CN102782577A - 制造用于注射成型的压模的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种制造用于注射成型的压模的方法，尤其涉及这样一种制造用于注射成型的压模的方法，该方法可防止在压模上形成刮痕，并且即使在其上形成有微型图案的金属压模被制造完成之后，压模也会因为硬度高而具有极好的耐久性。这种制造用于注射成型的压模的方法包括：图案形成步骤，用于在基材上形成预定的微型图案；金属电镀步骤，用于在基材上电镀金属，以形成其上翻刻有该微型图案的压模；压模分离步骤，用于使金属电镀的压模与基材分离；以及保护层涂覆步骤，其用于在压模上涂覆保护层以维持镜面。

Description

制造用于注射成型的压模的方法
技术领域
本发明涉及一种制造用于注射成型的压模(stamper)的方法，尤其涉及这样一种制造用于注射成型的压模的方法，该方法可防止在压模上形成刮痕，并且即使当其上形成有微型图案的金属压模被制造完成之后，压模也会因为硬度高而具有极好的耐久性。
背景技术
注射成型是一种成型方法，其通过向模具中形成的具有特定形状的空腔中引入或者充入熔化的树脂并且对充入空腔中的树脂进行冷却而形成与模具中的空腔形状相同的产品。目前，随着MEMS技术的发展，通过使用其上形成有微型图案的压模可生产不同形状的结构物。
具体地，注射成型是大规模生产塑料产品的常用方法。由于随着时代的发展，对于耐久性长的高强度聚合物的塑料产品的需求显著增加，所以目前注射成型也被应用到各种领域。
目前，注射成型不仅被应用到通常的家用塑料产品，而且甚至被应用到用于太空领域(space-air field)或精密光学器械领域的塑料产品的生产，尤其是需要微型且精确的图案的产品的生产。
换言之，注射成型被用于生产其表面上形成有微型图案的塑料结构物，这种微型图案的尺寸为几十纳米到几十微米。
同时，为了提供这种具有几十纳米到几十微米尺寸的微型图案的塑料结构物，可以使用与微型图案相对应的单独的压模。通常，该压模被设置为板状。
通过使用具有微型图案的压模而制造的模制产品可产生由光的相长干涉(constructive interference)和相消干涉(destructive interference)引起的光学效果。例如，微型图案的纳米线宽度(nano-line width)可用于高分辨率分光仪，或者促进光散射的图案可用于液晶显示装置的背光单元。
或者，通过利用微型图案的适当布置来产生光能隙效果，微型图案可被制造成具有这样的特征：微型图案反射特定波长的光，同时传导或者吸收其它波长的光。
通常，为了形成所需的微型图案，可使用具有这种图案的压模。为了形成现有技术的微型图案，可使用LIGA(德文中的光刻、电铸、塑铸的缩写)工艺。
以下将描述通过使用LIGA工艺来制造压模的过程。首先，对基材进行清洗、光致抗蚀剂(photoresist coating)涂覆和软烘。然后，对基材与设置在基材上的预定形状的图案掩模一起进行曝光和显影(development)。接着，在光致抗蚀剂被清除的部分执行硬烘，从而形成预定形状的微型图案。在所形成的图案上的传导层沉积之后，镍和铜被电镀到图案上，随后将电镀层分离，以完成主压模(master stamper)的成形。
图1示出了现有技术中用于注射成型的压模的照片。
由于这样制造的主压模具有形成在其上的微型图案，并且用作生产注模产品的模具，该主压模需要维持光滑的镜面。然而，由于现有技术的主压模的镍或铜的图案表面的硬度较低，所以这种主压模存在的问题在于：如图1中所示，即使是轻微的接触也可能形成刮痕S，而且难以维持。
发明内容
技术问题
为了解决这些问题，本发明的一个目的是提供一种制造用于注射成型的压模的方法，该方法通过增强其上形成有微型图案的压模的表面硬度来维持压模的镜面并防止在压模上产生刮痕。
技术方案
为了实现这些目的和其它优点，根据本发明的目的，如在此具体表述并广义描述的，一种制造用于注射成型的压模的方法包括：图案形成步骤，用于在基材上形成预定的微型图案；金属电镀步骤，用于在基材上电镀金属，以形成其上翻刻(transcribed)有该微型图案的压模；压模分离步骤，用于使金属电镀的压模与基材分离；以及保护层涂覆步骤，用于在压模上涂覆保护层以维持镜面。
优选地，在金属电镀步骤中所电镀的金属为镍或铜。
优选地，保护层由氮化钛形成。
优选地，保护层涂覆步骤包括通过发射电子束来涂覆氮化钛的步骤。
优选地，保护层涂覆步骤包括在氮保护气氛或氮及氩的保护气氛的真空室中，将电子束引向钛以在压模上沉积钛离子和氮离子的步骤。
优选地，该方法还包括超声洗涤的步骤，用于将压模浸入溶液中并且对压模施加超声波，以在保护层涂覆步骤之前清洗压模。
优选地，该溶液是丙酮溶液。
优选地，氮化钛涂层具有0.2-0.6μm的厚度。
优选地，图案形成步骤包括以下步骤：在基材上涂覆光致抗蚀剂；对这样涂覆的光致抗蚀剂进行软烘；将预定形状的图案掩模放置在涂覆有光致抗蚀剂的基材上并且对基材进行曝光；对这样曝光的光致抗蚀剂进行显影；以及对光致抗蚀剂的一部分进行硬烘，从而部分地清除光致抗蚀剂。
优选地，该方法还包括在该图案形成步骤之后，在这样形成的图案上沉积晶种层的步骤。
以及，图案形成步骤包括以下步骤：在基材上沉积金属；对这样沉积的金属进行电抛光；对金属进行第一次阳极氧化；对这样形成的金属氧化物进行蚀刻和清除；对还未氧化的金属进行第二次阳极氧化；和通过第二次阳极氧化来清除在微型图案与基材之间形成的阻挡层。
有益效果
本发明的制造用于注射成型的压模的方法具有以下有益效果：
通过增强其上形成有微型图案的压模的表面硬度，可维持压模的镜面并且可防止产生刮痕，从而使得以这种方法制造的压模易于维持和管理。
附图说明
附图被包括在内以提供对本发明进一步的理解，而且被并入和构成本申请的一部分，这些附图示出了本发明的实施例，并与说明书一起用于解释本发明的原理。
在附图中：
图1示出了现有技术的用于注射成型的压模的照片，其中示出了形成在其上的刮痕；
图2的(a)～(g)示出的剖视图显示了通过LIGA工艺制造主压模的方法的步骤；
图3的(a)～(f)示出的剖视图显示了通过AAO工艺制造主压模的方法的步骤；
图4示出了在压模上涂覆氮化钛的示意图，该压模上具有通过将电子束引到压模上而形成的微型图案；
图5示出了通过本发明的用于制造压模的方法而制造的用于注射成型的压模的照片；
图6和图7分别示出了通过根据本发明制造的压模来注射成型的结构物的照片；
图8示出了图6和图7中的结构物被安装到冰箱的立体图；
图9的(a)～9(c)示出了通过根据本发明的具有不同设计的压模来注射成型的板状或膜状的半成品的照片。
具体实施方式
现在将详细参考本发明的特定实施例，这些实施例的示例在附图中被示出。在可能的情况下，在全部附图中，相同的附图标记将用于表示相同或者相似的部件。
本发明的制造用于注射成型的压模的方法包括：图案形成步骤，用于在基材上形成预定的微型图案；金属电镀步骤，用于在基材上电镀金属，以便形成其上翻刻有所述微型图案的压模；压模分离步骤，用于使压模与基材分离；以及保护层涂覆步骤，用于在压模的图案上涂覆保护层，从而维持镜面。
在本发明的制造压模的方法中，可以有两种根据该方法的实施例用于在图案形成步骤中在基材上形成微型图案。首先，将分别描述根据这两个实施例的在基材上形成微型图案的过程。
图2的(a)～(g)示出的剖视图显示了通过LIGA(德文中的光刻、电铸、塑铸的缩写)工艺来制造根据本发明第一优选实施例的主压模的方法的步骤。
优选地，根据本发明第一优选实施例的用于形成图案的步骤包括以下步骤：在基材10上涂覆光致抗蚀剂20；对这样涂覆的光致抗蚀剂20进行软烘；将预定形状的图案掩模30放置到光致抗蚀剂20上并且对光致抗蚀剂20曝光；以及对光致抗蚀剂的一部分进行硬烘，从而部分地清除光致抗蚀剂。
基材10可由硅、玻璃或人造树脂的薄膜形成。首先，如图2的(a)中所示，对基材10进行清洗以清除其表面上的杂质，然后将一定厚度的光致抗蚀剂20涂覆到基材10上，接着对其上涂覆有光致抗蚀剂20的基材10进行软烘。之后，如图2的(b)中所示，将其上形成有微型图案的掩模30放置在基材10上，然后如图2的(c)中所示，对其上放置有掩模30的基材10进行曝光、显影以及硬烘，以在光致抗蚀剂20上形成微型图案20P。优选地，微型图案20P具有约1.5μm的厚度和约2μm的宽度。
虽然可以在这样形成的微型图案20P上直接执行金属电镀，但是优选地，在图案形成步骤之后还包括在微型图案20P上沉积籽晶层(seed layer)40的步骤。
参考图2的(d)，籽晶层40在这样形成的微型图案20P上涂覆到固定的厚度。籽晶层40用作模具释放层，用于在金属电镀之后使金属电镀层50易于与微型图案20P分离。因此，需要形成很薄的籽晶层40，从而不会对准备翻刻到金属镀层的图案造成影响。籽晶层40由CrON、DLC(类金刚石涂层)、C4F8或者SAM(自组装单层膜)通过真空沉积而形成。
之后，参考图2的(e)，在籽晶层40上执行金属电镀。通常，压模由镍Ni或铜Cu形成，或者由镍和铜共同形成，其中所用的镍Ni较多，这是鉴于镍Ni的硬度和耐久性较好。
优选地，通过金属电镀形成的金属镀层50具有约500μm的厚度，其具有微型图案的一部分的厚度为约2μm。为方便起见，图2的(e)中示出的图案部分的厚度与金属镀层的厚度相同。
随后，如果通过使金属镀层50从籽晶层40上释放而使得其上翻刻有微型图案的金属镀层50与籽晶层40分离，那么这样分离出的金属镀层50正是其上形成有微型图案的压模。在该示例中，籽晶层40使得金属镀层易于分离。
最后，参考图2的(g)，如果将氮化钛TiN保护层涂覆到这样分离出的金属镀层50的图案表面上，那么就形成了表面硬度极好的主压模。要求形成保护层的材料能够易于涂覆且涂层很薄，并且在涂覆之后具有极好的表面硬度。优选地，氮化钛可作为这样的材料。
同时，在涂覆保护层的步骤之前，优选地还包括超声洗涤的步骤，将压模浸入溶液中并且对压模施加超声波。虽然可以使用不同种类的溶液，但是考虑到压模由镍或铜形成并且其上形成有微型图案，优选使用丙酮溶液，其容易在市场上买到并且在清洗金属方面表现极好。通过采用超声洗涤从压模上清除杂质，可以防止在涂覆保护层的步骤中，一些较大的钛离子与存在于压模表面上的杂质反应并且粘附在其上，从而能够维持镜面。
优选地，在涂覆保护层的步骤中通过电子束沉积来涂覆氮化钛。在电子束沉积期间，氮保护气氛或者氮及氩的保护气氛的真空室中将强电子束引向钛，以在压模上沉积钛离子和氮离子。电子束的高能电子撞击钛而产生等离子放电，并且冲出等离子放电的钛离子Ti+粘附到金属压模的表面。伴随该过程，真空室中的一些氮通过等离子放电而被离子化。在离子化的氮中，氮离子N+粘附到金属压模上并且与钛离子Ti+反应，从而生成氮化钛，并且随着反应的进行，生成氮化钛涂覆层70。
优选地，氮化钛涂覆层70具有0.2～0.6μm的厚度，这是因为如果氮化钛涂覆层70的厚度太厚，该厚度将影响到压模的微型图案，而如果太薄，将无法获得期望的硬度。
同时，将参考图3描述AAO(阳极氧化铝)工艺，其中在图案形成步骤中通过不同于LIGA工艺的方法来制造压模。
在根据本发明的第二优选实施例的制造用于注射成型的压模的方法中，图案形成步骤包括以下步骤：在基材上沉积金属；对这样沉积的金属进行电抛光；对金属进行第一次阳极氧化；对还未氧化的金属进行第二次阳极氧化；以及在第二次阳极氧化时清除微型图案与基材之间形成的阻挡层。
图3的(a)～(f)示出的剖视图显示了通过AAO工艺来制造主压模的方法的步骤，其中，在基材上形成微型图案，将金属电镀到微型图案上，然后将氮化钛涂覆到金属镀层上。
如图3的(a)中所示，在提供金属压模的压模制造过程中，在预定的基材110上沉积5～10μm的诸如铝Al等金属120，并且这样沉积的金属的表面粗糙度通过电抛光调整到3～5nm以下。电抛光是一种金属抛光方法，其中，电解期间阳极的金属表面上的微小峰部(minute peak portion)相对于其它表面部分可选择性地溶解。如果将打算抛光的金属作为阳极并且在电解液中进行电解，则金属表面能够被抛光。
接下来，执行如图3的(c)中所示的第一次阳极氧化步骤、如图3的(d)中所示的蚀刻步骤以及如图3的(e)中所示的第二次阳极氧化步骤，从而使提供的金属氧化物的压模具有均匀分布的纳米尺寸或微小尺寸的图案，或者均匀分布的固定节距或固定半径的孔。
下面详细回顾各个步骤。如图3的(c)中所示，执行第一次阳极氧化，使铝层120的一部分与电解液接触，以便将铝层的该部分转化为Al2O3130，从而形成具有预定厚度的微型图案130P。
然后，参考图3的(d)，执行蚀刻，以便将第一次阳极氧化中形成的氧化铝130清除，仅留下在基材110上的铝120。
接下来，参考图3的(e)，执行第二次阳极氧化，以将剩下的铝120转化为氧化铝140。在该过程中形成的微型图案140P具有接近于基材110的表面的深度，并且替代地具有更大的宽度。
在该过程中，阻挡层145作为阳极氧化的副产品形成在微型图案140P与基材110之间。
如图3的(f)中所示，当利用酸性溶液清除了阻挡层145时，则生成了具有微型图案140P的基材110，该微型图案140P形成在氧化铝层140中。
然后，如图3的(g)中所示，通过在微型图案上进行电铸(electroforming)来形成镍Ni或者铜Cu的金属镀层结构物150，以覆盖该微型图案，并且如图3的(h)中所示，其上翻刻有微型图案140P的金属镀层结构物150与基材分离，以便形成具有预定微型图案150P的耐久的金属结构物150，即压模。
最后，参考图3的(i)，当在这样形成的压模150的微型图案表面上涂覆了0.2～0.6μm厚度的氮化钛170时，本发明的主压模的制造就完成了。对在压模表面上涂覆氮化钛170(与第一实施例相同)的详细描述被省略。
因此，AAO方法能够以低成本和简单的方式来精确且可再现地控制具有期望图案的压模的制造。
图5示出的照片显示了通过本发明的方法制造的主压模。通过图1中所示的现有技术的镀镍方式制造的压模呈银灰色。然而，可以看到，通过图5中所示的本发明制造的压模呈金色，并且具有极好的硬度，并且尽管重复地进行注射成型，但刮痕大大减少。
同时，在通过LIGA工艺或者AAO工艺来制造压模的情况下，可以使得其上翻刻有图案的预定结构物通过调整节距(pitch)来显示全息图。
换言之，当用户观看家用电器的一部分(其上翻刻有微型图案的结构物安装到该部分)时，结构物表面的颜色伴随观察的视角而变化，从而产生全息图效果。因为微型图案导致从其前侧射向这样注射成型的结构物的光发生折射和干涉，在微型图案处发生折射和干涉的光的波长也有所变化，所以颜色发生改变。
并且，如果通过调整在压模50或150上形成的多个微型图案的距离而使得在注射成型的结构物上形成的多个微型图案之间的距离变得更大或更小，则光的路径被改变。据此，由于在结构物的微型图案处折射和干涉的光的波长发生改变而使得其颜色有所改变，所以可以对具有不同设计的结构物进行注射成型。
根据本发明制造的结构物不仅可以通过如图5中所示的按钮形结构物那样的压模来模制，还可以通过各种三维形状的结构物的压模来模制，从而用作家用电器的装潢构件。
图6和图7分别示出了按钮形结构物700的照片，该结构物700是通过具有图5中所示的微型图案的压模注射成型的。结构物700具有由压模的微型图案所形成的预定图案，并且由于光的折射、反射和干涉，这些图案显示全天然的颜色。
图8示出了其上安装有图6和图7中的结构物700的冰箱。冰箱包括主体600，其具有设置在其中的储藏室610，储藏室610中安装有储藏盒620以储藏物品。结构物700被安装到储存盒620的前部630，该前部630具有将结构物700安装到其上的安装槽640。因此，结构物700用作装饰储存盒620的前部的装饰构件。
并且，通过使用本发明的压模，具有微型图案的结构物也能够制造成板状或薄膜状，并且这样制造的板状或薄膜状的装饰构件能够被应用到诸如冰箱、洗衣机、空调、厨具等不同的家用电器上。图9的(a)、图9的(b)和图9的(c)示出了形成在空调室内单元的前面板上、冰箱门的前面板上、洗衣机或厨具的前控制板或前面板上的图案和文字，其中当从结构物的外侧观看图案和文字时，该图案和文字显得会发光。
对于本领域技术人员显而易见的是，在不背离本发明的精神和范围的情况下，可以在本发明中做出各种改型和变型。因此，只要本发明的改型和变型处于所附权利要求书及其等效方案的范围内，本发明将涵盖这些改型和变型。

Claims (11)

1.一种制造用于注射成型的压模的方法，该方法包括：
图案形成步骤，用于在基材上形成预定的微型图案；
金属电镀步骤，用于在该基材上电镀金属，以便形成其上翻刻有该微型图案的压模；
压模分离步骤，用于使该基材与金属电镀的该压模分离；以及
保护层涂覆步骤，用于在该压模上涂覆保护层以维持镜面。
2.根据权利要求1所述的方法，其中，在该金属电镀步骤中所电镀的金属为镍或铜。
3.根据权利要求1所述的方法，其中，该保护层由氮化钛形成。
4.根据权利要求3所述的方法，其中，该保护层涂覆步骤包括通过发射电子束来涂覆氮化钛的步骤。
5.根据权利要求4所述的方法，其中，该保护层涂覆步骤包括在氮保护气氛或氮及氩的保护气氛的真空室中，将电子束引向钛以在该压模上沉积钛离子和氮离子的步骤。
6.根据权利要求1所述的方法，还包括超声洗涤的步骤，用于将该压模浸入溶液中并且对该压模施加超声波，以在该保护层涂覆步骤之前清洗该压模。
7.根据权利要求6所述的方法，其中，该溶液是丙酮溶液。
8.根据权利要求1所述的方法，其中，该氮化钛涂层具有0.2-0.6μm的厚度。
9.根据权利要求1所述的方法，其中，该图案形成步骤包括以下步骤；
在该基材上涂覆光致抗蚀剂；
对这样涂覆的光致抗蚀剂进行软烘；
将预定形状的图案掩模放置在涂覆有光致抗蚀剂的该基材上并且对该基材进行曝光；
对这样曝光的光致抗蚀剂进行显影；以及
对光致抗蚀剂的一部分进行硬烘，从而部分地清除光致抗蚀剂。
10.根据权利要求1所述的方法，其中，还包括在该图案形成步骤之后，在这样形成的图案上沉积籽晶层的步骤。
11.根据权利要求1所述的方法，其中，该图案形成步骤包括以下步骤：
在该基材上沉积金属；
对这样沉积的金属进行电抛光；
对金属进行第一次阳极氧化；
对这样形成的金属氧化物进行蚀刻和清除；
对还未氧化的金属进行第二次阳极氧化；以及
通过该第二次阳极氧化来清除在该微型图案与该基材之间形成的阻挡层。
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