(57)【要約】【課題】本発明は、所定の超硬合金を基材とした光学素子用成形型について、より寿命の長い離型膜をその成形面に形成可能とした光学素子用成形型及びその製造方法を提供する。【解決手段】タングステンカーバイドを主成分とする超硬合金（バインダレス超硬合金を除く）からなる基材２の成形面に、ダイヤモンドライクカーボンからなる離型膜４を形成した光学素子用成形型であって、基材２と離型膜４との間に、立方晶からなる結晶構造を有し、その表面粗さＲａが０．５ｎｍ以下であるタングステンカーバイド膜３を介在させた光学素子成形用成形型１。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
タングステンカーバイドを主成分とする超硬合金（バインダレス超硬合金を除く）からなる基材の成形面に、ダイヤモンドライクカーボンからなる離型膜を形成した光学素子用成形型であって、
前記基材と前記離型膜との間に、立方晶からなる結晶構造を有し、その表面粗さＲａが０．５ｎｍ以下のタングステンカーバイド膜を介在させたことを特徴とする光学素子用成形型。
【請求項２】
前記タングステンカーバイド膜の組成が、ＷＣ１−ｘ（式中、ｘは０．０１〜０．４９）である請求項１記載の光学素子用成形型。
【請求項３】
前記タングステンカーバイド膜が、成膜時の基板温度が３００℃以上の条件で、通常スパッタリング法により成膜されたものである請求項１又は２記載の光学素子用成形型。
【請求項４】
前記タングステンカーバイド膜は、タングステンカーバイドを９９質量％以上含有する膜である請求項１乃至３のいずれか１項記載の光学素子用成形型。
【請求項５】
前記離型膜が、テトラヘドラルアモルファスカーボン（ｔａＣ）からなる請求項１乃至４のいずれか１項記載の光学素子用成形型。
【請求項６】
タングステンカーバイドを主成分とする超硬合金（バインダレス超硬合金を除く）からなる基材の成形面に、立方晶からなる結晶構造を有し、その表面粗さＲａが０．５ｎｍ以下であるタングステンカーバイド膜を形成し、さらに、該タングステンカーバイド膜上に、ダイヤモンドライクカーボンからなる離型膜を形成する、ことを特徴とする光学素子用成形型の製造方法。
【請求項７】
前記タングステンカーバイド膜を、成膜時の基板加熱温度が３００℃以上で、通常スパッタリング法により形成する請求項６記載の光学素子用成形型の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ガラス製の光学素子を成形するための光学素子用成形型及びその製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
ガラス製の光学素子を成形するための成形型として、タングステンカーバイド（以下、ＷＣと称する場合もある。）を主成分とする超硬合金が、その耐熱性、強度、成形性等の観点から多用されている。また、この超硬合金製の成形型は、成形するガラス素材の離型性を向上させるために、その成形面の表面に貴金属やダイヤモンドライクカーボン（以下、ＤＬＣと称する場合もある。）等を素材とする薄膜の形成が一般に行われており、さらに中間層を形成して密着性を向上させようという試みもなされている（例えば、特許文献１参照）。
【０００３】
また、成形型に用いる超硬合金としては、バインダレスと呼ばれる金属炭化物からなるバインダ成分が１質量％以下という少量含有し、それ以外はタングステンカーバイドを含有する素材が特性上好ましく用いられるが、このような超硬合金は高価であるため、より安価な素材で同等の特性を有する光学素子用成形型（以下、成形型と称する場合もある。）が求められている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００４−８４０１４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
本発明者らが検討したところ、この成形型の素材として、上記バインダレスと呼ばれるもの以外の超硬合金がより安価でありながら、成形時の特性としては十分な耐熱性、強度等を有しているため好ましいものであるが、離型膜としてダイヤモンドライクカーボン膜を用いた場合、このような超硬合金に直接成膜すると、離型膜が剥れやすく耐久性に問題があることがわかった。
【０００６】
また、中間膜を設けることも考えられるが、特許文献１に記載されているような中間膜は、離型膜を再生しようとする場合に、離型膜と同時に中間膜を研削、研磨等により除去してから改めて中間膜及び離型膜を成膜しなければならず、その研削、研磨に手間がかかるため、離型膜の再生を効率良く実施できなかった。
【０００７】
そこで、本発明は、上記の問題点を解決するためになされたもので、バインダレス超硬合金以外の超硬合金を基材とした成形型について、より寿命の長い離型膜をその成形面に形成可能とすると共に、離型膜の再生操作を簡便なものとできる光学素子用成形型及びその製造方法の提供を目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明の光学素子用成形型は、タングステンカーバイドを主成分とする超硬合金（バインダレス超硬合金を除く）からなる基材の成形面に、ダイヤモンドライクカーボンからなる離型膜を形成した光学素子用成形型であって、前記基材と前記離型膜との間に、立方晶からなる結晶構造を有し、その表面粗さＲａが０．５ｎｍ以下のタングステンカーバイド膜を介在させたことを特徴とする。
【０００９】
本発明の光学素子用成形型の製造方法は、タングステンカーバイドを主成分とする超硬合金（バインダレス超硬合金を除く）からなる基材の成形面に、立方晶からなる結晶構造を有し、その表面粗さＲａが０．５ｎｍ以下であるタングステンカーバイド膜を形成し、さらに、該タングステンカーバイド膜上に、ダイヤモンドライクカーボンからなる離型膜を形成する、ことを特徴とする。
【発明の効果】
【００１０】
本発明の光学素子用成形型及びその製造方法によれば、超硬合金の中でも比較的安価な超硬合金を成形型基材に使用した場合でも、成形面に形成した離型膜の寿命を延ばして、成形型のメンテナンス回数を低減できるため、光学素子の製造コストを低減できる。
【００１１】
また、このようにして得られた成形型は、離型膜としてダイヤモンドライクカーボンを使用しているため、メンテナンス操作において離型膜のみを酸素プラズマによるアッシング処理することで容易に除去でき、中間膜であるタングステンカーバイド膜はこの処理に対して安定している。そのため、その後、離型膜のみを成膜することで再生操作が完了し、この点からも光学素子の製造コストを低減できる。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】本発明の光学素子用成形型の概略構成を示した側断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
以下、本発明について図面を参照しながら説明する。
【００１４】
図１は、本発明の光学素子用成形型の概略構成を示す側断面図である。ここで示した成形型１は、タングステンカーバイドを主成分とする基材２（上型及び下型の一対から構成される）と、その基材２の成形面に形成されたタングステンカーバイド膜３と、さらに、そのタングステンカーバイド膜の表面に形成された離型膜４と、から構成される。
【００１５】
ここで、基材２は、タングステンカーバイド（ＷＣ）を主成分とする超硬合金からなるが、本発明においてはバインダレス超硬合金と呼ばれる特定の形態のバインダ成分を少量含有する超硬合金は除かれる。本明細書において、バインダレス超硬合金とは、タングステンカーバイドが９９質量％以上、バインダ成分が１質量％以下で含有するものであって、該バインダ成分全てが素材中に金属炭化物として存在するか、タングステンカーバイド中に固溶したものをいう。
【００１６】
すなわち、本発明における基材２は、バインダレス超硬合金以外の超硬合金を素材として形成されるが、このような超硬合金としては、タングステンカーバイドが９９質量％以下、バインダ成分が１質量％以上であって、該バインダ成分が素材中に金属相として存在するものや、タングステンカーバイドが９９質量％未満、バインダ成分が１質量％超であって、該バインダ成分が素材中に金属炭化物として存在するものや固溶したもの、が挙げられる。このなかには、金属や金属炭化物が２種類以上の複数種が混在しているものや窒化物、または炭窒化物として存在するものも挙げられる。
【００１７】
タングステンカーバイドが９９質量％以下、バインダ成分が１質量％以上であって、該バインダ成分が素材中に金属相として存在するものとしては、例えば、タングステンカーバイドが９８．５質量％、クロム（Ｃｒ）が０．９質量％、コバルト（Ｃｏ）が０．５質量％からなるＢＬ１００（住友電工ツールネット株式会社製、商品名）、タングステンカーバイドが９２．０質量％、コバルト（Ｃｏ）が８．０質量％からなる  Ｆ０８（冨士ダイス株式会社製、商品名）等が挙げられる。
【００１８】
また、タングステンカーバイドが９９質量％未満、バインダ成分が１質量％超であって、該バインダ成分が素材中に金属炭化物等として存在するものとしては、例えば、タングステンカーバイドが９５質量％、チタン炭化物等が２．８質量％、タンタル炭化物等が２．２質量％のＪ０５（冨士ダイス株式会社製、商品名）等が挙げられる。
【００１９】
本発明で使用する超硬合金において、タングステンカーバイド中に含有されるバインダ成分としては、通常、超硬合金中に含有されるタングステンカーバイド以外の成分をいい、例えば、クロム（Ｃｒ）、コバルト（Ｃｏ）、ニッケル（Ｎｉ）が典型的なバインダ成分であり、それ以外に炭化チタン（ＴｉＣ）、炭化タンタル（ＴａＣ）等の金属炭化物をも含む。
【００２０】
この基材２は、ガラスレンズの成形に足るだけの強度を有するもので、その成形面はプレス成形により所望の光学素子形状となるように形成されている。ここで、基材２の成形面における表面粗さＲａは、例えば、１ｎｍ以下という非常に滑らかな面として形成する。
【００２１】
次に、本発明におけるタングステンカーバイド膜３は、タングステンカーバイドを主成分とし、立方晶からなる結晶構造を有し、その表面粗さＲａが０．５ｎｍ以下の膜である。このタングステンカーバイド膜３は、成形型の基材２の成形面表面に形成され、さらにその上に後述する離型膜４が形成されるもので、基材２の表面と離型膜４との間に介在する中間膜である。
【００２２】
このタングステンカーバイド膜３は、基材２と離型膜４との剥離強度が良好であるため、その結晶構造が立方晶である。立方晶の場合、タングステンカーバイドの組成はＷＣ１−ｘ（式中、ｘは０．０１〜０．４９）で表わされる。この立方晶による結晶構造であるか否かはＸ線回折法により回折ピーク位置を確認すれば容易に判断できる。Ｘ線回折法は通常の方法でもよいが薄膜なため基板の影響を受けやすく、基板の影響を受けにくい斜入射Ｘ線回折法がより好ましい。また、タングステンカーバイド膜３は、その組成としてタングステンカーバイドを９９質量％以上含有する純度の高い膜が好ましい。
【００２３】
このときタングステンカーバイド膜の表面粗さＲａを０．５ｎｍ以下と緻密な（密度の高い）膜とすることで、基材２及び離型膜４との間において密着性等が改善され剥離強度が大きくなり、膜寿命を延ばすことができると考えられる。なお、本明細書において表面粗さＲａは、ＪＩＳ  Ｂ  ０６０１：２００１に基づくもので、測定範囲は１μm四方で、膜をシリコンウェハー上に成膜した場合の粗さである。
【００２４】
さらに、光学素子の成形操作を繰り返し行う場合、その最表面に形成された離型膜４は徐々に損傷していくため、所定の回数を成形したところで離型膜４を再生する。この膜再生時には、ダイヤモンドライクカーボンからなる離型膜４を酸素プラズマによるアッシング処理にて除去した後、中間膜であるタングステンカーバイド膜３上に再度ダイヤモンドライクカーボンの膜を形成するもので、中間膜の安定性が成形操作におけるコスト低減にも寄与する。本発明におけるダイヤモンドライクカーボン膜３は、このような膜再生時の安定性も良好である。
【００２５】
このタングステンカーバイド膜３は、公知の成膜方法により基材２の成形面表面に形成すればよく、蒸着、スパッタ等のＰＶＤ（物理的気相成長法）、熱ＣＶＤ、ＭＯＣＶＤ、プラズマＣＶＤ等のＣＶＤ（化学的気相成長法）等が挙げられ、なかでもスパッタ法が簡便で好ましい。
【００２６】
また、スパッタ法としては、金属タングステンをターゲットとし、アルゴンガス及び炭化水素ガスを導入する反応スパッタ法でも、タングステンカーバイドをターゲットとし、アルゴンガスを導入する通常スパッタ法でも、いずれの方法も使用できる。
【００２７】
反応スパッタの場合は、導入する炭化水素ガス流量に応じてタングステン／炭素（Ｗ／Ｃ）比率が調整可能で、傾斜膜を成膜できる利点がある。また、通常スパッタの場合は、成膜操作が容易で、タングステン／炭素（Ｗ／Ｃ）比率が［１．３／１］と安定した膜が得られる。
【００２８】
中間膜としてのタングステンカーバイド膜の成膜は、従来公知の成膜装置を使用し、公知の条件で成膜すればよい。以下、高周波マグネトロンスパッタ法を用いた場合を例に説明する。
【００２９】
まず、成膜対象である基材２とターゲットであるタングステンカーバイドを対向して配置し、周囲環境を低圧状態にした後、基材２とＷＣターゲットとの間に高周波電圧を印加する。高周波電圧が印加されてＷＣターゲットから飛び出した電子が低圧環境を高速移動し、低圧環境中にわずかにある気体分子に衝突し、気体分子の電子をはじき飛ばし、イオンを生成する。高速移動する電子やイオンは、マグネットにより作られた磁場の影響を受けて、ＷＣターゲットに衝突する。そして、ＷＣターゲットに衝突したイオンは、ＷＣターゲットの粒子（金属元素）をはじき飛ばす（スパッタリング現象）。はじき飛ばされたＷＣターゲットの粒子が基材２に衝突、付着し、タングステンカーバイド膜３を形成する。
【００３０】
このとき、成膜条件を下記のようにすることが好ましい。まず、成膜環境をＡｒガス等の希ガスとし、その成膜時圧力は２Ｐａ以下が好ましく、１Ｐａ以下がより好ましく、０．５Ｐａ以下がさらに好ましい。圧力が高くなると膜の緻密性が低下するため、できるだけ低圧の方が好ましい。
【００３１】
また、中間膜の密着性は特に成膜時の基板加熱温度により大きく左右される。基板加熱温度は、高温にすると密着性が向上することから、例えば、３００℃以上が好ましく、３５０℃以上がより好ましく、４００℃以上が特に好ましい。この基板加熱温度を２５０℃程度とすると、密着性が低下してしまい、結局離型膜の耐久性を向上できない可能性がある。
【００３２】
さらに、基板バイアスは高すぎるとイオンの入射により膜が削られ、イオンが膜中に混入し応力が高くなってしまうため、０〜−２００Ｖであることが好ましく、印加がないと密着性が劣る傾向があるため、−５０Ｖ以下が好ましく、−１００Ｖ以下がより好ましい。
【００３３】
次に、離型膜４は、本発明においてはダイヤモンドライクカーボン（ＤＬＣ）からなる。ダイヤモンドライクカーボンは非常に硬く、表面が滑らかな炭素の被膜で、トライボロジー性が優れていると共に、その表面が非常に滑らかであり、摩擦特性、潤滑性に優れているため、成形後の光学素子と成形型とを離型するのに優れた離型膜である。
【００３４】
このダイヤモンドライクカーボンからなる離型膜４も、公知の成膜方法によりタングステンカーバイド膜３上に形成すればよく、蒸着、スパッタ等のＰＶＤ（物理的気相成長法）、熱ＣＶＤ、ＭＯＣＶＤ、プラズマＣＶＤ等のＣＶＤ（化学的気相成長法）等が挙げられる。
【００３５】
このとき、形成されるダイヤモンドライクカーボンは、離型膜として公知の水素化テトラヘドラルアモルファス炭素膜（ａ−Ｃ：Ｈ膜）、硬質炭素膜、テトラヘドラルアモルファス炭素膜（ｔａＣ膜）が挙げられ、熱的変質の少なさの点で、ｔａＣ膜が好ましい。このｔａＣ膜を形成する場合には、特に、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（ＦＣＶＡ法）による成膜が好ましい。
【００３６】
なお、上記説明では、超硬合金製の基材２に対して中間膜を直接成膜するように説明しているが、基材２とタングステンカーバイド膜３の間に下地膜を形成してもよい。このとき下地膜としては、チタン、クロム、ニッケル、タンタル、タングステン等の金属膜が挙げられる。下地膜の金属としては超硬合金製の基材に含まれる成分であるとより好ましい。
【実施例】
【００３７】
以下、本発明を実施例及び比較例により説明する。
【００３８】
（実施例１）
図１の成形型の基材２として、タングステンカーバイトを９２質量％、コバルトを８質量％含有する超硬合金（冨士ダイス株式会社製、商品名：Ｆ０８）を用い、その成形面に、成膜装置（神港精機株式会社製、商品名：ＳＲＶ６３２０）を用いてマグネトロンＲＦスパッタ法で、厚さ約５０ｎｍのチタンからなる下地膜（図示せず）を形成し、さらに、その上に中間膜として厚さ１００ｎｍのタングステンカーバイド膜３を形成した。
【００３９】
このタングステンカーバイド膜３を形成するためのスパッタ条件は、アルゴンガス雰囲気下、基板加熱温度  ４００℃、スパッタ出力  １０００Ｗ、基板バイアス  −１００Ｖ、成膜時圧力  ０．３Ｐａとして、純度２Ｎのタングステンカーバイドをターゲットとした。
【００４０】
さらに、厚さ約１００ｎｍのダイヤモンドライクカーボン膜を成膜し、本発明の光学素子用成形型を得た。このときの成膜条件は、圧力０．１Ｐａ以下、基板バイアス−７５Ｖで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（ＦＣＶＡ法）を用いた。
【００４１】
中間膜の結晶構造は、斜入射Ｘ線回折法で結晶構造を調べたところ、立方晶であることが確認できた。表面粗さＲａは原子間力顕微鏡（日本ビーコ株式会社製、商品名：Ｎａｎｏｓｃｏｐｅ  Ｄ３０００）で調べたところ０．１９ｎｍであった。
【００４２】
（比較例１）
実施例１と同一の超硬合金製の基材の成形面に、チタン製の下地膜、タングステンカーバイド製の中間層を設けずに、直接、ダイヤモンドライクカーボン膜を成膜した以外は、実施例１と同様に成形型を得た。
【００４３】
（比較例２）
成形型の基材として、タングステンカーバイド  ９９質量％、クロム  ０．９質量％含有するバインダレスの超硬合金（住友石炭鉱業株式会社製、商品名：Ｍ７８）を使用した以外は、比較例１と同様に中間層を設けずに成形型を得た。なお、ここで使用した超硬合金に含有されるクロムは素材中に金属炭化物として存在するか、タングステンカーバイド中に固溶した状態にある。
【００４４】
（比較例３）
成形型の基材として、タングステンカーバイド  ９９質量％、クロム  ０．９質量％含有するバインダレスの超硬合金（住友石炭鉱業株式会社製、商品名：Ｍ７８）を使用した以外は、実施例１と同様の操作により成形型を得た。
【００４５】
中間膜の結晶構造は、斜入射Ｘ線回折法で結晶構造を調べたところ、立方晶であることが確認できた。表面粗さＲａは原子間力顕微鏡（日本ビーコ株式会社製、商品名：Ｎａｎｏｓｃｏｐｅ  Ｄ３０００）で調べたところ０．１９ｎｍであった。
【００４６】
（比較例４）
中間層であるタングステンカーバイド膜の成膜時の基板加熱温度を２５０℃とした以外は、実施例１と同一の操作により成形型を得た。
【００４７】
このとき、中間膜の結晶構造は、斜入射Ｘ線回折法で測定したところ立方晶であることが確認できた。表面粗さＲａは原子間力顕微鏡（日本ビーコ株式会社製、商品名：Ｎａｎｏｓｃｏｐｅ  Ｄ３０００）で調べたところ０．５３ｎｍであった。
【００４８】
（試験例）
実施例１及び比較例１〜４で得られた成形型を用いて、ホウケイ酸ガラス製のガラス素材（オハラ株式会社製、商品名：Ｌ−ＢＡＬ４２；ガラス転移点  Ｔｇ：５０６℃）をプレス成形により、φ１０ｍｍの両凸レンズを成形した。
【００４９】
この成形操作を繰り返して行い、離型膜の耐久ショット数について調べ、その結果を表１に示した。
【００５０】
【表１】
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【００５１】
この結果から、実施例１で得られた、所定の超硬合金にタングステンカーバイド膜を中間膜としてダイヤモンドライクカーボンからなる離型膜を設けた構成の成形型は、比較例１のように中間膜を設けずにダイヤモンドライクカーボンからなる離型膜を設けた場合に比べて、離型膜の耐久性が非常に良好なものとなり、実用性に優れていることがわかった。
【００５２】
比較例２は既に製品製造に使用されている構成で、バインダレス超硬合金製の場合には直接ダイヤモンドライクカーボン膜を形成してもその耐久性は優れたものであった。また、比較例３にはバインダレス超硬合金に実施例１と同様のタングステンカーバイド膜（中間膜）を設けた場合について示したが、この構成も耐久性は十分であることがわかった。
【００５３】
さらに、実施例１と同様に、所定の超硬合金であってタングステンカーバイド膜を中間膜として設ける場合でも、そのタングステンカーバイド膜の表面粗さＲａが０．５３ｎｍと粗い場合には、離型膜自体が疎に形成されていると考えられ、耐久性が低下することが比較例４で示されている。この比較例４で形成したタングステンカーバイド膜は、基板加熱温度が低温であった以外は実施例１と同一の条件で形成したものである。
【産業上の利用可能性】
【００５４】
本発明の光学素子用成形型及びその製造方法は、プレス成形による光学素子の製造に有用である。
【符号の説明】
【００５５】
１…成形型、２…基材、３…タングステンカーボン膜、４…離型膜
【図１】
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