JP2004501486A - 間接的に加熱される陰極イオン源のための陰極組立体 - Google Patents

Abstract

【解決手段】間接的に加熱される陰極イオン源の陰極が少なくとも１つのロッドまたはピンにより支持される。陰極は好適に，ディスク形状をし，支持ロッドは熱伝導および輻射を制限するために，ディスクよりも小さな直径をもつ。一実施例において，陰極は一つのロッドによりその中央付近に支持される。支持ロッドは，単純で信頼性のある取り付けおよび取り外しのための，バネ作用クランプにより保持され得る。ディスク形状の陰極および支持ロッドは一体で製造されてもよい。電子を熱的に放出するフィラメントが，陰極の近傍で，ロッドの周りに配置され得る。

Description

【０００１】
関連出願
本出願は，２０００年５月１７日に出願された米国仮出願第６０／２０４，９３６号および，２０００年５月１７日に出願された米国仮出願第６０／２０４，９３８号に基づく。
【０００２】
発明の分野
本発明は，イオン注入器の使用に適したイオン源に関し，特に，間接的に加熱される陰極をもつイオン源に関する。
【０００３】
発明の背景
イオン源はイオン注入器の重要な要素である。イオン源はイオン注入器のビームラインを通過し，半導体ウエハに送られるイオンビームを生成する。イオン源は，種々の異なるイオン種および抽出電圧に対して，安定し，よく定義されビームを生成することが要求される。半導体製造設備において，イオン源を含むイオン注入器は，メンテナンスおよび修理を必要とせずに長期期間，動作するように要求される。
【０００４】
イオン注入器は，従前から直接的に加熱される陰極を有するイオン源に使用されているが，電子を放出するフィラメントがイオン源のアーク室に取り付けられ，アーク室で，非常に腐食性の高いプラズマに晒される。このような直接的に加熱される陰極は典型的に，比較的小さな直径のワイヤーフィラメントを構成し，したがって，アーク室内の腐食環境のもとで，比較的短期間に劣化し，だめになる。その結果，直接的に加熱される陰極イオン源の寿命は制限される。
【０００５】
間接的に加熱される陰極イオン源が，イオン注入器のイオン源の寿命を改善するために，開発された。間接的に加熱される陰極は，フィラメントからの電子の衝突により加熱され，熱電子を放出する比較的大きな陰極を含む。陰極はアーク室内で腐食環境に晒されるが，その比較的大きな構造のものは，長期化にわたって確実に動作する。
【０００６】
間接的に加熱される陰極イオン源の陰極は，その周囲から電気的に絶縁され，電源に電気的に接続され，そして電子の放出を停止させる冷却を防止するために，周囲から熱的に分離されなければならない。従来技術の，間接的に加熱する設計はディスクの形状をもつ陰極を使用するが，その陰極は，外側周囲で，ディスクとほぼ同じ薄い壁の管により支持されている。その管は，断面積を減少させ，これにより，熱い陰極からの熱の伝導を減少させるために，薄い壁を有する。この薄い壁の管は典型的に，絶縁裂け目のように機能し，陰極からの熱の伝導を減少させるために，長さにそった切り欠きを有する。
【０００７】
陰極を支持するために使用された管は電子を放出しないが，ほとんどが高温となる大きな表面をもち，この表面は，陰極が熱を失う主要な現象である輻射により熱を失う。管の大きな直径は，陰極への取り付け，接続のための構造の大きさおよび複雑さを増加させる。既知の陰極支持体は三つの部品を有し，組み立てのためのネジ山を必要とする。
【０００８】
間接的に加熱される陰極イオン源は典型的に，フィラメント電源，バイアス電源およびアーク電源を含み，これらの電源を調整する制御システムを必要とする。間接的に加熱される陰極イオン源のための従来の制御システムは，一定のアーク電流を達成するために電源を調節する。一定のアーク電流システムを使用する際の困難性は，ビームラインが同調されると，ビームラインの下流端で測定されたビーム電流が，（ビームラインを通って伝えられる電流の割合が増加する）同調のため，またはイオン源から抽出された電流の量の増加のために，増加することである。ビーム電流および伝送が同じ多数の変数により影響を受けることから，最大のビーム電流は伝送の同調が難しい。
【０００９】
直接的に加熱される陰極をもつイオン源において利用された従来技術のアプローチは，一定のアーク電流ではなく，一定の抽出電流のためにイオン源を制御することである。イオン源が一定の抽出電流のために制御される全ての場合に，制御システムは，陰極が直接的に加熱されるフィラメントであるビーナス（Ｂｅｒｍａｓ）タイプのイオン源を駆動する。
【００１０】
本発明の要約
本発明の一つの態様にしたがって，間接的に加熱される陰極イオン源において使用する陰極組立体が，陰極サブ組立体（陰極およびそこに固定される支持ロッドを含む），電子を放出するフィラメント（アーク室の外側で，陰極サブ組立体の支持ロッドに近接して取り付けられる），ならびにアーク室のハウジング（陰極サブ組立体の陰極のまわりに配置される）から陰極を電気的および熱的に絶縁するための陰極絶縁体を含む。
【００１１】
陰極サブ組立体は，間接的に加熱される陰極およびイオン源のアーク室内で，陰極を支持するための，間接的に加熱される陰極に固定される支持ロッドを含み得る。一実施例において，支持ロッドは，アーク室に面していない陰極の表面に取り付けられる。支持ロッドは，陰極を機械的に支持することができ，さらにそこへと電気的なエネルギーを伝えることができる。陰極は，ディスクの形状を採ることができ，支持ロッドは陰極の中心またはその付近にその軸線にそって取り付けることができる。支持ロッドは，円筒状の形状をとってもよく，陰極の直径は，円筒状の支持ロッドの直径よりも大きくてもよい。一例において，陰極の直径は，支持ロッドの直径の少なくとも四倍以上である。陰極サブ組立体はさらに，支持ロッドを保持するためにバネ式クランプを含んでもよい。
【００１２】
フィラメントが支持ロッドのまわりで，陰極の近傍に配置され，アーク室のプラズマから分離され得る。フィラメントは電気伝導材から作られ，支持ロッドの直径よりも大きいかまたは等しい内径をもつアーク形状の巻き線部をもってもよい。フィラメントの断面積はフィラメントの長さにそって変化（アーク形状の巻き線部にそって最も小さい）してもよい。
【００１３】
陰極絶縁体がアーク室のハウジングから陰極を電気的かつ熱的に絶縁するために設けられ得る。一実施例において，陰極絶縁体は，陰極の直径より大きいか等しい直径をもつ開口部を含む。熱伝導を制限するために，陰極絶縁体と陰極との間に，真空の間隙が設けられてもよい。陰極絶縁体は，側壁を有するほぼ管状形状をもち，アーク室において，プラズマから陰極絶縁体の側壁をシールドするためのフランジをもってもよい。このフランジは，陰極とアーク室のハウジングとの間の経路長さを増加するために，プラズマに面していないフランジの片面上に溝をもつてもよい。
【００１４】
本発明の他の態様にしたがって，イオン源の陰極を支持し，加熱する方法が，陰極に固定されたロッドにより陰極を支持すること，および陰極に電子を衝突されることを含む。本発明のさらに他の態様にしたがって，イオン源のための陰極組立体が陰極，陰極に固定された支持ロッド，アーク室のハウジングから陰極を電気的かつ熱的に絶縁するための陰極絶縁体，および陰極を間接的に加熱するための間接加熱手段を含む。
【００１５】
本発明のよりよい理解のために，図面が添付され，これはここに組み込まれる。
【００１６】
詳細な説明
本発明の実施例にしたがった，間接的に加熱される陰極イオンが図１に示されている。抽出開口１２を有するアーク室のハウジング１０がアーク室１４を画成する。陰極２０および反射電極２２が，アーク室１４内に配置されている。反射電極２２は電気的に絶縁されている。陰極絶縁体２４はアーク室のハウジング１０から，陰極２０を電気的かつ熱的に絶縁する。陰極２０は任意に，熱伝導を妨げるために，真空間隙により，絶縁体２４から絶縁され得る。アーク室１４の外側で，陰極２０の近傍に配置されたフィラメント３０が陰極２０を加熱する。
【００１７】
イオン化されるべきガスが，ガス源３２からガス入口３４を経て，アーク室１４に与えら得る。図示されない他の構成では，アーク室１４は，アーク室１４でイオン化される材料を気化する気化器に連結されてもよい。
【００１８】
アーク電源５０が，アーク室のハウジング１０に接続される正のターミナルおよび陰極２０に接続される負のターミナルをもつ。アーク電源５０が１０アンペアで１００ボルトの定格をもち，約５０ボルトで動作してもよい。アーク電源５０はアーク室１４で，陰極２により放出される電子をプラズマへと加速する。バイアス電源５２が，陰極２０に接続される正のターミナルおよびフィラメント３０に接続される負のターミナルをもつ。バイアス電源５２は４アンペアで６００ボルトの定格をもち，約２アンペアの電流および約４００ボルトの電圧で動作するものでもよい。バイアス電源５２はフィラメント３０より放出された電子を陰極２０へ加速し，陰極２０の加熱を行う。フィラメント電源５４がフィラメント３０に接続される出力ターミナルを有する。フィラメント電源５４は，２００アンペアで５ボルトの定格をもち，約１５０から１６０アンペアのフィラメント電流で動作可能である。フィラメント電源５４はフィラメント３０（順に，陰極２０の加熱のために，陰極２０に向けて加速される電子を生成する）の加熱をなす。ソース磁石６０が矢印６２により示されている方向に，アーク室１４内に磁場Ｂを形成する。磁場Ｂの方向はイオン源の動作に影響を与えることなく反転させられ得る。
【００１９】
抽出電極，この場合アース電極７０および抑制電極７２が抽出開口１２の正面に位置している。アース電極７０および抑制電極７２のそれぞれは，よく画成されたイオンビーム７４の抽出のために，抽出開口１２と整合する開口を有する。
【００２０】
抽出電源８０が電流検知抵抗１１０を介して，アーク室のハウジング１０に接続される正のターミナル，およびアースおよびアース電極７０に接続される負のターミナルを有する。抽出電源８０は２５ミリアンペアから２００ミリアンペアで７０キロボルトの定格を有する。抽出電源８０はアーク室１４からイオンビーム７４を抽出する電圧を与える。抽出電圧は，イオンビーム７４内のイオンの所望のエネルギーに依存して調節可能である。
【００２１】
抑圧電源８２が抑圧電極７２に接続される負のターミナルおよびアースされる正のターミナルを有する。抑圧電源８２は−２ｋＶから−３０ｋＶの範囲の出力をもつ。負にバイアスされた抑圧電極７２はイオンビーム７４内で電子の移動を妨げる。電源５０，５２，５４，８０および８２の電圧および電流の定格および動作電圧および電流が例示であり，本発明の範囲を制限するものではないことは分かるであろう。
【００２２】
イオン源制御器１００がイオン源の制御をなす。イオン源制御器１００はプログラムされた制御器または専用の特別な目的の制御器であってもよい。好適な実施例において，イオン源制御器１００はイオン注入器の主制御コンピュータ内に組み込まれる。
【００２３】
イオン源制御器１００はアーク電源５０，バイアス電源５２およびフィラメント電源５４を制御し，イオン源から所望のレベルの抽出イオン電流を形成する。イオン源から抽出されて電流を固定することにより，イオンビームは最適な伝送（イオン源の寿命がよくない，欠点が減少する）に同調されるが，その理由は，ビームはパーティクルをほとんど発生せず，ビームの入射が減少して汚染がなく，維持が改良されるからである。さらに早いビーム同調という利点もある。
【００２４】
イオン源制御器１００は抽出源源８０により供給される抽出電流Ｉ_Ｅにより表される電流検知信号を，ライン１０２および１０４上で受信できる。電流検知抵抗１１０は抽出電流Ｉ_Ｅを検知するために，抽出電源８０から供給リード線の一つに直列に接続することができる。他の実施例では，抽出電源８０は抽出電源Ｉ_Ｅを表す電流検知信号をライン１１２上に供給することができる。抽出電源８０により供給される抽出電流Ｉ_Ｅはイオンビーム７４内のビーム電流に対応する。イオン源制御器１００もまた，所望または基準抽出電流を示す基準信号Ｉ_ＥＲＥＦを受信する。イオン源制御器１００は検知した抽出電流Ｉ_Ｅを基準抽出電流Ｉ_ＥＲＥＦと比較し，エラー値（これは，正，負またはゼロとなる）を決定する。
【００２５】
制御アルゴリズムがエラー値に応答して，電源の出力を調節するために使用される。制御アルゴリズムの一実施例が，図５に示されている，比例積分導関数（Ｐｒｏｐｏｒｔｉｏｎａｌ−Ｉｎｔｅｇｒａｌ−Ｄｅｒｉｖａｔｉｖｅ（ＰＩＤ））ループを使用する。ＰＩＤループの目的は，イオンビームを基準抽出電流Ｉ_ＥＲＥＦで発生するために，使用された抽出電流Ｉ_Ｅを維持することである。ＰＩＤループは，検知した抽出電流Ｉ_Ｅを基準抽出電流Ｉ_ＥＲＥＦへと調節するための必要とされるＰＩＤ計算２２４の出力を連続して調節することにより，この結果をもたらす。ＰＩＤ計算２２４は，検知された抽出電流Ｉ_Ｅと基準抽出電流Ｉ_ＥＲＥＦとの差をとることにより生じるエラー信号Ｉ_ＥＥＲＲＯＲの形で，イオン発生組立体２３０（図１）からのフィードバックを受信する。ＰＩＤループの出力は，抽出電流Ｉ_Ｅを基準抽出電流Ｉ_ＥＲＥＦに，またはその近傍に維持するために，イオン源制御器１００から電源５０，バイアス電源５２およびフィラメント電源５４に与えられる。
【００２６】
第一の制御アルゴリズムにしたがって，バイアス電源５２（図１）により供給されるバイアス電流Ｉ_Ｂは，抽出電流Ｉ_Ｅを基準抽出電流Ｉ_ＥＲＥＦに，またはその近傍に制御するために，抽出エラー信号Ｉ_ＥＥＲＲＯＲに応答して変化させる。バイアス電流Ｉ_Ｂはフィラメント３０と陰極２０との間の電流を表す。特に，バイアス電流Ｉ_Ｂは抽出電流Ｉ_Ｅを増加させるために増加し，バイアス電流Ｉ_Ｂは抽出電流Ｉ_Ｅを減少させるために減少する。バイアス電流Ｖ_Ｂは調整されず，所望のバイアス電流Ｉ_Ｂを供給するために変化する。さらに，第一の制御アルゴリズムにしたがって，フィラメント電源５４により供給されるフィラメント電流Ｉ_Ｆは一定に維持され（フィラメント電圧Ｖ_Ｆは調整されない），アーク電源５０により供給されるアーク電圧Ｖ_Ａは一定に維持される（アーク電流Ｉ_Ａは調整されない）。第一の制御アルゴリズムは，良い性能，単純性および低コストという利点をもつ。
【００２７】
第一の制御アルゴリズムにしたがったイオン源制御器１００の動作の例が図６に略示されている。図１に示された入力Ｖ_１，Ｖ_２およびＲは抽出電流計算２２０を実施するために使用される。入力電圧Ｖ_１およびＶ_２は測定値であるが，入力抵抗Ｒは抵抗器１１０（図１）の値に基づく。検知された抽出電流Ｉ_Ｅは次のように計算される。
Ｉ_Ｅ＝（Ｖ_１−Ｖ_２）／Ｒ
抽出電源８０が，抽出電流Ｉ_Ｅを表す電流検知信号をイオン源制御器１００に与えるように構成されているならば，上記計算は必要ない。検知された抽出電流Ｉ_Ｅおよび基準抽出電流Ｉ_ＥＲＥＦはエラー計算２２２に入力される。基準抽出電流Ｉ_ＥＲＥＦは所望の抽出電流に基づく設定値である。抽出電流エラー値Ｉ_ＥＥＲＲＯＲはつぎのように，検知された抽出電流Ｉ_Ｅから基準抽出電流Ｉ_ＥＲＥＦを引くことにより計算される。
Ｉ_ＥＥＲＲＯＲ＝Ｉ_Ｅ−Ｉ_ＥＲＥＦ
抽出電流エラー値Ｉ_ＥＥＲＲＯＲおよび三つの制御係数（Ｋ_ＰＢ，Ｋ_ＩＢおよびＫ_ＤＢ）はＰＩＤ計算２２４ａに入力される。三つの制御係数は，最適な制御効果を得るために最適化される。特に，Ｋ_ＰＢ，Ｋ_ＩＢおよびＫ_ＤＢは受け入れ可能な立ち上がり時間，行き過ぎ量，安定状態エラーをもつ過渡応答をもつ制御システムを形成するために選択される。ＰＩＤ計算の出力信号はつぎのように決定される。
Ｏ_ｂ（ｔ）＝Ｋ_ＰＢｅ（ｔ）＋Ｋ_ＩＢ∫ｅ（ｔ）ｄｔ＋Ｋ_ＤＢｄｅ（ｔ）／ｄｔ
ここでｅ（ｔ）は瞬間抽出電流エラー値およびＯ_ｂ（ｔ）は瞬間出力制御信号である。瞬間出力信号Ｏ_ｂ（ｔ）はバイアス電源５２に与えられ，バイアス電流Ｉ_Ｂが抽出電流エラー値を最小化するためにどのように調節されるべきかについての情報を与える。出力制御信号Ｏ_ｂ（ｔ）の振幅および極性はバイアス電源５２の制御条件に依存する。しかし，一般的に，出力制御信号Ｏ_ｂ（ｔ）は，検知された抽出電流Ｉ_Ｅが基準抽出電流Ｉ_ＥＲＥＦより小さいとき，バイアス電流Ｉ_Ｂを増加させ，検知された抽出電流Ｉ_Ｅが基準抽出電流Ｉ_ＥＲＥＦより大きいとき，バイアス電流Ｉ_Ｂを減少させる。
【００２８】
フィラメント電流Ｉ_Ｆおよびアーク電圧Ｖ_Ａは図６に示されているように，フィラメントおよびアーク電源制御器２２５により一定に維持される。所望の電源動作条件にしたがって選択された制御パラメータがフィラメントおよびアーク電源制御器２２５に入力される。制御信号Ｏ_ｆ（ｔ）およびＯ_ａ（ｔ）は制御器２２５により出力され，フィラメント電源５４およびアーク電源５０にそれぞれ与えられる。
【００２９】
第二の制御アルゴリズムにしたがって，フィラメント電源５４（図１）により供給されるフィラメント電流Ｉ_Ｆは，抽出電流Ｉ_Ｅを，基準抽出電流Ｉ_ＥＲＥＦで，またはその付近で制御するように，抽出電流エラー値Ｉ_ＥＥＲＲＯＲに応答して変化する。特に，フィラメント電流Ｉ_Ｆは抽出電流Ｉ_Ｅを増加させるために減少し，フィラメント電流Ｉ_Ｆは抽出電流Ｉ_Ｅを減少させるために増加する。フィラメント電源は調整されない。さらに，第二の制御アルゴリズムにしたがって，バイアス電源５２により供給されるバイアス電流Ｉ_Ｂは一定に維持され，バイアス電圧Ｖ_Ｂは調整されず，アーク電源５０により供給されるアーク電圧Ｖ_Ａは一定に維持され，バイアス電流Ｉ_Ａは調整されない。
【００３０】
第二の制御アルゴリズムにしたがったイオン源制御器１００の動作は，図７に略示されている。抽出電流計算２２０は，検知された抽出電流Ｉ_Ｅを決定するために，入力Ｖ_１，Ｖ_２およびＲに基づいた第一の制御アルゴリズムで実施される。検知された抽出電流Ｉ_Ｅおよび基準電流Ｉ_ＥＲＥＦはエラー計算２２６に入力される。抽出電流エラー値Ｉ_ＥＥＲＲＯＲは，つぎのように，基準抽出電流Ｉ_ＥＲＥＦから，検知された抽出電流Ｉ_Ｅを引くことにより計算される。
Ｉ_ＥＥＲＲＯＲ＝Ｉ_ＥＲＥＦ−Ｉ_Ｅ
この計算は第一のアルゴリズムのエラー計算と異なり，演算の順序が逆になっている。演算は，第一のアルゴリズムの場合のように，直接の関係ではなく，抽出電流Ｉ_Ｅと制御された変数（この場合，Ｉ_Ｆ）との間で逆の関係を形成するように，逆転されている。抽出電流エラー値Ｉ_ＥＥＲＲＯＲおよび三つの制御係数はＰＩＤ計算２２４ｂに入力される。制御係数Ｋ_ＰＢ，Ｋ_ＩＢおよびＫ_ＤＢは，それらが第二の制御アルゴリズムにしたがってイオン源の性能を最適にするために選択されていることから，第一のアルゴリズムの制御係数と同じ値をもつ必要があるというわけではない。しかし，ＰＩＤ計算２２４ｂは以下のとおり同じである。
Ｏ_Ｆ（ｔ）＝Ｋ_ＰＦｅ（ｔ）＋Ｋ_ＩＦ∫ｅ（ｔ）ｄｔ＋Ｋ_ＤＦｄｅ（ｔ）／ｄｔ
瞬間出力信号Ｏ_Ｆ（ｔ）はフィラメント電源に与えられ，フィラメント電流Ｉ_Ｆが抽出電流エラー値を最小化するためにどのように調節されるべきかについての情報を与える。出力制御信号Ｏ_Ｆ（ｔ）の振幅および極性はフィラメント電源５４の制御条件に依存する。しかし，一般的に，出力制御信号Ｏ_Ｆ（ｔ）は，検知された抽出電流Ｉ_Ｅが基準抽出電流Ｉ_ＥＲＥＦより小さいとき，フィラメント電流Ｉ_Ｆを増加させ，検知された抽出電流Ｉ_Ｅが基準抽出電流Ｉ_ＥＲＥＦより大きいとき，フィラメント電流Ｉ_Ｆを減少させる。
【００３１】
バイアス電流Ｉ_Ｂおよびアーク電圧Ｖ_Ａは図７に示されているように，バイアスおよびアーク電源制御器２２９により一定に維持される。所望の電源動作条件にしたがって選択された制御パラメータがバイアスおよびアーク電源制御器２２５に入力される。制御信号Ｏ_Ｂ（ｔ）およびＯ_Ａ（ｔ）は制御器２２９により出力され，バイアス電源５２およびアーク電源５０にそれぞれ与えられる。
【００３２】
第一の制御アルゴリズムおよび第二の制御アルゴリズムが個別に略示され，イオン源制御器１００がいずれかまたは両方のアルゴリズムを実施するために構成されていることは分かるであろう。イオン源制御器１００が両方を実施できる場合，制御器１００により実行されるべき特定のアルゴリズムを選択するためのメカニズムが与えられてもよい。異なる制御アルゴリズムが，間接的に加熱されるイオン源の抽出電流を制御するために利用できることは分かるであろう。好適な実施例において，制御アルゴリズムは制御器１００のソフトウエアで実行される。しかし，配線され，またはマイクプログラム式制御器が利用されてもよい。
【００３３】
イオン源が動作しているとき，フィラメント３０は，熱イオン放出温度（２２００℃のオーダー）にフィラメント電流Ｉ_Ｆにより，抵抗加熱される。フィラメント３０により放出される電子は，フィラメント３０と陰極２０との間のバイアス電圧Ｖ_Ｂにより加速され，陰極２０に衝突し，加熱する。陰極２０は電子衝突により熱イオン放出温度に加熱される。陰極２０により放出される電子はアーク電圧Ｖ_Ａにより加速され，プラズマ放電を形成するために，アーク室１４内でガス源３２からのガス分子をイオン化する。アーク室１４内の電子は，磁場Ｂにより螺旋軌道を描く。反射電極２２は，入射電子の結果として負の電荷を帯び，そして電子をアーク室１４を通って戻すように反射するのに十分な電荷をもつと，付加的なイオン化衝突を生じさせる。図１のイオン源は，フィラメント３０がアーク室１４のプラズマに晒されることなく，そして陰極２０が従前の，直接的に加熱される陰極よりも大きいことか，直接加熱される陰極と比較して改良されたイオン源の寿命を呈する。
【００３４】
間接的に加熱される陰極２０の実施例が図２Ａ，図２Ｂに示されている。図２Ａは陰極２０の側面図であり，図２Ｂは陰極２０の斜視図である。陰極はディスク形状であってもよいもので，支持ロッド１５０に連結される。一実施例において，支持ロッド１５０は，ディスク形状の陰極２０の中心に取り付けられ，熱伝導および輻射を制限するために，陰極２０より実質的に小さな直径をもつ。他の実施例において，複数の支持ロッドが陰極２０に取り付けられる。たとえば，第一の支持ロッドより，大きさ，形状が異なる第二の支持ロッドが陰極２０の不正確な絶縁を防止するために，陰極２０に取り付けられてもよい。陰極２０および支持ロッド１５０を含む陰極サブ組立体がバネ式クランプ１５２により，アーク室１４（図１）内で支持されてもよい。バネ式クランプ１５２は支持ロッド１５０を適所に保持し，アーク室のための支持構造（図示せず）によりそれ自身適所に保持される。支持ロッド１５０は陰極２０のための機械的な支持体となり，図１に示されているように，アーク電源５０およびバイアス電源５２に電気的に接続されている。支持ロッド１５０は比較的小さな直径をもつことから，熱伝導および輻射が制限される。
【００３５】
一例として，陰極２０および支持ロッド１５０はタングステンから作られ，一体的に作られてもよい。この例において，陰極２０は１．９ｃｍ（０．７５インチ）の直径，０．５８ｃｍ（０．２０インチ）の厚さをもつ。一実施例において，支持ロッド１５０は０．１２７から７．６２ｃｍ（０．５−３インチ）の長さをもつ。たとえば，好適実施例において，支持体ロッド１５０は約４．４５ｃｍ（１．７５インチ）の長さを，約０．１０２から０．６３５ｃｍ（０．０４−０．２５インチ）の直径をもつ。好適な実施例において，支持ロッド１５０は，約０．３１８ｃｍ（０．１２５インチ）の直径をもつ。一般的に，支持ロッド１５０は陰極２０の直径よりも小さな直径をもつ。たとえば，陰極２０の直径は支持ロッド１５０の直径よりも，少なくとも四倍以上に大きくともよい。好適な実施例において，陰極２０の直径は，支持ロッド１５０の直径よりも約六倍以上である。これらの寸法は例示であり，本発明の範囲を限定するものではないことは理解されよう。他の例において，陰極２０および支持ロッド１５０は個別の要素として作られるが，圧入で一体に付着される。
【００３６】
一般的に，支持ロッド１５０は中実の円筒構造で，少なくとも一つの支持ロッド１５０は陰極２０を支持し，電気的エネルギーを陰極２０に伝える。一実施例において，円筒状の支持ロッド１５０の直径は，支持ロッド１５０の長さにそって一定である。他の実施例において，支持ロッド１５０は，支持ロッド１５０の長さにそって位置の関数で変化する直径をもつ中実の円筒状構造であってもよい。たとえば，支持ロッド１５０の直径は，その両端で，支持ロッド１５０の長さにそって最も小さくなってもよく，これにより，支持ロッド１５０と陰極２０との間で熱的な分離が高められる。支持ロッド１５０は，アーク室１４側でない陰極２０の面に取り付けられる。好適な実施例において，支持ロッド１５０は陰極２０に，その陰極２０に中心またはその近傍に取り付けられる。
【００３７】
フィラメント３０の例が図３Ａから図３Ｄに示されている。この例では，フィラメント３０は伝導性ワイヤで作られ，加熱ループ１７０ならびに接続リード線部１７２および１７４を含む。接続リード線部１７２および１７４は図１のフィラメント電源として示されているような電源にフィラメント３０を接続する適切な湾曲部をもつ。図３Ａから図３Ｄの例において，加熱ループ１７０は，支持ロッド１５０を収容するように，支持ロッド１５０の直径より大きいかまたは同じ内径をもつ，アーチ上の巻き線部として形作られている。図３Ａから図３Ｄの例において，加熱ループ１７０は０．９１４ｃｍ（０．３６インチ）の内径，０．１３７ｃｍ（０．５４インチ）の外形をもつ。フィラメント３０は０．２２９ｃｍ（０．０９０インチ）ともつタングステンワイヤから作られてもよい。好適に，加熱ループ１７０の長さにそったワイヤは接地されるか，陰極２０（図１）に近接した領域で，より小さく減少した断面をもつ。たとえば，アーチ状の巻き線部にそったフィラメントの直径は，抵抗を高め，陰極２０の近傍で加熱を高めるため，そして接続リード部１７２および１７４の加熱を減少させるために，０．１９ｃｍ（０．０７５インチ）のオーダーになるように減少する。
【００３８】
陰極絶縁体２４の例が図４Ａから図４Ｃに示されている。図示されているように，絶縁体２４は，陰極２０を受け入れるための中央開口部２００をもつほぼリング状の形状を有する。絶縁体２４はアーク室のハウジング１０から陰極２０を伝導的および熱的に絶縁する形状をもつ。好適に，中央開口部２００の寸法は，熱伝導を防止するために，絶縁体２４と陰極２０との間に真空間隙を有するように，陰極２０よりも僅かに小さい。絶縁体２４は，アーク室１４（図１）内のプラズマから絶縁体２４の側壁２０４をシールドするフランジ２０２を備えてもよい。フランジ２０２の，プラズマに面しない側に溝２０６（陰極２０とアーク室のハウジング１０との間の経路長さを増加させる）が設けられてもよい。この絶縁体の設計は，陰極２０とアーク室のハウジング１０との間で短絡を生じさせる，絶縁体上の付着の危険性を減少させる。
【００３９】
本発明の好適実施例が開示され，説明されてきたが，当業者には，特許請求の範囲により画成される本発明の範囲から逸脱することなく種々の変更，修正がなし得ることは明らかである。ここで説明した特徴が，本発明の範囲内で別々に，または組み合わせて使用できることは理解されよう。

【図面の簡単な説明】
【図１】
図１は，本発明の実施例にしたがった，間接的に加熱される陰極イオン源の略示ブロック図である。
【図２】
図２Ａおよび図２Ｂはそれぞれ，図１のイオン源の陰極の実施例の正面図および斜視図である。
【図３】
図３Ａないし３Ｄはそれぞれ，図１のイオン源のフィラメントの実施例の斜視図，正面図，平面図および側面図である。
【図４】
図４Ａないし４Ｃはそれぞれ，図１のイオン源の陰極絶縁体の実施例の斜視図，断面図，および部分断面図である。
【図５】
図５は，イオン源制御器のための抽出電流を制御するために使用されるフィードバックループを略示する。
【図６】
図６は，第一の制御アルゴリズムにしたがった，図１のイオン源制御器の動作を略示する。
【図７】
図７は，第二の制御アルゴリズムにしたがった，図１のイオン源制御器の動作を略示する。

Claims (18)

1. イオン源のための陰極サブ組立体であって，
   間接的に加熱される陰極と，
   イオン源のアーク室内で，陰極を支持するための，間接的に加熱される陰極に固着される支持ロッドと，
   を含む，陰極サブ組立体。
2. 支持ロッドは，アーク室に面しない陰極の表面に取り付けられる，請求項１に記載の陰極サブ組立体。
3. 陰極はディスク状である，請求項２に記載の陰極サブ組立体。
4. 支持ロッドは，陰極の軸線にそって，陰極の中央またはその付近に固着される，請求項３に記載の陰極サブ組立体。
5. 支持ロッドは円筒状で，陰極の直径は支持ロッドの直径よりも大きい，請求項４に記載の陰極サブ組立体。
6. 陰極の直径は支持ロッドの直径よりも少なくとも四倍大きい，請求項５に記載の陰極サブ組立体。
7. さらに，支持ロッドを保持するためのバネ式クランプを含む，請求項５に記載の陰極サブ組立体。
8. 支持ロッドは陰極を機械的に支持し，電気的エネルギーを陰極に伝える，請求項１に記載の陰極サブ組立体。
9. アーク室を画成するアーク室のハウジングを含む，間接的に加熱される陰極イオン源に使用する陰極組立体であって，
   陰極およびそれに固着される支持ロッドを含む陰極サブ組立体と，
   陰極サブ組立体の支持ロッドの近傍で，アーク室の外側に位置する，電子を放出するフィラメントと，
   陰極サブ組立体の陰極のまわりに配置され，アーク室のハウジングから陰極を電気的にかつ熱的に絶縁するための陰極絶縁体と，
   を含む，陰極組立体。
10. さらに，陰極の近傍で，支持ロッドのまわりに配置され，アーク室のプラズマから分離されるフィラメントを含む，請求項９に記載の陰極サブ組立体。
11. さらに，陰極の近傍で，支持ロッドのまわりに配置され，アーク室のプラズマから分離されるフィラメントを含み，フィラメントは電気伝導性の材料から作られ，支持ロッドの直径より大きいかまたは同じ内径をもつ，アーチ状の巻き線部を含む，請求項９に記載の陰極サブ組立体。
12. さらに，陰極の近傍で，支持ロッドのまわりに配置され，アーク室のプラズマから分離されるフィラメントを含み，フィラメントは電気伝導性の材料から作られ，支持ロッドの直径より大きいかまたは同じ内径をもつ，アーチ状の巻き線部を含み，フィラメントの断面がフィラメントの長さにとって変化し，アーチ状の巻き線部にそって最も小さくなる，請求項９に記載の陰極サブ組立体。
13. 前記陰極絶縁体は，陰極の直径より大きいかまたは等しい直径をもつ開口部を含む，請求項９に記載の陰極組立体。
14. 熱伝導を制限するために，陰極絶縁体と陰極との間に，真空間隙が設けられる，請求項１３に記載の陰極組立体。
15. 前記陰極絶縁体は，側壁をもつほぼ環状形状をもち，アーク室のプラズマから陰極絶縁体の側壁をシールドするための，フランジを含む，請求項１３に記載の陰極組立体。
16. 前記フランジは，陰極とアーク室のハウジングとの間の経路長さを増加させるために，フランジの，プラズマに面しない側に溝を有する，請求項１５に記載の陰極組立体。
17. イオン源の陰極を支持し，間接的に加熱する方法であって，　陰極に固着されたロッドにより陰極を支持する工程と，
    陰極に電子を衝突させる工程と，
    を含む方法。
18. イオン源のための陰極組立体であって，
    陰極と，
    陰極に固着された支持ロッドと，
    アーク室のハウジングから，陰極を電気的にかつ熱的に絶縁する陰極絶縁体と，
    陰極を間接的に加熱する間接加熱手段と，
    を含む陰極組立体。

Images