JP3888649B2

JP3888649B2 - Hollow cathode for plasma generation

Info

Publication number: JP3888649B2
Application number: JP34245096A
Authority: JP
Inventors: 倉内　　利春; 幸信日比野; 正道松浦
Original assignee: Ulvac Inc
Current assignee: Ulvac Inc
Priority date: 1996-12-06
Filing date: 1996-12-06
Publication date: 2007-03-07
Anticipated expiration: 2016-12-06
Also published as: JPH10158822A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明はプラズマ生成用ホローカソードに関するものであり、更に詳しくは使用する熱電子放出材料が放電によって亀裂や剥離、脱落を生ずることなく、ホローカソード放電が長時間にわたって安定に維持されるプラズマ生成用ホローカソードに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
プラズマ生成用ホローカソード（以降、ホローカソードと称する）はイオンプレーティング装置や真空冶金装置において金属を溶融ないしは蒸発させる場合に使用される。例えば、イオンプレーティングにおいては、ホローカソード放電によって金属を溶融して蒸発させ、必要な場合には反応ガスを導入して基板上に薄膜を形成させるが、この時、蒸発粒子のイオン化率が高く基板への付着強度が大であり、蒸発粒子の基板の裏面側への回り込みも良いことから、ＴｉＣ（炭化チタン）、ＴｉＮ（窒化チタン）、ＡｌＮ（窒化アルミニウム）、ＺｎＯ（酸化亜鉛）、その他の薄膜がホローカソード放電によるイオンプレーティング装置によって形成される。
【０００３】
図３はホローカソード（中空陰極）を使用するイオンプレーティング装置１０の縦断面図である。真空ポンプ１２が接続された真空槽１１内には、蒸発源として水冷銅ブロック１９上のハース１３に蒸発材料１４、例えばＭｇ（マグネシウム）が充填されており、その直上方には流量調整バルブ１５に接続され、Ａｒ（アルゴン）ガスの導入パイプを兼ねるＴａ（タンタル）パイプ１６の先端にＬ字形状のホローカソード３７が取り付けられており、外部の直流電源１８によってハース１３とホローカソード３７との間に直流電圧が印加されるようになっている。このホローカソード３７は外径２０ｍｍ、内径１４ｍｍ、長さ２００ｍｍのＬ字形のＴａパイプからなり、後述するが、その先端部には仕事関数が小さく、熱電子放出温度の低いＬａＢ₆（硼化ランタン）が内層として一体的に取り付けられている。真空槽１１内の上方の基板ホールダ２２にはガラス基板２１が固定されており、ガラス基板２１の裏面側にはガラス基板２１の温度を制御するための赤外線ヒータ２３が取り付けられている。更に真空槽１１の外部から反応ガスとしての０₂（酸素）ガスが流量調節バルブ２４を備え、先端部をリング状とした反応ガスパイプ２５によって導入され、蒸発されてくるＭｇとの反応度を高めるようにガラス基板２１の周囲に設けられた円筒状のチムニー２６内においてガラス基板２１に向けて噴出されるようになっている。
【０００４】
従来、ホローカソードとしては単なるＬ字形のＴａパイプが使用されてきたが、受けるスパッタ作用等による消耗が激しいこと、放電電圧が高いこと、ホローカソード放電時における温度が２５００℃に近い温度にもなり輻射熱の基板２１への影響を無視できないことのほか、熱絶縁のためのコストが大であることから、熱電子放出材料ＬａＢ₆が着目されるようになった。
【０００５】
図４は上記ホローカソード３７の断面図である。すなわち、外径２０ｍｍφ、肉厚３ｍｍのＴａパイプ３６の先端（下端）部の肉厚を１．５ｍｍとするように、その内周側を先端から奥へ正味長さ４０ｍｍくり抜き、終端にストッパーとしてのテーパ部３５を設けた箇所を外層とし、これに内層としての外径１７ｍｍφ、内径７ｍｍφ、長さ４０ｍｍのＬａＢ₆円筒３１を挿嵌し、下端に肉厚３ｍｍで円筒状のＴａキャップ３９をかぶせて溶接固定したものである。Ｔａキャップ３９の軸心部には径５ｍｍφの開口３８が形成されている。ＬａＢ₆ 円筒３１はＬａＢ₆ 微粒子の焼結体である。なお、Ｔａの仕事関数は４．３ｅＶ、熱電子放出温度は２５００℃近辺であるに対して、ＬａＢ₆の仕事関数は２．３〜２．６ｅＶと小さく、熱電子放出温度も１５００℃近辺にある。
【０００６】
上記のイオンプレーティング装置１０によってガラス基板２１上にＭｇＯ（酸化マグネシウム）薄膜を形成させるには、真空槽１１内を到達可能な圧力まで真空ポンプ１２によって排気した後、所定の流量で所定の分圧となるようにＡｒガスを導入し、直流電源１８によってハース１３とホローカソード３７との間に直流電圧を印加する。これによってＡｒガスはプラズマ化され、プラズマによって加熱されるホローカソード３７のＬａＢ₆ 円筒３１から熱電子が放出される。その熱電子ビームとしてのホローカソード放電によってＭｇは加熱されて溶融しガラス基板２１へ向かって蒸発する。この時、蒸発する粒子の２０〜４０％はイオン化される。一方、反応ガスとしてのＯ₂ガスを所定の分圧となるように導入しチムニー２６内で噴出させることにより、ガラス基板２１上に反応生成物としてのＭｇＯ薄膜が形成される。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
上記のホローカソード３７を設置したイオンプレーティング装置１０によって、表１に示した条件でガラス基板２１へのＭｇＯの膜形成を連続的に繰り返し、成膜時間の合計がほぼ１００時間に達するとホローカソード放電が不安定化するので成膜を停止せざるを得なかった。その原因を調査したところ、ＬａＢ₆円筒３１が損傷を受けていることが判明した。その時点におけるホローカソード３７の断面図である図５に示すように、ＬａＢ₆ 円筒３１に亀裂が生じており、その一部は剥離、脱落してＴａキャップ３９の開口３８を閉塞するようになっていた。すなわち、図４に示したホローカソード３７では一つの目標としての５００時間のような長時間の連続成膜は不可能である。
【０００８】
【表１】

【０００９】
本発明は上述の問題に鑑みてなされ、ホローカソードに内層として使用するＬａＢ₆ がホローカソード放電によって亀裂や剥離、脱落を生ずることなく、長時間の連続放電が可能なプラズマ生成用ホローカソードを提供することを課題とする。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
上記の課題は請求項１の構成によって解決されるが、その解決手段を実施の形態によって例示すれば、図１のＡは本実施の形態のプラズマ生成用ホローカソード４７の下端部の断面図であり、図１のＢは図１のＡにおけるＬａＢ₆ 複合物円筒４１の内部構造を示す部分拡大図である。すなわち、外層としてのＴａチューブ４５内に保持させる内層としてのＬａＢ₆複合物円筒４１には、ＬａＢ₆の顆粒を分散相４８とし、融点２０００℃以上の高融点金属であるＴａの微粒子を分散媒４９として焼結して形成されるものを使用している。このような構成とすることにより、ホローカソード４７は長時間の放電によっても亀裂や剥離を生ずることなく、放電が長時間にわたって安定化される。
【００１１】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態について図面を参照して説明する。
【００１２】
図１は本実施の形態によるホローカソード４７を示し、図１のＡはその下端部の断面図であり、図１のＢは図１のＡにおけるａで示す部分の拡大図である。
【００１３】
全体的な構造は図４に示したホローカソード３７と同様であり、外径２０ｍｍφ、肉厚３ｍｍのＴａパイプ３６の先端側の内周部を肉厚が１．５ｍｍとなるように正味長さ４０ｍｍくり抜いて外層とし、その内部へ内層として外径１７ｍｍφ、内径７ｍｍφ、長さ４０ｍｍの下記するＬａＢ₆複合物の円筒４１を挿入し、軸心部に径５ｍｍφの開口３８を備えた有底の円筒状のＴａキャップ３９をかぶせ溶接固定したものである。この実施の形態のホローカソード４７が図４のホローカソード３７と異なるところは、図１のＢに示すように、平均粒子径１ｍｍのＬａＢ₆の顆粒を分散相４８とし、平均粒子径１０μｍのＴａの微粒子を分散媒４９として焼結して形成されるＬａＢ₆複合物円筒４１を内層としていることにある。
【００１４】
すなわち、ＬａＢ₆ 複合物円筒４１はＬａＢ₆ の顆粒７０〜８０容積％と、Ｔａの微粒子２０〜３０容積％とを混合して１０００〜１７００℃に加熱することにより、微粒子であり単位重量当たりの表面積が大きく、表面エネルギーが大となっているＴａ微粒子が焼結されて分散媒４９を形成し、ＬａＢ₆の顆粒を分散相４８として包みこむと共に、ＬａＢ₆ 複合物円筒４１の強度メンバーとなってＬａＢ₆複合物円筒４１に強度を付与する。また、「超高融点材料便覧」（エル・ベ・カテリコフ、ほか；日ソ共同通信社）によればＴａ等の金属は１８００℃〜２０００℃の温度においてＬａＢ₆と反応するとされており、ホローカソード放電時に高温度になるＬａＢ₆複合物円筒４１においても分散相４８のＬａＢ₆顆粒と分散媒４９のＴａ微粒子との間に強固な密着の生起することが推測される。そして、このようなＬａＢ₆複合物円筒４１を内層とするホローカソード４７では、熱電子放出材料ＬａＢ₆の亀裂、剥離が防止されるので、ホローカソード放電が長時間にわたって安定化することが期待される。
【００１５】
図３に示したイオンプレーティング装置１０のホローカソード３７を図１に示した本実施の形態のホローカソード４７と交換し、表１に示した条件のもとでガラス基板２１上にＭｇＯ薄膜を形成させた。薄膜形成を連続的に繰り返して行い、成膜時間の合計が５００時間を経過した後の、ホローカソード４７の断面図を図２に示した。すなわち、ホローカソード４７のＬａＢ₆複合物円筒４１の内表面は一点鎖線で示す膜形成前の位置から５００時間後には実線位置まで後退していた。しかし、ＬａＢ₆は亀裂や剥離、脱落を全く生じておらず、特にその先端部において表面から徐々に消耗していることが判明した。すなわち、ＬａＢ₆複合物円筒４１を内層とし、Ｔａパイプ３６を外層とする２層構造とし、軸心部に開口３８を備えた有底円筒状のＴａキャップ３９で先端面を覆ったホローカソード４７によって、ホローカソード放電が長時間にわたって安定して得られ、ホローカソードの寿命も従来より大幅に延長された。
【００１６】
以上、本発明の実施の形態について説明したが、勿論、本発明はこれに限られることなく、本発明の技術的思想に基づいて種々の変形が可能である。
【００１７】
例えば、本実施の形態においては、ホローカソード４７の内層に使用するＬａＢ₆円筒４１はＬａＢ₆顆粒を分散相とし、Ｔａ微粒子を分散媒とする焼結体としたが、Ｔａ以外の、例えばＷ（タングステン）、Ｍｏ（モリブデン）、Ｈｆ（ハフニウム）またはＮｂ（ニオブ）の微粒子も分散媒とし得る。また、同じく溶融温度が２０００℃以上のＴａＢ₂（硼化タンタル）の微粒子も分散媒として使用し得る。
【００１８】
また本実施の形態においては、分散相としてのＬａＢ₆顆粒を７０〜８０容積％と、分媒４９としてのＴａ微粒子を２０〜３０容積％とを混合して焼結させたが、この混合割合はこれに限られない。ＬａＢ₆複合物円筒４１の強度を更に大にするにはＴａ微粒子の割合を大にすることが必要であるし、また使用するＬａＢ₆ 顆粒が球状に近い場合にはＴａ微粒子の割合を小にしても同一強度のＬａＢ₆複合物円筒４１が得られる。すなわち、分散相４８としてのＬａＢ₆顆粒と分散媒としてのＴａ微粒子との割合はＬａＢ₆の熱電子放出性を損なわない範囲で適宜設定される。
【００１９】
また本実施の形態においては、Ｔａパイプ３６の先端部の内周側をくり抜いた箇所を外層とし、その内周面に接するように内層としてのＬａＢ₆複合物円筒４１を挿嵌し、軸心部に開口３８を備えたＴａキャップ３９を先端面にかぶせてホローカソード４７としたが、これ以外の如何なる方法で外層としてのＴａパイプ３６に内層としてのＬａＢ₆複合物円筒４１を保持させてもよい。例えばＬａＢ₆複合物円筒４１が丁度入り得る長さと内径を有し、底面の中心部に開口の形成された有底のＴａチューブ内に内層としてのＬａＢ₆複合物円筒４１を保持させ、そのＴａチューブの上端部をＴａパイプ３６の先端部に螺合させるようにしてもよい。
【００２０】
また本実施の形態においては、ＬａＢ₆複合物円筒４１のサイズを外径１７ｍｍ、内径７ｍｍ、長さ４０ｍｍとしたが、サイズはこれに限られず、外径や長さを大にしてもよく内径を大にしてもよい。特に大電流を流す場合には、ＬａＢ₆複合物円筒４１の内表面積を大にして電気抵抗を小さくすることが望ましい。
【００２１】
また本実施の形態においては、内層としてのＬａＢ₆複合物円筒４１を保持させる外層としてＴａパイプ３６を採用したがＴａと同様に融点が２０００℃以上にあるＭｏパイプ、Ｗパイプも使用し得る。
【００２２】
また本実施の形態においては、ホローカソード４７をイオンプレーティング装置１０に使用する場合を例示したが、本発明のプラズマ生成用ホローカソードを真空冶金装置における金属溶融用のホローカソードとしても適用し得ることは言うまでもない。
【００２３】
【発明の効果】
本発明は以上に説明したような形態で実施され、次に記載するような効果を奏する。
【００２４】
本発明のプラズマ生成用のホローカソードは、Ｔａ、ＭｏまたはＷのパイプの先端部を外層とし、その内周面に密接して、ＬａＢ₆の顆粒を分散相とし融点２０００℃以上の高融点金属の微粒子または硼化金属の微粒子を分散媒として焼結し形成されるＬａＢ₆複合物円筒を内層としているので、高融点金属または硼化金属からなる分散媒が分散相であるＬａＢ₆ に亀裂や剥離、脱落を発生させず、また内層のＬａＢ₆複合物円筒の外周面および先端側の端面をＴａ、ＭｏまたはＷのパイプおよびキャップで密に覆って保護しているので、ＬａＢ₆複合物円筒は内表面から徐々に消耗し、放電電流４００Ａでカソード放電させても５００時間以上の長時間にわたってホローカソード放電が安定に維持され、ホローカソードが長寿命化する。
【図面の簡単な説明】
【図１】実施の形態によるホローカソードを示し、Ａは縦断面図であり、ＢはＡにおいてａで示す部分の拡大図である。
【図２】同ホローカソードの５００時間放電後の縦断面図である。
【図３】イオンプレーティング装置の縦断面図である。
【図４】従来例のホローカソードの縦断面図である。
【図５】同ホローカソードの１００時間放電後の縦断面図である。
【符号の説明】
１０イオンプレーティング装置
１１真空槽
１２真空ポンプ
１３ハース
１４蒸発材料Ｍｇ
１６Ｔａパイプ
１８直流電源
２１ガラス基板
２２基板ホールダ
２３赤外線ヒータ
２５反応ガスパイプ
２６チムニー
３６Ｔａパイプ
３８開口
３９Ｔａキャップ
４１ＬａＢ₆複合物円筒
４７ホローカソード
４８分散相
４９分散媒[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a hollow cathode for plasma generation, and more particularly, for generating plasma, in which a hollow cathode discharge is stably maintained over a long period of time without causing the thermoelectron emission material to be cracked, peeled off, or dropped off by discharge. It relates to a hollow cathode.
[0002]
[Prior art]
A plasma-generating hollow cathode (hereinafter referred to as a hollow cathode) is used for melting or evaporating a metal in an ion plating apparatus or a vacuum metallurgical apparatus. For example, in ion plating, a metal is melted and evaporated by hollow cathode discharge, and when necessary, a reactive gas is introduced to form a thin film on the substrate. At this time, the ionization rate of the evaporated particles is high. TiC (titanium carbide), TiN (titanium nitride), AlN (aluminum nitride), ZnO (zinc oxide), etc., because the adhesion strength to the substrate is high and the vaporized particles can wrap around the back side of the substrate The thin film is formed by an ion plating apparatus using hollow cathode discharge.
[0003]
FIG. 3 is a longitudinal sectional view of an ion plating apparatus 10 using a hollow cathode (hollow cathode). In the vacuum chamber 11 to which the vacuum pump 12 is connected, a hearth 13 on a water-cooled copper block 19 is filled as an evaporation source with an evaporation material 14, for example, Mg (magnesium), and a flow rate adjusting valve 15 is directly above it. And an L-shaped hollow cathode 37 is attached to the tip of a Ta (tantalum) pipe 16 that also serves as an Ar (argon) gas introduction pipe. The external DC power source 18 connects the hearth 13 and the hollow cathode 37 to each other. A DC voltage is applied between them. This hollow cathode 37 is composed of an L-shaped Ta pipe having an outer diameter of 20 mm, an inner diameter of 14 mm, and a length of 200 mm. As will be described later, LaB ₆ (lanthanum boride) has a low work function and a low thermoelectron emission temperature at its tip. ) Are integrally attached as an inner layer. A glass substrate 21 is fixed to the upper substrate holder 22 in the vacuum chamber 11, and an infrared heater 23 for controlling the temperature of the glass substrate 21 is attached to the back side of the glass substrate 21. Further, 0 ₂ (oxygen) gas as a reaction gas is introduced from the outside of the vacuum chamber 11 by a reaction gas pipe 25 having a flow rate adjusting valve 24 and having a ring shape at the tip, thereby increasing the reactivity with the evaporated Mg. In this way, it is ejected toward the glass substrate 21 in the cylindrical chimney 26 provided around the glass substrate 21.
[0004]
Conventionally, a simple L-shaped Ta pipe has been used as a hollow cathode. However, the consumption due to the sputtering effect, etc. is severe, the discharge voltage is high, and the temperature during hollow cathode discharge is close to 2500 ° C. In addition to the fact that the influence of radiant heat on the substrate 21 cannot be ignored and the cost for thermal insulation is large, the thermionic emission material LaB ₆ has attracted attention.
[0005]
FIG. 4 is a sectional view of the hollow cathode 37. In other words, the inner circumference side is cut out from the tip to the back by 40 mm so that the thickness of the tip (lower end) of the Ta pipe 36 having an outer diameter of 20 mmφ and a thickness of 3 mm is 1.5 mm, and a stopper is provided at the end. The LaB ₆ cylinder 31 having an outer diameter of 17 mmφ, an inner diameter of 7 mmφ, and a length of 40 mm is inserted into the outer layer, and a cylindrical Ta cap 39 having a wall thickness of 3 mm is inserted at the lower end. It is covered and fixed by welding. An opening 38 having a diameter of 5 mmφ is formed in the axial center portion of the Ta cap 39. The LaB ₆ cylinder 31 is a sintered body of LaB ₆ fine particles. The work function of Ta is 4.3 eV and the thermionic emission temperature is around 2500 ° C., whereas the work function of LaB ₆ is as small as 2.3 to 2.6 eV, and the thermionic emission temperature is also around 1500 ° C. is there.
[0006]
In order to form an MgO (magnesium oxide) thin film on the glass substrate 21 by the ion plating apparatus 10 described above, after evacuating the vacuum chamber 11 to a reachable pressure by the vacuum pump 12, a predetermined amount at a predetermined flow rate is obtained. Ar gas is introduced so as to achieve a pressure, and a DC voltage is applied between the hearth 13 and the hollow cathode 37 by the DC power source 18. As a result, the Ar gas is turned into plasma, and thermoelectrons are emitted from the LaB ₆ cylinder 31 of the hollow cathode 37 heated by the plasma. Due to the hollow cathode discharge as the thermoelectron beam, Mg is heated and melted and evaporated toward the glass substrate 21. At this time, 20 to 40% of the evaporated particles are ionized. On the other hand, an O ₂ gas as a reaction gas is introduced at a predetermined partial pressure and ejected in the chimney 26 to form an MgO thin film as a reaction product on the glass substrate 21.
[0007]
[Problems to be solved by the invention]
When the ion plating apparatus 10 provided with the hollow cathode 37 described above continuously repeats the formation of the MgO film on the glass substrate 21 under the conditions shown in Table 1, the total deposition time reaches approximately 100 hours. Since the cathode discharge became unstable, the film formation had to be stopped. When the cause was investigated, it was found that the LaB ₆ cylinder 31 was damaged. As shown in FIG. 5 which is a cross-sectional view of the hollow cathode 37 at that time, the LaB ₆ cylinder 31 is cracked, and a part thereof is peeled off and dropped off to close the opening 38 of the Ta cap 39. It was. That is, with the hollow cathode 37 shown in FIG. 4, continuous film formation for a long time such as 500 hours as one target is impossible.
[0008]
[Table 1]

[0009]
The present invention has been made in view of the above problems, and provides a hollow cathode for plasma generation in which LaB ₆ used as an inner layer of a hollow cathode can be continuously discharged for a long time without causing cracks, peeling or dropping due to the hollow cathode discharge. The task is to do.
[0010]
[Means for Solving the Problems]
The above problem is solved by the structure of claim 1. If the solution is illustrated by an embodiment, FIG. 1A is a cross-sectional view of the lower end portion of the hollow cathode 47 for plasma generation of the present embodiment. FIG. 1B is a partially enlarged view showing the internal structure of the LaB ₆ composite cylinder 41 in FIG. 1A. That is, in the LaB ₆ composite cylinder 41 as the inner layer held in the Ta tube 45 as the outer layer, LaB ₆ granules are used as the dispersed phase 48, and Ta fine particles having a melting point of 2000 ° C. or higher are dispersed in the dispersion medium. 49 is formed by sintering. By adopting such a configuration, the hollow cathode 47 is stabilized for a long time without causing cracks or peeling even when the discharge is performed for a long time.
[0011]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Embodiments of the present invention will be described below with reference to the drawings.
[0012]
FIG. 1 shows a hollow cathode 47 according to the present embodiment, A in FIG. 1 is a cross-sectional view of a lower end portion thereof, and B in FIG. 1 is an enlarged view of a portion indicated by a in FIG.
[0013]
The overall structure is the same as that of the hollow cathode 37 shown in FIG. 4, and the net length of the inner peripheral portion on the tip side of the Ta pipe 36 having an outer diameter of 20 mmφ and a thickness of 3 mm is 1.5 mm. An outer layer is formed by hollowing out 40 mm, and a LaB ₆ composite cylinder 41 described below having an outer diameter of 17 mmφ, an inner diameter of 7 mmφ, and a length of 40 mm is inserted into the inner layer, and an opening 38 having a diameter of 5 mmφ is provided at the shaft center. A cylindrical Ta cap 39 is covered and fixed by welding. The hollow cathode 47 of this embodiment is different from the hollow cathode 37 of FIG. 4 in that, as shown in FIG. 1B, LaB ₆ granules having an average particle diameter of 1 mm are used as the dispersed phase 48 and Ta particles having an average particle diameter of 10 μm . The LaB ₆ composite cylinder 41 formed by sintering the fine particles as a dispersion medium 49 is used as an inner layer.
[0014]
That is, the LaB ₆ composite cylinder 41 is a fine particle by mixing 70 to 80% by volume of LaB ₆ granules and 20 to 30% by volume of Ta fine particles and heating to 1000 to 1700 ° C. Ta fine particles having a large surface area and a large surface energy are sintered to form a dispersion medium 49, wrapping LaB ₆ granules as a dispersed phase 48, and becoming a strength member of the LaB ₆ composite cylinder 41. Thus, strength is imparted to the LaB ₆ composite cylinder 41. In addition, according to the “Handbook of Ultra-High Melting Point Materials” (El Bekaelikov, et al .: Japan-Soviet News Agency), metals such as Ta are said to react with LaB ₆ at temperatures of 1800 ° C. to 2000 ° C. Even in the LaB ₆ composite cylinder 41 that becomes a high temperature during the cathode discharge, it is estimated that strong adhesion occurs between the LaB ₆ granules of the dispersed phase 48 and the Ta fine particles of the dispersion medium 49. In the hollow cathode 47 having the LaB ₆ composite cylinder 41 as an inner layer, cracking and peeling of the thermoelectron emitting material LaB ₆ are prevented, so that the hollow cathode discharge is expected to be stabilized for a long time. The
[0015]
The hollow cathode 37 of the ion plating apparatus 10 shown in FIG. 3 is replaced with the hollow cathode 47 of the present embodiment shown in FIG. 1, and an MgO thin film is formed on the glass substrate 21 under the conditions shown in Table 1. Formed. FIG. 2 shows a cross-sectional view of the hollow cathode 47 after thin film formation is continuously repeated and the total film formation time exceeds 500 hours. That is, the inner surface of the LaB ₆ composite cylinder 41 of the hollow cathode 47 was retreated to the solid line position after 500 hours from the position before the film formation indicated by the alternate long and short dash line. However, it has been found that LaB ₆ does not crack, peel off or drop off at all, and is gradually consumed from the surface, particularly at the tip. That is, a hollow cathode 47 having a two-layer structure in which a LaB ₆ composite cylinder 41 is an inner layer and a Ta pipe 36 is an outer layer, and the tip surface is covered with a bottomed cylindrical Ta cap 39 having an opening 38 in an axial center portion. As a result, a hollow cathode discharge can be obtained stably over a long period of time, and the lifetime of the hollow cathode has been significantly extended.
[0016]
The embodiment of the present invention has been described above. Of course, the present invention is not limited to this, and various modifications can be made based on the technical idea of the present invention.
[0017]
For example, in the present embodiment, the LaB ₆ cylinder 41 used for the inner layer of the hollow cathode 47 is a sintered body using LaB ₆ granules as a dispersed phase and Ta fine particles as a dispersion medium. Fine particles of (tungsten), Mo (molybdenum), Hf (hafnium) or Nb (niobium) can also be used as a dispersion medium. Similarly, fine particles of TaB ₂ (tantalum boride) having a melting temperature of 2000 ° C. or higher can also be used as a dispersion medium.
[0018]
Further, in the present embodiment, 70-80% by volume of LaB ₆ granules as a dispersed phase and 20-30% by volume of Ta fine particles as a medium 49 are mixed and sintered. Is not limited to this. In order to further increase the strength of the LaB ₆ composite cylinder 41, it is necessary to increase the proportion of Ta fine particles, and when the LaB ₆ granules used are nearly spherical, the proportion of Ta fine particles is decreased. Even so, the LaB ₆ composite cylinder 41 having the same strength can be obtained. That is, the ratio of the LaB ₆ granules as the dispersed phase 48 and the Ta fine particles as the dispersion medium is appropriately set within a range not impairing the LaB ₆ thermal electron emission property.
[0019]
Further, in the present embodiment, a location where the inner peripheral side of the tip end portion of the Ta pipe 36 is hollowed out is an outer layer, and a LaB ₆ composite cylinder 41 as an inner layer is inserted so as to be in contact with the inner peripheral surface. A Ta cap 39 having an opening 38 in the portion is placed on the tip surface to form a hollow cathode 47. However, any other method may be used to hold the LaB ₆ composite cylinder 41 as the inner layer on the Ta pipe 36 as the outer layer. Good. For example, the LaB ₆ composite cylinder 41 has a length and an inner diameter that can be exactly entered, and a LaB ₆ composite cylinder 41 as an inner layer is held in a bottomed Ta tube having an opening at the center of the bottom surface. You may make it screw the upper end part of a tube with the front-end | tip part of Ta pipe 36. FIG.
[0020]
In this embodiment, the LaB ₆ composite cylinder 41 has an outer diameter of 17 mm, an inner diameter of 7 mm, and a length of 40 mm. However, the size is not limited to this, and the outer diameter and length may be increased. May be increased. In particular, when a large current flows, it is desirable to increase the inner surface area of the LaB ₆ composite cylinder 41 to reduce the electrical resistance.
[0021]
In the present embodiment, the Ta pipe 36 is adopted as the outer layer for holding the LaB ₆ composite cylinder 41 as the inner layer. However, similarly to Ta, a Mo pipe and a W pipe having a melting point of 2000 ° C. or more can also be used.
[0022]
In the present embodiment, the hollow cathode 47 is used in the ion plating apparatus 10. However, the plasma generating hollow cathode of the present invention can also be applied as a hollow cathode for melting metal in a vacuum metallurgy apparatus. Needless to say.
[0023]
【The invention's effect】
The present invention is implemented in the form as described above, and has the following effects.
[0024]
The hollow cathode for plasma generation according to the present invention is a high melting point metal having a Ta, Mo or W pipe with the outer layer as the outer layer and in close contact with the inner peripheral surface, with LaB ₆ granules as a dispersed phase and a melting point of 2000 ° C. or higher. Since the inner layer is a LaB ₆ composite cylinder formed by sintering a fine particle or a metal boride fine particle as a dispersion medium, the dispersion medium made of a refractory metal or a metal boride has cracks or cracks in LaB ₆ as a dispersion phase. No peeling or dropping occurs, and the outer peripheral surface and the end surface on the tip side of the LaB ₆ composite cylinder of the inner layer are closely covered with Ta, Mo or W pipes and caps for protection, so the LaB ₆ composite cylinder Is gradually consumed from the inner surface, and even if the cathode discharge is performed at a discharge current of 400 A, the hollow cathode discharge is stably maintained for a long time of 500 hours or more, and the life of the hollow cathode is extended.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 shows a hollow cathode according to an embodiment, in which A is a longitudinal sectional view, and B is an enlarged view of a portion indicated by a in A. FIG.
FIG. 2 is a longitudinal sectional view of the hollow cathode after 500 hours of discharge.
FIG. 3 is a longitudinal sectional view of an ion plating apparatus.
FIG. 4 is a longitudinal sectional view of a conventional hollow cathode.
FIG. 5 is a longitudinal sectional view of the hollow cathode after 100 hours of discharge.
[Explanation of symbols]
DESCRIPTION OF SYMBOLS 10 Ion plating apparatus 11 Vacuum tank 12 Vacuum pump 13 Hearth 14 Evaporation material Mg
16 Ta pipe 18 DC power supply 21 Glass substrate 22 Substrate holder 23 Infrared heater 25 Reaction gas pipe 26 Chimney 36 Ta pipe 38 Opening 39 Ta cap 41 LaB ₆ Composite cylinder 47 Hollow cathode 48 Disperse phase 49 Dispersion medium

Claims

An outer layer made of a metal pipe of Ta (tantalum), W (tungsten), or Mo (molybdenum), and a hollow cathode for use in melting or evaporation of the metal, Plasma generation comprising an inner layer made of a cylinder of LaB ₆ (lanthanum boride) composite held in close contact with the peripheral surface, and at least the end surface on the tip side of the inner layer is covered with the outer layer metal Hollow cathode for
The LaB ₆ composite is composed of LaB ₆ granules having an average particle diameter of 1 mm , refractory metal fine particles or metal boride fine particles having an average particle diameter of 10 μm and a melting point of 2000 ° C. or more, and LaB ₆ granules of 70 μm. -80% by volume of the refractory metal fine particles or the metal boride fine particles are mixed in a ratio of 20 to 30% by volume, and the LaB ₆ granules are used as a dispersed phase to form the refractory metal fine particles or the boride. A hollow cathode for generating plasma, which is sintered using metal fine particles as a dispersion medium.

2. The hollow cathode for plasma generation according to claim 1, wherein the refractory metal is at least one of Ta (tantalum), Mo (molybdenum), W (tungsten), Hf (hafnium), and Nb (niobium). .

The hollow cathode for plasma generation according to claim 1 or _2, wherein the metal boride is TaB ₂ (tantalum boride).