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沒有內(nèi)阻，所有的功率都消耗在負載上這樣輸出功率始終是最大。但是實際過程匯總?cè)魏蜗到y(tǒng)他都是有內(nèi)阻的，所以為了使得負載的功率最大，所以要使用匹配器使得負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 ？阻抗匹配是指負載阻抗與激勵源內(nèi)部阻抗互相適配，得到最大功率輸出的一種工作狀態(tài)。對于不同特性的電路，匹配條件是不一樣的。在純電阻電路中，當負載電阻等于激勵源內(nèi)阻時，則輸出功率為最大，這種工作狀態(tài)稱為匹配，否則稱為失配。什么叫阻抗匹配impedance matching ？包括純電阻阻抗匹配、電抗匹配負載阻抗等于信源內(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)阻抗和負載阻抗均為純阻性，則兩種匹配條件是等同的。負載阻抗等于信源內(nèi)阻抗，即它們的模與輻角分別相等，這時在負載阻抗上可以得到無失真的電壓傳輸 Gongchuang PV Confidential 4在中學物理電學中曾講述這

3、樣一個問題：把一個電阻為R 的用電器，接在一個電動勢為E、內(nèi)阻為r 的電池組上（見圖1），在什么條件下電源輸出的功率最大呢？當外電阻等于內(nèi)電阻時，電源對外電路輸出的功率最大，這就是純電阻電路的功率匹配。純電阻電路匹配SRrU當R=r時 ,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。電抗電路匹配在交流電路中，電阻、電容和電感對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

4、求相等外，還要求電抗成分大小相等符號相反（駐波效應(yīng)）滿足上述條件即稱為阻抗匹配。負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)鍵是前級的輸出阻抗與后級的輸人阻抗相等輸人阻抗是指電路對著信號源講的阻抗，輸出阻抗的值表示其承擔負載的阻抗要點 純電阻要相同。 阻抗要共軛，即幅角相反，模相相等。(一般在我們PECVD系統(tǒng)matching box主要是用來調(diào)整幅角和模相的) Gongchuang PV Confidential 7什么是駐波效應(yīng)？頻率和振幅均相同、振動方向一致、傳播方向相反的兩列波疊加后形成的波

5、。波在介質(zhì)中傳播時其波形不斷向前推進，故稱行波；上述兩列波疊加后波形并不向前推進，故稱駐波比。當紅色的入射波和藍色的反射波振幅相同，方向相反的疊加就是駐波，如下圖所示。 Gongchuang PV Confidential 8影響阻抗匹配(有反射波的原因)的有以下幾點： 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：ZLZ0或者ZLZ0其中：是反射系數(shù) Gongchuang PV Confidential 9Standing Wave Ratio (SWR)駐波比:=

6、SWR =Z MAX VMAXZ MIN VMIN駐波比與反射系數(shù)的關(guān)系：當駐波比SWR絕對值=1時反射系數(shù)為0，說明我們達到匹配。駐波比與反射系數(shù) Gongchuang PV Confidential 10如圖：傳輸線越長越長，超過1/2波長，如果沒有匹配的話，反射波越明顯effects of standing waves are significant如果傳輸線越短，少于1/16波長的話，可以忽略反射。但是對于不同頻率的射頻器，頻率越高，要求的傳輸線越短。而事實上我們傳輸線都是超過1/2波長的，所以我們必須匹配器。再者我們的負載阻抗也不一定是50. Gongchuang PV Confid

7、ential 11LC諧振回路是高頻電路里最常用的無源網(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，不僅可以進行選頻，即從輸入信號中選擇出有用頻率分量而抑制掉無用頻率分量或噪聲(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

8、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PECVD&DRY ETCHRF系統(tǒng)應(yīng)用我們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 Confidential 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。所以匹配時主要是把同軸線和

9、負載匹也配成50歐姆的。為什么選用50呢，這是國際規(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入射口與控制電機之間，他一直在反復(fù)監(jiān)控入射電壓和反射電壓，通過計算駐波比的值來調(diào)制電機旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)數(shù)及正反方向，最終使得駐波比SWR=1，才算達到匹配。一般有2個匹配，一個匹配負載大小(magnitude detector)，一個匹

10、配相位（phase detector )。負載電阻匹配（load）：當監(jiān)控V/I=50時，匹配OK.當監(jiān)控V/I50時，控制電機正轉(zhuǎn)或者反轉(zhuǎn)。負載相位匹配（tune）：監(jiān)控分流組件的電壓電流，當監(jiān)控電壓快于電流值是，說明相位誤差0，如果監(jiān)控到電流快于電壓值說明相位誤差0 .當電流電壓同相時，值相位差=0通過這種相位變換來控制電機正轉(zhuǎn)或者反轉(zhuǎn)。 Gongchuang PV Confidential 19中央處理單元&電機控制器：把反射系數(shù)檢查器發(fā)出的信號處理并把處理結(jié)果反饋給電機控制器，控制電機正反轉(zhuǎn)。匹配網(wǎng)絡(luò)：旋轉(zhuǎn)葉片式： 2個電容，中間一塊絕緣片，通過電機控制中間的絕緣片來改變電容件的相對面

11、積來改變電容的。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)電機的結(jié)構(gòu)示意圖： Gongchuang PV Confidential 21負載單元：對于PECVD，ETCH等離子設(shè)備我們使用的負載都是真空chamber.我們使用的上下電極都是隔開的，上電極或者下電極我們在表面有做recoat處理，有絕緣作用，正常來說他不會漏電或者發(fā)生電容響應(yīng)。 但是實際過程中，plasma是一種高速電子，以及電子的竄動，都會或多或少影響負載的大小及相位。所以我們chamber的環(huán)境也很重要。 Gongchuang PV Confidential 22Load：使用電容來匹配，作用：匹配電阻tune：使用電容來匹配，匹配，作用：匹配相位 Gongchuang PV