CN112823405A - 纳秒脉冲发生器偏置补偿 - Google Patents

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CN112823405A CN201980049940.0A CN201980049940A CN112823405A CN 112823405 A CN112823405 A CN 112823405A CN 201980049940 A CN201980049940 A CN 201980049940A CN 112823405 A CN112823405 A CN 112823405A
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迪麦西·津巴
约翰·卡斯凯德
摩根·昆利
艾丽亚·斯劳伯道夫
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Abstract

公开一种高电压功率系统。在一些实施例中，所述高电压功率系统包括：高电压脉冲发生电源；变压器，其与所述高电压脉冲发生电源电耦合；输出，其与所述变压器电耦合，并且配置为输出具有大于1kV的幅度和大于1kHz的频率的高电压脉冲；和偏置补偿电路，其布置为与所述输出并联。在一些实施例中，所述偏置补偿电路可以包括：阻流二极管；和DC电源，其布置为与所述阻流二极管串联。

Description

纳秒脉冲发生器偏置补偿
相关申请的交叉引用
本申请要求题为“NANOSECOND PULSER SYSTEM”的2018年7月27日提交的美国临时专利申请No.62/711,464的优先权，其通过其完整引用合并于此。
本申请要求题为“NANOSECOND PULSER THERMAL MANAGEMENT”的2018年7月28日提交的美国临时专利申请No.62/711,334的优先权，其通过其完整引用合并于此。
本申请要求题为“NANOSECOND PULSER PULSE GENERATION”的2018年7月27日提交的美国临时专利申请No.62/711,457的优先权，其通过其完整引用合并于此。
本申请要求2018年7月27日提交的题为“NANOSECOND PULSER ADC SYSTEM”的美国临时专利申请No.62/711,347的优先权，其通过其完整引用合并于此。
本申请要求题为“EDGE RING POWER SYSTEM”的2018年7月27日提交的美国临时专利申请No.62/711,467的优先权，其通过其完整引用合并于此。
本申请要求题为“NANOSECOND PULSER BIAS COMPENSATION”的2018年7月27日提交的美国临时专利申请No.62/711,406的优先权，其通过其完整引用合并于此。
本申请要求题为“NANOSECOND PULSER CONTROL MODULE”的2018年7月27日提交的美国临时专利申请No.62/711,468的优先权，其通过其完整引用合并于此。
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.62/711,523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1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 ENERGY RECOVERY IN A NANOSECOND PULSERCIRCUIT”的2019年1月1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。
本申请要求题为“NANOSECOND PULSER BIAS COMPENSATION”的2019年7月26日提交的美国非临时专利申请No.16/523,840的优先权，并且是其部分继续，其通过其完整引用合并于此。
背景技术
在等离子体沉积系统中，晶圆一般通过卡夹(chuck)以静电方式固定在腔室中。在腔室内创建等离子体，并且引入高电压脉冲，以将等离子体内的离子加速到晶圆上。如果卡夹与晶圆之间的电势超过特定电压阈值(例如，大约±2kV)，则晶圆上的力可以大得足以损坏或破坏晶圆。
发明内容
本发明的实施例包括一种用于高电压等离子体腔室(例如，比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)中的偏置补偿的方法和电路。
公开一种高电压功率系统。在一些实施例中，所述高电压功率系统包括：高电压脉冲发生电源(例如，纳秒脉冲发生器)；变压器，其与所述高电压脉冲发生电源电耦合；输出，其与所述变压器电耦合。所述高电压功率系统的所述输出可以配置为输出具有大于1kV、2kV、5kV、10kV、25kV等的幅度和大于1kHz的频率的高电压脉冲；偏置补偿电路，其布置为与所述输出并联。在一些实施例中，所述偏置补偿电路可以包括：阻流二极管；和DC电源，其布置为与所述阻流二极管串联。在一些实施例中，所述高电压功率系统可以包括偏置电容器，其布置为至少跨越所述DC电源。在一些实施例中，所述高电压功率系统可以包括偏置电容器，其布置为至少跨越所述DC电源。
在一些实施例中，所述高电压脉冲发生电源包括纳秒脉冲发生器和变压器。在一些实施例中，所述高电压电源包括：多个开关，其布置为串联的；和变压器。在一些实施例中，所述高电压电源包括射频电源(例如，比如RF生成器)。
在一些实施例中，所述偏置补偿电路包括高电压开关，其部署为跨越所述偏置补偿二极管，其中，所述高电压开关配置为当所述高电压脉冲发生电源正在发生脉冲时打开，并且其中，所述高电压开关配置为当所述高电压脉冲发生电源并未正在发生脉冲时闭合。
在一些实施例中，所述高电压电源包括多个开关，其布置为串联的。在一些实施例中，所述偏置补偿电感器具有小于大约100μH的电感。在一些实施例中，所述输出例如比如经由与等离子体以电容方式耦合的电极与所述等离子体耦合。
在一些实施例中，一种高电压功率系统可以包括：高电压脉冲发生电源；输出，其与所述变压器电耦合，并且配置为输出具有大于2kV的幅度和大于2kHz的频率的高电压脉冲；阻流二极管；DC电源，其布置为所述与阻流二极管串联，所述阻流二极管和所述DC电源布置为所述与输出并联；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正在发生脉冲时(例如，在突发期间)关断，并且当所述高电压开关电源并非正在发生脉冲时(例如，在突发之间)开启。
在一些实施例中，所述高电压功率系统可以还包括偏置补偿电容器，其布置为至少跨越所述DC电源，所述偏置补偿电容器具有小于大约500μF、250μF、100μF、50μF、25μF、10μF等的电容。
在一些实施例中，所述阻流二极管、所述DC电源和所述高电压开关包括偏置补偿电路，其布置在所述高电压功率系统中跨越所述输出。
在一些实施例中，所述输出可以包括等离子体负载。在一些实施例中，所述DC电源提供大约±5kV、±4kV、±3kV、±2kV、±1kV等。
在一些实施例中，所述高电压开关配置为当所述高电压脉冲发生电源正在发生脉冲时打开，并且其中，所述高电压开关配置为当所述高电压脉冲发生电源并未正在发生脉冲时闭合。
在一些实施例中，所述高电压开关包括缓冲电路。
一些实施例可以包括一种方法，所述方法包括：打开偏置补偿开关，其布置为与DC电源串联，所述偏置补偿开关和所述DC电源布置为跨越负载；以高电压和高频率使高电压电源发生脉冲到所述负载中；闭合所述偏置补偿开关；以及使所述高电压电源不发生脉冲。
一些实施例包括一种高电压功率系统，包括：多个开关；变压器；输出，其配置为输出具有大于2kV的幅度和大于1kHz的频率的高电压脉冲；阻流二极管；和偏置电容器。
一些实施例包括一种高电压功率系统，包括：高电压开关电源；输出，其配置为输出具有大于2kV的幅度和大于1kHz的频率的高电压脉冲；阻流二极管；偏置电容器；和高电压开关，其耦合跨越所述偏置补偿二极管，其中，所述高电压开关配置为当所述高电压开关电源正在发生脉冲时关断，并且当所述高电压开关电源并非正在发生脉冲时开启。
一些实施例包括一种高电压功率系统，其产生在晶圆沉积腔室内创建等离子体的输出，以使得在高电压功率系统正在发生脉冲和并非正在发生脉冲的时段期间晶圆与卡夹之间的电压电势是大约2kV。
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具有等离子体负载的高电压功率系统的电路图。
图2示出根据一些实施例的由高电压功率系统产生的示例波形。
图3是根据一些实施例的具有等离子体负载的高电压功率系统的电路图。
图4示出根据一些实施例的由高电压功率系统产生的示例波形。
图5是根据一些实施例的具有等离子体负载的高电压功率系统的电路图。
图6示出根据一些实施例的由高电压功率系统产生的示例波形。
图7是根据一些实施例的具有等离子体负载的高电压功率系统的电路图。
图8示出根据一些实施例的由高电压功率系统产生的示例波形。
图9是根据一些实施例的具有等离子体负载的高电压功率系统的电路图。
图10示出根据一些实施例的来自高电压功率系统的示例波形。
图11A示出根据一些实施例的来自高电压功率系统的示例波形。
图11B示出根据一些实施例的来自高电压功率系统的示例波形。
图12是根据一些实施例的具有等离子体负载的高电压功率系统的电路图。
图13是根据一些实施例的具有等离子体负载的高电压功率系统的电路图。缓冲和电压分压电阻器
图14是根据一些实施例的高电压功率系统的电路图。
图15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16示出根据一些实施例的来自高电压功率系统的示例波形。
图17示出根据一些实施例的来自高电压功率系统的示例波形。
图18示出根据一些实施例的来自高电压功率系统的示例波形。
图19是根据一些实施例的具有等离子体负载的高电压功率系统的电路图。
具体实施方式
在等离子体沉积系统中，晶圆一般通过卡夹(chuck)以静电方式固定在腔室中。在腔室内创建等离子体，并且引入高电压脉冲，以将等离子体内的离子加速到晶圆上。如果卡夹与晶圆之间的电势超过特定电压阈值(例如，大约±2kV)，则晶圆上的力可以大得足以损坏或破坏晶圆。此外，可以有益的是，将较高的电压脉冲引入腔室中，以增加沟道深度，改进质量，或加速蚀刻工艺。将高的和较高的电压脉冲引入沉积腔室内的等离子体中可能影响卡夹与晶圆之间的电势并且损坏或破坏晶圆。
公开用于在高电压脉冲发生的时段期间以及在没有高电压脉冲发生的时段期间确保晶圆与卡夹之间的电压接近或低于阈值(例如，大约2kV)的系统和方法。例如，这些系统当使用高电压射频电源时也可以限制晶圆的自偏置。例如，这些系统和方法可以补偿电压改变，以确保卡夹与晶圆之间的电压不超过电压阈值。
在一些实施例中，高电压功率系统可以产生具有大约1kV、2kV、5kV、10kV、15kV、20kV、30kV、40kV等的幅度的引入等离子体中的脉冲电压。在一些实施例中，高电压功率系统可以通过高达大约500kHz的频率进行开关。在一些实施例中，高电压功率系统可以提供从大约50纳秒到大约1纳秒的变化的脉冲宽度的单个脉冲。在一些实施例中，高电压功率系统可以按大于大约10kHz的频率进行开关。在一些实施例中，高电压功率系统可以通过小于大约20ns的上升时间进行操作。
如本文献通篇所使用的那样，术语“高电压”可以包括大于大约1kV、10kV、20kV、50kV、100kV、1,000kV等的电压；术语“高频率”可以是大于大约1kHz、10kHz、100kHz、200kHz、500kHz、1MHz等的频率；术语“高重复率”可以是大于大约1kHz、10kHz、100kHz、200kHz、500kHz、1MHz等的率，术语“快速上升时间”可以包括小于大约1ns、10ns、50ns、100ns、250ns、500ns、1,000ns等的上升时间；术语“快速下降时间”可以包括小于大约1ns、10ns、50ns、100ns、250ns、500ns、1,000ns等的下降时间；术语“低电容”可以包括小于大约1.0pF、10pF、100pF、1,000pF等的电容；术语“低电感”可以包括小于大约10nH、100nH、1,000nH、10,000nH等的电感；并且术语“短脉冲宽度”可以包括小于大约10,000ns、1,000ns、500ns、250ns、100ns、20ns等的脉冲宽度。
图1是根据一些实施例的具有等离子体负载的高电压功率系统100的电路图。具有等离子体负载的高电压功率系统100可以概括为六个级(这些级可以分解为其他级或概括为更少的级，或可以包括或可以不包括图中所示的组件)。具有等离子负载的高电压功率系统100包括脉冲发生器级101、电阻输出级102、引线级103、DC偏置电路104、第二引线级105和负载级106。脉冲发生器级101、电阻输出级102或DC偏置电路104可以包括高电压功率系统。引线级103或第二引线级105也可以包括于高电压功率系统中。而负载级106可以包括等离子体负载。
在一些实施例中，具有等离子负载(或脉冲发生器级101)的高电压功率系统100可以将脉冲引入负载级中，其中，电压大于1kV、10kV、20kV、50kV、100kV、1,000kV等，其中，上升时间小于大约1ns、10ns、50ns、100ns、250ns、500ns、1,000ns等，其中，下降时间小于大约1ns、10ns、50ns、100ns、250ns、500ns、1,000ns等，并且其中，频率大于大约1kHz、10kHz、100kHz、200kHz、500kHz、1MHz等。
在一些实施例中，例如，脉冲发生器级101可以包括能够产生大于500V的脉冲、大于10安培的峰值电流或小于大约10,000ns、1,000ns、100ns、10ns等的脉冲宽度的任何设备。作为另一示例，脉冲发生器级101可以产生具有大于1kV、5kV、10kV、50kV、200kV等的幅度的脉冲。作为另一示例，脉冲发生器级101可以产生具有小于大约5ns、50ns或300ns等的上升时间或下降时间的脉冲。
在一些实施例中，脉冲发生器级101可以产生多个高电压突发。例如，每个突发可以包括具有快速上升时间和快速下降时间的多个高电压脉冲。例如，多个高电压突发可以具有大约10Hz至10kHz的突发重复频率。更具体而言，例如，多个高电压突发可以具有大约10Hz、100Hz、250Hz、500Hz、1kHz、2.5kHz、5.0kHz、10kHz等的突发重复频率。
在多个高电压突发中的每一个内，高电压脉冲可以具有大约1kHz、10kHz、100kHz、200kHz、500kHz、1MHz等的脉冲重复频率。
在一些实施例中，从一个突发直到下一突发的突发重复频率时间。操作偏置补偿开关的频率。
在一些实施例中、脉冲发生器级101可以包括与电压源V2耦合的一个或多个固态开关S1(例如，固态开关(例如，比如IGBT、MOSFET、SiC MOSFET、SiC结晶体管、FET、SiC开关、GaN开关、光导开关等))。在一些实施例中，脉冲发生器级101可以包括一个或多个源缓冲电阻器R3、一个或多个源缓冲二极管D4、一个或多个源缓冲电容器C5或一个或多个源续流二极管D2。可以按并联或串联布置一个或多个开关和/或电路。
在一些实施例中，脉冲发生器级101可产生具有高频率、快速上升时间、快速下降时间、处于高频率等的多个高电压脉冲。脉冲发生器级101可以包括一个或多个纳秒脉冲发生器。
在一些实施例中，脉冲发生器级101可以包括高电压脉冲发生电源。
例如，脉冲发生器级101可以包括题为“High Voltage Nanosecond Pulser”的美国专利申请序列号14/542,487中描述的任何脉冲发生器，其出于所有目的完整合并到本公开中。例如，脉冲发生器级101可以包括题为“Efficient IGBT Switching”的美国专利No.9,601,283中描述的任何脉冲发生器，其出于所有目的完整合并到本公开中。例如，脉冲发生器级101可以包括题为“High Voltage Transformer”的美国专利申请序列号No.15/365,094中描述的任何脉冲发生器，其出于所有目的完整合并到本公开中。
例如，脉冲发生器级101可以包括高电压开关(例如，见图3)。例如，脉冲发生器级101可以包括图15中描述的高电压开关1500。作为另一示例，例如，脉冲发生器级101可以包括题为“High Voltage Switch with Isolated Power”的2018年11月1日提交的美国专利申请序列号16/178,565中描述的任何开关，其出于所有目的完整合并到本公开中。
在一些实施例中，脉冲发生器级101可以包括变压器T2。变压器T2可以包括变压器芯(例如，环形或非环形芯)；至少一个初级绕组，其围绕变压器芯缠绕一次或少于一次；和次级绕组，其围绕变压器铁芯缠绕多次。
在一些实施例中，变压器T2可以包括围绕变压器芯的单匝初级绕组和多匝次级绕组。例如，单匝初级绕组可以包括围绕变压器芯缠绕一次或更少次的一个或多个导线。例如，单匝初级绕组可以包括多于2个、10个、20个、50个、100个、250个、1200个等单独单匝初级绕组。在一些实施例中，初级绕组可以包括导电片。
例如，多匝次级绕组可以包括围绕变压器芯缠绕多次的单个导线。例如，多匝次级绕组可以围绕变压器芯缠绕多于2次、10次、25次、50次、100次、250次、500次等。在一些实施例中，多个多匝次级绕组可以围绕变压器芯缠绕。在一些实施例中，次级绕组可以包括导电片。
在一些实施例中，高电压变压器可以用以通过大于150纳秒或小于50纳秒或小于5ns的快速上升时间输出大于1,000伏的电压。
在一些实施例中，高电压变压器可以具有低阻抗和/或低电容。例如，高电压变压器具有初级侧所测量的小于100nH、50nH、30nH、20nH、10nH、2nH、100pH的杂散电感，和/或变压器具有次级侧所测量的小于100pF、30pF、10pF、1pF的杂散电容。
变压器T2可以包括如题为“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，多个脉冲发生器可以按并联或串联之一或二者而组合。在一些实施例中，脉冲发生器级101可以跨越电感器L1和/或电阻器R1与电阻输出级102耦合。在一些实施例中，电感器L1可以包括大约5μH至大约25μH的电感。在一些实施例中，电阻器R1可以包括大约50ohm至大约250ohm的电阻。多个脉冲发生器级101中的每一个可以均还包括阻流二极管D4或二极管D6之一或二者。在一些实施例中，电容器C4可以表示二极管D6的杂散电容。
在一些实施例中，电阻输出级102可以使电容负载(例如，晶圆和/或等离子体)放电。
在一些实施例中，电阻输出级102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可以表示电阻输出级102中的引线的杂散电感，并且可以具有小于大约500nH、250nH、100nH、50nH、25nH、10nH等的电感。例如，电感器L1可以设置为使从脉冲发生器级101流入电阻器R1中的功率最小化。
在一些实施例中，电阻输出级102可以包括至少一个电阻器R1，其可以例如包括串联或并联的多个电阻器，其可以使负载(例如，等离子体鞘电容)放电。
在一些实施例中，电阻器R1可以例如以快速时间标度(例如，1ns、10ns、50ns、100ns、250ns、500ns、1,000ns等时间标度)耗散来自负载级106的电荷。电阻器R1的电阻可以是低的，以确保跨越负载级106的脉冲具有快速下降时间tf。
在一些实施例中，电阻输出级102可以配置为在每个脉冲周期期间放电超过大约1千瓦的平均功率，和/或在每个脉冲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。
电容器C11可以表示电阻器R1(或由电阻器R1表示的按串联或并联布置的多个电阻器)的杂散电容，其包括串联和/或并联电阻器的布置的电容。例如，杂散电容C11的电容可以小于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，比如小于C2、C3和/或C9的总电容或C2、C3或C9的单独电容)。
在一些实施例中，电阻输出级102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102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102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102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102可以用在具有高脉冲电压(例如，大于1kV、10kV、20kV、50kV、100kV等的电压)或高频率(例如，大于1kHz、10kHz、100kHz、200kHz、500kHz、1MHz等的频率)之一或二者的脉冲的电路中。
在一些实施例中，可以选择电阻输出级102以处置高平均功率、高峰值功率、快速上升时间、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，或者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102可以包括无源组件的串联或并联网络。例如，电阻输出级102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102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。
在一些实施例中，例如，阻流二极管D1可以确保电流流过电阻器R1。例如，电容器C8可以表示阻流二极管D1的杂散电容。
在一些实施例中，电阻输出级102可以由能量恢复电路或任何其他下沉(sink)级或可以在快速的时间标度上从等离子体快速下沉电荷的任何其他电路代替。
在一些实施例中，引线级103可以表示电阻输出级102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可以将DC偏置电源与来自脉冲发生器级101高电压脉冲化输出隔离。
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表示高电压功率系统与负载级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)。
例如，电容器C9可以表示腔室壁与晶圆的顶表面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所测量的电压；电极电压是从大地到电路点124所测量的电压；并且输入电压是从大地到电路点125所测量的电压。
图2示出由具有等离子负载的高电压功率系统100产生的示例波形。在这些示例波形中，脉冲波形205可以表示提供给负载级106的电压。如所示，作为电路点124处的电压的脉冲波形205产生具有以下品质的脉冲：(例如，如波形所示大于大约4kV的)高电压、(例如，如波形所示小于大约200ns的)快速上升时间、(例如，如波形所示小于大约200ns的)快速下降时间和(例如，如波形所示小于大约300ns)的短脉冲宽度。波形210可以表示电路点122处(例如，晶圆的表面处)的电压。波形215表示流过等离子体的电流(例如，流过电感器L2的电流)。
在过渡状态期间(例如，在图中未示出的初始数量的脉冲期间)，来自脉冲发生器级101的高电压脉冲对电容器C2进行充电。因为电容器C2的电容与电容器C3或电容器C1之一或二者相比是大的，或者因为脉冲的短脉冲宽度，所以电容器C2可以从高电压脉冲发生器取得多个脉冲以完全地充电。一旦电容器C2完全地充电，电路就达到稳定状态，如图2中的波形所示。
在稳定状态下，并且当开关S1打开时，电容器C2受充电并且通过电阻输出级110缓慢地耗散，如波形210的略微上升斜率所示。一旦电容器C2受充电，并且在开关S1打开的同时，晶圆的表面(电容器C2与电容器C3之间的点)处的电压就为负。该负电压可以是由脉冲发生器级101提供的脉冲的电压的负值。对于图2所示的示例波形，每个脉冲的电压是大约4kV；并且晶圆处的稳态电压是大约-4kV。这导致跨越等离子体(例如，跨越电容器C3)的负电势，其将正离子从等离子体加速到晶圆的表面。在开关S1打开的同时，电容器C2上的电荷通过电阻输出级缓慢地耗散。
当开关S1从打开改变为闭合时，随着电容器C2受充电，跨越电容器C2的电压可以翻转(来自脉冲发生器的脉冲是高的，如波形205所示)。此外，随着电容器C2充电，电路点123处(例如，晶圆的表面处)的电压改变为大约零，如波形210所示。因此，来自高电压脉冲发生器的脉冲可以产生以高频率从负高电压上升到零并且返回负高电压的等离子体电势(例如，等离子体中的电势)，其具有任何或所有快速上升时间、快速下降时间或短脉冲宽度。
在一些实施例中，电阻输出级102、由电阻输出级102表示的元件的动作可以使杂散电容C1迅速地放电，并且可以允许电容器C2与电容器C3之间的点处的电压迅速地返回其大约-4kV的稳定负值，如波形210所示。电阻输出级可以允许电容器C2与电容器C3之间的点处的电压存在达大约％的时间，并且因此使离子加速到晶圆中的时间最大化。在一些实施例中，可以具体地选择电阻输出级内包含的组件，以优化离子加速到晶圆中所持续的时间，并且将该时间期间的电压保持近似恒定。因此，例如，具有快速上升时间和快速下降时间的短脉冲可以是有用的，因此可以存在相当均匀负电势的长时段。
在一些实施例中，可以使用偏置补偿子系统以调整半导体制造晶圆腔室中的卡夹电压。例如，卡夹电压可以施加到卡夹，以跟踪突发的开/关模式的轨迹，以确保卡夹上的恒定电压。
在一些实施例中，任何各种高电压功率系统可以包括本文献中公开的电阻输出级，可以包括2018年3月30日提交的题为“High Voltage Resistive Output StageCircuit”的美国专利申请序列号15/941,731”中示出或描述的任何或所有组件、布置、功能等，其出于所有目的完整合并到本文。
图3是根据一些实施例的具有等离子体负载的高电压功率系统300的电路图。具有等离子负载的高电压功率系统300与具有等离子负载的高电压功率系统100相似。在该示例中，脉冲发生器级110包括高电压开关S1。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。例如，高电压开关S1可以包括图15中描述的高电压开关1500。作为另一示例，例如，高电压开关S1可以包括题为“High VoltageSwitch with Isolated Power”的2018年11月1日提交的美国专利申请序列号16/178,565中描述的任何开关，其出于所有目的完整合并到本公开中。
在任何实施例中，脉冲发生器级101或脉冲发生器级110可以用以产生高电压脉冲。此外，脉冲发生器级101和脉冲发生器级110可以是可互换的。
在该示例中，DC偏置电路104不包括任何偏置补偿。
在一些实施例中，脉冲发生器级101可以产生具有以下性质的脉冲：大于1kV、10kV、20kV、50kV、100kV、1,000kV等的电压、小于大约1ns、10ns、50ns、100ns、250ns、500ns、1,000ns等的上升时间、小于大约1ns、10ns、50ns、100ns、250ns、500ns、1,000ns等的下降时间、以及大于大约1kHz、10kHz、100kHz、200kHz、500kHz、1MHz等的频率。
在一些实施例中，脉冲发生器级101包括射频电源(例如，比如RF生成器)。
图4示出由高电压功率系统(例如，具有等离子负载的高电压功率系统100或具有等离子负载的高电压功率系统300)产生的示例波形。晶圆波形405表示晶圆上的电压，并且卡夹波形410是卡夹上的电压。在图3中的电路图上标记为122的位置处测量晶圆波形405。在图3中的电路图上标记为121的位置处测量卡夹波形410。如所示，在脉冲发生期间，卡夹波形410与晶圆波形405之间的差是大约4kV。在峰值电压高于2kV的情况下，这可能产生对腔室内卡夹上的晶圆的损坏。
图4中的波形示出大约10秒的六个突发，其具有每个突发内的多个脉冲。
图5是根据一些实施例的具有等离子体负载的高电压功率系统500的电路图。具有等离子负载的高电压功率系统500与具有等离子负载的高电压功率系统300相似。
在该示例中，偏置补偿电路114是无源偏置补偿电路，并且可以包括偏置补偿二极管505和偏置补偿电容器510。偏置补偿二极管505可以布置为与偏移供电电压V1串联。偏置补偿电容器510可以布置为跨越偏移供电电压V1和电阻器R2之一或二者。偏置补偿电容器510可以具有小于100nF至100μF(例如，比如大约100μF、50μF、25μF、10μF、2μF、500nF、200nF等)的电容。
在一些实施例中，偏置补偿二极管505可以按10Hz至10kHz之间的频率传导10A至1kA之间的电流。
在一些实施例中，偏置电容器C12可以允许(例如，125所标记的位置处的)脉冲发生器级101的输出与(例如，124所标记的位置处的)电极上的电压之间的电压偏移。在操作中，例如，电极可以在突发期间处于-2kV的DC电压，而纳秒脉冲发生器的输出在脉冲期间的+6kV与脉冲之间的0kV之间交变。
例如，偏置电容器C12是100nF、10nF、1nF、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)。
在一些实施例中，偏置补偿电容器510和偏置补偿二极管505可以允许在每个突发的开始建立(例如，125所标记的位置处的)脉冲发生器级101的输出与(例如，124所标记的位置处的)电极上的电压之间的电压偏移，达到所需的均衡状态。例如，在多个脉冲(例如，大约5-100个)的过程中，在每个突发的开始，电荷从电容器C12转移到电容器510中，在电路中建立正确的电压。
图6示出由具有等离子体负载的高电压功率系统500产生的示例波形。如所示，晶圆波形605与卡夹波形610之间的电压偏置在脉冲突发期间保持为固定的，但在突发之后保持为充电的。在该示例中，在脉冲发生期间的晶圆波形605与卡夹波形610之间的差小于大约2kV，这可以处于可接受的公差内。然而，在该示例中，在脉冲之间的晶圆波形605与卡夹波形610之间的差大于大约7kV，这可能并非处于可接受的公差内。
图6中的波形示出大约10秒的六个突发，其具有每个突发内的多个脉冲。
图7是根据一些实施例的具有等离子体负载的高电压功率系统700的电路图。具有等离子负载的高电压功率系统700与具有等离子负载的高电压功率系统500相似，并且包括第二脉冲发生器电路705。
第二脉冲发生器电路705可以包括偏置补偿电路114或与偏置补偿电路114相似的组件。
第二脉冲发生器电路705可以包括第二脉冲发生器701。例如，第二脉冲发生器701可以包括图1或3所示的脉冲发生器级110的一个或多个或所有组件。例如，脉冲发生器级110可以包括如本文献(例如，图15和有关段落)中所公开的纳秒脉冲发生器或高电压开关。在一些实施例中，第二脉冲发生器701可以配置为在脉冲发生器级101正在发生脉冲时(例如，在突发期间)关闭，并且第二脉冲发生器701可以配置为在脉冲发生器级101并非正在发生脉冲时(例如，在突发之间中)开启。
第二脉冲发生器电路705可以还包括变压器T2的次级侧上的电感器L9，并且开关710可以与电压源V6耦合。电感器L9可以表示第二脉冲发生器电路705的杂散电感，并且可以具有低电感(例如，比如小于大约500nH、250nH、100nH、50nH、25nH等的电感)。在一些实施例中，电压源V6可以表示用于开关710的触发器。
在一些实施例中，第二脉冲发生器电路705可以包括阻流二极管D7。例如，阻流二极管D7可以确保电流从开关710流到负载级106。例如，电容器C14可以表示阻流二极管D7的杂散电容。例如，电容器C14的电容可以具有(例如，比如小于大约1nF、500pF、200pF、100pF、50pF、25pF等的)低电容。
在一些实施例中，开关710可以在脉冲发生器级110正在发生脉冲的同时打开，而当脉冲发生器级110并非正在发生脉冲时闭合，以偏移(或偏置)由脉冲发生器级提供的电压。
在一些实施例中，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。在一些实施例中，开关710可以包括图15中描述的高电压开关1500。作为另一示例，例如，高电压开关905可以包括题为“High Voltage Switch with Isolated Power”的2018年11月1日提交的美国专利申请序列号16/178,565中描述的任何开关，其出于所有目的完整合并到本公开中。
图8示出由具有等离子负载的高电压功率系统700产生的示例波形。晶圆波形805表示晶圆上的电压，并且卡夹波形810是卡夹上的电压。在由图2中的电路图上的122所标记的位置指示的晶圆处测量晶圆波形805。在由图7中的电路图上的位置121指示的卡夹处测量卡夹波形810。在图7中的电路图上的124所标记的位置处测量偏置波形815。在该示例中，偏置电容器510正在放电，并且可能要求第二脉冲发生器电路705包括比V2更高的电源，例如，以对偏置电容器进行反复充电，这可能需要若干千瓦的功率。
图8中的波形示出大约10秒的六个突发，其具有每个突发内的多个脉冲。
图9是根据一些实施例的具有等离子体负载的高电压功率系统900的电路图。具有等离子负载的高电压功率系统500与具有等离子负载的高电压功率系统900相似。
在该实施例中，偏置补偿电路914可以包括跨越偏置补偿二极管505耦合并且与电源V1耦合的高电压开关905。在一些实施例中，高电压开关905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905。例如，高电压开关905可以包括图15中描述的高电压开关1500。在一些实施例中，高电压开关905可以与开关触发器V4耦合。
高电压开关905可以与电感器L9和电阻器R11之一或二者按串联耦合。电感器L9可以限制通过高电压开关905的峰值电流。例如，电感器L9可以具有小于大约100μH(例如，比如大约250μH、100μH、50μH、25μH、10μH、5μH、1μH等)的电感。例如，电阻器R11可以将功率耗散转移到电阻输出级102。例如，电阻器R11的电阻可以具有小于大约1000ohm、500ohm、250ohm、100ohm、50ohm、10ohm等的电阻。
在一些实施例中，高电压开关905可以包括缓冲电路。缓冲电路可以包括电阻器R9、缓冲二极管D8、缓冲电容器C15和缓冲电阻器R10。
在一些实施例中，电阻器R8可以表示偏移供电电压V1的杂散电阻。例如，电阻器R8可以具有高电阻(例如，比如大约10kOhm、100kOhm、1MOhm、10MOhm、100MOhm、1GOhm等的电阻)。
在一些实施例中，高电压开关905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。例如，高电压开关905可以包括图15中描述的高电压开关1500。作为另一示例，例如，高电压开关905可以包括题为“High Voltage Switch with Isolated Power”的2018年11月1日提交的美国专利申请序列号16/178,565中描述的任何开关，其出于所有目的完整合并到本公开中。
在一些实施例中，高电压开关905可以在脉冲发生器级110正在发生脉冲的同时打开，而当脉冲发生器级110并非正在发生脉冲时闭合。例如，当高电压开关905闭合时，电流可以跨越偏置补偿二极管505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，高电压开关905可以允许电极电压(124所标记的位置)与晶圆电压(122所标记的位置)迅速地恢复(例如，小于大约100ns、200ns、500ns，1μs)到卡夹电势(121所标记的位置)。例如，在图10、图11A和图11B中示出该情况。
图10示出由具有等离子负载的高电压功率系统900产生的示例波形。晶圆波形1005表示晶圆上的电压，卡夹波形1010表示卡夹上的电压，并且偏置波形1015表示来自偏置补偿电路114的电压。在图9中的电路图上的122所标记的位置处测量晶圆波形1005。在图9中的电路图上的121所标记的位置处测量卡夹波形1010。在图9中的电路图上的124所标记的位置处测量偏置波形1015。
图10中的波形示出大约10秒的六个突发，其具有每个突发内的多个脉冲。
图11A和图11B示出根据一些实施例的来自具有等离子体负载的高电压功率系统900的示例波形。图11A示出具有340个脉冲的单个突发，并且图11B示出突发内的一些脉冲。波形1105示出电极处的电压(图9中124所标记的位置)，并且波形1110示出晶圆处的电压(图9中122所标记的位置)。注意，电极和晶圆上的电压趋于以大约2kV的恒定偏移进行跟踪。波形还示出在脉冲发生器关闭的同时电压如何返回到DC值，直到下一突发在稍后某时间开始。
图12是根据一些实施例的具有等离子体负载的高电压功率系统1200的电路图。具有等离子负载的高电压功率系统1200与具有等离子负载的高电压功率系统900相似。
在一些实施例中，偏置补偿电路1214可以包括四个高电压开关级(包括开关1220、1225、1230和1235)，其布置为跨越偏置补偿二极管505或与之并联。每个开关级包括开关(例如，开关1220、1225、1230和1235)和电压分配电阻器(例如，电阻器R15、R16、R17和R18)。电阻器R11和电感器L7之一或二者布置为与开关级串联。例如，电感器L9可以具有小于大约100μH(例如，比如大约1mH、500μH、250μH、100μH、50μH、25μH、10μH、5μH、1μH等)的电感。在一些实施例中，开关1220、1225、1230和1235可以在脉冲发生器级110正在发生脉冲的同时打开，而当脉冲发生器级110并非正在发生脉冲时闭合。例如，当开关1220、1225、1230和1235闭合时，电流可以跨越偏置补偿二极管505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。
每个开关1220、1225、1230和1235可以包括按串联布置以共同地打开和闭合高电压的多个开关。例如，每个开关1220、1225、1230和1235可以共同地或单独地例如包括图15中描述的高电压开关1500。作为另一示例，每个开关1220、1225、1230和1235可以共同地或单独地例如包括题为“High Voltage Switch with Isolated Power”的2018年11月1日提交的美国专利申请序列号16/178,565中描述的任何开关，其出于所有目的完整合并到本公开中。
在一些实施例中，电压分配电阻器(例如，电阻器R15、R16、R17和R18)可以具有高电阻(例如，比如大约1kOhm、10kOhm、100kOhm、1MOhm、10MOhm、100MOhm等的的电阻)。
在该示例中，示出四个高电压开关级，可以使用任何数量的高电压开关级。
图13是根据一些实施例的具有等离子体负载的高电压功率系统1300的电路图。具有等离子负载的高电压功率系统1300与具有等离子负载的高电压功率系统1200相似。
在该示例中，偏置补偿电路1314与偏置补偿电路1214相似。在该示例中，具有偏置补偿电路1314的每个开关模块(1220、1225、1230和1235)可以包括对应缓冲电路。每个缓冲电路可以包括缓冲二极管和缓冲电容器。在一些实施例中，缓冲二极管可以包括布置为跨越缓冲二极管的缓冲电阻器。每个开关模块可以包括电阻器，其可以确保在按串联布置的开关中的每一个之间均匀地分配电压。
图14是根据一些实施例的具有等离子体负载的高电压功率系统1400的电路图。具有等离子负载的高电压功率系统1400与具有等离子负载的高电压功率系统900相似。在该示例中，偏置补偿电路1414不包括缓冲电路。在该示例中，偏置补偿电路1414包括与开关S4串联布置的偏置补偿电感器1420。电感器1420可以具有小于大约300nH、100nH、10nH、1nH等的电感。
在一些实施例中，开关S4可以包括图15中描述的高电压开关1500。作为另一示例，例如，开关S4可以包括题为“High Voltage Switch with Isolated Power”的2018年11月1日提交的美国专利申请序列号16/178,565中描述的任何开关，其出于所有目的完整合并到本公开中。
图15是根据一些实施例的具有隔离电源的高电压开关1500的框图。高电压开关1500可以包括多个开关模块1505(共同地或单独地1505，以及单独地1505A、1505B、1505C和1505D)，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切换来自高电压源1560的电压。每个开关模块1505可以包括开关1510(例如，比如固态开关)。
在一些实施例中，开关1510可以与栅极驱动器电路1530电耦合，栅极驱动器电路1530可以包括电源1540和/或隔离光纤触发器1545(也称为栅极触发器或开关触发器)。例如，开关1510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1540可以经由栅极驱动器电路1530驱动开关1510的栅极。例如，栅极驱动器电路1530可以与高电压开关1500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1540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1540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1500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1540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1520V AC或240V AC。
在一些实施例中，每个电源1540可以与单个控制电压电源以感应方式电耦合。例如，电源1540A可以经由第一变压器与电源电耦合；电源1540B可以经由第二变压器与电源电耦合；电源1540C可以经由第三变压器与电源电耦合；并且电源1540D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1540A、电源1540B、电源1540C和/或电源1540D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1545也可以与高电压开关1500的其他组件隔离。隔离光纤触发器1545可以包括光纤接收机，其允许每个开关模块1505相对于高电压开关1500的其他开关模块1505和/或其他组件浮置，和/或，例如，同时允许每个开关模块1505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1505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1505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1505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1505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1510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1510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1510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，大于大约1kHz)和/或通过快速上升时间(例如，小于大约25ns的上升时间)和/或通过长脉冲长度(例如，大于大约10ms)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，开关的数量越多，可能需要的定时问题就越大。
图15所示的高电压开关1500包括四个开关模块1505。虽然在该图中示出四个，但可以使用任何数量的开关模块1505(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1505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1505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1500可以包括快速电容器1555。例如，快速电容器1555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1555可以存储来自高电压源1560的能量。
在一些实施例中，快速电容器1555可以具有低电容。在一些实施例中，快速电容器1555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1500可以包括或可以不包括撬棒二极管1550。撬棒二极管1550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1550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1550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1550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1550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1550可具有低电容(例如，比如100pF、1nF、10nF、100nF等)。
在一些实施例中，例如，当负载1565主要是电阻性的时，可以不使用撬棒二极管1550。
在一些实施例中，每个栅极驱动器电路1530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1510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1505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1505内的任何电感(例如，比如引线、二极管、电阻器、开关1510和/或电路板迹线等中的电感)。每个开关模块1505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1505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1505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1505内的任何电容(例如，比如引线、二极管、电阻器、开关1510和/或电路板迹线等中的电容)。每个开关模块1505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1505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1515、缓冲电容器1520和/或续流二极管1525)解决电压分配方面的缺陷。例如，开关1510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1515、缓冲电容器1520和/或续流二极管1525)减轻这些尖峰。
例如，缓冲电路可以包括缓冲二极管1515、缓冲电容器1520、缓冲电阻器116和/或续流二极管1525。在一些实施例中，缓冲电路可以与开关1510并联布置在一起。在一些实施例中，缓冲电容器1520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1500可以与负载1565(例如，电阻或电容或电感负载)电耦合或包括负载1565。例如，负载1565可以具有从50Ohm到500Ohm的电阻。替代地或附加地，负载1565可以是电感负载或电容负载。
图16示出根据一些实施例的来自高电压功率系统的示例波形1600。波形1600是从产生正2kV偏置的高电压功率系统产生的(例如，偏移供电电压V1产生2kV)，并且输出具有7kV的峰值电压的信号。在该示例中，高电压开关(例如，高电压开关905)针对高电压功率系统得以包括，并且在脉冲发生器级正在发生脉冲的同时闭合，而且在脉冲发生器级并非正在发生脉冲的同时打开。
波形1605表示来自脉冲发生器级101的电压。波形1610表示从大地到电路点124所测量的电极电压。波形1615表示从大地到电路点122所测量的晶圆电压。波形1620表示通过偏置补偿电路114的电流。
波形1600示出突发的最后脉冲，并且电路在突发之后返回稳定状态。波形1600示出电极电压与晶圆电压之间的连续2kV偏移。偏移电压是卡夹电压，并且如所示保持连续2kV卡夹电压可以处于避免对晶圆的损坏所需的阈值内。
图17示出根据一些实施例的来自高电压功率系统的示例波形1700。波形1700是从产生正2kV偏置的高电压功率系统产生的(例如，偏移供电电压V1产生2kV)，并且输出具有6kV的峰值电压的信号。在该示例中，高电压开关(例如，高电压开关905)针对高电压功率系统得以包括，并且在脉冲发生器级正在发生脉冲的同时闭合，而且在脉冲发生器级并非正在发生脉冲的同时打开。
波形1705表示来自脉冲发生器级101的电压。波形1710表示从大地到电路点124所测量的电极电压。波形1715表示从大地到电路点122所测量的晶圆电压。波形1720表示通过偏置补偿电路114的电流。
波形1700示出突发内的所有脉冲。
图18示出根据一些实施例的来自高电压功率系统的示例波形1800。波形1700是从产生正2kV偏置的高电压功率系统产生的(例如，偏移供电电压V1产生2kV)，并且输出具有6kV的峰值电压的信号。在该示例中，不使用高电压开关(例如，高电压开关905)。在没有高电压开关赋能偏置补偿的情况下，波形1800表示在突发结束时恒定2kV卡夹电压并未得以保持。
波形1805表示来自脉冲发生器级101的电压。波形1810表示从大地到电路点124所测量的电极电压。波形1815表示从大地到电路点122所测量的晶圆电压。波形1820表示通过偏置补偿电路114的电流。
波形1800示出突发内的所有脉冲。
图19是根据一些实施例的具有等离子体负载的高电压功率系统1900的电路图。具有等离子负载的高电压功率系统1900与图5所示的具有等离子负载的高电压功率系统500相似。在该示例中，移除电阻输出级102，并且已经添加能量恢复电路1905。
在该示例中，能量恢复电路1905可以定位在变压器T1的次级侧上或与之电耦合。例如，能量恢复电路1905可以包括跨越变压器T1的次级侧的二极管1930(例如，撬棒(crowbar)二极管)。例如，能量恢复电路1905可以包括(按串联布置的)二极管1910和电感器1915，其可以允许电流从变压器T1的次级侧流动以对电源C7进行充电。二极管1910和电感器1915可以与变压器T1的次级侧和电源C7电连接。在一些实施例中，能量恢复电路1905可以包括与变压器T1的次级电耦合的二极管1935和/或电感器1940。电感器1940可以表示杂散电感，和/或可以包括变压器T1的杂散电感。
当纳秒脉冲发生器开启时，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1915。当纳秒脉冲发生器关闭时，电流可以从负载级106内的电容器流过电感器1915，以对电源C7进行充电，直到跨越电感器1915的电压为零。二极管1930可以防止负载级106内的电容器与负载级106或偏置补偿电路104中的电感成环。
例如，二极管1910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1915的值以控制电流下降时间。在一些实施例中，电感器1915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165可以包括开关，其可以用以控制通过电感器1915的电流的流动。例如，可以与电感器1915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1500)。
可以将能量恢复电路1905添加到具有等离子体负载的高电压功率系统700、具有等离子体负载的高电压功率系统900，具有等离子体负载的高电压功率系统1200，具有等离子体的高电压功率系统负载1300或具有等离子负载的高电压功率系统1400；和/或可以从这些电路中的任何一个移除电阻输出级102。
在一些实施例中，脉冲发生器级101可以包括高电压开关1500，其代替或补充脉冲发生器级101中示出的各种组件。在一些实施例中，使用高电压开关1500可以允许至少移除变压器T1和开关S1。
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。
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 (22)

1.一种高电压功率系统，包括：
高电压脉冲发生电源；
变压器，其与所述高电压脉冲发生电源电耦合；
输出，其与所述变压器电耦合，并且配置为输出具有大于1kV的幅度和大于1kHz的频率的高电压脉冲；和
偏置补偿电路，其布置为与所述输出并联，所述偏置补偿电路包括：
偏置补偿二极管；和
DC电源，其布置为与所述偏置补偿二极管串联。
2.如权利要求1所述的高电压功率系统，还包括偏置补偿电容器，其布置为至少跨越所述DC电源，所述偏置补偿电容器具有小于大约10μF的电容。
3.如权利要求1所述的高电压功率系统，其中，所述高电压脉冲发生电源包括纳秒脉冲发生器和变压器。
4.如权利要求1所述的高电压功率系统，其中，所述高电压电源包括：多个开关，其布置为串联的；和变压器。
5.如权利要求1所述的高电压功率系统，其中，所述偏置补偿电路包括高电压开关，其部署为跨越所述偏置补偿二极管，其中，所述高电压开关配置为当所述高电压脉冲发生电源正在发生脉冲时打开，并且其中，所述高电压开关配置为当所述高电压脉冲发生电源并未正在发生脉冲时闭合。
6.如权利要求5所述的高电压功率系统，其中，所述高电压开关包括多个开关，其布置为串联的。
7.如权利要求5所述的高电压功率系统，还包括电感器，其布置为与所述高电压开关串联，所述电感器具有小于大约1mH的电感。
8.如权利要求1所述的高电压功率系统，其中，所述输出耦合于与等离子体以电容方式耦合的电极。
9.一种高电压功率系统，包括：
高电压脉冲发生电源；
输出，其与所述高电压脉冲发生电源电耦合，并且配置为输出具有大于1kV的幅度和大于2kHz的脉冲重复频率的高电压脉冲；和
偏置补偿二极管；
DC电源，其布置为所述与偏置补偿二极管串联，所述偏置补偿二极管和所述DC电源布置为所述与输出并联；和
高电压开关，其耦合跨越所述偏置补偿二极管，其中，所述高电压开关配置为当所述高电压开关电源正在发生脉冲时关断，并且当所述高电压开关电源并非正在发生脉冲时开启。
10.如权利要求9所述的高电压功率系统，还包括偏置补偿电容器，其布置为至少跨越所述DC电源。
11.如权利要求9所述的高电压功率系统，其中，所述偏置补偿二极管、所述DC电源和所述高电压开关包括偏置补偿电路，其布置在所述高电压功率系统中跨越所述输出。
12.如权利要求9所述的高电压功率系统，其中，所述输出耦合于与等离子体以电容方式耦合的电极。
13.如权利要求9所述的高电压功率系统，其中，所述高电压开关配置为当所述高电压脉冲发生电源正在发生脉冲时打开，并且其中，所述高电压开关配置为当所述高电压脉冲发生电源并未正在发生脉冲时闭合。
14.如权利要求9所述的高电压功率系统，其中，所述DC电源提供-5kV至+5kV。
15.如权利要求9所述的高电压功率系统，其中，所述高电压开关包括缓冲电路。
16.如权利要求9所述的高电压功率系统，其中，所述高电压开关包括多个开关，其布置为串联的并且具有多个电压分配电阻器，以使得所述多个电压分配电阻器中的每个电压分配电阻器布置为跨越所述多个开关中的对应开关。
17.如权利要求9所述的高电压功率系统，其中，所述偏置补偿二极管配置为以10Hz至10kHz之间的频率传导10A至1kA之间的电流。
18.如权利要求9所述的高电压功率系统，还包括：偏置电容器，其与所述高电压脉冲发生电源和所述偏置补偿二极管电耦合，所述偏置电容器具有小于大约10μF的值。
19.如权利要求9所述的高电压功率系统，还包括电感器，其布置为与所述高电压开关串联，所述电感器具有小于大约1mH的电感。
20.如权利要求9所述的高电压功率系统，还包括电阻器，其布置为与所述高电压开关串联，所述电阻器具有小于大约1000mohm的电阻。
21.一种方法，包括：
打开偏置补偿开关，其布置为与DC电源串联，所述偏置补偿开关和所述DC电源布置为跨越负载；
以大于1kV的电压和大于20kHZ的脉冲重复频率使高电压电源发生脉冲到所述负载中；
闭合所述偏置补偿开关；以及
使所述高电压电源不发生脉冲。
22.如权利要求21所述的方法，其中，所述负载包括电极，其与等离子体以电容方式耦合。
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