CN118043933A - 具有双向开关的可配置偏置电源 - Google Patents

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CN118043933A CN202280066332.2A CN202280066332A CN118043933A CN 118043933 A CN118043933 A CN 118043933A CN 202280066332 A CN202280066332 A CN 202280066332A CN 118043933 A CN118043933 A CN 118043933A
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Abstract

本发明公开了偏置电源、等离子体处理系统和关联的方法。一种偏置电源包括被配置为能够对电流进行双向控制的双向开关。一种控制器被配置为在完整电流周期内控制通过双向开关的电流方向，该完整电流周期包括前半电流周期和后半电流周期，该前半电流周期包括正向电流流动，从零电流开始，增大到正峰值，然后下降返回到零。后半电流周期包括负向电流流动，从零电流开始，增大到负峰值，然后下降返回到零电流，导致在输出节点和返回节点之间施加周期性电压。

Description

具有双向开关的可配置偏置电源
技术领域
本发明总体涉及电源，更具体而言，涉及用于施加用于等离子体处理的电压的电源。
背景技术
很多类型的半导体器件是利用基于等离子体的蚀刻技术制造的。如果蚀刻的是导体，可以向导电衬底施加相对于地的负电压，以便在衬底导体的整个表面上生成基本均匀的负电压，这会朝向导体吸引带正电的离子，结果，撞击导体的正离子具有基本相同的能量。
然而，如果衬底是电介质，没有变化的电压不能在衬底整个表面上施加电压。但是可以向导电板(或卡盘)施加交流(AC)电压(例如，高频AC或射频(RF))，使得AC场在衬底表面上诱发电压。在AC周期的正峰期间，衬底会吸引电子，电子相对于正离子的质量很轻；因此，在周期的正峰期间，很多电子将被吸引到衬底表面。结果，衬底表面将带负电，这导致在AC周期的剩余部分期间，离子被吸引到带负电的表面。当离子撞击衬底表面时，撞击会从衬底表面发射出材料，从而实现蚀刻。
在很多情况下，希望具有窄(或可以具体调节的)离子能量分布，但是向衬底施加正弦波形会诱发离子能量的很宽分布，这限制了等离子体工艺执行期望蚀刻轮廓的能力。实现窄离子能量分布的已知技术昂贵、效率低、难以控制和/或可能对等离子体密度造成不利影响。结果，这些已知技术中的很多未被商用。因此，需要一种系统和方法以解决当前技术的不足并提供其他新的创新性特征。
发明内容
一方面可以表征为一种施加周期性电压的偏置电源，其包括输出节点、返回节点以及双向开关，所述双向开关被配置为使得能够对所述双向开关的第一节点和所述双向开关的第二节点之间的电流进行双向控制。功率区段耦接到所述输出节点、所述返回节点以及所述双向开关的所述第一节点和所述第二节点，并且控制器被配置为在完整电流周期内控制通过所述双向开关的电流方向。所述完整电流周期包括前半电流周期和后半电流周期，所述前半电流周期包括正向电流流动，从时间t0处的零电流开始，增大到正峰值，然后在时间t1处下降回到零。所述后半电流周期包括负向电流流动，从时间t2处的零电流开始，增大到负峰值，然后在时间t3处下降返回到零电流，导致在所述输出节点和所述返回节点之间施加周期性电压。
又一方面可以表征为一种等离子体处理系统，所述等离子体处理系统包括等离子体室，所述等离子体室包括用以包含等离子体的容积、输入节点和返回节点。所述等离子体处理系统还包括双向开关，所述双向开关被配置为使得能够对所述双向开关的第一节点和所述双向开关的第二节点之间的电流进行双向控制。另外，所述等离子体处理系统包括用于在完整电流周期内提供并控制通过所述双向开关的电流的模块。所述完整电流周期包括前半电流周期和后半电流周期。所述前半电流周期包括正向电流流动，在时间t0从零电流开始，增大到正峰值，然后在时间t1下降回到零，所述后半电流周期包括负向电流流动，在时间t2从零电流开始，增大到负峰值，然后在时间t3下降回到零，从而导致在所述输出节点和所述返回节点之间施加周期性电压。
本文所公开的另一方面是一种非暂态有形处理器可读存储介质，所述介质编码有处理器可读指令以控制偏置电源的双向开关。所述指令包括通过双向开关提供电流并且在完整电流周期内控制通过所述双向开关的电流以导致在所述偏置电源的输出节点和返回节点之间施加周期性电压的指令。所述完整电流周期包括前半电流周期和后半电流周期。所述前半电流周期包括正向电流流动，从时间t0处的零电流开始，增大到正峰值，然后在时间t1处下降返回到零。所述后半电流周期包括负向电流流动，从时间t2处的零电流开始，增大到负峰值，然后在时间t3处下降返回到零电流。
附图说明
图1是绘示可以利用本文所公开的偏置电源的示范性等离子体处理环境的框图；
图2是绘示示范性偏置电源的示意图；
图3是在电学方面表示等离子体处理室的各方面的示意图；
图4A、4B、4C和4D均绘示了图2中所示偏置电源的示例；
图5是绘示了可以结合图4A、4B、4C和4D中所示的偏置电源遍历的方法的流程图；
图6A、6B、6C和6D均绘示了可以实现为图2中所示的偏置电源的偏置电源的额外示例；
图7是绘示了可以结合图6A、6B、6C和6D中所示的偏置电源遍历的方法的流程图；
图8A、8B和8C均绘示了图2、4A、4B、4C、4D、6A、6B、6C和6D中所示双向开关的示例；
图9A、9B、9C和9D均为绘示了本文描述的偏置电源在与图3中的等离子体处理室一起工作时的电气方面的定时的时序图；
图10A包括绘示了周期性电压波形和与每个波形相关联的功率的各种示例的曲线图；
图10B是绘示了可以由图10A中所示周期性电压波形的每个产生的鞘层电压的曲线图；
图11A包括绘示了周期性电压波形和与每个波形相关联的功率的各种其他示例的曲线图；
图11B是绘示了可以由图11A中所示周期性电压波形的每个产生的鞘层电压的曲线图；
图12A是鞘层电压与时间的关系，以及所得离子通量与离子能量的关系的图示；
图12B是可以产生图12A中所示鞘层电压的周期性电压波形的曲线图；
图13A绘示了另一鞘层电压以及所得离子通量与离子能量的关系；
图13B是可以产生图13A中所示鞘层电压的周期性电压波形的曲线图；
图14是绘示控制系统各方面的框图；以及
图15是绘示了可以用于实现本文所公开的控制方面的部件的框图。
具体实施方式
“示范性”一词在本文中被用于意指“用作示例、实例或者例示”。本文描述为“示范性”的任何实施例未必理解为相比其它实施例是优选的或有利的。
预先注意：以下附图中的流程图和框图示出了根据各实施例的系统、方法和计算机程序产品的可能实施方式的架构、功能和操作。就此而言，这些流程图或框图中的一些框可以表示代码的模块、片段或部分，其包括用于实现指定逻辑功能的一个或多个可执行指令。还应当指出，在一些替代实施方式中，框中所示的功能可以不按照图中所示的顺序发生。例如，根据涉及的功能，相继示出的两个框实际上可以基本同时被执行，或者可以按照相反次序执行框。还要指出的是，框图和/或流程图图示的每个框，以及框图和/或流程图中框的组合，可以由执行指定功能或动作的基于专用硬件的系统或专用硬件和计算机指令的组合来实现。
出于本公开的目的，源发生器是其能量主要用于产生和维持等离子体的发生器，而“偏置电源”是其能量主要用于产生表面电势以从等离子体吸引离子和电子的电源。
本文描述的是可以用于向等离子体处理室中的衬底支撑件施加周期性电压函数的新型偏置电源的若干实施例。
首先参考图1，其示出了可以利用偏置电源的示范性等离子体处理系统(例如，沉积或蚀刻系统)。等离子体处理环境可以包括很多个直接和间接耦接到等离子体处理室101的设备，在等离子体处理室之内包含一定容积，该容积包含等离子体102和工件103(例如，晶圆)以及电极104(可以嵌入在衬底支撑件中)。该设备可以包括真空处理和气体输送设备(未示出)、一个或多个偏置电源108、一个或多个源发生器112以及一个或多个源匹配网络113。在很多应用中，来自单个源发生器112的功率被连接到一个或多个源电极105。源发生器112可以是更高频率的RF发生器(例如13.56MHz到120MHz)。电极105一般性地代表利用电感耦合的等离子体(ICP)源、具有在另一RF频率下偏置的辅助顶电极的双电容耦合的等离子体源(CCP)、螺旋波等离子体源、微波等离子体源、磁控管或某种其他独立操作的等离子体能量源可以实现的东西。
在图1所示的系统变体中，源发生器112和源匹配网络113可以被远程等离子体源替代或增强。系统的其他变体可以仅包括单个偏置电源108。
尽管以下公开一般参考了基于等离子体的晶圆处理，但实施方式可以包括等离子体室之内的任何衬底。在一些情况下，可以使用本文公开的系统、方法和设备来处理衬底之外的对象。换言之，本公开适用于子气氛等离子体处理室内的任何对象的等离子体处理以通过物理或化学手段影响表面变化、表面下变化、沉积或移除。
参考图2，示出了可以用于实施参考图1所述的偏置电源108的示范性偏置电源208。偏置电源208一般性地代表本文参考图4A、4B、4C、4D、6A、6B、6C和6D进一步描述的偏置电源的很多变体，以施加周期性电压函数。因此，参考偏置电源208一般是指图2中绘示的偏置电源208和本文进一步描述的偏置电源408A到408H和608A到608D。如图所示，偏置电源208包括输出210(也称为输出节点210)、返回节点212、双向开关220和功率区段230。通常，偏置电源208一般用于在输出节点和返回节点212之间施加周期性电压函数。通过输出节点210输送到负载的电流通过返回节点212被返回到偏置电源208，返回节点可以与负载是公共的。
通常，双向开关使得能够对双向开关的第一节点和双向开关的第二节点之间的电流进行双向控制。在很多实施方式中，双向开关220是两端子有源开关，当其出于导通状态时可以支持双向电流流动，当其切换到截止状态时，支持双向电压阻挡。换言之，双向开关220是一种四象限开关，能够传导正或负导通状态电流，并且能够阻挡正或负截止电压。本文参考图8A、8B和8C进一步提供双向开关220的示例。
如本文进一步所述，功率区段230可以包括一个或多个电压源和电感元件的组合，双向开关220可以包括被配置为与功率区段230互操作的开关。尽管图2中未示出，但为了清楚简单起见，偏置电源208可以耦接到控制器和/或包括耦接到双向开关220和/或功率区段230的控制器。在本文公开的很多实施方式中，控制器被配置为在完整电流周期内控制通过双向开关的电流方向，所述完整电流周期包括前半电流周期和后半电流周期。前半电流周期包括正向电流流动，从零电流开始，增大到正峰值，然后下降返回到零。后半电流周期包括负向电流流动，从零电流开始，增大到负峰值，然后下降返回到零电流，导致在输出节点和返回节点之间施加周期性电压。
简单参考图3，示出了示意图，从电气方面绘示了等离子体处理室101之内等离子体负载的各方面。如图所示，等离子体处理室101可以由卡盘电容Cch(包括卡盘和工件103的电容)代表，卡盘电容定位于等离子体处理室101的输入节点310(也称为输入节点310)和工件103(也称为衬底103)表面的代表鞘层电压Vs的节点之间。另外，绘示了返回节点312(可以是通往地的连接)。处理室中的等离子体102由鞘层电容Cs、二极管和电流源的并联组合代表。二极管代表等离子体鞘层的非线性像二极管那样的性质，其源自所施加AC场的整流，使得在工件103和等离子体102之间出现直流(DC)电压降。
参考图4A、4B、4C和4D，示出了分别可以用于实现偏置电源208的偏置电源408A、408B、408C和408D，因此，偏置电源408A到408D可以被用作图1中绘示的偏置电源108。如图所示，偏置电源408A到408D的每个包括以各种拓扑布置的双向开关220和一个或多个电压源以及电感器。
在参考图4A到4D的同时参考图5，图5是示出可以结合本文公开的实施例遍历的方法的流程图。另外，还简单参考图9A-9D，其均包括绘示与偏置电源208的操作相关联的电压和电流的一组曲线图。如图所示，双向开关220的第一节点422经由第一电感器L1(框502)耦接到偏置电源208的输出210，第二电感器Lb的第一节点424耦接到第一电感器L1的第一节点426或第一电感器L1的第二节点428(框504)。分别在图4A、4C和4D的偏置电源408A、408C和408D中，第二电感器Lb的第一节点424耦接到第一电感器L1的第二节点428。在图4B的偏置电源408B中，第二电感器Lb的第一节点424耦接到第一电感器L1的第一节点426。应当认识到，在图4C和4D所示的实施方式的其他变体中，第二电感器Lb的第一节点424可以耦接到第一电感器L1的第一节点426。
另外，电压源Vb连接于第二电感器Lb的第二节点432和双向开关220的第二节点430之间(框506)。电压源Vb的负端子434或电压源Vb的正端子436耦接到返回节点212(框508)。在图4A、4B和4D中，电压源Vb的正端子436耦接到返回节点212，在图4C中，电压源Vb的负端子434耦接到返回节点212。电压源Vb可以是本领域的技术人员已知的可调电压源，其可以如本文进一步所述被调节以控制离子能量。
在示例性偏置电源408D中，存在额外的偏移电压源Vb2，其增加DC补偿电压，该DC补偿电压可以用于调节静电卡盘在等离子体处理室101之内施加的夹持力。在一些操作模式中，Vb1和Vb2施加的总电压被设置为恒定值，使得当Vb2施加的电压增大时，Vb1施加的电压减小。
如图5和9A-9D所示，控制通过双向开关220的电流iswitch的方向并且由电压源Vb经由电感器Lb向输出节点210施加电压，以导致在输出节点210和返回节点212之间施加周期性电压(框510)。更具体而言，在完整电流周期内控制通过双向开关220的电流iswitch，完整电流周期包括前半电流周期和后半电流周期。前半电流周期包括正向电流流动，在时间t0从零电流开始，增大到正峰值，然后在时间t1下降回到零，后半电流周期包括负向电流流动，在时间t2从零电流开始，增大到负峰值，然后在时间t3下降回到零。如图9A-9D所示，在时间t3之后，iswitch基本为零，供电电压Vb(经由电感器Lb施加到输出节点210)对输出进行放电，在输出节点210处在t3和t4之间生成周期性电压Vo的线性斜变部分，这会影响工件103的偏压。如图9A-9D中t3和t4之间基本上恒定的鞘层电压Vs所示，线性斜变部分可以维持工件103的负偏压。在t4，当控制双向开关以允许通过双向开关220的电流iswitch再次流动时，周期性电压Vo的循环开始再次重复。
另外，可以控制电压源Vb的电压和/或双向开关220的导通定时以实现等离子体负载的电极104的期望波形，因此，在工件103表面实现期望的鞘层电压Vs(框512)。例如，如本文参考图9A-11B进一步所述，可以控制双向开关220的导通定时以调节停歇时间(deadtime)tramp和/或t0和t4之间的输出周期。
接下来参考图6A，示出的是可以用于实现偏置电源208的另一示例性偏置电源608A。如图所示，使用变压器644向偏置电源的输出节点210施加功率。变压器644包括初级绕组(由L1p和Lp代表)和次级绕组(由L1s和Ls代表)。变压器644的初级绕组的第一节点680耦接到双向开关220的第一节点422。变压器644的次级绕组的第一节点682耦接到输出节点210。变压器644的次级绕组的第二节点684耦接到变压器644的次级侧的返回节点612。电压源Vb耦接于双向开关220的第二节点430和变压器644的初级绕组的第二节点686之间。
参考图6B，示出了施加周期性电压函数的另一示范性偏置电源608B。如图所示，偏置电源608B与偏置电源608A相同，只是电压源Vb的负端子434连接到返回节点212，电压源Vb的正端子436连接到双向开关220的第二节点430。
图6C和6D所示的偏置电源608C和608D分别与图6A和6B所示的偏置电源608A和608B相同，只是偏移电压源Voffset耦接于变压器644的次级绕组的第二节点684和返回节点212之间。更具体而言，偏移电压源Voffset的正端子耦接到返回节点212，偏移电压源Voffset的负端子耦接到变压器644的第二节点684。
图7是另一流程图，绘示了可以结合偏置电源608A、608B、608C和608D遍历的方法。在参考图7的同时，同时参考图6A-6C和图9A-9D。如图所示，该方法包括将变压器644的初级绕组的第一节点680耦接到双向开关220的第一节点422，将变压器644的次级绕组的第一节点耦接到输出节点210(框711)。另外，该方法包括将电压源Vb耦接于双向开关的第二节点430和变压器644的初级绕组的第二节点686之间(框721)。
在操作中，在完整电流周期内控制通过双向开关220的电流的方向，完整电流周期包括前半电流周期和后半电流周期。前半电流周期包括正向电流流动，在时间t0从零电流开始，增大到正峰值，然后在时间t1下降回到零，后半电流周期包括负向电流流动，在时间t2从零电流开始，增大到负峰值，然后在时间t3下降回到零，从而导致在输出节点和返回节点之间施加周期性电压(框731)。另外，可以控制电压源Vb的电压和/或双向开关220的导通定时以实现等离子体负载的电极104的期望波形，因此，在工件103表面实现期望的电压Vs(框741)。
接下来参考图8A-8C，示出了可以用于实现如上所述的双向开关220的双向开关820A、820B和820C的示例。如图所示，双向开关820A、820B和820C的每个包括分别经由第一驱动器842A和第二驱动器842B耦接到第一开关S1和第二开关S2的控制器840。如图所示，第一驱动器842A经由第一驱动信号线844A耦接到第一开关S1，第二驱动器842B经由第二驱动信号线844B耦接到第二开关S2。另外，双向开关820A、820B和820C的每个包括被布置并配置为当第一开关S1闭合时导通的第一二极管D1，以及被布置并配置为当第二开关D2闭合时导通的第二二极管D2。
在很多实施方式中，第一开关S1和/或第二开关S2由诸如金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)的场效应开关实现，在一些实施方式中，第一开关S1和第二开关S2由碳化硅金属氧化物半导体场效应晶体管(SiC MOSFET)或氮化镓金属氧化物半导体场效应晶体管(GaN MOSFET)实现。作为另一个示例，第一开关S1和/或第二开关S2可以由绝缘栅双极型晶体管(IGBT)实现。在这些实施方式中，第一驱动器842A和第二驱动器842B可以是现有技术中已知的电驱动器，其被配置为响应于来自控制器840的信号向第一开关S1和第二开关S2施加功率信号。还构想到，控制器840可以能够施加充分高水平的功率，从而可以省去第一驱动器842A和第二驱动器842B。还构想到，第一驱动信号线844A和第二驱动信号线844B可以是光学线路，以传输光学开关信号。第一开关S1和第二开关S2可以响应于光信号和/或转换成电驱动信号的光信号而进行切换。
控制器840被绘示为双向开关820A、820B、820C的一部分，但应当认识到，这不是必须的，控制器840可以在双向开关820A、820B、820C外部和/或控制器840可以是分布式的，使得控制器840的一部分被实现为双向开关820A、820B、820C的一部分，控制器840的一个或多个其他部分被实现在偏置电源208之内和/或偏置电源208外部。
在图8A中所示的变体中，第二二极管D2与第一开关S1并联布置，第一二极管D1与第二开关D2并联布置。在这种布置中，第一二极管D1的阴极在公共连接850处耦接到第二二极管D2的阴极，第一开关S1和第二开关S2在公共连接850处耦接，使得第一开关S1和第二二极管D2均定位于公共连接850和双向开关820A的第一节点422之间，第二开关S2和第一二极管D1均定位于公共连接850和双向开关820A的第二节点430之间。应当认识到，图8A中的S1-D2组合可以与S2-D1组合交换，使得D1和D2在其阳极处连接。在图8A的实施方式中，第一二极管D1可以是第二开关D2的体二极管，第二二极管D2可以是第一开关S1的体二极管。
在图8B所示的变体中，第一开关S1和第一二极管D1的一系列组合布置于双向开关820B的第一节点422和双向开关820B的第二节点之间。另外，第二开关S2和第二二极管D2的一系列组合布置于双向开关820B的第一节点422和双向开关820B的第二节点之间。如图8B所示，第一二极管D1布置于第一开关S1和双向开关820B的第一节点422之间，其阳极耦接到第一开关S1并且其阴极耦接到双向开关820B的第一节点422。第二二极管D2布置于第二开关S2和双向开关820B的第一节点422之间，其阴极耦接到第二开关S2并且其阳极耦接到双向开关820B的第一节点422。在这种布置中，第一二极管D1的阴极在双向开关820B的第一节点422耦接到第二二极管D2的阳极。尽管未示出，但应当认识到，第一开关S1的位置和第一二极管D1的位置可以交换。类似地，第二开关S2的位置和第二二极管D2的位置可以交换。
图8C的双向开关820C和图8B的双向开关820B相同，只是双向开关820C包括电感器L1(定位于第一二极管D1和双向开关820C的第一节点422之间)的至少一部分和第二电感器L2(定位于第二二极管D2和双向开关820C的第一节点422之间)的至少一部分。图8C所示的电感器L1可以增强或替换图4A-4D中所示的电感器L1。图8C所示的电感器L2可以增强或替换图4A-4D中所示的电感器L2。
在参考图8A、8B和8C时，同时参考图9，图9示出了绘示偏置电源208和等离子体处理室101的电气方面的波形。图9示出的是第一开关S1和第二开关S2；通过双向开关220的电流Iswitch；通过第二电感器的电流iLb；偏置电源208的输出节点210处的电压Vo；以及鞘层电压Vs(也在图3中示出)；以及被绘示为离子通量和离子能量关系的对应离子能量分布函数(IEDF)的开关序列。本公开的一方面解决了如何调节通过Lb的电流iLb以等于离子电流Iion，大于离子电流Iion或小于离子电流Iion的问题。本公开的另一方面解决了如何调节离子能量水平和等离子体室中离子能量分布的问题。
如图9A-9D所示，可以控制第一开关S1和第二开关S2，使得通过双向开关220的电流Iswitch在时间t0和t3之间完成完整电流周期。在包括正电流流动的前半电流周期期间，控制电流Iswitch从t0处的零，到峰值，在t1返回零。然后，在包括负电流流动的后半电流周期期间，控制电流Iswitch从t2处的零沿相反方向(与前半电流周期的峰值相反)增大到峰值，之后在t3前下降回到零。更具体而言，参考图8A、8B和8C，在完整电流周期的正部分(从时间t0到t1)期间，电流IL1从返回节点212通过第一二极管D1和第一开关S1两者流动。如图所示，在电流周期的正部分期间(当第一开关S1闭合，第二开关S2断开时)，电流增大到正峰值，然后下降到零，但第一二极管D1防止电流反向。在完整电流周期的负部分(从时间t2到t3)期间，电流IL1从输出节点210通过第二二极管D2和第二开关S2两者流动。如图所示，在电流周期的负部分期间，电流增大到负峰值，然后下降到零，但第二二极管D2防止电流反向。
接下来参考图9A、9B、9C和9D，示出了时序图，其绘示了本文描述的偏置电源在与等离子体处理室101一起工作时的电气方面的定时。如图所示，在图9A-9D中，可以利用可调停歇时间来控制第一开关S1和第二开关S2，该停歇时间是半个电流周期之间的从t1到t2的时间(在开关S1从闭合位置断开之后，在S2闭合之前)。应当认识到，第一开关S1可以比图9A-9D所示更晚断开(或截止)，因为第一二极管D1防止电流切换方向。但是一般地，为了使开关损耗最小化，在电流IL1在时间t1达到零之前，不断开第一开关S1。类似地，第二开关S2可以比图9A-9D所示更晚断开(或截止)，因为第二二极管D2防止电流切换方向。但是一般地，在电流IL1在时间t3达到零之前，不断开第二开关S2。
也可以调节电压源Vb的电压以实现VO下的期望周期性电压和期望鞘层电压Vs。另一个可控方面是时间t0和t3之间的重置时间treset，这使得能够控制每个开关周期的平均值。应当认识到，电流iL1在电流周期的前半部分中的峰值可以与电流iL1在电流周期的后半部分中的峰值不同。
如图所示，偏置电源208在输出节点处(相对于返回节点212)的电压Vo是不对称周期性电压波形，其中，不对称周期性电压波形的每个周期(从时间t0到t4)包括电压增大到第一电压电平的第一部分(从时间t0到t1)、处于第一电压电平(或从第一电压电平稍微降低)的第二部分(从时间t1到t2)、负电压(从时间t2到t3)摆动到第二电压电平(在t3)的第三部分，以及包括从第二电压电平开始的负电压斜变(从t3到t4)的第四部分。如本文进一步所述，可以调节不对称周期性电压波形的基本周期(从t0到t4)以调节离子能量的散布。如图9A-9D所示，在不对称周期性电压波形的第一、第二和第三部分期间，完整电流周期发生于时间t0和t3之间。完整电流周期之间的时间是t3和t4之间的时间tramp。
有利地，与其他现有技术设计相比，双向开关220提供了另一层次的自由度。具体而言，本文所公开的双向开关220的变化使得能够逐个周期控制停歇时间，这意味着可以控制占空比的平均值，因此，可以控制每个周期的平均功率。如图9A-9D中所示，控制停歇时间使得能够控制treset，并且调节treset与tramp的比值以调节平均功率。对不对称周期性电压波形每个周期的平均功率的控制(从t0到t4)使得能够控制基本开关频率(例如，保持低于影响等离子体处理室101中等离子体密度的水平)。
可以利用本文所公开的偏置电源208实现的控制的另一方面是离子电流补偿。更具体而言，可以控制停歇时间的长度、周期性电压函数的tramp的长度和/或周期(在t0和t4之间)以控制离子电流补偿的水平。在图9A中，确立tramp和停歇时间，从而将离子电流Iion补偿到通过第二电感器Lb的电流iLb等于等离子体处理室101中的离子电流Iion的点。如图9A所示，在由停歇时间限定的脉冲之间，鞘层电压Vs基本恒定，因此，等离子体处理室101中离子能量的分布970A相对较窄。
如图9B所示，为了补偿等离子体室101中的离子电流，可以增大停歇时间，同时tramp可以保持相同(例如，与图9A中的tramp相同)。结果，在Vo处周期性电压波形的频率将更低(与图9A所示的周期性电压波形相比)。如图9B所示，当对离子电流进行过补偿时，鞘层电压Vs(和工件103表面的电压)在时间t3和t4之间(在tramp时间帧期间)变得越来越负。由于t3和t4之间鞘层电压的范围，离子能量的分布970B比图9A所示离子能量的分布970A更宽。
如图9C所示，为了对等离子体室101中的离子电流进行欠补偿，可以减小停歇时间，同时tramp可以保持相同(例如，与图9A中的tramp相同)。结果，在Vo处周期性电压波形的频率将更高(与图9A所示的周期性电压波形相比)。如图9C所示，当对离子电流进行欠补偿时，鞘层电压Vs(和工件103表面的电压)在时间t3和t4之间(在时间段期间)变得更负。由于t3和t4之间鞘层电压的范围，离子能量的分布970C比图9A所示离子能量的分布970A更宽。
还可以通过改变停歇时间和tramp两者来调节离子电流补偿。例如，如图9D所示，可以延长停歇时间并且可以缩短tramp，以对离子电流进行过补偿，从而实现离子能量的期望分布970D(对应于时间t3和t4之间鞘层电压Vs的电压范围)。通过调节停歇时间和tramp两者，如果需要就可以固定周期性电压波形的频率，但也可以改变周期性电压波形的停歇时间的频率和tramp。还构想可以缩短停歇时间，同时缩短或延长tramp。
除了影响离子电流补偿之外，还可以调节停歇时间和/或电压源Vb施加的电压，以改变偏置电源施加的功率水平。例如，参考图10A，示出了Vo处的四个周期性电压波形：Vo处的第一波形1050由80ns的停歇时间和5.6kV的电压源电压Vb产生；利用180ns停歇时间和5.3kV的源电压在Vo处产生第二波形1052；利用280ns停歇时间和4.9kV的源电压在Vo处产生第三波形1054；并且利用480ns停歇时间和3.9kV的源电压在Vo处产生第四波形1056。如图所示，对于四个示例性周期性电压波形1050、1052、1054、1056的每个，tramp的时间保持相同。通常，停歇时间越短，偏置电源208施加的功率水平越高。更具体而言，停歇时间越短，treset越短，treset与tramp的比值越小，偏置电源208施加的平均功率越高。
接下来参考图10B，示出了对应于四个示例性周期性电压波形1050、1052、1054、1056的四个鞘层电压Vs。如图所示，对应于(在四个示例性周期性电压波形1050、1052、1054、1056中)具有最短停歇时间的第一波形1050的第一鞘层电压1060包括在电压脉冲之间随时间推移变得更负的一部分，这导致离子电流的欠补偿(类似于参考图9C所述的鞘层电压)。相比之下，对应于第四波形1056的第四鞘层电压1066包括在电压脉冲之间变得更负的一部分，这导致离子电流的过补偿(类似于参考图9B所述的鞘层电压)。
参考图11A，示出了Vo处的四个周期性电压波形：Vo处的第一波形1150由80ns的停歇时间和5.6kV的电压源电压Vb产生；利用180ns停歇时间和5.3kV的源电压在Vo处产生第二波形1152；利用280ns停歇时间和4.9kV的源电压在Vo处产生第三波形1154；并且利用480ns停歇时间和3.9kV的源电压在Vo处产生第四波形1156。如图所示，对于四个示例性周期性电压波形1150、1152、1154、1156的每个，tramp的时间发生变化，使得四个示例性周期性电压波形1150、1152、1154、1156的频率保持相同。更具体而言，随着停歇时间变得更长，tramp变得更短。如图所示，通常，停歇时间越短，偏置电源208施加的功率水平越高。通常，停歇时间越短，偏置电源208施加的功率水平越高。更具体而言，停歇时间越短，treset变得越短，treset与tramp的比值越小，偏置电源208施加的平均功率越高。
接下来参考图11B，示出了对应于四个示例性周期性电压波形1150、1152、1154、1156的四个鞘层电压Vs。如图所示，对应于(在四个示例性周期性电压波形1150、1152、1154、1156中)具有最短停歇时间的第一波形1150的第一鞘层电压1160包括在电压脉冲之间随时间推移变得更负的一部分，这导致离子电流的欠补偿。相比之下，对应于第四波形1156的第四鞘层电压1166包括在电压脉冲之间变得更负的一部分，这导致离子电流的过补偿(类似于参考图9D所述的鞘层电压)。
参考图12A和12B，示出的是与欠补偿的离子电流相关联的(由偏置电源输出的)鞘层电压、离子通量和周期性不对称电压波形的一般方面。如图12A所示，当离子电流Iion欠补偿时，鞘层电压以斜坡状方式变得更负，这样产生了离子能量的更宽分布(也称为扩展)1272。图12B所示为可以施加到衬底支撑件以实现图12A所示鞘层电压的周期性电压。如图所示，周期性电压波形Vo的负斜坡状部分以比图9A的周期性电压波形的斜坡状部分更低的斜率下降(在图12B中示为虚线)。
图13A和13B绘示了与过补偿的离子电流相关联的(由偏置电源208输出的)鞘层电压、离子通量和周期性不对称电压波形的各方面。如图13A所示，当离子电流被过补偿时，鞘层电压以斜坡状方式变得更负，这也产生了离子能量的更宽扩展1374(与离子电流Iion等于电流iLb的操作相比)。图13B所示的是可以施加到衬底支撑件以实现图13A所示鞘层电压的周期性电压波形Vo。如图所示，周期性电压函数的负斜坡状部分以比图9A的补偿离子电流的周期性电压波形的斜坡状部分(示为虚线)更大的速率下降。
参考图14，示出了可以结合本文的实施例利用的控制系统的各方面。还示出了鞘层电容(Csheath)和代表与等离子体处理室相关联的部件的固有电容的电容C1的图示，所述部件可以包括绝缘、工件、衬底支撑件和静电卡盘。
如图所示，可以由控制器1460测量电流和/或电压以间接监测施加到偏置电源208的输出节点210的功率的各方面(例如，电压、电流和/或相位)和/或等离子体处理室101的环境的一个或多个特性。等离子体处理室101的环境的示范性特性可以是鞘层电容(Csheath)，可以使用测量的输出电压Vo来计算。
如图所示，可以监测通过双向开关220的电流、输出处的电流iout和/或通过第二电感器Lb的电流并用作反馈。另外，可以监测偏置电源的输出节点210处的电压Vo并用作反馈。
可以在处理工件103之前预先进行监测以获得被存储的数据(例如，关于鞘层电容和/或等离子体处理室的环境的其他特性)，然后利用该数据来调节周期性波形Vo(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，例如使用图14所示的电压和/或电流测量来调节电压源Vb、tramp和/或停歇时间。另外，可以控制周期性电压波形的第三部分的负电压摆动(从时间t2到t3)以建立期望的鞘层电压Vs。参考图4A-4D描述的控制器840可以被实施为控制器1460的一部分，或者控制器840可以独立于控制器1460实现，但肯定构想到控制器840和控制器1460可以通信以控制偏置电源208。
结合本文公开的实施例描述的方法可以直接实现于硬件、非暂态有形处理器可读存储介质中编码的处理器可执行代码中或两者的组合中。例如，参考图15，示出的是框图，其绘示了可以用于实现本文所公开的控制方面的物理部件。如图所示，在本实施例中，显示器1312和非易失性存储器1320耦接到总线1322，总线1322还被耦接到随机存取存储器(“RAM”)1324、处理部分(其包括N个处理部件)1326、现场可编程门阵列(FPGA)1327和包括N个收发器的收发器部件1328。尽管图15中示出的部件表示物理部件，但图15并非意图成为详细硬件图；因此，图15中示出的很多部件可以由通用构造实现或分布于附加物理部件之间。此外，设想到可以利用其他现有和尚未开发的物理部件和架构来实现参考图15所述的功能部件。
该显示器1312一般工作以为用户提供用户界面，在几种实施方式中，通过触摸屏显示器实现显示器。通常，非易失性存储器1320是非暂态有形处理器可读存储介质，用于存储(例如，持久性存储)数据和处理器可读指令(包括与实施本文所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1320包括引导加载程序代码、操作系统代码、文件系统代码以及非暂态处理器可执行代码，以便于执行利用单个受控开关偏置衬底的方法。
在很多实施方式中，非易失性存储器1320是通过闪速存储器(例如，NAND或ONENAND存储器)实现的，但是也可以设想采用其他存储器类型。尽管有可能从非易失性存储器1320执行所述代码，但是非易失性存储器中的可执行代码通常被加载到RAM 1324内并由处理部分1326中的N个处理部件中的一者或多者执行。
N个处理部件结合RAM 1324通常工作以执行非易失性存储器1320中存储的指令，以使得能够执行本文所公开的算法和功能。应当认识到，本文公开了若干算法，但这些算法中的一些未在流程图中表示。用以实施本文所述方法的处理器可执行代码可以被永久性地存储到非易失性存储器1320内，并由与RAM 1324连接的N个处理部件执行。本领域的普通技术人员将认识到，处理部分1326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(例如，FPGA或包括数字逻辑处理部分的FPGA)的组合。
另外，或者替代地，非暂态FPGA配置指令可以永久性存储于非易失性存储器1320中并被访问(例如，在启动期间)以配置现场可编程门阵列(FPGA)，以实施本文所公开的算法(例如，包括，但不限于参考图5和7所述的算法)。
输入部件1330可以接收信号(例如，表示在所公开偏置电源的输出处获得的电流和电压的信号)。另外，输入部件1330可以在偏置电源108和源发生器112之间接收表示等离子体处理室101的环境的一个或多个方面和/或源发生器和单开关偏置电源之间的同步控制的相位信息和/或同步信号。在输入部件处接收的信号可以包括，例如，同步信号、发往各种发生器和电源单元的功率控制或来自用户接口的控制信号。本领域的普通技术人员将容易认识到，可以使用多种传感器中的任一种，例如，但不限于定向耦合器和电压-电流(VI)传感器，对诸如电压和电流的功率参数进行采样，并且可以在模拟域中生成表示功率参数的信号并转换到数字域中。
输出部件通常工作以提供一个或多个模拟或数字信号，以实现第一开关S1和第二开关S2的断开和闭合。输出部件还可以控制本文所述的电压源。
所示出的收发器部件1328包括N个收发器链，其可以用于经由无线或有线网络与外部设备通信。N个收发器链的每个都可以表示与特定通信方案(例如，WiFi、以太网、Profibus等)相关联的收发器。
如本领域的技术人员所理解的，本公开的各方面可以被体现为系统、方法或计算机程序产品。因此，本公开的各方面可以采用完全硬件实施例、完全软件实施例(包括固件、驻留软件、微代码等)或组合软件和硬件方面的实施例的形式，在本文中可以将它们全部称为“电路”、“模块”或“系统”。此外，本公开的各方面可以采用计算机程序产品的形式，该计算机程序产品体现于其上包含计算机可读程序代码的一种或多种计算机可读介质中。
如本文所使用的，表述“A、B或C”中的至少一个意在表示“A、B、C中的任一个或A、B和C的任意组合。”提供所公开实施例的此前描述以使本领域的任何技术人员能够做出或使用本公开。对这些实施例的各种修改将对于本领域的技术人员而言显而易见，可以将本文定义的一般性原理应用于其他实施例而不脱离本公开的精神或范围。因此，本公开并非旨在限于本文所示出的实施方案，而是将被赋予与本文所公开的新颖原理和特征一致的最宽范围。

Claims (18)

1.一种用于施加周期性电压的偏置电源，包括：
输出节点；
返回节点；
双向开关，所述双向开关被配置为使得能够对所述双向开关的第一节点和所述双向开关的第二节点之间的电流进行双向控制；
功率区段，所述功率区段耦接到所述输出节点、所述返回节点以及所述双向开关的所述第一节点和所述第二节点；以及
控制器，所述控制器被配置为在完整电流周期内控制通过所述双向开关的电流的方向，所述完整电流周期包括前半电流周期和后半电流周期，所述前半电流周期包括正向电流流动，在时间t0从零电流开始，增大到正峰值，并且然后在时间t1下降回到零，所述后半电流周期包括负向电流流动，在时间t2从零电流开始，增大到负峰值，并且然后在时间t3下降回到零，从而导致在所述输出节点和所述返回节点之间施加所述周期性电压。
2.根据权利要求1所述的偏置电源，其中，所述功率区段包括：
第一电感器，所述第一电感器耦接于所述双向开关的所述第一节点和所述输出节点之间；
耦接到所述输出节点的第二电感器的第一节点；以及
耦接到所述第二电感器的第二节点和所述返回节点的电压源。
3.根据权利要求1所述的偏置电源，其中，所述控制器被配置为使得能够控制t1和t2之间的停歇时间，以能够控制平均功率。
4.根据权利要求1所述的偏置电源，其中，所述双向开关包括：
耦接到第一二极管的第一开关；以及
耦接到第二二极管的第二开关；
其中，所述控制器被配置为：
在时间t0闭合所述第一开关，以使得所述正电流能够流动通过所述第一开关和所述第一二极管，以完成所述前半电流周期；以及
断开所述第一开关，并且然后闭合所述第二开关，以使得所述负电流能够流动通过所述第二开关和所述第二二极管，以完成所述后半电流周期。
5.根据权利要求4所述的偏置电源，其中，所述控制器被配置为使得能够控制t1和t2之间的停歇时间，以使得能够控制平均功率。
6.根据权利要求2所述的偏置电源，其中，所述第二电感器的所述第二节点耦接到所述返回节点。
7.根据权利要求2所述的偏置电源，其中，所述电压源是所述偏置电源中唯一的电压源。
8.根据权利要求2所述的偏置电源，包括第二电压源，并且其中，所述电压源经由所述第二电压源耦接到所述双向开关的所述第二节点。
9.根据权利要求2所述的偏置电源，其中，所述第一电感器的至少一部分定位于所述双向开关内部。
10.根据权利要求1所述的偏置电源，其中，所述功率区段包括：
变压器，所述变压器的初级绕组的第一节点耦接到所述双向开关的第一节点，所述变压器的次级绕组的第一节点耦接到所述输出节点，并且所述变压器的所述次级绕组的第二节点耦接到所述返回节点；以及
电压源，所述电压源耦接于所述双向开关的第二节点和所述变压器的所述初级绕组的第二节点之间。
11.根据权利要求10所述的偏置电源，包括偏移电压源，所述变压器的所述次级绕组的第二节点经由所述偏移电压源耦接到所述返回节点。
12.一种等离子体处理系统，包括：
等离子体室，所述等离子体室包括：
包含等离子体的容积；
输入节点；
返回节点；以及
偏置电源，所述偏置电源包括：
双向开关，所述双向开关被配置为使得能够对所述双向开关的第一节点和所述双向开关的第二节点之间的电流进行双向控制；以及
用于在完整电流周期内提供并控制通过所述双向开关的电流的模块，所述完整电流周期包括前半电流周期和后半电流周期，所述前半电流周期包括正向电流流动，在时间t0从零电流开始，增大到正峰值，并且然后在时间t1下降回到零，所述后半电流周期包括负向电流流动，在时间t2从零电流开始，增大到负峰值，并且然后在时间t3下降回到零，从而导致在所述输入节点和所述返回节点之间施加周期性电压。
13.根据权利要求12所述的系统，包括：
用于调节t1和t2之间的时间以调节平均功率的模块。
14.根据权利要求12所述的系统，包括用于调节离子能量的可调电压源。
15.根据权利要求12所述的系统，包括用于调节所述完整电流周期之间的时间、半电流周期之间的时间或所述周期性电压的基本周期中的至少一个以调节离子能量扩展的模块。
16.一种非暂态有形处理器可读存储介质，所述介质编码有处理器可读指令，以控制偏置电源的双向开关，所述指令包括用以进行如下操作的指令：
提供通过所述双向开关的电流；以及
在完整电流周期内控制通过所述双向开关的所述电流以导致在所述偏置电源的输出节点和返回节点之间施加周期性电压，所述完整电流周期包括前半电流周期和后半电流周期，所述前半电流周期包括正向电流流动，在时间t0从零电流开始，增大到正峰值，并且然后在时间t1下降回到零，所述后半电流周期包括负向电流流动，在时间t2从零电流开始，增大到负峰值，并且然后在时间t3下降回到零。
17.根据权利要求16所述的非暂态有形处理器可读存储介质，包括用于控制所述偏置电源的可调电压源以调节离子能量的指令。
18.根据权利要求16所述的非暂态有形处理器可读存储介质，包括用于调节所述完整电流周期之间的时间、半电流周期之间的时间或所述周期性电压的基本周期中的至少一个以调节离子能量扩展的指令。
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