JP3910243B2

JP3910243B2 - Hollow cathode for plasma generation

Info

Publication number: JP3910243B2
Application number: JP35267396A
Authority: JP
Inventors: 宗人箱守; 幸信日比野; 松崎　　封徳; 倉内　　利春; 正道松浦
Original assignee: Ulvac Inc
Current assignee: Ulvac Inc
Priority date: 1996-12-12
Filing date: 1996-12-12
Publication date: 2007-04-25
Anticipated expiration: 2016-12-12
Also published as: JPH10168563A

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^-4Torr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
１６Ｔａ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
３６Ｔａパイプ
４１ＬａＢ₆円筒
４４開口
４５Ｔａ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 ion plating apparatus 10 using a hollow cathode (hollow cathode). In the vacuum chamber 11 to which the vacuum pump 12 is connected, the hearth 13 on the water-cooled copper block 19 is filled with e.g. Mg (magnesium) 14 as an evaporation material, and directly above it is connected to a flow rate adjusting valve 15, Ar An L-shaped hollow cathode 7 is attached to the tip of a Ta (tantalum) pipe 16 that also serves as an (argon) gas introduction pipe, and a DC voltage is generated between the hearth 13 and the hollow cathode 7 by an external DC power source 18. It is to be applied. 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. Furthermore, O 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]
FIG. 2 is a cross-sectional view of the hollow cathode 7 in which an L-shaped Ta pipe having an outer diameter of 16 mmφ, an inner diameter of 12 mmφ, and a length of 200 mm is directly attached as the hollow cathode 7. However, the hollow cathode 7 has drawbacks such as a high discharge voltage and a short life due to being easily consumed by the sputtering effect of the generated ions and the like. And since Ta pipe is expensive, the cost of ion plating is greatly increased.
[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 claim 1. If the solution is illustrated by an embodiment, FIG. 1 is a cross-sectional view of the hollow cathode 17 according to the present embodiment, and a thermoelectron having a small work function. A hollow body 17 is formed by attaching a cylindrical body having a cylinder 41 of LaB ₆ as an emission material as an inner layer and a bottomed Ta tube 45 having an opening 48 in the center of the bottom surface to an outer layer to a Ta pipe 36. The LaB ₆ cylinder 41 has a wall thickness of 3 mm or more and an inner surface area of 8 cm ² or more. According to this configuration, the outer peripheral surface of the LaB ₆ cylinder 41 is contacted coated all Ta material, bare conventional LaB ₆ cylinder 41, or compared with the case was covered with carbon sleeve or the like provided with a gap, LaB ₆ Thermal radiation from the cylinder 41 can be reduced. Therefore, it is possible to obtain an electron beam amount higher than that of the conventional type with low Joule heat, that is, low discharge power.
[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 hollow cathode 17 according to this embodiment. A bottomed Ta tube 45 having an outer diameter of 22 mmφ, an inner diameter of 19.2 mmφ, a bottom wall thickness of 3 mm, and a length of 63 mm and having a 5 mmφ opening 44 formed in the center of the bottom surface is used as an outer layer. A cylindrical body integrally holding a LaB ₆ cylinder 41 having an outer diameter of 19 mmφ, a wall thickness of 6 mm, that is, an inner diameter of 7 mmφ and a length of 40 mm is fixed to the tip (lower end) of a Ta pipe 36 having an outer diameter of 16 mmφ. The hollow cathode 17 is used. That is, a Ta tube 45 is fitted and fixed to the outer periphery of a Ta sleeve 36 ′ welded to the lower end of a Ta pipe 36 similar to the Ta pipe used as the hollow cathode 7 in the conventional example. The overall dimensions are matched with the conventional hollow cathode 7. Ta has a work function of 4.2 eV, whereas LaB ₆ has a work function of 2.3 to 2.6 eV, which is much smaller and easily emits thermal electrons.
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 hollow cathode 17 shown in FIG. 1 with the conventional hollow cathode 7 shown in FIG. 2, the hollow cathode 17 is set in the ion plating apparatus 10 shown in FIG. It was. After evacuating the vacuum chamber 11 of the ion plating apparatus 10 to a vacuum degree of 10 ⁻⁶ Torr, Ar gas is introduced at a flow rate of 80 sccm to maintain the Ar gas partial pressure of 5 × 10 ⁻⁴ Torr and direct current. When a DC voltage is applied between the hearth 13 and the hollow cathode 17 (or 7) by the power source 18, the Ar gas is turned into plasma, and thermoelectrons are emitted from the hollow cathode 17 (or 7) heated by the plasma. As a result, hollow cathode discharge occurs. Table 1 shows the results of a hollow cathode exhaustion test conducted at a discharge current of 400 A and discharging for 10 hours.
[0014]
[Table 1]

[0015]
As apparent from Table 1, the hollow cathode 7 in the conventional example while the discharge voltage is 30 V, the hollow cathode 17 of the present embodiment using the cylindrical 41 of the small LaB ₆ work function discharge It operates at a voltage as low as 20V. Further, although it is not clear whether the discharge voltage is low or the thermionic emission temperature is low, the consumption rate of the hollow cathode 17 of this embodiment is an extremely small value of 1/40 of the consumption rate of the hollow cathode 7 of the conventional example. Indicated. Further, it was found from the amount of change in the thickness of the LaB ₆ cylinder 41 that continuous discharge for 500 hours or more is sufficiently possible even if the discharge current is 400 A if the thickness is 3 mm or more.
[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 hollow cathode 17 according to the present embodiment, the internal surface area of the LaB ₆ cylinder 41 is 8 cm ² or more, so that the electric resistance is sufficient. It has been found that the consumption due to heat generation and evaporation can be suppressed because it is difficult to generate Joule heat. Further, in order to stably maintain a large current of about 400 A, it is necessary to increase the contact area between the LaB ₆ cylinder 41 and the cylindrical Ta tube 45, and to obtain such a contact surface. It has also been found that LaB ₆ is preferably formed in a cylindrical shape from the viewpoint of ease of processing and processing accuracy to be obtained.
[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 hollow cathode 17, but the work function of Ta is 4.2 eV. Any material with a small work function can be used instead of LaB ₆ . For example, in ceramics, TaC can be used in addition to ZrC having a work function of 3.4 eV. Also, Th · W (thorium tungsten) having a work function of 2.6 eV, which requires special surface formation, can be used.
[0020]
In this embodiment, the Ta tube 45 is used as the outer layer that integrally holds the LaB ₆ cylinder 41 as the inner layer, and the upper end portion thereof is attached to the tip end portion of the Ta pipe 36. Can be replaced with a metal other than Ta at 2000 ° C. or higher, for example, W or Mo.
[0021]
In this embodiment also, although both a cylindrical shape in the hollow cathode 17 and the outer layer as LaB ₆ cylinder 41 and the inner layer and Ta tube 45, except that the inner layer and LaB ₆ cylinder 41, the inner layer of the LaB ₆ cylinder 41 As long as a stable contact is obtained with a wide contact area between the outer layer and the refractory metal of the outer layer, the outer layer may not be cylindrical.
[0022]
In the present embodiment, the Ta tube 45 is welded to the lower end of the Ta pipe 36. However, a method other than welding, for example, both may be screwed together.
[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 hollow cathode 17 is installed in the downward vertical direction directly above the hearth 13 has been described. However, in order to avoid an obstacle to the vapor evaporated from the hearth, You may provide in the downward inclination from upper direction.
[0025]
In the present embodiment, the case where the hollow cathode 17 is used in the ion plating apparatus 10 is exemplified. 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.
[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 Vacuum layer 12 Vacuum pump 13 Hearth 14 Evaporating material Mg
15 Flow Control Valve 16 Ta Pipe 17 Hollow Cathode 18 DC Power Supply 21 Glass Substrate 22 Substrate Holder 23 Infrared Heater 24 Flow Control Valve 25 Reactive Gas Pipe 26 Chimney 36 Ta Pipe 41 LaB ₆ Cylinder 44 Open 45 Ta Tube

Claims

Tip of the hollow cathode for use in melting or evaporation of the metals, the outer layer of melting point 2000 ° C. or more refractory metal pipe, than the high-melting-point metal which is held in close contact with the inner peripheral surface of the outer layer A plasma generating hollow comprising an inner layer made of a cylinder of a thermoelectron emitting material having a low work function, and at least an end surface on the tip side of the inner layer being closely covered with the outer layer metal Cathode.

The hollow cathode for plasma generation according to claim 1, wherein the inner layer has a thickness of 3 mm or more and an inner surface area of 8 cm ² or more.

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

2. The thermoelectron emitting material is at least one of LaB ₆ (lanthanum boride), ZrC (zirconium carbide), TaC (tantalum carbide), and Th · W (thorium tungsten). 4. A hollow cathode for generating plasma according to any one of 3 to 3.