自动阻抗匹配器硬件系统的研制及相关特性的研究.pdfVIP

第l章绪论 实现理想功率传输而在源和负载之间进行阻抗匹配。事实上，许多实际的匹配网 络除了减少功率损耗功能外还有其他功能，比如减小噪声干扰、提高功率容量和 提高频率响应的线性度等。通常认为，匹配网络的用途就是实现阻抗变换，就是 将给定的阻抗值变换成其它更适合的阻抗值。 自动阻抗匹配器能够及时跟踪等离子体负载复杂的阻抗变化，保证负载和源 之间阻抗匹配，从而保证从射频源输出的功能都能被等离子体负载全部吸收，进 而提高半导体加工的工艺水平。 1．2国内外研究概况 目前，国内只能生产手动调节的阻抗匹配器，其完全依靠使用者凭经验进行 调节，其匹配精度低，反应时间长，从而制约着低温等离子体应用研究水平的提 高。随着周围环境温度等因素的影响，负载特性会发生相当的变化[6】，手动调 节由于无法快速进行及时地阻抗匹配，等离子体的特性就会发生波动，当等离子 体应用于高精度半导体加工工艺中时，这种波动往往是非常致命的，最终导致加 工失败[7】。 关于自动匹配网络及自动匹配算法，国外很早就有人开始研究[8】。最早利 用反射系数的模和相位信息来控制自动匹配网络。后来有人提出只利用反射系数 的模来控制匹配网络的方法。两者的相似点都是利用的模的梯度信息，通过搜寻 使反射系数达到设定匹配条件下反射系数阈值，实现自动阻抗匹配的【9]【10】。另 外的一些研究人员利用神经网络和遗传算法等人工智能算法，也得到了一些比较 好的自动匹配结果[11】[12】。 由于自动阻抗匹配网络应用的普遍性。国外很多先进生产工艺控制设备供应 商都有全系列的自动阻抗匹配设备。比如美国的MKS生产的MWH系列产品， Power 反射系数能够达到0．01。韩国NewPlasma公司生产的NPM系列等。国 内只有少数几家生产射频源的科研单位能够生产手动匹配器。 1．3发展趋势 从国外同类产品的分类来看，自动阻抗匹配器趋向用户定制模式。主要原因 是应用场合不同，负载特性的变化也不同，而匹配网络的匹配范围根据网络的结 构和网络中分布元件可调范围的不同而变化的。换句话说，没有一种匹配网络能 够将任意阻抗变换到适合阻抗。针对特定应用，分析特定应用对象的阻抗变化特 2 第l章绪论 性，设计合适的匹配网络，选择合适的元件参数，针对阻抗变化特性而选择相应 的优化匹配算法，则是目前自动阻抗匹配器开发生产的主要方式。也只有采用这 样一种方式，应此能够快速完成匹配功能，满足实际应用的要求。 自动阻抗匹配器一般应用在高压、大电流、强辐射的场合。出于对操作人员 安全的考虑，匹配器应该具有远程操作，在线故障检测和全生命周期产品监测等 新功能。 3 第2章模型与理论 第2章模型与理论 2．1传输线模型 传输线是用以引导电磁能量从一处传递到另一处的一种介质【13】。最典型的 传输线由在均匀媒质中放置两根平行直线导线组成，导线各处具有相同材料、相 同截面，并且导线周围介质沿线均匀分布。在传输线中，电流在导线的电阻中引 起沿线的电压降，并在导线的周围产生磁场，即沿线有电感的存在，变动的电流 沿线产生电感电压降。所以，导线间的电压是连续变化的。另一方面，由于两导 体构成电容，因此在导线间存在电容电流；导体间还有漏电导，故还有电导电流。 这样，沿线不同的地方，导线中的电流也是不同的。为了计算沿线电压与电流的 变化，必须认为导线的每一元段(无限小长度的～段)导线上具有无限小的电阻 和电感；在导线问则有电容和电导。这就是传输线的分布参数模型，它是集总参 数元件构成的极限情况。 由于均匀传输线的几何尺寸及媒质的电磁性能的均匀性，用以反映传输线电 磁过程的由于电阻、电感、电容和电导这些参数是分布在线上的，故均匀传输线 的原始参数是以每单位长度的电路参数来表示的，即 (1)单位长度线段上的电阻‰(包括来回线)，其单位为纠m； (2)单位长度线段上的电感Lo(包括来回线)，其单位为H／fm； (3)单