WO2017094775A1 - アーク式成膜装置および成膜方法 - Google Patents

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WO2017094775A1
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cathode
arc
heating
film forming
forming apparatus
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PCT/JP2016/085551
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尚登 岡崎
浩 石塚
森口　秀樹
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日本アイ・ティ・エフ株式会社
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    • C23C—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; SURFACE TREATMENT OF METALLIC MATERIAL BY DIFFUSION INTO THE SURFACE, BY CHEMICAL CONVERSION OR SUBSTITUTION; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL
    • C23C14/00—Coating by vacuum evaporation, by sputtering or by ion implantation of the coating forming material
    • C23C14/06—Coating by vacuum evaporation, by sputtering or by ion implantation of the coating forming material characterised by the coating material
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C23—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; CHEMICAL SURFACE TREATMENT; DIFFUSION TREATMENT OF METALLIC MATERIAL; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL; INHIBITING CORROSION OF METALLIC MATERIAL OR INCRUSTATION IN GENERAL
    • C23C—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; SURFACE TREATMENT OF METALLIC MATERIAL BY DIFFUSION INTO THE SURFACE, BY CHEMICAL CONVERSION OR SUBSTITUTION; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL
    • C23C14/00—Coating by vacuum evaporation, by sputtering or by ion implantation of the coating forming material
    • C23C14/22—Coating by vacuum evaporation, by sputtering or by ion implantation of the coating forming material characterised by the process of coating
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    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
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    • C23C14/22—Coating by vacuum evaporation, by sputtering or by ion implantation of the coating forming material characterised by the process of coating
    • C23C14/24—Vacuum evaporation
    • C23C14/32—Vacuum evaporation by explosion; by evaporation and subsequent ionisation of the vapours, e.g. ion-plating

Definitions

  • the present invention relates to an arc type film forming apparatus for forming a thin film mainly composed of carbon on the surface of a substrate such as a mold, an automobile part, or a tool, and a film forming method using the arc type film forming apparatus.
  • a hard carbon film mainly composed of carbon called a DLC (diamond-like carbon) film has attracted attention as a material excellent in low friction and welding resistance.
  • DLC films are roughly classified into hydrogen-containing DLC films formed using hydrocarbon gas as a carbon material and hydrogen-free DLC films formed using solid carbon as a carbon material.
  • the hydrogen-free DLC film has high hardness and high heat resistance, and also has a small coefficient of friction in oil, so that it can be used for base materials such as molds for lens molding, automobile parts, and tools. Used as a surface treatment film.
  • Such a hydrogen-free DLC film is generally formed by using a sputtering method or an arc method, but it is difficult to increase productivity by the sputtering method, and the film quality of the formed DLC film is sufficient.
  • film formation using the arc method has been preferably performed (see, for example, Patent Document 1).
  • a pinhole may be formed in the molded lens, which may reduce the quality of the lens. is there.
  • the FVA Flutered Vacuum ⁇ Arc
  • the provision of the apparatus increases the cost of the apparatus and slows the film formation rate to about 1/5 that of the conventional arc method.
  • the present invention stably forms a smooth DLC film by suppressing the release of pulverized particles from the cathode during arc discharge when forming the DLC film using an arc type film forming apparatus. It is an object of the present invention to provide an arc type film forming technique capable of forming a film.
  • the present inventor In examining the solution of the above problems, the present inventor first examines in detail the release mechanism of pulverized particles, and the pulverized particles are between the arc spot and the surrounding portion at the cathode during arc discharge. It was found that this occurred due to a large temperature difference.
  • FIG. 7 is a cross-sectional view schematically showing the vicinity of an arc spot formed on the cathode of a conventional arc type film forming apparatus.
  • an arc spot 31 is formed on the surface of the cathode 4 by arc discharge, and carbon is sublimated by the high temperature of the arc spot 31, and the sublimated carbon 44 is formed on the base material.
  • a DLC film is formed by vapor deposition on the surface (not shown).
  • the carbon of the cathode 4 is sublimated at a high temperature exceeding 3000 ° C. Is normally cooled with water from the back side of the cathode 4, the temperature around the arc spot nearest portion 41 generally remains at 500 ° C. or less, and a large temperature difference with the arc spot 31 occurs.
  • the present inventor has found that if the temperature of the entire cathode 4 is high, the temperature difference generated between the arc spot closest portion 41 and the surrounding 42 is reduced, and the generation of pulverized particles 43 and sparks ( Hereinafter, it is considered that the generation of the pulverized particles 43) can be suppressed, and various experiments are conducted to determine how much the temperature at the cathode 4 is specifically set to suppress the generation of the pulverized particles 43. Study was carried out.
  • the portion where the pulverized particles 43 have conventionally been generated is at a high temperature of 500 to 3000 ° C., preferably 1000 to 3000 ° C., the surface of the cathode 4
  • a large temperature difference does not occur between the portion 41 immediately adjacent to the arc spot and the surrounding 42, the generation of the pulverized particles 43 is suppressed, and a smooth DLC film, specifically, surface roughness. It was found that a DLC film having a (ten-point average roughness) of 0.5 ⁇ m or less can be stably formed.
  • the inventor has studied an arc type film forming apparatus capable of setting the temperature of the region near the arc spot of the cathode 4 during film formation to 500 to 3000 ° C.
  • the carbon near the arc spot 31 is easily sublimated in a short time by arc discharge. Therefore, it has been found that the arc spot 31 can be moved smoothly, and that the carbon of the cathode 4 is evenly consumed and the utilization efficiency of the cathode 4 can be increased.
  • the region near the arc spot is a place where pulverization occurs unless heated, and varies depending on the cathode material and arc discharge conditions. However, as shown in FIG. It is an area within a radius of 3 mm and a depth of 3 mm.
  • the new destination is already at a high temperature, and the high temperature region is preferably large. Most preferably, the substantial entire discharge surface is hot.
  • Claim 2 is 2.
  • the present inventor conducted experiments and studies on specific means for setting the temperature of the region near the arc spot of the cathode 4 to the above-described temperature, and broadly divided, the following two means can be preferably adopted. I found.
  • a heating means for heating the cathode from the outside is provided. That is, if at least the area near the arc spot of the cathode is heated to a high temperature during arc discharge by external heating, the temperature difference between the immediate vicinity of the arc spot and the surrounding area is reduced in the cathode during film formation. The generation of pulverized particles can be suppressed.
  • invention of Claim 3 is based on said knowledge, 3.
  • heating by a heater As a specific heating means for heating the above-described cathode from the outside, it has been found that heating by a heater is most suitable. However, the same effect can be obtained in an induction heating device, an electron beam heating device, and a laser heating device. I can expect.
  • the arc type film forming apparatus according to claim 3, wherein the heating means is a heater for heating the cathode from the outside.
  • a heater as the soot heating means because the temperature of the cathode can be easily controlled. Moreover, both heater heating and arc discharge can be performed with one power source by connecting the heater and the cathode and causing the current flowing through the heater to flow through the cathode.
  • the invention according to claim 5 4.
  • the soot induction heating apparatus can heat the cathode even from a remote position, the degree of freedom of the installation position becomes high, and it can be preferably used even when it is difficult to provide the above-described heater.
  • the invention according to claim 6 4.
  • the electron beam heating device can also heat the cathode from a remote location.
  • the invention according to claim 7 The arc heating film forming apparatus according to claim 3, wherein the heating means is a laser heating apparatus that irradiates the cathode with laser light to heat the cathode.
  • the cathode can be heated from a distant position as in the induction heating device and the electron beam heating device described above.
  • the present inventor does not heat the cathode from the outside, but at least the arc spot of the cathode by self-heating of the cathode which heats the cathode with the heat generated in the cathode itself by arc discharge.
  • a means for setting the temperature in the adjacent region to 500 to 3000 ° C. was considered.
  • the cathode 4 is heated up to the carbon sublimation temperature (about 3500 ° C.) or more in the arc spot nearest portion 41 near the arc spot 31, the entire cathode 4 is heated by the heat in the arc spot nearest portion 41. Furthermore, the whole of the cathode 4 is also heated by resistance heating due to the arc current.
  • the heat generated by self-heating of the cathode 4 can be kept at least in the vicinity of the arc spot of the cathode 4 and the cathode 4 can be heated to 500 to 3000 ° C., the arc spot can be obtained without providing new heating means outside. It becomes possible to heat the periphery 42 of the nearest part 41 to high temperature, and the enlargement of an apparatus is not caused.
  • the inventions according to claims 8 to 10 are based on the above knowledge, and the invention according to claim 8
  • the arc type composition according to claim 1 or 2 wherein the temperature of at least a region in the vicinity of the arc spot of the cathode becomes 500 to 3000 ° C by self-heating of the cathode. It is a membrane device.
  • the invention according to claim 9 is: 9.
  • the invention according to claim 10 is The arc-type film forming apparatus according to claim 8, wherein the self-heating of the cathode is performed by resistance heating generated by an arc current.
  • the cathode As a specific method of setting the temperature of at least the area near the arc spot of the cathode to 500 to 3000 ° C. by self-heating of the cathode described above, it is first considered to use a cathode that is thinner than a conventional general cathode. It is done. When such a thin cathode is used, the heat generated at the arc spot is accumulated in the thin cathode, so that the cathode can be sufficiently heated only by the heat generated at the arc spot. In addition, since the resistance increases in the case of a thin cathode, the cathode can be sufficiently heated by resistance heating due to an arc current.
  • a cylindrical cathode having a diameter of 20 mm or less should be used as the cathode in order to set the temperature of at least the area near the arc spot of the cathode to 500 to 3000 ° C.
  • the invention according to claim 11 The arc type film forming apparatus according to any one of claims 8 to 10, wherein the cathode is a columnar cathode having a diameter of 20 mm or less.
  • the actual volume of the cathode is reduced even if the cathode has the same thickness due to the presence of the pores, and the heat generated at the arc spot is a cathode with a small actual volume.
  • the cathode can be sufficiently heated by the resistance heat generated by the arc current.
  • the heat conduction at the cathode is reduced due to the presence of the holes, it is difficult for the heat generated at the arc spot to escape into the cathode material, and the generated heat can be used effectively.
  • a general arc type film forming apparatus has a cooling means for cooling the cathode in order to prevent the entire cathode from melting or sublimating due to temperature rise during arc discharge and falling off from the cathode holding means. Is provided.
  • the DLC film is formed as in the present invention, since the sublimation temperature of the cathode is high, the necessity for cooling the cathode is low.
  • the cooling means is controlled to make the cooling of the cathode weaker than before, the temperature of the cathode itself can be made higher than before, and at least the temperature in the vicinity of the arc spot of the cathode is set to 500 to It can be 3000 degreeC.
  • the invention according to claim 13 is based on the above knowledge, A cooling means for cooling the cathode, and a cooling control means for controlling the cooling means so that a temperature of at least a region in the vicinity of the arc spot of the cathode is 500 to 3000 ° C.
  • the arc-type film forming apparatus according to any one of Items 8 to 10.
  • the first means for providing a heating means for heating the cathode from the outside to raise the temperature of the cathode and the second means for raising the temperature of the cathode by self-heating of the cathode can be used in combination.
  • the invention according to claim 14 By combining the heat generated by the heating means for heating the cathode and the heat generated by the self-heating of the cathode, the temperature of at least the region near the arc spot of the cathode is set to 500 to 3000 ° C.
  • the invention according to claim 15 is:
  • the heating means for heating the cathode is any one of a heater, induction heating, electron beam heating, laser heating, 15.
  • the arc spot 31 during arc discharge extends from the tip T of the cathode 4 to the root (not shown).
  • the side surface of the cathode 4 is moved spirally.
  • a coil 12 as a magnetic field generating means is provided in the arc type film forming apparatus, and the angle ⁇ formed between the axial direction of the cathode 4 and the magnetic force lines M is an acute angle on the tip T side of the cathode 4.
  • the arc spot stays at the tip T of the cathode 4 and the tip T side of the cathode 4 Carbon is consumed sequentially.
  • the utilization efficiency of the cathode 4 can be improved as compared with the prior art.
  • the coil 12 is used as the magnetic field generating means.
  • the present invention is not limited to this, and a permanent magnet may be used.
  • the invention according to claim 16 is based on the above knowledge,
  • the cathode is a cylindrical cathode; 16.
  • the magnetic field generating means for generating a magnetic field so that an angle formed between an axial direction of the columnar cathode and a line of magnetic force is an acute angle on the tip side of the cathode is provided. It is an arc type film-forming apparatus of any one item.
  • a delivery mechanism that feeds the cathode toward the substrate.
  • the invention according to claim 17 The arc-type film forming apparatus according to claim 16, further comprising a delivery mechanism that delivers the cylindrical cathode toward the base material.
  • the invention according to claim 18 An arc type in which a carbon film mainly composed of carbon is formed on the surface of a base material by evaporating the carbon from an arc spot formed on the surface of the cathode by performing arc discharge on the cathode mainly composed of carbon.
  • a film forming method comprising: The film forming method is characterized in that the carbon film is formed at a temperature of at least 500 to 3000 ° C. in the vicinity of the arc spot of the cathode.
  • the invention as set forth in claim 19 Using the arc-type film forming apparatus according to any one of claims 1 to 17, The film forming method is characterized in that the carbon film is formed at a temperature of at least 500 to 3000 ° C. in the vicinity of the arc spot of the cathode.
  • a smooth DLC film is stably formed by suppressing the release of pulverized particles from the cathode during arc discharge.
  • An arc-type film forming technique capable of forming a film can be provided.
  • FIG. 1 is a schematic diagram showing a basic configuration of an arc type film forming apparatus according to the present embodiment.
  • the arc type film forming apparatus 10 used in the present invention is the same as that of the conventional arc type film forming apparatus.
  • the arc type film forming apparatus 10 includes a vacuum chamber 1, a substrate holding means 2, a cathode holding means 3, a cathode 4, power supplies 6 and 7, and a trigger electrode 8.
  • reference numeral 5 denotes a shutter and 9 denotes a resistor.
  • the vacuum chamber 1 is provided with an exhaust port 11, and the inside of the vacuum chamber 1 is evacuated by an exhaust means (not shown) such as a turbo molecular pump or a rotary pump connected to the exhaust port 11. be able to.
  • the vacuum chamber 1 is electrically grounded.
  • Base material and base material holding means The base material holding means 2 is accommodated in the vacuum chamber 1 and holds the base material 20 as a film formation target.
  • the substrate holding means 2 is insulated from the vacuum chamber 1.
  • maintains the one base material 20 is shown, the base material holding means which can hold
  • the cathode holding means 3 is accommodated in the vacuum chamber 1 and is configured to hold the cathode 4 so as to face the base material 20 held by the base material holding means 2.
  • the cathode 4 is made of a material mainly composed of carbon, and isotropic graphite, anisotropic graphite, porous graphite, C / C composite, or the like can be used. Further, glassy carbon or pyrocarbon may be used instead of these powder aggregates. By using such glassy carbon or pyrocarbon, the generation of sparks and pulverized particles can be more appropriately suppressed.
  • a power source 6 is connected to the base material holding means 2, and a negative voltage can be applied to the base material 20 through the base material holding means 2.
  • a power source 7 is also connected to the cathode holding means 3 so that a negative voltage can be applied to the cathode 4 via the cathode holding means 3.
  • Trigger electrode The trigger electrode 8 is attached so that the tip thereof faces the tip of the cathode 4.
  • the trigger electrode 8 is made of, for example, molybdenum (Mo), and an arc discharge is generated between the cathode 4 and the vacuum chamber 1 by bringing the tip of the trigger electrode 8 into contact with the cathode 4 to which a negative voltage is applied. Can be generated.
  • Mo molybdenum
  • Magnetic field generating means In order to control the movement of the arc spot, it is preferable to provide a magnetic field generating means, for example, the coil 12 shown in FIG.
  • the coil 12 is configured to generate a magnetic field around the cathode 4 such that an angle ⁇ formed between the magnetic lines of force M and the side surface of the cathode 4 is an acute angle on the tip T side of the cathode 4.
  • the arc spot moves in the direction in which the magnetic lines of force M are at an acute angle, so the arc spot is at the tip of the cathode 4.
  • the carbon can be consumed sequentially from the tip T side of the cathode 4, and the utilization efficiency of the cathode 4 can be improved as compared with the conventional case.
  • FIG. 2 is a cross-sectional view schematically showing a state in the vicinity of an arc spot in the arc type film forming apparatus according to the present embodiment.
  • the temperature at least in the portion where the pulverized particles 43 are conventionally generated, that is, in the region near the arc spot 31 of the cathode 4 is 500 to 3000 ° C. (preferably 1000 ° C.). (Means up to 3000 ° C.).
  • the temperature difference between the arc spot closest portion 41 in the vicinity of the arc spot 31 shown in FIG. 2 and its surrounding 42 can be reduced, and the thermal strain generated in the periphery 42 of the arc spot closest portion 41 can be reduced.
  • generation of cracks due to thermal strain can be prevented, and generation of pulverized particles 43 (see FIG. 7) can be suppressed.
  • the temperature of the cathode 4 during film formation is set to 3000 ° C. or lower.
  • means for reducing the temperature difference between the arc spot closest portion 41 and its surroundings 42 means for providing a heating means for heating the cathode 4 from the outside, and means for raising the temperature of the cathode 4 by self-heating.
  • the temperature of at least the area near the arc spot of the cathode 4 during film formation is set to 500 to 3000 ° C.
  • heating means First, a specific example of means for providing a heating means for heating the cathode 4 from the outside so that the temperature of at least the area near the arc spot 31 of the cathode 4 is 500 to 3000 ° C. will be described.
  • (A) Heater examples of the heating means for heating the cathode 4 from the outside include a heater.
  • a heater for example, a heater using a heating wire can be used. Since such a heater has a simple structure and easy temperature control, at least a region near the arc spot 31 of the cathode 4 can be reliably heated to 500 to 3000 ° C. and can be preferably used.
  • the method of heating the cathode 4 via the cathode holding means 3 by incorporating a heater in the cathode holding means 3 is mentioned, for example.
  • an induction heating apparatus can also be used as a heating means.
  • a known induction heating device can be used.
  • an induction heating apparatus is used as the heating means, even if the heating means is installed at a position away from the cathode 4, at least the area near the arc spot 31 of the cathode 4 can be heated to 500 to 3000 ° C. 10 can be preferably used when it is difficult to provide a heater or the like.
  • an electron beam heating device can be used as the heating means.
  • an electron gun is provided in a vacuum chamber, and the cathode is heated by irradiating the cathode with an electron beam from the electron gun.
  • this electron beam heating device can also heat the cathode 4 from a distant position, and thus has a high degree of freedom in the installation position.
  • Laser heating device A laser heating device is also preferably used as the heating means because the cathode can be heated from a distant position as described above.
  • the diameter D of the cathode 4 is set to 50 to 70 mm.
  • the heat generated at the arc spot is accumulated in the thin cathode, so that at least the area near the arc spot 31 of the cathode 4 due to the heat generated at the arc spot.
  • the temperature can be set to 500 to 3000 ° C.
  • the thin cathode 4 having a diameter D of 20 mm or less when used, the heat generated at the arc spot is accumulated in the thin cathode as described above, so that at least the heat generated at the arc spot 31 (see FIG. 2)
  • the region near the arc spot 31 of the cathode 4 can be heated to 500 to 3000 ° C.
  • the diameter D of the cathode 4 is more preferably 5 mm or less, and further preferably 3 mm or less.
  • the thin cathode 4 having a diameter D of 20 mm or less when used, the cross-sectional area when the arc current flows is small, so that the resistance is higher than when a conventional cathode having a thickness is used. Thereby, when the arc current flows to the cathode 4, the cathode 4 can sufficiently generate heat.
  • the temperature of the entire cathode 4 can be raised by the heat generated at the arc spot 31 and the resistance heat generation of the cathode 4 to facilitate the heating to 500 to 3000 ° C. .
  • a cathode holding hand 3 (see FIG. 3) that holds one end of the columnar cathode 4 is used, and the columnar cathode 4 is used as the cathode holding unit 3 at this time. It is preferable to provide a delivery mechanism that sequentially feeds the substrate toward the substrate 20. As a result, when the cathode is shortened, it can be sent out appropriately, and the number of times of replacing the cathode 4 can be reduced, and stable arc discharge can be sustained for a long time.
  • Porous Cathode As a means for bringing the cathode to 500 to 3000 ° C. by self-heating of the cathode, it is also preferable to use a porous cathode for the cathode 4. When such a porous cathode is used, even if it is the same thickness, the actual volume of the cathode is reduced by the pores. In addition, the temperature of the cathode 4 can be raised by both resistance heating due to the arc current, and at least the temperature in the vicinity of the arc spot 31 of the cathode 4 can be easily made to 500 to 3000 ° C.
  • Cooling means are provided in order to prevent the entire cathode from being melted or sublimated due to temperature rise during arc discharge and falling off from the cathode holding means.
  • the degree of cooling by the cooling means is controlled to be weaker than before, the temperature of the cathode can be made higher than before.
  • the cathode 4 is set on the cathode holding means 3 and the base material 20 is set on the base material holding means 2, and then the inside of the vacuum chamber 1 is evacuated to a predetermined degree of vacuum (10-4 ⁇ 10-3 Pa).
  • a negative bias voltage (0 to ⁇ 300 V) is applied from the power source 6 to the base material 20, and a negative voltage ( ⁇ 15 to ⁇ 50 V) is applied from the power source 7 to the cathode 4.
  • the tip of the trigger electrode 8 is brought into contact with the cathode 4 and then separated. Thereby, arc discharge (about 80 A) is generated between the vacuum chamber 1 and the cathode 4. Thereby, an arc spot 31 is formed on the cathode 4, and the carbon of the cathode 4 is sublimated in the arc spot 31.
  • the sublimated carbon is deposited on the surface of the substrate 20 to form a DLC film.
  • the temperature of at least the region in the vicinity of the arc spot 31 of the cathode 4 during the film formation is set to 500 to 3000 ° C.
  • the temperature difference between the arc spot closest portion 41 in the vicinity of the arc spot 31 and the surrounding 42 is reduced to suppress the generation of cracks due to thermal distortion and to suppress the release of pulverized particles.
  • the heating means is operated before the tip of the trigger electrode 8 is brought into contact with the cathode 4 to start arc discharge.
  • the temperature of at least the area near the arc spot 31 of the cathode 4 is preliminarily raised to 500 to 3000 ° C.
  • the temperature of at least the region near the arc spot 31 of the cathode 4 is set to 500 to 3000 ° C. by self-heating of the cathode 4, for example, a thin cathode 4 having a diameter D of 20 mm or less shown in FIG. Start discharging.
  • the temperature of the entire cathode 4 is raised by the heat generated at the arc spot 31 and the resistance heat generated by the arc current.
  • the generated heat stays at the thin cathode and is sufficiently heated. be able to.
  • the shutter 5 is opened and film formation is started. Thereby, in the cathode 4 during film formation, it is possible to reduce the temperature difference between the arc spot closest portion 41 and its surroundings 42 and suppress the release of pulverized particles due to cracks.
  • the smooth DLC film can be stably formed on the substrate by suppressing the release of the pulverized particles as described above, for example, in a lens mold, there are few pinholes.
  • High quality lenses can be molded, and in automobile parts and tools such as piston rings, valve lifters, piston pins, etc., it is possible to prevent pulverized particles from starting from being taken in. It does not cause deterioration in quality over a long period of time.
  • Experiment 1 In Experiment 1, a heater was provided as a heating means for heating the cathode, and the cathode during film formation was heated with the heater, and the temperature of the cathode capable of suppressing the release of pulverized particles was examined.
  • Experimental Examples 1 to 4 Specifically, Experimental Examples 1 to 4 were carried out by installing a heater in a conventional arc type film forming apparatus and controlling the temperature so as to be the cathode temperature shown in Table 1. Specific film forming conditions other than the heater temperature were as follows.
  • Cathode Length 30mm Diameter 50mm
  • Base material Base material for testing (made of high-speed tool steel)
  • Degree of vacuum 1 ⁇ 10-3Pa
  • Bias voltage -50V Arc voltage: -20V Arc discharge current: 50A
  • Deposition time 20 min
  • Experimental Examples 5-9 DLC films were formed using arc type film forming apparatuses having different diameters of the cathodes 4 (Experimental Examples 5 to 9). Specifically, as shown in Table 2, five types of films were formed by varying the diameter of the cathode 4 in each of Experimental Examples 5 to 9.
  • Cathode Sintered carbon with a length of 30 mm
  • Base material Base material for testing (made of high-speed tool steel)
  • Degree of vacuum 1 ⁇ 10-3Pa
  • Bias voltage -50V
  • Arc voltage -20V
  • Arc current 50A
  • Deposition time 5 min
  • the surface roughness of the formed DLC film is smaller than in Experimental Examples 8 and 9, and the surface of the formed DLC film is smaller when the cathode diameter is smaller. It can be seen that the roughness is reduced. It can also be seen that the amount of sparks released is also reduced. From this, it was confirmed that by using a cathode having a diameter of 20 mm or less, the temperature of the cathode can be increased to 500 ° C. or more, and the release of pulverized particles due to cracks can be appropriately suppressed.

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Abstract

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。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、陰極表面に形成されたアークスポットから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、陰極を保持する陰極保持手段と、基材を保持する基材保持手段と、陰極保持手段および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℃にする手段を備えているアーク式成膜装置。

Description

アーク式成膜装置および成膜方法
  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。
  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。
  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）。
特開２０１４－６２３２６号公報
  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。
  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。
  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。
  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。
  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。
  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。
  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。
  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。
  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。
  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。
  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。
  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。
  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。
  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。
  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いることを特徴とするアーク式成膜装置である。
  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。
  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。
  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。
  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。
  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。
  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。
  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。
  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。
  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。
  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。
  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。
  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。
  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。
  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。
  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。
  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。
  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。
  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。
  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。
  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。
  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。
  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。
  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。
  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。
  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。
  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。
  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。
  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。
  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。
  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。
  請求項１６に記載の発明は、上記の知見に基づいたものであり、
  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。
  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。
  即ち、請求項１７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１６に記載のアーク式成膜装置である。
  また、請求項１８に記載の発明は、
  カーボンを主成分とする陰極に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蒸発させて、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方法であって、
  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。
  また、請求項１９に記載の発明は、
  請求項１ないし請求項１７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。
  請求項１８および請求項１９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。
  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。
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。 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。 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。 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。 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。 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。 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。 アークスポット近傍の領域を説明する図である。
  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。
［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。
  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。
（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。
（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。
（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。
（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。
（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。
（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。
  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。
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。
  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。
  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。
（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。
（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。
（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。
（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。
（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。
（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。
（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。
  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。
  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。
  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。
  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。
  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。
（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。
（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。
  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。
  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。
  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。
［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。
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。
  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。
  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。
  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。
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。
  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。
  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。
  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。
  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。
［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。
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。
  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
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。
（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。
（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。
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000001
  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。
  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。
  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。
［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。
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。
  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
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。
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000002
  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。
  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。
  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。
  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

Claims (19)

  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いることを特徴とするアーク式成膜装置。
  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。
  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。
  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。
  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。
  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。
  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。
  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。
  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。
  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。
  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。
  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。
  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。
  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。
  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。
  16.   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。
  17.   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１６に記載のアーク式成膜装置。
  18.   カーボンを主成分とする陰極に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蒸発させて、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方法であって、
      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。
  19.   請求項１ないし請求項１７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。
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