JPH04274199A - マイクロ波放射器 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、複数の波長の長さ伸張
部（Ｌａｅｎｇｅｎａｕｓｄｅｈｎｕｎｇ）を有する放
射領域を発生させるための、特に均一な低圧プラズマを
形成するためのマイクロ波放射器に関する。放射領域と
は、マイクロ波ビームが放出する平面領域である。

【０００２】

【従来の技術】欧州特許公開第３３５６７５号明細書か
ら、複数の波長の長さ伸張部にわたって均一なプラズマ
を発生させるマイクロ波放射器が公知である。該放射器
はマイクロ波放射源と、金属製のマイクロ波導波管と、
複数の波長の長さ伸張部を有しかつ該導波管からのマイ
クロ波ビームを放出する窓とを有する。導波管から出す
るマイクロ波ビームをできるだけ大きな放射面に分配す
るためには、ビームの放出口を一連の個々の開口に分配
するかまたはその幅を放射源からの距離が増大するに伴
い大きくすることができる。どちらの装置も十分に均一
なビームを発生しない。それにもかかわらず均一なプラ
ズマを発生させるためには、放出口からかなり長い距離
をおいて、たとえば石英ガラスからなる円筒または半円
筒体の形に形成された、マイクロ波を透過する隔壁が設
けられる。隔壁の内部には、空気がプラズマを形成しな
い圧力で存在する。放出口から隔壁までの距離が長いた
めに、放射器は著しい大きさを有し、該大きさはプラズ
マを発生するためになお著しく大きな真空装置を必要と
する。このようにして、プラズマは、たとえば連続的に
走行する基板を処理するのに好ましいように局在化およ
び制限されない。

【０００３】比較的広い幅にマイクロ波ビームを分配す
るもう１つの原理は、西独国特許出願公開第３１４７９
８６号明細書から公知である。この場合には、ビームを
表面導波管に導き、該導波管からビームをビーム透過性
窓を通して空室に入射させる。均一なビームを得るため
には、多くの放射源と表面導波管が必要である。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】本発明の課題は、マイ
クロ波放射器をできるだけ小さく構成し、かつ高い均一
性と同時に複数の波長の伸張部にわたって放射領域の正
確な局在化および制限を達成することであった。

【０００５】

【課題を解決するための手段】前記課題は、マイクロ波
放射源と、誘電体が充填された金属製のマイクロ波導波
管と、複数の波長の長さ伸張部を有しかつマイクロ波ビ
ームを放出する窓とを有する形式の、複数の波長の長さ
伸張部を有する放射領域を発生させるマイクロ波放射器
から出発し、誘電体を包囲する導波管の横断面もしくは
窓の周辺の誘電体が、マイクロ波放射源からの距離が増
加するに伴い漸進的に減少しかつ／または誘電体の誘電
率が増大することにより解決される。

【０００６】

【実施例】次に、図面１〜６を参照して本発明を説明す
る。

【０００７】放出窓の周辺の減少する横断面は、誘電体
の内部の電界強度を、放出窓を透過したマイクロ波ビー
ムの放射にもかかわらず該放出窓の全長さにわたって実
質的に一定に維持する効果を有する。この目的のために
、横断面の減少は、放射出力の電界強度への作用が放出
窓の長さにわたってまさに補償されるように設計する。

【０００８】誘電体がガス状である場合は、該誘電体は
導波管の壁により制限される。この場合は、導波管の横
断面積は誘電体の横断面積に等しい。これに対して誘電
体として固体を使用する場合は、該誘電体の横断面積を
減少させれば十分であり、一方放出窓の周辺の導波管の
横断面積は場合により同じに維持することができる。

【０００９】横断面減少と同じ効果は誘電率の漸進的増
加を有する。場合により両方の効果を互いに組み合わせ
ることができる。漸進的に増大する誘電率を有する材料
は入手困難であるので、本発明のこの実施態様は実用的
意義が少ない。

【００１０】本発明にもとづくマイクロ波放射器は、プ
ラズマ処理装置のコンパクトな構造を可能にする、とい
うのもすでに導波管からきわめて均一なビームが放出し
かつ均一な、制限されかつ正確に局在化されたプラズマ
の形成が可能になるからである。プラズマ中の処理すべ
き基板は、導波管の放出窓の前に直接配置するかまたは
連続的にそばを通過させることができる。

【００１１】新規マイクロ波放射器を用いると、低圧プ
ラズマ中にきわめて薄い層を製造することができ、該層
はその高い均一性により透明な基板上にニュートンリン
グまたは類似の妨害する干渉現象を発生しない。

【００１２】以下に、マイクロ波放射器の用途について
説明する。

【００１３】新規マイクロ波放射器は、そのような放射
器のあらゆるタイプの用途に、たとえばマイクロ波を吸
収する基板を加熱するために適している。しかしながら
、本発明は、有利には低圧プラズマを発生させるために
、特に平面状基板に被覆するために役立つ。そのような
被膜は、自体公知方法で、たとえば被膜を形成するガス
または蒸気、たとえばシランまたは炭化水素により、プ
ラズマ作用下で１分間に約１マイクロメートルの高い析
出率で形成することができる。

【００１４】発明の理論的基礎は、以下の通りである。

【００１５】マイクロ波プラズマの不均一性の重要な原
因は、高周波の反射により形成される定在波である。そ
れに相当して、マイクロ波放射器の構成においては、反
射する電気的衝突箇所をできるだけ回避しなければなら
ない。このことはマイクロ波ビームの無限の、長手方向
の伸張により理論的には可能であるが、実際はこのため
にアンテナ端部に波抵抗に等しい吸収体を用意する。

【００１６】また適合された、すなわち反応の無い、閉
鎖された導波管の高周波の残留リプルもプラズマ内に不
均一性を形成し、その周期はマイクロ波長により決まる
。圧力および電力に依存した、プラズマの一定の体積膨
張に基づき、この均一性は最大値間の距離が減少するに
伴い隣接した波の山間が拡散することにより増大する。

【００１７】相対誘電率ＥＲを有する適当な誘電体を電
磁界に挿入すると、波長を係数１／ｓｑｒ（ＥＲ）だけ
短くすることができる。

【００１８】市場には、たとえばそのＥＲ値が１０より
はるかに高く、かつギガヘルツ周波数においてなお低い
損失率を有するセラミックが存在する。頻繁に使用され
る周波数２．４５ＧＨｚに関しては、８６ｍｍ×８６ｍ
ｍの長方形導波管にＥＲ＝２０の誘電体を充填すること
により波長を１２２．５ｍｍから２７．４ｍｍに短くす
ることができる。

【００１９】すでに記載したように、プラズマの体積膨
張は、時として、放射器に沿って波状に分布する出力Ｐ
の関数である。所定の出力で理論的に要求される体積が
実際に存在する体積より大きくなるようにプラズマ空間
を狭くすると、電子加熱と膨張との間の競合効果により
放射体表面に平行にプラズマの拡張が生ずる。空間的に
は、このことはプラズマ制限面の対向側の接近を意味し
、これは拡散の補償を効果的に行う。

【００２０】プラズマは有利には電界強度の最も大きな
位置、従って給電位置で燃焼するので、放射器に沿って
均一な出力分布が存在しなければならない。このことは
図１および図３に略示されるように、本発明に基づき放
射器のもしくは窓の周辺の誘電体の形状により実現され
る、それというのも準光学的に観察すると、空気もしく
は真空／プラズマに対してきわめて密でありかつ部分的
に透過する鏡に類似しているからである。図２に示され
るように、入射角ＡがＥＲ、周波数および放射器の形に
依存する、衝突する波面を部分的に反射させ、かつ供給
位置からさらに遠ざけて、電力バランスに寄与させるこ
とができる。

【００２１】プラズマ均一化のためのもう１つの手段は
、本発明に基づき電界強度曲線に影響を及ぼすことによ
り行われる。

【００２２】位置Ｓ１（図２）で利用される出力Ｐ（全
量）はＳ１とＳ２の間の範囲内で出力結合された出力ｄ
Ｐだけ減少する。従って、位置Ｐ２に関して以下の方程
式が当て嵌まる： Ｐ２＝Ｐ（全量）−ｄＰ が適用される。

【００２３】更に、以下の方程式が成り立つ：

【００２
４】

【数１】

【００２５】上記式中、 Ｅ＝導波管の窓での観察位置における電界強度ｍ＝導波
管の広幅（ａ）に関する間隔係数

【００２６】

【数２】

【００２７】ｎ＝導波管の狭幅側（ｂ）に関する間隔係
数

【００２８】

【数３】

【００２９】ＥＲ＝相対誘電率 λｏ＝真空波長 μｒ＝相対透磁率 ｐ＝導波管の窓での観察位置における利用されるマイク
ロ波出力。

【００３０】本発明に基づき、通常の長方形導波管とは
異なる形の導波管により、電界強度分布、ひいてはプラ
ズマのきわめて効果的な制御が可能になる。

【００３１】導波管の形の算定は、前記の影響、および
一定の幅の放射器開口に沿ったあらゆる点での電界強度
を同じ大きさに保つ要求を考慮して行う。たいていの場
合、理論的に正確な形は著しく複雑であるが、面ａおよ
び／またはｂ（図１〜図３）がくさび形に先が細く形成
されれば十分であることが判明した。もちろん、一定の
辺の長さａおよびｂを下回る際のモードの急激な変化の
発生ないしはカットオフ波長の下での導波の遮断を考慮
すべきである。

【００３２】低圧プラズマ被覆装置の構成マイクロ波ビ
ームは、周波数１〜１５ＧＨｚを有する通常の構造の放
射源から出発する。周波数２．４５ＧＨｚが有利であり
、これは真空中での波長１２２．５ｍｍに相当する。ビ
ームは従来方法では供給位置２５から金属製のマイクロ
波導波管１４に導入し、該導波管は前記形式のビームの
ために有利には４３×８６ｍｍ（内寸）の長方形の横断
面を有する。

【００３３】導波管１４には、放出窓７に至るまで、可
能なかぎり小さい損失係数の誘電体が充填している。適
当な誘電体は自体公知である、これにはグロー放電が開
始しない、すなわち０．０１バールより高い圧力を有す
るガスおよび相応して低い損失係数の合成樹脂またはセ
ラミック材料が属する。

【００３４】プラズマ被覆装置においては、ガス状また
は液状誘電体を使用する場合に導波管１４と真空室１５
との間に耐圧性の放出窓７が必要である。該窓は、場合
により発生する圧力差に耐えるために十分な機械的強度
を有し、マイクロ波を十分に透過する材料からなる。石
英ガラス板およびセラミック材料が適当である。たとえ
ば合成樹脂からなる固体の誘電体を使用する場合は、該
誘電体の外面を同時に放出窓として使用することができ
る。

【００３５】図４から、本発明にもとづくプラズマ被覆
装置の基本構造が明らかである。ふた１、内壁２および
底面３がポンプ４により真空化可能な真空室１５を形成
する。入口５を経て、被覆のために使用する反応ガスを
流入させることができる。適当な反応ガスは、たとえば
シラン、たとえばトリメトキシメチルシラン、シロキサ
ン、たとえばヘキサメチルジシロキサン、アクリレート
、たとえばメチルアクリレートまたはメチルメタクリレ
ート、酸素または希ガス、たとえばアルゴンである。 放出窓７に向いあって配置された基板１９およびその背
後に存在するソリッド１８はプラズマ燃焼室を制限する
。ロッド２１を用いてソリッド１８およびそれと一緒に
該ロッドに隣接する基板１９を、プラズマを形成するの
に適した位置に移動させることができる。

【００３６】有利には、内壁２は真空密に閉鎖可能な扉
２２の形に形成され、該扉にロッド２１を介してソリッ
ド１８および該ソリッドに取り付けられた基板１９が固
定されている。喚気した真空室１５の開口を通して、基
板１９を導入もしくは取り出すことができる。帯状の基
板に連続的に走行で被覆するためには、ロッド２１およ
びソリッド１８の代わりに、基板を一定の、調整可能な
速度でプラズマを通過させるために適当な装置が必要で
ある。真空室に基板の繰出しロールを収容させる場合は
、電動機で駆動される搬送装置を用いて帯状物を一方の
ロールから繰出し、プラズマを通過させ、その後再び巻
取る。基板が巻取り不能であるかまたは真空室に収容す
るのに大きすぎる場合は、連続的被覆のためにプラズマ
の両面に２つの気密のゲートにより導入もしくは導出し
なければならない。

【００３７】高周波出力はフランジ１７を介して導波管
に入力結合することができる。導波管の内部空間１４に
は、固体の誘電体またはそのままで有効なガスが充填さ
れている。

【００３８】マイクロ波放射器は内壁６および放出窓７
により制限され、該窓は熱安定性および高周波安定性の
、誘電体としてはたらく材料からなり、かつ保持機構８
により気密かつ耐圧性ユニットに螺合されている。

【００３９】放射器６は金属製隔壁９により２つの領域
、すなわちその機能が前記の原理に相当する前方の導波
管１４と、Ｈ１０導管の規模を有する吸収体通路１３と
に分割されている。アンテナ端部に到着するエネルギは
、定在波を避けるために、反射されるべきでない。従っ
て、このエネルギを結合素子１０により通路１３に迂回
し、該チャンネルは残留ビームを吸収するために電気的
に適合されたウオータラスト１６で終端されている。 結合素子は金属、たとえば銅からなる。ウオータラスト
１６は、マイクロ波ビームを吸収する作用を有する。ウ
オータラストは水が貫流するガス管からなっていてもよ
い。結合素子１０においてインピーダンスへの正確な適
合を可能にするために、該結合素子は高周波に耐える絶
縁材からなる保持機構２０により調整可能に固定されて
いる。

【００４０】調節可能な金属製の内壁部分１１により、
導波管横断面を漸進的に減少させることができる。窓の
周辺の誘電体は、このようにして、図１および図２に示
される形に相当するくさび形の形状を有する。調整角度
Ｗは、最良には経験的に固定する。この角度は、放出窓
の端部でプラズマが始めと同じ強度を達成できる大きさ
であるべきである。通常は調整角度Ｗはほぼ５°である
。該角度が最適に調整されない場合は、プラズマを放出
窓の一方のまたは他方の端部に移動する。調節できる内
壁部分１１の平行移動により、モードの急激な変化を排
除することができる。空間１２は機能しない。

【００４１】別の（図示されない）実施例では、内壁部
分１１の代わりに放出窓が導波管の縦軸に対して傾斜し
て配置されている、従って窓が再びくさび形の空間で終
端されている。

【００４２】導波管横断面はまた図６に相当して傾斜し
た内壁部分４０，４１により先が細くなっていてもよく
、この場合には図３に示されるくさび形が生ずる。空間
４３は機能しないままである。

【００４３】プラズマを窓の幅より狭くすべき場合は、
窓を、場合により窓材料の金属被覆の形の金属製ブライ
ンド３０により、所望の幅に縮小することができる（図
５）。導波管の内部空間１４には、ガスの代わりに塊状
、粉末状または液状の誘電体が充填されていてもよい。 たとえば合成樹脂、たとえばポリメチルメタクリレート
またはポリテトラフルオロエチレンが適当である。 図１〜図３に相当して成形されたくさび形の合成樹脂成
形体は放出開口にまで金属で被覆されており、マイクロ
波ビームを入力結合するための真空密の高周波フランジ
１７を備え、かつ真空室に挿入されている。敏感な誘電
体へのプラズマの不利な影響を回避するために、放出窓
を形成する露出した領域にプラズマと高周波に耐える材
料、たとえばＤＵＲＡＮ（Ｒ）ガラスで被覆することが
できる。

【００４４】誘電体の狭い端部に、残留ビームを吸収す
るために有利には適合されたラスト２３が存在する。該
ラストは誘電体内の、たとえば水を誘導する、閉鎖され
た通路からなっていてもよい。

【図面の簡単な説明】

【図１】放出窓の平面に垂直な誘電体もしくは導波管の
縦断面図である。

【図２】放射器内の波の進行経過を示す図である。

【図３】放出窓に向かって見た放射器の別の実施例を示
す図である。

【図４】本発明にもとづくプラズマ被覆装置の断面図を
示す図である。

【図５】図４にもとづく装置に収容される、本発明にも
とづく放射器の斜視図である。

【図６】図２に示された放射器の実施例を示す図である
。

【符号の説明】

７　　放出窓、９　　隔壁、１１　　内壁部分、１３　
　吸収通路、１４　　マイクロ波導波管、１５　　真空
室、１９　　基板

Claims (7)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】　　マイクロ波放射源と、誘電体が充填さ
   れた金属製のマイクロ波導波管と、複数の波長の長さ伸
   張部を有しかつマイクロ波ビームを放出する窓とを有す
   る形式の、複数の波長の長さ伸張部を有する放射領域を
   発生させるマイクロ波放射器において、誘電体を包囲す
   る導波管の横断面もしくは窓の周辺の誘電体が、マイク
   ロ波放射源からの距離が増加するに伴い漸進的に減少し
   かつ／または誘電体の誘電率が増大することを特徴とす
   るマイクロ波放射器。
2. 【請求項２】　　窓がその長さ伸張部にわたって実質的
   に一定の幅を有する請求項１記載のマイクロ波放射器。
3. 【請求項３】　　誘電体が０．０１バール以上の圧力を
   有する気体であり、窓がマイクロ波ビームを透過する板
   で閉鎖されている請求項１または２に記載のマイクロ波
   放射器。
4. 【請求項４】　　誘電体がマイクロ波ビームを透過する
   合成樹脂からなる請求項１または２に記載のマイクロ波
   放射器。
5. 【請求項５】　　合成樹脂がポリメチルメタクリレート
   またはポリテトラフルオロエチレンである請求項４記載
   のマイクロ波放射器。
6. 【請求項６】　　導波管の端部にマイクロ波吸収体が配
   置されている請求項１から５までのいずれか１項記載の
   マイクロ波放射器。
7. 【請求項７】　　マイクロ波吸収体が水からなる請求項
   ６記載のマイクロ波放射器。