JPH05299024A

JPH05299024A - マグネトロン応用装置

Info

Publication number: JPH05299024A
Application number: JP10272192A
Authority: JP
Inventors: Akiichi Harada; 明一原田
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 1992-04-22
Filing date: 1992-04-22
Publication date: 1993-11-12

Abstract

(57)【要約】【目的】電子レンジ用に大量に生産されて性能価格比が
非常に良好なマグネトロンを利用して、大幅に使用条件
が異なり、最適周波数の条件が厳しい場合にも容易に対
応できるようにしたマグネトロン応用装置を提供するこ
とにある。【構成】マグネトロンで発生させたマイクロ波を負荷へ
導く立体回路の途中に負荷側から反射されてマグネトロ
ンへ戻る反射波を吸収する手段を設けた上に、更に、前
記吸収手段とマグネトロンとの間の立体回路に、スタブ
形のインピーダンス調整手段を設けることにした。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、電子レンジ用に極めて
大量に生産された結果、原価が非常に低減された品種の
マグネトロンを、電子レンジの場合とは大幅に使用条件
が異なる、例えばプラズマ発生装置などに利用したと
き、最適周波数の条件が厳しい場合にも容易に対応でき
るようにしたマグネトロン応用装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】マグネトロンで発生させたマイクロ波を
利用する従来からの装置としては、現在広く普及し、殆
ど各世帯に所有されていると言われているほど非常に多
数使用されている電子レンジが典型的代表例であり、ま
た公知のように古くからレーダ用にも用いられている
が、その他にも未だ種々のものがある。比較的新しい用
途としては、集積回路の微細化が止まることなく進む半
導体工業で、その微細な回路パターンをフォトリソグラ
フィ技術によって形成するのに欠かせないドライエッチ
ング法の一つとして、例えば実開昭５４−１３１４７６
号公報に開示されているようなマイクロ波プラズマエッ
チング法が重用されている。

【０００３】図３は上記実開昭５４−１３１４７６号公
報に開示されたマイクロ波プラズマエッチング装置を示
す図面である。導波管（立体回路）３の一端に取付けら
れたマグネトロン１のアンテナから放射されたマイクロ
波は導波管３を伝搬し、コイル１２によって励磁された
静磁界内に配置された絶縁物容器５とキャビティ４の中
に入れてある放電用ガスを励起してプラズマ状態にす
る。このマイクロ波プラズマエッチング装置では、こう
して発生させたプラズマ１０中に負電位に保持した試料
（エッチング対象基板）１１を配置して、試料上の対象
部位を所謂イオンミーリングにより除去する。

【０００４】図４は図３に示したマイクロ波プラズマエ
ッチング装置のマイクロ波立体回路部分を機能的に示し
た概念図である。図中、１はマグネトロン、１ａはマグ
ネトロンのアンテナ、２はアンテナ１ａを内包するラン
チャー（高周波結合器）、２ａはランチャーのバックプ
ランジャー（短絡板）、３は導波管、４はキャビティ、
５は絶縁物容器である。マグネトロン１から見ると、ア
ンテナ１ａから放射されたマイクロ波は、一部はバック
プランジャー２ａの方向へ、他はキャビティ４の方向へ
進む。バックプランジャー２ａへ向かったマイクロ波は
バックプランジャーで反射され、一部はアンテナ１ａか
らマグネトロン１に戻るが、他はキャビティ４の方向へ
進む。すなわち、マグネトロン１のアンテナ１ａから負
荷を見たインピーダンスは、キャビティ側すなわち負荷
側からの反射が無い状態つまり整合状態であっても、バ
ックプランジャー２ａからの反射の影響を受けるので、
日本ではＥＩＡＪ（日本電子機械工業会）で反射の無い
標準高周波結合器の形状を定めており、特に出力試験な
どに利用されている。

【０００５】キャビティ４の内部の、絶縁容器５で囲ま
れた部分４ｂには、エッチングガスが供給されているの
で、キャビティ４へ伝搬してきたマイクロ波によりガス
が励起されてプラズマ状態になる。プラズマ１０の状態
や試料１１やその保持機構の位置関係が変化すると、キ
ャビティ４からのマイクロ波の反射が変化し、その結
果、マグネトロンから発生するマイクロ波の出力（発振
効率）や周波数が変化する。更に、マグネトロンの基本
波スペクトラムも、負荷インピーダンスの影響を強く受
ける。このためにプラズマが不安定となり、極端な場合
にはプラズマが消えてしまう。

【０００６】これを防止するために、一部のプラズマ発
生装置では、図５に示すように、マグネトロン１とキャ
ビティ４の間の立体回路の途中に、キャビテイ４からの
反射波のみを吸収するようにアイソレータ６を付加して
いる。アイソレータ６は、マグネトロン１からキャビテ
ィ４へ向かうマイクロ波はそのまま通過させるが、キャ
ビティ４からマグネトロン１に向かう反射波は吸収する
ように設置されている。従って、マグネトロン１にはキ
ャビティ４からの反射波は殆ど無視できる程度になるの
で、マグネトロン１のアンテナ１ａからキャビティ４を
見たインピーダンスは一定になり、マイクロ波の出力
（発振効率）や周波数は安定する。

【０００７】一方、キャビテイ４からの反射が大きくな
ると、プラズマを発生させるマイクロ波の利用効率が低
下するため、プラズマ装置の一部では、図６に示すよう
に、キャビテイ４とアイソレータ６との間の立体回路の
途中に、３〜４本の金属棒からなるスタブ７ａ、７ｂ、
７ｃを、使用するマイクロ波の導波管内通過時の波長
（管内波長λ_g）のほぼ１／８ごとに配設したスタブチ
ューナ７を配置している。パワーモニタ８は、これが設
置された導波管内を通過する進行波と反射波とを分離
し、それぞれの出力を指示するものである。パワーモニ
タ８の指示値を見ながら、スタブチューナ７の金属棒よ
りなる調整部材すなわちスタブ７ａ、７ｂ、７ｃの導波
管内への突出長を調整することにより、マグネトロン１
の側からキャビティ４へ向かう進行波に対して、キャビ
ティ４からの反射波を最小にすることが出来るので、マ
イクロ波の利用効率を上げることができる。

【０００８】

【発明が解決しようとする課題】近年、マイクロ波が種
々の製造作業に利用されるようになったが、原理的に電
子レンジと同様な木材などの乾燥装置のほかに、たとえ
ば既述のように、半導体製造工程の一つであるウェーハ
エッチング作業で、エッチングガスをプラズマ状態にし
てウェーハに対して垂直に導くことにより、微細加工す
る技術やその装置があり、これらは急速に進歩してき
て、好んで用いられている。このドライエッチング作業
の際に、エッチング状態を最適化するためには、プラズ
マを安定させる必要がある。プラズマの安定化のために
は、プラズマを発生させるキャビティの構造や、キャビ
ティの中の絶縁物容器などの設計が非常に重要になる。
また、装置からのマイクロ波漏洩防止をも考慮する必要
がある。これらの改善の結果として、マグネトロン応用
装置のキャビティを含んだ負荷は周波数依存性が非常に
高くなり、マイクロ波の周波数変化に対するプラズマの
安定発生領域が狭くなり、マグネトロンが発生するマイ
クロ波の周波数が変化するとプラズマが不安定になる。
極端な場合には、プラズマが消えてしまうことさえ経験
された。

【０００９】さらに、エッチング状態を最適化するため
には、プラズマ濃度を大きく変えて調整する必要があ
り、通常マグネトロンのマイクロ波出力を変化させて調
整している。マグネトロンのマイクロ波出力を変化させ
る手段としては、マグネトロンの陽極電流を調整する方
法が従来から広く例えば電子レンジなどで利用されてい
る。しかし、マグネトロンの陽極電流を調整することに
よりマイクロ波の出力を制御する方法は、マグネトロン
にはプッシングという現象（マグネトロンのマイクロ波
負荷条件を一定に保っても、マグネトロンからのマイク
ロ波の周波数が陽極電流の値に応じて変化する現象）が
あるため、周波数が変化する。

【００１０】さらに、ＥＩＡＪの標準高周波結合器を使
用し、アイソレータも付加した構成にしても、マイクロ
波出力源として電子レンジ用に大量生産された安価なマ
グネトロンは、その整合負荷条件での周波数のバラツキ
が大きいので、せっかく安価な電子レンジ用マグネトロ
ンを活用して高付加価値化しようと図っても目的を果た
せないことがあった。

【００１１】以上、半導体ウェーハ加工用プラズマエッ
チング装置を例にして説明したが、プラズマを利用した
装置、例えば、半導体製造用イオン打ち込み装置、マイ
クロ波応用無電極ランプ（ＵＶ光源）などにおいても同
様な事態が生じていた。

【００１２】本発明は、極めて大量に生産され、そのた
め性能価格比が非常に良好になっている電子レンジ用の
マグネトロンを利用しながら、マグネトロンの長寿命化
もできるようにし、利用目的に対して最適な使用条件を
得るために、マイクロ波出力を自由に大幅に変化させて
も、プラズマが常に安定した状態で発生できるようにし
たマイクロ波プラズマ発生装置などのマグネトロン応用
装置を提供することを目的とする。

【００１３】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に本発明においては、マグネトロンで発生させたマイク
ロ波を負荷へ導くための導波管等からなる立体回路の途
中に負荷側から反射されてマグネトロンへ戻る反射波を
吸収する手段を設けたマグネトロン応用装置において、
前記反射波を吸収する手段とマグネトロンとの間の立体
回路に、更にスタブ形のインピーダンス調整手段を設け
ることにした。

【００１４】

【作用】本発明者は、まず、マグネトロンの動作特性を
詳しく測定することによりマグネトロンの最適使用条件
を求めることにした。図７は、マグネトロンの負荷特性
図で、一般にリーケ線図と呼ばれている。これは、平均
陽極電流が一定の条件で負荷インピーダンスを変化させ
たとき、マグネトロンが発生するマイクロ波の電力と周
波数を、インピーダンスチャート（スミス図）上にプロ
ットしたものである。マグネトロンの負荷インピーダン
スが変化するとマイクロ波の電力（実線）も周波数（破
線）も変化することが分かる。中央が整合状態を示し、
半径方向に大きくなるにしたがって反射またはＶＳＷＲ
（電圧定在波比）が大きくなる。図７に示した２Ｍ２１
４形マグネトロン（電源は商用単相交流を全波整流）の
リーケ線図の場合、平均陽極電流３００ｍＡの整合動作
条件では、出力が９００Ｗ、周波数が２４５５ＭＨｚの
マイクロ波が発生される。ちなみにこのリーケ線図か
ら、負荷インピーダンスを、例えば９００Ｗの等出力線
に沿って動かせば、周波数を２０ＭＨｚ以上にわたって
変化させ得ることが分かる。なお、この図中、（１）は
所謂モーディングを生ずる領域、（２）はマグネトロン
管外の接続個所でアーク放電が生ずる領域、（３）はア
ンテナやチョークコイルが過熱する領域、（４）は発振
効率が低くなってしまう領域である。

【００１５】一方、電子レンジ用マグネトロンは量産品
であり、そのマイクロ波周波数は現在通常±０．５％の
精度で生産されている。この精度を±０．１％以下とす
ることは歩留上不可能であり、逆にそのようなマグネト
ロンの生産を強行すれば極端に高価なものになってしま
う。従って、±０．５％の周波数精度で生産されたマグ
ネトロンを使いこなすことが必要になる。

【００１６】そのために本発明では、立体回路中にマグ
ネトロンの負荷インピーダンスを調整する手段を設け
て、マグネトロンからのマイクロ波の周波数を所望の如
く調整することにより、マイクロ波プラズマ発生装置と
して最適なプラズマ状態に設定できるようにしたのであ
る。

【００１７】

【実施例】図１は本発明の第１実施例図である。図中、
１はマグネトロン、１ａはアンテナ、２はランチャー
（高周波結合器）、３は導波管、４はキャビティ、５は
絶縁物容器、６はアイソレータ、９は本発明に係るイン
ピーダンス調整手段、例えばスタブチューナである。イ
ンピーダンス調整手段であるスタブチューナ９は、マグ
ネトロン１とアイソレータ６との間の立体回路中に組み
込まれている。

【００１８】このような装置においては、アイソレータ
６以降の部分、即ちアイソレータ６からキャビティ４ま
でに発生する反射波の影響を、アイソレータ６の働きに
より吸収できるので、マグネトロン１の負荷インピーダ
ンス条件はインピーダンス調整手段であるスタブチュー
ナ９の設定条件で決まる。

【００１９】一方、電子レンジ用マグネトロンは量産品
であり、その発生するマイクロ波周波数は現在通常±
０．５％の精度で生産されている。この精度を±０．１
％以下にすることは歩留上不可能であり、逆にそのよう
なマグネトロンは極端に高価なものになる。従って、±
０．５％の精度で生産されたものを使いこなすことが必
要になる。周波数精度±０．５％の量産マグネトロンを
用い、マイクロ波出力をほぼ一定とし、インピーダンス
調整手段を用いてマグネトロンの周波数を調整すること
により、プラズマ発生装置で最適プラズマ状態が得られ
る周波数条件（キャビティの形状材料、その内部の構造
物の位置形状材料およびエッチングガスの種類等により
最適周波数条件は異なる）に設定する方法を、以下に説
明する。

【００２０】例えばスタブチューナ９により、マグネト
ロン１の負荷インピーダンス条件を調整することを、図
７を用いて説明する。整合負荷条件での発振周波数が例
えば２４５０ＭＨｚのマグネトロンがあり、プラズマ発
生装置の最適プラズマ状態を得る周波数条件が例えば２
４５８ＭＨｚから２４６２ＭＨｚの間であったとする。
この場合、例えば整合動作条件での出力を保ったまま最
適周波数条件に設定するためには、図７に示す９００Ｗ
の等出力線に沿って左方向にインピーダンス点を移動さ
せて＋１０ＭＨｚの等周波数線との交点にくるように、
スタブチューナ９の各スタブの導波管内への挿入長を調
整する。インピーダンス点の移動のためには、１〜４本
のスタブ（金属棒）を通常使用する。３本以上のスタブ
を使用する場合はマイクロ波の導波管内通過時の波長
（管内波長：λ_g）のほぼ１／８波長毎に配設する。ス
タブが１本か２本の場合は、マグネトロン１のアンテナ
１ａから最初のスタブ９ａまでの距離Ｌを規定する必要
がある。それは、スタブが１本または２本の場合には、
スミス線図全面上の任意のインピーダンス点に移動でき
ないことが理論的にも分かっているからである。

【００２１】例えば、スタブが１本の場合、マグネトロ
ン１の特性が図７に示すようであるならば、Ｌ＝（０．
２５±０．０５）λ_gとし、スタブを導波管の中に挿入
してゆくと、マグネトロンのマイクロ波出力はほぼ一定
で周波数のみが整合負荷時に比較して徐々に低くなる。
一方、Ｌ＝（０．４０±０．０５）λ_gとし、スタブを
導波管の中に挿入してゆくと、マグネトロンのマイクロ
波出力はほぼ一定で周波数のみが整合負荷時に比較して
徐々に高くなる。

【００２２】一般に、マグネトロンのシンク位相ｌ_sink
（リーケ線図上でＶＳＷＲ＝２または４で、周波数ジャ
ンプの発生する位相を整合周波数の波数で計算）に対し
て、Ｌ＝（ｌ_sink＋０．５Ｎ±０．０５）λ_g（但しＮ
は自然数）としてスタブを導波管の中に挿入してゆく
と、マグネトロンの出力はほぼ一定で周波数のみが整合
負荷時と比較して徐々に低くなり、Ｌ＝（ｌ_sink＋０．
１５＋０．５Ｎ±０．０５）λ_g（但しＮは自然数）と
してスタブを導波管の中に挿入してゆくと、マグネトロ
ンのマイクロ波出力はほぼ一定で周波数のみが整合負荷
時に比較して徐々に高くなる。

【００２３】次に、スタブが２本の場合は、第１のスタ
ブをＬ＝（ｌ_sink＋０．５Ｎ±０．０５）λ_g（但しＮ
は自然数）の位置とし、第２のスタブをＬ＝（ｌ_sink＋
０．１５＋０．５Ｎ±０．０５）λ_g（但しＮは自然
数）の位置に立て、スタブを導波管の中に挿入してゆく
と、マグネトロンのマイクロ波出力はほぼ一定で周波数
のみが変化する。例えば、まず第２のスタブを挿入し、
ＶＳＷＲ＝４とし、次に第１のスタブを挿入してゆく
と、出力はほぼ一定で、周波数は高い値から徐々に低く
なり、整合負荷時と同じ周波数となり、そして、さらに
徐々に低くなる。即ち、この場合は、装置の製造段階で
第２スタブの挿入長を一定長に固定し、第１のスタブの
挿入長を調整する方式とすれば、以降の調整および保守
交換作業においては、第１のスタブの調整だけで済むの
で、容易に周波数の調整ができる。

【００２４】スタブが３本以上の場合は、動作点を全イ
ンピーダンス面上任意の点に移動可能になるので、マグ
ネトロン１のアンテナ１ａから最初のスタブ９ａまでの
距離を特に規定する必要がない。通常、３〜４本のスタ
ブがスタブチューナとして利用されている。

【００２５】現在は小型軽便な周波数計が市販されてお
り、マグネトロンを保守交換する場合においても、その
ような周波数計とパワーモニタ８の併用により、容易に
最適動作点に設定が可能となる。即ち、所望のマイクロ
波電力と周波数に設定ができる。従って、プラズマを最
適状態に設定することができ、安価な量産型マグネトロ
ンを用いながら、高付加価値のプラズマ発生装置を実現
できる。

【００２６】図２は本発明の第２実施例図である。図１
に示した第１実施例との違いは、アイソレータ６とキャ
ビティ４との間の立体回路部分に、スタブチューナ７、
パワーモニタ８を設置した点である。この結果、スタブ
チューナ７を構成する金属棒調整部材すなわちスタブ７
ａ、７ｂ、７ｃの導波管内への突出長を調整することに
より、マグネトロン側からキャビティ４へ向かう進行波
に対して、キャビティ４からの反射波を最小にすること
ができるので、マイクロ波の利用効率を上げることがで
きる。そして、スタブチューナ７の調整状態はパワーモ
ニタ８でマイクロ波の進行波と反射波を監視しながら行
うことができる。従って、プラズマを最適状態に設定す
ることができ、さらに高付加価値のプラズマ発生装置が
実現できる。

【００２７】

【発明の効果】以上説明したように本発明によれば、マ
グネトロンからのマイクロ波の出力をほぼ一定に保った
まま、プラズマ発生装置の最適周波数範囲に、その周波
数を調整できるので、常に所望の発振状態すなわち安定
したプラズマ状態で使用できるようになる。従って、本
発明を、半導体素子加工用の、例えばプラズマエッチン
グ装置などに利用すれば、微細加工精度が向上し、製品
歩留の高い、生産性の高い装置を、安価なマグネトロン
を使用して実現できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１実施例図である。

【図２】本発明の第２実施例図である。

【図３】従来例として実開昭５４−１３１４７６号公報
に開示されているマイクロ波エッチング装置を示す図で
ある。

【図４】上記従来例のマイクロ波立体回路部分を機能的
に示した概念図である。

【図５】従来のマグネトロン応用装置の他の例を示す図
である。

【図６】従来のマグネトロン応用装置の更に他の例を示
す図である。

【図７】マグネトロンのリーケ線図の一例を示す図であ
る。

【符号の説明】

１…マグネトロン、１ａ…アンテナ、２…ランチャ
ー、２ａ…バックプランジャー、３…導波管、４
…キャビティ、５…絶縁物容器、６…アイソレー
タ、７…スタブチューナ、８…パワーモニタ、９
…スタブチューナ、９ａ、９ｂ、９ｃ…スタブ、１０
…プラズマ、１１…試料。

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】マグネトロンで発生させたマイクロ波を負
荷へ導くための導波管等からなる立体回路の途中に負荷
側から反射されてマグネトロンへ戻る反射波を吸収する
手段を設けたマグネトロン応用装置において、前記反射
波を吸収する手段とマグネトロンとの間の立体回路に、
スタブ形のインピーダンス調整手段を設けたことを特徴
とするマグネトロン応用装置。