JP2007157518A - マイクロ波装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 マグネトロンと負荷室とを連結させるマイクロ波立体回路の構成を単純化し、マイクロ波電力を利用した加熱装置やプラズマ発生装置の生産コストを下げること。
【解決手段】 マグネトロン２１と負荷室としての減圧室２６とを連結するマイクロ波立体回路を導波管２２で形成すると共に、この導波管２２には、マイクロ波電力を減圧室２６に放射する２次アンテナ２５と負荷インピ−ダンスを調節する金属スタブ３１とを設け、前記マグネトロン２１を定格又は定格未満の動作条件で動作可能とした構成となっている。
【選択図】 図２

Description

本発明は、マイクロ波プラズマ発生装置、マイクロ波加熱装置などとして利用するマイクロ波装置に関する。

図７は、従来例として示したマイクロ波プラズマ発生装置の概略図である。
図示するように、このプラズマ発生装置は、マグネトロン１０から出力するマイクロ波電力がマイクロ波立体回路１１を介してプラズマ発生チャンバ−（減圧室）１２に送られる。

また、プラズマ発生チャンバ−１２は、内部を減圧するための真空ポンプ１３と、プラズマ源となるガスを供給するガス供給装置１４とを備えている。
この種のプラズマ発生装置は、半導体製造において、エッチング、アッシング、クリ−ニンクなどの各種用途に利用されている。

なお、上記したプラズマ発生装置は、エネルギ−が比較的に低いにも拘わらず高密度である表面波プラズマを発生させることができ、また、プラズマ源として、水素、酸素、窒素、アルゴン、シラン、メタンなどいろいろな原子や分子が使用できることから、その応用分野が拡大されている。

しかしながら、上記のようなプラズマ発生装置は、マグネトロンの保護とプラズマの安定性とから、導波管構成のマイクロ波立体回路１１を備えるために、コスト高のものとなり、マイクロ波プラズマの応用分野を拡大させる上に問題となっていた。

今少し具体的に述べれば、マイクロ波立体回路１１は、図示する如く、ランチャ−導波管１５とテ−パ−導波管１６とからなる高周波結合器、アイソレ−タ１７、パワ−モニタ１８、定在波発生器１９、繋ぎ導波管２０によって構成されている。

上記の高周波結合器は、マグネトロン１０のアンテナをランチャ−導波管１５内に突設させてあり、そのアンテナから放射されたマイクロ波電力をマイクロ波立体回路１１に導入させる。

アイソレ−タ１７は、プラズマ発生チャンバ−１２からマグネトロン１０に向かうマイクロ波電力の反射波を吸収する。
パワ−モニタ１８は、プラズマ発生チャンバ−１２に向かうマイクロ波電力の進行波と、プラズマ発生チャンバ−１２からマグネトロン１０に向かうマイクロ波電力の反射波とを表示する。

定在波発生器１９は、３本或いは４本の金属スタブを導波管内に挿入し、その挿入長を調節することにより定在波をコントロ−ル（負荷インピ−ダンスを変化させる）するスタブ方式の定在波発生器と、導波管のＥ面とＨ面とに取付けた副導波管の各々の短絡面の位置を変えることにより定在波をコントロ−ルするＥＨ面方式の定在波発生器とがあるが、図１に示す定在波発生器はＥＨ面方式のものとなっている。

なお、定在波発生器１９には、定在波発生器の直前（マグネトロン側）の反射波をモニタし、反射波が自動的に最小となるように定在波を発生させる機能をもたせたものとしてオ−トチュ−ナ−がある。

上記した従来のプラズマ発生装置は、プラズマが発生していない状態では、プラズマ発生チャンバ−１２内にはマイクロ波電力を吸収するものがないので、マグネトロン１０に向かってマイクロ波電力が反射する。

したがって、プラズマ発生チャンバ−１２内には定在波が立つ。
なお、マグネトロン１０に向かった反射波は、アイソレ−タ１７によって全て吸収されるため、マグネトロン１０には大きな電力の反射波は戻らない。

定在波発生器１９を使って反射波を多くすると、定在波発生器１９とプラズマ発生チャンバ−１２との間で共振関係が成立し、大きな定在波が立つようになる。
すなわち、プラズマ発生チャンバ−１２内にも大きな定在波が立つので、定在波の腹の部分で大きな電界ができ、プラズマが発生する。

プラズマが一旦発生すると、プラズマはマイクロ波によって黒体として働き、マイクロ波電力を全て吸収するので、定在波を立てないように定在波発生器１９を調節し、マイクロ波電力を効率良くプラズマ発生チャンバ−１２に伝達させる。

定在波発生器１９のこのときの調節は、パワ−モニタ１８の指示値を見ながら、反射波を少なくするように行なう。
なお、定在波発生器１９がオ−トチュ−ナ−であるときは、上記調節が自動的に行なわれる。

上記の如く、従来のマイクロ波プラズマ発生装置では、マイクロ波立体回路１１を構成するため、アイソレ−タ１７（例えば、３０万円）、定在波発生器１９としてのオ−トチュ−ナ−（例えば、１００万円）、パワ−モニタ１８（例えば、２０万円）などの高価な商品が必要となる。
このため、マイクロ波プラズマ発生装置がコストアップすると言う問題があった。

反面、上記したところのマイクロ波立体回路１１を備えることによって、マグネトロン１０がメ−カ−の推奨動作条件（定格条件）での動作が可能になる。
つまり、マグネトロン１０のマイクロ波出力と動作周波数との関係を示す、例えば、図８の定格出力１４００Ｗのマグネトロンのリ−ケ線図において、中央部の推奨動作領域８Ａで動作させることができるから、マグネトロン１０が定在波発生器１９によってほぼ整合（ＶＳＷＲ≦１．８）で動作するようになる。ただし、ＶＳＷＲは電圧定在波比である。

なお、図８のリ−ケ線図に示した領域８Ｂは、モ−ディンク領域（正常発振ができなくなる領域）、領域８Ｃは、マグネトロンのアンテナ近傍でマイクロ波放電領域、領域８Ｄは、マグネトロンの入出力部の過熱領域である。
これらの領域は、マグネトロンを定格未満で動作させることにより、それぞれの領域が最外周円（即ち、完全反射）の方向に縮小或いは消滅する。ただし、領域８Ｅは変化しない。
以下、上記した領域８Ｂ、８Ｃ、８Ｄは、これらをまとめて制限領域と呼ぶことにする。

特開平５−２９９０２４号公報

解決しようとする問題点は、高価となるマイクロ波立体回路を備えるために、マイクロ波装置の低廉化が困難となっている点である。

上記した課題を達成するため、本発明では第１の発明として、マグネトロンと負荷室とがマイクロ波立体回路により連結されているマイクロ波装置において、前記マイクロ波立体回路は、導波管によって形成すると共に、この導波管内には、金属スタブからなる定在波発生器を設け、前記マグネトロンを定格又は定格未満の動作条件で動作可能とすると共に、前記定在波発生器によって負荷インピ−ダンスを調節することを特徴とするマイクロ波装置を提案する。

第２の発明として、上記第１の発明のマイクロ波装置において、前記導波管の一端側にマグネトロンを、その他端側に負荷室としての減圧室を各々連結し、マグネトロンが出力するマイクロ波電力とプラズマ源となるガスとを前記減圧室に供給してこの減圧室内にプラズマを発生させることを特徴とするマイクロ波装置を提案する。

第３の発明として、上記第２の発明のマイクロ波装置において、マグネトロンのアンテナを１次アンテナとして前記導波管の一端側内に設け、前記１次アンテナから送られるマイクロ波を前記減圧室内に照射する２次アンテナを前記導波管の他端側に設けたことを特徴とするマイクロ波装置を提案する。

第１の発明のマイクロ波装置は、マグネトロンと負荷室とを連結するマイクロ波立体回路が導波管内に金属スタブを設けた単純な構成となっており、また、マグネトロンは定格又は定格未満の動作条件（定格未満の陽極電流条件）で動作可能となっている。

すなわち、マグネトロンは、メ−カ−が推奨する定格条件（例えば、図８に示すリ−ケ線図の推奨動作領域８Ａ）で動作させることによって最も効率よく大きな出力を得ることができるが、そのためには、既に述べたように、アイレ−タ、パワ−モニタ、オ−トチュ−ナなどを備えるマイクロ波立体回路を備えなければならない。

そこで、本発明では、導波管内に金属スタブを設けた単純なマイクロ波立体回路構成とし、マグネトロンについては、定格条件にかかわらず定格未満の陽極電流条件で動作を開始させ、動作開始後に予め設定した金属スタブによって負荷に向かって電圧定在波を小さくするようにして負荷インピ−ダンスを調節するようにしてある。

すなわち、マグネトロンを定格より低い出力の動作条件で動作させると、最大定格として規格化されている負荷インピ−ダンスが拡大される。
つまり、図８に示した制限領域は、定格未満で動作させることによって縮小或いは消滅することから、負荷インピ−ダンスが拡大し、より広い領域で動作開始が可能となる。

上記したように、第１発明のマイクロ波装置は、定在波発生器としての金属スタブを備えるだけのマイクロ波立体回路となるので低廉化に極めて有利なマイクロ波装置となる。

第２の発明は、上記した第１の発明のマイクロ波装置を利用したプラズマ発生装置となっている。
すなわち、負荷室を減圧すると共に、この減圧室にマイクロ波電力と共にプラズマ源となるガスを供給してプラズマを発生させる構成となっている。

このように構成したプラズマ発生装置は、プラズマが発生する前は、減圧室内にマイクロ波電力を吸収するものがないから、反射波が多く、したがって、減圧室内に定在波が立ち、定在波の腹の部分にできる大きな電界によってプラズマが発生する。

プラズマが発生した後は、マイクロ波電力がプラズマによって吸収されるため、反射波が少なく、マイクロ波電力が効率よく減圧室に供給される。

第３の発明は、マグネトロンのアンテナから送られるマイクロ波を上記した減圧室内に照射する２次アンテナを設け、この２次アンテナの近傍にマイクロ波表面プラズマを発生させる構成となっている。

次に、本発明をマイクロ波プラズマ発生装置として実施した実施形態について図面に沿って説明する。
図１は、プラズマ発生装置が備えるマグネトロンとマイクロ波立体回路とを示す平面図、図２は、上記のマグネトロンとマイクロ波立体回路の断面図である。

これらの図面において、２１は発振動作する公知のマグネトロンで、そのアンテナ２１ａからマイクロ波電力が出力される。
２２はマイクロ波立体回路を形成する導波管で、この導波管２２の一端部には、上記のマグネトロン２１をねじ止めによって取付けてあり、また、そのアンテナ２１ａを突入させてある。

さらに、導波管２２の他端部には、フッ素樹脂などで形成した絶縁物２３、２４によって支持させた２次アンテナ２５が設けてある。
この２次アンテナ２５は、マグネトロン２１のアンテナ２１ａを１次アンテナとし、この１次アンテナ２１ａからマイクロ波電力を受信し、受信したマイクロ波電力を減圧室２６内に放射する。

また、２次アンテナ２５は、石英ガラスからなるベルジヤ−２７によって覆ってある。
このベルジヤ−２７は、そのフランジ部を金属体２８、２９で挟持するようにして取付けてあるが、そのフランジ部にはＯリング３０を設けて減圧室２６を気密に保つようにしてある。

なお、金属体２８は導波管２２にねじ止めし、金属体２９は金属体２８にねじ止めして固定してあり、さらに、金属体２９についてはＯリングを介して減圧室２６のマイクロ波導入口に固着してある。

一方、導波管２２内には、負荷インピ−ダンスを調節するための金属スタブ３１が設けてある。
上記の金属スタブ３１は、一本に限らず複数本としたり、スタブの長さを変えるように構成することができ、また、複数本の金属スタブを設ける場合は、スタブ間距離を変えるように構成することができる。

なお、上記した金属スタブ３１による負荷インピ−ダンスの調節は、マグネトロン１のアンテナ中心軸２１ｂから２次アンテナ２５側を見た負荷インピ−ダンスが図８に示すリ−ケ線図の推奨動作領域８Ａ内に入るように調節するものである。
すなわち、予め設定してある金属スタブ３１を調整して負荷に向かって電圧定在波を小さくするように調節する。
したがって、２次アンテナ２５の位置（１次アンテナ２１ａの中心軸２１ｂと２次アンテナ２５の中心軸２５ｂとの距離：位相差）及び２次アンテナ２５の形状を適当に選ぶことによって同様に調節可能となる。

上記のように構成したプラズマ発生装置は、減圧室２６内にプラズマを発生させるために、減圧室２６を真空ポンプによって減圧すると共に、この減圧室２６にはプラズマ源となる従来同様のガスを供給する。
したがって、使用するガスが決まっていれば、そのガスに応じた最適なスタブのアンテナ中心軸からの距離とスタブの挿入長があるので、そこにスタブを立てるようにすれば、マルチガス対応となる。

減圧室２６内にプラズマが発生しない前においては、２次アンテナ２５から放射されたマイクロ波電力は、ベルジヤ−２７の内面で反射され、また、ベルジヤ−２７を透過したマイクロ波電力も一部は減圧室２６の内面でジュ−ル熱として消費されるが、大部分は反射波としてベルジヤ−２７を経てマグネトロン２１のアンテナ２１ａに戻る。

このとき、ベルジヤ−２７の減圧室側表面の電界強度がプラズマを発生するのに充分な大きさになっている場合に、プラズマが発生する。
この場合、プラズマを発生させ易くするために、減圧室２６内にＵＶ成分をもった光を導入したり、プラズマが発生し易いアルゴンガスを導入することができる。
勿論、マイクロ波電力を強くすれば、電界強度が増すので、プラズマが発生し易くなる。

プラズマが発生すると、ベルジヤ−２７を透過したマイクロ波電力はプラズマによって吸収され、この部分からマグネトロンのアンテナ２１ａに向かうマイクロ波電力はない。
しかし、ベルジヤ−２７の内面で反射されるマイクロ波電力が２次アンテナ２５を介してマグネトロンのアンテナ２１ａに戻る。

このように、プラズマが発生する前とプラズマが発生した後では、マイクロ波電力の反射波の大きさと反射の位置の違いから、マグネトロンのアンテナ２１ａの中心軸２１ｂから２次アンテナ２５を見た負荷インピ−ダンスが違ったものとなる。

そこで、上記の金属スタブ３１によって前記プラズマ発生前後の負荷インピ−ダンスを調節し、図８に示すリ−ケ線図の推奨動作領域８Ａに入るようにする。
なお、マグネトロンは定格陽極電流値未満で動作され、また、プラズマはマイクロ波電力供給後短時間で発生するので、図８のリ−ケ線図に示す制限領域（８Ｂ、８Ｃ、８Ｄ）に入ったとしてもマグネトロンの信頼性上問題とならない。
これによって、マイクロ波電力が減圧室２６に効率的に送られ、また、マイクロ波表面プラズマを発生させるように調整することができる。

なお、プラズマの強さをコントロ−ルする目的で、マイクロ波電力を制御する場合は、導波管２２を伝播するマイクロ波電力の進行波と反射波とを検出する簡易型の方向性結合器を設け、検出した進行波成分にしたがって制御するように構成することができる。
このように構成する場合は、プラズマが発生する最小のマイクロ波電力を予め設定しておくことにより、マイクロ波電力の制御の途中でプラズマが消えるなどの問題がない。

プラズマ源となるガスの違いによるプラズマ開始電界の違いは、マイクロ波電力の強さを変えることによって解決することができる。
また、マイクロ波電力の放射からプラズマ発生までの間は、マイクロ波電力を強くし、プラズマ発生後はマイクロ波電力を小さくする制御器を設けることができる。

上記したように、マイクロ波立体回路を単純にして安価としたので、マイクロ波プラズマ発生装置を低廉化することができる。
また、マグネトロン２１のアンテナ２１ａが直接に２次アンテナ２５に接触する構造ではないので、高い信頼性を維持することができ、高出力のマグネトロンが使用可能になる。

図３は第２実施形態を示す図２同様の断面図である。
この第２実施形態のマイクロ波プラズマ発生装置は、２次アンテナ３２に特徴があり、その他は図１、図２に示すマイクロ波プラズマ発生装置と同じ構成となっている。

本実施形態のプラズマ発生装置は、中央部に円筒状部３３ａを設けた金属円板３３を導波管２２の内面にねじ止めすると共に、その円筒状部３３ａにはアルミナセラミックなどで形成した円筒状の絶縁物３４を銀銅ロ−などで接着し、さらに、その絶縁物３４には、２次アンテナ３２を保持させた円筒カップ状の金属管３５が銀銅ロ−によって接着固定した構成としてある。

本実施形態では、円筒状部３３ａと絶縁物３４、絶縁物３４と金属管３５を銀銅ロ−によって接着固定させているので、２次アンテナ３２の温度が上昇して３５０℃以上となってもアンテナ形状を保持できるから、上記した第１実施形態の２次アンテナ２５に比較して更に信頼性が向上する。
この結果、更に出力の高いマグネトロンが使用可能となる。

図４、図５は第３実施形態を示し、本実施形態のマイクロ波プラズマ発生装置に備えるマイクロ波立体回路は、ロッドアンテナとした上記の２次アンテナ２５、３２に換えてスロットアンテナ構成とした点に特徴があり、その他は上記した第１実施形態のプラズマ発生装置と同様の構成となっている。

なお、本実施形態では、アンテナ２１ａを下向きにしてマグネトロン２１を取付け、また、金属スタブ３１についても導波管２２内に下向きに設けたが、必ずしもこのように下向きとする必要がなく、上記第１実施形態と同様に上向きとなるように設けてもよい。
また、本実施形態では、長方形断面の導波管２２は、マイクロ波電界を強める目的でスロットアンテナ側を狭い短辺形状としてある。
ただし、必ずしもこのような導波管構成とする必要はない。

本実施形態では、金属体２８に形成した第１の結合窓３６の上部に石英ガラスからなる絶縁板３７が設けてある。
なお、この絶縁板３７はＯリング３０を介在させて金属体２８、２９によって挟持させ、減圧室２６を気密保持するようにしてある。
その他、金属体２９に設けた孔部３８は第２の結合窓、孔部３９は減圧室２６のマイクロ波導入口と同径とした連結孔である。

このように構成したプラズマ発生装置は、スロットアンテナがハイパスフィルタ−としての機能をもつので、導波管２２と減圧室２６との結合窓はスロットアンテナより大きい結合窓であればマイクロ波電力を減圧室２６に伝播することができる。
なお、第１の結合窓３６を導波管２２に設ければ、金属体２８を省略することができる。

図６は第４実施形態として示した図５同様の断面図である。
図示するように、本実施形態は、減圧室２６のマイクロ波導入口の孔軸と導波管２２の管軸とを同一軸上となるように構成したので、減圧室２６に多数のプラズマ発生装置を取付けることができる。
これより、大きな面積の物体までプラズマ処理することが可能になる。

また、本実施形態では、マイクロ波電力の進行波と反射波とを検出する方向性結合器４０が設けてある。
この方向性結合器４０の検出信号を利用することによって、マグネトロン２１から出力するマイクロ波電力を制御することができ、また、金属スタブ３１の取付け位置及び形状寸法の最適化（マグネトロンの動作条件を推奨動作領域となるように調節する）することができる。

マイクロ波電力を利用した加熱装置やプラズマ発生装置として適用することができる。

第１実施形態として示したマイクロ波プラズマ発生装置が備えるマグネトロンとマイクロ波立体回路の平面図である。 図１に示したマグネトロンとマイクロ波立体回路の断面図である。 第２実施形態として示した図２同様の断面図である。 第３実施形態として示した図１同様の平面図である。 第３実施形態として示したマグネトロンとマイクロ波立体回路の断面図である。 第４実施形態として示した図５同様の断面図である。 従来例として示したマイクロ波プラズマ発生装置の簡略図である。 マグネトロンのマイクロ波出力と動作周波数との関係を示したリ−ケ線図である。

符号の説明

２１ マグネトロン
２１ａ アンテナ（１次アンテナ）
２２ 導波管
２５ ２次アンテナ
２６ 減圧室
２７ ベルジヤ−
３１ 金属スタブ

Claims (3)

1. マグネトロンと負荷室とがマイクロ波立体回路により連結されているマイクロ波装置において、
   前記マイクロ波立体回路は、導波管によって形成すると共に、この導波管内には、金属スタブからなる定在波発生器を設け、
   前記マグネトロンを定格又は定格未満の動作条件で動作可能とすると共に、前記定在波発生器によって負荷インピ−ダンスを調節することを特徴とするマイクロ波装置。
2. 請求項１に記載したマイクロ波装置において、
   前記導波管の一端側にマグネトロンを、その他端側に負荷室としての減圧室を各々連結し、マグネトロンが出力するマイクロ波電力とプラズマ源となるガスとを前記減圧室に供給してこの減圧室内にプラズマを発生させることを特徴とするマイクロ波装置。
3. 請求項２に記載したマイクロ波装置において、
   マグネトロンのアンテナを１次アンテナとして前記導波管の一端側内に設け、前記１次アンテナから送られるマイクロ波を前記減圧室内に照射する２次アンテナを前記導波管の他端側に設けたことを特徴とするマイクロ波装置。
   
   
   
   
   
   
   
   

Images