一種高功率發生器及高功率脈沖的供應方法與流程

本發明涉及一種高功率(hp)發生器，其配置成能夠向容性負載，特別是向等離子體過程提供具有高電壓值和/或高電流的高功率脈沖。本發明還涉及一種為等離子體過程提供高功率脈沖的方法。

背景技術：

1、容性負載是指具有容性部分的負載，這意味著該負載上的電壓上升意味著高電流能力。在這些情況下，電容部分可以至少為100pf，優選為200pf或更高，例如在500pf左右。這可能是等離子體處理過程中的負載，例如，等離子體處理應用。

2、一些等離子體處理應用，如蝕刻或層沉積，需要高電壓(hv)、高頻(hf)、矩形、不對稱的脈沖電壓供應。通常，電壓值大大超過單個半導體開關的電壓處理能力，尤其是在需要高頻操作時。

技術實現思路

1、本發明的目的在于提出一種高功率發生器和一種向等離子體提供高功率脈沖的方法，該方法允許以快速變化的功率(脈沖)供應等離子體過程。

2、根據第一方面，本發明涉及一種高功率(hp)發生器，該發生器配置能夠向負載，特別是向等離子體過程提供具有高電壓值和/或高電流值的高功率，所述高功率(hp)發生器包括：

3、若干低功率(lp)發生器，

4、o每個低功率(lp)發生器包括儲能組件，其中，在使用中，所述儲能組件被充電到與所述儲能組件相關的預定值，

5、o每個低功率(lp)發生器在使用中在其輸出端提供低功率耦合值，所述低功率發生器值對應于包括在相應的低功率(lp)發生器中的儲能組件的值，

6、耦合器，其與低功率(lp)發生器電連接，使得可以獲得與高功率發生器(10)的輸出值相對應的耦合器輸出端的耦合值，并且所述耦合值在使用中至少在高功率(hp)發生器的某些狀態下高于其中一個低功率(lp)發生器輸出端的低功率發生器值，

7、控制單元，其配置成能夠在hp發生器功率傳輸期間選擇低功率(lp)發生器對高功率(hp)發生器的輸出值的做出貢獻，以便在耦合器的輸出端產生脈沖的上升和/或衰減。

8、根據一個方面，在使用中，耦合器的輸出和/或高功率(hp)發生器的輸出是階躍函數，特別是沒有連續斜率的真實階躍函數。

9、根據一個方面，低功率(lp)發生器在一個脈沖期間按順序激活。這意味著并非所有低功率(lp)發生器在脈沖開始時立即激活。因此，例如，如果脈沖的長度為0.5μs至2μs，則在脈沖開始時激活第一個低功率(lp)發生器或一些低功率(lp)發生器的堆棧。大約10ns或100ns后，一個或一些額外的低功率(lp)發生器被激活，因此高功率(hp)發生器輸出端的脈沖上升。然后，再過10ns或100ns，下一個低功率(lp)發生器或低功率(lp)發生器堆棧被額外激活，從而使脈沖進一步上升。對于脈沖的衰減，可以以相同的方式逐步停用一個或幾個低功率(lp)發生器。“激活一臺或多臺低功率(lp)發生器”是指控制單元選擇這些低功率發生器，以在高功率(hp)發生器供電期間為高功率(hp)發生器的輸出值做出貢獻。換言之，控制單元可以被配置為在高功率(hp)發生器的輸出端產生脈沖期間，多次選擇每個低功率(lp)發生器對高功率(hp)發生器輸出值的貢獻。

10、根據一個方面，耦合器包括四個以上的電氣連接的低功率(lp)發生器，特別是6個或更多的低功率(lp)發生器，優選10個或更多，最優選地15個或更多的低功率(lp)發生器。使用如此大量的低功率(lp)發生器，可以生成沒有連續斜率的真實階躍函數。

11、在一個方面，控制單元配置為以至少一個幅度階躍低于500v和/或不需要具有連續斜率輸出的發生器的方式選擇低功率(lp)發生器的貢獻。

12、有了這樣的解決方案，就不需要連續的斜坡發生器，這使得高功率(hp)發生器的效率更高。

13、在一個方面，耦合器和控制單元配置為僅通過開關連接低功率(lp)發生器。

14、在一個方面，控制單元可以配置為選擇低功率(lp)發生器對高功率(hp)發生器輸出值的貢獻，以在脈沖的上升沿和/或下降沿形成階躍線脈沖形狀。

15、在一個方面，低功率(lp)發生器的數量足以在耦合脈沖的輸出端形成電壓上升和/或下降，其值等于或大于低功率(lp)發生器的幾個值之和，以及階躍線脈沖形狀，其中階躍的值對應于等于或高于一個或多個低功率(lp)發生器的值。

16、根據一個方面，低功率(lp)發生器的充電能量通過變壓器提供，每個低功率(lp)發生器都有一個初級繞組和一個次級繞組，次級繞組連接到整流器，每個整流器連接到相應的低功率(lp)發生器的儲能組件。整流器可以包含至少一個半導體元件，例如二極管。整流器可以包括四個以橋式整流器方式連接的二極管。整流器和/或變壓器可能是電源的一部分。

17、若干，特別是每個低功率(lp)發生器可能有其相應的變壓器。

18、若干，特別是對應于低功率(lp)發生器的每個變壓器，可能都有自己的磁芯。

19、若干，特別是每個對應于低功率(lp)發生器的變壓器，可以包括一個平衡繞組，優選兩個平衡繞組。

20、這允許交流電源電流沿著變壓器自由流動，向負載級發生器(即連接到負載的低功率(lp)發生器)提供電荷，并防止空載級發生器(即未連接到負載的低功率(lp)發生器，因此不會對高功率(hp)發生器輸出做出貢獻)過度充電。同樣的概念也可用于為驅動電路供電。

21、一個變壓器的一個平衡繞組可以連接到另一個變壓器的平衡繞組。

22、因此，若干變壓器，特別是對應于低功率(lp)發生器的每個變壓器，可以以開鏈配置連接。

23、若干的初級繞組，特別是對應于低功率(lp)發生器的變壓器的每個初級繞組，可以串聯連接。這可能意味著一根電線串聯穿過所有變壓器，配置為由交流電源供電。

24、如果每個變壓器都有自己的磁芯，并且唯一的公共元件是初級繞組，則可以以高效和有效的方式分離高電壓和電流，初級繞組可以由一根公共導線組成。

25、若干，特別是對應于低功率(lp)發生器的每個變壓器，也稱為“級(stage)”，可以體現為環形鐵芯變壓器。

26、在一個方面，平衡電路包括一個僅允許電流沿一個方向流動的組件，特別是一個二極管或像二極管一樣工作的組件，平衡電路連接在兩個低功率(lp)發生器之間。例如，幾個的負輸出，特別是每個低功率(lp)發生器的儲能組件，特別是作為電容器，與具有這種平衡電路的前一個低功率(lp)發生器的相同電位相連。當與負載并聯的開關被激活時，如果較低的低功率(lp)發生器儲能組件值超過較高低功率(lp)發生器的儲能組件值，這可以使來自較低低功率(lp)發生器儲能組件的電荷能夠轉移到較高低功率(lp)發生器上的儲能組件。“已激活”是指：“切換到開啟狀態”，或“在其輸出端切換到低阻抗”。“與負載并聯的開關”是指開關元件，當激活時，它負責斷開相應的低功率(lp)發生器與附近連接的低功率(lp)發生器的連接。在圖2a、2b、4、5中，這些是開關元件s1。在圖3中，這些是開關元件s2。連接開關是指開關元件，該開關元件負責在激活時連接相應的低功率(lp)發生器。在圖2a、2b、4、5中，這些是開關元件s2。在圖3中，這些是開關元件s1。最高低功率(lp)發生器的儲能組件將積累來自整個堆棧的多余電荷。因此，這些最高的低功率(lp)發生器可以以一種有利的方式進行控制，以便為負載提供比其他低功率發生器更多的功率，以消除過多的電荷。

27、在一個方面，阻尼電路可以放置在幾個、特別是開鏈配置中的所有低功率(lp)發生器之間。開鏈配置意味著這種阻尼電路位于每個低功率(lp)發生器及其下一個更高的低功率(lp)發生器之間，而不是位于最高和最低之間。如果儲能元件是電容器，則阻尼電路可以包括電阻器和/或電感器。如果儲能元件是電感器，則阻尼電路可以包括電阻器和/或電容器。低功率(lp)發生器之間的阻尼電路可以最好地與平衡電路串聯放置。阻尼電路可用于消除電荷處理路徑的寄生分量上的振蕩。

28、整個高功率(hp)發生器可以直接采用液冷。這可以通過浸入式介電冷卻液來完成，特別是低功率(lp)發生器由介電冷卻液浸泡。高功率(hp)發生器的所有組件，包括變壓器，都可以是浸入式介電冷卻液，這減少了間隙和爬電距離要求，同時提供高冷卻能力。這樣可以提高所有組件的安全操作區域的使用率，并進一步減小尺寸并減少寄生電感和電容。這導致整個高功率(hp)發生器的尺寸較小，效率更高。

29、若干，特別是所有，低功率(lp)發生器和控制單元至少部分地，至少與開關單元可以位于一個殼體中。耦合器可以位于同一殼體中。變壓器和整流器可以位于殼體中。殼體可能是防液的。介電冷卻液可能會流過殼體。通過這種方式，可以增強冷卻和隔離效果。電子元件距離可以縮短。這允許使用更短的導線長度，從而減少固有電感，從而使開關能力更快。通過這種直接液體冷卻，可以減少不同開關和低功率(lp)發生器和/或耦合器的其他組件之間的溫差。因此，高級平衡是可能的。

30、在一個方面，控制單元可以配置為通過低功率(lp)發生器以有序的方式選擇低功率(lp)發生器的貢獻。具體而言，每個脈沖序列都可以從不同的低功率(lp)發生器開始，因此所有n個低功率(lp)發生器在n個脈沖之后都相等地加載。這樣可以增強低功率(lp)發生器組之間的負載分配，從而在開關元件之間實現更好的功率損耗平衡。

31、在一個方面，控制單元可以包括開關單元，具有至少10a/μs的電流抬升能力。憑借如此高的電流抬升能力，可以足夠快地對容性負載進行充電。

32、在一個方面，控制單元可以包括開關單元，具有承受約0.5kv或更高電壓的能力，電壓上升和下降速率為15kv/μs或更高。這樣，可以實現具有極其尖銳電壓轉換的極端脈沖。對于等離子體工藝等許多應用來說，這是一個非常需要的功能，尤其是在半導體等離子體工藝中。

33、在一個方面，控制單元可以配置為選擇低功率(lp)發生器14、16、18的貢獻，以減少高功率(hp)發生器輸出端和/或負載上的專用位置的電壓過沖，特別是在等離子體過程的基板上。這可以通過高功率發生器輸出端的第一步來完成，該步驟只是第二步值的一部分，特別是第二步值的一半，第二步可能是全部量。

34、在一個方面，至少一個，優選幾個，最優選的所有低功率(lp)發生器包括低功率(lp)發生器值限制電路，例如電壓限制電路或電流限制電路。這可能是一個帶有額外電阻器的附加開關元件，或者是一個帶有功率耗散部件的可變折衷可控阻抗。有了這樣的電路，高功率(hp)發生器可以更加可靠。

35、在一個方面，控制單元配置為以電氣隔離的方式選擇低功率(lp)發生器的貢獻，特別是通過光纖連接或磁耦合。所述低功率(lp)發生器中的一些或優選，可由控制單元通過控制開關單元來選擇。數據處理器的輸出和開關單元之間的連接可以通過光纖或磁耦合來實現。這可以幫助有效、快速且無時間延遲地切換所有低功率(lp)發生器，以形成電壓具有尖銳邊緣的脈沖，例如一個開關單元的多個開關元件可以通過一個電氣隔離連接。幾個帶有相應開關單元的低功率(lp)發生器可以合并為一個組，該組可以配置為該組只能一起激活或停用。然后，對于這樣的組，可以只使用一個電氣隔離連接。減少電氣隔離連接的數量可以節省成本，并使高功率發生器更加可靠，因為具有故障風險的部件更少。有利的是，每個開關都有自己的電氣隔離連接。但是，如果合并，多個變送器可以由一個控制信號控制。這樣可以減少所需的i/o端口數量。

36、在一個方面，盡管負載不平衡，但所有低功率(lp)發生器(也稱為“級”)上的電壓都是相等的。此外，通過將初級路徑放置在環形鐵芯變壓器的中間附近，同時保持次級繞組靠近鐵芯并遠離初級繞組，可以很容易地實現初級到次級繞組隔離(接地到高壓)。平衡繞組可以放置在靠近次級繞組的位置，因為這里只應提供級間電壓絕緣。

37、“控制單元配置為選擇低功率(lp)發生器對高功率(hp)發生器輸出值的貢獻”的含義應理解為高功率發生器電路的能力和配置與控制單元的程序相結合，使高功率(hp)發生器能夠選擇具有各自低功率(lp)發生器值的低功率(lp)發生器的選擇，以提供對高功率(hp)發生器輸出值的貢獻。

38、該控制單元可以包括數據處理器，其具體體現為例如具有程序存儲器的嵌入式微控制器，其具體體現為非易失性數據存儲器，以及體現為易失性數據存儲器的數據存儲器，例如，此類控制單元通常包括用于輸入數據的數據接口，例如測量數據、控制輸入數據等。以及傳出的數據，如控制信號、信息信號、警報信號等。這種控制單元通常包括數據計算部分、數據比較可能性和類似的電路，使其能夠從傳入的數據中計算出新數據，找到與傳入和/或計算數據相關的決策，并輸出相關數據信號以控制高功率(hp)發生器的其他電路，例如。

39、耦合器的輸出可以是高功率(hp)發生器的輸出。但是，在耦合器的輸出和高功率(hp)發生器的輸出之間也可能連接一些微小的附加電壓或電流整形組件。這種微小的附加電壓或電流整形元件可以是濾波器或小電壓、電流或電源，其數值量比耦合的輸出值小得多。

40、“高功率(hp)發生器的狀態”是指高功率(hp)發生器在使用時可能處于的不同狀態，具體取決于不同的低功率(lp)發生器和/或開關單元和/或高功率(hp)發生器中的開關元件的激活。

41、高功率(hp)意味著在脈沖期間為10kw或更高。高電壓值(hv)意味著4kv或更高。高電流意味著10a或更高。高功率(hp)發生器可以配置為影響等離子體中和/或等離子體電位與基底之間的電壓和/或電荷載流子的運動。儲能元件可以是電容器或電感器和/或其他儲能元件。應該理解為被配置成存儲一定量的能量存儲組件，其能量可以是高功率(hp)發生器的一個脈沖輸出能量的合理部分，這意味著至少1/200，優選至少1/100，甚至更優選至少1/50的高功率(hp)發生器的一個脈沖的能量。對儲能組件進行連續充電包括充電到電容器的預定電壓值或電感器的預定電流值。耦合器中低功率(lp)發生器的電氣連接可以是串聯、并聯或兩者的組合。耦合值可以是電壓、電流或功率。控制單元可以確定哪個低功率(lp)發生器對hp發生器的輸出功率做出貢獻。控制單元可以配置為控制低功率(lp)發生器，使得至少兩個低功率(lp)發生器為高功率(hp)發生器的輸出做出貢獻，即將至少兩個低功率(lp)發生器的輸出值相加以形成hp輸出值。

42、主要優點是儲能組件的充電與控制單元的狀態無關。這意味著生成的輸出值的占空比沒有限制，特別是輸出脈沖、它們的寬度以及平均輸出功率。第二個優點是每個低功率(lp)發生器都有自己的儲能組件，可以分別保護控制單元中的開關免受過壓或過流的影響。第三個優點是，由于組件功率低，所有組件都相對便宜。

43、控制單元可以包括開關單元，其中一個開關單元與每個低功率(lp)發生器相關聯。每個開關單元可以包含一個或兩個晶體管，特別是mosfet。mosfet具有高開關能力，可用于50a或更高的電流，并允許切換500v或更高的電壓。如果使用mosfet，可以為每個mosfet提供一個反并聯二極管，特別是與每個mosfet并聯。mosfet可以是基于碳化硅(sic)或基于氮化鎵(gan)的mosfet，適用于500v或更高的快速開關電壓，電壓上升和下降時間長(15kv/μs或更高)，以及高電流(50a或更高)，電流上升和下降時間長(10a/μs或更高)。

44、每個開關單元可以包括一個半橋電路，該電路由兩個串聯的開關元件組成。當以這樣的方式閉合時，可以配置一個晶體管來連接兩個低功率(lp)發生器，即兩個低功率(lp)發生器的兩個值都會影響耦合輸出端的值。特別是，可以將兩個低功率(lp)發生器的輸出值相加。另一個晶體管可以配置為在激活時使負載短路，即當晶體管閉合或處于導通狀態時。

45、每個半橋電路都可以由其存儲組件(例如電容器)箝位。這意味著存儲組件直接并聯到其半橋。這種配置可保護兩個開關免受過壓直至電容器電壓的影響。存儲元件也可以是電感器。這種配置可保護兩個開關免受過電流直至電感器中的電流的影響。在所有低功率(lp)發生器上保持單獨的安全電壓/電流就足夠了，以分別防止過電壓或過電流相關的故障。因此，每個低功率(lp)發生器都將其運行水平保持在自己的范圍內。這導致了自我維持的安全條件。

46、該控制單元可以包括驅動器。驅動器可以配置為驅動開關單元，特別是晶體管，特別是mosfet。控制單元，特別是開關單元，可以是相應的低功率(lp)發生器的一部分。

47、至少6個，優選10個或更多，優選15個或更多的低功率(lp)發生器可以耦合在一個耦合器中。至少兩個低功率(lp)發生器可以提供相等的低功率(lp)發生器值。優選大多數低功率(lp)發生器，甚至所有低功率(lp)發生器提供相等的值。也有可能至少有兩個低功率(lp)發生器提供不同的低功率(lp)發生器值，特別是，所有低功率(lp)發生器可能提供不同的值。一個低功率(lp)發生器可以提供低功率(lp)發生器值，該值是另一個低功率(lp)發生器的低功率(lp)發生器值的一半。

48、電容器可以作為并聯到開關單元的能量存儲組件，特別是半橋。這樣可以穩定耦合器的輸出值。每個低功率(lp)發生器都可以將自己的電容器充電到適當的電壓水平。激活關聯開關單元的一個開關，將負載(例如等離子體過程)連接到電容器。激活開關單元的另一個開關可縮短負載。整個高功率發生器的輸出可以在每個脈沖期間提供真正的動態電壓源，從而實現巨大的輸出電流和所需的快速電壓轉換。

49、包括全橋電路和優選的降壓轉換器的逆變器可以連接到初級繞組。這樣就可以有效地向低低功率(lp)發生器輸送電力。

50、在另外一個方面，本發明涉及一種向等離子體過程提供由高功率(hp)發生器提供的具有變化幅度的高功率脈沖的方法，包括以下步驟

51、a.將多個低功率(lp)發生器的儲能組件分別連續充電到預定值，

52、b.通過控制低功率(lp)發生器對高功率(hp)發生器輸出的貢獻，選擇性地耦合至少一些低功率(lp)發生器的輸出值，以獲得對應于具有所需幅度的脈沖的高功率(hp)發生器的所需輸出值。

53、通過使用許多低功率(lp)發生器，每個低功率(lp)發生器都包含一個儲能組件，以及一個耦合器，可以選擇有多少低功率(lp)發生器來產生輸出脈沖。這種解決方案相對安全、通用且便宜。它是安全的，因為每個低功率(lp)發生器都可以配置為保護其自己的相關開關免受高于其儲能組件功率值的功率的影響。該解決方案是通用的，因為可以快速改變輸出脈沖幅度，分辨率等于低功率發生器的數量。它很便宜，因為可以使用許多低功率發生器和低壓開關，這通常比單個高功率發生器和大功率脈沖裝置便宜。

54、在一個方面，低功率(lp)發生器，也稱為“級”，可以單獨或成組控制。控制信號可以饋送到開關單元的驅動器，最好通過光纖，但也可以使用其他方式。開關單元的所有開關都可以從一個主控制板獨立控制，也可以一個信號控制整個級(例如，開關單元的連接開關的控制信號可能來自主控制板；開關單元的并聯負載開關的信號可能來自連接開關驅動板)，一個信號可以控制多個開關/級，進行分組控制等。總輸出值是僅激活/選定的低功率(lp)發生器的輸出值之和。通過為每個脈沖激活或選擇不同數量的低功率(lp)發生器，可以將總輸出值從一個脈沖更改為另一個脈沖。

55、在一個方面，低功率(lp)發生器的輸出值，即低功率(lp)發生器的值，可以動態穩定。每個低功率(lp)發生器都可以將自己的電容器充電到適當的電壓水平。激活一個開關，將負載連接到該電容器。激活另一個開關可縮短負載。整個高功率發生器的輸出在每個脈沖期間都提供真正的動態電源，從而實現巨大的輸出電流和所需的快速電壓轉換。

56、可以實現雙步轉換而不是單步輸出值轉換。通過任何連接器電感將低阻抗電壓源與容性負載連接都不可避免地會導致電流和電壓振蕩。負載峰值電壓達到所施加電壓水平的兩倍。電阻阻尼電路會消耗大量的功率。通過應用雙步轉換，可以顯著降低功率損耗。這在所呈現的拓撲中是可能的。通過兩步轉換，可以獲得接近矩形的電壓波形形狀、更低的過沖和顯著降低的功率損耗。

57、在持久的輸出脈沖期間，可以按順序激活幾個級的發生器，均為“低功率(lp)發生器”。激活低功率(lp)發生器意味著激活相應的連接開關元件。為了補償衰減的晶圓電壓，可以分幾個步驟增加輸出電壓。每一步都將其電壓添加到總輸出電壓值中。如果所有級上的電壓相等，則每一步的分辨率是全堆棧低功率(lp)發生器電壓的1/n倍。可以構建一個單獨的堆棧來處理補償功能。這可以單獨控制，并可能導致更精細的階躍分辨率，從而產生更穩定的晶圓電壓和更好的離子能量分布。

58、本發明的進一步特征和優點源于以下基于附圖的本發明實施例的詳細描述，該附圖顯示了對本發明至關重要的細節，以及來自權利要求書。那里顯示的特征不一定被理解為是按比例縮放的，并且以這樣一種方式顯示，即根據本發明的特殊特征可以清楚地可見。各種功能可以單獨實現，也可以在本發明的變體中以任何組合方式實現。