遺傳算法的真空磁控濺射射頻阻抗匹配仿真分析

遺傳算法的真空磁控濺射射頻阻抗匹配仿真分析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)構(gòu)造。在負(fù)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(biāo),通過調(diào)節(jié)匹配網(wǎng)絡(luò)中兩個電容值以到達(dá)與射頻源的阻抗匹配。大量仿真結(jié)果說明,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)到最正確值;即使負(fù)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)到最正確匹配點。匹配過程速度快、在最正確匹配點處反射系數(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)薄膜或開展微納加工時,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(fù)載的大小決定。真空腔室內(nèi)所用負(fù)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(fù)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(fù)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(fù)載之間需快速、平穩(wěn)、準(zhǔn)確地到達(dá)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(xiàn)[4]采用梯度搜索法優(yōu)化反射系數(shù)值以到達(dá)射頻源與負(fù)載之間的阻抗匹配;文獻(xiàn)[5]為提高搜索效率,對反射系數(shù)最優(yōu)值的梯度搜索算法開展了改良;文獻(xiàn)[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(jìn)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(biāo)函數(shù)沒有過多要求,本文基于遺傳算法在負(fù)載阻抗不變、速變、突變等情況下以反射系數(shù)最小為指標(biāo),計算出阻抗匹配時最正確匹配參數(shù),并對真空磁控濺射射頻阻抗匹配系統(tǒng)的匹配效果開展比較分析。/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)構(gòu)造有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(fù)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(fù)載之間。該匹配網(wǎng)絡(luò)由與負(fù)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的電容值大小到達(dá)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(fù)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)構(gòu)造,并計算出了由調(diào)節(jié)電容C1,C2可匹配的負(fù)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(fù)載阻抗值不變的情況下,基于遺傳算法開展阻抗匹配可以到達(dá)理想的匹配效果,所需的匹配時間短,到達(dá)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(fù)載使用。

(2)當(dāng)負(fù)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(fù)載阻抗值變化速度的增加,反射系數(shù)在最正確匹配點波動增加,但波動量均不超過0.05,反射功率小,即能夠滿足真空磁