一种匹配箱的阻抗调节方法、装置及射频电源系统与流程

本发明涉及阻抗匹配技术领域，特别是涉及一种匹配箱的阻抗调节方法、装置及射频电源系统。

背景技术：

射频电源系统包括射频电源，射频电源是等离子体腔室的配套电源，应用于射频溅镀、pecvd化学气相沉积、反应离子刻蚀等领域中。一般来讲，等离子体腔室中的非线性负载的阻抗与射频电源的恒定输出阻抗并不相等，故在射频电源和等离子体腔室之间具有严重的阻抗失配，使得传输线上存在较大的反射效率，射频电源产生的功率无法全部输送到等离子体腔室，功率损耗较大。

为解决该问题，射频电源系统中还包括设置于射频电源与等离子体腔室之间的匹配箱，通过对匹配箱的阻抗的调节，以使匹配箱的阻抗与等离子体腔室中的非线性负载的阻抗之和等于射频电源的阻抗，从而实现阻抗匹配。现有技术中，通常采用phase-mag优化算法对匹配箱中(一般是l型网络，包括电容cp和电感ls)的电感、电容元件进行调节，其中，mag给出了cp的调优方向，phase给出了ls的调优方向。但是由于电感的感值难于调节，于是一般是通过给固定电感值的电感ls串联一个cs电容来调整构成的网络的电感值。然而，在匹配优化时，如果cs减小到谐振点(即所形成的电感值＝0)以下，则ls和cs构成的网络已经不再代表电感，而是呈现出容性，优化方向出错，此时继续将其当成电感去对匹配箱进行阻抗调节会导致得到的匹配箱的阻抗出现错误，从而无法实现匹配箱的阻抗与等离子体腔室的非线性负载的阻抗之和与射频电源的阻抗的匹配，增大了功率损耗，阻抗调节的精度和可靠性低。且由于匹配箱内的实际结构复杂，导致phase-mag优化算法的计算量大、优化速度慢且精度低。

技术实现要素：

本发明的目的是提供一种匹配箱的阻抗调节方法、装置及射频电源系统，提高了阻抗调节的精度和可靠性，计算量小，匹配速度快。

为解决上述技术问题，本发明提供了一种匹配箱的阻抗调节方法，包括：

建立所述匹配箱的简化模型；其中，所述简化模型包括第一电感、串联连接构成第一支路的第二电感和第一电容、串联连接构成第二支路的第三电感和及第二电容，所述第一电感的一端分别与所述第一支路的一端及所述第二支路的一端连接，所述第一电感的另一端及所述第一支路的另一端与射频电源连接，所述第二支路的另一端与所述第一支路的另一端与负载连接；

获取多组所述简化模型的测量参数，所述测量参数包括第一电容的电容值、第二电容的电容值及此时所述简化模型的输入阻抗和负载阻抗；

根据多组所述测量参数、所述简化模型与所述输入阻抗及所述负载阻抗的关系得到所述第一电感的电感值、第二电感的电感值及第三电感的电感值；

获取当前负载阻抗，根据所述当前负载阻抗和预设输入阻抗确定所述第一电容和所述第二电容的电容值关系，并对所述第一电容和/或所述第二电容的极板距离进行调整，以使所述第一电容和所述第二电容满足所述电容值关系。

优选地，所述获取多组所述简化模型的测量参数之前，还包括：

建立所述第一电容的电容值与所述第一电容的极板的距离之间的对应关系；

建立所述第二电容的电容值与所述第二电容的极板的距离之间的对应关系。

优选地，所述建立所述第一电容的电容值与所述第一电容的极板的距离之间的对应关系；建立所述第二电容的电容值与所述第二电容的极板的距离之间的对应关系之前，还包括：

将所述第一电容的极板的距离进行归一化；

将所述第二电容的极板的距离进行归一化。

优选地，所述简化模型与所述输入阻抗及所述负载阻抗的关系，包括：

其中，ω为角频率，为第一电感的阻抗，为第二电感的阻抗，为第三电感的阻抗，为第一电容的阻抗，为第二电容的阻抗，zin为输入阻抗，zload为负载阻抗，l1为第一电感的电感值，l2为第二电感的电感值，l3为第三电感的电感值，c1为第一电容的电容值，c2为第二电容的电容值。

优选地，所述根据多组所述测量参数、所述简化模型与所述输入阻抗及所述负载阻抗的关系得到所述第一电感的电感值、第二电感的电感值及第三电感的电感值之后，还包括：

若无法得到所述第一电感的电感值、第二电感的电感值及第三电感的电感值，则重新获取多组所述简化模型的测量参数，并返回上一步骤，直至得到所述第一电感的电感值、第二电感的电感值及第三电感的电感值。

优选地，所述获取当前负载阻抗，根据所述当前负载阻抗和预设输入阻抗确定所述第一电容和所述第二电容的电容值关系，并对所述第一电容和/或所述第二电容的极板距离进行调整，以使所述第一电容和所述第二电容满足所述电容值关系之后，还包括：

判断所述简化模型的精度是否符合低损耗要求；

若是，则确定此时的第一电容和第二电容的电容值符合低损耗要求；

否则，重新调整所述第一电容的电容值和/或第二电容的电容值，并返回判断所述简化模型的精度是否符合低损耗要求的步骤。

优选地，所述判断所述简化模型的精度是否符合低损耗要求，包括：

判断所述简化模型的输入阻抗的驻波比是否小于预设值。

优选地，所述预设值为1.06。

为解决上述技术问题，本发明还提供了一种匹配箱的阻抗调节装置，包括：

建立单元，用于建立所述匹配箱的简化模型；其中，所述简化模型包括第一电感、串联连接构成第一支路的第二电感和第一电容、串联连接构成第二支路的第三电感和及第二电容，所述第一电感的一端分别与所述第一支路的一端及所述第二支路的一端连接，所述第一电感的另一端及所述第一支路的另一端与射频电源连接，所述第二支路的另一端与所述第一支路的另一端与负载连接；

获取单元，用于获取多组所述简化模型的测量参数，所述测量参数包括第一电容的电容值、第二电容的电容值及此时所述简化模型的输入阻抗和负载阻抗；

参数确定单元，用于根据多组所述测量参数、所述简化模型与所述输入阻抗及所述负载阻抗的关系得到所述第一电感的电感值、第二电感的电感值及第三电感的电感值；

匹配单元，用于获取当前负载阻抗，根据所述当前负载阻抗和预设输入阻抗确定所述第一电容和所述第二电容的电容值关系，并对所述第一电容和/或所述第二电容的极板距离进行调整，以使所述第一电容和所述第二电容满足所述电容值关系。

为解决上述技术问题，本发明还提供了一种射频电源系统，包括射频电源、匹配箱及控制模块；

所述控制模块用于执行所述计算机程序时实现如上述所述匹配箱的阻抗调节方法的步骤。

本发明提供了一种匹配箱的阻抗调节方法，首先建立匹配箱的简化模型，在建立简化模型时，保留了匹配箱原本的两个控制自由度，采用的是第二电感和第一电容构成的第一支路和第三电感和及第二电容构成的第二支路的形式，在确定简化模型中的三个电感的电感值后，通过对第一电容和第二电容的距离的调节来调节匹配箱的阻抗，通过该种方式使得简化模型能够逼近匹配箱的实际电路结构的功能，一方面，本申请中采用两个支路，且支路均有电容和电感串联连接构成，可以配合调节，出现优化方向错误的概率极低，从而提高了阻抗调节的精度和可靠性；另一方面，简化模型的参数少，计算量小，匹配速度快。

本发明还提供了一种匹配箱的阻抗调节装置及射频电源系统，具有与上述方法相同的有益效果。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对现有技术和实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明提供的一种匹配箱的阻抗调节方法的结构示意图；

图2为本发明提供一种匹配箱的简化模型的结构示意图；

图3为本发明提供的一种匹配箱的阻抗调节装置的结构示意图；

图4为本发明提供的一种射频电源系统的结构示意图。

具体实施方式

本发明的核心是提供一种匹配箱的阻抗调节方法、装置及射频电源系统，提高了阻抗调节的精度和可靠性，计算量小，匹配速度快。

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

请参照图1和图2，其中，图1为本发明提供的一种匹配箱的阻抗调节方法的结构示意图，图2为本发明提供一种匹配箱的简化模型的结构示意图，该调节方法包括：

s11：建立匹配箱的简化模型；其中，简化模型包括第一电感l1、串联连接构成第一支路的第二电感l2和第一电容c1、串联连接构成第二支路的第三电感l3和及第二电容c2，第一电感l1的一端分别与第一支路的一端及第二支路的一端连接，第一电感l1的另一端及第一支路的另一端与射频电源连接，第二支路的另一端与第一支路的另一端与负载连接；

具体地，考虑到匹配箱的实际电路结构很复杂，若基于其实际电路结构直接对匹配箱进行阻抗匹配则会大大地增加计算时间。因此，为解决该问题，本申请建立匹配箱的简化模型。在建立匹配箱的简化模型时，考虑到在对匹配箱进行阻抗调节时，包括两个控制自由度，因此，建立的简化模型保留这两个控制自由度，这两个控制自由度由串联连接构成第一支路的第二电感l2和第一电容c1、串联连接构成第二支路的第三电感l3和及第二电容c2来实现。整个简化模型为t模型，具体请参照图2，其中，第二电感l2和第一电容c1的位置可以互换，第三电感l3和第二电容c2的位置可以互换。

通过简化模型来逼近匹配箱内部的实际复杂模型，后续在实际使用时，便可以通过对第一电容c1和第二电容c2的距离的调节来调节匹配箱的阻抗，所得到的简化模型的参数少，使用时计算量小，优化速度更快，且可以保证匹配性能。此外，本申请中采用两个支路，且支路均有电容和电感串联连接构成，可以配合调节，出现优化方向错误的概率极低，从而提高了阻抗调节的精度和可靠性。

s12：获取多组简化模型的测量参数，测量参数包括第一电容c1的电容值、第二电容c2的电容值及此时简化模型的输入阻抗和负载阻抗；

s13：根据多组测量参数、简化模型与输入阻抗及负载阻抗的关系得到第一电感l1的电感值、第二电感l2的电感值及第三电感l3的电感值；

为了确定简化模型中的三个电感的电感值，可以基于简化模型与输入阻抗及负载阻抗的关系，也即zin＝zmatch+zload来得到，其中，zin为输入阻抗，zload为负载阻抗，zmatch为简化模型的阻抗，zmatch由第一电容c1、第二电容c2、第一电感l1、第二电感l2及第三电感l3可得到。为了得到第一电感l1、第二电感l2、第三电感l3的电感值，可以预先获取多组测量参数，测量参数包括第一电容c1的电容值、第二电容c2的电容值、输入阻抗及负载阻抗，考虑到要求取的为三个电感值，因此，这里的测量参数至少三组，优选地为9组(为避免出现三个方程的系数为倍数关系)，其中，输入阻抗和输出阻抗可以通过阻抗分析仪得到，第一电容c1及第二电容c2的电容值可以通过改变其极板之间的距离来改变得到。

具体地，通过步进电机可以改变第一电容c1和第二电容c2的极板的位置，第一电容c1和/或第二电容c2的电容值每改变一次，通过阻抗分析仪测得此时简化模型的输入阻抗和负载阻抗，便得到一组测量参数，重复上述测量过程，便可得到得到多组测量参数。利用多组测量参数简化模型与输入阻抗及负载阻抗的关系便可得到第一电感l1的电感值、第二电感l2的电感值及第三电感l3的电感值，至此，该简化模型便可确定下来。

s14：获取当前负载阻抗，根据当前负载阻抗和预设输入阻抗确定第一电容c1和第二电容c2的电容值关系，并对第一电容c1和/或第二电容c2的极板距离进行调整，以使第一电容c1和第二电容c2满足电容值关系。

在简化模型确定下来后，在实际使用时，由于输入阻抗的目标值是50ω，因此，为实现输入阻抗等于50ω的目标，这里设定输入阻抗为50ω，负载阻抗可以通过阻抗分析仪得到，则基于zin＝50ω＝zmatch+zload的关系式，则可以得到第一电容c1的电容值和第二电容c2的电容值的关系，基于此关系对第一电容c1和/或第二电容c2的电容值进行调整，以使zin＝50ω＝zmatch+zload即可。

综上，本发明提供的匹配箱的阻抗调节方法，首先建立匹配箱的简化模型，在建立简化模型时，保留了匹配箱原本的两个控制自由度，采用的是第二电感l2和第一电容c1构成的第一支路和第三电感l3和及第二电容c2构成的第二支路的形式，在确定简化模型中的三个电感的电感值后，通过对第一电容c1和第二电容c2的距离的调节来调节匹配箱的阻抗，通过该种方式使得简化模型能够逼近匹配箱的实际电路结构的功能，一方面，本申请中采用两个支路，且支路均有电容和电感串联连接构成，可以配合调节，出现优化方向错误的概率极低，从而提高了阻抗调节的精度和可靠性；另一方面，简化模型的参数少，计算量小，匹配速度快。

在上述实施例的基础上：

作为一种优选地实施例，获取多组简化模型的测量参数之前，还包括：

建立第一电容c1的电容值与第一电容c1的极板的距离之间的对应关系；

建立第二电容c2的电容值与第二电容c2的极板的距离之间的对应关系。

为了方便获取第一电容c1和第二电容c2的电容值，考虑到电容的容值与其极板的距离之间存在对应关系，本实施例中，预先建立第一电容c1与第一电容c1的极板的距离之间的对应关系，建立第二电容c2与第二电容c2的极板的距离之间的对应关系，以便后续在使用过程中，直接根据要求的电容值来调整第一电容c1和第二电容c2的极板的距离，简化了后续第一电容c1和第二电容c2的电容值，或者，第一电容c1和第二电容c2值的极板的距离的确定过程。

在建立对应关系时，可以预先使电容中的一块极板固定，只调整另一块极板，从而简化了调整过程。

作为一种优选地实施例，建立第一电容c1的电容值与第一电容c1的极板的距离之间的对应关系；建立第二电容c2的电容值与第二电容c2的极板的距离之间的对应关系之前，还包括：

将第一电容c1的极板的距离进行归一化；

将第二电容c2的极板的距离进行归一化。

考虑到在实际应用中，电容的极板之间的距离的影响因素较多，例如容易受温度、精度的影响，从而导致极板的绝对距离不是那么准确，为了提高电容的电容值及其极板的距离的获取精度，本实施例中，在建立电容的电容值及其极板的距离之间的对应关系之前，还将第一电容c1的极板的距离及第二电容c2的极板的距离量化成百分比，即0％～100％。

具体地，第一电容c1的极板的距离为y1，第二电容c2的极板的距离为y2，则归一化后的第一电容c1的极板的距离为x1，其中，y1max为第一电容c1的极板的最大有效距离；归一化后的第二电容c2的极板的距离为x2，其中，y2max为第一电容c1的极板的最大有效距离。

通过上述方式可以得到第一电容c1的电容值与第一电容c1的极板的距离之间的对应关系为：

c1(x1)＝a1x1+b1，其中，x1为第一电容c1的电容值与第一电容c1的极板的距离，a1为第一电容c1的比例系数，b1为第一电容c1的基础电容值，c1(x1)为距离为x1时第一电容c1的电容值；

通过上述方式可以得到第一电容c1的电容值与第一电容c1的极板的距离之间的对应关系为：

c2(x2)＝a2x2+b2，其中，x2为第二电容c2的电容值与第二电容c2的极板的距离，a2为第二电容c2的比例系数，b2为第二电容c2的基础电容值，c2(x2)为距离为x2时第二电容c2的电容值。

作为一种优选地实施例，简化模型与输入阻抗及负载阻抗的关系，包括：

其中，ω为角频率，为第一电感l1的阻抗，为第二电感l2的阻抗，为第三电感l3的阻抗，为第一电容c1的阻抗，为第二电容c2的阻抗，zin为输入阻抗，zload为负载阻抗，l1为第一电感l1的电感值，l2为第二电感l2的电感值，l3为第三电感l3的电感值，c1为第一电容c1的电容值，c2为第二电容c2的电容值。

具体地，在得到多组例如9组测量参数后，将测量参数带入至简化模型与输入阻抗及负载阻抗的关系式中，便可得到第一电感l1、第二电感l2及第三电感l3的电感值的三元方程式，求解三个电感参数的值。

作为一种优选地实施例，根据多组测量参数、简化模型与输入阻抗及负载阻抗的关系得到第一电感l1的电感值、第二电感l2的电感值及第三电感l3的电感值之后，还包括：

若无法得到第一电感l1的电感值、第二电感l2的电感值及第三电感l3的电感值，则重新获取多组简化模型的测量参数，并返回上一步骤，直至得到第一电感l1的电感值、第二电感l2的电感值及第三电感l3的电感值。

具体地，考虑到上述实施例的求解过程中可能会出现无解的情况，此时算法中的自救程序启动，也即重新获取多组简化模型的测量参数，并返回根据多组测量参数、简化模型与输入阻抗及负载阻抗的关系得到第一电感l1的电感值、第二电感l2的电感值及第三电感l3的电感值这一步骤，若方程有解，则进入后续步骤，若方程无解，则重复该步骤，直至得到第一电感l1的电感值、第二电感l2的电感值及第三电感l3的电感值。通过该种方式，提高了得到的三个电感的电感值的可靠性。

作为一种优选地实施例，获取当前负载阻抗，根据当前负载阻抗和预设输入阻抗确定第一电容c1和第二电容c2的电容值关系，并对第一电容c1和/或第二电容c2的极板距离进行调整，以使第一电容c1和第二电容c2满足电容值关系之后，还包括：

判断简化模型的精度是否符合低损耗要求；

若是，则确定此时的第一电容c1和第二电容c2的电容值符合低损耗要求；

否则，重新调整第一电容c1的电容值和/或第二电容c2的电容值，并返回判断简化模型的精度是否符合低损耗要求的步骤。

具体地，本实施例考虑到满足电容值关系的第一电容c1值和第二电容c2值可能有多组，但是可能不是每组均能满足低损耗要求，也即通过该阻抗下的匹配箱，射频电源产生的功率是否能低损耗地传送至等离子体腔室，基于此，在得到简化模型后，还判断简化模型的精度是否符合低损耗要求，如果是，则说明该组第一电容c1和电容值的电容值符合要求，否则，则重新调整第一电容c1的电容值和/或第二电容c2的电容值，并返回断简化模型的精度是否符合低损耗要求的步骤，直至简化模型的精度符合低损耗要求。通过该种方式，可以提高简化模型的精度，降低了射频电源的产生的功率的损耗。

作为一种优选地实施例，判断简化模型的精度是否符合低损耗要求，包括：

判断简化模型的输入阻抗的驻波比是否小于预设值。

具体地，本实施例中，通过简化模型的输入阻抗的驻波比来判断简化模型的精度是否符合要求，驻波比全称为电压驻波比，指驻波波腹电压与波谷电压幅度之比，驻波比等于1时，表示射频电源阻抗和匹配箱及负载的阻抗之和完全匹配，此时射频电源产生的功率全部被传送出去，没有能量的反射损耗；驻波比为无穷大时，表示全反射，此时射频电源产生的功率完全没有辐射出去。则不难得到，驻波比越靠近1，简化模型的精度越高。通过该种方式判断简化模型的精度是否符合低损耗要求，可靠性高。

作为一种优选地实施例，预设值为1.06。

具体地，驻波比理论上来说很难达到1，但要求驻波比越小越好，本实施例中设定预设值为1.06，在驻波比小于1.06时，则说明此时的简化模型的精度比较高，满足工业需求。当然，这里的预设值还可以为其他数值，本申请在此不作特别的限定，根据实际情况来定。

请参照图3，图3为本发明提供的一种匹配箱的阻抗调节装置的结构示意图，该阻抗调节装置包括：

建立单元31，用于建立匹配箱的简化模型；其中，简化模型包括第一电感l1、串联连接构成第一支路的第二电感l2和第一电容c1、串联连接构成第二支路的第三电感l3和及第二电容c2，第一电感l1的一端分别与第一支路的一端及第二支路的一端连接，第一电感l1的另一端及第一支路的另一端与射频电源连接，第二支路的另一端与第一支路的另一端与负载连接；

获取单元32，用于获取多组简化模型的测量参数，测量参数包括第一电容c1的电容值、第二电容c2的电容值及此时简化模型的输入阻抗和负载阻抗；

参数确定单元33，用于根据多组测量参数、简化模型与输入阻抗及负载阻抗的关系得到第一电感l1的电感值、第二电感l2的电感值及第三电感l3的电感值；

匹配单元34，用于获取当前负载阻抗，根据当前负载阻抗和预设输入阻抗确定第一电容c1和第二电容c2的电容值关系，并对第一电容c1和/或第二电容c2的极板距离进行调整，以使第一电容c1和第二电容c2满足电容值关系。

对于本发明提供的一种匹配箱的阻抗调节装置的介绍请参照上述方法实施例，本发明在此不再赘述。

请参照图4，图4为本发明提供的一种射频电源系统的结构示意图，该射频电源系统包括射频电源41、匹配箱42及控制模块43；

控制模块43用于执行计算机程序时实现如上述匹配箱42的阻抗调节方法的步骤。

对于本发明提供的一种射频电源系统的介绍请参照上述方法实施例，本发明在此不再赘述。

需要说明的是，在本说明书中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。

对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其他实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。