CN116842759A - 一种对射频离子源线圈耦合效率的估算优化方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种对射频离子源线圈耦合效率的估算优化方法，包括使用等离子变压器模型，其优化步骤如下：确定线圈几何形状和放电室几何形状，确定相关参数和确定射频频率；计算出线圈电感值和电阻值；计算出品质因子Q，计算出射频离子源最大功率转换效率；判断射频离子源最大功率转换效率是否满足设计要求；若满足要求，则输出线圈及放电室几何形状和相关参数值并进行下一步的仿真设计；若不满足设计要求，则对线圈的几何形状及参数进行优化，重复上述步骤对射频离子源最大功率转换效率再计算，直至满足设计要求。本发明的有益效果是：通过对射频离子源最大功率转换效率的计算，判断是否满足设计要求，实现对射频离子源线圈耦合效率的估算优化。
Description
技术领域
本发明涉及射频离子源线圈耦合效率计算及射频离子源技术领域，具体为一种对射频离子源线圈耦合效率的估算优化方法。
背景技术
射频离子源被广泛应用于微电子加工中，例如使用等离子体实现刻蚀、刻胶和去胶及沉积等加工手段，经过等离子体处理后的塑料，其粘接性能得到大幅提升。在医学上，等离子体技术已被广泛应用于眼科材料、药物释放系统、组织培养和人造组织等方面；在光纤、绝缘膜、超导材料、反渗透膜、渗透气化膜和气体分离膜等加工方面，等离子体技术也发挥了极为重要作用。总之，等离子体技术的发展为化学合成、制膜技术、表面处理和精细化学加工提供了崭新的技术手段，在新材料、新能源和全面革新微电子器件工艺方面也开辟了许多新的研究方向。
射频离子源驱动器是射频离子源吸收射频功率并产生等离子体的部件，其机制是射频功率通过线圈激发空间电磁场，能量传递给驱动器中的放电气体，而实现等离子体激发与维持。此过程中，线圈与等离子体通过电磁场建立耦合关系。此外，等离子体中的电流取决于初级线圈的电流和气体放电的反应动力学，随着反应过程中电子密度的增加，等离子体从无电流增高到与初级线圈电流相同的值，损失功率也会不断增大，吸收功率也会呈现由高到低的反复变化。然而，在现有射频离子源设计与运行中，线圈耦合效率（即射频离子源最大功率转换效率）是不可知。因此，对射频离子源线圈耦合效率的估算是射频离子源设计与运行中不可或缺的一步。
发明内容
本发明的目的在于提供一种对射频离子源线圈耦合效率的估算优化方法，以解决上述背景技术中提出射频离子源设计与运行中线圈耦合效率不可知的问题。
为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：一种对射频离子源线圈耦合效率的估算优化方法，包括使用等离子变压器模型，其优化步骤如下：
步骤1、在感性耦合射频等离子体处于放电状态下，首先确定一个合理性预估值的线圈几何形状和放电室几何形状，然后确定相关参数和确定射频频率；
步骤2、利用线圈电感计算公式计算出线圈的电感值，利用线圈电阻计算公式计算出线圈的电阻值，其中线圈的电阻值和电感值呈线性关系；
步骤3、计算出品质因子Q，然后结合等离子体变压器模型，计算出射频离子源最大功率转换效率；
步骤4、判断射频离子源最大功率转换效率是否满足设计要求；
步骤5、若射频离子源最大功率转换效率满足要求，则输出线圈及放电室几何形状和相关参数值，作为射频离子源的设计参考，并进行下一步的仿真设计；
步骤6、若计算出射频离子源最大功率转换效率不满足设计要求，则对线圈的几何形状及参数进行优化，再重复上述步骤1至步骤4，直至射频离子源最大功率转换效率满足设计要求，然后输出线圈及放电室几何形状和相关参数值，作为射频离子源的设计参考，并进行下一步的仿真设计。
进一步优选，所述线圈的电感值的计算公式为：
，
其中，为线圈半径，b为线圈高度，/>和b的单位均为m；/>为真空磁导率，/>为圆周率，N为线圈匝数，/>为电感值，通过该计算公式实现对射频线圈的电感值的精准计算。
进一步优选，对所述线圈电感值的计算公式进行优化，优化后的线圈电感值计算更加精准，其优化后的公式如下：
当时，所述线圈的电感值/>的计算公式为：
，
当时，所述线圈的电感值/>的计算公式为：
。
根据确定的线圈相关参数值线圈半径、线圈高度b、线圈匝数N进行/>或的判断，带入到上述优化后对应的两个公式中的一个中进行计算，进一步优化计算公式，提高电感值的计算精度。
进一步优选，所述线圈的电阻值的计算公式为：
，
其中，为铜管半径，单位为m；/>为铜的电导率，；/>为射频角频率，/>，/>为射频频率，，/>为电阻值。
进一步优选，所述品质因子Q的计算公式为：
。
通过对品质因子Q值的计算，能够判断线圈的热损耗的大小，进而判断射频离子源耦合效率的高低，是评价电感线圈品质的重要参量。
进一步优选，所述射频离子源最大功率转换效率的计算公式为：
，
其中，为弹性碰撞频率，/>的取值在0.1-0.8之间；/>为放电室外半径，/>为放电室内半径，/>、/>的单位均为m，/>为射频离子源最大功率转换效率。通过对已确定的线圈几何形状及相关参数值、放电室的几何形状及相关参数值的射频离子源最大功率转换效率的计算，达到判断该射频离子源最大功率转换效率是否满足射频离子源耦合效率的设计要求，保证射频离子源设计达到设计要求。
进一步优选，所述射频离子源最大功率转换效率的设计要求是达到65％-85％，满足射频离子源设计和运行的射频离子源线圈耦合效率要求。进一步优选，所述线圈的几何形状及参数优化方法包括增加或减少线圈匝数、加大或减小线圈半径以及加大或减小线圈高度，通过这些方法能够改变线圈的几何形状及参数，且易于操作和实现。
进一步优选，所述等离子变压器模型包含射频线圈和等离子体，所述射频线圈的表面电镀有金属银层，可以在保持线圈电感量几乎不变的条件下，提高品质因子值，降低线圈内阻，使感应放电的匹配性能显著改善，提高耦合效率。
有益效果：本发明公开的对射频离子源线圈耦合效率的估算优化方法，通过对确定的线圈几何形状、放电室几何形状以及相关参数和射频频率，实现对线圈电感值、电阻值、品质因子和射频离子源最大功率转换效率的精准计算，即完成对射频离子源线圈耦合效率的精准估算，进而实现对射频离子源线圈耦合效率是否满足设计要求的判断，从而实现对优化线圈的几何形状及相关参数的优化，解决了射频离子源设计与运行过程中线圈耦合效率不可知的问题；通过估算线圈耦合效率从而来优化相关基本参数，实现指导射频离子源的设计。
附图说明
图1为本发明具体实施例所公开的对射频离子源线圈耦合效率的估算优化方法的流程图；
图2为本发明具体实施例所公开的感性放电的等离子变压器模型示意图。
实施方式
以下是本发明的具体实施例并结合附图，对本发明的技术方案作进一步的描述，但本发明并不限于这些实施例。
如图1-2所示，一种对射频离子源线圈耦合效率的估算优化方法，包括使用等离子变压器模型，等离子变压器模型包含射频线圈和等离子体，通过射频线圈与等离子体构成一个变压器，及/>分别为射频线圈的电感值和电阻值，等离子体相当于变压器的次级线圈，电感值/>通过互感接收射频功率源的能量并传递给等离子。互感系数随着电子密度的变化而变化，等离子电阻和等离子电感随着气体的电离度变化。
本申请的射频离子源线圈耦合效率的估算优化方法流程图，其具体优化步骤如下：
步骤1、在感性耦合射频等离子体处于放电状态下，首先确定一个合理性预估值的线圈几何形状和放电室几何形状，然后确定相关参数和确定射频频率，包括线圈半径，线圈高度/>，线圈匝数N，放电室外半径/>，放电室内半径/>，射频频率/>；其中，，/>、b、/>、/>的单位均为m；
步骤2、利用线圈电感计算公式计算出射频线圈的电感值，射频线圈的电感值/>的计算公式为：
，
其中，为真空磁导率，/>为圆周率；为了简化计算，对射频线圈的电感值的计算公式进行优化，其优化后的公式如下：
当时，射频线圈的电感值/>的计算公式为：
，
当时，射频线圈的电感值/>的计算公式为：
。
将步骤1确定的线圈相关参数值线圈半径、线圈高度/>、线圈匝数N进行/>或/>的判断，然后带入到上述优化后两个公式中的应的一个公式中进行计算，计算出射频线圈的电感值/>；
接着利用线圈电阻计算公式计算出射频线圈的电阻值，射频线圈的电阻值的计算公式为：
，
其中，为铜管半径，单位为m；/>为铜的电导率，；/>为射频角频率，/>，/>为射频频率，将上述计算出的射频线圈的电感值/>代入到射频线圈的电阻值/>的计算公式中，计算出射频线圈的电阻值/>；由射频线圈的电阻值/>的计算公式可知，线圈的电阻值/>和电感值/>呈线性关系；
步骤3、计算出品质因子Q，其中，品质因子Q的计算公式为：
，
将步骤2中计算出的射频线圈的电感值和电阻值/>代入到上述品质因子Q的计算公式中，计算出品质因子Q的值，然后结合等离子体变压器模型，计算出射频离子源最大功率转换效率/>；射频离子源最大功率转换效率/>的计算公式为：
，
其中，为弹性碰撞频率，/>的取值在0.1-0.8之间；代入品质因子Q的值以及步骤1中确定的线圈相关参数值放电室外半径/>和放电室内半径/>，计算出射频离子源最大功率转换效率/>，即射频离子源线圈的耦合效率；
步骤4、本申请中射频离子源最大功率转换效率的设计要求是达到65％-85％，判断上述计算得出的射频离子源最大功率转换效率/>是否在65％-85％之间，是否满足设计要求；
步骤5、若射频离子源最大功率转换效率满足要求，在65％-85％之间，则输出线圈及放电室几何形状和相关参数值，作为射频离子源的设计参考，并进行下一步的仿真设计；
步骤6、若计算出射频离子源最大功率转换效率不满足设计要求，不在65％-85％之间，则对线圈的几何形状及参数进行优化，该优化方法包括增加或减少线圈匝数、加大或减小线圈半径以及加大或减小线圈高度；再重复上述步骤1至步骤4，直至射频离子源最大功率转换效率/>满足设计要求，然后输出线圈及放电室几何形状和相关参数值，作为射频离子源的设计参考，并进行下一步的仿真设计。
本申请中，线圈的品质因子Q是评价电感线圈品质的一个重要参量，Q值越大，表示线圈的热损耗越小，效率越高，品质因子Q值是提高耦合性能的重要因素之一。品质因子Q与射频离子源最大功率转换效率呈正相关，因此在射频线圈的表面电镀金属银层，可以在保持线圈电感量几乎不变的条件下，提高品质因子Q值，射频线圈表面镀银后，因为高频电流的“集肤效应”，电流只从导线表面流通，表面为银可以降低电阻率，降低射频线圈的内阻，使感应放电的匹配性能显著改善，提高耦合效率。
本申请中，该对射频离子源线圈耦合效率的估算优化方法，通过计算得到射频离子源最大功率转换效率，即实现对射频离子源线圈耦合效率的精准估算，通过判断射频离子源最大功率转换效率是否满足设计要求，从而实现对优化线圈的几何形状及相关参数的优化，进而解决射频离子源设计与运行过程中线圈耦合效率不可知的问题；通过估算线圈耦合效率从而来优化相关基本参数，实现指导射频离子源的设计。
最后应说明的是：以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明性的保护范围之内的发明内容。
Claims (9)
1.一种对射频离子源线圈耦合效率的估算优化方法，其特征在于：包括使用等离子变压器模型，其优化步骤如下：
步骤1、在感性耦合射频等离子体处于放电状态下，首先确定一个合理性预估值的线圈几何形状和放电室几何形状，然后确定相关参数和确定射频频率；
步骤2、利用线圈电感计算公式计算出线圈的电感值，利用线圈电阻计算公式计算出线圈的电阻值，其中线圈的电阻值和电感值呈线性关系；
步骤3、计算出品质因子Q，然后结合等离子体变压器模型，计算出射频离子源最大功率转换效率；
步骤4、判断射频离子源最大功率转换效率是否满足设计要求；
步骤5、若射频离子源最大功率转换效率满足要求，则输出线圈及放电室几何形状和相关参数值，作为射频离子源的设计参考，并进行下一步的仿真设计；
步骤6、若计算出射频离子源最大功率转换效率不满足设计要求，则对线圈的几何形状及参数进行优化，再重复上述步骤1至步骤4，直至射频离子源最大功率转换效率满足设计要求，然后输出线圈及放电室几何形状和相关参数值，作为射频离子源的设计参考，并进行下一步的仿真设计。
2.根据权利要求1所述的一种对射频离子源线圈耦合效率的估算优化方法，其特征在于：所述线圈的电感值的计算公式为：
，
其中，为线圈半径，b为线圈高度，/>和b的单位均为m；/>为真空磁导率，/>为圆周率，N为线圈匝数，/>为电感值。
3.根据权利要求2所述的一种对射频离子源线圈耦合效率的估算优化方法，其特征在于：对所述线圈的电感值的计算公式进行优化，其优化后的公式如下：
当时，所述线圈的电感值/>的计算公式为：
，
当时，所述线圈的电感值/>的计算公式为：
。
4.根据权利要求3所述的一种对射频离子源线圈耦合效率的估算优化方法，其特征在于：所述线圈的电阻值的计算公式为：
，
其中，为铜管半径，单位为m；/>为铜的电导率，/>；/>为射频角频率，/>，/>为射频频率，/>，/>为电阻值。
5.根据权利要求4所述的一种对射频离子源线圈耦合效率的估算优化方法，其特征在于：所述品质因子Q的计算公式为：
。
6.根据权利要求5所述的一种对射频离子源线圈耦合效率的估算优化方法，其特征在于：所述射频离子源最大功率转换效率的计算公式为：
，
其中，为弹性碰撞频率，/>的取值在0.1-0.8之间；/>为放电室外半径，/>为放电室内半径，/>和/>的单位均为m，/>为射频离子源最大功率转换效率。
7.根据权利要求1所述的一种对射频离子源线圈耦合效率的估算优化方法，其特征在于：所述射频离子源最大功率转换效率的设计要求是达到65％-85％。
8.根据权利要求1所述的一种对射频离子源线圈耦合效率的估算优化方法，其特征在于：所述线圈的几何形状及参数优化方法包括增加或减少线圈匝数、加大或减小线圈半径以及加大或减小线圈高度。
9.根据权利要求1所述的一种对射频离子源线圈耦合效率的估算优化方法，其特征在于：所述等离子变压器模型包含射频线圈和等离子体，所述射频线圈的表面电镀有金属银层。
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Legal Events
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| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
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