CN108681626B - 一种快速调节等离子体放电阻抗匹配的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种快速调节等离子体放电阻抗匹配的方法，结合射频微波中的能量传输和阻抗匹配理论和等离子体放电的物理机制，通过ADS软件模拟的方式对匹配状态进行预测和计算，根据实际调节元件的参数对匹配箱进行合理设计，从而在进行等离子体放电实验时快速调节阻抗匹配。本发明匹配调节用时短、成本低，具有普适性，对所有放电条件均能够提供调节匹配指导方案，为自动匹配技术提供发展方向。

Description

一种快速调节等离子体放电阻抗匹配的方法

技术领域

本发明涉及一种快速调节等离子体放电阻抗匹配的方法。

背景技术

低温等离子体是一种电子温度很高而离子温度接近常温的非平衡等离子体。近年来，基于低温等离子体技术的高新科技产业正在飞速地发展。例如，等离子体刻蚀、溅射、沉积薄膜等技术被广泛地应用于半导体器件的清洗与加工；在污染治理行业，也出现了使用电晕放电、介质阻挡放电等方法的新型三废处理技术；而在冶金、钢铁等领域，等离子体技术也是一项重要的表面处理手段，可以提高金属表面的硬度、耐磨、耐腐蚀等特性。之所以低温等离子体有如此广泛的应用，是因为它由离子和高能电子组成，具有极高的物理以及化学活性。当它与材料表面接触时，便会发生一系列的表面反应从而改变材料的特性。

射频放电是产生低温等离子体的一种常规方式。射频放电主要由射频电源、传输线、匹配电路、天线以及放电气体组成。射频电源将电网上的电能转化为频率在射频段的正弦波功率输出，通过传输线、匹配电路后由射频天线以电磁波的形式辐射入放电气体中。放电气体吸收了电磁波的辐射能后将发生电离从而产生等离子体。工作在射频段的电路中会产生反射功率，当反射功率过大时不仅功率不能高效稳定的耦合入等离子体中，更会对射频电源造成损坏，因此需要匹配电路调节负载的阻抗使得电能的传输达到最佳匹配状态。

由于等离子体的不稳定性以及天线能量耦合效率的波动，负载的阻抗处于实时变化的状态，这给射频阻抗的匹配带来了难度。目前市面上虽然有较多射频电源和自动匹配器产品，但由于电源生产厂商并不了解等离子体内部物理特性，因此自动匹配往往只能在较为简单、稳定的设备上实现快速的匹配，而对于复杂的等离子体放电系统或者放电模式存在突变的设备，自动匹配的实现仍存在难度。在这种放电系统中，等离子体的物理特性与电路的传输特性需要统筹考虑才能实现最佳的匹配效果。

由于匹配网络涉及电源、传输线和负载的阻抗等众多参数，且都是复数形式，所以直接进行阻抗的计算十分繁琐，匹配的结果也不够直观，在工程上无法应用。为解决这一问题，采用smith圆图来将这些参数表现在一幅图上，该图上每一个点代表唯一的阻抗值(可等效换算成导纳值)，在等离子体放电领域，射频电源的特征阻抗通常为50欧姆，在smith圆图上对应中心点，在进行阻抗匹配调节时，需要串联或并联电容电感来改变负载端的阻抗值从而达到匹配状态，在图中反映为调节到中心点。

匹配问题主要有以下三种解决方案：一是使用专业的自动匹配器，其价格十分昂贵，依赖进口，而且通常只能在一台设备上配套使用，不具备普适性，对于需要在多条件下进行试验的科研院所来说，实用性较低；二是采用ARM芯片进行计算、反馈从而控制步进电机调节电容，但这种方法同样具有设备与条件的局限性，且只能调节电容，对电感的选择没有进行深入的分析，而且单套系统的开发周期长；三是凭借科研人员的经验进行手动调节，在实际调节中，如果根据实验过程中实时记录的smith图进行调节，存在两个问题：一是在未达到匹配状态时，等离子体尚未产生，负载端的阻抗与放电状态下的阻抗不相等，此时根据smith图进行调节得到的匹配状态与实际状态不一致，二是等离子体放电状态较为复杂，阻抗变化的范围较大，简单地通过两个电容的调节不能覆盖所有的参数范围。对于复杂的螺旋波等离子体放电，还存在模式跳变和回滞等现象，匹配的难度进一步增加，针对这种放电的自动匹配器短期内更是难以商用。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术中的不足，提供一种快速调节等离子体放电阻抗匹配的方法，解决现有技术中阻抗匹配价格更高、效率低、难度大，难以商用的技术问题。

为解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案是：一种快速调节等离子体放电阻抗匹配的方法，包括如下步骤：

绘制Smith圆图；

对于无耗匹配：

在负载端设置一定值电感；

选取等电阻圆R＝1的上半圆、等电导圆G＝1的上半圆以及对称线段的下半段将Smith圆图划分为三部分：等电阻圆R＝1的上半圆与等电导圆G＝1的上半圆围成的区域为区域1；等电导圆G＝1的上半圆与对称线段的下半段围成的区域为区域2；等电阻圆R＝1的上半圆与对称线段的下半段围成的区域为区域3；

当负载点阻抗位于区域1时：负载端与定值电感断开，在负载端先并联一个电容、再串联一个电容；

当负载点阻抗位于区域2时：在负载端先串联所述定值电感，然后并联一个电容，最后再串联一个电容；

当负载点阻抗位于区域3时：在负载端先并联所述定值电感，然后并联一个电容，最后再串联一个电容；

所述定值电感的电感值要求满足：当负载点阻抗位于区域2或区域3时，能够使负载点在Smith圆图上转动的弧度足够使负载点从当前所在区域移动到区域1；

对于有耗匹配：根据负载点位置，串联或并联一电阻，以降低负载端的品质因数Q值，根据等Q值曲线确定电阻最小值。

绘制smith圆的方法如下：

在ADS软件中使用S参数控件，根据实验条件下的电源频率设定S参数的频率扫描范围，打开Smith Chart控件界面，得到Smith圆图。

对于某一特定频率的阻抗匹配，设定S参数的频率扫描范围为频率点的10％～20％；对于一定频率范围内的匹配，设定S参数的频率扫描范围为频率点的50％。

所述阻抗匹配采用无耗元件电容和电感。

所述无耗匹配是指仅适用储能元件，即电感和电容，将负载端阻抗调整到源阻抗的共轭值。

所述有耗匹配是指适用电阻辅助储能元件进行阻抗匹配。

根据等Q值曲线确定电阻最小值的方法是：

根据频率范围需要，采用ADS软件的Smith Chart控件绘制等Q值曲线，确定电阻最小值。

与现有技术相比，本发明所达到的有益效果是：通过软件模拟的方式对匹配状态进行预测和计算，根据实际调节元件的参数对匹配项进行合理设计，从而在进行等离子体放电实验时快速调节阻抗匹配，匹配调节用时短、成本低，具有普适性，对所有放电条件均能够提供调节匹配指导方案，为自动匹配技术提供了发展方向。

附图说明

图1是Smith阻抗圆；

图2是Smith导纳圆；

图3是根据绘制原理与路径方程划分成为三个部分的Smith圆图；

图4是区域1的匹配线路及匹配电路原理图；

图5是区域2的匹配线路及匹配电路原理图；

图6是区域3的匹配线路及匹配电路原理图；

图7是用ADS软件模拟的2MHz低频放电增益曲线；

图8是用ADS软件模拟的60MHz高频放电增益曲线；

图9是以2MHz的条件为例有耗匹配线路；

图10是与图9相对应的有耗匹配电路原理图；

图11是由ADS软件的Smith Chart控件提供的等Q值曲线；

图12是60MHz、CCP放电阻抗测量的等离子体负载阻抗匹配点；

图13是图12调节后电源负载端阻抗匹配点。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，而不能以此来限制本发明的保护范围。

本发明提供的快速调节等离子体放电阻抗匹配的方法，结合射频微波中的能量传输和阻抗匹配理论和等离子体放电的物理机制，通过软件模拟的方式对匹配状态进行预测和计算，根据实际调节元件的参数对匹配箱进行合理设计，从而在进行等离子体放电实验时快速调节阻抗匹配，具体如下：

绘制Smith圆图：在ADS软件中使用S参数控件，根据实验条件下的电源频率设定S参数的频率扫描范围，对于某一特定频率的匹配，可设定扫描范围为频率点的10％-20％，而对于一定频率范围内的匹配，则需要设定为频率点的50％，在仿真结果中的增益平坦度将是一个重要参考条件。打开Smith Chart控件界面，即可得到Smith圆图(如图1、2所示)、可选控件、S参数曲线及电路原理图。为减少传输损耗，阻抗匹配采用无耗元件电容和电感，在负载端串联元件时遵循以下规律：沿阻抗圆顺时针移动代表增加串联电感；沿阻抗圆逆时针移动代表增加串联电容；沿导纳圆顺时针移动代表增加并联电容；沿导纳圆逆时针移动代表增加并联电感。在建立好带有匹配元件的S参数测试电路之后，进行S参数仿真，可得到频域上增益的变化曲线等，这对于一定频带宽度的匹配是一个重要的参数。

无耗匹配的方法

无耗匹配是指仅使用储能元件，即电容和电感，将负载端阻抗调整到源阻抗的共轭值(等离子体放电时通常取特征阻抗50欧姆)的方法，理论上对于任意一个给定的负载阻抗值，均可以通过一个串联元件和一个并联元件调整到匹配点，但在等离子体放电这一大功率系统中，电感通常采用绕铜线圈，电感的值由线圈匝数决定，这意味着电感的值无法均匀调整，置于匹配箱中的线圈也难以与外界建立调节旋钮，此外，如果到达匹配点所需的电感值较大，需要使用铁芯电感线圈，在高功率下还会产生发热问题，给匹配电路带来了更多不确定因素。另一方面，电容的值受制于规格，并不能覆盖所有参数范围。因此，对于不同放电条件，需要选取合理的电路结构与元件规格，从而能快速准确地调整到匹配点。根据绘制原理与路径方程，本发明将Smith圆图划分成为三个部分，具体划分方法为：选取等电阻圆R＝1的上半圆、等电导圆G＝1的上半圆以及对称线段的下半段将Smith圆图划分为三部分：等电阻圆R＝1的上半圆与等电导圆G＝1的上半圆围成的区域为区域1；等电导圆G＝1的上半圆与对称线段的下半段围成的区域为区域2；等电阻圆R＝1的上半圆与对称线段的下半段围成的区域为区域3。划分后的Smith圆图如图3所示。无耗匹配时，在负载端设置一定值电感；当负载点阻抗位于区域1时：负载端与定值电感断开，在负载端先并联一个电容、再串联一个电容；当负载点阻抗位于区域2时：在负载端先串联所述定值电感，然后并联一个电容，最后再串联一个电容；当负载点阻抗位于区域3时：在负载端先并联所述定值电感，然后并联一个电容，最后再串联一个电容；定值电感的电感值要求满足：当负载点阻抗位于区域2或区域3时，能够使负载点在Smith圆图上转动的弧度足够使负载点从当前所在区域移动到区域1。这三种情况的示例匹配路线和电路图如4～6所示。

由此可对匹配箱进行创新性的设计，根据放电频率选取一个电感值足以使匹配点由区域2或区域3移动到区域1的电感线圈，把电感线圈与负载端的连接方式设计成断开、串联、并联三种状态，分别对应负载端位于区域1、2、3的情况，即可在等离子体负载端的阻抗跨越不同区域时，无需更换匹配箱即可完成匹配的调整，数值的计算由ADS软件完成。

有耗匹配的方法

无耗匹配虽然只使用储能元件，但由于其不受频率影响的电阻部分不可调，往往只适用于精确在某一频率点的匹配，如果负载端本身的Q值(品质因数，由电阻和电抗的比值决定)较大，增益平坦度将不能得到保证，当频率扰动较大或同一设备需要不同频率放电条件时，匹配元件的值将产生较大误差，严重的还可能导致传输功率不足使放电中断。因此在部分情况下，需要使用电阻辅助储能元件进行有耗匹配。以双频容性耦合放电为例，分别用ADS软件模拟了2MHz和60MHz的增益曲线，负载端阻抗的取值分别为11.98-j*305和2.53+j*12.05，结果如图7和图8所示，不同曲线代表选取的元件类型及结构不同。从图中可以得到高频情况下增益平坦度远远好于低频情况，这是由于低频下负载端的Q值远大于高频情况，这意味着低频时匹配的状况收频率波动影响较大。为了解决这一问题，可以根据负载点所在位置，串联或并联一个电阻，降低负载端的Q值，提高频域上的增益平坦度，以2MHz的条件为例，匹配路线及电路图如图9和图10所示。由于有耗元件电阻会降低传输功率，因此通常情况下取值越小越好，在ADS软件的Smith Chart控件中提供了等Q值曲线这一功能(如图11所示)，可以根据频率范围的需要，画出一个等Q值曲线，从而确定电阻的最小值。

实验验证：

根据上述方法，结合实验室的实际需求，成功实现了60MHz、13.56MHz和2MHz的CCP/ICP放电。以60MHz、CCP放电为例，经测量，稳定放电时，等离子体负载阻抗为Z_L＝2.53+j12.05Ω，对应匹配点如图12。如图13所示，经过匹配电路调节后，电源负载端阻抗为Z_S＝52.62-j4.75Ω(虚部可调节为零，由于等离子体的不稳定性，实际阻抗有波动)。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变形，这些改进和变形也应视为本发明的保护范围。

Claims (7)

1.一种快速调节等离子体放电阻抗匹配的方法，其特征在于，包括如下步骤：

绘制Smith圆图；

对于无耗匹配：

在负载端设置一定值电感；

选取等电阻圆R=1的上半圆、等电导圆G=1的上半圆以及对称线段的下半段将Smith圆图划分为三部分：等电阻圆R=1的上半圆与等电导圆G=1的上半圆围成的区域为区域1；等电导圆G=1的上半圆与对称线段的下半段围成的区域为区域2；等电阻圆R=1的上半圆与对称线段的下半段围成的区域为区域3；

当负载点阻抗位于区域1时：负载端与定值电感断开，在负载端先并联一个电容、再串联一个电容；

当负载点阻抗位于区域2时：在负载端先串联所述定值电感，然后并联一个电容，最后再串联一个电容；

当负载点阻抗位于区域3时：在负载端先并联所述定值电感，然后并联一个电容，最后再串联一个电容；

所述定值电感的电感值要求满足：当负载点阻抗位于区域2或区域3时，能够使负载点在Smith圆图上转动的弧度足够使负载点从当前所在区域移动到区域1；

对于有耗匹配：根据负载点位置，串联或并联一电阻，以降低负载端的品质因数Q值，根据等Q值曲线确定电阻最小值。

2.根据权利要求1所述的快速调节等离子体放电阻抗匹配的方法，其特征在于，绘制smith圆的方法如下：

在ADS软件中使用S参数控件，根据实验条件下的电源频率设定S参数的频率扫描范围，打开Smith Chart控件界面，得到Smith圆图。

3.根据权利要求2所述的快速调节等离子体放电阻抗匹配的方法，其特征在于，对于某一特定频率的阻抗匹配，设定S参数的频率扫描范围为频率点的10%~20%；对于一定频率范围内的匹配，设定S参数的频率扫描范围为频率点的50%。

4.根据权利要求1所述的快速调节等离子体放电阻抗匹配的方法，其特征在于，所述阻抗匹配采用无耗元件电容和电感。

5.根据权利要求1所述的快速调节等离子体放电阻抗匹配的方法，其特征在于，所述无耗匹配是指仅适用储能元件，即电感和电容，将负载端阻抗调整到源阻抗的共轭值。

6.根据权利要求1所述的快速调节等离子体放电阻抗匹配的方法，其特征在于，所述有耗匹配是指适用电阻辅助储能元件进行阻抗匹配。

7.根据权利要求1所述的快速调节等离子体放电阻抗匹配的方法，其特征在于，根据等Q值曲线确定电阻最小值的方法是：

根据频率范围需要，采用ADS软件的Smith Chart控件绘制等Q值曲线，确定电阻最小值。

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