TW201611058A - 用於射頻功率應用之可變功率電容器 - Google Patents
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Abstract
本發明提供一種功率電容器7，其用於RF功率遞送系統。所述功率電容器包括至少兩個藉由包括固體順電介電材料之電容器介電質17隔開之RF電極18、19，所述固體順電介電材料之相對電容率可藉由改變在DC偏壓電極10、26、28處施加於所述介電質17上之DC偏壓來控制。亦描述複合電容器配置、RF功率系統及控制所述功率電容器之方法。
Description
本發明係關於適用於射頻(RF)功率應用，諸如供給電漿系統之RF功率之動態阻抗匹配之功率電容器之領域。本發明亦係關於一種適用於此類功率電容器之介電質，及將此類電容器用於RF功率應用之方法。
RF功率應用舉例來說包括在高電壓及/或高電流下將RF功率供應到一個裝置，例如，電漿腔室(plasma chamber)。電漿腔室常應用於工業製程中，諸如材料表面處理製程或半導體製程中的電漿蝕刻。電漿通常是藉隨著RF頻率交流的電流來產生並維持，從而激發並且電離用於電漿腔室中的純化氣體源。或者，為了替代使用此類純化氣體，如在許多工業應用中常見，在大氣壓力或高於大氣壓力下亦可發生適用工業應用的射頻電漿激發(radio-frequency plasma excitation)。
從RF功率產生器之觀點，電漿腔室呈現可以大大並快速改變的負載阻抗。重要的是RF功率產生器的輸出阻抗是緊密匹配電漿腔室其快速變化的負載阻抗，以避免當阻抗不匹配時出現損害功率返回RF功率產
生器的輸出電路之反射。常用獨立阻抗匹配裝置(所謂「匹配盒」)，其使電漿腔室之負載阻抗匹配RF功率產生器之輸出阻抗。因此，在快速改變負載阻抗之情況下，匹配盒必須能夠動態地匹配阻抗。在負載阻抗仍相對恆定之其他情況下，匹配盒簡單地提供類似恆定阻抗匹配功能。
匹配盒包括反應性組件，諸如電容器，其必須能夠處理經由匹配盒遞送至負載(例如電漿腔室)之大功率(高電壓及/或高電流)。在阻抗匹配之情況下，可能需要此類高功率電容器具有可變電抗(電容)。此類電容器之電容值可為例如50pF至1nF或大於1nF，而且，此類可變電容器的最大變化速度，將成為由匹配盒提供之阻抗匹配變化速度的限制因素。
RF功率產生器及其他裝置亦可包括例如在其輸出階段中可變及/或固定的此類高功率反應性組件。商業RF功率產生器之輸出阻抗通常標準化為50歐姆。整合於產生器迴路中之可調節電容可用以在暫時性阻抗失配條件下極快速穩定輸出階段。
已開發的(使用真空作為介電質的)真空可變電容器，具處理大功率能力，且能夠可靠地操作成千上萬個工作週期。此類電容器通常包括成對的電極，且成對電極的重疊區域，通常是藉助電馬達及機械驅動機構移動彼此相對的電極來改變。電容之調整時間(即電容由一個值變化至另一個值所花費之時間)，視電容器之
尺寸及設計及電容變化量值而定，通常可為約100毫秒至幾秒。此類真空可變電容器揭露於例如德國專利申請案DE2752025A1中。真空可變電容器為相對較大的組件，例如尺寸為幾公分或幾十公分。其製造亦相對複雜，需要持久的、極高真空的及準確機器加工的電極及多個驅動組件。
為使電容的調整時間更快，先前技術(例如US20100225411)提議在多個固定電容器之間藉利用快速切換PIN二極體的切換以實施可變電容。又如美國專利US8416008B2亦揭露及提議使用快速切換雙極接面電晶體(BJT)或絕緣閘雙極電晶體(IGBT)。除此類裝置具備耐受大反向偏壓的必要條件外，這些基於切換調節排列的可變電容器，其顯著缺點在於其僅允許電容成為(非持續的)梯級變化。為了獲得類似持續地變化，可使用極大量的切換器。然而，大量使用切換器將衍生體積龐大、費用昂貴且不利於長期可靠性的後果，因為許多切換器中之任一者發生故障將使得整個裝置不可使用。
不相關技術領域(諸如在GHz範圍中操作之移動通信系統)中已知使用由所謂順電介電材料(paraelectrical dielectric material)之薄膜(例如厚70nm)或厚膜(例如厚30μm)形成的可變電容器，所述順電介電材料之相對電容率(permittivity)隨所施加電場而變化。然而，此類電容器限於RMS電壓(交流電壓)高達幾十伏且RMS電流為幾毫安或小於幾毫安下之低功率
應用。
因為後面之說明書涉及使用順電介電材料，所以簡單論述包含以下概念供參考。與其導電(金屬)對應物相比，絕緣或介電材料不允許電荷經由材料自由移動。然而，可以局部轉移陽性及陰性電荷以使得出現局部電偶極。在大多數材料中，在無任何外部施加之電場下，此等局部電偶極隨機定向且宏觀地自我毀滅。因此大多數材料宏觀上並非極化的。然而，藉由施加外部電場E，偶極將沿所施加領域方向排列，結果使得局部偶極之所得總和將為宏觀水準之感應極化P。在大多數介電材料中，此極化與所施加之電場成正比且P(E)之斜率恆定。此等材料稱為線性介電材料。用於稱為非線性電介質之其他電介質，P(E)之斜率並非恆定的且隨所施加場之量值而改變。接著將此等電介質分類為順電材料子類，其中當移除所施加場時感應極化之效用恢復至初始狀態。在稱為鐵電材料(與鐵磁材料類似)之另一電介質子類中，即使當移除所施加電場時感應極化之效用仍持續。
材料之極化性(polarizability)表現於其相對電容率中。在本說明書中寧可使用「相對電容率」術語，因為另一個可供選擇使用的「介電常數」術語是表明參數恆定，在描述非線性介電材料時並不正確，而「相對電容率」可隨例如溫度變化或因所施加電場而變化。
在本文中，應注意，提及「介電質」是指具
有特定形狀及尺寸之物理實體，且所述術語不應與提及「介電材料」混淆，「介電材料」一般是指材料。
「相對電容率」為純量(或異向性材料張量)數量，而且是相對於真空之電容率加以定義(藉由定義，真空之相對電容率ε rv為1)。線性電介質具有非場依賴性(field-independent)相對電容率，然而非線性電介質具有場依賴性(field-dependent)相對電容率ε r=ε r(E)。圖1中之曲線1展示順電材料之相對電容率如何隨著所施加電場變化之實例。
先前技術(參見例如US7910510B2)中已知陶瓷化合物BaTiO3為鐵電材料，且高於所謂居里溫度TC=115℃下其變為順電材料。藉由用鍶(Sr)原子取代一些鋇(Ba)原子，且藉由將其他微量元素插入其晶體結構中，可以調節材料之特性以使得其居里溫度降至室溫或低於室溫。此意謂所述材料在室溫下可以其順電相使用。也就是，使材料之相對電容率ε r升高至2000或大於2000，且增加可調整性(此意謂相對電容率ε r可藉由改變所施加之電場在廣泛值範圍上變化)。進一步說明，可參見錢在浩(Jae-Ho Jeon)發表於歐洲陶瓷協會雜誌(Journal of the European Ceramic Society)，第24卷，第6期，2004年，第1045-1048頁，ISSN 0955-2219之「SrTiO3濃度及燒結溫度對Ba1-xSrxTiO3之微觀結構及介電常數的影響(Effect of SrTiO3 Concentration and Sintering Temperature on Microstructure and Dielectric
Constant of Ba1-xSrxTiO3)」論文。
本發明旨在解決以上先前技術的功率電容器中的至少一些缺點。為此，本發明之電容器，描述於附隨的申請專利範圍第1項中；本發明之方法，描述於附隨的申請專利範圍第19項中；且根據本發明之電容器介電質，描述於附隨的申請專利範圍第21項中。本發明之其他變化形式，描述於附屬申請專利範圍中。使用具有可變相對電容率之介電質能夠極快速調節如上所述RF功率應用，諸如電漿腔室中之電容。亦可不斷進行電容調節，從而避免逐步調節先前用於快速調節RF功率遞送應用之切換解決方案。另外，因為本發明之電容器使用很少數的組件且無移動零件，與先前技術用於RF功率應用之電容器相比，製造過程更簡單，且針對指定電容值的電容器可將電容器尺寸製造的較小許多。
1‧‧‧曲線/可控制之相對電容率
2‧‧‧不施加偏壓(E=0)在縱軸上對應之位置
3‧‧‧特定施加之電場6在縱軸上對應之位置
4‧‧‧橫軸/DC偏壓
5‧‧‧縱軸
6‧‧‧特定施加之電場
7‧‧‧功率電容器/第一複合電容器
71‧‧‧電容器/電容/第一功率電容器
72‧‧‧電容器/電容
73‧‧‧電容器
74‧‧‧電容器
7n‧‧‧電容器
7A‧‧‧複合可調節介電質可變電容器/第一複合電容器
7A1‧‧‧可調節介電質電容器/第一功率電容器
7A2‧‧‧可調節介電質電容器/第二功率電容器
7B‧‧‧複合可調節介電質可變電容器/第一複合電容器
7B1‧‧‧可調節介電質電容器/第一功率電容器
7B2‧‧‧可調節介電質電容器/第二功率電容器
7V‧‧‧真空可變電容器/第四功率電容器
8‧‧‧迴路節點/末端觸點/端子/RF連接
9‧‧‧迴路節點/末端觸點/端子/RF連接
10‧‧‧電路節點/DC偏壓連接
101‧‧‧DC偏壓節點/節點
102‧‧‧DC偏壓節點/節點
103‧‧‧DC偏壓節點/節點
104‧‧‧DC偏壓節點
10n‧‧‧DC偏壓節點/節點
11‧‧‧去耦元件
12‧‧‧DC電壓供應器/DC偏壓
121‧‧‧交替相反極性之DC電壓
122‧‧‧交替相反極性之DC電壓
123‧‧‧交替相反極性之DC電壓
13‧‧‧接地或參考電位
15‧‧‧電阻去耦元件
16‧‧‧電感去耦元件
17‧‧‧順電介電質/固體介電質模塊/電容器介電質
18‧‧‧電極/RF電極
19‧‧‧電極/RF電極
20‧‧‧RF產生器/RF功率系統
23‧‧‧去耦元件
24‧‧‧RF電極
26‧‧‧電極/DC偏壓電極
27‧‧‧電極/DC偏壓電極
28‧‧‧電極/DC偏壓電極
30‧‧‧RF功率系統
31‧‧‧真空可變電容器
32‧‧‧可調節介電質可變電容器
33‧‧‧可調節介電質可變電容器
34‧‧‧真空可變電容器
36‧‧‧RF負載
參考隨附圖式詳細描述本發明，其中：圖1為說明根據本發明之介電質其相對電容率ε r隨著所施加電場|E|變化之圖式。
圖2展示根據本發明之變化形式之兩個電容器之背對背連接排列，其中所需電場E藉由可調節DC偏壓供應器提供。
圖3展示根據本發明之多個電容器之堆疊排列之示
意圖。
圖4展示圖2之背對背連接排列之DC偏壓供應器的電阻去耦排列之示意圖。
圖5展示圖2之背對背連接排列之DC偏壓供應器的電感去耦排列之示意圖。
圖6展示根據本發明之變化形式之兩個電容器之整合模塊實施例的示意性橫截面圖。
圖7展示圖6之整合模塊實施例之示意性等角視圖。
圖8展示根據本發明之變化形式之電容器之混合配置之示意圖。
圖9顯示使用根據本發明之電容器之實例阻抗匹配網路之示意圖。
應注意，提供圖式僅用以輔助理解根據本發明之原理，且不應視為是限制謀求保護的範疇。在不同圖式使用相同元件符號之情況下，此等元件符號意圖欲指示類似或等效特徵。然而，不應假定使用不同元件符號意欲指示其所涉及之特徵之間的任何特定差異程度。
如上所述，非線性(例如陶瓷)介電材料以其順電相(paraelectric phase)使用是可以形成一種可電調節電容的電容裝置。此可調性可用於例如可變電容器中，或用於標稱固定電容值但仍可調節或微調電容值以補償電容值隨著例如溫度產生變化的電容器中。當本說明書於文中描述「可變」、「可調節」以及「可調」術語
時，是指可變電容器之電容變化、或指可調節/可微調固定值電容器(亦即具有標稱固定電容值但其電容值仍可調節例如以補償受溫度偏移或受溫度依賴性影響的電容器)之電容調節。本發明為適用於高功率RF應用之可變電容器(或可調節固定值電容器)，例如，適用於迄今還使用的真空可變電容器，因此，本發明也適用於在半導體製造工業中例如對RF電漿蝕刻或塗佈過程供應動力所使用的大功率遞送系統。本發明是使用電DC偏壓在電容器介電質中產生電場，以替代真空可變電容的機械式調節機制(與RF電漿過程中的負載阻抗變化相比，其速度不但受限且本質上緩慢)。
為了在此類RF功率應用中控制順電介電質之相對電容率，所施加的DC偏壓的強度，需有助於明顯地大於RF應用電壓之幅度(例如因子大於10)，如此才能使得RF電壓對順電介電質之相對電容率的影響，與其受DC偏壓的影響相比，是可以忽略的。據此，藉改變DC電壓是可以控制及調節順電介電質之相對電容率。而且，電容率對所施加電壓之反應速度基本上是瞬間的，因為材料中的偶極取向(dipole orientations)是以奈秒或小於奈秒反應。
對由順電介電質製造的裝置調節其相對電容率，即直接導致此裝置的電容得到調節。介電質可製成例如呈矩形模塊或平板、或呈圓盤狀，且介電質在其任一側的A區域上具有平行平面導電電極。在此簡單幾
何結構中，電容藉公式C=ε 0 ε rA/d計算，其中d為介電質厚度(電極之間的距離)，ε 0為真空電容率(物理恆定)，且ε r為介電質之場依賴性(目前為DC偏壓依賴性)相對電容率。
本文中的「射頻(RF)」可以是指傳統描述的3kHz至300GHz頻率。然而，本發明的電容器、介電質以及方法，則意圖適用於RF功率系統中的頻率範圍，通常頻率範圍介於400KHz與200MHz之間。
本文中提及「功率RF」意欲指RF功率輸出可額定於50W或大於50W，諸如100W或大於100W，或甚至1000W或大於1000W的應用。
本文中，提及「高電壓用」是指超過1000VRMS之電壓，與諸如IEC 60038之國際標準一致；提及「高電流」是指超過1ARMS之電流。透過比較，已知50mARMS之電流會造成人類呼吸停滯並死亡(參見例如美國職業安全與健康管理局(US Occupational Safety and Health Administration)頒佈之安全準則)。工業上所用的標準化RF頻率，例如，為13.56MHz，但亦使用其他RF頻率，例如400KHz、2MHz、27.12MHz、40.68MHz、60MHz、80MHz、100MHz以及162MHz。
圖1展示諸如Ba1-xSrxTiO3型材料之順電介電材料之相對電容率ε r可隨所施加之電場變化。相對電容率ε r在縱軸5上，所施加電場|E|之絕對值在橫軸4上。軸4、5以及曲線1不一定按比例。由所施加電壓所
致之順電介電材料之相對電容率變化藉符號△ε r(E)表示於圖1中，代表其中(不施加偏壓(E=0)之)2處與(特定施加之電場6之)3處間的相對電容率值的差異。
順電(介電)材料之可調節性可由下式表示：Γ=(ε r(0)-ε r(Emax))/ε r(0)；或者就DC偏壓而言，可由下式表示：Γ=(ε r(0)-ε r(Vmax))/ε r(0)。可調節性表示相對電容率之理論可使用範圍，介電質可在所述範圍上針對既定Emax(或Vmax)進行操作，其表示介電質可以耐受但不出現分解之最大場強度(或電壓)。
諸如先前提及之Ba1-xSrxTiO3型材料，順電介電材料可以實現70%或更多的可調節性價值。使用前面敘及的平行平面電極電容方案、以及圖1中所示的場依賴性曲線，可見具有此順電介電質的簡單裝置的電容值在不存在場(亦即無DC偏壓)時最高，且在施加最大場Emax(或DC偏壓Vmax)時最低。
圖2展示兩個電容71及72皆具可調電壓介電質、且彼此相互緊接串聯排列構成一可變電容器7，通過連接於兩個電容器71及72之公用電路節點10的去耦元件11，從DC電壓供應器12藉改變相對於接地或參考電位13的施加電壓VDC，可變電容器7的電容值則可獲得相應的改變(調整)。兩個電容71及72的形成，可以是在(例如平面)DC偏壓電極(以圖2示意的元件符號10表示)之任一側上以兩個順電陶瓷材料之模塊或平
板或圓盤構成，且具有其他兩個(例如平面)RF電極，其中之一者與各模塊或平板相對排列，與圖2所示之電路節點8及9分別連接。模塊或平板或圓盤的具體實施例，其厚度至少0.1mm，優選為厚度至少0.3mm，最優選為厚度至少0.5mm，或甚至厚度至少1mm或大於1mm；而模塊或平板或圓盤的直徑或橫向尺寸，視所需電容及所需操作電壓而定，為至少3mm，或至少5mm或至少10mm或至少20mm。鑒於可變電容器7將用於具電壓及頻率極高的RF功率系統中，其電極及電介質可封入適當之絕緣包裝中。
兩個電容71及72彼此相互緊接串聯排列組合，是具有將組合電容降低之作用(因為串聯之電容具有整體較低之所得電容)。然而，與目前可取得的具相同電容的真空可變電容器先前技術相比，在尺寸大小方面可獲得顯著的減小，但此情況為一小缺點。與真空可變電容器為獲得一既定電容相較，順電陶瓷材料的相對電容率愈大，順電陶瓷材料即能夠以更小電極面積以及更小體積獲得相同的既定電容。
舉例而言，用於3kV應用之1000pF真空可變電容器，尺寸至少為10cm×10cm×10cm，不包含所需的同為類似尺寸或甚至更大的電動驅動機制。相形之下，將順電介電材料及電的快速調整元件(可變DC偏壓偏壓)封裝而成之1000pF可變介電質電容器封裝元件，尺寸只有2cm×2cm×4cm或甚至更小。換言之，裝
置的體積可以減小100倍以上。
圖3展示堆疊排列類似上述電容器的可變介電質電容器71、72、73……7n。此類堆疊排列有助於應用於半導體製造工業中使用極高電壓的大功率應用。為達到不超出先前所論述之最大場強度Emax之高電壓應用，堆疊排列包括n個可調介電質電容器(其中n>2)按如圖3所示構成以串聯連接。跨越每個介電質電容器71、72、73……7n的介電質模塊或平板或圓盤所產生的電壓，是跨越經堆疊排列的整組複合電容器之末端觸點8及9的全部電壓的一小部分。若所有電介質(例如模塊或平板或圓盤)實質上相同，則n個串聯連接將產生與末端觸點8及9上之RF應用電壓相比降低n倍之個別RF電壓。因此，節點101、102、103……10n所需之連續DC偏壓VDC1、VDC2、VDC3……VDCn降低相同倍數。
圖3中所示之堆疊排列宜包括一冷卻系統，以排空此堆疊排列歸因於介電質損失或在高電流操作下所產生的熱量。此類系統中，可包括例如與發熱介電質部分有良好熱接觸之散熱器、具風扇的空氣冷卻裝置及/或一或多個熱管。介電質模塊、平板或圓盤之堆疊可絕緣以耐受高電壓。電壓擊穿之限制可以不出現於介電質內，但會出現於DC偏壓饋送連接件(DC bias voltage feed connectors)之外(在空氣中)或之間。因此，圖3所示之經堆疊複合電容器，可進一步包含絕緣或其他預防措施來最佳化，以避免電容器結構遭外部電壓擊穿。
如圖3中所示，交替的相反極性DC電壓121、122、123等，可以提供給交替的DC偏壓節點101、102、103等。以此方式，跨越每個介電質電容器71、72等上的DC偏壓之範圍，為每個單獨DC偏壓節點所施加之兩倍。使跨越每個電容器的DC偏壓範圍倍增，亦有助於增加每個單獨電容器的可調整性。
如前面所述，為使RF功率信號不干擾DC偏壓，宜使用去耦機制(decoupling mechanism)。圖4展示一電阻去耦元件15，且可選擇高電阻值R，因為僅需要電壓來調節材料電容率，並不需要電流。然而，已發現，使用電阻值過高的電阻去耦元件15，會導致使電容調節過程減速，因此應根據所需調節速度選擇電阻去耦元件15的電阻值R。
圖5展示使用另一種去耦元件排列，使用一電感去耦元件16視情況與所述電阻去耦組件15構成串聯。電感去耦元件16與僅使用具高電阻值之電阻去耦元件15相比具備更快調整可變電容器7的能力。其他適合之元件(諸如過濾器電路)亦可作為去耦機制使用。
圖6及7展示根據本發明之可調介電質電容器7之實施例之實例。在所說明之實例中，使用五個獨立電極18、26、27、28、19，其中三個26、27、28在順電介電材料之固體模塊17內整合。此實施例是可實現的，例如在介電材料的適當位置植入導電連接體(例如銅盤)，再藉燒結一定體積的這種介電材料製得。因為燒
結方法可涉及在濃氧氣氛(oxygen-rich atmosphere)中將材料(例如陶瓷粉末，諸如Ba1-xSrxTiO3型材料)加熱至高溫，所以其他不易氧化的導電材料諸如鈀、金、鉭、鈦、鉑或不鏽鋼可用於製作嵌入介電材料的電極26、27、28。可替代地，或另外地，電極可由諸如金屬導電材料製成，並且對之施予(例如塗佈)研製的焊劑及/或焊料或銅焊型材料，在燒結過程中或在後續步驟中，所研製的焊劑及/或焊料或銅焊型材料與經燒結的陶瓷材料構成緊密結合，使得植入的電極與經燒結包覆在周圍的順電陶瓷材料之間形成良好電性接觸。尤其重要的是，可調介電質電容器7達到金屬-介電質間良好結合，在大功率應用中可以獲得定義明確的電容，且在作業中可獲得低損失(高Q值)。RF電極的形成，可使用將電極材料濺射、氣相沈積或網板印刷於順電陶瓷材料之表面上而形成。適合之電極材料包含銀、銀-鈀、含銀漿料、鉬、鉬-錳、鎳或鈦。為改良金屬-介電質間的結合，陶瓷之表面宜施予表面處理，諸如施予機械及/或化學拋光處理、施予電漿或雷射處理、離子植入及/或沈積由介電材料(諸如不同陶瓷材料或玻璃)或導電材料(諸如上文所列之導電材料)構成之薄潤濕層或間隙表層。
如圖6及7所示之實例中，由五個電極18、26、27、28、19及介電質17形成兩個電容器Cd1及Cd2。其中，電容器Cd1在RF電極18與常見DC偏壓電極27之間形成，且電容器Cd2在RF電極19與常見DC偏壓電
極27之間形成。此外，DC偏壓電極26及28用於對順電介電質17施加DC偏壓、或至少用於對介於DC偏壓電極26與27之間及介於DC偏壓電極27與28之間的順電介電質17的部分施加DC偏壓。如圖4所示，介於DC偏壓電極26與RF電極18之間的順電介電質17的一部分及介於DC偏壓電極28與RF電極19之間的順電介電質17的一部分，可以充當電阻去耦元件15。順電介電質17因為固有電阻率極高(例如對於Ba1-xSrxTiO3型材料為109Ω cm)，故一部分的順電介電質17可作為圖4之電阻去耦元件15使用。RF電極18、19與其對應的DC偏壓電極26、28之間的間距，端視去耦的要求條件而決定。然而，為使電容器之可調節性達最大，去耦部分的間距應保持最小，因為僅介於DC偏壓電極26與28之間的介電材料的體積可用於調節相對電容率，且從而調節串聯組合的複合電容器7之電容值。
圖6及7展示(例如經燒結)順電介電質17的內部是植入三個電極。然而，圖示展示的另一替代方案，亦可將用於說明的五個電極18、26、27、28及19亦全部植入於順電介電質17的內部，藉此以減少電容器裝置所需的絕熱材料用量。
在圖6及7之複合電容器7實例中，由RF電極18及19分別形成DC偏壓電極26及28。然而，DC偏壓電極26及RF電極24可形成為一個電極(不論是否植入或不植入於順電介電質17之中)以構成另一替代方
案，而且DC偏壓電極28及RF電極19亦可形成為一個電極(不論是否植入或不植入於順電介電質17之中)，在此情況下，可製得如圖2所示但捨棄整合去耦元件的相互緊接串聯組合的電容器，具有兩個RF連接8、9及一個DC偏壓連接10。
圖3所示的堆疊排列複合電容器7，是將一些或所有多個串聯連接之電容器71、72、73……7n之電極合併植入於單一固體介電質模塊17之中而製成。
在陶瓷介電材料例如Ba1-xSrxTiO3型材料的燒結期間，將一些或所有電極植入於順電介電質17內部的基本優勢，在於只需使用一個步驟中就得以製備電容器7(後續修改不需要使用連接件)，而且，舉圖6及7中所示的複合電容器7為例，即具有不需要外部去耦機制的優勢，因為順電介電質17本身的一部分，可作為去耦元件15使用。
圖8展示第二複合電容器的配置，是以可快速調節的介電質電容器與可較慢調節之諸如真空電容器(能夠處理極高RF功率)共同組合而成。圖8中所示之實例，是由一個可變真空電容器7V與兩個如圖2、4及5所示的複合可調節介電質可變電容器7A、7B組合而成。在此實例中，真空可變電容器7V與一個複合可調節介電質可變電容器7A串聯連接，此串聯連接之電路本身再與另一個複合可調節介電質可變電容器7B並聯連接。此類配置可用以解決可調節介電質電容器之可調節性受限
(例如達約70%)之問題。真空可變電容器7V具有較大可調節性(其可以超過99%)，且所述配置應用於複合電容器，可使得所述複合電容器得以提供：大電容量(歸功於兩個複合電容器7A及7V/7B之並聯組合)、快速調整電容能力(歸功於存在可調節介電質電容器7A及7B)以及廣大範圍的可調節性能力(歸功於存在真空電容器7V)。配置使用其他的真空可變電容器、固定電容器、切換電容器及/或可變或固定介電質電容器也同樣可獲得類似效果。
圖8中所示的複合可變電容器裝置，歸功於根據本發明之真空可變電容器7V及介電質可變電容器7A、7B之組合，可從介電質極化響應(dielectric polarization response)的速度來調整電容，而且又從具廣大的可調節性及具優越的功率相容性得到好處。圖8中所示的複合可變電容器裝置的配置，其可調節性能力達90%，因此超出單獨使用一個可調節順電介電質電容器的可調節性。
若圖8之複合電容器獲得100pF至1000pF之電容範圍(且因此可調節性為90%)，則以下數值可用於多個組件：真空可變電容器7V：70pF至3600pF；可調節介電質電容器7A1及7A2：1250pF至2500pF
可調節介電質電容器7B1及7B2：75pF至150pF
此類配置將賜與電路的整體電容範圍在100
pF至1000pF之間變化，其中，在(真空可變電容器7V之速度)較慢速度下，可達成較大改變，但在可調節介電質電容器7A1、7A2、7B1及7B2之更快速度下，藉由改變DC偏壓VDC1及/或VDC2，可達成較小改變。
圖9展示電容器之配置，可用於阻抗匹配電路(在此實例中為所謂「L」拓撲結構(topology))中使RF負載36(諸如電漿蝕刻或塗佈過程之負載)之阻抗匹配RF產生器20之阻抗。工業標準RF產生器輸出阻抗為50歐姆。所述配置展示替代真空可變電容器31、34或除真空可變電容器31、34外可使用可調節介電質可變電容器32、33之方式。阻抗匹配電路之實例配置展示使用可變電容器，然而於適當之處可使用固定電容器，例如如上所述固定真空電容器及可變介電質電容器或複合電容器。可能存在組件之其他組合，諸如π拓撲結構及T拓撲結構。可變介電質電容器可用於並聯配置中之此類匹配盒電路中，如元件32所示，及/或用作串聯連接電容器，如元件33所示。替代真空可變電容器31、34或除真空可變電容器31、34外可使用可變介電質電容器32、33。
由於可變介電質電容器裝置32、33之尺寸較小，故僅由彼等裝置製造之阻抗匹配網路小至足以直接整合至RF功率產生器20之輸出電路中，而非以獨立或外部匹配盒單元實施，如同在用於工業電漿過程之當前可獲得之RF功率遞送系統之情況下一般。然而，利用
真空可變電容器之匹配盒單元可佔大至30,000cm3之體積，如上所述利用可變介電質電容器之類似單元之體積可佔小至100cm3。因此可達到體積減少300倍。
7‧‧‧功率電容器/第一複合電容器
10‧‧‧電路節點/DC偏壓連接
17‧‧‧順電介電材料之固體模塊/電容器介電質
18‧‧‧電極/RF電極
19‧‧‧電極/RF電極
20‧‧‧RF產生器/RF功率系統
23‧‧‧去耦元件
24‧‧‧RF電極
26‧‧‧電極/DC偏壓電極
27‧‧‧電極/DC偏壓電極
28‧‧‧電極/DC偏壓電極
Claims (21)
- 一種功率電容器(7)，其用於能夠在至少50瓦下操作之一RF功率應用，所述功率電容器包括至少兩個藉由包括一固體介電材料之一電容器介電質(17)隔開之RF電極(18、19)，其特徵在於所述固體介電材料具有一可控制之相對電容率(1)。
- 如申請專利範圍第1項所述之功率電容器(7)，其中所述電容器介電質(17)之所述相對電容率(1)可藉由改變所述電容器介電質(17)之至少一部分上所施加之一DC偏壓(12)來控制。
- 如申請專利範圍第1項或第2項所述之功率電容器(7)，其中所述電容器介電質(17)包括至少兩個DC偏壓電極(26、27、28)且其中所述相對電容率(1)可藉由改變所述DC偏壓電極(26、27、28)上所施加之一DC偏壓(4、12)來控制。
- 如申請專利範圍第3項所述之功率電容器(7)，其中所述DC偏壓電極(26、27、28)中之至少一者形成為所述電容器(7)之RF電極(18、19)中之一者。
- 如前述申請專利範圍中任一項所述之功率電容器(7)，其中所述電容器介電質(17)包括厚度為至少0.1mm或較佳至少0.3mm，或更佳至少0.5mm之所述固體介電材料之一模塊、平板或盤。
- 如前述申請專利範圍中任一項所述之功率電容器 (7)，其中所述固體介電材料包括一順電陶瓷材料。
- 如申請專利範圍第6項所述之功率電容器(7)，其中所述順電陶瓷材料包括一鈦酸鋇鍶。
- 如申請專利範圍第7項所述之功率電容器(7)，其中所述順電陶瓷材料形成為一實質上單塊之燒結模塊。
- 如申請專利範圍第3項至第8項中任一項所述之功率電容器(7)，其中所述RF電極(18、19)中之至少一者及/或所述DC偏壓電極中之至少一者實質上封入所述電容器介電質(17)內而形成。
- 如前述申請專利範圍中任一項所述之功率電容器，其中將所述電容器介電質(17)熔接、軟焊或銅焊於所述RF電極(18、19)中之至少一者及/或一基板或電路板之一導電襯墊或軌道。
- 一種第一複合電容器(7、7A、7B)，其包括如申請專利範圍第1項至第10項中任一項所述之第一功率電容器(71、7A1、7B1)及如申請專利範圍第1項至第10項中任一項所述之第二功率電容器(72、7A2、7B2)，其中所述第一及第二功率電容器經排列共用連接至一可變DC偏壓源(VDC)之一常見電容率控制電壓節點(10)，所述可變DC偏壓源用於改變所述第一(71、7A1、7B1)及第二(72、7A2、7B2)功率電容器之對應電容器電介質(17)之可調相對電容率(εr1、εr2)。
- 如申請專利範圍第11項所述之第一複合電容器，其 包括至少一個去耦元件(15、16)，所述去耦元件經排列使來自所述常見電容率控制電壓節點(10)之一RF電壓及/或來自RF電極(18、19)中之至少一者之一RF電壓的所述DC偏壓源(VDC)去耦。
- 如申請專利範圍第12項所述之第一複合電容器，其中所述至少一個去耦元件(23)包括所述電容器介電質(17)之電阻部分。
- 一種第二複合電容器，其包括三個或大於三個串聯連接之如申請專利範圍第1項至第10項中任一項所述之功率電容器(7)，其中：串聯連接之功率電容器(7)之每一相繼電容器(71、72、73、74......7n)在一DC偏壓節點(101、102、103、104......10n)連接至下一個電容器，且DC偏壓節點(101、102、103、104......10n)中之每一者經排列連接至對所述每一及接下來之功率電容器之所述電容器電介質(17)施加偏壓之一DC偏壓(VDC1、VDC2、VDC3、VDC4......VDCn)。
- 如申請專利範圍第14項所述之第二複合電容器，其中替代DC偏壓節點(101、103；102、104......10n)經排列連接至替代相反極性之DC偏壓(VDC1、VDC3；VDC2、VDC4......VDCn)。
- 一種電抗電路，其包括：一或多個如申請專利範圍第1項至第10項中任一項所述之第三功率電容器(71、72)，如申請專利範圍第 11項至第13項中任一項所述之第一複合電容器(7A、7B)中之一或多者及/或如申請專利範圍第14項及第15項中任一項所述之第二複合電容器(7A、7B)中之一或多者，一第四功率電容器(7V)，其中所述一或多個第三功率電容器(71、72)及/或所述一或多個複合電容器(7A、7B)具有可以一第一調節速度調節之一電容，且所述第四電容器(7V)可以一第二調節速度調節，所述第二調節速度比所述第一調節速度慢。
- 如申請專利範圍第16項所述之電抗電路，其中所述第四功率電容器(7V)包括一真空可變電容器。
- 一種RF功率系統(20、30)，其用於將至少50瓦RF功率遞送至一RF負載(36)，所述RF功率系統包括一或多個如申請專利範圍第11項至第13項中任一項所述之第一複合電容器(7A、7B)、一或多個如申請專利範圍第14項或第15項中任一項所述之第二複合電容器及/或一如申請專利範圍第16項或第17項所述之電抗電路。
- 一種控制一RF功率系統之一功率電容器(7)之電容的方法，其特徵在於改變施加於所述功率電容器(7)之一可調介電質(17)上之一電容率控制電壓。
- 如申請專利範圍第18項所述之RF功率系統或如申請專利範圍第19項所述之方法，其中所述RF功率 系統(30)包含一RF功率產生器、一阻抗匹配電路及/或一電漿腔室之一電漿控制電路。
- 如申請專利範圍第5項至第10項中任一項所述之電容器介電質(17)，其形成為模塊、平板或圓盤。
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