摘要：闡述原子層沉積系統(tǒng)(ALD)中射頻阻抗匹配器的設(shè)計方案。利用ADS軟件對阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)進行仿真，通過分析ALD真空腔室內(nèi)等離子體產(chǎn)生前后的負載阻抗變化，結(jié)合仿真結(jié)果，提出等離子體產(chǎn)生過程中阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)的控制方法。經(jīng)實驗驗證，該阻抗匹配器和控制方法可實現(xiàn)阻抗匹配。
關(guān)鍵詞：射頻阻抗匹配器；阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)；ALD；ADS

    原子層沉積系統(tǒng)(ALD)是電感耦合等離子體發(fā)生裝置。射頻電源輸出的電流經(jīng)過負載線圈產(chǎn)生高頻交變的電磁場，將腔室內(nèi)的氣體電離，從而形成等離子體。在13．56 MHz頻率下，負載線圈和等離子體的阻抗一般很小，射頻電源的輸出阻抗和傳輸線的特征阻抗均為50 Ω，此時負載阻抗和傳輸線的特征阻抗不匹配，在傳輸線上會形成反射功率，能量不會為負載全部吸收，過高的反射功率會對射頻電源產(chǎn)生損害。為了將射頻電源發(fā)出的功率全部輸送到反應(yīng)真空腔室，并且防止阻抗失配狀態(tài)而產(chǎn)生過高的反射功率，需要在射頻電源和負載線圈之間加入阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)，將上述工藝條件下的負載線圈阻抗和等離子體阻抗變換為50 Ω的純電阻，使系統(tǒng)處于匹配狀態(tài)。

1 阻抗匹配
    阻抗匹配就是激勵源內(nèi)部阻抗、傳輸線阻抗、負載阻抗互相適配，得到最大功率輸出的一種工作狀態(tài)。具體而言就是將負載阻抗轉(zhuǎn)換成一個合適的阻抗或阻抗范圍，該阻抗或阻抗范圍能使射頻電源處于正常的運行狀態(tài)，從負載方面看是使負載盡可能在獲得大功率的同時又保證了負載能正常工作。
    在射頻電路中常用反射系數(shù)來衡量電路的匹配程度，反射系數(shù)的表達式為：
    Γ0=(ZL-Z0)／(ZL+Z0)    (1)
    式中：ZL表示負載阻抗；Z0表示傳輸線特性阻抗。對于開路(ZL→∞)，反射系數(shù)為1，意思是反射波與入射電壓有同樣的極性；對于短路(ZL=0)，反射系數(shù)為-1，返回的反射電壓有相反的幅度；當Z0=ZL時，反射系數(shù)為0，不產(chǎn)生反射，入射電壓波完全被負載吸收。

2 阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)的結(jié)構(gòu)
    ALD中采用L型結(jié)構(gòu)的阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)，由于L型結(jié)構(gòu)具有阻抗調(diào)整范圍大的特點，所以這種結(jié)構(gòu)的阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)廣泛用于固定頻點的等離子體設(shè)備。圖1為L型阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)的結(jié)構(gòu)示意圖，該匹配網(wǎng)絡(luò)由并聯(lián)電容、串聯(lián)電感、串聯(lián)電容組成。串、并聯(lián)電容采用可變真空電容，可變真空電容具有能夠匹配大功率、高耐壓值，可通過電流大和穩(wěn)定性好等優(yōu)點，并且本身自帶減速裝置，有利于減速，匹配精度高。電感由銅管繞制而成。在高頻時，由于電流表現(xiàn)出明顯的趨膚效應(yīng)，電流在導體的表面流過，為了降低導體表面的電阻率，在電感繞制完成后要鍍上一層銀。

    在L型阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)中，電感L和電容Cx主要是調(diào)整負載阻抗的虛部，而電容Cy主要負責匹配負載阻抗至50 Ω。在射頻13．56 MHz下，阻抗值在一定范圍內(nèi)會動態(tài)地隨著真空度的變化而變化，它的虛部動態(tài)變化范圍相對較大，等效實部一般為幾十歐姆。具體的匹配網(wǎng)絡(luò)參數(shù)如下：Cx變化范圍為8～400 pF，Cy的變化范圍為10～1 000 pF，電感L為165nH。
    ALD中負載線圈是一個匝數(shù)為4，直徑為120 mm的電感線圈。使用阻抗分析儀測得其電感量為1 900 nH。利用ADS軟件中的Smith圓圖功能調(diào)整匹配網(wǎng)絡(luò)的參數(shù)值，把電路模型的阻抗調(diào)整到Smith圓圖的中心點，即特性阻抗50 Ω，得到的結(jié)果如圖2所示。此時得到一組阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)參數(shù)可用于沒有產(chǎn)生等離子體的情況，如表1中等離子體產(chǎn)生前狀態(tài)的參數(shù)值所示。

    根據(jù)理論分析和軟件仿真，在沒有等離子體時，射頻電源已經(jīng)和負載阻抗實現(xiàn)了阻抗匹配。當射頻電源的功率為30 W時，等離子體雖然能啟輝，但光亮很暗，此時反射功率為10．2 W，反射系數(shù)模值為0．33，反射系數(shù)模值比較高，系統(tǒng)處于失配狀態(tài)，繼續(xù)調(diào)整匹配網(wǎng)絡(luò)的參數(shù)，使系統(tǒng)的反射功率降低直至零。如圖3所示，此時射頻電源顯示反射功率為0，正向功率為30 W，反射系數(shù)Γ=0，能量全部為負載吸收，系統(tǒng)處于匹配狀態(tài)，等離子體發(fā)出耀眼的光。如圖4所示。

3 等離子體產(chǎn)生前后負載阻抗變化分析
    ALD中負載阻抗為一電感線圈，在頻率為13．56 MHz的高頻電磁場作用下，氬氣電離，產(chǎn)生環(huán)形球狀的低溫等離子體。在等離子體產(chǎn)生后，負載線圈內(nèi)的電流產(chǎn)生感應(yīng)磁場，使得負載線圈與等離子體產(chǎn)生互感現(xiàn)象，形成并聯(lián)互感電路模型，如圖5所示。

    在互感模型圖中，L11和RL為負載線圈的感性分量和電阻分量；L28和R為等離子體的感性分量和電阻分量，M為互感系數(shù)?；ジ邢禂?shù)M及負載阻抗ZL的計算如下：
   
    式中：ki為耦合系數(shù)；L12為互感。
    經(jīng)計算得耦合電感L=1 644 nH，負載阻抗Z=16．4+140j。此時，匹配網(wǎng)絡(luò)參數(shù)如表1中等離子體產(chǎn)生后的參數(shù)所示。
    通過對ALD中負載在兩種狀態(tài)下的阻抗匹配分析，可以確定等離子體產(chǎn)生前后負載阻抗及阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)中串、并聯(lián)電容的變化趨勢，即負載電感變小，串聯(lián)可變電容容值變大，并聯(lián)可變電容容值變小。

4 結(jié)語
    本文詳細闡述原子層沉積系統(tǒng)(ALD)中射頻阻抗匹配器的設(shè)計方案，利用ADS軟件對等離子體產(chǎn)生前的負載電路模型進行了仿真，并對等離子體產(chǎn)生前后負載阻抗的變化進行了深入分析，得出負載阻抗及匹配網(wǎng)絡(luò)參數(shù)的變化趨勢。經(jīng)過多次試驗，能順利使腔室啟輝，快速地使系統(tǒng)的反射功率為0，使系統(tǒng)處于阻抗匹配狀態(tài)。