CN104769707A

CN104769707A - 用于监测开关模式离子能量分布系统的故障、异常和其它特性的系统和方法

Info

Publication number: CN104769707A
Application number: CN201380056048.8A
Authority: CN
Inventors: D·卡特; V·布劳克; D·J·霍夫曼
Original assignee: Advanced Energy Industries Inc
Current assignee: Advanced Energy Industries Inc
Priority date: 2012-08-28
Filing date: 2013-08-26
Publication date: 2015-07-08
Also published as: KR20150046275A; JP2015534716A; KR101959719B1; TWI560738B; US9685297B2; WO2014035889A1; KR20170129294A; US20220157555A1; US11189454B2; JP6276272B2; KR20190028825A; US20170278665A1; KR101983020B1; TW201415522A; US20140062495A1; KR101800623B1

Abstract

本发明公开了用于调节等离子体腔中的离子能量并且将衬底夹紧到衬底支撑件的系统、方法和设备。示例性方法包括：将衬底放置在等离子体腔中；在等离子体腔中形成等离子体；可控地切换至衬底的功率以向衬底施加周期性电压函数(或修正周期性电压函数)；以及响应于衬底表面的离子的限定的能量分布而在周期性电压函数的多个周期上调制周期性电压函数，以在时间平均的基础上实现限定的离子能量分布。

Description

用于监测开关模式离子能量分布系统的故障、异常和其它特性的系统和方法

技术领域

本公开内容总体上涉及等离子体处理。具体地、但并非限制地，本发明涉及用于等离子体辅助蚀刻、沉积和/或其它等离子体辅助工艺的方法和设备。

背景技术

很多类型的半导体器件是使用基于等离子体的蚀刻技术制造的。如果蚀刻的是导体，则可以向导电衬底施加相对于地的负电压，以跨衬底导体的表面产生大体上均匀的负电压，该负电压向导体吸引带正电的离子，并且因此，影响导体的正离子具有大体上相同的能量。

然而，如果衬底为电介质，不变的电压无法跨衬底表面设置电压。但是可以向导电板(或吸盘(chuck))施加AC电压(例，如高频)，以使AC电场在衬底表面上感生电压。在AC周期的正半周期间，衬底吸引电子，电子相对于正离子的质量而言较轻；因此在周期的正部分期间很多电子将被吸引到衬底的表面。作为结果，衬底的表面将带负电，这导致离子被吸引向带负电的表面。并且在离子影响衬底表面时，该影响从衬底表面去除材料——实现蚀刻。

在很多情况下，希望具有窄的离子能量分布，但是向衬底施加正弦波形感生出宽的离子能量分布，这限制了等离子体工艺完成所需蚀刻轮廓的能力。已知的实现窄离子能量分布的技术是昂贵、低效、难以控制的，并且可能对等离子体密度造成不利影响。作为结果，这些已知技术未得到商业应用。因此，需要一种系统和方法来解决目前技术的不足并且提供其它新的创造性的特征。

发明内容

下面总结了附图中所示的本公开内容的说明性实施例。在具体实施方式部分中更充分地描述了这些和其它实施例。然而，要理解，并非要将本发明限制于该发明内容或具体实施方式中所描述的形式。本领域的技术人员可以认识到，存在落在如权利要求所表示的本发明的精神和范围内的很多修改、等价方案和替代构造。

根据一个实施例，本发明可以被表现为用于建立一个或多个等离子体鞘层电压(sheath voltage)的方法。方法可以包括向等离子体腔的衬底支撑件提供修正周期性电压函数。衬底支撑件可以耦合到被配置为用于在等离子体中进行处理的衬底。同样，修正周期性电压函数可以包括由离子电流补偿I_C修正的周期性电压函数。修正周期性电压函数可以包括脉冲和脉冲之间的部分。同样，脉冲可以是周期性电压函数的函数，并且脉冲之间的部分的斜率可以是离子电流补偿I_C的函数。方法还可以包括获取有效电容值C₁，其至少表示衬底支撑件的电容。方法最终可以识别离子电流补偿I_C的值，这将获得到达衬底表面的离子的限定的离子能量分布函数，其中所述识别是有效电容C₁、脉冲之间的部分的斜率dV_O/dt的函数。

根据另一个实施例，本发明可以被描述为用于偏置等离子体以在等离子体处理腔内的衬底表面处获得限定的离子能量的方法。方法可以包括向衬底支撑件施加包括由离子电流补偿所修正的周期性电压函数的修正周期性电压函数。方法还可以包括对修正周期性电压函数的至少一个周期进行采样以产生电压数据点。方法还可以包括从电压数据点估计衬底表面处的第一离子能量的值。同样，方法可以包括调整修正周期性电压函数，直到第一离子能量等于限定的离子能量。

根据又一个实施例，本发明可以被表现为获得离子能量分布函数宽度的方法。方法可以包括向等离子体处理腔的衬底支撑件提供修正周期性电压函数。方法还可以包括在第一时间和第二时间从非正弦波形采样至少两个电压。方法还可以包括计算至少两个电压的斜率作为dV/dt。同样，方法可以包括将斜率与已知对应于离子能量分布函数宽度的参考斜率进行比较。最后，方法可以包括调整修正周期性电压函数，以使斜率接近参考斜率。

本公开内容的另一个方面可以被表现为包括电源、离子电流补偿部件和控制器的设备。电源可以提供具有脉冲和脉冲之间的部分的周期性电压函数。离子电流补偿部件可以修正脉冲之间的部分的斜率以形成修正周期性电压函数。修正周期性电压函数可以被配置为提供给衬底支撑件，用于在等离子体处理腔中进行处理。控制器可以耦合到开关模式电源和离子电流补偿部件。控制器还可以被配置为识别离子电流补偿的值，如果该值被提供给衬底支撑件，则会产生到达衬底表面的离子的限定的离子能量分布函数。

本公开内容的又一个方面可以被表现为非暂态有形计算机可读存储介质，其利用处理器可读指令进行编码，以执行用于监测被配置为处理衬底的等离子体的离子电流的方法。方法可以包括对被给定具有第一值的离子电流补偿的修正周期性电压函数进行采样，以及对被给定具有第二值的离子电流补偿的修正周期性电压函数进行采样。方法还可以包括基于第一和第二采样来确定作为时间的函数的修正周期性电压函数的斜率。方法还基于第一和第二采样来确定作为时间的函数的修正周期性电压函数的斜率。方法最后可以包括基于斜率来计算离子电流补偿的第三值，在该值处，衬底上的恒定电压将在修正周期性电压函数的至少一个周期内存在。

在本文中更详细地描述了这些和其它实施例。

附图说明

通过结合附图参考以下具体实施方式和所附权利要求，本发明的各种目的和优点、以及对其的更透彻的理解是显而易见的并且更容易被领会，在附图中，若干示图中的相同或相似的元件被指定了相同的附图标记，并且在附图中：

图1示出了根据本发明的一种实施方式的等离子体处理系统的方框图；

图2是描绘了图1中所描绘的开关模式功率系统的示例性实施例的方框图；

图3是可以用于实现参考图2所描述的开关模式偏置电源的部件的示意性表示；

图4是描绘了两个驱动信号波形的时序图；

图5是操作开关模式偏置电源的单一模式的图解表示，该模式实现了集中在特定离子能量处的离子能量分布；

图6是描绘双模操作模式的曲线图，其中产生了离子能量分布中的两个单独的峰；

图7A和7B是描绘等离子体中进行的实际直接离子能量测量的曲线图；

图8是描绘本发明的另一个实施例的方框图；

图9A是描绘由正弦式调制函数调制的示例性周期性电压函数的曲线图；

图9B是图9A中所描绘的周期性电压函数的部分的分解图；

图9C在时间平均的基础上描绘了由周期性电压函数的正弦调制所产生的离子能量分布；

图9D描绘了在由正弦调制函数调制周期性电压函数时，在所获得的时间平均IEDF的等离子体中进行的实际直接离子能量测量；

图10A描绘了由锯齿调制函数调制的周期性电压函数；

图10B是图10A中所描绘的周期性电压函数的部分的分解图；

图10C是在时间平均的基础上描绘了由图10A和10B中的周期性电压函数的正弦调制所产生的离子能量分布的曲线图；

图11是在右列示出IEDF函数并且在左列示出相关联的调制函数的曲线图；

图12是描绘了离子电流补偿部件对等离子体腔中的离子电流进行补偿的实施例的方框图；

图13是描绘了示例性离子电流补偿部件的示图；

图14是描绘了图13中所描绘的节点Vo处的示例性电压的曲线图；

图15A-15C是响应于补偿电流而出现在衬底或晶片的表面处的电压波形；

图16是可以被实施为实现参考图13所描述的电流源的电流源的示例性实施例；

图17A和17B是描绘本发明的其它实施例的方框图；

图18是描绘本发明的又一个实施例的方框图；

图19是描绘本发明的再一个实施例的方框图；

图20是可以结合参考图1-19所描述的实施例使用的输入参数和控制输出的方框图；

图21是描绘本发明的又一个实施例的方框图；

图22是描绘本发明的又一个实施例的方框图；

图23是描绘本发明的又一个实施例的方框图；

图24是描绘本发明的又一个实施例的方框图；

图25是描绘本发明的又一个实施例的方框图；

图26是描绘本发明的又一个实施例的方框图；

图27是示出本发明的又一个实施例的方框图；

图28示出了根据本公开内容的实施例的方法；

图29示出了根据本公开内容的实施例的另一种方法；

图30示出了对影响衬底表面的离子的离子能量分布进行控制的方法的一个实施例；

图31示出了用于设定IEDF和离子能量的方法；

图32示出了根据本公开内容的一个实施例的被输送到衬底支撑件的两个修正周期性电压函数波形；

图33示出了可以指示等离子体源不稳定性或等离子体密度的变化的离子电流波形；

图34示出了具有非周期形状的修正周期性电压函数波形的离子电流I_I；

图35示出了可以指示偏置电源内的故障的修正周期性电压函数波形；

图36示出了可以指示系统电容的动态变化的修正周期性电压函数波形；

图37示出了可以指示等离子体密度的变化的修正周期性电压函数波形；

图38示出了针对不同工艺区间(process run)的离子电流的采样，其中离子电流的漂移可以指示系统漂移；

图39示出了针对不同工艺参数的离子电流的采样；

图40示出了在腔中无等离子体的情况下监测到的两个偏置波形；

图41示出了可以用于验证等离子体工艺的两个偏置波形；

图42示出了显示电源电压与离子能量之间的关系的若干电源电压和离子能量曲线；

图43示出了对影响衬底表面的离子的离子能量分布进行控制的方法的一个实施例；

图44示出了在本文中所公开的系统中的不同点处的各种波形；

图45示出了在离子电流补偿中做出最终增量变化I_C以使其与离子电流I_I匹配的效果；

图46示出了离子能量的选择；

图47示出了离子能量分布函数宽度的选择和扩展；

图48示出了可以用于获得多于一个离子能量水平的电源电压V_PS的一种模式，其中每个离子能量水平具有窄的IEDF宽度；

图49示出了可以用于获得多于一个离子能量水平的电源电压V_PS的另一种模式，其中每个离子能量水平具有窄的IEDF宽度；以及

图50示出了可以用于产生限定的IEDF的电源电压V_PS与离子电流补偿I_C的一种组合。

具体实施方式

图1中总体上示出了等离子体处理系统的示例性实施例。如图所示，等离子体电源102耦合到等离子体处理腔104，并且开关模式电源106耦合到支撑件108，在支撑件108上，衬底110静置在腔104内。还示出了耦合到开关模式电源106的控制器112。

在该示例性实施例中，可以通过大体上常规构造的腔(例如，包括由泵或多个泵(未示出)抽空的真空盒)来实现等离子体处理腔104。本领域的普通技术人员将领会，腔104中的等离子体激励可以由包括例如螺旋型等离子体源的多种源中的任一种进行，螺旋型等离子体源包括在反应器中点燃并维持等离子体114的磁线圈和天线，并且可以提供用于向腔104中引入气体的气体进口。

如图所示，示例性等离子体腔104被布置并被配置为利用衬底110的高能离子轰击和其它等离子体处理(例如，等离子沉积和等离子体辅助离子注入)来对材料进行等离子体辅助蚀刻。该实施例中的等离子体电源102被配置为在一个或多个频率(例如，13.56MHz)下经由匹配网络(未示出)向腔104施加功率(例如，RF功率)以点燃并维持等离子体114。应当理解，本发明并不限于任何特定类型的等离子体电源102或用于将功率耦合到腔104的源，并且多种频率和功率电平可以被电容或电感耦合到等离子体114。

如图所示，待处理的电介质衬底110(例如，半导体晶片)至少部分地由支撑件108支撑，支撑件108可以包括常规晶片吸盘的一部分(例如，用于半导体晶片处理)。支撑件108可以被形成为在支撑件108与衬底110之间具有绝缘层，并且衬底110电容耦合到平台，但是可以在不同于支撑件108的电压处浮动。

如上所述，如果衬底110和支撑件108为导体，则可以向支撑件108施加不变的电压，并且由于通过衬底110的电传导，被施加到支撑件108的电压还被施加到衬底110的表面。

然而，在衬底110为电介质时，向支撑件108施加不变的电压则无法跨衬底110的待处理表面施加电压。作为结果，示例性开关模式电源106被配置为受到控制，以实现在衬底110的表面上施加电压，该电压能够吸引等离子体114中的离子来与衬底110碰撞，以便执行衬底110的受控蚀刻和/或沉积、和/或其它等离子体辅助工艺。

此外，如本文进一步论述的，开关模式电源106的实施例被配置为进行操作，以使在由等离子体电源102(向等离子体114)施加的功率与由开关模式电源106向衬底110施加的功率之间存在弱相互作用。由开关模式电源106施加的功率例如是可控的，从而能够在大体上不影响等离子体114的密度的情况下控制离子能量。

此外，图1中描绘的示例性开关模式电源106的很多实施例是由可以由相对简单的控制算法来控制的较廉价的部件实现的。并且与现有技术方法相比，开关模式电源106的很多实施例效率高得多；因此减小了与去除过剩热能相关联的能源成本和昂贵材料。

用于向电介质衬底施加电压的一种已知技术利用高功率线性放大器结合复杂控制方案来向衬底支撑件施加功率，这在衬底表面处感生电压。然而，该技术未被商业实体采用，因为它未被证明是成本高效的也未被证明是可充分管理的。具体而言，所利用的线性放大器通常较大、非常昂贵、效率低并且难以控制。此外，线性放大器固有地需要AC耦合(例如，阻隔电容器)，并且诸如夹紧(chucking)之类的辅助功能是利用并联反馈电路实现的，并联反馈电路损害了用于具有吸盘的电源的系统的AC频谱纯度。

已经考虑过的另一项技术是向衬底施加高频功率(例如，利用一个或多个线性放大器)。然而，已经发现该技术对等离子体密度有不利影响，因为施加到衬底的高频功率影响等离子体密度。

在一些实施例中，可以通过降压、升压和/或降压-升压型功率技术来实现图1中所描绘的开关模式电源106。在这些实施例中，可以控制开关模式电源106来施加不同电平的脉冲功率，以在衬底110的表面上感生电势。

在其它实施例中，通过其它更精密的开关模式功率和控制技术来实现开关模式电源106。接下来参考图2，例如，由开关模式偏置电源206来实现参考图1所描述的开关模式电源，开关模式偏置电源206用于向衬底110施加功率，以实现轰击衬底110的离子的一个或多个期望的能量。还示出了离子能量控制部件220、电弧检测部件222和耦合到开关模式偏置电源206和波形存储器224两者的控制器212。

这些部件的所示出的布置是符合逻辑的；因此可以在实际实施方式中组合或进一步分离部件，并且可以通过多种方式连接部件而不改变系统的基本操作。例如，在一些实施例中，可以由硬件、软件、固件或其组合实现的控制器212可以用于控制电源202和开关模式偏置电源206。然而，在替代的实施例中，由完全分开的功能单元来实现电源202和开关模式偏置电源206。作为另一个示例，控制器212、波形存储器224、离子能量控制部分220和开关模式偏置电源206可以集成到单个部件(例如，存在于公共外壳中)中或者可以分布在分立的部件之间。

该实施例中的开关模式偏置电源206探测被配置为以可控方式向支撑件208施加电压，以便实现轰击衬底表面的离子的期望(或限定)的能量分布。更具体地，开关模式偏置电源206被配置为通过向衬底施加处于特定功率电平的一个或多个特定波形来实现期望(或限定)的离子能量分布。并且更具体地，响应于来自离子能量控制部分220的输入，开关模式偏置电源206施加特定功率电平以实现特定离子能量，并且使用由波形存储器224中的波形数据所限定的一个或多个电压波形来施加特定功率电平。作为结果，可以利用离子控制部分来选择一个或多个特定离子轰击能量，以进行衬底的受控蚀刻(或其它形式的等离子体处理)。

如图所示，开关模式电源206包括开关部件226'、226”(例如，大功率场效应晶体管)，其适于响应于来自对应驱动部件228'、228”的驱动信号而对衬底210的支撑件208的功率进行开关。并且控制器212基于由波形存储器224的内容所限定的时序来控制由驱动部件228'、228”产生的驱动信号230'、230”。例如，在很多实施例中，控制器212适于解释波形存储器的内容并产生驱动控制信号232'、232”，驱动部件228'、228”利用该驱动控制信号来控制至开关部件226'、226”的驱动信号230'、230”。尽管可能被布置成半桥构造的两个开关部件226'、226”是出于示例性目的而描绘的，但是肯定想到可以在多种架构(例如，H桥构造)中实施较少或额外的开关部件。

在很多操作模式中，控制器212(例如，使用波形数据)调制驱动控制信号232'、232”的时序，以在衬底210的支撑件208处实现期望的波形。此外，开关模式偏置电源206适于基于离子能量控制信号234来向衬底210供应功率，离子能量控制信号234可以是DC信号或时变波形。因此，本实施例能够通过控制至开关部件的时序信号并且控制由开关部件226'、226”施加的功率(由离子能量控制部件220控制)来控制离子分布能量。

此外，在该实施例中，控制器212被配置为响应于等离子体腔204中的由电弧检测部件222检测的电弧而执行电弧管理功能。在一些实施例中，在检测到电弧时，控制器212改变驱动控制信号232'、232”，以使施加于开关模式偏置电源206的输出236的波形将等离子体214中的电弧熄灭。在其它实施例中，控制器212通过简单地中断驱动控制信号232'、232”的施加，以使开关模式偏置电源206的输出236处的功率的施加中断来熄灭电弧。

接下来参考图3，其是可以用于实现参考图2所描述的开关模式偏置电源206的部件的示意性表示。如图所示，该实施例中的开关部件T1和T2被布置成半桥(也被称为图腾柱)型拓扑结构。总体上，R2、R3、C1和C2表示等离子体负载，C10为有效电容(在本文中也被称为串联电容或吸盘电容)，并且C3是任选的物理电容器，以防止来自衬底表面上所感生的电压或来自静电吸盘(未示出)的电压的DC电流流过电路。C10被称为有效电容，因为它包括衬底支撑件和静电吸盘(或e-吸盘)的串联电容(或者也被称为吸盘电容)以及对例如绝缘材料和衬底施加偏置所固有的其它电容。如图所示，L1为杂散电感(例如，向负载馈送功率的导体的固有电感)。并且在该实施例中，存在三个输入：Vbus、V2和V4。

V2和V4表示驱动信号(例如，由参考图2所描述的驱动部件228'、228”输出的驱动信号230'、230”)，并且在该实施例中，可以为V2和V4定时(例如，脉冲和/或相互延迟的长度)，从而可以调制T1和T2的关闭，以控制施加到衬底支撑件的电压输出Vout的形状。在很多实施方式中，用于实现开关部件T1和T2的晶体管不是理想开关，因此为了实现期望的波形，要考虑晶体管特有的特性。在很多操作模式中，简单地改变V2和V4的时序能够在Vout处施加期望的波形。

例如，可以操作开关T1、T2以使衬底110、210表面处的电压总体上为负，并且周期性电压脉冲接近和/或稍微超过正电压参考。衬底110、210表面处的电压值限定了离子能量，离子能量可以以离子能量分布函数(IEDF)来表示。为了在衬底110、210的表面处实现(多个)期望的电压，Vout处的脉冲可以总体上为矩形并且脉冲的宽度长到足以在衬底110、210的表面处感生出短暂的正电压，以便向衬底110、210的表面吸引足够的电子，从而获得(多个)期望的电压和对应的离子能量。

接近和/或稍微超过正电压参考的周期性电压脉冲可以具有受到开关T1、T2的开关能力的限制的最小时间。电压的总体上为负的部分可以延伸，只要电压未形成损坏开关的电平。同时，电压的负部分的长度应当超过离子渡越时间。

该实施例中的Vbus限定了在Vout处测量的脉冲的振幅，其限定了衬底表面处的电压，并且作为结果，限定了离子能量。再次简要地参考图2，Vbus可以耦合到离子能量控制部分，其可以由适于向Vbus施加DC信号或时变波形的DC电源来实现。

可以调制两个信号V2、V4的脉冲宽度、脉冲形状和/或相互延迟，以在Vout处获得期望的波形(在本文中也被称为修正周期性电压函数)，并且施加到Vbus的电压可能影响脉冲的特性。换言之，电压Vbus可能影响信号V2、V4的脉冲宽度、脉冲形状和/或相对相位。例如，简要参考图4，示出了描绘两个驱动信号波形的时序图，两个驱动信号波形可以施加到T1和T2(作为V2和V4)，以便如图4所示地在Vout处产生周期性电压函数。为了调制Vout处的脉冲形状(例如，以获得Vout处的脉冲的最小时间，而仍然达到脉冲的峰值)，可以控制两个栅极驱动信号V2、V4的时序。

例如，可以向开关部件T1、T2施加两个栅极驱动信号V2、V4，所以将脉冲中的每一个施加到Vout处的时间与脉冲之间的时间T相比可以较短，但是其长度足以在衬底110、210表面感生正电压，以向衬底110、210的表面吸引电子。此外，已经发现，通过改变脉冲之间的栅极电压电平，可以控制在脉冲之间施加到Vout的电压的斜率(例如，以在脉冲之间在衬底表面处获得大体上恒定的电压)。在一些操作模式中，栅极脉冲的重复率大约为400kHz，但是该重复率在每种应用之间肯定不同。

尽管不是必须的，但在实践中，基于实际实施方式时的建模和细化，可以限定可以用于产生期望(或限定)的离子能量分布的波形，并且可以存储波形(例如，在参考图1描述的波形存储器部分中被存储为电压电平序列)。此外，在很多实施方式中，可以直接产生波形(例如，没有来自Vout的反馈)；因此避免反馈控制系统的不期望的方面(例如，稳定时间)。

再次参考图3，可以调制Vbus以控制离子的能量，并且存储的波形可以用于控制栅极驱动信号V2、V4，以在Vout处获得期望的脉冲振幅，同时使脉冲宽度最小化。再次，这是根据晶体管的特定特性完成的，其可以被建模或实施或通过经验方式建立。例如，参考图5，示出了描绘Vbus与时间的关系、衬底110、210表面处的电压与时间的关系、以及对应的离子能量分布的曲线图。

图5中的曲线图描绘了操作开关模式偏置电源106、206的单一模式，该模式实现了集中于特定离子能量处的离子能量分布。如图所示，在该示例中为实现离子能量的单一浓度，施加在Vbus处的电压保持恒定，而(例如，使用图3中所示的驱动信号)控制施加到V2和V4的电压，以便在开关模式偏置电源106、206的输出处产生脉冲，这实现了图5中所示的对应离子能量分布。

如图5所示，衬底110、210表面的电势总体上为负，以吸引轰击并蚀刻衬底110、210的表面的离子。(通过向Vout施加脉冲而)施加到衬底110、210的周期性短脉冲具有由施加到Vbus的电势限定的大小，并且这些脉冲使衬底110、210的电势产生短暂变化(例如，接近正电势或略微正电势)，这会向衬底表面吸引电子，以沿衬底110、210的表面获得总体上为负的电势。如图5所示，施加到Vbus的恒定电压在特定离子能量处实现了离子通量的单一浓度；因此可以通过简单地将Vbus设定为特定电势来选择特定离子轰击能量。在其它操作模式中，可以产生离子能量的两个或更多单独的浓度(例如，见图49)。

本领域的技术人员将认识到，电源不必限于开关模式电源，并且像这样，也可以控制电源的输出，以实现某一离子能量。像这样，无论是开关模式或其它电源的输出，在不与离子电流补偿或离子电流结合考虑时，还可以被称为电源电压V_PS。

例如，接下来参考图6，示出了描绘双模操作模式的曲线图，其中产生了离子能量分布中的两个单独的峰；如图所示，在该操作模式中，衬底经历了电压和周期性脉冲的两个不同电平，并且因此产生离子能量的两个单独的浓度。如图所示，为了实现两个不同的离子能量浓度，施加在Vbus处的电压在两个电平之间交替，并且每个电平限定了两个离子能量浓度的能量水平。

尽管图6描绘了衬底110、210的两个电压在每个脉冲之后交替变化(例如，图48)，但这不是必需的。例如，在其它操作模式中，施加到V2和V4的电压相对于施加到Vout的电压进行切换(例如，使用图3中所示的驱动信号)，以使衬底表面处感生的电压在两个或更多脉冲之后从第一电压交替变化到第二电压(例如，图49)(反之亦然)。

在现有技术中，已经尝试向线性放大器施加(由波形发生器产生的)两个波形的组合并且向衬底施加两个波形的放大的组合，以实现多种离子能量。然而，该方式比参考图6描述的方式复杂得多，并且需要昂贵的线性放大器和波形发生器。

接下来参考图7A和7B，它们示出了描绘在等离子体中进行的实际直接离子能量测量的曲线图，它们分别对应于施加到Vbus的DC电压的单能量和双电平调节。如图7A所示，响应于施加到Vbus的不变的电压(例如，如图5所示)，离子能量分布集中于大约80eV。并且在图7B中，响应于Vbus的双电平调节(例如，如图6中所示)，在大约85eV和115eV处存在离子能量的两个单独的浓度。

接下来参考图8，示出了描绘本发明的另一个实施例的方框图。如图所示，开关模式电源806经由电弧检测部件822耦合到控制器812、离子能量控制部件820和衬底支撑件808。控制器812、开关模式电源806和离子能量控制部件820一起操作用于向衬底支撑件808施加功率，以便在时间平均的基础上在衬底810的表面处实现期望(或限定)的离子能量分布。

例如，简要参考图9A，其示出了具有大约400kHz的频率的周期性电压函数，该周期性电压函数在周期性电压函数的多个周期上被大约5kHz的正弦调制函数调制。图9B是周期性电压函数的在图9A中被圈出的部分的分解图，并且图9C在时间平均的基础上描绘了由周期性电压函数的正弦调制所产生的离子能量分布。并且图9D描绘了在由正弦调制函数调制周期性电压函数时的在所获得的时间平均IEDF的等离子体中进行的实际直接离子能量测量。如本文进一步论述的，可以通过简单地改变施加到周期性电压的调制函数来在时间平均的基础上实现期望(或限定)的离子能量分布。

参考图10A和10B作为另一示例，由大约5kHz的锯齿调制函数来调制400kHz周期性电压函数，以在时间平均的基础上获得图10C所示的离子能量分布。如图所示，结合图10使用的周期性电压函数与图9中的相同，只是图10中的周期性电压函数是由锯齿函数而不是正弦函数调制的。

应当认识到，图9C和10C中所示的离子能量分布函数不表示衬底810表面处的离子能量的瞬时分布，而是表示离子能量的时间平均。例如，参考图9C，在特定时刻，离子能量的分布将是在调制函数的整个周期的时间内存在的离子能量的所示分布的子集。

也应当认识到，调制函数不必是固定函数也不必有固定频率。例如，在一些实例中，可能希望利用特定调制函数的一个或多个周期来调制周期性电压函数以实现特定的时间平均离子能量分布，并且然后利用另一个调制函数的一个或多个周期来调制周期性电压函数以实现另一个时间平均的离子能量分布。调制函数(调制周期性电压函数)的这种变化在很多情况下可能是有益的。例如，如果需要离子能量的特定分布来蚀刻特定几何构造或蚀刻穿过特定材料，则可以使用第一调制函数，并且然后可以随后使用另一调制函数来实现不同蚀刻几何形态或蚀刻穿过另一种材料。

类似地，周期性电压函数(例如，图9A、9B、10A和10B中的400kHz分量和图4中的Vout)不必是刚性固定的(例如，周期性电压函数的形状和频率可以变化)，但是通常由腔内的离子的渡越时间来确立其频率，以使腔中的离子受到施加于衬底810的电压的影响。

返回参考图8，控制器812向开关模式电源806提供驱动控制信号832'、832”，以使开关模式电源806产生周期性电压函数。可以由图3中所示的部件来实现开关模式电源806(例如，以产生图4中所示的周期性电压函数)，但是肯定想到可以利用其它开关架构。

通常，离子能量控制部件820用于向周期性电压函数(其由控制器812结合开关模式电源806产生)施加调制函数。如图8所示，离子能量控制部件820包括与定制IEDF部分850通信的调制控制器840、IEDF函数存储器848、用户接口846和功率部件844。应当认识到，描述这些部件是为了表达功能部件，功能部件事实上可以由共同或不同部件来实现。

该实施例中的调制控制器840通常基于限定调制函数的数据来控制功率部件844(并且因此控制其输出834)，并且功率部件844产生调制函数834(基于来自调制控制器840的控制信号842)，其被施加到由开关模式电源806产生的周期性电压函数。在该实施例中，用户接口846被配置为使用户能够选择存储在IEDF函数存储器848中的预定IEDF函数，或者结合定制IEDF部件850来限定定制IEDF。

在很多实施方式中，功率部件844包括DC电源(例如，DC开关模式电源或线性放大器)，其向开关模式电源(例如，向图3中所示的开关模式电源的Vbus)施加调制函数(例如，变化的DC电压)。在这些实施方式中，调制控制器840控制由功率部件844输出的电压电平，以使功率部件844施加符合调制函数的电压。

在一些实施方式中，IEDF函数存储器848包括多个数据集，其对应于多个IEDF分布函数中的每一个，并且用户接口846使用户能够选择期望(或限定)的IEDF函数。例如，参考图11，右列示出的是可供用户选择的示例性IEDF函数。并且左列描绘了调制控制器840结合电源部件844会应用于周期性电压函数以实现对应IEDF函数的关联调制函数。应当认识到，图11中所示的IEDF函数仅仅是示例性的，并且存在其它IEDF函数可供选择。

定制IEDF部件850通常用于使用户能够经由用户接口846来限定期望(或限定)的离子能量分布函数。例如在一些实施方式中，定制IEDF部件850使用户能够为限定离子能量分布的特定参数确立值。

例如，定制IEDF部件850可能能够根据高水平(IF高)、中等水平(IF中)和低水平(IF低)处的相对通量水平(例如，根据通量的百分比)、结合限定这些能量水平之间的IEDF的(多个)函数来限定IEDF函数。在很多实例中，仅IF高、IF低和这些水平之间的IEDF函数足以限定IEDF函数。作为具体示例，用户可以在20％贡献水平(对总体IEDF的贡献)下要求1200eV，在30％贡献水平下要求700eV，并且这两个水平之间具有正弦波IEDF。

还考虑到，定制IEDF部分850可以使用户能够利用一个或多个(例如，多个)能量水平和每个能量水平对IEDF的对应的百分比贡献的列表来填写表格。在又一替代的实施例中，考虑到定制IEDF部件850结合用户接口846通过为用户呈现图形工具来使用户能够以图形方式产生期望(或限定)的IEDF，该图形工具使用户能够绘制期望(或限定)的IEDF。

此外，还考虑到IEDF函数存储器848和定制IEDF部件850可以交互操作以使用户能够选择预定的IEDF函数并且然后改变预定的IEDF函数，以产生从预定的IEDF函数导出的定制IEDF函数。

一旦限定了IEDF函数，调制控制器840将限定期望(或限定)的IEDF函数的数据转换成控制信号842，控制信号842控制电源部件844，以使电源部件844实现对应于期望(或限定)的IEDF的调制函数。例如，控制信号842控制电源部件844以使电源部件844输出由调制函数限定的电压。

接下来参考图12，其是描绘了离子电流补偿部件1260补偿等离子体腔1204中的离子电流的实施例的方框图。申请人已经发现，在较高能量水平处，腔内的较高水平的离子电流影响衬底表面处的电压，并且因此，离子能量分布也受到影响。例如，简要参考图15A-15C，它们示出了在衬底1210或晶片表面出现的电压波形及其与IEDF的关系。

更具体地，图15A描绘了在离子电流I_I等于补偿电流I_C时的衬底1210表面的周期性电压函数；图15B描绘了在离子电流I_I大于补偿电流I_C时的衬底1210表面的电压波形；并且图15C描绘了离子电流I_I小于补偿电流I_C时的衬底表面的电压波形。

如图15A所示，与图15B所示的I_I>I_C时的离子能量的均匀扩展1472或图15C所示的I_I<I_C时的离子能量的均匀扩展1474相比，在I_I＝I_C时离子能量的扩展1470较窄。因此，离子电流补偿部件1260能够在离子电流高时实现窄的离子能量扩展(例如，通过补偿离子电流的影响)，并且还能够控制均匀离子能量扩展1572、1574的宽度(例如，在希望具有离子能量扩展时)。

如图15B所示，在没有离子电流补偿(在I_I>I_C时)的情况下，衬底表面的电压在周期性电压函数的正部分之间以斜坡状方式使其负值减小，这产生离子能量的较宽扩展1572。类似地，在离子电流补偿用于将补偿电流的水平提高到超过图15C所示的离子电流(I_I<I_C)的水平时，衬底表面的电压在周期性电压函数的正部分之间以斜坡状方式使其正值增大，并且产生了均匀离子能量的较宽扩展1574。

返回参考图12，离子电流补偿部件1260可以被实现为单独的附件，其可以任选地被添加到开关模式电源1206和控制器1212。在其它实施例中，(例如，如图13所示)，离子电流补偿部件1260可以与本文中所描述的其它部件(例如，开关模式电源106、206、806、1206和离子能量控制部件220、820)共享公共外壳1366。在该实施例中，提供给等离子体腔1204的周期性电压函数可以被称为修正周期性电压函数，因为其包括由来自离子电流补偿部件1260的离子电流补偿所修正的周期性电压函数。控制器1212可以在不同时间对开关模式电源1206与离子电流补偿1260的输出组合的电气节点处的电压进行采样。

如图13所示，其示出了示例性离子电流补偿部件1360，其包括耦合到开关模式电源的输出1336的电流源1364、以及耦合到电流源1364和输出1336两者的电流控制器1362。图13中还描绘了等离子体腔1304，并且在等离子体腔内的是电容元件C1、C2和离子电流I_I。如图所示，C₁表示与腔1304相关联的部件的固有电容(本文中也被称为有效电容)，这些部件可以包括但不限于绝缘材料、衬底、衬底支撑件和e-吸盘，并且C₂表示鞘层电容和杂散电容。在该实施例中，提供给等离子体腔1304并且可以在V_O下进行测量的周期性电压函数可以被称为修正周期性电压函数，因为其包括由离子电流补偿I_C所修正的周期性电压函数。

鞘层(本文中也被称为等离子体鞘层)是等离子体中的接近衬底表面的层，并且可能是等离子体腔的具有高密度正离子并且因此总体上正电荷过剩的壁。与鞘层接触的表面通常具有占优势的负电荷。鞘层是由于电子速度比正离子速度快而出现的，因此使电子的较大部分到达衬底表面或壁，因此使鞘层的电子耗尽。鞘层厚度λ_sheath是诸如等离子体密度和等离子体温度之类的等离子体特性的函数。

应当注意，由于该实施例中的C₁是与腔1304相关联的部件的固有(本文中也被称为有效)电容，所以它不是为获得对处理的控制而添加的可访问的(accessible)电容。例如，利用线性放大器的一些现有技术方式利用阻隔电容器将偏置功率耦合到衬底，并且然后将监测到的阻隔电容器两端的电压用作反馈来控制其线性放大器。尽管在本文中所公开的很多实施例中，电容器可以将开关模式电源耦合到衬底支撑件，但不一定要这样做，因为在本发明的若干实施例中不需要使用阻隔电容器的反馈控制。

在参考图13时同时参考图14，其是描绘图13中所示的Vo处的示例性电压(例如，修正周期性电压函数)的曲线图。在操作中，电流控制器1362监测Vo处的电压，并且离子电流在时间间隔t(图14中所示)上被计算为：

I_{I} = C_{1} \frac{dVo}{dt}

(方程1)

离子电流I_I和固有电容(也被称为有效电容)C₁中的一个或两个可以随时间变化。由于C₁对于给定工具而言大体上恒定并且是可测量的，所以仅需要监测Vo来实现对补偿电流的持续控制。如上所述，为获得离子能量的更单能的分布(例如，图15A中所示)，电流控制器控制电流源1364，以使I_C与I_I大体上相同(或者在替代方式中，二者根据方程2而相关)。通过这种方式，即使在离子电流达到影响衬底表面处的电压的水平时，也可以维持离子能量的窄扩展。并且此外如果需要，可以如图15B和15C所示地控制离子能量的扩展，以使得在衬底表面处实现额外的离子能量。

图13中还描绘了反馈线路1370，其可以与控制离子能量分布结合使用。例如，图14所示的ΔV的值(本文中也被称为电压阶跃或第三部分1406)指示瞬时离子能量并且在很多实施例中可以被用作反馈控制环路的部分。在一个实施例中，电压阶跃ΔV根据方程4而与离子能量相关。在其它实施例中，峰峰电压V_PP可以与瞬时离子能量相关。替代地，峰峰电压V_PP与第四部分1408的斜率dV_O/dt乘以时间t所得的积之间的差可以与瞬时离子能量相互关联(例如，V_PP-dV_O/dt·t)。

接下来参考图16，其示出了电流源1664的示例性实施例，电流源1664可以被实施为实现参考图13描述的电流源1364。在该实施例中，可控的负DC电压源与串联电感器L2结合用作电流源，但本领域的普通技术人员将领会，根据本说明书，可以由其它部件和/或构造实现电流源。

图43示出了对影响衬底表面的离子的离子能量分布进行控制的方法的一个实施例。方法4300开始于向等离子体腔内的支撑衬底的衬底支撑件施加修正周期性电压函数4302(见图44中的修正周期性电压函数4402)。可以经由例如离子电流补偿I_C(见图44中的I_C 4404)和电源电压V_PS(见图44中的电源电压4406)的至少两个“旋钮”来控制修正周期性电压函数。用于产生电源电压的示例性部件是图1中的开关模式电源106。为了帮助解释电源电压V_PS，在本文中其被示出为在未耦合到离子电流和离子电流补偿的情况下进行测量。然后在离子电流补偿I_C 4304的第一值和第二值处对修正周期性电压函数进行采样。为离子电流补偿I_C的每个值获取修正周期性电压函数的电压的至少两个样本。执行采样4304以实现离子电流I_I和鞘层电容C_sheath 4306的计算4306(或确定)。这种确定可以包含找到离子电流补偿I_C，如果I_C被施加到衬底支撑件(或在被施加到衬底支撑件时)，会产生窄(例如，最小)离子能量分布函数(IEDF)宽度。计算4306还可以任选地包括基于修正周期性电压函数的波形的采样4304来确定电压阶跃ΔV(也被称为修正周期性电压函数1406的第三部分)。电压阶跃ΔV可以与到达衬底表面的离子的离子能量相关。在第一次找到离子电流I_I时，可以忽略电压阶跃ΔV。下面将在图30的论述中提供采样4304和计算4306的细节。

一旦知道了离子电流I_I和鞘层电容C_sheath，方法4300可以移动到图31的方法3100，其包含设定并监测IEDF的离子能量和形状(例如，宽度)。例如，图46示出了电源电压的变化能够如何影响离子能量的变化。具体而言，减小了所示电源电压的大小，这导致离子能量的大小减小。此外，图47示出，给定窄IEDF 4714，IEDF可以通过调整离子电流补偿I_C来加宽。替代地或并行地，方法4300可以执行参考图32-41描述的各种度量，它们利用离子电流I_I、鞘层电容C_sheath和修正周期性电压函数的波形的其它方面。

除了设定离子能量和/或IEDF宽度，方法4300可以调整修正周期性电压函数4308，以维持离子能量和IEDF宽度。具体而言，可以执行由离子电流补偿部件提供的离子电流补偿I_C的调整以及电源电压的调整4308。在一些实施例中，可以由电源的母线电压V_bus(例如，图3的母线电压V_bus)控制电源电压。离子电流补偿I_C控制IEDF宽度，并且电源电压控制离子能量。

在这些调整4308之后，可以再次对修正周期性电压函数进行采样4304，并且可以再次执行离子电流I_I、鞘层电容C_sheath和电压阶跃ΔV的计算4306。如果离子电流I_I或电压阶跃ΔV不是限定的值(或者在替代方案中，期望值)，则可以调整4308离子电流补偿I_C和/或电源电压。可以循环进行采样4304、计算4306和调整4308，以保持离子能量eV和/或IEDF宽度。

图30示出了对影响衬底表面的离子的离子能量分布进行控制的方法的另一个实施例。在一些实施例中，如上所述，可能希望实现窄IEDF宽度(例如，最小IEDF宽度或在替代方式中，～6％半高全宽)。像这样，方法3000可以向腔和衬底支撑件提供修正周期性电压函数，以使衬底表面处存在恒定的衬底电压并且因此存在恒定的鞘层电压。这又在大体上恒定的电压下加速离子穿过鞘层，因此使离子能够以大体上相同的离子能量影响衬底，这又提供了窄IEDF宽度。例如，在图45中，能够看出，调整离子电流补偿I_C可以使脉冲之间的衬底电压V_sub具有恒定或大体上恒定的电压，因此使IEDF变窄。

假设没有杂散电容(见图45中的周期性电压函数(V_O)的最后五个周期)，在离子电流补偿I_C等于离子电流I_I时获得了这种修正周期性电压函数。在考虑杂散电容C_stray的替代方案中，离子电流补偿I_C根据方程2而与离子电流I_I相关：

I_{I} = I_{C} \frac{C_{1}}{C_{1} + C_{stray}}

(方程2)

其中，C₁为有效电容(例如，参考图3和13描述的固有电容)。有效电容C₁可以随时间变化或恒定。出于本公开内容的目的，在I_I＝I_C时或者在替代方案中，在满足方程2时，可以存在窄IEDF宽度。图45-50使用命名(nomenclature)I_I＝I_C，但是应当理解，这些等式仅是方程2的简化，并且因此方程2可以替代图45-50中使用的等式。杂散电容C_stray是从电源看到的等离子体腔的累积电容。图45中示出了八个周期。

方法3000可以开始于向衬底支撑件(例如，图1中的衬底支撑件108)施加修正周期性电压函数(例如，图14中所示的修正周期性电压函数或图44中的修正周期性电压函数4402)3002。可以在两个或更多时间处对修正周期性电压函数的电压进行采样3004，并且根据该采样可以计算3006修正周期性电压函数的周期的至少一部分的斜率dV_O/dt(例如，脉冲之间的部分或第四部分1408的斜率)。在决定3010之前的一些点，可以访问3008(例如，从存储器或从用户输入)有效电容C₁(例如，图13中的固有电容C₁、以及图3中的固有电容C₁₀)的先前确定的值。基于斜率dV_O/dt、有效电容C₁和离子电流补偿I_C，可以为离子电流补偿I_C的每个值估计函数f(方程3)，如下所示：

f (I_{C}) = \frac{d v_{o}}{dt} - \frac{I_{C}}{C_{1}}

(方程3)

如果函数f为真，则离子电流补偿I_C等于离子电流I_I，或者在替代方案中，使方程2为真并且已经获得窄IEDF宽度3010(例如，见图45)。如果函数f非真，则可以进一步调整3012离子电流补偿I_C，直到函数f为真。看这个问题的另一种方式是可以调整离子电流补偿I_C直到其匹配离子电流I_I(或者在替代方案中，满足方程2的关系)，在该点将存在窄IEDF宽度。可以在图45中看到对离子电流补偿I_C的这种调整以及所产生的IEDF的窄化。可以在存储操作3014中存储(例如，在存储器中)离子电流I_I和对应的离子电流补偿I_C。离子电流I_C可以随时间变化，如有效电容C₁那样。

在满足方程3时，离子电流I_I为已知(因为I_C＝I_I或因为方程2为真)。因此，方法3000在不影响等离子体的情况下实现了对离子电流I_I的远程非侵入实时测量。这产生了若干新颖的度量，例如将参考图32-41描述的那些(例如，等离子体密度的远程监测和等离子体源的远程故障检测)。

在调整3012补偿电流I_C时，离子能量将可能比δ函数宽，并且离子能量将类似于图15B、15C或44的离子能量。然而，一旦发现补偿电流I_C满足方程2，IEDF将表现得如图15A或图45的右侧部分所示——具有窄IEDF宽度(例如，最小IEDF宽度)。这是因为在I_C＝I_I时(或替代地在方程2为真时)，修正周期性电压函数的脉冲之间的电压产生大体上恒定的鞘层或衬底电压，并且因此产生大体上恒定的离子能量。在图46中，衬底电压4608包括恒定电压部分之间的脉冲。这些脉冲具有使它们对离子能量和IEDF的影响可以忽略的短持续时间，并且因此衬底电压4608被称为大体上恒定。

下文提供了关于图30中所示的方法步骤中的每一个的其它细节。在一个实施例中，修正周期性电压函数可以具有如图14中所示的波形并且可以包括第一部分(例如，第一部分1402)、第二部分(例如，1404)、第三部分(例如，第三部分1406)和第四部分(例如，第四部分1408)，其中第三部分可以具有电压阶跃ΔV并且第四部分可以具有斜率dV_O/dt。斜率dV_O/dt可以为正、负或零。修正周期性电压函数1400也可以被描述为具有包括第一部分1402、第二部分1404和第三部分1406的脉冲、以及脉冲之间的部分(第四部分1408)。

修正周期性电压函数可以被测量为图3中的V_O并且可以表现为图44中的修正周期性电压函数4402。通过组合电源电压4406(也被称为周期性电压函数)与离子电流补偿4404来产生修正周期性电压函数4402。电源电压4406在很大程度上对产生和塑造修正周期性电压函数4402的脉冲负责，并且离子电流补偿4404在很大程度上对产生和塑造通常是直线斜率电压的脉冲之间的部分负责。增大离子电流补偿I_C使脉冲之间的部分的斜率的大小减小，如图45中可见。减小电源电压4606的大小使修正周期性电压函数4602的脉冲和峰峰电压的振幅的大小减小，如图46中可见。

在电源为开关模式电源的情况下，可以应用第一开关T1和第二开关T2的开关示图4410。例如，第一开关T1可以被实施为图3中的开关T1，并且第二开关T2可以被实施为图3中的第二开关T2。两个开关被示出为具有相同的开关时间，但是相位相差180°。在其它实施例中，开关可以具有例如图4中所示的轻微的相位偏移。在第一开关T1被接通时，电源电压被拉到最大大小，其是图44中的负值，因为电源具有负母线电压。在该时间段内，第二开关T2被关断，以使电源电压4406与地隔离。在开关反转时，电源电压4406接近并稍微超过地。在所示实施例中，存在两种脉冲宽度，但这不是要求的。在其它实施例中，脉冲宽度可以对于所有周期都相同。在其它实施例中，脉冲宽度可以随时间变化或受到调制。

修正周期性电压函数可以被施加到衬底支撑件3002，并且在修正周期性电压函数到达衬底支撑件之前的最后可达点处(例如，在开关模式电源与有效电容之间)被采样3004作为V_O。未修正的周期性电压函数(或图44中的电源电压4406)可以源自诸如图12中的开关模式电源1206之类的电源。图44中的离子电流补偿4404可以源自诸如图12中的离子电流补偿部件1260或图13中的1360之类的电流源。

可以对修正周期性电压函数的一部分或整体进行采样3004。例如，可以对第四部分(例如，第四部分1408)进行采样。可以在电源与衬底支撑件之间进行采样3004。例如，在图1中，可以在开关模式电源106与支撑件108之间进行采样3004。在图3中，可以在电感器L1与固有电容C10之间进行采样3004。在一个实施例中，可以在电容C3与固有电容C10之间的V_O处进行采样3004。由于不可以对固有电容C10和不是等离子体的元件(R2，R3，C1和C2)进行实时测量，所以通常对图3中的固有电容C10的左侧执行采样3004。尽管通常不能在处理期间测量固有电容C10，但是固有电容C10通常为已知常数并且因此可以在制造期间进行设定。同时，在一些情况下，固有电容C10可以随时间变化。

尽管在一些实施例中仅需要修正周期性电压函数的两个样本，但在其它实施例中，可以针对修正周期性电压函数的每个周期获取数百、数千或数万的样本。例如，采样率可以大于400kHz。这些采样率能够更准确且详细地监测修正周期性电压函数及其形状。在这同一脉络中，更详细地监测周期性电压函数允许更准确地比较波形：在周期之间、在不同工艺条件之间、在不同工艺之间、在不同腔之间、在不同的源之间等。例如，在这些采样率下，可以区分图14中所示的周期性电压函数的第一、第二、第三和第四部分1402、1404、1406、1408，这在传统采样率下是不可能的。在一些实施例中，较高的采样率能够分辨电压阶跃ΔV和斜率dV_O/dt，这在现有技术中是不可能的。在一些实施例中，可以对修正周期性电压函数的一部分进行采样，而不对其它部分进行采样。

对斜率dV_O/dt的计算3006可以基于在时间t期间(例如，第四部分1408)获取的多个V_O测量。例如，可以执行线性拟合以将线拟合到V_O值，其中直线的斜率给定斜率dV_O/dt。在另一实例中，可以确定图14中的时间t(例如，第四部分1408)的开始和结束处的V_O值并且可以在这两个点之间拟合一条线，线的斜率被给定为dV_O/dt。这些仅是能够计算脉冲之间的部分的斜率dV_O/dt的众多方式中的两种。

决定3010可以是用于将IEDF调谐为窄宽度(例如，最小宽度，或者在替代方案中，6％的半高全宽)的迭代循环的一部分。方程3仅在离子电流补偿I_C等于离子电流I_I(或者在替代方案中，根据方程2而与I_I相关)的情况下保持为真，这仅在存在恒定的衬底电压并且因此存在恒定且大体上单一的离子能量(窄IEDF宽度)的情况下出现。可以在图46中看到恒定的衬底电压4608(V_sub)。因此，可以将离子电流I_I或离子电流补偿I_C用于方程3中。

替代地，可以在第一周期和第二周期中对沿第四部分1408(也被称为脉冲之间的部分)的两个值进行采样，并且可以分别为每个周期确定第一和第二斜率。根据这两个斜率，可以确定离子电流补偿I_C，其预期会使方程3对于尚未测量的第三斜率为真。因此，可以估计离子电流I_I，预计其对应于窄IEDF宽度。这些仅是能够确定窄IEDF宽度的很多方式中的两种，并且可以发现对应的离子电流补偿I_C和/或对应的离子电流I_I。

对离子电流补偿I_C的调整3012可以包含增大或减小离子电流补偿I_C，并且因此对每次调整的步长没有限制。在一些实施例中，方程3中的函数f的符号可以用于确定增大还是减小离子电流补偿。如果符号为负，则可以减小离子电流补偿I_C，而正符号可以指示需要增大离子电流补偿I_C。

一旦识别出等于离子电流I_I(或者，在替代方案中，根据方程2而与I_I相关)的离子电流补偿I_C，方法3000可以前进到其它设定点操作(见图31)或远程腔和源监测操作(见图32-41)。其它设定点操作可以包括设定离子能量(同样见图46)和离子能量的分布或IEDF宽度(同样见图47)。源和腔监测可以包括监测等离子体密度、电源异常、等离子体电弧等。

此外，方法3000可以任选地循环返回采样3004，以连续(或在替代方式中，周期性地)更新离子电流补偿I_C。例如，给定当前离子电流补偿I_C，可以周期性地执行采样3004、计算3006、决定3010和调整3012，以确保继续满足方程3。同时，如果满足方程3的离子电流补偿I_C被更新，则同样可以更新离子电流I_I并且可以存储3014更新的值。

尽管方法3000可以发现并设定离子电流补偿I_C以使其等于离子电流I_I，或者在替代方案中，以满足方程2，但是可以在不将离子电流I_C设定成该值的情况下(或在替代方案中，在此之前)确定获得窄IEDF宽度所需的离子电流补偿I_C的值。例如，通过在第一周期施加第一离子电流补偿I_C1并测量脉冲之间的电压的第一斜率dV_O1/dt，并且通过在第二周期施加第二离子电流补偿I_C2并测量脉冲之间的电压的第二斜率dV_O2/dt，可以确定与第三离子电流补偿I_C3相关联的第三斜率dV_O3/dt，预计第三斜率dV_O3/dt使方程3为真。第三离子电流补偿Ic3可以是在施加时会产生窄IEDF宽度的离子电流补偿。因此，可以仅利用离子电流补偿的单次调整来确定满足方程3并且因此对应于离子电流I_I的离子电流补偿I_C。方法3000然后能够前进到图31和/或图32-41所描述的方法，而始终无需将离子电流I_C设定成由于获得窄IEDF宽度所需的值。可以执行这种实施例以提高调谐速度。

图31示出了用于设定IEDF宽度和离子能量的方法。方法起源于图30中所示的方法3000，并且可以使用左侧路径3100(也被称为IEDF分支)或右侧路径3101(也被称为离子能量分支)中的任一个，这需要分别设定IEDF宽度和离子能量。离子能量eV与电压阶跃ΔV或图14的修正周期性电压函数1400的第三部分1406成比例。可以将离子能量eV与电压阶跃ΔV之间的关系写成方程4：

eV = ΔV \frac{C_{1}}{C_{2} + C_{1}}

(方程4)

其中C₁是有效电容(例如，吸盘电容；图3中的固有电容C10；或图13中的固有电容C1)，并且C₂是鞘层电容(例如，图3中的鞘层电容C4或图13中的鞘层电容C2)。鞘层电容C₂可以包括杂散电容并且取决于离子电流I_I。可以测量电压阶跃ΔV作为修正周期性电压函数1400的第二部分1404与第四部分1408之间的电压的变化。通过控制并监测电压阶跃ΔV(其是电源电压或诸如图3中的母线电压V_bus之类的母线电压的函数)，可以控制并获知离子能量eV。

同时，可以根据方程5对IEDF宽度进行近似：

IEDF width = V_{PP} - ΔV - \frac{It}{C}

(方程5)

其中在C为C_series的情况下I为I_I，或者在C为C_effective的情况下I为I_C。时间t是脉冲之间的时间，V_PP是峰峰电压，并且ΔV是电压阶跃。

此外，鞘层电容C₂可以用于多种计算和监测操作。例如，Debye鞘层距离λ_sheath可以被估计如下：

λ_{sheath} = \frac{&Element; A}{C_{2}}

(方程6)

其中∈是真空电容率并且A是衬底的面积(或者在替代方案中，衬底支撑件的表面面积)。在一些高电压应用中，方程6被写为方程7：

λ_{sheath} = \sqrt{\frac{T_{e} {&Element;}_{0}}{n_{e} q}} \cdot {(\frac{V}{2} T_{e})}^{75}

(方程7)

此外，鞘层中的电场可以被估计为鞘层电容C₂、鞘层距离λ_sheath和离子能量eV的函数。鞘层电容C₂连同离子电流I_I也可以用于根据方程8确定等离子体密度n_e，其中对于单电离的等离子体，饱和电流I_sat与补偿电流I_C线性相关。

I_{sat} = Σ n_{i} q_{i} \sqrt{\frac{k T_{e}}{m_{i}}} A \approx n_{e} q \sqrt{\frac{k T_{e}}{&lang; m &rang;}} A

(方程8)

可以使用鞘层电容C₂和饱和电流I_sat计算衬底表面的离子的有效质量。等离子体密度n_e、鞘层中的电场、离子能量eV、离子的有效质量和衬底的DC电势V_DC是通常仅经由现有技术中的间接手段监测的基本等离子体参数。本公开内容能够直接测量这些参数，于此能够更准确地实时监测等离子体特性。

如在方程4中所见的，鞘层电容C₂还可以用于监测和控制离子能量eV，如图31的离子能量分支3101所示。离子能量分支3101开始于接收离子能量的用户选择3102。然后离子能量分支3101能够为供应周期性电压函数的开关模式电源设定初始电源电压3104。在采样周期性电压操作3108之前的一些点，还可以访问离子电流(例如，从存储器访问)3106。可以对周期性电压进行采样3108，并且可以测量修正周期性电压函数的第三部分3110。可以由修正周期性电压函数的电压阶跃ΔV(也被称为第三部分(例如，第三部分1406))计算离子能量I_I 3112。然后离子能量分支3101能够确定离子能量是否等于限定的离子能量3114，如果是等于，则离子能量处于期望的设定点并且离子能量分支3101可以结束。如果离子能量不等于限定的离子能量，则离子能量分支3101可以调整电源电压3116，并且再次对周期性电压进行采样3108。然后离子能量分支3101能够通过采样3108、测量3110、计算3112、决定3114和设定3116来进行循环，直到离子能量等于限定的离子能量。

在图31的IEDF分支3100中示出了用于监测和控制IEDF宽度的方法。IEDF分支3100包括接收IEDF宽度的用户选择3150以及对当前IEDF宽度进行采样3152。然后决定3154确定限定的IEDF宽度是否等于当前IEDF宽度，并且如果符合决定3152，则IEDF宽度是希望(或限定)的，并且IEDF分支3100可以结束。然而，如果当前IEDF宽度不等于限定的IEDF宽度，则可以调整离子电流补偿I_C 3156。该确定3154和调整3156可以以循环方式继续进行，直到当前IEDF宽度等于限定的IEDF宽度。

在一些实施例中，IEDF分支3100还可以被实施为保护期望的IEDF形状。可以产生各种IEDF形状并且每个形状可以与不同离子能量和IEDF宽度相关联。例如，第一IEDF形状可以是δ函数，而第二IEDF形状可以是平方函数。其它IEDF形状可以是杯形。在图11中可以看到各种IEDF形状的示例。

获知了离子电流I_I和电压阶跃ΔV，就可以求解方程4得到离子能量eV。可以通过改变电源电压来控制电压阶跃ΔV，这又使电压阶跃ΔV改变。较大的电源电压使电压阶跃ΔV增大，并且电源电压减小使电压阶跃ΔV减小。换言之，增大电源电压产生较大的离子能量eV。

此外，由于以上系统和方法在连续变化的反馈环路上进行操作，所以尽管由于等离子体源或腔条件的变化或人为调整而导致等离子体变化，但仍然可以保持期望(或限定)的离子能量和IEDF宽度。

尽管已经根据单一离子能量描述了图30-41，本领域的技术人员将认识到，产生和监测期望(或限定)的IEDF宽度(或IEDF形状)和离子能量的这些方法可以进一步用于产生和监测两个或更多离子能量，每个离子能量具有其自己的IEDF宽度(或IEDF形状)。例如，通过在第一、第三和第五周期中提供第一电源电压V_PS，并且在第二、第四和第六周期中提供第二电源电压，可以获得到达衬底表面的离子的两种不同的窄离子能量(例如，图42A)。使用三种不同电源电压产生三种不同离子能量(例如，图42B)。通过改变施加多个电源电压中的每一个的时间、或施加每个电源电压电平的周期的数量可以控制不同离子能量的离子通量(例如，图42C)。

以上论述显示了将电源提供的周期性电压函数与离子电流补偿部件提供的离子电流补偿组合能够如何用于在等离子体处理期间控制到达衬底表面的离子的离子能量和IEDF宽度和/或IEDF形状。

使用如下一些组合能够实现此前所述的一些控制：(1)固定波形(波形的连续周期相同)；(2)具有与离子能量和IEDF成比例的至少两个部分的波形(例如，图14中所示的第三和第四部分1406和1408)；以及(3)实现波形的不同特征的准确监测的高采样率(例如，125MHz)。例如，在诸如线性放大器的现有技术向衬底发送类似于修正周期性电压函数的波形的情况下，周期之间的非期望变化使得难以使用那些现有技术波形来表现离子能量或IEDF宽度(或IEDF形状)。

在使用线性放大器来偏置衬底支撑件的情况下，未看到在高速率下进行采样的需要，因为波形在周期与周期之间不一致，并且因此分辨波形的特征(例如，脉冲之间的部分的斜率)通常不会提供有用信息。在使用固定波形时会出现这种有用信息，如本公开内容和相关公开内容中可见的。

本文中公开的固定波形和高采样率还使更准确的统计观测成为可能。由于该提高的准确度，可以经由监测修正周期性电压函数的各种特性来监测等离子体源和腔中等离子体的操作和处理特性。例如，测量修正周期性电压函数可以远程监测鞘层电容和离子电流，并且可以在不知道腔工艺或其它腔细节的情况下进行监测。以下的一些示例示出能够将此前所述系统和方法用于源和腔的非侵入式监测和故障检测的许多方式中的一些方式。

作为监测的示例并且参考图14，波形1400的DC偏移可以表示等离子体源(以下被称为“源”)的健康状况。在另一示例中，可以将修正周期性电压函数的脉冲的顶部部分1404(第二部分)的斜率与源内的阻尼效应相互关联。顶部部分1404的斜率与水平(被示出为具有等于0的斜率)的标准偏差是基于波形1400的一方面来监测源健康状况的另一种方式。另一方面包含测量沿修正周期性电压函数的第四部分1408的采样V_O点的标准偏差以及将标准偏差与腔阻尼振荡(ringing)相互关联。例如，在连续脉冲之间监测该标准偏差并且标准偏差随时间增大的情况下，这可能指示腔中(例如，e-吸盘中)存在阻尼振荡。阻尼振荡可以是至腔或腔中的较差电连接的标志或是额外的不期望的电感或电容的标志。

图32示出了根据本公开内容的一个实施例的被输送到衬底支撑件的两个修正周期性电压函数。在比较时，两个修正周期性电压函数可以用于腔匹配或者原地异常或故障检测。例如，两个修正周期性电压函数的其中之一可以是参考波形并且第二个可以在校准期间从等离子体处理腔获取。可以使用两个修正周期性电压函数之间的差(例如，峰峰电压V_PP的差)来校准等离子体处理腔。替代地，可以在处理期间将第二修正周期性电压函数与参考波形进行比较，并且波形特性中的任何差别(例如，移位)都可以指示故障(例如，修正周期性电压函数的第四部分3202的斜率中的差别)。

图33示出了可以指示等离子体源不稳定性和等离子体密度变化的离子电流波形。可以分析例如图33中所示的离子电流I_I中的波动，以识别系统的故障和异常。例如，图33中的周期性波动可以指示等离子体源(例如，等离子体电源102)中的低频不稳定性。离子电流I_I中的这种波动还可以指示等离子体密度的周期性变化。该迹象以及其可能指示的可能的故障或异常仅是可以使用远程监测离子电流I_I实现特定优点的很多方式中的一种。

图34示出了具有非周期形状的修正周期性电压函数的离子电流I_I。离子电流I_I的该实施例可以指示非周期波动，例如等离子体不稳定性和等离子体密度的变化。这种波动还可以指示各种等离子体不稳定性，例如电弧、寄生等离子体的形成或等离子体密度的漂移。

图35示出了可以指示偏置电源内的故障的修正周期性电压函数。所示的第三周期的顶部部分(本文中也被称为第二部分)显示了可能指示偏置电源(例如，图12中的电源1206)中的阻尼振荡的异常行为。该阻尼振荡可以是偏置电源内的故障的指示。对阻尼振荡的进一步分析可以识别有助于识别电源系统内的故障的特性。

图36示出了可以指示系统的电容的动态(或非线性)变化的修正周期性电压函数。例如，非线性地取决于电压的杂散电容可能产生这种修正周期性电压函数。在另一个示例中，等离子体击穿或吸盘中的故障也可能产生这种修正周期性电压函数。在所示的三个周期中的每一个中，每个周期的第四部分3602中的非线性可以指示系统电容的动态变化。例如，非线性可以指示鞘层电容的变化，因为系统电容的其它分量在很大程度上是固定的。

图37示出了可以指示等离子体密度的变化的修正周期性电压函数。所示的修正周期性电压函数显示了斜率dV_O/dt的单调移位，其可以指示等离子体密度的变化。这些单调移位可以提供诸如工艺蚀刻结束点的预期事件的直接指示。在其它实施例中，这些单调移位可以指示不存在预期事件的工艺中的故障。

图38示出了针对不同工艺区间的离子电流的采样，其中离子电流的漂移可以指示系统漂移。每个数据点可以表示给定区间的离子电流，其中可接受限制是限定可接受离子电流的用户限定的限制或自动限制。将离子电流逐渐推送到可接受限制以上的离子电流中的漂移可以指示可能发生衬底损坏。该类型的监测还可以与任何数量的其它传统监测器组合，传统监测器例如光学遗漏(optical omission)、厚度测量等。这些传统类型的监测器除了监测离子电流漂移之外，还可以增强现有监测和统计控制。

图39示出了针对不同工艺参数的离子电流的采样。在该图示中，可以使用离子电流作为区分不同工艺和不同工艺特性的品质因数。这种数据可以用于等离子体配方和工艺的开发中。例如，可以测试十一种工艺条件，产生十一个所示的离子电流数据点，并且可以选择产生优选离子电流的工艺作为理想工艺，或者在替代方案中，作为优选工艺。例如，可以选择最低离子电流作为理想工艺，并且然后可以使用与优选工艺相关联的离子电流作为度量来判断是否正在利用(多个)优选工艺条件执行工艺。仅举几个非限制性示例，该品质因数可以用于除了诸如速率、选择性和轮廓角之类的相似的传统优点特性之外的情况或用作该传统优点特性的替代物。

图40示出了在腔中无等离子体的情况下所监测的两个修正周期性电压函数。可以比较这两个修正周期性电压函数并将它们用于表现等离子体腔。在实施例中，第一修正周期性电压函数可以是参考波形，而第二修正周期性电压函数可以是当前监测的波形。可以在处理腔中没有等离子体的情况下获取这些波形，例如在腔清洁或预防性维护之后获取，并且因此可以在将腔投入(或返回)生产之前使用第二波形来提供对腔的电气状态的验证。

图41示出了可以用于验证等离子体工艺的两个修正周期性电压函数。第一修正周期性电压函数可以是参考波形，而第二修正周期性电压函数可以是当前监测的波形。可以将当前监测的波形与参考波形进行比较，并且任何差别可以指示使用传统监测方法无法检测的寄生和/或非容抗问题。例如，图35的波形上可见的阻尼振荡可以被检测并且可以表示电源中的阻尼振荡。

图32-41中所示的度量中的任一个可以在方法3000进行循环以更新离子电流补偿I_C、离子电流I_I和/或鞘层电容C_sheath时被监测。例如，在每个离子电流I_I之后，在图38中获取样本，方法3000可以循环回到采样3004，以确定更新的离子电流I_I。在另一个示例中，作为监测操作的结果，可能期望校正离子电流I_I、离子能量eV或IEDF宽度。可以进行对应的校正并且方法3000可以循环回到采样3004，以找到满足方程3的新离子电流补偿I_C。

本领域技术人员将认识到，图30、31和43中所示的方法不要求任何特定或所描述的操作顺序，它们也不限于附图中示出或暗示的任何顺序。例如，可以在设定和监测IEDF宽度和/或离子能量eV之前、期间或之后监测度量(图32-41)。

图44示出了本文中公开的系统中的不同点处的各种波形。给定开关模式电源的开关部件的所示开关模式4410、电源电压V_PS 4406(本文中也被称为周期性电压函数)、离子电流补偿I_C 4404、修正周期性电压函数4402和衬底电压V_sub 4412，IEDF具有所示出的宽度4414(可能不是按比例绘制的)或IEDF形状4414。该宽度比本公开内容中被称为“窄宽度”的宽度更宽。如所见的，在离子电流补偿I_C 4404大于离子电流I_I时，衬底电压V_sub 4412非恒定。IEDF宽度4414与衬底电压V_sub 4412的脉冲之间的斜坡部分的电压差成比例。

给定该非窄IEDF宽度4414，本文中公开的方法要求调整离子电流补偿I_C直到I_C＝I_I(或者在替代方案中，根据方程2而相关)。图45示出了在离子电流补偿中做出最终增量变化I_C以使其与离子电流I_I匹配的效果。在I_C＝I_I时，衬底电压V_sub 4512变为大体上恒定并且IEDF宽度4514从非窄变为窄。

一旦获得了窄IEDF，就可以将离子能量调整为图46中所示的期望或限定值。此处，减小了电源电压(或者在替代方案中，开关模式电源的母线电压V_bus)的大小(例如，减小了电源电压4606脉冲的最大负振幅)。作为结果，在峰峰电压从V_PP1减小到V_PP2时，ΔV₁减小到ΔV₂。大体上恒定的衬底电压V_sub 4608的大小随后减小，因此将离子能量的大小从4615减小到4614，同时保持窄IEDF宽度。

无论是否调整离子能量，在如图47所示地获得窄IEDF宽度之后，可以加宽IEDF宽度。此处，给定I_I＝I_C(或者，在替代方案中，方程2给出I_I与I_C之间的关系)，可以调整I_C，由此改变修正周期性电压函数4702的脉冲之间的部分的斜率。作为离子电流补偿I_C与离子电流I_I不相等的结果，衬底电压从大体上恒定变为不恒定。另一个结果是，IEDF宽度4714从窄IEDF 4714展宽到非窄IEDF 4702。I_C被调节得距I_I越远，IEDF 4714的宽度就越大。

图48示出了可以用于获得多于一个离子能量水平的电源电压的一种模式，其中每个离子能量水平具有窄IEDF 4814宽度。电源电压4806的大小在每个周期交替变化。这产生了修正周期性电压函数4802的每个周期的交替变化的ΔV和峰峰电压。衬底电压4812又具有两个大体上恒定的电压，其在衬底电压的脉冲之间交替变化。这产生了两个不同的离子能量，每一个都具有窄IEDF 4814宽度。

图49示出了可以用于获得多于一个离子能量水平的电源电压的另一种模式，其中每个离子能量水平具有窄IEDF 4914的宽度。此处，电源电压4906在两个不同大小之间交替变化，但在交替变化之前会持续两个周期。如所见的，如果V_PS 4906在每个周期都交替变化，则平均离子能量相同。这仅显示V_PS 4906的各种其它模式可以如何用于获得相同离子能量的一个示例。

图50示出了可以用于产生限定的IEDF 5014的电源电压V_PS 5006和离子电流补偿I_C 5004的一种组合。此处，交替变化的电源电压5006产生两个不同离子能量。此外，通过调整离子电流补偿5004远离离子电流I_I，可以展宽每个离子能量的IEDF 5014的宽度。如果离子能量足够接近，如同在所示实施例中那样，则两个离子能量的IEDF 5014将交叠，产生一个大IEDF 5014。其它变型也是可能的，但是本示例意在显示对V_PS 5006和I_C5004的调整的组合可以如何用于获得限定的离子能量和限定的IEDF 5014。

接下来参考图17A和17B，它们示出了描绘本发明的其它实施例的方框图。如图所示，这些实施例中的衬底支撑件1708包括静电吸盘1782，并且静电吸盘电源1780用于向静电吸盘1782施加功率。在一些变型中，如图17A中所示，静电吸盘电源1780被设置为直接向衬底支撑件1708施加功率，并且在其它变型中，静电吸盘电源1780被设置为结合开关模式电源来施加功率。应当注意，可以通过单独的电源或使用控制器来执行串联夹紧，以实现净DC夹紧功能。在该DC耦合(例如，没有阻隔电容器)的串联夹紧功能中，可以使其它RF源的非期望干扰最小化。

图18中示出的是描绘本发明的又一个实施例的方框图，其中通常用于产生等离子体密度的等离子体电源1884还被配置为驱动开关模式电源1806和静电吸盘电源1880旁边的衬底支撑件1808。在该实施方式中，等离子体电源1884、静电吸盘电源1880和开关模式电源1806中的每一个都可以存在于单独的组件中，或者电源1806、1880、1884中的两个或更多可以被构造为存在于同一物理组件中。有益地，图18中所示的实施例使顶部电极1886(例如，喷头)能够电接地，以便获得电气对称性以及由于较少电弧事件而获得减小的损坏水平。

参考图19，示出了描绘本发明的再一个实施例的方框图。如图所示，该实施例中的开关模式电源1906被配置为向衬底支撑件和腔1904施加功率，以偏置衬底并点燃(并维持)等离子体，而无需额外的等离子体电源(例如，无需等离子体电源102、202、1202、1702、1884)。例如，开关模式电源1806可以在足以点燃并维持等离子体的占空比下进行操作，同时向衬底支撑件提供偏置。

接下来参考图20，其是描绘可以结合参考图1-19描述的实施例所使用的控制部分的输入参数和控制输出的方框图。控制部分的描绘旨在提供可以结合本文论述的实施例使用的示例性控制输入和输出的简化描述——其并不是硬件原理图。在实际实施方式中，描述的控制部分可以分布于若干分立部件之间，分立部件可以由硬件、软件、固件或其组合实现。

参考本文前面论述的实施例，图20中所示的控制器可以提供以下部件中的一个或多个的功能：参考图1所述的控制器112；参考图2所述的控制器212和离子能量控制220；参考图8所述的控制器812和离子能量控制部分820；参考图12所述的离子电流补偿部件1260；参考图13所述的电流控制器1362；图16中所示的I_CC控制、图17A和17B中分别描绘的控制器1712A、1712B；以及图18和19中分别描绘的控制器1812、1912。

如图所示，可以用作控制部分的输入的参数包括参考图13和14更详细描述的dV_O/dt和ΔV。如所述的，dV_O/dt可以结合离子能量分布扩展输入ΔE使用来提供控制信号I_CC，其控制离子能量分布扩展的宽度，如参考图12、13、14、15A-C和图16所述的。此外，离子能量控制输入(Ei)结合任选的反馈ΔV可以用于产生离子能量控制信号(例如，其影响图3中所示的V_bus)，以实现参考图1-11更详细描述的期望(或限定)的离子能量分布。并且可以结合许多静电夹紧实施例使用的另一个参数是DC偏移输入，其提供静电力以使晶片保持在吸盘上，用以进行有效率的热控制。

图21示出了根据本公开内容的实施例的等离子体处理系统2100。系统2100包括包围等离子体2104的等离子体处理腔2102，等离子体2104用于蚀刻衬底2106的顶表面2118(和其它等离子体工艺)。等离子体通过由等离子体电源2122供电的等离子体源2112(例如，原地或远程或投射)产生。在等离子体2104与衬底2106顶表面2118之间测量的等离子体鞘层电压V_sheath使来自等离子体2104的离子加速穿过等离子体鞘层2115，使被加速的离子撞击衬底2106的顶表面2118并蚀刻衬底2106(或衬底2106的未被光致抗蚀剂保护的部分)。等离子体2104相对于地(例如，等离子体处理腔2102的壁)处于等离子体电势V₃。衬底2106具有底表面2120，其经由静电吸盘2111以及静电吸盘2111的顶表面2121与衬底2106之间的夹紧电势V_chuck而静电保持在支撑件2108上。衬底2106是电介质并且因此可以具有顶表面2118处的第一电势V₁、底表面2120处的第二电势V₂。静电吸盘2121的顶表面与衬底的底表面2120接触，并且因此这两个表面2120、2121处于相同的电势V₂。经由AC波形来控制第一电势V₁、夹紧电势V_chuck和第二电势V₂，AC波形具有由开关模式电源2130产生并且经由第一导体2124提供到静电吸盘2111的DC偏置或偏移。任选地，经由第一导体2124提供AC波形，并且经由任选的第二导体2125提供DC波形。可以经由控制器2132控制开关模式电源2130的AC和DC输出，控制器2132还被配置为控制开关模式电源2130的各个方面。

离子能量和离子能量分布是第一电势V₁的函数。开关模式电源2130提供AC波形，AC波形被定制为实现已知用于产生期望(或限定)的离子能量和离子能量分布的期望的第一电势V₁。AC波形可以是RF并且具有非正弦波形，例如图5、6、11、14、15a、15b和15c中所示。第一电势V₁可以与图14中所示的电压变化ΔV成比例。第一电势V₁也等于等离子体电压V₃减去等离子体鞘层电压V_sheath的结果。但是由于等离子体电压V₃与等离子体鞘层电压V_sheath(例如，50V-2000V)相比通常较小(例如，低于20V)，所以第一电势V₁和等离子体鞘层电压V_sheath近似相等，并且出于实施的目的而可以被处理为相等。因此，由于等离子体鞘层电压V_sheath决定了离子能量，所以第一电势V₁与离子能量分布成比例。通过维持恒定的第一电势V₁，等离子体鞘层电压V_sheath为恒定的，并且因此大体上所有离子都经由相同能量而被加速，并且因此获得了窄离子能量分布。等离子体电压V₃由经由等离子体源2112赋予等离子体2104的能量产生。

衬底2106的顶表面2118处的第一电势V₁是经由来自静电吸盘2111的电容充电与由穿过鞘层2115的电子和离子所积聚的电荷的组合而形成的。来自开关模式电源2130的AC波形被定制为抵消通过鞘层2115转移的离子和电子以及在衬底2106的顶表面2118处产生的电荷积聚的效应，以使第一电势V₁大体上保持恒定。

使衬底2106保持在静电吸盘2111上的夹紧力是夹紧电势V_chuck的函数。开关模式电源2130向AC波形提供DC偏置或DC偏移，以使第二电势V₂与第一电势V₁处于不同电势。该电势差产生夹紧电压V_chuck。可以从静电吸盘2111的顶表面2221到衬底2106内部的参考层测量夹紧电压V_chuck，其中参考层包括衬底内部的除了衬底2106的底表面2120之外的任何高度(参考层在衬底2106内的精确位置可以变化)。因此，夹紧由第二电势V₂来控制并且与第二电势V₂成比例。

在实施例中，第二电势V₂等于开关模式电源2130的由AC波形修正的DC偏移(换言之，具有如下DC偏移的AC波形：DC偏移大于AC波形的峰峰电压)。DC偏移可以大体上大于AC波形，以使开关模式电源2130输出的DC分量在第二电势V₂中占优势并且可以忽略或忽视AC分量。

衬底2106内的电势在第一与第二电势V₁、V₂之间变化。夹紧电势V_chuck可以是正的或负的(例如，V₁>V₂或V₁<V₂)，因为无论夹紧电势V_chuck极性如何，衬底2106与静电吸盘2111之间都存在库伦吸引力。

开关模式电源2130结合控制器2132可以确定性地监测各种电压而无需传感器。具体而言，基于AC波形的参数(例如，斜率和阶跃)来确定性地监测离子能量(例如，平均能量和离子能量分布)。例如，等离子体电压V₃、离子能量和离子能量分布与开关模式电源2130产生的AC波形的参数成比例。具体而言，AC波形的下降沿的ΔV(见例如图14)与第一电势V₁成比例，并且因此与离子能量成比例。通过使第一电势V₁保持恒定，可以使离子能量分布保持较窄。

尽管不能直接测量第一电势V₁，并且开关模式电源输出与第一电压V₁之间的相关性可以基于衬底2106的电容和处理参数而变化，但是在经过短处理时间之后，可以通过经验方式确定ΔV与第一电势V₁之间的比例常数。例如，在AC波形的下降沿ΔV为50V并且对于给定衬底和工艺而言通过经验方式发现比例常数为2的情况下，可以预计第一电势V₁为100V。由方程4描述阶跃电压ΔV与第一电势V₁(并且因此还有离子能量eV)之间的比例。因此，可以基于开关模式电源的AC波形的获知来确定第一电势V₁连同离子能量和离子能量分布，而无需等离子体处理腔2102内部的任何传感器。此外，开关模式电源2130结合控制器2132可以监测何时以及是否发生夹紧(例如，是否经由夹紧电势V_chuck使衬底2106保持在静电吸盘2111上)。

通过消除或减小夹紧电势V_chuck来执行释放(dechucking)。这可以通过将第二电势V₂设定为等于第一电势V₁来完成。换言之，可以调整DC偏移和AC波形，以使夹紧电压V_chuck接近0V。与常规的释放方法相比，系统2100实现了较快释放并且因此实现了较大处理量，因为DC偏移和AC波形都可以被调整为实现释放。同样，在DC和AC电源处于开关模式电源2130中时，它们的电路更统一、彼此更靠近，可以经由单个控制器2132来控制(与典型的DC和AC电源的并联布置相比)，并且更快地改变输出。本文中公开的实施例所实现的释放的速度还能够在熄灭等离子体2104之后再释放，或者至少在关断来自等离子体源2112的功率之后释放。

等离子体源2112可以采取多种形式。例如，在实施例中，等离子体源2112包括等离子体处理腔2102内部的电极，其在腔2102内建立RF场，RF场点燃并维持等离子体2104。在另一个实施例中，等离子体源2112包括远程投射的等离子体源，其远程产生电离电磁场，将电离电磁场投射或延伸到处理腔2102中，并且使用电离电磁场来点燃并维持等离子体处理腔内的等离子体2104。然而，远程投射的等离子体源还包括场转移部分(例如，导电管)，电离电磁场在去往等离子体处理腔2102的途中穿过该部分，在此期间，电离电磁场被衰减以使等离子体处理腔2102内的场强度仅为远程投射的等离子体源中首次产生场时的场强度的十分之一或百分之一或千分之一或甚至更小部分。等离子体源2112不是按比例绘制的。

开关模式电源2130可以浮动并且因此可以由串联连接在地与开关模式电源2130之间的DC电源(未示出)将其偏置在任何DC偏移处。开关模式电源2130可以经由开关模式电源2130内部的AC和DC电源(见例如图22、23、26)、或经由开关模式电源2130内部的AC电源以及开关模式电源2130外部的DC电源(见例如图24、27)来提供具有DC偏移的AC波形。在实施例中，开关模式电源2130可以接地并且可以串联耦合到串联耦合在开关模式电源2130与静电吸盘2111之间的浮动的DC电源。

在开关模式电源2130包括AC和DC电源两者时，控制器2132可以控制开关模式电源的AC和DC输出。在开关模式电源2130与DC电源串联连接时，控制器2132可以仅控制开关模式电源2130的AC输出。在替代的实施例中，控制器2130可以控制耦合到开关模式电源2130的DC电源和开关模式电源2130两者。本领域技术人员将认识到，尽管示出了单个控制器2132，但是其它控制器也可以被实施为控制提供给静电吸盘2111的AC波形和DC偏移。

静电吸盘2111可以是电介质(例如，陶瓷)并且因此大体上阻隔DC电压的通过，或者静电吸盘2111可以是诸如掺杂陶瓷的半导电材料。在任一情况下，静电吸盘2111可以在静电吸盘2111的顶表面2121上具有第二电压V₂，静电吸盘2111的顶表面2121将电压电容耦合到衬底2106(通常为电介质)的顶表面2118以形成第一电压V₁。

等离子体2104的形状和尺寸未必是按比例绘制的。例如，等离子体2104的边缘可以由特定等离子体密度限定，在该情况下，绘制所示等离子体2104时未考虑任何特定等离子体密度。类似地，尽管示出了等离子体2104的形状，但是至少一些等离子体密度填充了整个等离子体处理腔2102。所示等离子体2104的形状主要旨在显示鞘层2115，其确实具有大体上小于等离子体2104的等离子体密度。

图22示出了等离子体处理系统2200的另一个实施例。在所示的实施例中，开关模式电源2230包括串联连接的DC电源2234和AC电源2236。控制器2232被配置为通过控制AC电源2236的波形和DC电源2234的偏置或偏移来控制开关模式电源2230的具有DC偏移输出的AC波形。该实施例还包括静电吸盘2211，其具有嵌入在吸盘2211中的栅格或网状电极2210。开关模式电源2230向栅格电极2210提供AC和DC偏置。DC偏置连同AC分量在栅格电极2210上建立了第三电势V₄，AC分量大体上小于DC偏置并且因此可以被忽略。在第三电势V₄与衬底2206内的任何地方的参考层(除了衬底2206的底表面2220)处的电势不同时，建立夹紧电势V_chuck和库伦夹紧力，它们使衬底2206保持在静电吸盘2211上。参考层是平行于栅格电极2210的虚平面。AC波形从栅格电极2210电容耦合穿过静电吸盘2211的一部分并且穿过衬底2206，以控制衬底2206的顶表面2218上的第一电势V₁。由于等离子体势V₃相对于等离子体鞘层电压V_sheath是可以忽略的，所以第一电势V₁与等离子体鞘层电压V_sheath近似相等，并且出于实践的目的而可以被认为是相等的。因此，第一电势V₁等于用于使离子加速穿过鞘层2215的电势。

在实施例中，可以对静电吸盘2211进行掺杂以使其导电性足以使穿过吸盘2211的主体的任何电势差都是可以忽略的，并且因此栅格或网状电极2210可以与第二电势V₂处于大体上相同的电压。

栅格电极2210可以是嵌入在静电吸盘2211中的平行于衬底2206的任何导电平面器件，并且被配置为由开关模式电源2230进行偏置并且被配置为建立吸盘电势V_chuck。尽管栅格电极2210被示出为嵌入在静电吸盘2211的下层部分中，但是栅格电极2210可以被设置成距离衬底2206更近或更远。栅格电极2210还无需具有栅格图案。在实施例中，栅格电极2210可以是固体电极或具有带非栅格形状(例如，棋盘图案)的非固体结构。在实施例中，静电吸盘2211为陶瓷或其它电介质并且因此栅格电极2210的第三电势V₄不等于静电吸盘2211的顶表面2221上的第一电势V₁。在另一实施例中，静电吸盘2211为稍微导电的掺杂陶瓷并且因此栅格电极2210上的第三电势V₄可以等于静电吸盘2211的顶表面2221上的第二电势V₂。

开关模式电源2230产生可以是非正弦曲线的AC输出。开关模式电源2230能够操作串联的DC和AC电源2234、2236，因为DC电源2234是AC传导的并且AC电源2236是DC传导的。非DC传导的示例性AC电源是在被提供DC电压或电流时可能被损坏的某些线性放大器。使用AC传导和DC传导的电源减少了开关模式电源2230中使用的部件的数量。例如，如果DC电源2234是AC阻隔的，则AC旁路或DC阻隔部件(例如，电容器)可能必须要与DC电源2234并联布置。如果AC电源2236是DC阻隔的，则DC旁路或AC阻隔部件(例如，电感器)可能必须要与AC电源2236并联布置。

在该实施例中，AC电源2238通常被配置成以可控方式向静电吸盘2211施加偏置，以便实现用于轰击衬底2206的顶表面2218的离子的期望(或限定)的离子能量分布。更具体地，AC电源2236被配置为通过向栅格电极2210施加特定功率电平的一个或多个特定波形来实现期望(或限定)的离子能量分布。更具体地，AC电源2236施加特定功率电平以实现特定的离子能量并且使用由存储在波形存储器(未示出)中的波形数据所限定的一个或多个电压波形来施加特定功率电平。作为结果，可以选择一个或多个特定离子轰击能量来执行衬底2206的受控蚀刻(或其它等离子体辅助工艺)。在一个实施例中，AC电源2236可以利用开关模式构造(例如参见图25-27)。开关模式电源2230，并且尤其是AC电源2236可以产生如本公开内容的各种实施例中所述的AC波形。

本领域的技术人员将认识到，栅格电极2210可能不是必需的并且可以在没有栅格电极2210的情况下实施其它实施例。本领域的技术人员还将认识到，栅格电极2210仅是可以用于建立夹紧电势V_chuck的很多器件中的一个示例。

图23示出了等离子体处理系统2300的另一个实施例。所示实施例包括用于向静电吸盘2311提供AC波形和DC偏置的开关模式电源2330。开关模式电源2330包括DC电源2334和AC电源2336，两者都可以被接地。AC电源2336产生经由第一导体2324而被提供到嵌入在静电吸盘2311中的第一栅格或网状电极2310的AC波形。AC电源2336在第一栅格或网状电极2310上建立电势V₄。DC电源2334产生经由第二导体2325而被提供到嵌入在静电吸盘2311中的第二栅格或网状电极2312的DC偏置。DC电源2334在第二栅格或网状电极2312上建立电势V₅。可以分别经由AC和DC电源2336、2334来独立控制电势V₄和V₅。然而，第一和第二栅格或网格电极2310、2312还可以经由静电吸盘2311的一部分而被电容耦合和/或在栅格或网格电极2310、2312之间存在经由静电吸盘2311的一部分的DC耦合。如果存在AC或DC耦合，则可以耦合电势V₄和V₅。本领域的技术人员将认识到，第一和第二栅格电极2310、2312可以被布置于整个静电吸盘2311上的各个位置，包括将第一栅格电极2310布置成比第二栅格电极2312更接近衬底2306。

图24示出了等离子体处理系统2400的另一个实施例。在该实施例中，开关模式电源2430向静电吸盘2411提供AC波形，其中开关模式电源2430的输出被由DC电源2434提供的DC偏置偏移。开关模式电源2430的AC波形具有由控制器2435选择的波形，以利用来自具有窄离子能量分布的等离子体2404的离子来轰击衬底2406。AC波形可以是非正弦的(例如，方波或脉冲)并且可以经由开关模式电源2430的AC电源2436产生。经由来自DC电源2434的DC偏移来控制夹紧，这是由控制器2433控制的。DC电源2434可以串联耦合在地与开关模式电源2430之间。开关模式电源2430是浮动的，以使其DC偏置可以由DC电源2434来设定。

本领域的技术人员将认识到，尽管所示实施例示出了两个独立的控制器2433、2435，但是可以将这些控制器组合成单个功能单元、装置或系统，例如任选的控制器2432。此外，可以将控制器2433和2435耦合，以便彼此进行通信并且共享处理资源。

图25示出了等离子体处理系统2500的另一个实施例。所示实施例包括开关模式电源2530，其产生可以具有由DC电源(未示出)提供的DC偏移的AC波形。可以经由任选的控制器2535来控制开关模式电源，控制器2535包含电压和电流控制器2537、2539。开关模式电源2530可以包括具有由电压控制器2537控制的电压输出的可控电压源2538、以及具有由电流控制器2539控制的电流输出的可控电流源2540。可控电压源和电流源2538、2540可以处于并联布置中。可控电流源2540被配置成补偿等离子体2504与衬底2506之间的离子电流。

电压控制器和电流控制器2537、2539可以彼此耦合并进行通信。电压控制器2537还可以控制可控电压源2538的开关输出2539。开关输出2539可以包括所示出的并联的两个开关，或者可以包括将可控电压源2538的输出转换成期望的AC波形(例如，非正弦)的任何电路。经由两个开关，可以将来自可控电压源2538的受控电压或AC波形与可控电流源2540的受控电流输出进行组合，以产生开关模式电源2530的AC波形输出。

可控电压源2538被图示为具有给定极性，但是本领域技术人员将认识到，相反的极性与所示极性是等效的。任选地，可控电压和电流源2538、2540以及开关输出2539可以是AC电源2536的一部分并且AC电源2536可以被布置成与开关模式电源2530内部或外部的DC电源(未示出)串联。

图26示出了等离子体处理系统2600的又一个实施例。在所示实施例中，开关模式电源2630向静电吸盘2611提供具有DC偏移的AC波形。波形的AC分量经由通过开关输出2639彼此连接的可控电压源2638和可控电流源2640的并联组合来产生。DC偏移由串联耦合在地与可控电压源2638之间的DC电源2634来产生。在实施例中，DC电源2634可以是浮动的而不是接地的。类似地，开关模式电源2630可以是浮动的而非接地的。

系统2600可以包括用于控制开关模式电源2630的输出的一个或多个控制器。第一控制器2632可以例如经由第二控制器2633和第三控制器2635来控制开关模式电源2630的输出。第二控制器2633可以控制开关模式电源2630的由DC电源2634产生的DC偏移。第三控制器2635可以通过控制可控电压源2638和可控电流源2640来控制开关模式电源2630的AC波形。在实施例中，电压控制器2637控制可控电压源2638的电压输出并且电流控制器2639控制可控电流源2640的电流。电压和电流控制器2637、2639可以彼此进行通信并且可以是第三控制器2635的一部分。

本领域的技术人员将认识到，关于电源2634、2638、2640描述控制器的各种构造的以上实施例并非限制性的，并且在不脱离本公开内容的情况下也可以实施各种其它构造。例如，第三控制器2635或电压控制器2637可以控制可控电压源2638与可控电流源2640之间的开关输出2639。作为另一个示例，第二和第三控制器2633、2635可以彼此进行通信(即使未这样示出)。还应当理解，可控电压和电流源2638、2640的极性仅是说明性的，并且不是要进行限制。

开关输出2639可以通过交替开关两个并联开关来进行操作以塑造AC波形。开关输出2639可以包括任何多种开关，其包括但不限于MOSFET和BJT。在一种变型中，DC电源2634可以被布置在可控电流源2640与静电吸盘2611之间(换言之，DC电源2634可以浮动)，并且开关模式电源2630可以被接地。

图27示出了等离子体处理系统2700的另一个实施例。在这种变型中，开关模式电源2734再次被接地，但是此处DC电源2734是单独的部件而不是被并入开关模式电源2730中，并且DC电源2734向整个开关模式电源2730提供DC偏移，而非仅是开关模式电源2730内的部件。

图28示出了根据本公开内容的实施例的一种方法2800。方法2800包括将衬底放置在等离子体腔中的操作2802。方法2800还包括在等离子体腔中形成等离子体的操作2804。可以在原地或经由远程投射源来形成等离子体。方法2800还包括切换功率的操作2806。切换功率操作2806包含可控地切换至衬底的功率，以向衬底施加周期性电压函数。可以将周期性电压函数视为脉冲波形(例如，方波)或AC波形并且包括由与开关模式电源串联的DC电源产生的DC偏移。在实施例中，DC电源可以并入到开关模式电源中并且因此与开关模式电源的AC电源串联。DC偏移在静电吸盘的顶表面与衬底内的参考层之间产生电势差并且该电势差被称为夹紧电势。静电吸盘与衬底之间的夹紧电势使衬底保持在静电吸盘上，由此防止衬底在处理期间移动。方法2800还包括调制操作2808，其中在多个周期上调制周期性电压函数。调制响应于衬底表面处的期望(或限定)的离子能量分布，以在时间平均的基础上实现期望(或限定)的离子能量分布。

图29示出了根据本公开内容的实施例的另一种方法2900。方法2900包括将衬底放置在等离子体腔中的操作2902。方法2900还包括在等离子体腔中形成等离子体的操作2904。可以在原地或经由远程投射源来形成等离子体。方法2900还包括接收至少一个离子能量分布设定的操作2906。在接收操作2906中接收的设定可以指示衬底表面处的一个或多个离子能量。方法2900还包括切换功率的操作2908，其中可控地切换至衬底的功率，以实现如下：(1)在时间平均的基础上的离子能量的期望(或限定)的分布；以及(2)在时间平均的基础上的期望的夹紧电势。功率可以具有AC波形和DC偏移。

总之，本发明提供了用于使用开关模式电源来选择性地产生期望(或限定)的离子能量的方法和设备。本领域技术人员容易认识到，可以对本发明、其用途及其构造做出很多变型和替换，以实现与本文中描述的实施例所实现的结果大体上相同的结果。因此，并不是要将本发明限制于所公开的示例性形式。很多变型、修改和替代结构都落在所公开的发明的范围和精神内。

Claims

1.一种用于监测等离子体处理腔的系统，所述系统包括：

被配置为包含等离子体的等离子体处理腔；

衬底支撑件，其被置于所述等离子体处理腔内并且被设置为支撑衬底；

离子能量控制部分，所述离子能量控制部分响应于指示所述衬底的表面处的期望的离子能量分布的至少一个离子能量分布设定而提供至少一个离子能量控制信号；

耦合到所述衬底支撑件和所述离子能量控制部分的开关模式电源，所述开关模式电源包括被配置为向所述衬底施加作为周期性电压函数的功率的一个或多个开关部件；

耦合到所述衬底支撑件的离子电流补偿部件，所述离子电流补偿部件将离子补偿电流添加到所述周期性电压函数，以形成修正周期性电压函数；以及

耦合到所述衬底支撑件的控制器，所述控制器根据所述离子补偿电流来确定所述等离子体处理腔中的离子电流并且将所述离子电流与参考电流波形进行比较。

2.根据权利要求1所述的系统，其中，所述控制器将所述修正周期性电压函数与参考电压波形进行比较。

3.根据权利要求2所述的系统，其中，所述控制器在所述等离子体处理腔内部无探头的情况下识别所述等离子体处理腔的操作特性。

4.根据权利要求2所述的系统，其中，所述控制器在所述等离子体处理腔内部无探头的情况下识别等离子体源的操作特性，所述等离子体源被配置为点燃并维持所述等离子体。

5.根据权利要求1所述的系统，其中，所述控制器还被配置为基于所述离子电流来确定鞘层电容。

6.根据权利要求5所述的系统，其中，所述控制器还被配置为确定从由以下项构成的组中选择的其它等离子体参数：Debye鞘层距离、等离子体密度、所述等离子体中的离子的有效质量、以及所述等离子体中的离子的离子能量。

7.一种用于监测等离子体处理腔和相关联的系统的系统，所述系统包括：

电气节点，其被配置为用于耦合到所述等离子体处理腔的衬底支撑件并且用于向所述衬底支撑件提供修正周期性电压函数，其中，所述修正周期性电压函数包括由离子补偿电流所修正的周期性电压函数；

被配置为向所述电气节点提供所述周期性电压函数的开关模式电源；

被配置为向所述电气节点提供所述离子补偿电流的离子电流补偿部件；

控制器，其被配置为对所述电气节点处的电压进行两次或更多次采样并且基于在所述电气节点处采样的所述电压来确定所述等离子体处理腔中的离子电流。

8.根据权利要求7所述的系统，其中，所述修正周期性电压函数的连续周期实质上相同。

9.根据权利要求8所述的系统，其中，所述修正周期性电压函数包括脉冲、以及所述脉冲之间的部分，并且其中，电压阶跃ΔV对应于所述等离子体处理腔中的离子能量，并且所述脉冲之间的所述部分的斜率对应于所述等离子体中的离子的离子能量分布函数。

10.根据权利要求8所述的系统，其中，所述控制器被配置为以高到足以分辨所述脉冲、以及所述脉冲之间的所述部分的采样率来进行采样。

11.根据权利要求10所述的系统，其中，所述采样是在大于400kHz的采样率下进行的。

12.根据权利要求9所述的系统，其中，所述控制器确定所述脉冲之间的所述部分的斜率。

13.根据权利要求12所述的系统，其中，所述控制器确定所述斜率的标准偏差。

14.根据权利要求9所述的系统，其中，所述控制器针对所述修正周期性电压函数的每个周期确定所述电压阶跃ΔV。

15.一种用于监测等离子体处理腔和相关联的系统的方法，所述方法包括：

向所述等离子体处理腔的衬底支撑件提供修正周期性电压函数；

对所述修正周期性电压函数的至少一部分进行采样以产生电压数据；

将所述电压数据与参考波形的至少一部分进行比较；以及

基于所述比较，识别所述电压数据与所述参考波形的所述至少一部分之间的至少一个差别，以表征所述等离子体处理腔和相关联的系统的操作。

16.根据权利要求15所述的方法，还包括：

对所述修正周期性电压函数的至少一部分进行采样以产生电流数据；

将所述电流数据与所述参考波形的至少一部分进行比较；以及

基于所述比较，识别所述修正周期性电压函数的所述至少一部分与所述参考波形的所述至少一部分之间的至少一个差别，用以表征所述等离子体处理腔、等离子体源或等离子体偏置电源的操作。

17.根据权利要求15所述的方法，其中，所述比较包括将第一时间段处的所述修正周期性电压函数与第二时间段处的所述修正周期性电压函数进行比较。

18.根据权利要求15所述的方法，其中，所述参考波形的所述部分是所述参考波形的第二部分。

19.根据权利要求15所述的方法，其中，所述波形的所述部分是所述参考波形的第四部分。

20.根据权利要求19所述的方法，其中，所述比较包含对所述修正周期性电压函数的至少两个周期之间的所述第四部分的斜率的比较。

21.根据权利要求15所述的方法，其中，所述比较考察所述波形随时间的变化。

22.根据权利要求15所述的方法，其中，所述比较考察所述修正周期性电压函数的所述部分的标准偏差。

23.根据权利要求22所述的方法，其中，所述比较考察所述偏差在给定周期中的位置。

24.根据权利要求15所述的方法，其中，所述比较考察电压阶跃ΔV。

25.根据权利要求15所述的方法，其中，所述比较包含将作为时间的函数的采样电压转换到频域中。

26.根据权利要求15所述的方法，其中，所述比较考察所述修正周期性波形中的非线性。

27.根据权利要求15所述的方法，其中，所述比较包括将所述离子补偿电流转换成离子电流以及随时间推移而比较所述离子电流。

28.根据权利要求27所述的方法，其中，所述比较考察所述离子电流中的作为工艺参数的函数的变化。

29.根据权利要求27所述的方法，其中，所述比较考察所述离子电流的平均值的增大。

30.根据权利要求15所述的方法，其中，所述相关联的系统包括源电极和提供功率来点燃并维持所述等离子体的电气系统。

31.根据权利要求15所述的方法，其中，所述参考波形是从前一时间段处的所述修正周期性电压函数中获取的。

32.根据权利要求15所述的方法，其中，执行所述识别以表征所述等离子体处理腔和相关联的系统的操作中的故障或异常。

33.根据权利要求15所述的方法，其中，所述修正周期性电压函数包括：

周期性电压函数；以及

离子补偿电流。