一种射频离子源实现阻抗匹配网络设计的优化方法与流程

本发明涉及射频离子源阻抗匹配网络设计，具体为一种射频离子源实现阻抗匹配网络设计的优化方法。

背景技术：

1、射频电源系统包括射频电源，射频电源是等离子体腔室的配套电源，应用于射频溅镀、pecvd化学气相沉积、反应离子刻蚀等领域中。一般来讲，等离子体腔室中的非线性负载的阻抗与射频电源的恒定输出阻抗并不相等，故在射频电源和等离子体腔室之间具有严重的阻抗失配，使得传输线上存在较大的反射功率，射频电源产生的功率无法全部输送到等离子体腔室，功率损耗较大。

2、为解决这种问题，要实现最大的功率传输，必须使负载阻抗与源阻抗相匹配。实现这种匹配的通常做法是在源和负载之间在插入一个无源网络，称之为阻抗匹配网络。其功能为实现阻抗变换，将给定的阻抗值变换成其他更适合的阻抗值。此外，还具有其他功能，如减少噪声干扰、提高功率容量和提高频率响应的线性度等。在射频和微波低端，通常采用电容和电感的各种组合来设计匹配网络，来实现阻抗变换。根据工作频带宽度和电路尺寸大小，阻抗匹配网络可分为三种拓扑结构，即l型、t型和π型。然而，如何实现阻抗匹配网络的匹配以及如何不断优化阻抗匹配，实现最大的功率传输，依旧是目前射频离子源阻抗匹配网络存在的一大难题。

技术实现思路

1、本发明的目的在于提供一种射频离子源实现阻抗匹配网络设计的优化方法，以解决上述背景技术中提出的问题。

2、为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：一种射频离子源实现阻抗匹配网络设计的优化方法，包括相连接的射频离子源和阻抗匹配网络，所述阻抗匹配网络连接有功率发生器，所述功率发生器与阻抗匹配网络之间连接有同轴电缆和射频变压器，所述阻抗匹配网络包含电感l、第一真空电容器和第二真空电容器，所述第一真空电容器为并联电容，所述第二真空电容器为串联电容，其优化方法步骤如下：

3、步骤1、给两个真空电容器分别设定一个初始电容值，即设定第一真空电容器的初始电容值为c10，第二真空电容器的初始电容值为c20；

4、步骤2、如说明书附图图2所示，测量图中a-a处的输入阻抗zin的值并且确定其实部re(zin)和虚部im(zin)的值；

5、步骤3、求出射频离子源等效阻抗实部rp、虚部xp以及阻抗zp的值；

6、步骤4、根据阻抗匹配网络匹配条件zin＝r0，r0为特征阻抗，求出第一真空电容器和第二真空电容器相对应的实际电容值c1和c2；

7、步骤5、按照所求的实际电容值c1和c2反过来调节相对应的第一真空电容器和第二真空电容器的电容值，求出射频离子源实际的等效阻抗实部rp、虚部xp以及阻抗zp的值；

8、步骤6、判断阻抗匹配网络是否匹配成功，其匹配成功条件为：zin＝r0，且rp≤r0；

9、步骤7、若阻抗匹配网络匹配成功，则输出实际电容值c1和c2及射频离子源实际的等效阻抗zp的值，指导射频离子源的设计；

10、步骤8、若阻抗匹配网络匹配不成功，将步骤4求出的实际电容值c1和c2作为第一真空电容器和第二真空电容器对应的初始电容值c10和c20，然后重复上述步骤1至步骤6，直至满足阻抗匹配网络匹配要求后，则输出新计算出的实际电容值c1和c2及射频离子源实际的等效阻抗zp的值，指导射频离子源的设计。

11、进一步优选，所述阻抗匹配网络采用l型匹配网络，实现射频功率发生器和耦合天线之间的阻抗变换。

12、进一步优选，所述同轴电缆的电阻为50ω，实现对阻抗匹配网络左端等效的特征阻抗的值的设定。

13、进一步优选，所述电感l的值为3.84μh，所述电感l的值为预先设定的，方便对第一真空电容器和第二真空电容器的实际电容值c1和c2以及射频离子源实际的等效阻抗实部rp、虚部xp以及阻抗zp的值的计算，实现对阻抗匹配网络设计的优化。

14、进一步优选，所述第一真空电容器的电容值的范围为0-2300pf，所述第二真空电容器的电容值的范围为0-1000pf，方便在阻抗匹配网络设计的优化的过程中对第一真空电容器和第二真空电容器的值的调整。

15、进一步优选，所述输入阻抗zin的计算公式为：

16、

17、其中，f为射频频率，f＝13.56mhz，ω为圆频率，ω＝2πf，j为虚数的前缀，，通过输入阻抗zin的计算公式便于对射频；离子源的等效阻抗实部rp、虚部xp的计算、推导。

18、进一步优选，所述步骤4计算的第一真空电容器和第二真空电容器对应的实际电容值c1和c2分别为：

19、

20、

21、实现了第一真空电容器和第二真空电容器的实际电容值的计算。

22、进一步优选，所述射频离子源的等效阻抗zp的计算公式为：

23、zp＝rp+jxp，

24、通过离子源的等效阻抗zp的计算，作为判断阻抗匹配网络是否匹配的前体条件。

25、有益效果：本发明公开的射频离子源实现阻抗匹配网络设计的优化方法，通过设定一个第一真空电容器和第二真空电容器的初始电容值，以及测量输入阻抗的值并且确定其实部和虚部的值，实现对射频离子源等效阻抗实部、虚部、阻抗的值以及第一真空电容器和第二真空电容器的实际电容值的计算，实现对阻抗匹配网络匹配的判断，进而实现对阻抗匹配网络设计的优化，达到实现阻抗匹配网络设计的最佳设计值；解决了射频离子源设计与运行过程中如何实现阻抗匹配网络的设计，以及如何不断优化阻抗匹配，实现射频电源的最大功率传输，解决功率损耗较大的问题，实现指导射频离子源的设计，为后面射频功率的有效传输打下基础。

技术特征：

1.一种射频离子源实现阻抗匹配网络设计的优化方法，其特征在于：包括相连接的射频离子源和阻抗匹配网络，所述阻抗匹配网络连接有功率发生器，所述功率发生器与阻抗匹配网络之间连接有同轴电缆和射频变压器，所述阻抗匹配网络包含电感l、第一真空电容器和第二真空电容器，所述第一真空电容器为并联电容，所述第二真空电容器为串联电容，其优化方法步骤如下：

2.根据权利要求1所述的一种射频离子源实现阻抗匹配网络设计的优化方法，其特征在于：所述阻抗匹配网络采用l型匹配网络。

3.根据权利要求1所述的一种射频离子源实现阻抗匹配网络设计的优化方法，其特征在于：所述同轴电缆的电阻为50ω。

4.根据权利要求1所述的一种射频离子源实现阻抗匹配网络设计的优化方法，其特征在于：所述电感l的值为3.84μh。

5.根据权利要求1所述的一种射频离子源实现阻抗匹配网络设计的优化方法，其特征在于：所述第一真空电容器的电容值的范围为0-2300pf，所述第二真空电容器的电容值的范围为0-1000pf。

6.根据权利要求1所述的一种射频离子源实现阻抗匹配网络设计的优化方法，其特征在于：所述输入阻抗zin的计算公式为：

7.根据权利要求6所述的一种射频离子源实现阻抗匹配网络设计的优化方法，其特征在于：所述步骤4计算的第一真空电容器和第二真空电容器对应的实际电容值c1和c2分别为：

8.根据权利要求7所述的一种射频离子源实现阻抗匹配网络设计的优化方法，其特征在于：所述射频离子源的等效阻抗zp的计算公式为：

技术总结
本发明公开了一种射频离子源实现阻抗匹配网络设计的优化方法，包括给两个真空电容器分别设定一个初始电容值；测量输入阻抗的值并且确定其实部和虚部的值；求出射频离子源等效阻抗实部、虚部及阻抗的值；求出两个真空电容器相对应的实际电容值，按照所求的实际电容值反过来调节相对应的两个真空电容器的电容值，求出射频离子源实际的等效阻抗实部、虚部以及阻抗的值；判断阻抗匹配网络是否匹配成功；若阻抗匹配网络匹配成功，则输出实际电容值及等效阻抗的值；若匹配不成功，将求出的实际电容值作为初始电容值，然后重复上述步骤。本发明的有益效果是：实现对阻抗匹配网络匹配的判断，实现对阻抗匹配网络设计的优化，解决功率损耗较大的问题。

技术研发人员：张洪国,夏益伟,周同亮,唐继远,张浩宇,徐冉,汤晨宇
受保护的技术使用者：江苏鹏举半导体设备技术有限公司
技术研发日：
技术公布日：2024/1/14