基于遺傳算法的真空磁控濺射射頻阻抗匹配仿真研究
針對真空磁控濺射射頻電源阻抗匹配問(wèn)題, 設計射頻L 型阻抗匹配網(wǎng)絡(luò )結構。在負載阻抗不同速率變化時(shí), 基于遺傳算法優(yōu)化反射系數指標, 通過(guò)調節匹配網(wǎng)絡(luò )中兩個(gè)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(guò)程, 反射系數能夠很快地被調節到最佳值; 即使負載阻抗產(chǎn)生較大突變, 匹配網(wǎng)絡(luò )亦能使反射系數快速恢復到最佳匹配點(diǎn)。匹配過(guò)程速度快、在最佳匹配點(diǎn)處反射系數波動(dòng)小、匹配系統精度高。
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(jìn)行微納加工時(shí),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)導體, 且能激發(fā)半導體甚至絕緣體產(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(shí)變的, 即隨著(zhù)時(shí)間和腔室內環(huán)境參數的改變發(fā)生非線(xiàn)性變化, 甚至產(chǎn)生突變。若直接將射頻電源與負載相連接, 必然導致阻抗失配、射頻傳輸線(xiàn)上反射功率產(chǎn)生, 射頻功率源產(chǎn)生的功率無(wú)法最大限度地傳給負載, 而且過(guò)大的反射功率信號會(huì )給環(huán)境帶來(lái)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(tài), 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(wèn)題開(kāi)展了一些研究。文獻[4]采用梯度搜索法優(yōu)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(yōu)值的梯度搜索算法進(jìn)行了改進(jìn); 文獻[6]基于模擬退火法優(yōu)化反射系數值以獲得阻抗匹配。然而梯度搜索法要求被優(yōu)化函數可導; 基于模擬退火法的優(yōu)化過(guò)程,反射系數不能被快速調節到最優(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)化目標函數沒(méi)有過(guò)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(shí)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(jìn)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(wǎng)絡(luò )結構有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, 往往為復阻抗;AC 表示射頻功率源, Rs 表示射頻源內阻; 虛線(xiàn)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 、可調電容C1 及與之并聯(lián)的可調電容C2 組成; 通過(guò)調節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(huì )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(huì )被匹配網(wǎng)絡(luò )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(wèn)題, 首先設計了L 型阻抗匹配網(wǎng)絡(luò )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(guò)大量地仿真實(shí)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(jìn)行阻抗匹配可以達到理想的匹配效果, 所需的匹配時(shí)間短, 達到匹配時(shí)反射系數趨近于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) 當負載阻抗緩慢變化、快速變化甚至突變時(shí), 基于遺傳算法的阻抗匹配過(guò)程均具有很快的匹配速度; 雖然隨著(zhù)負載阻抗值變化速度的增加, 反射系數在最佳匹配點(diǎn)波動(dòng)增加, 但波動(dòng)量均不超過(guò)0.05, 反射功率小, 即能夠滿(mǎn)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(shí)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(dòng)阻抗匹配器工程實(shí)現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(lèi)成新, 等. 射頻磁控濺射法低溫制備ZnO: Zr 透明導電薄膜及特性研究[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(wèn)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(qián)玉良. 一種自動(dòng)阻抗匹配算法[J] .計算機工程, 2009, 35(9) : 275- 279
[6] 錢(qián)玉良, 程健, 劉東宇. 模擬退火算法在自動(dòng)阻抗匹配器中的應用研究[J] . 測控技術(shù), 2009, 28(9) : 80- 83
[7] Reinhold Ludwig, Pavel Bretchko. 射頻電路設計理論與應用[M] . 北京: 電子工業(yè)出版社, 2002
[8] 周希朗. 電磁場(chǎng)理論與微波技術(shù)基礎( 下冊) [M] . 南京: 東南大學(xué)出版社, 2005
[9] 云慶夏, 黃光球, 王戰權. 遺傳算法和遺傳規劃一種搜索尋優(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. 磁性液體密封結構的優(yōu)化設計[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、應用與軟件實(shí)現[M] . 西安: 西安交通大學(xué)出版社, 2002
