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Abstract

一种离子源装置，包括：具有用于发射热电子的灯丝的离子源；用于测量流过该灯丝的电流的电流测量装置；用于测量灯丝上的电压的电压测量装置；用于通过使用由所述电流和电压测量装置测量的电流和电压来计算灯丝电阻值的电阻运算装置；和用于计算直到灯丝应用极限为止时的时间或者直到灯丝应用极限为止时剩余的时间的预知运算装置。

Description

预知离子源中灯丝寿命的方法和离子源装置
技术领域
本发明涉及用于预知在离子注入器(implanter)中使用的离子源的灯丝寿命的方法，以及具有用于预知灯丝寿命之装置的离子源装置。
背景技术
迄今，形成由离子注入器等使用之离子源的用于发射热电子的灯丝的寿命是以这种方式预知的，即流过灯丝的电流(灯丝电流)在离子源工作期间被经常地测量，所测量的电流值每个都与预定基准值比较，并且估计直到灯丝要断时剩余的时间。预定基准值是使用与所测量灯丝具有相同特性之灯丝的离子源的灯丝电流的过去数据。类似于上述的技术也在下面给出的JP-A-04-306544(第【0017】和【0022】段，图1)中说明了。
为何使用上述方法的理由如下。为了在固定输出电平上操作离子源(在本说明书中，该输出电平对应于从离子源引出的离子束电流)，必须将从灯丝发射的热电子的量设置在固定值。热电子的量是以在灯丝和等离子体产生室之间流过的电弧电流形式观察的。为了保持电弧电流恒定，在这种类型的离子源中，通常通过控制灯丝电流而将供给灯丝的电功率量控制为恒定。
在这种情况下，随着离子源工作的进行，通过在等离子体产生室中产生的等离子体中离子的溅射及其蒸发，灯丝变细。例如，灯丝在其中心部分直径渐渐减小。结果，整个灯丝的电阻增加，结果用于将供给灯丝的电功率保持在固定值所需的灯丝电流变得较小。
因此，现有技术假设随着灯丝电流变小，灯丝直径变小，因此，灯丝断路更容易发生。利用与所测量灯丝具有相同特性的灯丝，将所测量离子源灯丝的灯丝电流与基准离子源中灯丝断路时的灯丝电流进行比较。这样，预知了直到灯丝要断时剩余的时间。
如果离子源输出电平总是不变，则上述技术方案是正确的。但是，用于离子注入器等的实际离子源工作于这种状态，即在固定输出电平是很少的。
就此而论，例如，在用于所谓中等电流(medium-current)离子注入器的离子注入器之离子源的情况下，离子源的输出，即从中引出的离子束电流有从20mA或更高的最大输出电平到大约0.1mA的最小输出电平的相对大范围的变化。
离子源的输出依赖于从灯丝发射的热电子的量。灯丝电流一定根据离子源所需的输出而改变。因此，在灯丝直径相等的情况下，当离子源的输出大时，灯丝电流大，当它小时，灯丝电流小。换言之，为了降低离子源的输出即离子束电流，必须降低电弧电流。为此，必须减少灯丝电流。在这种情况下，当灯丝寿命是基于按现有技术方法所测量的灯丝电流时，仿佛灯丝寿命很快地下降了。这显然是不正确的，因为这不过是灯丝电流减少而已。
因此，在离子源输出电平不恒定的情况下，通过测量灯丝电流来预知灯丝寿命的现有技术方案不能够准确地预知灯丝寿命。
发明内容
因此，本发明的目的是提供用于预知离子源的灯丝寿命的方法，以及具有用于预知灯丝寿命之装置的离子源装置，即使当离子源的输出不是恒定时也能够精确地预知离子源灯丝的寿命。
根据本发明的第一方面，提出了一种用于预知在离子源中发射热电子之灯丝寿命的方法，该方法包括：
在离子源工作期间，基于流过灯丝的电流和灯丝上的电压，连续地测量灯丝的电阻值；和
基于电阻值的变化率而预知直到灯丝要断路时的灯丝的寿命。
灯丝的寿命是通过灯丝的直径(或者横截面面积)确定的。与灯丝寿命的确定直接相关的物理值(physical value)是灯丝的电阻。这是因为灯丝的电阻值R[Ω]与横截面积A[m2]成反比，如下面方程所示。方程中，ρ是灯丝的电阻率[Ωm]，L是灯丝的长度[m]。即使改变灯丝电流以改变离子源的输出时，电阻值R也保持不变。
公式1
R＝ρ·L/A
本发明中，在离子源工作期间的灯丝电阻值是基于流过该灯丝的电流和灯丝上的电压而连续测量的，直到灯丝要断路时的灯丝的寿命是以电阻值的变化率为基础预知的。因此，即使该离子源的输出不是恒定的，也能准确地预知灯丝寿命。
根据本发明的第二方面，提出了一种离子源装置，包括：
离子源，具有用于发射热电子的灯丝；
电流测量装置，用于测量流过灯丝的电流；
电压测量装置，用于测量灯丝上的电压；
电阻运算装置，用于通过使用由所述电流和电压测量装置测量的电流和电压来计算灯丝电阻值；和
预知运算装置，用于基于该电阻运算装置计算的电阻值的变化率，来计算直到灯丝应用极限(application limits)为止时的时间或者直到灯丝应用极限为止时剩余的时间。
该离子源装置包括电阻运算装置、预知运算装置等。因此，作为第一方面的预知方法，即使当离子源的输出不是恒定时，离子源装置也能够准确预知灯丝寿命。
附图说明
图1是图解表示执行根据本发明的灯丝寿命预知方法的离子源装置的示意图；
图2是表示当灯丝中心部分直径上被减少时图1中表示的灯丝例子的示意图；和
图3是表示灯丝电阻值相对于离子源工作时间变化的曲线图。
具体实施方式
图1是图解表示执行根据本发明的灯丝寿命预知方法的离子源装置的示意图。
该离子源装置包括离子源2、电流测量装置26、电压测量装置28和运算控制单元30。离子源2具有用于发射热电子的灯丝10。电流测量装置26测量流过灯丝10的电流I。电压测量装置28测量灯丝10上的电压V。运算控制单元30以所测量的电流I和电压V为基础而预知灯丝10的寿命。
离子源2被称为Bernas型离子源，并包括也用作为阳极的等离子体产生室4、形状为U的用于发射热电子的灯丝10、反射器12和类似开口的离子提取缝隙6。
灯丝10被安装在等离子体产生室4内部的一侧。反射器12被安装在等离子体产生室4内部的另一侧。离子提取缝隙6形成在等离子体形成室4的壁上。用于从等离子体产生室4中产生的等离子体14提取离子束20的提取电极系统18安装在靠近离子提取缝隙6的出口。提取电极系统18不限于由所示一片电极构成的系统。
从中产生等离子体14和由此产生离子束20的诸如气体或者蒸气的材料气体(material gas)通过引入端口8被引入等离子体产生室4。通过磁通量发生器(未示出)，磁通量16沿着连接灯丝10和反射器12的线路被施加到等离子体产生室4中。将电流供给灯丝10并加热它的灯丝电源22被连接在灯丝10上。电弧电源24被连接在灯丝10一端和等离子体产生室4之间，电弧电源24的正电极被连接到后者。
离子源2中，在等离子体产生室4的内部和外部被排空的状态下，材料气体以适当流速被引入等离子体产生室4。同时，灯丝10通过灯丝电源22加热，并且电弧电压从电弧电源24施加到灯丝10和等离子体产生室4之间。从灯丝10发射的热电子向等离子体产生室4运动，同时在电弧电压下加速。热电子与材料气体碰撞以电离该材料气体，引起电弧放电和最终产生等离子体14。离子束20从等离子体14中提取。
流过灯丝10的电流I基本上等于灯丝电源22的输出电流，并能够由电流测量装置26测量。施加在灯丝10上的电压V基本上等于灯丝电源22的输出电压，并能够通过电压测量装置28测量。
运算控制单元30包括电阻运算装置32和预知运算装置34。电阻运算装置32通过使用所测量的电流I和电压V来计算灯丝10的电阻值R。预知运算装置34通过使用电阻值R变化率(相对于时间)来计算直到灯丝10应用极限为止时所逝去或者剩余的时间。
更具体地，灯丝10的电阻值R[Ω]是通过电流I[A]和电压V[V]定义的，并且通过使用下面给出的方程计算。方程的算术运算是由电阻运算装置32执行的。这样，工作离子源2中灯丝10的电阻值R被连续地测量。本说明书中，字“连续地”包含字“不断地”的意思。通常，其意味着“不变地”，也意味着“间歇地”，或者“以预定时间间隔”来重复进行电阻测量。
公式2
R＝V/I
随着离子源2工作的进行，通过在等离子体14中离子的溅射及其蒸发，灯丝10变细。例如，如图2中表示，灯丝10在其中心部分10a(本例中，为灯丝顶端的一部分)直径渐渐减小。因此，随着灯丝10变细，整个灯丝10的电阻值R变大。电阻值随时间的变化在图3中曲线示例表示出。曲线中，电阻值变化由实线表示。
假设在离子源正工作时，当前时间点是t1，灯丝10到达其应用极限时的临界电阻值是RL。临界电阻值RL能够从灯丝的既往经验中获得，该灯丝具有与当前使用灯丝相同的特性(即材料、尺寸、形状等)。换言之，当灯丝断路时或者当灯丝要断路的几率为高时由灯丝显示的电阻值R被定义为临界电阻值RL。
离子源工作期间灯丝10的电阻值R如上所述被连续测量。然后，计算在当前时间点t1时电阻值R1的变化率，即dR1/dt1。灯丝10的电阻值R到达临界电阻值RL时的时间点t2是通过使用变化率dR1/dt1外推灯丝10的电阻值R关于离子源2的工作时间t的变化而计算的。严格地进行公式3的算术运算。另外，计算直到灯丝10的电阻值R到达临界电阻值RL时剩余的时间t2-t1。严格地进行公式4的算术运算。公式3和4数学上是相互等效的，并且基本上彼此相等。这些运算是由预知运算装置34执行的。
公式3：
t2＝(RL-R1)/(dR1/dt1)+t1
公式4：
t2-t1＝(RL-R1)/(dR1/dt1)
这样，计算了直到灯丝10应用极限时的时间t2或者直到灯丝应用极限时剩余的时间t2-t1。因此，预知了灯丝10要断路时的寿命。
即使改变流过灯丝10的电流量I以改变离子源2的输出，作为测量目标的灯丝10的电阻值R也保持不变。对于改变施加到灯丝10的电压量V的情况也是这样的。即使对于电压量V的变化，灯丝10的电阻值R也保持不变。因此，本发明中，即使当改变灯丝电流以改变离子源输出时也保持不变的灯丝电阻值R被用作为要测量的对象，并且灯丝的寿命是基于该测量结果预知的。因此，即使当离子源2的输出不是恒定时，也能够精确地预知灯丝10的寿命。
在本实施例中，可以提供显示装置36，显示时间t2或者剩余时间t2-t1。
在本实施例中，也可以提供比较装置38。比较装置将剩余时间t2-t1与预定基准值T比较，当剩余时间t2-t1小于基准值T时，产生警告信号S。
包含电阻运算装置32、运算控制单元30以及其它的运算控制单元30可以例如使用计算机构成。
本发明可以不仅适用于Bernus类型离子源，而且可以适用于每个都使用灯丝用于发射热电子的其它类型的离子源。这种例子是具有线性灯丝的Freeman类型离子源。
从上述说明可见，即使当改变灯丝电流以改变离子源输出时也保持不变的灯丝电阻值被用作为要测量的对象，并且灯丝的寿命是基于该测量结果预知的。因此，即使当离子源2的输出不是恒定时，也能够精确地预知灯丝10的寿命。

Claims (5)

1.一种用于预知在离子源中用于发射热电子的灯丝寿命的方法，该方法包括：
在离子源工作期间，基于流过灯丝的电流和灯丝上的电压，而连续地测量灯丝的电阻值；和
基于该电阻值的变化率，而预知直到灯丝要断路时的灯丝的寿命。
2.根据权利要求1的预知灯丝寿命的方法，还包括：
基于该电阻值的变化率，而计算直到灯丝应用极限时的时间或者直到灯丝应用极限时剩余的时间。
3.一种离子源装置，包括：
离子源，具有用于发射热电子的灯丝；
电流测量装置，用于测量流过灯丝的电流；
电压测量装置，用于测量灯丝上的电压；
电阻运算装置，用于通过使用由所述电流和电压测量装置测量的电流和电压来计算该灯丝的电阻值；和
预知运算装置，用于基于该电阻运算装置计算的电阻值的变化率，而计算直到灯丝应用极限为止时的时间或者直到灯丝应用极限为止时剩余的时间。
4.根据权利要求3的离子源装置，还包括：
显示装置，用于显示直到灯丝应用极限为止时的时间或者直到灯丝应用极限为止时剩余的时间。
5.根据权利要求3的离子源装置，还包括：
比较装置，用于将直到灯丝应用极限为止时剩余的时间与预定基准值比较，并且当该直到灯丝应用极限为止时剩余的时间小于预定基准值时，产生警告信号。
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