CN107978506A - 控制开关模式离子能量分布系统的方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及控制开关模式离子能量分布系统的方法。具体地，公开了用于调节等离子体室内的离子能量并且将衬底夹紧到衬底支撑部的系统、方法和设备。示范性方法包括：在等离子体室内放置衬底；在所述等离子体室内形成等离子体；对所述衬底可控地开关电能，以便向所述衬底施加周期电压函数；以及在所述周期电压函数的多个周期期间，响应于所述衬底的表面的定义的离子能量分布来调制所述周期电压函数，以便在时间平均的基础上实现所述定义的离子能量分布。

Description

控制开关模式离子能量分布系统的方法

本申请为分案申请，其原申请是于2015年4月27日(国际申请日为2013年8月26日)向中国专利局提交的专利申请，申请号为201380056068.5，发明名称为“控制开关模式离子能量分布系统的方法”。

相关案件和优先权

此申请是2011年7月28日提交的美国专利申请号No.13/193,299的部分继续申请和2010年8月29日提交的非临时美国专利申请号No.12/870,837的部分继续申请。申请号No.13/193,299和No.12/870,837的细节以其全文引用方式并入本申请中用于所有适合的目的。

技术领域

本公开内容大体上涉及等离子体处理。具体而言，本发明涉及等离子体辅助蚀刻、沉积、和/或其它等离子体辅助工艺的方法和装置，但不限于此。

背景技术

很多类型的半导体器件是利用基于等离子体的蚀刻技术制造的。如果导体被蚀刻，则可以将相对于地的负电压施加到导电衬底，以便在衬底导体的表面两端创建基本上一致的负电压，其将带正电的离子吸引向导体，并且结果，碰撞导体的正离子基本上具有相同的能量。

然而，如果衬底是电介质，则不变化的电压对在衬底的表面两端的电压不起作用。但是AC电压(例如，高频)可以施加到导电板(卡盘)，以使得AC区域在衬底的表面感应出电压。在AC周期的正半周期期间，衬底吸引相对于正离子的质量为轻的电子；从而在正半周期内很多电子会被吸引到衬底的表面。结果，衬底的表面将会带负电，这使得离子将吸引到带负电的表面。并且当离子撞击衬底的表面时，撞击将材料从衬底的表面逐出，完成了蚀刻。

在许多情况下，期望有窄离子能量分布，但是将正弦波施加到衬底会感应出宽的离子能量分布，这限制了等离子体处理执行期望的蚀刻轮廓的能力。已知的实现窄离子能量分布技术很昂贵、效率低、难以控制并且可能不利地影响等离子体密度。结果，这些已知的技术没用被商业化所采用。相应地，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颖和创造性的特征。

发明内容

以下概括了附图中所示出的本公开内容的示范性实施例。在具体实施方式部分中将更全面地描述这些和其它实施例。然而，应当理解，不存在将本发明限制于发明内容部分或具体实施方式部分中所描述的形式的意图。本领域技术人员可以认识到，有许多会落入如权利要求中所表达的本发明的精神和范围内的修改、等同和替代结构。

根据一个实施例，本发明可以表征为一种用于建立一个或多个等离子体鞘层电压的方法。所述方法可以包括向等离子体室的衬底支撑部提供经修改的周期电压函数。所述衬底支撑部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，所述经修改的周期电压函数可以包括由离子电流补偿Ic修改的周期电压函数。所述经修改的周期电压函数可以包括脉冲和所述脉冲之间的部分。同样，所述脉冲可以是所述周期电压函数的函数，并且所述脉冲之间的部分的斜率可以是所述离子电流补偿Ic的函数。所述方法还可以包括存取至少表示所述衬底支撑部的电容的有效电容值C₁。所述方法最终可以识别将产生到达所述衬底的表面的离子的所定义的离子能量分布函数的所述离子电流补偿Ic的值，其中，所述识别是所述有效电容C₁和所述脉冲之间的所述部分的斜率dV₀/dt的函数。

根据另一个实施例，本发明可以描述为一种用于对等离子体进行偏置从而在等离子体处理室内的衬底的表面处实现定义的离子能量的方法。所述方法可包括向衬底支撑部施加包括由离子电流补偿修改的周期电压函数的经修改的周期电压函数。所述方法还可包括对所述经修改的周期电压函数的至少一个循环进行采样以产生电压数据点。所述方法还可包括根据所述电压数据点来估算所述衬底表面处的第一离子能量的数值。同样，所述方法可以包括调节所述经修改的周期电压函数，直到所述第一离子能量等于所述定义的离子能量。

根据又一实施例，本发明可以表征为一种用以实现离子能量分布函数宽度的方法。所述方法可包括向等离子体处理室的衬底支撑部提供经修改的周期电压函数。所述方法还可包括在第一时刻和在第二时刻从所述非正弦波形采样至少两个电压。所述方法可以另外包括将所述至少两个电压的斜率计算为dV/dt。同样，所述方法可包括将所述斜率与已知的参考斜率进行比较，以便与离子能量分布函数宽度相对应。最终，所述方法可包括调节所述经修改的周期电压函数，以使得所述斜率接近所述参考斜率。

本公开内容的另一方面可表征为一种装置，包括电源、离子电流补偿部件和控制器。所述电源可提供周期电压函数，所述周期电压函数具有脉冲和所述脉冲之间的部分。所述离子电流补偿部件可以修改所述脉冲之间的所述部分的斜率，以形成经修改的周期电压函数。所述经修改的周期电压函数可以被配置为用于提供到衬底支撑部，以用于在等离子体处理室中进行处理。所述控制器可以耦合到所述开关模式电源和所述离子电流补偿部件。所述控制器还可以被配置为识别所述离子电流补偿的数值，如果向所述衬底支撑部提供所述离子电流补偿，将产生到达所述衬底的表面的离子的定义的离子能量分布函数。

本公开内容的又一方面可以表征为一种非暂时性的有形计算机可读存储介质，其编码有处理器可读指令，以便执行用于监控被配置为处理衬底的等离子体的离子电流的方法。所述方法可以包括：考虑到具有第一数值的离子电流补偿情况下，对经修改的周期电压函数进行采样，并且考虑到具有第二数值的所述离子电流补偿情况下，对所述经修改的周期电压函数进行采样。所述方法还可包括基于所述第一采样和所述第二采样来确定作为时间的函数的所述经修改的周期电压函数的斜率。所述方法还基于所述第一采样和所述第二采样来确定作为时间的函数的所述经修改的周期电压函数的斜率。所述方法最终可包括基于所述斜率来计算所述离子电流补偿的第三数值，在所述第三数值处，所述衬底上的恒定电压将在所述经修改的周期电压函数的至少一个周期内存在。

本文中进一步详细描述这些实施例和其它实施例。

附图说明

通过参照以下具体实施方式和附属权利要求同时结合附图，本发明的各个目的和优点和更完整的理解会显而易见并且更易于理解，其中，遍及数个附图，完全相同的附图标记指代相同或类似的元件，并且在附图中：

图1示出了根据本发明的一个实施方式的等离子体处理系统的框图；

图2是示出了图1中所示出的开关模式电源系统的示范性实施例的框图；

图3是可用于实现参考图2描述的开关模式偏置电源的部件的原理图表示；

图4是示出了两个驱动信号波形的时序图；

图5是实现在特定离子能量处集中的离子能量分布的操作开关模式偏置电源的单模式的图形表示；

图6是示出了其中生成离子能量分布中的两个分立的峰的操作的双模态模式的示图；

图7A和图7B是示出了等离子体中进行的实际、直接离子能量测量的示图；

图8是示出了本发明的另一个实施例的框图；

图9A是示出由正弦调制函数调制的示范性周期电压函数的示图；

图9B是图9A中所示出的周期电压函数的一部分的分解图；

图9C示出了由周期电压函数的正弦调制得到的、基于时间平均的得到的离子能量分布；

图9D示出了当周期电压函数由正弦调制函数调制时得到的时间平均的IEDF的等离子体中进行的实际直接离子能量测量；

图10A示出了由锯齿调制函数调制的周期电压函数；

图10B是图10A中所示出的周期电压函数的一部分的分解图；

图10C是示出了由图10A和10B中的周期电压函数的正弦调制得到的、基于时间平均的所得到的离子能量的分布的示图；

图11是在右列中示出IEDF函数并且在左列中示出相关联的调制函数的示图；

图12是示出了其中离子电流补偿部件补偿等离子体室内的离子电流的实施例的框图；

图13是示出了示范性离子电流补偿部件的图示；

图14是示出了在图13中所示出的节点Vo处的示范性电压的示图；

图15A-15C是响应于补偿电流在衬底或晶圆的表面处出现的电压波形；

图16是可以实施为实现参考图13所描述的电流源的电流源的示范性实施例；

图17A和17B是示出了本发明的其它实施例的框图；

图18是示出了本发明的另一个实施例的框图；

图19是示出了本发明的又一个实施例的框图；

图20是可结合参考图1-19所描述的实施例使用的输入参数和控制输出的框图；

图21是示出了本发明的又一个实施例的框图；

图22是示出了本发明的又一个实施例的框图；

图23是示出了本发明的又一个实施例的框图；

图24是示出了本发明的又一个实施例的框图；

图25是示出了本发明的又一个实施例的框图；

图26是示出了本发明的又一个实施例的框图；

图27是示出了本发明的又一个实施例的框图；

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示出了控制碰撞衬底的表面的离子的离子能量分布的方法的一个实施例；

图31示出了用于设置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向衬底支撑部传送的两个经修改的周期电压函数波形；

图33示出了可以指示等离子体密度中的等离子体源不稳定性或变化的离子电流波形；

图34示出了具有非周期形状的经修改的周期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经修改的周期电压函数波形；

图36示出了可以指示系统电容的动态变化的经修改的周期电压函数波形；

图37示出了可以指示等离子体密度的变化的经修改的周期电压函数波形；

图38示出了针对不同工艺运行的离子电流的采样，其中，离子电流中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示出了在室中无等离子体的情况下监控的两个偏置波形；

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和离子能量之间的关系的若干电源电压和离子能量图；

图43示出了控制碰撞衬底的表面的离子的离子能量分布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个波形；

图45示出了在离子电流补偿Ic中进行最终增加变化以便使其匹配离子电流I_I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示出了可以用于实现多于一个离子能量电平的电源电压V_PS的一个模式，其中，每一离子能量电平具有窄IEDF宽度；

图49示出了可以用于实现多于一个离子能量电平的电源电压V_PS的另一个模式，其中，每一离子能量电平具有窄IEDF宽度；以及

图50示出了可以用于创建所定义的IEDF的电源电压V_PS和离子电流补偿I_C的一个组合。

具体实施方式

图1中大体示出了等离子体处理系统的示范性实施例。如所示出的，等离子体电源102耦合到等离子体处理室104，并且开关模式电源106耦合到支承部108，在室104内衬底110放置在支承部108上。还示出了耦合到开关模式电源106的控制器112。

在此示范性实施例中，等离子体处理室104可以以基本上常规结构的室来实现(例如，包括由一个或多个泵(未示出)排空的真空外壳)。此外，本领域技术人员将会理解，室104内的等离子体可以被任一种源激励，例如包括螺旋形的等离子体源，其包括用以激励和维持反应器内的等离子体114的磁线圈和天线，并且可以提供气体入口来将气体引入室104中。

如所示出的，示范性等离子体室104被设置和配置为利用对衬底110的高能离子轰击和其它等离子体处理(例如，等离子体沉积和等离子体辅助离子植入)来进行等离子体辅助的材料蚀刻。此实施例中的等离子体电源102被配置为在一个或多个频率下(例如，13.56MHz)经由匹配网络(未示出)将能量(例如，RF能量)施加到室104，以便激励和维持等离子体114。应当理解，本发明不限于任一特定类型的用以将能量耦合到室104的等离子体电源102或源，并且可以将各种频率和能量电平电容或电感地耦合到等离子体114。

如所示出的，将要处理的电介质衬底110(例如，半导体晶圆)至少部分由支承部108支承，支承部108可以包括常规晶圆卡盘的一部分(例如，用于半导体晶圆处理)。支承部108可以形成为在支承部108与衬底110之间具有绝缘层，其中衬底110被电容地耦合到平台，但支承部108也可以以不同于支承部108的电压浮置。

如上所述，如果衬底110和支承部108均为导体，则能够将不变电压施加到支承部108，并且由于通过衬底110的电传导，施加到支承部108的电压也被施加到衬底110的表面。

然而，当衬底110是电介质的情况下，向支承部108施加不变电压对衬底110的处理表面两端产生电压不起作用。因此，示范性开关模式电源106被配置为受控制以便在衬底110的表面上实现能吸引等离子体114中的离子来与衬底110碰撞的电压，从而执行衬底110的受控蚀刻和/或沉积和/或其它的等离子体辅助工艺。

此外，如本文进一步讨论，实施例的开关模式电源106被配置为工作以使得由等离子体电源102(向等离子体114)施加的能量与由开关模式电源106施加到衬底110的能量之间基本上不存在相互作用。例如，由控制开关模式电源106施加的能量是可控的，以便能控制离子能而基本上不影响等离子体114密度。

此外，许多图1所示出的示范性开关模式电源106的实施例由可由相对简单的控制算法控制的相对廉价的部件实现。并且与现有技术相比，许多开关模式电源106的实施例有效得多；从而减小了与去除过量热能有关的能量成本和昂贵材料。

一个已知的对电介质衬底施加电压的技术是利用大功率线性放大器与复杂的控制方案相结合，以对在衬底表面感应出电压的衬底支承部施加能量。然而，这种技术还没有被商业实体所采用，原因是还未证明该技术性价比高且易于管理。具体而言，所使用的线性放大器通常较大、非常昂贵、低效且难以控制。此外，线性放大器内在地需要AC耦合(例如，隔直流电容器)，并且类似卡盘的辅助功能由并行馈送电路实现，其会损害具有卡盘的源的系统的AC频谱纯净度。

已考虑到的另一种技术是对衬底施加高频功率(例如，利用一个或多个线性放大器)。然而，由于对衬底施加的高频功率对等离子体密度有影响，因此已经发现此技术对等离子体密度有不利的影响。

在一些实施例中，图1中所示出的开关模式电源106可以通过降压、升压或者升降压型能量技术来实现。在这些实施例中，可以控制开关模式电源106来施加变化的脉冲功率的电平，以在衬底110表面上感应出电势。

在其它实施例中，开关模式电源106可以由其它更复杂的开关模式电源和控制技术来实现。接下来参考图2，例如，参考图1描述的开关模式电源由开关模式偏置电源206来实现，开关模式偏置电源206用于将能量施加到衬底110，以实现一个或者多个期望的轰击衬底110的高能离子。还示出了离子能量控制部件220、电弧检测部件222以及耦合到开关模式偏置电源206和波形存储器224这两者的控制器212。

所示的这些部件的设置是合理的；从而在实际实施方式中可以组合或进一步分离这些部件，并且可以以各种方式连接这些部件，而不改变系统的基本工作。例如，在一些实施例中，可以利用可由硬件、软件、固件或其组合实现的控制器212来控制电源202和开关模式偏置电源206这两者。然而，在替代实施例中，电源202和开关模式偏置电源206由完全独立的功能单元来实现。进一步举例说明，控制器212、波形存储器224、离子能量控制部220和开关模式偏置电源206可以集成为单个部件(例如，位于共同的外壳中)或者可以分布在分立部件中。

此实施例中的开关模式偏置电源206通常被配置为以可控的方式对支承部208施加电压，以实现轰击衬底表面的期望的(定义的)离子的能量分布。更具体而言，开关模式偏置电源206被配置为通过将一个或多个特定能量电平的特定波形施加到衬底来实现期望的(定义的)离子能量分布。并且更具体地，响应于来自离子能量控制部220的输入，开关模式偏置电源206施加特定能量电平来实现特定离子能量，并且利用由波形存储器224中的波形数据定义的一个或多个电压波形来施加特定的能量电平。因此，可以利用离子控制部来选择一个或多个特定离子轰击能量，以执行对衬底的可控蚀刻(或其它形式的等离子体处理)。

如所示出的，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)，其用于响应于来自对应驱动部件228’、228”的驱动信号来将能量切换到衬底210的支承部208。并且基于波形存储器224的内容所定义的定时而由控制器212对由驱动部件228’、228”产生的驱动信号230’、230”进行控制。例如，许多实施例中的控制器212适于解释波形存储器的内容并且产生驱动控制信号232’、232”，驱动控制信号232’、232”由驱动部件228’、228”利用来控制至开关部件226’、226”的驱动信号230’、230”。尽管以示范性的目的示出了两个可以以半桥配置设置的开关部件226’、226”，但是必然能够想到在各种架构中可以实现更少或另外的开关部件(例如，H桥配置)。

在多种操作模式下，控制器212(例如，利用波形数据)调制驱动控制信号232’、232”的定时，以便在衬底210的支承部208实现期望的波形。另外，开关模式电源206基于离子能量控制信号234对衬底210提供电源，控制信号234可以是DC信号或者是时变波形。因此，本实施例能够通过控制至开关部件的定时信号并且控制由开关部件226’、226”施加的能量(由离子能控制部件220控制)来控制离子能量分布。

另外，此实施例中的控制器212被配置为：响应于由电弧检测部件222检测的等离子室204内的电弧来执行电弧管理功能。在一些实施例中，当检测到电弧时，控制器212改变驱动控制信号232’、232”，以使得施加在开关模式电源206的输出端236的波形熄灭等离子体214中的电弧。在其它实施例中，控制器212通过简单中断驱动控制信号232’、232”的施加来熄灭电弧，以使得开关模式偏置电源206的输出端236的能量的施加被中断。

接下来参考图3，其是可以用于实现参考图2描述的开关模式偏置电源206的部件的原理图表示。如所示出的，此实施例中的开关部件T1和T2以半桥(也被称为图腾柱)型拓扑来设置。共同地，R2、R3、C1和C2均表示等离子体负载，C10是有效电容(在本文也被称为串联电容或卡盘电容)，以及C3是可选物理电容器，以防止来自衬底表面上感应出的电压或者来自静电卡盘(未示出)的电压的DC电流流过电路。C10被称为有效电容，因为其包括衬底支撑部和静电卡盘(或e-卡盘)的串联电容(或者也被称为卡盘电容)以及偏置的施加所固有的其它电容，诸如绝缘和衬底。如所示出的，L1是杂散电感(例如，向负载馈送电能的导体的固有电感)。并且在此实施例中，存在三个输入：Vbus、V2和V4。

V2和V4表示驱动信号(例如，参考图2描述的由驱动部件228’、228”输出的驱动信号230’、230”)，并且在此实施例中，可以为V2和V4定时(脉冲长度和/或相互延迟)，使得可以调制T1和T2的关闭以控制被施加到衬底支承部的电压输出Vout的波形。在许多实施方式中，用于实现开关部件T1和T2的晶体管都不是理想开关，因此为了达到期望的波形，考虑晶体管特定特征。在许多操作模式下，简单地改变V2和V4的定时可以实现将要在Vout施加的期望的波形。

例如，可以操作开关T1、T2以使得在衬底110、210表面的电压通常为负且周期电压脉冲接近和/或略微超过正电压参考。衬底110、210表面处的电压值是定义离子能量的值，其特征可以在离子能量分布函数(IEDF)方面。为了在衬底110、210表面处实现期望的电压，在Vout的脉冲通常为矩形的且具有宽度长到足以在衬底110、210表面感应出短暂的正电压，以便将充足的电子吸引到衬底110、210表面，从而实现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电压脉冲可具有由开关T1，T2的开关能力限制的最小时间。所述电压的大致负部分可延伸，只要所述电压并不构建到损坏开关的电平。同时，电压的负部分的长度应超过离子渡越时间。

此实施例中的Vbus定义了在Vout测量的脉冲幅度，其定义了衬底表面的电压以及离子能量。再次简要地参考图2，Vbus可以耦合到离子能量控制部，所述离子能量控制部可以由用于向Vbus施加DC信号或时变波形的DC电源来实现。

可以调制脉宽、脉冲形状和/或两个信号V2、V4的相互延迟以达到在Vout的期望波形(在本文也被称为修改的周期电压函数)，并且施加到Vbus的电压可以影响脉冲的特性。换句话说，电压Vbus可以影响脉宽、脉冲形状和/或信号V2、V4的相对相位。例如，简要参考图4，示出了示出可以施加到T1和T2的两个驱动信号波形(作为V2和V4)定时图，以便在Vout产生如图4所示出的周期电压函数。为了调制在Vout的脉冲形状(例如，为了实现Vout的脉冲的最小时间，还达到脉冲的峰值)，可以控制两个栅极驱动信号V2、V4的定时。

例如，可以将两个栅极驱动信号V2、V4施加到开关部件T1、T2，因而与脉冲之间的时间T相比，在Vout施加的每个脉冲的时间可以较短，但是长到足以在衬底110、210表面感应出正电压，以便将电子吸引到衬底110、210表面。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，为了实现在脉冲之间衬底表面的基本恒定的电压)。在一些操作模式中，栅极脉冲的重复率大约为400kHz，但该重复率会根据应用的不同而必然变化。

尽管没有要求，但是在实际中，根据基于实际实施方式的建模和细化，可以定义可用于产生期望的(定义的)离子能量分布的波形，并且可以存储所述波形(例如，在参考图1描述的波形存储部中，作为电压电平的序列)。另外，在许多实施方式中，可以直接产生波形(例如，不需要来自Vout的反馈)；因此，避免了反馈控制系统的不期望的方面(例如，设定时间)。

再次参考图3，可以调制Vbus以控制离子能量，并且所存储的波形可以用于控制栅极驱动信号V2、V4，以实现Vout处的期望脉冲幅度，同时使脉宽最小化。再一次地，这可以根据可以建模或实施及经验地建立的晶体管的特定特征来完成。例如，参考图5，示出了Vbus随时间变化、衬底110、210表面的电压随时间变化以及对应的离子能量分布的示图。

图5中的示图示出了操作开关模式偏置电源106、206的单模式，其实现了在特定离子能集中的离子能量分布。如所示出的，为了在此示例中实现单个离子能量的集中，保持施加到Vbus的电压不变，同时控制施加到V2和V4的电压(例如，利用图3所示的驱动信号)，以便在开关模式偏置电源106、206的输出端产生脉冲，其实现了图5中所示的对应的离子能量分布。

如图5所示出的，衬底110、210表面的电势通常为负，以吸引轰击并且蚀刻衬底110、210的离子。(通过对Vout施加脉冲)施加到衬底110、210的周期短脉冲具有由施加到Vbus的电势来定义的大小，并且这些脉冲导致了衬底110、210的电势的微小变化(例如，接近于正或略微正的电势)，这将电子吸引到衬底表面，以便实现沿衬底110、210表面的大体上的负电势。如图5所示出的，施加到Vbus的恒定电压实现了在特定离子能量的单个离子通量的集中；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。在其它操作模式下，可以创建两个或更多个分离的离子能量的集中(例如，参见图49)。

本领域技术人员将认识到，无需将电源限制为开关模式电源，并且如此，还可控制电源的输出以便影响一定离子能量。如此，当在不与离子电流补偿或离子电流组合的情况下考虑时，电源(无论是开关模式电源或其它电源)的输出也可被称为电源电压V_PS。

参考图6，例如，示出了在离子能量分布中产生有两个分离峰的双模态操作模式的示图。如所示出的，在此操作模式下，衬底经受两个明显的电压和周期脉冲的电平，并且因此创建了两个分离的离子能量的集中。如所示出的，为了实现两个明显的离子能量集中，在Vbus施加的电压在两个电平之间交变，并且每个电平限定了两个离子能量集中的能量电平。

尽管图6示出了在每一脉冲之后交变的衬底110、210的两个电压(例如，图48)，但这必然不是所要求的。例如，在其它操作模式下，相对于施加到Vout的电压，对施加到V2和V4的电压进行切换(例如，使用图3中所示出的驱动信号)，以使得在衬底表面的感应电压在两个或者更多脉冲之后从第一电压到第二电压(反之亦然)交变(例如，图49)。

在现有技术中，已经尝试将(由波形发生器产生的)两个波形的组合施加到线性放大器并将放大后的两个波形的组合施加到衬底以便实现多个离子能量。然而，此方法比参考图6描述的方法复杂得多，并需要昂贵的线性放大器和波形产生器。

接下来参考图7A和7B，分别示出了与施加到Vbus的DC电压的单能和双电平调制对应的在等离子体中进行的实际直接离子能量测量的示图。如图7A所示出的，响应于施加到Vbus的不变电压(例如，如图5所示出的)，离子能量分布集中在80eV附近。并且在图7B中，响应于Vbus的双电平调节(例如，如图6所示出的)，两个分离的离子能量集中存在于85eV和115eV附近。

接下来参考图8，示出了本发明的示出另一实施例的框图。如所示出的，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以及衬底支承部808。控制器812，开关模式电源806和离子能量控制部件820共同地工作来对衬底支承部808施加能量，以在时间平均的基础上在衬底810的表面实现期望的(定义的)离子能量分布。

简短地参考图9A，例如示出了周期约为400kHz的周期电压函数，其在所述周期电压函数的多个周期期间由约5kHz的正弦调制函数进行调制。图9B是图9A中循环的周期电压函数的部分的分解图，以及图9C示出了由周期电压函数的正弦调制得到的、在时间平均的基础上的、所得到的离子能量的分布。以及图9D示出了当周期电压函数由正弦调制函数进行调制时所得到的、时间平均的IEDF的等离子体中进行的实际直接的离子能量测量。如本文进一步讨论的，在时间平均的基础上实现期望的(定义的)离子能量分布可以通过简单地改变施加到周期电压的调制函数来实现。

参考作为另一示例的图10A和10B，通过大约5kHz的锯齿调制函数来调制400kHz的周期电压函数，以在时间平均的基础上达到图10C中所示出的离子能量分布。如所示出的，除了图10中的周期电压函数是由锯齿函数而非正弦函数调制以外，结合图10使用的周期电压函数与图9相同。

应当认识到，图9C和图10C所示出的离子能量分布函数不表示衬底810表面的瞬时离子能量分布，而是相反表示时间平均的离子能量。参考图9C，例如，在某一特定时刻，离子能量分布将会是在调制函数的整个周期过程上存在的、所示出的离子能量分布的子集。

还应当认识到，调制函数不必是固定函数，也不必为固定频率。在某些情况下，例如，可能会期望对具有一个或者多个特定调制函数的周期的周期电压函数进行调制来实现特定的、时间平均的离子能量分布，并且然后对具有一个或者多个另一调制函数的周期的周期电压函数进行调制来实现另一时间平均的离子能量分布。在很多情况下，对(调制周期电压函数的)调制函数的这种改变可以是有利的。例如，如果需要特定离子能量分布来蚀刻特定几何构造或蚀刻穿过特定材料，就可以使用第一调制函数，并且然后，随后可以使用另一调制函数来实现不同的蚀刻几何形状或蚀刻穿过另一材料。

类似地，周期电压函数(例如，图9A、9B、10A和10B中的400kHz的部件及图4中的Vout)不必严格固定(例如，周期电压函数的形状和频率可以变化)，但是通常其频率由室内的离子的渡越时间来确定，以使得室内的离子受施加到衬底810的电压影响。

回过来参考图8，控制器812向开关模式电源806提供驱动控制信号832’和832”，使得开关模式电源806产生周期电压函数。开关模式电源806可以由图3所示出的部件来实现(例如，创建图4所示出的周期电压函数)，但是必然能够想到可以利用其它开关架构。

一般而言，离子能量控制部件820起到向周期电压函数施加调制函数(其由控制器812结合开关模式电源806产生)的作用。如图8所示，离子能量控制部件820包括与自定义IEDF部850通信的调制控制器840、IEDF函数存储器848、用户接口846和电源部件844。应当认识到，示出这些部件意在表达功能部件，实际上所述功能部件可以由相同或不同的部件来实现。

此实施例中的调制控制器840通常基于定义调制函数的数据来控制电源部件844(及其输出834)，并且电源部件844(基于来自调制控制器840的控制信号842)产生调制函数834，将调制函数834施加到由开关模式电源806产生的周期电压函数。此实施例中的用户接口846被配置为使用户能够选择存储在IEDF函数存储器848中的预定义的IEDF函数，或者结合自定义的IEDF部件850来定义自定义的IEDF。

在许多实施方式中，电源部件844包括DC电源(例如，DC开关模式电源或者线性放大器)，其将调制电压(例如，变化的DC电压)施加到开关模式电源(例如，图3中所示出的开关模式电源的Vbus)。在这些实施方式中，调制控制器840控制由电源部件844输出的电压电平，使得电源部件844施加与调制函数相符的电压。

在一些实施方式中，IEDF函数存储器848包括与多个IEDF分布函数中的每一个相对应的多个数据集，并且用户接口846使用户能够选择期望的(定义的)IEDF函数。参考图11，例如，右列示出了可用于供用户选择的示范性IEDF函数。以及左列示出了相关的调制函数，调制控制器840结合电源部件844将所述调制函数应用于周期电压函数来实现对应的IEDF函数。应当认识到，图11中所示出的IEDF函数仅是示范性的，也可用于选择其它IEDF函数。

自定义的IEDF部件850通常起到使用户能够通过用户接口846来定义期望的(定义的)离子能量分布函数的作用。在某些实施方式中，例如，自定义的IEDF部件850使用户能够确定定义离子能量分布的特定参数的值。

例如，自定义的IEDF部件850使得可以根据在高电平(高IF)、中电平(中IF)和低电平(低IF)的相对通量电平(例如，根据通量的百分比)结合定义这些能量电平之间的IEDF的一个或多个函数来定义IEDF函数。在许多情况下，仅高IF、低IF和这些电平之间的IEDF函数才足以定义IEDF函数。作为特定示例，用户可以利用在20％贡献电平(contributionlevel)(对总IEDF的贡献)与30％贡献电平之间的正弦IEDF来请求20％贡献电平的1200eV、30％贡献电平的700eV。

还可以想到，自定义的IEDF部850可以使用户能够以一个或多个(例如，多)能量电平的列表以及对应的每一能量电平与IEDF的百分比贡献来填充表格。以及在另一替代实施例中，可以想到，自定义的IEDF部件850结合用户接口846通过向用户呈现使用户能够绘制期望的(定义的)IEDF的图形工具来使用户能够图形地产生期望的(定义的)IEDF。

此外还可以想到，IEDF函数存储器848和自定义IEDF部件850可以交互操作以使用户能够选择预定义的IEDF函数并然后更改预定义的IEDF函数，以便产生由预定义的IEDF函数导出的自定义的IEDF函数。

一旦定义了IEDF函数，调制控制器840就将定义期望的(定义的)IEDF函数的数据转换为控制电源部件844的控制信号842，以使得电源部件844实现与期望的(定义的)IEDF相对应的调制函数。例如，控制信号842控制电源部件844以使得电源部件844输出由调制函数定义的电压。

接下来参考图12，其为示出离子电流补偿部件1260补偿等离子体室1204内的离子电流的实施例的框图。申请人已经发现，在更高能级下，室内更高电平的离子电流影响衬底表面的电压，并且结果，离子能量分布也受到影响。简短地参考图15A-15C，例如，示出了当电压波形出现在衬底1210或晶圆表面时的电压波形及其与IEDF的关系。

更具体地，图15A示出了当离子电流I_I等于补偿电流Ic时衬底1210表面的周期电压函数；图15B示出了当离子电流I_I大于补偿电流Ic时衬底1210表面的电压波形；以及图15C示出了当离子电流I_I小于补偿电流Ic时衬底表面的电压波形。

如在图15A中所示出的，当I_I＝Ic时，离子能量的扩展1470相对窄于在图15B中所示出的当I_I>Ic时的离子能量的均匀扩展1472、或者在图15C中所示出的当I_I<Ic时的离子能量的均匀扩展1474。因此，离子电流补偿部件1260在离子电流较高时(例如，通过补偿离子电流的效果)实现离子能量的窄的扩展，并且还实现了离子能量的均匀扩展1572、1574可控(例如，当期望具有离子能量扩展时)。

如在图15B中所示出的，在没有离子电流补偿(当I_I>Ic)的情况下，在周期电压函数的正的部分之间，衬底表面的电压以斜坡式方式变为较小地负的，这产生了更宽的离子能量扩展1572。类似地，当利用离子电流补偿来增大补偿电流的电平直到超过如图15C中所示出的离子电流(I_I<Ic)的电平时，在周期电压函数的正的部分之间，衬底表面的电压以斜坡式方式变得更负，并且产生更宽的均匀离子能量扩展1574。

回过来参考图12，离子电流补偿部件1260可以实现为独立的附件，其可以可选地加到开关模式电源1206和控制器1212。在其它实施例中，(例如，如图13中所示出的)，离子电流补偿部件1260可以与本文描述的其它部件(例如，开关模式电源106、206、806、1206和离子能量控制部件220、820)共用共同的外壳1366。在此实施例中，提供到等离子体室1204的周期电压函数可被称为经修改的周期电压函数，因为其包括由来自离子电流补偿部件1260的离子电流补偿修改的周期电压函数。控制器1212可在开关模式电源1206和离子电流补偿1260的输出组合的电气节点处的不同时刻对电压进行采样。

如图13中所示出的，示出了示范性的离子电流补偿部件1360，其包括耦合到开关模式电源的输出端1336的电流源1364以及耦合到电流源1364和输出端1336这两者的电流控制器1362。图13还示出了等离子体室1304，并且等离子体室内具有电容性元件C1、C2和离子电流I_I。如图所示出的，C1表示与可以包括但不限于绝缘材料、衬底、衬底支承部和e-卡盘的室1304相关联的部件的固有电容(本文也被称为有效电容)，以及C2表示鞘层电容和杂散电容。在此实施例中，向等离子体室1304提供的并且在V₀处可测量的周期电压函数可以被称为经修改的周期电压函数，由于其包括由离子电流补偿Ic修改的周期电压函数。

鞘层(本文中也被称为等离子体鞘层)是等离子体中接近衬底表面的层并且可能是等离子体处理室的具有高密度正离子并且因此总体过剩正电荷的壁。鞘层接触的表面通常具有占优势的负电荷。鞘层凭借比正离子更快的电子速度而出现，因此导致更大比例的电子到达衬底表面或壁，因此使得鞘层耗尽电子。鞘层厚度(λ_鞘层)是等离子体特性(诸如，等离子体密度和等离子体温度)的函数。

应当注意的是，因为此实施例中的C₁是与室1304相关联的部件的固有(本文中也被称为有效)电容，所以它是被加到处理的增益控制的可存取电容。例如，一些现有技术方法利用线性放大器将偏置电源耦合至具有隔直流电容器的衬底上，并且然后利用隔直流电容器两端的监控电压作为反馈来控制其线性放大器。尽管在本文公开的许多实施例中，电容器能够将开关模式电源耦合到衬底支承部，但由于本发明的数个实施例中不需要使用隔直流电容器的反馈控制，所以不必这样做。

在参考图13的同时参考图14，图14是示出图13中所示出的Vo处的示范性电压(例如，经修改的周期电压函数)。在操作中，电流控制器1362监控Vo处的电压，如下式计算间隔t期间(如图14中所示出的)的离子电流：

离子电流I_I和固有电容(也被称为有效电容)C₁中的任一者或两者可以是时变的。由于C₁对于给定工具是基本恒定的并且是可测量的，所以只需要监控Vo来实现补偿电流的不间断控制。如上所述，为了得到更多离子能量的单能分布(例如，如图15A中所示出的)，电流控制器控制电流源1364以使得I_c与I_I基本相等(或在替代方案中，根据等式2与I_I相关)。按照这种方法，即使当离子电流达到影响衬底表面的电压的电平时，也可以保持离子能量的窄扩展。并且此外，如果需要的话，可以如图15B和15C所示出地那样来控制离子能量的扩展，以使得在衬底表面产生额外的离子能量。

同样，在图13中示出了反馈线1370，其可以结合控制离子能量分布使用。例如，图14中所示出的ΔV(本文中还被称为电压阶跃或第三部分1406)的值表示瞬时离子能量，并且可以用于许多实施例中作为反馈控制环路的一部分。在一个实施例中，根据等式式4，电压阶跃ΔV与离子能量相关。在其它实施例中，峰间电压V_PP可与瞬时离子能量相关。替代地，峰间电压V_PP与第四部分1408的斜率dV₀/dt乘以时间t的乘积之间的差可与瞬时离子能量相关(例如，V_PP–dV₀/dt·t)

接下来参考图16，示出了电流源1664的示范性实施例，其可以用于实现参考图13中所描述的电流源1364。在此实施例中，与串联电感器L2连接的可控负DC电压源起到电流源的作用，但是本领域技术人员将会理解，鉴于本说明书，可以由其它部件和/或配置来实现电流源。

图43示出了控制碰撞衬底的表面的离子的离子能量分布的方法的一个实施例。方法4300通过向在等离子体处理室内支撑衬底的衬底支撑部施加经修改的周期电压函数4302(参见图44中的经修改的周期电压函数4402)而开始。可经由至少两个‘旋钮’(诸如离子电流补偿I_C(参见图44中的I_C4404)和电源电压V_PS(参见图44中的电源电压4406)控制经修改的周期电压函数。用于产生电源电压的示范性部件是图1中的开关模式电源106。为了帮助解释电源电压V_PS，其在本文中示出为在测量时不耦合到离子电流和离子电流补偿。然后在离子电流补偿I_C的第一数值和所述第二数值处对经修改的周期电压函数进行采样4304。针对离子电流补偿I_C的每一数值选取经修改的周期电压函数的电压的至少两个样本。执行采样4304以便实现对离子电流I_I和鞘层电容C_鞘层的计算4306(或确定)4306。这种确定可涉及找到离子电流补偿I_C，如果将其施加到衬底支撑部(或当将其施加到该衬底支撑部时)将产生窄的(例如，最小)离子能量分布函数(IEDF)宽度。计算4306还可以可选地包括基于经修改的周期电压函数的波形的采样4304来确定电压阶跃ΔV(也被称为经修改的周期电压函数的第三部分1406)。电压阶跃ΔV可与到达衬底的表面的离子的离子能量相关。当首次找到离子电流I_I时，可忽视电压阶跃ΔV。将在以下图30的论述中提供采样4304和计算4306的细节。

一旦已知离子电流I_I和鞘层电容C_鞘层，方法4300就可移到图31的涉及设置并且监控IEDF的离子能量和形状(例如，宽度)的方法3100。例如，图46示出了电源电压的变化可如何影响离子能量的变化。特别地，所示出的电源电压的大小减小，从而导致离子能量的减小的大小。另外，图47示出了，考虑到窄IEDF 4714的情况下，可通过调节离子电流补偿I_C来使IEDF变宽。替代地或并行地，方法4300可如参考图32-41所描述地那样执行各种度量，其利用离子电流I_I、鞘层电容C_鞘层和经修改的周期电压函数的波形其它方面。

除设置离子能量和/或IEDF宽度以外，方法4300可调节经修改的周期电压函数4308以便保持离子能量和IEDF宽度。特别地，可执行对由离子电流补偿部件提供的离子电流补偿I_C的调节和对电源电压的调节4308。在一些实施例中，可通过电源的总线电压V_bus(例如，图3的总线电压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。

在这些调节4308之后，可再次对经修改的周期电压函数4304进行采样，并且可再次执行对离子电流I_I、鞘层电容C_鞘层和电压阶跃ΔV的计算4306。如果离子电流I_I或电压阶跃ΔV不同于所定义的数值(或在替代方案中，所期望的数值)，则可调节离子电流补偿I_C和/或电源电压4308。可出现采样4304、计算4306和调节4308的循环，以便保持离子能量eV和/或IEDF宽度。

图30示出了控制碰撞衬底的表面的离子的离子能量分布的方法的另一实施例。在一些实施例中，如上所述，可期望实现窄IEDF宽度(例如，最小IEDF宽度，或在替代方案中，～6％半高全宽)。如此，方法3000可向室并且向衬底支撑部提供经修改的周期电压函数，以使得在衬底的表面处存在恒定衬底电压，并且因此鞘层电压。这继而以基本上恒定的电压对鞘层两端的离子进行加速，因此使得离子能够以基本上相同离子能量碰撞衬底，其继而提供窄IEDF宽度。例如，在图45中，可见调节离子电流补偿I_C可导致脉冲之间的衬底电压V_sub具有恒定或基本上恒定的电压，因此导致IEDF变窄。

假设无杂散电容(参见图45中的周期电压函数(V₀)的最后五个周期)，在离子电流补偿I_C等于离子电流I_I时实现了这种经修改的周期电压函数。在替代方案中，在考虑杂散电容C_杂散的情况下，根据等式2，离子电流补偿I_C与离子电流I_I相关：

其中，C₁是有效电容(例如，参考图3和图13所述的固有电容)。有效电容C₁可随时间变化或恒定。出于本公开内容的目的，窄IEDF宽度可在I_I＝I_C时或在替代方案中当满足等式2时存在。图45-50使用命名法(nomenclature)I_I＝I_C，但应理解的是，这些等式仅是等式2的简化，并且因此等式2可替代图45-50中使用的等式。杂散电容C_杂散是等离子体室的累积电容，如由电源所见。在图45中示出了八个周期。

方法3000可开始于向衬底支撑部(例如，图1中的衬底支撑部108)施加经修改的周期电压函数(例如，图14中所示出的经修改的周期电压函数或图44中的经修改的周期电压函数4402)3002。可在两个或更多个时刻对经修改的周期电压函数的电压进行采样3004，并且根据此采样，可计算经修改的周期电压函数的周期的至少一部分的斜率dV₀/dt(例如，脉冲之间的部分或第四部分1408的斜率)3006。在决策3010之前的某时刻，可存取有效电容C₁(例如，图13中的固有电容C₁和图3中的固有电容C10)的先前确定的数值(例如，从存储器或从用户输入存取)3008。基于斜率dV₀/dt、有效电容C₁和离子电流补偿I_C，可如下针对离子电流补偿I_C的每一数值评估函数f(等式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，或在替代方案中，使得等式2为真，并且已经实现窄IEDF宽度3010(例如，参见图45)。如果函数f不为真，则可进一步调节离子电流补偿I_C 3012，直到函数f为真。查看此情况的另一方式是可调节离子电流补偿I_C，直到其匹配离子电流I_I(或在替代方案中，满足等式2的关系)，在此点处将存在窄IEDF宽度。在图45中可看见对离子电流补偿Ic的这种调节和IEDF的所产生变窄。在存储操作3014中可(例如，在存储器中)存储离子电流I_I和对应的离子电流补偿Ic。离子电流I_C可如同有效电容C₁一样随时间变化。

当满足等式3时，离子电流I_I是已知的(因为I_C＝I_I或因为等式2为真)。因此，方法3000实现对离子电流I_I的实时的远程和非侵入性测量，而不影响等离子体。这导致若干新颖度量，诸如将参考图32-41所述的那些度量(例如，对等离子体密度的远程监控和对等离子体源的远程故障检测)。

在调节3012补偿电流I_C时，离子能量将很可能比delta函数更宽，并且离子能量将类似于图15B、图15C或图44的离子能量。然而，一旦发现补偿电流I_C满足等式2，IEDF就将出现，如图15A或图45的右侧部分中所示出—为具有窄IEDF宽度(例如，最小IEDF宽度)。这是因为当I_C＝I_I时(或替代地当等式2为真时)，经修改的周期电压函数的脉冲之间的电压导致基本上恒定的鞘层或衬底电压，并且因此基本上恒定的离子能量。在图46中，衬底电压4608包括恒定电压部分之间的脉冲。这些脉冲具有如此短的持续时间以致于其对离子能量和IEDF的影响可以忽略不计，并且因此衬底电压4608被当作是基本上恒定的。

下文提供关于图30中示出的方法步骤中的每一个方法步骤的进一步细节。在一个实施例中，经修改的周期电压函数可具有如同图14中所示出的波形的波形并且可包括第一部分(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)，其中第三部分可具有电压阶跃ΔV，并且第四部分可具有斜率dV₀/dt。斜率dV₀/dt可以为正、负或零。经修改的周期电压函数1400还可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)。

经修改的周期电压函数可被测量为图3中的V₀并且可出现为图44中的经修改的周期电压函数4402。经修改的周期电压函数4402通过将电源电压4406(也被称为周期电压函数)与离子电流补偿4404组合而产生。电源电压4406主要负责产生并且使经修改的周期电压函数4402的脉冲成形，并且离子电流补偿4404主要负责产生并且使脉冲之间的部分成形，其通常是直线倾斜的电压。增加离子电流补偿Ic导致脉冲之间的部分的斜率的大小减小，如图45中所见。减小电源电压4606的大小导致脉冲的幅度的大小和经修改的周期电压函数4602的峰间电压的减小，如图46中所见。

在电源是开关模式电源的情况下，可施加第一开关T1和第二开关T2的开关图4410。例如，第一开关T1可实施为图3中的开关T1，并且第二开关T2可实施为图3中的第二开关T2。两个开关示出为具有完全相同的开关时间，但是异相180°。在其它实施例中，开关可具有诸如在图4中所示出的轻微相位偏移之类的轻微相位偏移。当第一开关T1开启时，电源电压牵引到最大大小，其在图44中为负值，因为电源具有负总线电压。第二开关T2在此周期期间关闭，以使得电源电压4406与地隔离。当开关反向(reverse)时，电源电压4406接近并且稍微超过(pass)大地。在所示出的实施例中，存在两个脉冲宽度，但是这不是必须的。在其它实施例中，脉冲宽度针对所有周期可完全相同。在其它实施例中，脉冲宽度可适时变化或调制。

经修改的周期电压函数可应用到衬底支撑部3002，并且在经修改的周期电压函数到达衬底支撑部之前在最后一个可存取点处采样3004为V₀(例如，在开关模式电源与有效电容之间)。未经修改的周期电压函数(或图44中的电源电压4406)可源自诸如图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可源自诸如图12中的离子电流补偿部件1260或图13中的离子电流补偿部件1360的电流源。

可对经修改的周期电压函数的一部分或整个经修改的周期电压函数进行采样3004。例如，可第四部分(例如，第四部分1408)进行采样。采样3004可在电源和衬底支撑部之间执行。例如，在图1中，可在开关模式电源106与支撑部108之间执行采样3004。例如，在图1中，可在开关模式电源106与支撑部108之间执行采样3004。在图3中，可在电感器L1与固有电容C10之间执行采样3004。在一个实施例中，可在电容C3与固有电容C10之间在V₀处执行采样3004。由于固有电容C10和表示等离子体的元件(R2、R3、C1和C2)不可存取用于实时测量，因此通常在图3中的固有电容C10的左侧执行采样3004。虽然固有电容C10通常不在处理期间测量，但是其通常已知恒定，并且因此可在制造期间进行设置。同时，在一些情况下，固有电容C10可随时间变化。

虽然在一些实施例中，仅需要经修改的周期电压函数的两个样本，但在其它实施例中，可针对经修改的周期电压函数的每一周期选取数百、数千或成千上万个样本。例如，采样率可大于400kHz。这些采样率实现对经修改的周期电压函数及其形状的更精确的并且详细的监控。在此相同纹理(vein)中，对周期电压函数的更详细监控允许对波形的更精确比较：不同周期之间、不同工艺条件之间、不同工艺之间、不同室之间、不同源之间等。例如，以这些采样率，可区分图14中示出的周期电压函数的第一、第二、第三和第四部分1402、1404、1406、1408，这以传统采样率会是不可能的。在一些实施例中，较高采样率实现对电压阶跃ΔV和斜率dV₀/dt的解析，这在本领域中是不可能的。在一些实施例中，可对经修改的周期电压函数的一部分进行采样，而不对其它部分进行采样。

可基于在时间t(例如，第四部分1408)期间进行的多次V₀测量对斜率dV₀/dt进行计算3006。例如，可执行线性拟合以将一条线拟合到V₀值，其中所述线的斜率给出斜率dV_o/dt。在另一示例中，可确定在图14中的时间t(例如，第四部分1408)的开始和结束处的V₀值，并且可在这两个点之间拟合一条线，其中所述线的斜率给出为dV_o/dt。这些仅是可计算脉冲之间的部分的斜率dV_o/dt的许多方式中的两种方式。

决策3010可以是用于将IEDF调谐到窄宽度(例如，最小宽度，或在替代方案中，6％半高全宽)的迭代循环的部分。等式3仅在离子电流补偿Ic等于离子电流I_I(或在替代方案中，根据等式2与I_I相关)的情况下保持为真，其仅在存在恒定衬底电压并且因此恒定且基本上单一的离子能量(窄IEDF宽度)的情况下发生。在图46中可见恒定衬底电压4608(V_sub)。因此，离子电流I_I或替代地离子电流补偿Ic可用在等式3中。

替代地，可针对第一周期和第二周期对沿第四部分1408(也被称为脉冲之间的部分)的两个数值进行采样，并且可分别针对每一周期确定第一斜率和第二斜率。根据这两个斜率，可确定离子电流补偿Ic，期望离子电流补偿Ic使等式3针对第三(但尚未测量)斜率为真。因此，可估算离子电流I_I，预计离子电流I_I对应于窄IEDF宽度。这些仅是可确定窄IEDF宽度并且可发现对应的离子电流补偿Ic和/或对应的离子电流I_I的许多方式中的两种方式。

对离子电流补偿Ic的调节3012可涉及增加或减小离子电流补偿Ic，并且对每一调节的步长无限制。在一些实施例中，等式3中函数f的符号可用于确定是增加还是减小离子电流补偿。如果符号为负的，则可减小离子电流补偿Ic，而正符号可指示需要增加离子电流补偿Ic。

一旦已经识别离子电流补偿Ic等于离子电流I_I(或在其它方案中，根据等式2与其相关)，方法3000就可前进到进一步设置点操作(参见图31)或远程室和源监控操作(参见图32-41)。所述进一步设置点操作可包括设置离子能量(也参见图46)和离子能量的分布或IEDF宽度(也参见图47)。源和室监控可包括监控等离子体密度、源供应异常、等离子体电弧以及其它。

此外，方法3000可选地循环回到采样3004以便连续(或在替代方案中，周期地)更新离子电流补偿Ic。例如，考虑到当前离子电流补偿Ic的情况下，可以周期地执行采样3004、计算3006、决策3010和调节3012，以便确保继续满足等式3。同时，如果更新满足等式3的离子电流补偿Ic，则还可更新离子电流I_I并且可以存储3014经更新数值。

虽然方法3000可发现并且设置离子电流补偿Ic从而等于离子电流I_I，或在替代方案中，满足等式2，但在没有将离子电流I_C设置为该数值的情况下(或在替代方案中，在将离子电流I_C设置为该数值之前)，可以确定实现窄IEDF宽度所需的离子电流补偿Ic的数值。例如，通过针对第一周期施加第一离子电流补偿Ic₁并且测量脉冲之间的电压的第一斜率dV₀₁/dt，并且通过针对第二周期施加第二离子电流补偿Ic₂并且测量脉冲之间的电压的第二斜率dV₀₂/dt，可确定与第三离子电流补偿Ic₃相关联的第三斜率dV₀₃/dt，其中，期望等式3为真。第三离子电流补偿Ic₃可以是如果施加将产生窄IEDF宽度的离子电流补偿。因此，可仅借助对离子电流补偿的单一调节来确定满足等式3并且因此与离子电流I_I相对应的离子电流补偿Ic。方法3000可然后移到图31和/或图32-41中所述的方法，而不曾将离子电流I_C设置为实现窄IEDF宽度所需的数值。可执行这种实施例以便增加调谐速度。

图31示出了用于设置IEDF宽度和离子能量的方法。所述方法源自图30中示出的方法3000，并且可选取左侧路径3100(也被称为IEDF支路)或右侧路径3101(也被称为离子能量支路)中的任一路径，其需要分别设置IEDF宽度和离子能量。离子能量eV与电压阶跃ΔV或图14的经修改的周期电压函数1400的第三部分1406成正比。离子能量eV与电压阶跃ΔV之间的关系可写为等式4：

其中C₁是有效电容(例如，卡盘电容；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3中的鞘层电容C2)。鞘层电容C₂可包括杂散电容并且取决于离子电流I_I。电压阶跃ΔV可被测量为经修改的周期电压函数1400的第二部分1404与第四部分1408之间的电压的变化。通过控制并且监控电压阶跃ΔV(其是电源电压或诸如图3中的总线电压V_bus之类的总线电压的函数)，可控制并且知道离子能量eV。

同时，可根据等式5估计IEDF宽度：

其中，在C是C_串联的情况下I是I_I，或在C是C_有效的情况下I是I_C。时间t是脉冲之间的时间，V_PP是峰间电压，并且ΔV是电压阶跃。

另外，鞘层电容C₂可用在多种计算和监控操作中。例如，可如下估算Debye鞘层距离λ_鞘层：

其中∈是真空介电常数，以及A是衬底的面积(或在替代方案中，衬底支撑部的表面积)。在一些高电压应用中，等式6写为等式7：

另外，可以将鞘层中的e场估算为鞘层电容C₂、鞘层距离λ_鞘层和离子能量eV的函数。鞘层电容C₂连同离子电流I_I一起还可用于根据等式8来确定等离子体密度n_e，其中针对单独电离的等离子体，饱和电流I_sat与补偿电流I_C线性相关。

可使用鞘层电容C₂和饱和电流I_sat来计算衬底表面处的离子的有效质量。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电位V_DC是通常仅经由本领域中的间接手段监控的基本等离子体参数。本公开内容实现对这些参数的直接测量，因此实现对等离子体特性的更精确实时监控。

如等式4中所见，鞘层电容C₂还可用于监控并且控制离子能量eV，如图31的离子能量支路3101中示出。离子能量支路3101通过接收离子能量的用户选择3102而开始。然后，离子能量支路3101可对供应周期电压函数的开关模式电源的初始电源电压进行设置3104。在采样的周期电压操作3108之前的某时刻，还可存取离子电流3106(例如，从存储器存取)。可采样周期电压3108，并且可对经修改的周期电压函数的第三部分的测量进行测量3110。可根据经修改的周期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))来计算离子能量I_I 3112。然后，离子能量支路3101可确定离子能量是否等于所定义的离子能量3114，并且如果这样，则离子能量处于所期望的设置点处并且离子能量支路3101可结束。如果离子能量不等于所定义的离子能量，则离子能量支路3101可调节电源电压3116，并且再次对周期电压进行采样3108。然后，离子能量支路3101可循环通过采样3108、测量3110、计算3112、决策3114和设置3116，直到离子能量等于所定义的离子能量。

在图31的IEDF支路3100中示出了用于监控并且控制IEDF宽度的方法。IEDF支路3100包括接收IEDF宽度的用户选择3150并且对当前IEDF宽度进行采样3152。然后，决策3154确定所定义的IEDF宽度是否等于当前IEDF宽度，并且如果满足决策3152，则IEDF宽度是如所期望的(或所定义的)IEDF宽度，并且IEDF支路3100可结束。然而，如果当前IEDF宽度并不等于所定义的IEDF宽度，则可调节离子电流补偿Ic 3156。此确定3154和调节3156可以以循环方式继续，直到当前IEDF宽度等于所定义的IEDF宽度。

在一些实施例中，还可实施IEDF支路3100以保护所期望的IEDF形状。可产生各种IEDF形状，并且每一IEDF形状可与不同离子能量和IEDF宽度相关联。例如，第一IEDF形状可以是delta函数，而第二IEDF形状可以是平方函数。其它IEDF形状可以是杯形的。在图11中可见各种IEDF形状的示例。

在知道离子电流I_I和电压阶跃ΔV的情况下，可针对离子能量eV求解等式4。可通过改变电源电压(其继而导致电压阶跃ΔV发生变化)来控制电压阶跃ΔV。较大电源电压导致电压阶跃ΔV增加，并且电源电压减小导致电压阶跃ΔV减小。换句话说，增加电源电压导致较大离子能量eV。

此外，由于以上系统和方法对连续变化的反馈回路起作用，因此尽管由于等离子体源或室条件的变化或刻意调节而引起的等离子体的变化，可以保持所期望的(或所定义的)离子能量和IEDF宽度。

虽然已经依据单一离子能量描述了图30-41，但本领域技术人员将认识到，产生并且监控所期望的(或所定义的)IEDF宽度(或IEDF形状)和离子能量的这些方法可进一步用于产生并且监控两个或更多个离子能量，每一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，可针对到达衬底的表面的离子实现两个不同并且窄的离子能量(例如，图42A)。使用三个不同电源电压导致三个不同离子能量(例如，图42B)。通过改变在此期间施加多个电源电压中的每一电源电压的时间，或在此期间施加每一电源电压电平的周期的个数，可控制不同离子能量的离子通量(例如，图42C)。

以上论述已显示如何将由电源提供的周期电压函数与由离子电流补偿部件提供的离子电流补偿组合，其可用于控制在等离子体处理期间到达衬底的表面的离子的离子能量以及IEDF宽度和/或IEDF形状。

迄今所述控制中的一些控制通过使用以下各项的一些组合来实现：(1)固定波形(波形的连续周期相同)；(2)具有至少两个部分的波形，所述至少两个部分与离子能量和IEDF成比例(例如，图14中示出的第三部分和第四部分1406和1408)；以及(3)高采样率(例如，125MHz)，其实现对波形的不同特征的精确监控。例如，在现有技术(诸如线性放大器向衬底发送与经修改的周期电压函数类似的波形)的情况下，周期之间的不期望的变化使得难以使用那些现有技术波形来表征离子能量或IEDF宽度(或IEDF形状)。

在线性放大器已经用于对衬底支撑部进行偏置的情况下，尚未看见以高速率进行采样的需要，因为波形从周期到周期并不一致，并且因此波形的解析特征(例如，脉冲之间的部分的斜率)通常将不提供有用信息。这种有用信息在使用了固定波形时的确出现，如本本开内容和相关公开内容中所见。

本文中公开的固定波形和高采样率进一步导致更精确的统计观察是可行的。由于此增加的精度度，可经由监控经修改的周期电压函数的各种特性来监控等离子体源和室中的等离子体的操作和处理特性。例如，对经修改的周期电压函数的测量实现对鞘层电容和离子电流的远程监控，并且可在不知道室工艺或其它室细节的情况下进行监控。若干示例随后仅示出迄今所述系统和方法可用于对源和室的非侵入式监控和故障检测的大量方式中的一些方式。

作为监控的示例，并且参考图14，波形1400的DC偏移可表示等离子体源(在下文中被称为“源”)的健康状况。在另一示例中，经修改的周期电压函数的脉冲的顶部部分1404(第二部分)的斜率可与源内的阻尼效应相关联。从水平线(horizontal)的顶部部分1404的斜率(示出为具有等于0的斜率)的标准偏差是基于波形1400的方面来监控源健康状况的另一方式。另一方面涉及沿经修改的周期电压函数的第四部分1408测量所采样V₀点的标准偏差，并且使所述标准偏差与室振铃相关联。例如，在于连续脉冲之中监控此标准偏差并且所述标准偏差随时间增加的情况下，这可指示在室中(例如在e-卡盘中)存在振铃。振铃可以是到室或室中的不良电气连接的迹象或者额外不想要电感或电容的迹象。

图32示出了根据本公开内容的一个实施例的向衬底支撑部传送的两个经修改的周期电压函数。进行比较时，两个经修改的周期电压函数可用于室匹配或者原位异常或故障检测。例如，两个经修改的周期电压函数中的一个经修改的周期电压函数可以是参考波形，并且第二经修改的周期电压函数可在校准期间选自等离子体处理室。两个经修改的周期电压函数之间的差(例如，峰间电压V_PP的差)可用于校准等离子体处理室。替代地，第二经修改的周期电压函数可在处理期间与参考波形进行比较，并且波形特性的任何差别(例如，移动)可指示故障(例如，经修改的周期电压函数的第四部分3202的斜率的差)。

图33示出了可以指示等离子体密度中的等离子体源不稳定性或变化的离子电流波形。可对离子电流I_I中的波动(诸如图33中示出的波动)进行分析以便识别系统中的故障和异常。例如，图33中的周期波动可指示等离子体源(例如，等离子体电源102)中的低频率不稳定性。离子电流I_I中的这种波动还可指示等离子体密度的循环变化。此指示符和其可指示的可能故障或异常仅是离子电流I_I的远程监控可用于特定优点的许多方式中的一种方式。

图34示出了具有非周期形状的经修改的周期电压函数的离子电流I_I。离子电流I_I的此实施例可指示诸如等离子体不稳定性之类的非周期波动和等离子体密度的变化。这种波动还可指示各种等离子体不稳定性，诸如，电弧、寄生等离子体的形成或等离子体密度的漂移。

图35示出了可指示偏置电源内的故障的经修改的周期电压函数。第三所示出的周期的顶部部分(在本文中也被称为第二部分)示出可指示偏置电源(例如，图12中的电源1206)中的振铃的异常行为。此振铃可以是对偏置电源内的故障的指示。对振铃的进一步分析可识别帮助识别电源系统内的故障的特性。

图36示出了可指示系统的电容的动态(或非线性)变化的经修改的周期电压函数。例如，非线性地取决于电压的杂散电容可导致这种经修改的周期电压函数。在另一示例中，等离子体击穿或卡盘中的故障还可导致这种经修改的周期电压函数。在三个所示出的周期中的每一周期中，每一周期的第四部分3602中的非线性可指示系统电容的动态变化。例如，非线性可指示鞘层电容的变化，因为系统电容的其它分量是大部分固定的。

图37示出了可指示等离子体密度的变化的经修改的周期电压函数。所示出的经修改的周期电压函数示出斜率dV₀/dt中的单调移动，其可指示等离子体密度的变化。这些单调移动可提供对预期事件(诸如，工艺蚀刻结束点)的直接指示。在其它实施例中，这些单调移动可指示在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运行的离子电流的采样，其中离子电流中的漂移可指示系统漂移。每一数据点可表示给定运行的离子电流，其中可接受限制是定义可接受离子电流的用户定义或自动限制。离子电流中的漂移(其将离子电流逐渐推到该可接受限制以上)可指示衬底损坏是可能的。此类型的监控还可与任何数量的其它传统监控(诸如光学遗漏(optical omission)、厚度测量等)组合。除监控离子电流漂移以外的这些传统类型的监控可增强现有监控和统计控制。

图39示出了针对不同工艺参数的离子电流的采样。在此图解中，离子电流可用作区分不同工艺和不同工艺特性的优值图。这种数据可用在等离子体配方和过程的开发中。例如，可测试十一个工艺条件，产生十一个所示出离子电流数据点，并且可以将产生优选离子电流的工艺选择为理想工艺，或在替代方案中作为优选过程。例如，可以将最低离子电流选择为理想工艺，并且此后与优选工艺相关联的离子电流可以用作用以判断工艺是否以优选工艺条件来执行的度量。除类似的传统优值特性(诸如速率、选择性和齿廓角)以外或作为类似的传统度量特性(例如速率、选择性和齿廓角)的替代，此优值图可用于命名一些非限制性示例。

图40示出了在室中无等离子体的情况下监控的两个经修改的周期电压函数。可比较这两个经修改的周期电压函数并将其用于表征等离子体室。在实施例中，第一经修改的周期电压函数可以是参考波形，而第二经修改的周期电压函数可以是当前监控的波形。可在处理室中无等离子体的情况下(例如在室清洁或预防性维护之后)选取这些波形，并且因此第二波形可用于在将室释放到(或回到)生产中之前提供对室的电气状态的验证。

图41示出了可用于验证等离子体过程的两个经修改的周期电压函数。第一经修改的周期电压函数可以是参考波形，而第二经修改的周期电压函数可以是当前监控的波形。当前监控的波形可与参考波形进行比较，并且任何差别可指示另外使用传统监控方法不可检测的寄生和/或非电容性阻抗问题。例如，图35的波形上所见的振铃可被检测并且可以表示电源中的振铃。

可以监控图32-41中所示出的度量中的任一度量，同时方法3000循环以便更新离子电流补偿Ic、离子电流I_I和/或鞘层电容C_鞘层。例如，在每一离子电流I_I之后，在图38中选取采样，方法3000可循环回到采样3004以便确定经更新的离子电流I_I。在另一示例中，作为监控操作的结果，可期望对离子电流I_I、离子能量eV或IEDF宽度的校正。可进行对应校正，并且方法3000可循环回到采样3004以找到满足等式3的新的离子电流补偿Ic。

本领域技术人员将认识到，图30、图31和图43中示出的方法并不需要任何特定或所描述的操作次序，其也不限于由图示出或图中暗示的任何次序。例如，可在设置并且监控IEDF宽度和/或离子能量eV之前、期间或之后监控度量(图32-41)。

图44示出了本文中所公开的系统中的不同点处的各个波形。考虑到开关模式电源的开关部件的所示出的开关模式4410、电源电压V_PS 4406(本文中也被称为周期电压函数)、离子电流补偿Ic 4404、经修改的周期电压函数4402和衬底电压V_sub 4412的情况下，IEDF具有所示出的宽度4414(其可能未按比例绘制)或IEDF形状4414。此宽度宽于本公开内容已称为“窄宽度”的宽度。如所看见的，当离子电流补偿Ic 4404大于离子电流I_I时，衬底电压V_sub4412并非恒定。IEDF宽度4414与衬底电压V_sub 4412的脉冲之间的倾斜部分之间的电压差成比例。

考虑到此非窄IEDF宽度4414的情况下，本文中所公开的方法要求调节离子电流补偿Ic，直到I_C＝I_I(或在替代方案中，根据等式2与I_I相关)。图45示出了在离子电流补偿Ic中进行最终增加变化以便使其匹配离子电流I_I的效果。当I_C＝I_I时，衬底电压V_sub 4512变成基本上恒定，并且IEDF宽度4514从非窄的变成窄的。

一旦已实现窄IEDF，便可将离子能量调节到如图46中所示出的所期望或所定义的数值。此处，电源电压(或在替代方案中，开关模式电源的总线电压V_bus)的大小减小(例如，电源电压4606脉冲的最大负幅度减小)。因此，ΔV₁减小到ΔV₂，峰间电压也一样，从V_PP1减小到V_PP2那样。基本上恒定的衬底电压V_sub 4608的大小相应地减小，因此将离子能量的大小从4615减小到4614，同时保持窄IEDF宽度。

无论是否调节离子能量，可在实现窄IEDF宽度之后使IEDF宽度变宽，如图47中所示。此处，假定I_I＝I_C(或在替代方案中，等式2给出I_I和I_C之间的关系)，可调节I_C，因此改变经修改的周期电压函数4702的脉冲之间的部分的斜率。由于离子电流补偿Ic和离子电流I_I不相等，衬底电压从基本上恒定移动到非恒定。进一步结果是IEDF宽度4714从窄IEDF 4714扩展到非窄IEDF 4702。将I_I调节为越远离I_C，IEDF 4714宽度越大。

图48示出了可用于实现多于一个离子能量电平的电源电压的一个模式，其中，每一离子能量电平具有窄IEDF 4814宽度。电源电压4806的大小每一周期交变。这产生针对经修改的周期电压函数4802中的每一周期的交变ΔV和峰间电压。衬底电压4812继而具有在衬底电压的脉冲之间交变的两个基本上恒定的电压。这产生两个不同离子能量，每一离子能量具有窄IEDF 4814宽度。

图49示出了可以用于实现多于一个离子能量电平的电源电压的另一个模式，其中，每一离子能量电平具有窄IEDF 4914宽度。此处，电源电压4906在两个不同大小之间交变，但在交变之前的一时间也交变两个周期。如所看见的，平均离子能量相同，好像V_PS 4906每一周期交变一样。这仅示出V_PS 4906的各个其它模式可以如何用于实现相同离子能量的一个示例。

图50示出了可以用于创建所定义的IEDF 5014的电源电压V_PS 5006和离子电流补偿Ic 5004的一个组合。此处，交变电源电压5006产生两个不同离子能量。另外，通过将离子电流补偿5004调节为远离离子电流I_I，可扩展每一离子能量的IEDF 5014宽度。如果离子能量足够靠近，如其在所示出实施例中那样，则两个离子能量的IEDF 5014将重叠，产生一个大IEDF5014。其它变型也是可行的，但是此示例意在示出可以如何将对V_PS 5006和I_C 5004的调节的组合用于实现所定义的离子能量和所定义的IEDF 5014。

接下来参考图17A和17B，示出了描述本发明的其它实施例的框图。如所示出的，这些实施例中的衬底支承部1708包括静电卡盘1782，并且静电卡盘电源1780用于向静电卡盘1782供电。在一些变型中，如图17A所示，静电卡盘电源1780安置为直接向衬底支承部1708供电，以及在其它变型中，静电卡盘电源1780安置为结合开关模式电源来供电。应当注意，串联卡盘可以由独立电源供电或者通过使用控制器来供电以实现净DC卡盘功能。在此DC耦合的(例如，没有隔直流电容器)串联卡盘功能中，可以使具有其它RF源的不期望的干扰最小化。

图18示出了示出本发明的又一实施例的框图，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旁边的衬底支承部1808和静电卡盘电源1880。在此实施方式中，等离子体电源1884、静电卡盘电源1880和开关模式电源1806中的每一个可以位于独立的组件中，或者电源1806、1880、1884中的两个或更多个可以构成为位于同一物理组件中。有利的是，图18所示的实施例使顶电极1886(例如，喷头)能够电接地以获得电对称并减小由于少量电弧事件引起的损伤的电平。

参考图19，示出了示出本发明的再一实施例的框图。如所示出的，此实施例中的开关模式电源1906被配置为向衬底支承部和室1904供电，以便对衬底进行偏置并且点燃(且维持)等离子体这两者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可以以足以点燃和维持等离子体同时对衬底支承部提供偏置的占空比来工作。

接下来参考图20，其是示出了输入参数和控制部的控制输出的框图，所述控制部可以结合参照图1至19所描述的实施例使用。对控制部的示出旨在对可以结合本文所述的实施例使用的示范性控制输入和输出提供简化的示出，而并非旨在为硬件示图。在实际实施方式中，所示的控制部可以在可由硬件、软件、固件及其组合实现的数个分立部件之中分布。

参考本文中的上述实施例，图20所示的控制器可以提供参考图1描述的控制器112、参考图2描述的控制器212和离子能量控制部件220、参考图8描述的控制器812和离子能量控制部820、参考图12描述的离子电流补偿部件1260、参考图13描述的电流控制器1362、图16所示的Icc控制、图17A和17B分别示出的控制器1712A和1712B、图18和19分别示出的控制器1812和1912中的一个或多个的功能。

如所示出的，可以用作控制部分的输入的参数包括参考图13和14已更详细描述的dVo/dt和ΔV。如上所述，dVo/dt可以用于结合离子能量分布扩展输入ΔE来提供控制信号Icc,控制信号Icc控制参考图12、13、14、15A-C和图16描述的离子能量分布扩展的宽度。此外，离子能量控制输入(Ei)结合可选反馈ΔV可以用于产生离子能量控制信号(例如，影响图3所示的Vbus)，来实现参考图1至11更详细描述的期望的(定义的)离子能量分布。以及可以结合许多e-卡盘实施例的另一参数是DC偏移输入，其为了有效的热控制而提供静电力来将晶圆保持在卡盘上。

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包括封闭用于蚀刻衬底2106的顶部表面2118(以及其它等离子体过程)的等离子体2104的等离子体处理室2102。等离子体由通过等离子体电源2122供电的等离子体源2112产生(例如，原位或远程或投射)。在等离子体2104与衬底2106的顶部表面2118之间测量的等离子体鞘层电压V_鞘层使来自等离子体2104的离子加速跨越等离子体鞘层2115，导致经加速的离子碰撞衬底2106的顶部表面2118并且蚀刻衬底2106(或衬底2106中未受到光致抗蚀剂保护的部分)。等离子体2104相对于地(例如，等离子体处理室2102壁)处于等离子体电位V₃。衬底2106具有底部表面2120，底部表面2120经由静电卡盘2111和静电卡盘2111的顶部表面2121与衬底2106之间的卡盘电位V_卡盘以静电方式保持到支撑部2108。衬底2106是电介质，并且因此在顶部表面2118处可具有第一电位V₁并且在底部表面2120处可具有第二电位V₂。静电卡盘2121的顶部表面与衬底的底部表面2120进行接触，并且因此这两个表面2120、2121处于同一电位V₂。第一电位V₁、卡盘电位V_卡盘和第二电位V₂经由具有由开关模式电源2130产生的DC偏置或偏移的AC波形来控制，并且经由第一导体2124提供到静电卡盘2111。可选地，经由第一导体2124提供AC波形，以及经由可选第二导体2125提供DC波形。可以经由控制器2132来控制开关模式电源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位V₁的函数。开关模式电源2130提供经修整为影响期望的第一电位V₁的AC波形，已知所述期望的第一电位V₁产生期望的(或定义的)离子能量和离子能量分布。AC波形可以是RF并且具有诸如图5、图6、图11、图14、图15a、图15b和图15c中所示出的非正弦波形。第一电位V₁可与图14中示出的电压ΔV的变化成比例。第一电位V₁还等于等离子体电压V₃减去等离子体鞘层电压V_鞘层。但是由于与等离子体鞘层电压V_鞘层(例如，50V–2000V)相比，等离子体电压V₃通常很小(例如，小于20V)，因此第一电位V₁和等离子体鞘层电压V_鞘层近似相等并且出于实施方式的目的可视为相等。因此，由于等离子体鞘层电压V_鞘层指示离子能量，因此第一电位V₁与离子能量分布成比例。通过保持恒定的第一电位V₁，等离子体鞘层电压V_鞘层恒定，并且因此基本上所有离子经由相同能量加速，并且因此实现窄离子能量分布。等离子体电压V₃由经由等离子体源2112赋予到等离子体2104的能量得到。

衬底2106的顶部表面2118处的第一电位V₁经由来自静电卡盘2111的电容性充电和来自通过鞘层2115的电子和离子的电荷积累的组合而形成。来自开关模式电源2130的AC波形经修整为抵消通过鞘层2115的离子和电子转移和衬底2106的顶部表面2118处的所产生电荷积累的影响，以使得第一电位V₁保持基本上恒定。

将衬底2106保持到静电卡盘2111的卡盘力是卡盘电位V_卡盘的函数。开关模式电源2130向AC波形提供DC偏置或DC偏移，以使得第二电位V₂处于与第一电位V₁不同的电位。此电位差导致卡盘电压V_卡盘。可从静电卡盘2111的顶部表面2221到衬底2106内部的参考层测量卡盘电压V_卡盘，其中所述参考层包括衬底内部的除了衬底2106的底部表面2120(参考层在衬底2106内的准确位置可变化)之外的任一标高(elevation)。因此，卡盘由第二电位V₂控制并且与第二电位V₂成比例。

在实施例中，第二电位V₂等于由AC波形修改的开关模式电源2130的DC偏移(换句话说，具有DC偏移的AC波形，其中DC偏移大于AC波形的峰间电压)。DC偏移可以基本上大于AC波形，以使得开关模式电源2130输出的DC分量支配第二电位V₂并且可忽略或忽视AC分量。

衬底2106内的电位在第一与第二电位V₁、V₂之间变化。由于衬底2106与静电卡盘2111之间的库仑引力存在，所以卡盘电位V_卡盘可以是正或负(例如，V₁>V₂或V₁<V₂)，而不管卡盘电位V_卡盘的极性为何。

开关模式电源2130结合控制器2132可以确定性地并且在无传感器的情况下监控各个电压。特别地，基于AC波形的参数(例如，斜率和阶跃)来确定性地监控离子能量(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由开关模式电源2130产生的AC波形的参数成比例。特别地，AC波形的下降沿的ΔV(例如参见图14)与第一电位V₁成比例，并且因此与离子能量成比例。通过保持第一电位V₁恒定，离子能量分布可以保持窄的。

虽然不能直接测量第一电位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，但可在短处理时间已过去之后经验地确定ΔV与第一电位V₁之间的比例常数。例如，在AC波形的下降沿ΔV为50V并且经验地发现针对给定的衬底和工艺的比例常数为2的情况下，可期望第一电位V₁为100V。由等式4描述阶跃电压ΔV与第一电位V₁(并且因此也是离子能量eV)之间的比例。因此，可以在等离子体处理室2102内部无任何传感器的情况下，基于开关模式电源的AC波形的知识来确定第一电位V₁以及离子能量和离子能量分布。另外，开关模式电源2130结合控制器2132可以监控卡盘何时发生并且是否发生(例如，是否经由卡盘电位V_卡盘将衬底2106保持到静电卡盘2111)。

通过消除或减小卡盘电位V_卡盘来执行去卡盘(dechucking)。这可通过将第二电位V₂设置为等于第一电位V₁来完成。换句话说，可以调节DC偏移和AC波形以便导致卡盘电压V_卡盘接近0V。与常规去卡盘方法相比，系统2100实现更快的去卡盘并且因此较大通量，因为可以调节DC偏移和AC波形两者以便实现去卡盘。同样，当DC和AC电源处于开关模式电源2130中时，其电路更统一、更紧密地在一起，可以经由单个控制器2132来控制(如与DC和AC电源的典型并联设置相比)，并且更快地改变输出。由本文中所公开的实施例实现的去卡盘的速度还在等离子体2104熄灭之后或至少在已经关闭来自等离子体源2112的电力之后实现去卡盘。

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在等离子体处理室2102内部包括电极，其在室2102内建立点燃并且维持等离子体2104的RF场。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，其远程地产生电离电磁场、将电离电磁场投射或延伸到处理室2102中，并且使用电离电磁场在等离子体处理室内点燃并且维持等离子体2104。然而，远程投射的等离子体源还包括电离电磁场在到达等离子体处理室2102的途中通过的场传送部分(例如，导电管)，在此期间，电离电磁场衰减，以使得等离子体处理室2102内的场强仅为当所述场首先在远程投射等离子体源中产生时的场强的十分之一、百分之一、千分之一或甚至更小部分。等离子体源2112未按比例绘制。

开关模式电源2130可以浮动并且因此可由在地与开关模式电源2130之间串联连接的DC电源(未示出)以任何DC偏移来进行偏置。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(例如参见图22、图23、图26)或经由开关模式电源2130内部的AC电源和开关模式电源2130外部的DC电源(例如参见图24、图27)提供具有DC偏移的AC波形。在实施例中，开关模式电源2130可以接地并且串联耦合到在开关模式电源2130与静电卡盘2111之间串联耦合的浮动DC电源。

当开关模式电源2130包括AC和DC电源两者时，控制器2132可控制开关模式电源的AC和DC输出。当开关模式电源2130与DC电源串联连接时，控制器2132可仅控制开关模式电源2130的AC输出。在替代实施例中，控制器2130可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，虽然示出了单个控制器2132，但还可实施其它控制器以控制提供到静电卡盘2111的AC波形和DC偏移。

静电卡盘2111可以是电介质(例如，陶瓷)并且因此基本上阻挡DC电压通过，或其可以是半导电材料，诸如经掺杂的陶瓷。在任一情况下，静电卡盘2111在静电卡盘2111的顶部表面2121上可具有第二电压V₂，静电卡盘2111将电压电容地耦合到衬底2106(通常电介质)的顶部表面2118以形成第一电压V₁。

等离子体2104形状和尺寸不必按比例绘制。例如，可通过某一等离子体密度定义等离子体2104的边缘，在此情况下，所示出的等离子体2104未以所考虑的任何特定等离子体密度绘制。类似地，至少一些等离子体密度填充整个等离子体处理室2102，而不管所示出的等离子体2104形状如何。所示出的等离子体2104形状主要旨在示出鞘层2115，鞘层2115具有基本上比等离子体2104小的等离子体密度。

图22示出了等离子体处理系统2200的另一个实施例。在所示出的实施例中，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波形和DC电源2234偏置或偏移两者来控制具有开关模式电源2230的DC偏移输出的AC波形。此实施例还包括静电卡盘2211，其具有嵌入在卡盘2211中的栅电极或网状电极2210。开关模式电源2230向栅电极2210提供AC和DC偏置两者。DC偏置连同AC分量(其基本上小于DC偏置并且可因此被忽略)一起在栅电极2210上建立第三电位V₄。当第三电位V₄不同于衬底2206内任何位置(衬底2206的底部表面2220除外)的参考层处的电位时，建立卡盘电位V_卡盘和库仑卡盘力，其将衬底2206保持到静电卡盘2211。所述参考层是平行于栅电极2210的虚平面。AC波形从栅电极2210电容地耦合通过静电卡盘2211的一部分，并且通过衬底2206以控制衬底2206的顶部表面2218上的第一电位V₁。由于等离子体电位V₃相对于等离子体鞘层电压V_鞘层可忽略不计，因此第一电位V₁和等离子体鞘层电压V_鞘层近似相等，并且出于实际目的视为相等。因此，第一电位V₁等于用于对通过鞘层2215的离子进行加速的电位。

在实施例中，可以对静电卡盘2211进行掺杂，以便具有足够导电性以使得通过卡盘2211的本体的任何电位差可忽略不计，并且因此栅电极或网状电极2210可基本上处于与第二电位V₂相同的电压。

栅电极2210可以是嵌入到静电卡盘2211中、平行于衬底2206的任何导电平面器件，并且被配置为通过开关模式电源2230来进行偏置并且建立卡盘电位V_卡盘。虽然栅电极2210示出为嵌入在静电卡盘2211的下部部分中，但栅电极2210可离衬底2206更近或更远地定位。栅电极2210还不必具有栅图案。在实施例中，栅电极2210可以是固体电极或具有带非栅形状(例如，棋盘状图案)的非固体结构。在实施例中，静电卡盘2211是陶瓷或其它电介质，并且因此栅电极2210上的第三电位V₄不等于静电卡盘2211的顶部表面2221上的第一电位V₁。在另一个实施例中，静电卡盘2211是稍微导电的经掺杂的陶瓷，并且因此栅电极2210上的第三电位V₄可以等于静电卡盘2211的顶部表面2221上的第二电位V₂。

开关模式电源2230产生可以是非正弦输出的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传导型的(AC-conductive)，并且AC电源2236是DC传导型的(DC-conductive)。不为DC传导型的示范性AC电源是在提供具有DC电压或电流时可能损坏的某些线性放大器。使用AC传导型的和DC传导型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阻挡型的，则AC旁路型或DC阻挡型部件(例如，电容器)可必须与DC电源2234并联设置。如果AC电源2236是DC阻挡型的，则DC旁路型或AC阻挡型部件(例如，电感器)可必须与AC电源2236并联设置。

在此实施例中，AC电源2238通常被配置为以可控制的方式向静电卡盘2211施加电压偏置，从而实现轰击衬底2206的顶部表面2218的离子的期望的(或定义的)离子能量分布。更具体来说，AC电源2236被配置为通过以特定功率电平向栅电极2210施加一个或多个特定波形来实现期望的(或定义的)离子能量分布。并且更特定来说，AC电源2236施加特定功率电平以实现特定离子能量，并且使用由存储在波形存储器(未示出)中的波形数据定义的一个或多个电压波形施加特定功率电平。因此，可以选择一个或多个特定离子轰击能量来执行对衬底2206的受控的蚀刻(或其它等离子体辅助工艺)。在一个实施例中，AC电源2236可利用开关模式配置(例如参见图25-27)。开关模式电源2230(并且更具体来说AC电源2236)可产生如本公开内容的各个实施例中所述的AC波形。

本领域技术人员将认识到，栅电极2210可能不是必要的并且其它实施例可在无栅电极2210的情况下实施。本领域技术人员还将认识到，栅电极2210仅是可用于建立卡盘电位V_卡盘的许多器件的一个示例。

图23示出了等离子体处理系统2300的另一个实施例。所示出的实施例包括用于向静电卡盘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，这两个电源都可接地。AC电源2336产生经由第一导体2324向嵌入在静电卡盘2311中的第一栅电极或网状电极2310提供的AC波形。AC电源2336在第一栅电极或网状电极2310上建立电位V₄。DC电源2334产生经由第二导体2325向嵌入在静电卡盘2311中的第二栅电极或网状电极2312提供的DC偏置。DC电源2334在第二栅电极或网状电极2312上建立电位V₅。电位V₄和V₅可分别经由AC和DC电源2336、2334来独立地控制。然而，第一和第二栅电极或网状电极2310、2312还可以电容地耦合和/或可以经由静电卡盘2311中的一部分在栅电极或网状电极2310、2312之间存在DC耦合。如果存在AC或DC耦合，则可以耦合电位V₄和V₅。本领域技术人员将认识到，第一和第二栅电极2310、2312可设置在遍及静电卡盘2311的各种位置中，包括将第一栅极电极2310设置为第二栅极电极2312更靠近于衬底2306。

图24示出了等离子体处理系统2400的另一个实施例。在此实施例中，开关模式电源2430向静电卡盘2411提供AC波形，其中开关模式电源2430输出由DC电源2434提供的DC偏置来偏移。开关模式电源2430的AC波形具有由控制器2435选择的波形，以便借助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波形可以是非正弦波形(例如，方波或脉冲)并且可经由开关模式电源2430的AC电源2436产生。卡盘经由来自DC电源2434的DC偏移来控制，DC电源2434由控制器2433控制。DC电源2434可以在地与开关模式电源2430之间串联耦合。开关模式电源2430是浮动的，以使得其DC偏置可由DC电源2434来设置。

本领域技术人员将认识到，虽然所示出的实施例显示了两个独立控制器2433、2435，但可将这些控制器组合到单个功能单元、设备或系统(诸如，可选控制器2432)中。另外，可以耦合控制器2433和2435，从而彼此通信并且共享处理资源。

图25示出了等离子体处理系统2500的进一步实施例。所示出的实施例包括开关模式电源2530，开关模式电源2530产生可以具有由DC电源(未示出)提供的DC偏移的AC波形。所述开关模式电源可以经由可选控制器2535来控制，可选控制器2535包括电压和电流控制器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制电压源2538和具有由电流控制器2539控制的电流输出的可控制电流源2540。可控制电压和电流源2538、2540可以呈并联设置。可控制电流源2540被配置为对等离子体2504与衬底2506之间的离子电流进行补偿。

电压和电流控制器2537、2539可以耦合并且彼此通信。电压控制器2537还可以控制可控制电压源2538的开关输出2539。开关输出2539可包括两个如所示出的并联的开关，或可包括将可控制电压源2538的输出转换为所期望的AC波形(例如，非正弦波形)的任何电路。经由所述两个开关，来自可控制电压源2538的受控电压或AC波形可与可控制电流源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。

可控制电压源2538示出为具有给定极性，但是本领域技术人员将认识到，相反极性等效于所示出的极性。可选地，可控制电压和电流源2538、2540连同开关输出2539一起可以是AC电源2536的部分，并且AC电源2536可以与位于开关模式电源2530内部或外部的DC电源(未示出)串联设置。

图26示出了等离子体处理系统2600的又一实施例。在所示出的实施例中，开关模式电源2630向静电卡盘2611提供具有DC偏移的AC波形。所述波形的AC分量经由通过开关输出2639彼此连接的可控制电压源2638和可控制电流源2640的并联组合来产生。DC偏移由在地与可控制电压源2638之间串联耦合的DC电源2634产生。在实施例中，DC电源2634可以是浮动的而非接地的。类似地，开关模式电源2630可以是浮动的或接地的。

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可以控制如由DC电源2634产生的开关模式电源2630的DC偏移。第三控制器2635可以通过控制可控制电压源2638和可控制电流源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控制可控制电压源2638的电压输出，并且电流控制器2639控制可控制电流源2640的电流。电压和电流控制器2637、2639可彼此通信并且可以是第三控制器2635的一部分。

本领域技术人员将认识到，描述控制器相对于电源2634、2638、2640的各种配置的以上实施例并非是限制性的，并且还可实施各种其它配置，而不脱离本公开内容。例如，第三控制器2635或电压控制器2637可以控制可控制电压源2638与可控制电流源2640之间的开关输出2639。作为另一示例，第二和第三控制器2633、2635可彼此通信(虽然未如此示出)。还应理解，可控制电压和电流源2638、2640的极性仅为示范性的并且并不意在是限制性的。

可以通过交替切换两个并联开关来操作开关输出2639以便使AC波形成形。开关输出2639可包括任何种类的开关，包括但不限于MOSFET和BJT。在一个变型中，DC电源2634可以设置在可控制电流源2640与和静电卡盘2611之间(换句话说，DC电源2634可以是浮动的)，并且开关模式电源2630可以接地。

图27示出了等离子体处理系统2700的另一个实施例。在此变型中，开关模式电源2734再次接地，而不是并入到开关模式电源2730中，此处，DC电源2734是独立部件并且向整个开关模式电源2730(而非仅仅开关模式电源2730内的部件)提供DC偏移。

图28示出了根据本公开内容的实施例的方法2800。方法2800包括将衬底放置在等离子体室中的操作2802。方法2800还包括在等离子体室中形成等离子体的操作2804。这种等离子体可以原位形成或经由远程投射源形成。方法2800还包括开关电源操作2806。开关电源操作2806涉及可控制地开关到衬底的电力，从而向衬底施加周期电压函数。所述周期电压函数可被视为脉冲波形(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，可以将DC电源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偏移在静电卡盘的顶部表面与衬底内的参考层之间产生电位差，并且此电位差被称为卡盘电位。静电卡盘与衬底之间的卡盘电位将衬底保持到静电卡盘，因此防止衬底在处理期间移动。方法2800还包括调制操作2808，其中在多个周期期间对周期电压函数进行调制。所述调制响应于衬底的表面处的期望的(或定义的)离子能量分布，从而在时间平均的基础上实现期望的(或定义的)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个方法2900。方法2900包括将衬底放置在等离子体室中的操作2902。方法2900还包括在等离子体室中形成等离子体的操作2904。所述等离子体可以原位形成或经由远程投射源形成。方法2900还包括接收至少一个离子能量分布设置的操作2906。在接收操作2906中接收的所述设置可以指示衬底的表面处的一个或多个离子能量。方法2900还包括开关电源操作2908，其中可控制地开关到衬底的电力，从而实现以下各项：(1)在时间平均的基础上的离子能量的期望的(或定义的)分布；以及(2)在时间平均的基础上的期望的卡盘电位。电源可以具有AC波形和DC偏移。

总之，在其它方面，本发明提供了一种用于使用开关模式电源选择性地产生期望的(或定义的)离子能量的方法和装置。本领域技术人员容易认识到，可以在本发明中作出许多变型和替代，其用途及其配置实现基本上与本文所述的实施例所实现的相同的结果。因此，没有将本发明限制于所公开的示范性形式的意图。许多变型、修改和替代结构均落入所公开的本发明的范围和精神内。

Claims (4)

1.一种用于基于等离子体的处理的装置，包括：

可控DC电压源，所述可控DC电压源用于提供大小由离子能量控制设置确定的DC输出电压；

输出端，所述输出端被配置为耦合到衬底保持部；

第一开关部件，所述第一开关部件设置在所述DC电压源和所述输出端之间；

第二开关部件，所述第二开关部件耦合在接地连接和所述输出端之间；

控制器，所述控制器电耦合到所述第一开关部件和所述第二开关部件中的每一个开关部件，所述控制器被配置为分别通过第一驱动控制信号线和第二驱动控制信号线中的对应的一个驱动控制信号线向所述第一开关部件和所述第二开关部件提供第一驱动控制信号和第二驱动控制信号，并且控制所述驱动控制信号的定时，从而闭合所述第一开关部件以便将所述DC输出电压耦合到所述输出端，打开所述第一开关部件以便将所述DC输出电压与所述输出端解耦，在所述第一开关部件打开的同时闭合所述第二开关部件以便将地耦合到所述输出端，以及打开所述第一开关和所述第二开关两者以便从所述输出端移除所述DC输出电压和地；以及

DC电流源，所述DC电流源耦合到所述输出端以便至少在所述第一开关和所述第二开关打开的同时提供离子电流补偿。

2.根据权利要求1所述的装置，包括：

耦合在所述第一开关部件和所述第二开关部件中的每一个开关部件与所述输出端之间的电感性电容性链接。

3.一种用于基于等离子体的处理的装置，包括：

可控DC电压源，所述可控DC电压源用于提供大小由离子能量控制设置确定的DC输出电压；

输出端，所述输出端被配置为耦合到衬底保持部；

第一开关部件，所述第一开关部件设置在所述DC电压源和所述输出端之间；

第二开关部件，所述第二开关部件耦合在接地连接和所述输出端之间；

控制器，所述控制器包括非暂时性的有形计算机可读存储介质，所述非暂时性的有形计算机可读存储介质编码有处理器可读指令，以便执行用于向所述输出端提供经修改的周期电压函数的方法，所述方法包括：

分别通过第一驱动控制信号线和第二驱动控制信号线中的对应的一个驱动控制信号线向所述第一开关部件和所述第二开关部件提供第一驱动控制信号和第二驱动控制信号；

控制所述驱动控制信号的定时，从而闭合所述第一开关部件以便将所述DC输出电压耦合到所述输出端，打开所述第一开关部件以便将所述DC输出电压与所述输出端解耦，在所述第一开关部件打开的同时闭合所述第二开关部件以便将地耦合到所述输出端，以及打开所述第一开关和所述第二开关两者以便从所述输出端移除所述DC输出电压和地；以及

至少在所述第一开关和所述第二开关打开的同时利用DC电流源向所述输出端提供离子电流补偿。

4.一种用于基于等离子体的处理的装置，包括：

可控DC电压源，所述可控DC电压源用于提供大小由离子能量控制设置确定的DC输出电压；

输出端，所述输出端被配置为耦合到衬底保持部；

第一开关部件，所述第一开关部件设置在所述DC电压源和所述输出端之间；

第二开关部件，所述第二开关部件耦合在接地连接和所述输出端之间；以及

用于分别向所述第一开关部件和所述第二开关部件提供第一驱动控制信号和第二驱动控制信号的模块；

用于闭合所述第一开关部件以便将所述DC输出电压耦合到所述输出端，然后打开所述第一开关部件以便将所述DC输出电压与所述输出端解耦，然后在所述第一开关部件打开的同时闭合所述第二开关部件以便将地耦合到所述输出端，以及然后打开所述第一开关和所述第二开关两者以便从所述输出端移除所述DC输出电压和地的模块；以及

用于至少在所述第一开关和所述第二开关打开的同时向所述输出端提供离子电流补偿的模块。