JP7208296B2 - 電力供給導波管内のアイリスによるマイクロ波回転とインピーダンスシフトのための汎用円筒形状キャビティシステム - Google Patents

Description

本開示は、プラズマ反応チャンバ内での回転するマイクロ波の生成に関する。

プラズマ反応チャンバ内で回転するマイクロ波を生成するための１つのアプローチでは、マイクロ波が、空間的に９０度だけ分離された２つのポートから、円筒形状キャビティの中へ放射される。９０度における２つのポートからのマイクロ波の間の時間位相差を設定することによって、円筒形状キャビティ内のＴＥ_１１１モードが、２つのモニタリングアンテナによるフィードバック制御を用いて円状に回転し、高い均一性のプラズマプロファイルを提供する。

回転するマイクロ波を生成するための別の１つのアプローチでは、２つのポートから放射される２つのマイクロ波の間の時間位相が、同相に維持される。回転を生み出すために、１つのポートからのマイクロ波の振幅が、ＡｓｉｎΩｔの形態に変調され、一方、他のポートからのマイクロ波の振幅が、ＡｃｏｓΩｔの形態に変調される。ここで、Ωは、１～１０００Ｈｚのオーダーの角周波数であり、それは、１ＧＨｚを超えるオーダーのマイクロ波キャリア周波数のものよりも随分小さい。この二重注入は、局所的プラズマを遅く喚起するように、ＴＥ_１１１モードを遅い周波数Ωで回転させ、プラズマをより広い領域へ拡げ、特に高い圧力でのプラズマ分布の均一性を更に増加させる。

しかし、速い及び遅い回転は、ＴＥ_１１１モードのためにのみ提供されている。ＴＥ_１１１モードだけでなく、任意のモードに対してそのような回転を提供する必要性がある。

加工対象物処理チャンバの上に横たわる円筒形状マイクロ波キャビティ、及び円筒形状マイクロ波キャビティの側壁内にオフセット角Δθで間隔を空けられた第１と第２のマイクロ波入力ポートＰとＱを備えた、プラズマリアクタにおいて、円筒形状マイクロ波キャビティ内でモードＴＥ_ｍｎｌ又はＴＭ_ｍｎｌの回転するマイクロ波を生成するための方法が提供される。ここで、ｎ、ｍ、及びｌは、ユーザが選択したＴＥ又はＴＭモードの値である。該方法は、時間位相差ΔΦによって分離されたそれぞれのマイクロ波信号を、第１と第２の接続開孔のうちのそれぞれのものを通して、円筒形状マイクロ波キャビティの中へ導入すること、円筒形状マイクロ波キャビティ内でモードＴＥ_ｍｎｌ又はＴＭ_ｍｎｌの回転するマイクロ波を生成するように、ユーザが選択したＴＥ又はＴＭモードの指標ｍ、ｎ、及びｌのうちの少なくとも２つの関数である値に、オフセット角Δθと時間位相差ΔΦの値を調整することを含む。

一実施形態では、関数が以下のように規定される。すなわち、

一実施形態では、回転するマイクロ波が、動作マイクロ波周波数（operational microwave frequency）に等しい回転周波数で、時計回りに回転する。

一実施形態では、時計回りの回転のエネルギー伝達効率を最大化するために、関数が以下のように規定される。すなわち、

一実施形態では、関数が以下のように規定される。すなわち、

一実施形態では、回転するマイクロ波が、動作マイクロ波周波数に等しい回転周波数で、反時計回りに回転する。

一実施形態では、反時計回りの回転のエネルギー伝達効率を最大化するために、関数が以下のように規定される。すなわち、

一実施形態では、それぞれのマイクロ波信号のうちの第１のものが、以下の形態である。すなわち、

ここで、ωは、それぞれのマイクロ波信号の角周波数であり、ｔは時間であり、及びη＝０又はπ／２である。

一実施形態では、それぞれのマイクロ波信号のうちの第２のものが、以下の形態である。すなわち、

ここで、ωは、マイクロ波信号の角周波数であり、ｔは時間であり、及びη＝０又はπ／２である。

加工対象物処理チャンバの上に横たわる円筒形状マイクロ波キャビティ、及び前記円筒形状マイクロ波キャビティの側壁内に一般角で間隔を空けられた第１と第２の入力ポートを備えた、プラズマリアクタにおいて、前記円筒形状マイクロ波キャビティ内で回転周波数Ω_ａの回転するマイクロ波を生成するための方法が提供される。該方法は、
以下の数式を満たすように前記一般角を設定することを含み、すなわち、

それぞれ以下のように表されるマイクロ波フィールドを、入力ポートＰとＱに入力することを含み、すなわち、

ここで、ｒとｓは以下の数式で規定され、ずなわち、

及び、「ｒ」内の符号

は、回転が反時計回りであるか又は時計回りであるかを決定する。

更なる一態様によれば、プラズマリアクタは、加工対象物処理チャンバの上に横たわる円筒形状マイクロ波キャビティ、及び円筒形状マイクロ波キャビティの側壁内に方位角で間隔を空けられた第１と第２の入力ポートＰとＱと、マイクロ波周波数を有し、一対のマイクロ波源出力を有する、マイクロ波源と、一対のそれぞれの導波管であって、各々が、マイクロ波源出力のうちのそれぞれのものに接続されたマイクロ波入力端と、第１と第２の入力ポートのうちのそれぞれのものに接続されたマイクロ波出力端とを有する、一対のそれぞれの導波管と、出力端における接続開孔プレート、及び接続開孔プレート内の矩形状接続開孔と、接続開孔プレートとマイクロ波入力端との間のアイリスプレート、及びアイリスプレート内の矩形状アイリス開口とを備える。

一実施形態では、矩形状接続開孔と矩形状アイリス開口が、接続開孔とアイリス開口のうちのそれぞれのものの長さ寸法に沿ったそれぞれの平行な軸を有し、それぞれの平行な軸は、円筒形状マイクロ波キャビティの対称軸に平行である。

一実施形態では、導波管の各々が、マイクロ波入力端とマイクロ波出力端との間にマイクロ波伝播方向を有し、マイクロ波伝播方向は、円筒形状マイクロ波キャビティの対称軸に向けて延伸する。

一実施形態では、矩形状接続開孔が、ユーザが選択したインピーダンスに対応する、それぞれ、長い寸法ｅと短い寸法ｆを有する。

一実施形態では、矩形状アイリス開口が、ユーザが選択した共振（ｒｅｓｏｎａｎｃｅ）に対応する、それぞれ、長い寸法ｃと短い寸法ｄを有する。

一実施形態では、矩形状アイリスが、容量アイリスであり、円筒形状マイクロ波キャビティの対称軸に平行な長い寸法を有する。

一実施形態では、矩形状アイリスが、誘導アイリスであり、円筒形状マイクロ波キャビティの対称軸に平行な短い寸法を有する。

本発明の例示的な実施形態が得られる方式が細部にわたり理解できるように、上で簡潔に要約された、本発明のより具体的な説明が、添付の図面に示されている本発明の実施形態を参照することによって得られよう。本発明をあいまいにしないために、本明細書では、特定の良く知られたプロセスが説明されないことに留意されたい。

実施形態を実行することにおいて使用され得るプラズマリアクタの立面断面図である。 図１Ａに対応した平面図である。 関連するリアクタの平面図である。 図１Ａのリアクタを含むシステムの概略的な図である。 図１Ａのリアクタを含む別のシステムの概略的な図である。 図３のシステムを操作する方法を描くブロック図である。 詳細な説明の中で言及される座標系を描く。 詳細な説明の中で言及される座標系を描く。 インピーダンスシフトアイリスを有する一対の電力供給導波管を含むシステムの図である。 図６に対応した平面図である。 図６の各導波管内で使用されるための異なるアイリスを描く。 図６の各導波管内で使用されるための異なるアイリスを描く。 図６の各導波管内で使用されるための異なるアイリスを描く。

理解を容易にするために、図面に共通する同一の要素を指し示すのに、可能な限り同一の参照番号を使用した。一実施形態の要素及び特徴は、更なる記述がなくとも、他の実施形態に有益に組み込まれ得ると想定される。しかし、本発明は他の等しく有効な実施形態も許容し得ることから、添付の図面は本発明の典型的な実施形態のみを例示しており、したがって、本発明の範囲を限定すると見なすべきではないことに留意されたい。

イントロダクション
本説明では、マイクロ波フィールド回転が、円筒形状キャビティ内のＴＥ_ｍｎｌとＴＭ_ｍｎｌの一般的な場合に対して提供される。ここで、ｍ、ｎ、及びｌは、ユーザによって選択された適切な整数である。我々の最近の実験結果は、ＴＥ_１２１モードが、ある条件の下でプラズマ分布のより高い均一性をもたらすことを確認した。

更に、電力供給導波管内に設置されたアイリスを使用することによって、チャンバインピーダンスを変更するための方法が開示される。一般的に、円筒形状キャビティは、その上で放射線スロットが切り出され、キャビティからプラズマへマイクロ波エネルギーを伝達するところの、底プレートを有する、放射線スロットの所与の設計に対して、チャンバインピーダンスは固定されている。チャンバインピーダンスが、スタブチューナーによって制御される領域内にあるならば、スタブチューナーは、インピーダンスのマッチングを容易にもたらす。さもなければ、同調は、予測不可能又は不安定になり、同調位置の振動をもたらす。逆に、チャンバインピーダンスが制御されていれば、チャンバインピーダンスはチューナーに好適な領域へ移動され得る。それは、費用削減をもたらすスタブの数の低減を更にもたらす。本明細書で提案される方法は、単純であり、我々の最近の実験で示されたように、チャンバインピーダンスをスミスチャート（Smith chart）内の広い領域の中へ移動させる。この方法の採用により、安定したプラズマ同調、及びチャンバとチャンバとのエッチング／プラズマのマッチングが提供される。

マイクロ波キャリア周波数での円筒形状キャビティ内のＴＥ_ｍｎｌとＴＭ_ｍｎｌの速い回転
この説明では、速い回転が、動作マイクロ波周波数と同じ回転周波数でのフィールド回転として規定される。図１Ａは、壁１１１によって取り囲まれた処理チャンバ１１０を含み、真空圧力下でのガスと加工対象物１１４を支持するための加工対象物支持体１１２とを含む、プラズマリアクタ１００の簡略化された側面図である。処理チャンバ１１０の上に横たわる円筒形状キャビティ１２０は、側壁１２１ａ、天井１２１ｂ、及び図１Ｂで示されるスロット１２４を有する床１２２によって取り囲まれている。壁１２１ａと１１１は、用途に応じて、金属構造体によって接続され得る。誘電体プレート１３０が、床１２２の下の真空密封を提供する。誘電体プレート１３０は、好ましくは、マイクロ波放射線に対して透明な材料から形成されている。図１Ｃは、床１２２が開口部８１０を有し、補助点火用電極８２０が、（図示せぬ）真空密封を有する開口部８１０内に配置されている、一実施形態を描いている。補助点火用電極８２０は、１００Ｈｚ～１０ＭＨｚの範囲内のＲＦ周波数のＲＦ源８３０によって駆動される。ＲＦ源８３０は、（図示せぬ）インピーダンス整合を含み得る。床１２２及び／又は処理チャンバ１１０の壁１１１は、補助点火用電極８２０に対するグランドプレーン（ground plane）として機能し得る。代替的に、補助点火用電極は、更なる開口部及び真空密封を提供することによって、壁１１１に配置され得る。電極８２０とグランドプレーンは、開口部８１０によってのみ分離される。要約すると、グランドプレーン（すなわち、床１２２及び／又はキャビティ１１０の壁１１１）と共に補助点火用電極８２０は、容量的に結合されたＲＦ点火回路を形成し、最終的にマイクロ波電力によって持続されるプラズマの点火を助ける。

図２は、側壁１２１ａ内の第１と第２のマイクロ波入力ポートＰとＱが、互いに直角ではない角度によって間隔を空けられた方位角位置に配置されている、一実施形態を描いている。図２では、２つの同一なマイクロ波モジュールＳｅｔ‐１とＳｅｔ‐２が、それぞれ、入力ポートＰ（θ＝０）と入力ポートＱ（θ＝θ_ｑ）において、円筒形状キャビティ１２０に接続されている。モジュールＳｅｔ‐１とＳｅｔ‐２の他方の端は、モジュールＳｅｔ‐１とＳｅｔ‐２にマイクロ波信号を供給する、二重デジタルシード（位相と振幅）生成器３４０のそれぞれの出力信号Ａ_１とＡ_２に接続されている。各モジュールでは、シード信号が半導体増幅器３５０によって増幅され、半導体増幅器３５０は、シード信号を、サーキュレーター３５２とチューナー３５４、通常は、３極スタブチューナーとに送信し、反射を低減させる。最終的に、マイクロ波は、放射開孔を有する導波管３６０を通して円筒形状キャビティ１２０の中へ導入され、円筒形状キャビティ１２０内の固有モード（共振）を励起する。一般的に、増幅器３５０の出力からスタブチューナー３５４へ、伝送線路が使用される。この実施例では、放射開孔が導波管３６０の先端に配置されている。同軸‐導波管変圧器（coaxial-to-waveguide transformer）３５８が、チューナー３５４と円筒形状キャビティ３６０との間に挿入されている。しかし、ポール又はループアンテナが採用されるならば、変圧器３５８は除去され得る。更に、疑似負荷３６２が、サーキュレーター３５２の一端の中へ接続され、増幅器３５０を保護する。

モニタリングアンテナａと２００ｂが、マイクロ波信号を受信するように直交して配置されている。モニタリングアンテナ２００ａと２００ｂの各々によって受信された信号は、信号フィードバックコントローラ３４０‐１によって処理される。フィードバックコントローラ３４０‐１では、位相内と直交位相の復調（ＩＱ復調）が実行され、マイクロ波周波数で受信された信号の位相と振幅を測定する。この位相と振幅の検出が、モジュールＳｅｔ‐１とＳｅｔ‐２の両方に対して実行されたときに、コントローラ３４０‐１は、デジタル信号処理を使用して、出力信号Ａ_１及びＡ_２の相互の時間位相差Δφ及び振幅を計算する。マイクロ波キャリア周波数を有する円筒形状キャビティ内のＴＥ_ｍｎｌとＴＭ_ｍｎｌモードの円状の速い回転は、Δφ＝±９０°及びＡ_１＝Ａ_２を要求するので、コントローラ３４０‐１は、要求された関係が満たされるまでフィードバックループ制御を実行する。このフィードバックは、スタブ同調作業から独立して操作される。したがって、ＦＰＧＡ及びマイクロコントローラなどの高速コントローラが使用される限り、要求された状態への迅速な変換が、ミリ秒未満で実現される。

共振キャビティ内のＴＥ_ｍｎｌの電磁場の表現
図２では、入力ポートＰとＱの角度を付けられた（非直角）方向が、円状の速い回転をもたらすために、ＰのΔφからのＱのΔφの時間位相遅延における新しい条件を要求する。既に述べられたように、フィードバックモニタリングシステムは、完璧な円状の速い回転をもたらすための制御に対処することができる。しかし、フィードバック制御の時間が最小化されるように、Δφの最良の初期値を設定することが望ましい。次に、ＴＥ_ｍｎｌとＴＭ_ｍｎｌに対して、Δφが導き出される。以下において、ｈ＝円筒形状キャビティの高さ、及び、Ｒ＝円筒形状キャビティの半径である。

ＴＥ_ｍｎｌに対して、フィールドが、ガウス単位（Gauss unit）における所与の単一の整数「ｍ」に対して表現される。すなわち、

キャビティ内の電場の接線方向構成要素がゼロになるべき境界条件が、以下の関係をもたらす。すなわち、

その後、フィールドは、以下のようになる。すなわち、

時間項ｅ^－ｉωｔと共に、２つの変数（degenerate）「ｎ」と「－ｎ」を考慮すると、磁場を以下のように書くことができる。すなわち、

ここで、ａとｂは定数である。

固定された（ｒ、ｚ）における全ての磁場構成要素は、新しく正規化された定数ａとｂを用いて、以下の形態で書くことができる。すなわち、

ここで、η＝０又はπ／２である。
特に、数式（５）では、「ａ」と「ｂ」が、それぞれ、反時計回りと時計回りの振幅係数である。

共振キャビティ内のＴＭ_ｍｎｌの電磁場の表現
ＴＭ_ｍｎｌに対して、フィールドが、ガウス単位における所与の単一の整数「ｍ」に対して表現される。すなわち、

ＴＥ_ｍｎｌと同様のやり方で、キャビティ内の電場の接線方向構成要素がゼロになるべき境界条件が、わずかな変化を伴って以下の関係をもたらす。すなわち、

ここで、Ｊ_ｍ（ｙ_ｍｎ）＝０である。すなわち、

時間項ｅ^－ｉωｔと共に、「ｎ」と「－ｎ」の両方を考慮すると、磁場を以下のように書くことができる。すなわち、

固定された（ｒ、ｚ）における全ての磁場構成要素は、新しく正規化された定数ａとｂを用いて、以下の形態で書くことができる。すなわち、

ここで、η＝０又はπ／２である。数式（１０）が、数式（５）と同一の形態なので、以下の説明は、ＴＥ_ｍｎｌとＴＭ_ｍｎｌの両方に適用することができる。簡潔さのために、数式（５）と（１０）における項ηは、以下の説明において省略される。

ＴＥ_ｍｎｌとＴＭ_ｍｎｌに対する単一及び二重の注入
ポートＰからの波動励起を考慮すると、反時計回りと時計回りの回転が、第一近似として等しい可能性で励起される。その後、励起された波は、数式（２）における係数ａとｂを統一して再正規化することによって、以下のように書かれ得る。すなわち、

次に、ポートＱからの波を同じ電力と周波数で、しかし、ΔΦの時間位相遅延を伴って励起すると、励起された波は以下のように表現され得る。すなわち、

ここで、Δθは、ポートＰに対するポートＱの位置における角度のオフセットであり、ΔΦは、マイクロ波出力Ａ_１とＡ_２との間の時間位相差である。入力ポートＰとＱの両方からのキャビティ１２０を同時に励起したときに、励起された波は、数式（１１）と（１２）の合計として以下のように与えられ得る。すなわち、

または、反時計回りＨ_＋と時計回りＨ_－の構成要素を分解すると、以下のようになる。すなわち、

ここで、

ＴＥ_ｍｎｌとＴＭ_ｍｎｌに対する時計回りの回転に対する条件
反時計回りの項は、数式（１４）の最後の項がゼロならば、明白にゼロになる。すなわち、

数式（１６）のものと同様に以下の条件、すなわち

が満たされるならば、反時計回りの波も時計回りの波も励起されない。この同時発生的な条件は、以下のように提供され得る。すなわち、

逆に、ＴＥ_ｎｍｌ又はＴＭ_ｎｍｌに対する時計回りの回転のみを励起するための、必要かつ十分な条件が、以下のように要約され得る。すなわち、

時計回りの回転のエネルギー伝達効率を最大化するために、数式（１５）の最後の項は、数式（１６）と同時に、±１になるべきである。すなわち、

それは、以下のように単純化される。すなわち、

数式（１９）は、数式（１８）の特殊なケースとして含まれる。しかし、数式（１９）は、その最大効率のために好適である。更なる単純化が、ｋ＝ｐと設定することによって与えられる。すなわち、

最大効率を有する純粋に時計回りの回転を励起するためのマイクロ波二重注入が、以下のように要約される。すなわち、
ＴＥ_１１１の場合
ポートＱが、ポートＰから±π／２だけ分離される。
時間位相遅延が、－π／２（すなわち、位相前進）。 （２１）
ＴＥ_１２１の場合
ポートＱが、ポートＰからπ／４又は５π／４だけ分離される。
時間位相遅延が、－π／２（すなわち、位相前進）。 （２２）

ＴＥ_ｍｎｌとＴＭ_ｍｎｌに対する反時計回りの回転に対する条件
同様なやり方で、ＴＥ_ｎｍｌ又はＴＭ_ｎｍｌに対する反時計回りの回転のみを励起するための、必要かつ十分な条件が、以下のように要約され得る。すなわち、

数式（２３）は、ΔθとΔΦを、ユーザが選択したモードＴＥ_ｍｎｌ又はＴＭ_ｍｎｌの指標ｍ、ｎ、及びｌの関数として規定する。反時計回りの回転のエネルギー伝達効率を最大化するために、数式（１６）の最後の項は、数式（１５）と同時に、±１になるべきである。すなわち、

それは、以下のように単純化され得る。すなわち、

または、ｋ＝ｐと設定することによる単純化が、以下のものを与える。すなわち、

最大効率を有する純粋に反時計回りの回転を励起するためのマイクロ波二重注入が、以下のように要約される。すなわち、
ＴＥ_１１１の場合
ポートＱが、ポートＰから±π／２だけ分離される。
時間位相遅延が、π／２。 （２７）
ＴＥ_１２１の場合
ポートＱが、ポートＰからπ／４又は５π／４だけ分離される。
時間位相遅延が、π／２。 （２８）
数式（１８）～（２０）と（２３）～（２６）の各々は、ΔθとΔΦを、ユーザが選択したモードＴＥ_ｍｎｌ又はＴＭ_ｍｎｌの指標ｍ、ｎ、及びｌの関数として規定する。

要約すると、回転するマイクロ波は、キャビティの任意の共振モードＴＥ_ｍｎｌ又はＴＭ_ｍｎｌに対して、キャビティ１２０内で規定される。ユーザは、モード指標ｍ、ｎ、及びｌの値を自由に選ぶことができる。これは、ポートＰとＱとの間の時間位相差ΔΦと方位角Δθを、数式（１８）～（２０）と（２３）～（２６）の適用可能なものにおいて規定された、ｍ、ｎ、及びｌの関数として設定することによって実現される。以上は、図３Ａのブロック図における方法として示される。図３Ａでは、加工対象物処理チャンバの上に横たわる円筒形状マイクロ波キャビティを含むプラズマリアクタが、図３のように提供される。第１と第２の入力ポートＰとＱは、円筒形状マイクロ波キャビティの側壁内にオフセット角Δθで間隔を空けられて設けられる（図３Ａのブロック６００）。次のステップは、円筒形状マイクロ波キャビティ内でモードＴＥ_ｍｎｌ又はＴＭ_ｍｎｌの回転するマイクロ波を生成することである。ｍ、ｎ、ｌのうちの少なくとも２つは、ユーザが選択したＴＥ又はＴＭモードの値である（ブロック６０２）。これは、時間位相差ΔΦによって分離されたそれぞれのマイクロ波信号を、第１と第２の接続開孔のうちのそれぞれのものを通して、円筒形状マイクロ波キャビティの中へ導入することによってなされる（図３Ａのブロック６０４）。該方法は、円筒形状マイクロ波キャビティ内でモードＴＥ_ｍｎｌ又はＴＭ_ｍｎｌの回転するマイクロ波を生成するように、ユーザが選択したＴＥ又はＴＭモードの指標ｍ、ｎ、及びｌのうちの少なくとも２つの関数である値に、オフセット角Δθと時間位相差ΔΦの値を調整することを含む（図３Ａのブロック６０６）。

円筒形状キャビティ内のＴＥ_ｍｎｌとＴＭ_ｍｎｌモードの遅い回転に対して一般化された振幅変調
図３は、円筒形状キャビティ内のＴＥ_ｍｎｌとＴＭ_ｍｎｌモードの遅い回転のための振幅変調に対する図２の実施形態の変形例を描いている。それは、モニタリングアンテナと信号フィードバックコントローラがないことを除いて図２のものと同じである。

ポートＰとＱから放射された振幅変調
ポートＰとＱが空間的に９０度だけ分離された、ＰとＱから放射されたマイクロ波フィールドは、１～１０００Ｈｚのオーダーの周波数Ω_ａの遅い回転をもたらすために、振幅変調の以下の形態を有するべきである。すなわち、

ここで、αは任意定数であり、Ω_ａは回転の角周波数であり、ｔは時間であり、及びφ_ｈは任意の初期位相であり、数式（３０）のプラスとマイナスの符号は、それぞれ、反時計回りと時計回りの回転に対応する。その後、円筒形状キャビティ内で励起された波は、方位角θを使用して表され得る。すなわち、

ｘ‐ｙ座標系内の数式（２９）～（３０）を書き直すと、以下のように記述される。すなわち、ベクトル入力

は、

のベクトル波を励起する。ここで、ｘ^＾とｙ^＾は、それぞれ、ｘとｙの方向におけるユニットベースベクトルである。

図３では、ポートＰとＱが、必ずしも９０度の間隔で配置されていない。しかし、励起された波が数式（３３）の形態を有するべきことが要求される。この問題は、直交ｘ‐ｙ座標系から図４で示されるような斜交ａ‐ｂ座標系への座標変換に変形される。
図４では、一般ベクトルＰ^→が以下のように規定される。すなわち、

ここで、ａ‐ｂ座標系のベースベクトルは、以下のように規定される。すなわち、

したがって、ポートＰとＱが、９０度だけ分離されたときに、数式（３３）は、以下のように表され得る。すなわち、

ここで、共通時間項ｃｏｓ（ωｔ＋φ_ｈ）は、スキップされた。

したがって、数式（３４）におけるｐ及びｑは、以下のように規定される。すなわち、

斜交座標系における表現を得るために、逆数ベースα^＾とβ^＾をベースａ^＾とｂ^＾に対応させる。すなわち、

ここで、ａ^＾とｂ^＾は以下のように規定される。すなわち、

数式（３４）の第２項と第３項について（３６‐５）と（３６‐６）を乗ずることによって、座標変換が得られる。すなわち、

数式（３２）と（３３）におけるｘ‐ｙ座標系は、次に、以下のようにａ‐ｂ座標系のものに変換される。すなわち、
数式（３６‐３）と（３６‐４）を、（３７）、（３８）に挿入して、具体形が得られる。すなわち、

要約すると、ポートＰとＱが、図３又は図５で示される数式（３６‐７）と（３６‐８）によって規定された一般角で間隔を空けられたときに、Ω_ａの回転周波数の遅く回転するマイクロ波フィールドは、以下のものによって表されるポートＰとＱからのマイクロ波フィールドの入力によって励起され得る。すなわち、

ここで、ｒとｓは、数式（４０）と（４１）で規定され、数式（４１）のプラスとマイナスの符号は、それぞれ、反時計回りと時計回りの回転に対応する。（４２‐１）と（４２‐２）の形態は、ｒとｓの時間変動関数を有する振幅変調の形態である。

数式（２２）と（２８）に関して、図５で示されるように、ＴＥ_１２１の遅い回転をもたらすために、ポートＱがポートＰから５π／４だけ分離される場合を示す。すなわち、

数式（４３）と（４４）を数式（３９）～（４１）に代入すると、以下のものが得られる。すなわち、

図５の幾何学的形状に対して、これは、ポートＰとＱから、それぞれ、数式（４５）と（４６）の形態でマイクロ波電力を供給したときに、励起された波が数式（３３）のものと等しくなることを示している。これは、数式（４３）～（４６）を数式（３４）に代入すると、数式（３６‐２）が得られ、それは、数式（３２）を導出し、結局、数式（３３）が導かれるという事実によって立証される。ポートＰとＱの他の形状に対して、熟練者は、上述したのと同じやり方で、各ポートの供給電力を導出すことができる。

電力供給導波管内のアイリスによるインピーダンスシフト
図２の実施形態又は図３の実施形態の２つの導波管３６０の各々は、図６で示されるように、円筒形状キャビティ１２０の内部へ、ポートＰとＱのうちのそれぞれのものを通して開かれている、放射又は接続開孔４０５を有する。図６で描かれている実施形態では、導波管３６０が矩形状であり、一対の側壁４１０、４１１、床４１２、及び天井４１３を含む、矩形状断面を形成する４つの導電性壁を有する。導波管３６０の入力開口４１５は、マイクロ波を受信するために開かれている。反対側の端４１６は、壁４１８によって覆われている。上で言及された接続開孔４０５が、壁４１８内に形成され、ポートＰとＱのうちの対応するものと位置合わせされている。各ポートＰとＱは、キャビティ１２０の側壁内の開口であり、接続開孔４０５の寸法に合致し得る。

導波管３６０は、アイリス４２０などの１以上のアイリスを含み得る。アイリス４２０は、矩形状壁４２２内の矩形状窓として形成されている。導波管３６０の挙動は、矩形状入力開口４１５の寸法ａ×ｂ、矩形状アイリス４２０の寸法ｃ×ｄ、矩形状接続開孔４０５の寸法ｅ×ｆ、アイリス４２０と入力端４１５との間の距離ｇ、及びアイリス４２０と接続開孔４０５との間の距離ｈによって決定される。他の適切な形状及び寸法が選択され得る。チャンバインピーダンスを同調させるために、接続開孔のサイズｅ×ｆが、最初に調整される。一実施例では、ｅ×ｆ＝６０ｍｍ×２ｍｍに対して共振「１」の最良のスペクトルが得られた。説明の簡潔さのために、共振「１」のみが以降で考慮される。

次に、接続開孔４０５からのアイリス４２０の任意距離ｈが選ばれる。図７では、容量アイリスが選ばれ、寸法ｄの値が調整される。ｄのサイズが変更されると、３つの共振のインピーダンスが移動する。更に、スミスチャートで共振円のサイズによって表された、その線質係数（quality factor）Ｑも変化する。図８は、誘導アイリスを描いており、誘導アイリスを用いて異なるインピーダンスシフトを得ることができる。図９で示される共振アイリスは、目標周波数のチャンバインピーダンスが、スミスチャートの中心に配置された、臨界結合（critical coupling）をもたらし得る。この形状では、図２及び図３のスタブチューナーが除去され、単純化された費用効果に優れたチャンバ設計をもたらし得る。しかし、臨界結合が高いＱの値を有するので、この設定は、通常、同調の再現性を悪化させる。

破線で示されているように、第２のアイリスプレート５００が、導波管３６０内に配置され、好適なチャンバインピーダンスを得ることができる。第３のアイリスプレートが、同様に追加され得る。

利点
図１～図５の実施形態の主要な利点は、プラズマ処理のための回転するマイクロ波が、２つの異なる方位角位置におけるマイクロ波励起の間の空間的且つ時間的分離の適切な調整によって、ユーザが選択したモードＴＥ_ｍｎｌとＴＭ_ｍｎｌの指標ｍ、ｎ、及びｌの任意の適切な組み合わせに対して生成され得るということである。図６～図９の実施形態の主要な利点は、マイクロ波チャンバインピーダンスが、キャビティに接続された電力供給導波管の中へインピーダンスシフトアイリスを導入することによって、チャンバを変更することなしに調整され得るということである。

上記は本発明の実施形態を対象とするが、本発明の基本的な範囲から逸脱することなく、本発明の他の更なる実施形態を考案することもでき、本発明の範囲は以下の特許請求の範囲によって決定される。

Claims (15)

1. プラズマリアクタであって、
   加工対象物処理チャンバと、
   前記加工対象物処理チャンバの上に横たわる円筒形状マイクロ波キャビティ、及び前記円筒形状マイクロ波キャビティの中心軸に対して非対称に配置された複数のマイクロ波入力ポートであって、前記円筒形状マイクロ波キャビティの側壁内に斜交方位オフセット角Δθで間隔を空けられた第１と第２の入力ポートＰとＱを含む、複数のマイクロ波入力ポートと、
   マイクロ波源であって、マイクロ波周波数を有する第１のマイクロ波源出力をもたらす第１のマイクロ波モジュール、及び前記マイクロ波周波数を有し且つ前記第１のマイクロ波源出力から時間位相差ΔΦによって分離された第２のマイクロ波源出力をもたらす第２のマイクロ波モジュールを有するマイクロ波源と、
   一対のそれぞれの導波管であって、各々が、前記マイクロ波源出力のうちのそれぞれのものに接続されたマイクロ波入力端と、前記第１と第２の入力ポートのうちのそれぞれのものに接続されたマイクロ波出力端とを有する、一対のそれぞれの導波管と、
   前記第１のマイクロ波モジュールに接続された第１の出力信号、及び前記第２のマイクロ波モジュールに接続された第２の出力信号を有するシード信号生成器であって、前記円筒形状マイクロ波キャビティ内でＴＥ_ｍｎｌ又はＴＭ_ｍｎｌモードの回転マイクロ波を生成する第１及び第２の出力信号を生成するように構成され、ここでｍ、ｎ、及びｌは、ユーザが選択したＴＥ又はＴＭモードの値である、シード信号生成器と
   を備える、プラズマリアクタ。
2. 前記円筒形状マイクロ波キャビティ内でＴＥ_ｍｎｌ又はＴＭ_ｍｎｌモードの前記回転マイクロ波を生成するために、前記時間位相差ΔΦを、前記ユーザが選択したＴＥ又はＴＭモードの指標ｍ、ｎ、及びｌのうちの少なくとも２つの関数である値に調整するように構成されたコントローラを更に備える、請求項１に記載のプラズマリアクタ。
3. 前記円筒形状マイクロ波キャビティ内でマイクロ波信号を受信するように位置決めされた複数のモニタリングアンテナを更に備え、前記コントローラが、当該複数のモニタリングアンテナからの受信信号に基づいてフィードバックループ制御を実行して前記時間位相差ΔΦについての調整を決定するように構成されている、請求項２に記載のプラズマリアクタ。
4. 前記複数のモニタリングアンテナが、互いに直交する位置関係で、前記円筒形状マイクロ波キャビティ内の側壁上に配置されている、請求項３に記載のプラズマリアクタ。
5. 前記それぞれの導波管の各々が、前記円筒形状マイクロ波キャビティの前記中心軸と平行な方向において、前記円筒形状マイクロ波キャビティの床と天井の間の高さよりも高い断面高さを有する、請求項１から４のいずれか一項に記載のプラズマリアクタ。
6. 前記それぞれの導波管の各々が、前記マイクロ波入力端において矩形状入力開口を有する、矩形状の導波管である、請求項１から５のいずれか一項に記載のプラズマリアクタ。
7. 前記加工対象物処理チャンバが、加工対象物を保持するために加工対象物支持体を含み、前記第１と第２の入力ポートＰとＱが、前記加工対象物支持体の直径よりも大きい直径を有する前記側壁の部分に位置決めされる、請求項１から６のいずれか一項に記載のプラズマリアクタ。
8. 前記円筒形状マイクロ波キャビティが、前記加工対象物処理チャンバから前記円筒形状マイクロ波キャビティを分離し、且つマイクロ波エネルギーが前記加工対象物処理チャンバ内に入るための複数の開孔を含む、床を含む、請求項７に記載のプラズマリアクタ。
9. 前記複数のマイクロ波入力ポートが、厳密に２つのマイクロ波入力ポートからなる、請求項１から８のいずれか一項に記載のプラズマリアクタ。
10. 前記それぞれの導波管の各々が、前記マイクロ波出力端における接続開孔プレート、前記接続開孔プレート内の矩形状接続開孔、前記接続開孔プレートと前記マイクロ波入力端との間のアイリスプレート、および前記アイリスプレート内の矩形状アイリス開口を含み、
    前記矩形状接続開孔と前記矩形状アイリス開口が、前記矩形状接続開孔と前記矩形状アイリス開口のうちのそれぞれのものの長さ寸法に沿ったそれぞれの平行な軸を有し、前記それぞれの平行な軸は、前記円筒形状マイクロ波キャビティの前記中心軸に平行である、請求項６に記載のプラズマリアクタ。
11. 前記それぞれの導波管の各々が、前記マイクロ波入力端と前記マイクロ波出力端との間にマイクロ波伝播方向を有し、前記マイクロ波伝播方向は、前記円筒形状マイクロ波キャビティの前記中心軸に向けて延びる、請求項１０に記載のプラズマリアクタ。
12. 前記矩形状接続開孔が、ユーザが選択したインピーダンスに対応する、長い寸法ｅと短い寸法ｆを有する、請求項１０または１１に記載のプラズマリアクタ。
13. 前記矩形状アイリス開口が、ユーザが選択した共振（ｒｅｓｏｎａｎｃｅ）に対応する、長い寸法ｃと短い寸法ｄを有する、請求項１０から１２のいずれか一項に記載のプラズマリアクタ。
14. 前記矩形状アイリス開口が、容量アイリスであり、前記円筒形状マイクロ波キャビティの前記中心軸と垂直な方向において、前記矩形状アイリス開口の寸法が、前記導波管の前記矩形状入力開口の寸法よりも小さい、請求項１０から１２のいずれか一項に記載のプラズマリアクタ。
15. 前記矩形状アイリス開口が、誘導アイリスであり、前記円筒形状マイクロ波キャビティの前記中心軸と平行な方向において、前記矩形状アイリス開口の寸法が、前記導波管の前記矩形状入力開口の寸法よりも小さい、請求項１０から１２のいずれか一項に記載のプラズマリアクタ。

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