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JP2006128075A - 高周波加熱装置、半導体製造装置および光源装置 - Google Patents

高周波加熱装置、半導体製造装置および光源装置 Download PDF

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JP2006128075A JP2005212297A JP2005212297A JP2006128075A JP 2006128075 A JP2006128075 A JP 2006128075A JP 2005212297 A JP2005212297 A JP 2005212297A JP 2005212297 A JP2005212297 A JP 2005212297A JP 2006128075 A JP2006128075 A JP 2006128075A
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Satoru Fujii
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Abstract

【課題】 小型化および長寿命化を図りつつ、マイクロ波を発生させる。
【解決手段】 マイクロ波帯の高周波を生成する発振器１、発振器１にて生成された高周波を増幅する増幅器２およびマイクロ波が照射される対象物からの反射波を阻止するアイソレータ３を設け、発振器１にて生成されたマイクロ波を増幅器２にて増幅し、アイソレータ３を介してアンテナ５に送出し、アンテナ５に送出されたマイクロ波を金属キャビティ４内に放射させ、金属キャビティ４内に設置された物質の水分子を振動させることにより、物質を加熱する。
【選択図】 図１

Description

本発明は高周波加熱装置、半導体製造装置および光源装置に関し、特に、固体発振器を用いてマイクロ波を発生させる方法に適用して好適なものである。
従来の高周波加熱装置では、マイクロ波を照射した際の水分子の振動を利用することにより、食品などの物質を加熱することが行われている。また、半導体製造装置では、マイクロ波を照射した際の気体の励起および電離を利用することにより、プラズマを発生させることが行われている。
ここで、マイクロ波を発生させるために、高周波出力を効率よく発生できることから、マグネトロン発振管（以下、マグネトロン）やクライストロン発振管等の真空管の一種が広く用いられている。
このマグネトロンを例えば加熱装置に用いた場合、マイクロ波の断続運転や加熱対象物の負荷変動により、反射波が発振管に戻って発振周波数が変動したりする周波数変動問題、フィラメントが断線し使用不可能になる寿命問題、マグネトロンから発生する不要輻射のため、ＩＳＭ帯で使用されているＢｌｕｅｔｏｏｔｈやＷＬＡＮ等の無線通信機器がその妨害波によって通信不可能になる不要輻射問題等があった。
これらは、加熱装置に限らず、マグネトロンを用いたレーダ装置、医療機器、半導体製造装置、その他のマイクロ波応用機器に共通の問題である。これらいくつかの問題を解決するため、例えば、特許文献１、２には、真空管方式のマグネトロン発振管を使わない固体高周波発振器を使った装置が開示されている。
特開平３−１９４８９３号公報 特開２００２−２４６１６７号公報
しかしながら、特許文献１、２に開示された固体高周波発振器は、発振器から出力された高周波をトランジスタからなる増幅器で単に増幅しただけのもので、マイクロ波帯の高周波を発生させる具体的な方法については開示されていなかった。
そこで、本発明の目的は、小型化および長寿命化を図りつつ、信号純度の高いマイクロ波を発生させることが可能な高周波加熱装置、半導体製造装置および光源装置を提供することである。
上述した課題を解決するために、本発明の一態様に係る高周波加熱装置によれば、マイクロ波を発生する固体発振器と、前記固体発振器にて発生されたマイクロ波を増幅する増幅器と、前記増幅器の後段に接続され、前記マイクロ波が照射される対象物からの反射波を阻止するアイソレータと、前記対象物に向けてマイクロ波を照射するアンテナと、前記対象物に照射されるマイクロ波を閉じ込める金属キャビティとを備えることを特徴とする。
これにより、マグネトロン発振管を用いることなく、マイクロ波帯の高周波を発生させることが可能となる。このため、マイクロ波を発生させるために真空管やフィラメントを用いる必要がなくなり、高周波加熱装置の小型化および長寿命化を図ることが可能となるとともに、不要輻射を抑制することを可能として、ＩＳＭ帯で使用されているＢｌｕｅｔｏｏｔｈ、Ｚｉｇｂｅｅ、ＨｏｍｅＲＦ、ＷＬＡＮ等の無線通信機器に対する悪影響を抑制することができる。また、増幅器の後段にアイソレータを接続することで、マイクロ波が照射される対象物からの反射波が増幅器に戻ることを防止することが可能となり、増幅器の破壊を防止することを可能としつつ、必要なマイクロ波パワーを得ることができる。
また、本発明の一態様に係る高周波加熱装置によれば、弾性表面波共振子が発振ループに組み込まれ、マイクロ波を発生する固体発振器と、前記固体発振器にて発生されたマイクロ波を増幅する増幅器と、前記増幅器の後段に接続され、前記マイクロ波が照射される対象物からの反射波を阻止するアイソレータと、前記対象物に向けてマイクロ波を照射するアンテナと、前記対象物に照射されるマイクロ波を閉じ込める金属キャビティとを備えることを特徴とする。
これにより、弾性表面波共振子を用いてマイクロ波を発生させることが可能となり、ＧＨｚ帯でのダイレクト発振が容易で低位相雑音特性を持たせることが可能となるとともに、高精度で高品質な基本周波数の発振信号を得ることができる。このため、マイクロ波を発生させるためにマグネトロン発振管を用いる必要がなくなり、高周波加熱装置の小型化および長寿命化を図ることが可能となるとともに、不要輻射を抑制することを可能として、通信障害を抑制することができる。
また、本発明の一態様に係る高周波加熱装置によれば、前記弾性表面波共振子は、ダイヤモンド層またはダイヤモンド状炭素膜層上に積層された薄膜圧電体層と、前記薄膜圧電体層上に形成されたＩＤＴ電極とを備えることを特徴とする。
これにより、弾性表面波の伝播速度を大きくすることができ、より高い周波数まで発振させることが可能となるとともに、他の基板材料に比較して弾性表面波共振子の電極幅を大きくすることができ、耐電力特性を向上させることができ、さらに、温度変化に対する周波数変動も小さくすることができ、より高精度なマイクロ波発振源を実現することができる。
また、本発明の一態様に係る高周波加熱装置によれば、前記弾性表面波共振子は、ダイヤモンド単結晶層または多結晶ダイヤモンドに近い弾性定数を持つ硬質炭素膜上に積層された薄膜圧電体層と、前記薄膜圧電体層上に形成されたＩＤＴ電極と、前記ＩＤＴ電極上に形成された酸化珪素膜とを備えることを特徴とする。
これにより、酸化珪素膜にて薄膜圧電体層の温度補償を行わせることが可能となる。このため、温度変動に起因するＳＡＷ発振器の周波数変動を抑制することができ、マイクロ波出力を安定化することができる。
また、本発明の一態様に係る高周波加熱装置によれば、前記発振ループ内の電力を等分配して、前記発振ループ外に出力する等分配器と、前記発振ループ内の位相を可変させる移相器をさらに備えることを特徴とする。
これにより、マイクロ波に周波数変調をかけることが可能となる。このため、加熱むらを防止することが可能となるとともに、電磁放射（ＥＭＩ）のピーク・レベルを低下させ、電磁両立性（ＥＭＣ）を向上させることができる。
また、本発明の一態様に係る高周波加熱装置によれば、前記アンテナは、単一指向性の平面アンテナまたはフェイズドアレイアンテナであることを特徴とする。
これにより、アンテナをコンパクト化することができ、金属キャビティの小型軽量化を図ることができる。また、単一指向性を持たせることにより、金属キャビティ内の対象物に合った指向性を確保することができ、マイクロ波を対象物に効率よく照射することができる。
さらに、フェイズドアレイアンテナを用いることで、電気的に位相を制御することが可能となり、指向性を高速に切り替えることができる。また、高速変調特性を持つ電圧制御型ＳＡＷ発振器と組み合わせることで、高速指向制御性を向上させることができ、急速に温度が変化する対象物に対しても加熱を適正に行うことができる。
また、本発明の一態様に係る高周波加熱装置によれば、前記アンテナに送出される進行波電力および前記アンテナから戻ってくる反射波電力を検出する進行波／反射波検出手段と、前記進行波／反射波検出手段にて検出された進行波電力および反射波電力に基づいて、前記アンテナから照射されるマイクロ波を制御する演算手段とを備えることを特徴とする。
これにより、対象物が置かれている位置や対象物の大きさ、温度、誘電率または導電率などに応じて変化する反射波電力をモニタしながら、アンテナから照射されるマイクロ波を制御することができる。このため、対象物が置かれている位置や対象物の大きさ、温度、誘電率または導電率などに応じて、対象物がマイクロ波を効率よく吸収できるように電力制御することが可能となり、省電力化や短時間化を図りつつ、対象物を加熱することができる。
また、本発明の一態様に係る高周波加熱装置によれば、前記演算手段は、前記進行波／反射波検出手段にて検出された進行波電力および反射波電力に基づいて、前記固体発振器の発振周波数、前記固体発振器の出力の有無または前記増幅器の増幅度のいずれか少なくとも１つを制御することを特徴とする。
これにより、進行波電力および反射波電力に基づいて、最大効率や最短時間が得られるように増幅器の増幅度を変化させたり、マイクロ波出力をＦＳＫ変調やＡＳＫ変調して最大効率や最短時間や最小電力となるように対象物を加熱することができる。
また、本発明の一態様に係る高周波加熱装置によれば、前記進行波／反射波検出手段の後段に配置され、負荷とのインピーダンスの整合性を調整する整合器をさらに備え、前記演算手段は、進行波／反射波検出手段にて検出された進行波電力および反射波電力に基づいて、前記整合器を制御することを特徴とする。
これにより、マイクロ波が照射される対象物とのインピーダンスの整合性を適正化することが可能となり、反射波電力を低減することを可能として、対象物にマイクロ波を効率よく吸収させることができる。
また、本発明の一態様に係る高周波加熱装置によれば、前記アンテナは前記金属キャビティ内に複数配置され、前記アンテナに電力を分配する電力分配器が前記アイソレータの後段に設けられていることを特徴とする。
これにより、金属キャビティ内にマイクロ波を均一に放射させることが可能となり、対象物の加熱むらを低減することができる。
また、本発明の一態様に係る半導体製造装置によれば、処理対象を隔離するチャンバと、前記チャンバ内に反応ガスを導入するガス導入手段と、マイクロ波を発生する固体発振器と、前記固体発振器にて発生されたマイクロ波を増幅する増幅器と、前記増幅器の後段に接続され、前記マイクロ波が照射される対象物からの反射波を阻止するアイソレータと、前記マイクロ波を前記反応ガスに照射させることにより、前記チャンバ内にプラズマを発生させるプラズマ発生手段と、前記チャンバ内を排気する排気手段とを備えることを特徴とする。
これにより、マグネトロン発振管を用いることなく、マイクロ波帯の高周波を発生させることが可能となる。このため、半導体製造装置の小型化および長寿命化を図ることが可能となるとともに、マイクロ波が照射される対象物からの反射波が増幅器に戻ることを防止して、増幅器の破壊を防止することができる。
また、本発明の一態様に係る半導体製造装置によれば、処理対象を隔離するチャンバと、前記チャンバ内に反応ガスを導入するガス導入手段と、弾性表面波共振子が発振ループに組み込まれ、マイクロ波を発生する固体発振器と、前記固体発振器にて発生されたマイクロ波を増幅する増幅器と、前記マイクロ波が照射される対象物からの反射波を阻止するアイソレータと、前記マイクロ波を前記反応ガスに照射させることにより、前記チャンバ内にプラズマを発生させるプラズマ発生手段と、前記チャンバ内を排気する排気手段とを備えることを特徴とする。
これにより、弾性表面波共振子を用いてマイクロ波を発生させることが可能となり、半導体製造装置の小型化および長寿命化を図ることが可能となる。また、負荷インピーダンスが変動した場合においても、マイクロ波の出力周波数を安定的に維持することが可能となる。このため、半導体製造装置のメンテナンスにかかる負担を軽減することが可能となるとともに、チャンバ内にプラズマを安定して発生させることが可能となり、製造品質を向上させることが可能となる。
また、本発明の一態様に係る半導体製造装置によれば、前記弾性表面波共振子は、ダイヤモンド層またはダイヤモンド状炭素膜層上に積層された薄膜圧電体層と、前記薄膜圧電体層上に形成されたＩＤＴ電極とを備えることを特徴とする。
これにより、弾性表面波の伝播速度を大きくすることができ、より高い周波数まで発振させることが可能となるとともに、他の基板材料に比較して弾性表面波共振子の電極幅を大きくすることができ、耐電力特性を向上させることができ、さらに、温度変化に対する周波数変動も小さくすることができ、より高精度なマイクロ波発振源を実現することができる。
また、本発明の一態様に係る半導体製造装置によれば、前記弾性表面波共振子は、ダイヤモンド単結晶層または多結晶ダイヤモンドに近い弾性定数を持つ硬質炭素膜上に積層された薄膜圧電体層と、前記薄膜圧電体層上に形成されたＩＤＴ電極と、前記ＩＤＴ電極上に形成された酸化珪素膜とを備えることを特徴とする。 これにより、酸化珪素膜にて薄膜圧電体層の温度補償を行わせることが可能となる。このため、温度変動に起因するＳＡＷ発振器の周波数変動を抑制することができ、マイクロ波出力を安定化することができる。
また、本発明の一態様に係る半導体製造装置によれば、前記発振ループ内の電力を等分配して、前記発振ループ外に出力する等分配器と、前記発振ループ内の位相を可変させる移相器をさらに備えることを特徴とする。
これにより、マイクロ波に周波数変調をかけることが可能となり、プラズマの発生を精密に制御することが可能となるとともに、電磁放射のピーク・レベルを低下させることができる。
また、本発明の一態様に係る半導体製造装置によれば、前記アンテナは、単一指向性の平面アンテナまたはフェイズドアレイアンテナであることを特徴とする。
これにより、アンテナをコンパクト化することができ、チャンバの小型軽量化を図ることができる。また、単一指向性を持たせることにより、チャンバ内の対象物に合った指向性を確保することができ、マイクロ波を対象物に効率よく照射することができる。
さらに、フェイズドアレイアンテナを用いることで、電気的に位相を制御することが可能となり、指向性を高速に切り替えることができる。また、高速変調特性を持つ電圧制御型ＳＡＷ発振器と組み合わせることで、高速指向制御性を向上させることができ、対象物の温度が急速に変化する場合においても、安定かつ均一にプラズマを発生させることができる。
また、本発明の一態様に係る半導体製造装置によれば、前記アンテナに送出される進行波電力および前記アンテナから戻ってくる反射波電力を検出する進行波／反射波検出手段と、前記進行波／反射波検出手段にて検出された進行波電力および反射波電力に基づいて、前記アンテナから照射されるマイクロ波を制御する演算手段とを備えることを特徴とする。
これにより、対象物が置かれている位置や対象物の大きさ、温度、誘電率または導電率などに応じて変化する反射波電力をモニタしながら、アンテナから照射されるマイクロ波を制御することができ、対象物が置かれている位置や対象物の大きさ、温度、誘電率または導電率などに応じて、プラズマが効率よく生成されるように電力制御することが可能となる。
また、本発明の一態様に係る半導体製造装置によれば、前記演算手段は、前記進行波／反射波検出手段にて検出された進行波電力および反射波電力に基づいて、前記固体発振器の発振周波数、前記固体発振器の出力の有無または前記増幅器の増幅度のいずれか少なくとも１つを制御することを特徴とする。
これにより、進行波電力および反射波電力に基づいて、最大効率や最短時間が得られるように増幅器の増幅度を変化させたり、マイクロ波出力をＦＳＫ変調やＡＳＫ変調して最大効率や最短時間や最小電力となるようにプラズマを励起させることができる。
また、本発明の一態様に係る半導体製造装置によれば、前記進行波／反射波検出手段の後段に配置され、負荷とのインピーダンスの整合性を調整する整合器をさらに備え、前記演算手段は、進行波／反射波検出手段にて検出された進行波電力および反射波電力に基づいて、前記整合器を制御することを特徴とする。
これにより、マイクロ波が照射される対象物とのインピーダンスの整合性を適正化することが可能となり、反射波電力を低減することを可能として、対象物にマイクロ波を効率よく吸収させることができる。
また、本発明の一態様に係る半導体製造装置によれば、前記アンテナは前記チャンバ内に複数配置され、前記アンテナに電力を分配する電力分配器が前記アイソレータの後段に設けられていることを特徴とする。
これにより、金属キャビティ内にマイクロ波を均一に放射させることが可能となり、隅々まで安定してプラズマを発生させることができる。
また、本発明の一態様に係る光源装置によれば、マイクロ波を発生する固体発振器と、前記固体発振器にて発生されたマイクロ波を増幅する増幅器と、前記増幅器の後段に接続され、前記マイクロ波が照射される希ガスからの反射波を阻止するアイソレータと、前記希ガスが封入されたガラス管と、前記ガラス管内に設置され、前記希ガスに向けてマイクロ波を照射するアンテナとを備えることを特徴とする。
これにより、マグネトロン発振管を用いることなく、マイクロ波帯の高周波を発生させることが可能となるとともに、フィラメントを用いることなく、発光させることが可能となる。このため、長寿命かつ高安定の発光輝度および分光特性を得ることが可能となるとともに、マイクロ波が照射される対象物からの反射波が増幅器に戻ることを防止して、増幅器の破壊を防止することができる。
また、本発明の一態様に係る光源装置によれば、弾性表面波共振子が発振ループに組み込まれ、マイクロ波を発生する固体発振器と、前記固体発振器にて発生されたマイクロ波を増幅する増幅器と、前記増幅器の後段に接続され、前記マイクロ波が照射される希ガスからの反射波を阻止するアイソレータと、前記希ガスが封入されたガラス管と、前記ガラス管内に設置され、前記希ガスに向けてマイクロ波を照射するアンテナとを備えることを特徴とする。
これにより、弾性表面波共振子を用いてマイクロ波を発生させることが可能となり、光源装置の小型化および長寿命化を図ることが可能となる。また、負荷インピーダンスが変動した場合においても、マイクロ波の出力周波数を安定的に維持することが可能となる。このため、光源装置のメンテナンスにかかる負担を軽減することが可能となるとともに、ガラス管内で安定して発光させることが可能となり、製造品質を向上させることが可能となる。
また、本発明の一態様に係る光源装置によれば、前記弾性表面波共振子は、ダイヤモンド層またはダイヤモンド状炭素膜層上に積層された薄膜圧電体層と、前記薄膜圧電体層上に形成されたＩＤＴ電極とを備えることを特徴とする。
これにより、弾性表面波の伝播速度を大きくすることができ、より高い周波数まで発振させることが可能となるとともに、他の基板材料に比較して弾性表面波共振子の電極幅を大きくすることができ、耐電力特性を向上させることができ、さらに、温度変化に対する周波数変動も小さくすることができ、より高精度なマイクロ波発振源を実現することができる。
また、本発明の一態様に係る光源装置によれば、前記弾性表面波共振子は、ダイヤモンド単結晶層または多結晶ダイヤモンドに近い弾性定数を持つ硬質炭素膜上に積層された薄膜圧電体層と、前記薄膜圧電体層上に形成されたＩＤＴ電極と、前記ＩＤＴ電極上に形成された酸化珪素膜とを備えることを特徴とする。
これにより、酸化珪素膜にて薄膜圧電体層の温度補償を行わせることが可能となる。このため、温度変動に起因するＳＡＷ発振器の周波数変動を抑制することができ、マイクロ波出力を安定化することができる。
また、本発明の一態様に係る光源装置によれば、前記発振ループ内の電力を等分配して、前記発振ループ外に出力する等分配器と、前記発振ループ内の位相を可変させる移相器をさらに備えることを特徴とする。
これにより、マイクロ波に周波数変調をかけることが可能となり、発光を精密に制御することが可能となるとともに、電磁放射のピーク・レベルを低下させることができる。
また、本発明の一態様に係る光源装置によれば、前記アンテナは、単一指向性の平面アンテナまたはフェイズドアレイアンテナであることを特徴とする。
これにより、アンテナをコンパクト化することができ、チャンバの小型軽量化を図ることができる。また、単一指向性を持たせることにより、ガラス管内の希ガスに合った指向性を確保することができ、マイクロ波を希ガスに効率よく照射することができる。
さらに、フェイズドアレイアンテナを用いることで、電気的に位相を制御することが可能となり、指向性を高速に切り替えることができる。また、高速変調特性を持つ電圧制御型ＳＡＷ発振器と組み合わせることで、高速指向制御性を向上させることができ、安定かつ均一に発光させることができる。
また、本発明の一態様に係る光源装置によれば、前記アンテナに送出される進行波電力および前記アンテナから戻ってくる反射波電力を検出する進行波／反射波検出手段と、前記進行波／反射波検出手段にて検出された進行波電力および反射波電力に基づいて、前記アンテナから照射されるマイクロ波を制御する演算手段とを備えることを特徴とする。
これにより、希ガスの位置、温度、誘電率または導電率などに応じて変化する反射波電力をモニタしながら、アンテナから照射されるマイクロ波を制御することができ、ガスの位置、温度、誘電率または導電率などに応じて、発光が効率よく起こるように電力制御することが可能となる。
また、本発明の一態様に係る光源装置によれば、前記演算手段は、前記進行波／反射波検出手段にて検出された進行波電力および反射波電力に基づいて、前記固体発振器の発振周波数、前記固体発振器の出力の有無または前記増幅器の増幅度のいずれか少なくとも１つを制御することを特徴とする。
これにより、進行波電力および反射波電力に基づいて、最大効率が得られるように増幅器の増幅度を変化させたり、マイクロ波出力をＦＳＫ変調やＡＳＫ変調して最大効率や最小電力となるように発光させることができる。
また、本発明の一態様に係る光源装置によれば、前記進行波／反射波検出手段の後段に配置され、負荷とのインピーダンスの整合性を調整する整合器をさらに備え、前記演算手段は、進行波／反射波検出手段にて検出された進行波電力および反射波電力に基づいて、前記整合器を制御することを特徴とする。
これにより、マイクロ波が照射される希ガスとのインピーダンスの整合性を適正化することが可能となり、反射波電力を低減することを可能として、希ガスにマイクロ波を効率よく吸収させることができる。
また、本発明の一態様に係る光源装置によれば、前記アンテナは前記ガラス管内に複数配置され、前記アンテナに電力を分配する電力分配器が前記アイソレータの後段に設けられていることを特徴とする。
これにより、ガラス管内にマイクロ波を均一に放射させることが可能となり、隅々まで安定して発光を起こさせることができる。
以下、本発明の実施形態に係る高周波加熱装置および半導体製造装置について図面を参照しながら説明する。
図１は、本発明の第１実施形態に係る高周波加熱装置の概略構成を示すブロック図である。なお、高周波加熱装置の具体例としては、電子レンジ等の加熱器や乾燥機を挙げることができる。
図１において、高周波加熱装置には金属キャビティ４が設けられ、金属キャビティ４内には、マイクロ波を照射するアンテナ５が設置されている。ここで、金属キャビティ４は、アンテナ５から照射されたマイクロ波を外部に漏らさず効率よく閉じ込めることができる。なお、金属キャビティ４内には、対象物を設置することができ、例えば、水分を含んだ物質などを設置することができる。
また、高周波加熱装置には、マイクロ波帯の高周波を生成する発振器１、発振器１にて生成された高周波を増幅する増幅器２およびマイクロ波が照射される対象物からの反射波を阻止するアイソレータ３が設けられている。なお、発振器１は、マイクロ波による加熱用途に使用される２．４５ＧＨｚ帯の周波数を発生することができ、例えば、圧電セラミックス材料を共振器に使った誘電体発振器や、水晶の単結晶や薄膜のＡｌＮ、ＺｎＯなどの圧電材料を使った発振器などを用いることができる。また、増幅器２は、発振器１により生成されたマイクロ波を水分子が振動する高周波出力レベルまで増幅することができる。そして、発振器１の後段には増幅器２が接続され、増幅器２の後段にはアイソレータ３が接続され、アイソレータ３はアンテナ５に接続されている。
そして、発振器１にて生成されたマイクロ波は増幅器２にて増幅され、アイソレータ３を介してアンテナ５に送出される。そして、アンテナ５に送出されたマイクロ波は金属キャビティ４内に放射され、金属キャビティ４内に設置された物質の水分子を振動させることにより、加熱される。
これにより、発振器１を用いてマイクロ波を発生させることが可能となり、マグネトロンやクライストロンなどの電子管を用いることなく、マイクロ波帯の高周波を発生させることが可能となる。このため、マイクロ波を発生させるためにフィラメントを用いる必要がなくなるとともに、数ｋＶの高圧電源装置、永久磁石や電磁石、高温になる陽極を強制冷却するための冷却ファン等が不要になり、高周波加熱装置の小型化および長寿命化を図ることが可能となるとともに、不要輻射を抑制することを可能として、ＩＳＭ帯で使用されているＢｌｕｅｔｏｏｔｈやＷＬＡＮ等の無線通信機器に対する悪影響を抑制することができる。
また、増幅器２の後段にアイソレータ３を接続することで、負荷インピーダンスの変動（設置する位置、大きさ、材質等の違い）によって発生する反射波が増幅器２に戻ることを防止することが可能となり、増幅器２の破壊を防止することが可能となるとともに、マイクロ波の出力周波数変動を抑えることが可能となり、必要なマイクロ波パワーを安定して得ることが可能となるとともに、メンテナンスフリーを実現することができる。
図２は、本発明の第２実施形態に係る固体高周波発振器の概略構成を示すブロック図である。
図２において、発振用の増幅器１２の帰還回路として、弾性表面波共振子１１と、発振ループ内の電力を等分配して発振ループ外に出力する等分配器１３とが直列に介挿され、これら各ブロックは一定の特性インピーダンス、例えば、５０ｏｈｍに全て整合接続されている。なお、弾性表面波共振子１１は、増幅器１２が飽和状態となる入力電圧が供給されるように増幅器１２の入力側に接続することができる。
これにより、弾性表面波共振子１２を用いてマイクロ波を発生させることが可能となり、ＧＨｚ帯でのダイレクト発振が容易で低位相雑音特性を持たせることが可能となるとともに、高精度で高品質な基本周波数の発振信号を得ることができる。このため、マイクロ波を発生させるためにマグネトロン発振管を用いる必要がなくなる。この結果、高周波加熱装置の小型化および長寿命化を図ることが可能となるとともに、不要輻射を抑制することを可能として、ＩＳＭ帯で使用されているＢｌｕｅｔｏｏｔｈやＷＬＡＮ等の無線通信機器に対する通信障害を抑制することができる。
また、増幅器１２が飽和状態となる入力電圧が供給されるように増幅器１２の入力側に弾性表面波共振子１１を接続することにより、この弾性表面波共振子１１を増幅器１２の帰還路の最終段に介装することができる。このため、弾性表面波共振子１１に入力される印加電力を必要最小限とすることができ、弾性表面波共振子１１の連続発振状態を長時間継続することが可能となる。また、等分配器１３を増幅器１２の出力側に接続することにより、この等分配器１３から増幅器１２の出力パワーを直接外部に出力することができ、大きな出力パワーを得ることができる。
図３は、本発明の第３実施形態に係る固体高周波発振器の概略構成を示すブロック図である。
図３において、発振用の増幅器２２の帰還回路として、弾性表面波共振子２１と、発振ループ内の電力を等分配して発振ループ外に出力する等分配器２３と、外部から制御電圧を入力して発振ループ内の位相を可変させる移相器２４とが直列に介挿され、これら各ブロックは一定の特性インピーダンス、例えば、５０ｏｈｍに全て整合接続されている。なお、弾性表面波共振子２１は、増幅器２２が飽和状態となる入力電圧が供給されるように増幅器２２の入力側に接続することができる。
これにより、整合を保ったまま、増幅器２２の出力パワーを等分配器２３から直接外部に出力することができ、大きな出力パワーを得ることができる。また、この回路構成においても、弾性表面波共振子２１に印加する電力を最小限として連続発振状態を長時間継続することが可能で、且つ大きな出力パワーを得ることができる電圧制御型の発振回路を構成することができる。
また、発振ループ内に移相器２４を組み込むことで、マイクロ波に周波数変調をかけることが可能となる。このため、固体高周波発振器を電圧制御型発振器にすることで、マイクロ波に周波数変調をかけることができ、対象物に対して、マイクロ波を断続的または連続的に照射することが可能となる。例えば、マイクロ波を断続的に照射した場合、断続させる周期によって平均照射パワーを変化させることができ、等価的にマイクロ波電力強度を可変できる。よって、加熱装置に適用した場合は、加熱むらを防止することができる。また、電圧制御型発振器の制御電圧をスイープすれば、マイクロ波の周波数を連続的に可変できる。例えば、擬似ランダムノイズ信号でスイープすれば、発振器の単一スペクトル（エネルギー）を広い周波数帯域に拡散できる。この拡散により、電磁放射（ＥＭＩ）のピーク・レベルを低下させ、電磁両立性（ＥＭＣ）を向上させることができる。よって、同一周波数帯を共用している無線通信機器に影響を与えることなく、マイクロ波発振源を用いた高周波加熱装置を動作させることができる。
なお、図３の移相器２４として、−３ｄＢ９０°ハイブリッドカプラとそれに付随したリアクタンス可変回路を用いることにより、低挿入損失・低リターンロスで大きな位相変化をもたらすことができる。
図４は、図３の固体高周波発振器の具体的な構成例を示す図である。
図４において、移相器２４には、−３ｄＢ９０°ハイブリッドカプラ２４ａおよび付加制御部２４ｂが設けられている。ここで、−３ｄＢ９０°ハイブリッドカプラ２４ａには、コンデンサＣ１〜Ｃ４およびコイルＬ１〜Ｌ４が設けられている。そして、コイルＬ１〜Ｌ４はループ状に接続され、コイルＬ１とコイルＬ２との間には、コンデンサＣ１が接続されるとともに、等分配器２に接続され、コイルＬ２とコイルＬ３との間には、コンデンサＣ３が接続され、コイルＬ３とコイルＬ４との間には、コンデンサＣ４が接続され、コイルＬ４とコイルＬ１との間には、コンデンサＣ２が接続されるとともに、弾性表面波共振子２１が接続されている。
また、付加制御部２４ｂはリアクタンス可変回路で構成され、コンデンサＣ５〜Ｃ８、コイルＬ５、Ｌ６、抵抗Ｒ１、Ｒ２およびバリキャップＡ１、Ａ２が設けられている。そして、コンデンサＣ５、コイルＬ５、コンデンサＣ６、抵抗Ｒ１、抵抗Ｒ２、コンデンサＣ８、コイルＬ６およびコンデンサＣ７が順に直列接続され、コンデンサＣ５とコイルＬ５との間の端子は、−３ｄＢ９０°ハイブリッドカプラ２４ａのコンデンサＣ３とコイルＬ２との間の端子に接続され、コンデンサＣ７とコイルＬ６との間の端子は、−３ｄＢ９０°ハイブリッドカプラ２４ａのコンデンサＣ４とコイルＬ４との間の端子に接続されている。さらに、コンデンサＣ６と抵抗Ｒ１との間にはバリキャップＡ１が接続され、コンデンサＣ８と抵抗Ｒ２との間にはバリキャップＡ２が接続され、抵抗Ｒ１と抵抗Ｒ２の間には、制御電圧の入力端子が設けられている。
等分配器２３は、発振ループ内の電力を等分配して発振ループ外に出力するもので、コンデンサＣ２１〜Ｃ２３およびコイルＬ２１、Ｌ２２および抵抗Ｒ２１が設けられている。そして、コンデンサＣ２２、コイルＬ２１、コイルＬ２２およびコンデンサＣ２３がこの順に直列接続され、コイルＬ２１とコイルＬ２２との間には、コンデンサＣ２１が接続されるとともに、増幅器２２の出力が接続され、コンデンサＣ２２とコイルＬ２１との間には、電圧制御型発振器の出力端子が接続され、コンデンサＣ２３とコイルＬ２２との間には、−３ｄＢ９０°ハイブリッドカプラ２４ａが接続され、電圧制御型発振器の出力端子と−３ｄＢ９０°ハイブリッドカプラ２４ａとの間には、抵抗Ｒ２１が接続されている。
この構成により、電圧制御型発振器の周波数可変幅を大きく取ることができ、制御電圧に対し、良好な周波数可変特性を得ることが可能になる。また、低挿入損失・低リターンロスであることから、回路損失も最小限に抑えることができ、出力変動が少なく、効率のよい電圧制御型発振器を実現することができる。さらに、等分配器２３によって発振ループ内のインピーダンスを乱すことなく、電力を等分配して発振ループ外に出力することができるため、負荷に対してより安定的な回路動作をさせることができる。
図５は、本発明の第４実施形態に係る弾性表面波共振子の概略構成を示す断面図である。
図５において、ダイヤモンド層またはダイヤモンド状炭素膜層３１上には、薄膜圧電体層３２が形成され、この薄膜圧電体層３２上には、弾性表面波を励振するＩＤＴ（インターデジタルトランスデューサ）電極３３が設けられるとともに、弾性表面波を反射する反射器電極が設けられている。なお、薄膜圧電体層３２は、ＺｎＯ、ＡｌＮ、Ｐｂ（Ｚｒ，Ｔｉ）Ｏ2 等をスパッタ法や気相合成法等によって形成することができる。また、ＩＤＴ電極３３は、互いにかみ合うように配置された１組の櫛形電極にて構成することができる。
ここで、ダイヤモンド層又はダイヤモンド状炭素膜層３１上にＩＤＴ電極３３を形成することにより、基板中の伝播速度を大きくすることができ、より高い周波数まで発振可能となると共に、他の基板材料に比較してＩＤＴ電極３３の電極幅を大きくすることがで、耐電力特性を向上させることができる。また、温度変化に対する周波数変動も低減させることができ、より高精度な発振回路を実現することができる。
図６は、本発明の第５実施形態に係る弾性表面波共振子の概略構成を示す断面図である。
図６において、ダイヤモンド層またはダイヤモンド状炭素膜層４１上には、半導電性ダイヤモンド層４２が積層され、半導電性ダイヤモンド層４２上には薄膜圧電体層４３が形成されている。そして、この薄膜圧電体層４３上には、弾性表面波を励振するＩＤＴ電極４３が設けられるとともに、弾性表面波を反射する反射器電極が設けられている。
なお、半導電性ダイヤモンド層４２は、ダイヤモンド層またはダイヤモンド状炭素膜層４１と圧電体層４３と間に配置された絶縁性ダイヤモンド単結晶に、イオン注入や電子線照射によりＢ、Ａｌ、Ｐ、Ｓ等の不純物や格子欠陥を導入して形成することができる。また、ＩＤＴ電極４３を半導電性ダイヤモンド層４２にて形成するようにしてもよい。
ここで、半導電性ダイヤモンド層４２にてサーミスタ部を構成することができる。このため、このサーミスタ部にて弾性表面波共振子の温度を検出することが可能となり、この検出結果を温度安定化装置にフィードバックさせることにより弾性表面波共振子の温度を安定化させることができる。この結果、温度変化に対する周波数変動を低減させることが可能となり、高精度な発振回路を実現することができる。
図７は、本発明の第６実施形態に係る半導体製造装置の概略構成を示す断面図である。なお、図７では、半導体製造装置としてプラズマエッチング装置を例にとって説明する。
図７において、プラズマエッチング装置には、マイクロ波発生器１０１が設けられている。ここで、マイクロ波発生器１０１には、マイクロ波帯の高周波を生成する発振器１０２、発振器１０２にて生成された高周波を増幅する増幅器１０３およびマイクロ波が照射される対象物からの反射波を阻止するアイソレータ１０４およびマイクロ波を放射するアンテナ１０５が設けられている。なお、発振器１０２は、マイクロ波によるプラズマ発生用途に使用される２．４５ＧＨｚ帯の周波数を発生することができる。また、増幅器１０３は、エネルギー準位が高い状態にガス体を遷移させることによりイオンと電子に分離させプラズマ状態になるまで、発振器１０２により生成されたマイクロ波を増幅することができる。
また、プラズマエッチング装置には、チャンバ１０７が設けられ、チャンバ１０７は、導波管１０６を介してマイクロ波発生器１０１に接続され、導波管１０６内には、マイクロ波をチャンバ１０７に導入するマイクロ波導入窓１１０が設けられている。
また、チャンバ１０７内には、ウェハＷを載置する載置台１１５が設けられ、載置台１１５には、ＲＦバイアスを印加するＲＦ電源１１６が接続されている。さらに、プラズマ処理装置には、チャンバ１０７に反応ガスを導入する導入管１０８が設けられるとともに、導入管１０８には、反応ガスの流量を制御するガス流量コントローラ１０９が設けられている。
さらに、導波管１０６およびチャンバ１０７の周辺には、放電効率を向上させるための磁界発生用コイル１１１、１１２がそれぞれ設けられている。また、チャンバ１０７は、チャンバ１０７内を排気するための排気管１１３に接続され、チャンバ１０７内の排気経路には、排気速度を変化させるコンダクタンスバルブ１１４が設けられている。
そして、ウェハＷが載置台１１５上に載置されると、チャンバ１０７内が排気管１１３を介して排気され、チャンバ１０７内が所定の真空度に達すると、反応ガスが導入管１０８を介してチャンバ１０７内に導入される。
そして、マイクロ波発生器１０１にて、２．４５ＧＨｚの高周波が発生され、マイクロ波発生器１０１にて発生された２．４５ＧＨｚの高周波が導波管１０６を導波して、マイクロ波導入窓１１０を介してチャンバ１０７内に導入される。そして、磁界発生用コイル１１１、１１２にて、チャンバ１０７の周辺に磁場が生成され、電子サイクロトロン共鳴により、高密度プラズマがチャンバ１０７内に生成される。そして、載置台１１５には、ＲＦ電源１１６によりＲＦバイアスが印加され、プラズマガスによるウェハＷのエッチング処理が行われる。
これにより、マグネトロン発振管を用いることなく、マイクロ波帯の高周波を発生させることが可能となる。このため、半導体製造装置の小型化および長寿命化を図ることが可能となるとともに、マイクロ波が照射される対象物からの反射波が増幅器１０３に戻ることを防止して、増幅器１０３の破壊を防止することができる。
また、アイソレータ１０４を設けることで、負荷インピーダンスが変動した場合においても、マイクロ波の出力周波数を安定的に維持することが可能となる。このため、半導体製造装置のメンテナンスにかかる負担を軽減することが可能となるとともに、チャンバ１０７内にプラズマを安定して発生させることが可能となり、製造品質を向上させることが可能となる。
なお、図７では、半導体製造装置としてプラズマエッチング装置を例にとって説明したが、プラズマエッチング装置以外にも、プラズマＣＶＤ装置などに適用してもよい。また、上述した実施形態では、高周波加熱装置および半導体製造装置を例にとって説明したが、レーダ装置、医療機器、その他のマイクロ波応用機器の分野に適用するようにしてもよい。
図８は、本発明の第７実施形態に係る高周波加熱装置の概略構成を示すブロック図である。
図８において、高周波加熱装置には金属キャビティ２０４が設けられ、金属キャビティ２０４内には、マイクロ波を照射するアンテナ２０５が設置されている。また、高周波加熱装置には、マイクロ波帯の高周波を生成する発振器２０１、発振器２０１にて生成された高周波を増幅する増幅器２０２およびマイクロ波が照射される対象物からの反射波を阻止するアイソレータ２０３が設けられている。さらに、高周波加熱装置には、アンテナ２０５に送出される進行波電力Ｐｆおよびアンテナ２０５から戻ってくる反射波電力Ｐｒを検出する進行波／反射波検出手段２０６、負荷とのインピーダンスの整合性を調整する整合器２０７および進行波／反射波検出手段２０６にて検出された進行波電力Ｐｆおよび反射波電力Ｐｒに基づいて、整合器２０７を制御する演算手段２０８が設けられている。なお、進行波／反射波検出手段２０６としては、例えば、進行波と反射波を分離する方向性結合器を用いることができる。
そして、発振器２０１の後段には増幅器２０２が接続され、増幅器２０２の後段にはアイソレータ２０３が接続され、アイソレータ２０３は、進行波／反射波検出手段２０６および整合器２０７を順次介してアンテナ２０５に接続されている。
そして、発振器２０１にて生成されたマイクロ波は増幅器２０２にて増幅され、アイソレータ２０３、進行波／反射波検出手段２０６および整合器２０７を順次介してアンテナ２０５に送出される。そして、アンテナ２０５に送出されたマイクロ波は金属キャビティ２０４内に放射され、金属キャビティ２０４内に設置された物質の水分子を振動させることで加熱される。ここで、アンテナ２０５に送出される進行波電力Ｐｆおよびアンテナ２０５から戻ってくる反射波電力Ｐｒが進行波／反射波検出手段２０６にて検出される。そして、演算手段２０８は、進行波／反射波検出手段２０６にて検出された進行波電力Ｐｆおよび反射波電力Ｐｒに基づいて、マイクロ波が照射される対象物とのインピーダンスの整合性が適正化されるように整合器２０７を制御することができる。
これにより、マイクロ波が照射される対象物とのインピーダンスの整合性を適正化することが可能となり、対象物からの反射波電力Ｐｒを低減することを可能として、対象物にマイクロ波を効率よく吸収させることができる。
図９は、本発明の第８実施形態に係る高周波加熱装置の概略構成を示すブロック図である。
図９において、高周波加熱装置には金属キャビティ３０４が設けられ、金属キャビティ３０４内には、マイクロ波を照射するアンテナ３０５が設置されている。また、高周波加熱装置には、マイクロ波帯の高周波を生成する発振器３０１、発振器３０１にて生成された高周波を増幅する増幅器３０２およびマイクロ波が照射される対象物からの反射波を阻止するアイソレータ３０３が設けられている。さらに、高周波加熱装置には、アンテナ３０５に送出される進行波電力Ｐｆおよびアンテナ３０５から戻ってくる反射波電力Ｐｒを検出する進行波／反射波検出手段３０６、負荷とのインピーダンスの整合性を調整する整合器３０７および進行波／反射波検出手段３０６にて検出された進行波電力Ｐｆおよび反射波電力Ｐｒに基づいて、増幅器３０２および整合器３０７を制御する演算手段３０８が設けられている。
ここで、アンテナ３０５に送出される進行波電力Ｐｆおよびアンテナ３０５から戻ってくる反射波電力Ｐｒが進行波／反射波検出手段３０６にて検出される。そして、演算手段３０８は、進行波／反射波検出手段３０６にて検出された進行波電力Ｐｆおよび反射波電力Ｐｒに基づいて、マイクロ波が照射される対象物とのインピーダンスの整合性が適正化されるように整合器３０７を制御するとともに、対象物がマイクロ波を効率よく吸収できるように増幅器３０２の増幅度を制御することができる。
これにより、対象物が置かれている位置や対象物の大きさ、温度、誘電率または導電率などに応じて変化する反射波電力Ｐｒをモニタしながら、アンテナから照射されるマイクロ波を制御することができる。このため、対象物が置かれている位置や対象物の大きさ、温度、誘電率または導電率などに応じて、対象物がマイクロ波を効率よく吸収できるように電力制御することが可能となり、省電力化や短時間化を図りつつ、対象物を加熱することができる。
図１０は、本発明の第９実施形態に係る高周波加熱装置の概略構成を示すブロック図である。
図１０において、高周波加熱装置には金属キャビティ４０４が設けられ、金属キャビティ４０４内には、マイクロ波を照射するアンテナ４０５が設置されている。また、高周波加熱装置には、マイクロ波帯の高周波を生成する発振器４０１、発振器４０１にて生成された高周波を増幅する増幅器４０２およびマイクロ波が照射される対象物からの反射波を阻止するアイソレータ４０３が設けられている。さらに、高周波加熱装置には、アンテナ４０５に送出される進行波電力Ｐｆおよびアンテナ４０５から戻ってくる反射波電力Ｐｒを検出する進行波／反射波検出手段４０６、負荷とのインピーダンスの整合性を調整する整合器４０７および進行波／反射波検出手段４０６にて検出された進行波電力Ｐｆおよび反射波電力Ｐｒに基づいて、発振器４０１および整合器４０７を制御する演算手段４０８が設けられている。
ここで、アンテナ４０５に送出される進行波電力Ｐｆおよびアンテナ４０５から戻ってくる反射波電力Ｐｒが進行波／反射波検出手段４０６にて検出される。そして、演算手段４０８は、進行波／反射波検出手段４０６にて検出された進行波電力Ｐｆおよび反射波電力Ｐｒに基づいて、マイクロ波が照射される対象物とのインピーダンスの整合性が適正化されるように整合器４０７を制御するとともに、最大効率や最短時間や最小電力となるように発振器４０１の発振周波数を制御することができる。
図１１は、本発明の第１０実施形態に係る高周波加熱装置の概略構成を示すブロック図である。
図１１において、高周波加熱装置には金属キャビティ５０４が設けられ、金属キャビティ５０４内には、マイクロ波を照射するアンテナ５０５が設置されている。また、高周波加熱装置には、マイクロ波帯の高周波を生成する発振器５０１、発振器５０１にて生成された高周波を増幅する増幅器５０２およびマイクロ波が照射される対象物からの反射波を阻止するアイソレータ５０３が設けられている。さらに、高周波加熱装置には、アンテナ５０５に送出される進行波電力Ｐｆおよびアンテナ５０５から戻ってくる反射波電力Ｐｒを検出する進行波／反射波検出手段５０６、負荷とのインピーダンスの整合性を調整する整合器５０７および進行波／反射波検出手段５０６にて検出された進行波電力Ｐｆおよび反射波電力Ｐｒに基づいて、発振器５０１、増幅器５０２および整合器５０７を制御する演算手段５０８が設けられている。
ここで、アンテナ５０５に送出される進行波電力Ｐｆおよびアンテナ５０５から戻ってくる反射波電力Ｐｒが進行波／反射波検出手段５０６にて検出される。そして、演算手段５０８は、進行波／反射波検出手段５０６にて検出された進行波電力Ｐｆおよび反射波電力Ｐｒに基づいて、マイクロ波が照射される対象物とのインピーダンスの整合性が適正化されるように整合器５０７を制御するとともに、最大効率や最短時間が得られるように増幅器５０２の増幅度を変化させたり、最大効率や最短時間や最小電力となるように発振器５０１の発振周波数を制御したりすることができる。
図１２は、本発明の第１１実施形態に係る高周波加熱装置の概略構成を示すブロック図である。
図１２において、高周波加熱装置には金属キャビティ６０４が設けられ、金属キャビティ６０４内には、マイクロ波を照射する複数のアンテナ６０５ａ、６０５ｂが設置されている。また、高周波加熱装置には、マイクロ波帯の高周波を生成する発振器６０１、発振器６０１にて生成された高周波を増幅する増幅器６０２およびマイクロ波が照射される対象物からの反射波を阻止するアイソレータ６０３が設けられている。さらに、高周波加熱装置には、アンテナ６０５ａ、６０５ｂにそれぞれ送出される進行波電力Ｐｆ１、Ｐｆ２およびアンテナ６０５ａ、６０５ｂからそれぞれ戻ってくる反射波電力Ｐｒ１、Ｐｒ２をそれぞれ検出する進行波／反射波検出手段６０６ａ、６０６ｂ、アンテナ６０５ａ、６０５ｂにてマイクロ波を照射される負荷とのインピーダンスの整合性をそれぞれ調整する整合器６０７ａ、６０７ｂおよび進行波／反射波検出手段６０６ａ、６０６ｂにてそれぞれ検出された進行波電力Ｐｆ１、Ｐｆ２および反射波電力Ｐｒ１、Ｐｒ２に基づいて、発振器６０１、増幅器６０２および整合器６０７ａ、６０７ｂを制御する演算手段６０８が設けられている。さらに、アイソレータ６０３の後段には、アンテナ６０５ａ、６０５ｂに電力を分配する電力分配器６０９が設けられている。
ここで、アンテナ６０５ａ、６０５ｂにそれぞれ送出される進行波電力Ｐｆ１、Ｐｆ２およびアンテナ６０５ａ、６０５ｂからそれぞれ戻ってくる反射波電力Ｐｒ１、Ｐｒ２が進行波／反射波検出手段６０６ａ、６０６ｂにてそれぞれ検出される。そして、演算手段６０８は、進行波／反射波検出手段６０６ａ、６０６ｂにてそれぞれ検出された進行波電力Ｐｆ１、Ｐｆ２および反射波電力Ｐｒ１、Ｐｒ２に基づいて、マイクロ波が照射される対象物とのインピーダンスの整合性が適正化されるように整合器６０７ａ、６０７ｂを制御するとともに、最大効率や最短時間が得られるように増幅器６０２の増幅度を変化させたり、最大効率や最短時間や最小電力となるように発振器６０１の発振周波数を制御したりすることができる。
また、アンテナ６０５ａ、６０５ｂに電力を分配する電力分配器６０９を設けることにより、金属キャビティ６０４内にマイクロ波を均一に放射させることが可能となり、対象物の加熱むらを低減することができる。
なお、マイクロ波を照射するアンテナ５、１０５、２０５、３０５、４０５、５０５、６０５ａ、６０５ｂとしては、例えば、パッチアンテナやスロットアンテナなどの単一指向性の平面アンテナまたはフェイズドアレイアンテナを用いることが好ましい。
図１３は、本発明に適用される単一パッチアンテナの概略構成を示す斜視図である。
図１３において、誘電体層７０２上には導体パターン７０３〜７０５が形成されるとともに、誘電体層７０２の裏面には導体層７０１が形成されている。ここで、導体パターン７０３〜７０５は、マイクロストリップラインを構成することができる。そして、導体パターン７０５にて平面アンテナが構成されるとともに、導体パターン７０３、７０４の長さおよび幅を調整することで、インピーダンスマッチングをとることができる。
これにより、高周波加熱装置に用いられるアンテナ５、１０５、２０５、３０５、４０５、５０５、６０５ａ、６０５ｂまたは半導体製造装置に用いられるアンテナ１０５をコンパクト化することができ、金属キャビティ４、２０４、３０４、４０４、５０４、６０４やチャンバ１０１の小型軽量化を図ることができる。また、高周波加熱装置に用いられるアンテナ５、２０５、３０５、４０５、５０５、６０５ａ、６０５ｂまたは半導体製造装置に用いられるアンテナ１０５に単一指向性を持たせることにより、金属キャビティ４、２０４、３０４、４０４、５０４、６０４またはチャンバ１０１内の対象物に合った指向性を確保することができ、マイクロ波を対象物に効率よく照射することができる。
図１４は、本発明に適用される複合パッチアンテナの概略構成を示す斜視図である。
図１４において、単一パッチアンテナ８０１〜８０８が八角柱を構成するように配置され、これらの単一パッチアンテナ８０１〜８０８は配線パターン８０９を介して接続されている。なお、単一パッチアンテナ８０１〜８０８としては、例えば、図１３の単一パッチアンテナをそれぞれ用いることができる。
これにより、マイクロ波を中心方向に向けて集中させることが可能となり、マイクロ波を対象物に効率よく照射することができる。
図１５は、本発明に適用されるフェイズドアレイアンテナの概略構成を示す図である。
図１５において、金属キャビティ９０３内には、マイクロ波を照射する複数のアンテナ９０２ａ〜９０２ｆが設置され、アンテナ９０２ａ〜９０２ｆには、移相器９０１ａ〜９０１ｆがそれぞれ接続されている。
そして、アンテナ９０２ａ〜９０２ｆに送出される進行波電力の位相を移相器９０１ａ〜９０１ｆにてそれぞれ調整することにより、マイクロ波の指向性を制御することができ、対象物の方向にマイクロ波を集中させたり、マイクロ波をスキャンしたりすることができる。また、フェイズドアレイアンテナを用いることで、電気的に位相を制御することが可能となり、指向性を高速に切り替えることができる。また、高速変調特性を持つ電圧制御型ＳＡＷ発振器と組み合わせることで、高速指向制御性を向上させることができ、急速に温度が変化する対象物に対しても加熱を適正に行ったり、プラズマの発生位置を適材適所で制御したりすることができる。
なお、アンテナ９０２ａ〜９０２ｆは一次元状に並べて配置してもよいし、２次元的に配列してもよい。ここで、アンテナ９０２ａ〜９０２ｆを２次元的に配列することにより、マイクロ波の指向性を上下左右の２次元平面上で変化させることができる。
図１６は、本発明の一実施形態に係るマイクロ波出力の変調方法を示す図である。
図１６において、対象物に照射されるマイクロ波出力を制御する場合、反射波電力が最小となるように、マイクロ波出力をＦＳＫ変調やＡＳＫ変調したり、発振出力をオン／オフ制御したりすることができる。これにより、最大効率や最短時間が得られるように増幅器の増幅度を変化させたり、マイクロ波出力をＦＳＫ変調やＡＳＫ変調して最大効率や最短時間や最小電力となるように対象物を加熱することができる。
図１７は、本発明の第１２実施形態に係る光源装置の概略構成を示すブロック図である。
図１７において、光源装置には、膨らみ部１００６を有するガラス管１００４が設けられ、膨らみ部１００６内には、マイクロ波を照射するアンテナ１００５が設置されるとともに、アンテナ１００５から放射されたマイクロ波を反射する金属メッシュ１００７が膨らみ部１００６の表面に沿って配置されている。ここで、ガラス管１００４内には、例えば、アルゴンガスやネオンガスやハロゲンガスやキセノンガスなどの希ガスを封入することができる。
また、光源装置には、マイクロ波帯の高周波を生成する発振器１００１、発振器１００１にて生成された高周波を増幅する増幅器１００２およびマイクロ波が照射される希ガスからの反射波を阻止するアイソレータ１００３が設けられている。そして、発振器１００１の後段には増幅器１００２が接続され、増幅器１００２の後段にはアイソレータ１００３が接続され、アイソレータ１００３はアンテナ１００５に接続されている。
そして、発振器１００１にて生成されたマイクロ波は増幅器１００２にて増幅され、アイソレータ１００３を介してアンテナ１００５に送出される。そして、アンテナ１００５に送出されたマイクロ波はガラス管１００４内に放射され、ガラス管１００４内に封入された希ガスを励起させることで発光させることができる。
これにより、マグネトロン発振管を用いることなく、マイクロ波帯の高周波を発生させることが可能となるとともに、フィラメントを用いることなく、発光させることが可能となる。このため、長寿命かつ高安定の発光輝度および分光特性を得ることが可能となるとともに、マイクロ波が照射される対象物からの反射波が増幅器に戻ることを防止して、増幅器の破壊を防止することができる。
なお、図１７の光源装置は、例えば、絶対的な信頼性が要求される航空管制用照明装置、メンテナンスが困難な鉄塔・鉄橋・トンネルなどの照明装置、大きな加速度および振動が加わる自動車用ヘッドライトや航空宇宙用ヘッドランプ、紫外線を用いた滅菌用光源、高速に可変点滅可能な一般動画表示体などに適用することができる。
また、図１７のアンテナ１００５として、図１３の単一パッチアンテナ、図１４の複合パッチアンテナまたは図１５のフェイズドアレイアンテナを用いるようにしてもよい。さらに、図８から図１２の構成を図１７の光源装置に適用するようにしてもよい。さらに、発振器１００１として、図５、図６または図１８のＳＡＷ発振器を用いるようにしてもよい。
図１８は、本発明の第１３実施形態に係る弾性表面波共振子の概略構成を示す断面図である。
図１８において、シリコン基板１０１１上にはダイヤモンド層１０１２が積層され、ダイヤモンド層１０１２上には、ＺｎＯ膜１０１３が形成されている。なお、ダイヤモンド層１０１２は単結晶でも多結晶でもよく、ダイヤモンド層１０１２に近い弾性定数を持つ硬質炭素膜をダイヤモンド層１０１２の代わりに用いるようにしてもよい。そして、ＺｎＯ膜１０１３上には、弾性表面波を励振するＩＤＴ電極１０１４が設けられるとともに、弾性表面波を反射する反射器電極が設けられている。そして、ＺｎＯ膜１０１３上には、ＩＤＴ電極１０１４を覆うように配置されたＳｉＯ2膜１０１５が積層されている。
これにより、ＳｉＯ2膜１０１５にてＺｎＯ膜１０１３の温度補償を行わせることが可能となる。このため、温度変動に起因するＳＡＷ発振器の周波数変動を抑制することができ、マイクロ波出力を安定化することができる。
第１実施形態に係る高周波加熱装置の概略構成を示すブロック図。 第２実施形態に係る固体高周波発振器の概略構成を示すブロック図。 第３実施形態に係る固体高周波発振器の概略構成を示すブロック図。 図３の固体高周波発振器の具体的な構成例を示す図。 第４実施形態に係る弾性表面波共振子の概略構成を示す断面図。 第５実施形態に係る弾性表面波共振子の概略構成を示す断面図。 第６実施形態に係る半導体製造装置の概略構成を示す断面図。 第７実施形態に係る高周波加熱装置の概略構成を示すブロック図。 第８実施形態に係る高周波加熱装置の概略構成を示すブロック図。 第９実施形態に係る高周波加熱装置の概略構成を示すブロック図。 第１０実施形態に係る高周波加熱装置の概略構成を示すブロック図。 第１１実施形態に係る高周波加熱装置の概略構成を示すブロック図。 本発明に適用される単一パッチアンテナの概略構成を示す斜視図。 本発明に適用される複合パッチアンテナの概略構成を示す斜視図。 本発明に適用されるフェイズドアレイアンテナの概略構成を示す図。 一実施形態に係るマイクロ波出力の変調方法を示す図。 第１２実施形態に係る光源装置の概略構成を示すブロック図。 第１３実施形態に係る弾性表面波共振子の概略構成を示す断面図。
符号の説明
１、１０２、２０１、３０１、４０１、５０１、６０１、１００１ 発振器、２、１２、２２、１０３、２０２、３０２、４０２、５０２、６０２、１００２ 増幅器、３、１０４、２０３、３０３、４０３、５０３、６０３、１００３ アイソレータ、４、２０４、３０４、４０４、５０４、６０４、９０３ 金属キャビティ、５、１０５、２０５、３０５、４０５、５０５、６０５ａ、６０５ｂ、９０２ａ〜９０２ｆ、１００５ アンテナ、１１、２１ 弾性表面波共振子、１３、２３ 等分配器、２４、９０１ａ〜９０１ｆ 移相器、２４ａ −３ｄＢ９０°ハイブリッドカプラ、２４ｂ 付加制御部、Ｃ１〜Ｃ８、Ｃ２１〜Ｃ２３ コンデンサ、Ｌ１〜Ｌ６、Ｌ２１、Ｌ２２ コイル、Ｒ１、Ｒ２、Ｒ２１ 抵抗、Ａ１、Ａ２ バリキャップ、３１、４１、１０１２ ダイヤモンド層、３２、４３ 薄膜圧電体層、３３、４４、１０１４ ＩＤＴ電極、４２ 半絶縁性ダイヤモンド層、１０１ マイクロ波発生器、１０６、１０８ 導波管、１０７ チャンバ、１０９ ガス流量コントローラ、１１０ マイクロ波導入窓、１１１、１１２ コイル、１１３ 排気管、１１４ コンダクタンスバルブ、１１５ 載置台、１１６ ＲＦ電源、Ｗ ウェハ、２０６、３０６、４０６、５０６、６０６ａ、６０６ｂ 進行波／反射波検出手段、２０７、３０７、４０７、５０７、６０７ａ、６０７ｂ 整合器、２０８、３０８、４０８、５０８、６０８ 演算手段、６０９ 電力分配器、７０１ 導体層、７０２、誘電体層、７０３〜７０５ 導体パターン、８０１〜８０８ 単一パッチアンテナ、８０９ 配線パターン、１００４ ガラス管、１００６ 膨らみ部、１００７ 金属メッシュ、１０１１ シリコン基板、１０１３ ＺｎＯ膜、１０１５ ＳｉＯ2膜

Claims (30)

  1. マイクロ波を発生する固体発振器と、
    前記固体発振器にて発生されたマイクロ波を増幅する増幅器と、
    前記増幅器の後段に接続され、前記マイクロ波が照射される対象物からの反射波を阻止するアイソレータと、
    前記対象物に向けてマイクロ波を照射するアンテナと、
    前記対象物に照射されるマイクロ波を閉じ込める金属キャビティとを備えることを特徴とする高周波加熱装置。
  2. 弾性表面波共振子が発振ループに組み込まれ、マイクロ波を発生する固体発振器と、
    前記固体発振器にて発生されたマイクロ波を増幅する増幅器と、
    前記増幅器の後段に接続され、前記マイクロ波が照射される対象物からの反射波を阻止するアイソレータと、
    前記対象物に向けてマイクロ波を照射するアンテナと、
    前記対象物に照射されるマイクロ波を閉じ込める金属キャビティとを備えることを特徴とする高周波加熱装置。
  3. 前記弾性表面波共振子は、
    ダイヤモンド層またはダイヤモンド状炭素膜層上に積層された薄膜圧電体層と、
    前記薄膜圧電体層上に形成されたＩＤＴ電極とを備えることを特徴とする請求項２記載の高周波加熱装置。
  4. 前記弾性表面波共振子は、
    ダイヤモンド単結晶層または多結晶ダイヤモンドに近い弾性定数を持つ硬質炭素膜上に積層された薄膜圧電体層と、
    前記薄膜圧電体層上に形成されたＩＤＴ電極と、
    前記ＩＤＴ電極上に形成された酸化珪素膜とを備えることを特徴とする請求項２記載の高周波加熱装置。
  5. 前記発振ループ内の電力を等分配して、前記発振ループ外に出力する等分配器と、
    前記発振ループ内の位相を可変させる移相器をさらに備えることを特徴とする請求項２から４のいずれか１項記載の高周波加熱装置。
  6. 前記アンテナは、単一指向性の平面アンテナまたはフェイズドアレイアンテナであることを特徴とする請求項１から５のいずれか１項記載の高周波加熱装置。
  7. 前記アンテナに送出される進行波電力および前記アンテナから戻ってくる反射波電力を検出する進行波／反射波検出手段と、
    前記進行波／反射波検出手段にて検出された進行波電力および反射波電力に基づいて、前記アンテナから照射されるマイクロ波を制御する演算手段とを備えることを特徴とする請求項１から６のいずれか１項記載の高周波加熱装置。
  8. 前記演算手段は、前記進行波／反射波検出手段にて検出された進行波電力および反射波電力に基づいて、前記固体発振器の発振周波数、前記固体発振器の出力の有無または前記増幅器の増幅度のいずれか少なくとも１つを制御することを特徴とする請求項７記載の高周波加熱装置。
  9. 前記進行波／反射波検出手段の後段に配置され、負荷とのインピーダンスの整合性を調整する整合器をさらに備え、
    前記演算手段は、進行波／反射波検出手段にて検出された進行波電力および反射波電力に基づいて、前記整合器を制御することを特徴とする請求項７または８記載の高周波加熱装置。
  10. 前記アンテナは前記金属キャビティ内に複数配置され、
    前記アンテナに電力を分配する電力分配器が前記アイソレータの後段に設けられていることを特徴とする請求項１から９のいずれか１項記載の高周波加熱装置。
  11. 処理対象を隔離するチャンバと、
    前記チャンバ内に反応ガスを導入するガス導入手段と、
    マイクロ波を発生する固体発振器と、
    前記固体発振器にて発生されたマイクロ波を増幅する増幅器と、
    前記増幅器の後段に接続され、前記マイクロ波が照射される対象物からの反射波を阻止するアイソレータと、
    前記マイクロ波を前記反応ガスに照射させることにより、前記チャンバ内にプラズマを発生させるプラズマ発生手段と、
    前記チャンバ内を排気する排気手段とを備えることを特徴とする半導体製造装置。
  12. 処理対象を隔離するチャンバと、
    前記チャンバ内に反応ガスを導入するガス導入手段と、
    弾性表面波共振子が発振ループに組み込まれ、マイクロ波を発生する固体発振器と、
    前記固体発振器にて発生されたマイクロ波を増幅する増幅器と、
    前記マイクロ波が照射される対象物からの反射波を阻止するアイソレータと、
    前記マイクロ波を前記反応ガスに照射させることにより、前記チャンバ内にプラズマを発生させるプラズマ発生手段と、
    前記チャンバ内を排気する排気手段とを備えることを特徴とする半導体製造装置。
  13. 前記弾性表面波共振子は、
    ダイヤモンド層またはダイヤモンド状炭素膜層上に積層された薄膜圧電体層と、
    前記薄膜圧電体層上に形成されたＩＤＴ電極とを備えることを特徴とする請求項１２記載の半導体製造装置。
  14. 前記弾性表面波共振子は、
    ダイヤモンド単結晶層または多結晶ダイヤモンドに近い弾性定数を持つ硬質炭素膜上に積層された薄膜圧電体層と、
    前記薄膜圧電体層上に形成されたＩＤＴ電極と、
    前記ＩＤＴ電極上に形成された酸化珪素膜とを備えることを特徴とする請求項１２記載の半導体製造装置。
  15. 前記発振ループ内の電力を等分配して、前記発振ループ外に出力する等分配器と、
    前記発振ループ内の位相を可変させる移相器をさらに備えることを特徴とする請求項１２から１４のいずれか１項記載の半導体製造装置。
  16. 前記アンテナは、単一指向性の平面アンテナまたはフェイズドアレイアンテナであることを特徴とする請求項１１から１５のいずれか１項記載の半導体製造装置。
  17. 前記アンテナに送出される進行波電力および前記アンテナから戻ってくる反射波電力を検出する進行波／反射波検出手段と、
    前記進行波／反射波検出手段にて検出された進行波電力および反射波電力に基づいて、前記アンテナから照射されるマイクロ波を制御する演算手段とを備えることを特徴とする請求項１１から１６のいずれか１項記載の半導体製造装置。
  18. 前記演算手段は、前記進行波／反射波検出手段にて検出された進行波電力および反射波電力に基づいて、前記固体発振器の発振周波数、前記固体発振器の出力の有無または前記増幅器の増幅度のいずれか少なくとも１つを制御することを特徴とする請求項１７記載の半導体製造装置。
  19. 前記進行波／反射波検出手段の後段に配置され、負荷とのインピーダンスの整合性を調整する整合器をさらに備え、
    前記演算手段は、進行波／反射波検出手段にて検出された進行波電力および反射波電力に基づいて、前記整合器を制御することを特徴とする請求項１７または１８記載の半導体製造装置。
  20. 前記アンテナは前記チャンバ内に複数配置され、
    前記アンテナに電力を分配する電力分配器が前記アイソレータの後段に設けられていることを特徴とする請求項１１から１９のいずれか１項記載の半導体製造装置。
  21. マイクロ波を発生する固体発振器と、
    前記固体発振器にて発生されたマイクロ波を増幅する増幅器と、
    前記増幅器の後段に接続され、前記マイクロ波が照射される希ガスからの反射波を阻止するアイソレータと、
    前記希ガスが封入されたガラス管と、
    前記ガラス管内に設置され、前記希ガスに向けてマイクロ波を照射するアンテナとを備えることを特徴とする光源装置。
  22. 弾性表面波共振子が発振ループに組み込まれ、マイクロ波を発生する固体発振器と、
    前記固体発振器にて発生されたマイクロ波を増幅する増幅器と、
    前記増幅器の後段に接続され、前記マイクロ波が照射される希ガスからの反射波を阻止するアイソレータと、
    前記希ガスが封入されたガラス管と、
    前記ガラス管内に設置され、前記希ガスに向けてマイクロ波を照射するアンテナとを備えることを特徴とする光源装置。
  23. 前記弾性表面波共振子は、
    ダイヤモンド層またはダイヤモンド状炭素膜層上に積層された薄膜圧電体層と、
    前記薄膜圧電体層上に形成されたＩＤＴ電極とを備えることを特徴とする請求項２２記載の光源装置。
  24. 前記弾性表面波共振子は、
    ダイヤモンド単結晶層または多結晶ダイヤモンドに近い弾性定数を持つ硬質炭素膜上に積層された薄膜圧電体層と、
    前記薄膜圧電体層上に形成されたＩＤＴ電極と、
    前記ＩＤＴ電極上に形成された酸化珪素膜とを備えることを特徴とする請求項２２記載の光源装置。
  25. 前記発振ループ内の電力を等分配して、前記発振ループ外に出力する等分配器と、
    前記発振ループ内の位相を可変させる移相器をさらに備えることを特徴とする請求項２２から２４のいずれか１項記載の光源装置。
  26. 前記アンテナは、単一指向性の平面アンテナまたはフェイズドアレイアンテナであることを特徴とする請求項２１から２５のいずれか１項記載の光源装置。
  27. 前記アンテナに送出される進行波電力および前記アンテナから戻ってくる反射波電力を検出する進行波／反射波検出手段と、
    前記進行波／反射波検出手段にて検出された進行波電力および反射波電力に基づいて、前記アンテナから照射されるマイクロ波を制御する演算手段とを備えることを特徴とする請求項２１から２６のいずれか１項記載の光源装置。
  28. 前記演算手段は、前記進行波／反射波検出手段にて検出された進行波電力および反射波電力に基づいて、前記固体発振器の発振周波数、前記固体発振器の出力の有無または前記増幅器の増幅度のいずれか少なくとも１つを制御することを特徴とする請求項２７記載の光源装置。
  29. 前記進行波／反射波検出手段の後段に配置され、負荷とのインピーダンスの整合性を調整する整合器をさらに備え、
    前記演算手段は、進行波／反射波検出手段にて検出された進行波電力および反射波電力に基づいて、前記整合器を制御することを特徴とする請求項２７または２８記載の光源装置。
  30. 前記アンテナは前記ガラス管内に複数配置され、
    前記アンテナに電力を分配する電力分配器が前記アイソレータの後段に設けられていることを特徴とする請求項２１から２９のいずれか１項記載の光源装置。
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