自动阻抗匹配器硬件系统的研制及相关特性的研究

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1、第l章绪论实现理想功率传输而在源和负载之间进行阻抗匹配。事实上，许多实际的匹配网络除了减少功率损耗功能外还有其他功能，比如减小噪声干扰、提高功率容量和提高频率响应的线性度等。通常认为，匹配网络的用途就是实现阻抗变换，就是将给定的阻抗值变换成其它更适合的阻抗值。自动阻抗匹配器能够及时跟踪等离子体负载复杂的阻抗变化，保证负载和源之间阻抗匹配，从而保证从射频源输出的功能都能被等离子体负载全部吸收，进而提高半导体加工的工艺水平。1．2国内外研究概况目前，国内只能生产手动调节的阻抗匹配器，其完全依靠使用者凭经验进行调节，其匹配精度低，反应时间长，从而

2、制约着低温等离子体应用研究水平的提高。随着周围环境温度等因素的影响，负载特性会发生相当的变化[6】，手动调节由于无法快速进行及时地阻抗匹配，等离子体的特性就会发生波动，当等离子体应用于高精度半导体加工工艺中时，这种波动往往是非常致命的，最终导致加工失败[7】。关于自动匹配网络及自动匹配算法，国外很早就有人开始研究[8】。最早利用反射系数的模和相位信息来控制自动匹配网络。后来有人提出只利用反射系数的模来控制匹配网络的方法。两者的相似点都是利用的模的梯度信息，通过搜寻使反射系数达到设定匹配条件下反射系数阈值，实现自动阻抗匹配的【9]【10】。另

3、外的一些研究人员利用神经网络和遗传算法等人工智能算法，也得到了一些比较好的自动匹配结果[11】[12】。由于自动阻抗匹配网络应用的普遍性。国外很多先进生产工艺控制设备供应商都有全系列的自动阻抗匹配设备。比如美国的MKS生产的MWH系列产品，能够实现5秒内使反射系数<0．005。美国的T＆钇AR公司生产的AMU2-l产品，反射系数能够达到<0．01。韩国NewPowerPlasma公司生产的NPM系列等。国内只有少数几家生产射频源的科研单位能够生产手动匹配器。1．3发展趋势从国外同类产品的分类来看，自动阻抗匹配器趋向用户定制模式。主要原因是应

4、用场合不同，负载特性的变化也不同，而匹配网络的匹配范围根据网络的结构和网络中分布元件可调范围的不同而变化的。换句话说，没有一种匹配网络能够将任意阻抗变换到适合阻抗。针对特定应用，分析特定应用对象的阻抗变化特2第l章绪论性，设计合适的匹配网络，选择合适的元件参数，针对阻抗变化特性而选择相应的优化匹配算法，则是目前自动阻抗匹配器开发生产的主要方式。也只有采用这样一种方式，应此能够快速完成匹配功能，满足实际应用的要求。自动阻抗匹配器一般应用在高压、大电流、强辐射的场合。出于对操作人员安全的考虑，匹配器应该具有远程操作，在线故障检测和全生命周期产品

5、监测等新功能。3第2章模型与理论2．1传输线模型传输线是用以引导电磁能量从一处传递到另一处的一种介质【13】。最典型的传输线由在均匀媒质中放置两根平行直线导线组成，导线各处具有相同材料、相同截面，并且导线周围介质沿线均匀分布。在传输线中，电流在导线的电阻中引起沿线的电压降，并在导线的周围产生磁场，即沿线有电感的存在，变动的电流沿线产生电感电压降。所以，导线间的电压是连续变化的。另一方面，由于两导体构成电容，因此在导线间存在电容电流；导体间还有漏电导，故还有电导电流。这样，沿线不同的地方，导线中的电流也是不同的。为了计算沿线电压与电流的变化，

6、必须认为导线的每一元段(无限小长度的～段)导线上具有无限小的电阻和电感；在导线问则有电容和电导。这就是传输线的分布参数模型，它是集总参数元件构成的极限情况。由于均匀传输线的几何尺寸及媒质的电磁性能的均匀性，用以反映传输线电磁过程的由于电阻、电感、电容和电导这些参数是分布在线上的，故均匀传输线的原始参数是以每单位长度的电路参数来表示的，即(1)单位长度线段上的电阻‰(包括来回线)，其单位为纠m；(2)单位长度线段上的电感Lo(包括来回线)，其单位为H／fm；(3)单位长度线段的两导线间的漏电导Go，其单位为S／m：(4)单位长度线段的两导线间

7、的电容Co，其单位为F／m。这四个原始参数可以通过计算或测量来决定，并可以被认为在相当宽的频率范围内都是恒定的，即认为这四个参数均为常量。参考图2．1所示的二线均匀传输线，选择传输线始端(激励源端)作为计算距离的起点，即令该处x=0，x轴正方向由始端指向终端(负载端)。传输线上的电压u及电流i的参考方向如图所示。4图2．1均线传输线的电路模型第2章模型与理论其中U+表示入射电压，U。表示反射电压。，+表示入射电流，由于，=口+妒，式(2．14)可以写成u=J么l18一甜P，∽+一厨’+I彳218甜P“九+触’现在把电压向量U"x第2章模型与

8、理论的最大外延即为PI网络可以匹配的最大范围。结果如图2．6所示。根据上述内容，我们可以绘制出任意PI网络的匹配范围。在实际遇到的自动阻抗匹配应用环境下，针对负载的特性，选择合适