本发明专利技术涉及微波等离子体增强化学气相沉积技术领域的波导同轴转换器，尤其是一种用于微波等离子体增强化学气相沉积装置，可支持微波高效率传输、低电极污染的矩形波导同轴转换器。由馈入波导、聚四氟乙烯挡板、矩形波导腔、渐变角锥铜块、水冷铝块、通风圆波导、屏蔽网、短路滑块、驻波腔、同轴内导体以及同轴外导体组成；本发明专利技术由于采用全金属渐变结构，传输效率可以达到接近100%水平；采用水冷结构、通风风冷结构，可使同轴段、角锥渐变铝块温度降低，尽可能防止电极污染；采用屏蔽网、通风圆波导尺寸的选择，微波泄漏安全可控。
【技术实现步骤摘要】
用于微波等离子体增强化学气相沉积的波导同轴转换器
本专利技术涉及微波等离子体增强化学气相沉积
的波导同轴转换器，尤其是一种用于微波等离子体增强化学气相沉积装置，可支持微波高效率传输、低电极污染的矩形波导同轴转换器。
技术介绍
近年来，在常规能源（煤、石油）供给的有限性和环境污染日益严重的双重压力下，以太阳能为代表的可再生能源在未来人类能源结构中占有越来越重要的地位。太阳能以其无污染、无运输、无垄断、维护简单、运行安全和永不枯竭等特点，被公认为是解决能源与环境两大问题的最佳选择之一。包括中美法德等国家都制定了中长期的发展计划，将太阳能光伏发电作为近中期主要替代能源和中长期的主体能源，太阳能光伏发电已成为世界发展最快的产业。自20世纪50年代专利技术硅太阳能电池以来，人们为太阳能电池的研究、开发与产业化做出了很大努力。到目前为止，太阳能光电工业基本是建立在硅材料的基础上，晶体硅（单晶硅/多晶硅）作为太阳能电池材料一直保持着统治地位，但受原材料供给和市场需求的影响，成本居高不下，使其应用受到限制。这种情况使得新型薄膜太阳能电池发展尤为迅速。随着薄膜技术越来越成熟，在未来的市场份额中将大比例提升。非晶硅薄膜太阳能电池是Carlson和Wronski等人在20世纪70年代中期发展起来的，80年代其生产曾达到高潮，约占全球太阳能电池总量的20％左右，虽然非晶硅太阳能电池存在光致衰减效应的缺点：光电转换效率会随着光照时间的延续而衰减，其发展速度曾一度逐步放缓，但由于其成本低、能量返还周期短、弱光响应性好和易于大面积自动化生产等优点使得非晶硅太阳能电池的发展越来越受到人们的重视。微波等离子体增强化学气相沉积法可以大面积、低温、均匀的在柔性衬底材料上生长膜层，而且容易掺杂，是一种具有较大应用前景的制备非晶硅薄膜的方法。微波技术已在能源、医疗、环境保护等民用和军事等领域提出了较多的应用。特别的，在微波等离子体增强化学气相沉积法的应用中，微波作为等离子体激发源和加热源，具有不可替代的作用。在衬底材料上制备绝缘薄膜的过程中，膜层表面易发生电荷积累现象，这会减小膜层沉积的厚度和速率，微波等离子体增强化学气相沉积法可以克服绝缘薄膜表面的电荷积累缺陷，提升薄膜沉积速率。因此，微波等离子体增强化学气相沉积法（PlasmaEnhancedChemicalVaporDeposition，PECVD）在太阳能电池镀膜应用中具有较大的应用和市场前景。阴生毅等人【新型微波ECR-PECVD装置的研制[J]，真空科学与技术学报，2004，24(1):33-36】介绍了一台新型的ECR-PECVD装置。该装置实现微波电子回旋共振等离子体增强化学气相沉积（ECR-PECVD）的机理为：频率为2.45GHz的微波通过耦合窗进入谐振腔，在谐振腔内磁感应强度为875×10-4Torr的区域，电子的回旋频率等于微波频率，从而产生回旋共振，有效吸收微波能量，成为高能电子。这时通入反应气体，高能电子对其作用，即可使气体迅速产生电离并形成高度活化的等离子体。在发散磁场的作用下，产生的等离子体可被导入沉积室，从而对沉积室内的基片进行沉积。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，设计了三角形铜片结构的矩形耦合波导，来实现微波的高效率馈入。吕庆敖等人【微波等离子体CVD装置中的微波模式转换器的模式研究[J]，真空电子技术，1997，No.5，P12-15】介绍了一种用于微波等离子体化学气相沉积装置的矩形波导-同轴模式转换器。微波等离子体化学气相沉积装置利用磁控管产生2.45GHz或915MHz百瓦至千万级大功率微波，在矩形波导中将传输的TE10模式经过微波模式转换器转变为圆柱形波导中传输的TM01模式，低压气体l~70Torr，由TM01模式激发形成球形等离子体。该模式转换器中矩形波导中的TE10模式在微波模式转换器中遇到负载性质的耦合天线而使微波能量沿耦合天线向下传输。微波在耦合天线端被转变为圆柱形波导中传输的TM01模式。TM01模式的微波经石英玻璃窗进人反应腔激发起球形等离子体。然后利用馈入的微波对等离子体进行加热。综上，前人基于不同的原理和方法，设计了针对等离子体化学气相沉积所用的波导-同轴转换器。这些波导-同轴转换器既有优点，也有一定的不足，主要体现在：现有的波导-同轴转换器仍不能微波等离子体化学气相沉积关于较高传输效率的应用需求；较少涉及可降低电极污染的波导-同轴转换器。
技术实现思路
本专利技术要解决的技术问题是克服波导同轴转换效率较低、微波加热时电极容易造成污染等不足，提供一种转换效率高、结构简单、可通风换气、水冷降温以防止电极污染的新型波导同轴转换器。本专利技术采用的技术方案是：用于微波等离子体增强化学气相沉积的波导同轴转换器，由馈入波导、聚四氟乙烯挡板、矩形波导腔、渐变角锥铜块、水冷铝块、通风圆波导、屏蔽网、短路滑块、驻波腔、同轴内导体以及同轴外导体组成；其中，馈入波导连接于矩形波导腔的下方，中间由聚四氟乙烯挡板隔开；在矩形波导腔宽边的中心位置放置渐变角锥铜块，渐变角锥铜块与同轴内导体连接，矩形波导腔右侧连接同轴外导体；在矩形波导腔的上侧连接驻波腔，驻波腔上壁由短路滑块组成，短路滑块与通风圆波导连接，通风圆波导与自由空间之间由屏蔽网隔开；渐变角锥铜块底部通过矩形波导腔的左侧壁与水冷铝块紧贴；馈入波导由工作频率覆盖2.45GHz的BJ-26标准金属波导构成，馈入波导的宽边a=86.4mm，窄边b=43.2mm，馈入波导的长度由微波源决定，一般至少20mm，以方便装配；馈入波导用于馈入2.45GHz的千瓦级大功率微波；聚四氟乙烯挡板由长a1=90.4mm，宽b1=47.2mm，厚t1=2mm的聚四氟乙烯板制成，用于隔离馈入波导和矩形波导腔，防止由屏蔽网处的异物由馈入波导进入2.45GHz千瓦级大功率微波源；矩形波导腔由高H=100mm的BJ-26标准金属波导构成，宽边a=86.4mm，窄边为b=43.2mm；在矩形波导腔左侧宽边中心位置高0.5H处，开直径R1=8.1mm（仅允许0.05mm的正公差）的通孔，方便同轴内导体的插入；矩形波导腔右侧宽边中心位置高0.5H处，开直径R2=26mm的通孔（允许0.02mm的正负公差），以配合同轴外导体接入；矩形波导腔下方，预留a1=90.4mm（仅允许0.05mm的正公差），宽b1=47.2mm（仅允许0.05mm的正公差），厚t=2mm（仅允许0.05mm的负公差）的金属台阶，以放入聚四氟乙烯挡板；矩形波导腔用于放置渐变角锥铜块，使矩形波导的TE10模式电场由原来垂直于矩形波导宽边两波导壁，逐渐演变为一侧垂直于矩形波导宽边，一侧垂直于渐变角锥铜块的锥面；渐变角锥铜块为一块底面直径R0=99mm、顶面直径D0=8mm、高度为H1=38.5mm的黄铜制成的角锥，为使渐变角锥铜块放入矩形波导腔，在渐变角锥铜块两侧与渐变角锥铜块底面直径垂直的方向各切削掉ΔR1=0.5*（R0-a）（仅允许0.05mm的正公差），使其侧面变为与矩形波导腔内壁紧密贴合的平面，且两平面的距离L1=a=86.4mm（仅允许0.1mm的负公差）；ΔR1切削完毕后，将渐变角锥铜块绕其轴线旋转90°，在渐变角锥铜块未切削本文档来自技高网...
【技术保护点】
用于微波等离子体增强化学气相沉积的波导同轴转换器，其特征在于：所述波导同轴转换器由馈入波导、聚四氟乙烯挡板、矩形波导腔、渐变角锥铜块、水冷铝块、通风圆波导、屏蔽网、短路滑块、驻波腔、同轴内导体以及同轴外导体组成；其中，馈入波导连接于矩形波导腔的下方，中间由聚四氟乙烯挡板隔开；在矩形波导腔宽边的中心位置放置渐变角锥铜块，渐变角锥铜块与同轴内导体连接，矩形波导腔右侧连接同轴外导体；在矩形波导腔的上侧连接驻波腔，驻波腔上壁由短路滑块组成，短路滑块与通风圆波导连接，通风圆波导与自由空间之间由屏蔽网隔开；渐变角锥铜块底部通过矩形波导腔的左侧壁与水冷铝块紧贴；馈入波导由工作频率覆盖2.45 GHz的BJ‑26标准金属波导构成，馈入波导的宽边a=86.4 mm，窄边b=43.2 mm，馈入波导的长度由微波源决定，至少20 mm，以方便装配；馈入波导用于馈入2.45GHz的千瓦级大功率微波；聚四氟乙烯挡板由长a1=90.4mm，宽b1=47.2mm，厚t1=2 mm的聚四氟乙烯板制成，用于隔离馈入波导和矩形波导腔，防止由屏蔽网处的异物由馈入波导进入2.45GHz千瓦级大功率微波源；矩形波导腔由高H=100mm的BJ‑26标准金属波导构成，宽边a=86.4 mm，窄边为b=43.2 mm；在矩形波导腔左侧宽边中心位置高0.5H处，开直径R1=8.1 mm的通孔，方便同轴内导体的插入；矩形波导腔右侧宽边中心位置高0.5H处，开直径R2=26 mm的通孔，以配合同轴外导体接入；矩形波导腔下方，预留a1=90.4 mm，宽b1=47.2mm，厚t=2 mm的金属台阶，以放入聚四氟乙烯挡板；矩形波导腔用于放置渐变角锥铜块，使矩形波导的TE10模式电场由原来垂直于矩形波导宽边两波导壁，逐渐演变为一侧垂直于矩形波导宽边，一侧垂直于渐变角锥铜块的锥面；渐变角锥铜块为一块底面直径R0=99 mm、顶面直径D0=8 mm、高度为H1=38.5 mm的黄铜制成的角锥，为使渐变角锥铜块放入矩形波导腔，在渐变角锥铜块两侧与渐变角锥铜块底面直径垂直的方向各切削掉ΔR1=0.5*（R0‑a），使其侧面变为与矩形波导腔内壁紧密贴合的平面，且两平面的距离L1=a=86.4 mm；ΔR1切削完毕后，将渐变角锥铜块绕其轴线旋转90°，在渐变角锥铜块未切削的一侧与底面直径垂直的方向切削掉ΔR2=0.5*H‑0.5*R0+2；最后，将渐变角锥铜块沿轴线方向开一个与顶面直径D0相同的通孔，D0略小于R1，保证同轴内导体方便插入矩形波导腔，并与渐变角锥铜块有良好的电接触；所述渐变角锥铜块起阻抗渐变作用，由于渐变角锥铜块的锥面逐渐向同轴内导体汇聚，因此在矩形波导腔内将矩形波导TE10模式转换为同轴TEM模式；水冷铝块为一块长a2=90 mm，宽b2=70 mm，厚度t2=10.6 mm的铝块；水冷铝块内部预留横截面直径R3=8 mm的圆环形水槽，其中圆环中心位于水冷铝块长宽所在面的中心位置，中心直径R4=24 mm；为方便圆环形水槽加工，水冷铝块可由长a2，宽b2，厚度为0.5t2的两块铝块在其各自的表面分别挖出一个中心直径R4、横截面直径R3的半圆形凹槽后再焊接而成，其中一块铝块的长宽面钻两个直径R5=8 mm的通孔，通孔的间距L2=30mm，通孔圆心距宽边距离L3=20mm，两个通孔圆心关于水冷块宽边中心轴对称，两个通孔各自通过截面直径R5=8 mm的圆柱与圆环形水槽相连，其中一个通孔作为进水口，另一个作为出水口；水冷铝块长宽面中心位置开直径R1=8.1 mm的通孔，方便同轴内导体的插入；所述水冷铝块用于冷却矩形波导腔，防止矩形波导腔温度过高而造成表面导电性能下降；驻波腔由高H2=127 mm的BJ‑26标准金属波导构成，a=86.4 mm，窄边b=43.2 mm，在驻波腔侧壁预留有用于固定短路滑块的销钉；驻波腔连接于矩形波导腔的上方，用于调节、抵消沿同轴内导体反射回来的微波，从而使微波全部进入等离子体作用区；短路滑块为一块a3=42 mm，宽b3=85.2 mm，高H3=80 mm的方形铝块，在短路滑块长宽面的中心位置钻半径r1=14mm的通孔，然后在通孔顶部预留高度为H4=26 mm的M32×2内螺纹，以便通风圆波导旋入；短路滑块的通孔对2.45GHz微波截止，因此其下端面可视为短路面以反射微波；短路滑块可在驻波腔内上下自由滑动，通过通风圆波导的拉动可调节短路滑块底面与矩形波导腔顶面的距离，使驻波腔的高度在0~61.3mm的范围内变化，以方便找到最佳反射匹配点，使微波能量进入等离子体区被吸收；通风圆波导为内半径r1=14 mm，外半径r2=16 mm，长L4=140mm圆柱波导，在通风圆波导底部，预留高度为H5=26mm的M32×2外螺纹，通风圆波导材料为标号是304的不锈钢；通风...
【技术特征摘要】
1.用于微波等离子体增强化学气相沉积的波导同轴转换器，其特征在于：所述波导同轴转换器由馈入波导、聚四氟乙烯挡板、矩形波导腔、渐变角锥铜块、水冷铝块、通风圆波导、屏蔽网、短路滑块、驻波腔、同轴内导体以及同轴外导体组成；其中，馈入波导连接于矩形波导腔的下方，中间由聚四氟乙烯挡板隔开；在矩形波导腔宽边的中心位置放置渐变角锥铜块，渐变角锥铜块与同轴内导体连接，矩形波导腔右侧连接同轴外导体；在矩形波导腔的上侧连接驻波腔，驻波腔上壁由短路滑块组成，短路滑块与通风圆波导连接，通风圆波导与自由空间之间由屏蔽网隔开；渐变角锥铜块底部通过矩形波导腔的左侧壁与水冷铝块紧贴；馈入波导由工作频率覆盖2.45GHz的BJ-26标准金属波导构成，馈入波导的宽边a=86.4mm，窄边b=43.2mm，馈入波导的长度由微波源决定，至少20mm，以方便装配；馈入波导用于馈入2.45GHz的千瓦级大功率微波；聚四氟乙烯挡板由长a1=90.4mm，宽b1=47.2mm，厚t1=2mm的聚四氟乙烯板制成，用于隔离馈入波导和矩形波导腔，防止由屏蔽网处的异物由馈入波导进入2.45GHz千瓦级大功率微波源；矩形波导腔由高H=100mm的BJ-26标准金属波导构成，宽边a=86.4mm，窄边为b=43.2mm；在矩形波导腔左侧宽边中心位置高0.5H处，开直径R1=8.1mm的通孔，方便同轴内导体的插入；矩形波导腔右侧宽边中心位置高0.5H处，开直径R2=26mm的通孔，以配合同轴外导体接入；矩形波导腔下方，预留a1=90.4mm，宽b1=47.2mm，厚t=2mm的金属台阶，以放入聚四氟乙烯挡板；矩形波导腔用于放置渐变角锥铜块，使矩形波导的TE10模式电场由原来垂直于矩形波导宽边两波导壁，逐渐演变为一侧垂直于矩形波导宽边，一侧垂直于渐变角锥铜块的锥面；渐变角锥铜块为一块底面直径R0=99mm、顶面直径D0=8mm、高度为H1=38.5mm的黄铜制成的角锥，为使渐变角锥铜块放入矩形波导腔，在渐变角锥铜块两侧与渐变角锥铜块底面直径垂直的方向各切削掉ΔR1=0.5*（R0-a），使其侧面变为与矩形波导腔内壁紧密贴合的平面，且两平面的距离L1=a=86.4mm；ΔR1切削完毕后，将渐变角锥铜块绕其轴线旋转90°，在渐变角锥铜块未切削的一侧与底面直径垂直的方向切削掉ΔR2=0.5*H-0.5*R0+2；最后，将渐变角锥铜块沿轴线方向开一个与顶面直径D0相同的通孔，D0略小于R1，保证同轴内导体方便插入矩形波导腔，并与渐变角锥铜块有良好的电接触；所述渐变角锥铜块起阻抗渐变作用，由于渐变角锥铜块的锥面逐渐向同轴内导体汇聚，因此在矩形波导腔内将矩形波导TE...
【专利技术属性】
技术研发人员：李国林，邱永峰，张泽海，杜广星，
申请(专利权)人：中国人民解放军国防科技大学，
类型：发明
国别省市：湖南,43
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