マグネトロン
【課題】 マグネトロンに使用される陰極体では、大電力化するためには不都合な点が多い。
【解決手段】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マグネトロン用陰極体が得られる。電子放射材料及び高融点金属としては、それぞれＬａ２Ｏ３及びＷが望ましく、且つ、希土類のホウ化物としては、ＬａＢ６が好ましい。
【解決手段】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マグネトロン用陰極体が得られる。電子放射材料及び高融点金属としては、それぞれＬａ２Ｏ３及びＷが望ましく、且つ、希土類のホウ化物としては、ＬａＢ６が好ましい。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
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。
【背景技術】
【０００２】
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。
【０００３】
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。
【０００４】
【特許文献１】特開平１１−２８３５１６号公報
【特許文献２】特開２００８−５３１２９号公報
【特許文献３】特開２００３−１００２２４号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
上記従来技術においては、フィラメントは通常ＴｈＯ２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ＴｈＯ２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。
【０００６】
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。
【０００７】
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。
【０００８】
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、ＴｈＯ２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。
【０００９】
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。
【００１０】
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。
【００１１】
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。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
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。
【００１３】
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。
【００１４】
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。
【００１５】
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。
【００１６】
本発明の第２の態様によれば、前記電子放射材料がＬａ２Ｏ３であり、前記希土類のホウ化物がＬａＢ６であることを特徴とするマグネトロンが得られる。
【００１７】
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Ｌａ２Ｏ３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。
【００１８】
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、ＬａＢ４、ＬａＢ６、ＹｂＢ６、ＧａＢ６、ＣｅＢ６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。
【００１９】
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Ｌａ２Ｏ３を含むことを特徴とするマグネトロンが得られる。
【００２０】
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ＬａＢ６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。
【００２１】
本発明の第７の態様によれば、スパッタ形成された前記ＬａＢ６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。
【００２２】
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。
【００２３】
本発明の第９の態様によれば、前記ＬａＢ６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。
【００２４】
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。
【００２５】
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。
【００２６】
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。
【００２７】
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。
【００２８】
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。
【発明の効果】
【００２９】
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。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３０】
以下、本発明の実施例について図面を参照して説明する。
【実施例１】
【００３１】
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、Ｌａ２Ｏ３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ＬａＢ６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ＴｈＯ２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。
【００３２】
図３に、ＴｈＯ２入りＷとＬａ２Ｏ３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、ＴｈＯ２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、Ｌａ２Ｏ３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、ＴｈＯ２入りＷの場合は３７００℃であったのに対し、Ｌａ２Ｏ３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％Ｌａ２Ｏ３を導入したＷをフィラメントとして用いている。
【００３３】
次に、表面にＬａＢ６を成膜する効果について述べる。ＬａＢ６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ＬａＢ６薄膜を形成技術が確立していなかった。
【００３４】
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（ＬａＢ６が成膜されている際に、成膜表面に照射されるＬａＢ６に対する入射Ａｒイオンの数（Ａｒ＋／ＬａＢ６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。
【００３５】
本実施例においては、Ｌａ２Ｏ３入りＷのフィラメント表面に膜厚１００ｎｍのＬａＢ６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。
【００３６】
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。
【００３７】
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。
【００３８】
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。
【００３９】
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。
【００４０】
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。
【００４１】
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。
【００４２】
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。
【００４３】
尚、ＬａＢ６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。
【００４４】
次に、スパッタリングによるＬａＢ６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ＳｉＯ２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ＬａＢ６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。
【００４５】
・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＋／ＬａＢ６＝１〜２０程度）
【００４６】
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ＬａＢ６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。
【００４７】
図８には、本発明によるＬａＢ６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ＬａＢ６膜が得られるが、抵抗が高くなる（比抵抗値で、１０００μΩｃｍ程度）。
【００４８】
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。
【００４９】
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／ｃｍ２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＋／ＬａＢ６）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。
【００５０】
規格化イオン照射量（Ａｒ＋／ＬａＢ６）が８．３の際のＤＣは−２７０Ｖ、１０．１では−２４０Ｖ、１６．５では−１８０Ｖである。
【実施例２】
【００５１】
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。
【００５２】
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。
【００５３】
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。
【００５４】
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。
【００５５】
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。
【実施例３】
【００５６】
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。
【実施例４】
【００５７】
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。
【００５８】
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。
【産業上の利用可能性】
【００５９】
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。
【図面の簡単な説明】
【００６０】
【図１】従来のマグネトロンの一部を示す概略図である。
【図２】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。
【図３】ＴｈＯ２入りＷの熱電子放射特性と、Ｌａ２Ｏ３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。
【図４】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。
【図５】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．
【図６】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。
【図７】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。
【図８】ＤＣ放電によるスパッタ成膜を行った場合の、ＬａＢ６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。
【図９】ＬａＢ６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。
【符号の説明】
【００６１】
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
【技術分野】
【０００１】
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。
【背景技術】
【０００２】
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。
【０００３】
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。
【０００４】
【特許文献１】特開平１１−２８３５１６号公報
【特許文献２】特開２００８−５３１２９号公報
【特許文献３】特開２００３−１００２２４号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
上記従来技術においては、フィラメントは通常ＴｈＯ２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ＴｈＯ２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。
【０００６】
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。
【０００７】
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。
【０００８】
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、ＴｈＯ２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。
【０００９】
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。
【００１０】
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。
【００１１】
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。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
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。
【００１３】
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。
【００１４】
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。
【００１５】
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。
【００１６】
本発明の第２の態様によれば、前記電子放射材料がＬａ２Ｏ３であり、前記希土類のホウ化物がＬａＢ６であることを特徴とするマグネトロンが得られる。
【００１７】
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Ｌａ２Ｏ３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。
【００１８】
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、ＬａＢ４、ＬａＢ６、ＹｂＢ６、ＧａＢ６、ＣｅＢ６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。
【００１９】
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Ｌａ２Ｏ３を含むことを特徴とするマグネトロンが得られる。
【００２０】
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ＬａＢ６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。
【００２１】
本発明の第７の態様によれば、スパッタ形成された前記ＬａＢ６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。
【００２２】
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。
【００２３】
本発明の第９の態様によれば、前記ＬａＢ６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。
【００２４】
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。
【００２５】
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。
【００２６】
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。
【００２７】
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。
【００２８】
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。
【発明の効果】
【００２９】
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。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３０】
以下、本発明の実施例について図面を参照して説明する。
【実施例１】
【００３１】
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、Ｌａ２Ｏ３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ＬａＢ６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ＴｈＯ２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。
【００３２】
図３に、ＴｈＯ２入りＷとＬａ２Ｏ３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、ＴｈＯ２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、Ｌａ２Ｏ３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、ＴｈＯ２入りＷの場合は３７００℃であったのに対し、Ｌａ２Ｏ３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％Ｌａ２Ｏ３を導入したＷをフィラメントとして用いている。
【００３３】
次に、表面にＬａＢ６を成膜する効果について述べる。ＬａＢ６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ＬａＢ６薄膜を形成技術が確立していなかった。
【００３４】
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（ＬａＢ６が成膜されている際に、成膜表面に照射されるＬａＢ６に対する入射Ａｒイオンの数（Ａｒ＋／ＬａＢ６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。
【００３５】
本実施例においては、Ｌａ２Ｏ３入りＷのフィラメント表面に膜厚１００ｎｍのＬａＢ６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。
【００３６】
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。
【００３７】
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。
【００３８】
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。
【００３９】
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。
【００４０】
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。
【００４１】
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。
【００４２】
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。
【００４３】
尚、ＬａＢ６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。
【００４４】
次に、スパッタリングによるＬａＢ６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ＳｉＯ２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ＬａＢ６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。
【００４５】
・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＋／ＬａＢ６＝１〜２０程度）
【００４６】
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ＬａＢ６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。
【００４７】
図８には、本発明によるＬａＢ６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ＬａＢ６膜が得られるが、抵抗が高くなる（比抵抗値で、１０００μΩｃｍ程度）。
【００４８】
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。
【００４９】
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／ｃｍ２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＋／ＬａＢ６）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。
【００５０】
規格化イオン照射量（Ａｒ＋／ＬａＢ６）が８．３の際のＤＣは−２７０Ｖ、１０．１では−２４０Ｖ、１６．５では−１８０Ｖである。
【実施例２】
【００５１】
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。
【００５２】
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。
【００５３】
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。
【００５４】
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。
【００５５】
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。
【実施例３】
【００５６】
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。
【実施例４】
【００５７】
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。
【００５８】
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。
【産業上の利用可能性】
【００５９】
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。
【図面の簡単な説明】
【００６０】
【図１】従来のマグネトロンの一部を示す概略図である。
【図２】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。
【図３】ＴｈＯ２入りＷの熱電子放射特性と、Ｌａ２Ｏ３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。
【図４】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。
【図５】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．
【図６】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。
【図７】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。
【図８】ＤＣ放電によるスパッタ成膜を行った場合の、ＬａＢ６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。
【図９】ＬａＢ６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。
【符号の説明】
【００６１】
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
【特許請求の範囲】
【請求項１】
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。
【請求項２】
前記電子放射材料がＬａ２Ｏ３であり、前記希土類のホウ化物がＬａＢ６であることを特徴とする請求項１に記載のマグネトロン。
【請求項３】
タングステン又はモリブデンを主成分としＬａ２Ｏ３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。
【請求項４】
請求項３において、前記希土類元素のホウ化物は、ＬａＢ４、ＬａＢ６、ＹｂＢ６、ＧａＢ６、ＣｅＢ６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。
【請求項５】
請求項１から４のいずれかに記載のマグネトロンにおいて、前記陰極体は体積比で４〜６％のＬａ２Ｏ３を含むことを特徴とするマグネトロン。
【請求項６】
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ＬａＢ６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。
【請求項７】
スパッタ形成された前記ＬａＢ６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６に記載のマグネトロン用陰極体の製造方法。
【請求項８】
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７に記載のマグネトロン用陰極体の製造方法。
【請求項９】
前記ＬａＢ６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６または７に記載のマグネトロン用陰極体の製造方法。
【請求項１０】
請求項１から５のいずれかに記載の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。
【請求項１１】
請求項１から５のいずれかに記載の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。
【請求項１２】
請求項１０または１１に記載の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。
【請求項１３】
請求項１２に記載の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。
【請求項１４】
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請求項１から５および請求項１０から１３のいずれかに記載のマグネトロン。
【請求項１５】
電子放射材料を内部に含んだ高融点金属を母材とし、表面に形成された希土類のホウ化物薄膜を備え、前記電子放射材料がＬａ２Ｏ３であって、前記希土類のホウ化物がＬａＢ６であり、且つ、前記ＬａＢ６によって形成された薄膜は、実質的に（１００）結晶面を備え、４００μΩｃｍ以下の比抵抗値を有していることを特徴とする陰極体。
【請求項１】
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。
【請求項２】
前記電子放射材料がＬａ２Ｏ３であり、前記希土類のホウ化物がＬａＢ６であることを特徴とする請求項１に記載のマグネトロン。
【請求項３】
タングステン又はモリブデンを主成分としＬａ２Ｏ３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。
【請求項４】
請求項３において、前記希土類元素のホウ化物は、ＬａＢ４、ＬａＢ６、ＹｂＢ６、ＧａＢ６、ＣｅＢ６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。
【請求項５】
請求項１から４のいずれかに記載のマグネトロンにおいて、前記陰極体は体積比で４〜６％のＬａ２Ｏ３を含むことを特徴とするマグネトロン。
【請求項６】
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ＬａＢ６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。
【請求項７】
スパッタ形成された前記ＬａＢ６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６に記載のマグネトロン用陰極体の製造方法。
【請求項８】
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７に記載のマグネトロン用陰極体の製造方法。
【請求項９】
前記ＬａＢ６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６または７に記載のマグネトロン用陰極体の製造方法。
【請求項１０】
請求項１から５のいずれかに記載の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。
【請求項１１】
請求項１から５のいずれかに記載の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。
【請求項１２】
請求項１０または１１に記載の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。
【請求項１３】
請求項１２に記載の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。
【請求項１４】
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請求項１から５および請求項１０から１３のいずれかに記載のマグネトロン。
【請求項１５】
電子放射材料を内部に含んだ高融点金属を母材とし、表面に形成された希土類のホウ化物薄膜を備え、前記電子放射材料がＬａ２Ｏ３であって、前記希土類のホウ化物がＬａＢ６であり、且つ、前記ＬａＢ６によって形成された薄膜は、実質的に（１００）結晶面を備え、４００μΩｃｍ以下の比抵抗値を有していることを特徴とする陰極体。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【公開番号】特開２０１０−７３４５６（Ｐ２０１０−７３４５６Ａ）
【公開日】平成２２年４月２日（２０１０．４．２）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００８−２３８８８７（Ｐ２００８−２３８８８７）
【出願日】平成２０年９月１８日（２００８．９．１８）
【出願人】（５０４１５７０２４）国立大学法人東北大学 (2,297)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２２年４月２日（２０１０．４．２）
【国際特許分類】
【出願日】平成２０年９月１８日（２００８．９．１８）
【出願人】（５０４１５７０２４）国立大学法人東北大学 (2,297)
【Ｆターム（参考）】
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