JP4528870B1 - Magnetron oscillation apparatus and plasma processing apparatus - Google Patents
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Abstract
【課題】発信周波数をより安定させることができるマグネトロン発振装置およびプラズマ処理装置を提供する。
【解決手段】周波数検出部7は、マグネトロン2から出力されたマイクロ波の周波数と、ユーザが所定の所望する発信周波数からの「ずれ」を検出してずれ信号を生成する。駆動電圧生成部8は、そのずれ信号に基づいてマイクロ波の発振周波数が所望する周波数となるようインピーダンス発生器5の駆動電圧を生成して出力する。これにより、マグネトロン2の発振を制御することができるので、広範囲な出力電力において発振周波数の安定化を実現することができる。
【選択図】 図1A magnetron oscillation device and a plasma processing apparatus capable of further stabilizing a transmission frequency are provided.
A frequency detector 7 detects a “shift” from a microwave frequency output from a magnetron 2 and a transmission frequency desired by a user, and generates a shift signal. The drive voltage generator 8 generates and outputs a drive voltage of the impedance generator 5 based on the deviation signal so that the oscillation frequency of the microwave becomes a desired frequency. Thereby, since the oscillation of the magnetron 2 can be controlled, the oscillation frequency can be stabilized in a wide range of output power.
[Selection] Figure 1
Description
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するものである。 The present invention relates to a magnetron oscillation device using a magnetron as an oscillation tube.
マイクロ波帯の発振装置の1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。 One of the oscillation devices in the microwave band is a semiconductor oscillation device that uses a transistor as an amplifier. This semiconductor oscillation device is used in a frequency band up to about 1000 MHz. However, in the frequency band of 2450 MHz necessary for plasma generation, the number of usable semiconductor elements is small and expensive, so that the semiconductor oscillation device is very expensive.
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、安価に入手できる。また、マグネトロンの駆動用電源は、構成が簡単で、安価に製作できる。したがって、マグネトロン発振装置は、プラズマ生成用の電源として多用されている。
Examples of the 2450 MHz band oscillator include a klystron oscillator and a magnetron oscillator. The klystron oscillator is excellent in frequency stability, amplitude controllability, etc., but the klystron is expensive and the price of the power supply for driving the klystron is relatively high. Become.
On the other hand, magnetron oscillators have mass-produced magnetrons up to about 10 kW output power necessary for plasma generation, and can be obtained at low cost. The magnetron drive power supply is simple in construction and can be manufactured at low cost. Therefore, the magnetron oscillation device is frequently used as a power source for generating plasma.
ところが、マグネトロンは、負荷インピーダンスまたは出力電力の変動により、発振周波数が変化してしまう。
負荷インピーダンスによって発振周波数が変化する現象を「プリング現象」と言う。
However, the oscillation frequency of the magnetron changes due to variations in load impedance or output power.
A phenomenon in which the oscillation frequency changes depending on the load impedance is called a “pulling phenomenon”.
また、マグネトロンは、アノード電流に対し、アノード電圧がほぼ一定で、かつ、出力電力がほぼ比例して変化する。また、発振周波数も規格値内ではあるが、アノード電流に応じて変化してしまう。 In the magnetron, the anode voltage is substantially constant with respect to the anode current, and the output power changes in proportion to the anode current. Also, the oscillation frequency is within the standard value, but changes depending on the anode current.
さらに、マグネトロンは、アノード電流により出力電力を可変できるが、その出力電力が所定の値以下になると、発振モードがジャンプして異なった周波数で発振してしまう。この発振状態が不安定になる現象を「モーディング」と言う。モーディングは、ヒータ電圧または負荷インピーダンスの変化によっても起こり、モーディングが起こると、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。 Furthermore, the output power of the magnetron can be varied by the anode current. However, when the output power falls below a predetermined value, the oscillation mode jumps and oscillates at a different frequency. This phenomenon in which the oscillation state becomes unstable is called “moding”. Moding can also be caused by changes in heater voltage or load impedance. If moding occurs, intermittent oscillation occurs and the oscillation frequency is not constant, so that the matching circuit connected to the load cannot operate normally. Occurs.
このような問題を解決すべく、従来よりマグネトロン発振装置について様々な提案がなされている。 In order to solve such problems, various proposals have been made for magnetron oscillation devices.
例えば、特許文献1には、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(同期)し、マグネトロン発振装置の周波数の安定化を図る、いわゆるインジェクションロッキング方式のマグネトロン発振装置が開示されている。
For example,
また、特許文献2には、基準信号をマグネトロンに注入するとともに、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、改良型インジェクションロッキング方式のマグネトロン発振装置が開示されている。この装置によれば、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ので、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、発振周波数と基準信号の周波数とのずれを小さくし、インジェクションロッキング動作を容易にしている。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。
しかしながら、上述したインジェクションロッキング方式のマグネトロン発振装置では、マグネトロンの負荷Qおよび基準信号発生器の注入電力が一定であると、マグネトロンのアノード電流を増加して出力電力を大きくすると、インジェクションロッキングが外れてしまい、周波数の安定させるのが困難であった。 However, in the above-described injection-locking-type magnetron oscillation device, if the load Q of the magnetron and the injection power of the reference signal generator are constant, the injection locking is released if the anode current of the magnetron is increased to increase the output power. Therefore, it has been difficult to stabilize the frequency.
また、上述した改良型インジェクションロッキング方式のマグネトロン発振装置では、インピーダンス発生器または基準信号発振器を適切に作動させるために、まず、予めマグネトロンの特性データ、インジェクションロッキングの条件式を記憶させておき、アノード電流または出力電流の検出値に対して同期可能な負荷インピーダンスおよび注入電力を算出し、インピーダンス発生器または基準信号発振器の制御信号を出力することが必要である。また、予めマグネトロンのアノード電流および出力電力と制御信号との対応表を記憶させておき、検出値に対応した制御信号を出力することも必要である。このため、処理や装置構成が複雑であった。 In the above-described improved injection locking type magnetron oscillation device, in order to properly operate the impedance generator or the reference signal oscillator, first, the characteristic data of the magnetron and the conditional expression of the injection locking are stored in advance. It is necessary to calculate the load impedance and the injection power that can be synchronized with the detected value of the current or the output current, and output the control signal of the impedance generator or the reference signal oscillator. It is also necessary to store a correspondence table between the anode current and output power of the magnetron and the control signal in advance and output a control signal corresponding to the detected value. For this reason, the processing and the device configuration are complicated.
さらに、何れのマグネトロン発振装置においても、低コスト化を実現することが困難であった。すなわち、容易にインジェクションロッキングを行うためには、マグネトロンの出力電力の少なくとも1/100の注入電力が必要であり、例えば、10kWのマグネトロン発振装置では100Wの注入電力が必要なる。このため、基準信号発振器は、発振器とともに増幅器も必要となり、製造コストの上昇を招いていた。 Further, in any magnetron oscillation device, it has been difficult to realize cost reduction. That is, in order to perform injection locking easily, an injection power of at least 1/100 of the output power of the magnetron is required. For example, a 10 kW magnetron oscillation apparatus requires an injection power of 100 W. For this reason, the reference signal oscillator requires an amplifier as well as an oscillator, leading to an increase in manufacturing cost.
そこで、本願発明は、発振周波数をより安定させることができるマグネトロン発振装置およびプラズマ処理装置を提供することを第1の目的とする。 Accordingly, a first object of the present invention is to provide a magnetron oscillation device and a plasma processing apparatus that can further stabilize the oscillation frequency.
また、本願発明は、より簡易な構成で発振周波数を安定させることができるマグネトロン発振装置およびプラズマ処理装置を提供することを第2の目的とする。 It is a second object of the present invention to provide a magnetron oscillation device and a plasma processing apparatus that can stabilize the oscillation frequency with a simpler configuration.
さらに、本願発明は、低コストで発振周波数を安定させることができるマグネトロン発振装置およびプラズマ処理装置を提供することを第3の目的とする。 Furthermore, a third object of the present invention is to provide a magnetron oscillation device and a plasma processing apparatus that can stabilize the oscillation frequency at low cost.
上述したような課題を解決するために、本発明に係るマグネトロン発振装置は、マグネトロンと、このマグネトロンの出力電力を取り出すランチャーと、このランチャーに入力端が接続されて、マグネトロンの負荷サセプタンスを調整するインピーダンス発生器と、このインピーダンス発生器に入力端が接続されて、通過電力の一部を取り出す周波数結合器と、入力端が周波数結合器の第1の出力端に接続され、マグネトロンの発振周波数と所定の周波数とのずれに応じたずれ信号を出力する周波数検出部と、この周波数検出部に入力端が接続され、インピーダンス発生器に出力端が接続されて、ずれ信号に基づいて、マグネトロンの発振周波数を所定の周波数にするための駆動電圧を生成してインピーダンス発生器に出力する駆動電圧生成部とを備えたことを特徴とするものである。 In order to solve the above-described problems, a magnetron oscillation device according to the present invention adjusts the load susceptance of a magnetron by connecting a magnetron, a launcher that extracts the output power of the magnetron, and an input end to the launcher. An impedance generator, a frequency coupler having an input terminal connected to the impedance generator and extracting a part of the passing power, an input terminal connected to a first output terminal of the frequency coupler, and an oscillation frequency of the magnetron A frequency detection unit that outputs a deviation signal corresponding to a deviation from a predetermined frequency, and an input end connected to the frequency detection unit, an output end connected to an impedance generator, and based on the deviation signal, oscillation of the magnetron Drive voltage generation that generates a drive voltage to make the frequency a predetermined frequency and outputs it to the impedance generator It is characterized in that it comprises and.
上記マグネトロン発振装置において、入力端が周波数結合器の第2の出力端に接続され、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をさらに備えるようにしてもよい。ここで、非可逆部材は、インピーダンス発生器と周波数結合器との間に配設するようにしてもよい。また、非可逆部材としては、アイソレータ、サーキュレータ等を適用することができる。 The magnetron oscillation device may further include a non-reciprocal member having an input end connected to the second output end of the frequency coupler and guiding the output power of the magnetron toward the load. Here, the nonreciprocal member may be disposed between the impedance generator and the frequency coupler. Moreover, an isolator, a circulator, etc. are applicable as a nonreciprocal member.
上記マグネトロン発振装置において、インピーダンス発生器は、矩形導波管と、この矩形導波管の対向する広面の内壁面にそれぞれ配設されたフェライトと、このフェライトと対応する位置で矩形導波管の外周に巻回されたコイルとからなるフェライト移相器と、このフェライト移相器の一端に接続された短絡板と、移相器の他端に接続された分岐導波管とを少なくとも1組備えるようにしてもよい。 In the magnetron oscillation device, the impedance generator includes a rectangular waveguide, a ferrite disposed on each of the opposing inner surfaces of the rectangular waveguide, and a rectangular waveguide at a position corresponding to the ferrite. At least one set of a ferrite phase shifter composed of a coil wound around the outer periphery, a short-circuit plate connected to one end of the ferrite phase shifter, and a branching waveguide connected to the other end of the phase shifter You may make it prepare.
上記マグネトロン発振装置において、周波数結合器の第2の出力端に一端が接続されて、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マグネトロンに供給する基準信号供給部をさらに備えるようにしてもよい。
ここで、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、一端が基準信号発振器の出力端に接続された非可逆部材と、一端が非可逆部材の他端に接続されて、基準信号発振器からの基準信号を周波数結合器を通してマグネトロンへ導くとともに、周波数結合器からのマグネトロンの出力電力を負荷の方向へ導くサーキュレータとを備えるようにしてもよい。ここで、非可逆部材は用いないようにしてもよい。
The magnetron oscillation device may further include a reference signal supply unit that is connected at one end to the second output terminal of the frequency coupler and supplies a reference signal having a lower power and a stable frequency than the output of the magnetron to the magnetron. May be.
Here, the reference signal supply unit includes a reference signal oscillator that oscillates the reference signal, a nonreciprocal member having one end connected to the output end of the reference signal oscillator, and one end connected to the other end of the nonreciprocal member, A reference signal from the signal oscillator may be guided to the magnetron through the frequency coupler, and a circulator may be provided that guides the output power of the magnetron from the frequency coupler in the direction of the load. Here, the irreversible member may not be used.
上記マグネトロン発振装置において、周波数検出部は、入力端が周波数結合器の第1の出力端に接続された分割回路と、第1の入力端が分割回路の第1の出力端に接続された位相検波回路と、入力端が分割回路の第2の出力端に接続され、出力端が位相検波回路の第2の入力端に接続された移相回路とを備えるようにしてもよい。ここで、分割回路としては、電力分配器、3dBハイブリッド等を適用することができる。位相検波回路としては、バランスミキサー等を適用することができる。移相回路としては、ディレイライン、ラインストレッチャー、共振器等を適用することができる。 In the magnetron oscillation device, the frequency detection unit includes a split circuit having an input terminal connected to the first output terminal of the frequency coupler, and a phase having a first input terminal connected to the first output terminal of the split circuit. You may make it provide a detection circuit and a phase shift circuit by which the input terminal was connected to the 2nd output terminal of a division circuit, and the output terminal was connected to the 2nd input terminal of a phase detection circuit. Here, a power divider, a 3 dB hybrid, or the like can be applied as the dividing circuit. A balance mixer or the like can be applied as the phase detection circuit. As the phase shift circuit, a delay line, a line stretcher, a resonator, or the like can be applied.
また、上記マグネトロン発振装置において、周波数検出部は、入力端が周波数結合器の第1の出力端に接続された分割回路と、入力端が分割回路の第1の出力端に接続された第1の共振回路と、入力端が第1の共振回路に接続された第1の検波回路と、入力端が分割回路の第2の出力端に接続された第2の共振回路と、入力端が第2の共振回路に接続された第2の検波回路と、第1の入力端が第1の検波回路に接続され、第2の入力端が第2の検波回路に接続された加算回路とを備えるようにしてもよい。ここで、共振回路としては、LC並列共振器、キャビティー等を適用することができる。検波回路としては、エンベロープ検波器等を適用することができる。 In the magnetron oscillation device, the frequency detection unit includes a split circuit having an input terminal connected to the first output terminal of the frequency coupler, and a first input terminal connected to the first output terminal of the split circuit. A first detection circuit whose input terminal is connected to the first resonance circuit, a second resonance circuit whose input terminal is connected to the second output terminal of the split circuit, and whose input terminal is the first A second detection circuit connected to the second resonance circuit, and a summing circuit having a first input terminal connected to the first detection circuit and a second input terminal connected to the second detection circuit. You may do it. Here, an LC parallel resonator, a cavity, or the like can be applied as the resonant circuit. An envelope detector or the like can be applied as the detection circuit.
上記マグネトロン発振装置において、マグネトロンは、加熱により電子を放出するカソードと、このカソードを加熱するヒータと、カソードとの間に電界を形成するアノードとを少なくとも備え、アノードに流れる電流が大きくなるにしたがってヒータに印加する電圧を小さくするヒータ電源をさらに備えるようにしてもよい。 In the magnetron oscillation device, the magnetron includes at least a cathode that emits electrons by heating, a heater that heats the cathode, and an anode that forms an electric field between the cathode, and the current flowing through the anode increases. You may make it further provide the heater power supply which makes the voltage applied to a heater small.
また、本発明に係るプラズマ処理装置は、マイクロ波により生成されたプラズマを用いて、被処理体に対して所定の処理を行うプラズマ処理装置であって、マイクロ波の供給源として上記マグネトロン発振装置を備えることを特徴とするものである。 The plasma processing apparatus according to the present invention is a plasma processing apparatus that performs a predetermined process on an object to be processed using plasma generated by microwaves, and the magnetron oscillation apparatus is used as a microwave supply source. It is characterized by providing.
本発明によれば、周波数検出部により、所望する発振周波数からのずれを検出してずれ信号を生成し、駆動電圧生成部により、そのずれ信号に基づいてマグネトロンの発振周波数が所望する周波数となる駆動電圧を生成して当該インピーダンス発生器に出力することにより、マグネトロンの発振を制御することができるので、広範囲な出力電力において発振周波数の安定化を実現することができる。 According to the present invention, the frequency detector detects a deviation from a desired oscillation frequency and generates a deviation signal, and the drive voltage generation unit makes the magnetron oscillation frequency a desired frequency based on the deviation signal. By generating the drive voltage and outputting it to the impedance generator, the oscillation of the magnetron can be controlled, so that the oscillation frequency can be stabilized over a wide range of output power.
以下、図面を参照して、本発明の実施の形態について詳細に説明する。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings.
[第1の実施の形態]
図1に示すように、本発明に係る第1の実施の形態の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、周波数結合器6と、周波数検出部7と、駆動電圧生成部8と、アイソレータ9とから構成される。
[First Embodiment]
As shown in FIG. 1, the
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、マグネトロン電源3から電力の供給を受けて発振し、マイクロ波を出力する。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を用いることができる。
The
マグネトロン電源3は、マグネトロン2のヒータおよびカ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ュレーター方式を用いた電源を使用して、電源変動による周波数変動を極力抑制することが望ましい。
The
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からなる。マグネトロン2は、ランチャー4に隣接して設けられ、アンテナがランチャー4の内部に突出しており、そのアンテナからマイクロ波を放射する。
The
インピーダンス発生器5は、マグネトロン2の負荷サセプタ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。マグネトロン2の負荷を変化させる方式は多種類ある。また、使用される伝送線路の種類により、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の負荷サセプタンスの調整に用いられる。図2に、導波管系のインピーダンス発生器5の構成例を示す。
The
図2Aに示すように、リアクタンススタブ方式のインピーダンス発生器5aは、矩形導波管50の管壁から管内へ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λg/8,λg/4等の間隔で配設される。「λg」は矩形導波管50の管内波長である。スタブ51a〜51cには、入力される駆動信号に応じて、矩形導波管50の管内に突出する長さを調整するアクチュエータ(図示せず)が取り付けられている。スタブ51a〜51cは断面が円形の金属棒からなり、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面に配設されるが、E面に配設されてもよい。
As shown in FIG. 2A, the reactance stub
図2B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λg/8,λg/4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53a〜53cにより電気機能的にショートされている。ショート板53a〜53cには、入力される駆動信号に応じて、分岐導波管52a〜52c内部における位置を調整するアクチュエータ(図示せず)が取り付けられている。これにより、分岐導波管52a〜52cのそれぞれの一端から他端までの長さを変化させることによって、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。
FIG. 2B is a cross-sectional view showing a configuration example of a waveguide branch type impedance generator. The
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、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きる。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。
In addition, a combination of a phase shifter and a stub tuner, an impedance generator using a combination of a 3 dB coupler and a variable short circuit, a waveguide four-branch tuner, a slag tuner, etc. are used as the
周波数結合器6は、通過電力の一部を取り出す機能を有するものであり、例えば、方向性結合器や電力分配器などからなる。周波数結合器6は、その一端がインピーダンス発生器5の出力端に接続され、第1の他端が周波数検出部7に、第2の他端がアイソレータ9に接続されている。これにより、マグネトロン2の出力電力の概ね1/1000000以下の電力を取り出して周波数検出部7に出力するとともに、これ以外の出力電力をアイソレータ9に出力する。
The
周波数検出部7は、マグネトロン2の発振周波数と所定の周波数との「ずれ」に相当する直流電圧を出力する機能を有するものである。周波数検出部7は、出力端が駆動電圧生成部8に接続され、検出した「ずれ」に相当する直流電圧をずれ信号として駆動電圧生成部8に出力する。
The
駆動電圧生成部8は、ずれ信号を処理してインピーダンス発生器5の駆動信号を生成する機能を有するものであり、例えば増幅器などから構成される。駆動電圧生成部8は、出力端がインピーダンス発生器5に接続され、生成した駆動信号をインピーダンス発生器5に出力する。
The drive
アイソレータ9は、マイクロ波を負荷の方向に送出するとともに、負荷で反射されたマイクロ波(反射電力)を吸収する機能を有するものである。
The
このような構成のマグネトロン発振装置1において、マグネトロン2からランチャー4に放射されたマイクロ波は、インピーダンス発生器5を経由して、周波数結合器6を通過してアイソレータ9から負荷へ送られる。このとき、周波数検出部7は、マグネトロン2の発振周波数と所望する周波数とのずれを検出している。マグネトロン2の発振周波数が所望する周波数からずれると、周波数検出部7によりずれ信号が生成され、このずれ信号に基づき駆動電圧生成部8によりインピーダンス発生器5の駆動信号が生成され、この駆動信号に基づきインピーダンス発生器5によりマグネトロン2の負荷サセプタンスが調整される。これにより、マグネトロン2から出力されるマイクロ波の発振周波数を所定の周波数に近づける。このように、マグネトロン2の発振周波数と、ユーザが所望する所定の周波数とのずれの程度に応じて、インピーダンス発生器5でマグネトロン2の負荷サセプタンスを調整するように構成されたフィードバック回路を備えることにより、常に、マグネトロン2の発振周波数を所望する周波数に近づけようとする周波数制御機能が働く。これにより、マグネトロン2の発振周波数は所望する周波数となる。
In the
このように、本実施の形態によれば、周波数検出部7により、マグネトロン2から出力されたマイクロ波の周波数と、ユーザが所定の所望する発振周波数からの「ずれ」を検出してずれ信号を生成し、駆動電圧生成部8により、そのずれ信号に基づいてマイクロ波の発振周波数が所望する周波数となるようインピーダンス発生器5の駆動電圧を生成して出力することにより、マグネトロン2の発振を制御することができるので、広範囲な出力電力において発振周波数の安定化を実現することができる。
As described above, according to the present embodiment, the
また、周波数検出部7は、安価なmWクラスの部材で構成することができるので、従来のように基準信号発振器を用いた場合よりも低コスト化を実現することができる。
Further, since the
また、周波数検出部7は、受動部材で構成するために電力を必要としないので、ランニングコストを抑えることができる。
Moreover, since the
また、アイソレータ9を設けることにより、負荷からの反射電力を吸収でき、上記フィードバック回路の誤動作を防ぐことができる。
Also, by providing the
[第2の実施の形態]
次に、本発明に係る第2の実施の形態について説明する。なお、本実施の形態は、第1の実施の形態とインピーダンス発生器の構成を変えたものである。したがって、本実施の形態において、第1の実施の形態と同等の構成要素については、同じ名称および符号を付し、適宜説明を省略する。
[Second Embodiment]
Next, a second embodiment according to the present invention will be described. In this embodiment, the configuration of the impedance generator is changed from that of the first embodiment. Therefore, in the present embodiment, the same names and symbols are assigned to the same components as those in the first embodiment, and the description thereof is omitted as appropriate.
インピーダンス発生器がスタブ等をモータで動かす機械的駆動方式の場合、その駆動に一定の作動時間を要するので、マグネトロンの発信周波数を所望する周波数に合致させるのにも一定の時間が必要となる。そこで、本実施の形態では、インピーダンス発生器として、機械的駆動方式の装置の替わりにフェライト移相器を用いている。 In the case of a mechanical drive system in which the impedance generator moves a stub or the like with a motor, a certain operation time is required for the drive. Therefore, a certain time is required to match the oscillation frequency of the magnetron with a desired frequency. Therefore, in the present embodiment, a ferrite phase shifter is used as the impedance generator instead of the mechanical drive type device.
フェライト移相器とは、導波管と、この導波管の内壁面に配置されたフェライトと、この導波管の外周に巻回されているコイルとから構成され、このコイルに電流を流して磁界を発生させ、またはコイルに流れる電流を変化させて磁界を変化させることにより、フェライトの磁気特性、主に透磁率を変化させて高周波の導波管内波長を変化させ、伝搬する高周波の位相を変化させるものである。したがって、本実施の形態において、駆動電圧生成部8は、周波数検出部7から入力されるずれ信号に基づいて、フェライト移相器のコイルに出力する電流を、駆動信号として生成する。
The ferrite phase shifter is composed of a waveguide, a ferrite disposed on the inner wall surface of the waveguide, and a coil wound around the outer periphery of the waveguide, and a current is passed through the coil. By changing the magnetic field by generating a magnetic field or changing the current flowing in the coil, the magnetic properties of the ferrite, mainly the permeability, is changed to change the wavelength in the high-frequency waveguide, and the phase of the high frequency that propagates Is something that changes. Therefore, in the present embodiment, the drive
図3Aに示すように、インピーダンス発生器5cは、複数の分岐導波管54を連結して導波管路を構成すると共に、導波管路を構成する分岐導波管54の側部に、フェライト移相器55の一端を連結し、各フェライト移相器55の他端を短絡板56によりそれぞれ短絡している。
第1の例のインピーダンス発生器5cは、導波管路にマグネトロン2から負荷に向かって導波管路内に高周波HFを流し、この導波管路内の各フェライト移相器55の他端にそれぞれ対応する点Pにおいて位相を変化させ、インピーダンスを変化させるものである。
As shown in FIG. 3A, the
The
なお、インピーダンス発生器は、図3Bに示す構成としてもよい。この図3Bに示すインピーダンス発生器5dは、分岐導波管54とフェライト移相器55を連結して導波管路を構成すると共に、導波管路を構成するフェライト移相器55の前に連結されている分岐導波管54の側部に、フェライト移相器55の一端を連結して接続し、このフェライト移相器55の他端に短絡板56を設けている。
第2例のインピーダンス発生器5dは、導波管路にマグネトロン2から負荷に向かって導波管路に高周波HFを流し、この導波管路内のフェライト移相器55に対応する点Pと、導波管路を構成するフェライト移相器55とで位相を変化させ、インピーダンスを変化させるものである。
The impedance generator may be configured as shown in FIG. 3B. The
The
図3Bに示すインピーダンス発生器5dでは、導波管路を構成する分岐導波管54の側部に接続するフェライト移相器55の位置を、導波管路を構成するフェライト移相器55よりもマグネトロン2側としているが、その位置を、導波管路を構成するフェライト移相器55よりも負荷側としてもよい。
In the
上記インピーダンス発生器5c,5bは、第1の実施の形態におけるインピーダンス発生器5が機械的駆動であるのに対し、電気(電子)的駆動とすることができる。したがって、作動速度を短縮することができ、1〜2secであった作動時間を10〜20msecにすることができる。さらに、故障しにくいことから、メンテナンスフリーとすることができる。
The
[第3の実施の形態]
次に、本発明に係る第3の実施の形態について説明する。なお、本実施の形態は、第1の実施の形態とアイソレータに対応する構成を変えたものである。したがって、本実施の形態において、第1の実施の形態と同等の構成要素については、同じ名称および符号を付し、適宜説明を省略する。
[Third Embodiment]
Next, a third embodiment according to the present invention will be described. The present embodiment is different from the first embodiment in the configuration corresponding to the isolator. Therefore, in the present embodiment, the same names and symbols are assigned to the same components as those in the first embodiment, and the description thereof is omitted as appropriate.
図4に示すように、本実施の形態に係るマグネトロン発振装置10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、周波数結合器6と、周波数検出部7と、駆動電圧生成部8と、基準信号供給部11とから構成される。
As shown in FIG. 4, the
ここで、基準信号供給部11は、基準信号をマグネトロン2に供給するものであり、少なくとも、基準信号発振器12と、非可逆部材13と、サーキュレータ14とを有する。
Here, the reference
基準信号発振器12は、基準信号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、増幅、逓倍を行い、数W〜数10Wの出力電力を得る。基準信号発振器12の発振周波数、すなわち基準信号の周波数は、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の基準信号が用いられる。
The
非可逆部材13は、一端が基準信号発振器12の出力端に、他端がサーキュレータ14の一方の入力端に接続されて、基準信号発振器12からの基準信号をサーキュレータ14に伝送する一方、その逆方向へは伝送させないものである。
The
サーキュレータ14は、非可逆部材13の出力端に一端が接続され、基準信号発振器12からの基準信号を、周波数結合器6を通してマグネトロン2に導くとともに、周波数結合器6からのマグネトロン2の出力電力を負荷の方向へ導く機能を有する。
The circulator 14 has one end connected to the output end of the
本実施の形態では、周波数結合器6によりマグネトロン2からのマイクロ波の一部を抽出し、周波数検出部7により抽出したマイクロ波の周波数と所定の周波数とのずれを検出してずれ信号を生成し、駆動電圧生成部8によりそのずれ信号に基づいてインピーダンス発生器5の駆動信号を生成し、インピーダンス発生器5によりその駆動信号に基づいてマグネトロン2の負荷サセプタンスを調整することにより、マグネトロン2の発振周波数を所望する周波数に近づけようとする周波数制御機能が機能している。このような状態において、基準信号供給部11により所望する周波数の基準信号を注入することにより、マグネトロン2の発振周波数は、周波数制御機能によって常に基準振動の周波数に近づけられ、インジェクションロッキング機能が働く範囲内に入ると同時に、所望する周波数に固定される。これにより、周波数制御機能の動作途中でインジェクションロッキング機能が働き、所望する周波数に固定されるので、マグネトロン2の発振周波数が所望する周波数に合致するまで時間をさらに短縮することができる。
In this embodiment, a part of the microwave from the
なお、本実施の形態において、インピーダンス発生器5を第2の実施に示したインピーダンス発生器5c,5bにしてもよいことは言うまでもない。
また、本実施の形態において、非可逆部材13は設けないようにしてもよい。
また、本実施の形態において、基本信号供給部11の入力端が周波数結合器6の出力端に接続されているが、基準信号供給部11の入力端をインピーダンス発生器5の出力端に、基準信号供給部11の出力端を周波数結合器6の入力端に接続するようにしてもよい。
In the present embodiment, it goes without saying that the
In the present embodiment, the
In this embodiment, the input end of the basic
[第4の実施の形態]
次に、本発明に係る第4の実施の形態について説明する。なお、本実施の形態は、第1の実施の形態と周波数検出部の構成を変えたものである。したがって、本実施の形態において、第1の実施の形態と同等の構成要素については、同じ名称および符号を付して、適宜説明を省略する。
[Fourth Embodiment]
Next, a fourth embodiment according to the present invention will be described. In this embodiment, the configuration of the frequency detection unit is changed from that of the first embodiment. Therefore, in the present embodiment, the same components as those in the first embodiment are denoted by the same names and reference numerals, and description thereof will be omitted as appropriate.
図5に示すように、周波数検出部7aは、電力分配器71と、バランスドミキサー72と、ディレーライン73とを備えている。
As shown in FIG. 5, the
電力分配器71は、分割回路として機能するものであり、周波数結合器6の一方の出力端が接続されている。また、電力分配器71は、2つの出力端を有しており、一方がバランスドミキサー72に、他方がディレーライン73に接続されている。
The
バランスドミキサー72は、位相検波器として機能するものである。このバランスドミキサーは、2つの入力端を有しており、その第1の入力端が電力分配器71に、第2の入力端がディレーライン73に接続されている。また、バランスドミキサー72の出力端は、駆動電圧生成部8に接続されている。
The
ディレーライン73は、移相回路として機能するものである。
The
このような周波数検出部7aにおいて、周波数結合器6から入力されたマイクロ波(周波数f)は、電力分配器71により二分割され、その一方(第1の経路)がバランスドミキサー72の第1の入力端に、他方(第2の経路)がディレーライン73を経てバランスドミキサー72の第2の入力端に入力される。
In such a
ここで、ディレーライン73の電気長L、マイクロ波が経路を伝搬するときの速度C、および、マイクロ波が第1の経路および第2の経路をそれぞれ通過するのに有する時間の差Tは、下式(1)に示す関係を有する。
Here, the electrical length L of the
T=L/C ・・・(1) T = L / C (1)
上式(1)から、バランスドミキサー72の第1の入力端と第2の入力端におけるマイクロ波の位相差θは、下式(2)で表される。
From the above equation (1), the microwave phase difference θ between the first input end and the second input end of the
θ=2πfT=2πf(L/C) ・・・(2) θ = 2πfT = 2πf (L / C) (2)
入力端での位相差がθであるマイクロ波が入力したとき、バランスドミキサー72の出力電圧は、下式(3)で表される。なお、下式(3)において、kはバランスドミキサー72の感度等により決まる定数、Pはマイクロ波の入力電力である。
When a microwave having a phase difference θ at the input end is input, the output voltage of the
VOUT=kPcosθ ・・・(3) V OUT = kP cos θ (3)
上式(3)により、位相差θがπ/2の奇数倍、すなわちθ=π/2,3π/2,5π/2,・・・のとき、VOUT=0となり、VOUTとθとの関係は、図6の符号aで示すようなcos曲線となる。 From the above equation (3), when the phase difference θ is an odd multiple of π / 2, that is, θ = π / 2, 3π / 2, 5π / 2,..., V OUT = 0, and V OUT and θ Is a cos curve as shown by reference symbol a in FIG.
所望する周波数(f0)のマイクロ波が入力されたとき、周波数検出部7a(バランスドミキサー72)の出力電圧が0Vとなるように、ディレーライン73の電気長(L)を設定すると、周波数検出部7aに入力されるマイクロ波の周波数fとその位相差θとの関係は、上式(2)により下式(4)で表されるように、比例関係となることがわかる。したがって、fとVOUTとの関係は、上式(3)のθをf/Kで置き換えたものとなり、図6で横軸をfに置換えたcos曲線となる。
When microwaves of the desired frequency (f 0) is input, so that the output voltage of the
f=(1/2π)×(C/L)×θ=Kθ ・・・(4)
(K=(1/2π)×(L/C):定数)
f = (1 / 2π) × (C / L) × θ = Kθ (4)
(K = (1 / 2π) × (L / C): constant)
すなわち、周波数検出部7aは、所望する周波数よりずれた周波数のマイクロ波が入力されると、その「ずれ」に相当する電圧(ずれ信号)を生成してこれを駆動電圧生成部8に入力する。このずれ信号に基づいて、駆動電圧生成部8は駆動信号を生成する。この駆動信号に基づきインピーダンス発生器5によりサセプタンスが所定の値に設定されることにより、マグネトロン2の発振周波数を所望する周波数に近づけようとする周波数制御機能が働くこととなる。
That is, when a microwave having a frequency shifted from a desired frequency is input, the
なお、第3の実施の形態における周波数検出部7を、本実施の形態に係る周波数検出部7aにしてもよいことは言うまでもない。
Needless to say, the
[第5の実施の形態]
次に、本発明に係る第5の実施の形態について説明する。なお、本実施の形態は、上述した第4の実施の形態と同様、第1の実施の形態と周波数検出部の構成を変えたものである。したがって、本実施の形態において、第1の実施の形態と同等の構成要素については、同じ名称および符号を付して、適宜説明を省略する。
[Fifth Embodiment]
Next, a fifth embodiment according to the present invention will be described. In the present embodiment, the configuration of the frequency detection unit is changed from that of the first embodiment, as in the fourth embodiment described above. Therefore, in the present embodiment, the same components as those in the first embodiment are denoted by the same names and reference numerals, and description thereof will be omitted as appropriate.
図7に示すように、周波数検出部7bは、分割回路74と、第1の共振回路75と、第2の共振回路76と、第1の検波回路77と、第2の検波回路78と、加算回路79とを備えている。
As shown in FIG. 7, the
分割回路74は、入力されたマイクロ波を分割するものであり、1つの入力端と2つの出力端を備えている。その入力端には、周波数結合器6の一方の出力端が接続され、2つの出力端の一方は第1の共振回路75に、他方は第2の共振回路76に接続されている。
The dividing
第1の共振回路75は、所望の周波数f0よりΔfだけ大きい所定の周波数(f0+Δf)に対して共振するものである。第1の共振回路75の出力端は、第1の検波回路77に接続されている。
The
第2の共振回路76は、所望の周波数f0よりΔfだけ小さい所定の周波数(f0−Δf)に対して共振するものである。第2の共振回路76の出力端は、第2の検波回路78に接続されている。
The
第1の検波回路77は、入力されたマイクロ波に対応する検波出力を生成するものである。第1の検波回路77の出力端は、加算回路79に接続されている。
The
第2の検波回路78は、入力されたマイクロ波に対応する検波出力を生成するものである。第2の検波回路78の出力端は、加算回路79に接続されている。
The
加算回路79は、2つの入力端から入力された検波出力を加算するものである。加算回路79の出力端は、駆動電圧生成部8に接続されている。
The
このような周波数検出部7bにおいて、周波数結合器6から入力されたマイクロ波(周波数f)は、分割回路74により二分割され、その一方は周波数(f0+Δf)に共振する第1の共振回路75を経て第1の検波回路77に入力され、他方は周波数(f0−Δf)に共振する第2の共振回路76を経て第2の検波回路78に入力される。第1の検波回路77の検波出力を正の電圧出力V+、第2の検波回路78の検波出力を負の電圧出力V-とすると、それぞれは図8に示すような検波特性を示す。
In such a
第1の検波回路77と第2の検波回路78の検波出力は、加算回路79により加算され、駆動電圧生成部8に入力される。加算回路79の出力電力VOUTは、図8に示すようなf0からのずれに比例する特性を示す。
The detection outputs of the
したがって、周波数検出部7bへの入力周波数(f)を所望する周波数(f0)に設定すると、上述したように、マグネトロン2の発振周波数が所望する周波数のときは、加算回路79の出力電圧VOUT=0Vとなる。一方、マグネトロン2の発振周波数が所望する周波数からずれた場合は、加算回路79の出力電圧VOUTにはその「ずれ」に相当した電圧(ずれ信号)が発生する。このずれ信号が駆動電圧生成部8に入力されると、駆動電圧生成部8は、そのずれ信号に基づく駆動信号を生成する。この駆動信号に基づきインピーダンス発生器5によりマグネトロン2の負荷サセプタンスが所定の値に設定されることにより、マグネトロン2の発振周波数を所望する周波数に近づけようとする周波数制御機能が働くこととなる。
Therefore, when the input frequency (f) to the
なお、第3の実施の形態における周波数検出部7を、本実施の形態に係る周波数検出部7bにしてもよいことは言うまでもない。
Needless to say, the
[第6の実施の形態]
次に、本発明に係る第6の実施の形態について説明する。なお、本実施の形態は、第1の実施の形態とマグネトロンおよびマグネトロン電源の構成を変えたものである。したがって、本実施の形態において、第1の実施の形態と同等の構成要素については、同じ名称および符号を付して、適宜説明を省略する。
[Sixth Embodiment]
Next, a sixth embodiment according to the present invention will be described. In the present embodiment, the configuration of the magnetron and magnetron power supply is changed from that of the first embodiment. Therefore, in the present embodiment, the same components as those in the first embodiment are denoted by the same names and reference numerals, and description thereof will be omitted as appropriate.
図9に示すように、マグネトロン2aは、カソードとヒータとが一体となったヒータ/カソードH/K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/カソードH/Kが設けられている。 As shown in FIG. 9, the magnetron 2a includes a heater / cathode H / K in which a cathode and a heater are integrated, and an anode A. Although not shown, the anode A is divided into a plurality of parts, which are connected by a vibration circuit (resonance circuit). A heater / cathode H / K is provided concentrically with the anode A.
ヒータ/カソードH/Kの両端には、マグネトロン電源3aのヒータ電源31が接続されている。ヒータ電源31でヒータ/カソードH/Kにヒータ電源を印加することにより、ヒータ/カソードH/Kが加熱され、ヒータ/カソードH/Kから電子が放出される。
ヒータ/カソードH/Kの一端にはさらに、マグネトロン電源3a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32からヒータ/カソードH/Kに印加することにより、ヒータ/カソードH/KとアノードAとの間に電界が形成され、ヒータ/カソードH/KからアノードAに向けて電子が放出される。
この状態で、ヒータ/カソードH/K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。
A
An
In this state, when a magnetic field is applied parallel to the heater / cathode H / K (perpendicular to the electric field), the microwave M oscillates.
このようにしてマグネトロン2aを動作させると、ヒータ/カソードH/KからアノードAに向けて放出された電子のうち、ヒータ/カソードH/Kに戻ってきた電子が衝突することにより、ヒータ/カソードH/K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」と言う。発振を強くすればするほど、すなわち出力電力Pを大きくすればするほど、バックヒーティングが激しく起こり、ヒータ/カソードH/Kの温度が必要以上に高くなる。 When the magnetron 2a is operated in this way, among the electrons emitted from the heater / cathode H / K toward the anode A, the electrons returning to the heater / cathode H / K collide with each other. A phenomenon occurs in which H / K is abnormally heated. This phenomenon is called “back heating”. The stronger the oscillation, that is, the higher the output power P, the more intense back heating occurs, and the heater / cathode H / K temperature becomes higher than necessary.
マグネトロン2aの出力電力Pに応じてアノード電流が大きくなるので、本実施の形態では、ヒータ電源31を用いてアノード電流に逆比例してヒータ電圧を下げ、ヒータ/カソードH/Kへの加熱を抑制する。
図10は、アノード電流とヒータ電圧との関係を示すグラフである。「Max」はアノード電流に対するヒータ電圧の上限、「Min」は下限をそれぞれ表している。このグラフにしたがい、ヒータ電源31を用いてヒータ電圧を制御することにより、バックヒーティングを防止することができる。
Since the anode current increases in accordance with the output power P of the magnetron 2a, in the present embodiment, the heater voltage is decreased in inverse proportion to the anode current using the
FIG. 10 is a graph showing the relationship between the anode current and the heater voltage. “Max” represents the upper limit of the heater voltage with respect to the anode current, and “Min” represents the lower limit. According to this graph, back heater can be prevented by controlling the heater voltage using the
なお、本実施の形態に係るマグネトロン2aおよびマグネトロン電源3aは、上述した第2−5の形態にも適用してよいことは言うまでもない。 Needless to say, the magnetron 2a and the magnetron power supply 3a according to the present embodiment may be applied to the above-described second to fifth embodiments.
[第7の実施の形態]
次に、本発明に係る第7の実施の形態について説明する。
上述したマグネトロン発振装置1,10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。マグネトロン発振装置1,10が用いられたプラズマ処理装置の一構成例を図11に示す。
[Seventh Embodiment]
Next, a seventh embodiment according to the present invention will be described.
The
図11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、CF4等のエッチングガスとが導入される。
The plasma processing apparatus shown in FIG. 11 has a bottomed cylindrical processing container 81 having an open top. A mounting table 83 is fixed to the center of the bottom surface of the processing container 81 via an insulating plate 82. A
An exhaust port 85 for evacuation is provided in the peripheral edge of the bottom surface of the processing vessel 81. A gas introduction nozzle 86 for introducing gas into the processing container 81 is provided on the side wall of the processing container 81. For example, when the plasma processing apparatus is used as an etching apparatus, a plasma gas such as Ar and an etching gas such as CF 4 are introduced from the nozzle 86.
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置90のアンテナであるラジアルラインスロットアンテナ(RLSA)99が配設されている。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い構造になっている。
The upper opening of the processing container 81 is closed with a dielectric plate 87. A sealing member 88 such as an O-ring is interposed between the upper surface of the side wall of the processing container 81 and the dielectric plate 87 to ensure airtightness in the processing container 81.
On the dielectric plate 87, a radial line slot antenna (RLSA) 99 which is an antenna of the
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1,10と、伝送モードがTE10の矩形導波管91と、伝送モードをTE10からTE11またはTM01に変換する矩形円筒変換器92と、伝送モードがTE11またはTM01の円筒導波管93と、円筒導波管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とを有している。
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。
Here, the radial waveguide 95 includes two
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1,10がマイクロ波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95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かっ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。
In the plasma processing apparatus having such a configuration, when the
マグネトロン発振装置1,10は、マグネトロン2,2a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1,10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。
しかも、マグネトロン発振装置1,10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く、モーディングも起きない。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化し、かつ、一定化することができる。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(本実施の形態においては、ラジアル導波路95およびRLSA99)等の設計が容易になる。
Since the
In addition, the
なお、マグネトロン発振装置1,10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:ECR)プラズマ処理装置にも用いることができる。
また、本実施の形態において、第2−6の実施の形態を適用してもよいことは言うまでもない。 Needless to say, the second to sixth embodiments may be applied to the present embodiment.
本発明は、例えば、プロセス処理装置、医用加速器、通信装置など、マイクロ波を用いる各種装置に適用することができる。 The present invention can be applied to various apparatuses using microwaves, such as process processing apparatuses, medical accelerators, and communication apparatuses.
1,10…マグネトロン発振装置、2,2a…マグネトロン、3,3a…マグネトロン電源、4…ランチャー、5,5a〜5d…インピーダンス発生器、6…周波数結合器、7,7a,7b…周波数検出部、8…駆動電圧生成部、9…アイソレータ、11…基準信号供給部、12…基準信号発振器、13…非可逆部材、14…サーキュレータ、50…矩形導波管、51a〜51c…スタブ、52a〜52c…分岐導波管、53a〜53c…ショート板、54…分岐導波管、55…フェライト移相器、56…短絡板、71…電力分配器、72…バランスドミキサー、73…ディレーライン、74…分割回路、75…第1の共振回路、76…第2の共振回路、77…第1の検波回路、78…第2の検波回路、79…加算回路、81…処理容器、82…絶縁板、83…載置台、84…基板、85…排気口、86…ガス導入用ノズル、87…誘電体板、88…シール部材、89…シールド材、90…マイクロ波供給装置、91…矩形導波管、92…矩形円筒変換器、93…円筒導波管、94…負荷整合器、95…ラジアル導波路、96,97…円形導体板、98…リング部材、99…ラジアルラインスロットアンテナ(RLSA)、A…アノード、H/K…ヒータ/カソード、M…マイクロ波。
DESCRIPTION OF
Claims (9)
このマグネトロンの出力電力を取り出すランチャーと、
このランチャーに入力端が接続されて、前記マグネトロンの負荷サセプタンスを調整するインピーダンス発生器と、
このインピーダンス発生器に入力端が接続されて、通過電力の一部を取り出す周波数結合器と、
入力端が周波数結合器の第1の出力端に接続され、前記マグネトロンの発振周波数と所定の周波数とのずれに応じたずれ信号を出力する周波数検出部と、
この周波数検出部に入力端が接続され、前記インピーダンス発生器に出力端が接続されて、前記ずれ信号に基づいて、前記マグネトロンの発振周波数を前記所定の周波数にするための駆動電圧を生成して前記インピーダンス発生器に出力する駆動電圧生成部と
を備えたことを特徴とするマグネトロン発振装置。 Magnetron,
A launcher that extracts the output power of this magnetron,
An impedance generator for adjusting the load susceptance of the magnetron, with an input end connected to the launcher,
A frequency coupler in which an input terminal is connected to the impedance generator to extract a part of the passing power;
A frequency detection unit that has an input terminal connected to a first output terminal of a frequency coupler, and outputs a shift signal corresponding to a shift between the oscillation frequency of the magnetron and a predetermined frequency;
An input terminal is connected to the frequency detector, an output terminal is connected to the impedance generator, and a drive voltage for generating the magnetron oscillation frequency at the predetermined frequency is generated based on the deviation signal. A magnetron oscillation device comprising: a drive voltage generation unit that outputs to the impedance generator.
ことを特徴とする請求項1記載のマグネトロン発振装置。 The magnetron oscillation device according to claim 1, further comprising a non-reciprocal member that has an input end connected to a second output end of the frequency coupler and guides the output power of the magnetron toward a load.
矩形導波管と、この矩形導波管の対向する広面の内壁面にそれぞれ配設されたフェライトと、このフェライトと対応する位置で前記矩形導波管の外周に巻回されたコイルとからなる移相器と、
この移相器の一端に接続された短絡板と、
前記移相器の他端に接続された分岐導波管と
を少なくとも1組備える
ことを特徴とする請求項1または2記載のマグネトロン発振装置。 The impedance generator is
A rectangular waveguide, a ferrite disposed on each of the opposed wide inner wall surfaces of the rectangular waveguide, and a coil wound around the outer periphery of the rectangular waveguide at a position corresponding to the ferrite A phase shifter,
A short-circuit plate connected to one end of the phase shifter;
The magnetron oscillation device according to claim 1 or 2, comprising at least one set of branching waveguides connected to the other end of the phase shifter.
ことを特徴とする請求項1−3の何れか1項に記載のマグネトロン発振装置。 A reference signal supply unit is provided that has one end connected to the second output terminal of the frequency coupler and supplies a reference signal having a lower power and a stable frequency than the output of the magnetron to the magnetron. The magnetron oscillation apparatus of any one of Claims 1-3.
前記基準信号を発振する基準信号発振器と、
一端が前記基準信号発振器の出力端に接続された非可逆部材と、
一端が前記非可逆部材の他端に接続されて、前記基準信号発振器からの前記基準信号を前記周波数結合器を通して前記マグネトロンへ導くとともに、前記周波数結合器からの前記マグネトロンの出力電力を負荷の方向へ導くサーキュレータと
を備えることを特徴とする請求項4記載のマグネトロン発振装置。 The reference signal supply unit includes:
A reference signal oscillator for oscillating the reference signal;
An irreversible member having one end connected to the output end of the reference signal oscillator;
One end is connected to the other end of the non-reciprocal member to guide the reference signal from the reference signal oscillator to the magnetron through the frequency coupler, and the output power of the magnetron from the frequency coupler is directed to the load The magnetron oscillation device according to claim 4, further comprising:
入力端が前記周波数結合器の前記第1の出力端に接続された分割回路と、
第1の入力端が前記分割回路の第1の出力端に接続された位相検波回路と、
入力端が前記分割回路の第2の出力端に接続され、出力端が前記位相検波回路の第2の入力端に接続された移相回路と
を備えることを特徴とする請求項1−5の何れか1項に記載のマグネトロン発振装置。 The frequency detector
A split circuit having an input end connected to the first output end of the frequency coupler;
A phase detection circuit having a first input terminal connected to a first output terminal of the divider circuit;
6. The phase shift circuit having an input terminal connected to a second output terminal of the dividing circuit and an output terminal connected to a second input terminal of the phase detection circuit. The magnetron oscillation device according to any one of the above.
入力端が前記周波数結合器の前記第1の出力端に接続された分割回路と、
入力端が前記分割回路の第1の出力端に接続された第1の共振回路と、
入力端が前記第1の共振回路に接続された第1の検波回路と、
入力端が前記分割回路の第2の出力端に接続された第2の共振回路と、
入力端が前記第2の共振回路に接続された第2の検波回路と、
第1の入力端が前記第1の検波回路に接続され、第2の入力端が前記第2の検波回路に接続された加算回路と
を備えることを特徴とする請求項1−5の何れか1項に記載のマグネトロン発振装置。 The frequency detector
A split circuit having an input end connected to the first output end of the frequency coupler;
A first resonant circuit having an input connected to a first output of the divider circuit;
A first detection circuit having an input terminal connected to the first resonance circuit;
A second resonant circuit having an input end connected to a second output end of the divider circuit;
A second detection circuit having an input connected to the second resonance circuit;
The first input terminal is connected to the first detection circuit, and the second input terminal is provided with an addition circuit connected to the second detection circuit. 2. The magnetron oscillation device according to item 1.
加熱により電子を放出するカソードと、
このカソードを加熱するヒータと、
前記カソードとの間に電界を形成するアノードと
を少なくとも備え、
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に印加する電圧を小さくするヒータ電源をさらに備える
ことを特徴とする請求項1−7の何れか1項に記載のマグネトロン発振装置。 The magnetron is
A cathode that emits electrons when heated;
A heater for heating the cathode;
And at least an anode that forms an electric field with the cathode,
The magnetron oscillation device according to any one of claims 1 to 7, further comprising a heater power source that decreases a voltage applied to the heater as a current flowing through the anode increases.
前記マイクロ波の供給源として請求項1−8の何れか1項に記載のマグネトロン発振装置を備える
ことを特徴とするプラズマ処理装置。
A plasma processing apparatus that performs predetermined processing on a target object using plasma generated by microwaves,
A plasma processing apparatus comprising the magnetron oscillation device according to claim 1 as a supply source of the microwave.
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