JP2017535048A - Ｒｆ電力アプリケーションのための可変電力用コンデンサ - Google Patents

Abstract

電力用コンデンサ（７）はＲＦ電源供給システムでの利用について記載されている。電力用コンデンサは、ＤＣバイアス電極（１０、２６、２８）で誘電体（１７）全体に適用されるＤＣバイアス電圧を変動させることにより、その比誘電率を管理できる固形常誘電材料を構成する、コンデンサ誘電体（１７）により分離されている、少なくとも２つのＲＦ電極（１８、１９）から構成されている。複合コンデンサの構成、ＲＦ電源システム、電力用コンデンサ管理法も記載されている。【選択図】図６

Description

本発明は、プラズマシステムに供給されるＲＦ電力に整合する動作インピーダンスなどの高周波（ＲＦ）電力アプリケーション用途に適する、電力用コンデンサ分野に関する。また、本発明は、係る電力用コンデンサでの使用に適する誘電材料、及びＲＦ電力アプリケーションにおける係るコンデンサの使用法にも関する。

ＲＦ電力アプリケーションは、例えば、高電圧及び／又は高電流であるＲＦ電力を、プラズマチャンバなどのデバイスへ供給することも含む場合がある。プラズマチャンバは、半導体製造工程における材料の表面処理又はプラズマエッチングなどの工業工程で使用される。プラズマは通常、プラズマチャンバで使用される希薄化された原料ガスを励起及びイオン化する、ＲＦ周波数で交互に変わる電流により生成及び維持される。また、希薄化ガスなどを使用する代わりに、多くの工業的アプリケーションで一般的であるように、工業的アプリケーションのための高周波プラズマ励起も大気圧以上で可能となる。

ＲＦ発電機の観点からすれば、プラズマチャンバは、顕著かつ素早く変動する可能性がある負荷インピーダンスを示す。ＲＦ発電機の出力インピーダンスが、急速に変化するプラズマチャンバの負荷インピーダンスに対し厳密に整合することが重要である。これは、係るインピーダンスが不整合の場合に発生し得る、ＲＦ発電機の出力回路への電力逆流による損傷を避けるためである。分離インピーダンス整合デバイス（いわゆる「マッチボックス」）は、プラズマチャンバの負荷インピーダンスをＲＦ発電機の出力インピーダンスに整合させるために一般的に使用される。急変する負荷インピーダンスの場合、マッチボックスはそれに応じてインピーダンスに動的に整合させることができるものでなければならない。その他の場合、負荷インピーダンスが相対的に一定であれば、マッチボックスは同様に一定なインピーダンス整合機能を単に提供することとなる。

マッチボックスはコンデンサなどのリアクティブコンポーネントを含み、それらはマッチボックスを経由して負荷（プラズマチャンバなど）に提供される高電力（高電圧及び／又は高電流）に対応できるものでなければならない。インピーダンス整合の場合、係る高電力用コンデンサは、可変リアクタンス（キャパシタンス）が必要となる場合がある。係るコンデンサのキャパシタンス値は、５０ｐＦから１ｎＦ以上などであり、係る可変コンデンサの変動の最高速度は、マッチボックスで提供されるインピーダンス整合の変動速度に対する限定因子となる場合がある。

ＲＦ発電機及びその他のデバイスは、係る高電力リアクティブコンポーネントで構成される場合があり、例えば出力段においては可変及び／又は固定となり得る。市販のＲＦ発電機の出力インピーダンスは通常、５０オームで規格化されている。一時的なインピーダンスの不整合が発生する場合、発電機回路内に組み込まれている調整可能なキャパシタンスは、非常に素早く出力段を安定化させるために使用される場合がある。

真空可変コンデンサ（すなわち、誘電体として真空を利用するもの）は、高出力に耐え、数十万回以上の負荷サイクルでも確実に動作することができるように開発されている。係るコンデンサは通常、電極をそれぞれに対して移動させることにより重複領域が変動する対となる電極で構成され、通常は電気モーター及び機械駆動による機構による。同調時間（キャパシタンスがある値から別の値に変更されるのにかかる時間）は通常、１００ｍｓ単位から数秒となる場合があり、これはコンデンサのサイズ及び設計、キャパシタンスにおける変化の大きさによる。係る真空可変コンデンサは、例えば、ドイツの特許出願ＤＥ２７５２０２５Ａ１で公開されている。真空可変コンデンサは、相対的に分厚いコンポーネントであり、例えば、その寸法は数センチメートルあるいは数十センチメートルとなる。また、これらは製造が比較的複雑であり、長寿命で、非常に高い真空性を保ち、精密に機械加工された電極や駆動コンポーネントが必要になる。

同調時間をより短くするため、高速スイッチングＰＩＮダイオードを採用して、複数の固定コンデンサ間で切り替えを行うことで可変キャパシタンスを実装することが提案されている（米国特許ＵＳ２０１００２２５４１１などを参照）。米国特許ＵＳ８４１６００８Ｂ２などで公開されているように、高速スイッチングＢＪＴ（バイポーラ接合トランジスタ）又はＩＧＢＴ（絶縁ゲートバイポーラトランジスタ）を利用することも提案されている。係るデバイスは高い逆バイアス電圧に耐えるという要件に加え、これらのスイッチベースの調整配置は、キャパシタンスの段階的（つまり非連続的）な変動のみを許容するという点において、重大な不都合を抱えている。準連続的な変動を確保するため、非常に大量のスイッチを採用することもあり得る。しかしながら、この方法はかさばり、費用がかかり、多くのスイッチのいずれかが機能を停止すれば全体のデバイスが使用不能になるため、長期的な信頼性にとって有害なものとなり得る。ＧＨｚ帯域で動作する移動通信システムなどの関連性のない技術分野では、比誘電率が適用されている電場で変化する、いわゆる常誘電性誘電材料による、薄型フィルム（例えば７０ｎｍ厚など）又は厚型フィルム（例えば３０μｍ厚など）として形成された可変コンデンサを使用することが知られている。しかしながら、係るコンデンサは、最大数十ボルトのＲＭＳ電圧、数ｍＡ以下のＲＭＳ電流での低電力での適用に限られる。

後者の説明は常誘電性誘電材料の使用に関するものであるため、以下の本コンセプトに関する簡単な序論は参考として含める。導電性（金属製）同等物と対照的に、絶縁材料又は誘電材料は材料内での電荷の自由運動を許容しない。しかしながら、正および負の電荷は局所的に移動し得るため、局所的なな電気双極子が発生する。大部分の材料では、任意の外部印加電場がなければ、これらの局所的な双極子はランダムに配向され、巨視的には相殺される。したがって、大部分の材料は巨視的に分極されることはない。しかしながら、外部電場Ｅを印加することで、その双極子はその印加電場の方向に配向し、局所的な双極子の結果として得られる合計が巨視的レベルで誘導される分極Ｐとなる効果を持つ。大部分の誘電材料では、この分極は印加されている電場に対し比例し、Ｐ（Ｅ）の勾配は、一定である。これらの材料は、線形誘電材料と言われる。その他の誘電体については、非線形誘電体と呼ばれ、Ｐ（Ｅ）の勾配は一定ではなく、印加電場の大きさにより変化する。そのため、これらの誘電体は常誘電材料として下位分類され、印加電場が取り除かれると、誘電分極の影響は常誘電材料の初期状態に戻る。誘電体の別の下位分類、いわゆる強誘電材料（強磁性材料に類するもの）においては、誘電分極の影響は印加電場が取り除かれても持続する。

材料の分極率は、その比誘電率により示される。本説明では「比誘電率（ｒｅｌａｔｉｖｅ ｐｅｒｍｉｔｔｉｖｉｔｙ）」という用語が望ましい。代替用語「誘電率（ｄｉｅｌｅｃｔｒｉｃ ｃｏｎｓｔａｎｔ）」はその不変パラメータを示唆し、非線形誘電材料を説明する際には不適切であり、非線形誘電材料の比誘電率は温度や印加電場などによっても変化する可能性があるためである。

本文で誘電体とは、特定の形状及びサイズを持つ物理的実体を指し、その用語は一般的に材料を指す誘電材料と混同すべきではないことに留意する必要がある。

比誘電率はスカラー（すなわち、異方性材料に対するテンソル）量であり、真空（定義では、真空の比誘電率ε_ｒｖは１である）の誘電率と比較して定義される。線形誘電体は、場に依存しない比誘電率を有するが、非線形誘電体は場に依存する比誘電率ε_ｒ＝ε_ｒ（Ｅ）を有する。図１の曲線１では、常誘電材料の比誘電率が印加電場でどのように変化する場合があるかという一例を示している。

先行技術（米国特許ＵＳ７９１０５１０Ｂ２などを参照されたい）では、セラミックコンパウンドＢａＴｉＯ_３は強誘電材料であり、いわゆるそのキュリー温度Ｔ_Ｃ＝１１５°Ｃを超えると、常誘電性を帯びることが知られている。一部のＢａ原子をＳｒ原子に置き換え、その他の微量元素を結晶構造に挿入することにより、材料特性を調整し、そのキュリー温度を室温以下に減少させることができる。これは、室温でその常誘電性相において使用することができることを意味する。また、これにより、その材料の比誘電率ε_ｒを２０００以上まで上昇させ、同調性も増すことができる（印加電場を変化させることにより、比誘電率ε_ｒの値を広範に変化させることができることを意味する）。ジェ・ホー・チョンの論文、「Ｂａ_１−ｘＳｒ_ｘＴｉＯ_３のマイクロ構造及び誘電率におけるＳｒＴｉＯ_３の濃度及び焼結温度の影響」、ジャーナル・オブ・ヨーロピアン・セラミック・ソサエティー、第２４号、第６版、２００４年、１０４５―１０４８ページ、ＩＳＳＮ０９５５−２２１９も参照されたい。

本発明の目的は、先行技術の電力用コンデンサによる上記弱点の一部を少なくとも克服することである。

この目的を達成するため、本発明に記載のコンデンサは添付の請求項１で説明され、本発明に記載の方法は請求項１９で説明され、本発明に記載のコンデンサ誘電体は請求項２１で説明される。本発明法の追加的な変形は従属請求項で説明される。可変比誘電率を持つ誘電体を使用することで、前述の通り、プラズマチャンバなどのＲＦ電力アプリケーションにおけるキャパシタンスのきわめて迅速な調整を可能にしている。キャパシタンス調整は連続的に行われる場合もあり、したがってＲＦ電力供給アプリケーションにおいて迅速な調整のために以前使用されていたスイッチングソリューションの段階的調整を避けることができる。さらに、本発明のコンデンサはほとんどコンポーネントを使用せず、可動部が存在しないため、ＲＦ電力アプリケーションに関する先行技術のコンデンサよりもずっと単純に製造される場合がある。所与のキャパシタンス値に対する寸法よりもずっと小さく製造することもできる。

本発明は、添付図面に対する参照番号を付加した以下の詳細で説明される。

図１では、本発明に従って、誘電体などの印加電場｜Ｅ｜に対する比誘電率ε_ｒのグラフを示している。 図２では、２つのコンデンサの逆並列接続配置を示しており、所要の電場Ｅが調整可能なＤＣバイアス電圧源から供給される本発明の変形に従っている。 図３は、本発明に従って、複数のコンデンサの大量配置の概略図を示している。 図４は、図２の逆並列接続配置によるＤＣバイアス電圧源に対する、抵抗性デカップリング配置の概略図を示している。 図５は、図２の逆並列接続配置によるＤＣバイアス電圧源に対する、誘導性デカップリング配置の概略図を示している。 図６では、本発明の変形に従って、２つのコンデンサの集積ブロック実装の断面概略図を示している。 図７は、図６の集積ブロック実装の等角図を示している。 図８は、本発明の変形に従って、コンデンサのハイブリッド構成の概略図を示している。 図９は、本発明に従って、コンデンサを使用するインピーダンス整合ネットワークの例の概略図を示している。

図表は本発明を基礎とする原則を理解する補助としてのみ提供されている点に留意し、望む保護範囲を制限するものとして考慮されるものではない点に留意すべきである。同一の参照数字が異なる図表で使用されている場合、上記参照番号は類似あるいは同一の特徴を示すことを目的としている。しかしながら、異なる参照番号を使用することは、それらが参照する特徴間での任意の相違の程度を指すことを目的とするものではない。

前述の通り、非線形（セラミックなどの）誘電材料は、電気的に調整可能な容量性素子を形成するために、常誘電相で使用される場合がある。この調整機能は、可変コンデンサあるいは公称固定値を有するコンデンサなどで使用される場合があるが、そのキャパシタンスは温度などの変動を補償するため調整することができる。本発明の説明に際して、「可変」、「調整可能」および「同調可能」という用語は、可変コンデンサのキャパシタンスの変更を示したり、あるいは調整可能な固定値コンデンサ（すなわち、公称の固有のキャパシタンス値があるが、そのキャパシタンス値はそれにも関わらずドリフトあるいは温度依存性の影響を補償するために調整することができるコンデンサ）のキャパシタンスの調整を示したりするために本説明で使用される。本発明は、真空可変コンデンサなどがこれまで使用されてきており、したがってＲＦプラズマエッチングの出力または半導体製造業界でのコーティング処理などに使用される高出力供給システムでの使用に適している、高出力ＲＦアプリケーションで使用する可変コンデンサ（すなわち調整可能な固定値コンデンサ）に関する。真空可変キャパシタンス（その速度は、ＲＦプラズマ処理における負荷インピーダンスの変動に比して、限定的であり、かつ本質的に遅い）の機械的調整機構の代用として、電気的なＤＣバイアス電圧がコンデンサ誘電体の電場を発生させるために使用される。

係るＲＦ電力アプリケーションで比誘電率を制御するため、印加されるＤＣバイアス電圧の大きさは、ＲＦ印加電圧（例えば、１０超のファクタ）の大きさよりも著しく大きくすべきであることが好ましく、それにより、常誘電性誘電体の比誘電率におけるＲＦ電圧の影響は、ＤＣバイアス電圧の影響に比して無視することができる。したがって、比誘電率はＤＣ電圧を変動させることで制御および調整することができる。材料における双極子の配向はナノ秒以下で反応するため、印加電圧に対する誘電率の反応速度は実質的に一瞬である。

比誘電率の調整は直接的に、常誘電性誘電体による素子のキャパシタンス調整に影響をもたらす。誘電体は、長方形のブロックまたはタブレット、あるいはディスクとして形成され、例えば、誘電体の両側面にある面積Ａの平行平面導電電極を有する。この単純な形状では、キャパシタンスは、ｄが誘電体の厚み（電極間距離）、ε_０が真空の誘電率（物理定数）、ε_ｒが誘電体の場から独立する（ＤＣバイアス電圧から独立する）比誘電率として、Ｃ＝ε_０ε_ｒＡ／ｄにより与えられる。

高周波（ＲＦ）という用語は、３ｋＨｚから３００ＧＨｚまでの周波数を説明するため慣習的に用いられる。ただし、本発明におけるコンデンサ、誘電体、方法は、ＲＦ出力システムで使用される周波数帯域使用を意図し、その帯域は通常４００ＫＨｚから２００ＭＨｚまでである。

出力ＲＦに関して、ＲＦ出力が５０Ｗ以上、例えば１００Ｗ以上、あるいは１０００Ｗ以上で定格となるアプリケーションを参照することを意図している。

高電圧という用語は、ＩＥＣ ６００３８などの国際基準に従って、１０００Ｖ_ＲＭＳを超える電圧を言及するために用いられる。「高電流」という用語は、１_ＡＲＭＳを超過する電流を言及するために用いられる。比較すると、５０ｍ_ＡＲＭＳの電流は呼吸停止や死亡の原因になることが知られている（米国労働安全衛生局が発行する安全ガイドラインなどを参照されたい）。工業用の標準化されたＲＦ周波数は１３．５６ＭＨｚであるが、例えばその他のＲＦ周波数は４００ＫＨｚ、２ＭＨｚ、２７．１２ＭＨｚ、４０．６８ＭＨｚ、６０ＭＨｚ、８０ＭＨｚ、１００ＭＨｚ及び１６２ＭＨｚなどで使用されている。

図１では、Ｂａ_１−ｘＳｒ_ｘＴｉＯ_３タイプの材料などの常誘電性誘電材料の比誘電率εｒが印加電場でどのように変動する場合があるのかについての例を示している。比誘電率εｒは縦軸５で示され、印加電場｜Ｅ｜の絶対値は横軸４で示されている。軸４、５および曲線１は必ずしも縮尺通りではない。印加電圧による常誘電性誘電材料の比誘電率の変化は、図１のΔ_εｒ（Ｅ）で示され、これは、バイアス電圧が適用されていない（Ｅ＝０）場合である２と特定の印加電場６である３との間の比誘電率値の差異である。

常誘電性材料の同調性は、
Γ＝（ε_ｒ（０）―ε_ｒ（Ｅ_ｍａｘ））／ε_ｒ（０）で示されるか、またはその代わりにＤＣバイアス電圧の観点から、Γ＝（ε_ｒ（０）―ε_ｒ（Ｖ_ｍａｘ））／ε_ｒ（０）として示される。同調性は誘電体が所与のＥ_ｍａｘ（又はＶ_ｍａｘ）で動作可能な比誘電率の理論上使用に適した範囲を示し、所与のＥ_ｍａｘ（又はＶ_ｍａｘ）とは誘電体が故障を発生させることなく許容可能な最大の電界強度（又は電圧）を示す。

７０％以上の同調性値は、上で言及したＢａ_１−ｘＳｒ_ｘＴｉＯ_３タイプなどの常誘電性誘電材料で達成可能である。上のパラレル平面電極キャパシタンス公式及び図１で示される場依存性曲線を使用して、この常誘電性誘電体がある単純な素子のキャパシタンス値は、電界が存在しない（すなわちＤＣバイアス電圧が無い）場合に最大となり、最大の電界Ｅ_ｍａｘ（すなわちＤＣバイアス電圧がＶ_ｍａｘとなる）が印加される場合に最小となることが確認できる。

図２はどちらにも電圧調整式誘電体を持つ２つのキャパシタンス７_１及び７_２を可変コンデンサ７を提供するシリーズとして連続的に配置する方法を示し、その可変コンデンサのキャパシタンスはＤＣ電圧源１２から印加される電圧Ｖ_ＤＣを変化させることで変化させることができ、地面又は参照電位１３と相対的であり、デカップリング要素１１を経由して２つのコンデンサ７_１及び７_２に接続する共通回路ノード１０に向かうものである。２つのコンデンサ７_１及び７_２は（平面などの）ＤＣバイアス電極（図２の概略図中の参照番号１０で示されるもの）のいずれかの面に常誘電性セラミック材の２つのブロック又はタブレット又はディスクから形成され、さらに２つの（平面などの）ＲＦ電極によっても形成され、そのいずれかは図２の回路ノード８及び９それぞれとして接続されている、各ブロック又はタブレットの反対側に配置される。ブロック又はタブレット又はディスクは少なくとも０．１ｍｍの厚みとなる場合があり、例えば、又は望ましくは少なくとも０．３ｍｍの厚みとなるか、又はさらに一層望ましくは少なくとも０．５ｍｍの厚みとなるか、又は１ｍｍ以上の厚みとなる場合もある。これらは少なくとも３ｍｍ、例えば、又は少なくとも５ｍｍ又は少なくとも１０ｍｍ又は少なくとも２０ｍｍの直径或いは左右面を持つ場合があり、必要なキャパシタンス、及び必要な動作電圧による。ＲＦ電力システムで使用される非常に高い電圧及び周波数を考慮し、電極及び誘電体は適切な絶縁体パッケージに封入される場合がある。

２つのキャパシタンス７_１及び７_２の連続シリーズ配置には、結合されたキャパシタンスを減少させる効果がある（連続体でのキャパシタンスは、結果として全体キャパシタンスが低くなる）。ただし、これは、以前に利用されていた同一のキャパシタンスを持つ真空可変コンデンサと比較して、達成可能なサイズの有意な減少と比べれば、わずかなデメリットである。常誘電性セラミック材の比誘電率が一層高ければ、真空可変コンデンサ、及び一層小さな容積で可能な面積よりも一層小さな電極面積での所与のキャパシタンスを達成することができる。

例えば、３ｋＶアプリケーションでの１０００ｐＦの真空可変コンデンサは、同等かそれ以上のサイズである、必須の電動ドライブ機構を除き、そのサイズが少なくとも１０ｃｍ×１０ｃｍ×１０ｃｍとなる場合がある。対照的に、常誘電性誘電材料及び電子高速同調（可変ＤＣバイアス電圧）を利用する、１０００ｐＦ可変誘電体コンデンサのパッケージは、例えば、２ｃｍ×２ｃｍ×４ｃｍ以下となる場合がある。このように、素子の容積は１００倍以上減少する場合がある。

図３は、前述と同様の可変誘電体コンデンサ７_１、７_２、７_３、…７_ｎが積層型配置を示している。このような配置は、非常に高い電圧が使用される半導体製造業界の、高出力アプリケーションでその長所を活かして使用される場合がある。前述の最大電界強度Ｅ_ｍａｘを超過することなく、高電圧アプリケーションを実現するには、積層型配置は、図３で示されるシリーズで接続されているｎ（ｎ＞２）個の同調可能な誘電体コンデンサを含む。各誘電体ブロック又はタブレット又はディスク全体に結果として生じる電圧は、複合コンデンサの端子接触部８及び９全体にかかる全電圧のごく一部となる。誘電体（ブロック又はタブレット又はディスクなど）の全てが実質的に同一である場合、ｎをシリーズとして接続すると、端子８及び９にかかるＲＦアプリケーション電圧と比べ、要因ｎで減少する個別のＲＦ電圧となる。結果として、ノード１０_１、１０_２、１０_３…１０_ｎで必須となる、連続ＤＣバイアス電圧Ｖ_ＤＣ１、Ｖ_ＤＣ２、Ｖ_ＤＣ３．．．Ｖ_ＤＣｎは、同一の要因で減少する。

図３で示される積層型配置はその特長を活かして、誘電損失又は高電流での操作時により、積層において生成される熱を排出する冷却システムを含む場合がある。上記システムは例えば、熱を生成する誘電体パーツ、ファンによる空冷、及び／又は１つ以上のヒートパイプとの十分な熱的接触を確保するヒートシンクを含む場合がある。誘電体ブロック、タブレット又はディスクの積層は、絶縁して高電圧に耐えることができる。電圧破壊の制限は誘電体内では発生しないが、ＤＣバイアス電圧フィードコネクタ外（大気中）又は同コネクタ間で発生する場合がある。したがって、図３で示される積層型複合コンデンサは更に、コンデンサ構造外の電圧破壊を避けるための絶縁体又はその他の予防措置を含むよう最適化することができる。

図３で示されるように、代替ＤＣバイアスノード１０_１、１０_２、１０_３などは、１２_１、１２_２、１２_３などの代替的な異なる極性のＤＣ電圧が供給される場合がある。このように、各個別コンデンサ７_１、７_２などにかかるＤＣバイアス電圧の範囲は、各個別ＤＣバイアスノードに適用されるものの２倍である。また、各コンデンサ全体でのＤＣバイアス電圧範囲を２倍にすることにより、個別コンデンサの同調性増加が行いやすくなる。

前述のように、ＲＦ出力信号がＤＣバイアス電圧を干渉しないようにするには、デカップリング機構の特長を活かして使用する場合がある。図４は、抵抗性デカップリング要素１５を示している。材料の誘電率を調整するには電圧のみが必要となるため、高抵抗値Ｒが選択される場合がある。つまり、電流は必要としない。しかしながら、余りに高い抵抗はキャパシタンス調整プロセスを遅延させる場合があるため、抵抗性デカップリングの抵抗値Ｒは、望ましい調整速度に従って選択されるべきであることが知られている。

図５は、誘導性デカップリング要素１６、オプションとして抵抗性デカップリングコンポーネント１５を連結して使用する、もう１つのデカップリング配置を示している。誘導性デカップリングは、高い抵抗を持つ抵抗性デカップリングのみを使用する場合よりも、素子のより高速な同調を実現する。その他の適切な要素（フィルタ回路など）は、デカップリングメカニズムとして使用することもできる。

図６及び７は、本発明に記載の、同調可能な誘電体コンデンサの集積ブロック実装の一例を示している。図の例では、５つの分離電極である１８、２６、２７、２８、１９が使用され、そのうちの３つである２６、２７、２８は常誘電性誘電材料の固体ブロック１７内に組み込まれている。これは、例えば、あらかじめ誘電体材料の所定の位置に導電性コネクタインプラント（銅板など）を持つ一定量の誘電体材料を焼結することにより実現される場合がある。焼結処理は、酸素に富んだ大気中で材料（Ｂａ_１−ｘＳｒ_ｘＴｉＯ_３タイプ材料などのセラミック粉末など）を高温になるまで熱することを含む場合があるため、パラジウム、金、タンタル、チタニウム、白金又はステンレス鋼などの容易には酸化しないその他の導電性材料は、組み込み電極２６、２７、２８に使用される場合がある。別の方法として、又は追加的に、電極は金属など導電性材料から製作され、焼結処理時又は後続のステップで、焼結セラミック材と接合する、フラックス及び／又ははんだ又はろう付けタイプの材料を備え、組み込み電極と周囲の焼結常誘電性セラミック材との間で十分な電気的接点を形成する。高出力アプリケーションでは、明確に定義されたキャパシタンス及び動作時の低損失（高いＱ値）を確保するため、十分な金属と誘電体の接合を実現することが特に重要となる。ＲＦ電極は、常誘電性セラミック材の表面上へのスパッタリング、蒸着、スクリーン印刷により形成することができる。適切な電極材料には、銀、銀パラジウム、銀含有ペースト、モリブデン、モリブデンマンガン、ニッケル、チタニウムが含まれる。金属と誘電体の接合を改善するために、有利にも、セラミック表面を機械的及び／又は化学研磨処理などの前処理、プラズマ又はレーザー処理、イオン注入及び／又は異質なセラミック材又ガラスなどの誘電体材料、或いは上述のいずれかなどの導電性材料の薄湿潤層又は格子表層の凝結を行う場合がある。

図６及び７の説明例では、２つのコンデンサは、５つの電極１８、２６、２７、２８、１９及び誘電体１７から形成されている。コンデンサＣｄ_１はＲＦ電極１８と共通ＤＣバイアス電極２７との間で形成され、及びコンデンサＣｄ_２はＲＦ電極１９と共通ＤＣバイアス電極２７との間で形成されている。追加的なＤＣバイアス電極２６及び２８は常誘電性誘電体１７へ、又は少なくとも、ＤＣバイアス電極２６と２７との間、及びＤＣバイアス電極２７と２８との間にある常誘電性誘電体１７の一部へ、ＤＣバイアス電圧を供給するために備え付けられている。ＤＣバイアス電極２６とＲＦ電極１８との間にある常誘電性誘電体１７の一部、及びＤＣバイアス電極２８とＲＦ電極１９との間にある常誘電性誘電体の一部は、図４に参照して前述された通り、抵抗性デカップリング要素として機能する場合がある。常誘電性誘電体１７（Ｂａ_１−ｘＳｒ_ｘＴｉＯ_３タイプ材料の１０^９Ωｃｍなど）の固有の高い抵抗性により、常誘電性誘電体１７のこれらの部分は図４の抵抗性デカップリング要素１５として使用される場合がある。ＲＦ電極１８、１９とＤＣバイアス電圧電極２６、２８それぞれとの間隔は、デカップリング要件により選択される場合がある。しかしながら、コンデンサの同調性を最大化するには、デカップリング部分の間隔は最小にとどめておくべきであり、その理由としてＤＣバイアスコネクタ２６と２８との誘電体材料の容積のみが、比誘電率の調整に使用され、したがって連続複合コンデンサ７のキャパシタンス値が使用されるためである。

図６及び７は、（焼結などがなされた）常誘電性郵電材料に組み込まれた３つの電極を示している。しかしながら、図示されている電極１８、２６、２７、２８、及び１９の５つ全ては誘電体１７に組み込まれ、したがって当該素子に必要な絶縁体の量を減らすことができる。

図６及び７のコンデンサ例では、ＤＣバイアス電極２６及び２８は、ＲＦ電極１８及び１９それぞれから独立して形成される。しかしながら、ＤＣバイアス電極２６及びＲＦ電極２４は、図２に図示されているような連続コンデンサ配置が統合デカップリング要素なしに形成され、２つのＲＦ接続８、９及び１つのＤＣバイアス接続１０を持つ場合、１つの電極（誘電体１７に組み込まれているか、いないかのいずれか）として形成される場合があり、ＤＣバイアス電極２８及びＲＦ電極１９が１つの電極（誘電体１７に組み込まれているか、いないかのいずれか）として形成される場合がある。

図３を参照して説明されている積層型配置は、複数の直列接続コンデンサ７_１、７_２、７_３…７_ｎの一部又は全ての電極を単一の固体誘電体ブロック１７へ埋め込むことによって組み込んで製造できる場合がある。

Ｂ_ａ１−ｘＳｒ_ｘＴｉＯ_３タイプの材料などのセラミック誘電体材料の焼結時など、電極の一部又は全部を常誘電性誘電体１７に埋め込むと、コンデンサ７が実質的に１つのステップで完成する（コネクタの後続の修正がない）というメリットがあり、かつ、図６及び７で図示されている場合には、外部デカップリング機構が必要なく、誘電体１７自体の一部がデカップリング要素１５として使用される。

図８は、高速調整が可能な誘電体コンデンサが、真空コンデンサ（非常に高いＲＦ出力を処理することができる）などのより遅い調整が可能なコンデンサと組み合わせて使用される、第二複合コンデンサ構成を示している。図８におけるこの構成は、図２、４及び５に関連して記述されている通り、２つの複合調整式誘電体可変コンデンサ７_Ａ、７_Ｂと結合する、１つの可変真空コンデンサ７_Ｖを示している。この例での真空可変コンデンサ７_Ｖは、複合調整式誘電体可変コンデンサ７_Ａのいずれかのシリーズに接続され、回路に接続されているこのシリーズ自体が第二複合調整式誘電体可変コンデンサ７_Ｂに並列接続されている。かかる構成は、調整式誘電体コンデンサが限定的な同調性（例えば、およそ７０％）を有する問題点を克服するために使用される。この真空可変コンデンサ７_Ｖにはより大きな同調性（９９％を超過する場合がある）があり、したがってその構成は、大きなキャパシタンス（２つの複合コンデンサ７_Ａ及び７_Ｖ／７_Ｂの並列組み合わせによる）、高速同調（調整可能な誘電体コンデンサ７_Ａ及び７_Ｂの存在による）及び大きな同調性（真空コンデンサ７_Ｖの存在による）を提供する、複合コンデンサを提供するために使用される。真空可変コンデンサ、固定コンデンサ、切替式コンデンサ、及び／又は可変又は固定誘電体コンデンサのその他の構成は、同様の効果を達成するために使用することができる。

したがって、本発明に記載の、図８で示される複合可変コンデンサ素子は、誘電体分極応答速度と同調可能であり、かつ真空及び誘電体コンデンサの組み合わせによる広範な同調性及び改善された出力互換性から便益を受ける。この構成では、９０％の同調性を実現し、したがって常誘電性素子単体の同調性を超過する素子を示す。

図８の複合コンデンサが１００ｐＦから１０００ｐＦまでのキャパシタンス範囲（及びしたがって、９０％の同調性）を達成する場合、例えば、以下の値は様々なコンポーネントで使用することができる。

真空可変コンデンサ７_Ｖ：７０ｐＦ―３６００ｐＦ、
調整可能な誘電体コンデンサ７_Ａ１及び７_Ａ２：１２５０ｐＦ〜２５００ｐＦ
調整可能な誘電体コンデンサ７_Ｂ１及び７_Ｂ２：７５ｐＦ〜１５０ｐＦ

係る構成により、１００ｐＦから１０００ｐＦまで変動する回路の全体キャパシタンス範囲を提供し、ＤＣバイアス電圧ＶＤＣ_１及び／又はＶＤＣ_２を変動させることで、大きな変化をより低速（真空可変コンデンサ７_Ｖの速度）で実現可能にしながらも、小さな変化を調整式誘電体コンデンサ７_Ａ１、７_Ａ２、７_Ｂ１及び７_Ｂ２のより速い速度で実現する。

図９では、ＲＦロード３６のインピーダンス（プラズマエッチング又はコーティング処理のインピーダンス）をＲＦ発電機２０のインピーダンスに整合させる、インピーダンス整合回路（この例では、いわゆる「Ｌ」接続形態）で使用される場合があるコンデンサの構成を示している。業界標準のＲＦ発電機出力インピーダンスは、５０オームである。この構成は、調整式誘電体可変コンデンサ３２、３３を真空可変コンデンサ３１、３４の代わりに、またはそれらに加えて使用することもできる方法を示している。インピーダンス整合回路の構成例は、可変コンデンサの使用を示しているが、固定コンデンサは適切な場合には、前述の通り、例えば、固定真空コンデンサ及び可変誘電体コンデンサ又は複合コンデンサで使用することができる。πトポロジー及びＴトポロジーなどの、コンポーネントのその他の組み合わせが可能である。可変誘電体コンデンサは、参照番号３２で示される、シャント構成内のかかるマッチボックス回路及び／又は参照番号３３で示される、直列接続のコンデンサで使用される場合がある。可変誘電体コンデンサ３２、３３を代真空可変コンデンサ３１、３４の代わりに、またはそれらに加えて使用することもできる。

可変誘電体コンデンサ素子３２、３３のより小型なサイズにより、これらの素子によってのみ構成されるインピーダンス整合ネットワークは、工業用プラズマ処理に使用される、現在利用可能なＲＦ電源供給システムと同様に分離又は外部マッチボックスユニットとして実装されるのではなく、ＲＦ発電機２０の出力回路に直接組み込まれるほど十分に小型となる。真空可変コンデンサを採用するマッチボックスは３０，０００ｃｍ^３もの容積を占める一方で、前述の可変誘電体コンデンサを採用する同様のユニットの容積は１００ｃｍ^３に過ぎない。したがって、３００倍の容積縮小は、達成可能である。

Claims (21)

1. 少なくとも５０ワットで動作可能なＲＦ電力アプリケーションで利用される電力用コンデンサであって、前記電力用コンデンサが、固体誘電材料を有するコンデンサ誘電体（１７）により分離される、少なくとも２つのＲＦ電極（１８，１９）を備え、
   前記固体誘電材料が制御可能な比誘電率（１）を有することを特徴とする、電力用コンデンサ（７）。
2. コンデンサ誘電体（１７）の少なくとも一部に対して印加されるＤＣバイアス電圧（１２）を変動させることにより、コンデンサ誘電体（１７）の比誘電率（１）が制御可能である請求項１に記載の電力用コンデンサ（７）。
3. コンデンサ誘電体（１７）が少なくとも２つのＤＣバイアス電極（２６、２７、２８）を含み、ＤＣバイアス電極（２６、２７、２８）全体に印加されるＤＣバイアス電圧（４，１２）を変動させることにより、比誘電率（１）が制御可能である、請求項１又は２に記載の電力用コンデンサ（７）。
4. 少なくとも１つのＤＣバイアス電極（２６、２７、２８）がコンデンサ（７）のＲＦ電極（１８、１９）のいずれか１つとして形成される、請求項３に記載の電力用コンデンサ（７）。
5. コンデンサ誘電体（１７）が少なくとも０．１ｍｍ、又は好ましくは少なくとも０．３ｍｍ、又はより好ましくは少なくとも０．５ｍｍの厚みとなる固体誘電体のブロック、タブレット、又はディスクを含む、請求項１〜４のいずれか１項に記載の、電力用コンデンサ（７）。
6. 固体誘導材料が常誘電体セラミック材を含む、請求項１〜５のいずれか１項に記載の、電力用コンデンサ（７）。
7. 常誘電体セラミック材がチタン酸バリウムストロンチウムを含む、請求項６に記載の、電力用コンデンサ（７）。
8. 常誘電体セラミック材が実質的にモノリシックの焼結ブロックとして形成される、請求項７に記載の、電力用コンデンサ（７）。
9. ＲＦ電極（１８、１９）の少なくとも１つ及び／又はＤＣバイアス電極の少なくとも１つが、コンデンサ誘電体（１７）の範囲内に実質的に封入されて形成される、請求項３〜８のいずれか一項に記載の、電力用コンデンサ（７）。
10. コンデンサ誘電体（１７）がＲＦ電極（１８、１９）及び／又は導体パッド又は回路基板若しくはサーキットボードの回路に溶接、はんだ付け、若しくはろう付けされる、請求項１〜９のいずれか一項に記載の、電力用コンデンサ。
11. 第一及び第二電力用コンデンサが、第一（７_１、７_Ａ１、７_Ｂ１）及び第二（７_２、７_Ａ２、７_Ｂ２）電力用コンデンサの各コンデンサ誘電体（１７）の同調可能な比誘電率（εｒ１、εｒ２）を変動させる、可変ＤＣバイアス電源（Ｖ_ＤＣ）へ接続する共通の誘電率制御電圧ノード（１０）を共有するように配置される、請求項１から１０のいずれか一項に記載の第一電力用コンデンサ（７_１、７_Ａ１、７_Ｂ１）及び請求項１から１０のいずれか一項に記載の第二電力用コンデンサ（７_２、７_Ａ２、７_Ｂ２）を含む、第一複合コンデンサ（７、７_Ａ、７_Ｂ）。
12. 共通の誘電率制御電圧ノード（１０）でのＲＦ電圧から及び／又はＲＦ電極（１８、１９）の少なくとも１つでのＲＦ電圧から、ＤＣバイアス電源（ＶＤＣ）をデカップリングするために配置されている、少なくとも１つのデカップリング素子（１５、１６）を含む、請求項１１に記載の、第一複合コンデンサ。
13. 少なくとも１つのデカップリング素子（２３）がコンデンサ誘電体（１７）の抵抗部を含む、請求項１２に記載の、第一複合コンデンサ。
14. 直列接続された電力用コンデンサ（７）の連続体（７_１、７_２、７_３、７_４ ．．． ７_ｎ）が、ＤＣバイアスノード（１０_１、１０_２、１０_３、１０_４ ．．． １０_ｎ）に隣接して接続され、且つ
    各ＤＣバイアスノード（１０_１、１０_２、１０_３、１０_４ ．．． １０_ｎ）が、前記それぞれのコンデンサ誘電体（１７）及び隣接する電力用コンデンサをバイアスするため、ＤＣバイアス電圧（Ｖ_ＤＣ１、Ｖ_ＤＣ２、Ｖ_ＤＣ３、Ｖ_ＤＣ４ … Ｖ_ＤＣｎ）への接続に配置されている、連続体として接続される、請求項１から１０までの一項に記載の３つ以上の電力用コンデンサ（７）を含む第二複合コンデンサ。
15. 代替ＤＣバイアスノード（１０_１、１０_３、 １０_２、１０_４ … １０_ｎ）が、代替的な異なる極性のＤＣバイアス電圧（Ｖ_ＤＣ１、Ｖ_ＤＣ３、 Ｖ_ＤＣ２、Ｖ_ＤＣ４ … Ｖ_ＤＣｎ）接続のために配置される、請求項１４に記載の第二複合コンデンサ。
16. 
    請求項１から１０のいずれか１項に記載の１つ以上の第三電力用コンデンサ（７_１、７_２）と、
    請求項１１から１３のいずれか１項に記載の１つ以上の第一複合コンデンサ（７_Ａ、７_Ｂ）と、
    請求項１４及び１５のいずれか１項に記載の１つ以上の第二複合コンデンサ（７_Ａ、７_Ｂ）と、
    第四電力用コンデンサ（７_Ｖ）と、
    を含み、
    １つ以上の第三電力用コンデンサ（７_１、７_２）及び／又は１つ以上の複合コンデンサ（７_Ａ、７_Ｂ）が第一調整速度で調整可能なキャパシタンスを持ち、且つ第四コンデンサ（７_Ｖ）が第二調整速度で調整可能であり、第二調整速度が第一調整速度よりも遅いものである、
    リアクタンス回路。
17. 第四電力用コンデンサ（７_Ｖ）が真空可変コンデンサを含む、請求項１６に記載の、リアクタンス回路。
18. ＲＦ電力の少なくとも５０ワットをＲＦ負荷（３６）に提供するＲＦ電源システム（２０、３０）であって、請求項１１から１３までの一項に記載の１つ以上の第一複合コンデンサ（７_Ａ、７_Ｂ）、請求項１４又は１５の一項に記載の１つ以上の第二複合コンデンサ及び／又は請求項１６又は請求項１７に記載のリアクタンス回路を含む、ＲＦ電源システム（２０、３０）。
19. 電力用コンデンサ（７）の同調可能な誘電体（１７）全体に印加される誘電率制御電圧を変化させることにより特徴づけされる、ＲＦ電源システムの電力用コンデンサ（７）のキャパシタンスを制御する方法。
20. ＲＦ電源システム（３０）が、ＲＦ発電機、インピーダンス整合回路及び／又はプラズマチャンバのプラズマ制御回路を構成する、請求項１８に記載のＲＦ電源システム、又は請求項１９に記載の方法。
21. 請求項５から１０のいずれか一項に記載の、ブロック、タブレット又はディスクとして形成されているコンデンサ誘電体（１７）。
    
    
    

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