針對真空磁控濺射射頻電源阻抗匹配問題, 設計射頻L 型阻抗匹配網絡結構。在負載阻抗不同速率變化時, 基于遺傳算法優化反射系數指標, 通過調節匹配網絡中兩個電容值以達到與射頻源的阻抗匹配。大量仿真結果表明, 遺傳算法的阻抗匹配過程, 反射系數能夠很快地被調節到最佳值; 即使負載阻抗產生較大突變, 匹配網絡亦能使反射系數快速恢復到最佳匹配點。匹配過程速度快、在最佳匹配點處反射系數波動小、匹配系統精度高。

　　在真空鍍膜、等離子體刻蝕或相關行業中, 尤其在制備各種功能薄膜、介質薄膜或進行微納加工時,需要使用各種功率源用于激發氣體獲得等離子體。射頻電源在這一領域應用十分廣泛, 它能產生高頻、大功率信號, 在濺射鍍膜中不僅能激發導體, 且能激發半導體甚至絕緣體產生濺射, 可鍍制各種功能薄膜^[1-2].

　　真空磁控濺射射頻電源本身的內阻往往是50歐或75歐, 輸出信號的頻率大到數兆赫茲, 電源的功率由所使用負載的大小決定。真空腔室內所用負載的阻抗值是時變的, 即隨著時間和腔室內環境參數的改變發生非線性變化, 甚至產生突變。若直接將射頻電源與負載相連接, 必然導致阻抗失配、射頻傳輸線上反射功率產生, 射頻功率源產生的功率無法最大限度地傳給負載, 而且過大的反射功率信號會給環境帶來高頻電磁輻射^[3] 。為此, 射頻功率源與負載之間需快速、平穩、準確地達到阻抗匹配狀態, 以保射頻電源正常、高效、安全工作。

　　國內外對真空磁控濺射鍍膜中射頻電源阻抗匹配問題開展了一些研究。文獻^[4]采用梯度搜索法優化反射系數值以達到射頻源與負載之間的阻抗匹配; 文獻^[5]為提高搜索效率, 對反射系數最優值的梯度搜索算法進行了改進; 文獻^[6]基于模擬退火法優化反射系數值以獲得阻抗匹配。然而梯度搜索法要求被優化函數可導; 基于模擬退火法的優化過程,反射系數不能被快速調節到最優值, 易陷入局部最優, 反射功率不能被最大程度地降低。因此, 真空磁控濺射射頻阻抗匹配方法仍有待于進一步研究。由于遺傳算法具有全局尋優能力, 且對被優化目標函數沒有過多要求, 本文基于遺傳算法在負載阻抗不變、速變、突變等情況下以反射系數最小為指標, 計算出阻抗匹配時最佳匹配參數, 并對真空磁控濺射射頻阻抗匹配系統的匹配效果進行比較分析。/p>

1、真空磁控濺射射頻阻抗匹配系統

　　射頻阻抗匹配網絡結構有L 型、􀀁 型、T 型等^[7] , 真空射頻電源阻抗匹配網絡大多采用L 型, 如圖1 所示。圖1 中ZL 表示負載阻抗, 往往為復阻抗;AC 表示射頻功率源, Rs 表示射頻源內阻; 虛線框表示L 型阻抗匹配網絡, 連接于射頻源與負載之間。該匹配網絡由與負載ZL 相串聯的一固定電感L 、可調電容C1 及與之并聯的可調電容C2 組成; 通過調節C1, C2 的電容值大小達到阻抗匹配狀態。由于電感和電容對能量只有存儲和釋放的作用而不會消耗額外能量, 所以在阻抗匹配的情況下, 由射頻源發生的功率能夠最大限度地輸送于負載, 不會被匹配網絡消耗而轉變成熱能。

圖1 射頻電源L 型阻抗匹配系統圖

3、結論

　　本文針對真空磁控濺射射頻阻抗匹配問題, 首先設計了L 型阻抗匹配網絡結構, 并計算出了由調節電容C1, C2 可匹配的負載阻抗范圍。通過大量地仿真實驗可以得出如下結論:

　　(1) 在負載阻抗值不變的情況下, 基于遺傳算法進行阻抗匹配可以達到理想的匹配效果, 所需的匹配時間短, 達到匹配時反射系數趨近于0, 能夠使射頻功率源產生的功率最大限度且快速地輸于負載使用。

　　(2) 當負載阻抗緩慢變化、快速變化甚至突變時, 基于遺傳算法的阻抗匹配過程均具有很快的匹配速度; 雖然隨著負載阻抗值變化速度的增加, 反射系數在最佳匹配點波動增加, 但波動量均不超過0.05, 反射功率小, 即能夠滿足真空磁控濺射射頻阻抗匹配系統的要求。

　　因此, 基于遺傳算法實現真空射頻阻抗快速匹配, 效果非常明顯, 能為下一步真空射頻自動阻抗匹配器工程實現提供理論參考和技術保障。

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