ALD中射頻阻抗匹配器的設(shè)計(jì)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(jì)方案。利用ADS軟件對(duì)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(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，該阻抗匹配器和控制方法可實(shí)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(chǎng)，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(shí)負(fù)載阻抗和傳輸線的特征阻抗不匹配，在傳輸線上會(huì)形成反射功率，能量不會(huì)為負(fù)載全部吸收，過高的反射功率會(huì)對(duì)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(lì)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(gè)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(yùn)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(shí)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(lái)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(duì)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(duì)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(shí)，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(diǎn)，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(diǎn)的等離子體設(shè)備。圖1為L(zhǎng)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(diǎn)，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(shí)，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(huì)動(dòng)態(tài)地隨著真空度的變化而變化，它的虛部動(dòng)態(tài)變化范圍相對(duì)較大，等效實(shí)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。
    ALD中負(fù)載線圈是一個(gè)匝數(shù)為4，直徑為120 mm的電感線圈。使用阻抗分析儀測(cè)得其電感量為1 900 nH。利用ADS軟件中的Smith圓圖功能調(diào)整匹配網(wǎng)絡(luò)的參數(shù)值，把電路模型的阻抗調(diào)整到Smith圓圖的中心點(diǎn)，即特性阻抗50 Ω，得到的結(jié)果如圖2所示。此時(shí)得到一組阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)參數(shù)可用于沒有產(chǎn)生等離子體的情況，如表1中等離子體產(chǎn)生前狀態(tài)的參數(shù)值所示。

    根據(jù)理論分析和軟件仿真，在沒有等離子體時(shí)，射頻電源已經(jīng)和負(fù)載阻抗實(shí)現(xiàn)了阻抗匹配。當(dāng)射頻電源的功率為30 W時(shí)，等離子體雖然能啟輝，但光亮很暗，此時(shí)反射功率為10．2 W，反射系數(shù)模值為0．33，反射系數(shù)模值比較高，系統(tǒng)處于失配狀態(tài)，繼續(xù)調(diào)整匹配網(wǎng)絡(luò)的參數(shù)，使系統(tǒng)的反射功率降低直至零。如圖3所示，此時(shí)射頻電源顯示反射功率為0，正向功率為30 W，反射系數(shù)Γ=0，能量全部為負(fù)載吸收，系統(tǒng)處于匹配狀態(tài)，等離子體發(fā)出耀眼的光。如圖4所示。

3 等離子體產(chǎn)生前后負(fù)載阻抗變化分析
    ALD中負(fù)載阻抗為一電感線圈，在頻率為13．56 MHz的高頻電磁場(chǎng)作用下，氬氣電離，產(chǎn)生環(huán)形球狀的低溫等離子體。在等離子體產(chǎn)生后，負(fù)載線圈內(nèi)的電流產(chǎn)生感應(yīng)磁場(chǎng)，使得負(fù)載線圈與等離子體產(chǎn)生互感現(xiàn)象，形成并聯(lián)互感電路模型，如圖5所示。

    在互感模型圖中，L11和RL為負(fù)載線圈的感性分量和電阻分量；L28和R為等離子體的感性分量和電阻分量，M為互感系數(shù)?；ジ邢禂?shù)M及負(fù)載阻抗ZL的計(jì)算如下：
   
    式中：ki為耦合系數(shù)；L12為互感。
    經(jīng)計(jì)算得耦合電感L=1 644 nH，負(fù)載阻抗Z=16．4+140j。此時(shí)，匹配網(wǎng)絡(luò)參數(shù)如表1中等離子體產(chǎn)生后的參數(shù)所示。
    通過對(duì)ALD中負(fù)載在兩種狀態(tài)下的阻抗匹配分析，可以確定等離子體產(chǎn)生前后負(fù)載阻抗及阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)中串、并聯(lián)電容的變化趨勢(shì)，即負(fù)載電感變小，串聯(lián)可變電容容值變大，并聯(lián)可變電容容值變小。

4 結(jié)語(yǔ)
    本文詳細(xì)闡述原子層沉積系統(tǒng)(ALD)中射頻阻抗匹配器的設(shè)計(jì)方案，利用ADS軟件對(duì)等離子體產(chǎn)生前的負(fù)載電路模型進(jìn)行了仿真，并對(duì)等離子體產(chǎn)生前后負(fù)載阻抗的變化進(jìn)行了深入分析，得出負(fù)載阻抗及匹配網(wǎng)絡(luò)參數(shù)的變化趨勢(shì)。經(jīng)過多次試驗(yàn)，能順利使腔室啟輝，快速地使系統(tǒng)的反射功率為0，使系統(tǒng)處于阻抗匹配狀態(tài)。