具体实施方式

图1示出了偏置电压波形发生器(BVG)10在电感耦合等离子体(ICP)设备100中的典型用途之一，其中，BVG 10通过控制衬底工作台电压来控制衬底101(通常为晶圆)的电压。在等离子体反应器102中，通过将等离子体形成气体104引入被感应线圈107包围的介电管108中来生成等离子体103。该布置形成等离子体喷枪，该等离子体喷枪将等离子体103朝向其上放置有衬底101的平台105(衬底工作台)引导。可选地，可以将前体109引入等离子体反应器102中。通过RF电源120和本领域已知的匹配网络121，向感应线圈107施加RF电压。RF电源120以及BVG 10可以通过系统主机控制器130来控制。适合于本发明的等离子体工艺是所谓的低压或减压等离子体，即在明显低于大气压力的压力下操作，例如在1mTorr至10Torr之间。为此，等离子体反应器102有利地是气密的，并且等离子体反应器102中的所需压力通过真空泵106获得。

BVG 10也可以用于其他配置，如电容耦合等离子体(CCP)反应器，或在源功率发生器(RF电源)与BVG之间进行控制信号的直接互连(不经由系统主机)。可以使用不同的源来生成等离子体(例如，电容耦合等离子体、电子回旋共振、磁控管、DC电压等)。

图2表示等离子体反应器的(高度)简化的电气模型，示出了反应器和等离子体对BVG 10构成的负载，以解释BVG 10的操作。BVG 10包括功率级11，该功率级(power stage)通过可选的物理电容器C₁耦合到BVG 10的输出端子12，以防止来自衬底101的表面上感应的电压的或来自电子卡盘的电压的DC电流流过功率级11。功率级11被配置为生成施加在输出端子12上的偏置电压。由于C₁，该偏置电压的DC分量是自偏置的，例如，该电压是由于鞘中离子和电子迁移率的差异而设置的。等离子体反应器可以如图2所示地建模，但也可以使用更复杂或不那么复杂的模型。L₁是集总电感，表示由BVG输出功率互连和返回路径引起的电感。C₂是表示从衬底工作台105和衬底工作台功率互连到地的电容的集总电容。该电容通常以从衬底台到暗屏蔽件的电容为主，该暗屏蔽件即与平台105相邻的防止等离子体传播超出平台(例如，进入泵106)的金属屏蔽件。C₃是介电衬底和/或介电材料的台下工作台(例如，由于衬底工作台之上/之中的静电卡盘支架)的组合电容。R_P表示在工艺时段期间由鞘中有限的离子迁移率引起的鞘阻抗。D_P表示在放电时段期间鞘中的高电子迁移率。V_PL是衬底上方的鞘处的等离子体电位。

鞘上的DC(偏置)电压理想地导致窄IED，而DC电压的水平控制(平均)离子能量的水平。由于表面上收集的带正电荷的离子，在介电衬底和/或介电材料的台下工作台(例如，静电卡盘支架)上发生电荷积聚。需要补偿衬底和/或衬底工作台上的这种电荷积聚，以使鞘上的电压电位(以及因此离子能量)保持恒定。需要限制衬底和/或衬底工作台上的电荷积聚并因此限制其上的电位，以防止损坏衬底和/或衬底工作台。这种补偿可以通过在连续的工艺时段T_P之间的放电时段T_D期间对衬底和/或衬底工作台进行周期性放电来实现，如图3所示。图3示出了要由BVG生成的理想周期性电压波形V_P，以便在衬底的暴露表面上获得理想电压波形V_S。在图2中示出了在其中评估波形的节点V_P、V_T、V_S，其中，V_P表示由功率级11输出的电压，V_T表示衬底工作台(台)105处的电压，并且V_S表示衬底电压，即衬底101的暴露表面上的电压。放电时段T_D的典型值可以为约500ns。加工时段T_P的典型值可以为约10μs。

根据本发明，通过在BVG 10的功率级11中实施特定换向(称为谐振换向)来弥补与过度换向损耗和不受控制的谐振振铃相关的现有技术缺点。参考图4，为了使谐振换向成为可能，功率级11包括第一DC电源，该电源被实施为被配置为输出第一幅值V₁的DC电压的电压源21。DC电压源21通过第一开关SW₁连接到功率级11的输出节点14。功率级11进一步包括第二DC电源以及提供地电位的接地端子13，该电源被实施为被配置为输出第二幅值的DC电流I₂的电流源51。在本实施例中，DC电流源51通过第二开关SW₂连接到输出节点14。接地端子13通过旁路开关SW₅连接到电流源51与第二开关SW₂之间的中间节点15。

闭合开关SW₂和SW₅二者会将接地端子13连接到输出节点14。输出节点连接到BVG10的输出端子12，该输出端子进而可以耦合到衬底工作台105。DC阻隔电容器C₁可以可选地耦合在输出节点14与输出端子12之间。

此外，功率级11包括第三DC电源和第四DC电源，这两个电源分别被实施为电压源31、41并且被配置为分别输出第三幅值V₃和第四幅值V₄的DC电压。DC电压源31和41通过相应的第三开关SW₃和第四开关SW₄连接到输出节点14。电压源31和41与输出节点14之间的互连线可以有利地分别包括二极管D₃和D₄，以便仅允许一个方向的电流。所有电压源21至41都并联连接到输出节点14。

从输出节点14看到的负载的简化模型如图5所示。图6示出了使用N沟道MOSFET的开关SW₁至SW₅的可能实施方式。

参考图7，DC电流源51可以可替代地使用与电感器53串联的DC电压源52来实施，该电感器通常具有大电感，例如0.5mH或更大。瞬态电压抑制器54有利地放置在SW₅之上，以为电感器53提供连续电流路径，并且限制SW₅上的电压。其他替代实施方式使用生成可变DC电流的功率放大器，例如用于补偿由电压偏置引起的介电常数变化。同样，电压源21、31和41的替代实施方式是可能的，例如基于具有连接在电流源输出端与接地之间的电容器的电流源。可替代地，可以将电压源41的低压侧(在图7中连接到接地)连接到电压源52的低压侧。这允许仅使用提供正电压的电压源。

根据本发明，附加的DC电压源31和41允许当获得所需的偏置电压波形时，减少或消除换向期间或之后的换向损耗和谐振振铃。参考图8，可以使用控制信号按照所示的顺序对开关SW₁至SW₅进行操作。为了在衬底101处获得所需的周期性电压波形V_S，BVG 10将需要在输出节点14处输出电压波形V_P，这取决于所建模的负载(例如，参见图2)。V_P可以包括正电压峰值以获得衬底放电，然后是在衬底的加工时间期间的电压下降和斜降。

有利地，波形V_P可以包括至少三个不同的电压水平：幅值为V₁的第一正电压，其有利地由电压源21供应；幅值为V₅的第二负电压，通过当将电流源51连接到负载时使电压斜降来获得；以及接地电位V₀。根据本发明的电压波形发生器10有利地允许通过以下方式来获得这样的波形：使用附加的电压源31和41在波形V_P中提供中间电压水平V₃和V₄，以便一方面实现电压向V₁上升，并且另一方面实现电压下降到接地电位V₀、或甚至下降到V₅。这些附加(中间)电压水平允许通过使用不同电压水平之间的适当切换定时来避免换向事件之后的不希望的电压振荡。

举例来说，仍然参考图8，从时间T₀开始，衬底放电时段T_D开始，其中，衬底电压V_S变为正值。为此，开关SW₄在T₀闭合，而其他开关SW₁、SW₂和SW₃(除了旁路开关SW₅，其可以闭合以便为电流I₂提供电流路径)保持断开。闭合SW₄导致V_P上升到电压源41的幅值V₄。接下来，在T₁，SW₁闭合，导致V_P上升到电平V₁。SW₄有利地稍微在T₁之后断开，因为V₄低于V₁并且由于二极管D₄的存在。有利地，将幅值V₁选择为使得衬底电压V_S为正。

为了在衬底放电时段T_D之后开始新的加工时段T_P，再次使V_S为负。为此，有利地断开开关SW₁以及还有SW₄(例如在时间T₂)，并且稍后，在T₃，开关SW₃闭合，导致电压V_P下降到电压源31的幅值V₃，直到开关SW₂在时间T₄闭合从而将输出节点连接到接地电位(导致Vp的(进一步)下降)，因为开关SW₅保持闭合直到稍后的时间T₅。这标志着加工时段T_P的开始。幅值V₃、V₄和V₁在相应开关闭合期间有利地保持恒定，并且幅值可以在整个操作过程中持续恒定。

在T₅，SW₅断开而SW₂保持闭合。这导致输出节点14连接到电流源51，并且电流I₂将影响V_P的电压斜降，从而有利地允许通过补偿衬底和/或衬底工作台上的电荷积聚来将衬底电压V_S维持在恒定水平。就在开始新的放电时段之前，旁路开关SW₅在时间T₇闭合(有利地稍微在时间T₆断开开关SW₂之后)。

由于二极管D₃，开关SW₃可以在超过T₄并且甚至可能超过T₅的某个时间断开。注意，SW₄与SW₁之间(由于二极管D₄)以及SW₃与SW₂之间(由于二极管D₃)有利地不需要死区时间。死区时间T₃-T₂是为了防止V₁和V₃短路而需要的。

如本文所描述的功率级11允许以这样的方式被操作(通过为开关SW₁至SW₅生成适当的开关控制信号)，以最小化输出上的振荡并防止系统中的寄生谐振。为此，功率级有利地被操作成使得在换向时段结束时通过L₁的电流变为0A。在图8的波形中，基本上有两个换向时段。第一次换向是在电压上升阶段期间，特别地开始于T₀，即SW₄的闭合，并结束于T₁，即SW₁的闭合。第二次换向是在电压下降阶段期间。该换向时段开始于T₃，即SW₃的闭合，并结束于T₄，即SW₂的闭合。

为了确保在换向时段结束时(特别是在T₄，并且有利地还在T₁)通过L₁的电流可以变为0A，有利地适当地选择分别闭合开关SW₁和SW₂的时刻T₁和T₄(或者，等效地，开关间隔T₁-T₀和T₄-T₃)。如果开关(SW₁或SW₂)闭合太晚，则由于输出节点14上的电容以及该电容上的电压不等于C₄上的电压这一事实，会引起L₁与输出节点14上的电压V_P之间的振荡。如果开关(SW₁或SW₂)闭合太早，则通过L₁的电流不是0A，并且这将导致L₁与C₄之间出现振铃。在图11和图12中示出了选择适当开关时间的关键性。在图11和图12中，T₀和T₁表示将控制信号施加到开关SW₄和SW₁以闭合相应开关的时刻。在实践中，开关将具有有限的开关速度，如图11和图12中输出节点14处的电压V_P的有限dV/dt所示。结果，开关SW₄将在T₀开始闭合，并且将在时刻T_SW4实现闭合状态。类似地，开关SW₁在T₁开始闭合，并且将在时刻T_SW1实现闭合状态。

从图11可以看出，在时刻T_SW1实现开关SW₁的闭合状态，在该时刻，通过L₁的电流I_L1已经下降到零，并且防止了衬底工作台处的电压V_T或衬底处的电压V_S的振荡。图12中的情况并非如此，其中在I_L1在T_SW1时不为零的时刻实现SW₁的闭合状态(T_SW1)。

除上述内容以外，通过适当选择在换向时段期间施加的电压水平(分别为V₃和V₄)来有利地防止振荡。电压水平有利地落在换向开始(分别为时刻T₀和T₃)时的电压水平与换向结束(分别为时刻T₁和T₄)时的电压水平之间。可以看出，V₃和V₄的最佳电压水平等于(V_换向结束+V_换向开始)/2。换句话说，V₃的最佳幅值是V_P在T₀和T₁的平均值。V₄的最佳幅值是V_P在T₃和T₄的平均值。

当在输出节点14看到的BVG 10的负载可以建模为具有反应器电感L₁和总电容C₄的串联LC电路时，如图5所示，分别等于T₁-T₀和T₄-T₃的最佳换向时间T_换向可以设置为其中C₄表示从输出节点14看到的等效电容，例如图2的模型中的C₁、C₂和C₃的总和。更一般地，可以说，假设理想条件的最佳换向时间T_换向对应于与负载的基本自然频率f₀(谐振频率)相对应的周期的一半，或者T_换向＝0.5/f₀。

在上文假设所有部件(例如开关、二极管和等离子体反应器的集总模型)都是理想的且无损的。由于这不符合实际情况，因此可以进一步调整换向参数以将非理想情况考虑在内。可以基于以上确定的换向参数(换向时间、换向电压)的值开始操作。在操作期间，有利地通过实施适当的工艺控制来调整这些换向参数中的一个或多个，例如通过闭环控制算法，例如基于电流反馈。参考图9，BVG 10包括被配置为控制功率级11的操作的控制器16。特别地，控制器16被配置为输出开关控制信号161以控制开关SW₁至SW₅的操作。控制器16可以被配置为输出电压设定点162，以设定DC电压源21、31、41以及可能52中的一者或多者的幅值。控制器16可以进一步被配置为输出电流设定点163，以设置由电流源51输出的DC电流I₂的水平。可替代地，DC电压源21、31、41和52中的一者或多者和/或电流源51可以具有固定幅值的电压输出或电流输出。

控制器16有利地包括反馈控制回路，有利地是电流反馈控制回路164。电流控制回路164包括被配置为测量由功率级11输出的电流的电流传感器165。电流传感器165可以布置在输出节点14处。控制器16可以包括耦合到电流控制回路164的第一输入167，该电流控制回路被配置为将由电流传感器165测量的输出电流的值馈送到控制器16。通过第二输入端166，控制器16可以被配置为接收开关控制信号161、电压设定点162和电流设定点163中的一者或多者的设定点。这些设定点可以从系统主机控制器或用户接口接收，该系统主机控制器或用户接口可以被配置为基于BVG 10的负载的模型(例如，如在前面的段落中确定的)来确定设定点。控制器16可以被配置为基于从电流传感器165反馈的输入167来调节设定点，特别是开关控制信号161和/或电压设定点162。

参考图10，为了在具有高自谐振频率(例如低C₄和/或低L₁)的反应器的情况下改善对换向时段的控制并使换向对SW₁或SW₂的闭合时刻不那么敏感，可以以与换向开关SW₃和SW₄串联的方式添加换向电感器L₃和L₄。可替代地或另外地，可以以与输出阻隔电容器C₁串联的方式添加电感器(未示出)。

图10的图另外包括过压保护电路，其通过二极管D_FW和双向瞬态电压抑制器TVS_FW来实施，从而允许保护SW₄与L₄之间的过压。

参考图13，过压保护电路17可以设置在功率级11或BVG 10的输出端，并被配置为通过钳位输出电压来保护功率级11。过压保护电路的可能实施方式如图14和图15所示。过压保护电路可以包括在输出节点14与电压源21之间的二极管D₁。在输出节点14与地电位之间，二极管D₂和单向瞬态电压抑制器TVS₁以相反的电流方向耦合。当电流测量传感器171、172或173检测到通过钳位二极管和/或TVS的电流时，可以关闭功率级11以减少损耗。

参考图16和17，在BVG 10的功率级110的替代实施例中，电流源51耦合在输出节点14与输出端子12之间，有利地耦合在输出节点14与输出阻隔电容器C₁之间。这允许具有连续的补偿电流I₂，尽管电流源51两端的电压将高于功率级11两端的电压。在功率级110中，旁路开关SW₅可以省略，即使开关SW₂应该具有双向电压阻隔和电流传导能力。