CN102445901B - 一种离子源自动稳弧流的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种离子源自动稳弧流的方法，离子源装置包括阴极(1)灯丝(2)、弧室(3)、弧压电源(4)、灯丝电源(5)、偏置电源(6)。自动稳弧流的方法就是通过检测弧压电源(4)的负载电流——弧流的变化，用PID控制器来控制影响阴极发射电子的灯丝电源(5)的负载电流——灯丝电流，达到稳定弧流的目的。在灯丝电源(5)和弧压电源(4)之间形成一闭环控制，从而使弧流自动稳定，不需要人工或主控计算机干预。

Description

一种离子源自动稳弧流的方法

技术领域

本发明涉及一种离子源自动稳弧流的方法，应用到离子注入机中，属于半导体器件制造领域。

背景技术

离子源是光路的起点，也是离子束的源头，其性能特点，对束线系统甚至总机的多项参数起决定性作用。其中间热式离子源具有寿命长的特点，提高了离子注入机的可靠性，延长了维护周期，但也由于离子源起弧工作的环路延长，稳定工作难度提高。

灯丝电源提供加热灯丝发射电子所需的功率，偏置电源加速灯丝所发射的电子使其轰击到离子源的阴极上，实现阴极间接加热；弧压电源加速阴极块发射的电子轰击弧室中的低压气体，使之产生电离放电，形成弧流，弧流的大小直接影响离子注入机的束流稳定性，是我们的控制目标。

本发明通过将弧流和灯丝电源控制用PID控制方式进行闭环，实现了弧流在设定值附近的自动稳定，提高了离子束流的稳定性

发明内容

如图1所示，离子源工作包括阴极(1)灯丝(2)、弧室(3)、弧压电源(4)、灯丝电源(5)、偏置电源(6)、束流(7)。其中产生的束流(7)是将需要注入的元素通过离子源电离而产生，离子源整个装置在高真空条件下，灯丝电源(5)加上一定的电流使灯丝加热，灯丝电源(5)提供加热灯丝发射电子所需的功率，当加热温度达到电子的溢出功，灯丝发射电子，在灯丝(2)与阴极(1)之间加一偏置电源(6)，电子在偏置电压的作用下加速，以一定的能量打到阴极(1)上，使阴极(1)发热，同样当温度达到电子的溢出功时，阴极(1)表面发射电子，在阴极(1)与弧室(3)之间加上弧压电源(4)，阴极(1)表面溢出的电子在弧压电场作用下，由阴极(1)飞向弧室(3)；同时在弧室(3)中送入了一定的工艺气体，此时弧室(3)由高真空变为低真空，阴极(1)发射的电子与弧室(3)中的气体发生碰撞而产生电离，形成等离子体。

自动稳弧流方法的流程图如图2所示：

步骤(8)开始给灯丝(2)加热产生电流；步骤(9)是当灯丝电源(5)提供加热灯丝(2)发射电子所需的功率，加热温度达到电子的溢出功，灯丝(2)发射电子；步骤(10)是电子在偏压的作用下，以一定的能量打到阴极(1)上，使阴极(1)发热产生电子，同样当温度达到电子的溢出功时，阴极(1)表面发射电子，在阴极(1)与弧室(3)之间加上弧压电源(4)，阴极(1)表面溢出的电子在弧压电场电场作用下，由阴极飞向弧室(3)，与放弧室(3)中的气体发生碰撞而产生电离产生弧流；步骤(11)检测弧流的大小与目标弧流值比较，如果超出允许误差范围，转入步骤12，如果没有超出允许误差范围转入步骤13，间隔一定时间后再次检测和比较弧流值；步骤12对弧流误差值进行PID计算，然后输出一定的值来调整灯丝电源(5)，从而改变灯丝(2)的电流值。

以上步骤在灯丝电流和弧流之间形成一闭环控制，当弧流不在设定值范围内，将反馈回来的值给PID控制器，PID控制器控制灯丝电流变化，进而改变离子源弧流，从而使弧流自动稳定，不需要人工或主控计算机干预。

本发明具有如下优点：

简化了离子源起弧工作流程，降低离子源操作的难度，大大提高了离子源工作的稳定性，离子束束流的稳定度有了质的飞跃，为确保最终离子注入的均匀性、准确性和重复性打好了基础。

附图说明

本发明的具体实施方式：

图1是本发明的简易框图即离子源示意图

图2是自动稳弧流的流程图

具体实施方式：

下面结合具体实施例对本发明作进一步详细描述：

离子束所产生的弧流受灯丝电源(5)、偏置电源(6)、弧压电源(4)的控制，在高真空条件下，首先给灯丝(2)加热，灯丝电源(5)给灯丝(2)提供加热所需的功率，当加热温度达到灯丝(2)发射电子所需的功率时，灯丝(2)发射电子，偏置电源(6)在灯丝(2)与阴极(1)之间加上一定的偏压，电子在偏压的加速下，以一定的能量打到阴极(1)上，这样就使阴极(1)发热。同样的情况，当温度达到电子的溢出功时，阴极(1)表面会发出电子，在阴极(1)和弧室(3)之间加上弧压电源(4)。阴极(1)表面发射的电子在弧压的作用下，从阴极(1)射向弧室(3)，阴极(1)发射的电子与弧室(3)中的气体发生碰撞，产生电离，形成等离子体。

当控制系统设定离子源工作的目标弧流值，离子源自动稳弧流的方法开始工作，步骤(8)开始给灯丝(2)加热产生电流；步骤(9)是当灯丝电源(5)提供加热灯丝(2)发射电子所需的功率，加热温度达到电子的溢出功，灯丝(2)发射电子；步骤(10)是电子在偏压的作用下，以一定的能量打到阴极(1)上，使阴极(1)发热产生电子，同样当温度达到电子的溢出功时，阴极(1)表面发射电子，在阴极(1)与弧室(3)之间加上弧压电源(4)，阴极(1)表面溢出的电子在弧压电场电场作用下，由阴极飞向弧室(3)，与放弧室(3)中的气体发生碰撞而产生电离产生弧流；步骤(11)检测弧流的大小与目标弧流值比较，如果超出允许误差范围，转入步骤12，如果没有超出允许误差范围转入步骤13，间隔一定时间后再次检测和比较弧流值；步骤12对弧流误差值进行PID计算，然后输出一定的值来调整灯丝电源(5)，从而改变灯丝(2)的电流值。

通过离子源自动稳弧流的方法的闭环控制使离子源的弧流稳定工作在设定值附近，而不会出现大的波动，即使出现大的波动，也能够迅速再次稳定到先前的稳定工作状态。

本发明的特定实施例已对发明内容做了详尽说明。对本领域一般技术人员而言，在不背离本发明原理的前提下对它所做的任何显而易见的改动，都构成对本发明专利的侵犯，将承担相应的法律责任。

Claims (1)

1.一种离子源自动稳弧流的方法，其特征是通过检测离子源弧压电源（4）负载电流——弧流的变化来控制影响阴极发射电子的灯丝电源（5）的负载电流——灯丝电流，实现弧流的自动稳定；灯丝电源（5）和弧压电源（4）之间形成闭环控制；当控制系统设定离子源工作的目标弧流值，离子源自动稳弧流的方法开始工作，开始给灯丝（2）加热产生电流；灯丝电源（5）提供加热灯丝（2）发射电子所需的功率，加热温度达到电子的溢出功，灯丝（2）发射电子；电子在偏压的作用下，以一定的能量打到阴极（1）上，使阴极（1）发热产生电子，同样当温度达到电子的溢出功时，阴极（1）表面发射电子，在阴极（1）与弧室（3）之间加上弧压电源（4），阴极（1）表面溢出的电子在弧压电场电场作用下，由阴极飞向弧室（3），与弧室（3）中的气体发生碰撞而产生电离产生弧流；

把目标弧流值与检测到的当前值进行比较之后，如果超出允许误差范围，它们的偏差值作为PID控制器的输入，通过PID控制算法得到一个输出值来控制灯丝电源（5）输出的灯丝电流；如果检测的弧流大小与目标弧流值的差值没有超出允许误差范围，间隔一段时间后再次检测和比较弧流值。