基于遗传算法的真空磁控溅射射频阻抗匹配仿真研究
针对真空磁控溅射射频电源阻抗匹配问题, 设计射频L 型阻抗匹配网络结构。在负载阻抗不同速率变化时, 基于遗传算法优化反射系数指标, 通过调节匹配网络中两个电容值以达到与射频源的阻抗匹配。大量仿真结果表明, 遗传算法的阻抗匹配过程, 反射系数能够很快地被调节到最佳值; 即使负载阻抗产生较大突变, 匹配网络亦能使反射系数快速恢复到最佳匹配点。匹配过程速度快、在最佳匹配点处反射系数波动小、匹配系统精度高。
在真空镀膜、等离子体刻蚀或相关行业中, 尤其在制备各种功能薄膜、介质薄膜或进行微纳加工时,需要使用各种功率源用于激发气体获得等离子体。射频电源在这一领域应用十分广泛, 它能产生高频、大功率信号, 在溅射镀膜中不仅能激发导体, 且能激发半导体甚至绝缘体产生溅射, 可镀制各种功能薄膜[1-2].
真空磁控溅射射频电源本身的内阻往往是50欧或75欧, 输出信号的频率大到数兆赫兹, 电源的功率由所使用负载的大小决定。真空腔室内所用负载的阻抗值是时变的, 即随着时间和腔室内环境参数的改变发生非线性变化, 甚至产生突变。若直接将射频电源与负载相连接, 必然导致阻抗失配、射频传输线上反射功率产生, 射频功率源产生的功率无法最大限度地传给负载, 而且过大的反射功率信号会给环境带来高频电磁辐射[3] 。为此, 射频功率源与负载之间需快速、平稳、准确地达到阻抗匹配状态, 以保射频电源正常、高效、安全工作。
国内外对真空磁控溅射镀膜中射频电源阻抗匹配问题开展了一些研究。文献[4]采用梯度搜索法优化反射系数值以达到射频源与负载之间的阻抗匹配; 文献[5]为提高搜索效率, 对反射系数最优值的梯度搜索算法进行了改进; 文献[6]基于模拟退火法优化反射系数值以获得阻抗匹配。然而梯度搜索法要求被优化函数可导; 基于模拟退火法的优化过程,反射系数不能被快速调节到最优值, 易陷入局部最优, 反射功率不能被最大程度地降低。因此, 真空磁控溅射射频阻抗匹配方法仍有待于进一步研究。由于遗传算法具有全局寻优能力, 且对被优化目标函数没有过多要求, 本文基于遗传算法在负载阻抗不变、速变、突变等情况下以反射系数最小为指标, 计算出阻抗匹配时最佳匹配参数, 并对真空磁控溅射射频阻抗匹配系统的匹配效果进行比较分析。/p>
1、真空磁控溅射射频阻抗匹配系统
射频阻抗匹配网络结构有L 型、 型、T 型等[7] , 真空射频电源阻抗匹配网络大多采用L 型, 如图1 所示。图1 中ZL 表示负载阻抗, 往往为复阻抗;AC 表示射频功率源, Rs 表示射频源内阻; 虚线框表示L 型阻抗匹配网络, 连接于射频源与负载之间。该匹配网络由与负载ZL 相串联的一固定电感L 、可调电容C1 及与之并联的可调电容C2 组成; 通过调节C1, C2 的电容值大小达到阻抗匹配状态。由于电感和电容对能量只有存储和释放的作用而不会消耗额外能量, 所以在阻抗匹配的情况下, 由射频源发生的功率能够最大限度地输送于负载, 不会被匹配网络消耗而转变成热能。
图1 射频电源L 型阻抗匹配系统图
3、结论
本文针对真空磁控溅射射频阻抗匹配问题, 首先设计了L 型阻抗匹配网络结构, 并计算出了由调节电容C1, C2 可匹配的负载阻抗范围。通过大量地仿真实验可以得出如下结论:
(1) 在负载阻抗值不变的情况下, 基于遗传算法进行阻抗匹配可以达到理想的匹配效果, 所需的匹配时间短, 达到匹配时反射系数趋近于0, 能够使射频功率源产生的功率最大限度且快速地输于负载使用。
(2) 当负载阻抗缓慢变化、快速变化甚至突变时, 基于遗传算法的阻抗匹配过程均具有很快的匹配速度; 虽然随着负载阻抗值变化速度的增加, 反射系数在最佳匹配点波动增加, 但波动量均不超过0.05, 反射功率小, 即能够满足真空磁控溅射射频阻抗匹配系统的要求。
因此, 基于遗传算法实现真空射频阻抗快速匹配, 效果非常明显, 能为下一步真空射频自动阻抗匹配器工程实现提供理论参考和技术保障。
参考文献
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