JPH05144381A

JPH05144381A - マグネトロン応用装置

Info

Publication number: JPH05144381A
Application number: JP30446391A
Authority: JP
Inventors: Akiichi Harada; 明一原田
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 1991-11-20
Filing date: 1991-11-20
Publication date: 1993-06-11

Abstract

(57)【要約】【目的】応用目的に対応してマイクロ波出力を大きく変
化させても、発振周波数のジャンプなどが生ぜず、常に
ほぼ一定な発振周波数で安定した発振状態を保持できる
ようにしたマグネトロン応用装置を提供することにあ
る。【構成】マイクロ波を発生するマグネトロン、このマグ
ネトロンの出力部を内包する高周波結合器、これに順次
接続された導波管とアイソレータを備えたマグネトロン
応用装置において、上記アイソレータよりもマグネトロ
ン出力部に近い側の高周波結合器または導波管の内部
に、マグネトロン出力部から見た外部インピーダンスを
調整する手段、具体的には高周波結合器または導波管の
内部へ突出させた突出長調整可能な金属棒などよりなる
スタブを設けた。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、電子レンジ用に極めて
大量に生産され、原価が大幅に低減された品種のマグネ
トロンを、電子レンジに使用する場合とは大幅に異なる
使用条件でマイクロ波応用装置たとえばプラズマ発生装
置などに利用する場合に、種々の異なる出力状態におい
ても常に安定した発振状態が得られるようにしたマグネ
トロン応用装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】マグネトロンで発生させたマイクロ波を
利用する従来からの装置としては、現在広く普及して非
常に多数使用されている電子レンジが代表的なものであ
るが、その他にも種々のものがあり、例えばミクロ電子
（株）製の「マイクロドラム」と称する茶葉用乾燥火入
機などがあるが、このような装置では、通常、マグネト
ロン出力部から負荷に到る部分の一般的な構造は図４に
示すようになっている。すなわち、マグネトロン１の出
力部（アンテナ）１ａから放射されたマイクロ波は、ア
ンテナ１ａを内包する高周波結合器２から導波管３を伝
わり、アイソレータ４を通って更に導波管５に伝わり、
加熱対象物を収納したキャビティ６に導かれる。アイソ
レータ４は周知のように、マグネトロンから放射された
マイクロ波は通過させるが、キャビティ６からの反射波
は吸収する作用をする。

【０００３】キャビティ６からの反射が大きくなると、
マイクロ波の利用効率が低下するから、装置によって
は、例えばプラズマ応用装置の一部では、図５に示すよ
うに、キャビティ６とアイソレータ４の間の導波管５の
途中に、３〜４本の金属棒７ａを、使用するマイクロ波
の導波管内通過時の波長（管内波長）のほぼ１／８波長
毎に配設したスタブチューナ７を配置している。このス
タブチューナ７の金属棒よりなる調整部材（スタブ）７
ａの導波管内への突出長を調整することにより、マグネ
トロン側からキャビティ６へ向かう進行波に対して、キ
ャビティからの反射波を最少にすることができるので、
マイクロ波の利用効率を上げることができる。

【０００４】一方、マグネトロン１から見ると、マグネ
トロンのアンテナ１ａから放射されたマイクロ波は、高
周波結合器２の短絡面２ａ側へ進む波と、キャビティ６
の側へ進む波とに分かれ、短絡面側へ進んだ波は、この
短絡面２ａで反射され、一部はマグネトロン１に戻り、
一部はキャビティ側へ進む。キャビティ６の側へ進んだ
波は、アイソレータ４が設けてあるので、マグネトロン
１の側へ戻ってくる波は殆ど無視できる程度である。

【０００５】すなわち、マグネトロン１のアンテナ１ａ
から負荷を見たインピーダンスは、キャビティ６側すな
わち負荷側からの反射がない状態（整合状態）であって
も、短絡面２ａからの反射の影響を受けるので、日本で
はＥＩＡＪ（日本電子機械工業会）で反射のない標準高
周波結合器の形状を定めており、特に出力試験などに利
用されている。

【０００６】マグネトロンの性能、基本波スペクトラム
は、負荷インピーダンスの影響を強く受ける。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】近年、マイクロ波が種
々の製造作業に利用されるようになったが、例えば、そ
の一例として、半導体製造工程の一つであるウェーハエ
ッチング作業で、エッチングガスをプラズマ状態にして
ウェーハに対して垂直に導くことにより、微細加工する
技術やその装置があり、これらは急速に進歩してきて、
好んで用いられている。このドライエッチング作業の際
に、エッチング状態を最適化するためには、プラズマ濃
度を大きく変えて調整する必要がある。プラズマ濃度を
変えるためには、マグネトロンのマイクロ波出力を変化
させれば良く、結局、マグネトロンの陽極電流を調整す
ることになる。

【０００８】しかし、ＥＩＡＪの標準高周波結合器を使
用し、アイソレータも付加した構成にしても、マイクロ
波出力源として電子レンジ用に大量生産された安価なマ
グネトロンを利用し、エッチング状態を最適化するため
に、マグネトロンのマイクロ波出力を大きく変化させた
場合、ある出力範囲内でプラズマが不安定になり、極端
な場合には、プラズマが消えてしまうことさえ経験され
た。このため、マイクロ波出力を大きく変化させること
ができず、エッチング装置としての機能を限定されるこ
とになり、せっかく安価な電子レンジ用マグネトロンを
活用して高付加価値化しようと図っても目的を果たせな
いことがあった。

【０００９】上記は、半導体ウェーハエンチング装置を
例にして説明したが、プラズマを利用した装置、例え
ば、半導体製造用イオン打ち込み装置、マイクロ波応用
無電極ランプ装置（ＵＶ光源）などにおいても同様な事
態が生じていた。

【００１０】本発明は、極めて大量に生産され、そのた
め性能価格比が非常に良好なっている電子レンジ用のマ
グネトロンを利用しながら、利用目的に対して最適な使
用条件を得るために自由に大幅にマグネトロンのマイク
ロ波出力を変化させても、マグネトロンが常に安定した
発振状態を保持できるようにしたマグネトロン応用装置
を提供することを目的とする。

【００１１】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に本発明においては、マイクロ波を発生するマグネトロ
ンの出力部を内包する高周波結合器に、導波管とアイソ
レータとを順次接続し、負荷側からの反射波が生じてい
ても、反射波はアイソレータで吸収されて其処から更に
マグネトロン側へは戻らないようにしたマグネトロン応
用装置において、上記アイソレータよりもマグネトロン
出力部に近い側の高周波結合器または導波管の内部に、
マグネトロン出力部から見た外部インピーダンスを調整
する手段、たとえば、高周波結合器または導波管の内部
へ突出させた導電性部材または誘電体部材よりなるスタ
ブの、内部突出長を適宜調整できるスタブチューナを設
けることにした。

【００１２】

【作用】本発明者は、まず、マグネトロンの動作点を移
動させることにより、マイクロ波出力を大きく変化させ
ても、発振状態を安定化できる条件を実験的に求めるこ
とにした。図２（ａ）、（ｂ）、（ｃ）、（ｄ）、
（ｅ）の各図は、それぞれ、その図中に記載した特定の
ＶＳＷＲ（電圧定在波比）で、かつ出力最少となる位相
（０．０５）という条件下での、陽極電流とそれに対応
する発振周波数との関係を、横軸に陽極電流値（直流）
をｍＡ単位で、縦軸に発振周波数（の変化）をＭＨｚ単
位で示す図で、図中、実線部分はエネルギーが最も高い
部分の発振周波数の変化を、破線部分はその次に強い部
分の発振周波数の変化を示している。ＥＩＡＪの試験法
で整合の条件では、たとえば直流電源を使用しても、陽
極電流が２８０ｍＡのところで、約１５ＭＨｚの周波数
ジャンプが観測された。これに対して、動作点をＶＳＷ
Ｒ＝１．５、位相≒０．０５（ＶＳＷＲ＝１．５でマグ
ネトロンの出力が最少となる位置に近い位相）とした場
合は、陽極電流が３００ｍＡのところで、約７ＭＨｚの
周波数ジャンプが観測された。更に、ＶＳＷＲをそれぞ
れ２、３、４とし、位相≒０．０５（それぞれのＶＳＷ
Ｒでマグネトロンの出力が最少となる位置に近い位相）
とした場合は、陽極電流を６０〜３６０ｍＡの範囲で変
化させても、周波数のジャンプは観測されなかった。

【００１３】マイクロ波でプラズマを発生させ、そのプ
ラズマを利用する装置では、一般にプラズマを発生する
部分のキャビティが周波数によって共振状態が顕著に変
化する周波数特性を有し、数ＭＨｚ以上の周波数ジャン
プが発生すると、キャビティの共振特性が大きく変化し
て、プラズマの強度が大きく変化したり、極端な場合は
プラズマの発生が止まる。また２つの周波数のエネルギ
ーが同程度でふらふらしていれば、それに応じてプラズ
マは不安定になる。結果的には、プラズマ強度が一定に
ならないので、周波数ジャンプの発生する個所の近くの
陽極電流で動作させることは出来ない。一方、同様な装
置に対して、ＶＳＷＲ＞１．５で位相をマグネトロンの
マイクロ波出力を最少にする方向にもってゆくと、周波
数ジャンプがなくなり、広い陽極電流範囲に対して使用
可能となった。電源を完全な直流電源から全波倍電圧電
源に変更した場合には、周波数ジャンプに対する陽極電
流値に変化がみられたが、傾向は全く同様であった。

【００１４】したがって本発明では、アイソレータから
マグネトロン出力部に近い側の高周波結合器または導波
管の内部に、マグネトロン出力部から見た外部インピー
ダンスを調整する手段を設けて、マグネトロンから見た
インピーダンスを整合状態からずらした状態すなわちマ
グネトロンの発振が安定する領域（周波数ジャンプが発
生しない領域）で動作させ、マグネトロン応用装置とし
て最適な任意のマイクロ波出力状態で安定して発振動作
させることにしたのである。

【００１５】図３は、マグネトロンを、ＶＳＷＲがそれ
ぞれ１．５、２、３、４で、かつマイクロ波出力が最少
となる位相にして動作させたときの、マグネトロンの陽
極電流とマイクロ波出力の関係を、横軸にマグネトロン
の陽極電流値をｍＡ単位で、縦軸にマグネトロンのその
ときのマイクロ波出力をＷ単位でとって示す図である。
ＶＳＷＲが大きく（すなわち反射波の割合が大きく）な
る、すなわち負荷との整合状態から遠く離れるにつれ、
同一陽極電流値に対するマイクロ波出力が小さくなって
来るのは止むを得ないが、マグネトロン応用装置として
の最適マイクロ波出力条件を安定して自由に設定できる
ことの利点の方か大きい。性能対価格比が極めて大きい
電子レンジ用マグネトロンを利用できれば、特殊用途の
ために特に設計製作したマグネトロンを整合状態に近い
状態で効率良く使用するよりも遥かに経済的である。こ
の実験に用いたマグネトロンの場合、ＶＳＷＲ＝２で、
かつ、出力最少の位相という条件で、陽極電流値を変化
させても周波数ジャンプは全く生じておらず、しかも同
一陽極電流値で整合状態の場合の約８６％のマイクロ波
出力が得られている。なお、マグネトロンに戻る反射波
の量が余り大きくなることは、マグネトロンの寿命など
にとって好ましいことではないが、ＶＳＷＲ＝４程度ま
でなら、現在の電子レンジ用マグネトロンは充分耐える
ことができる。

【００１６】

【実施例】図１（ａ）は本発明の第１実施例図である。
図中、１はマグネトロン、１ａはアンテナ、２は高周波
結合器、２ａは高周波結合器の短絡板、３は導波管、４
はアイソレータ、５は導波管、７はスタブチューナ、７
ａはスタブ、８は本発明に係るスタブチューナ、９はキ
ャビティ、１０はセラミックス等マイクロ波を透過させ
る材料で作られた隔壁である。スタブチューナ８は、マ
グネトロンのアンテナ１ａから見たインピーダンスが、
少なくともＶＳＷＲ＞１．５で、マイクロ波出力が最大
領域にはない状態に調整されている。

【００１７】このような装置においては、マグネトロン
１のアンテナ１ａから放射されたマイクロ波は、スタブ
チューナ８で一部は反射され、マグネトロン１が所定の
動作点すなわち陽極電流を大きく変化させても動作周波
数が安定したマイクロ波を発生させる動作点になるよう
に設定されている。大部分のマイクロ波は、スタブチュ
ーナ８を通りアイソレータ４を通りキャビティ９に導か
れる。スタブチューナ７は、キャビティ９に進むマイク
ロ波が最大となり、キャビティ９から反射されるマイク
ロ波すなわちアイソレータ４に吸収されるマイクロ波が
最少になるように調整される。このような構成において
は、マグネトロン１の陽極電流を大きく変えても、発生
するマイクロ波が周波数ジャンプすることもなく安定し
ているので、キャビティ９内のマイクロ波分布は安定す
る。

【００１８】従って、半導体製造装置関連で、プラズマ
を発生させてウェーハをエッチングしたり、プラズマイ
オンを打ち込んだりする装置においては、プラズマ密度
を大きく変化させることができ、ウェーハ処理の最適化
の裕度を大きくできて、半導体製造工程の歩留を向上さ
せることができる。

【００１９】図１（ｂ）は、本発明の第２実施例図で、
上記第１実施例のスタブチューナ８をとり除き、高周波
結合器２の短絡板を位置可変の短絡板２ｂに取替えたも
のである。

【００２０】このようにすると、マグネトロンのアンテ
ナ１ａから放射されたマイクロ波のうち、位置可変の短
絡板２ｂの方に向かったマイクロ波は、２ｂで反射され
て、一部はマグネトロンのアンテナ１ａに、他は負荷側
（キャビティ側）に進むが、アンテナ１ａから短絡板２
ｂまでの距離が変化すると、アンテナから見たインピー
ダンスは大きく変化する。従って、マグネトロンの動作
周波数が陽極電流の変化に対して安定な領域にマグネト
ロン１の動作領域を設定することが容易に可能である。

【００２１】図１（ｃ）は、本発明の第３実施例図で、
アイソレータ４よりマグネトロンに近い側、すなわちマ
グネトロンのアンテナ１ａを内包する高周波結合器２の
内部にスタブ１１を固定してある。スタブ１１のアンテ
ナ１ａからの位置およびスタブ１１の導波管３内部への
突出長は、マグネトロン１の動作領域が、陽極電流の変
化に対して、その動作周波数が安定な領域に在るように
設定されている。

【００２２】マイクロ波でプラズマを発生させ、そのプ
ラズマを利用する応用装置においては、キャビティ内の
Ｑが比較的大きいので、周波数の僅かな変動でも、その
中のマイクロ波の分布が変化して、プラズマの濃度（明
るさの変化）に影響を与え、極端な場合には、プラズマ
が止まってしまうが、本発明により上記のようにすれ
ば、プラズマは安定化されるので、プラズマの濃度を大
きく変化させることができる。このようにして、非常に
大量に生産されているために性能価格比が非常に高くな
った電子レンジ用マグネトロンを、マイクロ波出力を目
的に応じて種々調整する必要のあるマグネトロン応用装
置に利用して、常に安定した発振状態で使用することが
可能になる。

【００２３】

【発明の効果】以上説明したように本発明によれば、マ
グネトロンの応用目的に対応してマグネトロンのマイク
ロ波出力を種々調整しても、マグネトロンの発振周波数
にジャンプが生じなくなり、常に安定した発振状態で使
用できるようになる。従って、本発明を、半導体素子加
工用の、例えばプラズマエッチング装置などに利用すれ
ば、微細加工精度が向上し、製品歩留の高い、生産性の
高い装置を、安価なマグネトロンを使用して実現でき
る。

【図面の簡単な説明】

【図１】図１（ａ）は本発明の第１実施例図、図１
（ｂ）は本発明の第２実施例図、図１（ｃ）は本発明の
第３実施例図である。

【図２】図２（ａ）、（ｂ）、（ｃ）、（ｄ）、（ｅ）
の各図は、それぞれ、その図中に記載した特定のＶＳＷ
Ｒ（電圧定在波比）で、かつマイクロ波出力最少となる
位相（０．０５）という条件下での、陽極電流（ｍＡ）
とそれに対応する発振周波数（ＭＨｚ）との関係を示す
図で、実線と破線を用いた図（ｄ）、（ｅ）は、エネル
ギーが最も高い部分の発振周波数を実線で、その次に強
い部分の発振周波数を破線で示す図である。

【図３】マグネトロンを、ＶＳＷＲがそれぞれ１．５、
２、３、４で、かつ出力最少に近い位相という条件で動
作させたときの、マグネトロンの陽極電流とマイクロ波
出力との関係を、横軸にマグネトロンの陽極電流値（ｍ
Ａ）を、縦軸にそれに対応するマグネトロンのマイクロ
波出力（Ｗ）をとって示す図である。

【図４】従来の通常のマグネトロン応用装置の、マグネ
トロン出力部から負荷に到る部分の一般的な構造を示す
図である。

【図５】従来のマグネトロン応用装置で、マグネトロン
のマイクロ波出力をアイソレータを経てキャビティに導
く途中のキャビティに近い導波管内部にスタブチューナ
を配置した場合を示す図である。

【符号の説明】

１…マグネトロン、１ａ…アンテナ、２…高周波結
合器、２ａ…短絡板、２ｂ…位置可変の短絡板、３
…導波管、４…アイソレータ、５…導波管、６…キ
ャビティ、７…スタブチューナ、８…スタブチュー
ナ、９…キャビティ、１０…隔壁、１１…スタ
ブ。

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】マイクロ波を発生するマグネトロン、この
マグネトロンの出力部を内包する高周波結合器、これに
順次接続された導波管とアイソレータを備えたマグネト
ロン応用装置において、上記アイソレータよりもマグネ
トロン出力部に近い側の高周波結合器または導波管の内
部に、マグネトロン出力部から見た外部インピーダンス
を調整する手段を設けたことを特徴とするマグネトロン
応用装置。