CN109092226A - 一种mpcvd合成设备微波反射调节装置及控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种适用于MPCVD合成设备的自动化微波反射调节装置，包括微波电源、微波发生装置、微波传输导向器件、反射微波测量吸收器件、中段调节器件、模式转换器、末段调节器件，以及控制中心。所述微波发生装置与微波电源相连，接受微波电源的输出功率控制，微波电源、反射微波测量吸收器件、中段调节器件、末段调节器件和微波电源连接控制中心，并接收控制中心的控制指令，模式转换器用于调节微波传输的方向。克服了现有技术无法及时恰当调节，需要实验人员进行手动调整，不能有效保障磁控管的寿命，不能保证微波的稳定性。

Description

一种MPCVD合成设备微波反射调节装置及控制方法

技术领域

本发明涉及一种微波等离子体化学气相沉积(MPCVD)合成设备自动化调节装置及控制方法，属于化学气相沉积设备领域。

背景技术

MPCVD法不仅可以用于合成金刚石，还适用于很多其他材料的制备，MPCVD法合成设备的微波系统中磁控管是产生微波的重要器件，其微波输出的稳定性直接影响金刚石产品的性能和批次稳定性，同时金刚石合成过程中合成温度对于合成金刚石质量具有极的关系，而微波源输出功率的大小是决定合成温度的关键参数，合成过程中将微波反射功率降低甚至调节至零是微波传输系统的核心功能，而现有技术中一般采用人工调节的方式，但是人工调节存在误操作的可能，同时也存在操作不及时的情况，导致微波不稳，从而导致等离子体不稳定。

微波等离子体化学气相沉积(MPCVD)法是目前国际上被用于高品质金刚石膜制备的首选方法。为了提高金刚石膜的沉积速率、质量以及适当大的沉积面积，目前许多发达国家都在发展高功率MPCVD技术并开发出了多种高功率MPCVD设备，但是高功率MPCVD设备中微波发生装置内的磁控管部件非常脆弱，在金刚石合成过程特别是在反应前后微波功率升降过程中都可能出现因反射微波功率过高而损毁磁控管的情况。现有技术中并无有效的手段避免微波功率过高导致的磁控管损毁或者寿命降低的技术问题。同时，反射微波功率过高对于制备稳定的等离子体十分不利，影响产品的质量。

发明内容

本发明主要解决当前MPCVD金刚石合成设备工作过程中微波反射功率无法及时恰当调节，需要实验人员进行手动调整，不能有效保障磁控管的寿命，不能保证微波的稳定性的问题。采用本发明的技术手段可以有效提高设备的能量利用率、稳定性，提高生产效率。

为了解决上述技术问题，本发明提供一种技术方案如下：

一种MPCVD合成设备的自动化微波反射调节装置，包括微波电源、微波发生装置、微波传输导向器件、反射微波测量吸收器件、中段调节器件、模式转换器、末段调节器件，以及控制中心。所述微波发生装置与微波电源相连，接受微波电源的输出功率控制，微波电源、反射微波测量吸收器件、中段调节器件、末段调节器件和微波电源连接控制中心，并接收控制中心的控制指令。模式转换器用于调节微波传输的方向。

微波电源用于可控的向微波发生装置供电。可选的微波电源包括线性电源和开关电源的一种，也可为其他为微波发生装置供电的装置。

微波发生装置为产生微波的装置。可选的微波发生装置包括磁控管。

微波发生装置、微波传输导向器件、中段调节器件、模式转换器、末段调节器件依次连接，反射微波测量吸收器件与微波传输导向器件连接。所述的连接包括直接或间接连接，直接连接指的是各个部件之间直接连接，间接连接是指各个部件之间还包括其他部件，比如波导传输器件。

所述的波导传输器件用于传输微波，如波导管。

微波传输导向器件用于控制微波传输的传输方向，使得反射微波不会直接传输至微波发生装置。沿微波发生装置出口方向传输的微波沿直线传播，反向传输的微波不能直接传回微波发生装置，其能量将被导入反射微波吸收测量器件进行吸收，仅少量或没有微波能量最终传回微波发生装置。例如可使从其端口1到端口2，端口2到端口3，端口3到端口1是导通的，但端口2到端口1，端口3到端口2，端口1到端口3隔离。

进一步地，所述微波传输导向器为环形器。

反射微波测量吸收器件用于测量和吸收反射微波功率。

可选的，反射微波测量吸收器件包括反射微波吸收模块和反射微波功率测量模块。优选的，反射微波吸收模块为水负载，用于吸收反射的微波能量。反射微波功率测量模块用于测量反射的微波功率，可选的反射微波功率测量模块包括功率计和定向耦合器。

中段调节器件用于微波反射功率的调节。中段调节器件接收控制中心的控制指令，调整微波反射功率。进一步地，中段调节器件接收控制中心的控制指令，通过调整调节块的位置实现调节微波反射功率。

进一步地，中段调节器件中的调节块为三个。

进一步地，所述中段调节器件中的调节块为销钉。

优选的，中段调节器件包括电机、驱动器、控制器以及连接电机的可运动的调节块，其中控制器可以与控制中心进行通讯，控制器接收上位机控制指令后，输出符合要求的脉冲信号和方向信号，控制驱动器输出指定的电机运动信号，由电机带动调节块运动。

模式转换器用于改变微波传输方向。优选的，可将水平传输的微波转换成垂直传输的微波。模式转换器内部有垂直的金属天线，水平传输的微波经过天线后大部分微波能量将沿金属天线改变传输方向朝正下方垂直传输，剩余小部分微波能量继续水平方向传输。

末段调节器件用于调节经模式转换器后继续水平传输的微波能量，使其返回时尽量沿着金属天线向垂直方向传输，使水平方向的微波能量反射接近或等于零。进一步地，末段调节器件接收控制中心的控制指令，通过调整调节块的位置实现调节微波反射功率。

优选的，末段调节器件包含电机、驱动器、控制器以及连接电机的可运动的调节块。其控制器与控制中心进行通讯，控制器控制中心控制指令后，控制驱动器输出指定的电机运动信号(如图2所示)，电机运动带动调节块运动，改变调节块的位置。

优选的，调节块为T型调节块。进一步地，调节块为短路活塞。

优选的，一种实施方式中，控制中心可以直接接收、采集、识别、调节电压、电流、通讯信号，并通过运算后发送控制指令。

优选的，另一种实施方式中，还包括信号处理中心，信号处理中心具备通讯信号接收功能和电压、电流信号采集和调节功能，用于接收微波电源的通讯信号，采集和调节反射微波测量吸收器件的测量信号并上传至控制中心，并接受控制中心的控制指令并发送至微波电源、中段调节器件、末段调节器件。控制中心接收信号中心的反馈信号，并根据控制算法输出中段调节器件和末段调节器件的调节指令。

进一步地，信号处理中心可以为一个或者多个，当信号处理中心为多个时，一个控制中心可以同时控制多台设备，大幅度增加设备集中度，提高设备效率。

进一步地，所述控制中心包括计算机、单片机和PLC中的一种，进一步地，也可为其他具备数据处理功能的器件。

本发明还提供一种微波反射自动化调节控制方法，包含如下步骤：

(1)反射微波测量吸收器件测量反射微波，并将测量信号反馈至控制中心；

(2)控制中心判断反射微波是否超过安全阈值或预警阈值；

(3)如果反射微波功率超过安全阈值则控制中心发出指令，关闭微波电源；如果反射微波功率高于预警阈值且低于安全阈值，控制中心发出指令控制电机调节中段控制器件、末段调节器件中调节块的位置，将反射微波功率调节至可达到的最小值。

进一步地，步骤(3)中的调节方法为：

首先，调节中段调节器件最靠近模式转换器的调节块朝第一方向运动，反射微波测量吸收器件监测反射微波功率变化，若调节块朝第一运动方向运动导致反射微波功率增大，则朝反向运动，直至调节块位于反射微波最小的位置。

其次，按照同样的方式，按照调节块与模式转换器的距离顺序，从最近到最远，依次调节调节块的位置，直至微波反射功率最小。

最后，完成中段调节器件中所有调节块的调整之后，控制末段调节器件朝第二方向运动，反射微波测量吸收器件监测反射微波功率变化，若调节块朝第二运动方向运动导致反射微波功率增大，则朝反向运动，直至调节块位于反射微波最小的位置。

进一步优选的，所述的第一方向和第二方向垂直。

进一步地，所述的安全阈值可选为0.5kW-3kW中间(包括端点)的任一值，或者为输入功率的百分比30％-60％中间(包括端点)的任一值。

进一步地，所述的预警阈值可选为50-500W中间(包括端点)的任一值，或者为输入功率的百分比1％-10％中间(包括端点)的任一值。

进一步地，本发明的一种设备开机微波反射自动化调节方案包括：

设备启动时控制中心发出控制指令，微波电源首先输出微波发生装置启动所需的第一功率值，之后控制中心根据反射微波测量吸收器件所测得的微波反射功率值进行判断：

当微波反射功率超过安全值时，直接关闭微波电源；当微波反射系数低于安全值但高于预警阈值时，先发送指令调节中段调节器件，将反射微波功率调节可达到的最小值，再调节末段调节器件将微波反射功率调节至可达到的最小值。判断是否超过预警阈值，如仍超过预警阈值，则开展新一轮的中段、末段调节器件调节，直至反射微波低于预警阈值，如低于预警阈值，进入下一步，逐渐加大微波电源输出功率，并监测微波反射功率值。重复上述步骤，直至将微波电源输出功率调节至合成反应所需值。

进一步地，所述的第一功率值优选大于400W，小于2000W。

进一步地，本发明的一种设备关机微波反射自动化调节方案包括：

控制中心发出控制指令，微波电源降低微波输出功率，之后控制中心根据反射微波测量吸收器件所测得的微波反射功率值进行判断：

当微波反射功率超过安全值时，直接关闭微波电源；当微波反射系数低于安全值但高于预警阈值时，先发送指令调节中段调节器件，将反射微波功率调节可达到的最小值，再调节末段调节器件将微波反射功率调节至可达到的最小值判断是否超过预警阈值，如仍超过预警阈值，则开展新一轮的中段、末段调节器件调节，直至反射微波低于预警阈值，如低于预警阈值，进入下一步，降低微波输出功率，监测微波反射功率值。重复上述步骤，直至将微波电源输出功率调节至关机要求。

所述的每一次微波电源降低微波输出功率的幅度可选为200W-1000W。

所述符合关机要求的微波电源输出功率可选为0-1000W。

所述的可达到的最小值是指根据一定的调节规则，调节中段调节器件和末段调节器件，按照该规则调节的情况下，可达到的最小值。例如，调节中段调节器件的规则为调节中段调节器件最靠近模式转换器的调节块朝第一方向运动，反射微波测量吸收器件监测反射微波功率变化，若调节块朝第一运动方向运动导致反射微波功率增大，则朝反向运动，直至调节块位于反射微波最小的位置。之后，按照同样的方式，按照调节块与模式转换器的距离顺序，从最近到最远，依次调节调节块的位置，直至微波反射功率最小。末段调节器件的调节方式例如，控制末段调节器件朝第二方向运动，反射微波测量吸收器件监测反射微波功率变化，若调节块朝第二运动方向运动导致反射微波功率增大，则朝反向运动，直至调节块位于反射微波最小的位置。

进一步地，提供一种快速调节模式，一种优选的调节块调节方式包括：当微波电源开机后，如微波反射功率超过微波源功率输出值的预警阈值时，控制中心先控制末段调节器件的调节块运动至中间位置附近，之后控制中段调节器件最靠近模式转换器的调节块朝第一方向运动，如在此过程中微波反射功率增加，则控制此调节块朝第一方向的反向运动，直至将其调节至微波反射功率最小的位置，当最靠近模式转换器的调节块调节至反射微波功率最小的位置时，时判断此时反射微波功率是否低于微波源输出功率的预警阈值，如是则结束调节中段调节器件，否则按照调节块与模式转换器的距离顺序，从最近到最远，依次调节调节块的位置，每完成一个调节块的调节，判断反射微波功率是否低于预警阈值，如果低于预警阈值则停止调节中段调节器件，开始末段调节器件调节，如一直未低于预警阈值，则依次调节调节块进行一轮运动，直至微波反射功率最低，结束中段调节器件调节，开始末段调节器件调节。末段调节器件调节首先调节末段调节器件的调节块朝第二运动方向运动，如果反射微波功率增加，则朝反方向运动，直至将反射微波功率调节至最小值。

进一步地，可通过控制程序对各电动调节器件内部的电机进行单独的调节。

与现有技术相比，本发明的有益效果如下：

1、在MPCVD金刚石合成设备工作过程中，本装置将实现微波反射功率的闭环控制和自动化调节，使正常情况下金刚石合成过程中微波反射功率为零，有效提高能量利用率，保证等离子体火球的长期稳定性；2、本装置使设备工作过程中实验人员可远离微波发生和传输系统，极大的降低了实验人员被超标微波辐射的几率，有效改善了实验人员的工作环境；3、控制MPCVD设备的微波反射功率不超过设定的安全值，并在设备出现异常情况时及时关闭微波源，保证设备的安全使用。

附图说明

图1一种中段电动调节器件的示意图

图2一种末段电动调节器件的示意图

图3一种MPCVD设备的部分结构的示意图

图4一种MPCVD设备部分部件的连接方式的俯视示意图

图5一种反射微波调节控制原理图A

图6一种控制中心与信号处理中心的控制示意图

图7一种反射微波调节控制原理图B

图8一种合成过程中的微波反射调节流程图

图9一种设备启动过程中的微波反射调节流程图

图10一种设备关机过程中的微波反射调节流程图

其中，控制中心1、信号处理中心2、微波电源3、微波发生装置4、微波传输导向器件5、中段调节器件6、左调节块6-1、中调节块6-2、右调节块6-3、模式转换器7、末段调节器件8、反射微波测量吸收器件9。

实施方式

以下基于实施例对本发明进行描述，本领域普通技术人员应当理解，在此提供的附图都是为了说明的目的，并且附图不一定是按比例绘制的。

实施方式一

一种MPCVD合成设备，包括控制中心1、信号处理中心2、微波电源3、微波发生装置4、微波传输导向器件5、中段调节器件6、模式转换器7、末段调节器件8、反射微波测量吸收器件9。中段调节器包括三个调节块，分别为左调节块6-1、中调节块6-2、右调节块6-3。微波发生装置与微波电源相连，接受微波电源的输出功率控制，反射微波测量吸收器件、中段调节器件、末段调节器件和微波电源连接信号处理中心，信号处理中心连接控制中心，并接收控制中心的控制指令，模式转换器用于调节微波传输的方向。信号处理中心具备通讯信号接收功能和电压、电流信号采集和调节功能，用于接收微波电源的通讯信号，采集和调节反射微波测量吸收器件的测量信号并上传至控制中心，并接受控制中心的控制指令并发送至微波电源、中段调节器件、末段调节器件。

一种可选的调节模式包括，设备启动，控制中心发出控制指令，微波电源首先输出微波发生装置启动所需的第一功率值，之后控制中心根据反射微波测量吸收器件所测得的微波反射功率值进行判断：

当微波反射功率超过安全值时，直接关闭微波电源；

当微波反射系数低于安全值但高于预警阈值时，先发送指令调节中段调节器件，调节中段调节器件的方法为：首先调节右调节块6-3朝下运动，如果微波反射功率降低，则继续调节右调节块6-3朝下运动，直到微波反射功率出现上升，将右调节块6-3调节至微波反射功率出现上升前的最低反射功率对应的位置；如果调节右调节块6-3朝下运动时微波反射功率升高，则改变调节块6-3的运动方向，使之朝上运动，相同的方法直至调节块6-3位于微波反射功率最低时对应的位置。此后根据相同的方法，依次调节调节块6-2、6-1，使得微波反射功率位于可到达的最小值。完成中段调节器件的调节之后，再调节末段调节器件调节块向转换器方向运动，如果微波反射系数升高，则改变运动方向，朝初始方向的反向运动，直到微波反射功率出现上升，将调节块调节至微波反射功率出现上升前的最低反射功率对应的位置。

当微波反射功率低于预警阈值时，直接调节末段调节器件，调节末段调节器件调节块向转换器方向运动，如果微波反射系数升高，则改变运动方向，朝初始方向的反向运动，直到微波反射功率出现上升，将调节块调节至微波反射功率出现上升前的最低反射功率对应的位置。

之后逐渐加大微波电源的输出功率，监测微波反射功率值并重复上述步骤，直至将微波电源输出功率调节至合成反应所需值。在后续的反应过程中，重复上述步骤，监控反应过程中的微波反射功率。

实施方式二

一种MPCVD合成设备，包括控制中心1、微波电源3、微波发生装置4、微波传输导向器件5、中段调节器件6、模式转换器7、末段调节器件8、反射微波测量吸收器件9。中段调节器包括三个调节块，分别为左调节块6-1、中调节块6-2、右调节块6-3。微波发生装置与微波电源相连，接受微波电源的输出功率控制，反射微波测量吸收器件、中段调节器件、末段调节器件和微波电源连接控制中心。控制中心具备通讯信号接收功能和电压、电流信号采集和调节功能，用于接收微波电源的通讯信号，采集和调节反射微波测量吸收器件的测量信号，运算并发送控制指令至微波电源、中段调节器件、末段调节器件。

一种可选的调节模式包括，设备启动，当微波电源开机后，如微波反射功率超过微波源功率输出值的预警阈值时，控制中心先控制末段调节器件的调节块运动至中间位置附近(见图3)，之后控制中段调节器件最靠近模式转换器的调节块6-3朝第一方向运动，如在此过程中微波反射功率增加，则控制此调节块朝第一方向的反向运动，直至将其调节至微波反射功率最小的位置，当最靠近模式转换器的调节块6-3调节至反射微波功率最小的位置时，时判断此时反射微波功率是否低于微波源输出功率的预警阈值，如是则结束调节中段调节器件，否则按照调节块与模式转换器的距离顺序，从最近到最远，依次调节调节块6-2、6-1的位置，每完成一个调节块的调节，判断反射微波功率是否低于预警阈值，如果低于预警阈值则停止调节中段调节器件，开始末段调节器件调节，如一直未低于预警阈值，则依次调节调节块进行一轮运动，直至微波反射功率最低，结束中段调节器件调节，开始末段调节器件调节。末段调节器件调节首先调节末段调节器件的调节块朝第二运动方向运动，如果反射微波功率增加，则朝反方向运动，直至将反射微波功率调节至最小值。

以上所述仅为本发明的优选实施例，并不用于限制本发明，对于本领域技术人员而言，本发明可以有各种改动和变化。凡在本发明的精神和原理之内所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种自动化微波反射调节装置，其特征在于包括微波电源、微波发生装置、微波传输导向器件、反射微波测量吸收器件、中段调节器件、模式转换器、末段调节器件，以及控制中心，所述微波发生装置与微波电源相连，接受微波电源的输出功率控制，微波电源、反射微波测量吸收器件、中段调节器件、末段调节器件和微波电源连接控制中心，并接收控制中心的控制指令，模式转换器用于调节微波传输的方向。

2.如权利要求1所述的自动化微波反射调节装置，其特征在于微波发生装置、微波传输导向器件、中段调节器件、模式转换器、末段调节器件依次连接，反射微波测量吸收器件与微波传输导向器件连接，所述的连接包括直接或间接连接，直接连接指的是各个部件之间直接连接，间接连接是指各个部件之间还包括其他部件。

3.如权利要求1所述的自动化微波反射调节装置，其特征在于反射微波测量吸收器件包括反射微波吸收模块和反射微波功率测量模块。

4.如权利要求3所述的自动化微波反射调节装置，其特征在于反射微波吸收模块为水负载，用于吸收反射的微波能量；反射微波功率测量模块用于测量反射的微波功率，反射微波功率测量模块为功率计、定向耦合器中的一种。

5.如权利要求1所述的自动化微波反射调节装置，其特征在于中段调节器件接收控制中心的控制指令，通过调整调节块的位置实现调节微波反射功率；末段调节器件接收控制中心的控制指令，通过调整调节块的位置实现调节微波反射功率。

6.如权利要求1所述的自动化微波反射调节装置，其特征在于中段调节器件和末段调节器件均包括电机、驱动器、控制器以及连接电机的可运动的调节块，其中控制器可以与控制中心进行通讯，控制器接收上位机控制指令后，输出符合要求的脉冲信号和方向信号，控制驱动器输出指定的电机运动信号，由电机带动调节块运动。

7.如权利要求1-6中所述的任一项自动化微波反射调节装置，其特征在于：还包括信号处理中心，信号处理中心具备通讯信号接收功能和电压、电流信号采集和调节功能，用于接收微波电源的通讯信号，采集和调节反射微波测量吸收器件的测量信号并上传至控制中心，并接受控制中心的控制指令并发送至微波电源、中段调节器件、末段调节器件，控制中心接收信号中心的反馈信号，并根据控制算法输出中段调节器件和末段调节器件的调节指令。

8.一种微波反射自动化调节控制方法，包含如下步骤：

(1)反射微波测量吸收器件测量反射微波，并将测量信号反馈至控制中心；

(2)控制中心判断反射微波是否超过安全阈值或预警阈值；

(3)如果反射微波功率超过安全阈值则控制中心发出指令，关闭微波电源；如果反射微波功率高于预警阈值且低于安全阈值，控制中心发出指令控制电机调节中段控制器件、末段调节器件中调节块的位置，将反射微波功率调节至可达到的最小值。

9.如权利要求8所述的一种微波反射自动化调节控制方法，步骤(3)中的调节方法为：

首先，调节中段调节器件最靠近模式转换器的调节块朝第一方向运动，反射微波测量吸收器件监测反射微波功率变化，若调节块朝第一运动方向运动导致反射微波功率增大，则朝反向运动，直至调节块位于反射微波最小的位置。其次，按照同样的方式，按照调节块与模式转换器的距离顺序，从最近到最远，依次调节调节块的位置，直至微波反射功率最小。最后，完成中段调节器件中所有调节块的调整之后，控制末段调节器件朝第二方向运动，反射微波测量吸收器件监测反射微波功率变化，若调节块朝第二运动方向运动导致反射微波功率增大，则朝反向运动，直至调节块位于反射微波最小的位置。

10.一种自动化调节方案包括：设备启动时控制中心发出控制指令，微波电源首先输出微波发生装置启动所需的第一功率值，之后控制中心根据反射微波测量吸收器件所测得的微波反射功率值进行判断：

当微波反射功率超过安全值时，直接关闭微波电源；当微波反射系数低于安全值但高于预警阈值时，先发送指令调节中段调节器件，将反射微波功率调节可达到的最小值，再调节末段调节器件将微波反射功率调节至可达到的最小值；判断是否超过预警阈值，如仍超过预警阈值，则开展新一轮的中段、末段调节器件调节，直至反射微波低于预警阈值，如低于预警阈值，进入下一步，逐渐加大微波电源输出功率，并监测微波反射功率值；重复上述步骤，直至将微波电源输出功率调节至合成反应所需值；

所述的可达到的最小值是指根据一定的调节规则，调节中段调节器件和末段调节器件，按照该规则调节的情况下，可达到的最小值；调节中段调节器件的规则为调节中段调节器件最靠近模式转换器的调节块朝第一方向运动，反射微波测量吸收器件监测反射微波功率变化，若调节块朝第一运动方向运动导致反射微波功率增大，则朝反向运动，直至调节块位于反射微波最小的位置；之后，按照同样的方式，按照调节块与模式转换器的距离顺序，从最近到最远，依次调节调节块的位置，直至微波反射功率最小；末段调节器件的调节方式例如，控制末段调节器件朝第二方向运动，反射微波测量吸收器件监测反射微波功率变化，若调节块朝第二运动方向运动导致反射微波功率增大，则朝反向运动，直至调节块位于反射微波最小的位置。