CN104508790A - 离子束突波恢复用的射束线电极电压调变 - Google Patents

Abstract

本发明揭示了一种离子植入系统和方法，其中通过在植入机中使用已调变电源系统(230)，来最小化电压中的突波。已调变电源系统包括传统电源(300)以及与各电源相连的控制单元(310)，其中控制单元用于在检测到突波或电弧时通过源开关(321)使电源与电极绝缘，且通过闭合放电开关(331)使得电极上的任何电荷快速消散至接地。随后在突波情况被改善之后，控制单元使电源与电极之间的连接恢复。

Description

离子束突波恢复用的射束线电极电压调变

技术领域

本发明涉及离子植入，且更确切地说，涉及离子植入期间的均匀性。

背景技术

离子植入(ion implantation)是一种用于将改变导电性的杂质引入工件中的标准技术。在离子源中使所需的杂质材料发生电离，使离子加速以形成指定能量的离子束，且将所述离子束引导到工件的表面上。离子束中的高能离子穿透到工件材料的主体中，并嵌入至工件材料的晶格(crystalline lattice)，从而形成具有所需导电性的区。

太阳能电池(solar cell)是使用硅工件的装置的一个实例。任何高性能太阳能电池的制造或生产成本降低或任何高性能太阳能电池的效率提高，均会对太阳能电池在世界范围内的普及具有积极的影响。此举将使得这种清洁能源技术能得到更广泛地使用。

现有许多不同的太阳能电池架构。两种常见的设计为选择性发射极(selective emitter；SE)和叉指型背面接触(interdigitated backside contact；IBC)。SE太阳能电池在其由太阳光照射到且轻度掺杂的表面上遍布有大剂量条纹。IBC太阳能电池在其未受太阳光照射的表面上遍布有交替的p型和n型条纹。SE和IBC太阳能电池均可以植入离子来对各个区进行掺杂。

在离子植入过程中可能出现“突波(glitch)”。突波的定义为：在离子植入操作期间射束质量的突然降级，通常是由操作电压发生变化导致的。这种突波的发生原因通常是沿着射束路径的部件之间存在相互作用，此相互作用影响着一个或多个操作电压，并且该突波可能发生在沿着射束路径的各个位置处。例如，离子植入机通常沿着该射束路径采用若干个电极，这些电极对射束进行加速、对射束进行减速，或抑制操作期间生成的杂散电子流。这些电极中的每一个均保持预定电压。通常，不同电压的电极位置彼此靠近，因此，电极之间可能出现电弧。通常，电弧遍布出现在加速间隙上、减速间隙上，或抑制间隙上，尽管电弧可能出现在其他地方。例如，源引出电压、源抑制电压，与源射束电流之间的相互作用可能会产生突波。这些突波可能被检测为其中一个电源中电流的急剧变化。如果植入被突波中断或影响，那么被植入的太阳能电池或其他工件可能会受到负面影响或甚至可能变得毫无用处。例如，太阳能电池可能会因为突波引起的低植入剂量从而效率变低。这样可能会对被植入工件的成本产生影响。因此，通常采用一些步骤来最小化该类突波的出现率并且尽可能从突波中恢复。

图1为说明一种突波的图表。射束电流被设置成预定值10。突波11出现在由虚线12、13围起来且标为Δt的时间段内，在该时间段内射束电流下降到预定值10以下。典型的突波可能持续约100毫秒的时间段。最小化Δt时间段意味着，对正进行植入的工件产生的负面影响较小。突波11可以通过测量电压或电流的变化来进行感测。电弧通常通过突然的电压崩溃或突然的电流骤增而被感测到。当检测到突波时，一个解决方案为立刻将离子束电流减小到零，从而终止在工件上限定位置处的植入。这称为“消隐射束(blankingthe beam)”。图2为说明使离子束消隐的图表。在突波第一次被检测到的时刻100处，电压降为零，随后到时刻101为止，电压又逐渐回升到所需的电压准位。在时刻100处，植入也停止，且时刻100处相对于工件的植入位置被保存。在一个实例中，电压可能消隐达数十毫秒，然后电压在接下来的数百或更多毫秒后恢复。当电压恢复到与所需值相差0.1-0.5％时，例如在时刻101处，植入便可以从工件上刚刚停止植入的位置处继续。因此，一旦突波情况被补救，理想的是植入过程正好在工件上与检测到突波时所在的相同位置处重新开始，且理想是具有与检测到突波时相同的射束特性。目的是为了实现均匀的掺杂轮廓，且这可以通过控制射束电流或工件扫描速度(曝光时间)来实现。然而，消隐是耗时的，这对产量有负面影响。例如，工件需重新定位到突波出现的准确位置且离子束需正好在该位置处重新开始。产量下降还导致成本增加。

用这种方式来弥补由突波引起的剂量损失，可能耗时30秒以上，这对于太阳能工业的产量需求而言太过耗时。离子植入机内的离子束稳定性和植入均匀性由连接到离子植入机上的电压源和电流源的速度来控制。

因此，在本领域中，在工件(更确切地说是太阳能电池)的植入期间有必要用一种突波恢复的改良方法。

发明内容

本发明揭示了一种离子植入系统和方法，其中通过在植入机中使用已调制电源系统，来最小化电压中的突波。已调制电源系统包括传统电源以及与各电源相连的控制单元，其中控制单元用于在检测到突波或电弧时使电源与电极绝缘。随后在突波情况被改善之后，控制单元使连接恢复。

附图说明

为了更好地理解本发明，将参考附图，这些附图以引用的方式并入本文中，且其中：

图1为说明一种射束突波的图表。

图2为说明使离子束消隐的图表。

图3为对于各个持续时间的射束突波而言，比较剂量与工件y位置之间的关系图。

图4为射束线离子植入机的方块图。

图5为与图4中的射束线离子植入机一起使用的已调变电源系统的方块图。

图6为图5中的已调变电源系统的操作的时序图。

图7为控制单元用于控制多个电极的第二实施例。

具体实施方式

本文结合离子植入机描述此方法的实施例。可以使用射束线离子植入机、等离子体掺杂离子植入机，或泛洪离子植入机。可以使用任何n型和p型掺杂剂，但是本文中的实施例不仅仅限于掺杂剂。此外，该过程的实施例可以应用于许多太阳能电池架构或甚至其他工件，例如半导体芯片、扁平面板，或发光二极管(light emitting doide；LED)。因此，本发明不限于下文所描述的具体实施例。

如上所述，突波可能会致使离子束不均匀或工件的植入不均匀。然而，不均匀的程度与突波的持续时间有关。图3为对于各个持续时间的突波而言，比较剂量与工件y位置之间的关系图。图3表示一种植入，其使用24厘米/秒的扫描率透过离子束通过四次并且假定y方向上的射束高度为1cm。当然，需要均匀的剂量。对各个持续时间的突波建立模型，其中突波在离子束扫描整个工件时出现。例如，在受到突波影响的区中，50ms的突波可能会对工件剂量的影响超过20％。在一些实施例中，该降级可能达到的程度例如，太阳能电池的效率可能降低。较小的时间段对工件的影响可能是可忽略的或可接受的。例如，10ms的突波在受影响的区中可能只减少约6％的剂量。类似地，20ms的突波对受影响的区的影响可能约为12％。因此，如果突波可以减少到这样的持续时间，那么太阳能电池的效率实质上不会受到影响且不会危及产量，因为可能不需要补救措施。

图4为射束线离子植入机200的简化方块图。在一个实例中，这可能用于对半导体或太阳能电池工件进行掺杂。所属领域的技术人员将意识到，射束线离子植入机200只是可以产生离子的射束线离子植入机的许多实例中的一个实例。因此，本文在此所揭示的实施例不仅仅限于图4中的射束线离子植入机200。

一般而言，射束线离子植入机200包括用于生成离子以形成离子束281的离子源280。离子源280可以包括离子室283。气体被供应到离子室283，在该室中气体被电离。在一些实施例中，该气体可以是或可以包括或含有氢气、氦气、其他稀有气体、氧气、氮气、砷、硼、磷、铝、铟、锑、碳硼烷、烷烃、另一种大分子化合物，或其他p型或n型掺杂剂。从离子室283中引出由此生成的离子，以形成离子束281。离子束281穿过引出电极284a。

终端站211支撑住离子束281的路径中的一个或多个工件(例如工件138)，使得所需种类的离子被植入工件138中。终端站211可以包括用于支撑一个或多个工件138的台板295。终端站211还可以包括扫描仪(未图示)，用于垂直于离子束281截面的长轴来移动工件138，从而将离子分布在工件138的整个表面上。尽管说明离子束281，但是其他实施例可以提供点波束。所属领域的技术人员将理解，离子束横越的整个路径在离子植入期间抽成真空。射束线离子植入机200可以包括所属领域的技术人员已知的附加部件并且在一些实施例中可以包括离子的热或冷植入。

在离子源280与工件138之间的路径中，离子束281穿过各部件。这些部件可以包括，例如抑制电极、接地电极、质量分析器以及角度校正磁铁。质量分析器可以包括分辨磁铁以及具有分辨孔隙的屏蔽电极。分辨磁铁使离子束281中的离子偏转，使得所需离子种类的离子可以穿过分辨孔隙。不需要的离子种类不会穿过分辨孔隙，而是可能被屏蔽电极阻断。所需离子种类的离子可以穿过分辨孔隙到达角度校正磁铁。角度校正磁铁可以使所需离子种类的离子发生偏转并且将离子束从发散的离子束转变为带状离子束，所述带状离子束具有基本上平行的离子轨道。在其他实施例中，离子植入机200中并不包括质量分析器或角度校正磁铁。在一些实施例中，射束线离子植入机200可以进一步包括加速单元或减速单元。

这些部件中的一些部件可以具有不同的电压，因此需要电源系统来提供这些电压。在图4中，说明五个电源系统230a至230e，但是可以包括更多或更少的电源系统。在该图中，电源系统230a用于使离子室283附近的引出电极284a发生偏压。电源系统230b至230e可以用于使沿着射束线的其他部件284b至284e发生偏压，所述其他部件可以包括加速电极或减速电极、抑制电极、分辨磁铁，以及角度校正磁铁。射束线植入机200中使用的部件可以变化，且在一些实施例中，可以不包括上述部件中的一个或多个部件。因此，可以包括比所有部件284b至284e更多或更少个部件。这些电源系统230a至230e可以用于根据需要而提供正电压或负电压，且所用的电压不受本发明的限制。此外，术语“电极”在本发明中用于代表电极以及保持与地面不同的电压的任何部件。

在一个具体实施例中，只使用两个电源系统。在本实施例中，只使用三个电极284a至284c，其中电极284a为引出电极，电极284b为抑制电极且电极284c为接地电极。在本实施例中，电源系统中的一个用于使抑制电极284b相对于地面发生反向偏压。引出电源系统230a用于使离子源280相对于地面发生顺向偏压。存在可能出现突波的三个具体实例。第一，顺向偏压的引出电极284a，可能对反向偏压的抑制电极284b形成电弧。第二，反向偏压的抑制电极284b，可能对接地电极284c形成电弧。最后，顺向偏压的引出电极284a可能对接地电极284c形成电弧。

在其他实施例中，加速电极和减速电极也可以用于离子植入机200中，这要求对每个电极都使用一个附加的电源系统。这也增加了突波可能出现的情况，因为在植入机中存在更多电源系统。

与突波对应的电弧形成可以通过电压崩溃到电压临限值以下的值或电流上升到电流临限值以上而被感测到。通过改良电压源的电弧检测，可以更好地控制突波持续时间。更快的电弧检测和电压恢复可以用于使突波持续时间保持在1ms以下。这允许工件被植入在所需剂量的6％的误差内，这对于工件例如太阳能电池等而言是可接受的。

如上所述，充分短持续时间的突波可能不影响太阳能电池的效率且不会降低制造产量。因此，希望的是减少约为1ms的突波。当前最常用的高电压电源的电弧检测较慢且恢复非常慢。实际上，在一些实施例中，在突波之后，电源可能要花数百毫秒才能返回到其标准值。

图5所示为用于图4的射束线植入机200或某一其他植入机中的已调变电源系统230的方块图。已调变电源系统230包括高电压电源300。可以使用任何合适的高电压电源。电源300的一个端子通常接地，而相对的端子则电性连接到源开关321的一个端子。源开关321和放电开关331可以是任何合适的开关，例如基于固态功率半导体的开关，如MOSFET、IGBT、IGCT装置。此外，也可以使用其他开关，包括但不限于真空管或三极管。源开关321的第二端子电性连接到源阻抗320的一个端子。源阻抗320的第二端子电性连接到一个电极(例如，图4中的电极284a至284e中的一个)。源阻抗320的第二端子还电性连接到放电阻抗330的一个端子。放电阻抗330的第二端子电性连接到放电开关331的一个端子。放电开关331的第二端子电性接地。源开关321和放电开关331可以是快速切换部件，它们具有次微秒开时间和关时间。因此，源开关321和放电开关331可以在切换操作期间经历高峰值电流。因此，源阻抗320和放电阻抗330可以分别用于限制穿过源开关321和放电开关331的电流量。源阻抗320和放电阻抗330可以包括用于限制电流流动的电感组件。在其他实施例中，不使用源阻抗320和放电阻抗330。在该实施例中，源开关321的第二端子直接电性连接到一个电极(例如，图4中的电极284a至284e中的一个)。类似地，放电开关331的第一端子直接电性连接到源开关321的第二端子。

源开关321和放电开关331由控制单元310致动。控制单元310可以是任何处理单元，例如微处理器、微控制器，或专用计算装置。控制单元310可以具有相关的存储元件。所述存储元件含有实施本文所述算法和例行程序所必需的计算机可读指令。此外，控制单元310还具有至少一个输入311，所述输入311用于检测与电源300相关的突波或电弧。在一些实施例中，输入311为模拟输入，使得输入信号代表由电源300产生的电流。例如，图4说明与各个已调变电源系统230a至230e相连的电流监控器231a至231e，使得电流监控器231a至231e用于为各个电极或部件284a至284e提供电力的电流进行测量。在其他实施例中，输入311为模拟输入，它是与施加给电极或部件284a至284e的具有已知关系的一个电压。在另些其他实施例中，输入311可以是数字讯号，例如接收编码值的串行接口。在另些其他实施例中，在控制单元300外使用比较器，使得输入311为该电流或电压是否在所需范围内的二进制指示(binary indication)。在该实施例中，控制单元310可以具有被比较器用来设置临限值的输出。

在这些实施例中的每一个中，控制单元310对输入311进行监控并且判断它是否在预定范围内。在电流监控器231的情况下，控制单元310可以设置允许范围，使得在该范围外的任何值都视为突波。在一些实施例中，该范围具有正临限值和负临限值，因为电流可以根据电弧或突波的极性在任一方向上流动。

图6说明以下时序的时序图。图5中的控制单元310连续地对输入311进行监控。如果输入311在预定范围内，那么源开关321保持闭合且放电开关331保持断开，如图6中的时间段400中所示。这样会将电源300电性连接到图4中的电极或部件284a至284e。如果图5中的输入311偏离该范围，例如由图6中所示的突波405所导致，那么控制单元310会致动源开关321，使其在时刻410处断开。这样使电源300与正在经历突波的电极或其他部件绝缘。在第一延迟时间段t1之后，控制单元310随后在时刻420处闭合放电开关331。这样使得电极或其他部件上存在的任何电荷可以快速消散。结果是，电极上的电压变为0伏特，如时刻430处所示。电荷从电极或其他部件上的移除还可以有助于消除电弧或突波的产生原因。在第二时间段t2之后，控制在时刻440处断开放电开关331，从而使电极或部件与地面绝缘。第二时间段t2限定系统的消隐时间。在第三时间段t3之后，源开关321在时刻450处被控制单元310闭合且因此电极284a至284e上恢复电力。一段时间之后，电极会返回到其所需电压。时间段t1和t3相对于t2而言可能较小。例如，t1和t3的总和可以在数微秒的范围内，而t2可以为数百微秒至若干毫秒。

因此，通过在存储元件中使用可程序化参数，控制单元310可以经配置以控制若干参数。这些参数包括突波被检测到的临限值。通过调整该临限值，可以实现更快速的突波检测。另外，源开关321断开与放电开关331闭合之间的时间(即，t1)可以在需要时由控制单元310来控制。类似地，放电开关331断开与源开关321断开之间的时间(即，t3)可以由控制单元310来控制。例如，时间段t1和t3可以基于源开关321和放电开关331的切换特性来进行选择。应注意，在一些实施例中，源开关321和放电开关331可以经配置使得来自控制单元310的单个输出可以用于同时控制这两个开关。例如，开关中的一个可以为N通道MOSFET，而另一个为P通道MOSFET。来自控制单元310的单个输出随后可以用于同时致动这两个开关。控制单元310还可以用各个消隐时间来进行编程，所述消隐时间为放电开关331被闭合的时间段。在一些实施例中，消隐时间可以短达数十或数百微秒。在其他实施例中，消隐时间可以为若干毫秒。可以基于系统中存储的能量从而基于使该存储的能量放电所需的时间，来对消隐时间进行调整。它还可以根据过程要求，例如所需的均匀性等，来进行调整。该时间可以是根据具体实施方案而定的，且这些值没有限制。在一些实施例中，消隐时间在某些应用中可以短达约100微秒。在其他实施例中，更长的消隐时间，例如若干毫秒，可能是可接受的。

在一些实施例中，消隐时间可以比电源300的恢复时间更短。换句话说，在突波之后，电源300可能需要一些时间(通常在毫秒范围内)来重新建立调节过的输出。因此，有利的是：如果使用的电源300具有较大的输出电容，则使得存储的能量可以控制电压跌落(droop)可发生在源开关321闭合之后。如果输出电容较小，那么消隐时间可以缩短以最小化电压跌落且该过程可以重复多次以消除存储的能量。

在一些实施例中，每个已调变电源系统230具有专门的控制单元310，所述控制单元用于控制各个电源330的源开关321和放电开关331。然而，如图7所示，在其他实施例中，控制单元510由多个电源500a至500c和开关之间共享。例如，如图7所示，单个控制单元510可以用于接收来自每个电极的输入511a至511c并且可以控制与这各个电极中的每一个相连的源开关521a至521c和放电开关531a至531c。如上所述，也可以使用源阻抗520a至520c和放电阻抗530a至530c。尽管图7示出了单个控制单元510与三个电极一起使用，但是应理解，本发明不限于任何特定数量的开关或控制单元。控制单元510具有对多个电极的能见度。因此，在一个实施例中，如果有需要，那么控制单元510可以经程序化以只使与突波相关联的电源500绝缘。在其他实施例中，控制单元510可以当在电极中的任一电极上检测到突波时使所有电源500a至500c绝缘。

使用已调变电源系统，使制造半导体(例如，太阳能电池)可以有产量较高的方法，在该方法中并不要求精确的剂量均匀性。在这样的实施例中，工件被放置在台板295上。随后通过供给能量至离子植入系统的各部件，而将离子引导向工件。使用已调变电源系统，可以最小化任何突波的持续时间，从而有助于将剂量均匀性保持在约1％的误差内。在一些实施例中，监督控制器(未图示)对引导到工件上的射束电流进行监控。只要射束电流的下降在某一限制内，例如0.5％至3％，较佳为1％，剂量均匀性就是可接受的，且离子植入可以继续。大于此限制的下降可能会使剂量发生不可接受的变化，致使工件(如，太阳能电池)变得无效。在这种情况下，工件的扫描被停止，同时射束电流恢复到其标准电位。

本发明的范围不应受本文所描述的具体实施例限制。实际上，除本文所描述的那些实施例和修改外，所属领域的一般技术人员根据以上描述和附图将了解本发明的其他各种实施例和对本发明的修改。因此，此类其他实施例和修改既定属于本发明的范围内。此外，尽管本文已出于特定目的而在特定实施方案情况下以特定环境描述了本发明，但所属领域的一般技术人员将认识到，本发明的效用不限于此，并且本发明可以有利地用于许多目的在许多环境中实施。因此，应鉴于如本文所描述的本发明的整个广度和精神来理解下文陈述的权利要求书。

Claims (13)

1.一种离子植入系统，包括：

离子源；

电极，所述电极保持与地电位不同的电压；以及

与所述电极连通的已调变电源系统，其中所述已调制电源系统包括：

具有第一端子和第二端子的电源；

源开关，所述源开关具有电性连接到所述电源的所述第二端子的第一端子以及电性连接到所述电极的第二端子；

放电开关，所述放电开关具有电性接地的第一端子以及电性连接到所述电极的第二端子；以及

控制单元，所述控制单元经配置以在检测到突波之后致动所述源开关和所述放电开关。

2.根据权利要求1所述的离子植入系统，其中所述控制单元包括输入，所述输入代表从所述电源传出来的电流。

3.根据权利要求2所述的离子植入系统，其中所述控制单元将所述输入与预定范围相比，以检测所述突波。

4.根据权利要求1所述的离子植入系统，其中当检测到所述突波时，所述控制单元断开所述源开关以使所述电源与所述电极绝缘。

5.根据权利要求4所述的离子植入系统，其中所述控制单元在断开所述源开关之后闭合所述放电开关。

6.根据权利要求1所述的离子植入系统，还包括源阻抗，所述源阻抗电性地串联在所述电极与所述源开关的所述第二端子之间。

7.根据权利要求1所述的离子植入系统，还包括放电阻抗，所述放电阻抗电性地串联在所述电极与所述放电开关的所述第二端子之间。

8.根据权利要求4所述的离子植入系统，其中所述控制单元在断开所述源开关的同时闭合所述放电开关。

9.根据权利要求1所述的离子植入系统，其中所述电极包括引出电极且还包括抑制电极和接地电极。

10.一种用于使离子植入系统中突波最小化的方法，所述离子植入系统具有保持与地电位不同电压的至少一个电极，所述方法包括：

使用电源将电流供应给所述电极；

对用于使所述电极保持所述电压的所述电流进行监控；

当被监控的所述电流在预定范围外时，检测突波；

在检测到所述突波之后，使所述电源与所述电极电绝缘；

在检测到所述突波之后，将所述电极电性接地；

在预定时间段之后，使所述电极与地电绝缘；以及

在所述预定时间段之后，将所述电极电性连接到所述电源，从而恢复供至所述电极的电力。

11.根据权利要求10所述的用于使离子植入系统中突波最小化的方法，还包括提供了控制单元且所述控制单元执行所述监控和所述检测。

12.根据权利要求11所述的用于使离子植入系统中突波最小化的方法，还包括提供了源开关以电性连接所述电源和所述电极，并且所述控制单元致动所述源开关。

13.根据权利要求11所述的用于使离子植入系统中突波最小化的方法，还包括提供放电开关以电性连接地和所述电极，并且所述控制单元致动所述放电开关。