CN106661715B - 碳薄膜、制造其的等离子体装置及制造方法 - Google Patents

碳薄膜、制造其的等离子体装置及制造方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种碳薄膜、制造其的等离子体装置及制造方法，可抑制阴极物质破裂。等离子体装置包括真空容器、电弧式蒸发源、阴极构件、永久磁铁、电源、触发电极及挡板。电弧式蒸发源在真空容器的侧壁上与基板相对向而固定。阴极构件包含具有突起部的玻璃状碳，安装于电弧式蒸发源上。突起部具有大于0.785mm2的剖面积。永久磁铁对阴极构件施加磁场。电源对电弧式蒸发源施加负的电压。触发电极与阴极构件的突起部接触或背离。对电弧式蒸发源施加负的电压，使触发电极与阴极构件的突起部接触而产生电弧放电，打开挡板而在基板上形成碳薄膜。

Description

碳薄膜、制造其的等离子体装置及制造方法
技术领域
本发明涉及一种碳薄膜、制造其的等离子体装置及制造方法。
背景技术
在现有上，在使用电弧放电而形成薄膜的薄膜形成装置中所使用的电弧式蒸发源中，已知有抑制粗大粒子附着于基板上的过滤式真空电弧式(FVA(Filtered Vacuum Arc)式)的电弧式蒸发源(专利文献1)。
所述电弧式蒸发源包括真空容器、等离子体输送管(plasma duct)、多孔构件、电磁线圈(magnetic coil)及蒸发源。等离子体输送管将其一端安装于真空容器上。蒸发源安装于等离子体输送管的另一端。
电磁线圈缠绕于等离子体输送管的周围。而且，电磁线圈将在蒸发源的附近产生的等离子体导入至配置在真空容器内的基板的附近。
多孔构件安装于等离子体输送管的内壁，捕获从安装于蒸发源上的阴极物质飞出的粗大粒子。
如上所述，现有的真空电弧蒸镀装置通过等离子体输送管将蒸发源与真空容器连结，利用设置于等离子体输送管的内壁上的多孔构件捕获从阴极物质飞出的粗大粒子而抑制粗大粒子向基板飞来。
已经提出了使用如上所述的过滤式电弧式蒸发源而成膜的类金刚石碳膜(专利文献2)。在此种方式下的成膜中，使用输送管来俘获微滴(droplet)，从而抑制粗大粒子的飞来。然而，如果液体状的微滴碰撞到输送管表面，则会变为20nm以下的大小的细小粒子而飞散，输送管自身成为微滴的导管，而输送至成膜腔室为止，从而小于20nm的大小的粒子多数被成膜。
因此，在专利文献2的方法中，揭示了高度或深度为20nm以上的凹凸的数量在每单位膜厚中为0.01个以下的类金刚石碳膜，但是关于非常小至10nm～20nm的凹凸，则没有充分改善。
并且，由于迄今为止20nm以上的大小的凹凸所造成的不良影响较大，所以所述非常小至10nm～20nm的凹凸的存在不太引人注目，但是在光学透镜的成型用模具等精密模具的用途中，减少10nm～20nm的凹凸的个数的效果非常大，从而正在谋求替代FVA方式的成膜方法。
现有技术文献
专利文献
专利文献1：日本专利特开2002-105628号公报
专利文献2：日本专利特开2014-062326号公报
[发明所要解决的课题]
在现有的真空电弧蒸镀装置中，是使用石墨(碳)作为阴极物质，石墨是对碳粒子进行烧结而制作，所以存在晶界。其结果为，当使用石墨作为阴极物质时，存在阴极物质沿晶界破裂，而产生粗大粒子(微粒)的问题。并且，虽然提出了使用等离子体输送管俘获此种粗大粒子来抑制粗大粒子的飞来的技术，但是无法充分抑制粗大粒子碰撞至输送管而生成的20nm以下的微细粒子的生成。
发明内容
因此，根据本发明的实施方式，提供一种能够抑制阴极物质破裂的等离子体装置。
并且，根据本发明的实施方式，提供一种可抑制阴极物质破裂而制造碳薄膜的碳薄膜的制造方法。
进而，根据本发明的实施方式，提供一种抑制阴极物质破裂而制造的碳薄膜。
[解决课题的手段]
根据本发明的实施方式，碳薄膜包括20nm的凹凸的数量在每单位扫描距离及每单位膜厚中小于0.007个/mm/nm的碳膜，其中每单位扫描距离的单位为mm，每单位膜厚的单位为nm。
因此，可减少10nm～20nm的凹凸。
优选的是，所述碳膜是将用下式(1)表示的抗热震性R大于7.9的玻璃状碳用于阴极构件而形成的情况。
R＝σ×λ/α/E…(1)
此处，在所述式(1)中，σ为弯曲强度，单位为MPa，λ为导热率，单位为W/mK，α为热膨胀系数，单位为/106K，E为杨氏模量，单位为GPa。当抗热震性R大于7.9时，玻璃状碳的耐热震性相对于因电弧放电而产生于阴极构件表面上的热应力而增大，从而可以防止阴极构件破裂。因此，能够进一步减少阴极构件破裂时容易产生的10nm～20nm的凹凸。
根据本发明的实施方式，等离子体装置包括真空容器、电弧式蒸发源、阴极构件、保持构件、放电开始元件及电源。电弧式蒸发源固定于真空容器上。阴极构件安装于电弧式蒸发源上。保持构件保持朝向阴极构件而配置的基板。放电开始元件使放电开始。电源对电弧式蒸发源施加负的电压。阴极构件包含玻璃状碳，并且包含具有柱状形状且剖面积大于0.785mm2的柱状部分。并且，放电开始元件是使放电开始，以使等离子体从阴极构件的柱状部分释放出来。
在本发明的实施方式的等离子体装置中，阴极构件包含剖面积大于0.785mm2的柱状部分。其结果为，即使开始电弧放电，阴极构件的温度急剧上升，阴极构件也具有承受热应力的强度。因此，可以防止阴极构件破裂。
优选的是阴极构件的以所述式(1)表示的抗热震性R大于7.9的情况。
进而，根据本发明的实施方式，碳薄膜的制造方法包括：第1工序，在朝向基板而固定于真空容器上的电弧式蒸发源上，安装阴极构件，所述阴极构件包含玻璃状碳，并且包含具有柱状形状且剖面积大于0.785mm2的柱状部分；第2工序，对电弧式蒸发源施加负的电压；以及第3工序，使放电开始以使等离子体从阴极构件的柱状部分释放出来，而在基板上形成碳膜。
通过使用本发明的实施方式的碳薄膜的制造方法，而使得即使开始电弧放电，阴极构件的温度急剧上升，阴极构件也具有承受热应力的强度。因此，可以防止阴极构件破裂。
优选的是阴极构件的以所述式(1)表示的抗热震性R大于7.9的情况。
[发明的效果]
可以防止阴极构件破裂。
能够提供一种10nm～20nm的微细凹凸的产生少，而且成膜速度快的小型的成膜装置及其覆盖物品。
附图说明
图1是表示本发明的实施方式1的等离子体装置的构成的概略图。
图2是图1所示的阴极构件的立体图。
图3是图2所示的线III-III间的阴极构件的剖面图。
图4是表示使用图1所示的等离子体装置的碳薄膜的制造方法的工序图。
图5是表示使用直径2mmφ的玻璃状碳(突起部)时的放电后的突起部的图。
图6是表示使用直径5.2mmφ的玻璃状碳(突起部)时的放电后的突起部的图。
图7是表示真空电弧放电试验后的比较例1的阴极构件的图。
图8是表示真空电弧放电试验后的实施例1的阴极构件的图。
图9是表示实施方式2的等离子体装置的构成的概略图。
图10是利用图9所示的等离子体装置而制造的碳薄膜(类金刚石碳膜)的剖面图。
图11是表示使用图9所示的等离子体装置的碳薄膜(类金刚石碳膜)的制造方法的工序图。
图12是使用现有的电弧法的等离子体装置的概略图。
图13是表示凹凸的缺陷数与凹凸的缺陷的尺寸的关系的图。
[符号的说明]
1、110：真空容器
2：保持构件
3、103：电弧式蒸发源
4、104、1001：阴极构件
5：永久磁铁
6、7、107：电源
8、108：触发电极
9、109：电阻
10、100、1000：等离子体装置
11：排气口
12：挡板
20：基板
30、35：中间层
40：碳膜
41：本体部
42：突起部
50：碳薄膜
120：线圈
具体实施方式
一边参照附图，一边对本发明的实施方式进行详细说明。再者，图中对相同或相当部分标注相同符号，并且不重复对其进行说明。
[实施方式1]
图1是表示本发明的实施方式1的等离子体装置的构成的概略图。参照图1，本发明的实施方式1的等离子体装置包括真空容器1、保持构件2、电弧式蒸发源3、阴极构件4、永久磁铁5、电源6、电源7、触发电极8、电阻9及挡板12。
再者，等离子体装置10中，如图1所示定义x轴、y轴及z轴。
真空容器1包含排气口11，从排气口11利用排气装置(未图示)抽成真空。并且，真空容器1与接地节点GND连接。
保持构件2配置在真空容器1内。保持构件2包含圆柱部2A。圆柱部2A在y-z平面内通过旋转装置(未图示)而旋转。如此，基板20可伴随着保持构件2的圆柱部2A的旋转而在y-z平面内旋转。
电弧式蒸发源3固定于真空容器1的侧壁上。
阴极构件4安装于电弧式蒸发源3的基板20侧的表面上。并且，阴极构件4包含玻璃状碳。玻璃状碳是通过对酚树脂等热硬化性树脂进行煅烧、碳化而制造。所述玻璃状碳在构造上呈玻璃状，不存在晶界。由于不存在晶界，所以阴极构件4也可以包含导电性的金刚石。并且，阴极构件4包含向基板20侧突出的突起部。
再者，作为玻璃状碳的具体例，可以举出日清纺化学(Nisshinbo Chemical)公司制造的玻璃状碳或东海碳公司制造的玻碳。并且，在本发明的实施方式中，玻璃状碳包含玻碳(glassy carbon)、非晶碳、非晶质碳、非定形碳、无定形碳、非石墨化碳及玻璃碳(vitreous carbon)。
永久磁铁5由环形构成，在真空容器1的外部靠近电弧式蒸发源3而配置。更具体而言，永久磁铁5配置成中心轴与电弧式蒸发源3的中心轴相一致。并且，在永久磁铁5中，电弧式蒸发源3侧为N极，与电弧式蒸发源3相反之侧为S极。如上所述，永久磁铁5配置在相对于阴极构件4而与基板20为相反之侧。而且，永久磁铁5对阴极构件4施加轴向(从阴极构件4向基板20的方向)上的磁场。再者，永久磁铁5的磁化方向只要是轴向(从阴极构件4向基板20的方向)即可，永久磁铁5的电弧式蒸发源3侧也可以为S极。
电源6连接于保持构件2与接地节点GND之间。电源7连接于电弧式蒸发源3与接地节点GND之间。
触发电极8将一部分经由真空容器1的侧壁配置在真空容器1内，将剩余部分配置在真空容器1外。并且，触发电极8例如包含钼(Mo)，经由电阻9与接地节点GND连接。电阻9连接于触发电极8与接地节点GND之间。
保持构件2保持基板20。此时，保持构件2在y-z平面内旋转仅任意的角度而停止，并保持基板20。电弧式蒸发源3通过阴极构件4与真空容器1之间的电弧放电而使阴极构件4局部地加热而使阴极物质蒸发。
电源6经由保持构件2对基板20施加负的电压。电源7对电弧式蒸发源3施加负的电压。
触发电极8通过往返驱动装置(未图示)而与阴极构件4接触或背离。电阻9抑制电弧电流流入至触发电极8。挡板12在阴极构件4与基板20之间与阴极构件4相对向而配置。
再者，基板20例如包含Fe系的金属、Si、碳化钨(tungsten carbide)及SiC中的任一者。
图2是图1所示的阴极构件4的立体图。并且，图3是图2所示的线III-III间的阴极构件4的剖面图。
参照图2及图3，阴极构件4包括本体部41及突起部42。本体部41具有圆盘形状。突起部42具有圆柱形状。并且，突起部42是以突起部42的中心轴X2与本体部41的中心轴X1相一致的方式配置在本体部41上。再者，本体部41及突起部42制作成一体。
本体部41例如具有64mmφ的直径R1，并具有12mm的高度H1。突起部42具有2mmφ以上的直径R2，并具有数mm以上、例如6mm～80mm的高度H2。
阴极构件4是通过如下方法来制作。对酚树脂等热硬化性树脂进行煅烧、碳化而制作圆柱形状的玻璃状碳。然后，也可以对所述制作的玻璃状碳以具有突起部42的方式进行车床加工而制作阴极构件4，还可以将热硬化性树脂流入至成形模具而加以成形之后，进行煅烧、碳化。再者，形成突起部42的方法并不限于车床加工或成形模具的成形，也可以是蚀刻(包括湿式蚀刻及干式蚀刻两者)，只要是能够形成突起部42的方法，则可为任何方法。并且，突起部42及本体部41也可以分别个别地制作，也可以突起部42是玻璃状碳，本体部41例如是烧结体石墨或玻璃状碳等。
与中心轴X2垂直的方向上的突起部42的剖面积在突起部42的直径R2为6mmφ的情况下，是π×3mm×3mm＝28.3mm2，与中心轴X1垂直的方向上的本体部41的剖面积是π×32mmX32mm＝3215.4mm2。其结果为，突起部42的剖面积相对于本体部41的剖面积的比约为1/113。
其结果为，突起部42中的传热成分减少，由此难以从突起部42散热，从而整个突起部42容易均热化，所以热应变减少。
并且，玻璃状碳由于不具有晶界，所以当用作阴极构件4时，在电弧放电中会从阴极构件4释放出原子状的碳。
因此，可以抑制阴极构件4破裂。
如上所述，会从阴极构件4释放出原子状的碳，所以不产生微粒。其结果为，如果使用阴极构件4，则可以产生无火花放电。所述无火花放电是不产生微粒的放电。再者，在所述说明书中，所谓微粒，是指尺寸为5nm～数μm的碳粒。
另一方面，对碳粒进行烧结而成的烧结体不适合作为阴极构件4。其理由如下。原因在于：碳的烧结体是将碳粒加以压紧并烧结而成，所以存在晶界；其结果为，当使用碳的烧结体作为阴极构件4时，在电弧放电中阴极构件4会从晶界而产生破裂，微粒从阴极构件4释放出来。
图4是表示使用图1所示的等离子体装置10的碳薄膜的制造方法的工序图。参照图4，当开始碳薄膜的制造时，将包含突起部42的玻璃状碳安装于电弧式蒸发源3作为阴极构件4(工序S1)。
然后，经由排气口11对真空容器1内进行排气，将真空容器1内的压力设定为9.9×10-3Pa。
如此，通过电源6对基板20施加-10V～-300V的负的电压(工序S2)，利用永久磁铁5将磁场施加至阴极构件4(工序S3)。此时，磁场包括阴极构件4的突起部42的中心轴X2方向上的成分以及突起部42的径向上的成分。
工序S3之后，利用电源7对电弧式蒸发源3施加-15V～-50V的负的电压(工序S4)。
然后，通过往返驱动装置(未图示)，使触发电极8与阴极构件4的突起部42接触(工序S5)，然后，使触发电极8与阴极构件4背离。由此，开始电弧放电，电弧斑点出现于阴极构件4的表面。所述电弧斑点是电弧放电时的阴极点，强烈地发光。
然后，打开挡板12(工序S6)。由此，在基板20上形成碳薄膜(类金刚石碳(DiamondLike Carbon，DLC))。然后，由等离子体装置10的操作者判定放电是否已停止(工序S7)。由于电弧斑点强烈地发光，所以等离子体装置10的操作者在电弧斑点发光时，判定为放电未停止，在电弧斑点不发光时，判定为放电已停止。
在工序S7中，判定为放电已停止时，关闭挡板12(工序S8)，然后，重复执行所述工序S5～工序S8。
另一方面，在工序S7中，判定为放电未停止时，如果经过所需时间，则关闭挡板12(工序S9)。由此，碳薄膜的制造结束。
并且，在按照所述工序S1～工序S9而制造的碳薄膜中，包含非晶碳薄膜、类金刚石碳薄膜、四面体非晶碳膜、非晶质硬质碳薄膜及硬质碳薄膜。
再者，在实施方式1中，电源6也可以将0V的电压施加至基板20。并且，也可以在打开挡板12的状态下制造碳薄膜。进而，也可以不施加磁场。因此，实施方式1的碳薄膜的制造方法只要至少包括图4所示的工序S1、工序S4、工序S5即可。
如上所述，碳薄膜是使用包含直径2mmφ以上的突起部42且包含玻璃状碳的阴极构件4，通过电弧放电而形成于基板20上。
其结果为，突起部42中的热应变减少，因为阴极构件4(玻璃状碳)不具有晶界，所以可抑制阴极构件4沿晶界破裂。
对使阴极构件4的突起部42的直径(＝剖面积)发生变化的实验进行说明。将使用等离子体装置10的实验的详细实验条件示于表1。
[表1]
再者，表1中的轴向磁场Bz及半径方向磁场Br是使用湖岸(Lake Shore)公司制造的410-SCT型的高斯计在阴极构件4的突起部42的前端部所测定的值。
并且，在实验中，对将阴极构件4的突起部42的高度全部设为10mm，使突起部42的直径变为1mmφ、2mmφ、3mmφ、5.2mmφ、6mmφ时的放电状况、放电持续时间及放电痕迹状态进行了调查。
将电弧电流为40[A]时的实验结果示于表2。
[表2]
电弧电流：40[A]
图5是表示使用直径2mmφ的玻璃状碳(突起部42)时的放电后的突起部42的图。
图6是使用直径5.2mmφ的玻璃状碳(突起部42)时的放电后的突起部42的图。
当电弧电流为40[A]时，只在突起部42的直径为1mmφ(即，剖面积＝0.785mm2)的情况下，起弧后，整体破碎，经1sec左右放电停止。并且，在突起部42的直径为2mmφ、3mmφ、5.2mmφ、6mmφ的情况下，即，在突起部42的剖面积为3.140mm2、7.065mm2、21.226mm2、28.260mm2的情况下，确认到稳定的无火花放电持续了40[sec]之后，进行了强制灭弧。在强制灭弧之后，将真空容器1在大气中敞开，确认阴极构件4的玻璃状碳的结果为，在突起部42的直径为2mmφ、3mmφ、5.2mmφ、6mmφ的情况下，即，在突起部42的剖面积为3.140mm2、7.065mm2、21.226mm2、28.260mm2的情况下，在阴极构件4的突起部42的侧面确认到螺旋状的放电痕迹(参照图5、图6)。
如上所述，当使用包含突起部42的阴极构件4而产生电弧放电时，电弧斑点通过来自永久磁铁5的磁场而在突起部42的表面上呈螺旋状移动。其结果为，电弧斑点也不会向本体部41移动。因此，不产生电弧斑点向本体部41的移动的依据是放电后螺旋状的放电痕迹形成于突起部42。
关于只在突起部42的直径为1mmφ的情况下整体破裂，可认为原因在于突起部42无法承受热应力。
产生热应力的热量是来自电弧斑点的传热成分(如果电弧电流相同则为相同的热量)以及电弧电流流经突起部42时的焦耳(Joule)发热成分。如果电弧电流为固定，那么突起部42的剖面积越小，焦耳发热成分越大。因此，剖面积越小，突起部42的热量越大。
其结果可认为，只在剖面积为0.785mm2的情况下，无法承受在突起部42产生的热量所引起的热应力。
将电弧电流为80[A]时的实验结果示于表3。
[表3]
电弧电流：80[A]
当电弧电流为80[A]时，在突起部42的直径为1mmφ、2mmφ的情况下，即，在突起部42的剖面积为0.785mm2、3.140mm2的情况下，起弧后，整体破碎，经1sec左右放电停止。并且，在突起部42的直径为3mmφ、5.2mmφ、6mmφ的情况下，即，在突起部42的剖面积为7.065mm2、21.226mm2、28.260mm2的情况下，确认到稳定的无火花放电持续了40[sec]之后，进行了强制灭弧。在强制灭弧之后，将真空容器1在大气中敞开，确认阴极构件4的玻璃状碳的结果为，在突起部42的直径为3mmφ、5.2mmφ、6mmφ的情况下，在阴极构件4的突起部42的侧面确认到螺旋状的放电痕迹。
关于当突起部42的直径为1mmφ、2mmφ时，即，当突起部42的剖面积为0.785mm2、3.140mm2时整体破碎，可认为原因在于突起部42无法承受热应力。
将电弧电流为100[A]时的实验结果示于表4。
[表4]
电弧电流：100[A]
电弧电流为100[A]时的实验结果与电弧电流为80[A]时的实验结果相同。
根据所述实验结果，当电弧电流为40[A]时，在阴极构件4的突起部42的剖面积大于0.785mm2的情况下，可以实现良好的放电，当电弧电流为80A、100A时，在阴极构件4的突起部42的剖面积大于3.140mm2的情况下，可以实现良好的放电。
当电弧电流为40[A]时，也可以实现良好的放电，所以可证实，阴极构件4的突起部42的剖面积只要大于0.785mm2即可。
并且，阴极构件4的突起部42的剖面积从在电弧电流为40[A]、80[A]、100[A]的任一者时均可以实现良好的放电的角度而言，优选的是大于3.140mm2。
并且，在本发明的实施方式中，将放电的持续时间为40[see]者判定为良好的放电，但是这是突起部42的长度为20[mm]时通过放电而在长度方向上消耗突起部42的一部分时的时间。其结果为，如果使突起部42的长度长于20[mm]，则放电的持续时间长于40[sec]，判定是否是良好的放电的时间也长于40[sec]。
如上所述，在本发明的实施方式中，将阴极构件4的突起部42的一部分在整个长度方向上通过放电而消耗时的突起部42的剖面积确定为适合的剖面积。
因此，在放电的持续时间为40[sec]的情况下，与放电的持续时间为约1[sec]的情况相比，放电的意义极大。
因此，3.140mm2以上的突起部42的剖面积与放电的持续时间为约1[sec]时的突起部42的剖面积相比，具有临界意义。
再者，作为用于实现良好的放电的突起部42的特征，使用突起部42的剖面积的原因在于，与长度方向垂直的方向上的突起部42的剖面形状并不限于圆形，还可以是椭圆形状、角部带圆形(R倒角)的多边形形状、管状等中空形状。
并且，阴极构件4的抗热震性R优选的是大于7.9，更优选的是12.2以上。抗热震性R是以下式(1)定义。下述式(1)中，σ为弯曲强度[MPa]，λ为导热率[W/mK]，α为热膨胀系数[/106K]，E为杨氏模量[GPa]。
R＝σ×λ/α/E…(1)
阴极构件4由于抗热震性R大于7.9，所以即使在真空电弧放电时产生急剧的温度上升，而产生了大的热应力的情况下也难以粉碎。因此，通过使用阴极构件4，可以期待稳定的无火花放电的持续。
以下，对改变阴极构件4的抗热震性的实验进行说明。
使用等离子体装置100，当在表1所示的试验条件下电弧电流为80[A]时，在表5所示的试验条件下，对四种阴极构件(比较例1、实施例1、实施例2及实施例3)分别进行真空电弧放电试验。比较例1、实施例1、实施例2及实施例3的阴极构件包含玻璃状碳，是大致相同尺寸的圆柱状。实施例1、实施例2及实施例3的各阴极构件在实施方式1中相当于阴极构件4的突起部42。
将各阴极构件的弯曲强度σ、导热率λ、热膨胀系数α、杨氏模量E及抗热震性R示于表5。表5所示的各阴极构件的弯曲强度σ、导热率λ、热膨胀系数α、杨氏模量E均是在20℃～30℃左右时的值。表5所示的各抗热震性R是使用弯曲强度σ、导热率λ、热膨胀系数α、杨氏模量E的值，通过所述式(1)而算出。
[表5]
将所述实施例中的真空电弧放电试验的结果示于表6。对比较例1、实施例1、实施例2及实施例3的阴极构件分别实施各三次真空电弧放电试验之后，发现三次均为相同的结果。
[表6]
比较例1的阴极构件在放电起弧后，瞬间粉碎而放电停止。将真空电弧放电试验后的比较例1的阴极构件示于图7。比较例1的阴极构件由于抗热震性R低至7.9，无法承受放电起弧时的急剧的温度上升，所以导致在放电起弧后瞬间粉碎的结果。
另一方面，在抗热震性R大于7.9的实施例1、实施例2及实施例3的阴极构件中，产生了稳定的无火花放电。因此，可知当阴极构件的抗热震性R大于7.9时，无火花放电稳定地持续。
关于实施例1、实施例2及实施例3，确认到稳定的无火花放电持续了40秒之后，进行了强制灭弧。强制灭弧后，将真空容器1在大气中敞开而进行各阴极构件的确认。
实施例1、实施例2及实施例3的阴极构件在所有侧面均残留有螺旋状的放电痕迹。从所述方面可知，在真空电弧放电过程中，电弧斑点在实施例1、实施例2及实施例3的阴极构件的侧面上呈螺旋状移动。即，实施例1、实施例2及实施例3的阴极构件可评估为抑制了电弧斑点向阴极构件以外的部分的移动。图8是真空电弧放电试验后的实施例1的阴极构件的照片。
[实施方式2]
图9是表示实施方式2的等离子体装置的构成的概略图。参照图9，实施方式2的等离子体装置100是在图1所示的等离子体装置10上追加了电弧式蒸发源103、电源105、电源106、电阻107、触发电极108、真空容器110及线圈120～线圈122，除此以外与等离子体装置10相同。
再者，在等离子体装置100中，真空容器1包含气体供给口13。
真空容器110包含呈圆弧状弯曲的筒状构件。并且，真空容器110包含开口部110A及壁110B、壁110C、壁100D。而且，真空容器110是以开口部110A侧的一端贯穿真空容器1的侧壁的方式固定在真空容器1的侧壁上。其结果为，真空容器110的内部空间与真空容器1的内部空间连通。
电弧式蒸发源103固定在真空容器110的壁110D上。而且，电弧式蒸发源103与电源105的负极连接。
阴极构件104固定在电弧式蒸发源103的基板20侧的表面上。而且，阴极构件104具有圆盘形状，包含选自元素周期表4A族元素、5A族元素、6A族元素、B、Si中的至少一个元素及它们的氮化物中的任一者。
电源105连接于电弧式蒸发源103与接地节点GND之间。电源106连接于真空容器110与接地节点GND之间。
触发电极108将一端侧经由真空容器110的壁110D配置在真空容器110内，与阴极构件104相对向。而且，触发电极108的另一端与电阻107连接。并且，触发电极108例如包含Mo。
电阻107连接于触发电极108与接地节点GND之间。
线圈120在阴极构件104的附近，配置在真空容器110的周围。而且，线圈120的两端与电源(未图示)连接。线圈120是为了抽出等离子体而设置。
线圈121在真空容器110的开口部110A与壁110D的大致中央部，配置在真空容器110的周围。而且，线圈121的两端与电源(未图示)连接。线圈121是为了使等离子体沿真空容器110的圆弧状弯曲而设置。
线圈122在真空容器110的开口部110A的附近，配置在真空容器110的周围。而且，线圈122的两端与电源(未图示)连接。线圈122是为了收敛等离子体而设置。
当电流通过电源(未图示)流入至线圈120～线圈122时，线圈120～线圈122在真空容器110的内部产生磁场。所述磁场使从阴极构件104的突起部1042飞出的离子沿真空容器110呈圆弧状弯曲，使离子抵达至基板20。从阴极构件104飞出的微粒及中性粒子碰撞至真空容器110的壁110B、壁110C，而不抵达至基板20。
因此，如果使用等离子体装置100，则可制造微粒极少，即，表面粗糙度极小的碳薄膜。
并且，如果使用等离子体装置100，则可制造杂质少的高品质的碳薄膜。
图10是利用图9所示的等离子体装置100而制造的碳薄膜(类金刚石碳膜)的剖面图。参照图10，碳薄膜50包括基板20、中间层30、中间层35及碳膜40。
中间层30形成于基板20的一个主面上。中间层30包含选自元素周期表4A族元素、5A族元素、6A族元素、B、Si中的至少一个元素及它们的氮化物中的任一者。作为4A族元素、5A族元素、6A族元素，特别优选的是Cr、Ti、W，还可以使用CrN或TiN等氮化物。
中间层35包含类金刚石碳，与中间层30相接而形成。
碳膜40与中间层35相接而形成。
图11是表示使用图9所示的等离子体装置100的碳薄膜(类金刚石碳膜)的制造方法的工序图。
图11所示的工序图是在图4所示的工序图上追加了工序S11～工序S16的图，除此以外与图4所示的工序图相同。
参照图11，当开始碳薄膜50的制造时，将包含选自元素周期表4A族元素、5A族元素、6A族元素、B、Si中的至少一个元素及它们的氮化物中的任一者的金属制的阴极构件104安装于电弧式蒸发源103上(工序S11)。
接着，对基板20施加负的电压(步骤S12)。然后，通过线圈120施加用于抽出等离子体的磁场，并通过线圈122施加用于收敛等离子体的磁场，进而，通过线圈121施加用于只使从阴极构件14释放出的离子(Cr离子等)沿圆弧状的真空容器110弯曲的磁场(工序S13)。
接着，对电弧式蒸发源103施加负的电压(工序S14)。接着，使触发电极108与阴极构件104接触(工序S15)，然后，使触发电极108远离阴极构件104。
由此，产生电弧放电，将具有所需膜厚的中间层30形成于基板20上(工序S16)。
然后，将基板20旋转180度而加以保持，依次执行所述工序S1～工序S9，将包含类金刚石碳的中间层35形成于中间层30上，然后，将碳膜40形成于中间层35上。由此，一系列的动作结束。
图11所示的工序图包括实施方式1中所说明的工序S1～工序S9，因此如果按照图11所示的工序图制造碳薄膜，则与实施方式1同样地，可以防止阴极构件4破裂，并通过稳定的无火花放电来制造碳薄膜。
再者，在碳薄膜50的制造中，也可以代替图11所示的工序S11～工序S16，而利用溅射法将中间层30形成于基板20上。即，中间层30也可以通过溅射法而形成，所述溅射法是使从阴极构件104向真空容器110的内部释放出的离子(Cr离子等)沿所述真空容器110呈圆弧状弯曲，使从阴极构件104释放出的离子(Cr离子等)抵达至基板20，所述真空容器110配置在阴极构件104至基板20之间，包含呈圆弧状弯曲的筒状构件。
进而，利用溅射法而形成的中间层的表面形状与电弧法相比更平滑。因此，也可以不使用利用溅射法而配置在阴极构件104至基板20之间的呈圆弧状弯曲的筒状构件，而使从阴极构件104释放出的离子从阴极构件104到基板20为止线性地抵达至基板20，而形成中间层30。
并且，在工序S11之前，也可以通过从阴极构件104释放出的离子来对基板20进行离子轰击(ion bombard)处理。
(实施例)
以下，对实施方式2中的实施例进行说明。
在实施例中，将由阴极构件4产生电弧放电的方法称为SLA法，将由阴极构件104产生电弧放电的方法称为FVA法。
而且，在实施例中，使用FVA法对基板20进行离子轰击处理，然后，利用FVA法将中间层30堆积于基板20上，利用SLA法将30nm的中间层35形成于中间层30上，最后，利用SLA法将碳膜(类金刚石碳)40形成于中间层35上，制作碳薄膜50。碳膜(类金刚石碳)40的膜厚为0.24μm。
再者，在实施例中，阴极构件4的突起部42是直径R2为3mmφ，高度H2为70mm。
碳薄膜50的具体制造方法如下。
1)在保持构件2上安装基板20。
2)通过未图示的回转泵、涡轮分子泵及冷阱(cold trap)将真空容器1、真空容器110内真空排气至9.9×10-3Pa为止。
3)使Ar气体从气体供给口13流入至真空容器1、真空容器110内，通过未图示的压力调整阀将真空容器1、真空容器110内的压力调整至0.5Pa。
4)使保持构件2旋转，通过电源6将-800V的偏压施加至基板20。
5)使40A的直流流入至线圈120～线圈122的各个线圈。
6)通过电源106将+15V的电压施加至真空容器110。
7)通过电源105流入70A的电弧电流，通过触发电极108而在阴极构件104中产生放电起弧，利用FVA法实施90秒的基板20的离子轰击处理。
8)停止Ar气体，将真空容器1、真空容器110内真空排气至9.9×10-3Pa之后，利用电源6，将-100V的偏压施加至基板20。
9)使40A的直流流入至线圈120～线圈122的各个线圈。
10)使保持构件2旋转，通过电源106对真空容器110施加+15V的电压。
11)通过电源105流入70A的电弧电流，通过触发电极108在阴极构件104中产生放电起弧，利用FVA法，经12分钟使中间层成膜。此时，中间层的膜厚为30nm。
12)停止使电流流入至线圈120～线圈122，使电源105停止。
13)使电源106停止。
14)通过触发电极8而在阴极材料4中产生放电起弧，按照表7所示的成膜条件I、成膜条件II的顺序并利用SLA法使0.27μm的碳膜(类金刚石碳)成膜。
[表7]
将利用现有的FVA法而形成的碳薄膜的评估示于表8。
[表8]
在表8中，比较例2～比较例4是利用FVA法形成包含类金刚石碳的中间层35及碳膜40的示例，比较例5是未形成中间层35而利用FVA法形成碳膜40的示例。在比较例2～比较例4中，中间层35的膜厚为30nm，在比较例2～比较例5中，整体的膜厚为300nm。
将利用现有的电弧法形成有中间层30且利用FVA法形成有碳膜40的碳薄膜的评估示于表9。图12是利用现有的电弧法的等离子体装置的概略图。图12所示的等离子体装置1000是将图9所示的等离子体装置100的阴极构件4替换为阴极构件1001，除此以外与等离子体装置100相同。阴极构件1001包含直径为64mmφ，厚度为25mm的Cr。而且，在本发明的实施方式中，所谓现有的电弧法，是指使用阴极构件1001来产生电弧放电。
[表9]
在表9中，比较例6～比较例8是利用现有的电弧法形成有中间层30且利用FVA法形成有碳膜40的示例。而且，在比较例6～比较例8中，中间层30的材质分别为Cr、W、Ti。并且，在比较例6～比较例8中，中间层30的膜厚为30nm，整体的膜厚为300nm。
将利用SLA法而形成的碳薄膜的评估示于表10。
[表10]
在表10中，实施例2～实施例4是利用SLA法形成包含类金刚石碳的中间层35及碳膜40的示例，实施例5是未形成中间层35而利用SLA法形成有碳膜40的示例。在实施例2～实施例5中，中间层35的膜厚为30nm，在实施例2～实施例5中，整体的膜厚为300nm。
将利用FVA法形成中间层30且利用SLA法形成碳膜40的碳薄膜的评估示于表11。
[表11]
在表11中，实施例6～实施例11是利用FVA法形成有中间层30且利用SLA法形成有碳膜40的示例。而且，在实施例6～实施例11中，中间层30的材质分别为Cr、Cr、Cr、CrN、W、Ti。并且，在实施例6～实施例11中，中间层30的膜厚为30nm，整体的膜厚为300nm。
在表8～表11中，面粗糙度指标是将经触针前端半径为1.25μm的触针式表面形状测定器测定的10nm～20nm的凹凸的个数除以单位扫描距离[mm]及单位膜厚[nm]所得。表面形状测定器是维易科(Veeco)公司的型号戴科泰克(Dektak)150。并且，将扫描距离设为5mm，将操作时间设为30秒，将载荷设为1.5mgf。再者，选择触针前端半径为1.25μm的触针的理由在于凹凸的数量取决于触针的前端半径。
密接性指标1是利用洛氏(Rockwell)硬度试验机施加150kgf的载荷(C级)而利用电荷耦合器件(Charge Coupled Device，CCD)显微镜以放大率300倍观察而评估压痕周边的碳膜的剥离的有无。试验机是使用明石(Akashi)公司制造的型号ARK-600的机器。
密接性指标2是使用球盘(ball on disk)型的摩擦磨损试验机，在机油(engineoil)中以10N/秒使载荷倾斜至最大5000N为止，将摩擦系数的陡峭的变化点确定为剥离载荷而实施试验，求出基板盘片的剥离的有无及剥离载荷(N)。球的材质是SUJ 2，尺寸是直径3/8英寸，每个试验将三个球三等分地固定在直径18mm的圆周上，施加规定的试验载荷，基板盘片是以固定的转数30rpm进行旋转。试验载荷如果达到最大5000N则结束试验。装置是海计测特机(ORIENTEC)公司制造的型号EFM-III-EN的机器。机油的种类是将出光思普图润(ZEPRO TOURING)SN/GF5(5W-30)装满于试验容器，并使球及盘片基板浸渍。
基板的尺寸是直径为30mm中，厚度为5mm。并且，基板的材质是SCM 415的渗碳材料，对成膜面进行镜面研磨，而使表面粗糙度Ra小于10nm，使最大表面粗糙度Rmax小于100nm。
如表8所示，比较例2～比较例5的碳薄膜是面粗糙度指标小至0.0073[个/mm/nm]～0.0267[个/mm/nm]，经剥离，剥离载荷为900[N]～1200[N]。
如表9所示，比较例6～比较例8的碳薄膜未经剥离，面粗糙度指标为0.0333[个/mm/nm]～0.0600[个/mm/nm]，剥离载荷为1800[N]～2800[N]。
表10所示的实施例2～实施例5的碳薄膜经剥离，面粗糙度指标小至0.0005[个/mm/nm]～0.0013[个/mm/nm]，剥离载荷为1600[N]～2800[N]。
表11所示的实施例6～实施例11的碳薄膜的面粗糙度指标小至0.0017[个/mm/nm]～0.0067[个/mm/nm]，未经剥离，剥离载荷大至3500[N]～5000[N]。
因此，通过利用FVA法形成中间层30，并利用SLA法形成碳膜40，可不经剥离，而形成面粗糙度指标小，剥离载荷大的碳薄膜。
图13是表示凹凸的缺陷数与凹凸的缺陷的尺寸的关系的图。在图13中，纵轴表示在每个单位扫描距离及每个单位膜厚的凹凸的缺陷数，横轴表示缺陷的凹凸的尺寸。
并且，在图13中，黑色的柱状图表示使用FVA法而形成的碳薄膜上的凹凸的缺陷数与凹凸的缺陷的尺寸的关系，白色的柱状图表示本发明的实施方式的碳薄膜上的凹凸的缺陷数与凹凸的缺陷的尺寸的关系。
参照图13，在本发明的实施方式的碳薄膜中，包含1.2[个/mm/nm]凹凸为10nm以上且小于20nm的缺陷，不含凹凸为20nm以上且小于30nm的缺陷，包含0.4[个/mm/nm]凹凸为30nm以上且小于40nm的缺陷，不含凹凸为40nm以上且小于50nm的缺陷。
另一方面，使用FVA法而形成的碳薄膜包含10.8[个/mm/nm]凹凸为10nm以上且小于20nm的缺陷，包含5.8[个/mm/nm]凹凸为20nm以上且小于30nm的缺陷，包含3.0[个/mm/nm]凹凸为30nm以上且小于40nm的缺陷，并包含2.4[个/mm/nm]凹凸为40nm以上且小于50nm的缺陷。
因此，本发明的实施方式的碳薄膜可以与使用FVA法而形成的碳薄膜相比大幅减少缺陷数。
再者，在所述实施例中，也可以替代FVA法的中间层30的形成，设为利用溅射法形成中间层30。此时，也同样地，可以大幅减少碳膜(类金刚石碳)的表面上的缺陷数。
并且，也可以不进行利用FVA法的离子轰击处理。
所述制造方法，即，在基板面上利用FVA法形成整体的膜厚为约30nm左右的金属中间层之后，利用SLA法形成有膜厚为约300nm的碳膜的碳薄膜50的碳膜(＝类金刚石碳)的表面上的缺陷数(面粗糙度指数)如表9所示，为0.0067[个/mm/nm]以下。因此，缺陷数(面粗糙度指数)优选的是小于0.0070[个/mm/nm]，更优选的是小于0.0035[个/mm/nm]，特别优选的是小于0.0015[个/mm/nm]。
并且，在表11中，在实施例7～实施例10中，缺陷数(面粗糙度指数)小于0.0035[个/mm/nm]，而成为适合于小于10nm～20nm的凹凸会造成不良影响的光学透镜的成型用模具等精密模具用途的膜。
进而，利用所述制造法而形成的膜在基材与碳膜的界面上铺设有包含金属的中间层30，所以成为既没有出现因洛氏硬度试验而引起的剥离，高面压滑动试验中的耐剥离载荷又超过5000[N]的膜，从而成为在密接性及耐磨损性方面也优异的膜。
再者，如表10所示，当没有利用FVA法形成中间层30，只利用SLA法使包含类金刚石碳的中间层35及碳膜40成膜时，虽然存在密接力的下降，但是缺陷数(面粗糙度指数)为0.0013[个/mm/nm]以下，从而可进一步成为适合于精密模具用途的膜。
另一方面，在表8、表9所示的比较例(现有例)中，缺陷数(面粗糙度指数)大于0.0067[个/mm/nm]，从而成为如下膜：在面粗糙度方面也不适合于精密模具用途，并且即使进行洛氏硬度试验也会剥离，高面压滑动试验中的耐剥离载荷也成为低载荷，在密接性方面也薄弱。
再者，用于形成碳膜40的阴极构件4的以式(1)表示的抗热震性R优选的是大于7.9，更优选的是12.2以上。
如果抗热震性R大于7.9，则玻璃状碳的耐热震性相对于因为电弧放电而产生于阴极构件表面上的热应力而增大，从而能够防止阴极构件4破裂。因此，可以形成进一步减少了阴极构件4破裂时容易产生的10nm～20nm的凹凸的数量的碳膜40。
此次所揭示的实施方式应认为在所有方面均为例示而并非加以限制。本发明的范围是通过权利要求书而不是所述实施方式的说明来揭示，意图包含与权利要求书同等的涵义及范围内的所有变更。
[产业上的可利用性]
本发明适用于碳薄膜、制造其的等离子体装置及制造方法。

Claims (2)

1.一种碳薄膜的制造方法，包括：
第1工序，在朝向基板而固定于真空容器上的电弧式蒸发源上，安装阴极构件，所述阴极构件包含玻璃状碳，并且包含具有柱状形状剖面积大于0.785 mm2的柱状部分；
第2工序，对所述电弧式蒸发源施加负的电压；
第3工序，使放电开始以使等离子体从所述阴极构件的所述柱状部分释放出来，而在所述基板上形成碳膜；
所述碳膜中，经触针前端半径为1.25 μm的触针式的表面形状测定器测定的10 nm～20nm的凹凸的数量在每单位扫描距离及每单位膜厚中小于0.007个/mm/nm，其中每单位扫描距离的单位为mm，每单位膜厚的单位为nm，
所述阴极构件中，所述柱状部分的长度为20mm以上，且所述阴极构件的以下式（1）表示的抗热震性R为12.2以上，
R=σ×λ/α/E ···（1）
此处，在所述式（1）中，σ为弯曲强度，单位为MPa，λ为热传导率，单位为W/m· K，α为热膨胀系数，单位为/106 K，E为杨氏模量，单位为GPa，以及
第4工序，在所述碳膜与基板之间形成中间层，所述中间层包含选自元素周期表4A族元素、5A族元素、6A族元素、B中的至少一个元素及上述元素的氮化物中的任一者；并且
所述中间层是通过电弧放电法或溅射法而形成，所述电弧放电法或所述溅射法是使从阴极构件向真空容器的内部释放出的离子沿所述真空容器呈圆弧状弯曲，使所述离子抵达至所述基板，所述真空容器配置在阴极构件至所述基板之间，包含呈圆弧状弯曲的筒状构件。
2.根据权利要求1所述的碳薄膜的制造方法，其中所述中间层是使用阴极构件并利用溅射法而形成。
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