JP2007026870A - フィラメント制御装置、フィラメント制御方法および熱電子利用処理装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 フィラメントから放出される熱電子量を、安定して高精度に制御する。
【解決手段】 フィラメント制御装置１０は、フィラメント５の抵抗値を測定する抵抗測定手段１と、第１期間中の抵抗平均値Ｒａｖｅを演算する抵抗平均値演算器２と、抵抗平均値Ｒａｖｅと電力目標値Ｗｒｅｆとから、フィラメント５に供給すべき電流目標値Ｉｒｅｆを演算する電流目標値演算器３と、第１期間の後の第２期間中において、電流目標値Ｉｒｅｆと一致するように、フィラメント５に流れる電流値を制御する定電流電源４と、第１期間および第２期間のタイミングを制御するタイミング制御回路６とを備えている。
【選択図】 図２

Description

本発明は、フィラメントから放出される熱電子量を安定して制御可能とするフィラメント制御装置、これを用いたフィラメント制御方法および、このフィラメント制御装置が搭載されて、フィラメントから放出される熱電子を利用して熱電子利用処理を行うイオン注入処理装置や電子ビーム加工処理装置などの熱電子利用処理装置に関する。

従来より、フィラメントから放出される熱電子を利用する処理は、半導体デバイスの製造などにおけるイオン注入処理や、電子ビーム加工処理など、幅広く行われている。例えば、熱電子によってイオンビームの空間電荷を中和して、イオンビームの発散を抑えた状態で半導体材料などにイオン注入を行なうイオン注入処理が知られている。

このようなイオン注入処理を行う従来のイオン注入処理装置の一例として、例えば特許文献１には、熱電子によってイオンビームの空間電荷を中和するために、空間電荷中和装置が搭載されたイオン注入処理装置が開示されている。

図１１は、特許文献１に記載されている従来の空間電荷中和装置の概略構成例を示す模式図であり、この空間電荷中和装置は、イオン注入処理装置に搭載されている。
図１１において、従来の空間電荷中和装置１００は、磁極１０１と、電子銃１０２と、加熱電源１０３と、エミッション電源１０４とを有しており、従来のイオン注入処理装置において、図示しない質量分離機に配置されている。なお、質量分離機は、周知の通り、磁場作用によってイオンビームを湾曲させながら、そのイオンビームに含まれる、質量が異なる複数のイオン種を互いに分離するものである。

磁極１０１は、図示しない質量分離機内に、紙面に対して垂直方向の磁場Ｂを形成する。この磁場Ｂの作用により、ビーム導入口１０１ａから質量分離機内に導入されたイオンビーム１０５の軌道が、図示のように湾曲させられるようになっている。

電子銃１０２は、上記磁極１０１に取付けられており、フィラメント１０２ａと電子引出電極１０２ｂとを有している。

加熱電源１０３は、フィラメント１０２ａを加熱するためにフィラメント１０２ａに接続されている電源である。
エミッション電源１０４は、フィラメント１０２ａと電子引出電極１０２ｂとの間に所定の電圧を印加するために両者間に接続されている。

上記構成により、この従来の空間電荷中和装置１００において、加熱電源１０３によってフィラメント１０２ａが加熱されて、熱電子が放出される。このフィラメント１０２ａから放出された熱電子は、さらに、エミッション電源１０４により正電位とされた電子引出電極１０２ｂによって、電子銃１０２の外部に引き出される。

このようにして、電子銃１０２の電子引出電極１０２ｂから引き出された電子の軌跡は、磁場Ｂの作用によって図中の軌道Ｏのように湾曲させられ、この電子の軌道Ｏがイオンビーム１０５と交差することによって、イオンビーム１０５の空間電荷が中和される。この結果、イオンビーム１０５中の正イオン同士の反発によるイオンビームの発散が抑えられ、所望とする発散しないイオンビームを出力させることができる。

ところで、電子引出電極１０２ｂによって引き出される電子は、特定の方向性（特定方向の初速度ベクトル）を有するため、磁場Ｂの作用による湾曲軌道が、特定の軌道のみとなる恐れがある。したがって、電子が質量分離機内の特定の部分にしか存在できなくなり、イオンビームの空間電荷の中和が不十分となることが懸念される。

この問題の対策として、この特許文献１では、エミッション電源１０４から電子引出電極１０２ｂに対して与えられる電圧を時間的に変化させている。これにより、電子引出電極１０２ｂから引き出される電子の初速度を時間的に変化させて、電子の軌道Ｏを時間的に変化させ、質量分離機内の広い範囲にわたって電子を分布させるようにしている。
特開平７−１６１３２０号公報

上記従来の空間電荷中和装置１００では、フィラメント１０２ａから放出された熱電子を、電子引出電極１０２ｂによって電子銃１０２の外部に引き出し、これに加えて、電子の初速度を時間的に変化させることにより、質量分離機内の広い範囲にわたって電子を分布させるようにしている。

しかしながら、上記質量分離機内の広い範囲に電子を分布させる作用を実現するのに際して、電子引出電極１０２ｂを採用することや、時間的に変化する電圧を付与することは必須ではなく、フィラメント１０２ａから放出される熱電子をそのまま利用することも考えられる。

その理由は、フィラメント１０２ａから放出される熱電子は、特定の方向性を持たず、ランダムな方向に向いているため、磁場Ｂの作用によって様々な軌道を描くことができるからである。このようにすれば、上記従来の空間電荷中和装置１００の構成を簡略化しながら、イオンビームの空間電荷を中和することができる。

ところが、以上のように電子引出電極１０２ｂを設けない場合には、以下のような新たな問題が生じる。即ち、電子引出電極１０２ｂを設けた場合には、この電子引出電極１０２ｂに印加される電圧を調整することのみでイオンビームに供給される電子量を制御することができるが、この電子引出電極１０２ｂを設けない場合には、フィラメント１０２ａから放出される熱電子量自体を精度よく制御する必要がある。

一方、フィラメント１０２ａには、通電時間に依存する経時的な劣化（線細り）や経時的温度上昇などのドリフト的に変化する外乱に加えて、イオンビームに晒されていることに起因するランダム性の外乱（突発的な温度上昇、被覆物の付着や剥がれなど）も作用している。これらの外乱の影響がある状況下で、熱電子の放出量を安定して高精度に制御することは困難であった。

本発明は、上記従来の問題を解決するもので、フィラメントから放出される熱電子量を高精度でかつ、安定して制御できるフィラメント制御装置、これを用いたフィラメント制御方法および、このフィラメント制御装置が搭載され、熱電子によってイオンビームの空間電荷を中和してイオン注入処理を行なったり、電子ビーム源として熱電子を利用する電子ビーム加工処理を行なうような、フィラメントから放出される熱電子を利用する熱電子利用処理を行う、例えばイオン注入処理装置や電子ビーム加工処理装置などの熱電子利用処理装置を提供することを目的とする。

本発明のフィラメント制御装置は、フィラメントで消費される電力を所定の電力目標値と一致するように制御するフィラメント制御装置であって、該フィラメントの抵抗値を所定の時間間隔で測定する抵抗測定手段と、該抵抗測定手段により第１期間中に測定された複数の該抵抗値に対して平均値を演算する抵抗平均値演算手段と、該抵抗平均値演算手段により演算された該平均値と該電力目標値とから、該フィラメントに供給すべき電流の目標値を演算する電流目標値演算手段と、第２期間中に、該電流目標値演算手段により演算された該電流の目標値と一致するように、該フィラメントに流れる電流値を制御する電流制御手段と、該第１期間および該第２期間のタイミング（例えば開始タイミングおよび終了タイミング）を制御するタイミング制御手段とを有するものであり、そのことにより上記目的が達成される。

本発明のフィラメント制御装置は、フィラメントで消費される電力を所定の電力目標値と一致するように制御するフィラメント制御装置であって、該フィラメントの抵抗値を所定の時間間隔で測定する抵抗測定手段と、該抵抗測定手段により第１期間中に測定された複数の該抵抗値に対して平均値を演算する抵抗平均値演算手段と、該抵抗平均値演算手段により演算された該平均値と該電力目標値とから、該フィラメントに印加すべき電圧の目標値を演算する電圧目標値演算手段と、第２期間中に、該電圧目標値演算手段により演算された該電圧の目標値と一致するように、該フィラメントに印加される電圧を制御する電圧制御手段と、該第１期間および該第２期間のタイミング（例えば開始タイミングおよび終了タイミング）を制御するタイミング制御手段とを有するものであり、そのことにより上記目的が達成される。

また、好ましくは、本発明のフィラメント制御装置における電流制御手段は定電流電源である。

また、好ましくは、本発明のフィラメント制御装置における電圧制御手段は定電圧電源である。

さらに、好ましくは、本発明のフィラメント制御装置における抵抗測定手段は、前記フィラメントに流れる電流および電圧を測定する電流検出手段および電圧検出手段と、該電圧検出手段により測定された電圧値を該電流検出手段により測定された電流値で除算して前記抵抗値を算出する抵抗値算出手段とを有する。

さらに、好ましくは、本発明のフィラメント制御装置におけるタイミング制御手段は、前記第１期間と前記第２期間とからなる各期間が繰り返され、該第２期間が次の該第１期間の少なくとも一部と重複するようにタイミング制御する。

さらに、好ましくは、本発明のフィラメント制御装置におけるタイミング制御手段は、前記第１期間と前記第２期間とからなる各期間が繰り返され、該各期間において、該第１期間の後に該第２期間がくるようにタイミング制御する。

さらに、好ましくは、本発明のフィラメント制御装置における第１期間が前記フィラメントの寿命時間の０．００１％以上０．１％以下に設定されている。

さらに、好ましくは、本発明のタイミング制御手段は、前記抵抗測定手段と前記抵抗平均値演算手段との間に設けられ、前記第１期間に、該抵抗測定手段から該抵抗平均値演算手段に信号出力可能に制御される第１スイッチ手段と、
該抵抗平均値演算手段と前記電流目標値演算手段または前記電圧目標値演算手段との間に設けられ、該第１期間の終了後（例えば第１期間終了後〜次の第１期間開始までの期間）に、該抵抗平均値演算手段から該電流目標値演算手段または該電圧目標値演算手段に信号出力可能に制御される第２スイッチ手段とを更に有する。

さらに、好ましくは、本発明のタイミング制御手段は、前記電流目標値演算手段と前記電流制御手段との間または、前記電圧目標値演算手段と前記電圧制御手段との間に設けられ、前記第２期間の開始毎に、前記電流の目標値、または、前記電圧の目標値を更新するように制御されるサンプルホールド回路を更に有する。

本発明の熱電子利用処理装置は、本発明の上記フィラメント制御装置が搭載されて、前記フィラメントから放出される熱電子を利用して熱電子利用処理を行う熱電子利用処理装置であって、前記第２期間中において、前記電流制御手段または前記電圧制御手段によって前記フィラメントの電流値または電圧値が制御された状態で該熱電子利用処理が実行されており、そのことにより上記目的が達成される。

また、好ましくは、本発明の熱電子利用処理装置において、前記フィラメントがイオンビームの空間電荷分布を中和するための中和用フィラメントであり、該フィラメントから放出される熱電子によってイオンビームの空間電荷分布を中和してイオン注入処理を行う。
さらに、好ましくは、本発明の熱電子利用処理装置において、前記フィラメントが電子ビームを発生させるための電子ビーム源用フィラメントであり、該フィラメントから放出される熱電子により電子ビーム加工処理を行う。

本発明のフィラメント制御方法は、フィラメントで消費される電力を所定の電力目標値と一致するように制御するフィラメント制御方法であって、該フィラメントの抵抗値を所定の時間間隔で測定する抵抗測定ステップと、該抵抗測定ステップで第１期間中に測定された複数の該抵抗値に対して平均値を演算する抵抗平均値演算ステップと、該抵抗平均値演算ステップで演算された該平均値と該電力目標値とから、該フィラメントに供給すべき電流の目標値を演算する電流目標値演算ステップと、第２期間中に、該電流目標値演算ステップで演算された該電流の目標値と一致するように、該フィラメントに流れる電流値を制御する電流制御ステップとを有するものであり、そのことにより上記目的が達成される。

本発明のフィラメント制御方法は、フィラメントで消費される電力を所定の電力目標値と一致するように制御するフィラメント制御方法であって、該フィラメントの抵抗値を所定の時間間隔で測定する抵抗測定ステップと、該抵抗測定ステップで第１期間中に測定された複数の該抵抗値に対して平均値を演算する抵抗平均値演算ステップと、該抵抗平均値演算ステップで演算された該平均値と該電力目標値とから、該フィラメントに印加すべき電圧の目標値を演算する電圧目標値演算ステップと、第２期間中に、該電圧目標値演算ステップで演算された該電圧の目標値と一致するように、該フィラメントに印加される電圧を制御する電圧制御ステップとを有するものであり、そのことにより上記目的が達成される。

また、好ましくは、本発明のフィラメント制御方法において、前記第１期間と前記第２期間とからなる各期間が繰り返され、該第２期間が次の該第１期間の少なくとも一部と重複するようにタイミング制御する。
また、好ましくは、本発明のフィラメント制御方法において、前記第１期間と前記第２期間とからなる各期間が繰り返され、該各期間において、該第１期間の後に該第２期間がくるようにタイミング制御する。

上記構成により、以下に、本発明の作用について説明する。

本発明にあっては、熱電子を放出可能とするフィラメントで消費される電力を、所定の電力目標値と一致するように制御するために、フィラメントの抵抗値を所定の時間間隔で複数回測定し、第１期間中の抵抗平均値とフィラメントの電力目標値とから、フィラメントに供給すべき電流目標値を演算する。第２期間中に、電流目標値と一致するように、フィラメントに流れる電流を制御する。

または、熱電子を放出可能とするフィラメントで消費される電力を、所定の電力目標値と一致するように制御するために、フィラメントの抵抗値を所定の時間間隔で複数回測定し、第１期間中の抵抗平均値とフィラメントの電力目標値とから、フィラメントに印加すべき電圧目標値を演算する。第２期間中に、電圧目標値と一致するように、フィラメントにかかる電圧を制御する。

このようにして、直前の第１期間の抵抗測定結果からこれに続く第２期間の電流目標値や電圧目標値を設定することによって、第２期間にフィラメントで消費される消費電力を所定の電力目標値と一致させることが可能となる。
ここで、第２期間の電流目標値や電圧目標値を設定する際に用いる抵抗平均値は、第１期間中に所定の時間間隔で測定した複数の抵抗値を平均化したものであるから、該抵抗平均値は、突発的な温度上昇、被覆物の付着や剥がれなど、ランダム性の外乱の影響が除外され、通電時間に依存したフィラメントの経時的な劣化（線細り）や経時的温度上昇など、ドリフト的に変化する外乱の影響を正確に表したものとなる。この抵抗平均値に基づく電流目標値や電圧目標値の設定によって、通電時間に依存したフィラメントの経時的な劣化（線細り）や経時的温度上昇など、ドリフト的に変化する外乱の影響が確実に抑制され、フィラメントで消費される消費電力を所定の電力目標値と一致させることが可能となる。
しかも、リアルタイムの電力制御ではなく、第２期間の開始毎に、電流目標値または電圧目標値を調整しているだけなので、制御系が不安定となる虞れもない。

以上により、本発明のフィラメント制御装置およびこれを用いたフィラメント制御方法によれば、直前の第１期間におけるフィラメントの抵抗平均値に基づいて、電力目標値を電流目標値に変換し、この電流目標値によって、続く第２期間におけるフィラメント電流を制御する。

または、直前の第１期間におけるフィラメントの抵抗平均値に基づいて、電力目標値を電圧目標値に変換し、この電圧目標値によって、続く第２期間におけるフィラメント電圧を制御する。

これによって、通電時間に依存したフィラメントの経時的な劣化（線細り）や経時的温度上昇など、ドリフト的に変化する外乱の影響を確実に抑制して、消費電力を所定の電力目標値と一致させることができる。さらに、リアルタイムの電力制御を行わず、第２期間の開始毎に電流目標値または電圧目標値を調整しているだけなので、制御系が不安定となる虞れもない。

このように、制御系の安定性を維持しつつ、ドリフト的な外乱の影響を確実に抑制して消費電力を所定の値に制御することができるため、フィラメントから放出される熱電子量を高精度、かつ、安定して制御することができる。

さらに、本発明の熱電子利用処理装置によれば、本発明のフィラメント制御装置を搭載して、フィラメントから放出される熱電子量を高精度、かつ、安定して制御することができるため、イオン注入処理（空間電荷中和処理）や電子ビーム加工処理などの熱電子利用処理を、再現性よく、高い信頼性をもって行うことができる。

以下、本発明のフィラメント制御装置およびフィラメント制御方法の各実施形態１，２および、このフィラメント制御装置が搭載されて、フィラメントから放出される熱電子を利用する熱電子利用処理（例えば空間電荷中和処理）を行う熱電子利用処理装置の実施形態３を説明する前に、まず、本発明の技術思想について説明する。

本発明は、フィラメントから放出される熱電子量を、高精度でかつ、安定して制御することを目的としている。この目的を達成するためには、フィラメントで消費される電力を所定の電力目標値と一致するように制御すればよい。その理由は、フィラメントから放出される熱電子の量は、フィラメントの温度、即ち、フィラメントで消費される電力によって決まるからである。

したがって、単純には、フィラメントで消費される電力をリアルタイムにフィードバックする電力制御を行って、熱電子の放出量を制御することができるはずである。これについて図１を用いて説明する。

図１は、本発明の技術思想を説明するためのフィラメント制御装置の構成例を示すブロック図である。
図１において、フィラメント制御装置３０は、電流検出器３１ａと、電圧検出器３１ｂと、電力演算器３１ｃと、比較器３２ａと、ゲイン部３２ｂと、ドライバ３２ｃと、電源３４とを有しており、電流検出器３１ａおよび電圧検出器３１ｂによってフィラメント５に流れる電流と電圧が測定され、電力演算器３１ｃによって消費電力が演算される。この演算された消費電力が、比較器３２ａによって所定の電力目標値と比較され、両者が一致するように、ゲイン部３２ｂ、ドライバ３２ｃおよび電源３４を通してフィラメント５への電流供給または電圧供給が為されるようになっている。

しかしながら、このフィラメント制御装置３０の構成のままでは、制御系の安定性を維持しつつ、かつ、フィラメント５に作用する主要な外乱の影響を抑制することが困難である。

その一例として、フィラメント５を、イオンビームの空間電荷を中和する中和用のフィラメント５とした場合の、フィラメント制御装置３０の動作について考えてみる。

この用途のフィラメント５には、通電時間に依存して、経時的な劣化（線細り）や経時的温度上昇など、ドリフト的（ＤＣ的）に変化する外乱Ｔ１が作用する。さらに、この外乱Ｔ１に加えて、フィラメント５がイオンビームに晒されていることに起因して、イオンビームの衝突による突発的な温度上昇、被覆物の付着や剥がれなど、ランダム性の外乱Ｔ２も作用する。なお、フィラメント５は、イオンビーム出力のオン／オフに応じて適宜にオン／オフが繰り返され、オン直後、すなわち、制御開始時の応答時間は、可能な限り短いことが要求されている。

この状況下で、図１に示すフィラメント制御装置３０によって、ランダム性（すなわち、広い周波数帯域）の外乱Ｔ２を抑圧しようとすると、広い周波数帯域においてゲイン部３２ｂのゲインを高めておく必要がある。しかしながら、このように広い周波数帯域でゲインを高めると、制御系の位相余裕が少なくなり、制御系が不安定となって発振してしまう虞れがある。

一方、制御系の安定性確保に重点を置いてゲインを小さくすると、外乱Ｔ２に対する抑圧特性のみではなく、ドリフト的な外乱Ｔ１に対する抑圧特性も不十分なものとなってしまう。なお、低周波数域のゲインのみを高めて、ドリフト的な外乱Ｔ１に対する抑圧特性を向上させることも考えられるが、このようにすると、制御開始時の応答時間も長くなり、フィラメントのオン／オフが繰り返されるような用途には適用できなくなる。

したがって、図１に示すフィラメント制御装置３０のように、フィラメントで消費される電力をリアルタイムにフィードバックする電力制御系では、制御系の安定性を維持しつつ、かつ、ドリフト的な外乱Ｔ１の影響を確実に抑制することが困難である。

一方、半導体デバイスの製造工程におけるイオン注入処理のように、１基板当りで数分間程度のイオン注入が複数の基板に対して繰返し行なわれるような処理を考えた場合、ドリフト的な外乱Ｔ１の抑制が特に重要であり、外乱Ｔ２の影響は大きな問題とはならない。

これは、ドリフト的な外乱Ｔ１は、基板毎にイオン注入状態を徐々に変化させるため、複数の基板間で見ると、デバイスの特性を大きくばらつかせてしまうからである。

一方、ランダム性の外乱Ｔ２については、１基板のイオン注入中に時々刻々の変化を与えるものの、この間で平均化して見ると、ほとんど無視することができる。これは、統計的に、ランダムノイズの平均値が「０」となることによる。

上記観点から、本発明では、ランダム性の外乱Ｔ２の影響は無視し、ドリフト的な外乱Ｔ１の影響を確実に抑制するようにして、フィラメント５の消費電力を制御し、フィラメント５から放出される熱電子量を高精度、かつ、安定して制御するようにする。また、フィラメントのオン／オフが繰り返されるような場合においても、制御開始時の応答時間を短くする。

次に、本発明のフィラメント制御装置およびこれを用いたフィラメント制御方法の具体的な実施形態１，２と、このフィラメント制御装置が質量分離機の空間電荷中和装置に搭載された本発明のイオン注入処理装置の具体例、（熱電子利用処理装置の実施形態３）を、図面を参照しながら順次説明する。
（実施形態１）
図２は、本発明の実施形態１に係るフィラメント制御装置の構成例を示すブロック図である。

図２において、本実施形態１のフィラメント制御装置１０は、フィラメント５の抵抗値を所定の時間間隔で測定する抵抗測定手段１と、第１期間Ａ中に測定した複数の抵抗値の平均値を演算する抵抗平均値演算手段としての抵抗平均値演算器２と、その平均値と電力目標値に基づいてフィラメント５に供給する電流の目標値を演算する電流目標値演算手段としての電流目標値演算器３と、第２期間Ｃ中にその電流目標値に基づいてフィラメント供給電流を制御する電流制御手段としての定電流電源４と、第１期間および第２期間の開始タイミングおよび終了タイミングを制御するタイミング制御信号（タイミングパルス）を出力するタイミング制御回路６と、このタイミング制御回路６により制御される第１スイッチ手段としての第１スイッチ７、第２スイッチ手段としての第２スイッチ８およびサンプルホールド回路９とを有している。これらのタイミング制御回路６、第１スイッチ７、第２スイッチ８およびサンプルホールド回路９により、第１期間および第２期間の各タイミングを制御するタイミング制御手段が構成されている。

抵抗測定手段１は、フィラメント５に流れる電流値Ｉ（ｔｉ）を測定する電流検出手段としての電流検出器１ａ、フィラメント５の電圧値Ｖ（ｔｉ）を測定する電圧検出手段としての電圧検出器１ｂおよび、測定された電圧値および電流値に基づいてフィラメント５の抵抗値Ｒ（ｔｉ）を演算する抵抗値算出手段としての抵抗演算器１ｃから構成されており、このフィラメント５の抵抗値Ｒ（ｔｉ）を所定の時間間隔で測定する。抵抗演算器１ｃは、電流検出器１ａにより測定された電流値Ｉ（ｔｉ）と、電圧検出器１ｂにより測定された電圧値Ｖ（ｔｉ）とを取得し、その取得した電圧値Ｖ（ｔｉ）を電流値Ｉ（ｔｉ）で除算することにより、フィラメント５の抵抗値Ｒ（ｔｉ）を算出する。

抵抗平均値演算器２は、抵抗測定手段１により、後述する第１期間Ａ中に測定された複数の抵抗値Ｒ（ｔｉ）（ｉ＝１〜ｎ）に対して、それらの平均値（抵抗平均値）Ｒａｖｅを演算する。抵抗平均値演算器２によって演算される抵抗平均値Ｒａｖｅは、
Ｒａｖｅ＝ΣＲ（ｔｉ）／ｎ （ｉ＝１〜ｎ；ｎは自然数） ・・・ （１）
のように表される。

電流目標値演算器３は、抵抗平均値演算器２により演算された抵抗平均値Ｒａｖｅと、フィラメント５の電力目標値Ｗｒｅｆとから、後述する第２期間Ｃにおいて、フィラメント５に供給すべき電流の目標値Ｉｒｅｆを演算する。電流目標値演算器３によって演算される電流目標値Ｉｒｅｆは、
Ｉｒｅｆ＝（Ｗｒｅｆ／Ｒａｖｅ）^０．５ ・・・ （２）
のように表される。

定電流電源４は、公知の定電流電源であり、後述する第２期間Ｃに電流目標値Ｉｒｅｆが設定値として与えられて、フィラメント５に流れる電流Ｉを制御する。

タイミング制御回路６は、第１期間Ａの開始タイミングおよび終了タイミングを表す各タイミングパルスＴＰ１、および、第２期間Ｃの開始タイミングを表すタイミングパルスＴＰ２をそれぞれ出力する。タイミングパルスＴＰ１は、後述する図４に示すように、第１期間Ａの間にＨｉｇｈレベルとなるパルスであり、第１期間Ａの開始タイミング（ＴＰ１の立上り）および終了タイミング（ＴＰ１の立下り）を表している。また、タイミングパルスＴＰ２は、第２期間Ｃの開始タイミング（ＴＰ２の立上り）を表している。

第１スイッチ７は、タイミングパルスＴＰ１がＨｉｇｈレベルにある第１期間Ａにおいて、抵抗測定手段１から出力される抵抗値Ｒ（ｔｉ）を示す信号を抵抗平均値演算器２に出力する。

第２スイッチ８は、タイミングパルスＴＰ１がＬｏｗレベルにある期間（第１期間Ａの終了から次の第１期間Ａの開始までの期間Ｂ）において、抵抗平均値演算器２から出力される抵抗平均値Ｒａｖｅを示す信号を電流目標値演算器３に出力する。

サンプルホールド回路９は、タイミングパルスＴＰ２の立上りタイミング（第２期間Ｃの開始タイミング）毎に、電流目標値演算器３から出力される電流目標値Ｉｒｅｆを示す信号を定電流電源４に出力する。

上記構成により、以下に、図３〜図５を参照しながらフィラメント制御装置１０の動作およびフィラメント制御装置１０によるフィラメント制御方法について説明する。

図３は、図２のフィラメント制御装置１０の動作フロー（フィラメント制御方法）について説明するための図である。図４は、図２の抵抗測定手段１から出力される抵抗値Ｒ（ｔｉ）、抵抗平均値演算器２から第２スイッチ８を介して出力される抵抗平均値Ｒａｖｅ、および電流目標値演算器３からサンプルホールド回路９を介して出力される電流目標値Ｉｒｅｆについて、各々の時間変化をタイミングパルスＴＰ１およびＴＰ２と併せて模式的に表したタイミング図である。図５は、図２のフィラメント５の消費電力Ｗを、その目標値Ｗｒｅｆと比較して示したタイミング図である。

図３の「スタート」では、図４に示すように、タイミング制御回路６から出力されるタイミングパルスＴＰ１がＨｉｇｈレベルとなり、１回目の第１期間Ａ−１が開始される。この１回目の第１期間Ａ−１においては、定電流電源４に対して、電流目標値Ｉｒｅｆの初期値Ｉｒｅｆ（０）が設定値として与えられて、定電流電源４によってフィラメント５が制御される。

次に、図３のステップＳ１の抵抗測定ステップでは、図４に示すように、電流目標値Ｉｒｅｆ（０）に基づいてフィラメント５の電流Ｉが制御された状態において、抵抗測定手段１によってフィラメント５の抵抗値Ｒ（ｔｉ）が所定の時間間隔で測定される。この間、フィラメント５には、突発的な温度上昇、被覆物の付着や剥がれなど、ランダム性の外乱Ｔ２が作用しており、抵抗値Ｒ（ｔｉ）は、図４中に白丸プロットで示すように、ランダムに変動する。抵抗測定手段１によって、第１期間Ａ−１（タイミングパルスＴＰ１がＨｉｇｈレベル（一方電圧レベル）の期間）中に測定された抵抗値Ｒ（ｔｉ）は、第１スイッチ７を介して抵抗平均値演算器２に送られる。

さらに、ステップＳ２の抵抗平均値演算ステップでは、図４に示すように、タイミングパルスＴＰ１がＬｏｗレベル（他方電圧レベル）となって第１期間Ａ−１が終了すると（期間Ｂ−１）、抵抗平均値演算器２による抵抗値Ｒ（ｔｉ）の取得が終了する。第１期間Ａ−１中に取得された複数の抵抗値Ｒ（ｔｉ）（ｉ＝１〜ｎ）に対して、上式（１）に基づいて、それらの平均値（抵抗平均値）Ｒａｖｅ（１）が演算される。なお、この複数の抵抗値Ｒ（ｔｉ）の平均化処理によって、第１期間Ａ−１中に作用したランダム性の外乱Ｔ２の影響は除外されているため、演算された抵抗平均値Ｒａｖｅ（１）は、図４中に黒丸プロットで示すように、第１期間Ａ−１におけるフィラメント５の平均的な劣化状態や温度状態を正確に反映した抵抗値となる。上記抵抗平均値Ｒａｖｅ（１）は、タイミングパルスＴＰ１がＬｏｗレベル（他方電圧レベル）の期間（期間Ｂ−１）において、第２スイッチ８を介して電流目標値演算器３に送られる。

さらに、ステップＳ３の電流目標値演算ステップでは、電流目標値演算器３によって、抵抗平均値Ｒａｖｅ（１）と電力目標値Ｗｒｅｆとから、フィラメント５に供給すべき電流目標値Ｉｒｅｆ（１）が、上式（２）に基づいて演算される。これにより、フィラメント５の経時的な劣化状態や温度状態に対応した、直前（第１期間Ａ−１）の抵抗平均値Ｒａｖｅ（１）に基づいて、電力目標値Ｗｒｅｆが電流目標値Ｉｒｅｆ（１）に変換される。上記電流目標値Ｉｒｅｆ（１）は、サンプルホールド回路９に送られる。

さらに、ステップＳ４の電流制御ステップでは、図４に示すように、タイミング制御回路６から出力されるタイミングパルスＴＰ２がＨｉｇｈレベルとなると、その立上りタイミングと同期して第２期間Ｃ−１が開始される。サンプルホールド回路９から定電流電源４に対して、電流目標値Ｉｒｅｆ（１）が送られる。定電流電源４は、第２期間Ｃ−１の間（次の第２期間Ｃ−２が開始されるまでの間）、図４中に実線で示す電流目標値Ｉｒｅｆ（１）を設定値として、フィラメント５に流れる電流Ｉを制御する。

このステップＳ４の電流制御ステップの間（第２期間Ｃ−１）に、ステップＳ４−１の抵抗測定ステップの処理（第１期間Ａ−２）が行われている。この抵抗測定ステップでは、図４に示すように、上記タイミングパルスＴＰ２の立上りタイミングと同期して、タイミングパルスＴＰ１もＨｉｇｈレベルとなる。これにより、第２期間Ｃ−１の開始と同時に、２回目の第１期間Ａ−２が開始される。以後は、ステップＳ１〜ステップＳ４と同様の動作が繰り返される。

以上のように、第１期間Ａ−１→第２期間Ｃ−１（第１期間Ａ−２）→第２期間Ｃ−２（第１期間Ａ−３）→…というように、第２期間Ｃ−ｋと次の第１期間Ａ−（ｋ＋１）とが重複しながら、第１期間Ａ−ｋと第２期間Ｃ−ｋとからなる期間が繰り返される。これにより、第２期間Ｃ−ｋ（第１期間Ａ−（ｋ＋１））における抵抗平均値Ｒａｖｅ（ｋ＋１）に基づいて、次の第２期間Ｃ−（ｋ＋１）におけるフィラメント５の電流が制御される。

なお、上記抵抗平均値Ｒａｖｅ（ｋ）は、ｋ回目の第１期間Ａ−ｋにおける抵抗平均値を示している。また、電流目標値Ｉｒｅｆ（ｋ）は、抵抗平均値Ｒａｖｅ（ｋ）に基づいて演算された電流目標値を示している。

本実施形態１のフィラメント制御装置１０およびこれを用いたフィラメント制御方法によれば、上述したように、直前（第１期間Ａ−ｋ）のフィラメント抵抗の平均値Ｒａｖｅ（ｋ）に基づいて、電力目標値Ｗｒｅｆを電流目標値Ｉｒｅｆ（ｋ）に変換し、この電流目標値Ｉｒｅｆ（ｋ）によって、これ（第１期間Ａ−ｋ）に続く第２期間Ｃ−ｋにおけるフィラメント５の電流Ｉを制御している。

ここで、上記抵抗平均値Ｒａｖｅ（ｋ）においては、平均化処理によってランダム性の外乱Ｔ２の影響が除外されている。したがって、この抵抗平均値Ｒａｖｅ（ｋ）は、第１期間Ａ−ｋにおける、フィラメント５の平均的な劣化状態や温度状態を正確に反映した抵抗値となっている。したがって、第１期間Ａの繰返し毎に得られる抵抗平均値Ｒａｖｅ（ｋ）（ｋ＝１，２，…）は、図４中の黒丸プロットで示されるように、通電時間に依存した、経時的な劣化（線細り）や経時的温度上昇など、ドリフト的な抵抗変化（外乱Ｔ１）を正確に表している。

本実施形態１では、この抵抗平均値Ｒａｖｅ（ｋ）の経時変化（ドリフト的な抵抗変化（外乱Ｔ１））に応じて、電流目標値Ｉｒｅｆ（ｋ）（ｋ＝１，２，…）を、図４中の実線で示すように変化させて、フィラメント５の電流Ｉを制御している。

この結果、ドリフト的な外乱Ｔ１（経時的な抵抗変化）の影響を確実に抑圧して、図５に示すように、消費電力Ｗを電力目標値Ｗｒｅｆと一致させることができる。

しかも、本実施形態１では、図１に示したようなリアルタイムのフィードバックによる電力制御は行っておらず、第２期間Ｃの開始毎に定電流電源４に設定値として与える電流目標値を調整しているだけであるため、制御系が不安定となる虞れはない。
また、制御開始時（第２期間Ｃの開始時）の応答時間は、定電流電源４の応答時間で決まるため、上記のように、ドリフト的な外乱Ｔ１（経時的な抵抗変化）の影響を確実に抑圧しながらも、十分に短い応答時間でフィラメントの電力を制御することができ、フィラメントのオン／オフが繰り返されるような場合においても十分に適用可能である。

したがって、本実施形態１によれば、制御系の安定性を維持しつつ、ドリフト的な外乱Ｔ１の影響を確実に抑圧して、フィラメントの消費電力を所定の値に制御することができる。このように、安定して、高精度にフィラメント電力を制御することができるため、フィラメントから放出される熱電子量を高精度、かつ、安定して制御することができる。

なお、本実施形態１では、第１期間Ａの抵抗平均値Ｒａｖｅを、後の第２期間Ｃにおける電流目標値の演算に用いているため、この間の時間的な抵抗変化が懸念されるが、第１期間Ａを適切に短い時間に設定しておけば、大きな抵抗変化は起こらず、特に問題は生じない。例えば、第１期間Ａを、フィラメント寿命時間の０．００１％以上０．１％以下に設定すればよい。例えば、このフィラメント寿命時間を５００時間とした場合には、第１期間Ａを１８秒〜３０分の範囲で、例えば分オーダとすればよい。
（実施形態１の変形例）
上記実施形態１では、第２期間Ｃ−ｋと、次の第１期間Ａ−（ｋ＋１）とが重複するように、タイミングパルスＴＰ２の立上りタイミングと同期して、タイミングパルスＴＰ１もＨｉｇｈレベルとしている。

しかしながら、第１期間Ａと第２期間Ｃのタイミングは、必ずしも上記タイミングに限らず、第１期間Ａ−ｋの後に第２期間Ｃ−ｋが続くようになっていればよい。

例えば、第１期間Ａ−１→第２期間Ｃ−１→第１期間Ａ−２→第２期間Ｃ−２→第１期間Ａ−３→…というように、第１期間Ａと第２期間Ｃとが交互に繰り返されていてもよい。この場合には、図６の動作フローに示すように、ステップＳ４の電流制御ステップの後に、ステップＳ１の抵抗測定ステップが続くように、フィラメント制御装置１０を動作させるようにすればよい。

以上により、上記実施形態１では、第１期間Ａと第２期間Ｃとからなる期間が繰り返され、第２期間Ｃが次の第１期間Ａの少なくとも一部と重複するようにタイミング制御されているが、上記実施形態１の本変形例のように、第１期間Ａと第２期間Ｃとが重複なく繰り返され、第１期間Ａの後に第２期間Ｃがくるようにタイミング制御されてもよい。

なお、タイムロスを少なくしようとすると、第２期間Ｃ−ｋを次の第１期間Ａ−（ｋ＋１）の少なくとも一部と重複させる方が好ましい。さらに好ましくは、上記実施形態１のように、第２期間Ｃ−ｋが、完全に、次の第１期間Ａ−（ｋ＋１）を含んでいる方がよい。
（実施形態２）
上記実施形態１では、抵抗平均値Ｒａｖｅ（ｋ）に基づいて、電力目標値Ｗｒｅｆを電流目標値Ｉｒｅｆ（ｋ）に変換し、この電流目標値Ｉｒｅｆ（ｋ）によって、第２期間Ｃ−ｋにおけるフィラメント５の電流Ｉを制御しているが、本実施形態２では、電力目標値Ｗｒｅｆを電圧目標値Ｖｒｅｆ（ｋ）に変換し、この電圧目標値Ｖｒｅｆ（ｋ）によって、第２期間Ｃ−ｋにおけるフィラメント５の電圧Ｖを制御する場合について説明する。この場合にも、上記実施形態１の場合と同様の本発明の効果を得ることができる。

図７は、本発明の実施形態２に係るフィラメント制御装置２０の構成例を示すブロック図である。

図７において、本実施形態２のフィラメント制御装置２０は、フィラメント制御装置１０の電流目標値演算器３の代わりに電圧目標値演算手段としての電圧目標値演算器２３を有し、さらに、定電流電源４に代えて電圧制御手段としての定電圧電源２４を有している。その他の構成は、上記実施形態１のフィラメント制御装置１０の構成例と同様であるので、ここではその説明を省略している。

本実施形態２において、電圧目標値演算器２３は、抵抗平均値演算器２により演算された抵抗平均値Ｒａｖｅと、電力目標値Ｗｒｅｆとから、フィラメント５に印加すべき電圧の目標値Ｖｒｅｆを演算する。電圧目標値演算器２３によって演算される電圧目標値Ｖｒｅｆは、
Ｖｒｅｆ＝（Ｗｒｅｆ×Ｒａｖｅ）^０．５ ・・・ （３）
のように表される。

定電圧電源２４は、第２期間Ｃに電圧目標値Ｖｒｅｆが設定値として与えられて、フィラメント５の電圧Ｖを制御する。

図８は、図７の電圧目標値演算器２３からサンプルホールド回路９を介して出力される電圧目標値Ｖｒｅｆ、抵抗測定手段１から出力される抵抗値Ｒ（ｔｉ）、および抵抗平均値演算器２から第２スイッチ８を介して出力される抵抗平均値Ｒａｖｅについて、各々の時間変化をタイミングパルスＴＰ１およびＴＰ２と併せて模式的に表したタイミング図である。

本実施形態２のフィラメント制御装置２０によれば、直前（第１期間Ａ―ｋ）のフィラメント抵抗の平均値Ｒａｖｅ（ｋ）に基づいて、電力目標値Ｗｒｅｆを電圧目標値Ｖｒｅｆ（ｋ）に変換し、この電圧目標値Ｖｒｅｆ（ｋ）によって、これ（第１期間Ａ−ｋ）に続く第２期間Ｃ−ｋにおけるフィラメント電圧Ｖを制御している。

ここで、上記抵抗平均値Ｒａｖｅ（ｋ）においては、上記実施形態１の場合と同様に、平均化処理によってランダム性の外乱Ｔ２の影響が除外されている。したがって、この抵抗平均値Ｒａｖｅ（ｋ）は、第１期間Ａ−ｋにおける、フィラメント５の平均的な劣化状態や温度状態を正確に反映した抵抗値となっている。したがって、第１期間Ａの繰返し毎に得られる抵抗平均値Ｒａｖｅ（ｋ）（ｋ＝１，２，…）は、図８中の黒丸プロットで示されるように、通電時間に依存した、経時的な劣化（線細り）や経時的温度上昇等、ドリフト的な抵抗変化（外乱Ｔ１）を正確に表している。

本実施形態２では、この抵抗平均値Ｒａｖｅ（ｋ）の経時変化（ドリフト的な抵抗変化（外乱Ｔ１））に応じて、電圧目標値Ｖｒｅｆ（ｋ）（ｋ＝１，２，…）を、図８中の実線で示すように変化させて、フィラメント５の電圧Ｖを制御している。

この結果、ドリフト的な外乱Ｔ１（経時的な抵抗変化）の影響を確実に抑圧して、消費電力Ｗを電力目標値Ｗｒｅｆと一致させることができる。
しかも、本実施形態２では、図１に示したようなリアルタイムのフィードバックによる電力制御を行っておらず、第２期間Ｃの開始毎に定電圧電源２４に設定値として与える電圧目標値を調整しているだけであるため、制御系が不安定となる虞れはない。
また、制御開始時（第２期間Ｃの開始時）の応答時間は、定電圧電源２４の応答時間で決まるため、上記のように、ドリフト的な外乱Ｔ１（経時的な抵抗変化）の影響を確実に抑圧しながらも、十分に短い応答時間でフィラメントの電力を制御することができ、フィラメントのオン／オフが繰り返されるような場合においても十分に適用可能である。

したがって、本実施形態２によれば、上記実施形態１の場合と同様に、制御系の安定性を維持しつつ、ドリフト的な外乱Ｔ１の影響を確実に抑圧して、フィラメントの消費電力を所定の値に制御することができる。このように、安定して、かつ高精度にフィラメント５への電力を制御することができる。このため、フィラメント５から放出される熱電子量を高精度、かつ、安定して制御することができる。
（実施形態３）
上記実施形態１のフィラメント制御装置１０によれば、制御系の安定性を維持しつつ、ドリフト的な外乱Ｔ１の影響を確実に抑圧して、フィラメント５の消費電力を所定の値に制御することができる。このようなフィラメント制御装置１０は、フィラメント５から放出される熱電子量を高精度、かつ、安定して制御することができるため、熱電子を利用する各種処理（熱電子利用処理）に適用することができる。

本実施形態３では、その一例として、上記実施形態１のフィラメント制御装置１０を用い、フィラメント制御装置１０によって電力制御されたフィラメント５から放出される熱電子でイオンビームの空間電荷を中和して、イオン注入処理を行うイオン注入処理装置について説明する。

図９は、本実施形態３に係るイオン注入処理装置の概略構成例を示す模式図である。

図９において、本実施形態３のイオン注入処理装置５０は、イオン源５１、質量分離機５２、中和用フィラメント５、上記実施形態１のフィラメント制御装置１０を有している。

イオン源５１は、放電などにより複数種のイオンを生成して、この複数種のイオンからなる第１イオンビームＩａを出力する。このイオン源５１は、例えば、アノード５１ａとカソード５１ｂとの間で原料ガス（例えばＨ_２希釈されたＢ_２Ｈ_６）に基づくプラズマを生成し、このプラズマ中のイオン（Ｂ_２Ｈ_ｘ ^＋、Ｂ_１Ｈ_ｘ ^＋、Ｈ_ｘ ^＋など）を、イオン源５１の出口に設けた引出電極５１ｃによって、第１イオンビームＩａとして引き出す。好ましくは、アノード５１ａとカソード５１ｂとの間にイオン源用フィラメント５１ｄが設けられており、効率的にプラズマを生成するための電子が供給される。

質量分離機５２は、イオン源５１から出力される第１イオンビームＩａを、磁場作用によって図中の軌道Ｉｂで示すように湾曲させながら、第１イオンビームＩａに含まれる、質量の異なる複数のイオン種を互いに分離する。なお、質量分離機５２には、紙面に対して直角方向に磁場Ｂが作用するように、図示しないコイルが単独で、または、ヨークを含む磁気回路として設けられている。また、質量分離機５２の出口部には、上記磁場Ｂの作用によって特定の軌道半径（または、特定範囲の軌道半径）で曲げられた特定質量のイオンのみが通過できるように、開口部５２ａが設けられている。この開口部５２ａを通過したイオンビームは、必要に応じて適宜に加速され、第２イオンビームＩｃとして出力される。この第２イオンビームＩｃによって、被処理物（例えば半導体基板）に対してイオン注入処理が行われる。

上記質量分離機５２には、中和用のフィラメント５が取り付けられており、この中和用のフィラメント５は、上記実施形態１のフィラメント制御装置１０によって、その消費電力が所定の電力目標値と一致するように制御されている。中和用のフィラメント５は、例えば、質量分離機５２のある側面から内部に向かって挿入されており、その個数は一個以上の適宜な個数とされている。

本実施形態３のイオン注入処理装置５０では、図２に示すフィラメント制御装置１０の定電流電源４によって、電流目標値Ｉｒｅｆにより中和用のフィラメント５に流れる電流Ｉが制御されている状態（第２期間Ｃにおいて、図３のステップＳ４の電流制御がなされている状態）において、被処理物（例えば半導体基板）に対するイオン注入処理が行われる。すなわち、図１０の動作フローに示すように、第２期間Ｃの繰返し毎に、イオン注入処理（ステップＳ４−２）が行われる。なお、図１０において、イオン注入処理（ステップＳ４−２）以外の動作フローは、図３に示す上記実施形態１の場合と同様であるので、ここでは、その説明を省略する。

したがって、本実施形態３のイオン注入処理装置５０によれば、上記実施形態１のフィラメント制御装置１０が、イオン注入処理装置５０の質量分離機５２に搭載されることによって、安定して、かつ高精度に中和用のフィラメント５の消費電力を制御することができる。したがって、中和用のフィラメント５から放出される熱電子量を高精度、かつ、安定して制御した状態で、イオン注入処理を行うことができる。しかも、この熱電子は、電子引出電極により引出されるものではなく、中和用のフィラメント５から放出される熱電子であるため、特定の方向性を持たず、ランダムな方向に向いている。このため、磁場Ｂの作用によりさまざまな軌道を描いて、質量分離機５２内の広い範囲に電子を分布させることができる。

本実施形態３では、このように所定量に制御され、かつ、広い範囲に分布した熱電子をイオンビームＩｂに作用させることができるため、安定して効率的に空間電荷を中和することができる。この結果、イオンビームＩｂ中の正イオン同士の反発によるイオンビームの発散が効果的に抑えられ、所望とする発散しないイオンビームを出力することができる。このようなイオンビームを用いたイオン注入を行うことにより、半導体デバイスの特性をばらつかせることなく、再現よく、信頼性の高いデバイスを製造することができる。

なお、上記実施形態３では、中和用のフィラメント５から放出される熱電子を、イオンビームの発散を抑制する目的で利用する場合について説明したが、他の用途、例えば、イオン注入時の被処理物（例えば半導体基板）の帯電防止の目的で用いることも可能である。この用途の場合には、中和用のフィラメント５、およびフィラメント制御装置１０が必ずしも質量分離機５２に搭載されている必要はなく、質量分離機５２が設けられていないイオン注入処理装置への適用も可能である。例えば、中和用のフィラメント５が被処理物（例えば半導体基板）の直上に設けられていてもよい。

また、上記実施形態３では、半導体基板にイオン注入処理を行うためのイオン注入処理装置５０に上記実施形態１のフィラメント制御装置１０を搭載する場合について説明したが、これに限らず、例えば電子ビーム加工処理を行うための電子ビーム加工処理装置に電子ビーム源として上記実施形態１のフィラメント制御装置１０を搭載することも可能であり、この場合にも、上記実施形態１，３の場合と同様の効果を得ることができる。このようなイオン注入処理装置や電子ビーム加工処理装置など、フィラメントから放出される熱電子を利用する熱電子利用処理を行う熱電子利用処理装置には、上記実施形態１のフィラメント制御装置１０の他に、上記実施形態２のフィラメント制御装置２０を搭載することもでき、この場合にも、上記実施形態２，３の場合と同様の効果を得ることができる。

以上のように、本発明の好ましい実施形態１〜３を用いて本発明を例示してきたが、本発明は、この実施形態１〜３に限定して解釈されるべきものではない。本発明は、特許請求の範囲によってのみその範囲が解釈されるべきであることが理解される。当業者は、本発明の具体的な好ましい実施形態１〜３の記載から、本発明の記載および技術常識に基づいて等価な範囲を実施することができることが理解される。本明細書において引用した特許、特許出願および文献は、その内容自体が具体的に本明細書に記載されているのと同様にその内容が本明細書に対する参考として援用されるべきであることが理解される。

本発明は、フィラメントから放出される熱電子量を、安定して高精度に制御可能とするフィラメント制御装置、フィラメント制御方法および、このフィラメント制御装置が質量分離機の空間電荷中和装置などに搭載され、フィラメントから放出される熱電子を利用する熱電子利用処理を行う例えばイオン注入処理装置や電子ビーム加工処理装置などの熱電子利用処理装置の分野において、直前の第１期間におけるフィラメントの抵抗平均値に基づいて、電力目標値を電流目標値に変換し、この電流目標値によって、続く第２期間におけるフィラメント電流を制御するか、または、直前の第１期間におけるフィラメントの抵抗平均値に基づいて、電力目標値を電圧目標値に変換し、この電圧目標値によって、続く第２期間におけるフィラメント電圧を制御することによって、通電時間に依存したフィラメントの経時的な劣化（線細り）や経時的温度上昇など、ドリフト的に変化する外乱の影響を確実に抑制して、消費電力を所定の電力目標値と一致させることができる。さらに、リアルタイムの電力制御を行わず、第２期間の開始毎に電流目標値または電圧目標値を調整しているだけなので、制御系が不安定となる虞れもない。

このように、制御系の安定性を維持しつつ、ドリフト的な外乱の影響を確実に抑制して消費電力を所定の値に制御することができるため、フィラメントから放出される熱電子量を高精度、かつ、安定して制御することができる。したがって、イオン注入処理（空間電荷中和処理）や電子ビーム加工処理などの熱電子利用処理を、再現性よく、高い信頼性をもって行うことができる。

本発明の技術思想を説明するためのフィラメント制御装置の構成例を示すブロック図である。 本発明の実施形態１に係るフィラメント制御装置の構成例を示すブロック図である。 図２のフィラメント制御装置の動作フローを示す図である。 図３のフィラメント制御装置の動作フローを説明するためのタイミング図である。 図２のフィラメント制御装置によって制御された消費電力Ｗの時間変化を示すタイミング図である。 本発明の実施形態１の変形例に係るフィラメント制御装置の動作フローを示す図である。 本発明の実施形態２に係るフィラメント制御装置の構成例を示すブロック図である。 図７のフィラメント制御装置の動作フローを説明するためのタイミング図である。 本発明の実施形態３に係るイオン注入処理装置の概略構成例を示す模式図である。 図９のイオン注入処理装置の動作フローを示す図である。 従来の空間電荷中和装置の構成例を示す模式図である。

符号の説明

１ 抵抗測定手段
１ａ 電流検出器
１ｂ 電圧検出器
１ｃ 抵抗演算器
２ 抵抗平均値演算器
３ 電流目標値演算器
４ 定電流電源
５ フィラメント
６ タイミング制御回路
７ 第１スイッチ
８ 第２スイッチ
９ サンプルホールド回路（ＳＨ）
１０，２０，３０ フィラメント制御装置
２３ 電圧目標値演算器
２４ 定電圧電源
３１ａ 電流検出器
３１ｂ 電圧検出器
３１ｃ 電力演算器
３２ａ 比較器
３２ｂ ゲイン部
３２ｃ ドライバ
３４ 電源
５０ イオン注入処理装置
５１ イオン源
５２ 質量分離機

Claims (17)

1. フィラメントで消費される電力を所定の電力目標値と一致するように制御するフィラメント制御装置であって、
   該フィラメントの抵抗値を所定の時間間隔で測定する抵抗測定手段と、
   該抵抗測定手段により第１期間中に測定された複数の該抵抗値に対して平均値を演算する抵抗平均値演算手段と、
   該抵抗平均値演算手段により演算された該平均値と該電力目標値とから、該フィラメントに供給すべき電流の目標値を演算する電流目標値演算手段と、
   第２期間中に、該電流目標値演算手段により演算された該電流の目標値と一致するように、該フィラメントに流れる電流値を制御する電流制御手段と、
   該第１期間および該第２期間のタイミングを制御するタイミング制御手段とを有するフィラメント制御装置。
2. フィラメントで消費される電力を所定の電力目標値と一致するように制御するフィラメント制御装置であって、
   該フィラメントの抵抗値を所定の時間間隔で測定する抵抗測定手段と、
   該抵抗測定手段により第１期間中に測定された複数の該抵抗値に対して平均値を演算する抵抗平均値演算手段と、
   該抵抗平均値演算手段により演算された該平均値と該電力目標値とから、該フィラメントに印加すべき電圧の目標値を演算する電圧目標値演算手段と、
   第２期間中に、該電圧目標値演算手段により演算された該電圧の目標値と一致するように、該フィラメントに印加される電圧を制御する電圧制御手段と、
   該第１期間および該第２期間のタイミングを制御するタイミング制御手段とを備えたフィラメント制御装置。
3. 前記電流制御手段は定電流電源である請求項１に記載のフィラメント制御装置。
4. 前記電圧制御手段は定電圧電源である請求項２に記載のフィラメント制御装置。
5. 前記抵抗測定手段は、前記フィラメントに流れる電流および電圧を測定する電流検出手段および電圧検出手段と、該電圧検出手段により測定された電圧値を該電流検出手段により測定された電流値で除算して前記抵抗値を算出する抵抗値算出手段とを有する請求項１または２に記載のフィラメント制御装置。
6. 前記タイミング制御手段は、前記第１期間と前記第２期間とからなる各期間が繰り返され、該第２期間が次の該第１期間の少なくとも一部と重複するように、前記タイミングを制御する請求項１または２に記載のフィラメント制御装置。
7. 前記タイミング制御手段は、前記第１期間と前記第２期間とからなる各期間が繰り返され、該各期間において、該第１期間の後に該第２期間がくるように、前記タイミングを制御する請求項１または２に記載のフィラメント制御装置。
8. 前記第１期間が前記フィラメントの寿命時間の０．００１％以上０．１％以下に設定されている請求項１、２、６および７のいずれかに記載のフィラメント制御装置。
9. 前記タイミング制御手段は、前記抵抗測定手段と前記抵抗平均値演算手段との間に設けられ、前記第１期間に、該抵抗測定手段から該抵抗平均値演算手段に信号出力可能に制御される第１スイッチ手段と、
   該抵抗平均値演算手段と前記電流目標値演算手段または前記電圧目標値演算手段との間に設けられ、該第１期間の終了後に、該抵抗平均値演算手段から該電流目標値演算手段または該電圧目標値演算手段に信号出力可能に制御される第２スイッチ手段とを更に有する請求項１、２および６〜８のいずれかに記載のフィラメント制御装置。
10. 前記タイミング制御手段は、前記電流目標値演算手段と前記電流制御手段との間または、前記電圧目標値演算手段と前記電圧制御手段との間に設けられ、前記第２期間の開始毎に、前記電流の目標値、または、前記電圧の目標値を更新するように制御されるサンプルホールド回路を更に有する請求項１、２および６〜９のいずれかに記載のフィラメント制御装置。
11. 請求項１〜１０のいずれかに記載のフィラメント制御装置が搭載されて、前記フィラメントから放出される熱電子を利用して熱電子利用処理を行う熱電子利用処理装置であって、
    前記第２期間中において、前記電流制御手段または前記電圧制御手段によって前記フィラメントの電流値または電圧値が制御された状態で該熱電子利用処理が実行される熱電子利用処理装置。
12. 前記フィラメントがイオンビームの空間電荷分布を中和するための中和用フィラメントであり、該フィラメントから放出される熱電子によってイオンビームの空間電荷分布を中和してイオン注入処理を行う請求項１１に記載の熱電子利用処理装置。
13. 前記フィラメントが電子ビームを発生させるための電子ビーム源用フィラメントであり、該フィラメントから放出される熱電子により電子ビーム加工処理を行う請求項１１に記載の熱電子利用処理装置。
14. フィラメントで消費される電力を所定の電力目標値と一致するように制御するフィラメント制御方法であって、
    該フィラメントの抵抗値を所定の時間間隔で測定する抵抗測定ステップと、
    該抵抗測定ステップで第１期間中に測定された複数の該抵抗値に対して平均値を演算する抵抗平均値演算ステップと、
    該抵抗平均値演算ステップで演算された該平均値と該電力目標値とから、該フィラメントに供給すべき電流の目標値を演算する電流目標値演算ステップと、
    第２期間中に、該電流目標値演算ステップで演算された該電流の目標値と一致するように、該フィラメントに流れる電流値を制御する電流制御ステップとを有するフィラメント制御方法。
15. フィラメントで消費される電力を所定の電力目標値と一致するように制御するフィラメント制御方法であって、
    該フィラメントの抵抗値を所定の時間間隔で測定する抵抗測定ステップと、
    該抵抗測定ステップで第１期間中に測定された複数の該抵抗値に対して平均値を演算する抵抗平均値演算ステップと、
    該抵抗平均値演算ステップで演算された該平均値と該電力目標値とから、該フィラメントに印加すべき電圧の目標値を演算する電圧目標値演算ステップと、
    第２期間中に、該電圧目標値演算ステップで演算された該電圧の目標値と一致するように、該フィラメントに印加される電圧を制御する電圧制御ステップとを有するフィラメント制御方法。
16. 前記第１期間と前記第２期間とからなる各期間が繰り返され、該第２期間が次の該第１期間の少なくとも一部と重複するようにタイミング制御する請求項１４または１５に記載のフィラメント制御方法。
17. 前記第１期間と前記第２期間とからなる各期間が繰り返され、該各期間において、該第１期間の後に該第２期間がくるようにタイミング制御する請求項１４または１５に記載のフィラメント制御方法。

Images