KR20240028538A

KR20240028538A - 나노초 펄서 회로의 효율적 에너지 회수

Info

Publication number: KR20240028538A
Application number: KR1020247005060A
Authority: KR
Inventors: 제임스 프라거; 티모시 젬바; 케니스 밀러; 일리아 슬로보프; 모건 퀸레이
Original assignee: 이글 하버 테크놀로지스, 인코포레이티드
Priority date: 2019-01-08
Filing date: 2020-01-08
Publication date: 2024-03-05
Also published as: US20210013011A1; KR20210111841A; WO2020146436A1; TW202105909A; TWI783203B; US10796887B2; JP2023145583A; TW202308306A; WO2020146436A9; US11646176B2; JP2022516965A; US20200219702A1; CN113906677A; JP7320608B2

Abstract

일부 실시예들은 나노초 펄서 회로를 포함한다. 일부 실시예들에서 나노초 펄서 회로는 고전압 전원과; 이 고전압 전원에 전기적으로 접속되어 고전압 전원으로부터의 전압들을 고주파로 스위칭하는 나노초 펄서와; 1차 측과 2차 측을 가지며, 나노초 펄서가 1차 측에 전기적 접속되는 변압기와; 및 변압기의 2차 측에 전기적 접속되는 에너지 회수 회로를 구비한다. 일부 실시예들에서, 에너지 회수 회로는: 고전압 전원에 전기적으로 접속된 에너지 회수 인덕터와; 변압기의 2차 측에 병렬로 배치된 크로우바 다이오드와; 및 에너지 회수 인덕터와 직렬로 배치되어 고전압 전원으로부터의 부하를 도통시키도록 구성된 제2 다이오드를 구비한다.

Description

나노초 펄서 회로의 효율적 에너지 회수 {EFFICIENT ENERGY RECOVERY IN A NANOSECOND PULSER CIRCUIT}

신속한 상승시간(rise time) 및/또는 신속한 하강 시간(fall time)을 갖는 고전압 펄스를 산출하는 것은 도전적 과제이다. 예를 들어, (예를 들어 약 5 kV보다 큰) 고전압 펄스에 대해 (예를 들어 약 50 ns 미만의) 신속한 상승시간 및/또는 신속한 하강 시간을 달성하려면, 펄스 상승 및/또는 하강의 경사는 (예를 들어 10^-11 V/s보다 크게) 믿을 수 없을 정도로 가팔라야 한다. 이러한 가파른 상승시간 및/또는 하강시간은 특히 용량성 부하(capacitive load)들을 구동하는 회로에서는 산출하가 매우 어렵다. 이러한 펄스는 표준적인 컴포넌트들을 사용하여 간단한 방식으로 산출하기 어렵거나; 및/또는 펄스들이 가변적인(variable) 펄스 폭, 전압, 및 반복 속도(repetition rate)을 갖게 되거나; 및/또는 예를 들어 플라즈마 등과 같은 용량성 부하를 갖는 응용들에서 특히 산출하기 어려울 수 있다.

일부 실시예들은 나노초 펄서 회로(nanosecond pulser circuit)를 포함한다. 일부 실시예들에서, 나노초 펄서 회로는: 고전압 전원(power supply)과; 이 고전압 전원에 전기적으로 접속되어 고전압 전원으로부터의 전압들을 고주파로 스위칭하는(switch) 나노초 펄서와; 1차 측(primary side)과 2차 측(secondary side)을 가지며, 나노초 펄서가 1차 측에 전기적 접속되는 변압기(transformer)와; 및 변압기의 2차 측에 전기적 접속되는 에너지 회수 회로(energy recovery circuit)를 포함할 수 있다. 일부 실시예들에서, 에너지 회수 회로는: 고전압 전원에 전기적으로 접속된 인덕터(inductor)와; 변압기의 2차 측에 병렬로 배치된 크로우바 다이오드(crowbar diode)와; 및 인덕터와 직렬로 배치되어 고전압 전원으로부터의 부하(load)를 도통(conduct)시키도록 구성된 제2 다이오드를 구비한다.

일부 실시예들에서, 에너지 회수 회로의 인덕터는 약 50 μH보다 큰 인덕턴스(inductance)를 갖는다.

일부 실시예들에서, 나노초 펄서는 고전압 전원으로부터의 전압들을 100 kHz보다 큰 주파수로 스위칭한다. 일부 실시예들에서, 나노초 펄서는 고전압 전원으로부터의 전압들을 액 0 kHz 내지 500 kHz의 주파수로 스위칭한다. 일부 실시예들에서, 나노초 펄서 회로는 약 5 kV보다 큰 전압을 부하에 공급한다(provide).

일부 실시예들에서, 에너지 회수 회로는 스위치를 구비한다. 일부 실시예들에서, 에너지 회수 회로는 제2 다이오드 및 인덕터와 직렬인 고전압 스위치를 더 구비한다. 일부 실시예들에서, 고전압 스위치는 약 5 kV보다 큰 전압을 스위칭한다.

일부 실시예들에서, 부하는 용량성 부하(capacitive load)를 포함한다. 일부 실시예들에서, 부하는 플라즈마 적층 챔버(plasma deposition chamber)를 포함한다.

일부 실시예들에서, 고전압 전원은 500 V, 750 V, 1 kV, 1.5 kV 등보다 더 큰 전압의 DC 전력을 공급한다.

일부 실시예들은: 저장 캐패시터(storage capacitor)와; 이 저장 캐패시터에 접속되어 약 1 kV보다 더 큰 전압과 약 1 kHz보다 더 큰 주파수를 갖는 파형(waveform)들을 출력하는 스위칭 회로(switching circuit)와; 1차 측과 2차 측을 가지며 스위칭 회로가 1차 측에 전기적으로 접속되는 변압기와; 및 (예를 들어 에너지 회수 다이오드를 통해) 변압기의 2차 측과 저장 캐패시터에 전기적으로 접속되는 에너지 회수 회로를 구비하는 회로를 포함한다. 일부 실시예들에서, 에너지 회수 회로는 고전압 전원에 전기적으로 접속된 인덕터와; 및 인덕터와 직렬로 배치되고 부하로부터의 전류를 고전압 전원에 도통(conduct)시키도록 구성된 제2 다이오드를 구비한다.

일부 실시예들에서, 에너지 회수 회로는 변압기의 2차 측에 병렬로 배치된 크로우바 다이오드를 구비한다.

일부 실시예들에서, 인덕터는 약 50 μH보다 큰 인덕턴스를 갖는다.

일부 실시예들에서, 스위칭 회로는 나노초 펄서를 구비한다. 일부 실시예들에서, 스위칭 회로는 RF 드라이버를 구비한다. 일부 실시예들에서, RF 드라이버는 하프 브리지(half-bridge) 드라이버, 풀 브리지(full-bridge) 드라이버, 고주파 반도체 스위치(solid state switch)(들), RF 생성기, 증폭관(amplifier tube) 기반 RF 생성기, 또는 튜브(tube) 기반 RF 생성기들 중의 어느 하나를 포함한다.

일부 실시예들에서, 회로는 바이어스 보상(bias compensation) 스위치와 병렬인 바이어스 보상 다이오드와; 바이어스 보상 다이오드 및 바이어스 보상 스위치와 직렬로 배치된 DC 전원을 포함하는 바이어스 보상 회로를 더 구비한다.

일부 실시예들은 고전압 펄스들을 생성하는 방법을 포함한다. 이 방법은: 펄서 스위치를 닫은 채로 바이어스 보상 회로 내의 바이어스 보상 스위치를 여는 단계로, 바이어스 보상회로가 변압기의 2차 측에 접속되는 단계와; 나노초 펄서의 펄서 스위치를 닫는 단계로, 나노초 펄서는 변압기의 1차 측과 DC 전원에 접속되고, 펄스는 변압기의 2차 측 상에 1 kV보다 더 큰 전압을 갖는 단계와; 펄서 스위치를 닫은 채로 에너지 회수 회로 내의 에너지 회수 스위치를 여는 단계로, 에너지 회수 회로가 변압기의 2차 측과 DC 전원에 접속되는 단계와; 약 100 나노초 미만의 시간 주기(time period) 동안 휴지하는(pausing) 단계와; 나노초 펄서의 펄서 스위치를 닫는 단계와; 및 펄서 스위치를 연 채로 에너지 회수 회로 내의 에너지 회수 스위치를 여는 단계를 포함할 수 있다.

일부 실시예들에서, 에너지 회수 회로는 에너지 회수 스위치와 직렬인 인덕터와 다이오드를 구비한다.

일부 실시예들에서, 에너지 회수 스위치는 직렬로 배열되고 복수의 전압 공유 레지스터(voltage sharing resistor)들을 갖는 복수의 스위치들을 구비하여, 복수의 전압 공유 레지스터들 중의 각 전압 공유 레지스터는 복수의 스위치들 중의 해당 스위치에 걸쳐(across) 배치된다.

일부 실시예들에서, 바이어스 보상 회로는 바이어스 보상 스위치와 병렬인 바이어스 보상 다이오드와 ; 및 바이어스 보상 다이오드와 바이어스 보상 스위치와 직렬로 배치된 DC 전원을 구비한다.

일부 실시예들은 고전압 펄스들을 생성하는 방법을 포함한다. 이 방법은: 펄스들의 버스트(burst) 전에, 변압기를 통해 나노초 펄서에 접속된 바이어스 보상 회로 내의 바이어스 보상 스위치를 여는 단계로, 바이어스 보상 회로가 변압기의 2차 측에 접속되는 단계와; 펄스들의 발생 동안, 나노초 펄서의 펄서 스위치를 반복적으로 개폐하여 펄스들의 버스트 내의 복수의 펄스들을 생성하는 단계로, 나노초 펄서가 변압기의 1차 측과 DC 전원에 접속되고, 펄서 스위치의 개폐가 약 1 kHz보다 큰 펄스 반복 주파수(pulse repetition frequency)로 발생되며, 펄서 스위치의 닫음이 변압기의 2차 측에 1 kV보다 더 큰 전압을 갖는 펄스들을 산출하는 단계와; 펄스들의 버스트 동안, 펄서 스위치가 열리면 에너지 회수 스위치가 닫히고 펄서 스위치가 닫히면 에너지 회수 스위치가 열리도록 에너지 회수 회로 내의 에너지 회수 스위치를 반복적으로 열고 닫는 단계로, 에너지 회수 회로가 변압기의 2차 측과 DC 전원에 접속되는 단계와; 및 펄스들의 버스트 후에, 바이어스 보상 회로 내의 바이어스 보상 스위치를 닫는 단계를 포함할 수 있다.

일부 실시예들에서, 방법은 약 100 마이크로초 미만의 시간 주기 동안 휴지하는 단계와; 펄스들의 두 번째 버스트 전에 바이어스 보상 스위치를 여는 단계와; 펄스들의 두 번째 버스트 동안 펄서 스위치를 열고 닫는 단계와; 및 펄스들의 두 번째 버스트 후, 바이어스 보상 스위치를 닫는 단계를 더 포함한다.

일부 실시예들에서, 에너지 회수 스위치는 복수의 전압 공유 레지스터들과 직렬로 배치된 복수의 스위치들을 구비하는데, 복수의 전압 공유 레지스터들 중의 각 전압 공유 레지스터는 복수의 스위치들 중의 해당 스위치의 양단에(across) 배치된다.

일부 실시예들에서, 바이어스 보상 회로는 바이어스 보상 스위치와 병렬인 바이어스 보상 다이오드와; 및 바이어스 보상 다이오드 및 바이어스 보상 스위치에 직렬로 배치된 DC 전원을 구비한다.

일부 실시예들은: 고전압 전원과; 이 고전압 전원과 전기적으로 접속되어 고전압 전원으로부터의 전압을 고주파로 스위칭하도록 구성된 나노초 펄서와; 1차 측과 2차 측을 갖는 변압기와; 및 변압기의 1차 측에 병렬로 배치되는 에너지 회수 회로를 구비한다. 일부 실시예들에서, 에너지 회수 회로는 스위치와; 인덕터와; 스위치 및 인덕터에 직렬로 배치되어 스위치가 닫혔을 때 스위치로부터의 전류를 인덕터에 도통시키는 제1 다이오드와; 스위치가 닫혔을 때 스위치와 제1 다이노드 사이의 점으로부터 고전압 전원과 나노초 펄서 사이의 나노초 펄서 회로 내의 점으로 전류를 도통시키도록 구성된 제2 다이오드를 구비하는 나노초 펄서 회로를 구비한다.

일부 실시예들은 고전압 전원과; 고전압 전원에 전기적으로 접속되어 고전압 전원으로부터의 전압을 고주파로 스위칭하도록 수성된 나노초 펄서와; 1차 측과 2차 측을 가지며 나노초 펄서가 1차 측에 전기적으로 접속되는 변압기와; 및 변압기의 1차 측에 병렬로 변압기의 2차 측에 전기적으로 접속되는 에너지 회수 회로를 구비하는 나노초 펄서 회로를 포함한다. 일부 실시예들에서, 에너지 회수 회로는 고전압 전원에 전기적으로 접속되는 인덕터와; 변압기의 2차 측에 평행으로 배치되는 크로우바 다이오드와; 및 인덕터와 직렬로 위치하고 부하로부터의 전류를 고전압 전원으로 도통시키도록 구성된 제2 다이오드를 구비한다.

일부 실시예들에서, 인덕터는 약 1,000 nH 미만의 인덕턴스를 갖는다. 일부 실시예들에서, 나노초 펄서는 고전압 전원으로부터의 전압을 약 100 kHz보다 더 큰 주파수로 스위칭한다. 일부 실시예들에서, 나노초 펄서는 고전압 전원으로부터의 전압을 약 0 kHz 내지 500 kHz의 주파수로 스위칭한다. 일부 실시예들에서, 나노초 펄서 회로는 약 5 kV보다 더 큰 전압을 부하에 공급한다. 일부 실시예들에서, 변압기의 2차 측은 용량성 부하에 접속된다. 일부 실시예들에서, 변압기의 2차 측은 플라즈마를 산출 또는 조작하는 하나 이상의 전극들에 접속된다. 일부 실시예들에서, 에너지 회수 회로는 스위치를 구비한다.

이 설명된 실시예들은 본 발명을 한정 또는 정의하기 위해 언급된 것이 아니며 그 이해를 돕기 위한 예들을 제공하는 것이다. 추가적인 실시예들은 상세한 설명에 논의되며 거기에 추가적인 설명들이 제공된다, 다양한 실시예들의 하나 이상에 의해 제공되는 이점들은 이 명세서를 검토하거나 제시된 하나 이상의 실시예들을 구현함으로써 더 잘 이해될 것이다.

일부 실시예들은 고전압 고주파 스위칭 회로를 포함한다. 일부 실시예들에서, 고전압 고주파 스위칭 회로는 1 kHz보다 높은 전압과 10 kHz보다 큰 주파수(또는 임의의 주파수)를 갖는 펄스들을 산출하는 고전압 스위칭 전원(high voltage switching power supply)과; 1차 측과 2차 측을 갖는 변압기와; 변압기의 2차 측에 전기적으로 접속된 출력과; 및 변압기의 1차 측에 전기적으로 접속되고 고전압 스위칭 전원에 병렬이며 출력에 접속된 부하를 방전(discharge)하는 적어도 하나의 레지스터를 포함하는 1차 싱크(primary sink)를 구비한다.

일부 실시예들에서, 1차 싱크 내의 레지스터는 약 400 ohms 미만의 (저항)값을 갖는다.

일부 실시예들에서, 고전압 고주파 스위칭 전원이 더 큰 피크 출력(peak power)을 이송(deliver)하는 실시예들에서 1차 싱크는 약 1 킬로와트보다 큰 평균 출력(average power)을 소산(dissipate)시키도록 구성된다. 일부 실시예들에서, 1차 싱크는 30 W - 30 kW의 평균 출력을 소산시키도록 구성된다.

일부 실시예들에서, 1차 싱크는 적어도 하나의 레지스터에 직렬인 적어도 하나의 인덕터를 구비한다.

일부 실시예들에서, 1차 싱크는 적어도 하나의 레지스터에 직렬인 스위치를 구비한다.

일부 실시예들에서, 출력은 주로 용량성인(largely capacitive) 플라즈마 부하(plasma load)에 접속된다.

일부 실시예들에서, 출력은 유전체 장벽 방전(dielectric barrier discharge)을 포함하는 플라즈마 부하에 접속된다.

*일부 실시예들에서, 저항은 100 kW이다.

일부 실시예들에서, 1차 싱크 내의 레지스터가 저항 R을 갖고 출력이 캐패시턴스 C를 갖는 부하에 접속되어 R t _f /a ² c가 되는데, 여기서 t _f 는 펄스 하강시간이고 a = N _p /N _s 이다.

일부 실시예들에서, 부하는 성질상 50 nF 미만의 캐패시턴스를 갖는 용량성인데, 여기서 부하 캐패시턴스는 1 μs보다 큰 시간 동안 전하(charge)를 보유(hold)하지 않는다.

일부 실시예들에서, 부하는 성질상 용량성이고 고전압 고주파 스위칭 회로가 급속히 부하 캐패시턴스를 충전하여 부하 캐패시턴스를 방전한다.

일부 실시예들에서, 고전압 스위칭 전원이 고전압 펄스를 공급하지 않을 때 출력이 전극, 기판, 또는 웨이퍼에 -2 kV보다 큰 플라즈마 및 접지(ground)에 대한 음의 바이어스 전압을 산출한다. 일부 실시예들에서, 바이어스 전압이 양(positive)일 수 있다.

일부 실시예들에서, 출력은 10 kHz보다 더 큰 주파수와 약 400 ns, 40ns, 4 ns 등 미만의 펄스 하강 시간으로 1 kV보다 큰 전압을 갖는 고전압 펄스를 산출한다.

일부 실시예들은 고전압 고주파 스위칭 회로를 포함한다. 일부 실시예들에서, 고전압 고주파 스위칭 회로는 1 kV보다 큰 전압을 갖는 펄스를 10 kHz보다 큰 주파수로 산출하는 고전압 스위칭 회로와; 1차 측과 2차 측을 갖는 변압기와; 변압기의 2차 측에 전기적 접속된 출력과; 변압기의 1차 측에 전기적으로 접속되고 고전압 스위칭 전원의 출력에 평행이며, 변압기의 2차 측에 접속된 출력에 접속된 부하를 방전시키는 적어도 하나의 레지스터와 적어도 하나의 레지스터에 직렬인 적어도 하나의 인덕터를 구비하는 1차 싱크를 구비한다.

일부 실시예들에서, 1차 싱크가 적어도 하나의 레지스터 및/또는 적어도 하나의 인덕터와 직렬인 스위치를 구비한다.

일부 실시예들에서, 출력은 1 kV보다 큰 전압을 가지는 고전압 펄스를 10 kHz보다 큰 주파수와 400 ns 미만의 펄스 하강 시간으로 산출할 수 있다.

일부 실시예들에서, 1차 싱크는 약 1 킬로와트보다 큰 출력을 소산시키도록 구성된다.

일부 실시예들에서, 고전압 스위칭 전원은 전원과, 적어도 하나의 스위치와, 및 승압 변압기(step-up transformer)를 구비한다.

일부 실시예들에서, 1차 싱크는 10 kW보다 더 큰 피크 출력을 조작(handle)한다.

일부 실시예들에서, 1차 싱크의 레지스터의 저항은 400 ohms 미만이다.

일부 실시예들에서, 1차 싱크가 인덕터와 레지스터를 포함하고, 인덕터의 인덕턴스 L과 레지스터의 저항 R은 L/R tp을 충족하도록 설정되는데, 여기서 tp는 펄스의 펄스폭(pulse width)이다.

일부 실시예들에서, 고전압 스위칭 전원은 이온(ion)들을 표면으로 가속하는 데 사용되는 플라즈마 내의 전위(potential)를 설정한다.

일부 실시예들에서, 출력은 고전압 스위칭 전원이 고전압 펄스를 공급하지 않을 때 -2 kV보다 더 큰 접지에 대한 음의 전위차(potential difference)를 전극 또는 기판(또는 웨이퍼 및 플라즈마)으로부터 산출한다.

일부 실시예들은 고전압 고주파 스위칭 회로를 포함한다. 일부 실시예들에서, 고전압 고주파 스위칭 회로는 1 kV보다 큰 고전압을 갖는 펄스들을 10 kHz보다 큰 주파수로 산출하는 고전압 스위칭 전원과; 1차 측과 2차 측을 갖는 변압기와; 변압기의 2차 측에 전기적 접속된 출력과; 및 변압기의 1차 측에 전기적 접속되고 고전압 스위칭 전원의 출력에 병렬이며 직렬로 배치된 적어도 하나의 레지스터와 적어도 하나의 인덕터와, 및 스위치를 구비하는 1차 싱크를 포함한다. 일부 실시예들에서, 출력은 1 kV보다 큰 전압을 갖는 고전압 펄스를 10 kHz보다 큰 주파수와 400 ns 미만의 펄스 하강 시간으로 산출할 수 있고, 출력은 플라즈마형 부하에 전기적으로 접속된다.

일부 실시예들에서, 플라즈마형 부하는 20 nF, 10 nF, 100 pF, 10 pF, 1 pF, 0.5 pF 등 미만의 용량성 소자(capacitive element)들을 갖는 것으로 모델링될(modeled) 수 있다.

일부 실시예들에서, 플라즈마형 부하는 이온들을 표면에 가속시키도록 설계된다.

일부 실시예들에서, 고전압 고주파 스위칭 전원의 동작을 통해 이온들을 표면에 가속시키는 전위가 설정된다.

일부 실시예들에서, 플라즈마형 부하는 성질상 주로 용량성이다.

일부 실시예들에서, 플라즈마형 부하는 유전체 장벽 방전을 포함한다.

일부 실시예들에서, 고전압 고주파 스위칭 전원은 100 kHz보다 큰 피크 출력을 이송한다.

일부 실시예들에서, 고전압 스위칭 전원은 전원과, 적어도 하나의 스위치와, 및 승압 변압기를 구비한다.

이 설명된 실시예들은 본 발명을 제한 또는 정의하기 위해 언급된 것이 아니며 그 이해를 돕기 위한 예들을 제공하는 것이다. 추가적인 실시예들은 상세한 설명에 논의되며 거기에 추가적인 설명들이 제공된다, 다양한 실시예들의 하나 이상에 의해 제공되는 이점들은 이 명세서를 검토하거나 제시된 하나 이상의 실시예들을 구현함으로써 더 이해될 것이다.

본 발명의 이들 및 다른 특징, 국면(aspect), 및 다른 이점들은 첨부된 도면을 참고로 하여 다음 상세한 설명을 읽으면 더 잘 이해될 것이다.
도 1은 일부 실시예들에 따른, 용량성 부하를 구동하는 에너지 회수 회로를 갖는 나노초 펄서 시스템의 회로도.
도 2는 도 1에 도시된 회로도 내의 전압 및 전류의 파형을 도시하는 도면
도 3은 일부 실시예들에 따른, 에너지 회수 스위치를 갖는 에너지 회수 회로를 구비한 나노초 펄서를 포함하는 나노초 펄서 시스템의 회로도.
도 4는 일부 실시예들에 따른, 에너지 회수 회로를 갖는 수동형 바이어스 보상 회로를 포함하는 나노초 펄서 시스템의 회로도.
도 5는 일부 실시예들에 따른, 에너지 회수 회로를 갖는 능동형 바이어스 보상 회로를 포함하는 나노초 펄서 시스템의 회로도.
도 6은 일부 실시예들에 따른, 에너지 회수 회로를 갖는 능동형 바이어스 보상 회로를 포함하는 나노초 펄서 시스템의 회로도.
도 7은 일부 실시예들에 따른, RF 드라이버와, 능동형 바이어스 보상 회로와, 및 에너지 회수 회로를 포함하는 RF 드라이버 시스템의 회로도.
도 8은 나노초 펄서 시스템 내의 전압과 전류의 파형들을 보이는 도면.
도 9는 일부 실시예들에 따른, 공간 가변 웨이퍼 바이어스 시스템의 개략도.
도 10은 일부 실시예들에 따른, 에너지 회수 회로를 갖는 나노초 펄서 시스템의 회로도.
도 11은 나노초 펄서 시스템 내의 전압과 전류의 파형들을 보이는 도면.
도 12는 일부 실시예들에 따른, 용량성 부하를 구동하는 에너지 회수 회로를 갖는 나노초 펄서 시스템의 회로도,
도 13은 나노초 펄서 시스템 내의 전압과 전류의 파형들을 보이는 도면.
도 14는 일부 실시예들에 따른, 절연된 전원을 갖는 고전압 스위치의 블록도.
도 15는 일부 실시예들에 따른, 능동형 에너지 회수 회로와 능동형 바이어스 보상 회로를 갖는 나노초 펄서 시스템의 작동 프로세스의 블록도.
도 16은 이 명세서에 기재된 실시예들의 구현을 촉진하는 기능을 수행하는 예시적 연산 시스템을 보이는 도면.
도 17은 일부 실시예들에 따른, 공간 가변 웨이퍼 바이어스 시스템의 개략도.
도 18은 일부 실시예들에 따른, RF 드라이버와, 능동형 바이어스 보상 회로와, 및 에너지 회수 회로를 포함하는 RF 드라이버 시스템의 회로도.
도 19는 일부 실시예들에 따른, 1차 측 싱크를 가진 나노초 펄서 시스템의 회로도.
도 20은 일부 실시예들에 따른, 1차 측 싱크를 가진 나노초 펄서 시스템의 회로도.
도 21은 일부 실시예들에 따른, 1차 측 싱크를 가진 나노초 펄서 시스템의 회로도.
도 22는 일부 실시예들에 따른, 1차 측 싱크를 가진 나노초 펄서 시스템의 회로도.
도 23은 나노초 펄서 시스템에 의해 산출된 파형들을 보이는 도면.
도 24는 일부 실시예들에 따른, 1차 측 싱크와, 바이어스 보상회로와, 및 플라즈마 부하를 갖는 나노초 펄서 시스템의 회로도.
도 25는 일부 실시예들에 따른, 1차 측 싱크와, 바이어스 보상회로와, 및 플라즈마 부하를 갖는 나노초 펄서 시스템의 회로도.
도 26은 일부 실시예들에 따른, 1차 측 싱크와, 바이어스 보상회로와, 및 플라즈마 부하를 갖는 나노초 펄서 시스템의 회로도.
도 27은 일부 실시예들에 따른, 1차 측 싱크와, 바이어스 보상회로와, 및 플라즈마 부하를 갖는 나노초 펄서 시스템의 회로도.
도 28은 나노초 펄서 시스템에 의해 산출된 파형들을 보이는 도면.

일부 실시예들은 에너지 회수 회로(energy recovery circuit)를 사용하여 (예를 들어 용량성 부하(capacitive load)) 등의 부하로부터의 에너지 회수를 제공하는 나노초 펄서 시스템(nanosecond pulser system)을 포함한다. 일부 실시예들에서, 나노초 펄서 시스템은 예를 들어 플라즈마 적층 시스템(plasma deposition system), 플라즈마 식각(etch) 시스템, 플라즈마 스퍼터링(sputtering) 시스템, 전자빔(e-beam) 시스템, 이온 빔 시스템, 등(부하)을 구동할 수 있는 고주파 나노초 펄서를 포함할 수 있다.

일부 실시예들에서, 에너지 회수 회로는 부하로부터 전하(charge)를 회수하여 에너지 저장 캐패시터를 충전(charge)할 수 있다. 예를 들어, 에너지 회수 회로는 캐패시터 또는 인덕터를 포함한 여러 가지 회로 요소들에 저장되거나 전하로 보유되었던 에너지를 회수할 수 있다. 이 소자들은 예를 들어 일반적으로 소산(dissipate)되거나 낭비(waste)되었던 유리(stray) 또는 기생(parasitic) 캐패시턴스 또는 인덕턴스를 포함할 수 있을 것이다. 에너지 회수 회로는 예를 들어 에너지 저장 캐패시터 및/또는 인덕터를 재충전(recharge)시키도록 동작함으로써 에너지를 회수할 수 있다.

도 1은 에너지 회수 회로(110)와, 변압기(transformer; T1)와, 리드 스테이지(lead stage; 103)와, DC 바이어스 회로(DC bias circuit; 104)와, 및 부하 스테이지(load stage; 106)를 갖는 나노초 펄서 스테이지(101)를 포함하는 나노초 펄서 시스템(100)의 회로도이다.

일부 실시예들에서, 부하 스테이지(106)는 예를 들어 플라즈마 적층 시스템, 반도체 제조 시스템, 플라즈마 스퍼터링 시스템 등의 반도체 처리 챔버에 대한 이상적 또는 효율적인 회로를 대표(represent)할 수 있다. 캐패시터(C2)는 예를 들어 반도체 처리 웨이퍼가 안착될 수 있는 정전 척(electrostatic chuck)의 캐패시턴스를 대표할 수 있다. 이 척은 예를 들어 유전 소재로 구성(comprise)될 수 있다(예를 들어 산화알루미늄, 또는 다른 세라믹 소재와 유전 소재 내에 수납된 도체). 예를 들어 캐패시터(C1)는 작은 캐패시턴스를 가질 수 있다(예를 들어 약 10 pF, 100 pF, 500 pF, 1 nF, 10 nF, 100 nF 등).

캐패시터(C3)는 예를 들어 플라즈마와 웨이퍼 간의 피복 캐패시턴스(sheath capacitance)를 대표할 수 있다. 레지스터(R6)는 예를 들어 플라즈마와 웨이퍼 간의 피복 저항을 대표할 수 있다. 인덕터(L2)는 예를 들어 플라즈마와 웨이퍼 간의 피복 인덕턴스를 대표할 수 있다. 전류원(current source; I2)은 예를 들어 피복을 통한 이온 전류를 대표할 수 있다. 예를 들어 캐패시터(C1) 또는 캐패시터(C3)은 (예를 들어 약 10 pF, 100 pF, 500 pF, 1 nF, 10 nF, 100 nF 등의) 작은 인덕턴스를 가질 수 있다.

캐패시터(C9)는 예를 들어 챔버 벽(chamber wall)과 웨이퍼의 상면 간의 플라즈마 내부의 캐패시턴스를 대표할 수 있다. 레지스터(R7)는 예를 들어 챔버 벽과 웨이퍼의 상면 간의 플라즈마 내부의 저항을 대표할 수 있다. 전류원(11)은 예를 들어 플라즈마 내의 이온 전류의 대표(representative)가 될 수 있다. 예를 들어 캐패시터(C1) 또는 캐패시터(C9)는 (예를 들어 약 10 pF, 100 pF, 500 pF, 1 nF, 10 nF, 100 nF 등의) 작은 캐패시턴스를 가질 수 있다.

일부 실시예들에서, 플라즈마 전압은 접지로부터 회로 점(123)으로 측정한 전압이고; 웨이퍼 전압은 접지로부터 회로 점(122)으로 측정한 전압으로, 웨이퍼의 표면에서의 전압을 대표할 수 있으며; 처킹 전압(chucking voltage)은 접지로부터 회로 점(121)으로 측정한 전압이고; 전극 전압은 접지로부터 124로 표지된 (예를 들어 전극 상의) 회로 점으로 측정한 전압이며; 그리고 입력 전압은 접지로부터 회로 점(125)로 측정한 전압이다.

이 예에서, DC 바이어스 전압(104)은 어떤 바이어스 보상(bias compensation)을 포함하지 않는다. DC 바이어스 회로(104)는 예를 들어 출력 전압을 양 또는 음의 어느 하나로 바이어싱(bias)할 수 있는 오프셋 공급 전압(offset supply voltage; V5)을 포함한다. 일부 실시예들에서, 오프셋 공급 전압(V5)은 웨이퍼 전압과 척 전압 간의 전위차를 변경시키도록 조정될 수 있다. 일부 실시예들에서, 오프셋 공급 전압(V5)은 약 ㅁ 5 kV, ㅁ 4 kV, ㅁ 3 kV, ㅁ 2, kV, ㅁ 1 kV 등의 전압을 가질 수 있다,

일부 실시예들에서, 바이어스 캐패시터(C12)는 DC 바이어스 전압을 다른 회로 요소들로부터 절연(또는 분리)시킬 수 있다. 바이어스 캐패시터(C12)는 예를 들어 회로의 한 부분으로부터 다른 부분으로의 전위 시프트(potential shift)를 허용한다. 일부 실시예들에서, 이 전위 시프트는 웨이퍼를 척 상의 제자리에 파지(hold)하는 정전력(electrostatic force)이 임계 전압(voltage threshold) 미만으로 유지되도록 보장할 수 있다. 레지스터(R2)는 DC 바이어스 전원을 나노초 펄서 스테이지(101)의 고전압 펄스 출력으로부터 절연시킬 수 있다.

바이어스 캐패시터(C12)는 예를 들어 약 100 pF, 10 pF, 1 pF, 100 μF, 10 μF, 1 μF 등의 미만의 캐패시턴스를 가질 수 있다. 레지스터(R2)는 예를 들어 약 1 kOhm, 10 kOhm, 100 kOhm, 1 MOhm, 10 MOhm, 100 MOhm 등의 저항 등 높은 저항을 가질 수 있다.

레지스터(R13)는 예를 들어 고전압 출력 시스템으로부터 (예를 들어 부하 스테이지(106) 등의) 전극을 연결하는 리드(lead) 또는 전송선(transmission line)들의 저항을 대표할 수 있다. 캐패시터(C1)는 예를 들러 리드 또는 전송선들 내의 유리(stray) 캐패시턴스를 대표할 수 있다.

일부 실시예들에서, 나노초 펄서 스테이지(101)는 (예를 들어 1 kV, 10 kV, 20 kV, 50 kV, 100 kV 등보다 높은 전압의) 높은 펄스 전압과, (예를 들어 1 kHz, 10 kHz, 100 kHz, 200 kHz, 500 kHz, 1 MHz 등보다 높은 주파수의) 고주파와, (예를 들어 약 1 ns, 10 ns, 50 ns, 100 ns, 250 ns, 500 ns, 1,000 ns 등 미만의 상승 시간의) 신속한 상승 시간과, (예를 들어 약 1 ns, 10 ns, 50 ns, 100 ns, 250 ns, 500 ns, 1,000 ns 등 미만의 하강 시간의) 신속한 하강 시간 및/또는 (예를 들어 약 1,000 ns, 500 ns, 250 ns, 100 ns, 20 ns 등 미만의 펄스폭의) 짧은 펄스폭을 갖는 펄스들을 산출할 수 있다.

예를 들어, 나노초 펄서 스테이지(101)는 이 명세서에 모든 목적을 위해 포함된 "고전압 나노초 펄서(High Voltage Nanosecond Pulser)"라는 명칭의 미국특허출원 제14/542,487호에 기재된 어떤 소자의 모든(all or any) 부분, 또는 이 명세서에 모든 목적을 위해 포함된 "전기적으로 절연된 출력 가변 펄스 생성기의 개시(Galvanically Isolated Output Variable Pulse Generator Disclosure)"라는 명칭의 미국특허출원 제14/635,991호에 기재된 어떤 소자의 모든 부분, 또는 이 명세서에 모든 목적을 위해 포함된 "가변 펄스폭 및 펄스 반복 주파수를 갖는 고전압 나노초 펄서(High Voltage Nanosecond Pulser With Variable Pulse Width and Pulse Repetition Frequency)"라는 명칭의 미국특허출원 제14/798,154호에 기재된 어떤 소자의 모든 부분을 포함할 수 있다.

일부 실시예들에서, 나노초 펄서 스테이지(101)는 임의 수의 방법들로 서로 접속된 하나 이상의 나노초 펄서들을 포함할 수 있다.

일부 실시예들에서, 나노초 펄서 스테이지(101)는 스위치(S6)에 의해 전환되어 변압기(T1)에 전환된 출력을 공급하는 일정한(consistent) DC 전압을 공급하는 DC 전원을 포함할 수 있다. DC 전원은 전압원(V5)과 에너지 저장 캐패시터(C7)를 포함할 수 있다. 변압기(T1)가 1:10의 권선비(turn ratio)를 가지면 변압기는 부하(C1)에 10 kV를 산출할 수 있다.

일부 실시예들에서, (예를 들어 캐패시터(C3) 및 캐패시터(C9)의 캐패시턴스 등의) 부하 캐패시턴스가 에너지 저장 캐패시터(C7)의 캐패시턴스에 비해 작으면, 변압기 입력에 전압 배증(voltage doubling)이 발생될 수 있다. 예를 들어, 에너지 저장 캐패시터(C7)가 500 V를 공급하면 변압기(T1)의 입력에서는 1 kV가 측정될 수 있다.

스위치(S6)는 예를 들어, 예를 들어 IGBT, MOSFET, SiC MOSFET, SiC 접합 트랜지스터, FET들, SiC 스위치들, GaN 스위치들, 광전도(photoconductive) 스위치 등 하나 이상의 반도체(solid state) 스위치들을 포함할 수 있다. 스위치(S6)는 Sig6+ 및 Sig6-로 표지된 컨트롤러로부터의 신호에 기반하여 전환될 수 있다.

일부 실시예들에서, 나노초 펄서 스테이지(101)는 스너버(snubber) 다이오드(D4)에 병렬인 스너버 레지스터(R3)와, 및 스너버 캐패시터(C5)를 구비할 수 있는 스너버 회로를 포함할 수 있다. 스너버 회로 역시 유리 인덕턴스를 포함할 수 있다다. 일부 실시예들에서, 스너버 레지스터(R3) 및/또는 스너버 다이오드(D4)는 스위치(S6)의 콜렉터(collector)와 변압기의 1차 권선(primary winding) 사이에 위치할 수 있다. 스너버 다이오드(D4)는 스위칭에서의 어떤 과전압(over voltage)들을 배제(snub out)하는 데 사용된다. 대형 및/또는 고속 방전(fast) 캐패시터(C5)는 스위치(S6)의 에미터(emitter) 측에 접속될 수 있다. 환류 다이오드(freewheeling diode; D2) 역시 스위치(S1)의 에미터 측에 접속될 수 있다. 도면들에 도시되지 않은 여러 가지 다른 컴포넌트들도 포함될 수 있다. 하나 이상의 스위치들 및/또는 회로들이 병렬 또는 직렬로 배치될 수 있다.

일부 실시예들에서, 스위치(S6)가 너무 신속히 스위칭되어 (예를 들어 에너지 저장 캐패시터(C7) 및/또는 전압원(V5)의 전압 등의) 전환된 전압이 전 전압(full voltage)이 되지 않을 수 있다. 일부 실시예들에서, 스위치(S6)에 접속된 게이트 레지스터(gate resistor)가 펄스들에 대해 급전환(short turn)하도록 설정될 수 있다.

일부 실시예들에서, 나노초 펄서 스테이지(101)는 환류 다이오드(D2)를 포함할 수 있다. 일부 실시예들에서, 환류 다이오드(D2)는 유도성 부하(inductive load)들과 조합되어 전류가 인덕터를 통해 동일한 방향으로 계속 흐르고 에너지가 회로의 저항 요소들 내에서 소산되도록 허용함으로써 유도성 부하에 저장된 에너지가 스위치(S6)가 개방된 후 소산될 수 있게 하는 것을 보장하는 데 사용될 수 있다. 환류 다이오드(D2)가 포함되지 않으면, 이는 예를 들어 스위치(S6) 상에 큰 역전압(reverse voltage)을 유발할 수 있다.

일부 실시예들에서, 나노초 펄서 스테이지(101)는 유리 인덕턴스(L1) 및/또는 유리 저항(R1)을 포함할 수 있다. 유리 인덕턴스(L1)는 예를 들어 약 10 nH, 100 nH, 1,000 nH, 10,000 nH 등 미만일 수 있다. 유리 저항(R1)은 예를 들어 약 1 Ohm, 100 mOhm, 10 mOhm 등 미만일 수 있다.

일부 실시예들에서, 에너지 회수 회로(110)는 변압기의 2차 측 및/또는 에너지 저장 캐패시터(C7)에 전기적으로 접속될 수 있다. 에너지 회수 회로(110)는 예를 들어 변압기(T1)의 2차 측에 걸친(across) (예를 들어 크로우바 다이오드 등의) 다이오드(130)를 포함할 수 있다. 에너지 회수 회로(110)는 예를 들어, 에너지 회수 다이오드(120)와, (직렬로 배치된) 에너지 회수 인덕터(115)를 포함할 수 있는데, 이들은 전류가 변압기(T1)의 2차 측으로부터 흘러 에너지 저장 캐패시터(C7)를 충전하게 허용한다. 에너지 회수 다이오드(120)와 에너지 회수 인덕터(115)는 변압기(T1)의 2차 측과 에너지 저장 캐패시터(C7)에 전기적으로 접속될 수 있다. 일부 실시예들에서, 에너지 회수 회로(110)는 변압기(T1)의 2차 측에 전기적으로 접속된 다이오드(130) 및/또는 인덕터(140)를 포함할 수 있다. 인덕터(140)는 유리 인덕턴스를 대표하거나 및/또는 변압기(T1)의 유리 인덕턴스를 포함할 수 있다.

일부 실시예들에서, 에너지 회수 인덕터(115)는 예를 들어 페라이트(ferrite) 인덕터 또는 공심(air core) 인덕터 등 임의 종류의 인덕터를 포함할 수 있다. 일부 실시예들에서, 에너지 회수 인덕터(115)는 10 μH, 50 μH, 100 μH, 500 μH 등보다 큰 인덕턴스를 가질 수 있다. 일부 실시예들에서, 에너지 회수 인덕터(115)는 약 1 μH 내지 약 100 mH의 인덕턴스를 가질 수 있다.

나노초 펄서가 켜지면, 전류가 부하 스테이지(106)를 충전시킬 수 있다(예를 들어 캐패시터(C3), 캐패시터(C2), 캐패시터(C9)를 충전시킨다). 변압기(T1)의 2차 측 상의 전압이 에너지 저장 캐패시터(C7)의 충전 전압 이상으로 상승하면 일부 전류는 예를 들어 에너지 회수 인덕터(115)를 통해 흐를 수 있다. 나노초 펄서가 꺼지면, 전류는 (예를 들어 캐패시터(C1) 등의) 부하 스테이지(106) 내의 캐패시터들로부터 에너지 회수 인덕터(115)를 통해 흘러 에너지 회수 인덕터(115) 양단의(across) 전압이 0이 될 때까지 에너지 저장 캐패시터(C7)를 충전시킨다. 다이오드(130)는 부하 스테이지(106) 내의 캐패시터들이 부하 스테이지(106) 또는 DC 바이어스 회로(104) 내의 인덕턴스와 공명하는(ring with)하는 것을 방지할 수 있다.

에너지 회수 다이오드(120)는 예를 들어 전하가 에너지 저장 캐패시터(C7)로부터 부하 스테이지(106) 내의 캐패시터들로 흐르는 것을 방지할 수 있다.

에너지 회수 인덕터(115)의 값은 전류 하강 시간을 제어하도록 선택될 수 있다. 일부 실시예들에서, 에너지 회수 인덕터(115)는 1 μH - 600 μH의 인덕턴스 값을 가질 수 있다. 일부 실시예들에서, 에너지 회수 인덕터(115)는 50 μH보다 큰 인덕턴tm 값을 가질 수 있다. 일부 실시예들에서, 에너지 회수 인덕터(115)는 50 μH, 100 μH, 150 μH, 200 μH, 250 μH, 300 μH, 350 μH, 350 μH, 400 μH, 400 μH, 500 μH 등 미만의 인덕턴스를 가질 수 있다.

예를 들어, 에너지 저장 캐패시터(C7)가 500 V를 공급한다면 (예를 들어 전술한 전압 배증에 의해) 변압기(T1)의 입력에서 1 kV가 측정될 것이다. 스위치(S6)가 열려있으면 변압기(T1)에서의 1 kV는 에너지 회수 회로(110)의 컴포넌트들 간에 분할될 수 있다. (예를 들어 인덕터(L3)가 에너지 회수 인덕터(115)의 인덕턴스 미만의 인덕턴스를 갖는 등) 값이 적절히 선택되면 에너지 회수 다이오드(120)와 에너지 회수 인덕터(115) 양단의(across) 전압은 500 V보다 클 수 있다. 그러면 전류는 에너지 회수 다이오드(120)를 통해 흐르거나 및/또는 에너지 저장 캐패시터(C7)를 충전시킨다. 전류는 또한 다이오드(D3)와 인덕터(L6)를 통해서도 흐를 수 있다. 에너지 저장 캐패시터(C7)가 충전되고 나면, 전류는 더 이상 다이오드(D3)와 에너지 회수 회로(115)를 통해 흐르지 않을 수 있다.

일부 실시예들에서, 에너지 회수 회로(110)는 부하 스테이지(106)로부터 예를 들어 (예를 들어 1 ns, 10 ns, 50 ns, 100 ns, 250 ns, 500 ns, 1,000 ns 등의 시간 척도의) 신속한 시간 척도(time scale)로 에너지를 전송(또는 전하를 전송)할 수 있다. 에너지 회수 회로의 유리 저항은 부하 스테이지(106)를 가로지르는 펄스가 신속한 하강 시간(t_f)을 갖도록 보장하기 위해 낮을 수 있다. 에너지 회수 회로(110)의 유리 저항은 예를 들어 약 1 Ohm, 100 mOhm, 10 mOhm 등 미만의 저항을 가질 수 있다. 일부 실시예들에서, 부하 스테이지(106)로부터의 에너지의 저항 소산은 예들 들어 60%, 70%, 80%, 또는 90% 등으로 낮을 수 있다.

예를 들어 다이오드(135) 또는 다이오드(130) 또는 인덕터(140) 등 임의 수의 도 1에 도시된 컴포넌트들이 요구되거나 요구되지 않을 수 있다.

일부 실시예들에서, 다이오드가 전압원(V1)과, 에너지 회수 회로(110)가 전압원(V1) 및/또는 에너지 저장 캐패시터(C7)와 연결되는 점 사이에 위치할 수 있다. 다이오드는 예를 들어, 전류가 전압원(V1)으로부터 에너지 저장 캐패시터(C7)로 흐르도록 허용하지만 전류가 에너지 회수 회로로부터 에너지 저장 캐패시터(C7)로는 흐르게 허용하지 않도록 배치될 수 있다.

도 2는 도 1에 보인 나노초 펄서 시스템(100) 내의 전압과 전류의 파형들을 도시한다. 파형 205는 나노초 펄서 시스템(100) 내의 (예를 들어 전극 상의) 124로 표지된 점에서 측정된 부하 스테이지(106)로의 전압을 대표한다. 파형 202는 (예를 들어 웨이퍼 상의) 122로 표지된 점에서 측정된 전압을 대표한다. 파형 215는 에너지 회수 인덕터(115)를 통한 전류를 대표한다. 파형 215는 나노초 펄서 스위치(101)가 켜졌을 때 (예를 들어 담청색(light blue) 파형 상승으로 보인 바와 같이) 에너지 회수 인덕터(115)를 통한 전류를 대표한다. 나노초 펄서 스테이지(101)가 켜지면, 에너지 회수 인덕터(115)를 통한 전류가 하강 전에 최대치까지 상승을 계속한다. 에너지 회수 인덕터(115) 양단의 전압이 0이 되면 에너지 회수 인덕터(115)를 통해 흐르는 전류가 중단되어야 하지만; 이 예에서는 에너지 회수 인덕터(115) 양단의 전압이 0이 되기 전에 나노초 펄서 스테이지(101)가 다시 켜진다.

일부 실시예들에서, 도 1의 121로 표지된 점에서의 전위가 음인 것으로 보이지만 처킹 전위는 역시 양일 수 있다.

도 3은 일부 실시예들에 따른 에너지 회수 스위치(S5)를 갖는 능동형(active) 에너지 회수 회로(111)를 구비한 나노초 펄서 스테이지(101)를 포함하는 나노초 펄서 시스템(300)의 회로도이다. 에너지 회수 스위치(S5)는 Sig5+ 및 Sig5-로 표지된 컨트롤러로부터의 신호에 기반하여 전환될 수 있다.

도 3에서, 능동형 에너지 회수 회로(111)는 에너지 회수 인덕터(115)를 통한 전류의 흐름을 제어하는 데 사용될 수 있다. 일부 실시예들에서, 에너지 회수 스위치(S5)는 에너지 회수 스위치(S5)의 양단에 배치된 환류 다이오드를 포함할 수 있다. 에너지 회수 스위치(S5)는 예를 들어 에너지 회수 인덕터(115)와 직렬로 위치될 수 있다. 일부 실시예들에서, 에너지 회수 스위치(S5)가 스위칭 입력(V5)로부터의 신호에 기반하여 개폐될 수 있다. 일부 실시예들에서, 스위치(S1)가 열리거나 및/또는 부하 스테이지(106)로부터 다시 고전압 부하(V5)로 돌아가는 전류 흐름을 허용하는 더 이상의 펄스 생성(pulsing)이 없으면, 스위칭 입력(V5)이 에너지 회수 스위치를 닫을 수 있다. 일부 실시예들에서, 스위치(S1)가 닫히거나 및/또는 고전압 부하(C7)로 흐르는 전류를 제한하는 펄스 생성이 있으면 스위칭 입력(V5)이 에너지 회수 스위치를 열 수 있다.

도 3의 에너지 회수 스위치(S5)는 에너지 회수 다이오드(120) 및 에너지 회수 인덕터(115)와 직렬이고 변압기(T1)의 2차 측과 에너지 회수 다이오드(120) 및 에너지 회수 인덕터(115) 양자의 사이에 위치하는 것으로 도시되었다. 일부 실시예들에서, 에너지 회수 다이오드(120) 및 에너지 회수 인덕터(115) 양자는 에너지 회수 스위치(S5)와 변압기(T1)의 2차 측 사이에 위치할 수 있다. 일부 실시예들에서, 에너지 회수 스위치(S5)는 에너지 회수 다이오드(120)와 에너지 회수 인덕터(115) 사이에 위치할 수 있다. 에너지 회수 다이오드(120), 에너지 회수 인덕터(115), 및 에너지 회수 스위치(S5)들은 어떤 순서로도 배치될 수 있다.

에너지 회수 스위치(S5)는 예를 들어, 예를 들어 (도 14에 도시된) 고전압 스위치(1400) 등의 고전압 스위치를 포함할 수 있다.

일부 실시예들에서, 부하 스테이지(106)는 에너지 회수 스위치(S5)가 열린 동안 나노초 펄서 스테이지(101)에 의해 충전될 수 있다. 부하 스테이지(106)로부터 전하를 예를 들어 (예를 들어 약 1 ns, 10 ns, 50 ns, 100 ns, 250 ns, 500 ns, 1,000 ns 등 미만의) 신속한 시각 척도로 제거하는 것이 유용할 수 있다. 부하 스테이지(106)로부터 전하를 제거하기 위해, 에너지 회수 스위치(S5)가 닫힐 수 있다.

도 4는 일부 실시예들에 따른, 에너지 회수 회로(110)를 갖는 수동형 바이어스 보상 회로(114)를 포함하는 나노초 펄서 시스템(400)의 회로도이다.

이 예에서, 수동형 바이어스 보상 회로(114)는 수동형 바이어스 보상 회로이고 바이어스 보상 다이오드(405)와 바이어스 보상 캐패시터(410)를 포함할 수 있다. 바이어스 보상 다이오드(405)는 오프셋 공급 전압(V5)과 직렬로 배치될 수 있다. 바이어스 보상 캐패시터(410)는 오프셋 공급 전압(V5) 및 레지스터(R2)으 어느 하나 또는 양자의 양단에(across) 배치될 수 있다. 바이어스 보상 캐패시터(410)는 예를 들어 약 100 μF, 50 μF, 25 μF, 10 μF, 2 μF, 500 nF, 200 nF 등 100 nF 내지 100 μF 미만의 캐패시턴스를 가질 수 있다.

일부 실시예들에서, 바이어스 보상 다이오드(405)는 10 A 내지 1 kA의 전류를 10 Hz 내지 500 kHz의 주파수로 도통(conduct)시킬 수 있다.

일부 실시예들에서, 바이어스 캐패시터(C12)가 (예를 들어 125로 표지된 위치의) 나노초 펄서 스테이지(101)의 출력과 (예를 들어 124로 표지된 위치의) 전극 상의 전압 간의 전압 오프셋을 허용할 수 있다. 작동에 있어서, 전극은 버스트(burst)(버스트는 복수의 펄스들을 포함할 수 있다) 동안 예를 들어 -2 kV의 DC 전압인 반면, 나노초 펄서의 출력은 펄스들 동안의 +6 kV와 펄스들 간의 0 kV 간을 교번한다(alternate).

바이어스 캐패시터(C12)는 예를 들어, 100 nF, 10 nF, 1 nF, 100 μF, 10 μF, 1 μF 등이다. 레지스터(R2)는 예를 들어, 예를 들어 약 1 kOhm, 10 kOhm, 100 kOhm, 1 MOhm, 10 MOhm, 100 MOhm 등의 저항 등의 고저항을 갖는다.

일부 실시예들에서, 바이어스 보상 캐패시터(410)와 바이어스 보상 다이오드(405)는 (예를 들어 125로 표지된 위치의) 나노초 펄서 스테이지(101)의 출력과 (예를 들어 124로 표지된 위치의) 전극 상의 전압 간의 전압 오프셋이 각 버스트의 시작시 설정되어 요구되는 평형 상태에 도달하도록 허용할 수 있다. 예를 들어, 전하는 각 버스트의 시작시 캐패시터(C12)로부터 바이어스 보상 캐패시터(410)로 전송되어 (예를 들어 5-100 펄스들이 될) 복수의 펄스들 동안(over the course of) 회로 내의 정확한 전압들을 설정한다.

일부 실시예들에서, (예를 들어 버스트 내의 펄스들의 주파수 등의) 펄스 반복 주파수는 예를 들어 2 MHz, 13.56 MHz, 27 MHz, 60 MHz, 및 80 MHz 등과 같이 200 kHz 내지 800 kHz가 될 수 있다. 일부 실시예들에서, (예를 들어 버스트들의 주파수 등의) 버스트 반복 주파수(burst repetition frequency) 예를 들어 400 kHz 등 약 10 kHz, 50 Hz, 100 kHz, 500 kHz, 1 MHz 등이 될 수 있다.

에너지 회수 회로(110)는 도 3에 도시된 에너지 회수 스위치를 포함할 수도 포함하지 않을 수도 있다.

도 5는 일부 실시예들에 따른 에너지 회수 회로(110)를 갖는 바이어스 보상 회로(134)를 포함하는 나노초 펄서 시스템(500)의 회로도이다.

능동형 바이어스 보상 회로(134)는 당업계에 알려진 어떤 바이어스 및/또는 바이어스 보상 회로를 포함할 수 있다. 예를 들어, 능동형 바이어스 보상 회로(134)는 모든 목적을 위해 그 전체로서 이 명세서에 포함된 "나노초 펄서 바이어스 보상(NANOSECOND PULSER BIAS COMPENSATION)"이라는 명칭의 미국특허출원 제16/523,840호에 기재된 어떤 바이어스 및/또는 바이어스 보상 회로를 포함할 수 있다.

일부 실시예들에서, 도 5에 도시된 나노초 펄서 시스템(500)의 능동형 바이어스 보상 회로(134)는 바이어스 캐패시터(C7)와, 차단 캐패시터(blocking capacitor; C12)와, 차단 다이오드(D8), (예를 들어 고전압 스위치 등의) 바이어스 보상 스위치(S8)와, 오프셋 공급 전압(offset supply voltage; V5)과, 저항(R2), 및/또는 저항(R4)을 포함할 수 있다. 일부 실시예들에서, 스위치(S8)는 예를 들어 도 14에 도시된 고전압 스위치(1400) 등의 고전압 스위치를 포함할 수 있다. 바이어스 보상 스위치(S8)는 Sig8+ 및 Sig8-로 표지된 컨트롤러로부터의 신호에 기반하여 전환될 수 있다.

일부 실시예들에서, 오프셋 공급 전압(V5)은 출력 전압을 양 또는 음의 어느 것으로 바이어싱할 수 있는 DC 전류원을 포함할 수 있다. 일부 실시예들에서, 캐패시터(C12)는 오프셋 공급 전압(V5)를 다른 회로 요소들로부터 절연/분리시킬 수 있다. 일부 실시예들에서, 능동형 바이어스 보상 회로(134)는 회로의 한 부분으로부터 다른 부분으로의 전력의 전위 시프트(potential shift)를 허용한다. 일부 실시예들에서, 능동형 바이어스 보상 회로(134)는 공정 웨이퍼(process wafer)와 정적 척 간의 일정한 파지력(chucking force)을 유지하는 데 사용될 수 있다. 저항(R2)은 예를 들어 DC 바이어스 전원을 드라이버로부터 보호/절연할 수 있다. 다른 예로서, 저항(R2)은 DC 전원(V5)이 과전압 고장(overcurrent failure)으로 이행하지 않도록 보장하는 데 사용될 수 있다.

일부 실시예들에서, 바이어스 보상 스위치(S8)는 나노초 펄서 스테이지(101)가 10 kHz보다 큰 펄스들을 적극적으로 산출하거나 펄스들의 버스트(burst)를 제공하지 않는 동안 열리고, 나노초 펄서 스테이지(101)가 펄스 생성(pulsing)을 하지 않는 동안 닫힐 수 있다. 닫힌 동안, 바이어스 보상 스위치(S8)는 예를 들어 차단 다이오드(D8)가 금지한 방향으로의 전류를 허용한다. 이 전유를 단락(shorting)시키면 웨이퍼와 척 간의 바이어스가 2 kV 미만이 될 수 있는데, 이는 허용 가능한 공차 이내이다.

일부 실시예들에서, 부하 스테이지(106)는 능동형 바이어스 보상 회로(134)에 접속될 수 있다. 일부 실시예들에서, 에너지 회수 회로(110)는 도 3에 도시된 바와 같은 에너지 회수 스위치를 포함할 수도 포함 안 할 수도 있다.

도 6은 일부 실시예들에 따른, 능동형 에너지 회수 회로(111)를 갖는 능동형 바이어스 보상 회로(134)를 포함하는 나노초 펄서 시스템(600)의 회로도이다.

두 7은 일부 실시예들에 따른, RF 드라이버(705)와, 능동형 바이어스 보상 회로(134)와, 및 에너지 회수 회로(110)를 포함하는 무정합 드라이버 시스템(matchless driver system; 700)의 회로도이다.

이 예에서, 무정합 드라이버 시스템(700)은 나노초 펄서 스테이지(101) 대신 RF 드라이버(705)를 포함할 수 있다. RF 드라이버(705)는 예들 들어 하프 브리지(half-bridge) 브리지 또는 풀 브리지(full-bridge) 드라이버가 될 수 있다. RF 드라이버(705)는 (예를 들어 용량성 전원(capacitive source), AC-DC 변환기(converter) 등의) DC 전압원이 될 수 있는 전압원(V1)을 포함할 수 있다. 일부 실시예들에서, RF 드라이버(705)는 4개의 스위치(S1, S2, S3, 및 S4)들을 포함할 수 있다. 일부 실시예들에서, RF 드라이버(705)는 직렬 또는 병렬의 복수의 스위치(S1, S2, S3, 및 S4)들을 포함할 수 있다. 이 스위치(S1, S2, S3, 및 S4)들은 예를 들어, 예를 들어 IGBT, MOSFETs, SiC MOSFET, SiC 접합 트랜지스터, FET, SiC 스위치, GaN 스위치, 광전도(photoconductive) 스위치 등 임의 종류의 반도체(solid state) 스위치를 포함할 수 있다. 이 스위치(S1, S2, S3, 및 S4)들은 고주파로 스위칭될 수 있거나 및/또는 고전압 펄스를 산출할 수 있다. 이 주파수는 예를 들어 약 400 kHz, 0.5 MHz, 2.0 MHz, 4.0 MHz, 13.56 MHz, 27.12 MHz, 40.68 MHz, 50 MHz 등의 주파수를 포함할 수 있다.

스위치(S1, S2, S3, 및 S4)들 중의 각 스위치는 대응 다이오드(D1, D2, D3, 및 D4)와 병렬로 접속될 수 있고, 인덕터(L1, L2, L3, 및 L4)로 대표(represent)되는 유리 인덕턴스를 포함할 수 있다. 일부 실시예들에서, 인덕터(L1, L2, L3, 및 L4)들의 인덕턴스들은 동일할 수 있다. 일부 실시예들에서, 인덕터(L1, L2, L3, 및 L4)들의 인덕턴스들은 약 50 nH, 100 nH, 150 nH, 500 nH, 1,000 nH 등 미만일 수 있다. 스위치(S1, S2, S3, 및 S4)들과 해당 다이오드(D1, D2, D3, 및 D4)들의 조합은 대응 인덕터(L1, L2, L3, 및 L4)들에 대해 직렬로 접속될 수 있다. 인덕터 L3 및 L4는 접지(ground)에 연결된다. 인덕터 L1은 스위치(S4)와 공진 회로(resonant circuit; 710)에 연결된다. 그리고 인덕터 L2는 스위치(S3)와, 공진회로(710)의 반대측에 연결된다.

스위치(S1, S2, S3, 및 S4)들은 예를 들어 도 14에 도시된 고전압 스위치(1400) 등의 고전압 스위치를 포함할 수 있다.

일부 실시예들에서, RF 드라이버(705)는 공진 회로(710)에 접속될 수 있다. 공진 회로(710)는 변압기(T1)에 접속된 공진 인덕터(L5) 및/또는 공진 캐패시터(C2)를 포함할 수 있다. 공진 회로(710)는 예를 들어 RF 드라이버(705)와 공진 회로(710) 및/또는 예를 들어 변압기(T1), 캐패시터(C2), 및/또는 인덕터(L5) 등 공진 회로(710) 내의 어떤 컴포넌트 간의 어떤 리드선(lead)들의 유리 저항을 포함할 수 있는 공진 저항(R5)을 포함할 수 있다. 일부 실시예들에서, 공진 저항(R5)은 와이어, 트레이스(trace), 또는 회로 요소들의 유리 저항만을 포함한다. 다른 회로 요소들의 인덕턴스 및/또는 캐패시턴스가 구동 주파수에 영향을 미칠 수 있지만, 구동 주파수는 주로 공진 인덕터(L5) 및/또는 공진 캐패시터(C2)의 선택에 의해 설정될 수 있다. 유리 인덕턴스 또는 유리 캐패시턴스를 고려하여 적절한 구동 주파수를 생성하기 위해 추가적 조정(refinements and/or tuning)들이 요구될 수 있다. 또한 변압기(T1)에 걸친 상승 시간은 L5 및/또는 C2를 다음 조건으로 변경함으로써 조정될 수 있는데:

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일부 실시예들에서, L5에 대한 큰 인덕턴스 값은 더 느리거나 더 짧은 상승 시간으로 결과될 수 있다. 이 값들은 또한 버스트 엔벌로프(burst envelope)에도 영향을 미칠 수 있다. 도 17에 도시된 바와 같이, 각 버스트는 과도 및 정상 상태 펄스들을 포함할 수 있다. 각 버스트 내의 과도 펄스들은 정상 상태 펄스들 동안 전 전압(full voltage)에 도달할 때까지 L5 및/또는 시스템의 Q로 설정될 수 있다.

RF 드라이버(705) 내의 스위치들이 공진 주파수(f _reasonant )로 스위칭된다면, 변압기(T1)에서의 출력 전압이 증폭될 것이다. 일부 실시예들에서, 공진 주파수는 약 400 kHz, 0.5 MHz, 2.0 MHz, 4.0 MHz, 13.56 MHz, 27.12 MHz, 40.68 MHz, 50 MHz 등이 될 수 있다.

일부 실시예들에서, 공진 캐패시터(C2)는 변압기(T1) 및/또는 물리적 캐패시터(physical capacitor)의 유리 캐패시턴스를 포함할 수 있다. 일부 실시예들에서, 공진 캐패시터(C2)는 약 10 μF, 1 μF, 100 nF, 10 nF 등의 캐패시턴스를 가질 수 있다. 일부 실시예들에서, 공진 인덕터(L5)는 변압기(T1) 및/또는 물리적 인덕터의 유리 인덕턴스를 포함할 수 있다. 일부 실시예들에서, 공진 인덕터(L5)는 약 50 nH, 100 nH, 150 nH, 500 nH, 1,000 nH 등의 인덕턴스를 가질 수 있다. 일부 실시예들에서, 공진 레지스터(R5)는 약 10 ohms, 25 ohms, 50 ohms, 100 ohms, 150 ohms, 500 ohms 등의 저항을 가질 수 있다.

일부 실시예들에서, 공진 저항(R5)은 와이어, 트레이스들 및/또는 물리적 회로 내의 변압기 권선(winding)들의 유리 저항을 대표할 수 있다. 일부 실시예들에서, 공진 저항(R5)은 약 10 mohms, 50 mohms, 100 mohms, 200 mohms, 500 mohms 등의 저항을 가질 수 있다.

일부 실시예들에서, 변압기(T1)는 모든 목적으로 이 명세서에 포함된 "고전압 변압기(High Voltage Transformer)"라는 명칭의 미국특허출원 제15/365,094호에 기재된 바와 같은 변압기를 포함할 수 있다. 일부 실시예들에서, 공진 회로(710)의 출력 전압은 스위치(S1, S2, S3, 및/또는 S4)들의 (예를 들어 스위치 "온(on)" 시간 또는 스위치가 도통되는 시간) 작동 주기(duty cycle)를 변경함으로써 변경될 수 있다. 예를 들어, 작동 주기가 길수록 출력 전압이 높아지고; 작동 주기가 짧아질수록 출력 전압이 낮아진다. 일부 실시예들에서, 공진 회로(710)의 출력 전압은 RF 드라이버(705)의 스위칭의 작동 주기를 조정함으로써 변경 또는 조정될 수 있다.

예를 들어, 스위치들의 작동 주기는 스위치 S1을 개폐하는 신호 Sig1의 작동 주기를 변경함으로써; 스위치 S2를 개폐하는 신호 Sig2의 작동 주기를 변경함으로써; 스위치 S3을 개폐하는 신호 Sig3의 작동 주기를 변경함으로써; 스위치 S4를 개폐하는 신호 Sig4의 작동 주기를 변경함으로써 조정될 수 있다. 스위치(S1, S2, S3, 또는 S4)들의 작동 주기를 조정함으로써 예를 들어 공진 회로(710)의 출력 전압이 제어될 수 있다.

일부 실시예들에서, 공진 회로(710) 내의 각 스위치(S1, S2, S3, 또는 S4)는 독립적으로 또는 하나 이상의 다른 스위치들과 함께 전환될 수 있다. 예를 들어, 신호 Sig1은 신호 Sig3과 동일한 신호일 수 있다. 다른 예로, 신호 Sig2는 신호 Sig4와 동일한 신호일 수 있다. 다른 예로, 각 신호는 독립적이어서 각 스위치(S1, S2, S3, 또는 S4)가 독립적 또는 별도로 제어될 수 있다.

일부 실시예들에서, 공진 회로(710)는 차단 다이오드(D7)를 포함할 수 있는 반파장 정류기(half-wave rectifier; 715)에 접속될 수 있다.

능동형 바이어스 보상 회로(134)는 도 5에 연계하여 설명된 능동형 바이어스 보상 회로를 포함할 수 있다.

무정합 드라이버 시스템(700)은 예를 들어 50 ohm 정합 회로망(matching network) 또는 외부 정합 회로망 또는 독립(standalone) 정합 회로망 등의 전통적인 정합 회로망을 포함하지 않는다. 일부 실시예들에서, 무정합 드라이버 시스템(700)은 웨이퍼 챔버(wafer chamber)에 인가되는 스위칭 출력을 조정하는 데 50 ohm 정합 회로망을 요구하지 않는다. 일부 실시예들에서, 무정합 드라이버 시스템(700)은 전통적인 정합 회로망 없이 가변 출력 임피던스 RF 생성기(variable output impedance RF generator)를 포함할 수 있다. 이는 플라즈마 챔버로 인출되는 출력에 신속한 변경을 가능하게 한다. 전형적으로, 정합 회로망의 이 조정(tuning)은 적어도 100 μs - 200 μs가 걸릴 수 있다. 일부 실시예들에서, 출력 변경은 예를 들어 400 kHz에서 2.5 μs - 5.0 μs인 1개 또는 2개의 RF 사이클들 동안 발생될 수 있다.

이 예에서, 에너지 회수 회로(110)는 변압기(T1)의 2차 측 상에 위치하거나 이에 전기적으로 접속될 수 있다. 에너지 회수 회로(110)는 예를 들어 변압기(T1)의 2차 측에 걸친 (예를 들어 크로우바 다이오드 등의) 다이오드(130)를 포함할 수 있다. 에너지 회수 회로(110)는 예를 들어 에너지 회수 다이오드(120)와 (직렬로 배치된) 에너지 회수 인덕터(115)를 포함할 수 있는데, 이는 전류가 변압기(T1)의 2차 측으로부터 에너지 저장 캐패시터(C7)를 충전시키고 전류가 부하 스테이지(106)로 흐르도록 허용한다. 에너지 회수 다이오드(120)와 에너지 회수 인덕터(115)들은 변압기(T1)의 2차 측에 전기적으로 연결되고 에너지 저장 캐패시터(C7)에 접속될 수 있다. 일부 실시예들에서, 에너지 회수 회로(110)는 변압기(T1)의 2차 측에 전기적으로 접속되는 다이오드(130) 및/또는 인덕터(140)를 포함할 수 있다. 에너지 회수 인덕터(115)는 유리 인덕턴스를 대표할 수 있거나 및/또는 변압기(T1)의 유리 인덕턴스를 포함할 수 있다.

나노초 펄서가 켜지면, 전류가 부하 스테이지(106) 내의 캐패시터들을 충전시킬 수 있다(예를 들어 캐패시터 C3, 캐패시터 C2, 또는 캐패시터 C9를 충전). 변압기(T1)의 2차 측 상의 전압이 에너지 저장 캐패시터(C7) 상의 충전 전압 이상으로 상승하면, 일부 전류는 예를 들어 에너지 회수 인덕터(115)를 통해 흐를 수 있다. 나노초 펄서가 꺼지면, 부하 스테이지(106) 내의 (예를 들어 캐패시터 C1 등의) 캐패시터들로부터 에너지 회수 인덕터(115)를 통해 흘러 에너지 회수 인덕터(115) 양단의(across) 전압이 0이 될 때까지 에너지 저장 캐패시터(C7)를 충전시킨다. 다이오드(130)는 부하 스테이지(106) 내의 캐패시터들이 부하 스테이지(106) 또는 능동형 바이어스 보상 회로(134)의 인덕턴스와 공명하는(ringing with) 것을 방지할 수 있다.

에너지 회수 다이오드(120)는 예를 들어 에너지 저장 캐패시터(C7)로부터 전하가 부하 스테이지(106) 내의 캐패시터들로 흐르는 것을 방지할 수 있다.

에너지 회수 인덕터(115)의 값은 전류 하강 시간을 제어하도록 선택될 수 있다. 일부 실시예들에서, 에너지 회수 인덕터(115)는 1 μH - 500 μH 간의 인덕턴스 값을 가질 수 있다.

일부 실시예들에서, 에너지 회수 회로(110)는 에너지 회수 인덕터(115)를 통한 전류의 흐름을 제어하는 데 사용될 수 있는 스위치를 포함할 수 있다. 스위치는 예를 들어 에너지 회수 인덕터(115)에 직렬로 위치할 수 있다. 일부 실시예들에서, 스위치는, 스위치 S1이 열리거나 및/또는 더 이상 펄스 생성이 전류가 부하 스테이지(106)로부터 다시 에너지 저장 캐패시터(C7)로 흐르는 것을 허용하지 않을 때 닫힌다.

에너지 회수 회로(110)의 스위치는 예를 들어, 예를 들어 도 14에 도시된 고전압 스위치(1400) 등의 고전압 스위치를 포함할 수 있다.

도 8은 무정합 드라이버 시스템(700) 내의 전압과 전류의 파형들이다. 파형 805는 (예를 들어 전극 상 등) 124로 표지된 점에서 측정한 웨이퍼 상의 전압을 대표한다. 파형 810은 (예를 들어 웨이퍼 상 등) 122로 표지된 점에서 측정된 부하 스테이지(106)로의 전압을 대표한다. 파형 815는 에너지 회수 다이오드(120)를 통한 전류를 대표한다.

도 9는 일부 실시예들에 따른, 공간 가변 웨이퍼 바이어스 시스템(spatially variable wafer bias system; 900)의 개략도이다. 공간 가변 웨이퍼 바이어스 시스템(900)은 제1 에너지 회수 회로(926)에 접속된 제1 고전압 펄서(925)와 플라즈마 챔버(plasma chamber; 935)에 접속된 제2 에너지 회수 회로(931)에 접속된 제2 고전압 펄서(930)를 포함할 수 있다. 제1 에너지 회수 회로(926) 및 제2 에너지 회수 회로(931) 의 어느 하나 또는 양자는 에너지 회수 회로(110) 또는 능동형 에너지 회수 회로(111)의 컴포넌트들의 전부 또는 일부를 포함할 수 있다.

이 예에서, 제1 고전압 펄서(925)가 제1 에너지 회수 회로(926)와 제1 바이어스 캐패시터(915)에 접속되거나, 및/또는 제2 고전압 펄서(930)가 제2 에너지 회수 회로(931)와 제2 바이어스 캐패시터(921)에 접속된다.

제1 전극(950)과 제2 전극(955)은 플라즈마 챔버(935) 내에 위치할 수 있다. 이 예에서, 제1 전극(950)은 원반형이고 제2 전극(955)의 중앙 구멍(aperture) 내에 위치한다. 제1 고전압 펄서(925)는 제1 전극(950)에 전기적으로 접속되고 제2 고전압 펄서(930)는 제2 전극(955)에 전기적으로 접속된다. 일부 실시예들에서, 유리 결합 캐패시턴스(stray coupling capacitance; 965)가 제1 고전압 펄서(925)와 제2 고전압 펄서(930) 사이에 존재할 수 있다. 유리 결합 캐패시턴스(965)는 예를 들어 약 100 pF, 약 1 nF, 약 10 nF 등 미만일 수 있다.

일부 실시예들에서, 제1 고전압 펄서(925)와 제2 고전압 펄서(930)의 어느 하나 또는 양자는 예를 들어 DC 바이어스 회로(104), 수동형 바이어스 보상 회로(114), 또는 능동형 바이어스 보상 회로(134) 등의 바이어스 회로에 접속될 수 있다.

일부 실시예들에서, 제1 나노초 펄서(925) 내의 에너지 저장 캐패시터(C7)는 제1 DC 전원에 접속되고 제2 나노초 펄서(930) 내의 에너지 저장 캐패시터(C7)는 제2 DC 전원에 접속될 수 있다.

일부 실시예들에서, 제1 나노초 펄서(925) 내의 에너지 저장 캐패시터(C7)와 제2 나노초 펄서(930) 내의 에너지 저장 캐패시터(C7)가 단일한 DC 전원에 접속될 수 있다.

일부 실시예들에서, 제1 나노초 펄서(925)와 제2 나노초 펄서(930) 모두가 동일한 에너지 저장 캐패시터에 접속될 수 있고, 이는 DC 전원에 접속될 수 있다.

일부 실시예들에서, 스위치(S6)는 스위치(S7)와 다른 시간 주기로 켜질 수 있다. 스위치가 닫히는 시간의 양은 해당 전극에 인가되는 전압에 대응할 수 있다. 다른 전극들에 다른 전압들을 공급하기 위해, 각 스위치는 다른 시간 주기로 켜질 수 있다.

제1 나노초 펄서(925)와 제2 나노초 펄서(930)의 어느 하나 또는 모두는 수동형 바이어스 보상 회로(114), 능동형 바이어스 보상 회로(134), 또는 DC 바이어스 회로(104)를 포함할 수 있다.

도 10은 일부 실시예들에 따른, 에너지 회수 회로(110)를 갖는 나노초 펄서 시스템(1000)의 회로도이다. 이 예에서, 나노초 펄서 시스템(1000)은 에너지 저장 캐패시터(C7)의 다른 극성(polarity)을 스위칭하는 나노초 펄서 스테이지(101)를 갖는 나노초 펄서 시스템(100)과 유사하다. 스위치(S6)가 열리면, 캐패시터(C1) 상의 전하(charge)가 에너지 회수 회로(110)를 통해 고전압 에너지 저장 캐패시터(C7)로 흘러 고전압 에너지 저장 캐패시터(C7)를 충전(charge)시킬 수 있다. 캐패시터(C1) 상의 전하가 고전압 에너지 저장 캐패시터(C7) 상의 전하 미만이 되면 전류는 에너지 회수 회로(110)를 통한 흐름을 중단한다. 일부 실시예들에서, DC 바이어스 회로(104)는 수동형 바이어스 보상 회로(114) 또는 능동형 바이어스 보상 회로(134)로 대체될 수 있다. 일부 실시예들에서, 에너지 회수 회로(110)는 능동형 에너지 회수 회로(111)로 대체될 수 있다.

일부 실시예들에서, 나노초 펄서(또는 스위치들)는 접지 측(ground side)(예를 들어 도 1 참조) 또는 전원(V1 또는 C7)(도 10 참조)의 양의 측을 스위칭하도록 포함된다. 어느 구조건 사용될 수 있다. 한 구조를 보이는 도면이 다른 구조를 갖는 도면으로 대체될 수 있다.

도 11은 도 10에 도시된 나노초 펄서 시스템(1000) 내의 전압과 전류의 파형들을 도시한다. 파형 1105는 에너지 회수 인덕터(115)를 통한 전류를 대표한다. 파형 1110은 (예를 들어 전극 상 등) 124로 표지된 점에서 측정한 부하 스테이지(106)로의 전압을 대표한다. 파형 1115는 (예를 들어 웨이퍼 등) 122로 표지된 점에서 측정한 웨이퍼 전압을 대표한다. 도시된 바와 같이, 펄스가 꺼지면 전류는 에너지 회수 인덕터(115)를 통해 흐르는데, 이는 고전압 에너지 저장 캐패시터(C7)를 충전시킨다. 이 특정한 예에서, 용량성 부하는 500 pF이고 에너지 회수 인덕터(115)는 10 μH이다.

도 12는 일부 실시예들에 따른, 용량성 부하(1205)를 구동하는 에너지 회수 회로(110)를 갖는 나노초 펄서 시스템(1200)의 회로도이다. 이 예에서, 나노초 펄서 시스템(1200)은 DC 바이어스 회로(104)가 없고 용량성 부하를 구동한다는 점을 제외하면 나노초 펄서 시스템(100)과 유사하다. 용량성 부하(1205)는 예를 들어 플라즈마 부하, 복수의 그리드(grid)들, 복수의 전극들 등 임의 종류의 부하를 포함할 수 있다.

도 13은 도 12에 도시된 나노초 펄서 시스템(1200) 내의 전원과 전류의 파형들을 도시한다. 파형 1305는 용량성 부하(1205)에서의 전압을 대표하고; 파형 1310은 에너지 회수 인덕터(115)를 통한 전류를 대표한다. 도시된 바와 같이, 펄스가 꺼지면 전류는 에너지 회수 인덕터(115)를 통해 흘러 고전압 에너지 저장 캐패시터(C7)를 충전한다. 이 특정한 예에서, 부하 C1은 500 pF이고 에너지 회수 인덕터(115)는 10 μH이다.

도 14는 일부 실시예들에 따른, 절연된 전원(isolated power)을 갖는 고전압 스위치(1400)의 블록도이다. 고전압 스위치(1400)는 고전압 전압원(1460)으로부터의 전압을 신속한 상승 시간 및/또는 고주파 및/또는 가변 펄스폭의 스위칭할 수 있는 복수의 스위치 모듈들(1405)(집합적으로 또는 개별적으로 1405, 및 개별적으로 1405A, 1405B, 1405C, 및 1405D)을 포함할 수 있다. 각 스위치 모듈(1405)은 예를 들어 반도체(solid state) 스위치 등의 스위치(1410)를 포함할 수 있다.

일부 실시예들에서, 스위치(1410)는 전원(1440) 및/또는 절연 광섬유 트리거(isolated fiber trigger; 1445)를 갖는 게이트 드라이버 회로(gate driver circuit; 1430)(게이트 트리거 또는 스위치 트리거로도 지칭됨)에 전기적으로 접속될 수 있다. 예를 들어, 스위치(1410)는 콜렉터, 에미터, 및 게이트(또는 드레인, 소스, 및 게이트)를 포함할 수 있고, 전원(1440)은 게이트 드라이버 회로(1430)를 통해 스위치(1410)의 게이트를 구동시킬 수 있다. 게이트 드라이버 회로(1430)는 예를 들어 고전압 스위치(1400)가 다른 컴포넌트들로부터 절연될 수 있다.

일부 실시예들에서, 전원(1440)은 예를 들어 절연 변압기(isolation transformer)를 사용하여 절연될 수 있다. 절연 변압기는 저 캐패시턴스 변압기를 포함할 수 있다. 절연 변압기의 낮은 캐패시턴스는 예를 들어 전원(1440)이 상당한 전류를 요구하지 않고 신속한 시간 척도로 충전될 수 있게 해준다. 절연 변압기는 예를 들어 약 100 pF 미만의 캐패시턴스를 가질 수 있다. 다른 예로, 절연 변압기는 약 30-100 pF 미만의 캐패시턴스를 가질 수 있다. 일부 실시예들에서, 절연 변압기는 1 kV, 5 kV, 10 kV, 25 kV, 50 kV 등까지 전압 절연을 제공할 수 있다.

일부 실시예들에서, 절연 변압기는 낮은 유리 캐패시턴스를 가질 수 있다. 예를 들어 절연 변압기는 약 1,000 pF, 100 pF, 10 pF 등 미만의 유리 캐패시턴스를 가질 수 있다. 일부 실시예들에서, 낮은 캐패시턴스는 (예를 들어 입력 제어 전력의 소스(source) 등의) 저전압 컴포넌트들의 전기적 결합(electrical coupling)을 최소화하거나 및/또는 (예를 들어 전기적 잡음 생성 등의) EMI생성을 저감시킬 수 있다. 일부 실시예들에서, 절연 변압기의 변압기 유리 캐패시턴스는 1차 권선과 2차 권선 간에 측정된 캐패시턴스를 포함할 수 있다.

일부 실시예들에서, 절연 변압기는 DC-DC 변환기 또는 AC-DC 변압기가 될 수 있다. 일부 실시예들에서, 변압기는 예를 들어 110 V AC 변압기를 포함할 수 있다. 이에 무관하게, 절연 변압기는 고전압 스위치(1400) 내의 다른 컴포넌트들로부터 절연된 전원(power)을 제공할 수 있다. 일부 실시예들에서, 이 절연은 절연 변압기의 1차 측 상의 도체가 절연 변압기의 2차 측 상의 어떤 도체와 도통되거나 접촉되지 않도록 하는 전기적인 것이다.

일부 실시예들에서, 변압기는 변압기 코어 둘레에 밀접하게 감긴(wound or wrapped) 1차 권선을 포함할 수 있다. 일부 실시예들에서, 1차 권선은 변압기 코어 둘레에 감긴 도전 시트(conductive sheet)를 포함할 수 있다. 일부 실시예들에서, 1차 권선은 하나 이상의 권선들을 포함할 수 있다.

일부 실시예들에서, 2차 권선은 코어 둘레에 가능한 한 코어에서 멀리 감길 수 있다. 예를 들어, 권선의 다발(bundle)은 변압기 코어의 구멍(aperture)의 중심을 통해 감길 수 있다. 일부 실시예들에서, 2차 권선은 하나 이상의 권선들을 포함할 수 있다. 일부 실시예들에서, 2차 권선을 구비하는 와이어의 다발은 예를 들어 유리 캐패시턴스를 최소화하기 위해 원형 또는 정사각형의 단면을 갖는다. 일부 실시예들에서, (예를 들어 오일 또는 공기 등의) 절연체(insulator)가 1차 권선, 2차 권선, 또는 변압기 코어 사이에 위치할 수 있다.

일부 실시예들에서, 2차 권선을 변압기 코어에서 멀리 유지하는 것은 몇 가지 이점을 가질 수 있다. 예를 들어, 이는 절연 변압기의 1차 측과 절연 변압기의 2차 측 간의 유리 캐패시턴스를 저감시킬 수 있다. 다른 예로, 이는 절연 변압기의 1차 측과 절연 변압기의 2차 측 간의 고전압 절연(high voltage standoff)을 가능하게 하여 작동 동안 코로나(방전)(corona) 및/또는 절연파괴(breakdown)가 형성되지 않는다.

일부 실시예들에서, 절연 변압기의 (예를 들어 1차 권선 등의) 1차 측과 절연 변압기의 (예를 들어 2차 권선 등의) 2차 측 간의 간격은 약 0.1", 0.5", 1", 5", 또는 10"가 될 수 있다. 일부 실시예들에서, 절연 변압기의 코어와 절연 변압기의 (예를 들어 2차 권선 등의) 2차 측 간의 전형적인 간격은 약 0.1", 0.5", 1", 5", 또는 10"가 될 수 있다. 일부 실시예들에서, 권선들 간의 간극(gap)은 예를 들어 진공, 공기, 어떤 절연 가스 또는 액체, 또는 3 미만의 비유전율(relative dielectric constant)을 갖는 고체 소재 등 가능한 한 최저의 (비유전율을 갖는) 유전 소재로 충전될 수 있다.

일부 실시예들에서, 전원(1440)은 고전압 절연(standoff)(절연; isolation)을 제공할 수 있거나 또는 (예를 들어 약 1,000 pF, 100 pF, 10 pF 등 미만의) 낮은 캐패시턴스를 갖는 임의 종류의 전원을 포함할 수 있다. 일부 실시예들에서, 제어 전압 전력원(control voltage power source)은 1420 V AC 또는 240 V AC를 60 Hz로 공급할 수 있다.

일부 실시예들에서, 각 전원(1440)은 단일한 제어 전압 전력원에 유도적 및 전기적으로 접속될 수 있다. 예를 들어, 전원 1440A는 제1 변압기를 통해 전력원에 전기적으로 접속되고; 전원 1440B는 제2 변압기를 통해 전력원에 전기적으로 접속되며; 전원 1440C는 제3 변압기를 통해 전력원에 전기적으로 접속되고; 전원 1440D는 제4 변압기를 통해 전력원에 전기적으로 접속될 수 있다. 예를 들어 다양한 전원들 간에 전압 절연을 제공할 수 있는 임의 종류의 변압기가 사용될 수 있다.

일부 실시예들에서, 제1 변압기, 제2 변압기, 제3 변압기, 및 제4 변압기는 단일한 변압기의 코어 둘레에 다른 2차 권선을 구비할 수 있다. 예를 들어, 제1 변압기는 제1 2차 권선을 구비하고, 제2 변압기는 제2 2차 권선을 구비하며, 제3 변압기는 제3 2차 권선을 구비하고, 그리고 제4 변압기는 제4 2차 권선을 구비할 수 있다. 이 2차 권선들의 각각은 단일한 변압기의 코어 둘레에 감길 수 있다. 일부 실시예들에서, 제1 2차 권선, 제2 2차 권선, 제3 2차 권선, 제4 2차 권선, 또는 1차 권선은 변압기 코어에 감긴 단일한 권선 또는 복수의 권선들을 구비할 수 있다.

일부 실시예들에서, 전원(1440A), 전원(1440B), 전원(1440C), 및/또는 전원(1440D)은 귀환 기준 접지(return reference ground) 또는 국부적 접지(local ground)를 공유하지 않을 수 있다.

절연 광섬유 트리거(1445)는 또한 고전압 스위치(1400)의 컴포넌트들로부터도 절연될 수 있다. 절연 광섬유 트리거(1445)는 예를 들어 각 스위치 모듈(1405)의 게이트들의 능동적 제어를 허용하는 동안 각 스위치 모듈(1405)이 다른 스위치 모듈(1405) 및/또는 고전압 스위치(1400)의 다른 컴포넌트들에 대해 부동(float)일 수 있게 하는 광섬유 광학 수신기를 포함할 수 있다.

일부 실시예들에서, 각 스위치 모듈(1405)에 대한 귀환 기준 접지 또는 국부적 접지 또는 공통 접지(common ground)는 예를 들어, 예를 들어 절연 변압기를 사용하여 서로 절연될 수 있다.

공통 접지로부터의 각 스위치 모듈(1405)의 전기적 절연은 예를 들어 복수의 스위치들이 누적 고전압 스위칭(cumulative high voltage switching)을 위해 직렬 구조로 배치될 수 있게 해줄 수 있다. 일부 실시예들에서, 스위치 모듈의 타이밍에서의 약간의 시차(lag)는 허용되거나 설계될 수 있다. 예를 들어, 각 스위치 모듈(1405)은 1 kV를 스위칭하도록 구성될(configured or rated) 수 있는데, 각 스위치 모듈은 서로 전기적으로 절연되거나, 및/또는 각 스위치 모듈(1405)을 닫는 타이밍은 스너버 캐패시터의 캐패시턴스 및/또는 스위치의 정격 전압(voltage rating)에 의해 규정되는 시간 주기에 정확히 정렬될 필요는 없을 수 있다.

일부 실시예들에서, 전기적 절연은 많은 이점들을 제공할 수 있다. 한 가능한 이점은 예를 들어 스위치 대 스위치(switch to switch) 지터(jitter)를 최소화하거나 및/또는 임의의 스위치 타이밍의 허용을 포함할 수 있다. 예를 들어 각 스위치(1410)는 약 500 ns, 50 ns, 20 ns, 5 ns 등 미만의 스위치 천이 지터(switch transition jitter)를 가질 수 있다.

일부 실시예들에서, 2개의 컴포넌트(또는 회로)들 간의 전기적 절연은 2개의 컴포넌트들 간의 극히 높은 저항을 의미하거나 및/또는 2개의 컴포넌트들 간의 낮은 캐패시턴스를 의미할 수 있다.

각 스위치(1410)는 예를 들어 IGBT, MOSFET, SiC MOSFET, SiC 접합 트랜지스터, FET, SiC 스위치, GaN 스위치, 광도전 스위치 등 임의 종류의 반도체 스위칭 소자를 포함할 수 있다. 스위치(1410)는 예를 들어, (예를 들어 1 kHz보다 큰) 고주파로 (예를 들어 약 1 kV보다 큰) 고전압을 (예를 들어 500 kHz보다 큰 반복 속도의) 고속 및/또는 (예를 들어 25 ns 미만의 상승 시간의) 신속한 상승 시간 및/또는 (예를 들어 10 ms보다 큰) 긴 펄스 길이로 스위칭할 수 있다. 일부 실시예들에서, 각 스위치는 개별적으로 1,200 V - 1,700 V를 스위칭하도록 구성(rated for)되지만, 조합으로 4,800 V - 6,800 V보다 큰 전압을 스위칭할 수 있다(4개의 스위치들로). 다양한 다른 정격(rating)들을 갖는 스위치들이 사용될 수 있다.

적은 수의 더 높은 전압의 스위치들보다 많은 수의 더 낮은 전압의 스위치들을 사용하면 몇 가지 이점들이 있을 수 있다. 예를 들어, 저 낮은 전압의 스위치들은 전형적으로 더 우수한 성능을 갖고; 저 낮은 전압의 스위치들은 더 신속히 스위칭될 수 있고, 더 빠른 천이 시간을 가질 수 있거나, 및/또는 고전압 스위치들보다 더 효율적으로 전환될 수 있다. 그러나 스위치들의 수가 클수록 예를 들어 스위치 타이밍 정밀도에 대한 요구가 더 커진다.

도 14에 도시된 고전압 스위치(1400)는 4개의 스위치 모듈(1405)들을 포함한다. 이 도면에는 4개가 도시되어 있지만, 예를 들어 2개, 8개, 12개, 16개, 20개, 24개 등 임의 수의 스위치 모듈(1405)들이 사용될 수 있다. 예를 들어, 각 스위치 모듈(1405)의 각 스위치가 1200 V로 구성되고(rated) 16개의 스위치들이 사용된다면, 고전압 스위치는 19.2 kV까지를 스위칭할 수 있다. 다른 예로, 각 스위치 모듈(1405)의 각 스위치가 1700 V로 구성되고 16개의 스위치들이 사용된다면, 고전압 스위치는 27.2 kV까지를 스위칭할 수 있다.

일부 실시예들에서, 고전압 스위치(1400)는 5 kV, 10 kV, 14 kV, 20 kV, 25 kV 등보다 큰 전압들을 스위칭할 수 있다.

일부 실시예들에서, 고전압 스위치(1400)는 고속 방전 캐패시터(fast capacitor; 1455)를 포함할 수 있다. 고속 방전 캐패시터(1455)는 예를 들어 직렬 및/또는 병렬로 배열된 하나 이상의 캐패시터들을 포함할 수 있다. 이 캐패시터들은 예를 들어 하나 이상의 폴리프로필렌 캐패시터들을 포함할 수 있다. 고속 방전 캐패시터(1455)는 고전압원(1460)으로부터의 에너지를 저장할 수 있다.

일부 실시예들에서, 고속 방전 캐패시터(1455)는 낮은 캐패시턴스를 가질 수 있다. 일부 실시예들에서, 고속 방전 캐패시터(1455)는 약 1 μF, 약 5 μF, 역 1 μF 내지 약 5 μF, 약 100 nF 내지 약 1,000 nF 등의 캐패시턴스 값을 가질 수 있다.

일부 실시예들에서, 고전압 스위치(1400)는 크로우바 다이오드(1450)를 포함하거나 포함하지 않을 수 있다. 크로우바 다이오드(1450)는 예를 들어 유도성 부하를 구동하는 데 유용할 수 있는 직렬 또는 병렬로 배열된 복수의 다이오드들을 포함할 수 있다. 일부 실시예들에서, 크로우바 다이오드(1450)는 예를 들어 탄화실리콘 쇼트키 다이오드(Schottky diode) 등 하나 이상의 쇼트키 다이오드들을 포함할 수 있다. 크로우바 다이오드(1450)는 예를 들어 고전압 스위치의 스위치들로부터의 전압이 어떤 임계값 이상인지 여부를 감지할 수 있다. 그렇다면, 크로우바 다이오드(140)는 스위치 모듈들로부터의 전력을 접지로 단락시킨다. 크로우바 다이오드는 예를 들어 스위칭 후 유도성 부하에 저장된 에너지를 소산시키는 교류 경로를 허용할 수 있다. 이는 예를 들어 큰 유도성 전압 스파이크(spike)들을 방지할 수 있다. 일부 실시예들에서, 크로우바 다이오드(1450)는 예를 들어 1 nH, 10 nH, 100 nH 등의 낮은 인덕턴스를 가질 수 있다. 일부 실시예들에서, 크로우바 다이오드(1450)는 예를 들어 100 pF, 1 nF, 10 nF, 100 nF 등의 낮은 인덕턴스를 가질 수 있다.

일부 실시예들에서, 부하(1465)가 주로 저항성(resistive)일 때 등의 경우에는 크로우바 다이오드(1450)가 사용되지 않을 수 있다.

일부 실시예들에서, 각 게이트 드라이버 회로(1430)는 약 1000 ns, 100 ns, 10.0 ns, 5.0 ns, 3.0 ns, 1.0 ns 등 미만의 지터를 산출할 수 있다. 일부 실시예들에서, 각 스위치(1410)는 (예를 들어 약 10 μs, 1 μs, 500 ns, 100 ns, 50 ns, 10, 5 ns 등 미만의) 최단 스위치 on 시간과 (예를 들어 25 s, 10 s, 5 s, 1 s, 500 ms 등보다 큰) 최장 스위치 on 시간을 가질 수 있다.

일부 실시예들에서, 작동 동안 고전압 스위치들의 각각은 서로 1 ns 내에 켜지거나 및/또는 꺼질 수 있다.

일부 실시예들에서, 각 스위치 모듈(1405)은 동일 또는 거의 동일한(±5%) 유리 인덕턴스를 가질 수 있다. 유리 인덕턴스는 예를 들어 리드선, 다이오드, 레지스터, 스위치(1410), 및/또는 회로기판 트레이스 등 인덕터와 연계되지 않은 스위치 모듈(1405) 내의 어떤 인덕턴스를 포함할 수 있다. 각 스위치 모듈(1405) 내의 유리 인덕턴스는 예를 들어 약 300 nH, 100 nH, 10 nH, 1 nH 등 미만의 낮은 인덕턴스를 포함할 수 있다. 각 스위치 모듈(1405)들 간의 유리 인덕턴스는 예를 들어 약 300 nH, 100 nH, 10 nH, 1 nH 등 미만의 인덕턴스 등의 낮은 인덕턴스를 포함할 수 있다.

일부 실시예들에서, 각 스위치 모듈(1405)은 동일 또는 거의 동일한(±5%) 유리 캐패시턴스를 가질 수 있다. 유리 캐패시턴스는 예를 들어 리드선, 다이오드, 레지스터, 스위치(1410), 및/또는 회로기판 트레이스 등 캐패시터와 연계되지 않은 스위치 모듈(1405) 내의 어떤 캐패시턴스를 포함할 수 있다. 각 스위치 모듈(1405) 내의 유리 캐패시턴스는 예를 들어 약 1,000 pF, 100 pF, 10 pF 등 미만의 낮은 캐패시턴스를 포함할 수 있다. 각 스위치 모듈(1405)들 간의 유리 캐패시턴스는 예를 들어 약 1,000 pF, 100 pF, 10 pF 등 미만의 낮은 캐패시턴스를 포함할 수 있다.

전압 공유의 결함(imperfection)들은 예를 들어 (예를 들어 스너버 다이오드(1415), 스너버 캐패시터(1420), 및/또는 환류 다이오드(1425) 등의) 수동형 스너버 회로로 해결될 수 있다. 예를 들어, 각 스위치들(1410)이 켜고 꺼지는 타이밍의 작은 차이, 또는 인덕턴스 또는 캐패시턴스의 차이는 전압 스파이크를 유발할 수 있다. 이 스파이크들은 (예를 들어 스너버 다이오드(1415), 스너버 캐패시터(1420), 및/또는 환류 다이오드(1425) 등의) 다양한 스너버 회로들로 완화될 수 있다.

스너버 회로는 예를 들어 스너버 다이오드(1415)와, 스너버 캐패시터(1420)와, 스너버 레지스터(1416)과, 및/또는 환류 다이오드(1425)를 포함할 수 있다. 일부 실시예들에서, 스너버 회로는 스위치(1410)와 병렬로 함께 배치될 수 있다. 일부 실시예들에서, 스너버 캐패시터(1420)는 약 100　pF 미만의 캐패시턴스 등 낮은 캐패시턴스를 가질 수 있다.

일부 실시예들에서, 고전압 스위치(1400)는 (예를 들어 저항성 또는 용량성 또는 유도성 부하 등의) 부하(1465)에 접속되거나 이를 포함할 수 있다. 부하(1465)는 예를 들어 50 ohms 내지 500 ohms의 저항을 가질 수 있다. 이와는 달리 또는 추가적으로, 부하(1465)는 유도성 부하 또는 용량성 부하가 될 수 있다.

일부 실시예들에서, 에너지 회수 회로(110) 또는 능동형 에너지 회수 회로(111) 고전압 나노초 펄서 시스템의 에너지 소비 및/또는 에너지 회수 회로가 없는 시스템들과 동일한 에너지 출력 성능으로 특정(given) 부하를 구동하는 데 요구되는 전압을 저하시킬 수 있다. 예를 들어, 에너지 회수 회로가 없는 시스템들과 동일한 에너지 출력 성능에 대한 에너지 소비가 10%, 15% 20%, 25%, 30%, 40%, 45%, 50% 등 이상만큼 저감될 수 있다.

일부 실시예들에서, 다이오드(130), 다이오드(135), 및/또는 에너지 회수 다이오드(120)는 고전압 다이오드를 구비할 수 있다.

도 15는 일부 실시예들에 따른, 능동형 에너지 회수 회로와 능동형 바이어스 보상 회로를 갖는 나노초 펄서 시스템을 작동시키는 프로세스(1500)의 블록도이다. 프로세스(1500)는 추가적인 블록들을 포함할 수 있다. 프로세스(1500)에 도시된 블록들은 제거, 대체, 생략, 또는 어떤 순서로도 수행될 수 있다.

프로세스(1500)는 예를 들어, 능동형 에너지 회수 회로(111)와 능동형 바이어스 보상 회로(134) 또는 유사한 회로들을 갖는 나노초 펄서 시스템(600)을 사용하여 실행될 수 있다.

일부 실시예들에서, 나노초 펄서가 복수의 버스트(burst)들을 산출하는 데 사용될 수 있는데, 여기서 각 버스트는 복수의 펄스들을 포함한다. 펄스는 나노초 펄서의 스위치들을 켜고 끔으로써 산출될 수 있다. 각 펄스의 펄스폭은 예를 들어 10 초 내지 10 ns로 변화될 수 있다. 펄스 주파수는 예를 들어 10 kHz 내지 1 MHz, 바람직하기로 300 kHz로 변화될 수 있다. 각 버스트는 설정된 수의 펄스들을 포함할 수 있다. 각 버스트는 버스트 폭을 가질 수 있는데, 이는 복수의 펄스들을 완료하는 시간을 규정한다.

프로세스(1500)는 카운터(n)가 1로 초기화되는 블록 1505에서 시작할 수 있다. 카운터(n)는 특정 버스트의 펄스들의 수를 계수한다.

블록 1510에서 (예를 들어 스위치(S8) 등의) 바이어스 보상 스위치가 열릴 수 있다.

블록 1515에서 (예를 들어 스위치(S6) 등의) 나노초 펄서 스위치가 닫힐 수 있다.

블록 1520에서 (예를 들어 스위치(S5) 등의) 에너지 회수 스위치가 열릴 수 있다.

일부 실시예들에서, 블록 1510, 1515, 및 1520들은 거의 동시 또는 10 ns 또는 100 ns 이내에 수행될 수 있다. 일부 실시예들에서, 블록 1515 및 1520들은 거의 동시에 수행될 수 있다.

블록 1525에서, 프로세스(1500)는 (예를 들어 한 펄스만큼의) 각 펄스의 펄스폭을 규정하는 시간 주기만큼 휴지(pause)될 수 있다. 일부 실시예들에서, 펄스의 펄스폭은 부하가 특정한 전압으로 충전되는 시간의 양을 정의함으로써 예를 들어 용량성 부하 등의 부하에서의 펄스의 전압을 규정할 수 있다. 펄스로 산출되는 용량성 부하의 출력 전압은 예를 들어 나노초 펄서 스위치가 닫혀 있는 시간, 및 이에 따른 펄스가 용량성 부하를 충전하는 시간의 양에 좌우될 수 있다. 이에 따라, 약간의 전압 링(voltage ring)을 산출하는 인덕터 및/또는 캐패시터로 펄스 생성한다면 펄스의 부하에서의 출력 전압은 나노초 펄서의 최대 출력 전압 또는 나노초 펄서의 최대 출력 전압의 몇 배까지의 전압 휴지 시간 주기에 의해 규정될 수 있다. 전압 휴지는 예를 들어 약 10 ns - 약 500 ns 또는 50 ns 내지 약 200 ns, 또는 500 ns, 73.75 ns, 27 ns, 16 ns, 또는 12.5 ns가 될 수 있다.

블록 1530에서 (예를 들어 스위치(S6) 등의) 나노초 펄서 스위치가 열릴 수 있다.

블록 1535에서 (예를 들어 스위치(S5) 등의) 에너지 회수 스위치가 닫힐 수 있다.

일부 실시예들에서, 블록 1530 및 1535는 거의 동시에 수행될 수 있다.

블록 1540에서 카운터(n)가 원하는 펄스들의 수(N)와 동일한지 여부가 결정될 수 있다. 버스트 내의 펄스들의 수에는 제한이 없지만, 원하는 펄스들의 수(N)는 예를 들어 5 - 1,000개가 될 수 있다. 일부 실시예들에서, 펄스들은 연속적으로 생성된다(run). 그럼으로써 N이 거의 무한이다. 카운터(n)가 원하는 펄스들의 수(N)와 동일하지 않으면(즉 버스트 내에 발생된 펄스들의 원하는 수보다 적으면) 프로세스(1500)는 블록 1545로 이행한다.

블록 1545에서, 프로세스(1500)는 부분적으로 펄스 주파수를 규정하는 시간 주기 동안 휴지(예를 들어 펄스의 휴지)될 수 있다. 예를 들어, 펄스 휴지 시간 주기는 500 ns, 250 ns, 100 ns, 50 ns, 10 ns, 5 ns 등 미만이 될 수 있다. 펄스 휴지 시간 주기는 예를 들의 임의의 시간 주기를 포함할 수 있다.

블록 1550에서, 카운터(n)가 증가되고, 블록 1515로 이행하여 추가적 펄스를 생성함으로써 프로세스(1500)의 일부가 반복될 수 있다. 블록 1540에서, 카운터(n)가 원하는 펄스들의 수(N)와 동일하면(즉 원하는 수의 펄스들이 생성되었으면) 프로세스(1500)는 블록 1555로 이행한다. 블록 1555에서 (예를 들어 스위치(S8) 등의) 바이어스 보상 스위치가 닫힐 수 있다.

블록 1560에서, 프로세스(1500)는 (예를 들어 버스트 휴지 등) 버스트들 간의 시간의 양을 규정하는 시간 주기 동안 휴지할 수 있다. 버스트 휴지 시간 주기는 예를 들어 1 ms만큼 작거나 20 초만큼의 길이일 수 있다. 예를 들어 펄스 휴지는 2.5 마이크로초(200Hz의 펄스 주파수) 내지 100 ms의 시간 주기를 포함할 수 있다. 다른 예로, 펄스 휴지는 10 ms 내지 수 시간이 될 수 있다. 어떤 다른 시간 주기도 사용될 수 있다. 이 시간 주기가 경과되면, 프로세스(1500)는 카운터(n)가 초기화되는 블록 1505로 복귀하여 프로세스(1500)는 추가적 펄스들을 갖는 추가적 버스트의 생성을 반복한다.

나노초 펄서 스위치가 닫히고, 에너지 회수 스위치가 열리며, 및 바이어스 보상 스위치가 열리면, (예를 들어 1 kV보다 큰) 고전압 펄스가 회로 위치(124)에서 산출될 수 있다.

일부 실시예들에서, 펄스 휴지 시간 주기는 버스트 휴지 시간 주기보다 더 작다.

일부 실시예들에서, 블록 1520 및 블록 1535가 프로세스(1500)에서 제거될 수 있다. 이러한 실시예들에서는, 에너지 회수 스위치가 사용되지 않을 때, 나노초 펄서 스위치가 닫히고, 및 바이어스 보상 스위치가 열리면, (예를 들어 1 kV보다 큰) 고전압 펄스가 회로 위치(124)에서 산출될 수 있다.

일부 실시예들에서, 프로세스(1500)의 블록들은 예를 들어 도 16에 도시된 연산 시스템(computational system; 1600) 등의 컨트롤러(또는 프로세서)를 사용하여 실행될 수 있다. 컨트롤러는 예를 들어 Sig6+ 및 Sig6-를 통해 스위치(S6)와, Sig8+ 및 Sig8-를 통해 바이어스 보상 스위치(S8)와, 및/또는 Sig5+ 및 Sig5-를 통해 에너지 회수 스위치(S5)와 통신할 수 있다. 컨트롤러는 나노초 펄서 스위치, 에너지 회수 스위치, 및/또는 바이어스 보상 스위치를 개폐하는 신호들을 제공할 수 있다.

도 16에 도시된 연산 시스템(1600)은 본 발명의 실시예들 중의 어느 것을 수행하는 데 사용될 수 있다. 예를 들어, 연산 시스템(1600)은 프로세스(1500)를 실행하는 데 사용될 수 있다. 다른 예로, 연산 시스템(1600)은 이 명세서에 기재된 어떤 연산, 식별, 및/또는 결정의 수행에 사용될 수 있다. 연산 시스템(1600)은 버스(bus; 1605)를 통해 전기적으로 접속되는(그렇지 않으면 적절히 통신되는) 하드웨어 요소들을 포함한다. 하드웨어 요소들은 하나 이상의 범용(general-purpose) 프로세서들 및/또는 (디지털 신호 처리 칩, 및/또는 그래픽 가속 칩 등의) 전용(special-purpose) 프로세서들을 제한 없이 포함하는 하나 이상의 프로세서(1610)들과; 마우스 및/또는 키보드 등을 제한 없이 포함하는 하나 이상의 입력 장치(1615)들과; 및 디스플레이 장치 및/또는 프린터 등을 제한 없이 포함하는 하나 이상의 출력 장치(1620)들을 구비할 수 있다.

연산 시스템(1600)은 또한 로컬 및/또는 네트워크 액세스 가능한(accessible) 저장 장치(storage)를 제한 없이 포함하거나, 및/또는 디스크 드라이브, 드라이브 어레이(drive array), 광학 저장 장치, 프로그래밍 가능하거나 및/또는 플래시 업데이트 가능한(flash-updateable) 등의 랜덤 액세스 메모리("RAM"), 판독 전용 메모리("ROM") 등의 반도체 저장 장치를 제한 없이 포함할 수 있는 하나 이상의 저장 장치(1625)를 더 포함(하거나 이들과 통신)된다. 연산 시스템(1600)은 또한 모뎀, (무선 또는 유선) 네트워크 카드, 적외선 통신 장치, 및/또는 (블루투스(Bluetooth) 장치, 802.6 장치, 와이파이(Wi-Fi) 장치, 와이맥스(WiMax) 장치, 휴대폰 설비(cellular communication facilities) 등의) 무선 통신 장치 및/또는 칩셋(chipset) 등을 제한 없이 포함하는 통신 서브시스템(1630)을 포함할 수 있다. 통신 서브시스템(1630)은 (한 예를 들자면 이하에 후술될 네트워크 등의) 네트워크 및/또는 이 명세서에 기재된 어떤 다른 장치와 데이터가 교환될 수 있게 해준다. 많은 실시예들에서, 연산 시스템(1600)은 전술한 RAM 또는 ROM 장치를 포함할 수 있는 작업 메모리(working memory; 1635)를 더 포함할 수 있다.

연산 시스템(1600)은 또한 운영 체제(1640), 및/또는 본 발명의 컴퓨터 프로그램들을 포함하거나 및/또는 본 발명 방법들을 구현하도록 설계되거나 및/또는 이 명세서에 기재된 본 발명 시스템을 구성하는 하나이상의 응용 프로그램(1645)들을 포함하는, 작업 메모리(1635) 내에 현재 위치하는 것으로 도시된 소프트웨어 요소들을 포함할 수 있다. 예를 들어, 전술한 방법(들)에 관련하여 기재된 하나 이상의 절차들이 컴퓨터(및/또는 컴퓨터 내의 프로세서)에 의해 실행 가능한 코드(code) 및/또는 명령(instruction)들로 구현될 수 있을 것이다. 이 명령들 및/또는 코드들의 집합(set)은 전술한 저장장치(1625)(들) 등의 컴퓨터 판독 가능한 저장 매체(computer-readable storage medium)에 저장될 수 있을 것이다.

어떤 경우들에는, 저장 매체가 연산 시스템(1600) 내에 통합되거나 연산 시스템(1600)과 통신할 수 있을 것이다. 다른 실시예들에서는. 저장 매체가 (예들 들어 콤팩트디스크 등 분리 가능한 매체로) 연산 시스템(1600)과 분리되거나, 및/또는 설치 패키지로 제공되어 저장 매체가 거기에 저장된 명령/코드로 범용 컴퓨터를 프로그래밍하는 데 사용될 수 있을 것이다. 이 명령들은 연산 시스템(1600)에 의해 실행 가능한 실행 코드(executable code)의 형태를 가지거나, 및/또는 연산 시스템(1600) 상에 (예를 들어 다양한 일반적으로 사용 가능한 컴파일러, 설치 프로그램, 압축/해제 유틸리티 등의 어느 것을 사용하여) 컴파일 및/또는 설치되면 실행 코드의 형태를 취하게 되는 설치 코드(installable code)의 형태를 가질 수 있다.

도 17은 일부 실시예들에 따른 공간 가변 웨이퍼 바이어스 시스템(1700)의 개략도이다. 공간 가변 웨이퍼 바이어스 시스템(1700)은 제1 고전압 펄서(1725)와, 제2 고전압 펄서(1730)와, 제1 에너지 회수 회로(1726)와, 및 제2 에너지 회수 회로(1731)를 포함할 수 있다. 제1 에너지 회수 회로(1726)와 제2 에너지 회수 회로(1731) 양자는 단일한 에너지 저장 캐패시터(C7)에 접속된다. 일부 실시예들에서, 에너지 회수 회로(1726) 또는 에너지 회수 회로(1731)의 각각은 각 변압기의 2차 측에 접속된 하나 이상의 다이오드 및/또는 인덕터들을 포함할 수 있다. 일부 실시예들에서, 에너지 회수 회로(1726) 또는 에너지 회수 회로(1731)는 각 펄스 이후 에너지 회수 회로를 통해 전류가 흐를 수 있게 하는 (예를 들어 전술한) 스위치를 포함할 수 있다.

도 18은 일부 실시예들에 따른, RF 드라이버(1805)와, 능동형 바이어스 보상 회로(134)와, 및 에너지 회수 회로(110)를 포함하는 RF 드라이버 시스템(1800)의 회로도 이다. 이 예에서, RF 드라이버 시스템(1800)은 RF 드라이버(1805)로 대체된 RF 드라이버(705)와 공진 회로(710)를 갖는 무정합 RF 드라이버 시스템(700)과 유사하다. 도 7에 도시된 RF 드라이버(705)는 전 파장 정류기(full wave rectifier)와 공진 회로(710)를 포함하는데, 이는 RF 드라이버(1805)로 대체되었다.

일부 실시예들에서, RF 드라이버(1805)는 복수의 고주파 반도체 스위치(들)와, RF 생성기와, RF 생성기에 기반한 증폭관(amplifier tube) 또는 증폭관 기반 RF 생성기를 포함할 수 있다.

RF 드라이버 시스템(1800)은 예를 들어 50 ohm 정합 회로망 또는 외부 정합 회로망 또는 독립 정합 회로망 등의 전통적인 정합 회로망을 포함하지 않을 수 있다. 일부 실시예들에서, RF 드라이버 시스템(1800)은 웨이퍼 챔버에 인가되는 스위칭 출력을 조정(tune)하는 데 50 ohm 정합 회로망을 요구하지 않는다. 전통적인 정합 회로망이 없는 RF 생성기는 플라즈마 챔버로 인출되는 출력의 신속한 변경을 허용한다. 전형적으로, 이 정합 회로망의 조정에는 적어도 100 μs - 200 μs가 걸릴 수 있다. 일부 실시예들에서, 출력 변경은 예를 들어 400 kHz에서 2.5 μs - 5.0 μs인 하나 또는 두 개의 RF 사이클 내에 이뤄질 수 있다.

일부 실시예들에서, RF 드라이버(1805)는 약 400 kHz, 0.5 MHz, 2.0 MHz, 4.0 MHz, 13.56 MHz, 27.12 MHz, 40.68 MHz, 50 MHz 등의 주파수에서 작동될 수 있다.

제1 나노초 펄서(1725)와 제2 나노초 펄서(1730)의 어느 것 또는 양자는 수동형 바이어스 보상 회로(114), 능동형 바이어스 보상 회로(134), 또는 DC 바이어스 회로(104)를 포함할 수 있다.

도 19는 일부 실시예들에 따른, 나노초 펄서 시스템(1900)의 회로도이다. 나노초 펄서 시스템(1900)은 나노초 펄서(105)와, 1차 싱크(1906)와, 변압기(T1)와, 및 부하 스테이지(1915)를 포함한다.

일부 실시예들에서, 나노초 펄서(105)는 (예를 들어 1 kV, 10 kV, 20 kV, 50 kV, 100 kV 등보다 큰 전압의) 고전압과, (예를 들어 1 kHz, 10 kHz, 100 kHz, 200 kHz, 500 kHz, 1 MHz 등보다 큰) 고주파와, (예를 들어 약 1 ns, 10 ns, 50 ns, 100 ns, 250 ns, 500 ns, 1,000 ns 미만의 상승 시간 등의) 신속한 상승 시간과, (예를 들어 약 1 ns, 10 ns, 50 ns, 100 ns, 250 ns, 500 ns, 1,000 ns 등 미만의 하강 시간 등의 ) 신속한 하강 시간 및/또는 (예를 들어 약 1,000 ns, 500 ns, 250 ns, 100 ns, 20 ns 등 미만의 펄스폭 등의) 짧은 펄스폭을 갖는 펄스들을 산출할 수 있다.

예를 들어, 나노초 펄서(105)는 이 명세서에 모든 목적으로 포함된 "고전압 나노초 펄서(High Voltage Nanosecond Pulser)"라는 명칭의 미국특허출원 제14/542,487호에 기재된 어떤 장치의 전부, 또는 이 명세서에 모든 목적으로 포함된 "전기적 절연된 출력 가변 펄스 생성기의 개시(Galvanically Isolated Output Variable Pulse Generator Disclosure)"라는 명칭의 미국특허출원 제14/635,991에 기재된 어떤 장치의 전부, 또는 이 명세서에 모든 목적으로 포함된 "가변 펄스폭 및 펄스 반복 주파수를 갖는 고전압 나노초 펄서(High Voltage Nanosecond Pulser With Variable Pulse Width and Pulse Repetition Frequency)"라는 명칭의 미국특허출원 제14/798,154에 기재된 어떤 장치의 전부를 포함할 수 있다.

일부 실시예들에서, 나노초 펄서(105)는 (예를 들어 전원과 접속된 에너지 저장 캐패시터 등의) 전원(C7)과 접속된 스위치(S1)를 포함하는데, 이 전원은 스위치(S1)로 스위칭된 일정한 DC 전압을 제공할 수 있고 변압기(T1)에 스위칭된 전력을 제공한다. 스위치(S1)는 예를 들어, 예를 들어 IGBT, MOSFET, SiC MOSFET, SiC 접합 트랜지스터, FETs, SiC 스위치, GaN 스위치, 광도전 스위치 등 하나 이상의 반도체 스위치들을 포함할 수 있다. 일부 실시예들에서, 스위치(S1)에 접속된 게이트 레지스터는 짧은 턴온(turn on) 펄스들로 설정될 수 있다.

일부 실시예들에서, 레지스터(R8) 및/또는 레지스터(R5)는 나노초 펄서(105) 내의 유리 저항을 대표할 수 있다. 일부 실시예들에서, 인덕터(L3) 및/또는 인덕터(L1)는 나노초 펄서(105) 내의 유리 인덕턴스를 대표할 수 있다.

일부 실시예들에서, 나노초 펄서(105)는, 모두 스너버 다이오드(D2)에 병렬로 배치될 수 있는 스너버 레지스터(R1)와 스너버 인덕터(L3)를 구비할 수 있는 스너버 회로를 포함할 수 있다. 스너버 회로는 또한 스너버 캐패시터(C5)를 포함할 수 있다. 일부 실시예들에서, 스너버 레지스터(R1)와 스너버 인덕터(L3) 및/또는 스너버 다이오드(D2)는 스위치(S1)의 콜렉터와 변압기(T1)의 1차 권선 사이에 위치할 수 있다. 스너버 다이오드(D2)는 스위칭에서의 어떤 과전압을 억제(snub out)하는 데 사용될 수 있다. 대형 및/또는 고속 방전 캐패시터(C5)가 스위치(S1)의 에미터 상에 접속될 수 있다. 환유 다이오드(D1) 역시 스위치(S1)의 에미터 측에 접속될 수 있다. 도면들에 도시되지 않은 여러 가지 다른 컴포넌트들도 포함될 수 있다.

일부 실시예들에서, 환류 다이오드(D1)는 유도성 부하들과 조합되어 스위치(S1)가 열린 다음 전류가 계속 인덕터를 통해 동일한 방향으로 흐르게 하여 에너지가 회로의 저항 요소들 내에서 소산되도록 함으로써 인덕터에 저장된 에너지의 소산을 보장하는 데 사용될 수 있다. 이들이 사용되지 않는다면, 스위치(S1)에 큰 역전압이 야기될 수 있다.

일부 실시예들에서, 1차 싱크(1906)는 스위치(S1)(및 스너버 회로)와 병렬로 위치될 수 있다. 1차 싱크(S1)는 예를 들어 직렬로 배열된 싱크 다이오드(D6)와, 레지스터(R2)와, 및 싱크 인덕터(L6)를 포함할 수 있다. 일부 실시예들에서, 레지스터(R2)는 약 100 ohms의 저항을 갖는 하나 이상의 저항들을 포함할 수 있다. 일부 실시예들에서, 싱크 인덕터(L6)는 약 100 μH의 인덕턴스를 갖는 하나 이상의 인덕터들을 포함할 수 있다. 일부 실시예들에서, 레지스터(R2)는 병렬 및/또는 직렬로 배열된 복수의 레지스터들을 구비할 수 있다. 일부 실시예들에서, 싱크 인덕터(L6)는 병렬 및/또는 직렬로 배열된 복수의 인덕터들을 구비할 수 있다.

일부 실시예들에서, 싱크 다이오드(D6)는 전류가 변압기(T1)로부터 접지로 흐르게 하도록 배치될 수 있다.

일부 실시예들에서, 싱크 다이오드(D6)와, 레지스터(R2)와, 및 싱크 인덕터(L6)는 변압기(T1)와 병렬로 배열된다.

일부 실시예들에서, 레지스터(R2)와 싱크 인덕터(L6)는 변압기(T1)의 1차 측 상에 위치한다.

신속한 상승/하강 시간 및/또는 짧은 펄스폭을 갖는 고주파로 고전압 펄스를 달성하기 위한 1차 싱크의 사용은 (예를 들어 R2 및 L6 등의) 저항성 출력 스테이지의 회로 요소들의 선택을 제약시킬 수 있다. 1차 싱크는 높은 평균 출력, 높은 피크 출력, 신속한 상승 시간 및/또는 하강 시간을 조작(handle)하도록 선택될 수 있다. 예들 들어, 평균 정격 출력(average power rating)은 예를 들어 약 10 W, 50 W, 100 W, 0.5 kW, 1.0 kW, 10 kW, 25 kW 등보다 클 수 있다. 정격 피크 출력(peak power rating)은 약 1 kW, 10 kW, 100 kW, 1 MW 등보다 클 수 있고, 및/또는 상승 및 하강 시간은 1000 ns, 100 ns, 10 ns, 또는 1 ns 미만일 수 있다.

높은 평균 출력 및/또는 피크 출력 요건들은 부하 스테이지(1915)에 저장된 에너지를 신속히 소산시킬 필요 및/또는 이를 고주파로 수행할 필요 양자로부터 발생될 수 있다. 예를 들어, 부하 스테이지(1915)가 성질상 (도 1에 캐패시터(C12)와 함께 도시된 바와 같이) 20 ns에 방전하는 데 필요한 1 nF 캐패시턴스를 갖는 용량성이고, 1차 싱크가 (예를 들어 L6의 최소값을 갖는) 순전히 저항성일 수 있다면, 1차 싱크는 약 12.5 mOhms의 저항값을 가질 수 있다. 부하에 인가되는 고전압 펄스가 20 kV에서 100 ns 길이라면, 각 펄스는 100 ns 펄스폭 동안 약 2 J을 소산시킬 것이고(예를 들어 E = t_pV_p ²/R), 추가적인 0.2 J 1 nF 용량성 부하로부터 저장된 에너지를 배출(drain)시킬 것인데(예를 들어 E = ㅍt_pCV_s ²), 여기서 t_p는 펄스폭, V는 펄스 전압, R2는 1차 싱크의 저항, C는 부하의 캐패시턴스, V_p는 변압기의 1차 측 상의 전압, V_s는 변압기의 2차 측 상의 전압, 및 E는 에너지이다. 10 kHz로 작동된다면, 2.2 J의 펄스 에너지 소산 당 전체는 1차 싱크로의 22 kW의 평균 출력 소산으로 결과될 것이다. 펄스 동안의 1차 싱크에서의 피크 출력 소산은 약 20 MW일 수 있고, 출력(전력) = V2/R로부터 연상될 것이다.

1차 싱크에서의 작은 저항의 필요와 조합된 고주파 및 고전압 작동은 예를 들어 1차 싱크 내의 높은 피크 출력 및 높은 평균 출력 소산의 어느 하나 또는 양자를 초래할 수 있다. TTL형 전기 회로 및/또는 (예를 들어 약 5 볼트의) 데이터 취득형 회로에 사용되는 표준적인 풀다운(pulldown) 레지스터는 일반적으로 평균 및 피크 출력 소산 양자에 대해 1 W 훨씬 밑에서 작동한다.

일부 실시예들에서, 부하 스테이지(1915)로 소산되는 전체 출력에 대한 1차 싱크(1906)의 출력 소산 비율은 예를 들어 10%, 20% 30% 이상일 수 있다. 표준적인 저전압 전자 회로에서 풀다운 레지스터는 전력 소비의 1% 미만을 소산시키며, 전형적으로 훨씬 더 적다.

신속한 상승 시간 및/또는 하강 시간 요건은 1차 싱크 내의 허용(allowable) 유리 인덕턴스 및/또는 허용 캐패시턴스 양자를 제약할 수 있다. 위 예에서, 약 20ns에서 방전되어야 할 1 nF 용량성 부하에 대해, 1차 싱크 내의 직렬 유리 인덕턴스는 약 1,000 nH, 500 nH, 300 nH, 100 nH, 30 nH 등 미만일 수 있다. 일부 실시예들에서, 1차 싱크에 대한 L/R 시간은 L6/R2 < tf이다. 1차 싱크가 그 유리 캐패시턴스에 의해 현저한 추가적 에너지를 낭비하지 않기 위해, 예를 들어 부하 캐패시턴스에 저장된 용량성 에너지의 10% 미만이라면, 1차 싱크의 유리 캐패시턴스는 100 pF 미만이 될 수 있다. 1차 싱크가 고출력 소산 요건에 따라 물리적으로 커지는 경향이 있으므로, 이 낮은 유리 인덕턴스와 유리 캐패시턴스 양자를 실현하는 것은 난제가 될 수 있다. 이 설계는 일반적으로, 컴포넌트들을 빽빽하게 함께 그룹을 구성하거나 및/또는 유리 캐패시턴스를 현저히 증가시킬 수 있는 어떤 접지면(grounded surface)들로부터 멀리 이격시킨 수많은 (예를 들어 레지스터들 등) 이산 컴포넌트들을 사용한 병렬 및 직렬 작동을 요구한다.

일부 실시예들에서, 부하 스테이지(1915)는 유전 장벽 방전 장치(dielectric barrier discharge device)를 포함할 수 있다. 유전 장벽 방전 내의 부하 스테이지(1915)는 주로 용량성일 수 있다. 일부 실시예들에서, 부하는 예를 들어 유전 장벽 방전과 같은 순전히 용량성 부하(CL)로 모델링될 수 있다. 예를 들어, 전원(P)이 켜지면 용량성 부하(CL)가 충전될 수 있고, 전원(P)이 켜지지 않으면 용량성 부하(CL) 상의 전하가 레지스터(R)를 통해 배출될 수 있다. 추가적으로, 고전압 및/또는 고주파 및/또는 신속한 하강 시간 요건들 때문에 1차 싱크는 용량성 부하(CL)로부터 상당한 양의 전하를 신속히 방전할 필요가 있는데, (예를 들어 표준적인 5 V 로직 수준 및/또는 저전압 데이터 펄서 등) 저전압 응용들에서는 그렇지 않을 수 있다.

예를 들어, 전형적인 유전 장벽 방전 장치는 약 10 pF의 캐패시턴스를 갖거나 및/또는 약 20 ns의 상승 시간 및/또는 약 20 ns의 하강 시간으로 약 20 kV로 구동될 수 있을 것이다. 일부 실시예들에서, 원하는 펄스폭이 80 ns 길이가 될 수 있다. 상승 시간에 맞는 하강 시간을 위해, 레지스터(R2)는 약 12.5 Ohms의 것이 원하는 하강 시간을 생성하기 위해 사용될 수 있다. 회로 요소 레지스터(R2)에 대한 다양한 다른 값들이 부하 및/또는 다른 회로 요소들 및/또는 상승 시간, 하강 시간 요건들 및/또는 펄스폭 등에 따라 사용될 수 있다.

일부 실시예들에서, 용량성 같은 부하, 또는 (예를 들어 캐패시터(C12)의 캐패시턴스 등) 유효 캐패시턴스(C)를 갖는 부하에 대해, 특성적 펄스 하강 시간은 tf로 지정되고 펄스 상승 시간은 tr로 지정될 수 있다. 일부 실시예들에서, 상승 시간(tr)은 구동 전원의 상세(specifics)에 의해 설정될 수 있다. 일부 실시예들에서, 하강 시간(tf)은 레지스터(R2)의 선택에 의해 펄스 상승 시간(tr)에 대략 맞춰질 수 있는데, 여기서 R2 tf/a²c이다. 일부 실시예들에서, R2는 펄스 상승 시간(tr)과 펄스 하강 시간(tf) 간에 특정한 관계를 제공하도록 특정하게 선택될 수 있다. 이는 풀다운 레지스터의 개념과 다른데, 일반적으로 풀다운 레지스터는 약간 더 긴 시간 규모 및 훨씬 낮은 출력 수준에서 전압/전하를 이송/소산시키도록 선택된다. 레지스터(R2)는 일부 실시예들에서, 펄스 상승 시간(tr)과 펄스 하강 시간(tf) 간에 특정한 관계를 설정하는 데 풀다운 스위치의 대안으로 특정하게 사용될 수 있다.

일부 실시예들에서, 펄스폭 tp와 구동 전압 V를 갖는 펄스 동안 레지스터(R2)에서 소산되는 출력은 P = V2/R에서 얻을 수 있다. (예를 들어 R2 tf/a²c로) 하강 시간(tf)이 레지스터(R)의 저항에 정비례하므로, 하강 시간(tf)에 대한 요건이 감소되면 레지스터(R)의 저항에 대한 요건도 감소되고, 레지스터(R2)에서 소산되는 출력은 P = V2C/tf에 따라 증가된다. 이에 따라 레지스터(R2)는 적절한 하강 시간(tf)을 보장하면서 여전히 예를 들어 약 1.0 kW, 또는 100 kW보다 큰 고출력을 조작할 수 있도록 설계될 수 있다. 일부 실시예들에서, 레지스터는 평균 출력 요건들과 함께 피크 출력 요건들을 조작할 수 있다. 신속한 하강 시간(tf)에 대한 요구는 낮은 저항값으로 결과되고, 결과적인 고출력 소산은 1차 싱크를 용량성 부하(C2)로부터 전하를 신속히 제거하는 경로(way)로 만들 수 있어 난제이다. 일부 실시예들에서, 레지스터(R)는 낮은 저항의 레지스터를 포함할 수 있지만 여전히 높은 정격 평균 출력과 정격 피크 출력을 갖는다.

일부 실시예들에서, 레지스터(R2)는 집합적으로 요구되는 저항 및 정격 출력을 갖는 레지스터들의 직렬 및/또는 병렬 스택(stack)을 포함할 수 있다. 일부 실시예들에서, 레지스터(R2)는 약 2,000 ohms, 500 ohms, 250 ohms, 100 ohms, 50 ohms, 25 ohms, 10 ohms, 1 ohm, 0.5 ohms, 0.25 ohms 등 미만의 저항을 갖고, 약 0.5 kW, 1.0 kW, 10 kW, 25 kW 등보다 큰 정격 평균 출력을 가지며, 약 1 kW, 10 kW, 100 kW, 1 MW 등보다 큰 정격 피크 출력을 갖는 레지스터를 포함할 수 있다.

위 예를 사용하고, tp = 80 ns, V = 500 kV, 및 레지스터(R2) 12.5 kOhms로, 부하에 인가된 각 펄스는 부하 내의 캐패시턴스가 완전히 충전되고 나면 16 mJ가 소산될 것이다. 펄스가 꺼지고 나면, 부하로부터의 전하는 레지스터(R2)에 의해 소산된다. 100 kHz에서 작동된다면, 레지스터(R2)는 1.6 kW를 소산시킬 것이다. 레지스터(R2)가 10 ns tf를 생성하도록 선택된다면 레지스터(R2)에서 소산되는 출력은 3.2 kW가 될 것이다. 일부 실시예들에서, 고전압 펄스폭은 500 ns로 확장될 수 있다. 500 ns에서 tf = 20 ns이면 레지스터(R2)는 10 kW를 소산시킬 것이다.

일부 실시예들에서, 레지스터(R2)에서 소산되는 출력이 부하 스테이지(1915)에서 소비되는 전력의 10% 또는 20%를 초과하면 이는 크다고 간주될 수 있다.

신속한 하강 시간(tf)이 요구되면, 출력 소산이 예를 들어 전체 출력 소비의 약 1/3 등으로 클 수 있다. 레지스터(R2)가 예를 들어 싱크 인덕터(L6)와 직렬인 레지스터(R2)를 포함한다면, 싱크 인덕터(L6)는 예를 들어 전압(V)이 존재하거나 및/또는 RC 감쇠(decay)로 설정된 것 너머로 하강 시간을 단축(hasten)시키면서 레지스터(R)로의 전력 흐름을 저감시킬 수 있다.

예를 들어, 시간상수(L6/R2)는 예를 들어 L6/R2 tp로 대략 펄스폭(tp)으로 설정될 수 있다. 이는 예를 들어 에너지 소산을 감소시키거나 및/또는 (예를 들어 tf의 감소 등) 하강 시간(tf)을 단축시킬 수 있다. 일부 실시예들에서, tf를 tr에 맞추고자 원한다고 가정하면 R2 C/tf C/tr이다. 본원, 이 명세서, 및/또는 청구항들에서 심볼 ""는 1/10(factor of ten) 이내를 의미한다.

일부 실시예들에서, 변압기(T1)는 나노초 펄서(105)의 일부일 수 있다.

도 20은 일부 실시예들에 따른 나노초 펄서 시스템(2000)의 회로도이다. 나노초 펄서 시스템(2000)은 나노초 펄서(105)와, 1차 싱크(2006)와, 변압기(T1)와, 및 부하 스테이지(1915)를 포함한다.

일부 실시예들에서, 1차 싱크(2006)는 싱크 다이오드(D6) 대신 또는 이에 추가하여 싱크 스위치(S2)를 포함할 수 있다. 일부 실시예들에서, 싱크 스위치(S2)는 싱크 인덕터(L6) 및/또는 싱크 레지스터(R2)에 직렬로 배치될 수 있다.

일부 실시예들에서, 싱크 스위치(S2)는 예를 들어 부하 캐패시터(C2)의 캐패시턴스가 싱크 레지스터(R2) 및/또는 싱크 인덕터(L6)를 통해 비워졌을(dump) 때 닫힐 수 있다. 예를 들어, 싱크 스위치(S2)는 각 펄스 다음에 부하 캐패시터(C2)로부터 전하를 비우도록 켜지거나 및/또는 꺼질 수 있다. 예를 들어 각 펄스 동안, 싱크 스위치(S2)가 열릴 수 있다. 각 펄스의 종단에서, 싱크 스위치(S2)가 닫혀 부하 캐패시터의 캐패시턴스를 레지스터(R2)로 비우도록 닫힐 수 있다. 예를 들어, 스위치(S1)가 열리면 싱크 스위치(S2)가 닫히거나 및/또는 스위치(S1)가 닫히면 싱크 스위치(S2)가 열릴 수 있다.

일부 실시예들에서, 싱크 스위치(S2)는 도 4에 기술한 고전압 스위치(1400)를 포함할 수 있다.

도 21은 일부 실시예들에 따른 나노초 펄서 시스템(2100)의 회로도이다. 나노초 펄서 시스템(2100)은 나노초 펄서(2105)와, 1차 싱크(2106)와, 변압기(T1)와, 및 부하 스테이지(1915)를 포함한다.

일부 실시예들에서, 나노초 펄서(2105)는 싱크 스위치(S2)와 1차 싱크(2106) 사이에 위치한 다이오드(D9)를 포함할 수 있다. 다이오드(D9)는 전류가 스위치(S1)를 통해 변압기(T1)로 흐르도록 하고 전류가 변압기(T1)로부터 스위치(S1)를 향해 흐르는 것을 제한하도록 배치될 수 있다.

1차 싱크(2106)는 싱크 다이오드(D6)를 제외한 1차 싱크(1906)의 컴포넌트들을 포함할 수 있다. 일부 실시예들에서, 1차 싱크(2106)는 싱크 다이오드(D6) 및/또는 싱크 스위치(S2)를 포함할 수 있다.

도 22는 일부 실시예들에 따른 나노초 펄서 시스템(2200)의 회로도이다. 나노초 펄서 시스템(2200)은 나노초 펄서(105)와, 1차 싱크(2206)와, 변압기(T1)와, 및 부하 스테이지(1915)를 포함한다.

일부 실시예들에서, 1차 싱크(2206)는 싱크 스위치(S2)와 싱크 다이오드(D6)를 포함할 수 있다. 일부 실시예들에서, 싱크 스위치(S2)는 싱크 인덕터(L6) 및/또는 싱크 레지스터(R2)와 직렬로 배치될 수 있다. 일부 실시예들에서, 크로우바 다이오드(D8)가 싱크 스위치(S2)의 양단에(across) 포함될 수 있다.

일부 실시예들에서, 싱크 스위치(S2)는 부하 캐패시터(C2)의 캐패시턴스가 싱크 레지스터(R2) 및/또는 싱크 인덕터(L6)를 통해 비워졌을 때 닫힐 수 있다. 예를 들어, 싱크 스위치(S2)는 각 펄스 후에 부하 캐패시터(C2)로부터 전하를 비우도록 켜지거나 및/또는 꺼질 수 있다. 각 펄스 동안 예를 들어, 싱크 스위치(S2)가 열릴 수 있다. 각 펄스의 종단에, 싱크 스위치(S2)가 닫혀 부하 캐패시터의 캐패시턴스를 레지스터(R2)로 비울 수 있다. 예를 들어 스위치(S1)가 열리면 싱크 스위치(S2)가 닫히거나 및/또는 스위치(S1)가 닫히면 싱크 스위치(S2)가 열릴 수 있다.

도 23은 도 21에 도시된 나노초 펄서 시스템(2100)을 사용한 변압기(T1)에 대한 입력에서의 전압을 보이는 파형 2305와 부하 스테이지(1915)에서의 전압을 보이는 파형 2310을 도시한다.

도 24는 일부 실시예들에 따른 나노초 펄서 시스템(2400)을 도시한다. 나노초 펄서 시스템(2400)은 나노초 펄서(105)와, 1차 싱크(1906)와, 변압기(T1)와, 바이어스 보상 회로(2410)와, 및 부하 스테이지(2415)를 포함한다.

일부 실시예들에서, 바이어스 보상 회로(2410)는 바이어스 보상 다이오드(D6)의 양단에 접속되고 오프셋 전원(V1) 및 바이어스 보상 레지스터(R9)에 직렬인 고전압 스위치(S3)를 포함할 수 있다. 일부 실시예들에서, 고전압 스위치(S3)는 집합적으로 고전압들을 개폐하도록 직렬로 배열된 복수의 스위치들을 포함할 수 있다. 예를 들어, 고전압 스위치(S3)는 도 14에 기재된 고전압 스위치(1400)를 포함할 수 있다. 일부 실시예들에서, 고전압 스위치(S3)는 신호 Sig3+ 및 Sig3-들에 기반하여 개폐될 수 있다.

고전압 스위치(S3)는 인덕터(L9) 및 레지스터(R11)의 어느 것 또는 양자에 직렬로 접속될 수 있다. 인덕터(L9)는 고전압 스위치(S3)를 통한 피크 전류를 제한할 수 있다. 인덕터(L9)는 예를 들어, 예를 들어 약 250 μH, 100 μH, 50 μH, 25 μH, 10 μH, 5 μH, 1 μH 등 약 100 μH 미만의 인덕턴스를 가질 수 있다. 레지스터(R11)는 예를 들어 출력 소산을 1차 싱크로 시프트(shift)시킬 수 있다. 레지스터(R11)의 저항은 예를 들어 약 1,000 ohms, 500 ohms, 250 ohms, 100 ohms, 50 ohms, 10 ohms 등 미만의 저항을 가질 수 있다.

일부 실시예들에서, 고전압 스위치(S3)는 스너버 회로를 포함할 수 있다. 스너버 회로는 레지스터(R9)와, 스너버 다이오드(D8)와, 스너버 캐패시터(C15)와, 및 스너버 레지스터(R10)를 포함할 수 있다.

일부 실시예들에서, 레지스터(R8)는 오프셋 전원 전압(V1)의 유리 저항을 대표할 수 있다. 레지스터(R8)는 예를 들어, 예를 들어 약 10 kOhm, 100 kOhm, 1 MOhm, 10 MOhm, 100 MOhm, 1 GOhm 등의 고저항을 가질 수 있다.

일부 실시예들에서, 바이어스 보상 캐패시터(C8)는 예를 들어 약 100 μF, 50 μF, 25 μF, 10 μF, 2μF, 500 nF, 200 nF 등 100 nF 내지 100 μF 미만의 캐패시턴스를 가질 수 있다.

일부 실시예들에서, 바이어스 보상 캐패시터(C8)와 바이어스 보상 다이오드(D8)는 각 버스트의 시작시 설정되어 필요한 평형 상태에 도달하는 (예를 들어 125로 표지된 위치에서의) 나노초 펄서(105)의 출력과 (예를 들어 124로 표지된 위치에서의) 전극 상의 전압 간의 전압 오프셋을 허용할 수 있다. 예를 들어, 각 버스트의 시작시 전하는 캐패시터(C12)로부터 캐패시터(C8)로 이송되고, (예를 들어 약 5-100개의) 복수의 펄스들 동안 회로 내에 정확한 전압을 설정한다.

일부 실시예들에서, 바이어스 캐패시터(C12)는 (예를 들어 125로 표지된 위치에서의) 나노초 펄서(105)의 출력과 (예를 들어 124로 표지된 위치에서의) 전극 상의 전압 간의 전압 오프셋을 허용할 수 있다. 작동에 있어서, 전극은 예를 들어 버스트 동안 -2 kV의 DC 전압에 있는 한편, 나노초 펄서의 출력은 펄스 동안의 +6 kV, 펄스 간의 0 kV 간을 교번한다.

바이어스 캐패시터(C12)는 예를 들어 약 100 nF, 10 nF, 1 nF, 100 μF, 10 μF, 1 μF 등의 캐패시턴스를 가질 수 있다. 레지스터(R9)는 예를 들어 약 1 kOhm, 10 kOhm, 100 kOhm, 1 MOhm, 10 MOhm, 100 MOhm 등의 저항 등의 고저항을 가질 수 있다.

바이어스 보상 회로(2410)는 임의 수의 다른 요소들을 포함하거나 또는 임의 수의 방법들로 배열될 수 있다.

일부 실시예들에서, 고전압 스위치(S3)는 나노초 펄서(105)가 펄스 생성하는 동안 열리고 나노초 펄서(105)가 펄스 생성을 하지 않으면 닫힐 수 있다. 예를 들어 고전압 스위치(S3)가 닫히면 전류는 바이어스 보상 다이오드(D8)의 양단에 단락될 수 있다. 이 전류를 단락시키면 웨이퍼와 척 간의 바이어스가 2 kV(또는 다른 전압 값) 미만이 될 수 있는데, 이는 허용 공차 이내이다. 일부 실시예들에서, 바이어스 보상 다이오드(D8)는 10 A 내지 1 kA의 전류를 10 Hz 내지 10 kHz의 주파수로 도통시킬 수 있다.

일부 실시예들에서, 고전압 스위치(S3)는 도 14에 기재된 고전압 스위치(1400)을 포함할 수 있다.

일부 실시예들에서, 부하 스테이지(2415)는 예를 들어 플라즈마 적층 시스템, 반도체 제조 시스템, 플라즈마 스퍼터링 시스템 등의 반도체 처리 챔버를 위한 이상화된 또는 효율적인 회로를 대표할 수 있다. 예를 들어, 캐패시터(C2)의 캐패시턴스는 그 위에 웨이퍼가 안착될 수 있는 척의 캐패시턴스를 대표한다. 척은 예를 들어 유전 소재로 구성될 수 있다. 예를 들어 캐패시터(C1)는 (예를 들어 약 10 pF, 100 pF, 500 pF, 1 nF, 10 nF, 100 nF 등의) 낮은 캐패시턴스를 가질 수 있다.

캐패시터(C3)는 예를 들어 플라즈마와 웨이퍼 간의 피복(sheath) 캐패시턴스를 대표할 수 있다. 레지스터(R6)는 예를 들어 플라즈마와 웨이퍼 간의 피복 저항을 대표할 수 있다. 인덕터(L2)는 예를 들어 플라즈마와 웨이퍼 간의 피복 인덕턴스를 대표할 수 있다. 전류원(I2)은 예를 들어 피복을 통한 이온 전류를 대표할 수 있다. 예를 들어 캐패시터(C3)는 (예를 들어 약 10 pF, 100 pF, 500 pF, 1 nF, 10 nF, 100 nF 등의) 낮은 캐패시턴스를 가질 수 있다.

캐패시턴스(C9)는 예를 들어 챔버 벽과 웨이퍼의 상면 간의 플라즈마 내의 캐패시턴스를 대표할 수 있다. 레지스터(R7)는 예를 들어 챔버 벽과 웨이퍼의 상면 간의 플라즈마 내의 저항을 대표할 수 있다, 전류원(I1)은 예를 들어 플라즈마 네의 이온 전류의 대표가 될 수 있다. 예를 들어 캐패시터(C9)는 (예를 들어 약 10 pF, 100 pF, 500 pF, 1 nF, 10 nF, 100 nF 등의) 낮은 캐패시턴스를 가질 수 있다.

이 명세서에 사용된 플라즈마 전압은 접지로부터 회로 점 123으로 측정한 전압이고; 웨이퍼 전압은 접지로부터 회로 점 122로 측정한 전압으로 웨이퍼 표면에서의 전압을 대표할 수 있으며; 처킹 전압은 접지로부터 회로 점 121로 측정한 전압이고; 전극 전압은 접지로부터 회로 점 124로 측정한 전압이며; 그리고 입력 전압은 접지로부터 회로 점 125로 측정한 전압이다.

도 25는 일부 실시예들에 따른 나노초 펄서 시스템(2500)을 도시한다. 나노초 펄서 시스템(2500)은 나노초 펄서(105)와, 1차 싱크(2006)와, 변압기(T1)와, 바이어스 보상 회로(2410)와, 및 부하 스테이지(2415)를 포함한다.

도 26은 일부 실시예들에 따른 나노초 펄서 시스템(2600)을 도시한다. 나노초 펄서 시스템(2600)은 나노초 펄서(2105)와, 1차 싱크(1906)와, 변압기(T1)와, 바이어스 보상 회로(2410)와, 및 부하 스테이지(2415)를 포함한다.

도 27은 일부 실시예들에 따른 나노초 펄서 시스템(2700)을 도시한다. 나노초 펄서 시스템(2700)은 나노초 펄서(105)와, 1차 싱크(2206)와, 변압기(T1)와, 바이어스 보상 회로(2410)와, 및 부하 스테이지(2415)를 포함한다.

도 28은 나노초 펄서 시스템(2700)를 사용하는 변압기(T1)에 대한 입력에서의 전압의 파형 2805와, 척(121로 표지된 점)에서의 전압의 파형 2810과, 웨이퍼(122로 표지된 점)에서의 전압의 파형 2815를 도시한다.

일부 실시예들에서, 처킹 전위가 음으로 도시되어 있지만 처킹 전위는 양일 수도 있을 것이다.

일부 실시예들에서, 1차 싱크(1906), 1차 싱크(2006), 또는 1차 싱크(2206)는 고전압 나노초 펄서 시스템의 에너지 소비 및/또는 측정 부하를 구동하는 데 필요한 전압을 저하시킬 수 있다. 예를 들어, 에너지 소비가 10%, 15% 20%, 25%, 30%, 40%, 45%, 50% 등 만큼 또는 그 이상 감소될 수 있다.

일부 실시예들에서, 다이오드(D9) 및/또는 다이오드(D6)는 고전압 다이오드를 포함할 수 있다.

달리 규정되지 않으면, "거의(substantially)"라는 용어는 언급된 값 또는 제조 공차 내에서 5% 또는 10% 이내를 의미한다. 달리 규정되지 않으면, "약(about)"라는 용어는 언급된 값 또는 제조 공차 내에서 5% 또는 10% 이내를 의미한다.

"또는(or)"이라는 용어는 포괄적이다.

수많은 구체적 상세들은 이 명세서에서 청구된 주제의 완전히 이해를 제공하기 위해 제시된다. 그러나 당업계에 통상의 기술을 가진 자라면 청구된 주제들이 이 구체적 상세들 없이도 실현될 수 있음을 이해할 것이다. 다른 경우들에서, 당업자가 알고 있을 방법, 장치, 또는 시스템들은 청구된 주제를 모호하게 하지 않도록 상세히 기재하지 않았다.

이 명세서에 개시된 방법의 실시예들은 관련 연산 장치의 작동에서 수행될 수 있다. 위 예들에 표현된 블록들의 순서는 변화될 수 있는데 - 예를 들어, 블록들은 순서 변경, 조합, 및/또는 서브블록들로 분해될 수 있다. 어떤 블록 또는 프로세스들은 병렬로 수행될 수 있다.

이 명세서에서 "맞춰진다(adapted to)" 또는 "구성된다(configured to)"의 사용은 추가적인 과업 또는 단계들을 수행하도록 맞춰지거나 구성된 장치들을 배제하지 않는 개방적이고 포괄적인 의미를 의도한 것이다. 또한 "기반한다(based on)"의 사용은 프로세스, 단계, 연산, 또는 다른 동작이 하나 이상의 기재된 조건 및 값들에 "기반하고", 실제로는 기재된 것을 넘어서는 추가적인 조건 또는 값들에도 기반한다는 의미를 의도한 것이다. 이 명세서에 포함된 표제, 목록, 번호 매김들은 설명의 편의만을 위한 것이며 한정을 의도한 것이 아니다.

본 발명이 그 특정한 실시예들에 대해서만 상세히 설명했지만, 당업계에 통상의 기술을 가진 자라면, 이상의 실시예들을 이해하고 나면 이러한 실시예들에 대한 변형, 변경, 및 등가물들을 용이하게 산출할 수 있을 것이다. 이에 따라 이 명세서는 한정이 아니라 예시의 목적으로 제시된 것이고, 당업계에 통상의 기술을 가진 자에게 용이하게 자명할 본 발명 주제에 대한 변경, 변형, 및/또는 추가를 배제하지 않는다.

Claims

고전압 전원과;
상기 고전압 전원에 전기적으로 접속되어 상기 고전압 전원으로부터의 전압들을 고주파로 스위칭하는 나노초 펄서와;
1차 측과 2차 측을 가지며, 상기 나노초 펄서가 상기 1차 측에 전기적 접속되는 변압기와; 및
상기 변압기의 2차 측에 전기적 접속되는 에너지 회수 회로를 구비하고, 상기 에너지 회수 회로가:
상기 고전압 전원에 전기적으로 접속된 에너지 회수 인덕터와;
상기 변압기의 상기 2차 측에 병렬로 배치된 크로우바 다이오드와; 및
상기 에너지 회수 인덕터와 직렬로 배치되어 상기 고전압 전원으로부터의 부하를 도통시키도록 구성된 제2 다이오드를 포함하는
나노초 펄서 회로.
제1항에 있어서,
상기 에너지 회수 인덕터가 약 50 μH보다 큰 인덕턴스를 갖는 나노초 펄서 회로.
제1항에 있어서,
상기 나노초 펄서 회로가 상기 고전압 전원으로부터의 전압들을 약 400 kHz보다 큰 주파수로 스위칭하는 나노초 펄서 회로.
제1항에 있어서,
상기 나노초 펄서 회로가 약 5 kV보다 큰 전압을 부하에 공급하는 나노초 펄서 회로.
제1항에 있어서,
상기 부하가 용량성 부하를 포함하는 나노초 펄서 회로.
제1항에 있어서,
상기 부하가 플라즈마 적층 챔버를 포함하는 나노초 펄서 회로.
제1항에 있어서,
상기 에너지 회수 회로가 상기 제2 다이오드 및 상기 에너지 회수 회로와 직렬인 고전압 스위치를 더 구비하는 나노초 펄서 회로.
제7항에 있어서,
상기 고전압 스위치가 5 kV보다 큰 전압을 스위칭하는 나노초 펄서 회로.
제1항에 있어서,
상기 고전압 전원이 1 kV보다 큰 전압의 DC 전력을 공급하는 나노초 펄서 회로.
저장 캐패시터와;
상기 저장 캐패시터에 접속되어 1 kV보다 더 큰 전압과 1 kHz보다 더 큰 주파수를 갖는 파형들을 출력하는 스위칭 회로와;
1차 측과 2차 측을 가지며 상기 스위칭 회로가 상기 1차 측에 전기적으로 접속되는 변압기와; 및
상기 변압기의 상기 2차 측과 상기 저장 캐패시터에 전기적으로 접속되는 에너지 회수 회로를 구비하며, 상기 에너지 회수 회로가:
고전압 전원에 전기적으로 접속된 에너지 회수 인덕터와; 및
상기 에너지 회수 인덕터와 직렬로 배치되고 부하로부터의 전류를 상기 에너지 회수 인덕터를 통해 상기 고전압 전원에 도통시키도록 구성된 제2 다이오드를 구비하는 회로.
제10항에 있어서,
상기 에너지 회수 회로가 상기 변압기의 상기 2차 측에 병렬로 배치된 크로우바 다이오드를 구비하는 회로
제10항에 있어서,
상기 스위칭 회로가 나노초 펄서를 구비하는 회로.
제10항에 있어서,
상기 스위칭 회로가 약 400 kHz 이상에서 작동하는 RF 드라이버를 구비하는 회로.
제13항에 있어서,
상기 RF 드라이버가 하프 브리지 또는 풀 브리지 드라이버 중의 하나를 구비하는 회로.
제10항에 있어서,
바이어스 보상 스위치와 병렬인 바이어스 보상 다이오드와; 및 상기 바이어스 보상 다이오드 및 상기 바이어스 보상 스위치와 직렬로 배치된 DC 전원을 포함하는 바이어스 보상 회로를 더 구비하는 회로.
제10항에 있어서,
상기 에너지 회수 인덕터가 50 μH보다 큰 인덕턴스를 갖는 회로.
펄서 스위치를 닫은 채로 바이어스 보상 회로 내의 바이어스 보상 스위치를 여는 단계로, 상기 바이어스 보상회로가 변압기의 2차 측에 접속되는 단계와;
나노초 펄서의 펄서 스위치를 닫아 펄스를 생성하는 단계로, 상기 나노초 펄서가 상기 변압기의 1차 측과 DC 전원에 접속되고, 상기 펄스가 상기 변압기의 2차 측 상에 1 kV보다 더 큰 전압을 갖는 단계와;
상기 펄서 스위치를 닫은 채로 에너지 회수 회로 내의 에너지 회수 스위치를 여는 단계로, 상기 에너지 회수 회로가 상기 변압기의 2차 측과 상기 DC 전원에 접속되는 단계와;
약 100 나노초 미만의 시간 주기 동안 휴지하는 단계와;
상기 나노초 펄서의 상기 펄서 스위치를 닫는 단계와; 및
상기 펄서 스위치를 연 채로 상기 에너지 회수 회로 내의 상기 에너지 회수 스위치를 여는 단계를 포함하는 고전압 펄스 생성 방법.
제17항에 있어서,
상기 에너지 회수 회로가 상기 에너지 회수 스위치와 직렬인 인덕터와 다이오드를 구비하는 고전압 펄스 생성 방법.
제17항에 있어서,
상기 에너지 회수 스위치가 직렬로 배열되고 복수의 전압 공유 레지스터들을 갖는 복수의 스위치들을 구비하여, 상기 복수의 전압 공유 레지스터들 중의 각 전압 공유 레지스터가 상기 복수의 스위치들 중의 해당 스위치에 걸쳐 배치되는 고전압 펄스 생성 방법.
제17항에 있어서,
상기 바이어스 보상 회로가 바이어스 보상 스위치와 병렬인 바이어스 보상 다이오드와 ; 및 상기 바이어스 보상 다이오드와 상기 바이어스 보상 스위치와 직렬로 배치된 DC 전원을 구비하는 고전압 펄스 생성 방법.
펄스들의 버스트 전에, 변압기를 통해 나노초 펄서에 접속된 바이어스 보상 회로 내의 바이어스 보상 스위치를 여는 단계로, 상기 바이어스 보상 회로가 상기 변압기의 2차 측에 접속되는 단계와;
상기 펄스들의 발생 동안, 상기 나노초 펄서의 펄서 스위치를 반복적으로 개폐하여 상기 펄스들의 버스트 내의 복수의 펄스들을 생성하는 단계로, 상기 나노초 펄서가 상기 변압기의 1차 측과 DC 전원에 접속되고, 상기 펄서 스위치의 개폐가 약 1 kHz보다 큰 펄스 반복 주파수로 발생되며, 상기 펄서 스위치의 닫음이 상기 변압기의 2차 측에 1 kV보다 더 큰 전압을 갖는 펄스들을 산출하는 단계와;
상기 펄스들의 버스트 동안, 상기 펄서 스위치가 열리면 상기 에너지 회수 스위치가 닫히고 상기 펄서 스위치가 닫히면 상기 에너지 회수 스위치가 열리도록 상기 에너지 회수 회로 내의 상기 에너지 회수 스위치를 반복적으로 열고 닫는 단계로, 상기 에너지 회수 회로가 상기 변압기의 2차 측과 상기 DC 전원에 접속되는 단계와; 및
상기 펄스들의 버스트 후에, 상기 바이어스 보상 회로 내의 상기 바이어스 보상 스위치를 닫는 단계를
포함하는 고전압 펄스 생성 방법.
제21항에 있어서,
약 100 마이크로초 미만의 시간 주기 동안 휴지하는 단계와;
상기 펄스들의 두 번째 버스트 전에 상기 바이어스 보상 스위치를 여는 단계와;
상기 펄스들의 두 번째 버스트 동안 상기 펄서 스위치를 열고 닫는 단계와; 및
상기 펄스들의 두 번째 버스트 후, 상기 바이어스 보상 스위치를 닫는 단계를
더 포함하는 고전압 펄스 생성 방법.
제21항에 있어서,
상기 에너지 회수 회로가 상기 에너지 회수 스위치와 직렬인 인덕터와 다이오드를 구비하는 고전압 펄스 생성 방법.
제21항에 있어서,
상기 에너지 회수 스위치가 복수의 전압 공유 레지스터들과 직렬로 배치된 복수의 스위치들을 구비하는데, 상기 복수의 전압 공유 레지스터들 중의 각 전압 공유 레지스터는 상기 복수의 스위치들 중의 해당 스위치의 양단에 배치되는 고전압 펄스 생성 방법.
제21항에 있어서,
상기 바이어스 보상 회로가 상기 바이어스 보상 스위치와 병렬인 바이어스 보상 다이오드와; 및 상기 바이어스 보상 다이오드 및 상기 바이어스 보상 스위치에 직렬로 배치된 DC 전원을 구비하는 고전압 펄스 생성 방법.
펄스들의 첫 번째 버스트 전에, 변압기를 통해 나노초 펄서에 접속된 바이어스 보상 회로 내의 바이어스 보상 스위치를 여는 단계로, 상기 바이어스 보상 회로가 상기 변압기의 2차 측에 접속되는 단계와;
상기 펄스들의 첫 번째 버스트 동안, 상기 나노초 펄서의 펄서 스위치를 반복적으로 개폐하여 상기 펄스들의 버스트 내의 복수의 펄스들을 생성하는 단계로, 상기 나노초 펄서가 상기 변압기의 1차 측과 DC 전원에 접속되고, 상기 펄서 스위치의 개폐가 약 1 kHz보다 큰 펄스 반복 주파수로 발생되며, 상기 펄서 스위치의 닫음이 상기 변압기의 2차 측에 1 kV보다 더 큰 전압을 갖는 펄스들을 산출하는 단계와;
상기 펄스들의 버스트 후에, 상기 바이어스 보상 회로 내의 상기 바이어스 보상 스위치를 닫는 단계와;
약 100 마이크로초 미만의 시간 주기 동안 휴지하는 단계와;
상기 펄스들의 두 번째 버스트 전에 상기 바이어스 보상 스위치를 여는 단계와;
상기 펄스들의 두 번째 버스트 동안, 상기 펄서 스위치를 열고 닫는 단계와; 및
상기 펄스들의 두 번째 버스트 후, 상기 바이어스 보상 스위치를 닫는 단계를
포함하는 고전압 펄스 생성 방법.
제26항에 있어서,
상기 펄스들의 첫 번째 버스트 동안, 상기 펄서 스위치가 열리면 상기 에너지 회수 스위치가 닫히고 상기 펄서 스위치가 닫히면 상기 에너지 회수 스위치가 열리도록 상기 에너지 회수 회로 내의 상기 에너지 회수 스위치를 반복적으로 열고 닫는 단계로, 상기 에너지 회수 회로가 상기 변압기의 2차 측과 상기 DC 전원에 접속되는 단계를 더 포함하는 고전압 펄스 생성 방법.
제27항에 있어서,
상기 펄스들의 두 번째 버스트 동안, 상기 에너지 회수 스위치를 개폐하는 고전압 펄스 생성 방법.
1 kV보다 큰 전압을 갖는 펄스들을 10 kHz보다 큰 주파수로 산출하는 고전압 스위칭 전원과;
1차 측과 2차 측을 갖는 변압기와;
상기 변압기의 2차 측에 접속된 출력; 및
상기 변압기의 1차 측에 전기적으로 접속되고 상기 고전압 스위칭 전원에 병렬이며 상기 출력에 접속된 부하를 방전하는 적어도 하나의 레지스터를 포함하는 1차 싱크를
구비하는 고전압 고주파 스위칭 회로.
제29항에 있어서,
상기 1차 싱크가 약 1 킬로와트보다 큰 평균 출력을 소산시키도록 구성되는 고전압 고주파 스위칭 회로.
제29항에 있어서,
상기 1차 싱크가 적어도 하나의 레지스터에 직렬인 적어도 하나의 인덕터를 구비하는 고전압 고주파 스위칭 회로.
제29항에 있어서,
상기 1차 싱크가 적어도 하나의 레지스터에 직렬인 스위치를 구비하는 고전압 고주파 스위칭 회로.
제29항에 있어서,
상기 출력이 주로 용량성인(largely capacitive) 플라즈마 부하(plasma load)에 접속되는 고전압 고주파 스위칭 회로.
제29항에 있어서,
상기 출력이 유전체 장벽 방전 을 포함하는 플라즈마 부하에 접속되는 고전압 고주파 스위칭 회로.
제29항에 있어서,
상기 1차 싱크 내의 레지스터의 저항이 400 ohms 미만의 값을 갖는 고전압 고주파 스위칭 회로.
제29항에 있어서,
상기 고전압 고주파 스위칭 회로가 100 kW보다 큰 피크 출력을 전송하는 고전압 고주파 스위칭 회로.
제29항에 있어서,
상기 1차 싱크 내의 상기 레지스터가 저항 R을 갖고 출력이 캐패시턴스 C를 갖는 부하에 접속되어 R t _f /a ² c가 되는데, 여기서 t _f 는 펄스 하강시간인 고전압 고주파 스위칭 회로.
제29항에 있어서,
상기 부하가 성질상 50 nF 미만의 캐패시턴스를 갖는 용량성이며, 여기서 상기 부하 캐패시턴스는 10 μs보다 큰 시간 동안 전하를 보유하지 않는 고전압 고주파 스위칭 회로.
제29항에 있어서,
상기 부하가 성질상 용량성이고 상기 고전압 고주파 스위칭 회로가 급속히 상기 부하 캐패시턴스를 충전하여 상기 부하 캐패시턴스를 방전하는 고전압 고주파 스위칭 회로.
제29항에 있어서,
상기 고전압 고주파 스위칭 전원이 고전압 펄스를 공급하지 않을 때 상기 출력이 전극, 기판, 또는 웨이퍼에 -2 kV보다 큰 플라즈마 및 접지에 대한 음의 바이어스 전압을 산출하는 고전압 고주파 스위칭 회로.
제29항에 있어서,
상기 출력이 10 kHz보다 더 큰 주파수와 약 400 ns 미만의 펄스 하강 시간으로 1 kV보다 큰 전압을 갖는 고전압 펄스를 산출할 수 있는 고전압 고주파 스위칭 회로.
1 kV보다 큰 전압을 갖는 펄스를 10 kHz보다 큰 주파수로 산출하는 고전압 스위칭 회로와;
1차 측과 2차 측을 갖는 변압기와;
상기 변압기의 2차 측에 전기적 접속된 출력과; 및
상기 변압기의 1차 측에 전기적으로 접속되고 상기 고전압 스위칭 전원의 출력에 평행이며, 상기 변압기의 2차 측에 접속된 출력에 접속된 부하를 방전시키는 적어도 하나의 레지스터와 상기 적어도 하나의 레지스터에 직렬인 적어도 하나의 인덕터를 구비하는 1차 싱크를
구비하는 고전압 고주파 스위칭 회로.
제12항에 있어서,
상기 1차 싱크가 상기 적어도 하나의 레지스터 및/또는 상기 적어도 하나의 인덕터와 직렬인 스위치를 구비하는 고전압 고주파 스위칭 회로.
제12항에 있어서,
상기 출력이 1 kV보다 큰 전압을 가지는 고전압 펄스를 10 kHz보다 큰 주파수와 400 ns 미만의 펄스 하강 시간으로 산출할 수 있는 고전압 고주파 스위칭 회로.
제12항에 있어서,
상기 1차 싱크가 약 1 킬로와트보다 큰 출력을 소산시키도록 구성되는 고전압 고주파 스위칭 회로.
제12항에 있어서,
상기 고전압 스위칭 전원이 전원과, 적어도 하나의 스위치와, 및 승압 변압기를 구비하는 고전압 고주파 스위칭 회로.
제12항에 있어서,
상기 1차 싱크가 10 kW보다 더 큰 피크 출력을 조작하는 고전압 고주파 스위칭 회로.
제12항에 있어서,
상기 1차 싱크의 상기 레지스터의 저항이 400 ohms 미만인 고전압 고주파 스위칭 회로.
제12항에 있어서,
상기 1차 싱크가 인덕터와 레지스터를 포함하고, 상기 인덕터의 인덕턴스 L과 상기 레지스터의 저항 R이 L/R tp을 충족하도록 설정되는데, 여기서 tp는 펄스의 펄스폭인 고전압 고주파 스위칭 회로.
제12항에 있어서,
상기 1차 싱크 내의 상기 레지스터가 저항 R을 갖고 상기 출력이 캐패시턴스 C를 갖는 부하에 접속되어 R t _f /a ² c가 되고, 여기서 t _f 는 펄스 하강시간인 고전압 고주파 스위칭 회로.
제12항에 있어서,
상기 출력이 이온들을 표면으로 가속하는 데 사용되는 플라즈마 내의 음의 바이어스 전압을 산출하는 고전압 고주파 스위칭 회로.
제12항에 있어서,
상기 출력이, 상기 고전압 스위칭 전원이 고전압 펄스를 공급하지 않을 때 -2 kV보다 더 큰 접지에 대한 음의 전위차를 전극 또는 기판(또는 웨이퍼 및 플라즈마)으로부터 산출하는 고전압 고주파 스위칭 회로.
1 kV보다 큰 고전압을 갖는 펄스들을 10 kHz보다 큰 주파수로 산출하는 고전압 스위칭 전원과;
1차 측과 2차 측을 갖는 변압기와;
상기 변압기의 2차 측에 전기적 접속된 출력과; 및
상기 변압기의 1차 측에 전기적 접속되고 상기 고전압 스위칭 전원의 출력에 병렬이며 직렬로 배치된 적어도 하나의 레지스터와 적어도 하나의 인덕터와, 및 스위치를 구비하는 1차 싱크를 구비하고,
상기 출력이 1 kV보다 큰 전압을 갖는 고전압 펄스를 10 kHz보다 큰 주파수와 400 ns 미만의 펄스 하강 시간으로 산출할 수 있고, 상기 출력이 플라즈마형 부하에 전기적으로 접속되는 고전압 고주파 스위칭 회로.
제53항에 있어서,
상기 플라즈마형 부하가 크기가 20 nF 미만인 용량성 소자들을 갖는 것으로 모델링될 수 있는 고전압 고주파 스위칭 회로.
제53항에 있어서,
상기 플라즈마형 부하가 이온들을 표면에 가속시키도록 설계되는 고전압 고주파 스위칭 회로.
제53항에 있어서,
상기 고전압 고주파 스위칭 전원의 동작을 통해 이온들을 표면에 가속시키는 전위가 설정되는 고전압 고주파 스위칭 회로.
제53항에 있어서,
상기 플라즈마형 부하가 성질상 주로 용량성인 고전압 고주파 스위칭 회로.
제53항에 있어서,
상기 플라즈마형 부하가 유전체 장벽 방전을 포함하는 고전압 고주파 스위칭 회로.
제53항에 있어서,
상기 고전압 고주파 스위칭 전원이 100 kHz보다 큰 피크 출력을 이송하는 고전압 고주파 스위칭 회로.
제53항에 있어서,
상기 고전압 스위칭 전원이 전원과, 적어도 하나의 스위치와, 및 승압 변압기를 구비하는 고전압 고주파 스위칭 회로.