TW201405623A - 離子植入系統以及用於使該系統中突波最小化的方法 - Google Patents

Abstract

本發明揭露了一種離子植入系統和方法，其中通過在植入機中使用已調變電源系統，來最小化電壓中的突波。已調變電源系統包括傳統電源以及與各電源相連的控制單元，其中控制單元用於在檢測到突波或電弧時使電源與電極絕緣。隨後在突波情況被改善之後，控制單元使連接恢復。

Description

離子束突波恢復用之射束線電極電壓調變

本發明關於離子植入，且更確切地說，關於離子植入期間的均勻性。

離子植入(ion implantation)是一種用於將改變導電性的雜質引入工件中的標準技術。在離子源中使所需的雜質材料發生電離，使離子加速以形成指定能量的離子束，且將所述離子束引導到工件的表面上。離子束中的高能離子穿透到工件材料的主體中，並嵌入至工件材料的晶格(crystalline lattice)，從而形成具有所需導電性的區。

太陽能電池(solar cell)是使用矽工件的裝置的一個實例。任 何高性能太陽能電池的製造或生產成本降低或任何高性能太陽能電池的效率提高，均會對太陽能電池在世界範圍內的普及具有積極的影響。此舉將使得這種清潔能源技術能得到更廣泛地使用。

現有許多不同的太陽能電池架構。兩種常見的設計為選擇性發射極(selective emitter；SE)和叉指型背面接觸(interdigitated backside contact；IBC)。SE太陽能電池在其由太陽光照射到且輕度摻雜的表面上遍佈有大劑量條紋。IBC太陽能電池在其未受太陽光照射的表面上遍佈有交替的p型和n型條紋。SE和IBC太陽能電池均可以植入離子來對各個區進行摻雜。

在離子植入過程中可能出現“突波(glitch)”。突波的定義為：在離子植入操作期間射束品質的突然降級，通常是由操作電壓發生變化導致的。這種突波的發生原因通常是沿著射束路徑的部件之間存在相互作用，此相互作用影響著一個或多個操作電壓，並且該突波可能發生在沿著射束路徑的各個位置處。例如，離子植入機通常沿著該射束路徑採用若干個電極，這些電極對射束進行加速、對射束進行減速，或抑制操作期間生成的雜散電子流。這些電極中的每一者均保持預定電壓。通常，不同電壓的電極位置彼此靠近，因此，電極之間可能出現電弧。通常，電弧遍佈出現在加速間隙上、減速間隙上，或抑制間隙上，儘管電弧可能出現在其他地方。例如，源引出電壓、源抑制電壓，與源射束 電流之間的相互作用可能會產生突波。這些突波可能被檢測為其中一個電源中電流的急劇變化。如果植入被突波中斷或影響，那麼被植入的太陽能電池或其他工件可能會受到負面影響或甚至可能變得毫無用處。例如，太陽能電池可能會因為突波引起的低植入劑量從而效率變低。這樣可能會對被植入工件的成本產生影響。因此，通常採用一些步驟來最小化該類突波的出現率並且盡可能從突波中恢復。

圖1為說明一種突波的圖表。射束電流被設置成預定值10。突波11出現在由虛線12、13圍起來且標為△t的時間段內，在該時間段內射束電流下降到預定值10以下。典型的突波可能持續約100毫秒的時間段。最小化△t時間段意味著，對正進行植入的工件產生的負面影響較小。突波11可以通過測量電壓或電流的變化來進行感測。電弧通常通過突然的電壓崩潰或突然的電流驟增而被感測到。當檢測到突波時，一個解決方案為立刻將離子束電流減小到零，從而終止在工件上限定位置處的植入。這稱為“消隱射束(blanking the beam)”。圖2為說明使離子束消隱的圖表。在突波第一次被檢測到的時刻100處，電壓降為零，隨後到時刻101為止，電壓又逐漸回升到所需的電壓準位。在時刻100處，植入也停止，且時刻100處相對於工件的植入位置被保存。在一個實例中，電壓可能消隱達數十毫秒，然後電壓在接下來的數百或更多毫秒後恢復。當電壓恢復到與所需值相差0.1-0.5%時，例如 在時刻101處，植入便可以從工件上剛剛停止植入的位置處繼續。因此，一旦突波情況被補救，理想的是植入過程正好在工件上與檢測到突波時所在的相同位置處重新開始，且理想是具有與檢測到突波時相同的射束特性。目的是為了實現均勻的摻雜輪廓，且這可以通過控制射束電流或工件掃描速度(曝光時間)來實現。然而，消隱是耗時的，這對產量有負面影響。例如，工件需重新定位到突波出現的準確位置且離子束需正好在該位置處重新開始。產量下降還導致成本增加。

用這種方式來彌補由突波引起的劑量損失，可能耗時30秒以上，這對於太陽能工業的產量需求而言太過耗時。離子植入機內的離子束穩定性和植入均勻性由連接到離子植入機上的電壓源和電流源的速度來控制。

因此，在本領域中，在工件(更確切地說是太陽能電池)的植入期間有必要用一種突波恢復的改良方法。

本發明揭露了一種離子植入系統和方法，其中通過在植入機中使用已調製電源系統，來最小化電壓中的突波。已調製電源系統包括傳統電源以及與各電源相連的控制單元，其中控制單元用 於在檢測到突波或電弧時使電源與電極絕緣。隨後在突波情況被改善之後，控制單元使連接恢復。

138‧‧‧工件

200‧‧‧射束線離子植入機

211‧‧‧終端站

230a、230b、230c、230d、230e‧‧‧電源系統

231a、231b、231c、231d、231e‧‧‧電流監控器

280‧‧‧離子源

281‧‧‧離子束

283‧‧‧離子室

284a、284b、284c、284d、284e‧‧‧部件(電極)

295‧‧‧臺板

300、500a、500b、500c‧‧‧電源

310、510‧‧‧控制單元

311、511a、511b、511c‧‧‧輸入

320、520a、520b、520c‧‧‧源阻抗

321、521a、521b、521c‧‧‧源開關

330、530a、530b、530c‧‧‧放電阻抗

331、531a、531b、531c‧‧‧放電開關

400‧‧‧時間段

405‧‧‧突波

410、420、430、450‧‧‧時刻

t1‧‧‧第一延遲時間段

t2‧‧‧第二時間段

t3‧‧‧第三時間段

為了更好地理解本發明，將參考附圖，這些附圖以引用的方式併入本文中，且其中：圖1為說明一種射束突波的圖表。

圖2為說明使離子束消隱的圖表。

圖3為對於各個持續時間的射束突波而言，比較劑量與工件y位置之間的關係圖。

圖4為射束線離子植入機的方塊圖。

圖5為與圖4中的射束線離子植入機一起使用的已調變電源系統的方塊圖。

圖6為圖5中的已調變電源系統的操作的時序圖。

圖7為控制單元用於控制多個電極的第二實施例。

本文結合離子植入機描述此方法的實施例。可以使用射束線離子植入機、等離子體摻雜離子植入機，或泛洪離子植入機。可以使用任何n型和p型摻雜劑，但是本文中的實施例不僅僅限於 摻雜劑。此外，該過程的實施例可以應用於許多太陽能電池架構或甚至其他工件，例如半導體晶片、扁平面板，或發光二極體(light emitting doide；LED)。因此，本發明不限於下文所描述的具體實施例。

如上所述，突波可能會致使離子束不均勻或工件的植入不均勻。然而，不均勻的程度與突波的持續時間有關。圖3為對於各個持續時間的突波而言，比較劑量與工件y位置之間的關係圖。圖3表示一種植入，其使用24釐米/秒的掃描率透過離子束通過四次並且假定y方向上的射束高度為1cm。當然，需要均勻的劑量。對各個持續時間的突波建立模型，其中突波在離子束掃描整個工件時出現。例如，在受到突波影響的區中，50ms的突波可能會對工件劑量的影響超過20%。在一些實施例中，該降級可能達到的程度例如，太陽能電池的效率可能降低。較小的時間段對工件的影響可能是可忽略的或可接受的。例如，10ms的突波在受影響的區中可能只減少約6%的劑量。類似地，20ms的突波對受影響的區的影響可能約為12%.因此，如果突波可以減少到這樣的持續時間，那麼太陽能電池的效率實質上不會受到影響且不會危及產量，因為可能不需要補救措施。

圖4為射束線離子植入機200的簡化方塊圖。在一個實例中，這可能用於對半導體或太陽能電池工件進行摻雜。所屬領域的技 術人員將意識到，射束線離子植入機200只是可以產生離子的射束線離子植入機的許多實例中的一個實例。因此，本文在此所揭露的實施例不僅僅限於圖4中的射束線離子植入機200。

一般而言，射束線離子植入機200包括用於生成離子以形成離子束281的離子源280。離子源280可以包括離子室283。氣體被供應到離子室283，在該室中氣體被電離。在一些實施例中，該氣體可以是或可以包括或含有氫氣、氦氣、其他稀有氣體、氧氣、氮氣、砷、硼、磷、鋁、銦、銻、碳硼烷、烷烴、另一種大分子化合物，或其他p型或n型摻雜劑。從離子室283中引出由此生成的離子，以形成離子束281。離子束281穿過引出電極284a。

終端站211支撐住離子束281的路徑中的一個或多個工件(例如工件138)，使得所需種類的離子被植入工件138中。終端站211可以包括用於支撐一個或多個工件138的臺板295。終端站211還可以包括掃描器(未圖示)，用於垂直於離子束281截面的長軸來移動工件138，從而將離子分佈在工件138的整個表面上。儘管說明離子束281，但是其他實施例可以提供點波束。所屬領域的技術人員將理解，離子束橫越的整個路徑在離子植入期間抽成真空。射束線離子植入機200可以包括所屬領域的技術人員已知的附加部件並且在一些實施例中可以包括離子的熱或冷植入。

在離子源280與工件138之間的路徑中，離子束281穿過各部件。這些部件可以包括，例如抑制電極、接地電極、品質分析器以及角度校正磁鐵。品質分析器可以包括分辨磁鐵以及具有分辨孔隙的遮罩電極。分辨磁鐵使離子束281中的離子偏轉，使得所需離子種類的離子可以穿過分辨孔隙。不需要的離子種類不會穿過分辨孔隙，而是可能被遮罩電極阻斷。所需離子種類的離子可以穿過分辨孔隙到達角度校正磁鐵。角度校正磁鐵可以使所需離子種類的離子發生偏轉並且將離子束從發散的離子束轉變為帶狀離子束，所述帶狀離子束具有基本上平行的離子軌道。在其他實施例中，離子植入機200中並不包括品質分析器或角度校正磁鐵。在一些實施例中，射束線離子植入機200可以進一步包括加速單元或減速單元。

這些部件中的一些部件可以具有不同的電壓，因此需要電源系統來提供這些電壓。在圖4中，說明五個電源系統230a至230e，但是可以包括更多或更少的電源系統。在該圖中，電源系統230a用於使離子室283附近的引出電極284a發生偏壓。電源系統230b至230e可以用於使沿著射束線的其他部件284b至284e發生偏壓，所述其他部件可以包括加速電極或減速電極、抑制電極、分辨磁鐵，以及角度校正磁鐵。射束線植入機200中使用的部件可以變化，且在一些實施例中，可以不包括上述部件中的一個或多個部件。因此，可以包括比所有部件284b至284e更多或更少個 部件。這些電源系統230a至230e可以用於根據需要而提供正電壓或負電壓，且所用的電壓不受本發明的限制。此外，術語“電極”在本發明中用於代表電極以及保持與地面不同的電壓的任何部件。

在一個具體實施例中，只使用兩個電源系統。在本實施例中，只使用三個電極284a至284c，其中電極284a為引出電極，電極284b為抑制電極且電極284c為接地電極。在本實施例中，電源系統中的一者用於使抑制電極284b相對於地面發生反向偏壓。引出電源系統230a用於使離子源280相對於地面發生順向偏壓。存在可能出現突波的三個具體實例。第一，順向偏壓的引出電極284a，可能對反向偏壓的抑制電極284b形成電弧。第二，反向偏壓的抑制電極284b，可能對接地電極284c形成電弧。最後，順向偏壓的引出電極284a可能對接地電極284c形成電弧。

在其他實施例中，加速電極和減速電極也可以用於離子植入機200中，這要求對每個電極都使用一個附加的電源系統。這也增加了突波可能出現的情況，因為在植入機中存在更多電源系統。

與突波對應的電弧形成可以通過電壓崩潰到電壓臨限值以下的值或電流上升到電流臨限值以上而被感測到。通過改良電壓源的電弧檢測，可以更好地控制突波持續時間。更快的電弧檢測和 電壓恢復可以用於使突波持續時間保持在1ms以下。這允許工件被植入在所需劑量的6%的誤差內，這對於工件例如太陽能電池等而言是可接受的。

如上所述，充分短持續時間的突波可能不影響太陽能電池的效率且不會降低製造產量。因此，希望的是減少約為1ms的突波。當前最常用的高電壓電源的電弧檢測較慢且恢復非常慢。實際上，在一些實施例中，在突波之後，電源可能要花數百毫秒才能返回到其標準值。

圖5所示為用於圖4的射束線植入機200或某一其他植入機中的已調變電源系統230的方塊圖。已調變電源系統230包括高電壓電源300。可以使用任何合適的高電壓電源。電源300的一個端子通常接地，而相對的端子則電性連接到源開關321的一個端子。源開關321和放電開關331可以是任何合適的開關，例如基於固態功率半導體的開關，如MOSFET、IGBT、IGCT裝置。此外，也可以使用其他開關，包括但不限於真空管或三極管。源開關321的第二端子電性連接到源阻抗320的一個端子。源阻抗320的第二端子電性連接到一個電極(例如，圖4中的電極284a至284e中的一者)。源阻抗320的第二端子還電性連接到放電阻抗330的一個端子。放電阻抗330的第二端子電性連接到放電開關331的一個端子。放電開關331的第二端子電性接地。源開關321和放 電開關331可以是快速切換部件，它們具有次微秒開時間和關時間。因此，源開關321和放電開關331可以在切換操作期間經歷高峰值電流。因此，源阻抗320和放電阻抗330可以分別用於限制穿過源開關321和放電開關331的電流量。源阻抗320和放電阻抗330可以包括用於限制電流流動的電感元件。在其他實施例中，不使用源阻抗320和放電阻抗330。在該實施例中，源開關321的第二端子直接電性連接到一個電極(例如，圖4中的電極284a至284e中的一者)。類似地，放電開關331的第一端子直接電性連接到源開關321的第二端子。

源開關321和放電開關331由控制單元310致動。控制單元310可以是任何處理單元，例如微處理器、微控制器，或專用計算裝置。控制單元310可以具有相關的記憶元件。所述記憶元件含有實施本文所述演算法和例行程式所必需的電腦可讀指令。此外，控制單元310還具有至少一個輸入311，所述輸入311用於檢測與電源300相關的突波或電弧。在一些實施例中，輸入311為類比輸入，使得輸入信號代表由電源300產生的電流。例如，圖4說明與各個已調變電源系統230a至230e相連的電流監控器231a至231e，使得電流監控器231a至231e用於為各個電極或部件284a至284e提供電力的電流進行測量。在其他實施例中，輸入311為類比輸入，它是與施加給電極或部件284a至284e的具有已知關係的一個電壓。在另些其他實施例中，輸入311可以是數位訊號， 例如接收編碼值的串列介面。在另些其他實施例中，在控制單元300外使用比較器，使得輸入311為該電流或電壓是否在所需範圍內的二進位指示(binary indication)。在該實施例中，控制單元310可以具有被比較器用來設置臨限值的輸出。

在這些實施例中的每一者中，控制單元310對輸入311進行監控並且判斷它是否在預定範圍內。在電流監控器231的情況下，控制單元310可以設置允許範圍，使得在該範圍外的任何值都視為突波。在一些實施例中，該範圍具有正臨限值和負臨限值，因為電流可以根據電弧或突波的極性在任一方向上流動。

圖6說明以下時序的時序圖。圖5中的控制單元310連續地對輸入311進行監控。如果輸入311在預定範圍內，那麼源開關321保持閉合且放電開關331保持斷開，如圖6中的時間段400中所示。這樣會將電源300電性連接到圖4中的電極或部件284a至284e。如果圖5中的輸入311偏離該範圍，例如由圖6中所示的突波405所導致，那麼控制單元310會致動源開關321，使其在時刻410處斷開。這樣使電源300與正在經歷突波的電極或其他部件絕緣。在第一延遲時間段t1之後，控制單元310隨後在時刻420處閉合放電開關331。這樣使得電極或其他部件上存在的任何電荷可以快速消散。結果是，電極上的電壓變為0伏特，如時刻430處所示。電荷從電極或其他部件上的移除還可以有助於消除電 弧或突波的產生原因。在第二時間段t2之後，控制單元在時刻440處斷開放電開關331，從而使電極或部件與地面絕緣。第二時間段t2限定系統的消隱時間。在第三時間段t3之後，源開關321在時刻450處被控制單元310閉合且因此電極284a至284e上恢復電力。一段時間之後，電極會返回到其所需電壓。時間段t1和t3相對於t2而言可能較小。例如，t1和t3的總和可以在數微秒的範圍內，而t2可以為數百微秒至若干毫秒。

因此，通過在記憶元件中使用可程式化參數，控制單元310可以經配置以控制若干參數。這些參數包括突波被檢測到的臨限值。通過調整該臨限值，可以實現更快速的突波檢測。另外，源開關321斷開與放電開關331閉合之間的時間(即，t1)可以在需要時由控制單元310來控制。類似地，放電開關331斷開與源開關321斷開之間的時間(即，t3)可以由控制單元310來控制。例如，時間段t1和t3可以基於源開關321和放電開關331的切換特性來進行選擇。應注意，在一些實施例中，源開關321和放電開關331可以經配置使得來自控制單元310的單個輸出可以用於同時控制這兩個開關。例如，開關中的一者可以為N通道MOSFET，而另一者為P通道MOSFET。來自控制單元310的單個輸出隨後可以用於同時致動這兩個開關。控制單元310還可以用各個消隱時間來進行編程，所述消隱時間為放電開關331被閉合的時間段。在一些實施例中，消隱時間可以短達數十或數百微秒。在其他實 施例中，消隱時間可以為若干毫秒。可以基於系統中存儲的能量從而基於使該存儲的能量放電所需的時間，來對消隱時間進行調整。它還可以根據過程要求，例如所需的均勻性等，來進行調整。該時間可以是根據具體實施方案而定的，且這些值沒有限制。在一些實施例中，消隱時間在某些應用中可以短達約100微秒。在其他實施例中，更長的消隱時間，例如若干毫秒，可能是可接受的。

在一些實施例中，消隱時間可以比電源300的恢復時間更短。換句話說，在突波之後，電源300可能需要一些時間(通常在毫秒範圍內)來重新建立調節過的輸出。因此，有利的是：如果使用的電源300具有較大的輸出電容，則使得存儲的能量可以控制電壓跌落(droop)可發生在源開關321閉合之後。如果輸出電容較小，那麼消隱時間可以縮短以最小化電壓跌落且該過程可以重複多次以消除存儲的能量。

在一些實施例中，每個已調變電源系統230具有專門的控制單元310，所述控制單元用於控制各個電源330的源開關321和放電開關331。然而，如圖7所示，在其他實施例中，控制單元510由多個電源500a至500c和開關之間共用。例如，如圖7所示，單個控制單元510可以用於接收來自每個電極的輸入511a至511c並且可以控制與這各個電極中的每一者相連的源開關521a至521c 和放電開關531a至531c。如上所述，也可以使用源阻抗520a至520c和放電阻抗530a至530c。儘管圖7示出了單個控制單元510與三個電極一起使用，但是應理解，本發明不限於任何特定數量的開關或控制單元。控制單元510具有對多個電極的能見度。因此，在一個實施例中，如果有需要，那麼控制單元510可以經程式化以只使與突波相關聯的電源500絕緣。在其他實施例中，控制單元510可以當在電極中的任一電極上檢測到突波時使所有電源500a至500c絕緣。

使用已調變電源系統，使製造半導體(例如，太陽能電池)可以有產量較高的方法，在該方法中並不要求精確的劑量均勻性。在這樣的實施例中，工件被放置在臺板295上。隨後通過供給能量至離子植入系統的各部件，而將離子引導向工件。使用已調變電源系統，可以最小化任何突波的持續時間，從而有助於將劑量均勻性保持在約1%的誤差內。在一些實施例中，監督控制器(未圖示)對引導到工件上的射束電流進行監控。只要射束電流的下降在某一限制內，例如0.5%至3%，較佳為1%，劑量均勻性就是可接受的，且離子植入可以繼續。大於此限制的下降可能會使劑量發生不可接受的變化，致使工件(如，太陽能電池)變得無效。在這種情況下，工件的掃描被停止，同時射束電流恢復到其標準電位。

本發明的範圍不應受本文所描述的具體實施例限制。實際上，除本文所描述的那些實施例和修改外，所屬領域的一般技術人員根據以上描述和附圖將了解本發明的其他各種實施例和對本發明的修改。因此，此類其他實施例和修改既定屬於本發明的範圍內。此外，儘管本文已出於特定目的而在特定實施方案情況下以特定環境描述了本發明，但所屬領域的一般技術人員將認識到，本發明的效用不限於此，並且本發明可以有利地用於許多目的在許多環境中實施。因此，應鑒於如本文所描述的本發明的整個廣度和精神來理解下文陳述的權利要求書。

138‧‧‧工件

200‧‧‧射束線離子植入機

211‧‧‧終端站

230a、230b、230c、230d、230e‧‧‧電源系統

231a、231b、231c、231d、231e‧‧‧電流監控器

280‧‧‧離子源

281‧‧‧離子束

283‧‧‧離子室

284a、284b、284c、284d、284e‧‧‧部件(電極)

295‧‧‧臺板

Claims (13)

1. 一種離子植入系統，包括：離子源；電極，所述電極保持與地電位不同的電壓；以及與所述電極連通的已調變電源系統，其中所述已調製電源系統包括：具有第一端子和第二端子的電源；源開關，所述源開關具有電性連接到所述電源的所述第二端子的第一端子以及電性連接到所述電極的第二端子；放電開關，所述放電開關具有電性接地的第一端子以及電性連接到所述電極的第二端子；以及控制單元，所述控制單元經配置以在檢測到突波之後致動所述源開關和所述放電開關。
2. 根據申請專利範圍第1項所述的離子植入系統，其中所述控制單元包括輸入，所述輸入代表從所述電源傳出來的電流。
3. 根據申請專利範圍第2項所述的離子植入系統，其中所述控制單元將所述輸入與預定範圍相比，以檢測所述突波。
4. 根據申請專利範圍第1項所述的離子植入系統，其中當檢測到所述突波時，所述控制單元斷開所述源開關以使所述電源與所述電極絕緣。
5. 根據申請專利範圍第4項所述的離子植入系統，其中所述控制單元在斷開所述源開關之後閉合所述放電開關。
6. 根據申請專利範圍第1項所述的離子植入系統，更包括源阻抗，所述源阻抗電性地串聯在所述電極與所述源開關的所述第二端子之間。
7. 根據申請專利範圍第1項所述的離子植入系統，更包括放電阻抗，所述放電阻抗電性地串聯在所述電極與所述放電開關的所述第二端子之間。
8. 根據申請專利範圍第4項所述的離子植入系統，其中所述控制單元在斷開所述源開關的同時閉合所述放電開關。
9. 根據申請專利範圍第1項所述的離子植入系統，其中所述電極包括引出電極且更包括抑制電極和接地電極。
10. 一種用於使離子植入系統中突波最小化的方法，所述離子植入系統具有保持與地電位不同電壓的至少一個電極，所述方法包括：使用電源將電流供應給所述電極；對用於使所述電極保持所述電壓的所述電流進行監控；當被監控的所述電流在預定範圍外時，檢測突波；在檢測到所述突波之後，使所述電源與所述電極電絕緣；在檢測到所述突波之後，將所述電極電性接地；在預定時間段之後，使所述電極與地電絕緣；以及在所述預定時間段之後，將所述電極電性連接到所述電源，從而恢復供至所述電極的電力。
11. 根據申請專利範圍第10項所述的用於使離子植入系統中 突波最小化的方法，更包括提供了控制單元且所述控制單元執行所述監控和所述檢測。
12. 根據申請專利範圍第11項所述的用於使離子植入系統中突波最小化的方法，更包括提供了源開關以電性連接所述電源和所述電極，並且所述控制單元致動所述源開關。
13. 根據申請專利範圍第11項所述的用於使離子植入系統中突波最小化的方法，更包括提供放電開關以電性連接地和所述電極，並且所述控制單元致動所述放電開關。