一种微波等离子体加工装置的制作方法

本发明涉及微波等离子体加工技术领域，具体为一种微波等离子体加工装置。

背景技术：

微波等离子体加工是一种新兴的特种加工方式，微波等离子体具有高的电离度，高的电子温度，电子密度，不存在电极污染物，等离子体控制得当也不会在微波路径上造成污染，所以，广泛用于金刚石膜的工业制造。

等离子体为云团状，也称之为等离子云，在气相沉积工艺中，等离子云需要保持高温状态，一旦温度下降，则电离作用下降显著，组分由等离子态向常规气体分子状态转变，不利于金刚石膜的沉积生成，而这一影响多发生在等离子云的边缘位置，此处是等离子云与周围气体的交界位置，进行热量交换而较少进行物质交换，微波所提供的热量容易流失走而影响等离子态的稳定，一旦发生相变，则此处的金刚石膜不再均匀密实。

现有技术中，往往通过调整谐振腔高度、微波功率、天线高度等等物理量或者尺寸量来调节等离子体的范围，从而在预期的作业基台面上获得满足面积需求的金刚石膜，这样的调节方式一来较难把控，生成的金刚石膜面积中，满足均匀度要求的边缘是参差不齐的，带有很多毛刺，需要修剪才能满足使用，修剪则会裁剪掉一部分厚度复合要求的区域，浪费生产资源。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种微波等离子体加工装置，以解决上述背景技术中提出的问题。

为了解决上述技术问题，本发明提供如下技术方案：

一种微波等离子体加工装置，包括微波源、微波环形器、功率调节器、矩形波导、调谐器、天线、反应箱、混气系统、真空系统，微波源连接微波环形器，微波环形器射出端连接矩形波导，功率调节器分别连接微波环形器的射出端和微波源，功率调节器根据微波射出功率调整微波源激发功率，矩形波导侧壁上设置调谐器，反应箱安装到矩形波导的末端侧面，天线插入矩形波导和反应箱的顶端，混气系统往反应箱内注入工质气体，真空系统对反应箱内抽真空并保持真空状态；反应箱内等离子云受电磁力而进行内循环。微波源发射用于激发出等离子体的微波，发射的微波从微波环形器射出，射出功率由功率调节器进行调整，微波沿矩形波导前进，矩形波导末端封闭，微波在天线位置处被导入反应箱内，进入反应箱的微波激发反应箱内稀薄的工质分子，在微波在反应箱内建立电场，高电场区域的气体分子转变为等离子态，等离子体聚集成团，在反应箱内的聚团位置进行气相沉积，生成所需的金刚石膜，工质气体由混气系统按元素比例送入，一般是甲烷气体与氢气，真空系统用于维系反应所需要的真空环境，并将多余的氢气组分抽吸走，以便进入新的甲烷气体进行碳沉积。本申请中，特意使用电磁力作用，让等离子云受到力作用而进行运动，将等离子体芯部的高热量带到边缘位置，防止边缘位置过冷而影响等离子云稳定，进而影响边缘位置的碳沉积均匀程度、效果。

进一步的，反应箱包括箱体、石英窗、基片台和磁体，箱体竖直布置，箱体内中间位置设置石英窗，石英窗将箱体内空间隔开为谐振腔和反应腔，反应腔远离石英窗的底部设置基片台，天线插入谐振腔的顶部，磁体设置在反应腔的侧壁面，石英窗上开设窗口，窗口在石英窗中间位置的开口面积大于径向外侧的开口面积，窗口圆周均布，送气系统连接至谐振腔，真空系统连接反应腔底部。工质从送气系统送入谐振腔，然后经由石英窗进入到反应腔内，可以通过天线插入谐振腔的长度、谐振腔与反应腔各自的高度、箱体的截面直径等参数来控制反应腔内的高电场强度范围，达到电离强度的区域只要有气体存在，则产生电离作用而成为等离子体，虚线标示的中间凸起、边缘扁圆的回转体区域就是等离子云的聚团区域，因为，工质气体流动的主要方向是从谐振腔经由窗口往反应腔，反应腔底部再行通过真空系统抽走反应后的工质气体，工质从石英窗中央的较大开口下降，当下方电场强度足够的区域较高时，就能形成凹弧面锥形的等离子云，反应腔侧壁面的磁体促进等离子体内粒子的运动，使其温度趋于平均，让芯部的高温位置传递到表面位置，阻止边缘位置受冷而发生相变。

进一步的，磁体的磁感线水平穿过基片台上方空间，磁体磁感线以箱体竖直中心线作旋转运动。水平的磁感线能够促使等离子云内的粒子进行内循环运动：由于等离子体内的粒子已经发生了电离，所有的粒子为一个个自由的原子核以及电子，在德拜尺度上呈电中性，粒子从上往下朝向基片台的运动过程中，受到磁场作用而偏离预期位置，受力方向根据霍尔效应以左手定则进行判断，水平的磁场方向、主要为竖直的等效电流方向，所以，受力是水平向外的，下降的正电荷和负电荷的等效电流相反，受力方向相反，但是，正电荷质量大，受到力后产生的加速度较小，而负电荷是一个个的电子，质量极小，所以，受到力后加速度较大，运动方向产生较大偏移，水平偏移的粒子趋向电子云的外缘位置，即，等离子云的芯部位置与边缘位置有粒子交换，从而让芯部的高温传递到边缘位置，阻止边缘位置的等离子体其受冷降温，从而形成稳定的等离子云区域，等离子云中，粒子的运动速度与其温度相关，温度越高，运动速度越快，而运动速度越快的粒子，其等效电流越大，受到磁场作用后，偏航力越大，越容易跑到等离子云的边缘位置，而温度较低的粒子则更多地存留在等离子云的芯部进行“保温”，即，条件性得从等离子云的芯部“挑拣”出温度更高的粒子送其到云边缘位置抵抗受冷，等离子云整体上更加趋于稳定。

进一步的，磁体包括若干个电磁铁，电磁铁以箱体竖直中心线为轴线圆周均布，电磁铁的电磁性两端径向布置，所有电磁铁的励磁线圈互锁。一部分线圈励磁时，以n极端朝向基片台，而对面的电磁铁则转变励磁电流方向，让s极朝向基片台，从而，基片台上方空间的磁感线大多以水平方向穿行，需要旋转磁场时，分别改变每个电磁铁的励磁电流，让ns极产生旋转，旋转起来的磁场可以让等离子云内粒子的运动圆周分布起来，不变的水平磁场只能让粒子朝两个方向运动，只能在这两个方向上补充热量防止边缘受冷，旋转起来的磁场，可以让粒子的偏转方向在俯视视角上，能够均布到圆周全角度上，而且，如前述，正电荷受到霍尔效应后，因为自身质量较大，所以偏航并不多，如果偏航过多，反而容易拉远正负电荷的间距，从而德拜尺度临界发生变化，等离子云的电中性受到影响，而本申请将偏航磁场旋转起来，上一周期拉开差距的正负电荷中心距在下一周期又会缩小，从而整体上正负电荷中心保持在基片台中心位置。

进一步的，真空系统包括真空泵组和抽空管路，真空泵组通过抽空管路连接至反应腔，抽空管路端部设置抽空口，抽空口均布在基片台的四周。抽空口从基片台旁进行抽真空，将已经进行气相沉积过的气体组分抽吸走，让石英窗处新的带有碳元素的气体进入形成等离子体。

进一步的，抽空口数量与电磁铁数量相同，抽空口以箱体竖直中心线为轴线均布，电磁铁至少有两个相面对的不通电，抽空管路在每个抽空口处均设置电磁阀并单独控制启闭，处于电磁铁极性之间的抽空口开启、其余抽空口关闭。有两个电磁铁不通电产生磁场，而此处的抽空口打开作为抽真空位置，根据霍尔效应判定，等离子云内粒子的运动方向垂直于磁场方向，即朝向两个打开的抽空口，此两个抽空口附近处的气体与等离子云的边缘相比于其余位置来说是具有足够温度的区域，如果抽吸的是温度薄弱位置的气体，则容易造成该位置温度进一步下降而影响等离子云边界稳定。

进一步的，电磁阀的通断控制与电磁铁的电流控制互锁进行，电磁铁通过电流控制进行磁场旋转时，抽空口也一并进行旋转，互锁控制后确保完成该控制逻辑。

进一步的，混气系统包括气瓶组和送气管线，气瓶组调配工质气体比例经由送气管线送入谐振腔内。

与现有技术相比，本发明所达到的有益效果是：本发明通过微波环形器、功率调节器、矩形波导、调谐器、天线进行反馈控制在反应箱内构造稳定的微波环境，工质气体进入反应箱后下降过程经历电离过程，在基片台位置形成稳定等离子云，水平的磁场使得等离子云内粒子进行偏航移动，温度较高的粒子受到较大偏航力而前往等离子云的边缘，防止边缘受冷影响金刚石膜边缘的均匀性，等离子云内主动得从芯部挑选出温度较高的粒子前往外层，实现整体的温度均匀性，确保气相沉积的金刚石膜均匀且边缘圆润。

附图说明

附图用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与本发明的实施例一起用于解释本发明，并不构成对本发明的限制。在附图中：

图1是本发明的整体结构示意图；

图2是本发明反应箱的结构示意图；

图3是图2中的视图a-a；

图4是图2中另一种状态下的视图a-a’；

图5是本发明反应腔内粒子、磁场分布立体示意图；

图中：1-微波源、2-微波环形器、3-功率调节器、4-矩形波导、5-调谐器、6-天线、7-反应箱、71-箱体、711-谐振腔、712-反应腔、72-石英窗、721-窗口、73-基片台、74-磁体、8-混气系统、81-气瓶组、82-送气管线、9-真空系统、91-真空泵组、92-抽空管路、921-抽空口。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明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。

请参阅图1-5，本发明提供技术方案：

一种微波等离子体加工装置，包括微波源1、微波环形器2、功率调节器3、矩形波导4、调谐器5、天线6、反应箱7、混气系统8、真空系统9，微波源1连接微波环形器2，微波环形器2射出端连接矩形波导4，功率调节器3分别连接微波环形器2的射出端和微波源1，功率调节器3根据微波射出功率调整微波源1激发功率，矩形波导4侧壁上设置调谐器5，反应箱7安装到矩形波导4的末端侧面，天线6插入矩形波导4和反应箱7的顶端，混气系统8往反应箱7内注入工质气体，真空系统9对反应箱7内抽真空并保持真空状态；反应箱7内等离子云受电磁力而进行内循环。如图1所示，微波源1发射用于激发出等离子体的微波，发射的微波从微波环形器2射出，射出功率由功率调节器3进行调整，微波沿矩形波导4前进，矩形波导4末端封闭，微波在天线6位置处被导入反应箱7内，进入反应箱7的微波激发反应箱7内稀薄的工质分子，在微波在反应箱7内建立电场，高电场区域的气体分子转变为等离子态，等离子体聚集成团，在反应箱7内的聚团位置进行气相沉积，生成所需的金刚石膜，工质气体由混气系统8按元素比例送入，一般是甲烷气体与氢气，真空系统9用于维系反应所需要的真空环境，并将多余的氢气组分抽吸走，以便进入新的甲烷气体进行碳沉积。本申请中，特意使用电磁力作用，让等离子云受到力作用而进行运动，将等离子体芯部的高热量带到边缘位置，防止边缘位置过冷而影响等离子云稳定，进而影响边缘位置的碳沉积均匀程度、效果。

反应箱7包括箱体71、石英窗72、基片台73和磁体74，箱体71竖直布置，箱体71内中间位置设置石英窗72，石英窗72将箱体71内空间隔开为谐振腔711和反应腔712，反应腔712远离石英窗72的底部设置基片台73，天线6插入谐振腔711的顶部，磁体74设置在反应腔712的侧壁面，石英窗72上开设窗口721，窗口721在石英窗71中间位置的开口面积大于径向外侧的开口面积，窗口721圆周均布，送气系统8连接至谐振腔711，真空系统9连接反应腔712底部。如图2所示，工质从送气系统8送入谐振腔711，然后经由石英窗72进入到反应腔712内，可以通过天线6插入谐振腔711的长度、谐振腔711与反应腔712各自的高度、箱体71的截面直径等参数来控制反应腔712内的高电场强度范围，达到电离强度的区域只要有气体存在，则产生电离作用而成为等离子体，如图2所示，虚线标示的中间凸起、边缘扁圆的回转体区域就是等离子云的聚团区域，因为，工质气体流动的主要方向是从谐振腔711经由窗口721往反应腔712，反应腔712底部再行通过真空系统9抽走反应后的工质气体，工质从石英窗72中央的较大开口下降，当下方电场强度足够的区域较高时，就能形成凹弧面锥形的等离子云，反应腔712侧壁面的磁体促进等离子体内粒子的运动，使其温度趋于平均，让芯部的高温位置传递到表面位置，阻止边缘位置受冷而发生相变。

磁体74的磁感线水平穿过基片台73上方空间，磁体74磁感线以箱体71竖直中心线作旋转运动。如图2、3、5所示，水平的磁感线能够促使等离子云内的粒子进行内循环运动：由于等离子体内的粒子已经发生了电离，所有的粒子为一个个自由的原子核以及电子，在德拜尺度上呈电中性，粒子从上往下朝向基片台的运动过程中，受到磁场作用而偏离预期位置，受力方向根据霍尔效应以左手定则进行判断，水平的磁场方向、主要为竖直的等效电流方向，所以，受力是水平向外的，下降的正电荷和负电荷的等效电流相反，受力方向相反，但是，正电荷质量大，受到力后产生的加速度较小，而负电荷是一个个的电子，质量极小，所以，受到力后加速度较大，运动方向产生较大偏移，水平偏移的粒子趋向电子云的外缘位置，即，等离子云的芯部位置与边缘位置有粒子交换，从而让芯部的高温传递到边缘位置，阻止边缘位置的等离子体其受冷降温，从而形成稳定的等离子云区域，等离子云中，粒子的运动速度与其温度相关，温度越高，运动速度越快，而运动速度越快的粒子，其等效电流越大，受到磁场作用后，偏航力越大，越容易跑到等离子云的边缘位置，而温度较低的粒子则更多地存留在等离子云的芯部进行“保温”，即，条件性得从等离子云的芯部“挑拣”出温度更高的粒子送其到云边缘位置抵抗受冷，等离子云整体上更加趋于稳定。

磁体74包括若干个电磁铁，电磁铁以箱体71竖直中心线为轴线圆周均布，电磁铁的电磁性两端径向布置，所有电磁铁的励磁线圈互锁。如图3所示，一部分线圈励磁时，以n极端朝向基片台73，而对面的电磁铁则转变励磁电流方向，让s极朝向基片台73，从而，基片台73上方空间的磁感线大多以水平方向穿行，需要旋转磁场时，分别改变每个电磁铁的励磁电流，让ns极产生旋转，如图4所示，旋转起来的磁场可以让等离子云内粒子的运动圆周分布起来，不变的水平磁场只能让粒子朝两个方向运动，只能在这两个方向上补充热量防止边缘受冷，旋转起来的磁场，可以让粒子的偏转方向在俯视视角上，能够均布到圆周全角度上，而且，如前述，正电荷受到霍尔效应后，因为自身质量较大，所以偏航并不多，如果偏航过多，反而容易拉远正负电荷的间距，从而德拜尺度临界发生变化，等离子云的电中性受到影响，而本申请将偏航磁场旋转起来，上一周期拉开差距的正负电荷中心距在下一周期又会缩小，从而整体上正负电荷中心保持在基片台中心位置。

真空系统9包括真空泵组91和抽空管路92，真空泵组91通过抽空管路92连接至反应腔712，抽空管路92端部设置抽空口921，抽空口921均布在基片台73的四周。如图2所示，抽空口921从基片台73旁进行抽真空，将已经进行气相沉积过的气体组分抽吸走，让石英窗72处新的带有碳元素的气体进入形成等离子体。

抽空口921数量与电磁铁数量相同，抽空口921以箱体71竖直中心线为轴线均布，电磁铁至少有两个相面对的不通电，抽空管路92在每个抽空口921处均设置电磁阀并单独控制启闭，处于电磁铁极性之间的抽空口921开启、其余抽空口921关闭。如图3、4所示，有两个电磁铁不通电产生磁场，而此处的抽空口921打开作为抽真空位置，根据霍尔效应判定，等离子云内粒子的运动方向垂直于磁场方向，即朝向两个打开的抽空口921，此两个抽空口921附近处的气体与等离子云的边缘相比于其余位置来说是具有足够温度的区域，如果抽吸的是温度薄弱位置的气体，则容易造成该位置温度进一步下降而影响等离子云边界稳定。

电磁阀的通断控制与电磁铁的电流控制互锁进行，电磁铁通过电流控制进行磁场旋转时，抽空口921也一并进行旋转，互锁控制后确保完成该控制逻辑。

混气系统8包括气瓶组81和送气管线82，气瓶组81调配工质气体比例经由送气管线82送入谐振腔711内。

需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等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。而且，术语“包括”、“包含”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、物品或者设备所固有的要素。

最后应说明的是：以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。