JPH10168563A - プラズマ生成用ホローカソード - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 放電電流を４００Ａにおいて５００時間以上
の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。 【解決手段】 外層としての、底面の中心部に開口４４
を有する有底のＴａチューブ４５と、内層としてのＬａ
Ｂ₆ 円筒４１とからなる２層構造の円筒状体で、かつＬ
ａＢ₆ 円筒４１の内表面積を８ｃｍ² 以上、肉厚を３ｍ
ｍ以上としたものをＴａパイプ３６の先端部に取り付け
てホローカソード１７とする。

Description

【発明の詳細な説明】

【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Ｍ
ｇ（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２
３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２
４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３−６９
９９１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 円筒外周面は
全てＴａ材に接触被覆されており、従来のＬａＢ₆ 円筒
がむき出し、ないしは間隙を設けてカーボンスリーブ等
を覆った場合に比べ、ＬａＢ₆ 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１９．２ｍ
ｍφ、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１９
ｍｍφ、肉厚６ｍｍ、すなわち内径７ｍｍφ、長さ４０
ｍｍ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^-6
Torrの真空度まで排気した後、Ａｒガスを流量８０ｓｃ
ｃｍ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 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はないが、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、Ｌ
ａＢ₆ 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 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、ＬａＢ
₆ 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、４００
Ａ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Ｌａ
Ｂ₆ 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３．４ｅ
Ｖ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２００
０℃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ＬａＢ
₆ 円筒４１として両者を円筒形状としたが、内層をＬａ
Ｂ₆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４０
ｍｍ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

フロントページの続き (72)発明者 倉内 利春 茨城県つくば市東光台５−９−７ 日本真 空技術株式会社筑波超材料研究所内 (72)発明者 松浦 正道 茨城県つくば市東光台５−９−７ 日本真 空技術株式会社筑波超材料研究所内

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 ホローカソード放電による金属の溶融な
   いしは蒸発に使用するための、高融点金属からなる外層
   と、前記高融点金属よりは仕事関数が小さい熱電子放出
   材料からなる内層とによって構成される中空のプラズマ
   生成用ホローカソードであって、前記熱電子放出材料か
   らなる内層が円筒状に形成されていることを特徴とする
   プラズマ生成用ホローカソード。
2. 【請求項２】 前記熱電子放出材料からなる円筒状の内
   層の肉厚が３ｍｍ以上であり、内表面積が８ｃｍ² 以上
   である請求項１に記載のプラズマ生成用ホローカソー
   ド。
3. 【請求項３】 前記高融点金属がＴａ（タンタル）、Ｗ
   （タングステン）、およびＭｏ（モリブデン）のうちの
   少なくとも何れか１種である請求項１または請求項２に
   記載のプラズマ生成用ホローカソード。
4. 【請求項４】 前記熱電子放出材料がＬａＢ₆ （硼化ラ
   ンタン）、ＺｒＣ（炭化ジルコニウム）、ＴａＣ（炭化
   タンタル）、およびＴｈ・Ｗ（トリウム・タングステ
   ン）のうちの少なくとも何れか１種である請求項１から
   請求項３までの何れかに記載のプラズマ生成用ホローカ
   ソード。