JP4347671B2 - 光学素子成形用型の製造方法及び光学素子成形用型の製造装置 - Google Patents

Description

本発明は、光学素子成形用型及びその製造方法並びに製造装置に関する。

光学素子の製造では、種々の金属酸化物やアルカリ成分などを含む反応性の高いガラスを高温下で使用するために型の劣化が激しい。
そのため、成形用型の母材の成形面には、型の長寿命化、ガラスとの離型性等を向上させる目的で金属系膜や炭素系膜等の表面処理が施されている。
このような表面処理方法として、成形用型の周囲に成膜する元素イオンを含むプラズマを発生させ、成形用型に負パルス電圧を印加することによってそのプラズマの中から成膜する元素イオンを成形面に注入若しくは付着（成膜）させる方法が提案されている（例えば、特許文献１参照。）。
特開２００１−３２２８２８号公報

しかしながら、上記従来の光学素子成形用型の製造方法では、アークプラズマを発生させて成形面への付着（成膜）を行う際、プラズマ供給時間が長くなる（プラズマ発生繰り返し数が多くなる）ほど、アーク放電の際に発生するドロップレット（液滴）が、成形面上に形成された成膜面に付着してしまい、平滑な成膜面が得られない場合があった。
本発明は上記事情に鑑みて成されたものであり、イオン注入によって、イオン注入後に成膜される膜と成形面との密着強度を向上させるとともに、それとは異なる方法で平滑な成膜面で高密着強度を有する光学素子成形用型を提供することを目的とする。

本発明は、上記課題を解決するため、以下の手段を採用する。
本発明に係る光学素子成形用型の製造方法は、光学素子のプレス成形に用いる光学素子成形用型の製造方法において、真空容器内に設置された、前記光学素子成形用型の母材の周囲に、少なくとも一種の貴金属イオンを含むアークプラズマを発生させ、前記母材にパルス電圧を印加することにより前記母材周囲の前記アークプラズマから前記貴金属イオンのみを引き出し、この貴金属イオンを前記母材の少なくとも成形面に注入する第１の工程と、該第１の工程後の前記成形面に、少なくとも一種の貴金属からなる膜をスパッタリング法で成膜させる第２の工程とを備えていることを特徴とする。

この光学素子成形用型の製造方法は、第１の工程にて母材の少なくとも成形面に貴金属イオンの注入を行うので、注入された面に母材と貴金属との両方の成分が混合された層を形成させることができ、貴金属膜の母材への密着性と膜の耐久性とを向上させることができる。
また、第２の工程では、第１の工程後の成形面にスパッタリング法で貴金属を含む膜を成膜するので、第１の工程においてアークプラズマが発生する際に生じるドロップレットの付着を抑え、凹凸が抑えられた成膜面を作製することができる。

また、本発明の光学素子成形用型の製造方法は、前記光学素子成形用型の製造方法であって、前記貴金属が、Ｐｔ、Ａｕ、Ｉｒ、Ｒｅ、Ａｇ、Ｏｓ、Ｔａのうち少なくとも一つを備えていることを特徴とする。
また、本発明の光学素子成形用型の製造方法は、前記光学素子成形用型の製造方法であって、前記母材が、超硬合金、炭化ケイ素、又は炭素の何れか一つであることを特徴とする。

本発明に係る光学素子成形用型の製造装置は、光学素子成形用型の母材が配設される真空容器と、前記母材の成形面に、少なくとも一種の貴金属イオンを含むアークプラズマを発生させ、前記母材にパルス電圧を印加することにより前記母材周囲の前記アークプラズマから前記貴金属イオンのみを引き出し、前記貴金属イオンを前記母材の少なくとも成形面に注入可能なイオン注入手段と、少なくとも一種の貴金属からなる膜をスパッタリング法により成膜可能なスパッタリング手段と、前記母材と前記イオン注入手段と、或いは、前記母材と前記スパッタリング手段との何れか一方の間を選択的に遮蔽するシャッターとを備えていることを特徴とする。
また、本発明に係る光学素子成形用型の製造装置は、前記光学素子成形用型の製造装置であって、前記スパッタリング手段が、イオンビームによって前記貴金属を前記成形面に付着させることを特徴とする。

この光学素子成形用型の製造装置は、平滑で母材との高密着強度を有し、かつ、イオン注入時のアークプラズマが発生する際に生じるドロップレットの付着が少ない成膜面を備える光学素子成形用型を製造することができる。

本発明によれば、平滑な成膜面で高密着強度を有し、長寿命化、ガラスとの離型性等が向上した光学素子成形用型及びその製造方法並びに製造装置を得ることができる。

本発明に係る一実施形態について、図１から図４を参照しながら説明する。
本実施形態に係る光学素子成形用型１は、図１に示すように、全体が超硬合金で形成された母材２から構成されている。母材２の成形面２Ａは、例えば、開口径が直径８ｍｍ、曲率半径が５ｍｍであり、鏡面研磨が施されている。

図２及び図３は成膜を行う光学素子成形用型１の製造装置３を示す。製造装置３は、母材２が配設される真空容器４を備えている。
真空容器４は、グランドに接続されており、真空容器４内の上部に導電性の試料ホルダ５が配設されている。成膜対象となる母材２は試料ホルダ５に保持されており、試料ホルダ５を介して直流パルスバイアス電源６に接続されている。

試料ホルダ５の下方には、母材２の成形面２Ａに、Ｐｔ（貴金属）イオンを含むプラズマを発生させ、母材２にパルス電圧を印加することにより、プラズマを発生させる固体（Ｐｔ）のターゲット７と、プラズマを発生させるための初期放電を起こさせるトリガー電極８と、固体のターゲット７に放電してプラズマを発生させるアーク電極９とが設置されている。

トリガー電極８は固体のターゲット７と電気的に導通しておらず、かつ高電圧がかかったとき放電により導通させるように固体のターゲット７の極近傍に図示しない絶縁体を介して設置してある。トリガー電極８はトリガー電源１０に接続され、アーク電極９はアーク電源１１に接続されている。これら、試料ホルダ５、直流パルスバイアス電源６、ターゲット７、トリガー電極８、アーク電極９、トリガー電源１０、及びアーク電源１１にて、母材２の成形面２Ａに、Ｐｔ（貴金属イオン）を含むプラズマを発生させ、母材２にパルス電圧を印加することにより、母材２周囲のプラズマからＰｔイオンのみを引き出し可能なイオン注入手段Ａを構成している。
直流パルスバイアス電源６は、アーク電極９の放電が始まると同時、又は遅延して負の電圧を発生させるように図示しないコンピューターにより制御されている。４ａ、４ｂは真空容器４内を排気するための排気口である。

真空容器４内には、イオン注入手段Ａによる方法とは異なる方法で成膜を行うためのスパッタリング手段Ｂとして、成膜用の複数のターゲットを設置可能なターゲットホルダ１２と、ターゲットホルダ１２に取り付けられた成膜用ターゲット１３と、成膜用ターゲット１３からスパッタ粒子１４を放出させるために照射するイオンビーム１５を発生させるイオン源１６と、イオンビーム１５の加速電圧とビーム電流量を制御する図示しないコントローラとが配設されている。
また、移動機構１７Ａを有し、母材２とイオン注入手段Ａと、或いは、母材２とスパッタリング手段Ｂとの何れか一方の間を選択的に遮蔽してイオン注入手段Ａとスパッタリング手段Ｂとによる成膜を切換可能なシャッター１７が配設されている。

シャッター１７は、図２に示すように、試料ホルダ５に設置された母材２と成膜用ターゲット１３との間に配された場合（この場合を閉位置とする。）には、スパッタ粒子１４の母材２への到達を遮蔽可能とされ、或いは、図３に示すように、母材２とターゲット７との間に配された場合（この場合を開位置とする。）には、アーク電極９により発生したプラズマの母材２への到達を遮蔽可能とされている。
ターゲット７及び成膜用ターゲット１３とを構成するＰｔは、例えば、純度９９．９９９％とされている。

次に、本実施形態に係る光学素子成形用型１の製造方法、及びその作用・効果について以下、説明する。
本実施形態に係る光学素子成形用型１の製造方法は、図４に示すように、真空容器４内に設置された母材２の周囲に、貴金属イオンであるＰｔイオンを含むプラズマを発生させ、母材２にパルス電圧を印加することにより母材２の周囲のプラズマからイオンのみを引き出し、このイオンを母材２の成形面２Ａに注入する第１の工程（Ｓ０１）と、第１の工程（Ｓ０１）後の成形面２Ａに、Ｐｔからなる膜をスパッタリング法で成膜させる第２の工程（Ｓ０２）とを備えている。

第１の工程（Ｓ０１）では、まず、試料ホルダ５に母材２をセットした後、移動機構１７Ａを駆動してシャッター１７を閉位置に移動する。そして、真空容器４内を排気口４ａ及び４ｂより排気して１×１０^−４Ｐａ以下に減圧し、アーク電極９に６０Ｖの電圧を印加し、トリガー電極８に４．５ｋＶの電圧を瞬間的に印加してトリガー放電を起こさせた。

このトリガー放電を引き金に、アーク電極９から固体のターゲット７に放電が起こり、固体のターゲット７の表面からＰｔのプラズマが発生する。その瞬間、プラズマは真空容器４内の母材２の周囲へ到達する。同時に直流パルスバイアス電源６により母材２に１２μｓｅｃ幅、１３μｓｅｃのインターバルで−１５ｋＶの直流パルスバイアス電圧を１００回加える。これにより、母材２周囲のプラズマ中に含まれるイオンが直流パルスバイアス電圧により引き出され、母材２へ注入される。この注入操作を１００回から１０００回繰り返した。このとき、引き出されるイオンは電気的な力によるので、３次元形状であっても全ての面でその面の垂直方向に注入される。
こうして、母材２の成形面２Ａの表面にＰｔと母材２の基材とからなる傾斜注入層を形成する。

次に、第２の工程（Ｓ０２）に移行する。
まず、成膜用ターゲット１３の表面に付着した不純物を除去する目的でプリスパッタを行う。
すなわち、プリスパッタによりスパッタされた不純物を含むスパッタ粒子１４が母材２に付着することを防止するためシャッター１７を閉位置の状態として、図示しないコントローラから所望の加速エネルギーとビーム電流量に制御されたイオンビーム１５をイオン源１６から成膜用ターゲット１３に照射する。これによって、成膜用ターゲット１３の表面の不純物が除去される。

一定時間経過した時点で、シャッター１７を開位置に移動する。このとき、イオンビーム１５の照射によって成膜用ターゲット１３からスパッタされたスパッタ粒子１４が母材２の表面に到達して付着し、Ｐｔからなる成形膜が形成される。
さらに、所望の膜厚が形成される時間が経過したところで、シャッター１７を閉じて成膜を終了する。

この光学素子成形用型１の製造方法によれば、第１の工程（Ｓ０１）にて母材２の成形面２ＡにＰｔイオンの注入を行うので、注入された面に母材２とＰｔとの両方の成分が混合された層を形成させることができ、Ｐｔ膜の母材２への密着性と、膜の耐久性とを向上させることができる。
また、第２の工程（Ｓ０２）では、第１の工程（Ｓ０１）後の成形面２Ａにスパッタリング法でＰｔを含む膜を成膜するので、第１の工程（Ｓ０１）においてアークプラズマが発生する際に生じるドロップレットの付着を抑え、凹凸が抑えられた成膜面を作製することができる。
したがって、両工程を通して型の長寿命化、ガラスとの離型性等を向上させることができ、平滑な成膜面で高密着強度を有する光学素子成形用型１を製造することができる。

なお、本発明の技術範囲は上記実施の形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲において種々の変更を加えることが可能である。
例えば、上記実施形態ではターゲット７及び成膜用ターゲット１３としてＰｔを使用したが、Ｐｔに限らずＡｕ、Ｉｒ、Ｒｅ、Ａｇ、Ｏｓ、Ｔａ等の貴金属及びこれらの合金であっても構わない。
また、母材２が超硬合金としているが、超硬合金に限らず、炭化ケイ素、又は炭素であっても構わない。

本発明の一実施形態に係る光学素子成形用型を示す斜視図である。 本発明の一実施形態に係る光学素子成形用型の製造に使用する製造装置を示す断面図である。 本発明の一実施形態に係る光学素子成形用型の製造に使用する製造装置を示す断面図である。 本発明の一実施形態に係る光学素子成形用型の製造方法を示すフロー図である。

符号の説明

１ 光学素子成形用型
２ 母材
２Ａ 成形面
３ 製造装置
４ 真空容器
Ａ イオン注入手段
Ｂ スパッタリング手段

Claims (5)

1. 光学素子のプレス成形に用いる光学素子成形用型の製造方法において、
   真空容器内に設置された、前記光学素子成形用型の母材の周囲に、少なくとも一種の貴金属イオンを含むアークプラズマを発生させ、前記母材にパルス電圧を印加することにより前記母材周囲の前記アークプラズマから前記貴金属イオンのみを引き出し、この貴金属イオンを前記母材の少なくとも成形面に注入する第１の工程と、
   該第１の工程後の前記成形面に、少なくとも一種の貴金属からなる膜をスパッタリング法で成膜させる第２の工程とを備えていることを特徴とする光学素子成形用型の製造方法。
2. 前記貴金属が、Ｐｔ、Ａｕ、Ｉｒ、Ｒｅ、Ａｇ、Ｏｓ、Ｔａのうち少なくとも一つを備えてい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の製造方法。
3. 前記母材が、超硬合金、炭化ケイ素、又は炭素の何れか一つであることを特徴とする請求項１又は２に記載の光学素子成形用型の製造方法。
4. 光学素子成形用型の母材が配設される真空容器と、
   前記母材の成形面に、少なくとも一種の貴金属イオンを含むアークプラズマを発生させ、前記母材にパルス電圧を印加することにより前記母材周囲の前記アークプラズマから前記貴金属イオンのみを引き出し、前記貴金属イオンを前記母材の少なくとも成形面に注入可能なイオン注入手段と、
   少なくとも一種の貴金属からなる膜をスパッタリング法により成膜可能なスパッタリング手段と、
   前記母材と前記イオン注入手段と、或いは、前記母材と前記スパッタリング手段との何れか一方の間を選択的に遮蔽するシャッターとを備えていることを特徴とする光学素子成形用型の製造装置。
5. 前記スパッタリング手段が、イオンビームによって前記貴金属を前記成形面に付着させることを特徴とする請求項４に記載の光学素子成形用型の製造装置。

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