(57)【要約】【課題】アーク放電中に陰極から放出された粉砕粒子が成膜中のＤＬＣ膜に取り込まれることを抑制することにより、平滑なＤＬＣ膜を安定して成膜できるアーク式成膜技術を提供する。【解決手段】棒状の陰極を保持する陰極保持手段と、基材を保持する基材保持手段と、陰極保持手段および基材保持手段が収容された真空チャンバーと、陰極と陽極との間に接続されたアーク電源と、棒状の陰極の外周面にアークスポットを生じさせる放電開始手段と、陰極の周囲に環状に配置されて磁力線が陰極の軸方向に沿った磁場を発生させる磁場発生手段とを備えており、陰極の外周面にアークスポットを生じさせて陰極の外周面のカーボンを昇華させることにより基材表面に炭素膜を成膜するように構成されており、陰極の外周面のカーボンを昇華させる際、アークスポットが陰極の根元に近付くにつれてアーク放電の距離が長くなるように構成されているアーク式成膜装置。【選択図】図１
2018031058.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
カーボンを主成分とする陰極と、陽極との間にアーク放電を生じさせることにより、前記陰極表面に形成されたアークスポットから前記カーボンを昇華させて、基材表面にカーボンを主成分とする炭素膜を成膜するアーク式成膜装置であって、
棒状の陰極を保持する陰極保持手段と、
前記基材を保持する基材保持手段と、
前記陰極保持手段および前記基材保持手段が収容された真空チャンバーと、
前記陰極と陽極との間に接続されたアーク電源と、
前記棒状の陰極の外周面にアークスポットを生じさせる放電開始手段と、
前記棒状の陰極の周囲に環状に配置されて、磁力線が前記陰極の軸方向に沿った磁場を発生させる磁場発生手段とを備えており、
前記陰極の外周面にアークスポットを生じさせて、前記陰極の外周面のカーボンを昇華させることにより、前記基材表面に炭素膜を成膜するように構成されており、
前記陰極の外周面のカーボンを昇華させる際、前記アークスポットが前記陰極の根元に近付くにつれて、前記アーク放電の距離が長くなるように構成されていることを特徴とするアーク式成膜装置。
【請求項２】
前記棒状の陰極の周囲に配置された環状の部材であり、前記陽極と前記アーク電源との接続における抵抗値よりも抵抗値が高くなるように前記アーク電源に電気的に接続された電位調整筒を備えていることを特徴とする請求項１に記載のアーク式成膜装置。
【請求項３】
前記棒状の陰極の周囲に配置された環状の部材であり、絶縁材料または金属を用いて、電気的に絶縁された状態で筒状に作製された絶縁筒を備えていることを特徴とする請求項１または請求項２に記載のアーク式成膜装置。
【請求項４】
さらに、前記電位調整筒または前記絶縁筒の前記陰極の根元側の開口部を塞ぎ、前記陰極との間で通電しないように構成された封止板を備えていることを特徴とする請求項２または請求項３に記載のアーク式成膜装置。
【請求項５】
前記真空チャンバーが、前記アーク電源に接続されており、前記陽極として用いられることを特徴とする請求項１ないし請求項４のいずれか１項に記載のアーク式成膜装置。
【請求項６】
前記陽極が、中心部に開口部が設けられた板状の陽極であり、前記陽極が前記陰極と前記基材との間に配置されていることを特徴とする請求項１ないし請求項５のいずれか１項に記載のアーク式成膜装置。
【請求項７】
前記陽極に設けられた開口部が、直径３０〜１５０ｍｍの開口部であることを特徴とする請求項６に記載のアーク式成膜装置。
【請求項８】
前記アーク放電の開始と停止を所定の時間で繰り返すように制御する放電制御部を備えていることを特徴とする請求項１ないし請求項７のいずれか１項に記載のアーク式成膜装置。
【請求項９】
前記磁場発生手段として、コイルが用いられており、
前記電位調整筒として、前記コイルを収容するコイル筐体が用いられていることを特徴とする請求項２ないし請求項８のいずれか１項に記載のアーク式成膜装置。
【請求項１０】
前記棒状の陰極を前記真空チャンバー内に送り出す送り出し機構を備えていることを特徴とする請求項１ないし請求項９のいずれか１項に記載のアーク式成膜装置。
【請求項１１】
複数本の予備の陰極を保持しており、前記送り出し機構に向けて、前記予備の陰極を供給するように構成されている連装手段を備えていることを特徴とする請求項１０に記載のアーク式成膜装置。
【請求項１２】
前記電位調整筒と前記アーク電源との接続における抵抗値が、０Ωを超え５Ω以下に設定されていることを特徴とする請求項２ないし請求項１１のいずれか１項に記載のアーク式成膜装置。
【請求項１３】
請求項１ないし請求項１２のいずれか１項に記載のアーク式成膜装置を用いて、
前記陰極の外周面にアークスポットを生じさせ、前記アークスポットを前記陰極の先端側から根元側に向かって移動させることにより、前記陰極の外周面のカーボンを昇華させて、前記基材表面に炭素膜を成膜することを特徴とするアーク式成膜方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、金型、自動車部品、工具等の基材の表面にカーボンを主成分とする薄膜を成膜するアーク式成膜装置および前記アーク式成膜装置を用いた成膜方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
一般にＤＬＣ（ダイヤモンドライクカーボン）膜と呼ばれるカーボンを主成分とする硬質炭素膜は、低摩擦性および耐溶着性に優れた材料として近年注目されている。このようなＤＬＣ膜は、カーボン原料として炭化水素ガスを使用して成膜される水素含有のＤＬＣ膜と、カーボン原料として固体カーボンを使用して成膜される水素フリーのＤＬＣ膜とに大別され、この内でも、特に、水素フリーのＤＬＣ膜は、高硬度で耐熱性が高く、また、油中における摩擦係数が小さいため、レンズ成形用の金型、自動車部品、工具等の基材の表面処理膜として使用されている。
【０００３】
このような水素フリーのＤＬＣ膜は、一般にスパッタ法を用いて成膜されているが、スパッタ法では生産性を上げることが難しく、また、成膜されたＤＬＣ膜の膜質も十分とは言えなかったため、近年では、アーク法を用いた成膜が好ましく用いられている（例えば特許文献１参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２０１４−６２３２６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、アーク式成膜装置を用いて基材表面にＤＬＣ膜を成膜した場合、成膜時、アーク放電中に陰極から直径数μｍ〜数百μｍの大きな粒子（粉砕粒子、マクロパーティクル）が放出されて、成膜中のＤＬＣ膜に取り込まれて、本来平滑であるべきＤＬＣ膜の表面が、図１４に示すように、粗くなってしまうことがある。
【０００６】
このような粉砕粒子が取り込まれて表面が粗くなったＤＬＣ膜が成膜されたレンズ成形用の金型を用いてレンズを成形すると、成形後のレンズにピンホールが形成されてしまいレンズの品質が低下する恐れがある。このため、ダクトや磁場を用いて、ＤＬＣ膜内に粉砕粒子が取り込まれることを抑制するための技術として、ＦＶＡ（Ｆｉｌｔｅｒｅｄ  Ｖａｃｕｕｍ  Ａｒｃ）法が開発され、実用化されているが、ダクトや磁場を設けることで装置が高価となる上、成膜レートが従来のアーク法の１／５程度と遅くなるという問題点があった。
【０００７】
また、ピストンリング、バルブリフター、ピストンピンなどの自動車部品や工具等にＤＬＣ膜を成膜する際に粉砕粒子が取り込まれると、その粉砕粒子が剥離の起点となり、自動車部品や工具等の品質の低下を招く恐れがある。
【０００８】
また、粉砕粒子をラップ等で取り除くという処理も行なわれているが、余分な工数（コスト）がかかるという問題がある。
【０００９】
そこで、本発明は、アーク式成膜装置を用いてＤＬＣ膜を成膜するに際して、アーク放電中に陰極から放出された粉砕粒子が成膜中のＤＬＣ膜に取り込まれることを抑制することにより、平滑なＤＬＣ膜を安定して成膜することができるアーク式成膜技術を提供することを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明者は、上記課題の解決について検討するにあたって、まず、粉砕粒子の放出のメカニズムについて詳細に検討を行った。
【００１１】
図１５は従来の真空アーク蒸着法を説明する側面図である。一般に真空アーク蒸着法においては、図１５に示すようにアーク放電によって陰極４の先端に高温のアークスポットＸが形成され、このアークスポットＸの高温によって陰極４のカーボンが昇華し、昇華したカーボンＰが対向する基材２０の表面に蒸着されることによりＤＬＣ膜が成膜される。
【００１２】
本発明者は、従来の真空アーク蒸着法においては、基材２０の表面に向けて粉砕粒子４３が放出されているために基材２０に成膜されたＤＬＣ膜に粉砕粒子４３が取り込まれていると考え、これを防止するためには、アークスポットＸを陰極４の外周面に生じさせて成膜を行えばよいと考えた。
【００１３】
そして実験の結果、図１に示すように、アークスポットＸを陰極４の外周面に生じさせた場合、粉砕粒子４３は基材２０の表面に向けては放出されないため、ＤＬＣ膜に粉砕粒子４３が取り込まれず、図２に示すような平滑なＤＬＣ膜を成膜することができることが確認できた。
【００１４】
しかしながら、上記のような成膜方法の実施に際しては、以下に示すような種々の問題を解決する必要があることが分かったため、本発明者はさらに実験と検討を行った。なお、図１は陰極の外周面にアークスポットを生じさせる真空アーク蒸着法を模式的に示す側面図であり、図２は上記した真空アーク蒸着法により成膜されたＤＬＣ膜の表面状態を示す写真である。
【００１５】
即ち、アーク放電を開始させる際に用いられる放電開始手段としてのトリガー電極が陰極に接触する位置を、従来の陰極の先端部から外周面に変更してアーク放電を行った場合には、アークスポットＸを陰極の外周面に生じさせることができ、粉砕粒子４３が基材２０に向けて放出されなくなるが、図１に示すように、アークスポットＸにおいて昇華したカーボンＰも、基材２０に向けて飛散しないため、成膜効率が著しく低下してしまう。
【００１６】
そこで、本発明者は、成膜に際して、図３に示すように、陰極４の軸方向に沿った磁力線Ｇが生じるような磁場を陰極４の周囲に印加することを考えた。即ち、この磁場の存在により、アークスポットＸにおいて昇華したカーボンＰは、磁力線Ｇに沿って移動して、飛散方向が基材（図示省略）の方向に変更されるため、アークスポットＸを陰極４の外周面に生じさせながら成膜を行った場合でも、十分な成膜効率を確保することができると考えた。なお、図３は本実施の形態に係るアーク式成膜装置の陰極周辺を示す斜視図である。
【００１７】
しかし、実際に、アークスポットＸを陰極４の外周面に生じさせ、陰極４の周囲に磁場を印加させると、昇華したカーボンＰの飛散方向を基材の方向にすることはできたが、陰極４の先端側から根元側に向かって陰極４の外周面をスパイラル状に移動するアークスポットＸの移動速度が非常に速く、一瞬にして陰極４の根元に到達して放電が終了してしまうため、継続して成膜を行うことができなかった。
【００１８】
図４は本実施の形態に係るアーク式成膜装置の陰極周辺を示す断面図である。図４において、アークスポットＸが、陰極４の先端側（図４中の点Ａ）にある場合と、陰極４の根元側（図４中の点Ｂ）にある場合とでは、アーク電源７からの距離は先端側の点Ａの方が長くなる。そして、陰極４を構成するカーボン材の電気抵抗はゼロではないため、アーク電源７からの距離が短い根元側の点Ｂの方が抵抗値が小さくなる。そして、アークスポットＸは、抵抗値が少なくなる方向に移動する性質を有している。
【００１９】
そこで、本発明者は、このようなアークスポットＸの根元側への移動を抑制して、十分な成膜が可能なアーク放電を維持するための手段について種々の検討と実験を行った結果、陰極４の周囲に環状の電位調整筒３２を設けることにより十分なアーク放電を維持できることが分かった。
【００２０】
具体的には、この電位調整筒３２は、接地Ｇ１、Ｇ２を介してアーク電源７に電気的に接続されており、電位調整筒３２と接地Ｇ２との接続の途中に抵抗３３が設けられている。
【００２１】
電位調整筒３２の材質としては金属導体が好ましく使用でき、例えば、ステンレス（ＳＵＳ３０４）などを挙げることができる。このような電位調整筒３２を設けた場合、アーク放電の最中に、電位調整筒３２には幾らか電子が流入する一方で抵抗が繋がれているため、通常０〜１０Ｖ程度の負の電圧に維持される。そして、このように負の電圧の電位調整筒には、接地Ｇ２と比較して電子が流入しにくくなるため、アーク放電時、大部分の電子は電位調整筒３２を回避して、接地Ｇ２に流れる。
【００２２】
図５は、この電位調整筒３２を設けて行うアーク放電を説明する図である。通常、電流は抵抗の少ない回路を流れようとするため、抵抗３３が接続された電位調整筒３２を設けた場合、図５に示すように、アーク放電Ｅ１は陰極４と電位調整筒３２との間には生じず、電位調整筒３２を迂回して陰極４と陽極５０との間に生じる。
【００２３】
そして、このままアーク放電を継続してアークスポットＸが陰極４の根元側に移動した場合、電位調整筒３２の根元側の開口部は封止板３４で塞がれているため、根元側のアークスポットＸからは電位調整筒３２を大きく迂回するようにアーク放電Ｅ２が生じる。このような電位調整筒３２を大きく迂回するアーク放電Ｅ２が生じると、空中を通過するアーク放電の抵抗が高くなるため、電位調整筒３２を迂回する距離を短くしようとアークスポットＸを陰極４の先端側に移動させようとする力が働く。
【００２４】
このアークスポットＸを陰極４の先端側に移動させようとする力によって、アークスポットＸを陰極４の根元側に移動させる力が緩和されて、アークスポットの根元側への移動速度を遅くすることができる。この結果、アークスポットＸを陰極４の外周面に生じさせても、陰極４のカーボン材を適切な速度で昇華させることができるため、安定した成膜を継続して行うことができるようになる。
【００２５】
なお、上記においては、放電開始手段としてトリガー電極を挙げたが、レーザー光源を放電開始手段として使用してもよい。
【００２６】
請求項１、２に記載の発明は上記の知見に基づくものであり、請求項１に記載の発明は、
カーボンを主成分とする陰極と、陽極との間にアーク放電を生じさせることにより、前記陰極表面に形成されたアークスポットから前記カーボンを昇華させて、基材表面にカーボンを主成分とする炭素膜を成膜するアーク式成膜装置であって、
棒状の陰極を保持する陰極保持手段と、
前記基材を保持する基材保持手段と、
前記陰極保持手段および前記基材保持手段が収容された真空チャンバーと、
前記陰極と陽極との間に接続されたアーク電源と、
前記棒状の陰極の外周面にアークスポットを生じさせる放電開始手段と、
前記棒状の陰極の周囲に環状に配置されて、磁力線が前記陰極の軸方向に沿った磁場を発生させる磁場発生手段とを備えており、
前記陰極の外周面にアークスポットを生じさせて、前記陰極の外周面のカーボンを昇華させることにより、前記基材表面に炭素膜を成膜するように構成されており、
前記陰極の外周面のカーボンを昇華させる際、前記アークスポットが前記陰極の根元に近付くにつれて、前記アーク放電の距離が長くなるように構成されていることを特徴とするアーク式成膜装置である。
【００２７】
そして、請求項２に記載の発明は、
前記棒状の陰極の周囲に配置された環状の部材であり、前記陽極と前記アーク電源との接続における抵抗値よりも抵抗値が高くなるように前記アーク電源に電気的に接続された電位調整筒を備えていることを特徴とする請求項１に記載のアーク式成膜装置である。
【００２８】
そして、さらに検討したところ、絶縁材料を用いて筒状に作製された絶縁筒であっても、電位調整筒を設けた場合と同様に、陰極の外周面のカーボンを昇華させる際、アークスポットが陰極の根元に近付くにつれて、アーク放電の距離が長くなるようにでき、陰極のカーボン材を適切な速度で昇華させて、安定した成膜を継続して行うことができることが分かった。そして、絶縁筒としては、金属を用いて電気的に絶縁された状態で筒状に作製された絶縁筒も同様に使用できることが分かった。
【００２９】
請求項３に記載の発明は、上記知見に基づいたものであり、
前記棒状の陰極の周囲に配置された環状の部材であり、絶縁材料または金属を用いて、電気的に絶縁された状態で筒状に作製された絶縁筒を備えていることを特徴とする請求項１または請求項２に記載のアーク式成膜装置である。
【００３０】
そして、上記した筒状の電位調整筒３２や絶縁筒の陰極４の根元側の開口部は、さらに、封止板３４により塞がれていることが好ましい。
【００３１】
即ち、請求項４に記載の発明は、
さらに、前記電位調整筒または前記絶縁筒の前記陰極の根元側の開口部を塞ぎ、前記陰極との間で通電しないように構成された封止板を備えていることを特徴とする請求項２または請求項３に記載のアーク式成膜装置である。
【００３２】
そして、上記アーク式成膜装置においては、成膜装置の構成が複雑になることを防止するという観点から、真空チャンバーがアーク電源に接続されて、陽極として用いられることが好ましい。
【００３３】
請求項５に記載の発明は上記の知見に基づくものであり、
前記真空チャンバーが、前記アーク電源に接続されており、前記陽極として用いられることを特徴とする請求項１ないし請求項４のいずれか１項に記載のアーク式成膜装置である。
【００３４】
しかし、本発明者が、さらに成膜された炭素膜の平滑性を高めるという観点から検討を行ったところ、中心部に開口部が設けられた板状の陽極を、陰極と基材との間に配置させた場合、陰極の外周面のカーボンを昇華させる際、アークスポットが陰極の根元に近付くにつれて、アーク放電の距離が長くなるようにでき、陰極のカーボン材を適切な速度で昇華させて、安定した成膜を継続して行うことができるだけでなく、炭素膜の平滑性をより高めることができ、好ましいことが分かった。
【００３５】
なお、開口部の大きさとしては、直径３０〜１５０ｍｍの開口部であることが好ましい。開口部の直径が３０ｍｍ未満の場合には成膜速度が極端に低下する恐れがあり、一方、直径が１５０ｍｍを超えた場合には炭素膜の平滑性の改善効果が極端に低下する恐れがある。
【００３６】
請求項６、７に記載の発明は上記の知見に基づくものであり、請求項６に記載の発明は、
前記陽極が、中心部に開口部が設けられた板状の陽極であり、前記陽極が前記陰極と前記基材との間に配置されていることを特徴とする請求項１ないし請求項５のいずれか１項に記載のアーク式成膜装置である。
【００３７】
そして、請求項７に記載の発明は、
前記陽極に設けられた開口部が、直径３０〜１５０ｍｍの開口部であることを特徴とする請求項６に記載のアーク式成膜装置である。
【００３８】
次に、本発明者は、上記した構成のアーク式成膜装置において、より効率的な成膜を行うために種々の検討を行った。例えば、陰極の外周面をアークスポットが一度通過するだけでは、陰極のカーボン材が昇華する量は僅かであり、このようなアークスポットが一度通過した陰極を使用済みとすることは陰極のカーボンの利用効率の面から好ましくない。
【００３９】
そこで、本発明者は、アークスポットが陰極の根元まで移動して消滅するまでアーク放電を継続させるのではなく、所定の時間で放電の停止と開始を繰り返すことを考えた。これにより、一度アークスポットが通過した箇所に、再度アークスポットを通過させてカーボン材を昇華させることができるため、陰極のカーボンの利用効率を向上させることができる。なお、この放電の停止と開始の繰り返し周期は２秒から２分間の間が好ましい。
【００４０】
請求項８に記載の発明は、上記の知見に基づいたものであり、
前記アーク放電の開始と停止を所定の時間で繰り返すように制御する放電制御部を備えていることを特徴とする請求項１ないし請求項７のいずれか１項に記載のアーク式成膜装置である。
【００４１】
また、上記したアーク式成膜装置においては、磁場発生手段と電位調整筒とを一体化させてもよい。具体的には、磁場発生手段として磁場を生じさせるコイルを用い、このコイルを収容するコイル筐体を、図５に示す電位調整筒３２のように接地Ｇ１、Ｇ２を介してアーク電源７と接続させ、抵抗３３を設けることにより、コイル筐体を電位調整筒として使用することができる。これにより、成膜装置の構成が複雑になることを防止することができる。なお、前記した通り、絶縁筒を用いても電位調整筒と同様の機能を発揮させることができる。
【００４２】
即ち、請求項９に記載の発明は、
前記磁場発生手段として、コイルが用いられており、
前記電位調整筒として、前記コイルを収容するコイル筐体が用いられていることを特徴とする請求項２ないし請求項８のいずれか１項に記載のアーク式成膜装置である。
【００４３】
また、本発明のアーク式成膜装置においては、陰極を真空チャンバー内に送り出す送り出し機構を設けることが好ましい。これにより、アーク放電により陰極が短くなった際に陰極を送り出すことができ、安定したアーク放電を長時間持続させることができる。
【００４４】
即ち、請求項１０に記載の発明は、
前記棒状の陰極を前記真空チャンバー内に送り出す送り出し機構を備えていることを特徴とする請求項１ないし請求項９のいずれか１項に記載のアーク式成膜装置である。
【００４５】
また、上記したような送り出し機構を設けた場合には、複数本の陰極を保持した連装手段をさらに設けることが好ましい。これにより、成膜中の陰極を使い終わった際に、送り出し機構に予備の陰極を送り出して供給することができ、複数本分の陰極による成膜を連続して行うことができるため、従来よりも厚膜のＤＬＣ膜の成膜が容易になる。
【００４６】
即ち、請求項１１に記載の発明は、
複数本の予備の陰極を保持しており、前記送り出し機構に向けて、前記予備の陰極を供給するように構成されている連装手段を備えていることを特徴とする請求項１０に記載のアーク式成膜装置である。
【００４７】
なお、図５における抵抗３３の抵抗値Ｒは０Ωを超え５Ω以下が好ましく、より好ましくは０．０１〜５Ωである。これにより、電位調整筒３２を迂回するアーク放電Ｅ１、Ｅ２を適切に生じさせることができる。
【００４８】
即ち、請求項１２に記載の発明は、
前記電位調整筒と前記アーク電源との接続における抵抗値が、０Ωを超え５Ω以下に設定されていることを特徴とする請求項２ないし請求項１１のいずれか１項に記載のアーク式成膜装置である。
【００４９】
そして、上記したアーク式成膜装置を用いることにより、基材上に平滑なＤＬＣ膜を成膜することができる。このようなアーク式成膜方法は、先ず、陰極の外周面にアークスポットを生じさせ、アークスポットを陰極の先端側から根元側に向かって移動させながら陰極の外周面のカーボンを昇華させた後、昇華させたカーボンの飛散方向を基板方向に変えさせることにより、カーボンを基材表面に付着させて平滑なＤＬＣ膜を成膜することができる。
【００５０】
即ち、請求項１３に記載の発明は、
請求項１ないし請求項１２のいずれか１項に記載のアーク式成膜装置を用いて、
前記陰極の外周面にアークスポットを生じさせ、前記アークスポットを前記陰極の先端側から根元側に向かって移動させることにより、前記陰極の外周面のカーボンを昇華させて、前記基材表面に炭素膜を成膜することを特徴とするアーク式成膜方法である。
【発明の効果】
【００５１】
本発明によれば、アーク式成膜装置を用いてＤＬＣ膜を成膜するに際して、アーク放電中に陰極から放出された粉砕粒子が成膜中のＤＬＣ膜に取り込まれることを抑制することにより、平滑なＤＬＣ膜を安定して成膜することができるアーク式成膜技術を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００５２】
【図１】陰極の外周面にアークスポットを生じさせる真空アーク蒸着法を説明する側面図である。
【図２】陰極の外周面にアークスポットを生じさせる真空アーク蒸着法により成膜されたＤＬＣ膜の表面状態を示す写真である。
【図３】本発明の一実施の形態に係るアーク式成膜装置の陰極周辺を示す斜視図である。
【図４】本発明の一実施の形態に係るアーク式成膜装置の陰極周辺を示す断面図である。
【図５】本発明の一実施の形態において、電位調整筒を設けて行うアーク放電を説明する断面図である。
【図６】本発明の一実施の形態に係るアーク式成膜装置の基本的な構成を示す概略断面図である。
【図７】本発明の一実施の形態に係るアーク式成膜装置の陰極周辺を示す断面図である。
【図８】本発明の一実施の形態において送り出し機構が設けられたアーク式成膜装置の陰極周辺を示す斜視図である。
【図９】本発明の他の実施の形態に係るアーク式成膜装置の陰極周辺を示す断面図である。
【図１０】本発明の他の実施の形態において、電位調整筒を設けて行うアーク放電を説明する断面図である。
【図１１】本発明の他の実施の形態に係るアーク式成膜装置の基本的な構成を示す概略断面図である。
【図１２】本発明の他の実施の形態に係るアーク式成膜装置の陰極周辺を示す断面図である。
【図１３】本発明の他の実施の形態において送り出し機構が設けられたアーク式成膜装置の陰極周辺を示す斜視図である。
【図１４】従来の真空アーク蒸着法により成膜されたＤＬＣ膜の表面状態を示す写真である。
【図１５】従来の真空アーク蒸着法を説明する側面図である。
【発明を実施するための形態】
【００５３】
以下、実施の形態に基づき、図面を参照しつつ本発明を説明する。
【００５４】
Ａ．第１の実施の形態
本実施の形態においては、アーク式成膜装置として、従来のアーク式成膜装置と基本的に同様の構成を有するアーク式成膜装置を用いている。
【００５５】
はじめに、アーク式成膜装置について基本的な構成および本発明の特徴部分について説明をし、その後、このアーク式成膜装置を用いた成膜方法について説明する。
【００５６】
［１］アーク式成膜装置
１．基本的な構成
最初に、本実施の形態に係るアーク式成膜装置の基本的な構成について説明する。図６は本実施の形態に係るアーク式成膜装置の基本的な構成を示す概略断面図である。
【００５７】
本発明に用いられるアーク式成膜装置１０の基本的な構成は、従来のアーク式成膜装置と同様である。具体的には、アーク式成膜装置１０は、真空チャンバー１と、基材保持手段２と、陰極保持手段３と、陰極４と、基材用の電源６と、アーク電源７と、トリガー電極８（放電開始手段）を備えている。なお、図６中の符号９はトリガー電極８の抵抗である。
【００５８】
（１）真空チャンバー
真空チャンバー１には排気口１１が設けられており、排気口１１に連結されたターボ分子ポンプやロータリーポンプなどの排気手段（図示省略）によって真空チャンバー１の内部を真空排気することができる。
【００５９】
また、本実施の形態における真空チャンバー１は電気的にアースされていると共に、アーク電源７に電気的に接続されている。これにより、真空チャンバー１が陽極となり、陰極４と真空チャンバー１の壁面との間でアーク放電が生じてアークスポットが形成されるように構成されている。
【００６０】
（２）基材および基材保持手段
基材保持手段２は、真空チャンバー１内に収容されており、成膜対象となる基材２０を保持する。また、基材保持手段２は真空チャンバー１と絶縁されている。なお、図６においては、１つの基材２０を保持する基材保持手段２を示しているが、複数の基材２０を保持することができるような基材保持手段を用いることもできる。
【００６１】
（３）陰極および陰極保持手段
陰極保持手段３は、真空チャンバー１内に収容されており、基材保持手段２に保持された基材２０と対向するように陰極４を保持できるように構成されている。なお、陰極４はカーボンを主成分とする材料で構成されており、等方性黒鉛、異方性黒鉛、多孔質黒鉛、Ｃ／Ｃコンポジットなどを用いることができる。
【００６２】
（４）電源
このアーク式成膜装置１０においては、基材保持手段２に基材用の電源６が接続されており、基材保持手段２を介して基材２０に負の電圧を印加できるように構成されている。同様に、陰極保持手段３には、アーク電源７が接続されており、陰極保持手段３を介して陰極４に負の電圧を印加できるように構成されている。
【００６３】
２．本実施の形態に係るアーク式成膜装置の特徴部分
本実施の形態に係るアーク式成膜装置は、上記した基本的な構造の下に、以下の特徴的な構造を備えている。
【００６４】
（１）放電開始手段
本実施の形態に係るアーク式成膜装置は、放電開始手段としてのトリガー電極８を備えており、負の電圧が印加された陰極４にトリガー電極８の先端を接触させることにより、接触位置にアークスポットを生じさせて、陰極４と陽極である真空チャンバー１との間でアーク放電を発生させる点においては、従来の装置と同様であるが、トリガー電極８が陰極４に接触する位置が、陰極４の先端から陰極４の外周面に変更されている点において従来の装置と異なる。
【００６５】
これにより、図３に示すように陰極４の外周面にアークスポットを生じさせ、アークスポットＸから放出された粉砕粒子４３が基材２０に向けて飛散しないようにすることができる。
【００６６】
なお、トリガー電極８としては、従来と同様に、例えば、モリブデン（Ｍｏ）から構成されたトリガー電極を用いることができる。
【００６７】
また、放電開始手段としては、上記したトリガー電極に替えて、レーザー光源を用いてもよい。レーザー光源からレーザー光を負の電圧が印加された陰極に照射させることにより、照射位置にアークスポットを生じさせて、陰極と陽極である真空チャンバーとの間でアーク放電を発生させることができる。
【００６８】
（２）磁場発生手段
磁場発生手段３１は、棒状の陰極４の周囲に環状に配置された部材であり、図３に示すように、磁力線Ｇが陰極４の軸方向に沿った磁場を発生させる。これにより、アークスポットにおいて昇華させたカーボンＰを基材２０に向けて飛散させて基材２０の表面に付着させることができる。なお、この磁場発生手段３１は、環状で一体に形成された部材に限定されず、複数の磁石を陰極に対して放射状に配置して環状に形成させた部材であってもよい。
【００６９】
本実施の形態においては、磁場発生手段３１としてコイルからなる電磁石が用いられており、このコイルがコイル筐体に収容されている。
【００７０】
（３）電位調整筒
図６に示すように、本実施の形態では、上記したコイルを収納するためのコイル筐体が電位調整筒３２として用いられている。このような電位調整筒３２を設けた場合、前記したように、アーク放電の最中に、電位調整筒３２には幾らか電子が流入する一方で抵抗が繋がれているため、通常０〜１０Ｖ程度の負の電圧に維持される。そして、このように負の電圧の電位調整筒には、接地Ｇ２と比較して電子が流入しにくくなるため、アーク放電時、大部分の電子は電位調整筒３２を回避して、接地Ｇ２に流れる。
【００７１】
具体的には、この電位調整筒３２は、棒状の陰極４の周囲に配置されると共に、接地Ｇ１、Ｇ２を介してアーク電源７に電気的に接続された環状の部材である。そして、電位調整筒３２と接地Ｇ２とを接続する回路には抵抗３３が設けられている。これにより、電位調整筒３２は、陽極である真空チャンバー１とアーク電源７との接続における抵抗値よりも高い抵抗値でアーク電源７と電気的に接続される。
【００７２】
また、この電位調整筒３２の陰極４の根元側の開口部は、封止板３４により塞がれていることが好ましい。この封止板３４は、陰極４に対して通電しないように構成されており、例えば、アルミナセラミックや耐熱プラスチックなどの絶縁物によって形成されている。なお、封止板３４には、他の部材と接触する箇所に絶縁処理が施された金属板を用いることもできる。
【００７３】
図５に示すように、このような電位調整筒３２を設けることにより、上記したように、電位調整筒３２の陰極４先端側の開口部を通って、電位調整筒３２を迂回するようなアーク放電Ｅ１、Ｅ２を、陰極４と陽極５０（図１では真空チャンバー１）との間に生じさせることができる。これにより、アークスポットＸには、電位調整筒３２を迂回する距離を短くしようとする陰極４の先端側への力が働く。
【００７４】
この結果、アークスポットＸを陰極４の根元側に移動させる力が緩和されて、アークスポットの根元側への移動速度を遅くすることができる。これにより、アークスポットＸを陰極４の外周面に生じさせても、陰極４のカーボン材を適切な速度で適切に昇華させることができるため、安定した成膜を継続して行うことができるようになる。
【００７５】
なお、電位調整筒３２と接地Ｇ２との間に設けられた抵抗３３の抵抗値は、０Ωを超え５Ω以下であることが好ましく、より好ましくは０．０１〜５Ωである。これにより、電位調整筒３２を迂回するようなアーク放電Ｅ１、Ｅ２を適切に生じさせることができる。
【００７６】
上記においては、電位調整筒による効果について説明したが、前記したように、絶縁材料または金属を用いて、電気的に絶縁された状態で筒状に作製された絶縁筒であっても、電位調整筒を設けた場合と同様に、陰極の外周面のカーボンを昇華させる際、アークスポットが陰極の根元に近付くにつれて、アーク放電の距離が長くなるようにでき、陰極のカーボン材を適切な速度で昇華させて、安定した成膜を継続して行うことができる。なお、この場合、絶縁筒と接地Ｇ２との間に抵抗を設ける必要がない。
【００７７】
［２］アーク式成膜方法
次に、上記構成のアーク式成膜装置を用いて行う本実施の形態に係るアーク式成膜方法について図６に基づいて説明する。
【００７８】
先ず、陰極４を陰極保持手段３にセットすると共に、基材２０を基材保持手段２にセットした後、真空チャンバー１内を排気して所定の真空度（１０−４〜１０−３Ｐａ）にする。
【００７９】
次に、基材用の電源６から基材２０に負のバイアス電圧（０〜−３００Ｖ）を印加し、アーク電源７から陰極４に（−１５〜−５０Ｖ）の負の電圧を印加する。
【００８０】
そして、放電開始手段であるトリガー電極８の先端を陰極４の先端側の外周面に接触させた後に離間させる。これにより、真空チャンバー１と陰極４との間にアーク放電（６０Ａ程度）を生じさせる。これにより、陰極４の外周面にアークスポットＸが形成され、このアークスポットＸにおいて陰極４のカーボンが昇華する。
【００８１】
このとき、陰極４の外周面に生じたアークスポットＸは、陰極４の先端側から根元側に向かってスパイラル状に移動するが、上記したように電位調整筒３２を迂回するようなアーク放電が生じて、アークスポットＸが陰極４の根元側に向かって移動する際の速度が低下するため、アーク放電を継続して行うことができる。
【００８２】
そして、図３に示すように、アークスポットＸにおいて昇華したカーボンＰは、磁場発生手段３１から生じた磁場により飛散方向が基材２０に向けて変更されて、対向する基材２０（図６参照）に向かって飛散して、基材２０の表面にＤＬＣ膜を成膜する。一方、アークスポットＸにおいて発生した粉砕粒子４３は基材２０に向かわずに電位調整筒３２の内周面に付着する。
【００８３】
このように、本実施の形態によれば、アーク式成膜装置を用いてＤＬＣ膜を成膜するに際して、アーク放電中に陰極から放出された粉砕粒子が成膜中のＤＬＣ膜に取り込まれることを抑制することができるため、基材上に平滑なＤＬＣ膜を安定して成膜することができる。
【００８４】
［３］その他の態様
１．放電制御部        
上記した構造のアーク式成膜装置においては、アーク放電の開始と停止を所定の時間で繰り返すように制御する放電制御部を備えていることが好ましい。具体的には、図６に示すように、陰極４の先端付近の外周面にトリガー電極８を接触させてアーク放電を開始した後、所定の時間（２秒〜２分）が経過してアークスポットが根元側にある程度移動した時点で放電を停止させる。そして、再び陰極４の先端付近の外周面にトリガー電極８を接触させてアーク放電を繰り返す。
【００８５】
このように、所定の時間で放電の停止と開始を繰り返すことにより、一度アークスポットが通過した箇所に、再度アークスポットを通過させてカーボン材を昇華させることができるため、図７に示すように陰極４のカーボン材を効率良く消費することができる。
【００８６】
２．送り出し機構
また、本発明のアーク式成膜装置においては、図８に示すように、陰極４を真空チャンバー１（図６参照）内に送り出す送り出し機構を設けることが好ましい。図８は本発明の他の実施の形態に係るアーク式成膜装置の陰極周辺を示す斜視図である。具体的には、送り出し機構は、陰極４の一方の端部４ａに接する棒状の部材を備えており、この棒状の部材により陰極４を真空チャンバー１内に押し出すように構成されている。これにより、アーク放電により陰極４が短くなった際に陰極４を送り出すことができ、安定したアーク放電を長時間持続させることができる。
【００８７】
３．連装手段
さらに、図８に示すように、陰極４を使い終わった際に予備の陰極４ｂを供給して成膜が継続されるように構成された連装手段が設けられていることが好ましい。具体的には、図８に示す装置では、使用中の陰極４の上方に予備の陰極４ｂが４本保持されており、成膜が進んで陰極４を使い終わった際に、上記した送り出し機構が後退すると共に、予備の陰極４ｂの内の一本が下方に送り出されるように構成されている、これにより、陰極４を使い終わった際に、予備の陰極４ｂを送り出し機構に供給して、供給された予備の陰極４ｂを用いて成膜を再開することにより、複数本分の陰極を用いた連続的な成膜を行うことができる。
【００８８】
Ｂ．第２の実施の形態
本実施の形態においては、アーク式成膜装置として、中心部に開口部が設けられた板状の陽極が、陰極と基材との間に配置されているアーク式成膜装置を用いている。なお、以下においては、本実施の形態における特徴部分であるこの中心部に開口部が設けられた陽極について、重点的に説明する。
【００８９】
図９は、本実施の形態に係るアーク式成膜装置の陰極周辺を示す断面図である。図１０は、本実施の形態において、電位調整筒を設けて行うアーク放電を説明する断面図である。図１１は、本実施の形態に係るアーク式成膜装置の基本的な構成を示す概略断面図である。図１２は、本実施の形態に係るアーク式成膜装置の陰極周辺を示す断面図である。図１３は、本実施の形態において送り出し機構が設けられたアーク式成膜装置の陰極周辺を示す斜視図である。なお、図１３では中心部に開口部が設けられて外形が円盤状の陽極を用いているが、外形は円盤状に限定されない。
【００９０】
図１１に示すように、本実施の形態に係るアーク式成膜装置１０は、中心部に開口部が設けられて円盤状に形成された陽極５０が真空チャンバー１を介してアーク電源７と接続されて、陰極と基材との間に配置されている点を除いては、第１の実施の形態に示したアーク式成膜装置と同様の構成となっている。
【００９１】
このような陽極５０を使用した場合も、第１の実施の形態と同様に、陰極４の外周面にアークスポットを生じさせて、アークスポットから放出された粉砕粒子が基材２０に向けて飛散しないようにすることができる。
【００９２】
そして、本実施の形態においても、陰極４の外周面のカーボンを昇華させる際、図１０に示すように、アークスポットＸが陰極４の根元に近付くにつれて、アーク放電Ｅ１の距離が長くなるようにできるため、アークスポットＸが陰極４の根元側に向かって移動する際の速度が低下して、アーク放電を継続して行うことができる。
【００９３】
また、本実施の形態においても、図１１に示すように、陰極４の先端付近の外周面に放電開始手段としてのトリガー電極８を接触させてアーク放電を開始した後、所定の時間（２秒〜２分）が経過してアークスポットが根元側にある程度移動した時点で放電を停止させ、再び陰極４の先端付近の外周面にトリガー電極８を接触させてアーク放電を繰り返して、一定時間毎に放電の停止と開始を繰り返すことにより、一度アークスポットが通過した箇所に、再度アークスポットを通過させてカーボン材を昇華させることができるため、図１２に示すように陰極４のカーボン材を効率良く消費することができる。
【００９４】
本実施の形態において、アークスポットにおいて昇華したカーボンは、図１３に示すように、磁場発生手段３１から生じた磁場により飛散方向が基材２０に向けて変更されて、対向する基材２０に向かって飛散するが、その際、陽極５０の開口部を通過して基材２０の表面にＤＬＣ膜を成膜する。一方、アークスポットＸ（図９参照）において発生した粉砕粒子４３は基材２０に向かわずに電位調整筒３２の内周面に付着する。この結果、成膜された炭素膜の平滑性を効果的に高めることができる。
【００９５】
なお、陽極５０の開口部の直径は３０〜１５０ｍｍであることが好ましい。開口部の直径が３０ｍｍ未満の場合には成膜速度が極端に低下する恐れがあり、一方、直径が１５０ｍｍを超えた場合には炭素膜の平滑性の改善効果が極端に低下する恐れがある。
【００９６】
そして、本実施の形態では、陽極が陰極と基材との間に配置されているため、陰極の外周面のカーボンを昇華させる際、アークスポットが陰極の根元に近付くにつれて、アーク放電の距離が長くなり、必ずしも電位調整筒を設けなくてもよい。
【実施例】
【００９７】
本実施例においては、陰極の外周面にアークスポットを生じさせて基材にＤＬＣ膜を成膜する実施例と、従来と同様に陰極の先端にアークスポットを生じさせてＤＬＣ膜を成膜する比較例とを実施し、成膜後のＤＬＣ膜の平滑性を調べた。
【００９８】
１．実施例および比較例
（１）実施例
具体的には、図１１に示すアーク式成膜装置を用いて、陰極４の外周面にアークスポットを生じさせながら基材２０の表面にＤＬＣ膜を成膜した。また、３０秒毎にアーク放電の停止と開始を繰り返しながら１２０分間成膜を行った。
【００９９】
なお、他の具体的な成膜条件は以下の通りである。
陰極の長さ                  ：３００ｍｍ
陰極の直径                  ：１０ｍｍ
陰極の材料                  ：焼結カーボン
陽極の開口部の直径          ：１００ｍｍ
基材                        ：ＳＨＫ５１（高速度工具鋼鋼材）
磁場発生手段が形成する磁力  ：約５０ガウス
コイル筐体（電位調整筒）    ：２Ωの抵抗を介して接地に接続
陰極の送り出し速度          ：１ｍｍ／分
真空チャンバーの真空度      ：１×１０−３Ｐａ
基材に印加するバイアス電圧  ：−５０Ｖ
アーク放電電流              ：６０Ａ
【０１００】
（２）比較例
従来のアーク式成膜装置を用いて、通常の成膜を行ったことを除いて、実施例と同じ条件でＤＬＣ膜を製膜した。即ち、比較例では、陰極の先端にアークスポットを生じさせて、１本分の陰極の成膜を連続して６０分間行った。
【０１０１】
２．評価
（１）ＤＬＣ膜の面粗度
各実験例において成膜されたＤＬＣ膜について、表面粗さ計を用いて表面形状を測定し、測定結果に基づいて面粗度（最大高さ）Ｒｚを算出した。
【０１０２】
（２）成膜速度
成膜後のＤＬＣ膜の厚みを測定し成膜速度（μｍ／ｈ）を求めた。
【０１０３】
（３）可能最大膜厚
実施例の装置の陰極４周辺に、図８に示すような送り出し機構と連装機構を設け、５本分の陰極による成膜を連続して行い、成膜後のＤＬＣ膜の厚みを測定し、測定結果を可能最大膜厚とした。
【０１０４】
上記した（１）〜（３）の評価の結果を表１に示す。
【０１０５】
【表１】
2018031058.tif 000003
【０１０６】
実施例におけるアーク放電を観察したところ、アークスポットの根元側への移動速度が遅くなっており、アークスポットＸを陰極４の外周面に生じさせているにも拘らず、安定した成膜が継続して行われていることが確認できた。
【０１０７】
また、表１より、比較例に比べて実施例では成膜後のＤＬＣ膜の面粗度が小さくなっており、陰極の外周面にアークスポットを生じさせながらアーク放電を行うことにより、アーク放電中に陰極から放出された粉砕粒子が成膜中のＤＬＣ膜に取り込まれることが抑制されて、安定して平滑なＤＬＣ膜が成膜されていることが確認できた。
【０１０８】
成膜速度については、実施例が比較例に比べて遅くなっていることが分かるが、実用上問題となるほどではなかった。
【０１０９】
可能最大膜厚については、実施例のように連装手段を用いた場合には、陰極１本分の厚み（５μｍ）の成膜が限界であった従来技術と異なり、複数本分の成膜を連続して行うことにより、１０μｍまでの成膜が可能であることが分かる。
【０１１０】
以上、本発明を実施の形態に基づいて説明したが、本発明は上記の実施の形態に限定されるものではない。本発明と同一および均等の範囲内において、上記の実施の形態に対して種々の変更を加えることができる。
【符号の説明】
【０１１１】
１                      真空チャンバー
２                      基材保持手段
３                      陰極保持手段
４                      陰極
４ａ                    陰極の端部
４ｂ                    予備の陰極
６                      基材用の電源
７                      アーク電源
８                      トリガー電極
９                      トリガー電極の抵抗
１０                    アーク式成膜装置
１１                    排気口
２０                    基材
３１                    磁場発生手段
３２                    電位調整筒
３３                    抵抗
３４                    封止板
４３                    粉砕粒子
５０                    陽極
Ａ、Ｂ                  アークスポットの位置
Ｅ１、Ｅ２              アーク放電
Ｇ                      磁力線
Ｇ１、Ｇ２              接地
Ｐ                      昇華したカーボン
Ｘ                      アークスポット
【図１】
2018031058.tif 000004
【図２】
2018031058.tif 000005
【図３】
2018031058.tif 000006
【図４】
2018031058.tif 000007
【図５】
2018031058.tif 000008
【図６】
2018031058.tif 000009
【図７】
2018031058.tif 000010
【図８】
2018031058.tif 000011
【図９】
2018031058.tif 000012
【図１０】
2018031058.tif 000013
【図１１】
2018031058.tif 000014
【図１２】
2018031058.tif 000015
【図１３】
2018031058.tif 000016
【図１４】
2018031058.tif 000017
【図１５】
2018031058.tif 000018