CN113193324A - 定向耦合器、处理基片的装置和处理基片的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供定向耦合器、处理基片的装置和处理基片的方法，能够使作为副线路的耦合线路与作为定向耦合器的主线路的中心导体疏耦合，并且得到良好的定向特性。在定向耦合器中，中空同轴线路包括构成主线路的中心导体和以包围中心导体的周围的方式设置的形成有开口部的外部导体，电介质基片以覆盖开口部的方式设置，并设置有接地的膜状的接地导体，该接地导体分别覆盖隔着上述开口部与上述中心导体相对的背面侧和与上述背面侧相反的正面侧。耦合线路是设置于由上述背面侧的上述接地导体包围的区域内设置的副线路。并且，在正面侧的上述接地导体，设置有将隔着上述电介质基片与上述耦合线路相对的区域内的导体膜的一部分去除而得的导体去除部。

Description

定向耦合器、处理基片的装置和处理基片的方法
技术领域
本发明涉及定向耦合器、处理基片的装置和处理基片的方法。
背景技术
使用等离子体化的处理气体对基片进行成膜处理、蚀刻处理的装置中，有时对处理气体供给作为高频功率的微波，将该处理气体等离子体化。
为了正确地检测对处理气体的微波的功率水平，使用定向耦合器，该定向耦合器避免在微波的供给路径内产生的反射波的影响并取出该微波的行波的一部分。
专利文献1中记载了一种定向耦合器，其在由中心导体和外部导体构成的同轴线路的外部导体设置窗部，以覆盖该窗部的方式配置耦合线路用基片，使设置于该耦合线路基片的耦合线路与同轴线路电磁耦合，从耦合线路取出高频信号。
现有技术文献
专利文献
专利文献1：日本特开2003-32013号公报
发明内容
发明要解决的技术问题
本发明提供一种使定向耦合器的作为副线路的耦合线路与作为主线路的中心导体疏耦合，并且得到良好的定向特性的技术。
用于解决技术问题的技术方案
本发明的一个方式的定向耦合器是将流过主线路的高频功率的一部分通过与上述主线路电磁耦合的副线路取出的定向耦合器，其包括：
与上述高频功率的输入端子和输出端子连接的中空同轴线路，其具有构成上述主线路的中心导体和以包围上述中心导体的周围的方式设置的形成有开口部的外部导体；
电介质基片，其以覆盖上述开口部的方式设置，并设置有接地的膜状的接地导体，上述接地导体分别覆盖隔着上述开口部与上述中心导体相对的背面侧和与上述背面侧相反的正面侧；以及
与取出上述高频功率的一部分的取出端子连接的耦合线路，其是在上述电介质基片的上述背面侧，隔着上述开口部设置在与上述中心导体相对的位置，在由上述背面侧的上述接地导体包围的区域内，以不与上述接地导体电导通的方式形成的上述副线路，
在上述正面侧的上述接地导体，设置有将隔着上述电介质基片与上述耦合线路相对的区域内的导体膜的一部分去除而得的导体去除部。
发明效果
依照本发明，能够使定向耦合器的作为副线路的耦合线路与作为主线路的中心导体疏耦合，并且得到良好的定向特性。
附图说明
图1是设置有本发明的定向耦合器的等离子体处理装置的纵截面图。
图2是微波导入单元的结构图。
图3是设置有定向耦合器的天线单元的框图。
图4是普通的定向耦合器的示意图。
图5是本发明的定向耦合器的分解立体图。
图6是定向耦合器的第一纵截面图。
图7是定向耦合器的第二纵截面图。
图8是设置于定向耦合器的电介质基片的正面的平面图。
图9是电介质基片的背面的平面图(从上表面侧观察的透视图)。
图10是定向耦合器的外观立体图。
图11是耦合线路的放大平面图。
图12是设置于电介质基片的耦合线路的放大立体图。
图13是表示调节耦合线路的方向的角度调节机构的作用的平面图。
图14是表示导体去除部的变动(variation)的平面图。
图15是第二实施方式的定向耦合器的结构图。
图16是第二实施方式的定向耦合器的外观立体图。
图17是第二实施方式的电介质基片的正面的平面图。
图18是表示定向特性相对于导体去除部尺寸的变化的特性图。
图19是对于定向耦合器的特性的说明图。
图20是表示耦合特性的频率特性的特性图。
图21是表示隔离特性的频率特性的特性图。
图22是表示定向特性的频率特性的特性图。
图23是表示定向特性相对于耦合线路的配置方向的变化的特性图。
附图标记说明
W 晶片
1 等离子体处理装置
3 微波导入单元
31 放大部
6、6a、60 定向耦合器
601 主线路
602 副线路
61 中心导体
62 外部导体
65 电介质基片
67 导体去除部
68 耦合线路
693 中心导体部。
具体实施方式
下面，参照附图，对本发明的实施方式进行说明。首先，参照图1和图2，说明设置有本发明的本发明的定向耦合器6、6a的等离子体处理装置1的概要结构。图1是表示本实施方式的等离子体处理装置1的概要结构的纵截面图。
本实施方式的等离子体处理装置1例如是对半导体器件制造用的半导体晶片(以下，简记为“晶片”。)W实施使用等离子体化的处理气体的处理的装置。作为使用等离子体化的处理气体的晶片W的处理，能够例示出成膜处理、蚀刻处理、灰化处理等。
等离子体处理装置1包括：收纳作为基片的晶片W的处理容器11；配置在处理容器11的内部的载置台12，其能够载置作为处理对象的晶片W；对处理容器11内供给处理气体的喷嘴23；对处理容器11内进行减压排气的排气单元13；对处理容器11内导入微波以生成处理气体的等离子体的微波导入单元3；和控制上述等离子体处理装置1的各构成部的控制部5。
处理容器11例如由金属材料构成，经由设置于其侧壁部的送入送出口111进行晶片W的送入送出。送入送出口111由闸阀G开闭。
在处理容器11内配置有以与该处理容器11绝缘的状态设置的载置台12。被送入到处理容器11内的晶片W，在载置于该载置台12上的状态下被处理。载置台12经由匹配器42与高频偏置电源41连接。高频偏置电源41对载置台12供给用于将离子吸引到晶片W的高频功率。
处理容器11的底部经由排气口112和排气管131与排气单元13连接。例如，排气单元13由APC阀和真空泵构成，进行真空排气以使得处理容器11的内部成为预定的压力。
在处理容器11的顶部，在与载置台12上的晶片W相对的位置，设置有多个喷嘴23。各喷嘴23具有未图示的气体供给孔，经由配管22与处理气体供给部21连接。根据在等离子体处理装置1中对晶片W实施的处理，从处理气体供给部21供给用于实施成膜处理、蚀刻处理、灰化处理的处理气体、辅助处理气体的等离子体生成的稀有气体、用于使处理气体从处理容器11内排出的吹扫气体等。
下面，参照图1、图2，对微波导入单元3的结构进行说明。图2是表示微波导入单元3的结构的说明图。微波导入单元3具有对处理容器11内导入作为高频功率的微波，以将供给到处理容器11内的处理气体等离子体化的功能。例如，微波导入单元3设置在处理容器11的上部。
如图1和图2所示，微波导入单元3具有：生成微波并且将微波分配到多个路径来输出的微波输出部33；和将从微波输出部33输出的微波导入处理容器11的天线单元30。
如图2所示，微波输出部33包括电源部331、微波振荡器332、将产生的微波放大的放大器333和将由放大器333放大的微波分配到多个路径的分配器334。
微波振荡器332以从800MHz至1GHz的规定频率(例如860MHz)产生微波。此外，微波的频率并不限定于上述的频率范围内的频率，也可以为8.35GHz、5.8GHz、2.45GHz、1.98GHz等。分配器334一边使输入侧与输出侧的阻抗匹配一边分配微波。
天线单元30包含多个天线组件30a。各天线组件30a各自将由分配器334分配来的微波导入处理容器11内。在本实施方式中，多个天线组件30a彼此具有相同的结构。
各天线组件30a包括：将分配来的微波放大的放大部31；和将从放大部31输出的微波导入处理容器11内的微波导入机构32。
如图3所示，放大部31包括：使微波的相位变化的移相器311；进行第一级放大的小功率放大器312；调整微波的功率水平的驱动放大器313；构成为固态放大器的功率放大器314；和将由后述的微波导入机构32反射而去往功率放大器314的微波的反射波分离的隔离器315。
移相器311能够使微波的相位变化，使微波的辐射特性变化。移相器311例如用于通过按每个天线组件30a调节微波的相位，来控制微波的指向性使等离子体的分布变化。此外，在不进行这样的辐射特性的调节的情况下，也可以不设置移相器311。
小功率放大器312将由移相器311调节了相位的微波以预定的增益放大。
驱动放大器313用于各个天线组件30a的微波的功率不均的调节、等离子体强度的调节。例如，基于检测从放大部31输出的微波的功率水平的结果，使驱动放大器313的增益按每个天线组件30a变化，由此能够调节整个处理容器11内的等离子体的分布。
功率放大器314将由驱动放大器313进行了功率调节的微波的输出放大至所希望的功率。例如功率放大器314由平衡-不平衡转换器(输入侧和输出侧)、匹配电路(输入侧和输出侧)、半导体放大元件等构成。作为半导体放大元件，例如能够使用GaAs PHEMT(Pseudomorphic HEMT)、GaAs MESFET、GaN HEMT、LDMOS等。
隔离器315具有循环器和虚拟负载(终端电阻)。循环器将由后述的微波导入机构32的天线部反射的反射微波引导向虚拟负载。虚拟负载将由循环器引导来的反射微波转换为热。
从具有上述结构的放大部31输出的微波，使用后述的本实施方式(第一实施方式)的定向耦合器6取出微波的一部分，以用于功率水平的检测。
如后所述，定向耦合器6能够将从放大部31输出的微波的行波和该微波的反射波的一部分分别取出。在图3所示的例子中，由定向耦合器6取出的微波的一部分被输入功率控制部316，被用作用于检测行波、反射波的各功率水平的高频信号。
功率控制部316基于上述高频信号的信号水平来求取放大部31的出口处的微波的行波、反射波的功率水平。然后，功率控制部316基于检测上述功率水平的结果，实施驱动放大器313的增益调节、功率放大器314的匹配调节。
从放大部31输出的微波，被输入微波导入机构32。
参照图1，对微波导入机构32的概要结构进行说明。微波导入机构32中，由构成外侧导体的圆筒状的主体容器320和沿主体容器320的中心轴延伸的内侧导体325构成中空同轴线路。上述主体容器320的内周面与内侧导体325的外周面之间的空间成为微波传送路径。
另外，在微波传送路径内，设置有由呈环状在上下方向隔开间隔地设置的电介质构成的2个芯块(slug)321。上述的芯块321起到由未图示的促动器调节上下位置以使从放大部31观察微波导入机构32时的阻抗成为的规定值的调谐器的作用。
在微波传送路径的出口侧设置有天线部，该天线部包括：与内侧导体325的下端部连接的平面天线323；配置于平面天线323的上表面侧的微波慢波部件322；配置于平面天线323的下表面侧的微波透射窗324。
平面天线323具有多个槽(开口部)323a。微波慢波部件322例如由石英构成，通过缩短微波的波长来调节等离子体。微波透射窗324例如由石英、陶瓷等的电介质材料构成，封闭形成于处理容器11的顶部的开口部。
通过微波传送路径到达平面天线323的微波，从平面天线323的槽323a透射微波透射窗324以TE模式辐射。
通过向由已说明的喷嘴23供给了处理气体的处理容器11内辐射微波，该处理气体等离子体化。然后，用伴随处理气体的等离子体化而生成的活性种(自由基、离子)，对载置台12上的晶片W实施所希望的处理。被辐射微波、形成处理气体的等离子体的微波透射窗324的下侧的区域，相当于本实施方式的等离子体形成部。
具有上述结构的等离子体处理装置1的各构成部分别与控制部5连接，并由该控制部5控制。控制部5由具有CPU和存储部的计算机构成，控制等离子体处理装置1的各部。在存储部记录有用于执行晶片W的处理所需的工作的、编入有步骤(命令)组的程序。程序例如保存在硬盘、光盘、磁光盘、存储卡等的存储介质中，从它们安装到计算机。
在具有以上说明的结构的等离子体处理装置1中，如根据图2所提及的那样，从放大部31输出的微波由定向耦合器6将其一部分作为高频信号取出，用于微波的功率水平的检测。
在说明本实施方式(第一实施方式)的定向耦合器6的详细结构之前，对用于评价定向耦合器6的性能的指标进行说明。
图4表示普通的后向(backward)型的定向耦合器60的示意图。定向耦合器60是使副线路602与供高频功率流过的主线路601电磁耦合，从副线路602将高频功率的一部分作为高频信号取出的器件。
图4中，P1是对主线路601输入高频功率的输入端口，P2是从主线路601输出高频功率的输出端口。在后向型的定向耦合器60中，从副线路602的P3的位置取出流过主线路601的高频功率的行波的一部分，P3被称为耦合端口。此外，从副线路602的P4的位置取出流过主线路601的高频功率的反射波的一部分，P4被称为隔离端口。
标注在后述的各实施方式的定向耦合器6、6a的P1～P4的附图标记，也意味着上述的各端口。
作为评价定向耦合器60(6、6a)的性能的指标，定义了反射损失、通过损失、耦合特性、隔离特性和定向特性。各指标使用分贝(dB)标记的S参数通过以下的(1)～(5)式来求取。
各端口的反射损失＝Sii[dB](i＝1、2、3、4)……(1)
通过损失＝S21[dB]……(2)
耦合特性＝S31[dB]……(3)
隔离特性＝S41[dB]……(4)
定向特性＝S31－S41[dB]……(5)
作为定向耦合器60所要求的性能，优选能够从耦合端口P3取出所需水平的高频功率且泄漏到隔离端口P4的行波的成分少。即，要求耦合特性(S31)为预定的目标范围内的值且定向特性(S31－S41)的值大的定向耦合器60。
另一方面，在使用图2说明的微波导入单元3中，从各放大部31输出的微波的功率水平为数百瓦。此时，当监视微波时只要能够得到小功率就足够，例如，定向耦合器6被设计为“耦合特性S31≤﹣30dB”。
如上所述，从供大功率流过的主线路601取出小功率的情况下，需要使主线路601与副线路602(后述的耦合线路68)的电磁耦合状态为疏耦合。然而，一般而言，疏耦合的定向耦合器60存在难以提高定向特性的问题。
本实施方式的定向耦合器6具有能够使作为副线路602的耦合线路68与作为主线路601的中心导体61疏耦合，并且提高定向特性的结构。
参照图5～图14，对本实施方式的定向耦合器6的结构进行说明。图5是定向耦合器6的分解立体图，图6和图7分别是从正面侧或者侧面侧观察定向耦合器6的纵截面图。在以下的说明中，将图5所示的y轴的箭头的根端侧作为前方侧，将箭头的前端侧称为后方侧。
如图5所示，本实施方式的定向耦合器6包括：中空同轴线路，其由构成主线路601的中心导体61和以包围中心导体61的周围的方式设置的外部导体62构成；设置有构成副线路602的耦合线路68的电介质基片65；以及用于调节中心导体61与耦合线路68的距离的金属制间隔件64。
如图5～图7所示，例如，外部导体62由长方体形状的壳体构成，该壳体由具有导电性的金属构成。在从外部导体62的前方的侧面至后方的侧面的区域，形成有能够插入中心导体61的圆筒状的空间(圆筒空间620)。
另外，在外部导体62的上表面，形成有能够收纳金属制间隔件64、电介质基片65的凹部。凹部内的底面为平坦的，在该平坦的面上以隔着圆形开口部641的方式安装电介质基片65。在该观点中，凹部内的平坦的面相当于本实施方式的基片安装部63。
在上述基片安装部63形成有从上表面侧观察时向圆筒空间620开口的矩形形状的方形开口部631。方形开口部631的长边方向相当于微波的传送方向。例如在860MHz的微波的情况下，方形开口部631的长边方向的长度被设定成相对于微波的自由空间波长λ0例如为λ0/10。此处，λ0根据微波的频率f[Hz]和光速c0[m/s]使用以下的(6)式计算。
λ0＝c0/f[m]……(6)
如图5～图7所示，例如，中心导体61由圆棒状的部件(棒状的导体)构成，该部件由具有导电性的金属构成。如上述的图所示，中心导体61的直径构成为比形成在外部导体62侧的圆筒空间620的直径小。中心导体61被配置成插入圆筒空间620内，且中心导体61和圆筒空间620的两个中心轴的位置一致。
如图7所示，中心导体61由绝缘性的部件621保持，该部件621以嵌入在形成于外部导体62的前后两侧面的开口的方式设置。在外部导体62的前方侧、后方侧的侧面，分别设置有由筒状的外周导体部691、销状的中心导体部693和绝缘部692构成的输入侧同轴连接器(输入端子)69a、输出侧同轴连接器(输出端子)69b。
在各连接器69a、69b中，中心导体部693与中心导体61连接，外周导体部691与外部导体62连接。输入侧同轴连接器69a相当于定向耦合器6的输入端口P1，与放大部31的出口侧连接。此外，输出侧同轴连接器69b相当于输出端口P2，与微波导入机构32的入口侧连接(图2)。
如图5～图7所示，金属制间隔件64由具有导电性的金属制的矩形形状的板材构成。金属制间隔件64以能够收纳于形成在外部导体62的上表面侧的凹部内的尺寸构成，在其中央部形成有圆形开口部641。圆形开口部641经由形成在外部导体62的基片安装部63侧的方形开口部631与圆筒空间620连通。
金属制间隔件64起到通过调节中心导体61与耦合线路68的距离来调节定向耦合器6的耦合特性的效果。例如，根据微波的频率等，金属制间隔件64采用具有0.5mm～2mm的范围内的厚度尺寸的结构。
电介质基片65是由例如环氧玻璃、PTFE(polytetrafluoroethylene：聚四氟乙烯)等的氟树脂、氧化铝等的电介质材料构成的矩形状的板材。电介质基片65以能够收纳于形成在外部导体62的上表面侧的凹部内的尺寸形成。如图6、图7所示，电介质基片65以覆盖已说明的方形开口部631和圆形开口部641的方式配置在基片安装部63(金属制间隔件64上)(图10)。
如图5所示，在金属制间隔件64和电介质基片65，在多个部位形成有螺纹孔642、651。在上述的螺纹孔642、651插入基片固定螺纹件66，与形成于基片安装部63侧的母螺纹632螺合，由此将金属制间隔件64和电介质基片65紧固到基片安装部63。
以下，在上述的配置状态下，将隔着圆形开口部641和方形开口部631与中心导体61相对的面(下表面)称为“电介质基片65的背面”，将其相反侧的面(上表面)称为“电介质基片65的正面”。
如图8、图9所示，在电介质基片65的正面和背面设置有例如由铜箔构成的、膜状的接地导体(正面导体(正面侧的接地导体)652、背面导体(背面侧的接地导体)656)。此处，图8是从上表面侧观察电介质基片65的正面的平面图，图9是从上表面侧透视观察电介质基片65的背面的平面图。
正面导体652、背面导体656以大致覆盖电介质基片65的整个正背两个面的方式形成。如图8、图9所示，在电介质基片65的板面分散地形成有多个通孔653，正面导体652和背面导体656经由沿各通孔653形成的未图示的连接线彼此电连接。而且，正面导体652和背面导体656的一者或者两者经由基片固定螺纹件66与外部导体62连接，由此，上述正面导体652和背面导体656的这两者接地。此外，外部导体62经由未图示的接地线接地。
下面，参照图9，先对电介质基片65的背面侧的结构进行说明。在电介质基片65的背面的中央位置，在隔着作为开口部的已说明的方形开口部631和圆形开口部641与圆筒空间620内的中心导体61相对的位置设置有耦合线路68。如上所述，耦合线路68相当于本实施方式的定向耦合器6的副线路602。
例如，耦合线路68由作为导体膜的铜箔构成。例如耦合线路68能够通过这样的方式形成：通过镀敷在电介质基片65的整个背面形成铜箔后，通过蚀刻除去耦合线路68周围的铜箔部分，在背面导体656与耦合线路68之间设置隔离区域650b来形成。因此，耦合线路68成为与背面导体656没有电导通的状态(未电连接的状态)。
如图9所示，在本实施方式中，耦合线路68形成为细长的带状。例如，在860MHz的微波的情况下，耦合线路68的长边方向的长度被设定成相对于电介质基片65中的微波的波长λg为λg/4以下，优选为λg/20以下。此处，λg根据已说明的微波的自由空间波长λ0和电介质基片65的有效介电常数εeff通过以下的(7)式计算。
λg＝λ0/(εeff)0.5[m]……(7)
此外，εeff例如能够根据文献(T.C.Edwards,M.B.Steer,Foundations forMicrostrip Circuit Design,4th Edition,pp.127-134,John Wiley&Sons,Inc.,2016.)中记载的数学式求取。
并且，如图10、图11所示，对于耦合线路68，以其包含于基片安装部63的方形开口部631和金属制间隔件64的圆形开口部641重叠地形成的开口区域内，设定了长边方向和短边方向的尺寸。此外，为了方便图示，图10、图11表示透视电介质基片65的电介质主体和正面导体652、背面导体656等的状态。
图11表示从作为与耦合线路68的面相对的方向的上表面侧观察时的耦合线路68的配置方向。图中的B-B’与配置于外部导体62内的中心导体61延伸的方向一致。如该图所示，耦合线路68被配置成，从上表面侧观察时，细长的带状的耦合线路68延伸的方向与中心导体61延伸的方向(图中的B-B’的方向)呈角度θ地交叉。如后述的实施例所示，交叉角度θ为对定向耦合器6的定向特性造成影响的参数。在860MHz的微波的情况下，例如交叉角度θ被设定为39±2°的范围内的预定角度。
上述的交叉角度θ，除了在电介质基片65的背面设置耦合线路68时设定之外，也能够通过使从上表面侧观察到的电介质基片65相对于外部导体62的安装方向变化来调节。
图13表示调节电介质基片65的安装方向的角度调节机构的结构例。本实施方式的角度调节机构包括：用于将电介质基片65安装到电介质基片65的基片固定螺纹件66；和向电介质基片65的角度调节方向形成为比基片固定螺纹件66的直径大的尺寸的电介质基片65的螺纹孔651。相对于基片固定螺纹件66的直径具有游隙地形成螺纹孔651，如图13中所示使电介质基片65的安装方向变化，由此能够使使用图11说明的交叉角度θ变化。
另外，如图7示意地所示，耦合线路68形成在作为板材的电介质基片65的平坦的背面。依照该结构，如图7所示从沿电介质基片65的面的方向观察时，成为中心导体61延伸的方向与上述耦合线路68延伸的方向一致(大致平行)地配置的状态。
下面，参照图8，对电介质基片65的正面侧的结构进行说明。如图8所示，在电介质基片65的正面，设置有用于通过耦合线路68取出微波的行波的一部分的行波用同轴连接器(行波用的安装端子)67a和用于取出微波的反射波的一部分的反射波用同轴连接器(反射波用的安装端子)67b。
与使用图4说明的定向耦合器60对比，行波用同轴连接器67a相当于定向耦合器6的耦合端口P3，反射波用同轴连接器67b相当于定向耦合器6的隔离端口P4。例如，上述的连接器67a、67b与将各微波的一部分作为高频信号向功率控制部316输出的信号线连接(图3)。
行波用同轴连接器67a、反射波用同轴连接器67b分别与形成于电介质基片65的正面侧的取出线路655a、655b的一端连接。各取出线路655a、655b以与正面导体652隔着隔开区域650a形成间隙的方式形成。取出线路655a、655b能够通过这样的方式形成：例如通过镀敷在电介质基片65的整个正面形成铜箔后，通过蚀刻除去取出线路655a、655b周围的铜箔部分，在正面导体652与取出线路655a、655b之间设置隔开区域650a来形成。
此处，各取出线路655a、655b，在设置于上述的取出线路655a、655b的两侧区域的正面导体652与背面导体656之间构成特性阻抗为50Ω的接地共面线路。
此外，并不是必须使取出线路655a、655b构成接地共面线路。例如，也可以进一步去除取出线路655a、655b的两侧区域的正面导体652的一部分，使隔开区域650a的宽度扩展至正面导体652的电磁影响变得足够小的程度。但是，该情况下的隔开区域650a的宽度需要在电介质基片65的厚度以上，由此，在各取出线路655a、655b与背面导体656之间构成微带线路。
取出线路655a、655b的另一端延伸至与耦合线路68的长边方向的两端部对应的位置，在该位置经由形成于电介质基片65的通孔654a、654b连接到背面侧的耦合线路68。
以上，具有使用图5～图13说明的结构的定向耦合器6，当从作为输入端口P1的输入侧同轴连接器69a供给微波，从作为输出端口P2的输出侧同轴连接器69b输出微波时，作为主线路601的中心导体61与作为副线路602的耦合线路68电磁耦合。其结果是，能够从作为耦合端口P3的行波用同轴连接器67a将微波的行波的一部分作为高频信号取出。此外，能够从作为隔离端口P4的反射波用同轴连接器67b将微波的反射波的一部分作为高频信号取出。
而且，本实施方式的定向耦合器6，对于在中心导体61与耦合线路68的电磁耦合状态为疏耦合的情况下，难以提高定向特性的已说明的技术问题，通过设置以下的结构实现了定向特性的改善。
即，如图8、图11、图12等所示，在本实施方式的定向耦合器6中，在正面导体652设置将隔着电介质基片65与耦合线路68相对的区域(相对区域)内的铜箔(导体膜)的一部分去除而得的导体去除部67。此外，在图12的立体图中，表示透视相对区域以外的电介质基片65、正面导体652、背面导体656的状态。
导体去除部67的形状没有特别限定，例如如图11所示可以设置正方形的导体去除部67，也可以如图14所示设置长方形、圆形的导体去除部67a、67b。形成在各正面导体652的导体去除部67的数量并不限定于一个，可以设置多个。
此外，只要在相对区域内残留正面导体652和导体去除部67各自的一部分，导体去除部67的尺寸就没有特别限定。
如后述的实施例所示，通过模拟和实验确认了：与不设置导体去除部67的比较例的定向耦合器相比，通过在正面导体652设置导体去除部67，能够实现定向特性的改善。
导体去除部67的尺寸、形状、配置数量、配置位置，通过与方形开口部631的开口长度或圆形开口部641的开口直径、耦合线路68的长边方向的长度、交叉角度θ等的其他设计变量组合，通过模拟、尝试实验探索能够发挥适宜的定向特性的条件来决定。
下面，参照图15～图17，对第二实施方式的定向耦合器6a的结构例进行说明。
在图15所示的第二实施方式的定向耦合器6a中，在从耦合线路68至行波用同轴连接器67a的取出线路655a和从耦合线路68至反射波用同轴连接器67b的取出线路655b，设置有进行取出的微波的波形处理的元件。作为设置在取出线路655a、655b的元件，设置有从元件组中选择的至少一个元件，该元件组包括抑制由耦合线路68取出的高频信号中包含的高频成分的低通滤波器(LPF)72、抑制低频成分的高通滤波器(HPF)73和使来自行波用同轴连接器67a、反射波用同轴连接器67b侧的反射波衰减的衰减器71。此外，也可以由具有相同的频率特性的带通滤波器(BPF)构成LPF72和HPF73。
在图15所示的定向耦合器6a的例子中，在各取出线路655a、655b，从耦合线路68侧向连接器67a、67b侧依次设置有衰减器71、LPF72、HPF73。如图16、图17所示，这些元件(衰减器71、LPF72、HPF73)能够配置在电介质基片65的正面侧。设置在取出线路655a、655b的元件的组合并不限定于上述的例子，也可以根据高频信号的使用目的等适当选择。
依照本发明，能够构成使作为副线路602的耦合线路68与作为主线路601的中心导体61疏耦合，并且具有良好的定向特性的定向耦合器6、6a。
此处，在图11、图12等中记载了金属制间隔件64侧的圆形开口部641的直径与基片安装部63侧的方形开口部631的短边方向的尺寸相比形成得较大的例子。但是，这些尺寸的大小关系并不限定于该图中所示的例子。
也可以为，金属制间隔件64侧的圆形开口部641的直径与基片安装部63侧的方形开口部631的短边方向的尺寸相比形成得较小。在该情况下，从上表面侧观察到的开口部的形状(使基片安装部63的方形开口部631与金属制间隔件64的圆形开口部641重叠的形状)为圆形。此外，并不是必须在基片安装部63与电介质基片65之间配置金属制间隔件64，也可以在基片安装部63上直接配置电介质基片65。在该情况下，也可以在基片安装部63形成圆形的开口。
例如，如图14所示，以隔着圆形开口部641与中心导体61相对的方式配置耦合线路68的情况下，即使用借助图13说明的角度调节机构使交叉角度θ变化，从耦合线路68的各位置至圆形开口部641的缘部为止的距离不发生变化。其结果是，当使交叉角度θ变化时，能够抑制由耦合线路68与电介质基片65、金属制间隔件64的相互作用的变化导致的、不想要的定向耦合器6、6a的特性变化。
另外，电介质基片65并不限定于使用仅在正背两面形成有接地导体(正面导体652、背面导体656)的2层基片构成的情况。除了正背两面的接地导体之外，也可以使用在电介质基片65内夹着一层或者多层接地导体的三层以上的多层基片构成电介质基片65。
以上说明的各定向耦合器6、6a的设置位置，并不限定于设置在使用图2说明的放大部31与微波导入机构32之间的情况。能够设置在从作为微波供给部的微波振荡器332至作为等离子体形成部的微波透射窗324的下侧区域为止的微波的供给路径的必要位置。例如，可以以微波导入机构32的内侧导体325成为中心导体61的方式设置定向耦合器6、6a，将流过微波导入机构32的微波的一部分取出。
本次公开的实施方式在所有方面均是例示，而不应理解为限制性的。上述的实施方式不脱离所附的权利要求的范围及其主旨的情况下，能够以各种方式省略、替换、改变。
[实施例]
(模拟1)
制造基于图6、图7中记载的定向耦合器6的模拟模型，求出定向耦合器6的评价指标。
A.模拟条件
在形成有直径28mm的圆筒空间620的外部导体62内配置直径12mm，长度43mm的中心导体61，在形成有长边方向的长度为33mm的方形开口部631的基片安装部63上，隔着形成有直径26mm的圆形开口部641的金属制间隔件64设置了电介质基片65。耦合线路68的长边方向的长度为8mm，短边方向的长度为2.6mm。金属制间隔件64的厚度为1.5mm，中心导体61与耦合线路68的高度距离从中心导体61的中心起为15.5mm。使交叉角度θ为43°。
如图11所示，在与耦合线路68的中央相对的位置设置有一边的长度(导体去除部尺寸)为d的正方形的导体去除部67。在上述结构的定向耦合器6的模拟模型中，将规定频率的微波输入到输入端口P1，求出耦合特性、隔离特性、定向特性。模拟使用ANSYS(注册商标)公司的HFSS(商标)计算出各种频率特性。
(实施例1-1)导体去除部尺寸d＝0.5mm
(实施例1-2)导体去除部尺寸d＝1.0mm
(实施例1-3)导体去除部尺寸d＝1.5mm
(实施例1-4)导体去除部尺寸d＝2.0mm
(实施例1-5)导体去除部尺寸d＝2.5mm
(实施例1-6)导体去除部尺寸d＝3.0mm
B.模拟结果
关于各实施例的模拟模型，图18表示供给了860MHz的微波时的定向特性的变化。此外，关于实施例1-5，图19表示使供给到定向耦合器6的信号的频率变化、求取耦合特性和隔离特性得到的结果。而且，关于实施例1-4～1-6，图20～图22表示使供给到定向耦合器6的信号的频率变化，比较耦合特性、隔离特性和定向特性得到的结果。
根据图18所示的结果，能够发现随着使导体去除部67的导体去除部尺寸d从0.5mm扩大至2.5mm，定向特性的绝对值变大(改善)的倾向。另一方面，当使导体去除部67的导体去除部尺寸进一步扩大至3.0mm时，定向特性稍有恶化。根据上述的模拟结果，能够预料到：在供给860MHz的微波，在与细长的带状的耦合线路68的中央相对的位置设置正方形的导体去除部67的情况下，存在定向特性变得最小的最优导体去除部尺寸(实施例1-5)。
根据图19所示的结果，在实施例1-5的条件下，在使功率的频率变化的情况下，在耦合特性和隔离特性这两者中没有确认到陡峭的峰值。根据该结果，可以说实施例1-5的定向耦合器6能够在宽频带中发挥良好的定向特性。
根据图20所示的结果，可知：在使导体去除部67的导体去除部尺寸d变化了的实施例1-4～1-6中，耦合性特性不依赖于导体去除部67的导体去除部尺寸，在实施例之间是一定且相等的。另一方面，根据图21所示的结果，隔离特性与导体去除部67的导体去除部尺寸的变化对应地在实施例之间变化。
如上所述，当使导体去除部67的导体去除部尺寸变化时，耦合特性几乎不变化(一直维持疏耦合的状态)，而仅隔离特性变化。作为其结果，如图22所示，可知能够利用导体去除部尺寸来改善定向特性。
(实验1)
制作具有与在模拟1中设定的模拟模型大致相同的结构的定向耦合器6，使用矢量网络分析仪求出定向耦合器6的定向特性。
A.实验条件
(实施例2-1)导体去除部尺寸d＝2.3mm，耦合线路68的短边方向长度＝2.6mm
(实施例2-2)导体去除部尺寸d＝2.5mm，耦合线路68的短边方向长度＝2.6mm
(实施例2-3)导体去除部尺寸d＝2.7mm，耦合线路68的短边方向长度＝2.6mm
(比较例2-1)在无导体去除部67，耦合线路68的短边方向长度＝3mm，交叉角度θ＝39°
在各实施例中，使用已说明的角度调节机构，使交叉角度θ在37～45°的范围内变化。
B.实验结果
图23表示实验的结果。根据图23，确认了：在各实施例2-1～2-3中，当使交叉角度θ变化时，定向特性也发生变化。由此，能够确认：通过将导体去除部67的导体去除部尺寸与交叉角度θ组合，能够得到具有更好的定向特性的定向耦合器6。
另外，如该图中记载的那样，在交叉角度θ为39°的条件下进行比较时，在没有设置导体去除部67的比较例2-1的定向耦合器中，定向特性在﹣20dB附近。与之相对，在设置有导体去除部67的实施例2-1～2-3的定向耦合器6中，定向特性均在﹣30dB以下(绝对值为30dB以上)，得到了良好的性能。如上所述，能够确认：通过将隔着电介质基片65与耦合线路68相对的区域内的导体膜的一部分去除而设置导体去除部67，能够改善定向耦合器6的定向特性。

Claims (16)

1.一种将流过主线路的高频功率的一部分通过与所述主线路电磁耦合的副线路取出的定向耦合器，其特征在于，包括：
与所述高频功率的输入端子和输出端子连接的中空同轴线路，其具有构成所述主线路的中心导体和以包围所述中心导体的周围的方式设置的形成有开口部的外部导体；
电介质基片，其以覆盖所述开口部的方式设置，并设置有接地的膜状的接地导体，所述接地导体分别覆盖隔着所述开口部与所述中心导体相对的背面侧和与所述背面侧相反的正面侧；以及
与取出所述高频功率的一部分的取出端子连接的耦合线路，其是在所述电介质基片的所述背面侧，隔着所述开口部设置在与所述中心导体相对的位置，在由所述背面侧的所述接地导体包围的区域内，以不与所述接地导体电导通的方式形成的所述副线路，
在所述正面侧的所述接地导体，设置有将隔着所述电介质基片与所述耦合线路相对的区域内的导体膜的一部分去除而得的导体去除部。
2.如权利要求1所述的定向耦合器，其特征在于：
所述开口部是以包含整个所述耦合线路的方式形成为圆形的圆形开口部。
3.如权利要求1或2所述的定向耦合器，其特征在于：
在所述外部导体与所述电介质基片之间，设置有用于调节所述中心导体与所述耦合线路之间的距离的间隔件，在所述间隔件也形成有所述开口部。
4.如权利要求1至3中任一项所述的定向耦合器，其特征在于：
所述正面侧的所述接地导体和所述背面侧的所述接地导体经由形成于所述电介质基片的通孔彼此电连接。
5.如权利要求1至4中任一项所述的定向耦合器，其特征在于：
所述中心导体由棒状的导体构成，所述耦合线路由沿所述电介质基片的所述背面形成的细长的导体膜构成，
从沿所述电介质基片的面的方向观察时，使所述棒状的导体延伸的方向与所述细长的导体膜延伸的方向一致地配置，从与所述电介质基片的面相对的方向观察时，所述棒状的导体延伸的方向与所述细长的导体膜延伸的方向交叉地配置。
6.如权利要求5所述的定向耦合器，其特征在于：
所述耦合线路以所述棒状的导体延伸的方向与所述细长的导体膜延伸的方向所成的角度成为预定的交叉角度的方式形成。
7.如权利要求6所述的定向耦合器，其特征在于：
包括角度调节机构，其通过使从与所述电介质基片的面相对的方向观察到的、该电介质基片相对于所述中空同轴线路的安装方向变化，来改变所述交叉角度。
8.如权利要求1至7中任一项所述的定向耦合器，其特征在于：
所述取出端子与形成于所述电介质基片的所述正面侧的取出线路的一端侧连接，所述取出线路的另一端侧经由形成于所述电介质基片的通孔连接到所述耦合线路。
9.如权利要求8所述的定向耦合器，其特征在于：
所述取出线路在设置于该取出线路的两侧区域的所述正面侧的所述接地导体与所述背面侧的所述接地导体之间构成接地共面线路。
10.如权利要求8所述的定向耦合器，其特征在于：
所述取出线路的两侧区域中的所述正面侧的所述接地导体以该取出线路与所述接地导体之间成为所述电介质基片的厚度以上的隔开区域的方式被去除，在所述取出线路与所述背面侧的所述接地导体之间构成微带线路。
11.如权利要求8至10中任一项所述的定向耦合器，其特征在于：
在所述取出线路设置有从下述元件组选择的至少一个元件，所述元件组包括：抑制所述高频功率的一部分中包含的高频成分的低通滤波器；抑制所述高频功率的一部分中包含的低频成分的高通滤波器；和使来自所述取出端子侧的反射波衰减的衰减器。
12.如权利要求1至11中任一项所述的定向耦合器，其特征在于，包括：
行波用的所述取出端子，其通过所述耦合线路取出从所述输入端子输入的所述高频功率的行波的一部分；和
反射波用的所述取出端子，其通过所述耦合线路取出从所述输出端子输入的所述高频功率的反射波的一部分。
13.一种处理基片的装置，其特征在于，包括：
能够配置所述基片的处理容器；
对所述处理容器供给处理气体的处理气体供给部；
对所述处理气体供给作为高频功率的微波使所述处理气体等离子体化的等离子体形成部；和
对所述等离子体形成部供给所述微波的微波供给部，
在从所述微波供给部至所述等离子体形成部的所述微波的供给路径，设置有权利要求1至12中任一项所述的定向耦合器。
14.如权利要求13所述的装置，其特征在于：
包括功率控制部，其基于使用所述定向耦合器取出由放大器放大后的所述微波的一部分的结果，进行设置于所述供给路径的所述放大器的输出调节和设置于所述供给路径的匹配器的阻抗调节中的至少一个调节。
15.一种处理基片的方法，其特征在于，包括：
对配置有所述基片的处理容器供给处理气体的步骤；
产生作为高频功率的微波的步骤；
对所述处理气体供给所述微波使所述处理气体等离子体化，用等离子体化的所述处理气体进行所述基片的处理的步骤；和
使用设置在用于对所述处理气体供给所述微波的供给路径的权利要求1至12中任一项所述的定向耦合器，取出所述微波的一部分的步骤。
16.如权利要求15所述的处理基片的方法，其特征在于，包括：
在取出所述微波的一部分的步骤中，取出由放大所述微波的步骤放大后的所述微波的一部分，基于该结果，进行放大所述微波的放大器的输出调节和设置于所述供给路径的匹配器的阻抗调节中的至少一个调节的步骤。
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