KR20210097026A - 방향성 결합기, 기판을 처리하는 장치 및 기판을 처리하는 방법 - Google Patents

방향성 결합기, 기판을 처리하는 장치 및 기판을 처리하는 방법 Download PDF

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KR20210097026A
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이사오 다카하시
히로유키 미야시타
유키 오사다
미츠야 이노우에
미츠토시 아시다
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도쿄엘렉트론가부시키가이샤
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Abstract

본 발명은, 방향성 결합기의 주 선로인 중심 도체에 대하여, 부 선로인 결합 선로를 소결합시키면서, 양호한 방향성 특성을 얻는 기술을 제공한다. 방향성 결합기에 있어서, 중공 동축 선로는, 주 선로를 이루는 중심 도체와, 중심 도체의 주위를 둘러싸도록 마련되고, 개구부가 형성된 외부 도체를 구비하고, 유전체 기판은, 개구부를 덮도록 마련되고, 상기 개구부를 개재해서 상기 중심 도체에 대향하는 이면측과, 상기 이면측과는 반대인 표면측 각각을 덮고, 접지된 막상의 접지 도체가 마련된다. 결합 선로는, 상기 이면측의 상기 접지 도체에 둘러싸인 영역 내에 마련된 부 선로이다. 또한 표면측의 상기 접지 도체에는, 상기 유전체 기판을 개재해서 상기 결합 선로와 상대하는 영역 내의 도체막의 일부를 삭제한 도체 삭제부가 마련되어 있다.

Description

방향성 결합기, 기판을 처리하는 장치 및 기판을 처리하는 방법{DIRECTIONAL COUPLER, SUBSTRATE PROCESSING APPARATUS, AND SUBSTRATE PROCESSING METHOD}
본 개시는, 방향성 결합기, 기판을 처리하는 장치 및 기판을 처리하는 방법에 관한 것이다.
플라스마화한 처리 가스를 사용해서 기판에 대한 성막 처리나 에칭 처리를 행하는 장치에는, 처리 가스에 대하여 고주파 전력인 마이크로파를 공급하여, 당해 처리 가스를 플라스마화하는 것이 있다.
처리 가스에 대한 마이크로파의 전력 레벨을 정확하게 검출하기 위해서, 마이크로파의 공급 경로 내에서 발생하는 반사파의 영향을 피하면서 당해 마이크로파의 진행파의 일부를 취출하는 방향성 결합기가 사용된다.
특허문헌 1에는, 중심 도체 및 외부 도체로 이루어지는 동축 선로의 외부 도체에 창부를 마련하고, 당해 창부를 덮도록 결합 선로용 기판을 배치하고, 당해 결합 선로 기판에 마련된 결합 선로를 동축 선로와 전자계적으로 결합시켜, 결합 선로로부터 고주파 신호를 취출하는 방향성 결합기가 기재되어 있다.
일본 특허 공개 제2003-32013호 공보
본 개시는, 방향성 결합기의 주 선로인 중심 도체에 대하여, 부 선로인 결합 선로를 소결합시키면서, 양호한 방향성 특성을 얻는 기술을 제공한다.
본 개시의 일 양태에 의한 방향성 결합기는, 주 선로를 흐르는 고주파 전력의 일부를, 상기 주 선로와 전자계적으로 결합한 부 선로를 통해서 취출하는 방향성 결합기이며,
상기 주 선로를 이루는 중심 도체와, 상기 중심 도체의 주위를 둘러싸도록 마련되고, 개구부가 형성된 외부 도체를 구비하고, 상기 고주파 전력의 입력 단자와 출력 단자에 접속되는 중공 동축 선로와,
상기 개구부를 덮도록 마련되고, 상기 개구부를 개재해서 상기 중심 도체에 대향하는 이면측과, 상기 이면측과는 반대인 표면측 각각을 덮고, 접지된 막상의 접지 도체가 마련된 유전체 기판과,
상기 유전체 기판의 상기 이면측에, 상기 개구부를 개재해서 상기 중심 도체와 대향하는 위치에 마련되고, 상기 이면측의 상기 접지 도체에 둘러싸인 영역 내에, 상기 접지 도체로부터 전기적으로 도통이 없도록 형성된 상기 부 선로이며, 상기 고주파 전력의 일부를 취출하는 취출 단자에 접속되는 결합 선로를 구비하고,
상기 표면측의 상기 접지 도체에는, 상기 유전체 기판을 개재해서 상기 결합 선로와 상대하는 영역 내의 도체막의 일부를 삭제한 도체 삭제부가 마련되어 있다.
본 개시에 의하면, 방향성 결합기의 주 선로인 중심 도체에 대하여, 부 선로인 결합 선로를 소결합시키면서, 양호한 방향성 특성이 얻어진다.
도 1은 본 개시의 방향성 결합기가 마련된 플라스마 처리 장치의 종단면도이다.
도 2는 마이크로파 도입 유닛의 구성도이다.
도 3은 방향성 결합기가 마련된 안테나 유닛의 블록도이다.
도 4는 일반적인 방향성 결합기의 모식도이다.
도 5는 본 개시의 방향성 결합기의 분해 사시도이다.
도 6은 방향성 결합기의 제1 종단면도이다.
도 7은 방향성 결합기의 제2 종단면도이다.
도 8은 방향성 결합기에 마련된 유전체 기판의 표면의 평면도이다.
도 9는 유전체 기판의 이면의 평면도(상면측에서 본 투시도)이다.
도 10은 방향성 결합기의 외관 사시도이다.
도 11은 결합 선로의 확대 평면도이다.
도 12는 유전체 기판에 마련된 결합 선로의 확대 사시도이다.
도 13은 결합 선로의 배향을 조절하는 각도 조절 기구의 작용을 도시하는 평면도이다.
도 14는 도체 삭제부의 베리에이션을 도시하는 평면도이다.
도 15는 제2 실시 형태에 따른 방향성 결합기의 구성도이다.
도 16은 제2 실시 형태의 방향성 결합기의 외관 사시도이다.
도 17은 제2 실시 형태의 유전체 기판의 표면의 평면도이다.
도 18은 도체 삭제부 폭에 대한 방향성 특성의 변화를 도시하는 특성도이다.
도 19는 방향성 결합기의 특성에 관한 설명도이다.
도 20은 결합 특성의 주파수 특성을 도시하는 특성도이다.
도 21은 아이솔레이션 특성의 주파수 특성을 도시하는 특성도이다.
도 22는 방향성 특성의 주파수 특성을 도시하는 특성도이다.
도 23은 결합 선로의 배치 방향에 대한 방향성 특성의 변화를 도시하는 특성도이다.
이하, 본 개시의 실시 형태에 대해서 도면을 참조하면서 설명한다. 먼저, 도 1 및 도 2를 참조하여, 본 개시에 따른 방향성 결합기(6, 6a)가 마련되는 플라스마 처리 장치(1)의 개략 구성에 대해서 설명한다. 도 1은, 본 실시 형태에 따른 플라스마 처리 장치(1)의 개략 구성을 도시하는 종단면도이다.
본 실시 형태에 따른 플라스마 처리 장치(1)는, 예를 들어 반도체 디바이스 제조용 반도체 웨이퍼(이하, 단순히 「웨이퍼」라고 기재함)(W)에 대하여, 플라스마화한 처리 가스를 사용한 처리를 실시하는 장치이다. 플라스마화한 처리 가스를 사용하는 웨이퍼(W)의 처리로서는, 성막 처리, 에칭 처리, 애싱 처리 등을 예시할 수 있다.
플라스마 처리 장치(1)는, 기판인 웨이퍼(W)를 수용하는 처리 용기(11)와, 처리 용기(11)의 내부에 배치되어, 처리 대상의 웨이퍼(W)가 적재되는 적재대(12)와, 처리 용기(11) 내에 처리 가스를 공급하는 노즐(23)과, 처리 용기(11) 내를 감압 배기하는 배기 유닛(13)과, 처리 가스의 플라스마를 생성시키기 위해서, 처리 용기(11) 내에 마이크로파를 도입하는 마이크로파 도입 유닛(3)과, 이들 플라스마 처리 장치(1)의 각 구성부를 제어하는 제어부(5)를 구비하고 있다.
처리 용기(11)는, 예를 들어 금속 재료에 의해 구성되고, 그 측벽부에 마련된 반입출구(111)를 통해서 웨이퍼(W)의 반출입이 행하여진다. 반입출구(111)는, 게이트 밸브(G)에 의해 개폐된다.
처리 용기(11) 내에는, 당해 처리 용기(11)에 대하여 절연된 상태로 마련된 적재대(12)가 배치되어 있다. 처리 용기(11) 내에 반입된 웨이퍼(W)는, 이 적재대(12) 상에 적재된 상태에서 처리된다. 적재대(12)에는, 정합기(42)를 통해서, 고주파 바이어스 전원(41)이 접속되어 있다. 고주파 바이어스 전원(41)은, 웨이퍼(W)에 이온을 인입하기 위한 고주파 전력을 적재대(12)에 공급한다.
처리 용기(11)의 저부에는, 배기구(112) 및 배기관(131)을 통해서 배기 유닛(13)이 접속되어 있다. 예를 들어 배기 유닛(13)은, APC 밸브와 진공 펌프에 의해 구성되고, 처리 용기(11)의 내부 공간이 미리 설정된 압력으로 되도록 진공 배기를 행한다.
처리 용기(11)의 천장부에는, 적재대(12) 상의 웨이퍼(W)와 대향하는 위치에, 복수의 노즐(23)이 마련되어 있다. 각 노즐(23)은, 도시하지 않은 가스 공급 구멍을 구비하고, 배관(22)을 통해서 처리 가스 공급부(21)에 접속되어 있다. 처리 가스 공급부(21)로부터는, 플라스마 처리 장치(1)에서 웨이퍼(W)에 대하여 실시되는 처리에 따라, 성막 처리, 에칭 처리, 애싱 처리를 실시하기 위한 처리 가스, 처리 가스의 플라스마 생성을 보조하는 희가스나, 처리 용기(11) 내로부터 처리 가스를 배출하기 위한 퍼지 가스 등이 공급된다.
이어서, 도 1, 도 2를 참조하여, 마이크로파 도입 유닛(3)의 구성에 대해서 설명한다. 도 2는, 마이크로파 도입 유닛(3)의 구성을 도시하는 설명도이다.
마이크로파 도입 유닛(3)은, 처리 용기(11) 내에 공급된 처리 가스를 플라스마화하기 위해서, 처리 용기(11) 내에 고주파 전력인 마이크로파를 도입하는 기능을 갖는다. 예를 들어 마이크로파 도입 유닛(3)은, 처리 용기(11)의 상부에 마련된다.
도 1 및 도 2에 도시한 바와 같이, 마이크로파 도입 유닛(3)은, 마이크로파를 생성함과 함께, 마이크로파를 복수의 경로에 분배해서 출력하는 마이크로파 출력부(33)와, 마이크로파 출력부(33)로부터 출력된 마이크로파를 처리 용기(11)에 도입하는 안테나 유닛(30)을 갖고 있다.
도 2에 도시한 바와 같이, 마이크로파 출력부(33)는, 전원부(331)와, 마이크로파 발진기(332)와, 발진된 마이크로파를 증폭하는 앰프(333)와, 앰프(333)에 의해 증폭된 마이크로파를 복수의 경로에 분배하는 분배기(334)를 갖고 있다.
마이크로파 발진기(332)는, 800MHz 내지 1GHz의 소정의 주파수(예를 들어, 860MHz)로 마이크로파를 발진시킨다. 또한, 마이크로파의 주파수는, 상술한 주파수 범위 내의 주파수에 한하지 않고, 8.35GHz, 5.8GHz, 2.45GHz, 1.98GHz 등이어도 된다. 분배기(334)는, 입력측과 출력측의 임피던스를 정합시키면서 마이크로파를 분배한다.
안테나 유닛(30)은, 복수의 안테나 모듈(30a)을 포함하고 있다. 각 안테나 모듈(30a)은 각각, 분배기(334)에 의해 분배된 마이크로파를 처리 용기(11) 내에 도입한다. 본 실시 형태에서는, 복수의 안테나 모듈(30a)은, 서로 공통의 구성을 구비하고 있다.
각 안테나 모듈(30a)은, 분배된 마이크로파를 증폭하는 앰프부(31)와, 앰프부(31)로부터 출력된 마이크로파를 처리 용기(11) 내에 도입하는 마이크로파 도입 기구(32)를 구비한다.
도 3에 도시한 바와 같이 앰프부(31)는, 마이크로파의 위상을 변화시키는 이상기(311)와, 1단째의 증폭을 행하는 소전력 앰프(312)와, 마이크로파의 전력 레벨을 조절하는 드라이버 앰프(313)와, 솔리드 스테이트 앰프로서 구성된 파워 앰프(314)와, 후술하는 마이크로파 도입 기구(32)에서 반사되어 파워 앰프(314)측을 향하는 마이크로파의 반사파를 분리하는 아이솔레이터(315)를 포함하고 있다.
이상기(311)는, 마이크로파의 위상을 변화시켜서, 마이크로파의 방사 특성을 변화시킬 수 있다. 이상기(311)는, 예를 들어 안테나 모듈(30a)마다 마이크로파의 위상을 조절함으로써, 마이크로파의 지향성을 제어해서 플라스마의 분포를 변화시키는 것에 사용된다. 또한, 이러한 방사 특성의 조절을 행하지 않는 경우에는, 이상기(311)를 마련하지 않아도 된다.
소전력 앰프(312)는, 이상기(311)에서 위상이 조절된 마이크로파를 미리 설정된 게인으로 증폭한다.
드라이버 앰프(313)는, 개개의 안테나 모듈(30a)의 마이크로파의 전력의 변동의 조절이나, 플라스마 강도의 조절을 위해서 사용된다. 예를 들어, 앰프부(31)로부터 출력되는 마이크로파의 전력 레벨을 검출한 결과에 기초하여, 드라이버 앰프(313)의 게인을 안테나 모듈(30a)마다 변화시킴으로써, 처리 용기(11) 내 전체의 플라스마의 분포를 조절할 수 있다.
파워 앰프(314)는, 드라이버 앰프(313)에서 전력 조절된 마이크로파의 출력을 원하는 전력까지 증폭한다. 예를 들어 파워 앰프(314)는, 밸룬(입력측 및 출력측), 정합 회로(입력측 및 출력측), 반도체 증폭 소자 등으로 구성된다. 반도체 증폭 소자로서는, 예를 들어 GaAs PHEMT(Pseudomorphic HEMT), GaAs MESFET, GaN HEMT, LDMOS 등이 사용된다.
아이솔레이터(315)는, 써큐레이터와 더미 로드(종단 저항)를 갖고 있다. 써큐레이터는, 후술하는 마이크로파 도입 기구(32)의 안테나부에서 반사된 반사 마이크로파를 더미 로드에 유도하는 것이다. 더미 로드는, 써큐레이터에 의해 유도된 반사 마이크로파를 열로 변환한다.
상술한 구성을 구비하는 앰프부(31)로부터 출력된 마이크로파는, 전력 레벨의 검출을 위해서, 후술하는 본 실시 형태(제1 실시 형태)의 방향성 결합기(6)를 사용해서 마이크로파의 일부가 취출된다.
후술하는 바와 같이, 방향성 결합기(6)는, 앰프부(31)로부터 출력되는 마이크로파의 진행파, 및 당해 마이크로파의 반사파의 일부를 각각 취출할 수 있다. 도 3에 도시하는 예에서, 방향성 결합기(6)를 통해서 취출된 마이크로파의 일부는, 전력 제어부(316)에 입력되어, 진행파, 반사파의 각 전력 레벨을 검출하기 위한 고주파 신호로서 이용된다.
전력 제어부(316)는, 이들 고주파 신호의 신호 레벨에 기초하여 앰프부(31)의 출구에서의 마이크로파의 진행파·반사파의 전력 레벨을 구한다. 또한 전력 제어부(316)는, 상기 전력 레벨을 검출한 결과에 기초하여, 드라이버 앰프(313)의 게인 조절이나 파워 앰프(314)의 정합 조절을 실시한다.
앰프부(31)로부터 출력된 마이크로파는, 마이크로파 도입 기구(32)에 입력된다. 도 1을 참조하면서 마이크로파 도입 기구(32)의 구성의 개요를 설명한다. 마이크로파 도입 기구(32)는, 외측 도체를 이루는 원통상의 본체 용기(320)와, 본체 용기(320)의 중심축을 따라 신장되는 내측 도체(325)에 의해 중공 동축 선로를 구성하고 있다. 이들 본체 용기(320)의 내주면과 내측 도체(325)의 외주면의 사이의 공간이, 마이크로파 전송로가 된다.
또한 마이크로파 전송로 내에는, 링상으로 상하 방향으로 이격되어 마련된 유전체로 이루어지는 2매의 슬래그(321)가 마련되어 있다. 이들 슬래그(321)는, 앰프부(31)로부터 마이크로파 도입 기구(32)를 보았을 때의 임피던스가 소정의 값이 되도록, 도시하지 않은 액추에이터에 의해 상하의 위치가 조절되는 튜너의 역할을 한다.
마이크로파 전송로의 출구측에는, 내측 도체(325)의 하단부에 접속되는 평면 안테나(323)와, 평면 안테나(323)의 상면측에 배치된 마이크로파 지파재(322)와, 평면 안테나(323)의 하면측에 배치되는 마이크로파 투과창(324)을 포함하는 안테나부가 마련되어 있다.
평면 안테나(323)는, 복수의 슬롯(개구부)(323a)을 구비한다. 마이크로파 지파재(322)는, 예를 들어 석영에 의해 구성되고, 마이크로파의 파장을 짧게 해서 플라스마를 조절한다. 마이크로파 투과창(324)은, 예를 들어 석영이나 세라믹스 등의 유전체 재료에 의해 구성되고, 처리 용기(11)의 천장부에 형성된 개구부를 막는다.
마이크로파 전송로를 통해서 평면 안테나(323)에 달한 마이크로파는, 평면 안테나(323)의 슬롯(323a)으로부터 마이크로파 투과창(324)을 투과해서 TE 모드에서 방사된다.
이미 설명한 노즐(23)을 통해서 처리 가스가 공급되어 있는 처리 용기(11) 내를 향해서 마이크로파가 방사됨으로써, 당해 처리 가스가 플라스마화한다. 그리고, 처리 가스의 플라스마화에 따라 생성한 활성종(라디칼이나 이온)에 의해, 적재대(12) 상의 웨이퍼(W)에 대하여 원하는 처리가 실시된다. 마이크로파가 방사되어, 처리 가스의 플라스마가 형성되는 마이크로파 투과창(324)의 하방측 영역은, 본 실시 형태의 플라스마 형성부에 상당한다.
상술한 구성을 구비한 플라스마 처리 장치(1)의 각 구성부는, 각각 제어부(5)에 접속되어, 당해 제어부(5)에 의해 제어된다. 제어부(5)는, CPU와 기억부를 구비한 컴퓨터에 의해 구성되어, 플라스마 처리 장치(1)의 각 부를 제어하는 것이다. 기억부에는 웨이퍼(W)의 처리에 필요한 동작을 실행하기 위한 스텝(명령)군이 짜여진 프로그램이 기록된다. 프로그램은, 예를 들어 하드 디스크, 콤팩트 디스크, 마그네트 옵티컬 디스크, 메모리 카드 등의 기억 매체에 저장되어, 그로부터 컴퓨터에 인스톨된다.
이상으로 설명한 구성을 구비하는 플라스마 처리 장치(1)에 있어서, 도 2에서 언급한 바와 같이, 앰프부(31)로부터 출력된 마이크로파는, 방향성 결합기(6)에서 그 일부가 고주파 신호로서 취출되어, 마이크로파의 전력 레벨의 검출에 사용된다.
본 실시 형태(제1 실시 형태)에 따른 방향성 결합기(6)의 상세한 구성을 설명하기 전에, 방향성 결합기(6)의 성능을 평가하기 위한 지표에 대해서 설명한다.
도 4는, 일반적인 백 워드형의 방향성 결합기(60)의 모식도를 나타내고 있다. 방향성 결합기(60)는, 고주파 전력이 흐르는 주 선로(601)에 대하여 부 선로(602)를 전자계적으로 결합시켜, 부 선로(602)로부터 고주파 전력의 일부를 고주파 신호로서 취출하는 디바이스이다.
도 4 중, P1은 주 선로(601)에 대하여 고주파 전력이 입력되는 입력 포트, P2는 주 선로(601)로부터 고주파 전력이 출력되는 출력 포트이다. 백 워드형의 방향성 결합기(60)에 있어서는, 부 선로(602)의 P3의 위치로부터 주 선로(601)를 흐르는 고주파 전력의 진행파의 일부가 취출되고, P3은 결합 포트라고 불린다. 또한, 부 선로(602)의 P4의 위치로부터는 주 선로(601)를 흐르는 고주파 전력의 반사파의 일부가 취출되고, P4는 아이솔레이션 포트라고 불린다.
후술하는 각 실시 형태에 따른 방향성 결합기(6, 6a)에 부기한 P1 내지 P4의 부호에 대해서도 상술한 각 포트를 의미하고 있다.
방향성 결합기(60(6, 6a))의 성능을 평가하는 지표로서, 반사 손실, 통과 손실, 결합 특성, 아이솔레이션 특성 및 방향성 특성이 정의되어 있다. 각 지표는, 데시벨(dB) 표기한 S 파라미터를 사용해서 이하의 (1) 내지 (5)식으로 구할 수 있다.
각 포트의 반사 손실=Sii[dB](i=1, 2, 3, 4) … (1)
통과 손실=S21[dB] … (2)
결합 특성=S31[dB] … (3)
아이솔레이션 특성=S41[dB] … (4)
방향성 특성=S31-S41[dB] … (5)
방향성 결합기(60)에 요구되는 성능으로서는, 결합 포트(P3)로부터 필요한 레벨의 고주파 전력을 취출하는 것이 가능하고 또한 아이솔레이션 포트(P4)에 누출되는 진행파의 성분이 적은 것이 바람직하다. 즉, 결합 특성(S31)이 미리 설정한 목표 범위 내의 값이면서, 방향성 특성(S31-S41)의 값이 큰 방향성 결합기(60)가 요구된다.
한편, 도 2를 사용해서 설명한 마이크로파 도입 유닛(3)에 있어서는, 각 앰프부(31)로부터 출력되는 마이크로파의 전력 레벨은 수백와트나 된다. 이때, 마이크로파의 감시에 있어서는 소전력이 얻어지면 충분해서, 예를 들어 방향성 결합기(6)는 「결합 특성 S31≤-30dB」이 되도록 설계된다.
이와 같이, 대전력이 흐르는 주 선로(601)로부터 소전력을 취출할 경우에는, 주 선로(601)와 부 선로(602)(후술하는 결합 선로(68))의 전자계적인 결합 상태를 소결합으로 할 필요가 있다. 그러나 일반적으로, 소결합의 방향성 결합기(60)는, 방향성 특성을 향상시키는 것이 곤란하다는 문제가 있다.
본 실시 형태의 방향성 결합기(6)는, 주 선로(601)인 중심 도체(61)에 대하여, 부 선로(602)인 결합 선로(68)를 소결합시키면서, 방향성 특성을 향상시키는 것이 가능한 구성을 구비한다.
본 실시 형태에 따른 방향성 결합기(6)의 구성에 대해서, 도 5 내지 도 14를 참조하면서 설명한다. 도 5는 방향성 결합기(6)의 분해 사시도, 도 6 및 도 7은, 각각 방향성 결합기(6)를 정면측 또는 측면측에서 본 종단면도이다. 이하의 설명에서, 도 5에 도시하는 y축의 화살표의 기단측을 전방측, 화살표의 선단측을 후방측이라고도 칭한다.
도 5에 도시한 바와 같이, 본 실시 형태의 방향성 결합기(6)는, 주 선로(601)를 이루는 중심 도체(61)와, 중심 도체(61)의 주위를 둘러싸도록 마련된 외부 도체(62)에 의해 구성되는 중공 동축 선로와, 부 선로(602)를 이루는 결합 선로(68)가 마련된 유전체 기판(65)과, 중심 도체(61)와 결합 선로(68)의 거리를 조절하기 위한 금속제 스페이서(64)를 구비한다.
도 5 내지 도 7에 도시하는 바와 같이, 예를 들어 외부 도체(62)는, 도전성을 갖는 금속으로 이루어지는 직육면체 형상의 하우징에 의해 구성되어 있다. 외부 도체(62)의 전방의 측면으로부터 후방의 측면에 이르는 영역에는, 중심 도체(61)를 삽입하는 것이 가능한 원통상의 공간(원통 공간(620))이 형성되어 있다.
또한 외부 도체(62)의 상면에는, 금속제 스페이서(64)나 유전체 기판(65)을 수용 가능한 오목부가 형성되어 있다. 오목부 내의 저면은 평탄하게 되어 있고, 당해 평탄한 면 상에, 원형 개구부(641)를 사이에 두고 유전체 기판(65)을 설치한다. 이 관점에서, 오목부 내의 평탄한 면은, 본 실시 형태의 기판 설치부(63)에 상당하고 있다.
상기 기판 설치부(63)에는, 상면측에서 보아 원통 공간(620)을 향해서 개구되는 직사각 형상의 사각형 개구부(631)가 형성되어 있다. 사각형 개구부(631)의 긴 변 방향은, 마이크로파의 전송 방향에 상당한다. 예를 들어 860MHz의 마이크로파의 경우, 사각형 개구부(631)의 긴 변 방향의 길이는, 마이크로파의 자유 공간 파장(λ0)에 대하여, 예를 들어 λ0/10이 되도록 설정된다. 여기서 λ0은, 마이크로파의 주파수 f[Hz]와 광속 c0[m/s]로부터 이하의 (6)식을 사용해서 산출된다.
λ0=c0/f[m] … (6)
도 5 내지 도 7에 도시하는 바와 같이, 예를 들어 중심 도체(61)는 도전성을 갖는 금속으로 이루어지는 둥근 막대 형상의 부재(막대 형상의 도체)에 의해 구성되어 있다. 이들 도면에 도시한 바와 같이, 중심 도체(61)의 직경은, 외부 도체(62)측에 형성되는 원통 공간(620)의 직경보다도 작게 구성되어 있다. 중심 도체(61)는, 원통 공간(620) 내에 삽입되어, 중심 도체(61) 및 원통 공간(620)의 양쪽 중심축의 위치가 정렬되도록 배치된다.
도 7에 도시하는 바와 같이, 중심 도체(61)는, 외부 도체(62)의 전후 양측면에 형성된 개구에 감입되도록 마련된 절연성 부재(621)에 의해 보유 지지된다. 외부 도체(62)의 전방측, 후방측의 측면에는, 각각, 통상의 외주 도체부(691)와, 핀상의 중심 도체부(693)와, 절연부(692)에 의해 구성되는 입력측 동축 커넥터(입력 단자)(69a), 출력측 동축 커넥터(출력 단자)(69b)가 마련되어 있다.
각 커넥터(69a, 69b)에 있어서, 중심 도체부(693)는, 중심 도체(61)에 접속되고, 외주 도체부(691)는, 외부 도체(62)에 접속된다. 입력측 동축 커넥터(69a)는, 방향성 결합기(6)의 입력 포트(P1)에 상당하고, 앰프부(31)의 출구측에 접속된다. 또한 출력측 동축 커넥터(69b)는, 출력 포트(P2)에 상당하고, 마이크로파 도입 기구(32)의 입구측에 접속되어 있다(도 2).
도 5 내지 도 7에 도시하는 바와 같이, 금속제 스페이서(64)는 도전성을 갖는 금속제의 직사각 형상의 판재에 의해 구성되어 있다. 금속제 스페이서(64)는, 외부 도체(62)의 상면측에 형성된 오목부 내에 수용 가능한 치수로 구성되고, 그 중앙부에는, 원형 개구부(641)가 형성되어 있다. 원형 개구부(641)는, 외부 도체(62)의 기판 설치부(63)측에 형성된 사각형 개구부(631)를 통해서 원통 공간(620)에 연통한다.
금속제 스페이서(64)는, 중심 도체(61)와 결합 선로(68)의 거리를 조절함으로써 방향성 결합기(6)의 결합 특성을 조절하는 역할을 한다. 예를 들어 금속제 스페이서(64)는, 마이크로파의 주파수 등에 따라, 0.5mm 내지 2mm의 범위 내의 두께 치수를 갖는 것이 채용된다.
유전체 기판(65)은, 예를 들어 에폭시 유리, PTFE(polytetrafluoroethylene) 등의 불소 수지, 알루미나 등의 유전체 재료에 의해 구성되는 직사각 형상의 판재이다. 유전체 기판(65)은, 외부 도체(62)의 상면측에 형성된 오목부 내에 수용 가능한 치수로 구성되어 있다. 도 6, 도 7에 도시하는 바와 같이, 유전체 기판(65)은, 이미 설명한 사각형 개구부(631) 및 원형 개구부(641)를 덮도록 기판 설치부(63)(금속제 스페이서(64) 상)에 배치된다(도 10).
도 5에 도시한 바와 같이, 금속제 스페이서(64) 및 유전체 기판(65)에는, 복수 개소에 나사 구멍(642, 651)이 마련되어 있다. 이들 나사 구멍(642, 651)에 기판 고정 나사(66)를 삽입하여, 기판 설치부(63)측에 마련된 암나사(632)에 나사 결합시킴으로써, 기판 설치부(63)에 대하여 금속제 스페이서(64) 및 유전체 기판(65)이 체결된다.
이하, 상술한 배치 상태에 있어서, 원형 개구부(641) 및 사각형 개구부(631)를 개재해서 중심 도체(61)와 대향하는 면(하면)을 「유전체 기판(65)의 이면」이라고 칭하고, 그 반대측의 면(상면)을 「유전체 기판(65)의 표면」이라고 칭한다.
도 8, 도 9에 도시하는 바와 같이, 유전체 기판(65)의 표면 및 이면에는, 예를 들어 구리박에 의해 구성되는, 막상의 접지 도체(표면 도체(표면측의 접지 도체)(652), 이면 도체(이면측의 접지 도체)(656))가 마련되어 있다. 여기서 도 8은, 유전체 기판(65)의 표면을 상면측에서 본 평면도이며, 도 9는, 유전체 기판(65)의 이면을 상면측에서 투시해 본 평면도이다.
표면 도체(652), 이면 도체(656)는, 유전체 기판(65)의 표리 양면 전체를 거의 덮도록 형성되어 있다. 도 8, 도 9에 도시하는 바와 같이, 유전체 기판(65)의 판면에는, 다수의 스루홀(653)이 분산되어 형성되고, 표면 도체(652)와 이면 도체(656)는, 각 스루홀(653)을 따라 형성된 도시하지 않은 접속선을 통해서 서로 전기적으로 접속되어 있다. 그리고, 표면 도체(652) 및 이면 도체(656)의 한쪽, 또는 양쪽이, 외부 도체(62)에 기판 고정 나사(66)를 통해서 접속됨으로써, 이들 표면 도체(652) 및 이면 도체(656) 양쪽이 접지된다. 또한, 외부 도체(62)는, 도시하지 않은 접지 라인을 통해서 접지되어 있다.
이어서, 도 9를 참조하면서 유전체 기판(65)의 이면측의 구성에 대해서 먼저 설명한다. 유전체 기판(65)의 이면의 중앙 위치에는, 개구부인 이미 설명한 사각형 개구부(631) 및 원형 개구부(641)를 개재해서 원통 공간(620) 내의 중심 도체(61)와 대향하는 위치에 결합 선로(68)가 마련되어 있다. 이미 설명한 바와 같이 결합 선로(68)는, 본 실시 형태의 방향성 결합기(6)의 부 선로(602)에 상당한다.
예를 들어 결합 선로(68)는, 도체막인 구리박에 의해 구성된다. 예를 들어 결합 선로(68)는, 도금에 의해, 유전체 기판(65)의 이면 전체에 구리박을 형성한 후, 결합 선로(68)의 주위의 구리박 부분을 에칭에 의해 제거하여, 이면 도체(656)와 결합 선로(68)의 사이에 이격 영역(650b)을 마련함으로써 형성할 수 있다. 따라서, 결합 선로(68)는, 이면 도체(656)에 대하여 전기적으로 도통이 없는 상태(전기적으로 접속되어 있지 않은 상태)로 되어 있다.
도 9에 도시하는 바와 같이, 본 실시 형태에서 결합 선로(68)는, 가늘고 긴 띠 형상으로 형성되어 있다. 예를 들어 860MHz의 마이크로파의 경우, 결합 선로(68)의 긴 변 방향의 길이는, 유전체 기판(65)에서의 마이크로파의 파장(λg)에 대하여, λg/4 이하, 적합하게는 λg/20 이하가 되도록 설정된다. 여기서 λg는, 이미 설명한 마이크로파의 자유 공간 파장(λ0) 및 유전체 기판(65)의 실효 비유전율(εeff)로부터 이하의 (7)식으로 산출된다.
λg=λ0/(εeff)0.5[m] … (7)
또한 εeff에 대해서는, 예를 들어 문헌(T. C. Edwards, M. B. Steer, Foundations for Microstrip Circuit Design, 4th Edition, pp.127-134, John Wiley & Sons, Inc., 2016.)에 기재되어 있는 수식으로부터 구할 수 있다.
또한 도 10, 도 11에 도시한 바와 같이, 결합 선로(68)는, 기판 설치부(63)의 사각형 개구부(631)와 금속제 스페이서(64)의 원형 개구부(641)를 중첩해서 형성되는 개구 영역 내에 포함되도록, 긴 변 방향 및 짧은 변 방향의 치수가 설정되어 있다. 또한, 도시의 편의상, 도 10, 도 11에는, 유전체 기판(65)의 유전체 본체, 및 표면 도체(652), 이면 도체(656) 등을 투시한 상태가 도시되어 있다.
도 11은, 결합 선로(68)의 면에 대향하는 방향인 상면측에서 보았을 때의 결합 선로(68)의 배치 방향을 도시하고 있다. 도면 중의 B-B'는, 외부 도체(62) 내에 배치된 중심 도체(61)가 신장되는 방향과 일치하고 있다. 동도에 도시하는 바와 같이, 결합 선로(68)는, 상면측에서 보았을 때, 가늘고 긴 띠상의 결합 선로(68)가 신장되는 방향과, 중심 도체(61)가 신장되는 방향(도면 중의 B-B'의 방향)이 각도(θ)를 이루어 교차하도록 배치되어 있다. 후술하는 실시예에 나타내는 바와 같이, 교차 각도(θ)는, 방향성 결합기(6)의 방향성 특성에 영향을 미치는 파라미터로 되어 있다. 860MHz의 마이크로파의 경우, 예를 들어 교차 각도(θ)는, 39±2°의 범위 내의 미리 설정된 각도가 되도록 설정된다.
상술한 교차 각도(θ)는, 유전체 기판(65)의 이면에 결합 선로(68)를 설계할 때 설정되는 것 이외에, 상면측에서 본, 외부 도체(62)에 대한 유전체 기판(65)의 설치 방향을 변화시킴으로써도 조절할 수 있다.
도 13은, 유전체 기판(65)의 설치 방향을 조절하는 각도 조절 기구의 구성예를 도시하고 있다. 본 실시 형태의 각도 조절 기구는, 유전체 기판(65)을 기판 설치부(63)에 설치하기 위한 기판 고정 나사(66)와, 유전체 기판(65)의 각도 조절 방향을 향해서, 기판 고정 나사(66)의 직경보다도 폭넓은 치수로 형성된 유전체 기판(65)의 나사 구멍(651)에 의해 구성된다. 기판 고정 나사(66)의 직경에 대하여 여유를 갖게 해서 나사 구멍(651)을 형성하고, 도 13 중에 도시하는 바와 같이 유전체 기판(65)의 설치 방향을 변화시킴으로써, 도 11을 사용해서 설명한 교차 각도(θ)를 변화시킬 수 있다.
또한 도 7에 모식적으로 도시된 바와 같이, 결합 선로(68)는, 판재인 유전체 기판(65)의 평탄한 이면에 형성되어 있다. 이 구성에 의해, 도 7에 도시하는 바와 같이 유전체 기판(65)의 면을 따른 방향에서 보았을 때, 중심 도체(61)가 신장되는 방향과 상기 결합 선로(68)가 신장되는 방향이 정렬되어(거의 평행하게) 배치된 상태로 되어 있다.
이어서, 도 8을 참조하면서 유전체 기판(65)의 표면측의 구성에 대해서 설명한다. 도 8에 도시하는 바와 같이 유전체 기판(65)의 표면에는, 결합 선로(68)를 통해서 마이크로파의 진행파의 일부를 취출하기 위한 진행파용 동축 커넥터(진행파용 취출 단자)(67a)와, 마이크로파의 반사파의 일부를 취출하기 위한 반사파용 동축 커넥터(반사파용 취출 단자)(67b)가 마련되어 있다.
도 4를 사용해서 설명한 방향성 결합기(60)와 대비하면, 진행파용 동축 커넥터(67a)는, 방향성 결합기(6)의 결합 포트(P3)에 상당하고, 반사파용 동축 커넥터(67b)는, 방향성 결합기(6)의 아이솔레이션 포트(P4)에 상당한다. 예를 들어 이들 커넥터(67a, 67b)는, 전력 제어부(316)를 향해서, 각 마이크로파의 일부를 고주파 신호로서 출력하는 신호선에 접속되어 있다(도 3).
진행파용 동축 커넥터(67a), 반사파용 동축 커넥터(67b)는 각각, 유전체 기판(65)의 표면측에 형성된 취출 선로(655a, 655b)의 일단에 접속되어 있다. 각 취출 선로(655a, 655b)는, 표면 도체(652)에 대하여, 이격 영역(650a)을 개재하여 간극을 두고 형성되어 있다. 취출 선로(655a, 655b)는, 예를 들어 도금에 의해, 유전체 기판(65)의 표면 전체에 구리박을 형성한 후, 취출 선로(655a, 655b)의 주위의 구리박 부분을 에칭에 의해 제거하여, 표면 도체(652)와 취출 선로(655a, 655b)의 사이에 이격 영역(650a)을 마련함으로써 형성할 수 있다.
여기서 각 취출 선로(655a, 655b)는, 이들 취출 선로(655a, 655b)의 양옆의 영역에 마련된 표면 도체(652)와, 이면 도체(656)의 사이에서, 특성 임피던스가 50Ω인 그라운드 포함 코플래너 선로를 구성하고 있다.
또한, 취출 선로(655a, 655b)를 그라운드 포함 코플래너 선로로서 구성하는 것은 필수적인 요건이 아니다. 예를 들어, 취출 선로(655a, 655b)의 양옆의 영역의 표면 도체(652)의 일부를 더 깎아서, 표면 도체(652)의 전자계적인 영향이 충분히 작아지는 정도까지 이격 영역(650a)의 폭을 확장해도 된다. 단, 이 경우의 이격 영역(650a)의 폭은 유전체 기판(65)의 두께 이상으로 할 필요가 있으며, 이에 의해 각 취출 선로(655a, 655b)는, 이면 도체(656)와의 사이에서 마이크로스트립 선로를 구성한다.
취출 선로(655a, 655b)의 타단은, 결합 선로(68)의 긴 변 방향의 양단부에 대응하는 위치까지 연신되어, 당해 위치에서 유전체 기판(65)에 형성된 스루홀(654a, 654b)을 통해서 이면측의 결합 선로(68)에 접속되어 있다.
이상, 도 5 내지 도 13을 사용해서 설명한 구성을 구비하는 방향성 결합기(6)는, 입력 포트(P1)인 입력측 동축 커넥터(69a)로부터 마이크로파를 공급하고, 출력 포트(P2)인 출력측 동축 커넥터(69b)로부터 마이크로파를 출력하면, 주 선로(601)인 중심 도체(61)와 부 선로(602)인 결합 선로(68)가 전자계적으로 결합한다. 그 결과, 결합 포트(P3)인 진행파용 동축 커넥터(67a)로부터, 마이크로파의 진행파의 일부를 고주파 신호로서 취출할 수 있다. 또한 아이솔레이션 포트(P4)인 반사파용 동축 커넥터(67b)로부터, 마이크로파의 반사파의 일부를 고주파 신호로서 취출할 수 있다.
또한 본 실시 형태의 방향성 결합기(6)는, 중심 도체(61)와 결합 선로(68)의 전자계적인 결합 상태가 소결합일 경우에, 방향성 특성을 향상시키는 것이 곤란하다는 이미 설명한 과제에 대하여, 이하의 구성을 마련함으로써 방향성 특성의 개선을 도모하였다.
즉 도 8, 도 11, 도 12 등에 도시하는 바와 같이, 본 실시 형태의 방향성 결합기(6)에 있어서, 표면 도체(652)에는, 유전체 기판(65)을 개재해서 결합 선로(68)와 상대하는 영역(상대 영역) 내의 구리박(도체막)의 일부를 삭제한 도체 삭제부(67)가 마련되어 있다. 또한, 도 12의 사시도에서는, 상대 영역 이외의 유전체 기판(65)이나 표면 도체(652), 이면 도체(656)를 투시한 상태를 나타내 있다.
도체 삭제부(67)의 형상에 특별한 한정은 없어, 예를 들어 도 11에 도시하는 바와 같이 정사각형의 도체 삭제부(67)를 마련해도 되고, 도 14에 도시하는 바와 같이 직사각형이나 원형의 도체 삭제부(67', 67'')를 마련해도 된다. 각 표면 도체(652)에 형성하는 도체 삭제부(67)의 수도 1개에 한정되지 않고, 복수 마련해도 된다.
또한, 상대 영역 내에 표면 도체(652)와 도체 삭제부(67) 각각의 일부가 남겨지는 한, 도체 삭제부(67)의 치수에 대해서도 특별한 한정은 없다.
후술하는 실시예에 나타내는 바와 같이, 도체 삭제부(67)가 마련되어 있지 않은 비교예에 따른 방향성 결합기와 비교하여, 표면 도체(652)에 도체 삭제부(67)를 마련함으로써 방향성 특성의 개선이 도모되는 것이 시뮬레이션 및 실험에 의해 확인되었다.
도체 삭제부(67)의 치수나 형상, 배치수나 배치 위치는, 사각형 개구부(631)의 개구 길이나 원형 개구부(641)의 개구 직경, 결합 선로(68)의 긴 변 방향의 길이나 교차 각도(θ) 등의 다른 설계 변수와 조합하여, 시뮬레이션이나 시험 제작 실험에 의해 적합한 방향성 특성을 발휘 가능한 조건을 탐색함으로써 결정된다.
이어서, 제2 실시 형태에 따른 방향성 결합기(6a)의 구성예에 대해서, 도 15 내지 도 17을 참조하면서 설명한다.
도 15에 도시하는 제2 실시 형태에 따른 방향성 결합기(6a)에는, 결합 선로(68)로부터 진행파용 동축 커넥터(67a)에 이르는 취출 선로(655a)와, 결합 선로(68)로부터 반사파용 동축 커넥터(67b)에 이르는 취출 선로(655b)에, 취출하는 마이크로파의 파형 처리를 행하는 소자가 마련되어 있다. 취출 선로(655a, 655b)에 마련되는 소자로서는, 결합 선로(68)를 통해서 취출된 고주파 신호에 포함되는 고주파 성분을 억압하는 저역 통과 필터(LPF)(72)나 저주파 성분을 억압하는 고역 통과 필터(HPF)(73), 및 진행파용 동축 커넥터(67a), 반사파용 동축 커넥터(67b)측으로부터의 반사파를 감쇠시키는 감쇠기(71)로 이루어지는 소자 군에서 선택된, 적어도 하나의 소자가 마련된다. 또한, LPF(72) 및 HPF(73)를 동등한 주파수 특성을 갖는 대역 통과 필터(BPF)에 의해 구성해도 된다.
도 15에 도시하는 방향성 결합기(6a)의 예에서는, 각 취출 선로(655a, 655b)에 대하여, 감쇠기(71), LPF(72), HPF(73)가, 결합 선로(68)측으로부터 커넥터(67a, 67b)측을 향해서 이 순서대로 마련되어 있다. 도 16, 도 17에 도시하는 바와 같이, 이들 소자(감쇠기(71), LPF(72), HPF(73))는, 유전체 기판(65)의 표면측에 배치할 수 있다. 취출 선로(655a, 655b)에 마련하는 소자의 조합은, 상술한 예에 한정되는 것은 아니며, 고주파 신호의 사용 목적 등에 따라 적절히 선택해도 된다.
본 개시에 의하면, 주 선로(601)인 중심 도체(61)에 대하여, 부 선로(602)인 결합 선로(68)를 소결합시키면서, 양호한 방향성 특성을 갖는 방향성 결합기(6, 6a)를 구성할 수 있다.
여기서 도 11, 도 12 등에는, 금속제 스페이서(64)측의 원형 개구부(641)의 직경이, 기판 설치부(63)측의 사각형 개구부(631)의 짧은 변 방향의 치수보다도 크게 형성되어 있는 예가 기재되어 있다. 그러나, 이들 치수의 대소 관계는, 동 도면 중에 나타낸 예에 한정되는 것은 아니다.
금속제 스페이서(64)측의 원형 개구부(641)의 직경이, 기판 설치부(63)측의 사각형 개구부(631)의 짧은 변 방향의 치수보다도 작게 형성되어 있어도 된다. 이 경우에는, 상면측에서 본 개구부의 형상(기판 설치부(63)의 사각형 개구부(631)와 금속제 스페이서(64)의 원형 개구부(641)를 중첩한 형상)은 원형이 된다. 또한 기판 설치부(63)와 유전체 기판(65)의 사이에 금속제 스페이서(64)를 배치하는 것은 필수적인 요건이 아니며, 기판 설치부(63) 상에 유전체 기판(65)을 직접 배치해도 된다. 이 경우에는, 기판 설치부(63)에 원형의 개구를 마련해도 된다.
예를 들어 도 14에 도시하는 바와 같이 원형 개구부(641)를 개재해서 중심 도체(61)와 대향하도록 결합 선로(68)가 배치되는 경우에는, 도 13을 사용해서 설명한 각도 조절 기구를 사용해서 교차 각도(θ)를 변화시켰다고 해도, 결합 선로(68)의 각 위치로부터 원형 개구부(641)의 테두리부까지의 거리가 변화하지 않는다. 그 결과, 교차 각도(θ)를 변화시켰을 때, 결합 선로(68)와 유전체 기판(65)이나 금속제 스페이서(64)의 상호 작용의 변화에 기인하는, 의도하지 않은 방향성 결합기(6, 6a)의 특성 변화를 억제할 수 있다.
또한 유전체 기판(65)은, 표리 양면에만 접지 도체(표면 도체(652), 이면 도체(656))가 형성된 2층 기판을 사용해서 구성하는 경우에 한정되지 않는다. 표리 양면의 접지 도체에 더하여, 유전체 기판(65) 내에 1층 또는 복수층의 접지 도체가 끼워진 3층 이상의 다층 기판을 사용해서 유전체 기판(65)을 구성해도 된다.
이상으로 설명한 각 방향성 결합기(6, 6a)의 설치 위치는, 도 2를 사용해서 설명한 앰프부(31)와 마이크로파 도입 기구(32)의 사이에 마련하는 경우에 한정되지 않는다. 마이크로파 공급부인 마이크로파 발진기(332)로부터, 플라스마 형성부인 마이크로파 투과창(324)의 하방측 영역에 이르기까지의 마이크로파의 공급 경로의 필요한 위치에 마련할 수 있다. 예를 들어 마이크로파 도입 기구(32)의 내측 도체(325)가 중심 도체(61)로 되도록 방향성 결합기(6, 6a)를 마련하여, 마이크로파 도입 기구(32)를 흐르는 마이크로파의 일부를 취출해도 된다.
금회 개시된 실시 형태는 모든 점에서 예시이며 제한적인 것이 아니라고 생각되어야 한다. 상기 실시 형태는, 첨부의 청구범위 및 그 주지를 일탈하지 않고, 다양한 형태에서 생략, 치환, 변경되어도 된다.
[실시예]
(시뮬레이션 1)
도 6, 도 7에 기재된 방향성 결합기(6)에 기초하는 시뮬레이션 모델을 제작하여, 방향성 결합기(6)의 평가 지표를 구하였다.
A. 시뮬레이션 조건
직경 28mm의 원통 공간(620)이 형성된 외부 도체(62) 내에, 직경 12mm, 길이 43mm의 중심 도체(61)를 배치하고, 긴 변 방향의 길이가 33mm인 사각형 개구부(631)가 형성된 기판 설치부(63) 상에, 직경 26mm의 원형 개구부(641)가 형성된 금속제 스페이서(64)를 개재해서 유전체 기판(65)을 마련하였다. 결합 선로(68)의 긴 변 방향의 길이는 8mm, 짧은 변 방향의 길이는 2.6mm이다. 금속제 스페이서(64)의 두께는 1.5mm이며, 중심 도체(61)와 결합 선로(68)의 높이 거리는 중심 도체(61)의 중심으로부터 15.5mm이다. 교차 각도(θ)는 43°로 하였다.
도 11에 도시한 바와 같이, 결합 선로(68)의 중앙에 대향하는 위치에, 한 변의 길이(도체 삭제부 폭) d인 정사각형의 도체 삭제부(67)를 마련하였다. 상기 구성의 방향성 결합기(6)의 시뮬레이션 모델에 있어서, 소정 주파수의 마이크로파를 입력 포트(P1)에 입력하여, 결합 특성, 아이솔레이션 특성, 방향성 특성을 구하였다. 시뮬레이터는 ANSYS(등록 상표)사의 HFSS(트레이드 마크)를 사용해서 각종 주파수 특성을 계산하였다.
(실시예 1-1) 도체 삭제부 폭(d)=0.5mm
(실시예 1-2) 도체 삭제부 폭(d)=1.0mm
(실시예 1-3) 도체 삭제부 폭(d)=1.5mm
(실시예 1-4) 도체 삭제부 폭(d)=2.0mm
(실시예 1-5) 도체 삭제부 폭(d)=2.5mm
(실시예 1-6) 도체 삭제부 폭(d)=3.0mm
B. 시뮬레이션 결과
각 실시예의 시뮬레이션모델에 대해서, 860MHz의 마이크로파를 공급한 경우의 방향성 특성의 변화를 도 18에 도시하였다. 또한, 실시예 1-5에 대해서, 방향성 결합기(6)에 공급하는 신호의 주파수를 변화시켜, 결합 특성 및 아이솔레이션 특성을 구한 결과를 도 19에 도시하였다. 또한, 실시예 1-4 내지 1-6에 대해서, 방향성 결합기(6)에 공급하는 신호의 주파수를 변화시켜, 결합 특성, 아이솔레이션 특성 및 방향성 특성을 비교한 결과를 도 20 내지 도 22에 도시하였다.
도 18에 도시하는 결과에 의하면, 도체 삭제부(67)의 도체 삭제부 폭(d)을 0.5mm에서 2.5mm로 확장함에 따라, 방향성 특성이 절댓값에서 커지는(개선되는) 경향이 보여진다. 한편, 또한 도체 삭제부(67)의 도체 삭제부 폭을 3.0mm까지 확장하면, 방향성 특성이 약간 악화되었다. 이들 시뮬레이션 결과에 의하면, 860MHz의 마이크로파를 공급하여, 가늘고 긴 띠상의 결합 선로(68)의 중앙에 대향하는 위치에 정사각형의 도체 삭제부(67)를 마련하는 경우, 방향성 특성이 최소가 되는 최적의 도체 삭제부 폭(실시예 1-5)이 존재할 것으로 예상된다.
도 19에 도시하는 결과에 의하면, 실시예 1-5의 조건 하에, 전력의 주파수를 변화시킨 경우, 결합 특성 및 아이솔레이션 특성 양쪽에 있어서 급준한 피크는 확인되지 않았다. 이 결과에 의하면, 실시예 1-5에 따른 방향성 결합기(6)가 광대역에 걸쳐서 양호한 방향성 특성을 발휘할 수 있다고 할 수 있다.
도 20에 도시하는 결과에 의하면, 도체 삭제부(67)의 도체 삭제부 폭(d)을 변화시킨 실시예 1-4 내지 1-6에서, 결합성 특성은, 도체 삭제부(67)의 도체 삭제부 폭에 의존하지 않고, 실시예간에서 일정하고 동등한 것을 알 수 있다. 한편, 도 21에 도시하는 결과에 의하면, 아이솔레이션 특성은, 도체 삭제부(67)의 도체 삭제부 폭의 변화에 대응하여, 실시예간에서 변화하고 있다.
이와 같이, 도체 삭제부(67)의 도체 삭제부 폭을 변화시키면, 결합 특성은 거의 변화하지 않고(소결합의 상태를 유지한 채) 아이솔레이션 특성만이 변화한다. 그 결과로서, 도 22에 도시하는 바와 같이, 도체 삭제부 폭에 따라서 방향성 특성을 개선하는 것이 가능하게 되는 것을 알 수 있다.
(실험 1)
시뮬레이션 1에서 설정한 시뮬레이션 모델과 거의 마찬가지의 구성을 구비하는 방향성 결합기(6)를 제작하여, 벡터 네트워크 애널라이저를 사용해서 방향성 결합기(6)의 방향성 특성을 구하였다.
A. 실험 조건
(실시예 2-1) 도체 삭제부 폭(d)=2.3mm, 결합 선로(68)의 짧은 변 방향 길이=2.6mm
(실시예 2-2) 도체 삭제부 폭(d)=2.5mm, 결합 선로(68)의 짧은 변 방향 길이=2.6mm
(실시예 2-3) 도체 삭제부 폭(d)=2.7mm, 결합 선로(68)의 짧은 변 방향 길이=2.6mm
(비교예 2-1) 도체 삭제부(67) 없음, 결합 선로(68)의 짧은 변 방향 길이=3mm, 교차 각도(θ)=39°
각 실시예에서, 이미 설명한 각도 조절 기구를 사용하여, 교차 각도(θ)를 37 내지 45°의 범위에서 변화시켰다.
B. 실험 결과
실험의 결과를 도 23에 도시하였다. 도 23에 의하면, 각 실시예 2-1 내지 2-3에서, 교차 각도(θ)를 변화시키면, 방향성 특성도 변화하는 것이 확인되었다. 따라서, 도체 삭제부(67)의 도체 삭제부 폭과 교차 각도(θ)를 조합함으로써, 보다 적합한 방향성 특성을 갖는 방향성 결합기(6)를 얻을 수 있는 것을 확인할 수 있었다.
또한 동 도면 중에 기재한 바와 같이, 교차 각도(θ)가 39°인 조건 하에서 비교하면, 도체 삭제부(67)를 마련하지 않은 비교예 2-1의 방향성 결합기에서는, 방향성 특성이 -20dB 부근이었다. 이에 반해, 도체 삭제부(67)를 마련한 실시예 2-1 내지 2-3의 방향성 결합기(6)에 있어서는, 모두 방향성 특성이 -30dB 이하(절댓값으로 30dB 이상)가 되어, 양호한 성능이 얻어졌다. 이와 같이, 유전체 기판(65)을 개재해서 결합 선로(68)와 상대하는 영역 내의 도체막의 일부를 삭제해서 도체 삭제부(67)를 마련함으로써, 방향성 결합기(6)의 방향성 특성을 개선할 수 있는 것을 확인할 수 있었다.

Claims (16)

  1. 주 선로를 흐르는 고주파 전력의 일부를, 상기 주 선로와 전자계적으로 결합한 부 선로를 통해서 취출하는 방향성 결합기이며,
    상기 주 선로를 이루는 중심 도체와, 상기 중심 도체의 주위를 둘러싸도록 마련되고, 개구부가 형성된 외부 도체를 포함하고, 상기 고주파 전력의 입력 단자와 출력 단자에 접속되는 중공 동축 선로와,
    상기 개구부를 덮도록 마련되고, 상기 개구부를 개재해서 상기 중심 도체에 대향하는 이면측과, 상기 이면측과는 반대인 표면측 각각을 덮고, 접지된 막상의 접지 도체가 마련된 유전체 기판과,
    상기 유전체 기판의 상기 이면측에, 상기 개구부를 개재해서 상기 중심 도체와 대향하는 위치에 마련되고, 상기 이면측의 상기 접지 도체에 둘러싸인 영역 내에, 상기 접지 도체로부터 전기적으로 도통이 없도록 형성된 상기 부 선로이며, 상기 고주파 전력의 일부를 취출하는 취출 단자에 접속되는 결합 선로를 포함하고,
    상기 표면측의 상기 접지 도체에는, 상기 유전체 기판을 개재해서 상기 결합 선로와 상대하는 영역 내의 도체막의 일부를 삭제한 도체 삭제부가 마련되어 있는, 방향성 결합기.
  2. 제1항에 있어서, 상기 개구부는, 상기 결합 선로의 전체를 포함하도록 원형으로 형성된 원형 개구부인, 방향성 결합기.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 외부 도체와 상기 유전체 기판의 사이에는, 상기 중심 도체와 상기 결합 선로의 사이의 거리를 조절하기 위한 스페이서가 마련되고, 상기 스페이서에도 개구부가 형성되고, 상기 유전체 기판의 이면은, 상기 외부 도체에 형성된 개구부 및 상기 스페이서에 형성된 개구부를 개재해서 상기 중심 도체에 대항하는, 방향성 결합기.
  4. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 표면측의 상기 접지 도체와, 상기 이면측의 상기 접지 도체는, 상기 유전체 기판에 형성된 스루홀을 통해서 서로 전기적으로 접속되어 있는, 방향성 결합기.
  5. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 중심 도체는 막대 형상의 도체에 의해 구성되고, 상기 결합 선로는, 상기 유전체 기판의 상기 이면을 따라 형성된 가늘고 긴 도체막에 의해 구성되고,
    상기 유전체 기판의 면을 따른 방향에서 보았을 때, 상기 막대 형상의 도체가 신장되는 방향과 상기 가늘고 긴 도체막이 신장되는 방향을 정렬시켜 배치되고, 상기 유전체 기판의 면에 대향하는 방향에서 보았을 때, 상기 막대 형상의 도체가 신장되는 방향과, 상기 가늘고 긴 도체막이 신장되는 방향이 교차하도록 배치되어 있는, 방향성 결합기.
  6. 제5항에 있어서, 상기 결합 선로는, 상기 막대 형상의 도체가 신장되는 방향과, 상기 가늘고 긴 도체막이 신장되는 방향이 이루는 각도가, 미리 설정된 교차 각도로 되도록 형성되어 있는, 방향성 결합기.
  7. 제6항에 있어서, 상기 유전체 기판의 면에 대향하는 방향에서 본, 상기 중공 동축 선로에 대한 당해 유전체 기판의 설치 방향을 변화시킴으로써, 상기 교차 각도를 변경하는 각도 조절 기구를 포함하는, 방향성 결합기.
  8. 제1항 내지 제7항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 취출 단자는, 상기 유전체 기판의 상기 표면측에 형성된 취출 선로의 일단측에 접속되고, 상기 취출 선로의 타단측은, 상기 유전체 기판에 형성된 스루홀을 통해서 상기 결합 선로에 접속되어 있는, 방향성 결합기.
  9. 제8항에 있어서, 상기 취출 선로는, 당해 취출 선로의 양옆의 영역에 마련된 상기 표면측의 상기 접지 도체와, 상기 이면측의 상기 접지 도체의 사이에서 그라운드 포함 코플래너 선로를 구성하는, 방향성 결합기.
  10. 제8항에 있어서, 상기 취출 선로는, 당해 취출 선로의 양옆의 영역에서의 상기 표면측의 상기 접지 도체가 상기 유전체 기판의 두께 이상의 폭을 갖는 이격 영역이 되도록 삭제되어, 상기 이면측의 상기 접지 도체와의 사이에서 마이크로스트립 선로를 구성하는, 방향성 결합기.
  11. 제8항 내지 제10항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 취출 선로에는, 상기 고주파 전력의 일부에 포함되는 고주파 성분을 억압하는 저역 통과 필터, 상기 고주파 전력의 일부에 포함되는 저주파 성분을 억압하는 고역 통과 필터, 및 상기 취출 단자측으로부터의 반사파를 감쇠시키는 감쇠기로 이루어지는 소자 군에서 선택된, 적어도 하나의 소자가 마련된, 방향성 결합기.
  12. 제1항 내지 제11항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 취출 단자는,
    상기 결합 선로를 통해서, 상기 입력 단자로부터 공급되는 상기 고주파 전력의 진행파의 일부를 취출하는 진행파용 상기 취출 단자와,
    상기 결합 선로를 통해서, 상기 출력 단자로부터 출력되는 상기 고주파 전력의 반사파의 일부를 취출하는 반사파용 상기 취출 단자를 포함하는, 방향성 결합기.
  13. 기판을 처리하는 장치이며,
    상기 기판이 배치되는 처리 용기와,
    상기 처리 용기에 처리 가스를 공급하는 처리 가스 공급부와,
    상기 처리 가스에 고주파 전력인 마이크로파를 공급해서 상기 처리 가스를 플라스마화하는 플라스마 형성부와,
    상기 플라스마 형성부에 상기 마이크로파를 공급하는 마이크로파 공급부를 포함하고,
    상기 마이크로파 공급부로부터 상기 플라스마 형성부에 이르는 상기 마이크로파의 공급 경로에, 제1항 내지 제12항 중 어느 한 항에 기재된 방향성 결합기가 마련된, 장치.
  14. 제13항에 있어서, 증폭기에서 증폭된 상기 마이크로파의 일부를, 상기 방향성 결합기를 사용해서 취출한 결과에 기초하여, 상기 공급 경로에 마련된 상기 증폭기의 출력 조절, 및 상기 공급 경로에 마련된 정합기의 임피던스 조절의 적어도 한쪽의 조절을 행하는 전력 제어부를 포함하는, 장치.
  15. 기판을 처리하는 방법이며,
    상기 기판이 배치된 처리 용기에 처리 가스를 공급하는 공정과,
    고주파 전력인 마이크로파를 발생시키는 공정과,
    상기 처리 가스에 상기 마이크로파를 공급해서 상기 처리 가스를 플라스마화하여, 플라스마화된 상기 처리 가스에 의해 상기 기판의 처리를 행하는 공정과,
    상기 처리 가스에 상기 마이크로파를 공급하기 위한 공급 경로에 마련된 제1항 내지 제12항 중 어느 한 항에 기재된 방향성 결합기를 사용하여, 상기 마이크로파의 일부를 취출하는 공정을 포함하는, 기판을 처리하는 방법.
  16. 제15항에 있어서, 상기 마이크로파의 일부를 취출하는 공정은, 증폭기에 의해 상기 마이크로파를 증폭하는 공정과, 상기 증폭된 마이크로파의 일부를 취출하는 공정과, 상기 마이크로파의 일부를 취출한 결과에 기초하여, 상기 증폭기의 출력 조절, 및 상기 공급 경로에 마련된 정합기의 임피던스 조절의 적어도 한쪽의 조절을 행하는 공정을 포함하는, 기판을 처리하는 방법.
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