等離子體技術【十五】--自動阻抗匹配器


1、阻抗匹配的作用  

  高能量射頻源被用於等離子體沉積和光刻過程中。在不同的生產過程中,等離子體室阻抗的變化十分復雜。為了提高集成電路品質,需要在工作期間保證等離子體均勻穩定。而有關實驗證明,系統的輸入功率直接影響等離子體的濃度和壓力。因此,從功率角度來看,需要穩定系統的輸入功率。換句話說,要保證等離子體發生室能夠完全吸收來自射頻源的功率。在等離子體反應的負載特性動態變化的情況下,實現高精度的自動阻抗匹配是保證等離子體均勻穩定的主要手段

  實際的匹配網絡除了減少功率損耗功能外,還有其他功能:比如減小噪聲干擾、提高功率容量、提高頻率響應的線性度、抑制高次諧波等。

  而自動阻抗匹配器,能夠及時跟蹤等離子體負載復雜的阻抗變化,保證負載和源之間阻抗匹配,從而保證從射頻源輸出的功能都能被等離子體負載全部吸收。

 

2、阻抗匹配的分類

  A、共軛匹配

  當負載和射頻源內阻共軛相等時,可獲得最大的傳輸功率。這一最大功率傳輸條件稱為共軛匹配。如下,當Zin=ZG*時,即為共軛匹配,獲得最大功率。

 

 

  B、傳輸線匹配

  當負載和傳輸線的特征阻抗以及射頻源內阻三者相等時,射頻源發出的電壓波全部達到等離子體負載,而不會在三者之間產生反射。通常將這一無失真電壓傳輸條件稱為傳輸線匹配

  

 

  從反射的角度而言,反射系數Γ=(ZL-Z0)/ (ZL+Z0),當ZL=Z0時,反射系數Γ=0,即不產生反射,入射電壓完全被負載端吸收。

  只有在傳輸線的長度和波長可相比擬時,才考慮傳輸線和負載的阻抗匹配。對於工業上使用的射頻源,其頻率絕大多數是13.56MHz,對應波長是20m多,傳輸線相比於波長而言是“短線”(一般不足1m),信號在傳輸線上反射對電路影響極小,可以忽略不考慮。

 

=======>因此自動阻抗匹配主要研究射頻電源與等離子體負載之間的共軛匹配問題<=========

 

3、阻抗匹配的電路實現

  1、Γ型匹配(或L型匹配)

 

  圖中ZL<RS,以上僅為示例,實際中的ZL的負載幅值要>50Ω,因此L型匹配的手臂應指向阻抗較小的一側。

  從smith圓圖上看,L型匹配的並聯到地元件,軌跡是與電抗圓平行(即保持電抗不變),即保持虛部不變,調實部電阻值

 

 

 

 

  L型匹配的串聯元件,軌跡是與電阻圓平行(即保持電阻不變),即保持實部不變,調實部電抗值(虛部)

 

 

  以下為某13.56MHz實例Matching。

 


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