JP5692497B2 - 表面加工方法及び表面加工装置 - Google Patents
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Description
更に、キャリアガスを用いずに炭素クラスターイオン源を真空槽内に導入することにより、キャリアガス由来の単原子イオンが生成しない。そのため、被加工物の表面で選択的スパッタが生じず、加工による面粗度の低下を抑制できる。
炭素数が上記範囲内のフラーレン及びフラーレン誘導体は、熱分解を起こすことなく昇華させることができ、高周波電圧を印加することにより高い収率で炭素クラスターイオンを生成することができる。そのため、炭素クラスターイオン源として特に好適に用いることができる。
固体状又は液体状の炭素クラスターイオン源を減圧下で加熱して気化させることにより、キャリアガスを用いずに真空槽内に導入できるため、キャリアガス由来の単原子イオンに起因する選択的スパッタの発生を抑制できる。そのため、高い平滑度で被加工物の表面加工を行うことができる。また、複雑な制御機構を必要としないため、本態様に係る表面加工装置は安価に製造でき、信頼性にも優れている。
炭素クラスターイオン源を真空槽内に導入する際のロスを低減し、炭素クラスターイオン源の利用効率を向上できる。
なお、直流を印加することによってもプラズマを生成させることは可能であるが、高周波電圧を用いる方が放電開始電圧を低くできるため、通常は高周波電圧が用いられる。
表面加工方法は、被加工物32が収容された真空槽12中に、キャリアガスを用いずに気体状のフラーレン(炭素クラスターイオン源の一例)31を導入する第1工程と、真空槽12中に導入されたフラーレンに高周波電圧を印加してプラズマ化し、フラーレンイオン(炭素クラスターイオンの一例)を生成させる第2工程と、被加工物32に負電圧を印加して表面(加工面)にフラーレンイオンを照射し、その表面をイオン加工する第3工程とを有する。
また、導電性を有する基材である金型の加工面(キャビティまたはコア)上に、直接或いは中間層を介して硬質の無機皮膜が形成されたガラス製品用金型やプレス金型からの無機皮膜、或いは無機皮膜及び中間層の両者の除去にも本実施の形態に係る表面加工方法が、好ましく適用される。無機皮膜の種類は特に限定されないが、金型表面のコーティング、摺動部材等に汎用されるDLC、窒素、ケイ素、フッ素等のヘテロ原子ドープDLC等が挙げられる。無機皮膜は、基材表面に直接結合していてもよく、SiC等の中間層を介して基材表面に結合していてもよい。
なお、被加工物32の形状については特に制限されず、複雑な制御機構を用いることなく任意の形状の被加工物32について表面加工を行うことができる。
付加した構造を有するもののほか、内部に金属や分子を包含しているフラーレン金属錯体を含めたもの等を広く意味するものとする。
実施例1:多結晶ダイヤモンド(PCD)の表面加工
(1)装置及び条件
図1に記載の構成を有する表面加工装置を用いて、導電性を有する多結晶ダイヤモンド(PCD)からなる被加工物の表面加工を行った。表面加工の手順は下記のとおりである。
真空ポンプで1×10−3Pa以下の圧力に到達するまで真空槽の内部を排気した。所定の圧力に到達後、グラファイト製の容器に入れたフラーレンをハロゲンランプで加熱(600℃)し、昇華させた。フラーレンの圧力は、ハロゲンランプによるフラーレンの加熱温度と排気系のバルブ開度で調節した。フラーレンとしては、フロンティアカーボン(株)製のnanom mix(登録商標)(C60:約60%、C70:約25%、その他の高次フラーレン:約15%)を用いた。真空槽内の圧力を所定値に調節後、高周波電源(13.56MHz)を作動させて高周波電極に高周波電圧を印加し、フラーレンをプラズマ化させた。次に、フラーレンプラズマを生成した状態で、負の高電圧パルス電源(平和電源(株)製)を作動させ、被加工物にパルス状の負電圧(−5kV、周波数1kHz、パルス幅1μs)を印加してフラーレンイオンをその表面に照射し平滑化させた。
PCDはトーメイダイヤ(株)製のTDC−GM(ダイヤモンド平均粒径:3μm、鏡面仕上げ)を用い、アセトン中で超音波洗浄した後、電極上に載置した状態で真空槽内に設置した。昇華装置に仕込んだフラーレンを加熱(600℃)して昇華させ、高周波放電(フラーレン(本実施例の結果を示す図3中では、「C60」と記載している。図4についても同様である。)圧力0.09Pa、出力25W)を行い、プラズマを発生させた。電極にパルス状の負電圧を印加(20分)し、フラーレンイオンを表面に照射(照射部位以外をマスキングし、所定の部位のみに照射が行われるようにした。)することにより、PCDの表面加工を行った。フラーレンイオンで加工した部分の粗さ及び深さは、接触式表面形状測定器(テーラーホブソン(株)製フォームタリサーフS5)で測定した。加工深さは、マスキングした部分との段差から求めた。また、表面状態を観察するために、表面加工前後の表面について走査型電子顕微鏡(SEM)観察を行った。
上記(2)と同一の材質PCDからなる丸棒を用いて、PCDを工具形状に加工した。工具形状への加工は、レーザによる粗加工、放電加工による中仕上げ、研削による仕上げの順で行った。加工後の先端部の形状は、図4下のSEM写真に示した。なお、先端部の曲率半径は50μmである。このようにして得られたPCDの先端部の表面について、加工部位への熱の蓄積を避けるために、5分印加、5分間冷却を4サイクル繰り返すことによりパルス状の負電圧を印加した以外は(2)と同様の条件で表面加工を行った。
以上の(2)及び(3)の結果から、導電性を有するPCDの場合には、形状に関わりなく均一で平滑性の高い表面加工が可能であることが確認された。
マルテンサイト系ステンレス鋼であるSUS440C(Elmax)を平板状に加工したものを被加工物として用い、フラーレン圧力を0.3Pa、パルス状の負電圧の印加時間を60分とした以外は実施例1の(2)と同様の条件で表面加工を行った。
炭素クラスターイオン源としてパーフルオロシクロブタンを用い、実施例1の(2)で用いたのと同様な平板状のPCDの表面加工を行った。PCDをアセトン中で超音波洗浄した後、電極上に載置した状態で真空槽内に設置した。パーフルオロシクロブタンは気体であるため、昇華装置及びキャリアガスを用いずに、予め排気した真空槽内に導入した。所定の圧力(0.1Pa)に到達後、高周波放電(出力25W)を行い、プラズマを発生させた。電極にパルス状の負電圧を印加(25分)し、炭素クラスターイオンを表面に照射(照射部位以外をマスキングし、所定の部位のみに照射が行われるようにした。)することにより、PCDの表面加工を行った。
炭素クラスターイオン源としてパーフルオロシクロブタンを用い、DLCコーティング(DLC80nm+SiC中間層20nm)を施した超硬合金板の表面加工を行った。DLCコーティングを施した超硬合金板をアセトン中で超音波洗浄した後、電極上に載置した状態で真空槽内に設置した。パーフルオロシクロブタンは気体であるため、昇華装置及びキャリアガスを用いずに、予め排気した真空槽内に導入した。所定の圧力(1.1Pa)に到達後、高周波放電(出力100W)を行い、プラズマを発生させた。電極にパルス状の負電圧を印加(5kV、周波数1kHz、パルス幅10μs、1時間)し、炭素クラスターイオンを表面に照射(照射部以外をマスキングし、所定の部位のみに照射が行われるようにした。)し、照射部及び非照射部の深さ及び表面粗さの測定を行った。結果を図7に示す。アルゴンプラズマの照射により非照射部の表面から約150nmの深さまで表面加工が進んでいることがわかる。
比較のため、アルゴンプラズマ(パーフルオロシクロブタンの代わりにアルゴンをプラズマ源として用いた以外は実施例4と同様の条件下で生成させた。)を超硬合金板(DLCコーティングなし)の表面に照射した場合における照射部及び非照射部の表面粗さの測定結果を図9に示す。非照射部の表面から約50nmの深さまで加工を進めた場合における、照射部と非照射部の表面粗さは、後者が5.9nmであるのに対し前者が9.9nmであり、アルゴンプラズマの照射により、表面粗さが増大することが確認された。アルゴンプラズマの照射時間を増大させ、加工深さを大きくすると、表面粗さは更に増大した。
11 真空ポンプ
12 真空槽
12a バルブ
13 フラーレン昇華装置
14 電極
15 高圧パルス電源
16 高周波電極
17 高周波電源
21 容器
22 ヒーター
31 フラーレン
32 被加工物
33 フラーレンイオン
Claims (7)
- 被加工物が収容された真空槽中に、キャリアガスを用いずに気体状の炭素クラスターイオン源を導入する第1工程と、
前記真空槽中に導入された前記炭素クラスターイオン源に高周波電圧を印加してプラズマ化し、炭素クラスターイオンを生成させる第2工程と、
前記被加工物を保持可能に前記真空槽内に配置された電極に負電圧を印加して該被加工物の加工面に前記炭素クラスターイオンを照射し、該加工面をイオン加工する第3工程とを有することを特徴とする表面加工方法。 - 前記イオン加工後の前記加工面の表面粗さの値が、前記イオン加工前の前記加工面の表面粗さの値以下であることを特徴とする請求項1記載の表面加工方法。
- 前記炭素クラスターイオン源が、炭素数4以上12以下のパーフルオロシクロアルカン、並びに炭素数20以上120以下のフラーレン及びフラーレン誘導体からなる群より選択される1又は複数の化合物であることを特徴とする請求項1又は2記載の表面加工方法。
- 前記炭素クラスターイオン源が、炭素数60以上120以下のフラーレン及びフラーレン誘導体からなる群より選択される1又は複数の化合物であることを特徴とする請求項3記載の表面加工方法。
- 前記第1工程において、固体状の前記炭素クラスターイオン源を減圧下で加熱して昇華させることにより気化させることを特徴とする請求項4記載の表面加工方法。
- 減圧装置に接続された真空槽と、
一端が前記真空槽に向かって開口した耐熱性の容器と、該容器の内部に貯留された固体状又は液体状の炭素クラスターイオン源を加熱して気化させるための加熱手段とからなる炭素クラスターイオン源供給手段と、
被加工物を保持可能に前記真空槽内に配置された電極と、
前記電極に接続され、該電極に保持された前記被加工物に負電圧を印加するための第1の電源と、
前記電極上に保持される前記被加工物を挟んで該電極と対向するように前記真空槽内に配置された高周波電極と、
前記高周波電極に接続され、前記真空槽内に導入された炭素クラスターイオン源に高周波電圧を印加してプラズマ化し、炭素クラスターイオンを生成させるための第2の電源とを有することを特徴とする表面加工装置。 - 前記炭素クラスターイオン源供給手段が前記真空槽内に設けられたことを特徴とする請求項6記載の表面加工装置。
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