CN218919258U - 微波功率合成系统及微波等离子体化学气相沉积反应系统 - Google Patents

Abstract

本申请提供了一种微波功率合成系统及微波等离子体化学气相沉积反应系统，包括：注入锁定系统，包括微波固态信号源，功分器，多个磁控管，多个环行器和多个定向耦合器，微波固态信号源经功分器功分后输出的微波信号经环行器注入磁控管内，以对多个磁控管所产生的微波的频率进行锁定，并将锁定频率后的微波经定向耦合器内耦合到功率合成系统内；相位调节系统，包括移相器，移相器与功分器连接，用于调节微波固态信号源经功分器功分后输出的各路微波的相位；功率合成系统，包括功率合成腔和多个微波馈口，功率合成腔与多个微波馈口连通。通过本实用新型的系统，具有成本大幅度降低的同时，微波功率合成效率高的优点。

Description

微波功率合成系统及微波等离子体化学气相沉积反应系统

技术领域

本申请涉及微波等离子体化学气相沉积技术领域，特别是涉及一种微波功率合成系统及微波等离子体化学气相沉积反应系统。

背景技术

目前，微波等离子体化学气相沉积技术利用微波能量使反应气体产生等离子体参与化学气相沉积过程，等离子体可提高化学气相沉积的过程中的反应速率、降低反应温度。是一种在很多薄膜沉积领域常用的技术，如金刚石、石墨烯等。以单晶金刚石为例：

单晶金刚石是一种古老的晶体材料,经过精心设计和雕琢的单晶金刚石即为钻石，自古以来就由于其炫目的外观和坚硬的品质而被人们视为珍宝。随着科学技术的进步，单晶金刚石的各种优异材料性能逐渐被挖掘出来,这种古材料在近几十年再次成为学者们研究的热点。单晶金刚石具有优良的导热性能，高品质单晶金刚石在室温下热导率可达2000W/(m·K)，单晶金刚石同时还具有极高的硬度、从紫外到红外的宽波段透过能力、较高的禁带宽度和击穿场强、非常高的载流子迁移率以及极强的耐腐蚀能力。如此众多优良品质集一身的金刚石材料在精密加工、高频通信、航空航天等领域都有着广阔的应用前景。在各类人造金刚石技术中，微波等离子体化学气相沉积单晶金刚石生长技术由于其微波无污染、气体原料纯净等优势而在众多单品金刚石制备方法中脱颖而出，成为制备大尺寸、高品质单晶金刚石最有发展前景的技术之—。

研究发现在微波等离子体化学气相沉积单晶金刚石工艺中，最佳的沉积温度在800℃-1300℃之间。另外，金刚石的沉积速率与等离子体密度有直接的关系，只有在微波功率密度足够大情况下，等离子体的密度才会足够高，金刚石的沉积速率才会提高。基于此，大功率的微波源可以为金刚石的生长提供最佳的生长温度条件，也可以提高金刚石的生长速率。

当今所应用的沉积单晶金刚石的设备的工作频率主要是2450MHz和915MHz，其中工作频率为2450MHz的设备需要使用3-10Kw的微波源，工作频率为915MHz的设备更是需要采用高于60Kw的微波源，才能保证合成的金刚石的品质和速率。然而采用如此大功率的微波源的价格十分昂贵，无疑增加了工厂和科研单位的负担，阻碍了金刚石的大规模化生产，间接影响了研制新晶体或其他薄膜材料的研究进程。

实用新型内容

针对上述问题，本实用新型第一方面提供了微波功率合成系统，具有成本大幅度降低的同时，微波功率合成效率高的优点。

本实用新型的技术方案是：

一种基于注入锁定的微波功率合成系统，包括：

注入锁定系统，包括微波固态信号源，功分器，多个磁控管，多个环行器和多个定向耦合器，所述微波固态信号源经功分器功分后输出的微波信号经所述环行器注入所述磁控管内，以对多个所述磁控管所产生的微波的频率进行锁定，并将锁定频率后的微波经所述定向耦合器耦合到功率合成系统内；

相位调节系统，包括移相器，所述移相器与所述功分器连接，用于调节所述微波固态信号源经所述功分器功分后输出的各路微波的相位，实现对于各路磁控管输出微波的相位调节；

功率合成系统，包括功率合成腔和多个微波馈口，所述功率合成腔与多个所述微波馈口经所述环行器与所述定向耦合器后连通，所述功率合成腔用于将多个微波馈口馈入的微波经注入锁定频率和注入调节相位之后进行合成。

作为优选方案之一，多个所述微波馈口相对于所述功率合成腔的中心轴线相互对称。

作为优选方案之一，所述微波功率合成系统，还包括：

控制系统，包括鉴相器、数据采集系统及上位机，所述鉴相器采集经注入锁定之后的多路磁控管输出微波的相位差，经所述上位机反馈给所述移相器，所述移相器根据所述上位机所反馈的数据以调节所述微波固态信号源经功分器功分后输出的各路微波的相位，以实现对于各路磁控管输出微波的相位差控制。

本实用新型第二方面还提供了一种微波等离子体化学气相沉积反应系统，包括微波等离子体反应腔，所述微波等离子体反应腔连通有上所述的功率合成腔，所述功率合成腔内设置向所述微波等离子体反应腔的方向延伸的耦合天线；其中，

所述功率合成腔将合成后的微波通过所述耦合天线馈入到所述微波等离子体反应腔内，以使所述微波等离子体反应腔内的工作气体发生电离形成等离子体。

作为优选方案之一，所述微波馈口包括同轴波导、矩形波导、圆波导和喇叭波导中的任意一种。

作为优选方案之一，所述功率合成腔和所述微波等离子体反应腔之间设置有微波模式转换腔，所述微波模式转换腔用于转换所述微波等离子体反应腔内的微波模式。

作为优选方案之一，所述微波模式转换腔与所述微波等离子体反应腔相连接的一端设置石英片，所述石英片用于使所述微波等离子体反应腔形成真空环境。

作为优选方案之一，所述功率合成腔的形状类型和所述微波模式转换腔的形状类型相同，所述形状类型包括椭圆柱、圆柱、多棱柱、球形和半球形中的任意一种。

与现有技术相比，本申请包括以下优点：

本实用新型提出一种微波功率合成系统，包括：注入锁定系统，包括微波固态信号源，功分器，多个磁控管，多个环行器和多个定向耦合器，所述微波固态信号源经功分器功分后输出的微波信号经所述环行器注入所述磁控管内，以对多个所述磁控管所产生的微波的频率进行锁定，并将锁定频率后的微波经所述定向耦合器耦合到功率合成系统内；相位调节系统，包括移相器，所述移相器与所述功分器连接，用于调节所述微波固态信号源经所述功分器功分后输出的各路微波的相位，实现对于多路磁控管输出微波的相位差调节；功率合成系统，包括功率合成腔和多个微波馈口，所述功率合成腔与多个所述微波馈口经所述环行器与所述定向耦合器后连通，所述功率合成腔用于将多个微波馈口馈入的微波经注入锁定频率和注入调节相位之后进行合成。

通过采用本申请的技术方案，基于注入锁定技术，通过向磁控管内注入频率输出稳定，频谱带宽很窄的微波固态信号源所输出的微波，使微波固态信号源输出与磁控管的频率相接近的信号，通过环形器将信号注入磁控管内来改变磁控管内的电子振荡频率使得磁控管的频率与信号的频率一致，从而将多个磁控管输出的频率进行锁定，以保证每个磁控管输出的微波的频率相同。在频率相同的前提下，再基于注入相位调节技术，通过移相器调节微波固态信号源经功分器功分后所输出多路微波的相位，从而使得经功分信号注入磁控管所输出的微波之间的相位同相；

由于微波合成效率是与多微波源之间的频率、相位和功率比相关，通过功率合成系统，将多个小功率磁控管经注入锁定频率和注入调节相位后所输出的微波在功率合成腔内合成，在保证电场聚焦在微波等离子体反应腔内所放置的样品台上的同时，有效增加电场强度，由于多个小功率磁控管的总成本远远低于大功率磁控管的成本；同时，通过调节多个磁控管之间的输出功率，实现极高的微波合成效率。

本实用新型实施例所提供的微波等离子体化学气相沉积反应系统，具有与微波功率合成系统相同的优势；

如此，本实用新型实施例因具有与大功率微波源等同的高电离度、激发等离子体密度高等诸多优势，不仅适用于沉积各种单晶、多晶或者复合材料等领域，特别是在沉积金刚石、碳氮化物等高硬度、耐磨损的产品具有很大的应用优势，可为合成金刚石等材料提供最佳的沉积温度，提高沉积速率，生产成本显著降低的同时电场强度最大，可为生产企业、科研单位等提供新的技术支持，具有良好的规模推广应用前景。

附图说明

为了更清楚地说明本申请的技术方案，下面将对本申请的描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本申请一实施例所述微波功率合成系统的流程框图；

图2是本申请一实施例所述微波等离子体化学气相沉积反应系统的整体结构图；

图3是本申请又一实施例所述微波等离子体化学气相沉积反应系统的结构示意图；

图4是图3的俯视图；

图5是本申请再一实施例所述对比例1的电场分布图；

图6是本申请再一实施例所述实施例1的电场分布图；

图7是本申请再一实施例所述实施例2的电场分布图；

图8是本申请再一实施例所述实施例3的电场分布图。

附图标记说明：

1、功率合成腔；2、微波等离子体反应腔；3、微波馈口；4、微波模式转换腔；5、耦合天线；6、石英片；7、样品台。

具体实施方式

下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。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前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。

相关技术中，由于微波能应用十分广泛，为了避免相互间存在干扰，国际无线电管理委员会对电磁波频率的划分做了具体规定，分给工业、科学和医学用的频率为433MHz，915MHz，2450MHz，5800MHz(中国)。其中以915MHz和2450MHz的反应器最为常见，433MHz因为量子能量太低、5800MHz因为波长太短而不常用于微波等离子体化学气相沉积领域。

但是915MHz反应器所需要的微波源总功率一般高于60Kw，2450MHz反应器所需要的微波源总功率也要在3Kw-10Kw左右。在微波能工业领域中，微波源的价格与其功率呈指数增加。

为解决成本过于高昂的问题，有人使用多个小功率微波源的反应器以缩减成本，但是其多个小功率微波源之间的合成效率较低，从而难以兼顾成本和效率，左右为难。

基于上述问题，本实用新型主要目的在于提供一种微波功率合成系统，参照图1所示，图1为本实用新型示出的微波功率合成系统的流程框图，包括：

注入锁定系统，包括微波固态信号源，功分器，多个磁控管，多个环行器和多个定向耦合器，所述微波固态信号源经功分器功分后输出的微波信号经所述环行器注入所述磁控管内，以对多个所述磁控管所产生的微波的频率进行锁定，并将锁定频率后的微波经所述定向耦合器耦合到功率合成系统内；

相位调节系统，包括移相器，所述移相器与所述功分器连接，用于调节所述微波固态信号源经所述功分器功分后输出的各路微波的相位，实现对多路磁控管所输出的微波的相位差调节；

功率合成系统，包括功率合成腔1和多个微波馈口3，所述功率合成腔1与多个所述微波馈口3经所述环行器与所述定向耦合器后连通，所述功率合成腔1用于将多个微波馈口馈入的微波经注入锁定频率和注入调节相位之后进行合成。

具体而言，微波合成效率同时与微波的频率、微波的相位差和功率比有关。微波的频率越高，量子能量越大，因此本实用新型实施例首先锁定微波的频率在2450MHz，使得微波频率稳定不变，再调整相位和功率比，保证微波合成效率至少大于95％。由于磁控管所产生的微波频率不稳定，通过注入锁定技术将多个磁控管产生的微波频率锁定，具体地，在磁控管起振前，通过微波固态信号源注入一个低电平、高稳定度的外部基准频率微波信号，该信号的频率接近于磁控管的固有频率，经由环形器直接注入到磁控管中，当注入的信号的幅度达到一定数量级时，受高压调制脉冲控制的磁控管振荡频率与被注入的信号的频率相同。

为便于对本申请的微波功率合成系统进行详细说明，在此特别说明，本申请以5个磁控管为例对各个实施例进行陈述。

如图1所示，通过设置微波固态信号源的频率，使得5个磁控管的频率均锁定为2450MHz。当保持多个磁控管的输出频率一致，相位差恒定，而当恒定的相位差为0°时，微波功率合成效率最高。其中通过定向耦合器提取五路微波的相位信息，传输至上位机进行运算处理，并通过上位机控制移相器调节注入磁控管的信号的相位，完成对五路微波的相位差的调节。由于移相器调节微波固态信号源经功分器功分后输出的微波信号的相位，可使调节后每路磁控管输出微波的相位一致，每路磁控管输出微波的相位差为0°，聚焦电场的强度达到最大。

经研究，多路微波之间的功率比为1，微波合成效率达到最大。在本实施例中，通过多个微波馈口3的设置，使得多路微波分别从每个微波馈口3进入。如此，本实用新型实施例通过基于注入锁定的微波功率合成系统控制各路磁控管的之间的功率比，以综合提高微波功率合成效率，使得多个小功率微波源所产生的电场强度大于单个大功率微波源所产生的电场强度，并大幅度地缩减成本。

优选地，多个所述微波馈口3相对于所述功率合成腔1的中心轴线相互对称。多个微波馈口3对称式地设置，使多个磁控管同时开启时的微波电场分布一致，当微波电场分布相同时多路微波的功率比为1，实现最高的微波合成效率，以解决多个小功率微波源合成时存在功率合成效率不高的问题。

在另外一个实施例中，所述微波功率合成系统，还包括：

控制系统，控制系统，包括鉴相器、数据采集系统及上位机，所述鉴相器采集各路磁控管输出的微波之间的相位差，经所述上位机反馈给所述移相器，所述移相器根据所述上位机所反馈的数据以调节所述微波固态信号源经功分器功分后输出的各路微波的相位，以此实现对于多路磁控管输出的微波的相位差调节。

其中，所述控制系统采集所述经定向耦合器输出的基于所述锁注入锁定频率后的微波，控制所述移相器对所述基于注入锁定频率后的微波的相位进行调节。具体地，控制系统包括鉴相器、数据采集系统和上位机，其中鉴相器采集由定向耦合器耦合的磁控管经注入锁定频率后的微波的相位，上位机分析多路磁控管输出微波之间的相位差，控制移相器调节微波固态信号源经功分器功分后所输出的信号的相位，以此调节多路磁控管输出微波的相位差。

在本实用新型实施例提供的解决方案中，并不限于只解决背景技术中微波等离子体化学气相沉积单晶金刚石所存在的成本高昂问题，同样可以应用于微波等离子体化学气相沉积石墨烯、碳氮化物、金属或非金属薄膜、各种导体薄膜、半导体膜等需要大功率微波源的领域。在本实用新型实施例中，工作气体是指在微波等离子体化学气相沉积技术中参加合成反应的气体，例如，若需要沉积石墨烯，工作气体主要为碳源和氢气；若需要沉积碳氮薄膜，工作气体主要为含碳气体和含氮气体，本实用新型以沉积单晶金刚石为例，向微波等离子体反应腔2内通入甲烷和氢气，在微波能量的作用下，将工作气体激发成等离子体状态，腔体内的电子相互碰撞并产生剧烈的振荡，促进了等离子体反应腔内其它原子、基团以及分子之间的相互碰撞，从而有效地提高了反应气体的离化程度，产生高密度的等离子体。通常，工作气体的电离化程度达到10％以上时，腔体内会充满过饱和的原子氢和含碳基团，金刚石的沉积速率会相对较高。

本实用新型实施例又一目的在于设计出兼具成本低廉和大功率的新型谐振腔，以服务单晶金刚石的生产需要。参照图2、图3和图4所示，图2示出了本实用新型的微波等离子体化学气相沉积反应系统的整体结构图，图3示出了微波等离子体化学气相沉积反应系统的结构示意图，图4是图3的俯视图。如图2-图4所示：

本实用新型提供一种微波等离子体化学气相沉积反应系统，包括微波等离子体反应腔2，所述微波等离子体反应腔2连通如上所述的功率合成腔1，所述功率合成腔1内设置向所述微波等离子体反应腔2的方向延伸的耦合天线5；其中，

所述功率合成腔1将合成后的微波通过所述耦合天线5馈入到所述微波等离子体反应腔2内，以使所述微波等离子体反应腔2内的工作气体发生电离形成等离子体。

具体而言，功率合成腔1位于微波等离子体反应腔2的上方，用于将基于注入锁定的微波功率合成后向下馈入到微波等离子体反应腔2内，以使微波等离子体反应腔2内的甲烷和氢气发生电离，含碳基团的进一步电离最终在样品台7上放置的衬底上生长单晶金刚石，这里的衬底可主要为单晶金刚石等。功率合成腔1和微波等离子体反应腔2的形状尺寸可相同或者不同，基于所需金刚石的尺寸和所需微波馈口3的数量等选择，本实用新型不作限定。

本实用新型基于注入锁定多微波源功率合成技术，将功率合成腔1上设置多个微波馈口3，每个微波馈口3连通微波源，多个微波源用于通过微波馈口3向功率合成腔1内输入该微波。在本实施例中，每个微波源均为小功率微波源，当多个小功率微波源输入的微波在功率合成腔1内合成总的微波，最终可形成大功率密度、高电离度、高等离子密度的微波反应谐振腔。进入功率合成腔1内的多路微波，通过注入锁定系统使多路微波源的工作频率相同，根据注入相位调节系统调节各路磁控管输出的微波之间的相位差，功率合成系统调整各路微波源之间的功率比，使得在功率合成腔1内的电场强度大于单个大功率微波源所输出的微波的电场强度。

微波功率合成效率高意味着更多的微波进入到等离子体反应腔内部。因此高效率的微波功率合成可提高等离子体反应腔内聚焦电场处的电场强度。通常，气压越高，其击穿场强越高。因此，高电场强度有利于高气压的微波等离子体化学气相沉积金刚石的聚焦的电场强度最大，等离子体密度高，金刚石的沉积速率有效提升。

由于微波主要集中在功率合成腔1内，通过耦合天线5将功率合成腔1内的微波耦合到微波等离子体反应腔2内，并将能量通过耦合天线5耦合到微波等离子体反应腔2内部，具体的表现为电场主要集中在微波等离子体反应腔2内部的样品台7的上方，使工作气体主要在样品台7上方发生电离形成等离子体，最终以较快速率在样品台7上方放置的衬底上生长金刚石。具体地，耦合天线5最多接近微波等离子体反应腔2的顶面开口处，即微波模式转换腔4内，且一端固定在功率合成腔1顶面的中心，使电场主要集中在微波等离子体反应腔2内的样品台7表面。

根据本实用新型的多年实务经验及市场调研，将多个小功率微波源基于注入锁定技术进行功率合成，虽然增加了环行器，定向耦合器等成本，但所需要的总成本依旧降低了不少。

具体地，功率合成腔1包括但不仅限于圆柱形、圆台形、方形、规则多边形、异形等。以常见的圆柱形功率合成腔1为例，在功率合成腔1的任意一侧开设微波馈口3，优选在功率合成腔1的顶面或侧壁开设微波馈口3，则在功率合成腔1的底面开口与微波等离子体反应腔2的顶面开口连通，具体地，连通件为微波模式转换腔4。

由于不同的波导规格传输的微波的波形模式不同，本申请的微波馈口3可包括同轴波导、矩形波导、圆波导和喇叭波导中的任意一种。其中也可将多个微波馈口3直接与微波等离子体反应腔2连接，即直接在微波等离子体反应腔2内合成所需要的微波模式，从而形成所需的电场分布。

在本实施例延伸出的一个优选实施例中，所述功率合成腔1和所述微波等离子体反应腔2之间设置有微波模式转换腔4，且微波模式转换腔4用于转换所述微波等离子体反应腔2内的微波模式。应当理解的是，微波等离子体反应腔2的空间的形状尺寸不同，微波电场分布不同，特定尺寸的腔体在特定的微波频率下存在特定的电场分布。由于在功率合成腔1内可形成单一微波模式和多个微波模式，即单模腔和多模腔。通过在微波等离子体反应腔2与功率合成腔1之间设置微波模式转换腔4，且微波模式转换腔4形如一种圆波导，经模式转换器可将功率合成腔1内部的微波模式转换成TM_0n，此处n表示微波模式转换腔4高度上电场的半波个数；经过微波模式转换腔4再将微波传输到微波等离子体反应腔2内部，从而形成微波模式TM_01m模，其中m表示微波等离子体反应腔2高度上电场的半波个数。

优选地，通过设置微波模式转换腔4的尺寸与形状近似于微波等离子体反应腔2中心工作频率下可传输微波的圆波导，如中心工作频率2450MHz下的微波模式转换腔4的尺寸近似于BY22圆波导。

如此本实用新型通过设置微波模式转换腔4，使微波经过微波模式转换腔4后进入微波等离子体反应腔2，以使电场主要集中在微波等离子体反应腔2内的样品台7上，使得金刚石在样品台7上所放置的衬底上高效率生成。

在本实施例延伸出的又一个优选实施例中，所述微波模式转换腔4与所述微波等离子体反应腔2相连接的一端设置石英片6，所述石英片6用于使所述微波等离子体反应腔2形成真空环境。其中石英玻璃级别达到光学级石英玻璃，纯度很高，其相对介电常数较小，对微波的损耗极低。

微波等离子体化学气相沉积技术中，需要先建立微波等离子体反应腔2内的真空环境，以保证金刚石沉积过程中不受杂质的污染，再将工作气体输入到微波等离子体反应腔2内，形成一种低压的工作环境。通过石英片6将微波输入端与微波等离子体反应腔2相互隔离，避免空气从微波模式转换腔4进入微波等离子体反应腔2，同时避免工作气体从微波等离子体反应腔2内泄露，使工作气体在完全密闭的环境中反应，提升金刚石的品质。其中微波穿过石英片6且几乎不会有能量损失，以将微波持续输入微波等离子体反应腔2内，因此，石英片6可替换为其他蓝宝石、陶瓷薄片等可具有高穿透能力的材料。由于石英片6穿透能量强，耐热能力强，来源广泛，成本低，便于获取，优选采用石英片6构建密闭空间。

作为本实施例的进一步延伸，所述功率合成腔1的形状类型和所述微波模式转换腔4的形状类型相同，所述形状类型包括椭圆柱、圆柱、多棱柱、球形和半球形中的任意一种。由于特定尺寸的腔体在特定的微波频率下存在特定的电场分布，本实用新型基于FEM优化结构类型尺寸，通过将功率合成腔1和/或微波模式转换腔4设置为椭圆柱、圆柱、多棱柱、球形或半球形，实现电场分布的多样化，以满足多样化产品合成的需求。

需要说明的是，基于FEM算法(Finite Element Method，有限元算法)可用图形的形式、色彩的差异来表征样品台7所处空间内的电场分布。基于FEM算法的计算机程序可以快速准确地计算出功率合成腔1和微波等离子体反应腔2内的电场分布。因此通过FEM可以得到最优化的谐振腔的结构。

本实用新型的又一目的在于提供一种微波等离子体系统，包括如上所述的微波功率合成系统，或者包括如上所述的微波反应系统。

可以理解的是，微波等离子体系统还包括真空装置，真空装置设置在微波等离子体反应腔2上，用于将微波等离子体反应腔2预抽真空至规定范围；包括气源装置，气源装置经过气体流量控制仪再与微波等离子体反应腔2侧壁上的进气口连通，用于将工作气体可控制流量的输送至微波等离子体反应腔2内；包括视窗，设置在微波等离子体反应腔2的壁面上，以观察内部的等离子体球的分布情况。

对于上述微波等离子体系统实施例而言，由于其与微波功率合成系统实施例或微波反应系统实施例基本相似，所以描述的比较简单，相关之处参见微波功率合成系统实施例或微波反应系统实施例的部分说明即可。

性能测试：

其中一个磁控管配置一个高压电源，大功率微波源需要高功率磁控管和更大功率的高压电源，成本过高。本实用新型通过注入锁定技术和注入相位调节技术以及调整各路微波源之间的功率比将多个小功率的微波源的能量耦合，用小功率磁控管配置相应的高压电源以实现呈几何倍数地缩减成本，同时提高了微波功率合成效率，保证了反应设备内的高电离度。本实用新型是通过以下技术措施来证明的：

以单个5Kw的磁控管作为对比例；

以5路1Kw的磁控管，保持相位差恒定为0°，各路微波之间的功率比为1作为实施例1；

以5路功率分别为0.5Kw、0.75Kw、1Kw、1.25Kw、1.5Kw的磁控管，保持相位差恒定为0°作为实施例2；

以5路1Kw的磁控管，保持相位差恒定为60°，各路微波之间的功率比为1作为实施例3；

其中对比例1、实施例1、实施例2和实施例3的频率均锁定为2450MHz；

将对比例1、实施例1、实施例2和实施例3通过FEM和FDTD两种计算方法进行相应的电场强度测试。

性能测试结果：

参照图5所示，图5为对比例1的电场分布图；

参照图6所示，图6为实施例1的电场分布图；

参照图7所示，图7为实施例2的电场分布图；

参照图8所示，图8为实施例3的电场分布图；

对比图5和图6的计算结果，五路微波源的总功率为5Kw，与单路微波源功率相同。可见，当总功率相同时，基于注入锁定的五路1Kw微波源的电场强度比单路5Kw的电场强度大了10倍左右，电场强度得到了大幅度的提高。对比图6和图7的计算结果，五路微波源的总功率均为5Kw，当微波源之间的功率比不为1时，电场有一定程度降低，验证了微波功率合成效率在功率比为1时效率最高。对比图6和图8的计算结果，五路微波源总功率均为5Kw，当微波源之间的相差不恒定为0°时，电场强度相对图7的结果下降更多，验证了微波功率合成效率在微波源同相时，即相差为0°时最高。

综上所述，基于注入锁定多微波源功率合成技术，通过锁定各路微波源的频率，调整各路微波源之间的相位差以及功率比，可降低总的购买成本，提高微波功率合成效率以及聚焦电场强度。

需要说明的是，本说明书中的各个实施例均采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似的部分互相参见即可。

还需要说明的是，在本文中，术语“上”、“下”、“左”、“右”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本实用新型和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本实用新型的限制。此外，诸如“第一”和“第二”之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序，也不能理解为指示或暗示相对重要性。而且，术语“包括”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者终端设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者终端设备所固有的要素。

以上对本申请所提供的一种微波功率合成系统及微波等离子体化学气相沉积反应系统，进行了详细介绍，本文中应用了具体个例对本申请的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本申请，本说明书内容不应理解为对本申请的限制。同时，对于本领域的一般技术人员，依据本申请，在具体实施方式及应用范围上均会有不同形式的改变之处，这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举，而由此所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本申请的保护范围之中。

Claims (8)

1.一种微波功率合成系统，其特征在于，包括：

注入锁定系统，包括微波固态信号源，功分器，多个磁控管，多个环行器和多个定向耦合器，所述微波固态信号源经功分器功分后输出的微波信号经所述环行器注入所述磁控管内，以对多个所述磁控管所产生的微波的频率进行锁定，并将锁定频率后的微波经所述定向耦合器耦合到功率合成系统内；

相位调节系统，包括移相器，所述移相器与所述功分器连接，用于调节所述微波固态信号源经所述功分器功分后输出的各路微波的相位，实现对于各路磁控管输出微波的相位调节；

功率合成系统，包括功率合成腔和多个微波馈口，所述功率合成腔与多个所述微波馈口经所述环行器与所述定向耦合器后连通，所述功率合成腔用于将多个微波馈口馈入的微波经注入锁定频率和注入调节相位之后进行合成。

2.根据权利要求1所述的一种微波功率合成系统，其特征在于，

多个所述微波馈口相对于所述功率合成腔的中心轴线相互对称。

3.根据权利要求1所述的一种微波功率合成系统，其特征在于，所述微波功率合成系统，还包括：

控制系统，包括鉴相器、数据采集系统及上位机，所述鉴相器采集各路微波源之间的相位差，经所述上位机反馈给所述移相器，所述移相器根据所述上位机所反馈的数据以调节所述微波固态信号源经功分器功分后输出的各路微波的相位。

4.一种微波等离子体化学气相沉积反应系统，其特征在于，包括微波等离子体反应腔，所述微波等离子体反应腔连通有如权利要求1-3任意一项所述的功率合成腔，所述功率合成腔内设置向所述微波等离子体反应腔的方向延伸的耦合天线；其中，

所述功率合成腔将合成后的微波通过所述耦合天线馈入到所述微波等离子体反应腔内，以使所述微波等离子体反应腔内的工作气体发生电离形成等离子体。

5.根据权利要求4所述的一种微波等离子体化学气相沉积反应系统，其特征在于，所述微波馈口包括同轴波导、矩形波导、圆波导和喇叭波导中的任意一种_。

6.根据权利要求4所述的一种微波等离子体化学气相沉积反应系统，其特征在于，所述功率合成腔和所述微波等离子体反应腔之间设置有微波模式转换腔，所述微波模式转换腔用于转换所述微波等离子体反应腔内的微波模式。

7.根据权利要求6所述的一种微波等离子体化学气相沉积反应系统，其特征在于，所述微波模式转换腔与所述微波等离子体反应腔相连接的一端设置石英片，所述石英片用于使所述微波等离子体反应腔形成真空环境。

8.根据权利要求6所述的一种微波等离子体化学气相沉积反应系统，其特征在于，所述功率合成腔的形状类型和所述微波模式转换腔的形状类型相同，所述形状类型包括椭圆柱、圆柱、多棱柱、球形和半球形中的任意一种。

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