专利名称：用于在匹配阻抗之间切换的设备和方法
技术领域：
和方法。
背景技术：
常常要求阻抗匹配电路使得在两个或更多不同的值中间动态变化的 负载阻抗与预定源阻抗匹配。这样的动态变化的负载阻抗可例如出现在濺
射磁控管(sputtering magnetron)中。在一些溅射石兹控管中，磁场在两个 或更多配置中间切换，来控制等离子体室中的等离子体的分布，以用靶材 (target material)更均匀地涂覆基底。这些不同的磁场配置使负载的阻抗—— 等离子体的阻抗在两个或更多不同的值中间变化。在一些情况下，负载阻 抗在少至30ms的时间内变化。
匹配动态变化的负载阻抗的一个传统方法是使用包括两个可变元件， 通常为电容器的匹配网络。 一个可变元件控制匹配阻抗的大小；另一个控 制电抗(reactive)分量。由于这两个可变元件之间的"串扰"，通常需要输入 测量仪器。输入测量仪器耦合到驱动伺服电机以调节可变元件的模拟电 路。近来，开发了使用模数(A/D)转换器来测量输入电压和电流以及输 入电压和电流之间的相位以计算匹配网络的实际输入阻抗的阻抗匹配电 路。在这些更现代的阻抗匹配电路中，数字步进电机常常用于调节可变元 件。遗憾的是，可变元件的机械调节对出现在例如30ms内的负载阻抗变 化不能4艮好地起作用。
在需要在两个或更多匹配阻抗之间快速切换的应用中，PIN-二极管开
6关可用于将部件"l妻入匹配网络或从匹配网络断开。然而在诸如溅射磁控管 的应用中，产生了困难，即，两个或更多不同的负载阻抗不一定位于史密 斯圆图上的任何特定的轨迹中，使匹配所有不同的负载阻抗值的任务变复 杂。
因此明显地，在本领域中存在对用于在匹配阻抗之间切换的改进的设 备和方法的需要。
发明内容
下面概述在附图中示出的本发明的例证性实施方式。在详细描述部分 中更充分地描述这些和其它实施方式。然而应理解，并没有将本发明限制 到在此发明内容中或详细描述中所描述的形式的意图。本领域技术人员可 认识到，存在落到如权利要求中陈述的本发明的精神和范围内的很多更 改、等效和可选结构。
本发明可提供用于在匹配阻抗之间切换的设备和方法。
一个例证性实
施方式是在匹配阻抗之间切换的电子设备，包括开关元件、匹配网络、 移相网络、传感器以及控制元件，所述开关元件配置成选择性地耦合到电 子设备；所述匹配网络配置成当与电子设备的输出连接的负载的阻抗是第 一预定值且开关元件从电子设备解耦(decouple)时，使电子设备的输入阻抗 匹配预定源阻抗；所述移相网络配置成当与电子设备的输出连接的负载的 阻抗是第二预定值且开关元件耦合到电子设备时，使电子设备的输入阻抗 匹配预定源阻抗；所述传感器配置成区分等于第 一预定值的负载的阻抗和 等于第二预定值的负载的阻抗；以及所述控制元件配置成当传感器确定负 载的阻抗为第 一预定值时使开关元件从电子设备解耦，以及当传感器确定 负载的阻抗为第二预定值时将开关元件耦合到电子设备。
另一例证性实施方式是一种方法，其包括使动态变化的负载阻抗的第 一预定值与预定源阻抗匹配，并通过在源和负载之间添加单个电抗元件而 在源和负载之间？ 1起允许动态变化的负载阻抗的第二预定值与预定源阻 抗匹配的相移。在这里进一步详细地描述这些和其它实施方式。附图的简要说明
当结合附图理解时，通过参考下面的详细描述和所附权利要求，本发 明的各种目的和优点以及更彻底的理解很明显并且更容易地被认识到，其 中
图1是根据本发明的例证性实施方式的阻抗匹配电路的方框图2是根据本发明的另 一例证性实施方式的阻抗匹配电路的方框图3是根据本发明的又一例证性实施方式的阻抗匹配电路的方框图4A-4C是简化的史密斯圓图，其示出本发明的例证性实施方式可如 何用于使动态变化的负载的两个或更多不同的负载阻抗值与预定源阻抗 匹配；
图5是包括根据本发明的例证性实施方式的阻抗匹配电路的电子设备 的方冲匡图6是根据本发明的例证性实施方式的用于使负载的动态变化的阻抗 与源的预定源阻抗匹配的方法的流程图7是根据本发明的另 一例证性实施方式的用于使负载的动态变化的 阻抗与源的预定源阻抗匹配的方法的流程图8是根据本发明的例证性实施方式的阻抗匹配电路的并联开关元件 实现的示意图；以及
图9是根据本发明的例证性实施方式的阻抗匹配电路的串联升关元件 实现的示意图。
详细描述
在例证性实施方式中，第一预定负载阻抗值与预定源阻抗匹配。通过 在源和负载之间添加单个电抗元件而在源和负载之间引入允许第二预定 负载阻抗值与预定源阻抗匹配的相移。第 一和第二预定负载阻抗值分别通 过选择性地省略和包括单个电抗元件而匹配。区分第一和第二负载阻抗值的出现，且4姿需要省略或包括单个电抗元件，以使负载的动态变化的阻抗 与预定源阻抗匹配。在一些实施方式中，单个电抗元件处于并联配置。在 其它实施方式中，单个电抗元件处于串联配置。注意，在这里，关于预定 负载阻抗值的标记"第一，，和"第二"是任意的。
现在参考附图，其中相同或相似的元件在全部几个视图中用相同的参 考凄史字表示，以及特别参考图1，其为根据本发明的例证性实施方式的阻
抗匹配电路100的方框图。阻抗匹配电路IOO使阻抗在两个预定值之间变
化的负载(未在图1中示出)与预定源阻抗动态地匹配。预定源阻抗可为
任何值。在賊射磁控管应用中的一个典型值是50欧姆(ohm)电阻(无电 抗分量)。
在图1中，射频(RF)输入105通过输入传感器110馈送到阻抗匹配 电路IOO。阻抗匹配电路100还包括开关元件115、移相网络120、匹配网 络125和传感器130。传感器130配置成监控信号135，以确定与阻抗匹 配电路100的输出(RF输出140)连接的负载的电流状态。
在匹配网络125是可变匹配网络的实施方式中，输入传感器IIO控制 可变匹配网络。在使用固定匹配网络的实施方式中，省略输入传感器110。 匹配网络125配置成当开关元件115从阻抗匹配电路100断开(从其解耦) 时4吏两个不同的负载阻抗值中的第 一个与源阻抗匹配。用于设计这样的匹 配网络的技术在阻抗匹配领域中是公知的，且不在这里重复。匹配网络125 具有各种不同的拓朴中的任何一种，包括而不限于高通或低通"t"、高通 或4氐通"TT"、 L匹配和y匹配。
移相网络120配置成使得当开关元件115被接通(耦合到阻抗匹配电 路100)时，使两个负载阻抗值中的第二个与源阻抗匹配。这将在下面更 充分地解释。才艮据该实施方式，移相网络120具有各种拓朴中的任何一种， 包括而不限于高通或低通"t"或"7T"。
传感器130区分负载阻抗的第一和第二值。在溅射》兹控管实施方式中， 例如传感器130监控用于分配等离子体室中的等离子体的磁场的状态。当 ;兹场处于第一状态时，等离子体的负载阻抗具有相应的第一值。当磁场处 于第二状态时，等离子体的负载阻抗具有相应的第二值。传感器130的输
9出用于控制开关元件115的状态(接通或断开)。在一个例证性实施方式中， 传感器130的输出馈送到控制开关元件115的偏置网织未在图1中示出)。 当传感器130检测到第一负载阻抗值时，传感器130的输出使开关元件115 从阻抗匹配电路100解耦。当传感器130检测到第二负载阻抗值时，传感 器130的输出使开关元件115耦合到阻抗匹配电路100。
开关元件115是电抗元件，即电容器或电感器，其纟艮才居传感器130的 输出可选择性地耦合到阻抗匹配电路100或从阻抗匹配电路100解耦。通 过使用例如由适当的偏置网络控制的PIN二极管可使开关元件115接入阻 抗匹配电路IOO或从阻抗匹配电路100断开。在一个实施方式中，开关元 件115是并联元件。在另一实施方式中，开关元件115是串联元件。
图2是根据本发明的另一例证性实施方式的阻抗匹配电i 各200的方才匡 图。在图2所示的实施方式中，移相网络225在匹配网络220和与RF输 出240连接的负载(未在图2中示出)之间。
图3是根据本发明的又一例证性实施方式的阻抗匹配电路300的方框 图。在图3所示的实施方式中，移相网络和匹配网络被合并(见320)。
图4A-4C是简化的史密斯圆图，其示出本发明的例证性实施方式可如 何用于使动态变化的负载的两个或更多不同的负载阻抗值与预定源阻抗 匹配。
在图4A的简化史密斯圆图400中，绘出了第一负载阻抗值405和第 二负载阻抗值410 (在图4A中用"X"标出)。圆415相应于史密斯圆图 400上具有与预定源阻抗(例如50欧姆)相同的实部的所有阻抗。圆415 与水平轴425相交处的外圆420的中心(427)是相应于精确地匹配源阻 抗的阻抗的"匹配点"。本领域技术人员应认识到，为了最大化输送到负 载的功率并消除来自负载的反射，负载阻抗必须为源阻抗的复共轭。在源 阻抗是纯实数(电阻性)的情况下，阻抗匹配电路的目的是使负载看起来 像等于源电阻的电阻。
在图4B的简化史密斯圓图430中，当单个开关电抗元件从阻抗匹配 电路解耦时，匹配网络使第一负载阻抗值405 (在图4B中用圆标出)与源
10阻抗匹配。阻抗匹配电路中的移相网络还通过将单个开关电抗元件耦合到
阻抗匹配电路而将第二负载阻抗值410(在图4B中用圓标出)置于轨迹(圆 415)上，这允许第二负载阻抗值410与源阻抗匹配。
在图4C的简化史密斯圆图440中，单个开关电抗元件耦合到阻抗匹 配电路以使第二负载阻抗值410与源阻抗匹配。
借助于例如交互式史密斯圆图软件应用程序如Noble Publishing生产 的WINSMITH,可i殳计移相网络(例如分别见图1、 2和3中的120、 225 和320)和匹配网络(例如分别见图1、 2和3中的125、 220和320)。这 样的匹配和移相网络的设计一般包括某种试错法(trial and error),且交互 式图形工具例如WINSMITH加速该过程。
在上述各种实施方式中说明的本发明的原理可被推广到多于两个的 负载阻抗值。例如，额外的移相网络可添加到阻抗匹配电路，以使第三负 载阻抗值与预定源阻抗匹配。然而，由于两个以上的每个额外的不同负载 阻抗值，这样的阻抗匹配电路的设计变得较复杂和昂贵。
图5是包括根据本发明的例证性实施方式的阻抗匹配电路的电子设备 500的方框图。在图5中，阻抗匹配电路505将RF电源510耦合到负载 515。在一个实施方式中，电子设备500是溅射磁控管，而负栽515是阻 抗在至少两个不同的值之中变化的等离子体。
图6是根据本发明的例证性实施方式的用于使负载的动态变化的阻抗 与源的预定源阻抗匹配的方法的流程图。在605,第一负载阻抗值405与 预定源阻抗匹配，如上所解释的。在610，通过添加单个电抗元件而在源 和负载之间《1入允许第二负载阻抗值410与预定源阻抗匹配的相移。该过 程在615结束。
图7是根据本发明的另 一例证性实施方式的用于使负载的动态变化的 阻抗与源的预定源阻抗匹配的方法的流程图。与图6中一样，在图7中， 过程通过块610进行。在705,通过区分第一和第二负载阻抗值来确定当 前的负载阻抗值。如果在710出现第一负载阻抗值，则在715>^人阻抗匹配 电路省略去单个电抗元件。否则，如果在710出现第二负载阻抗值，则在720将单个电抗元件包括在阻抗匹配电路中。如上所讨论的，关于负载阻 抗值的标记"第一，，和"第二"是任意的。
元件实现的示意图。阻抗匹配电^各800包括开关元件805,在本实施方式 中为并联电容器。为了简单起见，从图8中省略了用于将开关元件805接 入阻抗匹配电路800和从阻抗匹配电路800断开的额外部件(例如PIN 二 极管及其相关的偏置网络)。在此特定的实施方式中，阻抗匹配电路800 还包括额外的固定并联电容器810。移相网络815具有由两个串联电感器 820和825以及并联电容器830组成的"T"拓朴。也具有"T"拓朴的匹 配网络835由两个串联电容器840和845以及并联电感器850组成。图8 所示的电路仅仅是很多可能的实现之一。
图9是根据本发明的例证性实施方式的阻抗匹配电路900的串联开关 元件实现的示意图。阻抗匹配电路900包括与开关元件910并联的固定串 联电感器905。在本实施方式中，开关元件910包括电感器915、隔直流 电容器(blocking capacitor)920、 PIN 二极管925和隔直流电容器930。 PIN 二极管925由被调节到输入RF频率的谐振回路电路935和940控制。谐 振回路电路935与开关945连接，开关945选择性地将谐振回路电路935 耦合到正或负电压(图9中的+V或-V )，以分别开启或关断PIN二极管925。 在本实施方式中，移相网络950具有"tt，，拓朴，并由串联电感器955以 及并联电容器960和965组成。移相网络950可以如图1和8所示跟随以 适当的匹配网络，或者，在一些实施方式中，移相网络950兼作匹配网络。
总之，本发明提供了用于在匹配阻抗之间切换的设备和方法以及其 它。本领域技术人员可容易地认识到，在本发明、其使用和其配置中可进 4亍很多变化和替换，以获得实质上与这里所描述的实施方式所获得的相同 的结果。因此，并没有将本发明限制到所公开的例证性形式的意图。很多 变化、更改和可选结构落在如4又利要求中陈述的所公开的发明的范围和精
神内o
权利要求
1. 一种在匹配阻抗之间切换的电子设备，所述电子设备包括开关元件，其配置成选择性地耦合到所述电子设备；匹配网络，其配置成当与所述电子设备的输出连接的负载的阻抗是第一预定值且所述开关元件从所述电子设备解耦时，使所述电子设备的输入阻抗匹配预定源阻抗；移相网络，其配置成当与所述电子设备的所述输出连接的所述负载的所述阻抗是第二预定值且所述开关元件耦合到所述电子设备时，使所述电子设备的所述输入阻抗匹配所述预定源阻抗；传感器，其配置成区分等于所述第一预定值的所述负载的所述阻抗和等于所述第二预定值的所述负载的所述阻抗；以及控制元件，其配置成当所述传感器确定所述负载的所述阻抗为所述第一预定值时，使所述开关元件从所述电子设备解耦；以及当所述传感器确定所述负载的所述阻抗为所述第二预定值时，将所述开关元件耦合到所述电子设备。
2. 如权利要求1所述的电子设备，其中所述移相网络在所述开关元件 和所述匹配网络之间。
3. 如权利要求1所述的电子设备，其中所述移相网络在所述匹配网络 和所述负载之间。
4. 如权利要求1所述的电子设备，其中所述移相网络与所述匹配网络 合并。
5. 如4又利要求1所述的电子设备，其中所述匹配网络是可变匹配网 络，所述电子设备进一步包括在所述电子设备的输入处的输入传感器，所述输入传感器配置成控制所述可变匹配网络。
6. 如权利要求1所述的电子设备，其中所述开关元件处于并联配置中。
7. 如权利要求1所述的电子设备，其中所述开关元件处于串联配置中。
8. 如权利要求1所述的电子设备，其中所述开关元件是电容器和电 感器之一。
9. 如权利要求1所述的电子设备，其中所述移相网络具有t和7T拓 朴之一，且所述移相网络具有高通频率响应和低通频率响应之一。
10. 如权利要求1所述的电子设备，其中所述匹配网络具有高通t、 〗氐通t、 l匹配和y匹配拓朴之一。
11. 如权利要求1所述的电子设备，其中所述预定源阻抗是50欧姆 电阻。
12. —种在匹配阻抗之间切换的电子设备，所述电子设备包括用于当与所述电子设备的输出连接的负载的阻抗是第 一预定值且电 抗元件从所述电子设备解耦时使所述电子设备的输入阻抗与预定源阻抗 匹配的装置；用于当与所述电子设备的所述输出连接的所述负载的所述阻抗是第 二预定值且所述电抗元件耦合到所述电子设备时使所迷电子设备的所述 输入阻抗与所述预定源阻抗匹配的装置；用于区分等于所述第一预定值的所述负载的所述阻抗和等于所述第 二预定值的所述负载的所述阻抗的装置；以及用于选择性地将所述电抗元件耦合到所述电子设备的装置，用于选择 性地耦合的所述装置配置成当用于区分等于所述第一预定值的所述负载的所述阻抗和等于 所述第二预定值的所迷负载的所述阻抗的所述装置确定所述负载的所述 阻抗为所述第一预定值时，使所述电抗元件从所述电子设备解耦；以及当用于区分等于所述第一预定值的所述负载的所述阻抗和等于 所述第二预定值的所述负载的阻抗的所述装置确定所述负载的所述阻抗为所述第二预定值时，将所述电抗元件耦合到所述电子设备。
13. —种电子设备，其包括射频(RF)电源，其具有预定源阻抗； 负载，其具有动态变化的阻抗；以及阻抗匹配电路，其将所述RF电源电耦合到所述负载，所述阻抗匹配 电^各包4奮开关元件，其配置成选择性地耦合到所述阻抗匹配电路；匹配网络，其配置成当所述负载的所述动态变化的阻抗是第 一预 定值且所述开关元件从所述阻抗匹配电路解耦时，使所述阻抗匹配电路的 输入阻抗匹配所述预定源阻抗；移相网络，其配置成当所述负载的所述动态变化的阻抗是第二预 定值且所述开关元件耦合到所述阻抗匹配电if各时，〗吏所述阻抗匹配电路的 所述输入阻抗匹配所述预定源阻抗；传感器，其配置成区分等于所述第一预定值的所述负载的所述动 态变化的阻抗和等于所述第二预定值的所述负载的所述动态变化的阻抗； 以及控制元件，其配置成当所述传感器确定所述负载的所述阻抗为所述第一预定值 时，^吏所述开关元件从所述阻抗匹配电路解耦；以及当所述传感器确定所述负载的所述阻抗为所述第二预定值 时，将所述开关元件耦合到所述阻抗匹配电路。
14. 如权利要求13所述的电子设备，其中所述电子设备是'减射磁控 管，而所述负载是等离子体。法，所述方法包:fe:使所述动态变化的负载阻抗的第一预定值与所述预定源阻抗匹配；以及通过在所述源和所述负载之间添加单个电抗元件而在所述源和所述 负载之间引起允许所述动态变化的负载阻抗的第二预定值与所述预定源 阻4元匹配的相移。
15.
16. 如权利要求15所述的方法，进一步包括区分等于所述第 一预定值的所述负载的所述动态变化的阻抗和等于 所述第二预定值的所述负载的所述动态变化的阻抗；当所述负载的所述动态变化的阻抗是所述第一预定值时，从阻抗匹配 电路省略所述源和所述负载之间的所述单个电抗元件；以及当所述负载的所述动态变化的阻抗是所述第二预定值时，将所述源和 所述负载之间的所述单个电抗元件包括在阻抗匹配电路中。
17. 如权利要求15所述的方法，其中所述单个电抗元件被添加在并 写关配置中。
18. 如权利要求15所述的方法，其中所述单个电抗元件被添加在串 联配置中。
全文摘要
描述了一种用于在匹配阻抗之间切换的设备和方法。一个例证性实施方式使动态变化的负载阻抗的第一预定值与预定源阻抗匹配，并通过在源和负载之间添加单个电抗元件而在源和负载之间引起允许动态变化的负载阻抗的第二预定值与预定源阻抗匹配的相移。确定负载的动态变化的阻抗是第一预定值还是第二预定值允许单个电抗元件按需要从阻抗匹配电路省略或包括在阻抗匹配电路中，以使负载的动态变化的阻抗与预定源阻抗匹配。
文档编号H05B37/00GK101523984SQ200780034070
公开日2009年9月2日 申请日期2007年9月10日 优先权日2006年9月13日
发明者J·A.·吉尔默 申请人:先进能源工业公司