(57)【要約】【課題】陰極の材料にカーボン材料を用いてＤＬＣ膜を成膜する場合に、アーク放電中にマクロパーティクルが発生することを確実に防止して、基材表面に良質な薄膜を成膜することができる真空アーク蒸着法および真空アーク蒸着装置を提供する。【解決手段】カーボン材料によって形成された陰極を蒸発させることにより、基材表面にカーボン材料を蒸着させて成膜する真空アーク蒸着法であって、陰極として、台座部と前記台座部から突出する少なくとも１つの突起部とを備え、突起部がガラス状炭素または積層状炭素により形成されている陰極を用い、アーク放電中に陰極における放電電圧を測定し、測定された放電電圧と予め設定された閾値とを比較することにより陰極におけるアーク放電の位置が突起部であるか否かを判定し、アーク放電の位置が突起部でないと判定した場合、アーク放電を一時停止し、その後、アーク放電を再開させる真空アーク蒸着法。【選択図】図３
2016029202.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
カーボン材料によって形成された陰極にアーク放電を行ってカーボン材料を蒸発させることにより、基材表面にカーボン材料を蒸着させて成膜する真空アーク蒸着法であって、
前記陰極として、台座部と前記台座部から突出する少なくとも１つの突起部とを備え、前記突起部がガラス状炭素または積層状炭素により形成されている陰極を用い、
前記アーク放電中に前記陰極における放電電圧を測定し、
測定された前記放電電圧と予め設定された閾値とを比較することにより、前記陰極における前記アーク放電の位置が前記突起部であるか否かを判定し、
前記アーク放電の位置が前記突起部でないと判定した場合、前記アーク放電を一時停止し、その後、前記アーク放電を再開させることを特徴とする真空アーク蒸着法。
【請求項２】
前記陰極の前記突起部の形状が、略円柱状、略円錐状、略円錐台状、略角柱状、略角錐台状、もしくはこれらの組み合わせであることを特徴とする請求項１に記載の真空アーク蒸着法。
【請求項３】
前記突起部が棒状に形成されていると共に、前記台座部に貫通孔が設けられており、
前記棒状の突起部が前記台座部の貫通孔にスライド自在に挿通されて、前記アーク放電により前記突起部が短くなった際に前記突起部を前記基材に向けて送り出すことを特徴とする請求項１または請求項２に記載の真空アーク蒸着法。
【請求項４】
前記陰極の周囲に静磁場もしくは動磁場を形成することを特徴とする請求項１ないし請求項３のいずれか１項に記載の真空アーク蒸着法。
【請求項５】
前記台座部として、前記ガラス状炭素または前記積層状炭素により形成されている台座カバー部で覆われた台座部を用い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項に記載の真空アーク蒸着法。
【請求項６】
測定された前記放電電圧に基づいて単位時間あたりの放電電圧の変化量を求め、得られた前記変化量が所定の値を超えた場合に、前記突起部における前記アーク放電の位置が飛び移ったと判定して、前記アーク放電を一時停止した後、前記アーク放電を再開させ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項に記載の真空アーク蒸着法。
【請求項７】
カーボン材料によって形成された陰極にアーク放電を行ってカーボン材料を蒸発させることにより、基材表面にカーボン材料を蒸着させて成膜する真空アーク蒸着装置であって、
台座部と前記台座部から突出する少なくとも１つの突起部とを備えており、前記突起部がガラス状炭素または積層状炭素により形成されている陰極と、
前記アーク放電中の前記陰極における放電電圧を測定する電圧測定手段と、
予め設定された閾値と、測定された前記放電電圧とを比較することにより、前記陰極におけるアーク放電の位置が前記突起部であるか否かを判定する判定手段と、
前記判定手段が前記アーク放電の位置が前記突起部でないと判定した場合、前記アーク放電を一時停止し、その後、前記アーク放電を開始させる放電制御手段と、
を備えていることを特徴とする真空アーク蒸着装置。
【請求項８】
前記陰極の前記突起部の形状が、略円柱状、略円錐状、略円錐台状、略角柱状、略角錐台状、もしくはこれらの組み合わせであることを特徴とする請求項７に記載の真空アーク蒸着装置。
【請求項９】
前記突起部が棒状に形成されていると共に、前記台座部に貫通孔が設けられており、前記棒状の突起部が前記台座部の貫通孔にスライド自在に挿通されて前記陰極が構成されており、
前記突起部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７または請求項８に記載の真空アーク蒸着装置。
【請求項１０】
前記陰極の周囲に静磁場もしくは動磁場を形成する磁界発生手段が設けられていることを特徴とする請求項７ないし請求項９のいずれか１項に記載の真空アーク蒸着装置。
【請求項１１】
前記台座部を覆う台座カバー部が設けられており、
前記台座カバー部が、前記ガラス状炭素または前記積層状炭素により形成されていることを特徴とする請求項７ないし請求項１０のいずれか１項に記載の真空アーク蒸着装置。
【請求項１２】
請求項１ないし請求項６のいずれか１項に記載の真空アーク蒸着法を用いて成膜された薄膜。
【請求項１３】
請求項１２に記載の薄膜を有していることを特徴とする物品。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、真空アーク蒸着法およびこれに使用される真空アーク蒸着装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
基材表面にアーク放電を用いて薄膜を形成する真空アーク蒸着法には、通常、真空アーク蒸着装置が用いられている。図９は、従来の真空アーク蒸着装置を示す概略図である。
【０００３】
図９に示すように、従来の真空アーク蒸着装置は、真空チャンバー１と、陰極２と、電源４、７と、バッキングプレート６を備えており、真空チャンバー１内の陰極２と対向した位置に基材３が配置されている。なお、真空チャンバー１にはチャンバー内を真空排気する排気系が設けられている。
【０００４】
上記の陰極２には、成膜対象物質に適した材料が用いられる。例えば、基材３の表面にＴｉＮを成膜する場合には、陰極２にＴｉが用いられ、ＣｒＮを成膜する場合にはＣｒが用いられる。また、ダイアモンドライクカーボン（ＤＬＣ）膜を成膜する場合には陰極２の材料に焼結構造のカーボン材料が用いられる。
【０００５】
この真空アーク蒸着装置では、上記した排気系によって所定の真空度まで真空排気され、電源７により陰極２に負の電圧を印加することにより、陽極を兼ねる真空チャンバー１と陰極２との間にアーク放電を生じさせる。これにより、陰極２の放電位置にアークスポットが形成されて陰極材料が蒸発し、真空チャンバー１内にプラズマを発生させる。そして、電源４によりバイアス電圧が印加された基材３の表面に蒸発した陰極材料が蒸着することにより、基材３上に薄膜が成膜される（例えば、特許文献１）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】国際公開第２０１３／０１５２８０号
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
上記したような従来の真空アーク蒸着装置において、陰極の材料に焼結構造のカーボン材料を用いてＤＬＣ膜を成膜する場合、アーク放電中の陰極の放電位置において大量のスパーク（火花）が発生して、粒径の大きな粒子（マクロパーティクル）が生じることがあった。このようなマクロパーティクルが、基材に飛来して基材に蒸着すると、基材表面を傷付けたり、成膜後の薄膜の表面粗度を悪化させたりする恐れがある。
【０００８】
そこで、本発明は、陰極の材料にカーボン材料を用いてＤＬＣ膜を成膜する場合に、アーク放電中にマクロパーティクルが発生することを確実に防止して、基材表面に良質な薄膜を成膜することができる真空アーク蒸着法および真空アーク蒸着装置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】
【０００９】
本発明者は、上記した課題の解決について種々の実験と検討を行い、アーク放電中にマクロパーティクルが生じる原因が陰極材料である焼結構造のカーボン材料の粒界にあることを見出した。そこで、本発明者は、陰極材料として様々な材料を検討した結果、このような粒界が存在しないガラス状炭素や積層状炭素を用いて陰極を構成した場合、マクロパーティクルの発生が抑制できることを見出した。
【００１０】
しかし、ガラス状炭素を用いて円盤状の陰極を作成した場合、アーク放電中に陰極の半径方向に大きな熱応力の歪み（熱歪み）が生じて陰極が割れることがあった。また、積層状炭素を用いて円盤状の陰極を作成した場合、陰極の割れは生じなかったが、スパークの発生を抑制できる程度が充分ではなかった。
【００１１】
そこで、本発明者は、さらに実験を行い、その結果、陰極材料としてガラス状炭素や積層状炭素を用いる場合には、図９や図１０に示すように、ガラス状炭素や積層状炭素からなる柱状の突起部９を作成して台座部１０から突出させることにより、これらの問題が解決できることが分かった。
【００１２】
即ち、ガラス状炭素の突起部９を設けた場合、小さな半径の柱状の突起部９からプラズマを発生させることにより、陰極２の半径方向における熱歪みが大きくなることが抑制されて、陰極割れの発生を防止することができる。また、積層状炭素の突起部９を設けた場合、スパークの発生を抑制できる程度を向上させることができる。
【００１３】
しかし、上記の方法ではマクロパーティクルの発生は抑制されているものの、得られた薄膜の膜質は未だ十分とは言えなかった。そこで、本発明者は、マクロパーティクルの発生を確実に防止して膜質の向上を図ることができる条件についてさらに検討を行い、最終的に本発明を完成するに至った。
【００１４】
具体的には、本発明者は、ガラス状炭素や積層状炭素から構成させた突起部を有する陰極を用いてアーク放電を行ってもマクロパーティクルの発生を確実に防止できなかった原因について実験と検討を行い、以下の知見を得た。
【００１５】
図１０に示すような、ガラス状炭素や積層状炭素から構成させた柱状の突起部９を有する陰極２の場合、アーク放電の進行に伴って放電位置が突起部９の先端から台座部１０に向けてスパイラル状に移動する。しかし、この台座部１０は、焼結構造のカーボン材料や金属材料などから構成されているため、台座部１０に放電位置が移動した状態でアーク放電が行われるとマクロパーティクルが発生することが分かった。
【００１６】
そして、この場合、放電位置が突起部９の先端から順に移動して台座部１０に至る場合には、何時マクロパーティクルが発生するのかを予測することが可能であり、放電時間を考慮して、突起部９の長さを調整することによってある程度は対応することができる。しかし、放電位置が飛び火のように台座部１０に移動する場合もあり、この場合には何時マクロパーティクルが発生するのかを予測することができなかった。
【００１７】
本発明者は、以上の知見に基づいて、台座部１０に放電位置が移動したことを検知できれば、この検知結果に基づいてアーク放電を停止させることができ、その後、放電位置が突起部９の先端となるようにして放電を再開すれば、マクロパーティクルの発生を確実に防止することができると考え、以下の試験を行った。
【００１８】
先ず、本発明者は、台座部に放電位置が移動したことを正確に検知する指標として、突起部と台座部の材料や形状の違いによる抵抗値の差に着目し、この抵抗値と関係するアーク放電中の放電電圧波形についてその変化を測定し、図１に示すような測定結果を得た。なお、図１において、縦軸は計測電圧であり、横軸は時間である。
【００１９】
図１より、ガラス状炭素からなる突起部に放電位置が存在している間は放電電圧の絶対値が高くなり（２５〜５０Ｖ）、焼結構造のカーボン材料や金属材料からなる台座部に放電位置が移動した後（図１中の３０ｓｅｃ以降）に放電電圧の絶対値が低くなることが分かった（１０〜４０Ｖ）。また、突起部と台座部の両方をガラス状炭素で形成した場合についても実験を行ったが、突起部と台座部が同じ材料の場合でも、突起部と台座部とでは放電電圧の絶対値が変化することが分かった。
【００２０】
このことから、突起部と台座部との間には、材料や形状の違いによって抵抗値に差が生じるため、この抵抗値の差による放電電圧の絶対値の変化が、台座部に放電位置が移動した瞬間を正確に検知する指標として適用できることが分かり本発明に至った。
【００２１】
具体的には、放電電圧に対する閾値を予め設定しておき、アーク放電中の放電電圧を測定して閾値と定常的に比較する。そして、閾値よりも低い放電電圧の絶対値が測定された場合には、放電位置が台座部に移動したと判定してアーク放電を一時停止させる。これにより、台座部に放電位置が移動した状態でアーク放電が行われることを防止することができるため、マクロパーティクルの発生を確実に防止することができる。
【００２２】
請求項１に記載の発明は、上記の知見に基づく発明であり、
カーボン材料によって形成された陰極にアーク放電を行ってカーボン材料を蒸発させることにより、基材表面にカーボン材料を蒸着させて成膜する真空アーク蒸着法であって、
前記陰極として、台座部と前記台座部から突出する少なくとも１つの突起部とを備え、前記突起部がガラス状炭素または積層状炭素により形成されている陰極を用い、
前記アーク放電中に前記陰極における放電電圧を測定し、
測定された前記放電電圧と予め設定された閾値とを比較することにより、前記陰極における前記アーク放電の位置が前記突起部であるか否かを判定し、
前記アーク放電の位置が前記突起部でないと判定した場合、前記アーク放電を一時停止し、その後、前記アーク放電を再開させることを特徴とする真空アーク蒸着法である。
【００２３】
本請求項の発明によれば、突起部でない台座部に放電位置が移動したときにはアーク放電を一時停止し、その後、アーク放電を再開させるため、台座部に放電位置が移動した状態でアーク放電が行われることを防止して、安定したアーク放電を行ってマクロパーティクルの発生を確実に防止することができる。そして、粒界が存在しないガラス状炭素や積層状炭素を用いて形成された突起部でのみアーク放電を行うため、マクロパーティクルのない良質な薄膜を基材表面に成膜させることができる。
【００２４】
なお、突起部の数は特に限定されず、複数形成されていてもよい。
【００２５】
請求項２に記載の発明は、
前記陰極の前記突起部の形状が、略円柱状、略円錐状、略円錐台状、略角柱状、略角錐台状、もしくはこれらの組み合わせであることを特徴とする請求項１に記載の真空アーク蒸着法である。
【００２６】
突起部の形状は、略円柱状、略円錐状、略円錐台状、略角柱状、略角錐台状、もしくはこれらの組み合わせであることが、安定したアーク放電を持続することができるため好ましい。
【００２７】
請求項３に記載の発明は、
前記突起部が棒状に形成されていると共に、前記台座部に貫通孔が設けられており、
前記棒状の突起部が前記台座部の貫通孔にスライド自在に挿通されて、前記アーク放電により前記突起部が短くなった際に前記突起部を前記基材に向けて送り出すことを特徴とする請求項１または請求項２に記載の真空アーク蒸着法である。
【００２８】
本請求項の発明においては、アーク放電により突起部が短くなった際に突起部を基材が配置されている方向に送り出すことによって、安定したアーク放電を長時間持続させることができるため、膜厚の厚い薄膜でも容易に製造することができ、生産性を向上させることができる。
【００２９】
請求項４に記載の発明は、
前記陰極の周囲に静磁場もしくは動磁場を形成することを特徴とする請求項１ないし請求項３のいずれか１項に記載の真空アーク蒸着法である。
【００３０】
本請求項の発明においては、陰極の周囲に静磁場もしくは動磁場を形成する。このように、陰極の周囲に静磁場や動磁場を形成した場合、安定したアーク放電が可能になり、均質な成膜を行うことができる。
【００３１】
請求項５に記載の発明は、
前記台座部として、前記ガラス状炭素または前記積層状炭素により形成されている台座カバー部で覆われた台座部を用い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項に記載の真空アーク蒸着法である。
【００３２】
台座部をガラス状炭素または積層状炭素で形成した場合、放電位置が台座部に移動した場合であっても、マクロパーティクルの発生を防止することができる。しかし、ガラス状炭素または積層状炭素は高価な材料であり、台座部全体をガラス状炭素または積層状炭素から構成すると、製造コストが大幅に高くなってしまう。
【００３３】
これに対して、ガラス状炭素または積層状炭素により形成された台座カバー部で台座部を覆うことにより、放電位置が台座部に移動することによるマクロパーティクルの発生を低コストで防止することができる。
【００３４】
しかし、台座カバー部は比較的に薄く（例えば２ｍｍ程度）形成されるため、放電位置が台座カバー部に移動した状態が継続すると、台座カバー部が割れる恐れがある。
【００３５】
本請求項の発明においては、台座カバー部により覆われた台座部を用いる場合においても、上記したように、放電電圧の変化に基づいて台座カバー部に放電位置が移動したときにアーク放電を一時停止させ、その後、アーク放電を再開させるため、マクロパーティクルの発生を確実に防止しながら、台座カバー部が割れることを防止することができる。
【００３６】
具体的には、図２に示すように、台座部の表面をガラス状炭素で覆った場合でも、突起部と台座部の形状の違いにより、放電位置が突起部から台座部に移動した前後（２０ｓｅｃ付近）で放電電圧の絶対値が変化するため、突起部から台座部に放電位置が移動したことを正確に検知することができ、マクロパーティクルの発生を確実に防止した上で、台座カバー部が割れることを防止することができる。
【００３７】
請求項６に記載の発明は、
測定された前記放電電圧に基づいて単位時間あたりの放電電圧の変化量を求め、得られた前記変化量が所定の値を超えた場合に、前記突起部における前記アーク放電の位置が飛び移ったと判定して、前記アーク放電を一時停止した後、前記アーク放電を再開させ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項に記載の真空アーク蒸着法である。
【００３８】
真空アーク蒸着法においては、前記したように、放電位置が突起部の先端から台座部に向けてスパイラル状に移動するが、このときに放電位置が飛び火のように飛び移る場合があり、突起部の先端側から飛び移った先が、上記した台座部ではなく、突起部の根元側になることがある。この場合、台座部に移動したときのように、マクロパーティクルが発生することはないが、放電位置が台座部に到達するまでの突起部の残り長さが少なくなるため、基材表面に成膜する薄膜の膜厚が不足する恐れがある。
【００３９】
本請求項の発明においては、放電位置が、スパイラル状に徐々に移動して根元側に到達した場合と、突然に根元側へ飛び移った場合とで、単位時間あたりの放電電圧の変化量が異なることに着目し、この変化量が所定の値を超えた場合に、アーク放電の位置が飛び移ったと判定して、アーク放電を一時停止させた後、アーク放電を再開させる。
【００４０】
これにより、アーク放電の位置が突起部の先端側から根元側に飛び移ったことを適切に検出して、薄膜の膜厚が不足することを防止することができる。
【００４１】
そして、請求項７に記載の発明は、
カーボン材料によって形成された陰極にアーク放電を行ってカーボン材料を蒸発させることにより、基材表面にカーボン材料を蒸着させて成膜する真空アーク蒸着装置であって、
台座部と前記台座部から突出する少なくとも１つの突起部とを備えており、前記突起部がガラス状炭素または積層状炭素により形成されている陰極と、
前記アーク放電中の前記陰極における放電電圧を測定する電圧測定手段と、
予め設定された閾値と、測定された前記放電電圧とを比較することにより、前記陰極におけるアーク放電の位置が前記突起部であるか否かを判定する判定手段と、
前記判定手段が前記アーク放電の位置が前記突起部でないと判定した場合、前記アーク放電を一時停止し、その後、前記アーク放電を開始させる放電制御手段と、
を備えていることを特徴とする真空アーク蒸着装置である。
【００４２】
本請求項の発明においては、前記したように、測定された成膜中の放電電圧と予め設定された閾値を定常的に比較して、閾値よりも低い放電電圧の絶対値が測定された場合に放電位置が台座部に移動したと判定して放電を一時停止させることにより、台座部に放電位置が移動した状態で放電が行われることを防止して、マクロパーティクルの発生を確実に防止することができる。そして、粒界が存在しないガラス状炭素や積層状炭素を用いて形成された突起部でのみアーク放電を行うため、マクロパーティクルのない良質な薄膜を基材表面に成膜させることができる。
【００４３】
請求項８に記載の発明は、
前記陰極の前記突起部の形状が、略円柱状、略円錐状、略円錐台状、略角柱状、略角錐台状、もしくはこれらの組み合わせであることを特徴とする請求項７に記載の真空アーク蒸着装置である。
【００４４】
請求項９に記載の発明は、
前記突起部が棒状に形成されていると共に、前記台座部に貫通孔が設けられており、前記棒状の突起部が前記台座部の貫通孔にスライド自在に挿通されて前記陰極が構成されており、
前記突起部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７または請求項８に記載の真空アーク蒸着装置である。
【００４５】
請求項１０に記載の発明は、
前記陰極の周囲に静磁場もしくは動磁場を形成する磁界発生手段が設けられていることを特徴とする請求項７ないし請求項９のいずれか１項に記載の真空アーク蒸着装置である。
【００４６】
請求項１１に記載の発明は、
前記台座部を覆う台座カバー部が設けられており、
前記台座カバー部が、前記ガラス状炭素または前記積層状炭素により形成されていることを特徴とする請求項７ないし請求項１０のいずれか１項に記載の真空アーク蒸着装置である。
【００４７】
請求項１２に記載の発明は、
請求項１ないし請求項６のいずれか１項に記載の真空アーク蒸着法を用いて成膜された薄膜である。
【００４８】
上記した真空アーク蒸着法を用いることにより、アーク放電中のマクロパーティクルの発生を確実に防止することができるため、良質な薄膜を提供することができる。
【００４９】
請求項１３に記載の発明は、
請求項１２に記載の薄膜を有していることを特徴とする物品である。
【００５０】
上記した真空アーク蒸着法を用いて得られた薄膜は、様々な物品に好ましく用いることができる。特に好ましい物品としては、機械部品、自動車部品、金型、家電部品、刃物、針、各種の治具、および輸送機械、工作機械、家電製品、スポーツ用品、レジャー用品、医療用品等を挙げることができる。そして、上記の真空アーク蒸着法によって従来よりも良質な薄膜が形成された物品は、高性能の完成品（機械、自動車、その他のシステムなど）の作製に好ましく用いることができる。
【発明の効果】
【００５１】
本発明によれば、陰極の材料にカーボン材料を用いてＤＬＣ膜を成膜する場合に、アーク放電中にマクロパーティクルが発生することを確実に防止して、基材表面に良質な薄膜を成膜することができる真空アーク蒸着法および真空アーク蒸着装置を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００５２】
【図１】ガラス状炭素からなる突起部と、焼結構造のカーボン材料からなる台座部とを備えた陰極を用いた場合のアーク放電中の放電電圧波形の変化の測定結果を示す図である。
【図２】ガラス状炭素からなる突起部と、ガラス状炭素からなる台座カバー部に覆われた台座部とを備えた陰極を用いた場合のアーク放電中の放電電圧波形の変化の測定結果を示す図である。
【図３】本発明の一実施の形態に係る真空アーク蒸着装置の概略図である。
【図４】図１の測定結果の５０点データの平均値の算出結果を示す図である。
【図５】本発明の他の実施の形態に係る真空アーク蒸着装置の概略図である。
【図６】本発明の他の実施の形態に係る真空アーク蒸着装置の陰極を模式的に示した図である。
【図７】図２の測定結果の１００点データの平均値の算出結果を示す図である。
【図８】本発明の他の実施の形態に係る真空アーク蒸着装置の陰極を模式的に示した図である。
【図９】真空アーク蒸着装置の概略図である。
【図１０】突起部を有する陰極の斜視図である。
【発明を実施するための形態】
【００５３】
以下、本発明を実施の形態に基づき、図面を用いて説明する。
【００５４】
図３は本実施の形態に係る真空アーク蒸着装置の模式図である。図３に示すように、本実施の形態に係る真空アーク蒸着装置は、従来の真空アーク蒸着装置と同様に、真空チャンバー１と、陰極２と、電源４、７と、バッキングプレート６を備えており、陰極２に対向するように保持台３Ａに保持された基材３が真空チャンバー１内に収容されている。なお、図示は省略するが、真空チャンバー１には、ターボ分子ポンプやロータリーポンプなどの排気系や、アーク放電の点弧を実施するトリガー機構などが取り付けられている。
【００５５】
本実施の形態に係る陰極２は、円盤状の台座部１０と、台座部１０から突出する略円柱状の突起部９を備えており、台座部１０が焼結構造のカーボン材料により形成されていると共に、突起部９がガラス状炭素により形成されている。前記したように、ガラス状炭素は粒界が存在していないためにアーク放電中にマクロパーティクルを生じさせるようなことがなく、放電位置が突起部９に存在する間はマクロパーティクルの発生を適切に防止することができる。
【００５６】
なお、本実施の形態においては突起部９がガラス状炭素により形成されているが、このガラス状炭素の替わりに、熱分解性カーボン（パイロリティックカーボン）などの積層状炭素を用いてもよい。
【００５７】
また、本実施の形態においては、台座部１０が焼結構造のカーボン材料で形成されているが、焼結構造のカーボン材料の替わりに、銅等の金属材料や他の導電性材料を用いてもよい。この場合でも、放電位置が突起部９から台座部１０に移動した際に、放電電圧の絶対値が変化するため、放電位置が台座部１０に移動したことを正確に検出することができる。
【００５８】
また、突起部９の数は特に限定されず、複数形成されていてもよい。そして、突起部の形状は特に限定されないが、上記した略円柱状や、略円錐状、略円錐台状、略角柱状、略角錐台状、あるいは、これらの形状を組み合わせて複数の突起部を形成させることが好ましい。
【００５９】
本実施の形態に係る真空アーク蒸着装置は、さらに、アーク放電中の陰極２における放電電圧を測定する電圧測定手段と、放電位置が突起部９であるか否かを判定する判定手段と、判定手段の判定結果に基づいてアーク放電の開始および停止を制御する放電制御手段とを備えている。
【００６０】
具体的には、本実施の形態に係る真空アーク蒸着装置は、陰極２のバッキングプレート６と電源７とに接続された制御装置８を備えており、この制御装置８に上記の電圧測定手段、判定手段、放電制御手段が内蔵されている。なお、これらの手段は、それぞれ個別の装置に設けられていてもよく、全て若しくは一部が電源７に内蔵されていてもよい。
【００６１】
電圧測定手段は、アーク放電中の陰極２における放電電圧を定常的に測定し、測定結果を判定手段に送信する。例えば、前記した通り、図１では、放電位置が突起部９に有る場合（０〜３０ｓｅｃ）には放電電圧の絶対値が２５〜５０Ｖの間で変化しており、突起部９以外の台座部１０に有る場合（３０ｓｅｃ以降）には放電電圧の絶対値が１０〜４０Ｖと低くなっている。これは、ガラス状炭素からなる突起部９が、焼結構造のカーボン材料などからなる台座部１０に比べて高い抵抗値を有しているためである。
【００６２】
判定手段には、放電電圧に対する閾値が予め設定されており、電圧測定手段による測定結果と閾値とを定常的に比較する。そして、測定結果（放電電圧の絶対値）が閾値よりも低くなった場合に放電位置が突起部９以外に位置していると判定し、判定結果を放電制御手段に送信する。
【００６３】
例えば、図１のような測定結果が得られるような真空アーク蒸着装置の場合、判定手段に２３Ｖの閾値が設定されており、判定手段は、放電電圧の絶対値の測定結果が設定された閾値を超えた場合に、放電位置が台座部１０に移動したと判定する。
【００６４】
放電制御手段は、放電位置が突起部９以外に位置しているとの判定結果を受信すると、電源７やトリガー機構などに信号を送信してアーク放電を一時停止させ、一定時間が経過した後にアーク放電を再開させる。これにより、放電位置が正常なアーク放電の位置である突起部９の先端に戻る。
【００６５】
上記の通り、本実施の形態によれば、突起部９以外の台座部１０などに放電位置が移動したことを速やかに検出、判定して、その判定結果に基づいてアーク放電の一時停止と再開を行うため、マクロパーティクルが発生する状態でアーク放電が継続して行われることを防止して、放電位置をマクロパーティクルが発生する恐れのない突起部９に維持することができ、アーク放電中のマクロパーティクルの発生を確実に防止して、基材表面に良質な薄膜を成膜することができる。
【００６６】
なお、図１に示すように、測定される放電電圧には、放電位置が突起部９にある場合と台座部１０に移動した場合のいずれにおいても振れ幅があり、この振れ幅が大きくなると、放電位置が突起部９と台座部１０のいずれにあるのかを厳密・正確に判別することが困難になる恐れがある。そこで、このような場合には、電圧測定手段により測定された放電電圧の平均値を求める波形処理を行い、波形処理された放電電圧と予め設定された閾値とを比較することにより、陰極におけるアーク放電の位置が突起部であるか否かを判定することが好ましい。
【００６７】
例えば、図１はサンプリング周期０.０１ｓｅｃによって測定された放電電圧波形であり、隣り合う５０点のデータの平均値を順次求めるような波形処理を行うことにより、図４に示すような波形が得られる。この波形は、図１に示すような放電電圧の実測値に比べて振れ幅が非常に小さくなる。そして、この波形処理後の波形における放電電圧の絶対値に対する閾値を３０Ｖ弱とすることによって、絶対値が３０Ｖ以上ならば放電位置が突起部９にあり、３０Ｖ未満ならば放電位置が台座部１０に移動していると判定することができる。
【００６８】
これにより、放電電圧の測定結果の絶対値が予め設定された閾値よりも低いか否かの判定が容易になり、放電位置をより厳密・正確に検知することができるため、マクロパーティクルの発生をより確実に防止して、極めて良質な薄膜を成膜することができる。
【００６９】
なお、上記では、５０点のデータの平均値を順次求めることにより放電電圧の波形処理を行ったが、平均値を求めるためのデータ点数は５０点に限られない。
【００７０】
データ点数を多く設定すると波形処理後の波形の振れ幅が更に小さくなるため、より正確な判定結果に基づいてアーク放電の停止および開始を制御できる一方で、多く設定しすぎると判定に要する時間が長くなるため、放電位置が台座部１０に移動したことを判定するまでの間、マクロパーティクルが発生し続けて、基材表面へのマクロパーティクルの飛来量、付着量が多くなり、却って成膜表面粗度が悪化する恐れがある。
【００７１】
データ点数を少なく設定すると判定に要する時間が短くなり、マクロパーティクルの発生時間を短くすることができる一方で、少なく設定しすぎると波形処理後の波形の振れ幅が大きくなるため、放電位置が突起部９にある場合と台座部１０に移動した場合を厳密・正確に判別することが難しくなる恐れがある。
【００７２】
従って、放電電圧の波形処理を行う際のデータ点数は、上記した問題が発生しないような数に設定することが好ましい。そして、放電電圧の波形処理は、上記した複数のデータの平均化に限られず、例えば、積分回路を通すことによって行うこともできる。この場合も、複数のデータの平均化を行った場合と同様の効果を得ることができる。
【００７３】
ところで、アーク放電を長時間継続して行うとカーボン材料の蒸発により突起部が短くなるため、厚膜を成膜する場合には、突起部の長さを長くしたり、あるいは突起部を多く設ける必要がある。しかし、前者の場合には配置的な制約があり、後者の場合はアーク放電の一時停止の頻度が増えて製造効率が低下する可能性がある。このため、真空アーク蒸着装置の陰極には、アーク放電により突起部が短くなった際に突起部を基材に向けて送り出すことができる送り出し機構が設けられていることが好ましい。
【００７４】
図５は送り出し機構を設けた真空アーク蒸着装置を模式的に示す図である。この真空アーク蒸着装置の陰極２では、台座部１０に貫通孔が設けられており、この貫通孔に棒状の突起部９がスライド自在に挿入されている。
【００７５】
そして、棒状の突起部９の一端に、突起部９を突出方向に送り出す送り出し機構１１が取り付けられていると共に、棒状の突起部９をスムーズに突出方向に送り出すためのベアリング１９が突起部９の周囲に配置されている。
【００７６】
このような真空アーク蒸着装置の場合、アーク放電の継続により突起部９が短くなり、放電位置が台座部１０に移動することによる一時停止の頻度が増加した際に、制御装置などにより送り出し機構１１を稼働させて突起部９を基材３が配置されている方向に向けて送り出す。これにより、安定したアーク放電を長時間持続させて、生産性を向上させることができる。
【００７７】
具体的な一例として、基材３の表面に厚さ１．０μｍ程度の薄膜を成膜する場合には、突起部９の長さは２００ｍｍ程度が好ましく、送り出し機構１１は、この長さが維持されるように、突起部９を順次連続的に送り出す、若しくは一定の間隔で所定長さの突起部９を送り出すことが好ましい。
【００７８】
また、陰極の近傍（例えば図３中のバッキングプレート６の背面）に磁石を配置し、陰極の周囲に静磁場もしくは動磁場を形成することにより、前記の通り、アーク放電を安定させることができ好ましい。
【００７９】
さらに、図６に示すように、台座部１０は、ガラス状炭素または積層状炭素より形成されている台座カバー部１２で覆われていることが好ましい。この場合、放電位置が台座部１０に移動した場合であっても、マクロパーティクルの発生を確実に防止できる。
【００８０】
なお、前記したように、台座カバー部１２に放電位置が移動した状態でアーク放電が継続すると、台座カバー部１２の割れが発生する恐れがあるが、本実施の形態においては、上記した放電電圧の絶対値の差に基づいて、突起部９以外の台座カバー部１２などに放電位置が移動したことを速やかに検出、判定して、その判定結果に基づいてアーク放電の一時停止と再開を行うことにより台座カバー部１２の割れを適切に防止することができる。
【００８１】
具体的には、ガラス状炭素または積層状炭素からなる台座カバー部１２を設けた場合であっても、突起部９と台座カバー部１２との間で形状が異なるため抵抗値に差が生じる。これにより、図２に示すように、放電位置が台座部１０（台座カバー部１２）に有る場合の放電電圧の絶対値（２０Ｖ程度）は、突起部９に有る場合にある場合の絶対値（２５Ｖ程度）よりも低くなり、この放電電圧の絶対値の変化が台座カバー部１２に放電位置が移動した瞬間を正確に検知する指標として適用することができ、突起部９以外の台座カバー部１２などに放電位置が移動したことを速やかに検出することができる。
【００８２】
また、上記した実施の形態と同様に、電圧測定手段により測定された放電電圧の平均値を求める波形処理を行うことにより、台座カバー部１２などに放電位置が移動したことをより正確に検出することができる。
【００８３】
例えば、前記した図２は、サンプリング周期０.０１ｓｅｃによって測定された放電電圧波形であり、隣り合う１００点のデータの平均値を順次求めるような波形処理を行うことにより図７に示すような波形が得られる。なお、放電電圧の波形処理を行う際のデータ点数は、前記したように、判定に要する時間をある程度短くすることができ、かつ、台座カバー部１２に移動した場合を厳密・正確に判別できる程度の数に設定することが好ましい。
【００８４】
さらに、図８に示すように、上記した送り出し機構１１を設けた場合であっても、台座部１０に、ガラス状炭素または積層状炭素からなる台座カバー部１２を設けることができ、この場合にも、上記したように、安定したアーク放電を長時間持続させて、生産性を向上させることができる。
【００８５】
また、上記したように、真空アーク蒸着法においては、放電位置が、突起部９の先端部から根元側に突然飛び移ることがある。この場合の放電位置は突起部にあるため、マクロパーティクルの発生や台座カバー部の割れなどが生じることはないが、放電位置が台座部に到達するまでの残りの突起部の長さが短くなるため、このまま成膜を継続すると充分な厚みの薄膜を成膜できなくなる。
【００８６】
このような放電位置が飛び移ったことを正確に検出するために、単位時間あたりの放電電圧の変化量（以下、「放電電圧の時間変化」ともいう）を求め、得られた放電電圧の時間変化が所定の値を超えた場合に、アーク放電を停止することが好ましい。
【００８７】
例えば、長さ６０ｍｍの突起部において、放電位置が突起部９の先端付近にある場合３５Ｖ程度の放電電圧が測定され、放電位置が根元側に４０ｍｍ程度移動すると、放電電圧が２５Ｖ程度まで減少する。
【００８８】
このとき、放電位置がスパイラル状に徐々に移動した場合においても、突然に飛び移った場合においても、放電電圧の絶対値が同じ２５Ｖ程度になるため、放電電圧のみでは両者を区別することができないが、放電電圧の時間変化に基づいて区別することが可能である。
【００８９】
具体的には、放電電流などの放電条件によって異なるが、スパイラル状に除々に移動する場合の放電位置の移動速度が７ｍｍ／ｍｉｎ程度の場合、放電電圧の時間変化は１０Ｖ／４０ｍｍ×７ｍｍ／ｍｉｎ＝０．０２９Ｖ／ｓｅｃとなる。
【００９０】
一方、放電位置が飛び移った場合、０．１ｓｅｃで１０ｍｍ程度移動するため、放電電圧の時間変化は１０Ｖ／４０ｍｍ×１０ｍｍ／０．１ｓｅｃ＝２５Ｖ／ｓｅｃとなる。
【００９１】
即ち、放電位置が飛び移った場合には、スパイラル状に除々に移動する場合よりも、放電電圧の時間変化がはるかに大きくなるため、放電電圧の時間変化が０．１Ｖ／ｓｅｃを超えた際に、放電位置が突起部の根元側に飛び移ったと判定して、アーク放電を一旦停止して再開させることにより、再び先端側に放電位置を戻すことができ、適切な膜厚の薄膜を成膜することができる。
【００９２】
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】
【００９３】
１          真空チャンバー
２          陰極
３          基材
３Ａ        保持台
４、７      電源
６          バッキングプレート
８          制御装置
９          突起部
１０        台座部
１１        送り出し機構
１２        台座カバー部
１９        ベアリング
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
2016029202.tif 000006
【図５】
2016029202.tif 000007
【図６】
2016029202.tif 000008
【図７】
2016029202.tif 000009
【図８】
2016029202.tif 000010
【図９】
2016029202.tif 000011
【図１０】
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