圆柱谐振腔式微波等离子体金刚石膜CVD沉积室的FDTD模拟与优化

微波等离子体化学气相沉积(MPCVD)技术被认为是制备高质量金刚石膜的一种最重要的技术手段。对微波等离子体金刚石膜沉积装置进行模拟与优化,可大大减少设计和改进MPCVD装置时所需要的时间与成本。本文在结合使用谐振腔质量因子和沉积台上方等离子体的密度与分布两个优化判据的基础上,采用Matlab语言和时域有限差分方法,模拟了圆柱谐振腔式微波等离子体金刚石膜沉积装置,并对其主要尺寸进行了优化。     

微波等离子体化学气相沉积系统谐振腔研究

微波等离子体化学气相沉积(MPCVD)法是目前最有发展前景的高质量金刚石薄膜沉积方法之一,但由于谐振腔中微波与等离子体之间强烈的相互作用,人们很难根据经验对谐振腔进行改进,本文利用HFSS软件对不锈钢式MPCVD的谐振腔进行了模拟,通过分析谐振腔内电场以及等离子体的分布,对谐振腔的主要参数进行了优化处理,并根据模拟结果设计出谐振腔系统,在一定条件下,沉积出了优质的金刚石膜,沉积速率可达到0.33 μm/h.     

双侧波导同轴线耦合式线形微波等离子体源的研究

本文介绍了一种具有双侧波导同轴线耦合结构的新型微波等离子体源。通过电磁场模拟计算和等离子体发射光谱测量对同轴线耦合反应腔内部结构进行了优化,研究了线形等离子体源腔体结构对等离子体均匀性和长度的影响,并且在杆状样品表面进行了金刚石薄膜的沉积实验。实验结果表明:双侧波导同轴线耦合式新型线形等离子体源可以在引导天线表面产生圆柱状的线形等离子体,其等离子体的均匀性和长度受腔体内部结构的影响,在引导天线外径为4 mm,单侧模式匹配棒伸入量为10 mm的腔体结构下,等离子体的均匀性大于90%。通过对杆状样品表面不同位置处金刚石膜质量和等离子体沉积环境的测量,进一步验证了等离子体的均匀性。此外,线形等离子体的长度受引导天线长度和工作气压影响,这主要与反应腔内电磁场分布以及微波传输衰减有关。     

一种用于金刚石膜沉积装置的重入式微波谐振腔

微波等离子体化学气相沉积法(MPCVD)是制备高品质金刚石膜的重要方法,而MPCVD技术的关键是其设备核心部件谐振腔的设计。本文基于目前广泛应用的圆柱式和椭球式两种MPCVD谐振腔中微波传输的特点和其各自的优点,提出了一种重入式微波谐振腔的设计构想,并利用数值模拟的方法对这一构想进行了验证。模拟的结果表明,微波在重入式微波谐振腔内外壁之间的路径传输后,可在金刚石膜沉积台处形成一最强且相对均匀的电场。在相同的输入功率下,其形成的最大电场强度高于圆柱式和椭球式两种谐振腔时的情况。由于重入式的微波谐振腔具有结构简单、频率易于调节的优点,因而这一构想可为设计制造新型的MPCVD金刚石膜沉积设备提供参考依据。     

回音壁模式微波谐振腔测温仪尺寸优化研究

为加快回音壁模式微波谐振腔测温仪在工业精密测温领域的应用,提高工业精密测温的测量精度和抗震性,研究基于圆柱状蓝宝石的回音壁模式微波谐振腔测温仪的金属腔体与中心介质的尺寸优化设计。分别对相同比例下不同尺寸的蓝宝石与腔体以及相同蓝宝石尺寸下不同腔体尺寸的谐振频率变化和品质因数改变的规律进行探索。研究发现,谐振频率可随腔体尺寸的增加而指数减小,但一味增大腔体尺寸并不能提高品质因数,反而有可能降低测量精度。研究成果可以揭示测温仪的测量精度变化规律特点,探寻最优尺寸设计,为微波谐振腔测温仪的小型化和高精密研究提供参考,加快其在高精密工业测温领域的广泛应用。     

圆柱谐振腔式MPCVD装置中氢、氩微波等离子体分布规律的数值模拟

在使用简化的等离子体放电模型的基础上,模拟了圆柱谐振腔式微波等离子体沉积室中,不同金刚石膜生长条件下微波等离子体的分布状态。在模拟中,针对纳米金刚石的生长环境,就纯氩气反应气体中,不同的输入功率、不同气体压力条件下,沉积室中形成的等离子体分布的变化规律进行了模拟,将其与一般氢气气氛下的相应模拟结果相对比。模拟所获得的结果,对微波等离子体方法沉积金刚石膜的操作环境的优化,有着一定的指导意义。     

基于波导等效阻抗建模用于钛铁矿微波还原的谐振腔体研究

提出了一种利用等效阻抗的思想来设计微波谐振腔。通过计算传输波导的主模等效阻抗与谐振腔近似等效阻抗匹配来确定谐振腔体的尺寸,从而使多模谐振腔与传输波导具有良好的匹配,微波源能够以最小的反射馈入谐振腔内。以钛铁矿作为加热研究的物料,利用HFSS软件分别对单馈口和多馈口多模腔的反射系数进行了优化仿真,并且给出了腔体内场分布的情况,仿真优化的结果与等效阻抗匹配方法计算值接近,验证了根据波导等效阻抗方法来设计腔体结构的可行性,为设计高温微波冶金多模腔体提供了新的参考依据。     

分体圆柱谐振腔法用于金刚石膜微波介电性能测试的研究

针对金刚石膜微波介电损耗低、厚度薄带来的微波介电性能测试难点, 研制了一台分体圆柱谐振腔式微波介电性能测试装置。利用不同直径的蓝宝石单晶样品, 用上述装置对低损耗薄膜类样品微波介电性能的测试能力及样品直径对测试结果的影响进行了实验研究。在此基础上, 使用分体圆柱谐振腔式微波介电性能测试装置对微波等离子体化学气相沉积法和直流电弧等离子体喷射法制备的高品质金刚石膜在Ka波段的微波介电性能进行了测试比较。测试结果表明, 由Raman光谱、紫外-可见光谱等分析证明品质较优的微波等离子体化学气相沉积法制备的金刚石膜具有更高的微波介电性能, 其相对介电常数和微波介电损耗值均低于直流电弧等离子体喷射法制备的金刚石膜。     

开口微波谐振腔选频能力优化设计

为了提高微波气体测量系统的测量精度,针对其主要测量元件开口微波谐振腔选频能力较弱的问题,对谐振腔的耦合孔及通风孔进行优化设计。以建立在9.6 GHz的圆柱谐振腔模型为基础,采用矩形波导从腔的侧壁进行的孔耦合,激发圆柱谐振腔的TE_(011)振荡模式。通过ANSYS Electronics Desktop软件对具有不同耦合孔和通风孔的谐振腔进行仿真,分析了S参数曲线和Smith圆图,得到谐振腔系统的最佳耦合状态。仿真和实验测量结果表明,当所设计的微波谐振腔在耦合孔的半径为1.96 mm,通风孔的内直径为32 mm,通风孔的角度为105°时,具有最佳的选频能力。     

新型微波ECR-PECVD装置的研制

介绍一台新型的ECR-PECVD装置.这一装置设计和采用了一种由单个电磁线圈和永磁体单元组合的新型磁场,使整个装置结构明显简化.为提高装置的微波转换效率,通过计算机仿真微波场在等离子体室的分布,选择和采用了一种新型的矩形耦合波导.应用这一装置分解H2稀释的SiH4气体以沉积a-Si:H薄膜,获得了2 nm/s以上的高沉积速率.