JPWO2009090938A1 - 方向性結合回路基板、方向性結合器、及びプラズマ発生装置 - Google Patents
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Abstract
各々先端部が導波管内に突出し、基端部が結合点Xで互いに接続された第1及び第2の伝送経路を含む。第1及び第2の伝送経路の少なくとも一方に振幅減衰手段が介在されることで、第1及び第2の伝送経路上の各々を伝搬するマイクロ波の振幅が結合点Xで略一致する。第1及び第2の伝送経路の先端部間の距離L1と第1の伝送経路の経路長L2との和L1+L2と、第2の伝送経路の経路長L3との差は、(2n−1)λ/2(n:整数、λ:マイクロ波の波長)に一致し、前記距離L1と前記経路長L3との和L1+L3と前記経路長L2との差は、(2n−1)λ/2に一致しない。
Description
本発明は、マイクロ波回路で用いられる方向性結合回路基板、その方向性結合回路基板を用いた方向性結合器、並びに、その方向性結合器が設けられたプラズマ発生装置に関する。
被処理物に対してプラズマを照射し、その表面の有機汚染物の除去、表面改質、エッチング、薄膜形成または薄膜除去等を行うプラズマ発生装置が知られている。このようなプラズマ発生装置は常温常圧下でのプラズマ発生が可能であり、そのプラズマ発生にはマイクロ波が利用される。通常、上記のようなプラズマ発生装置においては、マイクロ波発生手段が発生させるマイクロ波の電力が適宜検出されており、その検出結果をマイクロ波発生手段にフィードバックすることによりマイクロ波電力の出力安定化が図られている。
ところで、マイクロ波電力を検出する際には、マイクロ波発生手段から導波管に導かれるマイクロ波電力の一部を導波管から取り出すことが必要となるが、その取り出しの手段として方向性結合器が利用されることが一般的である。プラズマ発生装置への組み込みの観点から方向性結合器には小型化が要請されており、例えば、特許文献1に小型化が実現された方向性結合器が開示されている。
特許文献1に開示された方向性結合器においては、マイクロストリップラインを有するプリント基板を導波管上に配置し、マイクロストリップラインと接続された2つの探針が導波管内に突出するように構成されている。この2つの探針から導波管内を流れるマイクロ波を基板上のマイクロストリップラインに取り込み、導波管内の一方向に進行するマイクロ波電力の一部を分岐させるものである。
上述したようなプラズマ発生装置においては、マイクロ波発生手段から導波管に導かれる入射マイクロ波と、プラズマ発生に寄与することなく導波管に戻って来る反射マイクロ波のうちから一方のマイクロ波(例えば、入射マイクロ波)だけを方向性結合器を介して分岐し、その一方のマイクロ波の電力検出が行われる。そこで、特許文献1に開示された方向性結合器においては、2つの探針の導波管内に突出した長さにより導波管内から2つの探針を通して取り出される2つのマイクロ波の振幅を調節しており、その振幅調節により一方のマイクロ波だけを分岐させることを可能としている。
しかしながら、上述したマイクロ波の振幅調節には非常に高精度なものが要求されており、特許文献1に開示された探針の長さを変えることによっては、要求される振幅調節の精度を完全に満たすことができないという問題点がある。
特開平6−132710号公報
上記問題点に鑑み、本発明の目的は、導波管を伝搬するマイクロ波を精度よく分岐させることができる、小型化が可能な方向性結合回路基板及びそれを用いた方向性結合器、並びに、プラズマ発生装置を提供することにある。
かかる目的を達成する、本発明の一局面に係る方向性結合回路基板は、
基板部と、
前記基板部上に配置され、第1端部と第2端部とを有する第1の伝送経路と、
前記基板部上に配置され、第3端部と、前記第2端部と接続される第4端部とを有する第2の伝送経路と、
第1基端部と第1先端部とを有し、前記第1基端部が前記第1の伝送経路の第1端部に接続され、前記第1先端部がマイクロ波の伝搬する導波空間に突出する第1の導体と、
第2基端部と第2先端部とを有し、前記第2基端部が前記第2の伝送経路の第3端部に接続され、前記第2先端部が前記導波空間に、前記第1先端部に対してマイクロ波の伝搬方向に沿って所定の距離だけ離間して突出する第2の導体と、
前記第1及び第2の伝送経路上のうちの少なくとも一方に介在され、前記第2端部と第4端部との接続点において、前記第1及び第2の伝送経路上の各々を伝搬するマイクロ波の振幅が略一致するようにマイクロ波を減衰させる振幅減衰手段と、を備え、
前記第1先端部と前記第2先端部との間の距離L1と前記第1の導体の長さを含めた前記第1の伝送経路の経路長L2との和L1+L2と、前記第2の導体の長さを含めた前記第2の伝送経路の経路長L3との差が、(2n−1)λ/2(但し、n:整数、λ:マイクロ波の波長)に一致し、
前記距離L1と前記経路長L3との和L1+L3と、前記経路長L2との差は、(2n−1)λ/2に一致しないことを特徴とする。
基板部と、
前記基板部上に配置され、第1端部と第2端部とを有する第1の伝送経路と、
前記基板部上に配置され、第3端部と、前記第2端部と接続される第4端部とを有する第2の伝送経路と、
第1基端部と第1先端部とを有し、前記第1基端部が前記第1の伝送経路の第1端部に接続され、前記第1先端部がマイクロ波の伝搬する導波空間に突出する第1の導体と、
第2基端部と第2先端部とを有し、前記第2基端部が前記第2の伝送経路の第3端部に接続され、前記第2先端部が前記導波空間に、前記第1先端部に対してマイクロ波の伝搬方向に沿って所定の距離だけ離間して突出する第2の導体と、
前記第1及び第2の伝送経路上のうちの少なくとも一方に介在され、前記第2端部と第4端部との接続点において、前記第1及び第2の伝送経路上の各々を伝搬するマイクロ波の振幅が略一致するようにマイクロ波を減衰させる振幅減衰手段と、を備え、
前記第1先端部と前記第2先端部との間の距離L1と前記第1の導体の長さを含めた前記第1の伝送経路の経路長L2との和L1+L2と、前記第2の導体の長さを含めた前記第2の伝送経路の経路長L3との差が、(2n−1)λ/2(但し、n:整数、λ:マイクロ波の波長)に一致し、
前記距離L1と前記経路長L3との和L1+L3と、前記経路長L2との差は、(2n−1)λ/2に一致しないことを特徴とする。
この構成によれば、第1及び第2の伝送経路上の各々を伝搬するマイクロ波の振幅が、第1及び第2の伝送経路の接続点において略一致するようになる。従って、導波空間に互いに対向する向きで2つのマイクロ波が伝搬する場合に、いずれか一方のマイクロ波の振幅を第1及び第2の伝送経路の接続点において確実にゼロとすることができる。このため、他方のマイクロ波だけを確実に分岐させることができる。
本発明の目的、特徴及び利点は、以下の詳細な説明と添付図面とによって、より明白となる。
以下、本発明の実施の形態について、図面を参照しながら説明する。なお、以下の図面の記載において、同じ要素または類似する要素には、同じまたは類似の符号を付しており、説明を省略する場合がある。
図1は、本発明の実施の形態に係る方向性結合器が組み込まれたプラズマ発生装置の全体構成を示す一部透視側面図である。本実施の形態に係るプラズマ発生装置PUは、プラズマを発生して被処理物となるワーク等にプラズマを照射する装置であり、マイクロ波を利用し、常温常圧でのプラズマ発生が可能である。本実施の形態に係るプラズマ発生装置PUは、図1に示すように、第1、第2、第3の導波管11、12、13と、マイクロ波発生装置20と、プラズマ発生部30と、スライディングショート40と、サーキュレータ50と、ダミーロード60と、スタブチューナ70と、方向性結合器10と、検出器86と、を備えている。
第1、第2、第3の導波管11、12、13は、例えばアルミニウム等の非磁性金属からなり、断面矩形の長尺管状を呈しており、マイクロ波発生装置20により発生されたマイクロ波をプラズマ発生部30へ向けて、その長手方向に伝搬させるものである。第1、第2、第3の導波管11、12、13の各々は、互いのフランジ部同士で連結されており、マイクロ波発生装置20が第1の導波管11に搭載されている。また、第2の導波管12にはスタブチューナ70が組付けられ、第3の導波管13にはプラズマ発生部30が設けられている。さらに、図1に示すように、第1の導波管11と第2の導波管12との間にはサーキュレータ50及び方向性結合器10が介在され、第3の導波管13の一端側にはスライディングショート40が連結されている。
第1の導波管11、第2の導波管12及び第3の導波管13の各々は、金属平板からなる上面板、下面板および2枚の側面板を用いて角筒状に組立てられ、その両端にフランジ板が取付けられて構成されている。なお、このような平板の組み立てによらず、押出し成形や板状部材の折り曲げ加工等により形成された矩形導波管もしくは非分割型の導波管を用いるようにしてもよい。また、断面矩形の導波管に限らず、例えば断面楕円の導波管を用いることも可能である。さらに、非磁性金属に限らず、導波作用を有する各種の部材で導波管を構成することができる。
マイクロ波発生装置20は、例えば2.45GHzのマイクロ波を発生するマグネトロンのマイクロ波発生源を具備する装置本体部21と、装置本体部21で発生されたマイクロ波を導波管10の内部へ放出するマイクロ波送信アンテナ22と、を有している。本実施の形態に係るプラズマ発生装置PUにおいては、マイクロ波発生装置20として例えば1〜3000Wのマイクロ波エネルギーを出力可能な連続可変型のマイクロ波発生装置が好適に用いられる。
マイクロ波発生装置20は、装置本体部21からマイクロ波送信アンテナ22が突設された形態のものであり、第1の導波管11に載置される態様で固定されている。詳しくは、装置本体部21が第1の導波管11の上面板11Uに載置され、マイクロ波送信アンテナ22が上面板11Uに穿設された貫通孔111を通して第1の導波管11内部の導波空間110に突出する態様で固定されている。このように構成されることで、マイクロ波送信アンテナ22から放出されたマイクロ波は、第1、第2、第3の導波管11、12、13内をプラズマ発生部30に向けて伝搬される。
プラズマ発生部30は、第3の導波管13の下面板13Bに左右方向へ一列に整列して突設された8個のプラズマ発生ノズル31を有している。プラズマ発生部30の幅員、つまり8個のプラズマ発生ノズル31の左右方向の配列幅は、プラズマ発生部30からのプラズマによる処理対象のワーク等の搬送方向と直交する幅方向の最大サイズと略合致する幅員とされている。これにより、処理対象のワークを搬送しながらワークの全表面(下面板13Bと対向する面)に対してプラズマ処理が行えるようになっている。なお、8個のプラズマ発生ノズル31の配列間隔は、伝搬させるマイクロ波の波長λに応じて定めることが望ましい。たとえば、波長λの1/2ピッチ、1/4ピッチでプラズマ発生ノズル31を配列することが望ましく、2.45GHzのマイクロ波を用い、矩形の導波管11、12、13の断面サイズが2.84インチ×1.38インチの場合、λ=230mmであるので、115mm(λ/2)ピッチ、或いは57.5mm(λ/4)ピッチでプラズマ発生ノズル31を配列すればよい。
プラズマ発生ノズル31は、第3の導波管13の下面板13Bを貫通して導波空間130に所定長さだけ突出する導電体32を有している。プラズマ発生ノズル31は、導電体32を介して第3の導波管13内を伝搬するマイクロ波を受信し、そのマイクロ波エネルギー(マイクロ波電力)を用いてプラズマを発生させることができる。
スライディングショート40は、各々のプラズマ発生ノズル31に備えられている導電体32と、第3の導波管13の内部を伝搬されるマイクロ波との結合状態を最適化するために備えられているもので、マイクロ波の反射位置を変化させて定在波パターン部を調整可能とするべく第3の導波管13の一端側に連結されている。なお、定在波を利用しない場合は、スライディングショート40に代えて、電波吸収作用を有するダミーロードが取付けられる。
スライディングショート40は、第3の導波管13と同様な断面矩形の筐体構造を備えており、その内部に円柱状の反射ブロック42を収納している。反射ブロック42の移動によって定在波パターン部が最適化される。
サーキュレータ50は、例えばフェライト柱を内蔵する導波管型の3ポートサーキュレータからなり、一旦はプラズマ発生部30へ向けて伝搬されたマイクロ波のうち、プラズマ発生部30で電力消費されずに戻って来る反射マイクロ波を、マイクロ波発生装置20に戻さずダミーロード60へ向かわせるものである。このようなサーキュレータ50を配置することで、マイクロ波発生装置20が反射マイクロ波によって過熱状態となることが防止される。
ダミーロード60は、上記の反射マイクロ波を吸収して熱に変換する水冷型(空冷型でも良い)の電波吸収体である。ダミーロード60には、冷却水を内部に流通させるための冷却水流通口が設けられており、反射マイクロ波を熱変換することにより発生した熱が冷却水に熱交換されるようになっている。
スタブチューナ70は、第2の導波管12とプラズマ発生ノズル31とのインピーダンス整合を図るためのもので、第2の導波管12の上面板12Uに所定間隔を置いて直列配置された3つのスタブチューナユニット70A〜70Cを備えている。3つのスタブチューナユニット70A〜70Cは同一構造を備えており、第2の導波管12の導波空間120に突出するスタブ71を有している。
スタブチューナユニット70A〜70Cに各々備えられているスタブ71は、その導波空間120への突出長が調整可能とされている。これらスタブ71の突出長は、例えばマイクロ波電力パワーをモニタしつつ、導電体32による消費電力が最大となるポイント(反射マイクロ波が最小になるポイント)を探索することで決定される。なお、このようなインピーダンス整合は、必要に応じてスライディングショート40と連動させて実行される。
次に、本実施の形態に係る方向性結合器10について説明する。本実施の形態に係る方向性結合器10は、図1に示したように、サーキュレータ50と第2の導波管12との間に配置されており、マイクロ発生装置20からプラズマ発生部30に向けて第1、第2、第3の導波管11、12、13を介して伝搬する入射マイクロ波電力の一部を分岐させるものである。図2は、本実施の形態に係る方向性結合器10の構成を示す分解斜視図である。
本実施の形態に係る方向性結合器10は、方向性結合器用導波管80と、方向性結合回路基板81(基板部)と、を有している。方向性結合器用導波管80は、第1、第2、第3の導波管11、12、13と同様、例えばアルミニウム等の非磁性金属からなり、断面矩形の長尺管状を呈しており、マイクロ波発生装置20により発生されたマイクロ波をプラズマ発生部30へ向けて、その長手方向に伝搬させる。さらに、方向性結合器用導波管80は、一旦はプラズマ発生部30へ向けて伝搬されたマイクロ波のうち、プラズマ発生部30で電力消費されずにマイクロ波発生装置20側に戻って来る反射マイクロ波も同様に伝搬させる。
本実施の形態の方向性結合器用導波管80は、図2に示すように、2つの結合穴84A、84B(第1、第2の結合穴)を有している。2つの結合穴84A、84Bの各々は、方向性結合回路基板81の2つの探針83A、83B(第1、第2の導体)の各々に一対一で対応しており、それぞれに対応する探針83A、83Bが挿入可能となっている。方向性結合回路基板81は、方向性結合回路基板81の探針83A、84Bを結合穴84A、84Bを通して方向性結合器用導波管80内部の導波空間に突出させる態様で、方向性結合器用導波管80に載置される。
方向性結合回路基板81は、図2に示すように、所定の経路を持つマイクロストリップライン82を有している。マイクロストリップライン82は、上記の2つの探針83A、83Bと接続されており、方向性結合器用導波管80内を伝搬する入射マイクロ波及び反射マイクロ波の各々の一部は探針83A、83Bを通してマイクロストリップライン82に伝送される。
次に、方向性結合器用導波管80の結合穴84A、84B及び方向性結合回路基板81のマイクロストリップライン82についてさらに詳しく説明する。図3は、方向性結合器用導波管80の結合穴84A、84B及び方向性結合回路基板81のマイクロストリップライン82を説明するための図である。
図3に示すように、方向性結合器用導波管80の結合穴84A、84Bは、方向性結合器用導波管80の長手方向に沿って所定の距離L1で離間されている。方向性結合回路基板81の探針83A、83B間(第1先端部と第2先端部との間)も同様、上記の距離L1で離間されており、方向性結合器用導波管80の結合穴84A、84Bを通して方向性結合器用導波管80内部の導波空間に突出している。これら探針83A、83Bは、方向性結合器用導波管80内を伝搬する入射マイクロ波及び反射マイクロ波の各々の一部を、マイクロストリップライン82に伝送する。本実施の形態においては、マイクロ波電力を検出可能な検出器86がマイクロストリップライン82の結合点X(第2端部と第4端部との接続部、若しくは第1基端部と第2基端部との接続部)に接続されており、マイクロストリップライン82の結合点Xを介して出力されるマイクロ波電力を検出可能となっている。
マイクロストリップライン82は、探針83Aの先端P1から結合点Xまでに至る第1の伝送経路(第1の導体経路)と、探針83Bの先端P3から結合点Xまでに至る第2の伝送経路(第2の導体経路)と、を有しており、第1、第2の伝送経路上の各々には、振幅減衰手段である減衰器85A、85Bが介在されている。減衰器85A、85Bの各々は、お互いに独立して減衰量を設定することができ、それぞれが配置された第1、第2の伝送経路上を伝送される入射マイクロ波や反射マイクロ波の振幅を設定された減衰量に従って減衰させるものである。さらに、マイクロストリップライン82の形状は、マイクロストリップライン82の第1の伝送経路が所定の距離L2を有し、第2の伝送経路が所定の距離L3を有するように形成されている。
減衰器85A、85Bとしては、例えば、3つのチップ抵抗から構成すれば良い。図3に示すように、減衰器85Aは3つのチップ抵抗R11、R12、R13がπ型に接続され構成されており、減衰器85Bは3つのチップ抵抗R21、R22、R23がπ型に接続され構成されている。減衰器85A、85Bは、各々を構成するチップ抵抗R11、R12、R13、R21、R22、R23の抵抗値を変化させることにより所望の減衰量を実現することができる。なお、減衰器85A、85Bの減衰量間に必要とされる条件については後述する。
ここで、方向性結合器用導波管80内を伝搬する入射マイクロ波のうち探針83Aを通してマイクロストリップライン82に伝送される入射マイクロ波は、探針83Aの先端P1(第1先端部)から位置P2を経由して結合点Xに至る第1の行路を取る。そして、その第1の行路の行路長はL2である。また、探針83Bを通してマイクロストリップライン82に伝送される入射マイクロ波は、探針83Aの先端P1を基準とした場合、探針83Aの先端P1から方向性結合器用導波路80内部を伝搬して探針83Bの先端P3(第2先端部)に到達し、先端P3を経由して結合点Xに至る第2の行路を取る。そして、その第2の行路の行路長はL1+L3である。
一方、方向性結合器用導波管80内を伝搬する反射マイクロ波のうち探針83Bを通してマイクロストリップライン82に伝送される反射マイクロ波は、探針83Bの先端P3から結合点Xに至る第3の行路を取る。そして、その第3の行路の行路長はL3である。また、探針83Aを通してマイクロストリップライン82に伝送される反射マイクロ波は、探針83Bの先端P3を基準とした場合、探針83Bの先端P3から方向性結合器用導波路80内部を伝搬して探針83Aの先端P1に到達し、先端P1、位置P2を経由して結合点Xに至る第4の行路を取る。そして、その第4の行路の行路長はL1+L2である。
次に、上記の距離L1、L2、L3間に必要とされる条件及び減衰器85A、85Bの減衰量間に必要とされる条件ついて説明する。本実施の形態に係る方向性結合器10においては、方向性結合器用導波管80を伝搬する反射マイクロ波の電力を検出すること無く、入射マイクロ波の電力を検出するため、上記の距離L1、L2、L3及び減衰器85A、85Bの減衰量は、以下に述べる条件を満足する。なお、方向性結合器用導波管80を伝搬する入射マイクロ波及び反射マイクロ波の波長は共にλとする。
まず、反射マイクロ波におけるマイクロストリップライン82の結合点Xに至る行路としては、上述したように、上記の第3の行路、第4の行路が挙げられる。そして、第3の行路の行路長がL3、第4の行路の行路長がL1+L2である。ここで、第3の行路、第4の行路の行路長差が(2n−1)λ/2であり、且つ、第3の行路、第4の行路上の各々を伝送される反射マイクロ波の振幅が等しければ、各々を伝送される反射マイクロ波が互いに打ち消し合い、結合点Xにおいて反射マイクロ波が出力されない。すなわち、反射マイクロ波において必要とされる条件としては次の2つである。
(1)第3の行路の行路長L3と第4の行路の行路長L1+L2との行路長差は(2n−1)λ/2(nは整数)である、すなわち、第3の行路、第4の行路上の各々を伝送される反射マイクロ波は逆相である。
(2)第3の行路、第4の行路上の各々を伝送される反射マイクロ波の振幅は等しい。
(1)第3の行路の行路長L3と第4の行路の行路長L1+L2との行路長差は(2n−1)λ/2(nは整数)である、すなわち、第3の行路、第4の行路上の各々を伝送される反射マイクロ波は逆相である。
(2)第3の行路、第4の行路上の各々を伝送される反射マイクロ波の振幅は等しい。
上記の(2)の条件は、減衰器85A、85Bの減衰量を別途独立に調節することにより満足させることができる。
次に、入射マイクロ波におけるマイクロストリップライン82の結合点Xに至る行路としては、上述したように、上記の第1の行路、第2の行路が挙げられる。そして、第1の行路の行路長がL2、第2の行路の行路長がL1+L3である。ここで、第1の行路、第2の行路の行路長差が少なくとも(2n−1)λ/2を満足しなければ、各々を伝送される入射マイクロ波同士が互いに打ち消しあうことは無く、結合点Xにおいて入射マイクロ波は出力される。すなわち、入射マイクロ波において必要とされる条件としては次の通りである。
(3)第1の行路の行路長L2と第2の行路の行路長L1+L3との行路長差は(2n−1)λ/2(nは整数)ではない。
(3)第1の行路の行路長L2と第2の行路の行路長L1+L3との行路長差は(2n−1)λ/2(nは整数)ではない。
上記の(3)の条件としては、例えば、第1の行路の行路長L2と第2の行路の行路長L1+L3との行路長差をnλ(nは整数)とすれば良い。この場合、第1の行路、第2の行路上の各々を伝送される入射マイクロ波は同相となり、結合点Xにおいて出力される入射マイクロ波の振幅は方向性結合器用導波管80を伝搬する入射マイクロ波よりも大きくなり、その結果、方向性結合器10の結合度は向上する。
例えば、方向性結合器用導波管80の結合穴84A、84B間の距離L1がλ/4、マイクロストリップライン82の第1の伝送経路の距離L2と第2の伝送経路の距離L3との差がλ/4である場合、第3の行路の行路長L3と第4の行路L1+L2との行路長差はλ/2となり、第3の行路、第4の行路上の各々を伝送される反射マイクロ波は逆相となる。一方、第1の行路の行路長L2と第2の行路の行路長L1+L3との行路長とは等しくなり、第1の行路、第2の行路上の各々を伝送される入射マイクロ波は同相となる。
検出器86は、マイクロストリップライン82の結合点Xを介して出力される入射マイクロ波電力を検出し、その検出結果をマイクロ波発生装置20の装置本体部21に出力する。装置本体部21は、その検出結果に基づいてマイクロ波発生源を制御し、マイクロ波発生源から発生されるマイクロ波の出力を安定化させる。
次に、方向性結合回路基板81の具体的構造について説明する。図4は、方向性結合回路基板81の概略構成を示す平面図である。図4に示す方向性結合回路基板81においては、マイクロストリップライン82が結合点Xにおいて分岐されており、一方の分岐経路(第1の伝送経路)の先には探針83Aが接続され、他方の分岐経路(第2の伝送経路)の先には探針83Bが接続されている。
具体的には、マイクロストリップライン82は、第1、第2、第3のマイクロストリップライン82A、82B、82C(第1、第2、第3のパターン部)を含む。第1の伝送経路である第1のマイクロストリップライン82Aは、図中の左右方向(第2方向)に延びるラインパターンであって、基板81の左側エッジ部に位置する第1端部82A1と、これと反対側の第2端部とを有する。第1端部82A1には、探針83Aへ至るリードの基端部(第1の導体の第1基端部)が接続されている。
同様に、第2の伝送経路である第2のマイクロストリップライン82Bは、図中の左右方向に延びるラインパターンであって、基板81の右側エッジ部に位置する第3端部82B1と、これと反対側の第4端部とを有する。第3端部82B1には、探針83Bへ至るリードの基端部(第2の導体の第2基端部)が接続されている。
第3の伝送経路である第3のマイクロストリップライン82Cは、図中の上下方向(第1方向)に延びるラインパターンであって、基板81の上側エッジ部に位置する第5端部82C1と、これと反対側の第6端部とを有する。第5端部82C1には、検出器86が接続されている。
第1、第2、第3のマイクロストリップライン82A、82B、82Cの第2端部、第4端部、第6端部は、基板81上の結合点Xにおいて結合されている。第1のマイクロストリップライン82Aは、探針83Aを通して取り込まれるマイクロ波を結合点Xに伝送する。第2のマイクロストリップライン82Bは、探針83Bを通して取り込まれるマイクロ波を結合点Xに伝送する。第1及び第2のマイクロストリップライン82A、82Bの各々を伝送されるマイクロ波は、結合点Xにおいて合成される。その合成されたマイクロ波は、第3のマイクロストリップライン82C上を伝送され、最終的に検出器86に出力される。
第1及び第2のマイクロストリップライン82A、82Bの各々の経路上にはラインの分断部が設けられ、各々の経路上を伝送されるマイクロ波をあらかじめ設定された減衰量だけ減衰させる減衰器85A、85Bが介在されている。減衰器85Aは、3つのチップ抵抗R11、R12、R13がπ型に接続され構成されており、減衰器85Bは3つのチップ抵抗R21、R22、R23がπ型に接続され構成されている。マイクロストリップライン82A、82Bの近傍にはグランドライン87が配置されており、減衰器85A、85Bを構成するチップ抵抗R12、R13、R22、R23がグランドライン87を通して接地されている。
上述したように、減衰器85A、85Bは探針83A、83Bから伝送されるマイクロ波電力の振幅を減衰させる効果を有しているが、さらに次のような効果も有している。図4に示す第1、第2、第3のマイクロストリップライン82A、82B、82Cが結合する結合点Xにおいては、伝送経路の特性インピーダンスが変化する。これは、第1及び第2のマイクロストリップライン82A、82Bと、第3のマイクロストリップライン82Cとの延在方向が異なることも要因である。
このため、探針83A、探針83Bから第1及び第2のマイクロストリップライン82A、82B上を伝送されるマイクロ波の一部は、結合点Xにおいて反射し、再び、第1及び第2のマイクロストリップライン82A、82B上を伝送されて探針83A、探針83B側に戻ってしまう。さらに、探針83A、83B側に戻されたマイクロ波の一部は第1及び第2のマイクロストリップライン82A、82Bの第1端部82A1、第3端部82B1で反射し、再び、結合点X側に伝送されることになる。ここで、仮に、減衰器85A、85Bが存在しない場合を考えてみる。上記のように反射が繰り返されると、本来マイクロストリップライン82A、82B上を伝送されるべきマイクロ波に上記のような反射による反射波が加わってしまい、探針83A、83Bから取り込まれるマイクロ波を正確に検出することが困難となる。
一方、本実施の形態においては、第1及び第2のマイクロストリップライン82A、82Bの各々の経路上に減衰器85A、85Bが介在されており、減衰器85A、85Bは、このような反射による反射波を減衰させることができる。したがって、検出器86により検出される結合点Xにおけるマイクロ波電力の出力に上記のような反射波による影響が及ぶことも同時に抑制することができる。
以上、本発明の実施の形態について説明したが、本発明はこれに限定されるものではなく、例えば、下記の実施の形態を取ることができる。
上記の実施の形態に係る方向性結合回路基板81においては、マイクロストリップライン82の第1の伝送経路、第2の伝送経路の各々に減衰器85A、85Bを介在させたが、第1の伝送経路、第2の伝送経路のいずれか一方だけに減衰器を介在させるようにしても良い。
なお、上述した具体的実施形態には以下の構成を有する発明が主に含まれている。
本発明の一局面に係る方向性結合回路基板は、基板部と、前記基板部上に配置され、第1端部と第2端部とを有する第1の伝送経路と、前記基板部上に配置され、第3端部と、前記第2端部と接続される第4端部とを有する第2の伝送経路と、第1基端部と第1先端部とを有し、前記第1基端部が前記第1の伝送経路の第1端部に接続され、前記第1先端部がマイクロ波の伝搬する導波空間に突出する第1の導体と、第2基端部と第2先端部とを有し、前記第2基端部が前記第2の伝送経路の第3端部に接続され、前記第2先端部が前記導波空間に、前記第1先端部に対してマイクロ波の伝搬方向に沿って所定の距離だけ離間して突出する第2の導体と、前記第1及び第2の伝送経路上のうちの少なくとも一方に介在され、前記第2端部と第4端部との接続点において、前記第1及び第2の伝送経路上の各々を伝搬するマイクロ波の振幅が略一致するようにマイクロ波を減衰させる振幅減衰手段と、を備え、前記第1先端部と前記第2先端部との間の距離L1と前記第1の導体の長さを含めた前記第1の伝送経路の経路長L2との和L1+L2と、前記第2の導体の長さを含めた前記第2の伝送経路の経路長L3との差が、(2n−1)λ/2(但し、n:整数、λ:マイクロ波の波長)に一致し、前記距離L1と前記経路長L3との和L1+L3と、前記経路長L2との差は、(2n−1)λ/2に一致しないことを特徴とする。
この構成によれば、第1及び第2の伝送経路上の各々を伝搬するマイクロ波の振幅が、第1及び第2の伝送経路の接続点において略一致するようになる。従って、導波空間に互いに対向する向きで2つのマイクロ波が伝搬する場合に、いずれか一方のマイクロ波の振幅を第1及び第2の伝送経路の接続点において確実にゼロとすることができる。このため、他方のマイクロ波だけを確実に分岐させることができる。
上記構成において、前記第1先端部及び第2先端部は、前記マイクロ波の伝搬方向と直交する方向に延びるように配置される第1及び第2の探針の先端部で構成されることが望ましい。この構成によれば、第1先端部及び第2先端部の据え付けや位置決めが容易に行えるようになる。
上記構成において、前記基板部の表面に配置された回路パターンをさらに備え、前記回路パターンは、前記第1の伝送経路を構成する第1のパターン部と、前記第2の伝送経路を構成する第2のパターン部と、前記第1のパターン部及び第2のパターン部の前記第2端部及び第4端部に相当する部分が接続された接続部と、該接続部からマイクロ波電力の検出端へ延びる第3のパターン部と、を含み、前記減衰振幅手段は、前記第1及び第2のパターン部の各々に介在されていることが望ましい。
この構成によれば、第1、第2及び第3のパターン部が接続された接続部において伝送経路の特性インピーダンスが変化し、第1及び第2のパターン部を伝送されるマイクロ波が接続部において反射される場合でも、第1及び第2のパターン部の各々に介在された振幅減衰手段が接続部による反射波を減衰させることができる。このため、本来接続部において出力されるべきマイクロ波を正確に検出することが可能となる。
また、前記基板部上に配置され、第5端部と第6端部とを有し、所定の第1方向に延びる第3の伝送経路をさらに備え、前記第1の伝送経路は、前記基板部上において前記第1方向と異なる第2方向に延び、前記第2の伝送経路は、前記基板部上において前記第2方向若しくは前記第1及び第2方向と異なる第3方向に延び、前記第1、第3及び第5端部が前記基板部のエッジに位置し、前記第2、第4及び第6端部が、前記基板部上の所定位置で接続され、前記減衰振幅手段は、前記第1及び第2の伝送経路の各々に介在されている構成とすることができる。
かかる構成によれば、第1、第2及び第3の伝送経路の前記第2、第4及び第6端部が接続されるポイントでマイクロ波の反射が生じるが、この反射波を振幅減衰手段が減衰させるので、出力されるべきマイクロ波のみが抽出されるようになる。
この場合、前記基板部上に配置され、接地電位とされるグランドラインをさらに備え、前記減衰振幅手段は、前記第1の伝送経路と前記グランドラインとを用いて、及び前記第2の伝送経路と前記グランドラインとを用いて、それぞれ3つの抵抗チップでπ接続を形成して構成された減衰器からなることが望ましい。この構成によれば、減衰振幅手段を基板部上に簡易に構成することができる。
本発明の他の一局面に従う方向性結合器は、マイクロ波を伝搬させる導波管と、第1先端部と第1基端部とを有する第1の導体経路と、第2先端部と、前記第1基端部と接続される第2基端部とを有する第2の導体経路と、前記第1及び第2の導体経路上のうちの少なくとも一方に介在され、前記第1基端部と第2基端部との接続点において、前記第1及び第2の導体経路の各々を伝搬するマイクロ波の振幅が略一致するようにマイクロ波を減衰させる振幅減衰手段と、を備え、前記第1先端部が、前記導波管内の導波空間に突出し、前記第2先端部が、前記導波空間に、前記第1先端部に対してマイクロ波の伝搬方向に沿って所定の距離だけ離間して突出し、前記第1先端部と前記第2先端部との間の距離L1と前記第1の導体経路の経路長L2との和L1+L2と、前記第2の導体経路の経路長L3との差が、(2n−1)λ/2(但し、n:整数、λ:マイクロ波の波長)に一致し、前記距離L1と前記経路長L3との和L1+L3と、前記経路長L2との差は、(2n−1)λ/2に一致しないことを特徴とする。
この構成によれば、第1及び第2の導体経路上の各々を伝搬するマイクロ波の振幅を、第1及び第2の導体経路の接続点において略一致させることができる。従って、導波管の長手方向に沿って互いに対向する向きで伝搬する2つのマイクロ波のうちのいずれか一方のマイクロ波の振幅を、第1及び第2の導体経路の接続点において確実にゼロとすることができる。このため、他方のマイクロ波だけを確実に分岐させることができる。
上記構成において、少なくとも前記第1及び第2の導体経路の前記第1及び前記第2基端部と、前記振幅減衰手段とを保持する基板部をさらに備えることが望ましい。
また、前記第1先端部及び第2先端部は、前記マイクロ波の伝搬方向と直交する方向に延びるように配置された第1及び第2の探針の先端部で構成され、前記導波管は、前記第1及び第2の探針を前記導波管内に突出させる第1及び第2の結合穴が形成された側面部を有することが望ましい。この構成によれば、第1先端部及び第2先端部の据え付けや位置決めが容易に行えるようになる。
この場合、前記基板部の表面に配置された回路パターンをさらに備え、前記回路パターンは、前記第1の導体経路の少なくとも一部を構成する第1のパターン部と、前記第2の導体経路の少なくとも一部を構成する第2のパターン部と、前記第1及び第2のパターン部の前記第1及び前記第2基端部に相当する部分が接続された接続部と、該接続部からマイクロ波電力の検出端へ延びる第3のパターン部と、を含み、前記減衰振幅手段は、前記第1及び第2のパターン部の各々に介在されていることが望ましい。
本発明のさらに他の一局面に従うプラズマ発生装置では、マイクロ波を発生させるマイクロ波発生手段と、前記マイクロ波発生手段が発生させる前記マイクロ波を受信し、当該マイクロ波のエネルギーを用いてプラズマを発生させるプラズマ発生手段と、前記マイクロ波発生手段と前記プラズマ発生手段との間の導波経路に前記導波管が配置され、当該導波管を伝搬するマイクロ波の一部の電力を取り出す、上記の方向性結合器と、前記方向性結合器により取り出された電力を検出し、当該検出結果を前記マイクロ波発生手段に出力する検出器と、を備え、前記マイクロ波発生手段は、前記検出器から出力された前記検出結果に基づき、自身が発生させるマイクロ波の出力を制御することを特徴とする。
上記のプラズマ発生装置では、導波管の長手方向に沿って互いに対向する向きで伝搬する入射マイクロ波及び反射マイクロ波のうちの反射マイクロ波の振幅を第1及び第2の導体経路の接続点において確実にゼロとすることができるので、入射マイクロ波だけを確実に分岐させることができる。このため、反射マイクロ波の影響を受けることなく入射マイクロ波の電力を検出することができるので、その検出結果に基づいてマイクロ波の出力を制御し、その出力の安定化を図ることができる。
以上説明した本発明によれば、導波管を伝搬するマイクロ波を精度よく分岐させることができる、小型化が可能な方向性結合回路基板及びそれを用いた方向性結合器、並びに、プラズマ発生装置を提供することができる。
本発明に係る方向性結合回路基板及びそれを用いた方向性結合器、並びに、プラズマ発生装置は、半導体ウェハ等の半導体基板に対するエッチング処理装置や成膜装置、プラズマディスプレイパネル等のガラス基板やプリント基板の清浄化処理装置、医療機器等に対する滅菌処理装置、タンパク質の分解装置等に好適に適用することができる。
Claims (10)
- 基板部と、
前記基板部上に配置され、第1端部と第2端部とを有する第1の伝送経路と、
前記基板部上に配置され、第3端部と、前記第2端部と接続される第4端部とを有する第2の伝送経路と、
第1基端部と第1先端部とを有し、前記第1基端部が前記第1の伝送経路の第1端部に接続され、前記第1先端部がマイクロ波の伝搬する導波空間に突出する第1の導体と、
第2基端部と第2先端部とを有し、前記第2基端部が前記第2の伝送経路の第3端部に接続され、前記第2先端部が前記導波空間に、前記第1先端部に対してマイクロ波の伝搬方向に沿って所定の距離だけ離間して突出する第2の導体と、
前記第1及び第2の伝送経路上のうちの少なくとも一方に介在され、前記第2端部と第4端部との接続点において、前記第1及び第2の伝送経路上の各々を伝搬するマイクロ波の振幅が略一致するようにマイクロ波を減衰させる振幅減衰手段と、を備え、
前記第1先端部と前記第2先端部との間の距離L1と前記第1の導体の長さを含めた前記第1の伝送経路の経路長L2との和L1+L2と、前記第2の導体の長さを含めた前記第2の伝送経路の経路長L3との差が、(2n−1)λ/2(但し、n:整数、λ:マイクロ波の波長)に一致し、
前記距離L1と前記経路長L3との和L1+L3と、前記経路長L2との差は、(2n−1)λ/2に一致しないことを特徴とする方向性結合回路基板。 - 請求項1に記載の方向性結合回路基板において、
前記第1先端部及び第2先端部は、前記マイクロ波の伝搬方向と直交する方向に延びるように配置される第1及び第2の探針の先端部で構成されることを特徴とする方向性結合回路基板。 - 請求項1又は2に記載の方向性結合回路基板において、
前記基板部の表面に配置された回路パターンをさらに備え、
前記回路パターンは、前記第1の伝送経路を構成する第1のパターン部と、前記第2の伝送経路を構成する第2のパターン部と、前記第1のパターン部及び第2のパターン部の前記第2端部及び第4端部に相当する部分が接続された接続部と、該接続部からマイクロ波電力の検出端へ延びる第3のパターン部と、を含み、
前記減衰振幅手段は、前記第1及び第2のパターン部の各々に介在されていることを特徴とする方向性結合回路基板。 - 請求項1又は2に記載の方向性結合回路基板において、
前記基板部上に配置され、第5端部と第6端部とを有し、所定の第1方向に延びる第3の伝送経路をさらに備え、
前記第1の伝送経路は、前記基板部上において前記第1方向と異なる第2方向に延び、
前記第2の伝送経路は、前記基板部上において前記第2方向若しくは前記第1及び第2方向と異なる第3方向に延び、
前記第1、第3及び第5端部が前記基板部のエッジに位置し、
前記第2、第4及び第6端部が、前記基板部上の所定位置で接続され、
前記減衰振幅手段は、前記第1及び第2の伝送経路の各々に介在されていることを特徴とする方向性結合回路基板。 - 請求項4に記載の方向性結合回路基板において、
前記基板部上に配置され、接地電位とされるグランドラインをさらに備え、
前記減衰振幅手段は、前記第1の伝送経路と前記グランドラインとを用いて、及び前記第2の伝送経路と前記グランドラインとを用いて、それぞれ3つの抵抗チップでπ接続を形成して構成された減衰器からなることを特徴とする方向性結合回路基板。 - マイクロ波を伝搬させる導波管と、
第1先端部と第1基端部とを有する第1の導体経路と、
第2先端部と、前記第1基端部と接続される第2基端部とを有する第2の導体経路と、
前記第1及び第2の導体経路上のうちの少なくとも一方に介在され、前記第1基端部と第2基端部との接続点において、前記第1及び第2の導体経路の各々を伝搬するマイクロ波の振幅が略一致するようにマイクロ波を減衰させる振幅減衰手段と、を備え、
前記第1先端部が、前記導波管内の導波空間に突出し、
前記第2先端部が、前記導波空間に、前記第1先端部に対してマイクロ波の伝搬方向に沿って所定の距離だけ離間して突出し、
前記第1先端部と前記第2先端部との間の距離L1と前記第1の導体経路の経路長L2との和L1+L2と、前記第2の導体経路の経路長L3との差が、(2n−1)λ/2(但し、n:整数、λ:マイクロ波の波長)に一致し、
前記距離L1と前記経路長L3との和L1+L3と、前記経路長L2との差は、(2n−1)λ/2に一致しないことを特徴とする方向性結合器。 - 請求項6に記載の方向性結合器において、
少なくとも前記第1及び第2の導体経路の前記第1及び前記第2基端部と、前記振幅減衰手段とを保持する基板部をさらに備えることを特徴とする方向性結合器。 - 請求項7に記載の方向性結合器において、
前記第1先端部及び第2先端部は、前記マイクロ波の伝搬方向と直交する方向に延びるように配置された第1及び第2の探針の先端部で構成され、
前記導波管は、前記第1及び第2の探針を前記導波管内に突出させる第1及び第2の結合穴が形成された側面部を有することを特徴とする方向性結合器。 - 請求項7又は8に記載の方向性結合器において、
前記基板部の表面に配置された回路パターンをさらに備え、
前記回路パターンは、前記第1の導体経路の少なくとも一部を構成する第1のパターン部と、前記第2の導体経路の少なくとも一部を構成する第2のパターン部と、前記第1及び第2のパターン部の前記第1及び前記第2基端部に相当する部分が接続された接続部と、該接続部からマイクロ波電力の検出端へ延びる第3のパターン部と、を含み、
前記減衰振幅手段は、前記第1及び第2のパターン部の各々に介在されていることを特徴とする方向性結合器。 - マイクロ波を発生させるマイクロ波発生手段と、
前記マイクロ波発生手段が発生させる前記マイクロ波を受信し、当該マイクロ波のエネルギーを用いてプラズマを発生させるプラズマ発生手段と、
前記マイクロ波発生手段と前記プラズマ発生手段との間の導波経路に前記導波管が配置され、当該導波管を伝搬するマイクロ波の一部の電力を取り出す、請求項6〜9のいずれかに記載の方向性結合器と、
前記方向性結合器により取り出された電力を検出し、当該検出結果を前記マイクロ波発生手段に出力する検出器と、を備え、
前記マイクロ波発生手段は、前記検出器から出力された前記検出結果に基づき、自身が発生させるマイクロ波の出力を制御することを特徴とするプラズマ発生装置。
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WO2009090938A1 (ja) | 2009-07-23 |
TW200947800A (en) | 2009-11-16 |
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Legal Events
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A131 | Notification of reasons for refusal |
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A02 | Decision of refusal |
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