特許 7668456 硬質炭素被膜成膜装置

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】

(24)【登録日】2025-04-17

(45)【発行日】2025-04-25

(54)【発明の名称】硬質炭素被膜成膜装置

(51)【国際特許分類】

   C23C 14/06 20060101AFI20250418BHJP

   C23C 14/32 20060101ALI20250418BHJP

【ＦＩ】

C23C14/06 F

C23C14/32 D

【請求項の数】 3

(21)【出願番号】P 2020186197

(22)【出願日】2020-11-06

(65)【公開番号】P2022075417

(43)【公開日】2022-05-18

【審査請求日】2023-09-06

【国等の委託研究の成果に係る記載事項】（出願人による申告）平成２９年度、国立研究開発法人科学技術振興機構、研究成果展開事業（研究成果最適展開支援プログラム）、「同軸型アークプラズマ堆積法を利用したウルトラナノ微結晶ダイヤモンド被膜工具の開発」委託研究、産業技術力強化法第１７条の適用を受ける特許出願

(73)【特許権者】

【識別番号】000103367

【氏名又は名称】オーエスジー株式会社

(73)【特許権者】

【識別番号】504145342

【氏名又は名称】国立大学法人九州大学

(74)【代理人】

【識別番号】100085361

【弁理士】

【氏名又は名称】池田 治幸

(74)【代理人】

【識別番号】100147669

【弁理士】

【氏名又は名称】池田 光治郎

(72)【発明者】

【氏名】村澤 功基

(72)【発明者】

【氏名】吉武 剛

(72)【発明者】

【氏名】アリ モハメド アリ エブラヒム アブデルガワド

【審査官】今井 淳一

(56)【参考文献】

【文献】特開２０１４－１７３１２９（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１９－０６３９５８（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開平１１－２４２９４４（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)

Ｃ２３Ｃ １４／０６

Ｃ２３Ｃ １４／３２

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

パルスアーク放電でターゲットのグラファイトをイオン化し、筒状のアノード電極の先端開口から高エネルギの正電荷のグラファイト粒子を、繰り返し負電位の基材に向って飛散させて前記基材に被着させて硬質炭素被膜を前記基材上に成膜する同軸型アークプラズマガンと、成膜中の前記基材に対して負バイアスを付与するバイアス装置とを、備える硬質炭素被膜成膜装置であって、
前記バイアス装置は、成膜中の前記基材へ前記同軸型アークプラズマガンからの瞬間的な正イオンの供給に際して、前記基材の極性の反転を抑制する極性反転抑制装置を、含み、
前記極性反転抑制装置は、前記同軸型アークプラズマガンからの成膜中の前記基材への瞬間的な正イオンの供給に応答して、成膜中の前記基材が負の帯電から正の帯電へ変化しようとすると、前記基材の電位を接地電位へ切り換えることで、成膜中の前記基材の極性の反転を抑制し、
前記バイアス装置は、成膜中の前記基材に対して負バイアスを付与する負バイアス電源装置を、含み、
前記負バイアス電源装置は、前記同軸型アークプラズマガンからの成膜中の前記基材への瞬間的な正イオンの供給に応答して、成膜中の前記基材の正帯電を抑制して負バイアスを維持するための負バイアス専用コンデンサを、備える
ことを特徴とする硬質炭素被膜成膜装置。

【請求項2】

前記バイアス装置は、前記同軸型アークプラズマガンの放電時期に同期したタイミング信号を出力する同期信号供給装置を、含み、前記タイミング信号が表す負バイアス付与開始時期および負バイアス付与時間で前記負バイアス電源装置から前記基材に負バイアスを付与する
ことを特徴とする請求項１の硬質炭素被膜成膜装置。

【請求項3】

前記同期信号供給装置は、前記タイミング信号が表す負バイアス付与開始時期および負バイアス付与時間を手動調節する手動調節器を備える
ことを特徴とする請求項２の硬質炭素被膜成膜装置。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、硬質炭素被膜を対象物である基材に被着させる硬質炭素被膜成膜装置に関するものである。

【背景技術】

【0002】

ドリルやエンドミル、フライス、バイト等の切削工具、盛上げタップ、転造工具、プレス金型等の非切削工具などの種々の加工工具、或いは耐摩耗性が要求される摩擦部品などにおいて、超硬合金製或いは高速度工具鋼（ＨＳＳ）製の基材の表面に、硬質炭素被膜をコーティングすることにより、耐摩耗性や耐久性を向上させることが提案されている。硬質炭素被膜は、ダイヤモンドを含む緻密なアモルファス構造を有する被膜であって、ＴｉＡｌＮ、ＣｒＮ等の化合物被膜に比較して高い硬度を有している。

【0003】

このような硬質炭素被膜をコーティングするために、たとえば特許文献１に記載された同軸型アークプラズマガンを用いた硬質炭素被膜成膜装置が提案されている。この同軸型アークプラズマガンは、１０^－５Ｐａよりも真空度が高い超高真空の真空チャンパ内において電子の発生にガスを用いていないので、運動エネルギの高い炭素粒子を緻密に被着させることができ、密着性が高く且つ純度の高い硬質炭素被膜が成膜されるようになっている。

【0004】

具体的には、上記硬質炭素被膜成膜装置は、基材を収容する真空チャンバと、同軸型アークプラズマガンと、同軸型アークプラズマガンを駆動するアーク電源ユニットとを備えている。同軸型アークプラズマガンは、グラファイトから成る円柱状のカソード電極と、その外輪を保持する絶縁体である筒状碍子と、筒状碍子の先端部に装着されたトリガ電極と、トリガ電極が筒状碍子の外周に装着され且つカソード電極が筒状碍子内に挿通させられてそれらトリガ電極、筒状碍子、およびカソード電極が同心に組み立てられた内側電極組立体を同心に収容する、大径の筒状のアノード電極とを備えている。アーク電源ユニットは、カソード電極とアースとの間に配置されたアーク電源と、カソード電極とトリガ電極との間に配置されたトリガ電源と、カソード電極とアースとの間に配置されたコンデンサとを備えている。

【0005】

これにより、上記同軸型アークプラズマガンでは、所定の周期でトリガ電極から沿面放電により電子を発生させてトリガをかけ、コンデンサに充電された正電荷を一気にカソード電極へ放電させてカソード電極を構成するターゲット材であるグラファイトをプラズマ（正イオン）化し、すなわちパルスアーク放電でターゲットをイオン化し、次いで、筒状のアノード電極の先端開口から高エネルギの正電荷のグラファイト粒子を、接地電位の基材に向って飛散させて基材に被着させるサイクルを繰り返すことで、硬質炭素被膜が基材の表面に成膜される。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0006】

【文献】特開２０１９－０６３９５８号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0007】

ところで、上記のような従来の硬質炭素被膜成膜装置では、工業的な要請から成膜速度を高めようとして多量のイオン電流を供給すると、必ずしも意図どおりの硬質炭素被膜の硬さ、付着力、および成膜速度が得られない場合があった。

【0008】

本発明は以上の事情を背景として為されたものであり、その目的とするところは、硬質炭素被膜の充分な硬さ、付着力、および成膜速度が得られる硬質炭素被膜成膜装置を提供することにある。

【課題を解決するための手段】

【0009】

本発明者等は以上の事情を背景として種々研究を重ねた結果、１サイクル当たりにコンデンサから放電される電荷量が多くなって多量の正電荷のグラファイト粒子が一気に基材へ向って飛散されたとき、接地された基材ではイオン化された正電荷のグラファイト粒子を引き込むエネルギが不足し、充分な付着量および付着速度が得られないことが原因であると推定した。この原因を解消するために、接地電位よりも低い負電圧を基材に印加する負バイアス電源を設けて成膜を行なったところ、単に負電圧を基材に印加するだけでは、繰り返し発生する瞬間的な正イオンの供給に対して負バイアス電源の容量が不足して基材の極性が正電位へ反転することが避けられず、基材へ固着する被膜の硬さ、付着力、および成膜速度は逆に低下した。これに対して、さらに研究を重ねた結果、瞬間的な正イオンの供給に応答して、基材の電位上昇を抑制するように、積極的に基材の正電荷を接地へ逃がすようにすると、瞬間的な正イオンの供給に対して基材の極性の反転を効果的に抑制することができることを見出した。本発明は、斯かる知見に基づいてなされたものである。

【0010】

すなわち、第１発明の要旨とするところは、パルスアーク放電でターゲットのグラファイトをイオン化し、筒状のアノード電極の先端開口から高エネルギの正電荷のグラファイト粒子を、繰り返し負電位の基材に向って飛散させて前記基材に被着させて硬質炭素被膜を前記基材上に成膜する同軸型アークプラズマガンと、成膜中の前記基材に対して負バイアスを付与するバイアス装置とを、備える硬質炭素被膜成膜装置であって、前記バイアス装置は、成膜中の前記基材へ前記同軸型アークプラズマガンからの瞬間的な正イオンの供給に際して、前記基材の極性の反転を抑制する極性反転抑制装置を、含み、前記極性反転抑制装置は、前記同軸型アークプラズマガンからの成膜中の前記基材への瞬間的な正イオンの供給に応答して、成膜中の前記基材が負の帯電から正の帯電へ変化しようとすると、前記基材の電位を接地電位へ切り換えることで、成膜中の前記基材の極性の反転を抑制し、前記バイアス装置は、成膜中の前記基材に対して負バイアスを付与する負バイアス電源装置を、含み、前記負バイアス電源装置は、前記同軸型アークプラズマガンからの成膜中の前記基材への瞬間的な正イオンの供給に応答して、成膜中の前記基材の正帯電を抑制して負バイアスを維持するための負バイアス専用コンデンサを、備えることにある。

【0013】

第２発明の要旨とするところは、第１発明において、前記バイアス装置は、前記同軸型アークプラズマガンの放電時期に同期したタイミング信号を出力する同期信号供給装置を、含み、前記タイミング信号が表す負バイアス付与開始時期および負バイアス付与時間で前記負バイアス電源装置から前記基材に負バイアスを付与することにある。

【0014】

第３発明の要旨とするところは、第２発明において、前記同期信号供給装置は、前記タイミング信号が表す負バイアス付与開始時期および負バイアス付与時間を手動調節する手動調節器を備えることにある。

【発明の効果】

【0016】

第１発明の硬質炭素被膜成膜装置によれば、極性反転抑制装置がバイアス装置に備えられており、成膜中の前記基材への前記同軸型アークプラズマガンからの瞬間的な正イオンの供給に際して、極性反転抑制装置によって、前記基材の極性の反転が抑制される。これにより、正イオンの供給に拘わらず成膜中の基材の極性の反転が抑制されるので、基材上に成膜される硬質炭素被膜の充分な硬さ、付着力、および成膜速度が得られる。また、極性反転抑制装置は、成膜中の前記基材が負の帯電から正の帯電へ変化しようとすると、前記基材の電位を接地電位へ切り換えることで、成膜中の前記基材の極性の反転を抑制し、前記バイアス装置は、成膜中の前記基材に対して負バイアスを付与する負バイアス電源装置を、含み、前記負バイアス電源装置は、前記同軸型アークプラズマガンからの成膜中の前記基材への瞬間的な正イオンの供給に応答して、成膜中の前記基材の正帯電を抑制して負バイアスを維持するための負バイアス専用コンデンサを、備える。これにより、成膜中の前記基材への瞬間的な正イオンの供給に際して、正イオンの供給に拘わらず成膜中の基材の極性の反転が抑制されるので、負バイアス電源装置の規模を大きくすることなく、成膜中の基材の極性の反転が抑制されて、基材上に成膜される硬質炭素被膜の充分な硬さ、付着力、および成膜速度が得られる。

【0019】

第２発明の硬質炭素被膜成膜装置によれば、前記バイアス装置は、前記同軸型アークプラズマガンの放電時期に同期したタイミング信号を出力する同期信号供給装置を、含み、前記タイミング信号が表す負バイアス付与開始時期および負バイアス付与時間で前記負バイアス電源装置から前記基材に対して負バイアスを付与する。これにより、前記同軸型アークプラズマガンの放電時期に同期した適切な時間帯に負バイアスが行なわれるので、基材上に成膜される硬質炭素被膜の充分な硬さ、付着力、および成膜速度が得られる。

【0020】

第３発明の硬質炭素被膜成膜装置によれば、前記同期信号供給装置は、前記タイミング信号が表す負バイアス付与開始時期および負バイアス付与時間を手動調節する手動調節器を備えるので、前記同軸型アークプラズマガンの放電時期に同期したタイミング信号を材質に応じて適切に調節できる利点がある。

【図面の簡単な説明】

【0022】

【図1】本発明の一実施例のバイアス装置を備える硬質炭素被膜成膜装置により硬質炭素被膜が切削部の表面に被着された切削工具例であるドリルを示す正面図である。

【図2】図１のドリルを説明するためにその先端側から示す拡大底面図である。

【図3】図１のドリル用の工具母材上に成膜する場合の、本発明の一実施例の硬質炭素被膜成膜装置の構成を説明する概略図である。

【図4】図３の硬質炭素被膜成膜装置に用いられる同軸型アークプラズマガンの構成を説明する概略図である。

【図5】図３の硬質炭素被膜成膜装置において、成膜中の工具母材にバイアス電位を付与するバイアス装置の構成および作動を説明する模式図であって、バイアス装置に備えられた極性判定抑制装置が工具母材の接地接続を行っていない状態を示す図である。

【図6】図３の硬質炭素被膜成膜装置において、成膜中の工具母材にバイアス電位を付与するバイアス装置の構成および作動を説明する模式図であって、バイアス装置に備えられた極性反転抑制装置が工具母材の接地接続を行っている状態を示す図である。

【図7】図５および図６の負バイアス電源装置の作動を説明するタイムチャートである。

【図8】本発明者等が被膜特性評価のために用意した複数の試料について、それら試料の成膜条件と被膜特性とをそれぞれ示す図表である。

【図9】本発明者等が組成評価のために用意した２種類の試料について、それら試料の成膜条件を示す図表である。

【図10】図９の２つの試料のうち従来の硬質炭素被膜成膜装置により得られた試料のラマン分光分析結果を示すグラフである。

【図11】図９の２つの試料のうち、極性反転抑制装置、負バイアス電源装置、および負バイアス専用コンデンサを備えた硬質炭素被膜成膜装置により得られた試料のラマン分光分析結果を示すグラフである。

【発明を実施するための形態】

【0023】

以下、本発明の一実施例を図面を参照して詳細に説明する。なお、以下の実施例において図は発明に関連する要部を説明するものであり、寸法及び形状等は必ずしも正確に描かれていない。

【実施例】

【0024】

図１および図２は、本発明の一実施例の硬質炭素被膜成膜装置３０により硬質炭素被膜が被覆される部品の一例であるドリル１０を示す図である。図１は軸心Ｏと直角な方向から見た正面図、図２は切れ刃１２が設けられた先端側から見た拡大底面図である。ドリル１０は、超硬合金製或いは高速度工具鋼（ＨＳＳ）製の基材である工具母材２２から構成されている。このドリル１０は、２枚刃のツイストドリルで、シャンク１４およびボデー１６を軸方向に一体に備えており、ボデー１６には軸心Ｏの右まわりにねじれた一対の溝１８が形成されている。ボデー１６の先端には、溝１８に対応して一対の切れ刃１２が設けられており、シャンク１４側から見て軸心Ｏの右まわりに回転駆動されることにより切れ刃１２によって穴を切削加工するとともに、切屑が溝１８を通ってシャンク１４側へ排出される。図１において、斜線部分は、硬質炭素被膜２４がコーティング（被着）された部分を示している。

【0025】

図３は、ドリル１０の製造に用いられる硬質炭素被膜成膜装置３０すなわち同軸型真空アーク蒸着を説明する概略構成図（模式図）である。硬質炭素被膜成膜装置３０は、複数のワークすなわち硬質炭素被膜２４が被覆される前の基材である工具母材２２を保持している金属製のワーク保持具３２、そのワーク保持具３２を略垂直な回転中心まわりに回転駆動する回転駆動装置３４、工具母材２２などを内部に収容している処理容器としての真空チャンバ３６、真空チャンバ３６内の気体を真空ポンプなどで排出して１０^－５Ｐａ程度より低い超高真空に減圧する排気装置３８、同軸型アークプラズマガン４０、アーク電源装置４２、バイアス装置４４等を、備えている。

【0026】

アーク電源装置４２は、同軸型アークプラズマガン４０を駆動してアークプラズマを先端部から放出させる。バイアス装置４４は、工具母材２２にワーク保持具３２および回転駆動装置３４を介してバイアス電圧を付与する。ワーク保持具３２は、先端が外側へ突き出す姿勢で工具母材２２を保持している。シーズヒータＨは、ワーク保持具３２に保持された成膜中の工具母材２２を加熱する。

【0027】

図４に示すように、同軸型アークプラズマガン４０は、グラファイトから成る固体ターゲットである円柱状のカソード電極ＫＥと、その外側を保持する絶縁体である筒状碍子ＣＥと、筒状碍子ＣＥの先端部に装着された円筒状のトリガ電極ＴＥと、トリガ電極ＴＥが筒状碍子ＣＥの外周に装着され且つカソード電極ＫＥが筒状碍子ＣＥ内に挿通されてそれらトリガ電極ＴＥ、筒状碍子ＣＥおよびカソード電極ＫＥが同心に組立てられた内側電極組立体が、それらよりも大径の筒状のアノード電極ＡＥ内に、同心に配置されることで、構成されている。

【0028】

アーク電源装置４２は、カソード電極ＫＥとアースＥとの間に接続されたアーク電源ＡＳと、カソード電極ＫＥとトリガ電極ＴＥとの間に接続されたトリガ電源ＴＳと、カソード電極ＫＥとアースＥとの間に接続されたコンデンサＣとを備えている。

【0029】

このように構成された同軸型アークプラズマガン４０では、所定の周波数たとえば１００Ｈｚの周期でトリガ電極ＴＥより沿面放電により電子を発生させてトリガがかけられ、コンデンサＣに充電された電荷が一気にカソード電極ＫＥに放電させられて、カソード電極ＫＥを構成する固体ターゲットであるグラファイトが液化および気化を経てプラズマ化され、筒状のアノード電極ＡＥの先端開口から高エネルギのプラズマ化されたグラファイトであるイオン粒子Ｐが工具母材２２に向かって飛散させられるパルスアーク放電により、工具母材２２に硬質炭素被膜２４が被着される。

【0030】

硬質炭素被膜成膜装置３０では、その成膜動作はアーク電源装置４２内のコンデンサＣの充放電の繰り返しに同期して周期的に行なわれるので、カソードシャッタや基板シャッタを用いることなく、コンデンサＣの充放電回数を設定することにより工具母材２２に被着させられる炭素被膜の膜厚を所望の値に制御できる。また、上記硬質炭素被膜成膜装置３０では、電子の発生にガスを用いていないので、１０^－５Ｐａ程度より圧力が低い超高真空下において純度の高い硬質炭素被膜２４を成膜できるとともに、プラズマのイオン化率が８０％程度と高く、粒子の運動エネルギが高いため、緻密で密着性のよい硬質炭素被膜２４を形成することができる。

【0031】

図５および図６は、図３のバイアス装置４４の構成および作動を説明する模式図であって、図５はバイアス装置４４による工具母材２２の非接地状態を示し、図６はバイアス装置４４による工具母材２２の接地接続状態を示している。

【0032】

バイアス装置４４は、極性反転抑制装置４６と、同期信号供給装置４８と、負バイアス電源装置５４と、を備え、工具母材２２に成膜される硬質炭素被膜２４の硬さおよび付着力と成膜速度を得るために、同軸型アークプラズマガン４０から工具母材２２への瞬間的な多量の正イオンの周期的な供給に拘わらず、成膜中の工具母材２２の極性を可及的に負側に維持して、工具母材２２が負電位から正電位へ極性反転することを抑制する。図５および図６において、極性反転抑制装置４６および負バイアス電源装置５４を示すブロック内に表示されている回路記号は、それらの機能を簡略して示すものであり、実際にはその機能が得られるように作動する電気回路から構成されている。

【0033】

極性反転抑制装置４６は、工具母材２２と接地ラインＥＬとの間に設けられ、同軸型アークプラズマガン４０により成膜中の工具母材２２が負バイアス電源装置５４から付与された負バイアス電位から正電位へ極性反転しようとすると、工具母材２２を接地ラインＥＬに接続して工具母材２２の電位を接地電位へ切り換え、工具母材２２の極性の反転を抑制する。

【0034】

より詳細には、極性反転抑制装置４６は、同軸型アークプラズマガン４０により成膜中の工具母材２２の接地ラインＥＬに対する電位を検出する基材電位検出回路部と、その基材電位検出回路部により検出された工具母材２２の電位およびその電位の変化速度（たとえば電位の微分値）に基づいて成膜中の工具母材２２が負バイアス電源装置５４から付与された負バイアス電位から正電位へ極性反転しようとすると判定する極性反転判定回路部と、この極性反転判定回路部により、成膜中の工具母材２２が負バイアス電源装置５４から付与された負バイアス電位から正電位へ極性反転しようとすると判定されると、工具母材２２を接地ラインＥＬに接続し基材の極性の反転を抑制する接地ライン接続回路部とを、含む。

【0035】

同期信号供給装置４８は、負バイアス電源装置５４による負バイアスの付与開始時間および負バイアスの付与時間をそれぞれ調節する負バイアス付与開始タイミング調整器５０および負バイアス付与時間調整器５２を備え、たとえば同軸型アークプラズマガン４０のカソード電極ＫＥの電位に基づいて、同軸型アークプラズマガン４０のパルスアーク放電の開始時点を基準とした負バイアスの付与開始時間および負バイアスの付与時間を表すタイミング信号ＳＴを負バイアス電源装置５４に供給する。負バイアス付与開始タイミング調整器５０および負バイアス付与時間調整器５２は、タイミング信号ＳＴが表わす、同軸型アークプラズマガン４０の照射開始時点を基準とした負バイアス付与開始時期および負バイアス付与時間を、手動操作に従って調節する手動調節器である。

【0036】

負バイアス電源装置５４は、アース電位に対して負の一定電位たとえば－１００Ｖ且つ１００ｋＨｚの直流パルス状の負バイアスを発生させる負バイアス電源回路５６と、負バイアス電源回路５６により充電され、同軸型アークプラズマガン４０から工具母材２２への瞬間的な多量の正イオン流の供給に際して、工具母材２２の極性が負に維持されるように負電荷を工具母材２２対して負電荷を供給する負バイアス専用コンデンサ５８とを備え、タイミング信号ＳＴが表す負バイアスの付与開始時間および負バイアスの付与時間に従って、工具母材２２に負バイアスを付与して工具母材２２の極性の反転を抑制する。負バイアス専用コンデンサ５８は、負バイアス電源装置５４の工具母材２２に対する負バイアス非付与期間内において負バイアス電源回路５６により充電される。

【0037】

図７は、負バイアス電源装置５４による工具母材２２に対する負バイアス印加作動を、周期的に変化する同軸型アークプラズマガン４０からの正イオン電流（上段に示す）と共に説明するタイムチャートである。図７において、照射周期の開始点を示すｔ１時点は、同軸型アークプラズマガン４０による正イオンの照射区間の開始点すなわち負バイアス印加開始点である。ｔ２時点は、負バイアス印加終了点であり、ｔ３時点は、その正イオンの照射区間の終了点であり、ｔ４時点は、この照射周期の終了点を示している。負バイアス付与区間（時間）（ｔ１～ｔ２）は、好適には、所定の周期で繰り返される正イオン照射区間（ｔ１～ｔ３）の前半部において正イオン照射区間（時間）の５０％程度に設定される。

【0038】

以下に、本発明者等が行なった、成膜条件が異なる７種類の試料Ｎｏ．１－１～Ｎｏ．１－７を基材（試料サイズ：直径１０ｍｍ×厚さ５ｍｍ）上に成膜したときの成膜条件と、各基材に成膜された被膜特性の評価結果を、図８を用いて説明する。試料Ｎｏ．１－１～試料Ｎｏ．１－７は、硬質炭素被膜成膜装置３０を用いて、ターゲット材料、導入ガス、基材の材質、基材温度、処理圧力、同軸型アークプラズマガン４０の出力、アーク放電周波数が共通である成膜条件で作成されたものであるが、成膜中の基材に対するバイアス条件が相互に相違している。

【0039】

試料Ｎｏ．１－１は、基材のバイアス電圧が０Ｖに接地されている状態で成膜されている。試料Ｎｏ．１－２は、負バイアス電源装置５４から基材に－１００Ｖ且つ１００ｋＨｚのバイアス電圧が連続的に印加された状態で成膜されている。試料Ｎｏ．１－３は、負バイアス電源装置５４から基材に－１００Ｖ且つ１００ｋＨｚのバイアス電圧が連続印加されるとともに、極性反転抑制装置４６により基材のバイアス電圧が反転しようとすると接地により反転が抑制された状態で成膜されている。

【0040】

試料Ｎｏ．１－４は、試料Ｎｏ．１－３の成膜条件においてバイアス電圧の反転を抑制するように用いられていた極性反転抑制装置４６が除去され且つ負バイアス専用コンデンサ５８が設けられた状態で成膜されている。試料Ｎｏ．１－５は、試料Ｎｏ．１－３の負バイアス電源装置５４において、負バイアス専用コンデンサ５８が設けられた状態で成膜されている。

【0041】

試料Ｎｏ．１－６は、試料Ｎｏ．１－５の負バイアス電源装置５４をオンオフ制御するための同期信号供給装置４８が設けられている。試料Ｎｏ．１－７は、試料Ｎｏ．１－６の負バイアス電源装置５４から負バイアス専用コンデンサ５８が除去された状態で成膜されている。

【0042】

各試料Ｎｏ．１－１～試料Ｎｏ．１－７の被膜特性の評価は、被膜硬さ（ＧＰａ）、剥離臨界荷重（Ｎ）、被膜厚さ（μｍ）について、以下の測定条件で行なわれた。
（被膜硬さ）
ＩＳＯ１４５７７－４：２０１６に準拠する薄膜硬度計を用いて、ＩＳＯ１４５７７－４：２０１６に規定されるナノインデンテーション法により以下の測定条件下で、基材上の硬質炭素被膜２４の被膜硬さＨ_ＩＴ（ＧＰａ）を測定した。
・試験荷重 ： ５ｍＮ
・荷重到達時間：１０秒
・荷重保持時間： ５秒
・荷重除去時間：１０秒
・試験箇所 ：１０ポイント

【0043】

（薄膜臨界荷重）
スクラッチ試験器を用いて、以下の測定条件下で、基材上の硬質炭素被膜２４の薄膜臨界荷重を測定した。
・圧子 ：１２０° ０．２の先端形状を有するダイヤモンド圧子
・荷重スピード ：２００Ｎ／ｍｉｎ
・スクラッチスピード：１０ｍｍ／ｍｉｎ

【0044】

（被膜厚さ）
走査型電子顕微鏡を用いて観察された基材上の硬質炭素被膜２４の被膜断面の二次電子画像からスケールを用いて測定した。アーク放電回数等が同じ成膜条件下で得られた被膜厚さが大きいほど、高い成膜速度が得られたことを示している。

【0045】

試料Ｎｏ．１－２は、負バイアス電源回路５６により－１００Ｖ且つ１００ｋＨｚの負バイアス電圧が基材に印加されているにも拘わらず、基材が接地されている試料Ｎｏ．１－１に対して、被膜硬さおよび成膜速度（被膜厚さ）が低下している。基材がプラスに帯電することが原因であると考えられる。試料Ｎｏ．１－３は、試料Ｎｏ．１－２に対して、極性反転抑制装置４６による基材の正電荷の帯電が抑制されることにより、被膜硬さおよび成膜速度（被膜厚さ）の向上が認められた。

【0046】

試料Ｎｏ．１－４は、試料Ｎｏ．１－２に対して、負バイアス電源装置５４に負バイアス専用コンデンサ５８が用いられており、ある程度の負バイアスの維持が可能となったが、正電荷の帯電は完全に抑制できていないので、被膜硬さが改善されているものの、剥離臨界荷重が低下している。試料Ｎｏ．１－５は、試料Ｎｏ．１－２に対して、基材の正電荷の帯電を抑制する極性反転抑制装置４６が設けられるとともに、負バイアス電源装置５４に負バイアス専用コンデンサ５８が加えられているため、効果的に負バイアスが基材に印加され、被膜硬さおよび成膜速度（被膜厚さ）がさらに向上している。

【0047】

試料Ｎｏ．１－６は、試料Ｎｏ．１－５に対して、同軸型アークプラズマガン４０による正イオンの照射に同期したタイミング信号ＳＴを供給する同期信号供給装置４８が設けられ、同軸型アークプラズマガン４０から照射される正イオンのうち、イオン密度が高いタイミングのみに負バイアス電源装置５４から負バイアスを基材に印加するので、膜密度が大きく異なる多層構造となり、内部応力の緩和による付着力（剥離臨界荷重）の向上が認められた。試料Ｎｏ．１－７は、試料Ｎｏ．１－３に対して、同軸型アークプラズマガン４０による正イオンの照射に同期したタイミング信号ＳＴを供給する同期信号供給装置４８が設けられているので、試料Ｎｏ．１－６と同様に、付着力（剥離臨界荷重）の向上が認められた。

【0048】

試料Ｎｏ．１－１～Ｎｏ．１－７のうち、被膜硬さが５１ＧＰａ以上、剥離臨界荷重が３１Ｎ以上、被膜厚さが３．３μｍ以上である合格基準を満足したものが、合格と判定された。不合格品である試料Ｎｏ．１－１は、基材のバイアス電圧が０Ｖに接地されている状態で成膜されたものであるから、従来品に相当する。これに対して、不合格品である試料Ｎｏ．１－２の成膜条件は、試料Ｎｏ．１－１に対して、基材に負バイアスを付与する負バイアス電源装置５４が加えられており、また、不合格品である試料Ｎｏ．１－４の成膜条件は、試料Ｎｏ．１－１に対して、負バイアス電源装置５４、および負バイアス専用コンデンサ５８が加えられているが、被膜硬さおよび被膜厚さが試料Ｎｏ．１－１に及ばない。

【0049】

これに対して、合格品である試料Ｎｏ．１－３の成膜条件、試料Ｎｏ．１－５の成膜条件、および試料Ｎｏ．１－６の成膜条件は、いずれも極性反転抑制装置４６が含まれたものである。試料Ｎｏ．１－３の成膜条件に同期信号供給装置４８が加えられた試料Ｎｏ．１－７の成膜条件によれば、剥離臨界荷重が向上した。試料Ｎｏ．１－３の成膜条件に負バイアス専用コンデンサ５８が加えられた試料Ｎｏ．１－５の成膜条件によれば、被膜硬さ、剥離臨界荷重、および被膜厚さが大幅に向上した。試料Ｎｏ．１－３の成膜条件に同期信号供給装置４８および負バイアス専用コンデンサ５８が加えられた試料Ｎｏ．１－６の成膜条件によれば、被膜硬さ、剥離臨界荷重、および被膜厚さが大幅に向上した。

【0050】

次に、本発明者等が行なった、成膜条件が異なる２種類の試料Ｎｏ．２－１～Ｎｏ．２－２を基材（試料サイズ：直径１０ｍｍ×厚さ５ｍｍ）上に成膜したときの成膜条件と、各基材に成膜された被膜特性の評価結果を、図９、図１０、図１１を用いて説明する。

【0051】

試料Ｎｏ．２－１およびＮｏ．２－２は、硬質炭素被膜成膜装置３０を用いて、ターゲット材料、導入ガス、基材の材質、基材温度、処理圧力、同軸型アークプラズマガン４０の出力、アーク放電周波数が共通である成膜条件で作成されたものであるが、成膜中の基材に対するバイアス条件が相互に相違している。すなわち、試料Ｎｏ．２－１は、基材のバイアス電圧が０Ｖに接地されている状態で成膜されている。試料Ｎｏ．２－２は、負バイアス電源装置５４から基材に－１００Ｖ且つ１００ｋＨｚの負バイアス電圧が連続印加されるとともに、極性反転抑制装置４６により基材のバイアス電圧が反転しようとすると接地により反転が抑制され、負バイアス電源装置５４に負バイアス専用コンデンサ５８が設けられた状態で成膜されている。

【0052】

各試料Ｎｏ．２－１～Ｎｏ．２－２の被膜特性を、ラマン分光分析を以下の条件で行なわれた。
（ラマン分光分析）
・レーザ波長 ： ５３２ｎｍ
・レーザ出力 ： ０．５ｍＷ

【0053】

図１０は、基材に対して負バイアスが行なわれない状態で成膜された試料Ｎｏ．２－１のラマン分光分析結果であるラマンスペクトルを示している。図１１は、基材に対して負バイアス電源装置５４から負バイアスが行なわれ、極性反転抑制装置４６により基材のバイアス電圧が反転しようとすると接地により反転が抑制され、負バイアス電源装置５４に負バイアス専用コンデンサ５８が設けられた状態で成膜されたＮｏ．２－２のラマン分光分析結果であるラマンスペクトルを示している。

【0054】

図１０および図１１のラマンスペクトルにおいて、ダイヤモンドに起因する１３３３ｃｍ^－１のピークが、試料Ｎｏ．２－１よりも、試料Ｎｏ．２－２のラマンスペクトルの方が、鋭く且つ強いものであるため、試料Ｎｏ．２－２の硬質炭素被膜２４におけるダイヤモンドの結晶性が高いことが観察された。

【0055】

上述のように、本実施例の硬質炭素被膜成膜装置３０によれば、パルスアーク放電でターゲット（カソード電極ＫＥ）のグラファイトをイオン化し、筒状のアノード電極ＡＥの先端開口から高エネルギの正電荷のグラファイト粒子（イオン粒子Ｐ）を、繰り返し接地電位の工具母材（基材）２２に向って飛散させて工具母材２２に被着させて硬質炭素被膜２４を工具母材２２上に成膜する同軸型アークプラズマガン４０と、成膜中の工具母材２２に対して負バイアスを与えるバイアス装置４４とを、備える硬質炭素被膜成膜装置３０であって、バイアス装置４４は、成膜中の工具母材２２へ同軸型アークプラズマガン４０からの瞬間的な正イオンの供給に際して、工具母材２２の極性の反転を抑制する極性反転抑制装置４６を、含む。

【0056】

これにより、極性反転抑制装置４６がバイアス装置４４に備えられており、成膜中の工具母材２２への同軸型アークプラズマガン４０からの瞬間的な正イオンの供給に際して、極性反転抑制装置４６によって、成膜中の工具母材２２の極性の反転が抑制される。従って、正イオンの供給に拘わらず成膜中の工具母材２２の極性の反転が抑制されるので、工具母材２２上に成膜される硬質炭素被膜２４の充分な硬さ、付着力、および成膜速度が得られる。

【0057】

また、本実施例の硬質炭素被膜成膜装置３０によれば、極性反転抑制装置４６は、成膜中の工具母材（基材）２２が負の帯電から正の帯電へ変化しようとすると、工具母材２２の電位を接地電位へ切り換えるので、成膜中の工具母材２２の極性の反転が抑制される。これにより、正イオンの供給に拘わらず成膜中の工具母材２２の極性の反転が抑制されるので、工具母材２２上に成膜される硬質炭素被膜２４の充分な硬さ、付着力、および成膜速度が得られる。

【0058】

また、本実施例の硬質炭素被膜成膜装置３０によれば、バイアス装置４４は、成膜中の工具母材（基材）２２に対して負バイアスを付与する負バイアス電源装置５４を、含む。これにより、硬質炭素被膜２４の成膜中において、負バイアス電源装置５４により、工具母材２２の極性が負電圧とされる。これにより、正イオンの供給に拘わらず成膜中の工具母材２２の極性の反転が抑制されるので、工具母材２２に成膜される硬質炭素被膜２４の充分な硬さ、付着力、および成膜速度が得られる。

【0059】

また、本実施例の硬質炭素被膜成膜装置３０によれば、バイアス装置４４は、同軸型アークプラズマガン４０の放電時期に同期したタイミング信号ＳＴを出力する同期信号供給装置４８を、含み、タイミング信号ＳＴが表す負バイアス付与開始時期および負バイアス付与時間で負バイアス電源装置５４から工具母材（基材）２２に負バイアスを付与する。これにより、同軸型アークプラズマガン４０の放電時期に同期した適切な時間帯に負バイアスが行なわれるので、工具母材２２上に成膜される硬質炭素被膜２４の充分な硬さ、付着力、および成膜速度が得られる。

【0060】

また、本実施例の硬質炭素被膜成膜装置３０によれば、同期信号供給装置４８は、タイミング信号ＳＴが表わす負バイアス付与開始時期および負バイアス付与時間を手動調節する手動調節器（負バイアス付与開始タイミング調整器５０、負バイアス付与時間調整器５２）を備えるので、同軸型アークプラズマガン４０の放電時期に同期したタイミング信号ＳＴを工具母材（基材）２２の材質や同軸型アークプラズマガン４０の放電周波数等に応じて適切に調節できる利点がある。

【0061】

また、本実施例の硬質炭素被膜成膜装置３０によれば、負バイアス電源装置５４は、同軸型アークプラズマガン４０からの成膜中の工具母材（基材）２２への瞬間的な正イオンの供給に応答して工具母材２２へ負電荷を供給することで工具母材２２の正帯電を抑制して負バイアスを維持する負バイアス専用コンデンサ５８を備える。これにより、工具母材（基材）２２への瞬間的な正イオンの供給に応答して、負バイアス専用コンデンサ５８から負電荷が工具母材２２へ供給されることから、負バイアスが維持され成膜中の工具母材２２への瞬間的な正イオンの供給に際して、工具母材２２の極性の反転が抑制されるので、負バイアス電源装置５４の容量規模を大きくすることなく、成膜中の工具母材２２の極性の反転が抑制されて、工具母材２２上に成膜される硬質炭素被膜２４の充分な硬さ、付着力、および成膜速度が得られる。

【0062】

以上、本発明の一実施例を図面に基づいて説明したが、本発明はその他の態様においても実施される。

【0063】

たとえば、前述の実施例では、ドリル１０の工具母材２２が硬質炭素被膜２４が成膜される基材として説明されていたが、ドリルやエンドミル、フライス、バイト等の切削工具、盛上げタップ、転造工具、プレス金型等の非切削工具などの種々の加工工具、或いは耐摩耗性が要求される摩擦部品などの種々の工具母材が、基材として用いられてもよい。

【0064】

また、前述の実施例において、工具母材２２は、超硬合金製或いは高速度工具鋼製であったが、他の金属材料製であってもよい。

【0065】

また、前述の実施例では、硬質炭素被膜２４は工具母材２２に直接成膜されていたが、他の膜を介して間接的に工具母材２２に成膜されていてもよい。

【0066】

以上、本発明の実施例を図面に基づいて詳細に説明したが、これ等はあくまでも一実施形態であり、本発明は当業者の知識に基づいて種々の変更、改良を加えた態様で実施することができる。

【符号の説明】

【0067】

２２：工具母材（基材）
２４：硬質炭素被膜
３０：硬質炭素被膜成膜装置
４０：同軸型アークプラズマガン
４２：アーク電源装置
４４：バイアス装置
４６：極性反転抑制装置
４８：同期信号供給装置
５０：負バイアス付与開始タイミング調整器（手動調節器）
５２：負バイアス付与時間調整器（手動調節器）
５４：負バイアス電源装置
５８：負バイアス専用コンデンサ
ＡＥ：アノード電極
Ｐ ：イオン粒子（グラファイト粒子）
ＫＥ：カソード電極（ターゲット）
ＳＴ：タイミング信号

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】

【図10】

【図11】