使用具有电流返回输出级的脉冲发生器来控制离子能量分布的方法与流程

本文所述实施方式总的来说涉及用在半导体制造中的等离子体处理腔室。
背景技术：
：可靠地产生高纵横比特征是下一代的半导体器件的超大规模集成(vlsi)和极大规模集成(ulsi)的关键技术挑战之一。形成高纵横比特征的一种方法使用等离子体辅助蚀刻工艺(诸如反应性离子蚀刻(rie)等离子体工艺)以在基板的材料层(诸如，电介质层)中形成高纵横比开口。在典型的rie等离子体工艺中，等离子体是在rie处理腔室中形成，并且来自等离子体的离子朝向基板的表面加速，以便在设置在形成于基板表面上的掩模层下方的材料层中形成开口。典型的反应性离子蚀刻(rie)等离子体处理腔室包括射频(rf)偏置发生器，其向“功率电极”(嵌入“静电吸盘”(esc)组件中的金属底板，更通常称作“阴极”)，供应rf电压。图1a描绘在典型处理腔室中供应给功率电极的典型rf电压的曲线图。功率电极通过电介质材料(例如，陶瓷材料)层电容耦合到处理系统的等离子体，所述电介质材料层是esc组件的一部分。向功率电极施加rf电压导致在基板的处理表面之上形成电子排斥等离子体鞘层(也称作“阴极鞘层”)，所述基板在处理期间被定位在esc组件的基板支撑表面上。等离子体鞘层的非线性、类二极管性质导致施加的rf场的整流，使得在基板与等离子体之间出现直流(dc)电压降或“自偏置”，从而使得相对于等离子体电势而言基板电势为负。这一电压降确定了朝向基板加速的等离子体离子的平均能量，并因此确定了蚀刻各向异性。更具体来说，离子方向性、特征轮廓以及对掩模和终止层的蚀刻选择性受离子能量分布函数(iedf)控制。在具有rf偏置的等离子体中，iedf通常具有低能量和高能量的两个峰值，以及在其间的一些离子群，如图1b中所示。iedf的两个峰值之间的离子群的存在反映了基板与等离子体之间的电压降在rf偏置频率下振荡的事实。当使用较低频率(例如，2mhz)的rf偏置发生器来获得较高的自偏置电压时，这两个峰值之间的能量差可能是明显的；并且由于低能量峰值处的离子引起的蚀刻轮廓更为各向同性，这可能潜在地导致特征壁弯曲。与高能离子相比，低能离子在到达被蚀刻的特征的底部处的拐角处(例如，由于充电效应)不太有效，但会导致掩模材料的溅射较少。这在高纵横比的蚀刻应用(诸如硬掩模开口或电介质模蚀刻)中是重要的。随着特征大小继续减小并且纵横比增大，同时特征轮廓控制要求变得更加严格，更加期望在处理期间在基板表面处具有良好控制的离子能量分布函数(iedf)。单峰值iedf可用于构建任何iedf，包括具有受独立控制的峰高和能量的双峰值iedf，这有益于高精度的等离子体处理。作者已经注意到，产生单峰值iedf(诸如图5c中所示的单峰值iedf520)需要在等离子体与基板之间具有几乎恒定的电势差(即，几乎恒定的鞘层电压)，因为鞘层电压确定在处理期间的基板表面处的离子能量。假设几乎恒定的等离子体电势(所述几乎恒定的等离子体电势在处理等离子体的过程中通常不高于接地电势几十伏特)，这需要在基板表面处相对于接地维持几乎恒定的负电势。作者已进一步注意到，这无法通过简单地将dc电压施加到功率电极来实现。这是因为在存在电子排斥等离子体(阴极)鞘层的情况下，由于鞘层电场将电子排斥远离基板，所以来自体等离子体的离子电流不会被来自体等离子体的电子电流平衡。因此，来自体等离子体的不平衡净电流(等于离子电流)不断地给基板表面充电，这最终导致所有施加的dc电压跨基板和esc组件(即，吸盘电容器)的电介质层下降而不是如所期望的那样跨等离子体鞘层(即，鞘层电容器)下降。因此，本领域需要新颖的偏置方法，其能够维持几乎恒定的鞘层电压(等于基板电压相对于接地的值，假设等离子体电势接近零)并因此在基板的表面处产生单能iedf；因而能够精确控制iedf的形状和在基板表面中形成的特征的轮廓。技术实现要素：本文提供的本公开内容的实施方式可以包括一种处理基板的方法，所述方法使得能够维持几乎恒定的鞘层电压长达基板处理时间的约90％。所执行的方法将导致单(窄)峰值离子能量分布函数(iedf)，所述单(窄)峰值离子能量分布函数(iedf)可进一步用于产生具有任意形状的iedf。本文中，所述方法包括在设置在基板支撑件上的基板的表面之上产生等离子体，以及在设置在基板支撑件内的偏置电极处建立脉冲电压波形。脉冲电压波形是使用通过第二电导体耦合到偏置电极的脉冲偏置发生器在偏置电极处建立。脉冲偏置发生器包括同时耦合到第二电导体的脉冲发生器和电流返回输出级。脉冲发生器通过以预定速率重复地闭合和断开其内部开关，在预定长度的规则重复的时间间隔期间在所述脉冲发生器的输出(即，到接地)上维持预定的正电压。脉冲发生器包括恒定电压源、开关和缓冲器。当闭合时，开关将基本恒定的电压源的正输出电耦合到脉冲发生器的输出，所述脉冲发生器的输出通过第一电导体同时耦合到第二电导体。跨脉冲发生器的输出的缓冲器(例如“反激”二极管)在开关的断开后的电感部件(诸如第一和第二电导体)快速释放磁能期间最小化(或“缓冲”)可能的电压尖峰。本文中，电流返回输出级的第一端通过第一电导体电耦合到纳秒脉冲发生器的正输出并同时电耦合到第二电导体，并且电流返回输出级的第二端电耦合到接地。在一些实施方式中，脉冲电压波形包括多个脉冲电压循环，其中每个脉冲电压循环包括鞘层塌陷阶段、吸盘电容器再充电阶段、鞘层形成阶段和离子电流阶段。在塌陷阶段期间，开关闭合，并且鞘层电容通过脉冲发生器所供应的电流放电。在吸盘电容器再充电阶段期间，开关被维持在闭合位置，并且通过来自脉冲发生器的电流向偏置电极提供正电荷。在鞘层形成阶段期间，开关断开，并且电流通过电流返回输出级从鞘层和杂散电容通过电流返回输出级流到接地。在离子电流阶段期间，开关被维持在断开位置，并且同样地通过电流返回输出级从等离子体流到接地的离子电流导致正电荷在基板表面上累积并逐渐使鞘层和吸盘电容器放电，因此缓慢降低了鞘层电压降。在一些实施方式中，鞘层塌陷阶段、再充电阶段和鞘层形成阶段具有介于约200ns与约300ns之间的组合持续时间。在一些实施方式中，在开关保持闭合的时间期间，脉冲发生器的正输出电压在约0.1kv与约10kv之间。在一些实施方式中，开关保持在闭合位置达每个脉冲电压循环的约10ns至约100ns之间。在一些实施方式中，每个脉冲电压循环具有约2μs与约3μs之间的持续时间。在一些实施方式中，组合的鞘层塌陷阶段和再充电阶段占脉冲电压循环的小于约10％。在一些实施方式中，偏置电极通过电介质材料的层与基板支撑件的基板支撑表面间隔开，并且其中基板支撑件的电介质材料的层和设置在基板支撑件上的基板的组合串联电容介于约5nf与约12nf之间。在一些实施方式中，夹持电源在连接点处耦合到外部电导体，并且其中具有介于约40nf与约80nf之间的电容的阻塞电容器与脉冲偏置发生器串联设置在脉冲偏置发生器与连接点之间。在一些实施方式中，具有大于约1兆欧的电阻的阻塞电阻器设置在夹持电源与连接点之间。在另一实施方式中，一种处理腔室包括腔室盖、一个或多个侧壁以及腔室基座，其共同限定处理容积。所述处理腔室进一步包括：基板支撑件，所述基板支撑件设置在处理容积中，其中基板支撑件包括偏置电极，所述偏置电极通过电介质材料层与所述基板支撑件的基板支撑表面分离开；以及脉冲偏置发生器，所述脉冲偏置发生器通过第二电导体耦合到偏置电极。脉冲偏置发生器包括脉冲发生器和电流返回级。脉冲发生器包括：电压源；开关，所述开关在闭合时将电压源的正输出电耦合到脉冲发生器的输出，其中脉冲发生器的输出通过第一电导体耦合到第二电导体；以及在脉冲发生器的输出上的缓冲器。所述电压源可为恒定电压源。本文中，电流返回输出级的第一端同时电耦合到第二电导体并且通过第一电导体电耦合到脉冲发生器的正输出，并且电流返回输出级的第二端电耦合到接地。在一些实施方式中，所述处理腔室包括电感耦合等离子体(icp)或电容耦合等离子体(ccp)等离子体发生器。本公开内容的实施方式可以进一步包括一种处理腔室，所述处理腔室包括：基板支撑件，所述基板支撑件包括偏置电极，所述偏置电极通过电介质材料层与基板支撑件的基板支撑表面分离开；以及偏置发生器，所述偏置发生器通过电导体耦合到偏置电极。偏置发生器包括脉冲发生器，所述脉冲发生器包括具有正端子和负端子的电压源，其中负端子耦合到接地；开关，所述开关在闭合时将正端子电连接到电导体的一端；以及缓冲器，所述缓冲器连接在电导体的端与接地之间。偏置发生器也包括电流返回输出级，其中电流返回输出级的第一端电耦合到电导体，并且电流返回输出级的第二端电耦合到接地。电导体可进一步包括串联连接的第一电导体和第二电导体，其中第一电导体的一端连接到电压源的正端子，并且第二电导体的一端连接到偏置电极。在一些配置中，第一电导体为在偏置发生器内发现的“内部”电导体，并且第二电导体是设置在偏置发生器与偏置电极之间的“外部”电导体。本公开内容的实施方式可以进一步包括一种处理基板的方法，其包括在设置于基板支撑件上的基板的表面之上产生等离子体，以及使用偏置发生器来偏置设置在基板支撑件内的偏置电极，所述偏置发生器通过电导体耦合到偏置电极。偏置发生器包括：脉冲发生器，所述脉冲发生器包括具有正端子和负端子的电压源，其中负端子耦合到接地；以及开关，所述开关在闭合时将正端子电连接到电导体；以及电流返回输出级，其中电流返回输出级的第一端电耦合到电导体，并且电流返回输出级的第二端电耦合到接地。将偏置电极偏置的方法包括通过重复闭合开关达第一时间周期并随后多次断开开关达第二时间周期来在偏置电极处产生脉冲电压波形，其中闭合开关导致在第一时间周期期间由电压源将相对于接地的正电压施加到电导体，并且断开开关导致电流在第二时间周期的至少一部分期间通过电流返回输出级从偏置电极流到接地。所述方法还可以包括由所产生的等离子体在第一时间周期的结束时基本上消除形成于基板表面之上的鞘层电压降，以及使电流在第二时间周期期间从偏置电极通过电流返回输出级流到接地。所述方法还可以包括形成等离子体电势，并且所述第一时间周期包括：具有第一持续时间的鞘层塌陷阶段，其中在第一持续时间的结束处，形成于基板表面之上的电势基本上等于所产生的等离子体的等离子体电势；以及具有第二持续时间的吸盘电容再充电阶段，其中在第一持续时间和第二持续时间已经顺序完成之后消除由所产生的等离子体在基板表面之上形成的鞘层电压降。第二时间周期可以包括：具有第三持续时间的鞘层形成阶段，其中通过电流返回输出级从偏置电极流到接地的电流在第三持续时间期间发生；以及具有第四持续时间的离子电流阶段，其中第四持续时间长于组合的第一、第二和第三持续时间。本公开内容的实施方式进一步包括一种处理腔室，所述处理腔室包括：基板支撑件，所述基板支撑件包括偏置电极，所述偏置电极通过电介质材料层与基板支撑件的基板支撑表面分离开；以及偏置发生器，所述偏置发生器通过电导体耦合到偏置电极。偏置发生器包括脉冲发生器，所述脉冲发生器包括具有正端子和负端子的电压源，其中负端子耦合到接地；以及开关，所述开关在闭合时将正端子电连接到电导体的一端。偏置发生器也包括电流返回输出级，其中电流返回输出级的第一端电耦合到电导体，并且电流返回输出级的第二端电耦合到接地。处理腔室还包括计算机可读介质，所述计算机可读介质具有存储于所述计算机可读介质上的指令，所述指令用于在由处理器执行时执行处理基板的方法，所述方法包括：在设置于基板支撑件上的基板的表面之上产生等离子体；以及使用偏置发生器将偏置电极偏置，其中将偏置电极偏置包括通过重复闭合开关达第一时间周期并随后多次断开开关达第二时间周期而在偏置电极处产生脉冲电压波形，并且其中闭合开关导致相对于接地的正电压在第一时间周期期间被施加到电导体的端部，并且断开开关导致电流在第二时间周期的至少一部分期间通过电流返回输出级从偏置电极流到接地。电导体可进一步包括串联连接的第一电导体和第二电导体，其中第一电导体的一端连接到电压源的正端子，并且第二电导体的一端连接到偏置电极。本公开内容的实施方式进一步包括一种处理腔室，所述处理腔室包括：基板支撑组件，所述基板支撑组件包括偏置电极和基板支撑表面，其中所述偏置电极通过电介质材料的层与所述基板支撑表面分离开，其中所述层具有介于约0.1mm与约1mm之间的厚度；和偏置发生器，所述偏置发生器使用发生器耦合组件电耦合到电导体的发生器端，并且所述电导体的电极端使用电极耦合组件电耦合到所述偏置电极，其中所述偏置发生器被配置为在所述偏置电极处建立脉冲电压波形，并且所述偏置发生器包括：脉冲发生器，所述脉冲发生器电耦合到所述电导体的所述发生器端；和电流返回输出级，其中所述电流返回输出级的第一端电耦合到所述电导体，和所述电流返回输出级的第二端电耦合到接地。如上所述的处理腔室，进一步包括：夹持电源，所述夹持电源使用电源耦合组件电耦合到所述电导体的所述发生器端。如上所述的处理腔室，其中所述电源耦合组件包括阻塞电阻器，所述阻塞电阻器具有大于约1兆欧的电阻。如上所述的处理腔室，其中包括所述偏置电极和所述电介质材料的所述层的平行板状结构具有介于约5nf与约50nf之间的有效电容。如上所述的处理腔室，其中所述基板支撑组件进一步包括基板支撑件和支撑基座，其中所述基板支撑件包括电介质材料。如上所述的处理腔室，其中所述基板支撑件具有第二表面，所述第二表面定位为与所述基板支撑表面相对，所述支撑基座定位为与所述第二表面相邻，并且所述支撑基座包括多个冷却通道，所述多个冷却通道被配置为接收来自冷却剂源的流体，和所述基板支撑组件进一步包括绝缘器板，所述绝缘器板设置在接地板与所述支撑基座之间。如上所述的处理腔室，其中所述偏置电极设置在所述基板支撑组件的所述基板支撑件内。如上所述的处理腔室，其中所述基板支撑件具有第二表面，所述第二表面定位在所述基板支撑表面下方并且与所述基板支撑表面相对，并且所述偏置电极设置在所述第二表面下方。如上所述的处理腔室，其中所述支撑基座被配置为用作偏置电极。如上所述的处理腔室，其中所述脉冲发生器的第一端电耦合到所述电导体的所述发生器端，并且所述脉冲发生器的第二端电耦合到接地。如上所述的处理腔室，其中所述发生器耦合组件包括选自由以下部件所组成的群组的所述部件中的一个：电容器；串联的电容器与电导体；电感器；以及串联的电感器与电导体。如上所述的处理腔室，其中所述发生器耦合组件或所述电极耦合组件包括电导体。如上所述的处理腔室，其中所述电极耦合组件包括选自由以下部件所组成的群组的所述部件中的一个：电容器；串联的电容器与电导体；电感器；以及串联的电感器与电导体。如上所述的处理腔室，其中所述发生器耦合组件包括电容器，所述电容器具有在约40nf至约80nf的范围内的电容。如上所述的处理腔室，其中所述电导体包括第一电导体和第二电导体，所述第一电导体和第二电导体串联电耦合，其中所述第一电导体的一端使用所述发生器耦合组件电耦合到所述偏置发生器的输出，并且所述第二电导体的一端使用所述电极耦合组件电耦合到所述偏置电极。本公开内容的实施方式进一步包括一种处理基板的方法，包括：在基板的表面之上产生等离子体，所述基板设置于基板支撑组件的基板支撑表面上；和使用偏置发生器来偏置设置在所述基板支撑组件内的偏置电极，所述偏置发生器使用发生器耦合组件电耦合到电导体的发生器端，并且所述电导体的第二端使用电极耦合组件电耦合到所述偏置电极，其中所述偏置电极通过电介质材料的层与所述基板支撑表面分离开，其中所述层具有介于约0.1mm与约1mm之间的厚度；所述偏置发生器被配置为在所述偏置电极处建立脉冲电压波形，并且所述脉冲电压波形包括一系列重复循环，所述一系列重复循环中的每个循环内的波形具有在第一时间间隔期间发生的第一部分和在第二时间间隔期间发生的第二部分，正电压脉冲仅在所述第一时间间隔期间存在，和所述偏置发生器包括：脉冲发生器，所述脉冲发生器电耦合到所述电导体的所述发生器端；和电流返回输出级，其中所述电流返回输出级的第一端电耦合到所述电导体，和所述电流返回输出级的第二端电耦合到接地，以及其中，在所述第二时间间隔的至少一部分期间，电流通过所述电流返回输出级从所述偏置电极流到接地。如上所述的方法，其中包括所述偏置电极和所述电介质材料的所述层的平行板状结构具有介于约5nf与约50nf之间的有效电容。如上所述的方法，进一步包括：夹持电源，所述夹持电源使用电源耦合组件电耦合到所述电导体的所述发生器端。如上所述的方法，其中所述电源耦合组件包括阻塞电阻器，所述阻塞电阻器具有大于约1兆欧的电阻。如上所述的方法，其中所述电导体包括第一电导体和第二电导体，所述第一电导体和第二电导体串联电耦合，其中所述第一电导体的一端使用所述发生器耦合组件电耦合到所述偏置发生器的输出，并且所述第二电导体的一端使用所述电极耦合组件电耦合到所述偏置电极。如上所述的方法，其中所述基板支撑组件进一步包括基板支撑件和支撑基座，其中所述基板支撑件包括电介质材料。如上所述的方法，其中所述基板支撑件具有第二表面，所述第二表面定位为与所述基板支撑表面相对，所述支撑基座定位为与所述第二表面相邻，并且所述支撑基座包括多个冷却通道，所述多个冷却通道被配置为接收来自冷却剂源的流体，和所述基板支撑组件进一步包括绝缘器板，所述绝缘器板设置在接地板与所述支撑基座之间。如上所述的方法，其中所述偏置电极设置在所述基板支撑组件的所述基板支撑件内。如上所述的方法，其中所述基板支撑件具有第二表面，所述第二表面定位在所述基板支撑表面下方并且与所述基板支撑表面相对，并且所述偏置电极设置在所述第二表面下方。如上所述的方法，其中所述支撑基座被配置为用作偏置电极。如上所述的方法，其中所述脉冲发生器的第一端电耦合到所述电导体的所述发生器端，并且所述脉冲发生器的第二端电耦合到接地。如上所述的方法，其中所述发生器耦合组件包括选自由电容器、串联的电容器与电导体、电感器以及串联的电感器与电导体所组成的群组的所述部件中的一个。如上所述的方法，其中所述发生器耦合组件或所述电极耦合组件包括电导体。如上所述的方法，其中所述电极耦合组件包括选自由电容器、串联的电容器与电导体、电感器以及串联的电感器与电导体所组成的群组的所述部件中的一个。如上所述的方法，其中所述发生器耦合组件包括电容器，所述电容器具有在约40nf至约80nf的范围内的电容。本公开内容的实施方式进一步包括一种处理基板的方法，包括：在基板的面向等离子体的表面之上产生等离子体，所述基板设置于基板支撑组件上；和使用偏置发生器来偏置设置在所述基板支撑组件内的偏置电极，所述偏置发生器电耦合到电导体的发生器端，所述电导体的电极端电耦合到所述偏置电极，其中所述偏置发生器用于在所述偏置电极处建立脉冲电压波形，其中所述脉冲电压波形具有一系列重复循环，使得每个循环内的波形具有在第一时间间隔期间发生的第一部分和在第二时间间隔期间发生的第二部分，正电压脉冲仅在所述第一时间间隔期间存在，所述脉冲电压波形在所述第二时间间隔的至少一部分期间是基本上恒定的，和所述第二时间间隔大于所述第一时间间隔。如上所述的方法，其中：所述第一部分进一步包括正电压脉冲，所述正电压脉冲导致鞘层电压降的恢复，其中鞘层在所述第一部分的结束处形成于所述基板的面向等离子体的所述表面之上。如上所述的方法，其中在所述一系列重复循环中的一个循环期间形成的鞘层电压降基本上等于在所述一系列重复循环中的后一个循环期间形成的鞘层电压降。如上所述的方法，其中所述第二部分进一步包括由来自所述等离子体的离子电流确定的基本上恒定的电压。如上所述的方法，其中所述第二部分进一步包括由来自所述等离子体的离子电流确定的基本上恒定的电压以及dc夹持电压。如上所述的方法，其中形成在所产生的等离子体内的局部等离子体电势是在不存在等离子体鞘层的情况下与所述基板的所述面向等离子的表面相邻的所述等离子体中的电势或者是在存在等离子体鞘层的情况下与等离子体鞘层边界相邻的所述等离子体中的电势，和所述第一部分进一步包括：正电压跳变，所述正电压跳变在具有鞘层塌陷持续时间的鞘层塌陷阶段期间导致鞘层塌陷，其中在所述鞘层塌陷持续时间的结束处，所述基板的所述表面处的电势基本上等于所产生的等离子体的所述局部等离子体电势；和负电压跳变，所述负电压跳变在具有鞘层形成持续时间的鞘层形成阶段期间导致鞘层形成，其中在所述鞘层形成持续时间的结束处，具有鞘层电压降的鞘层形成在所述基板的所述面向等离子体的表面之上。如上所述的方法，其中所述第一时间间隔介于约200ns与约400ns之间。如上所述的方法，其中所述第一时间间隔小于所述一系列重复循环中的一个循环的约20％。如上所述的方法，其中所述偏置发生器的脉冲发生器的第一端电耦合到电导体的所述发生器，并且所述脉冲发生器的第二端电耦合到接地。如上所述的方法，其中所述偏置发生器使用发生器耦合组件电耦合到所述电导体的所述发生器端，并且所述发生器耦合组件包括选自由以下部件所组成的群组的所述部件中的一个：电容器；串联的电容器与电导体；电感器；以及串联的电感器与电导体。如上所述的方法，其中所述偏置发生器使用发生器耦合组件电耦合到所述电导体的所述发生器端，并且所述发生器耦合组件包括电导体。如上所述的方法，其中所述电导体使用电极耦合组件电耦合到所述偏置电极，并且所述电极耦合组件包括选自由以下部件所组成的群组的所述部件中的一个：电容器；串联的电容器与电导体；电感器；以及串联的电感器与电导体。如上所述的方法，其中所述电导体使用电极耦合组件电耦合到所述偏置电极，并且所述电极耦合组件包括电导体。如上所述的方法，其中所述偏置发生器使用发生器耦合组件电耦合到所述电导体的所述发生器端，并且所述发生器耦合组件包括电容器，所述电容器具有介于约40nf至约80nf的范围内的电容。如上所述的方法，其中所述第一部分进一步包括：正电压跳变，所述正电压跳变在具有鞘层塌陷持续时间的鞘层塌陷阶段期间导致鞘层塌陷，其中在所述鞘层塌陷持续时间的结束处，所述基板的所述表面处的电势基本上等于所产生的等离子体的局部等离子体电势；和负电压跳变，所述负电压跳变在具有鞘层形成持续时间的鞘层形成阶段期间导致鞘层形成，其中在所述鞘层形成持续时间的结束处，具有鞘层电压降的鞘层形成在所述基板的所述面向等离子体的表面之上。附图说明因此，可以详细地理解本公开内容的上述特征的方式，可以通过参考实施方式获得以上简要概述的本公开内容的更具体描述，其中一些实施方式在附图中进行说明。然而，应注意，附图仅仅说明本公开内容的典型实施方式，并且因此不应被视为对其范围的限制，因为本公开内容可以允许其他同等有效的实施方式。图1a说明根据现有技术的提供给等离子体处理腔室的偏置电极的rf电压波形。图1b说明根据现有技术的在常规处理腔室中执行的等离子体工艺期间在基板表面处的离子能量分布函数(iedf)。图2为根据一个实施方式的被配置为实践本文所述方法的示例处理腔室的示意性横截面图。图3为根据一个实施方式的本文所述的脉冲电压偏置方案的功能上等效的近似电路图。图4为根据一个实施方式的使用本文所述的脉冲电压偏置方案来处理基板的方法的流程图。图5a至图5c说明图4中所阐述的方法。图6为关于图2至图3所描述的偏置方案的简化电路图。图7a至图7h说明本文所述的偏置方案的数值模拟的结果。图8展示通过本文提出的脉冲电压偏置方案的实际实施所产生的测得的基板电压波形的示波器轨迹。为了便于理解，在可能的情况下，使用相同的参考数字来表示各图中所共有的相同元件。预期一个实施方式的元件和特征可以有益地并入其他实施方式中而无需另外叙述。具体实施方式本文所述实施方式适用于所有等离子体辅助处理腔室或等离子体增强处理腔室以及对基板的等离子体辅助处理或等离子体增强处理的方法。更具体来说，本公开内容的实施方式描述了一种电极偏置方案，其能够维持几乎恒定的鞘层电压，并因此在基板的表面处产生单能iedf；因而能够精确控制iedf的形状和在基板表面中形成的特征的轮廓。贯穿本公开内容使用以下定义：(1)除非指定基准，否则所有电势均以接地为基准；(2)任何物理点(如基板或偏置电极)处的电压同样被定义为该点相对于接地(零电势点)的电势；(3)阴极鞘层暗指电子排斥的、离子加速的鞘层，其对应于相对于等离子体的负基板电势；(4)鞘层电压(有时也称作“鞘层电压降”)vsh被定义为等离子体与相邻表面(例如，基板或腔室壁的相邻表面)之间的电势差的绝对值；以及(5)基板电势是面向等离子体的基板表面处的电势。我们提出脉冲电压偏置方案(诸如，关于图2和图3所描述的偏置方案)，其中脉冲偏置发生器(诸如，图2中的脉冲偏置发生器240)用于建立在偏置电极(诸如，夹持极204)处的脉冲电压波形(诸如，图5a中所示的脉冲电压波形500)，所述偏置电极通过esc组件内的电介质材料的薄层(此薄层形成esc电容器，cesc)与所述基板分离开。此脉冲电压偏置方案实现维持几乎恒定的鞘层电压长达基板处理时间的约90％，这导致单(窄)峰值iedf(诸如，图5c中的iedf520)，其可以进一步用于产生具有任意形状的iedf。我们注意到使用其他偏置方案来在偏置电极(诸如夹持极)处建立脉冲电压波形(诸如，在偏置电极(诸如，夹持极)处的波形500(在图5a中说明))的可能性，所述偏置电极通过esc组件内的电介质层的薄层与基板分离开。因此，我们单独提出(而不指定偏置方案)在所述偏置电极处建立诸如波形500之类的脉冲电压波形使得能够维持几乎恒定的鞘层电压长达基板等离子体处理时间的约90％，这导致单(窄)峰值iedf，其可用于产生具有任意形状的iedf。在图2所说明的腔室图中展示上文提出的脉冲电压偏置方案的一个实施方式；在图3中说明此偏置方案的等效电路；并且在图6中展示此等效电路的简化形式。对图6中所示的简化电路以数值方式进行建模，以产生图7a至图7h所示的结果。图2展示根据一个实施方式的包括上文提出的脉冲电压偏置方案的腔室图(稍后将在文中给出对图2的更详细描述)。本文所述的偏置方案基本上由以下主要部件组成：(1)纳秒脉冲发生器214，纳秒脉冲发生器214通过以预定速率重复地闭合和断开纳秒脉冲发生器214的内部开关来在预定长度的规则重复的时间间隔期间在纳秒脉冲发生器214的输出(即，接地)上维持预定的、基本上恒定的正电压。图2展示纳秒脉冲发生器的简化的、功能上等效的示意性表示。在图2中，纳秒脉冲发生器被简化为部件的最小组合，所述部件对于理解纳秒脉冲发生器在偏置电极(诸如，夹持极204)处建立所期望的脉冲电压波形(诸如，波形500)方面的作用是重要的。这些部件通常包括内部电压源、高重复率开关和反激二极管。需要理解的是，实际的纳秒脉冲发生器可以包括任何数目的内部部件，并且可以基于比图2的电路更复杂的电路。又，图2的示意图仅提供了纳秒脉冲发生器及其电路的部件的功能上等效的表示，因为需要解释其操作的基本原理、其与处理容积中的等离子体的相互作用、以及其在在偏置电极(诸如，夹持极204)处建立脉冲电压波形(诸如，波形500)方面的作用。从图2中所示的示意图可以推断，当开关s1从断开(“关”)位置移动到闭合(“开”)位置时，它将纳秒脉冲发生器的输出连接到其内部电压源，所述内部电压源产生基本上恒定的输出电压。事实上，如可从图3中所示的纳秒脉冲发生器的一种实现的更详细(但仍然是简化)的等效电路看出的，所述开关实际上将内部电池连接到升压输出变压器。这一细节对于理解纳秒脉冲发生器的基本操作原理和其在偏置电极(诸如，夹持极204)处建立脉冲电压波形(诸如，波形500)的功能并不重要，但它具有重要的实际意义，将在后面进行描述。反激二极管(也可用不同的缓冲器电路代替)的目的是为了抑制或“缓冲”由开关s1断开所引起的可能的电压尖峰，然后快速释放累积在电感元件中的磁能。这些电感元件包括：(a)外部电导体，诸如具有组合的电感ltransm的传输线206，以及(b)脉冲偏置发生器240的部件，包括连接纳秒脉冲发生器214和电流返回输出级215的内部电导体，其具有组合电感linternal。当开关s1保持在闭合位置并且纳秒脉冲发生器将电流提供给系统时，磁能在时间间隔期间累积在电感元件中。在开关s1处于闭合(“开”)位置并且基本上恒定的正输出电压(等于vm)得以维持的时间间隔期间，纳秒脉冲发生器输出电压v0的幅值vm可以高达几千伏(例如，0.1kv至10kv)。将开关保持在闭合(“开”)位置并且基本上恒定的正输出电压得以维持的时间间隔称作“脉冲宽度”τp，并且它可以长达几十纳秒(例如，10ns至100ns)。又，将开关从断开(“关”)位置转换到闭合(“开”)位置的时间间隔称作“上升时间”，τrise，并且它也可以是几十纳秒(例如，25ns至50ns)。当开关从断开位置转换到闭合位置时，纳秒脉冲发生器的输出电压逐渐增加，直至达到vm为止。最后，将从断开(“关”)到闭合(“开”)位置(反之亦然)的两个连续转换之间的时间长度称作“周期”，t，并且其等于脉冲重复频率的倒数，例如，其可以高达400khz。我们注意到以下几点：(a)在本文提出的脉冲电压偏置方案中，纳秒脉冲发生器主要用作电荷注入器(电流源)，而不是用作恒压源；因此，没有必要对其输出电压的稳定性强加严格的要求，因为即使开关保持在闭合(“开”)位置，它也可以随时间变化；(b)纳秒脉冲发生器基本上是一个来源，而不是吸收源，因为它只在一个方向上使电流通过(所以它只能充电，而不能使(例如)电容器放电)；(c)当开关保持在断开(“关”)位置时，纳秒脉冲发生器的输出的电压v0不受内部电压源控制，而是由其内部部件与其他电路元件的相互作用来确定；以及(d)名称“纳秒脉冲发生器”源于如下事实：当它工作在低杂散电容/电感(主要是电阻性负载)时，它在其输出处产生电压波形，所述电压波形可以被描述为一系列接地基准正电压脉冲。(2)电流返回输出级215，其中一端215b接地，并且另一端215a通过内部电导体连接到纳秒脉冲发生器的正输出并同时连接到外部电导体。将纳秒脉冲发生器与电流返回输出级和内部电导体的组合在这里称作“脉冲偏置发生器”240，并且其既是来源也是吸收源，因为它在两个方向上使电流通过。电流返回输出级可包括以下元件：(a)电阻器，(b)串联连接的电阻器和电感器，或(c)包括并联电容器的电气元件的更复杂组合，所述电气元件的更复杂组合允许正电流流向地面。(3)将脉冲偏置发生器240的输出连接到夹持极的外部电导体。脉冲偏置发生器240的输出为点215a，这里纳秒脉冲发生器214的输出通过内部电导体连接到电流返回输出级215。外部电导体可以包括：(a)同轴传输线206，其可包括具有电感lfles的柔性同轴缆线，所述柔性同轴缆线与具有电感lrigid的刚性同轴传输线串联；(b)绝缘的高压耐电晕连接线；(c)裸线；(d)金属棒；(e)电连接器；或(f)(a)至(e)中的电气元件的任何组合。注意，内部电导体可以包括与外部电导体相同的基本元件。夹持极通常是嵌入静电吸盘中的金属板，并通过电介质材料的薄层(例如，约0.3mm厚)与等离子体分离开。夹持极可以是嵌入在图2中所示的esc组件的静电吸盘部分(即，esc基板支撑件205)内的偏置电极204。外部导体(诸如传输线206)和偏置电极204具有一些组合的到接地的杂散电容，cs。图3描绘本文提出的脉冲电压偏置方案的功能上等效的简化电路300，包括处理容积中的等离子体。又，图6描绘电路600，其为电路300的进一步简化版本。这些电路仅用于建模脉冲偏置发生器(诸如，240)与处理腔室308的相互作用的主要方面；解释其基本操作原理，且其作用是在偏置电极(诸如，204)处建立脉冲电压波形(诸如，500)；描述在脉冲电压波形(诸如，500)的不同阶段期间发生的伴随物理现象；并且大致解释了本文提出的脉冲电压偏置方案的基本操作原理。在实践中，本文所述的脉冲电压偏置方案与处理容积中的等离子体的相互作用可能伴随着复杂的物理现象(例如，由诸如外部和内部电导体的电感元件的存在所引起的高频振荡)，这里大致省略了这些考虑。然而，需要理解的是，虽然关于脉冲电压波形(诸如，500)的阶段501至504的论述(稍后在文中进行)大致基于其中省略考虑一些更复杂物理现象的简化电路模型600，但那些现象对于理解本文提出的脉冲电压偏置方案的基本操作原理并不重要。另外，尽管图5a至图5b和图7a至图7h中的波形是通过使用orcadp-spicedesigner软件(具有用于生成每个图集的不同电路参数集)数值模拟简化电路600而产生的，但是通过建模揭示的主要的基础物理现象(即，鞘层塌陷、esc再充电、鞘层形成以及通过离子电流对基板表面充电)与实际系统有关。分别在图3和图6中示出的等效电路300和600中，根据以下解释，在图2的腔室图中显示的所有相关物理部件均由分立电路元件表示。首先，静电吸盘中的电介质层和放置在其表面上的经处理的基板(例如，电容大于10nf的0.8mm厚的硅掺杂板)将夹持极与等离子体分开，并且在图3和图6中的电路中由具有电容ce(例如，约7nf至10nf)的单个吸盘电容器303(实际上是两个串联的电容器)表示。换句话说，我们认为基板(通常由半导体和/或电介质材料的薄层制成)是esc电介质层的一部分，并且每当我们提到吸盘电容ce时，我们暗指ce是esc(即，cesc)和基板(即，cwafer)的组合的串联电容。因为基板电容cwafer通常很大(大于10nf)，或者基板可以是导电的(无限电容)，所以串联电容主要由实际cesc确定。其次，夹持极204、脉冲偏压发生器240和将它们连接在一起的外部电导体(诸如，传输线206)具有：(a)一些组合的到接地的杂散电容，其在电路600中由具有电容cs(例如，约500pf)的单个杂散电容器302表示；以及(b)一些电感，其在电路600中由用于内部电导体和脉冲偏置发生器240的其他部件的电感器linternal(例如，约300nh)以及用于外部电导体(诸如，传输线206)的ltransm(例如，约500nh)表示。电流返回输出级215在电路600中由单个电阻器rros(例如，约150欧姆)表示。第三，我们使用标准的电等离子体模型，其将处理容积中的整个等离子体表示为3个串联元件：i.与基板相邻的电子排斥阴极鞘层304(我们有时也将其称作“等离子体鞘层”或仅称作“鞘层”)。阴极鞘层在图3和图6中是由常规的3部分电路元件表示的，所述常规的3部分电路元件包括：(a)二极管dsh，其在断开时表示鞘层塌陷，(b)电流源ii(例如，约0.5a至5a)，其表示在鞘层存在的情况下流向基板的离子电流，和(c)电容器csh(例如，对于高纵横比应用而言，约100pf至300pf)，其表示在偏置循环的主要部分(约90％)(即，离子电流阶段)的鞘层，在此期间发生离子加速和蚀刻。ii.体等离子体305，其在图3和图6中由单个电阻器rpl表示(例如，约5至10欧姆)，iii.形成在腔室壁处的电子排斥壁鞘层306。所述壁鞘层同样在图3和图6中由3部分电路元件表示，所述3部分电路元件包括：(a)二极管dw，(b)表示到壁的离子电流的电流源iiw(例如，约5a至10a)，和(c)电容器cw(例如，约5nf至10nf)，当没有电子排斥阴极鞘层并且壁鞘层电容器由纳秒脉冲发生器推动通过esc的大电流充电时，所述电容器cw主要在esc再充电阶段502(在本文中稍后描述)期间表示壁鞘层。由于阴极鞘层远比壁鞘层厚(归因于高电压)，并且总壁面积远大于基板面积，因此我们选择了cw＞＞csh。接地金属壁的内表面被认为是涂覆有电介质材料的薄层，在图3和图6中由大电容器ccoat(例如，约300nf至1000nf)表示。图4描绘根据一个实施方式的说明使用本文所述脉冲电压偏置方案来处理基板的方法400的流程图。在活动401处，方法400包括在设置于基板支撑件上的基板表面之上产生等离子体。在活动402处，方法400包括使用脉冲偏置发生器在设置于基板支撑件内的偏置电极处建立脉冲电压波形，所述脉冲偏置发生器使用外部电导体(诸如，传输线206)耦合到偏置电极。图5a说明在偏置电极处建立的脉冲电压波形500。图5a中所示的脉冲电压波形500导致图5b中所示的基板电压波形510，并因此能够使鞘层电压保持几乎恒定达基板处理时间的约90％。图5a至图5b中所绘的电压波形500和510以及图7a至图7h中所示的波形是通过使用orcadp-spicedesigner软件来数值模拟简化电路600而产生的。选择了用于产生图5a至图5b的电路参数以清楚地说明波形500和510的不同阶段(例如，波形周期被设定为1μs)。相反，选择了用于生成图7a至图7h的参数以演示本文提出的脉冲电压偏置方案的潜在实际实施(例如，波形周期被设定为2.5μs)。我们注意到，图5a至图5b和图7a至图7h中所说明的波形应该被解释为实验上可观察波形的简化的示意表示，诸如，图8中所示的一种波形。实际波形可以显著更复杂并含有在图5a至图5b和图7a至图7h中未示出的诸多精细尺度特征(例如，由诸如外部和内部电导体之类的电感元件的存在所引起的高频振荡)。然而，这些精细尺度特征对于理解确定由本文提出的脉冲电压偏置方案产生的实际脉冲电压波形的一般形状的基础物理现象而言不是重要的。因此，虽然以下论述大致基于图5a至图5b和图7a至图7h中所示的电路600和模拟波形，但是在脉冲电压波形循环的阶段501-504期间发生的主要基础物理现象(即，鞘层塌陷、esc再充电、鞘层形成和由离子电流对基板表面充电)与实际系统有关。在图5a中，脉冲电压波形500包括在电压偏移的顶部上以周期t(例如，2.5微秒)重复的周期性的一系列的短正脉冲。每个周期(重复循环)内的波形包括以下各者：(1)正电压跳变以对系统的杂散电容器充电并使阴极鞘层塌陷，即，鞘层塌陷阶段501，在此期间鞘层电容器放电并且基板电势达到局部等离子体电势的水平(如图5b中所说明的)。鞘层塌陷阶段501使得能够通过在esc再充电阶段502期间从等离子体提供的电子对吸盘电容器快速再充电。开关s1(参见图6)闭合并保持在闭合(“开”)位置达阶段501的持续时间，从而允许纳秒脉冲发生器(诸如，214)在其输出上维持基本恒定的正电压并将电流供应给系统。阶段501的持续时间t1远短于离子电流阶段504(以下进行描述)的持续时间t4或整个周期t，并且通常大约为几十纳秒(例如，20ns至50ns)。这是因为阶段501期间的等离子体电流是由电子携载——即，电子云向基板移动并逐渐扫过离子空间电荷，因而消除了鞘层电压降——并且因为所述两种物质之间的质量比非常大因此电子速度远大于离子速度。(2)在esc再充电阶段502期间，通过在离子电流阶段504(以下进行描述)期间快速注入与基板表面上累积的总电荷的值相等且极性相反的电荷，对吸盘电容器ce再充电。在阶段501期间，纳秒脉冲发生器214在其输出上维持基本恒定的正电压(开关s1保持在“开”位置)。类似于阶段501，阶段502的持续时间t2远短于离子电流阶段504(以下进行描述)的持续时间t4或整个周期t，并且通常为大约几十纳秒(例如，30ns至80ns)。这是因为阶段502期间的等离子体电流也是由电子携载——即，在没有阴极鞘层的情况下，电子到达基板并积累表面电荷，从而对电容器ce充电。(3)负电压跳变(vout)以在鞘层形成阶段503期间使处理腔室的杂散电容器放电，重新形成鞘层并设定鞘层电压(vsh)的值。图6中的开关s1在鞘层形成阶段503的开始处断开，并且电感元件快速(例如，在约10纳秒内)将它们存储的磁能释放到吸盘电容器ce和杂散电容器cs中。电感元件可以包括由电感linternal表示的脉冲偏置发生器240(例如，内部导体)的内部部件，和由电路600中编号为309的电感ltransm表示的外部导体(例如，传输线206)。在磁能释放期间，对应的电流流过反激二极管或者具有抑制(或“缓冲”)可能的电压尖峰的类似功能的不同缓冲器电路。从如图7b中所示的纳秒脉冲发生器输出电压v0的时间曲线图可以看出，在磁能释放期间，纳秒脉冲发生器(诸如，214)的内部电压源不维持正输出电压(开关s1保持在“关”位置)，因此它短暂地塌缩到零下几伏以允许反激二极管使电流通过。此处我们注意到，若没有反激二极管(或具有“缓冲”可能的电压尖峰的类似功能的不同部件)，则需要通过电阻式电流返回输出级来释放磁能，从而导致r上的达几纳秒的不切实际的大的负电压(例如，-20kv，其可能损坏脉冲偏置发生器240的内部部件)，而不是塌陷到接近零的值。在释放磁能并且通过ltransm的电流降至零(以及通过内部linternal)后，其反转方向并通过电流返回输出级从等离子体和杂散电容器流到接地(反向偏置的反激二极管阻止电流流过自身)，因而使杂散电容器cs放电，并对鞘层电容器csh充电(即，重新形成鞘层)。在图5b中可以清楚地识别鞘层形成的开始(csh的充电)作为基板电势开始降低到低于局部等离子体电势的点。类似于阶段501，阶段503的持续时间t3远短于离子电流阶段504(以下进行描述)的持续时间t4或整个周期t，并且通常大约为100ns至300ns。这是因为阶段503期间的等离子体电流同样由电子携载——即，电子云移动远离基板并逐渐暴露离子空间电荷，因而形成鞘层并产生鞘层电压降。我们注意到(1)t3主要由杂散电容以及包括电流返回输出级的元件(例如，电阻器)的值确定；以及(2)负电压跳变vout和建立的鞘层电压vsh是由vm(在阶段501至502期间纳秒脉冲发生器输出电压的幅值)确定，并且总脉冲宽度τtot＝τrise+τp＝t1+t2。为了解释τtot(实际所控制的参数)对vout和vsh的影响，我们注意到t2和阶段502期间偏置电极电压δvs，2的增加这两者都主要由vm和离子电流ii来确定。因此，对于给定的vm和ii，总脉冲宽度τtot控制t1，这进而确定了在阶段501期间的基板电压的增加δvsub，1以及偏置电极电压并且因此vout＝δvs，1+δvs，2且(4)具有持续时间t4的长的(约为循环持续时间t的85％至90％)离子电流阶段504，在其期间纳秒脉冲发生器214同样不在其输出上维持正电压(开关s1保持在“关”状态)，并且离子电流通过电流返回输出级从等离子体流到接地。离子电流引起正电荷在基板表面上的积累，并逐渐使鞘层和吸盘电容器放电，缓慢降低鞘层电压降并使基板电势更为接近零。这导致图5b中所示的基板电压波形510中的电压降δvsh。所产生的鞘层电压降是脉冲电压波形500需要移动到在上述(1)至(3)中所描述的下一个循环的原因，在所述下一个循环期间纳秒脉冲发生器214去除在离子电流阶段期间累积的电荷(或恢复初始esc电荷)并且重新建立所期望的鞘层电压vsh。注意，每当存在电子排斥阴极鞘层和来自体等离子体的不平衡净电流(等于离子电流)，表面电荷和鞘层电压降就会累积。如先前所解释，这是因为来自体等离子体的离子电流未被来自体等离子体的电子电流平衡，原因是鞘层电场将电子排斥离开基板。因此，表面电荷累积和电压降的产生也发生在鞘层形成阶段503期间，在所述鞘层形成阶段503期间从一开始就存在非零鞘层电压降。从以上(1)至(4)可以看出，构成脉冲电压波形(诸如，脉冲电压波形500)的单个电压脉冲的“电子电流”阶段501至503的组合持续时间为约200ns至400ns，其对应于约10％至15％的相对较短的占空比。脉冲电压波形500的短占空比特性是对于所有等离子体而言典型的大的离子-电子质量比的结果。因此，在本文提出的脉冲电压偏置方案中，脉冲偏置发生器仅在每个周期的短部分期间与等离子体主动地相互作用，从而允许阴极鞘层在其余时间内自然演化。通过有效地使用基本等离子体性质，此偏置方案使得能够维持几乎恒定的鞘层电压长达处理时间的约90％，这导致了单峰值iedf(诸如，图5c中的iedf520)。相反，在常规的偏置方案中，所施加的rf电压(具有诸如图1a中所示的一个波形)在整个rf周期内调制阴极鞘层，因此总是不当地改变鞘层电压降并导致双峰值iedf(诸如，图1b中所示的iedf)。本文提出的脉冲电压偏置方案使得能够维持特定的基板电压波形，诸如，图5b中所示的基板电压波形510，所述波形可以被描述为在负电压偏移512的顶部上的周期性的一系列的短正脉冲511。在每个脉冲(具有为t5＝t1+t2+t3的总持续时间)期间，基板电势达到局部等离子体电势，并且鞘层短暂地塌陷。然而，对于每一个循环(具有循环持续时间t)的约90％而言，鞘层电压降保持几乎恒定并且近似等于最负的基板电势vsh的绝对值(图5b)，这因此确定了基板表面处的平均离子能量。在偏置循环的鞘层塌陷阶段501期间，来自纳秒脉冲发生器(例如，214)的电流在并联连接的处理等离子体与杂散电容器cs之间分开，大致根据比率csh/cs并且不是非常显著。因此并且因为cw通常是非常大的，所以在阶段501期间在壁鞘层上累积的电压降相对较小。结果，近壁等离子体电势vw(其等于壁鞘层电压降与壁电介质涂层上的预期为小(由于非常大的ccoat)的电压降的总和(图6))保持接近零(图7f)。因而，局部(近基板)等离子体电势vpl(等于近壁等离子体电势与体等离子体上的电压降之和(图6))主要是由后者确定，并且其增大略高于零(图5b和图7f)。又，在esc再充电阶段502期间，没有电子排斥阴极鞘层，并且壁鞘层电容器被由纳秒脉冲发生器(例如，214)推动通过esc的大电流充电到大量的电压(例如，几百伏)。由于近壁等离子体电势的增加、以及在体等离子体上存在相对大的电压降(由相同的大电流引0起)，局部(近基板)等离子体电势vpl以及基板电势vsub经历了高达所建立的鞘层电压vsh的约1/3的大量增加。最后，在鞘层形成阶段503期间，通过处理等离子体的电流再次(如在阶段501中)由比率csh/cs确定，并且相对较小(也快速衰减)，在体等离子体上的所得电压降也是如此。因此，局部(近基板)等离子体电势保持近似等于近壁等离子体电势，并且它们都在较接近阶段503的结束处放松到接近零的值，因为壁鞘层主要通过到腔室壁的离子电流来放电。由于在阶段501至503期间局部等离子体电势扰动，所建立的鞘层电压vsh仅构成阶段503的结束处的基板电压波形510中的总负跳变v′sh的约75％。负跳变v′sh定义了给定vm和rtot下的最大鞘层电压(仅在接近无限cw和接近零rpl时可得到)，并且它接近偏置电极电压波形500中的负跳变v′sh～vout。后者是因为在阶段503期间，吸盘电容器仅将其初始电荷的一小部分(∝csh/ce＜＜1)转移到鞘层，从而在电极与基板之间维持几乎恒定的电势差。在实践中可以使用vsh/vout约0.75-0.8的关系从测量到的vout估计vsh。a.实践考虑有效的简化电路600和此电路的数值模拟结果分别展示于图6和图7a至图7h中。我们注意到，为了模拟具有有限闭合时间的非理想开关，在实际pspice模型中，我们用一个具有最大电压vm和有限上升时间的梯形电压脉冲(与开关控制电压脉冲p1同步)来替代恒定电压源vm。在表1中给出建模中所使用的所有电路参数：表1vmτriseτptlinternalltransmrroscscecshiirplcwitwccoat4175v25ns65ns2.5μs300nh400nh150ω500pf7nf150pf1.5a7.5ω5nf5.5a1μf图7a说明建模出的纳秒脉冲发生器输出电压随时间的变化v0(t)(和3个波形循环)。图7b为图7a的一部分的详细视图。图7c说明偏置电极处的建模出的电压vs(t)，即，跨cs的电压，如图6的电路600中所示。图7d是图7c的一部分的详细视图。图7e说明建模出的基板电势vsub、局部(近基板)等离子体电势vpl和近壁等离子体电势vw，如图6中所示。图7f是图7d的一部分的详细视图。图7g说明通过外部导体(诸如，传输线206)的建模出的电流，所述外部导体将脉冲偏置发生器耦合到偏置电极，il(t)，即，通过图6的电路600中的电感ltransm的电流。图7h是图7g的一部分的详细视图。图7e和图7f中的数值结果清楚地表明，使用脉冲偏置发生器240(包括纳秒脉冲发生器214和电流返回输出级215)在大部分波形周期内产生几乎恒定的鞘层(和基板)电压，因此产生一个窄的单峰值iedf(诸如图5c中所示的单峰值iedf520)。用于获得图7a至图7h中的结果的脉冲重复频率是400khz，并且对应的波形周期是2.5微秒。图7e和图7f的基板电势波形包括小电压降(在图5b中展示为δvsh)，所述小电压降在离子电流阶段504的过程中累积并且可以如下进行估计。因为在离子电流阶段504期间：(a)偏置电极(即，夹持极)处的电压保持恒定在由电流返回输出级中的电阻器rros所确定的水平，vesc＝ii*rros，以及(b)等离子体电势也保持恒定(接近零)——可以容易地获得在离子电流阶段504的持续时间t4(接近波形周期t)内的鞘层电压降δvsh由下式给出：其中ii为流过鞘层的离子电流。此公式反映了离子电流在鞘层电容器csh与吸盘电容器ce之间分裂的事实，并且需要使其两者放电以便改变鞘层电压。上述公式可用于选择适当的参数以有效地操作本文提出的脉冲电压偏置方案，且允许确定其适用性限制。例如，从维持几乎恒定的鞘层电压vsh的目标出发，我们立刻得到了相对较小的电压降的要求，即，对于给定的离子电流(通常为0.5a至5a)、ce和t而言，它给出了鞘层电压的范围，对此本文提出的脉冲电压偏置方案是最有用的。此要求示出，此偏置方案在产生窄的单峰值iedf(即，图5c中的iedf520)中的有效性随着所期望的鞘层电压和离子能量而增加，这使得它特别适用于(例如)如“硬掩模开口”和“电介质模蚀刻”这样的有挑战性的高纵横比应用。更准确地说，使用本文所述的偏置方案产生的“单能”iedf中的单个能量峰值的相对宽度是由比率δvsh/vsh确定，或者实际上是由ce、ii和t确定。上述要求还暗指本文提出的脉冲电压偏置方案在脉冲电压波形(例如，图5a中的电压波形500)的较高脉冲重复频率(prf)(或较短周期t)下工作得更好。的确，从方程式(1)可以看出，电压降δvsh的值随着周期t而增加。又，电压降的增加导致使用本文提出的脉冲电压偏置方案所产生的单峰值iedf的相对宽度的增加，δvsh/vsh，因而削弱了精确控制使用此单峰值iedf所产生的任意iedf的形状的能力。然而，我们注意到，prf的选择必须与两个额外考虑因素相平衡。即：(a)产生高压纳秒脉冲的挑战随着切换频率而大大增加，以及(b)期间离子被加速朝向基板表面并且发生离子轰击基板表面(例如，在蚀刻工艺期间发生蚀刻)的离子电流阶段504的持续时间t4需要比鞘层塌陷阶段501、esc再充电阶段502和鞘层形成阶段503的组合持续时间t1+t2+t3长得多。此组合持续时间是仅由电路元件cs、rros、lros、linternal、ltransm(图6)确定而与脉冲重复频率无关，并且通常为约200ns至400ns。实践中，对于高达几安培的离子电流和几纳法(例如，7nf至10nf)的离子电流而言，400khz是脉冲重复频率的合理选择；条件是所期望的鞘层电压vsh远大于δvsh(例如，针对上述参数vsh约3kv至8kv)。从上述要求中还可以清楚地看出，具有大ce是有益的，这就是为什么当脉冲电压被施加到夹持极而不是支撑基座207(图2)时本文提出的脉冲电压偏置方案最有效的原因，在常规的等离子体反应器中通常将rf功率施加到支撑基座207。实践中，为了有效地实施所提出的偏置方案，ce需要大约为几纳法。对于高纵横比应用来说典型的约100pf至300pf的csh，这也自动暗指ce＞＞csh，这对于在给定的vout下最大化v′sh是重要的。我们注意到，在本文提出的脉冲电压偏置方案中，电压切换仅发生在纳秒脉冲发生器内，并且仅在驱动输出升压变压器的初级侧的相对较小的电压(例如，100v至800v)下发生。与先前提出的方案相比，此方案提供了显著的实际益处，先前方案中通常存在需要在全鞘层电压下(即，例如数千伏特下)切换的第二开关(定位在电阻输出级处)。在这些先前提出的偏置方案中存在第二开关大大降低了系统的鲁棒性，并且在实践中将它们的可扩展性限制到高纵横比应用所需要的足够高的鞘层电压(例如，vsh为约4000v至8000v)。作者无法识别能够在rf频率(例如，400khz)下切换且同时具有例如8000v的高电压的商用开关。这里需要提到的是，图3中的阻塞二极管的目的是防止返回电流在阶段503和504期间流过升压变压器的次级绕组而不是电流返回输出级。作者进一步注意到，电流返回输出级215可包含电抗元件的组合，如电感器和电容器(例如，串联电感器)，而不限制其产生几乎恒定的鞘层电压的有效性。我们还注意到，电流返回输出级中的电阻器(例如，图6中的电阻器rros)的值需要基于功率平衡考虑与最小化rc放电时间tstab≈rros(cs+csk)的要求相结合来确定，所述rc放电时间确定鞘层形成阶段503的持续时间t3。本文提出的脉冲电压偏置方案的其他益处包括纳秒脉冲发生器的商业可用性。本文提出的脉冲电压偏置方案也可以容易地与标准用于夹持的高压模块(hvm)集成，即，将基板“电夹紧”到esc基板支撑件的基板接收表面，如图2和图3中所示。夹持基板允许用氦气(he)填充基板接收表面与基板的非设备(non-device)侧表面之间的间隙，这么做是为了在这两者之间提供良好的热接触并允许通过调节esc基板支撑件的温度进行基板温度控制。将hvm所产生的dc夹持电压与脉冲偏置发生器(诸如，240)在偏置电极(诸如，夹持极204)处产生的脉冲电压相结合将导致脉冲电压波形(诸如，500)的额外电压偏移等于dc夹持电压。通过选择适当大的chvm和rhvm，可以使hvm对脉冲偏置发生器的操作的影响可以忽略不计。电路300中的阻塞电容器chvm的主要功能是保护脉冲偏置发生器免受hvmdc电压的影响，hvmdc电压因此在chvm上下降并且不扰乱脉冲偏置发生器输出。需要选择chvm的值以使得仅阻塞hvmdc电压时，它不会对脉冲偏置发生器的高频输出电压产生任何负载。通过选择足够大的chvm(例如，40nf至80nf)，我们可以使其对于400khz信号几乎透明，因为它比系统中的任何其他相关的电容都大得多，并且相比于其他相关的电容器(诸如，ce、csh)上的电压降而言此元件上的电压降非常小。又，阻塞电阻器rhvm的目的是阻止高频脉冲偏置发生器的电压并且最小化其在hvmdc电压源中感应出的电流。此阻塞电阻器rhvm需要足够大以有效地最小化通过它的电流。例如，rhvm＞1兆欧足以使从脉冲偏置发生器到hvm中的400khz电流可忽略不计：ihvm约为vout/rhvm在波形周期内被平均时，其峰值大约为5ma，并且约低10倍。大约为0.5ma至1ma的所得平均感应电流确实远小于hvm电源的典型极限制，所述典型极限为约5ma的dc电流。上述估计是针对vout约为5kv作出，其中vout(见图5a)是：在鞘层塌陷阶段501和esc充电阶段502期间，当开关s1保持闭合(“开”)位置且纳秒脉冲产生器214保持其输出上的基本恒定正电压时，夹持极204上的正电压跳变。也要注意，当选择rhvm时，考虑到典型的hvm泄漏电流ileak为大约数十微安，需要记住rhvm不能过大从而确保ileak*rhvm＜＜vhvm，这不应该太难以满足。图8展示通过本文提出的脉冲电压偏置方案的实际实施所产生的测量到的基板电压波形的示波器轨迹。使用通过电气(真空)馈通耦合到直接接触传感器的lecroyppe4kv(100：150mω/6gf，4kvpp，400mhz)高压示波器探针，在10mt下在主要为o2的等离子体中(其中到晶片的离子电流为约1.35a)进行测量。传感器包括涂有氧化铝珠的kaptontm涂层线，其使用具有导电粘合剂的铝带的足够大贴片(用于良好的电容耦合)连接到低电阻率硅晶片；连接部位进一步被kaptontm胶带和氧化铝浆料覆盖。使用来自函数发生器的测试信号对这个诊断进行了台架测试，并且还使用铝晶片独立地验证了基板电势测量。从图8可见，实验观察到的基板电压波形与图7e所示的模型产生的波形很好地一致。对于使用类似地通过电气(真空)馈通耦合到lecroyppe4kv探针的浮动langmuir探针在腔室盖附近测量到的等离子体电势的示波器迹线(未示出)，也观察到模型与实验之间的良好一致。即，测量到的波形示出，在离子电流阶段504开始时等离子体电势放松至几乎为零。这些测量表明，本文提出的脉冲电压偏置方案确实可用于产生几乎恒定的鞘层(基板)电压长达基板处理时间的90％，这又导致可以用于产生具有任意形状的iedf的窄的单峰值iedf(即，图5c中的iedf520)。b.图2的详细描述：腔室图图2是根据一个实施方式的被配置为实践本文提出的偏置方案的处理腔室的示意性横截面图。在此实施方式中，处理腔室是等离子体处理腔室，诸如，反应离子蚀刻(rie)等离子体腔室。在一些其他实施方式中，处理腔室是等离子体增强的沉积腔室，例如，等离子体增强化学气相沉积(pecvd)腔室、等离子体增强物理气相沉积(pepvd)腔室或者等离子体增强原子层沉积(peald)腔室。在一些其他实施方式中，处理腔室是等离子体处理腔室，或基于等离子体的离子注入腔室，例如等离子体掺杂(plad)腔室。本文中，处理腔室包括电感耦合等离子体(icp)源，其电耦合到射频(rf)电源。在其他实施方式中，等离子体源是电容耦合等离子体(ccp)源，诸如，设置在处理容积中面向基板支撑件的源电极，其中源电极电耦合到rf电源。处理腔室200具有腔室主体213，所述腔室主体213包括腔室盖223、一个或多个侧壁222和腔室基座224，上述部件限定处理容积226。被设置成穿过腔室盖223的气体入口228用于从与其流体连通的处理气源219将一种或多种处理气体提供到处理容积226。本文中，被配置为从处理气体点燃并维持处理等离子体201的等离子体发生器包括一个或多个感应线圈217，所述一个或多个感应线圈217被设置成在处理容积226外部靠近腔室盖223。一个或多个感应线圈217经由rf匹配电路230电耦合到rf电源218。等离子体发生器用于使用处理气体以及由感应线圈217和rf电源218产生的电磁场来点燃并维持等离子体201。处理容积226通过真空出口220流体耦合到一个或多个专用真空泵，所述真空出口220将处理容积226维持在低于大气压的条件下并从中排出处理和/或其他气体。设置在处理容积226中的基板支撑组件236是设置在支撑轴238上，所述支撑轴238密封地延伸穿过腔室基座224。基板203通过一个或多个侧壁222中的一个中的开口(未示出)被装载到处理容积226中以及从处理容积226移除，所述开口在基板203的等离子体处理期间用门或阀(未示出)密封。本文中，使用升降销系统(未示出)将基板203传送到esc基板支撑件205的接收表面并从esc基板支撑件205的接收表面传送基板203。基板支撑组件236包括支撑基座207和esc基板支撑件205，所述esc基板支撑件205与支撑基座207热耦合并设置在支撑基座207上。通常，在基板处理期间，支撑基座207用于调节esc基板支撑件205的温度、以及设置在esc基板支撑件205上的基板203温度。在一些实施方式中，支撑基座207包括设置在支撑基座207中的一个或多个冷却通道(未示出)，所述冷却通道流体地耦合到诸如具有相对高电阻的制冷剂源或水源之类的冷却剂源(未示出)并且与冷却剂源(未示出)流体连通。在一些实施方式中，esc基板支撑件205包括加热器(未示出)，诸如嵌入其电介质材料中的电阻加热元件。本文中，支撑基座207由耐腐蚀的导热材料形成，诸如耐腐蚀的金属，例如铝、铝合金或不锈钢，并且支撑基座207以粘合剂或通过机械构件耦合到基板支撑件。通常，esc基板支撑件205由电介质材料形成，诸如块状烧结陶瓷材料，例如耐腐蚀金属氧化物或金属氮化物材料，例如氧化铝(al2o3)、氮化铝(a1n)、氧化钛(tio)、氮化钛(tin)、氧化钇(y2o3)、其混合物、或其组合。在本文实施方式中，esc基板支撑件205进一步包括嵌入esc基板支撑件205的电介质材料中的偏置电极204。在一种配置中，偏置电极204是夹持极，所述夹持极用于将基板203紧固(夹持)到esc基板支撑件205的支撑表面并使用本文所述的脉冲电压偏置方案相对于处理等离子体201来偏置基板203。通常，偏置电极204由一个或多个导电部件形成，诸如一个或多个金属网、箔、板或其组合。本文中，偏置电极204电耦合到高压模块216，所述高压模块216使用诸如同轴传输线206(例如，同轴缆线)之类的电导体向所述高压模块216提供夹持电压，诸如介于约-5000v与约5000v之间的静态dc电压。支撑基座207通过绝缘器板211与腔室基座224电隔离，并且接地板212插在绝缘器板211与腔室基座224之间。在一些实施方式中，处理腔室200进一步包括石英管210或者套环，其围绕基板支撑组件236以防止esc基板支撑件205和/或支撑基座207与腐蚀性处理气体或等离子体、清洁气体或等离子体或者其副产物接触。通常，石英管210、绝缘板211和接地板由衬里208限定。本文中，与esc基板支撑件205的基板接收表面大致共面的等离子体罩209防止了等离子体在衬里208与一个或多个侧壁222之间的容积中形成。本文中，偏置电极204通过esc基板支撑件205的电介质材料层与esc基板支撑件205的基板接收表面间隔开，并因此与基板203间隔开。通常，电介质材料层具有介于约0.1mm与约1mm之间的厚度，诸如介于约0.1mm与约0.5mm之间，例如为约0.3mm。本文中，偏置电极204使用外部导体(诸如，传输线206)电耦合到脉冲偏置发生器240。在本公开内容的文本中较早地详细描述了脉冲偏置发生器240及其部件。如以上所提及，可选择电介质材料和层厚度以使得电介质材料层的电容ce例如介于约5nf与约12nf之间，诸如介于约7nf与约10nf之间。通常，处理腔室200的处理容积226中的低中性填充压力导致设置在其中的表面之间(诸如，在esc基板支撑件205的电介质材料与设置在其基板接收表面上的基板203之间)的不良热传导，这降低了esc基板支撑件205在加热或冷却基板203方面的有效性。因此，在一些工艺中，将导热惰性传热气体(通常为氦)引入设置在基板203的非元件侧与esc基板支撑件205的基板接收表面之间的真空(未示出)，以改进其间的热传递。由传热气源(未示出)提供的传热气体通过被设置成穿过支撑基座207并进一步被设置成穿过esc基板支撑件205的气体连通路径(未示出)流到后侧容积。处理腔室200进一步包括系统控制器232。本文中的系统控制器232包括中央处理单元(cpu)233、存储器234和支持电路235。系统控制器232用于控制用于处理包括本文所述的基板偏置方法的基板203的处理序列。cpu233为通用计算机处理器，其被配置为用在用于控制处理腔室和与之有关的子处理器的工业环境中。本文所述的存储器234可以包括随机存取存储器、只读存储器、软盘或硬盘、或者本地或远程的其他合适形式的数字存储器。支持电路235常规上耦合到cpu233，并且包括高速缓存、时钟电路、输入/输出系统、电源等、以及其组合。软件指令和数据可以被编码并存储在存储器234中，用于给cpu233内的处理器下指令。系统控制器232可读的程序(或计算机指令)确定哪些任务可由处理腔室200中的部件执行。优选可由系统控制器232读取的程序包括代码，所述代码在由处理器执行时执行与监视和执行本文所述的电极偏置方案有关的任务。所述程序将包括用于控制处理腔室200内的各种硬件和电部件的指令，以执行用于实现本文所述的电极偏置方案的各种处理任务和各种处理序列。虽然前文针对本公开内容的实施方式，但是可以在不脱离本公开内容的基本范围的情况下设计本公开内容的其他和另外的实施方式，并且本公开内容的范围由所附权利要求确定。当前第1页12