ALD中射频阻抗匹配器的设计与研究

摘要：阐述原子层沉积系统(ALD)中射频阻抗匹配器的设计方案。利用ADS软件对阻抗匹配网络进行仿真，通过分析ALD真空腔室内等离子体产生前后的负载阻抗变化，结合仿真结果，提出等离子体产生过程中阻抗匹配网络的控制方法。经实验验证，该阻抗匹配器和控制方法可实现阻抗匹配。
关键词：射频阻抗匹配器；阻抗匹配网络；ALD；ADS

    原子层沉积系统(ALD)是电感耦合等离子体发生装置。射频电源输出的电流经过负载线圈产生高频交变的电磁场，将腔室内的气体电离，从而形成等离子体。在13．56 MHz频率下，负载线圈和等离子体的阻抗一般很小，射频电源的输出阻抗和传输线的特征阻抗均为50 Ω，此时负载阻抗和传输线的特征阻抗不匹配，在传输线上会形成反射功率，能量不会为负载全部吸收，过高的反射功率会对射频电源产生损害。为了将射频电源发出的功率全部输送到反应真空腔室，并且防止阻抗失配状态而产生过高的反射功率，需要在射频电源和负载线圈之间加入阻抗匹配网络，将上述工艺条件下的负载线圈阻抗和等离子体阻抗变换为50 Ω的纯电阻，使系统处于匹配状态。

1 阻抗匹配
    阻抗匹配就是激励源内部阻抗、传输线阻抗、负载阻抗互相适配，得到最大功率输出的一种工作状态。具体而言就是将负载阻抗转换成一个合适的阻抗或阻抗范围，该阻抗或阻抗范围能使射频电源处于正常的运行状态，从负载方面看是使负载尽可能在获得大功率的同时又保证了负载能正常工作。
    在射频电路中常用反射系数来衡量电路的匹配程度，反射系数的表达式为：
    Γ0=(ZL-Z0)／(ZL+Z0)    (1)
    式中：ZL表示负载阻抗；Z0表示传输线特性阻抗。对于开路(ZL→∞)，反射系数为1，意思是反射波与入射电压有同样的极性；对于短路(ZL=0)，反射系数为-1，返回的反射电压有相反的幅度；当Z0=ZL时，反射系数为0，不产生反射，入射电压波完全被负载吸收。

2 阻抗匹配网络的结构
    ALD中采用L型结构的阻抗匹配网络，由于L型结构具有阻抗调整范围大的特点，所以这种结构的阻抗匹配网络广泛用于固定频点的等离子体设备。图1为L型阻抗匹配网络的结构示意图，该匹配网络由并联电容、串联电感、串联电容组成。串、并联电容采用可变真空电容，可变真空电容具有能够匹配大功率、高耐压值，可通过电流大和稳定性好等优点，并且本身自带减速装置，有利于减速，匹配精度高。电感由铜管绕制而成。在高频时，由于电流表现出明显的趋肤效应，电流在导体的表面流过，为了降低导体表面的电阻率，在电感绕制完成后要镀上一层银。

    在L型阻抗匹配网络中，电感L和电容Cx主要是调整负载阻抗的虚部，而电容Cy主要负责匹配负载阻抗至50 Ω。在射频13．56 MHz下，阻抗值在一定范围内会动态地随着真空度的变化而变化，它的虚部动态变化范围相对较大，等效实部一般为几十欧姆。具体的匹配网络参数如下：Cx变化范围为8～400 pF，Cy的变化范围为10～1 000 pF，电感L为165nH。
    ALD中负载线圈是一个匝数为4，直径为120 mm的电感线圈。使用阻抗分析仪测得其电感量为1 900 nH。利用ADS软件中的Smith圆图功能调整匹配网络的参数值，把电路模型的阻抗调整到Smith圆图的中心点，即特性阻抗50 Ω，得到的结果如图2所示。此时得到一组阻抗匹配网络参数可用于没有产生等离子体的情况，如表1中等离子体产生前状态的参数值所示。

    根据理论分析和软件仿真，在没有等离子体时，射频电源已经和负载阻抗实现了阻抗匹配。当射频电源的功率为30 W时，等离子体虽然能启辉，但光亮很暗，此时反射功率为10．2 W，反射系数模值为0．33，反射系数模值比较高，系统处于失配状态，继续调整匹配网络的参数，使系统的反射功率降低直至零。如图3所示，此时射频电源显示反射功率为0，正向功率为30 W，反射系数Γ=0，能量全部为负载吸收，系统处于匹配状态，等离子体发出耀眼的光。如图4所示。

3 等离子体产生前后负载阻抗变化分析
    ALD中负载阻抗为一电感线圈，在频率为13．56 MHz的高频电磁场作用下，氩气电离，产生环形球状的低温等离子体。在等离子体产生后，负载线圈内的电流产生感应磁场，使得负载线圈与等离子体产生互感现象，形成并联互感电路模型，如图5所示。

    在互感模型图中，L11和RL为负载线圈的感性分量和电阻分量；L28和R为等离子体的感性分量和电阻分量，M为互感系数。互感系数M及负载阻抗ZL的计算如下：
   
    式中：ki为耦合系数；L12为互感。
    经计算得耦合电感L=1 644 nH，负载阻抗Z=16．4+140j。此时，匹配网络参数如表1中等离子体产生后的参数所示。
    通过对ALD中负载在两种状态下的阻抗匹配分析，可以确定等离子体产生前后负载阻抗及阻抗匹配网络中串、并联电容的变化趋势，即负载电感变小，串联可变电容容值变大，并联可变电容容值变小。

4 结语
    本文详细阐述原子层沉积系统(ALD)中射频阻抗匹配器的设计方案，利用ADS软件对等离子体产生前的负载电路模型进行了仿真，并对等离子体产生前后负载阻抗的变化进行了深入分析，得出负载阻抗及匹配网络参数的变化趋势。经过多次试验，能顺利使腔室启辉，快速地使系统的反射功率为0，使系统处于阻抗匹配状态。