(57)【要約】【課題】イオン源の出力が一定でない場合でも、フィラメントの寿命を正確に予測することができる手段を提供する。【解決手段】このイオン源装置は、熱電子放出用のフィラメント１０を有するイオン源２と、フィラメント１０に流れる電流Ｉを測定する電流測定器２６と、フィラメント１０の両端の電圧Ｖを測定する電圧測定器２８と、これらによって測定した電流Ｉおよび電圧Ｖに基づいてフィラメントの抵抗値Ｒを求める抵抗値演算手段３２と、これによって求めた抵抗値Ｒの変化率を用いて、フィラメントが使用限界に達する時刻ｔ２  または使用限界に達するまでの残り時間ｔ２  −ｔ１  を求める予測演算手段３４とを備えている。【選択図】  図１
2004165034.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
イオン源を構成する熱電子放出用のフィラメントに流れる電流と当該フィラメント両端の電圧とに基づいて、イオン源運転中の前記フィラメントの抵抗値を継続して測定し、この抵抗値の変化率に基づいて、前記フィラメントの断線に至る寿命を予測することを特徴とするイオン源のフィラメント寿命予測方法。
【請求項２】
熱電子放出用のフィラメントを有するイオン源と、前記フィラメントに流れる電流を測定する電流測定器と、前記フィラメントの両端の電圧を測定する電圧測定器と、前記電流測定器および電圧測定器によって測定した電流および電圧に基づいて前記フィラメントの抵抗値を求める抵抗値演算手段と、この抵抗値演算手段によって求めた抵抗値の変化率を用いて、前記フィラメントが使用限界に達する時刻または使用限界に達するまでの残り時間を求める予測演算手段とを備えることを特徴とするイオン源装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、イオン注入装置等に用いられるイオン源のフィラメントの寿命を予測する予測方法、および、当該予測を行う手段を備えるイオン源装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
イオン注入装置等に用いられるイオン源を構成する熱電子放出用のフィラメントの寿命は、従来、フィラメントに流れる電流（フィラメント電流）をイオン源の運転中常時測定し、これを所定の基準値と比較することによって、断線に至るまでの残り時間を推定することで、フィラメントの寿命を予測していた。上記所定の基準値には、同じ特性のフィラメントを用いたイオン源における過去のデータが用いられる。なお、上記と同様の技術は、特許文献１にも記載されている。
【０００３】
【特許文献１】
特開平４−３０６５４４号公報（段落番号００１７、００２２、図１）
【０００４】
上記従来の方法の根拠は次のとおりである。即ち、イオン源をある一定の出力（この出力としては、この明細書では、イオン源から引き出すイオンビーム電流に着目している。）で運転するためには、フィラメントから放出される熱電子の量を一定にする必要がある。この熱電子の量は、フィラメントとプラズマ生成容器との間を流れるアーク電流として観測される。このアーク電流を一定に保つために、この種のイオン源においては通常、フィラメント電流を制御して、フィラメントへの投入パワーを一定に制御している。
【０００５】
その場合、イオン源の運転に伴って、フィラメントは、プラズマ生成容器内に生成されるプラズマ中のイオンによるスパッタや蒸発によって消耗して細くなって行く。例えば、フィラメントの中央付近でその直径が小さくなって行く（図２参照）。その結果、フィラメント全体の抵抗値が増大し、フィラメントへの投入パワーを一定にするために必要なフィラメント電流は小さくなって行く。
【０００６】
従って、従来は、フィラメント電流が小さくなるほどフィラメントの直径が小さくなっていて断線が起こりやすいと推定し、同じ特性のフィラメントを用いたイオン源において過去に断線が発生したときのフィラメント電流と比較を行うことによって、断線に至るまでの残り時間を予測していた。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
上記根拠は、イオン源の出力が常に一定であるときには正しいと言える。しかし、イオン注入装置等に用いられる現実のイオン源においては、そのような条件で運転されるのは希れである。
【０００８】
例えば、中電流機と呼ばれるイオン注入装置用のイオン源を例に挙げると、当該イオン源の出力は、即ちそれから引き出すイオンビーム電流は、２０ｍＡ以上を出力する最大出力から、０．１ｍＡ程度にまで下げる最小出力まで、かなり広い幅を持っている。
【０００９】
上述したように、イオン源の出力はフィラメントから放出される熱電子の量に依存しており、フィラメント電流はイオン源に要求される出力に応じて変える必要があるので、たとえフィラメントの直径が同じでも、イオン源の出力が大きければ必要なフィラメント電流は大きく、出力が小さければフィラメント電流は小さい。別の言い方をすれば、イオン源の出力、即ちイオンビーム電流を下げるためにはアーク電流を小さくする必要があり、そのためにはフィラメント電流を小さくする必要がある。このとき、従来の方法のようにフィラメント電流を測定してフィラメントの残り寿命を予測していると、残り寿命が一気に短くなったように見える。しかしこれは正しくない。単にフィラメント電流を小さくしただけであるからである。
【００１０】
このように、イオン源の出力が一定でない場合には、従来のようにフィラメント電流を測定してフィラメントの寿命を予測する方法では、フィラメントの寿命を正確に予測することはできない。
【００１１】
そこでこの発明は、イオン源の出力が一定でない場合でも、フィラメントの寿命を正確に予測することができる手段を提供することを主たる目的としている。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
この発明に係るフィラメント寿命予測方法は、イオン源を構成する熱電子放出用のフィラメントに流れる電流と当該フィラメント両端の電圧とに基づいて、イオン源運転中の前記フィラメントの抵抗値を継続して測定し、この抵抗値の変化率に基づいて、前記フィラメントの断線に至る寿命を予測することを特徴としている（請求項１に対応）。
【００１３】
フィラメントの寿命を決めるのはフィラメントの直径（換言すれば断面積）である。これに直接関係する物理量として、フィラメントの抵抗値がある。これは、フィラメントの抵抗値Ｒ［Ω］は、次式で表されるように、フィラメントの断面積Ａ［ｍ２  ］に反比例するからである。ここで、ρはフィラメントの抵抗率［Ωｍ］、Ｌはフィラメントの長さ［ｍ］である。この抵抗値Ｒは、イオン源の出力を変えるためにフィラメント電流を変えても、それだけでは変化しない。
【００１４】
【数１】
Ｒ＝ρ・Ｌ／Ａ
【００１５】
そこでこの発明のように、フィラメントに流れる電流とフィラメント両端の電圧とに基づいて、イオン源運転中のフィラメントの抵抗値を継続して測定し、この抵抗値の変化率に基づいて、フィラメントの断線に至る寿命を予測することによって、イオン源の出力が一定でない場合でも、フィラメントの寿命を正確に予測することができる。
【００１６】
この発明に係るイオン源装置は、熱電子放出用のフィラメントを有するイオン源と、前記フィラメントに流れる電流を測定する電流測定器と、前記フィラメントの両端の電圧を測定する電圧測定器と、前記電流測定器および電圧測定器によって測定した電流および電圧に基づいて前記フィラメントの抵抗値を求める抵抗値演算手段と、この抵抗値演算手段によって求めた抵抗値の変化率を用いて、前記フィラメントが使用限界に達する時刻または使用限界に達するまでの残り時間を求める予測演算手段とを備えることを特徴としている（請求項２に対応）。
【００１７】
このイオン源装置によれば、上記のような抵抗値演算手段、予測演算手段等を備えているので、請求項１記載の発明の場合と同様に、イオン源の出力が一定でない場合でも、フィラメントの寿命を正確に予測することができる。
【００１８】
【発明の実施の形態】
図１は、この発明に係るフィラメント寿命予測方法を実施するイオン源装置の一例を示す図である。
【００１９】
このイオン源装置は、熱電子放出用のフィラメント１０を有するイオン源２と、フィラメント１０に流れる電流Ｉを測定する電流測定器２６と、フィラメント１０の両端の電圧Ｖを測定する電圧測定器２８と、測定した電流Ｉおよび電圧Ｖに基づいてフィラメント１０の寿命予測等を行う演算制御装置３０とを備えている。
【００２０】
イオン源２は、この例ではバーナス型イオン源と呼ばれるものであり、アノードを兼ねるプラズマ生成容器４と、このプラズマ生成容器４内の一方側に設けられた熱電子放出用のＵ字状のフィラメント１０と、プラズマ生成容器４内の他方側に設けられた反射電極１２と、プラズマ生成容器４の壁面に設けられたスリット状のイオン引出し口６とを備えている。イオン引出し口６の出口近傍には、プラズマ生成容器４内で生成されたプラズマ１４からイオンビーム２０を引き出す引出し電極系１８が設けられている。引出し電極系１８は、図示例のような１枚の電極に限られるものではない。
【００２１】
プラズマ生成容器４内には、プラズマ１４ひいてはイオンビーム２０の元になる原料ガスとして、ガスや蒸気が、導入口８を通して導入される。プラズマ生成容器４の内部には、図示しない磁界発生器によって、フィラメント１０と反射電極１２とを結ぶ線に沿う方向に磁界１６が印加される。フィラメント１０の両端には、フィラメント１０を通電加熱するフィラメント電源２２が接続される。フィラメント１０の一端とプラズマ生成容器４との間には、後者を正極側にしてアーク電源２４が接続される。
【００２２】
このようなイオン源２において、プラズマ生成容器４の内外を真空排気した状態で、プラズマ生成容器４内に原料ガスを適当な流量で導入しながら、フィラメント電源２２によってフィラメント１０を加熱すると共に、フィラメント１０とプラズマ生成容器４との間にアーク電源２４からアーク電圧を印加すると、フィラメント１０から放出される熱電子はプラズマ生成容器４に向かってアーク電圧によって加速され、原料ガスと衝突することによって原料ガスを電離して、アーク放電を生じさせると共にプラズマ１４を生成する。そしてこのプラズマ１４からイオンビーム２０を引き出すことができる。
【００２３】
上記フィラメント１０に流れる電流Ｉは、フィラメント電源２２の出力電流と実質的に同じであり、電流測定器２６によって測定することができる。フィラメント１０の両端に印加される電圧Ｖは、フィラメント電源２２の出力電圧と実質的に同じであり、電圧測定器２８によって測定することができる。
【００２４】
演算制御装置３０は、上記のようにして測定した電流Ｉおよび電圧Ｖに基づいてフィラメント１０の抵抗値Ｒを求める抵抗値演算手段３２と、これによって求めた抵抗値Ｒの変化率（時間に対する変化率）を用いて、フィラメント１０が使用限界に達する時刻または使用限界に達するまでの残り時間を求める予測演算手段３４とを備えている。
【００２５】
これを詳述すると、フィラメント１０の抵抗値Ｒ［Ω］は、上記電流Ｉ［Ａ］および電圧Ｖ［Ｖ］に基づいて、次式によって求めることができる。この演算を抵抗値演算手段３２が行う。このようにして、イオン源２の運転中のフィラメント１０の抵抗値Ｒを継続して測定する。この明細書において、「継続して」というのは、「連続的に」と言い換えることができ、典型的には常時であるが、所定のサイクル時間ごとの測定をも含む意味である。
【００２６】
【数２】
Ｒ＝Ｖ／Ｉ
【００２７】
イオン源２の運転時間の経過に伴って、フィラメント１０は、プラズマ１４中のイオンによるスパッタや蒸発によって消耗して細くなって行く。例えば、図２に示す例のように、フィラメント１０の中央付近（この例では先端付近）１０ａでその直径が小さくなって行く。従って、フィラメント１０全体の抵抗値Ｒは、フィラメント１０の消耗につれて大きくなって行く。その様子の一例を図３中に実線で示す。
【００２８】
イオン源運転中の現在時刻をｔ１  とし、フィラメント１０が使用限界に達する限界抵抗値をＲＬ  とする。この限界抵抗値ＲＬ  は、現在使用しているフィラメント１０と同じ特性（即ち、同じ材質、寸法、形状等）のフィラメントの過去の経験から求めることができる。即ち、そのようなフィラメントが断線した時の、または断線する可能性が高くなった時の抵抗値Ｒを限界抵抗値ＲＬ  とする。
【００２９】
そして、上記のようにしてイオン源運転中のフィラメント１０の抵抗値Ｒを継続して測定することによって、現在時刻ｔ１  における抵抗値Ｒ１  の変化率ｄＲ１  ／ｄｔ１  を求める。更に、イオン源２の運転時間ｔに対するフィラメント１０の抵抗値Ｒの変化をこの変化率ｄＲ１  ／ｄｔ１  を用いて外挿して、フィラメント１０の抵抗値Ｒが限界抵抗値ＲＬ  に達する時刻ｔ２  を求める。具体的には数３の演算を行う。または、フィラメント１０の抵抗値Ｒが限界抵抗値ＲＬ  に達するまでの残り時間ｔ２  −ｔ１  を求める。具体的には数４の演算を行う。数３と数４とは、数学的に等価であり、実質は同じである。このような演算を予測演算手段３４が行う。
【００３０】
【数３】
ｔ２  ＝（ＲＬ  −Ｒ１  ）／（ｄＲ１  ／ｄｔ１  ）＋ｔ１  
【００３１】
【数４】
ｔ２  −ｔ１  ＝（ＲＬ  −Ｒ１  ）／（ｄＲ１  ／ｄｔ１  ）
【００３２】
上記のようにして、フィラメント１０が使用限界に達する時刻ｔ２  または使用限界に達するまでの残り時間ｔ２  −ｔ１  を求めることができる。これによって、フィラメント１０の断線に至る寿命を予測することができる。
【００３３】
その場合、測定対象であるフィラメント１０の抵抗値Ｒは、イオン源２の出力を変えるためにフィラメント１０に流す電流Ｉの大きさを変えても、それだけの理由によっては変化しない。ちなみに、フィラメント１０に印加する電圧Ｖの大きさを変えた場合も同様であり、それだけの理由によっては測定対象の抵抗値Ｒは変化しない。このように、この発明では、イオン源の出力を変えるためにフィラメント電流を変えても値の変化しないフィラメント抵抗値Ｒを測定対象にしてフィラメントの寿命を予測するので、イオン源２の出力が一定でない場合でも、フィラメント１０の寿命を正確に予測することができる。
【００３４】
なお、この例のように、上記時刻ｔ２  または残り時間ｔ２  −ｔ１  を表示する表示手段３６を設けても良い。
【００３５】
また、この例のように、上記残り時間ｔ２  −ｔ１  と所定の基準値Ｔとを比較して、残り時間ｔ２  −ｔ１  が基準値Ｔより小さくなったときに警報信号Ｓを出力する比較手段３８を設けても良い。
【００３６】
上記のような抵抗値演算手段３２、予測演算手段３４等を有する演算制御装置３０は、例えば、コンピュータを用いて構成しても良い。
【００３７】
また、この発明は、上記例のバーナス型イオン源に限られるものではなく、熱電子放出用のフィラメントを有するイオン源に広く適用することができる。例えば、直線状のフィラメントを有するフリーマン型イオン源等にも適用することができる。
【００３８】
【発明の効果】
以上のようにこの発明によれば、イオン源の出力を変えるためにフィラメント電流を変えても値の変化しないフィラメント抵抗値を測定対象にしてフィラメントの寿命を予測するので、イオン源の出力が一定でない場合でも、フィラメントの寿命を正確に予測することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】この発明に係るフィラメント寿命予測方法を実施するイオン源装置の一例を示す図である。
【図２】図１中のフィラメントの中央付近が細くなった例を示す図である。
【図３】イオン源の運転時間に対するフィラメント抵抗値の変化の一例を示す図である。
【符号の説明】
２  イオン源
１０  フィラメント
２２  フィラメント電源
２６  電流測定器
２８  電圧測定器
３０  演算制御装置
３２  抵抗値演算手段
３４  予測演算手段
【図１】
2004165034.tif 000003
【図２】
2004165034.tif 000004
【図３】
2004165034.tif 000005