KR20040042882A - 이온원의 필라멘트 수명 예측방법 및 이온원장치 - Google Patents

Abstract

본 발명에 따른 이온원 장치는 열전자 방출용 필라멘트를 갖는 이온원과, 필라멘트를 통해 흐르는 전류를 측정하는 전류측정기와, 필라멘트 양단의 전압을 측정하는 전압측정기와, 상기 전류측정기 및 전압측정기에 의해 측정된 전류 및 전압에 기초하여 상기 필라멘트의 저항값을 구하는 저항값 연산수단과, 이 저항값 연산수단에 의해 구해진 저항값의 변화율을 이용하여 상기 필라멘트가 사용한계에 도달하는 시각 또는 사용한계에 도달할 때까지의 나머지 시간을 구하는 예측연산수단을 구비한다.

Description

이온원의 필라멘트 수명 예측방법 및 이온원장치{METHOD OF PREDICTING A LIFETIME OF FILAMENT IN ION SOURCE AND INO SOURCE DEVICE}

본 발명은 이온주입장치 등에 이용되는 이온원의 필라멘트의 수명을 예측하는 방법, 및 이 예측을 행하는 수단을 구비한 이온원장치에 관한 것이다.

이온주입장치 등에 이용되는 이온원을 구성하는 열전자방출용의 필라멘트의 수명은 종래 필라멘트에 흐르는 전류(필라멘트전류)를 이온원의 운전 중 상시 예측하고, 이것을 소정의 기준치와 비교함으로써 절단에 이를 때 까지의 잔여시간을 추정하여 필라멘트의 수명을 예측하였다. 상기 소정의 기준치에는 동일특성의 필라멘트를 이용한 이온원에서의 과거의 데이터가 이용된다. 또, 상기와 같은 기술은 특허 공개 평4-3065444호 공보(단락번호 0017, 0022, 도 1)에도 기재되어 있다.

상기 종래 방법의 사용 이유는 다음과 같다. 즉, 이온원을 어느 일정 출력(이 출력으로서는 본 명세서에는 이온원으로부터 인출되는 이온빔 전류에 착안하고 있다)으로 운전하기 위해서는 필라멘트로부터 방출되는 열전자의 양을 일정하게 할 필요가 있다. 이 열전자의 양은 필라멘트와 플라즈마 생성용기와의 사이를 흐르는 아크전류로서 관측된다. 이 아크전류를 일정하게 유하기 위해 그 종류의 이온원에서는 통상 필라멘트 전류를 제어하여 필라멘트의 투입 파워를 일정하게 제어하고 있다.

그 경우, 이온원의 운전에 따라서 필라멘트는 플라즈마 생성용기 내에 생성된 플라즈마 속의 이온에 의한 스패터나 증발에 의해 소모하여 가늘어지게 된다. 예를들면 필라멘트의 중앙부근에서 그 직경이 작아진다(도 2 참조). 그 결과 필라멘트 전체의 저항치가 증대하고, 필라멘트로의 투입 파워를 일정하게 하기 위해 필요한 필라멘트 전류는 작아지게 된다.

따라서, 종래는 필라멘트 전류가 작아지는 만큼 필라멘트의 직경이 작아져단선이 야기되기 쉽다고 추정하고, 동일특성의 필라멘트를 이용한 이온원에서 과거에 단선이 발생한 때의 필라멘트전류와 비교를 행하는 것에 의해 단선에 이를 때까지의 나머지 시간을 예측하였다.

상기 기술적인 근거는 이온원의 출력이 항상 일정할 때에는 바르다고 추정할 수 있다. 그러나, 이온주입장치 등에 이용되는 현실의 이온원에 있어서는 그와 같은 조건으로 운전되는 경우는 매우 드물다.

예를들면, 중전류기라 호칭되는 이온주입장치용의 이온원을 예를들어 말하면이 이온원의 출력은 즉, 그것으로부터 인출되는 이온빔의 전류는 20mA 이상을 출력하는 최대출력으로부터 0.1mA 정도 까지 낮아지는 최소 출력까지로 넓게 폭을 가지고 있다.

상술한 바와 같이, 이온원의 출원은 필라멘트로부터 방출되는 열전자의 양에 의존하고, 필라멘트 전류는 이온원에 요구되는 출력에 따라서 변화될 필요가 있으므로 예를들어 필라멘트의 직경이 같아도 이온원의 출력이 커지면 필요한 필라멘트 전류는 커지고, 출력이 작으면 필라멘트 전류는 작아진다. 다시말하면, 이온원의 출력, 즉 이온빔 전류를 낮추기 위해서는 아크전류를 작게할 필요가 있고, 이를 위해서는 필라멘트 전류를 작게할 필요가 있다. 이 때, 종래의 방법에 의해 필라멘트 전류를 측정하여 필라멘트의 잔류수명을 예측하면 잔류수명이 급속히 작아지는 것을 볼 수 있다. 그러나 이것은 단지 필라멘트전류를 작게하였기 때문이므로 바른것은 아니다.

따라서, 본 발명은 이온원의 출력이 일정하지 않은 경우에도 필라멘트의 수명을 정확히 예측할 수 있는 수단을 제공하는 것을 주 목적으로 한다.

도 1은 본 발명에 관한 필라멘트 수명예측방법을 실시하는 이온원장치의 일예를 나타내는 도면.

도 2는 도 1의 필라멘트의 중앙부근이 가늘어진 예를 나타내는 도면.

도 3은 이온원의 운전시간에 대한 필라멘트 저항값의 변화에 관한 일예를 나타내는 도면.

*부호의 설명*

2. 이온원, 10. 필라멘트

22. 필라멘트 전극 26. 전류측정기

28. 전압측정기 30. 연산제어장치

32. 저항값연산수단 34. 예측연산수단

상기 목적을 실현하기 위해 본 발명의 제1구성특징은 이온원에서 열전자 방출용 필라멘트의 수명을 예측하기 위한 방법에 관한 것으로서, 필라멘트를 통해 흐르는 전류와 필라멘트 양단 전압을 기초로 이온원의 동작 중에 필라멘트의 저항값을 연속적으로 측정하는 단계와, 저항값의 변화율을 기초로 필라멘트가 파손될 때까지 필라멘트의 수명을 예측하는 단계를 구비한다.

필라멘트의 수명을 결정하는 것은 필라멘트의 직경(다시말하면, 단면적)이다. 이것에 직접 관계하는 물리량으로서 필라멘트의 저항값이 있다. 이것은 필라멘트의 저항값R[Ω]은 다음식과 같이 필라멘트의 단면적A[m²]에 반비례하기 때문이다. 여기서 ρ는 필라멘트 저항율[Ωm], L은 필라멘트의 길이[m]이다. 이 저항값R은 이온원의 출력을 변화시키기 때문에 필라멘트 전류를 변화시켜도 그 만큼으로는 변화하지 않는다.

(수학식 1)

R = ρㆍL/A

여기서 본 발명과 같이 필라멘트에 흐르는 전류와 필라멘트 양단의 전압에기초하여 이온원 운전 중의 필라멘트의 저항값을 계속하여 측정하고, 이 저항값의변화율에 기초하여 필라멘트의 단선에 이르는 수명을 예측함으로써 이온원의 출력이 일정하지 않은 경우에도 필라멘트의 수명을 정확히 예측할 수 있다.

또한, 상기 목적을 실현하기 위한 본 발명의 제2구성특징은 열전자 방출용 필라멘트를 갖는 이온원과, 필라멘트를 통해 흐르는 전류를 측정하는 전류측정기와, 필라멘트 양단의 전압을 측정하는 전압측정기와, 상기 전류측정기 및 전압측정기에 의해 측정된 전류 및 전압에 기초하여 상기 필라멘트의 저항값을 구하는 저항값 연산수단과, 이 저항값 연산수단에 의해 구해진 저항값의 변화율을 이용하여 상기 필라멘트가 사용한계에 도달하는 시각 또는 사용한계에 도달할 때까지의 나머지 시간을 구하는 예측연산수단을 구비한 것을 특징으로 하는 이온원장치에 관한 것이다.

이러한 이온원 장치에 의하면, 상기와 같은 저항값 연산수단, 예측연산수단 등을 포함하고 있으므로, 제1구성특징의 발명의 경우와 동일하고, 이온원의 출력이 일정하지 않은 경우에도 필라멘트의 수명을 정확히 예측할 수 있다.

다음에, 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 첨부도면을 참조하여 설명한다.

도 1은 본 발명에 따른 필라멘트 수명 예측 방법을 행하기 위한 이온원장치를 개략적으로 나타내는 도면이다.

본 발명에 따른 이온원장치는 열전자방출용의 필라멘트(10)를 갖는 이온원(2)과, 필라멘트(10)에 흐르는 전류I를 측정하는 전류측정기(26)와, 필라멘트(10)의 양단의 전압V을 측정하는 전압측정기(28)와, 측정된 전류I 및 전압V에 기초하여 필라멘트(10)의 수명예측 등을 행하는 연산제어장치(30)를 구비하고 있다.

이온원(2)은 본 예에서는 버너스형(Bernas-type) 이온원이라 칭하는 것으로서 애노드를 겸하는 플라즈마 생성용기(4)와, 열전자방출용의 U자형 필라멘트(10)와, 반사전극(12)과, 슬리트형 이온인출구(6)를 구비하고 있다.

플라즈마 생성용기(4) 내에는 필라멘트(10)가 배치되며, 반사전극(12)은 플라즈마 생성용기 내에서 필라멘트가 배치되는 것과는 다른 쪽에 배치된다. 이온인출구(6)는 플라즈마 생성용기(4)의 벽면에 형성되어 있다. 이온인출구(6)의 출구근방에는 플라즈마 생성용기(4) 내에서 생성된 플라즈마(14)로부터 이온빔(20)을 인출하는 인출전극 시스템(18)이 설치되어 있다. 인출전극 시스템(18)은 도시한 바와같은 1장의 전극에 한정되는 것은 아니다.

플라즈마 생성용기(4) 내에는 플라즈마(14), 이에 따른 이온빔(20)의 원인이 되는 원료가스로서 가스나 증기가 도입구(8)를 통해 도입된다. 플라즈마 생성용기(4) 내부에는 도시하지 않은 자계발생기에 의해 필라멘트(10)와 반사전극(12)을 결선하는 방항으로 자계(16)가 인가된다. 필라멘트(10)의 양단에는 필라멘트(10)를 통전가열하는 필라멘트 전원(22)이 접속된다. 필라멘트(10)의 일단과 플라즈마 생성용기(4)와의 사이에는 후자를 플러스 전극측으로 하여 아크 전원(24)이 접속된다.

이와 같은 이온원(2)에서, 플라즈마 생성용기(4) 내외를 진공배기한 상태로 플라즈마 생성용기(4) 내에 원료가스를 적당한 유량으로 도입하면서 필라멘트전원(22)에 의해 필라멘트(10)를 가열하는 동시에 필라멘트(10)와 플라즈마 생성용기(4)와의 사이에 아크전원(24)으로부터 아크전압을 인가하면 필라멘트(10)로부터 방출되는 열전자는 플라즈마 생성용기(4)로 향하여 아크전압에 의해 가속되고, 원료가스와 충돌함으로써 원료가스를 전리하며, 아크 방전을 발생시키는 동시에 플라즈마(14)를 생성한다. 그리고 이 플라즈마(14)로부터 이온빔(20)을 인출할 수 있다.

상기 필라멘트(10)에 흐르는 전류I는 필라멘트 전원(22)의 출력전류와 실질적으로 동일하고, 전류측정기(26)에 의해 측정할 수 있다. 필라멘트(10)의 양단에 인가되는 전압V은 필라멘트 전원(22)의 출력전압과 실질적으로 동일하며, 전압측정기(28)에 의해 측정할 수 있다.

연산제어장치(30)는 상기와 같이 하여 측정한 전류I 및 전압V에 기초한 필라멘트(10)의 저항값R을 구하는 저항값 연산수단(32)과, 이것에 의해 구해진 저항값R의 변화율(시간에 대한 변화율)을 이용하고, 필라멘트(10)가 사용한계에 달하는 시각 또는 사용한계 까지의 나머지 시간을 구하는 예측연산수단(34)을 구비한다.

이것을 상세히 설명하면, 필라멘트(10)의 저항값R[Ω]은 상기 전류I[A] 및 전압[V]에 기초하여 다음과 같이 구할 수 있다. 이 연산은 저항값 연산수단(32)에 의해 실행된다. 이와같이 하여 이온원(2)의 운전 중의 필라멘트(10)의 저항값R을 게속하여 측정한다. 본 명세서에 있어서 "계속하여"라고 하는 것은 "연속적으로"라고 바꾸어 말할 수 있고, 전형적으로는 상시를 말하지만 저항측정이 반복되는 소정의 시간간격을 의미할 수도 있다.

(수학식 2)

R = V/I

이온원(2)의 운전시간의 경과에 따라서, 필라멘트(10)는 플라즈마(14) 속의 이온에 의한 스패터나 증발에 의해 소모하여 가늘어진다. 예를들면 도 2에 나타낸 바와같이 필라멘트(10)의 중앙부근(본 예에서는 선단부근)(10a)에서 그 직경이 작아지게 된다. 따라서 필라멘트(10)의 전체 저항값R은 필라멘트(10)의 소모에 의해 커지게 된다. 그 모양의 일예를 도 3에 실선으로 나타낸다.

이온원 운전 중의 현재 시각t₁으로 필라멘트(10)가 사용한계에 도달하는 한계저항값을 R_L로 한다. 이 한계저항값R_L은 현재 사용하고 있는 필라멘트(10)와 동일특성(즉, 동일재질, 치수, 형상 등)의 필라멘트의 과거 경험으로부터 구할 수 있다. 즉, 그와 같은 필라멘트가 단선된 때의, 또는 단선할 가능성이 높아진 때의 저항값R을 한계저항값R_L으로 한다.

그리고, 상기와 같이 하여 이온원 운전 중의 필라멘트(10)의 저항값R을 계속하여 측정함으로써 현재 시각t₁에서의 저항값R₁의 변화율dR₁/dt₁을 이용하여 삽입하고, 필라멘트(10)의 저항값R이 한계저항값R_L에 도달하는 시각t₂를 구한다. 구체적으로는 수학식3의 연산을 행한다. 또는 필라멘트(10)의 저항값R이 한계저항값R_L에 도달할 때까지의 나머지 시간t₂-t₁을 구한다. 구체적으로는 수학식4의 연산을 행한다. 수학식3과 수학식4는 수학적으로 등가이고, 실질은 동일하다. 이와같은 연산을 예측연산수단(34)이 행한다.

(수학식 3)

t₂= (R_L- R₁)/(dR₁/dt₁) + t₁

(수학식 4)

t₂- t₁= (R_L- R₁)/(dR₁/dt₁)

상기와 같이 하여, 필라멘트(10)가 사용한계에 도달한 시각t₂또는 사용한계에 도달할 때까지의 시간 t₂- t₁을 구할 수 있다. 이것에 의해 필라멘트(10)의 단선에 이르는 수명을 예측할 수 있다.

그 경우, 측정대상인 필라멘트(10)의 저항값R은 이온원(2)의 출력을 변화시키기 위해 필라멘트(10)에 흐르는 전류I의 크기를 변화시켜도 그만큼의 이유에 의해 변화하지 않는다. 이와 관련하여, 필라멘트(10)에 인가하는 전압V의 크기를 변화시킨 경우도 같으며, 그런 이유로 측정대상의 저항값R이 변화하지 않는다. 그와같이, 본 발명에서는 이온원의 출력을 변화시키기 위해 필라멘트 전류를 변화시켜도 값이 변화하지 않는 필라멘트 저항값R을 측정대상으로 하여 필라멘트의 수명을 예측하므로, 이온원(2)의 출력이 일정하지 않은 경우도 필라멘트(10)의 수명을 정확히 예측할 수 있다.

또, 본 예에서와 같이, 상기 시각t₂또는 나머지 시간t₂- t₁을 표시하는 표시수단(36)을 설치하여도 좋다.

또, 본 예에서와 같이, 상기 잔류시간t₂- t₁과 소정의 기준값T를 비교하여 잔류시간 t₂- t₁이 기준값T 보다 작아진 때에 경보신호S를 출력하는 비교수단(38)을 설치하여도 좋다.

상기와 같은 저항값 연산수단(32), 예측연산수단(34) 등을 갖는 연산제어장치(30)는 예를들면 컴퓨터를 이용하여 구성하여도 좋다.

또, 본 발명은 상기 예의 버너스형 이온원에 한정되는 것은 아니며, 열전자방출용의 필라멘트를 갖는 이온원에 넓게 적용할 수 있다. 예를들면, 직선형 필라멘트를 갖는 프리맨형(Freeman-type) 이온원 등에도 적용이 가능하다.

이상과 같이 본 발명에 의하면, 이온원의 출력을 변화시키기 위해 필라멘트전류를 변화시켜도 값이 변화하지 않는 필라멘트 저항값을 측정대상으로 하여 필라멘트의 수명을 예측하므로, 이온원의 출력이 일정하지 않은 경우에도 필라멘트의 수명을 정확히 예측할 수 있다.

Claims (5)

1. 이온원에서 열전자 방출용 필라멘트의 수명을 예측하기 위한 방법으로서,

   필라멘트를 통해 흐르는 전류와 필라멘트 양단 전압을 기초로 이온원의 동작 중에 필라멘트의 저항값을 연속적으로 측정하는 단계와,

   저항값의 변화율을 기초로 필라멘트가 파손될 때까지 필라멘트의 수명을 예측하는 단계를,

   구비하는 이온원의 필라멘트 수명 예측방법.
2. 제1항에 있어서,

   저항값의 변화율을 기초로 필라멘트의 사용한계에 도달할 때까지의 시각, 또는 필라멘트의 사용한계에 도달할때 까지의 남은 시간을 연산하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 이온원의 필라멘트 수명 예측방법.
3. 열전자 방출용 필라멘트를 갖는 이온원과,

   필라멘트를 통해 흐르는 전류를 측정하는 전류측정기와,

   필라멘트 양단의 전압을 측정하는 전압측정기와,

   상기 전류측정기 및 전압측정기에 의해 측정된 전류 및 전압에 기초하여 상기 필라멘트의 저항값을 구하는 저항값 연산수단과,

   이 저항값 연산수단에 의해 구해진 저항값의 변화율을 이용하여 상기 필라멘트가 사용한계에 도달하는 시각 또는 사용한계에 도달할 때까지의 나머지 시간을 구하는 예측연산수단을 구비한 것을 특징으로 하는 이온원장치.
4. 제3항에 있어서,

   필라멘트가 사용한계에 도달하는 시각 또는 사용한계에 도달할 때까지의 나머지 시간을 표시하는 표시수단을 포함하는 것을 특징으로 하는 이온원장치.
5. 제3항에 있어서,

   필라멘트가 사용한계에 도달할 때까지의 나머지 시간과 특정 기준값을 비교하고, 필라멘트의 사용한계에 도달할 때까지의 나머지 시간이 상기 특정 기준값 보다 작을 때 경보신호를 생성하는 비교수단을 포함하는 것을 특징으로 하는 이온원장치.