CN101374381B - 实现射频阻抗匹配的方法及射频阻抗匹配系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种实现射频阻抗匹配的方法及射频阻抗匹配系统，将匹配网络的输入导纳与射频源的输出导纳进行比较，并根据比较的结果对所述匹配网络的输入阻抗进行调整，实现阻抗匹配控制。阻抗检测器检测匹配网络的输入导纳，控制器采用导纳实部和虚部误差来控制调谐元件的调整，利用匹配网络输入导纳的实部和虚部与调谐元件间的特殊关系，串联支路的调谐元件不受并联支路调谐元件的影响，可以分别进行调整，可通过解耦控制算法实现系统阻抗匹配，算法简单、容易实现，匹配过程迅速、匹配系统可靠。

Description

实现射频阻抗匹配的方法及射频阻抗匹配系统

技术领域

本发明涉及一种阻抗匹配技术，尤其涉及一种实现射频阻抗匹配的方法及射频阻抗匹配系统。

背景技术

在射频等离子体发生装置中，恒定输出阻抗(通常为50Ω)的RF(射频)发生器产生固定频率(通常为13.56MHz)的RF波，向等离子体腔室提供RF功率，以激发用于工艺的等离子体。一般来讲，等离子体腔室的非线性负载阻抗与RF发生器的恒定输出阻抗并不相等，故在RF发生器和等离子体腔室之间具有严重的阻抗失配，使得传输线上存在较大的反射功率，RF发生器产生的功率无法全部输送给等离子体腔室。

如图1所示，现有技术中将匹配器连接于射频电源与反应室之间，通过调节匹配器中的可变电抗元件，能够使得从匹配器输入端向输出端看去的阻抗等于射频电源的输出阻抗，从而使得射频电源的输出功率能够最多地传送到反应室中进行等离子体激发。

现有技术中，通过检测传输线上的电压、电流以及电压与电流的相位差等参数，并根据这些参数可以计算出匹配器的输入阻抗。然后，根据阻抗检测器检测的匹配器输入阻抗，得出幅度误差和相位误差，利用这两种误差信号来控制调谐元件，通过不断地调整调谐元件，使误差信号降为零或很小，系统达到匹配状态。

上述现有技术至少存在以下缺点：调谐元件同时影响两种误差信号，即同时影响幅度误差和相位误差。由于这种影响的存在，使调谐时间长，匹配过程缓慢，导致匹配系统不可靠。

发明内容

本发明的目的是提供一种匹配过程迅速、可靠的实现射频阻抗匹配的方法及射频阻抗匹配系统。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的：

本发明的实现射频阻抗匹配的方法，通过匹配网络实现射频源与负载之间的阻抗匹配控制，将所述匹配网络的输入导纳与所述射频源的输出导纳进行比较，并根据比较的结果对所述匹配网络的输入阻抗进行调整，实现阻抗匹配控制。

本发明的射频阻抗匹配系统，包括射频源、负载，其特征在于，所述的射频源通过匹配网络与所述负载连接，所述匹配网络包括阻抗检测器、控制器、可变阻抗器件，所述阻抗检测器检测匹配网络的输入阻抗，并换算出所述匹配网络的输入导纳，之后将所述输入导纳传输给控制器；所述控制器与所述可变阻抗器件电连接。

由上述本发明提供的技术方案可以看出，本发明所述的实现射频阻抗匹配的方法及射频阻抗匹配系统。由于将所述匹配网络的输入导纳与所述射频源的输出导纳进行比较，并根据比较的结果对所述匹配网络的输入阻抗进行调整，实现阻抗匹配控制。匹配过程迅速、匹配系统可靠。

附图说明

图1为现有技术中的匹配器连接状态示意图；

图2为本发明实现射频阻抗匹配的方法的电路原理图；

图3为本发明射频阻抗匹配系统的示意图。

具体实施方式

本发明实现射频阻抗匹配的方法，通过匹配网络实现射频源与负载之间的阻抗匹配控制，将所述匹配网络的输入导纳与所述射频源的输出导纳进行比较，并根据比较的结果对所述匹配网络的输入阻抗进行调整，实现阻抗匹配控制。

具体包括：

步骤1、检测匹配网络的输入阻抗，并根据检测值换算出所述匹配网络的输入导纳；

步骤2、将匹配网络的输入导纳与射频源的输出导纳进行比较，并根据比较的结果调整可变阻抗器件，对匹配网络的输入阻抗进行调整，实现阻抗匹配控制。

匹配网络包括与所述负载并联的第一可变阻抗器件和与所述负载串联的第二可变阻抗器件。所述的步骤2中，将匹配网络的输入导纳与射频源的输出导纳的实部和虚部单独进行比较，并根据比较的结果对第一可变阻抗器件和第二可变阻抗器件进行调整。可以采取两种方式：

一种是，首先根据匹配网络的输入导纳与射频源的输出导纳的实部之间的误差对第二可变阻抗器件C2进行调整；然后，根据匹配网络的输入导纳与射频源的输出导纳的虚部之间的误差对第一可变阻抗器件C1进行调整，实现匹配控制；

另一种是，根据匹配网络的输入导纳与射频源的输出导纳的实部之间的误差对第二可变阻抗器件C1进行调整；同时，根据匹配网络的输入导纳与射频源的输出导纳的虚部之间的误差对第一可变阻抗器件C2进行调整，实现匹配控制。

一个具体实施例，如图3所示：设等离子体装置的等效阻抗为Z_L

Z_L＝R+jωL    (1)

其中R表示等离子体装置的等效电阻，L表示等效电感，C1、C2为可变电容。

匹配网络的输入阻抗为

$Z=\frac{1}{\mathrm{j\ω}{C}_1}\left|\right|(\frac{1}{\mathrm{j\ω}{C}_2}+R+\mathrm{j\ωL})=\frac{1}{G}---\left(2\right)$

则匹配网络的输入导纳为

$G=a+\mathrm{jb}=\frac{R}{R^2+{\mathrm{\ω}}^2{L}^2+{(\frac{1}{{\text{\ω}}^2{C}_2^2}-\frac{2L}{C_2})}^2}+j(\mathrm{\ω}{C}_1-\frac{(\mathrm{\ωL}-\frac{1}{\mathrm{\ω}{C}_2})}{R^2+{\mathrm{\ω}}^2{L}^2+{(\frac{1}{{\mathrm{\ω}}^2{C}_2^2}-\frac{2L}{C_2})}^2})---\left(3\right)$

其中a表示导纳实部，b表示导纳虚部

$a=\frac{R}{R^2+{\mathrm{\ω}}^2{L}^2+{(\frac{1}{{\mathrm{\ω}}^2{C}_2^2}-\frac{2L}{C_2})}^2}---\left(4\right)$

$b=\mathrm{\ω}{C}_1-\frac{(\mathrm{\ωL}-\frac{1}{\mathrm{\ω}{C}_2})}{R^2+{\mathrm{\ω}}^2{L}^2+{(\frac{1}{{\mathrm{\ω}}^2{C}_2^2}-\frac{2L}{C_2})}^2}---\left(5\right)$

由上述表达式可以看出：调整电容C₁不会影响匹配网络输入导纳的实部。本发明实现匹配控制的方法通过解耦控制算法，充分利用此特点，首先通过调整电容C₂使导纳实部满足要求，然后再调整电容C₁使导纳虚部满足要求，因为调整C₁对导纳实部无影响，当导纳虚部调好后，系统便进入匹配状态。

所述解耦控制算法是，首先检测匹配网络的输入导纳G，得到导纳实部a和虚部b，然后计算导纳实部偏差e_a和虚部偏差e_b。(假定射频源输出阻抗为50Ω，则其输出导纳的实部为0.02，虚部为0。)

e_a＝0.02-a  (6)

e_b＝0-b    (7)

根据e_a和e_b计算电容调整量ΔC₂、ΔC₁

ΔC₂＝K₁ e_a  (8)

ΔC₁＝K₂ e_b  (9)

其中K₁和K₂为比例系数，为算法的可调参数。

方法一：计算出电容调整量后，对电容C₁和C₂分开调整。先利用电容C₂调整导纳实部，待实部调整好后再利用电容C₁调整导纳虚部。理论上，若依次完成匹配网络输入导纳实部调整和虚部调整的步骤，则阻抗自动匹配完成。

方法二：计算出电容调整量后，对电容C₁和C₂同时调整。电容C₂和C₁根据导纳实部偏差和虚部偏差同时进行调整，但此时电容C₁的调整将受到电容C₂的调整影响，而C₂的调整不受C₁影响。在匹配器大部分的状态下，两个电容同时调整的阻抗匹配速度要快于电容分开调整情况。

还可以修改(8)(9)两式的参数K₁、K₂，使其变为导纳实部和虚部的函数，完全校正系统的非线性。

本发明通过解耦控制算法，采用导纳实部和虚部误差来控制调谐元件的调整，由于匹配网络输入导纳的实部和虚部与调谐元件间的特殊关系，串联支路的调谐元件不受并联支路调谐元件的影响，当串联调谐元件调整好后，只要并联调谐元件调整到相应位置后，系统则进入匹配状态。两种误差信号与两调谐元件之间关系简单，通过调整解耦算法中的一些参数非常容易克服调谐元件与对应误差之间的非线性对应关系。在各种状态下，只要存在阻抗匹配点，即可通过解耦控制算法实现系统匹配，不存在不能完成阻抗匹配的点，算法简单，容易实现，系统可靠。

本发明的射频阻抗匹配系统，其较佳的具体实施方式是，包括射频源、负载，所述的射频源通过匹配网络与负载连接，所述匹配网络包括阻抗检测器、控制器、可变阻抗器件，所述阻抗检测器检测匹配网络的输入阻抗，并换算出所述匹配网络的输入导纳，之后将所述输入导纳传输给控制器；所述控制器与所述可变阻抗器件电连接，可变阻抗器件可以连接有驱动装置，用于变换阻抗。通过匹配网络实现射频源与负载之间的阻抗匹配。

如图3所示，所述的负载为等离子体发生装置的反应腔室。也可以是其它的负载。

所述的可变阻抗器件包括与反应腔室并联的第一可变阻抗器件C1和与所述负载串联的第二可变阻抗器件C2。所述的可变阻抗器件可以是可变电阻、可变电容或可变电感等。也可以采用多个可变阻抗器件并联或串联的形式，由控制器对可变阻抗器件进行控制。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种实现射频阻抗匹配的方法，通过匹配网络实现射频源与负载之间的阻抗匹配控制，其特征在于，将所述匹配网络的输入导纳与所述射频源的输出导纳进行比较，并根据比较的结果对所述匹配网络的输入阻抗进行调整，实现阻抗匹配控制；

所述匹配网络包括与所述负载并联的第一可变阻抗器件和与所述负载串联的第二可变阻抗器件；

将匹配网络的输入导纳与射频源的输出导纳的实部和虚部单独进行比较，并根据比较的结果对第一可变阻抗器件和第二可变阻抗器件进行调整，包括步骤：

A、根据匹配网络的输入导纳与射频源的输出导纳的实部之间的误差对第二可变阻抗器件进行调整；

B、根据匹配网络的输入导纳与射频源的输出导纳的虚部之间的误差对第一可变阻抗器件进行调整，实现阻抗匹配控制；

所述的步骤A和B依次进行或同时进行。

2.一种射频阻抗匹配系统，包括射频源、负载，其特征在于，所述的射频源通过匹配网络与所述负载连接，所述匹配网络包括阻抗检测器、控制器、可变阻抗器件，所述阻抗检测器检测匹配网络的输入阻抗，并换算出所述匹配网络的输入导纳，之后将所述输入导纳传输给控制器；所述控制器与所述可变阻抗器件电连接；

所述的可变阻抗器件包括与所述负载并联的第一可变阻抗器件和与所述负载串联的第二可变阻抗器件；

该系统应用权利要求1所述的实现射频阻抗匹配的方法实现所述射频源与所述负载之间的阻抗匹配控制。

3.根据权利要求2所述的射频阻抗匹配系统，其特征在于，所述的负载为等离子体发生装置的反应腔室。

4.根据权利要求2所述的射频阻抗匹配系统，其特征在于，所述的可变阻抗器件为可变电容。

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