JP4925544B2 - 間接的に加熱されるカソードイオンソース用の制御装置 - Google Patents
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Description
【０００１】
関連出願の相互参照
本願は2000年5月17日に出願された仮特許出願番号第60/204,936号及び2000年5月17に出願された仮特許出願番号第60/204,938号に基づくものである。
【０００２】
発明の分野
本発明は、イオン注入装置での使用に適したイオンソース、特に間接的に加熱されるカソードを有するイオンソースに関する。
【０００３】
発明の背景
イオンソースはイオン注入装置の決定的に重要な要素である。イオンソースは、イオン注入装置のビームラインを通過し、半導体ウエハへ分配されるイオンビームを生成する。該イオンソースはさまざまな異なるイオン種及び抽出電圧に対して安定かつ十分に画成されたビームを生成するよう要求される。半導体製造設備において、イオンソースを含むイオン注入装置はメンテナンス若しくは修理を必要とせず長期間動作することが要求される。
【０００４】
従来、イオン注入装置は直接加熱されるカソードを有するイオンソースを使用してきた。そこでは電子を放出するためのフィラメントがイオンソースのアークチャンバ内にマウントされ、アークチャンバ内の腐食性の高いプラズマに晒される。典型的に、そのような直接的に加熱されるカソードは比較的直径の小さいワイヤフィラメントを構成し、それによって比較的短時間でアークチャンバの腐食環境内で劣化するか若しくは破損する。結果として、直接加熱型カソードイオンソースの寿命は限定される。
【０００５】
間接加熱型カソードイオンソースがイオン注入装置内でのイオンソースの寿命を改善するために開発された。間接加熱型カソードはフィラメントからの電子衝突により加熱され熱電子を放出する比較的大きいカソードを含む。フィラメントはアークチャンバ内でプラズマから隔離され、その結果長い寿命を有する。カソードはアークチャンバの腐食環境に晒されるが、その比較的大きい構造によって長期間にわたる動作が保証される。
【０００６】
間接加熱型イオンソース内のカソードは周囲から電気的に絶縁され、電気的に電源に接続され、かつ電子放出を停止させてしまう冷却を阻止するために周囲から熱的に隔離されていなければならない。既知の従来技術の間接加熱型カソード設計は、円板とほぼ同じ直径の薄壁チューブによって外周部を支持される円板形式のカソードを利用する。該チューブは断面積を減少させるために薄い壁を有し、それによって熱いカソードからの熱伝導を減少させることができる。典型的に薄いチューブは絶縁遮断として作用しかつカソードからの熱伝導を減少するための長さ方向に沿ったカットアウトを有する。
【０００７】
カソードを支持するのに使用されるチューブは電子を放出しないが、高温の大きい表面領域を有する。この領域は、カソードが熱を損失する主な原因である放射によって熱を失う。大きい直径のチューブはカソードをクランプしかつ接続するのに使用される構造物のサイズ及び複雑性を増加させる。ひとつの既知のカソード支持体は３つの部分を含み、組立用のネジ山を必要とする。
【０００８】
典型的に、間接加熱型カソードイオンソースはフィラメント電源、バイアス電源及びアーク電源を含み、これらの電源を調整するための制御システムを必要とする。間接型加熱カソードイオンソース用の従来の制御システムは、一定のアーク電流を達成するために電源を調整する。一定のアーク電流システムを使用することの困難性は、もしビームラインがチューニングされると、ビームラインの下流末端部で測定されるビーム電流は、ビームラインを通じて伝送される電流の割合を増加させるチューニングによるか、若しくはソースから抽出される電流の量の増加によって増加するという点である。ビーム電流及び伝送は同じ複数の変数によって影響されるため、最大のビーム電流伝送にチューニングすることは難しい。
【０００９】
直接加熱型カソードを有するイオンソース内で利用されてきた従来のアプローチは一定のアーク電流ではなく一定の抽出電流のためにソースを制御することである。ソースが一定の抽出電流に制御されるようなすべての場合において、制御システムはカソードが直接的に加熱されるフィラメントであるところのバーナス(Bernas)タイプのイオンソースを動作する。
【００１０】
発明の要旨
発明の態様に従って、間接的に加熱されるカソードイオンソースは、抽出アパーチャを有するアークチャンバを画成するアークチャンバハウジング、抽出アパーチャの正面でアークチャンバの外側に配置された抽出電極、アークチャンバ内に配置された間接的に加熱されるカソード、及びカソードを加熱するためのフィラメントを含む。フィラメント電源はフィラメントを加熱するための電流を与え、バイアス電源はフィラメントとカソードとの間に電圧を与え、アーク電源はカソードとアークチャンバハウジングとの間に電圧を与え、及び抽出電源はビーム電流を有するイオンビームをアークチャンバから抽出するためにアークチャンバハウジングと抽出電極との間に電圧を与える。さらにイオンソースは基準抽出電流若しくはその近傍の電流値にアークチャンバから抽出されたビーム電流を制御するためのイオンソース制御器を含む。イオンソースは、抽出されたビーム電流を表す抽出電源電流を感知するための抽出電流センサ、及び他の実施例ではアークチャンバハウジングと抽出電極との間に配置された抑制電極及び抑制電極とアースとの間に接続された抑制電源を含む。
【００１１】
イオンソース制御器は感知したビーム電流と基準抽出電流との間の差に基づいたエラー値に応答して抽出されたビーム電流を制御するためのフィードバック手段を含む。ひとつの実施例において、該フィードバック手段はエラー値に応答してバイアス電源によって供給されるバイアス電流を制御するための手段を含む。他の実施例において、フィードバック手段はエラー値に応答してフィラメント電源によって供給されるフィラメント電流を制御するための手段を含む。フィードバック手段は比例積分偏差制御器を含む。カソード及び該カソードを加熱するためのフィラメントを含む間接加熱型カソードイオンソースは、イオンソースから抽出されたビーム電流を感知し、感知したビーム電流と基準抽出電流との間の差に基づくエラー値に応答してフィラメントとカソードとの間のバイアス電流を制御することによって制御される。
【００１２】
第１の制御アルゴリズムにおいて、イオンソースから抽出されたビーム電流が感知され、フィラメントとカソードとの間のバイアス電流が感知した電流と基準抽出電流との間の差に基づくエラー値に応答して制御される。さらに当該アルゴリズムはフィラメント電圧及びアーク電流を調整せずにフィラメント電流及びアーク電圧を一定値に維持することを含む。
【００１３】
第２の制御アルゴリズムにおいて、イオンソースから抽出されたビーム電流が感知され、フィラメントを通るフィラメント電流が感知ビーム電流と基準抽出電流との間の差に基づくエラー値に応答して制御される。さらに当該アルゴリズムは、バイアス電圧及びアーク電流を調整することなく、バイアス電流及びアーク電圧を一定の値に維持することを含む。
【００１４】
本発明の他の態様に従って、間接加熱型カソードイオンソースを制御するための方法はイオンソースから抽出されたビーム電流を感知する工程と、感知ビーム電流と基準抽出電流との間の差に基づくエラー値に応答してイオンソースから抽出されたビーム電流を制御する工程を含む。本発明のさらに他の態様に従って、アークチャンバから抽出されたビーム電流を制御するための方法は、抽出アパーチャを有するアークチャンバを画成するアークチャンバハウジングと、抽出アパーチャの正面でアークチャンバの外側に配置された抽出電極と、アークチャンバ内に配置された間接的に加熱されるカソードと、カソードを加熱するためのフィラメントと、フィラメントを加熱するための電流を与えるためのフィラメント電源と、フィラメントとカソードとの間に接続されたバイアス電源と、カソードとアークチャンバハウジングとの間に接続されたアーク電源と、ビーム電流を有するイオンビームをアークチャンバから抽出するためにアークチャンバハウジングと抽出電極との間に接続された抽出電源と、抽出電源によって供給される抽出電流に応答して所望のレベル若しくはその近傍にアークチャンバから抽出されたビーム電流を制御するためのイオンソース制御器を与える工程を含む。
【００１５】
詳細な説明
本発明の実施例に従う間接的に加熱されるカソードイオンソースが図１に示される。抽出アパーチャ12を有するアークチャンバハウジング10はアークチャンバ14を画成する。カソード20及びリペラ電極22がアークチャンバ14内に配置される。リペラ電極22は電気的に隔離されている。カソードインシュレータ24は電気的及び熱的にカソード20をアークチャンバハウジング10から絶縁する。付加的に、カソード20は熱伝導を妨げるために真空ギャップによってインシュレータ24から分離されてもよい。カソード20に近接してアークチャンバ14の外側に配置されるフィラメント30はカソード20の加熱を生成する。
【００１６】
イオン化されるべきガスはガスソース32からガス入口34を通じてアークチャンバ14へ与えられる。他の構成において、図示しないが、アークチャンバ14はアークチャンバ14内でイオン化されるべき材料を気化する気化器に結合される。
【００１７】
アーク電源50はアークチャンバハウジング10に結合される正端子及びカソード20に結合される負端子を有する。アーク電源50は１０アンペアで１００ボルトの定格を有し約５０ボルトで動作する。アーク電源50はカソード20によって放出された電子をアークチャンバ14のプラズマ内へ加速する。バイアス電源52はカソード20に接続された正端子及びフィラメント30に接続された負端子を有する。バイアス電源52は４アンペアで６００ボルトの定格を有し、約２アンペアの電流及び約４００ボルトの電圧で動作する。バイアス電源52は、カソード20を加熱するためにフィラメントによって放出された電子をカソード20へ加速する。フィラメント電源54はフィラメント30に接続された出力端子を有する。フィラメント電源54は２００アンペアで５ボルトの定格を有し、約１５０から１６０アンペアのフィラメント電流で動作する。フィラメント電源54はフィラメント30の加熱を生成し、該フィラメントはカソード20を加熱するためにカソード20の方向へ加速される電子を続けて生成する。ソース磁石60は矢印62で示される方向にアークチャンバ14内で磁場Bを生成する。磁場Bの方向はイオンソースの動作に影響を与えることなく反転され得る。
【００１８】
この場合接地電極70である抽出電極及び抑制電極72は抽出アパーチャ12の正面に配置される。接地電極70及び抑制電極72の各々は良く画成されたイオンビーム74を抽出するために抽出アパーチャ12と一列をなすアパーチャを有する。
【００１９】
抽出電源80は、電流感知レジスタ110を通じてアークチャンバハウジング10へ接続された正端子及びアース及び接地電極70に接続された負端子を有する。抽出電源80は２５ミリアンペアから２００ミリアンペアで７０キロボルトの定格を有する。抽出電源80はアークチャンバ14からイオンビーム74を抽出するための電圧を与える。抽出電圧はイオンビーム74内のイオンの所望のエネルギーに依存して調節可能である。
【００２０】
抑制電源82は抑制電極72に接続された負端子及びアースに結合された正端子を有する。抑制電源82は−２kVから−３０kVの範囲内の出力を有する。負にバイアスされた抑制電極72はイオンビーム74内での電子の移動を抑制する。電源50、52、54、80及び82の電圧及び電流定格及び動作電圧及び電流は一例として示されているに過ぎず、本発明の態様を制限するものではないことが理解されるであろう。
【００２１】
イオンソース制御器100はイオンソースの制御を与える。イオンソース制御器100はプログラムされた制御器若しくは特別専用目的制御器である。好適実施例において、イオンソース制御器100はイオン注入装置のメイン制御コンピュータに組み込まれる。
【００２２】
イオンソース制御器100は、イオンソースから所望のレベルの抽出イオン電流を生成するために、アーク電源50、バイアス電源52及びフィラメント電源54を制御する。イオンソースから抽出された電流を固定することによって、イオンビームは最適な伝送用にチューニングされる。ビーム生成粒子が減れば汚染も減り、ビーム入射による消耗が減少するためメンテナンスが改善されることから、イオンソース寿命及び欠点の削減にとってそれは利益となる。付加的な利益はより速いビームチューニングである。
【００２３】
イオンソース制御器100は、抽出電源80によって供給される抽出電流IEを表す電流感知信号を配線102及び104にて受信する。電流感知レジスタ110が、抽出電流IEを感知するべく抽出電源80からの電源リードのひとつと直列に接続されている。他の回路において、抽出電源80は抽出電流IEを表す電流感知信号を配線112に与えるように構成される。抽出電源80によって供給された抽出電流IEはイオンビーム74内のビーム電流に対応する。イオンソース制御器100は、所望若しくは基準抽出電流を表す基準信号IEREFもまた受信する。イオンソース制御器100は感知した抽出電流IEを基準抽出電流IEREFと比較し、正、負若しくはゼロであるエラー値を決定する。
【００２４】
エラー値に応答して電源の出力を調節するために制御アルゴリズムが使用される。制御アルゴリズムのひとつの実施例は、図５に示される比例積分偏差(PID)ループを利用する。PIDループの目的は、イオンビームを生成するのに使用された抽出電流IEを基準抽出電流IEREFに維持することである。PIDループは、感知された抽出電流IEを基準抽出電流IEREFに調節するという要求にしたがってPID計算224の出力を連続的に調節することによってこの結果を達成する。PID計算224は、感知抽出電流IE及び基準抽出電流IEREFを減算することによって生成されるエラー信号IEERRORの形式でイオン生成器組立体230からフィードバックを受信する。抽出電流IEを基準抽出電流IEREF若しくはその付近に維持するために、PIDループの出力がイオンソース制御器100からアーク電源50、バイアス電源52及びフィラメント電源54へ送られる。
【００２５】
第１の制御アルゴリズムに従い、抽出電流IEを基準抽出電流IEREF若しくはその近傍に制御するために、バイアス電源52によって供給されるバイアス電流IBは抽出電流エラー値IEERRORに応答して変化する。バイアス電流IBはフィラメント30とカソード20との間の電子電流を表す。特に、バイアス電流IBは抽出電流IEを増加するために増加され、バイアス電流IBは抽出電流IEを減少するために減少される。バイアス電圧VBは調整されず、所望のバイアス電流IBを供給するよう変化する。また、第１の制御アルゴリズムに従い、フィラメント電源54によって供給されるフィラメント電流IFはフィラメント電圧VFが調整されないまま一定値に維持され、アーク電源50によって供給されるアーク電圧VAはアーク電流IAが調整されないまま一定値に維持される。第１の制御アルゴリズムは高性能、単純化及び低コストの利益を有する。
【００２６】
第１の制御アルゴリズムに従うイオンソース制御器100の動作の例が図６に略示されている。入力V1、V2及びRは抽出電流計算220を実行するために使用される。入力電圧V1及びV2は測定値であり、入力抵抗Rはレジスタ110の値に基づいている。感知された抽出電流IEは以下のように計算される。
【００２７】
IE＝（V1−V2）／R
【００２８】
もし抽出電源80が抽出電流IEを表す電流感知信号をイオンソース制御器100へ与えるように構成されていれば、上記計算は省略される。感知された抽出電流IE及び基準抽出電流IEREFはエラー計算222内へ入力される。基準抽出電流IEREFは所望の抽出電流に基づく設定値である。抽出電流エラー値IEERRORは感知された抽出電流IEから基準抽出電流IEREFを減算することによって以下のように計算される。
【００２９】
IEERROR＝IE−IEREF
【００３０】
抽出電流エラー値IEERROR及び３つの制御係数（KPB、KIB及びKDB）がPID計算224a用に入力される。３つの制御係数は最適制御効果を得るために最適化される。特に、KPB、KIB及びKDBは許容できる立上り時間を有する過渡応答、オーバーシュート及び安定状態のエラーを有する制御装置を生成するよう選択される。PID計算の出力信号は以下のように決定される。
【００３１】
Ob(t)＝KPBe(t)+KIB∫e(t)dt+KDBde(t)/dt
【００３２】
ここでe(t)はある瞬間の抽出電流エラー値であり、Ob(t)はある瞬間の出力制御信号である。ある瞬間の出力信号Ob(t)はバイアス電源52に与えられ、抽出電流エラー値を最小化するためにバイアス電流IBをどのように調節するべきかの情報を与える。出力制御信号Ob(t)の大きさ及び極性はバイアス電源52の制御要求に依存する。概して、感知される抽出電流IEが基準抽出電流IEREFより小さい場合出力制御信号Ob(t)はバイアス電流IBを増加させ、感知される抽出電流IEが基準抽出電流IEREFより大きい場合出力制御信号Ob(t)はバイアス電流IBを減少させる。
【００３３】
フィラメント電流IF及びアーク電圧VAは図６に示されるフィラメント及びアーク電源制御器225によって一定に維持される。所望のソース動作条件に従って選択された制御パラメータはフィラメント及びアーク電源制御器225へ入力される。制御信号Of(t)及びOa(t)が制御器225によって出力されかつフィラメント電源54及びアーク電源50にそれぞれ与えられる。
【００３４】
第２の制御アルゴリズムに従って、抽出電流IEを基準抽出電流IEREF若しくはその近傍に制御するために、フィラメント電源54によって供給されるフィラメント電流IFは抽出電流エラー値IEERRORに応答して変化する。特に、抽出電流IEを増加するためにフィラメント電流IFは減少され、抽出電流IEを減少させるためにフィラメント電流IFは増加される。フィラメント電圧V F は調整されない。また、第２の制御アルゴリズムに従い、バイアス電圧VBが調整されないままバイアス電源52によって供給されるバイアス電流IBは一定に維持され、アーク電流IAが調整されないままアーク電源50により供給されるアーク電圧VAは一定に維持される。
【００３５】
第２の制御アルゴリズムに従うイオンソース制御器100の動作が図７に略示されている。感知された抽出電流IEを決定するべく入力V1、V2及びRに基づいて第１の制御アルゴリズムと同様に抽出電流計算220が実行される。感知された抽出電流IE及び基準抽出電流IEREFがエラー計算226へ入力される。抽出電流エラー値IEERRORは以下のように基準抽出電流IEREFから感知抽出電流IEを減算することによって計算される。
【００３６】
IEERROR＝IEREF −IE
【００３７】
この計算は演算対象の順序が逆であるという点で第１のアルゴリズムのエラー計算と異なる。演算対象が逆転されたことで、制御ループは、抽出電流IEと制御された変数（この場合IF）との間に、第１のアルゴリズムのような正の相関ではなく逆の相関を作る。抽出電流エラー値IEERROR及び３つの制御係数がPID計算224bへ入力される。係数KPF、KIF及びKDFは、それらが第２の制御アルゴリズムに従ってイオンソースの性能を最適化するべく選択される際に、第１のアルゴリズムの制御係数と同じ値を必ずしも有しない。しかし、PID計算224bは以下のように同様である。
【００３８】
OF(t)＝KPFe(t)+KIF∫e(t)dt+KDFde(t)/dt
【００３９】
ある瞬間の出力制御信号OF(t)がフィラメント電源に与えられ、抽出電流エラー値を最小化するのにフィラメント電流IFはどのように調節されるべきかの情報を与える。出力制御信号OF(t)の大きさ及び極性はフィラメント電源54の制御要求に依存する。概して、感知された抽出電流IEが基準抽出電流IEREFより小さい場合出力制御信号OF(t)はフィラメント電流IFを減少させ、感知された抽出電流IEが基準抽出電流IEREFより大きい場合出力制御信号OF(t)はフィラメント電流IFを増加させる。
【００４０】
バイアス電流IB及びアーク電圧VAは図７に示されるバイアス及びアーク電源制御器229によって一定に維持される。所望のソース動作条件に従って選択された制御パラメータがバイアス及びアーク電源制御器229へ入力される。制御信号OB(t)及びOA(t)が制御器229によって出力されかつバイアス電源52及びアーク電源50へそれぞれ与えられる。
【００４１】
第１制御アルゴリズム及び第２制御アルゴリズムは別々に略示されているが、イオンソース制御器100はいずれか若しくは両方のアルゴリズムを実行するように構成され得ることが認識されるべきである。イオンソース制御器100が両方を実行できる場合、制御器100によって実行される特定のアルゴリズムを選択するための機構が与えられる。間接加熱型カソードイオンソースの抽出電流を制御するために異なる制御アルゴリズムが利用され得ることが理解されよう。好適実施例において、制御アルゴリズムは制御器100のソフトウエア内で実行される。しかし、ハード配線若しくはマイクロプログラム制御器が利用されても良い。
【００４２】
イオンソースが動作中であるとき、フィラメント30は、２２００℃のオーダーの熱電子放出温度までフィラメント電流IFによって抵抗加熱される。フィラメント30によって放出された電子はフィラメント30とカソード20との間のバイアス電圧VBによって加速され、衝突し、カソード20を加熱する。カソード20は電子衝突によって熱電子放出温度まで加熱される。カソード20によって放出された電子はアーク電圧VAによって加速され、プラズマ放電を生成するべくアークチャンバ14内でガスソース32からのガス分子をイオン化する。アークチャンバ14内の電子は磁場Bによって螺旋軌道を運動する。リペラ電極22は入射電子の結果として負電荷を蓄積し、ついには付加的なイオン化衝突を生成しながらアークチャンバ14を通じて電子をはじき返すのに十分な負電荷を有するようになる。フィラメント30がアークチャンバ14内のプラズマに晒されずかつカソード20が従来の直接加熱型カソードより大きいため、図１のイオンソースは直接加熱型カソードイオンソースに比べソース寿命の改善が見られる。
【００４３】
間接加熱型カソード20の実施例が図２A及び２Bに示されている。図２Aはカソード20の側面図、図２Bは斜視図である。カソード20は円板形状を有し、支持ロッド150に結合されている。ひとつの実施例において、支持ロッド150は円板形状のカソード20の中央に取付けられ、熱伝導及び放射を制限するために実質的にカソード20より小さい直径を有する。他の実施例において、複数の支持ロッドがカソード20に取付けられる。例えば、第１支持ロッドと異なるサイズ及び形状を有する第２支持ロッドがカソード20の不正確な取付け防止するようカソード20へ取付けられても良い。カソード20及び支持ロッド150を含むカソードサブアセンブリがバネ式クランプ152によってアークチャンバ14内で支持される。バネ式クランプ152は適所に支持ロッド150を保持し、それ自身アークチャンバ用の支持構造体（図示せず）によって適所に保持される。支持ロッド150はカソード20に対して機械的支持を与え、図１に示されるようにアーク電源50及びバイアス電源52への電気的接続を与える。支持ロッド150は比較的小さい直径を有するので、熱伝導及び放射は制限される。
【００４４】
ひとつの実施例において、カソード20及び支持ロッド150はタングステンから成り一体型として製造される。この例において、カソード20は０.７５インチの直径及び０.２０インチの厚さを有する。ひとつの実施例において、支持ロッド150は約０.５から３インチの範囲の長さを有する。例えば、好適実施例において、支持ロッド150はほぼ１.７５インチの長さ及び約０.０４から０.２５インチの範囲の直径を有する。好適実施例において、支持ロッド150はほぼ０.１２５インチの直径を有する。一般に、支持ロッド150はカソード20の直径より小さい直径を有する。例えば、カソード20の直径は支持ロッド150の直径の少なくとも４倍大きい。好適実施例において、カソード20の直径は支持ロッド150の直径よりほぼ６倍大きい。これらの寸法はほんの一例であり本発明の態様を限定するものではないことが理解されよう。他の例において、カソード20及び支持ロッド150は別個の部品として製造され、圧着等によって一緒に取付けられる。
【００４５】
概して、支持ロッド150は硬い円柱構造を有し、少なくともひとつの支持ロッド150がカソード20を支持しかつ電気エネルギーをカソード20へ伝達するのに使用される。ひとつの好適実施例において、円柱支持ロッド150の直径は支持ロッド150の長さに沿って一定である。他の実施例において、支持ロッド150は支持ロッド150の長さに沿った位置の関数として変化する直径を有する硬い円柱構造体である。例えば、支持ロッド150の直径はその各端部で支持ロッドの長さに沿って最も小さく、それによって支持ロッド150とカソード20との間の熱分離を促進することができる。支持ロッド150はアークチャンバ14と逆方向に面するカソード20の面に取付けられる。好適実施例において、支持ロッド150はカソード20の中心若しくはその付近でカソード20に取付けられる。
【００４６】
フィラメント30の例が図３Aから３Dに示される。この例において、フィラメント30は導線から製造され、加熱ループ170並びに接続リード172及び174を含む。接続リード172及び174は図１のフィラメント電源54に示されるような電源にフィラメント30を取付けるために適当な曲がりを有する。図３Aから３Dの例において、加熱ループ170は、支持ロッドを収容するために支持ロッド150の直径より大きいか若しくは等しい内径を有する単一の円弧形状曲線として構成される。図３Aから３Dの例において、加熱ループ170は０.３６インチの内径及び０.５４インチの外径を有する。フィラメント30は直径０.０９０インチのタングステンワイヤから製造される。好適には、該ワイヤは加熱ループ170の長さに沿って研摩されるか、カソード20に隣接する領域内で断面がより小さく減少される。例えば、円弧形状曲線に沿ったフィラメントの直径は抵抗を増加させかつカソード20付近の加熱を増加させるとともに接続リード172及び174の加熱を減少させるために０.０７５インチのオーダーでより小さく減少される。好適には、加熱ループ170は約０.０２０インチだけカソード20から離隔される。
【００４７】
カソードインシュレータ24の例が図４Aから４Cに示される。インシュレータ24はカソード20を受容するための中央開口部200を有する概してリング形状の構成を有する。インシュレータ24はアークチャンバ10からカソード20を電気的及び熱的に隔離するよう構成される。好適には、中央開口部200の寸法は、熱伝導を防止するためにインシュレータ24とカソード20との間に真空ギャップを与えるようわずかにカソード20より大きく取られている。インシュレータ24はアークチャンバ14内のプラズマからインシュレータ24の側壁204をシールドするフランジ202を備える。フランジ202はプラズマと逆方向側に溝206を具備し、それがカソード20とアークチャンバハウジング10との間の経路長を増加させる。このインシュレータ設計はカソード20とアークチャンバハウジング10との間に短絡回路を生じさせるインシュレータ上へのデポジットの危険を減少させる。好適実施例において、カソードインシュレータ24は窒化ボロンから製造される。
【００４８】
本発明の現時点で考え得る好適実施例が説明されてきたが、特許請求の範囲に定義される発明の態様から離れることなくさまざまな変更及び修正が為され得ることは当業者の知るところである。またここに説明された特徴は本発明の態様内で別個に若しくは組み合わせて利用されることが理解されるべきである。
【図面の簡単な説明】
【図１】 図１は、本発明に実施例に従う間接加熱型カソードイオンソースのブロック図である。
【図２】 図２A及び２Bは、図１のイオンソース内のカソードの実施例の正面及び斜視図である。
【図３】 図３A〜３Dは、図１のイオンソース内のフィラメントの実施例の斜視図、正面図、平面図及び側面図である。
【図４】 図４A〜４Cは、図１のイオンソース内のカソードインシュレータの実施例の斜視図、断面図及び部分断面図である。
【図５】 図５は、イオンソース制御器用に抽出電流を制御するのに使用されるフィードバックループを略示したものである。
【図６】 図６は、第１制御アルゴリズムに従う図１のイオンソース制御器の動作を略示したものである。
【図７】 図７は、第２制御アルゴリズムに従う図１のイオンソース制御器の動作を略示したものである。
【符号の説明】
10 アークチャンバハウジング
12 抽出アパーチャ
14 アークチャンバ
20 カソード
22 リペラ電極
24 カソードインシュレータ
30 フィラメント
32 ガスソース
50 アーク電源
52 バイアス電源
54 フィラメント電源
60 ソース磁石
70 接地電極
72 抑制電極
74 イオンビーム
80 抽出電源
82 抑制電源
100 イオンソース制御器
150 支持ロッド
関連出願の相互参照
本願は2000年5月17日に出願された仮特許出願番号第60/204,936号及び2000年5月17に出願された仮特許出願番号第60/204,938号に基づくものである。
【０００２】
発明の分野
本発明は、イオン注入装置での使用に適したイオンソース、特に間接的に加熱されるカソードを有するイオンソースに関する。
【０００３】
発明の背景
イオンソースはイオン注入装置の決定的に重要な要素である。イオンソースは、イオン注入装置のビームラインを通過し、半導体ウエハへ分配されるイオンビームを生成する。該イオンソースはさまざまな異なるイオン種及び抽出電圧に対して安定かつ十分に画成されたビームを生成するよう要求される。半導体製造設備において、イオンソースを含むイオン注入装置はメンテナンス若しくは修理を必要とせず長期間動作することが要求される。
【０００４】
従来、イオン注入装置は直接加熱されるカソードを有するイオンソースを使用してきた。そこでは電子を放出するためのフィラメントがイオンソースのアークチャンバ内にマウントされ、アークチャンバ内の腐食性の高いプラズマに晒される。典型的に、そのような直接的に加熱されるカソードは比較的直径の小さいワイヤフィラメントを構成し、それによって比較的短時間でアークチャンバの腐食環境内で劣化するか若しくは破損する。結果として、直接加熱型カソードイオンソースの寿命は限定される。
【０００５】
間接加熱型カソードイオンソースがイオン注入装置内でのイオンソースの寿命を改善するために開発された。間接加熱型カソードはフィラメントからの電子衝突により加熱され熱電子を放出する比較的大きいカソードを含む。フィラメントはアークチャンバ内でプラズマから隔離され、その結果長い寿命を有する。カソードはアークチャンバの腐食環境に晒されるが、その比較的大きい構造によって長期間にわたる動作が保証される。
【０００６】
間接加熱型イオンソース内のカソードは周囲から電気的に絶縁され、電気的に電源に接続され、かつ電子放出を停止させてしまう冷却を阻止するために周囲から熱的に隔離されていなければならない。既知の従来技術の間接加熱型カソード設計は、円板とほぼ同じ直径の薄壁チューブによって外周部を支持される円板形式のカソードを利用する。該チューブは断面積を減少させるために薄い壁を有し、それによって熱いカソードからの熱伝導を減少させることができる。典型的に薄いチューブは絶縁遮断として作用しかつカソードからの熱伝導を減少するための長さ方向に沿ったカットアウトを有する。
【０００７】
カソードを支持するのに使用されるチューブは電子を放出しないが、高温の大きい表面領域を有する。この領域は、カソードが熱を損失する主な原因である放射によって熱を失う。大きい直径のチューブはカソードをクランプしかつ接続するのに使用される構造物のサイズ及び複雑性を増加させる。ひとつの既知のカソード支持体は３つの部分を含み、組立用のネジ山を必要とする。
【０００８】
典型的に、間接加熱型カソードイオンソースはフィラメント電源、バイアス電源及びアーク電源を含み、これらの電源を調整するための制御システムを必要とする。間接型加熱カソードイオンソース用の従来の制御システムは、一定のアーク電流を達成するために電源を調整する。一定のアーク電流システムを使用することの困難性は、もしビームラインがチューニングされると、ビームラインの下流末端部で測定されるビーム電流は、ビームラインを通じて伝送される電流の割合を増加させるチューニングによるか、若しくはソースから抽出される電流の量の増加によって増加するという点である。ビーム電流及び伝送は同じ複数の変数によって影響されるため、最大のビーム電流伝送にチューニングすることは難しい。
【０００９】
直接加熱型カソードを有するイオンソース内で利用されてきた従来のアプローチは一定のアーク電流ではなく一定の抽出電流のためにソースを制御することである。ソースが一定の抽出電流に制御されるようなすべての場合において、制御システムはカソードが直接的に加熱されるフィラメントであるところのバーナス(Bernas)タイプのイオンソースを動作する。
【００１０】
発明の要旨
発明の態様に従って、間接的に加熱されるカソードイオンソースは、抽出アパーチャを有するアークチャンバを画成するアークチャンバハウジング、抽出アパーチャの正面でアークチャンバの外側に配置された抽出電極、アークチャンバ内に配置された間接的に加熱されるカソード、及びカソードを加熱するためのフィラメントを含む。フィラメント電源はフィラメントを加熱するための電流を与え、バイアス電源はフィラメントとカソードとの間に電圧を与え、アーク電源はカソードとアークチャンバハウジングとの間に電圧を与え、及び抽出電源はビーム電流を有するイオンビームをアークチャンバから抽出するためにアークチャンバハウジングと抽出電極との間に電圧を与える。さらにイオンソースは基準抽出電流若しくはその近傍の電流値にアークチャンバから抽出されたビーム電流を制御するためのイオンソース制御器を含む。イオンソースは、抽出されたビーム電流を表す抽出電源電流を感知するための抽出電流センサ、及び他の実施例ではアークチャンバハウジングと抽出電極との間に配置された抑制電極及び抑制電極とアースとの間に接続された抑制電源を含む。
【００１１】
イオンソース制御器は感知したビーム電流と基準抽出電流との間の差に基づいたエラー値に応答して抽出されたビーム電流を制御するためのフィードバック手段を含む。ひとつの実施例において、該フィードバック手段はエラー値に応答してバイアス電源によって供給されるバイアス電流を制御するための手段を含む。他の実施例において、フィードバック手段はエラー値に応答してフィラメント電源によって供給されるフィラメント電流を制御するための手段を含む。フィードバック手段は比例積分偏差制御器を含む。カソード及び該カソードを加熱するためのフィラメントを含む間接加熱型カソードイオンソースは、イオンソースから抽出されたビーム電流を感知し、感知したビーム電流と基準抽出電流との間の差に基づくエラー値に応答してフィラメントとカソードとの間のバイアス電流を制御することによって制御される。
【００１２】
第１の制御アルゴリズムにおいて、イオンソースから抽出されたビーム電流が感知され、フィラメントとカソードとの間のバイアス電流が感知した電流と基準抽出電流との間の差に基づくエラー値に応答して制御される。さらに当該アルゴリズムはフィラメント電圧及びアーク電流を調整せずにフィラメント電流及びアーク電圧を一定値に維持することを含む。
【００１３】
第２の制御アルゴリズムにおいて、イオンソースから抽出されたビーム電流が感知され、フィラメントを通るフィラメント電流が感知ビーム電流と基準抽出電流との間の差に基づくエラー値に応答して制御される。さらに当該アルゴリズムは、バイアス電圧及びアーク電流を調整することなく、バイアス電流及びアーク電圧を一定の値に維持することを含む。
【００１４】
本発明の他の態様に従って、間接加熱型カソードイオンソースを制御するための方法はイオンソースから抽出されたビーム電流を感知する工程と、感知ビーム電流と基準抽出電流との間の差に基づくエラー値に応答してイオンソースから抽出されたビーム電流を制御する工程を含む。本発明のさらに他の態様に従って、アークチャンバから抽出されたビーム電流を制御するための方法は、抽出アパーチャを有するアークチャンバを画成するアークチャンバハウジングと、抽出アパーチャの正面でアークチャンバの外側に配置された抽出電極と、アークチャンバ内に配置された間接的に加熱されるカソードと、カソードを加熱するためのフィラメントと、フィラメントを加熱するための電流を与えるためのフィラメント電源と、フィラメントとカソードとの間に接続されたバイアス電源と、カソードとアークチャンバハウジングとの間に接続されたアーク電源と、ビーム電流を有するイオンビームをアークチャンバから抽出するためにアークチャンバハウジングと抽出電極との間に接続された抽出電源と、抽出電源によって供給される抽出電流に応答して所望のレベル若しくはその近傍にアークチャンバから抽出されたビーム電流を制御するためのイオンソース制御器を与える工程を含む。
【００１５】
詳細な説明
本発明の実施例に従う間接的に加熱されるカソードイオンソースが図１に示される。抽出アパーチャ12を有するアークチャンバハウジング10はアークチャンバ14を画成する。カソード20及びリペラ電極22がアークチャンバ14内に配置される。リペラ電極22は電気的に隔離されている。カソードインシュレータ24は電気的及び熱的にカソード20をアークチャンバハウジング10から絶縁する。付加的に、カソード20は熱伝導を妨げるために真空ギャップによってインシュレータ24から分離されてもよい。カソード20に近接してアークチャンバ14の外側に配置されるフィラメント30はカソード20の加熱を生成する。
【００１６】
イオン化されるべきガスはガスソース32からガス入口34を通じてアークチャンバ14へ与えられる。他の構成において、図示しないが、アークチャンバ14はアークチャンバ14内でイオン化されるべき材料を気化する気化器に結合される。
【００１７】
アーク電源50はアークチャンバハウジング10に結合される正端子及びカソード20に結合される負端子を有する。アーク電源50は１０アンペアで１００ボルトの定格を有し約５０ボルトで動作する。アーク電源50はカソード20によって放出された電子をアークチャンバ14のプラズマ内へ加速する。バイアス電源52はカソード20に接続された正端子及びフィラメント30に接続された負端子を有する。バイアス電源52は４アンペアで６００ボルトの定格を有し、約２アンペアの電流及び約４００ボルトの電圧で動作する。バイアス電源52は、カソード20を加熱するためにフィラメントによって放出された電子をカソード20へ加速する。フィラメント電源54はフィラメント30に接続された出力端子を有する。フィラメント電源54は２００アンペアで５ボルトの定格を有し、約１５０から１６０アンペアのフィラメント電流で動作する。フィラメント電源54はフィラメント30の加熱を生成し、該フィラメントはカソード20を加熱するためにカソード20の方向へ加速される電子を続けて生成する。ソース磁石60は矢印62で示される方向にアークチャンバ14内で磁場Bを生成する。磁場Bの方向はイオンソースの動作に影響を与えることなく反転され得る。
【００１８】
この場合接地電極70である抽出電極及び抑制電極72は抽出アパーチャ12の正面に配置される。接地電極70及び抑制電極72の各々は良く画成されたイオンビーム74を抽出するために抽出アパーチャ12と一列をなすアパーチャを有する。
【００１９】
抽出電源80は、電流感知レジスタ110を通じてアークチャンバハウジング10へ接続された正端子及びアース及び接地電極70に接続された負端子を有する。抽出電源80は２５ミリアンペアから２００ミリアンペアで７０キロボルトの定格を有する。抽出電源80はアークチャンバ14からイオンビーム74を抽出するための電圧を与える。抽出電圧はイオンビーム74内のイオンの所望のエネルギーに依存して調節可能である。
【００２０】
抑制電源82は抑制電極72に接続された負端子及びアースに結合された正端子を有する。抑制電源82は−２kVから−３０kVの範囲内の出力を有する。負にバイアスされた抑制電極72はイオンビーム74内での電子の移動を抑制する。電源50、52、54、80及び82の電圧及び電流定格及び動作電圧及び電流は一例として示されているに過ぎず、本発明の態様を制限するものではないことが理解されるであろう。
【００２１】
イオンソース制御器100はイオンソースの制御を与える。イオンソース制御器100はプログラムされた制御器若しくは特別専用目的制御器である。好適実施例において、イオンソース制御器100はイオン注入装置のメイン制御コンピュータに組み込まれる。
【００２２】
イオンソース制御器100は、イオンソースから所望のレベルの抽出イオン電流を生成するために、アーク電源50、バイアス電源52及びフィラメント電源54を制御する。イオンソースから抽出された電流を固定することによって、イオンビームは最適な伝送用にチューニングされる。ビーム生成粒子が減れば汚染も減り、ビーム入射による消耗が減少するためメンテナンスが改善されることから、イオンソース寿命及び欠点の削減にとってそれは利益となる。付加的な利益はより速いビームチューニングである。
【００２３】
イオンソース制御器100は、抽出電源80によって供給される抽出電流IEを表す電流感知信号を配線102及び104にて受信する。電流感知レジスタ110が、抽出電流IEを感知するべく抽出電源80からの電源リードのひとつと直列に接続されている。他の回路において、抽出電源80は抽出電流IEを表す電流感知信号を配線112に与えるように構成される。抽出電源80によって供給された抽出電流IEはイオンビーム74内のビーム電流に対応する。イオンソース制御器100は、所望若しくは基準抽出電流を表す基準信号IEREFもまた受信する。イオンソース制御器100は感知した抽出電流IEを基準抽出電流IEREFと比較し、正、負若しくはゼロであるエラー値を決定する。
【００２４】
エラー値に応答して電源の出力を調節するために制御アルゴリズムが使用される。制御アルゴリズムのひとつの実施例は、図５に示される比例積分偏差(PID)ループを利用する。PIDループの目的は、イオンビームを生成するのに使用された抽出電流IEを基準抽出電流IEREFに維持することである。PIDループは、感知された抽出電流IEを基準抽出電流IEREFに調節するという要求にしたがってPID計算224の出力を連続的に調節することによってこの結果を達成する。PID計算224は、感知抽出電流IE及び基準抽出電流IEREFを減算することによって生成されるエラー信号IEERRORの形式でイオン生成器組立体230からフィードバックを受信する。抽出電流IEを基準抽出電流IEREF若しくはその付近に維持するために、PIDループの出力がイオンソース制御器100からアーク電源50、バイアス電源52及びフィラメント電源54へ送られる。
【００２５】
第１の制御アルゴリズムに従い、抽出電流IEを基準抽出電流IEREF若しくはその近傍に制御するために、バイアス電源52によって供給されるバイアス電流IBは抽出電流エラー値IEERRORに応答して変化する。バイアス電流IBはフィラメント30とカソード20との間の電子電流を表す。特に、バイアス電流IBは抽出電流IEを増加するために増加され、バイアス電流IBは抽出電流IEを減少するために減少される。バイアス電圧VBは調整されず、所望のバイアス電流IBを供給するよう変化する。また、第１の制御アルゴリズムに従い、フィラメント電源54によって供給されるフィラメント電流IFはフィラメント電圧VFが調整されないまま一定値に維持され、アーク電源50によって供給されるアーク電圧VAはアーク電流IAが調整されないまま一定値に維持される。第１の制御アルゴリズムは高性能、単純化及び低コストの利益を有する。
【００２６】
第１の制御アルゴリズムに従うイオンソース制御器100の動作の例が図６に略示されている。入力V1、V2及びRは抽出電流計算220を実行するために使用される。入力電圧V1及びV2は測定値であり、入力抵抗Rはレジスタ110の値に基づいている。感知された抽出電流IEは以下のように計算される。
【００２７】
IE＝（V1−V2）／R
【００２８】
もし抽出電源80が抽出電流IEを表す電流感知信号をイオンソース制御器100へ与えるように構成されていれば、上記計算は省略される。感知された抽出電流IE及び基準抽出電流IEREFはエラー計算222内へ入力される。基準抽出電流IEREFは所望の抽出電流に基づく設定値である。抽出電流エラー値IEERRORは感知された抽出電流IEから基準抽出電流IEREFを減算することによって以下のように計算される。
【００２９】
IEERROR＝IE−IEREF
【００３０】
抽出電流エラー値IEERROR及び３つの制御係数（KPB、KIB及びKDB）がPID計算224a用に入力される。３つの制御係数は最適制御効果を得るために最適化される。特に、KPB、KIB及びKDBは許容できる立上り時間を有する過渡応答、オーバーシュート及び安定状態のエラーを有する制御装置を生成するよう選択される。PID計算の出力信号は以下のように決定される。
【００３１】
Ob(t)＝KPBe(t)+KIB∫e(t)dt+KDBde(t)/dt
【００３２】
ここでe(t)はある瞬間の抽出電流エラー値であり、Ob(t)はある瞬間の出力制御信号である。ある瞬間の出力信号Ob(t)はバイアス電源52に与えられ、抽出電流エラー値を最小化するためにバイアス電流IBをどのように調節するべきかの情報を与える。出力制御信号Ob(t)の大きさ及び極性はバイアス電源52の制御要求に依存する。概して、感知される抽出電流IEが基準抽出電流IEREFより小さい場合出力制御信号Ob(t)はバイアス電流IBを増加させ、感知される抽出電流IEが基準抽出電流IEREFより大きい場合出力制御信号Ob(t)はバイアス電流IBを減少させる。
【００３３】
フィラメント電流IF及びアーク電圧VAは図６に示されるフィラメント及びアーク電源制御器225によって一定に維持される。所望のソース動作条件に従って選択された制御パラメータはフィラメント及びアーク電源制御器225へ入力される。制御信号Of(t)及びOa(t)が制御器225によって出力されかつフィラメント電源54及びアーク電源50にそれぞれ与えられる。
【００３４】
第２の制御アルゴリズムに従って、抽出電流IEを基準抽出電流IEREF若しくはその近傍に制御するために、フィラメント電源54によって供給されるフィラメント電流IFは抽出電流エラー値IEERRORに応答して変化する。特に、抽出電流IEを増加するためにフィラメント電流IFは減少され、抽出電流IEを減少させるためにフィラメント電流IFは増加される。フィラメント電圧V F は調整されない。また、第２の制御アルゴリズムに従い、バイアス電圧VBが調整されないままバイアス電源52によって供給されるバイアス電流IBは一定に維持され、アーク電流IAが調整されないままアーク電源50により供給されるアーク電圧VAは一定に維持される。
【００３５】
第２の制御アルゴリズムに従うイオンソース制御器100の動作が図７に略示されている。感知された抽出電流IEを決定するべく入力V1、V2及びRに基づいて第１の制御アルゴリズムと同様に抽出電流計算220が実行される。感知された抽出電流IE及び基準抽出電流IEREFがエラー計算226へ入力される。抽出電流エラー値IEERRORは以下のように基準抽出電流IEREFから感知抽出電流IEを減算することによって計算される。
【００３６】
IEERROR＝IEREF −IE
【００３７】
この計算は演算対象の順序が逆であるという点で第１のアルゴリズムのエラー計算と異なる。演算対象が逆転されたことで、制御ループは、抽出電流IEと制御された変数（この場合IF）との間に、第１のアルゴリズムのような正の相関ではなく逆の相関を作る。抽出電流エラー値IEERROR及び３つの制御係数がPID計算224bへ入力される。係数KPF、KIF及びKDFは、それらが第２の制御アルゴリズムに従ってイオンソースの性能を最適化するべく選択される際に、第１のアルゴリズムの制御係数と同じ値を必ずしも有しない。しかし、PID計算224bは以下のように同様である。
【００３８】
OF(t)＝KPFe(t)+KIF∫e(t)dt+KDFde(t)/dt
【００３９】
ある瞬間の出力制御信号OF(t)がフィラメント電源に与えられ、抽出電流エラー値を最小化するのにフィラメント電流IFはどのように調節されるべきかの情報を与える。出力制御信号OF(t)の大きさ及び極性はフィラメント電源54の制御要求に依存する。概して、感知された抽出電流IEが基準抽出電流IEREFより小さい場合出力制御信号OF(t)はフィラメント電流IFを減少させ、感知された抽出電流IEが基準抽出電流IEREFより大きい場合出力制御信号OF(t)はフィラメント電流IFを増加させる。
【００４０】
バイアス電流IB及びアーク電圧VAは図７に示されるバイアス及びアーク電源制御器229によって一定に維持される。所望のソース動作条件に従って選択された制御パラメータがバイアス及びアーク電源制御器229へ入力される。制御信号OB(t)及びOA(t)が制御器229によって出力されかつバイアス電源52及びアーク電源50へそれぞれ与えられる。
【００４１】
第１制御アルゴリズム及び第２制御アルゴリズムは別々に略示されているが、イオンソース制御器100はいずれか若しくは両方のアルゴリズムを実行するように構成され得ることが認識されるべきである。イオンソース制御器100が両方を実行できる場合、制御器100によって実行される特定のアルゴリズムを選択するための機構が与えられる。間接加熱型カソードイオンソースの抽出電流を制御するために異なる制御アルゴリズムが利用され得ることが理解されよう。好適実施例において、制御アルゴリズムは制御器100のソフトウエア内で実行される。しかし、ハード配線若しくはマイクロプログラム制御器が利用されても良い。
【００４２】
イオンソースが動作中であるとき、フィラメント30は、２２００℃のオーダーの熱電子放出温度までフィラメント電流IFによって抵抗加熱される。フィラメント30によって放出された電子はフィラメント30とカソード20との間のバイアス電圧VBによって加速され、衝突し、カソード20を加熱する。カソード20は電子衝突によって熱電子放出温度まで加熱される。カソード20によって放出された電子はアーク電圧VAによって加速され、プラズマ放電を生成するべくアークチャンバ14内でガスソース32からのガス分子をイオン化する。アークチャンバ14内の電子は磁場Bによって螺旋軌道を運動する。リペラ電極22は入射電子の結果として負電荷を蓄積し、ついには付加的なイオン化衝突を生成しながらアークチャンバ14を通じて電子をはじき返すのに十分な負電荷を有するようになる。フィラメント30がアークチャンバ14内のプラズマに晒されずかつカソード20が従来の直接加熱型カソードより大きいため、図１のイオンソースは直接加熱型カソードイオンソースに比べソース寿命の改善が見られる。
【００４３】
間接加熱型カソード20の実施例が図２A及び２Bに示されている。図２Aはカソード20の側面図、図２Bは斜視図である。カソード20は円板形状を有し、支持ロッド150に結合されている。ひとつの実施例において、支持ロッド150は円板形状のカソード20の中央に取付けられ、熱伝導及び放射を制限するために実質的にカソード20より小さい直径を有する。他の実施例において、複数の支持ロッドがカソード20に取付けられる。例えば、第１支持ロッドと異なるサイズ及び形状を有する第２支持ロッドがカソード20の不正確な取付け防止するようカソード20へ取付けられても良い。カソード20及び支持ロッド150を含むカソードサブアセンブリがバネ式クランプ152によってアークチャンバ14内で支持される。バネ式クランプ152は適所に支持ロッド150を保持し、それ自身アークチャンバ用の支持構造体（図示せず）によって適所に保持される。支持ロッド150はカソード20に対して機械的支持を与え、図１に示されるようにアーク電源50及びバイアス電源52への電気的接続を与える。支持ロッド150は比較的小さい直径を有するので、熱伝導及び放射は制限される。
【００４４】
ひとつの実施例において、カソード20及び支持ロッド150はタングステンから成り一体型として製造される。この例において、カソード20は０.７５インチの直径及び０.２０インチの厚さを有する。ひとつの実施例において、支持ロッド150は約０.５から３インチの範囲の長さを有する。例えば、好適実施例において、支持ロッド150はほぼ１.７５インチの長さ及び約０.０４から０.２５インチの範囲の直径を有する。好適実施例において、支持ロッド150はほぼ０.１２５インチの直径を有する。一般に、支持ロッド150はカソード20の直径より小さい直径を有する。例えば、カソード20の直径は支持ロッド150の直径の少なくとも４倍大きい。好適実施例において、カソード20の直径は支持ロッド150の直径よりほぼ６倍大きい。これらの寸法はほんの一例であり本発明の態様を限定するものではないことが理解されよう。他の例において、カソード20及び支持ロッド150は別個の部品として製造され、圧着等によって一緒に取付けられる。
【００４５】
概して、支持ロッド150は硬い円柱構造を有し、少なくともひとつの支持ロッド150がカソード20を支持しかつ電気エネルギーをカソード20へ伝達するのに使用される。ひとつの好適実施例において、円柱支持ロッド150の直径は支持ロッド150の長さに沿って一定である。他の実施例において、支持ロッド150は支持ロッド150の長さに沿った位置の関数として変化する直径を有する硬い円柱構造体である。例えば、支持ロッド150の直径はその各端部で支持ロッドの長さに沿って最も小さく、それによって支持ロッド150とカソード20との間の熱分離を促進することができる。支持ロッド150はアークチャンバ14と逆方向に面するカソード20の面に取付けられる。好適実施例において、支持ロッド150はカソード20の中心若しくはその付近でカソード20に取付けられる。
【００４６】
フィラメント30の例が図３Aから３Dに示される。この例において、フィラメント30は導線から製造され、加熱ループ170並びに接続リード172及び174を含む。接続リード172及び174は図１のフィラメント電源54に示されるような電源にフィラメント30を取付けるために適当な曲がりを有する。図３Aから３Dの例において、加熱ループ170は、支持ロッドを収容するために支持ロッド150の直径より大きいか若しくは等しい内径を有する単一の円弧形状曲線として構成される。図３Aから３Dの例において、加熱ループ170は０.３６インチの内径及び０.５４インチの外径を有する。フィラメント30は直径０.０９０インチのタングステンワイヤから製造される。好適には、該ワイヤは加熱ループ170の長さに沿って研摩されるか、カソード20に隣接する領域内で断面がより小さく減少される。例えば、円弧形状曲線に沿ったフィラメントの直径は抵抗を増加させかつカソード20付近の加熱を増加させるとともに接続リード172及び174の加熱を減少させるために０.０７５インチのオーダーでより小さく減少される。好適には、加熱ループ170は約０.０２０インチだけカソード20から離隔される。
【００４７】
カソードインシュレータ24の例が図４Aから４Cに示される。インシュレータ24はカソード20を受容するための中央開口部200を有する概してリング形状の構成を有する。インシュレータ24はアークチャンバ10からカソード20を電気的及び熱的に隔離するよう構成される。好適には、中央開口部200の寸法は、熱伝導を防止するためにインシュレータ24とカソード20との間に真空ギャップを与えるようわずかにカソード20より大きく取られている。インシュレータ24はアークチャンバ14内のプラズマからインシュレータ24の側壁204をシールドするフランジ202を備える。フランジ202はプラズマと逆方向側に溝206を具備し、それがカソード20とアークチャンバハウジング10との間の経路長を増加させる。このインシュレータ設計はカソード20とアークチャンバハウジング10との間に短絡回路を生じさせるインシュレータ上へのデポジットの危険を減少させる。好適実施例において、カソードインシュレータ24は窒化ボロンから製造される。
【００４８】
本発明の現時点で考え得る好適実施例が説明されてきたが、特許請求の範囲に定義される発明の態様から離れることなくさまざまな変更及び修正が為され得ることは当業者の知るところである。またここに説明された特徴は本発明の態様内で別個に若しくは組み合わせて利用されることが理解されるべきである。
【図面の簡単な説明】
【図１】 図１は、本発明に実施例に従う間接加熱型カソードイオンソースのブロック図である。
【図２】 図２A及び２Bは、図１のイオンソース内のカソードの実施例の正面及び斜視図である。
【図３】 図３A〜３Dは、図１のイオンソース内のフィラメントの実施例の斜視図、正面図、平面図及び側面図である。
【図４】 図４A〜４Cは、図１のイオンソース内のカソードインシュレータの実施例の斜視図、断面図及び部分断面図である。
【図５】 図５は、イオンソース制御器用に抽出電流を制御するのに使用されるフィードバックループを略示したものである。
【図６】 図６は、第１制御アルゴリズムに従う図１のイオンソース制御器の動作を略示したものである。
【図７】 図７は、第２制御アルゴリズムに従う図１のイオンソース制御器の動作を略示したものである。
【符号の説明】
10 アークチャンバハウジング
12 抽出アパーチャ
14 アークチャンバ
20 カソード
22 リペラ電極
24 カソードインシュレータ
30 フィラメント
32 ガスソース
50 アーク電源
52 バイアス電源
54 フィラメント電源
60 ソース磁石
70 接地電極
72 抑制電極
74 イオンビーム
80 抽出電源
82 抑制電源
100 イオンソース制御器
150 支持ロッド
Claims (10)
- 間接的に加熱されるカソードイオンソースであって、
抽出アパーチャを有するアークチャンバを画成するアークチャンバハウジングと、
抽出アパーチャの正面でアークチャンバの外側に配置された抽出電極と、
アークチャンバ内に配置された間接的に加熱されるカソードと、
カソードを加熱するためのフィラメントと、
フィラメントを加熱する電流を与えるためのフィラメント電源と、
フィラメントとカソードとの間に接続されたバイアス電源と、
カソードとアークチャンバハウジングとの間に接続されたアーク電源と、
アークチャンバハウジングと抽出電極との間に接続され、ビーム電流を有するイオンビームをアークチャンバから抽出するための抽出電源と、
基準抽出電流若しくはその近傍にアークチャンバから抽出されたビーム電流を制御するためのイオンソース制御器と、を含み、
前記イオンソース制御器は、感知されたビーム電流と前記基準抽出電流との間の差に基づくエラー値に応答して前記抽出されたビーム電流を制御するためのフィードバック手段を含み、該フィードバック手段は前記エラー値に応答して前記バイアス電源により供給されるバイアス電流を制御する手段又は前記エラー値に応答して前記フィラメント電源により供給されるフィラメント電流を制御する手段から成る、
ことを特徴とするイオンソース。 - 請求項１に記載のイオンソースであって、さらに、前記抽出されたビーム電流を表す抽出電源電流を感知するための抽出電流センサを含む、
イオンソース。 - 請求項１に記載のイオンソースであって、前記フィードバック手段は比例積分偏差制御器から成る、イオンソース。
- 請求項１に記載のイオンソースであって、さらに
前記アークチャンバハウジングと前記抽出電極との間に配置された抑制電極と、
抑制電極とアースとの間に接続された抑制電源と、を含む、
イオンソース。 - カソード及び該カソードを加熱するためのフィラメントから成る間接的に加熱されるカソードイオンソースを制御するための方法であって、
イオンソースから抽出されたビーム電流を感知する工程と、
感知されたビーム電流と基準抽出電流との間の差に基づくエラー値に応答してフィラメントとカソードとの間のバイアス電流を制御する工程と、
を含む方法。 - 請求項５に記載の方法であって、さらに
フィラメント電流を一定値に維持する工程と、
アーク電圧を一定値に維持する工程と、を含み、
フィラメント電圧及びアーク電流は調整されない、ことを特徴とする方法。 - カソード及び該カソードを加熱するためのフィラメントから成る間接的に加熱されるカソードイオンソースを制御するための方法であって、
イオンソースから抽出されたビーム電流を感知する工程と、
感知されたビーム電流と基準抽出電流との間の差に基づくエラー値に応答してフィラメントを流れるフィラメント電流を制御する工程と、
を含む方法。 - 請求項７に記載の方法であって、さらに
バイアス電流を一定値に維持する工程と、
アーク電圧を一定値に維持する工程と、を含み、
バイアス電圧及びアーク電流は調整されない、ことを特徴とする方法。 - カソード及び該カソードを加熱するためのフィラメントから成る間接的に加熱されるカソードイオンソースを制御するための方法であって、
イオンソースから抽出されたビーム電流を感知する工程と、
該感知されたビーム電流と基準抽出電流との間の差に基づくエラー値に応答して、前記フィラメントと前記カソードの間のバイアス電流又はフィラメントを流れるフィラメント電流を制御することによりイオンソースから抽出されるビーム電流を制御する工程と、
を含む方法。 - アークチャンバから抽出されたビーム電流を制御するための方法であって、
抽出アパーチャを有するアークチャンバを画成するアークチャンバハウジングを与える工程と、
抽出アパーチャの正面でアークチャンバの外側に配置される抽出電極を与える工程と、
アークチャンバ内に配置される間接的に加熱されるカソードを与える工程と、
カソードを加熱するためのフィラメントを与える工程と、
フィラメントを加熱する電流を与えるためのフィラメント電源を与える工程と、
フィラメントとカソードとの間に接続されたバイアス電源を与える工程と、
カソードとアークチャンバハウジングとの間に接続されたアーク電源を与える工程と、
アークチャンバハウジングと抽出電極との間に接続され、ビーム電流を有するイオンビームをアークチャンバから抽出するための抽出電源を与える工程と、
抽出電源によって供給される抽出電流に応答して、基準抽出電流若しくはその近傍にアークチャンバから抽出されたビーム電流を制御するためのイオンソース制御器を与える工程と、を含み、
前記イオンソース制御器は、前記抽出電流と前記基準抽出電流との間の差に基づくエラー値に応答して前記抽出されたビーム電流を制御するためのフィードバック手段を含み、該フィードバック手段は前記エラー値に応答して前記バイアス電源により供給されるバイアス電流を制御するフィードバック手段又は前記エラー値に応答して前記フィラメント電源により供給されるフィラメント電流を制御するフィードバック手段から成る、
ことを特徴とする方法。
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