矩形压缩谐振腔内基底对电场影响的仿真模拟

刘 繁，李国伟，马志斌，汪建华

（武汉工程大学材料科学与工程学院，湖北省等离子体化学与新材料重点实验室，湖北 武汉 430074）

0 引 言

微波等离子体化学气相沉积广泛用于功能薄膜、纳米材料的制备中［1－2］，微波等离子体谐振腔中电场对等离子体的激发与稳定运行有重要的影响［3－4］.谐振腔中，特别是基片附近的电场对沉积过程及材料结构的影响非常重要，有必要对微波谐振腔以及内部的电磁场分布进行研究，从而提高装置的稳定性.

本实验采用Ansoft仿真软件［5］对谐振腔内的电场分布进行模拟计算，根据模拟结果对微波等离子体矩形单模谐振腔的结构进行优化设计.同时，归纳出不同基底尺寸情况下电场强度及分布的变化规律，以寻求基底高度及半径的最佳尺寸，从而设计稳定高效且能产生高均匀度微波等离子体的装置.

1 谐振腔设计与模型建立

本实验装置主要由微波源、波导、反应腔及附属系统和微波调谐系统组成.其中，微波反应器由矩形压缩谐振腔、石英管、短路活塞等部分组成.矩形波导内电磁场分布较规律，目前微波等离子体化学气相沉积矩形单模谐振腔大部分是直接采用的标准矩形波导结构.

图1 微波矩形压缩谐振腔等离子体装置结构示意图Fig.1 Schematic view of a microwave plasma device with compression rectangular cavity

在常压微波等离子体射流装置的研制过程中，为了更利于等离子体的激发，需要尽可能的增大耦合到谐振腔中的微波电场.可以从设计特殊结构的谐振腔这方面来进行考虑.对于谐振腔的结构，大多数装置都是采用结构单一的规则矩形波导，尽管这种类型的谐振腔有着加工简单、内部电磁场分布较简单的优点，但对谐振腔内的微波电场耦合却不能满足最大化的要求，因此，对谐振腔的结构进行优化设计能提高微波能量的利用率，更有利于微波等离子体的激发.通常采用的压缩谐振腔有阶梯型压缩谐振腔和渐变型压缩谐振腔两种结构，本实验中采用的是呈渐变型压缩这种方式.

波导的封闭特性决定了电磁波无法向外部空间进行辐射，而对矩形波导窄边进行压缩可以实现能量集中.图1为实验室研制的矩形压缩谐振腔微波等离子体装置的结构示意图，在矩形谐振腔电场最强的区域，在宽边中心处插入一可上下调节的基底结构，微波等离子体在基底上部被激发.

2 理论基础

采用标准BJ26的矩形波导，波导管尺寸为86.4mm×43.2mm，波导内部传输模式为TE10模，使用的微波频率为2.45GHz.设计谐振腔部位为渐变型压缩结构，对矩形波导谐振腔的窄边进行压缩.谐振腔内部同样仅有TE10模式存在，为一单模矩形谐振腔.通过求解满足模型条件的麦克斯韦方程组，即可得出其中的电磁场分布［6］.

3 仿真分析

利用高频电磁场有限元软件高频结构仿真器（HFSS）模拟矩形压缩谐振腔的内部电磁场以及不同基底尺寸下基底附近的电场强度及分布.在模拟时，假设波导为理想导体，并且微波能以平面波的形式通过波导传送到反应腔内进行耦合.

3.1 矩形压缩谐振腔内电场模拟

图2为矩形压缩谐振腔内微波传输方向的驻波数，其中选取的剖面与矩形波导中波的传输方向平行并经过矩形波导宽边中线.模拟可得，在微波等离子体装置中，如图2所示，矩形压缩谐振腔内有一个半驻波分布，并且最大电场强度为817 V／m左右，而在图中最左端的半驻波分布可以看到，结构无变化的矩形波导中的最大电场强度约为462V／m.其中在矩形压缩谐振腔处的电场强度要比未经压缩的矩形谐振腔内的电场强度高出一倍大小，等离子体的激发效率将会大大提高.但是在实际操作中会存在一些不可避免的能量损耗，因此实际需要的微波功率要大于计算值.

图2 微波传输方向上分布的半驻波数Fig.2 The semi－standing wave on the microwave transmission direction

3.2 基底尺寸的设计

当谐振腔的结构固定时，基底尺寸以及基底在矩形谐振腔内的位置对是否能激发稳定均匀的等离子体起着至关重要的作用.用Ansoft软件对不同基底尺寸下矩形压缩谐振腔的内部电磁场分布进行计算模拟，在此基础上对基底尺寸与电磁场的强度及分布规律进行归纳，得到激发微波等离子体最佳条件下的基底尺寸.

图3为矩形压缩谐振腔内的电场强度随基底高度变化的曲线图.横轴为归一化的径向距离并且所选取的平面位于基片台上方5mm处，从图中可以看出，标有正方体，三角符，竖线，圆，星号的实线分别表示基底深入矩形压缩谐振腔内的高度为1.5，2，2.5，3，4mm.由图可以得出，当基底深入矩形压缩谐振腔内的高度为2mm时，电场强度相对较高.根据计算模拟，明显可以得知，基底深入矩形压缩谐振腔过长或过短都不利于微波等离子体的激发.

图3 基底深入谐振腔不同高度与电场强度分布的关系图Fig.3 Distribution of electric field strength with different height of substrate

图4 不同基底半径与电场强度分布的关系图Fig.4 Distribution of electric field strength in different radii of substrate

图4为矩形压缩谐振腔内的电场强度随基底半径变化的曲线图.横轴为归一化的径向距离并且所选取的平面位于基片台上方5mm处，从图中可以看出，标有正方体，三角符，叉线，圆的实线分别表示谐振腔内的基底半径为11，13，15，17 mm.由图可以得出，当谐振腔内的基底半径为13 mm时，电场强度相对较高.

3.3 谐振腔内电场模拟

图5为微波频率为2.45GHz时，矩形压缩谐振腔内的电场分布图，通过颜色的对比可以得出谐振腔内不同位置的电场分布，由此可以看出，矩形压缩谐振腔处的电场强度相对最强.

图5 矩形压缩谐振腔内的电场分布图Fig.5 The electric field distribution in the compression rectangular cavity

4 结 语

本文利用高频结构仿真器软件（HFSS）模拟了一个矩形压缩谐振腔的微波等离子体装置内的电场分布，并根据模拟结果讨论了矩形压缩谐振腔的结构和基底尺寸对电场的影响.结果表明：在选用矩形压缩谐振腔的情况下，基底尺寸的变化对谐振腔内的电磁场强度影响较大，且基底深入谐振腔2mm左右，基底半径为13mm左右时，更有利于均匀等离子体的激发，这为微波等离子体炬的数字化设计打下了基础.

［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］谢拥军，王鹏.Ansoft HFSS基础及应用［M］.西安：西安电子科技大学出版社，2007.

［6］廖承恩.微波技术基础［M］.北京：国防工业出版社，1984.