JP2005293993A - マグネトロン発振装置 - Google Patents

Abstract

【課題】プラズマの電子温度をさらに低くし、しかも高いプラズマ密度を維持することが可能なマグネトロン電源装置を提供する。
【解決手段】マグネトロン１のヒーター／カソードＨ／ＫとアノードＡとの間に電界を形成するアノード電源２と、ヒーター／カソードＨ／Ｋとアノード電源２との間に接続され制御信号Ｓ₁₁，Ｓ₁₂，Ｓ₁₃に基づき導通および非導通が切り替わるスイッチ回路４とを備える。これにより、ヒーター／カソードＨ／ＫとアノードＡとの間に間欠的な電界が形成されるので、マグネトロン１が間欠的に発振する。このようにして得られたマイクロ波でプラズマを生成すると、マイクロ波からプラズマへのエネルギー供給が停止されたときに、高いプラズマ密度を維持しつつプラズマの電子温度が低下する。
【選択図】 図１

Description

本発明は、マグネトロン発振装置に関し、特に、マグネトロンのカソードと接地したアノードとの間に電圧を印加してマイクロ波を発振させるマグネトロン発振装置に関する。

半導体集積回路の製造には、マイクロ波により生成されたプラズマの作用により結晶成長やエッチング、アッシング等の処理を行うプラズマ処理装置が用いられている。この種のプラズマ処理装置では、マイクロ波発振管としてマグネトロンが多用されている。マグネトロンは、カソードとアノードとの間に電界を形成し、カソードから放出されアノードに向かう電子と電界に直交方向に加えられた磁界との相互作用によりマイクロ波を発振するものであり、低価格かつ高効率であるという特徴がある。

図８は、従来のマグネトロン発振装置の構成を示す図である。この図において、マグネトロン１は、カソードとヒーターとが一体となったヒーター／カソードＨ／Ｋと、アノードＡとを有している。アノードＡは、複数個のベインで構成され、カソードＫと同心的に設けられている。ベインで仕切られた空間により共振器が形成されている。

ヒーター／カソードＨ／Ｋの両端には、ヒーター電源３が接続されている。ヒーター電源３でヒーター／カソードＨ／Ｋに電流を流すことにより、ヒーター／カソードＨ／Ｋが加熱され、ヒーター／カソードＨ／Ｋから電子が放出される。
ヒーター／カソードＨ／Ｋの一端には、電源装置であるアノード電源２が接続されている。アースに接続されたアノードＡに対し、負の電圧をアノード電源２からヒーター／カソードＨ／Ｋに印加することにより、ヒーター／カソードＨ／ＫとアノードＡとの間に電界が形成され、ヒーター／カソードＨ／ＫからアノードＡに向けて電子が放出される。

また、ヒーター／カソードＨ／Ｋと電源２，３との間には、マグネトロン１で生成されたマイクロ波がアノード電源２およびヒーター電源３に流入しないように、コイルＬ₁，Ｌ₂とコンデンサーＣ₁，Ｃ₂とからなるローパスフィルタが設けられている。なお、コイルＬ₁，Ｌ₂は、それぞれヒーター／カソードＨ／Ｋの両端とコンデンサーＣ₁，Ｃ₂との間に接続されている。また、コンデンサーＣ₁，Ｃ₂としては、マグネトロン１のヒーター／カソードＨ／Ｋを外部に取り出すために筐体に形成された貫通孔に挿入される貫通コンデンサー等が用いられており、コンデンサーＣ₁，Ｃ₂は、それぞれコイルＬ₁，Ｌ₂とヒーター電源３との接続点とアースとの間に接続されたコンデンサーに相当する。

なお、上述した従来技術は、出願人が出願時点で知る限りにおいて文献公知ではない。
また、出願人は、出願時までに本発明に関連する先行技術文献を発見することができなかった。よって、先行技術文献情報を開示していない。

上述した従来のマグネトロン発振装置では、アノード電源２から電圧を加えることにより、マグネトロン１を発振させていた。このようにして得られたマイクロ波電力でプラズマを生成すると低圧力で高密度なプラズマが得られ、かつ、マイクロ波より低い周波数の高周波電力で生成したプラズマより低い電子温度のプラズマが得られる。しかし、従来のマグネトロン発振装置を搭載したプラズマ処理装置では、例えば、微細なシリコン酸化膜コンタクトホールエッチング時の下地シリコンに対する選択性の低下や、ゲートポリシリコン電極エッチング時の蓄積電荷による異常なサイドエッチング、ゲート酸化膜の絶縁破壊等が発生し、このため、線幅１μｍ以下の微細加工を行うことが困難であるという問題があった。

本発明はこのような課題を解決するためになされたものであり、その目的は、プラズマの電子温度をさらに低くし、しかも高いプラズマ密度を維持することが可能なマグネトロン発振装置を提供することにある。

このような目的を達成するために、本発明に係るマグネトロン発振装置は、マグネトロンのカソードとアノードとの間に電界を形成する電源装置と、カソードと電源装置との間に接続され制御信号に基づき導通および非導通が切り替わるスイッチ回路とを備えることを特徴とする。
また、カソードとスイッチ回路との間に接続されマグネトロンのパルス発振の立ち上がり時間を制御する充電回路を更に備えていてもよい。

また、第１の電源とこれよりも出力電圧の絶対値が小さい第２の電源を設け、第２の電源とカソードとの間に接続されスイッチ回路と相補的に導通および非導通が切り替わり、マグネトロンのパルス発振の立ち下がり時間を制御する放電回路とを更に備えていてもよい。
あるいは、電源装置に二つの出力端子を設け、出力電圧の絶対値がより大きい出力端子を第１の出力端子、他方を第２の出力端子とし、第２の出力端子とカソードとの間に接続されスイッチ回路と相補的に導通および非導通が切り替わり、マグネトロンのパルス発振の立ち下がり時間を制御する放電回路とを更に備えていてもよい。

また、少なくともスイッチ回路に発生する異常を検出し異常検出信号を出力する異常検出回路と、異常検出信号が入力されたときに電源装置とスイッチ回路との接続点をアースに接続する保護回路とを更に備えていてもよい。
あるいは、少なくともスイッチ回路に発生する異常を検出し異常検出信号を出力する異常検出回路と、異常検出信号が入力されたときに第１の電源とスイッチ回路との接続点あるいは第２の電源と放電回路との接続点をアースに接続する保護回路とを更に備えていてもよい。
あるいは、少なくともスイッチ回路に発生する異常を検出し異常検出信号を出力する異常検出回路と、異常検出信号が入力されたときに第１の出力端子とスイッチ回路との接続点あるいは第２の出力端子と放電回路との接続点をアースに接続する保護回路とを更に備えていてもよい。

ここで、少なくともスイッチ回路、放電回路および保護回路の何れか一つが、ＩＧＢＴ、ＦＥＴおよびサイリスタのいずれかからなるスイッチング素子を備えていてもよい。
また、少なくともスイッチ回路、放電回路および保護回路の何れか一つが、直列または並列に接続された複数のスイッチング素子を備えていてもよい。
また、少なくとも電源装置、第１および第２の電源の何れか一つが、スイッチングレギュレーターからなるものであってもよい。

本発明に係るマグネトロン発振装置では、制御信号に基づきスイッチ回路でマグネトロンのカソードと電源装置との間の導通および非導通を切り替えることにより、カソードとアノードとの間に間欠的に電界が形成されるので、マグネトロンが間欠的に発振する。このようにして得られた間欠的なマイクロ波でプラズマを生成すると、マイクロ波からプラズマへのエネルギー供給が停止されたときに、高いプラズマ密度を維持しつつプラズマの電子温度が低下する。したがって、このマグネトロン発振装置をプラズマ処理装置に使用することにより、例えば半導体集積回路の製造において、従来よりも微細な加工を行うことが可能となる。

また、スイッチ回路と直列に充電回路を接続し、充電回路の抵抗値を適当に選ぶことでカソードとアース間に接続されたコンデンサーの容量値とにより時定数が決まり、スイッチ回路を非導通から導通に切り替えたときカソード−アノード間の電界の立ち上がり時間、ひいては間欠的な発振によるマイクロ波の立ち上がり時間を制御できる。

また、スイッチ回路に対して相補的に動作する放電回路に含まれる放電用スイッチ回路により、コンデンサーと第２の電源または電源装置の第２の端子との間の導通および非導通を切り替える。第２の電源または電源装置の第２の端子は第１の電源または電源装置の第１の端子よりも出力電圧の絶対値が小さいので、スイッチ回路が導通状態のときに第１の電源または電源装置の第１の端子により充電されたコンデンサーの電荷は、スイッチ回路が非導通になったときに、導通状態になった放電回路を介して第２の電源または電源装置の第２の端子に放電される。このため、放電用スイッチ回路を導通にしたときカソード−アノード間の電界の立ち下がり時間、ひいては間欠的な発振によるマイクロ波の立ち下がり時間が短くなる。

また、放電回路に含まれる放電用抵抗により、第２の電源または電源装置の第２の端子に流れる電流が制限される。この状態の下では、マグネトロンから第２の電源または電源装置の第２の端子をみた抵抗値にコンデンサーの容量値を掛けた時定数により決まる立ち下がり時間でマグネトロンの発振が停止する。

また、異常検出回路でスイッチ回路等に発生する異常を検出し、異常が検出されたときに、例えば電源装置とスイッチ回路との接続点をアースに接続する。これにより、電源装置がＯＦＦ状態になり、異常電流によるスイッチ回路等の破損を防止することができる。
また、スイッチ回路、放電回路および保護回路を、それぞれ直列または並列に接続された複数のスイッチング素子で構成することにより、異常電圧または異常電流によるスイッチング素子の破損を防止することができる。

以下、図面を参照し、本発明の実施の形態について説明する。なお、以下の図面において、図８に示した構成要素と同一または相当する部分については図８と同一符号を付し、適宜その説明を省略する。
［第１の実施の形態］
図１は、本発明の第１の実施の形態に係るマグネトロン発振装置の構成を示すブロック図である。この図に示すマグネトロン発振装置には、アノード電源（電源装置）２の出力側にスイッチ回路４が設けられている。

スイッチ回路４は、３個のスイッチング素子Ｔｒ₁₁，Ｔｒ₁₂，Ｔｒ₁₃が直列接続された構成をしている。スイッチング素子Ｔｒ₁₁〜Ｔｒ₁₃は、入力される第１の制御信号Ｓ₁₁，Ｓ₁₂，Ｓ₁₃の極性により導通および非導通が切り替わる。例えば、スイッチング素子Ｔｒ₁₁〜Ｔｒ₁₃がｎチャネルＭＯＳＦＥＴで形成されている場合には、制御信号Ｓ₁₁，Ｓ₁₂，Ｓ₁₃の極性がソースに対して正のときに導通し、負のときに非導通となる。スイッチ回路４のスイッチング素子Ｔｒ₁₁〜Ｔｒ₁₃が導通しているときには、アノード電源２からの負の電圧がヒーター／カソードＨ／Ｋに出力され、非導通のときには、負の電圧の出力が停止される。制御信号Ｓ₁₁，Ｓ₁₂，Ｓ₁₃の極性を周期的に変化させることにより、制御信号Ｓ₁₁，Ｓ₁₂，Ｓ₁₃の周期に応じてヒーター／カソードＨ／ＫとアノードＡとの間に電圧が間欠的に印加される。その結果、ヒーター／カソードＨ／ＫとアノードＡとの間には間欠的に電界が形成される。この電界のエネルギーにより、マグネトロン１が発振し、間欠的なマイクロ波が出力される。このマイクロ波でプラズマを生成すると、マイクロ波からプラズマへのエネルギー供給が停止されたときに、プラズマの電子温度が低下するがプラズマ密度は殆ど変化せず、高いプラズマ密度を維持する。すなわち、電子温度が低くプラズマ密度が高いプラズマが得られる。

ここで、制御信号Ｓ₁₁，Ｓ₁₂，Ｓ₁₃として極性変化の周期が短いパルス信号を用いることにより、マグネトロン１がパルス発振し、パルス状のマイクロ波が出力される。このマイクロ波がＯＮの時、マイクロ波からプラズマへのエネルギー供給によりプラズマのプラズマ密度が高くなる。マイクロ波がＯＦＦの時、プラズマはプラズマ密度高が殆ど変わらずにプラズマの電子温度が下がる。従って高密度・低電子温度のプラズマが得られる。よって、このマグネトロン発振装置をプラズマ処理装置に使用することにより、例えば半導体集積回路の製造において、従来よりも微細な加工を行うことが可能となる。

なお、スイッチ回路４は１個のスイッチング素子で構成してもよい。また、３個に限らず、複数のスイッチング素子が直列接続された構成としてもよい。この場合には、スイッチ回路４の両端に異常電圧がかかったときに異常電圧が分圧され、スイッチング素子１ヶあたりに加わる電圧が下がり破損を防止することができる。また、複数のスイッチング素子が並列接続された構成としてもよい。この場合には、スイッチ回路４に異常電流が流入したときに異常電流が分流され、スイッチング素子１ヶあたりに流入する異常電流が減り破損を防止することができる。また、スイッチング素子として、ＩＧＢＴ（insulated-gate bipolar transistor）、ＦＥＴ（Field Effect Transistor）またはサイリスタを用いてもよい。
また、アノード電源２として、スイッチングレギュレーターを用いてもよい。スイッチングレギュレーターを用いることにより、アノード電源２の出力電圧の安定化が図れるので、マグネトロン１から安定したマイクロ波出力を得ることができる。

［第２の実施の形態］
第１の実施の形態に係るマグネトロン発振装置では、マグネトロン１からみたアノード電源２の出力インピーダンスの抵抗分とコンデンサーＣ₁，Ｃ₂の容量値との積である時定数が存在する。この時定数は、アノード電源２によりヒーター／カソードＨ／ＫとアノードＡとの間に印加される電圧の立ち上がり時間および立ち下がり時間に大きな影響を与える。制御信号Ｓ₁₁，Ｓ₁₂，Ｓ₁₃として図２（ａ）に示すようなパルス波形を用いても、上記アノード電圧は立ち上がりおよび立ち下がりが遅れ、図２（ｂ）に示すような波形になる。例えば、アノード電源２の出力インピーダンスの抵抗分が約７ｋΩ、コンデンサーＣ₁，Ｃ₂の容量値が約２０００ｐＦのときには、上記電圧の立ち上がり時間ｔ₁および立ち下がり時間ｔ₂が２０μｓ〜５０μｓとなる。ヒーター／カソードＨ／ＫとアノードＡとの間に印加される電圧によりマグネトロン１が発振するので、マグネトロン１から出力される間欠的なマイクロ波の電力もまた図２（ｂ）の波形と同様に、立ち上がりおよび立ち下がりが遅れる。

マイクロ波の立ち上がりおよび立ち下がりが遅れる結果、マイクロ波のＯＮ／ＯＦＦの周期を短くすることができない。また、鋭いパルス立ち下がり波形が形成されずプラズマ処理で重要な働きをするプラズマのアフタグローの生成効率が低下してしまう。
そこで、本実施の形態では、マイクロ波の立ち上がりを速くするために充電回路を備えたマグネトロン発振装置について説明する。
図３は、本実施の形態に係るマグネトロン発振装置の構成を示すブロック図である。この図において、図１に示した構成要素と同一または相当する部分については図１と同一符号を付し、適宜その説明を省略する。

図３に示すマグネトロン発振装置には、充電回路５が設けられている。充電回路５は、コンデンサーＣ₂とヒーター電源３との接続点と、スイッチ回路４との間に直列に接続されている。この充電回路５は、インピーダンス回路Ｚ₁を含んでいる。一方、アノード電源２の出力インピーダンスがＺ₁に対して低くなるようにするため、アノード電源２の出力は、コンデンサーを入れるか、出力特性を定電圧特性としている。

このような充電回路５を設けることにより、アノード電源２から出力される電流は、インピーダンスＺ₁の抵抗値により決定される。インピーダンス回路Ｚ₁の抵抗値に対しアノード電源２の出力インピーダンスが十分に小さい場合には、マグネトロン１からみたアノード電源２側の抵抗値は、インピーダンス回路Ｚ₁の抵抗値とほぼ同一の値になる。したがって、マグネトロン１からみたアノード電源２側の抵抗値とコンデンサーＣ₁，Ｃ₂の容量値との積で決まる時定数はインピーダンスＺ₁の抵抗値により決定される。従って、インピーダンスＺ₁の抵抗値を適当に選ぶことにより立ち上がり時間を制御することができる。

このため、スイッチ回路４を非導通から導通に切り替えたときに、アノード電源２の出力電圧によりコンデンサーＣ₁，Ｃ₂への充電が速やかに行われる。その結果、ヒーター／カソードＨ／ＫとアノードＡとの間に印加される電圧の立ち上がり時間、ひいてはマイクロ波の立ち上がり時間ｔ₁が短くなる。インピーダンス回路Ｚ₁の抵抗値を適切に選ぶことにより、立ち上がり時間ｔ₁を１μｓ以下にすることが可能である。
したがって、本実施の形態によれば、マイクロ波のＯＮ／ＯＦＦの周期を短くしてもマイクロ波の立ち上がりの遅れによりＯＮ時間が短くなることはないので、プラズマの生成効率を維持することができる。

なお、上述したように充電回路５を設けて定電流特性を持った動作とすることにより、マグネトロン１の発振動作を安定させ、安定したマイクロ波出力を得ることができる。
また、マグネトロン１の発振時、アノード電源２の出力は充電回路５のインピーダンス回路Ｚ₁を通してマグネトロン１のヒーター／カソードＨ／Ｋに印加されるので、マグネトロン１に対し過度な電流が加えられることをインピーダンス回路Ｚ₁の抵抗値により抑制することができる。

［第３の実施の形態］
上述したように、第１の実施の形態に係るマグネトロン発振装置では、マグネトロン１から出力されるマイクロ波の立ち下がりが遅れる。その結果、鋭いパルス立ち下がり波形が形成されずプラズマ処理で重要な働きをするプラズマのアフタグローの生成効率が低下してしまう。
そこで、本実施の形態では、マイクロ波の立ち下がりを速くするために放電回路を備えたマグネトロン発振装置について説明する。

図４は、本実施の形態に係るマグネトロン発振装置の構成を示すブロック図である。この図において、図１に示した構成要素と同一または相当する部分については図１と同一符号を付し、適宜その説明を省略する。
図４に示すマグネトロン発振装置には、マグネトロン１への電圧印加停止時に、コンデンサーＣ₁，Ｃ₂に充電された電荷を放電する放電回路６が設けられている。また、アノード電源２に代えて、カソード電源２０が用いられている。

ここで、アノード電源２０には、直列に接続された複数の電圧源Ｖ₁，Ｖ₂，Ｖ₃からなる第１の電源２１と、アース側の２つの電圧源Ｖ₁，Ｖ₂からなる第２の電源２２とが内在している。なお、電圧源Ｖ₁〜Ｖ₃として、スイッチングレギュレーターを用いてもよい。第１および第２の電源２１，２２のアース端子をアース端子２０Ａ、第１の電源２１の出力端子を第１の出力端子２１Ａ、第２の電源２２の出力端子を第２の出力端子２２Ａとする。第２の電源２２は第１の電源２１よりも電圧源の数が少ないので、第２の出力端子２２Ａからは第１の出力端子２１Ａよりも小さい電圧（絶対値）が出力される。
スイッチ回路４は、コンデンサーＣ₂とヒーター電源３との接続点と、アノード電源２０の第１の出力端子２１Ａとの間に接続されている。放電回路６は、上記接続点とアノード電源２０の第２の出力端子２２Ａとの間に接続されている。

放電回路６は、３個のスイッチング素子Ｔｒ₂₁，Ｔｒ₂₂，Ｔｒ₂₃とインピーダンス回路Ｚ₂とが直列接続された構成をしている。スイッチング素子Ｔｒ₂₁〜Ｔｒ₂₃は、入力される第２の制御信号Ｓ₂₁，Ｓ₂₂，Ｓ₂₃の極性により導通および非導通が切り替わる。図５に示すように、制御信号Ｓ₁₁，Ｓ₁₂，Ｓ₁₃と制御信号Ｓ₂₁，Ｓ₂₂，Ｓ₂₃とは互いに逆極性であり、パルスの立ち上がり時にスイッチ回路４のスイッチング素子Ｔｒ₁₁〜Ｔｒ₁₃が導通状態となり、次にパルスの立ち下がり時に放電回路６のスイッチング素子Ｔｒ₂₁〜Ｔｒ₂₃が短時間導通状態となる。すなわち、スイッチ回路４が導通または非導通のときには、放電回路６は非導通または導通となる。
スイッチング素子Ｔｒ₂₁〜Ｔｒ₂₃に直列に接続されたインピーダンス回路Ｚ₂としては、コンデンサーＣ₁，Ｃ₂に充電された電荷が速やかに放電されるような値とする。

次に、本実施の形態の動作について説明する。
第１の制御信号Ｓ₁₁，Ｓ₁₂，Ｓ₁₃の極性が正、第２の制御信号Ｓ₂₁，Ｓ₂₂，Ｓ₂₃の極性が負のときには、スイッチ回路４が導通し、放電回路６が非導通になる。このとき、アノード電源２０の第１の出力端子２１Ａの出力電圧は、コンデンサーＣ₁，Ｃ₂を充電するとともに、マグネトロン１のヒーター／カソードＨ／ＫとアノードＡとの間に印加されてマグネトロン１を発振させる。

その後、第１および第２の制御信号Ｓ₁₁，Ｓ₁₂，Ｓ₁₃およびＳ₂₁，Ｓ₂₂，Ｓ₂₃の極性がそれぞれ負および正に反転すると、スイッチ回路４が非導通になり、放電回路６が導通する。このとき、アノード電源２０の第１の出力端子２１Ａの出力電圧は、スイッチ回路４により遮断される。また、アノード電源２０の第２の出力端子２２Ａの出力電圧が、充電されたコンデンサーＣ₁，Ｃ₂の電圧よりも低いので、コンデンサーＣ₁，Ｃ₂に充電された電荷が、導通している放電回路６を通ってアノード電源２０の第２の出力端子２２Ａに放電される。これにより、ヒーター／カソードＨ／ＫとアノードＡ間の電圧が低下し、マグネトロン１の発振が停止する。

放電回路６には、スイッチング素子Ｔｒ₂₁のマグネトロン１側にインピーダンス回路Ｚ₂が直列に接続されているので、第２の実施の形態におけるインピーダンス回路Ｚ₁と同じ作用により、マグネトロン１からみたアノード電源２０（第２の電源２２）側の抵抗値が小さくなり、この抵抗値とコンデンサーＣ₁，Ｃ₂の容量値の積である時定数も小さくなる。このため、コンデンサーＣ₁，Ｃ₂の放電が速やかに行われる。その結果、ヒーター／カソードＨ／ＫとアノードＡ間の電圧の立ち下がり時間ｔ₂、ひいてはマイクロ波の立ち下がり時間が短くなる。インピーダンス回路Ｚ₂の抵抗値を適切に選ぶことにより、立ち下がり時間ｔ₂を１μｓ以下にすることが可能である。

したがって、本実施の形態によれば、マイクロ波のＯＮ／ＯＦＦの周期を短くすることができ、また、コンデンサーＣ₁，Ｃ₂に充電された電荷を速やかに放電し、マグネトロンの発振を停止し、アフタグローの生成効率の低下を阻止できる。
なお、放電回路６は１個のスイッチング素子で構成されてもよい。また、３個に限らず、複数のスイッチング素子が直列接続された構成としてもよい。また、複数のスイッチング素子が並列接続された構成としてもよい。また、スイッチング素子として、ＩＧＢＴ、ＦＥＴまたはサイリスタを用いてもよい。
また、アノード電源２０に第１および第２の電源２１，２２が内在している構成を示したが、第１および第２の電源２１，２２がそれぞれ独立に設けられた構成としてもよい。

［第４の実施の形態］
図６は、本発明の第４の実施の形態に係るマグネトロン発振装置の構成を示すブロック図である。この図において、図１、図３および図４に示した構成要素と同一または相当する部分については、これらの図と同一符号を付し、適宜その説明を省略する。
図６に示すマグネトロン発振装置には、第２の実施の形態における充電回路５および第３の実施の形態における放電回路６の両方が設けられている。このため、マグネトロン１の間欠的な発振によるマイクロ波の立ち上がり時間ｔ₁および立ち下がり時間ｔ₂を短くし、例えばそれぞれを１μｓ以下にすることが可能である。従って、次に述べるようなパルス発振の条件であるマイクロ波のＯＮ／ＯＦＦの周期を４０μｓ程度、すなわちマイクロ波のＯＮ時間およびＯＦＦ時間をそれぞれ２０μｓ程度まで短くすることは充分可能となる。

ＥＣＲプラズマ、誘導結合プラズマ、ヘリコン波プラズマ等のプラズマ生成方式等の条件により若干相違するが、マイクロ波をＯＦＦにしてから２０μｓ程度まではプラズマの電子温度は低下するものの、プラズマ密度は維持される。このため、マイクロ波のＯＮ／ＯＦＦの周期を４０μｓ程度まで短くすることにより、プラズマの生成効率を維持しつつ、その電子温度を低下させることができ、しかも高いプラズマ密度を維持することができる。したがって、このマグネトロン発振装置をプラズマ処理装置に使用することにより、例えば半導体集積回路の製造において、線幅１μｍ以下の微細加工を行うことが可能となる。

［第５の実施の形態］
本発明の第５の実施の形態に係るマグネトロン発振装置は、異常電流による各部の破損を防止できるようにしたものである。図７は、このマグネトロン発振装置の構成を示すブロック図である。この図において、図１、図３、図４および図６に示した構成要素と同一または相当する部分については、これらの図と同一符号を付し、適宜その説明を省略する。

図７に示すマグネトロン発振装置には、異常検出回路としてのセンサ７，８と、保護回路９とが設けられている。ここで、センサ７は、アノード電源２０の第１の出力端子２１Ａにスイッチ回路４と直列に接続され、スイッチ回路４に流れる異常電流を検出する。センサ８は、アノード電源２０の第２の出力端子２２Ａに放電回路６と直列に接続され、放電回路６に流れる異常電流を検出する。センサ７，８は共に、異常電流を検出したときに、異常検出信号としてトリガーＴｒｇを保護回路９に出力する。
保護回路９は、アノード電源２０の第１の出力端子２１Ａに接続され、トリガーＴｒｇが入力されたときに第１の出力端子２１Ａをアースに短絡する。この保護回路９は、３個のスイッチング素子ＳＣＲ₁，ＳＣＲ₂，ＳＣＲ₃が直列に接続された構成をしている。スイッチング素子は通常は非導通であり、トリガーＴｒｇが入力されたときのみ導通し、アノード電源２０の第１の出力端子２１Ａをアースに短絡する。

このような構成にすることにより、異常電流が発生したときに、アノード電源２０の第１の出力端子２１Ａが瞬時にアースに短絡され、アノード電源２０が強制的にＯＦＦ状態になる。したがって、異常電流によるマグネトロン１、スイッチ回路４および放電回路６の破損を防止することができる。
なお、保護回路９は１個のスイッチング素子で構成してもよい。また、３個に限らず、複数のスイッチング素子が直列接続された構成としてもよい。また、複数のスイッチング素子が並列接続された構成としてもよい。また、スイッチング素子として、ＩＧＢＴ、ＦＥＴまたはサイリスタを用いてもよい。

また、アノード電源２０に第１および第２の電源２１，２２が内在している場合について説明したが、第１および第２の電源２１，２２がそれぞれ独立に設けられた場合には、第１の電源２１の第１の出力端子２１Ａおよび第２の電源２２の第２の出力端子２２Ａいずれにも保護回路を設ける。しかし、いずれの場合もそれらの接続位置に限定されるものではなく適宜選定すればよい。
また、センサ７，８がアノード電源２０の第１および第２の出力端子２１Ａ，２２Ａに接続される例を示したが、センサ７，８の接続位置はこの位置に限定されるものではない。また、スイッチ回路４や放電回路６を構成するスイッチング素子Ｔｒ₁₁，Ｔｒ₂₁等の誤動作を引き起こす電磁波を検出するセンサを用いてもよい。この場合には、電磁波の検出に最も適した場所にセンサを配置することが望ましい。

本発明に係るマグネトロン発振装置は、半導体集積回路製造のプラズマ処理装置等に利用することができる。

本発明の第１の実施の形態に係るマグネトロン発振装置の構成を示すブロック図である。 （ａ）第１の制御信号の波形と、（ｂ）ヒーター／カソード−アノード間の電圧の波形との関係を示す図である。 本発明の第２の実施の形態に係るマグネトロン発振装置の構成を示すブロック図である。 本発明の第３の実施の形態に係るマグネトロン発振装置の構成を示すブロック図である。 （ａ）第１の制御信号の波形と、（ｂ）第２の制御信号の波形との関係を示す図である。 本発明の第４の実施の形態に係るマグネトロン発振装置の構成を示すブロック図である。 本発明の第５の実施の形態に係るマグネトロン発振装置の構成を示すブロック図である。 従来のマグネトロン発振装置の構成を示すブロック図である。

符号の説明

１…マグネトロン、２，２０…アノード電源、３…ヒーター電源、４…スイッチ回路、５…充電回路、６…放電回路、７，８…センサ、９…保護回路、２０Ａ…アース端子、２１…第１の電源、２１Ａ…第１の出力端子、２２…第２の電源、２２Ａ…第２の出力端子、Ｃ₁，Ｃ₂…コンデンサー、Ｈ／Ｋ…ヒーター／カソード、Ａ…アノード、Ｌ₁，Ｌ₂…コイル、Ｓ_11,Ｓ_12,Ｓ₁₃，Ｓ_21,Ｓ_22,Ｓ₂₃…制御信号、ＳＣＲ₁，ＳＣＲ₂，Ｔｒ₁₁〜Ｔｒ₁₃，Ｔｒ₂₁〜Ｔｒ₂₃…スイッチング素子、Ｔｒｇ…トリガー、Ｖ₁〜Ｖ₃…電圧源、Ｚ₁，Ｚ₂…インピーダンス回路。

Claims (10)

1. マイクロ波を発振するマグネトロンと、該マグネトロンに電力を加える電源装置を備え、該電源装置により前記マグネトロンのカソードと接地したアノードとの間に電圧を印加してマイクロ波を発振させるマグネトロン発振装置において、
   前記カソードと前記電源装置との間に接続され制御信号に基づき導通および非導通が切り替わるスイッチ回路を備えることにより前記マグネトロンをパルス発振させるようにしたことを特徴とするマグネトロン発振装置。
2. 請求項１に記載のマグネトロン発振装置において、
   前記カソードと前記スイッチ回路との間に接続された充電回路を更に備え、前記マグネトロンのパルス発振の立ち上がり時間を制御することを特徴とするマグネトロン発振装置。
3. 請求項１または２に記載のマグネトロン発振装置において、
   前記電源装置を第１の電源とし、該第１の電源よりも出力電圧の絶対値が小さい第２の電源を設け、
   前記カソードと前記第２の電源との間に接続され前記スイッチ回路と相補的に導通および非導通が切り替わる放電用スイッチ回路と放電用抵抗を含む放電回路と
   を更に備え、前記マグネトロンのパルス発振の立ち下がり時間を制御することを特徴とするマグネトロン発振装置。
4. 請求項１または２に記載のマグネトロン発振装置において、
   前記電源装置に二つの出力端子を設け、出力電圧の絶対値がより大きい出力端子を第１の出力端子、他方を第２の出力端子とし、
   前記カソードと前記第２出力端子との間に接続され前記スイッチ回路と相補的に導通および非導通が切り替わる放電用スイッチ回路と放電用抵抗を含む放電回路と
   を更に備え、前記マグネトロンのパルス発振の立ち下がり時間を制御することを特徴とするマグネトロン発振装置。
5. 請求項１または２に記載のマグネトロン発振装置において、
   少なくとも前記スイッチ回路に発生する異常を検出し異常検出信号を出力する異常検出回路と、
   前記異常検出信号が入力されたときに前記電源装置と前記スイッチ回路との接続点をアースに接続する保護回路と
   を更に備えることを特徴とするマグネトロン発振装置。
6. 請求項３に記載のマグネトロン発振装置において、
   少なくとも前記スイッチ回路に発生する異常を検出し異常検出信号を出力する異常検出回路と、
   前記異常検出信号が入力されたときに前記第１の電源と前記スイッチ回路との接続点あるいは前記第２の電源と前記放電回路との接続点をアースに接続する保護回路と
   を更に備えることを特徴とするマグネトロン発振装置。
7. 請求項４に記載のマグネトロン発振装置において、
   少なくとも前記スイッチ回路に発生する異常を検出し異常検出信号を出力する異常検出回路と、
   前記異常検出信号が入力されたときに前記第１の出力端子と前記スイッチ回路との接続点あるいは前記第２の出力端子と前記放電回路との接続点をアースに接続する保護回路と
   を更に備えることを特徴とするマグネトロン発振装置。
   
8. 請求項１〜７に記載のマグネトロン発振装置において、
   少なくとも前記スイッチ回路、放電回路および保護回路の何れか一つが、ＩＧＢＴ、ＦＥＴおよびサイリスタのいずれかからなるスイッチング素子を備えることを特徴とするマグネトロン発振装置。
9. 請求項１〜８に記載のマグネトロン発振装置において、
   少なくとも前記スイッチ回路、放電回路および保護回路の何れか一つが、直列または並列に接続された複数のスイッチング素子を備えることを特徴とするマグネトロン発振装置。
10. 請求項１〜９のいずれか１項に記載のマグネトロン発振装置において、
    少なくとも前記電源装置、第１および第２の電源の何れか一つが、スイッチングレギュレーターからなることを特徴とするマグネトロン発振装置。
    

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