JP2017183091A - Cathode member and plasma device using cathode member - Google Patents

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高橋 正人
Masato Takahashi
正人 高橋
加藤 健治
Kenji Kato
健治 加藤
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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a cathode member capable of continuing stable sparkless discharge, even if the temperature of the cathode member rises rapidly, when performing discharge ignition by using a glassy carbon in the cathode member, and to provide a plasma device using the cathode member.SOLUTION: A cathode member for use in vacuum arc discharge is composed of glassy carbon, and has an index number larger than 7.3 represented by following expression (1). F=R×d (1), where R=σ×λ/α/E (2). In the expression (1), R is heat shock resistance (10W/m), d is the diameter (mm) of a circle having an area equal to the cross-sectional area of a cross-section perpendicular to the central axis of the cathode member. In the expression (2), σ is flexural strength (MPa), λ is eat conductivity (W/mK), α is thermal expansion coefficient (/10K), and E is Young's modulus (GPa).SELECTED DRAWING: Figure 1

Description

本発明は、陰極部材および前記陰極部材を用いたプラズマ装置に関する。   The present invention relates to a negative electrode member and a plasma apparatus using the negative electrode member.

従来より、基材表面に薄膜を形成するプラズマ装置の陰極部材には、円盤状の陰極部材が用いられており、例えば、真空アーク放電を利用した真空アーク蒸着装置では、この陰極部材の材料に焼結構造のカーボン材料が使用されている(特許文献1参照)。   Conventionally, a disk-like cathode member has been used as a cathode member of a plasma apparatus for forming a thin film on a substrate surface. For example, in a vacuum arc deposition apparatus using vacuum arc discharge, a material for this cathode member is used. A carbon material having a sintered structure is used (see Patent Document 1).

しかし、このような陰極部材を用いた場合、放電中に大量のスパーク(火花)が生じてマクロパーティクル(サイズ5nm〜数μmのカーボン粒)を生じ、このマクロパーティクルが基材に飛来・付着することによって成膜された薄膜の表面粗度が悪くなるという不具合があった。   However, when such a cathode member is used, a large amount of sparks (sparks) are generated during discharge to generate macro particles (carbon particles having a size of 5 nm to several μm), and these macro particles fly and adhere to the substrate. As a result, there has been a problem that the surface roughness of the thin film formed deteriorates.

このようなスパークの発生を抑制して薄膜の表面粗度を改善するために、従来の円盤状の陰極部材に替えて、図2に示すような円盤状の台座部21から突出した陰極部材22が用いられている。   In order to suppress the occurrence of such sparks and improve the surface roughness of the thin film, the cathode member 22 protruding from the disk-shaped pedestal portion 21 as shown in FIG. 2 is used instead of the conventional disk-shaped cathode member. Is used.

そして、近年では、陰極部材にガラス状炭素を使用したプラズマ装置が提案されている(例えば、特許文献2参照)。このガラス状炭素は粒界を有しないため、スパークレス放電を継続してマクロパーティクルの発生を防止して、薄膜の表面粗度を劇的に改善することができる。   In recent years, a plasma apparatus using glassy carbon as a cathode member has been proposed (see, for example, Patent Document 2). Since this glassy carbon does not have a grain boundary, it is possible to continue the sparkless discharge to prevent the generation of macro particles and to dramatically improve the surface roughness of the thin film.

特開平11−36063号公報JP 11-36063 A 特開2014−133912号公報JP 2014-133912 A

しかしながら、上記したガラス状炭素を用いて円盤状の陰極部材を作成した場合、放電点弧した際の急激な温度上昇により放電開始から1分程度で陰極部材が破損してしまい、スパークレス放電を継続することができなくなることがあった。   However, when a disk-shaped cathode member is made using the glassy carbon described above, the cathode member is damaged in about one minute from the start of discharge due to a rapid temperature rise when the discharge is ignited, and sparkless discharge is caused. Sometimes it was impossible to continue.

一方、図2に示すような柱状の陰極部材22にガラス状炭素を用いた場合には、円盤状の陰極部材の場合のような陰極部材の破損が生じることは無かったが、放電点弧した際の急激な温度上昇により陰極部材が瞬時に粉砕してしまい、同様にスパークレス放電を継続することができなくなることがあった。   On the other hand, when glassy carbon was used for the columnar cathode member 22 as shown in FIG. 2, the cathode member was not damaged as in the case of the disk-like cathode member, but the discharge was ignited. The cathode member may be instantaneously pulverized due to the rapid temperature rise at the time, and similarly, the sparkless discharge may not be continued.

そこで、本発明は、陰極部材にガラス状炭素を用いて放電点弧した際に、陰極部材に急激な温度上昇が生じても、安定したスパークレス放電を継続することができる陰極部材および前記陰極部材を用いたプラズマ装置を提供することを課題とする。   Accordingly, the present invention provides a cathode member capable of continuing a stable sparkless discharge even when a rapid temperature rise occurs in the cathode member when discharge ignition is performed using glassy carbon as the cathode member, and the cathode It is an object to provide a plasma device using a member.

請求項1に記載の発明は、
真空アーク放電に用いられる陰極部材であって、
ガラス状炭素からなり、下記式(1)で表される指数Fが7.3よりも大きいことを特徴とする陰極部材である。
F=R×d (1)
但し、R=σ×λ/α/E (2)
なお、式(1)中のRは熱衝撃抵抗[10W/m]、dは前記陰極部材の中心軸に垂直な断面の断面積と同じ面積をもつ円の直径[mm]であり、式(2)中のσは曲げ強度[MPa]、λは熱伝導率[W/mK]、αは熱膨張率[/10K]、Eはヤング率[GPa]である。
The invention described in claim 1
A cathode member used for vacuum arc discharge,
The cathode member is made of glassy carbon and has an index F expressed by the following formula (1) larger than 7.3.
F = R × d (1)
However, R = σ × λ / α / E (2)
In Equation (1), R is the thermal shock resistance [10 9 W / m], d is the diameter [mm] of a circle having the same area as the cross-sectional area of the cross section perpendicular to the central axis of the cathode member, In the formula (2), σ is a bending strength [MPa], λ is a thermal conductivity [W / mK], α is a thermal expansion coefficient [/ 10 6 K], and E is a Young's modulus [GPa].

本発明者が上記課題の解決について種々の実験と検討を繰り返す中で、前記した柱状の陰極部材の急激な温度上昇による粉砕の発生には熱衝撃抵抗Rおよび陰極部材の直径dが大きく関係していることが分かった。   While the inventor has repeatedly conducted various experiments and studies on the solution of the above problems, the thermal shock resistance R and the diameter d of the cathode member are greatly related to the occurrence of pulverization due to the rapid temperature rise of the columnar cathode member. I found out.

即ち、熱衝撃抵抗Rは、一定の直径の陰極部材に急激な温度上昇に伴う熱の衝撃が加えられた際に、この熱による衝撃に耐えることができる程度を示す値であり、熱衝撃抵抗Rが大きい場合には急激な温度上昇があっても粉砕し難く、熱衝撃抵抗Rが小さい場合には緩やかな温度上昇であっても粉砕し易い。   That is, the thermal shock resistance R is a value indicating the degree to which a thermal shock accompanying a sudden temperature rise can be withstood by a constant diameter cathode member. When R is large, pulverization is difficult even when there is a rapid temperature rise, and when thermal shock resistance R is small, pulverization is easy even when the temperature rises slowly.

なお、この熱衝撃抵抗R[10W/m]は、陰極部材の曲げ強度σ[MPa]、熱伝導率λ[W/mK]、熱膨張率α[/10K]、ヤング率E[GPa]を用いて下式のように表すことができる。
R=σ×λ/α/E (2)
The thermal shock resistance R [10 9 W / m] is the bending strength σ [MPa], thermal conductivity λ [W / mK], thermal expansion coefficient α [/ 10 6 K], Young's modulus E of the cathode member. [GPa] can be used to express the following equation.
R = σ × λ / α / E (2)

一方、一定の熱衝撃抵抗の陰極部材に熱が加えられた際に、直径dが大きければこの熱による衝撃に耐えて粉砕の発生を抑制することができるため、陰極部材の直径dも、急激な温度上昇に伴う粉砕の発生に関係していることが分かる。   On the other hand, when heat is applied to the cathode member having a certain thermal shock resistance, if the diameter d is large, it is possible to withstand the impact caused by this heat and suppress the occurrence of pulverization. It can be seen that this is related to the occurrence of pulverization associated with an increase in temperature.

本発明者は、さらに、この熱衝撃抵抗Rおよび直径dが、陰極部材の粉砕とどのように関係しているかについて、実験と検討を行った。その結果、熱衝撃抵抗Rと直径dとの積(R×d)を指数Fとして、Fが7.3よりも大きければ陰極部材の急激な温度上昇による粉砕の発生を適切に抑制して、安定したスパークレス放電を継続することができることが分かった。   The present inventor further conducted experiments and studies on how the thermal shock resistance R and the diameter d are related to the pulverization of the cathode member. As a result, if the product (R × d) of the thermal shock resistance R and the diameter d is an index F, if F is greater than 7.3, the occurrence of pulverization due to a rapid temperature rise of the cathode member is appropriately suppressed, It was found that stable sparkless discharge can be continued.

そして、本発明者がさらに実験を重ねた結果、陰極部材が柱状の陰極部材でなくとも、上記した式(1)中のFが7.3よりも大きいという条件を満たしている場合には、安定したスパークレス放電を継続できることが分かり、本請求項の発明を完成するに至った。   As a result of further experiments by the present inventors, even when the cathode member is not a columnar cathode member, when the condition that F in the above formula (1) is larger than 7.3 is satisfied, It has been found that stable sparkless discharge can be continued, and the present invention has been completed.

請求項2に記載の発明は、
前記陰極部材が、柱状部分を少なくとも1つ有していることを特徴とする請求項1に記載の陰極部材である。
The invention described in claim 2
The cathode member according to claim 1, wherein the cathode member has at least one columnar portion.

本発明において、陰極部材としては、柱状部分を少なくとも1つ有している陰極部材を好ましく用いることができる。   In the present invention, a cathode member having at least one columnar portion can be preferably used as the cathode member.

請求項3に記載の発明は、
前記陰極部材が、1本の棒状の部材であることを特徴とする請求項1または請求項2に記載の陰極部材である。
The invention according to claim 3
The cathode member according to claim 1 or 2, wherein the cathode member is a single bar-shaped member.

図2に示すような台座部上に陰極部材が設けられた構造の場合、アーク放電の陰極点であるアークスポットが台座部に移動した際にスパークが発生する恐れがある。これに対して、本請求項の発明においては、陰極部材の構造を1本の棒状の部材とすることにより、スパークの発生を防止して安定したスパークレス放電を継続することができる。また、台座部を作成する必要がないため、材料コストの低減に貢献することができる。   In the case of the structure in which the cathode member is provided on the pedestal portion as shown in FIG. 2, there is a possibility that a spark is generated when an arc spot which is a cathode spot of arc discharge moves to the pedestal portion. On the other hand, in the invention of this claim, the structure of the cathode member is a single bar-like member, so that the occurrence of sparks can be prevented and stable sparkless discharge can be continued. Moreover, since it is not necessary to create a base part, it can contribute to reduction of material cost.

請求項4に記載の発明は、
前記陰極部材の中心軸に垂直な断面形状が、円形状、楕円形状、多角形状、角部に丸みを付けた多角形状のいずれかであることを特徴とする請求項1ないし請求項3のいずれか1項に記載の陰極部材である。
The invention according to claim 4
The cross-sectional shape perpendicular to the central axis of the cathode member is any one of a circular shape, an elliptical shape, a polygonal shape, and a polygonal shape with rounded corners. The cathode member according to claim 1.

これらの形状を有する陰極部材を用いることにより、安定したスパークレス放電を継続することができる。   By using a cathode member having these shapes, stable sparkless discharge can be continued.

請求項5に記載の発明は、
前記陰極部材が、円柱状あるいは略円柱状であることを特徴とする請求項1ないし請求項4のいずれか1項に記載の陰極部材である。
The invention described in claim 5
The cathode member according to any one of claims 1 to 4, wherein the cathode member has a columnar shape or a substantially columnar shape.

円柱状あるいは略円柱状の陰極部材を用いた場合、特に安定したスパークレス放電を継続することができ好ましい。   When a columnar or substantially columnar cathode member is used, a particularly stable sparkless discharge can be continued, which is preferable.

請求項6に記載の発明は、
前記陰極部材の表面粗度Raが、15.4μmよりも小さいことを特徴とする請求項1ないし請求項5のいずれか1項に記載の陰極部材である。
The invention described in claim 6
6. The cathode member according to claim 1, wherein a surface roughness Ra of the cathode member is smaller than 15.4 μm.

表面粗度が小さい陰極部材の場合、放電中にアークスポットが陰極部材以外の位置に移動することを防止して、安定したスパークレス放電を継続することができる。   In the case of a cathode member having a small surface roughness, it is possible to prevent the arc spot from moving to a position other than the cathode member during discharge, and to continue stable sparkless discharge.

請求項7に記載の発明は、
前記陰極部材を形成するガラス状炭素が、グラッシーカーボン、アモルファスカーボン、非晶質カーボン、非定形炭素、無定形炭素、非黒鉛化炭素のいずれかであることを特徴とする請求項1ないし請求項6のいずれか1項に記載の陰極部材である。
The invention described in claim 7
The glassy carbon forming the cathode member is any one of glassy carbon, amorphous carbon, amorphous carbon, amorphous carbon, amorphous carbon, and non-graphitized carbon. 6. The cathode member according to any one of 6 above.

陰極部材を構成するガラス状炭素として、これらのカーボン材料を用いることにより、スパークレス放電をより安定して継続することができる。   By using these carbon materials as the glassy carbon constituting the cathode member, the sparkless discharge can be continued more stably.

請求項8に記載の発明は、
真空チャンバーと、前記真空チャンバー内に取り付けられた陰極部材とを備え、
前記陰極部材が、ガラス状炭素からなり、下記式(1)で表される指数Fが7.3よりも大きいことを特徴とするプラズマ装置である。
F=R×d (1)
但し、R=σ×λ/α/E (2)
なお、式(1)中のRは熱衝撃抵抗[10W/m]、dは前記陰極部材の中心軸に垂直な断面の断面積と同じ面積をもつ円の直径[mm]であり、式(2)中のσは曲げ強度[MPa]、λは熱伝導率[W/mK]、αは熱膨張率[/10K]、Eはヤング率[GPa]である。
The invention according to claim 8 provides:
A vacuum chamber, and a cathode member attached in the vacuum chamber,
In the plasma device, the cathode member is made of glassy carbon, and an index F expressed by the following formula (1) is larger than 7.3.
F = R × d (1)
However, R = σ × λ / α / E (2)
In Equation (1), R is the thermal shock resistance [10 9 W / m], d is the diameter [mm] of a circle having the same area as the cross-sectional area of the cross section perpendicular to the central axis of the cathode member, In the formula (2), σ is a bending strength [MPa], λ is a thermal conductivity [W / mK], α is a thermal expansion coefficient [/ 10 6 K], and E is a Young's modulus [GPa].

前記したように、陰極部材がガラス状炭素から形成されており、指数F(=R×d)が7.3よりも大きい場合、安定したスパークレス放電を継続することができる。   As described above, when the cathode member is made of glassy carbon and the index F (= R × d) is larger than 7.3, stable sparkless discharge can be continued.

請求項9に記載の発明は、
前記陰極部材が、柱状部分を少なくとも1つ有していることを特徴とする請求項8に記載のプラズマ装置である。
The invention according to claim 9 is:
The plasma device according to claim 8, wherein the cathode member has at least one columnar portion.

前記したように、本発明において、陰極部材としては、柱状部分を少なくとも1つ有している陰極部材を好ましく用いることができる。   As described above, in the present invention, a cathode member having at least one columnar portion can be preferably used as the cathode member.

請求項10に記載の発明は、
前記陰極部材に対する放電電流Iが、下記式(3)を満足するように、前記放電電流Iを制御することを特徴とする請求項8または請求項9に記載のプラズマ装置である。
I<2.73×F (3)
The invention according to claim 10 is:
The plasma apparatus according to claim 8 or 9, wherein the discharge current I is controlled so that the discharge current I to the cathode member satisfies the following formula (3).
I <2.73 × F (3)

本発明者が実験を行ったところ、指数Fが7.3よりも大きい陰極部材を用いたとしても、放電電流Iが大きすぎると、安定したスパークレス放電を継続できないことが分かった。   When the inventor conducted an experiment, it was found that even when a cathode member having an index F larger than 7.3 was used, if the discharge current I was too large, stable sparkless discharge could not be continued.

そこで、安定したスパークレス放電を継続できる適切な放電電流Iを求めて、さらに実験を行ったところ、下式(3)を満足すればよいことが分かった。
I<2.73×F (3)
Thus, when an appropriate discharge current I that can continue a stable sparkless discharge was obtained and further experiments were conducted, it was found that the following equation (3) should be satisfied.
I <2.73 × F (3)

請求項11に記載の発明は、
前記陰極部材が、1本の棒状の部材であることを特徴とする請求項8ないし請求項10のいずれか1項に記載のプラズマ装置である。
The invention according to claim 11
The plasma device according to any one of claims 8 to 10, wherein the cathode member is a single bar-shaped member.

前記したように、1本の棒状の部材を陰極部材として用いることにより、スパークの発生を防止して安定したスパークレス放電を継続することができる。   As described above, by using a single bar-like member as the cathode member, it is possible to prevent the occurrence of sparks and continue stable sparkless discharge.

請求項12に記載の発明は、
前記陰極部材の中心軸に垂直な断面形状が、円形状、楕円形状、多角形状、角部に丸みを付けた多角形状のいずれかであることを特徴とする請求項8ないし請求項11のいずれか1項に記載のプラズマ装置である。
The invention according to claim 12
The cross-sectional shape perpendicular to the central axis of the cathode member is any one of a circular shape, an elliptical shape, a polygonal shape, and a polygonal shape with rounded corners. The plasma apparatus according to claim 1.

前記したように、これらの形状を有する陰極部材を用いることにより、安定したスパークレス放電を継続することができる。   As described above, stable sparkless discharge can be continued by using the cathode member having these shapes.

請求項13に記載の発明は、
前記陰極部材が、円柱状あるいは略円柱状であることを特徴とする請求項8ないし請求項12のいずれか1項に記載のプラズマ装置である。
The invention according to claim 13
The plasma device according to any one of claims 8 to 12, wherein the cathode member has a columnar shape or a substantially columnar shape.

前記したように、陰極部材の形状を円柱状あるいは略円柱状とした場合、より安定したスパークレス放電を継続することができ好ましい。   As described above, when the shape of the cathode member is a columnar shape or a substantially columnar shape, it is preferable because a more stable sparkless discharge can be continued.

請求項14に記載の発明は、
前記真空チャンバー内に配置される基材を保持するための保持部材を備えた真空アーク蒸着装置であることを特徴とする請求項8ないし請求項13のいずれか1項に記載のプラズマ装置である。
The invention according to claim 14
The plasma apparatus according to any one of claims 8 to 13, wherein the plasma apparatus is a vacuum arc vapor deposition apparatus including a holding member for holding a base material disposed in the vacuum chamber. .

真空アーク蒸着装置の真空チャンバー内に基材を保持することにより、真空アーク蒸着時、安定した成膜が可能となり、基材表面にカーボン膜を形成するためのプラズマ装置として好ましく用いることができる。   By holding the substrate in the vacuum chamber of the vacuum arc vapor deposition apparatus, stable film formation is possible during vacuum arc vapor deposition, and it can be preferably used as a plasma apparatus for forming a carbon film on the substrate surface.

請求項15に記載の発明は、
アークスポットが前記陰極部材の側面をスパイラル状に移動するように、前記陰極部材の周辺に磁界を発生させる磁界発生手段を備えていることを特徴とする請求項14に記載のプラズマ装置である。
The invention according to claim 15 is:
15. The plasma apparatus according to claim 14, further comprising magnetic field generating means for generating a magnetic field around the cathode member so that the arc spot moves spirally on the side surface of the cathode member.

放電中のアークスポットを、磁界発生手段により陰極部材の側面をスパイラル状に移動させることにより、陰極部材に対向して配置された基材の表面に均一な薄膜を形成することができる。   A uniform thin film can be formed on the surface of the substrate disposed facing the cathode member by moving the arc spot during discharge in a spiral shape on the side surface of the cathode member by the magnetic field generating means.

本発明によれば、陰極部材にガラス状炭素を用いて放電点弧した際に、陰極部材に急激な温度上昇が生じても、安定したスパークレス放電を継続することができる陰極部材および前記陰極部材を用いたプラズマ装置を提供することができる。   According to the present invention, when the discharge is ignited using glassy carbon as the cathode member, the cathode member capable of continuing a stable sparkless discharge even if a rapid temperature rise occurs in the cathode member and the cathode A plasma device using the member can be provided.

本発明の一実施の形態に係るプラズマ装置の構成を示す概略図である。It is the schematic which shows the structure of the plasma apparatus which concerns on one embodiment of this invention. 陰極部材および台座部の斜視図である。It is a perspective view of a cathode member and a base part. 実験1〜実験4における結果の分布を示す図である。It is a figure which shows distribution of the result in Experiment 1-Experiment 4. 図3においてスパークレス放電が継続した領域を示す図である。It is a figure which shows the area | region where the sparkless discharge continued in FIG.

以下、本発明の実施の形態について図面を参照しつつ説明する。なお、本実施の形態においては、先ず、プラズマ装置の基本的な構成について説明した後、本発明の特徴部分である陰極部材について説明し、さらに、このような陰極部材が設けられたプラズマ装置を用いて行う成膜について説明する。そして、最後に、急激な温度上昇が生じても陰極部材が粉砕しない場合の指数Fが7.3より大きいということを特定した実験など本発明者が本発明に至るまでに行った主要な実験結果について説明する。   Embodiments of the present invention will be described below with reference to the drawings. In this embodiment, first, the basic configuration of the plasma apparatus is described, then the cathode member that is a characteristic part of the present invention is described, and further, the plasma apparatus provided with such a cathode member is described. The film formation performed using these will be described. Finally, the main experiments conducted by the present inventor up to the present invention, such as an experiment specifying that the index F when the cathode member is not pulverized even if a rapid temperature rise occurs is greater than 7.3. The results will be described.

1.プラズマ装置
先ず、プラズマ装置の基本的な構成について説明する。図1は、本実施の形態に係るプラズマ装置の構成を示す概略図である。なお、本実施の形態においては、プラズマ装置として、真空アーク放電を利用して基材表面に薄膜を形成する真空アーク蒸着装置を用いている。
1. Plasma Device First, the basic configuration of the plasma device will be described. FIG. 1 is a schematic diagram showing the configuration of the plasma apparatus according to the present embodiment. In the present embodiment, a vacuum arc deposition apparatus that forms a thin film on the surface of the substrate using vacuum arc discharge is used as the plasma apparatus.

図1に示すように、このプラズマ装置100は、陰極部材22以外は、従来のプラズマ装置と同様の構成である。具体的には、プラズマ装置100は、真空チャンバー1と、陰極部材22と、台座部21と、バッキングプレート4と、保持部材3と、電源7および電源8と、マグネット9とを備えている。なお、図1中の5はプラズマであり、6は基材である。   As shown in FIG. 1, this plasma apparatus 100 has the same configuration as the conventional plasma apparatus except for the cathode member 22. Specifically, the plasma apparatus 100 includes a vacuum chamber 1, a cathode member 22, a pedestal portion 21, a backing plate 4, a holding member 3, a power source 7 and a power source 8, and a magnet 9. In addition, 5 in FIG. 1 is a plasma and 6 is a base material.

(1)真空チャンバー
真空チャンバー1は接地ノードGNDに接続されている。また、図示は省略するが、真空チャンバー1には排気口が設けられており、ターボ分子ポンプやロータリーポンプなどの排気系によって真空チャンバー1を所定の真空度まで真空排気することができる。
(1) Vacuum chamber The vacuum chamber 1 is connected to the ground node GND. Although not shown, the vacuum chamber 1 is provided with an exhaust port, and the vacuum chamber 1 can be evacuated to a predetermined degree of vacuum by an exhaust system such as a turbo molecular pump or a rotary pump.

(2)陰極部材
本実施の形態においては、陰極部材22が、円盤状の台座部21に取り付けられている。台座部21は、バッキングプレート4を介して真空チャンバー1と絶縁された状態で設置されており、カーボン材料から形成されている。
(2) Cathode member In this Embodiment, the cathode member 22 is attached to the disk shaped base part 21. As shown in FIG. The pedestal portion 21 is installed in a state insulated from the vacuum chamber 1 through the backing plate 4 and is made of a carbon material.

台座部21は、例えば、略円板状の部材であり、一方の面がバッキングプレート4に取り付けられ、他方の面が基材6に向けられている(図1参照)。以下、説明の便宜上、台座部21の基材6に向けられた面を台座部21の上面という。   The pedestal portion 21 is, for example, a substantially disk-shaped member, and one surface is attached to the backing plate 4 and the other surface is directed to the base material 6 (see FIG. 1). Hereinafter, for convenience of explanation, the surface of the pedestal portion 21 facing the base material 6 is referred to as the upper surface of the pedestal portion 21.

陰極部材22は、中心軸に垂直な断面が例えば円形である円柱状の部材であり、台座部21の上面から基材6に向かって突出している。   The cathode member 22 is a cylindrical member whose cross section perpendicular to the central axis is, for example, a circle, and protrudes from the upper surface of the pedestal portion 21 toward the base material 6.

(3)保持部材
保持部材3は、真空チャンバー1内において、陰極部材22と対向するように配置されており、複数の基材6が保持できるように構成されている。保持部材3は回転可能に取り付けられており、プラズマ照射中に保持部材3を回転させることにより基材6の各々の表面に一様に薄膜を形成することができる。
(3) Holding Member The holding member 3 is disposed so as to face the cathode member 22 in the vacuum chamber 1 and is configured to hold a plurality of base materials 6. The holding member 3 is rotatably attached, and a thin film can be uniformly formed on each surface of the substrate 6 by rotating the holding member 3 during plasma irradiation.

(4)マグネット
図1に示すように、本実施の形態においては、真空チャンバー1の外部に磁界発生手段としてのマグネット9が設けられている。このマグネット9は、台座部21の背面近傍に配置されており、陰極部材22の軸方向および径方向に向かう磁界を生じさせるように配置されている。これにより、アーク放電中のアークスポットを陰極部材22の側面をスパイラル状に移動させることができる。
(4) Magnet As shown in FIG. 1, in the present embodiment, a magnet 9 as a magnetic field generating means is provided outside the vacuum chamber 1. The magnet 9 is disposed in the vicinity of the back surface of the pedestal portion 21 and is disposed so as to generate a magnetic field directed in the axial direction and the radial direction of the cathode member 22. Thereby, the side of the cathode member 22 can be moved spirally in the arc spot during arc discharge.

(5)電源
電源7は、保持部材3に接続されており、保持部材3を介して基材6に負の電圧(バイアス電圧)を印加する。また、電源7は接地ノードGNDにも接続されている。一方、電源8は、バッキングプレート4に接続されており、バッキングプレート4および台座部21を介して陰極部材22に負の電圧を印加する。また、電源7と同様に電源8も接地ノードGNDに接続されている。
(5) Power source The power source 7 is connected to the holding member 3 and applies a negative voltage (bias voltage) to the base material 6 via the holding member 3. The power supply 7 is also connected to the ground node GND. On the other hand, the power source 8 is connected to the backing plate 4 and applies a negative voltage to the cathode member 22 via the backing plate 4 and the pedestal portion 21. Similarly to the power supply 7, the power supply 8 is connected to the ground node GND.

(6)トリガー電極
図示を省略するが、プラズマ装置100にはトリガー電極が設けられており、トリガー電極を陰極部材22に接触させることにより、陰極部材22とチャンバー1内壁との間でアーク放電を生じさせ、陰極部材22のカーボン材料を蒸発させて、陰極部材22に対向して配置された基材21にカーボン材料を蒸着させることができる。
(6) Trigger electrode Although not shown, the plasma device 100 is provided with a trigger electrode. By bringing the trigger electrode into contact with the cathode member 22, arc discharge is caused between the cathode member 22 and the inner wall of the chamber 1. The carbon material of the cathode member 22 is evaporated, and the carbon material can be vapor-deposited on the base material 21 disposed facing the cathode member 22.

(7)ガス供給手段
プラズマ装置100には、所定の機能を有するガスを真空チャンバー1内に供給するガス供給手段(図示略)がさらに設けられていてもよく、このようなガスとしては、例えば、アルゴン等の希ガス、窒素ガス、ジボラン、フォスフィン等を挙げることができる。
(7) Gas supply means The plasma apparatus 100 may further be provided with a gas supply means (not shown) for supplying a gas having a predetermined function into the vacuum chamber 1. And rare gases such as argon, nitrogen gas, diborane, phosphine, and the like.

2.本実施の形態に係る陰極部材
次に、本発明の特徴部分である陰極部材について説明する。
2. Next, the cathode member that is a characteristic part of the present invention will be described.

(1)陰極部材の材料について
本発明の陰極部材においては、前記したように、陰極部材22が、構造的に粒界が存在しないガラス状炭素から形成されている。このガラス状炭素は、例えば、フェノール樹脂等の熱硬化性樹脂を焼成、炭素化することにより製造される。
(1) Material of Cathode Member In the cathode member of the present invention, as described above, the cathode member 22 is formed of glassy carbon that is structurally free of grain boundaries. This glassy carbon is produced, for example, by baking and carbonizing a thermosetting resin such as a phenol resin.

このようなガラス状炭素としては、グラッシーカーボン(glassy carbon)、アモルファスカーボン、非晶質カーボン、非定形炭素、無定形炭素、非黒鉛化炭素等があり、具体的には、日清紡ケミカル社製のガラス状カーボンや東海カーボン社製のグラッシーカーボン等を挙げることができる。   Examples of such glassy carbon include glassy carbon, amorphous carbon, amorphous carbon, amorphous carbon, amorphous carbon, non-graphitized carbon, and the like, specifically, manufactured by Nisshinbo Chemical Co., Ltd. Examples thereof include glassy carbon and glassy carbon manufactured by Tokai Carbon.

本実施の形態においては、粒界が存在しないガラス状炭素から陰極部材22が形成されているため、放電中にスパークが生じないスパークレス放電を行うことができ、マクロパーティクルの発生による成膜表面粗度の悪化を防止することができる。   In the present embodiment, since the cathode member 22 is formed from glassy carbon having no grain boundary, it is possible to perform a sparkless discharge in which no spark is generated during discharge, and a film formation surface due to the generation of macro particles. The deterioration of the roughness can be prevented.

(2)陰極部材の指数Fについて
そして、本実施の形態に係るプラズマ装置は、陰極部材22として、下記に示す指数Fが所定の値よりも大きな陰極部材を用いている点で従来と異なる。
(2) Index F of Cathode Member The plasma apparatus according to the present embodiment is different from the conventional one in that a cathode member having an index F shown below is larger than a predetermined value as the cathode member 22.

具体的には、本実施の形態に係るプラズマ装置では、ガラス状炭素からなり、下記式(1)で表される指数Fが7.3よりも大きな陰極部材を用いている。
F=R×d (1)
Specifically, in the plasma apparatus according to the present embodiment, a cathode member made of glassy carbon and having an index F expressed by the following formula (1) larger than 7.3 is used.
F = R × d (1)

前記したように、粒界が存在しないガラス状炭素から形成された陰極部材22を用いることによりスパークレス放電を行うことができるが、このような陰極部材は、急激な温度上昇が生じると粉砕する恐れがある。   As described above, sparkless discharge can be performed by using the cathode member 22 formed of glassy carbon having no grain boundary. However, such a cathode member is pulverized when a rapid temperature rise occurs. There is a fear.

しかし、本実施の形態においては、後述する実験の結果の通り、上記の式(1)中の指数Fが7.3よりも大きくなるように、陰極部材22を構成しているため、ガラス状炭素から形成された陰極部材22を用いているにも拘らず、急激な温度上昇による陰極部材22の粉砕の発生を適切に抑制して、安定したスパークレス放電を継続することができる。   However, in the present embodiment, since the cathode member 22 is configured so that the index F in the above formula (1) is larger than 7.3 as a result of an experiment described later, it is glassy. Despite the use of the cathode member 22 formed of carbon, it is possible to appropriately suppress the occurrence of pulverization of the cathode member 22 due to a rapid temperature rise and to continue stable sparkless discharge.

(a)熱衝撃抵抗Rについて
式(1)中の熱衝撃抵抗Rは、前記したように、一定の直径の陰極部材に急激な温度上昇に伴う熱の衝撃が加えられた際に、この熱による衝撃に耐えることができる程度を示す値であり、熱衝撃抵抗Rが大きい場合には急激な温度上昇があっても粉砕し難く、熱衝撃抵抗Rが小さい場合には緩やかな温度上昇であっても粉砕し易い。
(A) Thermal shock resistance R As described above, the thermal shock resistance R in the formula (1) is obtained when a thermal shock accompanying a sudden temperature rise is applied to a cathode member having a constant diameter. It is a value that indicates the degree to which it can withstand the impact caused by the above. When the thermal shock resistance R is large, it is difficult to pulverize even if there is a rapid temperature rise, and when the thermal shock resistance R is small, the temperature rises slowly. However, it is easy to grind.

熱衝撃抵抗Rは、大きい値になることが好ましい。具体的には、7.9以上が好ましく、12.2以上であるとより好ましい。なお、ガラス状炭素の熱衝撃抵抗Rの最大値は20.7程度である。   The thermal shock resistance R is preferably a large value. Specifically, it is preferably 7.9 or more, and more preferably 12.2 or more. In addition, the maximum value of the thermal shock resistance R of glassy carbon is about 20.7.

(b)直径dについて
一方、式(1)中の直径dについても、ある程度の大きさが求められる。即ち、直径dが小さすぎると、陰極部材22の電気抵抗が大きくなるため発熱量が増加して熱衝撃が大きくなると共に、陰極部材22の単位長さ当たりの容積が小さくなるため、熱衝撃による粉砕が発生しやすくなる。このため、上記した熱衝撃抵抗Rだけではなく、前記した通り、陰極部材の直径dも、急激な温度上昇に伴う粉砕の発生に関係している。
(B) Diameter d On the other hand, the diameter d in the formula (1) is also required to have a certain size. That is, if the diameter d is too small, the electrical resistance of the cathode member 22 increases, so the amount of heat generation increases and the thermal shock increases, and the volume per unit length of the cathode member 22 decreases. Crushing tends to occur. For this reason, not only the thermal shock resistance R described above, but also the diameter d of the cathode member is related to the occurrence of pulverization accompanying a rapid temperature rise as described above.

この直径dは、通常は3〜10mmであることが好ましい。直径dが10mmより大きい場合には、材料効率が悪くなると共に、アーク放電中にアークスポットが移動しなくなって陰極部材22が割れる恐れがある。また、陰極部材22の軸方向の長さは、例えば、アーク放電の継続時間等に応じて調整することが好ましく、10mm程度に設定されていることが好ましい。   This diameter d is usually preferably 3 to 10 mm. When the diameter d is larger than 10 mm, the material efficiency is deteriorated, and the arc spot may not move during the arc discharge and the cathode member 22 may be broken. The length of the cathode member 22 in the axial direction is preferably adjusted according to, for example, the duration of arc discharge, and is preferably set to about 10 mm.

(c)指数Fについて
そして、熱衝撃抵抗Rと直径dとの積(R×d)を指数Fとして、この指数Fが適切な値の陰極部材を用いることにより、アーク放電中に陰極部材が粉砕することなく、安定したスパークレス放電を継続することができる。
(C) About the index F The product (R × d) of the thermal shock resistance R and the diameter d is taken as the index F, and the cathode member having an appropriate value for this index F is Stable sparkless discharge can be continued without crushing.

この指数Fは、後述する実験の結果の通り、7.3よりも大きい値である必要がある。このように指数Fが7.3よりも大きな陰極部材であれば、放電電流(アーク電流)Iが小さければ、アーク放電中に粉砕することがなく、十分に安定したスパークレス放電を継続することができる。なお、具体的な指数Fの一例として、直径dが10mmの場合、熱衝撃抵抗Rの最大値は前記したように20.7程度であるため、指数Fの最大値は207程度となる。   This index F needs to be a value larger than 7.3 as a result of an experiment described later. Thus, if the cathode member has an index F larger than 7.3, if the discharge current (arc current) I is small, it will not be crushed during the arc discharge, and a sufficiently stable sparkless discharge will be continued. Can do. As an example of a specific index F, when the diameter d is 10 mm, the maximum value of the thermal shock resistance R is about 20.7 as described above, so the maximum value of the index F is about 207.

(3)指数Fとアーク電流Iとの関係について
上記した通り、指数Fが7.3よりも大きな陰極部材を用いることにより、安定したスパークレス放電を継続することができる。しかし、上記した指数Fが7.3よりも大きな陰極部材を用いた場合であっても、陰極部材へのアーク電流Iが大きすぎると、安定したスパークレス放電を継続できなくなることがある。このため、プラズマ装置100は、使用している陰極部材22の指数Fの値に応じてアーク電流Iを制御する制御部を備えていることが好ましい。
(3) Relationship between index F and arc current I As described above, stable sparkless discharge can be continued by using a cathode member having an index F larger than 7.3. However, even when a cathode member having an index F larger than 7.3 is used, if the arc current I to the cathode member is too large, stable sparkless discharge may not be continued. For this reason, it is preferable that the plasma apparatus 100 includes a control unit that controls the arc current I in accordance with the value of the index F of the cathode member 22 being used.

このとき、制御部は下記式(3)に示す条件を満たすように放電電流Iを制御することが好ましい。なお、式(3)中のIは放電電流(A)であり、Fは上記した式(1)で規定された指数Fである。また、式(3)中の2.73は本発明者が後述の実験により見出した定数である。
I<2.73×F (3)
At this time, it is preferable that the control unit controls the discharge current I so as to satisfy the condition shown in the following formula (3). In the equation (3), I is the discharge current (A), and F is the index F defined by the above equation (1). Further, 2.73 in the formula (3) is a constant found by the inventor through experiments described later.
I <2.73 × F (3)

この式(3)を満たすように、陰極部材22の指数Fの値に応じてアーク電流Iを制御することにより、アーク放電中の陰極部材22の粉砕を確実に防止して、安定したスパークレス放電を継続することができる。   By controlling the arc current I in accordance with the value of the index F of the cathode member 22 so as to satisfy this equation (3), the cathode member 22 is reliably prevented from being crushed during arc discharge, and stable sparkless. Discharging can be continued.

(4)陰極部材のその他の構成
また、上記した実施の形態では、柱状の陰極部材22を1つ有している場合について説明したがこれに限定されない。陰極部材は少なくとも柱状部分を1つ有していることが好ましく、2つ以上有していてもよい。
(4) Other Configurations of Cathode Member In the above-described embodiment, the case where one columnar cathode member 22 is provided has been described, but the present invention is not limited to this. The cathode member preferably has at least one columnar portion, and may have two or more.

また、陰極部材は、中心軸に垂直な断面形状が、円形状、楕円形状、多角形状、角部に丸みを付けた多角形状であることが好ましい。なお、陰極部材22が円柱状でない場合には、式(1)中の直径dは、陰極部材の中心軸に垂直な断面の面積を求め、求めた断面の面積と同じ面積の円の直径を算出することにより求められる。   In addition, the cathode member preferably has a circular, elliptical, polygonal, or polygonal shape with rounded corners in a cross-sectional shape perpendicular to the central axis. When the cathode member 22 is not cylindrical, the diameter d in the formula (1) is the area of a cross section perpendicular to the central axis of the cathode member, and the diameter of a circle having the same area as the obtained cross section area is obtained. It is obtained by calculating.

また、陰極部材の太さが軸方向によって異なるような場合には、軸方向における各断面の面積の平均値を求め、この面積の平均値と同じ面積の円の直径を算出し、算出された直径を式(1)中の直径dとして用いる。   Further, when the thickness of the cathode member varies depending on the axial direction, the average value of the areas of the respective cross sections in the axial direction is obtained, and the diameter of a circle having the same area as the average value of the area is calculated. The diameter is used as the diameter d in the formula (1).

また、陰極部材22の表面粗度(算術平均粗さRa)は15.4μmよりも小さいことが好ましく、より好ましくは8.6μm以下である。表面粗度がこのように小さな陰極部材22を用いることにより、放電中にアークスポットが陰極部材22以外の部分に移動することを防止して、安定したスパークレス放電を継続することができる。   Further, the surface roughness (arithmetic average roughness Ra) of the cathode member 22 is preferably smaller than 15.4 μm, more preferably 8.6 μm or less. By using the cathode member 22 having such a small surface roughness, it is possible to prevent the arc spot from moving to a part other than the cathode member 22 during discharge, and to continue stable sparkless discharge.

3.本実施の形態に係るプラズマ装置を用いて行う成膜
次に、上述のように構成されたプラズマ装置100を用いて行う成膜の手順について説明する。
3. Film Formation Performed Using Plasma Apparatus According to this Embodiment Next, a film forming procedure performed using plasma apparatus 100 configured as described above will be described.

まず、台座部21をバッキングプレート4に取り付けると共に、陰極部材22を台座部21に取り付ける。このとき、陰極部材22は、前記したように、指数Fが7.3よりも大きなガラス状炭素から形成されている。   First, the pedestal 21 is attached to the backing plate 4 and the cathode member 22 is attached to the pedestal 21. At this time, the cathode member 22 is made of glassy carbon having an index F larger than 7.3 as described above.

次に、保持部材3で基材6を保持した後、真空チャンバー1内を所望の圧力まで減圧し、電源7から基材6に負の電圧(例えば、−10V〜−300V)を印加する。また、本実施の形態においては、電源8から陰極部材22に負の電圧を印加するに際して、上記した式(3)「I<2.73×F」に基づいて陰極部材22へのアーク電流Iが指数Fに対して適切な値となるように電圧を制御する。   Next, after holding the substrate 6 with the holding member 3, the inside of the vacuum chamber 1 is reduced to a desired pressure, and a negative voltage (for example, −10 V to −300 V) is applied from the power source 7 to the substrate 6. Further, in the present embodiment, when a negative voltage is applied from the power supply 8 to the cathode member 22, the arc current I to the cathode member 22 based on the above equation (3) “I <2.73 × F”. Is controlled to be an appropriate value for the index F.

そして、トリガー電極と陰極部材22とを接触させてチャンバー1内壁との間でアーク放電を生じさせる。   Then, the trigger electrode and the cathode member 22 are brought into contact with each other to cause arc discharge between the inner wall of the chamber 1.

アーク放電が生じると、アークスポットが陰極部材22に現れ、陰極部材22を構成するガラス状炭素が蒸発してプラズマ5が発生する。これにより、陰極部材22に対向して配置された基材6の表面にカーボン薄膜を形成することができる。   When arc discharge occurs, an arc spot appears on the cathode member 22, and glassy carbon constituting the cathode member 22 evaporates to generate plasma 5. As a result, a carbon thin film can be formed on the surface of the base material 6 disposed to face the cathode member 22.

このとき、陰極部材22の指数Fを7.3よりも大きくすると共に、アーク電流Iを「I<2.73×F」の条件を満たすように制御しているため、アーク放電による急激な温度上昇が陰極部材22に生じても、従来のように熱衝撃により粉砕することがない。この結果、安定したスパークレス放電を継続して、基材の表面に好適なカーボン薄膜を形成することができる。   At this time, since the index F of the cathode member 22 is made larger than 7.3 and the arc current I is controlled so as to satisfy the condition of “I <2.73 × F”, a rapid temperature due to arc discharge is increased. Even if the rise occurs in the cathode member 22, it is not pulverized by thermal shock as in the prior art. As a result, stable sparkless discharge can be continued and a suitable carbon thin film can be formed on the surface of the substrate.

4.実験例
以下、本発明者が本発明に至るまでに行った実験について説明する。上記したように、本発明者は、以下の実験の結果に基づいて、熱衝撃抵抗Rと直径dとの積(R×d)である指数Fがアーク放電中に陰極部材が粉砕するか否かのパラメータになることを見出し、この指数Fが7.3よりも大きな場合、アーク電流Iが小さければ放電中に粉砕することがなく、安定したスパークレス放電を継続することができることを確認した。
4). Experimental Example Hereinafter, an experiment conducted by the present inventor until reaching the present invention will be described. As described above, based on the results of the following experiment, the present inventor has determined whether or not the index member F, which is the product of the thermal shock resistance R and the diameter d (R × d), crushes the cathode member during arc discharge. When this index F is larger than 7.3, it was confirmed that if the arc current I is small, it is not pulverized during discharge and stable sparkless discharge can be continued. .

(1)実験1
本発明者は、アーク放電中に陰極部材が粉砕するか否かのパラメータを調べるに当たって、先ず、アーク放電中の急激な温度上昇に耐えることができるようなガラス状炭素を調べるために、熱衝撃抵抗Rが異なる複数のガラス状炭素を用いて真空アーク放電を行った。
(1) Experiment 1
In examining the parameter of whether or not the cathode member is pulverized during arc discharge, the present inventor firstly, in order to examine glassy carbon that can withstand a rapid temperature rise during arc discharge, Vacuum arc discharge was performed using a plurality of glassy carbons having different resistances R.

具体的には、図1に示すプラズマ装置100を使用して真空アーク放電を行った。この試験では、ロータリーポンプ及びターボ分子ポンプ等の排気装置(図示省略)によって真空チャンバー1内を9.9×10−3Paまで真空排気して、陰極部材22にアークスポットが生じるように放電点弧し、放電状況の確認を行った。 Specifically, vacuum arc discharge was performed using the plasma apparatus 100 shown in FIG. In this test, the vacuum chamber 1 is evacuated to 9.9 × 10 −3 Pa by an exhaust device (not shown) such as a rotary pump and a turbo molecular pump, and a discharge point is generated so that an arc spot is generated in the cathode member 22. Arcing was performed and the discharge status was confirmed.

そして、円柱状(直径dが3mm、高さが10mm)の陰極部材22を用いた。また、マグネット9を配置して陰極部材22の先端部の周囲に基材6方向に磁界を形成させた。このときの磁界をガウスメータ(Lake Shore社製、410−SCT型)を用いて測定したところ、陰極部材22の軸方向における磁場は87Gauss、径方向における磁場は16Gaussであった。なお、基材には−50Vのバイアス電圧を印加し、放電時間を40secに設定した。   Then, a cathode member 22 having a cylindrical shape (diameter d is 3 mm, height is 10 mm) was used. In addition, the magnet 9 was arranged to form a magnetic field in the direction of the base material 6 around the tip of the cathode member 22. When the magnetic field at this time was measured using a gauss meter (410-SCT type, manufactured by Lake Shore), the magnetic field in the axial direction of the cathode member 22 was 87 Gauss, and the magnetic field in the radial direction was 16 Gauss. Note that a bias voltage of −50 V was applied to the substrate, and the discharge time was set to 40 sec.

実験1においては、下記の表1に示すように、実験例1〜4で熱衝撃抵抗Rが異なる4種類の陰極部材22を用いた。なお、表1中の曲げ強度σ、熱伝導率λ、熱膨張率α、及びヤング率Eは、いずれも20℃〜30℃程度における値である。また、曲げ強度σは曲げ強度である。   In Experiment 1, as shown in Table 1 below, four types of cathode members 22 having different thermal shock resistance R in Experimental Examples 1 to 4 were used. In Table 1, the bending strength σ, the thermal conductivity λ, the thermal expansion coefficient α, and the Young's modulus E are all values at about 20 ° C. to 30 ° C. The bending strength σ is the bending strength.

Figure 2017183091
Figure 2017183091

上記した実験例1〜実験例4の実験結果をまとめて表2に示す。本実験においては、アーク電流を80Aに設定した。   Table 2 summarizes the experimental results of Experimental Example 1 to Experimental Example 4 described above. In this experiment, the arc current was set to 80A.

なお、表2中の「可」は安定したスパークレス放電が40sec間継続したことを示し、「不可」は放電点弧後ほぼ瞬時(1sec程度以内)に、陰極部材22が粉砕したことを示す。実験1においては、各実験例について同じ実験を3回繰返し行ったが、3回とも同じ結果が得られた。   “Yes” in Table 2 indicates that stable sparkless discharge continued for 40 seconds, and “No” indicates that the cathode member 22 was crushed almost instantaneously (within about 1 second) after the discharge was ignited. . In Experiment 1, the same experiment was repeated three times for each experimental example, but the same result was obtained three times.

Figure 2017183091
Figure 2017183091

表2より、陰極部材が粉砕した実験例1では、熱衝撃抵抗Rが7.9と低かったため、アーク電流を80Aに設定して放電点弧した際の温度上昇に耐えることができずに粉砕したと考えられる。一方、熱衝撃抵抗Rが7.9よりも大きい実験例2〜実験例4では、急激な温度上昇による熱衝撃に耐えることができ、安定したスパークレス放電が継続できたものと考えられる。   From Table 2, in the experimental example 1 in which the cathode member was crushed, the thermal shock resistance R was as low as 7.9, so the pulverization could not withstand the temperature rise when the arc was set to 80A and the discharge was ignited. It is thought that. On the other hand, in Experimental Example 2 to Experimental Example 4 in which the thermal shock resistance R is larger than 7.9, it can be considered that the thermal shock due to a rapid temperature rise can be withstood and stable sparkless discharge can be continued.

この結果より、陰極部材22の直径dが同じ大きさである場合、熱衝撃抵抗がある一定の値より高いガラス状炭素を陰極部材22に用いることによって陰極部材22が粉砕することなく、安定したスパークレス放電が可能であることが確認できた。   From this result, when the diameter d of the cathode member 22 is the same size, the cathode member 22 is stabilized without being pulverized by using glassy carbon having a thermal shock resistance higher than a certain value for the cathode member 22. It was confirmed that sparkless discharge was possible.

(2)実験2
次に、本発明者は、放電中の陰極部材22が粉砕するか否かについて、陰極部材22の太さの影響を調べる実験を行った。
(2) Experiment 2
Next, the inventor conducted an experiment to examine the influence of the thickness of the cathode member 22 as to whether or not the cathode member 22 during discharge is pulverized.

実験2では、実験1において安定したスパークレス放電が40sec間継続できた実験例2のガラス状炭素(熱衝撃抵抗R=12.2)を用い、陰極部材22の直径dを表3に示すように異ならせて真空アーク放電を行った。なお、その他は実験1と同じ条件に設定し、実験1と同様に各実験例について放電試験を3回繰り返した。その結果3回とも同じ結果が得られた。実験結果をまとめて表3に示す。   In Experiment 2, the glassy carbon of Example 2 (thermal shock resistance R = 12.2) in which the stable sparkless discharge was continued for 40 seconds in Experiment 1, and the diameter d of the cathode member 22 is shown in Table 3. A vacuum arc discharge was performed. Other conditions were set to the same conditions as in Experiment 1, and the discharge test was repeated three times for each experimental example as in Experiment 1. As a result, the same result was obtained three times. The experimental results are summarized in Table 3.

Figure 2017183091
Figure 2017183091

表3より、アーク電流が80Aのアーク放電を行う際に、熱衝撃抵抗Rが12.2のガラス状炭素を用いた場合には、陰極部材22の直径dが3mm以上の実験例7〜実験例9において安定したスパークレス放電が継続できることが確認できた。一方で、陰極部材22の直径が2mm以下の実験例5〜実験例6の場合は、放電点弧後に陰極部材22が瞬時に粉砕した。このことから、熱衝撃抵抗Rが同じ場合であっても、陰極部材22の直径が小さいと、陰極部材22の粉砕を適切に防止できないことが確認できた。   From Table 3, when performing arc discharge with an arc current of 80 A, when glassy carbon having a thermal shock resistance R of 12.2 is used, Experimental Example 7 to Experiment in which the diameter d of the cathode member 22 is 3 mm or more In Example 9, it was confirmed that stable sparkless discharge could be continued. On the other hand, in the case of Experimental Example 5 to Experimental Example 6 in which the diameter of the cathode member 22 was 2 mm or less, the cathode member 22 was pulverized instantaneously after the discharge was ignited. From this, it was confirmed that even when the thermal shock resistance R is the same, if the diameter of the cathode member 22 is small, the pulverization of the cathode member 22 cannot be prevented appropriately.

これは、陰極部材22の直径が小さいと、陰極部材22の電気抵抗が高くなって発熱量が大きくなるためと考えられる。さらに、直径が小さい陰極部材22は、単位長さあたりの容積が小さく放電点弧した際の温度上昇が更に急激になると共に、機械的な強度も小さくなるためと考えられる。   This is considered to be because when the diameter of the cathode member 22 is small, the electrical resistance of the cathode member 22 increases and the amount of heat generation increases. Further, it is considered that the cathode member 22 having a small diameter has a small volume per unit length, and the temperature rise when the discharge is ignited is further abrupt and the mechanical strength is also reduced.

このことから、本発明者は、ガラス状炭素の熱衝撃抵抗Rが大きいだけで陰極部材22の粉砕を防止できるということではなく、直径dもある程度大きな値でないと陰極部材22の粉砕を防止できないと考え、熱衝撃抵抗Rと直径dの両方を考慮した指数Fがアーク放電中に陰極部材22が粉砕するか否かを判断するためのパラメータになり得ると考えた。   Therefore, the present inventor cannot prevent the cathode member 22 from being crushed only by the large thermal shock resistance R of glassy carbon, and the cathode member 22 cannot be crushed unless the diameter d is also a certain large value. Therefore, it is considered that the index F considering both the thermal shock resistance R and the diameter d can be a parameter for determining whether or not the cathode member 22 is crushed during arc discharge.

(3)実験3および実験4
そこで、本発明者は、さらにアーク電流Iと直径dを変化させて、熱衝撃抵抗Rと直径dに関するデータを取得する実験を行った。
(3) Experiment 3 and Experiment 4
Therefore, the present inventor conducted an experiment to obtain data on the thermal shock resistance R and the diameter d by further changing the arc current I and the diameter d.

実験3および実験4ではアーク放電中のアーク電流を変えたことを除いて、実験2と同じ条件で真空アーク放電を行った。具体的には、実験3ではアーク電流を40Aに設定し、実験4では100Aに設定した。アーク電流を40Aに設定した実験3の結果を表4に示し、100Aに設定した実験4の結果を表5に示す。   In Experiment 3 and Experiment 4, vacuum arc discharge was performed under the same conditions as in Experiment 2 except that the arc current during arc discharge was changed. Specifically, in Experiment 3, the arc current was set to 40A, and in Experiment 4, it was set to 100A. The results of Experiment 3 with the arc current set to 40 A are shown in Table 4, and the results of Experiment 4 with the arc current set to 100 A are shown in Table 5.

Figure 2017183091
Figure 2017183091

Figure 2017183091
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表3〜表5より、陰極部材22の直径dを2mmとした実験例6、実験例11、実験例16を比較すると、アーク電流を40Aに設定した実験例11では陰極部材22が粉砕されなかったが、実験例6や実験例16では放電点弧後に陰極部材22が粉砕された。これは、アーク電流が大きいと発熱量が大きくなり、放電点弧した際の温度上昇が急激になったためと考えられる。   From Table 3 to Table 5, comparing Experimental Example 6, Experimental Example 11, and Experimental Example 16 in which the diameter d of the cathode member 22 was 2 mm, the cathode member 22 was not crushed in Experimental Example 11 in which the arc current was set to 40A. However, in Experimental Examples 6 and 16, the cathode member 22 was pulverized after the ignition of the discharge. This is considered to be because when the arc current is large, the amount of heat generation increases, and the temperature rises rapidly when the discharge is ignited.

この結果より、アーク電流をある程度小さな値に設定した上で、熱衝撃抵抗Rが大きく、かつ、ある程度大きな値の直径dを有する陰極部材を用いれば、安定したスパークレス放電を実現できることが確認できた。   From this result, it is possible to confirm that a stable sparkless discharge can be realized by setting the arc current to a certain small value and using a cathode member having a large thermal shock resistance R and a certain large diameter d. It was.

(4)指数Fと放電電流Iの関係について
次に、上記した実験1〜実験4において取得された熱衝撃抵抗Rと直径dに基づいて指数F(=R×d)を求め、この指数F(R×d)とアーク電流との関係を調べた。作成したグラフを図3に示す。なお、図3の横軸は指数F(熱衝撃抵抗R×直径d)であり、縦軸はアーク電流(A)である。また、図3中の○および×は下記を意味している。
○:安定したスパークレス放電が40sec間継続した場合。
×:点弧後、ほぼ瞬時(1sec程度以内)に陰極部材22が粉砕した場合。
(4) Regarding the relationship between the index F and the discharge current I Next, the index F (= R × d) is obtained based on the thermal shock resistance R and the diameter d acquired in the above experiments 1 to 4, and this index F The relationship between (R × d) and arc current was examined. The created graph is shown in FIG. In FIG. 3, the horizontal axis represents the index F (thermal shock resistance R × diameter d), and the vertical axis represents the arc current (A). In FIG. 3, “◯” and “X” mean the following.
○: When stable sparkless discharge continues for 40 seconds.
X: When the cathode member 22 pulverizes almost instantaneously (within about 1 sec) after starting.

図3に示すように実験1〜実験4の結果をグラフ上にプロットした結果、図4に示すように斜線を付した領域のような安定したスパークレス放電が継続できる領域と継続できない領域の2つに明確に分かれることが分かった。   As a result of plotting the results of Experiment 1 to Experiment 4 on the graph as shown in FIG. 3, there are 2 areas where stable sparkless discharge can be continued and areas where the sparkless discharge cannot be continued, as shown in FIG. It was found that there was a clear division.

そして、この2つの領域の境界は、横軸の値の増加に伴って縦軸の値が単調に増加する関数(単調増加関数)と考えられる。   The boundary between the two regions is considered to be a function (monotonically increasing function) in which the value on the vertical axis increases monotonously as the value on the horizontal axis increases.

そして、陰極部材が存在しない(直径d=0)場合、陰極部材22の体積が0になるために、発熱量も0に収束しないと、放電点弧した際の急激な温度上昇によって、陰極部材が粉砕してしまうため、アーク電流値Iを0にする必要がある。具体的には、d=0の場合に陰極部材の電気抵抗をRcとすると発熱量はRcIとなるが、Rc→∞であるために、RcI→0となるためにはI→0、すなわちIは0に収束する必要がある。よって、2つの領域の境界を示す関数fは、I≧0において、原点(0,0)を通る単調増加関数となる。 When the cathode member does not exist (diameter d = 0), the volume of the cathode member 22 becomes 0. Therefore, if the calorific value does not converge to 0, the cathode member is caused by a rapid temperature rise when the discharge is ignited. , The arc current value I must be set to zero. Specifically, the calorific value and the electric resistance of the cathode member and Rc in the case of d = 0 is the RCI 2, in order to be Rc → ∞, for the RCI 2 → 0 is I 2 → 0 That is, I needs to converge to zero. Therefore, the function f indicating the boundary between the two regions is a monotonically increasing function passing through the origin (0, 0) when I ≧ 0.

上記知見に基づき、本発明者は、境界を表す関数fを次の式(4)で表すことができると考えた。
I=f(F)=κ・F (4)
式(4)において、Iはアーク電流(A)、Fは式(1)に記載したF=R×dで定義される指数であり、κは定数である。
Based on the above knowledge, the inventor considered that the function f representing the boundary can be expressed by the following equation (4).
I = f (F) = κ · F (4)
In Expression (4), I is an arc current (A), F is an index defined by F = R × d described in Expression (1), and κ is a constant.

そして、このような条件を満たす関数fとして、図4に基づいて次式(5)のようにκ=2.73であることを求めた。
f(F)=2.73・F (5)
Then, as a function f satisfying such a condition, it was determined that κ = 2.73 as shown in the following equation (5) based on FIG.
f (F) = 2.73 · F (5)

図4においては、式(5)で示される境界の右側が、安定したスパークレス放電が継続できる領域であるため、この領域は次式(3)で表すことができる。
I<2.73・F (3)
In FIG. 4, the right side of the boundary represented by the equation (5) is a region where stable sparkless discharge can be continued, and this region can be represented by the following equation (3).
I <2.73 · F (3)

次に、本発明者は指数Fの最低限の値について検討するに際して、一般的なプラズマ装置においてアーク放電が成立する必要最低限の電流値に着目し、この必要最低限の電流値のアーク電流Iの場合に式(3)を満たすことができるFの値が、放電中に粉砕することなく安定したスパークレス放電を継続できる最低限の値となると考えた。   Next, when examining the minimum value of the index F, the present inventor pays attention to the minimum necessary current value at which arc discharge is established in a general plasma apparatus, and the arc current having the minimum necessary current value is considered. In the case of I, the value of F that can satisfy the expression (3) was considered to be a minimum value that can continue stable sparkless discharge without crushing during discharge.

そして、熱衝撃抵抗R=12.2、直径3mmの柱状の陰極部材を用い、アーク電流Iの値を10A、15A、20A、30A、40A、80A、100Aに変化させて、それぞれの電流値の場合に放電が成立するか否かを10秒間ずつ検証した。その結果、アーク電流Iの値を10Aや15Aにした場合には放電が全く発生しなかったが、20A以上の場合にはスパークレス放電が発生した。   Then, using a columnar cathode member having a thermal shock resistance R = 12.2 and a diameter of 3 mm, the value of the arc current I is changed to 10A, 15A, 20A, 30A, 40A, 80A, 100A, In this case, it was verified for 10 seconds whether or not the discharge was established. As a result, no discharge occurred when the value of the arc current I was 10 A or 15 A, but a sparkless discharge occurred when the arc current I was 20 A or more.

このことから、電流値を20A以上とすることにより確実にスパークレス放電が成立し、I=20Aの場合の指数Fの値を図4より算出した結果、陰極部材の指数Fを7.3よりも大きくすることにより、アーク電流が小さければ、放電中に粉砕せずに安定したスパークレス放電を十分に行うことができることが分かった。   Therefore, when the current value is set to 20 A or more, sparkless discharge is surely established, and the value of the index F in the case of I = 20 A is calculated from FIG. 4. As a result, the index F of the cathode member is calculated from 7.3. It was also found that if the arc current is small, stable sparkless discharge can be sufficiently performed without crushing during discharge.

以上のように、本発明者は、上記した実験1〜実験4の結果に基づいて、陰極部材の急激な温度上昇による粉砕の発生には、熱衝撃抵抗Rおよび陰極部材の直径dが大きく関係していることを見出し、この熱衝撃抵抗Rと直径dとの積(R×d)を指数Fとして、Fが7.3よりも大きければ陰極部材の急激な温度上昇による粉砕の発生を適切に抑制して、安定したスパークレス放電を継続することができることを確認し、本発明を完成させることができた。   As described above, based on the results of Experiments 1 to 4 described above, the present inventors have a large relationship with the thermal shock resistance R and the diameter d of the cathode member in the occurrence of pulverization due to the rapid temperature rise of the cathode member. If the product (R × d) of the thermal shock resistance R and the diameter d is an index F, and F is larger than 7.3, the occurrence of pulverization due to a rapid temperature rise of the cathode member is appropriate. It was confirmed that stable sparkless discharge could be continued and the present invention could be completed.

以上、本発明を実施の形態に基づいて説明したが、本発明は上記の実施の形態に限定されるものではない。本発明と同一および均等の範囲内において、上記の実施の形態に対して種々の変更を加えることができる。   While the present invention has been described based on the embodiments, the present invention is not limited to the above embodiments. Various modifications can be made to the above-described embodiments within the same and equivalent scope as the present invention.

1 真空チャンバー
3 保持部材
4 バッキングプレート
5 プラズマ
6 基材
7、8 電源
9 マグネット
21 台座部
22 陰極部材
100 プラズマ装置
d 陰極部材の直径
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Vacuum chamber 3 Holding member 4 Backing plate 5 Plasma 6 Base material 7, 8 Power supply 9 Magnet 21 Base part 22 Cathode member 100 Plasma apparatus d Diameter of cathode member

Claims (15)

真空アーク放電に用いられる陰極部材であって、
ガラス状炭素からなり、下記式(1)で表される指数Fが7.3よりも大きいことを特徴とする陰極部材。
F=R×d (1)
但し、R=σ×λ/α/E (2)
なお、式(1)中のRは熱衝撃抵抗[10W/m]、dは前記陰極部材の中心軸に垂直な断面の断面積と同じ面積をもつ円の直径[mm]であり、式(2)中のσは曲げ強度[MPa]、λは熱伝導率[W/mK]、αは熱膨張率[/10K]、Eはヤング率[GPa]である。
A cathode member used for vacuum arc discharge,
A cathode member comprising glassy carbon and having an index F expressed by the following formula (1) larger than 7.3.
F = R × d (1)
However, R = σ × λ / α / E (2)
In Equation (1), R is the thermal shock resistance [10 9 W / m], d is the diameter [mm] of a circle having the same area as the cross-sectional area of the cross section perpendicular to the central axis of the cathode member, In the formula (2), σ is a bending strength [MPa], λ is a thermal conductivity [W / mK], α is a thermal expansion coefficient [/ 10 6 K], and E is a Young's modulus [GPa].
前記陰極部材が、柱状部分を少なくとも1つ有していることを特徴とする請求項1に記載の陰極部材。   The cathode member according to claim 1, wherein the cathode member has at least one columnar portion. 前記陰極部材が、1本の棒状の部材であることを特徴とする請求項1または請求項2に記載の陰極部材。   The cathode member according to claim 1, wherein the cathode member is a single bar-shaped member. 前記陰極部材の中心軸に垂直な断面形状が、円形状、楕円形状、多角形状、角部に丸みを付けた多角形状のいずれかであることを特徴とする請求項1ないし請求項3のいずれか1項に記載の陰極部材。   The cross-sectional shape perpendicular to the central axis of the cathode member is any one of a circular shape, an elliptical shape, a polygonal shape, and a polygonal shape with rounded corners. The cathode member according to claim 1. 前記陰極部材が、円柱状あるいは略円柱状であることを特徴とする請求項1ないし請求項4のいずれか1項に記載の陰極部材。   The cathode member according to claim 1, wherein the cathode member has a columnar shape or a substantially columnar shape. 前記陰極部材の表面粗度Raが、15.4μmよりも小さいことを特徴とする請求項1ないし請求項5のいずれか1項に記載の陰極部材。   6. The cathode member according to claim 1, wherein the surface roughness Ra of the cathode member is less than 15.4 μm. 前記陰極部材を形成するガラス状炭素が、グラッシーカーボン、アモルファスカーボン、非晶質カーボン、非定形炭素、無定形炭素、非黒鉛化炭素のいずれかであることを特徴とする請求項1ないし請求項6のいずれか1項に記載の陰極部材。   The glassy carbon forming the cathode member is any one of glassy carbon, amorphous carbon, amorphous carbon, amorphous carbon, amorphous carbon, and non-graphitized carbon. The cathode member according to any one of 6. 真空チャンバーと、前記真空チャンバー内に取り付けられた陰極部材とを備え、
前記陰極部材が、ガラス状炭素からなり、下記式(1)で表される指数Fが7.3よりも大きいことを特徴とするプラズマ装置。
F=R×d (1)
但し、R=σ×λ/α/E (2)
なお、式(1)中のRは熱衝撃抵抗[10W/m]、dは前記陰極部材の中心軸に垂直な断面の断面積と同じ面積をもつ円の直径[mm]であり、式(2)中のσは曲げ強度[MPa]、λは熱伝導率[W/mK]、αは熱膨張率[/10K]、Eはヤング率[GPa]である。
A vacuum chamber, and a cathode member attached in the vacuum chamber,
The said cathode member consists of glassy carbon, and the index | exponent F represented by following formula (1) is larger than 7.3, The plasma apparatus characterized by the above-mentioned.
F = R × d (1)
However, R = σ × λ / α / E (2)
In Equation (1), R is the thermal shock resistance [10 9 W / m], d is the diameter [mm] of a circle having the same area as the cross-sectional area of the cross section perpendicular to the central axis of the cathode member, In the formula (2), σ is a bending strength [MPa], λ is a thermal conductivity [W / mK], α is a thermal expansion coefficient [/ 10 6 K], and E is a Young's modulus [GPa].
前記陰極部材が、柱状部分を少なくとも1つ有していることを特徴とする請求項8に記載のプラズマ装置。   9. The plasma apparatus according to claim 8, wherein the cathode member has at least one columnar portion. 前記陰極部材に対する放電電流Iが、下記式(3)を満足するように、前記放電電流Iを制御することを特徴とする請求項8または請求項9に記載のプラズマ装置。
I<2.73×F (3)
The plasma apparatus according to claim 8 or 9, wherein the discharge current I is controlled so that the discharge current I to the cathode member satisfies the following formula (3).
I <2.73 × F (3)
前記陰極部材が、1本の棒状の部材であることを特徴とする請求項8ないし請求項10のいずれか1項に記載のプラズマ装置。   11. The plasma apparatus according to claim 8, wherein the cathode member is a single bar-shaped member. 前記陰極部材の中心軸に垂直な断面形状が、円形状、楕円形状、多角形状、角部に丸みを付けた多角形状のいずれかであることを特徴とする請求項8ないし請求項11のいずれか1項に記載のプラズマ装置。   The cross-sectional shape perpendicular to the central axis of the cathode member is any one of a circular shape, an elliptical shape, a polygonal shape, and a polygonal shape with rounded corners. 2. The plasma apparatus according to claim 1. 前記陰極部材が、円柱状あるいは略円柱状であることを特徴とする請求項8ないし請求項12のいずれか1項に記載のプラズマ装置。   The plasma device according to any one of claims 8 to 12, wherein the negative electrode member has a cylindrical shape or a substantially cylindrical shape. 前記真空チャンバー内に配置される基材を保持するための保持部材を備えた真空アーク蒸着装置であることを特徴とする請求項8ないし請求項13のいずれか1項に記載のプラズマ装置。   The plasma apparatus according to any one of claims 8 to 13, wherein the plasma apparatus is a vacuum arc vapor deposition apparatus including a holding member for holding a base material disposed in the vacuum chamber. アークスポットが前記陰極部材の側面をスパイラル状に移動するように、前記陰極部材の周辺に磁界を発生させる磁界発生手段を備えていることを特徴とする請求項14に記載のプラズマ装置。   15. The plasma apparatus according to claim 14, further comprising magnetic field generating means for generating a magnetic field around the cathode member so that the arc spot moves spirally on the side surface of the cathode member.
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