(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、Ｔａ（タンタル）、Ｗ（タングステン）、およびＭｏ（モリブデン）のうちの何れかの金属の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ＬａＢ6（硼化ランタン）複合物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覆われているプラズマ生成用ホローカソードであって、
前記ＬａＢ6複合物は、平均粒子径１ｍｍのＬａＢ6の顆粒と、平均粒子径１０μｍで融点が２０００℃以上の高融点金属の微粒子または硼化金属の微粒子とを、前記ＬａＢ6の顆粒が７０〜８０容積％、前記高融点金属の微粒子または前記硼化金属の微粒子が２０〜３０容積％の比率に混合し、前記ＬａＢ6の顆粒を分散相とし、前記高融点金属の微粒子または前記硼化金属の微粒子を分散媒として焼結されたものであ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】
前記高融点金属がＴａ（タンタル）、Ｍｏ（モリブデン）、Ｗ（タングステン）、Ｈｆ（ハフニウム）、Ｎｂ（ニオブ）のうちの少なくとも何れか１種である
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】
前記硼化金属がＴａＢ2（硼化タンタル）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。
【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、更に詳しくは使用する熱電子放出材料が放電によって亀裂や剥離、脱落を生ずることなく、ホローカソード放電が長時間にわたって安定に維持される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面側への回り込みも良いことから、ＴｉＣ（炭化チタン）、ＴｉＮ（窒化チタン）、ＡｌＮ（窒化アルミニウム）、ＺｎＯ（酸化亜鉛）、その他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、蒸発源として水冷銅ブロック１９上のハース１３に蒸発材料１４、例えばＭｇ（マグネシウム）が充填されており、その直上方には流量調整バルブ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３７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３７との間に直流電圧が印加されるようになっている。このホローカソード３７は外径２０ｍｍ、内径１４ｍｍ、長さ２００ｍｍのＬ字形のＴａパイプからなり、後述するが、その先端部には仕事関数が小さく、熱電子放出温度の低いＬａＢ6（硼化ランタン）が内層として一体的に取り付けられている。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０2（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】
従来、ホローカソードとしては単なるＬ字形のＴａパイプが使用されてきたが、受けるスパッタ作用等による消耗が激しいこと、放電電圧が高いこと、ホローカソード放電時における温度が２５００℃に近い温度にもなり輻射熱の基板２１への影響を無視できないことのほか、熱絶縁のためのコストが大であることから、熱電子放出材料ＬａＢ6が着目されるようになった。
【０００５】
図４は上記ホローカソード３７の断面図である。すなわち、外径２０ｍｍφ、肉厚３ｍｍのＴａパイプ３６の先端（下端）部の肉厚を１．５ｍｍとするように、その内周側を先端から奥へ正味長さ４０ｍｍくり抜き、終端にストッパーとしてのテーパ部３５を設けた箇所を外層とし、これに内層としての外径１７ｍｍφ、内径７ｍｍφ、長さ４０ｍｍのＬａＢ6円筒３１を挿嵌し、下端に肉厚３ｍｍで円筒状のＴａキャップ３９をかぶせて溶接固定したものである。Ｔａキャップ３９の軸心部には径５ｍｍφの開口３８が形成されている。ＬａＢ6 円筒３１はＬａＢ6 微粒子の焼結体である。なお、Ｔａの仕事関数は４．３ｅＶ、熱電子放出温度は２５００℃近辺であるに対して、ＬａＢ6の仕事関数は２．３〜２．６ｅＶと小さく、熱電子放出温度も１５００℃近辺にある。
【０００６】
上記のイオンプレーティング装置１０によってガラス基板２１上にＭｇＯ（酸化マグネシウム）薄膜を形成させるには、真空槽１１内を到達可能な圧力まで真空ポンプ１２によって排気した後、所定の流量で所定の分圧となるようにＡｒガスを導入し、直流電源１８によってハース１３とホローカソード３７との間に直流電圧を印加する。これによってＡｒガスはプラズマ化され、プラズマによって加熱されるホローカソード３７のＬａＢ6 円筒３１から熱電子が放出される。その熱電子ビームとしてのホローカソード放電によってＭｇは加熱されて溶融しガラス基板２１へ向かって蒸発する。この時、蒸発する粒子の２０〜４０％はイオン化される。一方、反応ガスとしてのＯ2ガスを所定の分圧となるように導入しチムニー２６内で噴出させることにより、ガラス基板２１上に反応生成物としてのＭｇＯ薄膜が形成される。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
上記のホローカソード３７を設置したイオンプレーティング装置１０によって、表１に示した条件でガラス基板２１へのＭｇＯの膜形成を連続的に繰り返し、成膜時間の合計がほぼ１００時間に達するとホローカソード放電が不安定化するので成膜を停止せざるを得なかった。その原因を調査したところ、ＬａＢ6円筒３１が損傷を受けていることが判明した。その時点におけるホローカソード３７の断面図である図５に示すように、ＬａＢ6 円筒３１に亀裂が生じており、その一部は剥離、脱落してＴａキャップ３９の開口３８を閉塞するようになっていた。すなわち、図４に示したホローカソード３７では一つの目標としての５００時間のような長時間の連続成膜は不可能である。
【０００８】
【表１】
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【０００９】
本発明は上述の問題に鑑みてなされ、ホローカソードに内層として使用するＬａＢ6 がホローカソード放電によって亀裂や剥離、脱落を生ずることなく、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のＡは本実施の形態のプラズマ生成用ホローカソード４７の下端部の断面図であり、図１のＢは図１のＡにおけるＬａＢ6 複合物円筒４１の内部構造を示す部分拡大図である。すなわち、外層としてのＴａチューブ４５内に保持させる内層としてのＬａＢ6複合物円筒４１には、ＬａＢ6の顆粒を分散相４８とし、融点２０００℃以上の高融点金属であるＴａの微粒子を分散媒４９として焼結して形成されるものを使用している。このような構成とすることにより、ホローカソード４７は長時間の放電によっても亀裂や剥離を生ずることなく、放電が長時間にわたって安定化される。
【００１１】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態について図面を参照して説明する。
【００１２】
図１は本実施の形態によるホローカソード４７を示し、図１のＡはその下端部の断面図であり、図１のＢは図１のＡにおけるａで示す部分の拡大図である。
【００１３】
全体的な構造は図４に示したホローカソード３７と同様であり、外径２０ｍｍφ、肉厚３ｍｍのＴａパイプ３６の先端側の内周部を肉厚が１．５ｍｍとなるように正味長さ４０ｍｍくり抜いて外層とし、その内部へ内層として外径１７ｍｍφ、内径７ｍｍφ、長さ４０ｍｍの下記するＬａＢ6複合物の円筒４１を挿入し、軸心部に径５ｍｍφの開口３８を備えた有底の円筒状のＴａキャップ３９をかぶせ溶接固定したものである。この実施の形態のホローカソード４７が図４のホローカソード３７と異なるところは、図１のＢに示すように、平均粒子径１ｍｍのＬａＢ6の顆粒を分散相４８とし、平均粒子径１０μｍのＴａの微粒子を分散媒４９として焼結して形成されるＬａＢ6複合物円筒４１を内層としていることにある。
【００１４】
すなわち、ＬａＢ6 複合物円筒４１はＬａＢ6 の顆粒７０〜８０容積％と、Ｔａの微粒子２０〜３０容積％とを混合して１０００〜１７００℃に加熱することにより、微粒子であり単位重量当たりの表面積が大きく、表面エネルギーが大となっているＴａ微粒子が焼結されて分散媒４９を形成し、ＬａＢ6の顆粒を分散相４８として包みこむと共に、ＬａＢ6 複合物円筒４１の強度メンバーとなってＬａＢ6複合物円筒４１に強度を付与する。また、「超高融点材料便覧」（エル・ベ・カテリコフ、ほか；日ソ共同通信社）によればＴａ等の金属は１８００℃〜２０００℃の温度においてＬａＢ6と反応するとされており、ホローカソード放電時に高温度になるＬａＢ6複合物円筒４１においても分散相４８のＬａＢ6顆粒と分散媒４９のＴａ微粒子との間に強固な密着の生起することが推測される。そして、このようなＬａＢ6複合物円筒４１を内層とするホローカソード４７では、熱電子放出材料ＬａＢ6の亀裂、剥離が防止されるので、ホローカソード放電が長時間にわたって安定化することが期待される。
【００１５】
図３に示したイオンプレーティング装置１０のホローカソード３７を図１に示した本実施の形態のホローカソード４７と交換し、表１に示した条件のもとでガラス基板２１上にＭｇＯ薄膜を形成させた。薄膜形成を連続的に繰り返して行い、成膜時間の合計が５００時間を経過した後の、ホローカソード４７の断面図を図２に示した。すなわち、ホローカソード４７のＬａＢ6複合物円筒４１の内表面は一点鎖線で示す膜形成前の位置から５００時間後には実線位置まで後退していた。しかし、ＬａＢ6は亀裂や剥離、脱落を全く生じておらず、特にその先端部において表面から徐々に消耗していることが判明した。すなわち、ＬａＢ6複合物円筒４１を内層とし、Ｔａパイプ３６を外層とする２層構造とし、軸心部に開口３８を備えた有底円筒状のＴａキャップ３９で先端面を覆ったホローカソード４７によって、ホローカソード放電が長時間にわたって安定して得られ、ホローカソードの寿命も従来より大幅に延長された。
【００１６】
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。
【００１７】
例えば、本実施の形態においては、ホローカソード４７の内層に使用するＬａＢ6円筒４１はＬａＢ6顆粒を分散相とし、Ｔａ微粒子を分散媒とする焼結体としたが、Ｔａ以外の、例えばＷ（タングステン）、Ｍｏ（モリブデン）、Ｈｆ（ハフニウム）またはＮｂ（ニオブ）の微粒子も分散媒とし得る。また、同じく溶融温度が２０００℃以上のＴａＢ2（硼化タンタル）の微粒子も分散媒として使用し得る。
【００１８】
また本実施の形態においては、分散相としてのＬａＢ6顆粒を７０〜８０容積％と、分媒４９としてのＴａ微粒子を２０〜３０容積％とを混合して焼結させたが、この混合割合はこれに限られない。ＬａＢ6複合物円筒４１の強度を更に大にするにはＴａ微粒子の割合を大にすることが必要であるし、また使用するＬａＢ6 顆粒が球状に近い場合にはＴａ微粒子の割合を小にしても同一強度のＬａＢ6複合物円筒４１が得られる。すなわち、分散相４８としてのＬａＢ6顆粒と分散媒としてのＴａ微粒子との割合はＬａＢ6の熱電子放出性を損なわない範囲で適宜設定される。
【００１９】
また本実施の形態においては、Ｔａパイプ３６の先端部の内周側をくり抜いた箇所を外層とし、その内周面に接するように内層としてのＬａＢ6複合物円筒４１を挿嵌し、軸心部に開口３８を備えたＴａキャップ３９を先端面にかぶせてホローカソード４７としたが、これ以外の如何なる方法で外層としてのＴａパイプ３６に内層としてのＬａＢ6複合物円筒４１を保持させてもよい。例えばＬａＢ6複合物円筒４１が丁度入り得る長さと内径を有し、底面の中心部に開口の形成された有底のＴａチューブ内に内層としてのＬａＢ6複合物円筒４１を保持させ、そのＴａチューブの上端部をＴａパイプ３６の先端部に螺合させるようにしてもよい。
【００２０】
また本実施の形態においては、ＬａＢ6複合物円筒４１のサイズを外径１７ｍｍ、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複合物円筒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。
【００２１】
また本実施の形態においては、内層としてのＬａＢ6複合物円筒４１を保持させる外層としてＴａパイプ３６を採用したがＴａと同様に融点が２０００℃以上にあるＭｏパイプ、Ｗパイプも使用し得る。
【００２２】
また本実施の形態においては、ホローカソード４７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を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。
【００２３】
【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。
【００２４】
本発明のプラズマ生成用のホローカソードは、Ｔａ、ＭｏまたはＷのパイプの先端部を外層とし、その内周面に密接して、ＬａＢ6の顆粒を分散相とし融点２０００℃以上の高融点金属の微粒子または硼化金属の微粒子を分散媒として焼結し形成されるＬａＢ6複合物円筒を内層としているので、高融点金属または硼化金属からなる分散媒が分散相であるＬａＢ6 に亀裂や剥離、脱落を発生させず、また内層のＬａＢ6複合物円筒の外周面および先端側の端面をＴａ、ＭｏまたはＷのパイプおよびキャップで密に覆って保護しているので、ＬａＢ6複合物円筒は内表面から徐々に消耗し、放電電流４００Ａでカソード放電させても５００時間以上の長時間にわたってホローカソード放電が安定に維持され、ホローカソードが長寿命化する。
【図面の簡単な説明】
【図１】  実施の形態によるホローカソードを示し、Ａは縦断面図であり、ＢはＡにおいてａで示す部分の拡大図である。
【図２】  同ホローカソードの５００時間放電後の縦断面図である。
【図３】  イオンプレーティング装置の縦断面図である。
【図４】  従来例のホローカソードの縦断面図である。
【図５】  同ホローカソードの１００時間放電後の縦断面図である。
【符号の説明】
１０  イオンプレーティング装置
１１  真空槽
１２  真空ポンプ
１３  ハース
１４  蒸発材料Ｍｇ
１６  Ｔａパイプ
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
２５  反応ガスパイプ
２６  チムニー
３６  Ｔａパイプ
３８  開口
３９  Ｔａキャップ
４１  ＬａＢ6複合物円筒
４７  ホローカソード
４８  分散相
４９  分散媒
【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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