一种MPCVD合成设备及控制方法技术

本发明专利技术涉及一种MPCVD合成设备，其特征在于包括微波电源、微波发生装置、微波传输导向器件、反射微波测量吸收器件、反射微波调节装置、模式转换器、反应腔、为反应腔提供反应气体的供气装置、用于测量反应腔内目标产品表面温度的温度测量装置、用于测量反应腔内气压的真空测量装置、用于调节反应腔内气压的气压控制装置和控制中心，所述微波电源、反射微波调节装置、反射微波测量吸收器件、温度测量装置、真空测量装置、气压控制装置分别与控制中心通信连接，所述控制中心接受、识别各装置反馈来的数据信号，并对数据信号进行分析处理后，向相应装置发出相应指令。

【技术实现步骤摘要】
一种MPCVD合成设备及控制方法
本专利技术涉及一种微波等离子体化学气相沉积(MPCVD)合成设备及控制方法，属于化学气相沉积设备领域。
技术介绍
MPCVD法不仅可以用于合成金刚石，还适用于很多其他材料的制备，MPCVD法合成金刚石的质量与多种因素有关，包括碳源浓度，气体流量大小，基板台高度，微波功率，合成温度等。合成温度对于合成金刚石质量具有极大地关系，因此合成过程中自动监测、控制金刚石的温度非常关键。现有技术中一般采用人工调节的方式，调整各因素，控制合成反应稳定进行，但是人工调节存在误操作的可能，同时也存在操作不及时的情况，导致微波不稳，从而导致等离子体不稳定。微波等离子体化学气相沉积法合成金刚石的流程如图1所示。微波等离子体化学气相沉积(MPCVD)法是目前国际上被用于高品质金刚石膜制备的首选方法。为了提高金刚石膜的沉积速率、质量以及适当大的沉积面积，目前许多发达国家都在发展高功率MPCVD技术并开发出了多种高功率MPCVD设备，但是高功率MPCVD设备中微波发生装置内的磁控管部件非常脆弱，在金刚石合成过程特别是在反应前后微波功率升降过程中都可能出现因反射微波功率过高而损毁磁控管的情况。同时，反射微波功率过高对于制备稳定的等离子体十分不利，影响产品的质量。
技术实现思路
针对现有技术的不足，本专利技术提供一种MPCVD合成设备，根据目标产品的合成工艺，实现设备微波发生装置输出功率、微波系统反射功率、反应腔气体压力、目标产品表面温度的自动匹配，实现功率-气压-温度-反射微波的动态平衡，创造最优的合成环境，从而提高目标产品合成的质量。为了解决上述技术问题，本专利技术提供一种技术方案如下：一种MPCVD合成设备，包括微波电源、微波发生装置、微波传输导向器件、反射微波测量吸收器件、反射微波调节装置、模式转换器、反应腔、为反应腔提供反应气体的供气装置、用于测量反应腔内目标产品表面温度的温度测量装置、用于测量反应腔内气压的真空测量装置、用于调节反应腔内气压的气压控制装置和控制中心，所述微波电源、反射微波调节装置、反射微波测量吸收器件、温度测量装置、真空测量装置、气压控制装置分别与控制中心通信连接。所述控制中心接受、识别各装置反馈来的数据信号，并对数据信号进行分析处理后，向相应装置发出相应指令。微波电源用于可控的向微波发生装置供电。可选的微波电源包括线性电源和开关电源的一种，也可为其他为微波发生装置供电的装置。微波发生装置、微波传输导向器件、中段调节器件、模式转换器、末段调节器件依次连接，反射微波测量吸收器件与微波传输导向器件连接。模式转换器与反应腔连接。所述的连接包括直接或间接连接，直接连接指的是各个部件之间直接连接，间接连接是指各个部件之间还包括其他部件。比如，波导传输器件。所述的波导传输器件用于传输微波，如波导管。微波发生装置为产生微波的装置。可选的微波发生装置为磁控管。进一步的，还包括温度测量器件，用于测量微波发生装置的磁控管的温度。优选的，反射微波调节装置包括中段调节器件和末段调节器件。反射微波测量吸收器件用于测量反射微波功率和吸收反射微波。中段调节器件用于微波反射功率的调节。中段调节器件接收控制中心的控制指令，调整微波反射功率。进一步地，中段调节器件接收控制中心的控制指令，通过调整调节块的位置实现调节微波反射功率。进一步地，中段调节器件中的调节块为三个。进一步地，所述中段调节器件中的调节块为销钉。优选的，中段调节器件包括电机、驱动器、控制器以及连接电机的可运动的调节块，其中控制器可以与控制中心进行通讯，控制器接收上位机控制指令后，输出符合要求的脉冲信号和方向信号，控制驱动器输出指定的电机运动信号，由电机带动调节块运动。模式转换器用于改变微波传输方向。优选的，可将水平传输的微波转换成垂直传输的微波。模式转换器内部有垂直的金属天线，水平传输的微波经过天线后大部分微波能量将沿金属天线改变传输方向朝正下方垂直传输，剩余小部分微波能量继续水平方向传输。末段调节器件用于调节经模式转换器后继续水平传输的微波能量，使其返回时尽量沿着金属天线向垂直方向传输，使水平方向的微波能量反射接近或等于零。进一步地，末段调节器件接收控制中心的控制指令，通过调整调节块的位置实现调节微波反射功率。优选的，末段调节器件包含电机、驱动器、控制器以及连接电机的可运动的调节块。其控制器与控制中心进行通讯，控制器控制中心控制指令后，控制驱动器输出指定的电机运动信号(如图2所示)，电机运动带动调节块运动，改变调节块的位置。优选的，调节块为T型调节块。进一步地，调节块为短路活塞。反射微波测量吸收器件包括反射微波吸收模块和反射微波功率测量模块。优选的，反射微波吸收模块为水负载，用于吸收反射的微波能量。反射微波功率测量模块用于测量反射的微波功率，可选的反射微波功率测量模块包括功率计、定向耦合器。反射微波调节装置、反射微波测量吸收器件与控制中心通信连接，反射微波测量吸收器件把反射微波的情况反馈至控制中心，控制中心判断反射微波功率是否超过安全值，如超过安全值直接关闭微波电源，当反射微波功率低于安全值但高于预警阈值时，则采取调节反射微波调节装置将反射微波功率调节至预警阈值以下，甚至调节至零。微波传输导向器件用于控制微波传输的传输方向，使得反射微波不会直接传输至微波发生装置。沿微波发生装置出口方向传输的微波沿直线传播，反向传输的微波不能直接传回微波发生装置，其能量将被导入反射微波吸收测量器件进行吸收，仅少量或没有微波能量最终传回微波发生装置。例如可使从其端口1到端口2，端口2到端口3，端口3到端口1是导通的，但端口2到端口1，端口3到端口2，端口1到端口3隔离。进一步地，所述微波传输导向器为环形器。进一步地，供气装置的启/停控制开关由控制中心控制，或者由使用人员手动控制；优选的，由控制中心控制。进一步地，所述控制中心包括计算机、单片机和PLC中的一种，进一步地，也可为其他具备数据处理功能的器件。进一步地，所述压力控制装置为电动插板阀、电动针阀或其他电动气压调节装置，通过控制中心发送的调节指令，控制气路的压力满足当前工艺要求。进一步地，真空测量装置可以根据实际测量对象的要求不同进行常规的选择，可以为一个真空测量设备，也可以为多个测量设备的集合。进一步地，所述真空度测量装置包括真空计、电离规、电阻规、真空度测量仪等真空测量仪器中的一种或几种；进一步地，所述真空度测量装置包括真空计、电离规、电阻规。真空测量装置将可测量到的气压反馈至控制中心，作为控制中心调节气路压力的输入。进一步地，所述温度测量装置可选为接触式测温装置或非接触式测温装置，如温度传感器、温度计、红外测温仪或其他温度测量仪器，温度测量装置作为温度反馈单元，是控制中心调节微波输出功率、气压的输入。进一步地，还包括用于对反应腔进行抽真空处理的真空获取装置。所述的真空获取装置为机械泵、分子泵等变容真空泵和气体捕集泵。进一步优选的，同时包括机械泵和分子泵；机械泵用于排除反应过程中的气体，分子泵用于反应前将腔体中的气体排出，二者同时使用，提高了效率，降低了成本。进一步地，真空获取装置与控制中心通讯连接，接收控制中心的控制。进一步地，本专利技术的一种优选方案包括：一种MPCVD合成设备，包括微波电源、微波发生装置、本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种MPCVD合成设备，其特征在于包括微波电源、微波发生装置、微波传输导向器件、反射微波测量吸收器件、反射微波调节装置、模式转换器、反应腔、为反应腔提供反应气体的供气装置、用于测量反应腔内目标产品表面温度的温度测量装置、用于测量反应腔内气压的真空测量装置、用于调节反应腔内气压的气压控制装置和控制中心，所述微波电源、反射微波调节装置、反射微波测量吸收器件、温度测量装置、真空测量装置、气压控制装置分别与控制中心通信连接，所述控制中心接受、识别各装置反馈来的数据信号，并对数据信号进行分析处理后，向相应装置发出相应指令。

【技术特征摘要】
1.一种MPCVD合成设备，其特征在于包括微波电源、微波发生装置、微波传输导向器件、反射微波测量吸收器件、反射微波调节装置、模式转换器、反应腔、为反应腔提供反应气体的供气装置、用于测量反应腔内目标产品表面温度的温度测量装置、用于测量反应腔内气压的真空测量装置、用于调节反应腔内气压的气压控制装置和控制中心，所述微波电源、反射微波调节装置、反射微波测量吸收器件、温度测量装置、真空测量装置、气压控制装置分别与控制中心通信连接，所述控制中心接受、识别各装置反馈来的数据信号，并对数据信号进行分析处理后，向相应装置发出相应指令。2.如权利要求1所述的MPCVD合成设备，其特征在于微波发生装置、微波传输导向器件、中段调节器件、模式转换器、末段调节器件依次连接，反射微波测量吸收器件与微波传输导向器件连接，所述的连接包括直接或间接连接，直接连接指的是各个部件之间直接连接，间接连接是指各个部件之间还包括其他部件。3.如权利要求1所述的MPCVD合成设备，其特征在于反射微波调节装置包括中段调节器件和末段调节器件。4.如权利要求3所述的MPCVD合成设备，其特征在于中段调节器件接收控制中心的控制指令，通过调整调节块的位置实现调节微波反射功率；末段调节器件接收控制中心的控制指令，通过调整调节块的位置实现调节微波反射功率。5.如权利要求3所述的MPCVD合成设备，其特征在于中段调节器件、末段调节器件均包括电机、驱动器、控制器以及连接电机的可运动的调节块，其中控制器可以与控制中心进行通讯，控制器接收上位机控制指令后，输出符合要求的脉冲信号和方向信号，控制驱动器输出指定的电机运动信号，由电机带动调节块运动。6.如权利要求1所述的MPCVD合成设备，其特征在于反射微波测量吸收器件包括反射微波吸收模块和反射微波功率测量模块。7.如权利要求1所述的MPCVD合成设备，其特征在于反射微波吸收模块为水负载，用于吸收反射的微波能量；反射微波功率测量模块用于测量反射的微波功率，反射微波功率测量模块为功率计、定向耦合器中的一种。8.如权利要求1所述的MPCVD合成设备，其特征在于反射微波调节装置、反射微波测量吸收器件与控制中心通信连接，反射微波测量吸收器件把反射微波的情况反馈至控制中心，控制中心判断反射微波功率是否超过安全值，如超过安全值直接关闭微波电源，当反射微波功率低于安全值但高于预警阈值时，则采取调节反射微波调节装置将反射微波功率调节至预警阈值以下，甚至调节至零。9.一种可选的温度-气压-功率-反射微波调节方法包括：温度测量装...

【专利技术属性】
技术研发人员：黄翀，唐跃强，
申请(专利权)人：长沙新材料产业研究院有限公司，
类型：发明
国别省市：湖南,43