JP6743887B2 - マイクロ波エネルギーを同軸照射装置により照射する基本装置およびそれを備える設備 - Google Patents

Description

本発明はマイクロ波エネルギーを照射するための基本装置及び、少なくともそのような基本装置を使用して負荷をマイクロ波処理する設備に関する。より詳細には、本発明は同軸マイクロ波出力照射装置を備えた基本装置に関する。

本発明は、負荷をマイクロ波処理する分野において応用される。この負荷は、固体（例えば顆粒又は粉末）、気体、プラズマ、液体（電磁波を吸収した溶媒及び／又は溶質）であってもよい。なお、マイクロ波エネルギーは、その周波数が約３００ＭＨｚ〜３０ＧＨｚであり、好ましくは４００ＭＨｚ〜１０ＧＨｚであり、好ましくは９１５ＭＨｚ〜５．８ＧＨｚである。

本発明は、反応性媒体に熱処理を行う分野において応用される。ここで「熱処理」とは、蒸発、乾燥、焙焼、溶剤に懸濁する天然物の抽出、（化学合成物を分析又は生成するための）誘電損失による加熱による化学反応又は合成、脱水、焼成、漂白、分離、重合、架橋、超臨界流体処理、揮発性化合物の除去等を含む、加熱により行われる各種の処理と、攪拌や研磨のような、加熱と同時に行われる各種の処理と、を意味する。

さらに、本発明は、種々の用途に応じて、密閉されたチャンバー内でプラズマを生成する分野、例えば、表面洗浄、殺菌、成膜（特に、プラズマＣＶＤ）、エッチング、イオン注入、表面機能化、及びイオンビームスパッタリング（又はカソードスパッタリング）のようなその他の表面処理においても応用される。

発生装置とチャンバーの内部との間にマイクロ波エネルギーを伝搬するためには、マイクロ波エネルギーを照射するための、少なくとも一つの基本装置を用いる必要があり、通常そのような基本装置が複数個協働する「基本ソース」と呼ばれるものがある。

国際公開第２０１４／１８４３５７号及び第２０１２／１４６８７０号には、マイクロ波エネルギーを照射するための基本装置を使用することが記載されており、この基本装置は、同軸マイクロ波出力照射装置を備える。

図１（ａ）及び１（ｂ）を参照すると、従来の基本装置１０は、同軸マイクロ波出力照射装置１００を備えている。この同軸マイクロ波出力照射装置１００は、マイクロ波エネルギー発生装置（図示せず）からのマイクロ波エネルギーを、隔壁４０で区画されたチャンバー４に伝搬し得る（図１（ｂ）を参照）。

このような同軸照射装置１００は、主軸１０１０に沿って延在する、導電性を有する中央コア１０１と、中央コア１０１を囲む導電性アウターシールド１０２と、中央コア１０１とシールド１０２との間に存在するマイクロ波エネルギーを伝搬するための媒体１０３と、を備える。

この同軸照射装置１００は、発生装置との接続のために設けられた同軸構造コネクタ１０５が設けられた遠位端１０４と、その反対側に位置し、チャンバー４内に延出する近位近位端１０６と、を備えている。この近位端１０６には、マイクロ波エネルギーを通過させる誘電体からなる絶縁体１０７が配設されている。

更に、シールド１０２は、中央コア１０１を囲む周壁１０２０と、遠位端１０４に設けられかつ主軸１０１０に対する横軸方向に広がる底壁１０２１と、を備えている。

周知のように、同軸構造コネクタ１０５は、シールド１０２に接続されかつ中央コア１０１に接続された内部導体１０９を囲むように設けられている、外部導体１０８を備えている。この同軸構造コネクタ１０５は、従来、底壁１０２１に対して１／４波オーダー（即ちマイクロ波エネルギーの波長の４分の１程度の距離）の所定距離をおいて、シールド１０２の周壁１０２０に設けられており、反射電力を発生することなく、エネルギーの同軸照射装置１００への伝搬を促進する。内部導体１０９は、シールド１０２の周壁１０２０を貫通し、主軸１０１０に直交する方向に延伸し、底壁１０２１から１／４波オーダーの距離Ｄをおいた位置で接触する。

この従来の基本装置１０の大きな欠点は、シールド１０２の周壁１０２０に設けられた同軸構造コネクタ１０５が原因で、基本装置１０が側方又は周辺方向にかさばることである。

適用分野によっては、複数の基本装置をチャンバーの隔壁上に並べて配設し、同軸ケーブル又はガイドに接続する必要がある。しかし、特に隔壁の受光面が制限されている場合において、これら基本装置１０の同軸構造コネクタ１０５により、基本装置１０同士の間隔が詰められない。

更に、同軸構造コネクタ１０５が基本装置１０の周方向に位置するゆえに、同軸構造コネクタ１０５に接続されるために曲げる必要がある同軸のケーブル又はガイドの配置に支障をきたす。しかし、基本装置１０同士が非常に近接している場合は、同軸のケーブル又はガイドを曲げることは不可能である。従って同軸ケーブル又はガイドを同軸に対して直角に折り曲げて、同軸構造コネクタ１０５に接続する必要が生じるが、この場合には取付が複雑になる。

すなわち、これらの基本装置１０の構造は、基本装置１０とそれら関連する同軸ケーブル又はガイドのコンパクト化の実現に支障をきたし、障害にすらなる。

本発明の目的は、これらの欠点を克服するためのものであり、この目的のためにマイクロ波エネルギーを照射するための基本装置を提案する。この基本装置は、一方に、マイクロ波エネルギー発生装置に接続された同軸のケーブル又はガイドの接続のために設けられた同軸構造コネクタが設けられた遠位端を有し、他方に、遠位端の反対側に位置し、チャンバー内に延出する近位端を有する、同軸マイクロ波出力照射装置を備える基本装置であって、同軸照射装置は、
− 主軸ＡＰに沿って延伸する導電性中央コアと、
− 中央コアを囲む周壁と、遠位端に設けられ、主軸に対する横軸方向に広がる底壁と、を有する導電性のアウターシールド（以下、単にシールドともいう）と、
− 中央コアとシールドとの間に位置するマイクロ波エネルギーを伝搬する媒体と、
− マイクロ波エネルギーを通過させる誘電体からなり、近位端に設けられた絶縁体と、を備え、
同軸構造コネクタは、シールドに接続され、かつ、中央コアに接続された内部導体を囲む、外部導体を備え、
基本装置において、同軸構造コネクタは、外部導体が底壁に固定されているシールドの底壁に設置され、内部導体は、底壁を貫通して延伸する細長い接続要素に接続され、接続要素は、底壁から所定の距離にかけて、中央コアに接続された自由端と中央コアとにわたる所定の空間を空けて、主軸と実質的に平行に延伸していることを特徴とする、基本装置である。

ゆえに、同軸構造コネクタは、シールドの底壁に配置され、その同軸構造コネクタの同軸軸線は、同軸照射装置の主軸とほぼ平行である。これにより、同軸構造コネクタは幅方向にかさばることがなく、同軸ケーブル又はガイドは、同軸に直角に屈曲された状態のものを使用する又は同軸ケーブルを曲げる必要がなく、同軸構造コネクタに直接接続される。ゆえに、基本装置及び関連する同軸ケーブル又はガイドが、チャンバーの隔壁にコンパクトに設けられ得る。

もちろん、１つ以上の、分電器又はアダプタのような機器が同軸構造コネクタと発生器との間に配置されることがあり得るように、同軸構造コネクタが、同軸のガイド又はケーブルを介して直接的に発生器と接続されることもあり得る。

一態様では、中央コアは、接続部材を支持し、接続部材は底壁から所定の距離において接続要素の自由端に接触していることを特徴とする。

他の一態様では、接続部材は、接続要素の自由端に固定される、特に、ねじによる締結、溶接又は圧着により固定される、ことを特徴とする。

一つの実施形態において、基本装置の接続部材は、中央コアに溶接されていることを特徴とする。

一つの実施形態において、基本装置の接続要素は、互いに連続する、
− 同軸構造コネクタの内部導体に接続され、縮径された円筒状の始端部と、
− 中間の円錐形状部と、
− 中央コアに接続された自由端で終わる、拡径された円筒状の終端部と、を備えることを特徴とする。

９１５ＭＨＺ程度の周波数に適合する変形例では、終端部は曲げられており、中間部は不特定の円柱形状である。

本発明の可能性のある一態様として、基本装置（１）はチャンバー（４）内で、プラズマを発生させることを特徴とする。

本発明はまた、負荷をマイクロ波処理する設備に関するものであって、
− 負荷が収容された閉塞された空間を有するチャンバーと、
− 少なくとも一つのマイクロ波エネルギー発生装置と、
− 上記態様のいずれかに記載の、少なくとも一つの基本装置であって、同軸構造コネクタが、マイクロ波エネルギー発生装置に接続されている同軸のケーブル又はガイドに接続され、同軸照射装置の基端がチャンバー内に延出している、負荷をマイクロ波処理する設備である。

本発明のその他の特徴及び効果並びに非限定的な実施例は、以下の詳細な説明において添付の図面を参照して記載される。

図１（ａ）は、従来の基本装置の軸方向断面概略図であり、図１（ｂ）は、従来の他の基本装置の概略斜視図である。 図２は、本発明に係る第１の基本装置の軸方向断面概略図である。 図３は、本発明に係る第２の基本装置の軸方向断面概略図である。 図４は、第１又は第２の基本装置の概略斜視図である。 図５は、図４に示された第１又は第２の基本装置が複数配置されたプラズマチャンバーの内部の概略図である。 図６は、本発明に係る第３の基本装置の軸方向断面概略図である。 図７は、図６に示された第３の基本装置の概略斜視図である。 図８は、図７に示された第３の基本装置が複数配置されたプラズマチャンバーの内部の概略図である。 図９は、本発明に係る基本装置が複数取付けられている隔壁を有するチャンバーの概略図であり、同軸ケーブルの目に見える部分が他の基本装置に接続されている。

図２〜８は、プラズマを発生させるための基本装置１の３つの実施形態を示し、図２〜５は第１および第２の実施形態を示し、図６〜８は第３の実施形態を示す。特に明示的又は非明示的に記載されていない限り、これらの図面では、部材、部品、装置、又は構造的若しくは機能的に同一若しくは類似の要素は、同一の参照符号を付与される。

基本装置１は、同軸マイクロ波出力照射装置２を備える（図５及び８を参照）。同軸マイクロ波出力照射装置２は、マイクロ波エネルギー発生装置（図示せず、特にソリッド・ステート型発生器）と処理対象の負荷が設置されるチャンバー４（特にプラズマチャンバー）の内部との間のマイクロ波エネルギーの伝搬を確保する。

この同軸照射装置２は、ワイヤ形状、即ち主軸ＡＰに沿って細長く形成されており、
− マイクロ波エネルギー発生装置に接続された同軸のケーブル又はガイド５（図９を参照）の接続のために設けられた同軸コネクタ３が設けられた遠位端２１（一端部に相当）と、
− その反対側に位置し、チャンバー４内に延出する近位端２２（他端部に相当）と、を備えている。

同軸照射装置２は、
− 主軸ＡＰに沿って延出する導電性の中央コア２３と、
− 中央コア２３を囲み、中空のスリーブ状に形成され、主軸ＡＰを中心とした円筒形状の内面を有する周壁２４０と、同軸照射装置２の遠位端２１を閉鎖する底壁２４１と、を備える導電性のアウターシールド２４と、
− 中央コア２３とシールド２４との間に位置するマイクロ波エネルギーを伝搬するために設けられ、一部又は全体が例えば空気からなる、媒体２５と、
− マイクロ波エネルギーを通過させる誘電体からなり、同軸照射装置２の近位端２２に設けられた絶縁体２６と、を備えている。

底壁２４１は、周壁２４０に固定された状態で取付けられてもよいし、周壁２４０に一体形成されてもよい。

絶縁体２６は、同軸照射装置２の近位端２２を完全に閉塞し、これにより多くの場合低圧に維持されるチャンバー４の内部を、周囲の大気圧と同等である伝搬媒体２５から分離する。絶縁体２６は、チャンバー４の内部、特にプラズマ照射の際にチャンバー４の内部で励起され、局在する気体と接触するように設けられた外表面２７を有する。

図２〜５に示された第１及び第２の実施形態において、絶縁体２６の外表面２７は、シールド２４の近位端と面一であり、シールド２４から突出しない。さらに、中央コア２３は絶縁体２６を完全に貫通し、そこから外側に突出している。

図６〜８に示される第３の実施形態では、絶縁体２６の外表面２７が、シールド２４の基端から外側に突出している。更に、中央コア２３は、その基端が絶縁体２６内に埋め込まれており、この絶縁体２６を完全に貫通することはない。

本発明によれば、同軸コネクタ３は、シールド２４の底壁２４１に設けられている。同軸コネクタ３は、シールド２４の底壁２４１に接続され、同軸照射装置２の中央コア２３に接続されている内部導体３２を囲む外部導体３１を有している。

同軸コネクタ３は、シールド２４の底壁２４１の外側において、ネジで高精度に固定されている。この同軸コネクタ３は、同軸照射装置２の主軸ＡＰと平行な、同軸軸線３０を有する。

内部導体３２は、細長い導電性の接続要素３３により、中央コア２３に接続されている。この接続要素３３は、一端が、内部導体３２に接続されており、自由端と呼ばれる他端が、中央コア２３に接続されている。

この接続要素３３は、同軸コネクタ３の延長線上に延伸している、すなわち、同軸照射装置２の主軸ＡＰと平行に、同軸軸線３０に沿って延出している。

同軸コネクタ３は、主軸ＡＰに対して半径方向にずれている（換言すると、同軸軸線３０と主軸ＡＰとは同一線上にない）ので、接続要素３３は、中心コア２３に対してその自由端まで所定の間隔をおいて、主軸ＡＰと実質的に平行に延びている。接続要素３３は、シールド２４の底壁２４１を貫通している。

正確には、中央コア２３は、シールド２４の底壁２４１から所定の距離Ｄ離れた場所で、中央コアに溶接された接続部材３４を支持する。

この接続部材３４は、接続要素３３の自由端に接触しており、接続要素３３の自由端に、より正確に締結されている。

図２の第１の実施形態及び図６の第３の実施形態において、接続部材３４は、溶接により接続要素３３の自由端に固定されている。

図３の第２の実施形態では、接続部材３４は、ねじ３５により接続要素３３の自由端に固定されている。

図示されない変形例では、接続部材３４は、圧着により接続要素３３の自由端に固定されている。

図２の第１の実施形態及び図６の第３の実施形態において、接続要素３３は、直径が一定である円筒形状をしている。

図３の第２の実施形態では、接続要素３３が、互いに連続する、
− 同軸コネクタ３の内部導体３２に接続され、縮径された円筒状の始端部と、
− 中間の円錐形状部と、
− 拡径した（即ち始端部よりも直径が大きい）円筒状であり、終端が中央コア２３に接続された接続部材３４を支持する自由端である終端部と、を備えている。

このような基本装置１は、負荷をマイクロ波処理する設備、特にプラズマ製造設備に用いられ、
− 負荷が収容された閉塞された空間を有し、（図５及び図８に示される）隔壁４０により区画されているチャンバー４と、
− 少なくとも１つの、特にソリッド・ステート型発生器である、マイクロ波エネルギー発生装置（図示せず）と、
− 一方が発生器に、他方が基本装置１の同軸コネクタ３に接続された、少なくとも１本の同軸のケーブル又はガイド５（図９を参照）と、
− 図５及び８に示されるように、隔壁を貫通してチャンバー４内に延出する、少なくとも１つの基本装置１と、を備えている。

なお、同軸照射装置２のシールド２４は、
− その一部がチャンバー４に取付けられ、隔壁４０を密閉した状態で貫通するように構成されている、又は
− 少なくとも一部が隔壁４０と一体形成されている、換言すると、このシールド２４は、部分的に又は全体的に隔壁４０自体によって形成されている。

Claims (7)

1. マイクロ波エネルギーを照射するための基本装置（１）であって、
   一方に、マイクロ波エネルギー発生装置に接続された同軸のケーブル又はガイド（５）を接続するための同軸コネクタ（３）が設けられた一端部（２１）を有し、他方に、一端部（２１）の反対側に位置し、チャンバー（４）内に延出する他端部（２２）を有する、マイクロ波出力用の同軸照射装置（２）を備え、
   前記同軸照射装置（２）は、
   主軸（ＡＰ）に沿って延びる導電性の中央コア（２３）と、
   前記中央コア（２３）を囲む周壁（２４０）と、前記一端部（２１）に設けられ、前記主軸（ＡＰ）に対して横軸方向に広がる底壁（２４１）と、を有する、導電性のアウターシールド（２４）と、
   前記中央コア（２３）と前記アウターシールド（２４）との間に位置し、マイクロ波エネルギーを伝搬するための媒体（２５）と、
   前記マイクロ波エネルギーを通過させる誘電体からなり、前記他端部（２２）に設けられた絶縁体（２６）と、を備え、
   前記同軸コネクタ（３）は、前記アウターシールド（２４）に接続されかつ前記中央コア（２３）に接続された内部導体（３２）を囲む、外部導体（３１）を備え、
   前記基本装置（１）において、前記同軸コネクタ（３）は、前記アウターシールド（２４）の前記底壁（２４１）に設けられ、前記外部導体（３１）は、前記底壁（２４１）に固定され、前記内部導体（３２）は、前記底壁（２４１）を貫通して延びる細長い接続要素（３３）に接続され、前記接続要素（３３）は、前記底壁（２４１）から所定の距離（Ｄ）をおいて前記中央コア（２３）に接続された自由端と前記中央コア（２３）との間に所定の空間をあけて前記主軸（ＡＰ）と実質的に平行に延びている
   ことを特徴とする基本装置（１）。
2. 請求項１に記載の基本装置（１）において、
   前記中央コア（２３）は、接続部材（３４）を支持し、前記接続部材（３４）は、前記底壁（２４１）から前記所定の距離（Ｄ）において前記接続要素（３３）の前記自由端に接触している
   ことを特徴とする基本装置（１）。
3. 請求項２に記載の基本装置（１）において、
   前記接続部材（３４）は、前記接続要素（３３）の前記自由端に、ねじ（３５）による締結、溶接又は圧着を含む固定手段により固定されている
   ことを特徴とする基本装置（１）。
4. 請求項２又は３に記載の基本装置（１）において、
   前記接続部材（３４）は、前記中央コア（２３）に溶接されている
   ことを特徴とする基本装置（１）。
5. 請求項１〜４の何れか１項に記載の基本装置（１）において、
   前記接続要素（３３）は、互いに連続する、
   縮径された円筒形状であり、前記同軸コネクタ（３）の前記内部導体（３２）に接続された始端部と、
   中間の円錐形状部と、
   拡径された円筒形状であり、終端が前記中央コア２３に接続された前記自由端である終端部と、を備えている
   ことを特徴とする基本装置（１）。
6. 請求項１〜５の何れか１項に記載の基本装置（１）において、
   前記基本装置（１）は、前記チャンバー（４）内で、プラズマを発生させるための基本装置（１）を構成する
   ことを特徴とする基本装置（１）。
7. 負荷をマイクロ波処理する設備であって、
   前記負荷が収容された閉塞された空間を有するチャンバー（４）と、
   少なくとも１つのマイクロ波エネルギー発生装置と、
   ・ 請求項１〜６の何れか１項に記載の少なくとも１つの前記基本装置（１）であって、前記同軸コネクタ（３）が、前記マイクロ波エネルギー発生装置に接続されている同軸のケーブル又はガイド（５）に接続され、前記同軸照射装置（２）の前記他端部（２２）が、前記チャンバー（４）内に延出している
   ことを特徴とする設備。