阻抗匹配RF系统

1、Impedance Match of RF System 阻抗匹配RF系统(matching box),RF系统中为什么要用匹配器？,如果source没有内阻，所有的功率都消耗在负载上这样输出功率始终是最大。,但是实际过程汇总任何系统他都是有内阻的，所以为了使得负载的功率最大，所以要使用匹配器使得负载阻抗和功率阻抗要一致。,Impedance Match阻抗匹配,什么叫阻抗匹配impedance matching ？,什么叫阻抗匹配impedance matching ？ 包括纯电阻阻抗匹配、电抗匹配,负载阻抗等于信源内阻抗的共轭值，即它们的模相等而辐角之和为零。如果信源内阻抗和负载阻抗均为纯

2、阻性，则两种匹配条件是等同的。,负载阻抗等于信源内阻抗，即它们的模与辐角分别相等，这时在负载阻抗上可以得到无失真的电压传输,在中学物理电学中曾讲述这样一个问题：把一个电阻为R 的用电器，接在一个电动势为E、内阻为r 的电池组上（见图1），在什么条件下电源输出的功率最大呢？当外电阻等于内电阻时，电源对外电路输出的功率最大，这就是纯电阻电路的功率匹配。,R,r,U,当R=r时 ,P最大,即功率输出最大。,电抗电路要比纯电阻电路复杂，电路中除了电阻外还有电容和电感。,在交流电路中，电阻、电容和电感对交流电的阻碍作用叫阻抗，用字母Z 表示。其中，电容和电感对交流电的阻碍作用，分别称为容抗及和感抗。因而

3、电抗电路要做到匹配比纯电阻电路要复杂一些，除了输人和输出电路中的电阻成分要求相等外，还要求电抗成分大小相等符号相反（驻波效应） 满足上述条件即称为阻抗匹配。负载即能得到最大的功率,阻抗匹配也就是纯电阻电路匹配和电抗电路匹配的总和,阻抗匹配的关键是前级的输出阻抗与后级的输人阻抗相等,输人阻抗是指电路对着信号源讲的阻抗，输出阻抗的值表示其承担负载的阻抗,什么是驻波效应？,频率和振幅均相同、振动方向一致、传播方向相反的两列波叠加后形成的波。波在介质中传播时其波形不断向前推进，故称行波；上述两列波叠加后波形并不向前推进，故称驻波比。,影响阻抗匹配(有反射波的原因)的有以下几点： 高压传导绝缘体被击穿或

4、打破。 由于热传导反射波增大 噪音影响问题 射频发生器受损。 射频干扰,RF入射功率P(正向波)最大的条件： ZL=Z0,RF反射功率P(正向波)出现的条件： ZLZ0或者ZLZ0,其中：是反射系数,Standing Wave Ratio (SWR)驻波比:,=,SWR =,Z MAX VMAX Z MIN VMIN,驻波比与反射系数的关系：,当驻波比SWR绝对值=1时反射系数为0，说明我们达到匹配。,驻波比与反射系数,如图：传输线越长越长，超过1/2波长，如果没有匹配的话，反射波越明显effects of standing waves are significant 如果传输线越短，少于1/

5、16波长的话，可以忽略反射。 但是对于不同频率的射频器，频率越高，要求的传输线越短。而事实上我们传输线都是超过1/2波长的，所以我们必须匹配器。再者我们的负载阻抗也不一定是50.,LC谐振回路是高频电路里最常用的无源网络， 包括并联回路和串联回路两种结构类型。 利用LC谐振回路的幅频特性和相频特性，不仅可以进行选频，即从输入信号中选择出有用频率分量而抑制掉无用频率分量或噪声(例如在选频放大器和正弦波振荡器中) 也可以用来与射频频率匹配。,匹配等效电路：,首先我们得先了解LC谐振回路,阻抗电路的串并联等效转换 由电阻元件和电抗元件组成的阻抗电路的串联形式与并联形式可以互相转换， 而保持其等效阻抗

6、。,PECVD,ETCH所使用的matching box匹配等效电路：,等效为断路,50,并联转串联,LC共轭,我们RF系统中提到的Pfwd和Pref就是正向功率和反射功率。 所以我们要做到匹配就是要使得Pfwd为最大，Pref=0,RF系统组成:,RF generator,Match box,Chamber,RF系统组成:,chamber,RF发生器：,一般我们的RF系统的内阻都设定在50欧姆左右。所以匹配时主要是把同轴线和负载匹也配成50欧姆的。,为什么选用50呢，这是国际规定的，也是最有成效的。 50欧姆的同轴线兼顾了耐压、功率容量和衰减的要求 75欧姆的同轴线衰减最小60欧姆的同轴线耐

7、压最大30欧姆的同轴线功率容量最大,Match box的基本结构：,反射系数检查器：,连接在RF入射口与控制电机之间，他一直在反复监控入射电压和反射电压， 通过计算驻波比的值来调制电机旋转转数及正反方向，最终使得驻波比SWR=1， 才算达到匹配。 一般有2个匹配，一个匹配负载大小(magnitude detector)，一个匹配相位（phase detector )。,负载电阻匹配（load）： 当监控V/I=50时，匹配OK. 当监控V/I50时，控制电机正转或者反转。,负载相位匹配（tune）： 监控分流组件的电压电流，当监控电压快于电流值是，说明相位误差0，如果监控到电流快于电压值说明相

8、位误差0 .当电流电压同相时，值相位差=0 通过这种相位变换来控制电机正转或者反转。,中央处理单元&电机控制器：,把反射系数检查器发出的信号处理并把处理结果反馈给电机控制器，控制电机正反转。,匹配网络：,旋转叶片式： 2个电容，中间一块绝缘片，通过电机控制中间的绝缘片来改变电容件的相对面积来改变电容的。,有多种方式，有可变电感接触式，有旋转叶片式等等,电容旋转电机的结构示意图：,负载单元：,对于PECVD，ETCH等离子设备我们使用的负载都是真空chamber. 我们使用的上下电极都是隔开的，上电极或者下电极我们在表面有做recoat处理，有绝缘作用，正常来说他不会漏电或者发生电容响应。 但是实际过程中，plasma是一种高速电子，以及电子的窜动，都会或多或少影响负载的大小及相位。所以我们chamber的环境也很重要。,Load：使用电容来匹配，作用：匹配电阻,tune：使用电容来匹配，