JP4982022B2 - マイクロ波システム - Google Patents
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Description
【０００１】
本発明は、マイクロウェーブ装置の技術分野に関する。
【０００２】
より詳細には、本発明は、共通するマイクロ波発生器から供給される数個のマイクロ波ソースを含む装置の技術分野に関する。
【０００３】
本発明の用途は、特に、単一の電力発生器からマイクロ波電力が給電される、所定の数の個々のプラズマソースから、プラズマを発生させることにある。
【０００４】
これら個々のプラズマソースは、同一のチャンバにおいて独立していてもよい（その目的は、例えば単一のプラズマソースに印加できる最大マイクロ波電力に関する物理的または技術的限界を克服することにある）し、また、使用しようとする用途に必要な規模を拡大できるよう、同一チャンバ内に分散させてもよい。
【０００５】
一般に、マルチプラズマソースの応用分野は、単一のプラズマソースを使用することによって、既にカバーされている分野すべてをカバーするだけでなく、（例えば均一性、レートなどの理由から）一体的なプラズマソースでは可能でない新規な分野もカバーできる。
【０００６】
本発明は、どのような圧力範囲、マイクロ波周波数、マイクロ波アプリケータの性質または構成、磁界が存在するか否かにかかわらず、すべてのマイクロ波プラズマおよび放電に関するものである。
【０００７】
しかし、本発明は、プラズマの技術分野だけに限定されるものでなく、例えばマルチステーションを使った、接着、乾燥または硬化作業にも適用できる。より一般的には、ステーションごとにシステムのィンピーダンスが時間と共に変化する任意の作業に適用できる。
【０００８】
マイクロ波の技術分野は、広範な研究の対象となっている。
【０００９】
共通するプラズマ発生器から、数個のプラズマソースに供給するためのいくつかの提案がなされている。
【００１０】
単一プラズマ発生器から送られるマイクロウェーブ電力を分割するために、例えば方形導波管から形成された３ｄＢの結合器（２分割）のカスケードを使用することが可能である。
【００１１】
この解決案は、極めて広い空間を必要とするが、電力を、Ｎ＝２k（ここでｋはカスケードの連続するレベルの数を示す）で分割できるようにする。従って、マイクロウェーブ電力は、２、４、８、１６、３２等の数で分割できる。各導波管の端部に設けられたマッチングされた同軸／導波管移行部は、更に標準的コネクタが取り付けられた同軸ケーブルにより、マイクロ波電力を搬送できるようにする。
【００１２】
広く実施されている別の解決案は、キャビティまたは導波管、またはリング共振器のいずれかに、マイクロ波電力を取り出すことであり、キャビティ，導波管、またはリング共振器内において、電界波復（最大電界領域）に設置されたアンテナにより定在波が生じる。
【００１３】
この解決案は、個々の各プラズマソースが、マッチングのとれたインピーダンスとして働くことを仮定している。すなわちプラズマソースが、取り出したマイクロ波電力のすべてを吸収すると仮定している。かかるソースを用いた場合に、所定のマイクロ波電力を、個々の各マイクロ波ソースへ送ることが可能である。
【００１４】
しかし、従来提案されている装置は、完全に満足できるものとは言えなかった。
【００１５】
プラズマソースに給電するためにマイクロ波電力を分割する上での問題の１つは、一般的にプラズマソースは、マッチングのとれた負荷としては作動しないということである。この理由は、アプリケータの入力インピーダンスと、プラズマソースの入力端に戻されたプラズマのインピーダンスとが結合することから生じる、プラズマソースの入力端に戻ったインピーダンスは、一般にマッチングのとれた負荷に対応せず、すなわち、マイクロ波供給ラインの特性インピーダンスに等しい純粋な抵抗負荷に一致しないからである。
【００１６】
これに反し、プラズマソースの入力端における複雑なインピーダンス値と共に、放電のタイプ、放電条件、および吸収される電力に応じ、インピーダンス値がゼロから無限に変化するという問題に直面する。
【００１７】
同じマイクロ波発生器から、いくつかのプラズマソースに給電するケースでは、種々のマイクロ波ソースのための供給ラインの間が、十分デカップリングされていない場合（一般に＞２０ｄＢ）、１つのプラズマソースのインピーダンスが他のすべてのプラズマソースに影響するという問題もある。
【００１８】
従って、点弧直後に、プラズマソースの入力インピーダンスは、一般に放電が定常状態となった時に対応する入力インピーダンスよりもかなり大きくなる。点弧の瞬間における所定のプラズマソースに対するインピーダンスのこのような変動とは別に、同時には点弧されていない種々のプラズマソースによっても、電力分配が影響される。従って、多数のプラズマソースをオンにする場合、プラズマソースに送られる電力の大きなアンバランスが生じたり、回路に大きい電力が反射されたりするという問題に必ず直面する。
【００１９】
反射電力レベルを極めて大きくするようなこれら電力のアンバランスは、プラズマ密度を最小にし、よって、伝達される電力を最小にしなければならないようなプラズマソースで、プラズマ、例えば表面波プラズマをオンにすることを阻害する。
【００２０】
これに反し、分布電子サイクロトロン共振を使用するプラズマのように、上限値、例えば臨界密度にプラズマ密度が限定されているようなプラズマでは、インピーダンスがアンバランスになることに関連した別の問題が生じる。この場合、臨界密度を保証する値よりも大きい全入進電力が、プラズマソースの入力端で反射され、マイクロ波分配回路へ戻される。
【００２１】
更に、例えばプラズマソースのうちの１つが故障した場合、またはマルチシーケンスプロセス中に、作動条件（プラズマのガスの組成、流量、圧力、密度、高周波バイアスなど）の意図的または意図的でない変動が生じた後に、作動中にインピーダンスのアンバランスを生じることがある。
【００２２】
最後に、同一チャンバ内で数個のプラズマソースが作動している場合、アプリケータ間で干渉が生じる結果、反射電力レベルが所望する電力分布を乱すこともある。
【００２３】
従って、マイクロ波電力を分割するこれまでの解決案は、過度にかさばる（３ｄＢの結合器のカスケードを使用）か、または所定の数Ｎ＝２kで分割できるようにするだけであるか、またはインピーダンスのマッチングを必要とするが、プラズマソースを用いるケースでは、このようなことは不可能であった。
【００２４】
本発明の目的は、従来技術の欠点を解消するように、共通するプラズマ発生器から供給される個々の数個のプラズマソースを含むマイクロ波システムを改善することにある。
【００２５】
この目的は、マイクロ波発生器と、前記マイクロ波発生器に結合され、基本モード（Ｈ10）または横電気モード（ＴＥ10）で作動するようにマッチングされ、定在波条件を保証する手段と組み合わされた方形導波管と、マイクロ波発生器に対し、電力分割をするように電磁界成分のうちの１つの成分の最大振幅領域内にて導波管内に設置された複数の電力出力ポートとを備え、方形導波管によって形成された電力分割器の入力端に戻される正規化アドミッタンスｙの和が１単位となるように、前記電力出力ポートが調整されており、出力ポートに電力を反射して戻すことなく、出力ポートからソースまでの電力伝達を保証するアイソレータ手段およびアイソレータ手段と関連するソースとの間において、アイソレータ手段の下流側に位置する、各ソースのインピーダンスをマッチングするための装置により、導波管の出力ポートにそれぞれ結合された複数のソースとを備える、本発明のシステムにより達成される。
【００２６】
非限定的な例として示す添付図面を参照し、次の詳細な説明を読めば、本発明の上記以外の特徴、目的および利点が明らかとなると思う。
【００２７】
上記のように、本発明は、３つの要素、すなわち、必要な電力分割（条件に従って等分配を行うことが好ましいが、必ずしもそうである必要はない）を保証する第１要素１００と、各プラズマソース４００によって示される入力インピーダンスがどんな値であっても、各プラズマソース４００で反射が生じない、独立した電力伝達を保証する第２要素２００と、利用できる電力が、条件に従って（例えばプラズマ内で）多少とも完全に吸収されるように、各プラズマソース４００に設けられたインピーダンスマッチング装置である第３要素３００との組み合わせを使用してい。
【００２８】
より詳細には、本発明によると、方形導波管１１０から電力分割器１００が得られ、導波管１１０から電力が導波管の波長の半分、すなわちλg／２だけ分離されたポイント１１４において、導波管の長辺１１２にて電力がタップ出力される。
この波長λgは、次の式を満たす。
【００２９】
１／λg 2＝１／λ0 2−１／（２ａ）2 （１）
【００３０】
ここで、ａは、方形導波管１１０の長辺１１２の幅であり、λ0は、マイクロ波の真空内の波長である。
【００３１】
必要な電力分割を行うためには、例えばマイクロ波発生器１０からのマイクロ波電力給電点とは反対側において、導波管１１０の端部として位置する反射平面１３０（固定または可動ショート回路）により、一定振幅の定在波を形成することが可能である。このような低振幅定在波条件を満たすことは、導波管１１０が単一モードだけのマイクロウェーブの伝搬を可能にすることを意味する。
【００３２】
従って、本発明における、導波管１１０は、基本モードＨ10または横電気モードＴＥ10 で作動するようになっている。
【００３３】
電気アンテナにより電力を取り出すケースでは、アンテナ１１６を電界強度の最大点に設置することが好ましい。
【００３４】
磁気アンテナ１１６（ループ）により電力を取り出すケースでは、上記とは反対に、アンテナ１１６を電界強度最小点（磁界強度最大点）に設ける必要がある。
【００３５】
電力分割装置１００の入力端で生じる全インピーダンスが、導波管１１０の特性インピーダンス（一体的な正規化インピーダンス）に等しくなることを保証するには、分割器１００の入力端に戻されるすべてのアンテナ１１６の正規化アドミッタンスｙ（電気結合の場合）の和を１単位（ユニタリー）とする必要がある。
【００３６】
このような結果を得るには、電気アンテナ１１６の導波管１１０内への透過深度を調節するか、またはアンテナ１１６の位置を、導波管１１０の軸線に対して横方向に変位させるか、またはこれら２つの選択案を組み合わせるかのいずれかが必要である。磁気結合のケースも、等価的に処理できる。
【００３７】
一例として、電気結合を使ってマイクロ波電力を等しくＮ通りに分割するケースでは、導波管の入力端に戻されるアンテナ１１の（特性インピーダンスに対する）正規化コンダクタンス（インピーダンスの実数部分）は、次の式で示される。
【００３８】
ｇ＝１／Ｎ （２）
【００３９】
従って、所定の形状および所定の直径に対し、アンテナ１１６の長さは、所望する電力のＮ分割に対応するインピーダンスが得られるように調節しなければならない。
【００４０】
図１には、導波管１１０の長辺１１２の１つの軸線に沿ったアンテナに対する（一端において直径が５ｍｍであって、厚みが２ｍｍのヘッドを有する、直径が３ｍｍのアンテナの場合の）アンテナ１１６の長さを関数とするコンダクタンスの変化の一例が示されている。
【００４１】
上記のような構成において、Ｎλg／２に等しい装置１００の長さを短縮させるために、本発明の別の形態では、図示した第１の構造のように、λg／２おきに導波管１１０の長辺１１２の軸線の両側に２つのアンテナ１１６を設置する。
【００４２】
ｇ0を、軸線上のアンテナ１１６のコンダクタンスとした場合、導波管１１０の長辺１１２の軸線からの距離ｄにおける値ｇは、次の式で示される。
【００４３】
ｇ＝ｇ0ｃｏｓ2（πｄ／ａ） （３）
【００４４】
更に、装置１００の長さを短縮させるため、本発明の別の相補的形態は、先の構造のように、互いに対抗するようにアンテナ１１６の対を設ける。この場合、各対は、図３に略図で示すように、導波管１１０の長辺１１２の２つの面に設けられる。
【００４５】
しかしながら、この選択案は、対抗するアンテナ１１６が接触してはならず、更に互いに過度に接近してはならず、対抗するアンテナ１１６間で相互作用が生じる結果、各アンテナ１１６のコンダクタンスが増加するために、得られるコンダクタンスの点で制約される。
【００４６】
反射平面１３０を備える方形導波管１１０に基づく上記構造とは別に、アンテナ１１６を備えた方形導波管１１０の部分をリング共振器内に挿入することが可能である。この場合、共振器が（進行波モードではなく）定在波モードで作動し、移相器によりリング内のマイクロ波の電界最大点が電気結合アンテナ１１６の位置に対応することを保証するように、共振器を配置することが望ましい。
【００４７】
本発明の別の形態では、導波管を介し、プラズマソース４００に電力を伝達する用途に関連し、スロットを介して導波管から電力を取り出す。
【００４８】
本発明の第２要素２００は、各プラズマソース４００に対して反射を生じることなく、独立して電力を伝達することを保証するようになっている。このことは、分割導波管１１０のアンテナ１１６の出力端とアプリケータとの間に、単一方向性アイソレータ２００を挿入することによって達成される。
【００４９】
このアイソレータは、一般に、フェライトをベースとする３分岐サーキュレータ２１０から成り、このサーキュレータ２１０は、プラズマソース４００から来るすべての反射電力を吸収するようになっているマッチングされた負荷２１２によって、その第３分岐で終端している。この装置が正しく作動するために、分岐間のアイソレーションを、ほぼ２０ｄＢよりも大きくする必要がある。
【００５０】
本発明の第３要素３００は、こうして得られる電力が条件に従い、プラズマ内で多少とも完全に吸収されることを、各プラズマソース４００に対するインピーダンスマッチングが保証できるようにしている。このことは、従来のインピーダンスマッチング装置、例えばトロンボーンライン、または３つのプランジャーを有するシステムを利用することによって達成できる。
【００５１】
これら種々の使用可能な装置に必要とされる本質的な特徴は、インピーダンスマッチングの虚数部分および実数部分の双方に作用できることである。これにより、所望するプラズマ条件（密度、長さなど）に従って、ソース４００のインピーダンスマッチングを調節できるようになる。
【００５２】
図４には、本発明にかかわる代表的な電力分割装置の全体が略図で示されているマイクロ波発生器１０（およびオプションとして、その保護用サーキュレータ）の後で、この電力分割装置は可動ショート回路１３０を備えた電力分割器１００と、各プラズマソース４００への電力伝達ラインとを含んでいる。各伝達ラインはプラズマソース４００の上流側に設けられたインピーダンスマッチング装置３００と共に、サーキュレータ２１０および（反射電力を吸収する）マッチングのとられた負荷２１２を有する。
【００５３】
本発明にかかわる装置の主な利点は、単一のマイクロ波発生器１０から、かなりの数のプラズマソース４００にマイクロ波を供給できることである。更にこの装置は、簡単な要素から製造でき、これら要素のいくつかは、現在市販されているものである。
【００５４】
本発明の装置は、どのタイプのマイクロ波アプリケータでも使用できる。
本明細書に開示した本発明の基本的な利点は、任意の数Ｎのアンテナ１１６にわたって、マイクロ波電力を分配できることであり、Ｎは奇数でもよい。
【００５５】
本発明により、他のプラズマラインの作動を損なうことなく、１つ以上のプラズマラインを取り除くことが可能である。
【００５６】
種々のプラズマソース４００に対する供給手段の間の干渉を防止する本発明により、各プラズマソース４００に対し、短時間でインピーダンスマッチングを行うことが可能である。
【００５７】
最後に、本発明によれば、特にコンパクトな装置を製造することが可能である。
本発明を示す特定の限定的でない応用例として、導波管１１０の長辺１１２が幅Ａ＝８６ｍｍ（導波管の短辺の幅ｂ＝４３ｍｍを有するＷＲ３４０方形導波管規格を使って、電力を２４分割するための装置（図５に略図で示されている）が挙げられる。
【００５８】
２.４５ＧＨｚでは、真空内の波長λ0＝１２２.４５ｍｍであり、導波管内の波長（式１）は、次のとおりである。
【００５９】
λg＝１７４．４ｍｍ （４）
【００６０】
この結果、アンテナ１１６またはアンテナのグループは、λg／２ごとに、すなわち８７.２ｍｍごとに、導波管１１０に沿って位置する。
Ｎ＝２４で分割するためのアンテナ１１の正規化コンダクタンスｇ（式２）は、次の関係を必要とする。
【００６１】
ｇ＝０．０４１７ （５）
【００６２】
導波管の長辺の軸線からの距離ｄ＝２６ｍｍに対し、式（３）で示される導波管の長辺の軸線（Ｄ＝０）におかれた同じ長さＬのアンテナ１１６の対応するコンダクタンスｇ0は、次のように示される。
【００６３】
ｇ0＝０．１２３ （６）
【００６４】
実験で決定される長さＬのアンテナ１１６の正規化インピーダンスｇ 0が、図１に示されている。式（６）によって示されるインピーダンス値に対応するアンテナの長さは、ほぼ次のとおりである（図１）。
【００６５】
Ｌ １２．７５ｍｍ （７）
【００６６】
従って、こうして製造される、図５に略示するような、２４分割用の電力分割器１００は比較的コンパクトである。その理由は、全長が半波長の５倍（＋アンテナの出力ポート、およびそれらの同軸コネクタに必要とされる空間）に対応するからである。
当然ながら、分割器１００からの２４本の伝達ラインの各々は、マッチングされた負荷２１２を備えるアイソレータ２００と、プラズマソース４００の上流側のインピーダンスマッチング３００とを含む。
【００６７】
プラズマの外側で、本発明にかかわる装置は、マイクロ波電力分割器によって別々に給電されるＮ個のアプリケータのうちの１つ以上で、インピーダンス変動が生じ得る任意のプロセスで使用できる。
【００６８】
当然ながら、本発明は、これまでに説明した特定の実施例だけに限定されるものでなく、本発明の要旨に従って任意の変形例にも拡張できる。
【００６９】
例えば、変形例として、導波管の長辺の軸線に対して対称的でない配置のアンテナを提供することも可能である。
【図面の簡単な説明】
【図１】 導波管内のこのアンテナの長さを関数とする導波管の入力端に戻されるアンテナの正規化コンダクタンスの変化を示す。
【図２】 導波管上の出力ポートまたはアンテナの別の形態を示す横断面図である。
【図３】 導波管上の出力ポートまたはアンテナの別の形態を示す横断面図である。
【図４】 本発明に係わる装置の全体の略図を示す。
【図５】 本発明の好ましい実施例に対応する斜視図である。
【符号の説明】
１０−−マイクロ波発生器
１００−−電力分割器
１１０−−導波管
１１２−−長辺
１１６−−アンテナ
１３０−−反射平面
２１２−−マッチングされた負荷
２１０−−サーキュレータ
３００−−インピーダンス装置
４００−−プラズマソース
本発明は、マイクロウェーブ装置の技術分野に関する。
【０００２】
より詳細には、本発明は、共通するマイクロ波発生器から供給される数個のマイクロ波ソースを含む装置の技術分野に関する。
【０００３】
本発明の用途は、特に、単一の電力発生器からマイクロ波電力が給電される、所定の数の個々のプラズマソースから、プラズマを発生させることにある。
【０００４】
これら個々のプラズマソースは、同一のチャンバにおいて独立していてもよい（その目的は、例えば単一のプラズマソースに印加できる最大マイクロ波電力に関する物理的または技術的限界を克服することにある）し、また、使用しようとする用途に必要な規模を拡大できるよう、同一チャンバ内に分散させてもよい。
【０００５】
一般に、マルチプラズマソースの応用分野は、単一のプラズマソースを使用することによって、既にカバーされている分野すべてをカバーするだけでなく、（例えば均一性、レートなどの理由から）一体的なプラズマソースでは可能でない新規な分野もカバーできる。
【０００６】
本発明は、どのような圧力範囲、マイクロ波周波数、マイクロ波アプリケータの性質または構成、磁界が存在するか否かにかかわらず、すべてのマイクロ波プラズマおよび放電に関するものである。
【０００７】
しかし、本発明は、プラズマの技術分野だけに限定されるものでなく、例えばマルチステーションを使った、接着、乾燥または硬化作業にも適用できる。より一般的には、ステーションごとにシステムのィンピーダンスが時間と共に変化する任意の作業に適用できる。
【０００８】
マイクロ波の技術分野は、広範な研究の対象となっている。
【０００９】
共通するプラズマ発生器から、数個のプラズマソースに供給するためのいくつかの提案がなされている。
【００１０】
単一プラズマ発生器から送られるマイクロウェーブ電力を分割するために、例えば方形導波管から形成された３ｄＢの結合器（２分割）のカスケードを使用することが可能である。
【００１１】
この解決案は、極めて広い空間を必要とするが、電力を、Ｎ＝２k（ここでｋはカスケードの連続するレベルの数を示す）で分割できるようにする。従って、マイクロウェーブ電力は、２、４、８、１６、３２等の数で分割できる。各導波管の端部に設けられたマッチングされた同軸／導波管移行部は、更に標準的コネクタが取り付けられた同軸ケーブルにより、マイクロ波電力を搬送できるようにする。
【００１２】
広く実施されている別の解決案は、キャビティまたは導波管、またはリング共振器のいずれかに、マイクロ波電力を取り出すことであり、キャビティ，導波管、またはリング共振器内において、電界波復（最大電界領域）に設置されたアンテナにより定在波が生じる。
【００１３】
この解決案は、個々の各プラズマソースが、マッチングのとれたインピーダンスとして働くことを仮定している。すなわちプラズマソースが、取り出したマイクロ波電力のすべてを吸収すると仮定している。かかるソースを用いた場合に、所定のマイクロ波電力を、個々の各マイクロ波ソースへ送ることが可能である。
【００１４】
しかし、従来提案されている装置は、完全に満足できるものとは言えなかった。
【００１５】
プラズマソースに給電するためにマイクロ波電力を分割する上での問題の１つは、一般的にプラズマソースは、マッチングのとれた負荷としては作動しないということである。この理由は、アプリケータの入力インピーダンスと、プラズマソースの入力端に戻されたプラズマのインピーダンスとが結合することから生じる、プラズマソースの入力端に戻ったインピーダンスは、一般にマッチングのとれた負荷に対応せず、すなわち、マイクロ波供給ラインの特性インピーダンスに等しい純粋な抵抗負荷に一致しないからである。
【００１６】
これに反し、プラズマソースの入力端における複雑なインピーダンス値と共に、放電のタイプ、放電条件、および吸収される電力に応じ、インピーダンス値がゼロから無限に変化するという問題に直面する。
【００１７】
同じマイクロ波発生器から、いくつかのプラズマソースに給電するケースでは、種々のマイクロ波ソースのための供給ラインの間が、十分デカップリングされていない場合（一般に＞２０ｄＢ）、１つのプラズマソースのインピーダンスが他のすべてのプラズマソースに影響するという問題もある。
【００１８】
従って、点弧直後に、プラズマソースの入力インピーダンスは、一般に放電が定常状態となった時に対応する入力インピーダンスよりもかなり大きくなる。点弧の瞬間における所定のプラズマソースに対するインピーダンスのこのような変動とは別に、同時には点弧されていない種々のプラズマソースによっても、電力分配が影響される。従って、多数のプラズマソースをオンにする場合、プラズマソースに送られる電力の大きなアンバランスが生じたり、回路に大きい電力が反射されたりするという問題に必ず直面する。
【００１９】
反射電力レベルを極めて大きくするようなこれら電力のアンバランスは、プラズマ密度を最小にし、よって、伝達される電力を最小にしなければならないようなプラズマソースで、プラズマ、例えば表面波プラズマをオンにすることを阻害する。
【００２０】
これに反し、分布電子サイクロトロン共振を使用するプラズマのように、上限値、例えば臨界密度にプラズマ密度が限定されているようなプラズマでは、インピーダンスがアンバランスになることに関連した別の問題が生じる。この場合、臨界密度を保証する値よりも大きい全入進電力が、プラズマソースの入力端で反射され、マイクロ波分配回路へ戻される。
【００２１】
更に、例えばプラズマソースのうちの１つが故障した場合、またはマルチシーケンスプロセス中に、作動条件（プラズマのガスの組成、流量、圧力、密度、高周波バイアスなど）の意図的または意図的でない変動が生じた後に、作動中にインピーダンスのアンバランスを生じることがある。
【００２２】
最後に、同一チャンバ内で数個のプラズマソースが作動している場合、アプリケータ間で干渉が生じる結果、反射電力レベルが所望する電力分布を乱すこともある。
【００２３】
従って、マイクロ波電力を分割するこれまでの解決案は、過度にかさばる（３ｄＢの結合器のカスケードを使用）か、または所定の数Ｎ＝２kで分割できるようにするだけであるか、またはインピーダンスのマッチングを必要とするが、プラズマソースを用いるケースでは、このようなことは不可能であった。
【００２４】
本発明の目的は、従来技術の欠点を解消するように、共通するプラズマ発生器から供給される個々の数個のプラズマソースを含むマイクロ波システムを改善することにある。
【００２５】
この目的は、マイクロ波発生器と、前記マイクロ波発生器に結合され、基本モード（Ｈ10）または横電気モード（ＴＥ10）で作動するようにマッチングされ、定在波条件を保証する手段と組み合わされた方形導波管と、マイクロ波発生器に対し、電力分割をするように電磁界成分のうちの１つの成分の最大振幅領域内にて導波管内に設置された複数の電力出力ポートとを備え、方形導波管によって形成された電力分割器の入力端に戻される正規化アドミッタンスｙの和が１単位となるように、前記電力出力ポートが調整されており、出力ポートに電力を反射して戻すことなく、出力ポートからソースまでの電力伝達を保証するアイソレータ手段およびアイソレータ手段と関連するソースとの間において、アイソレータ手段の下流側に位置する、各ソースのインピーダンスをマッチングするための装置により、導波管の出力ポートにそれぞれ結合された複数のソースとを備える、本発明のシステムにより達成される。
【００２６】
非限定的な例として示す添付図面を参照し、次の詳細な説明を読めば、本発明の上記以外の特徴、目的および利点が明らかとなると思う。
【００２７】
上記のように、本発明は、３つの要素、すなわち、必要な電力分割（条件に従って等分配を行うことが好ましいが、必ずしもそうである必要はない）を保証する第１要素１００と、各プラズマソース４００によって示される入力インピーダンスがどんな値であっても、各プラズマソース４００で反射が生じない、独立した電力伝達を保証する第２要素２００と、利用できる電力が、条件に従って（例えばプラズマ内で）多少とも完全に吸収されるように、各プラズマソース４００に設けられたインピーダンスマッチング装置である第３要素３００との組み合わせを使用してい。
【００２８】
より詳細には、本発明によると、方形導波管１１０から電力分割器１００が得られ、導波管１１０から電力が導波管の波長の半分、すなわちλg／２だけ分離されたポイント１１４において、導波管の長辺１１２にて電力がタップ出力される。
この波長λgは、次の式を満たす。
【００２９】
１／λg 2＝１／λ0 2−１／（２ａ）2 （１）
【００３０】
ここで、ａは、方形導波管１１０の長辺１１２の幅であり、λ0は、マイクロ波の真空内の波長である。
【００３１】
必要な電力分割を行うためには、例えばマイクロ波発生器１０からのマイクロ波電力給電点とは反対側において、導波管１１０の端部として位置する反射平面１３０（固定または可動ショート回路）により、一定振幅の定在波を形成することが可能である。このような低振幅定在波条件を満たすことは、導波管１１０が単一モードだけのマイクロウェーブの伝搬を可能にすることを意味する。
【００３２】
従って、本発明における、導波管１１０は、基本モードＨ10または横電気モードＴＥ10 で作動するようになっている。
【００３３】
電気アンテナにより電力を取り出すケースでは、アンテナ１１６を電界強度の最大点に設置することが好ましい。
【００３４】
磁気アンテナ１１６（ループ）により電力を取り出すケースでは、上記とは反対に、アンテナ１１６を電界強度最小点（磁界強度最大点）に設ける必要がある。
【００３５】
電力分割装置１００の入力端で生じる全インピーダンスが、導波管１１０の特性インピーダンス（一体的な正規化インピーダンス）に等しくなることを保証するには、分割器１００の入力端に戻されるすべてのアンテナ１１６の正規化アドミッタンスｙ（電気結合の場合）の和を１単位（ユニタリー）とする必要がある。
【００３６】
このような結果を得るには、電気アンテナ１１６の導波管１１０内への透過深度を調節するか、またはアンテナ１１６の位置を、導波管１１０の軸線に対して横方向に変位させるか、またはこれら２つの選択案を組み合わせるかのいずれかが必要である。磁気結合のケースも、等価的に処理できる。
【００３７】
一例として、電気結合を使ってマイクロ波電力を等しくＮ通りに分割するケースでは、導波管の入力端に戻されるアンテナ１１の（特性インピーダンスに対する）正規化コンダクタンス（インピーダンスの実数部分）は、次の式で示される。
【００３８】
ｇ＝１／Ｎ （２）
【００３９】
従って、所定の形状および所定の直径に対し、アンテナ１１６の長さは、所望する電力のＮ分割に対応するインピーダンスが得られるように調節しなければならない。
【００４０】
図１には、導波管１１０の長辺１１２の１つの軸線に沿ったアンテナに対する（一端において直径が５ｍｍであって、厚みが２ｍｍのヘッドを有する、直径が３ｍｍのアンテナの場合の）アンテナ１１６の長さを関数とするコンダクタンスの変化の一例が示されている。
【００４１】
上記のような構成において、Ｎλg／２に等しい装置１００の長さを短縮させるために、本発明の別の形態では、図示した第１の構造のように、λg／２おきに導波管１１０の長辺１１２の軸線の両側に２つのアンテナ１１６を設置する。
【００４２】
ｇ0を、軸線上のアンテナ１１６のコンダクタンスとした場合、導波管１１０の長辺１１２の軸線からの距離ｄにおける値ｇは、次の式で示される。
【００４３】
ｇ＝ｇ0ｃｏｓ2（πｄ／ａ） （３）
【００４４】
更に、装置１００の長さを短縮させるため、本発明の別の相補的形態は、先の構造のように、互いに対抗するようにアンテナ１１６の対を設ける。この場合、各対は、図３に略図で示すように、導波管１１０の長辺１１２の２つの面に設けられる。
【００４５】
しかしながら、この選択案は、対抗するアンテナ１１６が接触してはならず、更に互いに過度に接近してはならず、対抗するアンテナ１１６間で相互作用が生じる結果、各アンテナ１１６のコンダクタンスが増加するために、得られるコンダクタンスの点で制約される。
【００４６】
反射平面１３０を備える方形導波管１１０に基づく上記構造とは別に、アンテナ１１６を備えた方形導波管１１０の部分をリング共振器内に挿入することが可能である。この場合、共振器が（進行波モードではなく）定在波モードで作動し、移相器によりリング内のマイクロ波の電界最大点が電気結合アンテナ１１６の位置に対応することを保証するように、共振器を配置することが望ましい。
【００４７】
本発明の別の形態では、導波管を介し、プラズマソース４００に電力を伝達する用途に関連し、スロットを介して導波管から電力を取り出す。
【００４８】
本発明の第２要素２００は、各プラズマソース４００に対して反射を生じることなく、独立して電力を伝達することを保証するようになっている。このことは、分割導波管１１０のアンテナ１１６の出力端とアプリケータとの間に、単一方向性アイソレータ２００を挿入することによって達成される。
【００４９】
このアイソレータは、一般に、フェライトをベースとする３分岐サーキュレータ２１０から成り、このサーキュレータ２１０は、プラズマソース４００から来るすべての反射電力を吸収するようになっているマッチングされた負荷２１２によって、その第３分岐で終端している。この装置が正しく作動するために、分岐間のアイソレーションを、ほぼ２０ｄＢよりも大きくする必要がある。
【００５０】
本発明の第３要素３００は、こうして得られる電力が条件に従い、プラズマ内で多少とも完全に吸収されることを、各プラズマソース４００に対するインピーダンスマッチングが保証できるようにしている。このことは、従来のインピーダンスマッチング装置、例えばトロンボーンライン、または３つのプランジャーを有するシステムを利用することによって達成できる。
【００５１】
これら種々の使用可能な装置に必要とされる本質的な特徴は、インピーダンスマッチングの虚数部分および実数部分の双方に作用できることである。これにより、所望するプラズマ条件（密度、長さなど）に従って、ソース４００のインピーダンスマッチングを調節できるようになる。
【００５２】
図４には、本発明にかかわる代表的な電力分割装置の全体が略図で示されているマイクロ波発生器１０（およびオプションとして、その保護用サーキュレータ）の後で、この電力分割装置は可動ショート回路１３０を備えた電力分割器１００と、各プラズマソース４００への電力伝達ラインとを含んでいる。各伝達ラインはプラズマソース４００の上流側に設けられたインピーダンスマッチング装置３００と共に、サーキュレータ２１０および（反射電力を吸収する）マッチングのとられた負荷２１２を有する。
【００５３】
本発明にかかわる装置の主な利点は、単一のマイクロ波発生器１０から、かなりの数のプラズマソース４００にマイクロ波を供給できることである。更にこの装置は、簡単な要素から製造でき、これら要素のいくつかは、現在市販されているものである。
【００５４】
本発明の装置は、どのタイプのマイクロ波アプリケータでも使用できる。
本明細書に開示した本発明の基本的な利点は、任意の数Ｎのアンテナ１１６にわたって、マイクロ波電力を分配できることであり、Ｎは奇数でもよい。
【００５５】
本発明により、他のプラズマラインの作動を損なうことなく、１つ以上のプラズマラインを取り除くことが可能である。
【００５６】
種々のプラズマソース４００に対する供給手段の間の干渉を防止する本発明により、各プラズマソース４００に対し、短時間でインピーダンスマッチングを行うことが可能である。
【００５７】
最後に、本発明によれば、特にコンパクトな装置を製造することが可能である。
本発明を示す特定の限定的でない応用例として、導波管１１０の長辺１１２が幅Ａ＝８６ｍｍ（導波管の短辺の幅ｂ＝４３ｍｍを有するＷＲ３４０方形導波管規格を使って、電力を２４分割するための装置（図５に略図で示されている）が挙げられる。
【００５８】
２.４５ＧＨｚでは、真空内の波長λ0＝１２２.４５ｍｍであり、導波管内の波長（式１）は、次のとおりである。
【００５９】
λg＝１７４．４ｍｍ （４）
【００６０】
この結果、アンテナ１１６またはアンテナのグループは、λg／２ごとに、すなわち８７.２ｍｍごとに、導波管１１０に沿って位置する。
Ｎ＝２４で分割するためのアンテナ１１の正規化コンダクタンスｇ（式２）は、次の関係を必要とする。
【００６１】
ｇ＝０．０４１７ （５）
【００６２】
導波管の長辺の軸線からの距離ｄ＝２６ｍｍに対し、式（３）で示される導波管の長辺の軸線（Ｄ＝０）におかれた同じ長さＬのアンテナ１１６の対応するコンダクタンスｇ0は、次のように示される。
【００６３】
ｇ0＝０．１２３ （６）
【００６４】
実験で決定される長さＬのアンテナ１１６の正規化インピーダンスｇ 0が、図１に示されている。式（６）によって示されるインピーダンス値に対応するアンテナの長さは、ほぼ次のとおりである（図１）。
【００６５】
Ｌ １２．７５ｍｍ （７）
【００６６】
従って、こうして製造される、図５に略示するような、２４分割用の電力分割器１００は比較的コンパクトである。その理由は、全長が半波長の５倍（＋アンテナの出力ポート、およびそれらの同軸コネクタに必要とされる空間）に対応するからである。
当然ながら、分割器１００からの２４本の伝達ラインの各々は、マッチングされた負荷２１２を備えるアイソレータ２００と、プラズマソース４００の上流側のインピーダンスマッチング３００とを含む。
【００６７】
プラズマの外側で、本発明にかかわる装置は、マイクロ波電力分割器によって別々に給電されるＮ個のアプリケータのうちの１つ以上で、インピーダンス変動が生じ得る任意のプロセスで使用できる。
【００６８】
当然ながら、本発明は、これまでに説明した特定の実施例だけに限定されるものでなく、本発明の要旨に従って任意の変形例にも拡張できる。
【００６９】
例えば、変形例として、導波管の長辺の軸線に対して対称的でない配置のアンテナを提供することも可能である。
【図面の簡単な説明】
【図１】 導波管内のこのアンテナの長さを関数とする導波管の入力端に戻されるアンテナの正規化コンダクタンスの変化を示す。
【図２】 導波管上の出力ポートまたはアンテナの別の形態を示す横断面図である。
【図３】 導波管上の出力ポートまたはアンテナの別の形態を示す横断面図である。
【図４】 本発明に係わる装置の全体の略図を示す。
【図５】 本発明の好ましい実施例に対応する斜視図である。
【符号の説明】
１０−−マイクロ波発生器
１００−−電力分割器
１１０−−導波管
１１２−−長辺
１１６−−アンテナ
１３０−−反射平面
２１２−−マッチングされた負荷
２１０−−サーキュレータ
３００−−インピーダンス装置
４００−−プラズマソース
Claims (16)
- マイクロ波発生器（１０）と、
前記マイクロ波発生器（１０）に結合され、基本モード（Ｈ10）または横電気モード（ＴＥ10）で作動するようにマッチングされ、定在波条件を保証する手段と組み合わされた方形の導波管（１１０）と、
マイクロ波発生器（１０）に対し、電力分割をするように電磁界成分のうちの１つの成分の最大振幅領域内にて前記導波管（１１０）内に設置された複数の電力出力ポート（１１６）とを備え、前記導波管（１１０）によって形成された電力分割器の入力端に戻される正規化アドミッタンスｙの和が１単位となるように、前記電力出力ポート（１１６）が調整されており、
出力ポート（１１６）に電力を反射して戻すことなく、出力ポート（１１６）からソース（４００）までの電力伝達を保証するアイソレータ手段（２００）、および
アイソレータ手段（２００）と関連するソース（４００）との間において、アイソレータ手段（２００）の下流側に位置する、各ソース（４００）のインピーダンスをマッチングするための装置（３００）により、
前記導波管（１１０）の出力ポート（１１６）にそれぞれ結合された複数のソース（４００）とを備え、
該正規化アドミッタンスｙは、正規化インピーダンスの逆数により与えられ、該正規化インピーダンスは、インピーダンスの測定値を特性インピーダンスで除して得られるものであることを特徴とするマイクロ波システム。 - ソース（４００）のうちの少なくとも１つが、プラズマソースであることを特徴とする、請求項１記載のマイクロ波システム。
- 前記導波管（１１０）が定在波条件を満たすよう、固定または可動ショート回路を形成する反射平面（１３０）を含むことを特徴とする、請求項１または２記載のマイクロ波システム。
- 前記導波管（１１０）がリング共振器に接続されて、前記リング共振器にマイクロ波出力を供給することを特徴とする、請求項１または２記載のマイクロ波システム。
- 電力出力ポートが電界強度の最大点に位置する電気アンテナから形成されていることを特徴とする、請求項１〜４のいずれかに記載のマイクロ波システム。
- 電力出力ポート（１１６）が電界強度最小点に位置する磁気アンテナから形成されていることを特徴とする、請求項１〜４のいずれかに記載のマイクロ波システム。
- 電力出力ポート（１１６）がスロットにより形成されていることを特徴とする、請求項１〜４のいずれかに記載のマイクロ波システム。
- 電力出力ポート（１１６）が前記導波管（１１０）の長辺（１１２）に位置することを特徴とする、請求項１〜７のいずれかに記載のマイクロ波システム。
- 電力出力ポート（１１６）が前記導波管（１１０）内で波長の半分（λg／２）だけ分離されていることを特徴とする、請求項１〜８のいずれかに記載のマイクロ波システム。
- 前記導波管（１１０）の長辺（１１２）の軸線の両側に、それぞれ少なくとも１対のアンテナ（１１６）が設けられていることを特徴とする、請求項１〜９のいずれかに記載のマイクロ波システム。
- 前記導波管（１１０）の長辺（１１２）の軸線の両側に、対称的にそれぞれ設置された少なくとも１対のアンテナ（１１６）を有することを特徴とする、請求項１〜１０のいずれかに記載のマイクロ波システム。
- 前記導波管の長辺（１１２）の各々において、それぞれ前記導波管（１１０）の長辺（１１２）の軸線の両側に、それぞれ少なくとも１対のアンテナ（１１６）を有することを特徴とする、請求項１〜１１のいずれかに記載のマイクロ波システム。
- 前記導波管の長辺（１１２）の各々において、それぞれ前記導波管（１１０）の長辺（１１２）の軸線の両側に、それぞれ対称的に設置された少なくとも一対のアンテナ（１１６）を有することを特徴とする、請求項１〜１２のいずれかに記載のマイクロ波システム。
- アイソレータ手段（２００）が、分岐の１つに設けられた、マッチングされた負荷（２１２）と組み合わされた、３分岐サーキュレータ（２１０）から成ることを特徴とする、請求項１〜１３のいずれかに記載のマイクロ波システム。
- トロンボーンラインまたは３つのプランジャーを有するシステムを含む群から、インピーダンスマッチング装置（３００）を選択したことを特徴とする、請求項１〜１４のいずれかに記載のマイクロ波システム。
- マイクロ波を等しくＮ通りに分割するように、同一の正規化コンダクタンスのＮ個のアンテナ（１１６）を設け、前記導波管の入力端に戻される各コンダクタンスを、ｇ＝１／Ｎに等しくなるようにし、該正規化コンダクタンスは、該正規化アドミッタンスｙの実部により与えられることを特徴とする請求項１〜１５のいずれかに記載のマイクロ波システム。
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