(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
カーボンを主成分とする陰極材料を用いてアーク放電を行うことにより、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、
前記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を備えており、
成膜中、少なくとも前記陰極の前記アークスポット近傍の領域の温度を５００〜３０００℃にする手段を備えており、
前記陰極が円柱状の陰極であり、
前記円柱状の陰極の軸方向と磁力線とのなす角度が、前記陰極の先端側が鋭角になるように磁界を生じさせる磁界発生手段を備えていることを特徴とするアーク式成膜装置。
【請求項２】
成膜中の少なくとも前記陰極の前記アークスポット近傍の領域の温度を１０００〜３０００℃にする手段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】
少なくとも前記陰極の前記アークスポット近傍の領域を加熱して前記陰極の温度を５００〜３０００℃にする加熱手段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】
前記加熱手段が、前記陰極を外部から加熱するヒーターであることを特徴とする請求項３に記載のアーク式成膜装置。
【請求項５】
前記加熱手段が、前記陰極を誘導加熱する誘導加熱装置であることを特徴とする請求項３に記載のアーク式成膜装置。
【請求項６】
前記加熱手段が、前記陰極に電子ビームを照射して前記陰極を加熱する電子ビーム加熱装置であることを特徴とする請求項３に記載のアーク式成膜装置。
【請求項７】
前記加熱手段が、前記陰極にレーザー光を照射して前記陰極を加熱するレーザー加熱装置であることを特徴とする請求項３に記載のアーク式成膜装置。
【請求項８】
前記陰極の自己加熱によって、少なくとも前記陰極の前記アークスポット近傍の領域の温度が５００〜３０００℃となるように構成され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９】
前記陰極の自己加熱が、前記アークスポットにおいて発生した熱により行われることを特徴とする請求項８に記載のアーク式成膜装置。
【請求項１０】
前記陰極の自己加熱が、アーク電流により発生した抵抗発熱により行われることを特徴とする請求項８に記載のアーク式成膜装置。
【請求項１１】
前記陰極が、直径２０ｍｍ以下の円柱状の陰極であることを特徴とする請求項８ないし請求項１０のいずれか１項に記載のアーク式成膜装置。
【請求項１２】
前記陰極が多孔質の陰極であることを特徴とする請求項８ないし請求項１０のいずれか１項に記載のアーク式成膜装置。
【請求項１３】
前記陰極を冷却する冷却手段と、少なくとも前記陰極の前記アークスポット近傍の領域の温度が５００〜３０００℃となるように前記冷却手段を制御する冷却制御手段とを備えていることを特徴とする請求項８ないし請求項１０のいずれか１項に記載のアーク式成膜装置。
【請求項１４】
前記陰極を加熱する加熱手段による熱と、前記陰極の自己加熱によって発生する熱を併用することにより少なくとも前記陰極の前記アークスポット近傍の領域の温度が５００〜３０００℃となるように構成され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１５】
前記陰極を加熱する加熱手段が、ヒーター、誘導加熱、電子ビーム加熱、レーザー加熱のいずれかであり、
前記陰極の自己加熱が、前記アークスポットにおいて発生した熱および／または前記陰極の抵抗発熱により行なわれることを特徴とする請求項１４に記載のアーク式成膜装置。
【請求項１６】
前記円柱状の陰極を前記基材に向けて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１５のいずれか１項に記載のアーク式成膜装置。
【請求項１７】
請求項１ないし請求項１６のいずれか１項に記載のアーク式成膜装置を用いて、
少なくとも前記陰極の前記アークスポット近傍の領域の温度を５００〜３０００℃にしながら前記炭素膜を成膜することを特徴とする成膜方法。
【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、一般にスパッタ法やアーク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行なわれている（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）が放出されて、成膜中のＤＬＣ膜に取り込まれて、平滑であるべきＤＬＣ膜の表面が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、一般的には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粉砕粒子が放出さ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い、この粉砕粒子がアーク放電中の陰極においてアークスポットとその周辺の部分との間で大きな温度差が生じることにより発生していることを見出した。
【００１１】
図７は従来のアーク式成膜装置の陰極に形成されたアークスポット近傍の様子を模式的に示す断面図である。図７に示すように、一般に真空アーク蒸着法においては、アーク放電によって陰極４の表面にアークスポット３１が形成され、このアークスポット３１の高温によってカーボンが昇華して、昇華したカーボン４４が基材（図示省略）の表面に蒸着されることによりＤＬＣ膜が成膜される。
【００１２】
このとき、アーク法では、比較的大きな電流（３０〜２００Ａ）がアークスポット３１に集中するため、３０００℃を超える高温になって陰極４のカーボンを昇華させるが、アークスポット直近部分４１の周囲４２は通常陰極４の裏面側から水冷されているため、アークスポット直近部分４１の周囲４２の温度は一般的に５００℃以下に留まっており、アークスポット３１との間で大きな温度差が生じる。
【００１３】
そして、このような大きな温度差がアークスポット直近部分４１とその周囲４２という隣り合った領域で生じると、そこに大きな熱歪みが生じてクラックの発生を招いてしまう。そして、このようなクラックの発生は陰極４の粉砕を招いて、粉砕されたカーボンが粉砕粒子４３として放出され、アークスポット３１の周辺から火花（スパーク）が発生する。
【００１４】
本発明者は、上記の知見に基づき、陰極４全体が高温になっていれば、アークスポット直近部分４１と周囲４２との間に生じる温度差が小さくなって、粉砕粒子４３やスパークの発生（以下、単に「粉砕粒子の発生」という）を抑制することができると考え、具体的に陰極４における温度をどの程度にしておけば、粉砕粒子４３の発生が抑制されるのか、種々の実験と検討を行った。
【００１５】
その結果、少なくとも従来、粉砕粒子４３が発生していた部分、即ち、アークスポット３１近傍の領域が、５００〜３０００℃、好ましくは１０００〜３０００℃という高温になっていれば、陰極４の表面にアークスポット３１が形成された際にアークスポット直近部分４１と周囲４２との間に大きな温度差が生じず、粉砕粒子４３の発生が抑制され、平滑なＤＬＣ膜、具体的には、表面粗さ（十点平均粗さ）が０．５μｍ以下というＤＬＣ膜を安定して成膜できることが分かった。そして、本発明者は成膜中の少なくとも陰極４のアークスポット近傍の領域の温度を５００〜３０００℃にできるようなアーク式成膜装置について検討を進めた。
【００１６】
また、上記のように陰極４のうち少なくともアークスポット３１近傍の領域を高温にすることができるアーク式成膜装置を用いた場合、アーク放電によってアークスポット３１近傍のカーボンを短時間で容易に昇華させることができるため、アークスポット３１をスムーズに移動させることができ、また、陰極４のカーボンが均等に消費されて陰極４の利用効率を上昇させることができることが分かった。
【００１７】
なお、ここでいうアークスポット近傍の領域とは、加熱しなければ粉砕が発生する場所であり、陰極材料やアーク放電の条件により異なるが、図８に示すように、概ねアークスポット３１の中心から半径３ｍｍ以内、深さ３ｍｍ以内の領域である。
【００１８】
但し、アークスポットは、磁場や陰極の表面状態により移動していくため、新しい移動先が既に高温になっていることが好ましく、高温領域は大きい方が好ましい。実質的な放電面全体が高温になっていることが最も好ましい。
次に、陰極の利用効率を従来よりも向上させるという観点から、陰極の周囲に磁界を発生させる磁界発生手段を設け、所定の向きに磁界を生じさせることが好ましい。具体的には、一般に、円柱状の陰極を用いたアーク式成膜装置の場合、図６に示すように、アーク放電中におけるアークスポット３１は、陰極４の先端Ｔから根本（図示省略）に向かって陰極４の側面をスパイラル状に移動する。このとき、アークスポット３１が通過した部分のカーボンのみが昇華してＤＬＣ膜の成膜に用いられ、通過しなかった部分のカーボンは昇華せずＤＬＣ膜の成膜に用いられない。このため、円柱状の陰極４を用いたアーク式成膜装置の場合、陰極４の利用効率は低く留まっていた。
これに対して、図５に示すように、アーク式成膜装置に磁界発生手段としてのコイル１２を設けて、陰極４の軸方向と磁力線Ｍとのなす角度θが陰極４の先端Ｔ側が鋭角になるように磁界を生じさせた場合、アークスポットは角度θが鋭角になっている方向に向けて移動する性質があるため、アークスポットが陰極４の先端Ｔに留まり、陰極４の先端Ｔ側から順次カーボンが消費される。この結果、陰極４の利用効率を従来よりも向上させることができる。なお、磁界発生手段として図５では、コイル１２を用いているが、これに限定されず、永久磁石を用いてもよい。
【００１９】
請求項１、２に係る発明は、以上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材料を用いてアーク放電を行うことにより、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、
前記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を備えており、
成膜中、少なくとも前記陰極の前記アークスポット近傍の領域の温度を５００〜３０００℃にする手段を備えており、
前記陰極が円柱状の陰極であり、
前記円柱状の陰極の軸方向と磁力線とのなす角度が、前記陰極の先端側が鋭角になるように磁界を生じさせる磁界発生手段を備えていることを特徴とするアーク式成膜装置である。
【００２０】
そして、請求項２に記載の発明は、
成膜中の少なくとも前記陰極の前記アークスポット近傍の領域の温度を１０００〜３０００℃にする手段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。
【００２１】
次に、本発明者は、少なくとも陰極４のアークスポット近傍の領域の温度を上記した温度にする具体的な手段について実験と検討を行い、大きく分けて、以下に示す２つの手段が好ましく採用できることを見出した。
【００２２】
まず、第１の手段としては、陰極を外部から加熱する加熱手段を設ける。即ち、外部からの加熱によってアーク放電時に少なくとも陰極のアークスポット近傍の領域が高温に加熱されていれば、成膜中の陰極においてアークスポット直近部分とその周囲との間の温度差を小さくして、粉砕粒子の発生を抑制することができる。
【００２３】
請求項３に記載の発明は、上記の知見に基づいたものであり、
少なくとも前記陰極の前記アークスポット近傍の領域を加熱して前記陰極の温度を５００〜３０００℃にする加熱手段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。
【００２４】
そして、上記した陰極を外部から加熱する具体的な加熱手段としては、ヒーターによる加熱が最も好適であることが分かったが、誘導加熱装置、電子ビーム加熱装置およびレーザー加熱装置においても、同じ効果が期待できる。
【００２５】
即ち、請求項４に記載の発明は、
前記加熱手段が、前記陰極を外部から加熱するヒーターであることを特徴とする請求項３に記載のアーク式成膜装置である。
【００２６】
加熱手段としてヒーターを用いた場合、陰極の温度制御を容易に行うことができるため好ましい。また、ヒーターと陰極とを接続して、ヒーターに流れる電流を陰極にも流すことにより、一つの電源でヒーター加熱とアーク放電の両方を行うこともできる。
【００２７】
また、請求項５に記載の発明は、
前記加熱手段が、前記陰極を誘導加熱する誘導加熱装置であることを特徴とする請求項３に記載のアーク式成膜装置である。
【００２８】
誘導加熱装置は、離れた位置からでも陰極を加熱することができるため、設置位置の自由度が高くなり、上記したヒーターを設けることが難しい場合でも好ましく用いることができる。
【００２９】
また、請求項６に記載の発明は、
前記加熱手段が、前記陰極に電子ビームを照射して前記陰極を加熱する電子ビーム加熱装置であることを特徴とする請求項３に記載のアーク式成膜装置である。
【００３０】
上記した誘導加熱装置と同様に、電子ビーム加熱装置も、離れた位置から陰極を加熱することができる。
【００３１】
また、請求項７に記載の発明は、
前記加熱手段が、前記陰極にレーザー光を照射して前記陰極を加熱するレーザー加熱装置であることを特徴とする請求項３に記載のアーク式成膜装置である。
【００３２】
レーザー加熱装置についても、上記した誘導加熱装置や電子ビーム加熱装置と同様に、離れた位置から陰極を加熱できる。
【００３３】
上記した第１の手段の外部からの陰極の加熱は容易ではあるが、加熱手段を設けるためアーク式成膜装置の大型化やコストの増大を招きやすい。そこで、本発明者は、次に、第２の手段として、外部から陰極を加熱するのではなく、アーク放電によって陰極自体に生じた熱で陰極を加熱する陰極の自己加熱によって少なくとも陰極のアークスポット近傍の領域の温度を５００〜３０００℃にする手段について考えた。
【００３４】
例えば、アークスポット３１近傍のアークスポット直近部分４１ではカーボンの昇華温度（３５００℃程度）以上まで陰極４が昇温するため、このアークスポット直近部分４１における熱により陰極４全体が加熱される。さらに、陰極４は、アーク電流による抵抗発熱によっても全体が加熱される。
【００３５】
そして、これら陰極４の自己加熱による熱を少なくとも陰極４のアークスポット近傍の領域に留めて陰極４を５００〜３０００℃にすることができれば、新たな加熱手段を外部に設けなくても、アークスポット直近部分４１の周囲４２を高温に加熱することが可能となり、装置の大型化を招くことがない。
【００３６】
請求項８〜１０に係る発明は、上記の知見に基づくものであり、請求項８に記載の発明は、
前記陰極の自己加熱によって、少なくとも前記陰極の前記アークスポット近傍の領域の温度が５００〜３０００℃となるように構成され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。
【００３７】
そして、請求項９に記載の発明は、
前記陰極の自己加熱が、前記アークスポットにおいて発生した熱により行われることを特徴とする請求項８に記載のアーク式成膜装置である。
【００３８】
また、請求項１０に記載の発明は、
前記陰極の自己加熱が、アーク電流により発生した抵抗発熱により行われることを特徴とする請求項８に記載のアーク式成膜装置である。
【００３９】
そして、上記した陰極の自己加熱によって少なくとも陰極のアークスポット近傍の領域の温度を５００〜３０００℃にする具体的な手法としては、まず、従来の一般的な陰極よりも細い陰極を用いることが考えられる。このような細い陰極を使用した場合、アークスポットで発生した熱が細い陰極に溜まるため、アークスポットで発生した熱のみで陰極を十分高温にすることができる。また、細い陰極の場合には抵抗が大きくなるため、アーク電流による抵抗発熱で陰極を十分に加熱することができる。そして、実験の結果、少なくとも陰極のアークスポット近傍の領域の温度を５００〜３０００℃にするには、陰極として直径２０ｍｍ以下の円柱状の陰極が用いられていればよいことが分かった。
【００４０】
即ち、請求項１１に記載の発明は、
前記陰極が、直径２０ｍｍ以下の円柱状の陰極であることを特徴とする請求項８ないし請求項１０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、陰極として多孔質の陰極を用いた場合には、空孔の存在により、同じ太さの陰極であっても陰極の実体積が小さくなり、アークスポットで発生した熱が実体積の小さな陰極に溜る一方で、空孔の存在により抵抗が大きくなるため、アーク電流による抵抗発熱により陰極を十分に加熱することができる。また、空孔の存在により、陰極における熱伝導が低下するため、アークスポットで発生した熱が陰極材内部に逃げにくくなり、発生した熱を有効に利用することができる。
【００４２】
即ち、請求項１２に記載の発明は、
前記陰極が多孔質の陰極であることを特徴とする請求項８ないし請求項１０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、一般的なアーク式成膜装置には、アーク放電中の温度上昇によって陰極全体が溶融あるいは昇華して陰極保持手段から脱落することを防止するために、陰極を冷却するための冷却手段が設けられている。しかし、本発明のようにＤＬＣ膜を成膜する際には陰極の昇華温度が高いため、陰極を冷却する必要性が低い。
【００４４】
このため、この冷却手段を制御して、陰極の冷却を従来よりも弱めれば、陰極自体の温度を従来よりも高温にすることができ、少なくとも陰極のアークスポット近傍の領域の温度を５００〜３０００℃にすることができる。
【００４５】
請求項１３に係る発明は、上記した知見に基づくものであり、
前記陰極を冷却する冷却手段と、少なくとも前記陰極の前記アークスポット近傍の領域の温度が５００〜３０００℃となるように前記冷却手段を制御する冷却制御手段とを備えていることを特徴とする請求項８ないし請求項１０のいずれか１項に記載のアーク式成膜装置である。
【００４６】
なお、上記した陰極を外部から加熱する加熱手段を設けて陰極を昇温させる第１の手段と、陰極の自己加熱によって陰極を昇温させる第２の手段は組み合わせて使用することもできる。
【００４７】
即ち、請求項１４に記載の発明は、
前記陰極を加熱する加熱手段による熱と、前記陰極の自己加熱によって発生する熱を併用することにより少なくとも前記陰極の前記アークスポット近傍の領域の温度が５００〜３０００℃となるように構成され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。
【００４８】
そして、請求項１５に記載の発明は、
前記陰極を加熱する加熱手段が、ヒーター、誘導加熱、電子ビーム加熱、レーザー加熱のいずれかであり、
前記陰極の自己加熱が、前記アークスポットにおいて発生した熱および／または前記陰極の抵抗発熱により行なわれることを特徴とする請求項１４に記載のアーク式成膜装置である。
【００５２】
また、円柱状の陰極を用いる場合には、この陰極を基材に向けて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。
【００５３】
即ち、請求項１６に記載の発明は、
前記円柱状の陰極を前記基材に向けて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１５のいずれか１項に記載のアーク式成膜装置である。
【００５５】
また、請求項１７に記載の発明は、
請求項１ないし請求項１６のいずれか１項に記載のアーク式成膜装置を用いて、
少なくとも前記陰極の前記アークスポット近傍の領域の温度を５００〜３０００℃にしながら前記炭素膜を成膜することを特徴とする成膜方法である。
【００５６】
請求項１７に記載の発明においては、上記したように、成膜に際して粉砕粒子の発生が抑制されるため、平滑なＤＬＣ膜を安定して成膜することができる。また、陰極の利用効率を上昇させることもできる。
【発明の効果】
【００５７】
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粉砕粒子が放出さ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】
【００５８】
【図１】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図である。
【図２】本発明の一実施の形態に係るアーク式成膜装置におけるアークスポット近傍の様子を模式的に示す断面図である。
【図３】本発明の他の実施の形態に係るアーク式成膜装置を示す概略図である。
【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の一例を模式的に示す斜視図である。
【図５】本発明の他の実施の形態に係るアーク式成膜装置の磁界発生手段を説明する図である。
【図６】従来のアーク式成膜装置におけるアークスポットの移動を説明する図である。
【図７】従来のアーク式成膜装置におけるアークスポット近傍の様子を模式的に示す断面図である。
【図８】アークスポット近傍の領域を説明する図である。
【発明を実施するための形態】
【００５９】
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。具体的には、先ず、アーク式成膜装置の基本的な構成について説明し、その後、本発明の特徴部分である成膜中の陰極の温度について説明をし、その後、成膜方法について説明する。
【００６０】
［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１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図である。
【００６１】
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、電源６、７と、トリガー電極８を備えている。なお、図１中の符号５はシャッターであり、９は抵抗である。
【００６２】
（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。また、真空チャンバー１は電気的にアースされている。
【００６３】
（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１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。
【００６４】
（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。また、これらの粉体の集合体に替えて、グラッシーカーボンやパイロカーボンを用いてもよい。このようなグラッシーカーボンやパイロカーボンを用いることにより、スパークや粉砕粒子の発生をより適切に抑制することができる。
【００６５】
（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にも電源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。
【００６６】
（５）トリガー電極
トリガー電極８は、先端が陰極４の先端と対向するように取り付けられている。トリガー電極８は、例えばモリブデン（Ｍｏ）から構成されており、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、陰極４と真空チャンバー１との間でアーク放電を発生させることができる。
【００６７】
（６）磁界発生手段
また、アークスポットの移動を制御するために磁界発生手段、例えば図５に示すコイル１２が設けられていることが好ましい。このコイル１２は、磁力線Ｍと陰極４の側面とのなす角度θが、陰極４の先端Ｔ側が鋭角になるように陰極４の周囲に磁界を発生させるように構成されている。
【００６８】
前記したように、このような磁界を生じさせる磁界発生手段を設けた場合、アークスポットは磁力線Ｍが鋭角になっている方向に向けて移動する性質があるため、アークスポットが陰極４の先端に留まり、陰極４の先端Ｔ側から順次カーボンを消費させることができ、陰極４の利用効率を従来よりも向上させることができる。
【００６９】
２．成膜中の陰極の温度について
次に、本発明の特徴部である成膜中の陰極の温度について説明する。図２は本実施の形態に係るアーク式成膜装置におけるアークスポット近傍の様子を模式的に示す断面図である。
【００７０】
本実施の形態に係るアーク式成膜装置は、少なくとも、従来、粉砕粒子４３が発生していた部分、即ち、陰極４のアークスポット３１近傍の領域での温度を５００〜３０００℃（好ましくは１０００〜３０００℃）にする手段を備えていることを特徴とする。これにより、図２に示すアークスポット３１近傍のアークスポット直近部分４１とその周囲４２との温度差を小さくして、アークスポット直近部分４１の周囲４２において発生する熱歪みを小さくすることができる。この結果、熱歪みによるクラックの発生を防止し、粉砕粒子４３（図７参照）の発生を抑制することができる。なお、陰極４のカーボンの昇華温度（３５００℃程度）を考慮して、成膜中の陰極４の温度は３０００℃以下に設定される。
【００７１】
本実施の形態においては、アークスポット直近部分４１とその周囲４２との温度差を小さくする手段として、陰極４を外部から加熱する加熱手段を設ける手段と、陰極４を自己加熱によって昇温させる手段の少なくとも一方の手段を用いて、成膜中の少なくとも陰極４のアークスポット近傍の領域の温度を５００〜３０００℃にする。以下、各々の手段の具体的な例を説明する。
【００７２】
（１）加熱手段の場合
先ず、陰極４を外部から加熱する加熱手段を設けて、少なくとも陰極４のアークスポット３１近傍の領域の温度を５００〜３０００℃にする手段の具体例について説明する。
【００７３】
（ａ）ヒーター
陰極４を外部から加熱する加熱手段としては、例えばヒーターが挙げられる。このヒーターとしては、例えば、電熱線を利用したヒーターを用いることができる。このようなヒーターは、構造が簡単で温度制御も容易であるため、少なくとも陰極４のアークスポット３１近傍の領域を５００〜３０００℃に確実に加熱することができ、好ましく用いることができる。なお、加熱手段としてヒーターを用いる場合には、例えば、陰極保持手段３にヒーターを内蔵させて陰極保持手段３を介して陰極４を加熱する方法など挙げられる。
【００７４】
（ｂ）誘導加熱装置
次に、加熱手段として誘導加熱装置を用いることもできる。この誘導加熱装置としては、周知の誘導加熱装置を用いることができる。加熱手段として誘導加熱装置を用いる場合、加熱手段を陰極４から離れた位置に設置しても、少なくとも陰極４のアークスポット３１近傍の領域を５００〜３０００℃に加熱できるため、アーク式成膜装置１０の構造上、ヒーターなどを設けることが難しい場合に好ましく用いることができる。
【００７５】
（ｃ）電子ビーム加熱装置
次に、加熱手段として電子ビーム加熱装置を用いることもできる。電子ビーム加熱装置を用いる場合には、電子銃を真空チャンバー内に設けて、この電子銃から電子ビームを陰極に照射することによって陰極を加熱する。この電子ビーム加熱装置についても、誘導加熱装置と同様に、離れた位置から陰極４を加熱できるため、設置位置の自由度が高い。
【００７６】
（ｄ）レーザー加熱装置
加熱手段としてレーザー加熱装置を用いた場合も、上記と同様に、離れた位置から陰極を加熱できるため好ましい。
【００７７】
（２）陰極の自己加熱による場合
次に、上記したような加熱手段を別途設けることなく、陰極４の自己加熱により陰極４の温度を５００〜３０００℃にする手段について説明する。この手段においては、アークスポット３１で発生した熱やアーク電流による陰極４の抵抗発熱など、アーク放電中に陰極４で生じた熱により陰極４自体を加熱し、少なくとも陰極４のアークスポット３１近傍の領域の温度を５００〜３０００℃にする。以下、具体的な手段について説明する。
【００７８】
（ａ）直径が細い陰極の使用
従来のアーク式成膜装置においては、図４に示すような円柱状の陰極４を用いる場合、陰極４の直径Ｄを５０〜７０ｍｍにしている。しかし、この陰極４を従来よりも細くして直径Ｄを２０ｍｍ以下にすると、アークスポットで発生した熱が細い陰極に溜まるため、アークスポットで生じた熱により少なくとも陰極４のアークスポット３１近傍の領域の温度を５００〜３０００℃にすることができる。
【００７９】
具体的には、従来のように直径Ｄ５０〜７０ｍｍの一般的な陰極４を用いた場合、アークスポット３１（図７参照）で生じた熱は陰極４の広い範囲に分散するため、陰極４が昇温しにくい。このため、陰極４の温度が５００℃以下になってアークスポット直近部分４１とその周囲４２との間に大きな温度差が生じてクラックの発生を招きやすい。
【００８０】
これに対して、直径Ｄ２０ｍｍ以下という細い陰極４を用いた場合は、上記したようにアークスポットで発生した熱が細い陰極に溜まるため、アークスポット３１（図２参照）で生じた熱によって、少なくとも陰極４のアークスポット３１近傍の領域を５００〜３０００℃に昇温させることができる。なお、陰極４の直径Ｄは５ｍｍ以下であるとより好ましく、３ｍｍ以下であるとさらに好ましい。
【００８１】
また、直径Ｄ２０ｍｍ以下という細い陰極４を用いた場合、アーク電流が流れる際の断面積が小さくなるため、従来の太さの陰極を用いた場合よりも抵抗が高くなる。これにより、アーク電流が陰極４に流れた際に陰極４を十分に発熱させることができる。
【００８２】
このように、直径Ｄ２０ｍｍ以下という細い陰極４を用いることにより、アークスポット３１で発生した熱と、陰極４の抵抗発熱により陰極４全体を昇温させて５００〜３０００℃に容易にすることができる。
【００８３】
細い円柱状の陰極４を用いる場合、円柱状の陰極４の一端を保持するような陰極保持手段３（図３参照）が用いられるが、このときの陰極保持手段３に、円柱状の陰極４を基材２０に向けて順次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、陰極が短くなった際に適宜送り出すことができるようになり、陰極４を交換する回数を減らして、安定したアーク放電を長時間持続させることができる。
【００８４】
（ｂ）多孔質陰極の使用
陰極の自己加熱により陰極を５００〜３０００℃にする手段としては、陰極４に多孔質の陰極を用いることも好ましい。このよう多孔質の陰極を用いた場合には、同じ太さであっても、空孔により陰極の実体積が小さくなるため、上記した細い陰極を用いた場合と同様に、アークスポットにおいて生じる熱と、アーク電流による抵抗発熱の両方で陰極４を昇温させることができ、少なくとも陰極４のアークスポット３１近傍の領域の温度を５００〜３０００℃に容易にすることができる。
【００８５】
（ｃ）冷却手段の制御
また、上記した各手段に替えて、一般的なアーク式成膜装置に設けられている陰極の冷却手段を制御して、少なくとも陰極４のアークスポット３１近傍の領域の温度を５００〜３０００℃にすることも１つの手段である。
【００８６】
具体的には、一般的なアーク式成膜装置には、アーク放電中の温度上昇によって陰極全体が溶融あるいは昇華して陰極保持手段から脱落することを防止するために、陰極を冷却するための冷却手段が設けられている。
【００８７】
しかし、このような陰極の脱落は、前記したように、比較的に融点が低い金属材料（Ｔｉなど）を陰極に用いた場合に生じるものであり、本発明のようにＤＬＣ膜を成膜する際には昇華温度の高いカーボンを主成分とする陰極が用いられるため、陰極を冷却する必要性が低い。
【００８８】
このため、ＤＬＣ膜を成膜する際に、この冷却手段による冷却の程度を従来よりも弱めるように制御すれば、陰極の温度を従来よりも高くすることができる。
【００８９】
［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説明する。先ず、図１に示すようなアーク式成膜装置を用いた成膜方法の内、従来の成膜方法と同様である成膜方法の概要について説明した後、本発明の成膜方法の特徴的な部分について説明する。
【００９０】
１．成膜方法の概要
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。
【００９１】
次に、電源６から基材２０に負のバイアス電圧（０〜−３００Ｖ）を印加し、電源７から陰極４に（−１５〜−５０Ｖ）の負の電圧を印加する。
【００９２】
そして、トリガー電極８の先端を陰極４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（８０Ａ程度）を生じさせる。これにより、陰極４にアークスポット３１が形成され、このアークスポット３１において陰極４のカーボンが昇華する。
【００９３】
この状態で、シャッター５を開くことによって、昇華したカーボンが基材２０の表面に蒸着してＤＬＣ膜が成膜される。
【００９４】
２．本実施の形態に係るアーク式成膜方法の特徴
本実施の形態においては、上記した成膜中の少なくとも陰極４のアークスポット３１近傍の領域の温度を５００〜３０００℃にすることにより、図２に示すように、アークスポット３１近傍のアークスポット直近部分４１と、その周囲４２との温度差を小さくして、熱歪みによるクラックの発生を抑制し、粉砕粒子の放出を抑制する。
【００９５】
例えば、上記したヒーター等の加熱手段を用いて陰極４の温度を５００〜３０００℃にする場合には、トリガー電極８の先端を陰極４に接触させる前に加熱手段を稼働させ、アーク放電の開始前に少なくとも陰極４のアークスポット３１近傍の領域の温度を５００〜３０００℃に予め昇温させる。これにより、アークスポット３１近傍のアークスポット直近部分４１と、その周囲４２との温度差を小さくした状態でアーク放電を行うことができるため、クラックによる粉砕粒子の放出を抑制することができる。
【００９６】
また、陰極４の自己加熱により少なくとも陰極４のアークスポット３１近傍の領域の温度を５００〜３０００℃にする場合には、例えば、図４に示す直径Ｄが２０ｍｍ以下の細い陰極４を取り付けてアーク放電を開始する。そして、アークスポット３１で発生した熱とアーク電流による抵抗発熱によって陰極４全体が昇温するが、このときに細い陰極が使用されているため、発生した熱が細い陰極に留まり、十分高温にすることができる。
【００９７】
そして、陰極４が５００℃以上になった時点で、シャッター５を開いて成膜を開始する。これにより、成膜中の陰極４において、アークスポット直近部分４１とその周囲４２との温度差を小さくしてクラックによる粉砕粒子の放出を抑制することができる。
【００９８】
そして、上記のように粉砕粒子の放出を抑制することにより、基材上に平滑なＤＬＣ膜を安定して成膜することができるため、例えば、レンズ成形用の金型においてはピンホールが少なく、高品質のレンズの成形が可能となり、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おいては、剥離の起点となる粉砕粒子が取り込まれることが防止されるため、長期間に亘って品質の低下を招かない。
【実施例】
【００９９】
［１］実験１
実験１においては、陰極を加熱する加熱手段としてヒーターを設け、成膜中の陰極をヒーターで加熱して、粉砕粒子の放出を抑制することができる陰極の温度を調べた。
【０１００】
１．実験例１〜４
具体的には、従来のアーク式成膜装置にヒーターを設置して、表１に示す陰極の温度となるように制御して実験例１〜４を行った。なお、ヒーター温度以外の具体的な成膜条件は以下の通りにした。
【０１０１】
陰極                ：長さ  ３０ｍｍ
直径  ５０ｍｍ
基材                ：テスト用の基材（高速度工具鋼製）
真空度              ：１×１０−３Ｐａ
バイアス電圧        ：−５０Ｖ
アーク電圧          ：−２０Ｖ
アーク放電電流      ：５０Ａ
成膜時間            ：２０ｍｉｎ
【０１０２】
２．評価
（１）陰極の温度
各実験例において、赤外放射温度計を用いて、成膜中の陰極の温度を測定した。結果を表１に示す。
【０１０３】
（２）ＤＬＣ膜の表面粗さ
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表面粗さ（十点平均粗さ）を算出した。結果を表１に示す。
【０１０４】
（３）火花放出量の観察
アーク放電中の陰極のアークスポットの周辺から火花が放出される量を目視で観察した。結果を表１に示す。
【０１０５】
【表１】
0006528050.tif 000002
【０１０６】
表１より、ヒーターにより陰極を加熱して、成膜中の陰極の温度を５００℃以上にした実験例２〜４では、成膜されたＤＬＣ膜の表面粗さが、陰極の温度を５００℃未満にした実験例１よりも小さくなっていることが分かる。このことから、ヒーターを用いて、成膜中の陰極の温度を５００℃以上にすることにより、クラックによる粉砕粒子の放出を適切に抑制できることが確認できた。なお、カーボンの昇華温度を考慮すると、成膜中の陰極４の温度の上限は３０００℃である。
【０１０７】
また、陰極の温度を１０００℃にした実験例４においては、表面粗さが実験例２、３よりも顕著に小さくなっていることが分かる。このことから、成膜時の陰極の温度は１０００℃以上が好ましいことが分かる。
【０１０８】
また、陰極を５００℃以上に加熱している実験例２〜４では、実験例１よりも火花の放出量が少なくなっており、スパークの発生を抑制できることが確認できた。
【０１０９】
［２］実験２
実験２においては、陰極４の自己加熱によって粉砕粒子の放出を抑制することができるかについて実験を行った。
【０１１０】
１．実験例５〜９
具体的には、陰極４の直径がそれぞれ異なるアーク式成膜装置を用いて、ＤＬＣ膜の成膜を行った（実験例５〜９）。具体的には、表２に示すように、陰極４の直径について、実験例５〜９でそれぞれ異ならせて５種類の成膜を行った。
【０１１１】
陰極                ：長さ３０ｍｍの焼結カーボン
基材                ：テスト用の基材（高速度工具鋼製）
真空度              ：１×１０−３Ｐａ
バイアス電圧        ：−５０Ｖ
アーク電圧          ：−２０Ｖ
アーク電流          ：５０Ａ
成膜時間            ：５ｍｉｎ
【０１１２】
２．評価
実験１と同じ方法を用いて、陰極の温度、成膜後のＤＬＣ膜の表面粗さを測定すると共に、火花の放出量を観察した。結果を表２に示す。
【０１１３】
【表２】
0006528050.tif 000003
【０１１４】
表２より、陰極の直径が２０ｍｍ以下の実験例５〜実験例７では、成膜中の陰極が５００℃以上に加熱されていることが分かり、また、陰極の直径が小さくなるに従って、成膜中の陰極の温度が高くなっていることが分かる。
【０１１５】
そして、実験例５〜７においては、実験例８、９に比べて成膜されたＤＬＣ膜の表面粗さが小さくなっており、陰極の直径が小さい方が、成膜されたＤＬＣ膜の表面粗さが小さくなっていることが分かる。また、火花の放出量も少なくなっていることが分かる。このことから、直径が２０ｍｍ以下の陰極を用いることにより陰極の温度を５００℃以上にすることができ、クラックによる粉砕粒子の放出を適切に抑制できることが確認できた。
【０１１６】
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】
【０１１７】
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
５                      シャッター
６、７                  電源
８                      トリガー電極
９                      抵抗
１０                    アーク式成膜装置
１１                    排気口
１２                    コイル
２０                    基材
３１                    アークスポット
４１                    アークスポット直近部分
４２                    アークスポット直近部分の周囲
４３                    粉砕粒子
４４                    昇華したカーボン
Ｄ                      陰極の直径
Ｍ                      磁力線
Ｔ                      陰極の先端
θ                      陰極の軸方向と磁力線のなす角度
【図１】
0006528050.tif 000004
【図２】
0006528050.tif 000005
【図３】
0006528050.tif 000006
【図４】
0006528050.tif 000007
【図５】
0006528050.tif 000008
【図６】
0006528050.tif 000009
【図７】
0006528050.tif 000010
【図８】
0006528050.tif 000011