CN1371783A - 制作微型刀具与立体微结构的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种制作微型刀具与立体微结构的方法,利用一微型刀具在被加工材料表面切削,加工出与微型刀具的切削部位具有相反的截面形状;微型刀具的制作是通过在平面基板上涂附光阻剂,将光阻剂微影形成与微型刀具具有相应形状的铸模,使用铸模电铸成形微型刀具,再将微型刀具以与被加工材料表面垂直的方式安装,于被加工材料表面切削出微型立体结构。它可大幅提高立体微结构的生产速度,降低其生产的成本。

Description

制作微型刀具与立体微结构的方法

本发明涉及一种制作微型刀具与立体微结构的方法，特别是指一种利用微型刀具采用刨削或铣削方式在平面状被加工物上成形出微型立体结构的制作微型刀具与立体微结构的方法。

在光纤通讯、光电显示领域中，常常必须要以机械加工或者是以化学蚀刻方式制作微型机械装置，该微型机械装置通常于表面具有立体的三维(3D)微结构，例如：液晶显示器的背光模组、前光模组(fresnel lens)、光栅(blazedgrating)、光栅型DWDM上的V型沟槽(V-groove)、U型沟槽(U-groove)等平面上的3D微结构。

通常用以加工该类型的3D微结构的方法，不外乎传统的机械加工及化学蚀刻等二种方法。其中，使用机械加工的，其主要是使用切削刀具在被加工物的表面上切削出所需要的立体微结构的形状，在使用机械加工时，该种微结构的尺寸与形状的精度是完全取决于刀具及加工机械的精度，然而一般机械加工其精度通常只能够达到百分之一厘米的精度，而较为精密的机械充其量也只能够达到千分之一厘米的精度，因此用机械加工方法所制造出来的立体微结构，其精度无法符合现今光纤通讯与光电显示产品所要求的精度。而且，传统机械加工方法使用的成型刀具也必须用机械研磨的方式制造出来，如图9所示，在成型刀具1的尖端1A及凹角1B的部份，因为受限于研磨刀具工具的限制，通常都会留有部份的圆角，使得该尖端1A与凹角1B的部位无法成为完全的尖锐形状，会形成弧形，因此使得成型刀具1所加工出来的立体微结构在尖角或是凹槽的内转角位置也无法达到绝对的尖锐形状，会留有部份的弧形，影响到了立体微结构的尺寸精确性，同时立体微结构的数目极多形状亦多样化，如前导光板的V型沟槽可达数千至数万条，而背光模组导光板的微结构有半球形、金字塔形，使得成型刀具的制作更加困难。

另外，用化学蚀刻方法所制作的立体微结构，是于被加工物的表面以光阻微显影的方式先显影出立体微结构的一部份形状，然后以化学药剂蚀刻将该被加工物再一次地微影出另外一道沟槽的光阻图案，然后再蚀刻出另外一道沟槽的形状，如此反覆地在被加工物的表面重复进行微显影及蚀刻的工序，才能够在被加工物的表面制作出立体的微结构。例如图10至图15所示，要使用蚀刻方法制作出一个类似fresnel lens之类的复杂微结构形状时，必须要先在被加工物2的表面涂上光阻剂3，然后微影出一道沟槽的光阻图案4(如图11所示)，然后如图12所示地以化学药剂蚀刻出一个沟槽5，然后再如图13所示地重复再于被加工物2的表面涂上光阻剂3，再如图14所示地于沟槽5的旁边蚀刻出另外一道深度不同的沟槽5A，如此经过多次的蚀刻程序，在被加工物2的表面制作出多道不同深度的沟槽，如此方可通过该若干沟槽组合出一个立体的微结构，而形成一个如图15所示的fresnel lens的构造。

然而因为化学蚀刻方法在制作某些形状较为复杂的立体微结构时，由于立体微结构通常其形状相当复杂，因此，必须要经多次的微显影及蚀刻的程序方能够成形，因此使得以化学蚀刻方式制作出来的微结构的生产速度相当缓慢，使其不能适合于大批量生产，且使其制造成本相当昂贵，蚀刻的表面为阶梯状，无法制作连续的斜面或曲面。由于以上的原因，使得现有的用以制作立体微结构的技术手段在使用上存在相当大的缺点。

本发明的主要目的在于提供一种微型刀具的制作方法，它可增加微型刀具形状的多样化，提高微型刀具的尺寸精度，从而克服传统机械加工方法制作微型刀具的缺点。

本发明的另一目的在于提供一种制作微型刀具与立体微结构的方法，它可以用机械加工方法快速大批量生产立体微结构，提高生产速度，降低生产成本。

本发明的目的是这样实现的：一种制作立体微结构的方法，包括下列步骤：

a.以微影方法制作一用以成形立体微结构的成型刀具的光刻模；

b.以电铸方法于该光刻模中成形一微型刀具；

c.将该微型刀具安装在一加工机床上，并利用该微型刀具对一被加工物进行切削，于该被加工物表面成形一与该微型刀具具有相对应形状的立体微结构。

该微型刀具以线性切削方式在该被加工物上进行切削。

该微型刀具以旋转方式在该被加工物上进行切削。

该微型刀具的材料是选择高硬度材料。

高硬度材料为镍或镍铁合金或镍钴合金或镍钨合金或镍与碳化矽合成材料。

一种用以制作立体微结构的微型刀具的方法，微型刀具具有与前述立体微结构相对应的切削刃口形状，该微型刀具通过在一平面基板上以微影方式制作一与该微型刀具具有相同形状的光刻模，然后以电铸方式于该光刻模中成形该微型刀具。

该微型刀具的材料是选择高硬度材料。

高硬度材料为镍或镍铁合金或镍钴合金或镍钨合金或镍与碳化矽合成材料。

该微型刀具以线性切削方式于该被加工物上进行切削。

该微型刀具以旋转方式于该被加工物上进行切削。

本发明的上述技术手段，与现有的机械加工方式所制作的立体微结构相比，由于其使用的微型刀具30是用微影光刻模及电铸的技术手段制造而成，使得该微型刀具30具有极佳的尺寸与形状精度，而且由于该微型刀具并非使用机械加工方式制造而成，因此其不会受限于机械加工方式必然会在刀具的尖角与内转角的位置留下圆弧形状的缺点，所以使得以本发明所制作出来的微型刀具可以加工出具有尖锐尖角或是尖锐内转角的形状的立体微结构。

再有，本发明与现有的以化学蚀刻方法制造立体微结构的技术相比，由于其是使用微型刀具30进行立体微结构的加工，而该微型刀具30可以在同一道切削程序中，加工出立体微结构的全部形状，因此能够避免现有的化学蚀刻方法必须多次重复地曝光与蚀刻的程序方能够做出立体微结构的形状的缺点，且其还能够以机械加工方式快速而方便地进行连续的重复性生产工作，因此使得本发明的方法可以大幅地提高立体微结构的生产速度，并降低其生产的成本。

本发明为实现上述及其它目的，其所采用的技术手段、元件及其功效，兹采用一较佳实施例配合相关图式详细说明如下。

图1至图5为本发明使用的微型刀具的制作流程及制作方法的示意图。

图6为本发明使用的微型刀具的立体图。

图7为利用本发明的微型刀具以线性(fly cutting)进行切削的实施例的立体图。

图8为利用本发明的微型刀具以旋转路径进行切削的实施例的立体图。

图9为现有用以制作立体微结构的刀具刀口形状示意图。

图10至图15为现有的以光学蚀刻方法制作立体微结构的方法的制作流程示意图。

本发明的方法，主要是用光刻铸模(LIGA technology)的技术，以电铸方式制作出一微型刀具，然后将该微型刀具垂直于被加工物的表面，然后用线性切割(fly cutting)或是铣削的方式在被加工物的表面成形出一个立体微结构。由于该微型刀具是用光刻模方式制作形成，因此其形状及尺寸是完全取决于光阻微影的精度，因此使得该微型刀具具有相当高的尺寸与形状的精确度，且使其所加工出来的微结构的尺寸与形状的精度提高。

本发明的制造流程如图1至图5所示，其主要是先用光刻模方式制作一微型刀具，如图1所示，先在一平面基板(Substratr)10上涂上一晶种层11(seed layer)，然后再于晶种层的表面涂上光阻剂(photoresist formation)20，然后如图2所，用微影(lithography)的方式在光阻剂20上显影，使得光阻剂20形成一光阻图案，构成一个可用以成形前述微型刀具的光刻模21。如图3所示，该光刻模21的形状与微型刀具的平面形状相同，而且其形状是取决于使用的光罩(mask)的形状，所以使得本发明可以做出形状相当复杂的微型刀具，且使得刀具的尺寸与形状的精度完全取决于光罩的形状与尺寸的精度。

如图4所示，当光阻图案形成后，可利用电铸(electroplating)方法在该光刻模21内成形一微型刀具30，电铸材料可选择镍(Ni)、镍铁合金(NiFe)、镍钴合金(NiCo)、镍钨合金(NiW)及镍与碳化矽(SiC)的混合材料，其选择的条件是其物理特性可以通过电铸方法成形，且必须具有相当的硬度，以便于作为切削材料。如图5所示，当电铸完成后，将该微型刀具30从电铸模上取下，如图6所示，该微型刀具30的形状与前述光阻图案21的形状相同，而且该微型刀具30的尺寸与形状的精密度是与光阻图案完全相同的。

如图6所示，该微型刀具30具有一个与前述立体微结构具有相对应几何形状的刃口31，因此在使用该微型刀具30对被加工物进行切削加工时，可以将该刃口31在相互垂直的方向与该被加工物的表面接触，而由该刃口31在被加工物表面成形一立体微结构。

如图7及图8所示，当微型刀具30制作完成后，可以将其安装在切削机床上，然后再将该微型刀具30在被加工物40上切削出一立体微结构41。如图7所示的实施例，是将微型刀具30旋转一角度后，安装在一机床刀座50上，然后用线性切削(fly cutting)方式在被加工物40上切削出立体微结构。而如图8所示实施例，则是将微型刀具30架设于刀座50上，然后将刀具以旋转方式切割出一同心圆状的立体微结构42。

综上所述，本发明的技术手段可以同时具有化学蚀刻制造立体微结构的尺寸与形状精度的优点，又同时可以具有机械加工方法的快速且成本低廉的优点，因此其确实具有明显的功效上的增进，而确实符合发明专利的条件。

Claims (10)

1.一种制作立体微结构的方法，其特征在于，包括下列步骤：

a.以微影方法制作一用以成形立体微结构的成型刀具的光刻模；

b.以电铸方法于该光刻模中成形一微型刀具；

c.将该微型刀具安装在一加工机床上，并利用该微型刀具对一被加工物进行切削，于该被加工物表面成形一与该微型刀具具有相对应形状的立体微结构。

2.如权利要求1所述的制作立体微结构的方法，其特征在于：该微型刀具以线性切削方式在该被加工物上进行切削。

3.如权利要求1所述的制作立体微结构的方法，其特征在于：该微型刀具以旋转方式在该被加工物上进行切削。

4.如权利要求1所述的制作立体微结构的方法，其特征在于：该微型刀具的材料是选择高硬度材料。

5.如权利要求4所述的制作立体微结构的方法，其特征在于：高硬度材料为镍或镍铁合金或镍钴合金或镍钨合金或镍与碳化矽合成材料。

6.一种用以制作立体微结构的微型刀具的方法，微型刀具具有与前述立体微结构相对应的切削刃口形状，其特征在于：该微型刀具通过在一平面基板上以微影方式制作一与该微型刀具具有相同形状的光刻模，然后以电铸方式于该光刻模中成形该微型刀具。

7.如权利要求6所述的用以制作立体微结构的微型刀具的方法，其特征在于：该微型刀具的材料是选择高硬度材料。

8.如权利要求7所述的用以制作立体微结构的微型刀具的方法，其特征在于：高硬度材料为镍或镍铁合金或镍钴合金或镍钨合金或镍与碳化矽合成材料。

9.如权利要求6所述的用以制作立体微结构的微型刀具的方法，其特征在于：该微型刀具以线性切削方式于该被加工物上进行切削。

10.如权利要求6所述的用以制作立体微结构的微型刀具的方法，其特征在于：该微型刀具以旋转方式于该被加工物上进行切削。

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