一种阻抗调节装置和包含该装置的阻抗匹配系统 【技术领域】
本发明涉及阻抗匹配技术领域，特别是涉及一种中、低频阻抗调节装置和包含该装置的阻抗匹配系统。
背景技术
阻抗匹配是指信号源或者传输线跟负载之间的一种合适的搭配方式。
目前，等离子体设备广泛用于半导体、太阳能电池和平板显示等制作工艺中，如各种薄沉积膜，或等离子体刻蚀等。目前的等离子体产生方式很多，对所施加的功率从频段上来分，通常包括直流、射频和微波，而射频又分为：低频(30kHz-300kHz)、中频(300kHz-2MHz)、高频(2MHz-30MHz)、超高频(30MHz-300MHz)。
在半导体刻蚀工艺中，通常采用高频段电源作为功率源。在PECVD(等离子体增强化学气相沉积)沉积微晶硅工艺中，目前的趋势是采用超高频作为功率源。而在晶硅太阳能PECVD制备减反射薄膜的设备中，为了提高沉积膜的钝化效果，采用中、低频作为功率源已成为目前的趋势。
众所周知，采用的射频电源本身有其自身的特征阻抗，通常为50Ω，而对于等离子体负载，其负载阻抗一般不会是50Ω。根据传输线理论，当电源的特性阻抗与负载的阻抗不共轭，即阻抗不匹配，射频电源输出功率无法加载到负载上，会有功率反射，这样会造成功率浪费，同时反射回电源的功率会对电源本身有损害。因此，通常需要在电源和负载之间加上一个阻抗调节匹配网络，如图1所示，射频电源功率通过阻抗调节匹配网络加载到负载上，所述调节匹配网络使得从调节匹配网络输入端向后看去的阻抗为50Ω，与电源的特性阻抗(50Ω)共轭，达到阻抗匹配，从而使射频功率完全加载到负载上。
现有的阻抗调节匹配网络有两种实现方式，分别如图2和图3所示。
参照图2.1、2.2、2.3，目前在高频段(2MHz-30MHz)，阻抗调节匹配网络通常采用一些由电容和电感组成的网络，有L型、π型和T型网络等。这种阻抗调节的缺点是：L型、π型和T型等网络适用于高频频段，但对于低频(30kHz-300kHz)、中频(300kHz-2MHz)来说，选择合适的电容和电感组成以上匹配网络是比较困难的。
【发明内容】
本发明所要解决的技术问题是提供一种中、低频阻抗调节装置和包含该装置的阻抗匹配系统，能够使包括负载和阻抗调节装置在内的阻抗与电源特性阻抗共轭匹配。
为了解决上述问题，本发明公开了一种阻抗调节装置，用于对负载进行阻抗匹配，包括：变压器和电容C1，所述变压器与电容C1和负载依次连接构成通路。
优选的，所述装置还包括：电感L1，所述变压器先与所述电感L1连接，再与电容C1和负载依次连接构成通路。
优选的，所述装置还包括：电容C2，与所述电感L1串联。
优选的，所述装置还包括：电感L2，与所述电容C1串联。
其中，所述电容和电感的值可调或固定。
其中，所述变压器是可调的隔离变压器或自耦变压器。
本发明还提供了一种阻抗匹配系统，包括：中、低频电源、阻抗调节装置和负载，其中，所述阻抗调节装置包括：
变压器和电容C1，所述变压器的输入端与中、低频电源相连，所述变压器的输出端与电容C1和所述负载依次连接构成通路；
所述阻抗调节装置使得包括负载和阻抗调节装置在内的阻抗与所述电源特性阻抗共轭匹配。
优选的，所述阻抗调节装置还包括：电感L1，所述变压器的输出端先与所述电感L1连接，然后再与电容C1和负载依次连接构成通路。
优选的，所述阻抗调节装置中的电容和电感的值可调或固定。
优选的，所述负载为等离子体负载。
与现有技术相比，本发明具有以下优点：
首先，本发明提供了一种中、低频阻抗调节装置，该装置包括变压器和电容C1，所述变压器与电容C1和负载依次连接构成通路，通过调节变压器(初、次线圈匝数比)和电容C1的值，可以使包括负载和阻抗调节装置在内的阻抗与电源特性阻抗实现阻抗匹配，从而把中、低频电源功率加载到负载上，避免了功率损耗。
其次，在所述阻抗调节装置中，与负载串联的电容C1同时可以当作隔直电容，在等离子体放电过程中与隔直电容相连的电极上会形成一直流负自偏压，该负偏压对中、低频放电来说非常重要，它可以提高放电的稳定性，甚至影响工艺结果。
再次，阻抗调节装置还可以包括电感L1，所述变压器先与所述电感L1连接再与电容C1和负载依次连接构成通路，通过调节变压器、电容C1和电感L1，可以更好地实现阻抗匹配，进一步避免功率损耗。
【附图说明】
图1是现有技术中射频系统的结构图；
图2.1、2.2、2.3是现有技术一中高频阻抗匹配网络示意图；
图3是本发明实施例一所述一种中、低频阻抗匹配系统示意图；
图4是本发明实施例二所述一种中、低频阻抗匹配系统示意图；
图5是本发明实施例三所述一种中、低频阻抗匹配系统示意图；
图6是本发明实施例四所述一种中、低频阻抗匹配系统示意图。
【具体实施方式】
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
本发明提供了一种中、低频阻抗调节装置，该装置包括变压器和电容，通过调节变压器(初、次线圈匝数比)和电容值，可以使包括负载和阻抗调节装置在内的阻抗与电源特性阻抗实现阻抗匹配。
下面通过多个实施例进行详细说明。
实施例一：
参照图3，是本发明实施例一所述一种中、低频阻抗匹配系统示意图。
所述系统主要包括中、低频电源，阻抗调节装置(图中虚线部分)和负载。其中，所述阻抗调节装置包括变压器和一个电容C，变压器的输入端接入中、低频电源，变压器的输出端与所述电容C相连。其中，电容C可以是固定电容，也可以是可调电容。
本发明不限定所述变压器的类型，本实施例中，变压器是由初、次级组成的隔离变压器，隔离变压器的初级与中、低频电源相连，隔离变压器的次级与所述电容C和所述负载依次连接构成通路。
所述隔离变压器的次级抽头为多个，这样该隔离变压器就可以调节次级抽头，即调节初、次级线圈匝数比。例如，所述隔离变压器有9个次级抽头，如图所示，仅作为举例说明。
下面分析所述阻抗调节装置如何实现阻抗匹配：
对于中、低频电源，其电源特性阻抗通常为50Ω，为一实数；而对于负载，其阻抗一般都是复数R+jX(R为负载的电阻，X为负载的电抗，阻抗即电阻加电抗)。所述中、低频电源和负载之间通过本实施例所述的阻抗调节装置连接之后，在实际应用中，由于阻抗调节装置中的变压器具有一定的电感值，同时阻抗调节装置还包括一电容，因此从变压器初级向负载看去，包括负载和阻抗调节装置在内的阻抗可以近似为一实数，从而与电源特性阻抗实现阻抗匹配。尤其是，当实际应用中的变压器的电感值较大而负载地阻抗较小时，更容易实现阻抗匹配。
此外，所述电容C与负载串联在一起，不仅起到阻抗匹配的作用，同时可以当作隔直电容，对于等离子体负载，在等离子体放电过程中与隔直电容相连的电极上会形成一直流负自偏压，负偏压对中、低频放电是非常重要的，它可以提高放电的稳定性，甚至影响工艺结果。
实施例二：
参照图4，是本发明实施例二所述一种中、低频阻抗匹配系统示意图。
所述系统主要包括中、低频电源、阻抗调节装置(图中虚线部分)和负载。其中，所述阻抗调节装置包括变压器、一个电容C和一个电感L，变压器的输入端接入中、低频电源，变压器的输出端与所述电容C、电感L相连。
本发明不限定所述变压器的类型，本实施例中，变压器是由初、次级组成的隔离变压器，隔离变压器的初级与中、低频电源相连，隔离变压器的次级先与所述电感L连接再与所述电容C和所述负载依次连接构成通路。当然，电感L可以与电容C、负载并联(如图4所示)，电感L也可以与电容C、负载串联(图中未示出)。
所述隔离变压器的次级抽头为多个，这样该隔离变压器就可以调节次级抽头，即调节初、次级线圈匝数比。例如，所述隔离变压器有9个次级抽头，如图所示，仅作为举例说明。
本实施例通过在隔离变压器的次级连接电容C和电感L，可以消除负载阻抗R+jX中的虚部，从而使包括负载和阻抗调节装置在内的阻抗值为一实数，与电源特性阻抗(为实数)实现共轭匹配。
具体计算过程如下：
设负载阻抗为RL+jXL(对于容性负载，XL一般为负数)，工作频率为f，电容为C，电感量为L，变压器初级和次级的匝数比为n，则此时从变压器输入端向负载看去的阻抗为：
实部为R=n2×(2πfL)2RLRL2+(XL+2πfL-12πfLC)2]]>
虚部为X=n2×2πfLRL2+L2πfC2+(2πfL)2XL+2πfL(XL)2-2πfL2C-2XLLCRL2+(XL+2πfL-12πfLC)2]]>
则阻抗匹配时，令R＝电源特性阻抗，X＝0。
例如，如果负载是等离子体负载，中、低频射频电源的特性阻抗为50Ω，则可以令R＝50(Ω)，X＝0。
上述电容C可以是固定电容，也可以是可调电容；同样，所述电感L可以是固定电感，也可以是可调电感。图4中，所述电容C和电感L都可调，通过调节变压器的次级抽头(主要调节初、次级线圈匝数比)和电容C、电感L，实现阻抗匹配。
当然，图4中电容C和电感L都作为调整元器件仅是一种实现方式，也可以是固定电容C加可调电感L的组合方式，或者是可调电容C加固定电感L的组合方式。
优选的，所述阻抗调节装置中的电容C与负载串联在一起，不仅可以用于阻抗匹配，同时可以当作隔直电容，对于等离子体负载，在等离子体放电过程中与隔直电容相连的电极上会形成一直流负自偏压，负偏压对中、低频放电是非常重要的，它可以提高放电的稳定性，甚至影响工艺结果。
实施例三：
实施例三提供了一种变压器不同于实施例二的阻抗匹配装置。
参照图5，是本发明实施例三所述一种中、低频阻抗匹配系统示意图。
所述系统主要包括中、低频电源、阻抗调节装置(图中虚线部分)和负载。其中，所述阻抗调节装置包括自耦变压器、一个电容C和一个电感L，自耦变压器的输入端与中、低频电源相连，自耦变压器的输出端先与所述电感L连接，然后再与所述电容C和所述负载依次连接构成通路。当然，电感L可以与电容C、负载并联(如图5所示)，电感L也可以与电容C、负载串联(图中未示出)。
本实施例与实施例二仅变压器的类型不同，因此，本实施例也具有以下特点：
(1)自耦变压器的输出端抽头也为多个，例如9个，如图所示，仅作为举例说明；
(2)阻抗计算过程与实施例二相同，在此略；因此，包括负载和阻抗调节装置在内的阻抗值为一实数，与电源特性阻抗(为实数)实现共轭匹配
(3)电容C可以是固定电容，也可以是可调电容；同样，所述电感L可以是固定电感，也可以是可调电感。图5中，所述电容C和电感L都可调，通过调节自耦变压器的输出端抽头(主要调节初、次级线圈匝数比)和电容C、电感L，实现阻抗匹配；当然，也可以是固定电容C加可调电感L的组合方式，或者是可调电容C加固定电感L的组合方式；
(4)阻抗调节装置中的电容C不仅可以用于阻抗匹配，同时起隔直电容的作用，对于等离子体负载，在等离子体放电过程中与隔直电容相连的电极上会形成一直流负自偏压，负偏压可以提高放电的稳定性，甚至影响工艺结果。
实施例四：
实施例四提供的阻抗匹配系统可以包括多个电容C或多个电感L。
参照图6，是本发明实施例四所述一种中、低频阻抗匹配系统示意图。
所述系统主要包括中、低频电源、阻抗调节装置(图中虚线部分)和负载。其中，所述阻抗调节装置包括变压器、电容C1、电容C2和一个电感L。不限定变压器的类型，本实施例中，变压器为有多个(如7个)输出端抽头的自耦变压器(如图所示)，当然也可以是隔离变压器。
所述自耦变压器的输入端与中、低频电源相连，自耦变压器的输出端先与电容C2和电感L依次连接，然后再与所述电容C1和所述负载依次连接构成通路。
本实施例与实施例二、三的最大不同是：电感L串联了一个电容C2，然后再与变压器的输出端连接。因此，从变压器输入端向负载看去的阻抗计算也不同，具体如下：
设负载阻抗为RL+jXL(对于容性负载，XL一般为负数)，工作频率为f，电容分别为C1和C2，电感量为L′，变压器初级和次级的匝数比为n，则此时从变压器输入端向负载看去的阻抗：
实部为R=n2×(2πfL′)2RLRL2+(XL+2πfL′-12πfLC2)2,]]>其中L′=L-1(2πf)2C1]]>
虚部为X=n2×2πfL′RL2+L′2πfC22+(2πfL′)2XL+2πfL′(XL)2-2πfL′2C2-2XLL′C2RL2+(XL+2πfL′-12πfL′C2)2]]>
则阻抗匹配时，令R＝电源特性阻抗，X＝0。
例如，如果负载是等离子体负载，中、低频射频电源的特性阻抗为50Ω，则可以令R＝50(Ω)，X＝0。
上述电容C1和C2可以是固定电容，也可以是可调电容；同样，所述电感L可以是固定电感，也可以是可调电感。图6中，电容C1为固定电容，电容C2为可调电容，电感L为固定电感，这样通过对自耦变压器的输出端抽头和电容C2进行调节，实现包括负载和阻抗调节装置在内的阻抗与电源特性阻抗的共轭匹配。
当然，也可以令电容C2固定、电感L可调，或者二者都可调；或者，电容C1还可以再串联一个(可调或固定)电容或电感，可以串联在电容C1于负载之间；或者，变压器的输出端再并联一个电感，等等。图6所示的阻抗调节装置仅是一种比较方便调节的例子，如果调整元器件越多，则阻抗计算公式中需要调节的变量越多，调节的方法也越复杂。
优选的，阻抗调节装置中的电容C1不仅可以用于阻抗匹配，同时起隔直电容的作用，对于等离子体负载，在等离子体放电过程中与隔直电容相连的电极上会形成一直流负自偏压，负偏压可以提高放电的稳定性，甚至影响工艺结果。
综合上述四个实施例，可以将本发明内容概括如下：
本发明所述的阻抗调节装置可以包括：变压器和一个电容，所述变压器的输出端与电容和负载依次连接构成通路。
进一步，所述阻抗调节装置还可以包括：一个电感。一种优选的连接方式是：所述变压器的输出端先与电感连接构成通路，然后所述变压器的输出端再与电容和负载依次连接构成通路。其中，不限定变压器的类型，所述电容和电感可调或固定。
此外，所述阻抗调节装置还可以再包括其他的电容或电感，连接方式如上述实施例所述。
所述阻抗调节装置加在中、低频电源和负载之间，射频电源功率通过阻抗调节装置加载到负载上，所述阻抗调节装置使得从装置输入端向负载看去的阻抗与电源的特性阻抗(50Ω)共轭，达到阻抗匹配，从而使射频功率完全加载到负载上。
本说明书中的各个实施例均采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似的部分互相参见即可。
以上对本发明所提供的一种中、低频阻抗调节装置和包含该装置的阻抗匹配系统，进行了详细介绍，本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。