用于射频功率应用的可变电容器的制作方法

1.本发明涉及适用于射频(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，本发明涉及用于这种功率射频电容器的陶瓷电介质。


背景技术：

2.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。
3.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：
4.τ＝(c
max
‑
c
min
)/c
max
5.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。
6.现有技术
7.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。
8.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。
9.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。
10.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。
11.在不相关的技术领域，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。


技术实现要素：

12.本发明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中描述了根据本发明的电容器，并且在权利要求10中描述了根据本发明的方法。在从属权利要求中描述了本发明的进一步变型。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。
13.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
14.下面将结合附图详细描述本发明，其中：
15.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。
16.图2示出了两个此类电容器的背对背连接排列的实例。
17.图3示出了图2的背对背排列的示意性等效电路图。
18.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
了根据本发明的电容器的行为(曲线21
‑
23)与现有技术的电容器的行为(曲线24
‑
26)。
19.图5示出了说明q因子随施加的偏置电压变化的图，比较了根据本发明的电容器的行为(曲线31)与现有技术的电容器的行为(32)。
20.图6示出了说明电容随施加的偏置电压变化的图，比较了根据本发明的电容器的行为(曲线42)与现有技术的电容器的行为(41)。
21.图7示出了适用于根据本发明的电容器的介电材料样品的扫描电子显微镜图像。
22.图8示出了根据本发明的示例性方法的方框流程图。
23.应当注意的是，提供这些附图仅仅是为了帮助理解本发明的基本原理，而不应该被视为限制所寻求的保护范围。在不同附图中使用相同的附图标记的情况下，这些附图标记旨在表示相似或等效的特征。然而，不应假定使用不同的附图标记旨在表示它们所指的特征之间的任何特定程度的差异。
具体实施方式
24.铁电陶瓷材料可在其顺电相中使用以形成射频功率电容器，其电容通过改变施加在电介质上的高压(hv)偏置电场在电学上可调节。当描述本发明时，在本描述中使用术语“可变”、“可调节”和“可调谐”指可变电容器的电容的改变。当提及本发明时，术语“电容器”涉及用于高功率射频应用的可变电容器，其中例如迄今已使用真空可变电容器，因此它们适用于所使用的高功率传输系统，例如，用于为半导体制造行业中的射频等离子蚀刻或涂层工艺供电。不使用真空可变电容的机械调节机制(与射频等离子体工艺中的负载阻抗变化相比，其速度有限且固有地缓慢)，而是使用电直流偏置电压在电容器电介质中产生电场。
25.为了控制此类射频功率应用中的相对介电常数，施加的直流偏置电压的幅度应有利地显著大于射频施加电压的幅度(例如是射频施加电压的幅度的10倍)，以便与直流偏置电压的影响相比，射频电压对顺电介质的相对介电常数的影响可以忽略不计。因此可以通过改变直流电压来控制和调整相对介电常数。介电常数对施加电压的反应速度基本上是瞬时的，因为材料中的偶极子取向在纳秒以下的时间内反应。
26.相对介电常数的调整直接引起由顺电介质制成的设备的电容的调整。电介质可以形成为矩形块或片，或形成为例如盘，在电介质的任一侧具有区域a的平行平面导电电极。在这个简单的几何结构中，电容由c＝ε0ε
γ
a/d给出，其中d是电介质厚度(电极之间的距离)，ε0是真空的介电常数(物理常数)，ε
γ
是电介质的场依赖性(现为直流偏置电压依赖性)相对介电常数。术语射频(rf)与射频功率系统中使用的频率范围有关，通常为400khz至200mhz。例如，用于工业的标准化射频功率频率为13.56mhz，尽管其他标准化射频功率频率也用于射频功率应用，例如400khz、2mhz、6.78mhz、13.56mhz、27.12mhz、40.68mhz、60mhz、80mhz、100mhz和162mhz。对功率射频的引用旨在指其中射频功率输出额定值可为50w以上，例如100w以上，甚至1000w以上的应用，并且要求射频功率电容器能够在这样的频率下处理这样的功率。提及“在1200℃下稳定”或其他温度下稳定的陶瓷材料是指适合在所述温度下烧结的材料。
27.发明人已经发现，当电介质经受其偏置场时，现有技术的bst电介质易于在特定射频频率下产生主要的不想要的声共振。例如，这种声(机械)共振可能与陶瓷材料(bst)的压
电特性有关，并且会产生这样的严重的不利影响，即由于过度的机械应力和/或由于陶瓷材料中的过度局部加热，可导致设备无法使用。请注意，这种效应与陶瓷电介质中通常出现的“背景”电损耗不同，即使该电介质未在高偏置电压下运行。已经发现，现有技术的bst陶瓷材料在声共振不显著的频率下可用于射频功率可变电容器，但在发生破坏性共振的那些频率下则不能使用。
28.电容器的电气损耗通常用电容器的q因子或品质因子来量化。这表示给定电容器在能量损失方面的效率，并定义为：q＝x
c
/r
c
＝1/(2πf c r
c
)，其中x
c
是电容器的电抗，c是电容器的电容，r
c
是电容器的等效串联电阻(有时简称为esr)，f是进行测定的频率。如下文参考图4所讨论的，可以通过该频率下的q因子(称为共振峰值)的显著降低来检测偏置电压下的特定射频频率下的声共振的影响。
29.特定盘形陶瓷电介质块(以下也称为小球)的共振特性主要取决于小球的尺寸。这种声共振可以通过改变尺寸在各个频率上得到补偿或抵消。电介质的尺寸对声波行为至关重要，特别是它们的共振或它们的共振的抑制。改变尺寸通常只会将破坏性的共振峰转移到不同的频率。此外，为了消除声共振而调整小球的尺寸并不总是一种选择，因为小球的尺寸还会影响其他因素，例如可以施加的最大偏置和射频电压，以及可以通过电容器实现的电容值。
30.图1示出了射频功率可变电容器1的简单实例，其包括由在其顺电相中运行的铁电陶瓷电介质7隔开的两个射频电极5。将射频连接4和直流偏置电压连接2、3提供给电极5。可变偏置电压源v
c
在电极5之间提供可变偏置电压，由此在电介质7上提供可变偏置电压，从而改变电容器1的电容值。施加的偏置电压v
c
越大，电容器1的电容值越低。如图1所示，可以将电介质制造为如下所述的复合hdk
‑
ndk陶瓷材料的连续整体块。由于在介电材料中包含声共振降低剂(arra)，因此可以在没有现有技术中提出的那种分层或插入电极排列的情况下形成介电块，并且不需要调整块的尺寸(例如厚度)到特定运行频率
‑
否则将需要采取措施以避免破坏性声共振(尽管除了arra之外，还可以任选地包括此类插入电极、尺寸调整或其他措施)。
31.图2示出了一对电容器1和1'(如图1中描述的电容器)如何可以背对背排列以提供双电容器单元1”，其外部(射频)电极5和5”位于基本相同的直流电势，而高压偏置电压v
c
连接到夹在中间的内电极5'。这只是多个电容器如何互连的一个实例。可以使用其他配置。相反，图2的物理背对背排列可通过将两个电容器1和1'排列成物理分离但以相同方式电连接来在电学上实现。
32.图3示出了图2的两个电容器排列的电气示意图。射频功率在输入触点4处提供并且射频输出在输出触点4'处提供。可变直流偏置电压v
c
通过电路节点2和3连接到电容器1，并通过电路节点3和2'连接到电容器1'。图2和图3还说明了如何提供滤波器8以将射频与v
c
偏置电压去耦。可能需要这种排列以避免偏置电压影响其他连接的组件，并避免v
c
源受到射频功率信号的影响。例如，每个去耦滤波器8可以以例如常规方式用电阻或电抗(例如lc)组件来实现。
33.图1至图3中示出的排列仅仅是说明如何使用由陶瓷电介质隔开的两个射频电极来实施射频功率可变电容器的实例。在图1所示的示例性电容器中，射频电极也用作v
c
偏置电极。或者，一个或多个偏置电极可以与射频电极分开实施。例如，它/它们可以位于嵌入电
介质7的陶瓷体中。偏置电极可以与射频电极电绝缘
─
它们可以位于使得它们与电介质7不电接触(并且任选地不物理接触)，但仍然使得它们在电介质7的主体中产生所需的电场的位置。
34.如上所述，先前已经提出电介质7由诸如钛酸锶钡(bst)等铁电材料制成，在电容器的运行温度下表现为顺电材料(即高于其居里温度)。通过明智地选择陶瓷的组成，可以调整材料的性能，使其居里温度接近室温，例如可以选择钡锶比以使居里温度为0℃至50℃，或优选为25℃至40℃。这意味着例如电介质在50℃的运行温度下将处于其顺电相。已经发现，当以射频功率可变电容器所需的尺寸制造这种电介质时，会表现出声共振，这种共振会严重到使设备在特定频率下不可使用，甚至根本不能使用。然而，发明人已经发现不必微调电介质的尺寸就可以消除或大大减少声共振。通过在烧结前向陶瓷混合物中加入第二组分(称为声共振降低剂)，可以制造高介电常数和低介电常数陶瓷材料的复合材料(称为复合hdk
‑
ndk陶瓷材料)，其中，至少对于射频功率运行所需的介电尺寸，基本上消除了声共振。此外，发明人已经确定存在这样的组合物，其中对于射频功率应用所需的电容可变性、所需的介电特性(例如介电常数、背景q因子)和声共振所需的降低/消除都存在。
35.这种复合hdk
‑
ndk陶瓷材料可以包含至少60重量％(优选地大于80重量％)的活性基质(例如bst)作为主要hdk组分，以及小于40％(优选地小于20％)的声共振降低剂，缩写为arra(例如如硼酸锰等金属氧化物arra)例如作为少数ndk成分。德语缩写hdk表示高介电常数(例如ε
γ
>10)，而ndk表示低介电常数(例如ε
γ
≤100)。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。ndk应该优选分布在整个活性基质中：已经发现，非常局部且较大的ndk组分聚集体在减少声共振方面不如与hdk组分尺寸相似的分布良好的颗粒一样有效。优选地，hdk和ndk的平均颗粒尺寸的差异小于5倍，更优选地小于2倍。
36.图4示出了(曲线24，25，26)基于现有技术陶瓷的射频功率电容器的q因子如何随偏置电压分别为0v，500v和1100v的施加的射频频率而变化。从曲线24中可以看出，当电介质无偏置时，几乎没有声共振效应的迹象，但曲线25和26显示了在某些频率(例如，对于所关注的特定样本为10.5mhz、16mhz)下的声共振如何使q因子降低至接近于零，尤其是在高偏置条件下(对于曲线26为1100v)。
37.相比之下，曲线21、23和23显示了q因子如何随施加的射频功率信号在不同偏置电压下的频率而变化(曲线21、22和23分别对应于1000v、500v和0v的偏置电压)。q因子不仅显著更大；它也随着施加的偏置电压略微增加。然而，对于本发明的目的更重要的是，在500v和1000v偏置电压下存在于现有技术电容器中的声共振峰不再存在于使用包括如上所述的arra的复合陶瓷电介质的电容器中。
38.电介质优选地形成为具有0.5mm至1.5mm或优选地0.6mm至1.2mm厚度的基本上平面的整体块或盘，并且在块或盘的平面中具有至少20mm2或优选至少50mm2，或更优选至少100mm2的横截面积。这可以产生例如几千pf的电容值，并且适用于以高达6kv的电压偏置。这种高偏置电压允许介电块(特别是具有arra的钛酸锶钡电介质)的介电常数在宽的范围内进行调整，从而使电容器的可调谐性大于15％，或优选大于30％，以及高达40％或高达50％或更高。
39.图5示出了q因子随施加的偏置电压的变化，对应于图4中的大约13mhz的值。曲线
32显示了现有技术的电容器的q因子如何随施加的电压下降，而曲线31显示了q因子如何随施加的偏置电压v
c
而增加。
40.图6示出了相同设备的电容如何随施加的偏置电压而变化。曲线41显示了现有技术设备的电容如何比具有根据本发明的电介质的设备的电容(由曲线42示出)更显著地降低。包括arra组分的本发明电容器的电容的大小显著减小，并且曲线42的梯度比现有技术设备显著变浅。然而，电容的绝对值和电容的可变性仍然适用于射频功率可变电容器。对于0v至5kv的偏置电压范围，使用现有技术中已知的bst电介质可以实现70％以上的可调谐性(曲线41)，而使用包括arra的电介质可实现的可调谐性显著较低(曲线42)，并且例如对于0v至5kv的偏置电压范围，在15％至50％的范围内。
41.图7示出了通过根据本发明的电介质样品的截面的扫描电子显微镜图像。在此实例中，arra 51以与活性基质52的颗粒尺寸相似的颗粒形式存在。在此实例中，arra组分颗粒的形态可能与活性基质(例如bst)的颗粒的形态不同。在这种情况下，arra的一部分，例如图7的右上角，比更结晶的活性基质更为无定形(玻璃状)。在这两种情况下(对于活性基质和arra)，平均颗粒尺寸优选相似(例如，相差小于5倍，或优选小于2倍)。
42.图8示出了用于制造如上所述的射频功率可变电容器的方法的实例的框图。在步骤62和63中，复合陶瓷的活性基质hdk组分的原料组分60(例如碳酸钡、碳酸锶和二氧化钛)，以及掺杂剂61(例如0.5％或1％的铁或锰)，一起研磨62并煅烧63以形成基础活性基质材料。arra材料65，例如金属或准金属氧化物，优选硼酸镁，在步骤64中研磨，任选地与其他添加剂或掺杂剂66一起研磨，并在步骤67中煅烧以形成hdk
‑
ndk复合陶瓷的ndk组分。然后在步骤68中以预定比例重新研磨和混合经煅烧的活性基质和arra组分与如用于促进随后的压缩和烧结步骤的添加剂等额外材料69。研磨的混合物然后在步骤70中干燥，例如通过喷雾干燥，在步骤71中压入模具并在步骤72中烧结以形成电容器所需的陶瓷介电块、盘、小球或其他形状。在步骤73中，在电介质的表面上形成(例如通过金属化)射频电极，如果使用单独的偏置电极，则形成偏置电极。在步骤74中，分别向射频电极和偏置电极提供射频和v
c
偏置连接。可以如关于图3所描述的那样添加滤波器组件8。可以如关于图2所描述的那样组装和连接多个电介质7。在步骤75中，可以为电容器提供绝缘、封装或其他精加工特征，用于提供精加工的组件。步骤76表示在定制或原型制作电容器时可以任选地进行的迭代(iteration)。在该步骤中，可以使用不同的arra与活性基质的比率进行一次或多次迭代，以确定arra的最佳比例，即例如最小化q因子随偏置电压的变化的比例，或解决在特定频率下的特定声共振。此外，可以最大化电介质的其他特性，例如q因子。
43.已发现具有以下公式的复合材料可有效减少或消除宽范围的介电几何形状和射频频率的声共振：
44.活性基质：ba
a
sr
b
mn
c
ti
d
o345.其中fe或其他金属元素可以代替mn，
46.a＝0.6
‑
0.8，
47.b＝0.2
‑
0.4，
48.c＝0
‑
0.015，和
49.d＝0.985
‑150.arra：例如硼酸镁mg3(bo3)2。其他金属或准金属氧化物也可替代使用。
51.arra与活性基质的比率在烧结状态下，按体积计可以为40:60至5:95，或优选为20:80至8:92，或更优选为10:90至5:95。