TWI420977B - 微波電漿燒結系統 - Google Patents

Description

微波電漿燒結系統

本發明是有關於一種電漿燒結系統，且特別是有關於一種微波電漿燒結系統(Microwave Plasma Jet Sintering System,MPJSS)。

電漿為一種混合物質，其本身包括分子(molecules)、原子(atoms)、受激態物質(excited species)、電子(electrons)、正離子(positive ion)、負離子(negative ion)、自由基(free radical)、UV光、可見光等物質。電漿是中性物質施加高溫或加速電子、加速離子等能量後，透過激發、解離、離子化等反應而產生。由於電漿不同於固、液、氣三態，故電漿常被稱為物質的第四態。簡單地說，電漿是一團正離子、電子、自由基及中性氣體原子所組成會發光的氣體團，如日光燈、電虹燈發亮的狀態，就是屬於電漿發亮的狀態。

電漿已廣泛應用於各種領域，如在半導體積體電路製造方面，舉凡不同材料薄膜成長，以及電路的蝕刻皆普遍由電漿技術達成。另外在半導體封裝及紡織業方面，皆使用電漿作為清潔及改變材料表面以達到特殊功能及效果。由於電漿需要對中性物質施加高溫或加速電子才能產生，因此目前有使用直流電極板對中性物質之電子加速與使用微波對中性物質加熱的技術來產生電漿。由於微波電漿法為較新的製程技術，因此在使用過程中，如何讓電漿燒結系統快速達到穩定及提高重現性為影響實驗及後續研發之重要參考指標。

本發明之目的在於提供一種微波電漿燒結系統，其具有遠端智慧型控制功能，且經由MPJSS系統中之微波電磁場調整器(E-H tuner)之智慧型參數調控並配合HFSS(High Frequency Structure Simulator)電磁場分析軟體模擬軟體計算更能獲得精確之結果及提高實驗正確性，以使共振腔體內燒結成長後之材料能獲得具有特定結構及特定性能。

為達上述目的及其他目的，本發明提供一種微波電漿燒結系統，用以對共振腔體內之試片載座上的電漿進行燒結。微波電漿燒結系統包括多個感測設備、遠端控制系統、微波電磁場調整器控制系統、人機介面控制系統與微波電磁場調整器。多個感測設備用以量測共振腔體內的多個環境參數。遠端控制系統執行HFSS電磁場分析軟體以獲得該共振腔體內之電場分佈。遠端控制系統還根據該電場分佈與多個環境參數產生控制信號。微波電磁場調整器控制系統接收該控制信號，且根據控制信號控制微波電磁場調整器的位置，以及調整共振腔體內之微波的反射功率大小。人機介面控制系統作為多個感測設備、微波電磁場調整器控制器與遠端控制系統之間的控制介面。藉此，本發明透過遠端控制系統來調整微波電磁場調整器來改變微波 之反射功率，並使用磁控管(magnetrons)產生微波，然後將微波傳送並穿透到被加熱的物體，利用在電磁場中分子間的交互作用(極化、取向、磨擦、吸收)釋放出熱來對物體進行加熱，而可能達到快速、均一且較有效率的加熱。

請參照第1圖，第1圖是本發明實施例所提供之電漿微波燒結系統的示意圖。電漿微波燒結系統1包括遠端控制系統101、乙太網路102、人機介面控制系統103、微波電磁場調整器(E-H tuner)控制系統104、電漿影像監看系統105、溫度感測系統106、氣體流量系統107、壓力監控系統108、OES(Optical Emission Spectrometer)光譜檢測系統109、微波功率監控系統110、遠端監控模組單晶片111、近端手動遙控模組單晶片112、手自動控制模組113與微波電漿束化學氣相沈積系統(MPJCVD)114。

微波電漿束化學氣相沈積系統114包括共振腔體與微波電磁場調整器，微波電磁場調整器受控於微波電磁場調整器控制系統104，以調整共振腔體內微波之反射功率。遠端控制系統101可以執行HFSS電磁場分析軟體以分析微波電漿燒結系統1的電場分佈。透過電場分佈，遠端控制系統101可以獲得微波電磁場調整器的位置，微波電磁場調整器的位置是微波電漿燒結系統1的重要參數。若微波在共振腔體內無法共振，將造成反射功率過高而產生不良的熱效應，並影響微波燒結系統1的壽命。

遠端控制系統101透過乙太網路102與人機介面控制系統103連結，遠端控制系統101例如為遠端的電腦或者伺服系統。人機介面控制系統103用以作為遠端控制系統與自動化設備的控制介面，所述自動化設備為上述的微波電磁場調整器控制系統104、電漿影像監看系統105、溫度感測系統106、氣體流量系統107、壓力監控系統108、OES光譜檢測系統109、微波功率監控系統110、遠端監控模組單晶片111、近端手動遙控模組單晶片112與手自動控制模組113。要說明的是，電漿影像監看系統105、溫度感測系統106、氣體流量系統107、壓力監控系統108、OES光譜檢測系統109與微波功率監控系統110為不同類型之感測設備，其皆設置於共振腔體內，以監測共振腔體內的各種環境參數。

遠端控制系統101可以監測各種環境參數是否正確，並透過遠端監控模組單晶片111處理輸出控制信號給微波電磁場調整器控制系統104，以讓微波電磁場調整器控制系統104控制微波電磁場調整器。本發明的微波電漿燒結系統1提供了三種參數設定模式，其中手自動控制模組113用以提供操作者於手動操控模式下進行手動操作，遠端監控模組單晶片111可以透過TCP/IP網路連結與RS232介面讓操作者使用遠端控制系統101於遠端網路監控模式進行自動或手動操作，近端手動遙控模組單晶片112則提供操作者於近端手動遙控操作模式進行手動遙控操作。透過上述三種參數操控模式，將可提高整個微波電漿燒結系統的操作方便性、精確性、重現性、成功率及低反射功率，並增加日後實驗的多元性。藉由此控制技術來對產業界的電漿輔助鍍膜技術，將可以提供一套有效、完善的電漿控制方法給學術界及產業界應用。

人機介面控制系統103能夠讓操作者在遠端控制系統101處就能對整個微波電漿束化學氣相沈積系統114進行操控。遠端控制系統101可允許操作者編輯程序程式，以及對微波電漿束化學氣相沈積系統114。遠端控制系統101還能以圖形配合文字的方式來表示各腔體的壓力、溫度、流量、氣閥狀態及微波電磁場調整器的手臂狀態，讓使用者能輕易得知整個微波電漿燒結系統的狀態。另外，遠端控制系統101允許操作者可以選擇在“手動”的狀態下直接點選螢幕上的元件來更改狀態。總而言之，遠端控制系統101可透過遠端監控模組單晶片111而能更改系統參數。如此，將使得個人電腦與控制器之間的溝通更方便亦節省成本，帶動更多元化之操作方式以及數位化數據記錄，而達到配合應用於各機光電產業量產鍍膜產品。

微波電漿燒結系統1的遠端控制控制系統101可以讓操作者調整微波電磁場調整器來改變微波之反射功率。微波電磁場調整器的X、Y軸具有微波幅調整器，且其Z軸具有微波電漿束駐波位置調整器。微波幅調整器用來調整微波幅的大小，微波電漿束駐波位置調整器用來調整其駐波位置，進而影響工作腔體內微波的反射功率之大小。將處理過之試片，由共振腔體正下方之燒結物入口置入並調整於適當位置，使燒結物位於中心處，接著將工作腔體密封鎖緊抽取真空並進行清潔氣體之作業。當共振腔體內之壓力約為一托耳時，則開始輸入工作氣體及通入惰性氣體潔淨共振腔體，並於通入其他為輔助氣體。接著開始設定內部壓力值，當共振腔體內部壓力已達穩定狀態，即可開始調整微波發射功率，每上升200瓦(10%)必需調整微波之振幅，即是調整微波電磁場調整器之X、Y軸，來降低反射功率值，使其降低至最小值。當達到此需求後，再持續提高調整發射功率大小，直到上升至所需求工作點之功率值。

請參照第2圖，第2圖是微波電漿燒結系統之共振腔體與微波電磁場調整器的立體示意圖。共振腔體20具有試片載座201，試片載座201用以置放要被燒結的物質或試片。微波電磁場調整器21具有磁控管，其用以產生微波，且可以自動或手動地控制微波電磁場調整器21所產生之微波於共振腔體2內的微波之反射功率大小。微波電磁場調整器21包括微波功率調整器裝置、微波源與微波電漿引導裝置。

請參照第3圖，第3圖是微波功率調整器裝置的立體示意圖。微波功率調整器3的X、Y軸具有微波幅調整器31，且其Z軸具有微波電漿束駐波位置調整器32，且微波功率調整器3具有微波電漿束調整器接口33用以設置微波電漿引導裝置。請參照第4圖，第4圖是微波電漿引導裝置設置於微波功率調整器的立體示意圖。微波電漿引導裝置4具有微波電漿束調整器41與天線42，微波源的微波源輸出端口與微波功率調整器的導波管端口43相連接。微波電漿引導裝置4引導微波電漿於所需位置處，透過調整來改變電漿聚焦位置。請參照第5圖，第5圖是微波電磁場調整器的立體示意圖。於第5圖中，微波源包括微波源裝置51與微波隔緣裝置52，微波隔緣裝置52設置於微波源輸出端口與導波管端口之間。

綜上所述，本發明透過遠端控制系統來調整微波電磁場調整器來改變微波之反射功率，並使用磁控管產生微波，然後將微波傳送並穿透到被加熱的物體，利用在電磁場中分子間的交互作用(極化、取向、磨擦、吸收)釋放出熱來對物體進行加熱，而可能達到快速、均一且較有效率的加熱。

本發明在上文中已以較佳實施例揭露，然熟習本項技術者應理解的是，該實施例僅用於描繪本發明，而不應解讀為限制本發明之範圍。應注意的是，舉凡與該實施例等效之變化與置換，均應設為涵蓋於本發明之範疇內。因此，本發明之保護範圍當以申請專利範圍所界定者為準。

1．．．電漿微波燒結系統

101．．．遠端控制系統

102．．．乙太網路

103．．．人機介面控制系統

104．．．微波電磁場調整器控制系統

105．．．電漿影像監看系統

106．．．溫度感測系統

107．．．氣體流量系統

108．．．壓力監控系統

109．．．OES光譜檢測系統

110．．．微波功率監控系統

111．．．遠端監控模組單晶片

112．．．近端手動遙控模組單晶片

113．．．手自動控制模組

114．．．微波電漿束化學氣相沈積系統

20．．．共振腔體

201．．．試片載座

21．．．微波電磁場調整器

3．．．微波功率調整器

31．．．微波幅調整器

32．．．微波電漿束駐波位置調整器

33．．．微波電漿束調整器接口

4．．．微波電漿引導裝置

41．．．微波電漿束調整器

42．．．天線

43．．．導波管端口

51．．．微波源裝置

52．．．微波隔緣裝置

第1圖為本發明實施例所提供之電漿微波燒結系統的示意圖。

第2圖為微波電漿燒結系統之共振腔體與微波電磁場調整器的立體示意圖。

第3圖為微波功率調整器裝置的立體示意圖。

第4圖為微波電漿引導裝置設置於微波功率調整器的立體示意圖。

第5圖為微波電磁場調整器的立體示意圖。

1．．．電漿微波燒結系統

101．．．遠端控制系統

102．．．乙太網路

103．．．人機介面控制系統

104．．．微波電磁場調整器控制系統

105．．．電漿影像監看系統

106．．．溫度感測系統

107．．．氣體流量系統

108．．．壓力監控系統

109．．．OES光譜檢測系統

110．．．微波功率監控系統

111．．．遠端監控模組單晶片

112．．．近端手動遙控模組單晶片

113．．．手自動控制模組

114．．．微波電漿束化學氣相沈積系統

Claims (10)

1. 一種微波電漿燒結系統，用以對一共振腔體內之一試片載座上的一物質進行燒結，該微波電漿燒結系統包括：多個感測設備，用以量測該共振腔體內的多個環境參數；一遠端控制系統，執行一HFSS電磁場分析軟體以獲得該共振腔體內之一電場分佈，根據該電場分佈與該些環境參數產生一控制信號；一微波電磁場調整器控制系統，接收該控制信號；一人機介面控制系統，作為該些感測設備、該微波電磁場調整器控制器與該遠端控制系統之間的一控制介面；以及一微波電磁場調整器，該微波電磁場調整器控制器根據該控制信號控制該微波電磁場調整器的位置，以及調整共振腔體內之該微波的一反射功率大小。
2. 如申請專利範圍第1項所述之微波電漿燒結系統，其中，該遠端監控系統透過一乙太網路與該人機介面控制系統連結。
3. 如申請專利範圍第1項所述之微波電漿燒結系統，其中，該遠端監控系統還提供該電場分佈與該些環境參數之資訊給該微波電漿燒結系統的一操作者。
4. 如申請專利範圍第1項所述之微波電漿燒結系統，更包括一模式控制模組，用以選擇一手動操控模式、一近端手動遙控操作模式與該遠端網路監控模式的其中之一作為微波電漿燒結系統的一操作模式。
5. 如申請專利範圍第1項所述之微波電漿燒結系統，其中，該些感測設備設置於該共振腔體內。
6. 如申請專利範圍第1項所述之微波電漿燒結系統，其中，該微波電磁場調整器包括一微波功率調整器裝置與具有一微波源輸出端口的一微波源，該微波功率調整器裝置設置於微波源輸出端口。
7. 如申請專利範圍第6項所述之微波電漿燒結系統，其中，該微波功率調整器裝置透過調整微波幅的大小與駐波位置，進而影響該共振腔體內微波之該反射功率的大小。
8. 如申請專利範圍第6項所述之微波電漿燒結系統，其中，該微波功率調整器更具有至少一微波電漿束調整器接口，該微波電磁場調整器更包括至少一微波電漿引導裝置設至於該微波電漿束調整器接口。
9. 如申請專利範圍第8項所述之微波電漿燒結系統，其中，該微波電漿引導裝置引導微波電漿於所需位置處，透過調整來改變電漿聚焦位置。
10. 如申請專利範圍第7項所述之微波電漿燒結系統，其中，該微波功率調整器的一第一與第二軸分別具有一微波幅調整器，且該微波功率調整器的一第三軸具有一微波電漿束駐波位置調整器，其中該第一至第三軸之間彼此垂直。