気光学／ＲＦトラップ部１１４と、ＭＣＰイオン検出部１１６と、高強度レーザーとしてのフェムト秒レーザー１１８とを有して構成されている。
【００４９】ここで、第２磁気光学／ＲＦトラップ部１１６は、レーザー光の照射による磁気光学トラップと、上記した第１の実施の形態において説明したＲＦトラップとを行うものである。
【００５０】以上の構成において、上記した低速多価イオンビームの発生装置においては、飽和吸収分光部１０６のフィードバック制御により安定したレーザー発振周波数を維持してレーザー発振する冷却用レーザー１０２から出射されたレーザー光を、水平方向において４方向から、また、垂直方向において２方向から第１磁気光学トラップ部１１０へ入射し、レーザー冷却により中性のターゲット原子をトラップする（以下、レーザー冷却によるトラップを「磁気光学トラップ」と適宜に称する。）。
【００５１】こうして第１磁気光学トラップ部１１０において磁気光学トラップされた中性のターゲット原子は、ターゲット原子輸送部１１２を介して第２磁気光学／ＲＦトラップ部１１４へ輸送される。
【００５２】ここで、第２磁気光学／ＲＦトラップ部１１６は、第１の実施の形態において説明したＲＦトラップ制御部２０と同様な構成を備えており、さらに、リング電極２４の胴部２４ａ内に、水平方向において４方向から、また、垂直方向において２方向から、冷却用レーザー１０２から出射されたレーザー光ならびにフェムト秒レーザー１１８から出射されたフェムト秒レーザー光が入射されるようになされており、冷却用レーザー１０２および再励起用レーザー１０４から出射されたレーザー光によるレーザー冷却により中性のターゲット原子を磁気光学トラップするとともに、フェムト秒レーザー１１８から出射されたフェムト秒レーザー光により磁気光学トラップされた中性のターゲット原子を多価イオン化して、こうして生成された多価イオンのなかで所望の単一の価数の多価イオンのみを選択的にＲＦトラップするものである。
【００５３】こうして第２磁気光学／ＲＦトラップ部１１６にＲＦトラップされた所望の単一の価数の多価イオンは、上記した第１の実施の形態について説明したように、キャップ電極２８にＤＣ電源３２によりＤＣパルス電圧を印加することにより、キャップ電極に印加するＤＣパルス電圧に応じて、所望な方向ならびに所望な速度で、リング電極２４の胴部２４ａ内にＲＦトラップされた所定の単一の価数に制御されたイオンが掃き出されるものである。
【００５４】ここで、ターゲット原子のレーザー冷却による磁気光学トラップについて、説明すると、まず、飽和吸収分光法により、飽和吸収分光部１０６においてほぼドップラーフリーの超微細構造スペクトルを得ることができる。図６には、飽和吸収分光部１０６によるルビジウムの超微細構造スペクトルが示されている。
【００５５】さらに、冷却用レーザー１０２ならびに再励起用レーザー１０４内のグレーティングの微動用ピエゾに、周波数安定化を目的としたサーボロック回路によりフィードバック制御した電圧を印加することで、不安定なレーザーの発振周波数を制御することができるようになる。
【００５６】具体的には、本発明者の実験によれば、９０分間にわたり線幅５ＭＨｚの範囲内に、発振周波数を安定化させることができ、冷却用レーザー１０２と再励起用レーザー１０４と飽和吸収分光部１０６と光音響素子高速スイッチ部１０８とを、ルビジウム原子をレーザー冷却するためのルビジウム原子冷却用狭線幅レーザーシステムとして構築することができた。
【００５７】そして、冷却用レーザー１０２から出射される周波数安定化した波長７８０ｎｍの６本のビームを、各５０巻の反ヘルムホルツコイルを備えた第１磁気光学トラップ部１１０に水平方向において４方向から、また、垂直方向において２方向から入射すると、ルビジウム原子を磁気光学トラップすることができた。
【００５８】具体的には、共鳴周波数から負に離調することで、ターゲット原子であるルビジウム８７を磁気光学トラップすることができた。図７には、ルビジウムを磁気光学トラップした状態が示されているが、直径１ｍｍ程度の大きさの球状に磁気光学トラップされたルビジウム８７の個数は１．６×１０８個程度、トラップされた領域における原子密度は４．０×１０１１個／ｃｍ３と見積もることができる。
【００５９】ここで、電離係数を原子、イオンのイオン化ポテンシャル、レーザー強度、パルス形状、パルス幅などから求め、レート方程式を解き、各価数の数密度の時間変化を簡便に計算できるＡＤＫ（Ａｍｍｏｓｏｖ、Ｄｅｌｏｎｅ、Ｋｒａｉｎｏｖ）モデルによりルビジウムのトンネルイオン化について解析した結果が図８（ａ）（ｂ）（ｃ）に示されている。
【００６０】図８（ａ）（ｂ）（ｃ）はいずれも光強度をパラメータとしており、図８（ａ）は「Ｉ＝１０１４Ｗ／ｃｍ２」の場合を示し、図８（ｂ）は「Ｉ＝１０１５Ｗ／ｃｍ２」の場合を示し、図８（ｃ）は「Ｉ＝１０１６Ｗ／ｃｍ２」の場合を示している。
【００６１】ここで、図８（ａ）に示す「Ｉ＝１０１４Ｗ／ｃｍ２」の場合ではパルス終了時に１価イオンまで、図８（ｂ）に示す「Ｉ＝１０１５Ｗ／ｃｍ２」の場合ではパルス終了時に２価イオンまで、図８（ｃ）に示す「Ｉ＝１０１６Ｗ／ｃｍ２」の場合ではパルス終了時に７価イオンまで、多価イオン化が可能であることが判明した。
【００６２】さらに、多価イオンと表面との相互作用について、クーロン爆発モデルを構築して解析した。
【００６３】クーロン爆発モデルでは、（１）多価イオンの速度は零（２）半球体状の電荷領域の生成（３）多価イオンの総ポテンシャルエネルギーは電荷領域の静電エネルギーに移乗を仮定した。
【００６４】図９は基板をＧａＡｓとしたときの多価イオン照射効果を示しており、ルビジウム９価イオンで、ポテンシャルエネルギーは６３３．２ｅＶあり、１個のルビジウム９価イオンで、各６以上づつのガリウム原子ならびに砒素原子のポテンシャルスパッタリングを行うことが可能であることがわかる。
【００６５】また、ルビジウム７価イオンで、ポテンシャルエネルギーは３４７．２ｅＶあり、１個のルビジウム７価イオンで、各３以上づつのガリウム原子ならびに砒素原子のポテンシャルスパッタリングを行うことが可能であることがわかる。
【００６６】なお、上記した実施の形態においては、多価イオンはプラスイオン（＋イオン）であるので、リング電極２４の胴部２４ａ内にＲＦトラップされた所定の単一の価数に制御された多価イオンを出射させる際に、図１０（ａ）に示すように、多価イオンの出射方向とは逆方向側に位置するキャップ電極２８に＋ＤＣパルス電圧を印加することにより、胴部２４ａ内にＲＦトラップされた所定の単一の価数に制御された多価イオンを掃き出すようにした。しかしながら、これに限られることなしに、図１０（ｂ）に示すように、多価イオンの出射方向側に位置するキャップ電極２６に−ＤＣパルス電圧を印加することにより、胴部２４ａ内にＲＦトラップされた所定の単一の価数に制御された多価イオンを引き出すようにしてもよい。
【００６７】
【発明の効果】本発明は、以上説明したように構成されているので、所定の価数に制御された低速多価イオンビームを効率よく発生することのできる低速多価イオンビームの発生装置を提供することができるという優れた効果を奏する。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明による低速多価イオンビームの発生装置の第１の実施の形態の概念構成説明図である。
【図２】マシュー（Ｍａｔｈｉｅｕ）方程式を示す説明図である。
【図３】ＲＦトラップの安定領域を示すグラフである。
【図４】銅にフェムト秒レーザー光を照射して銅をフェムト秒レーザーアブレーションした場合における、銅２価イオン（Ｃｕ２＋）の４重極質量分析器（ＱＭＳ）の分析結果を表すＱＭＳ信号強度の時間的な変化を示すグラフである。
【図５】本発明による低速多価イオンビームの発生装置の第２の実施の形態の概念構成説明図である。
【図６】飽和吸収分光部によるルビジウムの超微細構造スペクトルを示すグラフである。
【図７】ルビジウムを磁気光学トラップした状態を示すＣＣＤカメライメージである。
【図８】ＡＤＫ（Ａｍｍｏｓｏｖ、Ｄｅｌｏｎｅ、Ｋｒａｉｎｏｖ）モデルによるルビジウムのトンネルイオン化の解析結果を示すグラフであり、（ａ）（ｂ）（ｃ）はいずれも光強度をパラメータとしており、（ａ）は「Ｉ＝１０１４Ｗ／ｃｍ２」の場合を示し、（ｂ）は「Ｉ＝１０１５Ｗ／ｃｍ２」の場合を示し、（ｃ）は「Ｉ＝１０１６Ｗ／ｃｍ２」の場合を示している。
【図９】基板をＧａＡｓとしたときの多価イオン照射効果を示すグラフである。
【図１０】リング電極の胴部内にＲＦトラップされた所定の単一の価数に制御された多価イオンを出射させる際の手法を示し、（ａ）は、多価イオンの出射方向とは逆方向側に位置するキャップ電極に＋ＤＣパルス電圧を印加することにより、リング電極の胴部内にＲＦトラップされた所定の単一の価数に制御された多価イオンを掃き出すようにした場合を示し、（ｂ）は、多価イオンの出射方向側に位置するキャップ電極に−ＤＣパルス電圧を印加することにより、リング電極の胴部内にＲＦトラップされた所定の単一の価数に制御された多価イオンを引き出すようにした場合を示す。
【符号の説明】
１０ 多価イオン生成部
１２ フェムト秒レーザーシステム
１４ サンプル（ｓａｍｐｌｅ）
２０ ＲＦトラップ制御部
２２ 真空チャンバー
２４ リング電極
２４ａ 胴部
２４ｂ 第１貫通孔
２４ｃ 第２貫通孔
２６、２８ キャップ電極
３０ ＲＦ＋ＤＣ電源
３２ ＤＣ電源
３４ ターボ分子ポンプ
３６ 可変リークバルブ
３８ バッファーガス供給システム
４０ ４重極質量分析器（ＱＭＳ：Ｑｕａｄｒｕｐｏｌｅ Ｍａｓｓ Ｓｐｅｃｔｒｏｍｅｔｅｒ）
４２ 検出器（ＤＥＴ）
１０２ 冷却用レーザー
１０４ 再励起用レーザー
１０６ 飽和吸収分光部
１０８ 光音響素子高速スイッチ部
１１０ 第１磁気光学トラップ部
１１２ ターゲット原子輸送部
１１４ 第２磁気光学／ＲＦトラップ部
１１６ ＭＣＰイオン検出部
１１８ フェムト秒レーザー
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、低速多価イオンビームの発生装置に関し、さらに詳細には、半導体プロセス分野において用いて好適な低速多価イオンビームの発生装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】従来の半導体プロセス分野においては、電子サイクロトロン共鳴（ＥＣＲ）などにより生成されるプラズマのイオンによって活性な反応種を作り、それにより非等方的なエッチングを行うという手法が知られている。
【０００３】この手法においては、プラズマのイオンは１価のイオンが主体であるが、その速度分布は低速から高速にまで分布するためイオンの運動エネルギーは大きく、例えば、ＳｉＯ２などのエッチングを行う際にも十分なエッチング速度を得ることができるものであった。
【０００４】また、１価の高速なイオンを打ち込むイオン注入技術においては、イオンを打ち込む速度やイオンの運動エネルギーの大きさがプロセスの重要なパラメータとなっていた。
【０００５】ところが、上記したようなプロセスにおいては、イオンの運動エネルギーが大きいために、プロセスの進行とともにイオンの衝突により基板や素子が損傷したり、あるいは素子中へのイオンの混入により不純物が発生したりする恐れがあるなどの問題点があった。
【０００６】ここで、こうした問題点を解決するためには、低速でかつ内部ポテンシャルエネルギーの高い多価イオンによるプロセシングを行う必要があると考えられてきた。
【０００７】ところが、従来の多価イオンを発生可能なイオン発生装置においては、特定の価数の多価イオンを効率よく発生することは極めて困難であった。
【０００８】即ち、従来の多価イオンを発生可能なイオン発生装置としては、電子ビームイオン源（ＥＢＩＳ：Ｅｌｅｃｔｒｏｎ Ｂｅａｍ Ｓｏｕｒｃｅ）や電子サイクロトロン共鳴イオン源（ＥＣＲＩＳ：Ｅｌｅｃｔｒｏｎ ＣｙｃｌｏｔｒｏｎＲｅｓｏｎａｎｃｅ Ｉｏｎ Ｓｏｕｒｃｅ）などが知られている。
【０００９】ここで、電子ビームイオン源は、希ガスに高速な電子ビームを衝突させることによりイオン化し、そこから電界によってイオンを引き出し、さらにフィルターにより価数を選択し、その後に減速するというような構成を備えており、装置全体が大型化せざるをえず、効率があまりよくないという問題点があった。
【００１０】また、電子サイクロトロン共鳴イオン源は、電子サイクロトロン共鳴によりイオンを生成することになるが、電子ビームイオン源と同様に、フィルターを通過させることにより所望の多価イオンを得るものであるので、効率があまりよくないという問題点があった。
【００１１】さらに、電子ビームイオン源と電子サイクロトロン共鳴イオン源との両者とも、価数選択の前後において電界による加速と減速とを必要とするため、低速であっても数１００ｅＶ程度の運動エネルギーを持つことになる。その結果、多価イオンの内部ポテンシャル効果が必ずしも低価数域では顕著ではなく、プロセスとしても効率が悪いという問題点があった。
【００１２】なお、高強度レーザーを固体ターゲットに照射してプラズマを発生させることにより、多価イオンの発生を効率的に行うことができるが、こうしたプラズマ中ではイオンの価数は動的に変化しており、所望の価数のイオンを選択的に生成して利用することは極めて困難であるという問題点があった。
【００１３】
【発明が解決しようとする課題】本発明は、上記したような従来の技術に対する種々の問題点に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、所定の価数に制御された低速多価イオンビームを効率よく発生することのできる低速多価イオンビームの発生装置を提供しようとするものである。
【００１４】
【課題を解決するための手段】上記目的を達成するために、本発明は、高強度レーザーによってプラズマを発生させて低速多価イオンを生成するようにしたものである。ここで、高強度レーザーとしては、例えば、フェムト秒レーザーを用いることができる。
【００１５】また、本発明は、低速多価イオンをトラップするように制御するものである。ここで、低速多価イオンのトラップには、ＲＦを用いることができ、自動的に所望の価数の多価イオンのみがトラップされるようにトラップ条件を設定するものである。なお、イオンがトラップされるということは、イオンの運動エネルギーが極めて小さくなっているものであり、こうしてトラップされた運動エネルギーの極めて小さいイオンを、電圧をかけることによって所望の運動エネルギーによって所望の方向に向けてトラップから掃き出させるか、引き出すかするものである。これにより、多価イオンを低速で所望の対象へ出射することができるものである。
【００１６】また、本発明は、レーザー冷却によるトラップとＲＦを用いたトラップとの２重構造によるトラップを用いるようにしたものである。レーザー冷却によるトラップにより対象の原子を空間的に所定の位置にトラップしておく。なお、レーザー冷却であるので、原子はドップラー温度程度の極めて低い温度（例えば、ルビジウムであれば、１５０μＫである。）であり、原子は止まっている状態である。レーザー冷却によるトラップは中性原子をトラップすることができるが、ＲＦはイオンのみしかトラップすることができないので、レーザー冷却によるトラップにある中性原子にレーザー光（例えば、フェムト秒レーザー光）を照射してイオン化し、ＲＦを用いたトラップにおいてトラップされるようにする。そして、ＲＦを用いたトラップにおいては、上記と同様に掃き出し電圧、引き出し電圧をかけることによって、所望の運動エネルギーで所望の方向に多価イオンを出射することができる。
【００１７】即ち、本発明のうち請求項１に記載の発明は、ターゲット原子をレーザー冷却するためのレーザー光を出射する第１のレーザー手段と、ターゲット原子から多価イオンを発生させるためのレーザー光を出射する第２のレーザー手段と、上記第１のレーザー手段から出射されたレーザー光によってターゲット原子をレーザー冷却してトラップする第１のトラップ制御手段と、上記第１のトラップ制御手段によってトラップされたターゲット原子を入力して、上記第１のレーザー手段から出射されたレーザー光によって該入力したターゲット原子をレーザー冷却してトラップするとともに、上記第２のレーザー手段から出射されたレーザー光によって該トラップしたターゲット原子から多価イオンを発生させ、該発生された多価イオンのなかで所定の価数の多価イオンのみをトラップするとともに、トラップした多価イオンを所定の運動エネルギーで所定の方向に出力する第２のトラップ制御手段とを有するようにしたものである。
【００１８】また、本発明のうち請求項２に記載の発明は、本発明のうち請求項１に記載の発明において、上記第２のレーザーをフェムト秒レーザーとしたものである。
【００１９】また、本発明のうち請求項３に記載の発明は、本発明のうち請求項１または請求項２に記載の発明において、上記第２のトラップ制御手段は、筒状のリング電極と、上記リング電極の軸方向における両方の端部側に配置された一対のキャップ電極と、上記リング電極にＲＦ周波数のＲＦ電圧およびＤＣ電圧を印加するための第一の電源と、上記一対のキャップ電極の一方にＤＣパルス電圧を印加するための第二の電源とを有し、上記第２のレーザー手段から出射されたレーザー光によって発生された多価イオンについて、上記リング電極に対して上記第一の電源から印加されるＲＦ周波数のＲＦ電圧およびＤＣ電圧に応じて、上記リング電極内において所定の単一の価数の低速な多価イオンのみをトラップし、上記一対のキャップ電極の一方に上記第二の電源によりＤＣパルス電圧を印加することにより、上記一対のキャップ電極の一方に印加するＤＣパルス電圧に応じた方向ならびに速度で、上記リング電極内にトラップされた所定の単一の価数に制御されたイオンを出射するものとしたものである。
【００２０】また、本発明のうち請求項４に記載の発明は、ターゲット原子中の中性原子をレーザー冷却するためのレーザー光を出射する第１のレーザー手段と、上記中性原子から多価イオンを発生させるためのレーザー光を出射する第２のレーザー手段と、上記第１のレーザー手段から出射されたレーザー光によって上記ターゲット原子の中から上記中性原子をレーザー冷却してトラップする第１のトラップ制御手段と、上記第１のトラップ制御手段によってトラップされた上記中性原子を入力して、上記第１のレーザー手段から出射されたレーザー光によって該入力した上記中性原子をレーザー冷却してトラップするとともに、上記第２のレーザー手段から出射されたレーザー光によって該トラップした上記中性原子から多価イオンを発生させ、該発生された上記多価イオンのなかで所定の価数の多価イオンのみをトラップするとともに、該トラップした上記所定の価数の多価イオンを所定の運動エネルギーで所定の方向に出力する第２のトラップ制御手段とを有するようにしたものである。
【００２１】また、本発明のうち請求項５に記載の発明は、本発明のうち請求項４に記載の発明において、上記第２のレーザーをフェムト秒レーザーとしたものである。
【００２２】また、本発明のうち請求項６に記載の発明は、本発明のうち請求項４または請求項５に記載の発明において、上記第２のトラップ制御手段は、筒状のリング電極と、上記リング電極の軸方向における両方の端部側に配置された一対のキャップ電極と、上記リング電極にＲＦ周波数のＲＦ電圧およびＤＣ電圧を印加するための第一の電源と、上記一対のキャップ電極の一方にＤＣパルス電圧を印加するための第二の電源とを有し、上記第２のレーザー手段から出射されたレーザー光によって発生された多価イオンについて、上記リング電極に対して上記第一の電源から印加されるＲＦ周波数のＲＦ電圧およびＤＣ電圧に応じて、上記リング電極内において所定の単一の価数の低速な多価イオンのみをトラップし、上記一対のキャップ電極の一方に上記第二の電源によりＤＣパルス電圧を印加することにより、上記一対のキャップ電極の一方に印加するＤＣパルス電圧に応じた方向ならびに速度で、上記リング電極内にトラップされた所定の単一の価数に制御されたイオンを出射するものとしたものである。
【００２３】
【発明の実施の形態】以下、添付の図面を参照しながら、本発明による低速多価イオンビームの発生装置の実施の形態の一例を詳細に説明する。
【００２４】図１には、本発明による低速多価イオンビームの発生装置の第１の実施の形態が示されている。
【００２５】この低速多価イオンビームの発生装置は、多価イオンを発生させる多価イオン生成部１０と、所定の価数の多価イオンのみをトラップするとともに、トラップした多価イオンを所定の運動エネルギーで所定の方向に出力するＲＦトラップ制御部２０とを有して構成されている。
【００２６】ここで、多価イオン生成部１０は、高強度レーザーとしてフェムト秒レーザーシステム１２を備えて構成されている。後述するように、ＲＦトラップ制御部２０の真空チャンバー２２内において、フェムト秒レーザーシステム１２から照射されるフェムト秒レーザー光をサンプル（ｓａｍｐｌｅ）１４に照射することにより、多価イオンを生成するようになされている。
【００２７】また、ＲＦトラップ制御部２０は、真空チャンバー２２内に配置された円筒状のリング電極２４と、リング電極２４の軸方向における両方の端部側に配置されたキャップ電極２６、２８と、リング電極２４にＲＦ周波数のＲＦ電圧およびＤＣ電圧を印加するためのＲＦ＋ＤＣ電源３０と、キャップ電極２８にＤＣパルス電圧を印加するためのＤＣ電源３２と、真空チャンバー２２内のガスを吸引して真空チャンバー２２内を真空状態にするためのターボ分子ポンプ３４と、真空チャンバー２２内に可変リークバルブ３６を介してバッファーガスを供給するためのバッファーガス供給システム３８と、真空チャンバー２２内に配置された４重極質量分析器（ＱＭＳ：Ｑｕａｄｒｕｐｏｌｅ Ｍａｓｓ Ｓｐｅｃｔｒｏｍｅｔｅｒ）４０と、電子増幅管よりなる検出器（ＤＥＴ）４２とを有して構成されている。
【００２８】ここで、フェムト秒レーザーシステム１２から出射されたフェムト秒レーザー光は、リング電極２４の胴部２４ａに形成された第１貫通孔２４ｂから胴部２４内に入射し、第１貫通孔２４ｂに対向するようにして胴部２４ａに形成された第２貫通孔２４ｃを通過して胴部２４ａの外部へ出射され、胴部２４ａの外部に配置されたサンプル１４に照射されるようになされている。
【００２９】なお、サンプル１４は、胴部２４ａの外部に配置するのではなくて、胴部２４ａの内部に配置するようにしてもよい。
【００３０】以上の構成において、フェムト秒レーザーシステム１２としては、例えば、波長７９０ｎｍ、パルス幅１１０ｆｓ、パルスエネルギー１ｍＪ、繰り返し１ｋＨｚのものを用いるものとし、また、サンプル１４としては、例えば、銅（Ｃｕ）を用いるものとした場合について説明する。
【００３１】なお、フェムト秒レーザーシステム１２の波長、パルス幅、パルスエネルギーならびに繰り返しは、所望の値を適宜に設定することができるものであり、また、サンプル１４としては、銅以外の所望の物質を適宜に選択することができるものである。
【００３２】そして、この低速多価イオンビームの発生装置において、フェムト秒レーザーシステム１２によって照射されるフェムト秒レーザー光を、リング電極２４の胴部２４ａに形成された第１貫通孔２４ｂから胴部２４内に入射すると、当該入射されたフェムト秒レーザー光は第１貫通孔２４ｂに対向するようにして胴部２４ａに形成された第２貫通孔２４ｃを通過して胴部２４ａの外部へ出射され、胴部２４ａの外部に配置されたサンプル１４たる銅に照射されることになる。
【００３３】こうしてフェムト秒レーザー光が銅に照射されると、銅からイオン（銅イオン）が生成される。
【００３４】なお、上記のようにしてサンプル１４にフェムト秒レーザー光を照射することによりイオンを生成する他に、真空チャンバー２２内にアルゴン（Ａｒ）、クリプトン（Ｋｒ）、キセノン（Ｘｅ）などの希ガスをガスジェットなどで導入し、この希ガスに対してフェムト秒レーザー光を照射することにより多価イオンを生成するようにしてもよい。
【００３５】そして、生成された銅イオンは、そのままリング電極２４の胴部２４ａ内に入り込み、ＲＦ＋ＤＣ電源３０から印加されるＲＦ周波数（Ω）のＲＦ電圧およびＤＣ電圧（ＲＦ周波数（Ω）のＲＦ電圧およびＤＣ電圧＝ＶａｃｃｏｓΩｔ＋Ｖｄｃ）の制御により、胴部２４ａ内において所定の単一の価数の低速な銅イオンのみがトラップされることになる（以下、上記したＲＦ周波数（Ω）のＲＦ電圧およびＤＣ電圧（ＶａｃｃｏｓΩｔ＋Ｖｄｃ）の制御によるトラップを、「ＲＦトラップ」と適宜に称することとする。）。即ち、１０ｅＶ以下の低速イオンはトラップされるが、高速イオンはトラップされない。
【００３６】なお、イオンをトラップするときには、キャップ電極２６、２８はアースされている。
【００３７】具体的には、リング電極２４とキャップ電極２６、２８との間に「Ｖ＝ＶａｃｃｏｓΩｔ＋Ｖｄｃ）の電圧を加えて動作させる。そして、ＲＦ電圧の半周期毎に、ポテンシャルを閉じこめる方向をｒ方向（胴部２４ａの径方向）とｚ方向（胴部２４ａの軸方向）とに交互に変えて、イオンをトラップするものである。
【００３８】そして、キャップ電極２８にＤＣ電源３２によりＤＣパルス電圧を印加することにより、キャップ電極２８に印加するＤＣパルス電圧に応じて、所望な方向ならびに所望な速度で、胴部２４ａ内にＲＦトラップされた所定の単一の価数に制御されたイオンが掃き出されることになる。
【００３９】即ち、多価イオンはプラスイオン（＋イオン）であるので、図１０（ａ）に示すように、キャップ電極２８に＋ＤＣパルス電圧を印加することにより、胴部２４ａ内にＲＦトラップされた所定の単一の価数に制御された多価イオンを掃き出すことができる。
【００４０】ここで、電場中での、質量ｍ、電荷ｅのイオンの運動方程式は、無次元化すると、図２に示すマシュー（Ｍａｔｈｉｅｕ）方程式で表される。
【００４１】また、図３には、ＲＦトラップの安定領域を示すグラフが示されている。即ち、マシュー方程式の安定領域をｒ方向、ｚ方向について重ね合わせた領域が、ＲＦトラップの安定領域となっている。こうしたＲＦトラップの安定領域は、離散的に多数存在する。
【００４２】なお、本発明の発明者による実験では、原点付近の第１安定領域内（図３における「βｒ＝０」、「βｒ＝１」、「βｚ＝０」、「βｚ＝１」の４本の曲線で囲まれた黒色部分の領域）にパラメータを設定すればよいことが判明した。
【００４３】また、図４には、サンプル１４としての銅にフェムト秒レーザーシステム１２からフェムト秒レーザー光を照射して、銅をフェムト秒レーザーアブレーションした場合における、検出器４０によって検出された銅２価イオン（Ｃｕ２＋）の４重極質量分析器（ＱＭＳ）３８の分析結果を表すＱＭＳ信号強度の時間的な変化を示している。
【００４４】図４における第１（１ｓｔ）パルスは、レーザーアブレーション直後にＲＦトラップ制御部２０のリング電極２４にトラップされないで、直接に４重極質量分析器３８に入ってきた銅２価イオンの信号である。
【００４５】また、図４における第２（２ｎｄ）パルスは、リング電極２４から銅２価イオンを掃き出すためのＤＣパルス電圧に４００ｍｓの遅延時間（ｄｅｌａｙ ｔｉｍｅ）を与えたため、４００ｍｓの間リング電極２４にＲＦトラップされた後に、４重極質量分析器３８方向に掃き出された銅２価イオンの信号である。
【００４６】即ち、上記した本発明による低速多価イオンビームの発生装置によれば、所定の単一の価数の多価イオンをＲＦトラップし、ＲＦトラップした所定の単一の価数の多価イオンを所望な方向ならびに所望な速度で掃き出すことができるものであり、従って、低速多価イオンビームを所望の方向に出力することができることになる。
【００４７】次に、図５には、本発明による低速多価イオンビームの発生装置の第２の実施の形態が示されている。
【００４８】この低速多価イオンビームの発生装置は、冷却用レーザー１０２と、再励起用レーザー１０４と、飽和吸収分光部１０６と、光音響素子高速スイッチ部１０８と、各５０巻の反ヘルムホルツコイルを備えた第１磁気光学トラップ部１１０と、ターゲット原子輸送部１１２と、第２磁気光学／ＲＦトラップ部１１４と、ＭＣＰイオン検出部１１６と、高強度レーザーとしてのフェムト秒レーザー１１８とを有して構成されている。
【００４９】ここで、第２磁気光学／ＲＦトラップ部１１６は、レーザー光の照射による磁気光学トラップと、上記した第１の実施の形態において説明したＲＦトラップとを行うものである。
【００５０】以上の構成において、上記した低速多価イオンビームの発生装置においては、飽和吸収分光部１０６のフィードバック制御により安定したレーザー発振周波数を維持してレーザー発振する冷却用レーザー１０２から出射されたレーザー光を、水平方向において４方向から、また、垂直方向において２方向から第１磁気光学トラップ部１１０へ入射し、レーザー冷却により中性のターゲット原子をトラップする（以下、レーザー冷却によるトラップを「磁気光学トラップ」と適宜に称する。）。
【００５１】こうして第１磁気光学トラップ部１１０において磁気光学トラップされた中性のターゲット原子は、ターゲット原子輸送部１１２を介して第２磁気光学／ＲＦトラップ部１１４へ輸送される。
【００５２】ここで、第２磁気光学／ＲＦトラップ部１１６は、第１の実施の形態において説明したＲＦトラップ制御部２０と同様な構成を備えており、さらに、リング電極２４の胴部２４ａ内に、水平方向において４方向から、また、垂直方向において２方向から、冷却用レーザー１０２から出射されたレーザー光ならびにフェムト秒レーザー１１８から出射されたフェムト秒レーザー光が入射されるようになされており、冷却用レーザー１０２および再励起用レーザー１０４から出射されたレーザー光によるレーザー冷却により中性のターゲット原子を磁気光学トラップするとともに、フェムト秒レーザー１１８から出射されたフェムト秒レーザー光により磁気光学トラップされた中性のターゲット原子を多価イオン化して、こうして生成された多価イオンのなかで所望の単一の価数の多価イオンのみを選択的にＲＦトラップするものである。
【００５３】こうして第２磁気光学／ＲＦトラップ部１１６にＲＦトラップされた所望の単一の価数の多価イオンは、上記した第１の実施の形態について説明したように、キャップ電極２８にＤＣ電源３２によりＤＣパルス電圧を印加することにより、キャップ電極に印加するＤＣパルス電圧に応じて、所望な方向ならびに所望な速度で、リング電極２４の胴部２４ａ内にＲＦトラップされた所定の単一の価数に制御されたイオンが掃き出されるものである。
【００５４】ここで、ターゲット原子のレーザー冷却による磁気光学トラップについて、説明すると、まず、飽和吸収分光法により、飽和吸収分光部１０６においてほぼドップラーフリーの超微細構造スペクトルを得ることができる。図６には、飽和吸収分光部１０６によるルビジウムの超微細構造スペクトルが示されている。
【００５５】さらに、冷却用レーザー１０２ならびに再励起用レーザー１０４内のグレーティングの微動用ピエゾに、周波数安定化を目的としたサーボロック回路によりフィードバック制御した電圧を印加することで、不安定なレーザーの発振周波数を制御することができるようになる。
【００５６】具体的には、本発明者の実験によれば、９０分間にわたり線幅５ＭＨｚの範囲内に、発振周波数を安定化させることができ、冷却用レーザー１０２と再励起用レーザー１０４と飽和吸収分光部１０６と光音響素子高速スイッチ部１０８とを、ルビジウム原子をレーザー冷却するためのルビジウム原子冷却用狭線幅レーザーシステムとして構築することができた。
【００５７】そして、冷却用レーザー１０２から出射される周波数安定化した波長７８０ｎｍの６本のビームを、各５０巻の反ヘルムホルツコイルを備えた第１磁気光学トラップ部１１０に水平方向において４方向から、また、垂直方向において２方向から入射すると、ルビジウム原子を磁気光学トラップすることができた。
【００５８】具体的には、共鳴周波数から負に離調することで、ターゲット原子であるルビジウム８７を磁気光学トラップすることができた。図７には、ルビジウムを磁気光学トラップした状態が示されているが、直径１ｍｍ程度の大きさの球状に磁気光学トラップされたルビジウム８７の個数は１．６×１０８個程度、トラップされた領域における原子密度は４．０×１０１１個／ｃｍ３と見積もることができる。
【００５９】ここで、電離係数を原子、イオンのイオン化ポテンシャル、レーザー強度、パルス形状、パルス幅などから求め、レート方程式を解き、各価数の数密度の時間変化を簡便に計算できるＡＤＫ（Ａｍｍｏｓｏｖ、Ｄｅｌｏｎｅ、Ｋｒａｉｎｏｖ）モデルによりルビジウムのトンネルイオン化について解析した結果が図８（ａ）（ｂ）（ｃ）に示されている。
【００６０】図８（ａ）（ｂ）（ｃ）はいずれも光強度をパラメータとしており、図８（ａ）は「Ｉ＝１０１４Ｗ／ｃｍ２」の場合を示し、図８（ｂ）は「Ｉ＝１０１５Ｗ／ｃｍ２」の場合を示し、図８（ｃ）は「Ｉ＝１０１６Ｗ／ｃｍ２」の場合を示している。
【００６１】ここで、図８（ａ）に示す「Ｉ＝１０１４Ｗ／ｃｍ２」の場合ではパルス終了時に１価イオンまで、図８（ｂ）に示す「Ｉ＝１０１５Ｗ／ｃｍ２」の場合ではパルス終了時に２価イオンまで、図８（ｃ）に示す「Ｉ＝１０１６Ｗ／ｃｍ２」の場合ではパルス終了時に７価イオンまで、多価イオン化が可能であることが判明した。
【００６２】さらに、多価イオンと表面との相互作用について、クーロン爆発モデルを構築して解析した。
【００６３】クーロン爆発モデルでは、（１）多価イオンの速度は零（２）半球体状の電荷領域の生成（３）多価イオンの総ポテンシャルエネルギーは電荷領域の静電エネルギーに移乗を仮定した。
【００６４】図９は基板をＧａＡｓとしたときの多価イオン照射効果を示しており、ルビジウム９価イオンで、ポテンシャルエネルギーは６３３．２ｅＶあり、１個のルビジウム９価イオンで、各６以上づつのガリウム原子ならびに砒素原子のポテンシャルスパッタリングを行うことが可能であることがわかる。
【００６５】また、ルビジウム７価イオンで、ポテンシャルエネルギーは３４７．２ｅＶあり、１個のルビジウム７価イオンで、各３以上づつのガリウム原子ならびに砒素原子のポテンシャルスパッタリングを行うことが可能であることがわかる。
【００６６】なお、上記した実施の形態においては、多価イオンはプラスイオン（＋イオン）であるので、リング電極２４の胴部２４ａ内にＲＦトラップされた所定の単一の価数に制御された多価イオンを出射させる際に、図１０（ａ）に示すように、多価イオンの出射方向とは逆方向側に位置するキャップ電極２８に＋ＤＣパルス電圧を印加することにより、胴部２４ａ内にＲＦトラップされた所定の単一の価数に制御された多価イオンを掃き出すようにした。しかしながら、これに限られることなしに、図１０（ｂ）に示すように、多価イオンの出射方向側に位置するキャップ電極２６に−ＤＣパルス電圧を印加することにより、胴部２４ａ内にＲＦトラップされた所定の単一の価数に制御された多価イオンを引き出すようにしてもよい。
【００６７】
【発明の効果】本発明は、以上説明したように構成されているので、所定の価数に制御された低速多価イオンビームを効率よく発生することのできる低速多価イオンビームの発生装置を提供することができるという優れた効果を奏する。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明による低速多価イオンビームの発生装置の第１の実施の形態の概念構成説明図である。
【図２】マシュー（Ｍａｔｈｉｅｕ）方程式を示す説明図である。
【図３】ＲＦトラップの安定領域を示すグラフである。
【図４】銅にフェムト秒レーザー光を照射して銅をフェムト秒レーザーアブレーションした場合における、銅２価イオン（Ｃｕ２＋）の４重極質量分析器（ＱＭＳ）の分析結果を表すＱＭＳ信号強度の時間的な変化を示すグラフである。
【図５】本発明による低速多価イオンビームの発生装置の第２の実施の形態の概念構成説明図である。
【図６】飽和吸収分光部によるルビジウムの超微細構造スペクトルを示すグラフである。
【図７】ルビジウムを磁気光学トラップした状態を示すＣＣＤカメライメージである。
【図８】ＡＤＫ（Ａｍｍｏｓｏｖ、Ｄｅｌｏｎｅ、Ｋｒａｉｎｏｖ）モデルによるルビジウムのトンネルイオン化の解析結果を示すグラフであり、（ａ）（ｂ）（ｃ）はいずれも光強度をパラメータとしており、（ａ）は「Ｉ＝１０１４Ｗ／ｃｍ２」の場合を示し、（ｂ）は「Ｉ＝１０１５Ｗ／ｃｍ２」の場合を示し、（ｃ）は「Ｉ＝１０１６Ｗ／ｃｍ２」の場合を示している。
【図９】基板をＧａＡｓとしたときの多価イオン照射効果を示すグラフである。
【図１０】リング電極の胴部内にＲＦトラップされた所定の単一の価数に制御された多価イオンを出射させる際の手法を示し、（ａ）は、多価イオンの出射方向とは逆方向側に位置するキャップ電極に＋ＤＣパルス電圧を印加することにより、リング電極の胴部内にＲＦトラップされた所定の単一の価数に制御された多価イオンを掃き出すようにした場合を示し、（ｂ）は、多価イオンの出射方向側に位置するキャップ電極に−ＤＣパルス電圧を印加することにより、リング電極の胴部内にＲＦトラップされた所定の単一の価数に制御された多価イオンを引き出すようにした場合を示す。
【符号の説明】
１０ 多価イオン生成部
１２ フェムト秒レーザーシステム
１４ サンプル（ｓａｍｐｌｅ）
２０ ＲＦトラップ制御部
２２ 真空チャンバー
２４ リング電極
２４ａ 胴部
２４ｂ 第１貫通孔
２４ｃ 第２貫通孔
２６、２８ キャップ電極
３０ ＲＦ＋ＤＣ電源
３２ ＤＣ電源
３４ ターボ分子ポンプ
３６ 可変リークバルブ
３８ バッファーガス供給システム
４０ ４重極質量分析器（ＱＭＳ：Ｑｕａｄｒｕｐｏｌｅ Ｍａｓｓ Ｓｐｅｃｔｒｏｍｅｔｅｒ）
４２ 検出器（ＤＥＴ）
１０２ 冷却用レーザー
１０４ 再励起用レーザー
１０６ 飽和吸収分光部
１０８ 光音響素子高速スイッチ部
１１０ 第１磁気光学トラップ部
１１２ ターゲット原子輸送部
１１４ 第２磁気光学／ＲＦトラップ部
１１６ ＭＣＰイオン検出部
１１８ フェムト秒レーザー
【特許請求の範囲】
【請求項１】 ターゲット原子をレーザー冷却するためのレーザー光を出射する第１のレーザー手段と、ターゲット原子から多価イオンを発生させるためのレーザー光を出射する第２のレーザー手段と、前記第１のレーザー手段から出射されたレーザー光によってターゲット原子をレーザー冷却してトラップする第１のトラップ制御手段と、前記第１のトラップ制御手段によってトラップされたターゲット原子を入力して、前記第１のレーザー手段から出射されたレーザー光によって該入力したターゲット原子をレーザー冷却してトラップするとともに、前記第２のレーザー手段から出射されたレーザー光によって該トラップしたターゲット原子から多価イオンを発生させ、該発生された多価イオンのなかで所定の価数の多価イオンのみをトラップするとともに、トラップした多価イオンを所定の運動エネルギーで所定の方向に出力する第２のトラップ制御手段とを有するものである低速多価イオンビームの発生装置。
【請求項２】 請求項１に記載の低速多価イオンビームの発生装置において、前記第２のレーザーは、フェムト秒レーザーである低速多価イオンビームの発生装置。
【請求項３】 請求項１または請求項２のいずれか１項に記載の低速多価イオンビームの発生装置において、前記第２のトラップ制御手段は、筒状のリング電極と、前記リング電極の軸方向における両方の端部側に配置された一対のキャップ電極と、前記リング電極にＲＦ周波数のＲＦ電圧およびＤＣ電圧を印加するための第一の電源と、前記一対のキャップ電極の一方にＤＣパルス電圧を印加するための第二の電源とを有し、前記第２のレーザー手段から出射されたレーザー光によって発生された多価イオンについて、前記リング電極に対して前記第一の電源から印加されるＲＦ周波数のＲＦ電圧およびＤＣ電圧に応じて、前記リング電極内において所定の単一の価数の低速な多価イオンのみをトラップし、前記一対のキャップ電極の一方に前記第二の電源によりＤＣパルス電圧を印加することにより、前記一対のキャップ電極の一方に印加するＤＣパルス電圧に応じた方向ならびに速度で、前記リング電極内にトラップされた所定の単一の価数に制御されたイオンを出射するものである低速多価イオンビームの発生装置。
【請求項４】 ターゲット原子中の中性原子をレーザー冷却するためのレーザー光を出射する第１のレーザー手段と、前記中性原子から多価イオンを発生させるためのレーザー光を出射する第２のレーザー手段と、前記第１のレーザー手段から出射されたレーザー光によって前記ターゲット原子の中から前記中性原子をレーザー冷却してトラップする第１のトラップ制御手段と、前記第１のトラップ制御手段によってトラップされた前記中性原子を入力して、前記第１のレーザー手段から出射されたレーザー光によって該入力した前記中性原子をレーザー冷却してトラップするとともに、前記第２のレーザー手段から出射されたレーザー光によって該トラップした前記中性原子から多価イオンを発生させ、該発生された前記多価イオンのなかで所定の価数の多価イオンのみをトラップするとともに、該トラップした前記所定の価数の多価イオンを所定の運動エネルギーで所定の方向に出力する第２のトラップ制御手段とを有するものである低速多価イオンビームの発生装置。
【請求項５】 請求項４に記載の低速多価イオンビームの発生装置において、前記第２のレーザーは、フェムト秒レーザーである低速多価イオンビームの発生装置。
【請求項６】 請求項４または請求項５のいずれか１項に記載の低速多価イオンビームの発生装置において、前記第２のトラップ制御手段は、筒状のリング電極と、前記リング電極の軸方向における両方の端部側に配置された一対のキャップ電極と、前記リング電極にＲＦ周波数のＲＦ電圧およびＤＣ電圧を印加するための第一の電源と、前記一対のキャップ電極の一方にＤＣパルス電圧を印加するための第二の電源とを有し、前記第２のレーザー手段から出射されたレーザー光によって発生された多価イオンについて、前記リング電極に対して前記第一の電源から印加されるＲＦ周波数のＲＦ電圧およびＤＣ電圧に応じて、前記リング電極内において所定の単一の価数の低速な多価イオンのみをトラップし、前記一対のキャップ電極の一方に前記第二の電源によりＤＣパルス電圧を印加することにより、前記一対のキャップ電極の一方に印加するＤＣパルス電圧に応じた方向ならびに速度で、前記リング電極内にトラップされた所定の単一の価数に制御されたイオンを出射するものである低速多価イオンビームの発生装置。
【請求項１】 ターゲット原子をレーザー冷却するためのレーザー光を出射する第１のレーザー手段と、ターゲット原子から多価イオンを発生させるためのレーザー光を出射する第２のレーザー手段と、前記第１のレーザー手段から出射されたレーザー光によってターゲット原子をレーザー冷却してトラップする第１のトラップ制御手段と、前記第１のトラップ制御手段によってトラップされたターゲット原子を入力して、前記第１のレーザー手段から出射されたレーザー光によって該入力したターゲット原子をレーザー冷却してトラップするとともに、前記第２のレーザー手段から出射されたレーザー光によって該トラップしたターゲット原子から多価イオンを発生させ、該発生された多価イオンのなかで所定の価数の多価イオンのみをトラップするとともに、トラップした多価イオンを所定の運動エネルギーで所定の方向に出力する第２のトラップ制御手段とを有するものである低速多価イオンビームの発生装置。
【請求項２】 請求項１に記載の低速多価イオンビームの発生装置において、前記第２のレーザーは、フェムト秒レーザーである低速多価イオンビームの発生装置。
【請求項３】 請求項１または請求項２のいずれか１項に記載の低速多価イオンビームの発生装置において、前記第２のトラップ制御手段は、筒状のリング電極と、前記リング電極の軸方向における両方の端部側に配置された一対のキャップ電極と、前記リング電極にＲＦ周波数のＲＦ電圧およびＤＣ電圧を印加するための第一の電源と、前記一対のキャップ電極の一方にＤＣパルス電圧を印加するための第二の電源とを有し、前記第２のレーザー手段から出射されたレーザー光によって発生された多価イオンについて、前記リング電極に対して前記第一の電源から印加されるＲＦ周波数のＲＦ電圧およびＤＣ電圧に応じて、前記リング電極内において所定の単一の価数の低速な多価イオンのみをトラップし、前記一対のキャップ電極の一方に前記第二の電源によりＤＣパルス電圧を印加することにより、前記一対のキャップ電極の一方に印加するＤＣパルス電圧に応じた方向ならびに速度で、前記リング電極内にトラップされた所定の単一の価数に制御されたイオンを出射するものである低速多価イオンビームの発生装置。
【請求項４】 ターゲット原子中の中性原子をレーザー冷却するためのレーザー光を出射する第１のレーザー手段と、前記中性原子から多価イオンを発生させるためのレーザー光を出射する第２のレーザー手段と、前記第１のレーザー手段から出射されたレーザー光によって前記ターゲット原子の中から前記中性原子をレーザー冷却してトラップする第１のトラップ制御手段と、前記第１のトラップ制御手段によってトラップされた前記中性原子を入力して、前記第１のレーザー手段から出射されたレーザー光によって該入力した前記中性原子をレーザー冷却してトラップするとともに、前記第２のレーザー手段から出射されたレーザー光によって該トラップした前記中性原子から多価イオンを発生させ、該発生された前記多価イオンのなかで所定の価数の多価イオンのみをトラップするとともに、該トラップした前記所定の価数の多価イオンを所定の運動エネルギーで所定の方向に出力する第２のトラップ制御手段とを有するものである低速多価イオンビームの発生装置。
【請求項５】 請求項４に記載の低速多価イオンビームの発生装置において、前記第２のレーザーは、フェムト秒レーザーである低速多価イオンビームの発生装置。
【請求項６】 請求項４または請求項５のいずれか１項に記載の低速多価イオンビームの発生装置において、前記第２のトラップ制御手段は、筒状のリング電極と、前記リング電極の軸方向における両方の端部側に配置された一対のキャップ電極と、前記リング電極にＲＦ周波数のＲＦ電圧およびＤＣ電圧を印加するための第一の電源と、前記一対のキャップ電極の一方にＤＣパルス電圧を印加するための第二の電源とを有し、前記第２のレーザー手段から出射されたレーザー光によって発生された多価イオンについて、前記リング電極に対して前記第一の電源から印加されるＲＦ周波数のＲＦ電圧およびＤＣ電圧に応じて、前記リング電極内において所定の単一の価数の低速な多価イオンのみをトラップし、前記一対のキャップ電極の一方に前記第二の電源によりＤＣパルス電圧を印加することにより、前記一対のキャップ電極の一方に印加するＤＣパルス電圧に応じた方向ならびに速度で、前記リング電極内にトラップされた所定の単一の価数に制御されたイオンを出射するものである低速多価イオンビームの発生装置。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【特許番号】特許第３４４９４７３号（Ｐ３４４９４７３）
【登録日】平成１５年７月１１日（２００３．７．１１）
【発行日】平成１５年９月２２日（２００３．９．２２）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０００−１９４８７（Ｐ２０００−１９４８７）
【出願日】平成１２年１月２８日（２０００．１．２８）
【公開番号】特開２００１−２１０２４７（Ｐ２００１−２１０２４７Ａ）
【公開日】平成１３年８月３日（２００１．８．３）
【審査請求日】平成１３年３月２２日（２００１．３．２２）
【出願人】（０００００６７９２）理化学研究所 (14)
【参考文献】
【文献】特開 平８−２１３３６３（ＪＰ，Ａ）
【文献】特開 平４−６７５９９（ＪＰ，Ａ）
【文献】特開 平１０−６９８７８（ＪＰ，Ａ）
【文献】特開 平６−１０２１６８（ＪＰ，Ａ）
【登録日】平成１５年７月１１日（２００３．７．１１）
【発行日】平成１５年９月２２日（２００３．９．２２）
【国際特許分類】
【出願日】平成１２年１月２８日（２０００．１．２８）
【公開番号】特開２００１−２１０２４７（Ｐ２００１−２１０２４７Ａ）
【公開日】平成１３年８月３日（２００１．８．３）
【審査請求日】平成１３年３月２２日（２００１．３．２２）
【出願人】（０００００６７９２）理化学研究所 (14)
【参考文献】
【文献】特開 平８−２１３３６３（ＪＰ，Ａ）
【文献】特開 平４−６７５９９（ＪＰ，Ａ）
【文献】特開 平１０−６９８７８（ＪＰ，Ａ）
【文献】特開 平６−１０２１６８（ＪＰ，Ａ）
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