用于射频功率应用的可变电容器制造技术

一种能够在MHz范围内在至少50瓦下运行的射频功率可变电容器。该电容器具有复合HDK

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】用于射频功率应用的可变电容器


[0001]本专利技术涉及适用于射频(RF)功率应用的功率电容器领域，例如提供给等离子体系统的射频功率的动态阻抗匹配。特别地，本专利技术涉及用于这种功率射频电容器的陶瓷电介质。

技术介绍

[0002]射频功率电容器可用于例如以高电压和/或高电流向诸如用于半导体制造工艺的等离子体室的装置提供射频功率。等离子体室内的等离子体呈现出变化大且快的负载阻抗。重要的是，用于该室的射频功率发生器的输出阻抗与等离子体室的快速变化的负载阻抗紧密匹配，以避免功率反射回射频功率发生器的输出电路的破坏性反射。需要反应性组件，它们必须能够处理传输的高功率(高电压和/或高电流)和快速变化的负载。例如，美国专利US9171700B2描述了需要可变功率电容器的使用阻抗匹配网络的等离子体脉冲跟踪系统和方法。射频频率被认为是从400kHz到162MHz；例如，射频功率发生器的标准运行频率是例如2MHz或6.78MHz或13.56MHz或27.12MHz或40.68MHz。可变电容器允许电容从值C
min
调整至值C
max
。当可以实现C
min
和C
max
之间的任何电容值时，称可变电容器是连续可调的。
[0003]例如，用于在13.56MHz下进行阻抗匹配的可变功率电容器的C
max
的典型值可以是在pF范围内或在nF范围内的电容值。对于给定的电容器设计(例如，由其尺寸、介电材料类型和调谐机制给出)，期望能够在广泛的值的范围内调整电容值。此特性通过以下可调谐性τ(以％计)量化：
[0004]τ＝(C
max
‑
C
min
)/C
max
[0005]可变电容器的速度的特征在于将电容从C
min
到C
max
范围内的一个值改变到C
min
到C
max
范围内的另一个值需要多长时间。如下所述，具有短的调整时间是有利的。射频功率应用被认为是50W以上的应用，并且射频功率电容器必须能够在这样的频率下处理这样的功率。
[0006]现有技术
[0007]传统上，射频功率电容器使用高真空作为电介质。可变真空电容器使用致动器机制通过移动电极来改变设备的电容。然而，最近，从同一申请人的欧洲专利申请EP3189538A1中得知，使用具有顺电特性的铁电陶瓷材料，例如钛酸锶钡，作为电介质，并通过施加高达6kV的可变直流偏置电压改变设备的电容，以改变陶瓷材料的介电常数。
[0008]使用顺电块和适当的偏置电压(或等效的偏置场)可以实现例如15％或30％或甚至70％以上的可调谐性值。对于机械驱动电容器，如真空可变电容器(其中电极位置改变而不是电介质的介电常数改变)，可以实现99％以上的可调谐性。然而，与更快的顺电陶瓷电容器相比，机械驱动电容器的速度相对较慢(改变电容接近1秒)，例如只需要10μs到50μs或更短的时间。
[0009]EP3189538A1的现有技术电容器的陶瓷电介质可以通过将粉状材料(例如钛酸锶钡)压入所需形状和尺寸的模具(例如1mm厚的小球或圆盘)，然后将压制的颗粒在高温(例
如大约1200℃)下烧结来形成。所得颗粒具有适合在13.56MHz下作为射频电容器运行的必要的介电值。也适合用作偏置电压高达6kV的可变电容器，并且适用于50W以上的功率应用。然而，在实践中，当在所有这些条件组合下使用时，即作为具有高达6kV偏置电压并在射频频率和50W以上功率下运行的可变电容器时，已发现现有技术的陶瓷材料在某些频率下会严重降解，以至于变得无法使用。
[0010]因此，需要一种具有电介质的可变射频功率电容器，当在高偏置电压和高射频功率的组合条件下运行时，该电介质在射频范围内没有或具有显著更少的频率，在该射频范围内电介质降解。
[0011]在不相关的
，例如在GHz范围内运行的微波通信中，已知使用形成为顺电介电材料的薄膜(例如70nm厚)或厚膜(例如30μm厚)的微型可变电容器，其相对介电常数随外加电场而变化。然而，此类电容器限于RMS电压高达几十伏和RMS电流为几mA以下的低功率应用。欧洲专利申请EP1414047A1公开了一种用于这种微波组件的电介质，其中该电介质由均匀的小颗粒尺寸制成。然而，这种材料的优势并不适用于功率射频应用的大型设备。在公布的美国专利申请US2015022281A1中，小型设备中的声共振问题通过分层排列来解决，其中排列成对的互补介电层，以便通过相消干涉抵消整个设备上的共振效应。US2015022281A1还描述了使用金属氧化物添加剂来提高电可变电容器的Q因子。US2015022281A1的电容器使用金属氧化物添加剂来提高Q因子，以及成对的分层电极排列来降低声共振。然而，US2015022281A1的成对电极排列在功率射频电容器中更难实施，并且需要一种方法来减少或消除功率射频可变电容器的电介质中的声共振而不对电介质尺寸或电极配置施加限制。

技术实现思路

[0012]本专利技术旨在克服现有技术功率射频可变电容器的上述缺点中的至少一些。为此，在所附权利要求1中描述了根据本专利技术的电容器，并且在权利要求10中描述了根据本专利技术的方法。在从属权利要求中描述了本专利技术的进一步变型。使用声共振降低剂(ARRA)使电介质能够作为功率射频可变电容器电介质运行，并在预期频率范围内施加更高的偏置电压，例如5kV或6kV，而无需调整电介质的尺寸，并且不会遭受可导致设备无法使用的那种声共振。另一个好处是，由于ARRA的存在允许电介质的尺寸有更宽的公差，因此可以将电介质的形状和尺寸设计为适合设计约束，而不是为了避免声共振。例如，这对于射频功率应用特别有用，其中绝缘和屏蔽是主要设计考虑因素。
[0013]注意，本文中对电介质的引用是指具有特定形状和尺寸的物理实体，并且该术语不应与对介电材料的引用相混淆，介电材料是指可以制成电介质的物质。
附图说明
[0014]下面将结合附图详细描述本专利技术，其中：
[0015]图1描述了用于可变射频功率电容器的电介质的实例的示意性等距视图。
[0016]图2示出了两个此类电容器的背对背连接排列的实例。
[0017]图3示出了图2的背对背排列的示意性等效电路图。
[0018]图4示出了说明电介质的Q因子如何随施加的射频信号的射频频率变化的图，比较
了根据本专利技术的电容器的行为(曲线21
‑
23)与现有技术的电容器的行为(曲线24
‑
26)。
[0019]图5示出了说明Q因子随施加的偏置电压变化的图，比较了根据本专利技术的电容器的行为(曲线31)与现有技术的电容器的行为(32)。
[0020]图6示出了说明电容随施加的偏置电压变化的图，比较了根据本专利技术的电容器的行为(曲线42)与现有技术的电容器的行为(41)。
[0021]图7示出了适用于根据本专利技术的电容本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】1.一种射频功率可变电容器(1)，其能够在至少50W下运行，所述射频功率可变电容器(1)包括由电介质(7)隔开的至少两个电极(5)，其中，所述电容器的电容通过改变施加在电极(5)之间的电压(V
C
)可变化，其特征在于：所述电介质(7)包括HDK
‑
NDK复合陶瓷；所述HDK组分构成所述电介质(7)的材料的至少60重量％，或优选至少80重量％，并且所述HDK组分包括HDK铁电陶瓷材料，以下称为电介质的活性基质，所述电介质的活性基质选自钛酸钡、钛酸锶、钛酸锶钡、钛酸钙或锆钛酸钡，或一种或多种上述钛酸盐的复合物；所述NDK组分构成所述电介质的小于40重量％，或优选小于20重量％，并且NDK组分包括声共振降低剂，以下称为ARRA，其中，所述ARRA包括金属氧化物陶瓷，并且其中，所述ARRA分布在整个活性基质中。2.根据权利要求1所述的电容器(1)，其中所述活性基质材料包括钛酸锶钡。3.根据权利要求1或2所述的电容器(1)，其中，所述活性基质材料的平均颗粒尺寸为0.5μm至20μm，或优选为1μm至8μm，或更优选为1.5μm至5μm。4.根据前述权利要求中任一项所述的电容器(1)，其中，所述活性基质具有第一平均颗粒尺寸并且所述ARRA具有第二平均颗粒尺寸，并且其中，所述第一颗粒尺寸和所述第二平均颗粒尺寸相差至多5倍，或优选至多2倍。5.根据权利要求4所述的电容器(1)，其中，所述第二平均颗粒尺寸是所述第一平均颗粒尺寸的小于两倍。6.根据前述权利要求中任一项所述的电容器(1)，其中，所述电介质(7)形成为厚度为0.5mm至1.5mm或优选为0.6mm至1.2mm的基本上平面的整体块或盘，并且在所述块或盘的平...

【专利技术属性】
技术研发人员：托马斯，
申请(专利权)人：康姆艾德公司，
类型：发明
国别省市：