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JP2013152948A - Method of producing cathode body for magnetron - Google Patents

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JP2013152948A
JP2013152948A JP2013077403A JP2013077403A JP2013152948A JP 2013152948 A JP2013152948 A JP 2013152948A JP 2013077403 A JP2013077403 A JP 2013077403A JP 2013077403 A JP2013077403 A JP 2013077403A JP 2013152948 A JP2013152948 A JP 2013152948A
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Japan
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magnetron
lab
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filament
film
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JP2013077403A
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Japanese (ja)
Inventor
Tadahiro Omi
忠弘 大見
Tetsuya Goto
哲也 後藤
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Tohoku University NUC
Original Assignee
Tohoku University NUC
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Publication date
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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To solve the problem that a cathode body used for a magnetron has many disadvantages in increasing power.SOLUTION: A cathode body for a magnetron is obtained, which uses as a base material a high melting point metal having an electron emitting material contained therein and has a surface coated with a rare-earth boride. Preferably, the electron emitting material and the high melting point metal are LaOand W respectively, and the rare-earth boride is LaB.

Description

本発明は、電子レンジや工業用プラズマ発生装置に用いられるマイクロ波発振装置であるマグネトロンにかかり、特に、信頼性と長寿命化を図ったマグネトロンに関する。   The present invention relates to a magnetron that is a microwave oscillation device used in a microwave oven or an industrial plasma generator, and more particularly to a magnetron that is reliable and has a long life.

図1を参照すると、従来のマグネトロンの構造が部分的に示されている。101は陰極体、102はアノードを形成するアノードベイン、103はアノードを冷却するための冷却水コイル、104は陰極体から熱電子を放出されるために陰極体を加熱するための電流導入端子である。通常、アノードはグランドに接地されている。一方、陰極体はフィラメント構造となっており、アノードに対して数kVから10kV程度の負の直流の高電圧が印加され、さらに絶縁トランスを介して数10Aから100A程度の大きな交流電流をフィラメントに流すことでフィラメントの加熱を行い、熱電子を放射する。   Referring to FIG. 1, the structure of a conventional magnetron is partially shown. 101 is a cathode body, 102 is an anode vane forming an anode, 103 is a cooling water coil for cooling the anode, and 104 is a current introduction terminal for heating the cathode body in order to emit thermoelectrons from the cathode body. is there. Usually, the anode is grounded. On the other hand, the cathode body has a filament structure, and a high negative DC voltage of about several kV to 10 kV is applied to the anode, and a large alternating current of about several tens of A to 100 A is applied to the filament through an insulating transformer. The filament is heated by flowing to emit thermoelectrons.

電磁石105により、フィラメントとアノードの間の相互作用空間106に所定の直流垂直磁場が印加されているために、放出された電子はフィラメント−アノード間の電界でアノード方向に加速され、直流垂直磁場によるローレンツ力が働くことにより、相互作用空間を旋回運動することとなる。アノードベインは複数軸対称に設置され、隣接するアノードベインにより形成された空間の共振周波数が、取り出すマイクロ波の周波数に設定されている。旋回する電子流がアノードベイン端部周辺を通過する際にこの共振空洞の共振周波数、すなわち取り出すマイクロ波の周波数で強力に発振する。発振した高周波電力をループやスリット等のアンテナにより管球の外に備えた導波管等に出力させる。   Since a predetermined DC vertical magnetic field is applied to the interaction space 106 between the filament and the anode by the electromagnet 105, the emitted electrons are accelerated in the anode direction by the electric field between the filament and the anode, and are generated by the DC vertical magnetic field. When the Lorentz force works, the interaction space turns. The anode vanes are arranged symmetrically about a plurality of axes, and the resonance frequency of the space formed by the adjacent anode vanes is set to the frequency of the extracted microwave. When the swirling electron current passes around the end of the anode vane, it vibrates strongly at the resonance frequency of this resonance cavity, that is, the frequency of the extracted microwave. The oscillated high-frequency power is output to a waveguide or the like provided outside the tube by an antenna such as a loop or a slit.

特開平11−283516号公報Japanese Patent Laid-Open No. 11-283516 特開2008−53129号公報JP 2008-53129 A 特開2003−100224号公報JP 2003-100224 A

上記従来技術においては、フィラメントは通常ThO等の電子放射材料を内部に含んだWにより形成されるのが普通である。電子放射材料のThOの仕事関数は比較的低いが、Wの仕事関数が4.6eVと高いために、十分な電子を放出させるためにフィラメントを高温にしなくてはならない。このため、フィラメントの蒸発や脆化等の問題より、フィラメント寿命が短いという問題点があった。 In the above prior art, the filament is usually formed of W containing an electron emitting material such as ThO 2 inside. Although the work function of the electron emitting material ThO 2 is relatively low, the work function of W is as high as 4.6 eV, so that the filament must be heated to emit sufficient electrons. For this reason, there is a problem that the filament life is shorter than problems such as filament evaporation and embrittlement.

また、フィラメントを十分加熱するためには通電する交流電流も非常に大きくせざるを得ない。特に、数十〜100kWの大電力が得られる工業用マグネトロンとしては、2.45GHzの発振周波数のマグネトロンよりも、915MHzの発振周波数のマグネトロンが用いられることが多く、このように、工業用マグネトロンとして使用される100kW出力の大電力マグネトロンにおいては100Aもの電流が必要となる。100Aもの大電流がフィラメントに流れると、大電力マグネトロン特有の種々の問題点が生じる。   Further, in order to sufficiently heat the filament, the alternating current to be energized must be very large. In particular, as an industrial magnetron capable of obtaining a large power of several tens to 100 kW, a magnetron having an oscillation frequency of 915 MHz is often used rather than a magnetron having an oscillation frequency of 2.45 GHz. Thus, as an industrial magnetron, The 100 kW output high power magnetron used requires a current of as much as 100 A. When a large current of 100 A flows through the filament, various problems peculiar to a high-power magnetron arise.

例えば、大電流によるフィラメントでの電圧降下は10V程度と、カソードに電界発生用に印加する高電圧に比べて十分小さいために、アノード−フィラメント間に印加される電界への影響は無視できるが、このような大電流がフィラメントに流れることにより相互作用空間に発生する交流磁界が外部から印加された垂直磁場と比べて無視できないものとなり、出力電力や発振周波数にリップルが生じてしまうという問題点があった。さらに、アノード冷却を行う冷却水チューブは内径10mm程度以下であるが、マグネトロンに発生する熱を取るために、典型的には10L/分程度の大流量の水が必要となり、冷却水ポンプの負荷が大きく、内径10mm程度以下のチューブに大流量の水が流れることにより、水の流速が大きく、効率よく熱が取れず、制御性の良いアノード冷却ができないという問題点があった。   For example, the voltage drop in the filament due to a large current is about 10 V, which is sufficiently small compared to the high voltage applied to the cathode for generating an electric field, so the influence on the electric field applied between the anode and the filament can be ignored. When such a large current flows through the filament, the AC magnetic field generated in the interaction space is not negligible compared to the externally applied vertical magnetic field, and ripples occur in the output power and oscillation frequency. there were. Furthermore, the cooling water tube for performing anode cooling has an inner diameter of about 10 mm or less, but in order to take heat generated in the magnetron, typically a large flow rate of water of about 10 L / min is required, and the load of the cooling water pump However, there is a problem that when a large flow rate of water flows through a tube having an inner diameter of about 10 mm or less, the flow rate of water is large, heat cannot be efficiently removed, and anode control with good controllability cannot be performed.

一方、通常のマグネトロンでは、陰極の電子放出を改善する電子放射部材として、特許文献1等に示されるように、ThO以外の材料、例えば、酸化ハフニウム、酸化ジルコニウム、酸化ランタン、酸化セリウム等を単体又は複数、タングステンと組み合わせて用いることが知られているが、それでも電子放出特性は不十分であった。特に、100kWの大電力が必要な工業用マグネトロンにおいて、上記した電子放射部材が十分な寿命を維持できるか否かについて十分に検討されていない。 On the other hand, in the conventional magnetron, as electron emission member for improving the electron emission of the cathode, as shown in Patent Document 1 or the like, ThO 2 other materials, for example, hafnium oxide, zirconium oxide, lanthanum oxide, cerium oxide, etc. Although it is known to be used alone or in combination with tungsten, the electron emission characteristics are still insufficient. In particular, in an industrial magnetron that requires a large power of 100 kW, whether or not the above-described electron-emitting member can maintain a sufficient life has not been sufficiently studied.

また、アノード放熱のためには、アノードに多数のフィンを設けて空冷にする方法や、特許文献2や3に示されるように液冷構造を改善することが知られているが、工業用マグネトロンでは、十分な冷却ができない虞があった。したがって、本発明の目的は、長い時間に渡って優れた電子放出特性をもつマグネトロンを提供することにある。   For anode heat dissipation, it is known that air is cooled by providing a large number of fins on the anode, and it is known that the liquid cooling structure is improved as disclosed in Patent Documents 2 and 3, but the industrial magnetron Then, there was a possibility that sufficient cooling could not be performed. Accordingly, an object of the present invention is to provide a magnetron having excellent electron emission characteristics over a long period of time.

また、本発明の別の目的は、効率の良いアノード冷却構造を有するマグネトロンを提供することにある。   Another object of the present invention is to provide a magnetron having an efficient anode cooling structure.

さらに本発明の別の目的は、出力電力や発振周波数のリップルを防止したマグネトロンを提供することにある。   Still another object of the present invention is to provide a magnetron that prevents ripples in output power and oscillation frequency.

本発明者等は、先に、特願2007−99778号等において、ターゲット上のリング状プラズマ領域を時間的に移動させることにより、ターゲットの局所的な磨耗を防止すると共に、プラズマ密度を上昇させ、成膜速度を向上させることができるスパッタ装置を提案した。当該スパッタ装置は、被処理基板と対向してターゲットを配置すると共に、ターゲットに対して被処理基板とは反対側に磁石部材を設けた構成を備えている。   The inventors of the present invention previously described in Japanese Patent Application No. 2007-99778 and the like, by moving the ring-shaped plasma region on the target with time, the local wear of the target is prevented and the plasma density is increased. Then, a sputtering apparatus capable of improving the film formation rate was proposed. The sputtering apparatus has a configuration in which a target is disposed opposite to a substrate to be processed and a magnet member is provided on the opposite side of the target from the substrate to be processed.

具体的に説明すると、上記したスパッタ装置の磁石部材は、回転軸の表面に複数の板磁石を螺旋状に貼り付けた回転磁石群と、回転磁石群の周辺にターゲット面と平行に、且つ、ターゲットに対して垂直に磁化された固定外周板磁石とを有している。この構成によれば、回転磁石群を回転させることにより、回転磁石群と固定外周板磁石とによってターゲット上に形成される磁場パターンを回転軸方向に連続的に移動させ、これによって、ターゲット上のプラズマ領域を時間と共に回転軸方向に連続的に移動させることができる。   Specifically, the magnet member of the sputtering apparatus described above includes a rotating magnet group in which a plurality of plate magnets are spirally attached to the surface of the rotating shaft, a periphery of the rotating magnet group in parallel with the target surface, and And a fixed outer peripheral plate magnet magnetized perpendicularly to the target. According to this configuration, by rotating the rotating magnet group, the magnetic field pattern formed on the target by the rotating magnet group and the fixed outer peripheral plate magnet is continuously moved in the direction of the rotation axis. The plasma region can be continuously moved in the direction of the rotation axis with time.

当該回転マグネット式スパッタ装置を使用することにより、ターゲットを長期間に亘って均一に使用できると共に、成膜速度を向上させることができる。   By using the rotating magnet type sputtering apparatus, the target can be used uniformly over a long period of time, and the film formation rate can be improved.

本発明の第1の態様によれば、電子放射材料を内部に含んだ高融点金属を母材とし、表面に希土類のホウ化物がコーティングされた陰極体を有することを特徴とするマグネトロンが得られる。   According to the first aspect of the present invention, there is obtained a magnetron characterized by having a cathode body whose base material is a refractory metal containing an electron emitting material and whose surface is coated with a rare earth boride. .

本発明の第2の態様によれば、前記電子放射材料がLaであり、前記希土類のホウ化物がLaBであることを特徴とするマグネトロンが得られる。 According to a second aspect of the present invention, there is provided a magnetron wherein the electron emitting material is La 2 O 3 and the rare earth boride is LaB 6 .

本発明の第3の態様によれば、タングステン又はモリブデンを主成分としLaを含む電極部材と、当該電極部材の表面にスパッタによって形成された希土類元素のホウ化物の膜とを有する電極を陰極体として含むことを特徴とするマグネトロンが得られる。 According to the third aspect of the present invention, an electrode having an electrode member mainly containing tungsten or molybdenum and containing La 2 O 3 and a rare earth element boride film formed on the surface of the electrode member by sputtering. Can be obtained as a cathode body.

本発明の第4の態様によれば、第3の態様において、前記希土類元素のホウ化物は、LaB、LaB、YbB、GaB、CeBからなる群から選択された少なくとも一つのホウ化物を含むことを特徴とするマグネトロンが得られる。 According to a fourth aspect of the present invention, in the third aspect, the rare earth element boride is at least one boron selected from the group consisting of LaB 4 , LaB 6 , YbB 6 , GaB 6 , and CeB 6. A magnetron characterized in that it contains a chemical is obtained.

本発明の第5の態様によれば、前記陰極体は体積比で4〜6%のLaを含むことを特徴とするマグネトロンが得られる。 According to a fifth aspect of the present invention, there is obtained a magnetron characterized in that the cathode body contains 4 to 6% La 2 O 3 by volume ratio.

本発明の第6の態様によれば、タングステンまたはモリブデンを主成分とする陰極体表面にプラズマスパッタ装置によってLaB膜をスパッタ形成することを特徴とするマグネトロン用陰極体の製造方法が得られる。 According to the sixth aspect of the present invention, there is obtained a method for manufacturing a magnetron cathode body, characterized in that a LaB 6 film is formed by sputtering on the surface of a cathode body mainly composed of tungsten or molybdenum by a plasma sputtering apparatus.

本発明の第7の態様によれば、スパッタ形成された前記LaB膜を不活性ガス雰囲気中でアニールする工程を有することを特徴とする第6の態様に係るマグネトロン用陰極体の製造方法が得られる。 According to a seventh aspect of the present invention, there is provided the method for manufacturing a magnetron cathode body according to the sixth aspect, comprising the step of annealing the LaB 6 film formed by sputtering in an inert gas atmosphere. can get.

本発明の第8の態様によれば、前記アニール工程において、アニール温度を400℃〜1000℃とすることを特徴とする第7の態様に係るマグネトロン用陰極体の製造方法が得られる。   According to the eighth aspect of the present invention, there is obtained the method for manufacturing a magnetron cathode body according to the seventh aspect, wherein the annealing temperature is set to 400 ° C. to 1000 ° C. in the annealing step.

本発明の第9の態様によれば、前記LaB膜を、RF−DC結合放電により、規格化イオン照射量を5〜17としてスパッタ形成することを特徴とする第6または7の態様に係るマグネトロン用陰極体の製造方法が得られる。 According to a ninth aspect of the present invention, in accordance with the sixth or seventh aspect, the LaB 6 film is formed by sputtering with a standardized ion dose of 5 to 17 by RF-DC coupled discharge. A method of manufacturing a magnetron cathode body is obtained.

本発明の第10の態様によれば、第1〜5の態様のいずれかに係るマグネトロンであり、冷却水を流すチューブを複数並列にアノードに接触させてアノードを冷却することを特徴とするマグネトロンが得られる。   According to a tenth aspect of the present invention, there is provided the magnetron according to any one of the first to fifth aspects, wherein the anode is cooled by contacting a plurality of tubes through which cooling water flows in parallel with the anode. Is obtained.

本発明の第11の態様によれば、第1〜5の態様のいずれかに係るマグネトロンであり、アノードの外側に円筒状のジャケットが設けられ、そのジャケットに冷却水を流すことによりアノードを冷却することを特徴とするマグネトロンが得られる。   According to an eleventh aspect of the present invention, there is provided the magnetron according to any one of the first to fifth aspects, wherein a cylindrical jacket is provided outside the anode, and the anode is cooled by flowing cooling water through the jacket. Thus, a magnetron can be obtained.

本発明の第12の態様によれば、第10または11の態様に係るマグネトロンであり、冷却水が通過する流路のうちアノードに接触する部分において、通過冷却水のレイノルズ数が1000から5000の範囲内に設定されていることを特徴とするマグネトロンが得られる。   According to a twelfth aspect of the present invention, there is provided the magnetron according to the tenth or eleventh aspect, wherein the Reynolds number of the passing cooling water is 1000 to 5000 in a portion of the flow path through which the cooling water contacts the anode. A magnetron characterized by being set within a range is obtained.

本発明の第13の態様によれば、第12の態様に係るマグネトロンであり、冷却水をマグネトロンまで供給する冷却水チューブにおいて、通過冷却水のレイノルズ数が1000以下に設定されていることを特徴とするマグネトロンが得られる。   According to a thirteenth aspect of the present invention, the magnetron according to the twelfth aspect is characterized in that, in the cooling water tube that supplies cooling water to the magnetron, the Reynolds number of the passing cooling water is set to 1000 or less. A magnetron is obtained.

本発明の第14の態様によれば、前記陰極体を加熱して熱電子を放出するために、前記陰極体に直流電流を流して加熱することを特徴とする第1〜5の態様および第10〜13の態様のいずれかに記載のマグネトロンが得られる。   According to a fourteenth aspect of the present invention, in order to heat the cathode body and emit thermoelectrons, a direct current is passed through the cathode body to heat it. The magnetron according to any one of 10 to 13 is obtained.

本発明では、電子放射材料を内部に含んだ高融点金属を母材とし、表面に希土類のホウ化物をコーティングすることにより、100Aの大電流が流されたときにも、長寿命を維持できる陰極体が得られる。   In the present invention, a cathode that can maintain a long life even when a large current of 100 A is applied by coating a rare earth boride on the surface of a refractory metal containing an electron emitting material. The body is obtained.

従来のマグネトロンの一部を示す概略図である。It is the schematic which shows a part of conventional magnetron. 本発明の実施例1に係るフィラメント部分を示す概略図である。It is the schematic which shows the filament part which concerns on Example 1 of this invention. ThO入りWの熱電子放射特性と、La入りWの熱電子放射特性を比較して説明するグラフである。It is a graph explaining the thermoelectron emission characteristic of W containing ThO 2 and the thermoelectron emission characteristic of W containing La 2 O 3 . 本発明の実施例2に係るマグネトロンを説明するための概略図である。It is the schematic for demonstrating the magnetron which concerns on Example 2 of this invention. 本発明の実施例3に係るマグネトロンを説明するための概略図である.It is the schematic for demonstrating the magnetron based on Example 3 of this invention. 本発明の実施例4に係るマグネトロンを説明するための概略図である。It is the schematic for demonstrating the magnetron which concerns on Example 4 of this invention. 本発明に係るマグネトロン用陰極体を製造する際に使用される回転マグネットスパッタ装置を示す概略図である。It is the schematic which shows the rotating magnet sputtering device used when manufacturing the cathode body for magnetrons which concerns on this invention. DC放電によるスパッタ成膜を行った場合の、LaB膜の(100)面のピーク強度およびシート抵抗の圧力依存性を示す図である。In the case of performing sputtering film formation by DC discharge is a diagram showing a (100) plane pressure dependence of the peak intensity and a sheet resistance of the LaB 6 film. LaB膜の(100)面のピーク強度およびシート抵抗の規格化イオン照射量依存性を示す図である。LaB 6 is a diagram showing a normalized ion dose dependency of the peak intensity and a sheet resistance of the (100) face film.

以下、本発明の実施例について図面を参照して説明する。   Embodiments of the present invention will be described below with reference to the drawings.

本発明の実施例1を、図2を用いて説明する。201はフィラメント、203は下部エンドシール、204はセンターリード、205はサイドリード、206は上部エンドシール、207はゲッター材、208は、エンドシールとリード、及びエンドシールとフィラメントを接続するためのロウ材である。本発明者は、フィラメントの母材に、Laを体積比で4〜6%、好ましくは、2〜3%導入したWとし、その表面にLaB薄膜を100nm程度、マグネトロンスパッタリングにおいて成膜することで、従来のThO入りWに比べ、安定かつ1400℃程度の低温で、マイクロ波発振させるための十分な放射電流を得られることを見出した。 A first embodiment of the present invention will be described with reference to FIG. 201 is a filament, 203 is a lower end seal, 204 is a center lead, 205 is a side lead, 206 is an upper end seal, 207 is a getter material, 208 is a solder for connecting the end seal and lead, and the end seal and filament. It is a material. The inventor of the present invention has formed a LaB 6 thin film of about 100 nm on the surface of the base material of LaF 3 by magnetron sputtering by introducing La 2 O 3 in a volume ratio of 4 to 6%, preferably 2 to 3%. It has been found that a sufficient radiation current for microwave oscillation can be obtained by forming the film stably at a low temperature of about 1400 ° C. as compared with the conventional W containing ThO 2 .

図3に、ThO入りWとLa入りWの熱電子放射特性を、直径1.6mmで先端が双曲線形状をした放電電極に加工して多数回熱電子放出をさせ、そのアーク放電電圧の変化を調査した結果である。放電電圧が上昇することは、先端が磨耗し、放電性能が劣化したことを表している。図3から分かるように、ThO入りWの場合は100回放電することで放電性能が劣化してしまうのに対し、La入りWの場合は、600回まで放電電圧が安定、すなわち安定な熱電子放出が実現していることが分かる。アーク放電時の電極先端温度を放射温度計により測定したところ、ThO入りWの場合は3700℃であったのに対し、La入りWの電極は3000℃であったことが確認されている。発生する放電の形状や、熱伝導性の違いにより、これだけの温度差が発生したと考えられる。図示されたにおいては、3%Laを導入したWをフィラメントとして用いている。 Fig. 3 shows the thermoelectron emission characteristics of W with ThO 2 and W with La 2 O 3 into a discharge electrode with a diameter of 1.6 mm and a hyperbola at the tip to cause thermionic emission a number of times. It is the result of investigating the change of voltage. An increase in the discharge voltage indicates that the tip is worn and the discharge performance is deteriorated. As can be seen from FIG. 3, in the case of W with ThO 2 , discharge performance deteriorates by discharging 100 times, whereas in the case of W with La 2 O 3 , the discharge voltage is stable up to 600 times, It can be seen that stable thermal electron emission has been realized. When the electrode tip temperature during arc discharge was measured with a radiation thermometer, it was confirmed that it was 3700 ° C. in the case of W containing ThO 2 , whereas that of La 2 O 3 containing W was 3000 ° C. ing. It is considered that this temperature difference occurred due to the shape of the generated discharge and the difference in thermal conductivity. In the figure, W introduced with 3% La 2 O 3 is used as a filament.

次に、表面にLaBを成膜する効果について述べる。LaB結晶は、化学的に安定な低仕事関数材料(仕事関数2.7eV程度)であり、高い熱電子放出電流密度が得られることが知られている。しかしながら、現在まで高品質なLaB薄膜を形成技術が確立していなかった。 Next, the effect of depositing LaB 6 on the surface will be described. LaB 6 crystal is a chemically stable low work function material (work function of about 2.7 eV), and it is known that high thermionic emission current density can be obtained. However, until now, the technology for forming a high-quality LaB 6 thin film has not been established.

他方、本発明者は、新規に開発したプラズマダメージを発生させない回転マグネットスパッタ装置(以下に説明する)において規格化イオン照射量(LaBが成膜されている際に、成膜表面に照射されるLaBに対する入射Arイオンの数(Ar/LaBであらわされる))とイオン照射エネルギーを制御することで、結晶性に優れ、仕事関数が2.8eVという薄膜を形成できることを見出した。 On the other hand, the inventor irradiates the surface of the film when the normalized ion dose (LaB 6 ) is formed in a newly developed rotating magnet sputtering apparatus (described below) that does not cause plasma damage. It was found that a thin film having excellent crystallinity and a work function of 2.8 eV can be formed by controlling the number of incident Ar ions with respect to LaB 6 (expressed as Ar + / LaB 6 ) and ion irradiation energy.

本実施例においては、La入りWのフィラメント表面に膜厚100nmのLaB薄膜を、回転マグネットスパッタ装置を用いて成膜している。本フィラメントを用いることで、1400℃程度の低温で安定な電子放出電流が得られ、長寿命マグネトロンが実現した。 In this embodiment, a LaB 6 thin film having a film thickness of 100 nm is formed on the surface of a W 2 filament containing La 2 O 3 by using a rotary magnet sputtering apparatus. By using this filament, a stable electron emission current was obtained at a low temperature of about 1400 ° C., and a long-life magnetron was realized.

図7は、本発明に使用される回転マグネットスパッタ装置の一例を示す図である。図7に示された回転マグネットスパッタ装置は、ターゲット1、多角形形状(例えば、正16角形形状)の柱状回転軸2、柱状回転軸2の表面に螺旋状に貼り付けた複数の螺旋状板磁石群を含む回転磁石群3、回転磁石群3を囲むように、当該回転磁石群3の外周に配置した固定外周板磁石4、固定外周板磁石4に対して、ターゲット1とは反対側に設けられた外周常磁性体5を備えている。更に、ターゲット1には、バッキングプレート6が接着され、柱状回転軸2及び螺旋状板磁石群3のターゲット1側以外の部分は常磁性体15によって覆われ、更に、常磁性体15はハウジング7によって覆われている。   FIG. 7 is a view showing an example of a rotating magnet sputtering apparatus used in the present invention. The rotating magnet sputtering apparatus shown in FIG. 7 includes a target 1, a polygonal (for example, regular hexagonal) columnar rotating shaft 2, and a plurality of helical plates that are spirally attached to the surface of the columnar rotating shaft 2. The outer peripheral magnet group 3 including the magnet group and the fixed outer peripheral plate magnet 4 and the fixed outer peripheral plate magnet 4 arranged on the outer periphery of the rotating magnet group 3 so as to surround the rotating magnet group 3 are on the side opposite to the target 1. An outer peripheral paramagnetic material 5 is provided. Further, a backing plate 6 is bonded to the target 1, and portions other than the columnar rotating shaft 2 and the spiral plate magnet group 3 other than the target 1 side are covered with a paramagnetic material 15. Covered by.

固定外周板磁石4は、ターゲット1から見ると、螺旋状板磁石群によって構成された回転磁石群3を囲んだ構造をなし、ここでは、ターゲット2の側がS極となるように磁化されている。固定外周板磁石4と、螺旋状板磁石群の各板磁石はNd−Fe−B系焼結磁石によって形成されている。   When viewed from the target 1, the fixed outer peripheral plate magnet 4 has a structure surrounding the rotating magnet group 3 constituted by a spiral plate magnet group, and is magnetized so that the side of the target 2 becomes an S pole. . The fixed outer peripheral plate magnet 4 and each plate magnet of the spiral plate magnet group are formed of Nd—Fe—B based sintered magnets.

更に、図示された処理室内の空間11には、プラズマ遮蔽部材16が設けられ、陰極体製造用治具19が設置され、減圧されてプラズマガスが導入される。   Furthermore, a plasma shielding member 16 is provided in the illustrated space 11 in the processing chamber, a cathode body manufacturing jig 19 is installed, and the pressure is reduced to introduce plasma gas.

図示されたプラズマ遮蔽部材16は柱状回転軸2の軸方向に延在し、ターゲット1を陰極製造用治具19に対して開口するスリット18を規定している。プラズマ遮蔽部材16によって遮蔽されていない領域(即ち、スリット18によってターゲット1に対して開口された領域)は、磁場強度が強く高密度で低電子温度のプラズマが生成され、陰極製造用治具19に設けられた陰極体部材にチャージアップダメージやイオン照射ダメージが入らない領域であり、且つ、同時に成膜レートが速い領域である。この領域以外の領域をプラズマ遮蔽部材16によって遮蔽することで、成膜レートを実質的に落とすことなくダメージの入らない成膜が可能である。   The illustrated plasma shielding member 16 extends in the axial direction of the columnar rotating shaft 2, and defines a slit 18 that opens the target 1 to the cathode manufacturing jig 19. In a region that is not shielded by the plasma shielding member 16 (that is, a region that is opened with respect to the target 1 by the slit 18), a plasma having a high magnetic field strength and a high density and a low electron temperature is generated. This is a region where charge-up damage and ion irradiation damage do not occur in the cathode body member provided at, and at the same time, a region where the film formation rate is fast. By shielding the region other than this region with the plasma shielding member 16, it is possible to perform film formation without damage without substantially reducing the film formation rate.

また、バッキングプレート6には冷媒を通す冷媒通路8が形成されており、ハウジング7と処理室を形成する外壁14との間には、絶縁材9が設けられている。ハウジング7に接続されたフィーダ線12は、カバー13を介して外部に引き出されている。フィーダ線12には、DC電源、RF電源、及び、整合器(図示せず)が接続されている。   The backing plate 6 is formed with a refrigerant passage 8 through which a refrigerant passes, and an insulating material 9 is provided between the housing 7 and the outer wall 14 forming the processing chamber. The feeder line 12 connected to the housing 7 is drawn to the outside through the cover 13. A DC power source, an RF power source, and a matching unit (not shown) are connected to the feeder line 12.

この構成では、DC電源およびRF電源から、整合器、フィーダ線12及びハウジングを介してバッキングプレート6及びターゲット1へプラズマ励起電力が供給され、ターゲット表面にプラズマが励起される。DC電力のみ、若しくは、RF電力のみでもプラズマの励起は可能であるが、膜質制御性や成膜速度制御性から、両方印加することが望ましい。また、RF電力の周波数は、通常数100kHzから数100MHzの間から選ばれるが、プラズマの高密度低電子温度化という点から高い周波数が望ましく、本実施の形態においては13.56MHzの周波数を使用している。   In this configuration, plasma excitation power is supplied from the DC power source and the RF power source to the backing plate 6 and the target 1 through the matching unit, the feeder line 12 and the housing, and the plasma is excited on the target surface. Plasma excitation is possible only with DC power or RF power alone, but it is desirable to apply both from the viewpoint of film quality controllability and film formation rate controllability. The frequency of the RF power is usually selected from several hundred kHz to several hundred MHz, but a high frequency is desirable from the viewpoint of high density and low electron temperature of plasma. In this embodiment, a frequency of 13.56 MHz is used. doing.

図7に示すように、処理室内の空間11内に設置された陰極体製造用治具19には、陰極体を形成するフィラメント201が複数個取り付けられている。   As shown in FIG. 7, a plurality of filaments 201 forming the cathode body are attached to the cathode body manufacturing jig 19 installed in the space 11 in the processing chamber.

尚、LaB膜のスパッタリングによる成膜条件としては、まず成膜前にプラズマで電極材表面をクリーニングするのが好ましい。たとえばArプラズマで90mTorr(12Pa)、RF300Wが適当である。スパッタ時のチャンバーの圧力は20mTorr(2.7Pa)付近(Arプラズマで電子温度1.9eV程度、イオン照射エネルギー10eV程度)で比抵抗が最小となる(アニール前で200μΩcm程度)。このとき、成膜レートは90nm/分であるが、圧力を10mTorr(1.3Pa)にすれば成膜レートはさらに100nm/分以上に上がり、比抵抗は若干しか増えない。よって、圧力は5〜35mTorr(0.67Pa〜4.7Pa)が好ましい。基板温度(ステージ温度)を上げると比抵抗は更に下がり、Ar20mTorr(2.7Pa)で基板温度を300℃で、175μΩcm程度になる。さらに成膜後アニールすることによって比抵抗は更に下がり、高純度Ar中で800℃の温度でアニールすることにより、100μΩcm程度になる。アニール温度は400℃〜1000℃が好ましい。アニール時間は30分以上であればよい。例えば、3時間以下で充分である。アニールの雰囲気は不活性ガスがよい。 As a film forming condition by sputtering of the LaB 6 film, it is preferable to first clean the electrode material surface with plasma before film forming. For example, 90 mTorr (12 Pa) and RF 300 W are suitable for Ar plasma. The pressure in the chamber during sputtering is about 20 mTorr (2.7 Pa) (Ar plasma has an electron temperature of about 1.9 eV and ion irradiation energy of about 10 eV), and the specific resistance is minimized (about 200 μΩcm before annealing). At this time, the film forming rate is 90 nm / min. However, if the pressure is set to 10 mTorr (1.3 Pa), the film forming rate is further increased to 100 nm / min or more, and the specific resistance increases only slightly. Therefore, the pressure is preferably 5 to 35 mTorr (0.67 Pa to 4.7 Pa). When the substrate temperature (stage temperature) is increased, the specific resistance further decreases, and the substrate temperature is about 175 μΩcm at 300 ° C. with Ar 20 mTorr (2.7 Pa). Furthermore, the specific resistance is further lowered by annealing after film formation, and it is about 100 μΩcm by annealing at a temperature of 800 ° C. in high purity Ar. The annealing temperature is preferably 400 ° C to 1000 ° C. The annealing time may be 30 minutes or longer. For example, 3 hours or less is sufficient. The atmosphere of annealing is preferably an inert gas.

次に、スパッタリングによるLaB成膜の最適条件を検証するため、次のような実験を行った。Si基板上に熱酸化によりSiO膜を90nm設け、その上に図7の回転マグネットスパッタ装置を用いてLaB膜を80nmの厚さに成膜した。その際に次のパラメーターを変化させて、配向性(XRD測定)および抵抗率を測定した。 Next, in order to verify the optimum conditions for LaB 6 film formation by sputtering, the following experiment was performed. A SiO 2 film having a thickness of 90 nm was formed on the Si substrate by thermal oxidation, and a LaB 6 film having a thickness of 80 nm was formed thereon using the rotating magnet sputtering apparatus shown in FIG. At that time, the following parameters were changed to measure the orientation (XRD measurement) and resistivity.

・成膜圧力(5mTorr〜90mTorr、SI単位では0.67Pa〜12Pa)
・イオン照射エネルギー(9eV〜80eV)
・規格化イオン照射量(Ar/LaB=1〜20程度)
Film deposition pressure (5 mTorr to 90 mTorr, SI unit 0.67 Pa to 12 Pa)
・ Ion irradiation energy (9eV-80eV)
・ Standardized ion irradiation amount (Ar + / LaB 6 = 1 to 20)

XRD測定の結果は、回転マグネットスパッタ装置によってスパッタ成膜されたLaB膜は、結晶面が(210)、(200)、(110)の強度は極めて小さい一方で、(100)結晶面の強度が極めて大きく、膜質が優れていることが判明した。従来のスパッタリング成膜では(100)強度が弱いのに比べると、これが本発明の特徴の一つといえる。 As a result of the XRD measurement, the LaB 6 film formed by sputtering with the rotary magnet sputtering apparatus has the crystal planes of (210), (200), and (110) having extremely low strength, while the (100) crystal plane is strong. Was very large and the film quality was found to be excellent. This is one of the features of the present invention as compared with the (100) weakness in the conventional sputtering film formation.

図8には、本発明によるLaB膜におけるこのような(100)のピーク強度およびシート抵抗の圧力依存性が示されている。これは、Arガスを用いDC900Wを印加してプラズマを形成した場合のデータである。図8に示されるように、Ar20mTorr(2.7Pa)程度以下のDC放電では、シート抵抗は極めて低い(比抵抗値で、200μΩcm程度)が、(100)ピーク強度が小さく、結晶性が悪いことがわかる。一方、Ar50mTorr(6.7Pa)付近のDC放電では、ほぼ(100)配向のLaB膜が得られるが、抵抗が高くなる(比抵抗値で、1000μΩcm程度)。 FIG. 8 shows the pressure dependence of such (100) peak intensity and sheet resistance in a LaB 6 film according to the present invention. This is data when plasma is formed by applying DC 900 W using Ar gas. As shown in FIG. 8, in DC discharge of about Ar20 mTorr (2.7 Pa) or less, the sheet resistance is very low (specific resistance value is about 200 μΩcm), but (100) peak intensity is small and crystallinity is poor. I understand. On the other hand, in a DC discharge in the vicinity of Ar50 mTorr (6.7 Pa), an approximately (100) -oriented LaB 6 film is obtained, but the resistance increases (specific resistance value is about 1000 μΩcm).

これに対して、規格化イオン照射量を1程度から20程度まで変化させたときの(100)ピーク強度とシート抵抗の変化を示す図9を参照する。   On the other hand, FIG. 9 showing changes in (100) peak intensity and sheet resistance when the normalized ion irradiation dose is changed from about 1 to about 20.

図9において、RF−DC結合放電により、イオン照射エネルギーを10eV程度以下に抑えて、規格化イオン照射量を5〜17程度まで増加させると、抵抗は下がり(比抵抗値で、300〜400μΩcm)、結晶性も向上することが分かった。図9の結果は、圧力がAr50mTorr(6.7Pa)、イオン照射エネルギーは全てほぼ9.0eV、ターゲット電力密度は全てほぼ2W/cmである。なお、図9において、DC放電は900Wで行われ、その際の規格化イオン照射量(Ar/LaB)は1.3である。一方、RF−DC放電ではRF周波数は13.56MHz、RF電力は600Wである。 In FIG. 9, when the ion irradiation energy is suppressed to about 10 eV or less by RF-DC coupled discharge and the normalized ion irradiation amount is increased to about 5 to 17, the resistance decreases (specific resistance value is 300 to 400 μΩcm). It was found that the crystallinity was also improved. The results of FIG. 9 are that the pressure is Ar50 mTorr (6.7 Pa), the ion irradiation energy is all about 9.0 eV, and the target power density is all about 2 W / cm 2 . In FIG. 9, DC discharge is performed at 900 W, and the normalized ion irradiation dose (Ar + / LaB 6 ) at that time is 1.3. On the other hand, in the RF-DC discharge, the RF frequency is 13.56 MHz and the RF power is 600 W.

規格化イオン照射量(Ar/LaB)が8.3の際のDCは−270V、10.1では−240V、16.5では−180Vである。 When the normalized ion irradiation amount (Ar + / LaB 6 ) is 8.3, DC is −270 V, 10.2 is −240 V, and 16.5 is −180 V.

本発明の実施例2を、図4を用いて説明する。406は30kW出力のマグネトロンであり、401はマグネトロンのアノード冷却用の冷却水をマグネトロンまで導入する入口チューブ、404は、冷却水の出口チューブである。402、403、403はそれぞれ、第1、第2、第3の冷却チューブであり、アノードに巻きつけるように、入口チューブ401と出口チューブ404との間に並列に接続されている。また、冷却水は図示しないポンプにより導入される。   A second embodiment of the present invention will be described with reference to FIG. Reference numeral 406 denotes a magnetron with 30 kW output, 401 denotes an inlet tube for introducing cooling water for anode cooling of the magnetron to the magnetron, and 404 denotes an outlet tube for cooling water. Reference numerals 402, 403, and 403 denote first, second, and third cooling tubes, respectively, which are connected in parallel between the inlet tube 401 and the outlet tube 404 so as to be wound around the anode. The cooling water is introduced by a pump (not shown).

従来技術においては、図1に示すように、例えば内径6mmの1本のチューブを単純に複数回アノードに巻きつけているだけである。   In the prior art, as shown in FIG. 1, for example, a single tube having an inner diameter of 6 mm is simply wound around the anode a plurality of times.

ここで、30kW出力のマグネトロンであれば、6kW程度の熱流を水で取り去る必要がある。水の入り口及び出口の温度をそれぞれ25℃、60℃とすれば、2.5L/分の冷却水量が必要である。これを内径6mmのチューブ一本で導入した場合、チューブ内の水流速は1.5m/秒、レイノルズ数は8000程度となる。レイノルズ数は乱流の程度を表す無次元数であり、1000程度以上であれば乱流となり、それ以下では層流である。レイノルズ数が1000以下の層流では、水の圧力損失が少なくポンプ負荷は少ないが、冷却効率が悪い。   Here, in the case of a 30 kW output magnetron, it is necessary to remove about 6 kW of heat flow with water. If the water inlet and outlet temperatures are 25 ° C. and 60 ° C., respectively, a cooling water amount of 2.5 L / min is required. When this is introduced with a single tube having an inner diameter of 6 mm, the water flow rate in the tube is 1.5 m / sec and the Reynolds number is about 8000. The Reynolds number is a dimensionless number that represents the degree of turbulent flow. When the Reynolds number is about 1000 or more, the Reynolds number is turbulent. In a laminar flow with a Reynolds number of 1000 or less, the pressure loss of water is small and the pump load is small, but the cooling efficiency is poor.

一方、乱流にすれば冷却効率は上昇し、5000程度以上になると、ほぼ冷却効率は飽和する。しかしながら、ポンプ負荷はレイノルズ数の上昇とともに上昇し、ポンプ電力が増大してしまう。結局、レイノルズ数が1000から5000程度、望ましくは2000から3000程度の範囲内が、冷却効率も良く、ポンプ負荷が少ない。   On the other hand, if the turbulent flow is used, the cooling efficiency is increased. However, the pump load increases as the Reynolds number increases, and the pump power increases. In the end, the Reynolds number is in the range of about 1000 to 5000, preferably about 2000 to 3000, and the cooling efficiency is good and the pump load is small.

本実施例においては、内径6mmのチューブを入口チューブ401及び出口チューブ405に対して3本並列接続しているため、各々のチューブにおいては水流量が1/3となるため、流速も1/3となり、レイノルズ数も3000程度となった。また、入口チューブ401と出口チューブ405は、内径を55mmとし、そこでのレイノルズ数は900程度となり、層流を実現できた。これにより、ポンプ負荷が少なく、かつ冷却効率に優れたアノード冷却が実現できた。   In this embodiment, since three tubes having an inner diameter of 6 mm are connected in parallel to the inlet tube 401 and the outlet tube 405, the water flow rate is 1/3 in each tube, so the flow rate is also 1/3. The Reynolds number was about 3000. In addition, the inlet tube 401 and the outlet tube 405 had an inner diameter of 55 mm, and the Reynolds number was about 900, realizing a laminar flow. As a result, anode cooling with low pump load and excellent cooling efficiency was realized.

本発明の実施例3を、図5を用いて説明する。501、502はそれぞれマグネトロンのアノード冷却用の冷却水をマグネトロンまで導入する入口チューブ、冷却水の出口チューブである。503は、アノードの外側に円筒状のジャケットであり、このジャケット内に冷却水を流すことによりアノードを冷却する。また、504はジャケット出入り口に設けられたバッフル板であり、ジャケット内の流量分布を均一化させるために設置している。チューブ501、チューブ502は内径を55mmとし、レイノルズ数は900程度としている。一方、ジャケット内はレイノルズ数が2500となるように流路間隔が設定されている。これにより、ポンプ負荷が少なく、かつ冷却効率に優れたアノード冷却が実現できた。   A third embodiment of the present invention will be described with reference to FIG. Reference numerals 501 and 502 denote an inlet tube for introducing cooling water for anode cooling of the magnetron to the magnetron and an outlet tube for cooling water. Reference numeral 503 denotes a cylindrical jacket outside the anode, and the anode is cooled by flowing cooling water through the jacket. Reference numeral 504 denotes a baffle plate provided at the entrance of the jacket, which is installed to make the flow distribution in the jacket uniform. The tubes 501 and 502 have an inner diameter of 55 mm and a Reynolds number of about 900. On the other hand, the flow path interval is set so that the Reynolds number is 2500 in the jacket. As a result, anode cooling with low pump load and excellent cooling efficiency was realized.

本発明の実施例4を、図6を用いて説明する。601は外部より印加している直流磁場、602はフィラメントを加熱するためのフィラメント電流を流すための直流電源、604はフィラメント、603はフィラメント電流により発生する直流磁場である。605はアノードベイン、606は相互作用空間である。従来技術においては、フィラメントに交流電流を流すことでフィラメントを加熱していたが、フィラメント電流が大きいために、交流磁界が発生することにより相互作用空間の磁場が変動してしまい、旋回電子の軌道に揺らぎが誘起されてしまっていた。このことにより、マグネトロン出力電力や周波数にリップルを生じる原因となっていた。例えば、フィラメント径5mm、巻き数10、フィラメント電流が100Aの場合、フィラメントから1mm離れた相互作用空間での、フィラメント電流により発生する磁場強度は91ガウスとなり、外部磁界に対して無視できない値となる。   A fourth embodiment of the present invention will be described with reference to FIG. Reference numeral 601 denotes a DC magnetic field applied from the outside, 602 a DC power source for supplying a filament current for heating the filament, 604 a filament, and 603 a DC magnetic field generated by the filament current. 605 is an anode vane and 606 is an interaction space. In the prior art, the filament was heated by passing an alternating current through the filament. However, because the filament current is large, the magnetic field in the interaction space fluctuates due to the generation of the alternating magnetic field, and the trajectory of the swirling electrons Fluctuation has been induced. This caused a ripple in the magnetron output power and frequency. For example, when the filament diameter is 5 mm, the number of turns is 10, and the filament current is 100 A, the magnetic field strength generated by the filament current in the interaction space 1 mm away from the filament is 91 gauss, which is a value that cannot be ignored with respect to the external magnetic field. .

本実施例においては、直流電源を用いるために、磁場変動が発生せず、さらにフィラメントにより発生する磁界の向きと外部磁界の向きを同じとすることで、磁場強度の減少も防いでいる。このことにより、出力電力や発振周波数にリップルの無い、安定したマグネトロン発振が実現した。   In the present embodiment, since a DC power source is used, no magnetic field fluctuation occurs, and the magnetic field generated by the filament and the external magnetic field are made the same in direction to prevent the magnetic field intensity from decreasing. This realized stable magnetron oscillation with no ripple in output power and oscillation frequency.

本発明は大電力の工業用マグネトロン、発振周波数が915MHzの大型マグネトロンだけでなく、発振周波数2.45GHzの家庭用マグネトロンにも適用できる。   The present invention can be applied not only to a large power industrial magnetron and a large magnetron having an oscillation frequency of 915 MHz, but also to a household magnetron having an oscillation frequency of 2.45 GHz.

201 フィラメント
203 下部エンドシール
204 センターリード
205 サイドリード
206 上部エンドシール
207 ゲッター材
208 ロウ材
401 入口チューブ
402 第1の冷却チューブ
403 第2の冷却チューブ
404 第3の冷却チューブ
405 出口チューブ
406 マグネトロン
501 チューブ
502 チューブ
503 ジャケット
504 バッフル板
601 直流磁場
602 直流電源
603 直流磁場
604 フィラメント
605 アノードベイン
606 相互作用空間
1 ターゲット
2 柱状回転軸
3 回転磁石群
4 固定外周磁石
5 外周常磁性体
6 バッキングプレート
7 ハウジング
8 冷媒通路
9 絶縁材
11 処理室内の空間
12 フィーダ線
13 カバー
14 外壁
15 常磁性体
16 プラズマ遮蔽部材
18 スリット
201 Filament 203 Lower end seal 204 Center lead 205 Side lead 206 Upper end seal 207 Getter material 208 Brazing material 401 Inlet tube 402 First cooling tube 403 Second cooling tube 404 Third cooling tube 405 Outlet tube 406 Magnetron 501 tube 502 Tube 503 Jacket 504 Baffle plate 601 DC magnetic field 602 DC power source 603 DC magnetic field 604 Filament 605 Anode vane 606 Interaction space 1 Target 2 Columnar rotating shaft 3 Rotating magnet group 4 Fixed outer magnet 5 Outer paramagnetic body 6 Backing plate 7 Housing 8 Refrigerant passage 9 Insulating material 11 Space in processing chamber 12 Feeder wire 13 Cover 14 Outer wall 15 Paramagnetic material 16 Plasma shielding member 18 Slit

Claims (4)

タングステンまたはモリブデンを主成分とする陰極体表面にプラズマスパッタ装置によってLaB膜をスパッタ形成することを特徴とするマグネトロン用陰極体の製造方法。 A method for producing a cathode body for magnetron, comprising forming a LaB 6 film by sputtering on a surface of a cathode body mainly composed of tungsten or molybdenum by a plasma sputtering apparatus. スパッタ形成された前記LaB膜を不活性ガス雰囲気中でアニールする工程を有することを特徴とする請求項1に記載のマグネトロン用陰極体の製造方法。 Method for manufacturing a magnetron cathode for body according to claim 1, characterized in that it comprises a step of annealing the LaB 6 film is sputtered in an inert gas atmosphere. 前記アニール工程において、アニール温度を400℃〜1000℃とすることを特徴とする請求項2に記載のマグネトロン用陰極体の製造方法。   The method for manufacturing a magnetron cathode body according to claim 2, wherein the annealing temperature is set to 400 ° C to 1000 ° C in the annealing step. 前記LaB膜を、RF−DC結合放電により、規格化イオン照射量を5〜17としてスパッタ形成することを特徴とする請求項1または2に記載のマグネトロン用陰極体の製造方法。 The method for producing a magnetron cathode body according to claim 1 or 2, wherein the LaB 6 film is formed by sputtering with an RF-DC coupled discharge with a normalized ion irradiation dose of 5 to 17.
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