專利名稱：表面處理方法及設(shè)備的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及通過將離子注入到絕緣體中來改善絕緣體表面的表面處理方法和設(shè)備。
已使用一種方法對(duì)材料進(jìn)行表面處理以改善包括硬度、彈塑性、導(dǎo)電性、潤滑性、耐久性、防潮性、防腐性、潤溫性和透氣性的多種特性。就前述方法而言，一種眾所周知的方法是將離子注入到要處理的工件中以改善工件表面。
作為把離子注入到要處理的工件中的方法，眾所周知的方法(以下稱“離子束注入法”)是將工件用離子束直接照射以使離子注入到要處理的工件中。
然而，離子束注入法有這樣的問題，即當(dāng)工件具有三維結(jié)構(gòu)時(shí)離子不能均勻地注入到要處理的工件中。
發(fā)明了一種方法，它能克服上述問題并且即使要處理的工件具有三維結(jié)構(gòu)也能均勻地注入離子。該方法(以下稱“等離子體注入法”)包括以下步驟產(chǎn)生包含要注入的離子的等離子體；通過用襯底偏壓加速包含在等離子體中的離子把離子注入到要處理的工件中。
實(shí)施等離子體注入法時(shí)，要處理的工件放置在包含要注入的離子的等離子體中。然后，如

圖1所示的負(fù)脈沖偏壓施加到要處理的工件上。當(dāng)負(fù)電壓施加到要處理的工件后，等離子體中的離子注入到工件中。
實(shí)施前述等離子體注入法時(shí)，包含要注入的離子的等離子體在要處理的工件周圍產(chǎn)生。因此，如果要處理的工件具有三維結(jié)構(gòu)，離子能均勻地注入到工件表面中。
然而，等離子體注入法的應(yīng)用僅局限于要處理的工件是導(dǎo)體例如金屬的情況。其原因在于，當(dāng)要處理的工件為絕緣體時(shí)，如果用等離子體注入法進(jìn)行離子注入，那么在要處理的工件中電荷迅速地積累。因而出現(xiàn)所謂的充電狀態(tài)。所以它使離子不能有效地注入到要處理的工件中。
正是鑒于這種情況，本發(fā)明的目的是，如果要進(jìn)行表面處理的工件是絕緣體，提供一種通過用等離子體注入法進(jìn)行離子注入的表面處理方法和設(shè)備。
根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)方面，它提供一種用于向絕緣體注入離子的表面處理設(shè)備，其中包括產(chǎn)生包含注入到所述絕緣體中的所述離子的等離子體的裝置；向所述絕緣體施加電壓脈沖的裝置；在所述等離子體氣氛中通過向所述絕緣體施加包括正和/或負(fù)脈沖型電壓而注入離子到所述絕緣體中的裝置。
根據(jù)本發(fā)明的另一個(gè)方面，它提供一種用電子束照射進(jìn)行絕緣體表面處理的方法，其改進(jìn)為在絕緣體用電子束照射的同時(shí)施加脈沖型電壓到絕緣體上。
根據(jù)本發(fā)明的表面處理方法和設(shè)備，設(shè)置為可使施加到絕緣體上的偏壓為包括正脈沖電壓和負(fù)脈沖電壓的脈沖型電壓。因此，在要進(jìn)行表面處理的絕緣體中的不合乎需要的電荷積累能在離子注入過程中得以防止。也就是說，如果由于施加負(fù)脈沖型電壓而在要進(jìn)行表面處理的絕緣體中積累電荷，該電荷能立即被正脈沖型電壓抵消。所以它使所謂的充電狀態(tài)能被阻止。結(jié)果，離子能連續(xù)地注入到要進(jìn)行表面處理的絕緣體中。
根據(jù)本發(fā)明，如果要進(jìn)行表面處理的工件是絕緣體，能通過用等離子體注入法注入離子來進(jìn)行表面處理。因此，如果要進(jìn)行表面處理的工件例如為具有三維結(jié)構(gòu)的絕緣體，離子能均勻地注入到要處理的工件表面中以便改善工件表面。
根據(jù)本發(fā)明，即使是絕緣體的塑料也可用離子注入而進(jìn)行表面處理。也就是說，本發(fā)明能使塑料用離子注入進(jìn)行表面處理以便改善硬度、彈塑性、導(dǎo)電性、潤滑性、耐久性、防潮性、防腐性、可濕性和透氣性。因此，根據(jù)本發(fā)明，過去用金屬或玻璃制成的多種元件可由低成本塑料制成。所以它能獲得顯著的工業(yè)效益。
圖1示出向要用常規(guī)等離子體注入法處理的工件施加的脈沖偏壓波形。
圖2示出根據(jù)本發(fā)明的表面處理設(shè)備結(jié)構(gòu)的實(shí)施例。
圖3示出當(dāng)用離子束注入法注入離子后獲得的注入曲線。
圖4示出當(dāng)用根據(jù)本發(fā)明的等離子體注入法注入離子后獲得的注入曲線。
圖5示出根據(jù)本發(fā)明施加到進(jìn)行表面處理的工件上的脈沖型電壓波形。
圖6示出根據(jù)本發(fā)明施加到進(jìn)行表面處理的工件上的另一脈沖型電壓波形。
圖7示出根據(jù)本發(fā)明施加到進(jìn)行表面處理的工件上的另一脈沖型電壓波形。
圖8示出根據(jù)本發(fā)明施加到進(jìn)行表面處理的工件上的另一脈沖型電壓波形。
圖9示出根據(jù)本發(fā)明施加到進(jìn)行表面處理的工件上的另一脈沖型電壓波形。
圖10示出根據(jù)本發(fā)明施加到進(jìn)行表面處理的工件上的另一脈沖型電壓波形。
圖11示出根據(jù)本發(fā)明施加到進(jìn)行表面處理的工件上的另一脈沖型電壓波形。
圖12示出根據(jù)本發(fā)明施加到進(jìn)行表面處理的工件上的另一脈沖型電壓波形。
圖13示出根據(jù)第一實(shí)施例施加到塑料襯底上的脈沖型電壓的第一實(shí)施例。
圖14示出根據(jù)第一實(shí)施例施加到塑料襯底上的脈沖型電壓的第二實(shí)施例。
圖15示出根據(jù)第一實(shí)施例受到離子注入表面處理的塑料襯底的壓入硬度測(cè)試的結(jié)果，從而示出通過施加如圖13所示脈沖型電壓進(jìn)行離子注入的測(cè)量結(jié)果。
圖16示出根據(jù)第一實(shí)施例受到離子注入表面處理的塑料襯底的壓入硬度測(cè)試的結(jié)果，從而示出通過施加如圖14所示脈沖型電壓進(jìn)行離子注入的測(cè)量結(jié)果。
圖17示出根據(jù)第二實(shí)施例在涂有油墨的塑料襯底受到離子注入表面處理之前和之后的紅外線頻譜特性的測(cè)量結(jié)果；以及圖18示出根據(jù)第三實(shí)施例進(jìn)行表面處理的轉(zhuǎn)鼓。
現(xiàn)在參照附圖描述本發(fā)明的實(shí)施例。
根據(jù)本發(fā)明的表面處理設(shè)備的結(jié)構(gòu)實(shí)施例如圖2所示。根據(jù)本發(fā)明的表面處理設(shè)備1是通過等離子體注入方法改善由絕緣體制成的要用離子注入進(jìn)行處理的工件2表面的設(shè)備。
要受到離子注入表面處理的工件2的材料例如為無定形聚烯烴(APO)、聚碳酸脂(PC)、聚甲基丙烯酸甲脂(PMMA)、聚對(duì)苯二甲酸乙二酯(PET)、丙烯酸樹脂、聚酰亞胺樹脂、碳和玻璃。要注入到工件2中的離子源例如為C、N、Ar、W、Ta、Cr、Mo、Co、Pt、Ni、Fe、Ti、Mn、Cu和Sm。
表面處理設(shè)備1包括真空室3、用于將真空室3內(nèi)部抽真空的深冷泵4、在真空室3中用于支撐工件2的夾具5、用于提供要注入到工件2中的離子的離子發(fā)生器6、用于在離子提供和阻止離子提供之間進(jìn)行切換的閘門7以及把包括正脈沖型電壓和負(fù)脈沖型電壓的脈沖型電壓施加到要處理的工件2上的脈沖電源8。
真空室3為腔室，其內(nèi)部被抽真空以獲得高度真空狀態(tài)。在表面處理設(shè)備1中，包含要注入到工件2中的離子的等離子體在真空室3中產(chǎn)生。由此，包含在等離子體中的離子被注入到工件2中。
深冷泵4為用于將真空室3內(nèi)部抽真空以獲得高度真空狀態(tài)的真空泵。表面處理設(shè)備1設(shè)置成可使深冷泵4將真空室3內(nèi)部抽真空。因而，在離子注入到真空室3之前獲得高度真空，也就是說，背景真空度達(dá)到例如約10-7乇。當(dāng)用深冷泵4把真空室3內(nèi)部抽真空獲得真空度使離子注入真空室3以便產(chǎn)生等離子體，也就是說，當(dāng)離子被注入時(shí)真空度為例如10-5乇。
夾具5支撐工件2。連接到真空室3上的絕緣支撐部件9把夾具5固定到真空室3內(nèi)部。當(dāng)由絕緣體制成的工件2進(jìn)行表面處理時(shí)，工件2固定到夾具5上。
夾具5包括用于引導(dǎo)冷卻水的管子。冷卻水可以沿管子流動(dòng)以使固定到夾具5的工件2冷卻。包括在夾具5中的用于引導(dǎo)冷卻水的管子經(jīng)過支撐部件9延伸到真空室3的外部。如圖中箭頭A所示，冷卻水可以沿著包括在夾具5中的用于引導(dǎo)冷卻水的管子和沿著用于引導(dǎo)冷卻水的延伸到真空室3外部的管子提供。
當(dāng)用等離子體注入法注入離子時(shí)，工件2的溫度隨著離子的注入而升高。當(dāng)工件2由必須避免在高溫下進(jìn)行工藝的材料如塑料制成時(shí)，由離子注入導(dǎo)致的工件2溫度的過度增升就產(chǎn)生問題。
然而，在工件2受到離子注入表面處理時(shí)，包括具有水冷功能的夾具5的表面處理設(shè)備1能控制工件2的溫度。因此，如果工件2由必須避免在高溫下進(jìn)行工藝的材料如塑料制成時(shí)，工件2溫度的增升能被阻止而把離子注入到工件2中。
離子發(fā)生器6為用于提供要注入到工件2中的離子的等離子體發(fā)生裝置，可以產(chǎn)生包含要注入到工件2中的離子的等離子體。離子發(fā)生器6包括用于產(chǎn)生要注入到工件2中的離子的離子發(fā)生源10和用于從由離子發(fā)生源10產(chǎn)生的粒子中僅分離出具有單位電荷的離子的質(zhì)量分離器11。
離子發(fā)生源10可為Kauffmann離子源、磁控濺射源或陰極電弧源。Kauffmann離子源和磁控濺射源都設(shè)置為可使用作離子源的工作氣體被注入以使從工作氣體中產(chǎn)生離子。另一方面，陰極電弧源在產(chǎn)生離子時(shí)不使用工件氣體。具體而言，陰極電弧源使用由用作離子源的材料制成的陰極以使電弧發(fā)射發(fā)生。電弧發(fā)射使陰極蒸發(fā)因而得到電離粒子。由于陰極電弧源不使用工件氣體來產(chǎn)生離子，可以獲得可在保持真空狀態(tài)的同時(shí)產(chǎn)生離子的優(yōu)點(diǎn)。
當(dāng)陰極電弧源用作離子發(fā)生源10時(shí)，有時(shí)會(huì)出現(xiàn)微滴發(fā)生的問題。為克服微滴發(fā)生的問題，陰極電弧源的一部分使用電磁過濾器來除去微滴。前述類型的陰極電弧源稱為過濾陰極電弧源。表面處理設(shè)備1可把過濾陰極電弧源用作離子發(fā)生源10。
離子發(fā)生源10產(chǎn)生具有大質(zhì)量的大粒子、中性粒子以及所需要的離子。必須阻止除所需離子以外的粒子移向工件2。因此，離子發(fā)生器6包括用于從離子發(fā)生源10產(chǎn)生的粒子中僅把所需離子注入到真空室3中的質(zhì)量分離器11。
質(zhì)量分離器11具有彎曲成例如45°的通道。而且，沿通道放置磁鐵。由磁鐵產(chǎn)生的磁場(chǎng)引導(dǎo)所需離子沿著彎曲通道進(jìn)入真空室3中。另一方面，具有大質(zhì)量的大粒子和中性粒子不能輕易被引導(dǎo)。因此，前述粒子不能通過彎曲通道。從而前述粒子被阻止。
當(dāng)質(zhì)量分離器11放置在離子發(fā)生源10和真空室3之間時(shí)，具有大質(zhì)量的大粒子和中性粒子能被阻止。也就是說，只有所需的離子能注入到真空室3中。結(jié)果，具有大質(zhì)量的大粒子和中性粒子的影響能被消除。因而，表面處理結(jié)果的質(zhì)量可以得到提高。
閘門7放置在與離子發(fā)生器6的離子發(fā)射口相鄰處以在離子提供和阻止離子提供之間進(jìn)行切換。當(dāng)閘門7打開時(shí)，離子從質(zhì)量分離器11提供。當(dāng)閘門7關(guān)閉時(shí)，離子發(fā)生器6的離子提供被中斷。
脈沖電源8為把包括正脈沖型電壓和負(fù)脈沖型電壓的脈沖型電壓施加到由夾具5支撐的工件2上的電壓施加裝置。也就是說，當(dāng)離子引導(dǎo)到工件2上時(shí)，脈沖電源8把用作偏壓的脈沖型電壓施加到工件2上。當(dāng)負(fù)脈沖型電壓施加到工件2上時(shí)，等離子體中的離子注入到工件2中。從而離子注入到工件2中。
脈沖電源8包括用作正直流(DC)電壓源的第一電源21、用作負(fù)直流(DC)電壓源的第二電源22、用于把由第一電源21提供的DC電壓轉(zhuǎn)換成脈沖型電壓的第一轉(zhuǎn)換器電路23、用于把由第二電源22提供的DC電壓轉(zhuǎn)換成脈沖型電壓的第二轉(zhuǎn)換器電路24、用于提高由第一和第二轉(zhuǎn)換器電路23和24施加的脈沖型電壓的電平的脈沖變壓器25、用于控制第一和第二轉(zhuǎn)換器電路23和24的控制電路26以及用于控制控制電路26操作的計(jì)算機(jī)27。
脈沖電源8的第一轉(zhuǎn)換器電路23把由第一電源21提供的正DC電壓轉(zhuǎn)換成脈沖型電壓。第二轉(zhuǎn)換器電路24把由第二電源22提供的負(fù)DC電壓轉(zhuǎn)換成脈沖型電壓。
第一和第二轉(zhuǎn)換器電路23和24的輸出由控制電路26控制。在脈沖電源8中，用于輸出正脈沖型電壓的第一轉(zhuǎn)換器電路23和用于輸出負(fù)脈沖型電壓的第二轉(zhuǎn)換器電路24平行工作。由于第一和第二轉(zhuǎn)換器電路23和24由控制電路26控制，從第一和第二轉(zhuǎn)換器電路23和24輸出的脈沖峰值、脈沖第一轉(zhuǎn)換時(shí)間、脈沖間隔及每一正負(fù)脈沖型電壓的脈沖寬度可獨(dú)立地改變。
具體地，控制電路26切換第一轉(zhuǎn)換器電路23的輸出和第二轉(zhuǎn)換器電路24的輸出并以從第一轉(zhuǎn)換器電路23輸出的正脈沖型電壓和從第二轉(zhuǎn)換器電路24輸出的負(fù)脈沖型電壓交替輸出這樣的方式控制轉(zhuǎn)換器電路的輸出。由控制電路26控制的脈沖型電壓以及第一和第二轉(zhuǎn)換器電路23和24的輸出傳送到脈沖變壓器25的主線圈上。
傳送到脈沖變壓器25上的脈沖型電壓電平由脈沖變壓器25提高。連接到脈沖變壓器25副線圈上的終端可以通過用于支撐夾具5的支撐部件9以便放置在用于支撐要處理工件的夾具5的表面上。因此，當(dāng)工件2連接到夾具5后，具有被脈沖變壓器25提高的電平的脈沖型電壓施加到要處理的工件2上。
施加到工件2上的脈沖型電壓包括由提高第一轉(zhuǎn)換器電路23輸出的正脈沖型電壓電平得到的脈沖和由提高第二轉(zhuǎn)換器電路24輸出的負(fù)脈沖型電壓電平得到的脈沖。也就是說，工件2施加有包括正脈沖電壓和負(fù)脈沖電壓的脈沖型電壓。
如上所述，工件2施加有包括正脈沖電壓和負(fù)脈沖電壓的脈沖型電壓。因此它使得當(dāng)離子注入到工件2中時(shí)工件2中不合乎需要的電荷積累能被阻止。如果由于施加負(fù)脈沖電壓而在工件2中積累電荷，前述電荷可立即被正脈沖電壓抵消。如果由于施加正脈沖電壓而在工件2中積累電荷，前述電荷可立即被負(fù)脈沖電壓抵消。因此，可以防止所謂的充電狀態(tài)。因而，可以連續(xù)注入到工件2中。
應(yīng)注意，脈沖電源8設(shè)置成可使施加到工件2上的脈沖電壓的峰值、脈沖第一轉(zhuǎn)換時(shí)間、脈沖間隔、脈沖寬度或正負(fù)脈沖的序列可通過向計(jì)算機(jī)27發(fā)出指令而任意地控制。也就是說，當(dāng)脈沖電源8工作時(shí)，把要施加到要處理的工件2上的脈沖型電壓波形輸入到計(jì)算機(jī)27中。按照輸入指令，計(jì)算機(jī)27控制控制電路26的操作。按照從計(jì)算機(jī)27發(fā)出的指令，控制電路26以把具有所需波形的脈沖型電壓施加到要處理的工件2上的方式控制第一和第二轉(zhuǎn)換器電路23和24的輸出。
具體地，施加到工件2上的正負(fù)脈沖型電壓的每一峰值可以獨(dú)立地在大約0V到大約40kV之間改變。而且，脈沖寬度可在幾微秒到幾秒的范圍內(nèi)改變。脈沖間隔可在幾秒到幾十微秒之間改變。而且正負(fù)脈沖順序可由連接到控制電路26上的計(jì)算機(jī)27控制。
優(yōu)選脈沖電源8的第一和第二轉(zhuǎn)換器電路23和24由包括半導(dǎo)體元件的電路構(gòu)成。包括半導(dǎo)體元件的轉(zhuǎn)換器電路是低成本電路。因此，把包括半導(dǎo)體元件的電路用作包括在脈沖電源8中的第一和第二轉(zhuǎn)換器電路23和24使脈沖電源8能以低成本構(gòu)成。由于包括半導(dǎo)體器件的電路的尺寸易于減小，所以脈沖電源8的尺寸可減小。
當(dāng)?shù)谝缓偷诙D(zhuǎn)換器電路23和24由包括半導(dǎo)體器件的電路構(gòu)成時(shí)，從第一和第二轉(zhuǎn)換器電路23和24都不能輕易得到高輸出電壓。在前述情形下，從第一和第二轉(zhuǎn)換器電路23和24輸出的電平必須象前述脈沖電源8那樣由脈沖變壓器25提高。
當(dāng)把包括半導(dǎo)體器件的電路用作第一和第二轉(zhuǎn)換器電路23和24時(shí)，從第一和第二轉(zhuǎn)換器電路23和24輸出的脈沖型電壓的脈沖峰值為大約幾百伏到大約幾千伏。脈沖型電壓的電平由脈沖變壓器25提高從而產(chǎn)生具有幾十千伏脈沖峰值的脈沖型電壓。具有由脈沖變壓器25提高的電平的脈沖電壓施加到要處理的工件2上。
第一和第二轉(zhuǎn)換器電路23和24可由包括真空管的電路構(gòu)成。包括真空管的轉(zhuǎn)換器電路能獲得高輸出電壓。當(dāng)把包括真空管的電路用作第一和第二轉(zhuǎn)換器電路23和24時(shí)，從第一和第二轉(zhuǎn)換器電路23和24輸出的脈沖型電壓可直接施加到要處理的工件2上從而繞過脈沖變壓器25。
當(dāng)按如上所述構(gòu)成的表面處理設(shè)備1通過離子注入對(duì)由絕緣體制成的工件2進(jìn)行表面處理時(shí)，要處理的工件2固定在置于真空室中的夾具5上。接著，由深冷泵4對(duì)真空室內(nèi)部抽真空以獲得高度真空狀態(tài)。真空室3中的真空度，亦即在離子注入到真空室3中之前獲得的真空度(背景真空度)達(dá)到例如10-7乇。
當(dāng)工件2由必須避免在高溫下進(jìn)行工藝的材料如塑料制成時(shí)，冷卻水可沿用于引導(dǎo)夾具5中的冷卻水的管子流動(dòng)。因而，可防止工件2的過度溫升。
接著，離子發(fā)生器6產(chǎn)生要引導(dǎo)到工件2上的離子。因而，離子注入到真空室3中。結(jié)果，包含要注入到工件2中的離子的等離子體在真空室3中產(chǎn)生。當(dāng)離子注入時(shí)真空室3中的真空度例如約為10-5乇。
在把工件2置于包含要注入的離子的等離子體中的狀態(tài)時(shí)，包括正脈沖型電壓和負(fù)脈沖型電壓的脈沖型電壓由脈沖電源8產(chǎn)生。前述脈沖型電壓作為偏壓施加到工件2上。結(jié)果，離子注入到工件2中從而離子注入到工件2中。
具體地，當(dāng)負(fù)脈沖型電壓施加到要處理的工件2上后，包含在等離子體中的正離子注入到工件2中。因而，正離子注入到工件2中。注入到工件2中的離子數(shù)量、注入深度和注入曲線取決于脈沖的峰值、脈沖第一轉(zhuǎn)換時(shí)間、脈沖間隔和施加到工件2上的負(fù)脈沖型電壓的脈沖寬度。因此，控制施加到工件2上的脈沖型電壓波形從而可控制注入到工件2中的離子數(shù)量、注入深度和注入曲線。應(yīng)注意，“注入曲線”為從工件2表面計(jì)起的注入深度和注入到工件2中的離子的密度之間的關(guān)系。
當(dāng)正離子如上所述地注入到工件2中時(shí)，電荷在要處理的工件2中積累。因此，把負(fù)電壓持續(xù)施加到工件2上導(dǎo)致事實(shí)上不能繼續(xù)將離子注入到由絕緣體制成的工件2中。因此，表面處理設(shè)備1設(shè)置成可使施加到工件2上的偏壓為包括正脈沖型電壓和負(fù)脈沖型電壓的脈沖電壓。因而，在工件2中積累的電荷被正脈沖型電壓抵消。
具體地，當(dāng)正脈沖型電壓施加到工件2上時(shí)，電子注入到工件2中。電子抵消工件2中積累的電荷。所以，在工件2中積累的電荷被抵消。當(dāng)施加負(fù)脈沖型電壓時(shí)，正離子因而注入到工件2中。因而離子能注入到工件2中。
如上所述，施加到工件2上的偏壓成為包括正脈沖型電壓和負(fù)脈沖型電壓的脈沖型電壓。因此，即使工件2為絕緣體時(shí)也能防止充電狀態(tài)出現(xiàn)。因而它使離子能注入到工件2中。
由于用等離子體注入法進(jìn)行離子注入，在該方法中包含在等離子體中的離子注入到工件2中，所以可得到不同于離子束注入法的效果，其中即使工件2具有三維結(jié)構(gòu)離子也可均勻地注入到工件2表面中。
要用離子注入進(jìn)行表面處理的工件2例如為用于記錄和/或轉(zhuǎn)動(dòng)磁帶的轉(zhuǎn)鼓、承載記錄介質(zhì)的記錄層的襯底、具有記錄層在其上形成的襯底的記錄介質(zhì)、具有記錄層在其上形成的襯底并且在記錄層上形成有保護(hù)膜的記錄介質(zhì)、用于封裝液晶的液晶板的平板襯底、具有在其上進(jìn)行印制的絕緣體的印制物質(zhì)以及由絕緣材料如塑料制成的各種微型機(jī)械。
當(dāng)使用離子束注入法時(shí)，具有預(yù)定能量的離子束加速并注入到要處理的工件中。注入曲線(從工件表面計(jì)起的注入深度和注入到工件中的離子的密度之間的關(guān)系)形成為在從表面計(jì)起的某個(gè)深度上具有峰值的高斯分布，如圖3所示。
另一方面，當(dāng)通過等離子體注入法用表面處理設(shè)備1進(jìn)行離子注入時(shí)，施加到工件2上的脈沖型電壓得到控制。因而，可控制要注入到工件2中的離子數(shù)量、注入深度和注入曲線。因此，例如，注入曲線可形成為可使曲線在鄰近表面上具有峰值，如圖4所示。
現(xiàn)在描述當(dāng)用表面處理設(shè)備1注入離子時(shí)施加到工件2上的脈沖型電壓的實(shí)施例(見圖5-12)。
在如圖5所示的實(shí)施例中，首先施加負(fù)脈沖型電壓。接著立即施加具有基本相同的脈沖峰值絕對(duì)值的正脈沖型電壓。而且，在施加正脈沖型電壓后一段時(shí)間內(nèi)不施加電壓。將具有前述波形的脈沖序列重復(fù)施加到要處理的工件2上。
當(dāng)脈沖型電壓波形形成如圖5所示時(shí)，在施加負(fù)脈沖型電壓后正離子加速并注入到工件2中。由于正離子注入到工件2中，電荷在工件2中積累。當(dāng)施加正脈沖型電壓時(shí)，電子注入到工件2中。結(jié)果，在工件2中積累的電荷能被抵消。
具有如圖5所示波形的脈沖型電壓作為偏壓施加到工件2上。因此，即使工件2為絕緣體也能防止充電狀態(tài)出現(xiàn)。因而能連續(xù)將離子注入到工件2中。
圖6示出一實(shí)施例，其中正負(fù)電壓序列從如圖5所示實(shí)施例轉(zhuǎn)換而來。在如圖6所示實(shí)施例中，最初施加正脈沖型電壓，接著立即施加具有基本相同的脈沖峰值絕對(duì)值的負(fù)脈沖型電壓。然后，在施加負(fù)脈沖型電壓后一段時(shí)間內(nèi)不施加電壓。將前述脈沖序列重復(fù)施加到工件2上。
在脈沖型電壓具有如圖6所示波形的情形下，當(dāng)負(fù)脈沖型電壓施加后，與如圖5所示實(shí)施例相似地，正離子加速并注入到工件2中。結(jié)果，離子注入到工件2中。由于正離子注入到工件2中，電荷在工件2中積累。當(dāng)施加正脈沖型電壓后，電子注入到工件2中。因而在工件2中積累的電荷能被抵消。
所以，即使工件2為與如圖5所示實(shí)施例相似的絕緣體時(shí)，具有如圖6所示波形的脈沖型電壓作為偏壓施加到工件2上也能防止充電狀態(tài)的出現(xiàn)。因而能連續(xù)將離子注入到工件2中。
在如圖7所示實(shí)施例中，首先施加負(fù)脈沖型電壓。然后，在一段時(shí)間內(nèi)不施加電壓。接著，施加具有與所施加負(fù)脈沖型電壓基本相同的脈沖峰值絕對(duì)值的正脈沖型電壓。然后，在一段時(shí)間內(nèi)不施加電壓。將前述脈沖序列重復(fù)施加到工件2上。
在脈沖型電壓具有如圖7所示波形的情形下，當(dāng)負(fù)脈沖型電壓與如圖5和6所示實(shí)施例相似地施加后，正離子加速并注入到工件2中。從而對(duì)工件2進(jìn)行離子注入。此時(shí)，正離子注入到工件2中。由此，正電荷在工件2中積累。另一方面，正脈沖型電壓的施加使電子注入到工件2中。結(jié)果，在工件2中積累的正電荷能被抵消。
所以，即使工件2為與如圖5和6所示實(shí)施例相似的絕緣體時(shí)，具有如圖7所示波形的脈沖型電壓作為偏壓施加到工件2上使離子連續(xù)注入到工件2中而不出現(xiàn)充電狀態(tài)。
而且，如圖7所示的實(shí)施例設(shè)置得在施加負(fù)脈沖型電壓后有一段時(shí)間不施加電壓。接著，在一定長度時(shí)間過去后施加正脈沖型電壓。在前述施加負(fù)脈沖型電壓后有一段時(shí)間不施加電壓的情形下，工件2中積累的電荷在前述時(shí)段內(nèi)被消除一定數(shù)量。所以，因施加正脈沖型電壓而抵消電荷能易于進(jìn)行。
在如圖8所示的實(shí)施例中，施加負(fù)脈沖型電壓。接著立即施加小峰值的正脈沖型電壓。然后，在一段時(shí)間內(nèi)不施加電壓。將前述脈沖序列重復(fù)施加到工件2上。
在脈沖型電壓具有如圖8所示波形的情形下，當(dāng)負(fù)脈沖型電壓施加時(shí)，與如圖5-7所示實(shí)施例相似地，正離子加速并注入到工件2中。結(jié)果，離子注入到工件2中。當(dāng)正離子在此時(shí)注入到工件2時(shí)，正電荷在工件2中積累。當(dāng)正脈沖型電壓施加時(shí)，電子注入到工件2中。因而在工件2中積累的電荷能被抵消。
在如圖8所示的實(shí)施例中，正脈沖型電壓峰值的絕對(duì)值比負(fù)脈沖型電壓峰值的絕對(duì)值小。工件2中積累的正電荷能用較小絕對(duì)值的正脈沖令人滿意地抵消。當(dāng)在脈沖之間設(shè)置不施加電壓的時(shí)段時(shí)，在前述時(shí)段內(nèi)正電荷能被消除。因此，用于抵消工件2中積累的電荷的正脈沖型電壓可以減小。
在如圖9所示的實(shí)施例中，將圖8中正脈沖型電壓和負(fù)脈沖型電壓序列轉(zhuǎn)換。也就是說，圖9所示實(shí)施例設(shè)置得使正脈沖型電壓首先施加。接著立即施加小峰值的負(fù)脈沖型電壓。然后，在一段時(shí)間內(nèi)不施加電壓。將前述類型的脈沖序列重復(fù)施加到工件2上。
在脈沖型電壓具有如圖9所示波形的情形下，當(dāng)負(fù)脈沖型電壓施加時(shí)，與如圖5-8所示實(shí)施例相似地，正離子加速并注入到工件2中。結(jié)果，離子注入到工件2中。由于正離子注入到工件2，正電荷在工件2中積累。當(dāng)正脈沖型電壓施加時(shí)，電子注入到工件2中。因而在工件2中積累的正電荷能被抵消。
在如圖9所示的實(shí)施例中，正脈沖型電壓峰值的絕對(duì)值比負(fù)脈沖型電壓峰值的絕對(duì)值大。能通過增大正脈沖抵消工件2中積累的電荷。在前述情形中，當(dāng)正脈沖型電壓施加時(shí)，用于抵消工件2中積累的正電荷的一定數(shù)量的電子能注入到工件2中。因此，前述實(shí)施例獲得因用電子照射而得到的表面處理效果。
在如圖10所示的實(shí)施例中，最初施加多個(gè)負(fù)脈沖型電壓。波形通過使脈沖連續(xù)而形成，其中負(fù)電壓逐漸增大。因此，波形由具有如虛線所示的適度負(fù)傾斜的脈沖序列組成。在如圖10所示的實(shí)施例中，施加前述負(fù)脈沖型電壓。緊接著施加正脈沖型電壓。然后在一段時(shí)間內(nèi)沒有電壓施加。把前述脈沖序列重復(fù)施加到工件2上。
當(dāng)脈沖型電壓具有如圖10所示的波形時(shí)，在施加多個(gè)負(fù)脈沖型電壓后正離子加速并注入到工件2中。結(jié)果，離子注入到工件2中。由于正離子注入到工件2中，正電荷在工件2中積累。當(dāng)施加正脈沖型電壓時(shí)電子注入到工件2中。因而工件2中積累的正電荷能被抵消。
在前述實(shí)施例中，負(fù)脈沖型電壓是用于加速和注入正離子到工件2中的偏壓，通過結(jié)合多個(gè)脈沖而形成。當(dāng)離子注入到工件2中時(shí)注入曲線能進(jìn)一步細(xì)微地控制。
在圖5-10所示的實(shí)施例中，在脈沖之間設(shè)置有不施加電壓的時(shí)段。在不施加電壓的時(shí)段中，移向工件2并有初始能量的離子淀積在工件2上。因此，在不施加電壓的時(shí)段中，不對(duì)工件2進(jìn)行離子注入。在此情形下，在工件2上形成有薄膜。也就是說，在圖5-10所示的實(shí)施例中，離子注入效果和薄膜形成效果都能得到。
當(dāng)在工件2上不需形成薄膜時(shí)，DC電壓成分疊加在施加到工件2上的脈沖型電壓上。疊加有DC電壓成分的脈沖型電壓如圖11所示。當(dāng)正DC電壓成分疊加在脈沖型電壓上時(shí)，能阻止在脈沖之間形成薄膜。因而，只進(jìn)行對(duì)工件2的離子注入。
在前述實(shí)施例中，當(dāng)根據(jù)條件把負(fù)電壓施加到工件2上時(shí)離子注入。當(dāng)把負(fù)電壓施加到工件2上時(shí)，將離子引入到工件2中有時(shí)被阻止。因而不能實(shí)現(xiàn)濺射狀態(tài)。
亦即，當(dāng)充分的高負(fù)電壓施加到工件2上時(shí)，移向工件2的離子的能量充分增大。因而離子注入到工件2中，使離子被注入的狀態(tài)出現(xiàn)。當(dāng)施加到工件2上的負(fù)電壓低時(shí)，移向工件2的離子的能量太小以致于不能讓離子注入到工件2中。因此實(shí)現(xiàn)濺射狀態(tài)。
具體地，當(dāng)工件2由塑料制成且離子源由碳制成并且施加的負(fù)電壓為約10kV時(shí)，離子得到充分加速。因而離子注入的狀態(tài)出現(xiàn)。當(dāng)施加到工件2上的負(fù)電壓為約幾百伏時(shí)，離子不能得到充分加速。由此離子不能注入到工件2中使濺射狀態(tài)出現(xiàn)。
當(dāng)工件2進(jìn)行表面處理時(shí)，可積極地利用前述濺射狀態(tài)。在利用負(fù)的濺射狀態(tài)時(shí)所使用的脈沖型電壓的實(shí)施例如圖12所示。
當(dāng)積極地利用濺射狀態(tài)時(shí)，施加負(fù)脈沖型電壓時(shí)如圖12所示施加大約幾百伏偏壓。由此工件2表面被濺射。然后施加大約10kV脈沖使離子注入到工件2中。
如上所述，施加到工件2的電壓調(diào)整為可進(jìn)行工件2的離子注入和濺射。也就是說，調(diào)整施加到工件2的電壓，使工件2受到包括濺射和離子注入的表面處理。
設(shè)置前述表面處理設(shè)備1，使得用脈沖控制質(zhì)量分離器11，并控制閘門的開關(guān)。因此可斷續(xù)地提供要注入到工件2中的離子。注入到工件2中的離子的提供可與施加到工件2的偏壓脈沖同步進(jìn)行。結(jié)果只進(jìn)行對(duì)工件2的離子注入。作為它的替代方案，進(jìn)行表面處理使離子注入、薄膜形成和濺射結(jié)合起來。因此在所需條件下的表面處理可進(jìn)一步得到細(xì)微控制。
現(xiàn)在描述使用如圖2所示的表面處理設(shè)備1進(jìn)行實(shí)際表面處理的實(shí)施例。
第一實(shí)施例在本實(shí)施例中，要處理的工件2是通過將無定形聚烯烴(APO)模制成圓盤形而得到的塑料襯底。要注入到工件2中的離子源由碳形成。離子發(fā)生源10是由Commonwealth Scientific Corp.(聯(lián)邦科技公司)制造的過濾陰極電弧源。
首先，把要進(jìn)行表面處理的塑料襯底連接到置于真空室3中的夾具5上。為防止在離子注入后塑料襯底的過度溫升，冷卻水可以沿用于引導(dǎo)置于夾具5中的冷卻水的管子流動(dòng)。把要進(jìn)行表面處理的塑料襯底連接到夾具5上。然后用深冷泵4對(duì)真空室3內(nèi)部抽真空達(dá)到高度真空狀態(tài)。真空室3中的真空度，亦即在離子注入到真空室3中之前的真空度(背景真空度)達(dá)到約10-7乇。
隨后，離子發(fā)生器6產(chǎn)生碳離子并接著把碳離子注入到真空室3中。由碳離子流動(dòng)引起的離子電流為約10A，而這些碳離子的動(dòng)能為約25eV。然后碳離子注入到真空室3中以使包含碳離子的等離子體產(chǎn)生。真空室3中的真空度，也就是說，當(dāng)離子注入時(shí)的真空度為約10- 5乇。
在把塑料襯底放置在包含碳離子的等離子體中的狀態(tài)下，脈沖電源8產(chǎn)生脈沖型電壓。脈沖型電壓作為偏壓施加到塑料襯底上。結(jié)果，碳離子注入到塑料襯底中從而離子注入到塑料襯底中。
在離子注入過程中，觀察了在作為工件2的塑料的表面上等離子體層的產(chǎn)生。
在本實(shí)施例中，施加到塑料襯底上的脈沖型電壓波形為相互比較而改變。具體地，實(shí)施第一實(shí)施例，使如圖13所示的正負(fù)脈沖交替出現(xiàn)的脈沖型電壓施加到塑料襯底上。每一正負(fù)脈沖型電壓的脈沖峰值為±10kV。每一正負(fù)脈沖的寬度為5微秒。脈沖間隔為0.1毫秒(10kHz)。如圖14所示實(shí)施第二實(shí)施例，以使僅由負(fù)脈沖組成的脈沖型電壓施加到塑料襯底上。脈沖型電壓的脈沖峰值為-10kV。脈沖寬度為5微秒。脈沖間隔為0.1毫秒(10kHz)。
測(cè)量了在前述條件下離子注入到其中的每一塑料襯底表面的硬度。表面硬度測(cè)量通過使用由NEC制造的薄膜硬度測(cè)試儀“MHA-400”采用毫微印壓硬度測(cè)試來實(shí)施。
通過施加如圖13所示的脈沖型電壓使離子注入而進(jìn)行的測(cè)量結(jié)果，如圖15所示。通過施加如圖14所示的脈沖型電壓使離子注入而實(shí)施的測(cè)量結(jié)果，如圖16所示。圖15和16中所示的橫坐標(biāo)軸表示在壓入硬度測(cè)試過程中壓頭的壓入深度?？v坐標(biāo)軸表示在硬度測(cè)試過程中加到壓頭上的施加載荷數(shù)值。
從圖15和16可看出，在僅由負(fù)脈沖組成的脈沖型電壓施加到塑料襯底以注入離子的情形(在如圖16所示的情形)中進(jìn)行了比較。當(dāng)正負(fù)脈沖交替出現(xiàn)的脈沖型電壓施加到塑料襯底時(shí)(如圖15所示的情形)，施加載荷時(shí)位移量減小，因而表面硬度增加。
也就是說，當(dāng)正負(fù)脈沖交替出現(xiàn)的脈沖型電壓施加到塑料襯底以注入離子時(shí)，得到了更加滿意的塑料襯底表面處理效果。其原因在于，當(dāng)離子通過施加僅由負(fù)脈沖組成的脈沖型電壓而注入到塑料襯底時(shí)，由于充電而不能得到滿意的離子注入。當(dāng)正負(fù)脈沖交替出現(xiàn)的脈沖型電壓施加到塑料襯底以注入離子時(shí)，阻止了充電狀態(tài)的出現(xiàn)。因而離子注入穩(wěn)定地進(jìn)行。
第二實(shí)施例在本實(shí)施例中，通過將無定形聚烯烴(APO)模制成圓盤形而得到的塑料襯底涂覆有油墨。因而得到了工件2。涂覆到塑料襯底表面的油墨的厚度為約10μm。要注入到工件2中的離子源由碳形成。離子發(fā)生源10是由Commonwealth Scientific Corp.制造的過濾陰極電弧源。
首先，把涂覆有油墨的塑料襯底連接到置于真空室3中的夾具5上。為防止在離子注入后塑料襯底的過度溫升，冷卻水可以沿用于引導(dǎo)置于夾具5中的冷卻水的管子流動(dòng)。把涂覆有油墨的塑料襯底連接到夾具5上，然后用深冷泵4對(duì)真空室3內(nèi)部抽真空達(dá)到高度真空狀態(tài)。真空室3中的真空度，亦即在離子注入到真空室3中之前的真空度(背景真空度)達(dá)到約2.1×10-7乇。
隨后，離子發(fā)生器6產(chǎn)生碳離子，并接著把碳離子注入到真空室3中。由碳離子流動(dòng)引起的離子電流為約10A，而這些碳離子的動(dòng)能為約25eV。然后碳離子注入到真空室3中以使包含碳離子的等離子體產(chǎn)生。真空室3中的真空度，也就是說，當(dāng)離子注入時(shí)的真空度為約5×10-5乇。
在把塑料襯底放置在包含碳離子的等離子體中的狀態(tài)下，脈沖電源8產(chǎn)生正負(fù)脈沖交替出現(xiàn)的脈沖型電壓。脈沖型電壓作為偏壓施加到塑料襯底上。結(jié)果，碳離子注入到塑料襯底中。與第一實(shí)施例相似，每一正負(fù)脈沖型電壓的脈沖峰值為±10kV。每一正負(fù)脈沖的寬度為5微秒。脈沖間隔為0.1毫秒(10kHz)。在離子注入過程中，觀察了在涂覆有油墨的塑料襯底表面上等離子體層的產(chǎn)生。
用ATR(衰減全反射)方法在表面處理之前和之后測(cè)量涂覆有油墨的塑料襯底的紅外頻譜特性。紅外頻譜特性通過島津制作所制造的用于測(cè)量ATR的顯微鏡“FTIRAIM8000”測(cè)量。紅外頻譜特性測(cè)量結(jié)果如圖17所示。如圖17中所示，用離子注入進(jìn)行的表面處理導(dǎo)致涂覆有油墨的塑料襯底的表面特性改變。結(jié)果表明由于離子注入而改善表面。
用由Heidon制造的表面測(cè)定設(shè)備對(duì)涂覆有油墨的塑料襯底進(jìn)行劃痕試驗(yàn)，以便測(cè)定用離子注入進(jìn)行表面處理之前和之后的狀態(tài)。結(jié)果表明，在表面處理前載荷0.01g時(shí)表面出現(xiàn)裂紋。在表面處理后，當(dāng)載荷小于1g時(shí)表面不出現(xiàn)裂紋。
在用離子注入進(jìn)行表面處理后，將涂覆有油墨的塑料襯底浸入例如丙酮或乙醇的溶劑中用超聲波清洗機(jī)清洗一小時(shí)。結(jié)果油墨不溶解。其原因在于用離子注入進(jìn)行表面處理改變涂覆于塑料襯底上的油墨，使之不溶于例如丙酮或乙醇的溶劑中。
在前述實(shí)施例中，油墨涂覆于由無定形聚烯烴(APO)模制成圓盤形而得到的塑料襯底上從而得到工件2。根據(jù)本發(fā)明的表面處理可用于在另一種襯底上形成的薄膜。例如，其上形成有薄膜的襯底可為由聚碳酸脂(PC)、聚甲基丙烯酸甲脂(PMMA)、聚對(duì)苯二甲酸乙二酯(PET)或丙烯酸樹脂制成的襯底。作為它的替代方案，該襯底可為硅襯底或玻璃襯底。
根據(jù)本發(fā)明，離子可注入到多種薄膜中。具體地，可將離子注入到用等離子體CVD設(shè)備形成的SiO2膜或SiNx膜中、由用旋涂設(shè)備涂覆的紫外線硬化樹脂形成的薄膜中、或由使用其中混合有粘合劑的磁粉材料形成的磁化膜中。
第三實(shí)施例在本實(shí)施例中，制造了如圖18所示結(jié)構(gòu)的由塑料制成的轉(zhuǎn)鼓30。轉(zhuǎn)鼓30用作要處理的工件2。轉(zhuǎn)鼓30設(shè)置為用于記錄/重放磁帶。當(dāng)用轉(zhuǎn)鼓30記錄/重放磁帶時(shí)，磁帶31如圖18中箭頭B1所示纏繞著轉(zhuǎn)鼓30運(yùn)動(dòng)。而且轉(zhuǎn)鼓30按圖18中箭頭B2所示由電機(jī)旋轉(zhuǎn)。安裝在轉(zhuǎn)鼓30上的磁頭記錄/重放磁帶31。
迄今為止，用于記錄/重放磁帶的轉(zhuǎn)鼓由鋁合金制成。由較重金屬制成的轉(zhuǎn)鼓使旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)鼓的電機(jī)承受較大載荷。如果轉(zhuǎn)鼓能用塑料制成，轉(zhuǎn)鼓的重量能顯著地減小。因此要由電機(jī)承受的載荷能顯著地減小。由于塑料沒有令人滿意的硬度，塑料轉(zhuǎn)鼓因磁帶滑動(dòng)而受到過度磨損。結(jié)果，壽命極大地縮短。因此，塑料轉(zhuǎn)鼓不能投入實(shí)際應(yīng)用。
當(dāng)如后所述應(yīng)用本發(fā)明把塑料轉(zhuǎn)鼓進(jìn)行表面處理時(shí)表面硬度顯著地提高。結(jié)果表明，塑料轉(zhuǎn)鼓能投入實(shí)際應(yīng)用。
在本實(shí)施例中，制造了如圖18所示結(jié)構(gòu)的塑料轉(zhuǎn)鼓30。轉(zhuǎn)鼓30連接到置于真空室3中的夾具5上。為防止在離子注入過程中轉(zhuǎn)鼓30的過度溫升，冷卻水可以沿用于引導(dǎo)置于夾具5中的冷卻水的管子流動(dòng)。在轉(zhuǎn)鼓30連接到夾具5后，用深冷泵4對(duì)真空室3內(nèi)部抽真空達(dá)到高度真空狀態(tài)。真空室3中的真空度，亦即在離子注入到真空室3中之前的真空度(背景真空度)達(dá)到約2.1×10-7乇。
隨后，離子發(fā)生器6工作產(chǎn)生碳、氫和烴離子。產(chǎn)生的離子注入到真空室3中。離子發(fā)生器6的離子發(fā)生源10為RF(射頻)等離子體源。把50sccm數(shù)量的甲烷氣體注入從而由甲烷氣體中產(chǎn)生碳、氫和烴離子。
把碳、氫和烴離子注入到真空室3中以便產(chǎn)生包含前述離子的等離子體。真空室3中的真空度，也就是說，當(dāng)離子注入時(shí)的真空度為約5×10-5乇。
在把轉(zhuǎn)鼓30放置在包含碳、氫和烴離子的等離子體中的狀態(tài)下，脈沖電源8產(chǎn)生正負(fù)脈沖交替出現(xiàn)的脈沖型電壓。脈沖型電壓作為偏壓施加到轉(zhuǎn)鼓30上。結(jié)果，離子注入到轉(zhuǎn)鼓30中。與第一實(shí)施例相似，施加到轉(zhuǎn)鼓30上的脈沖型電壓的正負(fù)脈沖峰值為±10kV。脈沖的寬度為5微秒。脈沖間隔為0.1毫秒(10kHz)。離子注入的時(shí)間為5分鐘。
在離子注入過程中，觀察了在作為工件2的轉(zhuǎn)鼓30表面上等離子體層的產(chǎn)生。
如上所述，離子注入到塑料轉(zhuǎn)鼓30中以使轉(zhuǎn)鼓30表面硬度增加。為證實(shí)前述效果，用與轉(zhuǎn)鼓30相同材料制造了塑料試樣。接著，在離子注入之前和之后用由NEC制造的薄膜硬度測(cè)試儀“MHA-400”測(cè)量試樣表面硬度。在離子注入之前的表面硬度為0.5GPa。另一方面，在離子注入之后的表面硬度為20GPa。前述硬度有令人滿意的硬度，可投入實(shí)際應(yīng)用。也就是說，本發(fā)明能克服磨損問題并將塑料轉(zhuǎn)鼓投入實(shí)際應(yīng)用。
在本發(fā)明中，用等離子體注入法注入離子。因此，如果工件2有三維結(jié)構(gòu)，離子能以不同于離子束注入法的方式均勻地注入。因而如果工件2為具有三維結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)鼓它能使離子均勻地注入到轉(zhuǎn)鼓的全部表面。由此改善表面。
當(dāng)轉(zhuǎn)鼓由塑料制成時(shí)，表面絕緣特性有時(shí)產(chǎn)生磁帶粘附于轉(zhuǎn)鼓上的問題。在前述情形中，也可用例如Ti的金屬離子進(jìn)行離子注入。因而可賦予轉(zhuǎn)鼓表面導(dǎo)電性。結(jié)果可以克服磁帶粘附問題。
具體地，當(dāng)甲烷氣體注入離子發(fā)生源10以產(chǎn)生離子時(shí)，有機(jī)金屬例如Ti(CH3)2Cl2、四甲基氨基鈦酸鹽、四二甲基氨基鈦(TDMAT)或四二乙基氨基鈦(TDEAT)也可和甲烷氣體一起注入。而且鈦離子輸送到等離子體中。因而，轉(zhuǎn)鼓表面可成為鈦表面。結(jié)果，磁帶粘附問題可以克服。
當(dāng)在轉(zhuǎn)鼓表面形成薄導(dǎo)電膜時(shí)，磁帶粘附問題可以克服。當(dāng)薄導(dǎo)電膜剛在塑料元件上形成時(shí)，粘附性不能實(shí)現(xiàn)令人滿意的耐久性。因此，當(dāng)離子注入以賦予導(dǎo)電性給轉(zhuǎn)鼓表面時(shí)，優(yōu)選通過一起注入金屬離子如Ti來克服磁帶粘附問題。
當(dāng)薄膜后來在轉(zhuǎn)鼓上形成時(shí)，表面加工精度有時(shí)根據(jù)薄膜形成時(shí)的條件而變化。離子沿轉(zhuǎn)鼓表面注入。因此，轉(zhuǎn)鼓表面加工精度的變化能夠防止。如果在加工工藝后得到的表面粗糙度為0.8S，而且在離子注入后能保持約為0.8S的表面粗糙度。因此，從保持表面加工精度考慮，優(yōu)選只實(shí)施離子注入表面處理。
使用離子注入進(jìn)行表面處理(包括鈦離子注入)的轉(zhuǎn)鼓安裝在運(yùn)動(dòng)測(cè)試設(shè)備上進(jìn)行運(yùn)動(dòng)測(cè)試。運(yùn)動(dòng)測(cè)試設(shè)備設(shè)置成可使轉(zhuǎn)鼓旋轉(zhuǎn)并且磁帶運(yùn)動(dòng)，用螺旋掃描方法進(jìn)行與記錄/重放磁帶步驟相似的運(yùn)動(dòng)測(cè)試。磁帶的纏繞和反繞自動(dòng)地重復(fù)以便連續(xù)運(yùn)動(dòng)磁帶。
使用離子注入進(jìn)行表面處理的轉(zhuǎn)鼓安裝在運(yùn)動(dòng)測(cè)試設(shè)備上進(jìn)行1000小時(shí)運(yùn)動(dòng)測(cè)試。結(jié)果表明防止了轉(zhuǎn)鼓的磨損和磁帶的粘附。因此壽命為1000小時(shí)或更長的事實(shí)可得到證實(shí)。從運(yùn)動(dòng)測(cè)試結(jié)果可看出，根據(jù)本發(fā)明的表面處理能克服塑料轉(zhuǎn)鼓磨損和磁帶粘附問題。因此，塑料轉(zhuǎn)鼓能投入實(shí)際應(yīng)用。
當(dāng)過去用鋁合金制成的轉(zhuǎn)鼓采用塑料制成時(shí)，轉(zhuǎn)鼓重量降低。因而要由旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)鼓的電機(jī)承受的載荷可減小到約1/10。由于電機(jī)承受的載荷減小，運(yùn)行螺旋掃描磁記錄/重放設(shè)備所需的功率能顯著減小。因而，例如電池的允許運(yùn)行時(shí)間可顯著地增加。由于功率減小，對(duì)于全球環(huán)境而言可得到令人滿意的效果。
第四實(shí)施例在本實(shí)施例中，工件2為用作圓盤記錄介質(zhì)例如光盤、磁光盤或磁盤的塑料圓盤襯底。要進(jìn)行表面處理的絕緣體是承載記錄介質(zhì)記錄層的基體部件。要注入到工件2中的離子源由碳形成。離子發(fā)生源10為Commonwealth Scientific Corp制造的過濾陰極電弧源。
首先，要進(jìn)行表面處理的圓盤襯底連接到置于真空室3中的夾具5上。為防止在離子注入過程中圓盤襯底的過度溫升，冷卻水可以沿用于引導(dǎo)置于夾具5中的冷卻水的管子流動(dòng)。要進(jìn)行表面處理的圓盤襯底連接到夾具5上。然后用深冷泵4對(duì)真空室3內(nèi)部抽真空達(dá)到高度真空狀態(tài)。真空室3中的真空度，亦即在離子注入到真空室3中之前的真空度(背景真空度)達(dá)到約10-7乇。
隨后，離子發(fā)生器6工作以產(chǎn)生碳離子。接著，把碳離子注入到真空室3中。由碳離子流動(dòng)引起的離子電流為約10A，而這些碳離子的動(dòng)能為約25eV。然后碳離子注入到真空室3中以使包含碳離子的等離子體產(chǎn)生。真空室3中的真空度，也就是說，當(dāng)離子注入時(shí)的真空度為約10-5乇。
在把圓盤襯底放置在包含碳離子的等離子體中的狀態(tài)下，脈沖電源8工作產(chǎn)生包括正脈沖型電壓和負(fù)脈沖型電壓的脈沖型電壓。脈沖型電壓作為偏壓施加到圓盤襯底上。結(jié)果，碳離子注入到圓盤襯底中。
在離子注入過程中，觀察了在要進(jìn)行表面處理的圓盤襯底表面上等離子體層的產(chǎn)生。
測(cè)量了在圓盤襯底用離子注入進(jìn)行表面處理之前和之后圓盤襯底的水和氧的滲透率。
結(jié)果，在用離子注入進(jìn)行表面處理之前水的滲透率為10g/m2·24h。氧的滲透率為100cm3/m2·24h·atm。在用離子注入進(jìn)行表面處理之后水的滲透率為0.007g/m2·24h。氧的滲透率為0.3cm3/m2·24h·atm。因此用離子注入進(jìn)行表面處理使水和氧的滲透率大大降低。
迄今為止，塑料圓盤襯底有如下問題，即在大氣中圓盤襯底吸收水和氧并因而使圓盤襯底變形。本發(fā)明的離子注入能顯著降低水和氧的滲透率。因此，圓盤襯底在大氣中吸收水和氧的事實(shí)能被防止。也就是說，根據(jù)本發(fā)明，離子注入到塑料圓盤襯底中，能夠防止由于圓盤襯底在大氣中吸收水和氧的事實(shí)而引起的圓盤襯底變形。
第五實(shí)施例在本實(shí)施例中，要進(jìn)行表面處理的工件2是包括其上形成有磁化層的圓盤襯底的磁盤。離子注入到在磁化層上形成的保護(hù)膜中。也就是說，要進(jìn)行表面處理的絕緣體為包括其上形成有磁化層的基體部件的記錄介質(zhì)。要注入到工件2中的離子源由碳形成。離子發(fā)生源10為Commonwealth Scientific Corp制造的過濾陰極電弧源。
在本實(shí)施例中，首先，磁粉混合有粘合劑以便涂覆到塑料圓盤襯底表面上。因而制造了包括其上形成有磁化層的圓盤襯底的磁盤。
磁盤連接到置于真空室3中的夾具5上。為防止在離子注入過程中磁盤的過度溫升，冷卻水可以沿用于引導(dǎo)置于夾具5中的冷卻水的管子流動(dòng)。要進(jìn)行表面處理的磁盤連接到夾具5上。然后用深冷泵4對(duì)真空室3內(nèi)部抽真空達(dá)到高度真空狀態(tài)。真空室3中的真空度，亦即在離子注入到真空室3中之前的真空度(背景真空度)達(dá)到約10-7乇。
隨后，離子發(fā)生器6工作產(chǎn)生碳離子。接著，把碳離子注入到真空室3中。由碳離子流動(dòng)引起的離子電流為約10A。這些碳離子的動(dòng)能為約25eV。然后碳離子注入到真空室3中以使包含碳離子的等離子體產(chǎn)生。真空室3中的真空度，也就是說，當(dāng)離子注入時(shí)的真空度為約10-5乇。
在把磁盤放置在包含碳離子的等離子體中的狀態(tài)下，脈沖電源8工作產(chǎn)生包括正脈沖型電壓和負(fù)脈沖型電壓的脈沖型電壓。脈沖型電壓作為偏壓施加到磁盤上。結(jié)果，碳離子注入到襯底中從而離子注入到磁盤的磁化層中。
在離子注入過程中，觀察了在要進(jìn)行表面處理的磁盤表面上等離子體層的產(chǎn)生。
由于離子注入到磁盤的磁化層中，磁化層表面硬度增加。因而磁盤的密度和可靠性得到提高。
當(dāng)用根據(jù)本發(fā)明的方法注入離子時(shí)，對(duì)施加到工件2上的脈沖型電壓波形進(jìn)行控制，使要注入到工件2中的離子數(shù)量、注入深度和注入曲線得到控制。當(dāng)進(jìn)行磁盤表面處理時(shí)，優(yōu)選控制施加到磁盤上的脈沖型電壓波形，以把最大數(shù)量的離子注入到與磁化層表面相鄰的部分。因此，與磁化層表面相鄰的部分能被改善并且磁化層表面硬度能顯著地提高。
當(dāng)用根據(jù)本發(fā)明的方法注入離子時(shí)，對(duì)施加到工件2上的脈沖型電壓波形進(jìn)行控制，使離子能注入到工件2中并且還能形成薄膜。因此，當(dāng)磁盤進(jìn)行表面處理時(shí)，可以控制施加到磁盤上的脈沖型電壓波形，在用離子注入進(jìn)行表面處理的同時(shí)形成保護(hù)磁化層的保護(hù)膜。
第六實(shí)施例在本實(shí)施例中，要進(jìn)行表面處理的工件2為保護(hù)圓盤形記錄介質(zhì)例如光盤、磁光盤或磁盤的記錄層的保護(hù)膜。也就是說，包括其上形成有記錄層的基體部件和在記錄層上形成的保護(hù)膜的記錄介質(zhì)要進(jìn)行表面處理。離子注入到在記錄層上形成的保護(hù)膜中。要注入到工件2中的離子源由碳形成。離子發(fā)生源10為Commonwealth Scientific Corp制造的過濾陰極電弧源。
在本實(shí)施例中，首先，在圓盤襯底上形成的記錄層由塑料制成。接著，用旋涂設(shè)備在記錄層上形成由紫外線硬化樹脂制成的保護(hù)膜。從而制成了包括其上層疊有記錄層和保護(hù)膜的圓盤襯底的圓盤形記錄介質(zhì)。
圓盤形記錄介質(zhì)連接到置于真空室3中的夾具5上。為防止在離子注入過程中圓盤形記錄介質(zhì)的過度溫升，冷卻水可以沿用于引導(dǎo)置于夾具5中的冷卻水的管子流動(dòng)。接著要進(jìn)行表面處理的圓盤形記錄介質(zhì)連接到夾具5上。然后用深冷泵4對(duì)真空室3內(nèi)部抽真空達(dá)到高度真空狀態(tài)。真空室3中的真空度，亦即在離子注入到真空室3中之前的真空度(背景真空度)為約10-7乇。
隨后，離子發(fā)生器6工作產(chǎn)生碳離子。接著，把碳離子注入到真空室3中。由碳離子流動(dòng)引起的離子電流為約10A，而這些碳離子的動(dòng)能為約25eV。然后碳離子注入到真空室3中以使包含碳離子的等離子體產(chǎn)生。真空室3中的真空度，也就是說，當(dāng)離子注入時(shí)的真空度為約10-5乇。
在把圓盤形記錄介質(zhì)放置在包含碳離子的等離子體中的狀態(tài)下，脈沖電源8工作產(chǎn)生包括正脈沖型電壓和負(fù)脈沖型電壓的脈沖型電壓。脈沖型電壓作為偏壓施加到圓盤形記錄介質(zhì)上。因而，碳離子注入到圓盤形記錄介質(zhì)中從而離子注入到圓盤形記錄介質(zhì)的保護(hù)膜中。
在離子注入過程中，觀察了在圓盤形記錄介質(zhì)表面上等離子體層的產(chǎn)生。
由于離子注入到圓盤形記錄介質(zhì)的保護(hù)膜中，保護(hù)膜表面硬度增加。從而提高了圓盤形記錄介質(zhì)的耐久性和可靠性。例如，過去要塞到封罩中以免出現(xiàn)裂紋的圓盤形記錄介質(zhì)可以不必塞入封罩就可使用。
當(dāng)用根據(jù)本發(fā)明的方法注入離子時(shí)，對(duì)施加到工件2上的脈沖型電壓波形的控制使要注入到工件2中的離子數(shù)量、注入深度和注入曲線得到控制。因此，優(yōu)選圓盤形記錄介質(zhì)進(jìn)行表面處理以使施加到圓盤形記錄介質(zhì)的脈沖型電壓波形得到控制使最大數(shù)量的離子注入到與保護(hù)膜表面相鄰的部分。因此，與保護(hù)膜表面相鄰的部分能被改善并且保護(hù)膜表面硬度能顯著地提高。
第七實(shí)施例在本實(shí)施例中，封裝有液晶的液晶板的平板襯底用塑料制造。要進(jìn)行表面處理的工件2是前述平板襯底。要注入到工件2中的離子源由碳形成。離子發(fā)生源10為Commonwealth Scientific Corp。制造的過濾陰極電弧源。
首先，要進(jìn)行表面處理的平板襯底連接到置于真空室3中的夾具5上。為防止在離子注入過程中平板襯底的過度溫升，冷卻水可以沿用于引導(dǎo)置于夾具5中的冷卻水的管子流動(dòng)。接著要進(jìn)行表面處理的平板襯底連接到夾具5上。然后用深冷泵4對(duì)真空室3內(nèi)部抽真空達(dá)到高度真空狀態(tài)。真空室3中的真空度，亦即在離子注入到真空室3中之前的真空度(背景真空度)為約10-7乇。
隨后，離子發(fā)生器6工作產(chǎn)生碳離子。接著，把碳離子注入到真空室3中。由碳離子流動(dòng)引起的離子電流為約10A。這些碳離子的動(dòng)能為約25eV。然后碳離子注入到真空室3中以使包含碳離子的等離子體產(chǎn)生。真空室3中的真空度，也就是說，離子注入時(shí)的真空度為約10-5乇。
在把平板襯底放置在包含碳離子的等離子體中的狀態(tài)下，脈沖電源8工作產(chǎn)生包括正脈沖型電壓和負(fù)脈沖型電壓的脈沖型電壓。脈沖型電壓作為偏壓施加到平板襯底上。因而，碳離子注入到平板襯底中從而離子注入到平板襯底中。
在離子注入過程中，觀察了在要進(jìn)行表面處理的平板襯底表面上等離子體層的產(chǎn)生。
測(cè)量了在平板襯底用離子注入進(jìn)行表面處理之前和之后平板襯底的水和氧滲透率。結(jié)果，在用離子注入進(jìn)行表面處理之前水的滲透率為10g/m2·24h。氧的滲透率為100cm3/m2·24h·atm。在用離子注入進(jìn)行表面處理之后水的滲透率為0.007g/m2·24h。氧的滲透率為0.3cm3/m2·24h·atm。因此用離子注入進(jìn)行表面處理使水和氧的滲透率大大降低。因此，使得塑料平板襯底的水和氧滲透率與由玻璃制成的平板襯底的相似。
迄今為止，封裝有液晶的液晶板的平板襯底由玻璃制成。如果平板襯底可由塑料制成，液晶板的重量和成本能令人滿意地降低。然而，塑料有較差氣密性的缺點(diǎn)妨礙用于封裝液晶的塑料平板襯底的使用。
如果用根據(jù)本發(fā)明的方法注入離子，塑料平板襯底的水蒸汽滲透率和氧滲透率能提高到與玻璃相似。因此，根據(jù)本發(fā)明方法的離子注入使用于封裝液晶的液晶板的平板襯底能得以制造。
第八實(shí)施例在本實(shí)施例中，塑料襯底的印制在要進(jìn)行表面處理的工件2上進(jìn)行。也就是說，對(duì)絕緣體進(jìn)行印制得到的印制物質(zhì)進(jìn)行表面處理。離子注入到印制表面。要注入到工件2中的離子發(fā)生源由碳形成。離子發(fā)生源10為Commonwealth Scientific Corp制造的過濾陰極電弧源。
在本實(shí)施例中，首先，經(jīng)過印制工藝的塑料襯底連接到置于真空室3中的夾具5上。為防止在離子注入過程中塑料襯底的過度溫升，冷卻水可以沿用于引導(dǎo)置于夾具5中的冷卻水的管子流動(dòng)。經(jīng)過印制的塑料襯底連接到夾具5上。然后用深冷泵4對(duì)真空室3內(nèi)部抽真空達(dá)到高度真空狀態(tài)。真空室3中的真空度，亦即在離子注入到真空室3中之前的真空度(背景真空度)達(dá)到約10-7乇。
隨后，離子發(fā)生器6工作產(chǎn)生碳離子。接著，把碳離子注入到真空室3中。由碳離子流動(dòng)引起的離子電流為約10A。這些碳離子的動(dòng)能為約25eV。然后碳離子注入到真空室3中以使包含碳離子的等離子體產(chǎn)生。真空室3中的真空度，也就是說，離子注入時(shí)的真空度為約10-5乇。
在把經(jīng)過印制的塑料襯底放置在包含碳離子的等離子體中的狀態(tài)下，脈沖電源8工作，產(chǎn)生包括正脈沖型電壓和負(fù)脈沖型電壓的脈沖型電壓。脈沖型電壓作為偏壓施加到經(jīng)過印制工藝的塑料襯底上。結(jié)果，碳離子注入到塑料襯底印制表面中。
在離子注入過程中，觀察了在要進(jìn)行表面處理的塑料襯底表面上等離子體層的產(chǎn)生。
對(duì)經(jīng)過印制工藝的塑料襯底在表面處理之前和之后的狀態(tài)用新東科學(xué)制造的表面測(cè)定設(shè)備Heidon22型進(jìn)行劃痕試驗(yàn)。結(jié)果，在表面處理前載荷0.01g時(shí)印制表面出現(xiàn)裂紋。在表面處理后，當(dāng)載荷不大于1g時(shí)表面不出現(xiàn)裂紋。
在用離子注入進(jìn)行表面處理后，將塑料襯底浸入例如丙酮或乙醇的溶劑中。然后塑料襯底用超聲波清洗機(jī)清洗一小時(shí)。從而可以避免清洗印劑。其原因在于用離子注入進(jìn)行表面處理使印制在塑料襯底上的墨得以改性而不溶于例如丙酮或乙醇的溶劑中。
由于離子注入到印制物質(zhì)中，印制的墨能改性，因此印制物質(zhì)的清洗得以避免。由于離子用根據(jù)本發(fā)明的等離子體注入法進(jìn)行注入，即使工件2有三維結(jié)構(gòu)離子也能以不同于離子束注入法的方式均勻地注入。因而即使印制物質(zhì)具有三維結(jié)構(gòu)離子也能均勻地注入到印制物質(zhì)的全部表面。因此，能令人滿意地避免從全部印制表面上清洗印制物質(zhì)。
權(quán)利要求
1.一種用于向絕緣體中注入離子的表面處理設(shè)備，該設(shè)備包括產(chǎn)生等離子體的裝置，該等離子體包含所述注入到所述絕緣體中的離子；向所述絕緣體施加脈沖型電壓的裝置；在所述等離子體氣氛中通過向所述絕緣體施加正和/或負(fù)脈沖型電壓把離子注入到所述絕緣體中的裝置。
2.根據(jù)權(quán)利要求1的表面處理設(shè)備，其中所述設(shè)備具有對(duì)由施加脈沖型電壓的裝置向所述絕緣體施加的脈沖型電壓波形進(jìn)行控制的裝置。
3.一種用離子注入進(jìn)行絕緣體表面處理的方法，其中在包含注入到所述絕緣體中的離子的等離子體中，向絕緣體施加正或負(fù)脈沖型電壓；將所述離子注入到所述絕緣體中。
4.根據(jù)權(quán)利要求3的表面處理方法，其中當(dāng)所述脈沖型電壓向所述絕緣體施加時(shí)在脈沖之間有一時(shí)段不施加電壓。
5.根據(jù)權(quán)利要求3的表面處理方法，其中當(dāng)所述脈沖型電壓向所述絕緣體施加時(shí)，將DC電壓作為偏壓疊加在所述脈沖型電壓上。
6.根據(jù)權(quán)利要求3的表面處理方法，其中所述脈沖型電壓波形具有兩種或更多種不同的波形。
7.根據(jù)權(quán)利要求3的表面處理方法，其中通過控制施加到所述絕緣體上的脈沖型電壓波形，至少可控制離子數(shù)量、離子注入深度和離子注入曲線中的一個(gè)。
8.根據(jù)權(quán)利要求3的表面處理方法，其中所述絕緣體是用于以螺旋掃描方式進(jìn)行記錄和/或重放磁帶的轉(zhuǎn)鼓。
9.根據(jù)權(quán)利要求3的表面處理方法，其中所述絕緣體是用于承載記錄介質(zhì)的記錄層的基體部件。
10.根據(jù)權(quán)利要求3的表面處理方法，其中所述絕緣體是包括其上形成有記錄層的基體部件的記錄介質(zhì)。
11.根據(jù)權(quán)利要求3的表面處理方法，其中所述絕緣體是一種記錄介質(zhì)，在該記錄介質(zhì)中記錄層形成在基體部件上，保護(hù)膜形成在所述記錄層上，并且離子注入到所述記錄介質(zhì)上的保護(hù)膜中以進(jìn)行表面處理。
12.根據(jù)權(quán)利要求3的表面處理方法，其中所述絕緣體是用于封裝液晶的液晶板的平板襯底。
13.根據(jù)權(quán)利要求3的表面處理方法，其中所述絕緣體的表面是經(jīng)過印制處理的襯底。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種通過產(chǎn)生包含注入到要處理的工件中的所需離子的等離子體來進(jìn)行表面處理的方法,即使要處理的物體是絕緣體也能實(shí)施該表面處理方法。還涉及通過向絕緣體注入離子來改善絕緣體表面的表面處理設(shè)備,其中包括產(chǎn)生包含注入離子的等離子體的等離子體發(fā)生裝置,和向絕緣體施加脈沖型電壓的電壓施加裝置。其中,電壓施加裝置施加包括正脈沖型電壓和負(fù)脈沖型電壓的脈沖型電壓。
文檔編號(hào)C23C14/48GK1275790SQ9911778
公開日2000年12月6日 申請(qǐng)日期1999年8月13日 優(yōu)先權(quán)日1999年5月27日
發(fā)明者外崎峰廣, 小林正人, 植田充紀(jì), 沖田裕之 申請(qǐng)人:索尼株式會(huì)社