CN111264032B - 使用纳秒脉冲的任意波形生成 - Google Patents

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Abstract

一些实施例可包括高压波形发生器，该高压波形发生器包括发生器电感器；高压纳秒脉冲发生器，其具有一个或多个与该发生器电感器电耦合和/或电感耦合的固态开关，该高压纳秒脉冲发生器被配置为产生具有脉冲串周期的脉冲串，该脉冲串包括具有不同脉冲宽度的多个脉冲；以及负载，与高压纳秒脉冲发生器、发生器电感器和发生器电容器电耦合和/或电感耦合，负载两端的电压具有输出脉冲，该输出脉冲的脉冲宽度基本等于脉冲串周期，并且负载两端的电压以基本上与多个脉冲的脉冲宽度成比例的方式变化。

Description

使用纳秒脉冲的任意波形生成
背景技术
产生具有快速上升时间和/或快速下降时间的高压脉冲是具有挑战性的。例如，为了实现高电压脉冲(例如，大于约5kV)的快速上升时间和/或快速下降时间(例如，小于大约50ns)，脉冲上升和/或下降的斜率必须非常陡峭(例如，大于1011V/s)。这种陡峭的上升时间和/或下降时间很难产生，特别是在驱动具有高电容的负载的电路中。这样的脉冲尤其难以通过使用标准的电气组件而产生；和/或难以产生具有可变的脉冲宽度、电压和重复率的脉冲；和/或在具有电容性负载(例如等离子体)的应用中难以产生这种脉冲。
发明内容
一些实施例可以包括高压波形发生器，该高压波形发生器包括：发生器电感器；高压纳秒脉冲发生器，与所述发生器电感器电耦合和/或电感耦合，所述高压纳秒脉冲发生器被配置为通过以下对所述发生器电感器进行充电：第一脉冲串(pulse burst)，包括第一多个高压脉冲，所述第一多个脉冲中的每个脉冲具有脉冲宽度，所述第一脉冲串具有第一脉冲串周期；以及第二脉冲串，包括第二多个高压脉冲，所述第二多个脉冲中的每个脉冲具有脉冲宽度，所述第二脉冲串具有第二脉冲串周期；以及与纳秒脉冲发生器和发生器电感器耦合的等离子体，所述等离子体两端的电压根据以下变化：具有第一输出脉冲宽度和第一输出电压的第一等离子体脉冲，所述第一输出脉冲宽度基本上等于所述第一脉冲串周期并且所述第一输出电压基本上与所述第一多个脉冲中的每个脉冲的脉冲宽度成比例；以及具有第二输出脉冲宽度和第二输出电压的第二等离子体脉冲，所述第二输出脉冲宽度基本上等于所述第二脉冲串周期，并且所述第二输出电压基本上与所述第二多个脉冲中的每个脉冲的脉冲宽度成比例。
在一些实施例中，所述第一脉冲串和所述第二脉冲串中的任一个或两个具有大于500V的幅值。在一些实施例中，所述第一等离子体脉冲和所述第二等离子体脉冲中的任一个或两个具有大于500V的幅值。
在一些实施例中，所述第二脉冲串的幅值与所述第一脉冲串的幅值不同。在一些实施例中，所述第一多个高压脉冲中的一个或多个脉冲的幅值与其他的所述第一多个高压脉冲中的一个或多个脉冲的幅值不同。在一些实施例中，所述第一等离子体脉冲的电压不同于所述第二等离子体脉冲的电压。
在一些实施例中，高压波形发生器可包括下拉电阻，所述下拉电阻与所述发生器电感器和所述高压纳秒脉冲发生器电耦合和/或电感耦合。在一些实施例中，高压波形发生器可包括变压器。
在一些实施例中，所述第一脉冲串周期和/或所述第二脉冲串周期小于约50ms。在一些实施例中，所述第一等离子体脉冲和所述第二等离子体脉冲中的任一个或两个在所述等离子体内建立电势。
在一些实施例中，所述第一等离子体脉冲和所述第二等离子体脉冲中的任一个或两个都加速所述等离子体内的离子。在一些实施例中，所述第一多个脉冲和/或所述第二多个脉冲中的任一或两者具有大于约50kHz的频率。在一些实施例中，所述第一多个脉冲中的至少一个脉冲具有小于500ns的脉冲宽度和/或所述第二多个脉冲中的至少一个脉冲具有小于500ns的脉冲宽度。
在一些实施例中，所述发生器电感器包括杂散电感。在一些实施例中，所述发生器电感器具有小于约20μH的电感。在一些实施例中，所述峰值输出功率大于10kW。在一些实施例中，所述等离子体本质上基本是电容性的。
一些实施例可以包括高压波形发生器，该高压波形发生器包括：发生器电感器；发生器电容器，与发生器电感器电耦合和/或电感耦合；高压纳秒脉冲发生器，与发生器电感器和发生器电容器电耦合或电感耦合，该高压纳秒脉冲发生器，该高压纳秒脉冲发生器被配置成用第一脉冲串和第二脉冲串对发生器电感器进行充电；以及负载，与纳秒脉冲发生器、发生器电感器和发生器电容器电耦合和/或电感耦合，负载两端的电压根据第一负载脉冲和/或第二负载脉冲而变化。在一些实施例中，第一脉冲串包括多个高压脉冲，多个脉冲中的每个脉冲具有第一脉冲宽度和大于500V的电压，第一脉冲串具有第一脉冲串周期。和/或第二脉冲串可包括多个高压脉冲，多个脉冲中的每个脉冲具有第二脉冲宽度和大于500V的电压，第二脉冲串具有第二脉冲串周期。在一些实施例中，第一负载脉冲可以具有第一输出脉冲宽度和第一输出电压，第一输出脉冲宽度基本上等于第一脉冲串周期，并且第一输出电压与第一脉冲宽度成比例，第二负载脉冲可以具有第二输出脉冲宽度和第二输出电压，第二输出脉冲宽度基本上等于第二脉冲串周期，并且第二输出电压与第二脉冲宽度成比例。
在一些实施例中，第一脉冲输出电压大于500V，并且第二脉冲输出电压大于500V。在一些实施例中，第一脉冲输出电压大于第二脉冲输出电压。在一些实施例中，负载包括等离子体。
在一些实施例中，高压波形发生器可以包括与发生器电感器和高压纳秒脉冲发生器电耦合和/或电感耦合的下拉电阻器。在一些实施例中，高压波形发生器可以包括变压器。在一些实施例中，第一脉冲串周期小于大约1微秒，第一脉冲宽度小于约200纳秒，并且第二脉冲宽度小于大约200纳秒。
本发明的一些实施例包括一种用于产生高压波形的方法。在一些实施例中，该方法可以包括：产生包括多个高压脉冲的第一脉冲串，所述多个高压脉冲中的每个脉冲具有第一脉冲宽度和大于500V的电压，所述第一脉冲串具有第一脉冲串周期；用所述第一脉冲串对发生器电感器进行充电；输出具有第一输出脉冲宽度和第一输出电压的第一输出脉冲，所述第一输出脉冲宽度基本上等于第一脉冲串周期，并且所述第一输出电压基本上与所述第一脉冲宽度成比例；产生包括多个高压脉冲的第二脉冲串，所述多个脉冲中的每个脉冲具有第二脉冲宽度和大于500V的电压，所述第二脉冲串具有第二脉冲串周期；用所述第二脉冲串对发生器电感器进行充电；和输出具有第一输出脉冲宽度和第二输出电压的第二输出脉冲，所述第二输出脉冲宽度基本上等于第二脉冲串周期，并且所述第二输出电压与第二脉冲宽度成比例。
在一些实施例中，第一脉冲输出电压大于500V，并且第二脉冲输出电压大于500V。在一些实施例中，第一脉冲输出电压大于第二脉冲输出电压。在一些实施例中，第一输出脉冲和第二输出脉冲被提供给等离子体。在一些实施例中，第一脉冲串周期小于大约10ms，第二脉冲串周期小于大约10ms，第一脉冲宽度小于200纳秒，并且第二脉冲宽度小于200纳秒。
本发明的一些实施例可以包括高压波形发生器，其包括：发生器电感器；发生器电容器，与发生器电感器电耦合和/或电感耦合；高压纳秒脉冲发生器，与发生器电感器和发生器电容器电耦合和/或电感耦合，该高压纳秒脉冲发生器被配置为用第一脉冲串和/或第二脉冲串对发生器电感器充电；以及负载，与纳秒脉冲发生器、发生器电感器和发生器电容器电耦合和/或电感耦合，负载两端的电压根据第一负载脉冲和第二负载脉冲而变化。
在一些实施例中，第一脉冲串可以包括具有第一电压的多个高压脉冲，多个脉冲中的每个脉冲具有第一脉冲宽度和大于500V的电压，第一脉冲串具有第一脉冲串周期。在一些实施例中，第二脉冲串可以包括具有第二电压的多个高压脉冲，多个脉冲中的每个脉冲具有第二脉冲宽度和大于500V的电压，第二脉冲串具有第二脉冲串周期。
在一些实施例中，第一负载脉冲可以具有第一输出脉冲宽度和第一输出电压，第一输出脉冲宽度基本上等于第一脉冲串周期，并且第一输出电压是第一脉冲宽度和/或第一电压的函数。在一些实施例中，第二负载脉冲可以具有第二输出脉冲宽度和第二输出电压，第二输出脉冲宽度基本上等于第二脉冲串周期，并且第二输出电压是第二脉冲宽度和/或第二电压的函数。
在一些实施例中，负载包括等离子体。在一些实施例中，第一脉冲串周期小于大约10ms，第二脉冲串周期小于大约10ms，第一脉冲宽度小于200纳秒，并且第二脉冲宽度小于200纳秒。
本发明的一些实施例包括高压波形发生器，该高压波形发生器包括发生器电感器；发生器电容器，与发生器电感器电耦合和/或电感耦合；高压纳秒脉冲发生器，其具有一个或多个与该发生器电感器和/或发生器电容器电耦合和/或电感耦合的固态开关，该高压纳秒脉冲发生器被配置为产生具有脉冲串周期的脉冲串，该脉冲串包括具有不同脉冲宽度的多个脉冲；以及负载，与高压纳秒脉冲发生器、发生器电感器和发生器电容器电耦合和/或电感耦合，负载两端的电压具有输出脉冲，该输出脉冲的脉冲宽度基本等于该脉冲串周期，并且负载两端的电压以基本上与多个脉冲的脉冲宽度成比例的方式变化。
在一些实施例中，负载包括等离子体。在一些实施例中，多个脉冲中的至少一个子集具有宽度越来越大的脉冲宽度，并且负载两端的电压的绝对值增加。在一些实施例中，脉冲串具有大于约500V的幅值。
附图说明
当参考附图阅读以下公开内容时，将更好地理解本公开的这些和其他特征、方面和优点。
图1是根据一些实施例的示例高压波形发生器的框图。
图2是根据一些实施例的示例高压波形发生器的框图。
图3A和图3B是根据一些实施例的示例高压波形发生器的框图。
图4A和图4B是根据一些实施例的示例高压波形发生器的框图。
图5A和图5B是根据一些实施例的示例高压波形发生器的框图。
图6是根据一些实施例的示例性高压波形发生器的框图。
图7是根据一些实施例的示例性高压波形发生器的电路图。
图8例示了根据一些实施例的示例脉冲发生器波形和示例高压波形发生器输出波形。
图9例示了根据一些实施例的示例脉冲发生器波形和示例高压波形发生器输出波形。
图10例示了根据一些实施例的示例脉冲发生器波形和示例高压波形发生器输出波形。
图11例示了根据一些实施例的示例脉冲发生器波形和示例高压波形发生器输出波形。
图12例示了根据一些实施例的高压波形发生器的各种电路元件内的示例波形。
图13例示了根据一些实施例的高压波形发生器的各种电路元件内的示例波形。
图14例示了根据一些实施例的高压波形发生器的各种电路元件内的示例波形。
图15例示了根据一些实施例的示例脉冲发生器波形和示例高压波形发生器输出波形。
具体实施方式
公开了用于产生具有任意脉冲宽度、电压和/或形状的高压波形的系统和方法。在一些实施例中，高压波形发生器可以包括脉冲发生器(例如，纳秒脉冲发生器)和发生器电路。例如，纳秒脉冲发生器可产生高压脉冲的脉冲串(burst)，该脉冲串具有脉冲串周期Tbr并且脉冲串的脉冲中的每个脉冲具有脉冲宽度Tp。发生器电路可以根据高压脉冲的输入脉冲串产生输出脉冲。例如，输出脉冲可以具有与脉冲串周期Tbr近似相同的脉冲宽度。例如，输出脉冲可以具有这样的电压：该电压为该脉冲串的脉冲中每个脉冲的脉冲宽度Tp的函数(例如，与之成比例)。例如，输出脉冲可以具有这样的电压：该电压为输入脉冲的电压Vp或输入脉冲的频率fp的函数(例如，成比例)。
在一些实施例中，输出脉冲的峰值功率可以大于约1kW、10kW、100kW、1000kW、10000kW等。
在一些实施例中，脉冲发生器可以产生脉冲串序列(burst train)。每个脉冲串序列例如可以包括多个脉冲串，并且多个脉冲串中的每个脉冲串可以包括多个脉冲。多个脉冲串(例如，N个脉冲串)中的每个脉冲串可以具有脉冲串周期(例如，Tbr1、Tbr2、Tbr3、...TbrN)。高压波形发生器的所得到的输出可以包括与每个脉冲串周期成比例(例如，大致相等)的多个脉冲宽度(例如，PWbr1、PWbr2、PWbr3、...PWbrN)。在一些实施例中，脉冲串周期可以变化，从而导致可变的输出脉冲宽度。在一些实施例中，输出电压幅值可以与脉冲串中每个脉冲的脉冲宽度成比例。每个输出脉冲的电压也可以与输入脉冲串的电压和频率成比例。
图1是根据一些实施例的示例高压波形发生器100的框图。高压波形发生器100可以包括纳秒脉冲发生器105和负载110。纳秒脉冲发生器105可以经由二极管125、发生器电感器115和/或发生器电容器120与负载110电耦合和/或电感耦合。还可以包括附加电感器116。负载110两端的波形的形状可以由纳秒脉冲发生器105的脉冲宽度和/或纳秒脉冲发生器105的脉冲频率(或脉冲串周期)和/或纳秒脉冲发生器105的脉冲电压来设定。
在一些实施例中，可以不包括附加电感器116。在一些实施例中，可以不包括附加电感器116和发生器电感器115。
纳秒脉冲发生器105例如可以包括能够产生如下脉冲的任何设备，该脉冲大于500V、具有大于10A的峰值电流和/或小于大约10000ns、1000ns、100ns、10ns等的脉冲宽度。作为另一个示例，纳秒脉冲发生器105可以产生幅值大于1kV、5kV、10kV、50kV、200kV等的脉冲。作为另一个示例，纳秒脉冲发生器105还可以产生上升时间小于大约5ns、50ns或300ns等的脉冲。
纳秒脉冲发生器105可例如包括在序列号为14/542,487、发明名称为“HIGHVOLTAGE NANOSECOND PULSER”的美国专利申请中描述的任何脉冲发生器，出于所有目的将其整体结合到本公开中。
纳秒脉冲发生器105可以例如包括在发明名称为“EFFICIENT IGBT SWITCHING”的美国专利第9,601,283号中描述的任何的脉冲发生器，出于所有目的将其整体结合到本公开中。
纳秒脉冲发生器105可以例如包括在序列号为15/365,094、发明名称为“HIGHVOLTAGE TRANSFORMER”的美国专利申请中描述的任何脉冲发生器，出于所有目的将其整体结合到本公开中。
纳秒脉冲发生器105可以例如包括高压开关。例如，纳秒脉冲发生器105可以例如包括在2018年8月10日提交的序列号为62/717,637、发明名称为“HIGH VOLTAGE SWITCHWITH ISOLATED POWER”的美国专利申请中描述的任何开关，出于所有目的将其整体结合到本公开中。
在一些实施例中，纳秒脉冲发生器105可包括一个或多个固态开关，例如，IGBT、MOSFET、SiC MOSFET、SiC结晶体管、FET、SiC开关、GaN开关、光电开关等。
在一些实施例中，发生器电感器115例如可以包括具有小于大约3μH的电感的任何电感器。在一些实施例中，发生器电感器115可以表示电路内的杂散电感，例如从纳秒脉冲发生器到电路中其他组件的引线内的电感或其他电路组件内的电感。在一些实施例中，发生器电感器115可具有小于1μH、0.1μH和10nH、1μH、10μH、50μH等的电感。
在一些实施例中，附加电感器116例如可以包括具有小于大约3μH的电感的任何电感器。在一些实施例中，附加电感器116可表示电路内的杂散电感，例如从纳秒脉冲发生器到电路中其他组件的引线内的电感或其他电路组件内的电感。在一些实施例中，附加电感器116可具有小于1μH、0.1μH和10nH、1μH、10μH、50μH等的电感。
例如，发生器电容器120可以包括电容小于约1μF的任何电容器。例如，发生器电容器120可以具有小于1μF、10μF、100nF、100pF等的电容。发生器电容器120可以表示电路内的杂散电容，例如，引线内或者其他发生器电路组件之间的杂散电容，或者它可以表示负载110中包含的电容。
在此示例中，当纳秒脉冲发生器105开启并产生高压脉冲(例如，大于约500V、5kV、10kV、15kV等的脉冲)时，来自该脉冲的能量被注入到发生器电感器115中。然后，来自发生器电感器115的能量可为发生器电容器120充电。当纳秒脉冲发生器105关闭时，发生器电感器115中的能量可继续为发生器电容器120充电。如果高电压脉冲的脉冲宽度足够大以对发生器电容器120完全充电，发生器电容器120两端的电压可以是高电压脉冲的电压的两倍。通过改变高压脉冲的脉冲宽度、频率和/或电压，可以改变发生器电容器120两端的电压。例如，发生器电容器120两端的电压可以与来自纳秒脉冲发生器105的高压脉冲(如图8A、8B、8C和8D所示出的波形所示)的脉冲宽度、频率和/或电压成正比。
在一些实施例中，短语“对电感器进行充电”可用于描述能量通过电感器和/或能量存储在电感器内。
在一些实施例中，发生器电感器115可以不用于调节对于发生器电容器120进行充电的能量。来自纳秒脉冲发生器105的一些能量可以最终在发生器电感器115中，但是，许多能量将仅通过发生器电感器115进入发生器电容器120中。因此，在一些实施例中，可以不包括发生器电感器115和/或附加电感器116。
图2是根据一些实施例的示例性高压波形发生器200的框图。在该示例中，负载是等离子体111。电感器115和/或116可以不存在，或者可以仅由杂散电路电感组成。电容120可以是等离子体的电容的一部分。等离子体可以具有许多独特的特性，例如，电容、电子迁移率和不同于电子迁移率的离子迁移率。在该示例中，可变电压的输出脉冲可以被施加到等离子体111。等离子体111可以包括任何类型的等离子体，其可以包括带电离子和/或带电自由基。在一些实施例中，等离子体可用于半导体制造工艺中。在某些应用中，输出脉冲幅值可用于控制等离子体离子的能量。在某些应用中，离子可用于蚀刻各种材料。这些材料可包括用于半导体制造的晶圆。在一些实施例中，高压波形发生器200可用于控制施加在等离子体111两端或施加在等离子体鞘层两端的电压。
图3A是根据一些实施例的示例性高压波形发生器300的框图。在该示例中，高压波形发生器300可以包括驱动电缆124，例如同轴电缆或双芯电缆。
在一些实施例中，发生器电容器120例如可以与负载110串联，如图3B中的电路350所示。
图4A是根据一些实施例的示例性高压波形发生器400的框图。在该示例中，高压波形发生器400包括在纳秒脉冲发生器105和负载110之间的变压器121。例如，可以存在发生器L和/或C，和/或C可以与负载110串联。在一些实施例中，脉冲发生器105还可包含可将脉冲发生器的输出与其输入电隔离(galvanically isolate)的变压器。
在一些实施例中，如图4B中的电路450所示，发生器电容器120可以与负载110串联。
图5A是根据一些实施例的示例高压波形发生器500的框图。在该示例中，高压波形发生器500包括下拉电阻器130。也可以包括与下拉电阻器130串联的开关。下拉电阻器130例如可以包括序列号为15/941,731、标题为“HIGH VOLTAGE PASSIVE OUTPUT STAGECIRCUIT”的美国专利申请中描述的任何实施例，出于所有目的将其整体结合到本公开中。
在一些实施例中，发生器电容器120可以与负载110串联，如图5B中的电路550所示。在一些实施例中，发生器电容器120可以是负载110的一部分和/或包括负载110的全部或部分电容。在一些实施例中，下拉电阻器130可以置于在发生器电容器120、有效负载电容115和/或二极管125之前，即更靠近发生器105放置。
图6是根据一些实施例的示例高压波形发生器600的框图。在该示例中，高压波形发生器600可以包括具有有效负载电容115、有效负载电流发生器140和/或有效负载二极管142和有效系统电感115的负载。例如，等离子体可以通过有效电流发生器140、有效负载二极管142和有效负载电容143来理想地实现。在一些实施例中，有效电流发生器140可以表示等离子体离子电流。在一些实施例中，离子等离子体电流可以在输入脉冲之间相当稳定地流动，持续大约输出脉冲的持续时间。在一些实施例中，有效负载电容143可以表示在等离子体中形成的电容。在一些实施例中，有效负载电容115可以表示由等离子体处理的材料/物品/组件(例如被蚀刻的半导体晶圆)上的电容。在一些实施例中，有效负载二极管142可以表示在输入脉冲串的大概持续时间发生的由输入纳秒脉冲驱动的通过等离子体的电流和/或等离子体内的电子迁移率。
图7示出了根据一些实施例的另一示例高压波形发生器700。高压波形发生器700可以被概括为五个级(这些级可以被分解为其他级或被概括为更少的级)。高压波形发生器700包括脉冲发生器和变压器级706、电阻性输出级707、引线级710、阻塞电容器和DC偏置电源级711、以及负载级110。
在该示例中，负载级110可以表示用于等离子体沉积系统、等离子体蚀刻系统或等离子体溅射系统的有效电路。在一些实施例中，电容器C1和/或电容器C12的电容可以小于大约50μF、10μF、1μF、100nF等。电容器C2可以表示晶片可以位于其上的电介质材料的电容。在一些实施例中，电容器C2可以小于大约50μF、10μF、1μF、100nF等。电容器C3可以代表等离子体到晶片的鞘层电容。在一些实施例中，电容器C3可以小于大约50μF、10μF、1μF、100nF等。电容器C9可以表示腔室壁与晶圆的上表面之间的等离子体内的电容。电流源I2和电流源I1可以表示通过鞘层的离子电流。
在该示例中，电阻性输出级707可以包括由电感器L1和/或电感器L5表示的一个或多个电感元件。例如，电感器L5可以表示电阻性输出级707中引线的杂散电感。可以将电感器L1设置为最小化从脉冲发生器和变压器级706直接流入电阻器R1的电力。在一些实施例中，电阻器R1的电阻可以小于大约2000欧姆、200欧姆、20欧姆、2欧姆等。
在一些实施例中，电感器L2、电感器L5和/或电感器L6可具有小于约100μH、10μH、1μH、100nH等的电感。
在一些实施例中，电阻器R1可以例如以快速的时间尺度(例如1ns、10ns、100ns、250ns、500ns、1,000ns等时间尺度)耗散来自负载110的电荷。电阻器R1的电阻可以低以确保负载110两端的脉冲具有快速的下降时间tf。
在一些实施例中，电阻器R1可以包括串联和/或并联布置的多个电阻器。电容器C11可以表示电阻器R1的杂散电容，其包括布置的串联和/或并联电阻器的电容。例如，杂散电容C11的电容可以小于2000pF、500pF、250pF、100pF、50pF、10pF、1pF等。例如，杂散电容C11的电容可以小于负载电容，例如小于C2、C3和/或C9的电容。
在一些实施例中，多个脉冲发生器和变压器级706可以成组并联，并且跨过电感器L1和/或电阻器R1而与电阻性输出级707耦合。多个脉冲发生器和变压器级706中的每一个还可各自包括二极管D1和/或二极管D6。在一些实施例中，电感器L1的电感可以小于大约1000μH、100μH、10μH等。
在一些实施例中，电容器C8可以代表阻塞二极管D1的杂散电容。在一些实施例中，电容器C4可以代表二极管D6的杂散电容。
在一些实施例中，DC偏置电源级711可以包括DC电压源V1，该电压源V1可以用于正向或负向偏置输出电压。在一些实施例中，电容器C12将DC偏置电压与电阻性输出级和其他电路元件隔离/分离。电容器C12可以被称为阻塞电容器和/或偏置电容器。在一些实施例中，电容器C12可包括单个电容性元件或组合的多个电容性元件。在一些实施例中，电容器C12可允许从电路的一部分到另一部分的电位偏移。在一些实施例中，电位移位电容器C12的建立可用于利用静电力将晶片保持在适当位置。在一些实施例中，电容器C12的电容可以小于大约1000μF、100μF、10μF、1μF等。
电阻R2可以保护DC偏置电源、使其不受来自脉冲发生器和变压器级706的高压脉冲输出影响/将DC偏置电源与来自脉冲发生器和变压器级706的高压脉冲输出隔离。在一些实施例中，DC偏置电源级可以包含诸如开关、二极管和电容器的附加元件，以帮助保持随着输出脉冲的开启和关闭而将晶圆固定在位置相当长的恒定时间的静电力，例如，2018年8月10日提交的、序列号为62/711,406的、题为“NANOSECOND PULSER BIAS COMPENSATION”的美国专利申请，出于所有目的将其整体结合到本公开中。
在一些实施例中，脉冲发生器和变压器级706可以包括多个开关和多个信号发生器。例如，多个开关可以允许纳秒脉冲发生器产生更高频率的脉冲。
在一些实施例中，电压源V2提供由开关S1切换的一致的DC电压。开关S1例如可以包括一个或多个固态开关，例如，IGBT、MOSFET、SiC MOSFET、SiC结型晶体管、FET、SiC开关、GaN开关、光导开关等。开关S1可以快速切换，以至于切换电压可能永远不会达到满电压。例如，如果电压源V2提供500V的DC电压，则开关S1可以快速地接通和断开，以使开关两端的电压小于500V。在一些实施例中，可以通过短接通脉冲来设置与开关S1耦接的栅极电阻器。
图8A示出了示例脉冲器波形，而图8B示出了根据一些实施例的示例性高压波形发生器输出波形。在该示例中，由脉冲发生器产生的波形包括两个脉冲串：具有脉冲串周期B1的第一脉冲串，其中每个脉冲具有脉冲宽度T1；具有脉冲串周期B2的第二脉冲串，其中每个脉冲具有脉冲宽度T2。波形输出是基于脉冲发生器产生的波形的、波形发生器的输出。在该示例中，波形发生器输出两个脉冲：具有脉冲宽度PW1和电压V1的第一脉冲；具有脉冲宽度PW2和电压V2的第二脉冲。在该示例中，PW1的长度与脉冲串周期B1的长度相等(偏差在10％以内)；第一脉冲电压V1是脉冲宽度T1的函数(例如，与脉冲宽度T1成正比)。另外，PW2的长度与脉冲串周期B2的长度相等(在10％以内的偏差)，并且第一脉冲电压V2是脉冲宽度T2的函数(例如，与脉冲宽度T2成比例)。由于电路相位延迟以及各种电路元件的充电和放电，PW1和PW2的宽度可能偏离B1和B2。但是，输入长度和输出长度之间有很强的相关性，输入脉冲串长度用于控制输出脉冲长度。负载特性也会影响输入脉冲串宽度和输出脉冲宽度之间的准确相关性。输出脉冲的平坦度也可能会根据所选的电路元件而变化，和/或可能会表现出对包括脉冲串的输入脉冲的自然振荡/响应。
在一些实施例中，脉冲之间的时间可以是任何值。在一些实施例中，脉冲之间的时间可以是单个脉冲的脉冲宽度的数量级。
在一些实施例中，每个脉冲串内的脉冲的频率可以大于大约1kHz、10kHz、100kHz、1000kHz等。
图8C示出了示例脉冲发生器波形，而图8D示出了根据一些实施例的示例性高压波形发生器输出波形。在该示例中，与图8A所示的输入波形相比，该输入波形被反向，从而产生了图8D中示出的反向的输出波形。在该示例中，输出脉冲PW1和PW2的脉冲宽度基本上与脉冲串周期B1和B2相似。图9、10和11示出的波形同样可以被反向。输出脉冲的平坦度还可以基于所选的电路元件而变化，和/或可以表现出对包括脉冲串的输入脉冲的自然振荡/响应。
图9A示出了由脉冲发生器产生的示例波形；而图9B示出了根据一些实施例的示例性高压波形发生器输出波形。在该示例中，如图9A所示的脉冲发生器输出的第一脉冲串中的前两个脉冲比该脉冲串中的其他脉冲短。这导致输出脉冲缓慢地上升到V2或V1，如图9B所示。可以这样做以限制来自脉冲发生器的峰值输出电流和/或能量。
图8B、8D和9B中所示的输出波形可被称为“双电平”控制的形式，其中目的是交替地施加一个电压下的一系列的一个或多个输出脉冲与不同电压下的一系列的一个或多个输出脉冲。例如，这可以允许高能离子与表面/材料相互作用，随后是低能离子与表面/材料相互作用。
图10A示出了由脉冲发生器产生的示例波形；而图10B示出了根据一些实施例的示例性高压波形发生器输出波形。在该示例中，脉冲串内的每个脉冲的脉冲宽度如图10A所示地线性增加，从而导致输出波形电压类似地线性减小，如图10B所示。
图11A示出了由脉冲发生器产生的示例波形；而图11B示出了根据一些实施例的示例性高压波形发生器输出波形。在该示例中，如图11A所示，具有三个不同脉冲宽度的三个脉冲串以及每个脉冲串内的脉冲具有不同的脉冲宽度。这导致具有三个不同脉冲宽度和不同电压的三个输出脉冲，如图11B所示。
输出波形的形状可由脉冲串内每个脉冲的脉冲宽度和/或脉冲串宽度来决定。通过改变这些参数可以产生任何形状的输出波形。这样的形状可以被重复并且可以与任何其他组的输出脉冲形状交叠，并且可以以重复的方式实现。在一些实施例中，可以通过改变各个脉冲的电压来控制/设置输出波形的形状。改变脉冲宽度也可以改变脉冲电压。
在一些实施例中，可以将多个纳秒脉冲发生器一起定相。例如，纳秒脉冲发生器105可以包括一个或多个并联地一起定相的脉冲发生器。例如，这可以以更高的频率从波形发生器产生输出脉冲。
图12示出了根据一些实施例的高压波形发生器的各种电路元件内的示例波形。图12所示的波形与图7中所示的组件相关。
图13和图14示出了根据一些实施例的高压波形发生器的各种电路元件内的示例波形。图12中所示的波形与图7中所示的组件相关。
在一些实施例中，高压波形发生器可以使用实时反馈来调整输出波形的输出电压。例如，电路可以确定输出波形的电压低于期望的电压，作为响应，可以调节纳秒脉冲发生器的脉冲宽度以产生期望的输出脉冲。可替代地，可以调整脉冲串内的脉冲数量，和/或可以调整其频率。
在一些实施例中，可以在高压波形发生器750中使用多个脉冲发生器。例如，第一脉冲发生器和第二脉冲发生器可以与一个或多个开关一起定相。可以将这些脉冲链接在一起以提高提供给负载的脉冲的频率。在一些实施例中，每个脉冲发生器可以产生不同的驱动电压。
在一些实施例中，可以选择脉冲发生器内一个或多个MOSFET的栅极处的电阻器，以实现在双电平操作下高电平与低电平之间的工作范围。在一些实施例中，一个或多个MOSFET的栅极处的电阻器可提供短路保护。在一些实施例中，可将不同的栅极电压施加到脉冲发生器内的一个或多个MOSFET。
在一些实施例中，当脉冲宽度小于上升时间时，纳秒脉冲发生器105内的一个或多个开关的接通时间可导致来自脉冲发生器的较低输出电压。这在图15C中示出。V3例如可以为5kV或更大，而V4例如可以大于200伏。
脉冲发生器可以包括高压DC输入和低压DC波形，用于控制固态开关或栅极电压。图15A中示出的波形示出了具有两个脉冲串的栅极电压，每个脉冲串具有脉冲串周期B1和B2，并且每个脉冲串内的脉冲具有不同的脉冲宽度。图15B中的波形示出了由脉冲发生器产生的示例脉冲(例如，图7中的R1两端的电压)。第一脉冲串内的脉冲的电压为V1，第二脉冲串内的脉冲电压为V2。由于栅极电压脉冲宽度较短，因此第二个脉冲串中的脉冲电压较低。具体地，栅极电压脉冲足够短，以使得在脉冲发生器开关被栅极输入脉冲关闭之前、该脉冲发生器开关没有时间完全接通(例如，达到其峰值输出电压)。图15D中的波形是脉冲发生器中的开关(例如，图7中的开关S1)两端的电压。使得开关被接通的时间足够短，从而开关两端的电压永远无法降至正常的低电平(其用于开关完全被接通并处于全导通状态)。如图15C所示，产生的输出波形具有两个电压电平。第二电压电平是栅极电压波形(图15A)的脉冲宽度的函数。由于第二脉冲的脉冲宽度小于开关上升时间或开关接通时间或达到完全接通状态所需的开关时间，因此脉冲发生器会产生较低的电压脉冲。图15C中的第二电压电平为图15B所示的脉冲发生器所产生的脉冲宽度和电压的函数。脉冲发生器中一个或多个开关的栅极电阻可以确定脉冲发生器提供的脉冲的上升时间和电压。
在一些实施例中，图15C中所示的输出电压是图15A中所示的单个脉冲的函数。在一些实施例中，使用开关来提供输出电压控制以控制输出电压。一些实施例可以在双电平电压输出下实现非常快速的、纳秒时间尺度的输出电压调节。例如，这可以允许快速电压调节(例如，大于1MHz)。
本文阐述了许多具体细节以提供对所要求保护的主题的透彻理解。然而，本领域技术人员将理解，可以在没有这些具体细节的情况下实践所要求保护的主题。在其他情况下，没有详细描述本领域普通技术人员已知的方法、设备或系统，以免模糊所要求保护的主题。
根据对存储在诸如计算机存储器之类的计算系统存储器中的数据位或二进制数字信号的运算的算法或符号表示来呈现一些部分。这些算法描述或表示是数据处理领域中普通技术人员所使用的用于将其工作的实质传达给本领域其他技术人员的技术的示例。算法是导致所需结果的操作或相似处理的自洽序列。在这种情况下，操作或处理涉及对物理量的物理操纵。通常，尽管不是必需的，但是这些量可以采取能够被存储、传输、组合、比较或以其他方式操纵的电或磁信号的形式。主要出于通用的原因，有时已经证明将这样的信号称为位、数据、值、元素、符号、字符、项、数、数字等是方便的。然而，应当理解，所有这些和类似术语均应与适当的物理量相关联，并且仅仅是方便的标签。除非另有特别说明，否则应理解，在整个说明书中，利用诸如“处理”、“计算”、“计算”、“确定”和“识别”等术语来指代计算设备(诸如一个或多个计算机或类似的一个或多个电子计算设备)的动作或处理，这些计算设备操纵或转换表示为在计算平台的存储器、寄存器或其他信息存储设备、传输设备或显示设备内的物理电子或磁性量的数据。
本文讨论的一个或多个系统不限于任何特定的硬件体系结构或配置。一种计算设备可以包括提供以一个或多个输入为条件的结果的组件的任何合适的布置。合适的计算设备包括基于多用途微处理器的计算机系统，该计算机系统访问存储的软件，该软件将计算系统从通用计算设备编程或配置为实现本发明主题的一个或多个实施例的专用计算设备。任何合适的编程、脚本或其他类型的语言或语言的组合可以用于在用于编程或配置计算设备的软件中实现本文所包含的教导。
本文公开的方法的实施例可以在这样的计算设备的操作中执行。上面的示例中显示的块的顺序可以更改-例如，可以对块进行重新排序、组合和/或将其分解为子块。某些块或过程可以并行执行。
本文使用的“适应于”或“配置为”是指开放和包容性的语言，其不排除适于或配置为执行附加任务或步骤的设备。另外，“基于”的使用是开放和包容性的，因为“基于”一个或多个所述条件或值的过程、步骤、计算或其他操作实际上可能基于超出所记载的其他条件或值。本文包含的标题、列表和编号仅是为了便于说明而不是限制性的。
术语“第一”和“第二”不一定用于标识绝对或第一或第二的项目序列。而是，这些术语仅用于标记一个项目以及不同的或后续的项目，除非含义清楚，即这些术语旨在指定特定的顺序或绝对位置。标有“第一”和“第二”的项目的顺序可以是绝对顺序，也可以不是绝对顺序，并且/或者可以在其间包括其他项目。
尽管已经针对本发明主题的特定实施例对本主题进行了详细描述，但是应当理解，本领域技术人员在理解前述内容之后，可以容易地对这些实施例进行更改、变型和等同。因此，应当理解，本公开内容是出于示例而非限制的目的给出的，其并不排除对本主题进行这种修改、变化和/或添加，这对于本领域普通技术人员来说显而易见的。

Claims (26)

1.高压波形发生器，包括：
发生器电感器；
高压纳秒脉冲发生器，与所述发生器电感器电耦合和/或电感耦合，所述高压纳秒脉冲发生器被配置为通过以下对所述发生器电感器进行充电：
第一脉冲串，包括第一多个高压脉冲，所述第一多个高压脉冲中的每个脉冲具有第一脉冲宽度，所述第一脉冲串具有第一脉冲串周期；以及
第二脉冲串，包括第二多个高压脉冲，所述第二多个高压脉冲中的每个脉冲具有第二脉冲宽度，所述第二脉冲串具有第二脉冲串周期，其中，所述第一脉冲宽度不同于所述第二脉冲宽度，所述第二脉冲串周期不同于所述第一脉冲串周期；以及
与所述高压纳秒脉冲发生器和所述发生器电感器耦合的等离子体，所述等离子体两端的电压根据以下变化：
具有第一输出脉冲宽度和第一输出电压的第一等离子体脉冲，所述第一输出脉冲宽度等于所述第一脉冲串周期，并且所述第一输出电压与所述第一脉冲宽度成比例；以及
具有第二输出脉冲宽度和第二输出电压的第二等离子体脉冲，所述第二输出脉冲宽度等于所述第二脉冲串周期，并且所述第二输出电压与所述第二脉冲宽度成比例。
2.根据权利要求1所述的高压波形发生器，其中，所述第一脉冲串和所述第二脉冲串中的任一个或两个具有大于500V的幅值。
3.根据权利要求1所述的高压波形发生器，其中，所述第一等离子体脉冲和所述第二等离子体脉冲中的任一个或两个具有大于500V的幅值。
4.根据权利要求1所述的高压波形发生器，其中，所述第二脉冲串的幅值与所述第一脉冲串的幅值不同。
5.根据权利要求1所述的高压波形发生器，其中，所述第一多个高压脉冲中的一个或多个脉冲的幅值与其他的所述第一多个高压脉冲中的一个或多个脉冲的幅值不同。
6.根据权利要求1所述的高压波形发生器，其中，所述第一等离子体脉冲的电压不同于所述第二等离子体脉冲的电压。
7.根据权利要求1所述的高压波形发生器，还包括下拉电阻，所述下拉电阻与所述发生器电感器和所述高压纳秒脉冲发生器电耦合和/或电感耦合。
8.根据权利要求1所述的高压波形发生器，还包括变压器，所述变压器在所述高压纳秒脉冲发生器和负载之间。
9.根据权利要求1所述的高压波形发生器，其中，所述第一脉冲串周期和/或所述第二脉冲串周期小于50ms。
10.根据权利要求1所述的高压波形发生器，其中，所述第一等离子体脉冲和所述第二等离子体脉冲中的任一个或两个在所述等离子体内建立电势。
11.根据权利要求1所述的高压波形发生器，其中，所述第一等离子体脉冲和所述第二等离子体脉冲中的任一个或两个都加速所述等离子体内的离子。
12.根据权利要求1所述的高压波形发生器，其中，所述第一多个脉冲和/或所述第二多个脉冲中的一个或两个具有大于50kHz的频率。
13.根据权利要求1所述的高压波形发生器，其中，所述第一多个脉冲中的至少一个脉冲具有小于500ns的脉冲宽度和/或所述第二多个脉冲中的至少一个脉冲具有小于500ns的脉冲宽度。
14.根据权利要求1所述的高压波形发生器，其中，所述发生器电感器包括杂散电感。
15.根据权利要求1所述的高压波形发生器，其中，所述发生器电感器具有小于20μH的电感。
16.根据权利要求1所述的高压波形发生器，其中，所述高压纳秒脉冲发生器的峰值输出功率大于10kW。
17.根据权利要求1所述的高压波形发生器，其中，所述等离子体是电容性的。
18.一种用于在等离子体内产生高压波形的方法，所述方法包括：
产生包括第一多个高压脉冲的第一脉冲串，所述第一多个高压脉冲中的每个脉冲具有第一脉冲宽度和大于500V的电压，所述第一脉冲串具有第一脉冲串周期；
用所述第一脉冲串对发生器电感器进行充电；
输出具有第一输出脉冲宽度和第一输出电压的第一输出脉冲，所述第一输出脉冲宽度等于第一脉冲串周期，并且所述第一输出电压与所述第一脉冲宽度成比例；
产生包括第二多个高压脉冲的第二脉冲串，所述第二多个脉冲中的每个脉冲具有第二脉冲宽度，所述第二脉冲串具有第二脉冲串周期，其中，所述第一脉冲宽度不同于所述第二脉冲宽度，所述第二脉冲串周期不同于所述第一脉冲串周期；
用所述第二脉冲串对发生器电感器进行充电；以及
输出具有第二输出脉冲宽度和第二输出电压的第二输出脉冲，所述第二输出脉冲宽度等于第二脉冲串周期，并且所述第二输出电压与所述第二脉冲宽度成比例。
19.根据权利要求18所述的方法，其中，对所述发生器电感器进行充电包括使能量通过所述发生器电感器。
20.根据权利要求18所述的方法，其中，所述第一多个高压脉冲中的至少一个脉冲具有小于500ns的脉冲宽度和/或所述第二多个高压脉冲中的至少一个脉冲具有小于500ns的脉冲宽度。
21.根据权利要求18所述的方法，其中，所述第一多个高压脉冲中的至少一个脉冲具有不同的脉冲宽度和/或所述第二多个高压脉冲中的至少一个脉冲具有不同的脉冲宽度。
22.根据权利要求18所述的方法，其中，所述第一多个高压脉冲中的一个或多个的幅值不同于其他所述第一多个脉冲中的一个或多个的幅值。
23.一种高压波形发生器，包括：
发生器电感器，所述发生器电感器具有小于20μH的电感；
高压纳秒脉冲发生器，其具有与所述发生器电感器电耦合的一个或多个固态开关，所述高压纳秒脉冲发生器被配置为产生具有脉冲串周期的脉冲串，所述脉冲串包括具有不同脉冲宽度的多个脉冲；和
与高压纳秒脉冲发生器和发生器电感器电耦合的等离子体，所述等离子体两端的电压具有脉冲宽度等于脉冲串周期的输出脉冲，并且所述等离子体两端的电压以与所述多个脉冲的脉冲宽度成比例的方式变化。
24.根据权利要求23所述的高压波形发生器，其中，所述多个脉冲的至少一个子集的脉冲宽度越来越大，并且所述等离子体两端的电压的绝对值增加。
25.根据权利要求23所述的高压波形发生器，其中，所述多个脉冲的至少一个子集的脉冲宽度越来越小，并且所述等离子体两端的电压的绝对值减小。
26.根据权利要求23所述的高压波形发生器，其中，所述等离子体两端的电压使所述等离子体内的离子加速。
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