用于离子注入器的容积气体输送系统

摘要

一种气体输送系统(100)包括一个处于第一电位的气体源和一个处于高于第一电位的第二电位的离子源。系统(100)还包括一个联接于气体源与离子源之间的电绝缘连接器(108)。本发明还包括一种向离子注入系统输送气体的方法(200)，包括以下步骤：将储存位置处的离子源气体的电位保持于比离子注入系统的离子源处的第二电位低的第一电位(202)；以及将源气体从储存位置输送至离子源(204)。

说明书

技术领域

本发明总体涉及离子注入系统，更具体而言，涉及用于在离子注入系统或其它类型的设备中跨过一个电压差而供应气体的气体输送系统及方法。

背景技术

离子注入器用于向硅晶片注入或“搀入”杂质以便产生n型或p型非固有材料。N型或p型非固有材料用于半导体集成电路的生产。正如其名字所指的意思，离子注入器向硅晶片搀入选定的离子种类以便产生所需的非固有材料。由源材料如锑、砷或磷产生的注入离子形成n型非固有材料晶片。如果想要p型非固有材料晶片，则可以注入由源材料如硼、镓或铟产生的离子。

离子注入器包括一个用于由离子化的源材料产生阳离子的离子源。所产生的离子形成一束并沿通往注入站的预定束径加速前进。离子注入器包括在离子源和注入站之间延伸的束成形结构。束成形结构保持离子束并限定一个长内部空腔或区域，束穿过通过其中的路线并到达离子站。当操作注入器时，内部区域必须抽空以便减小离子由于与空气分子碰撞而从预定束径偏离的可能性。

对于高电流离子注入器，注入站处的晶片安装于旋转支承的表面上。随着支承的旋转，晶片就会经过离子束。沿束径行进的离子与旋转的晶片碰撞并注入其中。一个机器人臂从晶片盒中取出待处理的晶片并将晶片置于晶片支承表面上。在经过处理之后，机器人臂从晶片支承表面上移开晶片并将处理过的晶片再沉积于晶片盒中。

图1示出了一个总体表示为10的示例性离子注入器，它包括一个用于发射形成离子束14的离子的离子源12盒一个注入站16。控制电子电路11用于监控和控制注入站16处的处理室17内的晶片接收的离子用量。离子束14横穿离子源12与注入站16之间的距离。

离子源12包括一个等离子室18，等离子室18限定了一个源材料注射于其中的内部区域。源材料可以包括离子化气体或汽化的源材料。固体形式的源材料可以沉入一对蒸馏器19中。另外，可以使用储存于高压或低压型容器中的气体源。通常使用气态的三氢化砷(AsH₃)和氢化磷(PH₃)来作为离子注入的砷(As)和磷(P)的源材料。由于它们具有毒性，因此这类气态源材料通常在离子源12本地保存于低压SDS(安全输送系统)瓶中。

源材料被注射入等离子室中并且向源材料施加能量以便在等离子室18中产生带电离子。带电离子通过覆盖着等离子室18的开口端的盖板20中切有的椭圆弧而离开等离子室内部。

离子束14通过一条已抽空的路径从离子源12到达注入站17，注入站17也已利用例如真空泵21抽空。等离子室18中的离子通过等离子室盖板20中切有的弧而抽出并且利用一组邻近等离子室盖板20的电极24而向着质量分析磁铁22加速前进。组成离子束14的离子从离子源12进入由质量分析磁铁22所建立的磁场。质量分析磁铁为离子束成形结构13的一部分，并且支承于磁铁外壳32内。磁场的强度由控制电子电路11通过调整磁场绕组中通过的电流而进行控制。质量分析磁铁22使得离子沿离子束14行进从而沿曲线轨迹运动。只有具有合适的原子质量的这些离子能够到达离子注入站16。沿着从质量分析磁铁22到注入站16的离子束行进路径，由于存在从质量分析磁铁外壳32的高电压到接地的注入室之间的电位降，因此继续对离子束14进行进一步成形、评估和加速。

离子束成形结构13还包括一个四极装置40、一个可动式法拉第杯42以及一个离子束中和设备40。四极装置40包括一组环绕着离子束14放置的磁铁46，它们由控制电子电路(图中未示出)按照选择供能以便调整离子束14的高度。四极装置40支承于外壳50内。

一个离子束分解板52联接于四极装置40的朝向法拉第信号器42的一端。分解板52包括一个长孔56，当离子束14中的离子退出四极装置40时就会穿过该孔。分解板52还包括四个沉孔58。利用螺钉(图中未示出)来将分解板52紧固于四极装置40上。在分解板52处，由包迹线D’、D”的宽度所限定的离子束散射面积最小，就是说，包迹线D’、D”的宽度在离子束14经过分解板孔56处达到最小值。

分解板52与质量分析磁铁22共同作用以便从离子束14中除去不需要的离子种类。四极装置40由支承架60和支承板62支承。支承架60联接于分解外壳50的内表面。

如前所述，离子源材料按照各种不同方式提供给离子源12。由于固体源材料的转换是一个比较费时间的过程，因此通常使用气态源材料。由于一些气态离子源材料有毒，因此通常使用未加压的SDS瓶以便提高安全性以防泄漏。这种容器通常储存于位于离子注入器本地或者与其合为一体的气体箱中。因此，为了更换SDS瓶以便补充离子源材料，就需要进入离子注入器所在的清洁室，而这又会增加停工时间并可能造成微粒污染。因此需要进一步改进本离子源输送系统。

发明内容

本发明的目的在于一种离子注入器所用的气体输送系统，其中气态离子源材料与离子注入器保持电绝缘并且/或者远离离子注入器。离子源材料可以位于远离离子注入器的位置，例如集中式气体贮仓中，并且保存于第一电位例如地电位。气态离子源材料随后通过气体输送网络而输送至处于第二电位的离子注入器的离子源，并且通过电绝缘连接器联接至注入器。连接器在处于第一电位的气体储存和/或输送网络与处于第二电位的离子注入器的离子源之间起电压隔离器的作用。

与现有技术的气体输送系统相比，本发明的气体输送系统提供了各种优点。举例来说，由于气态离子源从远离位置例如气体贮仓中储存和传送，因此与离子源材料改变相关联的停工时间就大为减少。另外，由于离子源材料更换可以在远离注入器的位置进行，因此就可以消除由于在清洁室中操作气体瓶而可能造成的微粒污染。此外，由于位于离子注入器本地的气体箱不再保持有单独的气体瓶(例如SDS瓶)，因此气体箱的尺寸可以显著减小。

根据本发明的一个方面，公开的一种气体输送系统包括一个处于第一电位的气体源和一个处于高于第一电位的第二电位的离子源。气体输送系统还包括一个联接于气体源与离子源之间的电绝缘连接器，它便于在气体源与离子源之间实现流通连接并且将第一电位与第二电位电隔离。

根据本发明的另一个方面，公开了一种气体输送高电压隔离器结构。隔离器结构包括一个按照套叠结构方式被第二电绝缘管所环绕着的第一电绝缘管。隔离器结构的每个端部处的末端为一个适配器，例如不锈钢适配器并且通过例如焊接方法联接至VCR型配装件。第一管中载有处于第一压力的气态离子源材料，而位于第一管与第二管之间的空间中载有处于不同于(例如高于)第一压力的第二压力的惰性保护气体。隔离器结构还可以包括一个与其相关联的监控口，其中可以对第二压力进行监控并且利用第二压力识别与隔离器结构相关联的泄漏情况。隔离器结构还可以具有足够的长度以便防止每一端之间产生电弧，其中各端之间具有一个电位差。

根据本发明的另一个方面，公开了一种向离子注入系统输送气体的方法。这种方法包括将源气体保存于处于比离子注入系统的离子源处的第二电位低的第一电位的储存位置处。这种方法还包括将源气体从储存位置输送至离子源。输送过程通过例如在容积(bulk)气体输送系统与离子源之间联接一个高电压隔离器结构来实现。容积气体输送系统保持于第一电位，例如电路地电位，而离子源保持于第二电位，例如80KV。隔离器结构使得离子源材料的储存和更换可以在远离注入系统的位置进行，从而便于方便地更换和转换离子源材料。

为实现前述及相关目的，本发明包括下文中进行了完整描述并在权利要求中特别指出的这些特征。以下描述和附图对本发明的示例性实施例进行了详细叙述。然而，这些实施例只示出了可以使用本发明的原理的各种方式中的少数几种。通过结合附图阅读本发明的以下详细描述，可以清楚了解本发明的其它目的、优点和新特征。

附图说明

图1是离子注入系统的一种现有技术系统的水平图；

图2是一个方块图，示出了根据本发明的一个示例性方面的离子源材料输送系统；

图3是一个示意图，示出了根据本发明的一个方面的保存于一个第一电位下的离子源气体输送模块的一部分；

图4是一个示意图，示出了根据本发明的一个方面的图3的离子源气体输送模块部分；

图5是一个组合透视示意图，示出了根据本发明的一个方面联接于两个保存于不同电位下的已排空外罩之间的多个高电压隔离器结构；

图6a是一个剖面图，示出了根据本发明的一个方面的一个高电压隔离器结构；

图6b是一个部件分解剖面图，示出了根据本发明的一个方面的图6a的高电压隔离器结构的一个末端部分；

图7是一个流程图，示出了根据本发明的一个方面用于将离子源材料输送至离子注入系统的一种方法；以及

图8是另一个流程图，示出了根据本发明用于在储存位置与离子源位置保存于不同电位下时将离子源气体从储存位置输送至离子源的一种方法。

具体实施方式

下面将参照附图对本发明进行描述，其中从头到尾都使用相同的参考数字来指相同的元件。本发明包括用于在储存位置与离子源具有不同电位时将离子源气体从储存位置输送至离子注入系统的离子源的一种系统和方法。本发明的系统包括一个离子气体源，举例来说，位于保存于远离离子注入系统的储存位置处的气体罐中的加压气体，举例来说，该气体罐为集中式气体贮仓。离子气体源在第一电位，例如电路的地电位下保存于储存位置处。

离子源气体随后按照与将气体传送至其它类型的处理设备相似的方式，通过容积气体分配网络传送至离子注入系统。一旦离子源气体已在处于第二电位(例如大约80KV或更高)的离子注入系统中时，气体就通过一个或多个高电压隔离器结构而与离子注入系统的气体箱相联接，其中高电压隔离器结构相应地使得离子源气体能够从第一电位上升至第二电位。然后根据需要将离子源气体提供给第二电位下的离子注入器。本发明的这种系统和方法使得可以将离子源气体异地储存于与离子注入系统的电位不同的电位下，从而便于离子源气体材料的储存、补充和更换。

现在转向附图，图2是一个方块图，示出了根据本发明的一个示例性方面的离子源材料输送系统100。输送系统100包括一个位于远离离子注入系统的位置，例如在离子注入设备所在的清洁室之外的气体贮仓102。根据本发明的一个方面，气体贮仓102为一个位于其中保存有各个处理步骤所需的多种处理气体的制造设施内的集中式气体储存位置。气体贮仓102包括多个罐的储存空间以及可容放于各种容器，例如加压罐中而不是仅仅储存于SDS型瓶中的不同处理气体。因此，空气体罐的更换只需通过隔离该罐的气体流动并接入新罐就可以实现，而不需中断气体的输送。根据本发明的一个示例性方面，气体贮仓102中的处理气体保存于一个第一电位，例如电路地电位下。

输送系统100还包括一个容积气体输送系统104，它与气体贮仓102保持工作相联接，以便将处理气体从贮仓102传送至各种处理设备，例如离子注入系统。举例来说，容积气体输送系统104可以包括多个带有相关的阀、量计等的气体管道，以便将处理气体从气体贮仓102分配至处理设备。举例来说，容积气体输送系统104可以工作以便将多种不同类型的离子源气体按照并行方式从气体贮仓102输送至离子注入设备处，以便容许不同的源气体能够驻留于其中从而便于离子源气体的转换(例如，容许从“n”型搀杂剂转换至“p”型搀杂剂)。容积气体输送系统104的各个阀、量计等等可以用于隔离气体输送系统的各个区域的流动，监控气体管道的泄漏，净化气体管道，等等。根据本发明的一个示例性方面，与容积气体输送系统104相关的气体管道具有电绝缘性并且将气体的输送始终保存于与气体贮仓102相关的第一电位。

离子源气体通过容积气体输送系统104传送至已排空的外罩106中，已排空的外罩106位于本地并且与有时称作离子注入器气体箱的离子注入机(图中未示出)相关联。在外罩或者气体箱106内，离子源气体利用气体输送高电压隔离器结构108而从第一电位，例如电路地电位，升高至离子注入器工作所处的第二电位(例如大约80KV)。如图2中所示，可以使用一个或多个隔离器108来将各种不同类型的离子源气体联接至离子注入器。这样，高电压隔离器结构108就可以安全可靠地将气体箱的低电压部分110a联接至高电压部分110b上。

高电压隔离器结构108容许离子源处理气体储存和保存于一个方便的电位例如电路地电位下并且还容许这些气体例如在高压力下方便地储存，从而降低了离子源气体的成本。

尽管图2示出的高电压隔离器108联接在两个处于不同电位下的气体箱之间，但是也可以使用其它系统构型，它们也在本发明的范围之内。举例来说，可以有单个处于与离子注入器相关的高电压的气体箱，并且隔离器结构108可以将低电压下的气体从容积气体输送系统104联接至高电压气体箱。另外，可以有单个处于低电压例如电路地电压的气体箱，而隔离器结构108可以将气体从低电压下的气体箱联接至处于高电压下的离子源。

图3是用于图2的系统100中的容积气体输送系统104的一部分的示意图。图3的容积气体输送系统104示出的系统能够输送四(4)种不同类型的离子源气体，然而，也可以使用能够提供种类更多或更少的离子源气体的系统，并且它们也在本发明的范围之内。输送系统104包括一组离子源气体输入管道120a-120d，它们将离子源气体从气体贮仓102运送至与离子注入系统相关的制造设施内的一个区域。要注意的是，图3的系统104示出的是只分配至一个离子注入系统的方案，然而也可以使用输送至多个离子注入系统的方案，并且它们也在本发明的范围之内。

在输送系统104中还提供了通过一组阀124a-124d分别将惰性气体例如氮气运送至各根管道120a-120d的另一根气体输入管道122。惰性气体管道122还通过一个隔离器止回阀126和止回阀127a-127d而联接至每个高电压隔离器108。此外，惰性气体管道122还具有一个压力计128或与其相关的其它类型的监控装置，可以用其来监控高电压隔离器108相关的泄露情况，下文中将对此进行更为详细的讨论。

图4中示出了一个更详细的示例性离子源气体输送系统部分104’。由于四根管道120a-120d各自的工作模式相似，因此为简明起见，只对其中一根管道进行讨论。离子源气体管道120a包括一根被外容器管132所环绕着的内气体管道130，外部容器管132用于在内气体管道130发生泄漏的情况下保证容放的安全性。按照以上方式，任何可能有毒或者有腐蚀性的离子源气体都得以安全地容放并且内气体管道130在结构上也受到保护。另外，根据可能的需要，在单根容器管中也可以存在多根内气体管道。离子源气体管道120a连接于一个联接装置134上，该联接装置134与压力开关136相联接以便监控/控制离子源气体压力。气体管道120a还包括阀121a，例如空气OP型阀，该阀容许离子源气体通过连接管138而选择流通连接至对应的高电压隔离器结构108上。

惰性气体例如氮气通过惰性气体管道122送进并且通过T型装置140进行分配。惰性气体可以通过阀124a而选择联接至图4的连接管138上。还有一个手动截流阀126联接于惰性气体管道122上以便通过连接管142和止回阀127a将惰性气体选择联接至高电压隔离器108的外部。

联接装置可以按照以下示例性方式进行工作。当将离子源气体传送至离子注入器时，阀121a打开从而使离子源气体与高电压隔离器结构108保持流动连通。这时，与管道120a相关的惰性气体供给阀124a关闭，从而防止惰性气体掺入离子源气体。然而手动阀126此前已经打开，从而容许惰性气体例如在其外管中进入高电压隔离器结构108。这样，通过此前打开的阀126，处于结构108的内管中的离子源气体就被外管中的惰性气体所包围。优选地，惰性气体压力大于离子源气体压力，以便使得如果发生与结构108的内管相关的任何泄漏，将会引起惰性气体漏入内管中，从而避免了可能具有腐蚀性的离子源气体泄漏离开内管。此外，任何这种泄漏情况都可以通过压力计128、压力传感器或其它类型的分析监控工具而进行监控。如果管142内的惰性气体压力发生变化(例如下降)，惰性气体就会从高电压隔离器结构108的内管漏入或漏出。按照用来帮助监控和控制各个阀的工作情况的可能需要，惰性气体压力可以通过量计128和微控制器(图中未示出)进行监控。举例来说，如果通过压力计128检测到压力下降(显示内容器管150受到破裂，图5)，微控制器可以关闭阀121a-121d并打开阀124a-124d，从而消除源气体并掺入惰性气体。

根据可能的需要，惰性气体管道122也可以用于净化离子源气体管道。在这种情况下，离子源气体管道阀121a-121d关闭而惰性气体管道阀124a-124d打开。然后惰性气体能够通过管道138流入高电压隔离器结构108的内管区域中，从而冲洗离子注入器一侧的离子源气体管道。另外，或者此外的方案是，另一组离子源气体管道阀(图中未示出)可以关闭而惰性气体可以通过管道120a-120d流回至气体贮仓102中。无论如何，图3和4的气体输送系统104、104’都在与离子源气体储存于气体贮仓102中所处的电位相等的第一电位下提供离子源气体给高电压隔离器结构108。

图5为一个透视图，更详细地示出了图2的气体箱106。特别地，图5示出了一种方式，其中可以使用一个或多个高电压隔离器结构108来将离子源气体从处于第一电位(例如电路地电位)的气体箱第一部分110a联接至处于第二电位(例如离子注入器的工作电位)的气体箱第二部分110b。如图5中所示，气体输送系统104的一部分进入气体箱106的第一部分110a。离子源气体通过联接器152，例如VCR型配装件而进入高电压隔离器的内管150。联接器152通过一个金属/绝缘体转接器154而与内管150相连接。内管150由绝缘材料，例如玻璃、陶瓷、石英、玻璃/陶瓷或其它电介质材料构成，以助于将一端(第一部分110a)的第一电位与另一端(第二部分110b)的第二电位隔开。

高电压隔离器108还具有一个位于其另一端的联接器156，通过它而连接至离子注入器。外管158环绕着高电压隔离器108的内管150并且与其中流动着具有预定压力的惰性气体的惰性气体管道142保持流通连接。如前所述，惰性气体用于减轻内管150中的泄漏带来的负面影响，而压力计128或其它监控装置则便于方便地监控任何这类泄漏情况的发生。

图6a是根据本发明的一个示例性方面的高电压隔离器结构108的剖面图。如前文中所简述，高电压隔离器108可以包括一根通常为圆筒形的长管，它具有一个被一个通常为圆筒形的外管部分162(对应于图5的管158)所环绕着的通常为圆筒形的内管部分160(对应于图5的管150)。内管部分160载有离子源气体，充满从其第一端164至第二端166的整个管中。特别地，第一端164的末端为一个联接器168例如VCR型配装件并且在气体箱106的低电压部分110a处将高电压隔离器108联接至气体输送系统104。另外，第二端166的末端为一个联接器170例如VCR型配装件并且通过气体箱106的高电压部分110b而将隔离器108联接至离子注入器。

内管160由电绝缘材料例如硼硅酸盐玻璃构成。然而，另外也可使用其它电绝缘材料，它们也在本发明的范围之内。举例来说，其它示例性材料可以包括但并不限于铝硅酸盐玻璃、陶瓷材料等等(例如Pyrex、Duran、Corning 7740等商标)。外管162按照套叠结构方式环绕着内管160，并且直径大于内管160，从而在其间限定了一个空间172。空间172容许惰性气体在外管162内和内管160外流动，并且，当所保持的压力不同于(例如大于)内管160中的离子源气体相关的压力时，可以防止离子源气体从内管160漏出。外管162也由电绝缘材料例如聚丙烯、聚四氟乙烯等等构成。

图6a的高电压隔离器108还包括一个与外管162相关联的口174，它使得惰性气体例如氮气能够通过例如图5的气体管道142而抽入空间172中。在图6b中更详细地示出了一个示例性口的构型，该图示出了端164的一个示例性剖面。口174包括一个由端盖178中的孔限定的腔176。腔176与管180，例如联接至惰性气体管道142上的柔性管，相配合。

内管160与外管162之间的空间172通过端盖178密封。端盖178具有一个与其相关联的内孔182，该内孔182环绕着或者接合着与内管160相关联的玻璃-金属过渡连接件184并且在其中容放着联接器。端盖结构178还包括一个或多个O形环186，这些O形环与外管162、端盖178及连接于其上的顶盖188相接合以便提供流体密封以防止高电压隔离器108发生相关的泄漏情况。另外，这些构件也可以焊接在一起。

高电压隔离器108便于离子源气体从第一电位升高至第二电位。举例来说，离子源气体可以存储于处于电路地电位的气体贮仓102中并且传送至处于储存电位(例如第一电位)的离子注入器的气体箱106的第一部分110a中。由于离子注入器所处的电位更高(例如大约80KV)，因此高电压隔离器108就提供了一种使得离子源气体能够安全可靠地升高至离子注入器的工作电位(例如第二电位)的结构。根据本发明的一个示例性方面，高电压隔离器108具有的长度足以承受其两端164、166之间的电位差而不会产生电弧。经验上的一般规则是每大约10KV电位差容许大约1英寸的长度。因此，如果在两端164、166之间存在的电位差为大约80KV，则长度需要为大约8英寸或者更长。然而，只要能够防止产生电弧的任意长度都可以使用，它们都在本发明的范围之内。

根据本发明的另一个方面，公开了一种用于将离子源气体输送至离子注入系统的方法，如图7中所示，由参考数字200标示。方法200的步骤包括将离子源气体保存于处于第一电位的储存位置202以及随后将离子源气体输送至处于第二电位的离子源204。举例来说，离子源气体可以保存于处于电路地电位的图2的气体贮仓102，并随后输送至处于更高电压(例如80KV左右)的离子注入系统的离子源。

根据本发明的一个示例性方面，可以根据图8的流程图进行离子源气体的输送(步骤204)。离子源气体例如使用图2的容积气体输送系统104而从其储存位置传送至与离子注入系统相关联的气体箱，然后在步骤206中联接至高电压隔离器结构(例如图6a和6b的结构108)。在步骤208中，高电压隔离器被联接至注入系统的离子源，它保证通过其中将离子源气体传送至离子注入系统。高电压隔离器便于离子源气体的电位在通常位于离子注入系统本地的位置，例如系统气体箱(例如图2的气体箱106)处安全可靠地从第一电位升高至第二电位。

在步骤210中，可以对离子气体源输送过程进行监控以保证气体输送过程不会在系统泄漏情况下继续进行。举例来说，高电压隔离器可以按照与图6a和6b的结构108相似的方式进行配置，其中内含惰性气体的外管环绕着内管。外管中的惰性气体保持于比内管中的离子源的压力更高的压力下。因此，如果存在与内管相关联的任何泄漏情况，离子源气体将会容放于其中。通过监控外管中的惰性气体的压力，如果压力降低，例如如果压力降至预定的阈值之下，就可以检测到泄露情况。

如果压力已经降至预定的阈值之下，就测定存在的与隔离器结构相关联的泄漏情况。然后在步骤212中，例如通过关闭与图2的容积气体输送系统104相关联的传送阀，而根据测定情况停止离子源气体的输送。

尽管上文中相对于特定的实施例对本发明进行了说明和描述，但是通过对本说明书和附图的阅读和理解，本领域的普通技术人员应当清楚，可以进行等价的变动和改型。特别是对于上述组件(装置、设备、电路、系统等等)所实现的各种功能而言，除非另外指明，用于描述这些组件的词(包括称作“机构”)是意指相应的能够实现所述组件的特定功能(就是说，具有等价功能)的任意组件，即使结构上与所公开的用于实现本文所示的本发明的示例性实施例中的功能的结构并不等价。此外，尽管本发明的特定特征可能只相对于一个或几个实施例而公开，但是根据任何给定或特定应用的有利需要，这些特征可以与其它实施例的一个或多个其它特征而组合。另外，对于在详细描述或权利要求中使用词“包括”、“具有”等等所达到的程度而言，这些词意思指的就是其方式类似于“包括在内”。

工业实用性

本发明的系统和方法可以用于半导体处理领域，例如离子注入领域中，用于向离子注入系统提供安全、有效、经济可行的源气体输送方式。