(57)【要約】      （修正有）【課題】複数の突起状陰極を用いた場合でも、アーク放電中にアークスポットが他の突起状陰極に移動することを抑制する真空アーク蒸着装置を提供する。【解決手段】アーク放電によって被膜を基材８上に形成する真空アーク蒸着装置１００であって、前記基材８に向かって配置される複数の突起状陰極２０ａ，２０ｂ，２０ｃと、前記複数の突起状陰極２０ａ，２０ｂ，２０ｃの１つに接続されるアーク電源４と、前記アーク電源４に接続されない前記突起状陰極２０ｂ，２０ｃに接続される抵抗２２とを備える。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
アーク放電によって被膜を基材上に形成する真空アーク蒸着装置であって、
前記基材に向かって配置される複数の突起状陰極と、
前記複数の突起状陰極の１つに接続されるアーク電源と、
前記アーク電源に接続されない前記突起状陰極に接続される抵抗とを備える、真空アーク蒸着装置。
【請求項２】
前記抵抗は、アーク放電時の放電電流と放電電圧から求められる放電抵抗の抵抗値よりも大きい抵抗値を有する、請求項１に記載の真空アーク蒸着装置。
【請求項３】
アーク放電によって被膜を基材上に形成する真空アーク蒸着装置であって、
前記基材に向かって配置される複数の突起状陰極と、
前記複数の突起状陰極の１つに接続されるアーク電源とを備え、
前記アーク電源に接続されない前記突起状陰極は、電気的にフローティング状態である、真空アーク蒸着装置。
【請求項４】
前記突起状陰極と前記アーク電源との接続と、前記突起状陰極と前記抵抗との接続もしくは前記突起状陰極が電気的にフローティング状態であることのいずれかとを切り替える切り換えスイッチ部を更に備える、請求項１〜３に記載の真空アーク蒸着装置。
【請求項５】
前記アーク放電における放電電圧から前記切り替えスイッチ部による切り換えのタイミングを制御する演算制御装置を更に備える、請求項４に記載の真空アーク蒸着装置。
【請求項６】
前記突起状陰極は、中実または中空の柱状であり、かつ、その軸方向に垂直な断面形状が、円形状、楕円形状、多角形状、または角部に丸みを帯びた多角形状のいずれかである、請求項１〜５に記載の真空アーク蒸着装置。
【請求項７】
前記突起状陰極を構成する材料は、炭素である、請求項１〜６に記載の真空アーク蒸着装置。
【請求項８】
前記炭素は、ガラス状炭素または積層状炭素である、請求項７に記載の真空アーク蒸着装置。
【請求項９】
アーク放電によって被膜を形成する基材と、前記基材に向かって配置される複数の突起状陰極と、前記複数の突起状陰極の１つに接続されるアーク電源と、前記アーク電源に接続されない前記突起状陰極に接続される抵抗とを備える真空アーク蒸着装置を用いた被膜の形成方法であって、
前記アーク電源に接続される突起状陰極でアーク放電を生じさせ、
前記アーク放電を生じる突起状陰極の消耗状態をモニターし、
前記消耗状態が所定の消耗状態となるタイミングで前記アーク放電を消弧するとともに、前記突起状陰極と前記アーク電源との接続と前記突起状陰極と前記抵抗との接続とを切り替えて、前記アーク電源に接続されない１つの前記突起状陰極に前記アーク電源を接続し直し、
前記アーク電源に接続し直した突起状陰極でアーク放電を再度発生させる、被膜の形成方法。
【請求項１０】
アーク放電によって被膜を形成する基材と、前記基材に向かって配置される複数の突起状陰極と、前記複数の突起状陰極の１つに接続されるアーク電源とを備え、前記アーク電源に接続されない前記突起状陰極は、電気的にフローティング状態である真空アーク蒸着装置を用いた被膜の形成方法であって、
前記アーク電源に接続される突起状陰極でアーク放電を生じさせ、
前記アーク放電を生じる突起状陰極の消耗状態をモニターし、
前記消耗状態が所定の消耗状態となるタイミングで前記アーク放電を消弧するとともに、前記突起状陰極と前記アーク電源との接続と前記突起状陰極が電気的にフローティング状態であることとを切り替えて、前記アーク電源に接続されない１つの前記突起状陰極に前記アーク電源を接続し直し、
前記アーク電源に接続し直した突起状陰極でアーク放電を再度発生させる、被膜の形成方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、工具、金型、摺動材等の基材上に被膜を形成する真空アーク蒸着装置および被膜の形成方法の技術に関する。
【背景技術】
【０００２】
プラズマＣＶＤ法、スパッタリング法、真空アーク蒸着法等、プラズマを用いた表面処理法は、工具、金型、摺動材等の表面に耐磨耗性を有する被膜を形成する手法として広く用いられており、機械部品や自動車部品等の分野で広く利用されている。
【０００３】
中でも真空アーク蒸着法は、陽極と陰極との間にアーク放電を生じさせ、陰極材料を蒸発させて基材上に被膜を形成する方法であり、プラズマ密度が高いだけでなく、イオン化率も他のスパッタリング法等の場合には１％以下であるのに対して、６０〜７０％と遥かに高い。このため、基材に負電位を印加することにより、プラズマ中のイオンを効率的に引き込むことが可能である。この作用により、基材と所望の膜との界面に混合層を有効に形成して極めて密着性の高い被膜を形成することができるという特徴があり、また、生産性にも優れているため、切削工具、摺動部品等への利用が多くなっている。
【０００４】
従来の真空アーク蒸着装置の基本的な構成を図５に示す。図５に示すように、従来の真空アーク蒸着装置１０は、真空チャンバー１、陰極２、バッキングプレート３、アーク電源４、トリガー制御装置５、バイアス電源６、基材ホルダー７、基材８を備えている。ここでアーク電源４は、バッキングプレート３を介して陰極２に負電位を印加する電源であり、バイアス電源６は、基材ホルダー７を介して基材８に負電位を印加する電源である。また、真空チャンバー１は、陽極を兼ねており、接地電位に電気的に固定されている。
【０００５】
上記構成の真空アーク蒸着装置を用いての被膜の形成は、以下のように行われる。真空チャンバー1内を排気装置（図示せず）により所定の真空度まで真空排気する。次いで、基材８と陰極２に負電位を印加し、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、プラズマ９を生成する。アーク放電の点弧は、トリガー制御装置５によって制御されるトリガー（図示せず）によって行われる。アーク放電が開始すると、アークスポットが陰極２の表面に現れる。このアークスポットは、陰極２の溶融部であり、強く発光している。アークスポットから陰極材料が蒸発し、基材８上に被膜が形成される。
【０００６】
この真空アーク蒸着装置の陰極２として、円板状に成形されたガラス状炭素を用いる場合、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）が生じて割れるという問題があった（例えば、特許文献１の図６７参照）。
【０００７】
このような熱歪みによる陰極割れを防止するために、複数の柱状の突起部を台座部から突出させた陰極が用いられている。このような突起状陰極からプラズマを発生させることにより、陰極の径方向における熱歪みが大きくなることが抑制されて、陰極割れの発生が防止される（例えば、特許文献１の図７参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００８】
【特許文献１】国際公開第２０１４／１１５７３３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
しかしながら、複数の突起状陰極を用いた場合、アーク放電中にアークスポットが他の突起状陰極に移動することがある。その結果、アークスポットが移動した後の元の突起状陰極は、アーク放電に関与しないことになるため、陰極の使用効率が低下して成膜コストの上昇を招くという問題があった。
【００１０】
このようにアークスポットが他の突起状陰極に移動することは、アーク電源４による負電位が全ての突起状陰極に同時に印加されることに起因すると考えられる。
【００１１】
そこで本発明は、上記の問題を解決するためになされたものであり、複数の突起状陰極を用いた場合でも、アーク放電中にアークスポットが他の突起状陰極に移動することを抑制することをその主たる課題とするものである。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
本発明の真空アーク蒸着装置は、アーク放電によって被膜を基材上に形成する真空アーク蒸着装置であって、前記基材に向かって配置される複数の突起状陰極と、前記複数の突起状陰極の１つに接続されるアーク電源と、前記アーク電源に接続されない前記突起状陰極に接続される抵抗とを備える。
【００１３】
また、前記抵抗は、アーク放電時の放電電流と放電電圧から求められる放電抵抗の抵抗値よりも大きい抵抗値を有していてもよい。
【００１４】
本発明の真空アーク蒸発装置は、アーク放電によって被膜を基材上に形成する真空アーク蒸着装置であって、前記基材に向かって配置される複数の突起状陰極と、
前記複数の突起状陰極の１つに接続されるアーク電源とを備え、前記アーク電源に接続されない前記突起状陰極は、電気的にフローティング状態である。
【００１５】
また、前記突起状陰極と前記アーク電源との接続と前記突起状陰極と前記抵抗もしくは前記突起状陰極が電気的にフローティング状態であることのいずれかとの接続とを切り替える切り換えスイッチ部を更に備えていてもよい。
【００１６】
また、前記アーク放電における放電電圧から前記切り替えスイッチ部による切り換えのタイミングを制御する演算制御装置を更に備えていてもよい。
【００１７】
また、前記突起状陰極は、中実または中空の柱状であり、かつ、その軸方向に垂直な断面形状が、円形状、楕円形状、多角形状、または角部に丸みを帯びた多角形状のいずれかであってもよい。
【００１８】
また、前記突起状陰極を構成する材料は、炭素であってもよい。
【００１９】
また、前記炭素は、ガラス状炭素または積層状炭素であってもよい。
【００２０】
本発明の被膜の形成方法は、アーク放電によって被膜を形成する基材と、前記基材に向かって配置される複数の突起状陰極と、前記複数の突起状陰極の１つに接続されるアーク電源と、前記アーク電源に接続されない前記突起状陰極に接続される抵抗とを備え、前記抵抗は、アーク放電時の放電電流と放電電圧から求められる放電抵抗の抵抗値よりも大きい抵抗値を有する真空アーク蒸着装置を用いた被膜の形成方法であって、前記アーク電源に接続される突起状陰極でアーク放電を生じさせ、前記アーク放電を生じる突起状陰極の消耗状態をモニターし、前記消耗状態が所定の消耗状態となるタイミングで前記アーク放電を消弧するとともに、前記突起状陰極と前記アーク電源との接続と前記突起状陰極と前記抵抗との接続とを切り替えて、前記アーク電源に接続されない１つの前記突起状陰極に前記アーク電源を接続し直し、前記アーク電源に接続し直した突起状陰極でアーク放電を再度生じさせる。
【００２１】
本発明の被膜の形成方法は、アーク放電によって被膜を形成する基材と、前記基材に向かって配置される複数の突起状陰極と、前記複数の突起状陰極の１つに接続されるアーク電源とを備え、前記アーク電源に接続されない前記突起状陰極は、電気的にフローティング状態である真空アーク蒸着装置を用いた被膜の形成方法であって、前記アーク電源に接続される突起状陰極でアーク放電を生じさせ、前記アーク放電を生じる突起状陰極の消耗状態をモニターし、前記消耗状態が所定の消耗状態となるタイミングで前記アーク放電を消弧するとともに、前記突起状陰極と前記アーク電源との接続と前記突起状陰極が電気的にフローティング状態であることとを切り替えて、前記アーク電源に接続されない１つの前記突起状陰極に前記アーク電源を接続し直し、
前記アーク電源に接続し直した突起状陰極でアーク放電を再度発生させる。
【発明の効果】
【００２２】
本発明によれば、複数の突起状陰極を用いた場合でも、アーク放電中にアークスポットが他の突起状陰極に移動することを抑制することができる。その結果、陰極の使用効率を向上させることができ、成膜コストの低減を図ることができる。
【図面の簡単な説明】
【００２３】
【図１】本発明に係る真空アーク蒸着装置の一例を示す概略図である。
【図２】図１中の矢印Ａ方向に見た突起状陰極まわりの概略図である。
【図３】本発明に係る真空アーク蒸着装置の一例を示す概略図である。
【図４】放電電圧の時間経過を示す実験データーを示す図である。
【図５】従来の真空アーク蒸着装置の一例を示す概略図である。
【発明を実施するための形態】
【００２４】
本発明の実施形態について図面を参照しながら説明する。なお、図中同一または相当部分には同一符号を付してその説明は、繰り返さない。
【００２５】
１．真空アーク蒸着装置
図１は、本発明の実施形態に係る真空アーク蒸着装置の一例を示す概略図である。
【００２６】
図１に示すように、本発明の実施形態に係る真空アーク蒸着装置１００は、真空チャンバー１、アーク電源４、トリガー制御装置５、バイアス電源６、基材ホルダー７、基材８、突起状陰極２０ａ，２０ｂ，２０ｃ，２０ｄ、絶縁物製台座２１、抵抗２２、演算制御装置２３、切り替えスイッチ部２４を備えている。
【００２７】
真空アーク蒸着装置１００は、真空チャンバー１、アーク電源４、トリガー制御装置５、バイアス電源６、基材ホルダー７、基材８を備えている点で、図５に示した従来の真空アーク蒸着装置と基本的に同じ構成である。
【００２８】
一方、陰極２が４本の突起状陰極２０ａ，２０ｂ，２０ｃ，２０ｄに変更されている点、およびバッキングプレート３が絶縁物製台座２１に変更されている点で、図５に示した従来の真空アーク蒸着装置と異なっている。
【００２９】
４本の突起状陰極２０ａ，２０ｂ，２０ｃ，２０ｄは、絶縁物製台座２１にそれぞれ電気的に絶縁された状態で取り付けられる。４本の突起状陰極２０ａ，２０ｂ，２０ｃ，２０ｄは、お互いに同一形状、同一寸法、同一材質にするのが好ましい。そのようにすれば、突起状陰極の製造コストの低減を図ることができ、また絶縁物製台座２１への取り付けも容易になる。
【００３０】
４本の突起状陰極２０ａ，２０ｂ，２０ｃ，２０ｄは、この例ではいずれも直径３ｍｍ、長さ６０ｍｍの中実円柱状である。なお、突起状陰極の個数は、４本に限定されず、２本や３本であってもよいし、あるいは５本以上であってもよい。
【００３１】
突起状陰極の形状は、中実の柱状だけでなく、パイプ等の中空の柱状（筒状）を含む概念であり、ここで、中実の柱状とは、例えば、突起状陰極の軸方向に垂直な断面が円形状、楕円形状、多角形状、または角部に丸み（Ｒ取り）を帯びた多角形状をなす形状をいう。そして、中空の柱状には、円環状、楕円環状、多角環状、または角部に丸み（Ｒ取り）を帯びた多角環状が含まれる。よって、突起状陰極の形状は、円柱状の他、例えば、楕円柱状、多角柱状、または角部に丸み（Ｒ取り）を帯びた多角柱状とすることもできるし、円筒状、楕円筒状、多角筒状、または角部に丸み（Ｒ取り）を帯びた多角筒状とすることもできる。
【００３２】
突起状陰極を構成する材料は、金属でも炭素であってもよい。例えば、突起状陰極を構成する材料が炭素である場合、基材上には硬質炭素被膜が形成される。
【００３３】
また、炭素からなる突起状陰極として、ガラス状炭素または積層状炭素を用いることが好ましく、この例ではガラス状炭素を用いている。
【００３４】
突起状陰極がガラス状炭素または積層状炭素からなることに起因して、原子状の炭素が放出される一方で、マクロパーティクル（サイズが１０ｎｍ〜数μｍである炭素の粒子）が発生しない、いわゆるスパークレス放電を発生させることができる。マクロパーティクルが発生すると基材表面を傷付けたり、形成した被膜の表面粗度を悪化させたりすることがあるので、ガラス状炭素または積層状炭素を用いる意義は、非常に大きい。
【００３５】
ガラス状炭素には、グラッシーカーボン（glassy carbon）、ガラス質炭素（vitreous 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、および非黒鉛化炭素が含まれる。
【００３６】
また、積層状炭素には、熱ＣＶＤ法により作製される熱分解性カーボンおよびパイロリティックカーボンが含まれる。
【００３７】
絶縁物製台座２１は、酸化アルミニウム、窒化ケイ素等の絶縁物で構成される。
さらに、抵抗２２、演算制御装置２３、および切り替えスイッチ部２４が追加されている点で、図５に示した従来の真空アーク蒸着装置と異なっている。
【００３８】
アーク放電に使用する突起状陰極２０ａは、アーク電源４の負極に接続される。一方、それ以外のアーク放電に使用しない突起状陰極２０ｂ，２０ｃ，２０ｄは、アーク電源４に接続されない。
【００３９】
このような構成とすることにより、突起状陰極２０ａのみにアーク電源４による負電位が印加される。その結果、陽極を兼ねる真空チャンバー１との間で、突起状陰極２０ａのみにアーク放電が発生し、アーク電源４に接続されない突起状陰極２０ｂ，２０ｃ，２０ｄにアーク放電が発生することはない。従って、アーク放電中の突起状陰極２０ａにおけるアークスポットが、アーク電源４に接続されない突起状陰極２０ｂ，２０ｃ，２０ｄに移動することが抑制される。
【００４０】
また、アーク放電に使用しない突起状陰極２０ｂ，２０ｃ，２０ｄは、抵抗２２を介して接地電位に電気的に接続される。従って、突起状陰極２０ｂ，２０ｃ，２０ｄが陽極となることが抑制され、陽極を兼ねる真空チャンバー１と突起状陰極２０ａとの間でのアーク放電が、安定的に維持される。その結果、複数の突起状陰極２０ａ，２０ｂ，２０ｃ，２０ｄ間での局所的なプラズマの発生を防止し、プラズマを真空チャンバー１内で広範囲に発生させることができる。
【００４１】
ここで、抵抗２２は、アーク放電時の放電電流と放電電圧から求められる放電抵抗値（＝放電電圧／放電電流）よりも大きな抵抗値を有することが好ましい。その結果、相対的に放電抵抗値の小さな突起状陰極２０ａと真空チャンバー１を介した回路でアーク放電が発生することになる。
【００４２】
例えば、突起状陰極２０ａにガラス状炭素、Ｔｉ、Ｃｒのいずれかを用いて、放電電圧を３０Ｖ、放電電流を８０Ａとしてアーク放電を行った場合、その放電抵抗値は０．３７５Ωとなる。従って、抵抗２２には０．３７５Ωよりも大きな抵抗値を有するものを用いればよい。このように、一般に放電抵抗値は１Ω未満であるので、抵抗２２の抵抗値は１Ω以上とすることが好ましい。
【００４３】
この放電抵抗値は、厳密には放電回路内における配線の抵抗、バッキングプレートや突起状陰極自身の抵抗を含むことになる。しかし、これらの抵抗値は放電抵抗値に比べれば十分に小さいと考えられるので、上述したようなプラズマ部での放電電圧と放電電流で求められる抵抗値に近似することができる。
【００４４】
なお、アーク放電に使用しない突起状陰極２０ｂ，２０ｃ，２０ｄは、接地電位に電気的に接続しないで、電気的にフローティング状態としてもよい。この場合であっても、突起状陰極２０ｂ，２０ｃ，２０ｄを介した放電抵抗値が無限に大きくなるため、相対的に放電抵抗値の小さな突起状陰極２０ａと真空チャンバー１を介した回路でアーク放電が発生することになる。
【００４５】
ここで、「電気的にフローティング状態」とは、電位を固定しない、あるいは結果的に電位が固定されるにしても、その固定される電位はアーク放電の条件や環境によって決まる状態にすること、もしくは電気的接続を行うことをいう。
【００４６】
演算制御装置２３は、アーク電源４から突起状陰極の消耗状態に関する信号をリアルタイムで受信し、所望の消耗状態となったタイミングで、アーク電源４へ停止信号を送信し、次いで切り替えスイッチ部２４へ切り替え信号を送信する。そして、図３を参照して、切り換えスイッチ部２４は、消耗した突起状陰極２０ａとアーク電源４との接続と未使用の突起状陰極２０ｂと抵抗２２との接続とを切り替える。その結果、消耗した突起状陰極２０ａは抵抗２２に接続され、未使用の突起状陰極２０ｂはアーク電源４に接続される。
【００４７】
このとき、切り換えスイッチ部２４は、突起状陰極２０ｂと抵抗２２との接続に代えて、突起状陰極２０ｂが電気的にフローティング状態であることとを切り替えてもよい。
【００４８】
そして、演算制御装置２３は、アーク電源４へ起動信号を送信し、さらにはトリガー制御装置５へ点弧信号を送信する。
【００４９】
点弧信号を受信したトリガー制御装置５は、図示しないトリガーを制御して突起状陰極２０ｂに接触させる。その結果、突起状陰極２０ｂにおいてアーク放電が再度発生し、基材８上に硬質炭素被膜が形成される。
【００５０】
２．被膜の形成方法 
次に、本発明の実施形態に係る被膜の形成方法について、図１を参照して説明する。
【００５１】
まず、ターボ分子ポンプやロータリーポンプ等の排気装置（図示せず）を用いて、陽極を兼ねる真空チャンバー１内を所定の真空度まで真空排気する。その後アーク電源４により突起状陰極２０ａに負電位を印加し、バイアス電源６により基材８に負電位を印加する。そして、真空チャンバー１と突起状陰極２０ａとの間にアーク放電を生じさせ、プラズマ９を生成する。そして突起状陰極２０ａから陰極材料を蒸発させ、基材８上に被膜を形成する。アーク放電の点弧は、トリガー制御装置５によって制御されるトリガー（図示せず）によって行われる。
【００５２】
アーク放電の開始と同時にアーク電源４から演算制御装置２３へとリアルタイムで放電電圧Ｖａが送信される。演算制御装置２３は、予め設定されたしきい値ＶｔｈとＶａが等しくなると、突起状陰極２０ａが所望の消耗状態となったと判断し、以下に示した一連の動作を自動で行う。
（Ｓ１）アーク電源４へ停止信号を送信し、アーク電源４を停止し、アーク放電を消弧する。
（Ｓ２）切り替えスイッチ部２４へ切り替え信号を送信し、突起状陰極２０ａの電気配線をアーク電源４側から抵抗２２側へと切り替える。
（Ｓ３）突起状陰極２０ｂの電気配線を抵抗２２側からアーク電源４側へと切り替える。
（Ｓ４）アーク電源４へ起動信号を送信し、アーク電源４を起動し、突起状陰極２０ｂに負電位を印加する。
（Ｓ５）トリガー制御装置５に点弧信号を送信し、図示しないトリガーによって突起状陰極２０ｂと真空チャンバー１との間で再度アーク放電を生じさせる。
【００５３】
この時の状態を図３に示す。突起状陰極２０ａは、根元（絶縁物製台座２１側）近くまで消耗しており、効率よく使用できていることがわかる。アーク放電への使用が終了した突起状陰極２０ａの電気配線は、アーク電源４側から抵抗２２側へと切り替えられている。また、アーク放電に使用している突起状陰極２０ｂの電気配線は、抵抗２２側からアーク電源４側へと切り替えられている。換言すれば、消耗した突起状陰極２０ａとアーク電源４との接続と未使用の突起状陰極２０ｂと抵抗２２との接続とを切り替えて、アーク電源４に接続されない１つの突起状陰極２０ｂにアーク電源４を接続し直している。
【００５４】
このとき、突起状陰極２０ａとアーク電源４との接続は、突起状陰極２０ｂと抵抗２２との接続に代えて、突起状陰極２０ｂが電気的にフローティング状態であることとに切り替えられてもよい。
【００５５】
上記した一連の切り替え動作を、さらに残りの突起状陰極２０ｃ，２０ｄで繰り返し行って膜厚の厚い被膜を形成してもよいし、あるいは途中で停止して膜厚の薄い被膜を形成してもよい。
【００５６】
重要な点は、アーク放電中の突起状陰極が所望の消耗状態となった時点で、即座に次の突起状陰極へと切り替えることにある。切り替えを行うタイミングが早すぎれば陰極の使用効率が低下するし、遅すぎれば絶縁物製台座２１が損傷する可能性がある。
【００５７】
上記したアーク電源４から演算制御装置２３へとリアルタイムで送信される放電電圧Ｖａにより突起状陰極の消耗状態をモニターする手段について以下に説明する。
【００５８】
図４に直径３ｍｍ、長さ６０ｍｍの中実円柱状のガラス状炭素を陰極に用い、放電電流を８０Ａ一定とした条件での放電電圧Ｖａの時間経過を示す。
【００５９】
図４から、放電開始直後の放電電圧Ｖａは、絶対値で３５Ｖ程度であるが、時間経過とともに減少し、３００秒を超えた辺りでは、絶対値で２２Ｖ程度となっていることがわかる。放電開始時に長さ６０ｍｍであったガラス状炭素陰極は、３００秒を超えた辺りでは、長さ３ｍｍになっていた。
【００６０】
陰極が消耗するにつれて放電電圧Ｖａは、絶対値で見ると減少するため、放電電圧Ｖａをモニターすることにより陰極の残りの長さをモニターすることができる。従って、この場合には、Ｖｔｈを２２Ｖに設定することにより、効率よく残り３ｍｍまで陰極を使用することができる。
【００６１】
図４に示す通り、放電電圧Ｖａは、一定の電圧範囲内で時間と共に減少していく。放電電圧Ｖａが２２Ｖ程度と言っても、放電開始後１００秒程度から放電電圧Ｖａが瞬間的に２２Ｖ程度になることがあり、この時点で切り替えると陰極の使用効率が低下する。従って、このような場合は、演算制御装置２３により、例えば、放電電圧Ｖａの時間平均値を求め、その平均値をＶｔｈと比較することによって陰極を切り替えればよい。
【００６２】
次に、アーク電源４から演算制御装置２３へとリアルタイムで送信される放電電流Ｉａと通電時間ｔから計算される放電電荷量Ｑａにより突起状陰極の消耗状態をモニターする手段について以下に説明する。
【００６３】
アーク放電の開始と同時にアーク電源４から演算制御装置２３へとリアルタイムで放電電流Ｉａと通電時間ｔが送信される。演算制御装置２３は、放電電荷量Ｑａ（＝Ｉａ×ｔ）を計算する。そして、予め設定されたしきい値ＱｔｈとＱａが等しくなると、突起状陰極２０ａが所望の消耗状態となったと判断し、上記Ｓ１〜Ｓ５に示した一連の動作を自動で行う。
【００６４】
演算制御装置２３で計算される放電電荷量Ｑａは、そのときに使用している突起状陰極の消耗状態に比例しているので、上記構成を採用することにより、使用している突起状陰極が所望の消耗状態に達する度ごとに、アーク放電に使用する突起状陰極を切り替えることができる。
【００６５】
上記Ｓ１〜Ｓ５に示した一連の動作を行うタイミングは、演算制御装置２３に予め設定されるしきい値ＶｔｈやＱｔｈを変更することにより任意に変更することができる。例えば、突起状陰極２０ａを消耗し切ったタイミングとすれば、４つの突起状陰極２０ａ，２０ｂ，２０ｃ，２０ｄをそれぞれ全て消耗し切るまで被膜の形成を継続することができる。
【００６６】
これとは別に突起状陰極の長さや配置間隔によっては、突起状陰極から蒸発した陰極材料が他の突起状陰極によって遮蔽され基材８に到達できないことがある。このような場合には、１本の突起状陰極を完全に使用し切ってから、新たな突起状陰極へと切り替えるのではなく、途中までの消耗、例えば半分の長さを消耗した時点で切り替えを行い、他の突起状陰極も一通り半分の長さを消耗するまで使用してから、また残りの半分を使用するようにしてもよい。
【００６７】
また、上述した放電電圧Ｖａにより突起状陰極の消耗状態をモニターする手段と、放電電荷量Ｑａにより突起状陰極の消耗状態をモニターする手段とを併用してもよい。
【００６８】
以上説明した本発明の実施形態に係る真空アーク蒸着装置および被膜の形成方法によれば、アーク放電中に未使用の突起状陰極を抵抗を介して接地電位に電気的に接続することにより、アーク放電に使用中の突起状陰極から未使用の突起状陰極にアークスポットが移動することが抑制される。従って、突起状陰極の使用効率が向上し、成膜コストの低減を図ることができる。
【００６９】
また、アーク放電に使用中の突起状陰極の消耗状態をモニターし、所望の消耗状態となった時点で、アーク放電を消弧し、アーク放電に使用していた突起状陰極とアーク放電に未使用の突起状陰極の電気配線を切り替え、未使用の突起状陰極と陽極との間で再度アーク放電を生じさせる。従って、複数の突起状陰極のそれぞれを効率よく使用することが可能となり、成膜コストの低減を図ることができる。
【００７０】
さらに、複数の突起状陰極を電気配線を切り替えながら順次アーク放電に使用することで、膜厚の厚い被膜を形成することもできる。
【００７１】
またさらに、電気配線を切り替える作業を自動で行えるようにすれば、ほぼ連続した被膜の形成が可能となり、作業時間の短縮を図ることもできる。
【００７２】
今回開示された実施の形態はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は、上記の実施の形態の説明ではなくて特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲でのすべての変更が含まれることが意図される。
【産業上の利用可能性】
【００７３】
本発明により形成された被膜を備えた機械部品、自動車部品、金型等の物品を安価に製造することができる。さらに、これらの物品が使用されている機械、自動車、その他のシステム等の製品を安価に提供することができる。
【符号の説明】
【００７４】
１  真空チャンバー
２  陰極
３  バッキングプレート
４  アーク電源
５  トリガー制御装置
６  バイアス電源
７  基材ホルダー
８  基材
９  プラズマ
２０ａ  突起状陰極
２０ｂ  突起状陰極
２０ｃ  突起状陰極
２０ｄ  突起状陰極
２１  絶縁物製台座
２２  抵抗
２３  演算制御装置
２４  切り替えスイッチ部
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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