(57)【要約】【課題】陰極部材にガラス状炭素を用いて放電点弧した際に、陰極部材に急激な温度上昇が生じても、安定したスパークレス放電を継続することができる陰極部材および前記陰極部材を用いたプラズマ装置を提供する。【解決手段】真空アーク放電に用いられる陰極部材であって、ガラス状炭素からなり、下記式（１）で表される指数Ｆが７．３よりも大きい陰極部材。      Ｆ＝Ｒ×ｄ                  （１）        但し、Ｒ＝σ×λ／α／Ｅ  （２）  なお、式（１）中のＲは熱衝撃抵抗［１０９Ｗ／ｍ］、ｄは陰極部材の中心軸に垂直な断面の断面積と同じ面積をもつ円の直径［ｍｍ］であり、式（２）中のσは曲げ強度［ＭＰａ］、λは熱伝導率［Ｗ／ｍＫ］、αは熱膨張率［／１０６Ｋ］、Ｅはヤング率［ＧＰａ］である。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
真空アーク放電に用いられる陰極部材であって、
ガラス状炭素からなり、下記式（１）で表される指数Ｆが７．３よりも大きいことを特徴とする陰極部材。
Ｆ＝Ｒ×ｄ                  （１）
但し、Ｒ＝σ×λ／α／Ｅ  （２）
なお、式（１）中のＲは熱衝撃抵抗［１０９Ｗ／ｍ］、ｄは前記陰極部材の中心軸に垂直な断面の断面積と同じ面積をもつ円の直径［ｍｍ］であり、式（２）中のσは曲げ強度［ＭＰａ］、λは熱伝導率［Ｗ／ｍＫ］、αは熱膨張率［／１０６Ｋ］、Ｅはヤング率［ＧＰａ］である。
【請求項２】
前記陰極部材が、柱状部分を少なくとも１つ有していることを特徴とする請求項１に記載の陰極部材。
【請求項３】
前記陰極部材が、１本の棒状の部材であることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の陰極部材。
【請求項４】
前記陰極部材の中心軸に垂直な断面形状が、円形状、楕円形状、多角形状、角部に丸みを付けた多角形状のいずれかであ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項に記載の陰極部材。
【請求項５】
前記陰極部材が、円柱状あるいは略円柱状であ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項に記載の陰極部材。
【請求項６】
前記陰極部材の表面粗度Ｒａが、１５．４μｍよりも小さい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項に記載の陰極部材。
【請求項７】
前記陰極部材を形成するガラス状炭素が、グラッシーカーボン、アモルファスカーボン、非晶質カーボン、非定形炭素、無定形炭素、非黒鉛化炭素のいずれかであることを特徴とする請求項１ないし請求項６のいずれか１項に記載の陰極部材。
【請求項８】
真空チャンバーと、前記真空チャンバー内に取り付けられた陰極部材とを備え、
前記陰極部材が、ガラス状炭素からなり、下記式（１）で表される指数Ｆが７．３よりも大きいことを特徴とするプラズマ装置。
Ｆ＝Ｒ×ｄ                  （１）
但し、Ｒ＝σ×λ／α／Ｅ  （２）
なお、式（１）中のＲは熱衝撃抵抗［１０９Ｗ／ｍ］、ｄは前記陰極部材の中心軸に垂直な断面の断面積と同じ面積をもつ円の直径［ｍｍ］であり、式（２）中のσは曲げ強度［ＭＰａ］、λは熱伝導率［Ｗ／ｍＫ］、αは熱膨張率［／１０６Ｋ］、Ｅはヤング率［ＧＰａ］である。
【請求項９】
前記陰極部材が、柱状部分を少なくとも１つ有していることを特徴とする請求項８に記載のプラズマ装置。
【請求項１０】
前記陰極部材に対する放電電流Ｉが、下記式（３）を満足するように、前記放電電流Ｉを制御することを特徴とする請求項８または請求項９に記載のプラズマ装置。
Ｉ＜２．７３×Ｆ          （３）
【請求項１１】
前記陰極部材が、１本の棒状の部材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項に記載のプラズマ装置。
【請求項１２】
前記陰極部材の中心軸に垂直な断面形状が、円形状、楕円形状、多角形状、角部に丸みを付けた多角形状のいずれかであることを特徴とする請求項８ないし請求項１１のいずれか１項に記載のプラズマ装置。
【請求項１３】
前記陰極部材が、円柱状あるいは略円柱状であることを特徴とする請求項８ないし請求項１２のいずれか１項に記載のプラズマ装置。
【請求項１４】
前記真空チャンバー内に配置される基材を保持するための保持部材を備えた真空アーク蒸着装置であることを特徴とする請求項８ないし請求項１３のいずれか１項に記載のプラズマ装置。
【請求項１５】
アークスポットが前記陰極部材の側面をスパイラル状に移動するように、前記陰極部材の周辺に磁界を発生させる磁界発生手段を備えていることを特徴とする請求項１４に記載のプラズマ装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、陰極部材および前記陰極部材を用いたプラズマ装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来より、基材表面に薄膜を形成するプラズマ装置の陰極部材には、円盤状の陰極部材が用いられており、例えば、真空アーク放電を利用した真空アーク蒸着装置では、この陰極部材の材料に焼結構造のカーボン材料が使用されている（特許文献１参照）。
【０００３】
しかし、このような陰極部材を用いた場合、放電中に大量のスパーク（火花）が生じてマクロパーティクル（サイズ５ｎｍ〜数μｍのカーボン粒）を生じ、このマクロパーティクルが基材に飛来・付着することによって成膜された薄膜の表面粗度が悪くなるという不具合があった。
【０００４】
このようなスパークの発生を抑制して薄膜の表面粗度を改善するために、従来の円盤状の陰極部材に替えて、図２に示すような円盤状の台座部２１から突出した陰極部材２２が用いられている。
【０００５】
そして、近年では、陰極部材にガラス状炭素を使用したプラズマ装置が提案されている（例えば、特許文献２参照）。このガラス状炭素は粒界を有しないため、スパークレス放電を継続してマクロパーティクルの発生を防止して、薄膜の表面粗度を劇的に改善することができる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開平１１−３６０６３号公報
【特許文献２】特開２０１４−１３３９１２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかしながら、上記したガラス状炭素を用いて円盤状の陰極部材を作成した場合、放電点弧した際の急激な温度上昇により放電開始から１分程度で陰極部材が破損してしまい、スパークレス放電を継続することができなくなることがあった。
【０００８】
一方、図２に示すような柱状の陰極部材２２にガラス状炭素を用いた場合には、円盤状の陰極部材の場合のような陰極部材の破損が生じることは無かったが、放電点弧した際の急激な温度上昇により陰極部材が瞬時に粉砕してしまい、同様にスパークレス放電を継続することができなくなることがあった。
【０００９】
そこで、本発明は、陰極部材にガラス状炭素を用いて放電点弧した際に、陰極部材に急激な温度上昇が生じても、安定したスパークレス放電を継続することができる陰極部材および前記陰極部材を用いたプラズマ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】
【００１０】
請求項１に記載の発明は、
真空アーク放電に用いられる陰極部材であって、
ガラス状炭素からなり、下記式（１）で表される指数Ｆが７．３よりも大きいことを特徴とする陰極部材である。
Ｆ＝Ｒ×ｄ                  （１）
但し、Ｒ＝σ×λ／α／Ｅ  （２）
なお、式（１）中のＲは熱衝撃抵抗［１０９Ｗ／ｍ］、ｄは前記陰極部材の中心軸に垂直な断面の断面積と同じ面積をもつ円の直径［ｍｍ］であり、式（２）中のσは曲げ強度［ＭＰａ］、λは熱伝導率［Ｗ／ｍＫ］、αは熱膨張率［／１０６Ｋ］、Ｅはヤング率［ＧＰａ］である。
【００１１】
本発明者が上記課題の解決について種々の実験と検討を繰り返す中で、前記した柱状の陰極部材の急激な温度上昇による粉砕の発生には熱衝撃抵抗Ｒおよび陰極部材の直径ｄが大きく関係していることが分かった。
【００１２】
即ち、熱衝撃抵抗Ｒは、一定の直径の陰極部材に急激な温度上昇に伴う熱の衝撃が加えられた際に、この熱による衝撃に耐えることができる程度を示す値であり、熱衝撃抵抗Ｒが大きい場合には急激な温度上昇があっても粉砕し難く、熱衝撃抵抗Ｒが小さい場合には緩やかな温度上昇であっても粉砕し易い。
【００１３】
なお、この熱衝撃抵抗Ｒ［１０９Ｗ／ｍ］は、陰極部材の曲げ強度σ［ＭＰａ］、熱伝導率λ［Ｗ／ｍＫ］、熱膨張率α［／１０６Ｋ］、ヤング率Ｅ［ＧＰａ］を用いて下式のように表すことができる。
Ｒ＝σ×λ／α／Ｅ          （２）
【００１４】
一方、一定の熱衝撃抵抗の陰極部材に熱が加えられた際に、直径ｄが大きければこの熱による衝撃に耐えて粉砕の発生を抑制することができるため、陰極部材の直径ｄも、急激な温度上昇に伴う粉砕の発生に関係していることが分かる。
【００１５】
本発明者は、さらに、この熱衝撃抵抗Ｒおよび直径ｄが、陰極部材の粉砕とどのように関係しているかについて、実験と検討を行った。その結果、熱衝撃抵抗Ｒと直径ｄとの積（Ｒ×ｄ）を指数Ｆとして、Ｆが７．３よりも大きければ陰極部材の急激な温度上昇による粉砕の発生を適切に抑制して、安定したスパークレス放電を継続することができることが分かった。
【００１６】
そして、本発明者がさらに実験を重ねた結果、陰極部材が柱状の陰極部材でなくとも、上記した式（１）中のＦが７．３よりも大きいという条件を満たしている場合には、安定したスパークレス放電を継続できることが分かり、本請求項の発明を完成するに至った。
【００１７】
請求項２に記載の発明は、
前記陰極部材が、柱状部分を少なくとも１つ有していることを特徴とする請求項１に記載の陰極部材である。
【００１８】
本発明において、陰極部材としては、柱状部分を少なくとも１つ有している陰極部材を好ましく用いることができる。
【００１９】
請求項３に記載の発明は、
前記陰極部材が、１本の棒状の部材であることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の陰極部材である。
【００２０】
図２に示すような台座部上に陰極部材が設けられた構造の場合、アーク放電の陰極点であるアークスポットが台座部に移動した際にスパークが発生する恐れがある。これに対して、本請求項の発明においては、陰極部材の構造を１本の棒状の部材とすることにより、スパークの発生を防止して安定したスパークレス放電を継続することができる。また、台座部を作成する必要がないため、材料コストの低減に貢献することができる。
【００２１】
請求項４に記載の発明は、
前記陰極部材の中心軸に垂直な断面形状が、円形状、楕円形状、多角形状、角部に丸みを付けた多角形状のいずれかであ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項に記載の陰極部材である。
【００２２】
これらの形状を有する陰極部材を用いることにより、安定したスパークレス放電を継続することができる。
【００２３】
請求項５に記載の発明は、
前記陰極部材が、円柱状あるいは略円柱状であ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項に記載の陰極部材である。
【００２４】
円柱状あるいは略円柱状の陰極部材を用いた場合、特に安定したスパークレス放電を継続することができ好ましい。
【００２５】
請求項６に記載の発明は、
前記陰極部材の表面粗度Ｒａが、１５．４μｍよりも小さい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項に記載の陰極部材である。
【００２６】
表面粗度が小さい陰極部材の場合、放電中にアークスポットが陰極部材以外の位置に移動することを防止して、安定したスパークレス放電を継続することができる。
【００２７】
請求項７に記載の発明は、
前記陰極部材を形成するガラス状炭素が、グラッシーカーボン、アモルファスカーボン、非晶質カーボン、非定形炭素、無定形炭素、非黒鉛化炭素のいずれかであることを特徴とする請求項１ないし請求項６のいずれか１項に記載の陰極部材である。
【００２８】
陰極部材を構成するガラス状炭素として、これらのカーボン材料を用いることにより、スパークレス放電をより安定して継続することができる。
【００２９】
請求項８に記載の発明は、
真空チャンバーと、前記真空チャンバー内に取り付けられた陰極部材とを備え、
前記陰極部材が、ガラス状炭素からなり、下記式（１）で表される指数Ｆが７．３よりも大きいことを特徴とするプラズマ装置である。
Ｆ＝Ｒ×ｄ                  （１）
但し、Ｒ＝σ×λ／α／Ｅ  （２）
なお、式（１）中のＲは熱衝撃抵抗［１０９Ｗ／ｍ］、ｄは前記陰極部材の中心軸に垂直な断面の断面積と同じ面積をもつ円の直径［ｍｍ］であり、式（２）中のσは曲げ強度［ＭＰａ］、λは熱伝導率［Ｗ／ｍＫ］、αは熱膨張率［／１０６Ｋ］、Ｅはヤング率［ＧＰａ］である。
【００３０】
前記したように、陰極部材がガラス状炭素から形成されており、指数Ｆ（＝Ｒ×ｄ）が７．３よりも大きい場合、安定したスパークレス放電を継続することができる。
【００３１】
請求項９に記載の発明は、
前記陰極部材が、柱状部分を少なくとも１つ有していることを特徴とする請求項８に記載のプラズマ装置である。
【００３２】
前記したように、本発明において、陰極部材としては、柱状部分を少なくとも１つ有している陰極部材を好ましく用いることができる。
【００３３】
請求項１０に記載の発明は、
前記陰極部材に対する放電電流Ｉが、下記式（３）を満足するように、前記放電電流Ｉを制御することを特徴とする請求項８または請求項９に記載のプラズマ装置である。
Ｉ＜２．７３×Ｆ          （３）
【００３４】
本発明者が実験を行ったところ、指数Ｆが７．３よりも大きい陰極部材を用いたとしても、放電電流Ｉが大きすぎると、安定したスパークレス放電を継続できないことが分かった。
【００３５】
そこで、安定したスパークレス放電を継続できる適切な放電電流Ｉを求めて、さらに実験を行ったところ、下式（３）を満足すればよいことが分かった。
Ｉ＜２．７３×Ｆ          （３）
【００３６】
請求項１１に記載の発明は、
前記陰極部材が、１本の棒状の部材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項に記載のプラズマ装置である。
【００３７】
前記したように、１本の棒状の部材を陰極部材として用いることにより、スパークの発生を防止して安定したスパークレス放電を継続することができる。
【００３８】
請求項１２に記載の発明は、
前記陰極部材の中心軸に垂直な断面形状が、円形状、楕円形状、多角形状、角部に丸みを付けた多角形状のいずれかであることを特徴とする請求項８ないし請求項１１のいずれか１項に記載のプラズマ装置である。
【００３９】
前記したように、これらの形状を有する陰極部材を用いることにより、安定したスパークレス放電を継続することができる。
【００４０】
請求項１３に記載の発明は、
前記陰極部材が、円柱状あるいは略円柱状であることを特徴とする請求項８ないし請求項１２のいずれか１項に記載のプラズマ装置である。
【００４１】
前記したように、陰極部材の形状を円柱状あるいは略円柱状とした場合、より安定したスパークレス放電を継続することができ好ましい。
【００４２】
請求項１４に記載の発明は、
前記真空チャンバー内に配置される基材を保持するための保持部材を備えた真空アーク蒸着装置であることを特徴とする請求項８ないし請求項１３のいずれか１項に記載のプラズマ装置である。
【００４３】
真空アーク蒸着装置の真空チャンバー内に基材を保持することにより、真空アーク蒸着時、安定した成膜が可能となり、基材表面にカーボン膜を形成するためのプラズマ装置として好ましく用いることができる。
【００４４】
請求項１５に記載の発明は、
アークスポットが前記陰極部材の側面をスパイラル状に移動するように、前記陰極部材の周辺に磁界を発生させる磁界発生手段を備えていることを特徴とする請求項１４に記載のプラズマ装置である。
【００４５】
放電中のアークスポットを、磁界発生手段により陰極部材の側面をスパイラル状に移動させることにより、陰極部材に対向して配置された基材の表面に均一な薄膜を形成することができる。
【発明の効果】
【００４６】
本発明によれば、陰極部材にガラス状炭素を用いて放電点弧した際に、陰極部材に急激な温度上昇が生じても、安定したスパークレス放電を継続することができる陰極部材および前記陰極部材を用いたプラズマ装置を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００４７】
【図１】本発明の一実施の形態に係るプラズマ装置の構成を示す概略図である。
【図２】陰極部材および台座部の斜視図である。
【図３】実験１〜実験４における結果の分布を示す図である。
【図４】図３においてスパークレス放電が継続した領域を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００４８】
以下、本発明の実施の形態について図面を参照しつつ説明する。なお、本実施の形態においては、先ず、プラズマ装置の基本的な構成について説明した後、本発明の特徴部分である陰極部材について説明し、さらに、このような陰極部材が設けられたプラズマ装置を用いて行う成膜について説明する。そして、最後に、急激な温度上昇が生じても陰極部材が粉砕しない場合の指数Ｆが７．３より大きいということを特定した実験など本発明者が本発明に至るまでに行った主要な実験結果について説明する。
【００４９】
１．プラズマ装置
先ず、プラズマ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プラズマ装置の構成を示す概略図である。なお、本実施の形態においては、プラズマ装置として、真空アーク放電を利用して基材表面に薄膜を形成する真空アーク蒸着装置を用いている。
【００５０】
図１に示すように、このプラズマ装置１００は、陰極部材２２以外は、従来のプラズマ装置と同様の構成である。具体的には、プラズマ装置１００は、真空チャンバー１と、陰極部材２２と、台座部２１と、バッキングプレート４と、保持部材３と、電源７および電源８と、マグネット９とを備えている。なお、図１中の５はプラズマであり、６は基材である。
【００５１】
（１）真空チャンバー
真空チャンバー１は接地ノードＧＮＤに接続されている。また、図示は省略するが、真空チャンバー１には排気口が設けられており、ターボ分子ポンプやロータリーポンプなどの排気系によって真空チャンバー１を所定の真空度まで真空排気することができる。
【００５２】
（２）陰極部材
本実施の形態においては、陰極部材２２が、円盤状の台座部２１に取り付けられている。台座部２１は、バッキングプレート４を介して真空チャンバー１と絶縁された状態で設置されており、カーボン材料から形成されている。
【００５３】
台座部２１は、例えば、略円板状の部材であり、一方の面がバッキングプレート４に取り付けられ、他方の面が基材６に向けられている（図１参照）。以下、説明の便宜上、台座部２１の基材６に向けられた面を台座部２１の上面という。
【００５４】
陰極部材２２は、中心軸に垂直な断面が例えば円形である円柱状の部材であり、台座部２１の上面から基材６に向かって突出している。
【００５５】
（３）保持部材
保持部材３は、真空チャンバー１内において、陰極部材２２と対向するように配置されており、複数の基材６が保持できるように構成されている。保持部材３は回転可能に取り付けられており、プラズマ照射中に保持部材３を回転させることにより基材６の各々の表面に一様に薄膜を形成することができる。
【００５６】
（４）マグネット
図１に示すように、本実施の形態においては、真空チャンバー１の外部に磁界発生手段としてのマグネット９が設けられている。このマグネット９は、台座部２１の背面近傍に配置されており、陰極部材２２の軸方向および径方向に向かう磁界を生じさせるように配置されている。これにより、アーク放電中のアークスポットを陰極部材２２の側面をスパイラル状に移動させることができる。
【００５７】
（５）電源
電源７は、保持部材３に接続されており、保持部材３を介して基材６に負の電圧（バイアス電圧）を印加する。また、電源７は接地ノードＧＮＤにも接続されている。一方、電源８は、バッキングプレート４に接続されており、バッキングプレート４および台座部２１を介して陰極部材２２に負の電圧を印加する。また、電源７と同様に電源８も接地ノードＧＮＤに接続されている。
【００５８】
（６）トリガー電極
図示を省略するが、プラズマ装置１００にはトリガー電極が設けられており、トリガー電極を陰極部材２２に接触させることにより、陰極部材２２とチャンバー１内壁との間でアーク放電を生じさせ、陰極部材２２のカーボン材料を蒸発させて、陰極部材２２に対向して配置された基材２１にカーボン材料を蒸着させることができる。
【００５９】
（７）ガス供給手段
プラズマ装置１００には、所定の機能を有するガスを真空チャンバー１内に供給するガス供給手段（図示略）がさらに設けられていてもよく、このようなガスとしては、例えば、アルゴン等の希ガス、窒素ガス、ジボラン、フォスフィン等を挙げることができる。
【００６０】
２．本実施の形態に係る陰極部材
次に、本発明の特徴部分である陰極部材について説明する。
【００６１】
（１）陰極部材の材料について
本発明の陰極部材においては、前記したように、陰極部材２２が、構造的に粒界が存在しないガラス状炭素から形成されている。このガラス状炭素は、例えば、フェノール樹脂等の熱硬化性樹脂を焼成、炭素化することにより製造される。
【００６２】
このようなガラス状炭素としては、グラッシーカーボン（ｇｌａｓｓｙ  ｃａｒｂｏｎ）、アモルファスカーボン、非晶質カーボン、非定形炭素、無定形炭素、非黒鉛化炭素等があり、具体的には、日清紡ケミカル社製のガラス状カーボンや東海カーボン社製のグラッシーカーボン等を挙げることができる。
【００６３】
本実施の形態においては、粒界が存在しないガラス状炭素から陰極部材２２が形成されているため、放電中にスパークが生じないスパークレス放電を行うことができ、マクロパーティクルの発生による成膜表面粗度の悪化を防止することができる。
【００６４】
（２）陰極部材の指数Ｆについて
そして、本実施の形態に係るプラズマ装置は、陰極部材２２として、下記に示す指数Ｆが所定の値よりも大きな陰極部材を用いている点で従来と異なる。
【００６５】
具体的には、本実施の形態に係るプラズマ装置では、ガラス状炭素からなり、下記式（１）で表される指数Ｆが７．３よりも大きな陰極部材を用いている。
Ｆ＝Ｒ×ｄ                  （１）
【００６６】
前記したように、粒界が存在しないガラス状炭素から形成された陰極部材２２を用いることによりスパークレス放電を行うことができるが、このような陰極部材は、急激な温度上昇が生じると粉砕する恐れがある。
【００６７】
しかし、本実施の形態においては、後述する実験の結果の通り、上記の式（１）中の指数Ｆが７．３よりも大きくなるように、陰極部材２２を構成しているため、ガラス状炭素から形成された陰極部材２２を用いているにも拘らず、急激な温度上昇による陰極部材２２の粉砕の発生を適切に抑制して、安定したスパークレス放電を継続することができる。
【００６８】
（ａ）熱衝撃抵抗Ｒについて
式（１）中の熱衝撃抵抗Ｒは、前記したように、一定の直径の陰極部材に急激な温度上昇に伴う熱の衝撃が加えられた際に、この熱による衝撃に耐えることができる程度を示す値であり、熱衝撃抵抗Ｒが大きい場合には急激な温度上昇があっても粉砕し難く、熱衝撃抵抗Ｒが小さい場合には緩やかな温度上昇であっても粉砕し易い。
【００６９】
熱衝撃抵抗Ｒは、大きい値になることが好ましい。具体的には、７．９以上が好ましく、１２．２以上であるとより好ましい。なお、ガラス状炭素の熱衝撃抵抗Ｒの最大値は２０．７程度である。
【００７０】
（ｂ）直径ｄについて
一方、式（１）中の直径ｄについても、ある程度の大きさが求められる。即ち、直径ｄが小さすぎると、陰極部材２２の電気抵抗が大きくなるため発熱量が増加して熱衝撃が大きくなると共に、陰極部材２２の単位長さ当たりの容積が小さくなるため、熱衝撃による粉砕が発生しやすくなる。このため、上記した熱衝撃抵抗Ｒだけではなく、前記した通り、陰極部材の直径ｄも、急激な温度上昇に伴う粉砕の発生に関係している。
【００７１】
この直径ｄは、通常は３〜１０ｍｍであることが好ましい。直径ｄが１０ｍｍより大きい場合には、材料効率が悪くなると共に、アーク放電中にアークスポットが移動しなくなって陰極部材２２が割れる恐れがある。また、陰極部材２２の軸方向の長さは、例えば、アーク放電の継続時間等に応じて調整することが好ましく、１０ｍｍ程度に設定されていることが好ましい。
【００７２】
（ｃ）指数Ｆについて
そして、熱衝撃抵抗Ｒと直径ｄとの積（Ｒ×ｄ）を指数Ｆとして、この指数Ｆが適切な値の陰極部材を用いることにより、アーク放電中に陰極部材が粉砕することなく、安定したスパークレス放電を継続することができる。
【００７３】
この指数Ｆは、後述する実験の結果の通り、７．３よりも大きい値である必要がある。このように指数Ｆが７．３よりも大きな陰極部材であれば、放電電流（アーク電流）Ｉが小さければ、アーク放電中に粉砕することがなく、十分に安定したスパークレス放電を継続することができる。なお、具体的な指数Ｆの一例として、直径ｄが１０ｍｍの場合、熱衝撃抵抗Ｒの最大値は前記したように２０．７程度であるため、指数Ｆの最大値は２０７程度となる。
【００７４】
（３）指数Ｆとアーク電流Ｉとの関係について
上記した通り、指数Ｆが７．３よりも大きな陰極部材を用いることにより、安定したスパークレス放電を継続することができる。しかし、上記した指数Ｆが７．３よりも大きな陰極部材を用いた場合であっても、陰極部材へのアーク電流Ｉが大きすぎると、安定したスパークレス放電を継続できなくなることがある。このため、プラズマ装置１００は、使用している陰極部材２２の指数Ｆの値に応じてアーク電流Ｉを制御する制御部を備えていることが好ましい。
【００７５】
このとき、制御部は下記式（３）に示す条件を満たすように放電電流Ｉを制御することが好ましい。なお、式（３）中のＩは放電電流（Ａ）であり、Ｆは上記した式（１）で規定された指数Ｆである。また、式（３）中の２．７３は本発明者が後述の実験により見出した定数である。
Ｉ＜２．７３×Ｆ      （３）
【００７６】
この式（３）を満たすように、陰極部材２２の指数Ｆの値に応じてアーク電流Ｉを制御することにより、アーク放電中の陰極部材２２の粉砕を確実に防止して、安定したスパークレス放電を継続することができる。
【００７７】
（４）陰極部材のその他の構成
また、上記した実施の形態では、柱状の陰極部材２２を１つ有している場合について説明したがこれに限定されない。陰極部材は少なくとも柱状部分を１つ有していることが好ましく、２つ以上有していてもよい。
【００７８】
また、陰極部材は、中心軸に垂直な断面形状が、円形状、楕円形状、多角形状、角部に丸みを付けた多角形状であることが好ましい。なお、陰極部材２２が円柱状でない場合には、式（１）中の直径ｄは、陰極部材の中心軸に垂直な断面の面積を求め、求めた断面の面積と同じ面積の円の直径を算出することにより求められる。
【００７９】
また、陰極部材の太さが軸方向によって異なるような場合には、軸方向における各断面の面積の平均値を求め、この面積の平均値と同じ面積の円の直径を算出し、算出された直径を式（１）中の直径ｄとして用いる。
【００８０】
また、陰極部材２２の表面粗度（算術平均粗さＲａ）は１５．４μｍよりも小さいことが好ましく、より好ましくは８．６μｍ以下である。表面粗度がこのように小さな陰極部材２２を用いることにより、放電中にアークスポットが陰極部材２２以外の部分に移動することを防止して、安定したスパークレス放電を継続することができる。
【００８１】
３．本実施の形態に係るプラズマ装置を用いて行う成膜
次に、上述のように構成されたプラズマ装置１００を用いて行う成膜の手順について説明する。
【００８２】
まず、台座部２１をバッキングプレート４に取り付けると共に、陰極部材２２を台座部２１に取り付ける。このとき、陰極部材２２は、前記したように、指数Ｆが７．３よりも大きなガラス状炭素から形成されている。
【００８３】
次に、保持部材３で基材６を保持した後、真空チャンバー１内を所望の圧力まで減圧し、電源７から基材６に負の電圧（例えば、−１０Ｖ〜−３００Ｖ）を印加する。また、本実施の形態においては、電源８から陰極部材２２に負の電圧を印加するに際して、上記した式（３）「Ｉ＜２．７３×Ｆ」に基づいて陰極部材２２へのアーク電流Ｉが指数Ｆに対して適切な値となるように電圧を制御する。
【００８４】
そして、トリガー電極と陰極部材２２とを接触させてチャンバー１内壁との間でアーク放電を生じさせる。
【００８５】
アーク放電が生じると、アークスポットが陰極部材２２に現れ、陰極部材２２を構成するガラス状炭素が蒸発してプラズマ５が発生する。これにより、陰極部材２２に対向して配置された基材６の表面にカーボン薄膜を形成することができる。
【００８６】
このとき、陰極部材２２の指数Ｆを７．３よりも大きくすると共に、アーク電流Ｉを「Ｉ＜２．７３×Ｆ」の条件を満たすように制御しているため、アーク放電による急激な温度上昇が陰極部材２２に生じても、従来のように熱衝撃により粉砕することがない。この結果、安定したスパークレス放電を継続して、基材の表面に好適なカーボン薄膜を形成することができる。
【００８７】
４．実験例
以下、本発明者が本発明に至るまでに行った実験について説明する。上記したように、本発明者は、以下の実験の結果に基づいて、熱衝撃抵抗Ｒと直径ｄとの積（Ｒ×ｄ）である指数Ｆがアーク放電中に陰極部材が粉砕するか否かのパラメータになることを見出し、この指数Ｆが７．３よりも大きな場合、アーク電流Ｉが小さければ放電中に粉砕することがなく、安定したスパークレス放電を継続することができることを確認した。
【００８８】
（１）実験１
本発明者は、アーク放電中に陰極部材が粉砕するか否かのパラメータを調べるに当たって、先ず、アーク放電中の急激な温度上昇に耐えることができるようなガラス状炭素を調べるために、熱衝撃抵抗Ｒが異なる複数のガラス状炭素を用いて真空アーク放電を行った。
【００８９】
具体的には、図１に示すプラズマ装置１００を使用して真空アーク放電を行った。この試験では、ロータリーポンプ及びターボ分子ポンプ等の排気装置（図示省略）によって真空チャンバー１内を９．９×１０−３Ｐａまで真空排気して、陰極部材２２にアークスポットが生じるように放電点弧し、放電状況の確認を行った。
【００９０】
そして、円柱状（直径ｄが３ｍｍ、高さが１０ｍｍ）の陰極部材２２を用いた。また、マグネット９を配置して陰極部材２２の先端部の周囲に基材６方向に磁界を形成させた。このときの磁界をガウスメータ（Ｌａｋｅ  Ｓｈｏｒｅ社製、４１０−ＳＣＴ型）を用いて測定したところ、陰極部材２２の軸方向における磁場は８７Ｇａｕｓｓ、径方向における磁場は１６Ｇａｕｓｓであった。なお、基材には−５０Ｖのバイアス電圧を印加し、放電時間を４０ｓｅｃに設定した。
【００９１】
実験１においては、下記の表１に示すように、実験例１〜４で熱衝撃抵抗Ｒが異なる４種類の陰極部材２２を用いた。なお、表１中の曲げ強度σ、熱伝導率λ、熱膨張率α、及びヤング率Ｅは、いずれも２０℃〜３０℃程度における値である。また、曲げ強度σは曲げ強度である。
【００９２】
【表１】
2017183091.tif 000003
【００９３】
上記した実験例１〜実験例４の実験結果をまとめて表２に示す。本実験においては、アーク電流を８０Ａに設定した。
【００９４】
なお、表２中の「可」は安定したスパークレス放電が４０ｓｅｃ間継続したことを示し、「不可」は放電点弧後ほぼ瞬時（１ｓｅｃ程度以内）に、陰極部材２２が粉砕したことを示す。実験１においては、各実験例について同じ実験を３回繰返し行ったが、３回とも同じ結果が得られた。
【００９５】
【表２】
2017183091.tif 000004
【００９６】
表２より、陰極部材が粉砕した実験例１では、熱衝撃抵抗Ｒが７．９と低かったため、アーク電流を８０Ａに設定して放電点弧した際の温度上昇に耐えることができずに粉砕したと考えられる。一方、熱衝撃抵抗Ｒが７．９よりも大きい実験例２〜実験例４では、急激な温度上昇による熱衝撃に耐えることができ、安定したスパークレス放電が継続できたものと考えられる。
【００９７】
この結果より、陰極部材２２の直径ｄが同じ大きさである場合、熱衝撃抵抗がある一定の値より高いガラス状炭素を陰極部材２２に用いることによって陰極部材２２が粉砕することなく、安定したスパークレス放電が可能であることが確認できた。
【００９８】
（２）実験２
次に、本発明者は、放電中の陰極部材２２が粉砕するか否かについて、陰極部材２２の太さの影響を調べる実験を行った。
【００９９】
実験２では、実験１において安定したスパークレス放電が４０ｓｅｃ間継続できた実験例２のガラス状炭素（熱衝撃抵抗Ｒ＝１２．２）を用い、陰極部材２２の直径ｄを表３に示すように異ならせて真空アーク放電を行った。なお、その他は実験１と同じ条件に設定し、実験１と同様に各実験例について放電試験を３回繰り返した。その結果３回とも同じ結果が得られた。実験結果をまとめて表３に示す。
【０１００】
【表３】
2017183091.tif 000005
【０１０１】
表３より、アーク電流が８０Ａのアーク放電を行う際に、熱衝撃抵抗Ｒが１２．２のガラス状炭素を用いた場合には、陰極部材２２の直径ｄが３ｍｍ以上の実験例７〜実験例９において安定したスパークレス放電が継続できることが確認できた。一方で、陰極部材２２の直径が２ｍｍ以下の実験例５〜実験例６の場合は、放電点弧後に陰極部材２２が瞬時に粉砕した。このことから、熱衝撃抵抗Ｒが同じ場合であっても、陰極部材２２の直径が小さいと、陰極部材２２の粉砕を適切に防止できないことが確認できた。
【０１０２】
これは、陰極部材２２の直径が小さいと、陰極部材２２の電気抵抗が高くなって発熱量が大きくなるためと考えられる。さらに、直径が小さい陰極部材２２は、単位長さあたりの容積が小さく放電点弧した際の温度上昇が更に急激になると共に、機械的な強度も小さくなるためと考えられる。
【０１０３】
このことから、本発明者は、ガラス状炭素の熱衝撃抵抗Ｒが大きいだけで陰極部材２２の粉砕を防止できるということではなく、直径ｄもある程度大きな値でないと陰極部材２２の粉砕を防止できないと考え、熱衝撃抵抗Ｒと直径ｄの両方を考慮した指数Ｆがアーク放電中に陰極部材２２が粉砕するか否かを判断するためのパラメータになり得ると考えた。
【０１０４】
（３）実験３および実験４
そこで、本発明者は、さらにアーク電流Ｉと直径ｄを変化させて、熱衝撃抵抗Ｒと直径ｄに関するデータを取得する実験を行った。
【０１０５】
実験３および実験４ではアーク放電中のアーク電流を変えたことを除いて、実験２と同じ条件で真空アーク放電を行った。具体的には、実験３ではアーク電流を４０Ａに設定し、実験４では１００Ａに設定した。アーク電流を４０Ａに設定した実験３の結果を表４に示し、１００Ａに設定した実験４の結果を表５に示す。
【０１０６】
【表４】
2017183091.tif 000006
【０１０７】
【表５】
2017183091.tif 000007
【０１０８】
表３〜表５より、陰極部材２２の直径ｄを２ｍｍとした実験例６、実験例１１、実験例１６を比較すると、アーク電流を４０Ａに設定した実験例１１では陰極部材２２が粉砕されなかったが、実験例６や実験例１６では放電点弧後に陰極部材２２が粉砕された。これは、アーク電流が大きいと発熱量が大きくなり、放電点弧した際の温度上昇が急激になったためと考えられる。
【０１０９】
この結果より、アーク電流をある程度小さな値に設定した上で、熱衝撃抵抗Ｒが大きく、かつ、ある程度大きな値の直径ｄを有する陰極部材を用いれば、安定したスパークレス放電を実現できることが確認できた。
【０１１０】
（４）指数Ｆと放電電流Ｉの関係について
次に、上記した実験１〜実験４において取得された熱衝撃抵抗Ｒと直径ｄに基づいて指数Ｆ（＝Ｒ×ｄ）を求め、この指数Ｆ（Ｒ×ｄ）とアーク電流との関係を調べた。作成したグラフを図３に示す。なお、図３の横軸は指数Ｆ（熱衝撃抵抗Ｒ×直径ｄ）であり、縦軸はアーク電流（Ａ）である。また、図３中の○および×は下記を意味している。
○：安定したスパークレス放電が４０ｓｅｃ間継続した場合。
×：点弧後、ほぼ瞬時（１ｓｅｃ程度以内）に陰極部材２２が粉砕した場合。
【０１１１】
図３に示すように実験１〜実験４の結果をグラフ上にプロットした結果、図４に示すように斜線を付した領域のような安定したスパークレス放電が継続できる領域と継続できない領域の２つに明確に分かれることが分かった。
【０１１２】
そして、この２つの領域の境界は、横軸の値の増加に伴って縦軸の値が単調に増加する関数（単調増加関数）と考えられる。
【０１１３】
そして、陰極部材が存在しない（直径ｄ＝０）場合、陰極部材２２の体積が０になるために、発熱量も０に収束しないと、放電点弧した際の急激な温度上昇によって、陰極部材が粉砕してしまうため、アーク電流値Ｉを０にする必要がある。具体的には、ｄ＝０の場合に陰極部材の電気抵抗をＲｃとすると発熱量はＲｃＩ２となるが、Ｒｃ→∞であるために、ＲｃＩ２→０となるためにはＩ２→０、すなわちＩは０に収束する必要がある。よって、２つの領域の境界を示す関数ｆは、Ｉ≧０において、原点（０，０）を通る単調増加関数となる。
【０１１４】
上記知見に基づき、本発明者は、境界を表す関数ｆを次の式（４）で表すことができると考えた。
Ｉ＝ｆ(Ｆ)＝κ・Ｆ              （４）
式（４）において、Ｉはアーク電流（Ａ）、Ｆは式（１）に記載したＦ＝Ｒ×ｄで定義される指数であり、κは定数である。
【０１１５】
そして、このような条件を満たす関数ｆとして、図４に基づいて次式（５）のようにκ＝２．７３であることを求めた。
ｆ(Ｆ)＝２．７３・Ｆ      （５）
【０１１６】
図４においては、式（５）で示される境界の右側が、安定したスパークレス放電が継続できる領域であるため、この領域は次式（３）で表すことができる。
Ｉ＜２．７３・Ｆ            （３）
【０１１７】
次に、本発明者は指数Ｆの最低限の値について検討するに際して、一般的なプラズマ装置においてアーク放電が成立する必要最低限の電流値に着目し、この必要最低限の電流値のアーク電流Ｉの場合に式（３）を満たすことができるＦの値が、放電中に粉砕することなく安定したスパークレス放電を継続できる最低限の値となると考えた。
【０１１８】
そして、熱衝撃抵抗Ｒ＝１２．２、直径３ｍｍの柱状の陰極部材を用い、アーク電流Ｉの値を１０Ａ、１５Ａ、２０Ａ、３０Ａ、４０Ａ、８０Ａ、１００Ａに変化させて、それぞれの電流値の場合に放電が成立するか否かを１０秒間ずつ検証した。その結果、アーク電流Ｉの値を１０Ａや１５Ａにした場合には放電が全く発生しなかったが、２０Ａ以上の場合にはスパークレス放電が発生した。
【０１１９】
このことから、電流値を２０Ａ以上とすることにより確実にスパークレス放電が成立し、Ｉ＝２０Ａの場合の指数Ｆの値を図４より算出した結果、陰極部材の指数Ｆを７．３よりも大きくすることにより、アーク電流が小さければ、放電中に粉砕せずに安定したスパークレス放電を十分に行うことができることが分かった。
【０１２０】
以上のように、本発明者は、上記した実験１〜実験４の結果に基づいて、陰極部材の急激な温度上昇による粉砕の発生には、熱衝撃抵抗Ｒおよび陰極部材の直径ｄが大きく関係していることを見出し、この熱衝撃抵抗Ｒと直径ｄとの積（Ｒ×ｄ）を指数Ｆとして、Ｆが７．３よりも大きければ陰極部材の急激な温度上昇による粉砕の発生を適切に抑制して、安定したスパークレス放電を継続することができることを確認し、本発明を完成させることができた。
【０１２１】
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】
【０１２２】
１        真空チャンバー
３        保持部材
４        バッキングプレート
５        プラズマ
６        基材
７、８    電源
９        マグネット
２１      台座部
２２      陰極部材
１００    プラズマ装置
ｄ        陰極部材の直径
【図１】
2017183091.tif 000008
【図２】
2017183091.tif 000009
【図３】
2017183091.tif 000010
【図４】
2017183091.tif 000011