本發(fā)明涉及一種碳薄膜、制造其的等離子體裝置及制造方法。

背景技術：

在現(xiàn)有上，在使用電弧放電而形成薄膜的薄膜形成裝置中所使用的電弧式蒸發(fā)源中，已知有抑制粗大粒子附著于基板上的過濾式真空電弧式(FVA(Filtered Vacuum Arc)式)的電弧式蒸發(fā)源(專利文獻1)。

所述電弧式蒸發(fā)源包括真空容器、等離子體輸送管(plasma duct)、多孔構件、電磁線圈(magnetic coil)及蒸發(fā)源。等離子體輸送管將其一端安裝于真空容器上。蒸發(fā)源安裝于等離子體輸送管的另一端。

電磁線圈纏繞于等離子體輸送管的周圍。而且，電磁線圈將在蒸發(fā)源的附近產(chǎn)生的等離子體導入至配置在真空容器內(nèi)的基板的附近。

多孔構件安裝于等離子體輸送管的內(nèi)壁，捕獲從安裝于蒸發(fā)源上的陰極物質(zhì)飛出的粗大粒子。

如上所述，現(xiàn)有的真空電弧蒸鍍裝置通過等離子體輸送管將蒸發(fā)源與真空容器連結，利用設置于等離子體輸送管的內(nèi)壁上的多孔構件捕獲從陰極物質(zhì)飛出的粗大粒子而抑制粗大粒子向基板飛來。

已經(jīng)提出了使用如上所述的過濾式電弧式蒸發(fā)源而成膜的類金剛石碳膜(專利文獻2)。在此種方式下的成膜中，使用輸送管來俘獲微滴(droplet)，從而抑制粗大粒子的飛來。然而，如果液體狀的微滴碰撞到輸送管表面，則會變?yōu)?0nm以下的大小的細小粒子而飛散，輸送管自身成為微滴的導管，而輸送至成膜腔室為止，從而小于20nm的大小的粒子多數(shù)被成膜。

因此，在專利文獻2的方法中，揭示了高度或深度為20nm以上的凹凸的數(shù)量在每單位膜厚中為0.01個以下的類金剛石碳膜，但是關于非常小至10nm～20nm的凹凸，則沒有充分改善。

并且，由于迄今為止20nm以上的大小的凹凸所造成的不良影響較大，所以所述非常小至10nm～20nm的凹凸的存在不太引人注目，但是在光學透鏡的成型用模具等精密模具的用途中，減少10nm～20nm的凸凹的個數(shù)的效果非常大，從而正在謀求替代FVA方式的成膜方法。

現(xiàn)有技術文獻

專利文獻

專利文獻1：日本專利特開2002-105628號公報

專利文獻2：日本專利特開2014-062326號公報

技術實現(xiàn)要素：

[發(fā)明所要解決的課題]

在現(xiàn)有的真空電弧蒸鍍裝置中，是使用石墨(碳)作為陰極物質(zhì)，石墨是對碳粒子進行燒結而制作，所以存在晶界。其結果為，當使用石墨作為陰極物質(zhì)時，存在陰極物質(zhì)沿晶界破裂，而產(chǎn)生粗大粒子(微粒)的問題。并且，雖然提出了使用等離子體輸送管俘獲此種粗大粒子來抑制粗大粒子的飛來的技術，但是無法充分抑制粗大粒子碰撞至輸送管而生成的20nm以下的微細粒子的生成。

因此，根據(jù)本發(fā)明的實施方式，提供一種能夠抑制陰極物質(zhì)破裂的等離子體裝置。

并且，根據(jù)本發(fā)明的實施方式，提供一種可抑制陰極物質(zhì)破裂而制造碳薄膜的碳薄膜的制造方法。

進而，根據(jù)本發(fā)明的實施方式，提供一種抑制陰極物質(zhì)破裂而制造的碳薄膜。

[解決課題的手段]

根據(jù)本發(fā)明的實施方式，碳薄膜包括20nm的凹凸的數(shù)量在每單位掃描距離及每單位膜厚中小于0.007[個/mm/nm]的碳膜。

因此，可減少10nm～20nm的凹凸。

優(yōu)選的是，所述碳膜是將用下式(1)表示的抗熱震性R大于7.9的玻璃狀碳用于陰極構件而形成的情況。

[數(shù)式1]

R＝σ×λ/α/E…(1)

此處，在所述式(1)中，σ為彎曲強度[MPa]，λ為導熱率[W/mK]，α為熱膨脹系數(shù)[/10⁶K]，E為楊氏模量[GPa]。當抗熱震性R大于7.9時，玻璃狀碳的耐熱震性相對于因電弧放電而產(chǎn)生于陰極構件表面上的熱應力而增大，從而可以防止陰極構件破裂。因此，能夠進一步減少陰極構件破裂時容易產(chǎn)生的10nm～20nm的凹凸。

根據(jù)本發(fā)明的實施方式，等離子體裝置包括真空容器、電弧式蒸發(fā)源、陰極構件、保持構件、放電開始元件及電源。電弧式蒸發(fā)源固定于真空容器上。陰極構件安裝于電弧式蒸發(fā)源上。保持構件保持朝向陰極構件而配置的基板。放電開始元件使放電開始。電源對電弧式蒸發(fā)源施加負的電壓。陰極構件包含玻璃狀碳，并且包含具有柱狀形狀且剖面積大于0.785mm²的柱狀部分。并且，放電開始元件是使放電開始，以使等離子體從陰極構件的柱狀部分釋放出來。

在本發(fā)明的實施方式的等離子體裝置中，陰極構件包含剖面積大于0.785mm²的柱狀部分。其結果為，即使開始電弧放電，陰極構件的溫度急劇上升，陰極構件也具有承受熱應力的強度。因此，可以防止陰極構件破裂。

優(yōu)選的是陰極構件的以所述式(1)表示的抗熱震性R大于7.9的情況。

進而，根據(jù)本發(fā)明的實施方式，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電弧式蒸發(fā)源上，安裝陰極構件，所述陰極構件包含玻璃狀碳，并且包含具有柱狀形狀且剖面積大于0.785mm²的柱狀部分；第2工序，對電弧式蒸發(fā)源施加負的電壓；以及第3工序，使放電開始以使等離子體從陰極構件的柱狀部分釋放出來，而在基板上形成碳膜。

通過使用本發(fā)明的實施方式的碳薄膜的制造方法，而使得即使開始電弧放電，陰極構件的溫度急劇上升，陰極構件也具有承受熱應力的強度。因此，可以防止陰極構件破裂。

優(yōu)選的是陰極構件的以所述式(1)表示的抗熱震性R大于7.9的情況。

[發(fā)明的效果]

可以防止陰極構件破裂。

能夠提供一種10nm～20nm的微細凹凸的產(chǎn)生少，而且成膜速度快的小型的成膜裝置及其覆蓋物品。

附圖說明

圖1是表示本發(fā)明的實施方式1的等離子體裝置的構成的概略圖。

圖2是圖1所示的陰極構件的立體圖。

圖3是圖2所示的線III-III間的陰極構件的剖面圖。

圖4是表示使用圖1所示的等離子體裝置的碳薄膜的制造方法的工序圖。

圖5是表示使用直徑2mmφ的玻璃狀碳(突起部)時的放電后的突起部的圖。

圖6是表示使用直徑5.2mmφ的玻璃狀碳(突起部)時的放電后的突起部的圖。

圖7是表示真空電弧放電試驗后的比較例1的陰極構件的圖。

圖8是表示真空電弧放電試驗后的實施例1的陰極構件的圖。

圖9是表示實施方式2的等離子體裝置的構成的概略圖。

圖10是利用圖9所示的等離子體裝置而制造的碳薄膜(類金剛石碳膜)的剖面圖。

圖11是表示使用圖9所示的等離子體裝置的碳薄膜(類金剛石碳膜)的制造方法的工序圖。

圖12是使用現(xiàn)有的電弧法的等離子體裝置的概略圖。

圖13是表示凹凸的缺陷數(shù)與凹凸的缺陷的尺寸的關系的圖。

具體實施方式

一邊參照附圖，一邊對本發(fā)明的實施方式進行詳細說明。再者，圖中對相同或相當部分標注相同符號，并且不重復對其進行說明。

[實施方式1]

圖1是表示本發(fā)明的實施方式1的等離子體裝置的構成的概略圖。參照圖1，本發(fā)明的實施方式1的等離子體裝置包括真空容器1、保持構件2、電弧式蒸發(fā)源3、陰極構件4、永久磁鐵5、電源6、電源7、觸發(fā)電極8、電阻9及擋板12。

再者，等離子體裝置10中，如圖1所示定義x軸、y軸及z軸。

真空容器1包含排氣口11，從排氣口11利用排氣裝置(未圖示)抽成真空。并且，真空容器1與接地節(jié)點GND連接。

保持構件2配置在真空容器1內(nèi)。保持構件2包含圓柱部2A。圓柱部2A在y-z平面內(nèi)通過旋轉(zhuǎn)裝置(未圖示)而旋轉(zhuǎn)。如此，基板20可伴隨著保持構件2的圓柱部2A的旋轉(zhuǎn)而在y-z平面內(nèi)旋轉(zhuǎn)。

電弧式蒸發(fā)源3固定于真空容器1的側(cè)壁上。

陰極構件4安裝于電弧式蒸發(fā)源3的基板20側(cè)的表面上。并且，陰極構件4包含玻璃狀碳。玻璃狀碳是通過對酚樹脂等熱硬化性樹脂進行煅燒、碳化而制造。所述玻璃狀碳在構造上呈玻璃狀，不存在晶界。由于不存在晶界，所以陰極構件4也可以包含導電性的金剛石。并且，陰極構件4包含向基板20側(cè)突出的突起部。

再者，作為玻璃狀碳的具體例，可以舉出日清紡化學(Nisshinbo Chemical)公司制造的玻璃狀碳或東海碳公司制造的玻碳。并且，在本發(fā)明的實施方式中，玻璃狀碳包含玻碳(glassy carbon)、非晶碳、非晶質(zhì)碳、非定形碳、無定形碳、非石墨化碳及玻璃碳(vitreous carbon)。

永久磁鐵5由環(huán)形構成，在真空容器1的外部靠近電弧式蒸發(fā)源3而配置。更具體而言，永久磁鐵5配置成中心軸與電弧式蒸發(fā)源3的中心軸相一致。并且，在永久磁鐵5中，電弧式蒸發(fā)源3側(cè)為N極，與電弧式蒸發(fā)源3相反之側(cè)為S極。如上所述，永久磁鐵5配置在相對于陰極構件4而與基板20為相反之側(cè)。而且，永久磁鐵5對陰極構件4施加軸向(從陰極構件4向基板20的方向)上的磁場。再者，永久磁鐵5的磁化方向只要是軸向(從陰極構件4向基板20的方向)即可，永久磁鐵5的電弧式蒸發(fā)源3側(cè)也可以為S極。

電源6連接于保持構件2與接地節(jié)點GND之間。電源7連接于電弧式蒸發(fā)源3與接地節(jié)點GND之間。

觸發(fā)電極8將一部分經(jīng)由真空容器1的側(cè)壁配置在真空容器1內(nèi)，將剩余部分配置在真空容器1外。并且，觸發(fā)電極8例如包含鉬(Mo)，經(jīng)由電阻9與接地節(jié)點GND連接。電阻9連接于觸發(fā)電極8與接地節(jié)點GND之間。

保持構件2保持基板20。此時，保持構件2在y-z平面內(nèi)旋轉(zhuǎn)僅任意的角度而停止，并保持基板20。電弧式蒸發(fā)源3通過陰極構件4與真空容器1之間的電弧放電而使陰極構件4局部地加熱而使陰極物質(zhì)蒸發(fā)。

電源6經(jīng)由保持構件2對基板20施加負的電壓。電源7對電弧式蒸發(fā)源3施加負的電壓。

觸發(fā)電極8通過往返驅(qū)動裝置(未圖示)而與陰極構件4接觸或背離。電阻9抑制電弧電流流入至觸發(fā)電極8。擋板12在陰極構件4與基板20之間與陰極構件4相對向而配置。

再者，基板20例如包含F(xiàn)e系的金屬、Si、碳化鎢(tungsten carbide)及SiC中的任一者。

圖2是圖1所示的陰極構件4的立體圖。并且，圖3是圖2所示的線III-III間的陰極構件4的剖面圖。

參照圖2及圖3，陰極構件4包括本體部41及突起部42。本體部41具有圓盤形狀。突起部42具有圓柱形狀。并且，突起部42是以突起部42的中心軸X2與本體部41的中心軸X1相一致的方式配置在本體部41上。再者，本體部41及突起部42制作成一體。

本體部41例如具有64mmφ的直徑R1，并具有12mm的高度H1。突起部42具有2mmφ以上的直徑R2，并具有數(shù)mm以上、例如6mm～80mm的高度H2。

陰極構件4是通過如下方法來制作。對酚樹脂等熱硬化性樹脂進行煅燒、碳化而制作圓柱形狀的玻璃狀碳。然后，也可以對所述制作的玻璃狀碳以具有突起部42的方式進行車床加工而制作陰極構件4，還可以將熱硬化性樹脂流入至成形模具而加以成形之后，進行煅燒、碳化。再者，形成突起部42的方法并不限于車床加工或成形模具的成形，也可以是蝕刻(包括濕式蝕刻及干式蝕刻兩者)，只要是能夠形成突起部42的方法，則可為任何方法。并且，突起部42及本體部41也可以分別個別地制作，也可以突起部42是玻璃狀碳，本體部41例如是燒結體石墨或玻璃狀碳等。

與中心軸X2垂直的方向上的突起部42的剖面積在突起部42的直徑R2為6mmφ的情況下，是π×3mm×3mm＝28.3mm²，與中心軸X1垂直的方向上的本體部41的剖面積是π×32mmX32mm＝3215.4mm²。其結果為，突起部42的剖面積相對于本體部41的剖面積的比約為1/113。

其結果為，突起部42中的傳熱成分減少，由此難以從突起部42散熱，從而整個突起部42容易均熱化，所以熱應變減少。

并且，玻璃狀碳由于不具有晶界，所以當用作陰極構件4時，在電弧放電中會從陰極構件4釋放出原子狀的碳。

因此，可以抑制陰極構件4破裂。

如上所述，會從陰極構件4釋放出原子狀的碳，所以不產(chǎn)生微粒。其結果為，如果使用陰極構件4，則可以產(chǎn)生無火花放電。所述無火花放電是不產(chǎn)生微粒的放電。再者，在所述說明書中，所謂微粒，是指尺寸為5nm～數(shù)μm的碳粒。

另一方面，對碳粒進行燒結而成的燒結體不適合作為陰極構件4。其理由如下。原因在于：碳的燒結體是將碳粒加以壓緊并燒結而成，所以存在晶界；其結果為，當使用碳的燒結體作為陰極構件4時，在電弧放電中陰極構件4會從晶界而產(chǎn)生破裂，微粒從陰極構件4釋放出來。

圖4是表示使用圖1所示的等離子體裝置10的碳薄膜的制造方法的工序圖。參照圖4，當開始碳薄膜的制造時，將包含突起部42的玻璃狀碳安裝于電弧式蒸發(fā)源3作為陰極構件4(工序S1)。

然后，經(jīng)由排氣口11對真空容器1內(nèi)進行排氣，將真空容器1內(nèi)的壓力設定為9.9×10^-3Pa。

如此，通過電源6對基板20施加-10V～-300V的負的電壓(工序S2)，利用永久磁鐵5將磁場施加至陰極構件4(工序S3)。此時，磁場包括陰極構件4的突起部42的中心軸X2方向上的成分以及突起部42的徑向上的成分。

工序S3之后，利用電源7對電弧式蒸發(fā)源3施加-15V～-50V的負的電壓(工序S4)。

然后，通過往返驅(qū)動裝置(未圖示)，使觸發(fā)電極8與陰極構件4的突起部42接觸(工序S5)，然后，使觸發(fā)電極8與陰極構件4背離。由此，開始電弧放電，電弧斑點出現(xiàn)于陰極構件4的表面。所述電弧斑點是電弧放電時的陰極點，強烈地發(fā)光。

然后，打開擋板12(工序S6)。由此，在基板20上形成碳薄膜(類金剛石碳(Diamond Like Carbon，DLC))。然后，由等離子體裝置10的操作者判定放電是否已停止(工序S7)。由于電弧斑點強烈地發(fā)光，所以等離子體裝置10的操作者在電弧斑點發(fā)光時，判定為放電未停止，在電弧斑點不發(fā)光時，判定為放電已停止。

在工序S7中，判定為放電已停止時，關閉擋板12(工序S8)，然后，重復執(zhí)行所述工序S5～工序S8。

另一方面，在工序S7中，判定為放電未停止時，如果經(jīng)過所需時間，則關閉擋板12(工序S9)。由此，碳薄膜的制造結束。

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、類金剛石碳薄膜、四面體非晶碳膜、非晶質(zhì)硬質(zhì)碳薄膜及硬質(zhì)碳薄膜。

再者，在實施方式1中，電源6也可以將0V的電壓施加至基板20。并且，也可以在打開擋板12的狀態(tài)下制造碳薄膜。進而，也可以不施加磁場。因此，實施方式1的碳薄膜的制造方法只要至少包括圖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徑2mmφ以上的突起部42且包含玻璃狀碳的陰極構件4，通過電弧放電而形成于基板20上。

其結果為，突起部42中的熱應變減少，因為陰極構件4(玻璃狀碳)不具有晶界，所以可抑制陰極構件4沿晶界破裂。

對使陰極構件4的突起部42的直徑(＝剖面積)發(fā)生變化的實驗進行說明。將使用等離子體裝置10的實驗的詳細實驗條件示于表1。

[表1]

再者，表1中的軸向磁場Bz及半徑方向磁場Br是使用湖岸(Lake Shore)公司制造的410-SCT型的高斯計在陰極構件4的突起部42的前端部所測定的值。

并且，在實驗中，對將陰極構件4的突起部42的高度全部設為10mm，使突起部42的直徑變?yōu)?mmφ、2mmφ、3mmφ、5.2mmφ、6mmφ時的放電狀況、放電持續(xù)時間及放電痕跡狀態(tài)進行了調(diào)查。

將電弧電流為40[A]時的實驗結果示于表2。

[表2]

電弧電流：40[A]

圖5是表示使用直徑2mmφ的玻璃狀碳(突起部42)時的放電后的突起部42的圖。圖6是使用直徑5.2mmφ的玻璃狀碳(突起部42)時的放電后的突起部42的圖。

當電弧電流為40[A]時，只在突起部42的直徑為1mmφ(即，剖面積＝0.785mm²)的情況下，起弧后，整體破碎，經(jīng)1sec左右放電停止。并且，在突起部42的直徑為2mmφ、3mmφ、5.2mmφ、6mmφ的情況下，即，在突起部42的剖面積為3.140mm²、7.065mm²、21.226mm²、28.260mm²的情況下，確認到穩(wěn)定的無火花放電持續(xù)了40[see]之后，進行了強制滅弧。在強制滅弧之后，將真空容器1在大氣中敞開，確認陰極構件4的玻璃狀碳的結果為，在突起部42的直徑為2mmφ、3mmφ、5.2mmφ、6mmφ的情況下，即，在突起部42的剖面積為3.140mm²、7.065mm²、21.226mm²、28.260mm²的情況下，在陰極構件4的突起部42的側(cè)面確認到螺旋狀的放電痕跡(參照圖5、圖6)。

如上所述，當使用包含突起部42的陰極構件4而產(chǎn)生電弧放電時，電弧斑點通過來自永久磁鐵5的磁場而在突起部42的表面上呈螺旋狀移動。其結果為，電弧斑點也不會向本體部41移動。因此，不產(chǎn)生電弧斑點向本體部41的移動的依據(jù)是放電后螺旋狀的放電痕跡形成于突起部42。

關于只在突起部42的直徑為1mmφ的情況下整體破裂，可認為原因在于突起部42無法承受熱應力。

產(chǎn)生熱應力的熱量是來自電弧斑點的傳熱成分(如果電弧電流相同則為相同的熱量)以及電弧電流流經(jīng)突起部42時的焦耳(Joule)發(fā)熱成分。如果電弧電流為固定，那么突起部42的剖面積越小，焦耳發(fā)熱成分越大。因此，剖面積越小，突起部42的熱量越大。

其結果可認為，只在剖面積為0.785mm²的情況下，無法承受在突起部42產(chǎn)生的熱量所引起的熱應力。

將電弧電流為80[A]時的實驗結果示于表3。

[表3]

電弧電流：80[A]

當電弧電流為80[A]時，在突起部42的直徑為1mmφ、2mmφ的情況下，即，在突起部42的剖面積為0.785mm²、3.140mm²的情況下，起弧后，整體破碎，經(jīng)1sec左右放電停止。并且，在突起部42的直徑為3mmφ、5.2mmφ、6mmφ的情況下，即，在突起部42的剖面積為7.065mm²、21.226mm²、28.260mm²的情況下，確認到穩(wěn)定的無火花放電持續(xù)了40[sec]之后，進行了強制滅弧。在強制滅弧之后，將真空容器1在大氣中敞開，確認陰極構件4的玻璃狀碳的結果為，在突起部42的直徑為3mmφ、5.2mmφ、6mmφ的情況下，在陰極構件4的突起部42的側(cè)面確認到螺旋狀的放電痕跡。

關于當突起部42的直徑為1mmφ、2mmφ時，即，當突起部42的剖面積為0.785mm²、3.140mm²時整體破碎，可認為原因在于突起部42無法承受熱應力。

將電弧電流為100[A]時的實驗結果示于表4。

[表4]

電弧電流：100[A]

電弧電流為100[A]時的實驗結果與電弧電流為80[A]時的實驗結果相同。

根據(jù)所述實驗結果，當電弧電流為40[A]時，在陰極構件4的突起部42的剖面積大于0.785mm²的情況下，可以實現(xiàn)良好的放電，當電弧電流為80A、100A時，在陰極構件4的突起部42的剖面積大于3.140mm²的情況下，可以實現(xiàn)良好的放電。

當電弧電流為40[A]時，也可以實現(xiàn)良好的放電，所以可證實，陰極構件4的突起部42的剖面積只要大于0.785mm²即可。

并且，陰極構件4的突起部42的剖面積從在電弧電流為40[A]、80[A]、100[A]的任一者時均可以實現(xiàn)良好的放電的角度而言，優(yōu)選的是大于3.140mm²。

并且，在本發(fā)明的實施方式中，將放電的持續(xù)時間為40[see]者判定為良好的放電，但是這是突起部42的長度為20[mm]時通過放電而在長度方向上消耗突起部42的一部分時的時間。其結果為，如果使突起部42的長度長于20[mm]，則放電的持續(xù)時間長于40[sec]，判定是否是良好的放電的時間也長于40[sec]。

如上所述，在本發(fā)明的實施方式中，將陰極構件4的突起部42的一部分在整個長度方向上通過放電而消耗時的突起部42的剖面積確定為適合的剖面積。

因此，在放電的持續(xù)時間為40[sec]的情況下，與放電的持續(xù)時間為約1[sec]的情況相比，放電的意義極大。

因此，3.140mm²以上的突起部42的剖面積與放電的持續(xù)時間為約1[sec]時的突起部42的剖面積相比，具有臨界意義。

再者，作為用于實現(xiàn)良好的放電的突起部42的特征，使用突起部42的剖面積的原因在于，與長度方向垂直的方向上的突起部42的剖面形狀并不限于圓形，還可以是橢圓形狀、角部帶圓形(R倒角)的多邊形形狀、管狀等中空形狀。

并且，陰極構件4的抗熱震性R優(yōu)選的是大于7.9，更優(yōu)選的是12.2以上?？篃嵴鹦訰是以下式(1)定義。下述式(1)中，σ為彎曲強度[MPa]，λ為導熱率[W/mK]，α為熱膨脹系數(shù)[/106k]，E為楊氏模量[GPa]。

[數(shù)式1]

R＝σ×λ/α/E…(1)

陰極構件4由于抗熱震性R大于7.9，所以即使在真空電弧放電時產(chǎn)生急劇的溫度上升，而產(chǎn)生了大的熱應力的情況下也難以粉碎。因此，通過使用陰極構件4，可以期待穩(wěn)定的無火花放電的持續(xù)。

以下，對改變陰極構件4的抗熱震性的實驗進行說明。

使用等離子體裝置100，當在表1所示的試驗條件下電弧電流為80[A]時，在表5所示的試驗條件下，對四種陰極構件(比較例1、實施例1、實施例2及實施例3)分別進行真空電弧放電試驗。比較例1、實施例1、實施例2及實施例3的陰極構件包含玻璃狀碳，是大致相同尺寸的圓柱狀。實施例1、實施例2及實施例3的各陰極構件在實施方式1中相當于陰極構件4的突起部42。

將各陰極構件的彎曲強度σ、導熱率λ、熱膨脹系數(shù)α、楊氏模量E及抗熱震性R示于表5。表5所示的各陰極構件的彎曲強度σ、導熱率λ、熱膨脹系數(shù)α、楊氏模量E均是在20℃～30℃左右時的值。表5所示的各抗熱震性R是使用彎曲強度σ、導熱率λ、熱膨脹系數(shù)α、楊氏模量E的值，通過所述式(1)而算出。

[表5]

將所述實施例中的真空電弧放電試驗的結果示于表6。對比較例1、實施例1、實施例2及實施例3的陰極構件分別實施各三次真空電弧放電試驗之后，發(fā)現(xiàn)三次均為相同的結果。

[表6]

比較例1的陰極構件在放電起弧后，瞬間粉碎而放電停止。將真空電弧放電試驗后的比較例1的陰極構件示于圖7。比較例1的陰極構件由于抗熱震性R低至7.9，無法承受放電起弧時的急劇的溫度上升，所以導致在放電起弧后瞬間粉碎的結果。

另一方面，在抗熱震性R大于7.9的實施例1、實施例1及實施例3的陰極構件中，產(chǎn)生了穩(wěn)定的無火花放電。因此，可知當陰極構件的抗熱震性R大于7.9時，無火花放電穩(wěn)定地持續(xù)。

關于實施例1、實施例2及實施例3，確認到穩(wěn)定的無火花放電持續(xù)了40秒之后，進行了強制滅弧。強制滅弧后，將真空容器1在大氣中敞開而進行各陰極構件的確認。

實施例1、實施例2及實施例3的陰極構件在所有側(cè)面均殘留有螺旋狀的放電痕跡。從所述方面可知，在真空電弧放電過程中，電弧斑點在實施例1、實施例2及實施例3的陰極構件的側(cè)面上呈螺旋狀移動。即，實施例1、實施例2及實施例3的陰極構件可評估為抑制了電弧斑點向陰極構件以外的部分的移動。圖8是真空電弧放電試驗后的實施例1的陰極構件的照片。

[實施方式2]

圖9是表示實施方式2的等離子體裝置的構成的概略圖。參照圖9，實施方式2的等離子體裝置100是在圖1所示的等離子體裝置10上追加了電弧式蒸發(fā)源103、電源105、電源106、電阻107、觸發(fā)電極108、真空容器110及線圈120～線圈122，除此以外與等離子體裝置10相同。

再者，在等離子體裝置100中，真空容器1包含氣體供給口13。

真空容器110包含呈圓弧狀彎曲的筒狀構件。并且，真空容器110包含開口部110A及壁110B、壁110C、壁100D。而且，真空容器110是以開口部110A側(cè)的一端貫穿真空容器1的側(cè)壁的方式固定在真空容器1的側(cè)壁上。其結果為，真空容器110的內(nèi)部空間與真空容器1的內(nèi)部空間連通。

電弧式蒸發(fā)源103固定在真空容器110的壁110D上。而且，電弧式蒸發(fā)源103與電源105的負極連接。

陰極構件104固定在電弧式蒸發(fā)源103的基板20側(cè)的表面上。而且，陰極構件104具有圓盤形狀，包含選自元素周期表4A族元素、5A族元素、6A族元素、B、Si中的至少一個元素及它們的氮化物中的任一者。

電源105連接于電弧式蒸發(fā)源103與接地節(jié)點GND之間。電源106連接于真空容器110與接地節(jié)點GND之間。

觸發(fā)電極108將一端側(cè)經(jīng)由真空容器110的壁110D配置在真空容器110內(nèi)，與陰極構件104相對向。而且，觸發(fā)電極108的另一端與電阻107連接。并且，觸發(fā)電極108例如包含Mo。

電阻107連接于觸發(fā)電極108與接地節(jié)點GND之間。

線圈120在陰極構件104的附近，配置在真空容器110的周圍。而且，線圈120的兩端與電源(未圖示)連接。線圈120是為了抽出等離子體而設置。

線圈121在真空容器110的開口部110A與壁110D的大致中央部，配置在真空容器110的周圍。而且，線圈121的兩端與電源(未圖示)連接。線圈121是為了使等離子體沿真空容器110的圓弧狀彎曲而設置。

線圈122在真空容器110的開口部110A的附近，配置在真空容器110的周圍。而且，線圈122的兩端與電源(未圖示)連接。線圈122是為了收斂等離子體而設置。

當電流通過電源(未圖示)流入至線圈120～線圈122時，線圈120～線圈122在真空容器110的內(nèi)部產(chǎn)生磁場。所述磁場使從陰極構件104的突起部1042飛出的離子沿真空容器110呈圓弧狀彎曲，使離子抵達至基板20。從陰極構件104飛出的微粒及中性粒子碰撞至真空容器110的壁110B、壁110C，而不抵達至基板20。

因此，如果使用等離子體裝置100，則可制造微粒極少，即，表面粗糙度極小的碳薄膜。

并且，如果使用等離子體裝置100，則可制造雜質(zhì)少的高品質(zhì)的碳薄膜。

圖10是利用圖9所示的等離子體裝置100而制造的碳薄膜(類金剛石碳膜)的剖面圖。參照圖10，碳薄膜50包括基板20、中間層30、中間層35及碳膜40。

中間層30形成于基板20的一個主面上。中間層30包含選自元素周期表4A族元素、5A族元素、6A族元素、B、Si中的至少一個元素及它們的氮化物中的任一者。作為4A族元素、5A族元素、6A族元素，特別優(yōu)選的是Cr、Ti、W，還可以使用CrN或TiN等氮化物。

中間層35包含類金剛石碳，與中間層30相接而形成。

碳膜40與中間層35相接而形成。

圖11是表示使用圖9所示的等離子體裝置100的碳薄膜(類金剛石碳膜)的制造方法的工序圖。

圖11所示的工序圖是在圖4所示的工序圖上追加了工序S11～工序S16的圖，除此以外與圖4所示的工序圖相同。

參照圖11，當開始碳薄膜50的制造時，將包含選自元素周期表4A族元素、5A族元素、6A族元素、B、Si中的至少一個元素及它們的氮化物中的任一者的金屬制的陰極構件104安裝于電弧式蒸發(fā)源103上(工序S11)。

接著，對基板20施加負的電壓(步驟S12)。然后，通過線圈120施加用于抽出等離子體的磁場，并通過線圈122施加用于收斂等離子體的磁場，進而，通過線圈121施加用于只使從陰極構件14釋放出的離子(Cr離子等)沿圓弧狀的真空容器110彎曲的磁場(工序S13)。

接著，對電弧式蒸發(fā)源103施加負的電壓(工序S14)。接著，使觸發(fā)電極108與陰極構件104接觸(工序S15)，然后，使觸發(fā)電極108遠離陰極構件104。

由此，產(chǎn)生電弧放電，將具有所需膜厚的中間層30形成于基板20上(工序S16)。

然后，將基板20旋轉(zhuǎn)180度而加以保持，依次執(zhí)行所述工序S1～工序S9，將包含類金剛石碳的中間層35形成于中間層30上，然后，將碳膜40形成于中間層35上。由此，一系列的動作結束。

圖11所示的工序圖包括實施方式1中所說明的工序S1～工序S9，因此如果按照圖11所示的工序圖制造碳薄膜，則與實施方式1同樣地，可以防止陰極構件4破裂，并通過穩(wěn)定的無火花放電來制造碳薄膜。

再者，在碳薄膜50的制造中，也可以代替圖11所示的工序S11～工序S16，而利用濺射法將中間層30形成于基板20上。即，中間層30也可以通過濺射法而形成，所述濺射法是使從陰極構件104向真空容器110的內(nèi)部釋放出的離子(Cr離子等)沿所述真空容器110呈圓弧狀彎曲，使從陰極構件104釋放出的離子(Cr離子等)抵達至基板20，所述真空容器110配置在陰極構件104至基板20之間，包含呈圓弧狀彎曲的筒狀構件。

進而，利用濺射法而形成的中間層的表面形狀與電弧法相比更平滑。因此，也可以不使用利用濺射法而配置在陰極構件104至基板20之間的呈圓弧狀彎曲的筒狀構件，而使從陰極構件104釋放出的離子從陰極構件104到基板20為止線性地抵達至基板20，而形成中間層30。

并且，在工序S11之前，也可以通過從陰極構件104釋放出的離子來對基板20進行離子轟擊(ion bombard)處理。

(實施例)

以下，對實施方式2中的實施例進行說明。

在實施例中，將由陰極構件4產(chǎn)生電弧放電的方法稱為SLA法，將由陰極構件104產(chǎn)生電弧放電的方法稱為FVA法。

而且，在實施例中，使用FVA法對基板20進行離子轟擊處理，然后，利用FVA法將中間層30堆積于基板20上，利用SLA法將30nm的中間層35形成于中間層30上，最后，利用SLA法將碳膜(類金剛石碳)40形成于中間層35上，制作碳薄膜50。碳膜(類金剛石碳)40的膜厚為0.24μm。

再者，在實施例中，陰極構件4的突起部42是直徑R2為3mmφ，高度H2為70mm。

碳薄膜50的具體制造方法如下。

1)在保持構件2上安裝基板20。

2)通過未圖示的回轉(zhuǎn)泵、渦輪分子泵及冷阱(cold trap)將真空容器1、真空容器110內(nèi)真空排氣至9.9×10^-3Pa為止。

3)使Ar氣體從氣體供給口13流入至真空容器1、真空容器110內(nèi)，通過未圖示的壓力調(diào)整閥將真空容器1、真空容器110內(nèi)的壓力調(diào)整至0.5Pa。

4)使保持構件2旋轉(zhuǎn)，通過電源6將-800V的偏壓施加至基板20。

5)使40A的直流流入至線圈120～線圈122的各個線圈。

6)通過電源106將+15V的電壓施加至真空容器110。

7)通過電源105流入70A的電弧電流，通過觸發(fā)電極108而在陰極構件104中產(chǎn)生放電起弧，利用FVA法實施90秒的基板20的離子轟擊處理。

8)停止Ar氣體，將真空容器1、真空容器110內(nèi)真空排氣至9.9×10^-3 Pa之后，利用電源6，將-100V的偏壓施加至基板20。

9)使40A的直流流入至線圈120～線圈122的各個線圈。

10)使保持構件2旋轉(zhuǎn)，通過電源106對真空容器110施加+15V的電壓。

11)通過電源105流入70A的電弧電流，通過觸發(fā)電極108在陰極構件104中產(chǎn)生放電起弧，利用FVA法，經(jīng)12分鐘使中間層成膜。此時，中間層的膜厚為30nm。

12)停止使電流流入至線圈120～線圈122，使電源105停止。

13)使電源106停止。

14)通過觸發(fā)電極8而在陰極材料4中產(chǎn)生放電起弧，按照表7所示的成膜條件I、成膜條件II的順序并利用SLA法使0.27μm的碳膜(類金剛石碳)成膜。

[表7]

將利用現(xiàn)有的FVA法而形成的碳薄膜的評估示于表8。

[表8]

在表8中，比較例2～比較例4是利用FVA法形成包含類金剛石碳的中間層35及碳膜40的示例，比較例5是未形成中間層35而利用FVA法形成碳膜40的示例。在比較例2～比較例4中，中間層35的膜厚為30nm，在比較例2～比較例5中，整體的膜厚為300nm。

將利用現(xiàn)有的電弧法形成有中間層30且利用FVA法形成有碳膜40的碳薄膜的評估示于表9。圖12是利用現(xiàn)有的電弧法的等離子體裝置的概略圖。圖12所示的等離子體裝置1000是將圖9所示的等離子體裝置100的陰極構件4替換為陰極構件1001，除此以外與等離子體裝置100相同。陰極構件1001包含直徑為64mmφ，厚度為25mm的Cr。而且，在本發(fā)明的實施方式中，所謂現(xiàn)有的電弧法，是指使用陰極構件1001來產(chǎn)生電弧放電。

[表9]

在表9中，比較例6～比較例8是利用現(xiàn)有的電弧法形成有中間層30且利用FVA法形成有碳膜40的示例。而且，在比較例6～比較例8中，中間層30的材質(zhì)分別為Cr、W、Ti。并且，在比較例6～比較例8中，中間層30的膜厚為30nm，整體的膜厚為300nm。

將利用SLA法而形成的碳薄膜的評估示于表10。

[表10]

在表10中，實施例2～實施例4是利用SLA法形成包含類金剛石碳的中間層35及碳膜40的示例，實施例5是未形成中間層35而利用SLA法形成有碳膜40的示例。在實施例2～實施例5中，中間層35的膜厚為30nm，在實施例2～實施例5中，整體的膜厚為300nm。

將利用FVA法形成中間層30且利用SLA法形成碳膜40的碳薄膜的評估示于表11。

[表11]

在表11中，實施例6～實施例11是利用FVA法形成有中間層30且利用SLA法形成有碳膜40的示例。而且，在實施例6～實施例11中，中間層30的材質(zhì)分別為Cr、Cr、Cr、CrN、W、Ti。并且，在實施例6～實施例11中，中間層30的膜厚為30nm，整體的膜厚為300nm。

在表8～表11中，面粗糙度指標是將經(jīng)觸針前端半徑為1.25μm的觸針式表面形狀測定器測定的10nm～20nm的凹凸的個數(shù)除以單位掃描距離[mm]及單位膜厚保[nm]所得。表面形狀測定器是維易科(Veeco)公司的型號戴科泰克(Dektak)150。并且，將掃描距離設為5mm，將操作時間設為30秒，將載荷設為1.5mgf。再者，選擇觸針前端半徑為1.25μm的觸針的理由在于凹凸的數(shù)量取決于觸針的前端半徑。

密接性指標1是利用洛氏(Rockwell)硬度試驗機施加150kgf的載荷(C級)而利用電荷耦合器件(Charge Coupled Device，CCD)顯微鏡以放大率300倍觀察而評估壓痕周邊的碳膜的剝離的有無。試驗機是使用明石(Akashi)公司制造的型號ARK-600的機器。

密接性指標2是使用球盤(ball on disk)型的摩擦磨損試驗機，在機油(engine oil)中以10N/秒使載荷傾斜至最大5000N為止，將摩擦系數(shù)的陡峭的變化點確定為剝離載荷而實施試驗，求出基板盤片的剝離的有無及剝離載荷(N)。球的材質(zhì)是SUJ 2，尺寸是直徑3/8英寸，每個試驗將三個球三等分地固定在直徑18mm的圓周上，施加規(guī)定的試驗載荷，基板盤片是以固定的轉(zhuǎn)數(shù)30rpm進行旋轉(zhuǎn)。試驗載荷如果達到最大5000N則結束試驗。裝置是海計測特機(ORIENTEC)公司制造的型號EFM-III-EN的機器。機油的種類是將出光思普圖潤(ZEPRO TOURING)SN/GF5(5W-30)裝滿于試驗容器，并使球及盤片基板浸漬。

基板的尺寸是直徑為30mmφ，厚度為5mm。并且，基板的材質(zhì)是SCM 415的滲碳材料，對成膜面進行鏡面研磨，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，比較例2～比較例5的碳薄膜是面粗糙度指標小至0.0073[個/mm/nm]～0.0267[個/mm/nm]，經(jīng)剝離，剝離載荷為900[N]～1200[N]。

如表9所示，比較例6～比較例8的碳薄膜未經(jīng)剝離，面粗糙度指標為0.0333[個/mm/nm]～0.0600[個/mm/nm]，剝離載荷為1800[N]～2800[N]。

表10所示的實施例2～實施例5的碳薄膜經(jīng)剝離，面粗糙度指標小至0.0005[個/mm/nm]～0.0013[個/mm/nm]，剝離載荷為1600[N]～2800[N]。

表11所示的實施例6～實施例11的碳薄膜的面粗糙度指標小至0.0017[個/mm/nm]～0.0067[個/mm/nm]，未經(jīng)剝離，剝離載荷大至3500[N]～5000[N]。

因此，通過利用FVA法形成中間層30，并利用SLA法形成碳膜40，可不經(jīng)剝離，而形成面粗糙度指標小，剝離載荷大的碳薄膜。

圖13是表示凹凸的缺陷數(shù)與凹凸的缺陷的尺寸的關系的圖。在圖13中，縱軸表示在每個單位掃描距離及每個單位膜厚的凹凸的缺陷數(shù)，橫軸表示缺陷的凹凸的尺寸。

并且，在圖13中，黑色的柱狀圖表示使用FVA法而形成的碳薄膜上的凹凸的缺陷數(shù)與凹凸的缺陷的尺寸的關系，白色的柱狀圖表示本發(fā)明的實施方式的碳薄膜上的凹凸的缺陷數(shù)與凹凸的缺陷的尺寸的關系。

參照圖13，在本發(fā)明的實施方式的碳薄膜中，包含1.2[個/mm/nm]凹凸為10nm以上且小于20nm的缺陷，不含凹凸為20nm以上且小于30nm的缺陷，包含0.4[個/mm/nm]凹凸為30nm以上且小于40nm的缺陷，不含凹凸為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[個/mm/nm]凹凸為10nm以上且小于20nm的缺陷，包含5.8[個/mm/nm]凹凸為20nm以上且小于30nm的缺陷，包含3.0[個/mm/nm]凹凸為30nm以上且小于40nm的缺陷，并包含2.4[個/mm/nm]凹凸為40nm以上且小于50nm的缺陷。

因此，本發(fā)明的實施方式的碳薄膜可以與使用FVA法而形成的碳薄膜相比大幅減少缺陷數(shù)。

再者，在所述實施例中，也可以替代FVA法的中間層30的形成，設為利用濺射法形成中間層30。此時，也同樣地，可以大幅減少碳膜(類金剛石碳)的表面上的缺陷數(shù)。

并且，也可以不進行利用FVA法的離子轟擊處理。

所述制造方法，即，在基板面上利用FVA法形成整體的膜厚為約30nm左右的金屬中間層之后，利用SLA法形成有膜厚為約300nm的碳膜的碳薄膜50的碳膜(＝類金剛石碳)的表面上的缺陷數(shù)(面粗糙度指數(shù))如表9所示，為0.0067[個/mm/nm]以下。因此，缺陷數(shù)(面粗糙度指數(shù))優(yōu)選的是小于0.0070[個/mm/nm]，更優(yōu)選的是小于0.0035[個/mm/nm]，特別優(yōu)選的是小于0.0015[個/mm/nm]。

并且，在表11中，在實施例7～實施例10中，缺陷數(shù)(面粗糙度指數(shù))小于0.0035[個/mm/nm]，而成為適合于小于10nm～20nm的凹凸會造成不良影響的光學透鏡的成型用模具等精密模具用途的膜。

進而，利用所述制造法而形成的膜在基材與碳膜的界面上鋪設有包含金屬的中間層30，所以成為既沒有出現(xiàn)因洛氏硬度試驗而引起的剝離，高面壓滑動試驗中的耐剝離載荷又超過5000[N]的膜，從而成為在密接性及耐磨損性方面也優(yōu)異的膜。

再者，如表10所示，當沒有利用FVA法形成中間層30，只利用SLA法使包含類金剛石碳的中間層35及碳膜40成膜時，雖然存在密接力的下降，但是缺陷數(shù)(面粗糙度指數(shù))為0.0013[個/mm/nm]以下，從而可進一步成為適合于精密模具用途的膜。

另一方面，在表8、表9所示的比較例(現(xiàn)有例)中，缺陷數(shù)(面粗糙度指數(shù))大于0.0067[個/mm/nm]，從而成為如下膜：在面粗糙度方面也不適合于精密模具用途，并且即使進行洛氏硬度試驗也會剝離，高面壓滑動試驗中的耐剝離載荷也成為低載荷，在密接性方面也薄弱。

再者，用于形成碳膜40的陰極構件4的以式(1)表示的抗熱震性R優(yōu)選的是大于7.9，更優(yōu)選的是12.2以上。

如果抗熱震性R大于7.9，則玻璃狀碳的耐熱震性相對于因為電弧放電而產(chǎn)生于陰極構件表面上的熱應力而增大，從而能夠防止陰極構件4破裂。因此，可以形成進一步減少了陰極構件4破裂時容易產(chǎn)生的10nm～20nm的凹凸的數(shù)量的碳膜40。

此次所揭示的實施方式應認為在所有方面均為例示而并非加以限制。本發(fā)明的范圍是通過權利要求書而不是所述實施方式的說明來揭示，意圖包含與權利要求書同等的涵義及范圍內(nèi)的所有變更。

[產(chǎn)業(yè)上的可利用性]

本發(fā)明適用于碳薄膜、制造其的等離子體裝置及制造方法。

[符號的說明]

1、110：真空容器

2：保持構件

3、103：電弧式蒸發(fā)源

4、104、1001：陰極構件

5：永久磁鐵

6、7、107：電源

8、108：觸發(fā)電極

9、109：電阻

10、100、1000：等離子體裝置

11：排氣口

12：擋板

20：基板

30、35：中間層

40：碳膜

41：本體部

42：突起部

50：碳薄膜

120：線圈