微波在高新技术中的应用

七、微波在高新技术中的应用

近二十余年来，微波在高新技术中的应用十分活跃，涉及面很广，成绩也非常显著，有的已投入生产，有的仍在实验室中做基础性的研究。这对推动科学技术现代化，促进国民经济进步都产生了巨大的影响。

（一）微波快速制备光纤棒及光导纤维

大家知道，国内外目前光纤通信的传输载体是一种光学纤维，俗称“光纤”。过去，这种光纤都采用改进的化学气相沉积法（MVCD法）进行生产。该方法用高温氢氧焰加热石英玻璃反应管，使管内原料气体在1000～1600℃的高温下进行化学反应，最终在管壁沉积出光纤芯层。该法沉积温度高，效率低，光纤特性差。如果采用微波等离子体化学气相沉积法（MPCVD法），则沉积温度较低（约为1000℃），沉积效率接近于100%，光纤特性优良，因此性能价格比非常突出。荷兰菲利浦公司是世界上利用MPCVD法生产光纤的最大厂商，日本、瑞典等国也采用了MPCVD法。我国在20世纪80年代就开展了MPCVD法拉制光纤的研究和实验工作，取得了成功，目前已完成几代的微波法拉制光纤的设备研发工作，取得了优异的成绩。

80年代初开始用200W的磁控管来拉制的光纤只有1.3km，后来将功率提高到1.5kW时，单根光纤棒可拉光纤5～6km；如将微波功率再提高至5kW，则单根光纤棒可拉20多公里长的光纤。目前武汉已是我国光纤的最大产地，被称为“光谷”。

（二）用MPCVD法沉积金刚石薄膜

微波激发的等离子体比起直流或射频等离子体有更高的电子温度，典型值为5～15eV，而后者则只有1～2eV（1eV=11 605K，这里K称为开氏温度，它与人们常用的摄氏温度℃之间的关系为0℃=273K）。微波等离子体有低的压强，可从1.333Pa～101.325kPa的气压范围，因此比直流或射频等离子体能提供更高的电离度和离解度。在等离子体化学应用中，一个非常显著的特点之一就是微波等离子体无内部电极存在，属于无极放电，因此无电极污染，也无高压鞘层及伴随而来的离子壁溅射。等离子体可以与其他状态的物质单独相互作用，或与固态、液态、气态的组合相互作用。当等离子体与中性气体相互作用时，相当高的电子离子动力温度能导致离解、电解，并使等离子体与中性气体产生化学反应。等离子体与液体作用时，将形成液体动力学边界层以及因液体挥发而形成鞘层。等离子体与固体壁作用时，将在等离子体与器壁之间形成静电鞘层，其特点是鞘层的电子密度和静电电位有一个急剧的指数衰落，将使离子在鞘层中获得加速，并将以相当高的离子能量轰击器壁，因此可作为微电子学中对材料的刻蚀、溅射和表面镀膜。这就是为什么近20多年来，人们利用微波等离子体来进行各种科学研究和技术开发的原因所在。微波等离子体可用波导产生，如图4-18所示。当微波功率从左端波导馈入后随着波导管窄边高度的减小，在适当的位置插入一根外有冷却水套的石英管，这样就会在窄波导段中激发等离子体。图4-19中示出了另一由波导与某谐振腔耦合的腔式微波等离子体发生器。

图4-18　波导型微波等离子体发生器

图4-19　谐振腔型等离子体发生器

金刚石薄膜具有硬度极高，抗耐磨，高绝缘电阻，高导热率，低摩擦系数，良好的透红光特性，因此是一种多种优异性能兼备的不可多得的微电子、真空电子、光电子、航空航天等高科技领域中十分理想的材料。

过去制造类金刚石薄膜都采用直流等离子CVD法、离子束法、溅射法、高频等离子体CVD法等，但效果都不如微波等离子体CVD法显著。

图4-20　多用途微波等离子体设备

因为微波等离子体CVD法可以在较低温度（365℃）、较低气压（800Pa）条件下，使金刚石薄膜沉积在硅片、石英玻璃片等基片上。该薄膜光滑透明，具有极佳的机械和电气性能。前苏联、日本、美国等都已沉积出实用的大面积和厚度达1mm多的金刚石薄膜，取得了突破性的进展。对已沉积出来的薄膜进行多种手段的检测，对其结构进行分析，证明质量较高，与天然金刚石数据非常接近。下一步的工作是增大沉积面积，提高沉积厚度，为半导体集成电路、光学元器件、微波电子管部件及航空航天材料提供实用原料。图4-20中示出了多用途微波等离子体设备。

（三）微波等离子体刻蚀技术

刻蚀技术在半导体器件、光电器件、超大规模集成电路、微电子学、生物芯片等重要领域中都具有广泛的应用。在近年发展起来的热丝等离子体刻蚀、射频等离子体刻蚀及微波等离子体刻蚀技术中，尤其以回旋共振微波等离子体刻蚀（ECR-MPCVD）最具发展前景。因为它不需要衬底加温，能够保证极高的各向异性，因而可实现亚微米级的精细刻蚀，并且精度高，选择性好。

ECR-MPCVD法除了能刻蚀硅、二氧化硅外还可刻蚀金属、金属氧化物、陶瓷、玻璃、有机高分子材料等。图4-21中示出了ECR微波等离子体发生器。

图4-21　ECR微波等离子体发生器原理图

从图中可以看到，使电子产生回旋共振的措施是由加在真空室外面的几个电磁线包产生的磁场提供的，真空室与波导之间采用使微波顺利通过的真空密封窗来隔离。当微波功率从波导馈入后，即通过真空窗进入真空室，微波与室内的气体相互作用后产生一定浓度的等离子体，同时由于电子在磁场作用下产生回旋运动，一旦当回旋频率与微波频率接近相等时，即满足共振条件，这时等离子体中的电子会沿着磁力线打向靶材上，并将于靶材上的物质相互作用，进而完成各种功能如刻蚀等。图4-22中示出了ECR等离子体设备的实物照片。

图4-22　ECR微波等离子体设备

（四）微波紫外灯

利用微波激发产生的一种新光源——微波紫外灯，它所产生的光波波长位于光谱上不可见的紫外光波段，波长约为200～300nm。它与通常产生紫外光的水银-氙弧灯相比具有输出稳定、寿命长、价格低等优点。利用这种特殊的紫外光源可用来干燥油墨、涂层和纸、金属、塑料、玻璃上面的黏结剂，可以获得十分优良的表面效果。

美国一家公司已成功地将微波紫外灯用于易拉罐的表面处理上，其优点是处理后的表面光亮、美观和耐磨，产量可达2000只/分，并能节能，占地面积不大。

（五）微波硫灯

微波硫灯是一种新型的电光源，它是1992年在匈牙利布达佩斯举行的第六届国际电光源科技研讨会上被首次引入照明领域的。微波放电的基本原理是众所周知的。它将含有适当填充材料的玻壳置于微波腔的高电场区域，在启动阶段，微波功率与启动气体耦合，当灯玻壳加热时，填充物蒸发并被微波功率激发，被激发了的填充物发射出其特征光谱。这种灯的主要优点是灯中没有电极，从而减少了许多导致灯损坏的因素，如玻壳黑化或在玻璃金属过渡区附近玻壳炸裂。硫灯的发光效率很高，更为难得的是它的光谱非常接近于太阳光谱，因此，它特别适用于生产车间、广场、车站、码头、体育场馆等的大面积照明。

硫灯是一个直径约为25～30mm的石英玻璃小球，球内填充硫（S₂）以后，将它置于一个金属丝编织成的小圆筒内，让微波功率耦合至笼内，激发球内的硫分子使其发光，再将该小球置于一个金属反光罩的焦点上，使发光后的光线由抛物面会聚起来向一个方向照射，以增强受光面的亮度。早期的硫灯中，填充硫的石英小灯泡一边发光，一边高速旋转，同时两侧有冷却气流吹入对准旋转着的灯泡以解决散热问题，如图4-23所示。这种硫灯作为紫外灯具用于印刷艺术工业加工石版印刷片，后来经过不断改进，发明了无需强迫冷却的新结构，如图4-24所示。

在硫灯点燃期间，石英灯泡还是连续旋转，以产生稳定而几乎无向性的放电。硫灯的发光效率很高，可达172lm/W（流明/瓦，流明是光通量的单位）。当采用家用微波炉中使用的磁控管作为功率源时，1350W的电力输入可产生820W的微波输出，因此能使硫灯产生134 500～141 000lm的光通量。更为可贵的是硫灯发光产生的光谱非常接近于太阳光，它几乎没有不想要的紫外辐射和很少量的红外成分，紫外和红外辐射的总量仅占总辐射的15%以下，图4-25中示出了硫灯辐射的光谱曲线。

图4-23　早期的微波硫灯

图4-24　无强迫冷却的微波硫灯

图4-25　硫灯的辐射光谱

这种硫灯所需的微波功率不大，通常为几百瓦至几千瓦就已足够了。目前我国生产的微波硫灯采用了家用微波炉中所使用的微波磁控管，它的平均输出功率为800～1000W左右，与高压水银灯、高压钠灯、碘弧灯等相比，发光效率要高得多。

硫灯早期存在的主要问题是微波电源的散热冷却没有得到彻底的解决，从而限制了整个装置的工作寿命，因为硫与石英似乎完全不起反应，灯泡寿命预计可超过30 000h。第二个问题是工频（50Hz）产生的光输出的闪烁，因此对交流输入电源应采用电感整流器或采用开关电源等来加以解决。第三个问题是电磁干扰问题，因为（2450 ± 50）MHz非常靠近移动卫星或广播卫星的工作波段，特别是近年来出现的蓝牙技术，因此对硫灯设计和制造提出了更高的要求。

除了上面介绍的点光源外，国外还与光管技术相结合，使微波硫灯产生的光经光管（一种直径很粗约为250mm的光导纤维管）沿光管长度（早期的长度为27.4m和73.5m）方向作等光强辐射。美国华盛顿国家宇航博物馆就采用了由美国能源部投资完成的光管大面积照明技术，该硫灯采用3.1kW微波功率可产生445 500lm的光通量，整个装置耗电为5.9kW。如将光管悬挂在车间顶篷的四周，就能使车间内光线的照度更均匀，加上光线色谱接近于太阳光，因此车间内如同白昼一样，适合工人生产操作；但因成本较高，目前尚未推广使用。

（六）陶瓷的微波烧结与焊接

陶瓷的介质损耗很小，通常都作为家用微波炉中的餐具，也就是说短时间内在微波炉内盛放食品时不会被微波所加热；但是在一定条件下，例如将陶瓷放在保温绝热的坩埚或容器内，利用一定的微波功率，在一定的时间内，可发现陶瓷可以被加热至1500～2300℃左右，这就为陶瓷的微波烧结提供了一种新手段。

微波烧结与常规烧结相比有以下一些优点：

（1）烧结温度高，可达1500～2300℃；

（2）烧结时间短，速度快，因此可大大节能；

（3）烧结质量高，烧结后的密度可达理论值的99.9%，因而可获得高强度的超晶粒结构，比一般烧结方法获得的晶粒要小一个数量级；

（4）易于控制，没有或很小的热惯性，安全可靠。

利用微波烧结的陶瓷材料有氧化铝、氧化锆、碳化硅、氮化硅、二硼化钛以及许多陶瓷复合材料。

21世纪初以来，微波烧结陶瓷材料的研究更趋于成熟，许多研究者都针对纳米结构陶瓷的微波烧结而获得了更为出色的性能。如美国宾州大学利用微波单模腔烧结了纳米晶的氧化镁、氧化铝、氮化铝和氮氧化铝透明陶瓷，还曾有人对多晶透明氧化铝陶瓷进行了1880℃微波高温处理后得到单晶的宝石级氧化铝，其透光性提高了20%。俄罗斯的科学家用毫米波加热烧结了接近理论密度的氧化铝纳米陶瓷，晶粒尺寸大小为85～90nm。

此外，人们对利用微波和毫米波烧结各种结构陶瓷、电子陶瓷、功能陶瓷、铁电陶瓷等都进行了长期的实验室研究，并已跨出实验室走上产业化的生产。在开展微波烧结介电陶瓷的同时，人们致力于微波烧结低功耗的铁氧体材料的工艺性研究，获得了满意的效果。

另一个重要的应用范例就是加拿大一公司开始生产利用微波烧结制造的氮化硅陶瓷刀具，每天可生产20 000片1.27cm的氮化硅陶瓷刀片，这些刀片放在一个特制的容器中（共4000片），然后将此容器放入微波炉中加热至1750℃，保温20min后自行冷却，大约5h后出炉。这种刀片一致性很好，成品率高。

如图4-26至图4-30所示为各种微波烧结装置。

图4-26　微波小型真空烧结炉

（微波输出功率为3kW，最高烧结温度为1600℃）

图4-27　微波高真空烧结炉

（微波输出功率为3kW，最高烧结温度为1600℃）

图4-28　微波管式烧结炉

（微波输出功率为3kW，最高烧结温度为2000℃）

图4-29　微波隧道式连续烧结炉

（微波输出功率为26kW，最高烧结温度1650℃）

图4-30　直立式微波烧结炉

（微波输出功率为30kW，最高烧结温度为1600℃）

利用微波功率不仅可以烧结陶瓷，还可用来将陶瓷与陶瓷、陶瓷与玻璃、陶瓷与金属等焊接起来。也许在这里采用焊接两字不一定合适，因为在普通的焊接技术中，焊接时均需要一定的焊料才行，例如各种焊条、焊丝等；而利用微波焊接时，只需使焊接端面升温至熔化的温度即可，然后施加一定的压力，使其对接成为一体，并且这种连接所需的时间仅为短短的几分钟。清华大学焊接教研组曾在微波焊接方面做了许多有益的工作，美国、加拿大等国家也曾因此申请了许多发明专利。