impedance matching of the rf sputtering system
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Tomomi Research Inc.
RF Sputter Impedance matching
2016/07/29 (Fri)Seong-Hun Choe
Tomomi Research Inc.
目次
1.インピーダンスマッチングの一般的な話2.RF スパッターでのインピーダンスマッチングシステム
05/01/2023
Tomomi Research Inc.
Impedance matching
伝送回路の特性インピーダンス（ 50 Ohm 系 ) と負荷インピーダンスを合わせることが目的。
05/01/2023
RF signalFrequency : f
Amp伝送回路（プリント基板、同軸ケーブル )特性インピーダンス : 50 Ohm
Inductor : L [H]
Capacitor: C[F]
負荷 (Load)
Ground伝送回路のインピーダンス：特性インピーダンスとも呼ぶ。普段 50 [Ohm] 表記は Z0
Z0 ZL
負荷のインピーダンス：この絵の回路では、 Inductor(L) と Capacitor(C) で構成されているので、 表記は 負荷の英語表記が Load があるので、頭文字を取り ZL
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Impedance matching
伝送回路の特性インピーダンス（ 50 Ohm 系 ) と負荷インピーダンスを合わせることが目的。
05/01/2023
RF signalFrequency : f
Amp
Inductor : L [H]
Capacitor: C[F]
負荷 (Load)
Ground
Z0 ZL
Z0
ZL
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Impedance matching
(2) Z0≠ZL の時、負荷の前で反射が起きる。（＝送ろうとしている電力が負荷に伝わらない。元の回路に反射電力が戻り、素子を壊す場合もある。）
05/01/2023
Z0
ZL
Input power 100 Reflected power
Forwarded power
(1) Z0=ZL の時、負荷に 100% の電力が伝わる。
Z0
ZL
Input power 100 Forw
ard pow
er 100
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Example
05/01/2023
RF signalFrequency : f
Amp
Ground
Z0
Resistor25 [Ohm]
50 Ohm
Inductor j25 [Ohm]
* Load impedance = 30 + j 25 [Ohm]
* After impedance matching50 Ohm = (25+ 25) + (j 25 –J25) [Ohm] = 50 + j 0 [Ohm]
RF signalFrequency : f
Amp
Ground
Z0
Resistor25 [Ohm]
50 Ohm
Inductor j25 [Ohm]
Capacitor -j25 [Ohm]
Resistor25 [Ohm]
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Impedance matching with the smith chart
05/01/2023
Z_L= 25 + j 25 [Ohm]Z0=50 [Ohm] で正規化するとZ = Z_L/Z_0 = (25+ j25)/50 = 0.5 + j 0.5 [Ohm]
周波数は 13.56 MHz とする。 (RF スパッタの周波数）
50 Ohm
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Impedance matching with the smith chart
05/01/2023
Z_L= 25 + j 25 [Ohm]
- j25 Ohm を Series で追加する。周波数は 13.56 MHz とする。 (RF スパッタの周波数）
50 Ohm
Tomomi Research Inc.
Impedance matching with the smith chart
05/01/2023
Z_L= 25 + (j 25 – j25) [Ohm]
25 Ohm を Series で追加する。周波数は 13.56 MHz とする。 (RF スパッタの周波数）
50 Ohm
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Results
05/01/2023
05/01/2023
Ground* After impedance matching50 Ohm = (25+ 25) + (j 25 –J25) [Ohm] = 50 + j 0 [Ohm]
RF signalFrequency : f
Amp
Ground
Z0
Resistor25 [Ohm]
50 Ohm
Inductor j25 [Ohm]
Capacitor -j25 [Ohm] =~470 pF
Resistor25 [Ohm]
50 Ohm
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目次
1.インピーダンスマッチングの一般的な話2.RF スパッターでのインピーダンスマッチングシステム
05/01/2023
Tomomi Research Inc.
RF Sputter system
05/01/2023
周波数は、 13.56 MHz RF Generator の特性インピーダンスは 50 Ohm 系問題は、 Plasma Chamber : 構造、ガス、真空の度合いによって、インピーダンスが動的に変化する。
Forward power
Reflected Power
ここのインピーダンスが条件によって変わる
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Plasma Chamber の Impedance 構成
05/01/2023
Cc : Cold Capacitance ( チャンバーの静電容量 )Cp : Plasma Capacitance ( プラズマが立っている時の静電容量 )R1 : チャンバー内部の抵抗成分
等価回路に置き換えると、R2 と Ceq の簡単なインピーダンス構成として考えられる。
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RF Sputter で使われる Impedance Matching Network
05/01/2023
Plasma chamber のインピーダンス変化の範囲が広いため、広い範囲でマッチングができるように複数の L と C が使われる。そして、可変キャパシターが２個使われるのが一般的。
http://www.aultimut.com/products/available-technologies/rf-matching-networks/
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Example
05/01/2023
Plasma Chamber のインピーダンスがZ_plasma = Z_R2 + Z_Ceq = 5 – j 25 [Ohm]
の時、 T-match Impedance matching network を使って、 Matching を行ってください。RF Generator 50 Ohm 系、 周波数 13.56 MHz
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Example
05/01/2023
Plasma Chamber のインピーダンスがZ_plasma = Z_R2 + Z_Ceq = 5 – j 25 [Ohm]
RF Generator 50 Ohm 系、 周波数 13.56 MHz
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手順 1
05/01/2023
まず、直列のキャパシタ (C=463.2 pF) を連結
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手順 2
05/01/2023
次に、並列のインダクター (L=458.1 nH) を連結
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手順 3 : 50 Ohm 達成
05/01/2023
50 Ohm
最後に、直列のキャパシタ (L= 77.2pF) を連結
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Results
05/01/2023
RF Generator ( Z_0 = 50 Ohm)
Plasma Chamber( Z_plasma =5- j 25 Ohm)
C=463.2 pF
L=458.1 nH
L= 77.2pF
周波数 13.56 MHz
実際のマッチングシステムでは、並列の L の値が固定されている。従って、２つの可変キャパシタの値を調節して、 50 Ohm に持っていくことになる。
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実際の Impedance Matching Box
05/01/2023
Variable Capacitor 2
Variable Capacitor 1
Inductor
いずれ、下記のネットワークの中の一つになっている。