專利名稱：使用聚合物蝕刻掩模在燈絲中形成離散微孔隙的方法及設(shè)備的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明一般性地涉及用于蝕刻空隙陣列的符合掩模(conformingmask)。更具體地說(shuō)，本發(fā)明涉及為了提高輻射效率而在燈絲(filamentwire)中形成微孔隙的適于大規(guī)模生產(chǎn)環(huán)境的設(shè)備及方法。
背景技術(shù)：
生產(chǎn)和購(gòu)買電力的成本已經(jīng)逐步上升至全世界的最高記錄。這種逐步上升在電力供應(yīng)有限的不發(fā)達(dá)國(guó)家，以及那些電力需求高的多人口國(guó)家是特別真實(shí)的。這種需求的驅(qū)動(dòng)不斷增加要求生產(chǎn)能量高效且電力使用成本最小的光源。
較有效的光源之一是白熾燈泡。在過(guò)去兩個(gè)世紀(jì)中，科學(xué)家和發(fā)明家已經(jīng)努力開發(fā)有效、實(shí)用、長(zhǎng)壽命的白熾燈泡。開發(fā)長(zhǎng)壽命的高溫?zé)艚z是設(shè)計(jì)實(shí)用白熾燈泡的關(guān)鍵因素。
已經(jīng)發(fā)現(xiàn)鎢燈絲為照明應(yīng)用提供了許多可取的性質(zhì)，例如高熔點(diǎn)(3,410℃或6,170°F)、在高溫下低的蒸發(fā)速率(在2,757℃或4,995°F下為10-4托)，以及大于鋼的拉伸強(qiáng)度。這些性質(zhì)允許燈絲被加熱至更高溫度下，提供具有良好壽命的更亮光線，這就使鎢成為商購(gòu)白熾燈泡燈絲的優(yōu)選材料。
白熾燈泡的燈絲在通過(guò)足夠量的電流時(shí)發(fā)出可見和不可見的輻射。但是，燈絲以可見光的形式只發(fā)出較小部分的能量，典型地為6至10％。剩余大部分發(fā)出的能量在光譜的紅外區(qū)，并且以熱的形式損失。結(jié)果，通過(guò)可見光波長(zhǎng)區(qū)發(fā)射的功率與所有波長(zhǎng)內(nèi)輻射功率的比例測(cè)量的典型鎢燈絲的輻射效率較低在6％或更低的量級(jí)。
增加白熾燈絲發(fā)射可見光量的傳統(tǒng)技術(shù)依賴于通過(guò)增加外加電流來(lái)增加從燈絲中可獲得的能量的量。但是，增加電流浪費(fèi)更大量的能量。需要一種能夠發(fā)射增加的可見光但不會(huì)增加能量消耗的鎢燈絲。
另一個(gè)關(guān)心是燈絲的使用期限。鎢燈絲是非常耐用的。但是，在長(zhǎng)時(shí)間后，大的電流引起在電子轟擊和在燈絲內(nèi)移動(dòng)原子時(shí)發(fā)生的過(guò)剩電子風(fēng)(excess electron wind)。經(jīng)過(guò)一段時(shí)間，這種效應(yīng)會(huì)引起燈絲變薄并且最終斷裂。
已經(jīng)觀察到通過(guò)使燈絲表面具有次微米級(jí)的結(jié)構(gòu)可以增加例如鎢的燈絲材料的輻射效率。H.Craighead，R.Howard和D.Tennant在“Selectively Emissive Refractory Metal Surface”，38 Applied PhysicsLetters 74(1981)中公開了使用非選擇性反應(yīng)性離子蝕刻技術(shù)在鎢樣品的表面形成次微米特征的方法。Craighead等公開提高的輻射效率源于從鎢上可見光發(fā)射率的增加。發(fā)射率是在給定波長(zhǎng)下來(lái)自物質(zhì)(例如鎢)表面的輻射通量與相同條件下黑體發(fā)射的輻射通量的比例。假設(shè)黑體吸收入射到其上面的輻射。
Craighead等公開來(lái)自結(jié)構(gòu)化鎢表面的可見光發(fā)射率是未結(jié)構(gòu)化表面的兩倍。作者表明所述增加是結(jié)構(gòu)化鎢表面的電磁輻射更有效地耦合入自由空間的結(jié)果。Craighead等公開的鎢樣品結(jié)構(gòu)化的表面在表面上具有凹陷，其由突出燈絲表面大約0.3微米的柱狀結(jié)構(gòu)分隔。
在1989年9月10-14日于英格蘭約克郡召開的第五屆全光源科學(xué)與技術(shù)(Science and Technology of All Light Sources)國(guó)際會(huì)議上，J.Waymouth在標(biāo)題為“Where Will the Next Generation of Lamps ComeFrom？”的論文第22-25頁(yè)和圖20中提出一種通過(guò)修飾鎢燈絲的表面增加白熾燈效率的另一種方法。Waymouth假設(shè)測(cè)量為0.35微米跨度和7微米深并且由0.15微米厚的壁分隔的燈絲表面孔眼可以用作波導(dǎo)，偶合鎢與自由空間之間在可見光波長(zhǎng)的輻射，但是抑制非可見光波長(zhǎng)的發(fā)射。Waymouth公開燈絲上的孔眼可以通過(guò)半導(dǎo)體平版印刷技術(shù)來(lái)形成，但是這種孔眼的尺寸超過(guò)了當(dāng)時(shí)技術(shù)的能力。
另一種降低白熾光源紅外發(fā)射的方法在授予Jaffe等的美國(guó)專利第5,955,839號(hào)中描述。如該專利所述，燈絲中存在微孔隙提供了發(fā)射方向性的更大控制并且增加了給定帶度中的發(fā)射效率。這種光源舉例來(lái)說(shuō)具有直徑為1微米至10微米的微孔隙。盡管使用微電子加工技術(shù)可以在一些材料中形成具有這種尺寸的特征結(jié)構(gòu)，但是難于在金屬，例如通常用于白熾燈絲的鎢中形成這些結(jié)構(gòu)。
再另一種降低白熾光源紅外發(fā)射的方法在授予Liu等的標(biāo)題為“Method and Apparatus Using Laser Pulses to Make an Array ofMicrocavity Hoies”的美國(guó)專利第6,433,303號(hào)中描述。所公開的方法使用激光束在金屬薄膜中形成每個(gè)微孔隙。光掩模將激光束分成多個(gè)光束，并且透鏡系統(tǒng)將多個(gè)光束匯聚到金屬薄膜并且形成微孔隙。在我們自己的研究中，本發(fā)明人已經(jīng)使用飛秒激光脈沖在平坦的鎢表面上鉆孔。這種激光鉆孔足以提供研究樣品，但是激光鉆孔因?yàn)殂@孔過(guò)程高的成本而不適合大規(guī)模生產(chǎn)。另外，彎曲，而非平坦的表面的鉆孔出現(xiàn)另外的問(wèn)題。
仍另一種方法在授予Bigio等的美國(guó)專利第5,389,853號(hào)中公開。Bigo等描述了具有提高的可見光發(fā)射的燈絲。通過(guò)在鎢燈絲的表面上沉積一層次微米到微米級(jí)的晶粒提高了其發(fā)射率。晶粒由鎢或者達(dá)到1％的釷及達(dá)到10％的錸、鉭或鈮至少一種的鎢合金來(lái)形成。
盡管這些傳統(tǒng)的方法形成微孔隙并提高了光發(fā)射率，但是它們是復(fù)雜且昂貴的。沒(méi)有哪種方法適于成本和效率是重要因素的大規(guī)模生產(chǎn)環(huán)境。因此，需要一種適于大規(guī)模生產(chǎn)環(huán)境的在燈絲中制造微孔隙的方法。

發(fā)明內(nèi)容
為了滿足這種和其它需求，并且鑒于這種目的，本發(fā)明提供了一種用于在金屬絲(wire)(尤其是鎢燈絲)中制造微孔隙的微孔隙形成系統(tǒng)。所述系統(tǒng)具有從金屬絲源接收金屬絲并且向金屬絲涂布聚合物涂層的涂層站。掩模形成站從涂層站接收聚合物涂布的金屬絲，并且在聚合物涂布的金屬絲上吹濕空氣，形成在聚合物涂層中產(chǎn)生孔洞的氣泡，從而產(chǎn)生掩模。蝕刻站從掩模涂層站接收用聚合物掩模涂布的金屬絲，并且通過(guò)聚合物掩模中的孔洞蝕刻金屬絲，從而在金屬絲中形成微孔隙。剝離站從蝕刻站接收金屬絲并且從金屬絲中除去聚合物掩模，留下帶有微孔隙的金屬絲。
本發(fā)明還提供了一種在金屬絲中形成微孔隙的方法。所述方法包括從金屬絲源接收金屬絲并且向金屬絲涂布聚合物涂層的步驟。然后，在聚合物涂布的金屬絲上吹濕空氣，形成在聚合物涂層中產(chǎn)生孔洞的氣泡，從而產(chǎn)生掩模。通過(guò)聚合物掩模中的孔洞蝕刻金屬絲，從而在金屬絲中形成微孔隙。最后，從金屬絲中除去聚合物掩模，留下帶有微孔隙的金屬絲。
本發(fā)明還進(jìn)一步提供了一種制造具有孔洞陣列的蝕刻掩模的方法。所述掩模基本上能符合任何表面，包括任意彎曲的表面。所述方法包括下述步驟(a)提供待蝕刻的表面；(b)向所述表面涂布聚合物涂層；及(c)在聚合物涂布的表面上吹濕空氣，形成在聚合物涂層中產(chǎn)生孔洞的氣泡，從而產(chǎn)生掩模。
應(yīng)當(dāng)理解本發(fā)明前述一般性的說(shuō)明和下面詳細(xì)的說(shuō)明老師示例性而非限制性的。


結(jié)合附圖閱讀時(shí)，從下面詳細(xì)的說(shuō)明中將最能理解本發(fā)明。注意根據(jù)慣例，圖中各個(gè)結(jié)構(gòu)沒(méi)有按比例描繪。相反，為了清晰起見，各個(gè)結(jié)構(gòu)的尺寸被任意放大或者縮小。附圖中包括下面的圖表圖1是根據(jù)本發(fā)明在鎢燈絲中制造微孔隙的系統(tǒng)的示意圖；圖2是突出圖1系統(tǒng)涂層站的示意圖，其中根據(jù)本發(fā)明一個(gè)實(shí)施方案實(shí)施浸涂；圖2A是根據(jù)本發(fā)明一個(gè)實(shí)施方案在圖2說(shuō)明的涂布步驟后，聚合物涂布的鎢絲的剖視圖；圖3是突出圖1系統(tǒng)掩模形成站的示意圖，其中根據(jù)本發(fā)明一個(gè)實(shí)施方案在鎢絲上形成聚合物蝕刻掩模；圖3A是表示自組裝的聚合物結(jié)構(gòu)中氣泡的圖；圖3B是根據(jù)本發(fā)明一個(gè)實(shí)施方案，在圖3說(shuō)明的掩模形成步驟后鎢絲的透視圖；圖4是突出圖1系統(tǒng)蝕刻站的示意圖，其中根據(jù)本發(fā)明一個(gè)實(shí)施方案通過(guò)聚合物掩模蝕刻鎢絲；圖5是突出圖1系統(tǒng)剝離站的示意圖，其中根據(jù)本發(fā)明一個(gè)實(shí)施方案從鎢絲上剝離聚合物掩模；及圖6是根據(jù)本發(fā)明一個(gè)實(shí)施方案，在圖5說(shuō)明的剝離步驟后鎢絲的透視圖。
現(xiàn)在參照?qǐng)D表說(shuō)明本發(fā)明實(shí)施方案的優(yōu)選特征。應(yīng)當(dāng)領(lǐng)會(huì)本發(fā)明沒(méi)有局限于這些用于舉例說(shuō)明的實(shí)施方案。而是，認(rèn)為在本發(fā)明的范圍內(nèi)，可以修改任何下面說(shuō)明的結(jié)構(gòu)和材料。
具體實(shí)施例方式
本發(fā)明源于旨向改進(jìn)型鎢(W)白熾照發(fā)光元件的研究，其中在鎢絲中制造次微米級(jí)的孔洞陣列(稱作微孔隙陣列)。微孔隙陣列的目的是抑制或降低紅外區(qū)的光發(fā)射，從而降低熱產(chǎn)生并且增加發(fā)光效率。發(fā)射截止波長(zhǎng)與孔洞的直徑成正比。
本研究面臨的一個(gè)障礙是尋找在鎢絲中大規(guī)模生產(chǎn)微孔隙陣列的方法。研究者將在抗蝕劑上成像具有孔洞的掩模的平版印刷術(shù)看作一種可能的方法。抗蝕劑被顯影，并且孔洞通過(guò)圖案化的抗蝕劑被蝕刻入鎢中。但是，傳統(tǒng)的使用掩模的平版印刷僅對(duì)平面表面能工作，并且不能用于圖案化鎢絲的圓柱形表面。另外，傳統(tǒng)的平版印刷對(duì)于大規(guī)模生產(chǎn)微孔隙鎢絲太昂貴。傳統(tǒng)平版印刷術(shù)更詳細(xì)的說(shuō)明如下。
掩模是含有開放圖案的金屬、聚合物或者其它材料的薄片或?qū)?。掩模用?lái)在沉積或蝕刻過(guò)程中屏蔽襯底，例如半導(dǎo)體或者其它表面的所選部分。在平版印刷工藝中使用稱作抗蝕劑的一種特殊類型掩模。
稱作光刻的一種特殊類型的平版印刷是向襯底轉(zhuǎn)移圖案的光學(xué)方法。其基本上是在平版印刷中使用的相同方法。圖案首先被轉(zhuǎn)移到可成像的光刻膠層上。光刻膠是沉積在襯底上的薄膜，用所需的圖案曝光，并且顯影成用于隨后加工的選擇性放置的層。
使用傳統(tǒng)途徑，通常難于使用具有均勻厚度的抗蝕劑層。因?yàn)槭褂每刮g劑來(lái)圖案化等制造的器件的具體特征(例如半導(dǎo)體芯片、伺服寫入頭等)，所以形成均勻的抗蝕劑層是特別重要的考慮。抗蝕劑厚度的不均勻性直接且不利地影響圖案的質(zhì)量，尤其是那些具有微小尺寸和緊密幾何公差的圖案。更具體地說(shuō)，對(duì)彎曲的表面涂布均勻的厚度是特別困難的。典型地，在平版印刷過(guò)程中必須補(bǔ)償表面的彎曲。授予Beck等的美國(guó)專利第6,647,613號(hào)討論了在制造寫磁頭期間向彎曲表面涂布抗蝕劑層前后的這種補(bǔ)償。
因此，仍需要基本上具有均勻厚度并能夠符合彎曲襯底表面的改進(jìn)掩模。相關(guān)需求是在沉積或者蝕刻工藝步驟期間使用這種掩模來(lái)改進(jìn)制造工藝。這種改進(jìn)的掩模將在制造白熾燈泡燈絲的工藝中具有特殊的應(yīng)用，這種應(yīng)用日益受到關(guān)注。
參照?qǐng)D1，本發(fā)明示例性的鎢燈絲制造系統(tǒng)10包括鎢絲14的源12，涂層站20、掩模形成站40、蝕刻站60、剝離站80，以及纏繞設(shè)備100。實(shí)施中，鎢絲14從源12向涂層站20行進(jìn)。鎢絲14在涂層站20用例如聚合物22的材料涂布。接著，鎢絲14行進(jìn)到掩模形成站40，在那里向涂布的鎢絲14上面吹濕空氣“A”(在所示方向上)，從而在聚合物22中形成氣泡。在掩模形成站40加工后，鎢絲14上的聚合物涂層16中具有能使聚合物涂層16起著掩模作用的孔洞。然后，鎢絲14行進(jìn)到蝕刻站60，在其中通過(guò)聚合物涂層16的孔洞蝕刻鎢絲14，在鎢絲14中形成微孔隙陣列。在剝離站80，從鎢絲14上除去聚合物涂層16。最終，舉例來(lái)說(shuō)通過(guò)使用纏繞設(shè)備100將具有微孔隙陣列的鎢絲14包裝并運(yùn)輸。下面將更詳細(xì)地討論系統(tǒng)10的每個(gè)階段或站。
1.涂層站20圖2是突出圖1系統(tǒng)10的涂層站20的示意圖。如圖2所示，在涂層站20用例如聚合物22的材料涂布鎢絲14。在所示的實(shí)例中，聚合物22作為包含在罐24中的溶液來(lái)提供。適當(dāng)?shù)娜芤喊?coil-like)聚合物，例如聚苯乙烯(優(yōu)選重均分子量為50,000)溶解在快速蒸發(fā)的溶劑，例如苯(C6H6)、甲苯(CH3C6H5)，或者二硫化碳(CS2)中。所述溶液優(yōu)選包含稀的聚合物(0.1至10重量％，且更優(yōu)選0.1至5重量％)。
研究者迄今已經(jīng)發(fā)現(xiàn)三種不同類型的聚合物和幾種溶劑是可接受的。在某些情況中，鎢絲14的表面是疏水的(即表面對(duì)水是對(duì)抗的、脫落，或者趨向于不與水結(jié)合)，這就使特定聚合物溶液的使用更加困難。通過(guò)用表面活性劑涂布鎢絲14的表面，增加聚合物溶液與鎢絲14之間的附著力可以克服這種困難。必須小心控制聚合物涂層16的厚度。優(yōu)選控制涂布溶液，產(chǎn)生干燥時(shí)約0.05至1微米厚度的聚合物涂層。
盡管可以按浸涂工藝中所述，但對(duì)于涂層站20可以使用其它的工藝。噴涂或刷涂是適于向鎢絲14上應(yīng)用聚合物涂層16的兩種其它的實(shí)例。但是，這些工藝比較麻煩，并且對(duì)于次微米幾何公差是不夠精制。還可以通過(guò)旋涂來(lái)涂布涂層，但是因?yàn)殒u絲16的長(zhǎng)寬比遠(yuǎn)遠(yuǎn)不一致，所以這種方法也是困難的。
圖2A是根據(jù)本發(fā)明一個(gè)實(shí)施方案在圖2所述的涂布步驟后聚合物涂布的鎢絲的剖視圖。
2.掩模形成站40圖3是突出圖1系統(tǒng)10的掩模形成站40的示意圖。在掩模形成站40中，根據(jù)本發(fā)明一個(gè)實(shí)施方案，在鎢絲14上形成聚合物蝕刻掩模。根據(jù)M.Srinivasarao等在“Three-Dimensionally Ordered Array ofAir Bubbles in a Polymer Film”，292Science79(2001年4月6日)討論的原理完成在掩模形成站40中的加工步驟。
概括地說(shuō)，作者教導(dǎo)了通過(guò)基于熱致毛細(xì)對(duì)流作用的模板機(jī)理在聚合物薄膜中形成單分散孔徑的氣泡的三維有序陣列。在濕空氣流過(guò)表面的情況下產(chǎn)生簡(jiǎn)單圈狀聚合物在揮發(fā)性溶劑中的稀溶液。蒸發(fā)冷卻導(dǎo)致單層或多層六方堆積的水滴的形成，其作為球形氣泡保留在最終的固體聚合物薄膜中。這些氣泡的尺寸可以簡(jiǎn)單地通過(guò)改變穿過(guò)表面的空氣流的速度來(lái)控制。
更具體地說(shuō)，如圖3所示，掩模形成站40包括在具有聚合物溶劑溶液涂層16的鎢絲1周圍產(chǎn)生控制氣氛的室42。鎢絲14在箭頭“B”方向上通過(guò)室42牽拉，而鎢絲14也轉(zhuǎn)到箭頭“C”的方向上。濕空氣A在箭頭所示的方向上吹入室42中，并且吹到涂布的鎢絲14上方。為了實(shí)現(xiàn)所需的結(jié)構(gòu)，仔細(xì)控制吹出濕空氣A的溫度、含濕量和速度(如下討論)。
在濕空氣A穿過(guò)鎢絲14后的幾秒種內(nèi)，溶劑(例如甲苯、苯或二硫化碳)蒸發(fā)。溶劑高的蒸氣壓和空氣A穿過(guò)表面的速度驅(qū)使溶劑蒸發(fā)，快速地冷卻表面。這種溶劑的快速蒸發(fā)冷卻降低溶液的溫度至室溫以下25℃，導(dǎo)致近0℃的蒸發(fā)聚合物表面。
較溫暖空氣A的濕氣在溶液較冷的表面上冷凝，通過(guò)核化和生長(zhǎng)形成像臺(tái)球一樣緊密堆積在一起的均勻尺寸的水滴或“呼氣形狀(breath figures)”(當(dāng)冷固體或液體表面與濕空氣接觸時(shí)呼氣形狀形成)層。水滴生長(zhǎng)是時(shí)間的函數(shù)。溶液的表面因?yàn)檎舭l(fā)冷卻而較冷，而水滴因?yàn)槔淠凉摕岫^暖。這種大的溫度差異導(dǎo)致熱致毛細(xì)對(duì)流，并且穩(wěn)定了在聚合物溶液表面上或表面處的冷凝水滴。穿過(guò)溶液表面的空氣流與溶液表面上蒸發(fā)形成的對(duì)流氣流結(jié)合，驅(qū)使水滴有序化或堆積成六方堆積陣列。
當(dāng)表面由水滴完全覆蓋時(shí)，表面與水滴之間的溫度差異逐漸消失，并且水滴因?yàn)楸热軇┟芏却蠖寥肴芤褐小Ｒ坏┤芤罕砻孀杂闪?，重?fù)蒸發(fā)冷卻、水滴冷凝及隨后有序化的整個(gè)過(guò)程。因此，因?yàn)樗热軇┟芏却螅螌映寥刖酆衔锶軇┲?，允許在其上面快速形成另一層。溶劑必須比沉入溶液中的水滴密度小。重復(fù)所述過(guò)程1至2分鐘，直至所有溶液蒸發(fā)，產(chǎn)生保留在聚合物薄膜中的密堆積水滴的三維圖案。然后，水逐層蒸發(fā)，留下想到連接的氣泡網(wǎng)絡(luò)。圖3A是表示自組裝聚合物結(jié)構(gòu)46中氣泡44的圖像。30至40微米厚的聚合物結(jié)構(gòu)46可以包含多達(dá)15層氣泡44。
當(dāng)溶劑比所用的水密度小時(shí)，例如苯或甲苯，六方陣列通過(guò)聚合物薄膜增長(zhǎng)。有序的三維結(jié)構(gòu)導(dǎo)致每層有序結(jié)構(gòu)與下一層不同。相反，在從比水密度大的溶劑，例如二硫化碳中產(chǎn)生的樣品中，僅形成單層氣泡，不會(huì)產(chǎn)生三維陣列。單層氣泡對(duì)于在燈絲中形成微孔隙的特殊應(yīng)用是優(yōu)選的。
當(dāng)所有溶劑已經(jīng)蒸發(fā)時(shí)，聚合物薄膜肯定返回室溫，在室溫下，水滴蒸發(fā)，并且在固體聚合物表面上留下基本上尺寸均勻的孔洞有序陣列。通過(guò)簡(jiǎn)單地改變流過(guò)溶液表面的空氣流的速度，可以容易地裁剪并動(dòng)力學(xué)控制這些孔洞的尺寸在0.2至20微米的范圍內(nèi)(更優(yōu)選在0.2和1微米之間)。除了等待水滴蒸發(fā)外，舉例來(lái)說(shuō)使用表面活性劑除去水滴也是可取的。適當(dāng)?shù)谋砻婊钚詣┪晃軇?br> 盡管過(guò)程簡(jiǎn)單，但是其取決于如下不尋常的現(xiàn)象微小的水滴傾向于保持分離而不合并形成更大的水滴。盡管100多年前英國(guó)物理學(xué)家Lord Rayleigh已經(jīng)觀察到這種現(xiàn)象，并且同時(shí)代的科學(xué)家建議了一種解釋，但是這種現(xiàn)象的原因還不完全清楚。在呼氣形狀生長(zhǎng)過(guò)程的初期，水滴作為分離的物體生長(zhǎng)，而水滴之間沒(méi)有相互作用。暖濕空氣A和冷溶液表面之間的溫度差異引起水滴旋轉(zhuǎn)，快速推動(dòng)空氣?？諝獗３诌@些微小的水滴分離，阻止它們合并成更大的水滴。由蒸發(fā)溶劑引起的大的溫度降低可以將水滴轉(zhuǎn)化成微小的冰球。研究者相信這種技術(shù)也能用于水以外的材料蒸氣。
水滴的直徑與流過(guò)聚合物溶液上方的空氣A的速度有關(guān)。當(dāng)空氣流速?gòu)拿糠昼?0米增加至每分鐘300米時(shí)，水滴尺寸從6微米降低至0.2微米。更高的速度產(chǎn)生小達(dá)50納米的多孔結(jié)構(gòu)。另一個(gè)重要的條件是濕度，要生產(chǎn)微小的水滴，濕度必須至少為30％。
圖3B是根據(jù)本發(fā)明一個(gè)實(shí)施方案，在圖3所述的掩模形成步驟后鎢絲14的透視圖。鎢絲14具有基本上均勻的聚合物涂層16，所述聚合物涂層16具有直徑為0.2至1微米的規(guī)則官堆積孔洞18。聚合物涂層16提供了蝕刻鎢絲14所需的掩模。當(dāng)然，聚合物涂層16還可以用作除了在鎢絲14中形成微孔隙以外的大量應(yīng)用的掩模。
3.蝕刻站60圖4是突出圖1系統(tǒng)10的蝕刻粘60的示意圖。在蝕刻站60中，根據(jù)本發(fā)明一個(gè)實(shí)施方案，通過(guò)掩?；蚓酆衔锿繉?6蝕刻鎢絲14。在所示的實(shí)例中，在蝕刻浴62，例如過(guò)氧化氫(優(yōu)選30％過(guò)氧化氫)中，借助濕蝕刻來(lái)進(jìn)行蝕刻過(guò)程。蝕刻浴62被保持在容器64中。蝕刻浴62通過(guò)聚合物涂層16的孔洞18，在鎢絲14中產(chǎn)生微孔隙90(參閱圖6)。許多其它可能的蝕刻方法也適于通過(guò)聚合物涂層16在鎢絲14中產(chǎn)生微孔隙90。這些方法都在本領(lǐng)域技術(shù)人員的知識(shí)之內(nèi)，舉例來(lái)說(shuō)包括在例如過(guò)氧化氫蒸氣的適當(dāng)環(huán)境中氣相化學(xué)蝕刻。
在某些情況中，尤其是僅形成單層氣泡時(shí)，在掩模功聚合物涂層16的形成期間氣泡不會(huì)按需要完全通過(guò)聚合物薄膜延伸是可能的。在這種情況下，蝕刻站60包括預(yù)或初步蝕刻聚合物涂層16，保證氣泡產(chǎn)生的孔洞能夠完全通過(guò)聚合物涂層16。在實(shí)施鎢絲14的蝕刻之前，停止掩模的初步蝕刻。
另外，聚合物涂層16的孔洞中殘留的氣泡可能會(huì)阻止蝕刻劑滲入這些孔洞內(nèi)。因此，可能需要從這些孔洞內(nèi)抽空氣泡的附加步驟。這種步驟將在蝕刻步驟開始前實(shí)施。
4.剝離站80圖5是突出圖1系統(tǒng)10的剝離站80的示意圖。在剝離站80中，根據(jù)本發(fā)明一個(gè)實(shí)施方案，從鎢絲14中剝離在蝕刻過(guò)程期間完全起著掩模作用的聚合物涂層16。在所示的實(shí)例中，使用能溶解聚合物涂層16的溶劑浴82來(lái)進(jìn)行剝離過(guò)程。許多其它可能的剝離方法也適于從鎢絲14上除去聚合物涂層16。這些方法都在本領(lǐng)域技術(shù)人員的知識(shí)之內(nèi)，并且舉例來(lái)說(shuō)包括燒掉聚合物涂層16。
5.終產(chǎn)品一旦從鎢絲16中已經(jīng)除去掩?；蚓酆衔锿繉?6，就已經(jīng)得到終產(chǎn)品。圖6是根據(jù)本發(fā)明一個(gè)實(shí)施方案，在圖5所述的剝離步驟后鎢絲14的透視圖。如圖6所示，鎢絲14具有大量尺寸均勻且精確分布的微孔隙90。
本發(fā)明提供了對(duì)在燈絲14中形成微孔隙90的傳統(tǒng)方法的改進(jìn)本發(fā)明適于成本和效率是重要因素的大規(guī)模生產(chǎn)制造環(huán)境。本發(fā)明不需要復(fù)雜且昂貴的設(shè)備；反而本發(fā)明使用簡(jiǎn)單的機(jī)械部件來(lái)形成微孔隙90。本發(fā)明還可以在對(duì)傳統(tǒng)燈絲制造生產(chǎn)線進(jìn)行最小改變的情況下實(shí)現(xiàn)。換句話說(shuō)，本發(fā)明的方法可以被工廠中現(xiàn)有的鎢絲制造工藝采用。
本發(fā)明結(jié)合了在特定聚合物中自組裝孔洞形成的獨(dú)特性質(zhì)。本發(fā)明的方法還是制造具有孔洞陣列的符合掩模(在任意彎曲表面上)的通用方法。本發(fā)明方法可以在任何表面上形成次微米至微米級(jí)孔洞陣列的掩模，并且不僅局限于平面表面。因此，與例如激光鉆孔或傳統(tǒng)光刻的其它方法相比，本發(fā)明方法有望是廉價(jià)的。
盡管參照一定的具體實(shí)施方案和實(shí)施例舉例說(shuō)明并如上所述了本發(fā)明，但本發(fā)明并不打算局限于所示的細(xì)節(jié)。而是，可以在權(quán)利要求等價(jià)的領(lǐng)域和范圍內(nèi)詳細(xì)地做出各種修改而不會(huì)背離本發(fā)明的精神。
權(quán)利要求
1.一種用于在金屬絲中制造微孔隙的微孔隙形成系統(tǒng)，其包括涂層站，從金屬絲源接收金屬絲并且向金屬絲涂布聚合物涂層；掩模形成站，從涂層站接收聚合物涂布的金屬絲，并且在聚合物涂布的金屬絲上吹濕空氣，形成在聚合物涂層中產(chǎn)生孔洞的氣泡，從而產(chǎn)生掩模；蝕刻站，接收來(lái)自掩模涂層站的用聚合物掩模涂布的金屬絲，并且通過(guò)聚合物掩模中的孔洞蝕刻金屬絲，從而在金屬絲中形成微孔隙；以及剝離站，從蝕刻站接收金屬絲并且由金屬絲除去聚合物掩模，留下帶有微孔隙的金屬絲。
2.權(quán)利要求1的系統(tǒng)，其中所述金屬絲是鎢。
3.權(quán)利要求2的系統(tǒng)，其中所述涂層站包括用于裝載溶解在快速蒸發(fā)溶劑中的聚合物的溶液的儲(chǔ)罐。
4.權(quán)利要求3的系統(tǒng)，其中所述溶液包含0.1至10重量％的聚合物。
5.權(quán)利要求3的系統(tǒng)，其中所述聚合物是聚苯乙烯并且所述溶劑選自苯、甲苯和二硫化碳。
6.權(quán)利要求5的系統(tǒng)，其中所述溶劑是二硫化碳。
7.權(quán)利要求2的系統(tǒng)，其中所述掩模形成站包括限定控制氣氛的室，金屬絲由該控制氣氛的室通過(guò)。
8.權(quán)利要求7的系統(tǒng)，其中所述氣氛具有至少30％的濕度。
9.權(quán)利要求2的系統(tǒng)，其中所述蝕刻站包括保持蝕刻浴的容器。
10.權(quán)利要求9的系統(tǒng)，其中所述蝕刻浴是過(guò)氧化氫。
11.權(quán)利要求2的系統(tǒng)，其中所述剝離站包括含有溶劑浴的附件。
12.一種在金屬絲中形成微孔隙的方法，其包括下述步驟(a)從金屬絲源接收金屬絲并且向金屬絲涂布聚合物涂層；(b)在聚合物涂布的金屬絲上吹濕空氣，形成在聚合物涂層中產(chǎn)生孔洞的氣泡，從而產(chǎn)生掩模；(c)通過(guò)聚合物掩模中的孔洞蝕刻金屬絲，從而在金屬絲中形成微孔隙；(d)從金屬絲上除去聚合物掩模，留下帶有微孔隙的金屬絲。
13.權(quán)利要求12的方法，其中金屬絲是鎢。
14.權(quán)利要求13的方法，其中所述聚合物作為聚合物在快速蒸發(fā)溶劑中的溶液來(lái)使用。
15.權(quán)利要求14的方法，其中所述溶液包含0.1至10重量％的聚合物。
16.權(quán)利要求15的方法，其中所述聚合物是聚苯乙烯并且所述溶劑選自苯、甲苯和二硫化碳。
17.權(quán)利要求16的方法，其中所述溶劑是二硫化碳。
18.權(quán)利要求12的方法，其中步驟(a)包括控制向金屬絲涂布的聚合物涂層的厚度，使聚合物涂層的厚度在干燥時(shí)約為0.05至1微米。
19.權(quán)利要求12的方法，其還包括控制吹在聚合物涂布的金屬絲上方的濕空氣的溫度、含濕量和速度的步驟。
20.權(quán)利要求19的方法，其中所述吹在聚合物涂布的金屬絲上方的濕空氣的速度介于每分鐘30至300米之間。
21.權(quán)利要求12的方法，其中在牽拉金屬絲通過(guò)控制氣氛時(shí)實(shí)施步驟(b)。
22.權(quán)利要求21的系統(tǒng)，其中所述氣氛具有至少30％的濕度。
23.權(quán)利要求13的方法，其中步驟(c)包括使聚合物涂布的金屬絲通過(guò)過(guò)氧化氫蝕刻浴。
24.權(quán)利要求12的方法，其中在步驟(c)之前，所述方法包括預(yù)蝕刻聚合物掩模，保證氣泡產(chǎn)生的孔洞能夠完全貫穿聚合物掩膜而延伸。
25.權(quán)利要求12的方法，其中步驟(b)包括從孔洞中抽空氣泡。
26.一種制造具有孔洞陣列并符合基本上任何表面、包括任意彎曲表面的蝕刻掩模的方法，所述方法包括(a)提供待蝕刻的表面；(b)向所述表面涂布聚合物涂層；及(c)在聚合物涂布的表面上吹濕空氣，形成在聚合物涂層中產(chǎn)生孔洞的氣泡，從而產(chǎn)生掩模。
27.權(quán)利要求26的方法，其中所述孔洞是次微米至微米級(jí)。
28.權(quán)利要求26的方法，其中所述聚合物作為聚合物在快速蒸發(fā)溶劑中的溶液來(lái)使用。
29.權(quán)利要求28的方法，其中所述溶液包含0.1至10重量％的聚合物。
30.權(quán)利要求28的方法，其中所述聚合物是聚苯乙烯并且所述溶劑選自苯、甲苯和二硫化碳。
31.權(quán)利要求26的方法，其中步驟(b)包括控制向金屬絲涂布的聚合物涂層的厚度，使聚合物涂層的厚度在干燥時(shí)約為0.05至1微米。
32.權(quán)利要求26的方法，其還包括控制吹在聚合物涂布的金屬絲上方的濕空氣的溫度、含濕量和速度的步驟。
33.權(quán)利要求26的方法，其中所述吹在聚合物涂布的金屬絲上方的濕空氣的速度介于每分鐘30至300米之間。
34.權(quán)利要求26的方法，其中在控制圍繞著表面及濕空氣吹入其中的氣氛時(shí)實(shí)施步驟(c)。
35.權(quán)利要求34的方法，其中所述氣氛具有至少30％的濕度。
36.權(quán)利要求26的方法，其還包括蝕刻聚合物掩模，保證氣泡產(chǎn)生的孔洞能夠完全通過(guò)聚合物涂層延伸。
37.權(quán)利要求26的方法，其中步驟(c)包括從孔洞中抽空氣泡。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種用于在金屬絲(尤其是鎢燈絲)中制造微孔隙的微孔隙形成系統(tǒng)。所述系統(tǒng)具有從金屬絲源接收金屬絲并且向金屬絲涂布聚合物涂層的涂層站。掩模形成站從涂層站接收聚合物涂布的金屬絲，并且在聚合物涂布的金屬絲上吹濕空氣，形成在聚合物涂層中產(chǎn)生孔洞的氣泡，從而產(chǎn)生掩模。蝕刻站接收來(lái)自掩模涂層站的用聚合物掩模涂布的金屬絲，并且通過(guò)聚合物掩模中的孔洞蝕刻金屬絲，從而在金屬絲中形成微孔隙。剝離站從蝕刻站接收金屬絲并且由金屬絲除去聚合物掩模，留下帶有微孔隙的金屬絲。本發(fā)明提供了一種在鎢絲中形成微孔隙及，更一般地說(shuō)制造具有孔洞陣列并能基本上符合任何表面、包括任意彎曲表面的掩模的方法。
文檔編號(hào)C23F1/02GK1681076SQ200510059150
公開日2005年10月12日 申請(qǐng)日期2005年3月21日 優(yōu)先權(quán)日2004年3月19日
發(fā)明者劉辛冰 申請(qǐng)人:松下電器產(chǎn)業(yè)株式會(huì)社