JP3850508B2

JP3850508B2 - Hollow cathode for plasma generation

Info

Publication number: JP3850508B2
Application number: JP08209097A
Authority: JP
Inventors: 倉内　　利春; 幸信日比野; 正道松浦
Original assignee: Ulvac Inc
Current assignee: Ulvac Inc
Priority date: 1997-03-14
Filing date: 1997-03-14
Publication date: 2006-11-29
Anticipated expiration: 2017-03-14
Also published as: JPH10251846A

Description

【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、Ｉｎ₂Ｏ₃・ＳｎＯ_{2 (}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Ｏ_{2 (}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】

【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ＬａＢ ₆ 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ＬａＢ ₆ 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
１６Ｔａ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
３６Ｔａパイプ
３７従来例１のホローカソード
３８開口
３９Ｔａキャップ
４７従来例２のホローカソード
５１ＬａＢ₆の強化燒結体の円筒
５２強化材（細断されたＴａ細線）
５３ＬａＢ₆燒結体
５７本実施の形態のホローカソード[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a hollow cathode for plasma generation, and more particularly, for generating plasma, in which a hollow cathode discharge is stably maintained over a long period of time without causing the thermoelectron emission material to be cracked, peeled off, or dropped off by discharge. It relates to a hollow cathode.
[0002]
[Prior art]
A plasma-generating hollow cathode (hereinafter referred to as a hollow cathode) is used for melting or evaporating a metal in an ion plating apparatus or a vacuum metallurgical apparatus. For example, in ion plating, a metal is melted and evaporated by hollow cathode discharge, and when necessary, a reactive gas is introduced to form a thin film on the substrate. At this time, the ionization rate of the evaporated particles is high. Since the adhesion strength to the substrate is large and the evaporated particles can be easily passed to the back side of the substrate, such as TiC (titanium carbide), TiN (titanium nitride), AlN (aluminum nitride), ZnO (zinc oxide), etc. A dielectric film, a transparent conductive film such as In ₂ O ₃ .SnO _{2 (} indium tin oxide), and the like are formed by an ion plating apparatus using hollow cathode discharge.
[0003]
Conventional Example 1 FIG. 4 is a longitudinal sectional view of an ion plating apparatus 10 using a hollow cathode (hollow cathode). In the vacuum chamber 11 to which the vacuum pump 12 is connected, the hearth 13 on the water-cooled copper block 19 is filled with, for example, Mg (magnesium) as an evaporation material 14, that is, an evaporation source. An L-shaped hollow cathode 37 is attached to the tip of a Ta (tantalum) pipe 16 that is connected and also serves as an Ar (argon) gas introduction pipe, and is connected between the hearth 13 and the hollow cathode 37 by an external DC power supply 18. A DC voltage is applied to the. This hollow cathode 37 is composed of an L-shaped Ta pipe having an outer diameter of 20 mm, an inner diameter of 14 mm, and a length of 200 mm. As will be described later, LaB ₆ (lanthanum boride) has a low work function and a low thermoelectron emission temperature at its tip. ) Are integrally attached as an inner layer. A glass substrate 21 is fixed to the upper substrate holder 22 in the vacuum chamber 11, and an infrared heater 23 for controlling the temperature of the glass substrate 21 is attached to the back side of the glass substrate 21. Further, O _{2 (} oxygen) gas as a reaction gas is introduced from the outside of the vacuum layer 11 through a reaction gas pipe 25 having a flow control valve 24 and having a ring shape at the tip, thereby increasing the reactivity with the evaporated Mg. In this way, it is ejected toward the glass substrate 21 in the cylindrical chimney 26 provided around the glass substrate 21.
[0004]
Conventionally, a mere L-shaped Ta pipe has been used as a hollow cathode, but it is heavily consumed due to sputtering and the like, the discharge voltage is high, and the temperature during hollow cathode discharge is close to 2500 ° C. In addition to the fact that the influence of radiant heat on the substrate 21 cannot be ignored, the cost for thermal insulation is large, so the work function is as small as 2.3 to 2.6 eV, and the thermionic emission temperature is also close to 1500 ° C. A certain thermionic emission material LaB ₆ has been attracting attention and is beginning to be used. FIG. 5 is a sectional view of the hollow cathode 37. That is, a net length of 40 mm is cut out from the tip (lower end) to the back so that the tip (lower end) portion of the Ta pipe 36 having an outer diameter of 20 mmφ and a thickness of 3 mm is 1.5 mm thick. A portion provided with a taper portion 35 as a stopper is an outer layer, and an LaB ₆ cylinder 31 having an outer diameter of 17 mmφ, an inner diameter of 7 mmφ, and a length of 40 mm is inserted into the inner layer, and a cylindrical Ta with a thickness of 3 mm is inserted into the lower end. The cap 39 is put on and fixed by welding. An opening 38 having a diameter of 5 mmφ is formed in the axial center portion of the Ta cap 39. The LaB ₆ cylinder 31 is a sintered body of LaB ₆ fine particles.
[0005]
In order to form an MgO (magnesium oxide) thin film on the glass substrate 21 by the ion plating apparatus 10 described above, after evacuating the vacuum chamber 11 to a reachable pressure by the vacuum pump 12, a predetermined amount at a predetermined flow rate is obtained. Ar gas is introduced so as to achieve a pressure, and a DC voltage is applied between the hearth 13 and the hollow cathode 37 by the DC power source 18. As a result, the Ar gas is turned into plasma, and thermoelectrons are emitted from the LaB ₆ cylinder 31 of the hollow cathode 37 heated by the plasma. The hollow cathode discharge as the thermoelectron beam heats and melts Mg in the hearth 13 , It evaporates toward the glass substrate 21. At this time, 20 to 40% of the evaporated particles are ionized. On the other hand, an O ₂ gas as a reaction gas is introduced at a predetermined partial pressure and ejected in the chimney 26 to form an MgO thin film as a reaction product on the glass substrate 21.
[0006]
[Problems to be solved by the invention]
When the ion plating apparatus 10 provided with the hollow cathode 37 described above continuously repeats the formation of the MgO film on the glass substrate 21 under the conditions shown in Table 1, the total deposition time reaches approximately 100 hours. Since the cathode discharge became unstable, the film formation had to be stopped. When the cause was investigated, a crack occurred in the LaB ₆ cylinder, and a part of it was peeled off and dropped off, closing the opening 38 of the Ta cap 39.
[0007]
[Table 1]

[0008]
(Conventional example 2) On the other hand, a hollow cathode using a dispersion-type sintered material using LaB ₆ as a dispersed phase and Ta as a dispersion medium has been proposed. 6 shows a lower end portion of the hollow cathode 47, FIG. 6A is a sectional view thereof, and FIG. 6B is an enlarged view of a portion indicated by b in FIG. 6A. The overall structure of the hollow cathode 47 is the same as that of the hollow cathode 37 shown in FIG. As shown in FIG. 6A, at the lower end of the hollow cathode 47, the tip (lower end ) of the Ta pipe 36 is cut out to form an outer layer, and a cylinder 41 made of LaB ₆ dispersion-type sintered material is inserted into the inner layer. A cylindrical Ta cap 39 is placed and fixed by welding. Also, as shown in FIG. 6B, the LaB ₆ dispersion-type sintered material is formed by sintering LaB ₆ granules as a dispersed phase 48 and Ta fine particles as a dispersion medium 49.
[0009]
However, when the formation of the MgO film on the glass substrate 21 is continuously repeated under the conditions shown in Table 1 using the hollow cathode 47 made of the LaB ₆ dispersion-type sintering material, the LaB ₆ dispersion-type sintering is performed. Some cylinders 41 were cracked, peeled off or dropped out of the material, and this was not always sufficient in terms of reliability.
[0010]
As a result of investigating the cause, it was understood that there was a problem in the manufacturing process.
That is, a dispersion type sintered body of LaB ₆ is produced as follows.
(1) LaB ₆ fine powder having a particle diameter of several μm is subjected to vacuum hot pressing at a temperature of 1000 to 2000 ° C. for 2 to 5 hours to obtain a LaB ₆ sintered body.
(2) The LaB ₆ sintered body is pulverized into granules having a particle diameter of 1 to 3 mm.
(3) Ta fine particles having a particle diameter of several μm are mixed in the LaB ₆ granules.
(4) The above mixture is subjected to vacuum hot pressing under conditions of a temperature of 1000 to 2000 ° C. for 2 to 5 hours to sinter Ta fine particles.
However, the following problems have been found in the above production method.
[1] Since there are “variations” in the shape and particle diameter of the granulated granulated LaB ₆ sintered body, Ta fine particles are not evenly mixed in the gaps between the LaB ₆ granules.
[2] Since there is “variation” in the shape and particle size of LaB ₆ granules, the pressure is not evenly applied during vacuum hot pressing, and the sintering of some Ta fine particles does not proceed sufficiently. As a result, it is considered that the mechanical strength of the dispersion medium 49 in which the Ta fine particles were sintered was not sufficiently exhibited, and the life of the hollow cathode 47 due to the dispersion sintered body of LaB ₆ was “varied”.
[0011]
The present invention has been made in view of the above-mentioned problems, and is composed of a composite in which LaB ₆ used as an inner layer in a hollow cathode is uniformly reinforced, and even if the hollow cathode discharge is performed at a current of 400 A, the LaB ₆ sintered body is cracked, peeled off, or dropped. It is an object of the present invention to provide a hollow cathode for plasma generation that can generate a continuous discharge for a long time without generating any.
[0012]
[Means for Solving the Problems]
While the above object is achieved by the configuration of claim 1, To exemplify the solutions by the embodiments, the cross section of the above end view of the plasma generating hollow cathode 57 by the A this embodiment FIG. 1 FIG. 1B is an enlarged view of a portion indicated by a in FIG. That is, a cylinder 51 of a LaB ₆ reinforced sintered body as an inner layer to be held in a Ta pipe 36 as an outer layer is a high melting point metal fine wire having a melting point of 2000 ° C. or higher, or a fiber of a heat resistant inorganic material, for example, Ta are those were chopped fine wire 52 evenly dispersed sintered LaB ₆ fine powder as a reinforcing material is integrated with the sintered body 53 of the LaB ₆ fine powder, and the end surface of the distal end side of the cylindrical 51 Is covered with a Ta cap 39 having an opening 38 in the axial center . Even if the hollow cathode 57 configured in this way is used for a long time, the LaB ₆ reinforced sintered cylinder 51 is not cracked, peeled off or dropped off, and the discharge is stably maintained for a long time.
[0013]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Hereinafter, embodiments of the present invention will be specifically described with reference to the drawings.
[0014]
FIG. 1 shows a lower end portion of a hollow cathode 57 according to the present embodiment, FIG. 1A is a sectional view thereof, and FIG. 1B is an enlarged view of a portion indicated by a in FIG. The overall structure of the hollow cathode 57 is the same as that of the hollow cathode 37 shown in FIG. As shown in A of FIG. 1, the outer diameter 20 mm.phi, the tip (lower end) portion of the Ta pipe 36 of thickness 3mm hollowed net length 40mm so that the thickness of 1.5mm and an outer layer, inner layer to its interior A cylinder 51 having an outer diameter of 17 mm, an inner diameter of 7 mmφ, and a length of 40 mm made of a LaB ₆ Ta fine wire reinforced sintered body is inserted from the distal end side, and a cylindrical Ta cap 39 having an opening 38 in the axial center is further inserted to the distal end . Covered and fixed by welding. Further, as shown in FIG. 1B, the cylinder 51 of the LaB ₆ Ta fine wire reinforced sintered body is formed integrally with the LaB ₆ sintered body 53 using the chopped Ta thin wire 52 as a reinforcing material. is there.
[0015]
That is, the LaB ₆ Ta fine wire reinforced sintered body is used as a reinforcing material in LaB ₆ fine powder (particle diameter of several μm) so that a mixing ratio of Ta 20 to 40% by volume and LaB ₆ 80 to 60% by volume is obtained after sintering. The chopped Ta wire (outer diameter 0.2 mmφ, length 5 mm) 52 is mixed evenly, and vacuum hot pressing is performed under conditions of a temperature of 1000 to 2000 ° C. for 2 to 5 hours to precipitate Ta fine particles. It is a thing. It is important to pay attention to the timing of heating and pressurization of the vacuum hot press so that Ta and LaB ₆ react intimately during this vacuum hot pressing, thereby obtaining a strong Ta fine wire reinforced sintered body. In addition to the above Ta, W (tungsten), Mo (molybdenum), Hf (hafnium), and Nb (niobium) can be used as the material for the refractory metal thin wire.
[0016]
The hollow cathode 37 of the ion plating apparatus 10 shown in FIG. 4 is replaced with the hollow cathode 57 of the present embodiment shown in FIG. 1, and an MgO thin film is formed on the glass substrate 21 under the conditions shown in Table 1. Formed. When the hollow cathode 57 was examined after the thin film formation was continuously repeated and the total film formation time exceeded 500 hours, the cylinder 51 made of LaB ₆ Ta fine wire reinforced sintered body was cracked, peeled off, or dropped. It was observed that it was gradually consumed from the inner surface. That is, the end face on the tip side of the inner layer is formed by a cap 39 having a two-layer hollow cathode 57 having a cylinder 51 made of LaB ₆ reinforced sintered body as an inner layer and a Ta pipe 36 as an outer layer, and having an opening 38 in an axial center portion. It was found that the hollow cathode discharge can be stably obtained over a long period of time by covering the cover , and the life of the hollow cathode is greatly extended as compared with the conventional example .
[0017]
The embodiment of the present invention has been described above. Of course, the present invention is not limited to this, and various modifications can be made based on the technical idea of the present invention.
[0018]
For example, in the present embodiment, the Ta thin wire 52 is used as the reinforcing material for the cylinder 51 made of LaB ₆ reinforced sintered body used for the inner layer of the hollow cathode 57, but a refractory metal thin wire having a melting point of 2000 ° C. or higher other than Ta is used. For example, fine wires of W, Mo, Hf, and Nb can be used as well.
[0019]
Further, in the present embodiment, the LaB ₆ reinforced sintered cylinder 51 is reinforced by uniformly dispersing the Ta thin wire 52 having a length of 5 mm and an outer diameter of 0.2 mmφ within the LaB ₆ sintered body 53. Although the material is used, the length and outer diameter of the Ta thin wire 52 are not limited to this and are appropriately selected. Further, as shown in FIG. 2 corresponding to FIG. 1B, the Ta thin wires may be distributed in a long state in the LaB ₆ sintered body 53 as a random coil 52 ′ so as to have a uniform density. In addition, as shown in A of FIG. 3 corresponding to B of FIG. 1, the Ta thin wires are, for example, parallel straight Ta thin wires with a spacing of 3 mm, and parallel wavy Ta wires with a spacing of 3 mm substantially perpendicular to them. And may be embedded in the sintered body 53 of LaB ₆ as a net 52 ″. FIG. 3B is a perspective view of the Ta fine wire net 52 ″.
[0020]
Further, in this embodiment, a thin wire of Ta, which is a high melting point metal, is used as a reinforcing material of the LaB ₆ reinforced sintered body. However, a heat-resistant inorganic fiber, for example, a ceramic fiber made of alumina or silicon carbide is also used as a reinforcing material. Shows the same effect. In addition, heat-resistant whiskers can be used as reinforcing materials.
[0021]
Further, in the present embodiment, a portion where the tip (lower end ) portion of the Ta pipe 36 is hollowed out is used as an outer layer, and a LaB ₆ reinforced sintered cylinder 51 is inserted into the inner layer, and a Ta cap 39 is further inserted into the tip. The hollow cathode 57 is covered, but the cylinder 51 of the LaB ₆ reinforced sintered body as the inner layer may be held on the Ta pipe 36 as the outer layer by any method other than this. Holding the cylindrical 51 of the reinforcing sintered body of LaB ₆ as the inner layer, for example LaB _6-reinforced sintered body of the cylinder 51 enters obtain the degree of length in the bottomed Ta in tube formed opening in the axial center portion of the bottom surface of the The upper end of the Ta tube may be screwed into the tip (lower end ) of the Ta pipe 36.
[0022]
In the present embodiment, the size of the cylinder 51 of the LaB ₆ reinforced sintered body is 17 mm in outer diameter, 7 mm in inner diameter, and 40 mm in length. However, the size is not limited to this, and the outer diameter and length are increased. Alternatively, the inner diameter may be increased. In particular, when a large current is applied, it is desirable to increase the inner surface area of the cylinder 51 of the LaB ₆ reinforced sintered body to reduce the electrical resistance.
[0023]
Also in this embodiment, it is adopted Ta pipe 36 as an outer layer to hold the cylinder 51 of the reinforcing sintered body of LaB ₆ as the inner layer, the Mo of the melting point similarly to Ta is above 2000 ° C. pipes, the W Pipes can also be used.
[0024]
In the present embodiment, the hollow cathode 57 is used in the ion plating apparatus 10. However, the plasma generating hollow cathode of the present invention can also be applied as a metal melting hollow cathode in a vacuum metallurgy apparatus. Needless to say.
[0025]
【The invention's effect】
The present invention is implemented in the form as described above, and has the following effects.
[0026]
The hollow cathode for plasma generation of the present invention has a Ta, Mo or W pipe as an outer layer , a high melting point metal fine wire having a melting point of 2000 ° C. or higher, or a heat-resistant inorganic fiber as a reinforcing material, and a thermoelectron emission material LaB ₆ . fine powder Ri Contact is formed a cylindrical reinforcing sintered body of LaB ₆ obtained by sintering as the inner layer, since covered by a cap made further an end surface of the inner layer of the front end side in the outer metal, 500 hours at a discharge current of 400A Even if it is repeatedly used for the above-mentioned long time, the hollow cathode discharge does not occur in the cylinder of the LaB ₆ reinforced sintered body, which is the inner layer, and the hollow cathode discharge is stably maintained, and the hollow cathode has a long life. .
[Brief description of the drawings]
[1] indicates the previous end of the hollow cathode according to the embodiment, A is a longitudinal sectional view, B is an enlarged view of a portion indicated by a in A.
Figure 2 is a cross sectional view showing a random coiled reinforcement variant 1, is a view corresponding to B in FIG.
3 is a cross-sectional view corresponding to B in FIG. 1, and B is a perspective view of the net reinforcing material. FIG.
FIG. 4 is a longitudinal sectional view of an ion plating apparatus.
5 is a longitudinal sectional view of a hollow cathode of Conventional Example 1. FIG.
6 shows the tip end portion of the hollow cathode in the conventional example 2, A is a longitudinal sectional view, B is an enlarged view of a portion indicated by b in A.
[Explanation of symbols]
DESCRIPTION OF SYMBOLS 10 Ion plating apparatus 11 Vacuum tank 12 Vacuum pump 13 Hearth 14 Evaporation material Mg
16 Ta pipe 18 DC power supply 21 Glass substrate 22 Substrate holder 23 Infrared heater 25 Reaction gas pipe 26 Chimney 36 Ta pipe 37 Hollow cathode of Conventional Example 1 38 Opening 39 Ta Cap 47 Hollow cathode of Conventional Example 2 51 LaB ₆ reinforced sintered body Cylindrical 52 Reinforcement (chopped Ta fine wire)
53 LaB ₆ sintered body 57 Hollow cathode of this embodiment

Claims

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ＬａＢ_{6 (}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ＬａＢ ₆ の強化燒結体は、前記ＬａＢ ₆ 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ＬａＢ ₆ 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。 Tip of the hollow cathode for use in melting or evaporation of metal, Ta (tantalum), W (tungsten), and Mo and the outer layer made of any of metal pipe of the (molybdenum), of the outer layer And an inner layer made of a reinforced sintered body of LaB _{6 (} lanthanum boride) held in close contact with the peripheral surface , and at least the end surface on the tip side of the inner layer is covered with the outer layer metal A hollow cathode for plasma generation,
The LaB ₆ reinforced sintered body is composed of a high melting point metal fine wire or a heat-resistant inorganic fiber having a melting point of 2000 ° C. or more as a reinforcing material in the LaB ₆ powder, the reinforcing material is 20 to 40% by volume, and the LaB ₆ Is a hollow cathode for plasma generation, characterized in that it is uniformly mixed and sintered at a ratio of 80 to 60% by volume .

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。2. The hollow cathode for plasma generation according to claim 1, wherein the refractory metal fine wires are evenly dispersed in the reinforced sintered body in a state of being cut.

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。The plasma generating hollow cathode according to claim 1, thin lines of the refractory metal is evenly distributed to form a random coil in a long state in the reinforced sintered body.

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。The hollow cathode for plasma generation according to claim 1, wherein the metal thin wires form a mesh and are embedded almost uniformly in the reinforced sintered body.

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。5. The thin wire of the refractory metal is at least one of Ta (tantalum), Mo (molybdenum), W (tungsten), Hf (hafnium), and Nb (niobium). The hollow cathode for plasma generation as described in any of the above.

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。The plasma generating hollow cathode according to claim 1 fibers of heat resistant inorganic material is a ceramic fiber made of alumina or silicon carbide.