專利名稱：用于在匹配阻抗之間切換的設備和方法
技術領域：
和方法。
背景技術：
常常要求阻抗匹配電路使得在兩個或更多不同的值中間動態變化的 負載阻抗與預定源阻抗匹配。這樣的動態變化的負載阻抗可例如出現在濺
射磁控管(sputtering magnetron)中。在一些濺射石茲控管中，磁場在兩個 或更多配置中間切換，來控制等離子體室中的等離子體的分布，以用靶材 (target material)更均勻地涂覆基底。這些不同的磁場配置使負載的阻抗—— 等離子體的阻抗在兩個或更多不同的值中間變化。在一些情況下，負載阻 抗在少至30ms的時間內變化。
匹配動態變化的負載阻抗的一個傳統方法是使用包括兩個可變元件， 通常為電容器的匹配網絡。 一個可變元件控制匹配阻抗的大小；另一個控 制電抗(reactive)分量。由于這兩個可變元件之間的"串擾"，通常需要輸入 測量儀器。輸入測量儀器耦合到驅動伺服電機以調節可變元件的模擬電 路。近來，開發了使用模數(A/D)轉換器來測量輸入電壓和電流以及輸 入電壓和電流之間的相位以計算匹配網絡的實際輸入阻抗的阻抗匹配電 路。在這些更現代的阻抗匹配電路中，數字步進電機常常用于調節可變元 件。遺憾的是，可變元件的機械調節對出現在例如30ms內的負載阻抗變 化不能4艮好地起作用。
在需要在兩個或更多匹配阻抗之間快速切換的應用中，PIN-二極管開
6關可用于將部件"l妻入匹配網絡或從匹配網絡斷開。然而在諸如濺射磁控管 的應用中，產生了困難，即，兩個或更多不同的負載阻抗不一定位于史密 斯圓圖上的任何特定的軌跡中，使匹配所有不同的負載阻抗值的任務變復 雜。
因此明顯地，在本領域中存在對用于在匹配阻抗之間切換的改進的設 備和方法的需要。
發明內容
下面概述在附圖中示出的本發明的例證性實施方式。在詳細描述部分 中更充分地描述這些和其它實施方式。然而應理解，并沒有將本發明限制 到在此發明內容中或詳細描述中所描述的形式的意圖。本領域技術人員可 認識到，存在落到如權利要求中陳述的本發明的精神和范圍內的很多更 改、等效和可選結構。
本發明可提供用于在匹配阻抗之間切換的設備和方法。
一個例證性實
施方式是在匹配阻抗之間切換的電子設備，包括開關元件、匹配網絡、 移相網絡、傳感器以及控制元件，所述開關元件配置成選擇性地耦合到電 子設備；所述匹配網絡配置成當與電子設備的輸出連接的負載的阻抗是第 一預定值且開關元件從電子設備解耦(decouple)時，使電子設備的輸入阻抗 匹配預定源阻抗；所述移相網絡配置成當與電子設備的輸出連接的負載的 阻抗是第二預定值且開關元件耦合到電子設備時，使電子設備的輸入阻抗 匹配預定源阻抗；所述傳感器配置成區分等于第 一預定值的負載的阻抗和 等于第二預定值的負載的阻抗；以及所述控制元件配置成當傳感器確定負 載的阻抗為第 一預定值時使開關元件從電子設備解耦，以及當傳感器確定 負載的阻抗為第二預定值時將開關元件耦合到電子設備。
另一例證性實施方式是一種方法，其包括使動態變化的負載阻抗的第 一預定值與預定源阻抗匹配，并通過在源和負載之間添加單個電抗元件而 在源和負載之間？ 1起允許動態變化的負載阻抗的第二預定值與預定源阻 抗匹配的相移。在這里進一步詳細地描述這些和其它實施方式。附圖的簡要說明
當結合附圖理解時，通過參考下面的詳細描述和所附權利要求，本發 明的各種目的和優點以及更徹底的理解很明顯并且更容易地被認識到，其 中
圖1是根據本發明的例證性實施方式的阻抗匹配電路的方框圖2是根據本發明的另 一例證性實施方式的阻抗匹配電路的方框圖3是根據本發明的又一例證性實施方式的阻抗匹配電路的方框圖4A-4C是簡化的史密斯圓圖，其示出本發明的例證性實施方式可如 何用于使動態變化的負載的兩個或更多不同的負載阻抗值與預定源阻抗 匹配；
圖5是包括根據本發明的例證性實施方式的阻抗匹配電路的電子設備 的方沖匡圖6是根據本發明的例證性實施方式的用于使負載的動態變化的阻抗 與源的預定源阻抗匹配的方法的流程圖7是根據本發明的另 一例證性實施方式的用于使負載的動態變化的 阻抗與源的預定源阻抗匹配的方法的流程圖8是根據本發明的例證性實施方式的阻抗匹配電路的并聯開關元件 實現的示意圖；以及
圖9是根據本發明的例證性實施方式的阻抗匹配電路的串聯升關元件 實現的示意圖。
詳細描述
在例證性實施方式中，第一預定負載阻抗值與預定源阻抗匹配。通過 在源和負載之間添加單個電抗元件而在源和負載之間引入允許第二預定 負載阻抗值與預定源阻抗匹配的相移。第 一和第二預定負載阻抗值分別通 過選擇性地省略和包括單個電抗元件而匹配。區分第一和第二負載阻抗值的出現，且4姿需要省略或包括單個電抗元件，以使負載的動態變化的阻抗 與預定源阻抗匹配。在一些實施方式中，單個電抗元件處于并聯配置。在 其它實施方式中，單個電抗元件處于串聯配置。注意，在這里，關于預定 負載阻抗值的標記"第一，，和"第二"是任意的。
現在參考附圖，其中相同或相似的元件在全部幾個視圖中用相同的參 考凄史字表示，以及特別參考圖1，其為根據本發明的例證性實施方式的阻
抗匹配電路100的方框圖。阻抗匹配電路IOO使阻抗在兩個預定值之間變
化的負載(未在圖1中示出)與預定源阻抗動態地匹配。預定源阻抗可為
任何值。在賊射磁控管應用中的一個典型值是50歐姆(ohm)電阻(無電 抗分量)。
在圖1中，射頻(RF)輸入105通過輸入傳感器110饋送到阻抗匹配 電路IOO。阻抗匹配電路100還包括開關元件115、移相網絡120、匹配網 絡125和傳感器130。傳感器130配置成監控信號135，以確定與阻抗匹 配電路100的輸出(RF輸出140)連接的負載的電流狀態。
在匹配網絡125是可變匹配網絡的實施方式中，輸入傳感器IIO控制 可變匹配網絡。在使用固定匹配網絡的實施方式中，省略輸入傳感器110。 匹配網絡125配置成當開關元件115從阻抗匹配電路100斷開(從其解耦) 時4吏兩個不同的負載阻抗值中的第 一個與源阻抗匹配。用于設計這樣的匹 配網絡的技術在阻抗匹配領域中是公知的，且不在這里重復。匹配網絡125 具有各種不同的拓樸中的任何一種，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。
移相網絡120配置成使得當開關元件115被接通(耦合到阻抗匹配電 路100)時，使兩個負載阻抗值中的第二個與源阻抗匹配。這將在下面更 充分地解釋。才艮據該實施方式，移相網絡120具有各種拓樸中的任何一種， 包括而不限于高通或低通"t"或"7T"。
傳感器130區分負載阻抗的第一和第二值。在濺射》茲控管實施方式中， 例如傳感器130監控用于分配等離子體室中的等離子體的磁場的狀態。當 ;茲場處于第一狀態時，等離子體的負載阻抗具有相應的第一值。當磁場處 于第二狀態時，等離子體的負載阻抗具有相應的第二值。傳感器130的輸
9出用于控制開關元件115的狀態(接通或斷開)。在一個例證性實施方式中， 傳感器130的輸出饋送到控制開關元件115的偏置網織未在圖1中示出)。 當傳感器130檢測到第一負載阻抗值時，傳感器130的輸出使開關元件115 從阻抗匹配電路100解耦。當傳感器130檢測到第二負載阻抗值時，傳感 器130的輸出使開關元件115耦合到阻抗匹配電路100。
開關元件115是電抗元件，即電容器或電感器，其纟艮才居傳感器130的 輸出可選擇性地耦合到阻抗匹配電路100或從阻抗匹配電路100解耦。通 過使用例如由適當的偏置網絡控制的PIN二極管可使開關元件115接入阻 抗匹配電路IOO或從阻抗匹配電路100斷開。在一個實施方式中，開關元 件115是并聯元件。在另一實施方式中，開關元件115是串聯元件。
圖2是根據本發明的另一例證性實施方式的阻抗匹配電i 各200的方才匡 圖。在圖2所示的實施方式中，移相網絡225在匹配網絡220和與RF輸 出240連接的負載(未在圖2中示出)之間。
圖3是根據本發明的又一例證性實施方式的阻抗匹配電路300的方框 圖。在圖3所示的實施方式中，移相網絡和匹配網絡被合并(見320)。
圖4A-4C是簡化的史密斯圓圖，其示出本發明的例證性實施方式可如 何用于使動態變化的負載的兩個或更多不同的負載阻抗值與預定源阻抗 匹配。
在圖4A的簡化史密斯圓圖400中，繪出了第一負載阻抗值405和第 二負載阻抗值410 (在圖4A中用"X"標出)。圓415相應于史密斯圓圖 400上具有與預定源阻抗(例如50歐姆)相同的實部的所有阻抗。圓415 與水平軸425相交處的外圓420的中心(427)是相應于精確地匹配源阻 抗的阻抗的"匹配點"。本領域技術人員應認識到，為了最大化輸送到負 載的功率并消除來自負載的反射，負載阻抗必須為源阻抗的復共軛。在源 阻抗是純實數(電阻性)的情況下，阻抗匹配電路的目的是使負載看起來 像等于源電阻的電阻。
在圖4B的簡化史密斯圓圖430中，當單個開關電抗元件從阻抗匹配 電路解耦時，匹配網絡使第一負載阻抗值405 (在圖4B中用圓標出)與源
10阻抗匹配。阻抗匹配電路中的移相網絡還通過將單個開關電抗元件耦合到
阻抗匹配電路而將第二負載阻抗值410(在圖4B中用圓標出)置于軌跡(圓 415)上，這允許第二負載阻抗值410與源阻抗匹配。
在圖4C的簡化史密斯圓圖440中，單個開關電抗元件耦合到阻抗匹 配電路以使第二負載阻抗值410與源阻抗匹配。
借助于例如交互式史密斯圓圖軟件應用程序如Noble Publishing生產 的WINSMITH,可i殳計移相網絡(例如分別見圖1、 2和3中的120、 225 和320)和匹配網絡(例如分別見圖1、 2和3中的125、 220和320)。這 樣的匹配和移相網絡的設計一般包括某種試錯法(trial and error),且交互 式圖形工具例如WINSMITH加速該過程。
在上述各種實施方式中說明的本發明的原理可被推廣到多于兩個的 負載阻抗值。例如，額外的移相網絡可添加到阻抗匹配電路，以使第三負 載阻抗值與預定源阻抗匹配。然而，由于兩個以上的每個額外的不同負載 阻抗值，這樣的阻抗匹配電路的設計變得較復雜和昂貴。
圖5是包括根據本發明的例證性實施方式的阻抗匹配電路的電子設備 500的方框圖。在圖5中，阻抗匹配電路505將RF電源510耦合到負載 515。在一個實施方式中，電子設備500是濺射磁控管，而負栽515是阻 抗在至少兩個不同的值之中變化的等離子體。
圖6是根據本發明的例證性實施方式的用于使負載的動態變化的阻抗 與源的預定源阻抗匹配的方法的流程圖。在605,第一負載阻抗值405與 預定源阻抗匹配，如上所解釋的。在610，通過添加單個電抗元件而在源 和負載之間《1入允許第二負載阻抗值410與預定源阻抗匹配的相移。該過 程在615結束。
圖7是根據本發明的另 一例證性實施方式的用于使負載的動態變化的 阻抗與源的預定源阻抗匹配的方法的流程圖。與圖6中一樣，在圖7中， 過程通過塊610進行。在705,通過區分第一和第二負載阻抗值來確定當 前的負載阻抗值。如果在710出現第一負載阻抗值，則在715>^人阻抗匹配 電路省略去單個電抗元件。否則，如果在710出現第二負載阻抗值，則在720將單個電抗元件包括在阻抗匹配電路中。如上所討論的，關于負載阻 抗值的標記"第一，，和"第二"是任意的。
元件實現的示意圖。阻抗匹配電^各800包括開關元件805,在本實施方式 中為并聯電容器。為了簡單起見，從圖8中省略了用于將開關元件805接 入阻抗匹配電路800和從阻抗匹配電路800斷開的額外部件(例如PIN 二 極管及其相關的偏置網絡)。在此特定的實施方式中，阻抗匹配電路800 還包括額外的固定并聯電容器810。移相網絡815具有由兩個串聯電感器 820和825以及并聯電容器830組成的"T"拓樸。也具有"T"拓樸的匹 配網絡835由兩個串聯電容器840和845以及并聯電感器850組成。圖8 所示的電路僅僅是很多可能的實現之一。
圖9是根據本發明的例證性實施方式的阻抗匹配電路900的串聯開關 元件實現的示意圖。阻抗匹配電路900包括與開關元件910并聯的固定串 聯電感器905。在本實施方式中，開關元件910包括電感器915、隔直流 電容器(blocking capacitor)920、 PIN 二極管925和隔直流電容器930。 PIN 二極管925由被調節到輸入RF頻率的諧振回路電路935和940控制。諧 振回路電路935與開關945連接，開關945選擇性地將諧振回路電路935 耦合到正或負電壓(圖9中的+V或-V )，以分別開啟或關斷PIN二極管925。 在本實施方式中，移相網絡950具有"tt，，拓樸，并由串聯電感器955以 及并聯電容器960和965組成。移相網絡950可以如圖1和8所示跟隨以 適當的匹配網絡，或者，在一些實施方式中，移相網絡950兼作匹配網絡。
總之，本發明提供了用于在匹配阻抗之間切換的設備和方法以及其 它。本領域技術人員可容易地認識到，在本發明、其使用和其配置中可進 4亍很多變化和替換，以獲得實質上與這里所描述的實施方式所獲得的相同 的結果。因此，并沒有將本發明限制到所公開的例證性形式的意圖。很多 變化、更改和可選結構落在如4又利要求中陳述的所公開的發明的范圍和精
神內o
權利要求
1. 一種在匹配阻抗之間切換的電子設備，所述電子設備包括開關元件，其配置成選擇性地耦合到所述電子設備；匹配網絡，其配置成當與所述電子設備的輸出連接的負載的阻抗是第一預定值且所述開關元件從所述電子設備解耦時，使所述電子設備的輸入阻抗匹配預定源阻抗；移相網絡，其配置成當與所述電子設備的所述輸出連接的所述負載的所述阻抗是第二預定值且所述開關元件耦合到所述電子設備時，使所述電子設備的所述輸入阻抗匹配所述預定源阻抗；傳感器，其配置成區分等于所述第一預定值的所述負載的所述阻抗和等于所述第二預定值的所述負載的所述阻抗；以及控制元件，其配置成當所述傳感器確定所述負載的所述阻抗為所述第一預定值時，使所述開關元件從所述電子設備解耦；以及當所述傳感器確定所述負載的所述阻抗為所述第二預定值時，將所述開關元件耦合到所述電子設備。
2. 如權利要求1所述的電子設備，其中所述移相網絡在所述開關元件 和所述匹配網絡之間。
3. 如權利要求1所述的電子設備，其中所述移相網絡在所述匹配網絡 和所述負載之間。
4. 如權利要求1所述的電子設備，其中所述移相網絡與所述匹配網絡 合并。
5. 如4又利要求1所述的電子設備，其中所述匹配網絡是可變匹配網 絡，所述電子設備進一步包括在所述電子設備的輸入處的輸入傳感器，所述輸入傳感器配置成控制所述可變匹配網絡。
6. 如權利要求1所述的電子設備，其中所述開關元件處于并聯配置中。
7. 如權利要求1所述的電子設備，其中所述開關元件處于串聯配置中。
8. 如權利要求1所述的電子設備，其中所述開關元件是電容器和電 感器之一。
9. 如權利要求1所述的電子設備，其中所述移相網絡具有t和7T拓 樸之一，且所述移相網絡具有高通頻率響應和低通頻率響應之一。
10. 如權利要求1所述的電子設備，其中所述匹配網絡具有高通t、 〗氐通t、 l匹配和y匹配拓樸之一。
11. 如權利要求1所述的電子設備，其中所述預定源阻抗是50歐姆 電阻。
12. —種在匹配阻抗之間切換的電子設備，所述電子設備包括用于當與所述電子設備的輸出連接的負載的阻抗是第 一預定值且電 抗元件從所述電子設備解耦時使所述電子設備的輸入阻抗與預定源阻抗 匹配的裝置；用于當與所述電子設備的所述輸出連接的所述負載的所述阻抗是第 二預定值且所述電抗元件耦合到所述電子設備時使所迷電子設備的所述 輸入阻抗與所述預定源阻抗匹配的裝置；用于區分等于所述第一預定值的所述負載的所述阻抗和等于所述第 二預定值的所述負載的所述阻抗的裝置；以及用于選擇性地將所述電抗元件耦合到所述電子設備的裝置，用于選擇 性地耦合的所述裝置配置成當用于區分等于所述第一預定值的所述負載的所述阻抗和等于 所述第二預定值的所迷負載的所述阻抗的所述裝置確定所述負載的所述 阻抗為所述第一預定值時，使所述電抗元件從所述電子設備解耦；以及當用于區分等于所述第一預定值的所述負載的所述阻抗和等于 所述第二預定值的所述負載的阻抗的所述裝置確定所述負載的所述阻抗為所述第二預定值時，將所述電抗元件耦合到所述電子設備。
13. —種電子設備，其包括射頻(RF)電源，其具有預定源阻抗； 負載，其具有動態變化的阻抗；以及阻抗匹配電路，其將所述RF電源電耦合到所述負載，所述阻抗匹配 電^各包4奮開關元件，其配置成選擇性地耦合到所述阻抗匹配電路；匹配網絡，其配置成當所述負載的所述動態變化的阻抗是第 一預 定值且所述開關元件從所述阻抗匹配電路解耦時，使所述阻抗匹配電路的 輸入阻抗匹配所述預定源阻抗；移相網絡，其配置成當所述負載的所述動態變化的阻抗是第二預 定值且所述開關元件耦合到所述阻抗匹配電if各時，〗吏所述阻抗匹配電路的 所述輸入阻抗匹配所述預定源阻抗；傳感器，其配置成區分等于所述第一預定值的所述負載的所述動 態變化的阻抗和等于所述第二預定值的所述負載的所述動態變化的阻抗； 以及控制元件，其配置成當所述傳感器確定所述負載的所述阻抗為所述第一預定值 時，^吏所述開關元件從所述阻抗匹配電路解耦；以及當所述傳感器確定所述負載的所述阻抗為所述第二預定值 時，將所述開關元件耦合到所述阻抗匹配電路。
14. 如權利要求13所述的電子設備，其中所述電子設備是'減射磁控 管，而所述負載是等離子體。法，所述方法包:fe:使所述動態變化的負載阻抗的第一預定值與所述預定源阻抗匹配；以及通過在所述源和所述負載之間添加單個電抗元件而在所述源和所述 負載之間引起允許所述動態變化的負載阻抗的第二預定值與所述預定源 阻4元匹配的相移。
15.
16. 如權利要求15所述的方法，進一步包括區分等于所述第 一預定值的所述負載的所述動態變化的阻抗和等于 所述第二預定值的所述負載的所述動態變化的阻抗；當所述負載的所述動態變化的阻抗是所述第一預定值時，從阻抗匹配 電路省略所述源和所述負載之間的所述單個電抗元件；以及當所述負載的所述動態變化的阻抗是所述第二預定值時，將所述源和 所述負載之間的所述單個電抗元件包括在阻抗匹配電路中。
17. 如權利要求15所述的方法，其中所述單個電抗元件被添加在并 寫關配置中。
18. 如權利要求15所述的方法，其中所述單個電抗元件被添加在串 聯配置中。
全文摘要
描述了一種用于在匹配阻抗之間切換的設備和方法。一個例證性實施方式使動態變化的負載阻抗的第一預定值與預定源阻抗匹配，并通過在源和負載之間添加單個電抗元件而在源和負載之間引起允許動態變化的負載阻抗的第二預定值與預定源阻抗匹配的相移。確定負載的動態變化的阻抗是第一預定值還是第二預定值允許單個電抗元件按需要從阻抗匹配電路省略或包括在阻抗匹配電路中，以使負載的動態變化的阻抗與預定源阻抗匹配。
文檔編號H05B37/00GK101523984SQ200780034070
公開日2009年9月2日 申請日期2007年9月10日 優先權日2006年9月13日
發明者J·A.·吉爾默 申請人:先進能源工業公司