CN112805920A - 用于rf等离子体反应器的等离子体鞘控制 - Google Patents

用于rf等离子体反应器的等离子体鞘控制 Download PDF

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CN112805920A CN201980051988.5A CN201980051988A CN112805920A CN 112805920 A CN112805920 A CN 112805920A CN 201980051988 A CN201980051988 A CN 201980051988A CN 112805920 A CN112805920 A CN 112805920A
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plasma chamber
sheath control
plasma sheath
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迪麦西·津巴
肯尼斯·米勒
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Abstract

一些实施例包括一种等离子体鞘控制系统，其包括：RF电源，其产生具有大于20kHz的频率和大于1kV的峰值电压的正弦波形；和等离子体腔室，其与所述RF电源电耦合，所述等离子体腔室具有通过大于大约1kV的能量受加速到所部署的表面中的多个离子，并且所述等离子体腔室从所述正弦波形在所述等离子体腔室内产生等离子体鞘。所述等离子体鞘控制系统包括：阻流二极管，其电连接在所述RF电源与所述等离子体腔室之间；和电容放电电路，其与所述RF电源、所述等离子体腔室和所述阻流二极管电耦合；所述电容放电电路通过大于1kV的峰值电压并且通过小于250纳秒的放电时间使所述等离子体腔室内的电容电荷放电。

Description

用于RF等离子体反应器的等离子体鞘控制
相关申请的交叉引用
本申请要求题为“PLASMA SHEATH CONTROL FOR RF PLASMA REACTORS”的2018年8月10日提交的美国临时专利申请No.62/717,523的优先权，其通过其完整引用合并于此。
本申请要求题为“VARIABLE OUTPUT IMPEDANCE RF GENERATOR”的2018年11月30日提交的美国临时专利申请No.62/774,078的优先权，其通过其完整引用合并于此。
本申请要求题为“EFFICIENT ENERGY RECOVERY IN A NANOSECOND PULSERCIRCUIT”的2019年1月8日提交的美国临时专利申请No.62/789,523的优先权，其通过其完整引用合并于此。
本申请要求题为“EFFICIENT NANOSECOND PULSER WITH SOURCE AND SINKCAPABILITY FOR PLASMA CONTROL APPLICATIONS”的2019年1月8日提交的美国临时专利申请No.62/789,526的优先权，其通过其完整引用合并于此。
背景技术
RF激励气体放电在薄膜制造技术中的应用已变为标准。最常使用的最简单几何形状是之间施加电压的两个平面电极的几何形状。在图1中示出这种平面RF等离子体反应器的示意性表示。等离子体鞘分离等离子体与每个电极。
通过由跨越鞘的时间依赖电势差的量值和波形、气体压力，反应器的实体几何形状和/或其他因素确定的离子能量分布函数(IEDF)，等离子体积中产生的正离子受加速跨越等离子体鞘并且到达电极。该离子轰击能量分布可以确定对表面的损坏所引起的离子的薄膜蚀刻量方面的各向异性的程度。
发明内容
一些实施例包括一种等离子体鞘控制系统，其包括：RF电源，其产生具有大于20kHz的频率和大于1kV的峰值电压的RF正弦波形；和等离子体腔室，其与所述RF电源电耦合，所述等离子体腔室具有通过大于大约1kV的能量受加速到所部署的表面中的多个离子，并且所述等离子体腔室从所述RF正弦波形在所述等离子体腔室内产生等离子体鞘。所述等离子体鞘控制系统包括：阻流二极管，其电连接在所述RF电源与所述等离子体腔室之间；和电容放电电路，其与所述RF电源、所述等离子体腔室和所述阻流二极管电耦合；所述电容放电电路通过大于1kV的峰值电压并且通过小于250纳秒的放电时间使所述等离子体腔室内的电容电荷放电。
在一些实施例中，所述电容放电电路包括电阻输出级，其包括按串联布置的电阻器和电感器，所述电阻输出级部署在所述阻流二极管与所述等离子体腔室之间的所述等离子体鞘控制系统上的点与大地之间。在一些实施例中，所述电容放电电路包括能量恢复电路，其包括按串联布置的二极管和电感器，所述能量恢复电路部署在所述阻流二极管与所述等离子体腔室和所述DC电源之间。
在一些实施例中，所述等离子体鞘控制系统可以包括偏置电容器，其按串联部署在所述阻流二极管与所述等离子体腔室之间。在一些实施例中，所述等离子体鞘控制系统可以包括偏置补偿电路，其包括DC电源、电阻器、二极管和高电压开关，所述偏置补偿电路部署在所述阻流二极管与所述RF电源之间的所述等离子体鞘控制系统上的点之间。
在一些实施例中，所述等离子体鞘控制系统可以包括匹配网络，其与所述等离子体腔室电耦合，所述匹配网络匹配所述等离子体腔室内的等离子体负载的电抗阻抗与所述RF电源的输出阻抗。
在一些实施例中，所述阻流二极管对所述正弦波形进行整流，创建具有实质上平坦部分的正弦波形达每个周期的至少25％。
一些实施例包括一种等离子体鞘控制系统。所述等离子体鞘控制系统可以包括高电压DC电源，其产生大于200V的DC电压。所述等离子体鞘控制系统可以包括谐振电路驱动器，其包括与谐振负载耦合的多个高电压开关，所述高电压开关交替地接通和关断，以产生具有大于20kHz的频率和大于1kV的峰值电压的正弦波形；所述等离子体鞘控制系统可以包括等离子体腔室，其与所述谐振电路驱动器电耦合，所述等离子体腔室具有通过大于大约1kV的能量受加速到部署在所述等离子体腔室内的表面中的多个离子，并且所述等离子体腔室从所述正弦波形在所述等离子体腔室内产生等离子体鞘。所述等离子体鞘控制系统可以包括阻流二极管，其电连接在所述谐振电路驱动器与所述等离子体腔之间，所述阻流二极管对所述正弦波形进行整流。
在一些实施例中，所述阻流二极管对所述正弦波形进行整流，创建具有实质上平坦部分的波形达每个周期的至少25％。
在一些实施例中，所述等离子体鞘控制系统可以包括电阻输出级，其包括按串联布置的电阻器和电感器，所述电阻输出级部署在所述阻流二极管与所述等离子体腔室之间的所述等离子体鞘控制系统上的点与大地之间。
在一些实施例中，所述等离子体鞘控制系统可以包括能量恢复电路，其包括按串联布置的二极管和电感器，所述能量恢复电路部署在所述阻流二极管与所述等离子体腔室和所述DC电源之间。
在一些实施例中，所述多个开关包括第一开关、第二开关、第三开关和第四开关。在一些实施例中，所述第一开关和所述第四开关在第一时间段期间闭合，以允许电流在第一方向上流动；以及所述第二开关和所述第三开关在第二时间段期间闭合，以允许电流在与所述第一方向相反的第二方向上流动。
在一些实施例中，所述多个开关包括第一开关和第二开关。在一些实施例中，所述第一开关在第一时间段期间闭合，以允许电流在第一方向上流动；以及所述第二开关在第二时间段期间闭合，以允许电流在与所述第一方向相反的第二方向上流动。
在一些实施例中，所述多个开关以根据以下公式的频率进行开关：
Figure BDA0002932767000000041
其中，f大于10kHz，其中，L表示所述等离子体腔室内的负载的电感，并且C表示所述谐振电路驱动器内的电容器的电容。
在一些实施例中，所述多个开关以根据以下公式的频率进行开关：
Figure BDA0002932767000000042
其中，f大于10kHz，其中，L表示所述谐振电路驱动器内的电感器的电感，并且C表示所述等离子体腔室内的所述负载的电容。
在一些实施例中，所述多个开关以根据以下公式的频率进行开关：
Figure BDA0002932767000000043
其中，f大于10kHz，其中，L表示所述谐振电路驱动器内的电感器的电感，并且C表示所述谐振电路驱动器内的所述电容器的电容。
在一些实施例中，在所述谐振电路驱动器正在产生所述正弦波形的同时，所述等离子体鞘控制系统产生大于大约1kV的跨越所述等离子体鞘的电压。
在一些实施例中，所述等离子体鞘控制系统可以包括控制器，其在小于大约1ms的时间标度上调整由所述谐振电路产生的所述正弦波形的频率或功率之一或二者。
在一些实施例中，所述等离子体鞘控制系统可以包括控制器，其测量所述等离子体腔室之前的点处的正弦波形的频率，并且如果所述等离子体腔室之前的所述点处的所述正弦波形的频率不匹配谐振频率，则调整由所述谐振电路驱动器产生的所述正弦波形的频率。
在一些实施例中，所述等离子体鞘控制系统可以包括控制器，其测量所述等离子体腔室之前的点处的正弦波形的功率，并且如果所述等离子体腔室之前的所述点处的所述正弦波形的功率不匹配所需功率，则调整由所述谐振电路驱动器产生的所述正弦波形的功率。
本发明的一些实施例包括一种等离子体鞘控制系统，其包括：RF电源，其产生高电压和高频率正弦波形；电阻输出级，其包括电阻器和电感器；和阻流二极管，其部署在所述RF电源与所述电阻输出级之间。在一些实施例中，可以包括等离子体反应器，其可以例如包括气体馈送系统、控制系统、等离子体生成系统、真空泵、晶圆传送系统等。在一些实施例中，所述电阻输出级具有小于大约200pF的电容。在一些实施例中，所述等离子体鞘控制系统还包括输出，其配置为与晶圆沉积设备耦合。在一些实施例中，所述等离子体鞘控制系统还包括输出，其配置为输出具有大于2kV的幅度和大于1kHz的频率的高电压正弦波形。
本发明的一些实施例包括一种等离子体鞘控制系统，其包括：RF电源；偏置电容器；和高电压开关，其耦合跨越所述阻流二极管，其中，所述高电压开关配置为当所述高电压开关电源开启时关闭，并且当所述高电压开关电源并非正在发生脉冲时开启。在一些实施例中，所述等离子体鞘控制系统还包括输出，其配置为与晶圆沉积设备耦合。在一些实施例中，所述等离子体鞘控制系统还包括输出，其配置为输出具有大于2kV的幅度和大于1kHz的频率的高电压正弦波形。
本发明的一些实施例包括一种等离子体鞘控制系统，其产生在晶圆沉积腔室内创建等离子体的输出，以使得在所述等离子体鞘控制系统开启以及所述等离子体鞘控制系统关闭的时段期间晶圆与卡夹之间的电压电势是大约2kV。
在一些实施例中，电阻输出级可以包括无源组件的串联或并联网络。例如，电阻输出级可以包括串联的电阻器、电容器和电感器。作为另一示例，电阻输出级可以包括与电感器并联的电容器以及与电阻器串联的电容器-电感器组合。无论布置如何，都可以选择组件值以匹配RF源的RF频率。
提及这些说明性实施例并非限制或限定本公开，而是提供示例以协助理解它。在具体实施方式中讨论附加实施例，并且在此提供进一步的描述。通过检查本说明书或通过实践所提出的一个或多个实施例，可以进一步理解由各个实施例中的一个或多个提供的优点。
附图说明
当参照附图阅读以下具体实施方式时，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RF等离子体反应器的示意性表示。
图2是根据一些实施例的用于RF等离子体腔室的RF驱动器的示意图。
图3示出跨越等离子体腔室的电压Vr和用于相等面积的靶电极和基板电极的等离子体电势VP的波形。
图4示出跨越与等离子体腔室内的靶电极相邻的等离子体鞘的电势VST和跨越基板电极的电势Vss的波形。
图5是根据一些实施例的用于RF腔室的等离子体鞘控制系统的示意图。
图6示出跨越鞘(例如，C3)并且在卡夹(例如，C2)处的波形。
图7是根据一些实施例的用于具有电阻输出级的RF腔室的等离子体鞘控制系统的另一示意图。
图8示出来自图7所示的电路的跨越鞘(例如，C3)并且在卡夹(例如，C2)处的波形。
图9是图8所示的波形的三个周期的放大视图。
图10示出来自图7所示的电路的跨越鞘(例如，C3)并且在卡夹(例如，C2)处的波形。
图11示出来自图7所示的电路的跨越鞘(例如，C3)并且在卡夹(例如，C2)处的波形。
图12是根据一些实施例的用于具有电阻输出级和高电压开关偏置补偿级的RF腔室的等离子体鞘控制系统的另一示意图。
图13示出来自图12所示的电路的跨越鞘(例如，C3)并且在卡夹(例如，C2)处的波形。
图14是图12所示的波形的三个周期的放大视图。
图15示出卡夹上的电压返回零的突发波形的结束。
图16是根据一些实施例的用于具有谐振全桥驱动器的RF腔室的等离子体鞘控制系统的示意图。
图17是根据一些实施例的具有能量恢复电路的等离子体鞘控制系统的电路图。
图18是根据一些实施例的具有隔离电源的高电压开关的框图。
图19是根据一些实施例的具有半桥谐振电路的等离子体鞘控制系统的电路图。
具体实施方式
公开一种等离子体鞘控制系统，其包括二极管和电容放电电路(例如，电阻输出级或能量恢复电路)和/或具有阻流二极管的高电压开关之一或二者。在一些实施例中，等离子体鞘控制电路可以包括具有等离子体腔室的RF偏置电源，以制造半导体或相似设备。在一些实施例中，等离子体鞘控制电路可以产生在半导体制造设备内创建等离子体的输出。例如，以使得可以在等离子体与靶电极或晶圆之间产生更可控制的并且恒定的等离子体鞘电势。增强式控制可以允许来自等离子体的轰击离子的峰值化的和/或可调整的离子能量分布，其可以例如导致(例如，比如在蚀刻、薄膜沉积、离子沉积、太阳能面板和/或显示器面板制造等方面的)更高的应用性能。附加地或替代地，在等离子体鞘控制电路开启以及等离子体鞘控制关闭的时段期间，晶圆与卡夹之间的大致恒定电势可以保持在近似2kV。在一些实施例中，RF电源系统可以产生具有大于大约1kV-10kV的峰值幅度的正弦波形。
图2是RF等离子体电源和反应器的RF驱动器的示意图。在此，VRF是来自匹配RF电源的所施加的正弦波形的电压。VT和VP分别是靶电极和等离子体的电势。此外，VSS＝VP和VST＝VT-VP分别是跨越基板或腔室壁等离子体鞘和靶等离子体鞘的电压。阻流电容器表示为CB；CST和IT分别表示通过与靶电极相邻的鞘的电容和传导电流，而Css和IS表示用于与基板电极相邻的鞘的对应值。
相对于关于本讨论中考虑的等离子体电子密度和电压频率范围的鞘电阻，等离子体的电阻是小的。然而，包括等离子体电阻并不引入关于电路模型的任何复杂性。
图3示出跨越等离子体腔室的电压Vr和用于相等面积的靶电极和基板电极的等离子体电势VP的波形。
图4示出对于AT/AS＝0.2，跨越与靶电极相邻的等离子体鞘的电势VST和跨越基板电极鞘的电势Vss的波形。图4示出从0去往-450V的鞘电势的半正弦波。
图5是根据一些实施例的用于RF腔室的等离子体鞘控制系统500的示意图。等离子体鞘控制系统500包括表示晶圆上展开的晶圆等离子体鞘505的电路和表示等离子体腔室的壁上的壁等离子体鞘510的电路。电容器C3表示等离子体与晶圆之间的鞘电容，其可以是跨越鞘的实体几何形状和等离子体参数二者的函数。电容器C3表示等离子体与晶圆之间的鞘电容，其可以是跨越鞘的实体几何形状和等离子体参数二者的函数。RF电源V5是提供高电压正弦波形的RF电压供电。开关S2可以用以开启并且关闭RF电源V5，其可以是用于对RF电源V5的关闭和开启进行建模的元件。各种其他组件表示杂散电容、电感和/或电阻。
在一些实施例中，引线级103可以表示RF生成器515与DC偏置电路104之间的引线或迹线之一或二者。电感器L2或电感器L6之一或二者可以表示针对引线或迹线之一或二者的电感。
在该示例中，DC偏置电路104不包括任何偏置补偿。DC偏置电路104包括偏移供电电压V1，其可以例如正向地或负向地使输出电压偏置。在一些实施例中，可以调整偏移供电电压V1以改变晶圆电压与卡夹电压之间的偏移。在一些实施例中，偏移供电电压V1可以具有大约±5kV、±4kV、±3kV、±2kV、±1kV等的电压。
在一些实施例中，偏置电容器C12可以隔离(或分离)DC偏置电压与电阻输出级或其他电路元件之一或二者。例如，偏置电容器C12可以允许从电路的一个部分到另一部分的电势转移。在一些实施例中，这种电势转移可以确保将晶圆在卡夹上保持到位的静电力停留在电压阈值以下。电阻器R2可以隔离DC偏置供电与从RF生成器515输出的高电压正弦波形。
例如，偏置电容器C12是100pF、10pF、1pF、100μF、10μF、1μF等。例如，电阻器R2可以具有高电阻(例如，比如大约1kOhm、10kOhm、100kOhm、1MOhm、10MOhm、100MOhm等的电阻)。
第二引线级105表示RF功率电路与负载级106之间的电路元件。例如，电阻器R13可以表示从高电压功率系统的输出连接到电极(例如，负载级106)的引线或传输线的杂散电阻。例如，电容器C1可以表示引线或传输线中的杂散电容。
在一些实施例中，负载级106可以表示用于半导体处理腔室(例如，等离子体沉积系统、半导体制造系统、等离子体溅射系统等)的理想化或有效电路。例如，电容C2可以表示晶圆可以坐落的卡夹的电容。例如，卡夹可以包括介电材料。例如，电容器C1可以具有小电容(例如，大约10pF、100pF、500pF、1nF、10nF、100nF等)。
例如，电容器C3可以表示等离子体与晶圆之间的鞘电容。例如，电阻器R6可以表示等离子体与晶圆之间的鞘电阻。例如，电感器L2可以表示等离子体与晶圆之间的鞘电感。例如，电流源I2可以表示通过鞘的离子电流。例如，电容器C1或电容器C3可以具有小电容(例如，大约10pF、100pF、500pF、1nF、10nF、100nF等)。
电容器C9例如可以表示腔室壁与等离子体之间的等离子体内的电容。例如，电阻器R7可以表示腔室壁与晶圆的顶表面之间的等离子体内的电阻。例如，电流源I1可以表示等离子体中的离子电流。例如，电容器C1或电容器C9可以具有小电容(例如，大约10pF、100pF、500pF、1nF、10nF、100nF等)。
如本文献中所使用的那样，等离子体电压是从大地到电路点123所测量的电压；晶圆电压是从大地到电路点122所测量的电压，并且可以表示晶圆的表面处的电压；卡夹电压是从大地到电路点121到点122所测量的电压；电极电压是从大地到电路点121和大地所测量的电压；以及输入电压是从大地到电路点125所测量的电压。
图6示出跨越处于电路点122与电路点123之间的鞘(例如，跨越电容器C3)以及作为电路点121的卡夹处(例如，跨越电容器C2)的波形。波形605示出跨越等离子体鞘(例如，晶圆等离子体鞘505和/或壁等离子体鞘510)的电压。波形605是因为二极管(D3)所以在零处稍微受钳位的完全正弦波，这是等离子体效应的部分。波形610示出电极处(或跨越卡夹)的电压。在一些实施例中，卡夹电压与晶圆电压之间的差(例如，波形之间的差)可以保持在2kV左右或稍微更小。在关闭时，该差返回-2kV。大约2kV的差可以足以将晶圆以静电方式耦合到卡夹，而大于2kV的差可以在成为对晶圆有损坏的同时进行该操作。
图7是根据一些实施例的具有电阻输出级705的RF等离子体反应器的等离子体鞘控制系统700的另一示意图。在该示例中，等离子体鞘控制系统700包括阻流二极管D7。阻流二极管D7可以对正弦波形进行整流，这样可以例如在每个正弦波形上产生平坦顶部，如图9所示。例如，阻流二极管D7可以对正弦波形进行整流，创建具有实质上平坦部分的正弦波形达每个周期的至少10％、15％、20％、25％、30％等。
电阻输出级705可以包括一个或多个电感器L1和一个或多个电阻器R1。电阻输出级705可以包括任何类型的电阻输出级(例如，比如题为“HIGH VOLTAGE RESISTIVE OUTPUTSTAGE CIRCUIT”的美国专利申请No.15/941,731中描述的电阻输出级，其出于所有目的通过其完整引用并入本文)。
在一些实施例中，电阻器R1可以具有小于大约500ohm、200ohm、100ohm等的电阻。
在一些实施例中，电阻输出级705可以与负载级106(例如，等离子体腔室)和高电压开关电源并联地电耦合。在一些实施例中，电阻输出级可以包括(例如，从晶圆等离子体鞘或壁等离子体鞘510)使负载放电的至少一个电阻器(例如，R1)。在一些实施例中，电阻输出级可以配置为在每个正弦波形周期期间放电超过大约1千瓦的平均功率，和/或在每个正弦波形周期中放电一焦耳或更少的能量。在一些实施例中，电阻输出级中的电阻器R1的电阻可以小于200ohm。在一些实施例中，电阻器R1可以包括按串联或并联布置的多个电阻，其具有小于大约200pF的组合电容(例如，C11)。
在一些实施例中，电阻输出级705可以包括可以用以控制负载上的电压波形的形状的电路元件的集合。在一些实施例中，电阻输出级705可以仅包括无源元件(例如，电阻器、电容器、电感器等)。在一些实施例中，电阻输出级705可以包括有源电路元件(例如，开关)以及无源电路元件。在一些实施例中，例如，电阻输出级705可以用以控制波形的电压上升时间和/或波形的电压下降时间。
在一些实施例中，电阻输出级705可以使电容负载(例如，来自晶圆等离子体鞘505和/或壁等离子体鞘510的电容电荷)放电。例如，这些电容负载可以具有小电容(例如，大约10pF、100pF、500pF、1nF、10nF、100nF等)。
在一些实施例中，电阻输出级可以用在具有带有高峰值电压(例如，大于1kV、10kV、20kV、50kV、100kV等的电压)和/或高频率(例如，大于1kHz、10kHz、100kHz、200kHz、500kHz、1MHz等的频率)的正弦波形的电路中。
在一些实施例中，可以选择电阻输出级705以处置高平均功率、高峰值功率、快速上升时间和/或快速/下降时间。例如，平均额定功率可以大于大约0.5kW、1.0kW、10kW、25kW等，和/或峰值额定功率可能大于大约1kW、10kW、100kW、1MW等。
在一些实施例中，电阻输出级705可以包括无源组件的串联或并联网络。例如，电阻输出级705可以包括串联的电阻器R5、电容器C11和电感器L7。作为另一示例，电阻输出级可以包括与电感器并联的电容器以及与电阻器串联的电容器-电感器组合。无论布置如何，都可以选择组件值以匹配RF源的RF频率。阻流二极管D7可以对RF生成器515的输出进行整流。例如，阻流二极管D7可以对正弦波形进行整流，创建具有实质上平坦部分的正弦波形达每个周期的至少10％、15％、20％、25％、30％等。
在一些实施例中，电阻输出级705可以通过快速放电时间使负载级106处高电压的电容负载(例如，来自晶圆等离子体鞘505和/或壁等离子体鞘510的电容电荷)迅速地放电。高电压负载可以是具有大于大约1kV、10kV、20kV、50kV、100kV等的电压的负载。快速放电时间可以是小于大约1ns、10ns、50ns、100ns、250ns、500ns、1,000ns等的时间。
等离子体鞘控制系统700可以包括RF生成器515、电阻输出级705、引线级103、DC偏置电路104和第二引线级105。等离子体鞘控制系统可以包括等离子体鞘控制电路和负载级106，其可以包括等离子体腔室。
图8示出跨越处于电路点122与电路点123之间的鞘(例如，跨越电容器C3)以及作为电路点121的卡夹处(例如，跨越电容器C2)的波形。图9是图8所示的波形的三个周期的放大视图。波形805示出跨越鞘的电压(例如，来自晶圆等离子体鞘505和/或壁等离子体鞘510的电容电荷)。波形805是因为二极管(D3)所以在零处稍微受钳位的完全正弦波，这是等离子体效应的部分。波形810示出极处(或跨越卡夹)的电压。
当RF源V5连续地处于开启时，平坦性可以是阻流二极管D7和/或电路中的包括等离子体鞘电容的所有有关电容的值的结果。电阻输出级705可以在RF正弦的一半周期期间重置鞘电容器。波形805在-2.5kV左右是远更平坦的。例如，波形805的平坦性可以更好地用于在蚀刻期间将离子保持在恒定电势。例如，电阻输出级705和/或阻流二极管D7可以产生引起这种平坦性。可以调整组件值以改变输出波形的部分的上升时间、下降时间和/或平坦性的程度。
在一些实施例中，可以通过开关(例如，比如高电压开关)代替阻流二极管D7。高电压开关可以包括图18所示的高电压开关1800。例如，高电压开关可以在正向导通期间(例如，当RF生成器515的输出高于电压阈值时)闭合，而在反向偏置期间(例如，当RF生成器515的输出低于电压阈值时)打开。
卡夹电压在突发期间可以是500V左右，并且当关闭时是大约2kV，这可以是可接受的。将RF输出电压增加到4kV左右，在开启和关闭周期二者期间，差可以是大约2kV，如图10所示。将RF输出电压增加到6kV左右，在开启时间期间的差可以是大约3kV或更大(这可能并非是可接受的)，而在关闭时间期间可以是大约2kV，如图11所示。在3kV差的情况下，晶圆损坏可能发生。
图12是根据一些实施例的具有电阻输出级705和DC偏置电路1204的RF等离子体反应器的等离子体鞘控制系统1200的另一示意图。
DC偏置电路1204可以包括DC偏置电路104中所示的组件。DC偏置电路1204可以还包括高电压开关S1和/或阻流二极管D2。在一些实施例中，高电压开关S1可以包括按串联布置以共同地打开并且闭合高电压的多个开关。高电压开关S1可以包括高电压开关(例如，比如图18所示的高电压开关1800)。
在一些实施例中，高电压开关S1可以在RF电源V5电压波形为正的同时打开，而当负时闭合。当闭合时，例如，高电压开关S1可以跨越阻流二极管D2使电流短路。短路该电流可以允许晶圆与卡夹之间的偏置保持在近似2kV，这可以处于可接受的公差范围内和/或可以通过改变DC偏置供电电压V1受调整。
图13示出来自图12所示的电路的跨越鞘(例如，C3)并且在卡夹(例如，C2)处的波形。如所示，无论RF电源是开启还是关闭，晶圆与卡夹电压之间的差都保持得非常接近-2kV。
图14是图12所示的波形的三个周期的放大视图。
图15示出卡夹上的电压返回零的突发波形的结束。
图16是根据一些实施例的等离子体鞘控制系统1600的电路图。在该示例中，等离子体鞘控制系统1600可以包括全桥驱动器1605。全桥驱动器1605可以包括输入电压源V1，其可以是DC电压源(例如，电容源、AC-DC转换器等)。在一些实施例中，全桥驱动器1605可以包括四个开关。在一些实施例中，驱动器可以包括串联或并联的多个开关。例如，这些开关可以包括任何类型的固态开关(例如，比如IGBT、MOSFET、SiC MOSFET、SiC结晶体管、FET、SiC开关、GaN开关、光电开关等)。这些开关可以按高频率进行开关，和/或可以产生高电压正弦波形。例如，这些频率可以包括大约400kHz、0.5MHz、2.0MHz、4.0MHz、13.56MHz、27.12MHz、40.68MHz、50MHz等的频率。
在一些实施例中，全桥驱动器与谐振电路1610耦合。谐振电路1610可以包括与变压器T1耦合的谐振电感器L5和/或谐振电容器C2。在一些实施例中，可以移除变压器T1。谐振电路可以还包括杂散电阻R5，例如，其可以包括全桥驱动器与谐振电路1610和/或谐振电路1610内的任何组件(例如，变压器T1、电容器C2、电感器L5和电阻器R5)之间的任何引线的电阻。
虽然其他电路元件的电感和/或电容可以影响驱动频率，但可以通过选取谐振电感器L5和/或谐振电容器C2而极大地设置驱动频率。可能需要进一步的细化和/或调谐以创建适当的驱动频率。此外，通过改变电感器L5的电感和/或电容器C2的电容，可以调整跨越变压器T1的上升时间，设若：
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例如，电容器C2、电阻器R5或电感器L5可以是可调谐的，以使得可以调谐或修改用于设备的值，以确保随着其他元件随时间而改变，频率是恒定的。
在一些实施例中，用于电感器L5的大电感值可能导致较慢或较短的上升时间。这些值也可能影响突发包络。每个突发可以包括瞬时和稳定状态正弦波形。每个突发内的瞬时正弦波形由L5和/或系统的Q设置，直到在稳定状态正弦波形期间达到完整电压。
如果驱动器电路中的开关以谐振频率fresonant进行开关，则变压器处的输出电压将受放大。在一些实施例中，谐振频率可以是大约20Hz、50Hz、100Hz、250Hz，400kHz、0.5MHz、2.0MHz、4.0MHz、13.56MHz、27.12MHz、40.68MHz、50MHz、100MHz等。
在一些实施例中，谐振电容器C2以包括变压器T1和/或实体电容器的杂散电容。在一些实施例中，谐振电容器C2可以具有大约10μF、1μF、100nF、10nF等的电容。在一些实施例中，谐振电感器L5可以包括变压器T1和/或实体电感器的杂散电感。在一些实施例中，谐振电感器L5可以具有大约50nH、100nH、150nH、500nH、1,000nH等的电感。在一些实施例中，谐振电阻器R5可以具有大约10ohm、25ohm、50ohm、100ohm、150ohm、500ohm等的电阻。
在一些实施例中，等离子体腔室内的等离子体负载可以是时变负载。这种时变性可能影响谐振电路的电感或电容之一或二者，这可能引起谐振频率fresonant的偏移。在一些实施例中，等离子体鞘控制系统可以包括控制器(例如，微控制器、FPGA或任何控制设备)。在一些实施例中，该控制器可以例如在点121处测量等离子体鞘控制系统的输出电压和/或电流。在一些实施例中，该电压或电流测量可以用以确定等离子体鞘控制系统是否正在以谐振频率进行操作。在一些实施例中，如果系统并未正在以谐振频率进行操作，则控制器可例如比如通过调整谐振电路1610中的电感或电容值改变等离子体鞘控制系统的操作频率以匹配谐振频率。
在一些实施例中，例如，在点121、122、124、125处或在电路中的任何点处由等离子体鞘控制系统产生的电流或电压波形的幅度可以由控制器测量。在一些实施例中，所测量的或电流和/或电压可以用以确定等离子体鞘控制系统的输出功率。在一些实施例中，控制器可以响应于该测量而更改操作频率、电压或占空比，以实现期望的输出电压、电流或功率水平。
在一些实施例中，等离子体鞘控制系统的操作频率和输出功率之一或二者可以由控制器控制。在一些实施例中，控制器可以检测输波形的变化，并且在快速时间标度(例如，小于大约100ms、小于大约1ms、小于大约10μs、小于大约500ns等)上调整操作频率和/或功率水平。
在一些实施例中，电阻器R5可以表示实体电路内的导线、迹线和/或变压器绕组的杂散电阻。在一些实施例中，电阻器R5可以具有大约10mohm、50mohm、100mohm、200mohm、500mohm等的电阻。
在一些实施例中，变压器T2可以包括题为“High Voltage Transformer”的美国专利申请No.15/365,094中公开的变压器，其出于所有目的合并到本文献中。
在一些实施例中，可以通过改变开关S1、S2、S3和/或S4的占空比(例如，开关“接通”时间或开关正在导通的时间)改变谐振电路1610的输出电压。例如，占空比越长，输出电压就越高；而占空比越短，输出电压就越短。在一些实施例中，可以通过调整全桥驱动器中的开关的占空比改变或调谐谐振电路1610的输出电压。例如，通过调整打开并且闭合开关S1、S2、S3和S4的信号(例如，Sig1和Sig2)的占空比，可以调整驱动器的输出电压。
在一些实施例中，谐振电路中的每个开关(例如，S1、S2、S3和/或S4)可以独立地或与其他开关中的一个或多个结合而进行开关。
在一些实施例中，谐振电路1610可以与半波整流器1615和/或阻流二极管D7耦合。在一些实施例中，可以通过开关(例如，比如高电压开关)代替阻流二极管D7。高电压开关可以包括图18所示的高电压开关1800。例如，高电压开关可以在正向导通期间(例如，当RF生成器515的输出高于电压阈值时)闭合，而在反向偏置期间(例如，当RF生成器515的输出低于电压阈值时)打开。
在一些实施例中，阻流二极管D7可以对来自全桥驱动器1605的正弦波形进行整流。例如，阻流二极管D7可以对正弦波形进行整流，创建具有实质上平坦部分的整流正弦波形达每个周期的至少10％、15％、20％、25％、30％等。
在一些实施例中，半波整流器1615或阻流二极管D7可以与电阻输出级1620耦合。电阻输出级1620可以包括本领域中已知的任何电阻输出级。例如，电阻输出级1620可以包括题为“HIGH VOLTAGE RESISTIVE OUTPUT STAGE CIRCUIT”的美国专利申请No.16/178,538中描述的任何电阻输出级，其出于所有目的完整合并到本公开中。例如，电阻输出级1620可以包括电阻输出级705中的元件。
在一些实施例中，电阻输出级可以包括使负载(例如，等离子体鞘电容)放电的至少一个电阻器(例如，R1)。在一些实施例中，电阻输出级可以配置为在每个正弦波形周期期间放电超过大约1千瓦的平均功率，和/或在每个正弦波形周期中放电一焦耳或更少的能量。在一些实施例中，电阻输出级中的电阻器R1的电阻可以小于200ohm。在一些实施例中，电阻器R1可以包括按串联或并联布置的多个电阻，其具有小于大约200pF的组合电容(例如，C11)。
在一些实施例中，电阻输出级1620可以包括可以用以控制负载上的电压波形的形状的电路元件的集合。在一些实施例中，电阻输出级1620可以仅包括无源元件(例如，电阻器、电容器、电感器等)。在一些实施例中，电阻输出级1620可以包括有源电路元件(例如，开关)以及无源电路元件。在一些实施例中，例如，电阻输出级1620可以用以控制波形的电压上升时间和/或波形的电压下降时间。
在一些实施例中，电阻输出级705可以使电容负载(例如，来自晶圆等离子体鞘505和/或壁等离子体鞘510的电容电荷)放电。例如，这些电容负载可以具有小电容(例如，大约10pF、100pF、500pF、1nF、10nF、100nF等)。
在一些实施例中，电阻输出级1620可以用在具有带有高峰值电压(例如，大于1kV、10kV、20kV、50kV、100kV等的电压)和/或高频率(例如，大于1kHz、10kHz、100kHz、200kHz、500kHz、1MHz等的频率)和/或大约400kHz、0.5MHz、2.0MHz、4.0MHz、13.56MHz、27.12MHz、40.68MHz、50MHz等的频率的正弦波形的电路中。
在一些实施例中，可以选择电阻输出级1620以处置高平均功率、高峰值功率、快速上升时间和/或快速/下降时间。例如，平均额定功率可以大于大约0.5kW、1.0kW、10kW、25kW等，和/或峰值额定功率可以大于大约1kW、10kW、100kW、1MW等。
在一些实施例中，电阻输出级1620可以包括无源组件的串联或并联网络。例如，电阻输出级可以包括串联的电阻器、电容器和电感器。作为另一示例，电阻输出级可以包括与电感器并联的电容器以及与电阻器串联的电容器-电感器组合。例如，L11可以选取为足够大的，以使得当存在整流器之外的电压时，不存在注入电阻输出级中的显著能量。可以选取R3和R1的值，以使得L/R时间可以比RF频率更快地耗尽负载中的适当电容器。
在一些实施例中，电阻输出级1620可以与偏置补偿电路1625耦合。
偏置补偿电路1625可以包括本领域中已知的任何偏置和/或偏置补偿电路。例如，偏置补偿电路1625可以包括题为“NANOSECOND PULSER BIAS COMPENSATION”的美国专利申请No.162/711,406中描述的任何偏置和/或偏置补偿电路，其出于所有目的完整合并到本公开中。
在一些实施例中，偏置补偿电路1625可以包括偏置电容器C7、阻流电容器C12、阻流二极管D8、开关S8(例如，高电压开关)，偏移供电电压V1、电阻R2和/或电阻R4。在一些实施例中，开关S8包括高电压开关(例如，比如图18所示的高电压开关1800)。
在一些实施例中，偏移供电电压V5可以包括DC电压源，其可以正向地或负向地偏置输出电压。在一些实施例中，电容器C12可以隔离/分离来自电阻输出级1620和/其他电路元件的偏移供电电压V5。在一些实施例中，偏置补偿电路1625可以允许功率从电路的一个部分到另一部分的电势转移。在一些实施例中，由于高电压正弦波形在腔室内是活动的，因此偏置补偿电路1625可以用以将晶圆保持到位。电阻R2可以保护/隔离来自桥驱动器的DC偏置供电。
在一些实施例中，开关S8可以在全桥驱动器1605正在发生脉冲的同时打开，而当全桥驱动器1605并未正在发生脉冲时闭合。在闭合的同时，开关S8可以例如跨越阻流二极管D8使电流短路。短路该电流可以允许晶圆与卡夹之间的偏置小于2kV，其可以处于可接受的公差内。
在一些实施例中，等离子体鞘控制系统1600可以包括或可以不包括传统匹配网络(例如，比如50ohm匹配网络或外部匹配网络或独立匹配网络)。本文献内描述的实施例可以或可以不需要50ohm匹配网络以调谐施加到晶圆腔室的开关功率。典型地，匹配网络的调谐可能耗费至少100μs-200μs。在一些实施例中，功率改变可以在400kHz发生在一个或两个RF周期(例如，2.5μs-5.0μs)内。
图17是根据一些实施例的等离子体鞘控制系统1700的电路图。等离子体鞘控制系统1700包括波形生成器1745，其产生高电压和高频正弦波形，例如，比如，以驱动等离子体腔室。在一些实施例中，波形生成器1745可以包括产生具有大于1kV、10kV、20kV、50kV、100kV等的峰值电压和大于1kHz、10kHz、100kHz、200kHz、500kHz、1MHz等的高频率的正弦波形的任何设备。
在一些实施例中，波形生成器1745可以包括RF生成器515、全桥驱动器1605或半桥驱动器1905。在一些实施例中，波形生成器1745可以包括或可以不包括变压器。
在一些实施例中，波形生成器1745可以与能量恢复电路1705耦合。如果波形生成器1745包括变压器，则能量恢复电路1705可以位于变压器T1的次级侧上或与之电耦合。
例如，能量恢复电路1705可以包括跨越变压器T1的次级侧的二极管1730(例如，撬棒(crowbar)二极管)。例如，能量恢复电路1705可以包括(按串联布置的)二极管1710和电感器1715，其可以允许电流从负载级106(例如，电容负载)的放电流动，以对电源C7进行充电。二极管1710和电感器1715可以与负载级106和电源C7电连接。
在一些实施例中，能量恢复电路1705可以包括阻流二极管1735。阻流二极管1735可以与阻流二极管D7相似，或可以通过与阻流二极管D7相似的方式进行操作。例如，阻流二极管1735可以对正弦波形进行整流，这样可以例如在每个正弦波形上产生平坦顶部(例如，如图9所示)。例如，阻流二极管1735可以对正弦波形进行整流，创建具有实质上平坦部分的正弦波形达每个周期的至少10％、15％、20％、25％、30％等。
在一些实施例中，可以通过开关(例如，比如高电压开关)代替阻流二极管1735。高电压开关可以包括图18所示的高电压开关1800。例如，高电压开关可以在正向导通期间(例如，当RF生成器515的输出高于电压阈值时)闭合，而在反向偏置期间(例如，当RF生成器515的输出低于电压阈值时)打开。
在一些实施例中，能量恢复电路1705可以包括可以与负载级106电耦合的电感器1740。电感器1740可以表示波形生成器1745内的变压器的杂散电感，和/或可以包括波形生成器1745与能量恢复电路1705(例如，电感变压器T1)之间的杂散电感。
当波形生成器1745开启时，电流可以对负载级106进行充电(例如，对电容器C3、电容器C2或电容器C9进行充电)。例如，当变压器T1的次级侧上的电压上升到电源C7上的充电电压之上时，一些电流可以流过电感器1715。当波形生成器1745关闭时，电流可以从负载级106内的电容器流过电感器1715，以对电源C7进行充电，直到跨越电感器1715的电压为零。二极管1730可以防止负载级106内的电容器与负载级106或DC偏置电路104中的电感成环。
例如，二极管1710可以防止电荷从电源C7流到负载级106内的电容器。
可以选择电感器1715的值以控制电流下降时间。在一些实施例中，电感器1715可以具有1μH-500μH之间的电感值。
在一些实施例中，能量恢复电路1705可以包括开关，其可以用以控制通过电感器1715的电流的流动。例如，可以与电感器1715按串联放置开关。在实施例中，当开关S1打开和/或不再发生脉冲时，开关可以闭合，以允许电流从负载级106流回到高电压负载C7。例如，开关可以包括高电压开关(例如，比如高电压开关1800)。
能量恢复电路1705可以添加到等离子体鞘控制系统500、等离子体鞘控制系统700、等离子体鞘控制系统1200、等离子体鞘控制系统1600或等离子体鞘控制系统1900。在一些实施例中，能量恢复电路1705可以替换电阻输出级(例如，比如电阻输出级705或电阻输出级1620)。
DC偏置电路1704可以包括DC偏置电路1704、偏置补偿电路1625、DC偏置电路1204或DC偏置电路104。
第二引线级105可以表示波形生成器1745与负载级106之间的电路元件。
在该示例中，等离子体鞘控制系统1700可以与负载级106(其可以例如包括负载级106中的任何元件)耦合，并且向其提供正弦波形。
图18是根据一些实施例的具有隔离电源的高电压开关1800的框图。高电压开关1800可以包括多个开关模块1805(共同地或单独地1805，并且单独地1805A、1805B、1805C和1805D)，其可以通过快速上升时间和/或高频率和/或通过可变脉冲宽度对来自高电压源1860的电压进行开关。每个开关模块1805可以包括开关1810(例如，比如固态开关)。
在一些实施例中，开关1810可以与栅极驱动器电路1830电耦合，栅极驱动器电路可以包括电源1840(例如，1840A、1840B、1840C或1840D)和/或隔离光纤触发器1845(例如，1845A、1845B、1845C或1845D)(也称为栅极触发器或开关触发器)。例如，开关1810可以包括集电极、发射极和栅极(或漏极、源极和栅极)，并且电源1840可以经由栅极驱动器电路1830驱动开关1810的栅极。例如，栅极驱动器电路1830可以与高电压开关1800的其他组件隔离。
在一些实施例中，例如，可以使用隔离变压器对电源1840进行隔离。隔离变压器可以包括低电容变压器。例如，隔离变压器的低电容可以允许电源1840在快速时间标度上进行充电，而无需显著电流。例如，隔离变压器可以具有小于大约100pF的电容。作为另一示例，隔离变压器可以具有小于大约30-100pF的电容。在一些实施例中，隔离变压器可以提供上至1kV、5kV、10kV、25kV、50kV等的电压隔离。
在一些实施例中，隔离变压器可以具有低杂散电容。例如，隔离变压器可以具有小于大约1,000pF、100pF、10pF等的杂散电容。在一些实施例中，低电容可以使对低电压组件(例如，输入控制电源的源)的电耦合最小化，和/或可以减少EMI生成(例如，电噪声生成)。在一些实施例中，隔离变压器的变压器杂散电容可以包括初级绕组与次级绕组之间所测量的电容。
在一些实施例中，隔离变压器可以是DC到DC转换器或AC到DC变压器。在一些实施例中，例如，变压器可以包括110V AC变压器。无论如何，隔离变压器可以提供与高电压开关1800中的其他组件隔离的电源。在一些实施例中，隔离可以是流电的(galvanic)，以使得隔离变压器的初级侧上的导体不穿过隔离变压器的次级侧或与之进行接触。
在一些实施例中，变压器可以包括可以紧密地缠绕或缠卷在变压器芯周围的初级绕组。在一些实施例中，初级绕组可以包括缠卷在变压器芯周围的导电片。在一些实施例中，初级绕组可以包括一个或多个绕组。
在一些实施例中，次级绕组可以尽可能地距芯远离地缠绕在芯周围。例如，包括次级绕组的绕组束可以缠绕通过变压器芯中的孔径的中心。在一些实施例中，次级绕组可以包括一个或多个绕组。在一些实施例中，包括次级绕组的导线束可以包括圆形或正方形的横截面，例如，以使杂散电容最小化。在一些实施例中，绝缘体(例如，油或空气)可以部署在初级绕组、次级绕组或变压器芯之间。
在一些实施例中，保持次级绕组距变压器芯远离可以具有一些益处。例如，其可以减少隔离变压器的初级侧与隔离变压器的次级侧之间的杂散电容。作为另一示例，其可以允许隔离变压器的初级侧与隔离变压器的次级侧之间的高电压孤立，以使得在操作期间不形成电晕和/或击穿。
在一些实施例中，隔离变压器的初级侧(例如，初级绕组)与隔离变压器的次级侧(例如，次级绕组)之间的间隔可以是大约0.1英寸、0.5英寸、1英寸、5英寸或10英寸。在一些实施例中，隔离变压器的芯与隔离变压器的次级侧(例如，次级绕组)之间的典型间隔可以是大约0.1英寸、0.5英寸、1英寸、5英寸或10英寸。在一些实施例中，绕组之间的间隙可以填充有可能的最低介电材料(例如，比如真空、空气、任何绝缘气体或液体、或具有小于3的相对介电常数的固体材料)。
在一些实施例中，电源1840可以包括可以提供高电压孤立(隔离)或具有低电容(例如，小于大约1,000pF、100pF、10pF等)的任何类型的电源。在一些实施例中，控制电压电源可以按60Hz提供1820V AC或240V AC。
在一些实施例中，每个电源1840可以与单个控制电压电源以感应方式电耦合。例如，电源1840A可以经由第一变压器与电源电耦合；电源1840B可以经由第二变压器与电源电耦合；电源1840C可以经由第三变压器与电源电耦合；并且电源1840D可以经由第四变压器与电源电耦合。例如，可以使用可以在各种电源之间提供电压隔离的任何类型的变压器。
在一些实施例中，第一变压器、第二变压器、第三变压器和第四变压器可以包括单个变压器的芯周围的不同次级绕组。例如，第一变压器可以包括第一次级绕组，第二变压器可以包括第二次级绕组，第三变压器可以包括第三次级绕组，并且第四变压器可以包括第四次级绕组。这些次级绕组中的每一个可以缠绕在单个变压器的芯周围。在一些实施例中，第一次级绕组、第二次级绕组、第三次级绕组、第四次级绕组或初级绕组可以包括缠绕在变压器芯周围的单个绕组或多个绕组。
在一些实施例中，电源1840A、电源1840B、电源1840C和/或电源1840D可以不共享返回参考大地或局部大地。
例如，隔离光纤触发器1845也可以与高电压开关1800的其他组件隔离。隔离光纤触发器1845可以包括光纤接收机，其允许每个开关模块1805相对于高电压开关1800的其他开关模块1805和/或其他组件浮置，和/或，例如，同时允许每个开关模块1805的栅极的有源控制。
在一些实施例中，例如，用于每个开关模块1805的返回参考大地或局部大地或公共大地可以例如使用隔离变压器与彼此隔离。
例如，每个开关模块1805与公共大地的电隔离可以允许多个开关以串联配置布置，以用于累积高电压开关。在一些实施例中，可以允许或设计开关模块定时中的某种滞后。例如，每个开关模块1805可以配置或额定为开关1kV，每个开关模块可以与彼此电隔离，和/或闭合每个开关模块1805的定时可以不需要完全对准达由缓冲电容器的电容和/或开关的额定电压定义的时间段。
在一些实施例中，电隔离可以提供许多优点。例如，一个可能的优点可以包括：使开关到开关抖动最小化，和/或允许任意开关定时。例如，每个开关1810可以具有小于大约500ns、50ns、20ns、5ns等的开关过渡抖动。
在一些实施例中，两个组件(或电路)之间的电隔离可以暗指两个组件之间的极度高电阻，和/或可以暗指两个组件之间的小电容。
每个开关1810可以包括任何类型的固态开关设备(例如，比如IGBT、MOSFET、SiCMOSFET、SiC结晶体管、FET、SiC开关、GaN开关、光电开关等)。例如，开关1810可以能够以高速度(例如，大于大约500kHz的重复率)通过高频率(例如，大于1kHz)和/或通过快速上升时间(例如，小于大约25ns的上升时间)对高电压(例如，大于大约1kV的电压)进行开关。在一些实施例中，每个开关可以单独地受额定以用于对1,200V-1,700V进行开关，而以组合方式可以对大于4,800V-6,800V进行开关(对于四个开关)。可以使用具有各种其他电压额定的开关。
使用大数量的较低电压开关而不是少数较高电压开关可以存在一些优点。例如，低电压开关典型地具有更好的性能：比之高电压开关，低电压开关可以更快地进行开关，可以具有更快的过渡时间和/或可以更高效地进行开关。然而，开关的数量越大，可能需要的定时问题就越大。
图18所示的高电压开关1800包括四个开关模块1805。虽然在该图中示出四个，但可以使用任何数量的开关模块1805(例如，两个、八个、十二个、十六个、二十个、二十四个等)。例如，如果每个开关模块1805中的每个开关的额定在1200V，并且使用十六个开关，则高电压开关可以进行开关上至19.2kV。作为另一示例，如果每个开关模块1805中的每个开关的额定电压在1700V，并且使用十六个开关，则高电压开关可以进行开关上至27.2kV。
在一些实施例中，高电压开关1800可以包括快速电容器1855。例如，快速电容器1855可以包括按串联和/或并联布置的一个或多个电容器。例如，这些电容器可以包括一个或多个聚丙烯电容器。快速电容器1855可以存储来自高电压源1860的能量。
在一些实施例中，快速电容器1855可以具有低电容。在一些实施例中，快速电容器1855可以具有大约1μF、大约5μF、大约1μF至大约5μF之间，大约100nF至大约1,000nF之间等的电容值。
在一些实施例中，高电压开关1800可以包括或可以不包括撬棒二极管1850。撬棒二极管1850可以包按括串联或并联布置的多个二极管，例如，这对于驱动电感负载可以是有益的。在一些实施例中，撬棒二极管1850可以包括一个或多个肖特基二极管(例如，比如碳化硅肖特基二极管)。例如，撬棍二极管1850可以感测来自高电压开关中的开关的电压是否高于特定阈值。如果是，则撬棒二极管1850可以使从开关模块到大地的功率短路。例如，撬棒二极管可以允许交变电流路径耗散在开关之后电感负载中存储的能量。例如，这可以防止大电感电压尖峰。在一些实施例中，撬棒二极管1850可具有低电感(例如，比如1nH、10nH、100nH等)。在一些实施例中，撬棒二极管1850可具有低电容(例如，比如100pF、1nF、10nF、100nF等)。
在一些实施例中，例如，比如，当负载1865主要是电阻的时，可以不使用撬棒二极管1850。
在一些实施例中，每个栅极驱动器电路1830可产生小于大约1000ns、100ns、10.0ns、5.0ns、3.0ns、1.0ns等的抖动。在一些实施例中，每个开关1810可以具有(例如，小于大约10μs、1μs、500ns、100ns、50ns、10ns、5ns等的)最小接通时间和(例如，大于25s、10s、5s、1s、500ms等的)最大接通时间。
在一些实施例中，在操作期间，高电压开关中的每一个可以在彼此的1ns内接通和/或断开。
在一些实施例中，每个开关模块1805可以具有相同或实质上相同(±5％)的杂散电感。杂散电感可以包括与电感器不关联的开关模块1805内的任何电感(例如，比如引线、二极管、电阻器、开关1810和/或电路板迹线等中的电感)。每个开关模块1805内的杂散电感可以包括低电感(例如，比如小于大约300nH、100nH、10nH、1nH等的电感)。每个开关模块1805之间的杂散电感可以包括低电感(例如，比如小于大约300nH、100nH、10nH、1nH等的电感)。
在一些实施例中，每个开关模块1805可以具有相同或实质上相同(±5％)的杂散电容。杂散电容可以包括与电容器不关联的开关模块1805内的任何电容(例如，比如引线、二极管、电阻器、开关1810和/或电路板迹线等中的电容)。每个开关模块1805内的杂散电容可以包括低电容(例如，比如小于大约1,000pF、100pF，10pF等)。每个开关模块1805之间的杂散电容可以包括低电容(例如，比如小于大约1,000pF、100pF，10pF等)。
例如，可以通过无源缓冲电路(例如，缓冲二极管1815、缓冲电容器1820和/或续流二极管1825)解决电压分配方面的缺陷。例如，开关1810中的每一个开启或关闭之间的定时的小差异或电感或电容的差异可能导致电压尖峰。可以通过各种缓冲电路(例如，缓冲二极管1815、缓冲电容器1820和/或续流二极管1825)减轻这些尖峰。
例如，缓冲电路可以包括缓冲二极管1815、缓冲电容器1820、缓冲电阻器1816和/或续流二极管1825。在一些实施例中，缓冲电路可以与开关1810并联布置在一起。在一些实施例中，缓冲电容器1820可具有低电容(例如，比如小于大约100pF的电容)。
在一些实施例中，高电压开关1800可以与负载1865(例如，电阻或电容或电感负载)电耦合或包括负载1865。例如，负载1865可以具有从50ohm到500ohm的电阻。替代地或附加地，负载1865可以是电感负载或电容负载。
图19是根据一些实施例的等离子体鞘控制系统1900的电路图。在该示例中，等离子体鞘控制系统1900可以包括半桥驱动器1905而非图16所示的全桥驱动器1605。开关S1和S2可以交替地打开，以在第一时间段期间允许电流在一个方向上流过负载，并且在第二时间段期间允许电流在相反方向上流过负载。
在一些实施例中，可以包括匹配网络，以用以匹配等离子体腔室的阻抗与RF生成器的阻抗，以例如向等离子体传递最大功率。例如，当使用50ohm系统时，这可能是有益的。例如，等离子体鞘控制系统500、等离子体鞘控制系统700或等离子体鞘控制系统1200可以包括电阻器R13附近的匹配网络。作为另一示例，等离子体鞘控制系统1600、等离子体鞘控制系统1700或等离子体鞘控制系统1900可以包括电感器L2之前的匹配网络。
除非另外指定，否则术语“实质上”表示所指代的值的5％或10％内或制造公差内。除非另外指定，否则术语“大约”表示所指代的值的5％或10％内或制造公差内。
如本文献中所使用的那样，连词“或”是包括式的。
本文阐述大量具体细节以提供所要求保护的主题的透彻理解。然而，本领域技术人员应理解，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。在其他实例中，尚未详细描述本领域普通技术人员公知的方法、装置或系统，以使得不模糊所要求保护的主题。
本文中“适用于”或“配置为”的使用表示不排除适用于或配置为执行附加任务或步骤的设备的开放式和包括式语言。此外，“基于”的使用表示是开放式和包括式的，在于：“基于”一个或多个所陈述的条件或值的过程、步骤、计算或其他动作实际上可以基于超出所陈述的条件或值的附加条件或值。本文包括的标题、列表和编号仅是为了易于解释，而非表示限制。
虽然已经关于本主题的特定实施例详细描述本主题，但应理解，本领域技术人员在实现前述内容的理解时可以容易地产生对这些实施例的更改、变型和等同。相应地，应理解，本公开已经出于示例而非限制的目的得以提出，并且不排除包括对本主题这些修改、变型和/或添加，如对于本领域普通技术人员将容易地显而易见那样。

Claims (21)

1.一种等离子体鞘控制系统，包括：
RF电源，其产生具有大于20kHz的频率和大于1kV的峰值电压的正弦波形；
等离子体腔室，其与所述RF电源电耦合，所述等离子体腔室具有通过大于大约1kV的能量受加速到部署在所述等离子体腔室内的表面中的多个离子，并且所述等离子体腔室从所述正弦波形在所述等离子体腔室内产生等离子体鞘；
阻流二极管，其电连接在所述RF电源与所述等离子体腔室之间，所述阻流二极管对所述正弦波形进行整流；和
电容放电电路，其与所述RF电源、所述等离子体腔室和所述阻流二极管电耦合；所述电容放电电路通过大于1kV的峰值电压并且通过小于250纳秒的放电时间使所述等离子体腔室内的电容电荷放电。
2.如权利要求1所述的等离子体鞘控制系统，其中，所述电容放电电路包括电阻输出级，其包括按串联布置的电阻器和电感器，所述电阻输出级部署在所述阻流二极管与所述等离子体腔室之间的所述等离子体鞘控制系统上的点与大地之间。
3.如权利要求1所述的等离子体鞘控制系统，其中，所述电容放电电路包括能量恢复电路，其包括按串联布置的二极管和电感器，所述能量恢复电路部署在所述阻流二极管与所述等离子体腔室和所述RF电源之间。
4.如权利要求1所述的等离子体鞘控制系统，还包括偏置电容器，其按串联部署在所述阻流二极管与所述等离子体腔室之间。
5.如权利要求1所述的等离子体鞘控制系统，还包括偏置补偿电路，其包括DC电源、电阻器、二极管和高电压开关，所述偏置补偿电路部署在所述阻流二极管与所述RF电源之间的所述等离子体鞘控制系统上的点之间。
6.如权利要求1所述的等离子体鞘控制系统，还包括匹配网络，其与所述等离子体腔室电耦合，所述匹配网络匹配所述等离子体腔室内的等离子体负载的电抗阻抗与所述RF电源的输出阻抗。
7.如权利要求1所述的等离子体鞘控制系统，其中，所述阻流二极管对所述正弦波形进行整流，创建具有实质上平坦部分的正弦波形达每个周期的至少25％。
8.一种等离子体鞘控制系统，包括：
高电压DC电源，其产生大于200V的DC电压；
谐振电路驱动器，其包括多个高电压开关，所述高电压开关交替地接通和关断，以产生具有大于20kHz的频率和大于1kV的峰值电压的正弦波形；
等离子体腔室，其与所述谐振电路驱动器电耦合，所述等离子体腔室具有通过大于大约1kV的能量受加速到部署在所述等离子体腔室内的表面中的多个离子，并且所述等离子体腔室从所述正弦波形在所述等离子体腔室内产生等离子体鞘；
阻流二极管，其电连接在所述谐振电路驱动器与所述等离子体腔之间，所述阻流二极管对所述正弦波形进行整流。
9.如权利要求8所述的等离子体鞘控制系统，其中，所述阻流二极管对所述正弦波形进行整流，创建实质上平坦部分达每个周期的至少25％。
10.如权利要求8所述的等离子体鞘控制系统，还包括电阻输出级，其包括按串联布置的电阻器和电感器，所述电阻输出级部署在所述阻流二极管与所述等离子体腔室之间的所述等离子体鞘控制系统上的点与大地之间。
11.如权利要求8所述的等离子体鞘控制系统，还包括能量恢复电路，其包括按串联布置的二极管和电感器，所述能量恢复电路部署在所述阻流二极管与所述等离子体腔室和所述DC电源之间。
12.如权利要求8所述的等离子体鞘控制系统，
其中，所述多个开关包括第一开关、第二开关、第三开关和第四开关；
其中，所述第一开关和所述第四开关在第一时间段期间闭合，以允许电流在第一方向上流动；以及
其中，所述第二开关和所述第三开关在第二时间段期间闭合，以允许电流在与所述第一方向相反的第二方向上流动。
13.如权利要求8所述的等离子体鞘控制系统，
其中，所述多个开关包括第一开关和第二开关；
其中，所述第一开关在第一时间段期间闭合，以允许电流在第一方向上流动；以及
其中，所述第二开关在第二时间段期间闭合，以允许电流在与所述第一方向相反的第二方向上流动。
14.如权利要求8所述的等离子体鞘控制系统，其中，所述多个开关以根据以下公式的频率进行开关：
Figure RE-FDA0003016129360000041
其中，f大于10kHz，其中，L表示所述等离子体腔室内的负载的电感，并且C表示所述谐振电路驱动器内的电容器的电容。
15.如权利要求8所述的等离子体鞘控制系统，其中，所述多个开关以根据以下公式的频率进行开关：
Figure RE-FDA0003016129360000042
其中，f大于10kHz，其中，L表示所述谐振电路驱动器内的电感器的电感，并且C表示所述等离子体腔室内的所述负载的电容。
16.如权利要求8所述的等离子体鞘控制系统，其中，所述多个开关以根据以下公式的频率进行开关：
Figure RE-FDA0003016129360000043
其中，f大于10kHz，其中，L表示所述谐振电路驱动器内的电感器的电感，并且C表示所述谐振电路驱动器内的电容器的电容。
17.如权利要求8所述的等离子体鞘控制系统，其中，在所述谐振电路驱动器正在产生所述正弦波形的同时，所述等离子体鞘控制系统产生大于大约1kV的跨越所述等离子体鞘的电压。
18.如权利要求8所述的等离子体鞘控制系统，还包括控制器，其在小于大约1ms的时间标度上调整由所述谐振电路产生的所述正弦波形的频率或功率之一或二者。
19.如权利要求8所述的等离子体鞘控制系统，还包括控制器，其测量所述等离子体腔室之前的点处的正弦波形的频率，并且如果所述等离子体腔室之前的所述点处的所述正弦波形的频率不匹配谐振频率，则调整由所述谐振电路驱动器产生的所述正弦波形的频率。
20.如权利要求8所述的等离子体鞘控制系统，还包括控制器，其测量所述等离子体腔室之前的点处的正弦波形的功率，并且如果所述等离子体腔室之前的所述点处的所述正弦波形的功率不匹配所需功率，则调整由所述谐振电路驱动器产生的所述正弦波形的功率。
21.一种等离子体鞘控制系统，包括：
RF电源，其产生具有大于20kHz的频率和大于1kV的峰值电压的正弦波形；
等离子体腔室，其与所述RF电源电耦合，所述等离子体腔室具有通过大于大约1kV的能量受加速到部署在所述等离子体腔室内的表面中的多个离子，并且所述等离子体腔室从所述正弦波形在所述等离子体腔室内产生等离子体鞘；
阻流二极管，其电连接在所述RF电源与所述等离子体腔室之间，所述阻流二极管对所述正弦波形进行整流；和
电阻输出级，其包括按串联布置的电阻器和电感器，所述电阻输出级部署在所述阻流二极管与所述等离子体腔室之间的所述等离子体鞘控制系统上的点与大地之间。
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