JP3910243B2 - Hollow cathode for plasma generation - Google Patents
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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、更に詳しくは放電電流が大であり、かつ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側への回り込みもよいことから、TiC(炭化チタン)、TiN(窒化チタン)、ZnO(酸化亜鉛)、AlN(窒化アルミニウム)など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ている。
【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、水冷銅ブロック19上のハース13に蒸発材料として例えばMg(マグネシウム)14が充填され、その直上方には流量調節バルブ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7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7との間に直流電圧が印加されるようになっている。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O2 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】
図2は上記ホローカソード7の断面図であり、外径16mmφ、内径12mmφ、長さ200mmでL字形状のTaパイプがそのままホローカソード7として取り付けられている。しかし、このホローカソード7は放電電圧が高いこと、生成されるイオン等のスパッタ作用を受けて消耗され易く寿命が短いことなどの欠点を有している。そして、Taパイプは高価であるためにイオンプレーティングのコストを大幅に増大させている。
【0005】
これに対して、本願出願人を共願者とする特公平3−69991号公報に係る「イオンプレーティング用ホローカソードガン」にはグラファイトからなる外層と、Ta、W(タングステン)およびLaB6(硼化ランタン)のうちのいずれか1種からなる内層とからなるホローカソードが開示されている。その意図するところは、グラファイトを組み合わせることにより安価で長時間使用し得るホローカソードを得んとするにある。結果的にそれらのホローカソードの耐用時間は長くなっているが、その理由については定かでない。
【0006】
また、特公平8−34128号公報に係る「プラズマ生成用陰極」にはTa、Mo(モリブデン)またはWからなる円筒状副陰極内に低温で熱電子放出のよいLaB6 の小片からなる主陰極が設置された小電流用のプラズマ生成用陰極が開示されており、実施例においては、外径5mm、肉厚0.3mm、長さ100mmのTaパイプに対して0.04gのLaB6 が設置されている。
【0007】
【発明が解決しようとする課題】
上記の特公平3−69991号公報に開示されている例えば外層がグラファイト、内層がTaからなるホローカソードは長寿命化されているが、グラファイトに直接電圧が印加した状態で使用すると形成される薄膜中にC(炭素)が混入するので、Ta層とグラファイト層との間に空隙を設けることを推奨しており、必ずしも満足なものではない。また、外層がグラファイト、内層がLaB6 からなるホローカソードについて放電電圧の低下の記述はない。
【0008】
更には上記の特公平8−34128号公報に開示されているホローカソードはLaB6 の小片を使用する放電電流が数Aから数十Aのホローカソードに関するものであり、400Aまたはそれ以上の大電流を使用する装置を対象とするものではない。
【0009】
本発明は以上の問題に鑑みてなされ、放電電圧が低く、かつ放電によって消耗され難く、放電電流が400Aで500時間以上の連続放電が可能な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は本実施の形態によるホローカソード17の断面図であり、仕事関数の小さい熱電子放出材料であるLaB6 の円筒41を内層とし、底面の中心部に開口48を有する有底のTaチューブ45を外層とする円筒状体をTaパイプ36に取り付けてホローカソード17とするものであり、そのLaB6 円筒41は肉厚を3mm以上、内表面積を8cm2 以上のものを使用している。本構成によれば、LaB6 円筒41の外周面は全てTa材に接触被覆されており、従来のLaB6 円筒41をむき出し、ないしは間隙を設けてカーボンスリーブ等で覆った場合に比べ、LaB6 円筒41からの熱放射を低減できる。ゆえに低ジュール熱、すなわち低放電パワーで従来型以上の電子ビーム量を取得することが可能となる。
【0011】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照して本発明の実施の形態を説明する。
【0012】
図1は本実施の形態によるホローカソード17の断面図である。外径22mmφ、内径19.2mmφ、底面の肉厚3mm、長さ63mmで、底面の中心部に5mmφの開口44を形成させた有底のTaチューブ45を外層とし、その内部に、内層としての外径19mmφ、肉厚6mm、すなわち内径7mmφ、長さ40mmのLaB6 の円筒41を一体的に保持させた円筒状体を外径16mmφのTaパイプ36の先端部(下端部)に固定してホローカソード17としている。すなわち、従来例でホローカソード7として使用されたTaパイプと同様なTaパイプ36の下端部に溶接したTaスリーブ36’の外周にTaチューブ45を嵌め込み溶接固定させている。そして、全体としての寸法は従来例のホローカソード7と整合させている。Taは仕事関数が4.2eVであるに対してLaB6 は仕事関数が2.3〜2.6eVとはるかに小さく熱電子を放出し易い材料である。
ちなみに、この場合のLaB6 円筒41の内表面積は8.8cm2である。
【0013】
図1に示したホローカソード17と、図2に示した従来例のホローカソード7とを比較するために、図3に示したイオンプレーティング装置10にセットして、ホローカソードの消耗試験を行なった。上記のイオンプレーティング装置10の真空槽11内を10-6Torrの真空度まで排気した後、Arガスを流量80sccmで導入してArガスの分圧5×10-4 Torrを維持し、直流電源18によってハース13とホローカソード17(または7)との間に直流電圧を印加することによりArガスはプラズマ化され、そのプラズマによって加熱されるホローカソード17(または7)から熱電子が放出されてホローカソード放電が生起する。放電電流を400Aとして放電を10時間継続させて行なったホローカソードの消耗試験の結果を表1に示した。
【0014】
【表1】
【0015】
表1から明らかなように、従来例のホローカソード7は放電電圧が30Vであるのに対して、仕事関数の小さいLaB6 の円筒41を使用している本実施の形態のホローカソード17は放電電圧が20Vと低い電圧で動作する。また放電電圧が低い故か、熱電子放出温度が低い故か明確でないが、本実施の形態のホローカソード17の消耗速度は従来例のホローカソード7の消耗速度の1/40と極めて小さい値を示した。また、LaB6円筒41の肉厚の変化量から、肉厚が3mm以上あれば放電電流を400Aとしても500時間以上の連続放電が十分に可能であることが分かった。
【0016】
なお、上述の特公平8−34128号公報に開示されている小片のLaB6をTaパイプ内に設置するホローカソードについて検討したところ、重さ1g程度のLaB6を設置した場合でも、放電電流400Aの条件下では、LaB6小片の表面積が小さいために高温度に加熱され、短時間でLaB6が蒸発した。そのことによると思われるが、放電は途中から不安定になり、LaB6小片による放電からTaパイプによる放電に移行し、放電電圧も30Vに上昇した。
【0017】
これに関連して本実施の形態によるホローカソード17に使用するLaB6 円筒41の適切なサイズについて種々テストした結果、LaB6 円筒41の内表面積を8cm2 以上とすることによって、電気抵抗が十分に低下しジュール熱を発生し難いためか、発熱、蒸発による消耗を抑え得ることが分かった。また、400A程度の大電流を安定に持続させるためには、LaB6 円筒41と円筒形状のTaチューブ45との接触面積を大にすることが必要であり、そのような接触面を得るための加工の容易さ、得られる加工精度の観点からはLaB6 を円筒形状にすることが好ましいことも判明した。
【0018】
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。
【0019】
例えば本実施の形態においては、ホローカソード17内に使用する仕事関数の小さい熱電子放出材料として、仕事関数2.3〜2.6eVのLaB6 を使用したが、Taの仕事関数4.2eVより小さい仕事関数を有する材料であれは、LaB6 に代えて使用し得る。例えば、セラミックスのなかでは仕事関数3.4eVのZrCのほか、TaCも使用し得る。また、特別な表面形成を必要とするが仕事関数2.6eVのTh・W(トリウム・タングステン)も使用し得る。
【0020】
また本実施の形態においては、内層としてのLaB6 円筒41を一体的に保持する外層にTaチューブ45を使用し、その上端部をTaパイプ36の先端部にとりつけたが、これらにおけるTaは融点が2000℃以上のTa以外の金属、例えばWやMoに代え得る。
【0021】
また本実施の形態においては、ホローカソード17では外層をTaチューブ45とし内層をLaB6 円筒41として両者を円筒形状としたが、内層をLaB6 円筒41とするほかは、内層のLaB6 円筒41と外層の高融点金属との間で接触面積が広く安定な接触が得られる限りにおいて、外層は円筒状でなくてもよい。
【0022】
また本実施の形態においては、Taチューブ45をTaパイプ36の下端部に溶接したが、溶接以外の方法、例えば両者を螺合して取り付けてもよい。
【0023】
また本実施の形態においては、LaB6 円筒41のサイズを外径19mm、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 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。
【0024】
また本実施の形態においては、プラズマ生成用ホローカソード17をハース13の直上方において下向きの鉛直方向に設置する例を説明したが、ハースから蒸発する蒸気の障害になることを避けるために、斜め上方から下向き傾斜に設けてもよい。
【0025】
また本実施の形態においては、ホローカソード17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は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。
【0026】
【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。
【0027】
従来例の単なるTaパイプからなるホローカソードの放電電圧は30Vであるに対して、本発明の、外層の高融点金属(例えばTa)のチューブ内に、内層としてのLaB6 円筒を有するホローカソードの放電電圧は20Vと低く、所要電力が小さい。また、本発明のホローカソードの消耗速度は従来例のホローカソードの1/40と小さい。従って、放電電流を400Aとして500時間以上の連続放電が可能であり、安定した工業生産に使用し得る。
【図面の簡単な説明】
【図1】 実施の形態によるプラズマ生成用ホローカソードの断面図である。
【図2】 従来例のプラズマ生成用ホローカソードの断面図である。
【図3】 イオンプレーティング装置の縦断面図である。
【符号の説明】
7 従来例のホローカソード
10 イオンプレーティング装置
11 真空層
12 真空ポンプ
13 ハース
14 蒸発材料Mg
15 流量調節バルブ
16 Taパイプ
17 ホローカソード
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
24 流量調節バルブ
25 反応ガスパイプ
26 チムニー
36 Taパイプ
41 LaB6 円筒
44 開口
45 Taチューブ[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a plasma generating hollow cathode, and more particularly to a plasma generating hollow cathode that has a large discharge current and is capable of continuous discharge for a long time.
[0002]
[Prior art]
A plasma generating hollow cathode (hereinafter referred to as a hollow cathode) is used in an ion plating apparatus or a vacuum metallurgy apparatus when a metal is melted or evaporated. For example, in ion plating, a metal is melted and evaporated by hollow cathode discharge, and if 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 and the substrate is high. Since the adhesion strength to the substrate is high and the evaporated particles can also wrap around the back side of the substrate, thin films such as TiC (titanium carbide), TiN (titanium nitride), ZnO (zinc oxide), and AlN (aluminum nitride) can be used. It is formed by an ion plating apparatus using hollow cathode discharge.
[0003]
FIG. 3 is a longitudinal sectional view of an
[0004]
FIG. 2 is a cross-sectional view of the
[0005]
On the other hand, the “hollow cathode gun for ion plating” according to Japanese Patent Publication No. 3-69991 with the applicant of the present application as a co-applicant has an outer layer made of graphite, Ta, W (tungsten), and LaB 6 ( A hollow cathode comprising an inner layer of any one of lanthanum boride) is disclosed. The intention is to obtain a hollow cathode that can be used for a long time at low cost by combining graphite. As a result, the service life of these hollow cathodes is long, but the reason is not clear.
[0006]
In addition, the “cathode for plasma generation” disclosed in Japanese Patent Publication No. 8-34128 is a main cathode composed of small pieces of LaB 6 , which is good at emitting low-temperature thermoelectrons in a cylindrical sub-cathode composed of Ta, Mo (molybdenum) or W. A small-current plasma generating cathode is disclosed, in which 0.04 g of LaB 6 is installed on a Ta pipe having an outer diameter of 5 mm, a wall thickness of 0.3 mm, and a length of 100 mm. Has been.
[0007]
[Problems to be solved by the invention]
For example, the hollow cathode disclosed in the above Japanese Patent Publication No. 3-69991 has a long life, such as a hollow cathode having an outer layer made of graphite and an inner layer made of Ta. However, a thin film formed when a voltage is directly applied to graphite. Since C (carbon) is mixed in, it is recommended to provide a gap between the Ta layer and the graphite layer, which is not always satisfactory. Further, there is no description of a decrease in discharge voltage for a hollow cathode composed of graphite for the outer layer and LaB 6 for the inner layer.
[0008]
Furthermore, the hollow cathode disclosed in the above Japanese Patent Publication No. 8-34128 relates to a hollow cathode having a discharge current of several A to several tens of A using a small piece of LaB 6 , and a large current of 400 A or more. It is not intended for devices that use.
[0009]
The present invention has been made in view of the above problems, and an object of the present invention is to provide a hollow cathode that has a low discharge voltage and is not easily consumed by discharge, and is capable of continuous discharge at a discharge current of 400 A for 500 hours or more.
[0010]
[Means for Solving the Problems]
The above problem is solved by the structure of
[0011]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Embodiments of the present invention will be described below with reference to the drawings.
[0012]
FIG. 1 is a sectional view of a
Incidentally, the inner surface area of the LaB 6 cylinder 41 in this case is 8.8 cm 2 .
[0013]
In order to compare the
[0014]
[Table 1]
[0015]
As apparent from Table 1, the
[0016]
In addition, when a hollow cathode in which a small piece of LaB 6 disclosed in the above-mentioned Japanese Patent Publication No. 8-34128 is installed in a Ta pipe is examined, even when LaB 6 having a weight of about 1 g is installed, a discharge current of 400 A Under these conditions, the surface area of the LaB 6 piece was small, so it was heated to a high temperature, and LaB 6 evaporated in a short time. As it seems to be due to this, the discharge became unstable in the middle, and the discharge from the LaB 6 small piece shifted to the discharge by the Ta pipe, and the discharge voltage also increased to 30V.
[0017]
In relation to this, as a result of various tests on an appropriate size of the LaB 6 cylinder 41 used in the
[0018]
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.
[0019]
For example, in the present embodiment, LaB 6 having a work function of 2.3 to 2.6 eV is used as the thermoelectron emitting material having a small work function used in the
[0020]
In this embodiment, the
[0021]
In this embodiment also, although both a cylindrical shape in the
[0022]
In the present embodiment, the
[0023]
In the present embodiment, the LaB 6 cylinder 41 has an outer diameter of 19 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 or length may be increased, and the inner diameter may be increased. It may be. In particular, when a large current flows, it is desirable to increase the inner surface area of the LaB 6 cylinder 41 to reduce the electrical resistance.
[0024]
In the present embodiment, an example in which the plasma generating
[0025]
In the present embodiment, the case where the
[0026]
【The invention's effect】
The present invention is implemented in the form as described above, and has the following effects.
[0027]
The discharge voltage of a hollow cathode made of a simple Ta pipe of the conventional example is 30 V, whereas the hollow cathode of the present invention has a LaB 6 cylinder as an inner layer in a tube of an refractory metal (for example, Ta) of the outer layer. The discharge voltage is as low as 20V and the required power is small. Further, the consumption rate of the hollow cathode of the present invention is as low as 1/40 of the conventional hollow cathode. Therefore, continuous discharge for 500 hours or more is possible with a discharge current of 400 A, and it can be used for stable industrial production.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a cross-sectional view of a plasma generating hollow cathode according to an embodiment.
FIG. 2 is a cross-sectional view of a conventional plasma generating hollow cathode.
FIG. 3 is a longitudinal sectional view of an ion plating apparatus.
[Explanation of symbols]
7 Hollow cathode of conventional example 10 Ion plating apparatus 11
15
Claims (4)
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP35267396A JP3910243B2 (en) | 1996-12-12 | 1996-12-12 | Hollow cathode for plasma generation |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP35267396A JP3910243B2 (en) | 1996-12-12 | 1996-12-12 | Hollow cathode for plasma generation |
Publications (2)
Publication Number | Publication Date |
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JPH10168563A JPH10168563A (en) | 1998-06-23 |
JP3910243B2 true JP3910243B2 (en) | 2007-04-25 |
Family
ID=18425663
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
JP35267396A Expired - Lifetime JP3910243B2 (en) | 1996-12-12 | 1996-12-12 | Hollow cathode for plasma generation |
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Country | Link |
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JP (1) | JP3910243B2 (en) |
-
1996
- 1996-12-12 JP JP35267396A patent/JP3910243B2/en not_active Expired - Lifetime
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Publication number | Publication date |
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JPH10168563A (en) | 1998-06-23 |
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