本發(fā)明涉及一種能量再饋送模塊、包括這種能量再饋送模塊的開關(guān)電路、包括至少一個(gè)這種開關(guān)電路的開關(guān)實(shí)施結(jié)構(gòu)、包括這種開關(guān)電路和/或這種開關(guān)實(shí)施結(jié)構(gòu)的等離子體系統(tǒng)、以及產(chǎn)生矩形電壓輸出脈沖的方法。

背景技術(shù)：

1、一些等離子處理應(yīng)用，例如蝕刻或?qū)映练e，需要高壓(hv)、高頻(hf)、矩形、不對(duì)稱、脈沖的電壓供應(yīng)。電壓值通常大大超過(guò)單個(gè)半導(dǎo)體開關(guān)的電壓處理能力，尤其是在需要高頻操作時(shí)。因此，通常將這些開關(guān)串聯(lián)是唯一可行的解決方案。串聯(lián)需要電壓平衡手段。這些在hf操作中不容易實(shí)現(xiàn)。

2、大多數(shù)等離子應(yīng)用都存在負(fù)載，其中包含電容元件。該負(fù)載電容的逐脈沖充電和放電過(guò)程會(huì)產(chǎn)生大量功率損耗。其他問(wèn)題是脈沖發(fā)生器效率低和不希望的電壓振蕩。因此，需要具有(幾乎)理想矩形形狀的電壓脈沖。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、本發(fā)明的目的是提供一種能量再饋送模塊、一種開關(guān)電路、一種開關(guān)實(shí)施結(jié)構(gòu)、等離子處理系統(tǒng)以及一種產(chǎn)生高壓矩形脈沖的方法。

2、該目的通過(guò)根據(jù)權(quán)利要求1的能量再饋送模塊和/或根據(jù)權(quán)利要求8的開關(guān)電路和/或根據(jù)權(quán)利要求11的開關(guān)實(shí)施結(jié)構(gòu)和/或根據(jù)權(quán)利要求12的等離子系統(tǒng)和/或根據(jù)權(quán)利要求13的方法來(lái)解決。本發(fā)明的其他方面在從屬權(quán)利要求和/或說(shuō)明書中給出。

3、根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)方面，提出了一種用于開關(guān)電路的能量再饋送模塊，開關(guān)電路具有開關(guān)單元，開關(guān)單元被配置為可連接到直流電壓源并在其輸出提供以下特征之一或其組合：

4、i)高電壓值，

5、ii)高電壓上升值，

6、iii)對(duì)電容負(fù)載、特別是對(duì)等離體子處理負(fù)載的高電流值，

7、能量再饋送模塊包括：

8、a.整流電路，其被配置為將其直流側(cè)的正端連接到直流電壓源的正連接，將其直流側(cè)的負(fù)端連接到直流電壓源的負(fù)連接、特別是連接到接地電位，以及

9、b.變壓器，包括：

10、i.初級(jí)繞組，其被配置為串聯(lián)連接在開關(guān)單元與輸出之間，并且被配置為具有低至足以引起以下特征之一或組合的雜散電感和寄生電阻：

11、-高電壓值，

12、-高電壓上升值，

13、-高電流值

14、和

15、ii.次級(jí)繞組，其連接到整流電路的交流側(cè)。

16、根據(jù)本發(fā)明的另一方面，提出了一種連接到等離子體處理負(fù)載的開關(guān)電路，其包括：

17、●高側(cè)開關(guān)元件和低側(cè)開關(guān)元件的串聯(lián)連接，該串聯(lián)連接連接到電壓源，并且被配置為在可連接到等離子體負(fù)載的輸出處產(chǎn)生高壓(hv)

18、脈沖信號(hào)，

19、·連接至電壓源的整流電路，以及

20、·變壓器，包括：

21、o串聯(lián)連接在高側(cè)開關(guān)元件和低側(cè)開關(guān)元件之間的連接點(diǎn)與輸出之間的初級(jí)繞組，以及

22、o連接至整流電路的次級(jí)繞組。

23、根據(jù)本發(fā)明的另一方面，提出了一種開關(guān)電路，其被配置為向等離子體處理負(fù)載輸送高壓(hv)快速上升脈沖，包括：

24、a)開關(guān)單元，其包括串聯(lián)連接的高側(cè)開關(guān)元件和低側(cè)開關(guān)元件、兩個(gè)開關(guān)元件的連接點(diǎn)、低側(cè)連接和高側(cè)連接，低側(cè)連接和高側(cè)連接連接到電壓源，

25、b)如本文所述的能量再饋送模塊，其中

26、i.整流電路的直流側(cè)連接至電壓源，以及

27、ii.變壓器的初級(jí)繞組串聯(lián)連接在高側(cè)開關(guān)元件和低側(cè)開關(guān)元件之間的連接點(diǎn)與輸出之間，以及

28、iii.次級(jí)繞組連接至整流電路的交流側(cè)。

29、這種開關(guān)電路允許產(chǎn)生具有近乎理想的矩形形狀的電壓脈沖。特別是，可以防止不希望的電壓振蕩。此外，這種開關(guān)電路的效率非常高。如果在高壓脈沖發(fā)生器中使用這種開關(guān)電路，則可以提高脈沖發(fā)生器的效率。

30、雜散電感可以是100μh或更小。特別是10μh或更小。

31、寄生電阻可以是1ω或更小，特別是0.1ω或更小。

32、高電壓值可以是800v或更大，特別是1.5kv或更大，尤其是至少5kv。

33、高電壓上升值可以是至少1kv/μs的電壓上升，特別是10kv/μs或更高，優(yōu)選是100kv/μs或更高。電壓上升也可能意味著電壓下降。

34、高電流值可以是至少30a，特別是100a或更高。

35、高壓脈沖信號(hào)可以是如上定義的具有高電壓的脈沖信號(hào)，特別是如上定義的具有高電壓上升值的脈沖信號(hào)。

36、模塊、單元、電路和/或?qū)嵤┙Y(jié)構(gòu)可以配置為將功率輸送到等離子體負(fù)載中，特別是在脈沖期間，以至少10kw的輸出，有利地20kw或更多。

37、整流電路可以將其直流側(cè)的正端連接到直流電壓源的正連接，將其直流側(cè)的負(fù)端連接到直流電壓源的負(fù)連接，特別是連接到接地電位。

38、能量再饋送模塊、開關(guān)電路和/或開關(guān)單元可以是高功率發(fā)生器的一部分，如2022年2月28日提交的ep22461510.4中所描述的，其標(biāo)題為“高功率發(fā)生器和供應(yīng)高功率脈沖的方法”。

39、變壓器可以是升壓變壓器。在產(chǎn)生脈沖期間，高側(cè)開關(guān)元件開關(guān)可以接通，因此來(lái)自電壓源的能量流到可連接到負(fù)載的輸出，負(fù)載特別是具有電容特性的等離子負(fù)載。在此過(guò)程開始時(shí)，電壓源與負(fù)載上的電壓之間的幾乎全部電壓差都發(fā)生在變壓器的初級(jí)繞組上。在變壓器的次級(jí)繞組上感應(yīng)出電壓。該電壓的值等于初級(jí)繞組的電壓乘以變壓比。如果該感應(yīng)電壓高于母線上的供應(yīng)電壓，整流器的整流部件開始導(dǎo)通。這樣，次級(jí)繞組的感應(yīng)電壓被限制為母線上的電壓值，即供應(yīng)電壓。由于變壓比，初級(jí)繞組的電壓也會(huì)降低(降低到與母線上的電壓除以變壓比相對(duì)應(yīng)的電壓)。因此，在負(fù)載充電開始時(shí)，變壓器的阻抗相對(duì)低，可以快速為負(fù)載充電。在此狀態(tài)下，變壓器的磁芯不會(huì)積累任何能量，這可能會(huì)導(dǎo)致負(fù)載上的過(guò)壓。

40、當(dāng)充電電流減小，使得次級(jí)繞組感應(yīng)的電壓不高于母線上的電壓時(shí)，次級(jí)繞組中的電流停止流動(dòng)，因此變壓器僅充當(dāng)電感。變壓器初級(jí)繞組的電感增加，因此對(duì)負(fù)載電容充電的電流減少。因此，充電過(guò)程減慢，從而減少了不希望的振蕩。

41、當(dāng)高側(cè)開關(guān)元件斷開而低側(cè)開關(guān)元件閉合時(shí)，即在輸出電壓脈沖的下降沿期間，基本上會(huì)發(fā)生相同的情況。在該狀態(tài)下，來(lái)自負(fù)載電容的能量通過(guò)低側(cè)開關(guān)元件釋放。在此過(guò)程開始時(shí)，變壓器的初級(jí)繞組的電壓足夠高，以至于一些能量通過(guò)整流電路返回到母線。

42、這個(gè)過(guò)程相對(duì)快，因?yàn)殡娏髦饕茏儔浩髀└邢拗啤Ｔ陔娙葚?fù)載放電結(jié)束時(shí)，變壓器的初級(jí)繞組的電壓低(變壓器的次級(jí)繞組的電壓低于母線電壓)，因此變壓器開始表現(xiàn)為限制電流并減慢負(fù)載放電過(guò)程的普通電感。再次，由于變壓器的電感中存儲(chǔ)的能量少，因此不希望的振蕩相對(duì)小。

43、因?yàn)樵趯?duì)負(fù)載電容進(jìn)行充電和放電期間，一段時(shí)間內(nèi)一些能量會(huì)返回到母線，從而返回到電源，所以該電路的整體效率有所提高。

44、整流電路可以包括被配置為僅以單向(in?one?way)引導(dǎo)電流的一個(gè)部件，特別是整流二極管。

45、整流電路可以包括被配置成僅以單向引導(dǎo)電流的兩個(gè)部件，特別是兩個(gè)整流二極管。

46、整流電路可以包括被配置成僅以單向引導(dǎo)電流的四個(gè)部件，特別是四個(gè)整流二極管，特別是以橋式電路。這樣，就可以用廉價(jià)的標(biāo)準(zhǔn)部件來(lái)實(shí)現(xiàn)整流電路。

47、可以將過(guò)壓保護(hù)單元、特別是過(guò)壓保護(hù)二極管配置為連接在輸出與整流電路之間，以保護(hù)負(fù)載免受過(guò)壓。

48、可以將至少一個(gè)過(guò)壓保護(hù)單元、特別是過(guò)壓保護(hù)二極管配置為連接在輸出與電壓源的至少一個(gè)連接之間。

49、如前所述，變壓器自身充電。因此，它會(huì)儲(chǔ)存一些能量。這會(huì)產(chǎn)生一些過(guò)壓(負(fù)載電容將被充電到高于母線電壓的電壓)。為了避免這種情況，可以提供這種過(guò)壓保護(hù)單元，特別是過(guò)壓保護(hù)二極管，以保護(hù)負(fù)載免受過(guò)壓。這樣，可以防止不希望的振蕩。第一阻尼電阻可以與過(guò)壓保護(hù)單元串聯(lián)連接。這樣可以更好地穩(wěn)定能量再饋送模塊。第一阻尼電阻的阻值可以為1ω至100ω，優(yōu)選為20ω至70ω。

50、可以將負(fù)壓保護(hù)單元(特別是負(fù)壓保護(hù)二極管)配置為連接在輸出與接地電位之間，以保護(hù)負(fù)載免受負(fù)電壓。此外，可以通過(guò)添加這樣的負(fù)壓保護(hù)單元(特別是與負(fù)載并聯(lián)的負(fù)壓保護(hù)二極管)來(lái)限制不希望的振蕩，以防止負(fù)載充電至負(fù)電壓。第二阻尼電阻可以與負(fù)壓保護(hù)單元串聯(lián)連接，以此進(jìn)一步穩(wěn)定能量再饋送模塊，所述第二阻尼電阻的阻值可以為1ω至100ω，優(yōu)選為20ω至70ω。

51、二極管可以并聯(lián)連接到一個(gè)開關(guān)元件，特別是分別并聯(lián)連接到各個(gè)開關(guān)元件。這樣，可以保護(hù)開關(guān)元件免受高電壓。如果開關(guān)元件包括mosfet作為開關(guān)部分，則尤其如此。每個(gè)開關(guān)元件可以包括一個(gè)或多個(gè)開關(guān)部分，例如mosfet或雙極晶體管。

52、本發(fā)明的一個(gè)方面涉及一種開關(guān)實(shí)施結(jié)構(gòu)，其具有

53、a.若干個(gè)如上文所述開關(guān)單元，其特別包括高側(cè)開關(guān)元件和低側(cè)開關(guān)元件的串聯(lián)連接、兩個(gè)開關(guān)元件的連接、低側(cè)連接和高側(cè)連接，低側(cè)連接和高側(cè)連接連接至電壓源，以及

54、b.至少一個(gè)如上文所述開關(guān)電路，

55、其中，開關(guān)單元與一個(gè)開關(guān)電路的一個(gè)電壓源連接點(diǎn)串聯(lián)連接，該電壓源連接點(diǎn)連接到串聯(lián)連接線中的下一個(gè)開關(guān)電路的輸出。

56、本發(fā)明的另一個(gè)方面涉及一種等離子體系統(tǒng)，其包括如上文所述等離子體負(fù)載和開關(guān)電路，和/或如上文所述開關(guān)實(shí)施結(jié)構(gòu)。這種等離子體系統(tǒng)可有利地用于半導(dǎo)體生產(chǎn)工藝，特別是用于生產(chǎn)3d存儲(chǔ)設(shè)備，例如3d?nand存儲(chǔ)設(shè)備，在蝕刻用于連接3d結(jié)構(gòu)的深孔時(shí)是優(yōu)選的。

57、本發(fā)明的另一方面涉及一種產(chǎn)生矩形電壓輸出脈沖的方法，包括以下步驟：

58、·使用高側(cè)開關(guān)元件和低側(cè)開關(guān)元件的串聯(lián)連接在開關(guān)電路的輸出處產(chǎn)生hv脈沖信號(hào)，該串聯(lián)連接連接到電壓源，

59、·通過(guò)變壓器的初級(jí)繞組在輸出處提供hv脈沖信號(hào)，

60、·對(duì)變壓器的次級(jí)繞組中感應(yīng)出的電流進(jìn)行整流。

61、該方法可以產(chǎn)生接近理想矩形形狀的電壓脈沖?？梢苑乐闺妷哼^(guò)沖和振蕩，從而提高效率。

62、在連接到輸出的負(fù)載電容充電和放電過(guò)程中，能量被饋送回母線。這提高了開關(guān)電路的效率?？梢源蟠蠓乐构β蕮p耗。

63、可以通過(guò)提供連接到輸出的二極管來(lái)減少振蕩。

64、更準(zhǔn)確地說(shuō)，可以通過(guò)提供以下項(xiàng)來(lái)減少振蕩：

65、a.過(guò)壓保護(hù)單元，特別是過(guò)壓保護(hù)二極管，和/或

66、b.負(fù)壓保護(hù)單元，特別是連接到輸出(out)的負(fù)壓保護(hù)二極管，

67、并且特別地，通過(guò)分別與保護(hù)單元、特別是二極管串聯(lián)連接的第一和/或第二阻尼電阻進(jìn)一步減少振蕩。

68、本發(fā)明的進(jìn)一步特征和優(yōu)點(diǎn)由以下基于附圖對(duì)本發(fā)明實(shí)施例的詳細(xì)描述以及權(quán)利要求書得出，其中附圖示出了本發(fā)明必要的細(xì)節(jié)。此處所示的特征不一定按比例繪制，而是以這樣的方式顯示，即可以清楚地看到根據(jù)本發(fā)明的特殊特征。各種特征可以單獨(dú)實(shí)施，也可以在本發(fā)明的變型中以任意組合實(shí)施。