專利名稱：耦合微波能的裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及將微波能耦合至一反應(yīng)室特別是耦合到等離子體-CVD-涂覆室的裝置，具有一微波導(dǎo)線和在微波導(dǎo)線和反應(yīng)室之間放置的同軸導(dǎo)體，其中至少一同軸導(dǎo)體(4)和反應(yīng)室(14)形成了供應(yīng)用微波頻率的一諧振器。
在進(jìn)行基質(zhì)涂覆時(shí)，特別是對(duì)放電球形基質(zhì)涂覆時(shí)，基質(zhì)放在一反應(yīng)室內(nèi)并處于借微波激勵(lì)的反應(yīng)氣體的等離子體氣氛下。涂層的質(zhì)量取決于照射微波能量的恒定性等。如果對(duì)照射的微波射線進(jìn)行調(diào)整，隨后進(jìn)行處理的放電涂層就具有不同的質(zhì)量。對(duì)照射入的微波能的恒定性起決定性影響的部件是承擔(dān)將微波能量耦合到反應(yīng)室內(nèi)的部件。
DE-3905303A1公開了一個(gè)通過微波產(chǎn)生等離子體的裝置，該裝置的同軸導(dǎo)體中安置著一個(gè)放電管，它轉(zhuǎn)入到反應(yīng)室。同軸導(dǎo)體和反應(yīng)室與放電管一塊共同形成了為施加微波頻率的共振器。通過在同軸導(dǎo)體適當(dāng)?shù)亩税迳习卜沤饘俟?jié)流門或金屬附加物使微波能量損失減小。在DE-4028525中描述了一個(gè)類似的裝置。
US-4886346中公開了另外一個(gè)微波部件裝置，使用該裝置可產(chǎn)生一旋轉(zhuǎn)對(duì)稱微波場(chǎng)(E01微波場(chǎng))，并以此在一個(gè)玻璃容器內(nèi)產(chǎn)生放置對(duì)稱等離子體。為了調(diào)節(jié)射入的微波，耦合裝置有兩個(gè)調(diào)節(jié)部件，為了電氣穩(wěn)定運(yùn)行，它們能在1/10mm范圍內(nèi)進(jìn)行準(zhǔn)確地調(diào)節(jié)。如果反應(yīng)器的溫度不是準(zhǔn)確地恒定，在這個(gè)數(shù)量級(jí)長度的改變很容易出現(xiàn)。
在對(duì)耦合裝置進(jìn)行相對(duì)較大的測(cè)試時(shí)是非常昂貴的。此外為了大功率而最好使用的磁控管作為微波源的頻率隨溫度、功率和使用時(shí)間長短變化。這樣，同樣導(dǎo)致了失諧，以致在反應(yīng)室內(nèi)的微波能量不能在所要求的值上。
在J.Physipue，1982，L71描述了部分原理上和US-4866346所謂的Surfaguide結(jié)構(gòu)一樣的部件。用它們產(chǎn)生一形成等離子體的旋轉(zhuǎn)對(duì)稱微波場(chǎng)。該裝置也需要兩個(gè)調(diào)節(jié)元件，它們同樣必須非常準(zhǔn)確地調(diào)整且這樣的調(diào)整必須保持在非常小的公差范圍內(nèi)。
US-4971651公開了耦合微波的方法和裝置，其中吸收或控制部件以這樣的方式引入到微波幅射范圍內(nèi)，使得設(shè)此項(xiàng)措施等離子體密度局部提高的電磁場(chǎng)受到抑制或脫離控制。以這樣的方式電磁場(chǎng)強(qiáng)度在等離子體中分布并使微波處理的結(jié)果均衡。根據(jù)US-4971651吸收或控制部件必須具有準(zhǔn)確確定的形式并且放置在微波導(dǎo)體內(nèi)準(zhǔn)確確定的地點(diǎn)，并以此完成它的任務(wù)。形式和地點(diǎn)必須在預(yù)實(shí)驗(yàn)中確定。如果例如微波導(dǎo)體和放電容器形狀的變化，吸收器及控制部件的長度和形狀也必須重新確定，由此來保證均衡性。US-4971651并沒有任何提示，一個(gè)微波耦合器在等離子體內(nèi)必須如何構(gòu)形，和該耦合裝置對(duì)出現(xiàn)幾何形狀尺寸和耦合裝置功率改變的進(jìn)一步限定。
本發(fā)明的任務(wù)是完成一個(gè)耦合裝置，該裝置將微波波導(dǎo)體的微波能量傳送到反應(yīng)室，其中耦合裝置應(yīng)具有電氣穩(wěn)定的調(diào)節(jié)，由于溫度變化而產(chǎn)生的臨界測(cè)試和功率改變時(shí)該調(diào)節(jié)能保持在允許的限定內(nèi)。
該任務(wù)是由諧振器帶有預(yù)定的損耗，同軸導(dǎo)體具有具有兩段(5、6、8，9)，第一段(5、8)與微波導(dǎo)線(2)相聯(lián)以及在朝反應(yīng)室(14)方向連續(xù)變大直徑的內(nèi)導(dǎo)體(8)和外導(dǎo)體(5)共同形成過渡段，其中外導(dǎo)體最小直徑D1小于反應(yīng)室(14)的直徑和外導(dǎo)體最大直徑D2大于等于反應(yīng)室(14)的直徑和第二段(6、9)由具有恒定外徑D2的同軸導(dǎo)體組成的裝置解決的。有優(yōu)點(diǎn)的構(gòu)形是從屬權(quán)利要求的主題。一般情況下微波部件是由良導(dǎo)電金屬材料制成的，諧振器應(yīng)維持較高的品質(zhì)因數(shù)。相對(duì)于一般的力求進(jìn)一步改善諧振器的品質(zhì)因數(shù)，如果使用一個(gè)較通常的使用諧振器具有明確較差的品質(zhì)因數(shù)，其好處在于對(duì)由于幾何變化產(chǎn)生失配具有敏感性。耦合裝置的品質(zhì)因數(shù)不允許進(jìn)一步變差到不能激勵(lì)在反應(yīng)室內(nèi)的等離子體。當(dāng)考慮這些要點(diǎn)確定耦合功率時(shí)，現(xiàn)有技術(shù)中對(duì)溫度的穩(wěn)定性的要求可進(jìn)一步放棄。在幾個(gè)應(yīng)用例中，僅僅采用一粗的溫度穩(wěn)定性就足夠了。
該裝置可根據(jù)一實(shí)施例而不敏感，至少同軸導(dǎo)體的部分是由不良導(dǎo)電材料，例如由不良導(dǎo)電金屬制造的。這些可以是同軸導(dǎo)體的外導(dǎo)體和/或內(nèi)導(dǎo)體的部分。
除了應(yīng)用不良導(dǎo)電金屬例如鋼外，部件例如可以由石墨組成或帶有石墨涂層。
在進(jìn)行放電球形基質(zhì)涂層時(shí)，放電球形基質(zhì)和另一容器部分，特別是一金屬板共同構(gòu)成了真空容器和這樣的反應(yīng)室。在這樣形成的反應(yīng)室內(nèi)，金屬板可以由不良導(dǎo)電材料組成。
根據(jù)另一個(gè)實(shí)施例諧振器的品質(zhì)因數(shù)要求可由在耦合裝置內(nèi)裝入一吸收器而減少。和在US-4971651中所公開的現(xiàn)有技術(shù)相反，吸收器在耦合裝置中的位置和安排進(jìn)一步無關(guān)緊要。盡可能的使已經(jīng)在同軸導(dǎo)體內(nèi)存在的部件形成吸收器。在一個(gè)同軸導(dǎo)體內(nèi)，用于例如E-場(chǎng)耦合的內(nèi)導(dǎo)體借助于一個(gè)支環(huán)固定在外導(dǎo)體上。該支環(huán)在一個(gè)特殊的實(shí)施例中形成一個(gè)吸收器，其中該支環(huán)是由介電材料制成的。例如支環(huán)可由玻璃陶瓷組成，這樣的好處在于盡管由于吸收微波能的強(qiáng)熱，它幾乎不伸漲，所以本身和其它部件不因伸漲而損壞。
還存在不使用吸收材料制造支環(huán)和讓水流過它的可能性。在這種情況下，提供的支環(huán)由兩部分組成，在兩部分的一個(gè)部分內(nèi)裝入一個(gè)讓水流過它的環(huán)形銑削件。支環(huán)也可以做成讓水流過的環(huán)形塑料管或玻璃管。在作為吸收器形成的支環(huán)范圍內(nèi)使用水對(duì)使用微波在2.45GHz范圍是有優(yōu)點(diǎn)的。對(duì)于使用其它的微波頻率其它合適的液態(tài)吸收器已經(jīng)公知了。
離開反應(yīng)室的支環(huán)的距離應(yīng)至少是所應(yīng)用微波頻率波長的1/2，由此，實(shí)際通過支環(huán)激勵(lì)的非旋轉(zhuǎn)對(duì)稱方式本身在吸收器和反應(yīng)室之間的范圍內(nèi)已足夠強(qiáng)烈的衰減了。
進(jìn)一步吸收微波的可能性在于，讓外導(dǎo)體在幾微米距離設(shè)有電接觸在反應(yīng)室一導(dǎo)電部件上部結(jié)束。通過這樣形成縫隙的功率幅射同樣也作為損失源。在外導(dǎo)體范圍的逆反射可以通過商用微波吸收器在外部空間予以抑制。
如果反應(yīng)室的直徑是由放電球形基質(zhì)的直徑確定的，那么選擇過渡范圍的最小直徑要小于放電球形基質(zhì)的直徑。過渡截面外導(dǎo)體的最大直徑大于等于反應(yīng)室的直徑，也就是在涂覆放電球形基質(zhì)的情況下大于等于放電球形基質(zhì)的直徑。
如果外導(dǎo)體-內(nèi)導(dǎo)體直徑關(guān)系恒定，波阻并不改變。根據(jù)內(nèi)導(dǎo)體的構(gòu)形，可以得到E-場(chǎng)耦合或H-場(chǎng)耦合。
同軸導(dǎo)體過渡截面的最窄處作為波形類型濾波器，這樣僅旋轉(zhuǎn)對(duì)稱的TEM-波形類型是可傳播的。
連續(xù)擴(kuò)大過渡范圍的作用在于使用同軸導(dǎo)體不碰撞地?cái)U(kuò)展到與反應(yīng)室直徑相應(yīng)的直徑。該直徑必須選擇得如此之小，僅使得所應(yīng)用微波頻率的TEM-模式可以在相連的第二段中傳播。
如果反應(yīng)室通過由最大直徑50mm放電球確定，這樣例如使用2.45GHz微波進(jìn)行涂覆是適合的。根據(jù)要涂覆的放電球的大小也可能需要其它的微波頻率。
和過渡段相接并一直達(dá)到反應(yīng)室范圍的第二段由恒定直徑D2的同軸導(dǎo)體組成。選擇它的直徑僅使TEM-同軸模式可以傳播。
在放電球內(nèi)點(diǎn)燃的等離子體是內(nèi)導(dǎo)體的繼續(xù)且這樣實(shí)現(xiàn)了進(jìn)一步傳播TEM-波。
選取同軸導(dǎo)體第二段的長度應(yīng)和調(diào)節(jié)件一塊使同軸導(dǎo)體/反應(yīng)室系統(tǒng)給出一最佳功率。
在過渡段范圍和波導(dǎo)體之間也可設(shè)置一通常同軸電纜，它可完成波形類型濾波器的任務(wù)。
給出的實(shí)施例將借助附圖進(jìn)一步加以說明。


圖1示意性地給出一個(gè)耦合裝置;
圖2示意性地給出另外一個(gè)實(shí)施例的耦合裝置;
圖3給出對(duì)于不同損耗系數(shù)與同軸導(dǎo)體長度相關(guān)的功率反射系數(shù)。
圖1示意性地給出帶有耦合裝置的微波設(shè)備。一磁控管和形成單通路的一波導(dǎo)體2相連。在波導(dǎo)體內(nèi)實(shí)現(xiàn)耦合的地點(diǎn)之前安放一個(gè)三螺旋變量器3作為調(diào)節(jié)元件。耦合裝置有一同軸導(dǎo)體4，其有內(nèi)導(dǎo)體7、8、9和一外導(dǎo)體5、6。內(nèi)導(dǎo)體7突進(jìn)在微波波導(dǎo)內(nèi)以產(chǎn)生E-場(chǎng)耦合，在過渡段5、8和一個(gè)端部段6、9向下延伸。內(nèi)導(dǎo)體在過渡段8連續(xù)地?cái)U(kuò)大，直至達(dá)到端部段9的直徑。與此相應(yīng)還形成外導(dǎo)體過渡區(qū)域5，過渡段5、8直徑的比例關(guān)系是恒定的。外導(dǎo)體過渡區(qū)域5的最小直徑D1小于要被涂覆放電球12的直徑。外導(dǎo)體過渡區(qū)域5的最大直徑D2大于等于放電球12的直徑。
第二段6有恒定的外直徑D2。
內(nèi)導(dǎo)體段9將由一個(gè)支環(huán)10保持在外導(dǎo)體段6。該支環(huán)10是作為吸收器形成的并減低了諧振器的品質(zhì)因數(shù)。諧振器是由在圖1中的微波波導(dǎo)體2的線段20，同軸導(dǎo)體4和反應(yīng)室14構(gòu)成的。在內(nèi)導(dǎo)體端部段9的端部設(shè)置一密封元件11，它安放在放電球12的頸部并將其密封。放電球12和金屬板13共同形成了真空室14，在其內(nèi)進(jìn)行涂覆反應(yīng)。為此在板13設(shè)置有入氣口16和周邊的出氣口17。
部件5、6、8、9可以由不良導(dǎo)電材料制造或者例如用石墨涂覆。
在此示出的支環(huán)10是園盤薄片并且與同軸導(dǎo)體4的軸垂直裝入的，能用水沖洗。支環(huán)10的位置是無關(guān)緊要的，它在所示的位置上既可進(jìn)一步向上又可進(jìn)一步向下放置，然而應(yīng)當(dāng)遵守其最小距離應(yīng)是在吸收器10和反應(yīng)室14之間應(yīng)用微波頻率的λ/2。
使諧振器品質(zhì)因數(shù)變差的另外可能性同樣在圖1中示意出來，外導(dǎo)體6沒有和金屬板13相接觸，而是結(jié)束在該板的上部。這樣形成了一個(gè)環(huán)形隙，通過該隙可以輻射微波能量。通過一個(gè)沒有畫出的在外部空間的吸收器可以阻止向外輻射的微波能達(dá)到外部空間。
圖2和圖1的區(qū)別在于，不使用三螺旋變量器作為調(diào)節(jié)元件而在微波波導(dǎo)體2內(nèi)裝入一短路滑板18，以及為了H-場(chǎng)口合內(nèi)導(dǎo)體7和微波波導(dǎo)體2的壁相聯(lián)。進(jìn)而吸收器10兩部分形成環(huán)形管19，且具有一個(gè)入口21和一個(gè)出口22，這樣可使例如水流過吸收器。
圖3給出了與同軸導(dǎo)體4長度相關(guān)的功率反射系數(shù)。當(dāng)同軸導(dǎo)體長度約518mm時(shí)，在最佳調(diào)節(jié)下曲線Ⅰ表示諧振器的頻率為2.45GHz，反射功率在518范圍內(nèi)等于0，這就是說整個(gè)功率用于點(diǎn)火和維持等離子體。
在使用這理想的諧振器時(shí)通過溫度波動(dòng)同軸導(dǎo)體長度改變了，在1/10mm時(shí)反射已經(jīng)呈跳變，同軸導(dǎo)體長度變化約1mm時(shí)意味著反射系數(shù)提高約50%。當(dāng)諧振器的品質(zhì)因素變壞時(shí)，例如通過加入吸收器可明顯地使反射系數(shù)減小。當(dāng)裝入吸收器時(shí)損失僅是10%(曲線Ⅱ)，相對(duì)于同樣的長度變化整個(gè)裝置已經(jīng)6倍地不靈敏了。通過選取吸收器能這樣對(duì)靈敏度進(jìn)行控制，使得因長度變化引起諧振器的靈敏度和同時(shí)造成的損失總是較小。這樣可以放棄附加的溫度穩(wěn)定性，使得整個(gè)裝置價(jià)格合適。
標(biāo)號(hào)表1磁控管2波導(dǎo)體3螺旋變量器4同軸導(dǎo)體5第一段外導(dǎo)體6第二段外導(dǎo)體7內(nèi)導(dǎo)體8過渡范圍內(nèi)導(dǎo)體9端部段內(nèi)導(dǎo)體10吸收器11密封元件12放電球形基質(zhì)13金屬板14反應(yīng)室15環(huán)形隙16氣體入口17氣體出口18滑板19帶有液體在內(nèi)流過的管20微波導(dǎo)體的端部段21流入口22流出口
權(quán)利要求
1.將微波能耦合到一反應(yīng)室，特別是耦合到等離子體-CVD-涂覆室的裝置，具有一微波導(dǎo)線和在微波導(dǎo)線和反應(yīng)室之間放置的同軸導(dǎo)體，其中至少一同軸導(dǎo)體(4)和反應(yīng)室(14)形成了供應(yīng)用微波頻率的一諧振器，其特征是諧振器帶有預(yù)定的損耗，同軸導(dǎo)體具有具有兩段(5、6、8，9)，第一段(5、8)與微波導(dǎo)線(2)相聯(lián)以及在朝反應(yīng)室(14)方向連續(xù)變大直徑的內(nèi)導(dǎo)體(8)和外導(dǎo)體(5)共同形成過渡段，其中外導(dǎo)體最小直徑D1小于反應(yīng)室(14)的直徑和外導(dǎo)體最大直徑D2大于等于反應(yīng)室(14)的直徑和第二段(6、9)由具有恒定外徑D2的同軸導(dǎo)體組成。
2.按權(quán)利要求1的裝置，其特征是同軸導(dǎo)體(4)的至少一部分是由不良導(dǎo)電材料組成。
3.按權(quán)利要求1或2的裝置，其特征是至少組成反應(yīng)室(14)的部件(13)是由不良導(dǎo)電材料組成。
4.按權(quán)利要求1至3中任一個(gè)的裝置，其特征是一和要涂覆的放電球形基質(zhì)(12)一塊形成反應(yīng)室(14)的容器(13)是由不良導(dǎo)電材料組成。
5.按權(quán)利要求1至4中任何一個(gè)的裝置，其特征是同軸導(dǎo)體(4)具有石墨。
6.按權(quán)利要求1至5中任何一個(gè)的裝置，其特征是在同軸導(dǎo)體(4)內(nèi)放置一微波吸收器(10)。
7.按權(quán)利要求6的裝置，其特征是微波接收器(10)是一夾住同軸導(dǎo)體(4)的內(nèi)導(dǎo)體(9)的支環(huán)。
8.按權(quán)利要求7的裝置，其特征是支環(huán)由玻璃陶瓷組成。
9.按權(quán)利要求7的裝置，其特征是支環(huán)由液體可以通過的管(19)組成。
10.按權(quán)利要求9的裝置，其特征是管由玻璃或塑料組成。
11.按權(quán)利要求7至10中任一個(gè)的裝置，其特征是支環(huán)距反應(yīng)室的距離至少應(yīng)為應(yīng)用微波頻率的半波長。
12.按權(quán)利要求11的裝置，其特征是距離為應(yīng)用微波頻率的一個(gè)波長。
13.按權(quán)利要求1至12中任一個(gè)的裝置，其特征是同軸導(dǎo)體(4)的外導(dǎo)體(6)和反應(yīng)室(14)的一導(dǎo)電部件(13)有一段距離地安放著。
14.按權(quán)利要求1至13中任一個(gè)的裝置，其特征是微波導(dǎo)線(2)的部分是諧振器的組成部分和微波導(dǎo)線(2)僅具有三螺旋變量器(3)作為調(diào)節(jié)元件。
15.按權(quán)利要求1至13中任一個(gè)的裝置，其特征是僅由同軸導(dǎo)體(4)和反應(yīng)室(14)構(gòu)成諧振器，和微波導(dǎo)線僅具有短路滑板(18)作為調(diào)節(jié)元件。
16.按權(quán)利要求1至15中任一個(gè)的裝置，其特征是同軸導(dǎo)體(4)的第一段(5、8)的外導(dǎo)體-內(nèi)導(dǎo)體之間直徑的比例關(guān)系是恒定的。
17.按權(quán)利要求1至16中任一個(gè)的裝置，其特征是在微波導(dǎo)線(2)和同軸導(dǎo)體(4)的第一段(5、8)之間放置一同軸電纜，它是諧振器的組成部分。
全文摘要
將微波能耦合入一反應(yīng)室(14)的裝置，它具有電氣穩(wěn)定的調(diào)節(jié)，在臨界測(cè)試和功率的變化情況下仍在許可的限度內(nèi)。在波導(dǎo)線(2)和反應(yīng)室(14)之間的同軸導(dǎo)體是這樣構(gòu)成的，它至少和反應(yīng)室(14)構(gòu)成了應(yīng)用微波頻率的一帶有損耗的諧振器。同軸導(dǎo)體(4)可以具有一個(gè)吸收器(10)或由不良導(dǎo)電材料制成。還存在金屬板(13)和外導(dǎo)體段(6)之間留出有一環(huán)形隙使諧振器的品質(zhì)因數(shù)變差。
文檔編號(hào)H01P3/06GK1075827SQ92109190
公開日1993年9月1日 申請(qǐng)日期1992年7月10日 優(yōu)先權(quán)日1991年7月10日
發(fā)明者H·克呂梅爾, E·默森, H·福格特, G·魏德曼 申請(qǐng)人:肖特玻璃制造廠