CN117265514A - 一种毫米波频段的微波等离子体化学气相沉积装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种毫米波频段的微波等离子体化学气相沉积装置，属于化学气相沉积技术领域，包括微波源、分束器、移相模块以及真空腔，微波源用于产生毫米波频段的波束，分束器用于将毫米波频段的波束转换为多个幅度和相位分布相同的子波束，移相模块的内部填充有铁氧体，用于调节子波束相位，真空腔的内部设有用于放置样品的样品台，调节相位后的子波束合成于样品上，本发明通过移相模块实现波束相位的快速调节，实现合成驻波场波腹、波谷位置的快速变化，以解决现有技术中驻波场均匀性问题。

Description

一种毫米波频段的微波等离子体化学气相沉积装置

技术领域

本发明属于化学气相沉积技术领域，具体地说涉及一种毫米波频段的微波等离子体化学气相沉积装置。

背景技术

微波等离子体化学气相沉积技术(Microwave Plasma Chemical VaporDeposition，简称MPCVD)是近年来兴起来的用于制备高品质碳材料的新技术，具有沉积质量高、沉积面积大、沉积过程稳定等优点。为了增加MPCVD装置中的沉积速率，部分研究工作将MPCVD装置的工作频率提升至毫米波频段以增加等离子球中的电子密度，进而达到加快装置中基团沉积速率的目的。

现有的毫米波频段的MPCVD装置基于毫米波准光理论，通过毫米波准光传输系统，实现多路波束叠加合成驻波场以获得大面积、稳定的等离子体分布。实际上，多个波束叠加形成的驻波场因为波谷和波腹的存在，分布并不均匀。为了提升其分布的均匀性，现有装置往往考虑将样品台进行旋转或者采用更多路波束进行合成。但是，无论是在真空腔内增加旋转机构或者采用更多路波束进行合成都会显著增加装置的成本和体积。

基于此，现有技术有待于进一步改进。

发明内容

针对现有技术的种种不足，为了解决上述问题，现提出一种毫米波频段的微波等离子体化学气相沉积装置，通过移相模块实现波束相位的快速调节，实现合成驻波场波腹、波谷位置的快速变化，以解决现有技术中驻波场均匀性问题。

为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：

一种毫米波频段的微波等离子体化学气相沉积装置，包括：

微波源，其用于产生毫米波频段的波束；

分束器，其用于将毫米波频段的波束转换为多个幅度和相位分布相同的子波束；

移相模块，其内部填充有铁氧体，用于调节子波束相位；

以及真空腔，其内部设有用于放置样品的样品台，调节相位后的子波束合成于所述样品上。

本技术方案进一步设置为，还包括波纹波导，所述波纹波导位于所述微波源以及所述分束器之间，毫米波频段的波束在所述波纹波导中的传输方式为HE₁₁模式。

本技术方案进一步设置为，所述移相模块依次包括第一极化转换段、移相段以及第二极化转换段，所述第一极化转换段以及所述第二极化转换段的内部均产生横向磁场，对子波束进行极化调整，所述移相段对子波束进行相位调整。

本技术方案进一步设置为，所述第一极化转换段包括磁环以及第一铁氧体，所述第一铁氧体嵌入所述磁环的内部，所述磁环的内部产生横向磁场。

本技术方案进一步设置为，所述第二极化转换段与所述第一极化转换段的结构相同，且两者内部产生相同的横向磁场。

本技术方案进一步设置为，所述移相段包括激励线圈以及第二铁氧体，所述第二铁氧体嵌入所述激励线圈的内部，所述激励线圈与移相电源连接。

本技术方案进一步设置为，通过调节所述移相电源的输出电流，改变激励线圈中的电流大小，控制所述第二铁氧体的磁导率以改变传播常数，实现子波束相位调整。

本技术方案进一步设置为，所述真空腔上设有微波窗，所述移相模块位于所述微波窗的内侧或外侧，所述微波窗的内侧位于所述真空腔的内部。

本技术方案进一步设置为，所述微波窗设有多个，且所述微波窗的个数、所述移相模块的个数与所述子波束的个数相等。

本技术方案进一步设置为，所述微波窗为由透波材料形成的窗口。

本发明的有益效果是：

通过移相模块对子波束的相位进行调节，实现子波束叠加合成的驻波场波腹和波谷位置移动，使得合成电磁波分布更为均匀，以获得更大范围、更均匀的等离子体，避免增加真空腔的体积或者子波束的路数。

附图说明

图1是本发明实施例一采用的毫米波频段的微波等离子体化学气相沉积装置的示意图；

图2是本发明实施例一采用的移相模块的示意图；

图3是本发明实施例二采用的毫米波频段的微波等离子体化学气相沉积装置的示意图；

图4是本发明实施例三采用的毫米波频段的微波等离子体化学气相沉积装置的示意图。

附图中：1-波纹波导、2-分束器、3-移相模块、4-真空腔、5-样品台、6-第一反射镜、7-第二反射镜、8-第三反射镜、9-第一极化转换段、10-移相段、11-第二极化转换段、12-磁环、13-第一铁氧体、14-激励线圈、15-第二铁氧体、16-微波窗。

具体实施方式

为了使本领域的人员更好地理解本发明的技术方案，下面结合本发明的附图，对本发明的技术方案进行清楚、完整的描述，基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的其它类同实施例，都应当属于本申请保护的范围。此外，以下实施例中提到的方向用词，例如“上”“下”“左”“右”等仅是参考附图的方向，因此，使用的方向用词是用来说明而非限制本发明创造。

实施例一：

如图1所示，一种毫米波频段的微波等离子体化学气相沉积装置，包括微波源、分束器2、移相模块3以及真空腔4。

本技术方案进一步设置为，所述微波源用于产生毫米波频段的波束，其可以为本领域常规的微波发生器等设备；分束器2用于将毫米波频段的波束转换为多个幅度和相位分布相同的子波束；移相模块3的内部填充有铁氧体，用于调节子波束相位；真空腔4的内部设有用于放置样品的样品台5，调节相位后的子波束合成于所述样品上。

需要说明的是，通过移相模块3对子波束的相位进行调节，实现子波束叠加合成的驻波场波腹和波谷位置移动，使得合成电磁波分布更为均匀，以获得更大范围、更均匀的等离子体，避免增加真空腔4的体积或者子波束的路数。

具体的，所述真空腔4提供维持化学气相沉积所需的气体氛围和气压，样品台5是化学气相沉积反应发生的区域，也是子波束叠加合成的区域。

本技术方案进一步设置为，还包括波纹波导1，所述波纹波导1位于所述微波源以及所述分束器2之间，毫米波频段的波束在所述波纹波导1中的传输方式为HE₁₁模式。

需要说明的是，波纹波导1的作用是接收大功率微波源输出的毫米波频段的波束，并将其耦合为准HE₁₁模式进行传播。

本技术方案进一步设置为，所述分束器2为过模波纹波导，其作用是将入口处单个准HE₁₁模式波束转换为多个幅度和相位分布相同的子波束。

如图2所示，所述移相模块3依次包括第一极化转换段9、移相段10以及第二极化转换段11，所述第一极化转换段9以及所述第二极化转换段11的内部均产生横向磁场，对子波束进行极化调整，所述移相段10对子波束进行相位调整。

本技术方案进一步设置为，所述第一极化转换段9包括磁环12以及第一铁氧体13，所述第一铁氧体13嵌入所述磁环12的内部，所述磁环12的内部产生横向磁场。优选的，所述磁环12为永磁体。

需要说明的是，第一极化转换段9利用第一铁氧体13的双折射效应，在外置横向磁场的作用下将子波束由线极化波转换为圆极化波。

本技术方案进一步设置为，所述第二极化转换段11与所述第一极化转换段9的结构相同，且两者内部产生相同的横向磁场。

需要说明的是，第二极化转换段11利用第一铁氧体的双折射效应，在外置横向磁场的作用下将子波束由圆极化波转换回线极化波。

本技术方案进一步设置为，所述移相段10包括激励线圈14以及第二铁氧体15，所述第二铁氧体15嵌入所述激励线圈14的内部，所述激励线圈14与移相电源连接。

需要说明的是，移相段10利用第二铁氧体15的法拉第旋转效应，通过调节所述移相电源的输出电流，改变激励线圈14中的电流大小，控制所述第二铁氧体15的磁导率以改变传播常数，实现子波束相位调整。

也就是说，第一极化转换段9以及第二极化转换段11中磁环的作用是产生双折射效应所需的横向磁场，激励线圈14的作用是快速改变电流大小以实现子波束相位的快速调节。

本技术方案进一步设置为，所述真空腔4上设有微波窗16，所述移相模块3位于所述微波窗16的外侧，所述微波窗16的外侧位于所述真空腔4的外部。

需要说明的是，所述微波窗16是子波束进入真空腔4的窗口，其采用透波材料制成，所述透波材料可以为氮化硼或者蓝宝石等。

本技术方案进一步设置为，所述微波窗16设有多个，且所述微波窗16的个数、所述移相模块3的个数与所述子波束的个数相等。优选的，多个微波窗16围绕样品台5对称设置。

需要说明的是，毫米波频段的波束经分束器2转换为多个幅度和相位分布相同的子波束，在每个子波束的传输路径上均设有移相模块3以及微波窗16。

本实施例中，毫米波频段的波束经分束器2转换为2个幅度和相位分布相同的子波束，相对应的，移相模块3以及微波窗16均设有2个。具体的，真空腔4的外侧设有相平行的第一反射镜6以及第二反射镜7，真空腔4的内侧设有第三反射镜8，其中，第二反射镜7、第三反射镜8均对应微波窗16设置。相位调节后的子波束经第一反射镜6、第二反射镜7、微波窗16传输至第三反射镜8，改变传输方向后传输至样品台5。也就是说，第一反射镜6、第二反射镜7以及第三反射镜8的作用是将移相模块3输出的波束进行变换、传播、合成，以满足MPCVD装置所需的电场分布和覆盖范围。

实施例二：

如图2所示，本实施例与实施例一相同的部分不再赘述，不同的是：

所述移相模块3位于所述微波窗16的外侧，具体的，移相模块3位于第一反射镜6与第二反射镜7之间。

微波源产生毫米波频段的波束，该波束通过波纹波导1传导至分束器2，毫米波频段的波束经分束器2转换为2个幅度和相位分布相同的子波束，子波束经第一反射镜6传输至移相模块3，相位调节后的子波束经第二反射镜7、微波窗16传输至第三反射镜8，改变传输方向后传输至样品台5。

实施例三：

如图3所示，本实施例与实施例一相同的部分不再赘述，不同的是：

所述移相模块3位于所述微波窗16的内侧，具体的，移相模块3位于第二反射镜7与第三反射镜8之间。

微波源产生毫米波频段的波束，该波束通过波纹波导1传导至分束器2，毫米波频段的波束经分束器2转换为2个幅度和相位分布相同的子波束，子波束经第一反射镜6、第二反射镜7、微波窗16传输至移相模块3，相位调节后的子波束经第三反射镜8改变传输方向后传输至样品台5。

以上已将本发明做一详细说明，以上所述，仅为本发明之较佳实施例而已，当不能限定本发明实施范围，即凡依本申请范围所作均等变化与修饰，皆应仍属本发明涵盖范围内。

Claims (10)

1.一种毫米波频段的微波等离子体化学气相沉积装置，其特征在于，包括：

微波源，其用于产生毫米波频段的波束；

分束器，其用于将毫米波频段的波束转换为多个幅度和相位分布相同的子波束；

移相模块，其内部填充有铁氧体，用于调节子波束相位；

以及真空腔，其内部设有用于放置样品的样品台，调节相位后的子波束合成于所述样品上。

2.根据权利要求1所述的一种毫米波频段的微波等离子体化学气相沉积装置，其特征在于，还包括波纹波导，所述波纹波导位于所述微波源以及所述分束器之间，毫米波频段的波束在所述波纹波导中的传输方式为HE₁₁模式。

3.根据权利要求1所述的一种毫米波频段的微波等离子体化学气相沉积装置，其特征在于，所述移相模块依次包括第一极化转换段、移相段以及第二极化转换段，所述第一极化转换段以及所述第二极化转换段的内部均产生横向磁场，对子波束进行极化调整，所述移相段对子波束进行相位调整。

4.根据权利要求3所述的一种毫米波频段的微波等离子体化学气相沉积装置，其特征在于，所述第一极化转换段包括磁环以及第一铁氧体，所述第一铁氧体嵌入所述磁环的内部，所述磁环的内部产生横向磁场。

5.根据权利要求4所述的一种毫米波频段的微波等离子体化学气相沉积装置，其特征在于，所述第二极化转换段与所述第一极化转换段的结构相同，且两者内部产生相同的横向磁场。

6.根据权利要求3所述的一种毫米波频段的微波等离子体化学气相沉积装置，其特征在于，所述移相段包括激励线圈以及第二铁氧体，所述第二铁氧体嵌入所述激励线圈的内部，所述激励线圈与移相电源连接。

7.根据权利要求6所述的一种毫米波频段的微波等离子体化学气相沉积装置，其特征在于，通过调节所述移相电源的输出电流，改变激励线圈中的电流大小，控制所述第二铁氧体的磁导率以改变传播常数，实现子波束相位调整。

8.根据权利要求1-7任一所述的一种毫米波频段的微波等离子体化学气相沉积装置，其特征在于，所述真空腔上设有微波窗，所述移相模块位于所述微波窗的内侧或外侧，所述微波窗的内侧位于所述真空腔的内部。

9.根据权利要求8所述的一种毫米波频段的微波等离子体化学气相沉积装置，其特征在于，所述微波窗设有多个，且所述微波窗的个数、所述移相模块的个数与所述子波束的个数相等。

10.根据权利要求8所述的一种毫米波频段的微波等离子体化学气相沉积装置，其特征在于，所述微波窗为由透波材料形成的窗口。