一种等离子体与外电路的阻抗匹配方法及阻抗匹配系统技术方案

本发明专利技术公开了一种等离子体与外电路的阻抗匹配方法及系统，该方法包括：确定阻抗匹配电路，给阻抗匹配网络的元件设定初始参数；对阻抗匹配电路进行放电模拟，对等离子体负载两端的电压波形和流过等离子体负载的电流波形分别做傅里叶变换，计算等离子体负载的阻抗；计算阻抗匹配网络的输入阻抗；计算阻抗匹配网络的反射系数，当反射系数小于等于设定阈值时，结束迭代；当反射系数大于设定阈值时，令射频电源的输出阻抗与阻抗匹配网络的输入阻抗相等，计算并更新阻抗匹配网络的参数值后，重新模拟放电并计算发射系数直至反射系数满足要求。本申请基于数值模拟的方法使等离子体设备实现阻抗匹配，能够使匹配快速达到最佳，并且结果准确可靠。且结果准确可靠。且结果准确可靠。

【技术实现步骤摘要】
一种等离子体与外电路的阻抗匹配方法及阻抗匹配系统


[0001]本专利技术属于等离子体领域
，更具体地，涉及一种等离子体与外电路的阻抗匹配方法及阻抗匹配系统。

技术介绍

[0002]等离子体在微电子工业、气体放电、可控聚变、表面处理和灭菌消毒等领域中有着非常广泛的应用。在各类等离子体设备中，射频电源经过匹配电路后作用到等离子体腔室上，等离子体腔室中的气体吸收电源传递过来的功率开始放电，最终形成稳定的等离子体。匹配电路的作用就是最大限度地提高传输到等离子体负载的功率，并使反射回电源的功率最小，对匹配电路结构和匹配调节方法的研究具有重要意义。而通常情况下，匹配参数需要依据经验来设定和调节，或者在实际放电时引入检测模块来测量电信号并进行反馈调节，这种方法不仅耗时耗力，而且精度难以保证。

技术实现思路

[0003]针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本专利技术提供了一种等离子体与外电路的阻抗匹配方法及阻抗匹配系统，其目的在于提高阻抗匹配速度和精度。
[0004]为实现上述目的，按照本专利技术的一个方面，提供了一种等离子体与外电路的阻抗匹配方法，其中包括：
[0005]步骤1：确定阻抗匹配电路，包括射频电源、阻抗匹配网络和等离子体负载，给所述阻抗匹配网络的元件设定初始参数；
[0006]步骤2：对所述阻抗匹配电路进行放电模拟，直至放电达到稳定；
[0007]步骤3：对所述等离子体负载两端的电压波形和流过等离子体负载的电流波形分别做傅里叶变换，利用傅里叶变换后的最大电压幅值、最大电流幅值以及电压与电流之间的相位差，计算所述等离子体负载的阻抗；
[0008]步骤4：计算所述阻抗匹配网络的输入阻抗；
[0009]步骤5：计算所述阻抗匹配网络的反射系数，当所述反射系数小于等于设定阈值时，执行步骤7；当所述反射系数大于所述设定阈值时，执行步骤6；
[0010]步骤6：令所述射频电源的输出阻抗与所述阻抗匹配网络的输入阻抗相等，计算并更新所述阻抗匹配网络的参数值后，跳转至步骤2；
[0011]步骤7：确定当前阻抗匹配网络的参数为最佳参数。
[0012]在其中一个实施例中，所述步骤3中，计算所述等离子体负载的阻抗的公式为：
[0013][0014]其中，Z为所述等离子体负载的阻抗，U
m
为所述等离子体负载的电压波形做傅里叶变换得到的最大电压幅值，I
m
为所述等离子体负载的电流波形做傅里叶变换得到的最大电流幅值，是电压和电流之间的相位差，j为虚部单位，R为所述等离子体负载的阻抗实部，X
为所述等离子体负载的阻抗虚部。
[0015]在其中一个实施例中，计算出所述等离子体负载的阻抗后，根据等离子体负载的特性，确定所述等离子体负载的等效电路：
[0016]当等离子体负载为容性时，等离子体负载等效为一个电阻和一个电容的串联；
[0017]当等离子体负载为感性时，等离子体负载等效为一个电阻和一个电感的串联。
[0018]在其中一个实施例中，所述阻抗匹配网络包括与所述射频电源并联的可变电容C1、串联于所述可变电容C1与等离子体负载之间的可变电容C2、可变电感L和阻抗匹配网络的损耗电阻R
m
。
[0019]在其中一个实施例中，所述步骤4中，计算所述阻抗匹配网络的输入阻抗的计算公式为：
[0020][0021]其中，Z
L
为所述阻抗匹配网络的输入阻抗，Z1为所述可变电容器C1所在支路的支路阻抗，Z2为所述可变电容器C2所在支路的支路阻抗，为所述可变电容C1的阻抗，为所述可变电容C2的阻抗，Z
L
为所述可变电感L的阻抗，为所述阻抗匹配网络损耗电阻R
m
的阻抗，Z为所述等离子体负载的阻抗。
[0022]在其中一个实施例中，所述步骤5中，计算所述阻抗匹配网络的反射系数的公式为：
[0023][0024]其中，Γ为阻抗匹配系数，Z
L
为所述阻抗匹配网络的输入阻抗，Z
S
为所述射频电源的输出阻抗。
[0025]在其中一个实施例中，所述步骤6中，更新所述阻抗匹配网络的可变电容C1和可变电容C2的值或更新所述阻抗匹配网络的可变电容C1和可变电感L的值，当可变电容C2的更新值大于零时，选择更新所述阻抗匹配网络的可变电容C1和可变电容C2的值；当可变电容C2的更新值小于或等于零时，选择更新所述阻抗匹配网络的可变电容C1和可变电感L的值。
[0026]在其中一个实施例中，所述步骤6中，令所述射频电源的输出阻抗与所述阻抗匹配网络的输入阻抗相等，其中，
[0027]Z
L
＝R
L
+jX
L
[0028]Z
S
＝R
S
+jX
S
[0029]令
[0030]Z
L
＝Z
S
[0031]R
L
＝R
S
[0032]X
L
＝X
S
[0033]其中，Z
L
为所述阻抗匹配网络的输入阻抗，Z
S
为所述射频电源的输出阻抗，R
L
为阻抗匹配网络输入阻抗Z
L
的实部，X
L
为阻抗匹配网络输入阻抗Z
L
的虚部，R
S
为射频电源输出阻抗Z
S
的实部，X
S
为射频电源输出阻抗Z
S
的虚部。
[0034]在其中一个实施例中，所述射频电源具有内阻R
s
，所述阻抗匹配网络具有损耗电阻R
m
，所述等离子体负载具有电阻R
c
，满足：
[0035]R
s
＞R
m
+R
c
。
[0036]按照本专利技术的另一方面，提供了一种等离子体与外电路的阻抗匹配系统，其包括：
[0037]模型搭建模块，用于搭建阻抗匹配电路，包括射频电源、阻抗匹配网络和等离子体负载；
[0038]初始参数赋予模块，用于给所述阻抗匹配网络的元件设定初始参数；
[0039]放电模拟模块，用于所述阻抗匹配电路进行放电模拟；
[0040]傅里叶变换模块，用于在放电稳定期间获取所述等离子体负载两端的电压波形和流过等离子体负载的电流波形并分别做傅里叶变换；
[0041]计算模块，包括第一至第三计算子模块，其中，第一计算子模块用于提取傅里叶变换后的基频成分并根据最大电压幅值、最大电流幅值以及电压与电流之间的相位差计算所述等离子体负载的阻抗，第二计算子模块用于根据所述等离子体负载的阻抗和阻抗匹配网络的当前参数值计算所述阻抗匹配网络的输入阻抗，第三计算子模块用于根据所述阻抗匹配网络的输入阻抗和射频电源的输出阻抗计算所述阻抗匹配网本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种等离子体与外电路的阻抗匹配方法，其特征在于，包括：步骤1：确定阻抗匹配电路，包括射频电源、阻抗匹配网络和等离子体负载，给所述阻抗匹配网络的元件设定初始参数；步骤2：对所述阻抗匹配电路进行放电模拟，直至放电达到稳定；步骤3：对所述等离子体负载两端的电压波形和流过等离子体负载的电流波形分别做傅里叶变换，利用傅里叶变换后的最大电压幅值、最大电流幅值以及电压与电流之间的相位差，计算所述等离子体负载的阻抗；步骤4：计算所述阻抗匹配网络的输入阻抗；步骤5：计算所述阻抗匹配网络的反射系数，当所述反射系数小于等于设定阈值时，执行步骤7；当所述反射系数大于所述设定阈值时，执行步骤6；步骤6：令所述射频电源的输出阻抗与所述阻抗匹配网络的输入阻抗相等，计算并更新所述阻抗匹配网络的参数值后，跳转至步骤2；步骤7：确定当前阻抗匹配网络的参数为最佳参数。2.如权利要求1所述的等离子体与外电路的阻抗匹配方法，其特征在于，所述步骤3中，计算所述等离子体负载的阻抗的公式为：其中，Z为所述等离子体负载的阻抗，U
m
为所述等离子体负载的电压波形做傅里叶变换得到的最大电压幅值，I
m
为所述等离子体负载的电流波形做傅里叶变换得到的最大电流幅值，是电压和电流之间的相位差，j为虚部单位，R为所述等离子体负载的阻抗实部，X为所述等离子体负载的阻抗虚部。3.如权利要求1所述的等离子体与外电路的阻抗匹配方法，其特征在于，计算出所述等离子体负载的阻抗后，根据等离子体负载的特性，确定所述等离子体负载的等效电路：当等离子体负载为容性时，等离子体负载等效为一个电阻和一个电容的串联；当等离子体负载为感性时，等离子体负载等效为一个电阻和一个电感的串联。4.如权利要求1所述的等离子体与外电路的阻抗匹配方法，其特征在于，所述阻抗匹配网络包括与所述射频电源并联的可变电容C1、串联于所述可变电容C1与等离子体负载之间的可变电容C2、可变电感L和阻抗匹配网络的损耗电阻R
m
。5.如权利要求4所述的等离子体与外电路的阻抗匹配方法，其特征在于，所述步骤4中，计算所述阻抗匹配网络的输入阻抗的计算公式为：其中，Z
L
为所述阻抗匹配网络的输入阻抗，Z1为所述可变电容器C1所在支路的支路阻抗，Z2为所述可变电容器C2所在支路的支路阻抗，为所述可变电容C1的阻抗，为所述可变电容C2的阻抗，Z
L
为所述可变电感L的阻抗，为所述阻抗匹配网络损耗电阻R
m
的阻抗，Z为所述等离子体负载的阻抗。6.如权利要求1所述的等离子体与外电路的阻抗匹配方法，其特征在于，所述步骤5中，
计算所述阻抗匹配网络的反射系数的公式为：其中，Γ为阻抗匹配系数，Z
L
为所述阻抗匹配网络的输入阻抗，Z
S
为所述射频电源的输出阻抗。7.如权利要求4所述的等离子体与外电路的阻抗匹配方法，其特征在于，所述步骤6中，更新所述阻抗匹配网络的可变电容C1和可变电容C2的值或更新所述阻抗匹配网络的可变电容C1和可变电感L的值，当可变电容C2...

【专利技术属性】
技术研发人员：姜巍，余世民，高嘉懋，王之江，
申请(专利权)人：华中科技大学，
类型：发明
国别省市：