WO2019058587A1

WO2019058587A1 - アーク式成膜装置および成膜方法

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Publication number: WO2019058587A1
Application number: PCT/JP2018/007419
Authority: WO
Inventors: 尚登岡崎; 明宣柴田; 渡辺　淳; 森口　秀樹
Original assignee: 日本アイ・ティ・エフ株式会社
Priority date: 2017-09-20
Filing date: 2018-02-28
Publication date: 2019-03-28

Abstract

陰極から放出された粉砕粒子が成膜中のＤＬＣ膜に取り込まれることを抑制して、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。　円柱状の陰極と陽極との間にアーク放電を生じさせることにより陰極の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、陰極と陽極との間に接続されたアーク電源と、陰極の先端部近傍の外周面にアークスポットを生じさせる放電開始手段と、陰極の軸方向に沿った磁力線を形成する磁場を発生させる磁場発生手段と、陰極の外周方向に筒状の空間を形成する空間形成部とを備えており、空間形成部の基材側には空間形成部の径よりも小さな径の開口部が設けられ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用いられている（例えば特許文献１参照）。

　しかし、従来のアーク式成膜装置を用いてＤＬＣ膜を成膜した場合、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、マクロパーティクル）が放出され、放出された粉砕粒子が成膜中のＤＬＣ膜に取り込まれることにより、本来平滑であるべきＤＬＣ膜の表面が、図３に示すように、粗くなってしまうことがある。

　このように粉砕粒子が取り込まれて表面が粗い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（例えば特許文献２参照）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ＤＬＣ膜の剥離の起点となり、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、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。

特開１９９３－１７８６６号公報特許第５５５４４５１号公報

　本発明は、上記した従来の成膜技術における種々の問題に鑑みて、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放出された粉砕粒子が成膜中のＤＬＣ膜に取り込ま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った。

　図４は従来の真空アーク蒸着法を説明する側面図である。一般に真空アーク蒸着法においては、図４に示すようにアーク放電によって陰極９の先端に高温のアークスポットＸが形成され、このアークスポットＸの高温によって陰極９のカーボンが昇華し、昇華したカーボンＰが対向する基材Ｗの表面に蒸着されることによりＤＬＣ膜が成膜される。

　本発明者は、従来の真空アーク蒸着法においては、基材Ｗの表面に向けて粉砕粒子１１が放出されているために基材Ｗに成膜されたＤＬＣ膜に粉砕粒子１１が取り込まれていると考え、これを防止するためには、図５に示すように、アークスポットＸを陰極９の外周面に生じさせて成膜を行えばよいと考え、実験と検討を進めた。

　具体的には、アーク放電を開始させる際に用いられる放電開始手段としてのトリガー電極が陰極に接触する位置を、従来の陰極の先端部から外周面に変更することによって図５に示すようにアークスポットＸを陰極９の外周面に生じさせた。

　その結果、細長いロッド状（円柱状）の陰極の側面を主放電エリアとした場合には、粉砕粒子が基材の表面に向けては放出されなくなるため、ＤＬＣ膜に粉砕粒子が取り込まれず、図６に示すように、粉砕粒子の取り込みが低減されたＤＬＣ膜を成膜できることが確認できた。なお、図６は、ここで成膜されたＤＬＣ膜の表面状態を示す顕微鏡写真である。

　そして、この方法の場合には、昇華したカーボンＰを基材に向けて移動させるために、図７に示すように、陰極９を囲むように筒状の磁場発生手段６を配置して、陰極９の軸方向に沿った磁力線Ｇが発生するように磁場を印加することにより、昇華したカーボンＰが陰極の先端方向に誘導されて、十分な成膜効率および成膜レートを確保できることが分かった。

　しかし、図６に示す程度の平滑さでは、前記したレンズ成形用の金型、自動車部品や工具等に適されるＤＬＣ膜としては未だ十分とは言えず、さらなる検討が必要なことが分かった。

　そして、さらに検討した結果、単に外周部に放電を起こしただけでは十分な平滑さが確保できなかった原因が、放出された粉砕粒子が真空チャンバーの内壁に衝突して跳ね返ることにより基材まで到達して、ＤＬＣ膜の平滑性を阻害していることにあることが分かった。

　そこで、本発明者は、アークスポットＸを陰極の外周面に生じさせることに加えて、真空チャンバーで跳ね返る粉砕粒子が基材Ｗに到達しないような工夫を行えばよいと考え実験で検討し、効果を確認した。

　具体的には、アークスポットを取り囲むように陰極の真空チャンバー側の先端部近傍の外周方向に筒状の空間を設けると共に、この空間の壁面で跳ね返った粉砕粒子がこの空間から真空チャンバー内へ飛散しないように、陰極の軸方向に小径の開口部を設けた板材を配置する。なお、ここでの筒状とは、円筒状はもちろん、多角筒状であってもよく、同様の効果が得られる限り特に限定されない。

　これにより、昇華したカーボンを磁場発生手段により形成された磁場に沿って開口部を経由して基材に向けて誘導することができる一方、空間の壁面から真空チャンバーへ向けて跳ね飛んできた粉砕粒子を開口部の周囲の板材によって再び空間内に跳ね返すことができる。そして、このように、空間内で何度も跳ね返った粉砕粒子は、跳ね返りの都度、飛散速度が低下するため、最早、開口部を抜けて基材に向けて飛散することがない。

　なお、小径の開口部を設けた板材の材質は、ＤＬＣ膜の熱膨張係数に近い黒鉛系材質、窒化ケイ素、サイアロン、ＢＮなどセラミック系材質、Ｗ、Ｍｏなどの高融点金属系材質が好ましい。熱膨張係数が近いと、放電のオン、オフによる加熱冷却や、堆積したＤＬＣ膜が粉砕粒子によって叩かれても剥離が起こりにくく、剥離片が膜中に取り込まれにくくなる効果がある。

　その結果、粉砕粒子のＤＬＣ膜への取り込みが飛躍的に低減されて、レンズ成形用の金型、自動車部品や工具等に使用されるＤＬＣ膜として好適な表面平滑性を有するＤＬＣ膜を成膜することができる。

　請求項１に記載の発明は、上記の知見に基づくものであり、
　カーボンを主成分とする円柱状の陰極と、陽極との間にアーク放電を生じさせることにより、前記陰極の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、
　前記円柱状の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、
　前記陰極と陽極との間に接続されたアーク電源と、
　前記円柱状の陰極の前記真空チャンバー側の先端部近傍の外周面にアークスポットを生じさせる放電開始手段と、
　前記円柱状の陰極の軸方向に沿った磁力線を形成する磁場を発生させる磁場発生手段と、
　前記陰極保持手段で保持された前記円柱状の陰極の前記真空チャンバー側の先端部近傍の外周方向に筒状の空間を形成する空間形成部とを備えており、
　前記空間形成部の前記基材側には、前記円柱状の陰極の軸方向に、前記空間形成部の径よりも小さな径の開口部が設けられていることを特徴とするアーク式成膜装置である。

　さらに、検討を進めると、上記したアーク式成膜装置を用いて、放電開始手段により陰極の外周面にアークスポットを生じさせた場合、アークスポットが陰極の外周面上を螺旋状に動きながら陰極の根元に向かって移動して、通常、数十秒から数分の内に根元まで到達して異常放電に至るケースが多く見受けられることが分かった。

　そこで、さらに、実験と検討を行い、その結果、２０秒～１分の所定時間が経過した段階でアーク放電を一旦停止させ、その後、放電開始手段により放電を再開させるようにアーク放電を制御することにより、前記した異常放電の発生が十分に抑制されて、安定した成膜が可能となることが分かった。

　請求項２に記載の発明は上記の知見に基づくものであり、
　アーク放電の開始と停止とをそれぞれ所定の時間で交互に繰り返すように制御する放電制御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。

　また、放電開始手段は、常に陰極の１点に触れることで放電を開始するものであるため、放電を続けることで、同じ場所のみが放電によって消費されてしまい、陰極の利用効率が悪い。このため、陰極を一定速度で、あるいは一定時間ごとに一定量送り出すように、送り出し機構を備えていることが好ましい。これにより、同じ場所のみが放電によって消費されることが防止されて、陰極の利用効率を大きく改善させることができる。

　即ち、請求項３に記載の発明は、
　前記円柱状の陰極を前記空間形成部により形成された筒状空間に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、上記したような送り出し機構を設けた場合には、複数本の陰極を保持した連装手段をさらに設けることが好ましい。これにより、成膜中の陰極を使い終わった際に、送り出し機構に予備の陰極を連続的に送り出して供給することができるため、装置を停止させることなく成膜を継続することができ、従来よりも厚みのあるＤＬＣ膜を成膜することができる。

　即ち、請求項４に記載の発明は、
　複数本の予備の陰極を保持しており、前記送り出し機構に向けて、前記予備の陰極を供給するように構成されている連装手段を備えてい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。

　ここで、陰極の直径が小さくなり過ぎると、アークスポットがわずか数秒で陰極の根元まで移動して、陰極が急激に消費されてしまうため、成膜効率の悪化を招いてしまう。

　一方、陰極の直径が大きくなり過ぎると、アーク放電によって形成された陰極の凹部の側面に生じたアークスポットから放出された粉砕粒子の飛散方向が陰極の軸方向と平行に近くなり、粉砕粒子が基材に向けて飛散し易くなるため、ＤＬＣ膜の平滑性が損なわれる恐れがある。

　具体的には、適切な直径の陰極の場合には、図８（Ａ）に示すように、アーク放電によって形成された陰極９における凹部の湾曲が緩やかであるため、アークスポットＸから粉砕粒子１１が放出される方向は陰極９に対して垂直に近い方向となり、粉砕粒子１１の基材方向への放出が十分に低減される。

　一方、直径が大きくなり過ぎた場合には、図８（Ｂ）に示すように、アーク放電によって形成された陰極９における凹部の湾曲が大きくなるため、アークスポットＸから粉砕粒子１１が放出される方向は陰極９に対して平行に近い方向となり、粉砕粒子１１が基材方向へと放出されて、ＤＬＣ膜の平滑性を損なわせる。

　好ましい陰極の直径は８～２５ｍｍであり、１０～２０ｍｍであるとより好ましい。

　即ち、請求項５に記載の発明は、
　前記円柱状の陰極が、直径が８～２５ｍｍの円柱形状をなしていることを特徴とする請求項１ないし請求項４のいずれか１項に記載のアーク式成膜装置である。

　そして、空間形成部の開口部の形状としては、空間形成部が筒状であることに合わせて、空間形成部の径よりも小さな径の円形であることが好ましい。また、円形形状は加工が容易である点でも好ましい。

　開口部の径が小さ過ぎると、昇華したカーボンが開口部を通過することが阻害されて成膜効率および成膜レートが低下する恐れがある。一方、大き過ぎると空間の壁面で跳ね返った粉砕粒子が基材に向けて飛散することを十分に防止できないため、十分な平滑性を有するＤＬＣ膜を成膜できない恐れがある。

　好ましい開口部の径は３０～１５０ｍｍであり、７５～１２５ｍｍであるとより好ましい。

　即ち、請求項６に記載の発明は、
　前記空間形成部における前記開口部の径が３０～１５０ｍｍであることを特徴とする請求項１ないし請求項５のいずれか１項に記載のアーク式成膜装置である。

　また、上記アーク式成膜装置においては、成膜装置の構成が複雑になることを防止するという観点から、真空チャンバーがアーク電源に接続されて、陽極として用いられることが好ましい。

　即ち、請求項７に記載の発明は、
　前記真空チャンバーが、前記アーク電源に接続されており、前記陽極として用いられ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項に記載のアーク式成膜装置である。

　そして、請求項８に記載の発明は、
　前記基材と前記陰極の間に可動式の遮蔽体が設置されていることを特徴とする請求項１ないし請求項７のいずれか１項に記載のアーク式成膜装置である。

　基材と陰極の間に可動式の遮蔽体を設置すると、放電開始時に陰極から放出される粉砕粒子が基材に到達しないようにすることができる。本発明では、図７に示したようにアーク放電によって陰極９の先端に高温のアークスポットＸが形成され、このアークスポットＸの高温によって陰極９のカーボンが昇華し、昇華したカーボンＰが対向する基材の表面に蒸着されるが、放電開始時直後の陰極９は高温ではないため、急激に加熱された陰極９は熱衝撃によって、安定した放電中よりも粉砕粒子が多く放出されることを実験で確認している。このため、基材と陰極９の間に図９に示すような遮蔽体１６を設置することにより、粉砕粒子の基材への到達を低減することができる。基材と陰極９の間に遮蔽体１６を固定して設置することは容易であるが、完全に遮蔽してしまうと昇華したカーボンＰまでもが遮蔽体１６に捕捉され、成膜レートの低下を招く。そこで、本発明者は遮蔽体１６を可動式にし、少なくとも放電開始時に基材と陰極９の間に配置されるようにした。

　なお、この遮蔽体１６の材質は、ＤＬＣ膜の熱膨張係数に近い材質、例えば黒鉛系材質、窒化ケイ素、サイアロン、ＢＮなどセラミック系材質、Ｗ、Ｍｏなどの高融点金属系材質が好ましい。熱膨張係数が近いと、放電のオン、オフによる加熱冷却や、堆積したＤＬＣ膜が粉砕粒子によって叩かれても剥離が起こりにくく、剥離片が膜中に取り込まれにくくなる効果がある。

　そして、請求項９に記載の発明は、
　カーボンを主成分とする円柱状の陰極と、陽極との間にアーク放電を生じさせることにより、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方法であって、
　請求項１ないし請求項８のいずれか１項に記載のアーク式成膜装置を用いて、
　前記円柱状の陰極の外周面にアークスポットを形成させ、
　前記アークスポットから放出され前記空間形成部の壁面で跳ね返った粉砕粒子が前記開口部から前記真空チャンバー内へ飛散することを防止する一方、昇華により発生したカーボンを、前記磁場発生手段により発生した磁力線に沿って、前記開口部を通過させて前記基材の表面まで誘導することにより、前記基材の表面に前記炭素膜を成膜することを特徴とするアーク式成膜方法である。

　なお、この炭素膜の成膜に際して、炭素膜の表面粗さＲｚ（μｍ）を膜厚ｄ（μｍ）で除した面粗さ指数Ｒｚ／ｄの値を小さくするように制御、具体的には、０．４以下となるように制御することにより、厚膜であっても平滑なＤＬＣ膜を安定して成膜することができる。

　即ち、請求項１０に記載の発明は、
　前記炭素膜の表面粗さＲｚ（μｍ）を膜厚ｄ（μｍ）で除した面粗さ指数Ｒｚ／ｄの値が、０．４以下となるように制御して前記炭素膜を成膜することを特徴とする請求項９に記載のアーク式成膜方法である。

　また、請求項１１に記載の発明は、
　基材表面に成膜されたカーボンを主成分とする炭素膜であって、
　表面粗さＲｚ（μｍ）を膜厚ｄ（μｍ）で除した面粗さ指数Ｒｚ／ｄの値が、０．４以下であり、
　請求項９または請求項１０に記載のアーク式成膜方法により成膜されていることを特徴とする炭素膜である。

　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放出された粉砕粒子が成膜中のＤＬＣ膜に取り込ま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構成を示す概略断面図である。図１のアーク式成膜装置における粉砕粒子の飛散の挙動を示す模式図である。従来の一般的な真空アーク蒸着法により成膜されたＤＬＣ膜の表面状態を示す顕微鏡写真である。従来の真空アーク蒸着法を説明する側面図である。陰極の外周面にアークスポットを生じさせたときの粉砕粒子および昇華したカーボンの放出の方向を示す側面図である。図５において成膜されたＤＬＣ膜の表面状態を示す顕微鏡写真である。陰極の軸方向に磁場を形成させたときの昇華したカーボンの移動方向を示す斜視図である。アークスポットからの粉砕粒子の放出の方向を示す模式図であり、（Ａ）は好ましい例、（Ｂ）は好ましくない例である。遮蔽体を示す模式図である。アーク式成膜装置における粉砕粒子の飛散の挙動を示す模式図である。磁場発生手段を説明する模式図である。本発明の一実施の形態のアーク式成膜方法の陰極の消費状態を示す模式図である。送り出し機構が設けられたアーク式成膜装置の陰極周辺を示す概略斜視図である。比較例のアーク式成膜装置の構成を示す概略断面図である。

　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。

　はじめに、アーク式成膜装置について基本的な構成および本発明の特徴部分に分けて説明をし、その後、このアーク式成膜装置を用いた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構成を示す概略断面図である。

　本実施の形態に係るアーク式成膜装置は、基本的な構成において、従来のアーク式成膜装置と共通している。具体的には、アーク式成膜装置は、陰極９および陰極９を保持する陰極保持手段１、基材Ｗを保持する基材保持手段２、真空チャンバー３、陰極９と陽極１０との間に接続された電源（アーク電源）４を備えている。なお、図示していないが、基材保持手段２には、基材用の電源が接続されている。

（１）真空チャンバー
　真空チャンバー３には排気口（図示せず）が設けられており、排気口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（図示せず）によって真空チャンバー３の内部を真空排気することができる。

　また、本実施の形態における真空チャンバー３は陽極１０を兼ねており、電気的にアースされている（図示せず）と共に、アーク電源４に電気的に接続されている。これにより、真空チャンバー３が陽極となり、陰極９と陽極１０である真空チャンバー３の壁面との間でアーク放電が生じてアークスポットが形成されるように構成されている。

（２）基材保持手段
　基材保持手段２は、真空チャンバー３内に収容されており、成膜対象となる基材Ｗを保持する。また、基材保持手段２は真空チャンバー３と絶縁されている。なお、図１においては、１つの基材Ｗを保持する基材保持手段２を示しているが、複数の基材Ｗ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）陰極保持手段および陰極の材料
　陰極保持手段１は、真空チャンバー３内に収容されており、基材保持手段２に保持された基材Ｗと対向するように陰極９を保持できるように構成されている。なお、陰極９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。

　具体的な陰極９としては、断面形状および太さが一様な円柱状の陰極が用いられる。このとき、直径としては８～２５ｍｍであることが好ましく、１０～２０ｍｍであるとより好ましいが、２５ｍｍ以上の太径の陰極や、長さが直径よりも短い形状の陰極であっても、陰極の外周面にアークスポットを生じさせることができれば本発明に含まれる。

　そして、陰極９は、陰極保持手段１によって、先端部分が基材Ｗに対向するように保持されている。また、空間形成部７により形成された空間内に向けて送り出し可能に保持されている。

（４）電源
　このアーク式成膜装置においては、前記したように、基材保持手段２に基材Ｗ用の電源が接続されており、基材保持手段２を介して基材Ｗ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９にはアーク電源４が接続されて、陰極９に負の電圧を印加できるように構成されている。

２．本実施の形態に係るアーク式成膜装置の特徴部分
　本実施の形態に係るアーク式成膜装置は、上記した基本的な構造の下に、以下の特徴的な構造を備えている。

（１）放電開始手段
　図１に示すように、本実施の形態に係るアーク式成膜装置は、従来の装置と同様に、放電開始手段としてトリガー電極５を備えており、負の電圧が印加された陰極９にトリガー電極５の先端を接触させることにより、接触位置にアークスポットＸを生じさせて、陰極９と陽極１０である真空チャンバー３との間でアーク放電を発生させるが、本実施の形態においては、トリガー電極５が陰極９に接触する位置が、陰極９の先端から陰極９の外周面に変更されている点で従来の装置と異なっている。

　これにより、図５に示すように、陰極９の外周面にアークスポットＸを生じさせ、アークスポットＸから放出された粉砕粒子１１が基材Ｗに向けて飛散しないようにすることができる。

　なお、トリガー電極５としては、従来と同様に、例えば、モリブデン（Ｍｏ）やカーボンから構成されたトリガー電極を用いることができる。

　また、放電開始手段としては、上記したトリガー電極５に替えて、レーザー光源を用いてもよい。レーザー光源からレーザー光を負の電圧が印加された陰極に照射させることにより、照射位置にアークスポットを生じさせて、陰極と陽極である真空チャンバーとの間でアーク放電を発生させることができる。

（２）磁場発生手段
　磁場発生手段６は、円柱状の陰極９の周囲に環状に配置された部材であり、図７に示すように、陰極９の軸方向に沿った磁力線Ｇが形成されるように磁場を発生させる。この磁場の作用により、アークスポットにおいて昇華したカーボンＰを陰極９の軸方向に沿って移動させ、図１１に示すように陰極９の先端部の軸方向前方に設けた開口部８へ誘導し、開口部８を通過させる。開口部８を通過したカーボンＰは、基材Ｗの表面に蒸着し、ＤＬＣ膜を形成する。なお、この磁場発生手段６は、環状で一体に形成された部材に限定されず、複数の磁石を陰極に対して放射状に配置して環状に形成させた部材であってもよい。

　本実施の形態においては、磁場発生手段６としてコイルからなる電磁石が用いられており、このコイルがコイル筐体に収容されている。

（３）空間形成部
　本実施の形態に係るアーク式成膜装置には、陰極保持手段１で保持された円柱状の陰極９の真空チャンバー３側の先端部近傍の外周方向に筒状の空間を形成する空間形成部７が設けられている。なお、本実施の形態において、空間形成部７には、空間と真空チャンバー３との境界に配置された開口部８を有する円形の板材１５を含む。

　図２は、図１のアーク式成膜装置における粉砕粒子の飛散の挙動を示す模式図である。図１、図２に示すように、空間形成部７により形成された円柱状の陰極９の真空チャンバー３側の先端部近傍の周囲の空間は、開口部８以外は閉じられており、空間内で発生した粉砕粒子１１および昇華したカーボンＰ（図５参照）は、開口部８の他に出口がない。また、開口部８は、筒状の空間形成部７の径よりも小さな径に形成されている。

　このため、図２に示すように、空間形成部７の壁面で跳ね返った粉砕粒子は、円形の板材１５によって跳ね返されて開口部８を通過することができず、殆どの粉砕粒子が空間形成部７内に留まり、真空チャンバー３内へ飛散することがない。このため、空間形成部による空間が形成されていない図１０に示すアーク式成膜装置のように、真空チャンバー３内で跳ね返った粉砕粒子１１が基材Ｗまで到達するようなことが殆ど起こらず、ＦＶＡ法のような高価な装置を用いなくても、レンズ成形用の金型、自動車部品や工具等に適されるＤＬＣ膜として好適な平滑性を有するＤＬＣ膜を安定して成膜することができる。

　なお、空間形成部７の開口部８は、形状としては、空間形成部の径よりも小さな径の円形であることが好ましい。円形形状は加工が容易である点でも好ましい。また、径としては、３０～１５０ｍｍであることが好ましく、７５～１２５ｍｍであるとより好ましい。

　そして、筒状の空間形成部７において、その径は、１００～３００ｍｍであることが好ましい。径が小さ過ぎると粉砕粒子が開口部８を通って基材側に飛散してくる確率が高まる恐れがあり、一方、大き過ぎると複数のアーク蒸発源を隣接して搭載することが出来なくなる恐れがある。

　また、筒状の空間形成部７において、その長さ（陰極９の軸方向の長さ）は通常１２０ｍｍ程度に設定されていることが好ましい。即ち、空間形成部７により形成された空間内に突出する陰極９の長さは、陰極の消費のスピード、アークスポットＸの移動速度等を考慮して適宜決定されるが、通常６０ｍｍ程度に設定されることが好ましい。一方、アークスポットＸから開口部８までの距離が小さい場合には、粉砕粒子１１が開口部８を通過する機会が多くなる。これを抑制するため、アークスポットから開口部８までの距離は通常６０ｍｍ程度に設定されることが好ましい。以上を考慮して、空間形成部７における長さは上記のように設定されることが好ましい。

３．その他の態様
　本実施の形態においては、上記した各構成に加えて、以下の態様が設けられていることが好ましい。

（１）放電制御部
　上記した構造のアーク式成膜装置においては、アーク放電の開始と停止を所定の時間で繰り返すように制御する放電制御部を備えていることが好ましい。具体的には、陰極９の先端付近の外周面にトリガー電極５を接触させてアーク放電を開始した後、所定の時間、具体的には、２０秒から１分が経過してアークスポットが根元側にある程度移動した時点で放電を停止させる。そして、再び陰極９の先端付近の外周面にトリガー電極５を接触させてアーク放電を繰り返す。

　このように、所定の時間で放電の停止と開始を繰り返すことにより、異常放電を防止し、安定したアーク放電を行うことができる。また、一度アークスポットが通過した箇所に、再度アークスポットを通過させてカーボンを昇華させることができるため、図１２に示すように陰極９を効率良く消費することができる。

（２）送り出し機構
　また、本発明のアーク式成膜装置においては、陰極９を上記した空間内に送り出す送り出し機構を設けることが好ましい。図１３は、この送り出し機構が設けられたアーク式成膜装置の陰極周辺を示す概略斜視図である。図１３に示すように、送り出し機構１２は、陰極９の一方の端部９ａに接する棒状の部材１３を備えており、この棒状の部材１３により陰極９を空間形成部７により形成された空間内に押し出すように構成されている。

　送り出し機構を用いて陰極９を一定速度で、あるいは一定時間ごとに一定量送り出すことにより、同じ箇所のみがアーク放電で消費するのを防止することができる。また、アーク放電により陰極９が短くなった際に陰極９を送り出すことにより、安定したアーク放電を長時間持続させることができる。

（３）連装手段
　さらに、陰極９を使い終わった際に予備の陰極９ｂを供給して成膜が継続されるように構成された連装手段が設けられていることが好ましい。具体的には、図１３に示す装置では、使用中の陰極９の上方に予備の陰極９ｂが複数本保持されており、成膜が進んで陰極９を使い終わった際に、上記した送り出し機構が後退すると共に、予備の陰極９ｂの内の一本を下方に送り出す陰極の連装手段１４が設けられている。これにより、陰極９を使い終わった際に、予備の陰極９ｂを送り出し機構に供給して、供給された予備の陰極９ｂを用いて成膜を再開することにより、複数本分の陰極を用いた連続的な成膜を行うことができ、用途と目的に応じて十分な厚みを有するＤＬＣ膜を成膜することができる。

（４）遮蔽体
　放電開始時に多く発生する粉砕粒子が基材に到達することを防ぐため、図９に示すように可動式の遮蔽体１６を陰極９と基材（図示せず）の間に設置することが好ましい。この遮蔽体は放電開始時またはその前後のタイミング、あるいはその両方で発生する粉砕粒子を遮蔽できる位置に配置されていれば良い。このため、この遮蔽体１６は放電開始タイミングと連動して動くような機構にすれば良い。連動して動くようにする機構としては、可動式のトリガー電極５に遮蔽体１６を取り付けるような構造が好ましい。このような構造にすることで、トリガーしたときに放出される粉砕粒子が効率的に遮蔽される位置に、遮蔽体１６を陰極９と基材の間に配置させることができる。

［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、図１、２に基づいて説明する。

　先ず、陰極９を陰極保持手段１にセットすると共に、基材Ｗを基材保持手段２にセットした後、真空チャンバー３内を排気して所定の真空度（１０^－４～１０^－３Ｐａ）に設定する。

　次に、基材用の電源から基材Ｗに負のバイアス電圧（０～－３００Ｖ）を印加し、電源４から陰極９に（－３０～－５０Ｖ）の負の電圧を印加する。

　そして、放電開始手段であるトリガー電極５の先端を陰極９の先端側の外周面に接触させた後に離間させ、真空チャンバー３（陽極１０）と陰極との間にアーク放電（６０Ａ程度）を生じさせる。これにより、陰極９の外周面にアークスポットＸが形成され、このアークスポットＸにおいて陰極９のカーボンが昇華する。

　このとき、陰極９の外周面に生じたアークスポットＸは、陰極９の先端側から根元側に向かってスパイラル状に移動し、アーク放電を継続して行うことができる。また、予め放電と放電停止の時間をそれぞれ所定の時間に設定しておき、放電制御部を用いて放電と放電停止とを交互に繰り返し行うこともできる。

　そして、図２に示すように、磁場発生手段６から生じた磁場によりアークスポットＸにおいて昇華したカーボンＰを基材Ｗに向けて誘導して基材Ｗ上に蒸着させる。これにより、基材Ｗの表面にＤＬＣ膜が成膜される。

　一方、アークスポットＸにおいて発生し、空間内に飛散した粉砕粒子１１は、質量が大きいため磁場には影響されず、空間形成部７の壁面に数回衝突して跳ね返されるが、衝突の都度、飛散速度が低下し、粉砕粒子１１の大多数は、空間形成部７の板材１５によって跳ね返されるため、空間内から真空チャンバー３内へと粉砕粒子１１が飛散することがない。この結果、粉砕粒子の成膜中のＤＬＣ膜への取り込みを十分に抑制することができる。

　そして、ＤＬＣ膜の成膜に際しては、表面粗さＲｚ（μｍ）を膜厚ｄ（μｍ）で除した面粗さ指数Ｒｚ／ｄの値を０．４以下となるように制御することが好ましく、これにより、厚膜であっても平滑なＤＬＣ膜を安定して成膜することができる。

　このように、本実施の形態によれば、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放出された粉砕粒子が成膜中のＤＬＣ膜に取り込まれることを抑制することができるため、成膜後にラップ処理を行わなくても、レンズ成形用の金型、自動車部品や工具等に使用されるＤＬＣ膜として十分に好適な表面平滑性を有するＤＬＣ膜を安価に安定して成膜することができる。

［１］実験１
　実験１においては、陰極の外周面にアークスポットを生じさせて基材にＤＬＣ膜を成膜するアーク式成膜方法を実施例とし、従来の一般的なアーク式成膜方法を比較例としてＤＬＣ膜を成膜し、実施例と比較例のＤＬＣ膜の平滑性を調べた。

１．実施例および比較例
（１）実施例
　具体的には、図１に示すアーク式成膜装置を用いて、陰極の外周面にアークスポットを生じさせ、面粗さ指数Ｒｚ／ｄの値が、０．４以下となるように制御しながら基材の表面にＤＬＣ膜を成膜した。また、４０秒毎にアーク放電を一旦停止させた後、再度放電を開始するという操作を繰り返しながら１２０分間成膜を行った。なお、成膜速度が比較例と同じになるようアーク放電電流を調整し１５０Ａとした。

　具体的な成膜条件は以下の通りである。
　陰極の長さ　　　　　　　　　：２５０ｍｍ
　陰極の直径　　　　　　　　　：１５ｍｍ
　陰極の材料　　　　　　　　　：焼結カーボン
　陰極の送り出し速度　　　　　：０．６ｍｍ／分
　陰極連装本数　　　　　　　　：１０本
　空間形成部のサイズ　　　　　：直径２４０ｍｍ、長さ１２０ｍｍ
　開口部の直径　　　　　　　　：１００ｍｍ
　基材　　　　　　　　　　　　：ＳＨＫ５１（高速度工具鋼鋼材）
　磁場発生手段が形成する磁場　：陰極の略軸方向に約２０ガウス
　真空チャンバーの圧力　　　　：０．１Ｐａ
　基材に印加するバイアス電圧　：０Ｖ
　導入ガス　　　　　　　　　　：アルゴンガス５０ｃｃｍ
　アーク電流　　　　　　　　　：１５０Ａ
　１回当りの放電継続時間　　　：４０秒
　トータル成膜時間　　　　　　：１２０分

（２）比較例
　図１４に示す従来のアーク式成膜装置を用い、通常の成膜を行ったことを除いて、実施例と同じ条件でＤＬＣ膜を成膜した。即ち、比較例では、円盤状の陰極を使用し、陰極の先端にアークスポットを生じさせて、連続して１２０分間成膜を行った。なお、比較例においては実施例と成膜速度を揃えるため、アーク電流は５０Ａとした。

２．評価
（１）ＤＬＣ膜の面粗度（平滑性の評価）
　各実施例、比較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面粗度（最大高さ）Ｒｚを算出した。
　面粗度の評価基準として、許容範囲を０．４μｍ以下とし、良好な範囲を０．３μｍ以下とした。

（２）成膜速度
　成膜後のＤＬＣ膜の厚みを測定し成膜速度（μｍ／ｈ）を求めた。
　成膜速度の評価基準として、許容範囲を０．１μｍ／ｈ以上とし、良好な範囲を０．５μｍ／ｈ以上とした。

（３）可能最大膜厚
　実施例の場合は連装された１０本の陰極を使用し成膜した膜厚を可能最大膜厚とし、一方、比較例の場合は１本の陰極を使用し成膜した場合の膜厚を可能最大膜厚とした。

（４）面粗さ指数Ｒｚ／ｄ
　上記で得られた表面粗さＲｚ（μｍ）を成膜後の膜厚ｄ（μｍ）で除して、面粗さ指数Ｒｚ／ｄを求めた。

　上記した（１）～（４）の評価の結果を表１に示す。

　実施例におけるアーク放電を観察したところ、放電の開始と停止を所定の間隔で繰り返すことにより、アークスポットを陰極の外周面に生じさせているにも拘らず、異常放電が発生せず、安定した成膜が継続して行われていることが確認できた。

　また、表１より、比較例に比べて実施例ではＤＬＣ膜の面粗度が小さくなっていることが分かり、安定して平滑なＤＬＣ膜が成膜できていることが確認できた。このような結果が得られたのは、陰極の外周面にアークスポットを生じさせながらアーク放電を行い、且つ空間形成部に粉砕粒子を留めさせたことにより、アーク放電中に陰極から放出された粉砕粒子が成膜中のＤＬＣ膜に取り込まれることが抑制されたためである。

　また、実施例は、アーク電流が比較例に比べて大きいが、実用上問題となるほどではなかった。

　可能最大膜厚については、比較例では８μｍが限界であったが、実施例では陰極が１０本連装されており、さらに陰極の送り出しが可能であるため、膜厚４０μｍのＤＬＣ膜の成膜が可能であることが分かる。

［２］実験２
　実験２では、円柱状の陰極の送り出し長さ、即ち空間内への突出長さおよびアーク電流を固定し、陰極の直径を変化させた時の、アークスポットが陰極の根元、即ち陰極支持部材の表面にまで到達する時間を調べた。また、膜厚を１μｍに固定してＤＬＣ膜を成膜し、得られたＤＬＣ膜の面粗度（Ｒｚ）を計測し、陰極９の直径の面粗度に及ぼす影響を調べた。なお、陰極９の送り出し長さは、６０ｍｍとした。

　なお、アーク電流、陰極の直径、膜厚を１μｍに固定した点および１回当りの放電継続時間が陰極の直径に応じて異なる点以外は実験１の実施例と同じ条件の下で成膜を実施した。それぞれの陰極の直径、アーク電流、アークスポットの根元までの到達時間、面粗度および良否判定の結果をまとめて表２に示す。なお、表中の良否の評価基準については、特に好ましい評価を優、好ましい評価を良、好ましくない評価を不可で示した。

　表２より、陰極の直径が３ｍｍおよび６ｍｍの場合、面粗度が小さく、得られるＤＬＣ膜の平滑性において優れているが、アークスポットが根元に至るまでの時間が極めて短く成膜の能率が悪いことが分かる。一方、陰極の直径が３０ｍｍの場合、アークスポットが根元に至るまでの時間は５分を超えており、成膜の能率は良いが、面粗度が許容範囲を超えていることが分かる。このため、直径が３ｍｍ、６ｍｍおよび３０ｍｍの陰極は、実用には適さないと判断することができる。

　一方、陰極の直径が８～２５ｍｍの範囲内では成膜の能率、膜の平滑性がともに良いことが分かる。なお、実用に際しては、成膜対象であるＤＬＣ膜の膜厚等を考慮して適宜選択すればよい。

［３］実験３
　実験３では、アーク電流を固定し、空間形成部の開口部の直径（穴径）を変化させたときの成膜速度を調べた。また、膜厚を１μｍに固定してＤＬＣ膜を成膜し、得られたＤＬＣ膜の面粗度（Ｒｚ）を計測し、穴径の面粗度に及ぼす影響を調べた。

　なお、アーク電流、穴径および膜厚を１μｍに固定した点以外は実験１の実施例と同じ条件の下で成膜を実施した。それぞれの穴径、アーク電流、成膜速度、面粗度および良否判定結果をまとめて表３に示す。

　表３より、穴径が２０ｍｍの場合には面粗度は小さく、膜の平滑性に優れるが、成膜速度が極めて小さいことが分かる。一方、穴径が１７５ｍｍおよび２００ｍｍの場合は成膜速度は大きいが、面粗度が許容範囲を超えていることが分かる。このため、穴径２０ｍｍ、１７５ｍｍおよび２００ｍｍは、実用には適さないことが分かる。

　一方、穴径が３０ｍｍ～１５０ｍｍの範囲内では成膜速度、膜の平滑性がともに良いことが分かる。なお、実用に際しては、成膜対象であるＤＬＣ膜の膜厚等を考慮して適宜選択すればよい。

［４］実験４
　実験４では、放電開始時、陰極と基材の間の位置に遮蔽体が配置されるように、トリガータイミングと連動させて遮蔽体を上記の位置に移動させ、アーク放電を一旦停止させる時間を２０秒とした以外は実施例１に記載した条件で、基材の表面に約８μｍのＤＬＣ膜を成膜した。遮蔽体なしの条件でも同様に約８μｍのＤＬＣ膜を成膜した。その結果を表４に示す。

　表４より、遮蔽体を放電開始時に陰極と基材の間に配置して成膜すると、遮蔽体を配置しない場合に比べて、面粗度が改善されていることが分かる。なお、遮蔽体は放電開始時のみ陰極と基材の間に配置されていたため、成膜速度の大きな変化はなかった。

　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　　　　　　　　　　　陰極保持手段
　２　　　　　　　　　　　基材保持手段
　３　　　　　　　　　　　真空チャンバー
　４　　　　　　　　　　　（アーク）電源
　５　　　　　　　　　　　トリガー電極
　６　　　　　　　　　　　磁場発生手段
　７　　　　　　　　　　　空間形成部
　８　　　　　　　　　　　開口部
　９　　　　　　　　　　　陰極
　９ａ　　　　　　　　　　陰極の端部
　９ｂ　　　　　　　　　　予備の陰極
　１０　　　　　　　　　　陽極
　１１　　　　　　　　　　粉砕粒子
　１２　　　　　　　　　　送り出し機構
　１３　　　　　　　　　　棒状の部材
　１４　　　　　　　　　　連装手段
　１５　　　　　　　　　　板材
　１６　　　　　　　　　　遮蔽体
　Ｇ　　　　　　　　　　　磁力線
　Ｐ　　　　　　　　　　　昇華したカーボン
　Ｗ　　　　　　　　　　　基材
　Ｘ　　　　　　　　　　　アークスポット

Claims

　カーボンを主成分とする円柱状の陰極と、陽極との間にアーク放電を生じさせることにより、前記陰極の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、
　前記円柱状の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、
　前記陰極と陽極との間に接続されたアーク電源と、
　前記円柱状の陰極の前記真空チャンバー側の先端部近傍の外周面にアークスポットを生じさせる放電開始手段と、
　前記円柱状の陰極の軸方向に沿った磁力線を形成する磁場を発生させる磁場発生手段と、
　前記陰極保持手段で保持された前記円柱状の陰極の前記真空チャンバー側の先端部近傍の外周方向に筒状の空間を形成する空間形成部とを備えており、
　前記空間形成部の前記基材側には、前記円柱状の陰極の軸方向に、前記空間形成部の径よりも小さな径の開口部が設けられていることを特徴とするアーク式成膜装置。
　アーク放電の開始と停止とをそれぞれ所定の時間で交互に繰り返すように制御する放電制御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。
　前記円柱状の陰極を前記空間形成部により形成された筒状空間に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１または請求項２に記載のアーク式成膜装置。
　複数本の予備の陰極を保持しており、前記送り出し機構に向けて、前記予備の陰極を供給するように構成されている連装手段を備えてい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。
　前記円柱状の陰極が、直径が８～２５ｍｍの円柱形状をなしていることを特徴とする請求項１ないし請求項４のいずれか１項に記載のアーク式成膜装置。
　前記空間形成部における前記開口部の径が３０～１５０ｍｍであることを特徴とする請求項１ないし請求項５のいずれか１項に記載のアーク式成膜装置。
　前記真空チャンバーが、前記アーク電源に接続されており、前記陽極として用いられ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項に記載のアーク式成膜装置。
　前記基材と前記陰極の間に可動式の遮蔽体が設置されていることを特徴とする請求項１ないし請求項７のいずれか１項に記載のアーク式成膜装置。
　カーボンを主成分とする円柱状の陰極と、陽極との間にアーク放電を生じさせることにより、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方法であって、
　請求項１ないし請求項８のいずれか１項に記載のアーク式成膜装置を用いて、
　前記円柱状の陰極の外周面にアークスポットを形成させ、
　前記アークスポットから放出され前記空間形成部の壁面で跳ね返った粉砕粒子が前記開口部から前記真空チャンバー内へ飛散することを防止する一方、昇華により発生したカーボンを、前記磁場発生手段により発生した磁力線に沿って、前記開口部を通過させて前記基材の表面まで誘導することにより、前記基材の表面に前記炭素膜を成膜することを特徴とするアーク式成膜方法。
　前記炭素膜の表面粗さＲｚ（μｍ）を膜厚ｄ（μｍ）で除した面粗さ指数Ｒｚ／ｄの値が、０．４以下となるように制御して前記炭素膜を成膜することを特徴とする請求項９に記載のアーク式成膜方法。
　基材表面に成膜されたカーボンを主成分とする炭素膜であって、
　表面粗さＲｚ（μｍ）を膜厚ｄ（μｍ）で除した面粗さ指数Ｒｚ／ｄの値が、０．４以下であり、
　請求項９または請求項１０に記載のアーク式成膜方法により成膜されていることを特徴とする炭素膜。