TWI437606B - 離子加速裝置、用於離子植入系統之離子加速裝置以及保護離子加速裝置不受由於在高電壓環境中連接至套管單元引起之高電壓故障的方法 - Google Patents

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TWI437606B TW097110536A TW97110536A TWI437606B TW I437606 B TWI437606 B TW I437606B TW 097110536 A TW097110536 A TW 097110536A TW 97110536 A TW97110536 A TW 97110536A TW I437606 B TWI437606 B TW I437606B
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Description

離子加速裝置、用於離子植入系統之離子加速裝置以及保護離子加速裝置不受由於在高電壓環境中連接至套管單元引起之高電壓故障的方法
本發明是有關於離子植入(ion implantation)，且特別是有關於包括具整合遮蔽電極(shielding electrode)之連接機構的離子加速裝置(ion accelerating device)以及其方法。
離子植入是一種將具有能夠改變電導率的雜質引入或摻雜至半導體晶圓(semiconductor wafer)的標準技術。典型的離子植入製程使用高能離子束將雜質(離子)引入半導體晶圓。在離子植入期間，致能源饋入材料(source feed material)以產生離子束，且以加速柱加速所產生之離子束。加速柱(例如)例如是以670kV加速離子束。較佳地，離子束穿過在加速柱內部之七個透鏡而完成加速步驟，其中基於離子光學需求，在所述透鏡上具有分級之電壓。
主動或被動分級機制用以控制/產生分級電壓(graded voltage)，其經由(例如)各別套管單元(bushing unit)而與透鏡電性與機械連接。一般來說，若連接點或端接點未受到保護，這些點通常為高電應力區域且為加速柱中的最弱點，可能會導致高電壓故障。如圖6中所示，當分級電路板(grading circuit board)312經由連接器316在連接點318處連接至套管單元314時，介面形成於套管單元314及/或分級電路板312之固體絕緣材料、氣體環境322(包括空氣、SF6及/或其他氣體)以及連接器316之金屬材料之間 (稱作三接面)。由於連接器316具金屬材料，因此等位線(equal potential line)(等位線)320鄰近於連接點318。連接點318上之高電應力(定義為(△V )/d ，其中△V 為電位差且d 為距離)可引起放電。舉例而言，每吋75kV之電應力可以破壞氣體的絕緣。此電應力可存在於兩個連接器316之間、連接點318與接地(未圖示)之間，及/或兩個鄰近套管單元314之連接點318之間。放電可引起在連接點318處的電故障。
本發明提供一種離子植入系統之離子加速裝置，離子加速裝置包括：第一元件；在第一元件內之第一連接系統，第一連接系統包括第一連接器以及在第一連接器周圍之第一囊封遮蔽電極；以及在不同於第一元件之第二元件內的第二連接系統，第二連接系統耦接至第一連接器；其中第一囊封遮蔽電極包括鄰近於第一元件之第一介面表面的第一遮蔽部分，其中第二連接系統與第一元件介面連接，在橫截面圖中，第一遮蔽部分實質上為U型。
本發明另提供一種離子加速裝置，其包括：包括第一連接系統之第一元件，第一連接系統包括囊封遮蔽電極；以及包括第二連接系統之第二元件；其中在第一連接系統與第二連接系統介面連接之狀況下，囊封遮蔽電極將電應力引離第一連接系統與第二連接系統之間的介面，其中固體絕緣材料、周圍環境，以及金屬材料介面連接，周圍環境為氣體環境或真空環境中之一者。
本發明又提供一種保護離子加速裝置不受由於在高電壓環境中連接至元件引起之高電壓故障的方法，方法包括：使連接點嵌入元件之絕緣材料內；以及提供囊封遮蔽電極，其連接至連接點且在連接點周圍延伸以使得在連接在連接點處發生之狀況下，等位線由囊封遮蔽電極引離連接點。
本揭露案之上述以及其他特徵將自本揭露案之實施例的以下更特定描述變得顯而易見。
將參考以下圖式來詳細描述本揭露案之實施例，其中相同標號指示相同元件。
參考隨附圖式，圖1繪示為離子植入系統10。離子植入系統10包括離子束產生系統2。離子束產生系統2用於產生離子束4，離子束4經由離子束過濾系統5以及離子束掃描系統6傳輸至目標系統8。離子束產生系統2包括任何種類的離子束產生器，諸如可購自Varian Semiconductor Equipment Associates之彼等離子束產生器。通常，目標系統8包括安裝至壓板14之一或多個半導體目標12(例如，晶圓)。離子植入系統10可包括熟習此項技術者所已知之額外組件。應瞭解，在離子植入期間，離子束4穿過的整個路徑是處於抽空的狀態。
除上述組件之外，離子束產生系統2可包括氣流40、離子束源42、提取操縱器44、源過濾磁體(source filter magnet)46以及加速/減速柱48。源過濾磁體46較佳定位 於緊密鄰近於離子束源42處。提取操縱器44定位於源過濾磁體46與離子束源42之間。加速/減速柱48定位於源過濾磁體46與質譜分析器(mass analyzer)50之間。
離子束過濾系統5可包括質譜分析器50，質譜分析器50包括(例如)具半圓半徑53之偶極分析磁體52，以及具有解析孔隙(resolving aperture)56之質量解析狹縫(mass resolving slit)54。如此項技術中已知，離子束4可包括在其穿過之路徑的不同階段中之不同離子組合。
掃描系統6可包括(例如)掃描器60以及角度校正器62。掃描器60(其可為靜電掃描器)使經過濾之離子束4偏轉。
儘管上文已描述說明性離子植入系統10，但熟習此項技術者應瞭解本揭露案可配合任何現在已知或後來開發之系統使用以產生以及掃描離子束4。應瞭解，本揭露案可配合離子植入之任何現在已知或後來開發的製程以及方法使用。
參看圖2，繪示為離子加速裝置100之橫截面圖。離子加速裝置100可實施加速/減速柱48，或可位於離子植入系統10(圖1)內部的其他地方。根據一實施例，離子加速裝置100包括多個(或一系列)加速柱套管單元(套管單元)102(繪示為8個)以及一(或一系列)分級電路板104。分級電路板104可附著/耦接至套管單元102，以將分級電壓提供至套管單元102中之每一者。根據實施例，分級電路板104在兩個緊密相鄰套管單元102(例如， 102a以及102b)之間提供以約95kV分級之電壓。
經由電連接機構106及/或機械連接機構108連接套管單元102及/或分級電路板104。電連接機構106可定位於(例如)：(a)兩個套管單元102之間，(b)套管單元102內以及透鏡板110與內導體(未圖示)之間，及/或(c)套管單元102外部之電路(例如，分級電路板104)與套管單元102之間等。在本文描述中，是以分級電路板104與套管單元102之間的電連接機構106為例，但此實例並非限制本揭露案之範疇。機械連接機構108可定位於：(a)兩個套管單元102之間，(b)套管單元102內以及內部組件(例如，透鏡板110)與套管單元絕緣材料之間，及/或(c)套管單元102與套管單元102外部之裝置之間等。在本文中之描述中，是以兩個套管單元102之間的機械連接機構108為例，但此實例並非限制本揭露案之範疇。如所瞭解，對於電連接機構106或機械連接機構108而言，在套管單元102之固體材料、氣體環境164(例如，套管單元102外部之空氣)或真空環境200(例如，在套管單元102內部)與金屬(例如螺釘或連接銷(connection pin))之間的連接點處產生介面。氣體環境164包括(但不限於)空氣、六氟化硫(SF6)或/及其他氣體。機械連接機構108亦可包括由於(例如)浮動電子在連接點處所引起的電位。因而，關於電連接機構106之揭露內容可應用於機械連接機構108，且反之亦然。
圖3繪示為在分級電路板104與套管單元102之間的 電連接機構106的剖面示意圖。電連接機構106包括套管單元102內之連接系統120以及分級電路板104內之連接系統122。連接系統120包括連接器124(例如，凹陷部分)，其可耦接至連接系統122之連接器126(例如，突出部分)。連接系統120更包括囊封遮蔽電極128，其連接至連接器124且在連接器124周圍延伸。囊封遮蔽電極128由套管單元102之電絕緣材料130囊封。
根據實施例，囊封遮蔽電極128包括朝套管單元102之介面表面134及/或分級電路板104之介面表面136延伸的遮蔽部分132。在包括x軸之平面137中(連接系統120沿著x軸耦接至連接系統122)，遮蔽部分132實質上為面向介面表面134、136的U型。亦即，U型之開口138面向介面134、136。根據實施例，遮蔽部分132實質上對稱於連接器124。亦即，在平面137中，在連接器124之一側上的遮蔽部分132之一部分132a實質上為連接器124之另一側上的部分132b之鏡像。然而，本揭露案不限於此特定實施例。
根據實施例，在垂直於x軸之y軸中，遮蔽部分132之外部尺寸140小於約2.1吋。在平面137之y軸中，遮蔽部分132之內部尺寸142比外部尺寸140小至少約0.25吋。然而，其他尺寸亦為可能的且包括於本揭露案中。
根據實施例，如圖4中所示，囊封遮蔽電極128在三維視圖中實質上為杯狀。在圖4中，虛線用以表示實質上杯狀囊封遮蔽電極128的內部部分129。連接器124之部 分124a在內部部分129內，然而為了方便說明，以實線以及圖案繪示部分124a。
請參看圖3，在x軸以及y軸的平面137中，鄰近於介面表面134、136的杯狀囊封遮蔽電極128之邊緣144實質上為圓化的。其他組態亦為可能的且包括於本揭露案中。
連接系統122包括連接至連接器126且在連接器126周圍延伸之囊封遮蔽電極146。囊封遮蔽電極146由電絕緣材料148囊封。囊封遮蔽電極146包括鄰近於介面表面134、136之遮蔽部分150。在x軸之平面137中的橫截面圖中，遮蔽部分150實質上為面向介面表面134、136之U型。
根據實施例，遮蔽部分150實質上具有類似於遮蔽部分132的尺寸以及形狀。如圖3中所示，遮蔽部分150與遮蔽部分132為相對配置。亦即，邊緣144與邊緣152彼此相對。
根據實施例，連接器126可為彈簧127負載之針腳、普克針(pogo pin)或兩者之組合。連接器124能夠收納連接器126。
在操作中，連接器124以及連接器126彼此耦接於連接點154處。因此，分級電路板104之電位(亦即，分級電壓)自連接系統122傳輸至連接系統120。等位線160(以虛線繪示)將分別建立於囊封遮蔽電極128之邊緣144與囊封遮蔽電極146之邊緣152之間。因此，將電應力引 離連接點154周圍之介面162(以虛線繪示為)，其中固體絕緣材料130、148、氣體環境164(或真空環境)以及金屬124、126介面連接。因而，實質上減少或消除連接點154周圍之電應力，以保護離子加速裝置100(圖2)不受由於連接所引起之高電壓故障。
如上文所述，關於圖3之電連接機構106的描述可類似地應用於機械連接。分級電路板104僅用作電連接至套管單元102之裝置的說明性實例。亦包括其他裝置。舉例而言，可經由連接機構106電連接兩個套管單元102。
請參看圖5，兩個套管單元102(102a、102b)之間的機械連接機構108繪示於平面137中之橫截面圖中。根據實施例，經由連接機構108機械連接套管單元102a與套管單元102b。然而，連接機構108亦可電連接套管單元102。機械連接機構108包括在套管單元102a中之連接系統220以及在套管單元102b中之連接系統222。連接系統220包括連接器224以及囊封遮蔽電極228。囊封遮蔽電極228與囊封遮蔽電極128(圖3)相似，可參照前文之敘述。舉例來說，囊封遮蔽電極228包括朝介面234、236延伸之遮蔽部分232。在包括y軸之平面137中的橫截面圖中，遮蔽部分232實質上為面向介面表面234、236之U型，其中連接系統220沿所述y軸耦接至連接系統222。
連接系統222包括連接器226以及囊封遮蔽電極246。囊封遮蔽電極246包括朝介面表面234、236延伸之遮蔽部分250。遮蔽部分250與遮蔽部分150相似，可參 照前文之敘述。舉例而言，在平面137中之橫截面圖中，遮蔽部分250實質上為面向介面表面234、236之U型。
連接器226可包括管狀部分270以及自氣體環境264(或在另一實施例中為真空環境)耦接至管狀部分270之螺釘部分272。應瞭解，管狀部分270可具有任何外部及/或內部形狀，且全部包括於本發明中，其限制條件為通道271自管狀部分270的一端穿過其另一端。
囊封遮蔽電極246包括朝套管單元102b上之介面表面280延伸的遮蔽部分276，其中連接系統222與氣體環境264介面連接。除非另有明確地描述，否則遮蔽部分276實質上類似於圖3之遮蔽部分132。舉例而言，在平面137中之橫截面圖中，遮蔽部分276實質上為面向介面表面280之U型。根據實施例，在平面137中之橫截面圖中，囊封遮蔽電極246(亦即，遮蔽部分276外加遮蔽部分250)實質上為H型。
根據實施例，在運作條件下，當螺釘部分272耦接至管狀部分270時，遮蔽部分276朝介面表面280延伸至比螺釘部分272更靠近介面表面280至少約3/8吋的位置。上述的運作條件是指連接器226(包括螺釘部分272以及管狀部分270)耦接至連接器224以使套管單元102a、102b機械連接的情形。亦即，距離282比距離284短至少3/8吋。
在操作中，當在連接點286處連接(亦即，螺釘部分272以及管狀部分270彼此耦接)時，浮動電壓(floating voltage)可傳輸至螺釘部分272、管狀部分270以及連接器224中兩者及/或三者之間。等位線260將被建立為鄰近於遮蔽部分276之邊緣288。亦即，將電應力引離連接點/介面286，在此處，固體絕緣材料248、氣體環境264(或真空環境)以及(例如)螺釘部分272之金屬介面連接。
應瞭解，圖5之機械連接機構108亦可用於電連接，其亦包括於本揭露案中。套管單元102a、102b之間的連接用於說明性目的，且其他連接亦為可能的。舉例而言，機械連接機構108可用於套管單元102內部(亦即，真空環境200(圖2)中)之連接，其包括於本揭露案中。
儘管以套管單元之連接為例來說明本發明，但應瞭解，類似的設計亦可用於其他區域中，例如當兩個介電/絕緣區與具有較弱的介電強度的介面接合時。
已為達成說明以及描述之目的而提供本揭露案之各種態樣的上述描述。其不意欲為詳盡的或將本揭露案限於所揭露之精確形式，且顯然許多修改以及變更為可能的。熟習此項技術者可顯而易見之此等修改以及變更意欲包括於由隨附申請專利範圍界定之本揭露案的範疇內。
2‧‧‧離子束產生系統
4‧‧‧離子束
5‧‧‧離子束過濾系統
6‧‧‧離子束掃描系統
8‧‧‧目標系統
10‧‧‧離子植入系統
12‧‧‧半導體目標
14‧‧‧壓板
40‧‧‧氣流
42‧‧‧離子束源
44‧‧‧提取操縱器
46‧‧‧源過濾磁體
48‧‧‧加速/減速柱
50‧‧‧質譜分析器
52‧‧‧偶極分析磁體
53‧‧‧半圓形半徑
54‧‧‧質量解析狹縫
56‧‧‧解析孔隙
60‧‧‧掃描器
62‧‧‧角度校正器
100‧‧‧離子加速裝置
102‧‧‧套管單元
102a‧‧‧套管單元
102b‧‧‧套管單元
104‧‧‧分級電路板
106‧‧‧電連接機構
108‧‧‧機械連接機構
110‧‧‧透鏡板
120‧‧‧連接系統
122‧‧‧連接系統
124‧‧‧連接器、金屬
124a‧‧‧部分
126‧‧‧連接器、金屬
127‧‧‧彈簧
128‧‧‧囊封遮蔽電極
129‧‧‧內部部分
130‧‧‧電絕緣材料
132‧‧‧遮蔽部分
132a‧‧‧部分
132b‧‧‧部分
134‧‧‧介面表面
136‧‧‧介面表面
137‧‧‧平面
138‧‧‧開口
140‧‧‧外部尺寸
142‧‧‧內部尺寸
144‧‧‧邊緣
146‧‧‧囊封遮蔽電極
148‧‧‧電絕緣材料
150‧‧‧遮蔽部分
152‧‧‧邊緣
154‧‧‧連接點
160‧‧‧等位線
162‧‧‧介面
164‧‧‧氣體環境
200‧‧‧真空環境
220‧‧‧連接系統
222‧‧‧連接系統
224‧‧‧連接器
226‧‧‧連接器
228‧‧‧囊封遮蔽電極
232‧‧‧遮蔽部分
234‧‧‧介面表面
236‧‧‧介面表面
246‧‧‧囊封遮蔽電極
250‧‧‧遮蔽部分
260‧‧‧等位線
264‧‧‧氣體環境
270‧‧‧管狀部分
271‧‧‧隧道
272‧‧‧螺釘部分
276‧‧‧遮蔽部分
280‧‧‧介面表面
282‧‧‧距離
284‧‧‧距離
286‧‧‧連接點
288‧‧‧邊緣
312‧‧‧分級電路板
314‧‧‧套管單元
316‧‧‧連接器
318‧‧‧連接點
320‧‧‧等位線
322‧‧‧氣體環境
圖1繪示為根據本發明一實施例之離子束植入系統的示意圖。
圖2繪示為根據本發明一實施例之離子加速裝置的剖面示意圖。
圖3繪示為根據本發明一實施例之連接機構的剖面示 意圖。
圖4繪示為根據本發明一實施例之在三維視圖中的囊封遮蔽電極。
圖5繪示為根據本發明另一實施例之連接機構的剖面示意圖。
圖6繪示為習知一種電連接至套管單元的示意圖。
2‧‧‧離子束產生系統
4‧‧‧離子束
5‧‧‧離子束過濾系統
6‧‧‧離子束掃描系統
8‧‧‧目標系統
10‧‧‧離子植入系統
12‧‧‧半導體目標
14‧‧‧壓板
40‧‧‧氣流
42‧‧‧離子束源
44‧‧‧提取操縱器
46‧‧‧源過濾磁體
48‧‧‧加速/減速柱
50‧‧‧質譜分析器
52‧‧‧偶極分析磁體
53‧‧‧半圓形半徑
54‧‧‧質量解析狹縫
56‧‧‧解析孔隙
60‧‧‧掃描器
62‧‧‧角度校正器

Claims (19)

  1. 一種用於離子植入系統之離子加速裝置，所述離子加速裝置包括：第一元件，包括第一套管單元；第一連接系統，在所述第一元件內，所述第一連接系統包括第一連接器以及在所述第一連接器周圍之第一囊封遮蔽電極；以及第二連接系統，在第二元件內，所述第二元件包括分級電路板或第二套管單元中之一者，其中所述第二套管單元不同於所述第一套管單元，所述第二連接系統包括第二連接器以及在所述第二連接器周圍延伸之第二囊封遮蔽電極，所述第一連接器耦接至所述第二連接器；其中所述第一囊封遮蔽電極包括第一遮蔽部分，所述第一遮蔽部分鄰近於所述第一元件之第一介面表面，其中所述第二連接系統與所述第一元件介面連接，在橫截面圖中，所述第一遮蔽部分實質上為U型。
  2. 如申請專利範圍第1項所述之用於離子植入系統之離子加速裝置，其中所述第一遮蔽部分實質上對稱於所述第一連接器。
  3. 如申請專利範圍第1項所述之用於離子植入系統之離子加速裝置，其中所述第一囊封遮蔽電極電連接至所述第一連接器。
  4. 如申請專利範圍第1項所述之用於離子植入系統之離子加速裝置，其中所述第一遮蔽部分在第一軸中的內部 尺寸比所述第一遮蔽部分在所述第一軸中的外部尺寸至少小約0.25吋，其中所述第一軸垂直所述第二連接系統耦接所述第一連接器所沿著的第二軸。
  5. 如申請專利範圍第1項所述之用於離子植入系統之離子加速裝置，其中所述第一囊封遮蔽電極實質上為杯狀。
  6. 如申請專利範圍第5項所述之用於離子植入系統之離子加速裝置，其中所述第一囊封遮蔽電極之邊緣實質上鄰近於所述第一介面表面而成圓形。
  7. 如申請專利範圍第1項所述之用於離子植入系統之離子加速裝置，其中所述第二囊封遮蔽電極包括鄰近於所述第一介面表面之第二遮蔽部分，且在橫截面圖中，所述第二遮蔽部分實質上為U型。
  8. 如申請專利範圍第7項所述之用於離子植入系統之離子加速裝置，其中所述第二遮蔽部分的尺寸與形狀實質上與所述第一遮蔽部分相似。
  9. 如申請專利範圍第7項所述之用於離子植入系統之離子加速裝置，其中所述第二連接器至少為彈簧負載針腳或普克針，其待由所述第一連接器收納之。
  10. 如申請專利範圍第7項所述之用於離子植入系統之離子加速裝置，其中經由所述第一連接系統以及所述第二連接系統將所述第二元件電連接至所述第一元件。
  11. 如申請專利範圍第7項所述之用於離子植入系統之離子加速裝置，其中所述第二囊封遮蔽電極包括鄰近於第二介面表面之第三遮蔽部分，其中所述第二介面表面介於 所述第二元件與周圍環境之間，所述周圍環境為氣體環境或真空環境中之一者，所述第三遮蔽部分在橫截面圖中實質上為U型。
  12. 如申請專利範圍第11項所述之用於離子植入系統之離子加速裝置，其中在所述橫截面圖中，所述第二囊封遮蔽電極實質上為H型。
  13. 如申請專利範圍第12項所述之用於離子植入系統之離子加速裝置，其中經由所述第一連接系統以及所述第二連接系統將所述第二元件機械耦接至所述第一元件。
  14. 如申請專利範圍第13項所述之用於離子植入系統之離子加速裝置，其中所述第二元件包括所述第二套管單元。
  15. 如申請專利範圍第1項所述之用於離子植入系統之離子加速裝置，其中所述第一囊封遮蔽電極由電絕緣材料囊封。
  16. 如申請專利範圍第1項所述之用於離子植入系統之離子加速裝置，其中所述第一連接器包括管狀部分以及螺釘部分，其中所述螺釘部分自氣體環境或真空環境中之一者耦接至所述管狀部分中。
  17. 如申請專利範圍第16項所述之用於離子植入系統之離子加速裝置，其中在所述螺釘部分耦接至所述管狀部分且在運作條件下，所述第一遮蔽部分朝所述第一介面表面延伸至比所述螺釘部分更靠近所述第一介面表面至少約3/8吋的位置。
  18. 一種離子加速裝置，包括：第一元件，包括第一套管單元與第一連接系統，所述第一連接系統包括第一囊封遮蔽電極；以及第二元件，包括第二連接系統，所述第二元件包括分級電路板或第二套管單元中之一者，其中所述第二套管單元不同於所述第一套管單元，所述第二連接系統包括第二囊封遮蔽電極；其中在所述第一連接系統與所述第二連接系統介面連接之狀況下，所述第一囊封遮蔽電極將電應力引離所述第一連接系統與所述第二連接系統之間的介面，其中所述介面產生於固體絕緣材料、周圍環境以及金屬材料的連接點處，所述周圍環境為氣體環境或真空環境中之一者。
  19. 一種保護離子加速裝置不受由於在高電壓環境中連接至套管單元引起之高電壓故障的方法，所述方法包括：使連接點嵌入所述套管單元之絕緣材料內；以及提供囊封遮蔽電極，其連接至所述連接點且在所述連接點周圍延伸，使得當連接在所述連接點處發生時，所述囊封遮蔽電極可將等電位線引離所述連接點。
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