[发明专利]一种快速RF自动阻抗匹配方法

说明书

技术领域

本发明涉及射频传输技术领域，尤其涉及一种快速RF自动阻抗匹配的方法。

背景技术

在典型的RF等离子体发生装置中，恒定输出阻抗(通常为50Ω)的RF发生器产生固定频率(通常为13.56MHz)的RF波，向等离子体腔室提供RF功率，以激发用于刻蚀或其他工艺的等离子体。一般来讲，等离子体腔室的非线性负载的阻抗与RF发生器的恒定输出阻抗并不相等，故在RF发生器和等离子体腔室之间具有严重的阻抗失配，使得RF传输线上存在较大的反射功率，RF发生器产生的功率无法全部输送给等离子体腔室。为解决该问题，须在RF发生器和等离子体腔室之间插入模值/相角探测器和阻抗匹配网络。前者用于检测RF传输线上的电压、电流、前向功率、反向功率等相关参数，并根据这些参数计算出与匹配网络输入阻抗相关的阻抗模值误差信号和阻抗相角误差信号。后者包括用以实现匹配控制方法模拟控制电路或数字控制器和用以调节匹配网络输入阻抗的执行机构。其中，控制器负责根据阻抗模值误差信号和阻抗相角误差信号，通过某种控制方法，给出控制执行机构的控制信号。执行机构内有两个可变阻抗元件，根据控制信号调节它们的值，从而使得匹配网络的输入阻抗等于RF发生器的恒定输出阻抗，二者达到匹配。此时，RF传输线上的发射功率为零，RF发生器产生的功率全部输送给了等离子体腔室。

以图1所示L型匹配网络为例，传统自动阻抗匹配方法常采用单比例系数和单死区设置的比例调节方法，利用与匹配网络输入阻抗模值相关的误差信号|Z|_error来调节并联电容C1，比例系数为k₁＞0。利用与匹配网络输入阻抗相角相关的误差信号θ_error来调节串联电容C2，比例系数为k₂＞0。当匹配网络输入阻抗模值|Z|＞50Ω且|Z|_error＞ΔZ＞0时，驱动真空电容C1旋转的步进电机M1的位置变化量为ΔP₁＝k₁*|Z|_error＞0，C1值增大，反之C1减小。当匹配网络输入阻抗的模值得误差θ_error＞0且θ_error＞Δθ＞0时，驱动真空电容C2旋转的步进电机M2的位置变化量为ΔP₂＝k₂*θ_error＞0，C2值增大，反之C2减小。同时调节C1、C2，直到|Z|_error和θ_error落入各自的死区，即-ΔZ＜|Z|_error＜ΔZ、-Δθ＜θ_error＜Δθ，此时|Z|≈50Ω、θ≈0，网络达到匹配。

现有自动阻抗匹配方法在调节过程中，比例系数k₁、k₂保持不变。当|Z|_error和θ_error较大时，阻抗位置距匹配点较远，较大的k₁、k₂可使阻抗位置以较快的速度向匹配点靠近，随着阻抗位置向匹配点靠近，|Z|_error和θ_error也随之减小，此时，同样的k₁、k₂会导致系统超调，“错过”死区，从而导致阻抗点在死区附近“徘徊”，系统产生震荡。同理，较小的k₁、k₂虽然可以在|Z|_error和θ_error较小时令系统稳定，但是当|Z|_error和θ_error较大时，会导致匹配速度较慢，增加匹配时间。

现有自动阻抗匹配方法在调节过程中，死区大小ΔZ、Δθ也保持不变。如果死区选择过大，即ΔZ、Δθ过大，系统将无法达到所需要的匹配精度。但如果死区选择过小，即ΔZ、Δθ过小，虽然可以保证系统精度，但是会导致电机转动次数增加、磨损程度加大，从而导致使用寿命减少。

此外，因为死区的大小和比例系数的选择有一定关系，选择不好可能会导致系统无法匹配。所以单一的比例系数和死区不易同时解决匹配速度、匹配精度、系统超调、震荡和电机运转次数过多等问题。

发明内容