(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
陰極バイアス電源ユニットと、アーク電源ユニットと、フィラメント電源ユニットとを有する間接加熱陰極型イオン源の電源を制御するための出力制御装置であって、アーク電源の出力電圧又は出力電流であるパラメータと該パラメータのデマンド値との差に応答して、前記差を最小化するのに必要な陰極バイアス電源ユニットの出力電力を表すバイアス電力デマンド信号を出すと共に、該バイアス電力デマンド信号に応答して、前記陰極バイアス電源ユニットの前記出力電力を前記必要な出力電力に維持するバイアス供給コントローラを備えた出力制御装置。
【請求項２】
前記アーク電源のパラメータが前記アーク電源ユニットの出力電圧である、請求項１に記載の装置。
【請求項３】
前記アーク電源のパラメータが前記アーク電源ユニットの出力電流である、請求項１に記載の装置。
【請求項４】
前記バイアス供給コントローラは、陰極バイアス電源ユニットと共に使用するように適合され、前記陰極バイアス電源ユニットは、前記陰極バイアス電源ユニットの出力電圧を表すバイアス電圧フィードバック信号と前記陰極バイアス電源ユニットの出力電流を表すバイアス電流フィードバック信号とを出し、前記バイアス供給コントローラは、前記バイアス電圧フィードバック信号及び前記バイアス電流フィードバック信号の積からバイアス電力フィードバック信号を導き出すバイアス乗算器と、前記バイアス電力フィードバック信号及び前記バイアス電力デマンド信号の差からバイアス電力エラー信号を導き出すバイアス電力比較器と、前記陰極バイアス電源ユニットに出力制御信号として印加するために前記バイアス電力エラー信号を調整すると共に、前記バイアス電力エラー信号を減じるように前記電源ユニットの出力を制御するための積算器を含むバイアス電力エラー調整フィルタを含んでいる、請求項１〜３の何れか１項に記載の装置。
【請求項５】
前記バイアス供給コントローラは、前記アーク電源のパラメータと該パラメータの前記デマンド値との前記差からアークパラメータエラー信号を導き出すアークパラメータ比較器と、前記バイアス電力デマンド信号を与えるために前記アークパラメータエラー信号を調整する、積算器を含むアークパラメータエラー調整フィルタとを含んでいる、請求項１〜４の何れか１項に記載の装置。
【請求項６】
更にフィラメント供給コントローラを備え、該フィラメント供給コントローラは、バイアス電源の前記パラメータの所望値に対するバイアス電源の負荷インピーダンスであるパラメータのエラーに応答して、該エラーを最小化するのに必要なフィラメント電源ユニットの出力を表すフィラメント電力デマンド信号を出すと共に、前記フィラメント電力デマンド信号に応答して、前記フィラメント電源ユニットの前記出力電力を前記必要な電力に維持する請求項１〜５の何れか１項に記載の装置。
【請求項７】
陰極バイアス電源ユニットと、アーク電源ユニットと、フィラメント電源ユニットとを有する間接加熱陰極型イオン源の電源を制御するための出力制御装置であって、該装置は、バイアス電源のパラメータの所望値に対するバイアス電源の負荷インピーダンスであるパラメータのエラーに応答して、該エラーを最小化するのに必要なフィラメント電源ユニットの出力を表すフィラメント電力デマンド信号を出すと共に、前記フィラメント電力デマンド信号に応答して、前記フィラメント電源ユニットの前記出力電力を前記必要な電力に維持するフィラメント供給コントローラを備える装置。
【請求項８】
前記フィラメント供給コントローラは、フィラメント電源ユニットと共に使用するように適合され、前記フィラメント電源ユニットは、該フィラメント電源ユニットの出力電圧を表わすフィラメント電圧フィードバック信号と、該フィラメント電源ユニットの出力電流を表わすフィラメント電流フィードバック信号とを出すと共に、
前記フィラメント供給コントローラは、前記フィラメント電圧フィードバック信号及び前記フィラメント電流フィードバック信号の積からフィラメント電力フィードバック信号を導き出すフィラメント乗算器と、前記フィラメント電力フィードバック信号及び前記フィラメント電力デマンド信号の差からフィラメント電力エラー信号を導き出すフィラメント電力比較器と、前記フィラメント電力エラー信号を調整して、該フィラメント電力エラー信号を減じるように前記フィラメント電源ユニットの出力を制御して、前記フィラメント電源ユニットに出力制御信号として印加するための積算器を含むフィラメント電力調整フィルタとを備える請求項６又は７の何れか１項に記載の装置。
【請求項９】
前記フィラメント供給コントローラは、前記フィラメント電力デマンド信号を出すために、前記バイアス電源のパラメータにおけるエラーを表すバイアスパラメータエラー信号を調整する、積算器を含むバイアスパラメータエラー調整フィルタを含んでいる、請求項６〜８の何れか１項に記載の装置。
【請求項１０】
前記陰極バイアス電源ユニットによって供給される負荷のインピーダンスを表す信号に応答して、前記バイアス負荷インピーダンスを所望値に維持するために、前記フィラメント電源ユニットを調節するフィラメント供給コントローラを更に備える、請求項１〜５の何れか１項に記載の装置。
【請求項１１】
陰極バイアス電源ユニットと、アーク電源ユニットと、フィラメント電源ユニットとを有する間接加熱陰極型イオン源の電源を制御するための出力制御装置であって、該装置は、前記陰極バイアス電源ユニットにより供給される負荷のインピーダンスを表す信号に応答して、前記バイアス負荷インピーダンスを所望値に維持するために前記フィラメント電源ユニットを調節するためのフィラメント供給コントローラを有する装置。
【請求項１２】
前記バイアス供給コントローラは、陰極バイアス電源ユニットと共に使用するように適合され、前記陰極バイアス電源ユニットは、前記負荷に対する出力電圧と第１の正比例関係を有する電圧フィードバック信号及び前記負荷に対する出力電流に対して第２の正比例関係を有する電流フィードバック信号を出し、前記第１の正比例関係及び前記第２の正比例関係は、前記電圧フィードバック信号の電圧値が前記電流フィードバック信号の電圧値と等しくなるときに、出力電圧と出力電流の比率が前記バイアス負荷インピーダンスの所望値と等しくなるようになっており、前記フィラメント供給コントローラが、前記電圧フィードバック信号の電圧値及び前記電流フィードバック信号の電圧値の間の差を最小化するように応答する請求項６〜１１の何れか１項に記載の装置。
【請求項１３】
前記フィラメント供給コントローラが、前記陰極バイアス電源ユニットからの前記電圧フィードバック信号及び前記電流フィードバック信号の差からバイアス負荷インピーダンスエラー信号を導き出すインピーダンス比較器を含む、請求項１２に記載の装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
本発明は、間接加熱される陰極を有するイオン源の電源を制御するための出力制御装置に関するものである。
【０００２】
熱陰極のイオン源は良く知られており、例えば、いわゆるフリーマンのイオン源や、いわゆるベルナスのイオン源もこれに含まれる。これらのイオン源は、フィラメント電源からフィラメントに通電することにより直接加熱されるフィラメント陰極を内蔵している。イオン源は、フィラメントが入ったアークチャンバを備えており、このアークチャンバに、ガスもしくは蒸気化された物質が供給される。陰極フィラメントがフィラメント電流によって一旦充分に加熱されると、陰極から熱電子が放出される。陰極がアークチャンバ内の陽極に対して充分に負の電位に保持されれば、陰極と陽極の間を流れるアーク電流によって、アークチャンバ内にプラズマが生成される。通常、陰極は実際上アークチャンバの壁により形成される。
【０００３】
このようにしてアークチャンバで生成されたプラズマの中で、原料ガスもしくは蒸気の分子はイオン化され、これらの陽イオンは、アークチャンバに対して相対的に負の電位に保持された抽出電極によりアパーチャを介してアークチャンバから抽出される。抽出されたイオンは、多くの応用が可能なイオンビームを生成するのに利用し得る。重要な応用の１つに、望ましい導電性の条件を与えるために、半導体に不純物元素を注入する目的で、半導体基板（ウェーハ）に向けて望ましい不純物元素物質のイオンビームを打ち込むというイオンビーム注入がある。
【０００４】
フリーマン型のイオン源の１つ、特にイオンビーム注入装置のためのものはUS-A-4578589に開示されている。このフリーマンイオン源は、陰極フィラメントを通じて加熱電流を供給するフィラメント電源と、アーク電源とを含んでいる。US-A-4754200は、とりわけイオン注入装置に応用した場合のイオン源の性能を最適化するために電源を制御する方法を開示している。
【０００５】
US-A-5262652は、イオン注入装置用途におけるベルナス型のイオン源の一例を開示している。ここでも、ベルナス型のイオン源は、フィラメントを介して加熱電流を供給するためのフィラメント電源に接続され、直接加熱される陰極フィラメントを有すると共に、別に、フィラメントと陽極もしくはアークチャンバ本体との間に所望のアーク電位を付与するためのアーク電源を有している。
【０００６】
上述したUS-A-4754200は、イオン源の電源を制御するための回路を開示している。このように、フィラメントとアークチャンバ本体（もしくは陽極）との間に一定のアーク電圧を与え、それから望ましいアーク電流を得るようにフィラメント電源を調節することは既知である。また、電力デマンド信号によってフィラメント電源を制御すること、即ち入力電力デマンド信号に応じて、フィラメント電源から出力電力を得ることが知られており、フィラメント入力電力デマンドはアーク電流を一定に保つ中で、アーク電圧のエラーから導き出される。
【０００７】
US-A-5497006は、ベルナス型ではあるが、間接加熱される陰極を備えたイオン源を開示している。この構成において、供給源のアークチャンバ内の陰極は導電性のボタン状の部材で形成されており、これは、イオン源の主たるプラズマチャンバに対して、反対側に取り付けられたボタンの裏側にある別のフィラメントから間接的に加熱される。電源は、アーク電源やフィラメント電源のみならず、フィラメントと陰極ボタンの間に必要なバイアス電位を付与する陰極バイアス電源も含んでいる。作動の際に、フィラメントは陰極ボタンに対して負にバイアスされるので、フィラメントにより放出される熱電子は加速されてボタンの後面に衝突し、これによってボタン陰極を加熱するので、この陰極は次いでイオン源のプラズマアークを開始もしくは維持するための電子をプラズマチャンバに放出する。
【０００８】
イオン源の中に間接的に加熱される陰極を備えたこの構成は、陰極自体、もしくは陰極の加熱フィラメントの交換が必要になるまでのイオン源の寿命を大きく延ばす。間接加熱される陰極を備えたイオン源の上述の形態は、これまで述べてきたように、間接加熱陰極型イオン源として今後言うことにする。
【０００９】
US-A-5497006は、フィラメント電源ユニット、陰極バイアス電源ユニット及びアーク電源ユニットを有するイオン源と、これらの電源ユニットを制御するための出力制御装置とを開示している。この米国明細書においては、これらの電源の各々に、プログラム可能な電源ユニットが使用されている。アーク電源ユニットは、入力電圧デマンドレベルに応じて、出力アーク電圧を付与するように制御される。陰極バイアス電源ユニットにより陰極ボタン及びフィラメント間に印加されるバイアス電圧は、所望のアーク電流と、アーク電源によりアークに流され測定される電流との間の差に応じて、この差が最小となるように設定される。このようにして、アーク電流がデマンド値以下の場合は、陰極バイアス供給電圧は陰極ボタンに流される加熱エネルギを増すように増加され、これによってアークチャンバ内のプラズマのインピーダンスを低減させ、結果的にアーク電流を増加させる。US-A-5497006におけるフィラメント電源は、次に、陰極バイアス電源によって供給される電流を所望の電流レベルと等しく保持するように制御される。このようにして、陰極バイアス電源からの電流は、フィラメント電源によりフィラメントに印加される電圧を増減させることにより、所要のデマンドレベルに維持される。
【００１０】
本発明は、特に電源のプラズマアークの制御により、安定性を改善し、供給源の寿命を最長化し、速い応答速度を得るために間接的加熱陰極型イオン源の種々の電源を制御する方法の改良を企図している。
【００１１】
本発明の１つの側面によると、陰極バイアス電源ユニットと、アーク電源ユニットと、フィラメント電源ユニットとを有する、前述で規定した間接加熱陰極型イオン源の電源を制御するための出力制御装置は、アーク電源の出力電圧又は出力電流であるパラメータと該パラメータのデマンド値との差に応答して、前記差を最小化するのに必要な陰極バイアス電源ユニットの出力電力を表すバイアス電力デマンド信号を出すと共に、該バイアス電力デマンド信号に応答して、前記陰極バイアス電源ユニットの前記出力電力を前記必要な出力電力に維持するバイアス供給コントローラを備えている。
【００１２】
バイアス供給コントローラは、陰極バイアス電源ユニットの出力電力を所要レベルに保持するように作動するので、陰極に送られる電力は、陰極バイアス負荷のインピーダンス、即ちフィラメントと間接加熱陰極自体との間の領域の電子流のインピーダンス変化には影響されない。このようなインピーダンス変化は、例えばこの領域における物質の化学的変化やガス圧の変化、或いは物理的変化に起因して発生し得る。
【００１３】
例えば、陰極バイアス電源の出力電圧が直接的に制御される先行技術の制御装置においては、陰極バイアス負荷インピーダンスの変化は、陰極バイアス電流に変化を生じさせ、従って、陰極バイアス電源ユニットから陰極に送られる電力に変化を生じさせる。US-A-5497006に開示された先行技術の構成では、陰極バイアス電力のこの変化は、陰極バイアス電流を所要値に戻すためにフィラメント電源を調節することで、補償されなければならない。本発明の構成では、陰極バイアス電源ユニットの出力はデマンド値に適合するように直接制御されるので、バイアス負荷インピーダンスの変化は、バイアス負荷に送られる電力をデマンド値に保持するために外部からの補償を必要としない。
【００１４】
バイアス電力デマンド信号を出すのに使われるアーク電源のパラメータは、アーク電源への主な制御入力がアーク電流デマンド信号かアーク電圧デマンド信号かによって、アーク電源ユニットの出力電圧もしくは出力電流のいずれかとしうる。上記の出力制御装置は、陰極バイアス電源ユニットと共に使用されるのが好適であり、該陰極バイアス電源ユニットは、該電源ユニットの出力電圧を表すバイアス電圧フィードバック信号と該電源ユニットの出力電流を表すバイアス電流フィードバック信号とを出し、前記バイアス供給コントローラは、前記バイアス電圧フィードバック信号及び前記バイアス電流フィードバック信号の積からバイアス電力フィードバック信号を導き出すバイアス乗算器と、前記バイアス電力フィードバック信号及び前記バイアス電力デマンド信号の差からバイアス電力エラー信号を導き出すバイアス電力比較器と、前記陰極バイアス電源ユニットに出力制御信号として印加するために前記バイアス電力エラー信号を調整すると共に、前記バイアス電力エラー信号を減じるように前記電源ユニットの出力を制御する、積算器を含むバイアス電力エラー調整フィルタとを含んでいる。このようにして、比較的に速いバイアス電力制御ループが形成され、陰極バイアス電源ユニットにより供給される出力電力がバイアス電力デマンド信号によって決定されるレベルに維持されることが確実にされる。
【００１５】
また、前記バイアス供給コントローラは、前記アーク電源のパラメータと該パラメータの前記デマンド値との前記差からアークパラメータエラー信号を導き出すアークパラメータ比較器と、前記バイアス電力デマンド信号を与えるために前記アークパラメータエラー信号を調整する、積算器を含むアークパラメータエラー調整フィルタとを含んでいることが好適である。
【００１６】
本発明はまた、前述したように、陰極バイアス電源ユニットと、アーク電源ユニットと、フィラメント電源ユニットとを有する間接加熱陰極型イオン源の電源を制御する出力制御装置を提供しており、この装置は、好適には、フィラメント供給コントローラを備えており、該フィラメント供給コントローラは、バイアス電源のパラメータの所望値に対するバイアス電源の負荷インピーダンスであるパラメータのエラーに応答して、該エラーを最小化するのに必要なフィラメント電源ユニットの出力を表すフィラメント電力デマンド信号を出すと共に、前記フィラメント電力デマンド信号に応答して、前記フィラメント電源ユニットの前記出力電力を前記必要な電力に維持する。
【００１７】
このフィラメント電源コントローラは、上述したバイアス供給コントローラと一緒に或いは独立して使用することができる。上述したフィラメント供給コントローラは、フィラメントに送られる電力が、直接制御され、従って、フィラメントの寿命の間に上昇する傾向のあるフィラメントインピーダンスの変化に関係ないことを保証する利点がある。
【００１８】
US-A-5497006に記述されている先行技術の例においては、フィラメント電源ユニットの出力電圧のみが制御されている。その結果、フィラメントインピーダンスの増加がフィラメント電流の減少を生じさせ、フィラメントに送られる電力に応分の減少が生じる。フィラメント電力を維持するためにフィラメントインピーダンスのこの変化に対して内部補償するための用意は何らなされていない。その代わり、先行技術の米国明細書では、フィラメント電力の減少は、多分、陰極バイアス電流の減少をもたらす陰極バイアスインピーダンスの増加を生み出し、実質的にフィラメント電源を補償するために印加される電圧デマンド信号の増加をもたらす。しかし、米国特許の先行技術で開示された制御ループは、陰極バイアス電流の減少、従って陰極への電力の送出を必要としており、これによりイオン源の主アークチャンバにおけるプラズマアークに影響する可能性がある。
【００１９】
上述した装置は、フィラメント電源ユニットと共に好適に使用され、該フィラメント電源ユニットは、該フィラメント電源ユニットの出力電圧を表わすフィラメント電圧フィードバック信号と、該フィラメント電源ユニットの出力電流を表わすフィラメント電流フィードバック信号とを出し、前記フィラメント供給コントローラは、前記フィラメント電圧フィードバック信号及び前記フィラメント電流フィードバック信号の積からフィラメント電力フィードバック信号を導き出すフィラメント乗算器と、前記フィラメント電力フィードバック信号及び前記フィラメント電力デマンド信号の差からフィラメント電力エラー信号を導き出すフィラメント電力比較器と、前記フィラメント電力エラー信号を調整して、該フィラメント電力エラー信号を減じるように前記フィラメント電源ユニットの出力を制御して、前記フィラメント電源ユニットに出力制御信号として印加する、積算器を含むフィラメント電力調整フィルタとを備える。このようにして、フィラメント電源の出力電力を要求レベルに維持することを保証する内部制御ループが提供されている。
【００２０】
フィラメント供給コントローラは、好ましくは、前記フィラメント電力デマンド信号を出すためにバイアスパラメータエラー信号を調整する、積算器を含むバイアスパラメータエラー調整フィルタを含んでいる。
【００２１】
上記で使用されるバイアス電源パラメータは、前記陰極バイアス電源ユニットの出力電圧でよく、この場合、前記エラーは前記出力電圧と前記出力電圧の所望値の差である。代わりに、バイアス電源パラメータは、前記陰極バイアス電源ユニットの出力電流でもよく、その場合、前記エラーは前記出力電流と前記出力電流の所望値の差である。
【００２２】
しかし、前記バイアス電源パラメータは、陰極バイアス電源ユニットにより供給される負荷のインピーダンスであることが好ましい。
【００２３】
本発明の更なる側面においては、陰極バイアス電源ユニットと、アーク電源ユニットと、フィラメント電源ユニットとを有する間接加熱陰極型イオン源の電源を制御するための出力制御装置が提供されており、好ましくは、この装置は、前記陰極バイアス電源ユニットによって供給される負荷のインピーダンスを表す信号に応答して、前記バイアス負荷インピーダンスを所望値に維持するために、前記フィラメント電源ユニットを調節するためのフィラメント供給コントローラを備えている。このフィラメント供給コントローラは、上記のバイアス供給コントローラと組み合わせて或いは独立して使用してもよい。
【００２４】
陰極バイアス負荷のインピーダンスを一定に維持するようにフィラメント電源を制御することにより、陰極バイアス負荷インピーダンスを制御するのに、外部からの別の陰極命令信号が必要なくなる。陰極バイアス負荷インピーダンスを実質的に一定に維持することにより、必要とされるアーク電力の変化に対しても、陰極バイアス電源のための電力制御ループにおける利得を、より一定に保つことができる。利得制御と陰極バイアス電源ユニットの安定性は、陰極バイアス電源の最大出力まで保持できる。実際には、陰極バイアス負荷の制御されたインピーダンス値は、陰極バイアス電源ユニットの電圧及び電流の最大出力性能に合わせて選択することができ、その結果、電源の出力性能を最大限に利用することができる。
【００２５】
従って、上記の装置は、前記負荷に対する出力電圧と正比例関係にある電圧フィードバック信号及び前記負荷に対する出力電流と正比例関係にある電流フイードバック信号を出す陰極バイアス電源ユニットと一緒に使用してもよく、この場合、前記正比例関係は、フィードバック電圧信号の値がフィードバック電流信号の値と等しくなるとき、出力電圧の出力電流に対する比率がバイアス負荷インピーダンスの所望値と等しくなるようになっている。そして、前記フィラメント供給コントローラは、前記フードバック電圧及び電流信号値間の差を最小化するように応答してもよい。このため、フィラメント供給コントローラは、陰極バイアス電源ユニットからの電圧フィードバック信号と電流フィードバック信号の間の差からバイアス負荷インピーダンスエラー信号を導き出すインピーダンス比較器を含んでいてもよい。
【００２６】
本発明の一実施形態について、別個のフィラメント電源ユニット、陰極バイアス電源ユニット及びアーク電源ユニット、並びにそれらのためのバイアス供給コントローラ及びフィラメント供給コントローラを有する間接加熱陰極型イオン源の概略図である添付図面を参照して、以下に説明する。
【００２７】
図を参照すると、イオン源１０が概略的に表されている。このイオン源１０は、上述したUS-A-5497006に開示されたような間接加熱陰極型イオン源の形式のものでよい。従って、イオン源１０は、導電性の内面を提供するアークチャンバ１１，間接加熱陰極素子１２及び別個のフィラメント１３から構成されている。
【００２８】
アーク電源ユニット１４は、陰極素子１２とアークチャンバの壁１１との間にアーク電位を印加し、陰極素子１２は、アークチャンバ１１の壁に対して負にバイアスされている。陰極バイアス電源ユニット１５は、陰極素子１２とフィラメント１３の間に陰極バイアスを印加するために接続されており、フィラメント１３は陰極素子１２に対して負にバイアスされている。フィラメント電源ユニット１６は、フィラメント１３を通るＤＣ加熱電流を供給する。
【００２９】
陰極素子１２は、アークチャンバ１１の壁にあるアパーチャ１８を通って延びるシリンダ１７として構成することができ、このシリンダは“ボタン”１９により内端が閉じられている。フィラメント１３は、ボタン１９の近くではあるがその内面から間隔を置かれて配置されている。
【００３０】
作動の際、イオン源１０の構造全体は、排気領域に入っている。望ましい原料ガスがアークチャンバ１１の内部に供給される。フィラメント電源ユニット１６は、充分な電力がフィラメント１３に供給され、これが熱電子を放出するように制御される。陰極バイアス電源ユニット１５は、これらの放出電子を加速し、陰極素子１２のボタン１９の隣接面を衝撃してエネルギを伝えるように制御される。ボタン１９に流れたこのエネルギは、陰極素子１２のボタンを効果的に加熱する。陰極素子１２に伝えられる加熱電力は、主にバイアス電源ユニット１５により供給される電力に依存する。
【００３１】
陰極素子１２は、次にアークチャンバ内部に電子を放出するように、充分に加熱される。これらの放出電子は、次いでアーク電源ユニット１４により作られる電界により加速される。アークチャンバ１１内でのこれらの加速電子及び原料ガスの分子間で起こる衝突がこれらの分子をイオン化する傾向があり、利用できる電子の数を増やし、イオンチャンバ１１内にアークプラズマを生成する。アーク電源ユニット１４は、アークチャンバ１１のプラズマを流れる電流を制御する。
【００３２】
実際上は、アークチャンバの中央領域にプラズマを集中させるために、アークチャンバ１１内に磁場を発生させる。この目的のための構成はこの技術で良く知られている。
【００３３】
イオン源として機能させるために、アークチャンバ１１はアパーチャを有しており、アークチャンバ内のプラズマに生成したイオンは、アークチャンバ１１の電位に対して負電位にある抽出電極によって取り出される。アークチャンバからイオンを抽出し、必要なイオンビームを生み出すための構成もこの技術で良く知られており、ここで更に記載することはしない。
【００３４】
これまで述べた構成は、US-A-5497006に開示されている構成と類似している。
【００３５】
各電源ユニット１４，１５及び１６は、電圧デマンド入力２０，２１，２２を有するプログラム可能な電源であり、これらはそれぞれの電源ユニットの最大出力電圧を制御するように設定できる。また、各電源ユニットが、対応する電流デマンド入力２３，２４，２５を有しており、これらは対応する電源ユニットの最大出力電流を設定するように制御できる。従って、各電源ユニットがそれぞれの入力において電圧デマンド及び電流デマンドの信号に応答し、出力電流が電流デマンド入力を超えない限りにおいて、電圧デマンド入力に対応する出力電圧を出す。実際上、プログラム可能な電源ユニット１４，１５及び１６は、通常、制御された電流モードもしくは制御された電圧モードのいずれかで用いられる。添付図面において、電源は、制御電流モードで作動するものとして示されており、各電源が可能な限り高い入力レベルに設定された対応電圧デマンド入力を有する。このモードでは、各電源が、要求される入力電流を出すのに充分な出力電圧を設定するように作動する。
【００３６】
各電源ユニットへの電圧デマンド及び電流デマンドの入力信号は、ゼロ出力電圧もしくは電流に適切に対応しているゼロボルトから、最大出力電圧もしくは電流に対応している５ボルトまで変化が可能である。本実施形態の場合、アーク電源ユニットは、ゼロから７アンペアの出力電流範囲でゼロから１５０ボルトの出力電圧範囲を有しており、陰極バイアス電源ユニット１５は、ゼロから６００ボルトの出力電圧範囲とゼロから２アンペアの出力電流範囲を有しており、フィラメント電源ユニット１６は、０から７．５ボルトの出力電圧範囲とゼロから８０アンペアの出力電流範囲を有している。
【００３７】
各電源ユニット１４，１５及び１６はまた、各ライン２６，２７，２８に電圧フィードバック信号を出し、各ライン２９，３０及び３１に対して電流フィードバック信号を出す。これらのフィードバック信号はまた、電源の出力電圧及び出力電流の最大範囲に対応する０から５ボルトの間の電圧範囲を有する。こうして、陰極バイアス電源ユニット１５が６００ボルトの出力電圧と２アンペアの出力電流を流しているときは、電圧フィードバック信号及び電流フィードバック信号２７，３０は最大を表す５ボルトとなる。
【００３８】
アーク電源ユニット１４は、電流制御入力２３のアーク電流デマンド信号（アークＩデマンド）によって制御される。電圧制御入力２０は最大（５ボルト）に設定される。陰極バイアス電源ユニット１５は、バイアス供給コントローラ３２から電流デマンド信号を、その電流制御入力２４に受ける。陰極バイアス電源ユニット１５の電圧制御入力２１は、最大（５ボルト）に設定される。フィラメント電源ユニット１６の電流制御入力２５は、フィラメント供給コントローラ３３からの電流デマンド信号を受ける。フィラメント電源ユニット１６の電圧制御入力２２は、最大（５ボルト）に保持される。
【００３９】
バイアス供給コントローラ３２は、ライン３４のアーク電圧デマンド信号（アークＶデマンド）と、ライン２６上のアーク電源ユニット１４からの電圧フィードバック信号とで構成される制御入力を受ける。フィラメント供給コントローラ３３は、ライン３５への陰極バイアス電源ユニット１５からの電圧フィードバック信号２７と、ライン３６へのバイアス電源ユニット１５からの電流フィードバック信号３０とで構成される制御入力を受ける。
【００４０】
図示された構成において、システムで受け取られる唯一の外部制御信号は、ライン３４へのアーク電圧デマンドと入力２３へのアーク電流デマンドである。
【００４１】
バイアス供給コントローラ３２は、陰極バイアス電源ユニット１５に電力デマンド制御を出す。上述したように、アーク電源ユニット１４は、入力２３へのアーク電流デマンドに応答して、アークＩデマンドで表される要求電流に相当する出力電流を出すために、このアーク電流を出すために必要な電圧が電源ユニットの最大出力電圧より、ここでは１５０ボルトより低い限りにおいて、電源ユニットから充分な出力電圧を出す。
【００４２】
イオン源がアークチャンバ１１で生成されるプラズマと共に作動していると仮定すると、アーク電流が流れることができ、そして必要なアーク電圧はプラズマのインピーダンスに依存する。ライン２６のこの出力アーク電圧は、比較器３７において、ライン３４へのアークＶデマンドで表される必要なアーク電圧と比較される。実際のアーク電圧と必要なアーク電圧の間に何らかの差があれば、３項（比例−積分−微分，Proportional Integral Derivative - PID）フィルタ３９で調整されたエラー信号をライン３８へ出力する。該PIDフィルタ３９は、積分項を含み、陰極バイアス電源ユニット１５のための電力デマンド信号として機能する信号をライン４０へ出す。
【００４３】
陰極バイアス電源ユニット１５の制御入力２４の電流デマンド信号は、電源を制御して、バイアス電源ユニットの必要出力電圧が最大出力電圧、ここでは６００ボルトを超えない限りにおいて、イオン源におけるフィラメント１３及び陰極素子１２間に要求出力電流を出すのに充分な出力電圧を出す。陰極バイアス電源ユニット１５で出される出力電圧値及び出力電流値は、出力電圧と出力電流の積、即ち陰極バイアス電源ユニット１５の出力電力を表す信号をライン４２へ出す乗算器４１に接続されたライン２７，３０の各フィードバック信号で表される。このライン４２の電力信号は比較器４３の中でライン４０への電力デマンド信号と比較される。ライン４４へのバイアス電力エラー信号は、電源ユニット１５によって実際に流される電力とライン４０の信号で表される要求電力との差に相当する。このエラー信号はその後、電源ユニット１５の電流制御入力２４に供給された電流デマンド信号を出すために、やはり積算器を組み込んだ別のPIDフィルタ４５で調整される。
【００４４】
バイアス供給コントローラ３２の中に示されたフィードバックループは、陰極バイアス電源ユニット１５の出力電力を、要求アーク電圧とアーク電源ユニット１４により流される実際のアーク電圧の差に依存するライン４０への要求電力と実質的に等しく維持しするように作動する。ここで分かるように、陰極バイアス電源ユニット１５は、バイアス電源ユニット１５により陰極バイアス負荷に流される電力を、イオン源のアークチャンバ内の化学変化，ガス圧の変化，或いは陰極構造の物理的変化に起因して起こり得るような、上記負荷のインピーダンス変化とは無関係に、実質的に一定に維持するように寄与する内部電力制御ループを有している。
【００４５】
バイアス供給コントローラ３２の電力制御ループにおけるPIDフィルタ４５は、フィラメント１３と陰極素子１２のボタン１９間の電子流により形成される陰極バイアス負荷が大した熱慣性を持たないので、非常に速い応答を出すことができる。その結果、バイアス供給コントローラ３２の電力制御ループは、陰極に流される実効電力が、アークパラメータの変化から生ずる陰極バイアス負荷インピーダンスの変化とライン４０への電力デマンドの変化の両方に対して、非常に早く応答することを確実にする。
【００４６】
このようにして、プラズマチャンバにおける（陰極素子１２とプラズマチャンバ１１の壁の間の）アークが非常に短い時定数で正確に制御が可能となる。
【００４７】
上述したように、イオン源の様々な変化は陰極バイアス負荷インピーダンスに変化をもたらす。フィラメント供給コントローラ３３は、陰極バイアス負荷インピーダンスのそのような変化を最小化できるようにフィラメント１３に流される電力を制御するために作動する。しかし、フィラメント１３の熱慣性のため、フィラメント供給コントローラ３３は、比較的ゆっくりと応答するように作動して安定性を維持する。
【００４８】
以上説明した実施形態において、陰極バイアス電源ユニット１５は、供給ユニットの最大出力電圧を供給ユニットの最大出力電流で割ったものが、本例では３００オームに相当する望ましい陰極負荷インピーダンスに等しくなるように仕組まれている。陰極バイアス電源ユニット１５からのライン２７及び３０への電圧及び電流フィードバック信号は、上記最大電圧及び電流の値に相当する５ボルトという最大値を出すために、ライン２７への電圧フィードバック信号がライン３０への電流フィードバック信号に等しい場合には、陰極バイアス電源ユニットへの負荷インピーダンスが常に３００オームであることが分かる。
【００４９】
これらの電流及び電圧のフィードバック信号がライン３５及び３６によってフィラメント供給コントローラ３３の比較器４６に供給される。ライン４７へのエラー信号は、これら電流及び電圧のフィードバック信号の差に相当し、従って、このインピーダンスが（本実施形態においては）３００オームと異なるときには、陰極バイアス電源ユニット１５の負荷インピーダンスのエラーに相当する。ライン４７へのこのエラー信号は更に、積算器を内蔵し、ライン４９にフィラメント電力デマンド信号を供給するPIDフィルタ４８に供給される。
【００５０】
ライン２８へのフィラメント電圧フィードバック信号とライン３１へのフィラメント電流フィードバック信号とは、フィラメントコントローラ３３にある乗算器ユニット５０に供給され、出力電圧とフィラメント電源ユニット１６の出力電流の積、即ち電源ユニット１６の電力出力を表す信号をライン５１へ出す。ライン５１へのこの電力信号は、比較器５２においてライン４９の電力デマンド信号と比較される。実際の電力とフィラメント電源ユニット１６の要求電力との差を表す信号は、ライン５３により、フィラメント電源ユニット１６の電流制御入力２５に供給するための電流デマンド信号を出す、積算器を含む更なるPIDフィルタに供給される。
【００５１】
このようにして、電源ユニット１６により供給される電流は、フィラメント電源ユニット１６からの総電力がライン４９への要求電力に相当するように調整される。逆に、ライン４９へのこの要求電力は、陰極バイアス負荷インピーダンスを所定の一定値（ここでは３００オーム）に維持するようなものである。
【００５２】
上述したように、フィラメント供給コントローラ３３におけるPIDフィルタ４８及び５４は、フィラメントの熱慣性に起因するフィラメント１３の時定数に合わせるために、比較的遅く反応するように配列されている。
【００５３】
重要なのは、フィラメント１３のインピーダンスのいかなる変化も、フィラメント供給コントローラ３３の内部電力制御ループにより自動的に補償されることである。
【００５４】
更に、陰極バイアスインピーダンスを一定に維持するためにフィラメント電力を制御することによって、陰極バイアス電源ユニット１５は飽和することなく、広い出力電力範囲で作動することができる。
【００５５】
また重要なことは、アークＶデマンドとアークＩデマンドの他には、何ら外部制御信号を供給コントローラに必要としないことである。
【００５６】
本発明の上記実施形態を、比較器、PIDフィルタ及び乗算器等の個々の構成要素を参照しながら説明してきた。しかし、バイアス供給コントローラ３２とフィラメント供給コントローラ３３の両方の機能とも、上述したような所要機能を提供するように適当にプログラムされたデジタル信号処理装置として具体化することができる。
【００５７】
上述の実施形態では、アーク電源ユニット１４は電流制御入力２３のアーク電流デマンド信号を受け取り、その結果のアーク電圧がその後バイアス供給コントローラの比較器３７においてアーク電圧デマンド信号と比較されるが、これらの二つの動作は逆にすることができる。従って、アーク電圧デマンドは、電流制御入力２３を最大の５ボルトに保持したまま、アーク電源ユニット１４への電圧制御入力２０に直接供給することができる。その後、ライン２９の電流フィードバック信号は陰極バイアス電源ユニット１５を制御するためにアーク電流デマンドと比較される。
【００５８】
同様に、上述の実施形態はバイアス供給コントローラ３２により制御された陰極バイアス電源ユニット１５の電流制御入力２４を有しており、電圧制御入力２１は最大の５ボルトに保持されているが、これら二つの制御を逆にすれば、電流制御入力を５ボルトに保持し、バイアス供給コントローラ３２からの制御入力が電圧制御入力２１に供給されることになる。
【００５９】
ここでも、フィラメント電源ユニット１６の制御入力２２，２５も逆にすることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】  イオン源１０の概略図である。
【図１】
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