JP6920401B2 - ダイレクトアップコンバージョンを用いてマイクロ波フィールドの回転周波数をデジタル制御するプラズマリアクタ - Google Patents
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Description
本出願は、Satoru Kobayashiらによる「PLASMA REACTOR HAVING DIGITAL CONTROL OVER ROTATION FREQUENCY OF A MICROWAVE FIELD」という名称の2015年3月23日に出願された米国仮特許出願第62/136,737号、及び、Satoru Kobayashiらによる「PLASMA REACTOR HAVING DIGITAL CONTROL OVER ROTATION FREQUENCY OF A MICROWAVE FIELD WITH DIRECT UP-CONVERSION」という名称の2015年4月28に出願された米国仮特許出願番号第62/153,688号の利益を主張する、Satoru Kobayashiらによる「PLASMA REACTOR HAVING DIGITAL CONTROL OVER ROTATION FREQUENCY OF A MICROWAVE FIELD WITH DIRECT UP-CONVERSION」という名称の2015年12月18日に出願された米国特許出願番号第14/974,376号の優先権を主張する。
TE111モードは、デュアルデジタル位相及び振幅生成器340の所与の角周波数ωにおける円筒形状キャビティ120の半径と高さの適正な選択によって提供され得る。マイクロ波が、この状態でPにおける接続開口を通して注入されたときに、時計回りと反時計回りに回転する波が、同時に等しい可能性で起動される。位置(r、θ、z)におけるTE111モードの軸方向磁場構成要素のHzが、以下のように第1種のベッセル関数J1を使用して書かれ得る。すなわち、
ここで、Aは振幅であり、βはキャビティの高さによって決定された軸波数(axial wave number)であり、及び、κは、κ2=(ω/c)2−β2によって規定された径波数(radial wave number)である。r及びzの固定された位置を考慮すると、数式(1)は、以下のように正規化された形態で書き直され得る。すなわち、
ここで、γは、変調における位相差である。その後、数式(4)は、以下のように要約される。すなわち、
ここで、振幅Aと位相Ψは、以下によって与えられる。すなわち、
γ=π/2(正の直角位相)の特別な場合では、より単純な関係が適用される。すなわち、
γ=−π/2(負の直角位相)の場合では、数式(7)、(8)、及び(9)が、同様な関係に要約される。すなわち、
数式(10)と(11)は、それぞれ、低い変調周波数Ωaにおける時計回りと反時計回りのフィールドの回転を表している。
及び
円筒形状キャビティ120の内側の波フィールドは、角周波数Ωaで、数式(13)内の符号に応じた方向(時計回り又は反時計回り)に回転する。Ωに対する初期位相φl及びωに対する初期位相φhを導入して、数式(12)と(13)は、より一般的な形態で以下のように表され得る。すなわち、
及び
ここで、φl及びφhは、任意の初期位相である。一般性を失うことなしに、φlは、この説明のリマインダーにおいて0に設定され、以下の簡略化を提供する。すなわち、
数式(2)と(3)において一定の振幅a=bの場合を考慮すると、結果としてのフィールドは、以下のようになる。すなわち、
φ=±π/2の特別な場合では、数式(16)が、以下のように要約される。すなわち、
及び
任意の位相φの場合には、数式(16)が、以下のように簡略化される。すなわち、
ここで、
及び
そのような場合に、φは、時間にわたり傾斜を付けられ、数式(19)において表された振幅Cは、図5Aから図5Hで描かれたφの連続的な値に対する、極座標でのマイクロ波フィールドの種々の分布を示している。図5Aから図5Hまで、φが時間にわたり傾斜を付けられるに従って、結果としてのマイクロ波フィールド分布は、回転と振動との間で連続的に交互に繰り返すことが見られる。
及び
この場合に、キャビティ内の波は、周波数Ωpを有する振動と回転を交互に繰り返し、パルスモードをもたらす。
ここで、Nsys=2nは、キャリア波係数であり、nsysは、キャリア波のカウントである。
これまで、3つのモードが説明されてきた。すなわち、(a)キャリア周波数としての角周波数ωを有する高速回転のモード(数式(17‐2)と数式(17‐3)参照)、(b)角周波数Ω(Ω<<ω)を有する低速回転のモード(数式(14)と数式(15)参照)、及び(c)Ωp<<ωである角周波数Ωpを有する低速パルスモード(数式(22)と(23)参照)である。例えば、数式(14)と(15)の振幅変調では、定数μに対して振幅を(1+μsinΩat)として変形することができ、位相変調項-Ωptを加えて、以下の組の数式を生成する。すなわち、
この種類のデュアル注入は、上で言及された3つの回転モードを含む。モード(a)と(b)を組み合わせたときに、図6のFPGAは、図7で示される構造に変形される。
図8から図11は、中間周波数からのアップコンバージョンの代わりに、ダイレクトデジタルアップコンバージョン(DDUP)を採用する実施形態を示している。図8から図11の実施形態では、中間周波数に対するコンバージョンが必要でない。ここで説明されるのは、ダイレクトデジタルアップコンバージョンを使用して、図2の円筒形状キャビティ120に供給される、マイクロ波信号RFout1とRFout2を如何にして生成するかということである。図8のFPGA604は、そこからマイクロ波フィールド信号RFout1とRFout2が生成されるところの、より低い周波数デジタル信号を合成するように適合されている。図8の実施形態では、FPGA604が、各より低い周波数振幅変調信号の位相内デジタル構成要素と直角位相デジタル構成要素を生成することができる。各振幅変調信号は、マイクロ波フィールド信号RFout1とRFout2のうちの対応する1つの前身(precursor)である。
それは、DAC608のデジタル入力1-Aに適用される。DAC608は、この信号を、アナログ出力1-Iinにおいて、アナログ振幅変調信号BcosΩatに変換する。DDUP IC607-1は、アナログ変調信号BcosΩatを、マイクロ波周波数の位相内構成要素cos(ωt+φh)と混合して、マイクロ波信号RF1outを、以下のものとして生成する。すなわち、
ここで、αはミキシングゲインであり、Ωaはユーザが選択した低速回転の周波数であり、及び、ωはマイクロ波周波数である。
それは、DAC608のデジタル入力2-Aに適用される。DAC608は、この信号を、アナログ出力2-Qinにおいて、アナログ振幅変調信号BsinΩatに変換する。DDUP IC607-2は、アナログ変調信号BsinΩatを、マイクロ波周波数の位相内構成要素cos(ωt+φh)と混合して、マイクロ波信号RF2outを、以下のものとして生成する。すなわち、
ここで、αはミキシングゲインであり、Ωaはユーザが選択した低速回転の周波数であり、及び、ωはマイクロ波周波数である。
それは、DAC608のデジタル入力2-Aに適用される。DAC608は、この信号を、アナログ出力2-Iinにおいて、アナログ振幅変調信号acosΩatに変換する。RAM722は、振幅変調信号のデジタル直角位相構成要素を生成する。
それは、DAC608のデジタル入力2-Bに適用される。DAC608は、この信号を、アナログ出力2-Qinにおいて、アナログ振幅変調信号asinΩatに変換する。
ここで、αはミキシングゲインであり、ωはマイクロ波周波数である。
ここで、αはミキシングゲインであり、Ωaはユーザが選択した低速回転の周波数であり、及び、ωはマイクロ波周波数である。
ここで、αはミキシングゲインであり、Ωaはユーザが選択した低速回転の周波数であり、及び、ωはマイクロ波周波数である。
それは、DAC608のデジタル入力1-Aに適用される。DAC608は、この信号を、アナログ出力1-Iinにおいて、アナログ振幅変調信号A+BcosΩatに変換する。RAM720は、ゼロコンテンツであり、それによって、DAC608のデジタル入力1-Bには信号が適用されず、DAC608の対応するアナログ出力1-Qinには信号が存在しない。
それは、DAC608のデジタル入力2‐Aに適用される。DAC608は、この信号を、アナログ出力2-Iinにおいて、アナログ振幅変調信号BsinΩatに変換する。RAM722は、定数Aを出力する。それは、DAC608のデジタル入力2-Bに適用され、アナログ出力2-Qinに渡される。
ここで、αはミキシングゲインであり、Ωaはユーザが選択した低速回転の周波数であり、及び、ωはマイクロ波周波数である。
ここで、αはミキシングゲインであり、Ωaはユーザが選択した低速回転の周波数であり、及び、ωはマイクロ波周波数である。
本明細書の実施形態は、プラズマ源のマイクロ波フィールドを回転させることによって、チャンバ圧力の広い範囲にわたり均一な処理結果を提供する。マイクロ波の回転は、デジタルに合成され、それによって、回転周波数が、高いチャンバ圧であってさえもプラズマが回転に従うことを可能にするために所望の低さに設定され得る。
Claims (14)
- 加工対象物処理チャンバを覆う円筒形状マイクロ波キャビティであって、前記円筒形状マイクロ波キャビティの側壁内の第1と第2の接続開口がある角度で間隔を空けられている、円筒形状マイクロ波キャビティと、
システムクロック信号を生成するシステム制御クロックと、
マイクロ波周波数を有し、且つ、前記第1と第2の接続開口のうちのそれぞれのものに接続されたそれぞれのマイクロ波出力を有するマイクロ波コントローラを備えた、マイクロ波源とを備え、
前記マイクロ波コントローラが、
前記システムクロック信号を受信し、前記システムクロック信号から2つのデジタル出力を生成するように構成されたデジタル回路であって、前記2つのデジタル出力のうちの少なくとも1つは、前記マイクロ波周波数より低い第1の中間周波数を有する第1の構成要素と、前記第1の中間周波数より低い第2の低速回転周波数を有する第2の構成要素との組み合わせである、デジタル回路と、
前記2つのデジタル出力に接続され、前記2つのデジタル出力に対応する2つのアナログ出力を生成する、デジタルアナログコンバータと、
前記2つのアナログ出力に接続されたアップコンバータであって、前記2つのアナログ出力を前記マイクロ波周波数に変換し、低速回転するマイクロ波フィールドを生成するための前記マイクロ波出力を提供する、アップコンバータを含む、プラズマリアクタ。 - 前記デジタル回路が、前記第2の低速回転周波数で第1及び第2のデジタル変調信号を生成し、前記第1の中間周波数で第1のデジタルキャリア信号を生成するように構成される、請求項1に記載のリアクタ。
- 前記デジタル回路が、前記第1のデジタル変調信号で前記第1のデジタルキャリア信号を乗算し、前記2つのデジタル出力のうちの第1のものを生成する、第1の乗算器を含む、請求項2に記載のリアクタ。
- 前記デジタル回路が、前記第2のデジタル変調信号で第1のデジタルキャリア信号を乗算し、前記2つのデジタル出力のうちの第2のものを生成する、第2の乗算器を含む、請求項3に記載のリアクタ。
- 前記デジタル回路が、前記第1の中間周波数で第2のデジタルキャリア信号を生成するように構成される、請求項2に記載のリアクタ。
- 前記第1のデジタルキャリア信号は、前記2つのデジタル出力のうちの第1のものを提供する、請求項5に記載のリアクタ。
- 前記デジタル回路が、
前記第1のデジタル変調信号で前記第1のデジタルキャリア信号を乗算する、第1の乗算器と、
前記第2のデジタル変調信号で前記第2のデジタルキャリア信号を乗算する、第2の乗算器と、
前記第1の乗算器の出力と前記第2の乗算器の出力とを加算し、前記2つのデジタル出力のうちの第2のものを提供する、加算器と
を含む、請求項6に記載のリアクタ。 - 前記第1と第2のデジタル変調信号が、それぞれ、コサイン形の構成要素Iとサイン形の構成要素Qを含む、請求項2に記載のリアクタ。
- 前記デジタル回路が、
前記コサイン形の構成要素Iの連続的なサンプルを含む第1のRAM、前記サイン形の構成要素Qの連続的なサンプルを含む第2のRAM、及び前記第2の低速回転周波数に同期した前記IとQの連続的なサンプルに向けられた第1のクロックカウントを含む、請求項8に記載のリアクタ。 - 前記デジタル回路が、
前記第1のデジタルキャリア信号の連続的なサンプルを含む第3のRAM、及び前記第1の中間周波数に同期した前記デジタルキャリア信号の連続的なサンプルに向けられた第2のクロックカウントを備える、請求項9に記載のリアクタ。 - 前記角度が90度である、請求項1に記載のリアクタ。
- ユーザが前記第2の低速回転周波数を指定することを可能にするためのユーザインターフェースを更に備える、請求項1に記載のリアクタ。
- 前記システム制御クロックが、前記システムクロック信号を生成する位相ロックループモジュールを含む、請求項1に記載のリアクタ。
- 前記位相ロックループが、アップコンバージョン周波数でアップコンバージョン信号を生成するように構成され、
前記アップコンバータが、前記アップコンバージョン信号を受信する、請求項13に記載のリアクタ。
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