CN103765545A - 与离子植入系统一起使用的高电压电源供应器用的电流限制器 - Google Patents

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Abstract

本发明揭示一种与离子源组合件一起使用的浪涌保护系统。所述系统包括与热离子二极管或热离子三极管以及离子源组合件串联耦合的高压电源。所述高压电源供应器封闭在压力槽中并且驱动所述离子源组合件。所述热离子二极管或三极管包括安置在离子源组合件罩壳与高压电源供应器的输出端之间的绝缘管并且利用现有离子源组合件组件来限制在所述离子源组合件的电弧故障期间对所述电源供应器的破坏。

Description

与离子植入系统一起使用的高电压电源供应器用的电流限制器
技术领域
本发明的实施例涉及半导体装置制造领域。更具体来说,本发明涉及一种在使用离子植入装备期间抑制由电弧放电所产生的电流浪涌的设备。
背景技术
离子植入是一种用于将杂质离子掺杂到目标基底中以获得所需装置特性的制程。将离子束从离子源室引导到目标基底。植入到目标基底中的深度是基于离子植入能量以及在来源室中产生的离子的质量。
图1是典型的离子植入器系统的方块图。高压电源供应器10向阴离子源室12供应所需能量,所述阴离子源室12经配置以产生特定种类的离子。所产生的离子经由一系列电极14而从来源被提取出并且形成射束16,射束16经来自电源供应器10的电压加速。所施加的电压可在几千伏到数百千伏范围内。在一些应用中,若干个电源供应器可经堆叠以达到甚至更高的电压。所提取出的射束通过质量分析器磁体18。所述质量分析器配置有特定磁场以使得仅具有所需质荷比(mass-to-charge ratio)的离子能够穿过分析器。所需种类的离子通过分辨狭缝20以及多个射束成形元件22、24、26,这些元件使得离子准备好进行植入并且将离子引导到定位于支撑物(例如平台)28上的工件或基底。校正器磁体24经赋能以根据所施加磁场的强度和方向使离子束偏转,以提供朝向定位于支撑物(例如平台)28上的工件或基底的带状射束。
一般来说,所述高压是经由高压电源供应器所供应的电极所施加。所述高压电源供应器的设计应考虑到在长期使用期间过热、闪络(flashover)以及非预期的电压成弧(voltage arcing)的可能性。另外,因为这些电源供应器在所述高压下工作,所以与在较低电压水平(voltage level)下工作的电源供应器相比,故障率随时间增加。
从高压电极向系统另一部分的成弧现象是一种上述系统常见的故障。存在有许多造成电弧的原因并且电弧是不可避免的,甚至对于良好设计的系统也是如此。典型的植入器规格允许每小时10次或大于10次电弧。电弧的特性在于其呈现负阻抗。在电路中不存在额外的电流限制元件的情况下,电弧可能造成高的电流浪涌,其破坏或耗损电源供应器以及其它组件。
图2显示利用电阻器作为高压电源供应器的电流限制组件的示范性现有技术离子源组合件的示意图。通常,电阻器207在高压电源供应器203与离子源组合件209之间串联耦合以限制任何电弧211诱发的电流尖峰(currentspike)的影响。然而,电阻器为线性组件并且由电弧造成的高电压降(例如从离子源组合件到接地)仍造成比例较高的电流流动。
在实施例中,本发明用热离子二极管替换在高压电源供应器与阴离子源组合件之间耦合的高值电阻器。热离子二极管是非线性组件并且因此将以与电压无关的方式限制可能通过的电流量。
发明内容
在第一个实施例中,揭示一种与离子源组合件一起使用的热离子二极管组合件浪涌保护系统(surge protection system)。所述系统包括与热离子二极管以及离子源组合件串联耦合的高压电源。所述离子源组合件包含离子源、具有外层表面的罩壳、使离子源的真空部分与热离子二极管外壳耦合的流体连接组合件、以及位于离子源槽的第一末端的阴极。所述阴极包括阴极灯丝电源供应器以及安置在流体连接组合件内并且与罩壳的外层表面实质上齐平安装的阴极灯丝。所述高压电源供应器封闭在源压力槽中并且驱动离子源组合件。所述热离子二极管外壳包括安置在离子源组合件罩壳与高压电源供应器的输出端之间的绝缘管。所述绝缘管安装在压力槽的端板最接近阴极的一端上以与离子源组合件罩壳的外层表面形成真空密封。绝缘管在另一端上由与高压电源供应器的输出端耦合的阳极密封。
在另一个实施例中,揭示一种与离子源组合件一起使用的热离子三极管组合件浪涌保护系统。所述系统包括与热离子二极管以及离子源组合件串联耦合的高压电源。所述离子源组合件包含离子源以及具有外层表面的罩壳,其中将在一个区域中的所述外层表面穿孔以使得在阴极与阳极之间形成栅格。所述离子源组合件还包含使离子源的真空部分与热离子三极管外壳耦合的流体连接组合件、以及位于源压力槽的第一末端的阴极。所述阴极包括阴极灯丝电源供应器以及安置在流体连接组合件内并且与离子源组合件罩壳的外层表面实质上齐平安装的阴极灯丝。所述高压电源供应器封闭在压力槽中并且驱动离子源组合件。所述热离子三极管外壳包括安置在离子源组合件罩壳与高压电源供应器的输出端之间的绝缘管。所述绝缘管安装在离子源槽的端板最接近阴极的一端上以与离子源组合件罩壳的经穿孔外层表面形成真空密封。绝缘管在另一端上由与高压电源供应器的输出端耦合的阳极密封。
本发明的实施例限制在由电弧产生的故障期间在阴离子源组合件与高压电源供应器的接地返回路径(ground return path)之间的过量电流。另外,与热离子二极管组合件相比,热离子三极管组合件在所述故障期间将提供额外的离子源组合件屏蔽。
附图说明
图1显示代表性离子植入系统的方块图。
图2显示利用线性电阻器作为高压电源供应器的电流限制组件的离子源组合件的现有技术电路图。
图3显示根据本发明的一个实施例的利用非线性热离子二极管作为高压电源供应器的电流限制组件的离子源组合件的电路图。
图4说明典型热离子二极管的阳极电流特性。
图5显示根据本发明的一个实施例的利用非线性热离子二极管作为高压电源供应器的电流限制组件的离子源组合件的电路/方块图。
图6显示根据本发明的一个实施例的利用非线性热离子三极管作为高压电源供应器的电流限制组件的离子源组合件的电路/方块图。
具体实施方式
现在将参看附图在下文更充分地描述本发明,附图中显示本发明的优选实施例。然而,本发明可以许多不同形式实施并且不应理解为限于本文所阐述的实施例。相反地,提供这些实施例以使得本发明将为详细和完整的,并且将向所属领域中的技术人员充分传达本发明的范围。在附图中,自始至终相同数字是指相同元件。
几乎所有用于向离子植入系统供能的高压电源供应器都在输出端使用抗浪涌系列电阻器以防止负载电弧产生的自破坏(self-destruction)。高压电源供应器用于离子植入系统中以产生将离子植入目标基底中所必需的加速度能量。通常用于离子植入器中的高压电源供应器的一个实例是科克罗夫特-沃尔顿电源供应器(Cockcroft-Walton power supply)。科克罗夫特-沃尔顿电源供应器是由低交流(AC)电压或脉冲直流(DC)输入产生高DC电压的电路。科克罗夫特-沃尔顿电源供应器是由用于产生高压的电容器以及二极管的电压倍增器梯形网络构成。与变压器不同,这种梯形方法消除了对于重核以及所需的绝缘/罐封(potting)的主体的需要。仅使用电容器与二极管,这些电压倍增器可使相对低的电压逐步提升到极高值,而同时远比变压器轻得多并且便宜得多。科克罗夫特-沃尔顿电源供应器通常用于产生较高电压以用于相对低电流的应用,例如离子植入系统。
高值电阻器将有效地保护高压电源供应器免于出现所述电流浪涌。然而,电阻器还将在正常操作期间造成高电压降(例如在典型设计中为若干千伏),这是因为根据方程式V=IR(其中V为电压,I为电流,并且R为电阻)电压与电阻成线性比例,因而电阻器为线性装置。因此,当R增加时,横跨电阻器的电压降也增加。相反地,低值电阻器在正常操作期间将良好地工作,但当所施加的电压可能增强1000倍或大于1000倍时,低值电阻器针对电压浪涌实质上提供较少保护。这是由于低值电阻器未具有在不出现电流有害增加的情况下处理高电压的能力。
连接所述高压电源与真空室内的装置(例如是电极)通常涉及在通过真空室壁的通道内密封的绝缘高压馈通(highvoltage feed-through)。所述高压馈通一般结合金属组件(因为强度或导电性)与陶瓷组件(用于使高压导体与真空室壁绝缘)。所述高压馈通可用于多种连接,包含外部电源与真空处理室内的电装置之间的连接。高压馈通经设计以阻隔周围条件与室内的真空。
图3显示根据本发明的一个示范性实施例的利用非线性热离子二极管组合件331作为高压电源供应器303的电流限制组件的离子源组合件310的电路图。具有接地回路(ground return)305的高压电源供应器303以其输出端与热离子二极管组合件331的阳极315耦合。而热离子二极管组合件331的阴极317又与离子源组合件310的罩壳309耦合。阴极317与离子源组合件罩壳309的局部接地(local ground)321耦合。灯丝电源供应器311对加热阴极317的灯丝313供能。在正常操作期间,正离子327的电流从离子源323被提取出而穿过束线325。举例来说,离子可从利用标准提取电极配置而从离子源323提取出。电子319的匹配电流经由热离子二极管331离开离子源组合件罩壳309。尽管电子电流319的方向是从高压电源供应器303到离子源组合件罩壳309,但电子的实际移动是在相反方向上。
在高压电源供应器303与离子源组合件310之间耦合的热离子二极管331用于藉由抑制由电弧329造成的高电流浪涌而保护高压电源供应器303,所述高电流浪涌可导致破坏或损毁高压电源供应器303。
一般来说,二极管是仅以一个方向传导电流的非线性两端电子组件。上文关于图3所述的实施例描述特定类型的二极管实施型态,称作热离子二极管(也称作真空管二极管),其为具有以下两个电极的真空管:阳极板315和阴极317。
在这方面的背景,在热离子二极管中,通过加热器灯丝(也称作阴极灯丝)的电流间接地加热阴极。一些热离子二极管使用直接加热,其中钨灯丝充当加热器与阴极。加热使得电子的热离子发射射到阳极与阴极之间的真空中。在正向操作中,被称作阳极的周围金属电极带正电荷以使得其静电吸引所发射的电子。然而,当电压极性逆转时,电子不容易从未加热的阳极表面释放出来。因此,任何反向流动都可忽略。
热离子二极管的另一个特性在于它甚至在极高的电压下也不会超过其饱和电流。饱和电流是在某些条件下可从阴极提取出的最大电流。一旦达到饱和电流,那么进一步增加阳极-阴极电位差只产生相对较小的电流增加。饱和电流受到阴极的形状、材料以及温度的控制。
与电阻器相比,因为热离子二极管331不存在运载电流的任何固体材料,所以热离子二极管331更稳固。因此,在热离子二极管中不可能出现如热点的局部过热或破坏电流捏缩(current pinch)的效应。具体来说,当工作电流超过阈值水平(threshold level)时出现热点。当出现此情形时,受影响区域被迫变成反向偏压并且必定耗散功率,这可能造成过热。电流捏缩是利用磁力压缩导电灯丝。因为不存在运载电流的任何固体材料,所以不存在灯丝捏缩。
如之前所述,热离子二极管组合件331的目的是限制在电弧故障期间流到高压电源供应器303的过量电流。电弧329的存在表示故障并且通常由离子源组合件罩壳309周围的绝缘介质的电崩渍(electrical break down)造成。这种电弧故障可能由许多事件造成,所述事件包含例如是在曝露于电场的表面上的微尘沉积。这造成从离子源组合件罩壳309到高压电源供应器303的接地回路305直接短路。然而,在所述故障期间,热离子二极管331防止过量电流流向高压电源供应器303。因为由于热离子二极管331的电流限制使得电弧329不接收来自电源供应器303的显著额外能量,所以电弧329在数微秒内熄灭。
电流限制特征的潜在原理显示于图4中,图4说明典型热离子二极管的阳极电流特性。在正常操作中,热离子二极管131在蔡尔德-朗缪尔区域(Child-Langmuir region)中在阳极与阴极之间的电压降小于100伏的情况下工作(图4的左侧)。在电弧故障期间,电流受到热离子二极管的饱和电流的限制。这由理查森-杜什曼方程式(Richardson-Dushman equation)描述,所述方程式表示在热离子发射中离开经加热导体的电子的电流密度。这在图4的右侧得到说明,其中因为阻抗变得过大,所以曲线趋于平缓。大的阻抗阻止来自高压电源供应器的高电流放电。饱和电流的实际值取决于阴极的温度以及几何形状。在图4中,以一组各具有不同阳极电压对阳极电流的曲线说明所述效应。
商业热离子二极管需要高质量外壳以在其整个寿命中维持真空以及需要周密设计的阴极以保持加热功率的功率消耗较低。然而,由于阴离子源组合件的性质以及组件,这两种要求稍微变得宽松。举例来说,真空可容易获自离子源或束线系统。此外,产生10毫安到20毫安的饱和电流仅需要几瓦特的功率,这可轻易地获得,因为典型离子源组合件中使用的阴极灯丝在几百瓦特的加热功率下产生数安培的饱和电流。
图5显示根据本发明的一个实施例的利用非线性热离子二极管组合件531作为高压电源供应器503的电流限制组件的离子源组合件510的电路/方块图。高压电源供应器503封闭在压力槽502中,压力槽502的容积504通常填充有SF6气体或一些其它合适气体以改善绝缘。热离子二极管组合件531的外壳以从内部安装到压力槽502的端板506上的绝缘管533形式实施以与罩壳509的外层形成真空密封。金属电极515形成阳极并且还封闭压力槽502内绝缘管533的另一端。当绝缘管533以密封方式连接到罩壳509时,绝缘管533还包含与离子源523的真空部分连接的流体连接535以提供流体排空。阴极灯丝513与流体连接535内罩壳509的外层近似齐平地安装。灯丝电源供应器511向阴极灯丝513供能。
绝缘管533可相对较短并且仍禁得住由故障电弧产生的典型电压尖峰。这是因为表面崩溃发展需花费数十微秒。因为由于热离子二极管组合件531的电流限制使得电弧不接收来自电源供应器503的显著额外能量,所以电弧在数微秒内熄灭。因此在整个管上每英寸100千伏的电压降可令人接受。另外,表面还可经盘旋以增大沿面路径(creep path)的长度以提供甚至更大的保护作用。
当热离子二极管组合件531与高压电源供应器串联使用时,热离子二极管组合件531在形成电弧期间限制放电电流,此加速了形成电弧之后的恢复。离子源室已在真空下。因此,向电源供应器添加灯丝513以及具有电极(例如阳极515)的隔离口将完成热离子二极管组合件531。
假定真空室具有合适配置,可在使用间接加热阴极(indirectly heatedcathode)的离子源中从阴极加热灯丝的背面提取出电子。所需要的只是高压馈通。因为金属阳极515与管533的绝缘体真空紧密连接并且与高压电源供应器503的输出端耦合,所以其充当高压馈通。
或者,钨灯丝或涂钍(thoriated)的钨灯丝可充当灯丝与阴极。铱是另一种可能的阴极灯丝材料。一般来说,灯丝可包括折射导电材料。此外,有可能以冷阴极或光阴极形式实施阴极。术语“冷阴极(cold cathode)”是指阴极未经独立加热,但仍可在高温下工作。冷阴极装置通常使用具有一些用于限制电流的机构的复杂高压电源供应器。
图6显示根据本发明的一个实施例的利用非线性热离子三极管631作为高压电源供应器603的电流限制组件的离子源组合件610的电路/方块图。在这个实施例中,图5的热离子二极管结构经热离子三极管结构631替换。高压电源供应器603封闭在源压力槽602中。压力槽602的容积604通常填充有SF6气体以改善绝缘。热离子三极管631的外壳以从内部安装到压力槽602的端板506上的绝缘管633形式实施以与离子源组合件罩壳609的外层形成真空密封。金属电极615形成阳极并且还封闭压力槽602内绝缘管633的另一端。当绝缘管633以密封方式连接到罩壳609时,绝缘管633还包含与离子源623的真空部分连接的流体连接635以提供流体排空。阴极灯丝613与流体连接635内的罩壳609的外层近似齐平地安装。灯丝电源供应器611向阴极灯丝613供能。
栅格偏压电源供应器639在灯丝613与栅格637之间提供偏压。热离子三极管结构631是藉由在外层穿孔以在阴极灯丝613与阳极615之间形成栅格637而形成。栅格偏压电源供应器639也被添加来相对于穿孔外层637而对阴极灯丝613施加偏压以调节到阳极615的电流。还可添加用于阴极灯丝613的简单聚焦元件,例如文纳尔圆筒(Wehnelt cylinder)。
正如热离子二极管实施型态一样,当热离子三极管631与高压电源供应器603串联使用时,热离子三极管631在形成电弧期间限制放电电流,此加速了形成电弧之后的恢复。离子源室已在真空下。因此,所需要的只是向电源供应器添加灯丝613以及具有电极(例如阳极615)的隔离口以完成热离子二极管组合件631。假定真空室具有合适配置,可在使用间接加热阴极的离子源中从阴极加热灯丝的背面提取出电子。所需要的只是高压馈通。因为金属阳极615与管633的绝缘体真空紧密连接并且与高压电源供应器603的输出端耦合,所以其充当高压馈通。
热离子三极管组合件631相比于图5中的热离子二极管组合件531提供对离子源组合件610更好的屏蔽,这是因为阴极灯丝613永远不会直接曝露于任何高压场。热离子三极管组合件631还可用于藉由调节偏压而非阴极灯丝温度来快速控制工作电流。
图5到图6中所显示的装置是按照离子源组合件的需求以及可用资源定制。举例来说,离子源组合件需要仅用粗略限位控制(coarse limit control)的相对低电流。此外,存在已位于离子源组合件510上的真空泵(离子源523内)以及电源供应器511。一旦实施,热离子二极管组合件以及热离子三极管组合件即可展现其它有用特性。举例来说,热离子二极管531与三极管631组合件可用作简单开关。阴极513、613在冷的时候不导电。当在称作减速模式(deceleration mode)的工作模式中以低于高压电源供应器503、603的基值(ground)驱动离子源组合件510、610时,上述情形为适用的。另外,相比于利用导线的高压继电器,热离子三极管组合件631提供针对电磁干扰(electromagnetic interference,EMI)的优良屏蔽。
尽管已参考某些实施例揭示本发明,但在不脱离如随附权利要求中所界定的本发明的领域和范围的情况下,有可能对所述实施例作出众多修改、更改以及变化。因此,希望本发明不受限于所述实施例,而是本发明具有由下列权利要求的语言以及其等效物所界定的完整范围。

Claims (19)

1.一种浪涌保护系统,与离子源组合件一起使用,所述浪涌保护系统包括:
离子源组合件;
高压电源供应器,用于驱动所述离子源组合件;以及
热离子二极管组合件,串联耦合在所述高压电源供应器的输出端与所述离子源组合件之间。
2.一种浪涌保护系统,与离子源组合件一起使用,所述浪涌保护系统包括:
(i)离子源组合件,包括:
离子源;
具有外层表面的罩壳;
流体连接组合件,使所述离子源的真空部分与所述罩壳的所述外层表面耦合;以及
阴极,包括阴极灯丝电源供应器以及阴极灯丝,所述阴极灯丝安置在所述流体连接组合件内并且与所述离子源组合件罩壳的所述外层表面实质上齐平安装;
(ii)高压电源供应器,封闭在压力槽中以用于驱动所述离子源组合件;以及
(iii)热离子二极管组合件,包括在所述高压电源供应器的输出端与所述离子源组合件的所述罩壳之间串联耦合的绝缘管。
3.根据权利要求2所述的浪涌保护系统,其中所述绝缘管安装在所述压力槽的端板最接近所述阴极的一端上以与所述离子源组合件的所述罩壳的所述外层表面形成真空密封并且在另一端上由与所述高压电源供应器的输出端耦合的阳极密封。
4.根据权利要求3所述的浪涌保护系统,其中所述阴极灯丝包括钨。
5.根据权利要求3所述的浪涌保护系统,其中所述阴极灯丝包括涂钍的钨。
6.根据权利要求3所述的浪涌保护系统,其中所述阴极是间接加热阴极。
7.根据权利要求3所述的浪涌保护系统,其中所述阴极灯丝包括铱。
8.根据权利要求3所述的浪涌保护系统,其中所述阴极是冷阴极。
9.根据权利要求3所述的浪涌保护系统,其中所述阴极是光阴极。
10.一种浪涌保护系统,与离子源组合件一起使用,所述浪涌保护系统包括:
(i)离子源组合件,包括:
离子源;
具有外层表面的离子源组合件罩壳,其中将在一个区域中的所述外层表面穿孔以使得在阴极与阳极之间形成栅格;
流体连接组合件,使所述离子源的真空部分与所述离子源组合件罩壳的所述外层表面耦合;
阴极,包括阴极灯丝电源供应器以及阴极灯丝,所述阴极灯丝安置在所述流体连接组合件内并且与所述离子源组合件罩壳的所述外层表面实质上齐平安装;以及
偏压电源供应器,其相对于所述离子源组合件罩壳的所述外层表面对所述阴极灯丝施加偏压;
(ii)高压电源供应器,封闭在压力槽中以用于驱动所述离子源组合件;以及
(iii)热离子三极管组合件,包括在所述高压电源供应器的输出端与所述离子源组合件罩壳之间串联耦合的绝缘管。
11.根据权利要求10所述的浪涌保护系统,其中所述绝缘管安装在所述压力槽的端板最接近所述阴极的一端上以与所述离子源组合件罩壳的所述外层表面形成真空密封并且在另一端上由与所述高压电源供应器的输出端耦合的阳极密封。
12.根据权利要求11所述的浪涌保护系统,还包括用于所述阴极灯丝的聚焦元件。
13.根据权利要求12所述的浪涌保护系统,其中用于所述阴极灯丝的所述聚焦元件为文纳尔圆筒。
14.根据权利要求11所述的浪涌保护系统,其中所述阴极是间接加热阴极。
15.根据权利要求11所述的浪涌保护系统,其中所述阴极灯丝包括钨。
16.根据权利要求11所述的浪涌保护系统,其中所述阴极灯丝包括涂钍的钨。
17.根据权利要求11所述的浪涌保护系统,其中所述阴极灯丝包括铱。
18.根据权利要求11所述的浪涌保护系统,其中所述阴极是冷阴极。
19.根据权利要求11所述的浪涌保护系统,其中所述阴极是光阴极。
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