CN114672790B - 一种微波等离子体化学气相沉积系统 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种微波等离子体化学气相沉积系统。所述系统包括依次相连的微波源、微波传输单元、模式转换模块和等离子体放电单元，所述微波源包括磁控管、电源模块和电源控制模块，电源模块用于为磁控管提供工作电压，电源控制模块用于通过对电源模块进行控制使磁控管输出功率稳定的微波信号。本发明通过在微波源设置电源控制模块，对用于对磁控管供电的电源模块进行自动控制，能够使磁控管输出功率稳定的微波信号，从而提高了所述微波等离子体化学气相沉积系统的性能指标。
Description
技术领域
本发明属于微波等离子体设备技术领域，具体涉及一种微波等离子体化学气相沉积系统。
背景技术
等离子体主要通过加热、放电的方式促使气体分子发生电离获得。最常见的产生等离子体的方法有直流放电、射频放电和微波放电等，而微波放电产生的等离子体与上述几种方法相比，它的电离度比较高，而且微波放电产生的等离子体比较纯净，是薄膜沉积、微细加工和材料表面改性的一种重要手段。微波等离子体化学气相沉积方法(MicrowavePlasma Chemical Vapor Deposition，MPCVD)就是利用微波放电，在反应室中产生等离子体，并在基片上沉积得到金刚石薄膜。在微波等离子体化学气相沉积系统中，沉积气体在微波能量的作用下激发成等离子体状态，电子在高频电磁场作用下产生剧烈振荡，从而大大地促进了其与别的原子、离子、基团及分子的碰撞，这样反应气体的离化程度可达到10％以上，从而使反应室中充满了过饱和的原子氧和含碳基团，提高了沉积速率，改善了金刚石膜的沉积质量。MPCVD装置按反应室的不同可以分为石英管式MPCVD装置、石英钟罩式MPCVD装置和带有微波耦合窗口的不锈钢谐振腔式MPCVD装置。三种装置的工作原理大致相同，以石英钟罩式MPCVD装置为例，其组成示意图如图2所示，其工作原理是：微波源输出的微波信号经波导传输至石英钟罩，在石英钟罩的外面利用同轴天线辐射形成驻波场，在石英钟罩内形成微波等离子体，它的等离子区域较石英管式系统的大，而且等离子体的分布比较均匀，其直径可达到5厘米，薄膜的沉积温度超过了900℃。
微波源是MPCVD系统的核心部件，作为激发和维持微波等离子体的直接动力，微波电源具有十分重要的作用，其输出功率大小、稳定程度等指标直接决定了等离子体的各种参数，在一定程度上决定了MPCVD系统的总体性能。
发明内容
为了解决现有技术中存在的上述问题，本发明提供一种微波等离子体化学气相沉积系统。
为了实现上述目的，本发明采用以下技术方案。
一种微波等离子体化学气相沉积系统，包括依次相连的微波源、微波传输单元、模式转换模块和等离子体放电单元，所述微波源包括磁控管、电源模块和电源控制模块，电源模块用于为磁控管提供工作电压，电源控制模块用于通过对电源模块进行控制使磁控管输出功率稳定的微波信号。
进一步地，所述微波传输单元包括波导、微波环形器、电动三销钉调配器和水负载。
进一步地，所述电源模块包括磁场电源电路、电场电源电路和灯丝电源电路。
更进一步地，所述电源控制模块包括单片机以及与单片机相连的灯丝电流采样电路、阳极电流采样电路和D/A转换器，D/A转换器的输出端与电源模块的控制端相连。
更进一步地，所述单片机根据灯丝电流采样电路的输出电压，基于PID算法计算控制电压值，经D/A转换器后输出模拟控制电压至灯丝电源电路的输出电压控制端，使灯丝电流保持恒定。
更进一步地，所述单片机根据灯丝电流采样电路的输出电压和阳极电流采样电路的输出电压，计算控制电压值，经D/A转换器后输出模拟控制电压至灯丝电源电路的输出电压控制端，使阳极电流保持恒定。
更进一步地，所述电源控制模块还包括启动保护电路，所述启动保护电路包括串联在电源输入端的限流电阻以及并联在所述限流电阻两端的电子开关，所述电子开关的控制端与单片机的一个I/O口相连；所述电子开关在单片机的控制下，刚启动时断开，进行降压启动；启动一段时间后闭合。
更进一步地，所述电源控制模块还包括缺相保护电路，所述缺相保护电路包括与三相交流电相连的平衡检测电路、用于隔离的光耦电路和比较器；正常时平衡检测电路输出为0；发生缺相时，平衡检测电路输出电压经光耦电路使比较器输出高电平至单片机，单片机输出控制信号断开三相交流电。
优选地，所述磁控管为CK-619型磁控管。
优选地，所述单片机为ATmega16L型单片机。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果。
本发明提出的微波等离子体化学气相沉积系统，包括依次相连的微波源、微波传输单元、模式转换模块和等离子体放电单元，所述微波源包括磁控管、电源模块和电源控制模块。本发明通过在微波源设置电源控制模块，对用于对磁控管供电的电源模块进行自动控制，能够使磁控管输出功率稳定的微波信号，从而提高了所述系统的性能指标。
附图说明
图1为本发明实施例一种微波等离子体化学气相沉积系统的组成框图。
图2为石英钟罩式MPCVD系统组成示意图。
图3为电源控制模块的组成示意图。
图4为灯丝电流与阳极电流关系图。
图5为缺相保护电路的一种电路原理图。
图中：1-微波源，11-磁控管，12-电源模块，13-电源控制模块，131-单片机，132-灯丝电流采样电路，133-阳极电流采样电路，134-D/A转换器，135-启动保护电路，136-缺相保护电路，2-微波传输单元，3-模式转换模块，4-等离子体放电单元。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚、明白，以下结合附图及具体实施方式对本发明作进一步说明。显然，所描述的实施例仅仅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。
图1为本发明实施例一种微波等离子体化学气相沉积系统的组成框图，所述系统包括依次相连的微波源1、微波传输单元2、模式转换模块3和等离子体放电单元4，所述微波源1包括磁控管11、电源模块12和电源控制模块13，电源模块12用于为磁控管11提供工作电压，电源控制模块13用于通过对电源模块12进行控制使磁控管11输出功率稳定的微波信号。
本实施例中，所述系统主要由微波源1、微波传输单元2、模式转换模块3和等离子体放电单元4组成，各个模块的连接关系如图1所示。下面分别对每个模块进行介绍。
微波源1，主要用于产生大功率微波信号。微波信号一般由微波管产生，微波管可分为两大主要类型，即微波电子管和微波晶体管。其中，微波电子管又可分为磁控管11、速调管以及行波管等类型。本实施例的微波源1选用磁控管11，磁控管11具有结构简易、体积小巧、重量轻便等特点，使用起来极为容易，同时其输出功率高，能量转化效率高，工作可靠。下面简单介绍一下磁控管11的工作原理。磁控管11有阴极与阳极两个极端子，它作为一种激发微波能的电力电子器件，在阴极和阳极之间加上高压直流电，使阴极端发射的电子受到阳极正电位影响，飞射向阳极端。而在磁控管11内，由于存在着磁铁，经磁铁作用构成了与恒定电场相互正交的恒定磁场，因而管内电子在正交的电场力与磁场力的相互作用下做轮摆运动。又由于阳极腔内存在着高频磁场，因此就会产生伴随着阳极作高速圆周运动的“电子云”，当电子运动的速度与恒定的高频电场形成同步时，电子会将所有的电能量交换给恒定的高频磁场，把从恒定电场中取得的电能量转化成为微波能量，从而实现激发微波能的目的。因此，所述微波源1还需要设置一个电源模块12为磁控管11提供正常工作所需的各种电压，比如加在阳极和极限之间的高压直流电，磁控管11灯丝加热电压等。另外，为了使磁控管11能够输出稳定的大功率微波信号，还需要对所述电源模块12的工作进行控制，自动调整磁控管11的工作参数(如阴极电压、阳极电流、灯丝电流等)，为此设置了用于对电源模块12进行控制的电源控制模块13。除此之外，电源控制模块13还可以实现电源故障检测与保护功能，以保证磁控管11安全工作。
微波传输单元2，主要用于对微波源1输出的微波信号进行有效传输。微波作为一种高频电磁波，经常需要不同的波导来传输微波能量。不同的波导规格传输的电磁波波形模式不同。在本实施例中，采用的是矩形波导传输线。矩形波导是在微波传输中使用最多的一种传输线，它是由截面形状为矩形的金属管构成。管壁材料一般为含铜量96％以上的黄铜或铝，在一些特殊要求的场合也有使用无氧铜、不绣钢和其他材料来制作波导管的。矩形波导只能传输色散的TE和TM模式的电磁波。而不能传输TEM波，对于固定尺寸结构的矩形波导，当传输微波的频率足够大的时候，传输波导内就会存在多个工作模式，但是由于各个工作模式的场分布和截止波长不一致，所以不同模式的波相速度和群速度都不尽相同，因此在传输的末端，当各种模式的波叠加在一起后，就会和初始传输的波的状态有差别，这就导致波形的失真。为了防止这种情况的发生，一般都要求在波导中传输的单一模式的电磁波。矩形波导主模为TE10模式，它的截止波长是最长的。圆波导的最低模式为模TE11，它的场分布与矩形波导的模式比较接近，但圆波导的加工比较困难，会出现一定的椭圆度，在传输TE11模式时，会出现极化简并现象，因此本实施例选用矩形波导来进行微波传输。
模式转换模块3，主要用于进行微波传输模式的转换。微波源1产生的微波能量在矩形波导中以TE10模式进行传输，最后传输到等离子体放电单元4即谐振腔中。由于圆柱形的谐振腔加工时较容易，并且能获得较高的品质因数，所以采用圆柱谐振腔。微波在圆波导中常见的传输模式有TE01、TE11和TM01，权衡三种模式的特点，本实施例选用单一的TM01模式。因此需要模式转换模块3将矩形波导中的TE10模式转换为TM01模式。
等离子体放电单元4，主要用于在反应室中产生等离子体并在基片上沉积得到金刚石薄膜。等离子体放电单元4主要由微波谐振腔组成，反应气体在谐振腔中的微波能量作用下激发成等离子体状态，电子在高频电磁场作用下产生剧烈振荡，从而大大地促进了其与别的原子、离子、基团及分子的碰撞，这样反应气体的离化程度可达到10％以上，从而使反应室中充满了过饱和的原子氧和含碳基团，提高了沉积速率，改善了金刚石膜的沉积质量。微波谐振腔的结构如图2所示，在腔体下部设有圆柱同轴可调短路活塞，中间采用水冷锈钢样品台。腔体上部耦合天线与圆柱负载同轴相连。在腔体内部安放有光学级的石英钟罩，起到了对工作空间的封闭、隔离作用。工作时可通过波导短路活塞调整谐振腔的轴向长度以达到最佳匹配，同时该同轴耦合圆柱微波谐振腔保证了微波馈入反应腔以激发等离子休的均匀性、对称性和加工的便利性。为了降低损耗，整个谐振腔采用对微波能有较小吸收作用的不锈钢材料。这些设计使整个谐振腔中的微波功率集中，放电均匀，能在功率范围内可产生高密度、大面积的均匀等离子体，功率及气压变化时等离子体稳定在基板上，从而达到快速大面积沉积薄膜的目的。
作为一可选实施例，所述微波传输单元2包括波导、微波环形器、电动三销钉调配器和水负载。
本实施例给出了微波传输单元2的一种技术方案。微波传输单元2除了矩形波导还包括高性能微波环形器、电动三销钉调器、以及带放射波取样的水负载等。微波环形器的作用是隔离反射波与磁控管11，反射回的微波会进入环形器，被水负载吸收，从而确保磁控管11稳定工作。同时，还可以通过对反射波进行取样，然后用显示表头实时显示反射功率的大小和磁控管11的工作状态。电动三销钉调配器可以对阻抗进行匹配，使反射功率达到最小。
作为一可选实施例，所述电源模块12包括磁场电源电路、电场电源电路和灯丝电源电路。
本实施例给出了电源模块12的一种技术方案。根据磁控管11工作原理，要使磁控管11正常工作，需要产生一定的磁控管11灯丝加热电流，还需要产生一定强度的电场和磁场。因此，本实施例的电源模块12包括磁场电源电路、电场电源电路和灯丝电源电路。对于CK-619型磁控管11，磁场电源电路可设计成输出电流可调的30V直流电压源；电场电源电路可设计成输出10KV的高压直流电源；灯丝电源电路可设计成输出12V的交流电压源。电源电路的设计技术已经非常成熟，这里对三种电路的具体设计方法不作详细介绍。
作为一可选实施例，所述电源控制模块13包括单片机131以及与单片机131相连的灯丝电流采样电路132、阳极电流采样电路133和D/A转换器134，D/A转换器134的输出端与电源模块12的控制端相连。
本实施例给出了电源控制模块13的一种技术方案。如前述，电源控制模块13主要用于通过对电源模块12进行控制使磁控管11输出功率稳定的微波信号。为了实现所述功能，需要对磁控管11的工作参数进行采样，并基于所述参数对电源模块12进行控制。因此，本实施例的电源控制模块13主要由单片机131以及与单片机131相连的灯丝电流采样电路132、阳极电流采样电路133和D/A转换器134组成，如图3所示。D/A转换器134的输出端与电源模块12的控制端相连，用于将单片机131输出的控制电压数字信号转换成模拟信号，从而实现对电源模块12的控制。
作为一可选实施例，所述单片机131根据灯丝电流采样电路132的输出电压，基于PID算法计算控制电压值，经D/A转换器134后输出模拟控制电压至灯丝电源电路的输出电压控制端，使灯丝电流保持恒定。
本实施例给出了灯丝电流控制的一种技术方案。磁控管11的微波输出功率可表示为P＝kUI，其中，U为磁控管11阴极端的负高压，I为阳极电流，k为磁控管11的输出功率转化率，主要由磁控管11的工艺性能所决定。因此，一般通过对磁控管11阴极端的负高压和阳极端电流分别采取稳压稳流措施达到稳定微波电源输出功率的目的。实验表明，当阴极电压为和磁场强度不变的情况下，磁控管11的灯丝电流与阳极电流有明显的相关性，二者的关系曲线如图4所示。由图4可知，灯丝电流与阳极电流的曲线近似为一条与横轴平行的直线，在不改变阴极电压和磁场强度的情况下，随着灯丝电流的变化阳极电流的变化很小，也就是说阳极电流受灯丝电流的影响很小，在磁控管11运行过程中只要保持灯丝电流恒稳即可得到功率稳定的微波信号。因此本实施例通过对灯丝电流进行控制使磁控管11输出功率稳定的微波信号。具体实现方法是：根据实时采集的灯丝电流值(一般由采样电阻的的电压表示电流大小)，利用PID算法计算需要的控制电压，将所述控制电压的数字信号通过D/A转换器134转换成模拟控制电压，并将所述模拟电压送至灯丝电源电路的输出电压控制端(如可控硅的触发端)，使灯丝电流保持恒定，从而使阳极电流保持恒定。PID算法属于成熟的现有技术，这里不作详细介绍。
作为一可选实施例，所述单片机131根据灯丝电流采样电路132的输出电压和阳极电流采样电路133的输出电压，计算控制电压值，经D/A转换器134后输出模拟控制电压至灯丝电源电路的输出电压控制端，使阳极电流保持恒定。
本实施例给出了另一种灯丝电流控制方案。上一实施例是基于阳极电流不随灯丝电流变化的假设进行控制，但实际上阳极电流仍然随灯丝电流的增大而缓慢增加，如图4所示，因此上一实施例的控制效果不够理想。为此，本实施例提出一种改进方案，即不仅只基于灯丝采样电流计算控制电压大小，还要考虑阳极电流的变化。也就是说，如果上一实施例的控制电压只是灯丝电流单一自变量的函数，那么本实施例的控制电压则是灯丝电流和阳极电流两个自变量的函数。具体地，可先根据灯丝电流采样电路132的输出电压，基于PID算法计算控制电压值，然后基于阳极采样电流的变化量对所述控制电压值进行修正，将修正后的控制电压值经D/A转换器134后输出模拟控制电压至灯丝电源电路的输出电压控制端，最终使阳极电流保持恒定。本实施例由于基于实时采集的灯丝电流和阳极电流计算控制电压(而不是基于单一的灯丝电流)，对灯丝电流进行控制，因此提高了磁控管11输出微波信号功率的稳定性。
作为一可选实施例，所述电源控制模块13还包括启动保护电路135，所述启动保护电路135包括串联在电源输入端的限流电阻以及并联在所述限流电阻两端的电子开关，所述电子开关的控制端与单片机131的一个I/O口相连；所述电子开关在单片机131的控制下，刚启动时断开，进行降压启动；启动一段时间后闭合。
本实施例给出了磁控管11启动保护的一种技术方案。磁控管11在正常工作时输出大功率微波信号，尤其是刚开机时很多电阻负载的阻抗近似为0(预热一段时间后慢慢升高恢复正常)，开机电流很大，所以在电路开启时不能直接启动，否则不仅会对其他设备造成一定的冲击，还有可能对整个电网造成严重影响。为此，本实施例设计了启动保护电路135。启动保护电路135属于电源控制模块13，其技术原理是：刚开机时进行降压或小电流(小于正常工作电流)启动；启动一段时间后恢复到正常状态。本实施例采取的具体方案是：在电源输入端串联限流电阻(如一个水泥电阻)，在限流电阻两端并联一个电子开关(如继电器或接触器)，所述电子开关的通断由单片机131控制。刚启动时，电子开关断开，限流电阻起作用，进行降压启动；一段时间后，电子开关闭合，限流电阻被短路失去作用，电源电路正常工作。
作为一可选实施例，所述电源控制模块13还包括缺相保护电路136，所述缺相保护电路136包括与三相交流电相连的平衡检测电路、用于隔离的光耦电路和比较器；正常时平衡检测电路输出为0；发生缺相时，平衡检测电路输出电压经光耦电路使比较器输出高电平至单片机131，单片机131输出控制信号断开三相交流电。
本实施例给出了三相电缺相保护的一种技术方案。电源模块12的初始电源来自三相380V/50Hz的工频市电，由于整个电网产生波动或者因为电源线可能存在的不可靠因素，可能会引起输入三相电之间的不平衡或缺少某一相交流电。电子设备在缺相状态下运行时不易被察觉，轻则影响电源的正常输出，从而影响系统性能，重则影响设备寿命甚至造成损坏。为此，本实施例设计了缺相保护电路136。缺相保护电路136属于电源控制模块13，主要由平衡检测电路、光耦电路和比较器组成。平衡检测电路用于检测三相电是否失衡或缺相，正常时输出为0；发生失衡或缺相时，输出一定幅度的电压。光耦电路用于对平衡检测电路输出的电压信号进行隔离放大，并将放大后的电压送到比较器。如果放大后的电压大于设定的阈值(比较器一个输入端连接的基准电压)，比较器输出一个高电平信号至单片机131。单片机131收到所述高电平信号后，输出控制信号断开三相交流电，从而避免因缺相造成的损失。图5给出了一种具体的缺相保护电路136。
作为一可选实施例，所述磁控管11为CK-619型磁控管11。
本实施例给出了一种具体型号的磁控管11。CK-619型磁控管具有固定的频率，是一款波长为12cm的连续波磁控管。这种磁控管采用的是锗材料，面接触型结构，运用金属材料直插型封装。该磁控管的主要特征参数包括：频率范围为2.4～2.5GHz，输出功率大于10KW，阴极电压为12KV，阳极电流1.6A，灯丝电压为12V，灯丝预热电流为47A、工作电流为36A。
作为一可选实施例，所述单片机131为ATmega16L型单片机。
本实施例给出了一种具体型号的单片机。ATmega16L型单片机是一款高性能、低功耗处理器，具有以下特点：
8位高性能、低功耗AVR处理器，先进的RISC(精简指令集)结构。131条指令中，大多数都为单时钟指令，执行速度快。其硬件乘法器的运行时间也仅为两个时钟周期；
32个8位通用寄存器、全静态工作；
数据存储器和非易失性程序。16字节的片内可编程Flash，擦写寿命高达10000次，具有程序保密锁死功能。1K字节的片内SRAM，512个字节的EEPROM；
多中断源、多复位源，独特的波特率发生器，独立的串口通信端口。
以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以权利要求的保护范围为准。
Claims (8)
1.一种微波等离子体化学气相沉积系统，其特征在于，包括依次相连的微波源、微波传输单元、模式转换模块和等离子体放电单元，所述微波源包括磁控管、电源模块和电源控制模块，电源模块用于为磁控管提供工作电压，电源控制模块用于通过对电源模块进行控制使磁控管输出功率稳定的微波信号；
所述电源控制模块包括单片机以及与单片机相连的灯丝电流采样电路、阳极电流采样电路和D/A转换器，D/A转换器的输出端与电源模块的控制端相连；所述单片机根据灯丝电流采样电路的输出电压，基于PID算法计算控制电压值，然后基于阳极采样电流的变化量对所述控制电压值进行修正，修正后的控制电压值经D/A转换器后输出模拟控制电压至灯丝电源电路的输出电压控制端，使阳极电流保持恒定。
2.根据权利要求1所述的微波等离子体化学气相沉积系统，其特征在于，所述微波传输单元包括波导、微波环形器、电动三销钉调配器和水负载。
3.根据权利要求1所述的微波等离子体化学气相沉积系统，其特征在于，所述电源模块包括磁场电源电路、电场电源电路和灯丝电源电路。
4.根据权利要求1所述的微波等离子体化学气相沉积系统，其特征在于，所述单片机根据灯丝电流采样电路的输出电压，基于PID算法计算控制电压值，经D/A转换器后输出模拟控制电压至灯丝电源电路的输出电压控制端，使灯丝电流保持恒定。
5.根据权利要求1所述的微波等离子体化学气相沉积系统，其特征在于，所述电源控制模块还包括启动保护电路，所述启动保护电路包括串联在电源输入端的限流电阻以及并联在所述限流电阻两端的电子开关，所述电子开关的控制端与单片机的一个I/O口相连；所述电子开关在单片机的控制下，刚启动时断开，进行降压启动；启动一段时间后闭合。
6.根据权利要求1所述的微波等离子体化学气相沉积系统，其特征在于，所述电源控制模块还包括缺相保护电路，所述缺相保护电路包括与三相交流电相连的平衡检测电路、用于隔离的光耦电路和比较器；正常时平衡检测电路输出为0；发生缺相时，平衡检测电路输出电压经光耦电路使比较器输出高电平至单片机，单片机输出控制信号断开三相交流电。
7.根据权利要求1所述的微波等离子体化学气相沉积系统，其特征在于，所述磁控管为CK-619型磁控管。
8.根据权利要求1所述的微波等离子体化学气相沉积系统，其特征在于，所述单片机为ATmega16L型单片机。
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