CN104724921A - 模具、用于生产模具的方法以及用于形成模具制品的方法 - Google Patents

模具、用于生产模具的方法以及用于形成模具制品的方法 Download PDF

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Abstract

各种实施例提供包括在模具的表面处布置的热解碳膜的模具。各种实施例涉及使用低压气相沉积(LPCVD)或者使用物理气相沉积(PVD)工艺以便形成在模具的表面处的热解碳膜。

Description

模具、用于生产模具的方法以及用于形成模具制品的方法
技术领域
各种实施例涉及模具、用于生产模具的方法、以及用于形成模具制品的方法。
背景技术
在各种情况下使用模具从模制材料生产物品。模制材料可以被压制进入并且抵靠模具以便被模具的结构成型。在玻璃压制应用中，熔融玻璃可以被强制压制进入并且抵靠处理中的玻璃模具以形成玻璃结构、制品、物品等。然而，甚至在压力之下模制材料可能也无法完全填充模具，并且可能粘附或者附着在模具上。模具可以包括抗附着层以便减轻该非期望的效果。例如，抗附着层或者抗粘附层可以应用在模具的衬底上。然而，一些抗附着层可能不合适地粘附在模具的衬底上或者可能以不令人满意的方式非均匀地覆盖衬底。此外，一些抗附着层可以只在一定范围的与压力、温度等相关的条件下有效。
因此，需要稳健的抗附着层，例如合适地覆盖模具的抗附着层。
发明内容
各种实施例提供模具，包括在模具的表面处沉积的热解碳膜。
附图说明
在附图中，相同附图标记在不同的视图中通常指相同的部分。附图不一定成比例，反而通常将着重点置于说明本发明的原理。在下文的说明中，参考下列附图，描述本发明的各种实施例，其中：
图1A-1C描绘了模具的截面视图；
图2示出了根据各种实施例的示例性的模具的截面视图；
图3示出了根据各种实施例的用于生产模具的示例性的方法；
图4A-4C描绘了根据各种实施例的示例性的模具的截面视图；
图5A-5B描绘了根据各种实施例的示例性的模具的视图；以及
图6示出了根据各种实施例的用于形成玻璃制品的示例性的方法。
具体实施方式
下文的详细描述参考附图，附图通过示例的方式示出了特定细节和实施例，其中发明可以被实施。这些实施例被足够详细地描述，使得本领域技术人员能够实施本发明。可以利用其他实施例并且在不偏离本发明的范围的情况下，可以做出结构、逻辑和电气变化。各种实施例不一定相互排斥，因为一些实施例可以与一个或者多个其他实施例组合，以形成新的实施例。描述了与方法有关的各种实施例并且描述了与设备有关的各种实施例。然而，可以理解，与方法有关的实施例可以类似地应用于设备，反之亦然。
措辞“示例性的”在本文中用于意指“用作示例、例子或者示意”。在本文中描述为“示例性”的任何实施例或者设计不一定被解释为比其他实施例或者设计优选或者有优势。
术语“至少一个”和“一个或者多个”可以理解为包括任何大于或者等于一的整数，即一、二、三、四等。
术语“多个”可以理解为包括任何大于或者等于二的整数，即二、三、四、五等。
在本文中用于描述在一侧或者表面“之上”形成特征(例如层)的措辞“之上”可以用于意指该特征(例如层)可以“直接地在”(例如直接接触)所指的侧或者表面上形成。在本文中用于描述在一侧或者表面“之上”形成特征(例如层)的措辞“之上”可以用于意指该特征(例如层)可以“间接地在”所指的侧或者表面上形成，其中一个或者多个额外的层布置在所指的侧或者表面与所形成的层之间。
术语“连接”可以包括间接“连接”和直接“连接”二者。
在本文中所描述的示例性的实施例涉及，但不限于，用于沉积热解碳膜作为模具的抗附着层的方法，包括作为抗附着层的热解碳膜的模具，以及用于使用具有作为抗附着层的热解碳膜的模具生产模具制品的方法。
热解碳膜可以以特定的结构方式生长，例如利用与衬底表面共面的碳环。原则上讲，热解碳膜可以具有纳米晶体结构。特别地，通过物理气相沉积(PVD)形成的碳膜是非晶的，并且可以退火以便形成包括芳香烃碳环的sp2杂化的团簇。
根据本文示例性的实施例，模具可以由任何合适的材料制成。在实施例中，模具至少部分可以由一个或者多个晶体材料制成。也就是说，例如，模具可以包括诸如晶体衬底(例如硅衬底)的衬底。例如，可以使用传统的或者已知的半导体制造工艺图形化模具的晶体衬底，诸如例如通过刻蚀、研磨、抛光、铣削等去除材料，和/或沉积材料。例如，湿法和/或干法刻蚀可以相对于硅衬底实施以形成硅模具结构。通常，使用半导体制造工艺(包括刻蚀方法)可以允许精确形成模具结构。
在示例性的实施例中，模具可以包括在衬底上形成或者应用于衬底的至少一个抗附着层，以便防止或者减少模制材料(例如熔融玻璃)附着或者粘附到模具。就这一点而言，与模制材料相接触的模具衬底的一个或者多个表面可以由抗附着层或者抗粘附层覆盖。
在示例性的实施例中，抗附着层可以通过诸如低压化学气相沉积(LPCVD)工艺、物理气相沉积(PVD)工艺等在模具衬底上形成。例如，可以实施LPCVD工艺以在模具衬底上形成热解碳膜。在模具结构上形成或者沉积的热解碳膜可以作为抗附着层。
在示例性的实施例中，热解碳膜可以以共形或者基本上共形的方式形成或者沉积在模具衬底上。
图1A示出了模具100或者其中的部分的截面侧视图。诸如模具100的模具，可以用于将模制材料成型为模具制品。在一示例中，模具100可以用于玻璃压制应用，其中熔融玻璃可以被压制抵靠并且进入模具100。玻璃压制工艺可以用于形成各种玻璃制品、结构、物品、元件等。在实施例中，模具100也可以与除熔融玻璃以外的其他模制材料一起使用，诸如受热/液态塑料。
根据示例性的实施例，模具100至少包括衬底110，衬底110可以由任何合适的材料制成，包括晶体材料(例如硅)、陶瓷类型材料等。在衬底110至少由半导体材料制成的情况下，衬底110可以使用已知的半导体制造技术/工艺(包括例如沉积层，通过例如刻蚀、研磨等去除层)被图形化。在实施例中，衬底110可以由被设计为承受高温、压力或者模具100在模具压制过程中可能经受的其他条件的材料制成。
诸如模具100的模具可以包括开口，诸如例如，孔洞、沟槽和腔体。如图1A所示，模具100包括开口120。模具100可以包括模具表面112，模具表面112在压制过程中可以接触模制材料，例如熔融玻璃等。表面112可以是相同的材料并且可以和衬底110整体形成，或者可以由单独形成的不同的材料或者层制成。例如，在一些实施例中，表面112可以通过用一个或者多个化学品处理图形化衬底110和/或通过在图形化衬底110上沉积一层或者多层形成。
虽然图1A中所描绘的模具100仅示出了一个开口，即开口120，但是这只是示例性的。在各种实施例中，衬底110可以变化并且可以包括一个或者多个额外的开口，例如腔体、沟槽和/或一个或者多个突出，例如隆起、山脊等和/或适合用于压制模具的任何其他元素。总之，模具100可以具有任何合适的表面拓扑。
通过压制模制材料和模具以彼此抵靠，各种开口，例如沟槽、腔体等可以部分或者完全填充模制材料。例如，图1B根据示例性的实施例示出了具有部分填充开口120的模制材料150的模具100的截面视图。为了简洁和清晰起见，省略了可以用于压制操作的各种其他的传统装置、设备等。
在实施例中，模制材料150可以是熔融玻璃、受热或者液态塑料、和/或其他合适的模制材料。
如图1B所示，模制材料150并不完全填充开口120。例如，各种因素可以阻止模制材料150令人满意地填充开口120，诸如模制材料150的类型、开口120的大小、组成模具100的材料和/或模具表面112、压制力大小等，举几个来说。例如，表面112可以具有缺陷(未示出)，包括具有非均匀表面或者具有阻止模制材料150完全进入开口120的表面粗糙度。附加地，模制材料150可能无法合适地填充开口120，因为模制材料150到表面112的粘附力或者亲合力和/或其他因素。
此外，模制材料150可以附着在表面112并且由于该附着可能在压制后无法从模具100完全移除，如图1C的实施例所示。如图1C所描绘的，模制材料150的剩余或者残余，称为151，在完成模制过程之后在模制材料150已经从模具100被去除之后残存在模具100的表面112。
图2根据示例性的实施例示出了模具200或者其中一部分的表示的截面侧视图。模具200，类似于模具100，也可以用于将模制材料成型为期望的形状和结构，并且用于玻璃压制应用。模具200也可以用于成型或者压制抵靠模制材料，诸如熔融玻璃、受热/液态塑料、和/或任何其他合适的模制材料。
根据示例性的实施例，模具200可以包括模具衬底210，模具衬底210可以由任何合适的材料制成，包括晶体材料(例如硅)、陶瓷类型材料等。在其中使用一个或者多个半导体材料的情况下，衬底210可以通过应用已知的和/或合适的半导体制造技术进行图形化，包括例如层沉积和/或层去除(例如通过刻蚀、研磨等)，以提供晶体衬底。
如图2所示，模具200包括热解碳膜215。碳膜215可以是LPCVD碳膜、PVD碳膜等。热解碳膜215可以沉积或者布置在衬底210上，例如至少在衬底210的表面212之上。模具200，如同模具100，可以包括一个或者多个开口，例如一个或者多个孔洞、沟槽、腔体和/或一个或者多个突出、隆起等。例如，在图2的实施例中，模具200包括开口220。热解碳膜215可以布置在或者覆盖开口220的一个或者多个壁，例如开口220的一个或者多个侧壁和/或底壁。
在图2中，热解碳膜215可以共形地覆盖衬底210，包括共形地覆盖开口220。也就是说，热解碳膜215可以在衬底210的表面212上形成，具有均匀和/或基本上均匀的阶梯覆盖。
在一个或者多个实施例中，粘附层可以布置在衬底210和热解碳膜215之间以加强碳膜215到衬底210的粘附。
在示例性的实施例中，沉积在图形化衬底上的热解LPCVD碳膜可以具有高的一致性，包括在开口的壁和表面上，例如孔洞、沟道、腔体和/或台阶、隆起、山脊等。例如，热解碳膜215可以共形地沉积在开口220的壁的上或者之上。根据示例性的实施例，开口220可以是沟槽并且可以例如具有高达20的纵横比。在一些实施例中，开口220(例如沟槽)可以具有约50μm到约500μm的宽度，和/或具有50μm到约500μm的深度。
根据示例性的实施例，外表面217可以是热解碳膜215的暴露的表面。外表面217可以与模制材料接触。表面217可以在模具压制过程中与模制材料接触。
根据示例性的实施例，热解碳膜215可以具有小于或者等于约1μm的厚度，例如在约200nm到500nm的范围内，或者在约500nm到约1μm的范围内。进一步地，热解碳膜215可以呈现多晶和/或纳米晶体特征，例如在LPCVD碳膜的情况下，具有在例如约3nm到约20nm，例如约5nm到10nm的范围内的晶粒尺寸。例如，示例性的热解LPCVD碳膜的生长速率可以是约0.5nm每分钟到约5nm每分钟。
根据示例性的实施例，所沉积的热解碳膜215可以具有低的氢含量。例如，当热解碳膜215是LPCVD碳膜时，其按照原子比例可以具有少于或者等于约5％的氢含量(5at％)。由于低氢含量，热解LPCVD碳膜在热应力下可以具有低的收缩性。例如，当执行高至约1200℃的温度的后续退火时，具有热解LPCVD碳膜的模具可以显示出没有结构变化或者最小的结构变化。因此，可以避免或者防止诸如压入模具的模制材料的机械夹持之类的效应。
在实施例中，热解碳膜215可以与衬底210具有相对强的粘附力。例如，在其中热解LPCVD碳膜沉积在由半导体(例如硅)制成的图形化衬底上的情况中，相关的粘附拉脱值(adhesion pull offvalue)可以是至少20MPa。附加地，热解LPCVD碳膜215可以具有低的压缩应力，例如约-250MPa。
在一些示例性的实施例中，热解碳膜215可以由硅、硼、铬、钨、钛、钽、或者其组合掺杂，以增加热解碳膜215的耐化学性，例如以实现更高的耐氧化性。
在一些示例性的实施例中，热解碳膜215可以包括卤素封端，诸如例如氟封端的表面217。这种卤素(例如氟)封端，例如，可以实现膜215(或者表面217)的疏水或者超疏水的性质，并且因此可以进一步降低模制材料附着到模具200的风险。
图3根据示例性的实施例示出了用于生产诸如模具200的模具的示例性的方法。特别地，该方法涉及生产包括热解碳膜的模具的方法。在实施例中，热解碳膜可以作为抗附着层或者抗粘附层。
根据图3，在305，提供了图形化衬底。在实施例中，可以在沉积室中提供图形化衬底。例如，沉积室可以有能力实现低压化学气相沉积(LPCVD)工艺或者步骤。在另一例子中，沉积室可以有能力实现物理气相沉积(PVD)工艺或者步骤。图形化衬底，例如，可以通过任何合适的方法置于室中。
在步骤310，热解碳膜被沉积在图形化衬底上，诸如通过低压气相化学气相沉积(LPCVD)、物理气相沉积(PVD)等。
根据示例性的实施例，可以通过低压化学气相沉积通过将包括碳前体的蒸汽引导至图形化衬底上来沉积热解LPCVD碳膜。根据示例性的实施例，碳前体可以是或者可以包括，例如，乙烷、乙炔、或者甲烷、或者任何合适的碳氢化合物，举几个例来说。
根据示例性的实施例，在LPCVD工艺中，被引导至所提供的模具衬底的蒸汽可以包括惰性气体。惰性气体可以稀释碳前体。惰性气体可以是或者可以包括，例如，氮气、氦气、或者氩气，举几个例来说。
根据示例性的实施例，在通过LPCVD工艺气相沉积期间，碳前体(例如乙烷)可以具有约200sccm到约5slm的流量，例如约750sccm到约2slm。惰性气体(例如氮气)可以具有约250sccm到约5slm的流量，例如约1slm到2.5slm。
根据示例性的实施例，在LPCVD工艺中所使用的蒸汽的沉积温度可以在约350℃到约950℃的范围内，例如，在约750℃到约900℃的范围内。
根据示例性的实施例，在LPCVD工艺中，热解碳膜可以在沉积室中在约1Torr到约100Torr的压力范围内沉积到图形化衬底上，例如在约30Torr到约60Torr的压力范围。
通常，四面体结构的非晶碳膜(ta-C)可以通过合适的物理气相沉积(PVD)类型方法沉积，例如，通过脉冲激光沉积(PLD)、过滤阴极真空电弧(FCVA)等。通过这些方法获得的ta-C可以表征为sp3-金刚石主导的并且可以仅对于低于200℃执行的沉积是非晶的。在更高的沉积温度下，sp3含量、光学带隙、电阻率、应力和密度都会随着粗糙度的增加而增加。换句话说，膜可以变成sp2-石墨主导的。
在沉积温度高于200℃时，ta-C构造状态可以从类金刚石结构改变或者转换成类石墨结构。在一示例中，通过FCVA在室温下沉积碳膜可以出产具有约2eV的Tauc带隙和约108Ωcm的电阻率的膜。然而，在约450℃实现的沉积可以出产具有约0.8eV的Tauc带隙和低至1Ωcm的电阻率的膜。此外，在更高的沉积温度下，sp2位置的团簇化会导致光学带隙和电阻率下降。沉积后对ta-C的退火也会引起类似的效应，虽然石墨化可以发生在比约1100℃更高的高温下。在高温下沉积的碳膜中的石墨团簇可以被定向为使它们的平面与膜垂直。
在示例性的实施例中，图形化衬底可以由晶体衬底形成，诸如在一个示例中为硅衬底。
根据示例性的实施例，沉积在图形化衬底上的热解碳膜可以具有少于或等于约1μm的厚度，例如在约200nm到500nm的范围内，或者在约500nm到约1μm的范围内。进一步地，所沉积的热解碳膜可以呈现多晶和/或纳米晶体特征。例如，热解LPCVD碳膜可以具有在约3nm到约20nm范围内的晶粒尺寸，例如，在约5nm到约10nm的范围内。示例性热解LPCVD碳膜的生长速率可以是约0.5nm每分钟到5nm每分钟。
根据示例性的实施例，所沉积的热解碳膜可以具有低的氢含量。例如，所沉积的热解LPCVD碳膜按照原子比例可以具有少于或者等于约5％的氢含量(5at％)。由于低氢含量，所沉积的热解碳膜在热应力下可以具有低的收缩性。当执行高至约1200℃的温度的后续退火时，具有热解碳膜的模具可以显示出没有或者最小的结构变化。因此，可以避免或者防止诸如压入模具的模制材料的机械夹持之类的效应。
在实施例中，热解碳膜可以具有对图形化衬底的相对强的粘附力。例如，在其中热解碳膜通过LPCVD工艺沉积到由诸如特别是硅的半导体材料制成的图形化衬底的情况下，相关粘附拉脱值可以是至少20MPa。附加地，热解LPCVD碳膜可以具有低的压缩应力，例如约-250MPa。
热解碳膜可以具有疏水表面和/或具有低的表面粗糙度。例如，所沉积的热解LPCVD碳膜，以算术平均与方均根之比(Ra/Rq)表示，可以具有少于或等于约1nm/1.2nm的表面粗糙度。表面粗糙度可以使用厚度约为500nm的碳膜在例如500×500nm的扫描范围内由原子力显微镜(AFM)测量确定。在一些示例性的实施例中，热解LPCVD碳膜可以由，例如硅、硼等及其组合掺杂。热解LPCVD碳膜的掺杂可以导致更高的耐化学性，例如特别是在模具压制过程中，对热应力的更高的耐氧化性。
不受理论限制，在一些实施例中，热解碳膜可以被进一步处理以包括卤素封端(例如氟封端的表面)。在一示例中，具有卤素封端的热解LPCVD碳膜可以呈现超疏水性质。换句话说，这种热解LPCVD碳膜可以具有改进的疏水性质并且与诸如熔融热玻璃之类的模制材料之间的附着力和粘附力的程度或者数量可以被减少和/或消除。例如，使用去离子水的接触角测量显示出热解LPCVD碳膜的等离子体氟封端的表面呈现约115°的接触角。相比之下，没有等离子体氟封端的热解LPCVD碳膜的表面呈现约70°的接触角。
图4A根据示例性的实施例示出了模具400或者其中的部分的表示的截面侧视图。模具400，类似于模具100，也可以用于将模制材料成型为期望的形状和结构，并且，例如可以用于玻璃压制应用。模具400也可以用于成型或者压制抵靠模制材料，诸如熔融玻璃、受热/液态塑料、和/或任何其他合适的模塑材料。
根据示例性的实施例，模具400可以基本上类似于或者等同于图2的模具200。也就是说，根据示例性的实施例，模具400可以包括模具衬底410，其可以由任何合适的材料制成，包括晶体材料(例如硅)、陶瓷类型材料等。关于晶体材料，可以通过对所提供的晶体衬底应用已知的和/或合适的半导体制造技术(包括例如层沉积，例如通过刻蚀、研磨、抛光、铣削等的层移除)形成或者图形化衬底410。
如图4A所示，模具400包括热解碳膜415。热解碳膜415可以沉积或者形成于例如至少在衬底410的表面412处。热解碳膜415可以通过任何合适的方法沉积，诸如通过低压化学气相沉积、物理气相沉积等。模具400，类似于模具200，可以包括一个或者多个开口，例如，一个或者多个孔洞、沟槽、腔体和/或一个或者多个突出，例如隆起、山脊等。例如，在图4A的实施例中，模具400包括开口420。
如图4A所示，热解碳膜415可以共形地覆盖衬底410。热解碳膜415可以在衬底410的表面412的之上和上形成，具有均匀的和/或基本上均匀的阶梯覆盖，包括在开口420处的高均匀性或者阶梯覆盖。也就是说，热解碳膜415可以共形地形成于或者沉积在开口420的壁(例如侧壁和底壁)的上或之上。根据示例性的实施例，开口420可以具有高至约20的纵横比。在一个或者多个实施例中，开口420可以具有约50μm到约500μm的宽度，和/或具有约50μm到约500μm的深度。在其他实施例中，纵横比和/或宽度和/或深度可以具有其他值。
根据示例性的实施例，外表面417可以是热解碳膜415的暴露的表面。膜415的外表面417可以与模制材料接触。例如，表面417可以在模具压制过程中与模制材料接触。
图4B根据示例性的实施例示出了模具400和模制材料450的截面侧视图。为了简洁和清晰起见，没有示出可以用于模具压制的其他装置、设备、元件等。
模具400可以压在模制材料450上，和/或反之亦然。模制材料400可以是，例如，熔融玻璃、受热或液态塑料、和/或其他合适的模制材料。在其中模制材料450是熔融玻璃的实施例中，熔融玻璃可以具有约350℃到约800℃的温度。
在一些示例性的实施例中，模制材料450可以是可固化材料。就这点而言，开口420可以填充可固化材料并且然后被固化。可以用于形成模具制品的可固化材料可以包括例如热固性材料、光固化材料等。这种可固化材料可以通过应用热或者应用辐照(例如UV辐照)进行固化。
如图4B的实施例所示，开口420现在被模制材料450完全或者基本上填充。
在示例性的实施例中，模制材料450可以从模具去除或者分离。在模制材料已经沉淀、硬化、固化、和/或冷却后，模制材料450可以从模具400去除。在从模具400去除或者分离模制材料450的过程中，没有或者可以忽略的数量的模制材料450可能保留在和/或附连在模具400上，如图4C所示。
在实施例中，模制材料450和模具400可以被压制以彼此抵靠。就这点而言，可以应用20kN或者更小的压制力。压制可以在真空或者惰性气氛类型条件下发生或者实现。
根据示例性的实施例，将模制材料和模具压制以彼此抵靠，允许模制材料沉淀、硬化、固化、和/或冷却，以及然后从模具去除模制材料的过程可以被重复很多次，或者如形成模具制品所需的次数。
根据示例性的实施例，模具，诸如在本文中所描述的包括热解碳膜的模具，可以在形状和/或结构上变化。例如，这些模具的开口(例如沟槽、腔体等)和/或突出等也可以在形状和/或尺寸上变化。例如，这些模具可以具有不同于关于模具400所描绘的开口420和/或比开口420更复杂的开口。
在一些实施例中，开口等可以不具有垂直于模具衬底的表面的壁。例如，开口、沟槽等的一个或者多个壁可以呈锥形。在这些情况下，开口、沟槽等的宽度可以在一端部(例如在衬底的表面)更大，并且在开口、沟槽等的底部更窄。在一些实施例中，开口、沟槽等的壁可以至少部分是是弯曲的。
在一些实施例中，模具可以被表征为开放的和/或自包含结构。例如，图5A示出了具有开放结构的模具500的顶视图。如图所示，模具500包括一系列开放的、不封闭或自包含的开口510。例如，开口510可以是在衬底520中的沟槽，如图所示。
在另一示例中，图5B示出了具有闭合结构的模具550的顶部截面视图。模具550具有自包含的或者封闭的开口560。开口560可以例如形成于衬底570中，如图所示。在实施例中，模具可以具有封闭的和开放的开口(例如沟槽、腔体等)的组合。如前所述，热解碳膜可以共形地形成和布置在这些模具上(例如通过LPCVD工艺、PVD工艺等)，包括在开口、腔体、沟槽、孔洞、突起、隆起等的壁上。
图6示出了用于形成模具制品的示例性的过程。在步骤605，提供模具，该模具具有至少一个开口并且具有在至少一个开口的一个或者多个壁之上形成的热解碳膜。热解碳膜可以根据本文中的实施例，例如通过LPCVD工艺、PVD工艺等形成。
模具可以包括图形化衬底，例如图形化晶体衬底。图形化晶体衬底可以使用任何合适的半导体制造工艺由半导体工件(例如晶片)形成。
热解碳膜可以作为抗附着层或者抗粘附层，并且可以以共形的或者基本上共形的方式包覆或者覆盖至少一个开口的一个或者多个壁。模具的其他表面也可以被热解碳膜覆盖。
在图6中，在提供模具之后，在610模制材料可以填充至少一个开口。根据示例性的实施例，模制材料可以压在模具上，和/或模具可以压在模制材料上，以便模制材料填充至少一个开口。在一些实施例中，可以重复压制，以便模制材料令人满意地进入并且填充至少一个开口。根据一个或者多个实施例，可以使用小于或者等于20kN的压制力。
模制材料可以是诸如熔融玻璃、受热或液态塑料等之类的材料。在615，模制材料可以从模具移除。可以在模制材料至少已经在模具中部分冷却、沉淀、固化和/或硬化之后移除模制材料。
在下文中描述一个或者多个实施例的各种方面和潜在的效果。
根据示例性的实施例，本公开涉及热解碳膜在模具结构上的沉积。热解碳膜可以通过低压化学气相沉积(LPCVD)工艺、物理气相沉积(PVD)工艺等沉积。可以通过干法或者湿法化学刻蚀方法刻蚀模具结构。碳覆盖结构可以在热玻璃压制应用中作为抗附着和保护层，因此能够实现重复的玻璃压制过程。例如，使用未覆盖的硅模具结构用于玻璃压制可以导致玻璃熔体的严重的附着。因此，需要抗附着层使能够多次地或者重复地进行玻璃压制步骤。因此，由于碳的物理和化学性质，一种用于该应用的非常有趣的膜可以是热解碳。
根据示例性的实施例，在玻璃压制情况下，热解LPCVD碳膜等可能需要承受高至约800℃的温度，其具有：(1)在结构化硅衬底上良好的粘附性，(2)高的热稳健性，特别是低收缩性和低漏气性(低氢含量)，和(3)在压制过程和从模具移除冷却的玻璃熔体的过程中，对韧性玻璃熔体的低附着行为。相对于其他膜，诸如等离子体增强化学气相沉积(PE-CVD)沉积的碳膜，热解LPCVD碳膜的优点可以包括在沟槽结构中的高均匀阶梯覆盖和膜共形性。
热解LPCVD碳膜可以用于替代其他碳膜，例如四面体结构的非晶碳膜(ta-C)。高的热耐用性的四面体结构的非晶碳膜(ta-C)存在以致呈现高达-10GPa的压缩应力的高的数值。然而，热解LPCVD碳膜可以更适合作为抗附着层，因为热解碳对于衬底可以具有更好的粘附性(ta-C在循环的应力情况下在衬底上可以具有低的粘附性)以及更好或者更快的沉积速率(ta-C可以具有低沉积速率，例如约几nm每分钟)。Ta-C膜也可以呈现低的收缩性和氢含量，并且在真空下可以承受高达1100℃的温度。然而，由于沉积机制，热解LPCVD碳膜可以比ta-C膜呈现更好的阶梯覆盖，尤其关于在沟槽或者类沟槽结构中的阶梯覆盖和共形性。因此，相比于热解LPCVD碳膜，ta-C膜可能不适合用于覆盖具有沟槽结构(例如具有开口的结构)的玻璃压制模具。
除了ta-C膜之外，抗附着层的另一可能性是基于传统的PE-CVD碳的膜。与热解LPCVD碳膜相比，PE-CVD可以具有更局限的温度稳定性。由于化学原因，基于PE-CVD碳的膜通常包含一定量的氢(通常高达约30-40at％)。与热解LPCVD碳膜相反，在PE-CVD膜中氢的更多的存在，可以限制这些种类的碳膜在玻璃压制应用中用于覆盖模具的功效。在玻璃压制过程中，可以释放来自PE-CVD膜中的氢，这接下来导致在冷却玻璃熔体过程中形成气泡。进一步地，PE-CVD碳膜，不像热解LPCVD碳膜，可以具有很强的收缩性并且产生随后的结构和形貌损坏。PE-CVD碳膜的剥落可能通过氢的释放和约≥500℃的高温所导致的物理应力发生。
一些基于PE-CVD碳的具有高的温度稳定性和低的收缩性的膜是已知的，并且可以通过添加稀释气体到碳氢化合物前体(例如N2、He、Ar等)与在高的等离子体发生功率和低的沉积压强下的强离子轰击组合在一起来沉积。这些膜可以通过后续退火步骤被稳定。然而，这些膜，不像热解LPCVD碳膜，由于他们的沉积机理，而可能是局限的并且具有高的非共形的阶梯覆盖和低的沟槽共形性。
热解LPCVD碳膜可以通过在例如氮气中稀释的碳前体(例如乙烷、乙炔、甲烷或者任何合适的碳氢化合物)在从约600℃高至950℃的温度沉积。这些碳膜可以呈现多晶特征，其中晶粒尺寸在几nm到约20nm的范围内。生长速率通常可以在约0.5高至约5nm每分钟的范围内，其中典型的膜厚度高达1μm。这些碳膜呈现非常低的氢含量(例如约5at％)并且因此在高达1000℃的温度下可以呈现低的收缩性。在随后高达1200℃的退火步骤中几乎没有结构变化(石墨膜特征)被观察到。疏水表面性质、低应力(约-250MPa压缩应力)以及对硅衬底非常好的粘附性(在所观测的地方粘附拉脱值高于约20MPa)对于这些热解碳膜是特征性的。典型的硅模具可以呈现自包含或者开放沟槽结构，其中宽度从50μm到500μm或者更大，深度从50μm到几百μm。在玻璃压制过程中，在真空或者惰性环境下，熔融玻璃可以在模具中高达20kN的力下被压制，因此碳膜不会被氧残留灰化。硼或硅掺杂可以用于增加基于碳的抗附着膜的耐化学性。
高度均匀的阶梯覆盖对于覆盖硅模具可以是期望的和/或强制性的。几何上复杂的结构可能需要均匀地覆盖并且没有缺陷。由离子和中性的几乎单向的束流所实现的沉积方法对于均匀覆盖复杂结构可能会失败。碳LPCVD膜由于沉积机制驱动的温度可能能够几何上覆盖复杂结构，并且因此可以防止任何单向的覆盖束流。
模具的具有约20的纵横比的沟槽可以通过这些热解LPCVD碳膜进行高共形性覆盖。进一步地，由于碳膜的纳米晶体特征(晶粒尺寸约为5-10nm)，这些碳膜可以具有非常低的粗糙度。他们对于玻璃熔体也可以呈现低的亲和力，这使得能够期望地并且合适地将冷却的玻璃熔体从碳覆盖的模具中释放。由于热解LPCVD碳膜在硅模具上的高质量的膜粘附性，可以进行周期性的压制过程。
在示例性的实施例中，沉积在硅模具的接触表面上的热解LPCVD碳膜可以具有约1微米或者更少(通常在200nm到500nm之间)的膜厚度且具有多晶石墨结构。热解LPCVD碳膜在深的模具结构中可以具有均匀的阶梯覆盖和高共形性。热解LPCVD碳膜对于硅衬底可以呈现良好的粘附性，在热应力下呈现低的收缩(低氢含量)以及在压制过程中呈现低的附着热熔融玻璃的倾向(玻璃温度约350-800℃，压制力高达20kN，在真空或者惰性气氛下)。这些特征可以能够通过使用同一模具重复玻璃压制过程。
基于碳的抗附着膜(例如热解LPCVD碳膜)可以由硅或者硼掺杂以达到在压制玻璃过程中更高的抗氧化性。可以实现表面的氟封端以给予膜超疏水特征，因此降低对热玻璃熔体的附着。等离子体氟封端的热解表面的接触角测量示出了与去离子水约115度的接触角(作为对比，没有封端的碳表面呈现约70度的接触角)。
热解LPCVD碳膜比其他类型碳膜(诸如PE-CVD碳膜)可以具有更高共形阶梯覆盖和在沟槽结构中高的均匀性的优点。热解LPCVD碳膜显示出低的收缩性，并且因此通过接触热玻璃熔体可能不会受到结构损伤，相比于PE-CVD碳膜，其可以显示出高的收缩性和与热玻璃熔体接触时的结构损伤(膜脱层和气泡在压制玻璃中发生)。
根据示例性的实施例，具有热解碳膜的模具可以用于微机电系统(MEMS)应用。例如，具有热解碳膜的模具可以用于生产用于MEMS器件的一个或者多个组件，包括玻璃组件。在各种MEMS结构中，玻璃可以作为主要的综合的部分。就这点而言，用于MEMS器件的玻璃组件或者部分可能需要被结构化以便形成，例如腔体、孔洞等。这可以通过诸如例如湿法化学腐蚀、抛光、研磨等的方法完成。然而，使用具有热解碳膜的模具的玻璃热压印可以提供对玻璃进行结构化的方法，该玻璃可以连续地作为MEMS器件或者结构的部分。例如，(例如具有负形状的)模具可以被上文所描述的具有抗附着行为的热解碳膜层进行覆盖。就这点而言，模具的负形状可以通过玻璃热压印被转移以在玻璃上形成相应的正形状。覆盖的模具可以在合适的时候重复使用。
根据示例性的实施例，具有热解碳膜的模具可以用于熔炉相关的应用。
根据示例性的实施例，具有热解碳膜的模具可以用于光学玻璃应用。
一个或者多个示例性的实施例涉及包括布置在模具的表面处的热解碳膜的模具。
根据示例性的实施例，模具包括图形化衬底，其中热解碳膜布置在图形化衬底上。
根据示例性的实施例，图形化衬底包括至少一个开口，并且热解碳膜布置在至少一个开口的一个或者多个壁之上。
根据示例性的实施例，热解碳膜共形地覆盖在至少一个开口的一个或者多个壁上。
根据示例性的实施例，至少一个开口具有大于或者等于20的纵横比。
根据示例性的实施例，至少一个开口具有大于或者等于约50μm的深度。
根据示例性的实施例，至少一个开口具有约50μm到约100μm的深度。
根据示例性的实施例，至少一个开口包括至少一个沟槽。
根据示例性的实施例，至少一个开口具有约50μm到约500μm的宽度。
根据示例性的实施例，热解碳膜具有小于或者等于约1μm的厚度。
根据示例性的实施例，热解碳膜具有约200nm到约500nm的厚度。
根据示例性的实施例，热解碳膜包括按照原子比例约5％的氢含量。
根据示例性的实施例，热解碳膜由从下列组中选出的掺杂物掺杂：硅、硼、铬、钨、钛、钽及其组合。
根据示例性的实施例，图形化衬底包括晶体材料。
根据示例性的实施例，热解碳膜包括卤族封端。
根据示例性的实施例，热解碳膜包括物理气相沉积(PVD)碳膜。
根据示例性的实施例，热解碳膜包括低压化学气相沉积(LPCVD)碳膜。
一个或者多个示例性的实施例涉及用于生产模具的方法，该方法包括：提供图形化衬底；和在图形化衬底上沉积热解碳膜。
根据示例性的实施例，沉积热解碳膜包括通过低压化学气相沉积(LPCVD)沉积热解碳膜。
根据示例性的实施例，沉积热解碳膜包括将包括碳前体的蒸汽引导至图形化衬底上。
根据示例性的实施例，碳前体包括碳氢化合物，诸如乙烷、乙炔或甲烷等。
根据示例性的实施例，蒸汽进一步包括惰性气体。在实施例中，惰性气体稀释碳前体。
根据示例性的实施例，惰性气体包括从包括氮气、氦气和氩气的组中选出的气体。
根据示例性的实施例，蒸汽具有约350℃到约950℃的沉积温度。
根据示例性的实施例，蒸汽具有约750℃到约900℃的沉积温度。
根据示例性的实施例，热解碳膜在沉积室中在约1Torr到约100Torr的压力下沉积在模具上。
根据示例性的实施例，热解碳膜在沉积室中在约30Torr到约60Torr的压力下沉积到模具上。
根据示例性的实施例，图形化衬底是图形化晶体衬底。
根据示例性的实施例，图形化衬底包括至少一个开口。
根据示例性的实施例，沉积热解碳膜包括通过物理气相沉积(PVD)沉积热解碳膜。
根据示例性的实施例，用于生产模具的方法可以进一步包括对至少热解碳膜退火。
一个或者多个示例性的实施例涉及用于形成模具制品的方法，该方法包括：提供模具，该模具具有至少一个开口并且具有在至少一个开口的一个或者多个壁之上形成的热解碳膜；用模制材料填充至少一个开口；以及从模具移除模制材料。
根据示例性的实施例，模制材料完全填充至少一个开口。
根据示例性的实施例，用模制材料填充至少一个开口包括将模制材料压在模具上和/或将模具压在模制材料上。
根据示例性的实施例，模制材料由小于或者等于20kN的力压制。
根据示例性的实施例，模制材料是熔融玻璃。
根据示例性的实施例，熔融玻璃具有约350℃到约800℃的温度。
根据示例性的实施例，热解碳膜具有小于或者等于约1μm的厚度。
根据示例性的实施例，热解碳膜具有约200nm到约500nm的厚度。
根据示例性的实施例，热解碳膜包括按照原子数比例约5％的氢含量。
根据示例性的实施例，至少一个开口具有大于或者等于20的纵横比。
根据示例性的实施例，至少一个开口具有大于或者等于50μm的深度。
根据示例性的实施例，至少一个开口具有约50μm到约100μm的深度。
根据示例性的实施例，至少一个开口具有约50μm到约500μm的宽度。
根据示例性的实施例，模具包括图形化的硅衬底。
根据示例性的实施例，用模制材料填充至少一个开口包括用可固化材料填充至少一个开口并且然后固化可固化材料。
根据示例性的实施例，可固化材料包括以下至少之一：热固性材料，和光可固化材料。
根据示例性的实施例，热解碳膜是低压化学气相沉积(LPCVD)碳膜。
根据示例性的实施例，热解碳膜是物理气相沉积(PVD)碳膜。
一个或者多个示例性的实施例涉及用于生产模具的方法，该方法包括：提供图形化衬底；通过物理气相沉积(PVD)在图形化衬底上沉积热解碳膜；以及对至少热解碳膜进行退火。
根据示例性的实施例，在退火之后，热解碳膜具有多晶结构。
虽然已经参考特定实施例，具体地示出和描述了本公开的各种方面，但是本领域的技术人员应当理解，在不偏离本公开的由所附的权利要求限定的精神和范围的前提下，可以做出各种形式上和细节上的变化。因此，本公开的范围由所附的权利要求指明，并且因此在权利要求的等价物的意义和范围内的所有变化意在被包含。

Claims (27)

1.一种模具，包括布置在所述模具的表面处的热解碳膜。
2.根据权利要求1所述的模具，进一步包括图形化衬底，其中所述热解碳膜布置在所述图形化衬底之上。
3.根据权利要求2所述的模具，其中所述图形化衬底包括至少一个开口，并且其中所述热解碳膜布置在所述至少一个开口的一个或者多个壁之上。
4.根据权利要求3所述的模具，其中所述热解碳膜共形地覆盖所述至少一个开口的所述一个或者多个壁。
5.根据权利要求3所述的模具，其中所述至少一个开口具有大于或者等于20的纵横比。
6.根据权利要求1所述的模具，其中所述热解碳膜具有小于或者等于约1μm的厚度。
7.根据权利要求1所述的模具，其中所述热解碳膜由从下列组中选出的掺杂物掺杂：硅、硼、铬、钨、钛、钽及其组合。
8.根据权利要求2所述的模具，其中所述图形化衬底包括晶体材料。
9.根据权利要求1所述的方法，其中所述热解碳膜的表面包括卤素封端。
10.根据权利要求1所述的方法，其中所述热解碳膜包括低压化学气相沉积(LPCVD)碳膜。
11.根据权利要求1所述的方法，其中所述热解碳膜包括物理气相沉积(PVD)碳膜。
12.一种用于生产模具的方法，所述方法包括：
提供图形化衬底；以及
在所述图形化衬底上沉积热解碳膜。
13.根据权利要求12所述的方法，其中沉积所述热解碳膜包括通过低压化学气相沉积(LPCVD)沉积所述热解碳膜。
14.根据权利要求13所述的方法，其中沉积所述热解碳膜包括将包括碳前体的蒸汽引导至所述图形化衬底上。
15.根据权利要求14所述的方法，其中所述碳前体包括碳氢化合物。
16.根据权利要求14所述的方法，其中所述蒸汽进一步包括惰性气体。
17.根据权利要求14所述的方法，其中所述蒸汽具有约350℃到约950℃的温度。
18.根据权利要求13所述的方法，其中所述热解碳膜在沉积室中在约1Torr到约100Torr的压力下沉积在所述模具上。
19.根据权利要求12所述的方法，其中沉积所述热解碳膜包括通过物理气相沉积(PVD)沉积所述热解碳膜。
20.根据权利要求19所述的方法，进一步包括对至少所述热解碳膜进行退火。
21.一种用于形成模具制品的方法，所述方法包括：
提供模具，所述模具具有至少一个开口并且具有至少在所述至少一个开口的一个或者多个壁之上形成的热解碳膜；
用模制材料填充所述至少一个开口；以及
从所述模具移除所述模制材料。
22.根据权利要求21所述的方法，其中用所述模制材料填充所述至少一个开口包括将所述模制材料压在所述模具上和将所述模具压在所述模制材料上中的至少一项。
23.根据权利要求21所述的方法，其中所述模制材料是熔融玻璃。
24.根据权利要求21所述的方法，其中所述热解碳膜具有小于或者等于约1μm的厚度。
25.根据权利要求21所述的方法，其中用所述模制材料填充所述至少一个开口包括用可固化材料填充所述至少一个开口并且然后固化所述可固化材料。
26.根据权利要求21所述的方法，其中所述热解碳膜包括低压化学气相沉积(LPCVD)碳膜。
27.根据权利要求21所述的方法，其中所述热解碳膜包括物理气相沉积(PVD)碳膜。
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