(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
調整されていないソース電圧を出力する共振インバータ(11)と、
調整されていないソース電圧を正弦波電力波形へ変換する電圧可変誘電体バラクタ(16)を具備し、インバータに結合されているインピーダンス整合および隔離回路網(12)と、
インピーダンス整合および隔離回路網(12)に結合された整流器／フィルタ(13)と、
コンバータの出力を検知し、誤差信号を生成するために検知された出力を基準電圧と比較する誤差増幅器(14)と、
誤差増幅器(14)に結合され、誤差信号に応答して前記電圧可変誘電体バラクタ(16)を制御するための可変バイアスを生成して前記電圧可変誘電体バラクタ(16)を逆バイアスにバイアスすることなくその可変バイアスを前記電圧可変誘電体バラクタ(16)に印加するドライバ(15)とを具備していることを特徴とする固定周波数共振コンバータ。
【請求項２】
電圧可変誘電体バラクタ(16)は直列分路形態で接続されている請求項１記載のコンバータ。
【請求項３】
電圧可変誘電体バラクタ(16)は直列並列形態で接続されている請求項１記載のコンバータ。
【請求項４】
電圧可変誘電体バラクタ(16)は並列配置で接続されている請求項１記載のコンバータ。
【請求項５】
逆バイアスにバイアスされることなく可変バイアス信号によって制御される電圧可変誘電体バラクタ(16)を具備している周波数調整装置(30)の製造方法において、
電圧可変誘電体バラクタ(16)を形成するために基板を準備し(21)、
基板上に下部電極を形成し(22)、
バリウムストロンチウムチタン酸化合物前駆物質溶液を合成し(23)、
バリウムストロンチウムチタン酸化合物前駆物質溶液で基板に被覆し(24)、
予め決められた長さの時間、予め決められた温度で被覆された基板を加熱し(25)、
被覆された基板上に上部電極を形成する(26)ステップを含んでおり、
前記バリウムストロンチウムチタン酸化合物前駆物質溶液を合成するステップ(23)において、
溶媒としてキシレンを有する2-エチルヘキサン酸にバリウム金属を溶解してバリウム2-エチルヘキサン塩溶液を生成を生成し、
溶媒としてキシレンを有する2-エチルヘキサン酸にストロンチウム金属を溶解してストロンチウム2-エチルヘキサン塩溶液を生成し、
チタンイソプロポキシドの2-エチルヘキサン酸無水物とのアルコキシド酸交換によってチタンを含む溶液を生成し、
それらの３種類の溶液を混合することを特徴とする周波数調整装置の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】
本発明は一般的に高周波共振ＤＣ−ＤＣコンバータ、特に高周波共振ＤＣ−ＤＣコンバータを調整するのに使用する改良された電圧可変キャパシタまたはバラクタに関する。
【０００２】
【従来の技術】
本発明の出願人はアクティブアレイおよび高速プロセッサのような高電力、高周波数の電子システムの要求するコストおよび性能要求を満たす高周波ＤＣ−ＤＣコンバータ開発してきた。高周波ＤＣ−ＤＣコンバータの１つが本発明の出願人の米国特許第５，４１０，２７６号（発明の名称“パルスするＤＣ電源を使用したＲＦ変調”）に開示されている。
【０００３】
米国特許第５，４１０，２７６号に発表された概念は米国特許第５，７０８，５７３号（発明の名称“バラクタ制御された固定周波数のＶＨＦ  ＤＣ−ＤＣコンバータ”に開示されている。この特許明細書で発表されたＶＨＦ  ＤＣ−ＤＣコンバータにおいては、調整のための可変キャパシタは可変“キャパシタ”を生成するために逆バイアスされた半導体可変ダイオードを使用して形成される。この装置は回路の機能を維持し、キャパシタの２：１の変化を与えるために逆バイアスを維持しなければならない。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
このコンバータでは、回路の可変キャパシタを維持するために半導体バラクタが７０ボルト以上１００ボルト程度の高さで、逆バイアスされなければならない。この高電圧制御バイアスは高価な特定用途ＩＣ（ＡＳＩＣ）およびＤＣ−ＤＣコンバータの付加的な回路の必要性を生じる。高電圧でバイアスされた可変容量半導体ダイオードの使用はＤＣ−ＤＣコンバータの値段および大きさを増加させる。
【０００５】
それ故、回路の複雑さ、値段および重量を減少させ、性能を改良する方法で電力コンバータを調整することが望ましい。従って、本発明の目的は、高周波数共振ＤＣ−ＤＣコンバータの調整を使用する改良された電圧可変キャパシタあるいはバラクタを提供することである。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
上記および他の目的を達成するために、本発明は共振コンバータの固定周波数調整を行うために新しいアプローチを提供する。本発明の本質は調整回路中の制御要素として高電力の電圧可変誘電体キャパシタ（あるいは強誘電体電圧可変誘電体キャパシタ）を使用する。この装置は、フィードバックおよび制御回路に結合され、コンバータの共振ネットワークを能動的に同調して、それにより負荷に与えられる電力を調整する。フィードバック回路はコンバータ出力電圧を検知し、出力電圧を調整するのに必要なキャパシタンスを調節するために適切な制御信号を発生させる。
【０００７】
電圧可変誘電体キャパシタの使用は制御回路の複雑さ、大きさ、および価格を大きく減少させる。これは通常のバラクタダイオードとは異なっているので、電圧可変誘電体キャパシタは動作周期中のキャパシタの動作を確実にする高電圧バイアス（１００ＶＤＣ程度）を必要としない。本発明のＤＣ−ＤＣコンバータを調整するための強誘電体体電圧可変誘電体キャパシタの使用はＤＣ−ＤＣコンバータの全特性を改良する。
【０００８】
特に、本発明は調整回路を使用するための調整装置を提供する。この調整装置は好ましくは強誘電体体キャパシタである電圧可変誘電体キャパシタを含んでいる。電圧可変誘電体キャパシタはその上に形成された電極を有する基板を含んでいる。誘電体材料は好ましくは結晶化されたセラミック材料で構成されている基板上に配置される。セラミック材料は分解され熱処理されたバリウム、ストロンチウムおよびチタニウム金属有機塩の混合物で作られている。上部電極は結晶化されたセラミック材料の上部に配置される。
【０００９】
本発明の好ましい実施例を説明すると、可溶性のバリウム、ストロンチウムおよびチタニウム金属有機塩の前駆物質は適切な溶媒に適切な濃度で溶解され、その上に形成された電極を有する基板に適用される。溶媒は乾燥することによって除去され、工程は誘電体材料が所望の厚さが得られるまで繰り返して付着される。被覆された電極を有する基板は有機材料部分を分解または除去し、セラミックを結晶化するために温度が上昇されて焼成される。その後上部電極はセラミックで適用され、キャパシタは完成する。キャパシタはワイヤボンドその他によって高周波数電力コンバータに取付けられ付着される。キャパシタは供給された電圧により予想された可変キャパシタを示す。
【００１０】
【発明の実施の形態】
上記に記載されているように、本発明の出願人によって開発され、米国特許第５，７０８，５７３号で開示された高周波電力コンバータは可変“キャパシタ”を生成するために逆バイアスされた半導体バラクタダイオードを使用して生成された調整用の可変キャパシタンスを使用する。本発明は改良された電圧可変誘電体キャパシタ３１（図５）あるいはこれおよびその他の高周波電力コンバータにおいて使用するためのバラクタ１６のために提供される。
【００１１】
図面を参照すると、図１はＤＣ−ＤＣコンバータ１０の一般化されたブロック図あるいはすなわち本発明の原理に従って電圧可変誘電体バラクタ調整回路を含んだ固定周波数共振コンバータ１０を示している。図１は共振変換器１１から正弦波電力波形へ調整されていないソース電圧（Ｖｃｃ）を変換する本電圧可変誘電体バラクタ１６の通常の適用を示している。正弦波波形はインピーダンス整合および隔離回路網１２（電圧可変誘電体バラクタ１６を含む）および整流器／フィルタ１３を使用した振幅（増加されあるいは減少された）および整合したインピーダンスに変換される。このように電力は効果的に変換器１１から整流器／フィルタ１３に転送される。整流器／フィルタ１３は正弦波電力波形をＤＣに変換して戻し、電力波形から残留ノイズを濾波する。ＤＣ−ＤＣコンバータ１０の出力は誤差増幅器１４によって検知されて、誤差信号を生成するために基準電圧と比較される。誤差信号は電圧可変誘電体バラクタ１６を制御するために必要な可変バイアスを生成するドライバ１５によって増幅される。バラクタ１６はインピーダンス整合および隔離回路網１２の一体の要素である。電圧可変誘電体バラクタ１６のキャパシタンスの値を調整することによって、インピーダンス整合および隔離回路網１２の転送機能が調節される。転送機能を調節することによって、インピーダンス整合および隔離回路網１２を通過する電力波形の振幅が変化される。ＤＣ−ＤＣコンバータ１０からの出力電圧は直接インピーダンス整合および隔離回路網１２を通過する正弦波電力波形の振幅に比例する。したがってバラクタ１６のキャパシタンスの値を変調することによって、入力電圧および出力負荷の変化に応答した出力電圧の調節が達成される。
【００１２】
図２は図１に示されるＤＣ−ＤＣコンバータ１０の実施例を示す本発明の原理に従った例示的な直列分路電圧可変誘電体調整回路１０ａに示す。図２に示される電圧可変誘電体調整回路１０ａでは、バラクタ１６（Ｖ１）は直列分路形態で接続される。別の形態喪可能であり、直並列および、並列の形態を含んでいる。電圧可変誘電体調整回路１０ａにおいて、第１のインダクタ（Ｌ１）および第１のキャパシタ（Ｃ１）は共振インバータネットワーク１１の１部を形成する。第２のキャパシタ（Ｃ２）、第２および第３のインダクタ（Ｌ２、Ｌ３）およびバラクタ（Ｖ１）はインピーダンス整合および隔離回路網を形成する。第１および第２の整流器ダイオード（Ｄ１、Ｄ２）を含んでいる整流器１３ａはインピーダンス整合、隔離回路網、およびフィルタ１３ｂの間に配置される。第１および第２の抵抗（Ｒ１、Ｒ２）は、負荷（ＲＬ）と並列の抵抗分圧器１７を形成する。第４のインダクタ（Ｌ４）は低周波数調整制御信号から高周波数コンバータ波形を隔離する。
【００１３】
動作において、インバータ波形は第１のインダクタ（Ｌ１）および第１のキャパシタ（Ｃ１）を含んでいる共振インバータ回路網を通ってインピーダンス整合回路網１２に送られる。第２のキャパシタ（Ｃ２）、第２および第３のインダクタ（Ｌ２、Ｌ３）およびバラクタ（Ｖ１）を含んでいるインピーダンス整合および隔離回路網１２は負荷（ＲＬ）の両端の出力で要求された電圧を維持するために必要なレベルにインバータ波形を変換する。第１および第２の整流器ダイオード（Ｄ１、Ｄ２）を含んでいる整流器１３ａは正弦波波形をＤＣ信号に変換する。このＤＣ信号は望ましくない雑音が除去されるフィルタ１３ｂを通過する。抵抗分圧器１７（Ｒ１、Ｒ２）は出力電圧を抽出する。抽出された信号は誤差増幅器１４、ドライバ１５および第４のインダクタ（Ｌ４）を含んでいるフィードバックループを通って電圧可変誘電体バラクタ１６を制御する。第２のインダクタ（Ｌ２）に関連したバラクタ（Ｖ１）は可変インダクタンスを形成する。この可変インダクタンスは第２のキャパシタ（Ｃ２）に関連した可変キャパシタンスを生成する。第１のキャパシタ（Ｃ１）および実効キャパシタンス（Ｃ２）の比の結果としてインピーダンス変換が生じる。第２のキャパシタンス（Ｃ２）の実効値を変化させることによって、変換比は変化し、それによってコンバータ１０が入力電圧レベルおよび負荷値を変化して出力電圧を調整することを可能にする。
【００１４】
電圧可変誘電体キャパシタ３１（バラクタ１６）は薄いフィルムの強誘電体キャパシタ３１である。図３は本発明の原理に従って典型的な薄膜のキャパシタ３１あるいはバラクタ１６に対するキャパシタンス対バイアス電圧のグラフを示す。
【００１５】
半導体バラクタダイオードおよび逆バイアスを与えるための関連した回路構成を単純な薄膜の強誘電体キャパシタ３１（バラクタ１６）に置き換えることによって高周波数電力コンバータ１０の優れた性能が生じる。強誘電体キャパシタ３１（バラクタ１６）は逆バイアスにされることを必要としない。強誘電体キャパシタ３１（バラクタ１６）の薄膜の性質によって制御電圧が減少され、キャパシタ３１（バラクタ１６）の最大同調可能が増加する。半導体バラクタ、および米国特許第５，７０８、５７３号で発表されたコンバータに使用された回路構成と比較して改良された性能は下表に要約される。
【００１６】
0003577041.tif 000002
本発明の強誘電体キャパシタ３１（バラクタ１６）はＶＨＦ電力コンバータ１０のバイアス半導体バラクタと置換される。強誘電体キャパシタ３１（バラクタ１６）はバイアス電圧を必要とせず、ほぼ５から１０ボルトの全スイッチング電圧を使用する同調可能なキャパシタンスを提供する薄膜装置である。比較すると、半導体バラクタダイオードは１００ボルトのバイアスおよび２８ボルトのスイッチング電圧を必要とする。これらの電圧を与えるために、（ＡＳＩＣＳ）を含む複雑な回路設計が、米国特許第５，７０８，５７３号に開示された半導体バラクタダイオード電力コンバータにおいて使用されていた。本発明はコストを削減し、回路を簡単化し、性能を向上するために薄膜強誘電体キャパシタ３１（バラクタ１６）の固有の可変キャパシタンスを利用する。
【００１７】
さらに詳細に説明すると、本発明のアクティブ装置は高周波電力コンバータ１０を改良するために可変キャパシタ３１（電圧同調可能）として使用される薄膜の強誘電体キャパシタ３１（バラクタ１６）である。電圧可変キャパシタ３１（バラクタ１６）は標準的な超小型電子プロセス技術を使用して構成される。本発明の好ましい実施例は、アクティブ強誘電体材料として材料Ｂａ（ｉ−ｘ）Ｓｒ（ｘ）Ｔｉ０３（ＢＳＴ）を使用し、ｘは約０．５であるよう選択される。この組成では、材料は操作温度において常誘電体位相であり、（Ｐ−Ｅ）特性においてヒステリシスを示す。常誘電体として作動される場合、材料は供給された電圧の関数として変化する誘電体率を示す。
【００１８】
図４は本発明の原理に従って電圧可変誘電体キャパシタ３１（バラクタ１６）を製造する方法２０を図示するフロー図である。電圧可変誘電体キャパシタ３１（バラクタ１６）の好ましい実施例の処理方法２０が次に示される。
【００１９】
基板処理２１は下の電極の蒸着２２を含んでいる。
【００２０】
標準的な２０ミルの厚さのシリコンウエハは湿式熱酸化物（シリコン）が５０００オングストロームの厚さに形成される。２５オングストロームの厚さのタンタル（Ｔａ）層の付着およびそれに続く１８００オングストロームの厚さの白金（Ｐｔ）層基板上への付着は電子ビーム蒸着によって行われた。電極のシート抵抗は０．７３オーム／平方である。電極はタンタル層を酸化し、白金層を安定するために６５０Ｃで３０分間酸素中で、予備焼成された。
【００２１】
バリウムストロンチウムチタン酸化合物前駆物質の合成２３。
【００２２】
バリウムおよびストロンチウムの２−エチルヘキサン酸塩は、溶媒としてキシレンを有する２−エチルヘキサン酸中に適切な金属を溶解することによって製造される。チタン源は２−エチルヘキサン酸のチタン無水物と交換してアルコキシド酸によって製造される。３つの溶液はＢａ０．５０Ｓｒ０．５０Ｔｉ１．０１（ＢＳＴ）の正常の組成を与えるように混合される。付着物の好ましい溶剤は４対４対１の比でｎ−ブチルアセテートと、キシレンと、２−エチルヘキサン酸のイソプロピルエステルによる７．５６％の酸化物セラミックを含む。
【００２３】
電極を有する基板上のチタン酸バリウムストロンチウムの薄膜の付着物２４および焼成２５。
【００２４】
ウエハは毎分１４００回転数で３０秒のスピンを使用して標準スピンコーター上に上記のＢＳＴ溶液によって被覆される２４。ウエハは各層の前にトルエンで予め洗浄される。
【００２５】
ウエハは各層の被覆の間を３温度でホットプレートで焼成される２５。
【００２６】
１分間１５０℃、４分間２５０℃、２分間３２０℃。
【００２７】
反覆されたスピン被覆およびホットプレートによるウエハを焼成後、７００℃で酸素流中で小さな炉で焼成される。
【００２８】
焼成後、ウエハは亀裂がはいる兆候および付着の故障のないことが示された。誘電体フィルムのＳＥＭ解析によって表面が平滑であることが示された。厚さの測定によればほぼ３８００オングストロームの厚さである。
【００２９】
上部電極の形成２６。
【００３０】
１０００オングストロームの白金（Ｐｔ）上部電極はほぼ１０、１５、２０、４０、８０および１６０ミルの直径の変化する上部電極を使用してシャドウマスクを通って付着された。スタックは電気的にテストされる前に３０分間６５０℃で燃焼される。
【００３１】
初期電気テスト。
【００３２】
製造された装置は解析プローブでテストされる。上部電極への接触はプローブチップと直接行われ、下部電極への接触は大面積キャパシタの１つを用いて結合することによって、あるいはプローブチップによってＢＳＴ層を通ってスクラッチすることによって行われる。Ｃ−Ｖ特性は―５Ｖから＋５Ｖおよび０Ｖから２０Ｖのバイアス電圧範囲にわたって３５ｍＶおよび０．５Ｖの変調電圧を使用して１００ＫＨｚおよび１ＭＨｚでＨＰ４２７５Ａ  ＬＣＲメーターを使用して測定された。Ｉ−Ｖ特性は―５Ｖから＋５Ｖの範囲でＨＰ４１４５Ｂ半導体パラメータ解析器を使用して測定された。典型的に１０ミルの直径のシャドウマスクキャパシタでは、キャパシタンスは０Ｖにおける４２０ｐＦから１９Ｖにおける１８２ｐＦまでの範囲である。最大漏洩電流は５Ｖで１００ｎＡであることが測定された。
【００３３】
ワイヤボンドおよびＲＦテスト。
【００３４】
１０ミルのバラクタ１６（キャパシタ３１）および下部電極の１つがＲＦテスト固定装置に金のボールワイヤボンドで接合される。この構造はＲＦインピーダンス解析器を使用して解析される。電圧可変誘電体キャパシタ３１が期待通りに動作することが示された。
【００３５】
図５は本発明の原理に従った周波数調整装置３０の例示的な実施例を示す。例えば高周波数電力コンバータ１０で使用されることのできる周波数調整装置３０は電圧可変誘電体キャパシタ３１あるいは強誘電体キャパシタ３１を含んでいる。電圧可変誘電体キャパシタ３１はそれらの上に形成された下部電極３３を有する基板３２を含んでいる。誘電体材料３４は好ましくは結晶化されたセラミック材料で構成され、基板３２および下部電極３３の上に付着される。セラミック材料は好ましくは分解されたバリウム、ストロンチウムおよびチタン金属有機塩の混合物より成る。上部電極３５はキャパシタ３１を完成するために結晶化されたセラミック材料の上に配置される。この周波数調整装置３０あるいは電圧可変誘電体キャパシタ３１は好ましくは例えば米国特許第５，７０８，５７３号明細書に開示されたＶＨＦ電力コンバータのような高周波電力コンバータにおける薄膜低電圧切替え可能なバラクタとして使用されることが好ましい。
【００３６】
このように、高周波共振ＤＣ−ＤＣコンバータで使用するための改良された電圧可変キャパシタあるいはバラクタが提供される。記載された実施例は本発明の原理の適用を示す多数の特定の実施例のいくつかを単に例示していることを理解すべきである。明らかに、多数の、その他の構成が本発明の技術的範囲を逸脱せずに当業者によって容易に考えることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の原理に従って電圧可変誘電体バラクタ調整回路に含むＤＣ−ＤＣコンバータの一般化されたブロック図。
【図２】本発明の原理に従った例示的な直列−並列電圧可変誘電体調整調整回路。
【図３】本発明の原理に従った代表的な薄膜バラクタのキャパシタンス対バイアス電圧のグラフ。
【図４】本発明の原理に従った電圧可変誘電体キャパシタの形成方法を示すフロー図。
【図５】電圧可変誘電体キャパシタを具備する本発明の原理に従った周波数調整装置。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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