(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
伝送ラインを備える電力分割器であって、前記伝送ラインのまわりに配置された複数のＮ本の二次巻線を有し、前記伝送ラインは、前記Ｎ本の二次巻線中に電力を誘導結合する方位角磁界を動作可能に形成して、前記伝送ラインからの前記電力をＮ分割し、前記伝送ラインは、定在波を前記伝送ライン上に動作可能に発生させるように短絡されることを特徴とする電力分割器。
【請求項２】
前記伝送ラインに結合されたインピーダンス整合回路を備え、前記インピーダンス整合回路はスタブチューナを選択的に含むことを特徴とする請求項１に記載の電力分割器。
【請求項３】
前記短絡部はゼロ電圧点と、同時に電流の最大点とを生じさせ、前記電流は、前記方位角磁界の発生を引き起こすことを特徴とする請求項１に記載の電力分割器。
【請求項４】
前記Ｎ本の二次巻線は前記短絡部の近くに設置され、前記短絡部から前記伝送ラインに沿って軸方向に延びることを特徴とする請求項３に記載の電力分割器。
【請求項５】
前記Ｎ本の二次巻線は、前記方位角磁界の領域内に設置された巻枠上に設けられることを特徴とする請求項１から４のいずれかに記載の電力分割器。
【請求項６】
前記２Ｎ本の二次巻線は、巻枠上に対構成として設けられ、
前記２Ｎ本の二次巻線の各一方の端部が、短絡されてシングルエンド出力部を作り出す、又は、
前記２Ｎ本の二次巻線の一方の半分が結合ループの一方の端部で短絡され、前記２Ｎ本の二次巻線の他方の半分が結合ループの他方の端部で短絡されて、前記一方の半分の出力の位相と前記他方の半分の出力の位相とが１８０度ずれており、前記シングルエンド出力部の各端部からの出力が、Ｎ個の差動対を提供する、
ように構成されており、前記Ｎ個の差動対の個々の対は差動出力を与えることを特徴とする請求項５に記載の電力分割器。
【請求項７】
前記Ｎ本の二次巻線は、前記伝送ラインの側壁のまわりに配置されたＮ本の二次同軸ケーブルを、電力が前記Ｎ本の二次同軸ケーブル中に誘導されるように備え、選択的に、
前記伝送ラインは内側導体および外側導体を有すること、
前記誘導電力は、前記伝送ライン中の半径方向電界から導出されること、
前記Ｎ本の二次同軸ケーブル上に誘導される電力は同相であること、
前記Ｎ本の二次同軸ケーブルは内側導体および外側導体を有し、これらは、前記Ｎ本の二次同軸ケーブルの前記外側導体が前記伝送ラインの前記外側導体に取り付けられ、前記外側導体から絶縁された前記Ｎ本の二次同軸ケーブルの前記内側導体が前記伝送ラインの前記内側導体に取り付けられるように配置されること、
の少なくとも１つで構成されることを特徴とする請求項１から４のいずれかに記載の電力分割器。
【請求項８】
前記短絡部と、前記Ｎ本の二次同軸ケーブルの内側および外側導体が前記伝送ラインに接続される位置との間の長さは、前記伝送ラインと前記Ｎ本の二次同軸ケーブルとの間の電力結合を制御するように制御され、選択的に、
前記分割器は、前記伝送ラインの前記内側導体の内側に配置されたＭ本の内側二次同軸ケーブルを、電力が前記Ｍ本の内側二次同軸ケーブルに誘導されるようにさらに備えること、
前記Ｍ本の内側二次同軸ケーブルは、前記Ｍ本の内側二次同軸ケーブルの前記外側導体が前記伝送ラインの前記内側導体に接続され、前記Ｍ本の内側二次同軸ケーブルの前記内側導体が前記伝送ラインの前記外側導体に接続されるように配置された内側導体および外側導体を有すること、
前記Ｍ本の内側二次同軸ケーブル上に誘導される電力は同相であること、
の少なくとも１つで構成されることを特徴とする請求項７に記載の電力分割器。
【請求項９】
前記伝送ラインの内側導体の内側に配置されたＭ本の内側二次同軸ケーブルを、電力が前記Ｍ本の内側二次同軸ケーブルに誘導されるようにさらに備え、選択的に、
前記Ｍ本の内側二次同軸ケーブルは、前記Ｍ本の内側二次同軸ケーブルの前記外側導体が前記伝送ラインの前記内側導体に接続され、前記Ｍ本の内側二次同軸ケーブルの前記内側導体が前記伝送ラインの前記外側導体に接続されるように配置された内側導体および外側導体を有すること、
前記伝送ラインの前記短絡部と前記Ｎ本の二次同軸ケーブルの前記内側導体および前記外側導体の各々の場所との間の距離は、前記伝送ラインと前記Ｎ本の二次同軸ケーブルとの間の電力結合を制御するように制御され、
前記伝送ラインの前記短絡部から前記Ｍ本の内側二次同軸ケーブルの前記内側導体および前記外側導体の各々の場所との間の距離は、前記伝送ラインと前記Ｍ本の内側二次同軸ケーブルとの間の電力結合を制御するように制御され、
前記Ｎ本の二次同軸ケーブルの選択されたものと前記Ｍ本の内側二次同軸ケーブルの選択されたものとの間の距離は、同じであり、その結果、同じ電力が選択されたＮ本の二次同軸ケーブルと選択されたＭ本の内側二次同軸ケーブルとに結合され、前記選択されたＮ本の二次同軸ケーブルと前記選択されたＭ本の内側二次同軸ケーブルとの間に１８０度の位相の差異があり、
選択されたＮ本の二次同軸ケーブルは、前記伝送ラインからの等しい電力結合を有して、選択されたＭ本の内側二次同軸ケーブルと対を成し、二次同軸ケーブルの対は差動出力を供給し、
Ｍ＝Ｎであり、Ｎ本の二次同軸ケーブルは、前記短絡部から等距離のＭ本の内側二次同軸ケーブルと対を成してＮ個の差動出力対を提供することを特徴とする請求項８に記載の電力分割器。
【請求項１０】
前記伝送ラインは、その入力部で高周波源に結合され、選択的に、前記Ｎ本の二次巻線の個々の巻線は、プラズマ源の電極に選択的に結合されることを特徴とする請求項１から９のいずれかに記載の電力分割器。
【請求項１１】
請求項１から１０のいずれかに記載の電力分割器を備えることを特徴とするプラズマ源。
【請求項１２】
伝送ラインを備える電力結合器であって、前記伝送ラインのまわりに配置された複数のＮ本の二次巻線を有し、前記二次巻線は、前記Ｎ本の二次巻線のそれぞれからの電力を単一の伝送ライン上に結び付けるように電力を前記伝送ライン上に誘導的に結合する方位角磁界を動作可能に提供し、前記伝送ラインは、定在波を前記伝送ライン上に動作可能に発生させるように短絡されることを特徴とする電力結合器。
【請求項１３】
前記伝送ラインに結合されたインピーダンス整合回路を備え、選択的に、
前記短絡はゼロ電圧点および同時に電流の最大点を動作可能に生じさせ、前記電流は前記方位角磁界の発生を引き起こすこと、
前記二次巻線は、前記方位角磁界の領域内に設置された巻枠上に設けられること、
前記二次巻線は前記短絡部の近くに設置され、前記短絡部から前記伝送ラインに沿って軸方向に延びこと、
の少なくとも１つで構成されることを特徴とする請求項１２に記載の電力結合器。
【請求項１４】
請求項１から１０のいずれか一項に記載の電力分割器と、請求項１２または１３に記載の電力結合器とを備えることを特徴とする電力分割結合装置。
【請求項１５】
請求項１２または１３に記載の電力結合器を備えることを特徴とする信号結合器。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は電力分割器に関し、具体的には差動電力配分用の電力分割器に関する。第１の構成では、本発明は、プラズマ源内の複数の電極に電力を供給する際に有利に使うことができる広帯域、受動、Ｎ分配の電力分割器を提供する。
【背景技術】
【０００２】
単一の高周波電力源を使用してプラズマ源内の複数の電極にエネルギーを与えるには、電力を複数のチャネルに分割する必要がある。参照によりその内容が本明細書に組み込まれている特許文献１に記載されているものなど、互いに位相が１８０度ずれた交流電極を有するプラズマ源トポロジーの場合では、それぞれの電極は、その隣り合うものと位相をずらすことができ、それゆえプッシュプル対を実現できることが有用である。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】国際特許出願ＰＣＴ／ＥＰ２００６／０６２２６１号明細書
【特許文献２】米国特許出願第１１／１２７，３２８号明細書
【特許文献３】国際特許出願ＰＣＴ／ＥＰ２００６／０６２２６１号明細書
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
この問題の古典的な解決策は、１８０度分割器を使用することであり、その後に一連のＮ：１分割器が続き、大電力用途では２：１および４：１の分割器が典型的であり、低電力の場合にはｎがより大きい値のこともありうる。出力チャネル間の位相誤差は、通常では２〜３度、振幅不均衡は５％、電力損失は３％になる。一連の２：１分割器を使用して１：１２８分配器を作り出すことは、受け取るべき電力のわずか７０％（０．９５＾７）しか受け取れない、特定の電極への電力の大幅な電力損失および誤差という結果になる。加えて、システムは、入力と出力のインピーダンスが通常では５０オームで整合して初めて適切に作動する。電極のプラズマ負荷が実質的には５０オームにならないので、インピーダンス整合回路網が電極ごとに最終段の分割器出力と電極の間に必要になる。このことにより、このような解決策ではコスト、複雑さ、および電極間のばらつきが増加する。さらに、このような解決策は、電極の数が分割器のタイプに因数分解される特定の電極数にのみ適合し（例えば、７×１０の電極アレイでは１８０度分割器、５：１分割器、および７：１分割器が必要になる）、したがってそれぞれの解決策で、各分割器に対し異なる技術的解決策を必要としうる。さらに、大電力分割器（特に５、７のような奇数分割）は周波数が限定されており、したがって、別々の周波数での動作では、別々の技術的解決策を必要とする。
【０００５】
簡単さ、コスト節減、および均一性の理由のために、インピーダンス整合が分割器の前で行われ、電力分割器が「受動」であり、分割器が広帯域（ＶＨＦおよびＵＦＨ周波数範囲の概念と同じ、３０〜３０００ＭＨｚ）である解決策を得ること、および分割器が、大きくかつ任意のＮで１：Ｎ分割を（有利には、３×１０、４×８、６×６の電極アレイに対し、Ｎ＝３０、３２、３６で同様な設計を使って）行うことが可能なことが望ましい。高い総合電力効率で実施でき、プラズマ電極を直接駆動可能な出力インピーダンスを駆動でき、各電極対を差動（プッシュプル）モードで駆動するように構成できる電力分割器がさらに必要とされている。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
上記その他の問題は、本発明の教示により実現される電力分割器によって対処される。このような分割器は、伝送ラインのまわりに配置される複数の二次巻線を用意することによって実現され、この伝送ラインは、二次巻線中に電力を誘導結合する方位角磁界を動作可能に形成して、伝送ラインからの電力を分割する。二次巻線トランスと考えることができるものを形成する二次巻線の本数Ｎは、電力分割器の分割比Ｎを決定することを認識されたい。電力源と共に使用される場合、強磁界の領域内に設置されたＮ本の二次巻線トランスを用いると、電力をＮ本の二次巻線中に磁界を介して誘導結合することが可能であり、それゆえその電力は、プラズマ源の個々の電極に選択的に結合することができる。
【０００７】
複数の電極が互いにアレイの形で配列され、隣り合う電極の位相が互いにずれている構造を形成することが望ましい場合、二次巻線は、各巻線が第１の端部および第２の端部を有し、それぞれの端部が電極のそれぞれに動作可能に結合されるように、プッシュプル構造で配置することができる。このような配置では、必要とされる巻線の数は、電極の数ＮのＮ／２になる。
【０００８】
電力分割器はまた、インピーダンス整合回路を含むこともできる。このインピーダンス整合回路は、スタブチューナによって実現することができる。スタブチューナの出力は、伝送ラインの一部分に接続され、伝送ラインおよび付随する電力源のインピーダンスを、Ｎ本の二次巻線によって形作られた追加負荷を有する伝送ラインのインピーダンスに整合させるのに使用することができる。
【０００９】
好ましい構成では、伝送ラインは同軸ラインとして形成される。典型的な同軸伝送ラインは、外部シールドから誘電体によって分離された内部芯線または中心導体を含む。このような構造は、ライン内のエネルギー伝送がすべて導体間のギャップを通して行われる点で有利である。
【００１０】
伝送ラインが開放構造である場合、定在波は、伝送ライン中に１／２波長ノード間周期性で現れる。このような構成は、波長が短い高ＵＨＦ周波数で有効に使うことができる。
【００１１】
しかし、好ましい構成では伝送ラインは短絡される。この結果、伝送ライン上に定在波が発生することになり、この短絡でゼロ電圧点（節）が生じ、同時に電流の最大点（腹）が生じる。この大きい高周波電流により、伝送ライン短絡部の領域に発生される強い方位角磁界が得られ、この方位角磁界は、望ましくは伝送ラインの端部に形成される。この領域内に二次巻線を設置することによって、電力を二次巻線に比較的広帯域で結合することが可能になる。
【００１２】
このような電力カプラを使用して複数の個別電極が電力供給されるプラズマ源という状況において有利に使われる一方、広帯域カプラを実現することによって、本教示による電力カプラはまた、電力源からの電力の分割を必要とするいかなる高周波用途にも有効に使うことができることを理解されたい。例示的な用途にはレーダ、テレビまたはラジオのアンテナ、移動通信アンテナなどが含まれる。用途によっては、このデバイスは、従来の電力分割器とは対照的に信号分割器として動作していることがあるが、伝送ラインからの信号を二次巻線中へ方位角結合する機能により、電力信号の分割という状況で得られるのと同じ効率による利益が得られることを認識されたい。
【００１３】
電力分割装置で使用される構造を逆にすることによって、このデバイスはまた、２つ以上の入力信号が単一の伝送ライン上に結び付けられる電力結合器として有利に使うこともできることを理解されたい。別の構造では、このデバイスを適切に構成して、２つ以上の個別信号が伝送ライン上に結び付けられてから再び分割されて２つ以上の出力ラインの給電が行われる複合結合分割器を得ることができる。
【００１４】
よって本発明は、請求項１による電力分割器を提供する。有利な諸実施形態は、それに従属する請求項で提示される。本発明は、請求項４０による電力結合器をさらに提供する。有利な諸実施形態は、それに従属する請求項で提示される。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
次に、本発明を添付の図面を参照して説明する。
【図１】伝送ラインに動作可能に結合されたマルチスタブチューナを示す図である。
【図２Ａ】単一のスタブを内蔵し伝送ラインの端部両端に負荷が与えられた伝送ラインに沿って、位置に対する電流および電圧のプロファイルを示す図である。
【図２Ｂ】図２Ａのグラフの電流、およびそれに付随する位相を示す図である。
【図２Ｃ】図２のグラフの電圧およびそれに付随する位相を示す図である。
【図３】伝送ライン内に設けてＮ本の二次巻線巻枠を形成することができる挿入物を示す図である。
【図４】チューナの短絡端板の孔に通したツイストペア構成として形成されたＮ本の二次巻線巻枠の巻線を有するマルチスタブチューナの端面図である。
【図５】本教示による電力分割器をどのようにして真空チャンバの中に組み込むことができるかを概略的な形で示す図である。
【図６】単一のプラズマ源内の複数の電極に電力を供給するための電源構成の一例を示す図である。
【図７】低周波電力を二次巻線に結合するために電力分割器をどのように改変できるかを示す図である。
【図８】デバイス内の反射を低減するために巻枠をどのように緩い傾斜にできるかを概略的な形で示す図である。
【図９】Ｎ個の個別増幅器からの電力を結合して単一の大電力出力部を形成するために、本教示によるデバイスをどのように使うことができるかの一例を示す図である。
【図１０】伝送ラインの、入力端部で二次巻線を支持する巻枠の端部とは反対側の端部に、第２の組の二次巻線を支持するように配置された第２の巻枠を形成するための、図９のデバイスに対する改変を示す図である。
【図１１】本教示による電力分割器を使用して駆動される多タイル電極プラズマ源を使用して実現される、基板上の電力堆積プロファイルを示す図（下（ａ）、中（ｂ）、上（ｃ））である。図は、プラズマを発生するための３×４電極アレイ内の１２タイルのシステムに対し、中央の２つのタイルに供給される電力を変えるように電力分割を調整した効果を示す。この構成では、６つの二次ループが設けられて１２のタイルを駆動する。ループの１つが中央の２つのタイルに給電する。図は、二次ループがすべて同じ長さである設定によって得られた電力が少なすぎる場合を例示する。
【図１２】非平衡終端された同軸ケーブルを駆動するのに使用する電力分割器の切開図である。Ａに示された接続部は、伝送ラインの外側を囲んで方位角に広がるようにできるそのようなＮ個の接続部のうちの１つの例である。Ｂに示される接続部は、伝送ラインの内側を囲んで方位角に広げることができるそのようなＭ個の接続部のうちの１つの例である。伝送ラインの体積は誘電体材料で充填され、この材料は、空気または真空でよく、または望ましい誘電性および透磁性を有する材料でもよい。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
図１から４は、伝送ライン上の方位角磁界を用いて、電力分割器を作り出すように伝送ラインの一部分に沿って配置された二次巻線中に電力を誘導することができる例示的な構成を示す。伝送ライン電力分割器に続く例示的な構成には、スタブチューナの形のインピーダンス整合回路網が含まれる。電力分割器の例示的な構成を参照して説明するが、この構成は、信号結合器または電力カプラ／結合器として使用するのにも同様に構成できることを理解されたい。
【００１７】
本発明の教示により実現される電力分割器１００の一例が図１に示されている。この例示的な構成では、このような分割器は、ＶＨＦ／ＵＨＦ用途向けのインピーダンス整合回路網を含む。インピーダンス整合回路網を設けることは、特定の用途では利益になりうるが、インピーダンス整合が重要ではない場合には、そのような構成は省略できることを認識されたい。記載した例示的な構成には、スタブチューナ１３０が示されている。
【００１８】
図１に示されるように、２つのスタブ１３０ａ、１３０ｂが使用される場合では、１つのスタブチューナが１つまたは複数の個別スタブを含むことができ、そのそれぞれが、スタブチューナ１３０の同調を可能にする摺動短絡部を含みうる。この例示的な構成では、スタブチューナ１３０の出力は、端部１１１で短絡される伝送ライン１１０の一部に接続される。伝送ラインは、内部芯線１１６と、誘電体１１８で分離された外部シールド１１７とを有する同軸ケーブルによって形成することができる。例えば内部芯線１１６を外部シールド１１７に接続すること（または、伝送ラインを形成するために使用されるケーブルを短絡する他の任意の適切な技法）により同軸ケーブルを短絡することによって、伝送ライン上に定在波２００を発生させることが可能であり（図２に示す）、この短絡によりゼロ電圧点２０５（節）が生じ、同時に電流の最大点２１０（腹）が生じる。短絡部から反射する高周波は、特にスタブチューナとの組合せでは、同軸伝送ライン内で短絡部からスタブチューナまで戻る大きい循環電力になる。この大きい循環電力には、大きい高周波電流および／または電圧の領域が付随する。この大きい高周波電流により、伝送ライン内に強い方位角磁界が生じる。本発明者は、（波長からいって）短絡部に近い領域などの強い方位角磁界の領域は特に、伝送ラインの体積内に置かれた線ループとの誘導結合によく適合することが分かった。方位角磁界を形作るには、短絡伝送ラインを必要としないことを理解されたい。しかし、短絡構成を用いると、磁界の大きさが増大し、二次巻線に誘導される電流／電圧が短絡伝送ラインを使用することによって増強される結果となる。
【００１９】
伝送ラインを短絡することによって、伝送ライン上に１／４波長（腹から節まで）の定在波を確立できることを認識されたい。このラインが短絡されずに開放のままである場合、電圧腹および電流節がやはり確立されるが、その定在波上の電流ピークの位置は、伝送ラインに沿って１／４波長離れたところになることを認識されたい。このような「開放」構成では、開放部に電圧腹および電流節（ゼロ）が生じ、したがって、電流ピークの位置は伝送ラインを１／４波長だけ後退する。これは、最良の結合が（ある程度）より周波数に依存することを意味する。しかし、波長が短いＵＨＦ高周波数では、短絡部から１／４波長（腹から節まで）ではなく、開放部から１／２波長の定在波（節から節まで）があることが有益なことがある。
【００２０】
Ｎ本の二次巻線トランス１２０（ただしＮは巻枠上の巻線数）を強磁界領域内に組み込むことによって、二次巻線１２５に電力を（磁界を介して）誘導的に結合することが可能になる。図１では、第１の巻線対１２５ａおよび第２の巻線対１２５ｂが設けられているが、任意の数の巻線１２５を設けることができ、数Ｎは、特定の用途で必要とされる電力分割の数量に関連することを理解されたい。図１の例示的な構成では、第１の巻線１２５ａおよび第２の巻線１２５ｂのそれぞれが、伝送ライン１１０の外部で使用できるツイストペアの線１２６ａ、１２６ｂに結合される。線１２６の端部１２７は、これらの線上の電力をプラズマ源内の電極などの所望の目標物に結合するために使用することができる。各ツイストペアに２本の線が与えられた場合、これらを使用してプッシュプル対を生成することができ、このプッシュプル対は、各プッシュプル対の個々の端部が隣り合う電極に結合された場合に、互いに位相がずれた隣り合う電極のそれぞれに電力を供給するために使用することができる。ツイストペア線構造を使用すると差動出力が得られることを理解されたい。端部が電極に取り付けられ、さらにこの電極接続部に並列に、抵抗、インダクタ、コンデンサ、または構成要素の回路網などの受動構成要素に取り付けられた場合、ツイストペアによって伝送される電力は、ツイストペアの終端を形作る２つの要素間で分割される。受動要素が可変電気インピーダンスを有する場合、電極で使用可能な電力量を変えることができる。
【００２１】
巻線１２５は、その向きおよび配置を伝送ライン内で維持する型板または巻枠１２８の上に設けることができる。これらの巻線は、伝送ラインの内部芯線１１６のまわりに同軸に整列され、ラインの主軸Ａ−Ａ’に沿って延びることが望ましい。巻線に結合される線は、側壁と対立するものとしての、伝送ラインの端部１６０（この例示的構成では伝送ラインが短絡されるところ）から取り出されることが望ましい。内部芯線に重なる巻線の長さは、各巻線に結合されることが望ましい最適の電力量にするように選ぶことができる。
【００２２】
線対が、例えば短絡部の反対の巻線端部で側壁から外へ半径方向に通される場合、これらの線上の電圧／電流は、隣接する各巻線の一部に結合する伝送ラインの内側部と外側部の間の容量性結合により実質的に不平衡になる可能性があり、短絡部から離れるとともに大きさが増す半径方向電界により容量電力結合が誘導電力結合に加わり、図２（ｂ）および（ｃ）で分かるように、電界は位相が電流と約９０度ずれる。
【００２３】
図１２を参照すると、電力分割器の代替構成が記載されている。この構成では、Ｎ本の二次同軸ケーブルを短絡部１１１から距離「Ｉ」のデバイスの側壁のまわりに配置することができる。例示的な構成では、二次同軸ケーブルの接地シールドは伝送ライン１１７の外側部に取り付けられ、その内部は外側部１１７から絶縁されるが、伝送ラインの内側部１１６に取り付けられる。図を簡単にするために、単一の二次ケーブルだけが示されている。二次同軸ケーブル上の電力が伝送ライン内部の半径方向電界から導出されること、ならびにこの電界は、同軸ケーブルの位置と短絡部の間の積分された方位角磁界に直接関係することを認識されたい。径方向に配置されたＮ本の二次同軸ケーブル上の電力は、互いに同相になることもさらに認識されたい。上記のように、この実施形態では伝送ラインが短絡され、短絡部と、Ｎ本の二次同軸ケーブルの内側および外側が伝送ラインに接続される位置との間の長さまたは距離Ｉが制御されて、Ｎ本の同軸ケーブル間の相対電力結合が制御される。Ｍ本の二次同軸ケーブルを、それらの外側導体が伝送ラインの内側部１１６に接続され、Ｍ本の二次同軸ケーブルの内側導体が内側導体１１６からは絶縁されているが外側導体１１７には取り付けられた状態で、短絡部１１１から距離「Ｉ」の伝送ラインの内側導体１１６の内部に設置できることも認識されたい。図を簡単にするために、単一の同軸ケーブルだけが示されている。これらのＭ本の二次ケーブルは互いに同相になり、伝送ライン内側導体１１６の内部に通されて短絡部１１１の面のところで伝送ラインを出て行くことができる。短絡部から二次伝送ラインの内側導体の位置までの距離が同じ場合、Ｎ本の二次同軸ケーブルとＭ本の二次同軸ケーブルの位相は、互いに１８０度ずれる。短絡部と、Ｎ本の二次同軸ケーブルおよびＭ本の二次同軸ケーブルの内側導体および外側導体の場所との間の距離Ｉを制御して、Ｎ本の同軸ケーブルとＭ本の同軸ケーブルの間の相対電力結合を制御する。さらにＭ＝Ｎの場合、電力分割器は、同軸ラインのＮ個のプッシュプル対を形成する。好ましい構成ではＭ、Ｎ＞２である。さらに有利な構成ではＭ、Ｎ＞５である。
【００２４】
個別の巻線それぞれが独立して、伝送ラインによって発生される磁界からの電力を結合しているので、各巻線から発生した出力信号の特性を他の巻線の特性とは無関係に改変できることを理解されたい。例えば、基板に対して配置された複数の電極を含み、その電極のうちの特定の電極を特定の巻線に結合するプラズマ源という状況においては、１つの巻線の長さを他のものに対して変えることによって、基板全体の電力の配分に影響が及ぶ可能性がある。さらに、個々の巻線間の結合の程度も少なく、これは特に、結合が少なく、したがって性能が安定していることが望ましい半導体処理環境で有利である。
【００２５】
スタブチューナ１３０が設けられる場合、これは１つまたは複数のスタブ１３０（図１では２つのスタブ１３０ａ、１３０ｂを示す）を含み、これらのスタブは、対象のライン周波数に対し、その取付け箇所で純リアクタンスを生成することを意図した伝送ラインの短絡回路長または開放回路長になっていることを認識されたい。スタブ長さはゼロから半波長まで変わるので、任意の値のリアクタンスを作ることができる。単一のスタブを使用することができるが、スタブを除去し、断線があったラインを作り直し、新しいスタブ長および取付け箇所を計算する必要がある点で、単一スタブチューナの調整はより困難である。固定取付け箇所でラインに恒久的に取り付けられた２つのスタブを使用することによって、同調させることがスタブ長を修正することにより可能である。
【００２６】
しかし、図を簡単にするために、図２は１つのスタブを組み込む構成を示す。図２の検討から、第１のスタブ１５０の場所で電流が第１のスタブ１５０の右側と違って不連続であり、定在波が発生することが認識されよう。これらのグラフは、主伝送ラインおよび単一のスタブに沿って、電流と電圧両方の（それらに付随する位相と合わせた）位置に対するプロファイルのシミュレーション結果を示す。このシミュレーション結果では、図１の巻線によって生じた負荷と組み合わせて図１の伝送ラインの端部１６０に設けられた短絡部と同等の、最も右側の「短絡部」がＺ＝４＋ｊ２５オームでモデル化されている。これは「純短絡部」（Ｚ＝０）ではないが、システム中に挿入された二次巻線、および二次巻線の出力部のある種の抵抗負荷により得ることができるものに近いあるものに類似していることを認識されたい。このために、本明細書において「短絡部」という用語は、二次巻線による電気的寄与を無視して伝送ラインの電気的性質を指すと認識されたい。ここで完全を期すために詳しく述べると、スタブ長は、同調スタブに沿って、装荷短絡部まで１．４６５５メートル、純短絡部まで０．４５７８メートルであるが、再度、これらの図は、本発明の教示により実現できる構成を例示するものであり、限定するものではないことを理解されたい。
【００２７】
図３および図４は、二次巻線１２５が上に巻かれた巻枠３００の一例を概略的な形で示す。この巻枠は、テフロン（登録商標）または他の適切な材料で製造することができ、巻線を上に設置できる型板を形成する。巻線を伝送ラインに挿入する前に巻線を巻枠上に設けることによって、これら２つの間の所望の重なり度合いを確実に生じさせることが可能になる。これらの図は、巻線の構造と、各巻線の２つの端部からの線対をトランス領域から出すために使うことができる方法との両方を示すが、これらは形が概略的であり、使用できる構成のタイプを例示するものであり、添付の特許請求の範囲に照らして必要とみなされうる場合を除き、本教示をいかなる１つの特定の幾何学的配置にも限定するものではないことを理解されたい。図３の例は、伝送ラインの短絡部として働く導電板またはフランジ３０５内の孔３０３を通って伝送ラインを出る線対を示す。図３の例では、２つの対３１０、３１５が示され、前記線対は、その中に流し込まれる差動高周波電流を必ず有する。次に、ツイストペア伝送ラインは、その高周波電流を、プラズマ源の一部として設けられた図示されていない電極対まで搬送することができる。図４では、複数の巻線を内部芯線１１５のまわりに周縁構成として設けることができる。巻線は、巻枠内に設けられ中心箇所（芯線１１５が設置されるところ）に対し半径方向に遠くと近くの両方にそれぞれ配置された開口４０５、４１０に通すことができる。次いで、巻線１２５は、図３に示されるように、短絡端板またはフランジ３０５（図４には示さず）を通って出ることができる。
【００２８】
伝送ライン１１０内の電流分布はシータ方向で均一であるので（高周波位相の１つの特定の点において、中心導体上の短絡部に向かう電流、および外側導体上の短絡部から流れ去る電流）、方位角磁界は強さが均一である。短絡部が伝送ライン上に設けられ定在波が発生するシナリオにおいて、発生した定在波の１／４波長よりも短い長さを有する二次巻線では、その磁界の方向は一定であり、誘導電流（差動電圧）は位相が合っている。
【００２９】
さらなる説明はすべて、二次巻線の長さが、発生した定在波の１／４波長よりも実質的に短いと想定して行う。このような構成では、方位角磁界はほぼ位相が合っており、電力はより効率的に結合される。
【００３０】
図３の構成では、ツイストペアの両端部を用いて差動出力を発生させる。一代替的実施形態では、二次巻線の一方の端部を短絡部（ゼロ電圧点）に接続することができ、他方の端部が非平衡終端出力を与える。トランス内の交流巻線が短絡部に接続された場合、各交流（非平衡終端）線は位相が互いに１８０度ずれることになり、このようなシステムは、交流電極の交流電流（電圧）を駆動するのに使用することができる。
【００３１】
二次巻線の巻枠の機械的公差を制御することによって、電力分割平衡を制御できることに注意されたい。また、選択された巻線の長さを伝送ラインに沿って増やす（減らす）ことによって、これらの巻線中に結合されるわずかな電力を適切に増大または低減させることもできる。これは、例えば、縁部電極への電力結合を増大させることによってプラズマ縁部で生じる付加的なプラズマ損失期間を補償するために行われる。誘導磁界に変化をもたらすために用いることができるさらなる改変には、巻枠の誘電性および／または透磁性を変えること、または巻線を生成するために使用される配線の性質を変えることが含まれる。図１の構成では、伝送ライン１１６に対して静的に装着されたトランス１２０を示すが、別の構造では、摺動構成または他の装着構造を使用して、巻線と伝送ラインの間の重なり度合いを動的に変更できることを理解されたい。トランス１２０およびその装着された巻線を伝送ラインに対して移動させることによって、電力結合もまた変化することになり、このことを用いて必要な結合量を変えることができる。伝送ラインとの巻線の重なりを制御するための移動に作用する、モータ手段または他の適切な手段を設けることができる。
【００３２】
図１１ａ、１１ｂおよび１１ｃを参照すると、巻線長の変化、または一次伝送ラインに対する重なりの変化が、電極アレイに結合される電力に及ぼす影響が示されている。電極への電力供給の設定により電力を分割して、プラズマを発生するための３×４電極アレイを有する１２タイルシステムの中央の２つのタイルに行く電力を変更する。この構成では、６つの二次ループが設けられて１２のタイルを駆動する。ループの１つが２つの中央タイルに給電する。図１１ａは、「少なすぎる」電力が２つの中央電極に供給される場合を例示し、この場合二次ループはすべて同じ長さである。図１１ｂは、２つの中央電極に給電する巻線の長さが約３３％増加された構成をこの場合に用いることによって、「過度に」増大された電力が中央の２つの電極に供給される場合を例示し、図１１ｃは、中央の２つの電極用の二次巻線が他の５本の巻線よりも約２５％長い設定によって得られた電極での良好な電力均衡を例示する。本教示により提示される電力分割器を使用すると、この電力均衡を得るための各電極への効率的な電力の分割が可能になり、これによりプラズマシステムの堆積品質が有利に改善することを認識されたい。
【００３３】
巻線中に誘導される磁束は、一次的には通常、伝送ラインまわりの円形の幾何学的配置が不変であることを認識されたい。定常波の高電流の領域は、シータ方向の強磁界をもたらす。これは、その磁界と重なる巻線中に電圧を誘導するために用いることができる、制御の容易な幾何学的特性を与える。磁界が適正に同軸であるので、複数のＮ本の巻線を磁界内で互いに間隔をあけて配置することができ、それによって、伝送ラインから電力を取り込むことが可能な複数の電源ラインが得られる。これらの二次ラインは、伝送ラインの周囲に配置することができ、望ましくは巻枠上に半径方向に配置される。それぞれの巻線に対して同一の磁界であるので、巻線の物理的および電気的特性が同じ場合には、各巻線中に同じ電圧が誘導される。巻線の性質を選択的に変更することによって、発生される誘導電圧を変更することが可能である。
【００３４】
巻線の数は、電力供給する必要があるデバイスの数に対応するように選択されることが望ましい。このような構成には、プラズマチャンバ内の電極に電力を供給する特定の応用例がある。特に有利な応用例は、特許文献２および特許文献３を含む本発明者らの以前の出願に記載されているものなど、電極アレイに給電するための電力分割の用途にこのようなシステムを使用することであり、このような電力分割器を使用して実現される直流分離は特に有利である。
【００３５】
プラズマ源は通常、真空環境内で動作させることを理解されたい。図５は、そのような環境内で本教示の範囲内で実現されるような電力分割器をどのようにして有効に使うことができるかを概略的な形で示す。それぞれの二次巻線が、個々の入力を必要としうる個別の出力を真空チャンバに与えることを認識されたい。このような真空装置に複数の個々に封止されたポートを設けることは、これらのポートのいずれか１つでも漏洩した場合、真空状態が失われることになるという点で不利である。図５の構成では、電力分割器１１０が使用されて真空チャンバ５００に橋絡することで、このような問題が最小限にされる。図５に示されるように、分割器１１０の第１の部分５１０が真空チャンバ５００の外部に設けられ、第２の部分５２０が真空チャンバ５００の内部に設けられる。単一のアクセス箇所５３０が使用され、複数の個別出力部１２６が分割器により設けられるが、これらはアクセス箇所５３０の真空側で分割器を出て行き、したがって、真空チャンバに個別ポートを必要としない、アクセス箇所５３０は、当業者によく理解されているやり方で、例えば真空封止材を用いて封止することができる。
【００３６】
前述の電力分割器は、回路内に単独で設けることができ、または複数の分割器を集合的に使用することができる。図６は、複数の個別プラズマ電極６３０を備えるプラズマ源６２０に電力を供給するために、個別分割器６１０Ａ、６１０Ｂ、６１０Ｃと共に構成された複数の高周波電力源６５０Ａ、６５０Ｂ、６５０Ｃに共通基準６００をどのように結合できるかの一例を概略的な形で示す。図６の例示的な構成では、電極６３０は列をなして配置され、この例示的な図では３列が示されている。個々の列は、個別の電力分割器６６０Ａ、６６０Ｂ、６６０Ｃの１つに、列Ａが電力分割器Ａに、列Ｂが電力分割器Ｂに、列Ｃが電力分割器Ｃに結合される。それぞれの電源ラインＡ、Ｂ、Ｃは、個別の電極６３０の１つに独立して与えられる複数の個別出力を与える。それぞれの電力分割器を使用して、異なる位相の信号をプラズマ源６２０に供給することができる。分割器６１０Ａ、Ｂ、Ｃの出力の位相差が確実に所望の位相差になるように、例えば、結合ループに並列に設けられた小さなピックアップループの形のフィードバック信号ライン６４０を使用して、ｎ相（ｎは使用される分割器の数）のフィードバック信号を移相器６６０に供給することができる。
【００３７】
図７は、本教示による、低周波源７００が外被１１７に結合される別の構成を示す。前のように、同じ構成要素には同じ参照数字が使用される。高域通過フィルタＨＰＦ  ７１０が伝送ライン１１６と１１７の上に設けられる。前に説明した構成と同様に、二次巻線は伝送ラインから誘導信号を受け取り、二次巻線の例ではツイストペアに結合された高周波信号は、差動出力を与えるように構成することができる。この構成は、二次巻線１２５がまた、この構造では外被と、伝送ライン短絡部を介して内被とに容量結合され、低周波源７００によって供給される誘導低周波同相モード信号を受け取るという点で異なる。したがって二次巻線は、低周波同相モード信号と高周波信号の両方を受け取っている。高域通過フィルタの電力源側にシールドを設けることができ、高域通過フィルタはこのシールド領域内に設けられる。
【００３８】
二次巻線中に誘導される信号のレベルは、いくつかの完全体または要因で変わることを認識されたい。このような１つの要因は、二次巻線が上に設けられる巻枠の特質である。説明した例示的な構成では、巻枠の特質は、伝送ラインの長軸に沿って一定であり、また伝送ラインから外に外被に向かって半径方向にも及ぶと想定した。図８は、例えば巻枠の寸法、密度または比誘電率である材料の特性が、長軸に沿って傾斜した構成を示す。この構成では、巻枠は、二次巻線１２５の場所と一致する第１の部分１２８ａと、第１の部分の伝送ライン入力側に第２の部分１２８ｂとを有すると考えることができる。この第２の部分１２８ｂで使用される材料、またはその材料の完全性は、巻枠の場所と伝送ラインの間の差を傾斜させるように変えることができる。材料の完全性をどのように変えるかの一例は、この第２の部分１２８ｂの材料内に、その物理的特性を改変するように複数の孔または開口を設けることによるものである。このように傾斜させることによって、反射信号がこれらの信号の反射により生じて電力分割器内を巻枠の前縁と反対方向に伝搬する可能性を低減することが可能である。同様に、例えば巻枠の寸法、密度、または比誘電率である物理的特性もまた、伝送ライン１１６の長軸を横切って延びる半径方向軸に沿って変えることができる。傾斜の制御を半径方向に用いて、二次巻線と一次の内部芯線および外部シールドとの間の容量の制御に影響を及ぼすことができる。巻枠の傾斜を軸方向で制御することで、反射および位相速度を制御する。また上記のように伝送ラインが短絡される場合では、好ましい構成において巻枠は、発生される定在波の波長の１／４以下の寸法を有する。伝送ラインが開放端である場合では、好ましい構成において巻枠は、発生される定在波の波長の１／２以下の寸法を有する。
【００３９】
このような構成では、電力分割器は、単一の伝送ラインから複数の信号を発生させるために使用される。しかし、このシステムは、逆に結合器として使用することもでき、それによって、おそらく周波数が異なる複数の電力源を非平衡終端信号および／または差動信号の形式で単一の伝送ラインに結合することができ、この伝送ラインは、放送のためにアンテナに結合することができる。このような用途の例には、移動通信アンテナに信号を供給することが含まれ、この場合は、例えばパッチアンテナまたはマイクロストリップアンテナにおいて、位相がずれた複数の信号が伝送のために必要とされる。このような環境で電力分割器を使用することは知られているが、本教示の状況において実現される電力分割器がその能力により１つの入力信号を、それぞれがそれ自体の電力レベルを有するように構成できる任意の数ｎの二次出力信号に分割することを理解されたい。このような電力分割器はまた、個々のループとその対応するアンテナ素子との間の位相遅れを変更することによって、アンテナを操作する目的にも使用することができる。
【００４０】
本明細書の教示により実現される電力結合器は、広帯域の信号が必要とされるあらゆる環境に用途があると考えることができる。このような電力結合器を使用することによって、例えば、多デッキ増幅器が単一の高出力源に結び付けられる広帯域高周波増幅器を実現することが可能である。共通の低電力源からの個々の信号内の同一の周波数で動作可能な、複数の利得デバイスを駆動し、次に、本教示による結合器を使用してこれらのデバイスの出力を結合することによって、このようなデバイスの出力部に高出力源を得ることが可能である。このデバイスは、入力信号が伝送ライン中に誘導結合されるので、個々のラインの間の不整合に対して寛容性がある。電力結合器では、個々の二次巻線は、方位角磁界を発生して電力を伝送ライン中に結合する。実際上は各ループまたは巻線による磁界が加わり、生成される総方位角磁界は、個々の寄与の合計になる。図９は、このような電力結合器の一例を示し、単一の低電力周波数源９００が複数ｎ個の、それぞれが同一の周波数で動作する別々の利得デバイス９１０  Ｇ1、Ｇ2、Ｇnに結合され、これらは次に、電力結合器９２０を使用して一緒に結合されて、高電力出力部９３０を形成する。この図では同調スタブが設けられていないが、これらは用途に応じて必要とされることもされないこともあることを理解されたい。
【００４１】
これまで、複数の二次巻線からの電力／信号を伝送ライン上に、またはその逆に結合することを行うデバイスの動作を、どちらかの代替的実施形態を参照して説明してきたが、本教示によるデバイスを使用して、２つ以上の個別信号が伝送ライン上に結び付けられてから再び分割されて２つ以上の出力線の給電が行われる複合結合分割器を実現できることを理解されたい。図１０は、図９の電力結合器に基づくこのような構成１０００の一例を示す。図９で形成されたような単一の出力部を形成するのとは対照的に、この構成では、第２の巻枠１０２０が、入力端部で二次巻線を支持する巻枠の端部とは反対側の伝送ライン１１６の端部に設けられる。この第２の巻枠１０２０は、第２の組の二次巻線を支持し、これらの巻線は、伝送ライン１１６の方位角磁界内にあり、第１の端部で誘導された電力をデバイスの中から外へ、複数の個別出力部１０１０（ｏ／ｐ１、ｏ／ｐ２、ｏ／ｐ３、ｏ／ｐ４）に結合する。この図では同調スタブが設けられていないが、これらは用途に応じて必要とされることもされないこともあることを理解されたい。
【００４２】
さらに、好ましい一実施形態では、電力結合器は、各入力ループが非常に狭い帯域幅に同調されるように構成され、その結果、別々のループが別々の周波数で、他の入力ループと相互に影響し合うことなく動作できるようになる。このようにして、いくつかの周波数を単一の伝送ライン中に結合することができる。入力ループは、入力線対の間にコンデンサを追加することによって、ｗ2＝１／（Ｌ×Ｃ）の直列Ｌ−Ｃ共振器を形成して同調させることができる。ここでｗは共振器の角周波数、Ｌは入力ループのインダクタンス、Ｃは入力線対の両端間のコンデンサである。浮遊容量および浮遊インダクタンスにより実際の共振周波数がずれる可能性があることは、当業者には認識されよう。可変コンデンサを使用することで共振周波数を現場で同調させることが可能になる。当業者には分かるように、電力分割器の外部にフィルタを追加することを含め、いくつかの構成要素を使用して狭い共振に影響を及ぼすことができる。このようにしていくつかの周波数を単一の伝送ライン中に結合することができる。このような応用例は、個別のチャネルに個別の周波数が付随する、このような複数の周波数の放送を行うことの要求があるテレビおよびラジオの放送システムでは特に有利である。
【００４３】
本教示を何ら限定するものではないが、本明細書の電力分割器は、プラズマ発生用の電極電力源としての用途でいくつかの利点を有することを認識されたい。この構成は、例えば８０から４００ＭＨｚ程度の動作範囲を有する実に広帯域の電力源を実現する。従来技術では、単一の周波数で電極に電力を結合する専用結合モジュールと共に使用するための、単一周波数分割器が提供されたことが多く、このような構成では複数の周波数に対応することができなかった。別の周波数が印加されるべき場合には、さらなる専用電源モジュールが必要とされた。本構成では、広帯域電力源を実現することによって、プラズマの発生およびその制御において優れた融通性が得られる。別々の周波数で動作させるプラズマ源は、別々の処理ステップに対して、例えば集積回路の製造時の別々のステップに対して、最適化できることが知られている。以前は、別々の周波数で動作させる別々のチャンバで、別々のレベルの処理ステップ最適化を達成していた。そのため、別々のチャンバが別々の処理ステップのために選択された。より多くの処理を単一のチャンバ内で実施することができるように、複数の離散的な周波数を用いるチャンバが開発された。広帯域システムを使用すると、個々の処理を最適化する周波数で各処理を実行することができ、複数の処理を単一のチャンバ内で実行することができる。
【００４４】
加えて、この電力分割器は、別々の出力ポートの間に高度の分離を施し、これにより、１つの結合ループの負荷インピーダンスの変化が他の結合ループへの電力分配を生み出さないので、プラズマ源への応用の際に安定性の向上がもたらされる。
【００４５】
したがって、本発明を例示的な諸実施形態を参照して説明したが、１つの図を参照して説明した特定の構成要素または構造は、妥当な場合には、他の図の構造と共に同様に使用できることを理解されたい。本発明の趣旨または範囲から逸脱することなく修正または改変を行うことができ、また行われることがあるので、本発明のこれらの実施態様例についてのいかなる説明も本発明を何ら限定するものではない。添付の特許請求の範囲に照らして必要とみなされうる場合を除き、本発明は何ら限定されないことを理解されたい。
【００４６】
含む／含んでいるという語は、本明細書で用いられる場合、述べられた特徴、完全体、ステップ、または構成要素の存在を明示することになるが、１つまたは複数の他の特徴、完全体、ステップ、構成要素、またはこれらの群の存在または追加を排除しない。
【図１】
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【図２Ａ】
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【図２Ｂ】
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【図２Ｃ】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１２】
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【図１１】
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