TWI762416B - 射頻電漿系統 - Google Patents

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Abstract

本案提供一種不需要匹配網路的多種射頻（RF）電漿系統。在一些實施例中，RF電漿系統包含儲能電容器、開關電路、諧振電路以及能量回復電路。開關電路耦合於儲能電容器，開關電路產生具有脈波振幅和脈波頻率的複數脈波，且脈波振幅大於100伏特。在一些實施例中，諧振電路耦合於開關電路，諧振電路包含具有初級側和次級側的變壓器，並且包含電容器、電感器和電阻器中至少其中一個。在一些實施例中，諧振電路具有實質上等於脈波頻率的諧振頻率，並且諧振電路增加脈波幅度至大於2千伏特的電壓。

Description

射頻電漿系統
本案是關於一種可變輸出阻抗射頻產生器。
射頻激勵式氣態放電在薄膜製程技術中的應用已成為一種標準。最常用的最簡單之幾何形狀為兩個平面電極其之間施加電壓。這種平面射頻電漿反應器的示意圖如圖1所示，電漿透過電漿鞘與各電極分離。
在電漿容積中產生的正離子加速通過電漿鞘並到達電極時具有離子能量分佈函數（IEDF），離子能量分佈函數決定於跨鞘的時間相關電位差之大小和波形、氣體壓力、反應器的物理幾何形狀和/或其他因素。離子轟擊能量分佈可決定在薄膜蝕刻中離子衝擊引起的表面損傷等的非均向性程度。
在一些實施例中，一種射頻（RF）系統包含儲能電容器、開關電路、諧振電路及能量回復電路。在一些實施例中，開關電路可耦合於儲能電容器。在一些實施例中，開關電路產生具有脈波振幅及脈波頻率的複數脈波，其中脈波振幅可大於100伏特。在一些實施例中，諧振電路可耦合於開關電路並且可包含具有初級側和次級側的變壓器以及電容器、電感器和電阻器中的至少其中之一。在一些實施例中，諧振電路具有實質上等於脈波頻率的諧振頻率，並且諧振電路將脈波振幅增加到大於2千伏特（kV）的電壓。在一些實施例中，能量回復電路可耦合於儲能電容器及變壓器的次級側，能量回復電路包含二極體和電感器。
在一些實施例中，RF系統包含電漿腔室耦合於諧振電路。在一些實施例中，開關電路包含全橋驅動器及半橋驅動器之兩者中之任一者。
在一些實施例中，諧振電路包含電感器，且諧振頻率包含
Figure 02_image001
，其中電感值L包含變壓器的任何雜散電感值和電感器的電感值，並且電容值C包含變壓器的任何雜散電容值。
在一些實施例中，諧振電路包含電容器，且諧振頻率包含
Figure 02_image001
，其中電感值L包含變壓器的任何雜散電感值，並且電容值C包含變壓器的任何雜散電容值和電容器的電容值。
在一些實施例中，包含一種RF系統，RF系統包含儲能電容器、開關電路、諧振電路及電漿腔室。在一些實施例中，開關電路可耦合於儲能電容器。在一些實施例中，開關電路產生具有脈波振幅和脈波頻率的複數脈波，其中脈波振幅可以大於100伏特。在一些實施例中，諧振電路可與開關電路耦合並且可包含具有初級側和次級側的變壓器以及電容器、電感器和電阻器中的至少其中之一。在一些實施例中，諧振電路具有實質上等於脈波頻率的諧振頻率，並且諧振電路將脈波振幅增加到大於2kV的電壓。在一些實施例中，電漿腔室耦合於諧振電路。
在一些實施例中，RF電漿系統可包含與諧振電路耦合的變壓器。在一些實施例中，RF電漿系統可包含電阻性輸出級。在一些實施例中，RF電漿系統可包含能量回復級。在一些實施例中，RF電漿系統可包含偏壓補償電路。
在一些實施例中，變壓器的電感值L和/或電容值C之其中之一者或兩者根據
Figure 02_image001
決定諧振頻率。
在一些實施例中，諧振頻率包含
Figure 02_image001
，電感值L為變壓器的任何雜散電感值，電容值C為變壓器的任何雜散電容值。
在一些實施例中，高壓切換式電源供應器包含全橋驅動器及半橋驅動器之兩者中之任一者。
在一些實施例中，高壓切換式電源供應器自400千赫茲（kHz）、0.5百萬赫茲（MHz）、2.0百萬赫茲（MHz）、4.0百萬赫茲（MHz）、13.56百萬赫茲（MHz）、27.12百萬赫茲（MHz）、40.68百萬赫茲（MHz）及50百萬赫茲（MHz）的群組中選擇頻率進行驅動。
在一些實施例中包含一種RF系統，RF系統包含高壓切換式電源供應器、電感性耦合之電漿源和電容器。在一些實施例中，高壓切換式電源供應器產生具有脈波振幅和脈波頻率的複數脈波，脈波幅度大於100伏特。在一些實施例中，電感性耦合電漿源包含線圈，線圈電性耦合於高壓切換式電源供應器。在一些實施例中，電容器及電感性耦合電漿源的電感值以實質上等於脈波頻率的諧振頻率諧振。
在一些實施例中，諧振頻率包含
Figure 02_image001
，電感值L為電感性耦合之電漿源的電感值，以及電容值C為電容器的電容值。在一些實施例中，高壓切換式電源供應器包含全橋驅動器及半橋驅動器之兩者中之任一者。
在一些實施例中，包含一種RF系統，RF系統包含高壓切換式電源供應器、電容性耦合電漿及電感器。在一些實施例中，高壓切換式電源供應器產生具有脈波振幅和脈波頻率的複數脈波，脈波振幅大於100伏特。在一些實施例中，電感器和電容性耦合電漿的電容值形成具有實質上等於脈波頻率之諧振頻率的諧振電路。
在一些實施例中，諧振頻率包含
Figure 02_image001
，電感值L為電感器的電感值，以及電容值C為電容性耦合電漿的電容值。在一些實施例中，高壓切換式電源供應器包含全橋驅動器及半橋驅動器之兩者中之任一者。
這些實施例並不是為了限制或限定本發明，而是提供示例以幫助理解本發明，並在實施方式中討論了額外的實施例，以提供進一步的描述。通過檢查本說明書或通過實踐所呈現的一個或多個實施例，可以進一步理解由一個或多個實施例所提供的優點。
在一些實施例中，本案提出了在不使用匹配網路的情況下提供切換式電源於電漿腔室的系統和方法。請參照圖1，典型的射頻（RF）驅動器105需要匹配網路110，例如，為了確保射頻（RF）驅動器105的阻抗值與電漿腔室115的阻抗值匹配，匹配網路110可包含變壓器、電阻器、電感器、電容器和/或傳輸線中的之一或是任意組合。通常，匹配網路110可能需調諧以確保RF驅動器105的阻抗值與電漿腔室115的阻抗值匹配，而所述調諧可需於電漿處理期間進行。但是，匹配網路的調諧速度可能相對較慢（例如，最多只需要不到幾十或幾百毫秒的時間來調整），這可能在實時調諧上不被允許。
本案公開描述中的實施例包含用於在不具有匹配網路的情況下驅動至電漿腔室的切換式電源的過程和電路。在一些實施例中，全（或半）橋電路可用於根據諧振頻率驅動諧振電路。由於諧振電路根據諧振頻率被驅動，諧振電路的輸出電壓可高於輸入電壓。在一些實施例中，所述諧振條件可允許幾百伏特的驅動電壓在變壓器處產生約4千伏特（kV）或更高的輸出電壓。
本案中所使用的名稱「高電壓」可含有電壓為大於約500伏特（V）、1千伏特（kV）、10千伏特（kV）、20千伏特（kV）、50千伏特（kV）、100千伏特（kV）等；名稱「高頻率」可為頻率為高於約100赫茲（Hz）、250赫茲（Hz）、500赫茲（Hz）、750赫茲（Hz）、1千赫茲（kHz）、10千赫茲（kHz）、100千赫茲（kHz）、200千赫茲（kHz）、500千赫茲（kHz）、1百萬赫茲（MHz）、10百萬赫茲（MHz）、50百萬赫茲（MHz）、100百萬赫茲（MHz）等；名稱「快速上升時間」可含有上升時間為小於約1奈秒（ns）、10奈秒（ns）、50奈秒（ns）、100奈秒（ns）、250奈秒（ns）、500奈秒（ns）、1,000奈秒（ns）等；名稱「短脈波寬度」可含有脈波寬度為小於約1奈秒（ns）、10奈秒（ns）、50奈秒（ns）、100奈秒（ns）、250奈秒（ns）、500奈秒（ns）、1000奈秒（ns）等。
請參照圖2，圖2是用於RF驅動器105的等效電路模型200的示意圖。RF驅動器105可以是RF電源供應器，並且是電漿腔室115的等效電路。在所述示例中，電壓VRF 是來自具有匹配網路110之RF驅動器105所施加的RF訊號之電壓。電位VT 和電位VP 分別為目標電極的電位及電漿的電位。另外，電位VSS = VP 和電位VST = VT -VP 分別是跨基板或腔室壁電漿鞘（電位VSS ）和目標電漿鞘（電位VST ）的電壓。阻隔電容器表示為電容器C2；以電容器C3和電流IT 分別表示電容器和通過與目標電極相鄰的鞘的傳導電流，而電容器C9和電流IS 分別表示電容器的對應值和與提供給基板電極相鄰的鞘的電流的對應值。
在一些實施例中，相對於本案中描述的對於電漿電子密度和電壓頻率的鞘電阻值，電漿的電性電阻值可為較小。然而，含有電漿電阻值不會給電路模型帶來任何複雜性。
請參照圖3，圖3示例了跨電漿反應器（例如圖1及圖2中所示）的電位VT 以及對於目標電極及基底電極之相等面積的電漿電位VP 的波形。圖4示例了與如圖1所示之與目標電極相鄰的電漿鞘上的電位VST 以及其中面積AT 和面積AS 分別是目標電極與基板電極的面積，對於AT /AS = 0.2之跨基板電極鞘的電位VSS 的計算波形。如圖4所示為鞘電位從0至-450V的半正弦波。
請參照圖5，圖5是根據不具有匹配網路的驅動器與腔室電路500之一些實施例之方塊示意圖。驅動器與腔室電路500可包含RF驅動器505，其中RF驅動器505可包含電壓源及全橋驅動器或半橋驅動器或等效驅動器。驅動器與腔室電路500可包含具有變壓器和諧振元件的諧振電路510。驅動器與腔室電路500更可包含與諧振電路510電性耦合的半波整流器515。電阻性輸出級520（或能量回復電路）可耦合於半波整流器。偏壓補償電路525可耦合於電阻性輸出級520。電漿與腔室530以及電漿可耦合於與偏壓補償電路525。
請參照圖6，圖6是根據驅動器與腔室電路600之一些實施例的電路示意圖。
在此示例中，驅動器與腔室電路600可包含RF驅動器605。RF驅動器605例如可以是如圖6所示的半橋驅動器或全橋驅動器。RF驅動器605可包含輸入電壓源電壓V1，其中輸入電壓源電壓V1可以是直流（DC）電壓源（例如，電容性源、交流-直流轉換器等）。在一些實施例中，RF驅動器605可包含四個開關S1、S2、S3和S4。在一些實施例中，RF驅動器605可包含串聯或並聯的多個開關S1、S2、S3和S4。這些開關S1、S2、S3和S4可包含任何類型的固態開關，例如絕緣柵雙極電晶體（IGBTs）、金屬氧化物半導體場效電晶體（MOSFETs）、碳化矽金屬氧化物半導體場效電晶體（SiC MOSFETs）、SiC接面電晶體（junction transistors）、場效電晶體（FETs）、SiC開關、氮化鎵（GaN）開關及光電導開關等。這些開關S1、S2、S3和S4可於高頻率切換和/或可產生高電壓脈波。這些頻率可為例如含有大約400 kHz、0.5 MHz、2.0 MHz、4.0 MHz、13.56 MHz、27.12 MHz、40.68 MHz、50 MHz等的頻率。
開關S1、S2、S3、S4之每個開關可並聯耦合於相應的二極體D1、D2、D3、D4，並且可包含代表電感器L1、L2、L3、L4的雜散電感值。在一些實施例中，電感器L1、L2、L3、L4的電感值可以為相等。在一些實施例中，電感器L1、L2、L3、L4的電感值可小於約50奈亨利（nH）、100奈亨利（nH）、150奈亨利（nH）、500奈亨利（nH）、1000奈亨利（nH）等。開關（S1、S2、S3或S4）和相對應的二極體（D1、D2、D3或D4）的組合可以串聯耦合於相對應的電感器（L1、L2、L3或L4）。電感器L3及電感器L4接地。電感器L1連接於開關S4及諧振電路610，並且電感器L2連接於開關S3及諧振電路610的相對側。
在一些實施例中，RF驅動器605可耦合於諧振電路610。諧振電路610可包含與變壓器T1耦合的諧振電感器L5和/或諧振電容器C2。諧振電路610可以包含諧振電阻器R5之電阻值，舉例來說，諧振電阻器R5之電阻值可包含RF驅動器605和諧振電路610之間的任何引線和/或諧振電路610內的任何組件的雜散電阻值，例如，變壓器T1、電容器C2和/或電感器L5。在一些實施例中，諧振電阻器R5之電阻值僅包含導線、走線或電路元件的雜散電阻值。儘管其他電路元件的電感值和/或電容值可能會影響驅動頻率，但可透過選擇諧振電感器L5和/或為諧振電容器的電容器C2大幅度地設定驅動頻率。鑒於雜散電感值或雜散電容值，可需要更進一步改進和/或調諧以產生適當的驅動頻率。另外，透過改變電感器L5和/或電容器C2，可以調整在變壓器T1上的上升時間，提供如下：
Figure 02_image003
在一些實施例中，電感器L5的大電感值可導致較慢或較短的上升時間，這些值也可能影響叢發（burst）包絡。如圖17所示，每個叢發可以包含暫態脈波和穩態脈波。每個叢發之間的暫態脈波可由電感器L5和/或系統的Q值設定，直到在穩態脈波期間達到滿電壓為止。如果RF驅動器605中的開關以諧振頻率
Figure 02_image005
切換，則變壓器T1的輸出電壓將被放大。在一些實施例中，諧振頻率可為大約400 kHz、0.5 MHz、2.0 MHz、4.0 MHz、13.56 MHz、27.12 MHz、40.68 MHz、50 MHz等。
在一些實施例中，諧振電容器C2可包含變壓器T1的雜散電容值和/或物理性電容器。在一些實施例中，諧振電容器C2可具有大約10微法拉（𝜇F）、1微法拉（𝜇F）、100微法拉（𝜇F）、10微法拉（𝜇F）等的電容值。在一些實施例中，諧振電感器L5可包含變壓器T1的雜散電感值和/或物理性電感器。在一些實施例中，諧振電感器L5可具有大約50nH、100nH、150nH、500nH、1,000nH等的電感值。在一些實施例中，諧振電阻器R5可具有大約10歐姆（ohms）、25歐姆（ohms）、50歐姆（ohms）、100歐姆（ohms）、150歐姆（ohms）、500歐姆（ohms）等的電阻值。
在一些實施例中，諧振電阻器R5可代表實體電路內的導線、走線和/或變壓器繞組的雜散電阻值。在一些實施例中，諧振電阻器R5可具有約10毫歐姆（mohms）、50毫歐姆（mohms）、100毫歐姆（mohms）、200毫歐姆（mohms）、500毫歐姆（mohms）等的電阻值。
在一些實施例中，變壓器T1可包含如標題為“高壓變壓器”的美國專利申請號15/365,094中所公開的變壓器，專利申請案之說明書併入本案。在一些實施例中，可以透過改變開關S1、S2、S3和/或S4的工作週期（duty cycle）（例如，開關「接通（on）」時間或開關導通的時間）來改變諧振電路610的輸出電壓。例如，工作週期越長則輸出電壓越高；工作週期越短輸出電壓越低。在一些實施例中，可以透過調整RF驅動器605中的開關的工作週期來改變或調諧諧振電路610的輸出電壓。
舉例來說，可透過改變訊號Sig1的工作週期來調整開關的工作週期以開路（open）和導通（close）開關S1；改變訊號Sig2的工作週期以開路和導通開關S2；改變訊號Sig3的工作週期以開路和導通開關S3；以及改變訊號Sig4的工作週期以開路和導通開關S4。例如，透過調整開關S1、S2、S3或S4的工作週期，可以控制諧振電路610的輸出電壓。
在一些實施例中，諧振電路610中的每個開關S1、S2、S3或S4可以獨立地或與一個或多個其他開關結合被切換。例如，訊號Sig1可為與訊號Sig3相同的訊號。作為另一示例，訊號Sig2可為與訊號Sig4相同的訊號。作為另一示例，每個訊號可以是獨立的，並且可以獨立地或分別地控制每個開關S1、S2、S3或S4。
在一些實施例中，諧振電路610可耦合於半波整流器615，半波整流器615可以包含阻隔二極體D7。
在一些實施例中，半波整流器615可耦合於電阻性輸出級620。電阻性輸出級620可包含本領域中熟知的任何電阻性輸出級。例如，電阻性輸出級620可包含在標題為“高電壓電阻性輸出級電路”的美國專利申請號16/178,538中描述的任何電阻性輸出級，專利申請案之說明書併入本案。
例如，電阻性輸出級620可包含電感器L11、電阻器R3、電阻器R1及電容器C11。在一些實施例中，電感器L11可含有大約5微亨利（𝜇H）至大約25微亨利（𝜇H）的電感值。在一些實施例中，電阻器R1可含有大約50歐姆（ohms）至大約250歐姆（ohms）的電阻值。在一些實施例中，電阻器R3可在電阻性輸出級620中包含雜散電阻值。
在一些實施例中，電阻器R1可以包含串聯和/或並聯設置的複數電阻器。電容器C11可代表電阻器R1的雜散電容值，包含設置串聯和/或並聯電阻器的電容值。例如，電容器C11之雜散電容值可小於500皮法拉（pF）、250皮法拉（pF）、100皮法拉（pF）、50皮法拉（pF）、10pF皮法拉（pF）、1皮法拉（pF）等。例如，電容器C11之雜散電容值可小於負載電容值例如小於電容器C2、電容器C3和/或電容器C9的電容值。
在一些實施例中，電阻器R1可以使負載放電（例如，電漿鞘電容值）。在一些實施例中，電阻性輸出級620可用以在每個脈波週期中放電超過大約1千瓦（kilowatt）的平均能量，和/或在每脈波週期中放電一焦耳（joule）或更少能量。在一些實施例中，電阻性輸出級620中的電阻器R1的電阻值可以小於200歐姆（ohms）。在一些實施例中，電阻器R1可以包含串聯或並聯設置的複數電阻，其具有小於大約200皮法拉（pF）的組合電容值（例如，電容器C11之電容值）。
在一些實施例中，電阻性輸出級620可以包含電路元件的集合，電路元件的集合可以用於控制負載上的電壓波形之形狀。在一些實施例中，電阻性輸出級620可以僅包含無源元件（例如，電阻器、電容器、電感器等）。在一些實施例中，電阻性輸出級620可包含有源電路元件（例如，開關）以及無源電路元件。在一些實施例中，例如，電阻性輸出級620可用於控制波形的電壓上升時間和/或波形的電壓下降時間。
在一些實施例中，電阻性輸出級620可釋放電容性負載（例如，晶圓（wafer）和/或電漿）。例如，所述電容性負載可以具有較小的電容值（例如，大約10皮法拉（pF）、100皮法拉（pF）、500皮法拉（pF）、1奈法拉（nF）、10奈法拉（nF）、100奈法拉（nF）等）。
在一些實施例中，電阻性輸出級可用於具有高脈波電壓（例如，大於1 kV、10 kV、20 kV、50 kV、100 kV等的電壓）和/或高頻率（例如，大於1 kHz、10 kHz、100 kHz、200 kHz、500 kHz、1 MHz等的頻率）和/或約400 kHz、0.5 MHz、2.0 MHz、4.0 MHz、13.56 MHz、27.12 MHz、40.68 MHz、50 MHz等頻率脈波的電路中。
在一些實施例中，可選擇電阻性輸出級以處理高平均能量、高峰值能量、快速上升時間和/或快速下降時間。例如，平均額定能量可能大於約0.5千瓦（kW）、1.0千瓦（kW）、10千瓦（kW）、25千瓦（kW）等，和/或峰值額定能量可能大於約1千瓦（kW）、10千瓦（kW）、100千瓦（kW）、1百萬瓦（MW）等。
在一些實施例中，電阻性輸出級620可包含無源部件的串聯或並聯網路。例如，電阻性輸出級620可以包含電阻器、電容器及電感器的串聯。作為另一示例，電阻性輸出級620可包含與電感器並聯的電容器以及與電阻器串聯的電容器-電感器組合。例如，可以選擇足夠大的電感器L11，以便在整流器之外有電壓時，不會有大量能量注入電阻性輸出級。可以選擇電阻器R3和電阻器R1的值使L/R時間可比RF頻率更快地耗盡負載中適當的電容器。
在一些實施例中，電阻性輸出級620可耦合於偏壓補償電路625。偏壓補償電路625可包含本領域中已知的任何偏壓和/或偏壓補償電路。例如，偏壓補償電路625可包含在標題為“奈秒脈波器偏壓補償”的美國專利申請號16/523,840中描述的任何偏壓和/或偏壓補償電路，專利申請案之說明書併入本案。
在一些實施例中，偏壓補償電路625可包含為偏壓電容器C7、阻隔電容器C12、阻隔二極體D8、開關S8（例如，高壓開關）、偏移供應電壓V1、電阻器R2之電阻值和/或電阻器R4之電阻值。在一些實施例中，開關S8包含高壓開關，高壓開關在標題為“用於奈秒脈波的高壓開關”的美國專利申請號62/717,637和/或標題為“用於奈秒脈波的高壓開關”的美國專利申請號16/178,565中描述，專利申請案之說明書併入本案。
在一些實施例中，偏移供應電壓V5可包含可正向或負向偏壓輸出電壓的DC電壓源。在一些實施例中，電容器C12可以將偏移供應電壓V5與電阻性輸出級620和/或其他電路元件隔離/分離。在一些實施例中，偏壓補償電路625可以允許能量從電路的一個部分電位移到另一部分。在一些實施例中，當高壓脈波在腔室內作用時，偏壓補償電路625可用於將晶圓保持在適當位置。電阻器R2之電阻值可以保護/隔離來自驅動器的DC偏壓電源。
一些實施例中，可以在RF驅動器605脈動時開路（open）開關S8，而在RF驅動器605不脈動時導通（close）開關S8。當導通（close）時，開關S8可以例如使阻隔二極體D8兩端的電流短路。短路電流可允許晶圓與夾盤之間的偏壓小於2kV，其在可接受的公差內。
在一些實施例中，電漿與腔室630可耦合於偏壓補償電路625。例如，電漿與腔室630可以由圖6所示的各種電路元件表示。
圖6不包含傳統的匹配網路，例如50 ohm的匹配網路或外部匹配網路或獨立的匹配網路。實際上，本案中描述的實施例不需要50 ohm的匹配網路來調諧應用於晶圓室的開關能量。另外，本案中描述的實施例提供非傳統匹配網路的可變輸出阻抗RF產生器，其可允許快速改變由電漿腔室取得的能量。通常匹配網路的這種調整可能至少需要100微秒（µs）-200微秒（µs）。在一些實施例中，能量變化可以在一個或兩個RF週期內發生，例如在400 kHz時為2.5µs-5.0µs。
圖7是在600µs的時間範圍內跨變壓器T1（紅色）、在極點（綠色）和在晶圓（藍色）上的電壓的波形圖。圖8是10µs時間範圍內的波形放大圖。
圖9是根據RF驅動器900之一些實施例的電路圖。RF驅動器900例如可以包含RF驅動器605、諧振電路610、偏壓補償電路625以及電漿與腔室630。RF驅動器900類似於驅動器與腔室電路600，但不具有電阻性輸出級620並且包含能量回復電路905。
在此示例中，能量回復電路905可位於變壓器T1的次級側上或電性耦合於變壓器T1的次級側。能量回復電路905例如可以包含跨變壓器T1之次級側的二極體D9（例如，撬棍二極體）。能量回復電路905例如可以包含二極體D12和電感器L12（串聯設置），其允許電流從變壓器T1的次級側流動以對為電源供應器之電容器C7充電並且電流可以流動至電漿與腔室630。二極體D12和電感器L12可以與變壓器T1的次級側電性連接並且耦合於電容器C7。在一些實施例中，能量回復電路905可包含與變壓器T1的次級測電性耦合的二極體D13和/或電感器L13。電感器L12可以代表雜散電感值和/或可包含變壓器T1的雜散電感值。
當奈秒脈波產生器啟動時，電流可為電漿與腔室630充電（例如，為電容器C3、電容器C2或電容器C9充電）。例如，當變壓器T1的次級側上的電壓升高到高於電容器C7上的充電電壓時，一些電流可能會流經電感器L12。當奈秒脈波產生器關閉時，電流可從電漿與腔室630中的電容器流過電感器L12以對電容器C7充電，直到跨越電感器L12的電壓為零。二極體D9可以防止電漿與腔室630中的電容器因電漿與腔室630或偏壓補償電路625中的電感值而振鈴（ringing）。
二極體D12可以例如防止電荷從電容器C7流到電漿與腔室630內的電容器。
可以選擇電感器L12的值來控制電流下降時間。在一些實施例中，電感器L12的電感值可以在1微亨利（µH）至500微亨利（µH）之間。
在一些實施例中，能量回復電路905可包含可用於控制流過電感器L12的電流的開關。開關例如可與電感器L12串聯設置。在一些實施例中，當開關S1開路（open）和/或不再脈動以允許電流從電漿與腔室630流回到電容器C7時，開關可導通（close）。
能量回復電路905中的開關例如可以包含高壓開關，例如，在2018年11月1日提出的標題為“具隔離電源之高壓開關”的美國專利申請號16/178,565中描述的高壓開關，其聲明於2018年8月10日提出的美國臨時專利申請號62/717,637的優先權，其全部內容透過引用併入本案。在一些實施例中，RF驅動器605可包含高壓開關以代替或除外如RF驅動器605中所示的各種組件。在一些實施例中，使用高壓開關可以允許至少可移除變壓器T1和開關S1。
圖10是根據驅動器與腔室電路1000之一些實施例的電路圖。驅動器與腔室電路1000例如可以包含RF驅動器605、諧振電路610、電阻性輸出級620以及電漿與腔室630。因此，驅動器與腔室電路1000類似於不具有偏壓補償電路625的驅動器與腔室電路600。
圖11為驅動器與腔室電路1100之一些實施例的電路圖示意圖。驅動器與腔室電路1100例如可包含RF驅動器605、諧振電路610、能量回復電路905以及電漿與腔室630。因此，驅動器與腔室電路1100類似於不具有偏壓補償電路625的為驅動器與腔室電路之RF驅動器900。
圖12是根據驅動器與電感性放電電漿1200之一些實施例的電路圖。驅動器與電感性放電電漿1200例如可為RF驅動器605、諧振電路610和電感性放電電漿1205。在示例中，電感器L5可包含耦合於電感性放電電漿1205的天線，變壓器T1可至少部分地由電感器L5表示電感性放電電漿1205如何地耦合天線。電容器C2可與電感器L5諧振以決定諧振頻率。RF驅動器605可產生以所述諧振頻率驅動的脈波。
圖13是根據驅動器與電容性放電電漿1300之一些實施例的電路圖。驅動器與電容性放電電漿1300例如可為RF驅動器605、包含變壓器的諧振電路1310及電漿與腔室630。電容器C1可代表放電幾何電容值、電路中的任何雜散電容值或電路中的任何電容器的電容值。電感器L5可以代表電路中任何雜散電感器的電感值或電路中任何電感器的電感值。RF驅動器605可以以實質上等於諧振電路之諧振頻率的脈波頻率來驅動諧振電路1310。
在一些實施例中，諧振電路610中的每個開關S1、S2、S3或S4可以獨立地或與一個或多個其他開關結合地被切換。例如，訊號Sig1可以是相同於訊號Sig3的訊號。作為另一示例，訊號Sig2可以是相同於訊號Sig4的訊號。作為另一示例，每個訊號可以是獨立的，並且可以獨立地或分別地控制每個開關S1、S2、S3或S4。
在一些實施例中，變壓器T1可包含或可不包含在驅動器與電容性放電電漿1300中。
圖14A、14B、15A和15B為可代替圖6中的諧振電路610之諧振電路的一些實施例的電路圖。這些電路可包含也可不包含每個圖中所示的變壓器。
圖16是跨變壓器T1（紅色）、在極點（綠色）和在晶圓（藍色）兩處的電壓的連續波形。
圖17是跨變壓器T1（紅色）、在極點（綠色）和在晶圓（藍色）兩處的電壓的短叢發波形，波形顯示了22.5 µs長叢發。
圖18是跨變壓器T1（紅色）、在極點（綠色）和在晶圓（藍色）兩處的一系列短叢發的波形。波形顯示了重複的22.5 µs長叢發。在本案中描述的一些實施例提供了可以調整時間安排的系統。例如，透過改變對於開關S1、S2、S3或S4的驅動之訊號（Sig1、Sig2、Sig3或Sig4），叢發中的脈波數量、頻率、叢發數量和/或叢發工作週期皆可被調整。
在一些實施例中，在任何電路中示出之偏壓補償電路625中的二極體D8和電容器C7可以設置成帶狀線，使得電流以U形路徑流動。例如，帶狀線可能是一條被介電材料所包圍之傳輸走線，介電材料懸置於印刷電路板（PCB）內層的兩個接地層之間。在一些實施例中，二極體D8和電容器C7之間的間隔可以被最大化。在一些實施例中，二極體D8和電容器C7帶狀線盡可能寬，例如10、8、6、4、3、2、1、1/2英寸（inches）。
在一些實施例中，可以透過將標記點124連接到二極體D8的輸入端（例如，在雜散電感值L22處）來最小化或消除引線電感值L22。在一些實施例中，可以透過將電容器C7的低側（例如，在雜散電感值L24處）直接接地來最小化或消除雜散電感值L24。
在示例中，偏壓補償電路625包含在二極體D8與標記點124之間的雜散電感值L22、在二極體D8與電容器C7之間的雜散電感值之L23或在電容器C7與地之間的雜散電感值L24。驅動器與腔室電路500包含電漿側電感值和開關側電感值。例如，為雜散的電漿側電感值可包含所有電感值，無論是雜散、寄生還是來自偏壓補償電路625與電漿與腔室630之間的任何元件的電感值，例如電感器L9以及在電路此側上之任何其他雜散電感值。開關側電感值例如可以包含所有電感值，無論是雜散、寄生還是來自偏壓補償電路625與開關S1之間的任何元件的電感值，例如電感器L11、L5、L1、L2、L3和/或電感器L4，以及電路此側的任何其他雜散電感值。
在一些實施例中，開關側電感值應大於電漿側雜散電感值。在一些實施例中，電漿側雜散電感值是開關側電感值的20%。在一些實施例中，電漿側雜散電感值小於大約1 nH、10 nH、100 nH、1 µH等。
在一些實施例中，雜散電感值L22具有小於約1 nH、10 nH、100 nH、1 µH等的電感值。在一些實施例中，雜散電感值L23具有小於約1 nH、10 nH、100 nH、1 µH的電感值。在一些實施例中，雜散電感值L24具有小於約1 nH、10 nH、100 nH、1 µH等的電感值。在一些實施例中，雜散電感值L22、L23及L24之和小於約1 nH、10 nH、100 nH、1 µH等。
在一些實施例中，可以以各種方式使雜散電感值L22、L23或L24最小化。例如，沿著雜散電感值L22、L23或L24的導體可以比工業標準寬，例如大於1/8、1/4、3/8、1/2、1、2.5、5英寸等。作為另一個示例，各種電路元件例如二極體D8或電容器C7可以包含並聯或串聯的多個二極體或電容器。
在一些實施例中，可以最小化元件之間的距離以減小雜散電感值。 例如，各種偏置補償電路元件之間的頂部導體和底部導體之間的間隔小於大約1、2、5、15、20、25、30、35、40公分（cm）。作為另一示例，包含二極體D8的離散元件可以配置在距離標記點124或接地位置小於10、8、6、4、3、2、1、1/2英寸的範圍內。作為另一個示例，包含電容器C7的離散元件可以配置在距離標記點124或接地位置小於10、8、6、4、3、2、1、1/2英寸的範圍內。
在一些實施例中，包含二極體D8和/或電容器C7之一或二者的離散元件之體積可以小於1200、1000、750、500立方釐米(cubic centimeters)。
在一些實施例中，可以在二極體D8兩端包含電阻器R4。在一些實施例中，電阻器R4可具有小於約1千歐姆（kΩ）至1百萬歐姆（MΩ）的電阻值，例如小於約100千歐姆（kΩ）。
在一些實施例中，電容器C7可具有小於大約1微法拉（µF）或小於大約1毫法拉（mF）的電容值。電容器C7的雜散電感值可以小於約1 nH、10 nH、100 nH、1 µH等。
術語「或」是包含性的（inclusive）。
除非另有說明，否則名稱「基本上」是指在參考值的5％或10％以內或是製造容差的範圍內。除非另有說明，否則名稱「約」、「大約」是指在參考值的5％或10％以內或是製造容差的範圍內。
本案闡述了許多具體細節以提供對所要求保護的發明標的能夠透徹理解。然而，本領域通常知識者可以理解本專利保護標的在不具有這些具體細節的情況下仍是可以實踐的。在其他情況下，未詳細描述本領域通常知識者已知的方法、裝置或系統，以免模糊所要求專利保護標的。
部分描述可根據對儲存在運算系統記憶體（例如計算機記憶體）中的資料位元或二進制數位訊號運算的算法或符號表示之形式來呈現。這些算法描述或表示是資料處理領域中通常知識者用來向本領域其他知識者傳達本領域實質技術的示例。算法是一種以自我一致性序列運作或相似處理方式的演算法以得到所需結果。在這種情況下，操作或處理涉及對物理量的物理操縱。通常，儘管不是必須的，但是這些量可以電或磁訊號的形式被存儲、傳輸、組合、比較或以其他方式操縱。出於已多次證明且原則上為通用，有時將諸如這樣的訊號稱為位元、數據、值、元件、符號、字符（characters）、項次（terms）、數字、數詞（numerals）等。然而應當理解，所述和類似術語均與適當的物理量相關聯，並且僅為做為便利性標示。除非另有特別說明，否則應理解為在整個說明書中，使用諸如「處理」、「運算」、「計算」、「決定」和「標識」等術語指做運算設備的行為或過程，例如一個或多個計算機或類似一個或多個電子運算設備在運算平台的記憶體、暫存器或其他資訊儲存設備、傳輸設備或顯示設備中操作或轉換表示為物理電子或磁性量的數據。
本案討論的一個或多個系統不限於任何特定的硬體架構或配置。運算設備可為任何適當之組件的設置，其提供一個或多個輸入為條件的結果。適當的運算設備包含基於多用途微處理器的計算機系統存取儲存的軟體。所述軟體對運算系統從通用運算設備到實現本案一個或多個實施例之專用計算設備進行編程或配置。任何適當的編程、腳本或其他類型的語言或是語言的組合可用於在作為編程或配置運算設備之軟體中實現本案所包含的教示。
本案公開方法之實施例可在前述運算設備的操作中執行。上述示例中顯示的方法區塊的順序可以更改-例如，可以對區塊進行重新排序、組合和/或分為子區塊。某些區塊或過程可以並行執行。
本案中「適應於」或「配置為」的使用意味著開放且包容性的語言，其不排除設備適於或配置為執行附加任務或步驟。另外，「基於」的使用意味著開放和包容性，因為「基於」一個或多個所述條件或值的過程、步驟、計算或其他動作，可以在實踐中為被基於附加條件或超出記載所述的價值。這裡包括的標題、列表和編號僅是為了便於解釋而並非限縮本案。
雖然已經於實施例與發明內容詳細描述了本專利標的，但是應當理解，本領域通常知識者在獲得前述內容並理解後，可以容易地產生對這些實施方案的改變、變化和等同物。因此，應該理解的是，本案內容是出於示例而非限制的目的，並且不排除包括對本案的修改、變化或添加，這對於本領域通常知識者來說是顯而易見的。
105:RF驅動器 110:匹配網路 115:電漿腔室 124:標記點 200:等效電路模型 500:驅動器與腔室電路 505: RF驅動器 510:諧振電路 515:半波整流器 520:電阻性輸出級 525:偏壓補償電路 530:電漿與腔室 600:驅動器與腔室電路 605:RF驅動器 610:諧振電路 615:半波整流器 620:電阻性輸出級 625:偏壓補償電路 630:電漿與腔室 900:RF驅動器 905:能量回復電路 1000:驅動器與腔室電路 1100:驅動器與腔室電路 1200:驅動器與電感性放電電漿 1205:電感性放電電漿 1300:驅動器與電容性放電電漿 1310:諧振電路 C1:電容器 C2:電容器 C3:電容器 C7:電容器 C9:電容器 C11:電容器 C12:電容器 D1:二極體 D2:二極體 D3:二極體 D4:二極體 D7:二極體 D8:二極體 D9:二極體 D12:二極體 D13:二極體 T1:變壓器 L1:電感器 L2:電感器 L3:電感器 L4:電感器 L5:電感器 L9:電感器 L11:電感器 L12:電感器 L13:電感器 L22:電感值 L23:電感值 L24:電感值 S1:開關 S2:開關 S3:開關 S4:開關 S8:開關 R1:電阻器 R2:電阻器 R3:電阻器 R4:電阻器 R5:電阻器 VRF :電壓 V1:電壓 V5:電壓 VT :電位 VP :電位 VSS :電位 VST :電位 IT :電流 IS :電流 Sig1:訊號 Sig2:訊號 Sig3:訊號 Sig4:訊號
當參考附圖閱讀以下實施例時，將能更好地理解本案的特徵和優點。 [圖1] 係為平面射頻（RF）電漿反應器之一些實施例的示意圖。 [圖2] 係為射頻電漿反應器之一些實施例之等效電路模型的示意圖。 [圖3] 係為針對目標電極與基板電極之相等面積的跨電漿反應器之電壓VT 與電漿電位VP 的計算波形之示例。 [圖4] 係為與目標電極相鄰的電漿鞘上的電位VST 以及跨基板電極的電位VSS 的計算波形之示例。 [圖5] 係為根據射頻驅動器之一些實施例之方塊示意圖。 [圖6] 係為根據射頻驅動器之一些實施例之電路示意圖。 [圖7] 係為600秒（s）時間範圍內之跨變壓器T1（紅色）、在極點（綠色）和在晶圓（wafer）（藍色）兩端的電壓的波形圖。 [圖8] 係為10微秒（𝜇s）時間範圍內的波形放大圖。 [圖9] 係為射頻驅動器之一些實施例之電路示意圖。 [圖10] 係為射頻驅動器之一些實施例之電路示意圖。 [圖11] 係為射頻驅動器之一些實施例之電路示意圖。 [圖12] 係為射頻驅動器之一些實施例之電路示意圖。 [圖13] 係為射頻驅動器之一些實施例之電路示意圖。 [圖14A] 係為示例諧振電路之電路示意圖。 [圖14B] 係為示例諧振電路之電路示意圖。 [圖15A] 係為示例諧振電路之電路示意圖。 [圖15B] 係為示例諧振電路之電路示意圖。 [圖16] 係為跨變壓器T1（紅色）、在極點（綠色）和在晶圓（藍色）兩端的電壓的連續波形圖。 [圖17] 係為跨變壓器T1（紅色）、在極點（綠色）和在晶圓（藍色）兩端的電壓的叢發（burst）波形圖。 [圖18] 係為跨變壓器T1（紅色）、在極點（綠色）和在晶圓（藍色）兩端的電壓的顯示一系列叢發的波形圖。
105:RF驅動器
110:匹配網路
115:電漿腔室

Claims (21)

  1. 一種射頻電漿系統，包含：一儲能電容器；一開關電路，耦合於該儲能電容器，該開關電路產生具有一脈波振幅和一脈波頻率的複數脈波，該脈波振幅大於100伏特(V)；一諧振電路，耦合於該開關電路，該諧振電路包含：一變壓器，具有一初級側和一次級側；及一電路元件，該電路元件選自由一電容器、一電感器和一電阻器所組成之群組；及該諧振電路具有實質上等於該脈波頻率的一諧振頻率，並且該諧振電路增大該脈波振幅至大於2千伏特(kV)的電壓。
  2. 如請求項1所述之射頻電漿系統，更包含一電漿腔室，耦合於該諧振電路。
  3. 如請求項1所述之射頻電漿系統，其中，該開關電路包含一全橋驅動器及一半橋驅動器之兩者中之任一者。
  4. 如請求項1所述之射頻電漿系統，其中，該諧振電路包含一電感器，該諧振頻率包含
    Figure 110132165-A0305-02-0028-1
    ，其中電感值L包含該變壓器的任何雜散電感值和該諧振電路的該電感器的電感值，並且電容值C包含該變壓器的任何雜散電容值。
  5. 如請求項1所述之射頻電漿系統，其中，該諧振電路包含一電容器，該諧振頻率包含
    Figure 110132165-A0305-02-0028-3
    ，其中電感值L包含該變壓器的任何雜散電感 值，並且電容值C包含該變壓器的任何雜散電容值和該諧振電路的該電容器的電容值。
  6. 一種射頻電漿系統，包含：一高壓切換式電源供應器，產生具有一脈波振幅和一脈波頻率的複數脈波，該脈波振幅大於100伏特(V)；一諧振電路，耦合於該高壓切換式電源供應器，該諧振電路具有實質上等於該脈波頻率的一諧振頻率，並且該諧振電路將該複數脈波的脈波振幅增大到大於2千伏特(kV)的電壓；及一電漿腔室，耦合於該諧振電路。
  7. 如請求項6所述之射頻電漿系統，更包含一能匯級，耦合於該電漿腔室，以釋放該電漿腔室之能量。
  8. 如請求項7所述之射頻電漿系統，其中，該能匯級包含一電阻性輸出級。
  9. 如請求項7所述之射頻電漿系統，其中，該能匯級包含一能量回復級，適於允許電流從一變壓器的次級側流動以對一儲能電容器充電。
  10. 如請求項6所述之射頻電漿系統，更包含一變壓器，該變壓器耦合於該諧振電路。
  11. 如請求項6所述之射頻電漿系統，更包含一偏壓補償電路。
  12. 如請求項6所述之射頻電漿系統，其中，一變壓器的電感值L和/或電容值C之其中之一或兩者根據
    Figure 110132165-A0305-02-0029-4
    決定該諧振頻率。
  13. 如請求項6所述之射頻電漿系統，其中，該諧振頻率為
    Figure 110132165-A0305-02-0030-5
    ，電感值L為一變壓器的任何雜散電感值，電容值C為該變壓器的任何雜散電容值。
  14. 如請求項6所述之射頻電漿系統，其中，該高壓切換式電源供應器包含一全橋驅動器及一半橋驅動器之兩者中之任一者。
  15. 如請求項7所述之射頻電漿系統，其中，該高壓切換式電源供應器自400千赫茲(kHz)、0.5百萬赫茲(MHz)、2.0百萬赫茲(MHz)、4.0百萬赫茲(MHz)、13.56百萬赫茲(MHz)、27.12百萬赫茲(MHz)、40.68百萬赫茲(MHz)及50百萬赫茲(MHz)的群組中選擇一頻率進行驅動。
  16. 一種射頻電漿系統，包含：一儲能電容器；一高壓切換式電源供應器，耦合於該儲能電容器，該高壓切換式電源供應器產生具有一脈波振幅和一脈波頻率的複數脈波，該脈波振幅大於100伏特(V)，並且該脈波頻率大於100千赫茲(kHz)；一電感性耦合之電漿源，包含一線圈，該線圈電性耦合於該高壓切換式電源供應器；及一電容器，其中該電容器及該電感性耦合之電漿源的電感值以實質上等於該脈波頻率的一諧振頻率諧振。
  17. 如請求項16所述之射頻電漿系統，其中，該諧振頻率包含
    Figure 110132165-A0305-02-0030-6
    ，電感值L包含該電感性耦合之電漿源的電感值，以及電容值C包含該電容器的電容值。
  18. 如請求項16所述之射頻電漿系統，其中，該高壓切換式電源供應器包含一全橋驅動器及一半橋驅動器之兩者中之任一者。
  19. 一種射頻電漿系統，包含：一儲能電容器；一高壓切換式電源供應器，耦合於該儲能電容器，該高壓切換式電源供應器產生具有一脈波振幅和一脈波頻率的複數脈波，該脈波振幅大於100伏特(V)，並且該脈波頻率大於100千赫茲(kHz)；一電容性耦合之電漿；及一電感器，其中該電感器和該電容性耦合之電漿的電容值形成一諧振電路，該諧振電路具有一諧振頻率，該諧振頻率實質上等於該脈波頻率。
  20. 如請求項19所述之射頻電漿系統，其中，該諧振頻率為
    Figure 110132165-A0305-02-0031-7
    ，電感值L為該電感器的電感值，該電容值C為該電容性耦合之電漿的電容值。
  21. 如請求項19所述之射頻電漿系統，其中，該高壓切換式電源供應器包含一全橋驅動器及一半橋驅動器之兩者中之任一者。
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