CN115000662A

CN115000662A - 集成固态微波源的微波传输系统

Info

Publication number: CN115000662A
Application number: CN202210698710.0A
Authority: CN
Inventors: 林桂浩; 乐卫平; 代兵; 黄晓东; 曹义浩
Original assignee: Shenzhen CSL Vacuum Science and Technology Co Ltd
Current assignee: Shenzhen CSL Vacuum Science and Technology Co Ltd
Priority date: 2022-06-20
Filing date: 2022-06-20
Publication date: 2022-09-02
Anticipated expiration: 2042-06-20
Also published as: CN115000662B

Abstract

本发明公开的一种集成固态微波源的微波传输系统，所述系统包括：固态发生器、阻抗匹配调节装置、微波传导元件和控制器，其中，所述固态发生器用于根据所接收的控制信号产生第一微波能量并输出至所述微波传导元件，所述固态发生器包括具有不同参数的多个固态微波源，且所述固态微波源基于氮化镓微波器件组成；所述微波传导元件用于将所述第一微波能量传输至微波负载；所述控制器用于产生控制信号以改变所述第一微波能量的一个或多个参数。本发明采用基于氮化镓的固态芯片组成固态微波源，可以实现对微波输出功率、频率和相位的精确调控；同时可实现百瓦级到万瓦级的微波发生器的集成，有助于整体微波系统的小型化和集成化，提高整体运行效率。

Description

集成固态微波源的微波传输系统

技术领域

本发明涉及微波传输技术领域，更具体的，涉及一种集成固态微波源的微波传输系统。

背景技术

在半导体材料处理中，等离子体发生器通常处于材料真空反应室的上游部分。在等离子体发生器中，能量通常耦合到流过位于微波腔中的等离子体放电管的气体，并且等离子体在气体中被微波能量激发。等离子产品通过等离子放电管向下游流动，进入工艺反应室，并通过与半导体材料表面反应而实现材料生长或表面处理。

微波对于多种不同应用中的材料加工、加热和等离子体生成具有非常重要的作用，这些过程包括加热，固化，烧结，融合，任何直接将微波能量耦合到固体，液体或气态材料中以改变该材料的化学或物理结构的过程。在半导体和其他等离子体处理应用中，强烈的微波放电在许多应用中都很重要，例如沉积、蚀刻、清洁、灰化和离子束生成。许多商业系统都适合微波处理。然而，大多数现有的微波处理技术的局限性在于它依赖于真空管技术来产生微波能量，大多数等离子和材料处理设备都基于工作在2.45GHz的家用和工业型磁控管。因此，对于等离子体激发过程存在功率和频率波动等缺点，造成等离子体的不稳定，进而损伤材料表面，应用范围受到限制。

目前商用的微波处理系统具有显着的缺点，限制了它们在某些应用中的使用，大多数用于烤箱。尽管这些系统中的一些使用谐振施加器或开槽波导，但这些系统中的大多数是多模式微波炉。在这些系统中，对于低电磁场区域，固化比高电磁场区域慢。现有基于磁控管的微波系统的另一个重要缺点是缺乏过程控制。在典型的烘箱式系统中，很难确定一个过程何时完成并纠正过程中的问题，例如过热。

另外，对于半导体材料处理、高端材料合成等方面，需要根据材料性能的不同而调整输入微波的频率和功率，而绝大多数市场销售的基于磁控管的微波发生系统都是以固定频率工作的振荡器，没有有效的电控手段来实时控制这些微波管的频率和功率。

发明内容

本发明的目的是提供一种集成固态微波源的微波传输系统，可以实现对微波输出功率、频率和相位的精确调控；同时可实现百瓦级到万瓦级的微波发生器的集成，有助于整体微波系统的小型化和集成化，提高整体运行效率。

本发明第一方面提供了一种集成固态微波源的微波传输系统，所述包括：固态发生器、阻抗匹配调节装置、微波传导元件和控制器，其中，

所述固态发生器用于根据所接收的控制信号产生第一微波能量并输出至所述微波传导元件，所述固态发生器包括具有不同参数的多个固态微波源，且所述固态微波源基于氮化镓微波器件组成；

所述微波传导元件用于将所述第一微波能量传输至微波负载；

所述控制器用于产生控制信号以改变所述第一微波能量的一个或多个参数；其中，每个固态微波源的参数基于其它固态微波源的参数进行耦合设置，所述微波传导元件的参数是基于多个所述固态微波源的参数设置；

所述阻抗匹配调节装置用于耦合调节信号到所述微波传导元件上以改变所述第一微波能量的参数，得到第二微波能量。

本方案中，对每个所述固态微波源的参数进行耦合设置以获取所述固态发生器的目标状态，根据所述固态微波源在所述目标状态下的参数，对所述微波传导元件的尺寸和结构布局进行设置，其中，所述目标状态基于所述微波负载进行确定。

本方案中，所述固态发生器还包括微波功率合成器，多个所述固态微波源分别通过同轴电缆以及同轴连接器与所述微波功率合成器电性连接，并且由所述微波功率合成器合并多个所述固态微波源的输出产生所述第一微波能量；所述固态发生器通过另一组同轴电缆以及同轴连接器与所述微波传导元件电性连接。

本方案中，所述同轴连接器与所述微波传导元件的过渡连接部分设置有频率检测装置，所述频率检测装置电性连接有频谱分析仪，以检查所述系统的工作频率。

本方案中，所述系统还包括功率检测装置，所述功率检测装置分别与所述固态发生器以及所述微波负载电性连接，其中，所述功率检测装置用于检测所述固态发生器的正向功率以及所述微波负载的反射功率。

本方案中，所述阻抗匹配调节装置与所述功率检测装置电性连接，还用于通过匹配所述微波传导元件和所述微波负载的阻抗来减少反射功率。

本方案中，所述控制器与所述频谱分析仪和所述功率检测装置连接，用于根据所述工作频率、所述正向功率和所述反射功率产生控制信号。

本发明公开的一种集成固态微波源的微波传输系统，存在如下有益效果：

1、本申请采用基于氮化镓的固态芯片代替传统的磁控管组成固态微波源，可以实现对微波输出功率、频率和相位的精确调控，避免微波输出的功率和频率波动对于等离子体造成的不稳定，进而对半导体材料表面和晶体合成质量造成不利的影响。

2、基于单个氮化镓微波输出单元，采用模块化的方式，同时决定波导传输部件的参数，实现波导对固态微波源的最佳匹配；同时，结合整体结构化散热设计方案，实现不同总功率的需求，可实现百瓦级到万瓦级的微波发生器的集成，有助于整体微波激发等离子体系统的小型化和集成化，提高整体运行效率。

附图说明

图1示出了本发明一种集成固态微波源的微波传输系统的结构示意图；

图2示出了本发明一种集成固态微波源的微波传输系统中固态发生器的结构示意图。

具体实施方式

为了能够更清楚地理解本发明的上述目的、特征和优点，下面结合附图和具体实施方式对本发明进行进一步的详细描述。需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明，但是，本发明还可以采用其他不同于在此描述的其他方式来实施，因此，本发明的保护范围并不受下面公开的具体实施例的限制。

首先需要说明的是，微波源通常包括固态型源和真空管型源两种类型，真空管型源的种类很多，包括磁控管、速调管、回旋管、行波管等，与固态源相比，真空管通常能够在更高的频率和功率水平下工作，它们的主要缺点是体积大、笨重及昂贵，并且它们需要从阳极到阴极的高电压和用于灯丝的高电流，并且需要在其中工作的真空外壳。另外，真空管难以控制并且寿命短，主要是由于阴极热电子发射的耗尽或真空泄漏导致的。

磁控管是一种固定频率的装置，它的单一频率由阳极重入结构决定和调谐，通常属于“2.4-2.5”GHz的工业、科学和医疗频段。磁控管制造商通常会尝试设计和制造阳极，以便将频率设置为“2.45”GHz，但是，由于机械公差，频率偏离“2.45”GHz，因此每个磁控管的中心频率不同，这可能导致负载阻抗匹配困难。由于阴极的钍钨耗尽，磁控管的预期寿命通常被限制在大约“6000”小时的运行时间，磁控管的效率随着时间的推移而降低，导致功率降低，递送系统通常体积庞大并且包括许多组件。

最近，用于“2.45”GHz的固态技术变得越来越普遍。随着用于“2.45”GHz更高功率的横向扩散金属氧化物半导体(LDMOS)和氮化镓(GaN)晶体管的出现和发展，开发高功率固态发生器变得更加实用。使用固态微波发生器作为材料和等离子体工艺的激发源，与磁控管等管型发生器相比具有显着优势。例如，固态微波发生器可以在低电流、电压、功率和相位下进行控制。这些特征在真空管微波工艺中不存在，因此在控制很重要的工艺中是不可用的。此外，就拥有成本和空间要求而言，固态微波电源更加经济。它们也可以很容易地用于阵列中，并具有相位和幅度控制，允许调整以获得整个反应室所需的场强度。

与传统微波技术相比，固态技术提供了许多特性和优势。一个重要的优势是在“2.4-2.5”GHz频带内的自动频率调谐。自动频率调谐取代或减少了对传统磁控管传输系统使用的机械调谐的需求。固态技术还提供更快的调谐能力。其他好处包括更小的占地面积、更低的运营成本和更高的平均无故障工作时间(MTBF)。由于固态技术寿命更长，至少是工业磁控管的三倍，因此运营成本更低。

而本发明采用基于氮化镓微波芯片的固态微波源，通过模块化的组装模式可实现不同功率和频率的微波发生系统，微波传输系统根据固态微波发生器的优化参数进行最优匹配，该最优匹配的微波传输组件可进行定制。解决目前市场上基于磁控管的微波发生器的弊端，通过优化整个模块化固态微波系统，可用于半导体材料预处理、晶体材料生长、大体量材料均匀加热等领域。

根据示例性实施例，固态发生器用作等离子体或材料处理的微波功率或辐射源。可以调整这些发生器的频率、相位和功率水平，以优化正在执行的处理。这些固态器件可以由双极或场效应晶体管组成，例如金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)或横向扩散金属氧化物半导体(LDMOS)器件，其中功率、电流可以使用电压和相位控制的方法。

由于调谐改进，固态技术还可以为广泛的谐振等离子体或非等离子体腔模式提供增强的阻抗匹配，其中系统的工作频率应等于腔的谐振频率。这为负载提供了完整的功率传输，因此提高了系统的调谐效率以及功率传输的效率。

于发明一实施例中，图1示出了本申请一种集成固态微波源的微波传输系统的结构示意图。

如图1所示，本申请公开了一种集成固态微波源的微波传输系统，包括：固态发生器、阻抗匹配调节装置、微波传导元件和控制器，其中，

需要说明的是，如图1所示，公开了一种集成固态微波源的微波传输系统，其中包括所述固态发生器1、阻抗匹配调节装置2、微波传导元件3和控制器4，所述固态发生器1用于根据所述控制器4发出的所述控制信号产生所述第一微波能量，进而输出至所述微波传到元件3，具体通过一组所述同轴电缆6以及同轴连接器7进行连接，而所述微波传导元件3的作用是将所述第一微波能量传输值所述微波负载5，其中，采用所述同轴电缆6以及同轴连接器7进行连接的过程是同轴到波导的过渡，用于将微波能量从色散同轴模式传输到微波波导。

进一步地，如图2所示，输入至所述固态发生器1的是所述控制器2的对应的所述控制信号，输出的是所述第一微波能量，而所述固态发生器1内包括所述微波功率合成器12以及多个所述固态微波源11(图2所示为四个)，每个所述固态微波源11的参数基于其它所述固态微波源的参数11进行耦合设置(图2中虚线所示为耦合调节)，此外参考图2，多个所述固态微波源11分别通过所述同轴电缆6以及所述同轴连接器7与所述微波功率合成器12电性连接，并且由所述微波功率合成器12合并多个所述固态微波源11的输出产生所述第一微波能量。

值得一提的是，本实施例中，所述固态微波源11是基于氮化镓微波器件组成，其中，氮化镓(GaN)是最具代表性的第三代半导体材料,成为高温、高频、大功率微波器件的首选材料之一,是迄今为止理论上电光、光电转换效率最高的材料体系，因此本发明采用基于氮化镓的固态芯片代替传统的磁控管组成固态微波源，可以实现对微波输出功率、频率和相位的精确调控，避免微波输出的功率和频率波动对于等离子体造成的不稳定，进而对半导体材料表面和晶体合成质量造成不利的影响。

更进一步地，所述控制器用于产生控制信号以改变所述第一微波能量的一个或多个参数；所述微波传导元件的参数是基于多个所述固态微波源的参数设置。

具体地，如图1所示，所述控制器4的输出端与所述固态发生器1的输入端电性连接，所述控制器4用于产生控制信号以改变所述固态发生器1对应的所述第一微波能量的一个或者多个参数，具体地，如图2所示，所述固态发生器1产生所述第一微波能量是通过所述固态微波源11以及所述微波功率合成器12得到的，因此，所述控制信号改变的是所述固态微波源的参数设置，值得一提的是，所述微波传导元件3的参数是基于多个所述固态微波源11的参数而进行设置的，其中，参数设置包括输出信号的频率、相位和功率，由于所述固态微波源11的功率和频率稳定，所述微波传导元件3的制造、组装和集成简单可靠，能够提升整体传输系统的可靠性和寿命。

值得一提的是，所述微波负载5包括腔室(图1中未示出)，所述腔室用于处理半导体材料或者晶体材料基底，所述微波负载包括其中控制热量的腔室，腔室中的热量是响应于微波能量而产生的效应。优选地，在一些实施例中，微波负载包括等离子体施加器，使得微波能量用于产生等离子体，等离子体是响应于微波能量产生的效应。

根据本发明实施例，对每个所述固态微波源的参数进行耦合设置以获取所述固态发生器的目标状态，根据所述固态微波源在所述目标状态下的参数，对所述微波传导元件的尺寸和结构布局进行设置，其中，所述目标状态基于所述微波负载进行确定。

需要说明的是，所述目标状态即为所述固态发生器1的最佳输出状态，对应于所述固态微波源11的最佳输出状态，因此，根据所述固态微波源11在最佳输出状态下的参数对所述微波传导元件3的尺寸和结构布局进行设置，以使得所述微波传导元件3匹配所述固态微波源，以实现最佳的整体传输效果。

根据本发明实施例，所述固态发生器还包括微波功率合成器，多个所述固态微波源分别通过同轴电缆以及同轴连接器与所述微波功率合成器电性连接，并且由所述微波功率合成器合并多个所述固态微波源的输出产生所述第一微波能量；所述固态发生器通过另一组同轴电缆以及同轴连接器与所述微波传导元件电性连接。

需要说明的是，如图2所示，所述固态发生器1包括所述微波功率合成器11，图2在四个所述固态微波源11分别通过所述同轴电缆6以及所述同轴连接器7与所述微波功率合成器12电性连接，所述固态发生器1产生的所述第一微波能量即通过所述微波功率合成器12合并多个所述固态微波源11的输出而来，其中，每个所述固态微波源11的输出端连接所述微波功率合成器12的输入端；参考图1，在所述固态发生器产生所述第一微波能量后，通过与所述固态发生器1连接的一组所述同轴电缆6以及所述同轴连接器7与所述微波传导元件3电性连接。

根据本发明实施例，所述同轴连接器与所述微波传导元件的过渡连接部分设置有频率检测装置，所述频率检测装置电性连接有频谱分析仪，以检查所述系统的工作频率。

需要说明的是，参考图1，所述固态发生器1与所述微波传导元件3的连接是通过一组所述同轴电缆6以及同轴连接器7进行电性连接的，在所述同轴连接器7与所述微波传导元件3的过渡连接部分设置有所述频率检测装置8，所述频率检测装置8又电性连接有所述频谱分析仪9，所述频谱分析仪9的作用是基于所述固态发生器1对外输出的所述第一微波能量进行检查以获取对应的工作频率。

根据本发明实施例，所述系统还包括功率检测装置，所述功率检测装置分别与所述固态发生器以及所述微波负载电性连接，其中，所述功率检测装置用于检测所述固态发生器的正向功率以及所述微波负载的反射功率。

需要说明的是，参考图1，所述集成固态微波源的微波传输系统还包括功率检测装置10，其中，所述功率检测装置10分别与所述固态发生器1以及所述微波负载5电性连接，其中，所述功率检测装置10与所述固态发生器连接的所述同轴电缆6电性连接，以保证所述功率检测装置10与所述固态发生器1的电性连接，进而保证所述功率检测装置10可用于检测所述固态发生器1的正向功率以及所述微波负载的反射功率。

具体地，所述功率检测装置10允许检测和测量来自所述固态发生器1经由所述同轴电缆6的正向功率和来自所述微波负载5的反射功率，分别通过端口检测正向和反射功率，这种连接提供所述控制信号作为控制回路的一部分以基于通过功率检测模块10检测到的功率来调整工作功率，具体参考图1可知所述功率检测装置10与所述控制器4电性连接，所述功率检测装置10通过设置在内部的功率计来计算测量功率信号的实际幅度，具体可以基于先前的校准并考虑正向和反射功率的波导功率检测的耦合因子来执行计算，计算过程为本领域技术人员易知的现有技术，于本实施例中不做赘述。

根据本发明实施例，所述阻抗匹配调节装置与所述功率检测装置电性连接，还用于通过匹配所述微波传导元件和所述微波负载的阻抗来减少反射功率。

需要说明的是，如图1所示，所述功率检测装置10还电性连接有所述阻抗匹配调节装置2，其中，所述阻抗匹配调节装置10与所述微波传导元件3耦合连接以匹配所述微波传导元件3，所述阻抗匹配调节装置10与所述微波负载电性连接以匹配所述微波负载5的阻抗，所述阻抗匹配调节装置10通过匹配所述微波传导元件3和所述微波负载5的阻抗目的是为了减少所述反射功率。

具体地，所述阻抗匹配调节装置2包括例如三短截线调谐器，其中，三短截线调谐器可以手动调谐，可以包括机动调谐和/或二进制调谐，和/或可以自动调谐，所述阻抗匹配调节装置2接所述功率检测装置10，用于功率检测和通过匹配所述微波负载5的阻抗来减少所述反射功率。

根据本发明实施例，所述控制器与所述频谱分析仪和所述功率检测装置连接，用于根据所述工作频率、所述正向功率和所述反射功率产生控制信号。

需要说明的是，参考图1，所述控制器4输入端电性连接有所述频谱分析仪9以及所述功率检测装置10，所述控制器4的输出端与所述固态发生器1电性连接，所述控制器4与所述频谱分析仪9电性连接，用于获取所述工作频率，所述控制器4与所述功率检测装置电性连接，用于获取所述正向功率以及所述反射功率，进而所述控制器4用于根据所述工作频率、所述正向功率和所述反射功率来产生对应的所述控制信号。

于发明又一实施例中，所述阻抗匹配调节装置用于耦合调节信号到所述微波传导元件上以改变所述第一微波能量的参数，得到第二微波能量。

需要说明的是，于本实施例中，所述系统包括两个所述固态发生器，相应地，所述第一微波能量对应第一固态发生器，所述第二微波能量对应第二固态发生器(附图中未示出)，其中，所述第一微波能量通过所述控制器得到，所述第二微波能量通过所述阻抗调节装置得到，且所述第一固态发生器与所述第二固态发生器的频率、功率和相位可以相同，也可以不同。优选地，于一实施例中，所述系统还包括用于将所述第一固态发生器和所述第二固态发生器耦合到所述微波传导元件的同轴波导过进行渡，且两个固态发生器之间可以互相调节，因为固态发生器包括具有独立可控频率和/或相位的多个频率合成器，多个频率合成器的输出可用于产生对应的微波能量，其中，两个固态发生器之间可以互相调节可以实现等离子体的最优化发生和维持。

综上所述，本发明公开的一种集成固态微波源的微波传输系统，存在如下有益效果：

在本申请所提供的几个实施例中，应该理解到，所揭露的设备和方法，可以通过其它的方式实现。以上所描述的设备实施例仅仅是示意性的，例如，所述单元的划分，仅仅为一种逻辑功能划分，实际实现时可以有另外的划分方式，如：多个单元或组件可以结合，或可以集成到另一个系统，或一些特征可以忽略，或不执行。另外，所显示或讨论的各组成部分相互之间的耦合、或直接耦合、或通信连接可以是通过一些接口，设备或单元的间接耦合或通信连接，可以是电性的、机械的或其它形式的。

上述作为分离部件说明的单元可以是、或也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是、或也可以不是物理单元；既可以位于一个地方，也可以分布到多个网络单元上；可以根据实际的需要选择其中的部分或全部单元来实现本实施例方案的目的。

另外，在本发明各实施例中的各功能单元可以全部集成在一个处理单元中，也可以是各单元分别单独作为一个单元，也可以两个或两个以上单元集成在一个单元中；上述集成的单元既可以采用硬件的形式实现，也可以采用硬件加软件功能单元的形式实现。

本领域普通技术人员可以理解：实现上述方法实施例的全部或部分步骤可以通过程序指令相关的硬件来完成，前述的程序可以存储于计算机可读取存储介质中，该程序在执行时，执行包括上述方法实施例的步骤；而前述的存储介质包括：移动存储设备、只读存储器(ROM，Read-Only Memory)、随机存取存储器(RAM，Random Access Memory)、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。

或者，本发明上述集成的单元如果以软件功能模块的形式实现并作为独立的产品销售或使用时，也可以存储在一个计算机可读取存储介质中。基于这样的理解，本发明实施例的技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品存储在一个存储介质中，包括若干指令用以使得一台计算机设备(可以是个人计算机、服务器、或者网络设备等)执行本发明各个实施例所述方法的全部或部分。而前述的存储介质包括：移动存储设备、ROM、RAM、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。

Claims

1.一种集成固态微波源的微波传输系统，其特征在于，包括：固态发生器、阻抗匹配调节装置、微波传导元件和控制器，其中，

2.根据权利要求1所述的一种集成固态微波源的微波传输系统，其特征在于，对每个所述固态微波源的参数进行耦合设置以获取所述固态发生器的目标状态，根据所述固态微波源在所述目标状态下的参数，对所述微波传导元件的尺寸和结构布局进行设置，其中，所述目标状态基于所述微波负载进行确定。

3.根据权利要求2所述的一种集成固态微波源的微波传输系统，其特征在于，所述固态发生器还包括微波功率合成器，多个所述固态微波源分别通过同轴电缆以及同轴连接器与所述微波功率合成器电性连接，并且由所述微波功率合成器合并多个所述固态微波源的输出产生所述第一微波能量；所述固态发生器通过另一组同轴电缆以及同轴连接器与所述微波传导元件电性连接。

4.根据权利要求3所述的一种集成固态微波源的微波传输系统，其特征在于，所述同轴连接器与所述微波传导元件的过渡连接部分设置有频率检测装置，所述频率检测装置电性连接有频谱分析仪，以检查所述系统的工作频率。

5.根据权利要求4所述的一种集成固态微波源的微波传输系统，其特征在于，所述系统还包括功率检测装置，所述功率检测装置分别与所述固态发生器以及所述微波负载电性连接，其中，所述功率检测装置用于检测所述固态发生器的正向功率以及所述微波负载的反射功率。

6.根据权利要求5所述的一种集成固态微波源的微波传输系统，其特征在于，所述阻抗匹配调节装置与所述功率检测装置电性连接，还用于通过匹配所述微波传导元件和所述微波负载的阻抗来减少反射功率。

7.根据权利要求6所述的一种集成固态微波源的微波传输系统，其特征在于，所述控制器与所述频谱分析仪和所述功率检测装置连接，用于根据所述工作频率、所述正向功率和所述反射功率产生控制信号。