JP2007082171A - マグネトロン発振装置 - Google Patents

Abstract

【課題】周波数安定度がよく、出力電力を変化させても周波数が変動しないマグネトロン発振装置を実現する。
【解決手段】マグネトロン２と、マグネトロン２の出力電力を取り出すランチャ４と、ランチャ４の出力端に一端が接続されたインピーダンス発生器５と、インピーダンス発生器５の他端に接続された基準信号供給部６と、同期制御部１１とを備える。基準信号供給部６は、マグネトロン２の出力よりも低電力かつ周波数が安定した基準信号をマグネトロン２に供給する。マグネトロン２は、基準信号の注入により、基準信号の周波数に発振周波数が固定される。同期制御部１１は、マグネトロン２の出力電力に連動してインピーダンス発生器５を制御し、マグネトロン２の負荷インピーダンスを調整し、マグネトロン２の発振周波数の変化幅を縮小する。
【選択図】 図１

Description

本発明は、マグネトロンを発振管とするマグネトロン発振装置に関し、特に、マグネトロンよりも出力電力が低くかつ発振周波数が安定した基準信号発振器を設け、この基準信号発振器が発振する基準信号をマグネトロンに注入しマグネトロンの発振周波数を基準信号発振器の発振周波数に固定（同期）することにより、マグネトロンの周波数安定度を向上させるマグネトロン発振装置に関する。

マイクロ波帯の発振装置の一つに、トランジスタを増幅器として使用する半導体発振装置がある。この半導体発振装置は、１０００ＭＨｚ程度までの周波数帯に用いられる。しかし、プラズマ生成に必要な２４５０ＭＨｚの周波数帯においては、使用可能な半導体素子の種類が少なくかつ高価であるので、半導体発振装置は大変高コストとなる。

２４５０ＭＨｚ帯の発振器としては、クライストロン発振装置およびマグネトロン発振装置がある。クライストロン発振装置は、周波数安定度および振幅制御性等に優れているが、クライストロンが高価であり、クライストロンの駆動用電源の価格も比較的高いので、これらを含めると装置全体が非常に高コストになる。

これに対し、マグネトロン発振装置は、プラズマ生成に必要な出力電力１０ｋＷ程度までのマグネトロンが量産されていて、安価で入手できる。また、マグネトロンの駆動用電源は、構成が簡単で、安価で製作できる。したがって、マグネトロン発振装置は、プラズマ生成用のマグネトロン電源等として多用されている。

以下、マグネトロン発振装置に用いられるマグネトロンの特性について説明する。図１２は、マグネトロンの負荷特性を示すリーケダイアグラムである。このダイアグラムは、マグネトロンに取り付けられたテスト用ランチャの出力端に負荷を接続し、この負荷のインピーダンスを変化させて得られた出力電力および発振周波数と負荷インピーダンスとの関係を、出力電力一定、周波数一定の条件でスミスチャート上に表示したものである。出力電力一定の場合のグラフが実線で、周波数一定の場合のグラフが点線で示されている。図１２から分かるように、マグネトロンは、負荷インピーダンスにより、出力電力および発振周波数が変化する。負荷インピーダンスにより発振周波数が変化する現象を「プリング現象」という。

図１３は、マグネトロンの動作特性を示すパフォーマンスチャートである。このチャートは、マグネトロンに取り付けられたテスト用ランチャの出力端に整合負荷を接続した上で、マグネトロンを動作状態とし、アノード電流を変化させたときのアノード電圧、出力電力および発振周波数の変化を示したものである。グラフ２０１がアノード電圧の変化を、グラフ２０２が出力電力の変化を、グラフ２０３が発振周波数の変化をそれぞれ示している。図１３のグラフ２０１〜２０３から分かるように、アノード電流に対し、アノード電圧はほぼ一定で、出力電力はほぼ比例して変化し、発振周波数は規格値内ではあるが変化する（周波数変化は１５ＭＨｚであり、その変化率は０．６％である）。

また、マグネトロンは、アノード電流を変化させて出力電力が変化し、ある値以下になると、発振モードがジャンプし、異なった周波数で発振し、発振状態が不安定になる。この現象を「モーディング」という。モーディングが起こると、間歇発振になり、発振周波数も一定しないので、負荷側に接続した整合回路等が正常に動作しなくなるなどの不具合が生じる（例えば、非特許文献１参照）

国際公開第２００４／０６８９１７号パンフレット 特開平２−２４９３０１号公報 電気学会マイクロ波プラズマ調査専門委員会編、「マイクロ波プラズマの技術」、オーム社、平成１５年９月２５日、ｐ．２４０−２４３

このように、マグネトロンは、プリング現象により負荷インピーダンスに応じて発振周波数が変化する上に、出力電力（アノード電流）によっても発振周波数が変化する。さらに、モーディングにより、出力電力が小さい領域で発振周波数および発振状態が不安定になる。

したがって、マグネトロンを用いたマグネトロン発振装置は、発振周波数の固定および周波数の安定化が困難であり、この問題は、マグネトロン発振装置をプラズマ生成用のマイクロ波電源等に用いるために解決しなければならない課題である。

この課題を解決するものとして、マグネトロンよりも発振周波数が安定した基準信号発振器を設け、この基準信号発振器が発振する基準信号をマグネトロンに注入してマグネトロンの発振周波数を基準信号発振器の発振周波数（基準周波数）に固定し、かつ、マグネトロンの周波数安定度を基準信号発振器の安定度に等しくする技術が提案されている。基準信号の注入により発振器の発振周波数を固定することを「インジェクションロッキング」という（例えば、特許文献１参照）。

次の関係式が成り立つときに、インジェクションロッキングが可能となる。
ＢＷ＝２Ｆ₀ ／（Ｑ_e・Ｇ^1/2） ・・・（１）
Ｇ＝Ｐ_o／Ｐ_i ・・・（２）
ここで、
ＢＷ：インジェクションロッキング動作時と非動作時との発振周波数の差
Ｆ₀ ：基準信号の周波数（基準周波数）
Ｑ_e ：マグネトロンの負荷Ｑ
Ｐ_o ：マグネトロンの出力電力
Ｐ_i ：マグネトロンに注入される基準信号の電力（注入電力）

しかし、マグネトロンの出力電力（アノード電流）を大きくすると、式（２）よりＧの値が大きく、式（１）よりＢＷの値が小さくなるため、インジェクションロッキングが外れやすくなり、マグネトロンの発振周波数が不安定になるという問題があった。

本発明は、これらの課題を解決するためになされたものであり、その目的は、周波数安定度がよく、出力電力を変化させても周波数が変動しないマグネトロン発振装置を提供することにある。

このような目的を達成するために、本発明に係るマグネトロン発振装置は、マグネトロンのアノード電流を変化させ、出力電力を可変とするマグネトロン発振装置であって、マグネトロンの出力電力を取り出すランチャと、このランチャの出力端に一端が接続され、マグネトロンの負荷インピーダンスを調整するインピーダンス発生器と、このインピーダンス発生器の他端に接続され、マグネトロンの出力よりも低電力かつ周波数が安定した基準信号をマグネトロンに供給する基準信号供給部とを備え、マグネトロンの負荷インピーダンスは、マグネトロンの出力電力に連動して可変されることを特徴とする。

本発明では、マグネトロンの負荷インピーダンスをマグネトロンの出力電力に連動して可変するが、このマグネトロンの負荷インピーダンスはインピーダンス発生器により調整可能である。この場合、同期制御部を設け、マグネトロンのアノード電流および出力電力の少なくとも一方に基づきインピーダンス発生器を制御するようにするとよい。また、同期制御部は、マグネトロンのアノード電流および出力電力の少なくとも一方を検出する検出部と、マグネトロンの特性データを記憶するデータ記憶部と、検出部の検出結果に基づきデータ記憶部に記憶されている特性データを参照してインピーダンス発生器を制御する制御部とによって構成することができる。

また、基準信号供給部は、基準信号を発振する基準信号発振器と、基準信号発振器からの基準信号をインピーダンス発生器へ導くとともに、インピーダンス発生器からのマグネトロンの出力電力を負荷の方向へ導く非可逆部材とを備えるものであってもよい。ここで、非可逆部材は、サーキュレータ、方向性結合器、分岐および結合器の何れかで実現することができる。

また、基準信号供給部は、基準信号発振器からの基準信号を増幅する増幅器を更に備えるものであってもよい。増幅器を複数備える場合には、これらの増幅器は、直列および並列の何れの接続であってもよい。

また、上述したマグネトロン発振装置は、基準信号供給部と負荷との間に接続され、負荷からの反射電力を吸収するとともに、基準信号供給部からのマグネトロンの出力電力を負荷の方向へ導くアイソレータを更に備えていてもよい。ここで、アイソレータは、電力を吸収するダミーロードと、反射電力をダミーロードへ導くとともに、基準信号供給部からのマグネトロンの出力電力を負荷の方向へ導くサーキュレータとを備えるものであってもよい。

一方、マグネトロンは、加熱により電子を放出するカソードと、印加される電圧に応じてカソードを加熱するヒータと、カソードとの間に電界が形成されるアノードとを備えており、上述したマグネトロン発振装置は、アノードに流れる電流が大きくなるにしたがってヒータに印加する電圧を小さくするヒータ電源を更に備えていてもよい。

また、上述したマグネトロン発振装置において、基準信号の電力は、マグネトロンの出力電力に連動して可変されるようにしてもよい。
また、上述したマグネトロン発振装置は、マイクロ波により生成されたプラズマを用いて被処理体に対し所定の処理を行うプラズマ処理装置のマイクロ波電源として用いられるものであってもよい。

本発明では、基準信号をマグネトロンに注入することにより、マグネトロンの発振周波数が基準信号の周波数に固定される。基準信号の周波数はマグネトロンの発振周波数よりも安定しているので、マグネトロン発振装置の周波数安定度を向上させることができる。モーディングも起きないので、負荷側に接続される整合回路等を正常に動作させることが可能となる。

また、本発明において、マグネトロンの負荷インピーダンスは、マグネトロンの出力電力に連動して可変される。マグネトロンの負荷インピーダンスを変化させると、プリング現象に基づいてマグネトロンの発振周波数が変化する。したがって、マグネトロンの出力電力に連動してマグネトロンの負荷インピーダンスを調整することより、マグネトロンの発振周波数の変化幅を縮小させ、周波数安定度を高め、出力電力を変化させても周波数が変動しないようにすることが可能となる。

しかも、本発明では、発振管としてマグネトロンを用いているので、半導体発振装置やクライストロン発振装置と比較して、はるかに安価で製造することができる。本発明でも、周波数安定度が高い基準信号発振器を用いているが、この基準信号発振器は低出力で安価であるから、装置全体の製造コストはさほど高くはならない。

また、本発明では、カソードに流れる電流が大きくなるにしたがってヒータに印加する電圧を小さくすることにより、カソードからアノードに向かって放出された電子のうち、カソードに戻ってきた電子の衝突によって生ずるカソードの異常な加熱を抑制することができる。本発明では、アイソレータを設けることにより、負荷からの反射電力が基準信号発振器へ送られて基準信号発振器が誤動作することを防止できる。

また、本発明では、上述したマグネトロン発振装置をプラズマ処理装置に用い、安定した周波数のマイクロ波を供給することにより、周波数依存性のある要素を多く含むプラズマ処理装置の動作を安定化し、かつ、一定化することができる。また、帯域特性を考慮しなくてもよいので、プラズマ処理装置の放電電極等の設計が容易になる。

以下、図面を参照し、本発明の一実施の形態について詳細に説明する。
図１は、本発明の一実施の形態に係るマグネトロン発振装置の構成を示すブロック図である。本実施の形態に係るマグネトロン発振装置１は、マグネトロン２と、マグネトロン電源３と、ランチャ４と、インピーダンス発生器５と、基準信号供給部６と、アイソレータ７と、同期制御部１１とから構成される。

マグネトロン２は、マグネトロン発振装置１の発振管であり、マイクロ波Ｍを発振する。マグネトロン発振装置１がプラズマ生成用のマイクロ波電源として用いられる場合には、例えば発振周波数が２４５０ＭＨｚ、出力電力が数ｋＷ〜１０ｋＷのマグネトロン２を用いることができる。

マグネトロン電源３は、マグネトロン２のヒータおよびカソードに電圧および電流を供給する電源である。マグネトロン電源３としては、安定度のよいスイッチングレギュレータ方式を用いた電源を使用し、電源変動による周波数変動を極力抑制することも必要である。

ランチャ４は、発振したマグネトロン２から効率よく出力電力を取り出す高周波結合器であり、一端がショートされた矩形導波管からなる。マグネトロン２はランチャ４の上に配設され、ランチャ４の内部に突出したマグネトロン２のアンテナ２１からマイクロ波Ｍが放射される。

インピーダンス発生器５は、インピーダンスを任意の値に設定する機能を有するものであり、定在波発生器としても作用する。インピーダンスを変化させる方式は、後述するように多種類ある。また、使用される伝送線路により、導波管系、同軸系等に分類される。インピーダンス発生器５は、その一端がランチャ４の出力端に接続され、マグネトロン２の負荷インピーダンスの調整に用いられる。

基準信号供給部６は、基準信号Ｓをマグネトロン２に供給するものであり、少なくとも基準信号発振器６１と３端子サーキュレータ６２とを有する。

ここで、基準信号発振器６１は、基準信号Ｓを発振する発振器であり、マグネトロン２よりも出力電力が低くかつ発振周波数が安定した発振器が用いられる。例えば、水晶発振器または誘電体共振器を使用したＤＲＯ等を原振とし、後述するように増幅、逓倍を行い、数Ｗ〜数１０Ｗの出力電力を得る。基準信号発振器６１の発振周波数、すなわち基準信号Ｓの周波数は、マグネトロン２の発振周波数を固定する所望の周波数に設定される。例えば、マグネトロン２の発振周波数を２４５０ＭＨｚに固定する場合には、その２４５０ＭＨｚの基準信号Ｓが用いられる。

３端子サーキュレータ６２は、第１端子からの入力電力を第２端子へ、第２端子からの入力電力を第３端子へ、第３端子からの入力電力を第１端子へそれぞれ低損失で伝送し、その逆方向へは伝送しない非可逆部材である。ここでは、第１端子はインピーダンス発生器５の他端に接続され、第２端子はアイソレータ７に接続され、第３端子は基準信号発振器６１に接続される。したがって、基準信号発振器６１からの基準信号Ｓは、インピーダンス発生器５のみに送られ、マグネトロン２からのマイクロ波Ｍはインピーダンス発生器５からアイソレータ７のみに送られる。なお、サーキュレータ６２の代わりに、方向性結合器や単なる分岐、または結合器を使用してもよい。しかし、この場合は、結合度や負荷インピーダンス等の制限が生ずる。

アイソレータ７は、負荷で反射されたマイクロ波（反射電力）Ｒを吸収するものであり、３端子サーキュレータ７１とダミーロード７２とを有する。
３端子サーキュレータ７１は、上述した３端子サーキュレータ６２と同様の非可逆部材であり、第１端子はサーキュレータ６２の第２端子に接続され、第２端子は負荷に接続され、第３端子はダミーロード７２に接続される。したがって、負荷で反射されたマイクロ波Ｒはダミーロード７２のみに送られ、マグネトロン２からのマイクロ波Ｍは基準信号供給部６から負荷の方向のみに送られる。

ダミーロード７２は、電力を効率よく吸収する機能をもつ。負荷からの反射が全反射の場合でも耐えられるように、マグネトロン２の最大出力値でも耐えられる吸収能力を有するものが用いられる。

同期制御部１１は、マグネトロン２のアノード電流および出力電力を検出し、その検出結果に基づきインピーダンス発生器５および基準信号供給部６を制御するものである。同期制御部１１としては、マイクロコンピュータ、シーケンサ等が用いられる。この同期制御部１１については、後で詳しく説明する。

このような構成のマグネトロン発振装置１では、マグネトロン２のアンテナ２１からランチャ４の内部に放射されたマイクロ波Ｍは、インピーダンス発生器５を経由して、サーキュレータ６２および７１を通過し負荷へ送られる。
また、負荷で反射されたマイクロ波Ｒは、サーキュレータ７１によりダミーロード７２へ送られて吸収される。したがって、負荷で反射されたマイクロ波Ｒがサーキュレータ６２により基準信号発振器６１へ送られて基準信号発振器６１が誤動作することを防止できる。

一方、基準信号発振器６１からの基準信号Ｓは、サーキュレータ６２によりインピーダンス発生器５を経由してランチャ４に送られ、アンテナ２１からマグネトロン２に注入される。基準信号Ｓがマグネトロン２に注入されると、マグネトロン２の発振周波数が基準信号Ｓの周波数Ｆ₀ に近く、式（１）および式（２）が成り立つ場合には、マグネトロン２の発振周波数が基準信号Ｓの周波数Ｆ₀ に引き寄せられて固定される（インジェクションロッキング）。基準信号Ｓは周波数安定度がよいので、その基準信号Ｓの周波数Ｆ₀ にマグネトロン２の発振周波数を固定し、マグネトロン２の発振周波数を安定化させることができる。

また、本実施の形態では、インピーダンス発生器５を用いて、マグネトロン２の負荷インピーダンスを変化させることができる。負荷インピーダンスが変化すると、プリング現象により、インジェクションロッキング非動作時のマグネトロン２の発振周波数が変化する。したがって、インピーダンス発生器５を用いて負荷インピーダンスを調整することにより、インジェクションロッキング非動作時のマグネトロン２の発振周波数を制御することが可能となる。

この原理を用いて、本実施の形態では、インジェクションロッキング非動作時のマグネトロン２の発振周波数を基準信号Ｓの周波数Ｆ₀ とほぼ等しくする。すなわち、式（１）のＢＷの値を小さくする。これにより、式（１）の関係から、Ｇの値を大きくすることができる。この結果、式（２）から次のような効果が導かれる。

（イ）マグネトロン２の出力電力Ｐ_o が一定ならば、基準信号Ｓの電力、すなわち注入電力Ｐ_i を小さくすることができる。すなわち、マグネトロン２の出力電力Ｐ_o よりも十分に小さい注入電力Ｐ_i 、例えば１／１００以下の注入電力Ｐ_i でインジェクションロッキングを容易に行うことができる。
（ロ）注入電力Ｐ_i が一定ならば、マグネトロン２の出力電力Ｐ_o を大きくすることができる。すなわち、インジェクションロッキングが外れないマグネトロン２の出力電力Ｐ_o の範囲を広くすることができる。

インピーダンス発生器５を用いて発振周波数を制御することにより、発振周波数の変化幅を縮小させることができる。その結果、ＢＷの値が小さくなり、マグネトロン２の出力電力Ｐ_o を変化させるなどしても、マグネトロン２の発振周波数を基準信号Ｓの周波数Ｆ₀ に固定し、発振周波数が安定した出力電力Ｐ_o の範囲を広くすることができる。

図２は、インピーダンス発生器５により、マグネトロン２の負荷ＶＳＷＲ（電圧定在波比）を一定にして、負荷位相を変化させたときのマグネトロン２の発振状態を表すグラフであり、マグネトロン２の出力電力Ｐ_o を一定にしたときの発振周波数範囲の変化を示している。

このグラフからも分かるように、マグネトロン２の出力電力Ｐ_o を変えても、インピーダンス発生器５を用いて負荷インピーダンスを調整することにより、マグネトロン２の発振周波数を基準信号Ｓの周波数Ｆ₀ に合わせることができ、その結果、インジェクションロッキングが可能な出力電力Ｐ_o の範囲を広くすることができる。

次に、本実施の形態に係るマグネトロン発振装置１の各部の構成について、さらに説明する。
［マグネトロン２およびマグネトロン電源３］
図３は、マグネトロン２およびマグネトロン電源３の構成を示すブロック図である。
マグネトロン２は、カソードとヒータとが一体となったヒータ／カソードＨ／Ｋと、アノードＡとを有している。図示しないが、アノードＡは複数に分割され、これらが振動回路（共振回路）により接続されている。また、アノードＡと同心的にヒータ／カソードＨ／Ｋが設けられている。

ヒータ／カソードＨ／Ｋの両端には、マグネトロン電源３のヒータ電源３１が接続されている。ヒータ電源３１でヒータ／カソードＨ／Ｋにヒータ電圧を印加することにより、ヒータ／カソードＨ／Ｋが加熱され、ヒータ／カソードＨ／Ｋから電子が放出される。

ヒータ／カソードＨ／Ｋの一端にはさらに、マグネトロン電源３のアノード電源３２が接続されている。アースに接続されたアノードＡに対し、負の電圧をアノード電源３２からヒータ／カソードＨ／Ｋに印加することにより、ヒータ／カソードＨ／ＫとアノードＡとの間に電界が形成され、ヒータ／カソードＨ／ＫからアノードＡに向けて電子が放出される。
この状態で、ヒータ／カソードＨ／Ｋと平行（電界と直角方向）に磁界を印加すると、マイクロ波Ｍが発振する。

このようにしてマグネトロン２を動作させると、ヒータ／カソードＨ／ＫからアノードＡに向けて放出された電子のうち、ヒータ／カソードＨ／Ｋに戻ってきた電子が衝突することにより、ヒータ／カソードＨ／Ｋが異常に加熱される現象が起きる。この現象を「バックヒーティング」という。発振を強くするほど、すなわち出力電力Ｐ_o を大きくするほど、バックヒーティングが激しく起こり、ヒータ／カソードＨ／Ｋの温度が必要以上に高くなる。

マグネトロン２の出力電力Ｐ_o に応じてアノード電流が大きくなるので、本実施の形態では、ヒータ電源３１を用いてアノード電流に逆比例してヒータ電圧を下げ、ヒータ／カソードＨ／Ｋへの加熱を抑制する。

図４は、アノード電流とヒータ電圧との関係を示すグラフである。「Ｍａｘ」はアノード電流に対するヒータ電圧の上限、「Ｍｉｎ」は下限をそれぞれ表している。このグラフにしたがい、ヒータ電源３１を用いてヒータ電圧を制御することにより、バックヒーティングを防止することができる。

［インピーダンス発生器５］
導波管系のインピーダンス発生器５の構成例について説明する。
図５（ａ）は、リアクタンススタブ方式のインピーダンス発生器の一構成例を示す断面図である。このインピーダンス発生器５ａは、矩形導波管５０の管壁から管内へ３本のスタブ５１ａ，５１ｂ，５１ｃが突出する構造を有する。これらのスタブ５１ａ〜５１ｃは、矩形導波管５０の軸線Ｚ方向にλg／８，λg／４等の間隔で配設される。「λg 」は矩形導波管５０の管内波長である。スタブ５１ａ〜５１ｃは断面が円形の金属棒からなり、矩形導波管５０の管内に突出する長さによりスタブ５１ａ〜５１ｃのリアクタンスが変化し、それに応じて矩形導波管５０内のインピーダンスが変化する。なお、スタブの数は、１本以上であればよいが、３本の場合が主である。また、スタブは通常、矩形導波管５０のＨ面に配設されるが、Ｅ面に配設されるＥスタブ方式であってもよい。

図５（ｂ）は、導波管分岐形のインピーダンス発生器の一構成例を示す断面図である。このインピーダンス発生器５ｂは、矩形導波管５０の管壁に対して垂直に３本の分岐導波管５２ａ，５２ｂ，５２ｃが接続された構造を有する。これらの分岐導波管５２ａ〜５２ｃは、矩形導波管５０の軸線Ｚ方向にλg／８，λg／４等の間隔で配設される。分岐導波管５２ａ〜５２ｃのそれぞれは、一端が矩形導波管５０内に開口し、他端がショート板５３ａ〜５３ｃにより電気機能的にショートされている。分岐導波管５２ａ〜５２ｃのそれぞれの一端から他端までの長さを変化させることにより、直列リアクタンスが変化し、矩形導波管５０内のインピーダンスが変化する。

この他に、移相器とスタブチューナとを組み合わせたもの、３ｄＢ結合器と可変短絡器との組み合わせによるインピーダンス発生器、導波管４分岐形チューナ（例えば、特許文献２参照）、スラグチューナ等をインピーダンス発生器５として用いることができる。
また、同軸系のインピーダンス発生器５は、上述した導波管系の矩形導波管を同軸管に置き換えたものである。

［基準信号供給部６］
基準信号供給部６における基準信号の増幅方法について説明する。基準信号の増幅方法には、増幅器を用いる方法と、インジェクションロッキングを用いる方法とがある。

図６（ａ）および図６（ｂ）は、増幅器を用いて基準信号を増幅する方法を説明するための図である。
複数の増幅器を用いる場合には、図６（ａ）に示す基準信号供給部６ａのように、複数の増幅器６３ａ，６３ｂ，６３ｃを直列に接続して、基準信号発振器６１の出力電力を増幅器６３ａ〜６３ｃで順次増幅することにより、所望の電力の基準信号Ｓを得ることができる。

また、図６（ｂ）に示す基準信号供給部６ｂのように、分配器６５と合成器６６との間に複数の増幅器６４ａ，６４ｂ，６４ｃを並列に接続して、基準信号発振器６１の出力を分配器６５により増幅器６４ａ〜６４ｃに電力分配し、増幅器６４ａ〜６４ｃの出力を合成器６６により電力合成することによっても、所望の電力の基準信号Ｓを得ることができる。この場合、増幅器６４ａ，６４ｂ，６４ｃは各々複数個直列に接続してもよい。

図７は、インジェクションロッキングを用いて基準信号を増幅する方法を説明するための図である。この図に示す基準信号供給部６ｃは、基準信号発振器６１および３端子サーキュレータ６２の他に、マグネトロン発振装置１のマグネトロン２、マグネトロン電源３、ランチャ４、インピーダンス発生器５、３端子サーキュレータ６２にそれぞれ対応するマグネトロン１０２、マグネトロン電源１０３、ランチャ１０４、インピーダンス発生器１０５、３端子サーキュレータ１６２を有している。

マグネトロン１０２には、基準信号発振器６１よりも高出力で、マグネトロン２よりも低出力のものが用いられる。基準信号発振器６１からの基準信号Ｓ１をマグネトロン１０２に注入し、マグネトロン１０２の発振周波数を基準信号Ｓ１の周波数に固定する。これにより、基準信号Ｓ１と同様に周波数安定度がよく、しかも基準信号Ｓ１よりも電力が高いマイクロ波Ｓ２をマグネトロン１０２より得ることができる。このマイクロ波Ｓ２を基準信号としてマグネトロン２に注入する。なお、インピーダンス発生器１０５は用いなくてもよい。

また、図８に示す基準信号供給部６ｄのように、図７におけるマグネトロン１０２とマグネトロン電源１０３とランチャ１０４とインピーダンス発生器１０５と３端子サーキュレータ１６２とからなる構成体を複数設け、これらを分配器６７と合成器６８との間に並列接続して、並列にインジェクションロッキングを行うようにしてもよい。

なお、図８において、１０２ａ，１０２ｂはマグネトロン、１０３ａ，１０３ｂはマグネトロン電源、１０４ａ，１０４ｂはランチャ、１０５ａ，１０５ｂはインピーダンス発生器、１６２ａ，１６２ｂは３端子サーキュレータ、Ｓ１ａ，Ｓ１ｂは分配器６７によりマグネトロン１０２ａ，１０２ｂのそれぞれに分配される基準信号、Ｓ２ａ，Ｓ２ｂはマグネトロン１０２ａ，１０２ｂのそれぞれから出力されるマイクロ波、Ｓ３はマイクロ波Ｓ２ａ，Ｓ２ｂが合成器６８により合成されたマイクロ波である。なお、インピーダンス発生器１０５ａ，１０５ｂは用いなくてもよい。

以上のようにして基準信号を増幅することにより、基準信号発振器６１として低出力の発振器を用いることができる。周波数安定度がよい発振器であっても低出力のものは安価で入手できるので、周波数安定度がよい高出力のマグネトロン発振装置１の製造コストを抑制することができる。

［同期制御部１１］
図９は、同期制御部１１の構成を示すブロック図である。同期制御部１１は、検出部１１１と、データ記憶部１１２と、制御部１１３とを有している。検出部１１１は、マグネトロン電源３からマグネトロン２に供給されるアノード電流と、マグネトロン電源３の出力電力を検出する回路部である。検出部１１１がアノード電流および出力電力を同時に検出するようにしてもよいし、それぞれ異なるタイミングで検出するようにしてもよい。なお、図１には、マグネトロン２の出力電力をランチャ４において検出する例が示されているが、基準信号供給部６またはアイソレータ７の負荷側に方向性結合器、プローブ等を配置し、マグネトロン２の出力電力を検出することもできる。

データ記憶部１１２は、マグネトロン２の負荷特性や動作特性などの諸特性から得られる特性データを記憶する回路部である。データ記憶部１１２に記憶される特性データとしては、図１３のパフォーマンスチャートによって表されるアノード電流と出力電力との関係、アノード電流と発振周波数との関係、図１２のリーケダイアグラムによって表される負荷インピーダンスと出力電力との関係、負荷インピーダンスと発振周波数との関係を示すデータなど挙げられる。データ記憶部１１２は更に、インジェクションロッキングの条件式（１），（２）も記憶している。
制御部１１３は、検出部１１１の検出結果に基づき、データ記憶部１１２の記憶内容を参照して、インピーダンス発生器５および基準信号供給部６を制御する回路部である。

通常、マグネトロン２のアノード電流を大きくして出力電力Ｐ_o を大きくすると、式（２）よって表されるＧの値が大きくなり、式（１）によって表されるＢＷの値が小さくなるため、インジェクションロッキングが外れやすくなる。
このような場合に、同期制御部１１は、マグネトロン２のアノード電流および出力電力の検出値に対し、マグネトロン２の発振周波数を基準信号Ｓの周波数に固定可能にする負荷インピーダンスおよび注入電力Ｐ_i の値を算出し、負荷インピーダンスおよび注入電力Ｐ_i がその値となるようにインピーダンス発生器５および基準信号発振器６１のそれぞれに制御信号を出力する。負荷インピーダンスおよび注入電力Ｐ_i の算出を行わず、予め用意されているマグネトロン２のアノード電流および出力電力と制御信号との対応表にしたがって制御信号を出力するようにしてもよい。

インピーダンス発生器５および基準信号発振器６１が制御信号にしたがって動作することにより、マグネトロン２の出力電力Ｐ_o に連動して、マグネトロン２の負荷インピーダンスおよび基準信号発振器６１の出力電力が自動的に調整される。すなわち、図１２に示したリーケダイアグラムの周波数一定の線（点線）に沿う形で、マグネトロン２の負荷インピーダンスおよび基準信号発振器６１の出力電力が自動的に調整される。その結果、インジェクションロッキング非動作時のマグネトロン２の発振周波数が基準信号Ｓの周波数に近づき、また注入電力Ｐ_i が大きくなってＧの値が小さくなるので、インジェクションロッキングが維持される。このため、マグネトロン２の出力電力Ｐ_o を大きくしてもインジェクションロッキングが外れなくなり、発振周波数が安定した出力電力Ｐ_o の範囲を広くすることができる。

ここでは同期制御部１１がインピーダンス発生器５および基準信号供給部６の両方を同時に制御する例を説明したが、インピーダンス発生器５のみを制御するようにしてもよい。
また、同期制御部１１がマグネトロン２のアノード電流および出力電力を検出し、これらの検出結果に基づき制御を行なう例を説明したが、同期制御部１１がマグネトロン２のアノード電流および出力電力のいずれか一方のみを検出し、その検出結果に基づき制御を行なうようにしてもよい。この場合には、同期制御部１１の検出部１１１は、マグネトロン２のアノード電流および出力電力のいずれかを検出する機能さえ備えていればよい。また、制御信号を出力する際に用いられる上記対応表は、アノード電流と制御信号、または、出力電力と制御信号、のいずれかの対応表でよい。

［マグネトロン発振装置の変形例］
図１０は、図１に示したマグネトロン発振装置の変形例を示すブロック図である。この図では、図１における構成部材と同一または相当する部材に同一符号が付してある。なお、この図には、同期制御部１１の図示が省略されている。
図１０に示すマグネトロン発振装置１ａは、アイソレータ７の位置が図１に示したマグネトロン発振装置１と異なる。すなわち、図１０に示すマグネトロン発振装置１ａでは、３端子サーキュレータ７１とダミーロード７２とからなるアイソレータ７が基準信号供給部６ｅ内に設けられている。

具体的には、３端子サーキュレータ６２の第１端子はインピーダンス発生器５の他端に接続され、第２端子は負荷に接続され、第３端子は３端子サーキュレータ７１の第１端子に接続される。また、３端子サーキュレータ７１の第２端子はダミーロード７２に接続され、第３端子は基準信号発振器６１に接続される。
したがって、基準信号発振器６１からの基準信号Ｓは、３端子サーキュレータ７１および６２を経由してインピーダンス発生器５に送られる。また、マグネトロン２からのマイクロ波Ｍは、インピーダンス発生器５から３端子サーキュレータ６２を経由して、負荷に送られる。さらに、負荷で反射されたマイクロ波Ｒは、３端子サーキュレータ６２および７１を経由して、ダミーロード７２に送られる。

マグネトロン２で発振したマイクロ波Ｍの伝播経路に着目すると、図１に示したマグネトロン発振装置１ではマイクロ波Ｍが負荷に至るまでに２つのサーキュレータ６２，７１を通過するのに対し、図１０に示したマグネトロン発振装置１ａでは１つのサーキュレータ６２しか通過しない。サーキュレータの挿入損失は一般に０．５ｄＢ程度である。したがって、マグネトロン発振装置１ａのような構成とすることにより、マグネトロン２の出力電力を効率よく負荷に供給することが可能となる。

次に、本実施の形態に係るマグネトロン発振装置１，１ａの適用例について説明する。
［プラズマ処理装置］
マグネトロン発振装置１，１ａは、プラズマ処理装置のマイクロ波電源として用いることができる。図１１は、マグネトロン発振装置１，１ａが用いられたプラズマ処理装置の一構成例を示す図である。

この図に示すプラズマ処理装置は、上部が開口した有底円筒形の処理容器８１を有している。処理容器８１の底面中央部には、絶縁板８２を介して載置台８３が固定されている。載置台８３の上面に、処理対象の基板８４が配置される。
処理容器８１の底面周縁部には、真空排気用の排気口８５が設けられている。処理容器８１の側壁には、処理容器８１内にガスを導入するガス導入用ノズル８６が設けられている。例えばプラズマ処理装置がエッチング装置として用いられる場合には、ノズル８６からＡｒ等のプラズマガスと、ＣＦ₄等のエッチングガスとが導入される。

処理容器８１の上部開口は、誘電体板８７で閉塞されている。なお、処理容器８１の側壁上面と誘電体板８７との間にＯリングなどのシール部材８８を介在させ、処理容器８１内の気密性を確保している。
誘電体板８７の上には、処理容器８１内にマイクロ波Ｍを供給するマイクロ波供給装置９０のアンテナであるラジアルラインスロットアンテナ（ＲＬＳＡ）９９が配設されている。ＲＬＳＡ９９および誘電体板８７の外周は、処理容器８１の側壁上に環状に配置されたシールド材８９によって覆われ、ＲＬＳＡ９９から処理容器８１内に供給されるマイクロ波が外部に漏れない構造になっている。

マイクロ波供給装置９０は、マイクロ波電源としてのマグネトロン発振装置１，１ａと、伝送モードがＴＥ₁₀の矩形導波管９１と、伝送モードをＴＥ₁₀からＴＥ₁₁またはＴＭ₀₁に変換する矩形円筒変換器９２と、伝送モードがＴＥ₁₁またはＴＭ₀₁の円筒導波管９３と、円筒導波管９３に設けられた負荷整合器９４と、円筒導波管９３に接続されるラジアル導波路９５と、ラジアル導波路９５の下面に形成されるＲＬＳＡ９９とを有している。

ここで、ラジアル導波路９５は、互いに平行な２枚の円形導体板９６，９７と、これら２枚の導体板９６，９７の外周部を接続してシールドする導体リング９８とを有する。ラジアル導波路９５の上面となる導体板９６の中心部には、円筒導波管９３が接続される。また、ラジアル導波路９５の下面となる導体板９７には、複数のスロットが形成され、これらのスロットからＲＬＳＡ９９が構成される。

このような構成のプラズマ処理装置において、マグネトロン発振装置１，１ａがマイクロ波Ｍを発振すると、このマイクロ波Ｍは矩形導波管９１、矩形円筒変換器９２および円筒導波管９３を介して、ラジアル導波路９５に導入される。そして、ラジアル導波路９５に導入されたマイクロ波Ｍは、ラジアル導波路９５の中心部から周縁部へ向かって放射状に伝搬しつつ、ラジアル導波路９５下面のＲＬＳＡ９９から徐々に処理容器８１内に供給される。処理容器８１内では、供給されたマイクロ波Ｍにより、ノズル８６から導入されたプラズマガスが電離してプラズマＰが生成され、基板８４に対する処理が行われる。

マグネトロン発振装置１，１ａは、マグネトロン２を発振管とするため、半導体発振装置やクライストロン発振装置と比較して、はるかに安価で製造することができる。このため、このマグネトロン発振装置１，１ａをプラズマ処理装置のマイクロ波電源として用いることにより、プラズマ処理装置の製造コストを抑制することができる。

しかも、マグネトロン発振装置１，１ａは、半導体発振装置やクライストロン発振装置と同じく周波数安定度がよく、モーディングも起きない。このため、周波数依存性のある要素を多く含むプラズマ処理装置の動作を安定化し、かつ、一定化することができる。また、帯域特性を考慮しなくてもよいので、プラズマ処理装置の放電電極（本実施の形態においては、ラジアル導波路９５およびＲＬＳＡ９９）等の設計が容易になる。

なお、マグネトロン発振装置１，１ａは、他方式のプラズマ処理装置にも用いることができる。例えば、電子サイクロトロン共鳴（electron-cyclotron-resonance：ＥＣＲ）プラズマ処理装置にも用いることができる。

［通信等］
今まで、本実施の形態で用いられるマグネトロン２と同じ連続発振のマグネトロンを用いたマグネトロン発振装置は、マグネトロンの特性により通信等には不向きとされてきた。しかし、本実施の形態により周波数安定度を向上できたことから、マグネトロン発振装置を通信、医用加速器等にも利用できる可能性が生じた。
これら通信、医用加速器等では現在、発振管としてクライストロンが用いられている。このクライストロンは非常に高価である。このため、通信、医用加速器等にマグネトロンが利用できると、その波及効果は非常に大きい。

本発明の一実施例に係るマグネトロン発振装置の構成を示すブロック図である。 インピーダンス発生器によりマグネトロンの負荷ＶＳＷＲを一定にして、負荷位相を変化させたときのマグネトロンの発振状態を表すグラフである。 マグネトロンおよびマグネトロン電源の構成を示すブロック図である。 アノード電流とヒータ電圧との関係を示すグラフである。 導波管系のインピーダンス発生器の一構成例を示す断面図である。 増幅器を用いて基準信号を増幅する方法を説明するための図である。 インジェクションロッキングを用いて基準信号を増幅する方法を説明するための図である。 インジェクションロッキングを並列に行い基準信号を増幅する方法を説明するための図である。 同期制御部の構成を示すブロック図である。 図１に示したマグネトロン発振装置の変形例を示すブロック図である。 本発明の一実施例に係るマグネトロン発振装置が用いられたプラズマ処理装置の一構成例を示す図である。 マグネトロンの負荷特性を示すリーケダイアグラムである。 マグネトロンの動作特性を示すパフォーマンスチャートである。

符号の説明

１…マグネトロン発振装置、２，１０２…マグネトロン、３，１０３…マグネトロン電源、４，１０４…ランチャ、５，５ａ，５ｂ，１０５…インピーダンス発生器、６，６ａ〜６ｃ…基準信号供給部、７…アイソレータ、２１，１２１…アンテナ、３１…ヒータ電源、３２…アノード電源、５０…矩形導波管、５１ａ〜５１ｃ…スタブ、５２ａ〜５２ｃ…分岐導波管、５３ａ〜５３ｃ…ショート板、６１…基準信号発振器、６２，７１，１６２…３端子サーキュレータ、６３ａ〜６３ｃ，６４ａ〜６４ｃ…増幅器、６５，６７…分配器、６６，６８…合成器、７２…ダミーロード、８１…処理容器、８２…絶縁
板、８３…載置台、８４…基板、８５…排気口、８６…ガス導入用ノズル、８７…誘電体板、８８…シール部材、８９…シールド材、９０…マイクロ波供給装置、９１…矩形導波管、９２…矩形円筒変換器、９３…円筒導波管、９４…負荷整合器、９５…ラジアル導波路、９６，９７…円形導体板、９８…リング部材、９９…ラジアルラインスロットアンテナ（ＲＬＳＡ）、Ａ…アノード、Ｈ／Ｋ…ヒータ／カソード、Ｍ…マイクロ波、Ｓ，Ｓ１，Ｓ２，Ｓ３…基準信号、Ｒ…マイクロ波（反射電力）、１１…同期制御部、１１１…検出部、１１２…データ記憶部、１１３…制御部。

Claims (4)

1. マグネトロンのアノード電流を変化させ、出力電力を可変とするマグネトロン発振装置であって、
   前記マグネトロンの出力電力を取り出すランチャと、
   このランチャの出力端に一端が接続され、前記マグネトロンの負荷インピーダンスを調整するインピーダンス発生器と、
   このインピーダンス発生器の他端に接続され、前記マグネトロンの出力よりも低電力かつ周波数が安定した基準信号を前記マグネトロンに供給する基準信号供給部とを備え、
   前記マグネトロンの負荷インピーダンスは、前記マグネトロンの出力電力に連動して可変されることを特徴とするマグネトロン発振装置。
2. 請求項１に記載のマグネトロン発振装置において、
   前記基準信号供給部は、
   前記基準信号を発振する基準信号発振器と、
   前記基準信号発振器からの前記基準信号を前記インピーダンス発生器へ導くとともに、前記インピーダンス発生器からの前記マグネトロンの出力電力を負荷の方向へ導く非可逆部材と
   を備えることを特徴とするマグネトロン発振装置。
3. 請求項２に記載のマグネトロン発振装置において、
   前記基準信号供給部と前記負荷との間に接続され、前記負荷からの反射電力を吸収するとともに、前記基準信号供給部からの前記マグネトロンの出力電力を前記負荷の方向へ導くアイソレータを更に備えることを特徴とするマグネトロン発振装置。
4. 請求項１〜３の何れか１項に記載のマグネトロン発振装置において、
   前記マグネトロンは、加熱により電子を放出するカソードと、印加される電圧に応じて前記カソードを加熱するヒータと、前記カソードとの間に電界が形成されるアノードとを備え、
   さらに、前記アノードに流れる前記アノード電流が大きくなるにしたがって前記ヒータに印加する前記電圧を小さくするヒータ電源を備えることを特徴とするマグネトロン発振装置。

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