(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
金属の溶融ないしは蒸発に使用するためのホローカソードの先端部が、融点２０００℃以上の高融点金属パイプからなる外層と、前記外層の内周面に密接して保持された前記高融点金属より仕事関数が小さい熱電子放出材料の円筒からなる内層とによって構成されており、かつ少なくとも前記内層の先端側の端面が前記外層金属で密接して覆わ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。
【請求項２】
前記内層の肉厚が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。
【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一種である請求項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。
【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一種である請求項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。
【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】
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【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
【図１】
0003910243.tif 000003
【図２】
0003910243.tif 000004
【図３】
0003910243.tif 000005