JPH0810634B2 - マイクロ波給電式材料／プラズマ処理システム - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、一般にソリッド・ステ
ート・マイクロ波整相列を使って、プラズマおよび材料
処理装置を付勢する方法および装置に関する。より具体
的には、マイクロ波処理で使用されるマイクロ波場の供
給源として、位相および振幅が制御される多重アンテナ
を使用することに関する。

【０００２】

【従来の技術】材料およびプラズマの処理は、引続き励
起方法を必要としている。最近、３００ＭＨｚ〜１００
０ＧＨｚのマイクロ波領域にある高周波励起が、材料お
よびプラズマの処理の独特な条件を生み出すことが実証
された。たとえば、マイクロ波で励起されたプラズマ
は、約１０^-3トルから大気圧以上で、他の方法では容易
に達成できない条件の下で存在することができる。磁界
と組み合わせると、１０^-2〜１０^-7トルの範囲で強いプ
ラズマを生成する電子サイクロトロン共鳴（ＥＣＲ）領
域が実現できる。

【０００３】マイクロ波は、いくつかの理由から、プラ
ズマを発生させるのに非常に有用である。マイクロ波
は、自由電子の非常に効率的な電力供給源である。この
自由電子に吸収される時間平均電力は、電気密度および
有効電界の２乗に比例する。電力供給源の周波数が有効
電子衝突周波数にほぼ等しいとき、有効電界は最大値を
とる（参照文献１および２）。プラズマ処理で通常使用
されるガスおよび圧力の場合、この電子衝突周波数はマ
イクロ波スペクトル領域にある。最新のプラズマ処理技
術（エッチングおよび付着）では、現在１３．５６ＭＨ
ｚの周波数を使用している。たとえば、ダイオード・ス
パッタ、反応性イオン・エッチングなどである。マイク
ロ波放射線では、その周波数はその値の数百倍ないし数
千倍である。マイクロ波プラズマ処理で通常使用される
周波数は２．４５ＧＨｚである。２．４５ＧＨｚは、指
定された工業・科学・医療（ＩＳＭ）用オーブン加熱周
波数の１つである。これは、大抵の市販の家庭用マイク
ロ波オーブンで使っている周波数である。この周波数で
動作する電源は、容易に入手できる。それはマグネトロ
ンというマイクロ波管を使ってマイクロ波エネルギーを
発生させるものである。周波数効果のため、与のある入
力電力で、マイクロ波は高周波プラズマよりも高い電子
密度のプラズマを生じる。プラズマはほぼ中性なので、
その結果より高いイオン密度が得られる。この高いイオ
ン密度の結果、処理速度、すなわち付着速度およびエッ
チング速度が増大する。

【０００４】マイクロ波処理のもう１つの利点は、その
出力がプラズマにどう結合するかに関係することであ
る。マイクロ波出力をプラズマに結合するには様々な方
法がある（参照文献３およびその中で引用されている参
照文献）が、共通する有用な特徴が１つある。アプリケ
ータの金属電極は通常、プラズマを含む真空システムの
外部にある。マイクロ波出力は融解石英やサファイアな
どの誘電性媒体を介して結合される。その結果、低周波
処理で通常使用される金属電極によって処理される部分
およびプラズマが、酸素、塩素、フッ素などの反応性プ
ラズマによる汚染が減る。汚染の減少に加えて、これら
の反応性化学種による金属電極の消耗がなくなる。

【０００５】マイクロ波駆動のプラズマは、電子密度が
高いため、プラズマ処理で使用されるラジカルのより効
率的な供給源となる。プラズマ状態を制御することによ
り、特定のラジカル種の発生を強化することができる。
一般に、高圧（１０ｍＴ以上）マイクロ波放電は、ラジ
カル種の優れた（すなわち高密度）供給源である（参照
文献４）。さらに、マイクロ波駆動プラズマ中では、プ
ラズマの中性ガス成分の温度（エネルギー）が通常の低
周波プラズマ中よりもずっと高くなることができる。エ
ネルギー電子による中性化学種の粘性加熱などの機構
が、より高い処理反応速度をもたらすことができる。

【０００６】高周波のマイクロ波出力をもつ高密度のプ
ラズマが得られることに加えて、共鳴現象が起こり、マ
イクロ波のプラズマへの結合をさらに強化する。電子サ
イクロトロン共鳴（ＥＣＲ）は、この結合強化の一例で
ある。ＥＣＲでは、（磁界の方法と電子の速度によって
決まる）磁界方向の周りの電子移動の周波数が、マイク
ロ波放射線の周波数と同じである。２．４５ＧＨｚの放
射線では、８７５エルステッドの強度が必要である。こ
の条件に適合したとき、プラズマの自由電子が吸収する
電力が増強される。ＥＣＲの強化が１０％よりも大きい
場合は、イオン化が可能となる（参照文献５、６）。

【０００７】半導体および他のプラズマ処理の応用分野
では、付着、エッチング、アッシング、イオン・ビーム
発生など多くの応用例で強いマイクロ波放電が重要であ
る。マイクロ波処理用の商用システムが多数市販されて
いる。テストによれば、マイクロ波技術は既存の技術に
比べてかなりの利益がある。しかし、既存の大部分のマ
イクロ波処理技術は、真空管技術に依存している点で制
限があり、したがってそれらの処理にはそれらの制限が
課されている。さらに、大部分のプラズマおよび材料処
理用の供給品は、２．４５ＧＨｚで動作する商用の家庭
用オーブン・マグネトロンに基づくもので、したがって
管技術に固有の制限のために、使用できる用途が限られ
ている。

【０００８】マイクロ波ソリッド・ステート材料処理自
体は、製造用処理技術としてますます重要になってきて
いる。このマイクロ波による材料処理には、加熱、硬
化、焼結、アニール、あるいは一般に材料の化学的また
は物理的構造を変化させる意図でマイクロ波を固体材料
または液体材料に直接結合させるあらゆる処理が含まれ
る。マイクロ波励起は、熱処理や化学処理など従来の技
術に比べていくつかの利益がある。マイクロ波処理は、
通常より効率が高く速度が速い。マイクロ波処理の終点
検出は、たとえば順方向出力と反射出力の監視によって
行なえる（たとえば参照文献７参照）。これらの利益
は、マイクロ波エネルギーが化学結合に直接結合（通常
は双極性相互作用）することに由来する。このエネルギ
ーはシステム内部に結合されるので、通常の処理よりも
速い速度で処理が起こる。たとえば、高分子をマイクロ
波で硬化させると、直接的エネルギー結合により処理時
間が減少するため、他の技術よりも材料内の熱応力が小
さくなる。さらに、材料が硬化されるとき、硬化中の領
域以外では吸収されるエネルギーが少なくなる。

【０００９】マイクロ波処理システムは市販されてい
る。それらのシステムは、オーブン・マグネトロンを使
用するため、著しい欠点があり、ある種のクリティカル
な応用例ではその使用が制限される。マイクロ波電磁界
の一様性に欠けることが１つの欠点である。これらのシ
ステムの中には共鳴アプリケータやスロット付き導波管
を用いているものがあるが、大部分は多重モード式マイ
クロ波オーブンとほとんど変わらない。これらのシステ
ムでは、低電磁界領域での硬化が高電磁界よりも遅くな
る。現在市販の管型マイクロ波システムのもう１つの重
要な問題は、処理制御ができないことである。典型的な
オーブン型システムでは、いつ処理が完了したかを示
し、処理中に加熱などの問題を矯正するのが非常に難し
い。

【００１０】現在当技術分野では、ソリッド・ステート
型と真空管型の２種のマイクロ波供給源が知られてい
る。管型のマイクロ波出力源には、たとえばマグネトロ
ン、クライストロン、ジャイロトロンなど様々な型式の
ものが知られている（参照文献８）。管は、より高周波
数およびより高い出力レベルで動作できるという利点が
ある。管型供給源では、出力電力および範囲は限られて
いるが、周波数が調節できる。この調節は、直流バイア
ス電圧と磁界によって行なえる。しかし最も入手しやす
く最も安価な（数ｋＷ以下の低出力レベル用の）管型供
給源であるマグネトロン供給源では、位相が制御できな
い。位相制御できる他の型式の管型供給源も使用できる
が、それらは非常に高価であり、数十ｋＷ以上のより高
い出力レベルで動作する。それらの主な欠点は、大き
く、かさ高で、非常に高価で、重く、陽極から陰極へ高
電圧を必要とし、フィラメント用に大電流を必要とする
ことである。また管は制御が難しく、寿命が短い。

【００１１】一般にすべてのマイクロ波管は、真空中の
電子線の運動エネルギーを電磁エネルギーに変換するこ
とによってマイクロ波出力を発生する。管の種類が異な
ると、そのために使用する結合構造が異なる。最適の結
合構造はなく、それぞれに利点と欠点がある。

【００１２】たとえば、進行波管は、らせん形結合構造
を用いて電子線のエネルギーを電磁エネルギーに変換す
る。クライストロンは、一連のキャビティ・カップラを
使って同じことを行なう。マグネトロンは、磁界を用い
て電子線をらせん形に曲げ、次いで中心軸の周りに半径
方向に取り付けた一連の同調キャビティを用いて電子線
の運動エネルギーをマイクロ波エネルギーに変換する。

【００１３】これらの管はすべて、ソリッド・ステート
・デバイスと比較すると、その使用に伴う類似の利点と
欠点をもつ。これらの管はすべて電子供給源を要する。
どのマイクロ波管でも、それは高熱フィラメントによっ
て供給される。このフィラメントを駆動させるために、
低電圧高電流の供給が必要である。フィラメントは、振
動の影響を非常に受けやすく、また低効率のものである
ためにエネルギー損が大きく、管の加熱をもたらし、管
の寿命を短くするという問題を引き起こす。一般に、フ
ィラメントの故障が管の故障の主な原因の１つである。

【００１４】マイクロ波管の第２の要件は、電子線がか
なりの速度で動くことである。このため、管の設計と使
用により大きな要件が課される。電子線を加速し、かつ
その拡散を防止するために、高真空環境で高い電位が必
要となる。この高電位が必要なことから、高電圧小電流
の供給源を使用することが必要になる。こうした供給源
は、高価で、かさ高で、操作が難しい。電子線の拡散を
防止するため、管は高真空管として設計される。このた
め、マイクロ波管のコストと複雑さが大幅に増大する。
大部分の管は、この真空を保つため、フィラメント構造
に組み込んだ設計のゲッタを有する。しかし、真空の喪
失が、マイクロ波管でよく見られる第２の故障の原因で
ある。

【００１５】マイクロ波管における第３の要件は、電子
線のエネルギーをマイクロ波出力に変換するための結合
構造である。前述の通り、この結合構造は、管が違えば
異なる。ただし、どんな管もその使用に共通した問題が
ある。この結合構造は、非常に複雑で、機械加工が難し
い。典型的な機械許容差は一万分の１インチ（約２．５
ミクロン）である。また結合構造中でのマイクロ波の吸
収が、これらの管における大きな発熱源である。そのた
め、何らかの冷却方法が必要であり、したがって管およ
び全体的支持構造のコスト、かさ、複雑さが増大する。

【００１６】大量生産が経済的なことの顕著な例が、
２．４５ＧＨｚで動作する家庭用マイクロ波オーブンで
ある。毎年数百万本の管が生産されるため、製造コスト
は１本当り約５ドルにまで低下している。開発コストと
工具コストが生産される多数の管に分散できるため、コ
ストの問題はかなり軽減されている。改良の繰返しの中
で、冷却、寿命、サイズなどの問題が改良の対象とされ
た。これらの管はかなりコンパクトで、かなりの寿命
（たとえば、２０００時間以上）をもつが、その電力供
給源はなおかさ高であり、高電圧を必要とする。しか
し、これらの管は、マイクロ波オーブンの需要が大きい
ため、大量に市販されている。ただし、これらの管は発
振器であり、したがって２．４５ＧＨｚでのみ動作す
る。さらに、これらの管は実際上は「ダイオード」装置
であるため、全出力で有効に動作する。したがって、こ
れらの管の周波数または出力を制御することは難しい。

【００１７】一般に、帯域幅や出力電力など、任意のソ
リッド・ステート・デバイスの全体的性能特性と整合性
をもつマイクロ波管が作成できることに留意されたい。
ただし、それには約１０００倍のコストとずっと何倍も
の時間がかかり、何倍も重く、消費電力が大きく、複雑
な供給電圧を要し、寿命が限られ、出力や、位相、帯域
幅、雑音などその他の動作パラメータの制御が最小であ
る。

【００１８】軍事用レーダや通信用のものを除き、現在
使用されているすべてのマイクロ波発生装置は、マイク
ロ波管技術に基づくものである。これらの管は、第二次
世界大戦中に開発され、それ以来機能上の変化はほとん
どない。これらの管は、テラヘルツの領域にまで及ぶ周
波数で大量の出力を発生することができる。しかし、こ
れらの管は、前述のように重く、かさ高で、効率が低
く、高電圧と高電流を要し、高価で、寿命が短い。これ
らの要因はすべて製造環境では非常に重要である。

【００１９】マイクロ波管に伴う上記のすべての問題の
ために、現在市販されている大部分のマイクロ波供給源
は、２．４５ＧＨｚで動作するオーブン用マグネトロン
を使用している。そのため、使用できる装置と用途が限
られている。

【００２０】上記の諸問題のため、管は整相列の応用分
野ではさらに使用が難しい。しかし、ソリッド・ステー
ト・デバイスは理想的である。これらのデバイスは、位
相および振幅が制御しやすく、その上容易に大型アレイ
に適合させることができる。ソリッド・ステート・デバ
イスの出力の制限は、多数の素子をアレイに加えるだけ
で克服できる。

【００２１】プラズマ処理装置上のいかなる種類の材料
中でも走査用マイクロ波放射エネルギー・ビームを発生
する、アンテナの整相列用のソリッド・ステート電力供
給源を開示または示唆した従来技術は知られていない。

【００２２】走査用整相列型レーダは、数年前から軍事
用および商用のレーダ・システムで使用されてきた。こ
の種のレーダは、きわめて速い走査速度が可能であり、
かつ可動機械部品が全くまたは最小限しか必要でないた
め、特に望ましい。後者の特徴は、ビームの方向を非常
に高速度でかつ慎重に制御して変える必要のある、軍事
的応用分野では特に有利である。

【００２３】同時係属の米国特許出願第４５０３４３号
明細書で論じられている従来技術が、本明細書にも適用
され、材料およびプラズマ処理システム用などのマイク
ロ波電力供給源に関する一般的背景技術として参照すべ
きである。

【００２４】以下に参照文献のリストを示す。(1) Jes
Asmussen, Journal of Vacuum Science and Technolog
y, A7, (1989) p.883, (2) B. E. Cherrington, “Gase
ous Electronic and Gas Lasers”, Pergamon, New Yor
k, 1966 年刊、(3) John David Jackson, “Classical
Electrodynamics”, John Wiley & Sons, 1975 年刊、p
p.209-268, (4) James P. Wightman, “Chemical Effec
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Vol. 62, 1 January 1974, (5) J. J. Cuomo,S. M. Ro
ssnagel, H. R. Kaufman 編、“Handbook of Ion Beam
Processing Technology”, W. Holber., Chapter 3 “E
CR IonSources”Notes, 1989, (6) S.M. Rossnagel, J.
J. Cuomo, W. Westwood 編、“Handbook of Plasma Pr
ocessing Technology”, J. Asmussen, Noyes, Chapter
11, “Electron cyclotron Resonance Microwave Disc
harge For Etching and Thin Film Deposition”, 198
9, (7) J. Jow, M. Hawley, M. Finzel, J. Asmussen,
“Microwave Heating andDielectric Diagnosis Techni
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td., 1984年刊、(16) C. Balanis, “Antenna Theory,
Analysis and Design” Harperand Row, N.Y., 1982 年
刊。

【発明が解決しようとする課題】

【００２５】本発明の主目的は、複数の位相制御ソリッ
ド・ステート・マイクロ波発生装置を電力供給源として
使用し、アンテナのアレイを介してマイクロ波エネルギ
ーを放出する、改良されたマイクロ波給電式整相列型材
料／プラズマ処理システムを提供することにある。

【００２６】本発明の他の目的は、複数の上記位相制御
ソリッド・ステート・マイクロ波供給源をアレイ内で使
用して、反応チェンバ内での電磁界の制御を大幅に改善
し、それによってチェンバ内で合成場の選択された移動
が可能となる、上記システムを提供することにある。

【００２７】本発明の他の目的は、上記移動に加えて、
基本的に同じ工程段階の間に同じシステム内で異なる材
料を選択的に付勢するために、加工表面上の結合が変化
するように位相、周波数、出力およびスペクトルを制御
することのできる、上記のマイクロ波給電式整相列型処
理システムを提供することにある。

【００２８】本発明のその他の目的、特徴、および利点
は、明細書、図面、および特許請求の範囲に記述された
本発明の好ましい実施例に関する以下の記述から明らか
となろう。

【課題を解決するための手段】

【００２９】本発明の諸目的は、一般に、材料およびプ
ラズマ処理用の位相制御式アンテナのアレイ中の励起源
として、ソリッド・ステート・マイクロ波発生装置を使
用することによって達成される。好ましい実施例では、
（位相および振幅制御式）整相列内の各放射素子を、別
々のソリッド・ステート電力供給源で駆動する。これ
は、現在使用されているかさ高で高価な管型のマイクロ
波供給源ではほとんど不可能である。本発明は、処理用
加工片を保持するための処理チェンバと、加工片に必要
な電気バイアスをかけるための手段とを含む、マイクロ
波給電式材料／プラズマ処理システムを提供するもので
あり、本発明のマイクロ波処理装置は、処理チェンバ内
でアレイを形成するように取り付けられ、処理チェンバ
内にマイクロ波出力を直接導入する複数の直接放射アン
テナと、アンテナと対応して設けられ、対応するアンテ
ナにマイクロ波電力を供給する複数のマイクロ波電力供
給装置と、制御御手段とを含む。各マイクロ波電力供給
装置は、発信器と上記対応するアンテナとの間に直列に
接続された位相回路およびソリッド・ステート・マイク
ロ波増幅器を含み、制御手段は、各アンテナから発生さ
れるマイクロ波出力の位相と振幅を制御して処理チェン
バ内の所定の位置に所定のマイクロ波分布を与えるよう
に、各マイクロ波電力供給装置の位相回路およびソリッ
ド・ステート増幅器を制御する。

【００３０】材料／プラズマ処理用の励起源として、ソ
リッド・ステート・マイクロ波発生装置で付勢される整
相アンテナ列を使用する。列中の各アンテナ素子を、別
々のソリッド・ステート・マイクロ波供給源で駆動す
る。合成出力ノードの振幅と、アレイによって発生され
る電磁界の分布を制御するため、各ソリッド・ステート
発生装置の位相と振幅の非常に細かく精密な制御を行な
う。この制御は、真空管装置や、マイクロ波オーブン用
マグネトロンなどのシステムでは容易に可能ではない。
本発明の諸概念を利用すると、システムから発生される
全出力が容易に制御できる。個々の素子の位相を利用し
て、反応チェンバ内のプラズマの出力ノードの位置を制
御し、処理装置の機械的移動や物理的改変なしに、チェ
ンバ内で上記出力ノードを移動することが可能である。
本発明の処理システム全体内で高度の制御が可能である
ため、高い電力密度のプラズマを、反応チェンバ内の所
望のどの位置にも集中させることができ、あるいは所望
の領域を横切って走査させることができるので、従来は
実用的でなかったプラズマ処理方法が実現できる。こう
した制御特性は、現在利用できる真空管型マイクロ波装
置には欠けている。また、こうしたソリッド・ステート
をベースとするマイクロ波出力発生システムの全体的コ
ストは、製造および制御の技術が進歩するにつれて、対
応する管型マイクロ波発生装置よりずっと安くなる可能
性がある。

【００３１】低電力で出力と位相が制御できるというソ
リッド・ステート・マイクロ波発生装置に固有の利益
は、現在広く使用されている真空管技術に比べて顕著で
ある。位相が比較的容易に制御できることは、もちろん
本発明にとってクリティカルである。というのは、反応
チェンバ内のアレイの合成出力ビームの移動／位置を制
御するには、整相列中の各放射素子の位相と振幅を精密
に制御しなければならないからである。反応チェンバ内
の戻り信号を容易に感知または監視して、発生装置の出
力を処理条件に応じて変更することができる。この技術
により、温度、電力、重量、色など、比例する電圧信号
または電流信号に変換可能な、その他の処理に固有の測
定可能な物理的特性を用いて、処理を制御することが可
能である。こうした特徴は、マイクロ波オーブンなど現
在の真空管型マイクロ波装置には欠けている。

【００３２】

【実施例】自由空間に放射するアンテナのアレイがある
場合、各素子すなわちアンテナの電磁放射をベクトル加
算すると、そのアレイによって発生される総電磁界が得
られる。特に各素子の位相と、場合によっては振幅とを
制御することにより、個々の素子の電磁界を相互に強め
合い、また弱め合って干渉させることができる。位相を
慎重に制御すれば、強め合う干渉を１方向に制限し、弱
め合う干渉を自由空間の他の方向に制限することが可能
である。

【００３３】このマイクロ波エネルギーの「ビーム」を
使って、単に処理すべき領域を横切ってビームを走査さ
せるだけで、表面を処理し、あるいはプラズマを発生さ
せることができる。したがって可動部品なしで、走査用
のマイクロ波エネルギーのビームを発生させることが可
能である。

【００３４】従来のマイクロ波管を使用する場合、この
応用分野用の整相列を作成することは、不可能ではない
までもきわめて困難である。各素子を別々の位相および
振幅信号で駆動させなければならないため、各素子に別
々の電力供給源が必要となる。ソリッド・ステート技術
は、サイズおよび使いやすさの点で利点をもつので、こ
の応用分野に使用するには理想的である。

【００３５】ソリッド・ステート・デバイスは、いくつ
かの利点をもつため、プラズマおよび材料処理一般、特
に整相列で使用するのに最適なマイクロ波供給源とな
る。これらの装置は、小型で、効率がよく、容易に得ら
れる供給電圧および供給電源しか要しない。また、容易
にアレイに組み込むことができ、必要な低電力での位相
および振幅の制御が可能であるため、たとえば大型の反
応チェンバ内全体で所望の電磁界強度が得られるように
調節することができる。アレイに素子を追加し、たとえ
ば通常の変圧器結合法によって電力を増加させるだけ
で、個々のトランジスタからの出力電力を増加させるこ
とができる。

【００３６】ソリッド・ステート・デバイスが動作する
電力と周波数は、速い速度で増大する。このため、ソリ
ッド・ステート・デバイスは、通信およびレーダの多く
の応用分野で管に代って使用されてきている。ソリッド
・ステート・デバイスは、その使用を有利にする多数の
特性をもつ。これらの装置は、小型で、軽量で、効率が
よく、低コストで、中程度の供給電圧および供給電流で
動作する。また、振動の影響を受け難く、寿命が長く、
管型の装置よりもずっと広範囲で制御できる。

【００３７】本発明の教示によれば、ソリッド・ステー
ト・デバイスを、整相列型のプラズマまたは材料用のマ
イクロ波出力または放射線の供給源として使用する。こ
のソリッド・ステート・デバイスは、実際上、行なうべ
き処理が最適化されるように、あるいは既存のマイクロ
波アプリケータが使用できるように動作周波数を選択す
ることができる、処理装置用マイクロ波電力供給源であ
る。これらのソリッド・ステート・デバイスは、バイポ
ーラ・トランジスタまたは電界効果トランジスタ（すな
わち、ＭＯＳＦＥＴ）から構成できる。他のソリッド・
ステート・デバイスも使用できる。このような高周波数
で動作可能な、高電力出力デバイスの詳細な説明は後で
行なう。通常の電力、電流、電圧、位相制御の方法が使
用できる。このソリッド・ステート・デバイスは、標準
のクラスＡ、Ｂ、ＡＢまたはＣのどの増幅器でもよく、
また共鳴発振器クラスのものでもよい。これらはすべて
電子技術の分野で周知である。

【００３８】整相列型プラズマ処理用のプラズマ・アプ
リケータは、複数の素子から構成され、マイクロ波放射
線の（電力だけでなく）電磁界振幅および位相とその空
間的周波数分布が制御できる。これらを制御することに
より、合成マイクロ波電磁界の空間分布を制御すること
ができ、プラズマまたは材料あるいはその両方に吸収さ
れる出力を制御することができる。本発明のソリッド・
ステート・パワー・デバイスを用いると、この制御を低
い電力レベルで行ない、次いで高電力ソリッド・ステー
ト増幅器で増幅して、処理を駆動するのに必要な電力を
発生させることができる。

【００３９】ソリッド・ステート・マイクロ波供給源一
般の動作および制御可能性の詳しい説明については、た
とえば参照文献９を参照されたい。比較的低電力（たと
えば１０ワット）の装置を複数個使ってより大きな全体
的出力電力を得ることについては、参照文献１０（pp.1
94〜199）を参照されたい。アレイすなわち複数素子式
アンテナで、それぞれ同型で同じ電力レベルで駆動され
る複数の放射線供給源を用いる場合、空間内のある位置
における合成電磁界は、各アンテナからの電／磁界のベ
クトル和によって求められる。その位置での合成電力密
度は、電界と磁界の適当な積に比例する（参照文献
３）。この合成電力密度は、合成電界の大きさの２乗に
関係づけることができる。各供給源がランダムな位相
（または時間の経路につれてゆっくりと変化する位相）
をもつ場合、時間平均した合成電力密度は、１つの供給
源からの電力密度×供給源の数になる。したがって、各
供給源の位相を、ある位置でのその電界が他のすべての
供給源と同位相になるように調節した場合、その位置で
の合成電力密度は、ある供給源からの電界の大きさの２
乗×供給源の数に比例する。この概念の別の実施態様で
は、すべての供給源が同型である必要はなく、各供給源
の位相がばらばらで所望の電界分布を（したがって、電
力密度分布を）得ることができる。

【００４０】前述のように、マイクロ波領域で動作で
き、１０〜１００ワットの範囲の出力電力を生成するこ
とのできるトランジスタ増幅器が開発されたのは最近の
ことである。これらの装置は、主としてレーダや他の通
信システムなどの軍事用に開発されたものであり、まだ
商用にはほとんど使用されていない。ソリッド・ステー
ト・マイクロ波供給源によって電力を供給されるレーダ
応用例の具体例は、参照文献１１に詳しく記載されてい
る。容易に理解できることであるが、比較的高い動作温
度に耐えられるデバイスが利用可能になったのは最近の
ことである。インダクタンス、キャパシタンス、増幅な
ど、デバイスが高い周波数と電力で首尾よく動作できる
のに必要な、分配された回路パラメータをもつ回路デバ
イスの開発には長い年月がかかった。参照文献１０およ
び１１に、そのようなデバイスおよびその作成方法が記
載されている。参照文献１３、１５、１６には、所期の
電磁界パターンを発生する個々のアンテナの設計が記載
されている。話を簡単にするため、ここでは例として双
極アンテナを用いるが、他の多くの型式のアンテナが可
能であり、それらは参照文献１３に示されている。参照
文献１４には、低電力で位相と振幅の制御をもたらす回
路が記載されている。これは、通信回路用電子設計の重
要な一分野である。

【００４１】ソリッド・ステート・マイクロ波で付勢さ
れる整相列型プラズマ・システムの一例を図１に示す。
前述のように、本発明は、以前に出願された米国特許出
願第４５４３５４号の改良または拡張を含む。本発明の
貢献は、複数の個別マイクロ波放射装置を整相列として
利用して、その個々の位相関係を慎重に制御することに
より、集中した有向ビームを形成し、アレイ中の各アン
テナに供給される励起の位相を制御することにより、上
記ビームを自由空間内で移動させることができるという
結果が得られることを発見したことである。図１は、真
空処理チェンバ１２の頂面に個々のアンテナ素子１０が
配置された、非常に簡単な長方形の形のアレイを示して
いる。２×５個の双極アンテナのアレイが、適当な位相
および振幅制御と強め合い干渉して、空間内のある点で
強い電界を発生させるように配列されている。各アンテ
ナから放出される一連のビーム１８が概略的に示してあ
る。各アンテナの特定の構成要素が強い電界を発生さ
せ、その結果プラズマを発生させるが、容易に理解でき
る通り、アレイ中の各アンテナはそれ自体の伝播パター
ンを生成し、それらのパターンが点１６で強め合って干
渉し、他の点では弱め合って干渉するので、他の場所で
発生される電界は比較的小さくなる。

【００４２】当技術分野では周知の通り、加工片または
ターゲット２０が支持台２２上に載り、支持台２２はホ
ルダまたは支持体２４に載っている。このシステムはき
わめて簡略化した形で示してある。前述のように、電界
が最大の点１６でプラズマが発生する。アンテナ・アレ
イ中の各素子ｎの位相（φ）と振幅を慎重に制御するこ
とにより、点１６を空間内で、たとえば支持台２２を横
切って移動させ、その上に載った１個または複数個の加
工片２０を掃引することができる。これによって、１回
の処理のセット・アップで、利用可能な電力が加工片を
すべて同時に処理するには不十分な状態で、チェンバ内
にある複数の個別加工片２０を処理することができる。
したがって、システムの制御を損なうことなく、処理時
間と処理中の材料の搬送が大幅に節減できる。

【００４３】図１の装置では、明らかなように、１つの
プラズマ処理セットアップしか示してない。たとえば、
プラズマ自体のエネルギーが、加熱などによって加工片
内で物理的変化を発生させる。しかし、当業者なら容易
に理解できるように、このシステムは、材料をチェンバ
に導入して加工片の表面に付着させ、次いで材料を処理
する、またはマイクロ波プラズマの形成によって処理を
強化する、他のシステムと容易に組み合わせることがで
きる。さらに、これらの技術は当業者には周知であるこ
とも理解されたい。

【００４４】図２には、典型的な整相列信号発生／供給
システムの全体的機能構成図を示す。単一の発振器５０
が、一連のｎ個の並列位相シフタ５２に単一のマスタ・
マイクロ波信号を供給する。これらの位相シフタはそれ
ぞれ完全に従来通りの性格のものであり、受け取った信
号の位相を入力に対してある度数だけシフトさせる能力
を持つ（参照文献１４）。明らかなように、各位相シフ
タは、振幅（利得）制御と共に、独立して制御可能でな
ければならず、最適化されたシステム内では、チェンバ
内のある点で静止ビームを提供するための、あるいは処
理領域を横切ってビームを連続的に掃引するための計算
を行なうために、所定のプログラムに基づいて各位相シ
フタごとに必要な位相シフトの量を指定する、適当なコ
ンピュータなどの制御下に置かれることになる。整相ア
ンテナ列の理論および実践を扱ったたアンテナ理論の広
範な考察については、Ｃ．バラミスの著書“Antenna Th
eory”（参照文献１６）を参照のこと。

【００４５】ｎ個の位相シフタ５２それぞれの出力は利
得ｋの個々の増幅器５４に送られる。利得は、位相制御
と類似の方式で制御される（参照文献１４）。次に各増
幅器５４の出力は、それ自体の個別アンテナ５６に直接
送られる。最も簡単な型式の整相列システムでは、すべ
ての増幅器５４が同じ量の利得ｋをもつ。しかしより精
巧なシステムでは、より高い有向性を得るために、さら
には処理領域内のいくつかの場所で電磁界の強さを変え
るために、適当なコンピュータなどを使って、それぞれ
の増幅器の利得を制御することも必要である。

【００４６】これまでの議論からわかるように、ソリッ
ド・ステート増幅器を利用する本発明により、利得な
ど、個々の増幅器の様々な動作パラメータを、容易に変
更することが可能となった。これは、既知の管型増幅器
では容易に可能なことではない。

【００４７】図３は、簡単な同軸給電式双極アンテナを
示す断面図である。このアンテナは、中央導線６０と絶
縁（誘電体）層６２と外側導体またはシールド６４を含
む。図では、同軸ケーブルは、処理チェンバ６６の壁面
に設けた孔を通して簡単に挿入してある。

【００４８】チェンバ６６の内面が接地面となり、中央
導線の延長部分がアンテナの放射性素子となる。放射素
子のチェンバ内に挿入された長さｈは、通常、ケーブル
に給電する供給源の特定の周波数の波長であるλに等し
く選ぶ。このアンテナの形状は、最も簡単なアンテナ型
式の１つであるが、数学的に簡単であるため、最も理解
しやすいものの１つである。他のもっと複雑なアンテナ
も使用できるが、数学的モデル化が不可能ではないまで
も難しい。これは、図１および図４の実施例に示した型
式のアンテナである。図５には、「Ｔ字」形のアンテナ
を示す。本明細書では、説明が簡単になるように、双極
アンテナを使用した。というのは、それが最も簡単な種
類のアンテナだからである。しかし、どんな種類のアン
テナもうまく動作する。参照文献１３と１５に多数の例
が示してある。

【００４９】図４には、やや異なるアレイ構成の例、た
とえば同軸給電式双極アンテナ１０が４×４個の正方形
アレイが示してある。これらのアンテナは、間隔ｄで隔
置され、双極の高さまたは長さがｈである。通常、ｄお
よびｈは、駆動用励起周波数の波長λに等しく選ぶ。

【００５０】明らかなように、本発明では、整相列の励
起の波長が、したがって周波数が、同時係属の米国特許
出願第４５０４３号明細書に論じられているように、複
数のアンテナを使用した非整相列システムの場合よりも
ずっとクリティカルである。これは一般に、特定の放射
パターンを発生するためには、各アンテナで非常に精密
な位相関係が成立しなければならないからである。双極
が正確な波長λでないときは、放射パターンは非常に歪
んで予見し難い複雑なものになり、したがってアンテナ
の集合体によって形成される合成ビームの形状を制御す
るのがずっと難しくなる。

【００５１】図４のアレイに戻ると、このアレイは、た
とえば図１の２×５など細長いアレイではなく、基本的
に正方形であることが留意される。一般にこのような位
相制御式有向アンテナ・システムでは、所与の寸法中の
放射素子の数が多くなるほど、制御は良くなる。すなわ
ち、５素子のアレイ寸法が、それに沿ってマイクロ波エ
ネルギーの走査ビームをもつことが望ましい、チェンバ
内の処理経路に沿うことになる。

【００５２】図５には、ポリイミド皮膜の処理に特に有
用な整相列の例が示されている。この図は、真空チェン
バ７０、６素子のアンテナ・アレイ７２、チップ・キャ
リア７４、およびポリイミド皮膜で被覆したチップまた
は加工片７６を開示している点で、図１に類似してい
る。カメラなど、温度またはその空間分布あるいはその
両方を監視するための赤外検出器または検出器列７８も
示されている。次にこの情報を使って、マイクロ波放射
線の空間分布を制御することができる。

【００５３】本明細書に開示するもう一つの実施例の場
合と同様に、この環状アレイは、適当に強め合い、また
弱め合って干渉して、非常に強度の大きな電磁界を発生
させ、それがポリイミド材料で被覆したチップまたは加
工片上にプラズマまたは高温領域を形成する。他の実施
例の場合と同様、ターゲットの比較的小さな領域上に強
い電磁界が形成され、それが材料中に結合してそれを加
熱して硬化させる。個々の素子への駆動放射線の位相と
振幅を制御された方式で変化させることにより、ターゲ
ットの異なる表面領域を硬化させることができる。

【００５４】ポリイミドでは、半導体の構造および基板
を損なわずに材料を硬化させるために、非常な高温度
に、好ましくは非常に迅速に上げなければならないの
で、このことは特に重要である。

【００５５】この場合、半径方向で一様性をよりよく制
御するために、この環状アレイを使用する。

【００５６】要約すると、参照文献１４は、アレイに対
して空間内で所望の場所で（この場合は反応チェンバ内
で）所望の強度の所望の出力ノードを生成するには、ア
レイの様々なアンテナに対する信号の位相関係をどのよ
うに制御すればよいかを記述するための最良のデータ・
ソースである。参照文献１１は、出力マイクロ波信号の
位相を変えるために所与のマイクロ波発振器をどのよう
に制御すればよいかの詳細を示している。出力マイクロ
波信号は、この場合、本明細書に開示し記載するソリッ
ド・ステート高電力マイクロ波増幅器に送られ、その入
力になる。

【００５７】図６は、非常にコンパクトな高電出力ソリ
ッド・ステート増幅器を生成するために、ソリッド・ス
テート回路をどの程度まで集積できるか、すなわち本発
明の利点の１つを示す。システムの全構成要素を、別々
のまたは離散型のユニットとして構成する代りに、この
図は、ＶＬＳＩ技術一般で周知の共通基板上で単一の高
電力システムにすべての増幅器素子をどのように組み含
むことができるかを示している。これらの技術も、ＩＣ
マイクロ波電力増幅器を生成するために使用できる。通
常、発振器は外部に置く。本発明のソリッド・ステート
・デバイスは増幅器である。

【００５８】図７は、図６のソリッド・ステート増幅器
の概略図である。図で類似の構成要素には同じ参照番号
をつけてある。パワー・トランジスタ３０は、上述のよ
うに、マイクロ波周波数レベルで数ワットの電力で動作
するように構成されており、基板３１上に適切な方法で
製作されている。周知の技術により、基板上には４つの
負荷インピーダンス３２が取り付けられており、すべて
の配線も付着されている。通常の直流分離コンデンサ３
６も設けられている。広帯域増幅器のＱを鋭くするため
に同調可能素子３４も設けられているが、周波数決定素
子自体ではない。周波数制御は、外部の低電力発振器５
０の制御によって行なわれる。

【００５９】アンテナ２１は、回路基板に直接物理的に
取り付けることができる。これは概略的に示したもの
で、実際の取付けはいくつかの方法で行なうことができ
る。これは、直流供給電圧にフィードスルーだけが必要
でなく、それが容易にかつ日常的に構成されるという利
点をもつ。その場合、このユニットは小型のコンパクト
なプラズマ供給源であり、たとえば大きなイオン・ビー
ム供給源の背面に容易に組み込むことができる。より具
体的には、容易に利用できるように、独立の増幅器を設
けてアレイ中の各アンテナを駆動するのは簡単なことな
ので、このような構造は本発明の整相列型マイクロ波処
理システムで使用するのに特によく適している。位相シ
フタおよび関連するそのための制御機構は、各増幅器の
出力端とそのアンテナの間、より実用的には、操作する
電力が少なくてすむように発振器と増幅器の間に配置す
ることができる。

【００６０】図７および図８は、２種の異なる型式の広
帯域ソリッド・ステート増幅器の回路図の例を示す。図
７は、エミッタ接地増幅器構成のバイポーラ・トランジ
スタを示す。同調素子３４は、増幅器のＱ応答曲線を鋭
くし成形するだけであるが、上記のように、当業者なら
よく理解している通り、周波数決定素子自体ではない。
この構成の各種の回路素子の機能は、低周波数で動作す
るエミッタ接地増幅器と同じである。これは、簡単で、
電力レベルが高く、安定性があるという利点を有する。

【００６１】図８は、ＭＯＳＦＥＴ４０、負荷抵抗４
２、同調可能素子４４をもつＭＯＳＦＥＴドレイン接地
増幅器の例を示す。これらの構成要素はすべてソリッド
・ステート技術を使って容易に使用できる。この回路
も、低周波数で動作するドレイン接地増幅器と同様に機
能する。この増幅器は、利得が高く、効率がよいという
利点を有する。またこの図では、外部発振器を使用する
と仮定している。もちろん、希望するなら、図７および
図８のいずれかの高電力増幅器と同じ基板上にこの外部
発振器を製作することも可能である。

【００６２】R. アリソンの IEEE 論文“Silicon Bipol
ar Microwave Power Transistors”（参照文献１２）に
は、マイクロ波領域で動作することのできる適切なパワ
ー・トランジスタの製造の細部が記載されているが、一
般に所望の周波数領域では接合を非常に小さくしなけれ
ばならないことを留意されたい。これは、従来の構造で
は扱えなかった上記の小さな接合内部で、大きな電力密
度と発熱をもたらす。接合を小さく保つことにより、そ
れらの接合が漂遊回路効果によりマイクロ波領域で動作
するのを妨げられることはなくなる。現況技術では、よ
り大きな電力密度を扱えるように、寄生キャパシタンス
を減らし、材料の接合領域をより小さくすることによ
り、これらの構造の改良を続けている。

【００６３】以上、様々なプラズマ処理方法を利用し
て、新規なソリッド・ステート電子デバイスなどを生成
するのに大いに有望と考えられる、新規なソリッド・ス
テート・マイクロ波給電式整相列型材料／プラズマ処理
システムを開示し記述してきた。本発明の原理を利用す
れば、マグネトロンなど従来の管型マイクロ波電力供給
源よりもずっと安価に、プラズマのパラメータおよび分
布の極めて精密な制御が達成できる。

【００６４】また、整相列の使用により、ずっと複雑で
普通ならもっと時間がかかりコストの高くつく処理を、
１つのチェンバ内で１回の処理セットアップで実行する
ことが可能となる。また本発明により、所与の量の電力
を処理領域全体に一様に拡散させなければならない場合
に可能なよりも高い電力密度を、基板上の処理チェンバ
の所与の領域内で得ることが可能となる。

【００６５】技術が改良されて、ずっと強力な高周波増
幅器が利用可能になったとき、本発明の利益はさらに顕
著になるであろう。

【００６６】以上、本発明をそのいくつかの好ましい実
施例に関して開示し記述してきたが、明らかに理解でき
る通り、当業者なら本明細書および頭記の特許請求の範
囲に記述した本発明の趣旨および範囲から逸脱すること
なく、基本概念に多くの変更および修正を加えることが
できるはずである。

【００６７】

【発明の効果】本発明により、複数の位相制御ソリッド
・ステート・マイクロ波発生装置を電力供給源として使
用し、アンテナのアレイを介してマイクロ波エネルギー
を放出する、改良されたマイクロ波給電式整相列型材料
／プラズマ処理システムが得られる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の教示による、チェンバ内にある整相ア
ンテナ列を示す材料／プラズマ真空処理チェンバの透視
図である。

【図２】図１に示した整相アンテナ列用の適当なソリッ
ド・ステート・マイクロ波付勢手段の機能構成図であ
る。

【図３】図１および図４に示したアレイ内で使用するの
に適した、単純な双極アンテナの断面図である。

【図４】有向マイクロ波エネルギー・ビームを供給す
る、位相制御に適したアンテナ・アレイの別の実施例を
示す図である。

【図５】各アンテナに供給するマイクロ波エネルギー源
の適切な位相制御により、チェンバ内でマイクロ波エネ
ルギーの制御可能な有向ビームを供給する、他のアンテ
ナ列パターンを示す、図１に類似の材料処理システムの
真空チェンバの透視図である。

【図６】図１ないし図５の装置で使用するのに適した、
増幅器／発生装置に取り付けられた双極放射素子を示
す、本発明に従って作成したソリッド・ステート・マイ
クロ波増幅器／発生装置の構造の細部を示す図である。

【図７】出力の周波数と振幅（電力）を制御する回路素
子をも示す、本発明のソリッド・ステート・マイクロ波
発生装置を付勢するための可能なある構成の電気回路の
概略等価回路図である。

【図８】出力の周波数と振幅（電力）を制御する回路素
子をも示す、本発明のソリッド・ステート・マイクロ波
発生装置を付勢するための可能な別の構成の電気回路の
概略等価回路図である。

【符号の説明】

１０ アンテナ素子 １２ 真空処理チェンバ １６ アンテナ・アレイ点 １８ マイクロ波ビーム ２０ 加工片（ターゲット） ２２ ホルダ（支持台） ２４ 支持体 ５０ 発振器 ５２ 位相シフタ ５４ 増幅器 ５６ アンテナ ６０ 中央導線 ６２ 絶縁層 ６４ 外側導体（シールド） ６６ 処理チェンバ

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 チャールズ・リチャード・グァルニエリ アメリカ合衆国 10598、ニューヨーク州、 サマーズ、アナロック・ドライブ（番地な し) (72)発明者 スタンリー・ジョーゼフ・ホワイトヘア アメリカ合衆国 10566、ニューヨーク州、 ピークスキル、アパートメント４エー、ビ ーチャー・レーン １番地

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】処理用加工片を保持するための処理チェン
   バと、加工片に必要な電気バイアスをかけるための手段
   とを含む、マイクロ波給電式材料／プラズマ処理システ
   ムにおいて、 上記処理チェンバ内でアレイを形成するように取り付け
   られ、上記処理チェンバ内にマイクロ波出力を直接導入
   する複数の直接放射アンテナと、 上記アンテナと対応して設けられ、対応するアンテナに
   マイクロ波電力を供給する複数のマイクロ波電力供給装
   置と、 制御手段とを含み、 各上記マイクロ波電力供給装置は、発信器と上記対応す
   るアンテナとの間に直列に接続された位相回路およびソ
   リッド・ステート・マイクロ波増幅器を含み、 上記制御手段は、各上記アンテナから発生されるマイク
   ロ波出力の位相と振幅を制御して上記処理チェンバ内の
   所定の位置に所定のマイクロ波分布を与えるように、各
   上記マイクロ波電力供給装置の上記位相回路および上記
   増幅器を制御することを特徴とする マイクロ波給電式材料／プラズマ処理システム。
2. 【請求項２】上記アンテナの各々が、対応するソリッド
   ・ステート・マイクロ波増幅器の基板に物理的に取り付
   けられて該増幅器の出力に電気的に接続され、且つ上記
   処理チェンバ内に突出するように設けられていることを
   特徴とする、請求項１に記載のマイクロ波給電式材料／
   プラズマ処理システム。
3. 【請求項３】上記処理チェンバ内の上記アンテナの整相
   列が、正方形アレイ、長方形アレイおよび環状アレイか
   らなるアレイ・グループから選択されたアレイに編成さ
   れていることを特徴とする、請求項１に記載のマイクロ
   波給電式材料／プラズマ処理システム。