JPH0536370A - イオン源における電力供給装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】イオン源においてフィラメント電流とアーク電
流を安定かつ過不足なく駆動して，安定したイオン・ビ
ームを得ると共にフィラメントの寿命を引き延ばす。 【構成】予めフィラメント１に微小電流を流しておき，
熱電子を放射させておく。次にアーク電極３と２にアー
ク電源７より定電流駆動する。アーク電極３と２との間
の電圧を検出して，この電圧が所定値になるようフィラ
メント電源制御回路600 により信号を発生してフィラメ
ント電源６よりフィラメント１を電流駆動する。

Description

【発明の詳細な説明】

【産業上の利用分野】本発明は，イオン源における電力
供給装置，特に改良された制御特性を有するアーク電源
とフィラメント電源とを有するイオン源における電力供
給装置に関する。

【従来の技術】従来のイオン源における電力供給装置の
制御方式としては，例えば図４に示すようなものがあ
る。この図に従って説明すると，アーク電源７とフィラ
メント電源６とはそれぞれ影響し合っているが，制御に
ついては個別に独立して行なわれている。アーク電源７
については定電流制御であり，フィラメント電源６は定
電流制御および定電圧制御の二通りが用いられている。
尚，マグネット電源８は定電流，加速電源９は定電圧制
御となっている。イオン・ビーム発生装置における，フ
ィラメント１（タングステン）の寿命について考察する
と，フィラメント１が消耗するメカニズムとして，次の
２つのことが考えられる。 フィラメントに電流を流すことによる消耗 この場合は，単純にフィラメント電流を大きくすると，
フィラメントが早く消耗する。 アーク放電でイオンがフィラメントに衝突すること
による消耗 この場合は，フィラメントより発生する熱電子が減少す
ると，アーク放電がしにくくなる。アーク電源は定電流
制御されているために，一定の電流を保とうとし，電圧
を引き上げる。そのためより高いエネルギーのイオンが
フィラメントに衝突することによって，フィラメントの
消耗を早める。 フィラメントより発生する熱電子の量は，フィラメント
の形状（径および長さ）と電流の大きさによって規定さ
れる。フィラメントの長さは変わらないので，フィラメ
ントの径と電流値によって決定される。フィラメントに
一定の電流を流すと，上記の消耗のメカニズムが起こ
る。従って，フィラメントの径は経時的に変化する。そ
の結果，熱電子の量を変化させるのであるが，どちらの
場合にしても，この経時変化が引き金となって，それぞ
れ消耗のメカニズムおよびが悪循環となり，最終的
には加速的に消耗を進めるのである。しかしながら，こ
のような従来のイオン源における電力供給装置の制御方
式にあっては，それぞれの電源が個別に独立して制御さ
れているため，以下のような問題点があった。まずフィ
ラメント電源を定電流制御した場合には，消耗のメカニ
ズムによってフィラメントが消耗し断面積が小さくな
る。その結果，電流密度が高くなり，更に消耗のメカニ
ズムを加速的に進める。加えて，熱電子の量が変動す
ることで，イオン・ビームが変動する。またフィラメン
ト電源を定電圧制御した場合には，定電流と同様に消耗
のメカニズムによってフィラメントが消耗し断面積が
小さくなる。定電圧制御なので電流密度については変化
しないが，断面積が小さくなるとフィラメント表面から
の熱電子放出量が低下する。その結果，今度は消耗のメ
カニズムが加速的に進む。この場合においても，熱電
子量の変動によって、イオン・ビームが変動する。どち
らの場合にしても，安定したイオン・ビームを得ること
が難しい，フィラメントの寿命が短い等の問題があっ
た。従って，結果的にはフィラメント電流を下げると消
耗が早まることとなる。以上のことから，フィラメント
の寿命を延ばすためには，フィラメントより発生する熱
電子量を，この相反する２つのメカニズムが折り合うと
ころの最適値に設定する必要がある。

【発明が解決しようとする課題】本発明は，イオン源に
おいてフィラメントより発生する熱電子の量を制御し，
アーク放電を安定化させることにより安定したイオン・
ビームを得ると同時に，フィラメントの寿命を大幅に引
き延ばすことを課題とする。

【課題を解決するための手段】本発明はこのような課題
を解決するために，まずアーク電極は定電流電源で駆動
し，この電流に対応したアーク電極の電圧値を検出し
て，この検出値が所定の値になるようフィラメント電流
にフィードバックし，フィラメントから安定した熱電子
を供給するよう作動する制御回路を設けるものである。
したがって，フィラメントから放射される熱電子量はア
ーク電極の電圧に関連して制御されるので，アーク放電
が安定し，フィラメントの駆動電流は過不足なく制御さ
れる。

【実施例】図１は，この発明の一実施例を示す図であ
る。まず構成を説明すると，イオン源は，イオン化ガス
導入口（図示せず）を有する真空チャンバー４の中に収
容されたフィラメント１とこれを囲むようアーク電極２
が配設される。このアーク電極２は通常ウェネルトン電
極と呼ばれている。アーク電極２に対向してアーク電極
３が配設される。アーク電極３には入口を狭く絞ったア
パーチャー31とイオンの出口となるプラズマ・バウンダ
リー・カップ32が同電位にある。さらに引き出し電極41
が図示の位置に設けられる。アーク電極１の付近を真空
チャンバー４の外側からマグネット・コイル５で励磁し
て内部のイオン化ガスを励起する。マグネット・コイル
５はマグネット電源８で定電流駆動される。アーク電極
３と引き出し電極41との間に加速電源９が接続されて定
電圧駆動される。アーク電極２とアーク電極３との間に
はアーク電源７が接続されて，定電流駆動される。アー
ク電極２とアーク電極３との間の電圧は検出されて，フ
ィラメント電源制御回路600 に送られる。フィラメント
電源制御回路600 の内部接続図は図２に示す構成であ
る。アーク電極間の検出電圧は入力端子601,602 間より
抵抗器603 と可変抵抗器604 を介してホトカプラ605 の
入力端子に送られる。ホトカプラ605 の出力端子は抵抗
器606 と抵抗器607 とに直列に接続されて電源電圧Vcc
が印加されて，検出電圧に比例した電圧が抵抗器607 の
両端に発生し，演算増幅器611 の入力端子３に供給され
る。一方抵抗器608 と定電圧ダイオード610 とが直列接
続されて電源電圧Vccが印加され，定電圧ダイオード610
の両端には一定電圧が発生し，この電圧は抵抗器609
を介して演算増幅器611の入力端子２に供給される。演
算増幅器611 の出力端子１と入力端子２との間にはコン
デンサ613 と抵抗器612 が接続されていて，負帰還をか
けてある。演算増幅器611 の出力電圧は，また演算増幅
器614 の入力端子５に送られる。この演算増幅器614 は
緩衝増幅器の形であって入力端子５の電圧と等しい電圧
がその出力端子７に現れる。この電圧はダイオード618
を介して制御回路600 の出力端子620に送られる。また
電源電圧Vcc より抵抗器616 と可変抵抗器615 により分
割した電圧をダイオード617 を介して制御回路600の出
力端子620 に送られる。なお演算増幅器611 と614 とは
一つの集積回路で形成されていてその共通の電源端子８
と４には電源電圧Vcc が印加される。以上のように構成
された制御回路600はその入力端子601,602 間の電圧が
基準電圧と等しいときは出力ゼロで，基準電圧を越える
と, その越えた分に比例した電圧が発生する。また予め
可変抵抗器615 の設定に対応した電圧が出力端子620に
発生する。このフィラメント電源制御回路600 の出力電
圧はフィラメント電源６に供給され，その電圧に比例し
た電流で制御されてフィラメント１に電力供給する。こ
のように構成されたイオン・ビーム発生装置において，
先ずフィラメント電源制御回路600 の中の可変抵抗器61
5 の設定に対応した起動用小電圧が出力端子620 に現
れ，この電圧に対応してフィラメント電源６が起動電流
をフィラメント１に流す。ついでアーク電極２と３との
間に接続されたアーク電源７が定電流駆動して真空チャ
ンバー４の中にプラズマ・アークを発生させる。このと
きのアーク電極２と３との間の電圧は，同一のアーク電
流に対しても必ずしも一定ではなく，例えば図３に一例
を示すようにフィラメントの熱電子放射量によって10倍
程度まで変動する。このとき，アーク電極間電圧に対応
して，その電圧がフィラメント電源制御回路600 が作動
し, これを受けてフィラメント電源６が電流駆動する。
したがってフィラメント１の熱電子量はアーク状態に影
響をあたえるものの，そのアーク状態はアーク電極間の
電圧によって検出され，この検出電圧が所定値になるよ
う制御されるため，フィラメント１の熱電子量は安定し
て過不足なく発生させることができる。一般にイオン源
において，周囲温度，真空度，導入ガスの供給量，そし
て励起用マグネットコイル５に流す電流およびアーク電
極に流す電流等の条件を一定に保てば，アーク放電の状
態を変動させる最大の要因は，フィラメントより発生す
る熱電子量であるが上述のようにこの熱電子量を安定化
したため，イオン源より安定したイオン・ビームを得る
ことができる。

【発明の効果】本発明は以上述べたように，イオン源の
電力供給装置において，先ずアーク電極に定電流を流
し，このアーク電極間の電圧を検出してこの電圧が所定
の値になるようにフィラメント電流を制御しているた
め，フィラメント電流はアーク状態が安定するよう制御
される。従って，このフィラメントの熱電子の量を安定
に供給することによって，安定したイオン・ビームを得
ると同時に，フィラメントの寿命を大幅に引き延ばす効
果を有する。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明にかかるイオン源における電力供給装置
の一実施例を示す図である。

【図２】フィラメント電源制御回路の一実施例を示す図
である。

【図３】イオン源におけるフィラメント電流とアーク電
圧との特性図の一例である。

【図４】従来のイオン源における電力供給装置の一例を
示す図である。

【符号の説明】

１…フィラメント ２…第２アーク電極 ３…第１アーク電極 ４…真空チャンバー ５…マグネット・コイル ６…フィラメント電源 ７…アーク電源 ８…マグネット電源 ９…加速電源 41…引き出し電極 32…プラズマ・バウンダリー・カップ 31…アパーチャー 600 …フィラメント電源制御回路

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 【請求項１】少なくともフィラメントと一対のアーク電
   極とマグネット・コイルとを備えるイオン源において，
   前記フィラメントを駆動するフィランメト電源と，前記
   一対のアーク電極を定電流駆動するアーク電源と前記マ
   グネット・コイルを駆動するマグネット電源と加速電源
   と， 前記一対のアーク電極の間の電圧を検出して，この検出
   電圧が所定値になるよう前記フィラメント電源を制御す
   るフィラメント電源制御回路とからなるイオン源におけ
   る電力供給装置。