CN101182100B - 具有微结构的玻璃模造模仁的制作方法及玻璃模造模仁 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种具有微结构的玻璃模造模仁的制作方法及玻璃模造模仁，制作方法是先在呈板块状的基材表面以微影技术与蚀刻技术形成数个图像后，在基材形成有数图像的表面上形成不与软化状态的玻璃产生化学反应，且维氏硬度不小于2000度的离型保护层，使基材与离型保护层构成具有微结构的模造单元，最后将模造单元通过接着剂黏结至底材上，而制得具有微结构的玻璃模造模仁，玻璃模造模仁藉模造单元的板块状结构的基材与离型保护层的保护，而具有高稳定性与结构强度，并具有优异的离型性与耐久性。

Description

具有微结构的玻璃模造模仁的制作方法及玻璃模造模仁

技术领域

本发明涉及一种有关于一种模造模仁(molding core)，特别是涉及一种玻璃模造成形用的玻璃模造模仁的制造方法及玻璃模造模仁。

背景技术

各式光学产品中的光学玻璃组件，例如光栅、微透镜数组..等，是以其微结构(Micro structure)图形使光产生各式的例如绕射、折射等物理光学现象，进而供光学产品中其它组件的后续运用，是光学产品中重要的零组件之一；之前，多是以微影(Photolithography)、蚀刻(Etching)直接在玻璃基板表面制作出微结构图形，以制造出该等光学玻璃组件，生产效率不但低，而且制作成本极高。

目前，已有业者采用玻璃模造成形的方式生产制作该等光学玻璃组件，以同时提升生产效率及降低制作成本；但；如何对应于欲模造成形的光学玻璃组件的微结构图形，制备出用于玻璃模造成形此等极精密光学玻璃组件的玻璃模造模仁，则是首要克服的挑战。

一般而言，此种用于模造成形此等光学玻璃组件的玻璃模造模仁，不外乎是以直接研磨加工的方式，或是利用放电、雷射等非传统的制作方式制作，而由于玻璃模造模仁的微结构必须对应于光学玻璃组件的微结构图形，因此研磨加工的困难度极高，也因此，此种加工方式制作的玻璃模造模仁的制作成本亦非常高；而，以放电、雷射等非传统加工方式加工制作的玻璃模造模仁，则受限于微结构而常有加工精度及表面状况较差的问题。

参阅图1，日本专利特开2002-96333号专利申请案则揭露另一种制作玻璃模造模仁的方式，主要是选用例如以碳化钨(WC)、碳化钛(TiC)、碳化钽(TaC)等材料构成的块体作为基材11，并在基材11表面以氮化硅(SiN)沉积一层厚度介于1～10μm的薄膜做为微结构层12；接着利用微影技术与蚀刻技术，在此氮化硅所沉积形成的薄膜(微结构层12)形成对应于光学玻璃组件的微结构图形的微结构图像13(pattern)后，即制得所需的玻璃模造模仁1。

参阅图2，此外，又如日本专利特开2002-97030号专利申请案，则更进一步地，改以碳化硅在基材11上沉积一层厚度介于1～10μm的薄膜做为微结构层12，并在微结构层12与基材11之间加入例如氮化硅(SiN)、氧化硅(SiO₂)或氮化钛(TiN)等沉积形成的薄膜14，通过此等氮化硅(SiN)、氧化硅(SiO₂)或氮化钛(TiN)等材料沉积形成的薄膜14，增加微结构层12与基材11的连结强度，进而增加整体玻璃模造模仁1的结构强度与耐久性。

但是此等在基材11上以不同材料的相互组合搭配沉积出至少一层薄膜，以薄膜作为微结构层12以形成对应于光学玻璃组件的微结构图形的微结构图像13，进而制得玻璃模造模仁1的方式，由于受限于薄膜相对基材11连结时的稳定性与结构强度的不足，而易在高温玻璃模造制程中让玻璃模造模仁1受到破坏，而影响到生产的光学玻璃组件的良率。

因此，如何改善目前用于玻璃模造成形光学玻璃组件的玻璃模造模仁，是业者努力研究的方向之一。

发明内容

因此，本发明的目的在于，提供一种制备结构强度高、耐久性优异的具有微结构的玻璃模造模仁的制作方法及玻璃模造模仁。

本发明的另一目的在于，提供一种结构强度高、耐久性优异的玻璃模造模仁。

于是，本发明一种具有微结构的玻璃模造模仁的制作方法，包含以下步骤。

首先在一呈板块状的基材表面以微影技术与蚀刻技术形成数图像。

接着在该基材形成有该数图像的表面上形成一不与软化状态的玻璃产生化学反应的离型保护层，使该基材与该离型保护层构成一具有该微结构的模造单元。

最后将该模造单元以该基材的一相对远离该微结构的底面连结至一底材上，即制得该具有微结构的玻璃模造模仁。

此外，本发明一种玻璃模造模仁，适用于模造成形一玻璃光学组件，包含一底材、一模造单元，及一接着剂。

该底材具有一连结面。

该模造单元具有一呈板块状的基材，及一离型保护层，该基材包括一形成有数图像的表面，及一相反于该表面的底面，该离型保护层是设置于该基材的形成有数图像的表面上，且不与软化状态的玻璃产生化学反应，使该基材的该具有数图像的表面与该离型保护层构成一可对应模造成该玻璃光学组件的微结构。

该接着剂连结该底材的连结面与该基材的底面，使该底材与该模造单元连结成一体。

本发明的功效在于以板块状的基材成形出对应玻璃光学组件的图像，并配合离型性及硬度优异的离型保护层形成微结构后制得模造单元，再利用接着剂将模造单元与底材相结合成一体而制得结构强度高、耐久性优异的玻璃模造模仁。

有关本发明的前述及其它技术内容、特点与功效，在以下配合参考图式的一个较佳实施例的详细说明中，将可清楚的呈现。

下面结合附图及实施例对本发明进行详细说明。

附图说明

图1是现有的一种玻璃模造模仁的结构的示意图；

图2是现有的另一种玻璃模造模仁的结构的示意图；

图3是本发明一种具有微结构的玻璃模造模仁的制作方法的一较佳实施例的流程图；及

图4是以图3的制造方法所制得的具有微结构的玻璃模造模仁的示意图。

具体实施方式

在本发明被详细描述之前，要注意的是，在以下的说明内容中，类似的组件是以相同的编号来表示。

参阅图3与图4，如图3所示本发明一种具有微结构的玻璃模造模仁的制作方法的一较佳实施例，是可制得如图4的玻璃模造模仁4，用以模造成形高精密度的玻璃光学组件。

首先参阅图4，以本发明一种具有微结构的玻璃模造模仁的制作方法的一较佳实施例所制得的玻璃模造模仁4，包含一底材5、一模造单元6，及一接着剂7。

底材5选自例如碳化钨、碳化硅、氧化铝、氧化锆、氮化硅、碳化钛、碳化钽等材料其中之一构成，呈约数毫米至数十毫米的厚板块状结构(实际厚度需视模造机台的种类规格而有所不同)，该底材5具有一连结面51。

模造单元6具有一基材61，及一离型保护层62。基材61选自例如单晶硅或多晶硅其中之一为材料构成，而厚度不小于100μm的板块状结构，包括一形成有数图像的表面611，及一相反于该表面611的底面612。离型保护层62选自例如类钻碳或钛、钽、钨、钼、铝、铂、铼、钌、铱、铑等金属及其化合物等材料构成，以厚度不大于1μm设置于基材61的形成有数图像的表面611上，不与软化状态的玻璃产生化学反应，且维式硬度不小于2000度，具有优异的离型性与结构强度。基材61的具有数图像的表面611与离型保护层62共同构成对应于光学玻璃组件的微结构图形的微结构63，而可对应模造成玻璃光学组件。

该模造单元6是以黏着方式与该底材5相连结。具体来说，该模造单元6是以一接着剂7黏着在该底材上，并经过高温烘烤固化该接着剂7后而与该底材5相连结。接着剂7用于连结底材5的连结面51与基材61的底面612，使底材5与模造单元6连结成一体，在此，接着剂7是高温陶瓷接着剂，例如氧化铝(Al₂O₃)、氧化锆(ZrO)、氧化硅(SiO₂)、氮化硼(BN)、石墨(Graphite)、氮化铝(AlN)、氮化钛(TiN)。

上述具有微结构的玻璃模造模仁4在配合以下如图3所示的制造方法所详述后，当可更清楚地明白。

参阅图3，首先进行步骤31，在呈板块状的基材61表面以微影技术(Photolithography)与蚀刻技术(Etching)形成数对应于光学玻璃组件的微结构图形的图像。

接着进行步骤32，在基材61形成有数图像的表面611上，形成离型保护层62，而使基材61与离型保护层62共同构成具有微结构63的模造单元6。

最后进行步骤33，将接着剂7涂覆在底材5的连结面51上，利用接着剂7将模造单元6与底材5相连结，并经过高温烘烤使接着剂7固化，使模造单元6与底材5连结成一体，即制得如图4的具有微结构的玻璃模造模仁4。

以下配合一较佳制程及一具体制程详细说明本发明一种具有微结构的玻璃模造模仁的制作方法。

较佳制程一

首先，选择厚度为500μm的板块状结构的单晶硅作为基材，在(110)晶面上全周沉积出一蚀刻阻障层；接着，在蚀刻阻障层上涂布光阻后，利用光罩，及相关曝光、显影、蚀刻、清洗等制程定义出与所需微结构形状相反的一光阻图像层；再自光阻图像层向下将未被光阻图像层遮覆的部分蚀刻阻障层区域蚀刻移后，随即将光阻图像层移除，留存下来的蚀刻阻障层结构即为与微结构相反的硬屏蔽(Hard Mask)图形。

接着将(110)晶面上形成有硬屏蔽图形的基材浸泡于对单晶硅晶向具有蚀刻选择比的化学溶液，例如氢氧化钾(KOH)、氢氧化钠(NaOH)、四甲基氢氧化铵(TMAH)中，蚀刻现象在未被硬屏蔽图形遮覆而裸露出的基材(110)晶面发生，且蚀刻反应沿着垂直于(110)晶面的方向向下进行，同时配合以蚀刻时间控制对基材的蚀刻率，直至蚀刻出对应微结构的数图像；然后将作为硬屏蔽图形的蚀刻阻障层移除，基材表面即形成有数对应微结构的图像。

接着，再在基材表面以化学气相沉积方式镀覆形成单层或数层的离型保护层，离型保护层可为钻石薄膜、类钻碳薄膜、金属或合金，即完成模造单元的制备。

最后，以氧化铝陶瓷接着剂为接着剂，以约2～3μm厚度均匀涂布于底材的连结面上，并将制作完成的模造模仁以基材底面对应连结面加压贴附在底材上，并以90℃烘烤2小时使接着剂固化，进而使模造单元与底材藉接着剂连结成一体，即制得具有微结构的玻璃模造模仁。

具体制程一

首先，选择厚度为500μm的板块状结构的单晶硅作为基材，在(110)晶面以化学气相沉积(CVD)的方式，在石英炉管中全周沉积一层厚度约300nm的低应力氮化硅(Si₃N₄，Low Strsss Nitride)作为蚀刻阻障层；接着在蚀刻阻障层表面均匀涂布厚度约1μm的AZ1500光阻(德商Microchemicals公司的产品)后，实施2分钟120℃的软烤制程，随后以55mJ的曝光能量配合对应所需微结构的光罩曝光12秒，再以2.38％四甲基氢氧化铵显影40秒，经过清洗后，而在光阻上定义出与所需微结构形状相反的对应的图形；然后以反应式离子蚀刻的方式，在5mTorr的压力下，通入氟化硫(SF₆)气体25sccm，蚀刻1分钟，清洗后，留存下来的低应力氮化硅层结构即为对应于微结构而遮覆基材(110)晶面预定区域的硬屏蔽图形。

然后将晶面遮覆有对应微结构态样的硬屏蔽图形的基材，在80℃的温度下，浸泡于以氢氧化钾重量百分比∶水重量百分比＝1∶2的溶液中进行蚀刻，蚀刻现象只在未被硬屏蔽图形遮覆而裸露出的基材(110)晶面发生，且蚀刻反应沿着垂直于(110)晶面的方向向下进行，蚀刻2分钟后即可获得约2.8μm深度的微结构；再将基材浸泡于49wt％的氢氟酸中，直到完全移除留存的氮化硅层结构，清洗后基材表面即形成有数对应微结构的图像。

接着以离子镀(Ion Plating)的方式，通入20sccm的C₆H₆，在1.5×10^-1Pa的压力下，进行沉积80分钟，即可在基材的形成有数对应微结构的图像的表面沈积形成一层厚度约0.2μm的类钻碳薄膜薄膜成为离型保护层，完成模造单元的制备。

最后，以美商AREMCO公司的#569氧化铝陶瓷接着剂为接着剂，以约2～3um厚度均匀涂布于底材的连结面上，并将制作完成的模造模仁以基材底面对应连结面加压贴附在底材上，并以90℃烘烤2小时使接着剂固化，进而使模造单元与底材藉接着剂连结成一体，即制得具有微结构的玻璃模造模仁。

由上述说明可知，本发明主要是在厚度较厚(数毫米以上)呈板块状结构的基材61表面，利用发展极为成熟的微影技术与蚀刻技术等，精确成形出对应玻璃光学组件的数图像，并在此形成有数图像的表面611配合离型性及硬度优异，且不与软化状态的玻璃产生化学反应的材料形成离型保护层62而制得模造单元6，利用板块状结构的基材61具有结构强度较高，以及离型保护层62具有优异的离型性与硬度高的优点，使得制备出的模造单元6不但具有高精度，同时具有离型性与耐久性优异的特点；再以利用接着剂7将模造单元6与底材5相结合成一体而制得玻璃模造模仁4的方式，更兼具有可以重复使用底材5以节省成本的优点，并可以改善现有玻璃模造模仁1以薄膜形成微结构图像13，其稳定性与结构强度均不足的缺点，确实达到本发明的创作目的。

以上所述，仅为本发明的较佳实施例而已，当不能以此限定本发明实施的范围，即大凡依本发明申请专利范围及发明说明内容所作的简单的等效变化与修饰，皆仍属本发明专利涵盖的范围内。

Claims (16)

1.一种具有微结构的玻璃模造模仁的制作方法，该方法包括：

(a)在一呈板块状的单晶或多晶硅基材表面以微影技术与蚀刻技术形成数图像；

(b)在该硅基材形成有该数图像的表面上形成一不与软化状态的玻璃产生化学反应的离型保护层，使该硅基材与该离型保护层构成一具有该微结构的模造单元；及

(c)将该模造单元以该硅基材的一相对远离该微结构的底面通过高温陶瓷接着剂连结至一底材上，制得该具有微结构的玻璃模造模仁。

2.依据权利要求1所述的具有微结构的玻璃模造模仁的制作方法，其特征在于：该硅基材的厚度不小于100μm。

3.依据权利要求1所述的具有微结构的玻璃模造模仁的制作方法，其特征在于：该离型保护层的厚度不大于1μm，且维氏硬度不小于2000度。

4.依据权利要求3所述的具有微结构的玻璃模造模仁的制作方法，其特征在于：该离型保护层是由类钻碳或钛、钽、钨、钼、铝、铂、铼、钌、铱、铑之一或其组合的材料构成。

5.依据权利要求4所述的具有微结构的玻璃模造模仁的制作方法，其特征在于：该离型保护层是以化学气相沉积方式形成。

6.依据权利要求5所述的具有微结构的玻璃模造模仁的制作方法，其特征在于：该离型保护层是以离子镀膜方式形成。

7.依据权利要求1所述的具有微结构的玻璃模造模仁的制作方法，其特征在于：该模造单元是以黏着方式与该底材相连结。

8.依据权利要求7项所述的具有微结构的玻璃模造模仁的制作方法，其特征在于：该模造单元是以一接着剂黏着在该底材上，并经过高温烘烤固化该接着剂后而与该底材相连结。

9.依据权利要求8所述的具有微结构的玻璃模造模仁的制作方法，其特征在于：该接着剂是由氧化铝、氧化锆、氧化硅、氮化硼、石墨、氮化铝、氮化钛之一或其组合材料构成。

10.依据权利要求1所述的具有微结构的玻璃模造模仁的制作方法，其特征在于：该底材是由碳化硅、碳化钨、氧化铝、氧化锆、氮化硅、碳化钛或碳化钽构成。

11.一种玻璃模造模仁，适用于模造成形一玻璃光学组件，其特征在于：

该玻璃模造模仁包含：

一底材，具有一连结面；

一模造单元，具有一呈板块状的单晶或多晶硅基材，及一离型保护层，该硅基材包括一形成有数图像的表面，及一相反于该表面的底面，该离型保护层设置于该硅基材的形成有数图像的表面上，且不与软化状态的玻璃产生化学反应，该硅基材的该具有数图像的表面与该离型保护层构成一可对应模造成该玻璃光学组件的微结构；及

一高温陶瓷接着剂，连结该底材的连结面与该基材的底面，使该底材与该模造单元连结成一体。

12.依据权利要求11所述的玻璃模造模仁，其特征在于：该底材是由碳化硅、碳化钨、氧化铝、氧化锆、氮化硅、碳化钛或碳化钽构成。

13.依据权利要求11所述的玻璃模造模仁，其特征在于：该硅基材的厚度不小于100μm。

14.依据权利要求11所述的玻璃模造模仁，其特征在于：该离型保护层的厚度不大于1μm，且维氏硬度不小于2000度。

15.依据权利要求14所述的玻璃模造模仁，其特征在于：该离型保护层是由类钻碳或钛、钽、钨、钼、铝、铂、铼、钌、铱或铑金属及其化合物构成。

16.依据权利要求11所述的玻璃模造模仁，其特征在于：该接着剂是由氧化铝、氧化锆、氧化硅、氮化硼、石墨、氮化铝、氮化钛之一或其组合材料构成。

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