專利名稱：玻璃模造用的模仁的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)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(shù)：
參閱圖1，一般應(yīng)用在玻璃模造的模仁包含一基材11，及一形成于該基材11上的保護(hù)膜(protective film)12。該保護(hù)膜12具有一遠(yuǎn)離該基材11的成形面121。于一高溫的模造環(huán)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(bǔ)的光學(xué)功能面131。
由于形成于玻璃模造用的模仁的基材上的保護(hù)膜，必須是不易與基材起反應(yīng)，且是由具備有良好的化學(xué)穩(wěn)定性(chemical stability)的組成物所制成。因此，早期形成于基材上的保護(hù)膜是由類鉆碳(Diamond-Like Carbon；簡稱DLC)膜所制成。雖然，DLC具有良好的分模性(release efficiency)，但是在經(jīng)過長時(shí)間且高溫使用后，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號專利揭露一種制造具有保護(hù)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于50nm至1000nm之間的保護(hù)膜；(2)于該步驟(1)所述的保護(hù)膜注入氮(nitrogen)離子；及(3)在一含有氮?dú)怏w氛圍(atmosphere)的環(huán)境下對該步驟(2)所述的保護(hù)膜施予一熱處理(heat-treating)，以在該保護(hù)膜內(nèi)構(gòu)成碳及氮的鍵結(jié)。
其中，該步驟(1)中所使用的基材是由碳化硅(silicon carbide；簡稱SiC)、氮化硅(silicon nitride；簡稱Si3N4)或碳化鎢(tungsten carbide；簡稱WC)等材料所制成，而形成于該基材上的DLC則是利用磁控濺鍍(magnetron sputtering)法或電漿輔助化學(xué)氣相沉積(plasma-enhanced chemical vapor deposition；簡稱PECVD)法所制成。此外，該保護(hù)膜內(nèi)含有碳及氮的鍵結(jié)，則是由利用對該保護(hù)膜施予一氮離子布植(ion implantation)后，并進(jìn)一步地對該保護(hù)膜施予熱處理所制成。
雖然該保護(hù)膜內(nèi)具有碳及氮的鍵結(jié)，可改善該保護(hù)膜于高溫模造過程中與玻璃素材之間化學(xué)反應(yīng)的問題，并減少該保護(hù)膜自該基材剝離的現(xiàn)象。但，由于該基材與保護(hù)膜之間的同質(zhì)性(coherence)不足，導(dǎo)致該模仁在經(jīng)過長時(shí)間且高溫使用后，仍舊避免不了該保護(hù)膜自該基材剝離等問題。
上面所提及的制造具有保護(hù)膜的玻璃模造用的模仁的方法，雖然可在高溫模造環(huán)境下使用，但由于該保護(hù)膜及基材兩種材料間的同質(zhì)性低，使得該保護(hù)膜及基材兩者間仍具有附著性不佳的缺點(diǎn)，因此如何提升該保護(hù)膜及基材之間的附著性，以增加模仁的使用壽命，是當(dāng)前開發(fā)玻璃模造用的模仁相關(guān)業(yè)者需發(fā)展的目標(biāo)。

發(fā)明內(nèi)容
為改善兩種材質(zhì)(保護(hù)膜及基材)之間的同質(zhì)型，主要是借由采用組成物的濃度梯度(concentration gradient)漸進(jìn)式地變化(vary gradually)的方式，以增加上方材料及下方材料之間的同質(zhì)性。
此外，由于DLC材料是由部分的sp2鍵結(jié)及部分的sp3鍵結(jié)所構(gòu)成。因此，含有少量的sp3鍵結(jié)的DLC材料，將導(dǎo)致DLC材料內(nèi)因只具有部分的共價(jià)鍵結(jié)(covalencebonding)結(jié)構(gòu)，而造成強(qiáng)度不足及高溫化穩(wěn)性差等問題。然而，為提高DLC材料的高溫化穩(wěn)性及強(qiáng)度，主要因素則是取決于增加DLC材料內(nèi)的共價(jià)鍵結(jié)或至少增加DLC材料內(nèi)的離子鍵結(jié)(ionic bonding)。
因此，本發(fā)明除了借由在基材及DLC之間形成一濃度梯度具有漸進(jìn)式地變化的組成物，以提高DLC及基材兩種材質(zhì)間的同質(zhì)性，并同時(shí)借由增加該組成物內(nèi)部共價(jià)鍵結(jié)或離子鍵結(jié)的機(jī)率，以改善該組成物的高溫化穩(wěn)性。
本發(fā)明的目的在于提供一種玻璃模造用的模仁。
于是，本發(fā)明玻璃模造用的模仁，包含一基材、一形成于該基材上的中間膜(intermediate film)，及一形成于該中間膜上且具有一遠(yuǎn)離該基材并用于模造的塑形面的保護(hù)膜。
該中間膜包含一含有碳、氮，及至少一元素M的物質(zhì)。該元素M是選自于下列所構(gòu)成的群組硅(Si)、鈦(Ti)、鋁(Al)、鎢(W)、鉭(Ta)、鉻(Cr)、鋯(Zr)、釩(V)、鈮(Nb)、鉿(HF)，及硼(B)。
本發(fā)明的功效在于增加該保護(hù)膜及該基材之間的附著性，并改善該模仁整體的高溫化穩(wěn)性，以提升該模仁的使用壽命。
本發(fā)明玻璃模造用的模仁，包含一基材、一形成于該基材上的中間膜，及一形成于該中間膜上且具有一遠(yuǎn)離該基材并用于模造的塑形面的保護(hù)膜。
適用于本發(fā)明的該基材是由一選自于下列所構(gòu)成群組的化合物所制成碳化鎢、碳化硅，及氮化硅。在一具體實(shí)施例中，該基材是由碳化鎢化合物所制成。
該中間膜包含一含有碳、氮，及至少一元素M的物質(zhì)。適用于本發(fā)明的該元素M是選自于，但不限于由下列所構(gòu)成的群組硅、鈦、鋁、鎢、鉭、鉻、鋯、釩、鈮、鉿，及硼。在一具體例中，該元素M是硅。
于本發(fā)明中，該中間膜具有一連接于該基材的第一側(cè)及一連接于該保護(hù)膜的第二側(cè)。較佳地，該元素M的含量由該第一側(cè)向該第二側(cè)遞減。更佳地，該中間膜的第一側(cè)不含有碳及氮，第二側(cè)不含有該元素M。
較佳地，該中間膜由該第一側(cè)往該第二側(cè)依序具有一以該元素M為主的一非晶質(zhì)層(amorphous layer)、一以碳及該元素M為主的第一混合物層、一以碳、氮及該元素M為主的第二混合物層，及一以碳及氮為主的非晶碳層。
在一具體例中，該非晶質(zhì)層是一非晶硅層。該第一混合物層是一碳硅復(fù)合物層(composite layer)。該碳硅復(fù)合物層具有一非晶質(zhì)碳硅化合物基質(zhì)(matrix)及復(fù)數(shù)埋于該非晶質(zhì)碳硅化合物基質(zhì)的碳化硅(SiC)納米晶粒(nano-crystal grain)。該第二混合物層是一碳氮硅復(fù)合物層，該碳氮硅復(fù)合物層具有一含有碳、氮和硅的非晶質(zhì)混合物基質(zhì)、復(fù)數(shù)埋于該非晶質(zhì)混合物基質(zhì)的碳化硅(SiC)納米晶粒、復(fù)數(shù)埋于該非晶質(zhì)混合物基質(zhì)的氮化硅(Si3N4)納米晶粒，及復(fù)數(shù)埋于該非晶質(zhì)混合物基質(zhì)的含碳的氮化物(nitride)納米粒子(nano-particle)。該非晶碳層具有一非晶質(zhì)碳基質(zhì)及復(fù)數(shù)埋于該非晶質(zhì)碳基質(zhì)的含碳的氮化物納米粒子。
較佳地，該保護(hù)膜是一以碳、氮及氫為主的類鉆碳層。該類鉆碳層具有一類鉆碳基質(zhì)及復(fù)數(shù)埋于該類鉆碳基質(zhì)的含碳的氮化物納米粒子。
較佳地，該保護(hù)膜的厚度是介于50nm至500nm之間。在一具體實(shí)施例中，該保護(hù)膜的厚度為100nm。
本發(fā)明的該含有碳、氮，及至少一元素M的物質(zhì)，是一碳源(carbon source)、一氮源(nitrogen source)、一氫源(hydrogen source)及一鍵結(jié)促進(jìn)源(bonding acceleratingsource)的一裂解反應(yīng)產(chǎn)物。
適用于本發(fā)明的該碳源是一含C1至C6的碳?xì)浠衔锏臍怏w或一含碳的固態(tài)物質(zhì)。較佳地，該碳源是一含C1至C6的碳?xì)浠衔锏臍怏w，例如可為甲烷(CH4)、乙炔(C2H2)和乙烯(C2H4)等。在一具體實(shí)施例中，該碳源是乙炔。
該氮源是一含氮的氣體分子或一含氮的固態(tài)物質(zhì)。較佳地，該氮源是一含氮的氣體分子。在一具體實(shí)施例中，該氮源是氮?dú)狻?br> 該氫源是一含氫的氣體，例如可為氫氣(H2)、硅烷(SiH4)。較佳地，該氫源是一含C1至C6的碳?xì)浠衔锏臍怏w，例如可為甲烷(CH4)、乙炔(C2H2)和乙烯(C2H4)等。其中，該氫源和該碳源是可為同一化合物。在一具體實(shí)施例中，該氫源是乙炔。
該鍵結(jié)促進(jìn)源含有至少一選自于下列所構(gòu)成的群組中的元素硅、鈦、鋁、鎢、鉭、鉻、鋯、釩、鈮、鉿，以及硼。較佳地，該鍵結(jié)促進(jìn)源是一含硅的固態(tài)物質(zhì)或一含硅的氣體分子，例如可為硅靶材(target)、氮化硅(Si3N4)靶材和硅烷(SiH4)等。在一具體實(shí)施例中，該鍵結(jié)促進(jìn)源是一硅靶材。


下面結(jié)合附圖及實(shí)施例對本發(fā)明進(jìn)行詳細(xì)說明圖1是一側(cè)視示意圖，說明一種傳統(tǒng)玻璃模造用的模仁。
圖2是一側(cè)視示意圖，說明本發(fā)明玻璃模造用的模仁的一具體實(shí)施例。
具體實(shí)施例方式
實(shí)施例參閱圖2，本發(fā)明的玻璃模造用的模仁的一具體實(shí)施例，包含一碳化鎢基材2、一形成于該基材2上的中間膜3，及一形成于該中間膜3上的保護(hù)膜4。
該中間膜3由該基材2向該保護(hù)膜4的方向依序具有一非晶質(zhì)層31、一第一混合物層32、一第二混合物層33，及一非晶碳層34。該非晶質(zhì)層31具有一連接于該基材2的第一側(cè)311，且該非晶碳層34具有一連接于該保護(hù)膜4的第二側(cè)341。
該非晶質(zhì)層31是一以濺鍍(sputtering)方式制成的10nm厚的非晶硅層(amorphousSi layer)。其制備方法為，在350℃和5×10-4Pa的背景壓力(base pressure)下，通入氬氣(Ar)并達(dá)3×10-1Pa的工作壓力(working pressure)后，以500W的射頻功率(RF Power)，利用一99.999％高純度的硅靶材進(jìn)行沉積。
該第一混合物層32是一10nm厚的碳硅復(fù)合物層。其制備方法為，在350℃下，以500W的射頻功率轟擊該硅靶材，同時(shí)通入流量比為2∶1的氬氣(Ar)與乙炔(C2H2)氣體，并在5×10-1Pa的工作壓力下，以反應(yīng)式離子濺鍍(Reactive Ion Sputtering)進(jìn)行沉積。
該第二混合物層33是一厚約10nm的碳氮硅復(fù)合物層。其制備方法為，在350℃下，以500W的射頻功率轟擊該硅靶材，同時(shí)通入流量比為4∶1∶1的氬氣、氮?dú)馀c乙炔氣體，在5×10-1Pa的工作壓力下，以反應(yīng)式離子濺鍍進(jìn)行沉積。
該非晶碳層34的制備方式為，在300℃的溫度下，以離子鍍(Ion Plating)的鍍膜方式，同時(shí)通入流量比為1∶2的氮?dú)夂鸵胰矚怏w，在2×10-1Pa的工作壓力，以及離子源與基板的偏壓為2.5kV下，進(jìn)行沉積。
該保護(hù)膜4是一厚度約100nm的類鉆碳層。其制備方式為，在300℃的溫度下，以離子鍍的鍍膜方式，通入流量比為1∶12的氮?dú)夂鸵胰矚怏w，并在1×10-1Pa的工作壓力，以及離子源與基板的偏壓為2.5kV下，進(jìn)行沉積。
并且，于該保護(hù)膜4制成后，將本發(fā)明的模仁置于真空回火爐(Vacuum Oven)中，在2×10-3Torr的背景壓力下，以610℃的溫度進(jìn)行一持溫3小時(shí)的熱處理后再予以爐冷。借由該熱處理，增加該中間膜3中的硅碳(Si-C)之間及硅氮(Si-N)之間的鍵結(jié)結(jié)構(gòu)，以強(qiáng)化該中間膜3的強(qiáng)度及高溫化穩(wěn)性。
值得一提的是，該中間膜3隨著施鍍時(shí)間在施鍍過程中，借由調(diào)節(jié)通入氣體的流量和靶材的射頻功率，可以使得該中間膜3中硅和碳的含量，由該基材2向該保護(hù)膜4的方向，分別地呈一濃度梯度漸進(jìn)式地減少和增加。由此，利用增加不同材料界面(interface)間的同質(zhì)性的原理，來提高不同材料之間的附著性。在一以日商SUMITA公司產(chǎn)品編號K-PBK40的玻璃素材的測驗(yàn)中，傳統(tǒng)的模仁在模造溫度為585℃時(shí)，因其隨著使用次數(shù)的增加，該成形面121(見圖1)將逐漸氧化、粗化(roughen)，甚至出現(xiàn)剝離的現(xiàn)象，使其使用壽命在500次以內(nèi)。與傳統(tǒng)的模仁相比較，本發(fā)明的模仁借由該中間膜3，不但增加該基材2及該保護(hù)膜4間的附著性，更提供了優(yōu)良的高溫化穩(wěn)性，以使得本發(fā)明的模仁在經(jīng)過10000次以上的使用次數(shù)后，仍符合玻璃于模造后的光學(xué)品質(zhì)的要求。
歸納上述，本發(fā)明玻璃模造用的模仁因具有附著性高及高溫化穩(wěn)性佳的中間膜3，而使得本發(fā)明的模仁具有較高的使用壽命，所以確實(shí)能達(dá)到本發(fā)明的目的。
權(quán)利要求
1.一種玻璃模造用的模仁，其特征在于其包含一基材；一形成于該基材上的中間膜，該中間膜包含一含有碳、氮，及至少一元素M的物質(zhì)，該元素M是選自于下列所構(gòu)成的群組硅、鈦、鋁、鎢、鉭、鉻、鋯、釩、鈮、鉿，及硼；及一形成于該中間膜上的保護(hù)膜，該保護(hù)膜具有一遠(yuǎn)離該基材且用于模造的塑形面。
2.如權(quán)利要求1所述的玻璃模造用的模仁，其特征在于該中間膜具有一連接于該基材的第一側(cè)及一連接于該保護(hù)膜的第二側(cè)，該元素M的含量由該第一側(cè)向該第二側(cè)遞減。
3.如權(quán)利要求2所述的玻璃模造用的模仁，其特征在于該中間膜的第二側(cè)不含有該元素M。
4.如權(quán)利要求2所述的玻璃模造用的模仁，其特征在于該中間膜的第一側(cè)不含有碳及氮。
5.如權(quán)利要求2所述的玻璃模造用的模仁，其特征在于該中間膜由該第一側(cè)往該第二側(cè)依序具有一以該元素M為主的一非晶質(zhì)層、一以碳及該元素M為主的第一混合物層、一以碳、氮及該元素M為主的第二混合物層，及一以碳及氮為主的非晶碳層。
6.如權(quán)利要求5所述的玻璃模造用的模仁，其特征在于該元素M是硅。
7.如權(quán)利要求6所述的玻璃模造用的模仁，其特征在于該非晶質(zhì)層是一非晶硅層。
8.如權(quán)利要求6所述的玻璃模造用的模仁，其特征在于該第一混合物層是一碳硅復(fù)合物層。
9.如權(quán)利要求8所述的玻璃模造用的模仁，其特征在于該碳硅復(fù)合物層具有一非晶質(zhì)碳硅化合物基質(zhì)及復(fù)數(shù)埋于該非晶質(zhì)碳硅化合物基質(zhì)的碳化硅納米晶粒。
10.如權(quán)利要求6所述的玻璃模造用的模仁，其特征在于該第二混合物層是一碳氮硅復(fù)合物層。
11.如權(quán)利要求10所述的玻璃模造用的模仁，其特征在于該碳氮硅復(fù)合物層具有一含有碳、氮及硅的非晶質(zhì)混合物基質(zhì)、復(fù)數(shù)埋于該非晶質(zhì)混合物基質(zhì)的碳化硅納米晶粒、復(fù)數(shù)埋于該非晶質(zhì)混合物基質(zhì)的氮化硅納米晶粒，及復(fù)數(shù)埋于該非晶質(zhì)混合物基質(zhì)的含碳的氮化物納米粒子。
12.如權(quán)利要求5所述的玻璃模造用的模仁，其特征在于該非晶碳層具有一非晶質(zhì)碳基質(zhì)及復(fù)數(shù)埋于該非晶質(zhì)碳基質(zhì)的含碳的氮化物納米粒子。
13.如權(quán)利要求1所述的玻璃模造用的模仁，其特征在于該保護(hù)膜是一以碳、氮及氫為主的類鉆碳層，該類鉆碳層具有一類鉆碳基質(zhì)及復(fù)數(shù)埋于該類鉆碳基質(zhì)的含碳的氮化物納米粒子。
14.如權(quán)利要求13所述的玻璃模造用的模仁，其特征在于該保護(hù)膜的厚度是介于50nm至500nm。
15.如權(quán)利要求1所述的玻璃模造用的模仁，其特征在于該基材是由一選自于下列所構(gòu)成的群組中的化合物所制成碳化鎢、碳化硅，及氮化硅。
16.如權(quán)利要求1所述的玻璃模造用的模仁，其特征在于該物質(zhì)是一碳源、一氮源、一氫源及一鍵結(jié)促進(jìn)源的一裂解反應(yīng)產(chǎn)物。
17.如權(quán)利要求16所述的玻璃模造用的模仁，其特征在于該鍵結(jié)促進(jìn)源含有至少一選自于下列所構(gòu)成的群組中的元素硅、鈦、鋁、鎢、鉭、鉻、鋯、釩、鈮、鉿，以及硼。
18.如權(quán)利要求17所述的玻璃模造用的模仁，其特征在于該鍵結(jié)促進(jìn)源是一含硅的固態(tài)物質(zhì)或一含硅的氣體分子。
19.如權(quán)利要求18所述的玻璃模造用的模仁，其特征在于該鍵結(jié)促進(jìn)源是一含硅的固態(tài)物質(zhì)。
20.如權(quán)利要求19所述的玻璃模造用的模仁，其特征在于該鍵結(jié)促進(jìn)源是一硅靶材。
21.如權(quán)利要求16所述的玻璃模造用的模仁，其特征在于該碳源是一含C1至C6的碳?xì)浠衔锏臍怏w或一含碳的固態(tài)物質(zhì)。
22.如權(quán)利要求21所述的玻璃模造用的模仁，其特征在于該碳源是一含C1至C6的碳?xì)浠衔锏臍怏w。
23.如權(quán)利要求22所述的玻璃模造用的模仁，其特征在于該含碳?xì)浠衔锏臍怏w是乙炔。
24.如權(quán)利要求16所述的玻璃模造用的模仁，其特征在于該氮源是一含氮的氣體分子或一含氮的固態(tài)物質(zhì)。
25.如權(quán)利要求24所述的玻璃模造用的模仁，其特征在于該氮源是一含氮的氣體分子。
26.如權(quán)利要求25所述的玻璃模造用的模仁，其特征在于該氮源是氮?dú)狻?br> 全文摘要
本發(fā)明公開了一種玻璃模造用的模仁，包含一基材、一形成于該基材上的中間膜，及一形成于該中間膜上的保護(hù)膜；該保護(hù)膜具有一遠(yuǎn)離該基材且用于模造的塑形面；該中間膜具有一連接于該基材的第一側(cè)及一連接于該保護(hù)膜的第二側(cè)，并且，該中間膜包含一含有碳、氮，及至少一元素M的物質(zhì)，該元素M是選自于下列所構(gòu)成的群組硅、鈦、鋁、鎢、鉭、鉻、鋯、釩、鈮、鉿，及硼；并且，該元素M的含量由該中間膜的第一側(cè)向該第二側(cè)遞減。
文檔編號C03B11/00GK1772665SQ20041009090
公開日2006年5月17日 申請日期2004年11月10日 優(yōu)先權(quán)日2004年11月10日
發(fā)明者王坤池 申請人:亞洲光學(xué)股份有限公司