JP2007242460A

JP2007242460A - イオン源

Info

Publication number: JP2007242460A
Application number: JP2006064220A
Authority: JP
Inventors: Yasuyuki Tsuji; 辻　　康之
Original assignee: Mitsui Engineering and Shipbuilding Co Ltd
Current assignee: Mitsui Engineering and Shipbuilding Co Ltd
Priority date: 2006-03-09
Filing date: 2006-03-09
Publication date: 2007-09-20
Anticipated expiration: 2026-03-09
Also published as: JP4709664B2

Abstract

【課題】イオン源において、短時間でアーク放電を行い、かつ、フィラメントの溶断を防止するイオン源を提供する。
【解決手段】ガスが供給されてプラズマを生成する、内部空間を備えたチャンバ１２と、チャンバ１２と電気絶縁され、内部空間のチャンバ内壁面から突出し、内部空間に熱電子を供給するフィラメント１４と、フィラメント１４と同じ種類のフィラメントの溶断時の溶断電流を記録保持するメモリ４４ｂと、溶断電流の５０〜８０％の電流をフィラメント電流の立ち上げ時に流す電流制御部４０と、溶断電流の５０〜８０％の電流をフィラメントに流したときの抵抗値を求める計測部４２と、求めた抵抗値からフィラメントの摩耗状態を判定する判定部４４ｃと、を有する。
【選択図】図１

Description

本発明は、ガスを供給して電圧を印加することによりプラズマを生成し、このプラズマからイオビームを生成するイオン源に関する。

従来のＤＣイオン源、例えばバーナス型イオン源では、チャンバ内でアーク放電を起こし、チャンバ内に供給された原料ガスから所望のイオンを生成する。チャンバは、少なくとも一部に導体面を有する内部空間を備える。このチャンバの内部空間には、チャンバと電気絶縁され、内部空間のチャンバ内壁面から突出したフィラメントが設けられている。このフィラメントは、アーク放電するために、チャンバの内部空間に熱電子を放出する熱電子供給源である。

上記イオン源において、アーク放電を確立するまでの流れは、以下の通りである。
まず、チャンバの内部空間内に原料ガスを導入し、減圧してアーク放電に適した圧力とする。次に、チャンバの内部空間に磁場を印加する。この磁場は、チャンバの内部空間に生成されるプラズマを閉じ込め、アーク放電に適した状態でプラズマ密度を維持しやすくするために用いられる。次に、フィラメントとチャンバとの間に、例えば数十Ｖ〜百数十Ｖの電圧を印加する。この後、フィラメントに電流を流しフィラメントを白熱させる。このとき、フィラメントが白熱し熱電子がチャンバ内の内部空間に放出され始め、熱電子の放出量が一定量を超えるとアーク放電が開始する。アーク放電開始後、フィラメント電流を増加させ１０〜２０秒後、アーク放電は安定する。

図５は、従来のバーナス型イオン源にて、フィラメントの通電を開始して熱電子を放出することによって安定したアーク放電を確立するまでの、フィラメント電流とアーク放電電流の履歴を示す図である。
図５に沿って説明すると、まず、フィラメントに通電開始後、予め定められた流れに従ってフィラメント電流を制御して、すなわちフィードフォワード制御してフィラメント電流を徐々に増加させる。例えば５Ａ／秒で増加させる。フィラメント電流を徐々に増加させると、通電開始後２０〜３０秒の間に、アーク放電が始まりアーク放電電流が立ち上がる。しかし、このアーク放電の状態は不安定な発生状態である。
一方、通電開始後３０秒以降においては、アーク放電電流の計測値と目標値とのずれによりフィラメント電流を制御する。すなわちフィードバック制御してフィラメント電流を制御することにより、アーク放電を安定化させる。アーク放電が安定した後は、フィラメント電流の制御により、アーク放電電流を効率よく制御できる。しかし、上記アーク放電の不安定状態では、アーク放電電流をフィラメント電流で制御することは難しい。

また、上記フィラメントに通電開始後、２０〜３０秒の間のアーク放電の発生が不安定な状態では、図５に示されるように、フィラメント電流はオーバーシュートする。アーク放電が確実に安定して発生するために、すなわちアーク放電電流を増大させて一定値に安定させるために、フィラメント電流を徐々に増加させるとき、フィラメント電流は、制御可能な一定値に到達する前に、この一定値よりも大きな値を必要とする。図５の例では、２０〜３０秒の間で、フィラメント電流は一度１５０Ａに達し、その後１００Ａまで低下して、１１２Ａで一定値となる。
このようなオーバーシュートを回避するために、アーク放電電流が流れ始め、例えば０．１Ａを閾値としてアーク放電電流を検知したときにフィラメント電流を一定にする制御を行うと、ノイズ等による誤動作により不安定に発生するアーク放電の状態でフィラメント電流の増加を止める不具合が生じる。
一方、アーク放電電流が立ち上がり、例えば１Ａを閾値としてアーク放電電流を検知した場合、フィラメント電流の上記オーバーシュートは避けられない状態となる。
このオーバーシュートは、特にプラズマに曝され、スパッタリングにより摩耗することによって線径の細くなったフィラメントは、抵抗損が大きくなるため発熱によって自らが溶断する場合も多い。このように、アーク放電を安定的に発生させるためのフィラメント電流を得るためには、フィラメント電流はオーバーシュートを経なければならない。

このようなオーバーシュートの回避は、フィラメント電流の増加速度を低く抑えることで可能であるが、フィラメント電流の増加速度を低下させることにより、アーク放電を安定して発生させる状態に維持するまでに多くの時間を要する。イオン注入装置に用いるイオン源は、可能な限り短時間で作動するように立ち上げることが望まれているが、上記オーバーシュートを回避するためにフィラメント電流の増加速度を低くすることは、短時間でプラズマを生成して、イオンビームを生成するイオン注入装置にとって好ましくない。

下記特許文献１には、フィラメント電流が微小電流のときに、フィラメントの抵抗値を見積もり、フィラメントの摩耗状態を判断し、この判断した状態から、フィラメント電流の増分速度の高低を設定するフィラメント電流の制御方法が開示されている。しかし、この制御方法では、必ずしも摩耗により線径が細くなったフィラメントの溶断を抑えることができないといった問題がある。
また、イオン源を用いるイオン注入装置の場合、フィラメント電流をある一定の状態から低下させる場合もあるが、この場合、フィラメント周辺の回路部分はすでに加熱されているので、フィラメント周辺の回路部分が加熱されていない場合と比べてフィラメント周辺の状態は著しく異なっている。この抵抗値は、フィラメントの抵抗値を含むが、温度の影響を受けて変化した回路抵抗値をも含むため、フィラメントの摩耗状態を精度よく判断することはできない。

特開平８−２２７６７７号公報

そこで、本発明は、上記問題点を解決するために、短時間でアーク放電を行い、かつ、フィラメントの溶断を防止することのできるイオン源を提供することを目的とする。

上記目的を達成するために、本発明は、ガスを供給して電圧を印加することによりプラズマを生成し、このプラズマからイオビームを生成するイオン源であって、ガスが供給されてプラズマを生成する、少なくとも一部に導体面を有する内部空間を備えたチャンバと、
前記チャンバと電気絶縁され、前記内部空間のチャンバ内壁面から突出し、通電することにより前記内部空間に熱電子を放出するフィラメントと、前記フィラメントと同じサイズ及び同じ種類のフィラメントが前記内部空間に生成されるプラズマにより摩耗することにより線径が細くなり、フィラメントの発熱によりフィラメント自体が溶断する時の溶断電流を記録保持する記録部と、前記溶断電流の５０〜８０％の電流をフィラメントの通電開始時に流す電流制御部と、フィラメントに前記溶断電流の５０〜８０％の電流を流したときの抵抗値を求める計測部と、求めた抵抗値から前記フィラメントの摩耗状態を判定する判定部と、を有することを特徴とするイオン源を提供する。

その際、前記計測部は、前記溶断電流の５０〜８０％の電流を流す通電開始から一定時間後の前記抵抗値を計測し、この計測結果から前記フィラメントの熱平衡により収束したときの抵抗値を推定することが好ましい。

あるいは、前記計測部は、前記溶断電流の５０〜８０％の電流を流す通電開始から一定時間毎に前記抵抗値を計測し、これらの抵抗値の時間変化から、前記フィラメントが熱平衡により収束したときの抵抗値を推定することも好ましい。

本発明のイオン源では、摩耗末期のフィラメントの溶断電流の５０〜８０％の電流を、フィラメントの通電開始時に流し、そのときの抵抗値を求め、この抵抗値から、フィラメントが溶断する程度にフィラメントが摩耗したか否かを正確に判定する。このため、フィラメント電流の増加速度を抵抗値に応じて変化させることができ、短時間で安定したアーク放電の発生状態を達成し、かつフィラメントの溶断を防止することができる。

以下、本発明のイオン源について、添付の図面に示される好適実施形態を基に詳細に説明する。

図１は、本発明のイオン源の一実施形態の構成を示す断面図である。
イオン源１０は、原料ガスを供給しアーク放電することによりプラズマを生成し、このプラズマからイオンを取り出すことによりイオビームを生成するバーナス型イオン源である。イオン源１０は、図１に示す様に、チャンバ１２、フィラメント１４、反射電極板（リペラープレート）１６、背面電極板１８、絶縁部材２０、原料ガス供給口２２、イオンビーム取出口２４、および所定の電圧を印加する引出電源２６、アーク電源２８、フィラメント電源３０、原料ガス調整バルブ３２、電流制御部４０、計測部４２、及びコンピュータ４４を有して構成される。チャンバ１２は、図示されないイオン注入装置の減圧容器内に収納され、チャンバ１２内で１０^−２〜１０^−３（Ｐａ）に減圧された状態とされる。コンピュータ４４には、ＣＰＵ４４ａ、メモリ４４ｂ及び判定部４４ｃを有し、この他にイオン源１０の動作を制御する図示されない制御部を有する。

チャンバ１２は、耐高温性を有する導電性材料、例えばタングステン、モリブデン、タンタル、炭素等によって構成され、直方体形状の内部空間３４を有する放電箱である。
チャンバ１２の内部空間３４の内壁面には、一方の端面から内部空間３４に突出するフィラメント１４が設けられ、他方の端面には反射電極板１６が設けられ、フィラメント１４が反射電極板１６に対向するように配置されている。フィラメント１４は、タングステン等の抵抗導体線が１〜数回螺旋状に巻かれて折り返された発熱素子体である。

フィラメント１４と内壁面の端面との間には背面電極板１８が設けられ、カソードプレートとなっている。フィラメント１４には、フィラメント１４から熱電子を放出するように、フィラメント１４の両端間に所定の電圧、例えば数Ｖ〜１０数Ｖを印加することでフィラメント電流を流すフィラメント電源３０が設けられ、２０００℃程度に加熱されて白熱したフィラメント１４から内部空間３４に熱電子を放出する。また、フィラメント１４の負極側の端と導電性を有するチャンバ１２との間にアーク電圧を印加するように、アーク電源２８が設けられている。アーク電圧は、チャンバ１２の電位がフィラメント１４の電位に対して高くなるようにアーク電圧が数１０〜１００Ｖが印加され、プラズマが発生することによりアーク放電電流が流れる。なお、フィラメント１４と導電性を有するチャンバ１２との間は、それぞれ絶縁性部材２０によって電気絶縁されている。

反射電極板１６は、フィラメント１４に対向するように内部空間３４に設けられ、反射電極板１６に向かって移動する熱電子を反射する反射板である。反射電極板１６とチャンバ１２との間は、絶縁性部材２０によって電気絶縁されている。反射電極板１６は、フィラメント電源３０の負極と接続されている。なお、フィラメント１４に対して反射電極板１６の方向と反対方向にある背面電極板１８は、フィラメント１４の陰極と接続されており、背面電極板１８と反射電極板１６は同電位となるように、フィラメント電源３０の負極と接続されている。
一方、チャンバ１２の外側には、背面電極板１８、フィラメント１４および反射電極板１６の配置方向（図１中のＸ方向）に沿って磁場が形成されるようにＮ極、Ｓ極の磁石３６、３８が設けられている。
また、内部空間３４の内壁面には、原料ガス供給口２２が設けられ、供給管４２を介して図示されないガス供給源と接続され、原料ガス調整バルブ３２を介して原料ガスの供給が調整されるようになっている。
さらに、チャンバ１２には、生成したイオンを引き出す開口部と、この開口部近傍にイオンビームとしてイオンを引き出す引出電極（板）４６が設けられている。

電流制御部４０は、コンピュータ４４の制御指示に従って所定のフィラメント電流を流すための制御信号を生成し、この制御信号をフィラメント電源３０に与えて、フィラメント電流を制御する部位である。
計測部４２は、フィラメント１４による電圧低下を計測することによりフィラメント１４の両端間の抵抗値を求めるとともに、フィラメント１４の正極とチャンバ１２との間を流れるアーク放電電流を計測する部位である。これらの計測結果は、コンピュータ４４に供給される。
コンピュータ４４は、イオン源１０全体の作動を制御管理するとともに、イオン源の使用とともにスパッタにより摩耗して線径が細くなるフィラメントの現在の摩耗状態を判定し、この判定結果に応じてフィラメント１４に流す電流の制御信号を生成する部位である。具体的には、コンピュータ４４は、各種演算処理を実行するＣＰＵ４４ａ、各種情報を保持するメモリ４４ｂ及びフィラメントの摩耗状態を判定する判定部４４ｃを有する。判定部４４ｃは、コンピュータ４４にてプログラムを実行することにより機能するサブルーチンにて構成される。勿論この他に、イオン源１０全体の作動を制御管理する機能も有する。

コンピュータ４４は、フィラメントの通電開始前、まず、電流制御部４０に対して、フィラメント電流の制御信号を生成するが、そのフィラメント電流の制御信号は、フィラメント１４の通電開始時、溶断電流の５０〜８０％の電流を急激に立ち上げてフィラメント１４に流すように制御する。さらに、フィラメント１４に通電したときの計測部４２で計測される抵抗値の値に応じて、フィラメント電流の増加速度を制御するように電流制御部４０に指示する。
メモリ４４ｂは、計測部４２で計測された抵抗値及びアーク放電電流の計測結果を記録保持するとともに、フィラメント１０と同じサイズ、同じ種類のフィラメントがプラズマのスパッタにより摩耗することにより線径が細くなり、フィラメントの発熱によりフィラメント自体が溶断する時の溶断電流を記録保持する。この溶断電流は、イオン源のインストール時からメモリ４４ｂ内に記憶し設定しておいてもよく、あるいは現在装着されているフィラメント１４ではなくフィラメント１４以前に装着されて用いられた以前のフィラメントの溶断直前に抵抗値を計測したときのフィラメント電流を記録保持するように構成してもよい。

コンピュータ４４は、メモリ４４ｂに予め記録保持されている溶断電流から、この溶断電流の５０〜８０％の電流をフィラメントに流すように、電流制御部４０に指示する。
判定部４４ｃは、溶断電流の５０〜８０％の電流をフィラメント１４に流したときの計測部４２にて求められる抵抗値を用いて、フィラメント１４の摩耗状態を判定する。

本発明では、フィラメント１４の摩耗状態を判定するために、溶断電流の５０〜８０％のフィラメント電流を流したときの抵抗値を用いることを特徴とする。上述した特許文献１では、フィラメントに微小電流を流してそのときの抵抗値を測定する点で異なる。
具体的には、溶断電流の５０〜８０％のフィラメント電流は、フィラメント１４を自らの発熱により白熱して高温化状態とするので、プラズマを安定状態で発生するときのフィラメントの使用状態に近くなる。本発明は、この状態におけるフィラメント１４の両端間の抵抗値を求める。したがって、判定部４４ｃは、アーク放電が安定的に行われてプラズマが安定して生成される状態になるまでのフィラメント電流のオーバーシュートに耐えられるか否かを精度良く判定することができる。

図２（ａ），（ｂ）は、フィラメント電流と抵抗値との関係を示す図である。図２（ａ）は、フィラメント１４が新品の時の電流を流したときのもので、抵抗値の応答を示す図である。図２（ｂ）は、フィラメント１４が摩耗して線径が細くなり寿命末期のもので、電流を流したときの抵抗値の応答を示す図である。図２（ａ），（ｂ）に示すように計測部４２で計測される抵抗値は緩和過程を示し、最終的に一定値に漸近する。通常、プラズマを安定的に発生させて維持するには、１４０〜１６０Ａのフィラメント電流が必要である。一方、イオン源１０を用いるイオン注入装置は、イオンビームを生成して基板にイオン注入する処理を迅速に行う生産に用いられることから、この緩和過程により抵抗値がある値に漸近するのを待つことは生産効率の点から好ましくない。このため、判定部４４ｃは、例えば通電開始後１０〜２０秒後における抵抗値を求め、これから抵抗値が漸近したときの値を見積もる。

判定部４４ｃは、さらに、計測部４２にて求めた抵抗値を予め設定された設定値と比較し、抵抗値が設定値に比べて高い場合、フィラメント１４は摩耗して溶断し易い状態になっていると判定する。前述の特許文献１では、フィラメントに予め定められた微小電流を流し、そのときのフィラメントの抵抗値を求めるが、このとき、フィラメントの摩耗状態の判定を精度良くできない。
図２（ａ）に示すフィラメント１４が新品の時の抵抗値とフィラメント電流との関係と、図２（ｂ）に示すフィラメント１４が寿命末期の抵抗値とフィラメント電流との関係とを比較すると、新品時と寿命末期の差異は明確に示される。具体的には、フィラメント１４が発熱する状態とは程遠い微小電流（２０Ａ）のフィラメント電流では、抵抗値は新品の時５ｍΩであり（図２（ａ）参照）、摩耗末期では１０ｍΩであり（図２（ｂ）参照）、摩耗による抵抗の増加は５ｍΩ程度と小さい。このため、判定部４４ｃは精度のよい判定は困難である。しかし、例えば、フィラメント１４が白熱する状態となるフィラメント電流が６０Ａの場合、抵抗値は新品の時６ｍΩに（図２（ａ）参照）、摩耗末期では２１ｍΩに（図２（ｂ）参照）漸近し、摩耗による抵抗の増加は１５ｍΩ以上となる。フィラメント電流が６０Ａを超える場合でも同様の傾向であり、フィラメント１４が白熱する状態では摩耗による抵抗の増加が大きいため、判定部４４ｃは精度のよい判定を容易に行うことができる。

一方、計測部４２は、フィラメント１４の両端間の抵抗値を計測するが、この抵抗値には、フィラメント自体の抵抗の他に、フィラメントの接続抵抗を含むフィラメント電源３０の回路抵抗が含まれている。フィラメント１４の抵抗値は、フィラメントの線径が２ｍｍと大きいため、フィラメントが白熱しない状態では抵抗値が極めて低い。このため、白熱しない状態では、フィラメント１４の抵抗値と回路抵抗値は同程度である。このため、計測した抵抗値は、フィラメント１４の抵抗値と乖離したものとなっている。また、回路抵抗に含まれるフィラメント１４の装着時の接触抵抗もフィラメント１４の装着毎に変化するため、回路抵抗値と略同等レベルのフィラメント１４の抵抗値では、計測した抵抗値からフィラメント１４の摩耗状態を精度良く判定することはできない。

本発明では、フィラメント１４が２０００℃に白熱した状態では、その抵抗値は白熱しない状態のフィラメント１４の抵抗値に比べて１０倍程度増加する。このため、白熱したフィラメント１４は、回路抵抗値に比べて抵抗値が高くなることから、計測された抵抗値はフィラメント１４の抵抗値に近い値を示す。このため、計測した抵抗値によって、フィラメント１４の抵抗値を精度良く見積もることができ、フィラメント１４の摩耗状態を正確に判定することができる。例えば、微小電流を流したときのフィラメントの抵抗値は１．６ｍΩ、回路抵抗値は３．４ｍΩであり、計測される抵抗値は５ｍΩとなる。一方、フィラメントに溶断電流の５０〜８０％の電流が流れている場合、フィラメントの抵抗値は１６ｍΩ、回路抵抗値は３．４ｍΩであり、計測される抵抗値は２０ｍΩとなる。計測される抵抗値は、溶断電流の５０〜８０％の電流を流したときの抵抗値の方が近い値を示すことがわかる。

図３は、横軸をフィラメント電流、縦軸を計測される抵抗値を採ったグラフを示している。新品時のフィラメントの場合、６０Ａ付近でフィラメント電流の増分に対する抵抗値の増分が大きくなることから、フィラメントは６０Ａ付近から発熱により抵抗値が増加しているといえる（図３中の線Ｌ₂）。一方、寿命末期のフィラメント（図３中の線Ｌ₁）は、４０Ａ付近からフィラメント電流の増分に対する抵抗値の増分が大きくなる。このことから、このフィラメントは４０Ａ付近から発熱により抵抗値が増加したといえる。したがって、新品時のフィラメント及び寿命末期のフィラメントにおける計測される抵抗値を比較した場合、図３中の斜線部分において抵抗値に大きな差が生じる。したがって、摩耗状態が不明なフィラメントであっても、斜線領域の一定のフィラメント電流を流し、そのときのフィラメント両端間の抵抗値を計測することで、摩耗状態に応じて抵抗値が大きな差となって現れる。したがって、この抵抗値を用いることで、フィラメントの摩耗状態を正確に判定することができる。
このような斜線領域におけるフィラメント電流は、摩耗により寿命末期とされるフィラメントの溶断電流の５０〜８０％である。図３の例では、新品時のフィラメントが発熱により抵抗値を増大させる６０Ａを下限とし、フィラメント電流が寿命末期のフィラメントであってもオーバーシュートしない８０Ａを上限とすることが好ましい。より好ましくは７０〜８０Ａの範囲をフィラメント電流とする。

判定部４４ｃは、計測された抵抗値を用いてフィラメント１４の摩耗状態が寿命末期か、否かを判定する。寿命末期とは、アーク放電が安定して発生し維持されるためにフィラメント電流がオーバーシュートしたとき溶断する可能性があることを意味する。判定部４４ｃは、予め設定された値と比較し、抵抗値が設定された値を超える場合、フィラメント１４の摩耗状態が寿命末期に近いと判定する。
コンピュータ４４は、この判定結果に基づいて、フィラメント電流の制御の指示を電流制御部４０に送る。フィラメント１４が寿命末期に近いと判定された場合、フィラメント電流の増加速度を下げてオーバーシュートを可能な限り小さくする。
このようにして、フィラメント１４の摩耗状態に応じて、フィラメント電流の増加速度を変化させることで、フィラメント１４が溶断せずに、効率よく安定したアーク放電を発生させ維持させることができる。

図４は、フィラメント１４への通電開始から、プラズマが安定して発生する状態にいたるまでの流れを示すフローチャートである。
まず、メモリ４４ｂに記録された溶断電流の値が呼び出されて溶断電流の５０〜８０％の範囲の一定値、例えば６０％が設定され、溶断電流に一定値を乗算した電流値が通電開始時のフィラメント電流として設定される（ステップＳ１０）。コンピュータ４４は、設定された電流値に応じた指示を電流制御部４０に出す。電流制御部４０は、この指示に応じた制御信号を生成し、フィラメント電源３０のフィラメント電流を制御する。例えば、設定されるフィラメント電流は７０〜８０Ａである。

次に、制御信号に従ったフィラメント電流がフィラメント１４に流され、フィラメント電流が１０〜２０秒間維持される（ステップＳ２０）。
この間に、計測部４２では、フィラメント１４の両端間の電圧が測定され、抵抗値が推定算出される（ステップＳ３０）。抵抗値は、フィラメント電流が一定値を保つ１０〜２０秒の間に複数回計測され、複数回計測した抵抗値が平均される。この平均値を予め設定された１次緩和過程に基づく関数に入力されて、抵抗値が漸近して一定値になるときの抵抗値が推定算出される。すなわち、フィラメント電流の通電開始から一定時間経過後のフィラメント１４の両端間の抵抗値を計測し、フィラメント１４が熱平衡により収束したときの抵抗値を推定して求める。上記１次緩和過程に基づく関数の替わりに、参照テーブルを参照して、抵抗値が推定算出されてもよい。
フィラメント１４が発熱し白熱した状態では、フィラメントの温度が周辺部品に伝熱して、周辺部品の温度も上昇するため、フィラメント１４の温度変化はフィラメントの周辺部品の熱伝導率及び熱容量に依存する。したがって、同一のイオン源であれば、フィラメントの発熱量を一定にすることでフィラメントの温度は常に一定の時間で静定する。このため、フィラメントに一定の電流を流してそのときの抵抗値を求めることにより、静定したときのフィラメント１４の両端間の抵抗値を推定することができる。
なお、本発明においては、計測部４２は、フィラメント電流を通電開始から一定時間毎に抵抗値を計測し、この抵抗値の過渡変化から、フィラメント１４が熱平衡により収束したときの抵抗値を推定して求めてもよい。

推定された抵抗値の結果はコンピュータ４４の判定部４４ｃに送られ、フィラメント１４の摩耗状態が判定される（ステップＳ４０）。抵抗値が予め定められた値より高い場合、フィラメント１４の線径は細くフィラメント１４のスパッタによる摩耗は大きいとされ、摩耗による寿命末期と判定される。
次に、この判定結果に応じて、フィラメント電流を増加させるときの増加速度が設定される（ステップＳ５０）。判定結果で、フィラメントが摩耗による寿命末期と判定される場合、フィラメントでは、新品時のフィラメントと同様のフィラメント電流の増加速度を与えると、フィラメント電流が大きなオーバーシュートを引き起こしてフィラメント自体が溶断する可能性が高い。このため、フィラメント電流は、新品時のフィラメントに与えるフィラメント電流の増加速度よりも低い増加速度で増加させる。例えば、新品時のフィラメントの場合の増加速度が２（Ａ／秒）とすると、０．５（Ａ／秒）と設定される。
一方、抵抗値が予め定められた値以下の場合、新品時と同様のフィラメント電流の増加速度で制御してもフィラメントは溶断しないとされ、新品時のフィラメントに与えるフィラメント電流の増加速度と同じ増加速度、例えば２（Ａ／秒）が設定される。

このようにフィラメントが寿命末期の場合、アーク放電が安定して発生する状態に至る間に、時間とともに上昇するフィラメント電流でフィラメント自体が溶断しないように、フィラメント電流の増加速度を抑える。フィラメントの摩耗の判定を行わずに一律にフィラメント電流の増加速度を低く設定すると、例えば０．５Ａ／秒とすると、安定したアーク放電を発生させるフィラメント電流１１０Ａ程度に到達するには、３〜４分の時間を要する。イオン源の立ち上げは、原料ガスの供給、イオン源のパラメータの設定、及びプラズマの安定化を含めたトータルの時間は３分以下であることが要求されていることから、アーク放電を安定して発生させるフィラメント電流１１０Ａの状態に到達するまでに要する時間を３〜４分とすることは、好ましくない。
又、白熱したフィラメントでは、微小電流を流した場合に比べて抵抗値が大きくなり、フィラメントの抵抗値に近い値を示すので、フィラメントの摩耗状態を精度良く判定することができる。
こうして、フィラメント電流を設定した増加速度で上昇させることにより、チャンバ１２内の雰囲気は、フィラメントが溶断することなく、しかも安定してアーク放電が発生する状態に効率よく到達される（ステップＳ６０）。

図３に示すように、新品時のフィラメントの場合、計測される抵抗値は、フィラメント電流が６０Ａ付近まで、５〜８ｍΩであるが、６０Ａを越すと抵抗値が立ち上がる。一方、寿命末期のフィラメントの場合、計測される抵抗値は、フィラメント電流が４０Ａ付近まで、１０〜１２ｍΩであるが、４０Ａを越すと抵抗値が立ち上がる。そして、フィラメント電流１００Ａ付近で溶断する。そこで、フィラメントに溶断前の６０〜８０Ａの領域（図３中の斜線領域）、すなわち、溶断電流の５０〜８０％のフィラメント電流における抵抗値を計測することで、この抵抗値からフィラメントの摩耗状態がどの段階に該当するかを判定することができる。上述の特許文献１ではフィラメント電流を微小電流とした場合、５〜１０ｍΩの範囲で変化するが、回路抵抗値の変化やフィラメントの装着状態による接続抵抗の変化は、この範囲を上回る場合もある。このため、フィラメント電流を微小電流とした場合、フィラメントの摩耗状態を誤判定する場合がある。

このように、本発明では、フィラメント電流の増加速度の設定を、フィラメント及び回路抵抗を含んだ抵抗値を用いて行うが、この抵抗値は、従来方法の微小電流における抵抗値とは異なり、フィラメントが白熱した状態の抵抗値であって、寿命末期のフィラメントが溶断する溶断電流の５０〜８０％のフィラメント電流を流したときのフィラメント両端間の抵抗値である。

以上、本発明のイオン源について詳細に説明したが、本発明は上記実施形態に限定されず、本発明の主旨を逸脱しない範囲において、種々の改良や変更をしてもよいのはもちろんである。

本発明のイオン源の一形態の構成を示す断面図である。（ａ），（ｂ）は、フィラメント電流と計測される抵抗値との関係を示す図である。フィラメント電流と抵抗値との関係を示す図である。フィラメントへの通電開始から、プラズマが安定して発声する状態にいたるまでの流れを示すフローチャートである。従来のバーナス型イオン源にて、安定したアーク放電を確立するまでの、フィラメント電流とアーク放電電流の履歴を示す図である。

符号の説明

１０イオン源
１２チャンバ
１４フィラメント
１６反射電極板
１８背面電極板
２０絶縁部材
２２原料ガス供給口
２４イオンビーム取出口
２６引出電源
２８アーク電源
３０フィラメント電源
３２原料ガス調整バルブ
３４内部空間
３６，３８磁石
４０電流制御部
４２計測部
４４コンピュータ
４６引出電極（板）

Claims

ガスを供給して電圧を印加することによりプラズマを生成し、このプラズマからイオビームを生成するイオン源であって、
ガスが供給されてプラズマを生成する、少なくとも一部に導体面を有する内部空間を備えたチャンバと、
前記チャンバと電気絶縁され、前記内部空間のチャンバ内壁面から突出し、通電することにより前記内部空間に熱電子を放出するフィラメントと、
前記フィラメントと同じサイズ及び同じ種類のフィラメントが前記内部空間に生成されるプラズマにより摩耗することにより線径が細くなり、フィラメントの発熱によりフィラメント自体が溶断する時の溶断電流を記録保持する記録部と、
前記溶断電流の５０〜８０％の電流をフィラメントの通電開始時に流す電流制御部と、
フィラメントに前記溶断電流の５０〜８０％の電流を流したときの抵抗値を求める計測部と、
求めた抵抗値から前記フィラメントの摩耗状態を判定する判定部と、を有することを特徴とするイオン源。
前記計測部は、前記溶断電流の５０〜８０％の電流を流す通電開始から一定時間後の前記抵抗値を計測し、この計測結果から前記フィラメントの熱平衡により収束したときの抵抗値を推定する請求項１に記載のイオン源。
前記計測部は、前記溶断電流の５０〜８０％の電流を流す通電開始から一定時間毎に前記抵抗値を計測し、これらの抵抗値の時間変化から、前記フィラメントが熱平衡により収束したときの抵抗値を推定する請求項１に記載のイオン源。