JPH08175826A

JPH08175826A - ダイヤモンド膜の研磨方法

Info

Publication number: JPH08175826A
Application number: JP32068194A
Authority: JP
Inventors: Masaaki Yokota; 正明横田
Original assignee: Canon Inc
Current assignee: Canon Inc
Priority date: 1994-12-22
Filing date: 1994-12-22
Publication date: 1996-07-09

Abstract

(57)【要約】【目的】基材上に成膜されたダイヤモンド膜を、光学
的に満足する範囲の、所望形状で、しかも、高精度を保
ちながら、表面の平滑化を高効率で達成するダイヤモン
ドの研磨方法を提供する。【構成】高温状態で金属との化学反応を利用して、ダ
イヤモンドの平滑化を図るダイヤモンド膜の研磨方法に
おいて、研磨されるべきダイヤモンド表面に、予め、金
属薄膜を形成し、その後に、金属工具を、前記金属薄膜
を形成したダイヤモンド表面に接触させ、摺動させるこ
とで平滑化を行うことを特徴とする。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、膜状のダイヤモンドの
高度な形状精度および平滑な表面を形成するための、ダ
イヤモンドの研磨方法に関し、特に、光学素子および光
学素子成形用型などの、精密な表面形状を得るために、
高温状態で金属との化学反応を利用して、ダイヤモンド
の平滑化を図るダイヤモンド膜の研磨方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来のダイヤモンド膜の研磨方法には、
鋳鉄板を用いるスカイフ法、非酸化性雰囲気、または、
活性酸素もしくは水素雰囲気中で、加熱した鉄系金属板
を研磨されるべきダイヤモンド表面に摺り合わせる方
法、または、粉末状の流動性金属を研磨されるべきダイ
ヤモンド表面に摺り合わせる方法が知られている。

【０００３】しかし、これらの技術では、ダイヤモンド
膜表面の凹凸部を平滑にはできるものの、その表面平滑
化の際の表面形状に関しては、不十分であり、平面の研
磨もしくは倣い研磨が辛うじてできる程度であり、高精
度な非球面、球面、トーリック面などを創成すること
は、実際上、不可能であった。

【０００４】そこで、ダイヤモンド膜を、所望形状で、
しかも、高精度に研磨する方法として、熱化学反応を用
いた加工方法が提唱されている。ここでは、加工部分、
つまり、金属工具とダイヤモンド表面との接触部分を小
さくして、その部分で、相互に摺動移動させることによ
り、ダイヤモンド平滑面を、所望形状で、精度良く得る
ことが可能になった。

【０００５】

【発明が解決しようとしている課題】しかしながら、こ
の方法では、金属工具とダイヤモンド表面の接触面積が
非常に小さい、つまり、熱化学反応に与る面積が小さい
ために、加工に長時間を必要として、非常に加工能率が
悪いという問題点があった。

【０００６】

【発明の目的】本発明は、前記問題点を改善するために
なされたもので、基材上に成膜されたダイヤモンド膜
を、光学的に満足する範囲の、所望形状で、しかも、高
精度を保ちながら、表面の平滑化を高効率で達成するダ
イヤモンドの研磨方法を提供しようとするものである。

【０００７】

【課題を解決するための手段】このため、本発明では、
高温状態で金属との化学反応を利用して、ダイヤモンド
の平滑化を図るダイヤモンド膜の研磨方法において、研
磨されるべきダイヤモンド表面に、予め、金属薄膜を形
成し、その後に、または、その後に加熱処理してから、
金属工具を、前記金属薄膜を形成したダイヤモンド表面
に接触させ、摺動させることで平滑化を行うのである。

【０００８】

【実施例】

（１）金属薄膜形成方法以下、本発明の研磨方法について、具体的に説明する。
まず、基材上にダイヤモンド膜を成膜し、その上に金属
膜を形成する点について説明する。

【０００９】電子ビーム蒸着による成膜：図７に示す
ような、平面視で、円盤形状のＳｉＣ基材１１上に、マ
イクロ波プラズマＣＶＤ法により、ダイヤモンド膜１２
を、膜厚７μｍで形成する。この成膜したサンプルｐを
図３に示す真空蒸着装置にセットする。この装置は、電
子ビーム式蒸着装置であり、この例では、エミッション
電流：１００ｍＡで、蒸着用純鉄ｏを溶かして、前記サ
ンプルｐのダイヤモンド膜上に純鉄薄膜を形成する。

【００１０】前記サンプルｐには、蒸着時間の制御によ
り、本実施例では、蒸着時間ｔ＝１０分、５分、１分
で、それぞれ、５００ｎｍ、２５０ｎｍ、５０ｎｍの純
鉄薄膜の膜厚のものを得た。なお、このときの膜厚は、
符号ｑで示すモニター上の膜厚を触針式膜厚計により測
定した。

【００１１】スパッタリング法による蒸着で成膜：図
５に示すような、平面視で、円盤形状のＳｉＣ基材１１
上に、マイクロ波プラズマＣＶＤ法により、ダイヤモン
ド膜１２を、膜厚７μｍで形成する。この成膜したサン
プル４８を図４に示すスパッタリング装置にセットす
る。次に、真空槽４０内を、所定の真空度まで排気し、
パイプ５８からアルゴンガスを導入すると共に、電源５
９から基板ホルダー４６に高周波電圧を印加して、グロ
ー放電を発生させ、アルゴンイオンによる、サンプル４
８のＣＶＤダイヤモンド膜に対するスパッタクリーニン
グを行う。

【００１２】その後、電源５７からカソード電極５４に
高周波または直流の電圧を印加して、鉄ターゲット５６
の近傍に、アルゴンのグロー放電を発生させて、鉄ター
ゲットにアルゴンイオンの衝撃を与え、ダイヤモンド膜
に対して、鉄のスパッタリングを行う。この場合、スパ
ッタリングの時間を、それぞれ、変化させて、膜厚ｔ＝
５００ｎｍ、２５０ｎｍ、５０ｎｍの各サンプルを得
た。なお、このときの膜厚は、符号６０で示すモニター
上の膜厚を触針式膜厚計により測定した。上記２通りの
方法で得られたサンプルを図６に示す。ここで、符号１
１１はＳｉＣ母材、１１２はＣＶＤダイヤモンド膜、１
１３は純鉄膜である。（２）平坦化加工例１前記方法により得られた、ダイヤモンド膜表面に純鉄を
コーティングした６種類のサンプルを、加工装置の回転
台上に載せ（図１の（Ａ）の状態）、センサー２０の設
定温度を８５０℃にセットして、チャンバー７６の内部
の雰囲気を３×１０^-3Ｔｏｒｒ以下にし、この状態を約
１時間、保持した。なお、この時の金属工具（純鉄製）
２２は、ワーク７２′と接触しないようにしておく。

【００１３】続いて、前記６種類のサンプルと、純鉄を
被覆していないＣＶＤダイヤモンド膜表面のサンプル
（比較例）の、合計７種類のサンプルを加工装置の回転
台上に順次、載せて、回転可能な球形状の金属工具２２
を、０．９８Ｎの荷重で、各サンプルの被研磨面に接触
させて、２０ｍｍ／秒の速さで摺動させた（図１の
（Ａ）の状態）。この時の、工具とダイヤ膜との接触部
分の温度は、８５０℃に設定すると共に、加工系全体を
真空（３×１０^-3Ｔｏｒｒ以下）の状態に置くように制
御した。

【００１４】そして、図２に示すように、サンプル被研
磨面の、回転中心から１０ｍｍ離れたポイントに、金属
工具を、その回転中心がサンプルの回転の接線上で、か
つ、加工面に対して高さ方向に３０°の角度になるよう
に設置し、その先端を接触させ、偏摩耗防止を配慮し
て、３ｒｐｍの低速で回転させた。この状態で２０分間
の加工を行った実験結果は、表１に示されている。

【００１５】

【表１】なお、電子ビーム蒸着法のサンプルでは、５００ｎｍ、
２５０ｎｍの膜厚のものが剥離したが、それは、膜厚増
加に伴う内部応力増加により、純鉄膜とダイヤモンドと
の密着力が低下したためと考えられる。一方、スパッタ
リング法のサンプルで、膜が剥離しないのは、成膜前の
アルゴンイオンクリーニングにより、純鉄膜とダイヤモ
ンドとの密着力が改善されたためと考えられる。

【００１６】また、純鉄コート膜が厚いほど、加工深さ
が増すのは、加熱反応により純鉄中に拡散するダイヤモ
ンドのカーボン量が、純鉄の体積増加にともない増加し
て、ダイヤモンドの結晶構造には、その拡散により破壊
される部分が増加するためと考えられる。（２）平坦化加工例２次に、本発明を使った球面形状のＣＶＤダイヤモンド膜
の平坦化加工例を述べる。なお、以下に述べる実施例で
は、図７のブロック図に示す温度（加熱、冷却）、作用
時間（送り速度、各軸の回転数）、加工位置の集中制御
システムを用いて、正確な制御を行った。［球面形状ダイヤモンド膜の平坦化加工］図８に示す
ような、凹球面形状の光学素子成形用の型母材６１上の
ＣＶＤダイヤ膜６２表面に純鉄：５００ｎｍで、成膜
し、８５０℃で加熱処理した後に、熱化学反応によって
加工するのである。

【００１７】（サンプルの準備）型母材の形状は、曲率
半径Ｒ＝８０ｍｍの凹面、口径２０ｍｍであり、その材
質は超硬合金である。そして、球面部分にマイクロ波プ
ラズマＣＶＤ法によりダイヤモンド膜を被覆した。膜厚
は、成膜の効率と膜の内部応力増加による超硬合金型母
材との密着力の低下などを考慮して、５０μｍ以下が良
いと考えられるが、更に好ましい値として、１０μｍ以
下の、例えば、膜厚：４μｍを選択した。

【００１８】このようなサンプルを２個製作して、その
内の１つを図４に示すスパッタリング装置に組み込み、
ＣＶＤダイヤモンド膜上に純鉄を成膜するのである。成
膜方法は、前記実施例と同様にして、膜厚５００ｎｍの
純鉄膜を成膜した。このサンプルを図９に示す。ここ
で、符号６１１は超硬合金母材、６１２はＣＶＤダイヤ
モンド膜、６１３は純鉄膜である。

【００１９】（加熱処理）前記方法により得られた、純
鉄を被覆したＣＶＤダイヤモンド膜サンプルを加工装置
の回転台上に載せ（図１の（Ｂ）の状態）、センサー２
０の設定温度を、８５０℃にセットして、チャンバー７
６内部の雰囲気を３×１０^-3Ｔｏｒｒ以下にし、約１時
間、保持して、加熱処理を行った。なお、この時、金属
工具２２は、ワーク７２と接触しないようにしておく。

【００２０】（球面形状加工、加工時間の比較）前記２
種類のサンプル（純鉄被覆の後に加熱処理したものと、
ＣＶＤダイヤ膜のみのもの）を加工装置に組み込み（図
１の（Ｂ）の状態）、ダイヤモンド膜厚：１μｍの球面
形状に加工する方法を述べる。図１の（Ｂ）に示すよう
に、型母材７２を載せた回転台の回転軸７１は回転機構
２１により、また、直径５ｍｍの金属工具２２の回転軸
７４は、歯車機構２５を介して、回転機構２４により回
転駆動され、更に、回転軸７４は移動機構２３に接続さ
れている。

【００２１】また、工具の接触部分は、任意の一定加圧
力を保った状態で、移動機構２３を集中制御装置により
制御することで、所望の速度で、型母材７２の被研磨面
上を移動することができ、その際の加工部分は、ヒータ
ー７５により、任意の温度に加熱制御される。前記集中
制御装置により、加工温度、圧力、各部分の作用時間、
摺動速度は、所望の値に制御できる。なお、これらの加
工系全体は、チャンバー７６の中にあり、そこは、酸素
濃度１．６ｐｐｍ以下の真空および不活性ガス雰囲気に
制御される。

【００２２】今回は、３×１０^-3Ｔｏｒｒの真空雰囲気
で、加工工具に純鉄を用い、回転軸７１および７４を回
転させ、加工部分の摺動速度が２０ｍｍ／秒になるよう
に制御した。また、加工ポイントを接触荷重０．９８Ｎ
に保った状態で、型母材の中心から周辺に向かって、各
部分での作用時間が一定になるような速度で移動した。
また、加工部分は８５０℃の、一定温度に保った。そし
て、２種類のサンプルの加工時間の比較を行った結果、
本実験の加工時間は、本発明に係わる純鉄被覆熱処理サ
ンプルでは約７時間と短く、他方、被覆なしのダイヤモ
ンド膜サンプルでは２倍の約１４時間と長くなった。ま
た、加工後のダイヤ膜の表面粗さは、本発明に係わる純
鉄被覆熱処理サンプル、被覆なしサンプル共にＲ_MAX：
２０ｎｍ以下であり、面形状はＮ＝±０．５本以下であ
った。なお、ここで、表面粗さＲ _MAX：２０ｎｍ以下の
型で成形された光学素子は、表面の曇り欠陥や成形時の
融着欠陥も無く、十分、実用に耐えるので、光学素子成
形用型の表面粗さとして有効である。［球面形状ダイヤモンド膜の平坦化加工］（サンプルの準備）本実施例は、純鉄の被覆膜厚を１μ
ｍにした例である。ＣＶＤダイヤモンド膜のサンプル
は、前記実施例と同様で、型母材の形状は、曲率半径Ｒ
＝８０ｍｍの凹面、口径２０ｍｍであり、その材質は超
硬合金である。そして、その球面部分に、マイクロ波プ
ラズマＣＶＤ法により、４μｍのダイヤモンド膜を被覆
した。このようなサンプルを２個製作して、その内の１
つを図４に示すスパッタリング装置に組み込み、ＣＶＤ
ダイヤモンド膜上に純鉄を成膜する。成膜方法は、前記
実施例と同様にして、今回は、膜厚１μｍの純鉄膜を成
膜した。

【００２３】（加熱処理）前記方法により得られた純鉄
被覆のＣＶＤダイヤモンド膜サンプルを加工装置の回転
台上に載せ（図１の（Ｂ）の状態）、センサー２０の設
定温度を８５０℃にセットして、チャンバー７６内部の
雰囲気を３×１０^-3Ｔｏｒｒ以下にして、１時間、保持
し、加熱処理を行った。

【００２４】（球面形状加工、加工時間の比較）前記２
種類のサンプル（純鉄被覆後加熱処理したものとＣＶＤ
ダイヤ膜のみのもの）を、前記実施例と同様に、加工装
置に組み込み、ダイヤモンド膜厚：１μｍの球面形状に
加工する方法を述べる。加工条件は、前記実施例と同様
である。そして、２種類のサンプルの加工時間の比較を
行った。本実験の加工時間は、本発明に係わる純鉄被覆
の熱処理サンプルでは約５時間、被覆なしのダイヤモン
ド膜サンプルでは３倍の約１４時間であった。

【００２５】また、加工後のダイヤ膜の表面状態は、被
覆なしサンプルで、表面粗さＲ_MAX≒：２０ｎｍ、面形
状はＮ＝±０．５本以下であったが、純鉄被覆熱処理サ
ンプルでは、加工工具の軌跡が細かい輪帯状のスジとし
て残留し、その影響で、表面粗さＲ_MAX：３００ｎｍで
あった。前記スジ状の欠陥の発生原因は、純鉄被覆の膜
厚が厚過ぎて、加工時にうまく除去されずに残留したた
めと考えられる。

【００２６】ここで、純鉄膜厚を１００ｎｍずつ変化さ
せて、同様の加工実験をした結果を表２に示す。これら
の実験より、純鉄膜厚は７００ｎｍ近辺が好ましいと思
われる。

【００２７】

【表２】

【００２８】

【発明の効果】本発明は、以上説明したように、ＣＶＤ
ダイヤモンド膜の、熱化学反応を利用した表面研磨加工
の際に、予め、ＣＶＤダイヤモンド膜表面に金属薄膜を
形成して、その後の加熱処理の後に、金属工具による加
工をすることで、加工精度を損なうことなく、しかも、
作業能率を著しく改善することが可能になった。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明によるダイヤモンド膜平坦化加工装置を
各装置（Ａ）、（Ｂ）で示す概略側面図である。

【図２】本発明に係わる、加工実験における金属工具と
ダイヤモンド膜の位置関係を示す平面及び側面図であ
る。

【図３】本発明で使用する真空蒸着装置の概略側面図で
ある。

【図４】本発明で使用するスパッタリング装置の概略側
面図である。

【図５】本発明の加工用サンプル（１）の側面図であ
る。

【図６】本発明の加工用サンプル（２）の側面図であ
る。

【図７】集中制御システムのブロック図である。

【図８】本発明の加工用サンプル（３）の側面図であ
る。

【図９】本発明の加工用サンプル（４）の側面図であ
る。

【符号の説明】

１１１，６１１基材１１２，６１２ＣＶＤダイヤモンド膜１１３，６１３純鉄薄膜７１ワーク回転軸７２，７２′ 被加工サンプル７３金属工具７４工具回転軸７５加工部分加熱用ヒーター７６チャンバー７７温度調節用ガス導入パイプ２１，２４回転機構２３移動機構

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】高温状態で金属との化学反応を利用し
て、ダイヤモンドの平滑化を図るダイヤモンド膜の研磨
方法において、研磨されるべきダイヤモンド表面に、予
め、金属薄膜を形成し、その後に、金属工具を、前記金
属薄膜を形成したダイヤモンド表面に接触させ、摺動さ
せることで平滑化を行うことを特徴とするダイヤモンド
膜の研磨方法。
【請求項２】高温状態で金属との化学反応を利用し
て、ダイヤモンドの平滑化を図るダイヤモンド膜の研磨
方法において、研磨されるべきダイヤモンド表面に、予
め、金属薄膜を形成し、その後に加熱処理してから、金
属工具を、前記金属薄膜を形成したダイヤモンド表面に
接触させ、摺動させることで平滑化を行うことを特徴と
するダイヤモンド膜の研磨方法。
【請求項３】前記金属工具を、前記金属薄膜を形成し
たダイヤモンド表面に接触させて、摺動する際、その接
触部分の面積が、ダイヤモンド表面の総加工面積よりも
小さい条件で、加工することを特徴とする請求項１また
は２に記載のダイヤモンド膜の研磨方法。