矩形壓縮諧振腔內(nèi)基底對電場影響的仿真模擬

劉 繁，李國偉，馬志斌，汪建華

（武漢工程大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，湖北省等離子體化學(xué)與新材料重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖北 武漢 430074）

0 引 言

微波等離子體化學(xué)氣相沉積廣泛用于功能薄膜、納米材料的制備中［1－2］，微波等離子體諧振腔中電場對等離子體的激發(fā)與穩(wěn)定運(yùn)行有重要的影響［3－4］.諧振腔中，特別是基片附近的電場對沉積過程及材料結(jié)構(gòu)的影響非常重要，有必要對微波諧振腔以及內(nèi)部的電磁場分布進(jìn)行研究，從而提高裝置的穩(wěn)定性.

本實(shí)驗(yàn)采用Ansoft仿真軟件［5］對諧振腔內(nèi)的電場分布進(jìn)行模擬計(jì)算，根據(jù)模擬結(jié)果對微波等離子體矩形單模諧振腔的結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì).同時，歸納出不同基底尺寸情況下電場強(qiáng)度及分布的變化規(guī)律，以尋求基底高度及半徑的最佳尺寸，從而設(shè)計(jì)穩(wěn)定高效且能產(chǎn)生高均勻度微波等離子體的裝置.

1 諧振腔設(shè)計(jì)與模型建立

本實(shí)驗(yàn)裝置主要由微波源、波導(dǎo)、反應(yīng)腔及附屬系統(tǒng)和微波調(diào)諧系統(tǒng)組成.其中，微波反應(yīng)器由矩形壓縮諧振腔、石英管、短路活塞等部分組成.矩形波導(dǎo)內(nèi)電磁場分布較規(guī)律，目前微波等離子體化學(xué)氣相沉積矩形單模諧振腔大部分是直接采用的標(biāo)準(zhǔn)矩形波導(dǎo)結(jié)構(gòu).

圖1 微波矩形壓縮諧振腔等離子體裝置結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Schematic view of a microwave plasma device with compression rectangular cavity

在常壓微波等離子體射流裝置的研制過程中，為了更利于等離子體的激發(fā)，需要盡可能的增大耦合到諧振腔中的微波電場.可以從設(shè)計(jì)特殊結(jié)構(gòu)的諧振腔這方面來進(jìn)行考慮.對于諧振腔的結(jié)構(gòu)，大多數(shù)裝置都是采用結(jié)構(gòu)單一的規(guī)則矩形波導(dǎo)，盡管這種類型的諧振腔有著加工簡單、內(nèi)部電磁場分布較簡單的優(yōu)點(diǎn)，但對諧振腔內(nèi)的微波電場耦合卻不能滿足最大化的要求，因此，對諧振腔的結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)能提高微波能量的利用率，更有利于微波等離子體的激發(fā).通常采用的壓縮諧振腔有階梯型壓縮諧振腔和漸變型壓縮諧振腔兩種結(jié)構(gòu)，本實(shí)驗(yàn)中采用的是呈漸變型壓縮這種方式.

波導(dǎo)的封閉特性決定了電磁波無法向外部空間進(jìn)行輻射，而對矩形波導(dǎo)窄邊進(jìn)行壓縮可以實(shí)現(xiàn)能量集中.圖1為實(shí)驗(yàn)室研制的矩形壓縮諧振腔微波等離子體裝置的結(jié)構(gòu)示意圖，在矩形諧振腔電場最強(qiáng)的區(qū)域，在寬邊中心處插入一可上下調(diào)節(jié)的基底結(jié)構(gòu)，微波等離子體在基底上部被激發(fā).

2 理論基礎(chǔ)

采用標(biāo)準(zhǔn)BJ26的矩形波導(dǎo)，波導(dǎo)管尺寸為86.4mm×43.2mm，波導(dǎo)內(nèi)部傳輸模式為TE10模，使用的微波頻率為2.45GHz.設(shè)計(jì)諧振腔部位為漸變型壓縮結(jié)構(gòu)，對矩形波導(dǎo)諧振腔的窄邊進(jìn)行壓縮.諧振腔內(nèi)部同樣僅有TE10模式存在，為一單模矩形諧振腔.通過求解滿足模型條件的麥克斯韋方程組，即可得出其中的電磁場分布［6］.

3 仿真分析

利用高頻電磁場有限元軟件高頻結(jié)構(gòu)仿真器（HFSS）模擬矩形壓縮諧振腔的內(nèi)部電磁場以及不同基底尺寸下基底附近的電場強(qiáng)度及分布.在模擬時，假設(shè)波導(dǎo)為理想導(dǎo)體，并且微波能以平面波的形式通過波導(dǎo)傳送到反應(yīng)腔內(nèi)進(jìn)行耦合.

3.1 矩形壓縮諧振腔內(nèi)電場模擬

圖2為矩形壓縮諧振腔內(nèi)微波傳輸方向的駐波數(shù)，其中選取的剖面與矩形波導(dǎo)中波的傳輸方向平行并經(jīng)過矩形波導(dǎo)寬邊中線.模擬可得，在微波等離子體裝置中，如圖2所示，矩形壓縮諧振腔內(nèi)有一個半駐波分布，并且最大電場強(qiáng)度為817 V／m左右，而在圖中最左端的半駐波分布可以看到，結(jié)構(gòu)無變化的矩形波導(dǎo)中的最大電場強(qiáng)度約為462V／m.其中在矩形壓縮諧振腔處的電場強(qiáng)度要比未經(jīng)壓縮的矩形諧振腔內(nèi)的電場強(qiáng)度高出一倍大小，等離子體的激發(fā)效率將會大大提高.但是在實(shí)際操作中會存在一些不可避免的能量損耗，因此實(shí)際需要的微波功率要大于計(jì)算值.

圖2 微波傳輸方向上分布的半駐波數(shù)Fig.2 The semi－standing wave on the microwave transmission direction

3.2 基底尺寸的設(shè)計(jì)

當(dāng)諧振腔的結(jié)構(gòu)固定時，基底尺寸以及基底在矩形諧振腔內(nèi)的位置對是否能激發(fā)穩(wěn)定均勻的等離子體起著至關(guān)重要的作用.用Ansoft軟件對不同基底尺寸下矩形壓縮諧振腔的內(nèi)部電磁場分布進(jìn)行計(jì)算模擬，在此基礎(chǔ)上對基底尺寸與電磁場的強(qiáng)度及分布規(guī)律進(jìn)行歸納，得到激發(fā)微波等離子體最佳條件下的基底尺寸.

圖3為矩形壓縮諧振腔內(nèi)的電場強(qiáng)度隨基底高度變化的曲線圖.橫軸為歸一化的徑向距離并且所選取的平面位于基片臺上方5mm處，從圖中可以看出，標(biāo)有正方體，三角符，豎線，圓，星號的實(shí)線分別表示基底深入矩形壓縮諧振腔內(nèi)的高度為1.5，2，2.5，3，4mm.由圖可以得出，當(dāng)基底深入矩形壓縮諧振腔內(nèi)的高度為2mm時，電場強(qiáng)度相對較高.根據(jù)計(jì)算模擬，明顯可以得知，基底深入矩形壓縮諧振腔過長或過短都不利于微波等離子體的激發(fā).

圖3 基底深入諧振腔不同高度與電場強(qiáng)度分布的關(guān)系圖Fig.3 Distribution of electric field strength with different height of substrate

圖4 不同基底半徑與電場強(qiáng)度分布的關(guān)系圖Fig.4 Distribution of electric field strength in different radii of substrate

圖4為矩形壓縮諧振腔內(nèi)的電場強(qiáng)度隨基底半徑變化的曲線圖.橫軸為歸一化的徑向距離并且所選取的平面位于基片臺上方5mm處，從圖中可以看出，標(biāo)有正方體，三角符，叉線，圓的實(shí)線分別表示諧振腔內(nèi)的基底半徑為11，13，15，17 mm.由圖可以得出，當(dāng)諧振腔內(nèi)的基底半徑為13 mm時，電場強(qiáng)度相對較高.

3.3 諧振腔內(nèi)電場模擬

圖5為微波頻率為2.45GHz時，矩形壓縮諧振腔內(nèi)的電場分布圖，通過顏色的對比可以得出諧振腔內(nèi)不同位置的電場分布，由此可以看出，矩形壓縮諧振腔處的電場強(qiáng)度相對最強(qiáng).

圖5 矩形壓縮諧振腔內(nèi)的電場分布圖Fig.5 The electric field distribution in the compression rectangular cavity

4 結(jié) 語

本文利用高頻結(jié)構(gòu)仿真器軟件（HFSS）模擬了一個矩形壓縮諧振腔的微波等離子體裝置內(nèi)的電場分布，并根據(jù)模擬結(jié)果討論了矩形壓縮諧振腔的結(jié)構(gòu)和基底尺寸對電場的影響.結(jié)果表明：在選用矩形壓縮諧振腔的情況下，基底尺寸的變化對諧振腔內(nèi)的電磁場強(qiáng)度影響較大，且基底深入諧振腔2mm左右，基底半徑為13mm左右時，更有利于均勻等離子體的激發(fā)，這為微波等離子體炬的數(shù)字化設(shè)計(jì)打下了基礎(chǔ).

［1］Wu Z Y，Xu Y Y，Zhang X L，et al Microwave plasma treated carbon nanotubes and their electrochemical biosensing application［J］.Talanta 2007，72：1336－1341.

［2］Koidl P，Klages C P.Optical application of polycrystalline diamond［J］.Diamond and Related Materials.1992（1）：1065－1074.

［3］Zuo S S，Yaran M K，Grotjohn T A.Investi－gation of diamond deposition uniformity and quality for free standing film and substrate applications ［J］.Diamond and Related Materials.2008，17：300－305.

［4］Tachibana T，Ando Y，Watanabe A.Diamond films grown by a 60－kW microwave plasma chemical vapor deposition system ［J］. Diamond and Related Materials.2001（10）：1569－1572.

［5］謝擁軍，王鵬.Ansoft HFSS基礎(chǔ)及應(yīng)用［M］.西安：西安電子科技大學(xué)出版社，2007.

［6］廖承恩.微波技術(shù)基礎(chǔ)［M］.北京：國防工業(yè)出版社，1984.