針對真空磁控濺射射頻電源阻抗匹配問題, 設(shè)計射頻L 型阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。在負載阻抗不同速率變化時, 基于遺傳算法優(yōu)化反射系數(shù)指標, 通過調(diào)節(jié)匹配網(wǎng)絡(luò)中兩個電容值以達到與射頻源的阻抗匹配。大量仿真結(jié)果表明, 遺傳算法的阻抗匹配過程, 反射系數(shù)能夠很快地被調(diào)節(jié)到最佳值; 即使負載阻抗產(chǎn)生較大突變, 匹配網(wǎng)絡(luò)亦能使反射系數(shù)快速恢復(fù)到最佳匹配點。匹配過程速度快、在最佳匹配點處反射系數(shù)波動小、匹配系統(tǒng)精度高。

　　在真空鍍膜、等離子體刻蝕或相關(guān)行業(yè)中, 尤其在制備各種功能薄膜、介質(zhì)薄膜或進行微納加工時,需要使用各種功率源用于激發(fā)氣體獲得等離子體。射頻電源在這一領(lǐng)域應(yīng)用十分廣泛, 它能產(chǎn)生高頻、大功率信號, 在濺射鍍膜中不僅能激發(fā)導(dǎo)體, 且能激發(fā)半導(dǎo)體甚至絕緣體產(chǎn)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(nèi)阻往往是50歐或75歐, 輸出信號的頻率大到數(shù)兆赫茲, 電源的功率由所使用負載的大小決定。真空腔室內(nèi)所用負載的阻抗值是時變的, 即隨著時間和腔室內(nèi)環(huán)境參數(shù)的改變發(fā)生非線性變化, 甚至產(chǎn)生突變。若直接將射頻電源與負載相連接, 必然導(dǎo)致阻抗失配、射頻傳輸線上反射功率產(chǎn)生, 射頻功率源產(chǎn)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(huán)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(wěn)、準確地達到阻抗匹配狀態(tài), 以保射頻電源正常、高效、安全工作。

　　國內(nèi)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(yōu)化反射系數(shù)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(shù)最優(yōu)值的梯度搜索算法進行了改進; 文獻^[6]基于模擬退火法優(yōu)化反射系數(shù)值以獲得阻抗匹配。然而梯度搜索法要求被優(yōu)化函數(shù)可導(dǎo); 基于模擬退火法的優(yōu)化過程,反射系數(shù)不能被快速調(diào)節(jié)到最優(yōu)值, 易陷入局部最優(yōu), 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(yōu)能力, 且對被優(yōu)化目標函數(shù)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(shù)最小為指標, 計算出阻抗匹配時最佳匹配參數(shù), 并對真空磁控濺射射頻阻抗匹配系統(tǒng)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(tǒng)

　　射頻阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)有L 型、􀀁 型、T 型等^[7] , 真空射頻電源阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)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(fù)阻抗;AC 表示射頻功率源, Rs 表示射頻源內(nèi)阻; 虛線框表示L 型阻抗匹配網(wǎng)絡(luò), 連接于射頻源與負載之間。該匹配網(wǎng)絡(luò)由與負載ZL 相串聯(lián)的一固定電感L 、可調(diào)電容C1 及與之并聯(lián)的可調(diào)電容C2 組成; 通過調(diào)節(jié)C1, C2 的電容值大小達到阻抗匹配狀態(tài)。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(fā)生的功率能夠最大限度地輸送于負載, 不會被匹配網(wǎng)絡(luò)消耗而轉(zhuǎn)變成熱能。

圖1 射頻電源L 型阻抗匹配系統(tǒng)圖

3、結(jié)論

　　本文針對真空磁控濺射射頻阻抗匹配問題, 首先設(shè)計了L 型阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu), 并計算出了由調(diào)節(jié)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(jié)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(shù)趨近于0, 能夠使射頻功率源產(chǎn)生的功率最大限度且快速地輸于負載使用。

　　(2) 當(dāng)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(shù)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(tǒng)的要求。

　　因此, 基于遺傳算法實現(xiàn)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(xiàn)提供理論參考和技術(shù)保障。

參考文獻

　　[1]  鐘志有. 射頻等離子體改性工藝與氧化銦錫薄膜性能研究[J] . 真空科學(xué)與技術(shù)學(xué)報, 2007, 27(2) : 138- 142
　　[2]  張化福, 劉漢法, 類成新, 等. 射頻磁控濺射法低溫制備ZnO: Zr 透明導(dǎo)電薄膜及特性研究[J] . 真空科學(xué)與技術(shù)學(xué)報, 2009, 29(3) : 287- 291
　　[3]  黃啟耀, 姜翠寧. 射頻電源有關(guān)問題的探討[J] . 真空,2007, 44( 5) : 76- 78
　　[4]  Chtcherbakov A A, Swart P L. Automatic MicrowaveTuner for Plasma Deposition Applications Using a Gradient Search Method[ J] . Journal of Microwave Power and Electromagneties
Energy, 1997, 32(1) : 28- 33
　　[5]  劉漢斐, 程健, 錢玉良. 一種自動阻抗匹配算法[J] .計算機工程, 2009, 35(9) : 275- 279
　　[6]  錢玉良, 程健, 劉東宇. 模擬退火算法在自動阻抗匹配器中的應(yīng)用研究[J] . 測控技術(shù), 2009, 28(9) : 80- 83
　　[7]  Reinhold Ludwig, Pavel Bretchko. 射頻電路設(shè)計理論與應(yīng)用[M] . 北京: 電子工業(yè)出版社, 2002
　　[8]  周希朗. 電磁場理論與微波技術(shù)基礎(chǔ)( 下冊) [M] . 南京: 東南大學(xué)出版社, 2005
　　[9]  云慶夏, 黃光球, 王戰(zhàn)權(quán). 遺傳算法和遺傳規(guī)劃一種搜索尋優(yōu)技術(shù)[M] . 北京: 冶金工業(yè)出版社, 1997
　　[10]  楊文明, 李德才, 趙曉光, 等. 磁性液體密封結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計[J] . 真空科學(xué)與技術(shù)學(xué)報, 2010, 30(1) : 80- 83
　　[11]  王小平, 曹立明. 遺傳算法理論、應(yīng)用與軟件實現(xiàn)[M] . 西安: 西安交通大學(xué)出版社, 2002