TW200832903A - Apparatus and method for switching between matching impedances - Google Patents

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200832903 九、發明說明： 【發明所屬之技術領域】 本發明係關於電路中的阻抗匹配。明確地說（但並非限 制）’本發明係關於用於匹配阻抗間切換之裝置與方法，以 便讓一動態改變的負載阻抗匹配於一來源阻抗。 【先前技術】

C 經常會需要一阻抗匹配電路來讓一會在二或多個不同 值之間改變的負載阻抗匹配於一預設的來源阻抗。舉例來 說’在磁控濺鍍機之中便可能會出現此動態改變的負載阻 抗。在某些磁控濺鍍機之中，會在二或多個組態之間來切 換磁場，用以控制該電漿反應室中的電漿分佈，以便利用 目標材料來更均勻地塗佈該基板。該些不同的磁場組態係 讓该負載（該電漿）的阻抗在二或多個不同值之間改變。於 某些情/兄中，δ亥負載阻抗係在3 〇 m s内便會改變。 用以匹配一動態改變的負載阻抗的習知方式便係運用 一包含兩個可變元件的匹配網路，該等可變元件通常係電 容器。其中-個可變元件係控制該匹配阻抗的大小；而另 -者則會控制無功分量。由於該等兩個可變㈣之間的「串 音」的關係，通常會需要用到一輪 。 视八剧！C态件。該輸入測 量器件係被耦接至類比電路，嗜_ 4類比電路係驅動伺服馬達 以調整該等可變元件。最近所閱於 取迎所開發的阻抗匹配電路則係使 用一類比至數位（A/D)轉換器來測詈於 』里輸入電壓與電流以及該 輸入電壓與電流之間的相位，以# 1更叶异該匹配網路的真實 6 200832903 輸入阻抗。在該些較現代的阻抗匹配電路之中，通常會使 用數位步進馬達來調整該等可變元件。但是不幸的係:以 機械方式來調整可變元件並無法妥適地運用於出現在遍 内的負載阻抗改變。 需要於二或多個匹配阻抗間快速切換的應用中，可 PIN二極體開關來將組件切入該匹配網路與切出該 在 以使用 匹配網路。不力，在磁控濺鐘機之類的應用中，其難題是 在該等二或多個不同負載阻抗並未必落在一史密斯圖 咖池^啦上的任何特定軌道中，從而使得匹配所有 该等不同負載阻抗值的工作會變得非常複雜。 之經改良的裝置與方法。 因此，顯然在本技術中需要一種用於匹配阻抗間切換 【發明内容】 下文將概略說明在圖式中所示之本發明的解釋性實施 例在貝知方式中將會更完整地說明該些與其它f & W 0 不過，應該瞭解的是，本文的目的並非要將本發明限制在 發明内容或實施方式中所述之形式。&習本技術的人士便 能夠瞭解，有許多修正構造、等效構造、以及替代構造落 在申吻專利範圍所陳述之本發明的精神與範脅内。 本發明能夠提供一種用於匹配阻抗間切換之裝置與方 法：其中—種解釋性實施例係—種用以在匹配阻抗間切換 1電裝置’其係包括：—開關的元件，其係被配置成用以 ^擇f生地被耗接至該電裝置；—匹配網路，其係被配置成 200832903 用以在與該電裝置之輸出相 且該開關的元件與該電裝置 阻抗匹配一預設來源阻抗； 用以在與該電裝置之輸出相 且該開關的元件被耦接至該 抗匹配該預設來源阻抗；一 別第一預設值的負載阻抗以 連的負載❺阻抗為第_預設值 中斷輕接時讓該電裝置的輸入 一相位移網路，其係被配置成 連的負載的阻抗為第二預設值 電裝置時讓該電裝置的輸入阻 感測器，其係被配置成用以辨 及第二預設值的負載阻抗；以 將該開關的元件耦接至該電裝置。 及抆制元件其係被配置成用以在該感測器判斷該負載 阻抗為第一預設值時中斷該開關的元件與該電裝置的耦 接，並且用以在該感測器判斷該負載阻抗為第二預設值時 本發明的另一解釋性實施例係一種方法，其包括讓該 動悲改變的負載阻抗的第一預設值匹配於該預設的來源阻 抗，並且藉由在該來源與該負載之間添加單一電抗元件在 a亥來源與該負載之間造成相位移而允許該動態改變的負載 阻抗的第二預設值匹配於該預設來源阻抗。本文將進一步 詳細說明前述與其它實施例。 【實施方式】 在一解釋性實施例中，將一第一預設負載阻抗值匹配 至一預設的來源阻抗。在該來源與該負載之間添加單一電 抗元件在該來源與該負載之間造成相位移而允許第二預設 負載阻抗匹配於該預設來源阻抗。分別藉由選擇性地省略 與納入該單一電抗元件來匹配該等第一預設負載阻抗值與 200832903 第二預設負載阻抗值。該等第一負載阻抗值與第二負載阻 1勺出現日$間並不相同’因而隨需要會省略或納入該單 、私抗凡件來讓該動態改變的負m阻抗叾配於該預設的來 p且抗纟某些貫施例中，該單—電抗元件係處於並聯組 態中。於其它實施例中，該單一電抗元件係處於串聯組態 中。請注意的是，本文中用來表示該等預設負載阻抗值的 標記「第一」與「第二」具有任意性。 , 現在請參考圖式，在所有圖式中會使用相同的元件符 號來表示相同或雷同的元件，並且請特別參考目i，圖中 斤示的係根據本發明一解釋性實施例的阻抗匹配電路100 的方塊圖。阻抗匹配電路100係讓一預設來源阻抗動態地 匹配於-阻抗係在兩個預設值之間改變的負載(圖中並未顯 )4預°又來源阻抗可為任意值。在磁控濺鍍機應用中的 一典型值為50歐姆的電阻（沒有任何無功成分）。 、在圖1中，一射頻（RF)輸入105係透過輸入感測器11〇 被饋达至阻抗匹配電路1〇〇。阻抗匹配電4⑽還包含開 ，的兀件1 15、相位移網路12〇、匹配網路125、以及感測 U〇感測為130係被配置成用以監視信號135來決定 j阻抗匹配電路100的輪出(RF輸出140)相連的負載的目 前狀態。 # 、在匹4 125係—可變匹配網路的實施例中，輸入 感測器110係控制該可變匹配網路。在運用固定匹配網路 的實施例中，則會省略輪入感測器11〇。匹配網路125係 被配置成用以在開關的元件u“皮切出阻抗匹配電路 9 200832903 1〇〇(與阻抗匹配電路100中斷耦接）時讓該等兩個不同負載 阻抗值中的第一值匹配該來源阻抗。用以設計此類匹配網 路的技術係阻抗匹配技術中非常熟知的技術且本文中不再 贅述。匹配網路125具有任何各種不同的拓樸，其包含（但 疋亚不限於）高通或低通「丁」拓樸、高通或低通「pi」拓 樸、L匹配拓樸，以及伽瑪匹配的拓樸。 相位移網路12〇係被配置成用以在開關的元#⑴被 切入阻抗匹配電路_(被純至阻抗匹配電路_時讓該 等兩個負載阻抗值中的第二值匹配該來源阻抗。下文中將 會作更完整的解釋。根據實施例而定，相位移網路Η。具

有任何各種拓樸，其包合伯H 、 ，、匕3但疋並不受限於高通或低通「T」 拓樸或「P i」拓樸。 值與第二 130係監 。當該磁 一對應的 負載阻抗 來控制開 釋性實施 開關的元 130偵測 開關的元 130偵測 開關的元 值。舉例來說’在磁控濺錄機實施例中，感測器 視用來在該電漿反應室中散佈電漿的磁場的狀能 場處於第-狀態中日夺，該電漿的負载阻抗係里： 第-值。當該磁場處於第二狀態中時，該電嘴 係具有-對應的第二值。感測器13〇的輸出係用 關的元件115的狀態(切入或切出）。在其 例中’感測器13〇的輸出係被饋送至— 件⑴的偏壓網路（圖i中並未顯示）。 制 到第一負載阻抗值時，肖^丨％ ^ 感測盗13〇的輸出便合 件，與阻抗匹配電路10。中斷麵接。當感；： 到弟一負載阻抗值時，咸、、P I § 了感測裔130的輪出便會讓 200832903 件11 5被耦接至阻抗匹配電路丨〇〇。 開關的元# 115係一電抗元件、一電容器、或是一電 感為，其可根據感測器13〇的輸出選擇性地被耦接至阻抗 匹配電路1GG或與阻抗匹配電路⑽中斷㈣。開關的元 件115可經由使用一受控於一合宜偏壓網路的piN二極體 而被切入與切出阻抗匹配電路1〇〇。於其中一實施例中， 開關的元件115係一並聯元件。於另一實施财，開關的 元件11 5係一串聯元件。 圖2所示的係根據本發明另一解釋性實施例的阻抗匹 配電路200的方塊圖。在圖2中所示的實施例中，相位移 網路225係位於匹配網路22〇及與RF輸出24〇相連的負 載（圖2中並未顯示）之間。 圖3所示的係根據本發明又一解釋性實施例的阻抗匹 配電路300的方塊圖。在圖3中所示的實施例中，相位移 網路與匹配網路係被整合在一起（參見32〇)。 圖4A至4C係簡化的史密斯圖，用以顯示如何使用本 發明的解釋性實施例來將一動態改變負載的二或多個不同 負載阻抗匹配至一預設的來源阻抗。 在圖4A的簡化史密斯圖400中繪出第一負載阻抗值 405以及第二負載阻抗值410(圖4A中以rx」來標示）。 圓圈415係對應於史密斯圖400上實數部和該預設來源阻 抗相同的所有阻抗（舉例來說，50歐姆）。外圈42〇的中心 (427)(圓圈415在該中心處與水平轴線425相交）係對應於 阻抗確實匹配該來源阻抗的「匹配點」。熟習本技術的人 11 200832903 士便會知道，為最大化被傳遞至該負载的功率且為消弭來 自該負載的反射’ @負載阻抗必須是該來源阻抗的共耗複 數。倘若該來源阻抗係純實數（電阻性）的話，那麼阻抗匹 配电路的目私便係讓3亥負載看來像是一等於該來源電阻的 電阻。 在圖4B的簡化史密斯圖43〇之中，當單一開關的電 抗元件與該阻抗匹配電路中斷耦接時，匹配網路便會將該 第一負載阻抗值405(圖4B中以圓圈來標記）匹配至該來源 阻抗。該阻抗匹配電路中的一相位移網路同樣會藉由將該 單開關的電抗元件耗接至該阻抗匹配電路來將該第二負 載阻抗值410(圖4B中以圓圈來標示）放置在一執道上（圓 圈4 1 5)’讓該第二負載阻抗值4丨〇匹配該來源阻抗。 在圖4C的簡化史密斯圖440中，該單一開關的電抗 兀件係被耦接至該阻抗匹配電路，以便讓該第二負載阻抗 值4 1 〇匹配該來源阻抗。 舉例來說，可以借助一互動式史密斯圖應用軟體（例如 Noble Publishing所生產的WINSMITH)來設計相位移網路 (舉例來說，分別參見圖1、2及3中的12〇、225及 以及匹配網路（舉例來說，分別參見圖i、2及3中的丄Μ、 220及3 20)。設計此等匹配與相位移網路通常涉及特定的 嘗試與錯誤過程，而互動式圖形工具（例如WINSMITH)則 會加速該過程。 上面所述之各實施例中所示的本發明的原理可以歸納 至兩個以上的負載阻抗值。舉例來說，可以在該阻抗匹配 12 200832903 電路中加入一額外的相位移網路，用以讓一第三負載阻抗 值匹配該預設的來源阻抗。不過，當每一個額外不同的負 載阻抗值超過二的話，要設計此種阻抗匹配電路便會變得 更為複雜與昂貴。 圖5所示的係根據本發明一解釋性實施例包含一阻抗 匹配電路的電裝置500的方塊圖。在圖5中，阻抗匹配電 路505係將RF電源5丨〇耦接至負載5 i 5。於其中一實施例

中私衣置500係一磁控濺鍍機，而負載5 1 5則係阻抗則 會在至少兩個不同值之間改變的電漿。 圖6所示的係根據本發明之一解釋性實施例，用以將 一動態改變的負載阻抗匹配一來源的預設來源阻抗的方法 的彼私圖。在605處，會如上面的解釋讓第一負載阻抗值 匹配一預設的來源阻抗。在610處，會藉由加入單一 電抗7C件而在該來源與該負載之間引進一相位移，而讓第 二負載阻抗值410匹配該預設的來源阻抗。 圖7所示的係根據本發明另一解釋性實施例，用以將 動悲改的負冑阻抗E配一來源的預設來源㈤抗的方法 勺壬圖在圖7中，至方塊ό 1 0處的過程均與圖6中相 同在705處，會藉由分辨該等第一負載阻抗值與第二負 載阻抗值來決定目前的負載阻抗值。偏若纟7ig處出現該 第一負载阻抗值的話，便會纟715處從阻抗匹配電路中省 略該單-電抗元件。否則，偏若纟71〇處出現該第二負载 :抗值的話，便會纟720處將該電抗元件納入該阻抗匹配 私路之中。如上面的討論，用來表示該等負載阻抗值的標 13 200832903 具有任意性。 記「第一」與「第

图8所示的係根據本發明一解釋性實施例的一阻抗匹 配電路800的並聯式開關的元件施行方式的電路圖。阻抗 匹配包路800包含開關的元件805，在本實施例中其係一 亚聯電谷态。為簡化起見，已經從圖8中省略用以將開關 的兀件805切入與切出阻抗匹配電路8〇〇的額外組件（舉例 來說，PIN二極體及其相關聯的偏壓網路）。在此特殊的實 Μ例中，阻抗匹配電路8〇〇還包含一額外的固定式並聯電 容器810。相位移網路815具有「丁」拓樸，其係由兩個串 聯電感器820與825以及一並聯電容器83〇所組成。匹配 、、罔路83 5同樣具有「τ」拓樸，其係由兩個串聯電容器wo 與845以及一並聯電感器85〇所組成。圖8中所示的電路 僅係小多可能施行方式中的其中一種。 圖9所示的係根據本發明一解釋性實施例的一阻抗匹 配電路900的串聯式開關的元件施行方式的電路圖。阻抗 匹配電路900包含與開關的元件9丨〇並聯的固定式串聯電 感器905。於此實施例中，開關的元件91〇包含電感器915、 阻隔電容器920、Pm二極體925、以及阻隔電容器93〇。 PIN 一極體925係受控於共振槽電路935與940，它們係 被調諧至輸入RF頻率。共振槽電路935係與開關945相 連，該開關係選擇性地將共振槽電路93 5耦接至一正電壓 或一負電壓（圖9中的+V或-V)，用以分別開啟或關閉piN 一極體925。於此實施例中，相位移網路95〇具有「」 拓樸並且係由一串聯電感态955以及並聯電容器96〇與965 14 200832903 所組成。相位移網路950的後面可以是如圖…中所示 的一合宜匹配網路，或老A胜中^ 飞耆在特疋的實施例中，會加倍相位 移網路950以作為該匹配網路。 結論是，就本文來說， 間切換之裝置與方法。熟習 解可對本發明、其用法、及 而達成與本文所述之實施例 此，本文並不希望將本發明 式。本發明的許多變化構造 落在申請專利範圍所陳述之 神内。 本發明提供一種用於匹配阻抗 本技術的人士便能夠輕易地瞭 其組態進行各種變化與置換， 可達成者實質相同的結果。據 限制在本文所揭示的解釋性形 、修正構造、以及替代構造亦 本文所揭示的發明的範缚與精 【圖式簡單說明】 -己5附圖來參考上面的實施方式與隨附的申請專利範 圍便會明白且更容易發現本發明的各種目的與優點，並且 可更完整瞭解本發明，其中： 圖1所示的係根據本發明一解釋性實施例的阻抗匹配 電路的方塊圖； 圖2所示的係根據本發明另一解釋性實施例的阻抗匹 配電路的方塊圖； 圖3所示的係根據本發明又一解釋性實施例的阻抗匹 配電路的方塊圖； 圖4A至4C係簡化的史密斯圖，用以顯示如何使用本 "、解釋性實施例來將一動態改變的負載的二或多個不 15 200832903 同負載阻抗值匹配至一預設的來源阻抗； 圖5所示的係根據本發明一解釋性實施例包含一阻抗 匹配電路的電裝置的方塊圖； 圖6所不·的係根據本發明一解釋性實施例，用以將一 動怨改k的負載阻抗匹配一來源的預設來源阻抗的方法的 流程圖； 圖7所不的係根據本發明另一解釋性實施例，用以將 動悲改k的負載阻抗匹配一來源的預設來源阻抗的方法 的流程圖； “圖8所不的係根據本發明一解釋性實施例的一阻抗匹 配電路的並聯式開關的元件施行方式的電路圖；以及 圖9所不的係根據本發明一解釋性實施例的一阻抗匹 配電路的串聯式開關的元件施行方式的電路圖。 【主要元件符號說明】 100 阻抗匹配電路 105 射頻輸入 110 輸入感測器 115 開關的元件 120 相位移網路 125 匹配網路 130 感測器 135 信號 140 RF輸出 16 200832903 200 205 210 215 220 225 230 235 240 300 305 310 315 320 325 330 335 500 505 510 515 800 805 阻抗匹配電路 射頻輸入 輸入感測器 開關的元件 匹配網路 相位移網路 感測器 信號 RF輸出 阻抗匹配電路 射頻輸入 輸入感測器 開關的元件 整合的匹配與相位移網路 感測器 信號 RF輸出 電裝置 阻抗匹配電路 RF電源 負載 阻抗匹配電路 開關的元件 電容器 17 810 200832903 815 相位移網路 820 電感器 825 電感器 830 電容器 835 匹配網路 840 電容器 845 電容器 850 電感器 900 阻抗匹配電路 905 電感器 910 開關的元件 915 電感器 920 電容器 925 PIN二極體 930 電容器 935 共振槽電路 940 共振槽電路 945 開關 950 相位移網路 955 電感器 960 電容器 965 電容器 18

Claims (1)

1. 200832903 十、申請專利範圍： 1 · 一種用以在匹配阻抗間切換的電裝置，其係包括： 一開關的元件’其係被配置成用以選擇性地被耦接至 該電裝置； 匹配網路，其係被配置成用以在與該電裝置之輸出 相連的負載的阻抗為第一預設值且該開關的元件與該電裝 置中斷耦接時讓該電裝置的輸入阻抗匹配一預設來源阻 抗；

   £ κ 相位移網路，其係被配置成用以在與該電裝置之輸 出相連的負載的阻抗為第二預設值且該開關的元件被麵接 至該電裳置時讓該電裝置的輸人阻抗匹配該預設來源阻 抗； 一感測器，其係被配置成用以辨別該負載阻抗是該第 預設值以及該負載阻抗是該第二預設值；以及 一控制元件，其係被配置成： 士 用以在該感測器判斷該負載阻抗為該第一預設值 蚪中斷該開關的元件與該電裝置的耦接，以及 帛以在該感測器判斷該負載阻抗為該第二預設值 守將该開關的元件耦接至該電裝置。 其中，該相位移 間。 其中，該相位移 其中，該相位移 2·如申請專利範圍第i項之電裝置， 網路係位在該開關的元件與該匹配網路之 3·如申請專利範圍第1項之電裝置， 網路係位於該匹配網路與該負載之間。 4·如申請專利範圍第1項之電裝置， 19 200832903 網路係與該匹配網路整合在一起。 ’該匹配網 ，該輸入感 ’該開關的 5·如申請專利範圍第1項之電裝置，其中 路係一可變匹配網路，該電裝置還進一步包括 一位於該電裝置之一輸入處的輪入感測器 測為係被配置成用以控制該可變匹配網路。 6·如申請專利範圍第1項之電裝置，其中 元件係處於並聯組態中。 該開關的 7 ·如申請專利範圍第1項之電裝置，其中 元件係處於串聯組態中。 該開關的 8·如申請專利範圍第1項之電裝置，其中 凡件係一電容器與一電感器中之一者。 έ 9.如申請專利_ 1項之電裝置，其中，該相位移 :路具有τ拓樸與Pi拓樸中之一者’且該相位移網路I有 吻通頻率響應與低通頻率響應中之—者。 八 ίο.如申請專利範圍第i項之電裝置，其中，該匹配網 路具有下面其中—I:高通τ拓樸、低通τ拓樸、l匹配 拓樸、以及伽瑪匹配拓樸。 、11 ·如申請專利範圍帛"員之電裝置，其中，該預設來 藏阻抗為5 〇歐姆電阻。 12,種用以在匹配阻抗間切換的電裝置，其係包括： 用以在與該電裝置之輸出相連的負載的阻抗為一第一 員叹值且電杬元件與該電裝置中斷耦接時讓該電裝置的 輪入阻抗匹配一預設來源阻抗的構件； 用以在與該電裝置之輸出相連的負載的阻抗為一第二 20 200832903 預設值且該電抗元件被耗接至該電裝置時讓該 入阻抗匹配該預設來源阻抗的構件； 、珣 用以辨別該負載阻抗是該第一預設值以及該負栽 是遠弟二預設值的構件；以及 用以*擇性地將該電抗元件耦接至該電装置的構件， 該用於選擇性耦接的構件係被配置成： ， 在該用以辨別該負載阻抗是該第一預設值以及今 貞載阻抗是㈣二預設值的構件判斷該負載阻抗為該第: 預設值時中斷該電抗元件與該電裝置的耗接，以及 在該用以辨別該負載阻抗是該第一預設值以及該 負載阻抗是該第二預設值的構件韻則載阻抗為該第二 預设值時將該電抗元件耦接至該電裝置。 13·—種電裝置，其係包括： -射頻(RF)電源供應器，其具有一預設的來源阻抗； 一負載，其具有一動態改變的阻抗；以及 ▲ 一阻抗匹配電路，其係將該RF t源供應器電耦接至 該負載，該阻抗匹配電路係包含： 一開關的元件，其係被配置成用以被選擇性地耦 接至該阻抗匹配電路； 、匹配網路，其係被配置成用以在該動態改變的 負載阻抗為-第一預設值且該開關的元件與該阻抗匹配電 路中斷輕接時讓該阻抗匹配電路的輸入阻抗匹配該預設來 源阻抗； 相位私網路，其係被配置成用以在該動態改變 21 200832903 的負載L机為一第一預設值且該開關的元件被耦接至該阻 抗匹配電路時讓該阻抗匹配電路的輸入阻抗匹配該預設來 源阻抗； 一感測器，其係被配置成用以辨別該動態改變的 負載阻抗是該第一預設值以及該動態改變的負載阻抗是該 第二預設值；以及 一控制元件，其係被配置成： 用以在δ亥感測裔判斷該負載阻抗為該第一預設值 時中斷該開關的元件與該阻抗匹配電路的耦接，以及 用以在該感測器判斷該負載阻抗為該第二預設值 時將該開關的元件耦接至該阻抗匹配電路。 14·如申請專利範圍第13項之電裝置，其中，該電裝 置係一磁控濺鍍機，而該負載則係電漿。 1 5 · —種用以讓一動態改變的負載阻抗匹配於一來源的 預設來源阻抗的方法，該方法係包括： 讓5亥動態改變的負載阻抗的第一預設值匹配於該預設 的來源阻抗；以及 藉由在該來源與該負載之間添加單一電抗元件以在該 來源與該負載之間造成相位移而允許該動態改變的負載阻 抗的第二預設值匹配於該預設來源阻抗。 1 6 ·如申請專利範圍第1 5項之方法，其進一步包括： 辨別該動態改變的負載阻抗是該第一預設值以及該動 態改變的負載阻抗是該第二預設值； 當该動態改變的負載阻抗為該第一預設值時便從該阻 22 200832903 抗匹配電路中省略位於該來源與該負載之間的該單一電抗 元件；以及 畜该動態改變的負載阻抗為該第二預設值時便於該阻 抗匹配包路之中在該來源與該負載之間納入該單一電抗元 件。 & 17·如巾請專利範圍第15項之方法，其中係以並聯組 態來添加該單一電抗元件。 1 8.如申睛專利範圍第丨5項 貝您万法，其中係以串 態來添加該單一電抗元件。 ！ Η^一、圖式： 如次頁 23