一种基于互感耦合的射频自动阻抗匹配网络结构及系统的制作方法

本技术涉及射频匹配器，更具体地说，涉及一种基于互感耦合的射频自动阻抗匹配网络结构及系统。

背景技术：

1、功率射频源在真空镀膜、半导体刻蚀和感应加热等离子体等领域得到了广泛应用。通常负载阻抗不等于射频源内阻，若将射频源和负载直接相连，会存在不同程度的阻抗失配。阻抗失配将导致传输线上存在功率反射，能量不能全部被负载所吸收，降低传输效率。因此，在射频源（或传输线末端）与负载之间通常需要设置匹配网络。由于负载阻抗会随工作时间、工艺进程及周围环境等因素的变化而在一定范围内变化，只有实时检测负载阻抗的变化并相应调整匹配网络的参数，才能获得最大传输效率，因此阻抗自动匹配器的研究显得尤为重要。

2、自动阻抗匹配器能够及时跟踪等离子体负载复杂的阻抗变化，保证负载与射频源之间的阻抗匹配，从而保证射频源输出的功率能够被等离子体负载全部吸收。如图1所示，现有的自动阻抗匹配系统结构通常由阻抗检测模块、计算机信号处理模块、电机控制模块和匹配网络四个功能模块组成，射频电源经匹配网络连接至负载端口，即等离子体设备。常见的匹配网络多采用l型结构，l型匹配网络结构最简单，但存在品质因数q不可调、带宽窄、寄生参数敏感、抗负载波动能力差等缺点，在高频、低电阻、大功率应用场景下上述缺陷会被急剧放大，一般仅适用于单频点、小信号、负载相对稳定的简单应用场合。

3、此外，基于互感耦合的射频自动阻抗匹配网络虽可用于连接射频电源与工艺腔室负载，将腔室随工艺动态变化的复杂阻抗变换为射频电源所需的标准阻抗（通常为50ω），实现共轭匹配、最大功率传输和低驻波比，广泛用于等离子体镀膜、刻蚀等半导体射频工艺，但现有结构在匹配范围、电气隔离能力、调谐精度以及大功率适配能力等方面仍有待提升，尚不能很好地满足半导体等离子体工艺中对长期稳定、高精度阻抗匹配的需求。

技术实现思路

1、为了克服现有技术存在的一系列缺陷，本技术的目的在于针对上述问题，提供一种基于互感耦合的射频自动阻抗匹配网络结构，包括输入端口、输出端口，以及沿信号流向依次设置在输入端口与输出端口之间的输入预调谐支路、互感耦合阻抗变换核心支路和输出精细调谐支路；输入端口用于连接射频电源，输出端口用于连接负载；

2、输入预调谐支路包括并联接入输入端口的第一可调电容器，用于对输入端口处的感性电抗进行补偿；

3、互感耦合阻抗变换核心支路包括主线圈、副线圈以及与主线圈并联的第二可调电容器，主线圈与第二可调电容器构成并联谐振回路；副线圈与主线圈之间不存在直接电气连接，仅通过磁场耦合实现能量传递和阻抗变换；

4、输出精细调谐支路包括第三可调电容器，第三可调电容器串联在副线圈与输出端口之间，用于对负载侧的电抗进行补偿。

5、在一些实施例中，并联谐振回路的谐振频率被配置为接近射频电源的工作频率，以使并联谐振回路工作于谐振状态时，主线圈的等效阻抗呈现纯阻性。

6、在一些实施例中，副线圈侧的负载阻抗基于主线圈与副线圈之间的互感耦合作用反射至主线圈侧形成反射阻抗，反射阻抗与副线圈侧的负载阻抗比值等于主线圈匝数与副线圈匝数的比值的平方。

7、在一些实施例中，第三可调电容器用于补偿副线圈因互感耦合产生的残余感抗，以调节负载侧等效阻抗的虚部，使负载侧等效阻抗趋近于纯阻性。

8、在一些实施例中，还包括分别与第一可调电容器、第二可调电容器和第三可调电容器连接的电机驱动机构，电机驱动机构用于驱动对应的可调电容器进行电容值调节。

9、本技术的目的还在于提供一种基于互感耦合的射频自动阻抗匹配系统，包括功率检测模块、计算机信号处理模块、执行模块，以及上述的射频自动阻抗匹配网络结构：

10、功率检测模块用于采集射频电源与射频自动阻抗匹配网络结构之间的入射功率信号和反射功率信号；

11、计算机信号处理模块与功率检测模块连接，用于根据入射功率信号和反射功率信号计算得到负载阻抗，并根据负载阻抗生成控制信息；

12、执行模块与计算机信号处理模块连接，用于根据控制信息驱动射频自动阻抗匹配网络结构中对应的可调电容器调节容值。

13、在一些实施例中，计算机信号处理模块包括信号处理模块、接口模块、阻抗计算模块和控制模块，其中，信号处理模块用于对入射功率信号和反射功率信号进行处理；阻抗计算模块用于根据处理后的信号计算得到负载阻抗的实部和虚部；接口模块用于将根据负载阻抗得到的控制信息传递至控制模块；控制模块用于控制执行模块动作。

14、在一些实施例中，功率检测模块被配置为依次执行如下步骤：

15、在射频电源与射频自动阻抗匹配网络结构的输入端口之间的传输线路上采集感应功率信号；

16、对感应功率信号进行解析处理，并根据感应功率信号的传输方向进行信号分离，得到入射功率信号和反射功率信号；

17、将入射功率信号和反射功率信号分别输出至计算机信号处理模块。

18、在一些实施例中，阻抗计算模块和控制模块被配置为依次执行如下步骤：

19、获取负载阻抗的实部和虚部，并分别与预设标准阻抗对应的实部和虚部进行比较，得到负载阻抗与标准阻抗之间的阻抗偏差量；

20、基于阻抗偏差量确定第一可调电容器、第二可调电容器以及第三可调电容器的目标调节位置、调节方向及调节步长；

21、按照预设调节顺序生成对应的驱动控制信号，并依据驱动控制信号调节各可调电容器，以使射频自动阻抗匹配网络的输出阻抗与标准阻抗匹配。

22、在一些实施例中，控制模块被配置为依次执行如下步骤：

23、保持第三可调电容器的当前调节状态不变，控制第一可调电容器和第二可调电容器进行调节，以使负载阻抗的实部与标准阻抗的实部之间的偏差满足预设匹配条件；

24、在所述负载阻抗的实部满足预设匹配条件后，根据所述负载阻抗的虚部与标准阻抗的虚部之间的偏差，确定第三可调电容器的补偿调节量，并控制第三可调电容器进行补偿调节；

25、基于补偿调节后的负载阻抗参数，重新判断所述负载阻抗的虚部与标准阻抗的虚部之间的偏差，并根据判断结果循环执行补偿调节，直至所述负载阻抗的实部和虚部均满足预设匹配条件。

26、与现有技术相比，本技术具有以下有益效果：

27、1）匹配范围更广：互感耦合结构结合三级可调电容，可覆盖等离子体起辉前、起辉瞬间、稳定放电及工艺波动等全工况阻抗变化范围，扩大了对动态负载的适配范围，避免了l型网络匹配范围窄导致的失配问题。

28、2）电气隔离更优：主线圈与副线圈通过磁场耦合实现电气完全隔离，可有效阻挡腔体侧高压、打火浪涌、直流漏电及杂散干扰传导至射频电源，保护射频功放核心器件，提升系统运行安全性和抗干扰能力。

29、3）调谐精度更高：三级解耦调谐架构分工明确，可分别独立调节阻抗的实部与虚部，配合电机驱动实现精准补偿，能够长期维持较低的反射功率和稳定的驻波比，提升等离子体工艺过程的均匀性和良率。

30、4）功率容量更大：功率通过线圈磁场分散传递，调谐电容承受的应力得到分散，线圈可采用大线径设计以避免磁芯饱和，能够稳定适配几百瓦至数千瓦的工业大功率射频场景，不易出现器件击穿、发热等问题。

31、5）系统稳定性更强：三级解耦设计使阻抗调节的线性度更好，电机自动调谐收敛速度更快，不易出现调谐振荡、跳谐现象，能够长期稳定适配腔体动态负载的细微波动。