JPH05258676A - イオン源における電力供給装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】イオン源においてフィラメント電流とアーク電
流を安定かつ過不足なく駆動して，安定したイオン・ビ
ームを得ると共にフィラメントの寿命を引き延ばす。 【構成】予めフィラメント１に初期電流を流しておき，
熱電子を放射させておく。次にアーク電極３と２にアー
ク電源７より定電流駆動する。抵抗61によりアーク電極
２よりアーク電源のマイナス側に流れる電流Ｉｗを検出
して，この電流がほぼ０を中心にした一定の値になるよ
うフィラメント電源制御回路600 により信号を発生して
フィラメント電源６よりフィラメント１を電流駆動す
る。

Description

【発明の詳細な説明】

【産業上の利用分野】本発明は，イオン源における電力
供給装置，特に改良された制御特性を有するアーク電源
とフィラメント電源とを有するイオン源における電力供
給装置に関する。

【従来の技術】従来のイオン源における電力供給装置の
制御方式としては，例えば図３に示すようなものがあ
る。この図に従って説明すると，アーク電源７とフィラ
メント電源６とはそれぞれ影響し合っているが，制御に
ついては個別に独立して行なわれている。アーク電源７
については定電流制御であり，フィラメント電源６は定
電流制御および定電圧制御の二通りが用いられている。
尚，マグネット電源８は定電流，加速電源９は定電圧制
御となっている。イオン・ビーム発生装置における，フ
ィラメント１（タングステン）の寿命について考察する
と，フィラメント１が消耗するメカニズムとして，次の
２つのことが考えられる。 フィラメントに電流を流すことによる消耗 この場合は，単純にフィラメント電流を大きくすると，
フィラメントが早く消耗する。 アーク放電でイオンがフィラメントに衝突すること
による消耗 この場合は，フィラメントより発生する熱電子が減少す
ると，アーク放電がしにくくなる。アーク電源は定電流
制御されているために，一定の電流を保とうとし，電圧
を引き上げる。そのためより高いエネルギーのイオンが
フィラメントに衝突することによって，フィラメントの
消耗を早める。フィラメントより発生する熱電子の量
は，フィラメントの形状（径および長さ）と電流の大き
さによって規定される。フィラメントの長さは変わらな
いので，フィラメントの径と電流値によって決定され
る。フィラメントに一定の電流を流すと，上記の消耗の
メカニズムが起こる。従って，フィラメントの径は経
時的に変化する。その結果，熱電子の量を変化させるの
であるが，どちらの場合にしても，この経時変化が引き
金となって，それぞれ消耗のメカニズムおよびが悪
循環となり，最終的には加速的に消耗を進めるのであ
る。しかしながら，このような従来のイオン源における
電力供給装置の制御方式にあっては，それぞれの電源が
個別に独立して制御されているため，以下のような問題
点があった。まずフィラメント電源を定電流制御した場
合には，消耗のメカニズムによってフィラメントが消
耗し断面積が小さくなる。その結果，電流密度が高くな
り，更に消耗のメカニズムを加速的に進める。加え
て，熱電子の量が変動することで，イオン・ビームが変
動する。またフィラメント電源を定電圧制御した場合に
は，定電流と同様に消耗のメカニズムによってフィラ
メントが消耗し断面積が小さくなる。定電圧制御なので
電流密度については変化しないが，断面積が小さくなる
とフィラメント表面からの熱電子放出量が低下する。そ
の結果，今度は消耗のメカニズムが加速的に進む。こ
の場合においても，熱電子量の変動によって、イオン・
ビームが変動する。どちらの場合にしても，フィラメン
トに電流が流れることにより発生した消耗のメカニズム
が引き金となり，それぞれ消耗のメカニズムおよび
が進行する。ひと度そのような状況に至と，それらは
悪循環となり加速的にフィラメントの消耗を進める。そ
のため安定したイオン・ビームを得ることが難しい，フ
ィラメントの寿命が短い等の問題があった。以上のこと
から，フィラメントの寿命を延ばすためには，フィラメ
ントより発生する熱電子量を，この相反する２つのメカ
ニズムが折り合うところの最適値に設定する必要があ
る。

【発明が解決しようとする課題】本発明は，イオン源に
おいてフィラメントより発生する熱電子の量を制御し，
アーク放電を安定化させることにより安定したイオン・
ビームを得ると同時に，フィラメントの寿命を大幅に引
き延ばすことを課題とする。

【課題を解決するための手段】本発明はこのような課題
を解決するために，まずアーク電極は定電流電源で駆動
し，このアーク電極のマイナス側電極より流れ出る電流
値を検出して，この検出値がほぼ０を中心とした一定の
値になるようフィラメント電流にフィードバックし，フ
ィラメントから安定した熱電子を供給するよう作動する
制御回路を設けるものである。

【作用】このイオン源においては，フィラメントより熱
電子を放出しアーク放電を行っているため，熱電子の動
きによっても電流の経路ができ，通常の回路よりもそれ
ぞれの電流が複雑な経路を持っている。そこでフィラメ
ント電源およびアーク電源からの電流経路についても以
下に詳しく説明する。フィラメント電源については，フ
ィラメントそのものに流れる電流I1とフィラメントから
の熱電子の放出によってアーク電極３からフィラメント
を通して流れる電流I2の二通りの経路が考えられる。ア
ーク電源については，アーク電極２よりアーク電極３を
通って流れる電流I4とアーク電極２よりフィラメントを
通って流れる電流I3の二通りの経路が考えられる。これ
ら二つの電源から４種類の電流経路が考えられ，それぞ
れが加算あるいは相殺しあっている。以上のことから本
発明においては，電流I2と電流I4の合成から成る見掛上
の電流Iwに着目をした。この電流Iwが正の電流である場
合は，フィラメント電流が小さい状態であり熱電子の放
出も少ない。そのため電流I2も小さくなる。このときア
ーク電源はフィラメントからの熱電子の量が少ないた
め，アーク電圧を上げることによってアーク電極２と電
極３の間で強制的にアーク放電を起こさせようとする。
そのため電流I4は増加をする。したがって電流I2に対し
電流I4が大きくなるために電流Iwは正となる。この場合
は消耗のメカニズムの状態となる。反対に電流Iwが負
の場合は，フィラメント電流が大きい状態であり熱電子
の放出も多い。そのため電流I2も大きくなる。フィラメ
ントからの熱電子の量が充分であるため，アーク電圧は
低下する。この時アーク放電は多くの電流が熱電子の動
きに沿ってアーク電極２よりフィラメントを通って流れ
る状態になる。そのため電流I4は減少し，電流I2に対し
電流I4が小さくなるために電流Iwは負となる。この場合
は消耗のメカニズムの状態となる。以上のことから電
流Iwがほぼ０の状態の時がアーク放電に対してフィラメ
ントより放出される熱電子の量が過不足のない状態と考
えられる。したがって，フィラメントから放射される熱
電子量はアーク電極の放電状態に関連して制御されるの
で，アーク放電が安定し，フィラメントの駆動電流は過
不足なく制御される。

【実施例】図１は，この発明の一実施例を示す図であ
る。まず構成を説明すると，イオン源は，イオン化ガス
導入口（図示せず）を有する真空チャンバー４の中に収
容されたフィラメント１とこれを囲むようアーク電極２
が配設される。このアーク電極２は通常ウェネルトン電
極と呼ばれている。アーク電極２に対向してアーク電極
３が配設される。アーク電極３には入口を狭く絞ったア
パーチャー31とイオンの出口となるプラズマ・バウンダ
リー・カップ32が同電位にある。さらに引き出し電極41
が図示の位置に設けられる。アーク電極１の付近を真空
チャンバー４の外側からマグネット・コイル５で励磁し
て内部のイオン化ガスを励起する。マグネット・コイル
５はマグネット電源８で定電流駆動される。アーク電極
３と引き出し電極41との間に加速電源９が接続されて定
電圧駆動される。アーク電極２とアーク電極３との間に
はアーク電源７が接続されて，定電流駆動される。アー
ク電極２より流れ出る電流Iwは抵抗61により検出され
て，フィラメント電源制御回路600 に送られる。フィラ
メント電源制御回路600 の内部接続図は図２に示す構成
である。電流Iwは抵抗61により電圧値として検出され，
入力端子631,632 間に接続される。入力端子632 は演算
増幅器640 の＋入力端子に接続される。演算増幅器640
は緩衝増幅回路を構成し，その出力は抵抗器641 を介し
て次の演算増幅器650 の−入力端子に送られる。この演
算増幅器650 の出力端子と−入力端子との間は抵抗器65
1が接続されていて, 反転増幅回路を構成している。つ
いで演算増幅器650 の出力端子は抵抗器663 を介して演
算増幅器660 の＋入力端子に接続される。 演算増幅器
660 の−入力端子は抵抗器661 と662 とで帰還されてい
て非反転増幅回路を構成すると共に抵抗器662 の端部は
可変抵抗器664 と定電圧ダイオード665 で設定される負
の値の基準電圧が注入される。演算増幅器660 の出力は
抵抗器671 を介して演算増幅器670 の−入力端子に送ら
れる。演算増幅器670 の−入力端子と出力端子との間に
は抵抗器672 とコンデンサ673 とが接続され, 帰還され
て反転増幅回路を形成している。そして演算増幅器670
の＋入力端子は電源電圧Vcc を抵抗器677 と可変抵抗器
675 と抵抗器676 とにより分圧されて電圧が印加され
る。尚演算増幅器670 の−入力端子とGND端子との間に
は極性反転時の保護用のダイオード674 が接続される。
そして演算増幅器670 の出力は演算増幅器680 の＋入力
端子に送られる。演算増幅器680 は緩衝増幅回路を構成
し，その出力端子はダイオード683 を介して出力端子69
0 に接続される。また出力端子690 には，電源電圧Vcc
を可変抵抗器682 で分圧した電圧をダイオード684 を介
して供給される。以上のように構成されたフィラメント
電源制御回路600 はその入力端子631,632 間の電圧がほ
ぼ０のとき，出力端子690,691 間には所定の出力電圧値
が発生し，入力が０より変化すると, その変化した分に
比例した電圧が発生する。このフィラメント電源制御回
路600 の出力電圧はフィラメント電源６に供給され，そ
の電圧に比例した電流で制御されてフィラメント１に電
力供給する。このように構成されたイオン・ビーム発生
装置において，先ずフィラメント電源制御回路600 の中
の可変抵抗器682 の設定に対応した起動用電圧が出力端
子690 に現れ，この電圧に対応してフィラメント電源６
が起動電流をフィラメント１に流す。尚，図示されてい
ないが，この可変抵抗器682 の設定による起動用電圧は
一旦イオン源が起動した後は切り離される。ついでアー
ク電極２と３との間に接続されたアーク電源７が定電流
駆動して真空チャンバー４の中にプラズマ・アークを発
生させる。このとき，アーク電極３より流れ出る電流Iw
に対応してフィラメント電源制御回路600 が作動し, こ
れを受けてフィラメント電源６が電流駆動する。したが
ってフィラメント１の熱電子量はアーク状態に影響をあ
たえるものの，そのアーク状態はアーク電極３より流れ
出る電流Iwによって検出され，この電流がほぼ０を中心
とした一定の値になるよう制御されるため，フィラメン
ト１の熱電子量は安定して過不足なく発生させることが
できる。一般にイオン源において，周囲温度，真空度，
導入ガスの供給量，そして励起用マグネットコイル５に
流す電流およびアーク電極に流す電流等の条件を一定に
保てば，アーク放電の状態を変動させる最大の要因は，
フィラメントより発生する熱電子量であるが上述のよう
にこの熱電子量を過不足なく供給するため，イオン源よ
り安定したイオン・ビームを得ることができる。

【発明の効果】本発明は以上述べたように，イオン源の
電力供給装置において，先ずアーク電極に定電流を流
し，このアーク電極より流れ出る電流Iwを検出してこの
電流がほぼ０を中心とした一定の値になるようにフィラ
メント電流を制御しているため，フィラメント電流はア
ーク状態が安定するよう制御される。従って，このフィ
ラメントの熱電子の量を過不足なしに供給することによ
って，安定したイオン・ビームを得ると同時に，フィラ
メントの寿命を大幅に引き延ばす効果を有する。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明にかかるイオン源における電力供給装置
の一実施例を示す図である。

【図２】フィラメント電源制御回路の一実施例を示す図
である。

【図３】従来のイオン源における電力供給装置の一例を
示す図である。

【符号の説明】

１…フィラメント ２…第２アーク電極 ３…第１アーク電極 ４…真空チャンバー ５…マグネット・コイル ６…フィラメント電源 ７…アーク電源 ８…マグネット電源 ９…加速電源 41…引き出し電極 32…プラズマ・バウンダリー・カップ 31…アパーチャー 600 …フィラメント電源制御回路

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】少なくとも線状フィラメントと一対のアー
   ク電極とマグネット・コイルとを備えるイオン源におい
   て，前記フィラメントを駆動するフィランメト電源と，
   前記一対のアーク電極を定電流駆動するアーク電源と前
   記マグネット・コイルを駆動するマグネット電源と加速
   電源と，前記一対のアーク電極のマイナス側電極より流
   れ出る電流を検出して，この電流がほぼ０を中心とした
   一定の値になるよう前記フィラメント電源を制御するフ
   ィラメント電源制御回路とからなるイオン源における電
   力供給装置。