JP2010116295A - 光学素子成形用型及びその製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】ガラスモールド成形用型において、母材と炭素膜の密着性及び耐久性がよく、繰り返し使用できる光学素子成形用型を得る。
【解決手段】光学素子をプレス成形するための転写面を有する光学素子成形用型において、前記転写面を有する母材と、前記母材の転写面の上に形成された金属の窒化物よりなる中間層と、前記中間層の上に形成された炭化物よりなる下地層と、前記下地層の上に形成されたテトラヘドラルアモルファスカーボン層と、を有することを特徴とする光学素子成形用型。
【選択図】図１

Description

本発明は、ガラス素材のプレス成形により、レンズやプリズムなどのガラスよりなる光学素子を製造する際に使用される光学素子成形用型及びその製造方法に関する。

光学素子の製造に関する技術分野において、ガラス研磨工程を必要とせず、ガラス素材のプレス成形によってレンズを製造する技術は、従来の製造において必要とされた複雑な工程をなくし、簡単かつ安価にレンズを製造することを可能とした。このような、ガラスの光学素子のプレス成形に使用される型材に要求される性質としては、硬度、耐熱性、離型性及び鏡面加工性などに優れていることが挙げられる。

従来、この種の型材として、金属、セラミックス、及びそれらをコーティングした材料など、数多くの提案がなされている。例えば、特許文献１では、超硬合金に貴金属をコーティングした材料が開示されている。また、特許文献２、特許文献３及び特許文献４では、それぞれダイヤモンド薄膜若しくはダイヤモンド状炭素膜が開示されている。さらに、特許文献５では、硬質炭素膜をコーティングした材料が開示されている。また、特許文献６では、テトラヘドラルアモルファス炭素膜や水素化テトラヘドラルアモルファス炭素膜が開示されている。特許文献７では、基材上にＴｉＮ等のセラミック層、ＳｉＣ等の下地層、非晶質炭素層を順次積層する構成が開示されている。
特開昭６０−２４６２３０号公報 特開昭６１−１８３１３４号公報 特開昭６１−２８１０３０号公報 特開平１−３０１８６４号公報 特開昭６４−８３５２９号公報 特開２００４−０７５５２９号公報 特開２００１−３１６８００号公報

一般的に、上記特許文献におけるような、ダイヤモンド状炭素膜、ａ−Ｃ：Ｈ膜、硬質炭素膜又はＴＡＣ膜を用いた型は、型とガラスとの離型性が良く、ガラスとの融着を起こしにくいという利点があるが、しかしながら、それらには次のような問題があった。すなわち、型と炭素膜との密着性が一般に低く、特に、母材がガラスの場合は、成形操作を数百回以上繰り返して行うと、前記膜が部分的に剥離してしまい、成形品において十分な成形性能が得られないことがあるなど耐久性に課題があった。

本発明は、上記問題に鑑みてなされたものであり、ガラスモールド成形用型において、母材と炭素膜との密着性及びその耐久性がよく、繰り返し使用できる光学素子成形用型及びその製造方法を提供することを目的としている。

本発明は、光学素子をプレス成形するための転写面を有する光学素子成形用型において、前記転写面を有する母材と、前記母材の転写面の上に形成された金属の窒化物よりなる中間層と、前記中間層の上に形成された炭化物よりなる下地層と、前記下地層の上に形成されたテトラヘドラルアモルファスカーボン層と、を有する。

また、本発明は、光学素子を成形するため転写面を有する光学素子成形用型の製造方法において、前記転写面を有する母材の該転写面の上に金属の窒化物よりなる中間層を形成する工程と、前記中間層の上に炭化物よりなる下地層を形成する工程と、前記下地層の上にテトラヘドラルアモルファスカーボン層を形成する工程と、を有することを特徴とする。

本発明によれば、各層の密着性、耐久性がよく、繰り返し使用できる光学素子成形用型を、良好な表面粗さで形成することが可能となり、光学素子の製造において大幅なコストダウンを実現することができる。

以下、本発明の実施の形態を、図面を参照しながら具体的に説明する。

図１に示されているのは、光学素子をプレス成形するための転写面を有する、本発明の光学素子成形用型の一実施形態の模式的断面図である。図１では、凸形状のレンズ成形用型を示しているが、本発明は該形状に限定されるものでなく、凹面レンズ成形用型、非球面レンズ成形用型及びシリンドリカルレンズ成形用型など可能である。

図１において、ＷＣ（炭化タングステン）を主成分とする超硬合金よりなる型の母材１１は光学素子を成形するための転写面を有しており、該母材１１の上には金属の窒化物で形成された中間層１２が設けられている。さらに、前記中間層１２上には炭化物で形成された下地層１３が設けられている。さらに、前記下地層１３の上にはテトラヘドラルアモルファスカーボン層（Ｔｅｔｒａｈｅｄｒａｌ−Ａｍｏｒｐｈｏｕｓ−Ｃａｒｂｏｎ、以下ＴＡＣ層）１４が設けられている。

前記母材１１の材料としては、他にも、ＴｉＮ、ＴｉＣ、Ｃｒ_３Ｃ_２、ＡｌＮを主成分とするサーメットや、Ａｌ_２Ｏ_３、ＳｉＣ、ＺｒＯ_２、Ｓｉ_３Ｎ_４を主成分とするセラミックスなどを用いることもできるが、鏡面加工性及びコストの面で超硬合金が好ましい。

前記中間層１２の金属の窒化物としては、ＴｉＮ（窒化チタン）が型再生の面で好ましい。これは、ＴｉＮは硬度が高いため、型再生する際、ＴＡＣ層１４を酸素アッシング等で除去した後、残渣物をダイヤモンドペースト等で磨く際、型表面にキズが入りにくいためである。金属の窒化物としては、他にも、ＣｒＮ、ＡｌＮも使用可能である。

前記下地層１３の炭化物としては、プラズマソースイオンインプラテーション法（Ｐｌａｓｍａ−Ｓｏｕｃｅ−Ｉｏｎ−Ｉｍｐｌａｔａｔｉｏｎ、以下ＰＳＩＩ法）により形成されたＳｉＣ（炭化珪素）が中間層との密着性の面で好ましい。ＰＳＩＩ法では、母材に沿ってイオンシースができるため、また、母材周囲のプラズマから直接イオンを注入するので、密着性が向上する。膜厚としては、１０ｎｍ以上２００ｎｍ未満が望ましい。１０ｎｍ未満であると、ＴＡＣ膜との密着性が不充分となり加熱すると膜剥離が生じる。２００ｎｍ以上では、型再生する際、残渣成分が多くなり作業性が低下する。

また、この次のＴＡＣ層１４をフィルタードアークカソーディックバキュームアーク法（Ｆｉｌｔｅｒｄ−Ｃａｔｈｏｄｉｃ−Ｖａｃｕｕｍｅ−Ａｒｃ。以下、ＦＣＶＡ法）によって形成する場合は、１０μｍ以上のドロップレットが１ｃｍ四方に１個以下であることが表面性の面で望ましい。なお、ＦＣＶＡ法では、磁気フィルターによりイオンだけを取り出して、ドロップレットを母材に到達させないことが可能である。

本実施形態で用いられるＴＡＣ層１４は、水素を含まず、かつ炭素結合中のｓｐ３結合の割合が４０％以上８０％以下の範囲にある。前記数値範囲４０〜８０％は、一般的にＦＣＶＡ法で得られるＴＡＣ膜のｓｐ３結合の割合である。これに対し、従来のメタン系ガスを用いるダイヤモンド状炭素膜（硬質炭素膜）は水素を含んでおり、成形する際、高温にすると、炭素と水素の結合が切れて、炭素同士のグラファイト結合（ｓｐ２結合）ができて、硬度が低下するという欠点がある。すなわち、従来のイオンアシストＣＶＤやＤＣマグネトロンスパッタにより生成されるダイヤモンド状炭素膜は、本実施形態のＴＡＣ層と異なり、水素を含み、かつｓｐ３結合の割合が４０％未満であった。本実施形態で用いるＦＣＶＡ法では、グラファイトを原料とするため、水素を含まないダイヤモンド状炭素膜が得られる。ここで、ＴＡＣとは、ダイヤモンド状炭素膜の一種で、一般的にｓｐ３結合が多く、高硬度のダイヤモンド状炭素膜を示すものである。

上記でも述べたが、ＴＡＣ層１４は、ＦＣＶＡ法により成膜されることが好ましい。なぜなら、ＴＡＣ層は真空アーク蒸着法でも得られるが、この場合、陰極点からイオンが放出されるのと同時に、ドロップレット（陰極材料の微粒子）が発生し鏡面性を損なうという欠点があるからである。そこで、ドロップレットを効率的に除去する手段として、ＦＣＶＡ法におけるプラズマ磁気輸送法がある。この方法は、通常、真空アークプラズマ発生部と成膜プロセス部とが独立した構成をとっており、磁界を用いて発生部からプロセス部へプラズマを輸送し、プラズマの輸送中にドロップレットを除去（フィルタリング）する。具体的には、プラズマ発生部（陰極）と成膜室とを、湾曲したトーラス（中空ドーナツの一部）状プラズマ輸送ダクトで接続しており、プラズマ（電子とイオン）は陰極から基板まで湾曲して輸送される。その際に、ドロップレットは、輸送ダクトの内壁に付着して基板まで到達しないため、除去される。

これより、本発明の光学素子成形用型の製造方法の一実施形態について説明する。

まず、光学素子を成形するための転写面を有している、ＷＣ（炭化タングステン）を主成分とする超硬合金よりなる母材１１を用意する。

次に、前記母材１１上に中間層１２を形成する。図２に示されているのは、金属の窒化物で形成された中間層１２を形成するスパッタ成膜装置の模式断面図である。これより、例として、中間層をＴｉＮで形成した場合について説明する。

（１）真空チャンバー２１に母材２２を設置する。母材２２は回転軸２３によってターゲット２４上で回転するように配置される。熱伝対２５で温度検出を行い、ハロゲンランプ等のヒーター２６でチャンバー内を３００℃まで加熱し、チャンバー内の到達真空度が１×１０^−３Ｐａ以下になるまで排気する。

（２）アルゴンガスと窒素ガスを導入し、母材２２を回転させる。Ｔｉ金属ターゲット２４に高周波を印加して、原料をプラズマ化する。

（３）母材２３に直流電源２７より、回転軸２３を通して−５０Ｖ印加して、ＴｉＮ層１２を０．１〜５μｍ形成する。

中間層１２の成膜法としては、このようなスパッタ法以外にも、ＣＶＤ法やイオンプレーティング法を用いることが可能であり、成膜装置も上記構成に限定されるものではない。

次に、前記中間層１２上に炭化物で形成された下地層１３を形成する。本実施形態において、下地層１３はＰＳＩＩ法によって成膜される。図３に示されているのは、ＰＳＩＩ法の成膜装置を示す模式図である。参照番号３１は真空チャンバー、参照番号３２はイオン源で、不図示のバルブ、ガス流量調整器、圧力調整器及びガスボンベが接続されており、加熱されたフィラメントと電場を用いて炭素含有ガスをイオン化することができる。参照番号３３は基材ホルダーにバイアスを印加するための電源を、参照番号３４はイオンビームを模式的に示したものを、参照番号３５は母材を示している。また、参照番号３６はガス排気口を示しており、バルブ、ターボ分子ポンプ及びロータリーポンプ（何れも不図示）が接続されている。また、参照番号３７は基材ホルダーを示しており、これによって母材３５を固定することができる。なお、本実施形態で用いられる成膜装置は、上記構成の装置に限定されるものではない。これより、例として、ＰＳＩＩ装置を用いて、下地層１３としてＳｉＣを成膜する方法について説明する。

（１）真空チャンバー３１に母材３５を設置し、不図示のハロゲンランプ等のヒーターで３００℃まで加熱し、チャンバー内の到達真空度が１×１０^−３Ｐａ以下になるまで排気する。

（２）アルゴンガスとＴＥＯＳ（テトラエトキシシラン）等の珪素と炭素を含むガスを導入し、イオン源３２でイオン化する。

（３）母材３５を回転させ、基材ホルダーにバイアスを印加するための電源３３によりパルス状の直流を１〜８ｋＶ印加して、ＳｉＣ層を１０〜２００ｎｍ形成する。

次に、前記下地層１３上にＴＡＣ層１４を形成する。本実施形態において、ＴＡＣ層１４はＦＣＶＡ法により成膜される。図４に示されているのは、ＴＡＣ膜を形成するＦＣＶＡ法の成膜装置の模式断面図である。これより、例として、ＦＣＶＡ装置を用いて、ＴＡＣ層１４を成膜する方法について説明する。

（１）真空チャンバー４１に母材４２を設置し、チャンバー内の到達真空度が１×１０^−５Ｐａ以下になるまで排気する。

（２）バキュームアーク電源４６により、アークプラズマ生成室４５で炭素プラズマを生成し、フィルター４４により炭素イオンを抽出して、炭素イオンを母材４２に照射する。

（３）炭素イオンを母材４２に照射する際、パルス状直流電源４３を用いて母材に−５００〜５ＫＶ印加して、ＴＡＣ層を５０〜１０００ｎｍ形成する。

以上説明した本実施形態の製造方法において、ＰＳＩＩ法の成膜装置とＦＣＶＡ法の成膜装置とは別々の装置を用いて成膜したが、これは説明をわかりやすくするためである。通常は、ＰＳＩＩ法の成膜装置とＦＣＶＡ法の成膜装置を同一チャンバーに具備する成膜装置で成膜するのが、密着性及びコンタミネーションの面で望ましい。しかし、本実施形態のように別々の成膜装置で成膜しても本発明の効果を損なうものではない。

次に、本発明の実施例について説明するが、本発明は以下の例に限定されることはない。

（実施例１）
本実施例では、図１に示す光学素子成形用型を製造した。

最初に、ＷＣを主成分とする超硬合金の母材１１の光学素子成形面側に、図２に示すスパッタリング装置を用いて、ＴｉＮ層１２を１μｍ形成した。次に、母材１１を図３に示すＰＳＩＩ法の成膜装置に設置し、ＳｉＣ層１３を５０ｎｍ形成した。最後に、母材１１を図４に示すＦＣＶＡ法の成膜装置に設置し、ＴＡＣ層１４を２００ｎｍ形成した。以上のようにして、光学素子成形用型を製造した。

次に、この光学素子成形用型を用いて光学レンズの成形を１０００ショット行った。成形ガラスは、棚珪酸系ガラス（Ｔｇ：５１０℃、屈折率：１．６０）で、成形条件は、窒素雰囲気下、プレス温度５８０℃で行った。成形中、型と成形された光学素子との離型性は良好であった。

また、成形後の型表面を走査型電子顕微鏡で観察した所、膜剥離やクラックの発生、さらには、ガラスの融着が認められず、良好な型表面性を有していることがわかった。また、成形されたガラスレンズも、ガラスの割れが見られず、良好な表面粗さであった。

さらに、成形に用いた光学素子成形用型から、酸素アッシング装置を用いて、ＳｉＣ層１３及びＴＡＣ層１４を除去し、ＴｉＮ層１２面上をダイヤモンドペーストで洗浄した。そして、この型に、再度、ＴｉＮ層１２、ＳｉＣ層１３、ＴＡＣ層１４を順に形成して同条件で成形を行ったが、１回目と同様の良好な結果を得ることができた。

（比較例１）
本比較例では、ＳｉＣ層１３を成膜しない又はその膜厚を１０ｎｍ未満にすること以外は実施例１と同様にして光学素子成形用型材を製造した。

この光学素子成形用型を用いて実施例１と同様に光学レンズの成形を行ったが、加熱しただけで、ＴＡＣ層の剥離が多数発生した。

（比較例２）
本比較例では、ＴＡＣ層１４の替わりにＰＳＩＩ法による炭素膜を形成すること以外は実施例１と同様にして光学素子成形用型材を製造した。

この光学素子成形用型を用いて実施例１と同様に光学レンズの成形を行ったが、２００ショットで、ＰＳＩＩ法による炭素膜の剥離が発生した。

（比較例３）
本比較例では、ＦＣＶＡ法によるＴＡＣ層１４の替わりに真空アーク蒸着法によるＴＡＣ層１４を形成すること以外は実施例１と同様に光学素子成形用型材を製造したが、多数のドロップレットのため、光学素子成形用型としては使用できなかった。

（比較例４）
本比較例では、ＴｉＮ層１２を成膜しないこと以外は実施例１と同様にして光学素子成形用型材を製造した。

成形に用いた光学素子成形型から、酸素アッシング装置を用いて、ＳｉＣ層１３及びＴＡＣ層１４を除去し、ＷＣを主成分とする超硬合金面の母材上をダイヤモンドペーストで洗浄を行ったところ、細かいキズが発生した。

本発明の光学素子成形用型の一実施形態の模式図である。 スパッタ装置の模式図である。 ＰＳＩＩ成膜法装置の模式図である。 ＦＣＶＡ成膜法装置の模式図である。

符号の説明

１１ 母材
１２ 中間層
１３ 下地層
１４ ＴＡＣ層
２１ 真空チャンバー
２２ 母材
２３ 回転軸
２４ ターゲット
２５ 熱伝対
２６ ヒーター
２７ 直流電流
３１ 真空チャンバー
３２ イオン源
３３ バイアス電源
３４ イオンビームを模式的に示したもの
３５ 母材
３６ ガス排気口
３７ 基体ホルダー
４１ 真空チャンバー
４２ 母材
４３ パルス状直流電源
４４ フィルター
４５ アークプラズマ生成室
４６ バキュームアーク電源

Claims (16)

1. 光学素子をプレス成形するための転写面を有する光学素子成形用型において、
   前記転写面を有する母材と、
   前記母材の転写面の上に形成された金属の窒化物よりなる中間層と、
   前記中間層の上に形成された炭化物よりなる下地層と、
   前記下地層の上に形成されたテトラヘドラルアモルファスカーボン層と、
   を有することを特徴とする光学素子成形用型。
2. 前記母材は、超硬合金よりなることを特徴とする請求項１に記載の光学素子成形用型。
3. 前記超硬合金は、炭化タングステンを含有することを特徴とする請求項２に記載の光学素子成形用型。
4. 前記中間層は、窒化チタンよりなることを特徴とする請求項１から３のいずれか１項に記載の光学素子成形用型。
5. 前記下地層は、プラズマソースイオンインプラテーション法により形成された炭化珪素であることを特徴とする請求項１から４のいずれか１項に記載の光学素子成形用型。
6. 前記テトラヘドラルアモルファスカーボン層は、水素を含まず、かつ炭素結合中のｓｐ３結合の割合が４０％以上８０％以下の範囲にあることを特徴とする請求項１から５のいずれか１項に記載の光学素子成形用型。
7. 前記テトラヘドラルアモルファスカーボン層は、フィルタードアークカソーディックバキュームアーク法で形成されたことを特徴とする請求項１から６のいずれか１項に記載の光学素子成形用型。
8. 前記下地層は、１０μｍ以上のドロップレットが１ｃｍ四方に１個以下であることを特徴とする請求項７に記載の光学素子成形用型。
9. 光学素子を成形するため転写面を有する光学素子成形用型の製造方法において、
   前記転写面を有する母材の該転写面の上に金属の窒化物よりなる中間層を形成する工程と、
   前記中間層の上に炭化物よりなる下地層を形成する工程と、
   前記下地層の上にテトラヘドラルアモルファスカーボン層を形成する工程と、
   を有することを特徴とする光学素子成形用型の製造方法。
10. 前記母材は、超硬合金よりなることを特徴とする請求項９に記載の光学素子成形用型の製造方法。
11. 前記超硬合金は、炭化タングステンを含有することを特徴とする請求項１０に記載の光学素子成形用型の製造方法。
12. 前記中間層は、窒化チタンよりなることを特徴とする請求項９から１１のいずれか１項に記載の光学素子成形用型の製造方法。
13. 前記下地層を形成する工程では、プラズマソースイオンインプラテーション法によって炭化珪素の層を形成することを特徴とする請求項９から１２のいずれか１項に記載の光学素子成形用型の製造方法。
14. 前記テトラヘドラルアモルファスカーボン層は、水素を含まず、かつ炭素結合中のｓｐ３結合の割合が４０％以上８０％以下の範囲にあることを特徴とする請求項９から１３のいずれか１項に記載の光学素子成形用型の製造方法。
15. 前記テトラヘドラルアモルファスカーボン層を形成する工程は、フィルタードアークカソーディックバキュームアーク法でなされることを特徴とする請求項９から１４のいずれか１項に記載の光学素子成形用型の製造方法。
16. 前記下地層は、１０μｍ以上のドロップレットが１ｃｍ四方に１個以下であることを特徴とする請求項１５に記載の光学素子成形用型の製造方法。