Impedance matching of the RF sputtering system

Tomomi Research Inc.
RF Sputter
Impedance matching
2016/07/29 (Fri)
Seong-Hun Choe

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
2016/7/29

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。
2016/7/29
RF signal
Frequency : 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、
𝑍 𝐿 = 𝑍 𝐿 + 𝑍 𝑐 = 𝑗(2𝜋𝑓)𝐿 +
1
𝑗(2𝜋𝑓)𝐶
表記は負荷の英語表記がLoadがあるので、頭文字を取り ZL

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。
2016/7/29
RF signal
Frequency : f
Amp
Inductor : L [H]
Capacitor
: C[F]
負荷(Load)
Ground
Z0 ZL
Z0
ZL

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。）
2016/7/29
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
Forward
power100

Example
2016/7/29
RF signal
Frequency : f
Amp
Ground
Z0
Resistor
25 [Ohm]
50 Ohm
Inductor
j25 [Ohm]
* Load impedance = 30 + j 25 [Ohm]
* After impedance matching
50 Ohm = (25+ 25) + (j 25 –J25) [Ohm] = 50 + j 0 [Ohm]
RF signal
Frequency : f
Amp
Ground
Z0
Resistor
25 [Ohm]
50 Ohm
Inductor
j25 [Ohm]
Capacitor
-j25 [Ohm]
Resistor
25 [Ohm]

Impedance matching with the smith chart
2016/7/29
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

2016/7/29
Z_L= 25 + j 25 [Ohm]
- j25 OhmをSeriesで追加する。
波数）
𝑍 𝑐 =
1
𝑗(2𝜋𝑓)𝐶
= −
𝑗
2𝜋𝑓 𝐶
= −𝑗25
𝑗
2𝜋𝑓 𝐶
= 𝑗25
𝐶 =
1
2𝜋𝑓 25
=
1
2𝜋 ∗ 13.56𝑒6 25
= 470 [𝑝𝐹]
50 Ohm

2016/7/29
Z_L= 25 + (j 25 – j25) [Ohm]
25 OhmをSeriesで追加する。
波数）
50 Ohm

Results
2016/7/29
2016/7/29
Ground* After impedance matching
50 Ohm = (25+ 25) + (j 25 –J25) [Ohm] = 50 + j 0 [Ohm]
RF signal
Frequency : f
Amp
Ground
Z0
Resistor
25 [Ohm]
50 Ohm
Inductor
j25 [Ohm]
Capacitor
-j25 [Ohm]
=~470 pF
Resistor
25 [Ohm]
50 Ohm

RF Sputter system
2016/7/29
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

Plasma ChamberのImpedance 構成
2016/7/29
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。

RF Sputterで使われるImpedance Matching Network
2016/7/29
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/availabl
e-technologies/rf-matching-networks/

Example
2016/7/29
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

Example
2016/7/29
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

手順1
2016/7/29
まず、直列のキャパシタ(C=463.2 pF)を連結

手順2
2016/7/29
次に、並列のインダクター(L=458.1 nH)を連結

手順3 : 50 Ohm達成
2016/7/29
50 Ohm
最後に、直列のキャパシタ (L= 77.2pF)を連結

Results
2016/7/29
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。

実際のImpedance Matching Box
2016/7/29
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。

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