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。