JP3810022B2

JP3810022B2 - Method for manufacturing optical element molding die

Info

Publication number: JP3810022B2
Application number: JP16184695A
Authority: JP
Inventors: 正樹大森; 敬二平林; 直宮崎
Original assignee: Canon Inc
Current assignee: Canon Inc
Priority date: 1995-06-28
Filing date: 1995-06-28
Publication date: 2006-08-16
Anticipated expiration: 2021-08-16
Also published as: JPH0912320A

Description

【０００１】
【産業上の利用分野】
本発明は光学素子成形用型及び光学素子に関し、詳しくは非球面レンズなどの高精度なガラス光学素子を、プレス成形することができるプレス成形用型、及び該型により成形された光学素子に関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、研磨工程を経ずに所定の表面精度を有する成形用型内に光学素子材料を収容してプレス成形することにより、光学機器等に使用されるガラスレンズを製造する方法が提唱された。この方法は例えば、特公昭６１−３２２６３号公報に記載されている。
【０００３】
このようなガラス光学素子のプレス成形に使用される型材には硬度、強度、耐熱性、離型性、鏡面性等に優れていることが要求される。これらを満たす型材が多数提案されているが、その中で離型性に優れていると考えられている炭素系型材としては、以下のようなものがある。
【０００４】
１．特開昭４９−０８１４１９号公報：ガラス状炭素型
２．特公平０２−０４７４１１号公報：ダイヤモンド、ダイヤモンド状炭素薄膜
３．特開昭６４−０８３５２９号公報：硬質炭素膜あるいはｉ−Ｃ膜
４．特開平０２−０８０３３０号公報：水素化アモルファス炭素膜
５．特開平０４−０３７６１５号公報：グラファイト結晶とアモルファス炭素の炭素分子膜
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、上記従来例では以下の問題点がある。
【０００６】
炭素系材料の中でも安定性に優れガラスとの反応性が小さく、炭素間の結合力の強い材料は離型性が良くない。これは、離型が図６に示すようにガラスと型の界面で起きるため、サブミクロンオーダーの転写条件においてはガラスと型の密着力が大きくなり、強度の小さいガラスでは冷却時の膨張係数の差による力のために層状破壊し、いわゆる融着を起こしてしまう。従って、ダイヤモンドやガラス状炭素は離型性が悪い。図６において１９はガラス、２０は型、Ａ−Ａ´は剥離面である。
【０００７】
これに対して、硬質炭素膜やｉ−Ｃ膜、水素化アモルファス炭素膜はプレス成形条件の温度下では一部がグラファイト化し、ガラスとの反応性に富むと共に炭素間の結合力が弱くなるため、離型性はダイヤモンドに比べて良くなる。これは、図７（ａ）〜（ｄ）に示すようにガラスと型の間に介在する反応層または型の表面強度が小さい場合にそこで離型するためである。図７で２１，２４，２７，３０はガラス、２２，２５，２８，３１は型、２３，２６，２９，３２は反応層であり、Ｂ−Ｂ´〜Ｅ−Ｅ´は剥離面であり、反応層は説明のために拡大して示してある。しかし、これらグラファイト状構造を多く含む膜の場合、膜自体の強度が小さくまた、母材との密着力が小さいため膜剥離を起こしてしまう。逆にグラファイト状構造が少ないダイヤモンド状炭素では、先に述べたように離型性が悪くなる。
【０００８】
以上のように、これまで提案された炭素系型材では離型性と膜剥離に対する耐久性双方を満たすことはできない。また、母材に表面層を設ける場合、母材の強度や硬度が必要となるが、それを満たす材料は一般に加工性に劣る。
【０００９】
そこで、本発明の第１の目的は、離型性と膜剥離耐久性に優れたプレス成形用型を提供することである。
【００１０】
本発明の第２の目的は、加工性の良い母材における強度及び硬度の不足を補うことである。
【００１１】
本発明の第３ないし第５の目的は、離型性と膜剥離耐久性に優れたプレス成形用型の表面層の成膜方法を提供することである。
【００１２】
【課題を解決するための手段及び作用】
第１の参考発明は、軟化状態にあるガラス素材を成形用型によりプレス成形して、該型の成形面に対応した光学機能面を該ガラス素材に形成するようにしたプレス成形方法に用いる光学素子成形用型において、該型が母材と表面層からなり、該表面層が、ダイヤモンド状構造とグラファイト状構造を有し、かつ母材との界面から表面に向かってグラファイト状構造が増加する炭素膜からなることを特徴とする光学素子成形用型である。このような炭素膜を表面層として用いることにより母材との密着性と膜強度が増し、膜剥離を防ぐと共に、ガラスに対する良好な離型を実現している。
【００１３】
第２の参考発明は、第１の参考発明において、母材と表面層の間に中間層を有する発明である。母材と表面層との間に高強度、高硬度の中間層を設けることにより、母材の強度不足を補っている。
【００１４】
本発明（その１）は、母材上に表面層として、ダイヤモンド状構造とグラファイト状構造を有し、かつ母材との界面から表面に向かってグラファイト状構造が増加する炭素膜を形成する光学素子成形用型の製造方法であって、
該表面層をイオンビームにより形成する際、成膜初期には基板温度を室温付近にし、その後基板温度を上昇させ成膜終了時には５００℃から８００℃にして炭素膜を形成することを特徴とする光学素子成形用型の製造方法である。
【００１５】
本発明（その２）は、母材上に表面層として、ダイヤモンド状構造とグラファイト状構造を有し、かつ母材との界面から表面に向かってグラファイト状構造が増加する炭素膜を形成する光学素子成形用型の製造方法であって、
該表面層をイオンビームにより形成する際、成膜初期には加速電圧を９ｋＶ以上とし、その後加速電圧を減少させ成膜終了時には２ｋＶ以下にして炭素膜を形成することを特徴とする光学素子成形用型の製造方法である。
【００１６】
本発明（その３）は、母材上に表面層として、ダイヤモンド状構造とグラファイト状構造を有し、かつ母材との界面から表面に向かってグラファイト状構造が増加する炭素膜を形成する光学素子成形用型の製造方法であって、
該表面層をイオンビームにより形成する際、成膜初期には基板とイオンビームの角度を９０°に設定し、その後基板を傾け成膜終了時には３０°以下にして炭素膜を形成することを特徴とする光学素子成形用型の製造方法である。
【００１７】
第３の参考発明は、上記の参考発明及び本発明で得られた光学素子成形用型を用いて成形したことを特徴とするガラス光学素子である。
【００１８】
ここで、イオンビームによる炭素膜の成膜において表１の条件では、ダイヤモンド状構造を多く含む炭素膜が形成される。しかし、これらの条件において基板温度を上げるか、加速電圧を下げるか、基板とイオンビームとの角度を小さくすることにより炭素膜中のグラファイト構造が増加する。このことは、ラマン分光分析により１３６０ｃｍ^-1のピークがこれらの条件変更により増加することで確認した。
【００１９】
表１
────────────────────────────────────
ガス種、流量：ＣＨ₄ １５ｓｃｃｍＨ₂ ３０ｓｃｃｍ
ガス圧：３．５×１０^-2Ｐａ
加速電圧：１０ｋＶ
基板温度：２５℃
基板とイオンビームの角度：９０°
────────────────────────────────────
【００２０】
従って、本発明（その１）では、イオンビームにより炭素膜を成膜する場合、成膜初期には基板温度を室温付近の低温にし、その後基板温度を上昇させ終了時には５００〜８００℃にすることにより、母材との界面においては高硬度なダイヤモンド状炭素を形成させ、最表面においてはグラファイト状炭素を形成している。
【００２１】
本発明（その２）では、イオンビームにより炭素膜を成膜する場合、成膜初期には加速電圧を９ｋＶ以上に設定し、その後加速電圧を減少させ終了時には２ｋＶ以下にすることにより、母材との界面においては高硬度なダイヤモンド状炭素を形成させ、最表面においてはグラファイト状炭素を形成している。
【００２２】
本発明（その３）では、イオンビームにより炭素膜を成膜する場合、成膜初期には基板とイオンビームとの角度を９０°に設定し、その後基板を傾け終了時には３０°以下にすることにより、母材との界面においては高硬度なダイヤモンド状炭素を形成させ、最表面においてはグラファイト状炭素を形成している。
【００２３】
【実施例】
［実施例１］
図１及び図２は本発明に係る光学素子成形用型の一つの実施態様を示すものである。図１においては１はＳｉＣを用いた型母材、２は母材との界面においてはダイヤモンド状構造を有し、表面に向かって徐々にグラファイト構造が増加する炭素膜からなる表面層であり、３はガラス素材である。図２に示すように型の間に置かれたガラス素材３をプレス成形することによりレンズ等の光学素子４が得られる。
【００２４】
次に、本実施例の光学素子成形用型について詳述する。母材としてはＳｉＣを所定の形状に加工した後、図３に示すＩＢＤ（ＩｏｎＢｅａｍＤｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）装置に設置した。図３においては５は真空槽、６はイオンビーム装置、７はイオン化室、８はガス導入口、９はイオンビーム引き出しグリット、１０はイオンビーム、１１は母材、１２は基板ホルダー及びヒーター、１３は基板の中心軸回りに回転させるモーター、１４はイオンビームに対して基板を傾けるモーター、１５は排気口を示す。まず、真空槽内を６．６×１０^-3Ｐａまで真空引きし、その後ガス導入口よりアルゴンガス３５ｓｃｃｍをイオン化室に導入しイオン化した後イオンビーム引き出しグリットに５００Ｖの電圧を印加してイオンビームを引き出し、母材に１分間照射して成形表面の洗浄化を行った。次に、ＣＨ₄ ：１５ｓｃｃｍ、Ｈ₂ ：３０ｓｃｃｍをイオン化室に導入してガス圧３．５×１０^-2Ｐａとし、加速電圧１０ｋＶでイオンビームを引き出し、型に１分間照射した。この時基板温度は室温の２５℃である。その後１分間に１００℃の速度で昇温し、７００℃で１分間保持した後イオンビーム照射を止め成膜を終了した。膜厚を測定したところ７０ｎｍであった。
【００２５】
また、比較例として室温のまま同じ時間成膜した型と、成膜初期から基板温度を７００℃にして同じ時間成膜した型を作製した。
【００２６】
これらの型を用いて表２及び表３に組成を示すガラスを成形した。形状としては図４（ａ）に示す凸レンズと（ｂ）に示す凸メニスカスレンズを成形した。
【００２７】
【外１】

【００２８】
【外２】

【００２９】
成形は非酸化性雰囲気下で行い、ガラスＡについてはプレス温度６１４℃、荷重３００Ｋｇｆ、プレス時間１分間とし、冷却速度５０℃／ｍｉｎで冷却し、４８０℃で型から取り出した。また、ガラスＢについてはプレス温度６０７℃、荷重３００Ｋｇｆ、プレス時間１分とし、冷却速度５０℃／ｍｉｎで冷却し４８０℃で型から取り出した。成形結果を表４に示す。
【００３０】
【外３】

【００３１】
本実施例の表面層についてはいずれのガラスいずれのガラス形状においても１０００ｓｈｏｔ成形可能であったが、室温で成膜したものはガラスＡの凸メニスカスレンズ及びガラスＢについては融着が発生した。また、７００℃で成膜したものはいずれのガラス、ガラス形状においても膜剥離が発生した。
【００３２】
以上のように、母材との界面ではダイヤモンド状構造の炭素膜を形成し、表面に向かって成膜時の基板温度を上昇させることによりグラファイト状構造を増加させた膜を形成し、この型を用いることにより、離型性、膜強度、及び母材との密着力を良くして融着と膜剥離を防ぐことが可能となる。
【００３３】
［実施例２］
図５は実施例２の光学素子成形用型を示すものである。図５において１６はＷＣを用いた母材、１７はＴｉＮの中間層、１８は母材との界面においてはダイヤモンド状構造を有し、表面に向かって徐々にグラファイト状構造が増加する炭素膜の表面層である。
【００３４】
次に、本実施例の光学素子成形用型について詳述する。母材のＷＣを所定の形状に加工した後、イオンプレーティングによりＴｉＮ膜を２μｍ形成する。その後実施例１で用いたＩＢＤ装置に設置した。まず、真空槽内を６．６×１０^-3Ｐａまで真空引きし、ガス導入口よりアルゴンガス３５ｓｃｃｍをイオン化室に導入しイオン化した後、イオンビーム引き出しグリットに５００Ｖの電圧を印加してイオンビームを引き出し、母材に１分間照射して成形表面の洗浄化を行った。次に、ＣＨ₄ ：１５ｓｃｃｍ、Ｈ₂ ：３０ｓｃｃｍをイオン化室に導入してガス圧３．５×１０^-2Ｐａとし、加速電圧１０ｋＶでイオンビームを引き出し、型に１分間照射した。その後１分間に１．５ｋＶの速度で加速電圧を下げて５００Ｖで１分間保持した後イオンビーム照射を止め成膜を終了した。膜厚を測定したところ６０ｎｍであった。
【００３５】
比較例として加速電圧を１０ｋＶのまま同じ時間成膜した型と、成膜初期から加速電圧を５００Ｖにして同じ時間成膜した型を作製した。また、母材のＷＣの上にそのまま本実施例の炭素膜を形成した型も作製した。
【００３６】
これらの型を用いて実施例１と同様にガラスＡ，Ｂで凸レンズと凸メニスカスレンズを成形した。成形結果を表５に示す。
【００３７】
【外４】

【００３８】
本実施例の表面層についてはいずれのガラスいずれのガラス形状においても１０００ｓｈｏｔ成形可能であったが、ＴｉＮを中間層として用いなかったものは離型性に関しては問題なかったが、１０００ｓｈｏｔ後において型中心部に変形が発生し、表面粗さも初期のＲ_max ８ｎｍから２５ｎｍに変化した。また加速電圧１０ｋＶで成膜したものはガラスＡのメニスカスレンズ及びガラスＢについては融着が発生した。また、加速電圧５００Ｖで成膜したものもガラスＡの凸メニスカスレンズ及びガラスＢについては膜剥離が発生した。
【００３９】
以上のように、母材としてＷＣを中間層としてＴｉＮを用いることにより、母材の変形を防ぐことができる。また、母材との界面ではダイヤモンド状構造の炭素膜を形成し、表面に向かって成膜時の加速電圧を減少させることによりグラファイト状構造を増加させた膜を形成し、この型を用いることにより、離型性、膜強度、及び母材との密着力を良くして融着と膜剥離を防ぐことが可能となる。
【００４０】
［実施例３］
実施例２と同様に母材にＷＣを用い所定の形状に加工した後、イオンプレーティングによりＴａＮ膜を２μｍ形成する。その後実施例１で用いたＩＢＤ装置に設置した。まず、真空槽内を６．６×１０^-3Ｐａまで真空引きし、ガス導入口よりアルゴンガス３５ｓｃｃｍをイオン化室に導入しイオン化した後、イオンビーム引き出しグリットに５００Ｖの電圧を印加してイオンビームを引き出し、母材に１分間照射して成形表面の洗浄化を行った。次に、ＣＨ₄ ：１５ｓｃｃｍ、Ｈ₂ ：３０ｓｃｃｍをイオン化室に導入してガス圧３．５×１０^-2ｐａとし、加速電圧１０ｋＶでイオンビームを引き出し、型に１分間照射した。その後１分間に７．５°の速度でモーター１４によりイオンビームに対して基板を傾け型中心部で３０°になったところで１分間保持した後イオンビーム照射を止め成膜を終了した。ここで、成膜中はモーター１３により型中心軸回りに基板を回転させた。膜厚を測定したところ７０ｎｍであった。
【００４１】
比較例として、基板を傾けずに同じ時間成膜した型と成膜初期から型中心部とイオンビームの角度を３０°にして同じ時間成膜した型を作製した。
【００４２】
これらの型を用いて実施例１と同様にガラスＡ，Ｂで凸レンズと凸メニスカスレンズを成形した。成形結果を表６に示す。
【００４３】
【外５】

【００４４】
本実施例においてはいずれのガラスいずれのガラス形状においても１０００ｓｈｏｔ成形可能であったが、基板を傾けずに成膜した型は、ガラスＡの凸メニスカスレンズ及びガラスＢについては融着が発生した。３０°に傾けて成膜した型は、全ての成形において膜剥離が発生した。
【００４５】
以上のように、母材との界面ではダイヤモンド状構造の膜を形成し、表面に向かって成膜時のイオンビームとの角度を変えることによりグラファイト状構造を増加させた膜を形成し、この型を用いることにより、離型性、膜強度、及び母材との密着力を良くして融着と膜剥離を防ぐことが可能となる。
【００４６】
上記実施例ではイオンビームによりＣＨ₄とＨ₂を用いてガス圧３．５×１０^-2Ｐａなる条件で第１の参考発明の型の炭素膜の成膜法を示したが、ガス種や流量、ガス圧を成膜中に変更しても同様な炭素膜形成は可能である。成膜法もイオンビームに限らず、マイクロ波プラズマＣＶＤ、熱フィラメントＣＶＤ等においても可能である。また、ダイヤモンド膜やガラス状炭素へのイオン注入によっても第１の参考発明の型の炭素膜形成は可能である。
【００４７】
中間層、母材についても上記実施例に限らず、母材としては、サーメットやステンレス鋼、ＳｉＮ等、中間層としてはＺｒＮ、ＨｆＮ、ＴｉＣ、ＴａＣ、ＺｒＣ、ＨｆＣ、ＴｉＣＮ、ＴａＣＮ、ＺｒＣＮ、ＨｆＣＮ、ＳｉＣ、ＳｉＮ、ダイヤモンド等でも可能である。
【００４８】
【発明の効果】
以上説明したように、第１の参考発明によれば、離型性が良好で、膜強度及び膜と母材の密着力の大きい表面層が形成でき、融着及び膜剥離の防止が可能になる。
【００４９】
第２の参考発明によれば、母材と表面層との間に高硬度及び高強度の中間層を設けることにより、母材の強度不足を補うことができ、加工性に優れた材質を母材として使用可能となる。
【００５０】
本発明（その１）によれば、イオンビームにより炭素膜を成膜する際、成膜中に基板温度を上昇させることにより、第１の参考発明の型の表面層の形成が可能になる。
【００５１】
本発明（その２）によれば、イオンビームにより炭素膜を成膜する際、成膜中に加速電圧を減少させることにより、第１の参考発明の型の表面層の形成が可能になる。
【００５２】
本発明（その３）によれば、イオンビームにより炭素膜を成膜する際、成膜中に基板とイオンビームとの角度を小さくすることにより、第１の参考発明の型の表面層の形成が可能になる。
【図面の簡単な説明】
【図１】実施例１の型の概略図で成形前の状態を示す。
【図２】実施例２の型の概略図で成形後の状態を示す。
【図３】実施例で用いるイオンビーム成膜装置を示す。
【図４】実施例で成形するレンズを表した図である。
【図５】実施例２、３の型の概略図である。
【図６】反応性の小さい型とガラスの剥離面を表した図である。
【図７】反応性の大きい型とガラスの剥離面を表した図である。
【符号の説明】
１，１１，１６母材
２，１８炭素膜
３ガラス素材
４成形されたレンズ
５真空槽
６イオンビーム装置
７イオン化室
８ガス導入口
９イオンビーム引き出しグリッド
１０イオンビーム
１２基板ホルダー
１３，１４モーター
１５排気口
１７中間層
１９，２１，２４，２７，３０ガラス
２０，２２，２５，２８，３１型
２３，２６，２９，３２反応層[0001]
[Industrial application fields]
The present invention relates to an optical element molding die and an optical element, and more particularly to a press molding die capable of press molding a highly accurate glass optical element such as an aspheric lens, and an optical element molded by the mold.
[0002]
[Prior art]
In recent years, there has been proposed a method for producing a glass lens used in an optical instrument or the like by accommodating an optical element material in a mold having a predetermined surface accuracy without performing a polishing process and press molding. This method is described, for example, in Japanese Patent Publication No. 61-32263.
[0003]
A mold material used for press molding of such a glass optical element is required to have excellent hardness, strength, heat resistance, releasability, specularity and the like. Many mold materials satisfying these requirements have been proposed. Among them, the carbon mold materials considered to be excellent in releasability include the following.
[0004]
1. JP 49-081419 A: Glassy carbon mold Japanese Patent Publication No. 02-047411: Diamond, diamond-like carbon thin film JP-A-64-083529: hard carbon film or i-C film JP-A-02-080330: Hydrogenated amorphous carbon film Japanese Patent Laid-Open No. 04-037615: Carbon molecular film of graphite crystal and amorphous carbon
[Problems to be solved by the invention]
However, the conventional example has the following problems.
[0006]
Among carbon-based materials, a material having excellent stability and low reactivity with glass, and a material having a strong bonding force between carbons does not have a good releasability. This is because the mold release occurs at the interface between the glass and the mold, as shown in FIG. 6, and the adhesion between the glass and the mold becomes large under submicron order transfer conditions. Due to the force due to the difference, the layer breaks down, causing so-called fusion. Therefore, diamond and glassy carbon have poor release properties. In FIG. 6, 19 is glass, 20 is a type | mold, and AA 'is a peeling surface.
[0007]
In contrast, hard carbon films, i-C films, and hydrogenated amorphous carbon films are partially graphitized under the temperature of the press molding conditions, and are rich in reactivity with glass and weakly bonded to carbon. , Releasability is better than diamond. This is because, when the surface strength of the reaction layer or mold interposed between the glass and the mold is small as shown in FIGS. In FIG. 7, 21, 24, 27 and 30 are glass, 22, 25, 28 and 31 are molds, 23, 26, 29 and 32 are reaction layers, and BB ′ to EE ′ are peeling surfaces. The reaction layer is shown enlarged for illustration. However, in the case of a film containing a lot of these graphite-like structures, the film itself is small in strength and the adhesion with the base material is small, which causes film peeling. On the other hand, diamond-like carbon with a small graphite-like structure deteriorates the releasability as described above.
[0008]
As described above, the carbon-based mold materials proposed so far cannot satisfy both the releasability and the durability against film peeling. Further, when a surface layer is provided on the base material, the strength and hardness of the base material are required, but a material satisfying the strength is generally inferior in workability.
[0009]
Accordingly, a first object of the present invention is to provide a press molding die having excellent mold releasability and film peeling durability.
[0010]
The second object of the present invention is to compensate for the lack of strength and hardness in a base material having good workability.
[0011]
The third to fifth objects of the present invention are to provide a film forming method for the surface layer of a press mold excellent in releasability and film peeling durability.
[0012]
[Means and Actions for Solving the Problems]
The first reference invention is an optical for use in a press molding method in which a glass material in a softened state is press-molded by a molding die and an optical functional surface corresponding to the molding surface of the mold is formed on the glass material. In an element molding die, the die is composed of a base material and a surface layer, the surface layer has a diamond-like structure and a graphite-like structure, and the graphite-like structure increases from the interface with the base material toward the surface. An optical element molding die comprising a carbon film. By using such a carbon film as a surface layer, the adhesion to the base material and the film strength are increased, film peeling is prevented, and good release from the glass is realized.
[0013]
The second reference invention is an invention having an intermediate layer between the base material and the surface layer in the first reference invention. By providing a high-strength, high-hardness intermediate layer between the base material and the surface layer, the lack of strength of the base material is compensated.
[0014]
The present invention (part 1) is an optical system for forming a carbon film having a diamond-like structure and a graphite-like structure as a surface layer on a base material, and the graphite-like structure increases from the interface with the base material toward the surface. a method of manufacturing a mold element molding,
When the surface layer is formed by an ion beam, the substrate temperature is set to about room temperature at the initial stage of film formation, and then the substrate temperature is raised to form a carbon film at 500 ° C. to 800 ° C. at the end of film formation. This is a method for manufacturing an optical element molding die.
[0015]
The present invention (No. 2) is an optical system for forming a carbon film having a diamond-like structure and a graphite-like structure as a surface layer on a base material, and the graphite-like structure increases from the interface with the base material toward the surface. a method of manufacturing a mold element molding,
When forming the surface layer by an ion beam, an optical element molding is characterized in that an acceleration voltage is set to 9 kV or more at the initial stage of film formation, and thereafter the acceleration voltage is decreased to 2 kV or less at the end of film formation. This is a method for manufacturing a mold.
[0016]
The present invention (No. 3) is an optical system for forming a carbon film having a diamond-like structure and a graphite-like structure as a surface layer on a base material , and increasing the graphite-like structure from the interface with the base material toward the surface. a method of manufacturing a mold element molding,
When forming the surface layer with an ion beam, the angle of the substrate and the ion beam is set to 90 ° at the initial stage of film formation, and then the substrate is tilted to form a carbon film at 30 ° or less at the end of film formation. This is a method for manufacturing an optical element molding die.
[0017]
The third reference invention is a glass optical element formed by using the above-described reference invention and the optical element molding die obtained in the present invention.
[0018]
Here, in the film formation of the carbon film by the ion beam, the carbon film containing many diamond-like structures is formed under the conditions shown in Table 1. However, the graphite structure in the carbon film increases by raising the substrate temperature, lowering the acceleration voltage, or reducing the angle between the substrate and the ion beam under these conditions. This was confirmed by an increase in the peak at 1360 cm ⁻¹ by changing these conditions by Raman spectroscopy.
[0019]
Table 1
────────────────────────────────────
Gas type, flow rate: CH ₄ 15 sccm H ₂ 30 sccm
Gas pressure: 3.5 × 10 ⁻² Pa
Acceleration voltage: 10 kV
Substrate temperature: 25 ° C
Angle of substrate and ion beam: 90 °
────────────────────────────────────
[0020]
Therefore, in the present invention (part 1) , when forming a carbon film by an ion beam, the substrate temperature is set to a low temperature around room temperature at the initial stage of film formation, and then the substrate temperature is raised to 500 to 800 ° C. at the end. Thus, diamond-like carbon having high hardness is formed at the interface with the base material, and graphite-like carbon is formed on the outermost surface.
[0021]
In the present invention ( No. 2) , when a carbon film is formed by an ion beam, the acceleration voltage is set to 9 kV or more at the initial stage of film formation, and then the acceleration voltage is decreased to 2 kV or less at the end. A diamond-like carbon having a high hardness is formed at the interface with and a graphite-like carbon is formed at the outermost surface.
[0022]
In the present invention (part 3) , when a carbon film is formed by an ion beam, the angle between the substrate and the ion beam is set to 90 ° at the initial stage of film formation, and then the substrate is tilted to 30 ° or less at the end of tilting. Thus, diamond-like carbon having high hardness is formed at the interface with the base material, and graphite-like carbon is formed on the outermost surface.
[0023]
【Example】
[Example 1]
1 and 2 show an embodiment of an optical element molding die according to the present invention. In FIG. 1, 1 is a die base material using SiC, 2 is a surface layer composed of a carbon film having a diamond-like structure at the interface with the base material, and the graphite structure gradually increases toward the surface. 3 is a glass material. As shown in FIG. 2, an optical element 4 such as a lens can be obtained by press-molding a glass material 3 placed between molds.
[0024]
Next, the optical element molding die of this example will be described in detail. As a base material, after processing SiC into a predetermined shape, it was installed in an IBD (Ion Beam Deposition) apparatus shown in FIG. In FIG. 3, 5 is a vacuum chamber, 6 is an ion beam device, 7 is an ionization chamber, 8 is a gas inlet, 9 is an ion beam extraction grid, 10 is an ion beam, 11 is a base material, 12 is a substrate holder and heater, Reference numeral 13 denotes a motor that rotates about the central axis of the substrate, 14 denotes a motor that tilts the substrate with respect to the ion beam, and 15 denotes an exhaust port. First, the inside of the vacuum chamber is evacuated to 6.6 × 10 ⁻³ Pa, and then argon gas 35 sccm is introduced into the ionization chamber from the gas inlet and ionized, and then a voltage of 500 V is applied to the ion beam extraction grit to apply the ion beam. And the base material was irradiated for 1 minute to clean the molding surface. Next, CH ₄ : 15 sccm and H ₂ : 30 sccm were introduced into the ionization chamber to a gas pressure of 3.5 × 10 ⁻² Pa, an ion beam was extracted at an acceleration voltage of 10 kV, and the mold was irradiated for 1 minute. At this time, the substrate temperature is 25 ° C., which is room temperature. Thereafter, the temperature was raised at a rate of 100 ° C. per minute and held at 700 ° C. for 1 minute, and then the ion beam irradiation was stopped to complete the film formation. The film thickness was measured and found to be 70 nm.
[0025]
In addition, as a comparative example, a mold in which the film was formed for the same time at room temperature and a mold in which the substrate temperature was 700 ° C. from the initial stage of the film formation for the same time were manufactured.
[0026]
Glasses having compositions shown in Tables 2 and 3 were molded using these molds. As the shape, a convex lens shown in FIG. 4A and a convex meniscus lens shown in FIG. 4B were molded.
[0027]
[Outside 1]

[0028]
[Outside 2]

[0029]
Molding was performed in a non-oxidizing atmosphere. Glass A was pressed at a temperature of 614 ° C., a load of 300 kgf and a press time of 1 minute, cooled at a cooling rate of 50 ° C./min, and taken out from the mold at 480 ° C. For glass B, the pressing temperature was 607 ° C., the load was 300 kgf, the pressing time was 1 minute, the cooling rate was 50 ° C./min, and the glass B was taken out from the mold at 480 ° C. Table 4 shows the molding results.
[0030]
[Outside 3]

[0031]
With respect to the surface layer of this example, 1000 shot molding was possible in any glass shape of any glass, but the film formed at room temperature was fused with respect to the convex meniscus lens of glass A and glass B. In addition, film peeling at 700 ° C. occurred in any glass and glass shape.
[0032]
As described above, a carbon film having a diamond-like structure is formed at the interface with the base material, and a film having an increased graphite-like structure is formed by increasing the substrate temperature during film formation toward the surface. By using this, it becomes possible to improve the releasability, film strength, and adhesion with the base material and prevent fusion and film peeling.
[0033]
[Example 2]
FIG. 5 shows an optical element molding die of Example 2. FIG. In FIG. 5, 16 is a base material using WC, 17 is an intermediate layer of TiN, 18 is a carbon film having a diamond-like structure at the interface with the base material, and the graphite-like structure gradually increases toward the surface. It is a surface layer.
[0034]
Next, the optical element molding die of this example will be described in detail. After processing the WC of the base material into a predetermined shape, a 2 μm TiN film is formed by ion plating. Thereafter, it was installed in the IBD apparatus used in Example 1. First, the inside of the vacuum chamber is evacuated to 6.6 × 10 ⁻³ Pa, 35 sccm of argon gas is introduced into the ionization chamber from the gas inlet and ionized, and then a voltage of 500 V is applied to the ion beam extraction grit to apply the ion beam. And the base material was irradiated for 1 minute to clean the molding surface. Next, CH ₄ : 15 sccm and H ₂ : 30 sccm were introduced into the ionization chamber to a gas pressure of 3.5 × 10 ⁻² Pa, an ion beam was extracted at an acceleration voltage of 10 kV, and the mold was irradiated for 1 minute. Thereafter, the acceleration voltage was lowered at a rate of 1.5 kV per minute and held at 500 V for 1 minute, and then the ion beam irradiation was stopped to complete the film formation. The film thickness was measured and found to be 60 nm.
[0035]
As a comparative example, a mold in which the acceleration voltage was kept at 10 kV for the same time and a mold in which the acceleration voltage was 500 V from the initial stage of the film formation for the same time were prepared. In addition, a mold in which the carbon film of this example was directly formed on the base material WC was also produced.
[0036]
Using these molds, a convex lens and a convex meniscus lens were molded from glass A and B in the same manner as in Example 1. Table 5 shows the molding results.
[0037]
[Outside 4]

[0038]
As for the surface layer of this example, 1000 shot molding was possible in any glass shape of any glass, but there was no problem with respect to releasability when TiN was not used as an intermediate layer, but after 1000 shots the mold center The deformation occurred in the part, and the surface roughness also changed from the initial R _{max of} 8 nm to 25 nm. In the case where the film was formed at an acceleration voltage of 10 kV, the meniscus lens of glass A and the glass B were fused. Also, film peeling at the acceleration voltage of 500 V occurred in the glass A convex meniscus lens and the glass B.
[0039]
As described above, the deformation of the base material can be prevented by using WC as the base material and TiN as the intermediate layer. In addition, a carbon film with a diamond-like structure is formed at the interface with the base material, and a film with an increased graphite-like structure is formed by decreasing the acceleration voltage during film formation toward the surface. Accordingly, it is possible to improve the releasability, film strength, and adhesion with the base material and prevent fusion and film peeling.
[0040]
[Example 3]
As in Example 2, after processing into a predetermined shape using WC as a base material, a TaN film of 2 μm is formed by ion plating. Thereafter, it was installed in the IBD apparatus used in Example 1. First, the inside of the vacuum chamber is evacuated to 6.6 × 10 ⁻³ Pa, and after argon gas 35 sccm is introduced into the ionization chamber from the gas inlet and ionized, a voltage of 500 V is applied to the ion beam extraction grit to apply the ion beam. And the base material was irradiated for 1 minute to clean the molding surface. Next, CH ₄ : 15 sccm and H ₂ : 30 sccm were introduced into the ionization chamber to a gas pressure of 3.5 × 10 ⁻² pa, an ion beam was extracted at an acceleration voltage of 10 kV, and the mold was irradiated for 1 minute. Thereafter, the substrate was tilted with respect to the ion beam by the motor 14 at a speed of 7.5 ° per minute, and was held at 30 ° at the center of the mold. After that, the ion beam irradiation was stopped and the film formation was completed. Here, during film formation, the motor 13 rotated the substrate around the mold center axis. The film thickness was measured and found to be 70 nm.
[0041]
As a comparative example, a mold was formed for the same time without tilting the substrate, and a mold was formed for the same time from the initial stage of film formation with the angle between the mold center and the ion beam being 30 °.
[0042]
Using these molds, a convex lens and a convex meniscus lens were molded from glass A and B in the same manner as in Example 1. Table 6 shows the molding results.
[0043]
[Outside 5]

[0044]
In this embodiment, 1000 shot molding was possible in any glass shape of any glass, but the mold formed without tilting the substrate was fused with respect to the convex meniscus lens of glass A and glass B. In the mold formed by tilting at 30 °, film peeling occurred in all moldings.
[0045]
As described above, a film having a diamond-like structure is formed at the interface with the base material, and a film having an increased graphite-like structure is formed by changing the angle with the ion beam during film formation toward the surface. By using the mold, it becomes possible to improve the releasability, film strength, and adhesion with the base material and prevent fusion and film peeling.
[0046]
In the above embodiment, the method of forming the carbon film of the first reference invention was shown under the condition that the gas pressure was 3.5 × 10 ⁻² Pa using CH ₄ and H ₂ by an ion beam. A similar carbon film can be formed even if the flow rate and gas pressure are changed during film formation. The film forming method is not limited to the ion beam, and can be also used in microwave plasma CVD, hot filament CVD, or the like. The carbon film of the type of the first reference invention can also be formed by ion implantation into a diamond film or glassy carbon.
[0047]
The intermediate layer and the base material are not limited to the above examples, and the base material is cermet, stainless steel, SiN, etc., and the intermediate layer is ZrN, HfN, TiC, TaC, ZrC, HfC, TiCN, TaCN, ZrCN, HfCN. SiC, SiN, diamond, etc. are also possible.
[0048]
【The invention's effect】
As described above, according to the first reference invention, it is possible to form a surface layer having good releasability, high film strength and high adhesion between the film and the base material, and preventing fusion and film peeling. Become.
[0049]
According to the second reference invention, by providing an intermediate layer having high hardness and high strength between the base material and the surface layer, it is possible to compensate for the lack of strength of the base material, and to make a material with excellent workability. It can be used as a material.
[0050]
According to the first aspect of the present invention, when the carbon film is formed by the ion beam, the surface layer of the mold according to the first reference invention can be formed by raising the substrate temperature during the film formation.
[0051]
According to the second aspect of the present invention, when the carbon film is formed by the ion beam, the surface layer of the mold according to the first reference invention can be formed by reducing the acceleration voltage during the film formation.
[0052]
According to the present invention ( No. 3) , when the carbon film is formed by the ion beam, the surface layer of the mold of the first reference invention is formed by reducing the angle between the substrate and the ion beam during the film formation. Is possible.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a schematic view of a mold of Example 1, showing a state before molding.
FIG. 2 is a schematic view of a mold of Example 2, showing a state after molding.
FIG. 3 shows an ion beam film forming apparatus used in Examples.
FIG. 4 is a diagram illustrating a lens to be molded in an example.
FIG. 5 is a schematic view of molds of Examples 2 and 3;
FIG. 6 is a view showing a mold having low reactivity and a peeling surface of glass.
FIG. 7 is a view showing a mold having high reactivity and a peeling surface of glass.
[Explanation of symbols]
1, 11, 16

Base material

2, 18 Carbon film 3 Glass material 4 Molded lens 5 Vacuum chamber 6 Ion beam device 7 Ionization chamber 8 Gas inlet 9 Ion beam extraction grid 10 Ion beam 12 Substrate holder 13, 14 Motor 15 Exhaust port 17

Intermediate layer

19, 21, 24, 27, 30

Glass

20, 22, 25, 28, 31

Type

23, 26, 29, 32 Reaction layer

Claims

As a surface layer on the base material has a diamond-like structure and the graphite-like structure, and the interface towards the surface from the mold for optical element molding for forming a carbon film graphite-like structure increases the base material in the manufacturing process There ,
When the surface layer is formed by an ion beam, the substrate temperature is set to about room temperature at the initial stage of film formation, and then the substrate temperature is raised to form a carbon film at 500 ° C. to 800 ° C. at the end of film formation. Manufacturing method of optical element molding die.

As a surface layer on the base material has a diamond-like structure and the graphite-like structure, and the interface towards the surface from the mold for optical element molding for forming a carbon film graphite-like structure increases the base material in the manufacturing process There ,
When forming the surface layer by an ion beam, an optical element molding is characterized in that an acceleration voltage is set to 9 kV or more at the initial stage of film formation, and thereafter the acceleration voltage is decreased to 2 kV or less at the end of film formation. Mold manufacturing method.

As a surface layer on the base material has a diamond-like structure and the graphite-like structure, and the interface towards the surface from the mold for optical element molding for forming a carbon film graphite-like structure increases the base material in the manufacturing process There ,
When forming the surface layer with an ion beam, the angle of the substrate and the ion beam is set to 90 ° at the initial stage of film formation, and then the substrate is tilted to form a carbon film at 30 ° or less at the end of film formation. A method for manufacturing an optical element molding die.

An intermediate layer is formed on the base material, and a carbon film having a diamond-like structure and a graphite-like structure as the surface layer on the intermediate layer and increasing in the graphite-like structure from the interface with the base material toward the surface is formed. A method of manufacturing an optical element molding die to be formed,
When the surface layer is formed by an ion beam, the substrate temperature is set to about room temperature at the initial stage of film formation, and then the substrate temperature is raised to form a carbon film at 500 ° C. to 800 ° C. at the end of film formation. Manufacturing method of optical element molding die.

An intermediate layer is formed on the base material, and a carbon film having a diamond-like structure and a graphite-like structure as the surface layer on the intermediate layer and increasing in the graphite-like structure from the interface with the base material toward the surface is formed. A method of manufacturing an optical element molding die to be formed,
When forming the surface layer by an ion beam, an optical element molding is characterized in that an acceleration voltage is set to 9 kV or more at the initial stage of film formation, and then the acceleration voltage is decreased to 2 kV or less at the end of film formation. Mold manufacturing method.

An intermediate layer is formed on the base material, and a carbon film having a diamond-like structure and a graphite-like structure as the surface layer on the intermediate layer and increasing in the graphite-like structure from the interface with the base material toward the surface is formed. A method of manufacturing an optical element molding die to be formed,
When forming the surface layer with an ion beam, the carbon film is formed by setting the angle of the substrate and the ion beam to 90 ° at the initial stage of film formation, and then tilting the substrate to 30 ° or less at the end of film formation. A method for manufacturing an optical element molding die.