KR100671675B1

KR100671675B1 - 이온 빔 시스템을 위한 전원 장치 강화 방법

Info

Publication number: KR100671675B1
Application number: KR1020000076880A
Authority: KR
Inventors: 반더버그보하랄드
Original assignee: 액셀리스 테크놀로지스, 인크.
Priority date: 1999-12-20
Filing date: 2000-12-15
Publication date: 2007-01-18
Also published as: DE60004957T2; DE60004957D1; SG98000A1; TWI242877B; JP4947401B2; EP1111651B1; KR20010062457A; JP2001216935A; EP1111651A2; EP1111651A3; US6452196B1

Abstract

본 발명은 개선된 이온 주입 시스템을 제공하는 것이다. 이 시스템은 하나 이상의 전극에 전압을 제공하는 하나 이상의 전원 장치와, 하나 이상의 전원 장치 및 하나 이상의 전극간에 작동 가능하게 접속된 스위칭 시스템을 포함한다. 이 스위칭 시스템은 하나 이상의 전원 장치와 하나 이상의 전극을 소정의 임계값에서 차단시켜서, 하나 이상의 전원 장치의 과부하를 경감시킨다.

Description

이온 빔 시스템을 위한 전원 장치 강화 방법{POWER SUPPLY HARDENING FOR ION BEAM SYSTEMS}

도 1은 본 발명에 따른 이온 주입 시스템의 다이어그램.

도 2는 본 발명에 따른 과도 격리(transient isolation) 시스템의 블록도.

도 3은 본 발명에 따른 이온 소스와 관련되는 과도 격리 시스템의 상세한 블록도.

도 4a는 본 발명에 따른 과도 격리 시스템의 수동 회로 적용의 개략도.

도 4b는 본 발명에 따른 전극간 방전용 과도 격리 시스템의 수동 회로 적용의 개략도.

도 5a는 본 발명에 따른 수동 과도 격리 시스템의 적용 이전의 과도 전압 다이어그램.

도 5b는 본 발명에 따른 수동 과도 격리 시스템의 적용 이후의 과도 전압 다이어그램.

도 6a는 본 발명에 따른 과도 격리 시스템의 능동 회로 적용의 개략적인 블록도.

도 6b는 본 발명에 따른 과도 격리 시스템의 능동 회로 적용의 상세한 블록도.

도 7은 본 발명에 따른 전원 장치 강화 방법의 흐름도.

본 발명은 일반적으로 이온 빔 시스템에 관한 것으로, 특히 전원 장치 과부하 상태를 경감시킴으로써, 개선된 이온 빔 성능을 제공하는 시스템 및 방법에 관한 것이다.

이온 주입은 초 대규모 집적회로(VLSI) 제조의 중요한 양상이다. 이온 주입은 전압이 걸린 대전된 원자 또는 분자들이 반도체 기판으로 직접 도입되는 공정이다. VLSI 제조에서, 실리콘 웨이퍼의 표면에 도펀트 이온을 가하기 위해 이온 주입이 주로 이용된다. 이온 주입 공정의 목적은 원하는 원자종(atomic species)을 타겟(target) 물질로 도입하는 것이다. 이러한 목적에 효과적으로 대응하기 위해 몇가지 이온 주입 공정의 양상을 제어할 필요가 있다. 우선, 주입종(implant species)은 규정된 정량을 적용하여야 한다. 더욱이, 주입된 종은 기판 표면 아래의 요구되는 깊이에 위치되고, 기판에서 소정의 영역만으로 제한되어야 한다. 요구될 때, 모든 주입된 불순물은 사실상 전기적으로 활성화될 수 있어야 하며, 가능한한 실리콘 격자 구조는 도펀트 합체 공정에 의해 변화되지 않고 유지되어야 한다. 따라서, 이온 주입 시스템은 정확하게 주입해야 하며, 이행되는 주입종의 양 및 위치를 감시할 수 있는 것이 필요하다.

종래의 이온 주입 시스템은 규정된 에너지의 이온 빔을 형성하도록 가속되는 도펀트 원소를 이온화시키는 이온 소스를 포함한다. 이 빔은 작업재(workpiece)의 표면으로 지향된다. 일반적으로, 이온 빔의 활성 이온은 작업재의 벌크(bulk) 내로 침투하여 물질의 결정성 격자내로 매입되어서 소망하는 전도성 영역을 형성한다. 이온 주입 공정은 일반적으로 웨이퍼 취급 조립체 및 이온 소스를 케이스화 하는 높은 진공의 가스 밀봉 처리실내에서 수행된다.

종래 기술의 주입 시스템의 전형적인 이온 빔 경로는 이온 소스, 전극, 분석 자석 장치, 광학 분해 소자(optical resolving element), 및 웨이퍼 처리 시스템을 포함한다. 전극은 이온 소스에서 생성된 이온을 추출하여 가속시켜서, 분석 자석 장치를 향해 지향되는 빔을 생성한다. 분석 자석 장치는 전하-대-질량 비율에 따라 이온 빔에서 이온을 선별하고, 웨이퍼 처리 시스템은 이온 빔 경로에 대하여 작업재의 위치를 조절한다. 광학 분해 소자는 분석 자석 장치와 협동하여, 선택된 전하-대-질량 비율을 갖는 이온을 시스템이 집속할 수 있게 하여서, 이온을 작업재로 향해 지향시킨다.

이온 주입 시스템은 일반적으로 이온을 기판으로 주입시키기 위해 필요한 가속 에너지를 발생시키는 고전압을 형성한다. 가속 에너지는 많은 주입 시스템에서 10∼200 keV로부터 고에너지 시스템에서 수 MeV까지의 높은 에너지의 범위이다. 일반적으로, 이러한 고전압은 고전압 전원 장치에 의해 공급되는 전극을 경유하여 인가된다.

종래의 이온 주입 시스템에서는 종종 전기장 응력 포인트에서 과도 전기 방전이 발생하거나, 전극 및/또는 절연체상의 공정 퇴적물(deposits) 또는 입자에 의해 방전이 발생될 수 있다. 이러한 방전은 전극 전압의 변화를 초래하고, 주입 시스템의 렌즈에 이온 빔의 잠재적 손실로 영향을 준다. 따라서, 전극 전압의 변화는 전원 장치 회로의 과부하 및/또는 전압의 급강하를 야기시킬 수 있다. 전원 장치가 과부하 및/또는 전압의 급강하 상태에 있는 기간에, 가치있는 이온 빔 주입 시간을 잃을 수도 있다. 이러한 기간의 지속은 전원 장치가 과부하 및/또는 전압의 급강하로부터 회복하는데 필요한 시간의 양에 의해 일반적으로 제어된다.

따라서, 과도 방전으로부터의 전원 장치 과부하에 대한 종래의 이온 주입 시스템의 이온 빔 손실에 관련된 상기 문제점의 관점에서, 이러한 전원 장치의 과부하 및/또는 전압의 급강하 상태를 경감시키는 시스템 및 방법을 갖는 것이 바람직하다.

본 발명은 이온 주입 시스템의 전원 장치를 강화시킴으로써, 이온 빔 손실 시간을 단축시키는 시스템 및 방법을 제공한다. 이 강화는, 전원 장치와 관련된 전극 방전으로부터 전원 장치를 절연시킴으로써 효과적으로 수행된다. 주입 공정 동안 전극이 방전함에 따라, 이와 관련된 진공 방전은 소멸되고, 이러한 방전에 관련된 전원 장치내에 저장된 에너지의 손실은 통상적으로 경감된다. 따라서, 본 발명은 전극 전압 및 관련 이온 빔의 회복에 필요한 시간을 상당히 감소시킨다.

특히, 본 발명은 과도 방전으로부터 과도 격리 시스템을 경유하여 전원 장치를 절연시킴으로써 전원 장치 강화를 제공하는 것이다. 과도 격리 시스템은 전원 장치와, 관련 전극 및/또는 방전되는 기타 소자 간을 작동 가능하게 접속시킨다. 본 발명의 과도 격리 시스템은 전극과 관련된 과도 방전 동안 전원 장치를 전극으로부터 일시적으로 절연시키는 역할을 한다. 과도 격리가 없으면, 일반적으로 방전은 전극 전압이 낮은 값으로 강하되도록 전극 전원 장치를 방전시킴으로써, 방전이 지속되는 동안 전원 장치를 과부하(예, 과전류, 부족 전압) 상태에서 작동시킨다. 전원 장치가 과부하 상태로부터 회복하는 동안에, 수십 밀리초 동안 이온 빔 손실이 지속되는 것이 관찰되었다. 전원 장치를 분리시킴으로써, 본 발명은 전원 장치 전류 및 전압이 방전 상태 동안일지라도, 수용 가능한 레벨에서 유지되도록 한다. 전원 장치가 과도 방전 상태 동안 분리되기 때문에, 방전은 수 마이크로초 동안 전극과 관련된 실질적으로 단지 표유 정전 용량에 의해 공급됨으로 분리 전원 장치로부터의 충분한 전력 공급 부족으로 실질적으로 소멸된다.

본 발명의 한 양상을 따른 이온 주입 시스템이 제공된다. 이 시스템은 하나 이상의 전극에 전압을 제공하는 하나 이상의 전원 장치와, 하나 이상의 전원 장치 및 하나 이상의 전극 간을 동작가능하게 접속하는 스위칭 시스템을 포함한다. 이 스위칭 시스템은 하나 이상의 전원 장치와 하나 이상의 전극을 소정의 임계값에서 차단하여, 하나 이상의 전원 장치의 과부하를 경감시킨다.

본 발명의 다른 양상을 따른 이온 주입 시스템이 제공된다. 이 시스템은 이온 빔을 형성하기 위해 이온을 제공하는 이온 소스와, 하나 이상의 전극에 전압을 제공하여 이온 빔을 작업재로 지향시키는 하나 이상의 전원 장치를 포함한다. 이 시스템은 사실상 차단되지 않는 이온 빔을 작업재로 공급하는 과도 격리 시스템을 포함한다. 이 과도 격리 시스템은 하나 이상의 전극에 의한 방전으로부터 하나 이상의 전원 장치를 절연시킨다.

본 발명의 또 다른 양상을 따른 이온 주입 시스템이 제공된다. 이 시스템은 하나 이상의 전극에 전압을 제공하는 전압 소스와, 소정의 임계값에서 전압 소스와 하나 이상의 전극을 차단하여 전압 소스의 과부하를 경감시키는 수단을 포함한다.

본 발명의 또 다른 양상을 따른, 이온 주입 시스템에서 전원 장치 강화 방법론이 제공된다. 이 방법론은 하나 이상의 전극에서 전력을 공급하는 하나 이상의 전원 장치로부터 전류를 감시하는 단계와; 이 전류가 소정의 임계값 보다 낮은지를 결정하는 단계와; 전류가 소정의 임계값을 초과하면 하나 이상의 전원 장치를 하나 이상의 전극으로부터 절연시키는 단계를 포함한다.

본 발명의 또 다른 양태에 따라, 이온 주입 시스템에서 전원 장치 강화 방법론이 제공된다. 이 방법론은 하나 이상의 전극에서 전력을 공급하는 하나 이상의 전원 장치로부터 전압를 감시하는 단계와; 이 전압이 소정의 임계값 보다 낮은지를 결정하는 단계와; 전압이 소정의 임계값을 초과하면 하나 이상의 전원 장치를 하나 이상의 전극으로부터 절연시키는 단계를 포함한다.

따라서, 본 발명은 상술된 관련 목적을 성취하기 위하여, 이하에서 완전히 설명되는 특징을 포함한다. 다음의 설명 및 첨부 도면은 본 발명의 특정 설명 실시예를 상세히 나타낸다. 그러나, 본 실시예는 본 발명의 원리를 이용하는 각종 방법의 일부만을 나타내고 있다. 본 발명의 기타 목적, 장점 및 신규 특징은 도면과 연결하여 이하에서 본 발명의 상세한 설명으로부터 명백해 질 것이다.

도면을 참조하여 본 발명을 설명하며, 도면 전반에 걸쳐서 동일한 부품에는 동일한 참조 번호가 병기되어 있다.

본 발명은 이온 주입 시스템에서 이온 빔 성능을 실질적으로 개선시키는 시스템 및 방법에 관한 것이다. 특히, 이온 빔 성능은 이온 가속 전극으로부터의 과도 방전 동안 전원 장치 과부하 상태를 경감시킴으로써 개선된다. 과부하 상태를 경감시킴으로써 주입 공정중의 이온 빔 손실은 실질적으로 감소된다.

지금부터 도 1을 참조하면, 본 발명을 따른 이온 주입 시스템(10)이 도시되어 있다. 이온 주입 시스템(10)은 한쌍의 패널 카세트(panel cassette)(26), 엔드 이펙터(end effector)(24), 로드록(loadlock) 조립체(12), 처리실(16)를 형성하는 하우징 (14), 빔 개구(20)를 통해 처리실(16)과 연결되어 있는 이온 소스(18)를 포함한다. 아래에 더 상세히 설명되는 바와 같이, 이온 소스(18)는 개구(20)와 협동하여 이온 빔(도시되지 않음)을 형성한다. 이온 소스(18)는 전원 장치 과부하 상태를 경감시켜서 이온 빔 손실을 실질적으로 감소시키는 과도 격리 시스템(30)(도 2)을 포함한다.

엔드 이펙터(24)는 카세트(26)에 쌓인 패널(P)을 로드록 조립체(12)로 이송시킨다. 통상적인 모터 조립체(23), 리드 스크류(22), 한쌍의 선형 베어링(28), 및 원형축(29)이 구비되어, 당업계에 공지된 바와 같이, 패널(P)을 로드록 조립체(12)로부터 처리실(16)로 이송시킨다. 픽업 아암(pickup arm)(27)은 처리 동안 패널(P)을 취급한다. 먼저, 픽업 아암(27)이 패널(P)을 로드록 조립체(12)로부터 제거할 때, 이것은 실질적으로 수평 위치(P1)로 지향된다. 그 다음, 픽업 아암은 이 패널을 화살표(13)로 나타낸 바와 같이, 실질적으로 수직 위치(P2)로 지향시킨다. 픽업 아암(27)과 패널(P)(P2 위치로 지향된)은 당업계에 공지된 바와 같이 주사 방향에서 나타낸 실시예에서 좌로부터 우로, 개구(20)로부터 나오는 이온 소스(18)에 의해 생성된 이온 빔의 경로를 지나 이동된다.

지금부터 도 2를 참조하면, 이온 소스(18)의 부분은 본 발명에 따라 더 상세히 도시된다. 이온 소스(18)는 이온 빔(68)을 지향시키는 가속 전극(62) 및 전원 장치(64)를 포함한다. 또한, 과도 격리 시스템(30)이 포함되어 과도 방전 상태 동안 전극(62)과 전원 장치(64) 간을 절연시킨다.

이온 빔(68)을 지향시키기 위해, 일반적으로, 전원 장치(64)는 이온 주입에 필요한 이온 가속 에너지를 발생시키는 전압을 갖는 전극(62)을 구비한다. 이하에서 더 상세히 설명되는 바와 같이, 전극(62)은 이온 챔버(도시되지 않음)로부터 이온을 지향시키는 플라즈마 전극과, 방출된 이온을 가속하는 추출, 억제 및 접지전극을 포함한다. 전원 장치(64)는 전극(62)에 대해 바이어스 전압을 제공한다. 예컨대, 접지 전극은 일반적으로 0 V로 바이어스되고, 억제 전극은 약 -3 kV로 바이어스되며, 추출 전극은 약 90 kV로 바이어스되고, 플라즈마 전극은 약 95 kV로 바이어스된다. 공정중에 비교적 고전압이 인가되기 때문에, 전극간 및/또는 전극과 접지간에 아크가 발생할 수 있다.

아크는 전극(62)으로부터 짧은(시간기간) 전류 서지(surge)를 야기시키고, 결과적으로 전원 장치(64)의 붕괴(예를 들어, 저전압, 과전류 상태)를 초래시킨다. 예컨대, 공급 전류가 공칭 공급 전류를 약 30%까지 초과되면, 전원 장치는 과전류 상태가 된다. 전압 붕괴는 전원 장치(64)가 회복되는데(예컨대, 공칭 출력 전압으로 복귀) 수십 밀리초를 필요로 한다. 결과적으로, 이온 빔(68)은 이 전원 장치 회복 시간 동안 손실될 수도 있다. 이온 빔(68)은 전원 장치가 공칭 출력 전압의 약 98.5% 내에 존재하지 않는 한, 손실되는 것으로 판명되었다.

과도 격리 시스템(transient isolation system:TIS)은 전극(62)에 관련된 과도 방전을 절연(예컨대, 분리, 차단)시킴으로써 전원 장치(64)의 붕괴를 경감시킨다. 과도 격리 시스템(TIS)(30)은 과도 방전(예컨대, 아크) 동안 전극(62)을 전원 장치(64)로부터 일시적으로 분리시킨다. TIS(30)가 바람직한 실시예에서 분리 시스템처럼 도시될 지라도, TIS(30)는 전원 장치(64)내에 포함되거나/또는 전극(62)과 함께 구비될 수도 있음을 이해하여야 한다.

방전은 전극(62)에서 시작되기 쉬우며, 결국 아크로 진행된다는 것이 판명되었다. 이 아크는 전극(62)을 단락시켜서, 전극(62) 및 접지간 표유 정전 용량이 아크를 통해 방전되고, 전극(62) 및 관련 전원 장치(64)의 전압 붕괴를 야기시킨다. 일반적으로 아크는, 약 0.5 마이크로초 내지 1 마이크로초 동안 지속되는, 짧은 시간 기간의, 고전류 서지를 전원 장치(64)에서 야기시킨다. TIS(30)가 없으면, 이 전류 서지는 과전류/부족 전압 운전 정지 상태 때문에, 전원 장치(64)를 수 밀리초 동안 붕괴시키게 된다. TIS(30)를 구비하면, 전원 장치(64)는 TIS(30)내의 과도 차단 회로(30a, 30b, 및 360)(도 4a, 도 4b,및 도 6b)를 경유하여 분리된다. 이 과도 차단 회로(30a, 30b, 및 360)는 수동 및/또는 능동 회로를 포함한다. 과도 격리 시스템이 차단될 때, 방전은 전극(62)의 표유 정전 용량 방전으로써 제한된다. 따라서, 밀리초의 전원 장치 과부하 운전 정지는 마이크로초의 전극(62)의 표유 정전 용량 방전으로 감소된다. 이것은 종래 기술의 이온주입 시스템에 대해 약 10배의 개선을 나타낸다.

도 3을 참조하면, 본 발명에 따른 이온 빔 주입 시스템(80)이 상세한 블록도로 도시되어 있다. 특히, 도 3은 다수의 전극(94, 96, 98 및 100)으로부터 다수의 전원 장치(102, 103, 및 106)를 분리시키는 다수의 TIS 시스템(108a-108d)을 구비한 이온 소스(18)를 나타낸다.

이온 챔버(82)는 플라즈마(84)를 수용하고, 이그나이터(ignitor)(86)가 플라즈마(84)를 활성화시키는 것으로 나타냈다. 이온화 물질을 보관하는 컨테이너(88)는 도관(92)을 경유하여 이온 챔버(82)로 연결된다. 컨테이너(88)로부터 이온 챔버(82)로의 이온화 물질의 흐름은 선택가능한 밸브(90)에 의해 제어된다. 게다가, 플라즈마 전극(94), 추출 전극(96), 억제 전극(98), 및 접지 전극(100)을 포함하는 일군의 전극을 나타낸다.

이그나이터(86)는 당업계에 공지된 전자 소스 또는 플라즈마 이니쉬에이터(initiator)를 나타내며, 이그나이터(86)에 의한 전력 출력은 선택가능하다. 특히, 제어기(262)는 전력 신호(114)에 의해 이그나이터(86)와 접속되어 있다. 제어기(262)는 전력 신호(114)를 매개로 하여 이그나이터에 의한 전력 출력을 제어하고, 밸브(90)는 이온 챔버(82)에 이온화 물질의 도입을 제어한다. 제어기(262)는 유동 신호(116)에 의해 밸브(90)와 접속되고, 밸브를 제어한다. 따라서, 제어기는 밸브(90)를 제어함으로써 이온 챔버로의 이온화 물질의 유량을 제어한다.

제어기(262)는 전압 제어 신호(118, 120 및 122)를 매개로 하여 전극(94, 96, 98 및 100)에 대한 제어를 실행한다. 특히, 플라즈마(84)는 플라즈마 전극(94)을 통해 이온 챔버(82)를 빠져나간다. 그 후, 이온 스트림(stream)(68)은 추출 전극(96), 억제 전극(98) 및 접지 전극(100)을 포함하는 이온 빔 조립체(95)에 의해 지향되고, 가속된다. 3개의 가변 전압 장치(102, 104 및 106)는 전극(94, 96, 98 및 100)간의 전압을 조절한다. 예컨대, 전압 장치(102)는 플라즈마 전극(94) 및 추출 전극(96)간의 전압을 바이어스시키고, 전압 장치(104)는 추출 전극(96) 및 제어 전극(98)간의 전압을 바이어스시키며, 전압 장치(106)는 제어 전극(98) 및 접지 전극(100)간의 전압을 바이어스시킨다. 전압 장치(102, 104 및 106)는 일반적으로, 전극(94, 96, 98 및 100)이 상기한 바와 같이 접지 전극(100)에 대해 선택된 전압으로 되도록 조정된다.

본 발명에 있어서, TIS(108a, 108b, 108c 및 108d)는 전극(94, 96, 98 및 100) 및 전원 장치(102, 104 및 106) 간에 작동 가능하게 접속되어, 전극(전극간 방전)간 및/또는 전극과 시스템 접지간(도시되지 않음)에 발생하는 관련 방전으로부터 전원 장치의 절연을 구성하는 것을 나타낸다. TIS(108)는 실질적으로 전원 장치 과부하 상태를 경감시킴으로써 이온 빔 성능을 개선하며, 따라서 종래 기술 시스템에서 전형적으로 관련되는 이온 빔 손실을 경감시킨다.

지금부터 도 4a를 참조하면, 본 발명에 따른 과도 격리 시스템(30a)의 한 특정 실시예의 개략도가 도시되어 있다. 직렬 인덕터(300)는 전극(62)의 고속 분로(예컨대, 아크로 인한 단락) 동안 공급 전압을 업홀드(uphold)하고, 실질적으로 일정한 임피던스를 제공함으로써 전극(62)에서 발생하는 방전으로부터 전원 장치(64)를 사실상 절연시킨다. 그 후, 아크는 전극 전압의 붕괴에 의해 사실상 제거되고, 공급 전압이 붕괴되지 않는 동안, 빔 손실 기간은 대략 전극(62) 및 인덕터(300)의 RL 시간 정수로 제한된다. 도시낸 바와 같이, 전극(62) 회로는 비선형 전극 저항(310) 및 표유 정전 용량(312)을 포함한다. 직렬 인덕터(300)는 전원 장치(64)의 전압 레벨 및 전극 회로 부품값에 따라 수 마이크로헨리로부터 수 다스(dozen) 밀리헨리까지의 범위에 있다. 실질적으로 넓은 범위의 인덕터 값이 본 발명을 수행하기 위해 사용됨을 이해하여야 한다.

바람직하게는, 직렬 인덕터(300)에 접속된 병렬 필터 커패시터(314)는 또한 TIS(30a)내에 포함될 수도 있다. 커패시터(314)는 전극(62)의 조절을 용이하게 하고, 인덕터(300)와 함께 제 2 저역 필터로 동작한다. 직렬 인덕터(300)에 대해 상술한 바와 같이, 정전 용량값의 실제 범위는 본 발명을 수행하는데 이용된다. 정전 용량값은 수 피코패럿(picofarad)으로부터 수 다스(dozen) 마이크로패럿까지의 범위이다.

예컨대, 약 4 kΣ의 전원 장치 저항(318), 약 1 kΣ의 아크 임피던스(예컨대, 전극 저항(310)과 표유 정전 용량(312)의 결선), 및 90 kV의 추출 전극 전압을 가정하면, 10 mH 인덕터 값이 약 10 마이크로초 동안 전원 장치(64)를 절연시키기 위해 선택된다. 표유 정전 용량(312)값이, 약 4 kΣ의 차징(charging) 임피던스와 함께 약 600 pF로 주어지면, 아크가 전극(62)(20A□90kV/4k ohms)을 단락시킬 때, 표유 정전 용량의 전하를 보충하기 위해 약 20A의 전류가 흐르게 된다. 이 전하 (90kV*600pF□54uC)는, 필터 캐퍼시터상의 전압이 90kV(0.06uF□ 54uC/ (90kV*1%))의 약 1%에서 유지된다면, 대략 0.06 uF의 필터 캐퍼시터(314)에 의해 제공된다. 앞서 제공된 회로값이면, 전원 장치 전류의 과도 증가는 약 0.4%의 전원 장치 전압 변동으로써 전원 장치(64)(예컨대, 30% 과부하 정격)의 과부하 정격 이하에서 유지된다. 따라서, 전극(62)의 과도 방전으로부터 효과적인 전원 장치(64)의 절연이 성취된다. 이온 빔 손실이 또한 계속해서 일어나고, 제어 전압 공급이 또한 붕괴되는 것을 참조한다. 도 4b에 나타낸 회로는 전극 서로에 아크가 있을 때 과부하 상태로부터 전원 장치 절연을 형성시키다.

도 4a에 도시된 바와 같이, 제 1 전극 회로(326a) 및 제 2 전극 회로(326b)는 도 4b의 캐퍼시터(330)를 경유하여 함께 접속되어 있는 것을 도시한다. 전극 회로(326a 및 326b)간에 정전 용량 커플링을 제공함으로써, 커패시터(330)의 직류(DC) 차단 특성 때문에 개별 전극 DC 전압 제어가 유지된다. 그러나, 전극간의 과도 방전 때문에 전극(62a 및62b)간의 단락이 발생할 때, 방전 에너지는 전원 장치(64a 또는 64b)보다는 커패시터(330)에 의해 공급된다. 넓은 범위의 정전 용량값은 소정의 회로 파라미터에 따라 커패시터(330)에 대해 선택된다. 많은 적용에서 50 nF 값은 충분히 적절하다. 추가적으로, 전원 장치(64a 및 64b)는 TIS(30b)에 의해 개별적으로 보호된다.

도 5a 및 도 5b를 참조하면, TIS(30b)(도 4b에 도시된 바와 같이)가 설치되기 이전 및 이후의 과도 방전[글리치(glitch)]이 도시되어 있다. 도 5a에서, 약 매 5∼10초 마다 약 1 글리치의, 한쌍의 제어 전극에 대한 전압 글리치 율이 도시되어 있다. 도 5b에서, 도 4b에 도시된 바와 같이 2개의 제어 전극을 분리하기 위해 TIS(30b)가 설치된 후, 약 매 50∼100초 마다 약 1 글리치의 글리치 율이 도시되어 있다. 도 5b에 나타낸 잔류 글리치는 대체로 비제어 추출 전극 글리치와 관련된다. 상술한 바와 같이 전극 회로를 함께 접속하기 위해 약 50 nF의 커패시터를 사용한다.

TIS(30)에 대한 상기 수동 회로는 소정의 방전 에너지에 대해 효과적이며, 따라서 특히 전압 범위에 대해 효과적이다. 초고전압(90kV이상)에서 필터링 인덕터 (300)에 필요한 자속은 매우 큰 페라이트 코아 볼륨을 요구한다. 따라서, 능동 회로는 TIS(30)에 대한 또 다른 특정 실시예로 사용될 수 있다.

도 6a를 참조하면, TIS(30)에 능동 회로(350)의 적용을 예시하는 블록도가 도시되어 있다. 이 회로(350)는 상술한 수동 회로와 같이, 과도 전극 전압 붕괴 동안 전원 장치를 절연시키고, 실질적으로 제어된 전극 전압을 유지하여 방전의 제거를 가능하게 하는 동일 목적을 달성한다. 능동 회로(350)는 넓은 전압 범위에서 동작하고 좋은 절연 성능을 발휘한다.

전극(62)으로부터의 전원 장치(64)의 절연은, 전원 장치 부하의 과도 변동을 실질적으로 제거함으로써 성취된다. 과도 전극 붕괴 동안 전류 제어 및/또는 전압 제어 스위치(352)를 차단함으로써, 공칭 전원 장치 동작 임피던스에 맞는 부하(354)(예컨대, 저항)를 삽입한다. 정상 상태 동안 부하(354)는 스위치(352)에 의해 분로되고, 과도 상태 동안 스위치(352)를 차단함으로써 삽입된다. 일반적으로, 스위치(352)는 서브마이크로초 전환 시간, 10∼90kV 격리 능력(전극에 따라), 평균 수십 mA 및 수십 암페어의 펄스 전류 전송 능력, 및 바람직하게는 낮은 순전압 강하를 구비하여야 한다.

도 6b를 참조하면, TIS(30)의 능동 회로(360)에 대한 하나의 특정 실시예가 도시되어 있다. 이 회로(360)는 과도 방전 상태 동안 전원 장치(64)를 절연시키는 3극관 스위치(362)(예컨대, Eimac Y-810 평면 3극관)를 포함한다. 어느 적절한 스위치(362)도 본 발명을 수행하기 위해 사용될 수 있음을 이해하여야 한다. 예컨대, 4극관, 5극관, 전력 MOSFET, 사이리스터(thyristor) 및 전력 트랜지스터가 또한 사용될 수 있다.

그리드(grid) 바이어스 전원 장치(364)는 다이오드(366)를 경유하여 그리드 (362a)에 접속되어 있다. 그리드 바이어스 전원 장치(364)는 이온 주입 시스템(10)의 정상(비과도 상태) 동작 동안 스위치(362)를 유지하기 위한 전압으로 설정되어 있다. 그리드 바이어스 전원 장치(364)로부터 과도 상태를 분리하기 위해 다이오드 (366)가 구비되어 있다.

소형(예컨대, 1250 ohms) 음극 감지 저항(368)이 스위치(362)의 음극(362b)과 전극(62) 간에 구비된다. 과도 전극 방전 때문에 음극(362b) 회로에서 전류가 상승함에 따라, 음극의 전압은 그리드(362a)에 대해 그리드 바이어스 전원 장치 (364)로 설정된 전압에 근접하게 된다. 전류가 음극 감지 저항(368)에 의한 소정의 레벨 이상으로 상승되면, 과도 전류가 음극(362b) 전압을 그리드(362a) 이하로 감소시키는 레벨 이하로 떨어질 때까지 스위치(362)를 차단한다. 스위치(362)가 차단될 때, 부하 정합(load matching) 시스템(370)(예컨대, 대략 800 Mohm 저항)이 전원 장치(64)와 전극(62) 간에 제공된다. 따라서, 전원 장치 부하의 과도 변동을 실질적으로 제거하는 부하 정합 시스템(370)을 삽입시킴으로써, 과도 전극 방전으로부터 전원 장치(64)의 효율적인 절연이 성취된다. 이 스위치(362)는 정상(비방전) 동작 동안 사실상 통과되며, 과도 상태 동안 사실상 유사한 전원 장치 부하를 제공한다.

도 7을 참조하면, 본 발명에 따른 이온 주입 시스템(10)의 전원 장치 강화를 구성하는 방법이 도시되어 있다. 단계(400)에서 전극 전원 장치(64)에 전력이 공급되고, 시스템(10)의 전극(62)(예컨대, 90 kV로 유지된 추출 전극)에 상응하는 전압 레벨에서 유지된다. 단계(410)로 진행되면, 전원 장치의 전류 및/또는 전압이 감시된다. 전원 장치의 전류 및/또는 전압은 전류/전압 감지 저항, 홀(Hall) 센서, 자기 센서, 또는 어떤 적절한 전류/전압 감지 시스템에 의해 감시될 수 있다. 단계(420)로 진행되면, 정상 상태의 전류/전압이 소정의 레벨 이상으로 상승되었는지의 여부에 대한 판단이 이루어진다.

전류/전압의 레벨이 단계(420)에서 소정의 임계값(예컨대, 공칭 전원 장치 동작 전류 또는 전압을 5% 초과) 보다 낮으면, 공정은 단계(400)로 복귀되고 전극 전압을 유지한다. 전류/전압의 레벨이 단계(420)에서 소정의 임계값을 초과하면, 공정은 단계(430)로 진행된다.

단계(430)에서 전원 장치(64)는 과도 방전 상태 동안 전극으로부터 차단된다. 상술한 바와 같이, 전원 장치는 능동 및/또는 수동 회로를 경유하여 차단된다. 단계(440)로 진행되면, 전원 장치의 정상 상태 부하에 정합되는 부하 정합 시스템을 공정에 삽입한다. 부하 정합 시스템은, 실질적으로 전원 장치 부하 변동을 제거시킴으로써 과도 방전으로부터 전원 장치를 분리시킨다. 부하 정합 시스템은, 저항, 임피던스 네트워크, 능동 네트워크등과 같은 어떤 적절한 부하 정합 회로일 수 있다. 과도 상태가 진정된 후, 공정은 전원 장치(64)가 전극(62)에 재접속되는 단계(450)로 진행된다. 그 다음, 공정은 단계(400)로 복귀되고 전극(62)을 정상 상태 전압으로 유지한다.

상술된 바는 본 발명의 바람직한 실시예이다. 물론, 본 발명을 설명하는 목적에 대하여 부품 또는 방법의 모든 가능한 조합을 설명하는 것은 불가능하나, 당업자는 본 발명의 추가 조합 및 변경이 가능함을 이해할 것이다. 따라서, 본 발명은, 첨부한 청구 범위의 취지 및 범주에 속하는 이러한 모든 변경, 변형 및 변동을 포함하는 것으로 한다.

본 발명은 이온 주입 시스템의 전원 장치를 강화시킴으로써, 이온 빔 손실시간을 단축시키는 효과가 있다. 즉, 주입 공정 동안 전극이 방전함에 따라, 거기에 관련된 진공 방전은 소멸되고, 전형적으로 이러한 방전에 관련된 전원 장치내에 저장된 에너지의 손실은 경감된다. 따라서, 본 발명은 전극 전압 및 관련 이온 빔의 회복에 필요한 시간을 상당히 감소시킨다.

Claims

이온 주입 시스템에 있어서,

제1 전극 및 제2 전극과;

상기 제1 및 상기 제2 전극들 각각에 동작가능하게 결합되는 제1 전원 장치 및 제2 전원 장치와;

상기 제1 전원 장치 및 상기 제1 전극 간에 동작적으로 결합되는 스위칭 시스템으로서, 상기 스위칭 시스템은 소정 임계값에서 상기 제1 전원 장치 및 상기 제1 전극을 분리하여 상기 제1 전원 장치의 과부하를 경감시키는, 스위칭 시스템; 및,

상기 제1 전극 및 상기 제2 전극 간에 결합되어 상기 제1 및 제2 전극들 간의 과도 방전 동안 상기 제1 및 제2 전원 장치들의 과부하를 경감시키는 커패시터를 포함하는 이온 주입 시스템.
제 1 항에 있어서,

상기 스위칭 시스템은 상기 하나 이상의 전극으로부터 상기 하나 이상의 전원 장치를 분리시키는 수동 회로를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 이온 주입 시스템.
제 1 항에 있어서,

상기 스위칭 시스템은 상기 하나 이상의 전극으로부터 상기 하나 이상의 전원 장치를 분리시키는 능동 회로를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 이온 주입 시스템.
이온 주입 시스템에 있어서,

이온 빔을 형성하기 위하여 이온들을 제공하는 이온 소스와;

제1 전극 및 제2 전극과;

상기 제 1 및 제2 전극들 각각에 동작적으로 결합되며, 이온빔을 작업재로 지향시키기 위하여 상기 제1 및 제2 전극들 각각에 전압을 제공하도록 동작될 수 있는 제1 전원 장치 및 제2 전원 장치와;

실질적으로 차단되지 않은 방식으로 이온빔을 작업재에 제공하며, 상기 하나 이상의 전원 장치와 관련된 전극에서의 방전으로부터 상기 전원 장치들 중 적어도 하나를 절연시키는 과도 격리 시스템; 및,

상기 제1 및 제2 전원 장치들의 과부하를 경감시키기 위하여 상기 제1 전극을 상기 제2 전극과 결합시키는 커패시터를 포함하는 이온 주입 시스템.
제 4 항에 있어서,

상기 과도 격리 시스템은 상기 하나 이상의 전극에 의한 방전으로부터 상기하나 이상의 전원 장치를 절연시키는 수동 회로를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 이온 주입 시스템.
제 5 항에 있어서,

상기 수동 회로는 인덕터를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 이온 주입 시스템.
제 5 항에 있어서,

상기 수동 회로는 커패시터를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 이온 주입 시스템.
제 4 항에 있어서,

상기 과도 격리 시스템은 상기 하나 이상의 전극에 의한 방전으로부터 상기 하나 이상의 전원 장치를 절연시키는 능동 회로를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 이온 주입 시스템.
제 8 항에 있어서,

상기 능동 회로는 상기 하나 이상의 전극에 의한 과도 방전으로부터 상기 하나 이상의 전원 장치를 일시적으로 분리시키는 능동 스위치를 포함하는 것을 특징으로 하는 이온 주입 시스템.
제 9 항에 있어서,

상기 능동 스위치는 3극관, 4극관, 5극관, MOSFET, 사이리스터, 및 전력 트랜지스터 중 하나 이상을 포함하는 것을 특징으로 하는 이온 주입 시스템.
제 8 항에 있어서,

상기 능동 회로는 상기 하나 이상의 전극에 의한 과도 방전으로부터 상기 하나 이상의 전원 장치의 부하 변동을 경감시키는 부하 정합 시스템을 포함하는 것을 특징으로 하는 이온 주입 시스템.
제 11 항에 있어서,

상기 부하 정합 시스템은 저항, 임피던스 네트워크, 및 능동 네트워크 중 하나 이상을 포함하는 것을 특징으로 하는 이온 주입 시스템.
제 9 항에 있어서,

상기 능동 회로는 능동 스위치를 작동시키는 센서를 포함하는 것을 특징으로 하는 이온 주입 시스템.
제 13 항에 있어서,

상기 센서는 저항, 홀 센서, 및 자기 센서 중 하나 이상을 포함하는 것을 특징으로 하는 이온 주입 시스템.
제 4 항에 있어서,

상기 과도 격리 시스템은 하나 이상의 전원 장치 내에 포함되는 것을 특징으로 하는 이온 주입 시스템.
제 4 항에 있어서,

상기 과도 격리 시스템이 상기 하나 이상의 전극과 함께 포함되는 것을 특징으로 하는 이온 주입 시스템.
삭제
이온 주입 시스템의 전원 장치 강화 방법에 있어서,

하나 이상의 전극에 전력을 공급하는 하나 이상의 전원 장치으로부터의 전류를 감시하는 단계와;

상기 전류가 소정의 임계값 이하에 있는지를 결정하는 단계와;

상기 전류가 소정의 임계값을 초과하면, 상기 하나 이상의 전원 장치를 상기 하나 이상의 전극으로부터 절연시키는 단계를 포함하는데,

상기 절연 단계는 상기 전류가 상기 소정 임계값을 초과하면 상기 하나 이상의 전원 장치 및 상기 하나 이상의 전극 간에 부하 정합 시스템을 삽입시키는 단계를 포함하는 이온 주입 시스템의 전원 장치 강화 방법.
이온 주입 시스템의 전원 장치 강화 방법에 있어서,

하나 이상의 전극에 전력을 공급하는 하나 이상의 전원 장치로부터의 전압을 감시하는 단계와;

상기 전압이 소정의 임계값보다 낮은지를 결정하는 단계와;

상기 전압이 소정 임계값을 초과하면 상기 하나 이상의 전원 장치를 상기 하나 이상의 전극으로부터 절연시키는 단계를 포함하는 이온 주입 시스템의 전원 장치 강화 방법.
제 19 항에 있어서,

상기 전압이 소정 임계값을 초과하면, 상기 하나 이상의 전원 장치 및 상기 하나 이상의 전극 간에 부하 정합 시스템을 삽입하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 이온 주입 시스템의 전원 장치 강화 방법.
이온 주입 시스템에 있어서,

하나 이상의 전극과;

상기 하나 이상의 전극에 전압을 제공하는 하나 이상의 전원 장치와;

상기 하나 이상의 전원 장치 및 상기 하나 이상의 전극 간에 동작적으로 결합되는 스위칭 시스템; 및,

상기 스위칭 시스템에 결합되는 부하 정합 시스템으로서, 상기 스위칭 시스템은 상기 전극에서 과도 상태의 검출시 상기 하나 이상의 전극 및 상기 하나 이상의 전원 장치 간에 상기 부하 정합 시스템을 삽입시키는, 부하 정합 시스템을 포함하는 이온 주입 시스템.
이온 주입 시스템에 있어서,

이온 빔을 형성하기 위하여 이온들을 제공하는 이온 소스와;

제1 전극 및 제2 전극과;

상기 제1 전극 및 상기 제2 전극 각각에 전압을 제공하기 위한 제1 전원 장치 및 제2 전원 장치와;

상기 제1 전원 장치 및 상기 제1 전극 간에 동작적으로 결합되는 스위칭 시스템과;

상기 스위칭 시스템에 결합되는 부하 정합 시스템으로서, 상기 스위칭 시스템은 상기 제1 전극에서 과도 상태의 검출시 상기 제1 전극 및 상기 제1 전원 장치 간에 상기 부하 정합 시스템을 삽입시키는, 부하 정합 시스템; 및,

상기 제1 및 제2 전극들에 결합되는 커패시터로서, 상기 커패시터는 상기 제1 및 제2 전극들 간의 과도 상태의 검출시 상기 제1 및 제2 전원 장치들의 과부하를 경감시키는, 커패시터를 포함하는 이온 주입 시스템.
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