JPH0554805A - マグネトロン - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】半導体製造用プラズマエッチング装置などに好
適なクリーンルーム内で連続使用可能な、量産が容易な
液冷方式マグネトロンを提供することにある。 【構成】管中央の陰極を、陽極円筒と其の内壁から突出
させた複数のベインとで形成された空洞共振器群が囲
み、陽極円筒の両端に、それぞれ、磁極と、磁極フラン
ジ部に接して配置された円環状の永久磁石とを備え、更
に永久磁石の管軸方向外側面に密着し管外磁気回路を形
成するヨークを備えたマグネトロンにおいて、高い熱伝
導率を有する固体の内部に冷却用媒体の流通管路を形成
させた冷却ブロックを、陽極円筒外周壁面のほぼ全面に
密着し、且つ、上記永久磁石とヨークそれぞれの一部分
に熱的に接するように設置した。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、液体冷媒を流す冷却ブ
ロックにより発熱部である陽極円筒だけでなく永久磁石
やヨークなどの磁気部材も冷却させて温度上昇による特
性変化を抑制した、室内の空気を撹乱して塵埃を飛散さ
せる恐れなく、工場の無塵室内で長時間連続的に使用し
ても特性変化すなわちマイクロ波出力電力低下が少な
い、マイクロ波を応用した半導体処理用マグネトロンプ
ラズマエッチング装置などに好適な液体冷却方式マグネ
トロンに関する。

【０００２】

【従来の技術】マグネトロンが動作する際には、陽極に
熱損失が発生するので、強制空冷または液冷などによっ
て上記熱損失による陽極などの温度上昇を、実使用に耐
えられる程度に抑制しなければならない。非常に多く用
いられている電子レンジ用などのマグネトロンでは、例
えば特開昭６３−８１７３４号公報に開示されているよ
うな、陽極円筒に複数個のラジエータフィンを圧入嵌合
させ、このラジエータフィンを送風機による空気流で冷
却させる強制空冷方式が好んで用いられてきた。図２
は、この種の従来のマグネトロンの管軸を含む平面によ
る断面図で、図中、１はヘリクス状にトリア入りタング
ステン線を巻いたフィラメント陰極、２は陽極円筒、３
は陽極円筒内壁から放射状に突出したベイン、４は陰極
とベイン端部に囲まれた作用空間に管軸方向に静磁界を
形成させるための軟強磁性体製の磁極、５は永久磁石、
６は陽極円筒両端に配設された磁石間を連結し磁気回路
を形成するヨーク（内部を真空に排気済みのマグネトロ
ン本体の陽極円筒にラジエータフィンを嵌合させ、陽極
円筒両端の磁極の平坦なフランジ部にそれぞれ永久磁石
を載せたのちに取付ける組立作業の便宜上、上下に分か
れている）、７はラジエータフィン、１０はマイクロ波
電力出力部、１１はマイクロ波電力が陰極加熱用導線に
乗って外部商用交流電源側へ漏洩するのを防止するため
のフィルタを収納するフィルタケース、１２は陰極加熱
用導線で商用交流電源に接続されている。このようなマ
グネトロンが強制空冷方式を採っているのは、液冷方式
にすると、たとえ冷却液として通常の水を用いるにして
も、家庭用としては通水が厄介で不具合なためである。
このようなマグネトロンの出力は５ｋＷ未満である。こ
れに対し工業加熱用の出力が５ｋＷ以上の大電力マグネ
トロンや極短時間ずつ超大出力で用いられる種類のレー
ダ用マグネトロンなどでは、陽極を液体冷媒で冷却させ
る液冷方式を採用しているものもある。これら液冷方式
マグネトロンには、例えば、図３に示すように冷却液を
流すための冷却管１３を陽極円筒の外周に巻き付けて、
ろう付けしたり、図４に示すように陽極円筒の外周に密
着させて冷却管の代りに円筒形中空部材１４を設置し、
これに適当な位置、方向に冷却液の圧入口と排出口を設
けて内部に管路はないが冷却液が適当に陽極円筒の周囲
を巡回するようにして冷却管を巻き付ける場合よりは製
作容易化を図ったものなどがあった。なお、上記の従来
から液冷方式を用いていた大電力出力マグネトロンの場
合は、通常、マイクロ波発振動作時に主たる発熱源であ
る陽極を冷却液で液冷するほか、静磁界形成用の電磁石
や陰極フィラメント端子部分を強制空冷によって冷却す
る方法が採られていた。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】近年マイクロ波により
プラズマを発生させ、それを質量の大きなイオン源とし
て利用した、例えば、半導体製造などに好適なプラズマ
エッチング装置やプラズマアッシャ装置などが開発、利
用されている。これらの装置に用いるマイクロ波電力は
１ｋＷ〜３ｋＷ程度の場合が多く、丁度、電子レンジ用
マグネトロンと工業加熱用マグネトロンの中間に位置す
る出力を用いている。以前はこれらの装置に適した出力
のマグネトロンは生産されておらず、電子レンジ用や工
業加熱用の５ｋＷ級のマグネトロンを用いていた。

【０００４】しかし、半導体製造の主力製品が極めて微
細な素子を１００万個程度も集積したＵＬＳＩやＶＬＳ
Ｉに漸次移り、その所謂最小線幅がμｍ程度またはそれ
以下になるにつれ湿式エッチングでは対応困難になり、
乾式のマグネトロンプラズマエッチング装置に対する需
要が急激に増大してきた。一方、半導体製造用のプラズ
マエッチング装置はクリーンルーム内で使用するが、強
制空冷方式マグネトロンは冷却風が極微小異物を散乱さ
せるためクリーンルーム内使用には不向きで、この種の
用途のマグネトロンは出力の大小にかかわらず液冷方式
にせざるを得ない。また、半導体製造などの工業用の場
合は家庭用の場合と異なり、液冷とすること自体に問題
はない。このような需要に対応するために、例えば、特
願平３−４９３４７号として、真空に排気したマグネト
ロンの本体部分には電子レンジ用マグネトロンのものを
流用し、冷却方法を強制空冷から液冷に変えたものが提
案されている。この提案によるマグネトロンの側面図を
図５（ａ）に示し、図中、５は永久磁石、６はヨーク、
１０はマイクロ波電力出力部、１１はフィルタケース、
１２は陰極加熱用導線、１５は上記提案に係る冷却ブロ
ック、１５ａ、１５ｂはそれぞれ冷却ブロックへの冷却
液の出入口である。図５（ｂ）は此のマグネトロンで使
用する冷却ブロック１５を示す斜視図で、図中、１５ｃ
は冷却ブロック１５の内部に冷却液の流路を加工形成し
たのち加工の際に生じた不要な開口部を塞ぐためのめく
ら栓で、その他の符号は図５（ａ）の場合と同じであ
る。このような冷却ブロック１５は、図５（ｂ）に示す
ようにブロックの中央部に穿設した冷却用孔をマグネト
ロンの陽極円筒に嵌合させたのち、この孔の周囲の１個
所に設けた切り込みの両側からねじで締めて冷却孔の内
面を陽極円筒の外面に密着させる。なお、図示のよう
に、この提案では冷却ブロック１５は陽極円筒の外面だ
けを冷却している。

【０００５】上記提案に係るマグネトロンはクリーンル
ーム内での使用に適し、一応所期の目的を果たしたが、
製造工業用として連続的に使用していると、使用中に永
久磁石など磁気部材の温度も陽極からの熱伝導により温
度上昇して作用空間内の静磁界の磁界強度を低下させ、
マグネトロンの電気特性を変化させ、マイクロ波出力を
低下させるのを解決することが課題になってきた。

【０００６】本発明は上記従来の課題を解決した、しか
も構造が簡単な、液冷方式で量産容易なマグネトロンを
提供することを目的とする。

【０００７】

【課題を解決するための手段】上記課題を解決するため
に本発明においては、管の中央部に位置する陰極を、円
筒形の作用空間を隔てて、陽極円筒と其の内壁から放射
状に突出させた複数のベインとで形成された空洞共振器
群が囲み、作用空間に管軸方向の静磁界を形成させるた
め、陽極円筒の両端に、それぞれ、平らなフランジ部と
其の内側で作用空間端部近傍まで伸びた円錐面部よりな
る軟強磁性体製の磁極と、磁極の管軸方向外側に配置さ
れ起磁力源となる円環状の永久磁石とを備え、更に上記
両端永久磁石の管軸方向外側円環状端面に密着し陽極円
筒の外方を囲んで磁気回路を形成する軟強磁性体製のヨ
ークを備えたマグネトロンにおいて、高い熱伝導率を有
する固体の内部に冷却用液体の流通管路を形成させた冷
却ブロックを、陽極円筒外周壁のほぼ全面に密着し、且
つ、上記永久磁石とヨークそれぞれの一部分に熱的に接
するように設置することにした。

【０００８】

【作用】マグネトロンの動作時には陽極に大きな熱損失
が発生するので陽極の温度上昇は大きい。しかし、陽極
以外の部分でも陽極に近接して配置されている永久磁石
やヨークも陽極からの熱伝導で温度上昇する。また、陰
極フィラメントに対しても約４０〜１２０Ｗの加熱電力
が供給されており、陽極以外でも、陰極への給電線、高
温度に加熱されたフィラメント陰極を支持する陰極ステ
ム、フィルタ従ってフィルタケースなども温度上昇し、
これらに接するヨークの温度を上昇させる。永久磁石と
して電子レンジ用にはコストパフォーマンス的に優れた
フェライト系磁石が採用されているが、この磁石は負の
かなり大きい温度係数を有し、上記従来の陽極だけを冷
却したマグネトロンの場合には、動作時に磁石の温度が
７８℃まで上昇し、作用空間内静磁界強度低下により、
動作開始時に陽極電圧４．２ｋＶであった場合、マグネ
トロンが動作して磁石温度が上昇した時、陽極電流を同
じ適正値に保持する陽極動作電圧は４５０Ｖも低下する
ことになり、それに応じてマイクロ波出力が低下する。
これに対し、本発明により、主たる発熱源である陽極の
ほか、永久磁石やヨークも冷却するようにすれば、作用
空間内の静磁界の強度低下が小さくなり、マグネトロン
の電気特性の変化も抑制できる。

【０００９】

【実施例】図１（ａ）は本発明の一実施例の側面図で、
５は永久磁石、６はヨーク、９は本発明に係る冷却ブロ
ック、９ａ、９ｂはそれぞれ冷却ブロックの冷却液送入
口と排出口、１０はマイクロ波電力出力部、１１はフィ
ルタケース、１２は陰極加熱用導線である。なお、既述
のように、冷却ブロック９に隠れて見えない部分は、図
２に示した従来のマグネトロンの本体部分（ラジエータ
を取り除いた、内部が真空に排気された部分）と同様で
ある。図１（ｂ）は上記本発明に係る冷却ブロック９の
斜視図で、図中、９は冷却ブロック、９ａ、９ｂはそれ
ぞれ冷却ブロックの冷却液送入口と排出口、９ｃは冷却
ブロック９の内部に冷却液の流路を加工形成したのち加
工の際に生じた不要な開口部を塞ぐためのめくら栓であ
る。図示のように本発明に係る冷却ブロック９の中央に
穿設された冷却孔は、両端部の直径は永久磁石５の外径
より僅かに大きく、中間部は直径が陽極円筒の外径に等
しく、軸方向の長さが陽極円筒の軸方向の高さと同じ
な、３部分よりなる。なお、冷却ブロックの材料には熱
伝導率が高く加工も容易なアルミニウムを用いた。

【００１０】冷却ブロック９の中間部の直径と陽極円筒
の外径とは等しくしてあるが、実際には工作上不可避の
誤差により切り込み部を両側から締め付けても全面的に
密着させることはできない。また磁石５やヨーク６と冷
却ブロック９の間には通常僅かな隙間が生ずる。このた
め、マグネトロンの被冷却部分である陽極円筒外側など
に、熱伝導ペースト例えば富士高分子社製ＦＳ熱拡散コ
ンパウンドなどを塗布して空隙が生じないようにして熱
抵抗を小さくさせる。ヨーク６は永久磁石５の管軸方向
外側の面に接しているからヨーク６を冷却すれば間接的
に永久磁石５を冷却するのにも役立つ。

【００１１】本発明により下記表１に示すように磁石の
温度上昇が３０℃小さくなり、陽極動作電圧の低下した
がってマイクロ波出力低下量もほぼ半減した。

【００１２】

【表１】

【００１３】マグネトロンのマイクロ波出力は陽極電流
が一定の場合、動作電圧で定まるので従来の陽極だけを
冷却した場合には０．４５／４．２＝１０．７％の出力
低下が生じたのに対して、本発明実施例では０．２５／
４．２＝６％となり、出力低下を約半分に抑制すること
ができた。

【００１４】

【発明の効果】以上説明したように本発明によれば、極
めて容易に、クリーンルーム内で使用可能な、半導体製
造用プラズマエッチング装置などに好適な液冷マグネト
ロンを量産できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】図１（ａ）は本発明の一実施例の側面図、図１
（ｂ）は本発明に係る冷却ブロックの斜視図である。

【図２】従来のマグネトロンの管軸を含む平面による断
面図である。

【図３】冷却液を流すための冷却管を陽極円筒の外周に
巻き付けて、ろう付けした工業加熱用などの従来の大電
力マグネトロン側面図である。

【図４】冷却管を陽極円筒の外周に巻き付ける代りに円
筒形タンクへの冷却液出入口のつけ方を工夫して製造容
易化を図った従来の大電力マグネトロン側面図である。

【図５】図５（ａ）はマグネトロン本体部分は従来の電
子レンジ用のものを流用し、陽極だけを液冷した従来の
半導体製造装置用マグネトロンの側面図、図５（ｂ）は
その冷却ブロックの斜視図である。

【符号の説明】

１…ヘリクス状にトリア入りタングステン線を巻いたフ
ィラメント陰極、 ２…陽極円筒、 ３…ベイン、 ４
…磁極、 ５…永久磁石、 ６…ヨーク、 ７…ラジエ
ータフィン、 ９…本発明に係る冷却ブロック、 １０
…マイクロ波出力部、 １１…フィルタケース、 １２
…陰極加熱用導線。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】管の中央部に位置する陰極を、円筒形の作
   用空間を隔てて、陽極円筒とその内壁から放射状に突出
   させた複数のベインとで形成された空洞共振器群が囲
   み、作用空間に管軸方向の静磁界を形成させるため、陽
   極円筒の両端に、それぞれ、平らなフランジ部と其の内
   側で作用空間端部近傍まで伸びた円錐面部よりなる軟強
   磁性体製の磁極と、磁極フランジ部の管軸方向外側に接
   して配置され起磁力源となる円環状の永久磁石とを備
   え、更に上記両端永久磁石の管軸方向外側円環状端面に
   密着し陽極円筒の外方を囲んで磁気回路を形成する軟強
   磁性体製のヨークを備えたマグネトロンにおいて、高い
   熱伝導率を有する固体の内部に冷却用液体の流通管路を
   形成させた冷却ブロックを、陽極円筒外周壁のほぼ全面
   に密着し、かつ、上記永久磁石とヨークそれぞれの一部
   分に熱的に接するように設置したことを特徴とするマグ
   ネトロン。