WO2006033278A1

WO2006033278A1 - マグネトロン発振装置

Info

Publication number: WO2006033278A1
Application number: PCT/JP2005/017033
Authority: WO
Inventors: Kibatsu Shinohara
Original assignee: Nihon Koshuha Co., Ltd.
Priority date: 2004-09-24
Filing date: 2005-09-15
Publication date: 2006-03-30
Also published as: US20080231380A1; JP2006094214A; US7545226B2; JP3751967B1

Abstract

　マグネトロン（２）と、マグネトロン（２）の出力電力を取り出すランチャー（４）と、ランチャー（４）の出力端に一端が接続されたインピーダンス発生器（５）と、インピーダンス発生器（５）の他端に接続された基準信号供給部（６）とを備える。基準信号供給部（６）は、マグネトロン（２）の出力よりも低電力かつ周波数が安定した基準信号をマグネトロン（２）に供給する。マグネトロン（２）は、基準信号の注入により基準信号の周波数に発振周波数が固定される。インピーダンス発生器（５）は、マグネトロン（２）の負荷インピーダンスを調整することにより、マグネトロン（２）の発振周波数の変化幅を縮小できる。これにより、周波数安定度がよく、出力電力を変化させても周波数が変動しないマグネトロン発振装置（１）を実現できる。

Description

明細書

マグネトロン発振装置

技術分野

[0001] 本発明は、マグネトロンを発振管とするマグネトロン発振装置に関し、特に、マグネトロンよりも出力電力が低くかつ発振周波数が安定した基準信号発振器を設け、この基準信号発振器が発振する基準信号をマグネトロンに注入しマグネトロンの発振周波数を基準信号発振器の発振周波数に固定（同期）することにより、マグネトロンの周波数安定度を向上させるマグネトロン発振装置に関する。

背景技術

[0002] マイクロ波帯の発振装置の一つに、トランジスタを増幅器として使用する半導体発振装置がある。この半導体発振装置は、 1000MHz程度までの周波数帯に用いられる。しかし、プラズマ生成に必要な 2450MHzの周波数帯においては、使用可能な半導体素子の種類が少なくかつ高価であるので、半導体発振装置は大変高コストとなる。

[0003] 2450MHz帯の発振器としては、クライストロン発振装置およびマグネトロン発振装置がある。クライストロン発振装置は、周波数安定度および振幅制御性等に優れているが、クライストロンが高価であり、クライストロンの駆動用電源の価格も比較的高いので、これらを含めると装置全体が非常に高コストになる。

これに対し、マグネトロン発振装置は、プラズマ生成に必要な出力電力 10kW程度までのマグネトロンが量産されていて、安価で入手できる。また、マグネトロンの駆動用電源は、構成が簡単で、安価で製作できる。したがって、マグネトロン発振装置は、プラズマ生成用のマグネトロン電源等として多用されて、る。

以下、マグネトロン発振装置に用いられるマグネトロンの特性について説明する。

[0004] 図 12は、マグネトロンの負荷特性を示すリーケダイアグラムである。このダイアグラムは、マグネトロンに取り付けられたテスト用ランチャーの出力端に負荷を接続し、この負荷のインピーダンスを変化させて得られた出力電力および発振周波数と負荷インピーダンスとの関係を、出力電力一定、周波数一定の条件でスミスチャート上に表示したものである。出力電力一定の場合のグラフが実線で、周波数一定の場合のダラフが点線で示されている。

図 12から分力るように、マグネトロンは、負荷インピーダンスにより、出力電力および発振周波数が変化する。負荷インピーダンスにより発振周波数が変化する現象を「プリング現象」という。

[0005] 図 13は、マグネトロンの動作特性を示すパフォーマンスチャートである。このチヤ一トは、マグネトロンに取り付けられたテスト用ランチャーの出力端に整合負荷を接続した上で、マグネトロンを動作状態とし、アノード電流を変化させたときのアノード電圧、出力電力および発振周波数の変化を示したものである。グラフ 201がアノード電圧の変化を、グラフ 202が出力電力の変化を、グラフ 203が発振周波数の変化をそれぞれ示している。

図 13のグラフ 201〜203から分力るように、アノード電流に対し、アノード電圧はほぼ一定で、出力電力はほぼ比例して変化し、発振周波数は規格値内ではあるが変化する（周波数変化は 15MHzであり、その変化率は 0. 6%である)。

[0006] また、マグネトロンは、アノード電流を変化させて出力電力が変化し、ある値以下になると、発振モードがジャンプし、異なった周波数で発振し、発振状態が不安定になる。この現象を「モーティング」という。モーティングが起こると、間歇発振になり、発振周波数も一定しないので、負荷側に接続した整合回路等が正常に動作しなくなるなどの不具合が生じる（文献 1 (電気学会マイクロ波プラズマ調査専門委員会編、「マイクロ波プラズマの技術」、オーム社、平成 15年 9月 25日、 p. 240— 243)を参照）。発明の開示

発明が解決しょうとする課題

[0007] このように、マグネトロンは、プリング現象により負荷インピーダンスに応じて発振周波数が変化する上に、出力電力（アノード電流）によっても発振周波数が変化する。さらに、モーティングにより、出力電力が小さい領域で発振周波数および発振状態が不安定になる。

したがって、マグネトロンを用いたマグネトロン発振装置は、発振周波数の固定および周波数の安定化が困難であり、この問題は、マグネトロン発振装置をプラズマ生成用のマイクロ波電源等に用いるために解決しなければならな、課題である。

[0008] この課題を解決するものとして、文献 2 (国際公開第 2004Z068917号）に、マグネトロンよりも発振周波数が安定した基準信号発振器を設け、この基準信号発振器が発振する基準信号をマグネトロンに注入してマグネトロンの発振周波数を基準信号発振器の発振周波数 (基準周波数）に固定し、かつ、マグネトロンの周波数安定度を基準信号発振器の安定度に等しくする技術が提案されている。基準信号の注入により発振器の発振周波数を固定することを「インジェクションロッキング」 t 、う。

[0009] 次の関係式が成り立つときに、インジェクションロッキングが可能となる。

BW= 2F / (Q -G^{1 2}) · · · (1)

0 e

G = P /P · · · (2)

ここで、

BW:インジヱクシヨンロッキング動作時と非動作時との発振周波数の差 F ：基準信号の周波数 (基準周波数）

0

Q ：マグネトロンの負荷 Q

e

P ：マグネトロンの出力電力

P ：マグネトロンに注入される基準信号の電力（注入電力）

[0010] しかし、マグネトロンの出力電力（アノード電流）を大きくすると、式（2)より Gの値が大きぐ式（1)より BWの値が小さくなるため、インジェクションロッキングが外れやすくなり、マグネトロンの発振周波数が不安定になるという問題があった。

[0011] 本発明は、これらの課題を解決するためになされたものであり、その目的は、周波数安定度がよぐ出力電力を変化させても周波数が変動しないマグネトロン発振装置を提供することにある。

課題を解決するための手段

[0012] このような目的を達成するために、本発明に係るマグネトロン発振装置は、第 1のマグネトロンと、前記第 1のマグネトロンの出力電力を取り出すランチャーと、前記ランチヤーの出力端に一端が接続され、前記第 1のマグネトロンの負荷インピーダンスを調整するインピーダンス発生器と、前記インピーダンス発生器の他端に接続され、前記第 1のマグネトロンの出力よりも低電力かつ周波数が安定した基準信号を前記第 1のマグネトロンに供給する基準信号供給部とを備えることを特徴とする。発明の効果

[0013] 本発明では、基準信号をマグネトロンに注入することにより、マグネトロンの発振周波数を基準信号の周波数に固定し、マグネトロン発振装置の周波数安定度を向上させることができる。

また、インピーダンス発生器を用いて負荷インピーダンスを調整することにより、発振周波数の変化幅を縮小させることができる。

したがって、マグネトロンの出力電力を変化させても発振周波数を基準信号の周波数に固定することができ、発振周波数が安定した出力電力範囲を広くすることができる。

図面の簡単な説明

[0014] [図 1]図 1は、本発明の一実施例に係るマグネトロン発振装置の構成を示すブロック図である。

[図 2]図 2は、インピーダンス発生器によりマグネトロンの負荷 VSWRを一定にして、負荷位相を変化させたときのマグネトロンの発振状態を表すグラフである。

[図 3]図 3は、マグネトロンおよびマグネトロン電源の構成を示すブロック図である。

[図 4]図 4は、アノード電流とヒーター電圧との関係を示すグラフである。

[図 5A]図 5Aは、リアクタンススタブ方式のインピーダンス発生器の一構成例を示す断面図である。

[図 5B]図 5Bは、導波管分岐形のインピーダンス発生器の一構成例を示す断面図である。

[図 6A]図 6Aは、増幅器を用いて基準信号を増幅する方法の一例を説明するための図である。

[図 6B]図 6Bは、増幅器を用いて基準信号を増幅する方法の他の例を説明するための図である。

[図 7]図 7は、インジェクションロッキングを用いて基準信号を増幅する方法を説明するための図である。

[図 8]図 8は、インジェクションロッキングを並列に行い基準信号を増幅する方法を説明するための図である。

[図 9]図 9は、同期制御部の構成を示すブロック図である。

[図 10]図 10は、図 1に示したマグネトロン発振装置の変形例を示すブロック図である

[図 11]図 11は、本発明の一実施例に係るマグネトロン発振装置が用いられたプラズマ処理装置の一構成例を示す図である。

[図 12]図 12は、マグネトロンの負荷特性を示すリーケダイアグラムである。

[図 13]図 13は、マグネトロンの動作特性を示すパフォーマンスチャートである。

発明を実施するための最良の形態

[0015] 以下、図面を参照し、本発明の一実施例について詳細に説明する。

図 1は、本発明の一実施例に係るマグネトロン発振装置の構成を示すブロック図である。本実施例に係るマグネトロン発振装置 1は、マグネトロン 2と、マグネトロン電源 3 と、ランチャー 4と、インピーダンス発生器 5と、基準信号供給部 6と、アイソレーター 7 と、同期制御部 11とから構成される。

[0016] マグネトロン 2は、マグネトロン発振装置 1の発振管であり、マイクロ波 Mを発振する

。マグネトロン発振装置 1がプラズマ生成用のマイクロ波電源として用いられる場合には、例えば発振周波数が 2450MHz、出力電力が数 kW〜10kWのマグネトロン 2を用!/、ることができる。

マグネトロン電源 3は、マグネトロン 2のヒーターおよび力ソードに電圧および電流を供給する電源である。マグネトロン電源 3としては、安定度のよいスイッチングレギユレ一ター方式を用いた電源を使用し、電源変動による周波数変動を極力抑制することも必要である。

[0017] ランチャー 4は、発振したマグネトロン 2から効率よく出力電力を取り出す高周波結合器であり、一端がショートされた矩形導波管力もなる。マグネトロン 2はランチャー 4 の上に配設され、ランチャー 4の内部に突出したマグネトロン 2のアンテナ 21からマイクロ波 Mが放射される。

インピーダンス発生器 5は、インピーダンスを任意の値に設定する機能を有するものであり、定在波発生器としても作用する。インピーダンスを変化させる方式は、後述するように多種類ある。また、使用される伝送線路により、導波管系、同軸系等に分類される。インピーダンス発生器 5は、その一端がランチャー 4の出力端に接続され、マグネトロン 2の負荷インピーダンスの調整に用いられる。

[0018] 基準信号供給部 6は、基準信号 Sをマグネトロン 2に供給するものであり、少なくとも基準信号発振器 61と 3端子サーキュレーター 62とを有する。

ここで、基準信号発振器 61は、基準信号 Sを発振する発振器であり、マグネトロン 2 よりも出力電力が低くかつ発振周波数が安定した発振器が用いられる。例えば、水晶発振器または誘電体共振器を使用した DRO等を原振とし、後述するように増幅、遁倍を行い、数 W〜数 10Wの出力電力を得る。基準信号発振器 61の発振周波数、すなわち基準信号 Sの周波数は、マグネトロン 2の発振周波数を固定する所望の周波数に設定される。例えば、マグネトロン 2の発振周波数を 2450MHzに固定する場合には、その 2450MHzの基準信号 Sが用いられる。

[0019] 3端子サーキュレーター 62は、第 1端子からの入力電力を第 2端子へ、第 2端子からの入力電力を第 3端子へ、第 3端子からの入力電力を第 1端子へそれぞれ低損失で伝送し、その逆方向へは伝送しない非可逆部材である。ここでは、第 1端子はインピーダンス発生器 5の他端に接続され、第 2端子はアイソレーター 7に接続され、第 3 端子は基準信号発振器 61に接続される。したがって、基準信号発振器 61からの基準信号 Sは、インピーダンス発生器 5のみに送られ、マグネトロン 2からのマイクロ波 M はインピーダンス発生器 5からアイソレーター 7のみに送られる。なお、サーキユレータ一 62の代わりに、方向性結合器や単なる分岐、または結合器を使用してもよい。しかし、この場合は、結合度や負荷インピーダンス等の制限が生ずる。

[0020] アイソレーター 7は、負荷で反射されたマイクロ波 (反射電力） Rを吸収するものであり、 3端子サーキュレーター 71とダミーロード 72とを有する。

3端子サーキュレーター 71は、上述した 3端子サーキュレーター 62と同様の非可逆部材であり、第 1端子はサーキュレーター 62の第 2端子に接続され、第 2端子は負荷に接続され、第 3端子はダミーロード 72に接続される。したがって、負荷で反射されたマイクロ波 Rはダミーロード 72のみに送られ、マグネトロン 2からのマイクロ波 Mは基準信号供給部 6から負荷の方向のみに送られる。ダミーロード 72は、電力を効率よく吸収する機能をもつ。負荷からの反射が全反射の場合でも耐えられるように、マグネトロン 2の最大出力値でも耐えられる吸収能力を有するものが用いられる。

[0021] 同期制御部 11は、マグネトロン 2のアノード電流および出力電力を検出し、その検出結果に基づきインピーダンス発生器 5および基準信号供給部 6を制御するものである。同期制御部 11としては、マイクロコンピュータ、シーケンサ等が用いられる。この同期制御部 11につ、ては、後で詳しく説明する。

[0022] このような構成のマグネトロン発振装置 1では、マグネトロン 2のアンテナ 21からランチヤ一 4の内部に放射されたマイクロ波 Mは、インピーダンス発生器 5を経由して、サ一キュレーター 62および 71を通過し負荷へ送られる。

また、負荷で反射されたマイクロ波 Rは、サーキュレーター 71によりダミーロード 72 へ送られて吸収される。したがって、負荷で反射されたマイクロ波 Rがサーキユレータ一 62により基準信号発振器 61へ送られて基準信号発振器 61が誤動作することを防止できる。

[0023] 一方、基準信号発振器 61からの基準信号 Sは、サーキュレーター 62によりインピーダンス発生器 5を経由してランチャー 4に送られ、アンテナ 21からマグネトロン 2に注入される。

基準信号 Sがマグネトロン 2に注入されると、マグネトロン 2の発振周波数が基準信号 Sの周波数 Fに近ぐ式（1)および式（2)が成り立つ場合には、マグネトロン 2の発

0

振周波数が基準信号 Sの周波数 Fに引き寄せられて固定される (インジェクションロッ

0

キング)。基準信号 Sは周波数安定度がよいので、その基準信号 Sの周波数 Fにマグ

0 ネトロン 2の発振周波数を固定し、マグネトロン 2の発振周波数を安定ィ匕させることができる。

[0024] また、本実施例では、インピーダンス発生器 5を用いて、マグネトロン 2の負荷インピ一ダンスを変化させることができる。負荷インピーダンスが変化すると、プリング現象により、インジェクションロッキング非動作時のマグネトロン 2の発振周波数が変化する。したがって、インピーダンス発生器 5を用いて負荷インピーダンスを調整することにより、インジェクションロッキング非動作時のマグネトロン 2の発振周波数を制御することが可能となる。

この原理を用いて、本実施例では、インジェクションロッキング非動作時のマグネトロン 2の発振周波数を基準信号 Sの周波数 Fとほぼ等しくする。すなわち、式（1)の B

0

Wの値を小さくする。これにより、式（1)の関係から、 Gの値を大きくすることができる。この結果、式（2)から次のような効果が導かれる。

[0025] (ィ)マグネトロン 2の出力電力 Pが一定ならば、基準信号 Sの電力、すなわち注入電力 Pを小さくすることができる。すなわち、マグネトロン 2の出力電力 Pよりも十分に小さヽ注入電力 P.、例えば 1 Z 100以下の注入電力 Pでインジエタションロッキングを容易に行うことができる。

[0026] (口）注入電力が一定ならば、マグネトロン 2の出力電力 Pを大きくすることができる。すなわち、インジェクションロッキングが外れないマグネトロン 2の出力電力 Pの範囲を広くすることができる。

インピーダンス発生器を用いて発振周波数を制御することにより、発振周波数の変化幅を縮小させることができる。その結果、 BWの値が小さくなり、マグネトロン 2の出力電力 Pを変化させるなどしても、マグネトロン 2の発振周波数を基準信号 Sの周波数 F

0に固定し、発振周波数が安定した出力電力 Pの範囲を広くすることができる。

[0027] 図 2は、インピーダンス発生器 5により、マグネトロン 2の負荷 VSWR (電圧定在波比 )を一定にして、負荷位相を変化させたときのマグネトロン 2の発振状態を表すグラフであり、マグネトロン 2の出力電力 Pを一定にしたときの発振周波数範囲の変化を示している。

このグラフからも分力ゝるように、マグネトロン 2の出力電力 Pを変えても、インピーダンス発生器 5を用いて負荷インピーダンスを調整することにより、マグネトロン 2の発振周波数を基準信号 Sの周波数 Fに合わせることができ、その結果、インジェクションロッ

0

キングが可能な出力電力 Pの範囲を広くすることができる。

[0028] なお、リーケダイアグラム上には、マグネトロン 2の出力電力 Pに関係なぐマグネトロン 2の発振周波数が一定となる負荷インピーダンスの値がある。したがって、マグネトロン 2の出力電力 Pに応じて負荷インピーダンスを変化させることにより、発振周波数が安定した出力電力 Pの範囲を広くすることができる。 [0029] 次に、本実施例に係るマグネトロン発振装置 1の各部の構成について、さらに説明する。

[マグネトロン 2およびマグネトロン電源 3]

図 3は、マグネトロン 2およびマグネトロン電源 3の構成を示すブロック図である。マグネトロン 2は、力ソードとヒーターとが一体となったヒーター Z力ソード HZKと、アノード Aとを有している。図示しないが、アノード Aは複数に分割され、これらが振動回路 (共振回路）により接続されている。また、アノード Aと同心的にヒーター Zカソード HZKが設けられて!/、る。

[0030] ヒーター Z力ソード HZKの両端には、マグネトロン電源 3のヒーター電源 31が接続されている。ヒーター電源 31でヒーター Z力ソード HZKにヒーター電圧を印加することにより、ヒーター Z力ソード HZKが加熱され、ヒーター Z力ソード HZK力電子が放出される。

ヒーター Z力ソード HZKの一端にはさらに、マグネトロン電源 3のアノード電源 32 が接続されている。アースに接続されたアノード Aに対し、負の電圧をアノード電源 3

2からヒーター Z力ソード HZKに印加することにより、ヒーター Z力ソード HZKとァノード Aとの間に電界が形成され、ヒーター Z力ソード HZK力アノード Aに向けて電子が放出される。

この状態で、ヒーター Z力ソード ΉΖΚと平行 (電界と直角方向）に磁界を印加すると、マイクロ波 Mが発振する。

[0031] このようにしてマグネトロン 2を動作させると、ヒーター Z力ソード HZKからアノード Aに向けて放出された電子のうち、ヒーター Z力ソード ΉΖΚに戻ってきた電子が衝突することにより、ヒーター Z力ソード ΉΖΚが異常に加熱される現象が起きる。この現象を「バックヒーティング」という。発振を強くするほど、すなわち出力電力 Pを大きくするほど、ノックヒーティングが激しく起こり、ヒーター/力ソード HZKの温度が必要以上に高くなる。

[0032] マグネトロン 2の出力電力 Pに応じてアノード電流が大きくなるので、本実施例では、ヒーター電源 31を用いてアノード電流に逆比例してヒーター電圧を下げ、ヒーター Z力ソード ΉΖΚへの加熱を抑制する。図 4は、アノード電流とヒーター電圧との関係を示すグラフである。「Max」はァノード電流に対するヒーター電圧の上限、「Min」は下限をそれぞれ表している。このダラフにしたがい、ヒーター電源 31を用いてヒーター電圧を制御することにより、ノックヒ一ティングを防止することができる。

[0033] [インピーダンス発生器 5]

導波管系のインピーダンス発生器 5の構成例について説明する。

図 5Aは、リアクタンススタブ方式のインピーダンス発生器の一構成例を示す断面図である。このインピーダンス発生器 5aは、矩形導波管 50の管壁力管内へ 3本のスタブ 51a, 51b, 51cが突出する構造を有する。これらのスタブ 51a〜51cは、矩形導波管 50の軸線 Z方向に gZ8, gZ4等の間隔で配設される。「え g」は矩形導波管 5 0の管内波長である。スタブ 51a〜51cは断面が円形の金属棒力なり、矩形導波管 50の管内に突出する長さによりスタブ 51a〜51cのリアクタンスが変化し、それに応じて矩形導波管 50内のインピーダンスが変化する。なお、スタブの数は、 1本以上であればよいが、 3本の場合が主である。また、スタブは通常、矩形導波管 50の H面に配設される力 E面に配設される Eスタブ方式であってもよい。

[0034] 図 5Bは、導波管分岐形のインピーダンス発生器の一構成例を示す断面図である。

このインピーダンス発生器 5bは、矩形導波管 50の管壁に対して垂直に 3本の分岐導波管 52a, 52b, 52cが接続された構造を有する。これらの分岐導波管 52a〜52cは、矩形導波管 50の軸線 Z方向に gZ8, gZ4等の間隔で配設される。分岐導波管 52a〜52cのそれぞれは、一端が矩形導波管 50内に開口し、他端がショート板 53 a〜53cにより電気機能的にショートされている。分岐導波管 52a〜52cのそれぞれの一端力他端までの長さを変化させることにより、直列リアクタンスが変化し、矩形導波管 50内のインピーダンスが変化する。

[0035] この他に、移相器とスタブチューナとを組み合わせたもの、 3dB結合器と可変短絡器との組み合わせによるインピーダンス発生器、導波管 4分岐形チューナ (文献 3 (特開平 2— 249301号)を参照）、スラグチューナ等をインピーダンス発生器 5として用いることがでさる。

また、同軸系のインピーダンス発生器 5は、上述した導波管系の矩形導波管を同軸管に置き換えたものである。

[0036] [基準信号供給部 6]

基準信号供給部 6における基準信号の増幅方法について説明する。基準信号の増幅方法には、増幅器を用いる方法と、インジェクションロッキングを用いる方法とがある。

[0037] 図 6Aおよび図 6Bは、増幅器を用いて基準信号を増幅する方法を説明するための図である。

複数の増幅器を用いる場合には、図 6Aに示す基準信号供給部 6aのように、複数の増幅器 63a, 63b, 63cを直列に接続して、基準信号発振器 61の出力電力を増幅器 63a〜63cで順次増幅することにより、所望の電力の基準信号 Sを得ることができるまた、図 6Bに示す基準信号供給部 6bのように、分配器 65と合成器 66との間に複数の増幅器 64a, 64b, 64cを並列に接続して、基準信号発振器 61の出力を分配器 65により増幅器 64a〜64cに電力分配し、増幅器 64a〜64cの出力を合成器 66により電力合成することによつても、所望の電力の基準信号 Sを得ることができる。この場合、増幅器 64a, 64b, 64cは各々複数個直列に接続してもよい。

[0038] 図 7は、インジェクションロッキングを用いて基準信号を増幅する方法を説明するための図である。この図に示す基準信号供給部 6cは、基準信号発振器 61および 3端子サーキュレーター 62の他に、マグネトロン発振装置 1のマグネトロン 2、マグネトロン電源 3、ランチャー 4、インピーダンス発生器 5、 3端子サーキュレーター 62にそれぞれ対応するマグネトロン 102、マグネトロン電源 103、ランチャー 104、インピーダンス発生器 105、 3端子サーキュレーター 162を有している。

マグネトロン 102には、基準信号発振器 61よりも高出力で、マグネトロン 2よりも低出力のものが用いられる。基準信号発振器 61からの基準信号 S1をマグネトロン 102に注入し、マグネトロン 102の発振周波数を基準信号 S1の周波数に固定する。これにより、基準信号 S1と同様に周波数安定度がよぐしかも基準信号 S 1よりも電力が高 V、マイクロ波 S2をマグネトロン 102より得ることができる。このマイクロ波 S2を基準信号としてマグネトロン 2に注入する。なお、インピーダンス発生器 105は用いなくてもよい。

[0039] また、図 8に示す基準信号供給部 6dのように、図 7におけるマグネトロン 102とマグネトロン電源 103とランチャー 104とインピーダンス発生器 105と 3端子サーキユレ一ター 162とからなる構成体を複数設け、これらを分配器 67と合成器 68との間に並列接続して、並列にインジェクションロッキングを行うようにしてもよい。なお、図 8において、 102a, 102biまマグネトロン、 103a, 103biまマグネトロン電源、 104a, 104biまランチャー、 105a, 105bはインピーダンス発生器、 162a, 162bは 3端子サーキユレ一ター、 Sla, Sibは分配器 67によりマグネトロン 102a, 102bのそれぞれに分配される基準信号、 S2a, S2bはマグネトロン 102a, 102bのそれぞれから出力されるマイク口波、 S3はマイクロ波 S2a, S2bが合成器 68により合成されたマイクロ波である。なお、インピーダンス発生器 105a, 105bは用いなくてもよい。

[0040] 以上のようにして基準信号を増幅することにより、基準信号発振器 61として低出力の発振器を用いることができる。周波数安定度がょ、発振器であっても低出力のものは安価で入手できるので、周波数安定度がよい高出力のマグネトロン発振装置 1の製造コストを抑制することができる。

[0041] [同期制御部 11]

図 9は、同期制御部 11の構成を示すブロック図である。

同期制御部 11は、検出部 111と、データ記憶部 112と、制御部 113とを有している検出部 111は、マグネトロン電源 3からマグネトロン 2に供給されるアノード電流と、マグネトロン電源 3の出力電力を検出する回路部である。検出部 111がアノード電流および出力電力を同時に検出するようにしてもよいし、それぞれ異なるタイミングで検出するようにしてもよい。なお、図 1には、マグネトロン 2の出力電力をランチャー 4において検出する例が示されているが、基準信号供給部 6またはアイソレーター 7の負荷側に方向性結合器、プローブ等を配置し、マグネトロン 2の出力電力を検出することちでさる。

[0042] データ記憶部 112は、マグネトロン 2の負荷特性や動作特性などの諸特性力も得られる特性データを記憶する回路部である。データ記憶部 112に記憶される特性データとしては、図 13のパフォーマンスチャートによって表されるアノード電流と出力電力との関係、アノード電流と発振周波数との関係、図 12のリーケダイアグラムによって表される負荷インピーダンスと出力電力との関係、負荷インピーダンスと発振周波数との関係を示すデータなど挙げられる。データ記憶部 112は更に、インジェクションロッキングの条件式（1) , (2)も記憶している。

制御部 113は、検出部 111の検出結果に基づき、データ記憶部 112の記憶内容を参照して、インピーダンス発生器 5および基準信号供給部 6を制御する回路部である

[0043] 通常、マグネトロン 2のアノード電流を大きくして出力電力 Pを大きくすると、式（2)よつて表される Gの値が大きくなり、式（1)によって表される BWの値が小さくなるため、インジェクションロッキングが外れやすくなる。

このような場合に、同期制御部 11は、マグネトロン 2のアノード電流および出力電力の検出値に対し、マグネトロン 2の発振周波数を基準信号 Sの周波数に固定可能にする負荷インピーダンスおよび注人電力 Pの値を算出し、負荷インピーダンスおよび注入電力 Pがその値となるようにインピーダンス発生器 5および基準信号発振器 61 のそれぞれに制御信号を出力する。負荷インピーダンスおよび注入電力 Pの算出を行わず、予め用意されているマグネトロン 2のアノード電流および出力電力と制御信号との対応表にしたがって制御信号を出力するようにしてもょ、。

[0044] インピーダンス発生器 5および基準信号発振器 61が制御信号にしたがって動作することにより、マグネトロン 2の出力電力 Pに連動して、マグネトロン 2の負荷インピーダンスおよび基準信号発振器 61の出力電力が自動的に調整される。その結果、インジェクシヨンロッキング非動作時のマグネトロン 2の発振周波数が基準信号 Sの周波数に近づき、また注入電力 Pが大きくなつて Gの値が小さくなるので、インジェクションロッキングが維持される。このため、マグネトロン 2の出力電力 Pを大きくしてもインジェクシヨンロッキングが外れなくなり、発振周波数が安定した出力電力 Pの範囲を広くすることができる。

[0045] ここでは同期制御部 11がインピーダンス発生器 5および基準信号供給部 6の両方を同時に制御する例を説明したが、インピーダンス発生器 5および基準信号供給部 6 の、、ずれかを制御するようにしてもょ、。

また、同期制御部 11がマグネトロン 2のアノード電流および出力電力を検出し、これらの検出結果に基づき制御を行なう例を説明したが、同期制御部 11がマグネトロン 2 のアノード電流および出力電力のいずれか一方のみを検出し、その検出結果に基づき制御を行なうようにしてもよい。この場合には、同期制御部 11の検出部 111は、マグネトロン 2のアノード電流および出力電力のいずれかを検出する機能さえ備えていればよい。また、制御信号を出力する際に用いられる上記対応表は、アノード電流と制御信号、または、出力電力と制御信号、のいずれかの対応表でよい。

[0046] [マグネトロン発振装置の変形例]

図 10は、図 1に示したマグネトロン発振装置の変形例を示すブロック図である。この図では、図 1における構成部材と同一または相当する部材に同一符号が付してある。なお、この図には、同期制御部 11の図示が省略されている。

図 10に示すマグネトロン発振装置 laは、アイソレータ 7の位置が図 1に示したマグネトロン発振装置 1と異なる。すなわち、図 10に示すマグネトロン発振装置 laでは、 3 端子サーキュレーター 71とダミーロード 72とからなるアイソレータ 7が基準信号供給部 6e内に設けられている。

[0047] 具体的には、 3端子サーキュレーター 62の第 1端子はインピーダンス発生器 5の他端に接続され、第 2端子は負荷に接続され、第 3端子は 3端子サーキュレーター 71の第 1端子に接続される。また、 3端子サーキュレーター 71の第 2端子はダミーロード 7 2に接続され、第 3端子は基準信号発振器 61に接続される。

したがって、基準信号発振器 61からの基準信号 Sは、 3端子サーキュレーター 71 および 62を経由してインピーダンス発生器 5に送られる。また、マグネトロン 2からのマイクロ波 Mは、インピーダンス発生器 5から 3端子サーキュレーター 62を経由して、負荷に送られる。さらに、負荷で反射されたマイクロ波 Rは、 3端子サーキュレーター 6 2および 71を経由して、ダミーロード 72に送られる。

[0048] マグネトロン 2で発振したマイクロ波 Mの伝播経路に着目すると、図 1に示したマグネトロン発振装置 1ではマイクロ波 Mが負荷に至るまでに 2つのサーキユレータ 62, 7 1を通過するのに対し、図 10に示したマグネトロン発振装置 laでは 1つのサーキユレータ 62しか通過しない。サーキユレ一タの揷入損失は一般に 0. 5dB程度である。したがって、マグネトロン発振装置 laのような構成とすることにより、マグネトロン 2の出力電力を効率よく負荷に供給することが可能となる。

[0049] 次に、本実施例に係るマグネトロン発振装置 1, laの適用例について説明する。

[プラズマ処理装置]

マグネトロン発振装置 1, laは、プラズマ処理装置のマイクロ波電源として用いることができる。図 11は、マグネトロン発振装置 1, laが用いられたプラズマ処理装置の一構成例を示す図である。

[0050] この図に示すプラズマ処理装置は、上部が開口した有底円筒形の処理容器 81を有している。処理容器 81の底面中央部には、絶縁板 82を介して載置台 83が固定されている。載置台 83の上面に、処理対象の基板 84が配置される。

処理容器 81の底面周縁部には、真空排気用の排気口 85が設けられている。処理容器 81の側壁には、処理容器 81内にガスを導入するガス導入用ノズル 86が設けられている。例えばプラズマ処理装置がエッチング装置として用いられる場合には、ノズル 86から Ar等のプラズマガスと、 CF等のエッチングガスとが導入される。

4

[0051] 処理容器 81の上部開口は、誘電体板 87で閉塞されている。なお、処理容器 81の側壁上面と誘電体板 87との間に Oリングなどのシール部材 88を介在させ、処理容器 81内の気密性を確保している。

誘電体板 87の上には、処理容器 81内にマイクロ波 Mを供給するマイクロ波供給装

。 RLSA99および誘電体板 87の外周は、処理容器 81の側壁上に環状に配置されたシールド材 89によって覆われ、 RLSA99から処理容器 81内に供給されるマイクロ波が外部に漏れな 1、構造になって、る。

[0052] マイクロ波供給装置 90は、マイクロ波電源としてのマグネトロン発振装置 1, laと、伝送モードが TE の矩形導波管 91と、伝送モードを TE から TE または TM に変

10 10 11 01 換する矩形円筒変換器 92と、伝送モードが TE または TM の円筒導波管 93と、円

11 01

筒導波管 93に設けられた負荷整合器 94と、円筒導波管 93に接続されるラジアル導波路 95と、ラジアル導波路 95の下面に形成される RLSA99とを有してヽる。ここで、ラジアル導波路 95は、互いに平行な 2枚の円形導体板 96, 97と、これら 2 枚の導体板 96, 97の外周部を接続してシールドする導体リング 98とを有する。ラジアル導波路 95の上面となる導体板 96の中心部には、円筒導波管 93が接続される。また、ラジアル導波路 95の下面となる導体板 97には、複数のスロットが形成され、これらのスロットから RLSA99が構成される。

[0053] このような構成のプラズマ処理装置において、マグネトロン発振装置 1, laがマイク口波 Mを発振すると、このマイクロ波 Mは矩形導波管 91、矩形円筒変換器 92および円筒導波管 93を介して、ラジアル導波路 95に導入される。そして、ラジアル導波路 9 5に導入されたマイクロ波 Mは、ラジアル導波路 95の中心部から周縁部へ向力つて放射状に伝搬しつつ、ラジアル導波路 95下面の RLSA99から徐々に処理容器 81 内に供給される。処理容器 81内では、供給されたマイクロ波 Mにより、ノズル 86から導入されたプラズマガスが電離してプラズマ Pが生成され、基板 84に対する処理が行われる。

[0054] マグネトロン発振装置 1, laは、マグネトロン 2を発振管とするため、半導体発振装置やクライストロン発振装置と比較して、はるかに安価で製造することができる。このため、このマグネトロン発振装置 1, laをプラズマ処理装置のマイクロ波電源として用いることにより、プラズマ処理装置の製造コストを抑制することができる。

しカゝも、マグネトロン発振装置 1 , laは、半導体発振装置やクライストロン発振装置と同じく周波数安定度がよぐモーティングも起きない。このため、周波数依存性のある要素を多く含むプラズマ処理装置の動作を安定ィ匕し、かつ、一定ィ匕することができる。また、帯域特性を考慮しなくてもよいので、プラズマ処理装置の放電電極 (本実施例においては、ラジアル導波路 95および RLSA99)等の設計が容易になる。

[0055] なお、マグネトロン発振装置 1, laは、他方式のプラズマ処理装置にも用いることができる。例えば、電子サイクロトロン共鳴（electron- cyclotron -resonance： £,CR)フフスマ処理装置にも用いることができる。

[0056] [通信等]

今まで、本実施例で用いられるマグネトロン 2と同じ連続発振のマグネトロンを用いたマグネトロン発振装置は、マグネトロンの特性により通信等には不向きとされてきた。しかし、本実施例により周波数安定度を向上できたことから、マグネトロン発振装置を通信、医用加速器等にも利用できる可能性が生じた。

これら通信、医用加速器等では現在、発振管としてクライストロンが用いられている。このクライストロンは非常に高価である。このため、通信、医用加速器等にマグネトロンが利用できると、その波及効果は非常に大きい。

[0057] 以上のように、本発明では、基準信号をマグネトロンに注入することにより、マグネトロンの発振周波数が基準信号の周波数に固定される。基準信号の周波数はマグネトロンの発振周波数よりも安定して、るので、マグネトロン発振装置の周波数安定度を向上させることができる。モーティングも起きないので、負荷側に接続される整合回路等を正常に動作させることが可能となる。

[0058] また、本発明では、インピーダンス発生器を用いてマグネトロンの負荷インピーダンスを変化させることができる。マグネトロンの負荷インピーダンスを変化させると、プリング現象に基づいてマグネトロンの発振周波数が変化する。したがって、インピーダンス発生器を用いて負荷インピーダンスを調整することにより、発振周波数の変化幅を縮/ Jヽさせることができる。

すなわち、予めマグネトロンの負荷インピーダンスをリーケダイアグラム上の特定の値に調整しておくことにより、マグネトロンの出力電力に応じたマグネトロンの発振周波数の変化幅を縮小させることが可能である。

したがって、本発明によれば、マグネトロンの出力電力を変化させても発振周波数を基準信号の周波数に固定し、発振周波数が安定した出力電力範囲を広くすることができる。

[0059] また、マグネトロンの出力電力に連動してマグネトロンの負荷インピーダンスおよび基準信号の電力の少なくとも一方を変化させることにより、さらに発振周波数が安定した出力電力範囲を広くすることができる。

[0060] し力も、本発明では、発振管としてマグネトロンを用いているので、半導体発振装置やクライストロン発振装置と比較して、はるかに安価で製造することができる。本発明でも、周波数安定度が高い基準信号発振器を用いているが、この基準信号発振器は低出力で安価であるから、装置全体の製造コストはさほど高くはならない。ここで、基準信号発振器力もの基準信号を増幅器や、上記マグネトロンよりも低出力のマグネトロンを用いて増幅することにより、さらに低出力で安価な基準信号発振器を用いることができ、装置全体の製造コストを抑制することができる。

また、本発明では、アイソレーターを設けることにより、負荷からの反射電力が基準信号発振器へ送られて基準信号発振器が誤動作することを防止できる。

また、本発明では、力ソードに流れる電流が大きくなるにしたがってヒーターに印加する電圧を小さくすることにより、力ソードからアノードに向力つて放出された電子のうち、力ソードに戻ってきた電子の衝突によって生ずる力ソードの異常な加熱を抑制することがでさる。

また、本発明では、上述したマグネトロン発振装置をプラズマ処理装置に用い、安定した周波数のマイクロ波を供給することにより、周波数依存性のある要素を多く含むプラズマ処理装置の動作を安定ィ匕し、かつ、一定ィ匕することができる。また、帯域特性を考慮しなくてもよ!、ので、プラズマ処理装置の放電電極等の設計が容易になる。

Claims

請求の範囲

[1] 第 1のマグネトロンと、

前記第 1のマグネトロンの出力電力を取り出すランチャーと、

前記ランチャーの出力端に一端が接続され、前記第 1のマグネトロンの負荷インピ一ダンスを調整するインピーダンス発生器と、

前記インピーダンス発生器の他端に接続され、前記第 1のマグネトロンの出力よりも低電力かつ周波数が安定した基準信号を前記第 1のマグネトロンに供給する基準信号供給部と

を備えることを特徴とするマグネトロン発振装置。

[2] 請求項 1に記載のマグネトロン発振装置にぉ、て、

前記第 1のマグネトロンの負荷インピーダンスおよび前記基準信号供給部から供給される基準信号の電力の少なくとも一方は、前記第 1のマグネトロンの出力電力に連動して変化することを特徴とするマグネトロン発振装置。

[3] 請求項 1に記載のマグネトロン発振装置にぉ、て、

前記第 1のマグネトロンのアノード電流および出力電力の少なくとも一方に基づき前記インピーダンス発生器および前記基準信号供給部の少なくとも一方を制御する同期制御部をさらに備えることを特徴とするマグネトロン発振装置。

[4] 請求項 3に記載のマグネトロン発振装置において、

前記同期制御部は、

前記第 1のマグネトロンのアノード電流および出力電力の少なくとも一方を検出する検出部と、

前記第 1のマグネトロンの特性データを記憶するデータ記憶部と、

前記検出部の検出結果に基づき前記データ記憶部に記憶されている特性データを参照して前記インピーダンス発生器および前記基準信号供給部の少なくとも一方を制御する制御部と

を備えることを特徴とするマグネトロン発振装置。

[5] 請求項 1に記載のマグネトロン発振装置にぉ、て、

前記基準信号供給部は、基準信号を発振する基準信号発振器と、

前記基準信号発振器からの基準信号を前記インピーダンス発生器へ導くとともに、前記インピーダンス発生器からの前記第 1のマグネトロンの出力電力を負荷の方向へ導く非可逆部材と

を備えることを特徴とするマグネトロン発振装置。

[6] 請求項 5に記載のマグネトロン発振装置において、

前記非可逆部材は、サーキュレーター、方向性結合器、分岐および結合器のいずれカ 1つであることを特徴とするマグネトロン発振装置。

[7] 請求項 5に記載のマグネトロン発振装置において、

前記基準信号供給部は、前記基準信号発振器からの基準信号を増幅する増幅器を更に備えることを特徴とするマグネトロン発振装置。

[8] 請求項 7に記載のマグネトロン発振装置において、

前記増幅器を複数備え、

これらの増幅器は、直列および並列の、ずれかに接続されて、ることを特徴とするマグネトロン発振装置。

[9] 請求項 5に記載のマグネトロン発振装置において、

前記基準信号供給部は、前記基準信号発振器よりも高出力かつ前記第 1のマグネトロンよりも低出力の第 2のマグネトロンを更に備え、基準信号の注入により基準信号の周波数に発振周波数が固定された前記第 2のマグネトロンの出力電力を前記第 1 のマグネトロンに供給することを特徴とするマグネトロン発振装置。

[10] 請求項 1に記載のマグネトロン発振装置にぉ、て、

前記基準信号供給部と負荷との間に接続され、前記負荷からの反射電力を吸収するとともに、前記基準信号供給部力の前記第 1のマグネトロンの出力電力を前記負荷の方向へ導くアイソレーターを更に備えることを特徴とするマグネトロン発振装置。

[11] 請求項 10に記載のマグネトロン発振装置において、

前記アイソレータ一は、

電力を吸収するダミーロードと、

前記負荷からの反射電力を前記ダミーロードへ導くとともに、前記基準信号供給部力の前記第 1のマグネトロンの出力電力を前記負荷の方向へ導くサーキュレーターと

を備えることを特徴とするマグネトロン発振装置。

[12] 請求項 1に記載のマグネトロン発振装置にぉ、て、

前記基準信号供給部は、

基準信号を発振する基準信号発振器と、

前記基準信号発振器に一端が接続された接続されたアイソレータと、

前記アイソレータの他の一端と前記インピーダンス発生器の他端と負荷とに接続された非可逆部材とを備え、

前記非可逆部材は、前記インピーダンス発生器からの前記第 1のマグネトロンの出力電力を前記負荷の方向へ導くとともに、前記負荷力の反射電力を前記アイソレータへ導き、

前記アイソレータは、前記非可逆部材からの反射電力を吸収するとともに、前記基準信号発振器からの基準信号を前記非可逆部材へ導き、

前記非可逆部材は更に、前記アイソレータ力の基準信号を前記インピーダンス発生器へ導くことを特徴とするマグネトロン発振器。

[13] 請求項 1に記載のマグネトロン発振装置にぉ、て、

前記第 1のマグネトロンは、加熱により電子を放出する力ソードと、印加される電圧に応じて前記力ソードを加熱するヒーターと、前記力ソードとの間に電界が形成されるアノードとを備え、

さらに、前記アノードに流れる電流が大きくなるにしたがって前記ヒーターに印加する前記電圧を小さくするヒーター電源を備えることを特徴とするマグネトロン発振装置

[14] 請求項 1に記載のマグネトロン発振装置にぉ、て、

マイクロ波により生成されたプラズマを用いて被処理体に対し所定の処理を行うプラズマ処理装置のマイクロ波電源として用いられることを特徴とするマグネトロン発振装置。