离子注入系统的电源供应器的制作方法

专利名称：离子注入系统的电源供应器的制作方法
技术领域：
本发明是关于一种离子注入设备，且特别是关于 一种离子注入系统
的电源供应器(power supply)。
背景技术：
在半导体制程中，离子注入用于改变部份基板的材质属性。实际上， 离子注入已经成为各种基于半导体(semiconductor-based)的产品的生产 过程中变更半导体晶圆属性的标准技术。离子注入可用于将导电性变更 杂质(conductivity-altering impuriry)引入到产生的埋层(光晕注入物/halo implant),改变晶体表面(预非晶化/pre-amorphization),以产生污染物吸 收(gettering)位置，产生扩散屏障(F及C注入物)。注入还用于平面显示 器制程以及其他表面处理中的非晶体管应用的半导体中，例如合金化金 属接触区域。所有这些离子注入应用 一 般可以归类为形成材质属性改变 区域。.
离子注入得到普及的 一个原因是其应用类型的多样化以及其将离子 杂质注入到精确深度的能力-注入深度随着半导体元件的集成度的增加 而变得特别重要。
现有的离子注入系统包括离子源，其对所需的掺质元素进行离子化， 离子化的掺质元素随后进行加速以形成具有预定能量的离子束。离子束 被导引到工件的表面。 一般来说，离子束的高能离子穿透到工件体内并 嵌入工件的晶格，以形成具有所需导电性的区域。这种离子注入制程一 般在高真空且气密的处理室内进行，处理室包围晶圓搬运总成(handling assembly)以及离子源。现有技术的注入系统中的典型离子束路径包括离子源、 一 个或多个
电极、分析石兹铁酉己置(analyzing magnet arrangement)、 光学解析组件 (optical resolving element)以及晶圆处理系统。电核_汲取并力口速离子源内 生成的离子以产生导引至分析磁铁配置的离子束。分析磁铁配置根据离 子束中的离子的荷质比(charge-to-mass ratio)对它们进行分类，并且晶圆 处理系统调整工件相对离子束路径的位置。
离子注入系统 一 般提供高电压以产生将离子注入基板所必须的加速 能量。加速能量的范围可从许多注入系统中的10-200千电子伏特(keV) 到高能系统中的几兆电子伏特(MeV)。 一般来说，通过由高压电源供 应器供电的电极来施加这种高电压。由于可能产生过热、闪络(flashover) 以及不想要的电压电弧放电，尺寸成为设计这种高压电源供应器的限制 条件。此外，相较于较低电压电平下的操作，这些高电压可以使得电源 供应器以更快的速度随时间衰退。因而，随着元件尺寸的缩小，系统变 得更容易受到电弧崩溃(arc break down)的影响并且在崩溃情况下还变得 易燃。
因而，希望提供一种系统以及方法来緩和这种电源供应器过载和/或 电压崩溃状态。

发明内容
一种离子注入系统的电源供应器。在一实施例中，此系统可视为包 围于介电材质中的电源供应器。电源供应器包括包围于气密介电外壳内 的高压发电单元，介电外壳避免了内部元件的崩溃强度变化。电源供应 器还可包括低频电源转换器以及堆栈式驱动器以控制由高压发电单元对 输入电力的倍增量。
根据另一实施例，提供了一种离子注入系统的电源供应器。根据本 实施例的电源供应器包括电源转换器；从电源转换器接收源电力的高压发电单元，其中高压发电单元包括用以提供输出电力的高压变压器，输
出电力倍增至所需的输出电平；以及外壳，包括包围高压发电单元的至
少一部份的介电材质。
根据另一实施例，提供一种离子注入装置。根据本实施例的离子注
入装置可包括产生离子束的离子源；将离子束加速到所需的能量水平的 至少一离子束加速器；可操作耦接至离子束加速器的电源供应器；从离 子束中移除不需的离子物项的至少一质量分析仪；定形且导引离子束的 至少一光束定形元件；定形的离子束入射于其上的基板处理端站；以及 以通讯方式耦接至离子源、电源供应器以及端站的控制器，其中电源供 应器包括电源转换器、从电源转换器接收源电力的高压发电单元以及外 壳，外壳包括包围高压发电单元的至少一部份的介电材质。
根据另一实施例，提供一种离子注入设备的电源供应系统。根据本 实施例的电源供应系统可包括电源转换器；从电源转换器接收源电力的 高压发电单元，其中高压发电单元包括用于提供输出电力的变压器,'输 出电力倍增至所需的输出电平并供应到离子束加速器；由介电材质构成 的外壳，以包围高压发电单元的至少一部份，以及堆栈式驱动器，从注 入设备的电脑化控制器接收控制信号，控制信号包括用来指示变压器所 需的输出电力，并使高压发电单元输出所需的输出电平的输出电源。
现在将参照附图所示的实施例更详细地描述本发明。尽管在下文中 参照实施例描述了本发明，但应该理解本发明并不局限于此。获得本案 的教导的本领域普通技术人员将意识到落在本发明的范围内并受用于本 发明的其他实例、z修饰和实施例，以及其他应用领域。


为了便于更全面地理解本发明，现在参照附图，其中利用相似的标 号表示相似的元件。这些附图不应解释成限制本发明，而是意图仅是范例性的。
图1是根据本发明至少一实施例的离子注入系统的方块示意图。 图2是根据本发明至少 一 实施例的离子束加速器的示意图。
图3是根据本发明至少一实施例的离子注入装置的电源供应系统的 示意图。
图4是根据本发明至少一实施例的离子注入机的电源供应系统的堆 栈式驱动器的各种元件的方块示意图。
图5是多个不同介电材质的表面闪络(flashover)测试结果的曲线图。
具体实施例方式
现在参照图1,显示了根据本发明至少一实施例的离子注入系统10 的方块示意图。图1所示的系统10包括离子束源5,其产生离子束18, 离子束18经系统传送并且撞击到目标基板41上。例如，离子束18可包 括带状离子束，其宽度可为例如大约400mm,以对300mm半导体晶圆 进行注入。可以在标题为《离子注入机的高传输率低能量束线架构》的 共同受让的美国专利第6，635，880号中找到带状束产生离子注入系统，其 全部内容并入本案以供参考。
离子束源站5包括离子源材质供应容器11，其可以容纳气体、固体 材质或者其组合。在各实施例中，离子源材质从供应容器11引入到束源 13并进行离子化以产生正电离子以及电子。束源13可包括喷嘴和/或电 浆室以将来自容器11的源材质离子化成离子化气体。
在图1的实例中，汲耳又电极14可与束源13关联以/人束源1-3汲取离 子束18。抑制电极15也与离子束源站5关联。在各实施例中，由于离 子束18内的正电离子多于电子，离子束18输出束源13时具有净正电荷 (net positive charge)。在各实施例中，系统还可包括二次气体供应装置 (secondary gas supply)16,例如共同受让的美国专利第6，891，173号中讨论的二次气体供应装置，此专利并入本案以供参考。二次气体供应装置
16排列成将气体引入离子束18以中和离子束18的空间电荷(space charge)。例如，二次气体可引入至少部^f分由电才及14、 15中的一个所定义 的区域，电极14、 15与离子束源13关联并且离子束18经其通过。
图1所述的离子束源站5还可包括源过滤器(sourcefilter)17,过滤器 从离子束18中移除不需的物项。在源过滤器17的下游，系统可包括加 速/减速筒20(acceleration/deceleration column 20)。在力。速/减速筒20中， 根据注入应用将离子束18内的离子加速/减速到所需的能量。应该知道， 加速/减速筒20可定位于沿离子束18的路径的其他位置。
系统还可包括质量分析仪30，其通过场产生元件(field generating component)31以及解析孔(resolving aperture)32从离子束18中移除能量 以及质量污染物。质量分析仪30可包括偶极子分析磁铁，其提供与离子 束18的路径交叉的磁场，以根据离子束18中各种离子的荷质比从离子 束18以不同的轨线来偏转离子。通过磁场的离子受到作用力的作用，此 作用力沿离子束18的路径导引所需的质量的离子并将不需质量的离子 偏转出离子束18的路径。质量分析仪30还包括具有解析孔32的罩幕， 解析孔32定位于所需质量的离子的轨线上，藉此从离子束18中排除不 需质量的其他离子。
扫描器33可以是静电扫描器，定位于质量分析仪30的下游。扫描 器33设计成在目标基板41上如所需地扫描离子束18。系统还可包括角 度校正磁铁34,以偏转扫描离子束18内的离子来产生具有平行离子轨 线的扫描离子束18。尽管在图l中未描述，系统还可包括一个或多个静 电过滤器，以防止较高能量的中性粒子污染目标基板41 。
继续参照图l所示的注入系统，还提供端站(endstation)40来接收来 自束线组件的经过质量分析且实质上净化的离子束18。端站40可支持 一个或多个工件，例如沿离子束18的路径设皇的半导体晶圆或其他目标基板41，以由离子束18进行注入。端站40还可包括晶圆驱动系统(未图 示)，以将晶圆移入且移出离子束18的路径并且继续移动到后续处理台。 端站40可包括一个或多个侦测器(未图示)，以侦测暴露至目标工件的 离子的剂量水平。
注入系统还可包括控制器(未图示)以及真空系统(未图示)。如本领域 中众所皆知的，通常在真空条件下进行离子终入。控制器可以是或者包 括通用性电脑(general purpose computer)或通用性电脑的网路，其程序化 为执行所需的输入/输出以及其他功能。在各实施例中，控制器可以是数 据处理器，其程序化有执行半导体制程的指令码。在各实施例中，控制 器可包括电源和/或数据连接，其连接到包括离子束源站5以及端站40 在内的各种系统元件。控制器还可包括其他电子电路或元件，例如专用 集成电路(例浊口 ， application specific integrated circuit, ASIC)，其4也固线式 或可程序化的电子装置、分立元件电路(discrete element circuit)、 FPGA 等。控制器可包括其他装置，例如用户输入/输出装置(键盘、触控式荧幕、 用户指向装置、显示器、印表机等)、通讯装置、数据储存装置、机械驱 动系统等，以执行所需的功能。
控制器可与端站40的晶圆驱动系统进行通讯，晶圓驱动系统能够相 对离子束18移动晶圆。例如，晶圆驱动系统可将晶圓描过离子束18, 以将离子注入到晶圓的表面。晶圓驱动系统可包括各种不同装置或系统 来以所需的方式实体地移动晶圆。例如，晶圆驱动系统可包括伺服驱动 马达(servo drive motor)、虫累线管(solenoid)、虫累斥干马区动才几才勾(screw drive mechanism)、 一个或多个气浮轴承(air bearing)、位置编码装置(position encoding device)、机械联动装置(mechanical linkage)、机械臂(robotic arm) 或者本领域众所皆知的其它元件来移动晶圓。
真空系统可与控制器通讯，以向控制器提供关于注入制程中处理室 的一个或多个部4分内的目前真空水平的信息。真空系统还包括一个或多个压力传感器，其监测处理室内的压力并将压力读数传递到控制器。或 者，这些压力传感器独立于真空系统并且与控制器直接通讯。
在注入过程中，扫描离子束18可撞击到目标基板(晶圓)41的表面上， 目标基板41 '支持于端站40的处理室内的平台42上。应该理解，在注入 过程中，离子束18所穿越的整个路径处于真空下。注入制程可持续，直 到具有所需的掺质浓度以及注入深度的所有区域形成于目标基板41内。
应该知道，根据本发明实施例的系统可结合任何离子注入系统或方 法使用，并且可采用不同于图l所示的离子注入系统。因此，对于特定 的制程可以如所需地修改图l所示的系统。在某些情况下，本发明的系 统可包括所示元件以外的其他元件。例如，系统可包括自动的基板搬运 系统(未图示)，以在注入的前将基板引入处理室并在注入之后乂人处理室 取出基板和/或将它们传送到其他基板处理设备。在某些情况下，本发明 的系统不包括所有的所示元件。
现在参照图2，显示了根据本发明各实施例的离子束加速系统20的 示意图。加速系统20可包括一系列单个的加速电极，以将离子束18力口 速到所需的能量。加速系统2 0可是通常用于琬代离子注入机内的若干类 型的加速系统中的一种。第一个这种类型的加速系统是基于静电场驱动 的粒子加速。在这种加速器中，所需的电源供应器的电压(V)用于产生静 电场，此静电场通过使用所需的离子的离子价数值(ionic valence value)(n) 以及所需的离子能量(E)获得，离子能量通常以千电子伏特(keV)计量。 当静电场施加于多个阶段时，所有场的和等于值V。
第二类型的离子束加速系统是基于射频(RF)加速。这种类型的RF 线性加速器(linac)可包括多个单独的共振模组，其分别具有设定到特定振 幅(以千伏特(kV)为单位)以及频率(以赫兹(Hz)为单位)的电极。
在图2所示的加速系统20中，多个加速段20a， 20b， ...， 20n-l以 及20n随着离子束18通过系统20而分别向离子束18施加作用力。加速段20a， 20b， ...， 20n-l以及20n的净效应(net affect)是使得离子束18 的总能量等于所需的离子能量以进行特定类型的注入。向各加速段20a, 20b， ...， 20n-l以及20n馈送对应的信号22a, 22b， ...， 22n-l以及22n， 各信号指示此段所提供的能量的大小。上述各信号22a, 22b, 22n-l 以及22n来自加速器内的分压电路(voltage dividing circuit),分压电路耦 接到与电源变压器的输出端电性通讯的端子，例如图3所示的高压发电 单元。在RF加速系统的情况下，这种情况可包括振幅以及频率。各加 速段20a, 20b, 20n-l以及20n可包括电极和/或环，其在离子束18 通过时向离子束18提供能量。
现在参照图3，显示了根据本发明至少一实施例的离子注入装置的 电源供应系统的示意图。电源供应系统包括高压发电单元100。高压发 电单元100包括接地端子101、变压器106、多个单独的倍压器103，对 应于各倍压器103的多个压力分级装置(voltage grading device)104以及高 压输出端子108。高压发电单元IOO还包括介电外壳102、绝缘媒体105 以及具有阀门才几构130的压力源。
介电外壳102可包括多种介电材质，例如氯化聚氯乙烯(chlorinated polyvinyl chloride, CPVC)、聚四氟乙烯(Polytetrafluorethylene, PTFE或者 也称为Teflon)、聚偏二氟乙烯(polyvinylidene fluoride, PVDF)、乙烯-三氟氯乙烯共聚物(ethylene chlorotrifluoroethlyene， ECTFE)或其他适当 介电材质。在较佳实施例中，外壳102可包括符合FM4910标准要求的 材质。然而，材质可以是符合较低刚性的UL49V-0标准的材质。同样， 绝缘媒体105可包括介电强度在32kV/英寸以上的介电媒体。尽管干燥 的空气绝大多数情况下在75kV/英寸崩溃，但通常以一半或者更小的限 制条件进行设计以便考虑湿度以及在较低电平引起电崩溃的其他粒子污 染。在各实施例中，内部的堆栈式元件可封闭在崩溃属性较强的气体内， 以增强其介电强度。例如，液体、气体或者蒸气混合物可用于增强绝缘媒体105的介电属性。这种材质可从系统130进入外壳102，系统包含 液体、气体或者蒸气混合物的储存器。
图3的电源供应系统还可包括控制并向高压发电单元IOO提供电压 的高压堆栈式驱动器110。高压堆栈式驱动器110可根据特定注入配方 的控制程序从注入装置的控制器接收控制信号。电压堆栈式驱动器110 可接收低频电力输入(power input)并且向高压发电单元100的输入端供 应高频堆栈式电力输出(power output)。
通过图3的电源供应系统，通过将高压发电单元100包围在介电材 质内，能够以较小的规格外型(formfactor)中获得较高的操作电压，内部 元件被密封的外壳保护，且介电质表面对于操作者来说可安全地接触， 不必害怕放电。
图4是根据本发明至少一实施例的离子注入机的电源供应器的堆栈 式驱动器的各种元件的方块示意图。堆栈式驱动器系统200示意了堆栈 式驱动器(例如图3中的堆栈式驱动器110)的方块示意图形式的内部元 件，其可包括多个单独的模组，提供各种功能，能够使电源供应器的堆 栈式驱动器来控制倍压堆栈(multiplication stack)以向加速系统输出所需 的高压电平。'在图4的实例中，存在控制总线模组205、电压输入模组 210、电压输出才莫组210以及反馈模组220。应该知道，各模组可配置成 在电脑硬件上运行的软件应用程序、专用集成电路(application specific integrated circuit, ASIC)、软件与硬件的组合、实体连接器(physical connector)或者其它适当构造。此外， 一个或多个模组可进行组合或者分 解成多个附加模组。
在各实施例中，控制总线接口模组205可包括从注入装置的控制单 元接收控制信号的处理器或者其它控制逻辑。信号可包括高压发电单元 所需的用来指示特定输出电压电平的信号。电压输入模组210可包括到 低频电力输入的实体接口 ，其向堆栈式驱动器供应电力并最后作为倍压堆栈的源电力。
电压输出模组215可包括实体输出接口以及一个或多个电源变换 (power conversion)单元，可在控制总线接口模組205的控制下将由电压 输入模组210接收的电力信号转换成适当的高频高压的倍压堆栈输入电 压。反馈模组220接收高压发电单元的输出电压的反馈信号，以确保倍 压堆栈正在为离子束18提供适当的能量。如反馈模组220侦测所需的操 作参照的任何偏离，反馈模组220可使电压输出模组215调节输入到倍 压堆栈的输出信号。
图4的堆栈式驱动器200中所列举的各模组可自主地操作或在控制 总线模组205的控制下操作。例如，在各实施例中，控制总线模组205 可包括中央处理单元(central processing unit， CPU)、数字信号处理器 (digital signal processor, DSP)或嵌入式处理器。或者，控制总线模组205 可包括由数据处理器所运行的控制程序的即时核心(real time kernel),此 数据处理器与离子注入装置的控制单元关联。控制总线模组205还可包 括一个或多个类比控制电路。此外，应该知道，图4所示的特定模组仅 是范例性的并且不应解释成必须的或穷尽的。在各实施例中，可使用比 图4所示的模组更多、更少或者甚至不同的模组。
图5是多个不同介电材质的表面闪络测试结果的曲线图。在图5中， 显示了三种介电材质的电极间隔的函数形式的介电强度辛特拉(sintra ， 中等膨胀的闭孔聚氯乙烯(PVC))、聚四氟乙烯(PTFE)以及氯化PVC,这 三种介电材灰分别由菱形，三角形以及方形表示。应该要选择堆栈的内 部绝缘i某体材质以避免介电障壁内的环形放电(corona discharge)以及闪 络电孤来避免内部堆栈式元件的损坏。同样，对外部也要进行充分地绝 缘以避免对接触外壳的人的接地放电。
通过本发明的各实施例，提供了一种较小的高压电源变压器，相较 于现有的离子注入设备的加速电压电源供应器，其操作性能得以改良，内部闪络电弧的风险降低并且尺寸降低。本发明并不局限于所描述的特定实施例的范围内。实际上，除了所 描述的实施例，通过上述描述以及附图，本发明的其他各实施例以及修 饰对本领域普通技术人员清楚易懂。因而，这些其他的实施例以及修饰 意图落在本发明的范围内。此外，尽管出于特定的目的在特定的环境下 以特定的应用为背景描述了本发明，但本领域普通技术人员将意识到其 用途并不局限于此，并且可以出于许多目的在许多环境下实施本发明。 因而，应该参照所本案所描述的本发明全面的范围与精神来解释本文阐 述的权利要求。
权利要求
1、一种离子注入系统的电源供应器，包括电源转换器；高压发电单元，从所述电源转换器接收源电力，其中所述高压发电单元包括用以提供倍增到所需的输出电平的输出电力的高压变压器；以及外壳，包括介电材质，所述介电材质包围所述高压发电单元的至少一部份。
2、 根据权利要求1所述的离子注入系统的电源供应器，还包括与所 述外壳连通的气体供应装置。
3、 根据权利要求2所述的离子注入系统的电源供应器，还包括电控 阀门机构，控制从所述气体供应装置到所述外壳内的气流。
4、 根据权利要求1所述的离子注入系统的电源供应器，其中所述介 电材质包括符合FM4910标准或UL94V-0标准的材质。
5、 根据权利要求1所述的离子注入系统的电源供应器，其中所述外 壳包括介电强度值大于32kV/英寸的绝缘媒体。
6、 根据权利要求1所述的离子注入系统的电源供应器，还包括耦接 于所述高压发电单元的接口控制总线，以接收用来指示所述高压发电单 元的高压输出电平的控制信号。
7、 根据权利要求6所述的离子注入系统的电源供应器，还包括以通 讯方式耦接于所述接口控制总线并且响应所述控制信号的电路，基于所 述控制信号来调整所述高压输出电平。
8、 根据权利要求7所述的离子注入系统的电源供应器，其中所述电 路包括堆栈式驱动器。
9、 根据权利要求8所述的离子注入系统的电源供应器，其中所述堆 栈式驱动器包括具有电力输入以及电力输出的控制电路，所述电力输出供应到所述高压发电单元的电力输入。
10、 根据权利要求1所述的离子注入系统的电源供应器，其中所述 高压发电单元的输出耦接到离子束加速器的电力输入端。
11、 一种离子注入装置，包括 离子源，以产生离子束；至少一离子束加速器，将所述离子束加速到所需的能量水平； 电源供应器，可操作地连接于所述离子束加速器； 至少一质量分析仪，从所述离子束中移除不需的离子物项； 至少一光束定形元件，定形且导引所述离子束； 基板处理端站，所述定形的离子束入射于所述基板处理端站上；以及控制器，以通讯方式耦接于所述离子源、所述电源供应器以及所 述端站，其中所述电源供应器包括 电源转换器；高压发电单元，从所述电源转换器接收源电力；以及外壳，包括介电材质，以包围所述高压发电单元的至少一部份。
12、 根据权利要求11所述的离子注入装置，其中所述高压发电单元 包括用以提供输出电力的变压器，所述输出电力倍增至所需的输出电平 并且供应至所述加速器。
13、 根据权利要求11所述的离子注入装置，其中所述电源供应器还 包括气体供应装置，以将气体传送至所述外壳。
14、 根据权利要求11所述的离子注入装置，其中所述电源供应器还 包括电控阀1'，机构.以控制进入所述外壳的气流。
15、 根据权利要求11所述的离子注入装置，其中所述外壳包括符合 FM4910标准或UL94V-0标准的绝缘材质。
16、 根据权利要求11所述的离子注入装置，其中所述外壳包括电性绝缘媒体，所述电性绝缘媒体的介电强度值大于32k伏特/英寸。
17、 根据权利要求11所述的离子注入装置，其中所述电源供应器还 包括堆栈式驱动器。
18、 根据权利要求17所述的离子注入装置，其中所述堆栈式驱动器 包括耦接于所述高压发电单元的接口控制总线，以接收用来指示电压输 出电平的控制信号，并使所述高压发电单元基于所述控制信号来向所述 加速器输出一电力电平。
19、 一种离子注入设备的电源供应系统，包括 电源转换器；高压发电单元，从所述电源转换器接收源电力，其中所述高压发 电单元包括用以提供输出电力的变压器，所述输出电力倍增到所需的输 出电平并且供应至离子束加速器；外壳，由介电材质构成以包围所述高压发电单元的至少一部份；以及堆栈式驱动器，以从所述注入设备的电脑化控制器接收控制信号， 所述控制信号用来指示所述变压器的所需的输出电力，并使所述高压发 电单元输出所述所需的输出电平的输出电力。
20、 根据权利要求19所述的离子注入设备的电源供应系统，还包括 将气体传送到所述外壳的气体供应装置，以及以通讯方式耦接所述堆栈 式驱动器的电子阀门机构，以控制所述外壳内的气体压力，其中所述气 体的电性崩溃强度为32kV/英寸或者更高。
全文摘要
一种离子注入系统的电源供应系统。在一实施例中，此系统可为一种电源供应系统，其包括低频电源变换器、堆栈式驱动器以及从电源变换器接收源电力的高压发电单元。高压发电单元可包括用以提供输出电力的高压变压器，输出电力倍增到所需的输出电平并且输送到离子束加速器的输入端。电源供应系统还可包括介电外壳，其包围高压发电单元的至少一部份，藉此避免内部元件的崩溃强度变化。
文档编号H02M7/10GK101627529SQ200880005779
公开日2010年1月13日 申请日期2008年1月3日 优先权日2007年1月5日
发明者史蒂夫·E·克劳斯, 拉塞尔·J·罗, 皮尔·R·卢比克, 艾立克·赫尔曼森 申请人:瓦里安半导体设备公司