CN116134171A - 使用开关模式偏置系统的表面电荷与功率反馈和控制 - Google Patents

Abstract

一种系统、方法和装置，用于调节等离子体室中的离子能量并避免在衬底表面上和在表面上构建的电容性结构内的过量的和破坏性的电荷累积。一种示例性方法包括将衬底放置在等离子体室中，在等离子体室中形成等离子体，可控地切换到衬底的功率以便将周期性电压函数(或修改的周期性电压函数)施加到衬底，以及响应于衬底的表面处的所限定的离子能量的分布，在周期性电压函数的多个周期上调制周期性电压函数，以便在时间平均的基础上实现所限定的离子能量的分布，并将表面电荷累积维持在阈值以下。

Description

使用开关模式偏置系统的表面电荷与功率反馈和控制

技术领域

本公开内容一般涉及等离子体处理。特别地，但不作为限制，本公开内容涉及用于在晶圆的等离子体处理期间监测和控制晶圆上的表面电荷的系统、方法和装置。

背景技术

在半导体处理期间晶圆上的表面电荷积聚可能影响等离子体处理的许多方面，包括器件损坏和蚀刻轮廓，以及图案化结构的尺寸完整性。例如，电荷累积可能导致芯片堆叠体内的电容耦合特征之间的电容击穿。作为另一示例，表面特征上的电荷累积可能使蚀刻工艺中使用的离子偏转，从而导致不期望的蚀刻或沉积轮廓(即，非垂直侧壁)。现有工艺使用离线经验数据累积和分析来识别可以在处理期间使用以采取校正动作的标志和其他触发。然而，这样的方法不是实时的，并且当实时处理条件与经验导出的模型有些差异时，容易出错。因此，需要更准确和实时地监测和控制表面电荷积聚。

发明内容

以下呈现了与本文公开的一个或多个方面和/或实施例有关的简化概述。因此，以下概述不应被认为是与所有预期方面和/或实施例相关的广泛综述，也不应认为以下概述标识了与所有预期方面和/或实施例相关的关键或重要元素或划定了与任何特定方面和/或实施例相关联的范围。相应地，以下概述的唯一目的是在以下给出的具体实施方式之前以简化形式呈现与涉及本文所公开的机制的一个或多个方面和/或实施例有关的某些概念。

在本公开内容的一方面，所谓的eV源使用开关模式电源与电流源、电压源或功率源配合，以生成修改的波形(例如，非对称周期性波形)，该修改的波形被提供给衬底以在等离子体处理室中的晶圆衬底上实现电荷累积和放电。波形可以包括从晶圆表面去除电荷的周期性电压阶跃或斜坡(例如，在每个反转的顶部与底部之间具有有限斜率的电压反转)，接着是施加到保持晶圆的卡盘的线性降低电压的周期。当电压阶跃或斜坡去除晶圆表面上的电荷累积时，线性降低电压的周期导致晶圆表面处的持续负电压(例如，轻微的电压斜率)，其将离子吸引到表面以进行处理。由于线性降低电压被控制，因此控制器还可以监测或控制该降低电压的斜率，并且该斜率提供“离子电流”I_I或从等离子体通过晶圆并进入eV源的电流的知识。

离子电流的知识以及监测离子电流I_I流动的时间提供了对电荷累积的准确估计，因为表面电荷积聚Q_i＝I_I*t。当表面电荷积聚Q_i超过阈值时，例如已知会导致表面电荷的结构损坏或其他不期望的影响的阈值，可以启动正电压反转(或电压斜率方向的急剧变化)以去除表面电荷累积。即，非对称周期性电压波形在电压反转之间具有线性降低电压的持续时间，并且该持续时间可以防止表面电荷积聚Q_i变得太大。因此，可以修改或控制电压反转的定时以实现特定的电荷去除或防止电荷超过阈值。

同时，由于电流和电压是已知的，因此控制器还具有对输送的功率的知识和控制，因为P＝I*V。

本公开内容的一些实施例可以表征为用于基于等离子体的处理的系统，该系统包括等离子体处理室、衬底支撑件和电源。等离子体处理室可以被配置为容纳包括离子的等离子体。衬底支撑件可以定位在等离子体处理室内并设置成支撑衬底。电源可以被配置为将非对称周期性电压函数提供给被配置为耦合到衬底支撑件的输出。非对称周期性电压函数可以具有正电压斜坡、第一负电压斜坡和第二负电压斜坡，第二负电压斜坡在第一负电压斜坡和下一正电压斜坡之间具有持续时间t₂。电源还可以包括离子电流补偿部件，该离子电流补偿部件被配置为基于在持续时间t₂期间监测电流或电压中的至少一个来获得等离子体处理室中的离子电流的测量值，并且还被配置为获得作为离子电流和持续时间t₂的函数的衬底上的表面电荷积聚Q_i的估计值。电源还可以包括开关控制器，该开关控制器被配置为调整持续时间t₂，以实现期望的表面电荷积聚Q_i，或者将表面电荷积聚Q_i保持在阈值以下。

本公开内容的其他实施例还可以表征为用于基于等离子体的处理的装置。该装置可以包括电源，该电源具有用于获得等离子体处理室中的离子电流的测量值的模块、用于获得表面电荷积聚Q_i的估计值的模块、以及用于调整波形的持续时间t₂的控制器。具体地，电源可以被配置为将非对称周期性电压函数提供给被配置为耦合到衬底支撑件的输出。非对称周期性电压函数可以具有正电压斜坡、第一负电压斜坡和第二负电压斜坡，第二负电压斜坡在第一负电压斜坡和下一正电压斜坡之间具有持续时间t₂。用于获得等离子体处理室中的离子电流的测量值的模块可以监测持续时间t₂期间的电流或电压中的至少一个。用于获得由衬底支撑件保持的衬底上的表面电荷积聚Q_i的估计值的模块可以作为离子电流I_i和持续时间t₂的函数来操作。控制器可以调整持续时间t₂以实现期望的电荷积聚Q_i，或者可以将表面电荷积聚Q_i保持在阈值以下。

本公开内容的一些实施例可以被表征为一种在等离子体处理室中偏置衬底的方法。该方法可以包括利用波形偏置，该波形包括(1)周期性正脉冲，以及(2)每个所述正脉冲之间的线性降低电压。线性降低电压可以持续达持续时间t₂，并且具有降低速率dv/dt。然后，该方法可以根据持续时间t₂期间的波形的电流测量值或根据降低速率dv/dt计算离子电流I_I。然后，该方法可以根据离子电流I_I计算在持续时间t₂期间累积的表面电荷积聚Q_i，并将表面电荷积聚Q_i与第一阈值进行比较。然后，当表面电荷积聚Q_i满足或超过第一阈值时，该方法可以改变持续时间t₂。

在实施例中，电源可以包括开关模式电源和离子电流补偿部件。电源可以包括至少两个开关部件，且至少两个开关部件可以包括耦合到DC电源的第一开关部件和耦合到地端子的第二开关部件。两个开关部件可以被配置为将DC电源的正DC电压和地端子交替地耦合到电源的输出，以在衬底的表面处实现离子能量的可控窄分布或单能量分布(例如，特定离子能量的单一集中)。至少两个开关部件可以处于半桥或全桥配置。

本公开内容的一些实施例可以被表征为用于提供电压的系统，并且可以包括等离子体处理室、衬底支撑件和电源。等离子体处理室可以被配置为容纳包括离子的等离子体。衬底支撑件可以定位在等离子体处理室内并设置成支撑衬底。电源可以被配置为向被配置为耦合到衬底支撑件的输出提供非对称周期性电压函数，非对称周期性电压函数具有正电压斜坡、第一负电压斜坡和第二负电压斜坡，第二负电压斜坡在第一负电压斜坡与下一个正电压斜坡之间具有持续时间t₂。电源可以包括离子电流补偿部件，该离子电流补偿部件被配置为基于在持续时间t₂期间监测电流或电压中的至少一个来获得等离子体处理室中的离子电流的测量值，并且还被配置为获得作为离子电流和持续时间t₂的函数的衬底上的表面电荷积聚Q_i的估计值。电源还可以包括开关控制器，该开关控制器被配置为调整持续时间t₂，以实现期望的表面电荷积聚Q_i，或将表面电荷积聚Q_i保持在阈值以下。

本公开内容的其他实施例可以被表征为一种用于提供电压的装置且可以包括电源。电源可以被配置为向被配置为耦合到衬底支撑件的输出提供非对称周期性电压函数，非对称周期性电压函数具有正电压斜坡、第一负电压斜坡和第二负电压斜坡，第二负电压斜坡在第一负电压斜坡与下一个正电压斜坡之间具有持续时间t₂。电源可以包括基于在持续时间t₂期间监测电流或电压中的至少一个来获得等离子体处理室中的离子电流的测量值的模块。电源可以包括用于获得作为离子电流和持续时间t₂的函数的由衬底支撑件保持的衬底上的表面电荷积聚Q_i的估计值的模块。电源可以被配置为调整持续时间t₂，以实现期望的表面电荷积聚Q_i，或者将表面电荷积聚Q_i保持在阈值以下。

本公开内容的其他实施例可以被表征为非暂时性有形处理器可读存储介质，其编码有处理器可执行代码以执行用于提供电压的方法。该方法可以包括在等离子体处理室中偏置衬底，偏置的波形包括：(1)周期性正脉冲，和(2)在每个所述正脉冲之间的线性降低电压，其持续达持续时间t₂，并且具有降低速率dv/dt。该方法还可以包括根据持续时间t₂期间的波形的电流测量值或根据降低速率dv/dt计算离子电流I_I。该方法还可以进一步包括根据离子电流I_I计算在持续时间t₂期间累积的表面电荷积聚Q_i。该方法还可以包括将表面电荷积聚Q_i与第一阈值进行比较。该方法可以另外包括当表面电荷积聚Q_i满足或超过第一阈值时改变持续时间t₂。

附图说明

当结合附图时，通过参考以下具体实施方式和所附权利要求，本公开内容的各种目的和优点以及更完整的理解是显而易见的并且更容易理解：

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是示出图1中示出的开关模式功率系统的示例性实施例的框图；

图3是可以用于实现参考图2描述的开关模式偏置电源的部件的示意图；

图4是示出两个驱动信号波形的时序图；

图5是操作开关模式偏置电源的单一模式的图形表示，其实现集中在特定离子能量处的离子能量分布；

图6是示出其中生成离子能量分布中的两个单独峰值的双模态操作模式的曲线图；

图7A和图7B是示出在等离子体中得到的实际直接离子能量测量值的曲线图；

图8是示出本发明的另一实施例的框图；

图9A是示出由正弦调制函数调制的示例性周期性电压函数的曲线图；

图9B是图9A中示出的周期性电压函数的一部分的分解图；

图9C示出了由周期性电压函数的正弦调制产生的基于时间平均的离子能量的所得分布；

图9D示出了当由正弦调制函数调制周期性电压函数时，在所得的时间平均的等离子体IEDF中得到的实际直接离子能量测量值；

图10A示出了由锯齿调制函数调制的周期性电压函数；

图10B是图10A中示出的周期性电压函数的一部分的分解图；

图10C是示出由图10A和图10B中的周期性电压函数的正弦调制产生的基于时间平均的所得离子能量分布的曲线图；

图11是示出右列中的IEDF函数和左列中的相关调制函数的曲线图；

图12是示出其中离子电流补偿部件补偿等离子体室中的离子电流的实施例的框图；

图13是示出示例性离子电流补偿部件的图；

图14是示出图13中示出的节点V_out处的示例性电压的曲线图；

图15A-15C是响应于补偿电流而出现在衬底或晶圆的表面处的电压波形；

图16是电流源的示例性实施例，其可以被实施以实现参考图13描述的电流源；

图17A和图17B是示出本发明的其他实施例的框图；

图18是示出本发明的又一实施例的框图；

图19是示出本发明的再一实施例的框图；

图20是可以结合参考图1-19描述的实施例使用的输入参数和控制输出的框图；

图21是示出本发明的又一实施例的框图；

图22是示出本发明的又一实施例的框图；

图23是示出本发明的又一实施例的框图；

图24是示出本发明的又一实施例的框图；

图25是示出本发明的又一实施例的框图；

图26是示出本发明的又一实施例的框图；

图27是示出本发明的又一实施例的框图；

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方法；

图30示出了控制撞击衬底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示出根据本公开内容的一个实施例的输送到衬底支撑件的两个修改的周期性电压函数波形；

图33示出了可以指示等离子体源不稳定性或等离子体密度变化的离子电流波形；

图34示出了具有非循环形状的修改的周期性电压函数波形的离子电流I_I；

图35示出了可以指示偏置电源内的故障的修改的周期性电压函数波形；

图36示出了可以指示系统电容的动态变化的修改的周期性电压函数波形；

图37示出了可以指示等离子体密度变化的修改的周期性电压函数波形；

图38示出了用于不同工艺运行的离子电流的采样，其中离子电流的漂移可以指示系统漂移；

图39示出了针对不同工艺参数的离子电流的采样；

图40示出了在室中没有等离子体的情况下监测的两个偏置波形；

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示出了多个电源电压和离子能量曲线图，其展示了电源电压和离子能量之间的关系；

图43示出了控制撞击衬底表面的离子的离子能量分布的方法的一个实施例；

图44示出了本文公开的系统中的不同点处的各种波形；

图45示出了在离子电流补偿I_C中进行最终增量变化以使其与离子电流I_I匹配的效果；

图46示出了离子能量的选择；

图47示出了离子能量分布函数宽度的选择和扩展；

图48示出了可以用于实现多于一个离子能级的电源电压V_PS的一种模式，其中每个离子能级具有窄的IEDF宽度；

图49示出了可以用于实现多于一个离子能级的电源电压V_PS的另一模式，其中每个离子能级具有窄的IEDF宽度；以及

图50示出了电源电压V_PS和离子电流补偿I_C的一种组合，其可以用于产生限定的IEDF；

图59是示出示例性控制系统的各方面的图；

图60是示出示例性偏置电源的各方面的示图；

图61包括从偏置电源输出的电压波形的曲线图；对应鞘电压(sheath voltage)的曲线图；以及对应开关时序图；

图62是示出示例性偏置电源波形和示例性电压值的曲线图；以及

图63A示出了使用两个电压源向图52中示出的偏置电源提供电压的实施方式；

图63B示出了使用两个电压源向图52中示出的偏置电源提供电压的另一实施方式；

图63C示出了使用两个电压源向图52中示出的偏置电源提供电压的又一实施方式；

图64A示出了使用三个电压源向图52中示出的偏置电源提供电压的实施方式；

图64B示出了使用三个电压源向图52中示出的偏置电源提供电压的另一实施方式；

图64C示出了使用三个电压源向图52中示出的偏置电源提供电压的又一实施方式；

图65是示出与控制系统相关的示例性偏置电源的各方面的图；

图66示出了用于操作等离子体处理系统的方法，其中可以控制衬底表面上的表面电荷积聚；

图67示出了用于操作等离子体处理系统的另一种方法，其中可以控制衬底表面上的表面电荷积聚；

图68示出了等离子体处理系统的电源的时序图，其中可以调整持续时间t₂以控制表面电荷积聚Q_i；以及

图69展示了示出根据示例性实施例的可以用于实现用于操作或制造本文公开的远程等离子体源的设备的物理部件的框图。

具体实施方式

图1中大体示出了等离子体处理系统的示例性实施例。如图所示，等离子体电源102耦合到等离子体处理室104，并且开关模式电源106耦合到支撑件108，衬底110在室104内搁置在支撑件108上。还示出了耦合到开关模式电源106的控制器112。

在该示例性实施例中，等离子体处理室104可以由基本上常规构造的室实现(例如，包括由一个或多个泵(未示出)抽空的真空罩)。并且，如本领域普通技术人员将理解的，室104中的等离子体激发可以通过各种源中的任何一种，包括例如螺旋型等离子体源，其包括磁线圈和天线以激发并维持反应器中的等离子体114，并且可以提供气体入口以将气体引入室104。

如图所示，示例性等离子体室104被布置和配置为利用衬底110的高能离子轰击和其他等离子体处理(例如，等离子体沉积和等离子体辅助离子注入)来执行材料的等离子体辅助蚀刻。该实施例中的等离子体电源102被配置为经由匹配网络(未示出)以一个或多个频率(例如13.56MHz)向室104施加功率(例如RF功率)，以便激发并维持等离子体114。应当理解，本发明不限于任何特定类型的等离子体电源102或源来将功率耦合到室104，并且各种频率和功率电平可以电容或电感耦合到等离子体114。

如图所示，待处理的电介质衬底110(例如，半导体晶圆)至少部分地由支撑件108支撑，支撑件108可以包括常规晶圆卡盘(例如，用于半导体晶圆处理)的一部分。支撑件108可以形成为在支撑件108和衬底110之间具有绝缘层，其中衬底110电容耦合到平台，但是可以以与支撑件108不同的电压浮置。

如上所述，如果衬底110和支撑件108是导体，则可以向支撑件108施加不变的电压，并且作为通过衬底110的导电的结果，施加到支撑件108的电压也施加到衬底110的表面。

然而，当衬底110是电介质时，向支撑件108施加不变的电压对于在衬底110的处理表面上施加电压是无效的。因此，示例性开关模式电源106被配置为受控制以便在衬底110的表面上实现电压，该电压能够吸引等离子体114中的离子以与衬底110碰撞，以便执行衬底110的受控蚀刻和/或沉积，和/或其他等离子体辅助工艺。

此外，如本文进一步讨论的，开关模式电源106的实施例被配置为进行操作，使得由等离子体电源102施加(到等离子体114)的功率与由开关模式电源106施加到衬底110的功率之间存在非实质的相互作用。例如，由开关模式电源106施加的功率是可控的，以便能够控制离子能量而基本上不影响等离子体114的密度。

此外，图1中示出的示例性开关模式电源106的许多实施例通过可以由相对简单的控制算法控制的相对便宜的部件来实现。并且与现有技术方法相比，开关模式电源106的许多实施例效率高得多；因此，降低了与去除过量热能相关联的能量成本和昂贵的材料。

一种用于将电压施加到电介质衬底的已知技术利用高功率线性放大器结合复杂的控制方案来将功率施加到衬底支撑件，这在衬底的表面处感应出电压。然而，这种技术还没有被商业实体采用，因为它没有被证明是成本有效的，也没有被证明是充分可管理的。特别地，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，线性放大器本质上需要AC耦合(例如，阻塞电容器)，并且利用并联馈电电路实现诸如夹持的辅助功能，这损害了用于具有卡盘的源的系统的AC频谱纯度。

已经考虑的另一种技术是向衬底施加高频功率(例如，利用一个或多个线性放大器)。然而，已经发现这种技术不利地影响等离子体密度，因为施加到衬底的高频功率影响等离子体密度。

在一些实施例中，图1中示出的开关模式电源106可以通过降压、升压和/或降压-升压型功率技术来实现。在这些实施例中，可以控制开关模式电源106以施加不同电平的脉冲功率，从而在衬底110的表面上感应出电位。

在其他实施例中，开关模式电源106通过其他更复杂的开关模式功率和控制技术来实现。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实现，开关模式偏置电源206用于向衬底110施加功率以实现轰击衬底110的一个或多个期望的离子能量。还示出了离子能量控制部件220、电弧检测部件222和控制器212，控制器212耦合到开关模式偏置电源206和波形存储器224两者。

这些部件的所示布置是逻辑的；因此，部件可以在实际实施方式中组合或进一步分离，并且部件可以以各种方式连接而不改变系统的基本操作。在一些实施例中，例如，可以利用可以由硬件、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。然而，在替代实施例中，电源202和开关模式偏置电源206由完全分离的功能单元实现。作为另一示例，控制器212、波形存储器224、离子能量控制部分220和开关模式偏置电源206可以集成到单个部件中(例如，驻留在公共壳体中)，或者可以分布在分立部件之中。

该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向支撑件208施加电压，以便实现轰击衬底表面的期望(或限定)的离子能量分布。更具体地，开关模式偏置电源206被配置为通过以特定功率电平将一个或多个特定波形施加到衬底来实现期望(或限定)的离子能量分布。并且更具体地，响应于来自离子能量控制部分220的输入，开关模式偏置电源206施加特定的功率电平以实现特定的离子能量，并且使用由波形存储器224中的波形数据限定的一个或多个电压波形来施加特定的功率电平。因此，可以用离子控制部分选择一个或多个特定的离子轰击能量，以执行衬底的受控蚀刻(或其他形式的等离子体处理)。

如图所示，开关模式电源206包括开关部件226′、226″(例如，高功率场效应晶体管)，其适于响应于来自对应驱动部件228′、228″的驱动信号而切换送至衬底210的支撑件208的功率。并且由驱动部件228′、228″生成的驱动信号230′、230″由控制器212基于由波形存储器224的内容限定的定时来控制。例如，在许多实施例中，控制器212适于解释波形存储器的内容并生成驱动控制信号232′、232″，驱动部件228′、228″利用驱动控制信号232′、232″来控制到开关部件226′、226″的驱动信号230′、230″。尽管出于示例性目的示出了可以以半桥配置(或全桥)布置的两个开关部件226'、226″，但是当然可以设想，可以在各种架构(例如，H桥配置)中实现更少或附加的开关部件。

在许多操作模式中，控制器212(例如，使用波形数据)调制驱动控制信号232'、232″的定时，以在衬底210的支撑件208处实现期望的波形。此外，开关模式偏置电源206适于基于离子能量控制信号234向衬底210提供功率，离子能量控制信号234可以是DC信号或时变波形。因此，本实施例能够通过控制到开关部件的定时信号并控制由开关部件226'、226″施加的功率(由离子能量控制部件220控制)来实现对离子分布能量的控制。

另外，该实施例中的控制器212被配置为响应于由电弧检测部件222检测到等离子体室204中的电弧而执行电弧管理功能。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”，使得在开关模式偏置电源206的输出236处施加的波形熄灭等离子体214中的电弧。在其他实施例中，控制器212通过简单地中断驱动控制信号232'、232”的施加来熄灭电弧，使得中断在开关模式偏置电源206的输出236处的功率施加。

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的部件的示意图。如图所示，该实施例中的开关部件T1和T2以半桥(也称为或图腾柱)型拓扑布置(尽管在不脱离本公开内容的精神的情况下全桥配置也是可能的)。总的来说，R2、R3、C1和C2表示等离子体负载，C10是有效电容(在本文中也称为串联电容或卡盘电容)，并且C3是可选的物理电容器，以防止来自衬底表面上感应的电压或来自静电卡盘(未示出)的电压的DC电流流过电路。C10被称为有效电容，因为它包括衬底支撑件和静电卡盘(或e-卡盘)的串联电容(或也被称为卡盘电容)以及施加偏置所固有的其他电容(诸如绝缘体和衬底)。如图所示，L1是杂散电感(例如，将功率馈送到负载的导体的自然电感)。并且在该实施例中，存在三个输入：Vbus、V2和V4。

V2和V4表示驱动信号(例如，由参考图2描述的驱动部件228'、228”输出的驱动信号230'、230”)，并且在该实施例中，V2和V4可以被定时(例如，开关脉冲和/或互延迟的长度)，使得可以调制T1和T2的闭合以控制施加到衬底支撑件的电压输出V_out的形状。在许多实施方式中，用于实现开关部件T1和T2的晶体管不是理想开关，因此为了达到期望的波形，考虑晶体管特定的特性。在许多操作模式中，简单地改变V2和V4的定时使得能够在V_out处施加期望的波形。

例如，可以操作开关T1、T2，使得衬底110、210的表面处的电压通常是负的，其中周期性电压反转接近和/或略微超过正电压参考值。衬底110、210的表面处的电压的值限定了离子的能量，其可以用离子能量分布函数(IEDF)来表征。为了在衬底110、210的表面处实现一个或多个期望的电压，V_out处的波形部分可以是大致矩形的(或具有如图61-62所示的斜坡边)，并且具有足够长的宽度以在衬底110、210的表面处感应出短暂的正电压，从而将足够的电子吸引到衬底110、210的表面，以便实现一个或多个期望的电压和对应的离子能量。

接近和/或稍微超过正电压参考值的周期性电压反转可以具有由开关T1、T2的开关能力限制的最小时间。只要电压不达到损坏开关的水平，电压的通常为负的部分就可以延伸。在一些实施例中，可以基于离子的鞘渡越时间(sheath transit time)来选择电压的负部分的长度。

在该实施例中，Vbus限定波形部分的测量的V_out的幅度，该波形部分限定衬底表面处的电压，并且因此限定离子能量。再次简要参考图2，Vbus可以耦合到离子能量控制部分，这可以通过适于将DC信号或时变波形施加到Vbus的DC电源来实现。

可以调制两个信号V2、V4的开关脉冲宽度、开关脉冲形状和/或互延迟，以在V_out处达到期望的波形(在本文中也称为修改的周期性电压函数)，并且施加到Vbus的电压可以影响开关脉冲的特性。即，电压Vbus可以影响信号V2、V4的开关脉冲宽度、开关脉冲形状和/或相对相位。简要地参考图4，例如，展示了示出可以施加到T1和T2(作为V2和V4)以便在V_out处生成周期性电压函数的两个驱动信号波形的时序图，如图4所示。为了调制V_out处的波形部分的形状(例如，为了实现V_out处的开关脉冲的最小时间，但达到电压波形的峰值)，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，因此在V_out处施加每个开关脉冲的时间与开关脉冲之间的时间T相比可以较短，但又足够长以在衬底110、210的表面处感应正电压以将电子吸引到衬底110、210的表面。此外，已经发现，通过改变开关脉冲之间的栅极电压电平，可以控制波形部分之间的施加到V_out的电压的斜率(例如，以在电压反转之间在衬底表面处实现持续或基本上恒定的电压)。在一些操作模式中，栅极脉冲的重复率为约400kHz，但是该重复率当然可以根据不同应用而变化。波形部分可以被限定为例如图9b和图10b中的平坦电压区域之间的上升部分，或者图14中的t₁期间的部分(在图14中波形部分包括第一部分1402、第二部分1404和第三部分1406)，或者图61中的t₁期间的部分(在图61中波形部分包括第一部分6160、第二部分6162和第三部分6164)。

尽管不是必需的，但是在实践中，基于在实际实施时的建模和细化，可以限定可以用于生成期望的(或限定的)离子能量分布的波形，并且可以存储波形(例如，在参考图1描述的波形存储器部分中作为电压电平的序列)。此外，在许多实施方式中，可以直接生成波形(例如，没有来自V_out的反馈)；因此避免了反馈控制系统的不期望的方面(例如，稳定时间)。

再次参考图3，可以调制Vbus以控制离子的能量，并且存储的波形可以用于控制栅极驱动信号V2、V4，以在V_out处实现期望的波形幅度，同时使开关脉冲宽度最小。同样，这是根据晶体管的特定特性来完成的，该特定特性可以被建模或实施并凭经验建立。参考图5，例如，展示了示出Vbus对时间、衬底110、210的表面处的电压对时间、以及对应的离子能量分布的曲线图。

图5中的曲线图示出操作开关模式偏置电源106、206的单一模式，其实现了集中于特定离子能量的离子能量分布。如图所示，在该示例中，为了实现单一集中的离子能量，在控制施加到V2和V4的电压(例如，使用图3中所示的驱动信号)的同时，在Vbus处施加的电压保持恒定，以便在开关模式偏置电源106、206的输出处生成脉冲，这实现了图5中所示的对应离子能量分布。

如图5所示，衬底110、210的表面处的电位通常是负的，以吸引轰击并蚀刻衬底110、210的表面的离子。施加到衬底110、210(通过将脉冲施加到V_out)的周期性短脉冲具有由施加到Vbus的电位限定的幅度，并且这些脉冲引起衬底110、210的电位的短暂变化(例如，接近正电位或略微为正的电位)，这将电子吸引到衬底的表面以实现沿着衬底110、210的表面的大致负电位。如图5所示，施加到Vbus的恒定电压在特定离子能量下实现单一集中的离子通量，因此可以通过简单地将Vbus设置为特定电位来选择特定的离子轰击能量，在其他操作模式中，可以产生两个或更多个单独集中的离子能量(例如，参见图49)。

本领域技术人员将认识到，电源不必限于开关模式电源，并且因此也可以控制电源的输出以便实现一定的离子能量。因此，当在不与离子电流补偿或离子电流组合的情况下考虑时，电源的输出(无论是开关模式还是其他模式)也可以被称为电源电压V_PS。该电源电压V_PS也等于图14和图61中的电压降ΔV。

接下来参考图6，例如，展示了示出双模态操作模式的曲线图，其中生成了离子能量分布中的两个单独的峰值。如图所示，在这种操作模式中，衬底经历两个不同电平的电压和周期性脉冲，并且因此，产生两个单独集中的离子能量。如图所示，为了实现两个不同的离子能量集中，施加在Vbus处的电压在两个电平之间交替，并且每个电平限定两个离子能量集中的能量水平。

尽管图6将衬底110、210处的两个电压示出为在每个脉冲之后交替(例如，图48)，但这当然不是必需的。例如，在其他操作模式中，施加到V2和V4的电压相对于施加到V_out的电压切换(例如，使用图3中示出的驱动信号)，使得在衬底表面处的感应电压在两个或更多个脉冲之后从第一电压交替到第二电压(反之亦然)(例如，图49)。

在现有技术中，已经尝试将两个波形(由波形发生器生成)的组合施加到线性放大器，并将两个波形的放大组合施加到衬底，以便实现多个离子能量。然而，这种方法比参考图6描述的方法复杂得多，并且需要昂贵的线性放大器和波形发生器。

接下来参考图7A和图7B，展示了示出在等离子体中进行的实际直接离子能量测量值的曲线图，其分别对应于施加到Vbus的DC电压的可控窄单能量和双电平调节。如图7A中所示出，离子能量分布响应于电压到Vbus的非变化施加而集中在80eV附近(例如，如图5中所示出的)。且在图7B中，响应于Vbus的双电平调节，两个单独集中的离子能量存在于约85eV和115eV处(例如，如图6中所示出的)。

接下来参考图8，展示了示出本发明的另一实施例的框图。如图所示，开关模式电源806经由电弧检测部件822耦合到控制器812、离子能量控制部件820和衬底支撑件808。控制器812、开关模式电源806和离子能量控制部件820共同操作以将功率施加到衬底支撑件808，以便在时间平均的基础上实现衬底810的表面处的期望的(或所限定的)离子能量分布。

简要地参考图9A，例如，示出了具有约400kHz的频率的周期性电压函数，其在周期性电压函数的多个周期上由约5kHz的正弦调制函数调制。图9B是在图9A中圈出的周期性电压函数的部分的分解图，并且图9C示出了由周期性电压函数的正弦调制产生的基于时间平均的离子能量的所得分布。并且图9D示出了当由正弦调制函数调制周期性电压函数时，在所得的时间平均IEDF的等离子体中进行的实际直接离子能量测量值。如本文进一步讨论的，可以通过简单地改变施加到周期性电压的调制函数来实现在时间平均的基础上实现期望的(或所限定的)离子能量分布。

参考图10A和图10B，作为另一示例，通过大约5kHz的锯齿调制函数调制400kHz周期性电压函数，以在时间平均的基础上得到图10C中示出的离子能量分布。如图所示，结合图10使用的周期性电压函数与图9中的相同，除了图10中的周期性电压函数由锯齿函数而不是正弦函数调制。

应当认识到，图9C和图10C中示出的离子能量分布函数不表示衬底810的表面处的离子能量的瞬时分布，而是表示离子能量的时间平均值。参考图9C，例如，在特定时刻，离子能量的分布将是在调制函数的完整周期的过程中存在的所示出的离子能量分布的子集。

还应当认识到，调制函数不需要是固定函数，也不需要是固定频率。例如，在一些情况下，可能希望用特定调制函数的一个或多个周期调制周期性电压函数以实现特定的时间平均离子能量分布，并且然后用另一调制函数的一个或多个周期调制周期性电压函数以实现另一个时间平均离子能量分布。在许多情况下，对调制函数(其调制周期性电压函数)的这种改变可能是有益的。例如，如果需要离子能量的特定分布来蚀刻特定几何构造或蚀刻穿过特定材料，则可以使用第一调制函数，并且然后可以随后使用另一调制函数来实现不同的蚀刻几何形状或蚀刻穿过另一种材料。

类似地，周期性电压函数(例如，图9A、图9B、图10A和图10B中的400kHz分量以及图4中的V_out)不需要被严格地固定(例如，周期性电压函数的形状和频率可以变化)；在一些实施例中，可以通过离子穿过鞘的传输时间来建立频率，因此离子的加速受到以期望的方式施加到衬底810的电压的影响。

返回参考图8，控制器812向开关模式电源806提供驱动控制信号832'、832”，使得开关模式电源806生成周期性电压函数。开关模式电源806可以由图3中示出的部件来实现(例如，以产生图4中示出的周期性电压函数)，但是当然可以设想，可以利用其他开关架构。

通常，离子能量控制部件820用于将调制函数施加到周期性电压函数(其由控制器812结合开关模式电源806生成)。如图8所示，离子能量控制部件820包括与定制IEDF部分850、IEDF函数存储器848、用户接口846和功率部件844通信的调制控制器840。应当认识到，这些部件的图示旨在传达功能部件，其实际上可以由共同或不同的部件来实现。

该实施例中的调制控制器840通常基于限定调制函数的数据来控制功率部件844(并因此控制其输出834)，并且功率部件844(基于来自调制控制器840的控制信号842)生成调制函数834，调制函数834被施加到由开关模式电源806生成的周期性电压函数。该实施例中的用户接口846被配置为使得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，或者结合定制IEDF部件850来限定定制IEDF。

在许多实施方式中，功率部件844包括DC电源(例如，DC开关模式电源或线性放大器)，其将调制函数(例如，变化的DC电压)施加到开关模式电源(例如，施加到图3中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控制由功率部件844输出的电压电平，使得功率部件844施加符合调制函数的电压。

在一些实施方式中，IEDF函数存储器848包括与多个IEDF分布函数中的每一个对应的多个数据集，并且用户接口846使得用户能够选择期望的(或限定的)IEDF函数。例如，参考图11，右列中示出了可供用户选择的示例性IEDF函数。并且左列示出了调制控制器840结合功率部件844将施加到周期性电压函数以实现对应的IEDF函数的相关联的调制函数。应当认识到，图11中示出的IEDF函数仅是示例性的，并且其他IEDF函数可用于选择。

定制IEDF部件850通常用于使用户能够经由用户接口846限定期望的(或限定的)离子能量分布函数。在一些实施方式中，例如，定制IEDF部件850使得用户能够建立用于限定离子能量分布的特定参数的值。

例如，定制IEDF部件850可以使得能够结合限定这些能量水平之间的IEDF的(一个或多个)函数，根据高水平(IF-高)、中水平(IF-中)和低水平(IF-低)处的通量的相对水平(例如，根据通量的百分比)来限定IEDF函数。在许多情况下，仅IF-高、IF-低和这些水平之间的IEDF函数就足以限定IEDF函数。作为具体示例，用户可以请求处于20％贡献水平(对总IEDF的贡献)的1200eV，处于30％贡献水平的700eV，并且在这两个水平之间具有正弦IEDF。

还可以设想，定制IEDF部件850可以使用户能够用一个或多个(例如，多个)能量水平以及每个能量水平对IEDF的相应百分比贡献的列表来填充表。并且在又一替代实施例中，可以设想，与用户接口846结合的定制IEDF部件850使得用户能够通过向用户呈现使得用户能够绘制期望的(或限定的)IEDF的图形工具来图形地生成期望的(或限定的)IEDF。

另外，还可以设想，IEDF函数存储器848和定制IEDF部件850可以互操作以使用户能够选择预定义的IEDF函数，并且然后改变预定义的IEDF函数，以便产生从预定义的IEDF函数导出的定制IEDF函数。

一旦限定了IEDF函数，调制控制器840就将限定期望的(或限定的)IEDF函数的数据转换成控制信号842，控制信号842控制功率部件844，使得功率部件844实现对应于期望的(或限定的)IEDF的调制函数。例如，控制信号842控制功率部件844，使得功率部件844输出由调制函数限定的电压。

接下来参考图12，其是示出其中离子电流补偿部件1260补偿等离子体室1204中的离子电流的实施例的框图。申请人已经发现，在较高能量水平下，室内的较高水平的离子电流影响衬底表面处的电压，并且因此，离子能量分布也受到影响。简要地参考例如图15A-15C，示出了当它们出现在衬底1210或晶圆的表面处时的电压波形以及它们与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I_C时衬底1210的表面处的周期性电压函数；图15B示出了当离子电流I_I大于补偿电流I_C时衬底1210的表面处的电压波形；并且图15C示出了当离子电流小于补偿电流I_C时衬底表面处的电压波形。

如图15A所示，当I_I＝I_C时，与如图15B所示的当I_I>I_C时的离子能量的均匀扩展1472或如图15C所示的当I_I<I_C时的离子能量的均匀扩展1474相比，离子能量的扩展1470相对较窄。因此，当离子电流高时(例如，通过补偿离子电流的影响)，离子电流补偿部件1260能够实现离子能量的窄扩展，并且还能够控制均匀离子能量的扩展1572、1574的宽度(例如，当期望具有离子能量的扩展时)。

如图15B所示，在没有离子电流补偿的情况下(当I_I>I_C时)，衬底表面处的在周期性电压函数的正部分之间的电压以斜坡状方式变得不太负，这产生离子能量的更宽扩展1572。类似地，如图15C所示，当利用离子电流补偿将补偿电流的水平增加到超过离子电流(I_I<I_C)的水平时，衬底表面处的电压在周期性电压函数的正部分之间以斜坡状方式变得更负，并且产生均匀离子能量的更宽扩展1574。

返回参考图12，离子电流补偿部件1260可以实现为单独的附件，其可以可选地添加到开关模式电源1206和控制器1212。在其他实施例中，(例如，如图13所示)，离子电流补偿部件1260可以与本文所述的其他部件(例如，开关模式电源106、206、806、1206和离子能量控制部件220、820)共享公共壳体1366。在该实施例中，提供给等离子体室1204的周期性电压函数可以被称为修改的周期性电压函数，因为它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性电压函数。控制器1212可以在开关模式电源1206的输出和离子电流补偿1260组合的电节点处在不同时间对电压进行采样。

如图13所示，示出了示例性离子电流补偿部件1360，其包括耦合到开关模式电源的输出1336的电流源1364和耦合到电流源1364与输出1336两者的电流控制器1362。图13中还示出了等离子体室1304，并且在等离子体室内是电容元件C₁、C₂和离子电流I_I。如图所示，C₁表示与室1304相关联的部件的固有电容(在本文中也称为有效电容)，这些部件可以包括但不限于绝缘体、衬底、衬底支撑件和e-卡盘，并且C₂表示鞘电容和杂散电容。在该实施例中，提供给等离子体室1304并且在V_out处可测量的周期性电压函数可以被称为修改的周期性电压函数，因为它包括由离子电流补偿I_C修改的周期性电压函数。

鞘(在本文中也称为等离子体鞘)是等离子体中靠近衬底表面并且可能靠近等离子体处理室的壁的层，其具有高密度的正离子并且因此具有总体过量的正电荷。与鞘接触的表面通常具有负电荷的优势。由于电子的速度比正离子快而产生鞘，因此导致更大比例的电子到达衬底表面或壁，从而使鞘耗尽电子。鞘厚度λ_鞘是等离子体特性(如等离子体密度和等离子体温度)的函数。

应注意，因为该实施例中的C₁是与室1304相关联的部件的固有(在本文中也称为有效)电容，所以它不是被添加以获得处理控制的可访问电容。例如，利用线性放大器的一些现有技术方法利用阻塞电容器将偏置功率耦合到衬底，并且然后利用阻塞电容器两端的监测电压作为反馈来控制它们的线性放大器。尽管在本文公开的许多实施例中，电容器可以将开关模式电源耦合到衬底支撑件，但是这样做是不必要的，因为在本公开内容的若干实施例中不需要使用阻塞电容器的反馈控制。

在参考图13时，同时参考图14，图14是示出图13中示出的V_out处的示例性电压(例如，修改的周期性电压函数)的曲线图。在操作中，电流控制器1362监测V_out处的电压，并且在间隔t(图14中示出)内计算离子电流，如下：

离子电流I_I和固有电容(也称为有效电容)C₁可以任一个是时变的或两者都是时变的。因为C₁对于给定工具基本上是恒定的并且是可测量的，所以仅需要监测V_out以实现对补偿电流的持续控制。如上文所论述，为了获得离子能量的更单能分布(例如，如图15A中所示出)，电流控制器控制电流源1364，使得I_C与I_I大体上相同(或在替代方案中，根据等式2相关)。以这种方式，即使当离子电流达到影响衬底表面处的电压的水平时，也可以保持离子能量的窄扩展。此外，如果需要，可以如图15B和图15C所示控制离子能量的扩展，使得在衬底的表面处实现额外的离子能量。

图13中还示出了反馈线1370，其可以与控制离子能量分布结合使用。例如，图14中示出的ΔV的值(在本文中也称为电压阶跃或第三部分1406)指示瞬时离子能量，并且在许多实施例中可以用作反馈控制回路的一部分。在一个实施例中，根据等式4，电压阶跃ΔV与离子能量相关。在其他实施例中，峰值到峰值电压V_PP可以与瞬时离子能量相关。可替换地，峰值到峰值电压V_PP与第四部分1408的斜率dV₀/dt乘以时间t的乘积之间的差可以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的示例性实施例，其可以被实施为实现参考图13描述的电流源1364。在该实施例中，与串联电感器L2连接的可控负DC电压源用作电流源，但是根据本说明书，本领域普通技术人员将理解，电流源可以通过其他部件和/或配置来实现。

图43示出了控制撞击衬底表面的离子的离子能量分布的方法的一个实施例。方法4300开始于将修改的周期性电压函数4302(参见图44中的修改的周期性电压函数4402)施加到等离子体处理室内的支撑衬底的衬底支撑件。修改的周期性电压函数可以经由至少两个“旋钮”来控制，诸如离子电流补偿I_C(参见图44中的I_C 4404)和电源电压V_PS(参见图44中的电源电压4406)。用于生成电源电压的示例性部件是图1中的开关模式电源106。为了帮助解释电源电压V_PS，其在本文中被示出为好像在没有耦合到离子电流和离子电流补偿的情况下被测量。然后以离子电流补偿I_C的第一和第二值对修改的周期性电压函数进行采样4304。对于离子电流补偿I_C的每个值，获取修改的周期性电压函数的电压的至少两个样本。执行采样4304以便能够计算4306(或确定)离子电流I_I和鞘电容C_鞘4306。这样的确定可以涉及找到离子电流补偿I_C，该离子电流补偿I_C如果被施加到衬底支撑件(或在被施加到衬底支撑件时)则将生成窄的(例如，最小的)离子能量分布函数(IEDF)宽度。计算4306还可以可选地包括基于修改的周期性电压函数的波形的采样4304来确定电压阶跃ΔV(也称为修改的周期性电压函数1406的第三部分)。电压阶跃ΔV可以与到达衬底表面的离子的离子能量有关。当首次找到离子电流I_I时，可以忽略电压阶跃ΔV。采样4304和计算4306的细节将在下面的图30的讨论中提供。

一旦已知离子电流I_I和鞘电容C_鞘，方法4300就可以移动到图31的方法3100，其涉及设置和监测离子能量和IEDF的形状(例如，宽度)。例如，图46示出了电源电压的变化如何影响离子能量的变化。特别地，所示的电源电压的量值减小，导致离子能量的量值减小。另外，图47示出了给定窄的IEDF 4714，可以通过调整离子电流补偿I_C来加宽IEDF。可替代地或并行地，方法4300可以执行如参考图32-41所述的各种度量，其利用离子电流I_I、鞘电容C_鞘和修改的周期性电压函数的波形的其他方面。

除了设置离子能量和/或IEDF宽度之外，方法4300还可以调整修改的周期性电压函数4308，以便维持离子能量和IEDF宽度。特别地，可以执行4308由离子电流补偿部件提供的离子电流补偿I_C的调整和电源电压的调整。在一些实施例中，电源电压可以由电源的总线电压V_bus(例如，图3的总线电压V_bus)控制。离子电流补偿I_C控制IEDF宽度，并且电源电压控制离子能量。

在这些调整4308之后，可以再次对修改的周期性电压函数进行采样4304，并且可以再次执行离子电流I_I、鞘电容C_鞘和电压阶跃ΔV的计算4306。如果离子电流I_I或电压阶跃ΔV不是限定的值(或在替代方案中，期望值)，则可以调整4308离子电流补偿I_C和/或电源电压。可以进行采样4304、计算4306和调整4308的循环，以便维持离子能量eV和/或IEDF宽度。

图30示出了控制撞击衬底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，可能期望实现窄的IEDF宽度(例如，最小IEDF宽度，或者在替代方案中，～6％全宽半高)。因此，方法3000可以向室和衬底支撑件提供修改的周期性电压函数，使得在衬底的表面处存在恒定的衬底电压(或持续的衬底电压或基本上恒定的衬底电压)，并且因此存在鞘电压。这又以基本上恒定的电压加速离子穿过鞘，从而使离子能够以基本上相同的离子能量撞击衬底，这又提供了窄的IEDF宽度。例如，在图45中可以看出，调整离子电流补偿I_C可以使脉冲之间的衬底电压V_sub具有恒定或基本恒定(或持续)的电压，从而使IEDF变窄。

假设没有杂散电容(参见图45中的周期性电压函数(V₀)的最后五个周期)，当离子电流补偿I_C等于离子电流I_I时，实现这种修改的周期性电压函数。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描述的固有电容)。有效电容C₁可以随时间变化或者是恒定的。出于本公开内容的目的，当I_I＝I_C时，或者在替代方案中，当满足等式2时，可以存在窄IEDF宽度。图45-50使用命名法I_I＝I_C，但是应当理解，这些等式仅仅是等式2的简化，因此等式2可以代替图45-50中使用的等式。杂散电容C_杂散是由电源看到的等离子体室的累积电容。图45中示出了八个周期。

方法3000可以开始于将修改的周期性电压函数(例如，图14中示出的修改的周期性电压函数或图44中的修改的周期性电压函数4402)施加到衬底支撑件3002(例如，图1中的衬底支撑件108)。可以两次或更多次对修改的周期性电压函数的电压进行采样3004，并且根据该采样，可以计算3006修改的周期性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)。在判定3010之前的某个时刻，可以访问3008(例如，从存储器或从用户输入)有效电容C₁(例如，图13中的固有电容C₁和图3中的固有电容C10)的先前确定的值。基于斜率dV₀/dt、有效电容C₁和离子电流补偿I_C，可以针对离子电流补偿I_C的每个值估计函数f(等式3)，如下：

如果函数f为真，则离子电流补偿I_C等于离子电流I_I，或者在替代方案中，使等式2为真，并且已经实现3010窄IEDF宽度(例如，参见图45)。如果函数f不为真，则可以进一步调整3012离子电流补偿I_C，直到函数f为真。考虑这一点的另一种方式是可以调整离子电流补偿I_C直到其与离子电流I_I匹配(或者在替代方案中，满足等式2的关系)，此时将存在窄IEDF宽度。在图45中可以看到对离子电流补偿I_C的这种调整和导致的IEDF的变窄。在存储操作3014中，可以存储离子电流I_I和相应的离子电流补偿I_C(例如，在存储器中)。离子电流I_C可以随时间变化，有效电容C₁也可以随时间变化。

当满足等式3时，离子电流I_I是已知的(因为I_C＝I_I，或者因为等式2为真)。因此，方法3000使得能够实时地远程且非侵入性地测量离子电流I_I而不影响等离子体。这导致许多新颖的度量，诸如将参考图32-41描述的那些度量(例如，等离子体密度的远程监测和等离子体源的远程故障检测)。

当调整3012补偿电流I_C时，离子能量将可能比Δ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，一旦找到满足等式2的补偿电流I_C，IEDF将如图15A或图45的右侧部分中所示显现为具有窄IEDF宽度(例如，最小IEDF宽度)。这是因为当I_C＝I_I时(或者替代地，当等式2为真时)，修改的周期性电压函数的脉冲之间的电压引起基本上恒定的鞘或衬底电压，并因此引起离子能量。在图46中，衬底电压4608包括恒定电压部分(或基本上恒定电压部分或持续电压部分)之间的脉冲(或电压反转)。这些脉冲具有如此短的持续时间，使得它们对离子能量和IEDF的影响是可忽略的，并且因此衬底电压4608被称为基本上恒定的(或持续的)。

以下提供了关于图30中所示的每个方法步骤的进一步细节。在一个实施例中，修改的周期性电压函数可以具有如图14所示的波形，并且可以包括第一部分(例如，第一部分1402)、第二部分(例如，1404)、第三部分(例如，第三部分1406)和第四部分(例如，第四部分1408)，其中第三部分可以具有电压阶跃ΔV，并且第四部分可以具有斜率dV₀/dt。斜率dV₀/dt可以是正的、负的或零。修改的周期性电压函数1400还可以被描述为具有包括第一部分1402、第二部分1404和第三部分1406的脉冲，以及脉冲之间的部分(第四部分1408)。在实践中，各部分之间的转变均更可能具有倾斜的电压上升和下降，例如，如图61所示。

修改的周期性电压函数可以被测量为图3中的V_out，并且可以表现为图44中的修改的周期性电压函数4402。通过将电源电压4406(也称为周期性电压函数)与离子电流补偿4404组合来产生修改的周期性电压函数4402。电源电压4406主要负责生成和整形修改的周期性电压函数4402的脉冲，并且离子电流补偿4404主要负责生成和整形脉冲之间的部分，其通常是具有斜率的线性降低电压。增加离子电流补偿I_C导致脉冲之间的部分的斜率的量值减小，如图45所示。减小电源电压4606的量值导致脉冲的幅度的量值和修改的周期性电压函数4602的峰值到峰值电压的减小，如图46所示。

在电源是开关模式电源的情况下，可以应用第一开关T1和第二开关T2的开关图4410。例如，第一开关T1可以被实施为图3中的开关T1，并且第二开关T2可以被实施为图3中的第二开关T2。这两个开关被示出为在由开关模式电源提供的每个脉冲的开始和结束处闭合。当第一开关T1接通或闭合时，由于电源具有负总线电压，所以电源电压被拉到最大量值，该最大量值在图44中是负值。第二开关T2在该时段期间断开，使得电源电压4406与地隔离。第一开关T1仅暂时接通或闭合，并且然后断开以允许离子电流补偿部件在脉冲之间的第二持续时间t₂(即，脉冲之间的线性降低部分)中控制输出V_out。当第二开关T2接通时，电源电压4406接近并略微超过地。每个脉冲的第一持续时间t₁以及脉冲之间的线性降低电压的第二持续时间都可以根据不同的要求定制。例如，可以控制第二持续时间t₂以防止表面电荷积聚Q_i超过阈值或移动到期望范围之外。

可以将修改的周期性电压函数施加到衬底支撑件3002，并且在修改的周期性电压函数到达衬底支撑件之前的最后可访问点处(例如，在开关模式电源和有效电容之间)进行采样3004作为V_out。未修改的周期性电压函数(或图44中的电源电压4406)可以源自诸如图12中的开关模式电源1206的电源。图44中的离子电流补偿4404可以源自电压或电流源，例如图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。

可以对修改的周期性电压函数的一部分或全部进行采样3004。例如，可以对第四部分(例如，第四部分1408)进行采样。可以在电源与衬底支撑件之间执行采样3004。例如，在图1中，可以在开关模式电源106和支撑件108之间执行采样3004。在图3中，可以在电感器L1和固有电容C10之间执行采样3004。在一个实施例中，可以在电容C3和固有电容C10之间的V_out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)对于实时测量是不可达的，因此通常在图3中的固有电容C10的左侧执行采样3004。尽管通常在处理期间不测量固有电容C10，但是它通常是已知的常数，并且因此可以在制造期间被设置。同时，在一些情况下，固有电容C10可以随时间变化。

虽然在一些实施例中仅需要修改的周期性电压函数的两个样本，但是在其他实施例中，可以针对修改的周期性电压函数的每个周期获取数百个、数千个或数万个样本。例如，采样率可以大于400kHz。这些采样率使得能够更准确和详细地监测修改的周期性电压函数及其形状。同样地，对周期性电压函数的更详细的监测允许更准确地比较波形：在周期之间、在不同的工艺条件之间、在不同的工艺之间、在不同的室之间、在不同的源之间等。例如，在这些采样率下，可以区分图14所示的周期性电压函数的第一部分1402、第二部分1404、第三部分1406和第四部分1408，这在传统采样率下是不可能的。在一些实施例中，较高的采样率使得能够求解电压阶跃ΔV和斜率dV₀/dt，这在现有技术中是不可能的。在一些实施例中，可以对修改的周期性电压函数的一部分进行采样，而不对其他部分进行采样。

斜率dV₀/dt的计算3006可以基于在时间t₂(例如，第四部分1408)期间进行的多个V_out测量。例如，可以执行线性拟合以将线拟合到V_out值，其中线的斜率给出斜率dV₀/dt。在另一示例中，可以确定在图14中的时间t的开始和结束(例如，第四部分1408)处的V_out值，并且可以在这两个点之间拟合线，其中给出线的斜率为dV₀/dt。这仅仅是可以计算电压反转之间的部分的斜率dV0/dt的多种方式中的两种。

判定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％全宽半高)的迭代循环的一部分。等式3仅在离子电流补偿I_C等于离子电流I_I(或者在替代方案中，根据等式2与I_I相关)的情况下成立，这仅在存在恒定衬底电压并且因此存在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中可以看到恒定的衬底电压4608(V_sub)。因此，可以在等式3中使用离子电流I_I或替代地使用离子电流补偿I_C。

替代地，可以针对第一周期和第二周期对沿着第四部分1408(也称为电压反转之间的部分)的两个值进行采样，并且可以分别针对每个周期确定第一斜率和第二斜率。根据这两个斜率，可以确定离子电流补偿I_C，预期其使等式3对于第三个但尚未测量的斜率成立。因此，可以估计预测为对应于窄IEDF宽度的离子电流I_I。这仅仅是可以确定窄IEDF宽度并且可以找到对应的离子电流补偿I_C和/或对应的离子电流I_I的许多方式中的两种。

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

一旦已经识别出等于离子电流I_I(或者在替代方案中，根据等式2与其相关)的离子电流补偿I_C，方法3000就可以前进到进一步的设定点操作(参见图31)或远程室和源监测操作(参见图32-41)。进一步的设定点操作可以包括设定离子能量(也参见图46)和离子能量的分布或IEDF宽度(也参见图47)。源和室监测可以包括监测等离子体密度、源供应异常、等离子体电弧放电等。

此外，方法3000可以可选地循环回到采样3004，以便连续地(或在替代方案中，周期性地)更新离子电流补偿I_C。例如，在给定当前离子电流补偿I_C的情况下，可以周期性地执行采样3004、计算3006、判定3010和调整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I_C，则还可以更新离子电流I_I并且可以存储更新值3014。

虽然方法3000可以找到并设置离子电流补偿I_C以便等于离子电流I_I，或者在替代方案中，满足等式2，但是可以在不将离子电流I_C设置为该值的情况下(或者在替代方案中，在将离子电流I_C设置为该值之前)确定实现窄IEDF宽度所需的离子电流补偿I_C的值。例如，通过对第一周期应用第一离子电流补偿I_C1并测量电压反转之间的电压的第一斜率dV₀₁/dt，并且通过对第二周期应用第二离子电流补偿I_C2并测量电压反转之间的电压的第二斜率dV₀₂/dt，可以确定与第三离子电流补偿I_C3相关联的第三斜率dV₀₃/dt，在该第三斜率下预期等式3为真。第三离子电流补偿I_C3可以是如果应用则将导致窄IEDF宽度的离子电流补偿。因此，可以仅通过离子电流补偿的单次调整来确定满足等式3并因此对应于离子电流I_I的离子电流补偿I_C。然后，方法3000可以继续进行到图31和/或图32-41中描述的方法，而无需将离子电流I_C设置为实现窄IEDF宽度所需的值。可以执行这样的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。该方法源自图30所示的方法3000，并且可以采用左路径3100(也称为IEDF分支)或右路径3101(也称为离子能量分支)中的任一个，这需要分别设置IEDF宽度和离子能量。离子能量eV与电压阶跃ΔV或图14的修改的周期性电压函数1400的第三部分1406成比例。离子能量eV与电压阶跃ΔV之间的关系可以写为等式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是鞘电容(例如，图3中的鞘电容C4或图13中的鞘电容C2)。鞘电容C₂可以包括杂散电容并且取决于离子电流I_I。电压阶跃ΔV可以被测量为修改的周期性电压函数1400的第二部分1404和第四部分1408之间的电压变化。通过控制和监测电压阶跃ΔV(其是电源电压或总线电压(诸如图3中的总线电压V_bus)的函数)，可以控制和获知离子能量eV。

同时，IEDF宽度可以根据等式5近似：

其中I是I_I，其中C是C_串联，或I是I_C，其中C是C_有效。第二持续时间t₂是脉冲之间的时间，V_PP是峰值到峰值电压，并且ΔV是电压阶跃。

另外，鞘电容C₂可以用于各种计算和监测操作。例如，德拜鞘距离λ_鞘可以如下估计：

其中ε是真空介电常数，并且A是衬底的面积(或者在替代方案中，是衬底支撑件的表面积)。在一些高电压应用中，等式6被写为等式7：

另外，鞘中的e场可以被估计为鞘电容C₂、鞘距离λ_鞘和离子能量eV的函数。鞘电容C₂以及离子电流I_I也可以用于根据等式8确定等离子体密度n_e，其中饱和电流I_sat与单个离子化等离子体的补偿电流I_C线性相关。

可以使用鞘电容C₂和饱和电流I_sat来计算衬底表面处的有效离子质量。等离子体密度n_e、鞘中的电场、离子能量eV、有效离子质量和衬底的DC电位V_DC是本领域中通常仅通过间接手段监测的基本等离子体参数。本公开内容使得能够直接测量这些参数，从而使得能够实时地更准确地监测等离子体特性。

如等式4所示，鞘电容C₂也可以用于监测和控制离子能量eV，如图31的离子能量分支3101所示。离子能量分支3101通过接收对离子能量的用户选择3102而开始。然后，离子能量分支3101可以为供应周期性电压函数的开关模式电源设置初始电源电压3104。在采样周期性电压操作3108之前的某个时刻，还可以访问离子电流(例如，从存储器访问)3106。可以对周期性电压进行采样3108，并且可以测量修改的周期性电压函数的第三部分的测量值3110。可以从修改的周期性电压函数的电压阶跃ΔV(也称为第三部分(例如，第三部分1406))计算离子能量I_I 3112。然后，离子能量分支3101可以确定离子能量是否等于所限定的离子能量3114，并且如果是，则离子能量处于期望的设定点，并且离子能量分支3101可以结束。如果离子能量不等于所限定的离子能量，则离子能量分支3101可以调整电源电压3116，并且再次对周期性电压进行采样3108。然后，离子能量分支3101可以通过采样3108、测量3110、计算3112、判定3114和设置3116而循环，直到离子能量等于所限定的离子能量。

用于监测和控制IEDF宽度的方法在图31的IEDF分支3100中示出。IEDF分支3100包括接收IEDF宽度3150的用户选择并对当前IEDF宽度进行采样3152。然后，判定3154确定所限定的IEDF宽度是否等于当前IEDF宽度，并且如果满足判定3152，则IEDF宽度是期望的(或所限定的)，并且IEDF分支3100可以结束。然而，如果当前IEDF宽度不等于所限定的IEDF宽度，则可以调整3156离子电流补偿I_C。该确定3154和调整3156可以以循环方式继续，直到当前IEDF宽度等于所限定的IEDF宽度。

在一些实施例中，IEDF分支3100还可以被实施以固定期望的IEDF形状。可以生成各种IEDF形状，并且每个IEDF形状可以与不同的离子能量和IEDF宽度相关联。例如，第一IEDF形状可以是Δ函数，而第二IEDF形状可以是正方形函数。其他IEDF形状可以是杯形的。在图11中可以看到各种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，等式4可以求解离子能量eV。可以通过改变电源电压来控制电压阶跃ΔV，这继而导致电压阶跃ΔV改变。较大的电源电压导致电压阶跃ΔV的增大，并且电源电压的减小导致电压阶跃ΔV的减小。即，增大电源电压导致更大的离子能量eV。

此外，由于上述系统和方法在连续变化的反馈环路上操作，因此尽管由于等离子体源或室条件的变化或有意调整而导致等离子体的变化，但是可以保持期望的(或所限定的)离子能量和IEDF宽度。

尽管图30-41是按照单一离子能量描述的，但本领域技术人员将认识到，这些生成和监测期望的(或所限定的)IEDF宽度(或IEDF形状)和离子能量的方法可以进一步用于产生和监测两个或更多个离子能量，每个离子能量具有其自己的IEDF宽度(或IEDF形状)。例如，通过在第一周期、第三周期和第五周期中提供第一电源电压V_PS并且在第二周期、第四周期和第六周期中提供第二电源电压，可以针对到达衬底表面的离子实现两个不同且窄的离子能量(例如，图42A)。使用三种不同的电源电压导致三种不同的离子能量(例如，图42B)。通过改变其间施加多个电源电压中的每一个的时间，或其间施加每个电源电压电平的周期的数量，可以控制不同离子能量的离子通量(例如，图42C)。

以上讨论已经示出了将由电源提供的周期性电压函数与由离子电流补偿部件提供的离子电流补偿相结合，可以如何用于控制在等离子体处理期间到达衬底表面的离子的离子能量和IEDF宽度和/或IEDF形状。

通过使用以下的一些组合来实现上述控制中的一些控制：(1)固定波形(波形的连续周期是相同的)；(2)具有与离子能量和IEDF成比例的至少两个部分的波形(例如，图14所示的第三部分1406和第四部分1408)；以及(3)高采样率(例如，125MHz)，其使得能够准确监测波形的独特特征。例如，在诸如线性放大器的现有技术向衬底发送类似于修改的周期性电压函数的波形的情况下，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)。

在已经使用线性放大器来偏置衬底支撑件的情况下，尚未看到以高速率采样的需要，因为波形在周期之间不一致，并且因此解析波形的特征(例如，脉冲之间的部分的斜率)通常不会提供有用的信息。当使用固定波形时确实会产生这种有用的信息，如在本公开内容和相关公开内容中所见。

本文公开的固定波形和高采样率进一步导致更准确的统计观察是可能的。由于这种提高的准确度，可以通过监测修改的周期性电压函数的各种特性来监测等离子体源和室中的等离子体的操作和处理特性。例如，修改的周期性电压函数的测量使得能够远程监测鞘电容和离子电流，并且可以在不知道室工艺或其他室细节的情况下进行监测。下面的多个示例仅示出了迄今为止提及的系统和方法可以用于源和室的非侵入性监测和故障检测的多种方式中的一些。

作为监测的示例，并且参考图14，波形1400的DC偏移可以表示等离子体源(以下称为“源”)的健康状况。在另一示例中，修改的周期性电压函数的脉冲的顶部部分1404(第二部分)的斜率可以与源内的阻尼效应相关。顶部部分1404的斜率与水平(示出为具有等于0的斜率)的标准偏差是基于波形1400的方面来监测源健康状况的另一种方式。另一方面涉及测量沿着修改的周期性电压函数的第四部分1408的采样的V_out点的标准偏差，并将标准偏差与室振铃相关联。例如，在连续脉冲之间监测该标准偏差且标准偏差随时间增大的情况下，这可以指示在室中(例如在e-卡盘中)存在振铃。振铃可能是到室或室中的不良电连接的迹象，或者是额外的不想要的电感或电容的迹象。

图32示出根据本公开内容的一个实施例的输送到衬底支撑件的两个修改的周期性电压函数。当比较时，两个修改的周期性电压函数可以用于室匹配或原位异常或故障检测。例如，两个修改的周期性电压函数中的一个可以是参考波形，并且第二个可以在校准期间从等离子体处理室获取。两个修改的周期性电压函数之间的差异(例如，峰值到峰值电压V_PP的差异)可以用于校准等离子体处理室。替代地，可以在处理期间将第二修改的周期性电压函数与参考波形进行比较，并且波形特性的任何差异(例如，偏移)可以指示故障(例如，修改的周期性电压函数的第四部分3202的斜率的差异)。

图33示出了可以指示等离子体源不稳定性和等离子体密度变化的离子电流波形。可以分析诸如图33所示的离子电流I_I的波动，以识别系统中的故障和异常。例如，图33中的周期性波动可以指示等离子体源(例如，等离子体电源102)中的低频不稳定性。离子电流I_I的这种波动也可以指示等离子体密度的循环变化。该指示和它可以指示的可能的故障或异常仅仅是使用离子电流I_I的远程监测可能特别有利的许多方式中的一种。

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

图35示出了可以指示偏置电源内的故障的修改的周期性电压函数。所示的第三周期的顶部部分(在本文中也称为第二部分)展示了可以指示偏置电源(例如，图12中的电源1206)中的振铃的异常行为。该振铃可以是偏置电源内的故障的指示。对振铃的进一步分析可以识别有助于识别电源系统内的故障的特性。

图36示出了可以指示系统电容的动态(或非线性)变化的修改的周期性电压函数。例如，非线性地取决于电压的杂散电容可能导致这种修改的周期性电压函数。在另一示例中，等离子体击穿或卡盘中的故障也可能导致这种修改的周期性电压函数。在三个所示周期中的每一个中，每个周期的第四部分3602中的非线性可以指示系统电容的动态变化。例如，非线性可以指示鞘电容的变化，因为系统电容的其他分量在很大程度上是固定的。

图37示出了可以指示等离子体密度的变化的修改的周期性电压函数。所示的修改的周期性电压函数示出了斜率dV₀/dt的单调偏移，这可以指示等离子体密度的变化。这些单调偏移可以提供预期事件的直接指示，例如工艺蚀刻终点。在其他实施例中，这些单调偏移可以指示过程中的不存在预期事件的故障。

图38示出了用于不同工艺运行的离子电流的采样，其中离子电流的漂移可以指示系统漂移。每个数据点可以表示给定运行的离子电流，其中可接受限度是限定可接受离子电流的用户限定的或自动的限度。离子电流的漂移(其逐渐推动离子电流高于可接受限度)可以指示衬底损坏是可能的。这种类型的监测也可以与任何数量的其他传统监测器组合，例如光学遗漏、厚度测量等。这些传统类型的监测器除了监测离子电流漂移之外，还可以增强现有的监测和统计控制。

图39示出了针对不同工艺参数的离子电流的采样。在该图示中，离子电流可以用作品质因数以区分不同的工艺和不同的工艺特性。这些数据可以用于等离子体配方和工艺的开发。例如，可以测试十一个工艺条件，从而产生十一个所示的离子电流数据点，并且可以选择产生优选离子电流的工艺作为理想工艺，或者在替代方案中作为优选工艺。例如，可以选择最低离子电流作为理想工艺，并且此后，与优选工艺相关联的离子电流可以用作判断是否正在以优选工艺条件执行工艺的度量。除了类似的传统品质特性(例如速率、选择性和轮廓角，仅举几个非限制性示例)之外或作为其替代，可以使用该品质因数。

图40示出了在室中没有等离子体的情况下监测的两个修改的周期性电压函数。可以比较这两个修改的周期性电压函数并将其用于表征等离子体室。在实施例中，第一修改的周期性电压函数可以是参考波形，而第二修改的周期性电压函数可以是当前监测的波形。这些波形可以在处理室中没有等离子体的情况下获取，例如在室清洁或预防性维护之后，并且因此第二波形可以用于在将室释放到(或回到)生产之前提供室的电气状态的验证。

图41示出了可以用于验证等离子体工艺的两个修改的周期性电压函数。第一修改的周期性电压函数可以是参考波形，而第二修改的周期性电压函数可以是当前监测的波形。可以将当前监测的波形与参考波形进行比较，并且任何差异可以指示使用传统监测方法原本不可检测的寄生和/或非电容阻抗问题。例如，在图35的波形上看到的振铃可以被检测到并且可以表示电源中的振铃。

在方法3000循环时，可以监测图32-41中所示的度量中的任何一个，以便更新离子电流补偿I_C、离子电流I_I和/或鞘电容C_鞘。例如，在图38中获取每个离子电流I_I样本之后，方法3000可以循环回到采样3004以便确定更新的离子电流I_I。在另一示例中，作为监测操作的结果，可能需要对离子电流I_I、离子能量eV或IEDF宽度进行校正。可以进行相应的校正，并且方法3000可以循环回到采样3004以找到满足等式3的新的离子电流补偿I_C。

本领域技术人员将认识到，图30、图31和图43中所示的方法不需要任何特定或描述的操作顺序，也不限于附图中所示或暗示的任何顺序。例如，可以在设置和监测IEDF宽度和/或离子能量eV之前、期间或之后监测度量(图32-41)。

图44示出了本文公开的系统中的不同点处的各种波形。给定用于开关模式电源的开关部件的所示的开关模式4410、电源电压V_PS 4406(在本文中也称为周期性电压函数)、离子电流补偿I_C 4404、修改的周期性电压函数4402和衬底电压V_sub 4412，IEDF具有所示的宽度4414(其可以不按比例绘制)或IEDF形状4414。该宽度比本公开内容所称的“窄宽度”更宽。如图所示，当离子电流补偿I_C 4404大于离子电流I_I时，衬底电压V_sub 4412不是恒定的。IEDF宽度4414与衬底电压V_sub 4412的电压反转之间的倾斜部分的电压差成比例。

考虑到该非窄IEDF宽度4414，本文公开的方法要求调整离子电流补偿I_C，直到I_C＝I_I(或者在替代方案中，根据等式2相关)。图45示出了在离子电流补偿I_C中进行最终增量变化以使其与离子电流I_I匹配的效果。当I_C＝I_I时，衬底电压V_sub 4512变得基本上恒定，并且IEDF宽度4514从非窄变为窄。

一旦实现了窄IEDF，就可以将离子能量调整到如图46所示的期望或限定值。此处，电源电压(或者在替代方案中，开关模式电源的总线电压V_bus)的量值减小(例如，电压反转之间的电源电压4606的最大负幅度减小)。结果，ΔV1降低到ΔV2，峰值到峰值电压也从V_PP1降低到V_PP2。基本上恒定(或持续)的衬底电压V_sub 4608的量值因此减小，因此将离子能量的量值从4615减小到4614，同时保持窄IEDF宽度。

如图47所示，无论是否调整离子能量，都可以在实现窄IEDF宽度之后加宽IEDF宽度。此处，给定I_I＝I_C(或者在替代方案中，给出I_I和I_C之间的关系的等式2)，可以调整I_C，从而改变修改的周期性电压函数4702的脉冲之间的部分的斜率。作为离子电流补偿I_C和离子电流I_I不相等的结果，衬底电压从基本上恒定移动到非恒定。另一结果是IEDF宽度4714从窄IEDF 4714扩展到非窄IEDF 4702。I_C调整得越远离I_I，IEDF 4714宽度越大。

图48示出了可以用于实现多于一个离子能级的电源电压的一种模式，其中每个离子能级具有窄的IEDF 4814宽度。电源电压4806的量值在每个周期交替。这导致修改的周期性电压函数4802的每个周期的交替ΔV和峰值到峰值电压。衬底电压4812又具有在衬底电压的脉冲之间交替的两个基本上恒定的电压(或持续电压)。这导致两种不同的离子能量，每种离子能量具有窄的IEDF宽度4814。

图49示出了可以用于实现多于一个离子能级的电源电压的另一模式，其中每个离子能级具有窄的IEDF宽度4914。此处，电源电压4906在两个不同量值之间交替，但是在交替之前的时间进行两个周期。如所看到的，平均离子能量是相同的，如同V_PS 4906在每个周期交替。这仅示出了可以如何使用V_PS 4906的各种其他模式来实现相同离子能量的一个示例。

图50示出了电源电压V_PS 5006和离子电流补偿I_C 5004的一种组合，其可以用于产生限定的IEDF 5014。此处，交变的电源电压5006产生两种不同的离子能量。另外，通过调整离子电流补偿5004远离离子电流I_I，可以扩展每个离子能量的IEDF 5014宽度。如果离子能量足够接近，如它们在所示实施例中那样，则两种离子能量的IEDF 5014将重叠，从而产生一个大的IEDF 5014。其他变型也是可能的，但是该示例旨在示出可以如何使用对V_PS 5006和I_C 5004的调整的组合来实现限定的离子能量和限定的IEDF 5014。

贯穿本公开内容，已经使用了术语单能离子能量分布，但是本领域技术人员将理解，在实践中，尽管使用恒定或基本上恒定的衬底表面电压，但是离子能量分布可能存在一些小的有限宽度。因此，术语离子能量的可控的窄分布或单能分布用于指代经由本文公开的系统和方法可能的最窄离子能量分布。

接下来参考图17A和图17B，展示了示出本发明的其他实施例的框图。如图所示，这些实施例中的衬底支撑件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施加功率。在一些变型中，如图17A所示，静电卡盘电源1780被定位成将功率直接施加到衬底支撑件1708，而在其他变型中，静电卡盘电源1780被定位成结合开关模式电源施加功率。应当注意，串行夹持可以通过单独的电源或通过使用控制器来实现净DC夹持功能来实施。在这种DC耦合(例如，没有阻塞电容器)的串行夹持功能中，可以使与其他RF源的不期望的干扰降到最小。

图18所示的是示出本发明的又一个实施例的框图，其中通常用于生成等离子体密度的等离子体电源1884也被配置为驱动与开关模式电源1806和静电卡盘电源1880并排的衬底支撑件1808。在该实施方式中，等离子体电源1884、静电卡盘电源1880和开关模式电源1806中的每一个可以驻留在单独的组件中，或者电源1806、1880、1884中的两个或更多个可以被构造为驻留在相同的物理组件中。有利地，图18中示出的实施例使得顶部电极1886(例如，喷头)能够电接地，以便获得电对称性和由于较少的电弧放电事件而降低的损坏水平。

参考图19，展示了示出本发明的又一实施例的框图。如图所示，该实施例中的开关模式电源1906被配置为向衬底支撑件和室1904施加功率，以便既偏置衬底又激发(并维持)等离子体，而不需要额外的等离子体电源(例如，没有等离子体电源102、202、1202、1702、1884)。例如，开关模式电源1806可以以足以激发和维持等离子体同时向衬底支撑件提供偏置的占空比来操作。

接下来参考图20，其是示出可以结合参考图1-19描述的实施例使用的控制部分的输入参数和控制输出的框图。控制部分的图示旨在提供可以结合本文讨论的实施例使用的示例性控制输入和输出的简化图示——其不旨在是硬件图。在实际实施方式中，所示出的控制部分可以分布在可以通过硬件、软件、固件或其组合来实现的若干分立部件之中。

参考本文先前讨论的实施例，图20中示出的控制器可以提供以下中的一个或多个的功能：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和离子能量控制部分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中示出的Icc控制，分别在图17A和图17B中示出的控制器1712A、1712B；以及分别在图18和图19中示出的控制器1812、1912。

如图所示，可以用作控制部分的输入的参数包括dV₀/dt和ΔV，其参考图13和图14更详细地描述。如所讨论的，可以结合离子能量分布扩展输入ΔE利用dV₀/dt来提供控制信号Icc，其控制离子能量分布扩展的宽度，如参考图12、图13、图14、图15A-C和图16所述。另外，可以结合可选反馈ΔV利用离子能量控制输入(Ei)来生成离子能量控制信号(例如，影响图3中所示出的Vbus)以实现期望的(或所限定的)离子能量分布，如参考图1-11更详细地描述。并且可以结合许多e-卡盘持实施例利用的另一参数是DC偏移输入，其提供静电力以将晶圆保持到卡盘以用于有效的热控制。

图21示出了根据本公开内容的实施例的等离子体处理系统2100。系统2100包括包围等离子体2104的等离子体处理室2102，等离子体2104用于蚀刻衬底2106的顶表面2118(以及其他等离子体处理)。等离子体由等离子体源2112(例如，原位的或远程的或投射的)生成，等离子体源2112由等离子体电源2122供电。在等离子体2104与衬底2106的顶表面2118之间测量的等离子体鞘电压V_鞘使来自等离子体2104的离子加速穿过等离子体鞘2115，使得加速的离子撞击衬底2106的顶表面2118并蚀刻衬底2106(或衬底2106的未被光致抗蚀剂保护的部分)。等离子体2104相对于地(例如，等离子体处理室2102壁)处于等离子体电位V₃。衬底2106具有经由静电卡盘2111静电保持到支撑件2108的底表面2120，以及静电卡盘2111的顶表面2121与衬底2106之间的夹持电位V_夹持。衬底2106是电介质，并且因此可以在顶表面2118处具有第一电位V₁并且在底表面2120处具有第二电位V₂。静电卡盘的顶表面2121与衬底的底表面2120接触，因此这两个表面2120、2121处于相同的电位V₂。第一电位V₁、夹持电位V_夹持和第二电位V₂经由具有由开关模式电源2130生成的DC偏置或偏移的AC波形来控制，并经由第一导体2124提供给静电卡盘2111。可选地，经由第一导体2124提供AC波形，并且经由可选的第二导体2125提供DC波形。开关模式电源2130的AC和DC输出可以经由控制器2132来控制，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AC波形，该AC波形被定制以实现已知的期望的第一电位V₁，以生成期望的(或所限定的)离子能量和离子能量分布。AC波形可以是RF并且具有非正弦波形，诸如图9B、图10B、图14、图32、图37、图40、图41和图44-50中所示的波形。第一电位V₁可以与图14所示的电压ΔV的变化成比例。第一电位V₁也等于等离子体电压V₃减去等离子体鞘电压V_鞘。但是由于与等离子体鞘电压V_鞘(例如，50V-2000V)相比，等离子体电压V₃通常较小(例如，小于20V)，因此第一电位V₁和等离子体鞘电压V_鞘大致相等，并且为了实施的目的可以被视为相等。因此，由于等离子体鞘电压V_鞘决定离子能量，所以第一电位V₁与离子能量分布成比例。通过保持恒定的第一电位V₁(或基本上恒定的电压部分或持续的电压部分)，等离子体鞘电压V_鞘是恒定的(或基本上恒定或持续的)，并且因此基本上所有的离子经由相同的能量加速，因此实现窄的离子能量分布。等离子体电压V₃由经由等离子体源2112赋予等离子体2104的能量产生。

衬底2106的顶表面2118处的第一电位V₁经由来自静电卡盘2111的电容充电与来自穿过鞘2115的电子和离子的电荷累积的组合而形成。来自开关模式电源2130的AC波形被定制以抵消穿过鞘2115的离子和电子转移的影响以及在衬底2106的顶表面2118处产生的电荷累积，使得第一电位V₁保持基本恒定(或持续)。

将衬底2106保持到静电卡盘2111的夹持力是夹持电位V_夹持的函数。开关模式电源2130向AC波形提供DC偏置或DC偏移，使得第二电位V₂处于与第一电位V₁不同的电位。该电位差引起夹持电压V_夹持。可以从静电卡盘2111的顶表面2221到衬底2106内的参考层测量夹持电压V_夹持，其中参考层包括除了衬底2106的底表面2120之外的衬底内的任何高度(参考层在衬底2106内的确切位置可以变化)。因此，夹持由第二电位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(换言之，具有DC偏移的AC波形，其中DC偏移大于AC波形的峰值到峰值电压)修改的开关模式电源2130的DC偏移。DC偏移可以基本上大于AC波形，使得开关模式电源2130输出的DC分量主导第二电位V₂，并且AC分量可以被忽略或忽视。

衬底2106内的电位在第一电位V₁和第二电位V₂之间变化。夹持电位V_夹持可以是正的或负的(例如，V₁>V₂或V₁<V₂)，因为无论夹持电位V_夹持极性如何，衬底2106与静电卡盘2111之间都存在库仑吸引力。

开关模式电源2130结合控制器2132可以确定性地并且在没有传感器的情况下监测各种电压。特别地，基于AC波形的参数(例如，斜率和步长)确定性地监测离子能量(例如，平均能量和离子能量分布)。例如，等离子体电压V₃、离子能量和离子能量分布与由开关模式电源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(参见例如图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(或基本恒定的电压部分或持续的电压部分)，离子能量分布可以保持较窄。

在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的情况下，可以在经过短处理时间之后凭经验确定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的情况下，并且对于给定的衬底和工艺，凭经验发现比例常数为2，第一电位V1可以预期为100V。电压阶跃ΔV与第一电位V₁(并且因此还有离子能量eV)之间的比例性由等式4描述。因此，可以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，而无需等离子体处理室2102内部的任何传感器。另外，开关模式电源2130结合控制器2132可以监测何时以及是否发生夹持(例如，衬底2106是否经由夹持电位V_夹持被保持到静电卡盘2111)。

通过消除或降低夹持电位V_夹持来执行解除夹持。这可以通过将第二电位V₂设置为等于第一电位V₁来完成。换言之，可以调整DC偏移和AC波形以使夹持电压V_夹持接近0V。与常规的解除夹持方法相比，系统2100实现了更快的解除夹持，从而实现了更大的吞吐量，因为可以调整DC偏移和AC波形两者以实现解除夹持。此外，当DC和AC电源处于开关模式电源2130中时，它们的电路系统更统一、更靠近在一起，可以经由单个控制器2132控制(与DC和AC电源的典型并联布置相比)，并且更快地改变输出。由本文公开的实施例实现的解除夹持的速度还使得能够在等离子体2104熄灭之后或者至少在来自等离子体源2112的功率已经关闭之后解除夹持。

等离子体源2112可以采取各种形式。例如，在实施例中，等离子体源2112包括在等离子体处理室2102内的电极，该电极在室2102内建立RF场，该RF场激发并维持等离子体2104。在另一实施例中，等离子体源2112包括远程投射等离子体源，其远程生成电离电磁场，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激发和维持等离子体2104。然而，远程投射等离子体源还包括电离电磁场在去往等离子体处理室2102的途中穿过的场传递部分(例如，导电管)，在此期间，电离电磁场被衰减，使得等离子体处理室2102内的场强仅是在远程投射等离子体源中首次生成场时的场强的十分之一或百分之一或千分之一或甚至更小的部分。等离子体源2112未按比例绘制。

开关模式电源2130可以浮置，并且因此可以由串联连接在地和开关模式电源2130之间的DC电源(未示出)以任何DC偏移偏置。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(参见例如图22、图23、图26)，或者经由开关模式电源2130内部的AC电源和开关模式电源2130外部的DC电源(参见例如图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串联耦合在开关模式电源2130和静电卡盘2111之间的浮置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可以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可以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可以控制耦合到开关模式电源2130的DC电源和开关模式电源2130两者。本领域技术人员将认识到，虽然示出了单个控制器2132，但是也可以实施其他控制器来控制提供给静电卡盘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电压的通过，或者静电卡盘2111可以是半导体材料，诸如掺杂陶瓷。在任一情况下，静电卡盘2111可以在静电卡盘2111的顶表面2121上具有第二电压V₂，静电卡盘2111将电压电容耦合到衬底2106(通常为电介质)的顶表面2118以形成第一电压V₁。

等离子体2104的形状和尺寸不一定按比例绘制。例如，等离子体2104的边缘可以由一定的等离子体密度限定，在这种情况下，未考虑任何特定的等离子体密度的情况下绘制所示的等离子体2104。类似地，尽管是所示的等离子体2104形状，但至少一些等离子体密度填充整个等离子体处理室2102。所示的等离子体2104形状主要旨在示出鞘2115，其确实具有比等离子体2104小得多的等离子体密度。

图22示出了等离子体处理系统2200的另一实施例。在所示实施例中，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开关模式电源2230的具有DC偏移输出的AC波形。该实施例还包括静电卡盘2211，其具有嵌入卡盘2211中的栅格或网状电极2210。开关模式电源2230向栅格电极2210提供AC和DC偏置。DC偏置以及基本上小于DC偏置并且因此可以被忽略的AC分量在栅格电极2210上建立第三电位V₄。当第三电位V₄不同于衬底2206内任何地方(不包括衬底2206的底表面2220)的参考层处的电位时，建立将衬底2206保持到静电卡盘2211的夹持电位V_夹持和库仑夹持力。参考层是平行于栅格电极2210的假想平面。AC波形通过静电卡盘2211的一部分并通过衬底2206从栅格电极2210电容耦合，以控制衬底2206的顶表面2218上的第一电位V₁。由于等离子体电位V₃相对于等离子体鞘电压V_鞘是可忽略的，所以第一电位V₁和等离子体鞘电压V_鞘近似相等，并且出于实际目的被认为是相等的。因此，第一电位V₁等于用于加速离子穿过鞘2215的电位。

在实施例中，静电卡盘2211可以被掺杂以便具有足够的导电性，使得通过卡盘2211的主体的任何电位差可忽略不计，并且因此栅格或网状电极2210可以处于与第二电位V₂基本上相同的电压。

栅格电极2210可以是嵌入静电卡盘2211中的任何导电平面装置，平行于衬底2206，并且被配置为由开关模式电源2230偏置并建立夹持电位V_夹持。尽管栅格电极2210被示出为嵌入在静电卡盘2211的下部部分中，但是栅格电极2210可以位于更靠近或更远离衬底2206的位置。栅格电极2210也不必具有栅格图案。在一个实施例中，栅格电极2210可以是实心电极或具有非栅格形状(例如，棋盘图案)的非实心结构。在实施例中，静电卡盘2211是陶瓷或其他电介质，并且因此栅格电极2210上的第三电位V₄不等于静电卡盘2211的顶表面2221上的第一电位V₁。在另一个实施例中，静电卡盘2211是略微导电的掺杂陶瓷，并且因此栅格电极2210上的第三电位V₄可以等于静电卡盘2211的顶表面2221上的第二电位V₂。

开关模式电源2230生成可以是非正弦的AC输出。开关模式电源2230能够串联操作DC源2234和AC源2236，因为DC电源2234是AC导电的，并且AC电源2236是DC导电的。非DC导电的示例性AC电源是某些线性放大器，其在被提供DC电压或电流时可能受损。AC导电和DC导电的电源的使用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阻断的，则AC旁路或DC阻断部件(例如，电容器)可能必须与DC电源2234并联布置。如果AC电源2236是DC阻断的，则DC旁路或AC阻断部件(例如，电感器)可能必须与AC电源2236并联布置。

在该实施例中，AC电源2238通常被配置为以可控的方式向静电卡盘2211施加偏置，以便为轰击衬底2206的顶表面2218的离子实现期望的(或所限定的)离子能量分布。更具体地，AC电源2236被配置为通过将特定功率电平的一个或多个特定波形施加到栅格电极2210来实现期望的(或所限定的)离子能量分布。并且更具体地，AC电源2236施加特定的功率电平以实现特定的离子能量，并且使用由存储在波形存储器(未示出)中的波形数据限定的一个或多个电压波形来施加特定的功率电平。因此，可以选择一个或多个特定的离子轰击能量以执行衬底2206的受控蚀刻(或其他等离子体辅助工艺)。在一个实施例中，AC电源2236可以利用开关模式配置(参见例如图25-27)。开关模式电源2230，特别是AC电源2236，可以产生如本公开内容的各种实施例中所述的AC波形。

本领域技术人员将认识到，栅格电极2210可能不是必需的，并且可以在没有栅格电极2210的情况下实施其他实施例。本领域技术人员还将认识到，栅格电极2210仅是可以用于建立夹持电位V_夹持的许多装置的一个示例。

图23示出了等离子体处理系统2300的另一实施例。所示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2336，两者都可以接地。AC电源2336生成AC波形，该AC波形经由第一导体2324被提供给嵌入静电卡盘2311中的第一栅格或网状电极2310。AC电源2336在第一栅格或网状电极2310上建立电位V₄。DC电源2334生成DC偏置，该DC偏置经由第二导体2325被提供给嵌入静电卡盘2311中的第二栅格或网状电极2312。DC电源2334在第二栅格或网状电极2312上建立电位V₅。可以分别经由AC电源2336和DC电源2334独立地控制电位V₄和V₅。然而，第一栅格或网状电极2310和第二栅格或网状电极2312也可以电容耦合，和/或可以经由静电卡盘2311的一部分在栅格或网状电极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，第一栅格电极2310和第二栅格电极2312可以布置在整个静电卡盘2311中的各种位置，包括将第一栅格电极2310布置成比第二栅格电极2312更靠近衬底2306。

图24示出了等离子体处理系统2400的另一实施例。在该实施例中，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输出受到由DC电源2434提供的DC偏置偏移。开关模式电源2430的AC波形具有由控制器2435选择的波形，以用来自具有窄离子能量分布的等离子体2404的离子轰击衬底2406。AC波形可以是非正弦的(例如，方波或脉冲)，并且可以经由开关模式电源2430的AC电源2436生成。经由来自DC电源2434的DC偏移来控制夹持，该DC偏移由控制器2433控制。DC电源2434可以串联耦合在地和开关模式电源2430之间。开关模式电源2430是浮置的，使得其DC偏置可以由DC电源2434设置。

本领域技术人员将认识到，虽然所示实施例示出了两个独立的控制器2433、2435，但是这些可以组合成单个功能单元、设备或系统，诸如可选控制器2432。另外，控制器2433和2435可以耦合以便彼此通信并共享处理资源。

图25示出了等离子体处理系统2500的另一实施例。所示实施例包括开关模式电源2530，其产生可以具有由DC电源(未示出)提供的DC偏移的AC波形。开关模式电源可以经由可选的控制器2535来控制，该控制器2535包括电压控制器2537和电流控制器2539。开关模式电源2530可以包括具有由电压控制器2537控制的电压输出的可控电压源2538，以及具有由电流控制器2539控制的电流输出的可控电流源2540。可控电压源2538和可控电流源2540可以并联布置。可控电流源2540被配置为补偿等离子体2504和衬底2506之间的离子电流。

电压控制器2537和电流控制器2539可以彼此耦合和通信。电压控制器2537还可以控制可控电压源2538的开关输出2539。开关输出2539可以包括如图所示的并联的两个开关，或者可以包括将可控电压源2538的输出转换为期望的AC波形(例如，非正弦)的任何电路系统。经由两个开关，来自可控电压源2538的受控电压或AC波形可以与可控电流源2540的受控电流输出组合，以生成开关模式电源2530的AC波形输出。

可控电压源2538被示出为具有给定的极性，但是本领域技术人员将认识到，相反的极性等同于所示的。可选地，可控电压源2538和可控电流源2540以及开关输出端2539可以是AC电源2536的一部分，并且AC电源2536可以与在开关模式电源2530内部或外部的DC电源(未示出)串联布置。

图26示出了等离子体处理系统2600的又一实施例。在所示实施例中，开关模式电源2630向静电卡盘2611提供具有DC偏移的AC波形。经由通过开关输出2639彼此连接的可控电压源2638和可控电流源2640的并联组合来生成波形的AC分量。DC偏移由串联耦合在地和可控电压源2638之间的DC电源2634生成。在实施例中，DC电源2634可以是浮置的而不是接地的。类似地，开关模式电源2630可以是浮置的或接地的。

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控制开关模式电源2630的输出。第二控制器2633可以控制由DC电源2634生成的开关模式电源2630的DC偏移。第三控制器2635可以通过控制可控电压源2638和可控电流源2640来控制开关模式电源2630的AC波形。在实施例中，电压控制器2637控制可控电压源2638的电压输出，并且电流控制器2639控制可控电流源2640的电流。电压控制器2637和电流控制器2639可以彼此通信，并且可以是第三控制器2635的一部分。

本领域的技术人员将认识到，描述相对于电源2634、2638、2640的控制器的各种配置的上述实施例不是限制性的，并且在不脱离本公开内容的情况下也可以实施各种其他配置。例如，第三控制器2635或电压控制器2637可以控制可控电压源2638和可控电流源2640之间的开关输出2639。作为另一示例，第二控制器2633和第三控制器2635可以彼此通信(即使未如此示出)。还应当理解，可控电压源2638和可控电流源2640的极性仅是说明性的，并不意味着限制。

开关输出2639可以通过交替地切换两个并联开关来操作，以便对AC波形进行整形。开关输出2639可以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可以布置在可控电流源2640和静电卡盘2611之间(即，DC电源2634可以浮置)，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的另一实施例。在该变型中，开关模式电源2734再次接地，但是不是结合到开关模式电源2730中，此处DC电源2734是单独的部件并且向整个开关模式电源2730而不仅仅是开关模式电源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涉及可控地切换送往衬底的功率，以便将周期性电压函数施加到衬底。周期性电压函数可以被认为是脉冲波形(例如，方波)或AC波形，并且包括由与开关模式电源串联的DC电源生成的DC偏移。在实施例中，DC电源可以并入到开关模式电源中，并且因此与开关模式电源的AC电源串联。DC偏移在静电卡盘的顶表面与衬底内的参考层之间生成电位差，并且该电位差被称为夹持电位。静电卡盘与衬底之间的夹持电位将衬底保持到静电卡盘，从而防止衬底在处理期间移动。方法2800还包括调制操作2808，其中在多个周期上调制周期性电压函数。调制响应于衬底表面处的期望的(或所限定的)离子能量分布，以便实现在时间平均的基础上的期望的(或所限定的)离子能量分布。

图29示出了根据本公开内容的实施例的另一方法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。这种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中接收的设置可以指示衬底表面处的一个或多个离子能量。方法2900进一步包括开关电源操作2908，其中可控制地切换送往衬底的功率，以便实现以下：(1)在时间平均的基础上的期望的(或所限定的)离子能量分布；以及(2)在时间平均的基础上的期望的夹持电位。功率可以具有AC波形和DC偏移。

控制表面电荷积聚

在等离子体处理期间，隔离的元件可能积聚过量电荷，导致对与这些元件连接的敏感器件的可能损坏。在其他情况下，绝缘特征上的积聚电荷可能导致到达离子的偏转，从而导致被蚀刻或沉积的结构的变形。这只是由过量电荷累积引起的两个问题。传统的等离子体处理系统缺乏在等离子体处理期间直接测量和控制表面电荷的能力。

再次参考图14，向衬底支撑件提供非对称周期性电压函数，以偏置衬底并生成吸引来自等离子体的离子的电位。波形在时段t开始时看到正电压上升或斜坡，当在存在等离子体的情况下施加到衬底支撑件时，该正电压上升或斜坡将电子吸引到衬底表面，从而导致负电荷的积聚。然后，偏置衬底的电源可以在第一持续时间t₁内提供很少的(如果有的话)电压或电流，直到第二持续时间t₂的开始。第一电压降或斜坡产生使正离子开始从等离子体流到衬底表面的表面电位。然后在第二持续时间t₂期间维持第二电压斜坡(斜率为dv/dt)，从而在存在到达的带正电离子的情况下调节等离子体鞘(具有电容C_鞘)上的电压降。在第二持续时间t₂结束时，再次重复正电压上升或斜坡，从而停止离子流，补充负表面变化，并开始下一个循环。如上所述，当适当调节时，在第二持续时间t₂期间测量的电流可以与串联电容C_卡盘的知识相结合，以允许根据下式确定在第二电压斜坡期间流动的离子电流：

换言之，发现离子电流可以为：

离子电流的知识与第二持续时间t₂的知识相结合，允许从在第二持续时间t₂期间递送到衬底表面的离子电流的积聚中解析重要信息，诸如总表面电荷积聚Q_i。发现总表面电荷积聚Q_i可以为：

Q_i＝I_It₂   (等式11)

为了避免过度的表面电荷累积，可以监测总表面电荷积聚Q_i，并且可以改变或减少第二持续时间t₂或离子电流流到衬底的时间，直到表面电荷Q_i满足期望水平或返回到被认为安全的阈值以下。第二持续时间t₂可以由重复率和占空因数中的至少一个或两个控制。

图58示出了用于基于等离子体的处理的系统的一个实施例，其中电源5803既控制衬底表面处的离子能量分布，又防止过度的表面电荷积聚。系统5800类似于图21中描述的系统，因此将仅描述某些部件。电源5803可以包括经由控制器5832(例如，开关控制器)控制的开关模式电源5830。开关模式电源5830向输出5838提供AC波形，该AC波形被定制以实现已知的期望的第一电位V₁，以生成期望的(或所限定的)离子能量和离子能量分布。输出5838可以被配置用于耦合到处理室5802的衬底支撑件5808。可以定制来自开关模式电源5830的AC波形以抵消穿过鞘5815的离子和电子传输的影响以及在衬底5806的顶表面5818处产生的电荷累积，使得第一电位V₁保持基本恒定(或持续)。输出5838可以组合来自开关模式电源5830和离子电流补偿部件5836的贡献，以形成非对称周期性电压波形，诸如图61-62中所示的那些波形。

开关模式电源5830结合控制器5832可以确定性地并且在没有传感器的情况下监测各种电压。特别地，基于AC波形的参数(例如，图14中的斜率dv/dt和阶跃ΔV或图61中的斜率6166和阶跃ΔV＝Va-Vb)确定性地监测离子能量(例如，平均能量和离子能量分布)。例如，等离子体电压V₃、离子能量和离子能量分布与由开关模式电源5830产生的AC波形的参数成比例。特别地，AC波形的下降沿或电压降或第一负电压斜坡(图61中的6164)的ΔV与第一电位V₁成比例，并因此与离子能量成比例。通过保持第一电位V₁恒定(或基本上恒定或持续)，离子能量分布可以保持为窄或单能。

在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5806的电容和处理参数而变化的情况下，可以在经过短处理时间之后凭经验确定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，并且对于给定的衬底和工艺，凭经验发现比例常数为2的情况下，第一电位V₁可以预期为100V。阶跃电压ΔV和第一电位V₁(以及因此还有离子能量eV)之间的比例性由等式4描述。因此，可以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，而无需等离子体处理室5802内部的任何传感器。

应当注意，图61示出了与图14中看到的电压波形类似的电压波形，但是具有稍微不同的命名、不同的参考电压和倾斜的电压斜坡，而不是图14中看到的看似垂直的电压阶跃(尽管由于大多数电路中的固有电感和电容负载，在图14中暗示了有限时间段内的一些电压上升和电压降)。例如，图14中的V_PP对应于图61中的ΔVa。图61中的ΔVb对应于图14中的V_PP-ΔV。

开关模式电源5830可以浮置，并且因此可以由串联连接在地和开关模式电源5830之间的DC电源(未示出)以任何DC偏移偏置。开关模式电源5830可以经由开关模式电源5830内部的AC和DC电源(参见例如图22、23、26)，或者经由开关模式电源5830内部的AC电源和开关模式电源5830外部的DC电源(参见例如图24、27)提供具有DC偏移的AC波形。在实施例中，开关模式电源5830可以接地并且串联耦合到串联耦合在开关模式电源5830和静电卡盘5811之间的浮置DC电源。

当开关模式电源5830包括AC和DC电源两者时，控制器5832可以控制开关模式电源的AC和DC输出。当开关模式电源5830与DC电源串联连接时，控制器5832可以仅控制开关模式电源5830的AC输出。在替代实施例中，控制器5832可以控制耦合到开关模式电源5830的DC电源和开关模式电源5830两者。本领域技术人员将认识到，虽然示出了单个控制器5832，但是也可以实施其他控制器以控制提供给静电卡盘5811的AC波形和DC偏移。

控制器5832可以特别地能够控制由开关模式电源5830生成的非对称周期性电压函数的周期和/或占空比。该控制可以特别地允许控制第二持续时间t₂，并且因此允许控制衬底表面上的电荷的积聚Q_i。在一些情况下，可以同时修改周期和占空比以实现期望的表面电荷积聚Q_i。

电源5803还可以包括电耦合到输出5838的离子电流补偿部件5836(电流或电压源或电源)。离子电流补偿部件5836倾向于抵消离子电流的影响，或者抵消离子电流使衬底表面上的偏置电压无效的趋势。离子电流补偿部件5836至少在第二持续时间t₂期间经由输出5838对衬底5806进行偏置，从而提供第二负电压斜坡(例如，图14中的dv/dt区域)。

离子电流补偿部件可以被配置为基于至少在持续时间t₂期间监测输出与衬底之间的电流、电压或两者来获得等离子体处理室中的离子电流的测量值。如前所述，监测电压可以允许获知在持续时间t₂期间的斜率dv/dt。增加离子电流补偿部件5836的输出导致负斜率dv/dt的量值增大，而减小该输出会减小负斜率dv/dt的量值。如前所述，离子电流补偿部件5836不仅控制其输出并且因此控制斜率dv/dt，而且还允许测量离子电流I_I。

利用离子电流I_I的测量，离子电流补偿部件5836还可以例如使用等式10或11来估计衬底5806上的表面电荷积聚Q_i。

可以将表面电荷积聚Q_i与阈值或目标范围进行比较，并且如果表面电荷积聚Q_i等于或高于该阈值或在目标范围之外，则控制器5832可以经由上述各种方式之一调整第二持续时间t₂，直到表面电荷积聚Q_i下降到阈值以下或回到目标范围内。

在实施例中，离子电流补偿部件5836中的控制器5805可以执行上述比较，并且然后将指令传递给控制器5832以调整第二持续时间t₂。替代地，离子电流补偿部件5836中的控制器5805可以执行上述比较并向控制器5832通知比较结果，并且控制器5832可以响应于该数据而决定调整第二持续时间t₂。在另一替代方案中，离子电流补偿部件5836可以估计表面电荷积聚Q_i，将该数据传递给控制器5832，控制器5832可以执行比较，并且然后决定是否以及如何调整第二持续时间t₂。这些方法反映在图65-67中。尽管控制器5832被示出为电源5803的一部分，但是在其他实施例中，控制器5832可以在电源5803的外部。

参考图59，示出了可以结合本文的实施例使用的示例性控制系统的各方面。还示出了鞘电容(C_鞘)和电容C1的表示，电容C1表示与贯穿本公开内容讨论的等离子体处理室100相关联的部件的固有电容，这些部件可以包括绝缘体、衬底、衬底支撑件和e-卡盘。

如图所示，电流和/或电压可以由控制器5960测量，以间接监测等离子体处理室的环境的一个或多个特性。等离子体处理室的环境的示例性特性可以是鞘电容(C_鞘)，其可以使用测量的输出电压V_out用等式2计算。等离子体处理室的环境的另一示例性特性可以是总表面电荷积聚Q_i，其可以用等式11计算。电源5803是偏置电源5902的一个示例。

可以在处理衬底之前监测等离子体以获得存储的数据(例如，关于鞘电容和/或等离子体处理室的环境的其他特性)，并且然后利用数据来调整(多个)偏置波形(例如，以前馈方式)。也可以在等离子体处理期间执行监测，并且可以使用实时反馈来进行等离子体参数的调整(例如，通过调整偏置电源5902的电压和/或占空比)，所述实时反馈使用例如如图59所示的电压和/或电流测量。

接下来参考图60，示出了可以用于实现包括5803的本公开内容的偏置电源的示例性偏置电源6002的一般表示。如图所示，偏置电源6002利用三个电压V1、V2和V3。因为输出V_out通过C_卡盘而电容耦合，所以通常不需要控制V_out的DC电平，并且可以通过将V1、V2或V3中的一个选择为地(0V)来将三个电压减少到两个。可以使用单独的夹持电源，因此不必控制V_out的DC电平。如果不使用单独的夹持电源，则可以控制所有三个电压以控制V_out的DC电平。尽管为了清楚起见未示出，但是两个开关S1和S2可以由开关控制器经由电连接或光连接来控制，以使得开关控制器能够断开和闭合开关S1、S2，如下文所公开的并且如先前所讨论的。所示出的开关S1、S2可以通过单刀单掷开关来实现，并且作为非限制性示例，开关S1、S2可以通过碳化硅金属氧化物半导体场效应晶体管(SiC MOSFET)来实现。

在该实施方式中，电压V1、V2和V3可以是DC源电压。如图所示，第一开关S1被设置为通过电感元件将第一电压V1可切换地连接到输出V_out，并且第二开关S2被设置为通过电感元件将第二电压V2可切换地耦合到输出V_out。在该实施方式中，两个开关连接到公共节点6070，并且公共电感元件L1设置在公共节点6070和输出节点V_out之间。电感元件的其他布置是可能的。例如，可以存在两个单独的电感元件，其中一个电感元件将S1连接到V_out，另一个电感元件将S2连接到V_out。在另一示例中，一个电感元件可以将S1连接到S2，并且另一电感元件可以将S1或S2连接到V_out。

在参考图60时，同时参考图61，其示出了：1)在V_out处输出的偏置电源5202的非对称周期性电压波形(在本公开内容中先前也称为修改的周期性电压函数)的周期；2)相应的鞘电压；以及3)开关S1和S2的相应开关位置。如图所示，由偏置电源6002输出的周期性电压波形是非对称的，使得电压波形的前半周期在电压波形的后半周期期间不具有对应的对称分量。在操作中，第一开关S1暂时闭合，以沿着电压波形的第一部分6160(在电压V0和Va之间)将输出节点V_out处的电压电平增加到第一电压电平Va。沿波形的第二部分6162维持电平Va。然后暂时闭合第二开关S2，以沿着波形的第三部分6164将输出节点V_out处的电压波形的电平降低到第二电压电平Vb。注意，S1和S2除了短时间段之外都是断开的。如图所示，沿着第三部分6164的负电压摆动影响鞘电压(V_鞘)；因此，可以控制Va-Vb的量值以影响鞘电压，并且可以在电压波形的不同周期之间调整Va-Vb的量值以影响离子能量分布函数内的多个离子能量峰值。可以调整第二开关S2的断开和第一开关S1的闭合之间的持续时间t₂，以控制总表面电荷积聚Q_i。

在该实施例中，在第二开关S2断开之后并且当第一开关S1和第二开关S2断开时，通过第二电感元件L2将第三电压V3施加到输出节点V_out，以沿着电压波形的第四部分6166(例如，图14的dv/dt区域)进一步降低输出节点处的电压电平。替代地，可以在开关的整个操作过程中施加第三电压V3，而不管它们的断开或闭合状态如何。换言之，第三电压V3的施加可以具有超过第二持续时间t₂的持续时间。如图53所示，可以建立沿着第四部分6166的负电压斜坡，以通过补偿撞击衬底的离子来维持鞘电压。可以仅在第四部分6166期间或在周期性电压波形的整个周期中施加V3。

因此，S1通过第一电感元件L1暂时将第一电压V1连接到输出V_out，然后断开，并且在一段时间之后，S2通过第一电感元件L1将第二电压(例如，地)连接到输出V_out，然后断开。第三电压V3通过第二电感元件L2耦合到输出V_out。在该实施方式中，第一电压V1可以高于第三电压V3，并且第一电压V1到输出V_out的暂时连接和断开使得输出V_out的电压沿着电压波形的第一部分6160增加到第一电压电平Va，并且第一电压电平Va沿着波形6162的第二部分被维持。第一电压电平Va可以高于第一电压V1，并且第二电压V2(例如，地)可以小于第一电压电平Va。第二电压V2的暂时连接并且然后断开使得输出的电压在第三部分6164处减小到低于第二电压V2(例如，地)的第二电压电平Vb。在第一开关S1的断开与第二开关S2的闭合之间，偏置电源可以尝试或可以不尝试控制供应到衬底的电压或电流。然而，在其他实施例中，在开关的活动之间的该时段期间，偏置电源可以不向衬底支撑件提供任何电压、电流或功率。换言之，波形6162的第二部分可以或可以不由偏置电源控制。

作为示例，如图62所示，V1可以是-2000VDC；V2可以是地；V3可以是-5000VDC；V0可以是-7000VDC；Vb可以是-3000VDC；并且Va可以是3000VDC。但是这些电压仅仅是示例性的，以提供参考图60和图61描述的电压的相对量值和极性的上下文。

接下来参考图63A-63C，示出了两个DC电压源的可能布置，以提供图61和图62中示出的电压V1、V2和V3。在图63A中，V2接地并形成在两个DC电压源之间的公共节点。在图63B中，V1接地，并且V2形成DC电压源之间的公共节点。并且在图63C中，V1接地并且在两个DC电压源中的每一个之间形成公共节点。

在一些实施例中，如图64A、图64B和图64C所示，可以利用三个DC电压源来施加三个电压V1、V2和V3。如图64A所示，三个DC电压源中的每一个可以耦合到地，并且三个DC电压源中的每一个提供V1、V2、V3中的对应一个。在图64B中，DC电压源中的一个接地，并且三个DC电压源串联布置。在图64C中，DC电压源中的一个设置在地和V2之间，并且每个DC电压源耦合到V2。

接下来参考图65，示出了可以用于实现本公开内容的偏置电源(包括5803)的示例性偏置电源6502。如图所示，偏置电源6502包括开关控制器6504和两个电压源，以提供第一电压V1、第二电压V2和第三电压V3。尽管为了清楚起见未示出，但是两个开关S1和S2耦合到开关控制器6504(例如，经由电连接或光连接)，以使得开关控制器6504能够断开和闭合开关S1、S2，如下文所公开的。所示出的开关S1、S2可以通过可由电信号或光信号控制的单刀单掷常开开关来实现。作为非限制性示例，开关S1、S2可以由碳化硅金属氧化物半导体场效应晶体管(SiC MOSFET)实现。

还示出了示例性控制器6560，其可以在每个偏置电源的壳体内实现，或者可以实现为集中式工具控制器的一部分。如图所示，控制器6560被耦合以接收指示由偏置电源6502在偏置电源的输出V_out处施加的功率的信息(例如，电压和/或电流信息)。如图所示，控制器6560还耦合到开关控制器6504和两个DC电压源，以使控制器6560能够控制偏置电源6502(例如，以控制靠近偏置电极的等离子体鞘；以控制第二持续时间t₂，并因此控制表面电荷积聚Q_i)。

此外，控制器6560包括监测电路系统6570和室分析部件6573，监测电路系统6570用于测量由偏置电源6502施加的功率的至少一个特性，室分析部件6573被配置为基于从监测电路系统6570获得的功率的测量特性来计算等离子体处理室内的环境的特性。控制器6560中还示出了控制电路系统6574，其用于调整由偏置电源6502施加的功率以控制靠近偏置电极的等离子体鞘。在图65中，控制器6560和开关控制器6504被示出为单独的构造，但是应当认识到，控制器6560和开关控制器6504可以集成和/或共享共同的底层部件。例如，控制器6560和开关控制器6504可以并置在同一印刷电路板或片上系统(SoC)上。作为另一示例，控制器6560和开关控制器可以由包括与图70中示出的计算设备类似或相同的架构的系统来实现。

监测电路系统6570可以包括一个或多个传感器，诸如定向耦合器、V-I传感器、相位和增益传感器、电压传感器和电流传感器。如本领域普通技术人员将理解的，所测量的功率特性可以包括电压、电流、相位和功率。另外，监测电路系统6570可以包括模数转换部件，以将来自(多个)传感器的模拟信号转换为所测量的功率特性的数字表示。在其他实施方式中，(多个)传感器与控制器6560分离，并且监测电路系统6570包括模数转换部件，以将来自(多个)传感器的模拟信号转换为所测量的功率特性的数字表示。在其他实施方式中，(多个)传感器包括感测元件和模数转换部件，并且监测电路系统6570可以接收功率特性的数字表示。监测等离子体处理室的环境的一个或多个特性可以包括(利用监测电路系统6570)测量由至少一个偏置电源施加的功率的至少一个特性。

室分析部件6573通常被配置为基于从监测电路系统6570获得的所测量的功率特性来确定等离子体处理室内的环境的特性。尽管可以在等离子体处理室外部的位置处(通过监测电路系统6570)测量功率，但是测量的功率特性可以用于计算等离子体处理室内的环境的特性。例如，使用等式1，可以使用与C1相关的V_out处的电压测量值来计算靠近偏置区的区域中的离子电流。作为另一示例，使用等式2，可以计算靠近偏置区带的区域中的鞘电容。作为又一示例，等式11可以用于确定表面电荷积聚Q_i。

控制电路系统6574通常操作以调整由偏置电源施加的功率，以调整等离子体处理室内的环境的方面。例如，可以调整靠近区带(由偏置电源6502建立)的等离子体鞘，和/或还可以调整离子电流。如图所示，控制器6560可以耦合到DC电压源和开关控制器6504；因此，参考图61，控制器6560可以用于调整第四部分6166的电压Va、电压Vb、第一持续时间t₁、第二持续时间t₂、时间T和斜率。如参考图61所讨论的，可以调整靠近与偏置电源6502相关联的偏置区带的等离子体鞘的电压。在第二持续时间t₂期间的表面电荷积聚Q_i也可以由控制器6560控制。

再次参考图65，在该实施方式中(其包含图63A中示出的实施例)，在耦合到两个DC电压源并耦合到地的节点处提供第二电压V2，但是在其他实施方式中(例如，上面参考图63B和图63C所述)，第二电压V2不需要接地。如图所示，第一开关S1被设置为将第一电压V1可切换地连接到公共节点6571(其对于S1和S2是公共的)，并且第二开关S2被设置为将第二电压V2可切换地耦合到公共节点6571。此外，第一电感元件L1设置在公共节点和输出节点V_out之间。

在操作中，开关控制器6504被配置为闭合第一开关S1，以沿着电压波形的第一部分6160(在电压V₀和Va之间)将输出节点V_out处的电压电平增加到沿着波形的第二部分6162保持的第一电压电平Va，并且然后断开第一开关S1。然后，开关控制器6504闭合第二开关S2，以沿着波形的第三部分6164将输出节点V_out处的电压波形的电平降低到第二电压电平Vb，并且然后开关控制器6504断开第二开关S2，使得S1和S2断开。如图所示，沿着第三部分6164的负电压摆动影响鞘电压(V_鞘)；因此，可以控制Vb的量值以影响紧邻耦合到V_out的电极平面的鞘电压。本领域技术人员将理解，在该实施方式中，Vb可通过控制V1来控制，但是由于电感器L1的影响，Vb不等于V1。

控制第二开关S2的断开与第一开关S1的闭合之间的第二持续时间t₂可以控制表面电荷积聚Q_i。

在该实施例中，第二电压源用作离子补偿部件，以至少在第一开关S1和第二开关S2断开时通过第二电感元件L2将第三电压V3施加到输出节点V_out，以沿着周期性非对称电压波形的第四部分6166进一步降低输出节点处的电压波形的电平。如图61所示，可以建立沿着第四部分6166的负电压斜坡，以通过补偿撞击衬底的离子来维持并且可选地修改鞘电压。例如，可以调整沿着第四部分6166的负斜坡电压以影响离子能量分布函数内的离子能量峰值的宽度，并且负斜坡电压的持续时间t₂可以用于控制衬底上的电荷积聚Q_i。

因此，S1通过第一电感元件L1暂时将第一电压V1连接到输出V_out，并且然后断开，并且在一段时间之后，S2通过第一电感元件L1将第二电压(例如，地)连接到输出V_out，并且然后断开。第三电压V3通过第二电感元件L2耦合到输出V_out。在该实施方式中，第一电压V1可以高于第三电压V3，并且第一电压V1到输出V_out的暂时连接和断开使得输出V_out的电压沿着电压波形的第一部分6160增加到第一电压电平Va，并且第一电压电平Va沿着波形的第二部分5362被维持。第一电压电平Va可以高于第一电压V1，并且第二电压V2(例如，地)可以小于第一电压电平Va。第二电压V2的暂时连接并且然后断开使得输出的电压在第三部分6164处降低到低于第二电压V2(例如，地)的第二电压电平Vb。

在实施例中，一个或多个偏置电源可以用于在室中具有参考衬底或没有衬底的情况下测量离子密度、鞘电容或其他室参数。可以进行一次或多次处理运行，并且然后可以重复测量。以这种方式，可以监测室的变化。

如果使用硅顶盖，则可以使用一个或多个偏置电源5803、5960、6002和6502来监测区域离子密度和/或其他室参数。硅顶盖(也称为硅真空密封件)通常是可消耗的，但可能不以均匀的方式消耗。使用多个偏置电源5803、5960、6002、6502来测量区域等离子体特性可以提供推断硅真空密封件中的不均匀变化的手段。这种随时间的反馈可以用于调整RF源和/或偏置电源5803、5960、6002和6502，以考虑硅真空密封件中的时变不均匀性。另外，该反馈可以用于确定硅真空密封件何时可能需要更换。在另一个实施例中，一个或多个偏置电源5803、5960、6002和6502可以耦合到与该硅真空密封件相邻的电极(例如，在室的顶部)。由于偏置电源5803、5960、6002和6502可以用于修改或甚至消除等离子体鞘，因此该顶部安装的偏置电源5803、5960、6002和6502可以用于最小化或甚至消除硅真空密封件与等离子体之间的等离子体鞘。以这种方式，与当前工艺相比，可以减少硅真空密封件的侵蚀或消耗。

沿着这些思路，每个偏置电源5803、5960、6002和6502以及对应的电极可以布置在处理室的各个位置处，以便局部控制等离子体鞘，从而减少或消除室的某些区域或部件的离子轰击。离子密度和鞘电容及其局部变化可以用于监测室清洁度。例如，局部离子密度随时间的变化可以指示局部室表面已经累积了一个或多个膜。在另一个实施例中，分布在空间中的多个静电卡盘电压可以用于影响区域离子密度。

尽管本公开内容集中于调整第二持续时间t2以实现期望的表面电荷积聚Q_i，但是在其他实施例中，对维持等离子体的电源的调整可以具有类似的效果。特别地，由于等离子体密度与离子电流I_I相关，并且表面电荷积聚是离子电流I_I的函数，因此可以使用调整耦合到等离子体中的功率量以及因此使用等离子体密度来控制或维持表面电荷积聚Q_i。例如，对控制等离子体密度的子系统(通常称为等离子体源)的反馈可以用于控制表面电荷积聚Q_i。因此，等离子体功率以及来自偏置电源的第二负电压斜坡的持续时间两者可以独立地用于控制表面电荷积聚Q_i。同时，等离子体源和偏置电源两者可以组合使用以控制表面电荷积聚Q_i(例如，降低等离子体功率，同时还减少第二持续时间t₂)。

图68示出了针对不同第二持续时间t₂的来自电源(例如，5803)的输出电压、衬底电压和离子通量的图。改变第二持续时间t₂对能量标度上的IEDF(E_ion)的位置没有影响，但是影响在每个循环期间递送的电荷(Q_i)的量值，并且因此建立了用于控制表面电荷积聚Q_i而不影响标称离子能量E_ion的方法。顶行示出了针对中等值的第二持续时间t₂的图，中间行示出了针对较短值的第二持续时间t₂的图，并且底行示出了针对较长值的第二持续时间t₂的图。可以看出，第二持续时间t₂的变化不影响衬底电压的量值，但是它确实影响衬底电压处于恒定负电压(或基本上恒定的负电压或持续的负电压)多长时间，并且因此影响到衬底的离子通量。因此，将第二持续时间t₂减少太多可能导致产量减少。延长第二持续时间t₂可以增加等离子体在衬底上做功的总时间量，但也可能导致过度电荷积聚。因此，通常需要找到离子轰击的持续时间与表面电荷积聚Q_i之间的平衡。

图66示出了偏置衬底以控制(例如，限制)积聚的表面电荷的方法。方法6600可以包括将非对称周期性电压函数施加到输出(框6602)。电源可以被配置为提供该电压函数。输出可以被配置为耦合到衬底支撑件。非对称周期性电压函数可以包括正电压斜坡(例如，图61中的6160)、具有持续时间t₁的第一负电压斜坡(例如，6164)和具有第二持续时间t₂的第二负正斜坡(例如，6166)。该第二负电压斜坡也可以被称为线性降低电压。方法6600可以包括在持续时间t₂内监测斜率dv/dt(框6604)。这可以用于测量等离子体处理室中的离子电流。在实施例中，诸如5836的离子电流补偿部件可以执行框6604的监测。然后，方法6600可以使用等式10计算离子电流I_I(框6606)，并且然后使用离子电流I_I和等式11计算表面电荷积聚Q_i。该计算可以由离子电流补偿部件(诸如5836)或由控制器(诸如5832)执行。在计算表面电荷积聚Q_i的同时或之前，方法6600可以调整离子补偿部件的输出(例如，电流或电压)，并且开关模式电源(例如5830)可以调整输出电压降ΔV(例如，6164)，以实现期望的离子能量分布(例如，可控地窄的或单能的离子能量分布)(框6608)。一旦已知或至少估计了表面电荷积聚Q_i，就可以将其与阈值或范围进行比较(判定6610)。如果表面电荷积聚Qi低于该阈值或在该范围内，则方法6600可以返回到监测步骤(框6604)并继续监测过量或超出范围的表面电荷积聚Q_i。该判定可以由离子电流补偿部件(诸如5836)或由控制器(诸如5832)做出。如果判定6610为是，则方法6600可以调整线性降低电压的持续时间t₂(框6612)并返回到监测dv/dt(框6604)，直到判定6610发现表面电荷积聚Q_i回到界限内或低于阈值。在一个实例中，控制器(诸如5832)可以经由到开关模式电源内的开关的信号来控制线性降低电压的第二持续时间t₂。

图67示出了偏置衬底以控制累积的表面电荷的另一种方法。方法6700可以包括在非对称周期性电压函数的脉冲之间用线性降低电压偏置等离子体处理室中的衬底(框6702)，诸如图61和图62中所见。电源可以被配置为提供该电压函数。输出可以被配置为耦合到衬底支撑件。线性降低电压可以持续作为可控值的持续时间t₂。然后，该方法可以使用等式10计算离子电流I_I(框6704)，并且然后使用离子电流I_I和等式11计算表面电荷积聚Q_i(框6704)。该计算可以由离子电流补偿部件(诸如5836)或由控制器(诸如5832)执行。然后可以将持续时间t₂期间的表面电荷积聚Q_i与阈值或范围进行比较(判定6706)。如果表面电荷积聚Q_i低于该阈值或在该范围内(判定6706)，则方法6600可以返回到计算离子电流I_I和表面电荷积聚Q_i(框6704)，并继续监测过量或超出范围的表面电荷积聚Q_i。该判定可以由离子电流补偿部件(诸如5836)或由控制器(诸如5832)做出。如果判定6706为是，则方法6700可以调整线性降低电压的持续时间t₂(框6708)，并返回到计算离子电流I_I和表面电荷积聚Q_i(框6704)，并继续监测过量或超出范围的表面电荷积聚Q_i。在一个实例中，控制器(诸如5832)可以经由到开关模式电源内的开关的信号来控制线性降低电压的持续时间t₂。

在一些实施例中，离子电流补偿部件5836的部件和功能可以在开关模式电源5830内实施。

确定修改的周期性电压函数的斜率的积分法

在另一个实施例中，可以在不知道第二持续时间t₂期间线性降低电压的斜率dv/dt的情况下估计表面电荷积聚Q_i。作为替代，在第二持续时间t₂期间的电压曲线下的面积可以用于确定表面电荷积聚Q_i。确定该面积的一种方式是通过在第二持续时间t₂期间对离子电流I_I进行积分，如下面等式12所示：

可以如前所述确定离子电流I_I，例如，通过调整离子补偿电流I_C直到等式3为真，并且然后从离子补偿电流I_C获知离子电流I_I(例如，I_C＝I_I)。

虽然本公开内容已经描述了表面电荷积聚Q_i，但是应当注意，Q_i可以指递送的电荷，因为可能存在一些电荷泄漏源。类似地，等式11和12可以指递送的电荷，而不是电荷积聚。

结合本文公开的实施例描述的方法可以直接体现在硬件、编码在非暂时性有形处理器可读存储介质中的处理器可执行代码或两者的组合中。例如，参考图69，展示了示出根据示例性实施例的可以用于实现等离子体电源102、202、1202、1702、2122、2222、2322、2422、2522、2622、2722和偏置电源106、206、806、1206、1366、1806和1884、1906、2130、2230、2330、2430、2530、2630、2730、5102、5202、5500、5803、5902、6002和6502的控制方面的物理部件的框图。如图所示，在该实施例中，显示部分6912和非易失性存储器6920耦合到总线6922，总线6922还耦合到随机存取存储器(“RAM”)6924、处理部分(其包括N个处理部件)6926、现场可编程门阵列(FPGA)6927和包括N个收发机的收发机部件6928。尽管图69中示出的部件表示物理部件，但是图69不旨在是详细的硬件图；因此，图69中示出的许多部件可以通过共同的构造来实现或分布在附加的物理部件之间。此外，可以设想，可以利用其他现有的和尚未开发的物理部件和架构来实施参考图69描述的功能部件。

该显示部分6912通常操作以为用户提供用户界面，并且在若干实施方式中，显示由触摸屏显示器实现。通常，非易失性存储器6920是非暂时性存储器，其用于存储(例如，持久地存储)数据和处理器可执行代码(包括与实现本文描述的方法相关联的可执行代码)。在一些实施例中，例如，非易失性存储器6920包括引导加载器代码、操作系统代码、文件系统代码和非暂时性处理器可执行代码，以便于执行偏置衬底以实现可选地具有不同幅度的一个或多个IEDF能量峰值的方法，如参考图6、图9-11、图42B、图42C、图46和图48-50所描述的。监测电路系统5770、室分析部件5772和控制电路系统5772中的一个或多个可以至少部分地由非暂态处理器可执行代码实现。

在许多实施方式中，非易失性存储器6920由闪存(例如，NAND或ONENAND存储器)实现，但是预期也可以利用其他存储器类型。尽管可以执行来自非易失性存储器6920的代码，但是非易失性存储器中的可执行代码通常被加载到RAM 6924中并由处理部分6926中的N个处理部件中的一个或多个执行。

与RAM 6924连接的N个处理部件通常操作以执行存储在非易失性存储器6920中的指令，以使得能够执行本文公开的算法和功能。应当认识到，本文公开了若干算法，但是这些算法中的一些未在流程图中表示。用于实现如图6、图9-11、图42B、图42C、图46和图48-50中所示和相对于图6、图9-11、图42B、图42C、图46和图48-50所述的偏置衬底或室的不同局部区域的方法的处理器可执行代码可以持久地存储在非易失性存储器6920中，并由与RAM6924连接的N个处理部件执行。如本领域普通技术人员将理解的，处理部分6926可以包括视频处理器、数字信号处理器(DSP)、微控制器、图形处理单元(GPU)或其他硬件处理部件或硬件和软件处理部件的组合(例AE2019-019CHN

如，FPGA或包括数字逻辑处理部分的FPGA)。

另外或替代地，非暂时性FPGA配置指令可以持久地存储在非易失性存储器6920中并被访问(例如，在启动期间)以配置现场可编程门阵列(FPGA)来实施本文公开的算法并实现控制器5760或RF源102、202、1202、1702、2122、2222、2322、2422、2522、2622、2722和偏置电源106、206、806、1206、1366、1806和1884、1906、2130、2230、2330、2430、2530、2630、2730、5102、5202、5500、5803、5902、6002和6502的其他方面的一个或多个功能。

输入部件6930操作以接收指示被供应到衬底支撑件的修改的周期性电压函数的一个或多个方面的信号(例如，偏置电源的输出处的电流、电压和相位信息)。在输入部件处接收的信号可以包括例如V_out或V_out的变化率(例如，dv₀/dt)。输出部件通常操作以提供一个或多个模拟或数字信号以实现控制如本文所公开的偏置电源的操作方面，和/或提供信号以实现期望的IEDF。例如，输出部分6932可以提供用于控制可控电流源2540、2640、2740、电流源1664或离子电流补偿部件1260、1360、2136和/或偏置电源106、206、806、1206、1366、1806和1884、1906、2130、2230、2330、2430、2530、2630、2730、5102、5202、5702内的开关的切换的控制信号。

所示出的收发机部件6928包括N个收发机链，其可以用于经由无线或有线网络与外部设备通信。N个收发机链中的每一个可以表示与特定通信方案(例如，WiFi、以太网、Profibus等)相关联的收发机。

如本领域技术人员将理解的，本公开内容的各方面可以体现为系统、方法或计算机程序产品。因此，本公开内容的各方面可以采取完全硬件实施例、完全软件实施例(包括固件、常驻软件、微代码等)或组合软件和硬件方面的实施例的形式，这些实施例在本文中通常都可以被称为“电路”、“模块”或“系统”。此外，本公开内容的各方面可以采取体现在一个或多个计算机可读介质中的计算机程序产品的形式，该一个或多个计算机可读介质具有体现在其上的计算机可读程序代码。

总之，本公开内容尤其提供了一种使用开关模式电源选择性地生成期望的(或所限定的)离子能量的方法和装置。如本文所用，“A、B或C中的至少一个”的叙述旨在表示“A、B、C或A、B和C的任何组合”。提供所公开的实施例的先前描述以使本领域技术人员能够实现或使用本公开内容。本领域技术人员可以容易地认识到，可以在本公开内容、其使用及其配置中进行许多变化和替换，以实现与本文描述的实施例所实现的基本上相同的结果。因此，无意将本发明限制于所公开的示例性形式。许多变化、修改和替代构造落入所公开的发明的范围和精神内。

Claims (22)

1.一种用于提供电压的系统，包括：

等离子体处理室，所述等离子体处理室被配置为容纳包括离子的等离子体；

衬底支撑件，所述衬底支撑件定位在所述等离子体处理室内并设置成支撑衬底；

电源，所述电源被配置为向输出提供非对称周期性电压函数，所述输出被配置为耦合到衬底支撑件，所述非对称周期性电压函数具有正电压斜坡、第一负电压斜坡和第二负电压斜坡，所述第二负电压斜坡在所述第一负电压斜坡与下一个正电压斜坡之间具有持续时间t₂；

所述电源包括离子电流补偿部件，所述离子电流补偿部件被配置为基于在所述持续时间t₂期间监测电流或电压中的至少一个来获得所述等离子体处理室中的离子电流的测量值，并且还被配置为获得作为所述离子电流和所述持续时间t₂的函数的所述衬底上的表面电荷积聚Q_i的估计值；以及

所述电源包括开关控制器，所述开关控制器被配置为调整所述持续时间t₂，以实现期望的表面电荷积聚Q_i，或将所述表面电荷积聚Q_i保持在阈值以下。

2.根据权利要求1所述的系统，其中，所述离子电流补偿部件在所述衬底的表面处实现离子能量的可控宽度。

3.根据权利要求2所述的系统，其中，所述离子电流补偿部件在所述衬底的所述表面处实现离子能量的可控窄分布或单能分布。

4.根据权利要求3所述的系统，其中，离子电流补偿部件还被配置为在所述持续时间t₂期间在所述输出处维持固定量值的电压或电流，以在所述衬底的所述表面处实现离子能量的所述可控窄分布或单能分布。

5.根据权利要求3所述的系统，其中，所述电源包括至少两个开关部件，并且所述至少两个开关部件包括耦合到DC电源的第一开关部件和耦合到地端子的第二开关部件，所述两个开关部件被配置为将所述DC电源的正DC电压和所述地端子交替地耦合到所述输出以在所述衬底的所述表面处实现离子能量的所述可控窄分布或单能分布。

6.根据权利要求5所述的系统，其中，所述开关控制器被配置为通过第一单独的驱动控制信号线和第二单独的驱动控制信号线中的对应的一条分别向所述至少两个开关部件中的所述第一开关部件和所述第二开关部件提供第一单独的驱动控制信号和第二单独的驱动控制信号，并且控制所述驱动控制信号的定时以将所述正DC电压和地电位交替地切换到所述输出，从而生成所述非对称周期性电压函数，所述非对称周期性电压函数在被施加到所述衬底支撑件上的电介质或半导体衬底时，在所述持续时间t₂期间在所述衬底的所述表面处产生持续的负电压，所述持续的负电压实现离子能量的所述可控窄分布或单能分布。

7.根据权利要求6所述的系统，还包括波形存储器，所述波形存储器被编程为包括用于所述驱动控制信号的定时信息，所述定时信息包括所述持续时间t₂的定时。

8.根据权利要求1所述的系统，其中，所述表面电荷积聚的估计值被导出为所述离子电流在所述持续时间t₂内的积分。

9.根据权利要求1所述的系统，其中，所述表面电荷积聚的估计值被导出为所述电压的变化率dv/dt与串联电容C_卡盘相乘所得结果的倍数。

10.一种用于提供电压的装置，包括：

电源，所述电源被配置为向输出提供非对称周期性电压函数，所述输出被配置为耦合到衬底支撑件，所述非对称周期性电压函数具有正电压斜坡、第一负电压斜坡和第二负电压斜坡，所述第二负电压斜坡在所述第一负电压斜坡与下一个正电压斜坡之间具有持续时间t₂；

所述电源包括基于在所述持续时间t₂期间监测电流或电压中的至少一个来获得等离子体处理室中的离子电流的测量值的模块；

所述电源包括用于获得作为所述离子电流和所述持续时间t₂的函数的由所述衬底支撑件保持的衬底上的表面电荷积聚Q_i的估计值的模块；以及

所述电源包括控制器，所述控制器被配置为调整所述持续时间t₂，以实现期望的表面电荷积聚Q_i，或者将所述表面电荷积聚Q_i保持在阈值以下。

11.根据权利要求10所述的装置，其中，所述电源在所述衬底的所述表面处实现离子能量的可控宽度。

12.根据权利要求11所述的装置，其中，电源在所述衬底的所述表面处实现离子能量的可控窄分布或单能分布。

13.根据权利要求12所述的装置，其中，电源还被配置为在所述持续时间t₂期间在所述输出处保持固定量值的电压或电流，以在所述衬底的所述表面处实现离子能量的所述可控窄分布或单能分布。

14.根据权利要求12所述的装置，其中，所述电源包括至少两个开关部件，并且所述至少两个开关部件包括耦合到DC电源的第一开关部件和耦合到地端子的第二开关部件，所述两个开关部件被配置为将所述DC电源的正DC电压和所述地端子交替地耦合到所述输出以在所述衬底的所述表面处实现离子能量的所述可控窄分布或单能分布。

15.根据权利要求14所述的装置，其中，所述控制器被配置为通过第一单独的驱动控制信号线和第二单独的驱动控制信号线中的对应的一条分别向所述至少两个开关部件中的所述第一开关部件和所述第二开关部件提供第一单独的驱动控制信号和第二单独的驱动控制信号，并且控制所述第一单独的驱动控制信号和所述第二单独的驱动控制信号的定时以将所述正DC电压和地电位交替地切换到所述输出，从而生成所述非对称周期性电压函数，所述非对称周期性电压函数在被施加到所述衬底支撑件上的电介质或半导体衬底时，在所述持续时间t₂期间在所述衬底的所述表面处产生持续的负电压，所述持续的负电压实现离子能量的所述可控窄分布或单能分布。

16.根据权利要求15所述的装置，还包括波形存储器，所述波形存储器被编程为包括用于所述第一单独的驱动控制信号和所述第二单独的驱动控制信号的定时信息，所述定时信息包括所述持续时间t₂的定时。

17.根据权利要求10所述的装置，还包括：

所述等离子体处理室。

18.一种非暂时性有形处理器可读存储介质，其编码有处理器可执行代码以执行用于提供电压的方法，所述方法包括：

在等离子体处理室中偏置衬底，所述偏置的波形包括：(1)周期性的正脉冲，和(2)在每个所述正脉冲之间的线性降低电压，持续达持续时间t₂，并且具有降低速率dv/dt；

根据在所述持续时间t₂期间的所述波形的电流测量值或根据所述降低速率dv/dt计算离子电流I_I；

根据所述离子电流I_I计算在所述持续时间t₂期间累积的表面电荷积聚Q_i；

将所述表面电荷积聚Q_i与第一阈值进行比较；以及

当所述表面电荷积聚Q_i满足或超过所述第一阈值时改变所述持续时间t₂。

19.根据权利要求18所述的非暂时性有形处理器可读存储介质，其中，所述脉冲中的每个脉冲的持续时间t₁在所述持续时间t₂的改变期间保持恒定，从而维持递送到所述衬底的恒定离子能量。

20.根据权利要求18所述的非暂时性有形处理器可读存储介质，还包括根据所述降低速率dv/dt和所述衬底与提供所述偏置的电源之间的串联电容C_卡盘来计算所述离子电流II。

21.根据权利要求20所述的非暂时性有形处理器可读存储介质，还包括将在所述持续时间t₂期间的所述表面电荷积聚Q_i计算为：

22.根据权利要求20所述的非暂时性有形处理器可读存储介质，还包括将在所述持续时间t₂期间的所述表面电荷积聚Q_i计算为：

Q_i＝I_I*t₂

Images