一种高功率发生器及高功率脉冲的供应方法与流程

本发明涉及一种高功率(hp)发生器，其配置成能够向容性负载，特别是向等离子体过程提供具有高电压值和/或高电流的高功率脉冲。本发明还涉及一种为等离子体过程提供高功率脉冲的方法。

背景技术：

1、容性负载是指具有容性部分的负载，这意味着该负载上的电压上升意味着高电流能力。在这些情况下，电容部分可以至少为100pf，优选为200pf或更高，例如在500pf左右。这可能是等离子体处理过程中的负载，例如，等离子体处理应用。

2、一些等离子体处理应用，如蚀刻或层沉积，需要高电压(hv)、高频(hf)、矩形、不对称的脉冲电压供应。通常，电压值大大超过单个半导体开关的电压处理能力，尤其是在需要高频操作时。

技术实现思路

1、本发明的目的在于提出一种高功率(hp)发生器和一种为等离子体提供高功率脉冲的方法，该等离子体允许以快速变化的功率(脉冲)供应等离子体过程。

2、根据第一方面，本发明涉及一种高功率(hp)发生器，该发生器配置成能够为以高电压值和/或高电流值向负载提供高功率，特别是向等离子体过程提供具有高电压值和/或高电流值的高功率，包括：

3、若干低功率(lp)发生器，

4、o每个低功率(lp)发生器包括储能组件，其中，在使用中，储能组件被充电到与储能组件相关的预定义值预定值，

5、o每个低功率(lp)发生器在其输出端提供低功率(lp)发生器值，该值对应于相应的低功率(lp)发生器中包含的储能组件的值，

6、耦合器，其中，低功率(lp)发生器电气连接，使得可以获得与高功率(hp)发生器的输出值相对应的耦合器输出端的耦合值，所述耦合值该耦合值对应于高功率(hp)发生器的输出值，在使用中，至少在高功率(hp)发生器的某些状态下高于其中一个低功率(lp)发生器输出端的低功率(lp)发生器值，

7、控制单元，用其配置成能够于在高功率(hp)发生器功率传输供电期间选择低功率(lp)发生器对低功率(lp)发生器输出值的贡献，以便在耦合器的输出端产生脉冲的上升和/或衰减。

8、根据一个方面，低功率(lp)发生器的充电能量通过变压器提供，每个低功率(lp)发生器都有一个初级绕组和一个次级绕组，次级绕组连接到整流器，每个整流器连接到相应的低功率(lp)发生器的储能组件。整流器可以包含至少一个半导体元件，例如二极管。整流器可以包括四个以桥式整流器方式连接的二极管。整流器和/或变压器可能是电源的一部分。

9、若干，特别是每个低功率(lp)发生器可能有其相应的变压器。

10、若干，特别是对应于低功率(lp)发生器的每个变压器，可能都有自己的磁芯。

11、若干，特别是每个对应于低功率(lp)发生器的变压器，可以包括一个平衡绕组，优选两个平衡绕组。

12、这允许交流电源电流沿着变压器自由流动，为负载级(即连接到负载的lp发生器)提供电荷，并防止空载级(即未连接到负载的lp发生器，因此不会对hv发生器输出做出贡献)过度充电。同样的概念也可用于为驱动电路供电。

13、一个变压器的一个平衡绕组可以连接到另一个变压器的平衡绕组。

14、因此，若干变压器，特别是对应于低功率(lp)发生器的每个变压器，可以以开链配置连接。

15、若干初级绕组，特别是对应于低功率(lp)发生器的变压器的每个初级绕组，可以串联连接。这可能意味着一根电线串联穿过所有变压器，配置为由交流电源供电。

16、如果每个变压器都有自己的磁芯，并且唯一的公共元件是初级绕组，则可以以高效和有效的方式分离高电压和电流，初级绕组可以由一根公共导线组成。

17、若干，特别是对应于低功率(lp)发生器的每个变压器，也称为“级”，可以体现为环形铁芯变压器。

18、根据一个方面，在使用中，耦合和/或高功率(hp)发生器(10)的输出是阶跃函数，特别是没有连续斜率的真实阶跃函数。

19、根据一个方面，低功率(lp)发生器在一个脉冲期间按顺序激活。这意味着并非所有低功率(lp)发生器在脉冲开始时立即激活。因此，例如，如果脉冲的长度为0.5μs至2μs，则在脉冲开始时激活第一个低功率(lp)发生器或一些低功率(lp)发生器的堆栈。大约10ns或100ns后，一个或一些额外的低功率(lp)发生器被激活，因此高功率(hp)发生器输出端的脉冲上升。然后，再过10ns或100ns，下一个低功率(lp)发生器或低功率(lp)发生器堆栈被额外激活，从而使脉冲进一步上升。对于脉冲的衰减，可以以相同的方式逐步停用一个或若干低功率(lp)发生器。“激活一台或多台低压发生器低功率发生器”是指控制单元选择这些低压发生器低功率发生器，以在高压发生器高功率发生器供电期间为hp发生器的输出值做出贡献。换言之，控制单元可以被配置为在高功率(hp)发生器的输出端产生脉冲期间，多次选择每个低功率(lp)发生器对高功率(hp)发生器输出值的贡献。

20、根据一个方面，耦合器包括多于四个的电气连接的低功率(lp)发生器，特别是6个或更多的低功率(lp)发生器，优选10个或更多，最优选15个或更多的低功率(lp)发生器。使用如此大量的低功率(lp)发生器，可以生成没有连续斜率的真实阶跃函数。

21、在一个方面，控制单元配置为以至少一个幅度阶跃低于500v和/或不需要具有连续斜率输出的发生器的方式选择低功率(lp)发生器的贡献。

22、有了这样的解决方案，就不需要连续的斜坡发生器，这使得高功率(hp)发生器的效率更高。

23、在一个方面，耦合器和控制单元配置为仅通过开关连接低功率(lp)发生器。

24、在一个方面，控制单元可以配置为选择低功率(lp)发生器对高功率(hp)发生器输出值的贡献，以在脉冲的上升沿和/或下降沿形成阶跃线脉冲形状。

25、在一个方面，低功率(lp)发生器的数量足以在耦合脉冲的输出端形成，其电压上升和/或下降的值等于或大于低功率(lp)发生器的若干值之和，以及阶跃线脉冲形状，其中阶跃的值对应于等于或高于一个或多个低功率(lp)发生器的值。

26、在一个方面，平衡电路包括一个仅允许电流沿一个方向流动的组件，特别是一个二极管或像二极管一样工作的组件，连接在两个低功率(lp)发生器之间。例如，若干的负输出，特别是每个低功率(lp)发生器的储能组件，特别是作为电容器，通过这样的平衡电路与前一个低功率(lp)发生器的相同电位相连。当与负载并联的开关被激活时，如果较低的低功率(lp)发生器储能组件值超过较高低功率(lp)发生器的储能组件值，这可以使来自较低低功率(lp)发生器储能组件的电荷能够转移到较高低功率(lp)发生器上的储能组件。

27、“已激活”是指：“切换到开启状态”，或“在其输出端切换到低阻抗”。“与负载并联的开关”是指开关元件，当激活时，它负责断开相应的低功率(lp)发生器与附近连接的低功率(lp)发生器的连接。在图2a、2b、4、5中，这些是开关元件s1。在图3中，这些是开关元件s2。连接开关是指开关元件，该开关元件负责在激活时连接相应的低功率(lp)发生器。在图2a、2b、4、5中，这些是开关元件s2。在图3中，这些是开关元件s1。最高低功率(lp)发生器的储能组件将积累来自整个堆栈的多余电荷。因此，这些最高的低功率(lp)发生器可以以一种有利的方式进行控制，以便为负载提供比其他低功率(lp)发生器更多的功率，以消除过多的电荷。

28、在一个方面，阻尼电路可以放置在若干之间，特别是开链配置中的所有低功率(lp)发生器之间。开链配置意味着这种阻尼电路位于每个低功率(lp)发生器及其下一个更高的低功率(lp)发生器之间，而不是位于最高和最低之间。如果储能元件是电容器，则阻尼电路可以包括电阻器和/或电感器。如果储能元件是电感器，则阻尼电路可以包括电阻器和/或电容器。低功率(lp)发生器之间的阻尼电路可以最好地与平衡电路串联放置。阻尼电路可用于消除电荷处理路径的寄生分量上的振荡。

29、整个高功率(hp)发生器可以直接采用液冷。这可以通过浸入式介电冷却液来完成，特别是低功率(lp)发生器由介电冷却液浸泡。高功率(hp)发生器的所有组件，包括变压器，都可以是浸入式介电冷却液，这减少了间隙和爬电距离要求，同时提供高冷却能力。这样可以提高所有组件的安全操作区域的使用率，并进一步减小尺寸并减少寄生电感和电容。这导致整个高功率(hp)发生器的尺寸较小，效率更高。

30、若干，特别是所有，低功率(lp)发生器和控制单元至少部分地，至少与开关单元可以位于一个壳体中。耦合器可以位于同一壳体中。变压器和整流器可以位于外壳中。外壳可能是防液的。介电冷却液可能会流过外壳。通过这种方式，可以增强冷却和隔离。距离可以缩短。这允许使用更短的导线长度，从而减少固有电感，从而使开关能力更快。通过这种直接液体冷却，可以减少不同开关和lp发生器和/或耦合器的其他组件之间的温差。因此，高级平衡是可能的。

31、在一个方面，控制单元可以配置为通过低功率(lp)发生器以有序的方式选择低功率(lp)发生器的贡献。具体而言，每个脉冲序列都可以从不同的低功率(lp)发生器开始，因此所有n个低功率(lp)发生器在n个脉冲之后都相等地加载。这样可以增强低功率(lp)发生器组之间的负载分配，从而在开关元件之间实现更好的功率损耗平衡。

32、在一个方面，控制单元可以包括开关单元，具有至少10a/μs的电流上升能力。凭借如此高的电流上升能力，可以足够快地对容性负载进行充电。

33、在一个方面，控制单元可以包括开关单元，具有承受约0.5kv或更高电压的能力，电压上升和下降率为15kv/μs或更高。这样，可以实现具有极其尖锐电压转换的极端脉冲。对于等离子体工艺等许多应用来说，这是一个非常需要的功能，尤其是在半导体等离子体工艺中。

34、在一个方面，控制单元可以配置为选择低功率(lp)发生器的贡献，以减少高功率(hp)发生器输出端和/或负载上的专用位置的电压过冲，特别是在等离子体过程的基板上。这可以通过高压发生器高功率发生器输出端的第一步来完成，该步骤只是第二步值的一部分，特别是第二步值的一半，第二步可能是全部量。

35、在一个方面，至少一个，优选若干，最优选的所有低功率(lp)发生器包括低功率(lp)发生器的值限制电路，例如电压限制电路或电流限制电路。这可能是一个带有额外电阻器的附加开关元件，或者是一个带有功率耗散部件的可变折衷可控阻抗。有了这样的电路，高功率(hp)发生器可以更加可靠。

36、在一个方面，控制单元配置为以电气隔离的方式选择低功率(lp)发生器的贡献，特别是通过光纤连接或磁耦合。所述低功率(lp)发生器中的一些或优选，可由控制单元通过控制开关单元来选择。数据处理器的输出和开关单元之间的连接可以通过光纤或磁耦合来实现。这可以帮助有效、快速且无时间延迟地切换所有低功率(lp)发生器，以形成电压具有尖锐边缘的脉冲，例如一个开关单元的多个开关元件可以通过一个电气隔离连接连接。若干带有相应开关单元的低功率(lp)发生器可以合并为一个组，该组可以配置为该组只能一起激活或停用。然后，对于这样的组，可以只使用一个电气隔离连接。减少电气隔离连接的数量可以节省成本，并使高压发生器高功率发生器更加可靠，因为具有故障风险的部件更少。有利的是，每个开关都有自己的电气隔离连接。但是，如果合并，多个变送器可以由一个控制信号控制。这样可以减少所需的i/o端口数量。

37、在一个方面，尽管负载不平衡，但所有低功率(lp)发生器(也称为“级”)上的电压都是相等的。此外，通过将初级路径放置在环形铁芯变压器的中间附近，同时保持次级绕组靠近铁芯并远离初级绕组，可以很容易地实现初级到次级绕组隔离(接地到高压)。平衡绕组可以放置在靠近次级绕组的位置，因为这里只应提供级间电压绝缘。

38、“控制单元配置为选择低压发生器低功率发生器对高压发生器高功率发生器输出值的贡献”的含义应理解为高功率(hp)发生器电路的能力和配置与控制单元的程序相结合，使高功率(hp)发生器能够选择具有各自低功率(lp)发生器值的低压发生器低功率发生器的选择，以提供对高功率(hp)发生器输出值的贡献。

39、该控制单元可以包括数据处理器，其具体体现为例如具有程序存储器的嵌入式微控制器，其具体体现为非易失性数据存储器，以及体现为易失性数据存储器的数据存储器，例如，此类控制单元通常包括用于输入数据的数据接口，例如测量数据、控制输入数据等。以及传出的数据，如控制信号、信息信号、警报信号等。这种控制单元通常包括数据计算部分、数据比较可能性和类似的电路，使其能够从传入的数据中计算出新数据，找到与传入和/或计算数据相关的决策，并输出相关数据信号以控制高功率(hp)发生器的其他电路。

40、耦合器的输出可以是高功率(hp)发生器的输出。但是，在耦合器的输出和高功率(hp)发生器的输出之间也可能连接一些微小的附加电压或电流整形组件。这种微小的附加电压或电流整形元件可以是滤波器或小电压、电流或电源，其量比耦合的输出值小得多。

41、“高功率发生器的状态”是指高压发生器高功率发生器在使用时可能处于的不同状态，具体取决于不同的低压发生器低功率发生器和/或开关单元和/或高压发生器高功率发生器中的开关元件的激活。

42、高功率(hp)意味着在脉冲期间为10kw或更高。高电压(hf)值意味着4kv或更高。高电流意味着10a或更高。高功率(hp)发生器可以配置为影响等离子体中和/或等离子体中等离子体电位与衬底之间的电压和/或电荷载流子的运动。储能元件可以是电容器或电感器和/或其他储能元件。应该理解为被配置成存储一定量的能量存储组件，其能量可以是高功率(hp)发生器的一个脉冲输出能量的合理部分，这意味着至少1/200，优选至少1/100，甚至更优选至少1/50的高功率(hp)发生器的一个脉冲的能量。对储能组件进行连续充电包括充电到电容器的预定义电压值或电感器的预定义电流值。耦合器中低功率发生器的电气连接可以是串联、并联或两者的组合。耦合值可以是电压、电流或功率。控制单元可以确定哪个低功率发生器对高功率发生器的输出功率做出贡献。控制单元可以配置为控制低功率发生器，使得至少两个低功率发生器为高功率发生器的输出做出贡献，即将至少两个低功率发生器的输出值相加以形成高功率发生器输出值。

43、主要优点是储能组件的充电与控制单元的状态无关。这意味着生成的输出值的占空比没有限制，特别是输出脉冲、它们的宽度以及平均输出功率。第二个优点是每个低功率发生器都有自己的储能组件，可以分别保护控制单元中的开关免受过压或过流的影响。第三个优点是，由于组件功率低，所有组件都相对便宜。

44、控制单元可以包括开关单元，其中一个开关单元与每个低功率(lp)发生器相关联。每个开关单元可以包含一个或两个晶体管，特别是mosfet。mosfet具有高开关能力，可用于50a或更高的电流，并允许切换500v或更高的电压。如果使用mosfet，可以为每个mosfet提供一个反并联二极管，特别是与每个mosfet并联。mosfet可以是基于碳化硅(sic-)或基于氮化镓(gan-)的mosfet，适用于500v或更高的快速开关电压，电压上升和下降时间长(15kv/μs或更高)，以及高电流(50a或更高)，电流上升和下降时间长(10a/μs或更高)。

45、每个开关单元可以包括一个半桥电路，该电路由两个串联的开关元件组成。当以这样的方式闭合时，可以配置一个晶体管来连接两个低功率(lp)发生器，即两个低功率(lp)发生器的两个值都会影响耦合输出端的值。特别是，可以将两个低功率发生器的输出值相加。另一个晶体管可以配置为在激活时使负载短路，即当晶体管闭合或处于导通状态时。

46、每个半桥电路都可以由其存储组件(例如电容器)箝位。这意味着存储组件直接并联到其半桥。这种配置可保护两个开关免受过压直至电容器电压的影响。存储元件也可以是电感器。这种配置可保护两个开关免受过电流直至电感器中的电流的影响。在所有低功率发生器上保持单独的安全电压/电流就足够了，以分别防止过电压或过电流相关的故障。因此，每个低功率发生器都将其运行水平保持在自己的范围内。这导致了自我维持的安全条件。

47、该控制单元可以包括驱动器。驱动器可以配置为驱动开关单元，特别是晶体管，特别是mosfet。控制单元，特别是开关单元，可以是相应的低功率(lp)发生器的一部分。

48、至少6个，优选10个或更多，优选15个或更多的低功率(lp)发生器可以耦合在一个耦合器中。至少两个低功率发生器可以提供相等的低功率发生器值。优选大多数低功率(lp)发生器，甚至所有低功率(lp)发生器提供相等的值。也有可能至少有两个低功率(lp)发生器提供不同的低功率(lp)发生器值，特别是，所有低功率(lp)发生器可能提供不同的值。一个低功率发生器可以提供低功率发生器值，该值是另一个低功率发生器的低功率发生器值的一半。

49、电容器可以作为并联到开关单元的能量存储组件，特别是半桥。这样可以稳定耦合器的输出值。每个低功率发生器都可以将自己的电容器充电到适当的电压水平。激活关联开关单元的一个开关，将负载(例如等离子过程)连接到电容器。激活开关单元的另一个开关可缩短负载。整个高功率发生器的输出可以在每个脉冲期间提供真正的动态电压源，从而实现巨大的输出电流和所需的快速电压转换。

50、包括全桥电路和优选的降压转换器的逆变器可以连接到初级绕组。这样就可以有效地向低功率发生器输送电力。

51、在另外一个方面，本发明涉及一种向等离子体过程提供由高功率(hp)发生器提供的具有变化的幅度的高功率脉冲的方法，包括以下步骤

52、a.将多个低功率(lp)发生器的储能组件分别连续充电到预定值，

53、b.通过控制低功率(lp)发生器对高功率(hp)发生器输出的贡献，选择性地耦合至少一些低功率(lp)发生器的输出值，以获得对应于具有所需幅度的脉冲的高功率(hp)发生器的所需输出值。

54、通过使用许多低功率发生器，每个低功率发生器都包含一个储能组件，以及一个耦合器，可以选择有多少低功率发生器来产生输出脉冲。这种解决方案相对安全、通用且便宜。它是安全的，因为每个低功率发生器都可以配置为保护其自己的相关开关免受高于其储能组件功率值的功率的影响。该解决方案是通用的，因为可以快速改变输出脉冲幅度，分辨率等于低功率发生器的数量。它很便宜，因为可以使用许多低功率发生器和低压开关，这通常比单个高压发生器高功率发生器和大功率脉冲装置便宜。

55、在一个方面，低功率(lp)发生器，也称为“级”，可以单独或成组控制。控制信号可以馈送到开关单元的驱动器，最好通过光纤，但也可以使用其他方式。开关单元的所有开关都可以从一个主控制板独立控制，也可以一个信号控制整个级(例如，开关单元的连接开关的控制信号可能来自主控制板；开关单元的并联负载开关的信号可能来自连接开关驱动板)，一个信号可以控制多个开关/级，进行分组控制等。总输出值是仅激活/选定的低功率发生器的输出值之和。通过为每个脉冲激活或选择不同数量的低功率发生器，可以将总输出值从一个脉冲更改为另一个脉冲。

56、在一个方面，低功率(lp)发生器的输出值，即低功率(lp)发生器的值，可以动态稳定。每个低功率发生器都可以将自己的电容器充电到适当的电压水平。激活一个开关，将负载连接到该电容器。激活另一个开关可缩短负载。整个高功率发生器的输出在每个脉冲期间都提供真正的动态电源，从而实现巨大的输出电流和所需的快速电压转换。

57、可以实现双步转换而不是单步输出值转换。通过任何连接器电感将低阻抗电压源与容性负载连接都不可避免地会导致电流和电压振荡。负载峰值电压达到所施加电压水平的两倍。电阻阻尼电路会消耗大量的功率。通过应用双步转换，可以显著降低功率损耗。这在所呈现的拓扑中是可能的。通过两步转换，可以获得接近矩形的电压波形形状、更低的过冲和显著降低的功率损耗。

58、在持久的输出脉冲期间，可以按顺序激活若干级，也称为“低功率发生器”。激活低功率发生器意味着激活相应的连接开关元件。为了补偿衰减的晶圆电压，可以分若干步骤增加输出电压。每一步都将其电压添加到总输出电压值中。如果所有级上的电压相等，则每一步的分辨率是全堆栈低功率发生器电压的1/n倍。可以构建一个单独的堆栈来处理补偿功能。这可以单独控制，并可能导致更精细的阶跃分辨率，从而产生更稳定的晶圆电压和更好的离子能量分布。

59、本发明的进一步特征和优点源于以下基于附图的本发明实施例的详细描述，该附图显示了对本发明至关重要的细节，以及来自权利要求书。那里显示的特征不一定被理解为是按比例缩放的，并且以这样一种方式显示，即根据本发明的特殊特征可以清楚地可见。各种功能可以单独实现，也可以在本发明的变体中以任何组合方式实现。