(57)【要約】  マイクロ波放射を透過させるためのマイクロ波窓１０は固形体１２とフランジ１８とを含む。固形体１２は、第１の方向でお互いに離間される第１面１４と第２面１６とを含み、これにより第１の方向における前記固形体の厚さがを規定される。フランジ１８は、第１の方向と直交する第２の方向でフランジ内に固形体の周辺部位が長さを延伸させるように固形体１２の周囲に配設される。マイクロ波窓１０によるマイクロ波放射の反射率が最小値で反射率の約１０倍以下になるように厚さおよび長さが選択される。
2007531237.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
マイクロ波放射を透過させるためのマイクロ波窓であって、
固形体であって、第１の方向でお互いに離間される第１面と第２面とを含み、これにより前記第１の方向における前記固形体の厚さが規定される固形体と、
前記第１の方向と直交する第２の方向でフランジ内に前記固形体の周辺部位が長さを延伸させるように前記固形体の周囲に配設された前記フランジと
を備え、
前記マイクロ波窓によるマイクロ波放射の反射率が最小値での反射率の約１０倍以下になるように前記厚さおよび前記長さが選択されることを特徴とするマイクロ波窓。
【請求項２】
請求項１に記載のマイクロ波窓であって、前記厚さがｎλ／２に等しく、ここでｎは整数であり、λはマイクロ波放射の波長であることを特徴とするマイクロ波窓。
【請求項３】
請求項１に記載のマイクロ波窓であって、前記長さがｍλ／２に等しく、ここでｍは整数であり、λはマイクロ波放射の波長であることを特徴とするマイクロ波窓。
【請求項４】
請求項１に記載のマイクロ波窓であって、前記フランジが、前記固形体を構造体に設けるように適応されていることを特徴とするマイクロ波窓。
【請求項５】
請求項４に記載のマイクロ波窓であって、前記構造体がマイクロ波導波管の壁であることを特徴とするマイクロ波窓。
【請求項６】
請求項４に記載のマイクロ波窓であって、前記構造体がプロセスチャンバの壁であることを特徴とするマイクロ波窓。
【請求項７】
請求項１に記載のマイクロ波窓であって、前記固形体が誘電体材料を含むことを特徴とするマイクロ波窓。
【請求項８】
請求項７に記載のマイクロ波窓であって、前記誘電体材料が、アルミナおよび窒化アルミニウムからなる群のうちの１つあるいはその両方から選択されることを特徴とするマイクロ波窓。
【請求項９】
請求項１に記載のマイクロ波窓であって、前記固形体が水晶を含むことを特徴とするマイクロ波窓。
【請求項１０】
請求項１に記載のマイクロ波窓であって、前記固形体が窒化珪素を含むことを特徴とするマイクロ波窓。
【請求項１１】
請求項１に記載のマイクロ波窓であって、前記固形体がフッ素ポリマーを含むことを特徴とするマイクロ波窓。
【請求項１２】
請求項１に記載のマイクロ波窓であって、前記固形体が、前記マイクロ波窓の複数部分を隔て、各部分は異なる圧力で保持されることを特徴とするマイクロ波窓。
【請求項１３】
請求項１に記載のマイクロ波窓であって、前記固形体が前記マイクロ波放射の波長λで実質的に透明であることを特徴とするマイクロ波窓。
【請求項１４】
請求項１に記載のマイクロ波窓であって、前記第１の方向が前記マイクロ波放射の伝播方向であることを特徴とするマイクロ波窓。
【請求項１５】
請求項１に記載のマイクロ波窓であって、前記フランジ内に延伸する前記固形体の前記周辺部位が、前記フランジで少なくとも部分的に規定されるキャビティで囲まれることを特徴とするマイクロ波窓。
【請求項１６】
請求項１５に記載のマイクロ波窓であって、前記キャビティが前記第１の方向で第１の寸法をもち、前記第２の方向で第２の寸法をもつことを特徴とするマイクロ波窓。
【請求項１７】
請求項１６に記載のマイクロ波窓であって、前記固形体を横断するマイクロ波放射の反射が実質的に最小限に抑えられるように前記第１の寸法および前記第２の寸法が選択されることを特徴とするマイクロ波窓。
【請求項１８】
請求項１７に記載のマイクロ波窓であって、前記第１の寸法がｎλ／２に等しく、前記第２の寸法がｍλ／２に等しく、ここでｎおよびｍが整数であり、λが前記マイクロ波放射の波長であることを特徴とするマイクロ波窓。
【請求項１９】
請求項１に記載のマイクロ波窓であって、前記フランジが流体キャビティを含むことを特徴とするマイクロ波窓。
【請求項２０】
請求項１９に記載のマイクロ波窓であって、前記流体キャビティが入口と出口とを含むことを特徴とするマイクロ波窓。
【請求項２１】
請求項２０に記載のマイクロ波窓であって、流体が前記入口から入り、前記出口から出ることを特徴とするマイクロ波窓。
【請求項２２】
請求項２１に記載のマイクロ波窓であって、前記流体が前記固形体を所望の温度範囲に維持することを特徴とするマイクロ波窓。
【請求項２３】
請求項４に記載のマイクロ波窓であって、前記フランジにより前記構造体にマイクロ波導波管を取り付けることを特徴とするマイクロ波窓。
【請求項２４】
請求項２３に記載のマイクロ波窓であって、前記導波管が前記フランジと一体的に形成されることを特徴とするマイクロ波窓。
【請求項２５】
請求項４に記載のマイクロ波窓であって、前記フランジを前記構造体に固着するための１つ以上の取付装置をさらに備えるマイクロ波窓。
【請求項２６】
請求項２５に記載のマイクロ波窓であって、前記取付装置がボルトまたはねじであることを特徴とするマイクロ波窓。
【請求項２７】
請求項２５に記載のマイクロ波窓であって、前記取付装置が締付環であることを特徴とするマイクロ波窓。
【請求項２８】
請求項４に記載のマイクロ波窓であって、前記フランジが、前記構造体に前記固形体をシールするように構成された第１のシール部材と、前記フランジに前記固形体をシールするように構成された第２のシール部材とを備えることを特徴とするマイクロ波窓。
【請求項２９】
請求項２８に記載のマイクロ波窓であって、前記第１のシール部材と前記第２のシール部材とのうちの少なくとも１つがＯリングであることを特徴とするマイクロ波窓。
【請求項３０】
請求項２８に記載のマイクロ波窓であって、前記第１のシール部材と前記第２のシール部材とのうちの少なくとも１つが平形ガスケットであることを特徴とするマイクロ波窓。
【請求項３１】
請求項１に記載のマイクロ波窓であって、前記固形体が円形断面を有することを特徴とするマイクロ波窓。
【請求項３２】
請求項１に記載のマイクロ波窓であって、前記固形体が多角形断面を有することを特徴とするマイクロ波窓。
【請求項３３】
請求項１に記載のマイクロ波窓であって、前記マイクロ波窓によるマイクロ波放射の反射率が最小値での反射率の約５倍以下であることを特徴とするマイクロ波窓。
【請求項３４】
請求項１に記載のマイクロ波窓であって、前記マイクロ波窓によるマイクロ波放射の反射率が最小値での反射率の約２倍以下であることを特徴とするマイクロ波窓。
【請求項３５】
マイクロ波放射を透過させるためのマイクロ波窓であって、
固形体であって、第１の方向でお互いに離間される第１面と第２面とを含み、これにより前記第１の方向における前記固形体の厚さが規定される固形体と、
固形体の周辺部位が第１の方向でフランジ内に第１の長さを延伸させ、前記第１の方向と直交する第２の方向で第２の長さを延伸させるように前記固形体の周囲に配設された前記フランジと
を備え、
前記マイクロ波窓によるマイクロ波放射の反射率が最小値での反射率の約１０倍以下になるように前記第１の長さ、前記第２の長さおよび前記厚さが選択されることを特徴とするマイクロ波窓。
【請求項３６】
請求項３５に記載のマイクロ波窓であって、前記フランジが、前記固形体をプロセスチャンバの壁に取り付けるように適応されていることを特徴とするマイクロ波窓。
【請求項３７】
請求項３６に記載のマイクロ波窓であって、前記プロセスチャンバがプラズマを収納するように構成されることを特徴とするマイクロ波窓。
【請求項３８】
請求項３７に記載のマイクロ波窓であって、前記第１の長さおよび前記第２の長さが前記マイクロ波放射の波長の半分の整数倍に等しく、前記窓からのマイクロ波反射が前記プラズマの存在下で最小限に抑えられるように前記厚さが選択されることを特徴とするマイクロ波窓。
【請求項３９】
請求項３５に記載のマイクロ波窓であって、前記マイクロ波窓によるマイクロ波放射の反射率が最小値での反射率の約５倍以下であることを特徴とするマイクロ波窓。
【請求項４０】
請求項３５に記載のマイクロ波窓であって、前記マイクロ波窓によるマイクロ波放射の反射率が最小値での反射率の約２倍以下であることを特徴とするマイクロ波窓。
【請求項４１】
プラズマ反応装置であって、
プラズマを収納するように適応されたプロセスチャンバと、
前記プロセスチャンバに取り付けられたマイクロ波窓アセンブリであって、前記マイクロ波窓が、
固形体であって、第１の方向でお互いに離間される第１面と第２面とを含み、これにより前記第１の方向における前記固形体の厚さが規定される固形体と、
固形体の周辺部位が第１の方向でフランジ内に第１の長さを延伸させ、前記第１の方向と直交する第２の方向で第２の長さを延伸させるように前記固形体の周囲に配設された前記フランジであって、前記フランジが前記固形体を前記プロセスチャンバの壁に取り付けるように適応されている前記フランジと
を備えるマイクロ波窓と
を備え、
前記マイクロ波窓によるマイクロ波放射の反射率が最小値での反射率の約１０倍以下になるように前記第１の長さ、前記第２の長さおよび前記厚さが選択されることを特徴とするプラズマ反応装置。
【請求項４２】
請求項４１に記載のプラズマ反応装置であって、前記第１の長さおよび前記第２の長さがマイクロ波放射の波長の半分の整数倍に等しく、前記窓からのマイクロ波反射が前記プラズマの存在下で最小限に抑えられるように前記厚さが選択されることを特徴とするプラズマ反応装置。
【請求項４３】
請求項４１に記載のプラズマ反応装置であって、前記マイクロ波窓によるマイクロ波放射の反射率が最小値での反射率の約５倍以下であることを特徴とするプラズマ反応装置。
【請求項４４】
請求項４１に記載のプラズマ反応装置であって、前記マイクロ波窓によるマイクロ波放射の反射率が最小値での反射率の約２倍以下であることを特徴とするプラズマ反応装置。
【請求項４５】
窓によるマイクロ波放射の反射を最小限に抑えるために窓の寸法を最適化するための方法であって、この窓が、固形体であって、第１の方向でお互いに離間される第１面と第２面とを含み、これにより前記第１の方向における前記固形体の厚さが規定される固形体と、固形体の周辺部位が第１の方向でフランジ内に第１の長さを延伸させ、前記第１の方向と直交する第２の方向で第２の長さを延伸させるように前記固形体の周囲に配設された前記フランジとを備え、前記窓がプラズマを収納するチャンバの壁に取り付けられ、
この方法が、
プラズマの吸収効果を考慮して前記第１の方向で固形体のさまざまな厚さでマイクロ波放射透過のマイクロ波のシミュレーションを実行するステップと、
所望のマイクロ波周波数でのマイクロ波放射の反射率が最小値での反射率の１０倍以下となる前記固形体の厚さを決定するステップと
を含む方法。
【請求項４６】
請求項４５に記載の寸法を最適化するための方法であって、前記マイクロ波窓によるマイクロ波放射の反射率が最小値での反射率の約５倍以下であることを特徴とする方法。
【請求項４７】
請求項４５に記載の寸法を最適化するための方法であって、前記マイクロ波窓によるマイクロ波放射の反射率が最小値での反射率の約２倍以下であることを特徴とする方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本ＰＣＴ明細書は、２００４年３月３１日に出願された米国特許非仮出願第１０／８１３０７５号に基づき、同出願に対する優先権に依存するが、同出願の全内容はここでは引用によって取り込まれている。
【０００２】
本発明は、一般にマイクロ波システム、特に、低反射マイクロ波窓およびマイクロ波窓でのマイクロ波反射を最小限に抑えるための方法に関する。
【背景技術】
【０００３】
マイクロ波導波管システムおよびマイクロ波プラズマ処理システムといったマイクロ波システムではシステムの部分を隔離するために窓を用いる場合がある。プラズマ処理システムでは、例えば、プラズマポンプ内のように処理ガスをポンプで汲み出すために、および／またはマイクロ波プラズマ診断への利用を可能にするために、電子サイクロトロン共鳴（ＥＣＲ：Ｅｌｅｃｔｒｏｎ  Ｃｙｃｌｏｔｒｏｎ  Ｒｅｓｏｎａｎｃｅ）システム内のようにプラズマの生成にマイクロ波エネルギーを用いることができる。これらのプラズマ処理システムでは、高真空になりうる処理チャンバを、大気圧になりうる入射マイクロ波導波管から分離するためにマイクロ波窓が用いられる。
【０００４】
プラズマ処理システムでは、マイクロ波エネルギーがプロセスチャンバに供給される場所でプロセスチャンバの壁にマイクロ波窓が設置される。マイクロ波窓は通常、アルミナ（Ａｌ２Ｏ３）、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）、四フッ化ポリエチレン（ＰＴＦＥ：テフロン（登録商標）といったセラミック誘電体材料でできている。
【発明の開示】
【課題を解決するための手段】
【０００５】
本発明の一態様は、マイクロ波放射を透過させるためのマイクロ波窓を提供することである。マイクロ波窓は固形体とフランジとを含む。固形体は、第１の方向でお互いに離間さる第１面と第２面とを含み、これにより第１の方向における固形体の厚さが規定される。フランジは、第１の方向と直交する第２の方向でフランジ内に前記固形体の周辺部位が長さを延伸させるように固形体の周囲に配設される。マイクロ波窓によるマイクロ波放射の反射率が最小値で反射率の約１０倍以下になるように厚さおよび長さが選択される。
【０００６】
本発明の他の態様は、窓によりマイクロ波放射の反射を最小限に抑えるために窓の寸法を最適化するための方法を提供することである。窓は固形体とフランジとを含む。固形体は、第１の方向でお互いに離間される第１面と第２面とを含み、これにより第１の方向における固形体の厚さが規定される。フランジは、固形体の周辺部位が第１の方向でフランジ内に第１の長さを延伸させ、第１の方向と直交する第２の方向で第２の長さを延伸させるように固形体の周囲に配設される。窓はプラズマを収納するチャンバの壁に取り付けられる。この方法は、プラズマの吸収効果を考慮して前記固形体のさまざまな厚さでマイクロ波放射透過のマイクロ波のシミュレーションを実行するステップと、窓における所望のマイクロ波周波数でのマイクロ波放射の反射率が最小値での反射率の１０倍以下となる固形体の厚さを決定するステップとを含む。
【０００７】
本発明の詳細な説明は、添付図面を参照しながら以下で示される。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００８】
図１は、本発明の実施形態によるマイクロ波放射を透過させるためのマイクロ波窓１０を示す。マイクロ波窓１０は固形体１２を備える。固形体１２は、第１の方向でお互いに離間される第１面１４と第２面１６とを含み、これにより第１の方向における固形体材料１２の厚さｔｆが規定される。第１の方向は、（図１において矢印で示された）マイクロ波放射の伝播方向、またはマイクロ波放射の伝播方向と反対方向（例えば、矢印の反対方向）に対応する。
【０００９】
マイクロ波窓１０はまた、フランジ１８を備える。フランジ１８は、第１の方向と直交する第２の方向でフランジ１８および／または構造体２４内に固形体１２の周辺部位２０が長さｗｔを延伸させるように固形体１２の周囲に配設される。フランジ１８は固形体１２を導波管２２に取り付けるために用いられる。導波管２２はフランジ１８と一体的に形成できる。フランジ１８はまた、固形体１２を構造体２４に固定するか、および／またはシールするために用いられるが、マイクロ波導波管もしくはプラズマ処理チャンバ、またはマイクロ波エネルギーが結合される何らかの他の装置に接続されるか、もしくはこれと一体の他のフランジであってもよい。導波管２２は、マイクロ波放射が、固形体１２を横断して固形体１２の反対側の容積２５内に行くよう導くものである。
【００１０】
固形体１２を用いればシステムの異なる部分を隔離するとともに、システムの選択された部分にマイクロ波放射を供給することができる。例えば、固形体１２の１つの側のマイクロ波導波管２２の１つの部位あるいは複数の部位を加圧するか、または周囲圧力にする一方で、固形体１２の他の側にある容積２５のような他の部位を真空下におくこともできる。ガスが容積２５の真空下の部位に入り込むことを防ぐためには、シール部材を含むフランジ１８と結合する固形体１２を用いて真空下の部位を隔離する。このように固形体１２は２つの部位を隔離する一方で、例えば、マイクロ波導波管２２から容積２５の真空下の部位までマイクロ波エネルギーが伝播できるようにする。
【００１１】
固形体１２の周囲部位２０が第１の方向と直交する第２方向でフランジ１８内に長さｗｆを延伸しているため、固形体１２の部位２０の周りにはキャビティ２１が形成されている。キャビティ２１は、フランジ１８により一方の側が限定され、構造体２４により他方の側が限定される。キャビティ２１はマイクロ波放射の伝播方向に寸法ｔｆをもつ。寸法ｔｆは固形体１２の厚さで規定される。キャビティ２１はマイクロ波放射の伝播方向と直交する方向に寸法ｗｆをもつ。寸法ｗｆは、固形体１２の周辺部位２０がフランジ１８および／または構造体２４内に延伸する範囲によって規定される。
【００１２】
固形体１２の断面寸法は導波管２２の断面寸法よりも大きい。しかしながら、このような固形体１２がフランジ１８または構造体２４に取り付けられると、固形体１２の周辺部位がフランジ１８または構造体２４内に挿入されることから、固形体１２を通るマイクロ波放射の透過に影響が出る。導波管寸法のこの階段状変化により導波管のインピーダンス特性が変化し、この結果、マイクロ波エネルギーに対する反射点が生成されうる。同様に、導波管の断面寸法が前の値に戻る点で（すなわち面１６で）、他の反射点が生成される。
【００１３】
キャビティ２１周りの段付導波管による反射を減らすためには、フランジ１８および／または構造体２４内に延伸する固形体１２の部位２０が、マイクロ波放射の可能な反射を最小限に抑えることのできる寸法をもつよう構成される。
【００１４】
実際には、マイクロ波放射が固形体１２を横断する際に、マイクロ波が固形体１２の部位２０で形成されたキャビティ２１内に伝播する。これにより、波がキャビティ２１を限定する壁から潜在的に反射される結果になる可能性がある。キャビティ２１を形成する壁は、フランジ１８の壁および／または構造体２４の壁を含む。キャビティ２１またはキャビティ２１のエッジ内ではマイクロ波の反射により定在波が形成される場合がある。定在波は、例えば、反射波がマイクロ波発信源に送り返される場合に形成される。これによりマイクロ波放射の伝送の透過効率が低下するだけでなく、マイクロ波発信源または（図示されていない）その構成要素の一部に損傷を与えうるさらに深刻な問題を引き起こすことがある。さらに、プラズマが容積２５内に発生すると、マイクロ波発信源周波数の高周波周波数といったプラズマにより放出されるマイクロ波放射が固形体１２に向けて図１で示される矢印の方向と反対の方向に送られることがある。（図示されていない）検出器は、例えば、プラズマから放出される高周波マイクロ波放射、あるいはプラズママイクロ波診断でよくあるように、他の同様の窓を通して外部の発信源からのプラズマと結合された放射を検出するために導波管２２の端部で固形体１２の反対側に配設できる。この検出器は、例えば容積２５内のプラズマの特性を監視するために用いることができる。この場合についても、反射がキャビティ２１内またはキャビティ２１のエッジで生じるため、検出器に届くマイクロ波放射の強度を減少させる可能性がある。検出器に届くマイクロ波放射の減衰により、検出器によるマイクロ波放射強度の測定値がひずむ可能性がある。
【００１５】
キャビティ２１内での反射を減らすために、固形体１２を横断するマイクロ波放射には導波管２２側から容積２５の固形体１２の他の側までの経路に沿ってキャビティ２１が「見えない」ようにキャビティ１２の寸法が選択される。特に、マイクロ波放射の伝播方向におけるキャビティ２１の寸法ｔｆがｎλ／２と等しくなるように選択され、マイクロ波放射の伝播方向と直交する方向における寸法ｗｆがｍλ／２と等しくなるように選択される。因子ｍおよびｎは整数であり、λは固形体１２中のマイクロ波放射の波長である。整数ｎおよびｍは等しくすることもできるし、あるいはお互いに異なるようにすることもできる。
【００１６】
これは、無線周波数物理において、導波管における１つの点（第１の点）における電波インピーダンスが導波管における他の点（第２の点）におけるインピーダンスに変換できる事実からみれば理解することができる。第１の点および第２の点が無線周波数エネルギーの半波長の整数分だけ離間されていれば、第１の点におけるインピーダンスと第２の点におけるインピーダンスとは同一である。例えば、第１の点が固形体１２の表面１４におかれ、第２の点が固形体１２の表面１６におかれる場合、第１の点と第２の点において同一の無線インピーダンスを得るために、表面１４と１６との間の距離、すなわち材料１２の本体の厚さｔｆは実質的にｎλ／２と等しくなる必要がある。この場合、表面１４に達するマイクロ波放射は、理論上、正確に同一の波動インピーダンスで表面１６に到達し、このため反射による出力損失はない。しかしながら、中間内部導波管２２（例えば、空気）の屈折率と特定の放射波長における固形体１２材料の屈折率との間の差に固有の反射損失は不可避であるが、後に示すとおり、特定周波数においてこれを減少させることができる。
【００１７】
同様に、第１の点がキャビティ２１の壁２６におかれ、第２の点が導波管２２の壁から材料１２の本体内への継続に対応する仮想壁２７におかれると、第１の点と第２の点において同一の波動インピーダンスを得るために、壁２６と仮想壁２７との間の距離、すなわち材料１２の固形体部位２０がフランジ１８および／または構造体２４内に延伸する範囲は実質的にｍλ／２と等しくなる必要がある。壁２６におけるインピーダンスと仮想壁２７におけるインピーダンスとが等しい場合、延長方向と直交する方向で移動する波が、壁２６と等価な壁として仮想壁を「見る」ことになる。これは、延在距離ｗｆがｍλ／２と等しい場合に壁２６におけるインピーダンスが仮想壁２７におけるインピーダンスと等しいという事実による。結果として、波は固形体１２を通って伝播し、キャビティ２１の大きな影響を受けることなく仮想壁２７で誘導されるように固形体１２を横断する。言い換えると、フランジ１８および／または構造体２４内に延伸する固形体１２の部位２０がほとんどないように仮想壁２７が導波管２２を機能させる。従って、フランジ１８の段構造により起こりうるどの反射も際立って減少する。
【００１８】
固形体１２は、例えば、アルミナおよび窒化アルミニウムのような誘電体材料から選択できるが、これらに限定されるものではない。材料の固形体はまた、水晶、窒化シリコン、あるいは四フッ化ポリエチレン（ＰＴＦＥ：テフロン（登録商標））等から作製可能である。固形体１２用の特定材料の選択は、用いるマイクロ波放射の波長とともに、マイクロ波放射の意図する適用に依存するものと思われる。一般に、固形体１２の材料は、用いるマイクロ波放射波長で実質的に透明になるであろう。さらに、マイクロ波放射がプラズマプロセスで用いられる場合、固形体１２の材料は、プラズマプロセスの化学的性質に対して高耐性をもたらすようにプラズマプロセスの化学的性質に応じて選択される。
【００１９】
導波管２２の壁および／または構造体２４の壁は、アルミニウム合金あるいは鋼材のような金属から選択できる。固形体１２と同様に、プラズマプロセスでプラズマを生成するためにマイクロ波放射が用いられる場合、構造体２４の材料はプラズマプロセスの化学的性質に応じて選択できる。
【００２０】
固形体１２の断面は、円形あるいは多角形といった何らかの適当な形状をもつことができる。同様に、導波管２２は、円形あるいは多角形といった何らかの適当な形状をもつことができる。
【００２１】
フランジ１８は流体キャビティ３０を備える。流体キャビティ３０は流体入口３２と流体出口３４とを含む。冷却流体は流体入口３２を通して入り、流体出口３４を通して排出される。流体キャビティ３０は、固形体１２、さらに一般的には窓アセンブリ１０全体を冷却するために冷却流体で満たされる。これにより固形体１２および全窓アセンブリ１０を所望の温度範囲に維持することが可能になる。実際には、容積２５がプラズマプロセスを含むプラズマチャンバで規定される容積である場合、固形体１２はプラズマにより生成される熱流束を受ける。プラズマで生成される熱流束により固形体１２が損傷を受けないように、流体キャビティ３０を備える冷却システムが提供される。冷却システムは上で説明した様式でフランジ１８と一体化するか、あるいは、例えば、固形体１２近辺の周りまたはその中でらせん状に巻かれたＳ字形状でフランジ１８から分離して提供することができる。構造体の寸法上可能であれば、冷却チャネル１８も構造体２４に埋め込むことができる。
【００２２】
キャビティ２１の左右側で固形体１２をフランジ１８の壁および構造体２４の壁にシールするために固形体１２の各側にシール４０および４２を設ける。シール対４０および４２が図１で示されているものの、１つのシールを用いて真空気密窓で維持することもできる。シール４０および４２は、例えば、Ｏリングあるいは平形ガスケットが可能である。Ｏリングおよび平形ガスケットの材料は、構造体２４およびフランジ１８の材料と、固形体１２が受ける熱負荷とに応じて選択できる。シールはまた、容積２５における化学的性質と共存できなければならない。シール４２は固形体１２を構造体２４にシールし、シール４０は固形体１２をフランジ１８にシールする。
【００２３】
フランジ１８は１つ以上の取付装置４４により構造体２４に固定される。取付装置４４は締付環、ボルト、ねじ等の従来型取付装置が可能である。取付装置４４はこのように固形体１２を構造体２４およびフランジ１８の壁に保持する。
【００２４】
ここで図２を参照すると、本発明の他の実施形態によるマイクロ波放射を透過させるためのマイクロ波窓５０が示される。上で説明したマイクロ波窓１０と同様に、マイクロ波窓５０はまた固形体５２を備える。固形体５２は、第１の方向でお互いに離間される第１面５４と第２面５６とを含み、これにより第１の方向における固形体の材料５２の厚さｔｗが規定される。第１の方向はマイクロ波放射の伝播方向に対応する。マイクロ波放射の伝播方向は図２において矢印で示されている。これは例えば、マイクロ波放射の発信源を用いて固形体５２の１つの側から固形体５２の反対側に放射を送る場合である。その他の場合、マイクロ波放射の伝播方向は図２で示した矢印と反対向きも可能である。この後者の場合、プラズマは固形体５２の１つの側におけるマイクロ波発信源の役割をはたし、検出器はプラズマにより放出される放射を監視するために反対側に配設できる。同様に、マイクロ波プラズマ診断システムでもマイクロ波放射の伝播方向がプラズマから外方向になり、マイクロ波エネルギーは外部マイクロ波発信源から他の同様な窓をとおしてプラズマ内に結合される。
【００２５】
図２で示された実施形態のマイクロ波窓もフランジ５８を備える。フランジ５８および構造体６４は、第１の方向と直交する第２の方向でフランジ５８および／または構造体６４内に固形体５２の周辺部位６０が長さｗｆを延伸させるように固形体の材料５２の周囲に配設される。フランジ５８は、マイクロ波放射が固形体の材料５２を横断して反対側の容積６５内に行くようにマイクロ波放射を導くために、固形体材料５２の１つの側に導波管６２を取り付ける際に用いられる。フランジ５８はまた、固形体５２を構造体６４に締め付けるか、および／またはシールするために用いられる。
【００２６】
図１で示された実施形態と同様に、固形体５２は、システムの複数部分を隔てる一方でマイクロ波放射をこれらの隔離部分間に送ることができるようにするために用いられる。例えば、固形体５２の１つの側のマイクロ波導波管６２の１つの部位あるいは複数の部位が加圧される一方で、固体５２の他の側にある容積６５のような他の部位は真空下におくこともできる。ガスがマイクロ波導波管６２の加圧部位から容積５４の真空下の部位に漏れないようにするため、固形体５２およびフランジ５８を用いて真空下の部位から加圧部位を隔離する。このように固形体５２は、２つの部位を隔離する一方で、例えば、加圧部位またはマイクロ波導波管６２から容積６４の真空下の部位までマイクロ波エネルギーを伝播できるようにする通路をもたらす。
【００２７】
固形体５２の周辺部位６０が第１の方向と直交する第２方向でフランジ１８および／または構造体６４内に長さｗｆを延伸しているため、固体５２の部位６０の周りにはキャビティ６１が形成されている。キャビティ６１は、フランジ５８により一方の側が限定され、構造体６４により他方の側が限定される。キャビティ６１はマイクロ波放射の伝播方向に寸法ｔｆをもつ。寸法ｔｆは固形体５２の部位６０の厚さで規定される。キャビティ６１はマイクロ波放射の伝播方向と直交する方向に寸法ｗｆをもつ。寸法ｗｆは、固体１２の周辺部位６０がフランジ５８および／または構造体６４内に延伸する範囲によって規定される。
【００２８】
マイクロ波窓１０と同様に、キャビティ６１により生じるマイクロ波放射の反射は、寸法ｔｆおよびｗｆがマイクロ波放射の半波長の整数倍と等しくなるように選択することで最小限に抑えられる。このように、固形体５２を横切るマイクロ波放射には、導波管６２から容積６５までの伝播経路でキャビティ６１が「見え」ない。
【００２９】
しかしながら、プラズマプロセスがマイクロ波窓１０の容積２５またはマイクロ波窓５０の容積６５内で行われる場合、固形体１２または固形体５２の厚さは、プラズマのインピーダンス、プラズマによるマイクロ波エネルギーの吸収を考慮して調節または選択可能である、あるいは構造体２４または６４のインピーダンスが導波管２２または６２のインピーダンスと異なる場合には、構造体２４または６４の側の異なるインピーダンスに調節される。
【００３０】
例えば、マイクロ波窓１０において、反射を最小限に抑える設計を行うために最も変動を受ける可能性のある固形体の寸法の厚さはｔｆである。厚さｔｆは、容積２５内にプラズマの存在に合わせて修正するために変更できる一方、マイクロ波窓１０の寸法ｗｆは一定であり、マイクロ波放射の波長の半分の整数倍に等しくなるよう維持できる。マイクロ波窓１０の固形体１２の厚さｔｆは、例えば、表面１４または１６のうちの１つを機械加工することで修正できる。しかしながら、これはまた、固形体１２の部位２０がキャビティ２１内にフィットして密閉できるように、構造体２６および／またはフランジ１８の壁の寸法の修正を必要とする場合がある。
【００３１】
キャビティ６１の寸法のうちのいずれかを変動させることなく、固形体の厚さの変動に対してマイクロ波窓でのマイクロ波反射を最小限に抑えることができるようにするために、固形体５２はＴ字形の縦方向断面をもつように構成される。このようにすれば、固形体５２の周囲がキャビティ６１内にフィットすることができる。寸法ｔｆおよびｗｆは、マイクロ波放射の波長の半分の整数倍と等しくなるように選択される一方、マイクロ波放射の伝播方向における固形体５２の寸法ｔｗ（厚さ）は、容積６４におけるプラズマの有無、あるいは構造体６４から延伸する異なる導波管インピーダンスを考慮して変動できる。寸法ｔｗはマイクロ波放射の波長の半分の整数倍と等しくすることができる。しかしながら、プラズマの存在下であれば、寸法ｔｗは、ある名目プラズマ処理条件で、プラズマのインピーダンスを考慮して変動可能である。この場合、寸法あるいは厚さｔｗは、典型的には、マイクロ波放射の波長の半分の整数倍に等しくならない。
【００３２】
マイクロ波窓でのマイクロ波反射を最小限に抑えることでマイクロ波窓透過特性を最適化する寸法ｔｗを求めるために、一連のＲＦシミュレーションを実行するステップを含む方法が用いられる。ＲＦシミュレーションは、プラズマの効果を考慮することでマイクロ波窓５０のさまざまな厚さの固形体５４におけるマイクロ波放射透過に対して実行するものである。特に、このシミュレーションは容積６５が（図示されていない）プラズマチャンバで内包されている状態で実行され、プラズマそれ自体は、プラズマによる電磁波吸収の効果を考慮するために導電性ブロックでシミュレーションされる。このシミュレーションは、ペンシルバニア州キャノンズバーグのＡＮＳＹＳ社が書いたＡＮＳＹＳのようなソフトウェアを用いて実行される。しかしながら、ペンシルバニア州ピッツバーグのＡＮＳＯＦＴ社が書いたＡＮＳＯＦＴ  ＨＦＳＳといった他のソフトウェア、あるいは他の市販の、または特別に開発された何らかの電磁シミュレーションコードが用いられる場合もある。
【００３３】
この方式はまた、窓において所望のマイクロ波周波数でのマイクロ波放射の反射が最小になる固形体５４の厚さを求めるステップを含む。このため、シミュレーションの結果は、さまざまな寸法または厚さｔｗでのマイクロ波周波数に対するさまざまな反射曲線として記録・プロットされる。このように、所望のマイクロ波波長での反射が最小になる厚さｔｗを求めることができる。
【００３４】
図３は、さまざまな厚さｔｗでプロットしたマイクロ波周波数に対する一連のマイクロ波反射曲線を示す。（このグラフでは半波長で表示されている）厚さｔｗが若干変動すると、（デシベル表示の）反射最小値がシフトすることがわかる。例えば、実線曲線は、窓があるもののチャンバのない導波管の場合（すなわち、同一の導波管が構造体２４または６４から延伸している場合）でプロットされている。この曲線は、固形体５２の材料において２．４５ＧＨｚでの半波長の厚さをもつマイクロ波窓が正確にその周波数、すなわち２．４５ＧＨｚで反射最小値になることを示している。しかしながら、プラズマと、入射導波管２２または６２と異なる幾何学的形状のプラズマチャンバとの存在下において、固形体５２が２．４２５ＧＨｚの周波数でのマイクロ波エネルギーの半波長に等しい厚さをもつ窓は、２．４５ＧＨｚの周波数をもつマイクロ波エネルギー２．４５ＧＨｚ（−７ｄＢ）の周波数でのマイクロ波エネルギーの固形体５２における半波長の厚さをもつ窓よりも低反射（−１４ｄＢ）である。さらに、エネルギーの固形体５２が２．４５ＧＨｚの周波数での半波長に等しい厚さをもつ窓は約２．５ＧＨｚのマイクロ波波長で反射が最小になるが、このずれはプラズマの存在による。図３でわかるとおり、窓寸法が、最小値の約１０倍以下の反射率を有する反射を生み出すように選択される場合、反射において顕著な減少が達成できる。その他の場合、窓寸法は、約５倍以下、あるいは最小値の約２倍以下の反射率を有する反射を生み出すように選択できる。
【００３５】
図４は、上述のシミュレーションによるもののプラズマのない状態での最適化された窓に対するマイクロ波放射の周波数に対するマイクロ波放射の測定反射のグラフを示す。約２．５ＧＨｚの周波数において、曲線は約−４０．９ｄＢの深い最小反射を示す。２．４５ＧＨｚ（設計周波数）から２．５ＧＨｚまでの測定された最小値のずれが生じるのは測定中にプラズマがないためである。プラズマがある場合、窓、構造体、およびプラズマが組合さって、２．４５ＧＨｚの設計周波数で反射が最小限に抑えられるように作動する。これは、窓の設計で用いる上述のシミュレーション方法の有効性を実証するものである。
【００３６】
図５は、本発明のさらに他の１つの実施形態によるマイクロ波窓を含むプラズマ反応装置を示す。プラズマ反応装置８０は、容積６５にプラズマ８４を収容するよう適応されたプロセスチャンバ８２を備える。ガス入口８３はガスをチャンバ８２内に導入するよう適応されている。過剰なガスはポンプポート８５を通して排出される。プラズマ反応装置はまた、マイクロ波放射８９を放出するよう適応されたマイクロ波発信源８８を備える。プラズマ反応装置はさらに、プロセスチャンバ８２の壁９０に取り付けたマイクロ波窓アセンブリ５０を備える。マイクロ波窓５０は、図２に関して上に説明した要素を備えてもよい。その他の場合、図１のマイクロ波窓１０を用いてもよい。
【００３７】
上述のマイクロ波窓はプラズマプロセスでの適用に関して説明したが、当業者であれば、例えば、上述の窓を一般のマイクロ波導波管で、あるいは、例えば、マスターといったマイクロ波キャビティで用いることができる点をわかるであろう。同様に、ある様式および幾何学的形状をもつものとしてマイクロ波窓が説明されているが、他の幾何学的様式も本発明の適用範囲内にある。本発明の多数の特性および利点については詳細な明細書から明らかであるので、添付の請求項は、本発明の真の趣旨および範囲に従う記載の装置の特性および利点をすべてカバーしようとするものである。
【００３８】
さらに、当業者であれば多数の改造および変更を容易に思いつくことができるため、本発明をここで説明した正確な構成および操作に限定することは望ましくない。さらに、マイクロ波技術で用いられる関連装置およびプロセスと同様に本発明のプロセスおよび装置は事実上複雑なものになる傾向があり、作動パラメータの適当な値を経験的に求める、あるいは、ある適用に対する最適設計をもたらすためにコンピュータシミュレーションを行うことで最良の実施が行われることが多い。したがって、あらゆる適当な改造およびそれに相当するものは本発明の趣旨および範囲内にあるとみなさなければならない。
【図面の簡単な説明】
【００３９】
【図１】本発明の１つの実施形態によるマイクロ波窓の断面図である。
【図２】本発明の他の１つの実施形態によるマイクロ波窓の断面図である。
【図３】マイクロ波窓のさまざまな厚さのマイクロ波の周波数に対するマイクロ波放射の一連の反射曲線のグラフである。
【図４】反射の最小値を示すマイクロ波放射の周波数に対するマイクロ波放射の測定された反射のグラフである。
【図５】本発明のさらに他の１つの実施形態によるマイクロ波窓を含むプラズマ反応装置の断面図である。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【国際調査報告】
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