阻抗匹配RF系統(tǒng)

1、 Gongchuang PV Confidential 1Impedance Match of RF System阻抗匹配RF系統(tǒng)(matching box) Gongchuang PV Confidential 2 RF系統(tǒng)中為什么要用匹配器？系統(tǒng)中為什么要用匹配器？如果source沒(méi)有內(nèi)阻，所有的功率都消耗在負(fù)載上這樣輸出功率始終是最大。但是實(shí)際過(guò)程匯總?cè)魏蜗到y(tǒng)他都是有內(nèi)阻的，所以為了使得負(fù)載的功率最大，所以要使用匹配器使得負(fù)載阻抗和功率阻抗要一致。 Gongchuang PV Confidential 3Impedance Match阻抗匹配什么叫阻抗匹配impedance matchi

2、ng ？什么叫阻抗匹配impedance matching ？包括純電阻阻抗匹配、電抗匹配負(fù)載阻抗等于信源內(nèi)阻抗的共軛值，即它們的模相等而輻角之和為零。如果信源內(nèi)阻抗和負(fù)載阻抗均為純阻性，則兩種匹配條件是等同的。負(fù)載阻抗等于信源內(nèi)阻抗，即它們的模與輻角分別相等，這時(shí)在負(fù)載阻抗上可以得到無(wú)失真的電壓傳輸 Gongchuang PV Confidential 4在中學(xué)物理電學(xué)中曾講述這樣一個(gè)問(wèn)題：把一個(gè)電阻為R 的用電器，接在一個(gè)電動(dòng)勢(shì)為E、內(nèi)阻為r 的電池組上（見(jiàn)圖1），在什么條件下電源輸出的功率最大呢？當(dāng)外電阻等于內(nèi)電阻時(shí)，電源對(duì)外電路輸出的功率最大，這就是純電阻電路的功率匹配。SRrU 當(dāng)R

3、=r時(shí) ,P最大,即功率輸出最大。 Gongchuang PV Confidential 5電抗電路要比純電阻電路復(fù)雜，電路中除了電阻外還有電容和電感。在交流電路中，電阻、電容和電感對(duì)交流電的阻礙作用叫阻抗，用字母Z 表示。其中，電容和電感對(duì)交流電的阻礙作用，分別稱為容抗及和感抗。因而電抗電路要做到匹配比純電阻電路要復(fù)雜一些，除了輸人和輸出電路中的電阻成分要求相等外，還要求電抗成分大小相等符號(hào)相反（駐波效應(yīng)）滿足上述條件即稱為阻抗匹配。負(fù)載即能得到最大的功率阻抗匹配也就是純電阻電路匹配和電抗電路匹配的總和 Gongchuang PV Confidential 6阻抗匹配的關(guān)鍵是前級(jí)的輸出阻抗與

4、后級(jí)的輸人阻抗相等輸人阻抗是指電路對(duì)著信號(hào)源講的阻抗，輸出阻抗的值表示其承擔(dān)負(fù)載的阻抗 Gongchuang PV Confidential 7什么是駐波效應(yīng)？頻率和振幅均相同、振動(dòng)方向一致、傳播方向相反的兩列波疊加后形成的波。波在介質(zhì)中傳播時(shí)其波形不斷向前推進(jìn)，故稱行波；上述兩列波疊加后波形并不向前推進(jìn)，故稱駐波比。 Gongchuang PV Confidential 8影響阻抗匹配(有反射波的原因)的有以下幾點(diǎn)： 高壓傳導(dǎo)絕緣體被擊穿或打破。 由于熱傳導(dǎo)反射波增大 噪音影響問(wèn)題 射頻發(fā)生器受損。 射頻干擾RF入射功率P(正向波)最大的條件：ZL=Z0RF反射功率P(正向波)出現(xiàn)的條件：Z

5、LZ0或者ZLZ0其中：是反射系數(shù) Gongchuang PV Confidential 9Standing Wave Ratio (SWR)駐波比:=SWR =Z MAX VMAXZ MIN VMIN駐波比與反射系數(shù)的關(guān)系：當(dāng)駐波比SWR絕對(duì)值=1時(shí)反射系數(shù)為0，說(shuō)明我們達(dá)到匹配。駐波比與反射系數(shù) Gongchuang PV Confidential 10如圖：傳輸線越長(zhǎng)越長(zhǎng)，超過(guò)1/2波長(zhǎng)，如果沒(méi)有匹配的話，反射波越明顯effects of standing waves are significant如果傳輸線越短，少于1/16波長(zhǎng)的話，可以忽略反射。但是對(duì)于不同頻率的射頻器，頻率越高，要

6、求的傳輸線越短。而事實(shí)上我們傳輸線都是超過(guò)1/2波長(zhǎng)的，所以我們必須匹配器。再者我們的負(fù)載阻抗也不一定是50. Gongchuang PV Confidential 11LC諧振回路是高頻電路里最常用的無(wú)源網(wǎng)絡(luò)， 包括并聯(lián)回路和串聯(lián)回路兩種結(jié)構(gòu)類型。 利用LC諧振回路的幅頻特性和相頻特性，不僅可以進(jìn)行選頻，即從輸入信號(hào)中選擇出有用頻率分量而抑制掉無(wú)用頻率分量或噪聲(例如在選頻放大器和正弦波振蕩器中) 也可以用來(lái)與射頻頻率匹配。匹配等效電路：首先我們得先了解LC諧振回路 Gongchuang PV Confidential 12阻抗電路的串阻抗電路的串并聯(lián)等效轉(zhuǎn)換并聯(lián)等效轉(zhuǎn)換 由電阻元件和電抗元

7、件組成的阻抗電路的串聯(lián)形式與并聯(lián)形式可以互相轉(zhuǎn)換， 而保持其等效阻抗。 Gongchuang PV Confidential 13PECVD,ETCH所使用的matching box匹配等效電路：等效為斷路50并聯(lián)轉(zhuǎn)串聯(lián)LC共軛 Gongchuang PV Confidential 14我們RF系統(tǒng)中提到的Pfwd和Pref就是正向功率和反射功率。所以我們要做到匹配就是要使得Pfwd為最大，Pref=0RF系統(tǒng)組成:RF generatorMatch boxChamber Gongchuang PV Confidential 15RF系統(tǒng)組成:chamber Gongchuang PV Con

8、fidential 16RF發(fā)生器：一般我們的RF系統(tǒng)的內(nèi)阻都設(shè)定在50歐姆左右。所以匹配時(shí)主要是把同軸線和負(fù)載匹也配成50歐姆的。為什么選用50呢，這是國(guó)際規(guī)定的，也是最有成效的。50歐姆的同軸線兼顧了耐壓、功率容量和衰減的要求75歐姆的同軸線衰減最小60歐姆的同軸線耐壓最大30歐姆的同軸線功率容量最大 Gongchuang PV Confidential 17Match box的基本結(jié)構(gòu)： Gongchuang PV Confidential 18反射系數(shù)檢查器：連接在RF入射口與控制電機(jī)之間，他一直在反復(fù)監(jiān)控入射電壓和反射電壓，通過(guò)計(jì)算駐波比的值來(lái)調(diào)制電機(jī)旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)數(shù)及正反方向，最終使得駐波

9、比SWR=1，才算達(dá)到匹配。一般有2個(gè)匹配，一個(gè)匹配負(fù)載大小(magnitude detector)，一個(gè)匹配相位（phase detector )。負(fù)載電阻匹配（load）：當(dāng)監(jiān)控V/I=50時(shí)，匹配OK.當(dāng)監(jiān)控V/I50時(shí)，控制電機(jī)正轉(zhuǎn)或者反轉(zhuǎn)。負(fù)載相位匹配（tune）：監(jiān)控分流組件的電壓電流，當(dāng)監(jiān)控電壓快于電流值是，說(shuō)明相位誤差0，如果監(jiān)控到電流快于電壓值說(shuō)明相位誤差0 .當(dāng)電流電壓同相時(shí)，值相位差=0通過(guò)這種相位變換來(lái)控制電機(jī)正轉(zhuǎn)或者反轉(zhuǎn)。 Gongchuang PV Confidential 19中央處理單元&電機(jī)控制器：把反射系數(shù)檢查器發(fā)出的信號(hào)處理并把處理結(jié)果反饋給電機(jī)控

10、制器，控制電機(jī)正反轉(zhuǎn)。匹配網(wǎng)絡(luò)：旋轉(zhuǎn)葉片式： 2個(gè)電容，中間一塊絕緣片，通過(guò)電機(jī)控制中間的絕緣片來(lái)改變電容件的相對(duì)面積來(lái)改變電容的。有多種方式，有可變電感接觸式，有旋轉(zhuǎn)葉片式等等 Gongchuang PV Confidential 20電容旋轉(zhuǎn)電機(jī)的結(jié)構(gòu)示意圖： Gongchuang PV Confidential 21負(fù)載單元：對(duì)于PECVD，ETCH等離子設(shè)備我們使用的負(fù)載都是真空chamber.我們使用的上下電極都是隔開(kāi)的，上電極或者下電極我們?cè)诒砻嬗凶鰎ecoat處理，有絕緣作用，正常來(lái)說(shuō)他不會(huì)漏電或者發(fā)生電容響應(yīng)。 但是實(shí)際過(guò)程中，plasma是一種高速電子，以及電子的竄動(dòng)，都會(huì)或多或少影響負(fù)載的大小及相位。所以我們chamber的環(huán)境也很重要。 Gongchuang PV Confidential 22Load：使用電容來(lái)匹配，作用：匹配電阻tune：使用電容來(lái)匹配，匹配，作用：匹配相位 Gongchuang PV Confidential