JP2006111504A

JP2006111504A - 光学ガラス成形用金型の再生方法

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Publication number: JP2006111504A
Application number: JP2004302435A
Authority: JP
Inventors: Satoshi Moriyama; 聡森山
Original assignee: Pentax Corp
Current assignee: Pentax Corp
Priority date: 2004-10-18
Filing date: 2004-10-18
Publication date: 2006-04-27

Abstract

【課題】劣化した炭素膜を除去した後に露出する基材面において酸素及びアルゴンの残留量が著しく少なくなるように、光学ガラス成形用金型を再生する方法を提供することである。
【解決手段】成形面に炭素系膜が形成された光学ガラス成形用金型の再生方法であって、(a) 前記炭素系膜を酸素プラズマアッシングにより除去する工程と、(b) 前記成形面をアルゴンプラズマアッシングにより洗浄する工程と、(c) 洗浄された成形面に前記炭素系膜を新たに形成する工程を有する方法。
【選択図】図１

Description

本発明は、成形面における酸素及びアルゴンの残留量を抑えつつ、光学ガラス成形用金型の再生する方法に関する。

光学ガラスの成形において、成形用金型を用いたプレス成形が一般的であり、成形用金型の成形面は硬質の炭素系膜により補強されていることが多い。しかしプレス成形回数を重ねることにより、炭素系膜に傷が生じたり、光学ガラスの異物が炭素系膜に付着したりして炭素系膜が劣化する。

劣化した炭素系膜でプレス成形を行うと良好な光学ガラスが得られないため、劣化した炭素系膜を除去して成形面に新しい炭素系膜を形成する必要がある。炭素系膜の除去方法としては酸素プラズマアッシングが挙げられるが、酸素プラズマアッシングのみでは炭素系膜を完全に取り除くことはできない。また酸素プラズマアッシングにより基材表面が一部酸化されて、成形面に酸化膜が形成される。炭素系膜の残留物や基材の酸化膜が成形面に存在したまま炭素系膜の再形成を行うと、炭素系膜と成形面との密着性が悪くなる。従って、それらの残留物及び酸化膜を除去するため、酸素プラズマアッシングをした後に成形面を何らかの方法で洗浄する必要がある。

成形面の洗浄方法として、特開平2-38330号（特許文献１）は、硬質炭素膜を酸素プラズマアッシングにより除去した後、フッ化水素又はその塩の水溶液により成形用金型を洗浄する方法を開示している。しかし、酸素プラズマアッシングにより成形面上に形成された酸化膜はフッ化水素又はその塩の水溶液による洗浄では十分に取り除くことはできないという問題がある。

特開平6-345447号（特許文献２）は、劣化した炭素系膜をフッ素系ガス又はフッ素系ガスと酸素との混合ガスのプラズマアッシングを用いて除去した後、微小粒径の砥粒を用いた擦り作用によりアッシング後の異物を除去する方法を開示しているが、この方法でも酸化膜を十分に取り除くことはできない。また上記二つの特許文献に記載されているフッ化物は腐食性及び毒性が強く工業的に危険である。

特開平2-38330号公報特開平6-345447号公報

従って本発明の目的は、劣化した炭素膜を除去した後に露出する基材面において酸素及びアルゴンの残留量が著しく少なくなるように、光学ガラス成形用金型を再生する方法を提供することである。

上記目的に鑑み鋭意研究の結果、本発明者は、劣化した炭素膜を除去する際に酸素プラズマアッシングとアルゴンプラズマアッシングを組合せることにより、露出した基材面における酸素及びアルゴンの残留量を低く抑えることができることを発見し、本発明に想到した。

すなわち、本発明は具体的に以下の手段により達成することができる。
(1) 成形面に炭素系膜が形成された光学ガラス成形用金型の再生方法であって、(a) 前記炭素系膜を酸素プラズマアッシングにより除去する工程と、(b) 前記成形面をアルゴンプラズマアッシングにより洗浄する工程と、(c) 洗浄された成形面に前記炭素系膜を新たに形成する工程を有することを特徴とする方法。
(2) (1) に記載の光学ガラス成形用金型の再生方法において、前記アルゴンプラズマアッシングを行った後の成形面に残留する酸素量及びアルゴン量がそれぞれ20 atom％以下であることを特徴とする光学ガラス成形用金型の再生方法。
(3) (1) 又は(2) に記載の光学ガラス成形用金型の再生方法において、前記酸素プラズマアッシング及び前記アルゴンプラズマアッシングを行う際、接地電極に対する前記成形用金型の負のバイアス電圧の絶対値が150 V未満であることを特徴とする光学ガラス成形用金型の再生方法。
(4) (1)〜(3) のいずれかに記載の光学ガラス成形用金型の再生方法において、前記炭素系膜がダイヤモンド膜、ダイヤモンド状炭素膜又は水素化アモルファス炭素膜からなる群から選ばれた少なくとも１種であることを特徴とする光学ガラス成形用金型の再生方法。

上記構成を有する光学ガラス成形用金型の再生方法によれば、露出した基材面における酸素及びアルゴンの残留量を低く抑えることができる。特に酸素プラズマアッシング及びアルゴンプラズマアッシングの際に金型基板へのイオンの加速電圧（接地電極に対する金型基板の負のバイアス電圧の絶対値）を150 V未満にすることにより、成形面における酸素及びアルゴンの残留量をそれぞれ20 atom％以下にすることができ、成形用金型との密着性の良い炭素系膜を形成することができる。

[1] 光学ガラス成形用金型
図１の工程(a) に示す成形用金型10は、基材11（例えばSiC）と、基材11の成形面12に形成された炭素系膜13とからなる。基材11の成形面12は、光学ガラスの反転形状に研削し、ダイヤモンド研磨材を用いて研磨することにより得られる。また光学ガラス成形用金型10は、基材11をプラズマCVD装置50（後述する）の基板ホルダ51に載置してアルゴンプラズマアッシングにより成形面12を洗浄した後、プラズマCVD法により炭素系膜13を形成することにより得られる。アルゴンプラズマアッシングによる洗浄及びプラズマCVD法により炭素系膜の形成条件は、再生方法の場合と同様で良い。

成形用金型10の基材11は、光学ガラスのプレス成形に使用されるため、高温高圧下でもその形状を維持し得るように、Cr₂O₃，Al₂O₃等を含むサーメット、WCを含む超硬あるいはWCのみからなる超硬、及びSiC，ZrO₂，TiC等のセラミックス等を用いるのが好ましい。

炭素系膜13はダイヤモンド膜、ダイヤモンド状炭素膜等の硬質炭素膜や、水素化アモルファス炭素膜であるのが好ましい。中でも、摩擦係数が低くプレス成形が容易なダイヤモンド状炭素膜が特に好ましい。

[2] 光学ガラス成形用金型の再生方法
図１は光学ガラス成形用金型の再生方法の各工程を示す。工程(b) に示すように、傷ついたり光学ガラスの異物が付着したりした成形面12の炭素系膜13に対して酸素プラズマアッシングを施すことにより、劣化部21を有する炭素系膜13を除去すると、露出した基材11の成形面12には酸化膜22が形成されている［工程(c)］。例えばSiCからなる金型10の場合、成形面12にはSiO₂が形成される。そこで、基材11の成形面12に対して、アルゴンプラズマアッシングを施すと、酸化膜22は除去され、成形面12は洗浄化される［工程(d)］。洗浄された基材11の成形面12に新たな炭素系膜13aを形成する［工程(e)］。以下、酸素プラズマアッシング及びアルゴンプラズマアッシングについて詳述する。

(1) 酸素プラズマアッシング
図２は本発明の再生方法に用いるプラズマCVD装置50の一例を概略的に示す断面図である。プラズマCVD装置50は、一対の電極（基板ホルダ51及び接地電極52）を有する真空チャンバ53と、ブロッキングコンデンサ54及びインピーダンス整合回路（図示せず）を介して基板ホルダ51に接続している高周波電源55（周波数：13.56 Hz）と、アッシングガスを真空チャンバ53内に供給するガス導入口56とを具備する。真空チャンバ53には、アッシングガスを排気するための孔57が設けられている。

成形用金型10を真空チャンバ53内の基板ホルダ51にセットし、真空チャンバ53内がほぼ真空になるまで排気孔57の先に接続された真空ポンプ（図示せず）により排気した後、酸素ガスをガス導入口56より真空チャンバ53内に送給しつつ、高周波電源55からの電力の供給により放電を行う。その際、酸素ガスの圧力は0.1〜５ Torrであるのが好ましく、高周波電源55から供給される電力は３〜200 Wであるのが好ましい。

放電が起こると、生成したプラズマ中の電子は基板ホルダ51に入り、ブロッキングコンデンサ54に蓄積されて、自己バイアスが発生する。その結果、基板ホルダ51の電位は接地電極52に対して負となり、基板ホルダ51側に向かうようにイオンに加速電圧が加わる。ブロッキングコンデンサ54内に蓄積される電子の量をコントロールすることにより、イオンの加速電圧を調整することができる。

負の自己バイアスにより、酸素の正イオンは成形用金型10の炭素系膜13に衝突する。炭素系膜13は主にC又はC_xH_yといった構造を有するので、そこに酸素イオンが衝突すると、CO_xガスやH₂Oガスに分解される。炭素系膜13をこれらのガスに分解するとともに真空チャンバ53から除去する処理を、酸素プラズマアッシングと呼ぶ［工程(b)］。なお除去時間は、炭素系膜13の膜厚及び酸素プラズマアッシング条件によるが、一般に10〜1200秒であれば良い。

(2) アルゴンプラズマアッシング
酸素プラズマアッシングにより露出した成形用金型10の成形面12には、僅かながら炭素系膜13の分解副生物が存在したり、基材11の酸化膜が形成されたりする。これらの異物を洗浄するために、アルゴンプラズマアッシングを行う［工程(c)］。アルゴンプラズマアッシングの方法は酸素プラズマの場合と同様であり、酸素ガスの替わりにアルゴンガスをガス導入口56より封入する。

酸素プラズマアッシングの場合と同様に、放電が起こると基板ホルダ51に自己バイアスが発生し、基板ホルダ51側に向かうようにアルゴンの正イオンに加速電圧が加わる。アルゴンイオンが成形用金型10の成形面12に衝突すると、その衝撃によって成形面12についた異物は削り取られる。その結果、成形面12は完全に洗浄化される［工程(d)］。アルゴンプラズマアッシングの条件としては、アルゴンガスの圧力は0.1〜５ Torrであるのが好ましく、高周波電源55からの電力は３〜200 Wであるのが好ましい。また洗浄時間は
10〜1200秒であるのが好ましい。

(3) 加速電圧
酸素プラズマアッシング及びアルゴンプラズマアッシングを行う際に、基板ホルダ51にかける負のバイアス電圧の絶対値（基板ホルダ51へのイオンの加速電圧）は接地電極52に対して150 V未満であるのが好ましい。酸素プラズマアッシングの際にイオンの加速電圧を150 V以上とすると、成形用金型10の成形面12に衝突する酸素イオンのエネルギーが高すぎるため、酸素プラズマアッシングにより露出する成形面12に多くの酸化膜が生じてしまう。またアルゴンプラズマアッシングの際に加速電圧が100 V以上とすると、アルゴンプラズマにより酸化膜等を除去する力は増大するが、成形面12におけるアルゴンの残留量が増大してしまう。

(4) 炭素系膜形成
洗浄された成形面12に、プラズマCVD法により新たな炭素系膜13aを形成することにより［工程(e)］、光学ガラス成形用金型10は再生される。この光学ガラス成形用金型10を用いて光学ガラスのプレス成形を繰り返し行うことにより炭素系膜13が劣化した場合、再度同様の工程(a)〜(e) により再生する。

以下、本発明を具体的実施例によりさらに詳細に説明するが、本発明はこれに限定されるものではない。

(1) 光学ガラス成形用金型10の作製
炭化珪素（SiC）からなる基材11を所望の非球面形状に研削加工して、ダイヤモンド研磨材を用いて成形面12の表面粗さRmaxが0.02μm以下になるように研磨した。基材11をプラズマCVD装置50の基板ホルダ51上に載置し、真空チャンバ53内の圧力が0.02 Torrになるまで真空排気した後、アルゴンガスを圧力2.0 Torrになるまで封入した。高周波電源55より高周波電力（50 W）を供給して放電を行い、成形面12のアルゴンプラズマアッシングを50秒間行った。この時、基材11に印加される自己バイアス電圧を−100 Vに調整した。次いでプラズマCVD装置50に供給するガスをメタンガス及びブタンガスに切り換え、基材11の清浄な成形面12にダイヤモンド状炭素膜13を形成した。

得られた光学ガラス成形用金型10を用いて光学ガラスのプレス成形を繰り返し行い、炭素系膜13の劣化を確認した後、成形用金型10の再生を下記の手順で行った。すなわち、成形用金型10をプラズマCVD装置50の基板ホルダ51上に載置し、真空チャンバ53内の圧力が0.02 Torrになるまで真空排気した後、酸素ガスを封入し、2.0 Torrとした。高周波電源55より高周波電力50 Wを供給して放電を行い、−100 Vの自己バイアス電圧が成形用金型10に印加された状態で炭素系膜13の除去を50秒間行った。さらに同様の条件で、酸素ガスの替わりにアルゴンガスを封入してアルゴンプラズマアッシングを行い、成形面12を洗浄した。洗浄された成形面12に新しい炭素系膜13aをプラズマCVD法により形成した。

得られた成形用金型10を用いてさらに光学ガラスのプレス成形を繰り返し行い、再び劣化した炭素系膜13の除去及び新しい炭素系膜13aの形成を行った。このように再生した成形用金型の成形面12の元素分析をX線光電子分光分析装置（XPS）を用いて行った。構成元素は、酸素（O）: 15 atm％、アルゴン（Ar）: 18 atm％、成形用金型構成元素（Si，C）: 62 atm％、その他（Ni，Cr・・・）: ５atm％であった。ここで酸素は、成形面12における酸化膜22に含まれる酸素に加えて、成形面12に付着した酸素を含む。

再生工程を繰返し行った成形用金型10の成形面12は欠陥がなく外観上問題となる点は見付からなかった。このように本発明の成形用金型の再生方法を用いれば、成形用金型の再生を繰り返し行った後でも、高精度な光学ガラスが得られることが分かった。

本発明の一実施例による光学ガラス成形用金型の再生方法の工程を示す図である。本発明の再生方法に用いるプラズマCVD装置の一例を概略的に示す断面図である。

符号の説明

10・・・光学ガラス成形用金型
11・・・基材
12・・・成形面
13、13a・・・炭素系膜
21・・・劣化部
22・・・酸化膜
50・・・プラズマCVD装置
51・・・基板ホルダ
52・・・接地電極
53・・・真空チャンバ
54・・・ブロッキングコンデンサ
55・・・高周波電源
56・・・ガス導入口
57・・・排気孔

Claims

成形面に炭素系膜が形成された光学ガラス成形用金型の再生方法であって、(a) 前記炭素系膜を酸素プラズマアッシングにより除去する工程と、(b) 前記成形面をアルゴンプラズマアッシングにより洗浄する工程と、(c) 洗浄された成形面に前記炭素系膜を新たに形成する工程を有することを特徴とする方法。
請求項１に記載の光学ガラス成形用金型の再生方法において、前記アルゴンプラズマアッシングを行った後の成形面に残留する酸素量及びアルゴン量がそれぞれ20 atom％以下であることを特徴とする光学ガラス成形用金型の再生方法。
請求項１又は２に記載の光学ガラス成形用金型の再生方法において、前記酸素プラズマアッシング及び前記アルゴンプラズマアッシングを行う際、接地電極に対する前記成形用金型の負のバイアス電圧の絶対値が150 V未満であることを特徴とする光学ガラス成形用金型の再生方法。
請求項１〜３のいずれかに記載の光学ガラス成形用金型の再生方法において、前記炭素系膜がダイヤモンド膜、ダイヤモンド状炭素膜又は水素化アモルファス炭素膜からなる群から選ばれた少なくとも１種であることを特徴とする光学ガラス成形用金型の再生方法。