JP2010283678A - マグネトロン発振装置およびプラズマ処理装置 - Google Patents

Abstract

【課題】発信周波数をより安定させることができるマグネトロン発振装置およびプラズマ処理装置を提供する。
【解決手段】周波数検出部７は、マグネトロン２から出力されたマイクロ波の周波数と、ユーザが所定の所望する発信周波数からの「ずれ」を検出してずれ信号を生成する。駆動電圧生成部８は、そのずれ信号に基づいてマイクロ波の発振周波数が所望する周波数となるようインピーダンス発生器５の駆動電圧を生成して出力する。これにより、マグネトロン２の発振を制御することができるので、広範囲な出力電力において発振周波数の安定化を実現することができる。
【選択図】 図１

Description

本発明は、マグネトロンを発振管とするマグネトロン発振装置に関するものである。

マイクロ波帯の発振装置の１つに、トランジスタを増幅器として使用する半導体発振装置がある。この半導体発振装置は、１０００ＭＨｚ程度までの周波数帯に用いられる。しかし、プラズマ生成に必要な２４５０ＭＨｚの周波数帯においては、使用可能な半導体素子の種類が少なくかつ高価であるので、半導体発振装置は大変高コストとなる。

２４５０ＭＨｚ帯の発振器としては、クライストロン発振装置およびマグネトロン発振装置がある。クライストロン発振装置は、周波数安定度および振幅制御性等に優れているが、クライストロンが高価であり、クライストロンの駆動用電源の価格も比較的高いので、これらを含めると装置全体が非常に高コストになる。
これに対し、マグネトロン発振装置は、プラズマ生成に必要な出力電力１０ｋＷ程度までのマグネトロンが量産されていて、安価に入手できる。また、マグネトロンの駆動用電源は、構成が簡単で、安価に製作できる。したがって、マグネトロン発振装置は、プラズマ生成用の電源として多用されている。

ところが、マグネトロンは、負荷インピーダンスまたは出力電力の変動により、発振周波数が変化してしまう。
負荷インピーダンスによって発振周波数が変化する現象を「プリング現象」と言う。

また、マグネトロンは、アノード電流に対し、アノード電圧がほぼ一定で、かつ、出力電力がほぼ比例して変化する。また、発振周波数も規格値内ではあるが、アノード電流に応じて変化してしまう。

さらに、マグネトロンは、アノード電流により出力電力を可変できるが、その出力電力が所定の値以下になると、発振モードがジャンプして異なった周波数で発振してしまう。この発振状態が不安定になる現象を「モーディング」と言う。モーディングは、ヒータ電圧または負荷インピーダンスの変化によっても起こり、モーディングが起こると、間歇発振になり、発振周波数も一定しないので、負荷側に接続した整合回路等が正常に動作しなくなるなどの不具合が生じる。

このような問題を解決すべく、従来よりマグネトロン発振装置について様々な提案がなされている。

例えば、特許文献１には、基準信号をマグネトロンに注入することにより、マグネトロンの発振周波数を基準信号の周波数に固定（同期）し、マグネトロン発振装置の周波数の安定化を図る、いわゆるインジェクションロッキング方式のマグネトロン発振装置が開示されている。

また、特許文献２には、基準信号をマグネトロンに注入するとともに、インピーダンス発生器を用いてマグネトロンの負荷インピーダンスを変化させる、改良型インジェクションロッキング方式のマグネトロン発振装置が開示されている。この装置によれば、マグネトロンの負荷インピーダンスを変化させると、プリング現象に基づいてマグネトロンの発振周波数が変化するので、インピーダンス発生器を用いて負荷インピーダンスを調整することにより、発振周波数と基準信号の周波数とのずれを小さくし、インジェクションロッキング動作を容易にしている。したがって、マグネトロンの出力電力を変化させても発振周波数を基準信号の周波数に固定し、発振周波数が安定した出力電力範囲を広くすることができる。

特開２００４−２６５６１１号公報 特開２００６−０９４２１４号公報

しかしながら、上述したインジェクションロッキング方式のマグネトロン発振装置では、マグネトロンの負荷Ｑおよび基準信号発生器の注入電力が一定であると、マグネトロンのアノード電流を増加して出力電力を大きくすると、インジェクションロッキングが外れてしまい、周波数の安定させるのが困難であった。

また、上述した改良型インジェクションロッキング方式のマグネトロン発振装置では、インピーダンス発生器または基準信号発振器を適切に作動させるために、まず、予めマグネトロンの特性データ、インジェクションロッキングの条件式を記憶させておき、アノード電流または出力電流の検出値に対して同期可能な負荷インピーダンスおよび注入電力を算出し、インピーダンス発生器または基準信号発振器の制御信号を出力することが必要である。また、予めマグネトロンのアノード電流および出力電力と制御信号との対応表を記憶させておき、検出値に対応した制御信号を出力することも必要である。このため、処理や装置構成が複雑であった。

さらに、何れのマグネトロン発振装置においても、低コスト化を実現することが困難であった。すなわち、容易にインジェクションロッキングを行うためには、マグネトロンの出力電力の少なくとも１／１００の注入電力が必要であり、例えば、１０ｋＷのマグネトロン発振装置では１００Ｗの注入電力が必要なる。このため、基準信号発振器は、発振器とともに増幅器も必要となり、製造コストの上昇を招いていた。

そこで、本願発明は、発振周波数をより安定させることができるマグネトロン発振装置およびプラズマ処理装置を提供することを第１の目的とする。

また、本願発明は、より簡易な構成で発振周波数を安定させることができるマグネトロン発振装置およびプラズマ処理装置を提供することを第２の目的とする。

さらに、本願発明は、低コストで発振周波数を安定させることができるマグネトロン発振装置およびプラズマ処理装置を提供することを第３の目的とする。

上述したような課題を解決するために、本発明に係るマグネトロン発振装置は、マグネトロンと、このマグネトロンの出力電力を取り出すランチャーと、このランチャーに入力端が接続されて、マグネトロンの負荷サセプタンスを調整するインピーダンス発生器と、このインピーダンス発生器に入力端が接続されて、通過電力の一部を取り出す周波数結合器と、入力端が周波数結合器の第１の出力端に接続され、マグネトロンの発振周波数と所定の周波数とのずれに応じたずれ信号を出力する周波数検出部と、この周波数検出部に入力端が接続され、インピーダンス発生器に出力端が接続されて、ずれ信号に基づいて、マグネトロンの発振周波数を所定の周波数にするための駆動電圧を生成してインピーダンス発生器に出力する駆動電圧生成部とを備えたことを特徴とするものである。

上記マグネトロン発振装置において、入力端が周波数結合器の第２の出力端に接続され、マグネトロンの出力電力を負荷の方向へ導く非可逆部材をさらに備えるようにしてもよい。ここで、非可逆部材は、インピーダンス発生器と周波数結合器との間に配設するようにしてもよい。また、非可逆部材としては、アイソレータ、サーキュレータ等を適用することができる。

上記マグネトロン発振装置において、インピーダンス発生器は、矩形導波管と、この矩形導波管の対向する広面の内壁面にそれぞれ配設されたフェライトと、このフェライトと対応する位置で矩形導波管の外周に巻回されたコイルとからなるフェライト移相器と、このフェライト移相器の一端に接続された短絡板と、移相器の他端に接続された分岐導波管とを少なくとも１組備えるようにしてもよい。

上記マグネトロン発振装置において、周波数結合器の第２の出力端に一端が接続されて、マグネトロンの出力よりも低電力かつ周波数が安定した基準信号をマグネトロンに供給する基準信号供給部をさらに備えるようにしてもよい。
ここで、基準信号供給部は、基準信号を発振する基準信号発振器と、一端が基準信号発振器の出力端に接続された非可逆部材と、一端が非可逆部材の他端に接続されて、基準信号発振器からの基準信号を周波数結合器を通してマグネトロンへ導くとともに、周波数結合器からのマグネトロンの出力電力を負荷の方向へ導くサーキュレータとを備えるようにしてもよい。ここで、非可逆部材は用いないようにしてもよい。

上記マグネトロン発振装置において、周波数検出部は、入力端が周波数結合器の第１の出力端に接続された分割回路と、第１の入力端が分割回路の第１の出力端に接続された位相検波回路と、入力端が分割回路の第２の出力端に接続され、出力端が位相検波回路の第２の入力端に接続された移相回路とを備えるようにしてもよい。ここで、分割回路としては、電力分配器、３ｄＢハイブリッド等を適用することができる。位相検波回路としては、バランスミキサー等を適用することができる。移相回路としては、ディレイライン、ラインストレッチャー、共振器等を適用することができる。

また、上記マグネトロン発振装置において、周波数検出部は、入力端が周波数結合器の第１の出力端に接続された分割回路と、入力端が分割回路の第１の出力端に接続された第１の共振回路と、入力端が第１の共振回路に接続された第１の検波回路と、入力端が分割回路の第２の出力端に接続された第２の共振回路と、入力端が第２の共振回路に接続された第２の検波回路と、第１の入力端が第１の検波回路に接続され、第２の入力端が第２の検波回路に接続された加算回路とを備えるようにしてもよい。ここで、共振回路としては、ＬＣ並列共振器、キャビティー等を適用することができる。検波回路としては、エンベロープ検波器等を適用することができる。

上記マグネトロン発振装置において、マグネトロンは、加熱により電子を放出するカソードと、このカソードを加熱するヒータと、カソードとの間に電界を形成するアノードとを少なくとも備え、アノードに流れる電流が大きくなるにしたがってヒータに印加する電圧を小さくするヒータ電源をさらに備えるようにしてもよい。

また、本発明に係るプラズマ処理装置は、マイクロ波により生成されたプラズマを用いて、被処理体に対して所定の処理を行うプラズマ処理装置であって、マイクロ波の供給源として上記マグネトロン発振装置を備えることを特徴とするものである。

本発明によれば、周波数検出部により、所望する発振周波数からのずれを検出してずれ信号を生成し、駆動電圧生成部により、そのずれ信号に基づいてマグネトロンの発振周波数が所望する周波数となる駆動電圧を生成して当該インピーダンス発生器に出力することにより、マグネトロンの発振を制御することができるので、広範囲な出力電力において発振周波数の安定化を実現することができる。

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模式的に示す図である。 図２Ａは、リアクタンススタブ方式のインピーダンス発生器の一構成例を示す断面図である。 図２Ｂは、導波管分岐形のインピーダンス発生器の一構成例を示す断面図である。 図３Ａは、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におけるインピーダンス発生器の構成を模式的に示す図である。 図３Ｂは、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におけるインピーダンス発生器の構成を模式的に示す図である。 図４は、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模式的に示す図である。 図５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における周波数検出部の構成を模式的に示す図である。 図６は、図５のバランスドミキサーにおける入力端のマイクロ波の位相差と出力電圧との関係を示す図である。 図７は、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における周波数検出部の構成を模式的に示す図である。 図８は、図７に示す周波数検出部における検波出力と出力電圧との関係を示す図である。 図９は、本発明の第６の実施の形態に係るマグネトロン発振装置におけるマグネトロンおよびマグネトロン電源の構成を模式的に示す図である。 図１０は、アノード電流とヒータ電圧との関係を示す図である。 図１１は、本発明の第７の実施の形態に係るプラズマ処理装置の構成を模式的に示す図である。

以下、図面を参照して、本発明の実施の形態について詳細に説明する。

［第１の実施の形態］
図１に示すように、本発明に係る第１の実施の形態のマグネトロン発振装置１は、マグネトロン２と、マグネトロン電源３と、ランチャー４と、インピーダンス発生器５と、周波数結合器６と、周波数検出部７と、駆動電圧生成部８と、アイソレータ９とから構成される。

マグネトロン２は、マグネトロン発振装置１の発振管であり、マグネトロン電源３から電力の供給を受けて発振し、マイクロ波を出力する。マグネトロン発振装置１がプラズマ生成用のマイクロ波源として用いられる場合には、例えば発振周波数が２４５０ＭＨｚ、出力電力が数ｋＷ〜１０ｋＷのマグネトロン２を用いることができる。

マグネトロン電源３は、マグネトロン２のヒータおよびカソードに電圧および電流を供給する電源である。マグネトロン電源３としては、安定度のよいスイッチングレギュレーター方式を用いた電源を使用して、電源変動による周波数変動を極力抑制することが望ましい。

ランチャー４は、発振したマグネトロン２から効率よく出力電力を取り出す高周波結合器であり、一端がショートされた矩形導波管からなる。マグネトロン２は、ランチャー４に隣接して設けられ、アンテナがランチャー４の内部に突出しており、そのアンテナからマイクロ波を放射する。

インピーダンス発生器５は、マグネトロン２の負荷サセプタンスを任意の値に設定する機能を有するものであり、定在波発生器としても作用する。マグネトロン２の負荷を変化させる方式は多種類ある。また、使用される伝送線路の種類により、導波管系、同軸系等に分類される。インピーダンス発生器５は、その一端がランチャー４の出力端に接続され、マグネトロン２の負荷サセプタンスの調整に用いられる。図２に、導波管系のインピーダンス発生器５の構成例を示す。

図２Ａに示すように、リアクタンススタブ方式のインピーダンス発生器５ａは、矩形導波管５０の管壁から管内へ３本のスタブ５１ａ，５１ｂ，５１ｃが突出する構造を有する。これらのスタブ５１ａ〜５１ｃは、矩形導波管５０の軸線Ｚ方向にλg／８，λg／４等の間隔で配設される。「λg」は矩形導波管５０の管内波長である。スタブ５１ａ〜５１ｃには、入力される駆動信号に応じて、矩形導波管５０の管内に突出する長さを調整するアクチュエータ（図示せず）が取り付けられている。スタブ５１ａ〜５１ｃは断面が円形の金属棒からなり、矩形導波管５０の管内に突出する長さによりスタブ５１ａ〜５１ｃのリアクタンスが変化し、それに応じて矩形導波管５０内のインピーダンスが変化する。なお、スタブの数は、１本以上であればよいが、３本の場合が主である。また、スタブは通常、矩形導波管５０のＨ面に配設されるが、Ｅ面に配設されてもよい。

図２Ｂは、導波管分岐形のインピーダンス発生器の一構成例を示す断面図である。このインピーダンス発生器５ｂは、矩形導波管５０の管壁に対して垂直に３本の分岐導波管５２ａ，５２ｂ，５２ｃが接続された構造を有する。これらの分岐導波管５２ａ〜５２ｃは、矩形導波管５０の軸線Ｚ方向にλg／８，λg／４等の間隔で配設される。分岐導波管５２ａ〜５２ｃのそれぞれは、一端が矩形導波管５０内に開口し、他端がショート板５３ａ〜５３ｃにより電気機能的にショートされている。ショート板５３ａ〜５３ｃには、入力される駆動信号に応じて、分岐導波管５２ａ〜５２ｃ内部における位置を調整するアクチュエータ（図示せず）が取り付けられている。これにより、分岐導波管５２ａ〜５２ｃのそれぞれの一端から他端までの長さを変化させることによって、直列リアクタンスが変化し、矩形導波管５０内のインピーダンスが変化する。

この他に、移相器とスタブチューナとを組み合わせたもの、３ｄＢ結合器と可変短絡器との組み合わせによるインピーダンス発生器、導波管４分岐形チューナ、スラグチューナ等をインピーダンス発生器５として用いることができる。また、同軸系のインピーダンス発生器５は、上述した導波管系の矩形導波管を同軸管に置き換えたものである。

周波数結合器６は、通過電力の一部を取り出す機能を有するものであり、例えば、方向性結合器や電力分配器などからなる。周波数結合器６は、その一端がインピーダンス発生器５の出力端に接続され、第１の他端が周波数検出部７に、第２の他端がアイソレータ９に接続されている。これにより、マグネトロン２の出力電力の概ね１／１００００００以下の電力を取り出して周波数検出部７に出力するとともに、これ以外の出力電力をアイソレータ９に出力する。

周波数検出部７は、マグネトロン２の発振周波数と所定の周波数との「ずれ」に相当する直流電圧を出力する機能を有するものである。周波数検出部７は、出力端が駆動電圧生成部８に接続され、検出した「ずれ」に相当する直流電圧をずれ信号として駆動電圧生成部８に出力する。

駆動電圧生成部８は、ずれ信号を処理してインピーダンス発生器５の駆動信号を生成する機能を有するものであり、例えば増幅器などから構成される。駆動電圧生成部８は、出力端がインピーダンス発生器５に接続され、生成した駆動信号をインピーダンス発生器５に出力する。

アイソレータ９は、マイクロ波を負荷の方向に送出するとともに、負荷で反射されたマイクロ波（反射電力）を吸収する機能を有するものである。

このような構成のマグネトロン発振装置１において、マグネトロン２からランチャー４に放射されたマイクロ波は、インピーダンス発生器５を経由して、周波数結合器６を通過してアイソレータ９から負荷へ送られる。このとき、周波数検出部７は、マグネトロン２の発振周波数と所望する周波数とのずれを検出している。マグネトロン２の発振周波数が所望する周波数からずれると、周波数検出部７によりずれ信号が生成され、このずれ信号に基づき駆動電圧生成部８によりインピーダンス発生器５の駆動信号が生成され、この駆動信号に基づきインピーダンス発生器５によりマグネトロン２の負荷サセプタンスが調整される。これにより、マグネトロン２から出力されるマイクロ波の発振周波数を所定の周波数に近づける。このように、マグネトロン２の発振周波数と、ユーザが所望する所定の周波数とのずれの程度に応じて、インピーダンス発生器５でマグネトロン２の負荷サセプタンスを調整するように構成されたフィードバック回路を備えることにより、常に、マグネトロン２の発振周波数を所望する周波数に近づけようとする周波数制御機能が働く。これにより、マグネトロン２の発振周波数は所望する周波数となる。

このように、本実施の形態によれば、周波数検出部７により、マグネトロン２から出力されたマイクロ波の周波数と、ユーザが所定の所望する発振周波数からの「ずれ」を検出してずれ信号を生成し、駆動電圧生成部８により、そのずれ信号に基づいてマイクロ波の発振周波数が所望する周波数となるようインピーダンス発生器５の駆動電圧を生成して出力することにより、マグネトロン２の発振を制御することができるので、広範囲な出力電力において発振周波数の安定化を実現することができる。

また、周波数検出部７は、安価なｍＷクラスの部材で構成することができるので、従来のように基準信号発振器を用いた場合よりも低コスト化を実現することができる。

また、周波数検出部７は、受動部材で構成するために電力を必要としないので、ランニングコストを抑えることができる。

また、アイソレータ９を設けることにより、負荷からの反射電力を吸収でき、上記フィードバック回路の誤動作を防ぐことができる。

［第２の実施の形態］
次に、本発明に係る第２の実施の形態について説明する。なお、本実施の形態は、第１の実施の形態とインピーダンス発生器の構成を変えたものである。したがって、本実施の形態において、第１の実施の形態と同等の構成要素については、同じ名称および符号を付し、適宜説明を省略する。

インピーダンス発生器がスタブ等をモータで動かす機械的駆動方式の場合、その駆動に一定の作動時間を要するので、マグネトロンの発信周波数を所望する周波数に合致させるのにも一定の時間が必要となる。そこで、本実施の形態では、インピーダンス発生器として、機械的駆動方式の装置の替わりにフェライト移相器を用いている。

フェライト移相器とは、導波管と、この導波管の内壁面に配置されたフェライトと、この導波管の外周に巻回されているコイルとから構成され、このコイルに電流を流して磁界を発生させ、またはコイルに流れる電流を変化させて磁界を変化させることにより、フェライトの磁気特性、主に透磁率を変化させて高周波の導波管内波長を変化させ、伝搬する高周波の位相を変化させるものである。したがって、本実施の形態において、駆動電圧生成部８は、周波数検出部７から入力されるずれ信号に基づいて、フェライト移相器のコイルに出力する電流を、駆動信号として生成する。

図３Ａに示すように、インピーダンス発生器５ｃは、複数の分岐導波管５４を連結して導波管路を構成すると共に、導波管路を構成する分岐導波管５４の側部に、フェライト移相器５５の一端を連結し、各フェライト移相器５５の他端を短絡板５６によりそれぞれ短絡している。
第１の例のインピーダンス発生器５ｃは、導波管路にマグネトロン２から負荷に向かって導波管路内に高周波ＨＦを流し、この導波管路内の各フェライト移相器５５の他端にそれぞれ対応する点Ｐにおいて位相を変化させ、インピーダンスを変化させるものである。

なお、インピーダンス発生器は、図３Ｂに示す構成としてもよい。この図３Ｂに示すインピーダンス発生器５ｄは、分岐導波管５４とフェライト移相器５５を連結して導波管路を構成すると共に、導波管路を構成するフェライト移相器５５の前に連結されている分岐導波管５４の側部に、フェライト移相器５５の一端を連結して接続し、このフェライト移相器５５の他端に短絡板５６を設けている。
第２例のインピーダンス発生器５ｄは、導波管路にマグネトロン２から負荷に向かって導波管路に高周波ＨＦを流し、この導波管路内のフェライト移相器５５に対応する点Ｐと、導波管路を構成するフェライト移相器５５とで位相を変化させ、インピーダンスを変化させるものである。

図３Ｂに示すインピーダンス発生器５ｄでは、導波管路を構成する分岐導波管５４の側部に接続するフェライト移相器５５の位置を、導波管路を構成するフェライト移相器５５よりもマグネトロン２側としているが、その位置を、導波管路を構成するフェライト移相器５５よりも負荷側としてもよい。

上記インピーダンス発生器５ｃ，５ｂは、第１の実施の形態におけるインピーダンス発生器５が機械的駆動であるのに対し、電気（電子）的駆動とすることができる。したがって、作動速度を短縮することができ、１〜２secであった作動時間を１０〜２０msecにすることができる。さらに、故障しにくいことから、メンテナンスフリーとすることができる。

［第３の実施の形態］
次に、本発明に係る第３の実施の形態について説明する。なお、本実施の形態は、第１の実施の形態とアイソレータに対応する構成を変えたものである。したがって、本実施の形態において、第１の実施の形態と同等の構成要素については、同じ名称および符号を付し、適宜説明を省略する。

図４に示すように、本実施の形態に係るマグネトロン発振装置１０は、マグネトロン２と、マグネトロン電源３と、ランチャー４と、インピーダンス発生器５と、周波数結合器６と、周波数検出部７と、駆動電圧生成部８と、基準信号供給部１１とから構成される。

ここで、基準信号供給部１１は、基準信号をマグネトロン２に供給するものであり、少なくとも、基準信号発振器１２と、非可逆部材１３と、サーキュレータ１４とを有する。

基準信号発振器１２は、基準信号を発振する発振器であり、マグネトロン２よりも出力電力が低くかつ発振周波数が安定した発振器が用いられる。例えば、水晶発振器または誘電体共振器を使用したＤＲＯ等を原振とし、増幅、逓倍を行い、数Ｗ〜数１０Ｗの出力電力を得る。基準信号発振器１２の発振周波数、すなわち基準信号の周波数は、マグネトロン２の発振周波数を固定する所望の周波数に設定される。例えば、マグネトロン２の発振周波数を２４５０ＭＨｚに固定する場合には、その２４５０ＭＨｚの基準信号が用いられる。

非可逆部材１３は、一端が基準信号発振器１２の出力端に、他端がサーキュレータ１４の一方の入力端に接続されて、基準信号発振器１２からの基準信号をサーキュレータ１４に伝送する一方、その逆方向へは伝送させないものである。

サーキュレータ１４は、非可逆部材１３の出力端に一端が接続され、基準信号発振器１２からの基準信号を、周波数結合器６を通してマグネトロン２に導くとともに、周波数結合器６からのマグネトロン２の出力電力を負荷の方向へ導く機能を有する。

本実施の形態では、周波数結合器６によりマグネトロン２からのマイクロ波の一部を抽出し、周波数検出部７により抽出したマイクロ波の周波数と所定の周波数とのずれを検出してずれ信号を生成し、駆動電圧生成部８によりそのずれ信号に基づいてインピーダンス発生器５の駆動信号を生成し、インピーダンス発生器５によりその駆動信号に基づいてマグネトロン２の負荷サセプタンスを調整することにより、マグネトロン２の発振周波数を所望する周波数に近づけようとする周波数制御機能が機能している。このような状態において、基準信号供給部１１により所望する周波数の基準信号を注入することにより、マグネトロン２の発振周波数は、周波数制御機能によって常に基準振動の周波数に近づけられ、インジェクションロッキング機能が働く範囲内に入ると同時に、所望する周波数に固定される。これにより、周波数制御機能の動作途中でインジェクションロッキング機能が働き、所望する周波数に固定されるので、マグネトロン２の発振周波数が所望する周波数に合致するまで時間をさらに短縮することができる。

なお、本実施の形態において、インピーダンス発生器５を第２の実施に示したインピーダンス発生器５ｃ，５ｂにしてもよいことは言うまでもない。
また、本実施の形態において、非可逆部材１３は設けないようにしてもよい。
また、本実施の形態において、基本信号供給部１１の入力端が周波数結合器６の出力端に接続されているが、基準信号供給部１１の入力端をインピーダンス発生器５の出力端に、基準信号供給部１１の出力端を周波数結合器６の入力端に接続するようにしてもよい。

［第４の実施の形態］
次に、本発明に係る第４の実施の形態について説明する。なお、本実施の形態は、第１の実施の形態と周波数検出部の構成を変えたものである。したがって、本実施の形態において、第１の実施の形態と同等の構成要素については、同じ名称および符号を付して、適宜説明を省略する。

図５に示すように、周波数検出部７ａは、電力分配器７１と、バランスドミキサー７２と、ディレーライン７３とを備えている。

電力分配器７１は、分割回路として機能するものであり、周波数結合器６の一方の出力端が接続されている。また、電力分配器７１は、２つの出力端を有しており、一方がバランスドミキサー７２に、他方がディレーライン７３に接続されている。

バランスドミキサー７２は、位相検波器として機能するものである。このバランスドミキサーは、２つの入力端を有しており、その第１の入力端が電力分配器７１に、第２の入力端がディレーライン７３に接続されている。また、バランスドミキサー７２の出力端は、駆動電圧生成部８に接続されている。

ディレーライン７３は、移相回路として機能するものである。

このような周波数検出部７ａにおいて、周波数結合器６から入力されたマイクロ波（周波数ｆ）は、電力分配器７１により二分割され、その一方（第１の経路）がバランスドミキサー７２の第１の入力端に、他方（第２の経路）がディレーライン７３を経てバランスドミキサー７２の第２の入力端に入力される。

ここで、ディレーライン７３の電気長Ｌ、マイクロ波が経路を伝搬するときの速度Ｃ、および、マイクロ波が第１の経路および第２の経路をそれぞれ通過するのに有する時間の差Ｔは、下式（１）に示す関係を有する。

Ｔ＝Ｌ／Ｃ ・・・（１）

上式（１）から、バランスドミキサー７２の第１の入力端と第２の入力端におけるマイクロ波の位相差θは、下式（２）で表される。

θ＝２πｆＴ＝２πｆ（Ｌ／Ｃ） ・・・（２）

入力端での位相差がθであるマイクロ波が入力したとき、バランスドミキサー７２の出力電圧は、下式（３）で表される。なお、下式（３）において、ｋはバランスドミキサー７２の感度等により決まる定数、Ｐはマイクロ波の入力電力である。

Ｖ_OUT＝ｋＰｃｏｓθ ・・・（３）

上式（３）により、位相差θがπ／２の奇数倍、すなわちθ＝π／２，３π／２，５π／２，・・・のとき、Ｖ_OUT＝０となり、Ｖ_OUTとθとの関係は、図６の符号ａで示すようなｃｏｓ曲線となる。

所望する周波数（ｆ₀）のマイクロ波が入力されたとき、周波数検出部７ａ（バランスドミキサー７２）の出力電圧が０Ｖとなるように、ディレーライン７３の電気長（Ｌ）を設定すると、周波数検出部７ａに入力されるマイクロ波の周波数ｆとその位相差θとの関係は、上式（２）により下式（４）で表されるように、比例関係となることがわかる。したがって、ｆとＶ_OUTとの関係は、上式（３）のθをｆ／Ｋで置き換えたものとなり、図６で横軸をｆに置換えたｃｏｓ曲線となる。

ｆ＝（１／２π）×（Ｃ／Ｌ）×θ＝Ｋθ ・・・（４）
（Ｋ＝（１／２π）×（Ｌ／Ｃ）：定数）

すなわち、周波数検出部７ａは、所望する周波数よりずれた周波数のマイクロ波が入力されると、その「ずれ」に相当する電圧（ずれ信号）を生成してこれを駆動電圧生成部８に入力する。このずれ信号に基づいて、駆動電圧生成部８は駆動信号を生成する。この駆動信号に基づきインピーダンス発生器５によりサセプタンスが所定の値に設定されることにより、マグネトロン２の発振周波数を所望する周波数に近づけようとする周波数制御機能が働くこととなる。

なお、第３の実施の形態における周波数検出部７を、本実施の形態に係る周波数検出部７ａにしてもよいことは言うまでもない。

［第５の実施の形態］
次に、本発明に係る第５の実施の形態について説明する。なお、本実施の形態は、上述した第４の実施の形態と同様、第１の実施の形態と周波数検出部の構成を変えたものである。したがって、本実施の形態において、第１の実施の形態と同等の構成要素については、同じ名称および符号を付して、適宜説明を省略する。

図７に示すように、周波数検出部７ｂは、分割回路７４と、第１の共振回路７５と、第２の共振回路７６と、第１の検波回路７７と、第２の検波回路７８と、加算回路７９とを備えている。

分割回路７４は、入力されたマイクロ波を分割するものであり、１つの入力端と２つの出力端を備えている。その入力端には、周波数結合器６の一方の出力端が接続され、２つの出力端の一方は第１の共振回路７５に、他方は第２の共振回路７６に接続されている。

第１の共振回路７５は、所望の周波数ｆ₀よりΔｆだけ大きい所定の周波数（ｆ₀＋Δｆ）に対して共振するものである。第１の共振回路７５の出力端は、第１の検波回路７７に接続されている。

第２の共振回路７６は、所望の周波数ｆ₀よりΔｆだけ小さい所定の周波数（ｆ₀−Δｆ）に対して共振するものである。第２の共振回路７６の出力端は、第２の検波回路７８に接続されている。

第１の検波回路７７は、入力されたマイクロ波に対応する検波出力を生成するものである。第１の検波回路７７の出力端は、加算回路７９に接続されている。

第２の検波回路７８は、入力されたマイクロ波に対応する検波出力を生成するものである。第２の検波回路７８の出力端は、加算回路７９に接続されている。

加算回路７９は、２つの入力端から入力された検波出力を加算するものである。加算回路７９の出力端は、駆動電圧生成部８に接続されている。

このような周波数検出部７ｂにおいて、周波数結合器６から入力されたマイクロ波（周波数ｆ）は、分割回路７４により二分割され、その一方は周波数（ｆ₀＋Δｆ）に共振する第１の共振回路７５を経て第１の検波回路７７に入力され、他方は周波数（ｆ₀−Δｆ）に共振する第２の共振回路７６を経て第２の検波回路７８に入力される。第１の検波回路７７の検波出力を正の電圧出力Ｖ₊、第２の検波回路７８の検波出力を負の電圧出力Ｖ_-とすると、それぞれは図８に示すような検波特性を示す。

第１の検波回路７７と第２の検波回路７８の検波出力は、加算回路７９により加算され、駆動電圧生成部８に入力される。加算回路７９の出力電力Ｖ_OUTは、図８に示すようなｆ₀からのずれに比例する特性を示す。

したがって、周波数検出部７ｂへの入力周波数（ｆ）を所望する周波数（ｆ₀）に設定すると、上述したように、マグネトロン２の発振周波数が所望する周波数のときは、加算回路７９の出力電圧Ｖ_OUT＝０Ｖとなる。一方、マグネトロン２の発振周波数が所望する周波数からずれた場合は、加算回路７９の出力電圧Ｖ_OUTにはその「ずれ」に相当した電圧（ずれ信号）が発生する。このずれ信号が駆動電圧生成部８に入力されると、駆動電圧生成部８は、そのずれ信号に基づく駆動信号を生成する。この駆動信号に基づきインピーダンス発生器５によりマグネトロン２の負荷サセプタンスが所定の値に設定されることにより、マグネトロン２の発振周波数を所望する周波数に近づけようとする周波数制御機能が働くこととなる。

なお、第３の実施の形態における周波数検出部７を、本実施の形態に係る周波数検出部７ｂにしてもよいことは言うまでもない。

［第６の実施の形態］
次に、本発明に係る第６の実施の形態について説明する。なお、本実施の形態は、第１の実施の形態とマグネトロンおよびマグネトロン電源の構成を変えたものである。したがって、本実施の形態において、第１の実施の形態と同等の構成要素については、同じ名称および符号を付して、適宜説明を省略する。

図９に示すように、マグネトロン２ａは、カソードとヒータとが一体となったヒータ／カソードＨ／Ｋと、アノードＡとを有している。図示しないが、アノードＡは複数に分割され、これらが振動回路（共振回路）により接続されている。また、アノードＡと同心的にヒータ／カソードＨ／Ｋが設けられている。

ヒータ／カソードＨ／Ｋの両端には、マグネトロン電源３ａのヒータ電源３１が接続されている。ヒータ電源３１でヒータ／カソードＨ／Ｋにヒータ電源を印加することにより、ヒータ／カソードＨ／Ｋが加熱され、ヒータ／カソードＨ／Ｋから電子が放出される。
ヒータ／カソードＨ／Ｋの一端にはさらに、マグネトロン電源３ａのアノード電源３２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３２からヒータ／カソードＨ／Ｋに印加することにより、ヒータ／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／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。
この状態で、ヒータ／カソードＨ／Ｋと平行（電界と直角方向）に磁界を印加すると、マイクロ波Ｍが発振する。

このようにしてマグネトロン２ａを動作させると、ヒータ／カソードＨ／ＫからアノードＡに向けて放出された電子のうち、ヒータ／カソードＨ／Ｋに戻ってきた電子が衝突することにより、ヒータ／カソードＨ／Ｋが異常に加熱される現象が起きる。この現象を「バックヒーティング」と言う。発振を強くすればするほど、すなわち出力電力Ｐを大きくすればするほど、バックヒーティングが激しく起こり、ヒータ／カソードＨ／Ｋの温度が必要以上に高くなる。

マグネトロン２ａの出力電力Ｐに応じてアノード電流が大きくなるので、本実施の形態では、ヒータ電源３１を用いてアノード電流に逆比例してヒータ電圧を下げ、ヒータ／カソードＨ／Ｋへの加熱を抑制する。
図１０は、アノード電流とヒータ電圧との関係を示すグラフである。「Ｍａｘ」はアノード電流に対するヒータ電圧の上限、「Ｍｉｎ」は下限をそれぞれ表している。このグラフにしたがい、ヒータ電源３１を用いてヒータ電圧を制御することにより、バックヒーティングを防止することができる。

なお、本実施の形態に係るマグネトロン２ａおよびマグネトロン電源３ａは、上述した第２−５の形態にも適用してよいことは言うまでもない。

［第７の実施の形態］
次に、本発明に係る第７の実施の形態について説明する。
上述したマグネトロン発振装置１，１０は、プラズマ処理装置のマイクロ波電源として用いることができる。マグネトロン発振装置１，１０が用いられたプラズマ処理装置の一構成例を図１１に示す。

図１１に示すプラズマ処理装置は、上部が開口した有底円筒形の処理容器８１を有している。処理容器８１の底面中央部には、絶縁板８２を介して載置台８３が固定されている。載置台８３の上面に、処理対象の基板８４が配置される。
処理容器８１の底面周縁部には、真空排気用の排気口８５が設けられている。処理容器８１の側壁には、処理容器８１内にガスを導入するガス導入用ノズル８６が設けられている。例えばプラズマ処理装置がエッチング装置として用いられる場合には、ノズル８６からＡｒ等のプラズマガスと、ＣＦ₄等のエッチングガスとが導入される。

処理容器８１の上部開口は、誘電体板８７で閉塞されている。なお、処理容器８１の側壁上面と誘電体板８７との間にＯリングなどのシール部材８８を介在させ、処理容器８１内の気密性を確保している。
誘電体板８７の上には、処理容器８１内にマイクロ波Ｍを供給するマイクロ波供給装置９０のアンテナであるラジアルラインスロットアンテナ（ＲＬＳＡ）９９が配設されている。ＲＬＳＡ９９および誘電体板８７の外周は、処理容器８１の側壁上に環状に配置されたシールド材８９によって覆われ、ＲＬＳＡ９９から処理容器８１内に供給されるマイクロ波が外部に漏れない構造になっている。

マイクロ波供給装置９０は、マイクロ波電源としてのマグネトロン発振装置１，１０と、伝送モードがＴＥ₁₀の矩形導波管９１と、伝送モードをＴＥ₁₀からＴＥ₁₁またはＴＭ₀₁に変換する矩形円筒変換器９２と、伝送モードがＴＥ₁₁またはＴＭ₀₁の円筒導波管９３と、円筒導波管９３に設けられた負荷整合器９４と、円筒導波管９３に接続されるラジアル導波路９５と、ラジアル導波路９５の下面に形成されるＲＬＳＡ９９とを有している。
ここで、ラジアル導波路９５は、互いに平行な２枚の円形導体板９６，９７と、これら２枚の導体板９６，９７の外周部を接続してシールドする導体リング９８とを有する。ラジアル導波路９５の上面となる導体板９６の中心部には、円筒導波管９３が接続される。また、ラジアル導波路９５の下面となる導体板９７には、複数のスロットが形成され、これらのスロットからＲＬＳＡ９９が構成される。

このような構成のプラズマ処理装置において、マグネトロン発振装置１，１０がマイクロ波Ｍを発振すると、このマイクロ波Ｍは矩形導波管９１、矩形円筒変換器９２および円筒導波管９３を介して、ラジアル導波路９５に導入される。そして、ラジアル導波路９５に導入されたマイクロ波Ｍは、ラジアル導波路９５の中心部から周縁部へ向かって放射状に伝搬しつつ、ラジアル導波路９５下面のＲＬＳＡ９９から徐々に処理容器８１内に供給される。処理容器８１内では、供給されたマイクロ波Ｍにより、ノズル８６から導入されたプラズマガスが電離してプラズマＰが生成され、基板８４に対する処理が行われる。

マグネトロン発振装置１，１０は、マグネトロン２，２ａを発振管とするため、半導体発振装置やクライストロン発振装置と比較して、はるかに安価で製造することができる。このため、このマグネトロン発振装置１，１０をプラズマ処理装置のマイクロ波電源として用いることにより、プラズマ処理装置の製造コストを抑制することができる。
しかも、マグネトロン発振装置１，１０は、半導体発振装置やクライストロン発振装置と同じく周波数安定度がよく、モーディングも起きない。このため、周波数依存性のある要素を多く含むプラズマ処理装置の動作を安定化し、かつ、一定化することができる。また、帯域特性を考慮しなくてもよいので、プラズマ処理装置の放電電極（本実施の形態においては、ラジアル導波路９５およびＲＬＳＡ９９）等の設計が容易になる。

なお、マグネトロン発振装置１，１０は、他方式のプラズマ処理装置にも用いることができる。例えば、電子サイクロトロン共鳴（electron-cyclotron-resonance：ＥＣＲ）プラズマ処理装置にも用いることができる。

また、本実施の形態において、第２−６の実施の形態を適用してもよいことは言うまでもない。

本発明は、例えば、プロセス処理装置、医用加速器、通信装置など、マイクロ波を用いる各種装置に適用することができる。

１，１０…マグネトロン発振装置、２，２ａ…マグネトロン、３，３ａ…マグネトロン電源、４…ランチャー、５，５ａ〜５ｄ…インピーダンス発生器、６…周波数結合器、７，７ａ，７ｂ…周波数検出部、８…駆動電圧生成部、９…アイソレータ、１１…基準信号供給部、１２…基準信号発振器、１３…非可逆部材、１４…サーキュレータ、５０…矩形導波管、５１ａ〜５１ｃ…スタブ、５２ａ〜５２ｃ…分岐導波管、５３ａ〜５３ｃ…ショート板、５４…分岐導波管、５５…フェライト移相器、５６…短絡板、７１…電力分配器、７２…バランスドミキサー、７３…ディレーライン、７４…分割回路、７５…第１の共振回路、７６…第２の共振回路、７７…第１の検波回路、７８…第２の検波回路、７９…加算回路、８１…処理容器、８２…絶縁板、８３…載置台、８４…基板、８５…排気口、８６…ガス導入用ノズル、８７…誘電体板、８８…シール部材、８９…シールド材、９０…マイクロ波供給装置、９１…矩形導波管、９２…矩形円筒変換器、９３…円筒導波管、９４…負荷整合器、９５…ラジアル導波路、９６，９７…円形導体板、９８…リング部材、９９…ラジアルラインスロットアンテナ（ＲＬＳＡ）、Ａ…アノード、Ｈ／Ｋ…ヒータ／カソード、Ｍ…マイクロ波。

Claims (9)

1. マグネトロンと、
   このマグネトロンの出力電力を取り出すランチャーと、
   このランチャーに入力端が接続されて、前記マグネトロンの負荷サセプタンスを調整するインピーダンス発生器と、
   このインピーダンス発生器に入力端が接続されて、通過電力の一部を取り出す周波数結合器と、
   入力端が周波数結合器の第１の出力端に接続され、前記マグネトロンの発振周波数と所定の周波数とのずれに応じたずれ信号を出力する周波数検出部と、
   この周波数検出部に入力端が接続され、前記インピーダンス発生器に出力端が接続されて、前記ずれ信号に基づいて、前記マグネトロンの発振周波数を前記所定の周波数にするための駆動電圧を生成して前記インピーダンス発生器に出力する駆動電圧生成部と
   を備えたことを特徴とするマグネトロン発振装置。
2. 入力端が前記周波数結合器の第２の出力端に接続され、前記マグネトロンの出力電力を負荷の方向へ導く非可逆部材をさらに備える
   ことを特徴とする請求項１記載のマグネトロン発振装置。
3. 前記インピーダンス発生器は、
   矩形導波管と、この矩形導波管の対向する広面の内壁面にそれぞれ配設されたフェライトと、このフェライトと対応する位置で前記矩形導波管の外周に巻回されたコイルとからなる移相器と、
   この移相器の一端に接続された短絡板と、
   前記移相器の他端に接続された分岐導波管と
   を少なくとも１組備える
   ことを特徴とする請求項１または２記載のマグネトロン発振装置。
4. 前記周波数結合器の第２の出力端に一端が接続されて、前記マグネトロンの出力よりも低電力かつ周波数が安定した基準信号を前記マグネトロンに供給する基準信号供給部をさらに備える
   ことを特徴とする請求項１−３の何れか１項に記載のマグネトロン発振装置。
5. 前記基準信号供給部は、
   前記基準信号を発振する基準信号発振器と、
   一端が前記基準信号発振器の出力端に接続された非可逆部材と、
   一端が前記非可逆部材の他端に接続されて、前記基準信号発振器からの前記基準信号を前記周波数結合器を通して前記マグネトロンへ導くとともに、前記周波数結合器からの前記マグネトロンの出力電力を負荷の方向へ導くサーキュレータと
   を備えることを特徴とする請求項４記載のマグネトロン発振装置。
6. 前記周波数検出部は、
   入力端が前記周波数結合器の前記第１の出力端に接続された分割回路と、
   第１の入力端が前記分割回路の第１の出力端に接続された位相検波回路と、
   入力端が前記分割回路の第２の出力端に接続され、出力端が前記位相検波回路の第２の入力端に接続された移相回路と
   を備えることを特徴とする請求項１−５の何れか１項に記載のマグネトロン発振装置。
7. 前記周波数検出部は、
   入力端が前記周波数結合器の前記第１の出力端に接続された分割回路と、
   入力端が前記分割回路の第１の出力端に接続された第１の共振回路と、
   入力端が前記第１の共振回路に接続された第１の検波回路と、
   入力端が前記分割回路の第２の出力端に接続された第２の共振回路と、
   入力端が前記第２の共振回路に接続された第２の検波回路と、
   第１の入力端が前記第１の検波回路に接続され、第２の入力端が前記第２の検波回路に接続された加算回路と
   を備えることを特徴とする請求項１−５の何れか１項に記載のマグネトロン発振装置。
8. 前記マグネトロンは、
   加熱により電子を放出するカソードと、
   このカソードを加熱するヒータと、
   前記カソードとの間に電界を形成するアノードと
   を少なくとも備え、
   前記アノードに流れる電流が大きくなるにしたがって前記ヒータに印加する電圧を小さくするヒータ電源をさらに備える
   ことを特徴とする請求項１−７の何れか１項に記載のマグネトロン発振装置。
9. マイクロ波により生成されたプラズマを用いて、被処理体に対して所定の処理を行うプラズマ処理装置であって、
   前記マイクロ波の供給源として請求項１−８の何れか１項に記載のマグネトロン発振装置を備える
   ことを特徴とするプラズマ処理装置。
   

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