特表 2024-531140 遠隔プラズマ生成のための電力送達システムにおけるインピーダンス整合の方法及び装置

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】公表特許公報(A)

(11)【公表番号】

(43)【公表日】2024-08-29

(54)【発明の名称】遠隔プラズマ生成のための電力送達システムにおけるインピーダンス整合の方法及び装置

(51)【国際特許分類】

   H05H 1/46 20060101AFI20240822BHJP

【ＦＩ】

H05H1/46 B

【審査請求】未請求

【予備審査請求】未請求

(21)【出願番号】P 2024507899

(86)(22)【出願日】2022-08-02

(85)【翻訳文提出日】2024-02-07

(86)【国際出願番号】 US2022039149

(87)【国際公開番号】W WO2023022878

(87)【国際公開日】2023-02-23

(31)【優先権主張番号】17/406,378

(32)【優先日】2021-08-19

(33)【優先権主張国・地域又は機関】US

(81)【指定国・地域】

(71)【出願人】

【識別番号】505477121

【氏名又は名称】エムケイエス インストゥルメンツ， インコーポレイテッド

(74)【代理人】

【識別番号】100105957

【弁理士】

【氏名又は名称】恩田 誠

(74)【代理人】

【識別番号】100068755

【弁理士】

【氏名又は名称】恩田 博宣

(74)【代理人】

【識別番号】100142907

【弁理士】

【氏名又は名称】本田 淳

(72)【発明者】

【氏名】ポキドフ、イリヤ

(72)【発明者】

【氏名】カマレヒ、モハンマド

(72)【発明者】

【氏名】トレンホルム、ケネス ビー．

(72)【発明者】

【氏名】テプリュク、フェディル ヴィクトロヴィチ

【テーマコード（参考）】

2G084

【Ｆターム（参考）】

2G084BB06

2G084CC14

2G084DD04

2G084DD42

2G084DD51

2G084DD53

2G084DD56

2G084HH23

2G084HH25

2G084HH32

2G084HH43

(57)【要約】

プラズマ生成システムが提供される。このシステムは、マイクロ波電力を生成するように構成された可変周波数マイクロ波生成器と、マイクロ波生成器からのマイクロ波電力を使用して（ｉ）プラズマ点火プロセスでプラズマを発生させるために内部のプロセスガスを点火させ、（ｉｉ）定常状態プロセスでプラズマを維持するように構成された、プラズマアプリケータと、を含む。また、システムは、マイクロ波生成器とプラズマアプリケータとの間に接続された粗チューナを含む。粗チューナの少なくとも１つの物理パラメータは、マイクロ波生成器と、プラズマ点火プロセス中及び定常状態プロセス中の両方で生成されるプラズマとの間で粗インピーダンス整合を達成すべく設定されるように適応される。プラズマ点火プロセス及び定常状態プロセスの間に生成されるプラズマの負荷インピーダンスは、変動するように適応される。マイクロ波生成器は、粗チューナの設定された物理パラメータに合わせて動作周波数を調整するように構成される。

【特許請求の範囲】

【請求項1】

プラズマ生成システムであって、
マイクロ波電力を生成するように構成された可変周波数マイクロ波生成器と、
マイクロ波生成器からのマイクロ波電力を使用して、（ｉ）プラズマ点火プロセスでプラズマを発生させるために内部のプロセスガスを点火させ、（ｉｉ）定常状態プロセスでプラズマを維持するように構成された、プラズマアプリケータと、
マイクロ波生成器とプラズマアプリケータとの間に接続された粗チューナと
を備え、
粗チューナの少なくとも１つの物理パラメータは、マイクロ波生成器と、プラズマ点火プロセス中及び定常状態プロセス中の両方で生成されるプラズマとの間で粗インピーダンス整合を達成するように設定されるように適応され、
プラズマ点火プロセス及び定常状態プロセスの間に生成されるプラズマの負荷インピーダンスは、あるインピーダンス範囲にわたって変動するように適応され、
マイクロ波生成器は、（ｉ）プラズマ点火プロセス中でのプロセスガスの点火、又は（ｉｉ）定常状態プロセスでのプラズマに送達されるマイクロ波電力の最大化のうち、少なくとも１つを達成するために、粗チューナの設定された物理パラメータに合わせて、動作周波数を調整するように構成される、プラズマ生成システム。

【請求項2】

請求項１に記載のプラズマ生成システムにおいて、
粗チューナは、それらの間に同軸ケーブル接続なしに、プラズマアプリケータに直接隣接している、プラズマ生成システム。

【請求項3】

請求項２に記載のプラズマ生成システムにおいて、
粗チューナは、マイクロ波電力をマイクロ波生成器からプラズマアプリケータのマイクロ波キャビティに結合するための一体型結合要素を含む、プラズマ生成システム。

【請求項4】

請求項１に記載のプラズマ生成システムにおいて、
マイクロ波生成器とプラズマアプリケータとの間に自動インピーダンス整合回路網は存在しない、プラズマ生成システム。

【請求項5】

請求項１に記載のプラズマ生成システムにおいて、
粗チューナは、少なくともスタブ及び結合アンテナを含む固定スタブチューナであり、
固定スタブチューナは、誘電体プラズマ管に近接して配置され、
固定スタブチューナの少なくとも１つの物理パラメータは、（ｉ）スタブと誘電体プラズマ管の長手方向軸との間の距離、及び（ｉｉ）スタブの長さのうち１つを含む、プラズマ生成システム。

【請求項6】

請求項５に記載のプラズマ生成システムにおいて、
スタブ長さは約１．２１インチ（３．０７ｃｍ）、距離は約２．９６インチ（７．５２ｃｍ）である、プラズマ生成システム。

【請求項7】

請求項５に記載のプラズマ生成システムにおいて、
スタブ長さ、又は距離のうち少なくとも１つは、粗インピーダンス整合を達成するように調整可能である、プラズマ生成システム。

【請求項8】

請求項５に記載のプラズマ生成システムにおいて、
固定スタブチューナは、４分の１波長固定スタブチューナである、プラズマ生成システム。

【請求項9】

請求項５に記載のプラズマ生成システムにおいて、
固定スタブは、環境へのマイクロ波放射を防止するために電気的に短絡される、プラズマ生成システム。

【請求項10】

請求項１に記載のプラズマ生成システムにおいて、
粗インピーダンス整合は、プラズマによって吸収される電力の最大値が可変周波数マイクロ波生成器の動作帯域内にあるように、プラズマの負荷インピーダンスをインピーダンス範囲にわたって修正することを含む、プラズマ生成システム。

【請求項11】

請求項１に記載のプラズマ生成システムは、更に、
マイクロ波生成器と粗チューナとの間に配置されたアイソレータを備える、プラズマ生成システム。

【請求項12】

プラズマアプリケータに接続された可変周波数マイクロ波生成器を含むシステム内でプラズマを生成する方法であって、
粗チューナがプラズマアプリケータに隣接して位置決めされるように、マイクロ波生成器とプラズマアプリケータとの間に粗チューナを配置することと、
粗チューナの１つ以上の物理的パラメータを、マイクロ波生成器と、プラズマ点火プロセス中及び定常状態プロセス中の両方でプラズマアプリケータによって生成されるプラズマとの間で粗インピーダンス整合を達成するように構成することであって、プラズマ点火及び定常状態プラズマ生成の間に生成されるプラズマの負荷インピーダンスは、あるインピーダンス範囲にわたって変動するように適応されることと、
プラズマアプリケータのプラズマ管内にプロセスガスを流すことと、マイクロ波生成器の周波数を初期周波数値に設定して、マイクロ波電力を発生させることと、
マイクロ波電力をプラズマアプリケータに結合して、その中のプロセスガスをイオン化することと、
粗チューナの１つ以上の物理パラメータを変更することなく、マイクロ波生成器の周波数を初期周波数に対して反復微調整することと、
を備え、各反復は、
プラズマ管内のプロセスガスが、調整された周波数に対応するマイクロ波電力でプラズマを発生させるために点火されたかを判定することと、
点火が検出された場合、マイクロ波生成器の周波数の微調整を中止することと
を含む、方法。

【請求項13】

請求項１２に記載の方法は、更に、
プロセスガス流が安定した後に、プラズマアプリケータのプロセス圧力を設定することを備える、方法。

【請求項14】

請求項１２に記載の方法において、
マイクロ波生成器の周波数の反復微調整は、周波数を、初期周波数から上限に達するまで、所定の幅で反復的に増大させることを含む、方法。

【請求項15】

請求項１２に記載の方法において、
マイクロ波生成器の周波数の反復微調整は、周波数を、初期周波数から下限に達するまで、所定の幅で反復的に減少させることを含む、方法。

【請求項16】

請求項１２に記載の方法は、更に、
プラズマに送達されるマイクロ波電力を、点火が検出された後に最大化することを備え、
マイクロ波電力を最大化することは、
マイクロ波生成器の周波数を第２の初期周波数値に設定して、マイクロ波電力を生成することと、
プラズマアプリケータにマイクロ波電力を結合して、その中のプラズマを維持することと、
粗チューナの１つ以上の物理的パラメータを変更することなく、マイクロ波生成器の周波数を、閾値周波数に達するまで、第２の初期周波数に対して反復的に調整することであって、各反復は、
プラズマに送達されるマイクロ波電力の値を計算すること、
マイクロ波電力の計算値及び対応する調整された周波数を記録すること、を含むことと、
記録されたマイクロ波電力の計算値の最大値を判定することと、
プラズマアプリケータ内のプラズマを定常状態に維持するために、マイクロ波生成器を、マイクロ波電力の最大計算値に対応する調整された周波数に設定することと
を備える、方法。

【請求項17】

請求項１６に記載の方法において、
プラズマに送達されるマイクロ波電力の値を計算することは、
順方向電力値及び反射電力値を判定することと、
順方向電力値と反射電力値との間の差を判定して、プラズマに送達されるマイクロ波電力の値を計算することと
を備える、方法。

【請求項18】

請求項１６に記載の方法において、
マイクロ波生成器の周波数の反復微調整は、周波数を、第２の初期周波数から閾値周波数に達するまで、所定の幅で反復的に増大させることを含む、方法。

【請求項19】

請求項１６に記載の方法において、
マイクロ波生成器の周波数の反復微調整は、周波数を、第２の初期周波数から閾値周波数に達するまで、所定の幅で反復的に減少させることを含む、方法。

【請求項20】

請求項１６に記載の方法において、
プラズマ管内でプラズマを発生させることと、点火後にプラズマに送達されるマイクロ波電力を最大化することは、粗チューナを調整することなく達成される、方法。

【請求項21】

請求項１２に記載の方法において、
粗チューナは、それらの間に同軸ケーブル接続なしに、プラズマアプリケータに直接隣接している、方法。

【請求項22】

請求項１２に記載の方法において、
粗チューナは、少なくともスタブ及び結合アンテナを含む固定スタブチューナであり、
固定スタブチューナは、誘電体プラズマ管に近接して配置され、
固定スタブチューナの少なくとも１つの物理パラメータは、（ｉ）スタブと誘電体プラズマ管の長手方向軸との間の距離、及び（ｉｉ）スタブの長さのうち１つを含む、方法。

【請求項23】

請求項２２に記載の方法において、
スタブ長さ、又は距離のうち少なくとも１つは、粗インピーダンス整合を達成するように調整可能される、方法。

【請求項24】

請求項２２に記載の方法は、更に、
環境へのマイクロ波放射を防止するために固定スタブを電気的に短絡することを備える、方法。

【請求項25】

請求項１２に記載の方法は、更に、
マイクロ波生成器と粗チューナとの間にアイソレータを配置することによって、プラズマアプリケータからマイクロ波生成器への反射電力を最小限に抑えることを備える、方法。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は概して、マイクロ波遠隔プラズマ源及びマイクロ波電力送達システムの分野に関する。より具体的には、本発明は、プラズマ源への電力結合を改善し、プラズマ源からの反射電力を低減するための、電力送達システムにおけるインピーダンス整合機構に関する。

【背景技術】

【0002】

図１は、マイクロ波プラズマアプリケータ１０２における遠隔プラズマ生成のために構成された、例示的な従来技術のマイクロ波電力送達システム１００を示す。図示するとおり、システム１００は、マイクロ波電力をプラズマアプリケータ１０２に結合してアプリケータ１０２のプラズマ管１１６内にプラズマを生成するためにプラズマアプリケータ１０２に接続された、可変周波数ソリッドステートマイクロ波電力生成器１０４を含む。電力生成器１０４とプラズマアプリケータ１０２の間の接続部にアイソレータ１０６を結合することができ、アイソレータ１０６は、プラズマアプリケータ１０２からの反射電力が生成器１０４にフィードバックし、潜在的に損傷を与えることを防止するように構成されている。加えて、アイソレータ１０６は、プラズマアプリケータ１０２におけるプラズマ負荷から電力生成器１０４に反射する電力量を測定するために方向性結合器（図示せず）を含むことができる。従来技術のシステム１００では、導波管１１４上に実装された自動インピーダンス整合回路網１０８と電力検出器１１０との組み合わせもまた、電力生成器１０４とプラズマアプリケータ１０２との間に接続されており、（ｉ）電力生成器１０４とプラズマアプリケータ１０２で生成されたプラズマ負荷との間の自動的なインピーダンス調整及び整合を可能にし、（ｉｉ）電力検出器１１０によって測定される、インピーダンス整合回路網１０８の上流の任意のマイクロ波反射を最小限に抑える。この負荷はプラズマアプリケータ１０２で生成されたプラズマを含み、これは、電力生成器１０４のそれとは数桁のオーダーで変動することができる。自動インピーダンス整合回路網１０８は、マサチューセッツ州アンドーバーに所在のＭＫＳ Ｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔｓ，Ｉｎｃ．によって製造されたＳｍａｒｔＭａｔｃｈ（商標）回路網であることもできる。

【0003】

加えて、従来技術のシステム１００は、様々な構成要素を相互接続するために複数の伝送ライン要素を含むことができる。これらの構成要素を相互接続するために、例えば約１キロワット（ｋＷ）以下などの低電力システムでは、通常、導波管の代わりに、図１に示す同軸ケーブル部分１１２ａ、１１２ｂなどの１本以上の同軸ケーブルが使用される。具体的には、同軸ケーブル部分１１２ａは電力生成器１０４とインピーダンス整合回路網１０８との間の上流接続部として機能し、同軸ケーブル部分１１２ｂはインピーダンス整合回路網１０８とプラズマアプリケータ１０２との間の下流接続部として機能する。通常、各同軸ケーブル部分１１２は、約２．４５ＧＨｚで約１ｋＷの定格電力を有することができる７／８同軸ケーブルである。

【0004】

従来技術のシステム１００では、電力生成器１０４からのマイクロ波電力が、プラズマアプリケータ１０２の内部で生成されたプラズマに効率的に結合されていない場合、その電力の一部が反射して電力生成器１０４に向かって戻る可能性が高い。図２は図１の従来技術のマイクロ波電力送達システム１００の、プラズマに結合されたマイクロ波電力の、約１キロワットの入力電力での周波数の関数としての一組のシミュレーション結果を示す。プラズマアプリケータ１０２内の負荷のプラズマインピーダンス又はプラズマ導電率は、プロセスガスのタイプ及び動作条件に応じて大きく変動し得るので、図２のシミュレーションでは、プラズマ導電率は３桁のオーダーで変動する。図示するとおり、約２．４５ＧＨｚの中心周波数では、プラズマ導電率に応じて、プラズマ内で吸収される電力は約３６１Ｗから約７２６Ｗまで変動し、一方で生成器１０４によって送達される電力は約１ｋＷである。このことは、約１ｋＷの電力入力について、反射電力が約２７４Ｗから約６３９Ｗまで変動することを意味する。

【0005】

したがって、マイクロ波エネルギーのプラズマへの結合が最適でない場合には、上述したように、いくらかの電力がアプリケータ１０２から反射して生成器１０４に向かって戻ることがある。自動インピーダンス整合回路網１０８は、上流（すなわち、電力生成器１０４とインピーダンス整合回路網１０８の間）の電力反射を最小限に抑えることのみのために構成される。よって、自動インピーダンス整合回路網１０８は回路網１０８の下流側の全てを負荷とみなし、これには、アプリケータ１０２及びその内部のプラズマ、下流同軸ケーブル１１２ｂ、並びに導波管１１４から同軸ケーブルへの移行部が含まれる。したがって、反射電力が上流に通過することを自動インピーダンス整合回路網１０８が防止するので、プラズマアプリケータ１０２から反射した電力のかなりの部分は、インピーダンス整合回路網１０８とプラズマアプリケータ１０２との間の下流同軸ケーブル１１２ｂにおいて吸収されるなど、下流で消散することを強いられる。反射したマイクロ波電力は、伝導損失及び誘電損失を介して、下流同軸ケーブル１１２ｂ内で吸収することができる。伝導損失は、同軸ケーブル１１２ｂの内側導体及び外側導体における抵抗損失である。誘電損失は、内側導体と外側導体との間の適切な間隔を維持するように同軸ケーブル１１２ｂを構築するために使用される誘電材料における損失である。一般に、下流同軸ケーブル１１２ｂ内などの、同軸ケーブル内の過剰な反射電力に起因して高電界が構築される可能性があり、ひいては過剰な熱消散及びその後のケーブル過熱を引き起こす可能性がある。上述したように、プラズマへのマイクロ波結合が不十分な場合、反射電力はかなり高く、数百ワットのオーダーになり得る。下流の７／８同軸ケーブル１１２ｂは、通常、そのような高い反射電力を消散するように構成されておらず、容易に過熱する可能性がある。

【0006】

従来技術のシステム１００の別の欠点は、ソリッドステートマイクロ波生成器１０４が約２．４～約２．５ＧＨｚなどの周波数帯で動作可能であっても、インピーダンス整合回路網１０８の周波数制限に起因して、低電力遠隔プラズマ生成器システム１００（例えば、１ｋＷシステム）の動作周波数が、例えば２．４５ＧＨｚに効果的に固定されることである。

【発明の概要】

【0007】

したがって、可変周波数ソリッドステートマイクロ波生成器とプラズマアプリケータとの間の電力結合を改善し、反射電力を低減することのできる、遠隔マイクロ波電力送達システムにおけるインピーダンス整合機構が必要とされている。具体的には、図１を参照して上述した電力送達システム１００の同軸ケーブル１１２ｂなど、電力送達システム内の下流同軸ケーブルの過熱を防止するようにインピーダンス整合機構を設計することが望ましい。いくつかの実施形態では、そのような電力結合の改善及び反射電力の低減は、本発明において、（ｉ）粗チューナ（例えば、４分の１波長固定スタブチューナ）と、（ｉｉ）ある周波数範囲内で動作周波数を変動させるように構成された可変周波数ソリッドステートマイクロ波生成器との組み合わせによって達成される。この組み合わせによって、広範囲の負荷インピーダンスにわたってインピーダンス整合を達成できるようになる。

【0008】

一態様では、プラズマ生成システムが提供される。このシステムは、マイクロ波電力を生成するように構成された可変周波数マイクロ波生成器と、マイクロ波生成器からのマイクロ波電力を使用して（ｉ）プラズマ点火プロセスでプラズマを発生させるために内部のプロセスガスを点火させ、（ｉｉ）定常状態プロセスでプラズマを維持するように構成された、プラズマアプリケータと、を含む。システムはまた、マイクロ波生成器とプラズマアプリケータとの間に接続された粗チューナも含む。粗チューナの少なくとも１つの物理パラメータは、マイクロ波生成器と、プラズマ点火プロセス中及び定常状態プロセス中の両方で生成されるプラズマとの間で粗インピーダンス整合を達成するように設定されるように適応される。プラズマ点火プロセス及び定常状態プロセスの間に生成されるプラズマの負荷インピーダンスは、あるインピーダンス範囲にわたって変動するように適応される。マイクロ波生成器は、（ｉ）プラズマ点火プロセス中の、プロセスガスの点火、又は（ｉｉ）定常状態プロセスでのプラズマに送達されるマイクロ波電力の最大化のうち、少なくとも１つを達成するために、粗チューナの設定された物理パラメータに合わせて動作周波数を調整するように構成される。

【0009】

別の態様では、プラズマアプリケータに接続された可変周波数マイクロ波生成器を含むシステム内でプラズマを生成する方法が提供される。この方法は、粗チューナがプラズマアプリケータに隣接して位置決めされるように、マイクロ波生成器とプラズマアプリケータとの間に粗チューナを配置することと、粗チューナの１つ以上の物理的パラメータを、マイクロ波生成器とプラズマ点火プロセス中及び定常状態プロセス中の両方で生成されるプラズマとの間で粗インピーダンス整合を達成するように構成することと、を含む。プラズマ点火及び定常状態プラズマ生成の間に生成されるプラズマの負荷インピーダンスは、あるインピーダンス範囲にわたって変動するように適応される。本方法は、プラズマアプリケータのプラズマ管内にプロセスガスを流すことと、マイクロ波生成器の周波数を初期周波数値に設定して、マイクロ波電力を発生させることと、マイクロ波電力をプラズマアプリケータに結合して、その中のプロセスガスをイオン化することと、粗チューナの１つ以上の物理パラメータを変更することなく、マイクロ波生成器の周波数を初期周波数に対して反復微調整することと、を更に含む。各反復は、プラズマ管内のプロセスガスが、調整された周波数に対応するマイクロ波電力でプラズマを発生させるために点火されたかを判定することと、点火が検出された場合、マイクロ波生成器の周波数の微調整を中止することとを含む。

【0010】

上記の態様のいずれも、以下の特徴のうち１つ以上を含むことができる。いくつかの実施形態では、粗チューナは、それらの間に同軸ケーブル接続なしに、プラズマアプリケータに直接隣接している。いくつかの実施形態では、粗チューナは、マイクロ波電力をマイクロ波生成器からプラズマアプリケータのマイクロ波キャビティに結合するための一体型結合要素を含む。

【0011】

いくつかの実施形態では、粗チューナは、少なくともスタブ及び結合アンテナを含む、固定スタブチューナである。固定スタブチューナは、誘電体プラズマ管に近接して配置される。固定スタブチューナの少なくとも１つの物理パラメータは、（ｉ）スタブと誘電体プラズマ管の長手方向軸との間の距離、及び（ｉｉ）スタブの長さのうち１つを含む。いくつかの実施形態では、スタブ長さは約１．２１インチ（３．０７ｃｍ）、距離は約２．９６インチ（７．５２ｃｍ）である。いくつかの実施形態では、スタブ長さ、又は距離のうち少なくとも１つは、粗インピーダンス整合を達成するように調整可能である。いくつかの実施形態では、固定スタブチューナは、４分の１波長固定スタブチューナである。いくつかの実施形態では、固定スタブは、環境へのマイクロ波放射を防止するために電気的に短絡される。

【0012】

いくつかの実施形態では、粗インピーダンス整合は、プラズマによって吸収される電力の最大値が可変周波数マイクロ波生成器の動作帯域内にあるように、プラズマの負荷インピーダンスをインピーダンス範囲にわたって修正することを含む。いくつかの実施形態では、マイクロ波生成器とプラズマアプリケータとの間に自動インピーダンス整合回路網は存在しない。いくつかの実施形態では、プラズマアプリケータからマイクロ波生成器への反射電力を最小限に抑えるために、マイクロ波生成器と粗チューナとの間にアイソレータが位置している。

【0013】

いくつかの実施形態では、プロセスガス流が安定した後に、プラズマアプリケータのプロセス圧力が設定される。
いくつかの実施形態では、マイクロ波生成器の周波数の反復微調整は、周波数を、初期周波数から上限に達するまで所定の幅で反復的に増大させることを含む。いくつかの実施形態では、マイクロ波生成器の周波数の反復微調整は、周波数を、初期周波数から下限に達するまで所定の幅で反復的に減少させることを含む。

【0014】

いくつかの実施形態では、プラズマに送達されるマイクロ波電力は、点火が検出された後に最大化される。マイクロ波電力を最大化することは、マイクロ波生成器の周波数を第２の初期周波数値に設定して、マイクロ波電力を生成することと、プラズマアプリケータにマイクロ波電力を結合して、その中のプラズマを維持することと、粗チューナの１つ以上の物理的パラメータを変更することなく、マイクロ波生成器の周波数を、閾値周波数に達するまで、第２の初期周波数に対して反復的に調整することとを含む。各反復は、プラズマに送達されるマイクロ波電力の値を計算することと、マイクロ波電力の計算値及び対応する調整された周波数を記録することとを含む。マイクロ波電力を最大化することはまた、記録されたマイクロ波電力の計算値の最大値を判定することと、プラズマアプリケータ内のプラズマを定常状態に維持するために、マイクロ波生成器を、マイクロ波電力の最大計算値に対応する調整された周波数に設定することとを含む。いくつかの実施形態では、プラズマに送達されるマイクロ波電力の値を計算することは、順方向電力値及び反射電力値を判定することと、順方向電力値と反射電力値との間の差を判定して、プラズマに送達されるマイクロ波電力の値を計算することとを含む。いくつかの実施形態では、マイクロ波生成器の周波数の反復微調整は、周波数を、第２の初期周波数から閾値周波数に達するまで所定の幅で反復的に増大させることを含む。いくつかの実施形態では、マイクロ波生成器の周波数の反復微調整は、周波数を、第２の初期周波数から閾値周波数に達するまで所定の幅で反復的に減少させることを含む。いくつかの実施形態では、プラズマ管内でプラズマを発生させることと、点火後にプラズマに送達されるマイクロ波電力を最大化することは、マイクロ波生成器とプラズマの負荷との間のインピーダンス整合を調整することなく達成される。

【図面の簡単な説明】

【0015】

上述した本発明の利点は、更なる利点と共に、以下の説明を添付の図面と併せて参照することによってより良く理解することができる。図面は必ずしも縮尺通りではなく、むしろ、概して本技術の原理を例証することに重点が置かれる。

【図1】マイクロ波アプリケータによる遠隔プラズマ生成のために構成された例示的な従来技術のマイクロ波電力送達システムを示す図である。

【図2】図１の従来技術のマイクロ波電力送達システム１００の、プラズマに結合されたマイクロ波電力の、約１キロワットの入力電力での周波数の関数としての一組のシミュレーション結果を示す図である。

【図3】本発明のいくつかの実施形態による、遠隔プラズマ生成のために構成された例示的な電力送達システムを示す図である。

【図4】本発明のいくつかの実施形態による、図３の電力送達システムの粗チューナの例示的な構成を示す図である。

【図5】本発明のいくつかの実施形態による、図３の電力送達システム内の図４の粗チューナの例示的な接続を示す図である。

【図6】本発明のいくつかの実施形態による、図３の電力送達システムの粗チューナの別の例示的な構成を示す図である。

【図7】本発明のいくつかの実施形態による、図４のスタブチューナを組み込んだ図３の電力送達システムのプラズマアプリケータについての、プラズマに吸収される電力の、約１ｋＷの入力電力での例示的なシミュレーション結果を示す図である。

【図8】本発明のいくつかの実施形態による、遠隔プラズマ生成のために構成された別の例示的な電力送達システムを示す。

【図9】本発明のいくつかの実施形態による、図３又は図８の電力送達システムによるプラズマ点火プロセスにおいてプラズマを発生させるための例示的なプロセスを示す図である。

【図10】本発明のいくつかの実施形態による、図３又は図８の電力送達システムによって定常状態プロセスにおいてプラズマを維持するための例示的な処理を示す図である。

【発明を実施するための形態】

【0016】

図３は、本発明のいくつかの実施形態による、遠隔プラズマ生成のために構成された例示的な電力送達システム３００を示す。図示するとおり、システム３００は、可変周波数ソリッドステートマイクロ波生成器３０４からの遠隔マイクロ波電力を結合することによってプラズマ３２０が生成されるプラズマアプリケータ３０２を含む。プラズマアプリケータ３０２とマイクロ波生成器３０４との間の電気接続を形成するために、同軸ケーブル３０６（例えば、７／８同軸ケーブル）などの少なくとも１本の伝送ライン要素が使用される。いくつかの実施形態では、電力送達システム３００は、約１キロワット（ｋＷ）以下で動作するものなどの、低電力システムである。

【0017】

いくつかの実施形態では、プラズマアプリケータ３０２は、プラズマ放電管３０８を含み、そこに結合されたマイクロ波エネルギーによって、その中で１種類以上のプロセスガスが励起されて、放電管３０８内にプラズマ３２０を生成する。プラズマアプリケータ３０６はまた、マイクロ波生成器３０４からのマイクロ波エネルギーをプラズマアプリケータ３０２のマイクロ波キャビティ３１２内へ結合するために、プラズマアプリケータ３０２の外側ハウジングに取り付けられた結合要素３１０を含む。いくつかの実施形態では、プラズマアプリケータ３０２は、プラズマ３２０が点火したときを検出するためのプラズマ検出器（図示せず）を含む。いくつかの実施形態では、プラズマアプリケータ３０２は、本出願の譲受人によって所有され、参照により全体が本明細書に組み込まれている米国特許第９，８３１，０６６号に記載のマイクロ波プラズマアプリケータと実質的に同様である。動作中、プラズマアプリケータ３０２は、マイクロ波生成器３０４からのマイクロ波電力を結合して、（ｉ）プラズマ点火プロセスでプラズマ３２０を発生させるために、プラズマ放電管３０８内の１種類以上のプロセスガスに点火し、（ｉｉ）初期点火プロセスの後の定常状態プロセスで、プラズマ３２０を維持するように構成される。

【0018】

いくつかの実施形態では、可変周波数ソリッドステートマイクロ波生成器３０４は１つ又はいくつかの産業科学医療用（Industrial, Scientific and Medical, ISM）周波数帯の中で動作するように構成され、それらの周波数帯には、限定はしないが、約２．４ＧＨｚ～約２．５ＧＨｚ、約９０２ＭＨｚ～約９２８ＭＨｚ、又は約５．７２５ＧＨｚ～約５．８７５ＧＨｚが含まれる。マイクロ波生成器３０４は、マイクロ波生成器３０４の出力において順方向電力及び反射電力を測定するための方向性結合器（図示せず）を含むことができる。マイクロ波生成器３０４はまた、高い反射電力から電力増幅器を保護するために、生成器３０４の電力増幅器段の各々の出力に設置されるものなどの、１つ以上の内蔵アイソレータ（図示せず）を含むことができる。いくつかの実施形態では、マイクロ波生成器３０４は、本出願の譲受人によって所有され、参照により全体が本明細書に組み込まれている米国特許第９，５９５，９３０号に記載のマイクロ波生成器と実質的に同様である。

【0019】

いくつかの実施形態では、電力送達システム３００内のマイクロ波生成器３０４とプラズマアプリケータ３０２との間に粗チューナ３１６が配置されている。マイクロ波アプリケータ３０２のすぐ上流に接続され、かつ、マイクロ波アプリケータ３０２の外側ハウジングに取り付けられた結合要素３１０と一体化しているなど、粗チューナ３１６は同軸ケーブル３０６に沿ってプラズマアプリケータ３０２の上流に隣接して配置され得る。代替の実施形態では、粗チューナ３１６は、プラズマアプリケータ３０２の上流に隣接した（例えば、直接隣接した／取り付けられた）独立型構成要素である。粗チューナ３１６は、それらの間に同軸ケーブル（又は任意の他の接続要素）なしに、プラズマアプリケータ３０２に接続することができる。粗チューナ３１６のタイプ及び位置は、プラズマアプリケータ３０２のマイクロ波キャビティ３１２からの電力反射を低減することによってシステム３００内の１つ以上の接続要素の過熱を防止するように選択できる。いくつかの実施形態では、粗チューナ３１６は、図１の自動インピーダンス整合回路網１０８に置き換わるように構成され、それにより、プラズマ点火プロセス及び／又は定常状態プロセスの間にインピーダンス整合を達成するための調整が可能ないかなる自動インピーダンス整合回路網も、図３のシステム３００に存在しなくなる。

【0020】

いくつかの実施形態では、システム３００の粗チューナ３１６は、マイクロ波電力伝送及び通信システムにおいてインピーダンス整合を達成するための４分の１波長固定スタブ粗チューナである。固定スタブチューナを使用する利点には、プラズマへのマイクロ波電力の結合が改善することが含まれる。ところが、固定スタブチューナ（例えば、負荷インピーダンスが固定される）が使用される典型的な電力送達システムにおける負荷インピーダンスとは異なり、図３の遠隔マイクロ波プラズマシステム３００におけるプラズマ負荷の負荷インピーダンスは、ガスの種類、圧力、及び送達電力に応じて数桁のオーダーで変動する。例えば、プラズマ３２０の負荷は、プラズマアプリケータ３０２がプラズマ点火プロセスを実行しているのか、あるいは定常状態プラズマ維持プロセスを実行しているのかに応じて大きく変動し得る。システム３００では、変動した負荷とのインピーダンス整合を保証するために、固定スタブチューナ３１６の使用を介して粗インピーダンス整合を達成した後に、ソリッドステートマイクロ波生成器３０４の本来的な能力を更に利用して、ある周波数範囲（例えば約２．４ＧＨｚ～約２．５ＧＨｚ）内で動作周波数を調整して細かいインピーダンス整合を行うことができる。固定インピーダンス整合の後にインピーダンス微調整が続くこの方法は、初期プラズマ点火プロセス及び定常状態プラズマ維持プロセスの両方の間にシステム３００によって使用できる。

【0021】

いくつかの実施形態では、４分の１波長固定スタブ粗チューナ３１６は、プラズマアプリケータ３０２の上流の伝送ライン要素内の反射電力及び定常波を最小限に抑えるように、マイクロ波キャビティ３１２のすぐ上流に位置決めされる。例えば、上述したように、固定スタブチューナ３１６は、図３に示すように、プラズマアプリケーション３０２の外側ハウジングに取り付けられた結合要素３１０と一体化することができる。

【0022】

図４は、本発明のいくつかの実施形態による、図３の電力送達システム３００の粗チューナ３１６の例示的な構成４００を示す。図示した粗チューナ４００は、電力カップリングが一体化された４分の１波長固定スタブチューナである。いくつかの実施形態では、図４の４分の１波長固定スタブチューナ４００は、１ｋＷ遠隔マイクロ波送達システムなどの、低電力送達システムに適合する。図４に示すように、固定スタブチューナ４００は一般に、中心／内側導体４０２及び外側導体４０４を含む。中心導体４０２は、銅などの導電性材料で作製されている。中心導体４０２は、直径約０．２７６インチ（０．７０１ｃｍ）であることができる。中心導体４０２を収容するように構成されている導電性ハウジング（例えば、アルミニウムハウジング）に外側導体４０４を機械加工することができる。外側導体４０４は、約０．６３２インチ（１．６１ｃｍ）の内径を有することができる。いくつかの実施形態では、これらの直径値は、スタブの同軸要素のインピーダンスが、固定スタブチューナ４００に接続された伝送ライン（例えば同軸ケーブル）３０６の特性インピーダンスに整合する所定の値（例えば約５０オーム）に維持されるように選択される。一般に、固定スタブチューナ４００の内側導体及び外側導体の直径は、伝送ライン３０６の特性インピーダンスに整合するように適宜調整できる。

【0023】

図４に示すように、固定スタブチューナ４００は、中心導体４０２によって形成された結合アンテナ４１６を含む第１の端部４０６と、伝送ライン３０６と接続するように構成された第２の端部４０８と、中心導体４０２の端部と接続している短い部分４１７を含む第３の端部４１０とを有するＴ字形であることができる。いくつかの実施形態では、第２の端部４０８は、７／８同軸ケーブル伝送ライン３０６と接続するように構成された７／１６ＥＩＡコネクタを含む。一般に、固定スタブチューナ４００は、空気を誘電体材料として７／８同軸伝送ライン３０６のおおよその寸法に適合するように設計できる。いくつかの実施形態では、固定スタブチューナ４００の第１の端部４０６と第２の端部４０８との間の部分４１４は、固定スタブチューナ４００が図３の電力送達システム３００に接続されたときに伝送ライン３０６の一部を形成することができる。加えて、固定スタブチューナ４００の第３の端部４１０から伝送ライン部分４１４までの部分を、以下では、固定スタブチューナ４００のスタブ部分４１８と称することができる。

【0024】

いくつかの実施形態では、固定スタブチューナ４００の第３の端部４１０は、環境へのマイクロ波漏れを防止するために電気的に短絡される。あるいは、固定スタブチューナ４００の第３の端部４１０は電気的に開放している。いくつかの実施形態では、中心導体４０２は固定スタブチューナ４００のスタブ部分４１８によって機械的に支持され、同じ内側導体直径及び外側導体直径を有し、中心導体４０２は、例えば平頭ねじによって、短い部分４１７を介してスタブ部分４１８に取り付けられる。より具体的には、短い部分４１７は、外側導体ハウジング４０４及び中心導体４０２にねじで取り付けることができる。いくつかの実施形態では、スタブ部分４１８の長さ４１２は、電力送達システム３００を動作させる前に、動作周波数（例えば、２．４５ＧＨｚ）における約４分の１波長などに固定される。

【0025】

図５は、本発明のいくつかの実施形態による、図３の電力送達システム３００内の図４の粗チューナ４００の例示的な接続を示す。図示するとおり、図４の固定スタブチューナ４００は、プラズマアプリケータ３０２に直接隣接して位置している。例えば、固定スタブチューナ３１６は、図４に示すように、プラズマアプリケータ３０２の外側ハウジング５０６にねじを使用して取り付けることができる。いくつかの実施形態では、固定スタブチューナ４００の内側導体４０２は、結合要素３１０の延長として機能する。いくつかの実施形態では、固定スタブチューナ４００の第１の端部４０６にある結合アンテナ４１６は、プラズマアプリケータ３０２のマイクロ波キャビティ３１２に挿入され、プラズマ放電管３０８に近接して位置決めされ、プラズマ放電管の内部でプラズマ３２０が生成される。アンテナ４１６は、誘導結合又は容量結合のうち１つ以上によって電力をプラズマ３２０に結合する。上述したように、固定スタブチューナ４００が電力送達システム３００に組み込まれた後、第１の端部４０６と第２の端部４０８との間の固定スタブチューナ４００の部分４１４は、同軸ケーブル伝送ライン３０６の一部になるように構成される。

【0026】

いくつかの実施形態では、電力送達システム３００は、プラズマ点火の発生を検出するためにプラズマアプリケータ３０２に結合された、図５に示すプラズマ検出器５０４を更に含む。プラズマ検出器５０４は、光学的に透明な窓を透過した、プラズマ放電管３０８内のプラズマ３２０からの光を検出するように構成されているフォトダイオード又はフォトトランジスタであることができる。プラズマ検出器５０４は、プラズマの存在を示す電気信号（電圧又は電流）を出力することができる。この信号は、マイクロ波生成器３０２又はシステムコントローラ（図示せず）に送信され、プラズマ点火の成功を示すことができる。

【0027】

いくつかの実施形態では、固定スタブチューナ４００の１つ以上のパラメータは、マイクロ波生成器３０４とプラズマアプリケータ３０２内のプラズマ負荷との間の粗インピーダンス整合を達成するために、電力送達システム３００を動作させる前に、調整及び設定される。この粗整合により、プラズマ点火プロセス及び定常状態プラズマ維持プロセスの両方の間にプラズマ３２０によって生成される、ある範囲の負荷インピーダンスに対して、適度に良好なインピーダンス整合を達成できる。例えば、図４の粗チューナ構成４００の場合、電力送達システム３００を動作させる前に、（ｉ）固定スタブチューナ４００のスタブ部分４１８の長さ４１２又は（ｉｉ）固定スタブチューナ４００のスタブ部分４１８とプラズマ放電管３０８の長手方向軸との間の距離５０２のうち少なくとも１つを調整して、ある範囲のプラズマ負荷インピーダンスにわたって所望の粗インピーダンス整合を達成できる。

【0028】

図６は、本発明のいくつかの実施形態による、図３の電力送達システム３００の粗チューナ３１６の別の例示的な構成６００を示す。一般に、粗チューナ６００は、図４の固定粗チューナ４００と実質的に同様であるが、粗チューナ６００が、垂直方向に沿って並進できる移動可能な短い部分６０２を有するという点が異なり、よって、プラズマ３２０によって生成される、ある範囲の負荷インピーダンスに対して、適度に良好なインピーダンス整合を決定するための実験の間に有効スタブ長さ６２０をより簡単に変動させることができる。この最適化されたスタブ長さ６２０が決定された後は、プラズマ点火プロセス及び定常状態プラズマ維持プロセスの両方の間、更なる調整なしに、この長さを設定できる。対照的に、図４の固定粗チューナ構成４００では、短い部分４１７の位置が外側導体ハウジング４０４及び中心導体４０２にねじで取り付けられて、その移動を不動化する。したがって、粗チューナ４００のスタブ長さ４１２は、粗チューナ４００の構築時に固定される。

【0029】

図６の粗チューナ６００では、短い部分６０２が中心導体６０８とチューナ６００の外側導体ハウジング６１６との間に挟まれた状態で、短い部分６０２は後退可能なプランジャ６０４に取り付けられている（例えば、一体的に形成されている）。短い部分６０２は、２つの同心円筒面を含む。短い部分６０２の内側円筒面は、例えば、内側円筒面に機械加工された内ねじ又は雌ねじ６０６を有する。雌ねじ６０６は、中心導体６０８の外ねじ又は雄ねじ６１０と嵌合するように構成される。その結果、ねじ接続によって、短い部分６０２と中心導体６０８との間の良好な電気的接触を維持できるようになり、環境へのマイクロ波放射を防止できるようになる。短い部分６０２の外側円筒面は、１つ以上のスプリングフィンガ６１４を備えた薄いリングを有することができる。リングは、例えば、はんだ付けによって短い部分６０２に取り付けることができる。スプリングフィンガ６１４の外径は、外側導体ハウジング６１６の内径よりもわずかに大きくてもよく、それにより、プランジャアセンブリ６０４が外側導体ハウジング６１６内に挿入されると、フィンガ６１４がわずかに変形して、短い部分６０２と外側導体ハウジング６１６の間の良好な電気接触を確保し、環境へのマイクロ波放射を防止する。これらのタイプの接続により、短い部分６０２が中心導体６０８及び外側導体６１６の両方に対して、円周方向及び軸方向の両方に移動し、同時に電気的接触を維持できるようになる。動作中、プランジャアセンブリ６０４の回転ノブ６０４ａを一方向（例えば時計回り）に回すと、ねじ山が右ねじであれば、短い部分６０２をチューナ６００の接合部６１８に向けて下方に移動することができる。ノブ６０４ａを反対方向（例えば反時計回り）に回すと、短い部分６０２を接合部６１８から離れるように上方に移動することができる。したがって、プランジャノブ６０４ａを回して短い部分６０２を並進させることによって、有効スタブ長さ６２０を調整できる。

【0030】

そのような調整可能なスタブでは、マイクロ波電力結合を最適化し、反射電力を最小限に抑えるスタブ長さ６２０の調整が実際の実験装置において可能になるので、実験室内実験中に有益である。いくつかの実施形態では、最大有効スタブ長さ６２０（例えば、スタブを接合部６１８から後退させることができる最大長）は、動作周波数帯の中心周波数で、およそ、４分の１波長と全波長の間（例えば、約２．４５ＧＨｚで約１．２インチ（３．０ｃｍ）～約４．８２インチ（１２．２ｃｍ））に設定できる。最適な電力結合に対応する位置を実験的に見つけると、他の実験及び／又は電力送達システム３００内での実際のプラズマ生成に使用するために、スタブ位置をロックすることができる。同軸ライン上に実装される粗チューナのための調整可能な短い部分の他の構成もまた可能であり、それらは本発明の範囲内である。

【0031】

いくつかの実施形態では、粗チューナ６００は、図５を参照して上述したように、電力送達システムに粗チューナ４００と同様に接続される。例えば、粗チューナ６００の一端は、７／８同軸ケーブル伝送ライン３０６と接続するように構成された７／１６ＥＩＡコネクタ６２２を含むことができる。粗チューナ６００の他端は、中心導体６０８によって形成される結合アンテナ６２４を含むことができ、結合アンテナ６２４はプラズマアプリケータ３０２のマイクロ波キャビティ３１２内に挿入される。いくつかの実施形態では、スタブチューナ６００の１つ以上のパラメータは、マイクロ波生成器３０４とプラズマアプリケータ３０２内のプラズマ負荷との間の粗インピーダンス整合を達成するために、電力送達システム３００を動作させる前に、調整及び設定される。例えば、電力送達システム３００を動作させる前に、（ｉ）スタブ長さ６２０又は（ｉｉ）スタブチューナ６００のプランジャ６０４とプラズマ放電管３０８の長手方向軸との間の距離５０２（図５に示す）のうち少なくとも１つを調整して、ある範囲のプラズマ負荷インピーダンスにわたって所望の粗インピーダンス整合を達成できる。

【0032】

再び図３を参照すると、いくつかの実施形態では、単一の粗チューナ３１６が、広範囲のプロセスレシピ及び、それらに対応するプラズマインピーダンスにわたってインピーダンス整合を提供するように設計されている。これは、マイクロ波モデリングと、モデリング結果を精緻化するために実験結果を使用する実験との組み合わせによって行うことができる。例えば、図４の固定スタブチューナ４００の調整可能なパラメータ（例えば、スタブ長さ４１２及び／又はスタブ－アプリケータ間距離５０２）又は図６のスタブチューナ６００の調整可能なパラメータ（例えば、スタブ長さ６２０及び／又はスタブ－アプリケータ間距離５０２）は、プラズマ３２０によって吸収される電力の最大値が可変周波数マイクロ波生成器３０４の動作帯域内にあるように、所望のインピーダンス範囲にわたってプラズマ３２０の負荷インピーダンスを修正することによって、実験的に決定できる。したがって、モデリング及び／又は実験の後には、ここで選択されたスタブチューナ３１６のパラメータ値によって、プラズマ３２０の所望の範囲のインピーダンスにわたってプラズマ３２０によって吸収される電力の最大値は確実にマイクロ波生成器３０４の動作帯域内にあるようになる。図４の固定スタブチューナ４００の例示的な一実装形態では、プラズマ３２０によって吸収される電力の最大値が、約２．４ＧＨｚ～約２．５ＧＨｚの動作周波数範囲で確実に約０．１Ｓ／ｍ～約１００Ｓ／ｍの導電率の範囲内にあるようにするためには、スタブ－アプリケータ間距離５０２を約２．９６インチ（７．５２ｃｍ）に設定することができ、スタブ長さ４１２を約１．２１インチ（３．０７ｃｍ）に設定できる。固定スタブチューナ３１６の物理パラメータは、図７に関して以下で説明するシミュレーション結果を使用して実験的に決定できる。

【0033】

いくつかの実施形態では、電力送達システム３００のために、いくつかの異なる粗チューナ（例えば、スタブ－アプリケータ間距離５０２及び／又はスタブ長さ４１２若しくは６２０について、異なる寸法を有する異なる固定スタブチューナ４００、６００）設計することができ、各チューナの性能（例えば、電力結合の能力及び低減反射電力の能力）は、例えば、ある１つの半導体適用例で複数のプロセスレシピのうち一部の有用なレシピを網羅できるように、より狭い範囲のプラズマインピーダンスに対して最適化される。加えて、様々な適用例を網羅するために、様々なプラズマアプリケータを様々な粗チューナと共に使用できる。

【0034】

いくつかの実施形態では、プラズマインピーダンスは、特にプラズマ点火の前後で大幅に変動し得るので、粗チューナ３１６の設定された物理パラメータ（単数又は複数）においてインピーダンス整合を微調整するために、ソリッドステートマイクロ波生成器３０４の動作周波数を所定の周波数範囲内で調整できる。粗チューナ３１６による粗インピーダンス整合後のマイクロ波生成器３０４の微調整によって、（ｉ）プラズマ点火プロセス中の、プロセスガスの点火、又は（ｉｉ）定常状態プロセスでの、プラズマに送達されるマイクロ波電力の最大化のうち、少なくとも１つを達成することができ、これについて、図８及び図９に関連して以下で詳細に説明する。いくつかの実施形態では、マイクロ波生成器３０４の周波数を調整できる周波数範囲は、約２．４ＧＨｚ～約２．５ＧＨｚである。

【0035】

図７は、本発明のいくつかの実施形態による、図４の固定スタブチューナ４００を組み込んだ図３の電力送達システム３００のプラズマアプリケータ３０２についての、プラズマ３２０に吸収される電力の、約１ｋＷの入力電力での例示的なシミュレーション結果を示す。図示された電力吸収シミュレーション結果は、固定スタブチューナ４００を使用して、約２．４ＧＨｚ～約２．５ＧＨｚの動作周波数範囲内で周波数整合の後に生成される。シミュレーションは、固定スタブチューナ４００が約１．２１インチ（３．０７ｃｍ）のスタブ長さ４１２及び約２．９６インチ（７．５２ｃｍ）のスタブ－アプリケータ間距離５０２に設定されている間に、この周波数範囲内で、３桁のオーダーで異なったプラズマ導電率の範囲について行われる。図１の従来技術のシステム１００を使用して生成した図２のシミュレーション結果とは対照的に、図６の結果は、図４の固定スタブチューナ４００によってプラズマ３２０へのはるかに良好なマイクロ波結合が可能になり、それによって、入力電力のほとんど全てがプラズマ３２０に吸収され、したがって反射が最小限に抑えられることを示す。より具体的には、図７に示すように、プラズマ３２０に送達される最大電力量は、導電率に応じて約９４４Ｗ～約９９４Ｗである。加えて、図７は、マイクロ波生成器３０４とプラズマ負荷の間のはるかに良好なインピーダンス整合を示し、それによって、プラズマインピーダンスに対する電力吸収ピークは、生成器３０４の約２．４ＧＨｚ～約２．５ＧＨｚの動作周波数範囲内に入る。より具体的には、この結果は、約０．１Ｓ／ｍ～約１００Ｓ／ｍの様々な導電率について、プラズマ３２０による最大電力吸収の位置７０２が全て、約２．４ＧＨｚ～約２．５ＧＨｚの周波数範囲内に入ることを示す。対照的に、図１の従来技術のシステムについての図２のシミュレーション結果は、システム１００のプラズマによって吸収される電力の最大値が、それと同じ動作周波数範囲の外側にあることを示している。図６のスタブチューナ６００を組み込んだ電力送達システム３００についても、同様のシミュレーション結果が生成され得る。

【0036】

図８は、本発明のいくつかの実施形態による、遠隔プラズマ生成のために構成された別の例示的な電力送達システム８００を示す。一般に、電力送達システム８００は、マイクロ波生成器３０４とプラズマアプリケータ３０２との間に位置決めされた追加の外部アイソレータ８０２を除いて、図３の電力送達システム３００と実質的に同様である。例えば、図３のシステム８００と同じマイクロ波生成器３０２、一体化された結合要素３１０を有する粗チューナ３１６、及びプラズマアプリケータ３０２を、図８のシステム３００で使用できる。更に、システム８００の様々な構成要素を相互接続するために複数の同軸ケーブル３０６を使用することができ、それらには電力生成器３０４と外部アイソレータ８０２との間の上流同軸ケーブル３０６ａ、及び外部アイソレータ８０２と粗チューナ３１６との間の下流同軸ケーブル３０６ｂが含まれる。外部アイソレータ８０２は、プラズマアプリケータ３０２からの高い反射電力からマイクロ波生成器３０４を保護するように構成される。遠隔プラズマ生成のためのマイクロ波送達システムの負荷インピーダンスは、特にプラズマ点火中に大幅かつ急速に変化する可能性があり、それに起因して高い反射電力スパイクが電力生成器に戻され、それにより、生成器に組み込まれたアイソレータが十分に堅牢でない場合には生成器内のソリッドステート電力増幅器に損傷を与える可能性があるため、この保護は特に有益である。いくつかの実施形態では、外部アイソレータ８０２は、プラズマ負荷からマイクロ波生成器３０４に向かって反射する電力量を測定するために方向性結合器（図示せず）を含む。

【0037】

図９は、本発明のいくつかの実施形態による、図３又は図８の電力送達システム３００、８００によるプラズマ点火プロセスでプラズマを発生させるための例示的なプロセス９００を示す。いくつかの実施形態では、電力送達システム３００への粗チューナ３１６の設置の前など、電力送達システム３００上でプロセス９００を開始する前に、電力送達システム３００の粗チューナ３１６の少なくとも１つのパラメータが、マイクロ波生成器３０４とプラズマ点火中及び定常状態プラズマ維持中の両方でプラズマアプリケータ３０２において生成される可能性が高いプラズマ負荷の予想インピーダンス範囲との間で粗インピーダンス整合を達成するように調整されることが好適である。いくつかの実施形態では、少なくとも１つのパラメータは、図４及び図５の固定スタブチューナ４００に関して上述したスタブ長さ４１２及び／又はスタブ－アプリケータ間の距離５０２である。いくつかの実施形態では、少なくとも１つのパラメータは、図６の固定スタブチューナ６００に関して上述したスタブ長さ６２０及び／又はスタブ－アプリケータ間の距離５０２である。例えば、各パラメータ値は、モデリングを使用してオフラインで、かつ／又は、プラズマ３２０によって吸収される電力の最大値が可変周波数マイクロ波生成器３０４の動作帯域内にあるように、所望のインピーダンス範囲にわたってプラズマ３２０の負荷インピーダンスをシミュレートすることによって実験的に決定できる。

【0038】

調整された粗チューナ３１６が定位置にある状態で、プロセス９００は、プロセスガスをプラズマアプリケータ３０４のプラズマ放電管３０８に供給することによって開始する（ステップ９０４）。プロセスガス流が安定すると、プロセス圧力を設定し、安定させることができる。次いで、プロセス９００は、アプリケータ３０２内でのプラズマ点火のために、マイクロ波生成器３０４の周波数を調整することに進むことができる。まず、マイクロ波生成器３０４の周波数を初期周波数値に設定して、その設定された周波数でマイクロ波電力を発生させる（ステップ９０６）。発生したマイクロ波電力を、一体化されたチューナ３１６と結合要素３１０とを介してプラズマアプリケータ３０２に結合して、プラズマアプリケータ３０２内のプロセスガスをイオン化する（ステップ９０８）。粗チューナ３１６の物理的パラメータを変更することなく、マイクロ波生成器３０４の周波数を初期周波数から反復的に調整する（ステップ９１０）。各反復は、調整された周波数に対応するマイクロ波電力でプラズマ放電管３０８内のプロセスガスを点火したかを判定すること（ステップ９１４）と、プラズマ点火が検出された場合、マイクロ波生成器３０４の周波数調整を中止すること（ステップ９１６）とを含むことができる。プラズマ点火の検出は、図５を参照して上述したプラズマ検出器５０４を使用して達成できる。例えば、各周波数の反復において、マイクロ波生成器３０４は、プラズマ検出器５０４によって送信された信号を評価して、プラズマが点火したかどうかを判定できる。いくつかの実施形態では、所定の周波数閾値に達した後にプラズマが点火していない場合（ステップ９１２）、プラズマ点火は失敗した（ステップ９１８）。いくつかの実施形態では、マイクロ波生成器３０４の周波数の反復微調整は、周波数を、初期周波数（例えば約２４００ＭＨｚ）から上限（例えば約２５００ＭＨｚ）に達するまで所定の幅（例えば約２ＭＨｚ）で反復的に増大させることを伴う。あるいは、マイクロ波生成器３０４の周波数の反復微調整は、周波数を、初期周波数（例えば約２５００ＭＨｚ）から下限（例えば約２４００ＭＨｚ）に達するまで、所定の幅（例えば約２ＭＨｚ）で反復的に減少させることを伴うことができる。

【0039】

図１０は、本発明のいくつかの実施形態による、図３又は図８の電力送達システム３００、８００によるプラズマを定常状態に維持するための例示的なプロセス１０００を示す。いくつかの実施形態では、定常状態プラズマ維持プロセス１０００は、図９のプラズマ点火プロセス９００の後に実行される。定常状態プロセス１０００の目標は、プラズマ３２０に送達される全体的なマイクロ波電力を最大化することである。このプロセス１０００の間、粗チューナ３１６は、図９を参照して上述したプラズマ点火プロセス９００の間に使用されるものと同じ物理パラメータに設定されたままであることができる。一般に、プロセス９００によってプラズマアプリケータ３０２内でプラズマを発生させること、及び、プロセス１０００によって点火後にプラズマに送達されるマイクロ波電力を最大化することは、システム動作の前に粗チューナ３１６のパラメータが設定された後に粗チューナ３１６を調整することなく達成できる。

【0040】

プロセス１０００は、マイクロ波生成器の周波数を第２の初期周波数値に設定して、マイクロ波電力を生成することによって開始する（ステップ１００２）。生成されたマイクロ波電力は、アプリケータ３０２内のプラズマ３２０を維持するために、プラズマ生成器３０２に結合される。粗チューナ３１６の物理的パラメータを変更することなく、マイクロ波生成器３０４の周波数を第２の初期周波数から閾値周波数値に達するまで、反復的に調整することができる（ステップ１００４）。各反復は、プラズマ３２０に送達されるマイクロ波電力の値を計算すること（ステップ１００６）と、その反復における、マイクロ波電力の計算値及び対応する周波数値を記録すること（ステップ１００８）とを含むことができる。閾値周波数に達した後（ステップ１０１０）、記録されたマイクロ波電力値の最大値を判定し（ステップ１０１２）、マイクロ波生成器３０４を、最大の記録されたマイクロ波電力が生成される周波数値に設定する（ステップ１０１４）。

【0041】

いくつかの実施形態では、マイクロ波生成器３０４の周波数の反復微調整は、周波数を、第２の初期周波数（例えば約２４００ＭＨｚ）から上限（例えば約２５００ＭＨｚ）に達するまで所定の幅（例えば約２ＭＨｚ）で反復的に増大させることを伴う。あるいは、マイクロ波生成器３０４の周波数の反復微調整は、周波数を、第２の初期周波数（例えば約２５００ＭＨｚ）から下限（例えば約２４００ＭＨｚ）に達するまで、所定の幅（例えば約２ＭＨｚ）で反復的に減少させることを伴うことができる。いくつかの実施形態では、各周波数反復において、計算されたマイクロ波電力の値は、測定された順方向電力と測定された反射電力との間の差である。図３の電力送達システム３００の場合、アプリケータ３０２に送達される順方向電力及びアプリケータ３０２からの反射電力の両方を生成器３０４によって測定できる。図８の電力送達システム８００の場合、アプリケータ３０２に送達される順方向電力は生成器３０４によって測定でき、アプリケータ３０２からの反射電力は外部アイソレータ８０２によって測定できる。各反復中にプラズマ３０２に送達される電力の計算（ステップ１００８）は、両方のシステム３００、８００のシステムコントローラ（図示せず）によって達成できる。いくつかの実施形態では、システムコントローラはまた、例えば、計算された電力値及び対応する周波数値を表形式でメモリに記憶するように構成される。

【0042】

従来のシステム（例えば、図１の従来技術のシステム１００）と比較して、マイクロ波遠隔プラズマ生成システム（例えば、図３又は図８の電力送達システム３００、８００）に粗チューナ（例えば、図４の固定スタブチューナ４００又は図６のスタブチューナ６００）を組み込むことに関連する、いくつかの利点がある。これらの利点には、システムから自動インピーダンス整合回路網１０８の必要性を排除し、それによってシステムコスト、サイズ、及び複雑さを大幅に低減することが含まれる。プラズマアプリケータを電力送達システムと一体化する場合は、サイズの縮小及びパッケージングの柔軟性の向上が特に重要である。また、システムの周波数帯域を効果的に制限する自動インピーダンス整合回路網を排除することによって、周波数整合のためにソリッドステート電力生成器の本来的な能力を最大限に活用してインピーダンス整合を達成することができる。別の利点には、マイクロ波エネルギーのプラズマへの結合を改善し、したがって、プラズマに実際に送達されるマイクロ波電力の量を増加させ、反射電力の量を減少させることが含まれる。更に別の利点には、アプリケータを電力送達システムの残りの部分に接続する同軸ケーブルの過熱を防止し、したがって、システム全体の信頼性を改善することが含まれる。

【0043】

本発明について特定の実施形態を参照して具体的に示し、説明してきたが、添付の特許請求の範囲によって定義される本発明の趣旨及び範囲から逸脱することなく形態及び詳細における様々な変更がなされてもよいことは、当業者によって理解されるべきである。

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】

【図10】

【国際調査報告】