[发明专利]一种快速调节等离子体放电阻抗匹配的方法

说明书

本发明公开了一种快速调节等离子体放电阻抗匹配的方法，结合射频微波中的能量传输和阻抗匹配理论和等离子体放电的物理机制，通过ADS软件模拟的方式对匹配状态进行预测和计算，根据实际调节元件的参数对匹配箱进行合理设计，从而在进行等离子体放电实验时快速调节阻抗匹配。本发明匹配调节用时短、成本低，具有普适性，对所有放电条件均能够提供调节匹配指导方案，为自动匹配技术提供发展方向。

技术领域

本发明涉及一种快速调节等离子体放电阻抗匹配的方法。

背景技术

低温等离子体是一种电子温度很高而离子温度接近常温的非平衡等离子体。近年来，基于低温等离子体技术的高新科技产业正在飞速地发展。例如，等离子体刻蚀、溅射、沉积薄膜等技术被广泛地应用于半导体器件的清洗与加工；在污染治理行业，也出现了使用电晕放电、介质阻挡放电等方法的新型三废处理技术；而在冶金、钢铁等领域，等离子体技术也是一项重要的表面处理手段，可以提高金属表面的硬度、耐磨、耐腐蚀等特性。之所以低温等离子体有如此广泛的应用，是因为它由离子和高能电子组成，具有极高的物理以及化学活性。当它与材料表面接触时，便会发生一系列的表面反应从而改变材料的特性。

射频放电是产生低温等离子体的一种常规方式。射频放电主要由射频电源、传输线、匹配电路、天线以及放电气体组成。射频电源将电网上的电能转化为频率在射频段的正弦波功率输出，通过传输线、匹配电路后由射频天线以电磁波的形式辐射入放电气体中。放电气体吸收了电磁波的辐射能后将发生电离从而产生等离子体。工作在射频段的电路中会产生反射功率，当反射功率过大时不仅功率不能高效稳定的耦合入等离子体中，更会对射频电源造成损坏，因此需要匹配电路调节负载的阻抗使得电能的传输达到最佳匹配状态。

由于等离子体的不稳定性以及天线能量耦合效率的波动，负载的阻抗处于实时变化的状态，这给射频阻抗的匹配带来了难度。目前市面上虽然有较多射频电源和自动匹配器产品，但由于电源生产厂商并不了解等离子体内部物理特性，因此自动匹配往往只能在较为简单、稳定的设备上实现快速的匹配，而对于复杂的等离子体放电系统或者放电模式存在突变的设备，自动匹配的实现仍存在难度。在这种放电系统中，等离子体的物理特性与电路的传输特性需要统筹考虑才能实现最佳的匹配效果。

由于匹配网络涉及电源、传输线和负载的阻抗等众多参数，且都是复数形式，所以直接进行阻抗的计算十分繁琐，匹配的结果也不够直观，在工程上无法应用。为解决这一问题，采用smith圆图来将这些参数表现在一幅图上，该图上每一个点代表唯一的阻抗值(可等效换算成导纳值)，在等离子体放电领域，射频电源的特征阻抗通常为50欧姆，在smith圆图上对应中心点，在进行阻抗匹配调节时，需要串联或并联电容电感来改变负载端的阻抗值从而达到匹配状态，在图中反映为调节到中心点。

匹配问题主要有以下三种解决方案：一是使用专业的自动匹配器，其价格十分昂贵，依赖进口，而且通常只能在一台设备上配套使用，不具备普适性，对于需要在多条件下进行试验的科研院所来说，实用性较低；二是采用ARM芯片进行计算、反馈从而控制步进电机调节电容，但这种方法同样具有设备与条件的局限性，且只能调节电容，对电感的选择没有进行深入的分析，而且单套系统的开发周期长；三是凭借科研人员的经验进行手动调节，在实际调节中，如果根据实验过程中实时记录的smith图进行调节，存在两个问题：一是在未达到匹配状态时，等离子体尚未产生，负载端的阻抗与放电状态下的阻抗不相等，此时根据smith图进行调节得到的匹配状态与实际状态不一致，二是等离子体放电状态较为复杂，阻抗变化的范围较大，简单地通过两个电容的调节不能覆盖所有的参数范围。对于复杂的螺旋波等离子体放电，还存在模式跳变和回滞等现象，匹配的难度进一步增加，针对这种放电的自动匹配器短期内更是难以商用。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术中的不足，提供一种快速调节等离子体放电阻抗匹配的方法，解决现有技术中阻抗匹配价格更高、效率低、难度大，难以商用的技术问题。

为解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案是：一种快速调节等离子体放电阻抗匹配的方法，包括如下步骤：