TWI393683B - 玻璃預形體及其製作方法 - Google Patents

Description

玻璃預形體及其製作方法

本發明是有關於一種玻璃模造技術，特別是有關於在玻璃預形體表面上形成保護膜者。

玻璃模造技術係利用玻璃隨溫度升高黏滯度降低之特性，將已初成形的玻璃預形體置於精密加工成形的模仁內，在適當的環境下升溫至玻璃軟化點附近，藉由模仁表面施壓使玻璃變形，轉造成對應模仁的形狀，冷卻後去除壓力、分模，取出成品即為光學元件。近年來玻璃模造技術被視為最能夠量產出高解析度、穩定性佳，且成本較低廉的非球面或自由曲面玻璃透鏡。然在玻璃模造技術中最常發生的問題就是玻璃沾粘模仁，而導致模仁使用壽命縮短，亦使得成型後的玻璃表面品質不佳，大幅影響生產成本與生產效能。

先前技術中有針對模仁進行改良者，有的技術使用含鈷之碳化鎢做為模仁材料，可具有很高的燒結密度、高溫強度以及容易加工之特性，但鈷高溫時易擴散與玻璃發生反應，而造成玻璃的霧化及沾黏。即使模仁表面施以貴金屬保護膜處理，亦無法有效阻隔鈷之擴散。先前技術之美國專利第4889548號揭露使用含玻璃相的多相(multi-phase)氧化物陶瓷做模仁材料，可具有較佳的緻密性、韌性與加工性。但前述之模仁材料皆對於內部缺陷十分敏感，易造成模仁崩裂而失效，且內部的多相(multi-phase)氧化物在高溫時接觸低軟化點玻璃時易發生共溶反應而造成玻璃沾黏。先前技術之美國專利第5026415號揭露出玻璃模造用非晶態碳-氫(a-C:H)膜的模仁，可使玻璃成品之脫模性獲得改善，但高溫時非晶態碳-氫膜會氧化，且高溫時碳易還原玻璃內不穩定的氧化物而導致與玻璃發生反應，因此亦無法長期有效的保護模仁。

另外，日本第05-254642號揭露一種玻璃模造用多層貴金屬膜之模仁，雖然高溫時化學性質穩定，避免了模仁與玻璃硝材間的直接接觸導致的化學反應，但是貴金屬膜高溫時強度不夠，長期使用下會使得模仁表面形狀精度變差且表面容易受刮傷，並且貴金屬膜層移除不易，也較不利於模仁的再生。

此外，美國專利第6784128號中揭露出一種低軟化點玻璃，可降低模造玻璃時的溫度，並壓抑模仁材料或薄膜與玻璃間的相互擴散，雖可以提高模仁使用壽命，但低軟化點的玻璃大都化學性質不穩定且太軟，因此不利於玻璃預形體之製造及清潔製程。

此外，日本專利第2-31012號中揭露出在模仁或玻璃預形體表面製作碳保護膜。日本專利第7-45329號揭露一種在玻璃預形體表面製作1~5奈米的C-H保護膜，以及日本第8-217468號中揭露出一種在玻璃預形體表面以methane為氣體，利用電漿解離方式製作厚度低於5奈米的C保護膜，但當C膜厚度大於7奈米時不利於後續的玻璃成品抗反射膜層的製作，且上述之先前技術無論以C-H化合物高溫熱分解或C-H氣體電漿分解方式製作C保護膜，因C-H分解過程中可能引入大量的H擴散至玻璃內，導致玻璃成品表面出現霧化現象，而不穩定的C在高溫時也可能與玻璃發生反應而造成與模仁的沾粘現象。

美國專利第8-217468號中提出以自組裝(self-assembly)方式，在玻璃預形體表面製作厚度低於或等於10奈米的碳保護膜，但仍無法避免自組裝過程中引入少量的氫(H)、氟(F)、氯(Cl)、硫(S)等元素的殘留於玻璃表面，進而在高溫模造時釋出而造成玻璃沾黏。再者，其厚度及均勻性都不易控制，亦大大的影響玻璃預形體成形為光學元件的品質，因此，如何能夠有效避免高溫模造時玻璃預形體或模仁之表面相互擴散而造成沾粘的問題，提高玻璃元件的精度，又能提高模仁的使用壽命，仍是業者需克服的難題。

為了解決上述先前技術不盡理想之處，本發明提供一種玻璃預形體，包含一玻璃基材與形成於玻璃基材表面的保護膜，此玻璃基材為無機玻璃材料，而保護膜之材料係由金屬氧化物或金屬氮化物所形成，且此保護膜的平均膜厚不大於20奈米、膜厚的變異度不大於該平均膜厚的2%。

因此，本發明之主要目的在於提供一種玻璃預形體，藉由在玻璃基材的表面形成一具有金屬氧化物或金屬氮化物成分之保護膜，可抑制高溫模造時玻璃預形體內不穩定的元素揮發，避免玻璃與模仁沾粘之現象。

本發明之次要目的在於提供一種玻璃預形體，藉由在玻璃基材的表面形成一具有金屬氧化物或金屬氮化物成分之保護膜，可阻隔玻璃基材與模仁或鍍膜之模仁之直接接觸，可做為高溫的擴散阻隔層，避免玻璃基材與模仁材料間的相互擴散而影響模造成型元件的精度，並延長模仁的使用壽命。

本發明之再一目的在於提供一種玻璃預形體，藉由在玻璃基材的表面形成一具有金屬氧化物或金屬氮化物成分之保護膜，可使玻璃預形體的化學性質更穩定，更易清洗，且在高溫模造時保護玻璃基材的表面使其不易刮傷。

本發明之又一目的在於提供一種玻璃預形體製作方法，在玻璃基材的表面形成一具有金屬氧化物或金屬氮化物成分之保護膜，藉由原子層沉積技術具有「自我侷限」(self-limited)特性，可精密控制保護膜的膜層厚度介於1~15奈米以及厚度的均勻性在1%以內。

本發明之再一目的在於提供一種玻璃預形體製作方法，藉由原子 層沉積技術在玻璃基材表面形成保護膜，製程溫度可控制在200℃以下，據此可在低軟化點玻璃基材上形成保護膜。

本發明之又一目的在於提供一種玻璃預形體製作方法，藉由原子層沉積技術形成保護膜，可不受限於玻璃基材的形狀以及材料的成份。

本發明之再一目的在於提供一種玻璃預形體製作方法，藉由原子層沉積技術在玻璃基材表面形成保護膜，而玻璃預形體可任意堆疊，無需設計特製之製具，相較於傳統鍍膜方式，其製作成本低且較具有量產能力。

由於本發明係揭露一種玻璃預形體表面之保護膜及其製作方法，其中所使用之玻璃模造技術以及原子層沉積方式，已為相關技術領域具有通常知識者所能明瞭，故以下文中之說明，不再作完整描述。同時，以下文中所對照之圖式，係表達與本發明特徵有關之結構示意，並未亦不需要依據實際尺寸完整繪製，盍先敘明。

請參考第1圖，係根據本發明提出之第一較佳實施例，為本發明所提出之玻璃預形體10，包含一玻璃基材11與形成於玻璃基材表面的保護膜12。玻璃基材11為無機玻璃材料，可以是氧化物系列玻璃、磷酸鹽系玻璃、硼酸鹽系玻璃、鹵素系玻璃或者是紅外線玻璃等任何一種。玻璃基材11的結構型態不拘，可以是扁平板材、弧狀板材、或是不規則的立體形狀。玻璃基材11的外廓曲線也不拘，可視所需要的光學元件形狀而設，例如直線、折線或者是弧線等皆可。

而保護膜12之材料係為金屬氧化物或金屬氮化物，藉由保護膜12可抑制高溫模造時玻璃基材11內不穩定的元素揮發，並可做為高溫的擴散阻隔層。請參考第2圖，此保護膜12可阻隔玻璃預形體10 與模仁13、13’之模穴14或鍍膜之模穴(未圖示)之直接接觸，避免玻璃預形體10與模穴14或模穴14上之鍍膜(未圖示)材料間的相互擴散，造成分模的時候玻璃預形體10與模穴14相互沾粘，進而影響成形後的光學元件之精度。由於避免了沾粘的現象，相對地也提高了模仁13、13’的使用壽命，甚至可以免除在模穴14上鍍膜以防止沾粘的製作程序。

上述保護膜12之金屬氧化物包含二元氧化物或多元氧化物，其中二元氧化物係指氧化鋁、氧化鋯、氧化鎂、氧化鈦、氧化矽、氧化鎢、氧化鉬、氧化鉭或者氧化鉻等任一種；而多元氧化物其中所包含的金屬成份則是鋁、鋯、鎂、鈦、矽、鎢、鉬、鉭或是鉻等任兩種以上不同之金屬元素。上述保護膜12之金屬氮化物包含二元氮化物或多元氮化物，其中二元氮化物係指氮化鋁、氮化鋯、氮化鈦、氮化矽、氮化鎢、氮化鉬、氮化鉭或者是氮化鉻等任一種；而多元氮化物其中所包含的金屬成份鋁、鋯、鈦、矽、鎢、鉬、鉭或是鉻等兩種以上不同之金屬元素。

此外，本發明所提出之保護膜12係以原子層沉積技術形成於玻璃基材11之表面。原子層沈積技術乃利用製程氣體(例如氮氣或惰性氣體)與前驅物質在材料表面進行化學吸附反應，因此種反應具有「自我侷限」之特性，使得每一次進氣循環的過程，能夠形成厚度僅為一層原子的薄膜。本發明運用製程參數的控制，使得保護膜12在玻璃基材11之表面形成的平均膜厚不大於20奈米，且膜厚的變異度大於平均膜厚的2%。上述的平均膜厚又以1~15奈米為較佳。在此要特別說明的是，相較以往的鍍膜技術(例如物理氣相沉積方式/PVD)，以原子層沉積技術進行鍍膜，可同時具有大面積、100%高階梯覆蓋率、極佳的膜厚均勻性、低溫製程以及不受玻璃預形體形狀的限制等優點。

本發明再提出第二較佳實施例，為一種玻璃預形體製作方法：(1)提供一玻璃基材，此玻璃基材為無機玻璃材料；(2)以原子層沉積法形成一保護膜於玻璃基材之表面，而原子層沈積技術乃利用製程氣體(例如氮氣或惰性氣體)與前驅物質在材料表面進行化學吸附反應，由於此種反應具有「自我侷限」之特性，使得每一次進氣循環的過程，能夠形成厚度僅為一層原子的薄膜。本發明運用製程參數的控制，使得保護膜在玻璃基材之表面形成的平均膜厚不大於20奈米，且膜厚的變異度大於平均膜厚的2%。上述的平均膜厚則又以1~15奈米為較佳。相較於以往的鍍膜系統(例如物理氣相沉積方式/PVD)，使用原子層沉積法進行鍍膜，可使玻璃基材表面具有100%的高階梯覆蓋率，以及極佳的膜厚均勻性，因此不受玻璃預形體結構型態限制，其型態可以是扁平板材、弧狀板材、或是不規則的立體形狀。此外，玻璃基材的外廓曲線也不受限制，可視所需要的光學元件形狀而設，例如直線、折線或者是弧線等皆能夠具有上述之良好的鍍膜效果，並且在鍍膜之後維持玻璃預形體的表面粗糙度以及其光學特性。此外，由於原子層沉積技術係使用低溫製程，因此使用玻璃基材的材質並不受限，例如氧化物系列玻璃、磷酸鹽系玻璃、硼酸鹽系玻璃、鹵素系玻璃、紅外線玻璃甚至是製作環境條件嚴苛的低軟化點玻璃均可。

上述之保護膜之金屬氧化物包含二元氧化物或多元氧化物，其中二元氧化物係指氧化鋁、氧化鋯、氧化鎂、氧化鈦、氧化矽、氧化鎢、氧化鉬、氧化鉭或者氧化鉻等任一種；而多元氧化物其中所包含的金屬成份則是鋁、鋯、鎂、鈦、矽、鎢、鉬、鉭或是鉻等任兩種以上不同之金屬元素。而保護膜之金屬氮化物包含二元氮化物或多元氮化物，其中二元氮化物係指氮化鋁、氮化鋯、氮化鈦、氮化矽、氮化鎢、氮化鉬、氮化鉭或者是氮化鉻等任一種；而多元氮化物其中所包含的 金屬成份鋁、鋯、鈦、矽、鎢、鉬、鉭或是鉻等兩種以上不同之金屬元素。藉由此保護膜可抑制高溫模造時玻璃基材內不穩定的元素揮發，並可做為高溫的擴散阻隔層，有效阻隔玻璃預形體與模具的接觸面(如模穴)直接接觸，避免玻璃預形體與模具的表面材料之間的相互擴散，造成分模的時候相互沾粘，進而影響成形後的光學元件之精度與表面粗糙度。由於避免了沾粘的現象，相對地也提高了模具的使用壽命，甚至可以免除在模具上(例如模穴)鍍膜以防止沾粘的製作程序，進而降低製作成本。

以上所述僅為本發明之較佳實施例，並非用以限定本發明之申請專利權利；同時以上的描述，對於熟知本技術領域之專門人士應可明瞭及實施，因此其他未脫離本發明所揭示之精神下所完成的等效改變或修飾，均應包含在申請專利範圍中。

10‧‧‧玻璃預形體

11‧‧‧玻璃基材

12‧‧‧保護膜

13、13’‧‧‧模仁

14‧‧‧模穴

第1圖為一示意圖，係根據本發明提出之第一較佳實施例，為一種玻璃預形體。

第2圖為一示意圖，係根據本發明提出之第一較佳實施例，為一種玻璃模造用之模仁與玻璃預形體。

10．．．玻璃預形體

11．．．玻璃基材

12．．．保護膜

13、13’．．．模仁

14．．．模穴

Claims (25)

1. 一種玻璃預形體，包含一玻璃基材與形成於該玻璃基材表面的保護膜，其特徵在於：該玻璃基材為無機玻璃材料，該保護膜之材料係選自於由金屬氧化物與金屬氮化物所構成的群組，且該保護膜的平均膜厚不大於20奈米、膜厚的變異度不大於該平均膜厚的2%。
2. 依據申請專利範圍第1項之玻璃預形體，該玻璃基材的無機玻璃材料係選自於由氧化物系列玻璃、磷酸鹽系玻璃、硼酸鹽系玻璃、鹵素系玻璃及紅外線玻璃所構成的群組。
3. 依據申請專利範圍第1項之玻璃預形體，該玻璃基材的外廓曲線可以包含有直線、折線或弧線。
4. 依據申請專利範圍第1項之玻璃預形體，該金屬氧化物包含二元氧化物。
5. 依據申請專利範圍第4項之玻璃預形體，該二元氧化物係選自於由氧化鋁、氧化鋯、氧化鎂、氧化鈦、氧化矽、氧化鎢、氧化鉬、氧化鉭及氧化鉻所構成的群組。
6. 依據申請專利範圍第1項之玻璃預形體，該金屬氧化物包含多元氧化物。
7. 依據申請專利範圍第6項之玻璃預形體，該多元氧化物包含兩種以上不同的金屬元素，各金屬元素係選自於由鋁、鋯、鎂、鈦、矽、鎢、鉬、鉭及鉻所構成的群組。
8. 依據申請專利範圍第1項之玻璃預形體，該金屬氮化物包含二元氮化物。
9. 依據申請專利範圍第8項之玻璃預形體，該二元氮化物係選自於由氮化鋁、氮化鋯、氮化鈦、氮化矽、氮化鎢、氮化鉬、氮化鉭及氮化鉻所構成的群組。
10. 依據申請專利範圍第1項之玻璃預形體，該金屬氮化物包含多元氮化物。
11. 依據申請專利範圍第10項之玻璃預形體，該多元氮化物包含兩種以上不同的金屬元素，各金屬元素係選自於由鋁、鋯、鈦、矽、鎢、鉬、鉭及鉻所構成的群組。
12. 依據申請專利範圍第1項之玻璃預形體，該保護膜的厚度為1~15奈米。
13. 依據申請專利範圍第1項之玻璃預形體，該保護膜係以原子層沉積技術形成於該玻璃基材的表面。
14. 一種玻璃預形體製作方法，包含：提供一玻璃基材，該玻璃基材為無機玻璃材料；以原子層沉積法形成一保護膜於該玻璃基材之表面，該保護膜之材料係選自於由金屬氧化物與金屬氮化物所構成的群組，且該保護膜的平均膜厚不大於20奈米、膜厚的變異度不大於該平均膜厚的2%。
15. 依據申請專利範圍第14項之玻璃預形體製作方法，該玻璃基材的無機玻璃材料係選自於由氧化物系列玻璃、磷酸鹽系玻璃、硼酸鹽系玻璃、鹵素系玻璃及紅外線玻璃所構成的群組。
16. 依據申請專利範圍第14項之玻璃預形體製作方法，該玻璃基材的外廓曲線可以包含有直線、折線或弧線。
17. 依據申請專利範圍第14項之玻璃預形體製作方法，該金屬氧化物包含二元氧化物。
18. 依據申請專利範圍第17項之玻璃預形體製作方法，該二元氧化物係選自於由氧化鋁、氧化鋯、氧化鎂、氧化鈦、氧化矽、氧化鎢、氧化鉬、氧化鉭及氧化鉻所構成的群組。
19. 依據申請專利範圍第14項之玻璃預形體製作方法，該金屬氧化物包含多元氧化物。
20. 依據申請專利範圍第19項之玻璃預形體製作方法，該多元氧化物包含 兩種以上不同的金屬元素，各金屬元素係選自於由鋁、鋯、鎂、鈦、矽、鎢、鉬、鉭及鉻所構成的群組。
21. 依據申請專利範圍第14項之玻璃預形體製作方法，該金屬氮化物包含二元氮化物。
22. 依據申請專利範圍第21項之玻璃預形體製作方法，該二元氮化物係選自於由氮化鋁、氮化鋯、氮化鈦、氮化矽、氮化鎢、氮化鉬、氮化鉭及氮化鉻所構成的群組。
23. 依據申請專利範圍第14項之玻璃預形體製作方法，該金屬氮化物包含多元氮化物。
24. 依據申請專利範圍第23項之玻璃預形體製作方法，該多元氮化物包含兩種以上不同的金屬元素，各金屬元素係選自於由鋁、鋯、鈦、矽、鎢、鉬、鉭及鉻所構成的群組。
25. 依據申請專利範圍第14項之玻璃預形體製作方法，該保護膜的厚度為1~15奈米。