玻璃模造用的模仁的製作方法
2023-10-17 14:30:59
專利名稱：玻璃模造用的模仁的製作方法
技術領域：
本發明涉及一種模仁(molding core)，特別是指一種玻璃模造用的模仁。
背景技術：
參閱圖1，一般應用在玻璃模造的模仁包含一基材11，及一形成於該基材11上的保護膜(protective film)12。該保護膜12具有一遠離該基材11的一成形面121。於一高溫的模造環境下壓制與該成形面121接觸的玻璃素材13，以在該玻璃素材上成型一與該成形面121形狀互補的光學功能面131。
由於形成於玻璃模造用的模仁的基材上的保護膜，必須是不易與基材起反應，且是由具備有良好的化學穩定性(chemical stability)的組成物所製成。因此，早期形成於基材上的保護膜是由類鑽碳(Diamond-Like Carbon；簡稱DLC)膜所製成。但是，DLC在高溫下經長時間的使用後，其表面的高溫氧化作用(oxidation)會造成保護膜表面粗化(roughen)的品質缺陷，或者其表面與玻璃素材反應或沉積析出物(precipitate)造成保護膜表面性質改變，因而影響模造品質。另外，DLC具有良好的分模性(releaseefficiency)，但是在經過長時間且高溫使用後，將造成DLC與基材之間的附著性(adhesion)下降，而使得DLC由該基材表面剝落。
因此，由前所述，日本第9-227150號專利揭露一種製造具有保護膜的玻璃模造用的模仁的方法。
該方法包含下列步驟(1)第一步驟，在一玻璃模造用的模仁的基材上形成一以碳為主且厚度介於50nm至1000nm之間的保護膜；(2)於該步驟(1)所述的保護膜注入氮(nitrogen)離子；及(3)在一含有氮氣體氛圍(atmosphere)的環境下對該步驟(2)所述的保護膜施予一熱處理(heat-treating)，以在該保護膜內構成碳及氮的鍵結。
其中，該步驟(1)中所使用的基材是由碳化矽(silicon carbide；簡稱SiC)、氮化矽(silicon nitride；簡稱Si3N4)或碳化鎢(tungsten carbide；簡稱WC)等材料所製成，而形成於該基材上的DLC則是利用磁控濺鍍(magnetron sputtering)法或電漿輔助化學氣相沉積(plasma-enhanced chemical vapor deposition；簡稱PECVD)法所製成。此外，該保護膜內含有碳及氮的鍵結，則是由利用對該保護膜施予一氮離子布植(ion implantation)後，並進一步地對該保護膜施予熱處理所製成。
雖然該保護膜內具有碳及氮的鍵結，可改善該保護膜於高溫模造過程中高溫化穩性的問題，並減少該保護膜自該基材剝離的現象。但，由於該基材與保護膜之間的同質性(coherence)不足，導致該模仁在經過長時間且高溫使用後，仍舊避免不了該保護膜自該基材剝離等問題。此外，由於前述的保護膜只藉由離子布植的方式構成碳及氮的鍵結結構，導致此鍵結結構完整度無法符合長期使用於高溫模造環境的需求。
上面所提及的製造玻璃模造用的具有保護膜的模仁的方法，雖然可在高溫模造環境下使用，但由於該保護膜及基材兩種材料間的同質性低，使得該保護膜及基材兩者間仍具有附著性不佳的缺點，此外，該保護膜中的碳及氮鍵結結構較不完整，致使高溫化穩性不足，使得整體模仁無法長期於高溫模造環境下使用，因此如何提升該保護膜及基材之間的附著性，並提升該保護膜的高溫化穩性以增加模仁的使用壽命，是當前開發玻璃模造用的模仁相關業者需發展的目標。
發明內容
DLC材料是由部分的sp2鍵結及部分的sp3鍵結所構成。其中，含有少量的sp3鍵結的DLC材料，將導致DLC材料內因只具有部分的共價鍵結(covalence bonding)結構，而造成強度不足及高溫化穩性差等問題。然而，為提高DLC材料的高溫化穩性及強度，主要因素則是取決於增加DLC材料內的共價鍵結或至少增加DLC材料內的離子鍵結(ionic bonding)。
因此，本發明除了藉由增加該DLC材料組成物內部的共價鍵結或離子鍵結的機率，以改善該DLC材料組成物的高溫化穩性，更藉由在基材及DLC之間形成一同質性高的中間膜，以降低DLC自基材剝離的現象。
本發明的目的在於提供一種玻璃模造用的模仁。
於是，本發明玻璃模造用的模仁，包含一基材、一形成於該基材上的中間膜(intermediate film)，及一形成於該中間膜上且具有一遠離該基材並用於模造的塑形面的保護膜。
該保護膜具有一含有碳、氮、氫(H)，及至少一元素M的類鑽碳層。該元素M是選自於下列所構成的群組矽(Si)、鈦(Ti)、鋁(Al)、鎢(W)、鉭(Ta)、鉻(Cr)、鋯(Zr)、釩(V)、鈮(Nb)、鉿(Hf)，及硼(B)。
本發明的功效在於增加該模仁整體的高溫化穩性，並改善該保護膜及該基材之間的附著性以提升該模仁的使用壽命。
本發明玻璃模造用的模仁，包含一基材、一形成於該基材上的中間膜，及一形成於該中間膜上且具有一遠離該基材並用於模造的塑形面的保護膜。
適用於本發明的該基材是由一選自於下列所構成群組的化合物所製成碳化鎢、碳化矽，及氮化矽。在一具體例中，該基材是由碳化鎢所製成。
較佳地，該保護膜具有一含有碳、氮、氫，及至少一元素M的類鑽碳層。適用於本發明的該元素M是選自於下列所構成的群組矽、鈦、鋁、鎢、鉭、鉻、鋯、釩、鈮、鉿，及硼。
在一具體例中，該元素M是矽，該類鑽碳層具有一類鑽碳基質(matrix)、複數埋於該類鑽碳基質的碳化矽(SiC)納米晶粒(nano-crystal grain)、複數埋於該類鑽碳基質的氮化矽(Si3N4)納米晶粒，及複數埋於該類鑽碳基質的含碳的氮化物(nitride)的納米粒子(nano-particle)。較佳地，該類鑽碳層的厚度是介於100nm至150nm之間。在一具體例中，該類鑽碳層的厚度為100nm。
較佳地，該中間膜具有一形成於該基材上的含碳及矽的組成物層(compositelayer)。較佳地，該組成物層的厚度是介於50nm至100nm之間。在一具體例中，該組成物層的厚度為50nm。
於本發明中，更佳地，該中間膜更具有一夾置於該含碳及矽的組成物層及該保護膜之間並含有碳、氮及矽的非晶碳層。在一具體例中，該非晶碳層具有一非晶質碳基質、複數埋於該非晶質碳基質的碳化矽納米晶粒、複數埋於該非晶質碳基質的氮化矽納米晶粒，及複數埋於該非晶質碳基質的含碳的氮化物納米粒子。較佳地，該非晶碳層的厚度是介於50nm至100nm之間。在一具體例中，該非晶碳層的厚度為50nm。
本發明的該類鑽碳層是一碳源(carbon source)、一氮源(nitrogen source)、一氫源(hydrogen source)及一鍵結促進源(bonding accelerating source)的一裂解反應產物。
適用於本發明的該碳源是一含C1至C7的碳氫化合物的氣體或一含碳的固態物質。較佳地，該碳源是一含C1至C7的碳氫化合物的氣體。更佳地，該含C1至C7的碳氫化合物的氣體是一選自於下列所構成的群組苯(benzene；化學式為C6H6)、六甲基二矽氮烷(hexamethyldisilazane；簡稱HMDS；化學式為C6H19Si2N)、甲烷(CH4)、乙炔(C2H2)、甲苯(C7H8)，及此等的一組合。在一具體例中，該碳源是苯及六甲基二矽氮烷。另外，該氫源是一含氫的氣體。其中，該碳源和該氫源是可為同一物質，例如前述的苯。
適用於本發明的該鍵結促進源含有至少一選自於下列所構成的群組中的元素矽、鈦、鋁、鎢、鉭、鉻、鋯、釩、鈮、鉿，及硼。較佳地，該鍵結促進源是一含矽的氣體分子或一含矽的固態物質。更佳地，該鍵結促進源是一含矽的氣體分子。適用於本發明的該含矽的氣體分子是一選自於下列所構成的群組矽烷類(silanes)、矽氮烷類(silazanes)，及此等的一組合。適用於本發明的該矽烷類可以是一選自於下列所構成的群組矽烷(SiH4)、四甲基矽烷(tetramethylsilane；簡稱TMS；化學式為(CH3)4Si)、三甲基矽烷(trimethylsilane；簡稱3MS；化學式為(CH3)3SiH)、二甲基矽烷(dimethylsilane；簡稱DMS；化學式為(CH3)2SiH2)、四乙基矽烷(tetraethylsilane；簡稱TES；化學式為(C2H5)4Si)、三乙基矽烷(Triethylsilane；簡稱3ES；化學式為(C2H5)3SiH)、二乙基矽烷(diethylsilane；簡稱DES；化學式為(C2H5)2SiH2)，及此等的一組合。較佳地，該含矽的氣體分子是一矽氮烷類。在一具體例中，該矽氮烷類是六甲基二矽氮烷。另外，該氮源是一含氮的氣體分子。其中，該氮源和該鍵結促進源是可為同一物質，例如前述的六甲基二矽氮烷。
值得一提的是，當該鍵結促進源是含硼的氣體分子或含鋁的氣體分子等時，則可使用雙硼烷(diborane；化學式為B2H6)或三丁基鋁(化學式為(C4H9)3Al)等做為本發明的鍵結促進源。
下面結合附圖及實施例對本發明進行詳細說明圖1是一側視示意圖，說明一種傳統玻璃模造用的模仁。
圖2是一側視示意圖，說明本發明玻璃模造用的模仁的一具體實施例。
具體實施例方式
實施例參閱圖2，本發明的玻璃模造用的模仁的一具體實施例，包含一碳化鎢基材2、一形成於該基材2上的中間膜3，及一形成於該中間膜3上的保護膜4。該中間膜3由該基材2向該保護膜4的方向依序具有一含碳及矽的組成物層31和一含有碳、氮及矽的非晶碳層32。
該非晶碳層32具有一非晶質碳基質、複數埋於該非晶質碳基質的碳化矽納米晶粒、複數埋於該非晶質碳基質的氮化矽納米晶粒，及複數埋於該非晶質碳基質的含碳的氮化物納米粒子。
該保護膜4具有一含有碳、氮、氫及矽的類鑽碳層41。該類鑽碳層41具有一類鑽碳基質、複數埋於該類鑽碳基質的碳化矽納米晶粒、複數埋於該類鑽碳基質的氮化矽納米晶粒，及複數埋於該類鑽碳基質的含碳的氮化物的納米粒子。
該含碳及矽的組成物層31的厚度為50nm，並以濺鍍(sputtering)方式製成。其製備方法是藉由一真空鍍膜系統，在350℃的鍍膜溫度和5×10-4Pa的背景壓力(basepressure)下，通入氬氣(Ar)並達3×10-1Pa的工作壓力(working pressure)後，以500W的射頻功率(RF Power)轟擊碳化矽靶材(target)以進行沉積。
該非晶碳層32的厚度為50nm。其製備方法為，在同一真空鍍膜系統中，通入HMDS反應氣體並達2×10-1Pa的工作壓力後，以基板偏壓為2.5kV、鍍膜溫度為250℃及鍍膜時間為30分鐘的條件下進行離子鍍(ion plating)該保護膜4的類鑽碳層41的厚度為100nm，其製備方法為，以流量比為1∶2的HMDS與C6H6，在鍍膜溫度為250℃、工作壓力為5×10-1Pa、基板偏壓為2.5kV的條件下，進行60分鐘的離子鍍沉積。
由於該保護膜4中的該等碳化矽納米晶粒、該等氮化矽納米晶粒，及該等含碳的氮化物的納米粒子皆為高溫相物質，因此，其埋於該類鑽碳基質中有助於提升該保護膜4的耐高溫氧化特性。
值得一提的是，由於在沉積完該非晶碳層32後，該保護膜4可藉由調節通入該鍍膜系統中的HMDS與C6H6的流量比，使其流量比維持在4∶1～1∶4之間，以控制構成該保護膜4中組成物的碳、氮及矽等含量比。因此，在本發明中，可視其模仁在模造過程中的需求，改變構成該保護膜4中組成物的含量比。其中，HMDS流量愈高，則該保護膜4具有較高的熱穩定性與較低的硬度；反之C6H6流量愈高，則該保護膜4具有較低的熱穩定性與較高的硬度。
在一以日商OHARA公司產品編號L-BAL42的玻璃素材的測驗中，傳統的模仁在模造溫度為580℃時，因其隨著使用次數的增加，該成形面121(見圖1)將逐漸氧化、粗化，甚至出現剝離的現象，使其使用壽命只維持在500次以內。與傳統的模仁相比較，本發明的模仁提供了優良的高溫化穩性，使得本發明的模仁在經過3000次以上的使用次數後，仍符合玻璃於模造後的光學品質的要求，所以確實能達到本發明的目的。
權利要求
1.一種玻璃模造用的模仁，其特徵在於其包含一基材；一形成在該基材上的中間膜；及一形成於該中間膜上的保護膜，該保護膜具有一含有碳、氮、氫，及至少一元素M的類鑽碳層，該元素M是選自於下列所構成的群組矽、鈦、鋁、鎢、鉭、鉻、鋯、釩、鈮、鉿，及硼，該保護膜更具有一遠離該基材且用於模造的塑形面。
2.如權利要求1所述的玻璃模造用的模仁，其特徵在於該元素M是矽。
3.如權利要求2所述的玻璃模造用的模仁，其特徵在於該類鑽碳層具有一類鑽碳基質、複數埋於該類鑽碳基質的碳化矽納米晶粒、複數埋於該類鑽碳基質的氮化矽納米晶粒，及複數埋於該類鑽碳基質的含碳的氮化物的納米粒子。
4.如權利要求1所述的玻璃模造用的模仁，其特徵在於該類鑽碳層的厚度是介於100nm至150nm之間。
5.如權利要求2所述的玻璃模造用的模仁，其特徵在於該中間膜具有一形成於該基材上的含碳及矽的組成物層。
6.如權利要求5所述的玻璃模造用的模仁，其特徵在於該含碳及矽的組成物層的厚度是介於50nm至100nm之間。
7.如權利要求5所述的玻璃模造用的模仁，其特徵在於該中間膜更具有一夾置於該含碳及矽的組成物層及該保護膜之間並含有碳、氮及矽的非晶碳層。
8.如權利要求7所述的玻璃模造用的模仁，其特徵在於該非晶碳層具有一非晶質碳基質、複數埋於該非晶質碳基質的碳化矽納米晶粒、複數埋於該非晶質碳基質的氮化矽納米晶粒，及複數埋於該非晶質碳基質的含碳的氮化物納米粒子。
9.如權利要求7所述玻璃模造用的模仁，其特徵在於該含有碳、氮及矽的非晶碳層的厚度是介於50nm至100nm之間。
10.如權利要求1所述的玻璃模造用的模仁，其特徵在於該基材是由一選自於下列所構成的群組的化合物所製成碳化鎢、碳化矽，及氮化矽。
11.如權利要求1所述的玻璃模造用的模仁，其特徵在於該類鑽碳層是一碳源、一氮源、一氫源及一鍵結促進源的一裂解反應產物。
12.如權利要求11所述的玻璃模造用的模仁，其特徵在於該鍵結促進源含有至少一選自於下列所構成的群組中的元素矽、鈦、鋁、鎢、鉭、鉻、鋯、釩、鈮、鉿，及硼。
13.如權利要求12所述的玻璃模造用的模仁，其特徵在於該鍵結促進源是一含矽的氣體分子或一含矽的固態物質。
14.如權利要求13所述的玻璃模造用的模仁，其特徵在於該鍵結促進源是一含矽的氣體分子。
15.如權利要求14所述的玻璃模造用的模仁，其特徵在於該含矽的氣體分子是一選自於下列所構成的群組矽烷類、矽氮烷類，及此等的一組合。
16.如權利要求15所述的玻璃模造用的模仁，其特徵在於該含矽的氣體分子是一矽氮烷類。
17.如權利要求16所述的玻璃模造用的模仁，其特徵在於該矽氮烷類是六甲基二矽氮烷。
18.如權利要求11所述的玻璃模造用的模仁，其特徵在於該碳源是一含C1至C7的碳氫化合物的氣體或一含碳的固態物質。
19.如權利要求18所述的玻璃模造用的模仁，其特徵在於該碳源是一含C1至C7的碳氫化合物的氣體。
20.如權利要求19所述的玻璃模造用的模仁，其特徵在於該含C1至C7的碳氫化合物的氣體是一選自於下列所構成的群組苯、六甲基二矽氮烷、甲烷、乙炔、甲苯，及此等的一組合。
21.如權利要求20所述的玻璃模造用的模仁，其特徵在於該含C1至C7的碳氫化合物的氣體是苯及六甲基二矽氮烷。
全文摘要
本發明公開了一種玻璃模造用的模仁，包含一基材、一形成於基材上的中間膜，及一形成於中間膜上的保護膜；保護膜具有一遠離該基材且用於模造的塑形面；保護膜更具有一含有碳、氮、氫，及至少一元素M的類鑽碳層，元素M是選自於下列所構成的群組矽、鈦、鋁、鎢、鉭、鉻、鋯、釩、鈮、鉿，及硼；類鑽碳層具有一類鑽碳基質、複數埋於類鑽碳基質的碳化矽納米晶粒、複數埋於類鑽碳基質的氮化矽納米晶粒，及複數埋於類鑽碳基質的含碳的氮化物的納米粒子。
文檔編號C03B11/00GK1772667SQ200410090909
公開日2006年5月17日 申請日期2004年11月10日 優先權日2004年11月10日
發明者王坤池 申請人:亞洲光學股份有限公司