专利名称：玻璃模造用的模仁的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种模仁(molding core)，特别是指一种玻璃模造用的模仁。
背景技术：
参阅图1，一般应用在玻璃模造的模仁包含一基材11，及一形成于该基材11上的保护膜(protective film)12。该保护膜12具有一远离该基材11的成形面121。于一高温的模造环境下压制与该成形面121接触的玻璃素材13，以在该玻璃素材上成型一与该成形面121形状互补的光学功能面131。
由于形成于玻璃模造用的模仁的基材上的保护膜，必须是不易与基材起反应，且是由具备有良好的化学稳定性(chemical stability)的组成物所制成。因此，早期形成于基材上的保护膜是由类钻碳(Diamond-Like Carbon；简称DLC)膜所制成。虽然，DLC具有良好的分模性(release efficiency)，但是在经过长时间且高温使用后，将造成DLC与基材之间的附着性(adhesion)下降，而使得DLC由该基材表面剥落。
因此，由前所述，日本第9-227150号专利揭露一种制造具有保护膜的玻璃模造用的模仁的方法。
该方法包含下列步骤(1)第一步骤，在一玻璃模造用的模仁的基材上形成一以碳为主且厚度介于50nm至1000nm之间的保护膜；(2)于该步骤(1)所述的保护膜注入氮(nitrogen)离子；及(3)在一含有氮气体氛围(atmosphere)的环境下对该步骤(2)所述的保护膜施予一热处理(heat-treating)，以在该保护膜内构成碳及氮的键结。
其中，该步骤(1)中所使用的基材是由碳化硅(silicon carbide；简称SiC)、氮化硅(silicon nitride；简称Si3N4)或碳化钨(tungsten carbide；简称WC)等材料所制成，而形成于该基材上的DLC则是利用磁控溅镀(magnetron sputtering)法或电浆辅助化学气相沉积(plasma-enhanced chemical vapor deposition；简称PECVD)法所制成。此外，该保护膜内含有碳及氮的键结，则是由利用对该保护膜施予一氮离子布植(ion implantation)后，并进一步地对该保护膜施予热处理所制成。
虽然该保护膜内具有碳及氮的键结，可改善该保护膜于高温模造过程中与玻璃素材之间化学反应的问题，并减少该保护膜自该基材剥离的现象。但，由于该基材与保护膜之间的同质性(coherence)不足，导致该模仁在经过长时间且高温使用后，仍旧避免不了该保护膜自该基材剥离等问题。
上面所提及的制造具有保护膜的玻璃模造用的模仁的方法，虽然可在高温模造环境下使用，但由于该保护膜及基材两种材料间的同质性低，使得该保护膜及基材两者间仍具有附着性不佳的缺点，因此如何提升该保护膜及基材之间的附着性，以增加模仁的使用寿命，是当前开发玻璃模造用的模仁相关业者需发展的目标。
发明内容
为改善两种材质(保护膜及基材)之间的同质型，主要是借由采用组成物的浓度梯度(concentration gradient)渐进式地变化(vary gradually)的方式，以增加上方材料及下方材料之间的同质性。
此外，由于DLC材料是由部分的sp2键结及部分的sp3键结所构成。因此，含有少量的sp3键结的DLC材料，将导致DLC材料内因只具有部分的共价键结(covalencebonding)结构，而造成强度不足及高温化稳性差等问题。然而，为提高DLC材料的高温化稳性及强度，主要因素则是取决于增加DLC材料内的共价键结或至少增加DLC材料内的离子键结(ionic bonding)。
因此，本发明除了借由在基材及DLC之间形成一浓度梯度具有渐进式地变化的组成物，以提高DLC及基材两种材质间的同质性，并同时借由增加该组成物内部共价键结或离子键结的机率，以改善该组成物的高温化稳性。
本发明的目的在于提供一种玻璃模造用的模仁。
于是，本发明玻璃模造用的模仁，包含一基材、一形成于该基材上的中间膜(intermediate film)，及一形成于该中间膜上且具有一远离该基材并用于模造的塑形面的保护膜。
该中间膜包含一含有碳、氮，及至少一元素M的物质。该元素M是选自于下列所构成的群组硅(Si)、钛(Ti)、铝(Al)、钨(W)、钽(Ta)、铬(Cr)、锆(Zr)、钒(V)、铌(Nb)、铪(HF)，及硼(B)。
本发明的功效在于增加该保护膜及该基材之间的附着性，并改善该模仁整体的高温化稳性，以提升该模仁的使用寿命。
本发明玻璃模造用的模仁，包含一基材、一形成于该基材上的中间膜，及一形成于该中间膜上且具有一远离该基材并用于模造的塑形面的保护膜。
适用于本发明的该基材是由一选自于下列所构成群组的化合物所制成碳化钨、碳化硅，及氮化硅。在一具体实施例中，该基材是由碳化钨化合物所制成。
该中间膜包含一含有碳、氮，及至少一元素M的物质。适用于本发明的该元素M是选自于，但不限于由下列所构成的群组硅、钛、铝、钨、钽、铬、锆、钒、铌、铪，及硼。在一具体例中，该元素M是硅。
于本发明中，该中间膜具有一连接于该基材的第一侧及一连接于该保护膜的第二侧。较佳地，该元素M的含量由该第一侧向该第二侧递减。更佳地，该中间膜的第一侧不含有碳及氮，第二侧不含有该元素M。
较佳地，该中间膜由该第一侧往该第二侧依序具有一以该元素M为主的一非晶质层(amorphous layer)、一以碳及该元素M为主的第一混合物层、一以碳、氮及该元素M为主的第二混合物层，及一以碳及氮为主的非晶碳层。
在一具体例中，该非晶质层是一非晶硅层。该第一混合物层是一碳硅复合物层(composite layer)。该碳硅复合物层具有一非晶质碳硅化合物基质(matrix)及复数埋于该非晶质碳硅化合物基质的碳化硅(SiC)纳米晶粒(nano-crystal grain)。该第二混合物层是一碳氮硅复合物层，该碳氮硅复合物层具有一含有碳、氮和硅的非晶质混合物基质、复数埋于该非晶质混合物基质的碳化硅(SiC)纳米晶粒、复数埋于该非晶质混合物基质的氮化硅(Si3N4)纳米晶粒，及复数埋于该非晶质混合物基质的含碳的氮化物(nitride)纳米粒子(nano-particle)。该非晶碳层具有一非晶质碳基质及复数埋于该非晶质碳基质的含碳的氮化物纳米粒子。
较佳地，该保护膜是一以碳、氮及氢为主的类钻碳层。该类钻碳层具有一类钻碳基质及复数埋于该类钻碳基质的含碳的氮化物纳米粒子。
较佳地，该保护膜的厚度是介于50nm至500nm之间。在一具体实施例中，该保护膜的厚度为100nm。
本发明的该含有碳、氮，及至少一元素M的物质，是一碳源(carbon source)、一氮源(nitrogen source)、一氢源(hydrogen source)及一键结促进源(bonding acceleratingsource)的一裂解反应产物。
适用于本发明的该碳源是一含C1至C6的碳氢化合物的气体或一含碳的固态物质。较佳地，该碳源是一含C1至C6的碳氢化合物的气体，例如可为甲烷(CH4)、乙炔(C2H2)和乙烯(C2H4)等。在一具体实施例中，该碳源是乙炔。
该氮源是一含氮的气体分子或一含氮的固态物质。较佳地，该氮源是一含氮的气体分子。在一具体实施例中，该氮源是氮气。
该氢源是一含氢的气体，例如可为氢气(H2)、硅烷(SiH4)。较佳地，该氢源是一含C1至C6的碳氢化合物的气体，例如可为甲烷(CH4)、乙炔(C2H2)和乙烯(C2H4)等。其中，该氢源和该碳源是可为同一化合物。在一具体实施例中，该氢源是乙炔。
该键结促进源含有至少一选自于下列所构成的群组中的元素硅、钛、铝、钨、钽、铬、锆、钒、铌、铪，以及硼。较佳地，该键结促进源是一含硅的固态物质或一含硅的气体分子，例如可为硅靶材(target)、氮化硅(Si3N4)靶材和硅烷(SiH4)等。在一具体实施例中，该键结促进源是一硅靶材。
下面结合附图及实施例对本发明进行详细说明图1是一侧视示意图，说明一种传统玻璃模造用的模仁。
图2是一侧视示意图，说明本发明玻璃模造用的模仁的一具体实施例。
具体实施例方式
实施例参阅图2，本发明的玻璃模造用的模仁的一具体实施例，包含一碳化钨基材2、一形成于该基材2上的中间膜3，及一形成于该中间膜3上的保护膜4。
该中间膜3由该基材2向该保护膜4的方向依序具有一非晶质层31、一第一混合物层32、一第二混合物层33，及一非晶碳层34。该非晶质层31具有一连接于该基材2的第一侧311，且该非晶碳层34具有一连接于该保护膜4的第二侧341。
该非晶质层31是一以溅镀(sputtering)方式制成的10nm厚的非晶硅层(amorphousSi layer)。其制备方法为，在350℃和5×10-4Pa的背景压力(base pressure)下，通入氩气(Ar)并达3×10-1Pa的工作压力(working pressure)后，以500W的射频功率(RF Power)，利用一99.999％高纯度的硅靶材进行沉积。
该第一混合物层32是一10nm厚的碳硅复合物层。其制备方法为，在350℃下，以500W的射频功率轰击该硅靶材，同时通入流量比为2∶1的氩气(Ar)与乙炔(C2H2)气体，并在5×10-1Pa的工作压力下，以反应式离子溅镀(Reactive Ion Sputtering)进行沉积。
该第二混合物层33是一厚约10nm的碳氮硅复合物层。其制备方法为，在350℃下，以500W的射频功率轰击该硅靶材，同时通入流量比为4∶1∶1的氩气、氮气与乙炔气体，在5×10-1Pa的工作压力下，以反应式离子溅镀进行沉积。
该非晶碳层34的制备方式为，在300℃的温度下，以离子镀(Ion Plating)的镀膜方式，同时通入流量比为1∶2的氮气和乙炔气体，在2×10-1Pa的工作压力，以及离子源与基板的偏压为2.5kV下，进行沉积。
该保护膜4是一厚度约100nm的类钻碳层。其制备方式为，在300℃的温度下，以离子镀的镀膜方式，通入流量比为1∶12的氮气和乙炔气体，并在1×10-1Pa的工作压力，以及离子源与基板的偏压为2.5kV下，进行沉积。
并且，于该保护膜4制成后，将本发明的模仁置于真空回火炉(Vacuum Oven)中，在2×10-3Torr的背景压力下，以610℃的温度进行一持温3小时的热处理后再予以炉冷。借由该热处理，增加该中间膜3中的硅碳(Si-C)之间及硅氮(Si-N)之间的键结结构，以强化该中间膜3的强度及高温化稳性。
值得一提的是，该中间膜3随着施镀时间在施镀过程中，借由调节通入气体的流量和靶材的射频功率，可以使得该中间膜3中硅和碳的含量，由该基材2向该保护膜4的方向，分别地呈一浓度梯度渐进式地减少和增加。由此，利用增加不同材料界面(interface)间的同质性的原理，来提高不同材料之间的附着性。在一以日商SUMITA公司产品编号K-PBK40的玻璃素材的测验中，传统的模仁在模造温度为585℃时，因其随着使用次数的增加，该成形面121(见图1)将逐渐氧化、粗化(roughen)，甚至出现剥离的现象，使其使用寿命在500次以内。与传统的模仁相比较，本发明的模仁借由该中间膜3，不但增加该基材2及该保护膜4间的附着性，更提供了优良的高温化稳性，以使得本发明的模仁在经过10000次以上的使用次数后，仍符合玻璃于模造后的光学品质的要求。
归纳上述，本发明玻璃模造用的模仁因具有附着性高及高温化稳性佳的中间膜3，而使得本发明的模仁具有较高的使用寿命，所以确实能达到本发明的目的。
权利要求
1.一种玻璃模造用的模仁，其特征在于其包含一基材；一形成于该基材上的中间膜，该中间膜包含一含有碳、氮，及至少一元素M的物质，该元素M是选自于下列所构成的群组硅、钛、铝、钨、钽、铬、锆、钒、铌、铪，及硼；及一形成于该中间膜上的保护膜，该保护膜具有一远离该基材且用于模造的塑形面。
2.如权利要求1所述的玻璃模造用的模仁，其特征在于该中间膜具有一连接于该基材的第一侧及一连接于该保护膜的第二侧，该元素M的含量由该第一侧向该第二侧递减。
3.如权利要求2所述的玻璃模造用的模仁，其特征在于该中间膜的第二侧不含有该元素M。
4.如权利要求2所述的玻璃模造用的模仁，其特征在于该中间膜的第一侧不含有碳及氮。
5.如权利要求2所述的玻璃模造用的模仁，其特征在于该中间膜由该第一侧往该第二侧依序具有一以该元素M为主的一非晶质层、一以碳及该元素M为主的第一混合物层、一以碳、氮及该元素M为主的第二混合物层，及一以碳及氮为主的非晶碳层。
6.如权利要求5所述的玻璃模造用的模仁，其特征在于该元素M是硅。
7.如权利要求6所述的玻璃模造用的模仁，其特征在于该非晶质层是一非晶硅层。
8.如权利要求6所述的玻璃模造用的模仁，其特征在于该第一混合物层是一碳硅复合物层。
9.如权利要求8所述的玻璃模造用的模仁，其特征在于该碳硅复合物层具有一非晶质碳硅化合物基质及复数埋于该非晶质碳硅化合物基质的碳化硅纳米晶粒。
10.如权利要求6所述的玻璃模造用的模仁，其特征在于该第二混合物层是一碳氮硅复合物层。
11.如权利要求10所述的玻璃模造用的模仁，其特征在于该碳氮硅复合物层具有一含有碳、氮及硅的非晶质混合物基质、复数埋于该非晶质混合物基质的碳化硅纳米晶粒、复数埋于该非晶质混合物基质的氮化硅纳米晶粒，及复数埋于该非晶质混合物基质的含碳的氮化物纳米粒子。
12.如权利要求5所述的玻璃模造用的模仁，其特征在于该非晶碳层具有一非晶质碳基质及复数埋于该非晶质碳基质的含碳的氮化物纳米粒子。
13.如权利要求1所述的玻璃模造用的模仁，其特征在于该保护膜是一以碳、氮及氢为主的类钻碳层，该类钻碳层具有一类钻碳基质及复数埋于该类钻碳基质的含碳的氮化物纳米粒子。
14.如权利要求13所述的玻璃模造用的模仁，其特征在于该保护膜的厚度是介于50nm至500nm。
15.如权利要求1所述的玻璃模造用的模仁，其特征在于该基材是由一选自于下列所构成的群组中的化合物所制成碳化钨、碳化硅，及氮化硅。
16.如权利要求1所述的玻璃模造用的模仁，其特征在于该物质是一碳源、一氮源、一氢源及一键结促进源的一裂解反应产物。
17.如权利要求16所述的玻璃模造用的模仁，其特征在于该键结促进源含有至少一选自于下列所构成的群组中的元素硅、钛、铝、钨、钽、铬、锆、钒、铌、铪，以及硼。
18.如权利要求17所述的玻璃模造用的模仁，其特征在于该键结促进源是一含硅的固态物质或一含硅的气体分子。
19.如权利要求18所述的玻璃模造用的模仁，其特征在于该键结促进源是一含硅的固态物质。
20.如权利要求19所述的玻璃模造用的模仁，其特征在于该键结促进源是一硅靶材。
21.如权利要求16所述的玻璃模造用的模仁，其特征在于该碳源是一含C1至C6的碳氢化合物的气体或一含碳的固态物质。
22.如权利要求21所述的玻璃模造用的模仁，其特征在于该碳源是一含C1至C6的碳氢化合物的气体。
23.如权利要求22所述的玻璃模造用的模仁，其特征在于该含碳氢化合物的气体是乙炔。
24.如权利要求16所述的玻璃模造用的模仁，其特征在于该氮源是一含氮的气体分子或一含氮的固态物质。
25.如权利要求24所述的玻璃模造用的模仁，其特征在于该氮源是一含氮的气体分子。
26.如权利要求25所述的玻璃模造用的模仁，其特征在于该氮源是氮气。
全文摘要
本发明公开了一种玻璃模造用的模仁，包含一基材、一形成于该基材上的中间膜，及一形成于该中间膜上的保护膜；该保护膜具有一远离该基材且用于模造的塑形面；该中间膜具有一连接于该基材的第一侧及一连接于该保护膜的第二侧，并且，该中间膜包含一含有碳、氮，及至少一元素M的物质，该元素M是选自于下列所构成的群组硅、钛、铝、钨、钽、铬、锆、钒、铌、铪，及硼；并且，该元素M的含量由该中间膜的第一侧向该第二侧递减。
文档编号C03B11/00GK1772665SQ20041009090
公开日2006年5月17日 申请日期2004年11月10日 优先权日2004年11月10日
发明者王坤池 申请人:亚洲光学股份有限公司