一种由分割计算圆柱型谐振腔Qt值来确定沉积台的方法

摘要

本发明涉及一种由分割计算圆柱型谐振腔Qt值来确定沉积台的方法，方法步骤包括：(1)在圆柱型谐振腔模型中建立轴坐标，确定旋度方程；(2)将谐振腔内部的空间进行划分；(3)分块计算类品质因数Qt；(4)谐振腔内部等离子区具体位置的确定；(5)沉积台位置的确定。本发明准确的判断圆柱型谐振腔内部的电场强度的分布情况，反映出谐振腔内等离子体区域的具体形状，合理设计沉积台的位置，利于金刚石的膜生长。

说明书

技术领域

本发明属于在金刚石膜的制备工艺中谐振腔类品质因数Q_t处理的技术领域，特别是一种 由分割计算圆柱型谐振腔Q_t值来确定沉积台的方法,该方法相较于其他方法而言可以更精确 的定位谐振腔内部不同部位的Q值。

背景技术

在金刚石膜的制备工艺中，要想提高成品质量通常会采用微波法，这主要是由于相较于 其它方法而言，微波法具有明显的优势。在通过微波法制备金刚石膜的过程中，首先需要考 虑的就是设计合适的谐振腔。在工业上，微波谐振腔是一种常用的元件，在微波器件以及信 号的检测中得到广泛应用。

在有关金刚石膜的制备方面，谐振腔最初的装置是采用波导直接耦合激发微波等离子体， 然后是石英钟罩式的结构，近几年使用比较多的是圆柱型谐振腔、以及在圆柱型谐振腔的基 础上加以改进的椭球形谐振腔。而在这些发展过程中，设备的品质因数Q一直都是关注的重 点。

在一些文献以及书籍中，已经给出关于结构比较简单的谐振腔品质因数Q的推导方法和 计算公式，可以计算出谐振腔的Q值。但是应用到金刚石膜的制备工艺上，就会出现很多问 题。首先，通过传统公式计算的方法得出的是谐振腔内部等离子体区内电场强度E的平方和 与整个谐振腔内部的全部空间电场强度平方和的比值关系。该方法虽简单易行，但是Q值只 表示出了谐振腔内部电场强度的一个比值关系，无法全面的反应谐振腔内部等离子区的具体 形状以及与石英壁、沉积台的相对位置关系。因此在谐振腔设计过程中无法很好地确定沉积 台的位置以及大小。除此之外，沉积台所处位置的Q值往往与计算结果有出入，从而导致金 刚石膜质量出现问题。

本发明提出采用分割法来处理圆柱型谐振腔类品质因数Q_t，该方法与之前计算谐振腔Q 的方法存在实质性的区别，在目前已公开的各种文献中没有检索到类似的方法。

发明内容

本发明的目的是针对现有技术的不足，而提出一种由分割计算圆柱型谐振腔Q_t值来确定 沉积台的方法。

本发明解决其技术问题是采取以下技术方案实现的：

一种由分割计算圆柱型谐振腔Q_t值来确定沉积台的方法，方法步骤如下：

(1)在圆柱型谐振腔模型中建立轴坐标，确定旋度方程；其中，轴坐标的轴线z与圆柱型 谐振腔的中轴重合，z轴的零点为圆柱型谐振腔底面的圆心，在应用轴坐标的情况下，圆柱 型谐振腔内磁场强度H和电场强度E的旋度方程为：

在上式中：H为磁场强度，E为电场强度，r为圆柱型谐振腔的半径，ε为电常数，μ为 磁常数；

(2)将谐振腔内部的空间进行划分；具体划分方法为：

以坐标z轴的零点为基准点，等比例增加高度以及圆柱形的半径，将腔体分割成一系列 不同高度和半径的同轴圆柱体，

(3)分块计算类品质因数Q_t；根据上述步骤(2)划分的空间，分块计算类品质因数Q_t， 计算公式如下：

在上式中，分子为每一个划分的小圆柱体内电场强度E的平方和，分母为整个谐振腔内 部的全部空间电场强度的平方和，通过不同区域类品质因数Q_ti值的变化，清楚的描绘出在谐 振腔内部的电场强弱的分布；

(4)谐振腔内部等离子区具体位置的确定；在划分的某两个连续区域之间，当Q_ti值发生 明显过渡，则两区域的边界线做为等离子区的划分线，对于圆柱型谐振腔，在靠近谐振腔底 部位置，电场强度大的一侧区域即为等离子区；

(5)沉积台位置的确定；利用步骤(4)得出等离子区的位置后，根据等离子区的高度设 计沉积台的高度，等离子区的下部区分线即为沉积台的高度，等离子区的宽度即为沉积台的 宽度。

而且，所述步骤(2)中，一系列不同高度和半径的同轴圆柱体的高度和半径每次增加的 尺度为圆柱型谐振腔高度及半径的六分之一到十分之一。

而且，所述步骤(4)中的Q_ti值发生明显过渡具体是指Q_ti值变化大于±5％。

本发明的优点和积极效果是：

本发明提出了采用由分割法处理圆柱型谐振腔类品质因数Q_t来确定沉积台的位置及具体 尺寸，具有如下优点和积极效果：

1.采用分割法处理圆柱型谐振腔类品质因数Q_t的方法，可以更加准确的判断圆柱型谐 振腔内部的电场强度的分布情况。

2.采用分割法处理圆柱型谐振腔类品质因数Q_t的方法，不仅可以表示出谐振腔对电场 聚焦作用的强弱，还可以反映出谐振腔内等离子体区域的具体形状。

3.采用分割法处理圆柱型谐振腔类品质因数Q_t的方法，可以从所得数据中更合理的安 置沉积台的位置。同时，对沉积台附近的场强情况有更准确的判断，更利于金刚石的膜生长。

附图说明

图1是本发明圆柱型谐振腔沉积体系简图；

图2是本发明圆柱型谐振腔的剖面图；

图3是圆柱型谐振腔的分割示意图。

具体实施方式

以下结合附图对本发明实施做进一步详述，以下实施例只是描述性的，不是限定性的， 不能以此限定本发明的保护范围。

圆柱型谐振腔模型及品质因数的概念

圆柱型谐振腔沉积体系简图如图1所示，该装置通过微波发生器产生具有一定频率的高频 波，该高频波以主模TE₁₀模式沿着矩形波导传播，然后通过三螺钉调配器和定向耦合器将能 量耦合到同轴线上，最终将产生的能量通过同轴线激励到谐振腔中。

在讨论谐振腔的性质时，谐振腔的一个重要参数就是它的品质因数。谐振腔的品质因数的 公式为：

上式中，分子表示等离子体区内电场强度E的平方和，分母则表示整个谐振腔内部的全部 空间电场强度E的平方和，Q可以反映在等离子体区域内电场的集中强度，一般情况下，Q 值越大，表示腔体的性能越好。

一种由分割计算圆柱型谐振腔Q_t值来确定沉积台的方法，该方法的步骤如下：

(1)在圆柱型谐振腔模型中建立轴坐标，确定旋度方程；轴坐标的轴线z与圆柱型谐振腔 的中轴重合，z轴的零点为圆柱型谐振腔底面的圆心，在应用轴坐标的情况下，关于磁场强 度H和电场强度E的旋度方程为：

在上式中：H为磁场强度，E为电场强度，r为圆柱型谐振腔的半径，ε为电常数，μ为 磁常数。

根据圆柱型谐振腔的空间结构以及对称性质，在计算时，仅需要计算包含轴线z轴的一 个剖面，如图2所示。

(2)将谐振腔内部的空间进行划分；具体划分方法为：

由于等离子体区的中心一般在谐振腔轴线偏下的位置，因此对谐振腔腔体进行分块处理 时，以坐标z轴的零点为基准点，等比例增加高度以及圆柱形的半径，将腔体分割成一系列 不同高度和半径的同轴圆柱体，得到具体结构区域图，如图3所示，

其中，腔体空间划分时，所述同轴圆柱体每次增加的高度和半径的比例关系与腔体的具 体尺寸和对计算精度的要求有关，高度和半径每次增加的尺度为圆柱型谐振腔高度及半径的 六分之一到十分之一，具体的，对于半径是72㎜，高度为430㎜的圆柱型谐振腔，高度和半 径每次增加的尺度为7㎜和40㎜。

(3)类品质因数的求解

根据上述步骤(2)划分的空间，分块计算类品质因数Q_t，计算公式如下：

在上式中，分子为每一个划分的小圆柱体内电场强度E的平方和，分母为整个谐振腔内 部的全部空间电场强度的平方和，通过计算每块划分区域的电场强度与整体的比例关系，即 不同区域的类品质因数Q_ti，可以清楚的描绘出在谐振腔内部的电场强弱的分布。

(4)谐振腔内部等离子区具体位置的确定。

上述每个区域Q_ti的数值分布，代表了从谐振腔底部中心到腔体边界的电场强度的分布， 通过比较Q_ti的变化，在划分的某两个连续区域之间，当Q_ti值发生明显过渡，即Q_ti值变化大 于±5％，则两区域的边界线做为等离子区的划分线，电场强度的分布会有一个由底到高，然 后再由高到低的明显过渡，由于等离子区为电场强度大的区域，由此便可得出Q_ti值变化由低 到高变化的边界划分线为等离子区的下部区分线，Q_ti值变化由高到低变化的边界划分线为等 离子区的上部区分线，等离子区的左右区分线由上部区分线所对应的圆柱体半径确定，这样， 划分的区域越多，得到的等离子区就越精确。

在圆柱型谐振腔内部，石英窗以下的沉积室中会有两个电场强度比较大的区域：一个位 于略高于谐振腔底部的位置，一个靠近石英窗的位置，其中略高于谐振腔底部的电场强度相 对较强，被称之为主强区；而在靠近石英窗的区域处，电场的强度稍弱，被称之为次强区， 主强区便为等离子区的位置，通过确定主强区的位置，也就确定了等离子区的位置。

(5)沉积台位置的确定；利用(4)得出等离子区的位置后，根据等离子区的高度就可 以设计沉积台的高度，使沉积台的上方恰为等离子区，即最大场强区，根据等离子区的大小 可以设计沉积台的半径，使整个沉积台上方的电场均匀且强度比较大，如此在金刚石膜沉积 过程中，整个沉积区域的电场强度会比较大，由于金刚石膜的沉积速率与其所处环境的电场 强度有关，电场强度越大，沉积速率越高，强度越均匀，金刚石膜的质量越高，因此将沉积 台安置在等离子区下方，使得金刚石膜在沉积过程中处于最大场强区，有利于实现金刚石膜 的生长。