(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)の強化燒結体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 の強化燒結体は、前記ＬａＢ6 の粉末に強化材として融点が２０００℃以上の高融点金属の細線または耐熱性無機物の繊維を、前記強化材が２０〜４０容積％、前記ＬａＢ6 が８０〜６０容積％の比率で、均等に混合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】
前記強化燒結体内において前記高融点金属の細線が細断された状態で均等に分散されている
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】
前記強化燒結体内において前記高融点金属の細線が長い状態でランダム・コイル状に均等に分散されている
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４】
前記強化燒結体内において前記金属の細線が網目を形成してほぼ均等に埋め込まれている
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５】
前記高融点金属の細線が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種の細線である
請求項１から請求項４までの何れかに記載のプラズマ生成用ホローカソード。
【請求項６】
前記耐熱性無機物の繊維がアルミナまたは炭化けい素からなるセラミックファイバーである
請求項１に記載のプラズマ生成用ホローカソード。
【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）等の誘電体膜や、Ｉｎ2 Ｏ3 ・ＳｎＯ2 (インジウム錫酸化物）の如き透明導電膜、その他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】
（従来例１）図４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１４すなわち蒸発源として、例えばＭｇ（マグネシウム）が充填され、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。更に真空層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】
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、スパッタ作用等を受けて消耗が激しいこと、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、仕事関数が２．３〜２．６ｅＶと小さく、熱電子放出温度も１５００℃近辺にある熱電子放出材料ＬａＢ6 が着目され利用され始めている。図５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）部を肉厚１．５ｍｍとするように、その内周部を先端（下端）から奥へ正味長さ４０ｍｍをくり抜き、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。
【０００５】
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ハース１３内の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。
【０００６】
【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 円筒に亀裂が生じ、その一部は剥離、脱落してＴａキャップ３９の開口３８を閉塞していた。
【０００７】
【表１】
0003850508.tif 000002
【０００８】
（従来例２）これに対して、ＬａＢ6 を分散相、Ｔａを分散媒として分散型燒結材を使用するホローカソードが提案されている。 図６はそのホローカソード４７の下端部を示し、図６のＡはその断面図、図６のＢは図６のＡにおいてｂで示す部分の拡大図である。なおホローカソード４７の全体的な構造は図４に示したホローカソード３７と同様である。図６のＡに示すように、ホローカソード４７の下端部はＴａパイプ３６の先端（下端）部をくり抜いて外層とし、その内部へ内層としてＬａＢ6 の分散型燒結材からなる円筒４１を挿入して、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。また、図６のＢに示すように、ＬａＢ6 の分散型燒結材はＬａＢ6 の顆粒を分散相４８とし、Ｔａ微粒子を分散媒４９として焼結し形成されるものである。
【０００９】
しかし、上記のＬａＢ6 の分散型燒結材によるホローカソード４７を使用して、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た場合、ＬａＢ6 の分散型燒結材による円筒４１に亀裂ないしは剥離、脱落を生ずるものがあり、信頼性の点で必ずしも十分なものではなかった。
【００１０】
その原因に付いて調査した結果、その作製工程に問題があると理解された。
すなわち、ＬａＢ6 の分散型燒結体は次のようにして作製される。
（１）粒子径数μｍのＬａＢ6 微粉末を温度１０００〜２０００℃、２〜５時間の条件で真空ホットプレスを行ないＬａＢ6 燒結体とする。
（２）ＬａＢ6 燒結体を粒子径１〜３ｍｍの顆粒状に粉砕する。
（３）上記ＬａＢ6 の顆粒中に粒子径数μｍのＴａ微粒子を混合する。
（４）上記混合物を温度１０００〜２０００℃、２〜５時間の条件下に真空ホットプレスを行なってＴａ微粒子を燒結させる。
しかし、上記の作製方法には、次に示すような問題点が見出された。
［１］ＬａＢ6 燒結体を粉砕した顆粒の形状および粒子径に「ばらつき」があるために、Ｔａ微粒子がＬａＢ6 顆粒の間隙に均等に混合されない。
［２］ＬａＢ6 顆粒の形状および粒子径に「ばらつき」があるために、真空ホットプレス中において圧力が均等にかからず、一部のＴａ微粒子の燒結が十分に進行しない。その結果、Ｔａ微粒子が燒結された分散媒４９の機械的強度が十分に発現されず、ＬａＢ6 の分散型燒結体によるホローカソード４７の寿命に「ばらつき」を生じていたものと考えられる。
【００１１】
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 が均等に強化された複合体からなり、電流４００Ａでホローカソード放電させてもＬａＢ6 燒結体に亀裂や剥離、脱落を発生せず、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。
【００１２】
【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は本実施の形態によるプラズマ生成用ホローカソード５７の先端部の断面図であり、図１のＢは図１のＡにおいてａで示す部分の拡大図である。 すなわち、外層としてのＴａパイプ３６内に保持させる内層としてのＬａＢ6 の強化燒結体の円筒５１は、融点２０００℃以上の高融点金属の細線または耐熱性無機物の繊維、例えば高融点金属であるＴａの細断された細線５２を強化材としてＬａＢ6 微粉末に均等に分散し焼結してＬａＢ6 微粉末の燒結体５３と一体化させたものであり、かつ円筒５１の先端側の端面を軸心部に開口３８を備えたＴａキャップ３９で覆ったものである。このように構成されるホローカソード５７は長時間使用してもＬａＢ6 の強化燒結体の円筒５１に亀裂や剥離、脱落は発生せず、放電が長時間にわたって安定に維持される。
【００１３】
【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具体的に説明する。
【００１４】
図１は本実施の形態によるホローカソード５７の下端部を示し、図１のＡはその断面図、図１のＢは図１のＡにおいてａで示す部分の拡大図である。なお、ホローカソード５７の全体的な構造は図５に示したホローカソード３７と同様である。図１のＡに示すように、外径２０ｍｍφ、肉厚３ｍｍのＴａパイプ３６の先端（下端）部を肉厚１．５ｍｍとなるように正味長さ４０ｍｍをくり抜いて外層とし、その内部へ内層としてＬａＢ6 のＴａ細線強化燒結体からなる外径１７ｍｍ、内径７ｍｍφ、長さ４０ｍｍの円筒５１を先端側から挿入し、更に軸心部に開口３８を備えた円筒状のＴａキャップ３９を先端へかぶせ溶接固定したものである。また、図１のＢに示すように、ＬａＢ6 のＴａ細線強化燒結体の円筒５１は細断されたＴａ細線５２を強化材とし、ＬａＢ6 の燒結体５３で一体化して形成されるものである。
【００１５】
すなわち、ＬａＢ6 のＴａ細線強化燒結体は燒結後にＴａ２０〜４０容積％、ＬａＢ6 ８０〜６０容積％の混合比率が得られるように、ＬａＢ6 微粉末（粒子径数μｍ）中に強化材としての細断されたＴａ細線（外径０．２ｍｍφ、長さ５ｍｍ）５２を均等に混合し、温度１０００〜２０００℃、２〜５時間の条件下に真空ホットプレスを行なってＴａ微粒子を燒結させたものである。この真空ホットプレス時にＴａとＬａＢ6 とが密接し反応するように、真空ホットプレスの加熱、加圧のタイミングに留意することが肝要であり、それによって強固なＴａ細線強化燒結体が得られる。なお、高融点金属細線の材料としては上記のＴａ以外に、Ｗ（タングステン）、Ｍｏ（モリブデン）、Ｈｆ（ハフニウム）、Ｎｂ（ニオブ）を使用し得る。
【００１６】
図４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５７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５７について検討したところ、ＬａＢ6 のＴａ細線強化燒結体による円筒５１は亀裂や剥離、脱落を発生しておらず、内表面から徐々に消耗していることが観察された。すなわち、ＬａＢ6 の強化燒結体による円筒５１を内層とし、Ｔａパイプ３６を外層とする２層構造のホローカソード５７とし、かつ軸心部に開口３８を備えたキャップ３９で内層の先端側の端面を覆うことにより、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例より大幅に延長されることが判明した。
【００１７】
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。
【００１８】
例えば本実施の形態においては、ホローカソード５７の内層に使用するＬａＢ6 の強化燒結体による円筒５１に強化材としてＴａ細線５２を使用したが、Ｔａ以外の融点２０００℃以上の高融点金属の細線、例えば、Ｗ、Ｍｏ、Ｈｆ、Ｎｂの細線も同様に使用し得る。
【００１９】
また本実施の形態においては、ＬａＢ6 の強化燒結体の円筒５１は細断された長さ５ｍｍ、外径０．２ｍｍφのＴａ細線５２をＬａＢ6 の燒結体５３内に均等に分散させて強化材としたが、Ｔａ細線５２の長さや外径はこれに限られず適宜選択される。また図１のＢに対応させた図２に示すように、Ｔａ細線を長い状態でランダム・コイル状５２’としてＬａＢ6 の燒結体５３内に均等な密度となるように分配してもよい。そのほか、図１のＢに対応させた図３のＡに示すように、Ｔａ細線を例えば３ｍｍ間隔の平行な直線状のＴａ細線と、これらにほぼ直交して３ｍｍ間隔の平行な波状のＴａ線とで網状５２”としてＬａＢ6 の燒結体５３内に埋め込んでもよい。なお、図３のＢはＴａ細線の網５２”の斜視図である。
【００２０】
また本実施の形態においては、ＬａＢ6 の強化燒結体の強化材として高融点金属であるＴａの細線を使用したが、耐熱性の無機物繊維、例えば、アルミナや炭化けい素によるセラミックファイバーも強化材として同等の効果を示す。そのほか耐熱性のウイスカーも強化材として使用し得る。
【００２１】
また本実施の形態においては、Ｔａパイプ３６の先端（下端）部をくり抜いた箇所を外層とし、その内部へ内層としてＬａＢ6 の強化燒結体の円筒５１を挿嵌し、更に先端にＴａキャップ３９をかぶせてホローカソード５７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 の強化燒結体の円筒５１を保持させてもよい。例えばＬａＢ6 の強化燒結体の円筒５１が入り得る程度の長さで底面の軸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 の強化燒結体の円筒５１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（下端）部に螺合させるようにしてもよい。
【００２２】
また本実施の形態においては、ＬａＢ6 の強化燒結体の円筒５１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 の強化燒結体の円筒５１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。
【００２３】
また本実施の形態においては、内層としてのＬａＢ6 の強化燒結体の円筒５１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のパイプ、Ｗのパイプも使用し得る。
【００２４】
また本実施の形態においては、ホローカソード５７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。
【００２５】
【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。
【００２６】
本発明のプラズマ生成用ホローカソードは、Ｔａ、ＭｏまたはＷのパイプを外層とし、融点が２０００℃以上である高融点金属の細線または耐熱性無機物の繊維を強化材とし熱電子放出材料ＬａＢ6 の微粉末を燒結して得られるＬａＢ6 の強化燒結体の円筒を内層として形成されており、更に内層の先端側の端面を外層金属でなるキャップで覆っているので、放電電流４００Ａで５００時間以上の長時間にわたって繰り返し使用しても、内層であるＬａＢ6 の強化燒結体の円筒に亀裂や剥離、脱落が発生させず、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される。
【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の先端部を示し、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】  変形例１のランダム・コイル状強化材を示す断面図であり、図１のＢに対応する図である。
【図３】  変形例２の網状強化材を示し、Ａは図１のＢに対応する断面図であり、Ｂは網状強化材の斜視図である。
【図４】  イオンプレーティング装置の縦断面図である。
【図５】  従来例１のホローカソードの縦断面図である。
【図６】  従来例２のホローカソードの先端部を示し、Ａは縦断面図であり、ＢはＡにおいてｂで示す部分の拡大図である。
【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
３７  従来例１のホローカソード
３８  開口
３９  Ｔａキャップ
４７  従来例２のホローカソード
５１  ＬａＢ6 の強化燒結体の円筒
５２  強化材（細断されたＴａ細線）
５３  ＬａＢ6 燒結体
５７  本実施の形態のホローカソード
【図１】
0003850508.tif 000003
【図２】
0003850508.tif 000004
【図３】
0003850508.tif 000005
【図４】
0003850508.tif 000006
【図５】
0003850508.tif 000007
【図６】
0003850508.tif 000008