JP4054525B2 - Output control device for ion source having cathode heated indirectly - Google Patents
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Description
【0001】
本発明は、間接加熱される陰極を有するイオン源の電源を制御するための出力制御装置に関するものである。
【0002】
熱陰極のイオン源は良く知られており、例えば、いわゆるフリーマンのイオン源や、いわゆるベルナスのイオン源もこれに含まれる。これらのイオン源は、フィラメント電源からフィラメントに通電することにより直接加熱されるフィラメント陰極を内蔵している。イオン源は、フィラメントが入ったアークチャンバを備えており、このアークチャンバに、ガスもしくは蒸気化された物質が供給される。陰極フィラメントがフィラメント電流によって一旦充分に加熱されると、陰極から熱電子が放出される。陰極がアークチャンバ内の陽極に対して充分に負の電位に保持されれば、陰極と陽極の間を流れるアーク電流によって、アークチャンバ内にプラズマが生成される。通常、陰極は実際上アークチャンバの壁により形成される。
【0003】
このようにしてアークチャンバで生成されたプラズマの中で、原料ガスもしくは蒸気の分子はイオン化され、これらの陽イオンは、アークチャンバに対して相対的に負の電位に保持された抽出電極によりアパーチャを介してアークチャンバから抽出される。抽出されたイオンは、多くの応用が可能なイオンビームを生成するのに利用し得る。重要な応用の1つに、望ましい導電性の条件を与えるために、半導体に不純物元素を注入する目的で、半導体基板(ウェーハ)に向けて望ましい不純物元素物質のイオンビームを打ち込むというイオンビーム注入がある。
【0004】
フリーマン型のイオン源の1つ、特にイオンビーム注入装置のためのものはUS-A-4578589に開示されている。このフリーマンイオン源は、陰極フィラメントを通じて加熱電流を供給するフィラメント電源と、アーク電源とを含んでいる。US-A-4754200は、とりわけイオン注入装置に応用した場合のイオン源の性能を最適化するために電源を制御する方法を開示している。
【0005】
US-A-5262652は、イオン注入装置用途におけるベルナス型のイオン源の一例を開示している。ここでも、ベルナス型のイオン源は、フィラメントを介して加熱電流を供給するためのフィラメント電源に接続され、直接加熱される陰極フィラメントを有すると共に、別に、フィラメントと陽極もしくはアークチャンバ本体との間に所望のアーク電位を付与するためのアーク電源を有している。
【0006】
上述したUS-A-4754200は、イオン源の電源を制御するための回路を開示している。このように、フィラメントとアークチャンバ本体(もしくは陽極)との間に一定のアーク電圧を与え、それから望ましいアーク電流を得るようにフィラメント電源を調節することは既知である。また、電力デマンド信号によってフィラメント電源を制御すること、即ち入力電力デマンド信号に応じて、フィラメント電源から出力電力を得ることが知られており、フィラメント入力電力デマンドはアーク電流を一定に保つ中で、アーク電圧のエラーから導き出される。
【0007】
US-A-5497006は、ベルナス型ではあるが、間接加熱される陰極を備えたイオン源を開示している。この構成において、供給源のアークチャンバ内の陰極は導電性のボタン状の部材で形成されており、これは、イオン源の主たるプラズマチャンバに対して、反対側に取り付けられたボタンの裏側にある別のフィラメントから間接的に加熱される。電源は、アーク電源やフィラメント電源のみならず、フィラメントと陰極ボタンの間に必要なバイアス電位を付与する陰極バイアス電源も含んでいる。作動の際に、フィラメントは陰極ボタンに対して負にバイアスされるので、フィラメントにより放出される熱電子は加速されてボタンの後面に衝突し、これによってボタン陰極を加熱するので、この陰極は次いでイオン源のプラズマアークを開始もしくは維持するための電子をプラズマチャンバに放出する。
【0008】
イオン源の中に間接的に加熱される陰極を備えたこの構成は、陰極自体、もしくは陰極の加熱フィラメントの交換が必要になるまでのイオン源の寿命を大きく延ばす。間接加熱される陰極を備えたイオン源の上述の形態は、これまで述べてきたように、間接加熱陰極型イオン源として今後言うことにする。
【0009】
US-A-5497006は、フィラメント電源ユニット、陰極バイアス電源ユニット及びアーク電源ユニットを有するイオン源と、これらの電源ユニットを制御するための出力制御装置とを開示している。この米国明細書においては、これらの電源の各々に、プログラム可能な電源ユニットが使用されている。アーク電源ユニットは、入力電圧デマンドレベルに応じて、出力アーク電圧を付与するように制御される。陰極バイアス電源ユニットにより陰極ボタン及びフィラメント間に印加されるバイアス電圧は、所望のアーク電流と、アーク電源によりアークに流され測定される電流との間の差に応じて、この差が最小となるように設定される。このようにして、アーク電流がデマンド値以下の場合は、陰極バイアス供給電圧は陰極ボタンに流される加熱エネルギを増すように増加され、これによってアークチャンバ内のプラズマのインピーダンスを低減させ、結果的にアーク電流を増加させる。US-A-5497006におけるフィラメント電源は、次に、陰極バイアス電源によって供給される電流を所望の電流レベルと等しく保持するように制御される。このようにして、陰極バイアス電源からの電流は、フィラメント電源によりフィラメントに印加される電圧を増減させることにより、所要のデマンドレベルに維持される。
【0010】
本発明は、特に電源のプラズマアークの制御により、安定性を改善し、供給源の寿命を最長化し、速い応答速度を得るために間接的加熱陰極型イオン源の種々の電源を制御する方法の改良を企図している。
【0011】
本発明の1つの側面によると、陰極バイアス電源ユニットと、アーク電源ユニットと、フィラメント電源ユニットとを有する、前述で規定した間接加熱陰極型イオン源の電源を制御するための出力制御装置は、アーク電源の出力電圧又は出力電流であるパラメータと該パラメータのデマンド値との差に応答して、前記差を最小化するのに必要な陰極バイアス電源ユニットの出力電力を表すバイアス電力デマンド信号を出すと共に、該バイアス電力デマンド信号に応答して、前記陰極バイアス電源ユニットの前記出力電力を前記必要な出力電力に維持するバイアス供給コントローラを備えている。
【0012】
バイアス供給コントローラは、陰極バイアス電源ユニットの出力電力を所要レベルに保持するように作動するので、陰極に送られる電力は、陰極バイアス負荷のインピーダンス、即ちフィラメントと間接加熱陰極自体との間の領域の電子流のインピーダンス変化には影響されない。このようなインピーダンス変化は、例えばこの領域における物質の化学的変化やガス圧の変化、或いは物理的変化に起因して発生し得る。
【0013】
例えば、陰極バイアス電源の出力電圧が直接的に制御される先行技術の制御装置においては、陰極バイアス負荷インピーダンスの変化は、陰極バイアス電流に変化を生じさせ、従って、陰極バイアス電源ユニットから陰極に送られる電力に変化を生じさせる。US-A-5497006に開示された先行技術の構成では、陰極バイアス電力のこの変化は、陰極バイアス電流を所要値に戻すためにフィラメント電源を調節することで、補償されなければならない。本発明の構成では、陰極バイアス電源ユニットの出力はデマンド値に適合するように直接制御されるので、バイアス負荷インピーダンスの変化は、バイアス負荷に送られる電力をデマンド値に保持するために外部からの補償を必要としない。
【0014】
バイアス電力デマンド信号を出すのに使われるアーク電源のパラメータは、アーク電源への主な制御入力がアーク電流デマンド信号かアーク電圧デマンド信号かによって、アーク電源ユニットの出力電圧もしくは出力電流のいずれかとしうる。上記の出力制御装置は、陰極バイアス電源ユニットと共に使用されるのが好適であり、該陰極バイアス電源ユニットは、該電源ユニットの出力電圧を表すバイアス電圧フィードバック信号と該電源ユニットの出力電流を表すバイアス電流フィードバック信号とを出し、前記バイアス供給コントローラは、前記バイアス電圧フィードバック信号及び前記バイアス電流フィードバック信号の積からバイアス電力フィードバック信号を導き出すバイアス乗算器と、前記バイアス電力フィードバック信号及び前記バイアス電力デマンド信号の差からバイアス電力エラー信号を導き出すバイアス電力比較器と、前記陰極バイアス電源ユニットに出力制御信号として印加するために前記バイアス電力エラー信号を調整すると共に、前記バイアス電力エラー信号を減じるように前記電源ユニットの出力を制御する、積算器を含むバイアス電力エラー調整フィルタとを含んでいる。このようにして、比較的に速いバイアス電力制御ループが形成され、陰極バイアス電源ユニットにより供給される出力電力がバイアス電力デマンド信号によって決定されるレベルに維持されることが確実にされる。
【0015】
また、前記バイアス供給コントローラは、前記アーク電源のパラメータと該パラメータの前記デマンド値との前記差からアークパラメータエラー信号を導き出すアークパラメータ比較器と、前記バイアス電力デマンド信号を与えるために前記アークパラメータエラー信号を調整する、積算器を含むアークパラメータエラー調整フィルタとを含んでいることが好適である。
【0016】
本発明はまた、前述したように、陰極バイアス電源ユニットと、アーク電源ユニットと、フィラメント電源ユニットとを有する間接加熱陰極型イオン源の電源を制御する出力制御装置を提供しており、この装置は、好適には、フィラメント供給コントローラを備えており、該フィラメント供給コントローラは、バイアス電源のパラメータの所望値に対するバイアス電源の負荷インピーダンスであるパラメータのエラーに応答して、該エラーを最小化するのに必要なフィラメント電源ユニットの出力を表すフィラメント電力デマンド信号を出すと共に、前記フィラメント電力デマンド信号に応答して、前記フィラメント電源ユニットの前記出力電力を前記必要な電力に維持する。
【0017】
このフィラメント電源コントローラは、上述したバイアス供給コントローラと一緒に或いは独立して使用することができる。上述したフィラメント供給コントローラは、フィラメントに送られる電力が、直接制御され、従って、フィラメントの寿命の間に上昇する傾向のあるフィラメントインピーダンスの変化に関係ないことを保証する利点がある。
【0018】
US-A-5497006に記述されている先行技術の例においては、フィラメント電源ユニットの出力電圧のみが制御されている。その結果、フィラメントインピーダンスの増加がフィラメント電流の減少を生じさせ、フィラメントに送られる電力に応分の減少が生じる。フィラメント電力を維持するためにフィラメントインピーダンスのこの変化に対して内部補償するための用意は何らなされていない。その代わり、先行技術の米国明細書では、フィラメント電力の減少は、多分、陰極バイアス電流の減少をもたらす陰極バイアスインピーダンスの増加を生み出し、実質的にフィラメント電源を補償するために印加される電圧デマンド信号の増加をもたらす。しかし、米国特許の先行技術で開示された制御ループは、陰極バイアス電流の減少、従って陰極への電力の送出を必要としており、これによりイオン源の主アークチャンバにおけるプラズマアークに影響する可能性がある。
【0019】
上述した装置は、フィラメント電源ユニットと共に好適に使用され、該フィラメント電源ユニットは、該フィラメント電源ユニットの出力電圧を表わすフィラメント電圧フィードバック信号と、該フィラメント電源ユニットの出力電流を表わすフィラメント電流フィードバック信号とを出し、前記フィラメント供給コントローラは、前記フィラメント電圧フィードバック信号及び前記フィラメント電流フィードバック信号の積からフィラメント電力フィードバック信号を導き出すフィラメント乗算器と、前記フィラメント電力フィードバック信号及び前記フィラメント電力デマンド信号の差からフィラメント電力エラー信号を導き出すフィラメント電力比較器と、前記フィラメント電力エラー信号を調整して、該フィラメント電力エラー信号を減じるように前記フィラメント電源ユニットの出力を制御して、前記フィラメント電源ユニットに出力制御信号として印加する、積算器を含むフィラメント電力調整フィルタとを備える。このようにして、フィラメント電源の出力電力を要求レベルに維持することを保証する内部制御ループが提供されている。
【0020】
フィラメント供給コントローラは、好ましくは、前記フィラメント電力デマンド信号を出すためにバイアスパラメータエラー信号を調整する、積算器を含むバイアスパラメータエラー調整フィルタを含んでいる。
【0021】
上記で使用されるバイアス電源パラメータは、前記陰極バイアス電源ユニットの出力電圧でよく、この場合、前記エラーは前記出力電圧と前記出力電圧の所望値の差である。代わりに、バイアス電源パラメータは、前記陰極バイアス電源ユニットの出力電流でもよく、その場合、前記エラーは前記出力電流と前記出力電流の所望値の差である。
【0022】
しかし、前記バイアス電源パラメータは、陰極バイアス電源ユニットにより供給される負荷のインピーダンスであることが好ましい。
【0023】
本発明の更なる側面においては、陰極バイアス電源ユニットと、アーク電源ユニットと、フィラメント電源ユニットとを有する間接加熱陰極型イオン源の電源を制御するための出力制御装置が提供されており、好ましくは、この装置は、前記陰極バイアス電源ユニットによって供給される負荷のインピーダンスを表す信号に応答して、前記バイアス負荷インピーダンスを所望値に維持するために、前記フィラメント電源ユニットを調節するためのフィラメント供給コントローラを備えている。このフィラメント供給コントローラは、上記のバイアス供給コントローラと組み合わせて或いは独立して使用してもよい。
【0024】
陰極バイアス負荷のインピーダンスを一定に維持するようにフィラメント電源を制御することにより、陰極バイアス負荷インピーダンスを制御するのに、外部からの別の陰極命令信号が必要なくなる。陰極バイアス負荷インピーダンスを実質的に一定に維持することにより、必要とされるアーク電力の変化に対しても、陰極バイアス電源のための電力制御ループにおける利得を、より一定に保つことができる。利得制御と陰極バイアス電源ユニットの安定性は、陰極バイアス電源の最大出力まで保持できる。実際には、陰極バイアス負荷の制御されたインピーダンス値は、陰極バイアス電源ユニットの電圧及び電流の最大出力性能に合わせて選択することができ、その結果、電源の出力性能を最大限に利用することができる。
【0025】
従って、上記の装置は、前記負荷に対する出力電圧と正比例関係にある電圧フィードバック信号及び前記負荷に対する出力電流と正比例関係にある電流フイードバック信号を出す陰極バイアス電源ユニットと一緒に使用してもよく、この場合、前記正比例関係は、フィードバック電圧信号の値がフィードバック電流信号の値と等しくなるとき、出力電圧の出力電流に対する比率がバイアス負荷インピーダンスの所望値と等しくなるようになっている。そして、前記フィラメント供給コントローラは、前記フードバック電圧及び電流信号値間の差を最小化するように応答してもよい。このため、フィラメント供給コントローラは、陰極バイアス電源ユニットからの電圧フィードバック信号と電流フィードバック信号の間の差からバイアス負荷インピーダンスエラー信号を導き出すインピーダンス比較器を含んでいてもよい。
【0026】
本発明の一実施形態について、別個のフィラメント電源ユニット、陰極バイアス電源ユニット及びアーク電源ユニット、並びにそれらのためのバイアス供給コントローラ及びフィラメント供給コントローラを有する間接加熱陰極型イオン源の概略図である添付図面を参照して、以下に説明する。
【0027】
図を参照すると、イオン源10が概略的に表されている。このイオン源10は、上述したUS-A-5497006に開示されたような間接加熱陰極型イオン源の形式のものでよい。従って、イオン源10は、導電性の内面を提供するアークチャンバ11,間接加熱陰極素子12及び別個のフィラメント13から構成されている。
【0028】
アーク電源ユニット14は、陰極素子12とアークチャンバの壁11との間にアーク電位を印加し、陰極素子12は、アークチャンバ11の壁に対して負にバイアスされている。陰極バイアス電源ユニット15は、陰極素子12とフィラメント13の間に陰極バイアスを印加するために接続されており、フィラメント13は陰極素子12に対して負にバイアスされている。フィラメント電源ユニット16は、フィラメント13を通るDC加熱電流を供給する。
【0029】
陰極素子12は、アークチャンバ11の壁にあるアパーチャ18を通って延びるシリンダ17として構成することができ、このシリンダは“ボタン”19により内端が閉じられている。フィラメント13は、ボタン19の近くではあるがその内面から間隔を置かれて配置されている。
【0030】
作動の際、イオン源10の構造全体は、排気領域に入っている。望ましい原料ガスがアークチャンバ11の内部に供給される。フィラメント電源ユニット16は、充分な電力がフィラメント13に供給され、これが熱電子を放出するように制御される。陰極バイアス電源ユニット15は、これらの放出電子を加速し、陰極素子12のボタン19の隣接面を衝撃してエネルギを伝えるように制御される。ボタン19に流れたこのエネルギは、陰極素子12のボタンを効果的に加熱する。陰極素子12に伝えられる加熱電力は、主にバイアス電源ユニット15により供給される電力に依存する。
【0031】
陰極素子12は、次にアークチャンバ内部に電子を放出するように、充分に加熱される。これらの放出電子は、次いでアーク電源ユニット14により作られる電界により加速される。アークチャンバ11内でのこれらの加速電子及び原料ガスの分子間で起こる衝突がこれらの分子をイオン化する傾向があり、利用できる電子の数を増やし、イオンチャンバ11内にアークプラズマを生成する。アーク電源ユニット14は、アークチャンバ11のプラズマを流れる電流を制御する。
【0032】
実際上は、アークチャンバの中央領域にプラズマを集中させるために、アークチャンバ11内に磁場を発生させる。この目的のための構成はこの技術で良く知られている。
【0033】
イオン源として機能させるために、アークチャンバ11はアパーチャを有しており、アークチャンバ内のプラズマに生成したイオンは、アークチャンバ11の電位に対して負電位にある抽出電極によって取り出される。アークチャンバからイオンを抽出し、必要なイオンビームを生み出すための構成もこの技術で良く知られており、ここで更に記載することはしない。
【0034】
これまで述べた構成は、US-A-5497006に開示されている構成と類似している。
【0035】
各電源ユニット14,15及び16は、電圧デマンド入力20,21,22を有するプログラム可能な電源であり、これらはそれぞれの電源ユニットの最大出力電圧を制御するように設定できる。また、各電源ユニットが、対応する電流デマンド入力23,24,25を有しており、これらは対応する電源ユニットの最大出力電流を設定するように制御できる。従って、各電源ユニットがそれぞれの入力において電圧デマンド及び電流デマンドの信号に応答し、出力電流が電流デマンド入力を超えない限りにおいて、電圧デマンド入力に対応する出力電圧を出す。実際上、プログラム可能な電源ユニット14,15及び16は、通常、制御された電流モードもしくは制御された電圧モードのいずれかで用いられる。添付図面において、電源は、制御電流モードで作動するものとして示されており、各電源が可能な限り高い入力レベルに設定された対応電圧デマンド入力を有する。このモードでは、各電源が、要求される入力電流を出すのに充分な出力電圧を設定するように作動する。
【0036】
各電源ユニットへの電圧デマンド及び電流デマンドの入力信号は、ゼロ出力電圧もしくは電流に適切に対応しているゼロボルトから、最大出力電圧もしくは電流に対応している5ボルトまで変化が可能である。本実施形態の場合、アーク電源ユニットは、ゼロから7アンペアの出力電流範囲でゼロから150ボルトの出力電圧範囲を有しており、陰極バイアス電源ユニット15は、ゼロから600ボルトの出力電圧範囲とゼロから2アンペアの出力電流範囲を有しており、フィラメント電源ユニット16は、0から7.5ボルトの出力電圧範囲とゼロから80アンペアの出力電流範囲を有している。
【0037】
各電源ユニット14,15及び16はまた、各ライン26,27,28に電圧フィードバック信号を出し、各ライン29,30及び31に対して電流フィードバック信号を出す。これらのフィードバック信号はまた、電源の出力電圧及び出力電流の最大範囲に対応する0から5ボルトの間の電圧範囲を有する。こうして、陰極バイアス電源ユニット15が600ボルトの出力電圧と2アンペアの出力電流を流しているときは、電圧フィードバック信号及び電流フィードバック信号27,30は最大を表す5ボルトとなる。
【0038】
アーク電源ユニット14は、電流制御入力23のアーク電流デマンド信号(アークIデマンド)によって制御される。電圧制御入力20は最大(5ボルト)に設定される。陰極バイアス電源ユニット15は、バイアス供給コントローラ32から電流デマンド信号を、その電流制御入力24に受ける。陰極バイアス電源ユニット15の電圧制御入力21は、最大(5ボルト)に設定される。フィラメント電源ユニット16の電流制御入力25は、フィラメント供給コントローラ33からの電流デマンド信号を受ける。フィラメント電源ユニット16の電圧制御入力22は、最大(5ボルト)に保持される。
【0039】
バイアス供給コントローラ32は、ライン34のアーク電圧デマンド信号(アークVデマンド)と、ライン26上のアーク電源ユニット14からの電圧フィードバック信号とで構成される制御入力を受ける。フィラメント供給コントローラ33は、ライン35への陰極バイアス電源ユニット15からの電圧フィードバック信号27と、ライン36へのバイアス電源ユニット15からの電流フィードバック信号30とで構成される制御入力を受ける。
【0040】
図示された構成において、システムで受け取られる唯一の外部制御信号は、ライン34へのアーク電圧デマンドと入力23へのアーク電流デマンドである。
【0041】
バイアス供給コントローラ32は、陰極バイアス電源ユニット15に電力デマンド制御を出す。上述したように、アーク電源ユニット14は、入力23へのアーク電流デマンドに応答して、アークIデマンドで表される要求電流に相当する出力電流を出すために、このアーク電流を出すために必要な電圧が電源ユニットの最大出力電圧より、ここでは150ボルトより低い限りにおいて、電源ユニットから充分な出力電圧を出す。
【0042】
イオン源がアークチャンバ11で生成されるプラズマと共に作動していると仮定すると、アーク電流が流れることができ、そして必要なアーク電圧はプラズマのインピーダンスに依存する。ライン26のこの出力アーク電圧は、比較器37において、ライン34へのアークVデマンドで表される必要なアーク電圧と比較される。実際のアーク電圧と必要なアーク電圧の間に何らかの差があれば、3項(比例−積分−微分,Proportional Integral Derivative - PID)フィルタ39で調整されたエラー信号をライン38へ出力する。該PIDフィルタ39は、積分項を含み、陰極バイアス電源ユニット15のための電力デマンド信号として機能する信号をライン40へ出す。
【0043】
陰極バイアス電源ユニット15の制御入力24の電流デマンド信号は、電源を制御して、バイアス電源ユニットの必要出力電圧が最大出力電圧、ここでは600ボルトを超えない限りにおいて、イオン源におけるフィラメント13及び陰極素子12間に要求出力電流を出すのに充分な出力電圧を出す。陰極バイアス電源ユニット15で出される出力電圧値及び出力電流値は、出力電圧と出力電流の積、即ち陰極バイアス電源ユニット15の出力電力を表す信号をライン42へ出す乗算器41に接続されたライン27,30の各フィードバック信号で表される。このライン42の電力信号は比較器43の中でライン40への電力デマンド信号と比較される。ライン44へのバイアス電力エラー信号は、電源ユニット15によって実際に流される電力とライン40の信号で表される要求電力との差に相当する。このエラー信号はその後、電源ユニット15の電流制御入力24に供給された電流デマンド信号を出すために、やはり積算器を組み込んだ別のPIDフィルタ45で調整される。
【0044】
バイアス供給コントローラ32の中に示されたフィードバックループは、陰極バイアス電源ユニット15の出力電力を、要求アーク電圧とアーク電源ユニット14により流される実際のアーク電圧の差に依存するライン40への要求電力と実質的に等しく維持しするように作動する。ここで分かるように、陰極バイアス電源ユニット15は、バイアス電源ユニット15により陰極バイアス負荷に流される電力を、イオン源のアークチャンバ内の化学変化,ガス圧の変化,或いは陰極構造の物理的変化に起因して起こり得るような、上記負荷のインピーダンス変化とは無関係に、実質的に一定に維持するように寄与する内部電力制御ループを有している。
【0045】
バイアス供給コントローラ32の電力制御ループにおけるPIDフィルタ45は、フィラメント13と陰極素子12のボタン19間の電子流により形成される陰極バイアス負荷が大した熱慣性を持たないので、非常に速い応答を出すことができる。その結果、バイアス供給コントローラ32の電力制御ループは、陰極に流される実効電力が、アークパラメータの変化から生ずる陰極バイアス負荷インピーダンスの変化とライン40への電力デマンドの変化の両方に対して、非常に早く応答することを確実にする。
【0046】
このようにして、プラズマチャンバにおける(陰極素子12とプラズマチャンバ11の壁の間の)アークが非常に短い時定数で正確に制御が可能となる。
【0047】
上述したように、イオン源の様々な変化は陰極バイアス負荷インピーダンスに変化をもたらす。フィラメント供給コントローラ33は、陰極バイアス負荷インピーダンスのそのような変化を最小化できるようにフィラメント13に流される電力を制御するために作動する。しかし、フィラメント13の熱慣性のため、フィラメント供給コントローラ33は、比較的ゆっくりと応答するように作動して安定性を維持する。
【0048】
以上説明した実施形態において、陰極バイアス電源ユニット15は、供給ユニットの最大出力電圧を供給ユニットの最大出力電流で割ったものが、本例では300オームに相当する望ましい陰極負荷インピーダンスに等しくなるように仕組まれている。陰極バイアス電源ユニット15からのライン27及び30への電圧及び電流フィードバック信号は、上記最大電圧及び電流の値に相当する5ボルトという最大値を出すために、ライン27への電圧フィードバック信号がライン30への電流フィードバック信号に等しい場合には、陰極バイアス電源ユニットへの負荷インピーダンスが常に300オームであることが分かる。
【0049】
これらの電流及び電圧のフィードバック信号がライン35及び36によってフィラメント供給コントローラ33の比較器46に供給される。ライン47へのエラー信号は、これら電流及び電圧のフィードバック信号の差に相当し、従って、このインピーダンスが(本実施形態においては)300オームと異なるときには、陰極バイアス電源ユニット15の負荷インピーダンスのエラーに相当する。ライン47へのこのエラー信号は更に、積算器を内蔵し、ライン49にフィラメント電力デマンド信号を供給するPIDフィルタ48に供給される。
【0050】
ライン28へのフィラメント電圧フィードバック信号とライン31へのフィラメント電流フィードバック信号とは、フィラメントコントローラ33にある乗算器ユニット50に供給され、出力電圧とフィラメント電源ユニット16の出力電流の積、即ち電源ユニット16の電力出力を表す信号をライン51へ出す。ライン51へのこの電力信号は、比較器52においてライン49の電力デマンド信号と比較される。実際の電力とフィラメント電源ユニット16の要求電力との差を表す信号は、ライン53により、フィラメント電源ユニット16の電流制御入力25に供給するための電流デマンド信号を出す、積算器を含む更なるPIDフィルタに供給される。
【0051】
このようにして、電源ユニット16により供給される電流は、フィラメント電源ユニット16からの総電力がライン49への要求電力に相当するように調整される。逆に、ライン49へのこの要求電力は、陰極バイアス負荷インピーダンスを所定の一定値(ここでは300オーム)に維持するようなものである。
【0052】
上述したように、フィラメント供給コントローラ33におけるPIDフィルタ48及び54は、フィラメントの熱慣性に起因するフィラメント13の時定数に合わせるために、比較的遅く反応するように配列されている。
【0053】
重要なのは、フィラメント13のインピーダンスのいかなる変化も、フィラメント供給コントローラ33の内部電力制御ループにより自動的に補償されることである。
【0054】
更に、陰極バイアスインピーダンスを一定に維持するためにフィラメント電力を制御することによって、陰極バイアス電源ユニット15は飽和することなく、広い出力電力範囲で作動することができる。
【0055】
また重要なことは、アークVデマンドとアークIデマンドの他には、何ら外部制御信号を供給コントローラに必要としないことである。
【0056】
本発明の上記実施形態を、比較器、PIDフィルタ及び乗算器等の個々の構成要素を参照しながら説明してきた。しかし、バイアス供給コントローラ32とフィラメント供給コントローラ33の両方の機能とも、上述したような所要機能を提供するように適当にプログラムされたデジタル信号処理装置として具体化することができる。
【0057】
上述の実施形態では、アーク電源ユニット14は電流制御入力23のアーク電流デマンド信号を受け取り、その結果のアーク電圧がその後バイアス供給コントローラの比較器37においてアーク電圧デマンド信号と比較されるが、これらの二つの動作は逆にすることができる。従って、アーク電圧デマンドは、電流制御入力23を最大の5ボルトに保持したまま、アーク電源ユニット14への電圧制御入力20に直接供給することができる。その後、ライン29の電流フィードバック信号は陰極バイアス電源ユニット15を制御するためにアーク電流デマンドと比較される。
【0058】
同様に、上述の実施形態はバイアス供給コントローラ32により制御された陰極バイアス電源ユニット15の電流制御入力24を有しており、電圧制御入力21は最大の5ボルトに保持されているが、これら二つの制御を逆にすれば、電流制御入力を5ボルトに保持し、バイアス供給コントローラ32からの制御入力が電圧制御入力21に供給されることになる。
【0059】
ここでも、フィラメント電源ユニット16の制御入力22,25も逆にすることができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】 イオン源10の概略図である。[0001]
The present invention relates to an output control device for controlling a power source of an ion source having a cathode that is indirectly heated.
[0002]
Hot cathode ion sources are well known and include, for example, so-called Freeman ion sources and so-called Bernas ion sources. These ion sources contain a filament cathode that is heated directly by energizing the filament from a filament power source. The ion source includes an arc chamber containing a filament, and gas or vaporized material is supplied to the arc chamber. Once the cathode filament is sufficiently heated by the filament current, thermionic electrons are emitted from the cathode. If the cathode is held at a sufficiently negative potential with respect to the anode in the arc chamber, plasma is generated in the arc chamber by the arc current flowing between the cathode and anode. Usually, the cathode is actually formed by the wall of the arc chamber.
[0003]
In the plasma thus generated in the arc chamber, the source gas or vapor molecules are ionized, and these cations are apertured by the extraction electrode held at a negative potential relative to the arc chamber. Through the arc chamber. The extracted ions can be used to generate an ion beam that can be used in many applications. One important application is ion beam implantation, in which an ion beam of a desired impurity element material is implanted into a semiconductor substrate (wafer) for the purpose of implanting the impurity element into the semiconductor in order to provide a desired conductivity condition. is there.
[0004]
One freeman ion source, particularly for an ion beam implanter, is disclosed in US-A-4578589. The Freeman ion source includes a filament power source that supplies a heating current through a cathode filament and an arc power source. US-A-4754200 discloses a method for controlling a power supply to optimize the performance of an ion source, particularly when applied to an ion implanter.
[0005]
US-A-5262652 discloses an example of a Bernas type ion source for ion implanter applications. Here again, the Bernas ion source is connected to a filament power supply for supplying a heating current via the filament, and has a cathode filament that is directly heated, and separately between the filament and the anode or arc chamber body. An arc power source for applying a desired arc potential is provided.
[0006]
US-A-4754200 described above discloses a circuit for controlling the power source of an ion source. Thus, it is known to provide a constant arc voltage between the filament and the arc chamber body (or anode) and then adjust the filament power supply to obtain the desired arc current. In addition, it is known to control the filament power supply by the power demand signal, that is, to obtain output power from the filament power supply in response to the input power demand signal, while the filament input power demand keeps the arc current constant, Derived from arc voltage error.
[0007]
US-A-5497006 discloses an ion source with a cathode which is of the Bernas type but indirectly heated. In this configuration, the cathode in the source arc chamber is formed of a conductive button-like member, which is behind the button attached to the opposite side of the main plasma chamber of the ion source. Heated indirectly from another filament. The power source includes not only an arc power source and a filament power source, but also a cathode bias power source for applying a necessary bias potential between the filament and the cathode button. In operation, since the filament is negatively biased with respect to the cathode button, the thermoelectrons emitted by the filament are accelerated and impinge on the back of the button, thereby heating the button cathode, so that the cathode is then Electrons for initiating or maintaining the plasma arc of the ion source are emitted into the plasma chamber.
[0008]
This arrangement with the indirectly heated cathode in the ion source greatly extends the lifetime of the ion source until it is necessary to replace the cathode itself or the cathode heating filament. The above-described form of the ion source with the indirectly heated cathode will be referred to hereinafter as an indirectly heated cathode type ion source, as described above.
[0009]
US-A-5497006 discloses an ion source having a filament power supply unit, a cathode bias power supply unit, and an arc power supply unit, and an output control device for controlling these power supply units. In this US specification, a programmable power supply unit is used for each of these power supplies. The arc power supply unit is controlled to apply the output arc voltage according to the input voltage demand level. The bias voltage applied between the cathode button and the filament by the cathode bias power supply unit minimizes this difference depending on the difference between the desired arc current and the current that is passed through and measured by the arc power supply. Is set as follows. In this way, when the arc current is below the demand value, the cathode bias supply voltage is increased to increase the heating energy delivered to the cathode button, thereby reducing the impedance of the plasma in the arc chamber and consequently Increase arc current. The filament power supply in US-A-5497006 is then controlled to keep the current supplied by the cathode bias power supply equal to the desired current level. In this way, the current from the cathode bias power supply is maintained at the required demand level by increasing or decreasing the voltage applied to the filament by the filament power supply.
[0010]
The present invention provides a method for controlling various power sources of an indirectly heated cathode ion source to improve stability, maximize the lifetime of the source, and obtain a fast response speed, particularly by controlling the plasma arc of the power source. It is intended to improve.
[0011]
According to one aspect of the invention, It has a cathode bias power supply unit, an arc power supply unit, and a filament power supply unit Of the indirectly heated cathode ion source defined above. Control power The output control device for the arc power supply Output voltage or output current In response to the difference between the parameter and the demand value of the parameter, a bias power demand signal is generated that is representative of the output power of the cathode bias power supply unit necessary to minimize the difference and is responsive to the bias power demand signal. And a bias supply controller for maintaining the output power of the cathode bias power supply unit at the required output power.
[0012]
The bias supply controller operates to maintain the output power of the cathode bias power supply unit at the required level, so that the power delivered to the cathode is the impedance of the cathode bias load, i.e., in the region between the filament and the indirectly heated cathode itself. Unaffected by changes in impedance of electron flow. Such an impedance change may occur due to, for example, a chemical change in a substance, a change in gas pressure, or a physical change in this region.
[0013]
For example, in prior art controllers where the output voltage of the cathode bias power supply is directly controlled, a change in the cathode bias load impedance will cause a change in the cathode bias current, and thus will be sent from the cathode bias power supply unit to the cathode. Cause a change in the power generated. In the prior art configuration disclosed in US-A-5497006, this change in cathode bias power must be compensated by adjusting the filament power supply to return the cathode bias current to the required value. In the configuration of the present invention, the output of the cathode bias power supply unit is directly controlled to match the demand value, so that the change in the bias load impedance is applied from the outside in order to keep the power sent to the bias load at the demand value. No compensation is required.
[0014]
The arc power supply parameter used to generate the bias power demand signal is either the output voltage or output current of the arc power supply unit, depending on whether the main control input to the arc power supply is an arc current demand signal or an arc voltage demand signal. sell. The output control device is preferably used together with a cathode bias power supply unit, and the cathode bias power supply unit includes a bias voltage feedback signal representing an output voltage of the power supply unit and a bias representing an output current of the power supply unit. A bias feedback controller for deriving a bias power feedback signal from a product of the bias voltage feedback signal and the bias current feedback signal; and the bias power feedback signal and the bias power demand signal. A bias power comparator for deriving a bias power error signal from the difference; adjusting the bias power error signal for application as an output control signal to the cathode bias power supply unit; and Controlling the output of the power supply unit so as to reduce the issue, and a bias power error adjustment filter including a multiplier. In this way, a relatively fast bias power control loop is formed to ensure that the output power supplied by the cathode bias power supply unit is maintained at a level determined by the bias power demand signal.
[0015]
The bias supply controller also includes an arc parameter comparator that derives an arc parameter error signal from the difference between the arc power supply parameter and the demand value of the parameter; and the arc parameter error to provide the bias power demand signal. An arc parameter error adjustment filter including an integrator for adjusting the signal is preferably included.
[0016]
The present invention also includes: It has a cathode bias power supply unit, an arc power supply unit, and a filament power supply unit Control the power source of the indirectly heated cathode ion source output A control device is provided, which device preferably comprises a filament supply controller, the filament supply controller comprising: Bias power supply Bias power supply for desired value of parameter Load impedance In response to a parameter error, a filament power demand signal representative of the output of the filament power supply unit required to minimize the error is generated and in response to the filament power demand signal, the output of the filament power supply unit The power is maintained at the required power.
[0017]
This filament power supply controller can be used together or independently with the bias supply controller described above. The filament supply controller described above has the advantage of ensuring that the power delivered to the filament is directly controlled and is therefore independent of changes in filament impedance that tend to increase during the life of the filament.
[0018]
In the prior art example described in US-A-5497006, only the output voltage of the filament power supply unit is controlled. As a result, an increase in filament impedance causes a decrease in filament current and a corresponding decrease in power delivered to the filament. There is no provision for internal compensation for this change in filament impedance to maintain filament power. Instead, in the prior art U.S. specification, a decrease in filament power will likely result in an increase in cathode bias impedance resulting in a decrease in cathode bias current, and a voltage demand signal applied to substantially compensate the filament power supply. Bring about an increase. However, the control loop disclosed in the prior art of the US patent requires a reduction in the cathode bias current and hence the delivery of power to the cathode, which can affect the plasma arc in the main arc chamber of the ion source. is there.
[0019]
The above-described apparatus is preferably used with a filament power supply unit, and the filament power supply unit includes a filament voltage feedback signal representing an output voltage of the filament power supply unit and a filament current feedback signal representing an output current of the filament power supply unit. A filament multiplier that derives a filament power feedback signal from a product of the filament voltage feedback signal and the filament current feedback signal; and a filament power error from a difference between the filament power feedback signal and the filament power demand signal. A filament power comparator for deriving a signal, and adjusting the filament power error signal to provide the filament power error signal By controlling the output of the filament power supply unit so as to reduce, it applied as an output control signal to said filament power supply unit, and a filament power adjustment filter including a multiplier. In this way, an inner control loop is provided that ensures that the output power of the filament power supply is maintained at the required level.
[0020]
The filament supply controller preferably includes a bias parameter error adjustment filter including an accumulator that adjusts the bias parameter error signal to provide the filament power demand signal.
[0021]
The bias power parameter used above may be the output voltage of the cathode bias power unit, in which case the error is the difference between the output voltage and the desired value of the output voltage. Alternatively, the bias power supply parameter may be the output current of the cathode bias power supply unit, in which case the error is the difference between the desired value of the output current and the output current.
[0022]
However, the bias power parameter is preferably an impedance of a load supplied by the cathode bias power unit.
[0023]
In a further aspect of the invention, It has a cathode bias power supply unit, an arc power supply unit, and a filament power supply unit For controlling the power supply of an indirectly heated cathode ion source output A control device is provided, preferably the device is responsive to a signal representative of the impedance of the load supplied by the cathode bias power supply unit to maintain the bias load impedance at a desired value. Adjusting the power supply unit for Filament supply controller I have. This filament supply controller may be used in combination or independently with the bias supply controller.
[0024]
By controlling the filament power supply to maintain the cathode bias load impedance constant, no separate cathode command signal from the outside is required to control the cathode bias load impedance. By maintaining the cathode bias load impedance substantially constant, the gain in the power control loop for the cathode bias power supply can be kept more constant for the required arc power changes. The gain control and the stability of the cathode bias power supply unit can be maintained up to the maximum output of the cathode bias power supply. In practice, the controlled impedance value of the cathode bias load can be selected according to the maximum output performance of the voltage and current of the cathode bias power supply unit, so that the output performance of the power supply can be maximized. Can do.
[0025]
Thus, the above apparatus may be used with a cathode bias power supply unit that produces a voltage feedback signal that is directly proportional to the output voltage for the load and a current feedback signal that is directly proportional to the output current for the load. In this case, the direct proportional relationship is such that when the value of the feedback voltage signal is equal to the value of the feedback current signal, the ratio of the output voltage to the output current is equal to the desired value of the bias load impedance. The filament supply controller may then respond to minimize the difference between the hoodback voltage and the current signal value. Thus, the filament supply controller may include an impedance comparator that derives a bias load impedance error signal from the difference between the voltage feedback signal and the current feedback signal from the cathode bias power supply unit.
[0026]
BRIEF DESCRIPTION OF THE DRAWINGS FIG. 1 is a schematic diagram of an indirect heating cathode ion source having separate filament power supply unit, cathode bias power supply unit and arc power supply unit, and bias supply controller and filament supply controller for them, according to an embodiment of the present invention. Will be described below.
[0027]
Referring to the figure, an ion source 10 is schematically represented. The ion source 10 may be in the form of an indirectly heated cathode type ion source as disclosed in the above-mentioned US-A-5497006. Accordingly, the ion source 10 is comprised of an arc chamber 11 that provides a conductive inner surface, an indirectly
[0028]
The arc
[0029]
The
[0030]
In operation, the entire structure of the ion source 10 is in the exhaust region. A desired source gas is supplied into the arc chamber 11. The filament power supply unit 16 is controlled such that sufficient power is supplied to the filament 13, which emits thermal electrons. The cathode bias
[0031]
The
[0032]
In practice, a magnetic field is generated in the arc chamber 11 to concentrate the plasma in the central region of the arc chamber. Configurations for this purpose are well known in the art.
[0033]
In order to function as an ion source, the arc chamber 11 has an aperture, and ions generated in the plasma in the arc chamber are extracted by an extraction electrode having a negative potential with respect to the potential of the arc chamber 11. Configurations for extracting ions from the arc chamber and generating the required ion beam are also well known in the art and will not be described further here.
[0034]
The configuration described so far is similar to the configuration disclosed in US-A-5497006.
[0035]
Each
[0036]
The voltage demand and current demand input signals to each power supply unit can vary from zero volts appropriately corresponding to zero output voltage or current to 5 volts corresponding to maximum output voltage or current. In this embodiment, the arc power supply unit has an output voltage range of zero to 150 volts with an output current range of zero to 7 amps, and the cathode bias
[0037]
Each
[0038]
The arc
[0039]
Bias supply controller 32 receives a control input consisting of an arc voltage demand signal (arc V demand) on line 34 and a voltage feedback signal from arc
[0040]
In the illustrated configuration, the only external control signals received by the system are the arc voltage demand on line 34 and the arc current demand on
[0041]
The bias supply controller 32 issues power demand control to the cathode bias
[0042]
Assuming that the ion source is operating with a plasma generated in the arc chamber 11, an arc current can flow and the required arc voltage depends on the impedance of the plasma. This output arc voltage on line 26 is compared in a comparator 37 with the required arc voltage represented by the arc V demand on line 34. If there is any difference between the actual arc voltage and the required arc voltage, an error signal adjusted by a three-term (Proportional Integral Derivative-PID) filter 39 is output to the line 38. The PID filter 39 includes an integral term and provides a signal on line 40 that functions as a power demand signal for the cathode bias
[0043]
The current demand signal at the control input 24 of the cathode bias
[0044]
The feedback loop shown in the bias supply controller 32 causes the output power of the cathode bias
[0045]
The
[0046]
In this way, the arc in the plasma chamber (between the
[0047]
As described above, various changes in the ion source cause changes in the cathode bias load impedance. Filament supply controller 33 operates to control the power delivered to filament 13 so that such changes in cathode bias load impedance can be minimized. However, due to the thermal inertia of the filament 13, the filament supply controller 33 operates to maintain a relatively slow response to maintain stability.
[0048]
In the embodiment described above, the cathode bias
[0049]
These current and voltage feedback signals are supplied to the comparator 46 of the filament supply controller 33 by lines 35 and 36. The error signal on line 47 corresponds to the difference between these current and voltage feedback signals, so when this impedance is different from 300 ohms (in this embodiment), it will result in an error in the load impedance of the cathode bias
[0050]
The filament voltage feedback signal to the
[0051]
In this way, the current supplied by the power supply unit 16 is adjusted so that the total power from the filament power supply unit 16 corresponds to the required power to the
[0052]
As described above, the PID filters 48 and 54 in the filament supply controller 33 are arranged to react relatively slowly to match the time constant of the filament 13 due to the thermal inertia of the filament.
[0053]
Importantly, any change in the impedance of the filament 13 is automatically compensated by the inner power control loop of the filament supply controller 33.
[0054]
Furthermore, by controlling the filament power to keep the cathode bias impedance constant, the cathode bias
[0055]
It is also important that no external control signals are required for the supply controller other than the arc V demand and arc I demand.
[0056]
The above embodiments of the present invention have been described with reference to individual components such as comparators, PID filters and multipliers. However, the functions of both the bias supply controller 32 and the filament supply controller 33 can be embodied as a digital signal processing apparatus that is appropriately programmed to provide the required functions as described above.
[0057]
In the embodiment described above, the arc
[0058]
Similarly, the embodiment described above has the current control input 24 of the cathode bias
[0059]
Again, the
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a schematic view of an ion source 10. FIG.
Claims (13)
前記フィラメント供給コントローラは、前記フィラメント電圧フィードバック信号及び前記フィラメント電流フィードバック信号の積からフィラメント電力フィードバック信号を導き出すフィラメント乗算器と、前記フィラメント電力フィードバック信号及び前記フィラメント電力デマンド信号の差からフィラメント電力エラー信号を導き出すフィラメント電力比較器と、前記フィラメント電力エラー信号を調整して、該フィラメント電力エラー信号を減じるように前記フィラメント電源ユニットの出力を制御して、前記フィラメント電源ユニットに出力制御信号として印加するための積算器を含むフィラメント電力調整フィルタとを備える請求項6又は7の何れか1項に記載の装置。 The filament supply controller is adapted for use with a filament power supply unit , the filament power supply unit including a filament voltage feedback signal representative of an output voltage of the filament power supply unit and a filament current feedback representative of an output current of the filament power supply unit. With a signal ,
The filament supply controller includes a filament multiplier that derives a filament power feedback signal from a product of the filament voltage feedback signal and the filament current feedback signal, and a filament power error signal from a difference between the filament power feedback signal and the filament power demand signal. a filament power comparator to derive, by adjusting the filament power error signal controls the output of the filament power supply unit so as to reduce the filament power error signal, for application as an output control signal to said filament power supply unit The apparatus according to claim 6, further comprising a filament power adjustment filter including an integrator.
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