ALD中射頻阻抗匹配器的設(shè)計與研究

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(jìn)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(fù)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(fù)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(fù)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(fù)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(fù)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(fù)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(fù)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(fù)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(fù)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(fù)載方面看是使負(fù)載盡可能在獲得大功率的同時又保證了負(fù)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(dá)式為：
Γ0=(ZL-Z0)／(ZL+Z0) (1)
式中：ZL表示負(fù)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(dāng)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(fù)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(dǎo)體的表面流過，為了降低導(dǎo)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(fù)載阻抗的虛部，而電容Cy主要負(fù)責(zé)匹配負(fù)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。