摘要：闡述原子層沉積系統(tǒng)(ALD)中射頻阻抗匹配器的設計方案。利用ADS軟件對阻抗匹配網(wǎng)絡進行仿真，通過分析ALD真空腔室內(nèi)等離子體產(chǎn)生前后的負載阻抗變化，結合仿真結果，提出等離子體產(chǎn)生過程中阻抗匹配網(wǎng)絡的控制方法。經(jīng)實驗驗證，該阻抗匹配器和控制方法可實現(xiàn)阻抗匹配。
關鍵詞：射頻阻抗匹配器；阻抗匹配網(wǎng)絡；ALD；ADS

原子層沉積系統(tǒng)(ALD)是電感耦合等離子體發(fā)生裝置。射頻電源輸出的電流經(jīng)過負載線圈產(chǎn)生高頻交變的電磁場，將腔室內(nèi)的氣體電離，從而形成等離子體。在13．56 MHz頻率下，負載線圈和等離子體的阻抗一般很小，射頻電源的輸出阻抗和傳輸線的特征阻抗均為50 Ω，此時負載阻抗和傳輸線的特征阻抗不匹配，在傳輸線上會形成反射功率，能量不會為負載全部吸收，過高的反射功率會對射頻電源產(chǎn)生損害。為了將射頻電源發(fā)出的功率全部輸送到反應真空腔室，并且防止阻抗失配狀態(tài)而產(chǎn)生過高的反射功率，需要在射頻電源和負載線圈之間加入阻抗匹配網(wǎng)絡，將上述工藝條件下的負載線圈阻抗和等離子體阻抗變換為50 Ω的純電阻，使系統(tǒng)處于匹配狀態(tài)。

1 阻抗匹配
阻抗匹配就是激勵源內(nèi)部阻抗、傳輸線阻抗、負載阻抗互相適配，得到最大功率輸出的一種工作狀態(tài)。具體而言就是將負載阻抗轉換成一個合適的阻抗或阻抗范圍，該阻抗或阻抗范圍能使射頻電源處于正常的運行狀態(tài)，從負載方面看是使負載盡可能在獲得大功率的同時又保證了負載能正常工作。
在射頻電路中常用反射系數(shù)來衡量電路的匹配程度，反射系數(shù)的表達式為：
Γ0=(ZL-Z0)／(ZL+Z0) (1)
式中：ZL表示負載阻抗；Z0表示傳輸線特性阻抗。對于開路(ZL→∞)，反射系數(shù)為1，意思是反射波與入射電壓有同樣的極性；對于短路(ZL=0)，反射系數(shù)為-1，返回的反射電壓有相反的幅度；當Z0=ZL時，反射系數(shù)為0，不產(chǎn)生反射，入射電壓波完全被負載吸收。

2 阻抗匹配網(wǎng)絡的結構
ALD中采用L型結構的阻抗匹配網(wǎng)絡，由于L型結構具有阻抗調(diào)整范圍大的特點，所以這種結構的阻抗匹配網(wǎng)絡廣泛用于固定頻點的等離子體設備。圖1為L型阻抗匹配網(wǎng)絡的結構示意圖，該匹配網(wǎng)絡由并聯(lián)電容、串聯(lián)電感、串聯(lián)電容組成。串、并聯(lián)電容采用可變真空電容，可變真空電容具有能夠匹配大功率、高耐壓值，可通過電流大和穩(wěn)定性好等優(yōu)點，并且本身自帶減速裝置，有利于減速，匹配精度高。電感由銅管繞制而成。在高頻時，由于電流表現(xiàn)出明顯的趨膚效應，電流在導體的表面流過，為了降低導體表面的電阻率，在電感繞制完成后要鍍上一層銀。

在L型阻抗匹配網(wǎng)絡中，電感L和電容Cx主要是調(diào)整負載阻抗的虛部，而電容Cy主要負責匹配負載阻抗至50 Ω。在射頻13．56 MHz下，阻抗值在一定范圍內(nèi)會動態(tài)地隨著真空度的變化而變化，它的虛部動態(tài)變化范圍相對較大，等效實部一般為幾十歐姆。具體的匹配網(wǎng)絡參數(shù)如下：Cx變化范圍為8～400 pF，Cy的變化范圍為10～1 000 pF，電感L為165nH。