專利名稱：預知離子源中燈絲壽命的方法和離子源裝置的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及用于預知在離子注入器(implanter)中使用的離子源的燈絲壽命的方法，以及具有用于預知燈絲壽命之裝置的離子源裝置。
背景技術：
迄今，形成由離子注入器等使用之離子源的用于發(fā)射熱電子的燈絲的壽命是以這種方式預知的，即流過燈絲的電流(燈絲電流)在離子源工作期間被經常地測量，所測量的電流值每個都與預定基準值比較，并且估計直到燈絲要斷時剩余的時間。預定基準值是使用與所測量燈絲具有相同特性之燈絲的離子源的燈絲電流的過去數(shù)據。類似于上述的技術也在下面給出的JP-A-04-306544(第0017和0022段，圖1)中說明了。
為何使用上述方法的理由如下。為了在固定輸出電平上操作離子源(在本說明書中，該輸出電平對應于從離子源引出的離子束電流)，必須將從燈絲發(fā)射的熱電子的量設置在固定值。熱電子的量是以在燈絲和等離子體產生室之間流過的電弧電流形式觀察的。為了保持電弧電流恒定，在這種類型的離子源中，通常通過控制燈絲電流而將供給燈絲的電功率量控制為恒定。
在這種情況下，隨著離子源工作的進行，通過在等離子體產生室中產生的等離子體中離子的濺射及其蒸發(fā)，燈絲變細。例如，燈絲在其中心部分直徑漸漸減小。結果，整個燈絲的電阻增加，結果用于將供給燈絲的電功率保持在固定值所需的燈絲電流變得較小。
因此，現(xiàn)有技術假設隨著燈絲電流變小，燈絲直徑變小，因此，燈絲斷路更容易發(fā)生。利用與所測量燈絲具有相同特性的燈絲，將所測量離子源燈絲的燈絲電流與基準離子源中燈絲斷路時的燈絲電流進行比較。這樣，預知了直到燈絲要斷時剩余的時間。
如果離子源輸出電平總是不變，則上述技術方案是正確的。但是，用于離子注入器等的實際離子源工作于這種狀態(tài)，即在固定輸出電平是很少的。
就此而論，例如，在用于所謂中等電流(medium-current)離子注入器的離子注入器之離子源的情況下，離子源的輸出，即從中引出的離子束電流有從20mA或更高的最大輸出電平到大約0.1mA的最小輸出電平的相對大范圍的變化。
離子源的輸出依賴于從燈絲發(fā)射的熱電子的量。燈絲電流一定根據離子源所需的輸出而改變。因此，在燈絲直徑相等的情況下，當離子源的輸出大時，燈絲電流大，當它小時，燈絲電流小。換言之，為了降低離子源的輸出即離子束電流，必須降低電弧電流。為此，必須減少燈絲電流。在這種情況下，當燈絲壽命是基于按現(xiàn)有技術方法所測量的燈絲電流時，仿佛燈絲壽命很快地下降了。這顯然是不正確的，因為這不過是燈絲電流減少而已。
因此，在離子源輸出電平不恒定的情況下，通過測量燈絲電流來預知燈絲壽命的現(xiàn)有技術方案不能夠準確地預知燈絲壽命。

發(fā)明內容
因此，本發(fā)明的目的是提供用于預知離子源的燈絲壽命的方法，以及具有用于預知燈絲壽命之裝置的離子源裝置，即使當離子源的輸出不是恒定時也能夠精確地預知離子源燈絲的壽命。
根據本發(fā)明的第一方面，提出了一種用于預知在離子源中發(fā)射熱電子之燈絲壽命的方法，該方法包括在離子源工作期間，基于流過燈絲的電流和燈絲上的電壓，連續(xù)地測量燈絲的電阻值；和基于電阻值的變化率而預知直到燈絲要斷路時的燈絲的壽命。
燈絲的壽命是通過燈絲的直徑(或者橫截面面積)確定的。與燈絲壽命的確定直接相關的物理值(physical value)是燈絲的電阻。這是因為燈絲的電阻值R[Ω]與橫截面積A[m2]成反比，如下面方程所示。方程中，ρ是燈絲的電阻率[Ωm]，L是燈絲的長度[m]。即使改變燈絲電流以改變離子源的輸出時，電阻值R也保持不變。
公式1
R＝ρ·L/A本發(fā)明中，在離子源工作期間的燈絲電阻值是基于流過該燈絲的電流和燈絲上的電壓而連續(xù)測量的，直到燈絲要斷路時的燈絲的壽命是以電阻值的變化率為基礎預知的。因此，即使該離子源的輸出不是恒定的，也能準確地預知燈絲壽命。
根據本發(fā)明的第二方面，提出了一種離子源裝置，包括離子源，具有用于發(fā)射熱電子的燈絲；電流測量裝置，用于測量流過燈絲的電流；電壓測量裝置，用于測量燈絲上的電壓；電阻運算裝置，用于通過使用由所述電流和電壓測量裝置測量的電流和電壓來計算燈絲電阻值；和預知運算裝置，用于基于該電阻運算裝置計算的電阻值的變化率，來計算直到燈絲應用極限(application limits)為止時的時間或者直到燈絲應用極限為止時剩余的時間。
該離子源裝置包括電阻運算裝置、預知運算裝置等。因此，作為第一方面的預知方法，即使當離子源的輸出不是恒定時，離子源裝置也能夠準確預知燈絲壽命。


圖1是圖解表示執(zhí)行根據本發(fā)明的燈絲壽命預知方法的離子源裝置的示意圖；圖2是表示當燈絲中心部分直徑上被減少時圖1中表示的燈絲例子的示意圖；和圖3是表示燈絲電阻值相對于離子源工作時間變化的曲線圖。
具體實施例方式
圖1是圖解表示執(zhí)行根據本發(fā)明的燈絲壽命預知方法的離子源裝置的示意圖。
該離子源裝置包括離子源2、電流測量裝置26、電壓測量裝置28和運算控制單元30。離子源2具有用于發(fā)射熱電子的燈絲10。電流測量裝置26測量流過燈絲10的電流I。電壓測量裝置28測量燈絲10上的電壓V。運算控制單元30以所測量的電流I和電壓V為基礎而預知燈絲10的壽命。
離子源2被稱為Bernas型離子源，并包括也用作為陽極的等離子體產生室4、形狀為U的用于發(fā)射熱電子的燈絲10、反射器12和類似開口的離子提取縫隙6。
燈絲10被安裝在等離子體產生室4內部的一側。反射器12被安裝在等離子體產生室4內部的另一側。離子提取縫隙6形成在等離子體形成室4的壁上。用于從等離子體產生室4中產生的等離子體14提取離子束20的提取電極系統(tǒng)18安裝在靠近離子提取縫隙6的出口。提取電極系統(tǒng)18不限于由所示一片電極構成的系統(tǒng)。
從中產生等離子體14和由此產生離子束20的諸如氣體或者蒸氣的材料氣體(material gas)通過引入端口8被引入等離子體產生室4。通過磁通量發(fā)生器(未示出)，磁通量16沿著連接燈絲10和反射器12的線路被施加到等離子體產生室4中。將電流供給燈絲10并加熱它的燈絲電源22被連接在燈絲10上。電弧電源24被連接在燈絲10一端和等離子體產生室4之間，電弧電源24的正電極被連接到后者。
離子源2中，在等離子體產生室4的內部和外部被排空的狀態(tài)下，材料氣體以適當流速被引入等離子體產生室4。同時，燈絲10通過燈絲電源22加熱，并且電弧電壓從電弧電源24施加到燈絲10和等離子體產生室4之間。從燈絲10發(fā)射的熱電子向等離子體產生室4運動，同時在電弧電壓下加速。熱電子與材料氣體碰撞以電離該材料氣體，引起電弧放電和最終產生等離子體14。離子束20從等離子體14中提取。
流過燈絲10的電流I基本上等于燈絲電源22的輸出電流，并能夠由電流測量裝置26測量。施加在燈絲10上的電壓V基本上等于燈絲電源22的輸出電壓，并能夠通過電壓測量裝置28測量。
運算控制單元30包括電阻運算裝置32和預知運算裝置34。電阻運算裝置32通過使用所測量的電流I和電壓V來計算燈絲10的電阻值R。預知運算裝置34通過使用電阻值R變化率(相對于時間)來計算直到燈絲10應用極限為止時所逝去或者剩余的時間。
更具體地，燈絲10的電阻值R[Ω]是通過電流I[A]和電壓V[V]定義的，并且通過使用下面給出的方程計算。方程的算術運算是由電阻運算裝置32執(zhí)行的。這樣，工作離子源2中燈絲10的電阻值R被連續(xù)地測量。本說明書中，字“連續(xù)地”包含字“不斷地”的意思。通常，其意味著“不變地”，也意味著“間歇地”，或者“以預定時間間隔”來重復進行電阻測量。
公式2R＝V/I隨著離子源2工作的進行，通過在等離子體14中離子的濺射及其蒸發(fā)，燈絲10變細。例如，如圖2中表示，燈絲10在其中心部分10a(本例中，為燈絲頂端的一部分)直徑漸漸減小。因此，隨著燈絲10變細，整個燈絲10的電阻值R變大。電阻值隨時間的變化在圖3中曲線示例表示出。曲線中，電阻值變化由實線表示。
假設在離子源正工作時，當前時間點是t1，燈絲10到達其應用極限時的臨界電阻值是RL。臨界電阻值RL能夠從燈絲的既往經驗中獲得，該燈絲具有與當前使用燈絲相同的特性(即材料、尺寸、形狀等)。換言之，當燈絲斷路時或者當燈絲要斷路的幾率為高時由燈絲顯示的電阻值R被定義為臨界電阻值RL。
離子源工作期間燈絲10的電阻值R如上所述被連續(xù)測量。然后，計算在當前時間點t1時電阻值R1的變化率，即dR1/dt1。燈絲10的電阻值R到達臨界電阻值RL時的時間點t2是通過使用變化率dR1/dt1外推燈絲10的電阻值R關于離子源2的工作時間t的變化而計算的。嚴格地進行公式3的算術運算。另外，計算直到燈絲10的電阻值R到達臨界電阻值RL時剩余的時間t2-t1。嚴格地進行公式4的算術運算。公式3和4數(shù)學上是相互等效的，并且基本上彼此相等。這些運算是由預知運算裝置34執(zhí)行的。
公式3t2＝(RL-R1)/(dR1/dt1)+t1公式4t2-t1＝(RL-R1)/(dR1/dt1)這樣，計算了直到燈絲10應用極限時的時間t2或者直到燈絲應用極限時剩余的時間t2-t1。因此，預知了燈絲10要斷路時的壽命。
即使改變流過燈絲10的電流量I以改變離子源2的輸出，作為測量目標的燈絲10的電阻值R也保持不變。對于改變施加到燈絲10的電壓量V的情況也是這樣的。即使對于電壓量V的變化，燈絲10的電阻值R也保持不變。因此，本發(fā)明中，即使當改變燈絲電流以改變離子源輸出時也保持不變的燈絲電阻值R被用作為要測量的對象，并且燈絲的壽命是基于該測量結果預知的。因此，即使當離子源2的輸出不是恒定時，也能夠精確地預知燈絲10的壽命。
在本實施例中，可以提供顯示裝置36，顯示時間t2或者剩余時間t2-t1。
在本實施例中，也可以提供比較裝置38。比較裝置將剩余時間t2-t1與預定基準值T比較，當剩余時間t2-t1小于基準值T時，產生警告信號S。
包含電阻運算裝置32、運算控制單元30以及其它的運算控制單元30可以例如使用計算機構成。
本發(fā)明可以不僅適用于Bernus類型離子源，而且可以適用于每個都使用燈絲用于發(fā)射熱電子的其它類型的離子源。這種例子是具有線性燈絲的Freeman類型離子源。
從上述說明可見，即使當改變燈絲電流以改變離子源輸出時也保持不變的燈絲電阻值被用作為要測量的對象，并且燈絲的壽命是基于該測量結果預知的。因此，即使當離子源2的輸出不是恒定時，也能夠精確地預知燈絲10的壽命。
權利要求
1.一種用于預知在離子源中用于發(fā)射熱電子的燈絲壽命的方法，該方法包括在離子源工作期間，基于流過燈絲的電流和燈絲上的電壓，而連續(xù)地測量燈絲的電阻值；和基于該電阻值的變化率，而預知直到燈絲要斷路時的燈絲的壽命。
2.根據權利要求1的預知燈絲壽命的方法，還包括基于該電阻值的變化率，而計算直到燈絲應用極限時的時間或者直到燈絲應用極限時剩余的時間。
3.一種離子源裝置，包括離子源，具有用于發(fā)射熱電子的燈絲；電流測量裝置，用于測量流過燈絲的電流；電壓測量裝置，用于測量燈絲上的電壓；電阻運算裝置，用于通過使用由所述電流和電壓測量裝置測量的電流和電壓來計算該燈絲的電阻值；和預知運算裝置，用于基于該電阻運算裝置計算的電阻值的變化率，而計算直到燈絲應用極限為止時的時間或者直到燈絲應用極限為止時剩余的時間。
4.根據權利要求3的離子源裝置，還包括顯示裝置，用于顯示直到燈絲應用極限為止時的時間或者直到燈絲應用極限為止時剩余的時間。
5.根據權利要求3的離子源裝置，還包括比較裝置，用于將直到燈絲應用極限為止時剩余的時間與預定基準值比較，并且當該直到燈絲應用極限為止時剩余的時間小于預定基準值時，產生警告信號。
全文摘要
一種離子源裝置，包括具有用于發(fā)射熱電子的燈絲的離子源；用于測量流過該燈絲的電流的電流測量裝置；用于測量燈絲上的電壓的電壓測量裝置；用于通過使用由所述電流和電壓測量裝置測量的電流和電壓來計算燈絲電阻值的電阻運算裝置；和用于計算直到燈絲應用極限為止時的時間或者直到燈絲應用極限為止時剩余的時間的預知運算裝置。
文檔編號H01J37/24GK1503309SQ20031011653
公開日2004年6月9日 申請日期2003年11月14日 優(yōu)先權日2002年11月14日
發(fā)明者巖澤康司 申請人:日新電機株式會社