JP4820829B2 - 方向性結合器及びそれを用いたプラズマ発生装置 - Google Patents

Description

本発明は、マイクロ波回路で用いられる方向性結合器、及び、その方向性結合器が設けられたプラズマ発生装置に関する。

被処理物に対してプラズマを照射し、その表面の有機汚染物の除去、表面改質、エッチング、薄膜形成または薄膜除去等を行うプラズマ発生装置が知られている。このようなプラズマ発生装置は常温常圧下でのプラズマ発生が可能であり、そのプラズマ発生にはマイクロ波が利用される。通常、上記のようなプラズマ発生装置においては、マイクロ波発生手段が発生させるマイクロ波の電力が適宜検出されており、その検出結果をマイクロ波発生手段にフィードバックすることによりマイクロ波電力の出力安定化が図られている。

ところで、マイクロ波電力を検出する際には、マイクロ波発生手段から導波管に導かれるマイクロ波電力の一部を導波管から取り出すことが必要となるが、その取り出しの手段として方向性結合器が利用されることが一般的である。プラズマ発生装置への組み込みの観点から方向性結合器には小型化が要請されており、例えば、特許文献１に小型化が実現された方向性結合器が開示されている。

特許文献１に開示された方向性結合器においては、マイクロストリップラインを有するプリント基板を導波管上に配置し、マイクロストリップラインと接続された２つの探針が導波管内に突出するように構成されている。この２つの探針から導波管内を流れるマイクロ波を基板上のマイクロストリップラインに取り込み、導波管内の一方向に進行するマイクロ波電力の一部を分岐させるものである。
特開平６−１３２７１０号公報

上述したようなプラズマ発生装置においては、マイクロ波発生手段から導波管に導かれる入射マイクロ波と、プラズマ発生に寄与することなく導波管に戻って来る反射マイクロ波のうちから一方のマイクロ波（例えば、入射マイクロ波）だけを方向性結合器を介して分岐し、その一方のマイクロ波の電力検出が行われる。そこで、特許文献１に開示された方向性結合器においては、２つの探針の導波管内に突出した長さにより導波管内から２つの探針を通して取り出される２つのマイクロ波の振幅を調節しており、その振幅調節により一方のマイクロ波だけを分岐させることを可能としている。

しかしながら、上述したマイクロ波の振幅調節には非常に高精度なものが要求されており、特許文献１に開示された探針の長さを変えることによっては、要求される振幅調節の精度を完全に満たすことができないという問題点がある。

上記問題点に鑑み、本発明の目的は、導波管を伝搬するマイクロ波を精度よく分岐させることができる、小型化が可能な方向性結合器、及び、その方向性結合器が設けられたプラズマ発生装置を提供することにある。

上記目的を達成するために、本発明の一局面に従う方向性結合器は、方向性結合回路基板と、マイクロ波が伝搬する導波管とを備え、前記方向性結合回路基板は、基板部と、前記基板部上に配置され、各々の一端同士が接続された第１及び第２の伝送経路と、前記第１及び第２の伝送経路の各々の他端と一対一に対応して接続されており、マイクロ波が伝搬する方向である導波管の長手方向に沿って所定の距離だけ離間して前記導波管内に突出する第１及び第２の探針とを有し、前記導波管の長手方向における前記第１及び第２の探針間の所定の距離Ｌ１と前記第１の探針の突出長を含めた前記第１の伝送経路の経路長Ｌ２との和Ｌ１＋Ｌ２と、前記第２の探針の突出長を含めた前記第２の伝送経路の経路長Ｌ３との差は、（２ｎ−１）λ／２（ｎ：整数、λ：マイクロ波の波長）に一致し、前記所定の距離Ｌ１と前記第２の伝送経路の経路長Ｌ３との和Ｌ１＋Ｌ３と、前記第１の伝送経路の経路長Ｌ２との差は、（２ｎ−１）λ／２に一致しないでおり、前記導波管は、前記方向性結合回路基板の前記第１及び第２の探針の各々に一対一に対応し、前記第１及び第２の探針を前記導波管内に突出させる第１及び第２の結合長穴が形成された側面部を有し、前記第１及び第２の結合長穴は前記導波管の幅方向に延在する直線形状を持っており、前記第１及び第２の探針が前記第１及び第２の結合長穴に誘導されて移動することにより前記第１及び第２の探針が接する前記導波管を伝搬するマイクロ波の電界強度が変化する。

上記の方向性結合器では、第１及び第２の探針が第１及び第２の結合長穴に誘導されて移動することにより第１及び第２の探針が接するマイクロ波の電界強度が変化するので、導波管から分岐されるマイクロ波電力を増減させることができる。このため、例えば、分岐されるマイクロ波電力を検出する検出器の検出レンジに合わせて、分岐されるマイクロ波電力を調整することが可能となる。

前記方向性結合回路基板はさらに、前記第１及び第２の伝送経路上のうちの少なくとも一方に介在され、前記第１及び第２の伝送経路の接続点における前記第１及び第２の伝送経路上の各々を伝搬するマイクロ波の振幅が略一致するように設定された減衰量を持つ振幅減衰手段を有することが好ましい。

この場合、第１及び第２の伝送経路上の各々を伝搬するマイクロ波の振幅を第１及び第２の伝送経路の接続点において略一致させ、導波管の長手方向に沿って互いに対向する向きで伝搬する２つのマイクロ波のうちのいずれか一方のマイクロ波の振幅を第１及び第２の伝送経路の接続点において確実にゼロとすることができるので、他方のマイクロ波だけを確実に分岐させることができる。

本発明の他の一局面に従う方向性結合器は、方向性結合回路基板と、マイクロ波が伝搬する導波管とを備え、前記方向性結合回路基板は、基板部と、前記基板部上に配置され、各々の一端同士が接続された第１及び第２の伝送経路と、前記第１及び第２の伝送経路の各々の他端と一対一に対応して接続されており、マイクロ波が伝搬する方向である導波管の長手方向に沿って所定の距離だけ離間して前記導波管内に突出する第１及び第２の探針とを有し、前記導波管の長手方向における前記第１及び第２の探針間の所定の距離Ｌ１と前記第１の探針の突出長を含めた前記第１の伝送経路の経路長Ｌ２との和Ｌ１＋Ｌ２と、前記第２の探針の突出長を含めた前記第２の伝送経路の経路長Ｌ３との差は、（２ｎ−１）λ／２（ｎ：整数、λ：マイクロ波の波長）に一致し、前記所定の距離Ｌ１と前記第２の伝送経路の経路長Ｌ３との和Ｌ１＋Ｌ３と、前記第１の伝送経路の経路長Ｌ２との差は、（２ｎ−１）λ／２に一致しないでおり、前記導波管は、前記方向性結合回路基板の前記第１及び第２の探針の各々に一対一に対応し、前記第１及び第２の探針を前記導波管内に突出させる第１及び第２の結合長穴が形成された側面部を有し、前記第１及び第２の結合長穴は、前記導波管の幅方向に延在する直線形状と前記第１及び第２の探針間を結ぶ線分上の中点を中心とする円弧形状とを含む形状を持っており、前記第１及び第２の探針が前記第１及び第２の結合長穴に誘導されて移動することにより前記第１及び第２の探針が接する前記導波管を伝搬するマイクロ波の電界強度が互いに異なるように変化する。

上記の方向性結合器では、第１及び第２の探針が第１及び第２の結合長穴に誘導されて移動することにより第１及び第２の探針が接するマイクロ波の電界強度が互いに異なるように変化するので、第１及び第２の探針の結合比が互いに異なるようにすることができる。このため、第１及び第２の探針の上記両方向の移動量を調節することにより、第１及び第２の探針の各々の結合比を調節して、第１及び第２の探針を通して方向性結合回路基板に出力されるマイクロ波電力の各々の振幅を一致させることができる。

本発明のさらに他の一局面に従うプラズマ発生装置は、マイクロ波を発生させるマイクロ波発生手段と、前記マイクロ波発生手段が発生させる前記マイクロ波を受信し、当該マイクロ波のエネルギーを用いてプラズマを発生させるプラズマ発生手段と、前記マイクロ波発生手段と前記プラズマ発生手段との間に配置された前記導波管を伝搬するマイクロ波の一部の電力を取り出す、上記の方向性結合器と、前記方向性結合器により取り出された電力を検出し、当該検出結果を前記マイクロ波発生手段に出力する検出器とを備え、前記マイクロ波発生手段は、前記検出器から出力された前記検出結果に基づき、自身が発生させるマイクロ波の出力を制御する。

上記のプラズマ発生装置では、導波管の長手方向に沿って互いに対向する向きで伝搬する入射マイクロ波及び反射マイクロ波のうちの反射マイクロ波の振幅を第１及び第２の伝送経路の接続点において確実にゼロとすることができるので、入射マイクロ波だけを確実に分岐させることができる。このため、反射マイクロ波の影響を受けることなく入射マイクロ波の電力を検出することができるので、その検出結果に基づいてマイクロ波の出力を制御し、その出力の安定化を図ることができる。

本発明によれば、導波管を伝搬するマイクロ波を精度よく分岐させることができる、小型化が可能な方向性結合器及びそれを用いたプラズマ発生装置を提供することができる。

以下、本発明の実施の形態について、図面を参照しながら説明する。なお、以下の図面の記載において、同じ要素または類似する要素には、同じまたは類似の符号を付しており、説明を省略する場合がある。

（実施の形態１）
図１は、本発明の実施の形態１に係る方向性結合器が組み込まれたプラズマ発生装置の全体構成を示す一部透視側面図である。本実施の形態に係るプラズマ発生装置ＰＵは、プラズマを発生して被処理物となるワーク等にプラズマを照射する装置であり、マイクロ波を利用し、常温常圧でのプラズマ発生が可能である。本実施の形態に係るプラズマ発生装置ＰＵは、図１に示すように、第１、第２、第３の導波管１１、１２、１３と、マイクロ波発生装置２０と、プラズマ発生部３０と、スライディングショート４０と、サーキュレータ５０と、ダミーロード６０と、スタブチューナ７０と、方向性結合器１０と、検出器８６と、を備えている。

第１、第２、第３の導波管１１、１２、１３は、例えばアルミニウム等の非磁性金属からなり、断面矩形の長尺管状を呈しており、マイクロ波発生装置２０により発生されたマイクロ波をプラズマ発生部３０へ向けて、その長手方向に伝搬させるものである。第１、第２、第３の導波管１１、１２、１３の各々は、互いのフランジ部同士で連結されており、マイクロ波発生装置２０が第１の導波管１１に搭載されている。また、第２の導波管１２にはスタブチューナ７０が組付けられ、第３の導波管１３にはプラズマ発生部３０が設けられている。さらに、図１に示すように、第１の導波管１１と第２の導波管１２との間にはサーキュレータ５０及び方向性結合器１０が介在され、第３の導波管１３の一端側にはスライディングショート４０が連結されている。

第１の導波管１１、第２の導波管１２及び第３の導波管１３の各々は、金属平板からなる上面板、下面板および２枚の側面板を用いて角筒状に組立てられ、その両端にフランジ板が取付けられて構成されている。なお、このような平板の組み立てによらず、押出し成形や板状部材の折り曲げ加工等により形成された矩形導波管もしくは非分割型の導波管を用いるようにしてもよい。また、断面矩形の導波管に限らず、例えば断面楕円の導波管を用いることも可能である。さらに、非磁性金属に限らず、導波作用を有する各種の部材で導波管を構成することができる。

マイクロ波発生装置２０は、例えば２．４５ＧＨｚのマイクロ波を発生するマグネトロンのマイクロ波発生源を具備する装置本体部２１と、装置本体部２１で発生されたマイクロ波を導波管１０の内部へ放出するマイクロ波送信アンテナ２２と、を有している。本実施の形態に係るプラズマ発生装置ＰＵにおいては、マイクロ波発生装置２０として例えば１〜３０００Ｗのマイクロ波エネルギーを出力可能な連続可変型のマイクロ波発生装置が好適に用いられる。

マイクロ波発生装置２０は、装置本体部２１からマイクロ波送信アンテナ２２が突設された形態のものであり、第１の導波管１１に載置される態様で固定されている。詳しくは、装置本体部２１が第１の導波管１１の上面板１１Ｕに載置され、マイクロ波送信アンテナ２２が上面板１１Ｕに穿設された貫通孔１１１を通して第１の導波管１１内部の導波空間１１０に突出する態様で固定されている。このように構成されることで、マイクロ波送信アンテナ２２から放出されたマイクロ波は、第１、第２、第３の導波管１１、１２、１３内をプラズマ発生部３０に向けて伝搬される。

プラズマ発生部３０は、第３の導波管１３の下面板１３Ｂに左右方向へ一列に整列して突設された８個のプラズマ発生ノズル３１を有している。プラズマ発生部３０の幅員、つまり８個のプラズマ発生ノズル３１の左右方向の配列幅は、プラズマ発生部３０からのプラズマによる処理対象のワーク等の搬送方向と直交する幅方向の最大サイズと略合致する幅員とされている。これにより、処理対象のワークを搬送しながらワークの全表面（下面板１３Ｂと対向する面）に対してプラズマ処理が行えるようになっている。なお、８個のプラズマ発生ノズル３１の配列間隔は、伝搬させるマイクロ波の波長λに応じて定めることが望ましい。たとえば、波長λの１／２ピッチ、１／４ピッチでプラズマ発生ノズル３１を配列することが望ましく、２．４５ＧＨｚのマイクロ波を用い、矩形の導波管１１、１２、１３の断面サイズが２．８４インチ×１．３８インチの場合、λ＝２３０ｍｍであるので、１１５ｍｍ（λ／２）ピッチ、或いは５７．５ｍｍ（λ／４）ピッチでプラズマ発生ノズル３１を配列すればよい。

プラズマ発生ノズル３１は、第３の導波管１３の下面板１３Ｂを貫通して導波空間１３０に所定長さだけ突出する導電体３２を有している。プラズマ発生ノズル３１は、導電体３２を介して第３の導波管１３内を伝搬するマイクロ波を受信し、そのマイクロ波エネルギー（マイクロ波電力）を用いてプラズマを発生させることができる。

スライディングショート４０は、各々のプラズマ発生ノズル３１に備えられている導電体３２と、第３の導波管１３の内部を伝搬されるマイクロ波との結合状態を最適化するために備えられているもので、マイクロ波の反射位置を変化させて定在波パターン部を調整可能とするべく第３の導波管１３の一端側に連結されている。なお、定在波を利用しない場合は、スライディングショート４０に代えて、電波吸収作用を有するダミーロードが取付けられる。

スライディングショート４０は、第３の導波管１３と同様な断面矩形の筐体構造を備えており、その内部に円柱状の反射ブロック４２を収納している。反射ブロック４２の移動によって定在波パターン部が最適化される。

サーキュレータ５０は、例えばフェライト柱を内蔵する導波管型の３ポートサーキュレータからなり、一旦はプラズマ発生部３０へ向けて伝搬されたマイクロ波のうち、プラズマ発生部３０で電力消費されずに戻って来る反射マイクロ波を、マイクロ波発生装置２０に戻さずダミーロード６０へ向かわせるものである。このようなサーキュレータ５０を配置することで、マイクロ波発生装置２０が反射マイクロ波によって過熱状態となることが防止される。

ダミーロード６０は、上記の反射マイクロ波を吸収して熱に変換する水冷型（空冷型でも良い）の電波吸収体である。ダミーロード６０には、冷却水を内部に流通させるための冷却水流通口が設けられており、反射マイクロ波を熱変換することにより発生した熱が冷却水に熱交換されるようになっている。

スタブチューナ７０は、第２の導波管１２とプラズマ発生ノズル３１とのインピーダンス整合を図るためのもので、第２の導波管１２の上面板１２Ｕに所定間隔を置いて直列配置された３つのスタブチューナユニット７０Ａ〜７０Ｃを備えている。３つのスタブチューナユニット７０Ａ〜７０Ｃは同一構造を備えており、第２の導波管１２の導波空間１２０に突出するスタブ７１を有している。

スタブチューナユニット７０Ａ〜７０Ｃに各々備えられているスタブ７１は、その導波空間１２０への突出長が調整可能とされている。これらスタブ７１の突出長は、例えばマイクロ波電力パワーをモニタしつつ、導電体３２による消費電力が最大となるポイント（反射マイクロ波が最小になるポイント）を探索することで決定される。なお、このようなインピーダンス整合は、必要に応じてスライディングショート４０と連動させて実行される。

次に、本実施の形態に係る方向性結合器１０について説明する。本実施の形態に係る方向性結合器１０は、図１に示したように、サーキュレータ５０と第２の導波管１２との間に配置されており、マイクロ発生装置２０からプラズマ発生部３０に向けて第１、第２、第３の導波管１１、１２、１３を介して伝搬する入射マイクロ波電力の一部を分岐させるものである。図２は、本実施の形態に係る方向性結合器１０の構成を示す分解斜視図である。

本実施の形態に係る方向性結合器１０は、方向性結合器用導波管８０と、方向性結合回路基板８１と、を有している。方向性結合器用導波管８０は、第１、第２、第３の導波管１１、１２、１３と同様、例えばアルミニウム等の非磁性金属からなり、断面矩形の長尺管状を呈しており、マイクロ波発生装置２０により発生されたマイクロ波をプラズマ発生部３０へ向けて、その長手方向に伝搬させる。さらに、方向性結合器用導波管８０は、一旦はプラズマ発生部３０へ向けて伝搬されたマイクロ波のうち、プラズマ発生部３０で電力消費されずにマイクロ波発生装置２０側に戻って来る反射マイクロ波も同様に伝搬させる。

本実施の形態の方向性結合器用導波管８０は、図２に示すように、２つの結合長穴８４Ａ、８４Ｂを有している。２つの結合長穴８４Ａ、８４Ｂの各々は、方向性結合回路基板８１の２つの探針８３Ａ、８３Ｂの各々に一対一対応しており、それぞれに対応する探針８３Ａ、８３Ｂが挿入可能となっている。方向性結合回路基板８１は、方向性結合回路基板８１の探針８３Ａ、８４Ｂを結合長穴８４Ａ、８４Ｂを通して方向性結合器用導波管８０内部の導波空間に突出させる態様で方向性結合器用導波管８０に載置される。結合長穴８４Ａ、８４Ｂは直線形状を有しており、探針８３Ａ、８３Ｂが結合長穴８４Ａ、８４Ｂに誘導されて方向性結合器用導波管８０の幅方向に移動可能となっている。もちろん、探針８３Ａ、８３Ｂの移動によって方向性結合回路基板８１も同時に幅方向に移動する。結合長穴８４Ａ、８４Ｂの形状及びその形状に起因する効果については後に詳しく説明する。

方向性結合回路基板８１は、図２に示すように、所定の経路を持つマイクロストリップライン８２を有している。マイクロストリップライン８２は、上記の２つの探針８３Ａ、８３Ｂと接続されており、方向性結合器用導波管８０内を伝搬する入射マイクロ波及び反射マイクロ波の各々の一部は探針８３Ａ、８３Ｂを通してマイクロストリップライン８２に伝送される。

次に、方向性結合器用導波管８０の結合長穴８４Ａ、８４Ｂ及び方向性結合回路基板８１のマイクロストリップライン８２についてさらに詳しく説明する。図３は、方向性結合器用導波管８０の結合長穴８４Ａ、８４Ｂ及び方向性結合回路基板８１のマイクロストリップライン８２を説明するための図である。

図３に示すように、方向性結合器用導波管８０の結合長穴８４Ａ、８４Ｂは、方向性結合器用導波管８０の長手方向に沿って所定の距離Ｌ１で離間されている。方向性結合回路基板８１の探針８３Ａ、８３Ｂも同様、上記の距離Ｌ１で離間されており、方向性結合器用導波管８０の結合長穴８４Ａ、８４Ｂを通して方向性結合器用導波管８０内部の導波空間に突出し、方向性結合器用導波管８０内を伝搬する入射マイクロ波及び反射マイクロ波の各々の一部をマイクロストリップライン８２に伝送する。本実施の形態においては、マイクロ波電力を検出可能な検出器８６がマイクロストリップライン８２の結合点Ｘに接続されており、マイクロストリップライン８２の結合点Ｘを介して出力されるマイクロ波電力を検出可能となっている。

マイクロストリップライン８２は、探針８３Ａの先端Ｐ１から結合点Ｘまでに至る第１の伝送経路と、探針８３Ｂの先端Ｐ３から結合点Ｘまでに至る第２の伝送経路と、を有しており、第１、第２の伝送経路上の各々には、振幅減衰手段である減衰器８５Ａ、８５Ｂが介在されている。減衰器８５Ａ、８５Ｂの各々は、お互いに独立して減衰量を設定することができ、それぞれが配置された第１、第２の伝送経路上を伝送される入射マイクロ波や反射マイクロ波の振幅を設定された減衰量に従って減衰させるものである。さらに、マイクロストリップライン８２の形状は、マイクロストリップライン８２の第１の伝送経路が所定の距離Ｌ２を有し、第２の伝送経路が所定の距離Ｌ３を有するように形成されている。

減衰器８５Ａ、８５Ｂとしては、例えば、３つのチップ抵抗から構成すれば良い。図３に示すように、減衰器８５Ａは３つのチップ抵抗Ｒ１１、Ｒ１２、Ｒ１３がπ型に接続され構成されており、減衰器８５Ｂは３つのチップ抵抗Ｒ２１、Ｒ２２、Ｒ２３がπ型に接続され構成されている。減衰器８５Ａ、８５Ｂは、各々を構成するチップ抵抗Ｒ１１、Ｒ１２、Ｒ１３、Ｒ２１、Ｒ２２、Ｒ２３の抵抗値を変化させることにより所望の減衰量を実現することができる。なお、減衰器８５Ａ、８５Ｂの減衰量間に必要とされる条件については後述する。

ここで、方向性結合器用導波管８０内を伝搬する入射マイクロ波のうち探針８３Ａを通してマイクロストリップライン８２に伝送される入射マイクロ波は、探針８３Ａの先端Ｐ１から位置Ｐ２を経由して結合点Ｘに至る第１の行路を取る。そして、その第１の行路の行路長はＬ２である。また、探針８３Ｂを通してマイクロストリップライン８２に伝送される入射マイクロ波は、探針８３Ａの先端Ｐ１を基準とした場合、探針８３Ａの先端Ｐ１から方向性結合器用導波路８０内部を伝搬して探針８３Ｂの先端Ｐ３に到達し、先端Ｐ３を経由して結合点Ｘに至る第２の行路を取る。そして、その第２の行路の行路長はＬ１＋Ｌ３である。

一方、方向性結合器用導波管８０内を伝搬する反射マイクロ波のうち探針８３Ｂを通してマイクロストリップライン８２に伝送される反射マイクロ波は、探針８３Ｂの先端Ｐ３から結合点Ｘに至る第３の行路を取る。そして、その第３の行路の行路長はＬ３である。また、探針８３Ａを通してマイクロストリップライン８２に伝送される反射マイクロ波は、探針８３Ｂの先端Ｐ３を基準とした場合、探針８３Ｂの先端Ｐ３から方向性結合器用導波路８０内部を伝搬して探針８３Ａの先端Ｐ１に到達し、先端Ｐ１、位置Ｐ２を経由して結合点Ｘに至る第４の行路を取る。そして、その第４の行路の行路長はＬ１＋Ｌ２である。

次に、上記の距離Ｌ１、Ｌ２、Ｌ３間に必要とされる条件及び減衰器８５Ａ、８５Ｂの減衰量間に必要とされる条件ついて説明する。本実施の形態に係る方向性結合器１０においては、方向性結合器用導波管８０を伝搬する反射マイクロ波の電力を検出すること無く、入射マイクロ波の電力を検出するため、上記の距離Ｌ１、Ｌ２、Ｌ３及び減衰器８５Ａ、８５Ｂの減衰量は、以下に述べる条件を満足する。なお、方向性結合器用導波管８０を伝搬する入射マイクロ波及び反射マイクロ波の波長は共にλとする。

まず、反射マイクロ波におけるマイクロストリップライン８２の結合点Ｘに至る行路としては、上述したように、上記の第３の行路、第４の行路が挙げられる。そして、第３の行路の行路長がＬ３、第４の行路の行路長がＬ１＋Ｌ２である。ここで、第３の行路、第４の行路の行路長差が（２ｎ−１）λ／２であり、且つ、第３の行路、第４の行路上の各々を伝送される反射マイクロ波の振幅が等しければ、各々を伝送される反射マイクロ波が互いに打ち消し合い、結合点Ｘにおいて反射マイクロ波が出力されない。すなわち、反射マイクロ波において必要とされる条件としては次の２つである。
（１）第３の行路の行路長Ｌ３と第４の行路の行路長Ｌ１＋Ｌ２との行路長差は（２ｎ−１）λ／２（ｎは整数）である、すなわち、第３の行路、第４の行路上の各々を伝送される反射マイクロ波は逆相である。
（２）第３の行路、第４の行路上の各々を伝送される反射マイクロ波の振幅は等しい。

上記の（２）の条件は、減衰器８５Ａ、８５Ｂの減衰量を別途独立に調節することにより満足させることができる。

次に、入射マイクロ波におけるマイクロストリップライン８２の結合点Ｘに至る行路としては、上述したように、上記の第１の行路、第２の行路が挙げられる。そして、第１の行路の行路長がＬ２、第２の行路の行路長がＬ１＋Ｌ３である。ここで、第１の行路、第２の行路の行路長差が少なくとも（２ｎ−１）λ／２を満足しなければ、各々を伝送される入射マイクロ波同士が互いに打ち消しあうことは無く、結合点Ｘにおいて入射マイクロ波は出力される。すなわち、入射マイクロ波において必要とされる条件としては次の通りである。
（３）第１の行路の行路長Ｌ２と第２の行路の行路長Ｌ１＋Ｌ３との行路長差は（２ｎ−１）λ／２（ｎは整数）ではない。

上記の（３）の条件としては、例えば、第１の行路の行路長Ｌ２と第２の行路の行路長Ｌ１＋Ｌ３との行路長差をｎλ（ｎは整数）とすれば良い。この場合、第１の行路、第２の行路上の各々を伝送される入射マイクロ波は同相となり、結合点Ｘにおいて出力される入射マイクロ波の振幅は方向性結合器用導波管８０を伝搬する入射マイクロ波よりも大きくなり、その結果、方向性結合器１０の結合度は向上する。

例えば、方向性結合器用導波管８０の結合長穴８４Ａ、８４Ｂ間の距離Ｌ１がλ／４、マイクロストリップライン８２の第１の伝送経路の距離Ｌ２と第２の伝送経路の距離Ｌ３との差がλ／４である場合、第３の行路の行路長Ｌ３と第４の行路Ｌ１＋Ｌ２との行路長差はλ／２となり、第３の行路、第４の行路上の各々を伝送される反射マイクロ波は逆相となる。一方、第１の行路の行路長Ｌ２と第２の行路の行路長Ｌ１＋Ｌ３との行路長とは等しくなり、第１の行路、第２の行路上の各々を伝送される入射マイクロ波は同相となる。

検出器８６は、マイクロストリップライン８２の結合点Ｘを介して出力される入射マイクロ波電力を検出し、その検出結果をマイクロ波発生装置２０の装置本体部２１に出力する。装置本体部２１は、その検出結果に基づいてマイクロ波発生源を制御し、マイクロ波発生源から発生されるマイクロ波の出力を安定化させる。

次に、方向性結合回路基板８１の具体的構造について説明する。図４は、方向性結合回路基板８１の概略構成を示す平面図である。図４に示す方向性結合回路基板８１においては、マイクロストリップライン８２が結合点Ｘにおいて分岐されており、一方の分岐経路（第１の伝送経路）の先には探針８３Ａが接続され、他方の分岐経路（第２の伝送経路）の先には探針８３Ｂが接続されている。具体的には、マイクロストリップライン８２を構成する３つのマイクロストリップライン８２Ａ、８２Ｂ、８２Ｃの各々の一端が結合点Ｘにおいて結合されている。第１の伝送経路であるマイクロストリップライン８２Ａは、その他端に接続された探針８３Ａを通して取り込まれるマイクロ波を結合点Ｘに伝送するためのものであり、第２の伝送経路であるマイクロストリップライン８２Ｂは、その他端に接続された探針８３Ｂを通して取り込まれるマイクロ波を結合点Ｘに伝送するためのものである。第１及び第２の伝送経路上の各々を伝送されるマイクロ波は結合点Ｘにおいて合成され、その合成されたマイクロ波は第３の伝送経路であるマイクロストリップライン８２Ｃ上を伝送され、検出器８６に出力される。

マイクロストリップライン８２Ａ、８２Ｂの各々の経路上には、各々の経路上を伝送されるマイクロ波をあらかじめ設定された減衰量だけ減衰させる減衰器８５Ａ、８５Ｂが介在されている。減衰器８５Ａは、３つのチップ抵抗Ｒ１１、Ｒ１２、Ｒ１３がπ型に接続され構成されており、減衰器８５Ｂは３つのチップ抵抗Ｒ２１、Ｒ２２、Ｒ２３がπ型に接続され構成されている。マイクロストリップライン８２Ａ、８２Ｂの近傍にはグランドライン８７が配置されており、減衰器８５Ａ、８５Ｂを構成するチップ抵抗Ｒ１２、Ｒ１３、Ｒ２２、Ｒ２３がグランドライン８７を通して接地されている。

上述したように、減衰器８５Ａ、８５Ｂは探針８３Ａ、８３Ｂから伝送されるマイクロ波電力の振幅を減衰させる効果を有しているが、さらに次のような効果も有している。図４に示す複数のマイクロストリップライン８２Ａ、８２Ｂ、８２Ｃが結合する結合点Ｘにおいては伝送経路の特性インピーダンスが変化しており、このため、探針８３Ａ、探針８３Ｂからマイクロストリップライン８２Ａ、８２Ｂ上を伝送されるマイクロ波の一部は結合点Ｘにおいて反射し、再び、マイクロストリップライン８２Ａ、８２Ｂ上を伝送されて探針８３Ａ、探針８３Ｂ側に戻ってしまう。さらに、探針８３Ａ、８３Ｂ側に戻されたマイクロ波の一部はマイクロストリップライン８２Ａ、８２Ｂの他端で反射し、再び、結合点Ｘ側に伝送されることになる。ここで、仮に、減衰器８５Ａ、８５Ｂが存在しない場合を考えてみる。上記のように反射が繰り返されると、本来マイクロストリップライン８２Ａ、８２Ｂ上を伝送されるべきマイクロ波に上記のような反射による反射波が加わってしまい、探針８３Ａ、８３Ｂから取り込まれるマイクロ波を正確に検出することが困難となる。

一方、本実施の形態においては、マイクロストリップライン８２Ａ、８２Ｂの各々の経路上に減衰器８５Ａ、８５Ｂが介在されており、減衰器８５Ａ、８５Ｂは、このような反射による反射波を減衰させることができる。したがって、検出器８６により検出される結合点Ｘにおけるマイクロ波電力の出力に上記のような反射波による影響が及ぶことも同時に抑制することができる。

次に、方向性結合器用導波管８０の結合長穴８４Ａ、８４Ｂの形状及びその形状に起因する効果について説明する。図５（ａ）は、方向性結合器用導波管８０の結合長穴８４Ａ、８４Ｂを上から見た図であり、図５（ｂ）は、図５（ａ）の線Ｉ−Ｉにおける断面図である。上述したように、結合長穴８４Ａ、８４Ｂの形状は方向性結合器用導波管８０の幅方向に延びる直線形状を有しており、探針８３Ａ、８３Ｂは結合長穴８４Ａ、８４Ｂに誘導されて方向性結合器用導波管８０の幅方向に移動可能である。

ここで、探針８３Ａ、８３Ｂが図５（ａ）の位置Ｐ４から位置Ｐ５に移動する場合を用いて説明する。方向性結合器用導波管８０を伝搬するマイクロ波電力の電界強度は、方向性結合器用導波管８０の幅方向の断面で見た場合、図５（ｂ）に示すように、最大値が幅方向の中心付近に位置する一方、その中心付近から幅方向に沿って方向性結合器用導波管８０の両側面に近づくにつれて徐々に低下し、両側面付近に最小値が位置する分布を有している。このため、探針８３Ａ、８３Ｂが位置Ｐ４にある場合と位置Ｐ５にある場合とでは、探針８３Ａ、８３Ｂを通して方向性結合器用導波管８０から方向性結合回路基板８１に出力されるマイクロ波電力は異なっている。具体的には、探針８３Ａ、８３Ｂが位置Ｐ４から位置Ｐ５に向かって進行するに従って方向性結合回路基板８１に出力されるマイクロ波電力は低下することになる。

そこで、本実施の形態では、探針８３Ａ、８３Ｂが結合長穴８４Ａ、８４Ｂに誘導されて方向性結合器用導波管８０の幅方向に移動することにより、探針８３Ａ、８３Ｂを通して方向性結合回路基板８１に出力されるマイクロ波電力を増減可能とする。本実施の形態によれば、例えば、方向性結合回路基板８１に接続された検出器８６の検出レンジに合わせて方向性結合回路基板８１に出力されるマイクロ波電力のレンジを調節することができ、検出器８６の検出精度を高めることができる。方向性結合器用導波管８０を伝搬するマイクロ波電力が１ｋＷであり、探針８３Ａ、８３Ｂの各々の結合比が５０ｄＢである場合、探針８３Ａ、８３Ｂを介して方向性結合回路基板８１に出力されるマイクロ波電力は１０ｍＷである。このとき、検出器８６の検出レンジが１ｍＷであれば、探針８３Ａ、８３Ｂを移動させて、方向性結合回路基板８１に出力されるマイクロ波電力が１ｍＷ以下になるまで方向性結合器用導波管８０の幅方向に移動させ、その検出レンジに合わせることができる。

（実施の形態２）
次に、本発明の実施の形態２について説明する。図６は、本実施の形態に係る方向性結合器用導波管８０の結合長穴８４Ａ、８４Ｂを上から見た図である。上記の実施の形態１では、探針８３Ａ、８３Ｂが結合長穴８４Ａ、８４Ｂに誘導されて方向性結合器用導波管８０の幅方向に移動可能であったが、本実施の形態ではさらに、探針８３Ａ、８４Ｂが結合長穴８４Ａ、８４Ｂに誘導されて時計方向にも移動可能となっている。以下、この点について説明する。その他の部分については実施の形態１と同様であるので、説明は省略する。

本実施の形態に係る方向性結合器用導波管８０の結合長穴８４Ａ、８４Ｂの形状は、図６に示すように、方向性結合器用導波管８０の幅方向に延びる直線形状と、探針８３Ａと探針８３Ｂとを結ぶ線分上の中点である点Ｏを中心とする円弧形状と、が組み合わされた形状を有している。したがって、本実施の形態の探針８３Ａ、８３Ｂは、結合長穴８４Ａ、８４Ｂに誘導されて方向性結合器用導波管８０の幅方向に移動可能であり、且つ、結合長穴８４Ａ、８４Ｂに誘導されて時計方向に移動可能である。さらに、方向性結合器用導波管８０の幅方向に移動しつつ、時計方向に移動することも、もちろん可能である。なお、方向性結合器用導波管８０の幅方向に移動可能である点については上記の実施の形態１と同様であり、ここでは説明を繰り返さない。

まず、本実施の形態の探針８３Ａ、８４Ｂが結合長穴８４Ａ、８４Ｂに誘導されて時計方向に移動可能である点について説明する。ここで、図６に示すように回転角θを設定する。

本実施の形態において、回転角θが０度の場合、探針８３Ａと探針８３Ｂとの間の距離はＬ１である。一方、回転角θが大きくなるに従ってその距離は徐々に小さくなっていく。つまり、回転角θにおける探針８３Ａと探針８３Ｂとの間の距離Ｌ１’はＬ１ｃｏｓθであり、回転角θを変化させることにより探針８３Ａと探針８３Ｂとの間の距離を変化させることができる。図７に、回転角θと探針８３Ａと探針８３Ｂとの間の距離の短縮率との関係を示す。図７に示すように、回転角θの増加に従って短縮率が低下していくことが分かる。なお、短縮率は、回転角θが０度の場合における距離に対する回転後の距離の比である。

一方、上述したように、本実施の形態に係る方向性結合回路基板８１においては、上記の距離Ｌ１、Ｌ２、Ｌ３間に必要とされる条件を満足することが要求されている。ところで、上記の距離Ｌ１、Ｌ２、Ｌ３の各々の値には、通常、方向性結合回路基板８１の設計時における設計誤差や長期使用後における経時誤差が含まれてしまう。このため、実際の使用時には、上述した第１の行路の行路長や、第２の行路の行路長等の行路長の微調整が無ければ、上述した条件を完全に満足させることは困難である場合が多い。

そこで、本実施の形態では、探針８３Ａと探針８３Ｂとの間の距離、すなわち、上記のＬ１の長さを可変とすることにより、上述した第１の行路の行路長や、第２の行路の行路長等の行路長の微調整を可能とし、そうすることにより、上記の距離Ｌ１、Ｌ２、Ｌ３間に必要とされる条件を完全に満たすことができ、その結果、方向性結合器１０の方向性を向上させることができる。

上述したように、本実施の形態の探針８３Ａ、８３Ｂは、方向性結合器用導波管８０の幅方向に移動しつつ、時計方向に移動することも可能である。このため、本実施の形態ではさらに、次に述べる効果も実現することができる。

上記の実施の形態１で述べたように、方向性結合器用導波管８０を伝搬するマイクロ波電力の電界強度は、方向性結合器用導波管８０の幅方向の中心付近に最大値、両側面付近に最小値を持ち、その中心付近から幅方向に沿って方向性結合器用導波管８０の両側面に近づくにつれて徐々に低下する分布を有している。ここで、探針８３Ａ、８３Ｂを方向性結合器用導波管８０の幅方向に移動させつつ、時計方向に移動させることにより、探針８３Ａ、８３Ｂの各々の結合比（方向性結合器用導波管８０を伝搬するマイクロ波電力に対する方向性結合回路基板８１に出力されるマイクロ波電力の比）を互いに異なるものとすることができる。

すなわち、上記の実施の形態１では、探針８３Ａ、８３Ｂが方向性結合器用導波管８０の幅方向のみに移動可能であり、その結果、探針８３Ａ、８３Ｂが接するマイクロ波電力の電界強度は常に同一となる。このため、探針８３Ａ、８３Ｂの各々の結合比は常に同一であり、共に増加あるいは低下させることができるのみであった。

一方、本実施の形態では、探針８３Ａ、８３Ｂを方向性結合器用導波管８０の幅方向及び時計方向に移動させることにより、探針８３Ａ、８３Ｂが接するマイクロ波電力の電界強度を互いに異なるように変化させることができ、その結果、探針８３Ａ、８３Ｂの結合比が互いに異なるようにすることができる。したがって、探針８３Ａ、８３Ｂの幅方向及び時計方向の移動量を調節することにより、探針８３Ａ、８３Ｂの各々の結合比を調節できる。このため、上記の実施の形態１では、減衰器８５Ａ、８５Ｂの各々の減衰量を調節することにより、探針８３Ａ、８３Ｂを通して方向性結合回路基板８１に出力されるマイクロ波電力の各々の振幅を一致させていたが、本実施の形態では、探針８３Ａ、８３Ｂの各々の結合比を調節することにより、上記のマイクロ波電力の各々の振幅を一致させることができる。したがって、本実施の形態によれば、上記の実施の形態１の減衰器８５Ａ、８５Ｂが不要となり、方向性結合回路基板８１の回路構成が簡略化され、製造コストの削減を図ることができる。

以上、本発明の実施の形態について説明したが、本発明はこれに限定されるものではなく、例えば、下記の実施の形態を取ることができる。

上記の実施の形態１に係る方向性結合回路基板８１においては、マイクロストリップライン８２の第１の伝送経路、第２の伝送経路の各々に減衰器８５Ａ、８５Ｂを介在させたが、第１の伝送経路、第２の伝送経路のいずれか一方だけに減衰器を介在させるようにしても良い。

本発明に係る方向性結合器及びそれを用いたプラズマ発生装置は、半導体ウェハ等の半導体基板に対するエッチング処理装置や成膜装置、プラズマディスプレイパネル等のガラス基板やプリント基板の清浄化処理装置、医療機器等に対する滅菌処理装置、タンパク質の分解装置等に好適に適用することができる。

本発明の実施の形態に係るプラズマ発生装置の全体構成を示す一部透視側面図である。 本実施の形態に係る方向性結合器１０の構成を示す分解斜視図である。 方向性結合器用導波管８０及び方向性結合回路基板８１を説明するための図である。 方向性結合回路基板８１の概略構成を示す平面図である。 （ａ）は、方向性結合器用導波管８０の結合長穴８４Ａ、８４Ｂを上から見た図であり、（ｂ）は、（ａ）の線Ｉ−Ｉにおける断面図である。 方向性結合器用導波管８０の結合長穴８４Ａ、８４Ｂを上から見た図である。 回転角θと探針８３Ａと探針８３Ｂとの間の距離の短縮率との関係を示す図である。

符号の説明

１０ 方向性結合器
１１ 第１の導波管
１１Ｕ、１２Ｕ 上面板
１２ 第２の導波管
１３ 第３の導波管
１３Ｂ 下面板
２０ マイクロ波発生装置
２１ 装置本体部
２２ マイクロ波送信アンテナ
３０ プラズマ発生部
３１ プラズマ発生ノズル
３２ 導電体
４０ スライディングショート
４２ 反射ブロック
５０ サーキュレータ
６０ ダミーロード
７０ スタブチューナ
７０Ａ、７０Ｂ、７０Ｃ スタブチューナユニット
７１ スタブ
８０ 方向性結合器用導波管
８１ 方向性結合回路基板
８２、８２Ａ、８２Ｂ、８３Ｃ マイクロストリップライン
８３Ａ、８３Ｂ 探針
８４Ａ、８４Ｂ 結合長穴
８５Ａ、８５Ｂ 減衰器
８６ 検出器
８７ グランドライン
１１０、１２０、１３０ 導波空間
１１１ 貫通孔

Claims (4)

1. 方向性結合回路基板と、
   マイクロ波が伝搬する導波管と
   を備え、
   前記方向性結合回路基板は、基板部と、前記基板部上に配置され、各々の一端同士が接続された第１及び第２の伝送経路と、前記第１及び第２の伝送経路の各々の他端と一対一に対応して接続されており、マイクロ波が伝搬する方向である導波管の長手方向に沿って所定の距離だけ離間して前記導波管内に突出する第１及び第２の探針とを有し、
   前記導波管の長手方向における前記第１及び第２の探針間の所定の距離Ｌ１と前記第１の探針の突出長を含めた前記第１の伝送経路の経路長Ｌ２との和Ｌ１＋Ｌ２と、前記第２の探針の突出長を含めた前記第２の伝送経路の経路長Ｌ３との差は、（２ｎ−１）λ／２（ｎ：整数、λ：マイクロ波の波長）に一致し、前記所定の距離Ｌ１と前記第２の伝送経路の経路長Ｌ３との和Ｌ１＋Ｌ３と、前記第１の伝送経路の経路長Ｌ２との差は、（２ｎ−１）λ／２に一致しないでおり、
   前記導波管は、前記方向性結合回路基板の前記第１及び第２の探針の各々に一対一に対応し、前記第１及び第２の探針を前記導波管内に突出させる第１及び第２の結合長穴が形成された側面部を有し、
   前記第１及び第２の結合長穴は前記導波管の幅方向に延在する直線形状を持っており、前記第１及び第２の探針が前記第１及び第２の結合長穴に誘導されて移動することにより、前記第１及び第２の探針が接する、前記導波管を伝搬するマイクロ波の電界強度が変化することを特徴とする方向性結合器。
2. 前記方向性結合回路基板はさらに、前記第１及び第２の伝送経路上のうちの少なくとも一方に介在され、前記第１及び第２の伝送経路の接続点における前記第１及び第２の伝送経路上の各々を伝搬するマイクロ波の振幅が略一致するように設定された減衰量を持つ振幅減衰手段を有することを特徴とする請求項１に記載の方向性結合器。
3. 方向性結合回路基板と、
   マイクロ波が伝搬する導波管と
   を備え、
   前記方向性結合回路基板は、基板部と、前記基板部上に配置され、各々の一端同士が接続された第１及び第２の伝送経路と、前記第１及び第２の伝送経路の各々の他端と一対一に対応して接続されており、マイクロ波が伝搬する方向である導波管の長手方向に沿って所定の距離だけ離間して前記導波管内に突出する第１及び第２の探針とを有し、
   前記導波管の長手方向における前記第１及び第２の探針間の所定の距離Ｌ１と前記第１の探針の突出長を含めた前記第１の伝送経路の経路長Ｌ２との和Ｌ１＋Ｌ２と、前記第２の探針の突出長を含めた前記第２の伝送経路の経路長Ｌ３との差は、（２ｎ−１）λ／２（ｎ：整数、λ：マイクロ波の波長）に一致し、前記所定の距離Ｌ１と前記第２の伝送経路の経路長Ｌ３との和Ｌ１＋Ｌ３と、前記第１の伝送経路の経路長Ｌ２との差は、（２ｎ−１）λ／２に一致しないでおり、
   前記導波管は、前記方向性結合回路基板の前記第１及び第２の探針の各々に一対一に対応し、前記第１及び第２の探針を前記導波管内に突出させる第１及び第２の結合長穴が形成された側面部を有し、
   前記第１及び第２の結合長穴は、前記導波管の幅方向に延在する直線形状と前記第１及び第２の探針間を結ぶ線分上の中点を中心とする円弧形状とを含む形状を持っており、前記第１及び第２の探針が前記第１及び第２の結合長穴に誘導されて移動することにより、前記第１及び第２の探針が接する、前記導波管を伝搬するマイクロ波の電界強度が互いに異なるように変化することを特徴とする方向性結合器。
4. マイクロ波を発生させるマイクロ波発生手段と、
   前記マイクロ波発生手段が発生させる前記マイクロ波を受信し、当該マイクロ波のエネルギーを用いてプラズマを発生させるプラズマ発生手段と、
   前記マイクロ波発生手段と前記プラズマ発生手段との間に配置された前記導波管を伝搬するマイクロ波の一部の電力を取り出す、請求項１〜３のいずれか１項に記載の方向性結合器と、
   前記方向性結合器により取り出された電力を検出し、当該検出結果を前記マイクロ波発生手段に出力する検出器と
   を備え、
   前記マイクロ波発生手段は、前記検出器から出力された前記検出結果に基づき、自身が発生させるマイクロ波の出力を制御することを特徴とするプラズマ発生装置。

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