CN1721346A - 模造玻璃的模仁及其制造方法 - Google Patents

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Abstract

本发明是关于一种模造玻璃的模仁及其制造方法，该模仁包括底材及离形膜，该离形膜位于该底材上，该离形膜的材料为碳化钨、碳、碳化钨与碳化合物、立方氮化硼、碳氮化硼、碳化硅、氮化硅和氧化锆等中任意一种。该模造玻璃的模仁的制造方法包括以下步骤，提供一溅镀系统，其包括真空系统、底材、靶材、磁控管、冷却系统、气体输入系统和电源供给系统，溅镀系统主要利用真空环境和电场作用使输入气体电离，靶材表面的原子被气体离子撞击而弹出，并堆积在底材表面形成薄膜，即离形膜。本发明模仁的离形膜附着性好，表面无裂纹，因此其使用寿命较长。

Description

模造玻璃的模仁及其制造方法
【技术领域】
本发明是关于一种模造玻璃的模仁及其制造方法，尤其是关于一种表面镀膜的模造玻璃的模仁及其镀膜方法。
【背景技术】
随着多媒体技术的发展，数码相机、摄影机越来越为广大消费者青睐，在人们对数码相机、摄影机追求小型化的同时，对其拍摄出物体的影像质量亦提出更高的要求，即希望拍摄物体的影像画面清晰，而物体的成像质量在很大程度上取决于数码相机内各光学组件的优劣。
非球面镜片为数码相机中不可或缺的光学组件，现有的数码相机非球面镜片是通过模造法制成。由于模造玻璃需要在高温(大约600℃)及高压(10-30KN)下进行，所以模造法制备非球面镜片需要具备严格设计生产的模仁，该模仁一般需要具备以下特点：
1.良好化学稳定性以避免与玻璃产生反应；
2.足够的硬度及机械强度以避免表面刮伤；
3.高温稳定性以避免模造过程中发生分解；
4.耐热冲击性以忍受模造过程的高温冲压；
5.具有可加工性使其易用于加工成特定的光学表面；
6.模仁要具有一定的寿命以降低成本。
模造玻璃的模仁上的膜的材料一般为类金刚石薄膜(Diamond Like Film，DLC)、贵金属镀膜或贵金属合金镀膜，贵金属镀膜如铱(Iridium，Ir)、铂(Platinum，Pt)、钌(Ruthenium，Ru)等。类金刚石薄膜(DLC)很难达到令人满意的模仁寿命，而贵金属或贵金属合金都具有很强的化学稳定性、足够的硬度及耐高温性，但是由于贵金属保护膜与底材之间附着性较差，使得模仁使用寿命大大减少，间接提高了模造玻璃的成本。另外，一般的溅镀方法使膜的表面产生拉应力，拉应力会导致膜表面出现裂纹，且这种表面有拉应力的膜附着性较差，这些都将缩短模仁的使用寿命。
有鉴于此，有必要提供一种具有较长使用寿命、膜与底材结合紧密且耐高温的模造玻璃的模仁。
【发明内容】
本发明的目的在于提供一种具有较长使用寿命、膜层与底材结合紧密且耐高温的模造玻璃的模仁。
本发明的另一目的在于提供一种制造上述模造玻璃的模仁的方法，尤指一种模仁表面的膜层的溅镀方法。
本发明模造玻璃的模仁包括底材及离形膜，其中离形膜位于该底材上，该离形膜的材料包括碳化钨、碳、碳化钨与碳化合物、立方氮化硼、碳氮化硼中的任意一种或碳化硅、氮化硅、氧化锆等绝缘材料。
该模造玻璃的模仁的制造方法包括以下步骤，提供一溅镀系统，该溅镀系统包括真空系统、底材、靶材、磁控管、冷却系统、气体输入系统和电源供给系统，溅镀系统主要利用真空环境和电场作用使输入气体电离，该离子撞击靶材表面，靶材的原子被弹出而堆积在底材表面形成薄膜，即离形膜。
相较现有技术，本发明的模造玻璃的模仁表面的离形膜不同于现有的类钻模和金属模，该离形膜硬度较大、耐磨损、韧性较好、附着性较好，表面无裂纹，因此其与底材结合紧密且耐高温，使模造玻璃的模仁具有较长使用寿命。
【附图说明】
图1是本发明模造玻璃的模仁的结构示意图；
图2是本发明模造玻璃的模仁制造系统第一实施例的示意图；
图3是本发明模造玻璃的模仁制造系统第二实施例的示意图。
【具体实施方式】
参照图1所示，本发明中的模仁包括底材11及离形膜111，其中离形膜111位于该底材11上，该底材11的材料为碳化钨(WC)，离形膜111的材料可为碳化钨(WC)、碳(C)、碳化钨与碳的混合物(WC+C)、立方氮化硼(cBN)、碳氮化硼(BCN)和其他一些绝缘材料，如碳化硅(SiC)、氮化硅(Si3N4)、氧化锆(ZrO2)等。
本发明的模造玻璃的模仁制造方法第一实施例，参照图2所示，包括以下步骤：
提供一直流偏压溅镀系统(DC Bias Sputtering System)，该系统包括真空系统10、底材11、底材支座12、靶材13、磁控管(Magnetron)14、冷却系统(图未示)、气体输入系统16和直流电源供应系统18。
真空系统10包括第一泵101和第二泵102，以及阀103、105、106和溅镀室104。溅镀室104为一封闭空腔，容纳有底材11、底材支座12、靶材13和磁控管14，其在直流电源供应系统18的作用下形成一等离子区(未标示)。第一泵101和第二泵102均与溅镀室104相通，第一泵101为机械泵，第二泵102为涡轮泵(Turbo Pump)或冷冻泵(Cryo Pump)，第一泵101与第二泵102相通，阀103、105、106分别位于第二泵102与溅镀室104、第一泵101与溅镀室104及第一泵101与第二泵102之间，用来控制气体的通断和流量。其工作时，阀105打开，第一泵101将溅镀室104内气体抽出，使其压力降低至一定程度，达到小于2×10-6托(Torr)的真空度，然后关闭阀105，并打开阀103和阀106，用第二泵102抽出溅镀室104内的气体，如此反复，从而使溅镀室104内的压力达到小于2×10-6托(Torr)的真空度。
底材11为位于溅镀室104内的下部，置于底材支座12上，其材料为陶瓷材料，如碳化钨(WC)，在其上镀上一层离形膜111后就成了模仁，因此其形状与所需模造玻璃透镜形状相对应。
底材支座12为板状，用于放置底材11。
靶材13为板状，位于溅镀室104内的上部，位于底材11上面，与底材11相对放置，其材料包括碳化钨(WC)、碳(C)、碳化钨与碳的混合物(WC+C)、立方氮化硼(cBN)和碳氮化硼(BCN)中的任意一种，靶材原子被等离子区的气体离子撞击而弹出，并沉积在底材11表面，形成离形膜111。
磁控管14置于靶材13上，由于磁控管14的作用，等离子区的离子间撞击靶材13的机率增加，因此可将溅镀速率提高2-3倍，且二次电子被磁控管14吸向靶材13，降低底材11由于溅镀撞击而导致的温度的升高。
冷却系统包括液冷管15，通过其内所装的液体对流对靶材13降温，冷却液优选水。
气体输入系统16包括四阀161及三流量控制器166。氩气(Ar)、氮气(N2)和含氢气体(如氢气(H2)、甲烷(CH4)或乙炔(C2H6))通过输气管道(图未标)输送，这三种气体的流量和开合分别由该三流量控制器166及三个阀161控制，三种气体汇合后，通入溅镀室104内，该混合气体由一阀161控制。三种气体中，氮气(N2)占2％～20％，含氢气体占5％～15％，氩气(Ar)用来得到氩(Ar)离子，氮气(N2)和含氢气体主要用来使膜层形成环境与底材相似。
直流电源供应系统18有两个直流电源分别与靶材端的磁控管(Magnetron)14和底材端的底材支座12连接。底材11为溅镀阳极，靶材13为溅镀阴极，底材支座12与电源负极相连，并保持一个负的偏压，该偏压允许变化范围为-10V～-150V，优选-40V～-100V。
该溅镀系统工作时，首先通过泵101将溅镀室104内空气抽出，然后将用来控制泵101的阀关闭，打开用来控制泵102的阀，使溅镀室104内压力达到小于2×10-6托(Torr)的真空度；打开四个阀161，将溅镀气体氩气(Ar)、氮气(N2)和氢气(H2)、甲烷(CH4)或乙炔(C2H6)通入溅镀室104，溅镀气体在低压及电场的作用下在形成离子，溅镀室104内的气体离子撞击靶材13表面，溅镀室104内的阳离子加速冲向底材11，这个冲击使靶材13的物质飞出而沉积在底材11上形成薄膜，即离形膜111。
本发明的第二实施例，参照图3所示，本发明模造玻璃的模仁制造方法的第二实施例包括以下步骤：
提供一射频偏压溅镀系统(RF Bias Sputtering System)，该系统包括真空系统10、底材11、底材支座12、靶材23、磁控管(Magnetron)24、冷却系统(图未示)、气体输入系统16、支板27和射频电源供应系统28。
真空系统10、底材11、底材支座12、冷却系统和气体输入系统16的结构和所处位置均与上述真空系统10、底材11、底材支座12、冷却系统和气体输入系统16相同。
靶材23的材料包括碳化钨(WC)，离形膜的材料包括碳化钨(WC)、碳(C)、碳化钨与碳的混合物(WC+C)、立方氮化硼(cBN)和碳氮化硼(BCN)以及其他和其他一些绝缘材料，如碳化硅(SiC)、氮化硅(Si3N4)、氧化锆(ZrO2)等。支板27的材料为铜(Cu)和铜钼合金(Cu-MO)等。靶材23位于溅镀室104内的上部，与底材11相对放置，支板27位于靶材23上，磁控管(Magnetron)24位于支板27上。
射频电源供应系统28通过与底材支座12和支板27的连接，供给稳定的射频能量给底材11和靶材23，并将70％～98％的能量供给靶材23，2％～30％的能量供给底材11，射频频率为13.56MHZ。底材11端为溅镀阳极，靶材23为溅镀阴极，底材11上保持一偏压，该偏压允许变化范围为-10V～-150V，优选-40V～-100V。
该射频偏压溅镀系统(RF Bias Sputtering System)直流偏压溅镀系统(DCBias Sputtering System)的工作原理和过程相同。
可以理解，底材11与靶材13或23在溅镀室中的位置不限于以上所述，底材11与靶材13或23的位置可以互换；磁控管14不限于磁控管，可为其他磁性体，只需其本身具磁性或在电场中具磁性即可；磁控管24不限于磁控管，可为射频二极管等；该气体输入系统16输入的气体不限于氩气(Ar)、氮气(N2)和含氢气体(如氢气(H2)、甲烷(CH4)或乙炔(C2H6))的混合气体，也可仅包括其中的一种或两种。

Claims (10)

1.一种模造玻璃的模仁，其包括底材，其特征在于：该模造玻璃的模仁还包括离形膜，该离形膜位于底材的表面，该离形膜的材料可为碳化钨(WC)、碳(C)、碳化钨与碳的混合物(WC+C)、立方氮化硼(cBN)、碳氮化硼(BCN)、碳化硅(SiC)、氮化硅(Si3N4)和氧化锆(ZrO2)中的任意一种。
2.一种模造玻璃的模仁的制造方法，其特征在于：该方法包括以下步骤：
提供一真空系统，其包括一第一泵及一溅镀室，第一泵用于抽出溅镀室内的气体；
一底材，位于溅镀室内的一端；
一靶材，其材料可为碳化钨(WC)、碳(C)、碳化钨与碳的混合物(WC+C)、立方氮化硼(cBN)和碳氮化硼(BCN)，其位于溅镀室内底材所处端的相对端；
一磁控管(Magnetron)，位于靶材上远离底材的一侧，且与靶材直接接触；
一冷却系统，用于冷却靶材；
一气体输入系统，用于将溅镀气体输入溅镀室中；
一直流电源供给系统，提供电场，并给底材提供一特定偏压；
利用第一泵得到真空的溅镀室，溅镀气体通过气体输入系统输入到溅镀室内，同时电源供给系统供电，使溅镀气体电离，气体离子撞击靶材表面，阳离子加速冲向底材，这个冲击使靶材的物质飞出而沉积在底材上形成薄膜。
3.如权利要求2所述的模造玻璃的模仁的制造方法，其特征在于：该真空系统还包括三阀和一第二泵，该第二泵用来使溅镀室内的压力为小于2×10-6托(Torr)的真空度，第一泵与第二泵相通，第一泵使第二泵能回到初始位置，三阀分别位于第一泵与溅镀室、第二泵与溅镀室及第一泵与第二泵之间。
4.如权利要求3所述的模造玻璃的模仁的制造方法，其特征在于：该方法进一步提供一底材支座，其位于底材之远离靶材的一侧，用于支撑底材，该冷却系统包括一液冷管，其内装有冷却液，冷却液对流对靶材降温。
5.如权利要求4所述的模造玻璃的模仁的制造方法，其特征在于：该溅镀气体可为氩气、氮气和氢气或甲烷或乙烷的混合气体。
6.如权利要求5所述的模造玻璃的模仁的制造方法，其特征在于：该电源供给系统包括直流电源，电源连到底材支座和磁控管上，并使底材端为溅镀阳极，靶材端为溅镀阴极，底材端与电源负极相连，保持一负的偏压，该偏压可为-10V～-150V。
7.一种模造玻璃的模仁的制造方法，其特征在于：该方法包括以下步骤：
提供一真空系统，其包括一第一泵及一溅镀室，第一泵用于抽出溅镀室内的气体；
一底材，位于溅镀室内的一端；
一靶材，其材料可为碳化钨(WC)、碳(C)、碳化钨与碳的混合物(WC+C)、立方氮化硼(cBN)、碳氮化硼(BCN)、碳化硅(SiC)、氮化硅(Si3N4)和氧化锆(ZrO2)中的任意一种，其位于溅镀室内底材所处端的相对端；
一磁控管(Magnetron)，位于靶材上远离底材的一侧；
一支板，该支板位于磁控管与靶材之间，与磁控管和靶材均接触；
一冷却系统，用于冷却靶材；
一气体输入系统，用于将溅镀气体输入溅镀室中；
一射频电源供给系统，提供电场，并给底材提供一特定偏压；
利用第一泵得到真空的溅镀室，溅镀气体通过气体输入系统输入到溅镀室内，同时电源供给系统供电，使溅镀气体电离，气体离子撞击靶材表面，阳离子加速冲向底材，这个冲击使靶材的物质飞出而沉积在底材上形成薄膜。
8.如权利要求7所述的模造玻璃的模仁的制造方法，其特征在于：该真空系统还包括三阀和一第二泵，该第二泵用来使溅镀室内的压力为小于2×10-6托(Torr)的真空度，第一泵与第二泵相通，第一泵使第二泵能回到初始位置，三阀分别位于第一泵与溅镀室、第二泵与溅镀室及第一泵与第二泵之间。
9.如权利要求8所述的模造玻璃的模仁的制造方法，其特征在于：该方法进一步提供一底材支座，其位于底材之远离靶材的一侧，用于支撑底材，该冷冻系统包括一液冷管，其内装有冷却液，冷却液对流对靶材降温，该溅镀气体可为氩气、氮气和氢气或甲烷或乙烷的混合气体。
10.如权利要求9所述的模造玻璃的模仁的制造方法，其特征在于：该电源供给系统包括射频电源，电源连到底材支座和支板上，并使底材端为溅镀阳极，靶材端为溅镀阴极，底材端电压可为-10V～-150V，该射频电源的频率为13.56MHz。
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