一种带有压缩空气冷却的微波等离子体设备的制作方法

1.本实用新型属于金刚石加工技术领域，具体涉及一种带有压缩空气冷却的微波等离子体设备。


背景技术：

2.微波等离子体化学气相沉积(mpcvd)设备中，柱状腔结构是早期常用的腔体类型，在科研和生产中应用较广泛。这种结构采用tm013电场结构，采用一块石英板作为真空和微波窗口，由于石英窗口距离等离子体较近，易发生等离子体对石英窗口的刻蚀，这就是所谓的硅污染。长时间的烘烤还会致使密封石英窗口的橡胶圈老化，造成真空腔体的泄漏。目前通常采用价格昂贵的金属c型圈结构来解决橡胶圈老化的泄漏问题，然而并没有实质性解决石英窗口的高温情况。石英窗口长期高温，容易在表面积碳，这些积碳对微波传输有损耗，继而进一步加热石英窗口。在石英窗口下面形成次生强电场区，容易激发等离子体烧蚀石英窗口，严重甚至烧坏石英窗口。
3.因此，本实用新型提供了一种带有压缩空气冷却的微波等离子体设备，以至少解决上述部分问题。


技术实现要素：

4.本实用新型要解决的技术问题是：提供一种带有压缩空气冷却的微波等离子体设备，以至少解决上述部分问题。
5.为实现上述目的，本实用新型采用的技术方案如下：
6.一种带有压缩空气冷却的微波等离子体设备，包括与微波头相连用于微波传输的矩形波导管，设于矩形波导管上端的模式转换器，设于矩形波导管下端的同轴线，设于同轴线下端的的耦合腔，以及依次经模式转换器、矩形波导管、同轴线穿设至耦合腔内用于输送冷却压缩空气的风冷天线；耦合腔内设有石英微波窗口，石英微波窗口位于风冷天线正下方，耦合腔周向分布有若干个散热通孔。
7.进一步地，风冷天线两端分别开设有进风口和出风口，进风口与外界冷却空气压缩机相连，出风口与石英微波窗口之间设有冷却间距。
8.进一步地，冷却间距为5-8cm。
9.进一步地，风冷天线内同轴套设有用于冷却水输送的水冷天线。
10.进一步地，水冷天线包括套设于风冷天线内的天线进水管、以及套设于天线进水管内的天线回水管。
11.进一步地，天线回水管底部开设有回水口，天线进水管通过回水口与天线回水管相连通。
12.进一步地，模式转换器上分别设有与天线进水管相连通的进水口、以及与天线回水管相连通的出水口。
13.进一步地，矩形波导管内设有用于调节阻抗匹配的短路活塞。
14.进一步地，短路活塞包括滑动设于矩形波导管腔内的短路活塞滑块、与短路活塞滑块相连的丝杠、以及与丝杠相连驱动丝杠转动的驱动装置。
15.与现有技术相比，本实用新型具有以下有益效果：
16.本实用新型结构简单、设计科学合理、使用方便，解决了现有微波等离子体设备使用过程中的高温问题，提供了一种可风冷散热降温的结构，能利用冷却压缩空气及时有效地将腔体内的高温通过热交换冷却，避免石英微波窗口的损坏，极大延长了石英微波窗口的使用寿命。
17.本实用新型包括矩形波导管、模式转换器、同轴线、耦合腔和风冷天线。其中矩形波导管、模式转换器、同轴线用于将由微波头产生的微波转换及传输至耦合腔内。耦合腔用于微波等离子体的激发和金刚石的生长，耦合腔内设有石英微波窗口，石英微波窗口上方设有经模式转换器、矩形波导管、同轴线穿设的风冷天线，风冷天线能将冷却压缩空气导入至耦合腔内，并高速流过石英微波窗口表面进而其降低其温度。耦合腔设有若干个散热通孔，流过石英微波窗口表面的空气再由散热通孔导出，从而实现了可持续的风冷降温。本实用新型利用简单有效的风冷降温原理，大大保证了装置的整体安全稳定性。
附图说明
18.图1为本实用新型剖面图。
19.图2为本实用新型侧视图。
20.图3为本实用新型冷却间距放大图。
21.图4为本实用新型水冷天线剖面图。
22.图5为本实用新型散热通孔放大图。
23.其中，附图标记对应的名称为：
24.1-矩形波导管，2-模式转换器，3-同轴线，4-耦合腔，5-风冷天线，6-石英微波窗口，7-散热通孔，8-冷却间距，9-水冷天线，10-短路活塞，11-短路活塞滑块，12-丝杠，13-驱动装置，51-进风口，52-出风口，91-天线回水管，92-天线进水管，93-回水口，94-进水口，95-出水口。
具体实施方式
25.为了使本实用新型的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图，对本实用新型进一步详细说明。显然，所描述的实施例仅仅是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，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，都属于本实用新型保护的范围。
26.在本实用新型的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“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或者以特定的方位构造和操作，因此其不能理解为对本实用新型的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
27.在本实用新型的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地
连接；当然的，还可以是机械连接，也可以是电连接；另外的，还可以是直接相连，也可以是通过中间媒介间接相连，或者可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本实用新型中的具体含义。
28.如图1-5所示，本实用新型提供的一种带有压缩空气冷却的微波等离子体设备，结构简单、设计科学合理、使用方便，解决了现有微波等离子体设备使用过程中的高温问题，提供了一种可风冷散热降温的结构，能利用冷却压缩空气及时有效地将腔体内的高温通过热交换冷却，避免石英微波窗口的损坏，极大延长了石英微波窗口的使用寿命。
29.本实用新型包括与微波头相连用于微波传输的矩形波导管1，设于矩形波导管1上端的模式转换器2，设于矩形波导管1下端的同轴线3，设于同轴线下端的3的耦合腔4，以及依次经模式转换器2、矩形波导管1、同轴线3穿设至耦合腔4内用于输送冷却压缩空气的风冷天线5；耦合腔4内设有石英微波窗口6，石英微波窗口6位于风冷天线5正下方，耦合腔4周向分布有若干个散热通孔7。
30.由微波头产生的微波从矩形波导管1馈入，通过模式转换器2的高效转换后，导入至耦合腔4内，矩形波导管1下端的同轴线3作为同轴线外导体。风冷天线5可作为同轴线内导体，其表面具有很高的表面电流，不可避免的会发热，而风冷天线5的特殊结构能有效降低自身表面温度。除此之外，风冷天线5还能通过热交换降低石英微波窗口6的高温。激发的等离子体位于石英微波窗口6的下方对其进行高温烘烤，冷却压缩空气从风冷天线5输送至耦合腔4内，直达石英微波窗口6的表面，高速流过石石英微波窗口6表面使其温度降低，再从耦合腔4四周的散热通孔7均匀分散的流出。本实用新型简单有效的通过空气气流将聚集在天线和石英微波窗口6的能量带走，极大延长了石英微波窗口6的使用寿命，保证了装置的整体安全稳定性。
31.本实用新型风冷天线5两端分别开设有进风口51和出风口52，进风口51与外界冷却空气压缩机相连，出风口52与石英微波窗口6之间设有冷却间距8，冷却间距8为5-8cm。
32.本实用新型风冷天线5内同轴套设有用于冷却水输送的水冷天线9。所述水冷天线9可与风冷天线5相配合，进一步用于天线本体和耦合腔4的降温。水冷天线9包括套设于风冷天线5内的天线进水管92、以及套设于天线进水管92内的天线回水管91。天线回水管91底部开设有回水口93，天线进水管92通过回水口93与天线回水管91相连通。模式转换器2上分别设有与天线进水管92相连通的进水口94、以及与天线回水管91相连通的出水口95。冷却水由进水口94进入由上至下经天线进水管92带走天线本体和耦合腔4内的热量，最后天线进水管92的热水则经回水口93进入天线回水管91内，再由下至上由出水口95排出。所述水冷天线9配合风冷天线5，提高了冷却降温效率。
33.本实用新型矩形波导管1内设有用于调节阻抗匹配的短路活塞10。短路活塞10包括滑动设于矩形波导管1腔内的短路活塞滑块11、与短路活塞滑块11相连的丝杠12、以及与丝杠12相连驱动丝杠12转动的驱动装置13。由驱动装置13驱动丝杠12并带动短路活塞滑块11在矩形波导管1内来回移动，从而调节在不同功率和气压下的阻抗匹配，以便微波能量尽可能的馈入谐振腔，减少微波损耗。驱动装置13可为电动驱动的正反转电机，也可为手动驱动的手轮，正反转电机的自动正反转动可精准调节短路活塞滑块11的左右移动，而手轮则通过人工转动，更具有操作灵活性。
34.本实用新型所用模式转换器2和正反转电机均为现有已知电气设备，并且均可在
市场上直接购买使用，其结构、电路、以及控制原理均为现有已知技术，因此，关于模式转换器2和正反转电机的结构、电路、以及控制原理在此不赘述。
35.最后应说明的是：以上各实施例仅仅为本实用新型的较优实施例用以说明本实用新型的技术方案，而非对其限制，当然更不是限制本实用新型的专利范围；尽管参照前述各实施例对本实用新型进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本实用新型各实施例技术方案的范围；也就是说，但凡在本实用新型的主体设计思想和精神上作出的毫无实质意义的改动或润色，其所解决的技术问题仍然与本实用新型一致的，均应当包含在本实用新型的保护范围之内；另外，将本实用新型的技术方案直接或间接的运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本实用新型的专利保护范围内。