(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
直流プラズマ生成装置に使用されるトリウム含有タングステン熱陰極直流放電電極において、トリウム含有タングステン材をヘキサメチルジシランと水素との混合雰囲気中で放電処理した後、真空下で加熱してなることを特徴とするトリウム含有タングステン熱陰極直流放電電極。
【請求項２】
直流プラズマ生成装置に使用されるトリウム含有タングステン熱陰極直流放電電極において、トリウム含有タングステン材を真空下で加熱した後、ヘキサメチルジシランと水素との混合雰囲気中で放電処理してなることを特徴とするトリウム含有タングステン熱陰極直流放電電極。
【請求項３】
トリウム含有タングステン熱陰極直流放電電極と陽極とを対向設置した反応容器を備える直流プラズマ生成装置を用いて被処理材料を加工する際、加工に先立ち、前記反応容器内にヘキサメチルジシランと水素とを導入して放電を行った後、真空下で前記トリウム含有タングステン熱陰極直流放電電極を加熱することを特徴とするトリウム含有タングステン熱陰極直流放電電極の改質方法。
【請求項４】
トリウム含有タングステン熱陰極直流放電電極と陽極とを対向設置した反応容器を備える直流プラズマ生成装置を用いて被処理材料を加工する際、加工に先立ち、真空下で前記トリウム含有タングステン熱陰極直流放電電極を加熱した後、前記反応容器内にヘキサメチルジシランと水素とを導入して放電させることを特徴とするトリウム含有タングステン熱陰極直流放電電極の改質方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、直流プラズマ生成装置に使用されるトリウム含有タングステン熱陰極直流放電電極並びにその改質方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来より、プラズマ生成装置を用いて材料表面に薄膜を成膜したり、エッチング等の加工を施すことが行われている。このプラズマ生成装置では、チャンバ内に陽極と陰極とを対向配置し、電極間に高電圧を印加して放電させることによりプラズマを発生させている。また、放電方式も種々あり、直流放電や交流放電の他、高周波やマイクロ波を磁界の存在下で作用させるマグネトロン放電等が一般的である。
一方でプラズマ生成装置の省電力化等を目的として電極材料の開発、改良も行われており、現在では２重量％程度のトリウムを含有したタングステン陰極が一般的に使用されている。また、プラズマの生成効率をより高めるために、このトリウム含有タングステン陰極を加熱して電極表面を活性化させることも行われるようになってきている。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
上記したようなプラズマ生成装置の省電力化に対する要求は、今後益々高まることが十分に予測される。しかしながら、加熱による活性化では十分な熱電子の引き出しが出来ず、更なる改善が求められている。
本発明はこのような状況に鑑みてなされたものであり、より低電流でのプラズマ生成が可能なトリウム含有タングステン熱陰極直流放電電極を提供すること、並びにより低電流でのプラズマを生成できるように前記電極を改質する方法を提供することを目的とする。
【０００４】
【課題を解決するための手段】
上記の目的を達成するために、本発明に係る第１の発明は、直流プラズマ生成装置に使用されるトリウム含有タングステン熱陰極直流放電電極において、トリウム含有タングステン材をヘキサメチルジシランと水素との混合雰囲気中で放電処理した後、真空下で加熱してなることを特徴とする。
また、第２の発明は、直流プラズマ生成装置に使用されるトリウム含有タングステン熱陰極直流放電電極において、トリウム含有タングステン材を真空下で加熱した後、ヘキサメチルジシランと水素との混合雰囲気中で放電処理してなることを特徴とする。
また、第３の発明は、トリウム含有タングステン熱陰極直流放電電極と陽極とを対向設置した反応容器を備える直流プラズマ生成装置を用いて被処理材料を加工する際、加工に先立ち、前記反応容器内にヘキサメチルジシランと水素とを導入して放電を行った後、真空下で前記トリウム含有タングステン熱陰極直流放電電極を加熱することを特徴とする。
また、第４の発明は、トリウム含有タングステン熱陰極直流放電電極と陽極とを対向設置した反応容器を備える直流プラズマ生成装置を用いて被処理材料を加工する際、加工に先立ち、真空下で前記トリウム含有タングステン熱陰極直流放電電極を加熱した後、前記反応容器内にヘキサメチルジシランと水素とを導入して放電させることを特徴とする。
【０００５】
【発明の実施の形態】
以下、本発明に関して詳細に説明する。
本発明のトリウム含有タングステン熱陰極直流放電電極（以下、単にトリウム含有タングステン陰極と呼ぶ）は、従来の加熱による活性化に加えて、ヘキサメチルジシランと水素との混合雰囲気中での放電処理を施して得られる。この放電処理は、加熱による活性化の前に行ってもよいし、加熱による活性化の後に行ってもよい。
トリウム含有タングステン陰極では、トリウムが電極の表面に析出し、タングステン単独の場合に比べてその仕事関数を低下させ、その結果プラズマの生成に要する放電電流が低下するものと考えられている。本発明のヘキサメチルジシランと水素との混合雰囲気中での放電処理により、このトリウムの析出が従来の加熱による活性化に比べて大幅に増加するものと推察される。
【０００６】
ヘキサメチルジシランと水素との混合雰囲気中での放電処理は、以下の手順で行う。
先ず、処理容器内にトリウム含有タングステン陰極と適当な陽極（例えばステンレス鋼製）とを対向させて設置し、従来の方法に従って加熱による活性化を行う。次いで、処理容器内を真空排気した後、水素を導入して処理容器内を一定圧力に維持する。この水素による処理容器内の圧力は、３０ｍＴｏｒｒ程度が適当である。そして、トリウム含有タングステン陰極に十数Ａの加熱電流を流すとともに、陽極に数十Ｖの電圧を印加して放電を開始させる。これと同時に、処理容器内にヘキサメチルジシランを導入する。ここで、ヘキサメチルジシランは、水素圧が３０ｍＴｏｒｒの場合０．９ｍＴｏｒｒ程度の分圧となるように導入するのが適当である。放電時間、即ちヘキサメチルジシランによる処理時間は１５分間程度が適当である。そして、放電並びにヘキサメチルジシランの導入を止めた後、再び水素を導入して電極を冷却して処理が完了する。
あるいは、ヘキサメチルジシランによる放電処理の後に、加熱による活性化を行ってもよい。この場合の処理条件は、上記と同様である。
【０００７】
上記の処理を施したトリウム含有タングステン陰極を用いることにより、従来の加熱による活性化を施したトリウム含有タングステン陰極に比べて格段に低い陰極電流で熱電子の放出が可能になる。具体的には、以下の実施例に示す通りである。
【０００８】
また、上記の加熱による活性化、並びにヘキサメチルジシランによる放電処理は、トリウム含有タングステン陰極を装備した直流プラズマ生成装置の反応容器内で、被処理材料の加工の前に行うことができる。
即ち、加工に先立ち、直流プラズマ生成装置の反応容器内に、上記に従ってヘキサメチルジシランと水素とを導入して放電を行った後、真空下でトリウム含有タングステン陰極を加熱する。あるいは、真空下でトリウム含有タングステン材を加熱した後、反応容器内にヘキサメチルジシランと水素とを導入して放電させるてもよい。
【０００９】
【実施例】
以下、実施例を挙げて本発明を更に説明する。
図１は、本実施例において陽極電流電圧特性を測定するために用いた装置を示す概略構成図である。
トリウムを２重量％含むタングステンの線材（直径０．４５ｍｍ）を長さ３２２．９５ｍｍに切断し、図示されるように連続Ｓ字状に湾曲したものを陰極１とし、これにステンレス製の編目状の陽極２とを平行に設置して電極部を構成し、これを水素ガス及びヘキサメチルジシラン導入系管路、並びに排気系管路を備える処理容器（何れも図示せず）内に設置した。また、トリウム含有タングステン陰極１には交流電源３が接続しており、ダイオード４で半波整流された電流がトリウム含有タングステン陰極１に供給される。この時の通電量はスライドトランス５で調整される。一方、陽極２には直流電源６が接続しており、オシロスコープ７により波形観察を行う。
【００１０】
上記の装置を用い、処理容器内を１．１×１０−５Ｔｏｒｒまで排気した後で陽極電流の測定を行った。測定は、陰極電流１０Ａから１３Ａまでの０．５Ａ間隔について行った。
測定の結果得られた陽極電圧電流特性を図２に示すが、陰極電流が１１．５Ａ以下では陽極電圧を上げても殆ど陽極には電流が流れず、陰極電流が１２Ａになってはじめて陽極に電流が流れるようになる。
【００１１】
そこで、加熱による活性化を施すために以下の処理を行った。
処理容器内を６×１０−５Ｔｏｒｒとした後、陰極に半波整流した加熱電流を流し、処理容器内の圧力が１０−５Ｔｏｒｒ台になったら次の加熱電流値に変える。この操作を加熱電流５Ａ（３１分間）、７Ａ（６１分間）、９Ａ（５９分間）、１１Ａ（６０分間）、１３．５Ａ（４１分間）について行った後、陽極電流の測定を行った。尚、括弧内は処理容器内の圧力が１０−５Ｔｏｒｒ台になるまでに要した時間である。
測定の結果得られた陽極電圧電流特性を図３に示すが、図２のプロファイルと比較すると、陰極電流が１１Ａの曲線が若干上昇し、また１１Ａよりも高い陰極電流では全体的に陽極電流が上昇しており、この加熱による活性化の影響が現れていることが判る。
【００１２】
しかしながら加熱による活性化では未だ不十分であり、以下に示すヘキサメチルジシランによる放電処理を行った。
上記の活性化処理に引き続き、処理容器内を３×１０−５Ｔｏｒｒまで排気した後、４４．５ｃｃＭの水素を処理容器内に導入して処理容器内を３０ｍＴｏｒｒに維持し、次いでトリウム含有タングステン陰極に１３Ａの加熱電流を流すともに、陽極に６０Ｖの電圧を印加して放電を開始させた。これと同時に、処理容器内にヘキサメチルジシランを０．９ｍＴｏｒｒの分圧となるように導入してこの状態を１５分間維持した。そして、電圧の印加並びにヘキサメチルジシランの導入を止めた後、再び反応容器内に水素を７、８分間続けて導入して電極を冷却した。冷却後に水素の導入を停止し、処理容器内を３×１０−５Ｔｏｒｒまで排気した後、陽極電流の測定を行った。
測定の結果得られた陽極電圧電流特性を図４に示すが、図３のプロファイルと比較すると、陰極電流１０Ａでもかなり高い陽極電流値を示しており、ヘキサメチルジシランによる放電処理の効果が認められた。
【００１３】
上記の結果から、更に低い陰極電流での陽極電流を測定した。
測定の結果得られた陽極電圧電流特性を図５に示すが、陰極電流が７Ａでも従来の加熱による活性化の陰極電流１２Ａでの陽極電流値を大幅に上回ることが判った。
また、陽極電圧と陽極電流密度との関係を図６に示す。
【００１４】
更に、ヘキサメチルジシランによる放電処理の時期についての検証を行った。即ち、トリウム含有タングステン陰極を上記と同一のヘキサメチルジシランによる放電処理を施した後、上記と同一の加熱による活性化を行った。そして、同様に陽極電圧電流特性を求めたところ、図７に示す結果が得られた。
加熱による活性化を先に行った場合（図４参照）と比較すると、全体的に陽極電流値が若干低下しているものの、ほぼ同様のプロファイルを示しており、ヘキサメチルジシランによる放電処理の時期の違いによる効果の差は小さいと言える。
【００１５】
以上述べたように、本発明に従って加熱による活性化に加えてヘキサメチルジシランによる放電処理を施すことにより、加熱による活性化のみの場合に比べて陰極電流を大幅に低減できる。この理由について、仕事関数の観点から考察を行った。
仕事関数φは、陽極の電流密度Ｊｓとの間に（１）式に示す関係があることが知られている。
Ｊｓ  ＝ＡＴ２  ｅｘｐ（−φ／κＢ  Ｔ）  ・・・（１）
ここで、Ａは定数、κＢ  はボルツマン定数、Ｔは陰極の表面温度である。本実施例においては、トリウム含有タングステン陰極の表面積は４．５６３３ｃｍ２  、Ａは６０（Ａ／ｃｍ２  （Ｋ）２  ）、κＢ  は５０３８である。従って、陽極電流の測定値から電流密度Ｊｓを求め、陰極の表面温度Ｔを測定すれば、（１）式より仕事関数が算出される。
【００１６】
そこで、未処理、加熱による活性化、加熱による活性化後にヘキサメチルジシランによる放電処理を施した場合について、それぞれのトリウム含有タングステン陰極の仕事関数を（１）式を基に算出する。尚、電流密度Ｊｓは、何れも陽極電圧４００Ｖでの陽極電流値を基にした。
未処理の場合、陰極電流１２．５Ａ（Ｔ＝２１００Ｋ）での仕事関数は４．４８、また１２Ａ（Ｔ＝２０３５Ｋ）での仕事関数は４．５０と算出された。一方、加熱による活性化の場合、陰極電流１１．５Ａ（Ｔ＝２００３Ｋ）での仕事関数は４．４１、また１２Ａ（Ｔ＝２０３５Ｋ）での仕事関数は４．１９と算出された。
これに対して、加熱による活性化後にヘキサメチルジシランによる放電処理を施した場合には、陰極電流６Ａ（Ｔ＝１４８４．６Ｋ）での仕事関数は３．１４、また７Ａ（Ｔ＝１５４３Ｋ）での仕事関数は３．０１と算出された。
このことから、加熱による活性化後にヘキサメチルジシランによる放電処理を施すことにより、未処理並びに加熱による活性化の場合に比べてトリウム含有タングステン陰極の仕事関数が大きく低下し、それにより熱電子の発生がより良好になることが判明した。
【００１７】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、従来に比べて格段に低い電流でプラズマの生成が可能なトリウム含有タングステン陰極が得られ、これを使用することにより直流プラズマ生成装置の大幅な省電力化を図ることができるようになる。また、改質方法も簡単であり、直流プラズマ生成装置内で加工の前に行うこともできる。
【図面の簡単な説明】
【図１】実施例において陽極電圧電流特性を求めるために使用した装置を示す回路図である。
【図２】未処理のトリウム含有タングステン電極の陽極電圧電流特性を示す図である。
【図３】従来の加熱により活性化したトリウム含有タングステン電極の陽極電圧電流特性を示す図である。
【図４】加熱による活性化に加えて、ヘキサメチルジシランと水素との混合雰囲気中で放電処理したトリウム含有タングステン電極の陽極電圧電流特性を示す図である。
【図５】加熱による活性化に加えて、ヘキサメチルジシランと水素との混合雰囲気中で放電処理したトリウム含有タングステン電極の陽極電圧電流特性（低陰極電流）を示す図である。
【図６】加熱による活性化に加えて、ヘキサメチルジシランと水素との混合雰囲気中で放電処理したトリウム含有タングステン電極の陽極電圧電流密度特性を示す図である。
【図７】ヘキサメチルジシランと水素との混合雰囲気中で放電処理した後、加熱による活性化を施したトリウム含有タングステン電極の陽極電圧電流特性を示す図である。
【符号の説明】
１  陰極
２  陽極
３  交流電源
４  ダイオード
５  スライドトランス
６  直流電源
７  オシロスコープ
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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