JP2013098143A - イオン源電極のクリーニング装置 - Google Patents
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Abstract
【課題】 イオン源の引出し電極系を構成する電極の広い領域に亘って高速で堆積物を除去することができるクリーニング装置を提供する。
【解決手段】 引出し電極系１０の相対向する二つの電極１１、１２間にクリーニングガス４８を供給して当該電極間のガス圧をグロー放電を発生させるガス圧に保つクリーニングガス源４２等の手段と、両電極１１、１２間に直流電圧を印加してグロー放電８０を発生させるグロー放電電源６０とを備えている。かつ、所定時間内の電極１１、１２間の異常放電の発生回数Ｎを測定する異常放電測定器８４と、それで測定した異常放電の発生回数Ｎを用いてグロー放電電源６０の出力電流Ｉg を所定幅ずつ増減させる制御を行う電源制御器８６とを備えている。
【選択図】 図２
【解決手段】 引出し電極系１０の相対向する二つの電極１１、１２間にクリーニングガス４８を供給して当該電極間のガス圧をグロー放電を発生させるガス圧に保つクリーニングガス源４２等の手段と、両電極１１、１２間に直流電圧を印加してグロー放電８０を発生させるグロー放電電源６０とを備えている。かつ、所定時間内の電極１１、１２間の異常放電の発生回数Ｎを測定する異常放電測定器８４と、それで測定した異常放電の発生回数Ｎを用いてグロー放電電源６０の出力電流Ｉg を所定幅ずつ増減させる制御を行う電源制御器８６とを備えている。
【選択図】 図２
Description
この発明は、イオン源の引出し電極系を構成する複数の電極の内の相対向する二つの電極を、当該イオン源からイオンビームを引き出していない時にクリーニングするクリーニング装置に関する。なお、この明細書において、単にイオンと言う場合は、正イオンを指す。
イオン源からイオンビームを引き出す運転を続けると、その引出し電極系を構成する電極に堆積物が堆積（付着）する。それを放置しておくと、電極間の異常放電等の不具合を惹き起こす。
そこで、イオン源電極をクリーニングする技術の一例として、イオン化ガスの代わりに希ガスをイオン源のプラズマ室内に供給して、当該希ガスのイオンビームを引き出し、かつガス流量と引出し電圧のいずれか一方または両方を調整することによってイオンビームのビーム径を調整し、それによって、イオンビームを電極表面に堆積した堆積物に衝突させて、堆積物をスパッタによって除去するクリーニング技術が従来から提案されている（例えば特許文献１参照）。
上記従来のクリーニング技術では、希ガスのイオンビームを電極表面の堆積物に衝突させることによって堆積物を除去するのであるが、イオン源のプラズマ室内に供給する希ガスのガス流量や、引出し電極系に印加する引出し電圧をどのように調整しても、堆積物が除去される領域は、電極の孔（イオン引出し孔）周辺に限定されるので、それ以外の領域に堆積した堆積物を除去することはできない。従って、堆積物を除去することのできる領域が狭い。
また、イオン源のプラズマ室内のプラズマからイオンビームとして引き出され、各電極に照射されるイオンビーム電流の上限値は、原理上、そのイオン源の最大イオンビーム電流程度であるので、大きくてもせいぜい数百ｍＡ程度にしかできず、従って堆積物の高速除去は困難である。
そこでこの発明は、イオン源の引出し電極系を構成する電極の広い領域に亘って高速で堆積物を除去することができるクリーニング装置を提供することを主たる目的としている。
この発明に係るクリーニング装置は、イオン源の引出し電極系を構成する複数の電極の内の相対向する二つの電極を、当該イオン源からイオンビームを引き出していない時にクリーニングするクリーニング装置であって、
クリーニング時に、少なくとも前記相対向する二つの電極間にクリーニングガスを供給して、当該電極間のガス圧をグロー放電を発生させるガス圧に保つ放電雰囲気形成手段と、
クリーニング時に、前記相対向する二つの電極間に直流電圧を印加して当該電極間に前記クリーニングガスのグロー放電を発生させるグロー放電電源と、
クリーニング時の前記グロー放電電源の出力電流または出力電圧の大きさを測定して、前記相対向する二つの電極間における異常放電を検出すると共に、所定時間内の当該異常放電の発生回数を測定する異常放電測定手段と、
前記異常放電測定手段で測定した前記所定時間内の異常放電の発生回数を用いて前記グロー放電電源の出力電流を制御するものであって、（ａ）クリーニング開始時は前記グロー放電電源の出力電流を所定の初期値に制御し、（ｂ）前記異常放電の発生回数が所定の第１下限値よりも小さいときは前記グロー放電電源の出力電流を、所定の到達目標値を上限として、所定の第１増加幅だけ増加させ、（ｃ）前記異常放電の発生回数が所定の上限値よりも大きいときは前記グロー放電電源の出力電流を、前記初期値を下限として、所定の減少幅だけ減少させ、（ｄ）前記異常放電の発生回数が前記第１下限値以上かつ前記上限値以下のときは前記グロー放電電源の出力電流を維持する制御を行う電源制御手段とを備えている、ことを特徴としている。
クリーニング時に、少なくとも前記相対向する二つの電極間にクリーニングガスを供給して、当該電極間のガス圧をグロー放電を発生させるガス圧に保つ放電雰囲気形成手段と、
クリーニング時に、前記相対向する二つの電極間に直流電圧を印加して当該電極間に前記クリーニングガスのグロー放電を発生させるグロー放電電源と、
クリーニング時の前記グロー放電電源の出力電流または出力電圧の大きさを測定して、前記相対向する二つの電極間における異常放電を検出すると共に、所定時間内の当該異常放電の発生回数を測定する異常放電測定手段と、
前記異常放電測定手段で測定した前記所定時間内の異常放電の発生回数を用いて前記グロー放電電源の出力電流を制御するものであって、（ａ）クリーニング開始時は前記グロー放電電源の出力電流を所定の初期値に制御し、（ｂ）前記異常放電の発生回数が所定の第１下限値よりも小さいときは前記グロー放電電源の出力電流を、所定の到達目標値を上限として、所定の第１増加幅だけ増加させ、（ｃ）前記異常放電の発生回数が所定の上限値よりも大きいときは前記グロー放電電源の出力電流を、前記初期値を下限として、所定の減少幅だけ減少させ、（ｄ）前記異常放電の発生回数が前記第１下限値以上かつ前記上限値以下のときは前記グロー放電電源の出力電流を維持する制御を行う電源制御手段とを備えている、ことを特徴としている。
このクリーニング装置によれば、クリーニング時に、引出し電極系を構成する相対向する二つの電極間にグロー放電を発生させることができる。このグロー放電によってクリーニングガスのプラズマが生成され、当該プラズマ中のイオンによるスパッタおよび当該プラズマ中の活性粒子との化学反応等によって、前記相対向する二つの電極表面に堆積している堆積物が除去される。即ち、両電極のクリーニングを行うことができる。
しかも、前記異常放電測定手段および電源制御手段の働きによって、前記二つの電極間における異常放電の頻発を防止しつつ、大きな電流でグロー放電を発生させることができるので、両手段を設けていない場合に比べて、より安定してより強力なクリーニングを行うことができる。
前記電源制御手段は、前記異常放電の発生回数が前記第１下限値より小さい第２下限値よりも小さいときに、前記グロー放電電源の出力電流を、前記到達目標値を上限として、かつ前記第１増加幅に優先させて、前記第１増加幅よりも大きい第２増加幅だけ増加させる制御を行う機能を更に有していても良い。
前記電源制御手段は、前記グロー放電電源の出力電流を前記第２増加幅だけ増加させる制御を行った結果、前記グロー放電電源の出力電流が前記到達目標値に到達したときに、クリーニングの終了を表すクリーニング終了信号を出力する機能を更に有していても良い。
請求項１に記載の発明によれば、クリーニング時に、引出し電極系を構成する相対向する二つの電極間にグロー放電を発生させて、このグロー放電によって両電極のクリーニングを行うことができる。
しかも、上記グロー放電は、電圧を印加している二つの電極間のほぼ全体に発生するので、グロー放電によるプラズマが発生している側の電極面のほぼ全体がプラズマに曝される。従って、イオン引出し孔の周辺に限定されることなく、両電極の広い領域に亘って堆積物を除去することができる。
また、上記グロー放電の放電電流は、容易に、イオン源の最大イオンビーム電流よりも遥かに大きな値にすることができるので、従来のクリーニング技術よりも高速で堆積物を除去することができる。
更に、異常放電測定手段および電源制御手段の働きによって、前記二つの電極間における異常放電の頻発を防止しつつ、大きな電流でグロー放電を発生させることができるので、両手段を設けていない場合に比べて、より安定してより強力なクリーニングを行うことができる。
請求項２に記載の発明によれば次の更なる効果を奏する。即ち、異常放電の発生回数が少ないときにはグロー放電電源の出力電流を大きな幅で増加させることができるので、異常放電の頻発を防止しつつ、グロー放電電源の出力電流をより速く到達目標値に到達させることができる。その結果、クリーニングを早く進めることができるので、クリーニング時間を短縮することができる。
請求項３に記載の発明によれば次の更なる効果を奏する。即ち、クリーニング時間を計測するタイマー等に依らなくても、クリーニングの終了を判定することができる。しかも、異常放電の発生回数が少ないときにはグロー放電電源の出力電流が早く到達目標値に到達して早くクリーニング終了信号が出力されるので、この信号を用いることによって、電極の汚れが少なくて異常放電の発生回数が少ないときに、無駄なクリーニングを行うことなく早くクリーニングを終了させることができる。従って、クリーニングに要する時間を短縮することができる。
この発明に係るクリーニング装置の一例を備えているイオン源装置の例を図１、図２に示す。図１はイオンビーム引き出し時の状態を示し、図２はクリーニング時の状態を示す。
このイオン源装置を構成するイオン源２は、イオン化ガス３８が導入され当該イオン化ガス３８を電離させてプラズマ６を生成するプラズマ生成部４と、このプラズマ生成部４内のプラズマ６から電界の作用でイオンビーム２０を引き出す引出し電極系１０とを備えている。
プラズマ生成部４は、この例では、プラズマ生成容器５内に設けられたフィラメント８から熱電子を放出させて、当該フィラメント８と陽極を兼ねるプラズマ生成容器５との間で放電（アーク放電）を生じさせて、イオン化ガス３８を電離させてプラズマ６を生成するものである。フィラメント８にその加熱用のフィラメント電源５０が接続されており、フィラメント８の一端とプラズマ生成容器５との間に前者を負極側にしてアーク放電発生用のアーク電源５２が接続されている。
但し、プラズマ生成部４は、このタイプに限られるものではない。フィラメント８の数も図示例のような一つに限られるものではない。例えば、フィラメント８を複数有していても良い。また、高周波放電によってイオン化ガス３８を電離させてプラズマ６を生成するタイプ等でも良い。
イオン化ガス３８は、この例では、イオン化ガス源３２から流量調節器３４、バルブ３６およびガス導入口７を経由してプラズマ生成容器５内に導入される。
イオン化ガス３８は、所望のドーパント、例えばホウ素（Ｂ）、リン（Ｐ）またはヒ素（Ａs ）を含むガスであり、例えば、フッ化ホウ素ガス（ＢＦ3 ）、水素希釈ジボランガス（Ｂ2Ｈ6 ／Ｈ2 ）、水素希釈ホスフィンガス（ＰＨ3 ／Ｈ2 ）または水素希釈アルシンガス（ＡsＨ3 ／Ｈ2 ）等である。
引出し電極系１０は、この例では、イオンビーム引出し方向の最上流側（換言すれば最プラズマ側）から下流側に向けて配置された４枚の電極、即ち第１電極（これはプラズマ電極とも呼ばれる）１１、第２電極（これは引出し電極とも呼ばれる）１２、第３電極（これは抑制電極とも呼ばれる）１３および第４電極（これは接地電極とも呼ばれる）１４を有している。１６は絶縁物であるが、その他の絶縁物の図示は省略している。電極は、４枚に限られるものではなく、２枚、３枚等でも良い。各電極１１〜１４は、イオン引出し孔１５をそれぞれ有している。イオン引出し孔１５は、例えば、複数の（多数の）孔でも良いし、１以上のスリットでも良い。
なお、引出し電極系１０を構成する各電極１１〜１４間の間隔は、図示の都合上、広げて図示している。他の図においても同様である。
プラズマ生成部４（より具体的にはそのプラズマ生成容器５）の前部は、真空排気装置３０によってバルブ２８を介して真空排気されるイオン源チャンバー２２、２３に取り付けられており、引出し電極系１０はこのイオン源チャンバー２２、２３内に収納されている。イオン源チャンバー２２と２３との間は、加速電源５８の出力電圧に相当する電圧を絶縁するために、絶縁物２４によって絶縁されている。イオン源チャンバー２３には、引出し電極系１０および上記バルブ２８よりも下流側の位置に、イオン源２の保守点検作業等に供するために、そこを仕切るバルブ（ゲートバルブ）２６が設けられている。
引出し電極系１０の第１電極１１は、この例では、上記アーク電源５２の負極側に接続されている。プラズマ生成容器５と接地電位部との間に、前者を正極側にして、主としてイオンビーム２０のエネルギーを決める加速電源５８が接続されている。第２電極１２とプラズマ生成容器５との間に、前者を負極側にしかつ後述する切換スイッチ７１を介して、主としてプラズマ６からイオンを引き出すための引出し電源５４が接続されている。第３電極１３と接地電位部との間に、前者を負極側にしかつ後述する切換スイッチ７２を介して、主として下流側からの逆流電子抑制のための抑制電源５６が接続されている。第４電極１４は接地されている。
このイオン源装置は、イオン源２からイオンビーム２０を引き出していない時に、引出し電極系１０を構成する複数の電極１１〜１４の内の相対向する二つの電極（図１、図２の例では第１電極１１および第２電極１２）をクリーニングするクリーニング装置を備えており、イオン源２からのイオンビーム２０の引き出しと、上記電極１１、１２のクリーニングとを切り換えて行うことができる。
クリーニング装置は、クリーニング時に、少なくとも前記相対向する二つの電極１１、１２間にクリーニングガス４８（図２参照）を供給して、当該電極１１、１２間のガス圧をグロー放電を発生させるガス圧に保つ放電雰囲気形成手段と、当該電極１１、１２間に直流電圧を印加して当該電極１１、１２間にクリーニングガス４８のグロー放電８０（直流グロー放電。図２参照）を発生させるグロー放電電源６０とを備えている。
まず、上記放電雰囲気形成手段について詳述すると、この実施形態では、クリーニングガス源４２、流量調節器４４およびバルブ４６を有するクリーニングガス供給手段を設けて、この例では上記ガス導入口７を経由して、プラズマ生成容器５内にクリーニングガス４８を供給することができるようにしている。このクリーニングガス４８は、上記位置に設けられた真空排気装置３０によって真空排気されることも手伝って、第１電極１１等のイオン引出し孔１５を通して引出し電極系１０の各電極間に拡散して当該各電極間にも供給される。もちろん、上記電極１１、１２間にも供給される。
クリーニングガス４８には、グロー放電８０を発生させたときに電極表面に堆積物を生成しにくいガスを用いるのが好ましい。例えば、クリーニングガス４８は、水素ガス、アルゴン等の不活性ガス（希ガスとも言う）またはこれらの混合ガスである。不活性ガスは、Ａr 以外のＨe 、Ｎe 、Ｋr 、Ｘe でも良い。クリーニングガス４８に水素ガスを用いると、電極表面から除去された堆積物は水素と結合して水素化合物を作る等して、真空排気装置３０によって外部に排出されやすくなるという利点がある。
クリーニング時に、真空排気装置３０によって引出し電極系１０を収納しているイオン源チャンバー２２、２３内をイオンビーム引き出し時よりも小さい排気速度で排気するのが好ましく、そのためにこの実施形態では、上記バルブ２８に並列に、当該バルブ２８よりも開口面積が小さくてコンダクタンスの小さいバルブ２９を設けている。この真空排気装置３０およびバルブ２９によって、上記電極１１、１２間のガス圧を、グロー放電８０を発生させるのに都合の良いガス圧に保つことができる。
電極１１、１２間のガス圧は、大地電位部のイオン源チャンバー２３に接続している真空計３１によって測定することができる。即ち、クリーニング時は、バルブ２８を閉じてコンダクタンスの小さいバルブ２９を経由してイオン源チャンバー２２、２３内を排気するので、引出し電極系１０を収納しているイオン源チャンバー２２、２３内はほぼ同一の圧力になり、従って上記真空計３１によって引出し電極系１０の各電極間のガス圧を測定することができる。
具体的には、クリーニング時に、プラズマ生成容器５内に導入するクリーニングガス４８の流量、真空排気装置３０による排気速度等を調整して、第１電極１１と第２電極１２との間のガス圧を、イオンビーム引き出し時のガス圧（例えば１Ｐａ未満）よりも高く保つ。より具体的には、クリーニングガス４８のグロー放電８０を発生させるのに都合の良いガス圧に保つ。例えば、１Ｐａ〜１０００Ｐａ程度に保つ。
なお、第１電極１１と第２電極１２との間のガス圧を上記ガス圧に保つためには、上記排気は必ずしも必要ではなく、例えば、バルブ２６、２８、２９を閉じておいて、クリーニングガス４８を一定量流した後に止めることによって、上記ガス圧を維持することもできる。もっとも、クリーニングによって発生した反応ガスを排出する観点からは、この実施形態のように上記排気を行う手段（真空排気装置３０およびバルブ２９を含む排気手段）を併用するのが好ましい。後述する他の実施形態においても同様である。
次に、グロー放電電源６０について説明すると、上記第１電極１１と第２電極１２との間に、イオンビーム引出し方向側の電極である第２電極１２をマイナス側とする直流電圧を印加して、両電極１１、１２間にクリーニングガス４８のグロー放電８０を発生させる直流のグロー放電電源６０を設けている。このグロー放電電源６０の出力電圧は、例えば、数百Ｖ〜数ｋＶ、より具体的には１００Ｖ〜１ｋＶ程度である。
またこの例では、イオンビーム２０の引き出しと、電極のクリーニングとを切り換えるために、スイッチ７０〜７３を設けている。切換スイッチ７１は、第２電極１２を、引出し電源５４側と、抵抗器６４を介してのグロー放電電源６０側とに切り換える。切換スイッチ７２は、第３電極１３を、抑制電源５６側と、抵抗器６６を介しての接地側とに切り換える。スイッチ７０、７３は、プラズマ生成容器５、第１電極１１等を接地電位にするためのものである。なお、スイッチ７０、７３を閉じる時は、当然、電源５２、５８の出力電圧を予め０にしておく。
イオンビーム２０を引き出す時の状態を図１に示す。この場合は、バルブ２６は開いておく。そして、バルブ２９を閉じかつバルブ２８を開いておいて、真空排気装置３０によってイオン源チャンバー２２、２３内を真空排気する。バルブ４６を閉じかつバルブ３６を開いておいて、プラズマ生成容器５内にイオン化ガス３８を導入する。スイッチ７０、７３は開いておき、切換スイッチ７１は引出し電源５４側に、切換スイッチ７２は抑制電源５６側に切り換えておく。
これによって、プラズマ生成部４（より具体的にはそのプラズマ生成容器５）内でイオン化ガス３８を電離させてプラズマ６を生成し、当該プラズマ６から引出し電極系１０によってイオンビーム２０を引き出すことができる。
電極のクリーニングを行う時の状態を図２に示す。この場合は、バルブ２６は閉じておく。そして、バルブ２８を閉じかつバルブ２９を開いて、真空排気装置３０によってイオン源チャンバー２２、２３内を小さい排気速度で排気する。また、バルブ３６を閉じる代わりにバルブ４６を開いて、プラズマ生成容器５内にイオン化ガス３８の代わりにクリーニングガス４８を導入する。これによって、前述したように、プラズマ生成容器５内に導入されたクリーニングガス４８は少なくとも第１電極１１と第２電極１２との間に供給される。このとき、プラズマ生成容器５内に導入するクリーニングガス４８の流量、真空排気装置３０による排気速度等を調整して、第１電極１１と第２電極１２との間のガス圧を、前述したようにクリーニングガス４８のグロー放電８０を発生させるのに都合の良いガス圧に保つ。
更に、切換スイッチ７１をグロー放電電源６０側（具体的には抵抗器６４側）に切り換え、かつスイッチ７０を閉じて、第１電極１１と第２電極１２との間に、後者をマイナス側にして、グロー放電電源６０から直流電圧を印加して、両電極１１、１２間にクリーニングガス４８のグロー放電８０を発生させる。また、切換スイッチ７２は抵抗器６６側に切り換え、スイッチ７３は閉じておく。
上記第１電極１１と第２電極１２との間に発生させたグロー放電８０によってクリーニングガス４８のプラズマが生成され、当該プラズマ中のイオンによるスパッタおよび当該プラズマ中のラジカル等の活性粒子との化学反応等によって、両電極１１、１２表面に堆積している堆積物が除去される。即ち、両電極１１、１２のクリーニングを行うことができる。
しかも、上記グロー放電８０は、電圧を印加している第１電極１１と第２電極１２との間のほぼ全体に発生するので、グロー放電８０によるプラズマが発生している側の電極面（即ち第１電極１１の背面１１ｂおよび第２電極１２の正面１２ａ）のほぼ全体がプラズマに曝される。従って、イオン引出し孔１５の周辺に限定されることなく、両電極１１、１２の広い領域に亘って堆積物を除去することができる。
また、上記グロー放電８０の放電電流（即ちグロー放電時のグロー放電電源６０の出力電流Ｉg 。以下同様）は、容易に、イオン源２の最大イオンビーム電流よりも遥かに大きな値にすることができるので、従来のクリーニング技術よりも高速で堆積物を除去することができる。
これをより詳しく説明すると、グロー放電プラズマの密度が高いほど、当該プラズマ中のイオンおよび活性粒子の密度は高くなるので、堆積物の除去速度は速くなる。従って、プラズマ密度の指標であるグロー放電電流が大きいほど、堆積物の除去速度は速くなる。例えば、フラットパネルディスプレイ（ＦＰＤ）製造のためのイオンドーピング装置用のイオン源装置を用いた実験によると、前述した従来のクリーニング技術に相当する方法で第２電極１２にイオンビームを衝突させた場合、その時のイオンビーム電流は２００ｍＡ程度が限度であった。これに対して、本クリーニング装置による場合のグロー放電電流は、例えば２〜４Ａ程度という大きな値を実現することができる。
なお、電極１１、１２への堆積物の堆積量は、イオンビームが当たる側の面である正面１２ａの方が、それに対向する電極１１の背面１１ｂよりも遥かに多くなる。そこで、グロー放電８０を発生させる電圧を、図２に示す例のように、イオンビーム引出し方向側の電極である第２電極１２をマイナス側とする直流電圧にすると、グロー放電８０によるプラズマ中のイオンは、マイナス側の電極すなわち第２電極１２の正面１２ａに専ら入射して衝突するので、堆積物が多く堆積する当該正面１２ａの堆積物除去を優先して行うことができる。従って、クリーニングをより効率良く行うことができる。
クリーニングガス４８は、図１、図２に示す例のように供給すると、ガス導入口７をイオン化ガス３８と兼用することができるという利点があるけれども、第１電極１１と第２電極１２との間にクリーニングガス４８を供給するためには、例えば図８に示す例のように、イオン源チャンバー２２（または２３）の壁面からその内部にクリーニングガス４８を導入しても良い。図７に示す例の場合も同様である。
第１電極１１と第２電極１２との間のガス圧をグロー放電８０の発生に都合の良いものに調整するためには、図２に示す例のように、バルブ２６、２８を閉じ、バルブ２９を経由して真空排気装置３０によって小さい排気速度で排気するのが実際的で好ましいけれども、もちろん、これ以外の手段で第１電極１１と第２電極１２との間のガス圧を調整しても良い。
第３電極１３を切換スイッチ７２を介して接地すると、グロー放電電源６０から、第２電極１２と第３電極１３との間にも電圧が印加される。そこで、電極１１、１２間でグロー放電８０を優先的に発生させるためには、図２に示す例のように、第３電極１３を高抵抗値の抵抗器６６を介して接地するのが好ましい。そのようにすると、仮に、第２電極１２と第３電極１３との間でプラズマが発生すると当該プラズマ中の、イオンよりも移動度の高い電子が第３電極１３に多く入射して第３電極１３が負に帯電する結果、第２電極１２と第３電極１３との間の電位差が下がるので、両電極１２、１３間でプラズマが発生するのを抑制することができる。
クリーニング後は、図１に示した状態に戻すことによって、イオン源２からイオンビーム２０を引き出すことができる。上記イオンビーム２０を引き出す状態と電極のクリーニングを行う状態との切り換えは、例えば、運転員による作業によって行っても良いし、後述する制御装置９０内の制御器８８等を用いて行っても良い。
次に、上記電極１１、１２間の異常放電を検出してグロー放電電源６０の出力電流Ｉg を制御する手段について説明する。
クリーニング時に発生させるグロー放電８０の安定性は、電極１１、１２の汚れの影響を受け、汚れが著しい場合には電極１１、１２間に異常放電（具体的にはアーキング。以下同様）が頻発する。異常放電からグロー放電電源６０を守るために、通常は、図１、図２等に示す例のように、グロー放電電源６０に直列に抵抗器６４を挿入して限流抵抗の働きをさせている。しかしこの抵抗器６４の抵抗値を大きくすると、グロー放電８０が点灯しにくくなる、抵抗器６４での発熱量が大きくなり、効率が悪くなると共に抵抗器６４の冷却が必要になる、抵抗器６４の保護が必要になる等の不都合があるので、あまり大きな抵抗値にはできず、抵抗器６４だけではグロー放電電源６０の保護は十分ではない。そこで、アーキングから電源６０を守るために、グロー放電電源６０には、過電流を検出して過度のアーキング発生時には電源出力を一定期間カットし、連続してアーキングが生じないようにする機構が備わっている場合もある。
ところが、クリーニング時間の短縮という観点からすると、アーキング発生時の電源出力のカット期間はクリーニングに寄与しない期間となるので、カット期間が長くなるのは好ましくない。そこで、なるべくアーキングが発生しないように抑えた出力電流Ｉg でクリーニングを進めなくてはならないが、クリーニング時のグロー放電電源６０の出力電流Ｉg を小さくするとクリーニング作用が弱くなってしまう。クリーニング作用を強化するためにクリーニング時の出力電流Ｉg を大きくしようとすると、少しの汚れであってもアーキングが発生してしまい、安定してクリーニングを行うことができなくなる。これは、クリーニング時の出力電流Ｉg すなわちグロー放電８０の放電電流を大きくすると、電極１１、１２間の電圧が上昇し、それによってアーキングが発生する可能性が高まるからである。
そこでこのような課題を解決するために、このクリーニング装置は、クリーニング時のグロー放電電源６０の出力電流Ｉg の大きさを測定して、上記電極１１、１２間における異常放電を検出すると共に、所定時間内の当該異常放電の発生回数Ｎを測定する異常放電測定器８４（異常放電測定手段）と、当該異常放電測定器８４で測定した所定時間内の異常放電の発生回数Ｎを用いてグロー放電電源６０の出力電流Ｉg を制御する電源制御器８６（電源制御手段）とを備えている。
異常放電測定器８４および電源制御器８６は、この例では制御装置９０内に組み込まれている。制御装置９０は、この例では、その他の制御を行う制御器８８も有している。但し、異常放電測定器８４および電源制御器８６を制御装置９０内に組み込むことや、制御器８８を有していることは、この発明に必須の事項ではない。
クリーニング時のグロー放電電源６０の出力電流Ｉg は、この例では、電流検出器８２によって検出して異常放電測定器８４に与えられる。但しこの電流検出器８２を設ける代わりに、グロー放電電源６０からその出力電流Ｉg を表す信号を取り出して、それを異常放電測定器８４に与えるようにしても良い。
電源制御器８６は、グロー放電電源６０に指令値Ｉc を与えて、グロー放電電源６０の出力電流Ｉg が当該指令値Ｉc になるように制御する。具体的にはこの電源制御器８６は、（ａ）クリーニング開始時はグロー放電電源６０の出力電流Ｉg を所定の初期値に制御し、（ｂ）異常放電測定器８４で測定した異常放電の発生回数Ｎが所定の第１下限値よりも小さいときはグロー放電電源６０の出力電流Ｉg を、所定の到達目標値を上限として、所定の第１増加幅だけ増加させ、（ｃ）異常放電の発生回数Ｎが所定の上限値よりも大きいときはグロー放電電源６０の出力電流Ｉg を、前記初期値を下限として、所定の減少幅だけ減少させ、（ｄ）異常放電の発生回数Ｎが前記第１下限値以上かつ前記上限値以下のときはグロー放電電源６０の出力電流Ｉg を維持する制御を行う。
クリーニング時の異常放電測定器８４および電源制御器８６の動作の具体例を図３を参照して説明する。ステップ１０１〜１０６が異常放電測定器８４における動作、ステップ１００、１０８〜１１０が電源制御器８６における動作である。
クリーニング時には、まず、グロー放電電源６０の出力電流Ｉg を所定の初期値Ｉi （図６も参照）に制御する（ステップ１００）。それと共に、グロー放電電源６０の出力電流Ｉg の測定も行う（ステップ１０１）。上記初期値Ｉi は、例えば０．２Ａであるが、これに限られるものではない。
次いで、異常放電測定器８４内の、異常放電発生回数を数えるカウンタを０にして（ステップ１０２）、上記所定時間内を計るタイマーを始動する（ステップ１０３）。このタイマーで計る時間は、例えば５秒であるが、これに限られるものではない。
次いで、測定した出力電流Ｉg がそのときのグロー放電電源６０に対する指令値Ｉc の所定倍（この例では１．１倍）より大きいか否かを判定する（ステップ１０４）。大きいときは異常放電と判定し、上記カウンタの異常放電発生回数を１増加させる（ステップ１０５）。大きくないときはステップ１０６に進む。上記所定倍は、１．１倍に限られるものではなく、それ以外の値でも良い。
ステップ１０６において、上記タイマーの時間（５秒）が経過したか否かを判定し、経過していなければステップ１０４に戻り、経過したならばステップ１０７に進む。
上記ステップ１０１〜１０６によって、異常放電測定器８４は、上記電極１１、１２間における異常放電を検出すると共に、所定時間（５秒）内の異常放電の発生回数Ｎを測定することができる。そしてそれを、以下に述べるようにグロー放電電源６０の出力電流Ｉg の制御に用いる。異常放電の発生には不確定な要素が関係しているので、単に異常放電の発生の有無を判定するのではなく、上記のように所定時間内の異常放電の発生回数Ｎを判定することによって、異常放電発生の判定を慎重に行うことができる。
ステップ１０７において、上記判定した異常放電の発生回数Ｎが第１下限値よりも小さいか否かを判定する。この第１下限値は、例えば５回であるが、これに限られるものではない。小さいときはステップ１０８に進んで、グロー放電電源６０の出力電流Ｉg を所定の第１増加幅だけ増加させる。この第１増加幅は、例えば０．１Ａであるが、これに限られるものではない。但し、グロー放電電源６０の出力電流Ｉg は所定の到達目標値Ｉt （図６も参照）が上限であり、これを超えるような増加はさせない。到達目標値Ｉt は、例えばレシピの一部として、外部から電源制御器８６に与えられる。到達目標値Ｉt は、例えば３．４Ａであるが、これに限られるものではない。
ステップ１０７における判定がＮＯであれば、即ち異常放電の発生回数Ｎが第１下限値より小さくなければ、ステップ１０９に進んで、異常放電の発生回数Ｎが所定の上限値よりも大きいか否かを判定する。この上限値は、例えば１０回であるが、これに限られるものではない。大きいときはステップ１１０に進んで、グロー放電電源６０の出力電流Ｉg を所定の減少幅だけ減少させる。この減少幅は、例えば上記第１増加幅と同じ０．１Ａであるが、それと異なる値にしても良い。但し、グロー放電電源６０の出力電流Ｉg は上記初期値Ｉi が下限であり、これを下回るような減少はさせない。
ステップ１０９における判定がＮＯであれば、異常放電の発生回数Ｎは第１下限値以上かつ上限値以下（この例では５回以上１０回以下）であり、その場合はグロー放電電源６０の出力電流Ｉg を変更せずに、そのときの出力電流Ｉg を維持したままステップ１０１に戻り、以降は上記と同様の動作を、ステップ１１１においてクリーニングの終了が判定されるまで繰り返す。
ステップ１１１におけるクリーニング終了判定は、例えば、タイマーによってクリーニング開始から所定時間（例えば２０分）が経過したか否かによって判定する。このステップ１１１の判定を行うタイマーは、例えば電源制御器８６内に設けておいても良いし、制御装置９０内の他の箇所、例えば制御器８８内に設けておいても良い。また、ステップ１１１において、クリーニング時間経過以外の方法でクリーニングの終了を判定しても良い。例えば運転員の判断で終了するようにしても良い。
図３に示す制御を行ったときのグロー放電電源６０の出力電流Ｉg の変化を測定した結果の一例を図６に示す。この例のクリーニング時間は２０分（１２００秒）とした。
グロー放電電源６０の出力電流Ｉg は初期値Ｉi （０．２Ａ）から始めている。クリーニングの初期は電極が汚れているので、異常放電が頻発している（符号Ａで示すように出力電流Ｉg がベース値からインパルス状に増大しているのが異常放電発生を表しており、それが頻発している）。
クリーニング時間が経過するにつれて、クリーニングが進んで電極の汚れが減るので、異常放電の発生回数が減り、それに伴って出力電流Ｉg が徐々に上昇している（これは図３中のステップ１０７、１０８等の動作による）。
しかし、出力電流Ｉg が増加し過ぎると異常放電の発生回数が増える場合があり、その結果、この例では図６中の時間ｔ1 、ｔ2 付近において出力電流Ｉg が一旦減少している（これは図３中のステップ１０９、１１０等の動作による）。
その後は、上記と同様に、クリーニングが進んで電極の汚れが減るので、異常放電の発生回数が減り、それに伴って出力電流Ｉg は再び徐々に上昇している。
そして、出力電流Ｉg はクリーニングの終わり近くで到達目標値Ｉt （３．４Ａ）に到達し、その値が維持されている。この頃には異常放電の発生回数も減っている。そして、クリーニング開始から２０分（１２００秒）経過でクリーニングを終了した。
なお、図６において、出力電流Ｉg が符号Ｂで示すようにインパルス状に０近くまで頻繁に減少しているのは、この実験に用いたグロー放電電源６０は、前述したようにアーキングが頻発すると出力を一定期間（例えば１００ｍ秒）カットする保護回路を有しているからであり、上記電源制御器８６の制御によるものではない。グロー放電電源６０がこのような保護回路を有していることは、この発明に係るクリーニング装置に必須のものではない。また、グロー放電電源６０がこのような保護回路を有していても、上記異常放電測定器８４および電源制御器８６を設けていない場合は、前述したように、グロー放電電源６０内の保護回路による出力カットの頻度がこの図６の例よりも増大して出力カット期間が長くなる。
以上のように、電極１１、１２間の異常放電を検出してグロー放電電源６０の出力電流Ｉg を制御する異常放電測定器８４および電源制御器８６を備えていることによって、二つの電極１１、１２間における異常放電の頻発を防止しつつ、クリーニング時のグロー放電電源６０の出力電流Ｉg を大きくして、大きな電流でグロー放電８０を発生させることができるので、異常放電測定器８４および電源制御器８６を設けていない場合に比べて、より安定してより強力なクリーニングを行うことができる。
なお、相対向する二つの電極間（上記例では電極１１、１２間）に異常放電が発生するとグロー放電電源６０の出力電圧が低下する現象も生じるので、上記例のようにグロー放電電源６０の出力電流Ｉg の大きさによって異常放電を検出する代わりに、グロー放電電源６０の出力電圧の大きさを測定することによって、具体的にはグロー放電電源６０の出力電圧を測定して当該出力電圧が所定割合よりも低下したことを検出することによって、相対向する二つの電極間における異常放電を検出しても良い。具体的にはこの出力電圧低下の判定を、上記ステップ１０４において行うようにしても良い。後述する他の実施形態においても同様である。例えば、図４、図５中のステップ１１４において、上記出力電圧低下の判定を行うようにしても良い。
次に、他の実施形態を、上記実施形態との相違点を主体に説明する。
電源制御器８６は、異常放電測定器８４で測定した異常放電の発生回数Ｎが前記第１下限値より小さい第２下限値よりも小さいときに、グロー放電電源６０の出力電流Ｉg を、前記到達目標値Ｉt を上限として、かつ前記第１増加幅に優先させて、前記第１増加幅よりも大きい第２増加幅だけ増加させる制御を行う機能を更に有していても良い。
電源制御器８６が上記機能を有している場合の異常放電測定器８４および電源制御器８６の動作の例を図４に示す。図３に示したステップに加えて、ステップ１１２〜１１８を有している。
ステップ１１２〜１１６は、図３に示したステップ１０２〜１０６と同じ内容の処理であるので、その上記説明を参照するものとし、ここでは重複説明を省略する。また、ステップ１１２〜１１６を省略して、ステップ１１７を、図３に示したステップ１０６のＹＥＳの判断に（即ち所定時間内の異常放電の発生回数Ｎを測定した後に）続けても良い。これは、後述する図５においても同様である。
ステップ１１７において、上記測定した異常放電発生回数Ｎが、上記第１下限値（例えば５回）より小さい第２下限値（例えば２回）よりも小さいか否かを判定する。小さいときはステップ１１８に進んで、グロー放電電源６０の出力電流Ｉg を、上記第１増加幅（例えば０．２Ａ）に優先させて、当該第１増加幅よりも大きい第２増加幅（例えば０．５Ａ）だけ増加させる。即ち、図３中のステップ１０８においてもグロー放電電源６０の出力電流Ｉg を第１増加幅だけ増加させようとするけれども、このステップ１１８の処理を優先させて、出力電流Ｉg を第２増加幅だけ増加させる。但しこの場合も、グロー放電電源６０の出力電流Ｉg は所定の到達目標値Ｉt が上限であり、これを超えるような増加はさせない。
ステップ１１７における判定がＮＯの場合はステップ１１１に進む。それ以降は図３に示した動作と同じである。
この実施形態の場合は、異常放電の発生回数Ｎが少ないときにはグロー放電電源６０の出力電流Ｉg を大きな幅で増加させることができるので、異常放電の頻発を防止しつつ、グロー放電電源６０の出力電流Ｉg をより速く到達目標値に到達させることができる。その結果、クリーニングを早く進めることができるので、クリーニング時間を短縮することができる。例えば、イオン源２（具体的にはその引出し電極系１０）を分解して清掃した直後等のように、電極１１、１２の汚れが少なくて綺麗な場合は、異常放電の発生回数が少ないので、グロー放電電源６０の出力電流Ｉg を速く到達目標値に到達させることができる。
なお、イオン源２を長時間使用したこと等によって電極１１、１２の汚れが進んでいる場合は、図４中の左側半分のルーチンで、即ち図３を参照して説明した動作でクリーニングが行われる。
電源制御器８６は、グロー放電電源６０の出力電流Ｉg を上記第２増加幅だけ増加させる制御を行った結果、グロー放電電源６０の出力電流Ｉg が到達目標値Ｉt に到達したときに、クリーニングの終了を表すクリーニング終了信号を出力する機能を更に有していても良い。
電源制御器８６が上記機能を有している場合の異常放電測定器８４および電源制御器８６の動作の例を図５に示す。図４に示したステップに加えて、ステップ１１９、１２０を有している。
ステップ１１８においてグロー放電電源６０の出力電流Ｉg を第２増加幅だけ増加させる（但し到達目標値Ｉt が上限）制御を行った後、当該出力電流Ｉg が到達目標値Ｉt に到達しているか否かを判定する（ステップ１１９）。到達していれば、クリーニングの終了を表すクリーニング終了信号を出力する（ステップ１２０）。このクリーニング終了信号を用いてクリーニングを終了させることができる。到達していなければ、ステップ１１１に進んで、図３、図４を参照して説明した動作でクリーニングが行われる。
この実施形態の場合は、クリーニング時間を計測するタイマー等に依らなくても、クリーニングの終了を判定することができる。しかも、異常放電の発生回数が少ないときにはグロー放電電源６０の出力電流Ｉg が早く到達目標値Ｉt に到達して早くクリーニング終了信号が出力されるので、この信号を用いることによって、電極の汚れが少なくて異常放電の発生回数が少ないときに、無駄なクリーニングを行うことなく早くクリーニングを終了させることができる。従って、クリーニングに要する時間を短縮することができる。
なお、上記第３電極１３は、第２電極１２よりも下流側にあるので、イオンビーム引き出しに伴う第３電極１３への堆積物の堆積量は第２電極１２への堆積量よりも少ないけれども、前述した相対向する二つの電極を第２電極１２および第３電極１３として、上記と同様の手段によって、両電極１２、１３間にグロー放電８０を発生させて両電極１２、１３のクリーニングを行うようにしても良い。
その場合の例を図７に示す。図２に示した例との相違点を主体に説明すると、上記グロー放電電源６０および抵抗器６４を切換スイッチ７２側に接続して、クリーニング時は切換スイッチ７２をグロー放電電源６０側（具体的には抵抗器６４側）に切り換える。また、第２電極１２を接地電位にするスイッチ７４を設けておいて、クリーニング時はそれを閉じる。このとき、当然、引出し電源５４の出力電圧は予め０にしておく。
クリーニング時は、図２の実施形態の場合と同様にして、少なくとも両電極１２、１３間にクリーニングガス４８を供給して、両電極１２、１３間のガス圧をグロー放電８０を発生させるガス圧に保つようにする。
グロー放電電源６０の出力電流Ｉg の測定、制御等は、図２の実施形態の場合と同様に、異常放電測定器８４および電源制御器８６によって行う。これらの動作は前述したものと同様である。
この図７の実施形態の場合は、両電極１２、１３のクリーニングに関して、図２の実施形態の場合の作用効果と同様の作用効果を奏することができる。グロー放電電源６０から、イオンビーム引出し方向の第３電極１３をマイナス側にして直流電圧を印加することの効果も、前述したとおりである。
第４電極１４への堆積物の堆積量は通常は少ないので、第４電極１４をクリーニングする必要性はあまり高くないけれども、必要に応じて、前述した相対向する二つの電極を第３電極１３および第４電極１４として、上記と同様の手段によって、両電極１３、１４間にグロー放電８０を発生させて両電極１３、１４のクリーニングを行うようにしても良い。
２ イオン源
１０ 引出し電極系
１１ 第１電極
１２ 第２電極
１３ 第３電極
１４ 第４電極
２０ イオンビーム
３０ 真空排気装置
４２ クリーニングガス源
４８ クリーニングガス
６０ グロー放電電源
８０ グロー放電
８４ 異常放電測定器
８６ 電源制御器
１０ 引出し電極系
１１ 第１電極
１２ 第２電極
１３ 第３電極
１４ 第４電極
２０ イオンビーム
３０ 真空排気装置
４２ クリーニングガス源
４８ クリーニングガス
６０ グロー放電電源
８０ グロー放電
８４ 異常放電測定器
８６ 電源制御器
Claims (5)
- イオン源の引出し電極系を構成する複数の電極の内の相対向する二つの電極を、当該イオン源からイオンビームを引き出していない時にクリーニングするクリーニング装置であって、
クリーニング時に、少なくとも前記相対向する二つの電極間にクリーニングガスを供給して、当該電極間のガス圧をグロー放電を発生させるガス圧に保つ放電雰囲気形成手段と、
クリーニング時に、前記相対向する二つの電極間に直流電圧を印加して当該電極間に前記クリーニングガスのグロー放電を発生させるグロー放電電源と、
クリーニング時の前記グロー放電電源の出力電流または出力電圧の大きさを測定して、前記相対向する二つの電極間における異常放電を検出すると共に、所定時間内の当該異常放電の発生回数を測定する異常放電測定手段と、
前記異常放電測定手段で測定した前記所定時間内の異常放電の発生回数を用いて前記グロー放電電源の出力電流を制御するものであって、（ａ）クリーニング開始時は前記グロー放電電源の出力電流を所定の初期値に制御し、（ｂ）前記異常放電の発生回数が所定の第１下限値よりも小さいときは前記グロー放電電源の出力電流を、所定の到達目標値を上限として、所定の第１増加幅だけ増加させ、（ｃ）前記異常放電の発生回数が所定の上限値よりも大きいときは前記グロー放電電源の出力電流を、前記初期値を下限として、所定の減少幅だけ減少させ、（ｄ）前記異常放電の発生回数が前記第１下限値以上かつ前記上限値以下のときは前記グロー放電電源の出力電流を維持する制御を行う電源制御手段とを備えている、ことを特徴とするイオン源電極のクリーニング装置。 - 前記電源制御手段は、前記異常放電の発生回数が前記第１下限値より小さい第２下限値よりも小さいときに、前記グロー放電電源の出力電流を、前記到達目標値を上限として、かつ前記第１増加幅に優先させて、前記第１増加幅よりも大きい第２増加幅だけ増加させる制御を行う機能を更に有している請求項１記載のイオン源電極のクリーニング装置。
- 前記電源制御手段は、前記グロー放電電源の出力電流を前記第２増加幅だけ増加させる制御を行った結果、前記グロー放電電源の出力電流が前記到達目標値に到達したときに、クリーニングの終了を表すクリーニング終了信号を出力する機能を更に有している請求項２記載のイオン源電極のクリーニング装置。
- 前記引出し電極系は、イオンビーム引き出し方向の最上流側から下流側に向けて配置された第１電極および第２電極を少なくとも有しており、
前記相対向する二つの電極は、当該第１電極および第２電極である請求項１、２または３記載のイオン源電極のクリーニング装置。 - 前記引出し電極系は、イオンビーム引き出し方向の最上流側から下流側に向けて配置された第１電極、第２電極および第３電極を少なくとも有しており、
前記相対向する二つの電極は、当該第２電極および第３電極である請求項１、２または３記載のイオン源電極のクリーニング装置。
Priority Applications (3)
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