JP4670027B2

JP4670027B2 - マグネトロン

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Publication number: JP4670027B2
Application number: JP2000317424A
Authority: JP
Inventors: 利夫小倉; 真澄久我; 友勝小黒; 徹森池
Original assignee: 日立協和エンジニアリング株式会社
Priority date: 2000-10-18
Filing date: 2000-10-18
Publication date: 2011-04-13
Anticipated expiration: 2020-10-18
Also published as: US20020043937A1; US6653788B2; JP2002124196A; KR20020046922A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、マイクロ波を発生する電子管で１るマグネトロン及びこのマグネトロンを用いた加工装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
マグネトロンは高周波出力を効率よく発生できることから、レーダ装置、医療機器、電子レンジ等の調理器、半導体製造装置、その他のマイクロ波応用機器の分野で広く用いられている。
【０００３】
図１６は従来のマグネトロンの構造例を説明する要部断面図であって、同図において、１は熱電子放出源となるフィラメント、２は複数枚の陽極ベイン、３は陽極円筒（陽極シリンダー）、４、４ａは円環状の永久磁石、５、５ａは浅皿状の磁極、６、６ａはヨーク、７はアンテナリード、８はアンテナ、９は排気管、１０はアンテナカバー、１１は絶縁体、１２は排気管サポ−ト、１３は作用空間、１４、１５は内側及び外側ストラップ、１６、１７は帽状の上下封止金属、１８は金属ガスケット、１９は出力部で、この出力部１９は前記アンテナリード７、アンテナ８、排気管９及びアンテナカバー１０を含んでいる。２０は磁気回路部で、磁気発生源である前記永久磁石４、４ａと浅皿状の磁極５、５ａ更にはヨーク６、６ａを含んでいる。
【０００４】
２１は上側エンドシールド、２２は下側エンドシールド、２３、２４は陰極リード（２３はセンターリード、２４はサイドリード）、２５は入力側セラミック、２６は陰極端子、２７は外部導出リード、２８は陰極部で、この陰極部２８は熱電子放出源となる陰極フィラメント１、上側及び下側エンドシールド２１、２２、更には陰極リード２３、２４等を含んでいる。
【０００５】
２９は陽極部で、この陽極部２９は複数枚の陽極ベイン２、陽極円筒３及び内側及び外側ストラップ１４、１５等を含んでいる。３１はチョークコイル、３２は貫通コンデンサ、３３はフィルタケース、３４は蓋体、３５は冷却フィンである。
【０００６】
図１６において、螺旋状の陰極フィラメント１の回りには複数枚の陽極ベイン２が陽極円筒３とろう付け等で固着されるか、もしくは陽極円筒３と共に押出し成形により一体形成されている。
【０００７】
陽極円筒の上下には軟鉄などの強磁性体からなる磁極５，５ａおよび円筒状の永久磁石４、４ａが配置されている。
【０００８】
永久磁石４、４ａから発生した磁束は磁極５、５ａを通って陰極フィラメント１と陽極ベイン２との間に形成される作用空間１３に入り、軸芯方向に必要な直流磁界を与える。
【０００９】
ヨーク６、６ａは永久磁石４、４ａの磁束が通る磁気回路を構成するものであり、この磁気回路はヨーク６、６ａ、永久磁石４、４ａ、および磁極５、５ａにより構成される。
【００１０】
負の高電圧となっている陰極フィラメント１から放出された電子は電界および磁界の作用を受けて円運動しながら各陽極ベイン２に高周波電界を形成する。
【００１１】
形成された高周波電界はアンテナリード７を通してアンテナ８に到り、アンテナカバー１０から外部機器に出力される。
【００１２】
陰極フィラメント１は電子放出特性および加工性等を考慮して、一般には酸化トリウム（ＴｈＯ2 ）を約１％含むタングステン線が用いられ、上側エンドシールド２１と下側エンドシールド２２および陰極リード２３、２４で支持されている。
【００１３】
陰極リード２３、２４は耐熱性、加工性の観点から、一般的にはモリブデン（Ｍｏ）が採用され、入力セラミック２５の上面に銀ろう等でろう付けされた端子板２６でチョークコイル３１に接続する外部導出リード２７、２７に接続される。
【００１４】
また、マグネトロンの下部にはチョークコイル３１と貫通コンデンサ３２を支持するフィルタケース３３とこのフィルタケースを閉じる蓋体３４とからなるフィルタ構体が取付けられている。
【００１５】
外部導出リード２７、２７に接続されたチョークコイル３１は貫通コンデンサ３２とでＬ−Ｃフィルタを構成し、陰極リードから伝播されてくる低周波成分を抑制する。なお、高周波成分はフィルタケース３３とその蓋体３４でシールドされる。
【００１６】
そして、陽極円筒３の外周に設置された冷却フィン３５はマグネトロンの作動に伴う熱を放散させる。
【００１７】
図１７はマグネトロンを発振管として用いた同軸導波管方式の従来の加工装置の一例の電子レンジの例を示す要部断面模式図である。
【００１８】
同図において、４１は電子レンジの調理室で、ドア４２から被加熱物４３がセットされる。４４はマグネトロン、４５は加熱アンテナで、この加熱アンテナ４５は前記マグネトロン４４との間を同軸導波管４６で接続され、マグネトロン４４から発生されたマイクロ波を同軸導波管４６を通して被加熱物４３がセットされた調理室４１に供給して被加熱物４３に照射して加熱処理する。
【００１９】
前記同軸導波管４６は筒状の外導体４７とその中心部に配置された内導体４８とからなっており、この内導体４８は、図１８に示すようにマグネトロン４４から導出されたアンテナリード部分４４ａと中間部４８ａとをビス４９で接続固定した構造を呈している。
【００２０】
又、図１６に示したようなアンテナリード７を排気管９で気密挟持した構造のアンテナ８を持つタイプのマグネトロンでは、前記同軸導波管４６の内導体４８をアンテナカバー１０と接続し、外導体４７をヨ−ク６ａに固定する構造も例えば特開平７−２８２７３７号公報に提案されている。
【００２１】
更に、マグネトロンと導波管の従来の結合構造の他の例としては、前述の電子レンジの様な加熱の加工装置にかかわらず、半導体製造装置の様な加工装置においても内導体を有しない導波管を用いる構造も提案されている。
【００２２】
内導体を有しない導波管を用いる構造の加工装置では、前述の同軸導波管の場合とは異なり、導波管内にアンテナを露呈させることでマイクロ波を加工室へ供給している。
【００２３】
なお、この種のマグネトロンおよび加工装置の構造を開示した従来文献としては、前述の他に例えば実開昭５３−９５４１号公報、実開昭５３−９５４２号公報、特開平２−７９３３１号公報、特開平９−７４０８３号公報、特開平９−８２６８８号公報及び特開平９−８２６９１号公報等がある。
【００２４】
【発明が解決しようとする課題】
上記従来技術のマグネトロンにおいては、発振周波数として２４５０ＭＨｚと９１５Ｈｚの２種類のものが実用化されており、特に前者の２４５０ＭＨｚのものが多用されている。
【００２５】
この２４５０ＭＨｚのマグネトロンは、加工室及び被加工物の大きさ、導波管サイズ等を小型化できる特徴を有することから、業務用、家庭用等の電子レンジの様な加熱装置はもとより、半導体製造装置として例えば薄膜のドライエッチング用装置、マイクロ波プラズマＣＶＤ装置等にも使用されている。
【００２６】
ところが、この２４５０ＭＨｚのマグネトロンを用いた加工装置では、例えば加熱装置に用いた場合、大きな加熱物、厚物加熱物、解凍物等の被加熱物では加熱むらが発生しやすい。すなわち、被加熱物の外表面から中心部までを短時間で均一加熱出来難いという問題があった。
【００２７】
又、半導体製造装置の例えば薄膜のドライエッチング用装置、マイクロ波プラズマＣＶＤ装置等に用いた場合では、加工室へ供給される出力の変動が生じやすく、フィードバック回路を備えた精密な制御を行っても均一な加工が困難で、半導体ウエハーへ大きなダメ−ジを与える恐れがあった。
【００２８】
一方、９１５ＭＨｚのマグネトロンは、大型の電磁石タイプのマグネトロンで、数十ＫＷ以上の大出力の工業用加熱装置等に用いられている。
【００２９】
この９１５ＭＨｚのマグネトロンを前述した加工装置に実装することも考えられるが、この９１５ＭＨｚのマグネトロンはそれ自体が大型で、加工装置に実装する為には当該加工装置自体も大型化せざるを得ず、実用上使用出来ないという問題が有った。
【００３０】
更に、前述した半導体製造装置では、発振源として半導体を用いる事も提案されているが、出力が数十Ｗ／個で、所望の高出力対応が困難で有ることと、デバイスを駆動させる為の電源コストが高く、これらが解決すべき課題となっていた。
【００３１】
更に又、前述した特開平７−２８２７３７号公報に開示された同軸導波管構造では、排気管あるいは端帽と内導体との結合強度が経時的に劣化するという問題があった。
【００３２】
本発明の目的は、上記従来技術の課題を解決し、小形軽量で高出力のマグネトロンと、このマグネトロンを用いた加工装置および同軸導波管との結合構造を提供することにある。
【００３３】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、本発明は、前述した２４５０ＭＨｚのマグネトロンと略同一寸法で、その発振周波数が４００乃至６００ＭＨｚであるマグネトロンを提供する。本発明の構成要素は下記の通りである。
【００３４】
本発明によるマグネトロンは、熱電子放出源を含む陰極部と、複数枚の陽極ベインを含む陽極部、磁気発生手段を含む磁気回路部及びアンテナを含む出力部を備え、その発振周波数が４００乃至６００ＭＨｚ、好ましくは４５０〜５００ＭＨｚとした。
【００３５】
前記マグネトロンの陽極ベインを８枚で構成した。
【００３６】
前記磁気発生手段は永久磁石である。
【００３７】
また、本発明によるマグネトロンを用いた加工装置は、熱電子放出源を含む陰極部と、複数枚の陽極ベインを含む陽極部、磁気発生手段を含む磁気回路部及びアンテナを含む出力部を備え、発振周波数が４００乃至６００ＭＨｚであるマグネトロンと、このマグネトロンと結合する同軸導波管と、この同軸導波管と結合し、前記マグネトロンからのマイクロ波によって被加工物を処理する加工部、とを具備する。
【００３８】
さらに、同軸導波管との結合構造として、前記出力部は出力アンテナとこの出力アンテナの先端部を取り巻く筒状体と、この筒状体に固定されたアンテナブロックを有し、前記同軸導波管の内導体と前記アンテナブロックとを直接または他の部材を介して結合させた。
【００３９】
なお、本発明は上記の構成および後述する実施例の構成に限定されるものではなく、本発明の技術思想を逸脱することなく種々の変更が可能である。
【００４０】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態につき、実施例を参照して詳細に説明する。
【００４１】
図１は本発明の発振周波数が４００乃至６００ＭＨｚであるマグネトロンの一実施例を示す要部断面図である。
【００４２】
図１において、５１は熱電子放出源となる陰極フィラメント、５２は複数枚の陽極ベイン、５３は陽極円筒（陽極シリンダー）で、これら陽極円筒５３、陽極ベイン５２及び陰極フィラメント５１の寸法、配置等は後述する特定の関係を保っている。
【００４３】
５４、５４ａは円環状の永久磁石、５５、５５ａは浅皿状の磁極、５６、５６ａ、５６ｂはヨークで、このヨーク５６〜５６ｂのうち、ヨーク５６ｂは後述する出力部側に配置され、かつ他のヨーク５６、５６ａに比べ厚肉に形成されて外部機構との結合部材としても用いられる。
【００４４】
５７はアンテナリード、５８はアンテナ、５９は排気管、６０はアンテナカバー（又はアンテナキャップ）、６１は絶縁体、６２は排気管サポート、６３は作用空間、６４、６５は内側及び外側ストラップ、６６、６７は帽状の上下封止金属、６８、６８ａは上下陽極カップ、６９は出力部で、この出力部６９は前記アンテナリード５７、アンテナ５８、排気管５９及びアンテナカバー６０を含んでいる。
【００４５】
７０は磁気回路部で、磁気発生源である前記永久磁石５４、５４ａと浅皿状の磁極５５、５５ａ更にはヨーク５６、５６ａ、５６ｂを含んでいる。７１は上側エンドシールド、７２は下側エンドシールド、７３、７４は陰極リード（７３はセンターリード、７４はサイドリード）、７５は入力側セラミック、７８は陰極部で、この陰極部７８は熱電子放出源となる陰極フィラメント５１、上側及び下側エンドシールド７１、７２、更には陰極リード７３、７４等を含んでいる。
【００４６】
７９は陽極部で、この陽極部７９は複数枚の陽極ベイン５２、陽極円筒５３、上下陽極カップ６８、６８ａ及び内側及び外側ストラップ６４、６５等を含んでいる。
【００４７】
図１において、螺旋状の陰極フィラメント５１の回りには複数枚の陽極ベイン５２が陽極円筒５３とろう付け等で固着されるか、もしくは陽極円筒５３と共に押出し成形により一体形成されている。
【００４８】
陽極円筒の上下には軟鉄などの強磁性体からなる磁極５５、５５ａおよび円筒状の永久磁石５４、５４ａが配置されている。
【００４９】
永久磁石５４、５４ａから発生した磁束は磁極５５、５５ａを通って陰極フィラメント５１と陽極ベイン５２との間に形成される作用空間６３に入り、軸芯方向に必要な直流磁界を与える。
【００５０】
ヨーク５６、５６ａ、５６ｂは永久磁石５４、５４ａの磁束が通る磁気回路を構成するものであり、この磁気回路はヨーク５６、５６ａ、５６ｂ、永久磁石５４、５４ａ、および磁極５５、５５ａにより構成される。
【００５１】
負の高電圧となっている陰極フィラメント５１から放出された電子は電界および磁界の作用を受けて円運動しながら各陽極ベイン５２に高周波電界を形成する。
【００５２】
形成された高周波電界はアンテナリード５７を通してアンテナ５８に到り、アンテナカバー６０から外部機器に出力される。
【００５３】
陰極フィラメント５１は電子放出特性および加工性等を考慮して、一般的には酸化トリウム（ＴｈＯ2 ）を約１％含むタングステン線が用いられ、上側エンドシールド７１と下側エンドシールド７２および陰極リード７３、７４で支持されている。
【００５４】
陰極リード７３、７４は耐熱性、加工性の観点から、一般的にはモリブデン（Ｍｏ）が採用され、入力セラミック７５に銀ろう等でろう付けされた図示しない端子板を介してチョークコイルに接続する外部導出リードに接続される。
【００５５】
また、マグネトロンの下部には図示しないが図１３と同様にチョークコイルと貫通コンデンサを支持するフィルタケースとこのフィルタケースを閉じる蓋体とからなるフィルタ構体が取付けられる。
【００５６】
前記チョークコイルは貫通コンデンサとでＬ−Ｃフィルタを構成し、陰極リードから伝播されてくる低周波成分を抑制する。なお、高周波成分はフィルタケースとその蓋体でシールドされることは従来と同様である。。
【００５７】
そして、陽極円筒５３の外周に設置された冷却機構８５はマグネトロンの作動に伴う熱を放散させる。
【００５８】
図２は、図１の陽極部の要部平面図、図３は図２のＡ−Ａ線断面図、図４（ａ）〜（ｃ）は陽極ベインの一例の詳細を示す平面図、正面図および底面図で、これら図２乃至図４では図１と同じ部分には同一記号を付してある。
【００５９】
図２乃至図４において、陰極フィラメント５１を中心に、図４に一例を示す８枚の陽極ベイン５２が陽極円筒５３から前記陰極フィラメント５１側へ突出して配置されており、これら陽極ベイン５２は直径が大小２種の内側及び外側ストラップ６４、６５により当該陽極ベイン５２の前記陰極フィラメント５１側の上下両端縁のストラップ収納溝５２１、５２２において１つおきに連結されている。またこの陽極ベイン５２は陽極円筒５３側の上下両端縁に切欠部５２３、５２４を有しており、この切り込み深さＨ２が陽極ベインのインダクタンスに関係する。
【００６０】
上記構造は多分割陽極構造と呼称され、複数枚の陽極ベインで分割された空胴共振器となっており、個々の共振器が構成する静電容量、インダクタンスで共振周波数、つまりマグネトロンの発振周波数が決まる。具体的には、陽極ベイン、陽極円筒の仕様でインダクタンスが決まり、一方静電容量は、隣接する陽極ベイン相互が構成する空間の大きさで決まる静電容量と、陽極ベインの上下両端面に配設された内側及び外側ストラップ間で構成される静電容量の両方が有り、これらの静電容量と前記インダクタンスで発振周波数が決まる。
【００６１】
更に、陽極円筒５３の中心部に配置された陰極フィラメント（直熱形螺旋状陰極）５１の上下両端は、それぞれ出力側エンドシールド（上側エンドシールド）７１と入力側エンドシールド（下側エンドシールド）７２に固着されている。そして、出力側及び入力側エンドシールド７１、７２は、棒状の陰極リ−ド７３、７４に支持されている。
【００６２】
ここで、８枚ベイン陽極を有したマグネトロンの各部寸法は、発振周波数が４００乃至６００Ｍを得るため、例えば下記のようになっている。
【００６３】
Ｆ（陰極フィラメント外径）＝５．４ｍｍ
Ｇ（ベイン端内径）＝１１．０ｍｍ
Ｄ１（陽極円筒部内径）＝１２０ｍｍ
Ｆ／Ｇ〔（陰極フィラメント外径）／（ベイン端内径）〕＝０．４９
Ｌ１（陽極ベイン全長）＝５４．５ｍｍ
Ｌ２（切欠部長さ）＝３４ｍｍ
Ｌ３（根元部長さ）＝２ｍｍ
Ｌ４（ストラップ収納溝全長）＝７ｍｍ
Ｌ５（ストラップ収納溝ろう付け部長さ）＝４ｍｍ
Ｌ６（陽極ベイン先端部テ−パ部長さ）＝５．５ｍｍ
Ｌ７（ストラップ収納溝壁面曲率中心）＝５．５ｍｍ
Ｈ１（陽極ベイン高さ）＝１４ｍｍ
Ｈ２（切欠部高さ）＝１．５ｍｍ
Ｈ３（ストラップ収納溝通過部高さ）＝３ｍｍ
Ｈ４（ストラップ収納溝ろう付け部高さ）＝２ｍｍ
Ｔ１（陽極ベイン厚さ）＝８ｍｍ
Ｔ２（陽極ベイン先端部厚さ）＝３．５ｍｍ
Ｒ１（ストラップ収納溝壁面曲率）＝２０ｍｍ
Ｒ２（ストラップ収納溝壁面曲率）＝１７ｍｍ
Ｒ３（ストラップ収納溝壁面曲率）＝１３ｍｍ
Ｒ４（ストラップ収納溝壁面曲率）＝２１ｍｍ
Ｒ５（ストラップ収納溝壁面曲率）＝１６ｍｍ
Ｒ６（ストラップ収納溝壁面曲率）＝１４ｍｍ
内側ストラップ；外径：３１ｍｍ、内径：２９ｍｍ、高さ：１．８ｍｍ
外側ストラップ；外径：３５ｍｍ、内径：３３ｍｍ、高さ：１．８ｍｍ
上記各寸法の下での陽極の共振周波数特性を図５に示す。図５から明らかなように、この陽極構成であれば発振周波数は４４１ＭＨｚで、本発明の発振周波数が４００乃至６００ＭＨｚの条件を満たしている。
【００６４】
又、図６は本発明のマグネトロンの実施例の実働作発振周波数のスペクトラムを示すものである。
【００６５】
図６から明らかな様に、マグネトロンの発振周波数は４４８．５ＭＨｚとなり、本発明の発振周波数が４００乃至６００ＭＨｚの条件を満たしている。また、このときのマイクロ波出力は２ｋＷである。
【００６６】
図７はマグネトロンの発振周波数とマグネトロンの質量の関係を示した図である。従来のマグネトロン、例えば陽極ベイン枚数が１２枚、発振周波数が２４５０ＭＨｚ、マイクロ波出力が約２ｋＷ（２ｋＷクラス）の従来のマグネトロンの質量は２．６ｋｇ程度である。
【００６７】
この従来のマグネトロンを点ａで示す。これを基準に発信周波数が４５０ＭＨｚのマグネトロンを実現させようとすると、陽極ベインの長さを２５倍以上にする必要があり、重量は図７の点ｂに位置する。マグネトロンのような多空胴を有する陽極構造の発信周波数ｆは１個の空胴で構成されるインダクタンスＬと静電容量Ｃ（ベイン先端に装着されているストラップ間の静電容量も含む）で決まる（ｆ＝１／２π√（ＬＣ）。そのため陽極空胴の大型化は避けられない。
【００６８】
一般的には、陽極ベインの厚さを薄くしてインダクタンスＬを補正し、陽極ベインが薄くなったことによる熱的余裕度の補正をベイン枚数を増やすことで対応している。例えば１４枚ベインのマグネトロンでは、１２枚ベインのマグネトロンのアノードよりも大きくなってしまう。
【００６９】
一方、１２枚ベインで静電容量Ｃを大きくしようとしても、構造的限界があり、結果的には４５０ＭＨｚのマグネトロンを実現させても、図７の点ｂのように約４倍の大きさになってしまう。
【００７０】
前述の本発明の実施例のように、陽極ベイン数を８枚とすれば、ベイン先端の静電容量を大幅に増やすことができ、小型の低周波（発振周波数が４００〜６００ＭＨｚ）マグネトロンを実現できる。マグネトロンの重量は図７の点ｃに示す値に小形軽量化できた。
【００７１】
上記各寸法値は１例であるが種々の検討をした結果、４００乃至６００ＭＨｚの発振周波数のマグネトロンとして満足される実用的な各部寸法範囲は次の通りである。
【００７２】
すなわち、
Ｆ（陰極フィラメント外径）＝５．０〜６．０ｍｍ
Ｇ（ベイン端内径）＝１０〜１３ｍｍ
Ｄ１（陽極円筒部内径）＝１１０〜１３０ｍｍ
Ｆ／Ｇ〔（陰極フィラメント外径）／（ベイン端内径）〕＝０．３８〜０．６
Ｌ１（陽極ベイン全長）＝５０〜５６ｍｍ
Ｈ１（陽極ベイン高さ）＝１３〜１５ｍｍ
Ｈ２（切欠部高さ）＝０〜３ｍｍ
Ｔ１（陽極ベイン厚さ）＝７．５〜８．５ｍｍ
一方、安定な発振動作を維持するとともに、陽極円筒の径小化を図る場合の陽極円筒部内径Ｄ１とベイン端内径Ｇとの比（Ｄ１／Ｇ）は、約１１．０倍が適切である。又、陽極円筒部外径Ｄ２は陽極円筒の機械的強度、放熱効率等を考慮して決定される。
【００７３】
ここで、陽極ベインの厚さについて考察すると、隣合う陽極ベイン先端間隔は、狭くした方がこれら陽極ベイン先端間の高周波電界を相対的に強くすることができ、負荷安定度は改善されることになるが、製造面からは、隣合う陽極ベイン先端間隔は０．５ｍｍが限界である。
【００７４】
又、マグネトロンは前述したように多空胴共振方式のため、発振スペクトラムは個々の空胴共振特性の総和がそのマグネトロンの発振周波数特性となる。このため、一般には基本周波数に、不所望な一定のバンド幅をプラスしたものが発振周波数特性となる。
【００７５】
従って、基本的には、空胴数の少ない８枚ベイン陽極マグネトロンの方が発振周波数特性が優れていると云う特徴を有している。
【００７６】
図８は本発明のマグネトロンの他の実施例の要部断面図で、図２乃至図４と同じ部分には同一記号を付してある。
【００７７】
図８において、１０枚の陽極ベイン５２ａは陽極円筒５３の内壁から陰極フィラメント５１方向に突出して設けられており、陰極フィラメント５１の中心を通る軸線からみて放射状に配置されている。
【００７８】
図９（ａ）、（ｂ）は図８におけるストラップを説明する平面図及びＢ−Ｂ、Ｃ−Ｃ線断面図であって、第１のストラップ６４１は、円環部６４１ａと、この円環部６４１ａの周上に等配されて中心方向に突出した陽極ベイン５２ａとのろう付け用突起６４１ｂとから構成されている。又、第２のストラップ６５１は前記第１のストラップ６４１より径の大きなストラップで、円環部６５１ａと、この円環部６５１ａの周上に等配されて放射方向に突出した陽極ベイン５２ａとのろう付け用突起６５１ｂとから構成されている。なお、両ストラップ６４１、６５１の高さは同一である。
【００７９】
図１０は本発明のマグネトロンを用いた加工装置の一実施例を示す電子レンジに適用した具体例を説明する概念図である。
【００８０】
図１０において、３０１は電子レンジ調理室で、ドア３０２から被加熱物３０３がセットされる。３０４はマグネトロンで、このマグネトロン３０４は前述した図１に示す構成のもので発振周波数が４００乃至６００Ｍであり、アンテナ５８からマイクロ波を送出している。３０６はマグネトロン電源、３０７は冷却ファン、３０８は冷却風、３０９はマイクロ波を伝送する同軸導波管、３１０はスターラーである。
【００８１】
図１０において、マグネトロン３０４で発生されたマイクロ波は、同軸導波管３０９の内導体３０９ａ、内導体の先端に取付けた円板状のアンテナ５８１を通して被加熱物３０３がセットされた加工部となる調理室３０１に供給される。
【００８２】
調理室３０１に供給されたマイクロ波は、回転するスターラー３１０により拡散され、調理室３０１内の被加熱物３０３を均一に加熱する。
【００８３】
冷却ファン３０７はマグネトロン３０４に冷却風３０８を送風してマグネトロン３０４を冷却するためのものである。
【００８４】
図１１は、図１０に示す本発明の加工装置の一実施例の要部で、マグネトロンと同軸導波管との結合構造の一例を示す要部断面図である。なお、前述した図１及び図１０と同じ部分には同一記号を付してある。
【００８５】
アンテナカバー６０とアンテナ５８は排気管サポート６２と排気管５９を介して電気的に接続されている。つまりアンテナカバー６０はアンテナ５８の一部となる。アンテナカバー６０の先端には棒状のアンテナブロック３０９ｆがネジ３０９ｅにより固定されている。
【００８６】
図１２は図１１のアンテナ部分の拡大図である。
【００８７】
棒状のアンテナブロック３０９ｆは、アンテナカバー６０の形状に合わせて、円柱状に形成されている。また棒状のアンテナブロック３０９ｆの一端にはネジ孔が設けられ、ネジ３０９ｅでアンテナカバー６０に固定されている。棒状のアンテナブロック３０９ｆの外面には円筒状の絶縁体３０９ｄ（以下、絶縁円筒という）が装着されている。例えば、棒状のアンテナブロックには導電性の良い銅を用いると良く、絶縁体にはセラミックやテフロンを用いると良い。
【００８８】
絶縁円筒３０９ｄの一端はアンテナカバー６０の頂面に接触している。また絶縁円筒３０９ｄの他の一端には、小径を形成し、段差を設けてある。この段差部に内導体３０９ａをはめ込み、絶縁円筒３０９ｄと内導体３０９ａとが嵌合結合している。つまり、アンテナと内導体との電気的接続は絶縁体を介した静電結合となっている。内導体３０９ａと棒状のアンテナブロック３０９ｆの絶縁体を介した対向面積は距離Ｌｂで調節できる。この距離Ｌｂを調節することにより、棒状のアンテナブロックと内導体との間の静電容量を調節することができる。Ｌｂに相当した対向面積の静電容量が得られるので、マグネトロンで発生したマイクロ波は静電結合により、同軸導波管の内導体に伝播される。静電容量を調節できるので、マイクロ波の伝送特性を調節できる。つまり、上記構成とすることで、アンテナと内導体との接合部分でマイクロ波の出力調整をすることができる。また、アンテナブロック３０９ｆの端部と絶縁円筒３０９ｄの端部とは距離Ｌａだけずれているので、アンテナブロックと内導体との短絡を防止している。さらに内導体３０９ａの端部とアンテナカバー６０とは距離Ｌｃだけ離れているので内導体とアンテナカバーとの短絡を防止している。距離Ｌａ、距離Ｌｃは絶縁距離を確保するため、夫々１５ｍｍ以上とすると良い。
【００８９】
特に、アプリケータ（負荷）に対し最適となるように、アンテナと導波管とのマイクロ波結合度（マイクロ波の出力）を調節できるので、アプリケータにマイクロ波を効率よく伝送できる。
【００９０】
又、内導体３０９ａを取り巻く外導体３０９ｂは、端部に設けたフランジ３０９ｃをマグネトロン３０４のヨ−ク５６ｂと螺子止め結合している。
【００９１】
図１０では、マグネトロン３０４の発振周波数が４００乃至６００Ｍと従来のマグネトロンに比べて発振周波数が低く波長が長いため、従来に比べて同軸導波管３０９でのマイクロ波損失を抑制してマイクロ波伝送特性を向上させることが一層容易となり、マイクロ波を効率良く加工部、この例では調理室３０１に、供給出来る。
【００９２】
更に、従来のマグネトロンに比べて発振周波数が低く波長が長いため、被加熱物３０３の加熱を均一に、かつ短時間で行うことが可能となる。
【００９３】
図１３は内導体とアンテナの接合部分の拡大図であり、他の接合の実施例である。円柱状のアンテナブロック３０９ｆはネジ３０９ｅでアンテナカバー６０に固定されている。アンテナブロック３０９ｆの外面には内導体３０９ａが嵌合されている。
【００９４】
アンテナ５８、排気管５９、排気管サポート６２は銅製である。一方アンテナカバー６０は銅よりも線熱膨張係数の小さいＳＵＳ３０４でできている。
【００９５】
マグネトロンの動作中、アンテナ部分は１００℃以上の高温になる。内側に位置する排気管サポートの線熱膨張係数より外側に位置するアンテナカバーの線熱膨張係数が小さいため、アンテナ部分が高温になってもアンテナカバーは緩まない。
【００９６】
また、内導体３０９ａとアンテナブロック３０９ｆは嵌合により固定しているが、内導体３０９ａとアンテナブロック３０９ｆとが銅製であるため、ほとんど緩まない。アンテナブロック３０９ｆはネジ３０９ｅにより固定されているので、アンテナブロックおよびアンテナカバーが熱膨張しても、アンテナブロックがアンテナカバーから外れることはない。図１３の構成とすることで、マグネトロンの動作中もアンテナ部分が確実に固定される。
【００９７】
ここで、図１１乃至図１３において、結合部分は嵌合又はネジにより結合したが、電気的接続が確実にでき且つ高温でも確実に固定できれば、溶接や接着剤を用いた結合でもよい。
【００９８】
また、図１２、図１３に詳細に示すような結合構造は、４００乃至６００ＭＨｚ以外の発振周波数のマグネトロンにおいても同様な効果が得られる。
【００９９】
図１４は本発明のマグネトロンを用いた加工装置の他の実施例を示し、半導体製造装置の１種のプラズマエッチング装置に適用した具体例を説明する模式的断面図である。
【０１００】
図１４において、４０１はマグネトロン、４０２は同軸導波管、４０４は石英製のベルジャ−、４０５はソレノイドコイル、４０６は試料室、４０７はガス導入管、４０８はウエハＷ固定具、４０９はウエハＷ載置台、４１０は冷却配管、４１１はマッチングネットワ−ク、４１２は高周波電源、４１３はライナ、４１４は昇降式シャッタ、矢印Ａはベルジャー４０４内の排気方向、Ｂ１、Ｂ２はベルジャ−４０４内への処理用ガスの導入経路、Ｃ１、Ｃ２はウエハＷを冷却するための冷媒の循環経路を示す。
【０１０１】
図１４において、マグネトロン４０１は前述した図１に示す構成のもので発振周波数が４００乃至６００ＭＨｚ、望ましくは４５０ＭＨｚ〜５００ＭＨｚであり、アンテナ５８からマイクロ波を送出し、導波管４０２、同軸導波管内導体３０９ａの終端に設けた放射アンテナ５８１を経由してベルジャー４０４内へマイクロ波を供給し、プラズマＰを生成させている。この装置のその他の構成及び操作方法等は従来と同様であり、詳細な説明は省略する。
【０１０２】
この図１４に示す加工装置では、マグネトロン４０１の発振周波数が従来のマグネトロンに比べて発振周波数が低く、かつ加工装置として所望の発振周波数がマグネトロン４０１自体から直接得られるため、加工装置として特別に精密高価な周波数制御機構を設ける必要も無く、又マグネトロン４０１単体で必要十分な出力も得られる。更に、周波数変動が略皆無となることから、ウエハＷにダメージを与えることも無い。
【０１０３】
図１５は本発明のマグネトロンを用いた加工装置の他の実施例を示し、マイクロ波プラズマＣＶＤ装置に適用した具体例を説明する模式図である。
【０１０４】
図１５において、５０１はマグネトロン、５０２は同軸導波管、５０３はスタブチューナ、５０４は電磁コイル、５０５はチャンバー、５０６は被加工物の基板、５０７は真空ポンプ、５０８はプラズマである。
【０１０５】
図１５において、マグネトロン５０１は前述した図１に示す構成のもので発振周波数が４００乃至６００ＭＨｚ、望ましくは４５０ＭＨｚ〜５００ＭＨｚであり、アンテナ５８からマイクロ波を送出し、導波管５０２を経由してマイクロ波ホーン５０９からチャンバー５０５内へマイクロ波を供給し、プラズマ５０８を生成させている。内導体の先端には円筒状の放射アンテナ５８１が設けてある。放射アンテナによりマイクロ波を拡散できる。５１０は加熱電源、５１１はガス源である。この装置のその他の構成及び操作方法等は従来と同様であり、詳細な説明は省略する。
【０１０６】
この図１５に示す加工装置では、マグネトロン５０１の発振周波数が従来のマグネトロンに比べて発振周波数が低く、かつ加工装置として所望の発振周波数がマグネトロン５０１自体から直接得られるため、加工装置として特別に精密高価な周波数制御機構を設ける必要も無く、又マグネトロン５０１単体で必要十分な出力も得られる。更に、周波数変動が略皆無となることから、基板５０６にダメ−ジを与えることも無い。
【０１０７】
ここで、前述のマグネトロンの実施例では磁気発生源として永久磁石を用いたが、これは電磁石でもよいことは勿論である。
【０１０８】
本発明は前述の実施例に限定されるものではなく、本発明の技術思想を逸脱することなく種々の変更が可能である。
【０１０９】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、発振周波数が４００乃至６００ＭＨｚで従来と略同一外形寸法のマグネトロンを提供することを可能にすると共に、このマグネトロンを加熱装置やプラズマエッチング装置などの加工装置に用いることにより、特に精密高価な制御回路やフィードバック機構を用いなくても被加工物に与えるダメ−ジを略皆無とすることが出来、更に前記加熱装置では短時間で均一化熱が可能となる等、加工性の優れた高性能の各種加工装置を提供できる。さらにまた、アンテナキャップにアンテナブロックを付加したことで同軸導波管との結合の信頼性を確保できる特徴を備えている。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明のマグネトロンの１実施例を示す要部断面図である。
【図２】図１の陽極及び陰極付近の要部平面図である。
【図３】図２のＡ−Ａ線断面図である。
【図４】本発明のマグネトロンの一実施例の陽極ベインの一例を示し、（ａ）は平面図、（ｂ）は正面図、（ｃ）は底面図である。
【図５】本発明のマグネトロンの陽極の一実施例の共振周波数特性を示す図である。
【図６】本発明のマグネトロンの一実施例の発振周波数特性を示す図である。
【図７】マグネトロンの発振周波数と重量との関係を示す図である。
【図８】本発明のマグネトロンの更に他の実施例の要部平面図である。
【図９】本発明のマグネトロンの実施例の円環状のストラップの例を示し、（ａ）は第１のストラップの平面図及びＢ−Ｂ線断面図、（ｂ）は第２のストラップの平面図及びＣ−Ｃ線断面図である。
【図１０】本発明のマグネトロンを用いた加工装置の一実施例の電子レンジの例を説明する概念図である。
【図１１】本発明のマグネトロンを用いた加工装置の一実施例のマグネトロンと導波管との結合構造の一例を示す要部断面図である。
【図１２】図１０の結合部の拡大図である。
【図１３】結合部の他の実施例である。
【図１４】本発明のマグネトロンを用いた加工装置の他の実施例のプラズマエッチング装置に適用した具体例を説明する模式的断面図である。
【図１５】本発明のマグネトロンを用いた加工装置の更に他の実施例のマイクロ波プラズマＣＶＤ装置に適用した具体例を説明する模式図である。
【図１６】従来のマグネトロンの構造例を説明する要部断面図である。
【図１７】従来のマグネトロンを用いた加工装置の一例の電子レンジの例を示す断面模式図である。
【図１８】従来のマグネトロンを用いた加工装置の一例のアンテナ構造を説明する要部断面図である。
【符号の説明】
５１陰極フィラメント
５２、５２ａ陽極ベイン
５３陽極円筒
５４、５４ａ永久磁石
５５、５５ａ磁極
５６、５６ａ、５６ｂヨーク
５７アンテナリード
５８アンテナ
５９排気管
６０アンテナカバー
６３作用空間
６４、６５ストラップ
６９出力部
７０磁気回路部
７１上側エンドシールド
７２下側エンドシールド
７３、７４陰極リード（７３はセンターリード、７４はサイドリード）
７５入力側セラミック
７８陰極部
７９陽極部
３０１調理室
３０３被加熱物
３０４マグネトロン
３０９同軸導波管
３０９ａ同軸導波管内導体
３０９ｂ同軸導波管外導体
４０１マグネトロン
４０２、４０３導波管
４０４ベルジャー
４０６試料室
５０１マグネトロン
５０２導波管
５０５チャンバー
５０６基板
５０９マイクロ波ホーン
５２１、５２２ストラップ収納溝
５２３、５２４切欠部
６４１、６５１ストラップ

Claims

熱電子放出源を含む陰極部と、複数枚の陽極ベインを含む陽極部と、磁気発生手段を含む磁気回路部と、マイクロ波を送出する出力部とを備えたマグネトロンであって、
Ｆ（陰極フィラメント外径）＝５．０〜６．０ｍｍ
Ｇ（ベイン端内径）＝１０〜１３ｍｍ
Ｄ１（陽極円筒部内径）＝１１０〜１３０ｍｍ
Ｆ／Ｇ〔（陰極フィラメント外径）／（ベイン端内径）〕＝０．３８〜０．６
Ｌ１（陽極ベイン全長）＝５０〜５６ｍｍ
Ｈ１（陽極ベイン高さ）＝１３〜１５ｍｍ
Ｈ２（切欠部高さ）＝０〜３ｍｍ
Ｔ１（陽極ベイン厚さ）＝７．５〜８．５ｍｍ
であり、
前記陽極ベインは８枚で構成され、
前記マグネトロンの発信周波数は４００乃至６００ＭＨｚであることを特徴とするマグネトロン。
熱電子放出源を含む陰極部と、複数枚の陽極ベインを含む陽極部と、磁気発生手段を含む磁気回路部と、アンテナを含む出力部とを備えたマグネトロンであって、
前記出力部にアンテナの一部を構成するアンテナキャップと、前記出力部から出力されたマイクロ波を伝送する同軸導波管とを備え、
前記アンテナキャップ先端にアンテナブロックが固定され、前記アンテナフブロックの外面に絶縁体が装着され、
前記同軸導波管は、前記絶縁体を介して前記アンテナと静電結合される内導体と、当該内導体を取り巻く外導体を備えることを特徴とするマグネトロン。
前記マグネトロンの発振周波数が４００乃至６００ＭＨｚであることを特徴とする請求項２に記載のマグネトロン。