KR20000075388A - 표면 처리 장치 및 표면 처리 방법 - Google Patents

표면 처리 장치 및 표면 처리 방법 Download PDF

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KR20000075388A
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Abstract

표면 처리의 수법으로서 원하는 이온을 포함하는 플라즈마를 발생시켜서, 해당 플라즈마에 포함되는 이온을 피처리물에 주입하는 수법이 있다. 이러한 표면 처리를 표면 처리의 대상이 절연물이라도 적용할 수 있도록 한다.
절연물에 이온을 주입함으로써 절연물의 표면을 처리하는 표면 처리 장치에 절연물에 주입하는 이온을 포함하는 플라즈마를 발생시키는 플라즈마 발생 수단과, 절연물에 대하여 펄스형 전압을 인가하는 전압 인가 수단을 설치한다. 그리고, 플라즈마 발생 수단에 의해 절연물에 주입하는 이온을 포함하는 플라즈마를 발생시켜서, 해당 플라즈마 중에서 전압 인가 수단에 의해 플러스의 펄스 전압과 마이너스의 펄스 전압을 포함하는 펄스형 전압을 절연물에 인가함으로써 플라즈마 중에 포함되어 있는 이온을 절연물에 주입한다.

Description

표면 처리 장치 및 표면 처리 방법{METHOD AND APPARATUS FOR SURFACE MODIFICATION}
본 발명은, 절연물에 이온을 주입함에 따라 절연물의 표면을 처리하는 표면 처리 장치 및 표면 처리 방법에 관한 것이다.
물질에 표면 처리를 실시하여, 경도, 탄소성 특성, 전기 전도도, 윤활성, 내구성, 내습성, 내식성, 습윤성, 기체 투과율등의 각종 특성을 개량하는 수법으로서, 피처리물에 이온을 주입함으로써 표면 개질을 실시하는 수법이 알려져 있다.
피처리물에 이온을 주입하는 방법으로는, 이온 빔을 피처리물에 직접 조사함으로써, 이온을 피처리물에 주입하는 수법(이하, 이온 빔 주입법이라고 칭함)이 알려져 있다.
그러나, 이온 빔 주입법은, 피처리물이 입체적인 구조를 구비하는 경우에는, 피처리물의 표면에 균일하게 이온을 주입하는 것이 곤란하다고 하는 문제가 있었다.
그래서, 이러한 문제를 해결하여, 피처리물이 입체적인 구조를 구비하고 있어도 균일하게 이온을 주입하는 것이 가능한 수법으로서, 주입하는 이온을 포함하는 플라즈마를 발생시키고, 상기 플라즈마에 포함되는 이온을 피처리물에 기판 바이어스로 이온을 가속하여 인입하여 주입하는 수법(이하, 플라즈마 주입법이라고 칭함)이 고안되고 있다.
플라즈마 주입법으로는, 주입하는 이온을 포함하는 플라즈마중에 피처리물을 배치하여, 도 1에 도시된 바와 같은 마이너스의 펄스바이어스 전압을 피처리물에 인가한다. 그리고, 피처리물에 마이너스의 전압이 인가됐을 때, 플라즈마중의 이온이 피처리물에 인입되어, 피처리물에 이온이 주입된다.
이러한 플라즈마 주입법으로는, 주입하는 이온을 포함하는 플라즈마를 피처리물 주위에 균일하게 발생시켜 두면, 피처리물이 입체적인 구조를 구비하고 있었다고 해도, 피처리물의 표면에 균일하게 이온을 주입할 수 있다.
그러나, 종래 플라즈마 주입법을 적용할 수 있는 것은, 피처리물이 금속등의 도체의 경우에 한정되고 있었다. 왜냐하면, 피처리물이 절연체인 경우, 플라즈마 주입법에 따른 이온 주입을 행하면, 즉시 피처리물에 전하가 적재되고, 소위 차지업(charge up)의 상태로 되고, 이온이 피처리물에 인입되지 않게 되기 때문이다.
본 발명은, 이상과 같은 종래의 실정에 감안하여 제안된 것으로, 표면 처리의 대상이 절연물이라도, 플라즈마 주입법에 따라 이온을 주입하여 표면 처리를 실시하는 것이 가능한 표면 처리 장치 및 표면 처리 방법을 제공하는 것도 목적으로 하고 있다.
본 발명에 따른 표면 처리 장치는, 절연물에 이온을 주입함에 따라 절연물의 표면을 처리하는 표면 처리 장치로서, 절연물에 주입하는 이온을 포함하는 플라즈마를 발생시키는 플라즈마 발생 수단과, 절연물에 대해 펄스형 전압을 인가하는 전압 인가 수단을 구비한다. 그리고, 플라즈마 발생 수단에 의해, 절연물에 주입하는 이온을 포함하는 플라즈마를 발생시키고, 상기 플라즈마 속에서 전압 인가 수단에 의해 플러스의 펄스 전압과 마이너스의 펄스 전압을 포함하는 펄스형 전압을 절연물에 인가함에 따라, 이온을 절연물에 주입한다.
또한, 본 발명에 따른 표면 처리 방법은, 절연물에 이온을 주입함에 따라 절연물의 표면을 처리하는 표면 처리 방법으로서, 주입하는 이온을 포함하는 플라즈마 속에서, 플러스의 펄스 전압과 마이너스의 펄스 전압을 포함하는 펄스형 전압을 절연물에 인가함에 따라, 절연물에 이온을 주입한다.
이상과 같은 본 발명에 따른 표면 처리 장치 및 표면 처리 방법으로는, 플라즈마 내의 이온을 절연물에 주입할 때에, 절연물에 인가하는 바이어스 전압을, 플러스의 펄스 전압과 마이너스의 펄스 전압을 포함하는 펄스형 전압으로 하고 있다. 따라서, 이온의 주입을 행할 때에, 표면 처리의 대상이 되는 절연물에 전하가 적재되는 일이 없다. 즉, 마이너스의 펄스 전압을 인가함으로써, 표면 처리의 대상이 되는 절연물에 전하가 적재되었다고 해도, 상기 전하는 플러스의 펄스 전압에 의해 즉시 중화된다. 따라서, 소위 차지업의 상태가 되는 일없이, 표면 처리의 대상이 되는 절연물에 계속하여 이온의 주입을 행할 수 있다.
이상 상세하게 설명한 바와 같이, 본 발명에 따르면 표면 처리의 대상이 절연물만으로도, 플라즈마 주입법에 의해 이온을 주입하여 표면 처리를 실시하는 것이 가능해진다. 따라서, 예를 들면 표면 처리의 대상이 입체적인 구조를 갖는 절연물과 같은 경우에도, 피처리물의 표면에 균일하게 이온을 주입하여 표면 개질을 실시할 수 있다.
특히 본 발명에 따르면 절연물인 플라스틱에 대하여도 이온 주입에 의한 표면 처리를 실시하는 것이 가능해진다. 즉, 본 발명에 따르면 플라스틱에 대하여 이온 주입에 의한 표면 개질을 실시하여, 경도, 탄소성 특성, 전기 전도도, 윤활성, 내구성, 내습성, 내식성, 습윤성, 기체 투과율 등의 각 종 특성을 개질하는 것이 가능해진다. 따라서, 본 발명에 따르면 종래는 금속이나 유리 등에 의해 만들어지고 있던 많은 부품을 염가인 플라스틱으로 대체하는 것이 가능해지며 산업상 매우 유효하다.
도 1은 종래의 플라즈마 주입법에서 피처리물에 인가하는 펄스 바이어스 전압의 파형을 나타낸 도면.
도 2은 본 발명을 적용한 표면 처리 장치의 일 구성예를 나타내는 도면.
도 3는 이온 빔 주입법에 의해 이온 주입을 행한 경우의 주입 프로파일을 나타낸 도면.
도 4은 본 발명을 적용하여 플라즈마 주입법에 의해 이온 주입을 행한 경우의 주입 프로파일의 일례를 나타낸 도면.
도 5는 본 발명을 적용하여 표면 처리를 실시할 때에 피처리물에 인가하는 펄스형 전압의 파형의 일례를 나타낸 도면.
도 6는 본 발명을 적용하여 표면 처리를 실시할 때에 피처리물에 인가하는 펄스형 전압의 파형의 다른 예를 나타낸 도면.
도 7은 본 발명을 적용하여 표면 처리를 실시할 때에 피처리물에 인가하는 펄스형 전압의 파형의 다른 예를 나타낸 도면.
도 8은 본 발명을 적용하여 표면 처리를 실시할 때에 피처리물에 인가하는 펄스형 전압의 파형의 다른 예를 나타낸 도면.
도 9은 본 발명을 적용하여 표면 처리를 실시할 때에 피처리물에 인가하는 펄스형 전압의 파형의 다른 예를 나타낸 도면.
도 10는 본 발명을 적용하여 표면 처리를 실시할 때에 피처리물에 인가하는 펄스형 전압의 파형의 다른 예를 나타낸 도면.
도 11은 본 발명을 적용하여 표면 처리를 실시할 때에 피처리물에 인가하는 펄스형 전압의 파형의 다른 예를 나타낸 도면.
도 12은 본 발명을 적용하여 표면 처리를 실시할 때에 피처리물에 인가하는 펄스형 전압의 파형의 다른 예를 나타낸 도면.
도 13는 제1 실시예에서, 플라스틱 기판에 인가한 펄스형 전압의 제1 예를 나타낸 도면.
도 14은 제1 실시예에서, 플라스틱 기판에 인가한 펄스형 전압의 제2 예를 나타낸 도면.
도 15는 제1 실시예에서, 이온 주입에 의한 표면 처리를 실시한 플라스틱 기판에 대하여 압입 경도 시험을 행한 결과를 나타낸 도면으로, 도 12에 도시한 펄스형 전압을 인가하여 이온 주입을 행한 경우의 측정 결과를 나타낸 도면.
도 16는 제1 실시예에서, 이온 주입에 의한 표면 처리를 실시한 플라스틱 기판에 대하여 압입 경도 시험을 행한 결과를 나타낸 도면으로, 도 13에 도시한 펄스형 전압을 인가하여 이온 주입을 행한 경우의 측정 결과를 나타낸 도면.
도 17은 제2 실시예에서, 유성 잉크를 도포한 플라스틱 기판에 대하여 이온 주입에 의한 표면 처리를 행하기 전과 행한 후에 대하여, 그 적외 분광 특성을 측정한 결과를 나타낸 도면.
도 18은 제3 실시예에서 표면 처리의 대상으로 한 회전 드럼을 나타낸 도면.
<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>
1 : 표면 처리 장치
2 : 피처리물
3 : 진공 용기
4 : 저온 펌프
5 : 홀더
6 : 이온 발생 장치
7 : 셔터
8 : 펄스 전원
이하, 본 발명의 실시 형태에 대해, 도면을 참조하면서 상세히 설명한다.
본 발명을 적용한 표면 처리 장치의 일 구성예를 도 2에 나타낸다. 이 표면 처리 장치(1)는, 절연물로 이루어지는 피처리물(2)에 대해 플라즈마 주입법에 따라 이온을 주입함에 따라, 피처리물(2)의 표면을 처리하는 표면 처리 장치이다.
여기서, 이온 주입에 따른 표면 처리의 대상이 되는 피처리물(2)의 재료로서는, 예를 들면 비정질 폴리오레핀(APO), 폴리카보네이트(PC), 폴리메틸메타크릴레이트(PMMA), 폴리에틸렌텔레프탈레이트(PET), 아크릴 수지, 폴리이미드 수지, 카본, 유리등을 들 수 있다. 또한, 피처리물(2)에 주입하는 이온종으로는, 예를 들면 C, N, Ar, W, Ta, Cr, Mo, Co, Pt, Ni, Fe, Ti, Mn, Cu, Sm 등을 들 수 있다.
이 표면 처리 장치(1)는, 진공 용기(3)와, 진공 용기(3)의 내부를 배기하기 위한 저온 펌프(cryopump: 4)와, 진공 용기(3)의 내부에서 피처리물(2)을 지지하는 홀더(5)와, 피처리물(2)에 주입하는 이온을 공급하는 이온 발생 장치(6)와, 이온 공급의 온/오프의 전환을 행하는 셔터(7)와, 플러스의 펄스 전압과 마이너스의 펄스 전압을 포함하는 펄스형 전압을 피처리물(2)에 인가하는 펄스 전원(8)을 구비한다.
진공 용기(3)는, 내부가 배기되어 고진공 상태가 되는 용기이다. 이 표면 처리 장치(1)에서는, 이 진공 용기(3)의 내부에서 피처리물(2)에 주입하는 이온을 포함하는 플라즈마를 발생시키고, 상기 플라즈마에 포함되는 이온을 피처리물(2)에 주입한다.
저온 펌프(4)는, 진공 용기(3)의 내부를 배기하여, 높은 진공 상태를 얻기 위한 진공 펌프이다. 이 표면 처리 장치(1)에서는, 저온 펌프(4)에 의해 진공 용기(3)의 내부를 배기하여, 이온을 진공 용기(3)의 내부에 도입하기 전의 진공도, 즉 배경 진공도를, 예를 들면 10-7Torr 정도로 한다. 또한, 저온 펌프(4)에 의해 진공 용기(3)의 내부를 배기하여, 이온을 진공 용기(3) 내부에 도입하여 플라즈마를 발생시켰을 때의 진공도, 즉 이온 주입을 행할 때의 진공도를, 예를 들면 10-5Torr 정도로 한다.
홀더(5)는, 피처리물(2)을 지지하기 위한 것으로, 진공 용기(3)에 부착된 절연성의 지지 부재(9)에 의해, 진공 용기(3)의 내부에 지지되어 있다. 절연물로 이루어지는 피처리물(2)에 대해 표면 처리를 실시할 때, 상기 피처리물(2)은, 이 홀더(5)에 부착된다.
이 홀더(5)에는, 냉각수 도입용 파이프가 조립되어 있고, 상기 파이프에 냉각수를 흘림에 따라, 이 홀더(5)에 부착된 피처리물(2)을 냉각할 수 있도록 이루어져 있다. 여기서, 홀더(5)에 조립된 냉각수 도입용 파이프는, 지지 부재(9)를 통해, 진공 용기(3)의 외부로 도출되어 있다. 그리고, 도면 중 화살표 A로 나타낸 바와 같이, 진공 용기(3)의 외부로 도출된 냉각수 도입용 파이프를 통해, 홀더(5)에 조립된 냉각수 도입용 파이프에 냉각수를 공급할 수 있도록 이루어져 있다.
플라즈마 주입법에 따라 이온 주입을 행하면, 이온 주입에 따라 피처리물(2)의 온도가 상승한다. 그러나, 피처리물(2)이, 예를 들면 플라스틱등과 같이 고온에서의 처리가 바람직하지 못한 재료로 이루어지는 경우, 이온 주입시에 피처리물(2)의 온도가 급격히 상승하는 것은 문제이다.
그러나, 이 표면 처리 장치(1)에서는, 수냉 기능을 구비한 홀더(5)를 이용함에 따라, 피처리물(2)에 대해 이온 주입에 따른 표면 처리를 실시할 때에, 피처리물(2)의 온도를 제어하는 것이 가능해지고 있다. 따라서, 피처리물(2)이 플라스틱등과 같이 고온에서의 처리가 바람직하지 못한 재료로 이루어지는 경우라도, 피처리물(2)의 온도 상승을 억제하여, 피처리물(2)에의 이온 주입을 행할 수 있다.
이온 발생 장치(6)는 피처리물(2)에 주입하는 이온을 공급하여 피처리물(2)에 주입하는 이온을 포함하는 플라즈마를 발생시키는 플라즈마 발생 수단이고, 피처리물(2)에 주입하는 이온을 발생시키는 이온 발생원(10)을 구비함과 동시에, 이온 발생원(10)으로부터 발생한 입자 중 피처리물(2)에 주입하는 이온만을 진공 용기(3)의 내부에 유도하기 위한 질량 분리기(11)를 구비한다.
여기서, 이온 발생원(10)으로는, 예를 들면 카우프만형 이온 소스(Kauffmann ion source), 마그네트론 스퍼터 소스(magnetron sputter source), 캐소딕 아크 소스(cathodic arc source)등이 사용 가능하다. 여기서, 카우프만형 이온 소스 및 마그네트론 스퍼터 소스로는, 이온원이 되는 동작 가스가 도입되고, 상기 동작 가스로부터 이온이 생성된다. 한편, 캐소딕 소스는, 동작 가스를 사용하지 않고 이온을 발생시킨다. 구체적으로는, 캐소딕 소스에서는 이온원이 되는 재료로 이루어지는 캐소드를 이용하여 아크 방전을 발생시키고, 이 아크 방전에 따라 캐소드가 증발하여 이온화한 입자를 추출한다. 이러한 캐소딕 아크 소스에서는 이온 발생에 동작가스를 사용하지 않기 때문에, 고진공 상태를 유지하면서 이온을 발생시킬 수 있다고 하는 이점이 있다.
또, 이온 발생원(10)으로서 캐소딕 아크 소스를 이용하는 경우에는, 캐소드가 녹음에 따른 액적의 발생이 문제가 되는 경우가 있다. 이러한 액적 발생의 문제를 해소하기 위해, 전자 필터를 이용하여 액적을 제거하도록 한 것도 있고, 그와 같은 캐소딕 소스는 필터링된 캐소딕 소스라고 한다. 이 표면 처리 장치(1)에서는, 그와 같은 필터링된 캐소딕 아크 소스를 이온 발생원(10)으로서 이용하도록 해도 좋다.
이온 발생원(10)으로부터는, 원하는 이온과 함께 중성의 입자나 질량의 큰 매크로 파티클도 동시에 발생한다. 그러나, 원하는 이온이외의 입자까지가 피처리물(2)에 도달하는 것은 바람직하지 못하다. 그래서, 이 이온 발생 장치(6)는, 이온 발생원(10)으로부터의 입자 중, 원하는 이온만을, 질량 분리기(11)에 의해 진공 용기(3)의 내부로 유도하도록 하고 있다.
이 질량 분리기(11)는, 예를 들면 약 45도 굴곡한 경로를 구비하고, 상기 경로에 따라 마그네트가 배치되어 이루어진다. 그리고, 마그네트로부터의 자장에 의해, 원하는 이온이, 굴곡한 경로에 따라 진공 용기(3)의 내부로 유도되도록 이루어져 있다. 한편, 중성의 입자나 질량의 큰 매크로 파티클은, 자장에 구속되기 어렵기 때문에, 굴곡한 경로를 통과할 수 없게 차단된다.
이러한 질량 분리기(11)를, 이온 발생원(10)과 진공 용기(3) 사이에 배치해 둠으로써, 중성의 입자나 질량의 큰 매크로 파티클을 차단하고, 원하는 이온만을 진공 용기(3)의 내부로 유도하는 것이 가능해진다. 이에 따라, 중성의 입자나 질량이 큰 매크로 파티클에 따른 영향을 제거하여, 표면 처리의 품질을 향상시킬 수 있다.
셔터(7)는, 이온 발생 장치(6)의 이온 출사구 근방에 배치되고, 이온 공급의 온/오프의 전환을 행한다. 즉, 셔터(7)가 열려졌을 때에, 이온 발생 장치(11)로부터의 이온 공급이 이루어지고, 셔터(7)가 폐쇄됐을 때, 이온 발생 장치(6)로부터의 이온 공급이 정지된다.
펄스 전원(8)은, 홀더(5)에 지지된 피처리물(2)에 대해, 플러스의 펄스 전압과 마이너스의 펄스 전압을 포함하는 펄스형 전압을 인가하는 전압 인가 수단이다. 즉, 펄스 전원(8)은, 피처리물(2)에 이온을 주입할 때에, 바이어스 전압으로서 펄스형 전압을 피처리물(2)에 대해 인가한다. 그리고, 피처리물(2)에 마이너스의 펄스 전압이 인가됐을 때, 플라즈마중의 이온이 피처리물(2)에 인입되어, 피처리물(2)에 이온이 주입되게 된다.
이 펄스 전원(8)은, 플러스의 직류 전압원이 되는 제1 전원(21)과, 마이너스의 직류 전압원이 되는 제2 전원(22)과, 제1 전원(21)으로부터의 직류 전압을 펄스형 전압으로 변환하는 제1 인버터 회로(23)와, 제2 전원(22)으로부터의 직류 전압을 펄스형 전압으로 변환시키는 제2 인버터 회로(24)와, 제1 및 제2 인버터 회로(23, 24)로부터의 펄스형 전압을 승압하는 펄스 변환기(25)와, 제1 및 제2 인버터 회로(23, 24)를 제어하는 제어 회로(26)와, 제어 회로(26)의 동작을 제어하는 컴퓨터(27)를 구비한다.
이 펄스 전원(8)으로는, 제1 인버터 회로(23)에 의해, 제1 전원(21)으로부터의 플러스의 직류 전압을 펄스형 전압으로 변환함과 동시에, 제2 인버터 회로(24)에 의해, 제2 전원(22)으로부터의 마이너스의 직류 전압을 펄스형 전압으로 변환한다.
이들 인버터 회로(23, 24)로부터의 출력은, 제어 회로(26)에 의해 제어된다. 즉, 이 펄스 전원(8)은, 플러스의 펄스형 전압을 출력하는 제1 인버터 회로(23)와, 마이너스의 펄스형 전압을 출력하는 제2 인버터 회로(24)가 병렬로 동작함과 동시에, 이들 인버터 회로(23, 24)를 제어 회로(26)에 의해 제어함으로써, 인버터 회로(23, 24)로부터 출력되는 정부의 펄스형 전압을 각각 독립적으로, 이들의 펄스 피크치, 펄스 상승 시간, 펄스 간격 및 펄스 폭등을 변화시키는 것이 가능해지고 있다.
구체적으로는 예를 들면, 제어 회로(26)는, 제1 인버터 회로(23)로부터 출력되는 플러스의 전압 펄스와, 제2 인버터 회로(24)로부터 출력되는 마이너스의 전압 펄스가 교대로 출력되도록, 제1 인버터 회로(23)로부터의 출력과, 제2 인버터 회로(24)로부터의 출력과의 전환을 행한다. 그리고, 이와 같이 제어 회로(26)에 의해 제어되고, 제1 및 제2 인버터 회로(23, 24)로부터 출력된 펄스형 전압이, 펄스 변환기(25)의 일차 코일로 공급된다.
펄스 변환기(25)로 공급된 펄스형 전압은, 펄스 변환기(25)에 의해 승압된다. 여기서, 펄스 변환기(25)의 이차 코일로부터의 단자는, 홀더(5)를 지지하는 지지 부재(9)의 내부를 통해, 홀더(5)의 피처리물 지지면에 설치되어 있다. 따라서, 홀더(5)에 피처리물(2)이 부착되는 경우에는, 펄스 변환기(25)에 의해 승압된 펄스형 전압이 피처리물(2)에 인가되게 된다.
여기서, 피처리물(2)에 인가되는 펄스형 전압은, 제1 인버터 회로(23)로부터 출력되는 플러스의 전압 펄스가 승압되어 이루어지는 펄스와, 제2 인버터 회로(24)로부터 출력되는 마이너스의 전압 펄스가 승압되어 이루어지는 펄스를 포함하게 된다. 즉, 피처리물(2)에는 플러스의 펄스 전압과 마이너스의 펄스 전압을 포함하는 펄스형 전압이 인가된다.
이와 같이, 피처리물(2)에 인가하는 전압을, 플러스의 펄스 전압과 마이너스의 펄스 전압을 포함하는 펄스형 전압으로 함에 따라, 피처리물(2)에 이온 주입을 행할 때에, 피처리물(2)에 전하가 적재되는 일이 없어진다. 즉, 마이너스의 펄스 전압을 인가함으로써 피처리물(2)에 전하가 적재되었다고 해도, 상기 전하는 플러스의 펄스 전압에 따라 즉시 중화된다. 마찬가지로, 플러스의 펄스 전압을 인가함에 따라 피처리물(2)에 전하가 적재되었다고 해도, 상기 전하는 마이너스의 펄스 전압에 의해 즉시 중화된다. 따라서, 소위 차지업의 상태로 되지 않고, 피처리물(2)에 대해 계속하여 이온의 주입을 행할 수 있다.
또, 이 펄스 전원(8)에서, 피처리물(2)에 인가하는 펄스형 전압의 펄스 피크치, 펄스 상승 시간, 펄스 간격, 펄스 폭이나, 정부의 펄스의 순서등은, 컴퓨터(27)에의 지시 입력에 따라 가변이 된다. 즉, 이 펄스 전원(8)을 이용할 때는, 어떠한 파형의 펄스형 전압을 피처리물(2)에 인가하는지를 컴퓨터(27)로 입력한다. 이 입력에 기초하여, 컴퓨터(27)는 제어 회로(26)의 동작을 제어한다. 그리고, 제어 회로(26)는, 컴퓨터(27)로부터의 지시에 기초하여, 원하는 파형의 펄스형 전압이 피처리물(2)에 인가되도록, 제1 및 제2 인버터 회로(23, 24)로부터의 출력을 제어한다.
구체적으로는 예를 들면, 피처리물(2)에 인가하는 펄스형 전압의 펄스 피크 전압을, 정부 각각 0V∼40㎸ 정도까지, 정부 각각 독립적으로 바뀌도록 한다. 또한, 펄스 폭은 수μsec∼수sec 정도의 범위에서 가변으로 한다. 또한, 펄스 간격은 수 sec∼수십μsec 정도의 범위에서 가변으로 한다. 또한, 정부의 펄스의 순서도 제어 회로(26)에 접속된 컴퓨터(27)에 의해 제어할 수 있도록 한다.
이 펄스 전원(8)에서, 인버터 회로(23, 24)에는, 반도체 소자를 이용하여 구성된 회로를 이용하는 것이 바람직하다. 반도체 소자를 이용한 구성된 인버터 회로는 염가이므로, 펄스 전원(8)에 내장하는 인버터 회로(23, 24)로서 반도체 소자를 이용하여 구성된 회로를 이용함으로써, 펄스 전원(8)을 염가로 구성하는 것이 가능해진다. 또한, 반도체 소자를 이용하여 구성된 회로는 소형화하기 쉬우므로, 인버터 회로(23, 24)로서 반도체 소자를 이용하여 구성된 회로를 이용하는 것은, 펄스 전원(8)을 소형화하는 데에도 바람직하다.
또, 인버터 회로(23, 24)로서 반도체 소자를 이용하여 구성된 회로를 이용하는 경우에는, 인버터 회로(23, 24)로부터 높은 출력 전압을 얻는 것이 어려워지지만, 그 경우에는 상기 펄스 전원(8)과 마찬가지로 인버터 회로(23, 24)로부터의 출력을 펄스 변환기(25)에 의해 승압하도록 하면 된다.
즉, 인버터 회로(23, 24)로서 반도체 소자를 이용하여 구성된 회로를 이용하는 경우에는, 예를 들면 인버터 회로(23, 24)로부터 출력되는 펄스형 전압의 펄스 피크 전압은, 수백 V∼수㎸ 정도로 한다. 이것을 펄스 변환기(25)에 의해 승압하여, 펄스 피크 전압이 수십 ㎸ 정도의 펄스형 전압으로 한다. 그리고, 이와 같이 펄스 변환기(25)에 의해 승압된 펄스형 전압을 피처리물(2)에 인가한다.
또, 인버터 회로(23, 24)에는, 진공관을 이용하여 구성된 회로를 이용해도 좋다. 진공관을 이용하여 구성된 인버터 회로는, 높은 출력 전압을 얻는 것이 가능하다. 따라서, 인버터 회로(23, 24)로서, 진공관을 이용하여 구성된 회로를 이용하는 경우에는, 펄스 변환기(25)를 통하지 않고, 인버터 회로(23, 24)로부터 출력되는 펄스형 전압을 피처리물(2)에 직접 인가하도록 해도 좋다.
이상과 같은 표면 처리 장치(1)에 의해, 절연물로 이루어지는 피처리물(2)에 이온 주입을 행하여 표면 처리를 실시할 때는, 우선 표면 처리의 대상이 되는 피처리물(2)을, 진공 용기(3)의 내부에 배치된 홀더(5)에 부착한다. 그 후, 진공 용기(3)의 내부를, 저온 펌프(4)에 의해 배기하여, 고진공 상태로 한다. 이 때의 진공 용기(3)의 내부의 진공도, 즉 이온을 진공 용기(3)의 내부에 도입하기 전의 진공도(배경 진공도)는, 예를 들면 10-7Torr 정도로 한다.
또, 피처리물(2)이, 예를 들면 플라스틱등과 같이 고온에서의 처리가 바람직하지 못한 재료로 이루어지는 경우에는, 홀더(5)에 조립된 냉각수 도입용 파이프에 냉각수를 흘려, 피처리물(2)의 온도가 올리지 않도록 해둔다.
이어서, 이온 발생 장치(6)에 의해, 피처리물(2)에 주입하는 이온을 발생시키고, 상기 이온을 진공 용기(3)의 내부로 도입한다. 이에 따라, 진공 용기(3)의 내부에, 피처리물(2)에 주입하는 이온을 포함하는 플라즈마를 발생시킨다. 이 때의 진공 용기(3)의 내부의 진공도, 즉 이온 주입을 행할 때의 진공도는, 예를 들면 10-5Torr 정도가 된다.
그리고, 주입하는 이온을 포함하는 플라즈마중에 피처리물(2)이 배치된 상태에서, 펄스 전원(8)에 의해 플러스의 펄스 전압과 마이너스의 펄스 전압을 포함하는 펄스형 전압을 발생시키고, 상기 펄스형 전압을 바이어스 전압으로서, 피처리물(2)에 인가한다. 이에 따라, 피처리물(2)에 이온이 인입되고, 피처리물(2)에의 이온 주입이 이루어진다.
보다 상세하게는, 마이너스의 펄스 전압이 피처리물(2)에 인가됐을 때, 플라즈마 중에 포함되어 있는 플러스 이온이 피처리물(2)에 인입되고, 상기 플러스 이온이 피처리물(2)에 주입된다. 여기서, 피처리물(2)에의 이온의 주입량이나 주입 깊이나 주입 프로파일등은, 피처리물(2)에 인가되는 마이너스의 펄스 전압의 펄스 피크치, 펄스 상승 시간, 펄스 간격, 펄스 폭등에 의존한다. 따라서, 피처리물(2)에 인가하는 펄스형 전압의 파형을 제어함에 따라, 피처리물(2)에 이온을 주입할 때의 주입량이나 주입 깊이나 주입 프로파일등을 제어할 수 있다. 또, 주입 프로파일은, 피처리물(2)의 표면으로부터의 깊이와, 피처리물(2)에 주입되는 이온의 농도와의 관계를 말한다.
이와 같이 플러스 이온을 피처리물(2)에 인입하여, 피처리물(2)에의 이온 주입을 행하면, 피처리물(2)에 전하가 적재된다. 그 때문에, 피처리물(2)에 마이너스 전압을 계속 인가했다면, 절연물로 이루어지는 피처리물(2)에의 이온 주입을 계속할 수 없다. 그래서, 이 표면 처리 장치(1)에서는, 피처리물(2)에 인가하는 바이어스 전압을, 플러스의 펄스 전압과 마이너스의 펄스 전압을 포함하는 펄스형 전압으로서, 피처리물(2)에 적재된 전하를 플러스의 펄스 전압에 의해 중화한다.
보다 상세하게는, 플러스의 펄스 전압이 피처리물(2)에 인가됐을 때, 전자가 피처리물(2)에 인입되고, 상기 전자에 의해 피처리물(2)에 적재되는 전하가 중화된다. 이와 같이, 피처리물(2)에 적재되는 전하를 중화해두면, 그 후 마이너스의 펄스 전압을 인가했을 때, 다시 플러스 이온이 피처리물(2)에 인입되고, 피처리물(2)에의 이온 주입이 이루어지게 된다.
이상과 같이, 피처리물(2)에 인가하는 바이어스 전압을, 플러스의 펄스 전압과 마이너스의 펄스 전압을 포함하는 펄스형 전압으로 함으로써, 피처리물(2)이 절연물이라도 차지업 상태가 되지 않고, 피처리물(2)에의 이온 주입을 행할 수 있다.
또한, 여기서의 이온 주입은, 플라즈마에 포함되는 이온을 피처리물(2)에 주입하는 플라즈마 주입법에 따른 것이므로, 이온 빔 주입법과 다르고, 피처리물(2)이 입체적인 구조를 구비해도, 피처리물(2)의 표면에 균일하게 이온을 주입하는 것이 가능하다.
또, 이상과 같은 이온 주입에 따른 표면 처리의 대상이 되는 피처리물(2)로서는, 예를 들면 나선형 스캔 방식에 따른 자기 테이프의 기록 및/또는 재생으로 사용되는 회전 드럼이나, 기록 매체의 기록층을 지지하는 기재나, 기재 상에 기록층이 형성되어 이루어지는 기록 매체나, 기재 상에 기록층이 형성되어 이루어짐과 동시에 상기 기록층 상에 보호막이 형성되어 이루어지는 기록 매체나, 액정 패널에서 액정을 봉입하기 위한 패널 기판이나, 절연체에 인쇄가 실시되어 이루어지는 인쇄물이나, 플라스틱등의 절연 재료에 의해 제작된 각종 마이크로 머신등을 들 수 있다.
그런데, 이온 빔 주입법인 경우에는, 일정 에너지의 이온 빔이 가속되어 피처리물에 주입되기 때문에, 그 주입 프로파일(피처리물의 표면으로부터의 깊이와, 피처리물에 주입된 이온의 농도와의 관계)은, 도 3에 도시된 바와 같이 표면으로부터 어느 정도의 깊이가 있는 곳에 피크를 구비하는 가우스형의 분포가 된다.
이에 대해, 상기 표면 처리 장치(1)에 의해 플라즈마 주입법으로 이온 주입을 행하는 경우는, 피처리물(2)에 인가하는 펄스형 전압을 제어함에 따라, 피처리물(2)에 주입하는 이온의 주입량이나 주입 깊이나 주입 프로파일등을 제어하는 것이 가능하다. 따라서, 예를 들면 그 주입 프로파일을, 도 4에 도시된 바와 같이 표면 근방에 피크를 구비하도록 하는 것도 가능하다.
이어서, 상기 표면 처리 장치(1)에 의해 이온 주입을 행할 때에 피처리물(2)에 인가하는 펄스형 전압에 대해, 구체적인 예(도 5 내지 도 12)를 예로 들어 설명한다.
도 5에 도시된 예에서는, 우선 마이너스의 펄스 전압을 인가하고, 그 직후에 펄스 피크의 절대치가 거의 동일한 플러스의 펄스 전압을 인가하고, 그 후 전압을 인가하지 않은 기간을 설치하고 있다. 그리고, 이러한 펄스 열을 피처리물(2)에 반복 인가한다.
펄스형 전압을 도 5에 도시된 바와 같은 파형으로 한 경우에는, 마이너스의 펄스 전압을 인가했을 때, 플러스의 이온이 가속되어 피처리물(2)에 인입된다. 이에 따라, 피처리물(2)에의 이온 주입이 이루어진다. 이 때, 플러스의 이온이 피처리물(2)에 인입됨에 따라, 피처리물(2)에는 전하가 적재된다. 한편, 플러스의 펄스 전압을 인가했을 때는, 전자가 피처리물(2)에 인입된다. 이에 따라, 피처리물(2)에 적재되고 있는 전하가 중화된다.
따라서, 도 5에 도시된 바와 같은 파형의 펄스형 전압을 피처리물(2)에 바이어스 전압으로서 인가하도록 함으로써, 피처리물(2)이 절연물이라도 차지업 상태가 되지 않고, 피처리물(2)에의 이온 주입을 계속하여 행할 수 있다.
도 6에 나타내는 예는, 도 5에 나타내는 예와 정부의 순서를 반대로 한 예이다. 즉, 도 6에 나타낸 예에서는, 우선 플러스의 펄스 전압을 인가하고, 그 직후에 펄스 피크의 절대치가 거의 동일한 마이너스의 펄스 전압을 인가하고, 그 후 전압을 인가하지 않은 기간을 설치하고 있다. 그리고, 이러한 펄스 열을 피처리물(2)에 반복 인가한다.
펄스형 전압을 도 6에 도시된 바와 같은 파형으로 한 경우도, 도 5에 도시된 예와 마찬가지로, 마이너스의 펄스 전압을 인가했을 때, 플러스의 이온이 가속되어 피처리물(2)에 인입된다. 이에 따라, 피처리물(2)에의 이온 주입이 이루어진다. 이 때, 플러스의 이온이 피처리물(2)에 인입됨에 따라, 피처리물(2)에는 전하가 적재된다. 한편, 플러스의 펄스 전압을 인가했을 때는, 전자가 피처리물(2)에 인입된다. 이에 따라, 피처리물(2)에 적재되고 있는 전하가 중화된다.
따라서, 도 6에 도시된 바와 같은 파형의 펄스형 전압을 피처리물(2)에 바이어스 전압으로서 인가하도록 함으로써, 도 5에 나타낸 예와 같이 피처리물(2)이 절연물이라도 차지업 상태가 되지 않고, 피처리물(2)에의 이온 주입을 계속하여 행할 수 있다.
도 7에 나타낸 예에서는, 우선 마이너스의 펄스 전압을 인가하고, 그 후 전압을 인가하지 않은 기간을 설치하고, 그 후 마이너스의 펄스 전압과 펄스 피크의 절대치가 거의 동일한 플러스의 펄스 전압을 인가하고, 그 후 전압을 인가하지 않은 기간을 설치하고 있다. 그리고, 이러한 펄스 열을 피처리물(2)에 반복 인가한다.
펄스형 전압을 도 7에 도시된 바와 같은 파형으로 한 경우나, 도 5 및 도 6에 나타낸 예와 마찬가지로, 마이너스의 펄스 전압을 인가했을 때, 플러스의 이온이 가속되어 피처리물(2)에 인입된다. 이에 따라, 피처리물(2)에의 이온 주입이 이루어진다. 이 때, 플러스의 이온이 피처리물(2)에 인입됨에 따라, 피처리물(2)에는 전하가 적재된다. 한편, 플러스의 펄스 전압을 인가했을 때에은, 전자가 피처리물(2)에 인입된다. 이에 따라, 피처리물(2)에 적재되는 전하가 중화된다.
따라서, 도 7에 도시된 바와 같은 파형의 펄스형 전압을 피처리물(2)에 바이어스 전압으로서 인가하도록 함으로써, 도 5 및 도 6에 도시된 예와 같이, 피처리물(2)이 절연물이라도 차지업 상태가 되지 않고, 피처리물(2)에의 이온 주입을 계속하여 행할 수 있다.
또한, 도 7에 도시된 예에서는 마이너스의 펄스 전압을 인가한 후에 전압을 인가하지 않은 기간을 설치하여, 어느 정도의 시간이 지나고나서, 플러스의 펄스 전압을 인가하도록 하고 있다. 이와 같이, 마이너스의 펄스 전압을 인가한 후에 전압을 인가하지 않은 기간을 설치한 경우에는, 그 기간중에, 피처리물(2)에 적재되고 있던 전하가 어느 정도 빠지게 된다. 따라서, 플러스의 펄스 전압의 인가에 따른 전하의 중화를 하기 쉬워진다.
도 8에 도시된 예에서는, 우선 마이너스의 펄스 전압을 인가하고, 그 직후에 펄스 피크의 절대치가 작은 플러스의 펄스 전압을 인가하고, 그 후 전압을 인가하지않은 기간을 설치하고 있다. 그리고, 이러한 펄스 열을 피처리물(2)에 반복 인가한다.
펄스형 전압을 도 8에 도시된 바와 같은 파형으로 한 경우도, 도 5 내지 도 7에 도시된 예와 마찬가지로, 마이너스의 펄스 전압을 인가했을 때, 플러스의 이온이 가속되어 피처리물(2)에 인입된다. 이에 따라, 피처리물(2)에의 이온 주입이 이루어진다. 이 때, 플러스의 이온이 피처리물(2)에 인입됨에 따라, 피처리물(2)에는 전하가 적재된다. 한편, 플러스의 펄스 전압을 인가했을 때는, 전자가 피처리물(2)에 인입된다. 이에 따라, 피처리물(2)에 적재되고 있는 전하가 중화된다.
또, 도 8에 나타낸 예에서는, 플러스의 펄스 전압의 펄스 피크의 절대치를, 마이너스의 펄스 전압의 펄스 피크의 절대치보다도 작게 하고 있지만, 피처리물(2)에 적재된 전하의 중화은, 이 예와 같이 플러스의 펄스를 작게 해도, 충분히 행하는 것이 가능하다. 특히, 펄스사이에 전압을 인가하지 않은 기간을 설치하는 경우에는, 그 기간에서 피처리물(2)에 적재되고 있는 전하가 빠지므로, 피처리물(2)에 적재된 전하를 중화하기 위한 플러스의 펄스 전압은, 보다 작은 것이라도 상관없다.
도 9에 나타내는 예는, 도 8에 나타내는 예와 정부의 순서를 반대로 한 예이다. 즉, 도 9에 나타내는 예에서는, 우선 플러스의 펄스 전압을 인가하고, 그 직후에 펄스 피크의 절대치가 작은 마이너스의 펄스 전압을 인가하고, 그 후 전압을 인가하지 않은 기간을 설치하고 있다. 그리고, 이러한 펄스 열을 피처리물(2)에 반복 인가한다.
펄스형 전압을 도 9에 도시된 바와 같은 파형으로 한 경우도, 도 5 내지 도 8에 나타낸 예와 마찬가지로, 마이너스의 펄스 전압을 인가했을 때, 플러스의 이온이 가속되어 피처리물(2)에 인입된다. 이에 따라, 피처리물(2)에의 이온 주입이 이루어진다. 이 때, 플러스의 이온이 피처리물(2)에 인입됨에 따라, 피처리물(2)에는 전하가 적재된다. 한편, 플러스의 펄스 전압을 인가했을 때는, 전자가 피처리물(2)에 인입된다. 이에 따라, 피처리물(2)에 적재되어 있는 전하가 중화된다.
또, 도 9에 나타내는 예에서는 플러스의 펄스 전압의 펄스 피크의 절대치를, 마이너스의 펄스 전압의 펄스 피크의 절대치보다도 크게 하지만, 피처리물(2)에 적재된 전하의 중화는, 이 예와 같이 플러스의 펄스를 크게 하여 행하도록 해도 가능하다. 또한, 이 예의 경우에는 플러스의 펄스 전압을 인가했을 때, 피처리물(2)에 적재된 전하를 중화하는 이상의 전자가 피처리물(2)에 인입된다. 따라서, 이 예의 경우는, 전자 조사에 따른 표면 처리의 효과도 얻을 수 있다.
도 10에 나타내는 예에서는, 우선 복수의 마이너스의 펄스 전압을 인가한다. 이 때, 서서히 마이너스의 전압이 커지는 펄스를 연속시켜, 전체적으로 보면, 도면 중 점선으로 나타낸 바와 같은 느슨한 마이너스의 기울기를 구비하는 펄스 열로 이루어지는 파형으로 한다. 그리고, 도 10에 나타내는 예로는 이들 마이너스의 펄스 전압을 인가한 직후에, 플러스의 펄스 전압을 인가하고, 그 후 전압을 인가하지 않은 기간을 설치하고 있다. 그리고, 이러한 펄스 열을 피처리물(2)에 반복 인가한다.
펄스형 전압을 도 10에 도시된 바와 같은 파형으로 한 경우는, 복수의 마이너스의 펄스 전압을 인가했을 때, 플러스의 이온이 가속되어 피처리물(2)에 인입된다. 이에 따라, 피처리물(2)에의 이온 주입이 이루어진다. 이 때, 플러스의 이온이 피처리물(2)에 인입됨에 따라, 피처리물(2)에는 전하가 적재된다. 한편, 플러스의 펄스 전압을 인가했을 때는, 전자가 피처리물(2)에 인입된다. 이에 따라, 피처리물(2)에 적재되는 전하가 중화된다.
이 예와 마찬가지로, 플러스의 이온을 가속하여 피처리물(2)에 인입하기 위한 바이어스 전압이 되는 마이너스의 펄스 전압을, 복수의 펄스를 조합함에 따라, 피처리물(2)에 이온을 주입할 때의 주입 프로파일을, 보다 정밀하게 제어하는 것이 가능해진다.
또, 도 5 내지 도 10에 나타낸 예로는, 펄스사이에 전압을 인가하지 않는 기간을 설치하고 있지만, 전압을 인가하지 않는 기간에 초기 에너지대로 피처리물(2)에 도달한 이온은, 그대로 피처리물(2) 위에 퇴적한다. 따라서, 전압을 인가하지 않은 기간에서는 피처리물(2)에의 이온 주입이 아니라, 피처리물(2)에의 성막이 이루어지게 된다. 즉, 도 5 내지 도 10에 나타낸 예에서는 이온 주입의 효과와 성막의 효과의 양방을 얻을 수 있게 된다.
한편, 피처리물(2)에의 성막을 행하고 싶지 않은 경우에는, 피처리물(2)에 인가하는 펄스형 전압에 DC 전압 성분을 중첩하면 된다. DC 전압 성분을 중첩한 펄스형 전압의 예를 도 11에 나타낸다. 이 예와 같이, 펄스형 전압에 플러스의 DC 전압 성분을 중첩해 둠에 따라, 펄스와 펄스사이에서 성막 상태가 되지 않고, 피처리물(2)에의 이온 주입만을 행할 수 있다.
그런데, 이상의 설명에서는 피처리물(2)에 마이너스 전압을 인가했을 때 이온이 주입되는 것으로서 설명하고 있지만, 조건에 따라사는 피처리물(2)에 마이너스 전압을 인가했을 때, 피처리물(2)의 내부로 이온이 들어가지 않고, 스퍼터링 상태에서도 될 수 있다.
즉, 피처리물(2)에 충분히 큰 마이너스 전압을 인가한 경우에는, 피처리물(2)로 도달하는 이온의 에너지가 충분히 커지고, 피처리물(2)의 내부로 이온이 들어가고, 이온 주입 상태가 되지만, 피처리물(2)에 인가하는 마이너스 전압이 작은 경우에는, 피처리물(2)에 도달하는 이온의 에너지가 작고, 피처리물(2)의 내부로 이온이 들어가지 않고, 스퍼터링 상태가 된다.
구체적으로는 예를 들면, 피처리물(2)이 플라스틱으로 이루어지고, 이온종이 카본인 경우, 피처리물(2)에 인가하는 마이너스 전압이 10㎸ 정도일 때에는, 이온이 충분히 가속되고, 이온 주입 상태가 되지만, 피처리물(2)에 인가하는 마이너스 전압이 수백 V정도의 경우에는, 이온의 가속이 불충분하고, 피처리물(2)의 내부로 이온이 들어가지 않고, 스퍼터링 상태가 된다.
그리고, 피처리물(2)에 표면 처리를 실시할 때는, 이러한 스퍼터링을 적극적으로 이용하도록 해도 좋다. 스퍼터링을 적극적으로 이용하는 경우의 펄스형 전압의 예를 도 12에 나타낸다.
즉, 스퍼터링을 적극적으로 이용하는 경우에는, 예를 들면 도 12에 나타낸 바와 같이 마이너스의 펄스 전압을 인가할 때에, 우선 -수백 V정도의 바이어스를 부여하여, 이에 따라 피처리물(2)의 표면을 스퍼터링한다. 그 후, -10㎸ 정도의 펄스를 부여하고, 이에 따라 피처리물(2)에의 이온 주입을 행한다.
이와 같이, 피처리물(2)에 인가하는 전압을 조정함에 따라, 피처리물(2)에의 이온 주입뿐만 아니라, 피처리물(2)의 스퍼터링도 행할 수 있다. 즉, 피처리물(2)에 인가하는 전압을 조정함에 따라, 스퍼터링과 이온 주입을 조합한 표면 처리를, 피처리물(2)에 대해 실시할 수 있다.
그런데, 상기 표면 처리 장치(1)에서는, 이온 발생 장치(11)를 펄스 동작시키거나, 셔터(7)의 개폐 동작을 제어함에 따라, 피처리물(2)에 주입하는 이온을 단속적으로 공급할 수 있다. 그래서, 피처리물(2)에 주입하는 이온의 공급을, 피처리물(2)에 인가하는 바이어스 전압의 펄스와 동기시켜 행하도록 해도 된다. 이에 따라, 예를 들면, 피처리물(2)에 대해 순수하게 이온 주입만을 행하도록 하거나, 또는 이온 주입과 성막이나 스퍼터링을 조합하여 표면 처리를 행하도록 하는 등, 원하는 조건에서의 표면 처리를 보다 정밀하게 제어하여 행하는 것이 가능해진다.
[실시예]
이어서, 도 2에 나타낸 표면 처리 장치(1)를 이용하여, 실제로 표면 처리를 행한 실시예에 대해 설명한다.
제1 실시예
본 실시예에서, 피처리물(2)은, 비정질 폴리올레핀(APO)을 원반형으로 성형한 플라스틱 기판으로 하였다. 또한, 피처리물(2)에 주입하는 이온종은 카본으로 하고, 이온 발생원(10)에는, Commonwealth Scientific Corp.제의 필터링된 캐소딕 아크 소스를 이용하였다.
그리고, 우선 표면 처리의 대상이 되는 플라스틱 기판을, 진공 용기(3)의 내부에 배치된 홀더(5)에 부착함과 동시에, 이온 주입을 행했을 때 플라스틱 기판의 온도가 너무 상승하지 않도록, 홀더(5)에 조립된 냉각수 도입용 파이프에 냉각수를 흘렸다. 그리고, 표면 처리의 대상이 되는 플라스틱 기판을 홀더(5)에 부착한 후, 진공 용기(3)의 내부를 저온 펌프(4)에 의해 배기하여 고진공 상태로 하였다. 이 때의 진공 용기(3)의 내부의 진공도, 즉 이온을 진공 용기(3)의 내부에 도입하기 전의 진공도(배경 진공도)는, 약 10-7Torr로 하였다.
이어서, 이온 발생 장치(6)에 따라 카본 이온을 발생시키고, 상기 카본 이온을 진공 용기(3)의 내부로 도입하였다. 여기서, 카본 이온류에 따른 이온 전류는 약10A, 카본 이온의 에너지는 약 25eV가 되도록 하였다. 그리고, 이와 같이 카본 이온을 진공 용기(3)의 내부로 도입하여, 카본 이온을 포함하는 플라즈마를 발생시켰다. 이 때의 진공 용기(3)의 내부의 진공도, 즉 이온 주입을 행할 때의 진공도는, 약 10-5Torr이었다.
그리고, 카본 이온을 포함하는 플라즈마중에 플라스틱 기판이 배치된 상태에서, 펄스 전원(8)에 의해 펄스형 전압을 발생시키고, 상기 펄스형 전압을 바이어스 전압으로서, 플라스틱 기판에 인가했다. 이에 따라, 플라스틱 기판에 카본 이온을 인입하여, 플라스틱 기판에의 이온 주입을 행하였다.
또, 이와 같이 이온 주입을 행하고 있을 때에는, 피처리물(2)인 플라스틱 기판의 표면에, 플라즈마시스가 하얗게 발생하는 것이 관측되었다.
그리고, 본 실시예에서는 플라스틱 기판에 인가하는 펄스형 전압의 파형을 변경하여, 이들의 비교를 행하였다. 구체적으로는, 우선 제1 예로서 도 13에 도시된 바와 같이 정부의 펄스가 교대로 나타나는 펄스형 전압을 플라스틱 기판에 인가하였다. 여기서, 펄스형 전압의 정부의 펄스 피크치는 ±10㎸로 하고, 정부 각각의 펄스의 폭은 5μsec로 하고, 펄스 간격은 0.1msec(10㎑)로 하였다. 또한, 제2 예로서 도 14에 나타낸 바와 같이 마이너스의 펄스만으로 이루어지는 펄스형 전압을 플라스틱 기판에 인가하였다. 여기서, 펄스형 전압의 마이너스의 펄스 피크치는 -10㎸로 하고, 펄스 폭은 5μsec로 하고, 펄스 간격은 0.1msec(10㎑)로 하였다.
그리고, 이들 2개의 조건으로써 이온 주입을 행한 플라스틱 기판에 대해, 이들의 표면 경도를 측정하였다. 여기서, 표면 경도의 측정은 NEC 제의 박막 경도계 「MHA-400」에 따른 압입 경도 시험에 의해 행하였다.
도 13에 나타낸 펄스형 전압을 인가하여 이온 주입을 행한 경우의 측정 결과를 도 15에 나타냄과 동시에, 도 14에 나타낸 펄스형 전압을 인가하여 이온 주입을 행한 경우의 측정 결과를 도 16에 나타낸다. 또, 도 15 및 도 16에서, 횡축은 압입하여 경도 시험용 압자의 압입 깊이를 나타내고 있고, 종축은 압입 경도 시험용 압자에 가한 압입하여 하중의 크기를 나타내고 있다.
도 15 및 도 16로부터 알 수 있듯이, 마이너스의 펄스만으로 이루어지는 펄스형 전압을 플라스틱 기판에 인가하여 이온 주입을 행한 경우(도 16의 경우)에 비교하여, 정부의 펄스가 교대로 나타나는 펄스형 전압을 플라스틱 기판에 인가하여 이온 주입을 행한 경우(도 15의 경우)가, 하중을 부여했을 때의 변위량이 적어, 표면 경도가 향상하고 있다.
즉, 정부의 펄스가 교대로 나타나는 펄스형 전압을 플라스틱 기판에 인가하여 이온 주입을 한 쪽이, 플라스틱 기판의 표면 개질 효과를 크게 얻을 수 있다. 이것은, 마이너스의 펄스만으로 이루어지는 펄스형 전압을 플라스틱 기판에 인가하여 이온 주입을 행한 경우에는, 차지업을 위해 이온 주입이 그다지 행해지지 않는데 대해, 정부의 펄스가 교대로 나타나는 펄스형 전압을 플라스틱 기판에 인가하여 이온 주입을 행한 경우에는, 차지업 상태가 되지 않고, 이온 주입이 안정적으로 행해지기 때문이다.
제2 실시예
본 실시예에서는, 비정질 폴리오레핀(APO)을 원반형으로 성형한 플라스틱 기판 상에 유성 잉크를 도포하고, 이것을 피처리물(2)로 하였다. 여기서, 플라스틱 기판 상에 도포하는 유성 잉크의 막 두께는 약 10㎛로 하였다. 또한, 피처리물(2)에 주입하는 이온종은 카본으로 하고, 이온 발생원(10)에는 Commonwealth Scientific Corp.제의 필터링된 캐소딕 아크 소스를 이용했다.
그리고, 우선 유성 잉크가 도포된 플라스틱 기판을, 진공 용기(3)의 내부에 배치된 홀더(5)에 부착함과 동시에, 이온 주입을 행했을 때 플라스틱 기판의 온도가 너부 상승하지 않도록, 홀더(5)에 조립된 냉각수 도입용 파이프에 냉각수를 흘렸다. 그리고, 유성 잉크가 도포된 플라스틱 기판을 홀더(5)에 부착한 후, 진공 용기(3)의 내부를 저온 펌프(4)에 의해 배기하여 고진공 상태로 하였다. 이 때의 진공 용기(3)의 내부의 진공도, 즉 이온을 진공 용기(3)의 내부에 도입하기 전의 진공도(배경 진공도)는, 약 2.1×10-7Torr로 하였다.
이어서, 이온 발생 장치(6)에 따라 카본 이온을 발생시키고, 상기 카본 이온을 진공 용기(3)의 내부에 도입하였다. 여기서, 카본 이온류에 따른 이온 전류는 약 10A, 카본 이온의 에너지는 약 25eV가 되도록 하였다. 그리고, 이와 같이 카본 이온을 진공 용기(3) 내부에 도입하여, 카본 이온을 포함하는 플라즈마를 발생시켰다. 이 때의 진공 용기(3) 내부의 진공도, 즉 이온 주입을 행할 때의 진공도는, 약 5×10-5Torr이었다.
그리고, 카본 이온을 포함하는 플라즈마 중에 플라스틱 기판이 배치된 상태에서 펄스 전원(8)에 의해 플러스 마이너스의 펄스가 교대로 나타나는 펄스형 전압을 발생시키고, 해당 펄스형 전압을 바이어스 전압으로서 플라스틱 기판에 인가하였다. 이에 따라, 플라스틱 기판에 카본 이온을 인입하여 플라스틱 기판으로의 이온 주입을 행하였다. 여기서, 플라스틱 기판에 인가하는 펄스형 전압은 제1 실시예와 마찬가지로, 플러스 마이너스의 펄스피크치를 ±10㎸로 하고, 펄스폭을 5μsec로 하고, 펄스 간격을 0.1msec(10㎑)로 하였다.
또, 이와 같이 이온 주입을 행하고 있을 때에는 유성 잉크가 도포된 플라스틱 기판의 표면에, 플라즈마 시스가 하얗게 발생하고 있는 것이 관측되었다.
그리고, 이상과 같이 유성 잉크를 도포한 플라스틱 기판에 대하여 이온 주입에 의한 표면 처리를 행하기 전과 행한 후에 대하여, 감쇠 전반사법(ATR : attenuated total reflectance)에 의해 적외 분광 특성을 측정하였다. 또, 적외 분광 특성의 측정에는 시마즈 제작 소제의 ATR 측정용 현미경 「FTIRAIM8000」을 이용하였다. 적외 분광 특성의 측정 결과를 도 17에 도시한다. 도 17에 도시한 바와 같이, 이온 주입에 의한 표면 처리를 행함으로써, 유성 잉크가 도포된 플라스틱 기판의 표면 특성이 변화하고 있으며, 이온 주입에 의해 표면 개질이 이루어져 있는 것을 알 수 있다.
또한, 유성 잉크를 도포한 플라스틱 기판에 대하여 이온 주입에 의한 표면 처리를 행하기 전과 행한 후에 대하여, 헤이돈제의 표면 평가 장치에 따른 스크래치 테스트를 행하였다. 그 결과, 표면 처리를 행하기 전은 0.01g에서 손상되지만, 표면 처리를 행한 후는 1g까지 손상되지 않았다.
또한, 이상과 같이 이온 주입에 의한 표면 처리를 실시한 후, 유성 잉크가 도포된 플라스틱 기판을 아세톤이나 에탄올 등의 용매에 넣어서, 초음파 세정기에 1시간정도 걸었더니 유성 잉크가 녹지 않고 있는 것이 확인되었다. 이것은 이온 주입에 의한 표면 처리에 의해, 플라스틱 기판 상에 도포된 유성 잉크가 아세톤이나 에탄올 등의 용매에 대하여 불용이 되도록 개질된 것을 나타내고 있다.
또, 상기한 예에서는 비정질 폴리 오레핀(APO)을 원반형으로 성형한 플라스틱 기판 상에 유성 잉크를 도포하고, 이것을 피처리물(2)로 하였지만, 본 발명에 따른 표면 처리는 그 외의 기판 상에 형성된 얇은 막에 대해서도 적용 가능하다. 예를 들면, 얇은 막이 형성되는 기판은 폴리 카보네이트(PC), 폴리 메틸 메타크릴레이트(PMMA), 폴리 에틸렌 텔레프탈레이트(PET), 아크릴 수지 등으로 이루어지는 기판만이라도 좋으며 혹은 실리콘 기판이나 유리 기판 등이라도 좋다.
또한, 이온 주입의 대상이 되는 얇은 막도 특히 한정되는 것은 아니고, 본 발명에 따르면 여러가지 얇은 막에 대하여 이온 주입을 행할 수 있다. 구체적으로는 예를 들면, 플라즈마 CVD 장치에 의해 제작된 SiO2막이나 SiN막, 스핀코트 장치에 의해 도포된 자외선 경화 수지로 이루어지는 얇은 막 혹은 자성 분말을 바인더에 섞어서 도포한 자성막 등에 대해서도 이온 주입을 행할 수 있다.
제3 실시예
본 실시예에서는, 도 18에 도시한 바와 같은 회전 드럼(30)을 플라스틱에 의해 제작하고, 해당 회전 드럼(30)을 피처리물(2)로 한다. 또, 회전 드럼(30)은 나선형 스캔 방식에 의한 자기 테이프의 기록 재생에 사용되는 것이며, 회전 드럼(30)을 이용하여 자기 테이프의 기록 재생을 할 때는, 도 18 중의 화살표 B1으로 나타낸 바와 같이, 회전 드럼(30)에 자기 테이프(31)를 둘러감아서 주행시킴과 함께, 도 18 중의 화살표 B2로 나타낸 바와 같이 모터에 의해 회전 드럼(30)을 회전시킨다. 그리고, 회전 드럼(30)에 탑재된 자기 헤드에 의해 자기 테이프(31)의 기록 재생을 행한다.
종래, 나선형 스캔 방식에 의한 자기 테이프의 기록 재생에 사용되는 회전 드럼은 알루미늄 합금에 의해 제작되어 있었다. 그러나, 금속제의 회전 드럼은 무겁기 때문에 회전 드럼을 회전시키는 모터로의 부하가 크다. 회전 드럼을 플라스틱에 의해 제작할 수 있으면 회전 드럼을 대폭 경량화할 수가 있어 모터로의 부하를 대폭으로 경감할 수가 있다. 그러나, 플라스틱은 경도가 낮기 때문에 플라스틱제의 회전 드럼으로는 자기 테이프와의 미끄럼 이동에 의한 마모가 심하고, 수명이 극단적으로 짧아지게 된다. 그 때문에, 종래는 플라스틱제의 회전 드럼을 실용화할 수는 없었다.
그러나, 이하에 설명한 바와 같이 본 발명을 적용하여 플라스틱제의 회전 드럼에 대하여 표면 처리를 실시함으로써, 그 표면 경도를 대폭으로 향상할 수가 있어 플라스틱제의 회전 드럼을 실용화하는 것이 가능해진다.
본 실시예에서는, 우선, 도 18에 도시한 바와 같은 회전 드럼(30)을 플라스틱에 의해 제작하였다. 그리고, 이 회전 드럼(30)을 진공 용기(3)의 내부에 배치된 홀더(5)에 부착함과 함께, 이온 주입을 행할 때 플라스틱제의 회전 드럼(30)의 온도가 지나치게 상승하지 않도록, 홀더(5)에 조립된 냉각수 도입용 파이프에 냉각수를 흘렸다. 그리고, 회전 드럼(30)을 홀더(5)에 부착한 후, 진공 용기(3)의 내부를 저온 펌프(4)에 의해 배기하여 고진공 상태로 하였다. 이 때의 진공 용기(3)의 내부의 진공도 즉, 이온을 진공 용기(3)의 내부에 도입하기 전의 진공도(배경 진공도)는 약 2.1×10-7Torr로 하였다.
다음에, 이온 발생 장치(6)에 의해 탄소, 수소 및 탄수 화합물의 이온을 발생시켜서 이들의 이온을 진공 용기(3)의 내부에 도입하였다. 여기서, 이온 발생 장치(6)의 이온 발생원(10)에는 RF 플라즈마 소스를 이용하여 50sccm의 메탄 가스를 도입하고, 해당 메탄 가스로부터 탄소, 수소 및 탄수 화합물의 이온을 생성하였다.
그리고, 이와 같이 탄소, 수소 및 탄수 화합물의 이온을 진공 용기(3)의 내부에 도입하여 이들의 이온을 포함하는 플라즈마를 발생시켰다. 이 때의 진공 용기(3)의 내부의 진공도 즉, 이온 주입을 행할 때의 진공도는 약 5×10-5Torr이었다.
그리고, 탄소, 수소 및 탄수 화합물의 이온을 포함하는 플라즈마 중에 회전 드럼(30)이 배치된 상태에서 펄스 전원(8)에 의해 플러스 마이너스의 펄스가 교대로 나타나는 펄스형 전압을 발생시켜서, 해당 펄스형 전압을 바이어스 전압으로서 회전 드럼(30)에 인가하였다. 이에 따라, 회전 드럼(30)에 이온을 인입하여 회전 드럼(30)으로의 이온 주입을 행하였다. 여기서, 회전 드럼(30)에 인가하는 펄스형 전압은 실시예 1과 마찬가지로, 플러스 마이너스의 펄스 피크치를 ±10㎸로 하여 펄스폭을 5μsec로 하고 펄스 간격을 0.1msec(10㎑)로 하였다. 또한, 이온 주입 시간은 5분간으로 하였다.
또, 이와 같이 이온 주입을 행하고 있을 때는 피처리물(2)인 회전 드럼(30)의 표면에 플라즈마 시스가 하얗게 발생하고 있는 것이 관측되었다.
이상과 같이, 플라스틱제의 회전 드럼(30)에 대하여 이온 주입을 행함으로써 회전 드럼(30)의 표면의 경도가 향상한다. 이것을 확인하기 위해서 상기 회전 드럼(30)과 동일 재료로 이루어지는 플라스틱제 시험 부재를 제작하고, 상기한 조건으로 이온 주입을 행하기 전과 행한 후의 표면 경도를 NEC제의 얇은 막 경도계 「MHA-400」에 의해 측정하였다. 그 결과, 이온 주입을 행하기 전의 표면 경도가 0.5GPa이었던데 대하여 이온 주입을 행한 후의 표면 경도는 20GPa이었다. 이것은 회전 드럼을 실용화하는 데 충분한 경도이다. 즉, 본 발명을 적용함으로써 마모의 문제를 해결하여, 플라스틱제의 회전 드럼을 실용화하는 것이 가능해진다.
또, 본 발명에 따른 이온 주입은 플라즈마 주입법에 의한 것이므로 이온 빔 주입법과 달리, 피처리물(2)이 입체적인 구조를 갖고 있어도 균일하게 이온을 주입하는 것이 가능하다. 따라서, 피처리물(2)이 입체적인 구조를 갖는 회전 드럼이라도 해당 회전 드럼의 표면 전체에 대하여 균일하게 이온 주입을 행하여 표면 개질을 실시할 수 있다.
그런데, 회전 드럼을 플라스틱에 의해 제작한 경우에는 그 표면의 절연성에 의해 회전 드럼에 자기 테이프가 접합하게 된다는 문제가 생기는 경우가 있다. 그와 같은 경우에는 이온 주입을 행할 때에, Ti 등의 금속 이온도 도입해둔다. 이에 따라, 회전 드럼의 표면에 도전성을 갖게 하는 것이 가능해지며 자기 테이프가 접합의 문제를 해소할 수 있다.
구체적으로는 예를 들면, 이온 발생원(10)에 메탄 가스를 도입하여 이온을 생성할 때에 메탄 가스와 함께, Ti(CH3)2Cl2나 테트라 메틸 아미노 티탄이나, 테트라 키스 디메틸 아미노 티탄(TDMAT)이나, 테트라 키스 디에틸 아미노 티탄(TDEAT) 등의 유기 금속을 도입하고 티탄 이온도 플라즈마 중에 공급한다. 이에 따라, 회전 드럼의 표면을 티탄화할 수가 있으며 자기 테이프 접합의 문제를 해소할 수 있다.
또, 회전 드럼의 표면에 도전성 얇은 막을 형성하도록 하여도 자기 테이프 접합의 문제는 해소 가능하다. 그러나, 플라스틱 상에 도전성 얇은 막을 형성한 경우는 도전성 얇은 막의 밀착성이 나쁘고 내구성에 뒤떨어진다. 따라서, 자기 테이프 접합의 문제를 해소하기 위해서는, 상술된 바와 같이 이온 주입을 행할 때에 Ti 등의 금속 이온도 도입하고, 이에 따라 회전 드럼의 표면에 도전성을 갖게 하도록 하는 것이 바람직하다.
또한, 회전 드럼 상에 뒤에서부터 얇은 막을 형성한 경우에는 해당 얇은 막의 성막 조건에 따라서는 표면 가공 정밀도가 변화하게 된다. 이것에 대하여, 이온 주입의 경우에는 회전 드럼의 표면에 따라서 이온이 주입되므로, 회전 드럼의 표면 가공 정밀도가 변화하는 것과 같은 일은 거의 없다. 예를 들면, 기계 가공 후의 면조도가 0.8S이던 경우에는, 이온 주입을 행한 후의 면조도도 거의 0.8S 그대로 유지된다. 따라서, 표면 가공 정밀도를 유지한다고 하는 관점에서부터도 이온 주입에 의한 표면 처리만을 행하도록 한 쪽이 바람직하다.
그리고, 상술된 바와 같이 이온 주입에 의한 표면 처리(티탄 이온의 주입도 포함한다)를 행한 회전 드럼을 주행 시험 장치에 조립하여 주행 시험을 행하였다. 또, 주행 시험 장치는 나선형 스캔 방식에 의해 자기 테이프의 기록 재생을 행할 때와 마찬가지로, 회전 드럼을 회전시킴과 함께 자기 테이프를 주행시켜서 주행 시험을 행하는 장치이며, 자기 테이프의 감기 및 되감기를 자동적으로 반복하고 자기 테이프를 연속하여 주행시키게 되어 있다.
그리고, 이온 주입에 의한 표면 처리도 행한 회전 드럼을 주행 시험 장치에 조립하고 1000 시간에 걸쳐서 주행 시험을 행하였지만, 회전 드럼의 마모의 문제나 자기 테이프 접합의 문제는 발생하지 않고, 1000 시간 이상의 수명이 확보 가능한 것을 확인할 수 있었다. 이 주행 시험 결과로부터도 알 수 있듯이, 본 발명을 적용하여 표면 처리를 실시하도록 함으로써, 플라스틱제의 회전 드럼에서 마모의 문제나 자기 테이프 접합의 문제를 해소할 수가 있으며 플라스틱제의 회전 드럼을 실용화하는 것이 가능해진다.
또, 종래 알루미늄 합금에 의해서 제작되고 있던 회전 드럼을 플라스틱제로 함으로써, 회전 드럼을 경량화하여 회전 드럼을 회전 구동하는 모터로의 부하를 1/10 정도로 경감할 수가 있다. 이와 같이, 모터로의 부하를 경감함으로써 나선형 스캔 방식의 자기 기록 재생 장치의 구동에 필요한 전력을 대폭으로 저감하는 것이 가능해진다. 따라서, 예를 들면 전지 구동 시간을 대폭으로 길게 하는 것과 같은 일이 가능해진다. 또한, 작은 전력으로 끝나는 것은 지구 환경에 있어서도 매우 바람직한 것이다.
제4 실시예
본 실시예에서는, 광 디스크, 광자기 디스크 또는 자기 디스크 등과 같은 디스크형 기록 매체에 사용되는 플라스틱제의 디스크 기판을 표면 처리의 대상이 되는 피처리물(2)로 하였다. 즉, 여기서는 표면 처리의 대상이 되는 절연물을 기록 매체의 기록층을 지지하는 기재로 하였다. 또한, 피처리물(2)에 주입하는 이온종은 카본과, 이온 발생원(10)에는 Commonwealth Scientific Corp.제의 필터링된 캐소딕 아크 소스를 이용하였다.
그리고, 우선 표면 처리의 대상이 되는 디스크 기판을 진공 용기(3)의 내부에 배치된 홀더(5)에 부착함과 함께, 이온 주입을 행할 때 디스크 기판의 온도가 지나치게 상승하지 않도록, 홀더(5)에 조립된 냉각수 도입용 파이프에 냉각수를 흘렸다. 그리고, 표면 처리의 대상이 되는 디스크 기판을 홀더(5)에 부착한 후, 진공 용기(3)의 내부를 저온 펌프(4)에 의해 배기하여 고진공 상태로 하였다. 이 때의 진공 용기(3)의 내부의 진공도 즉, 이온을 진공 용기(3)의 내부에 도입하기 전의 진공도(배경 진공도)는 약 10-7Torr로 하였다.
다음에, 이온 발생 장치(6)에 의해 카본 이온을 발생시켜서 해당 카본 이온을 진공 용기(3)의 내부에 도입하였다. 여기서, 카본 이온류에 의한 이온 전류는 약 10A, 카본 이온의 에너지는 약 25eV가 되도록 하였다. 그리고, 이와 같이 카본 이온을 진공 용기(3)의 내부에 도입하여 카본 이온을 포함하는 플라즈마를 발생시켰다. 이 때의 진공 용기(3)의 내부의 진공도 즉, 이온 주입을 행할 때의 진공도는 약 10-5Torr이었다.
그리고, 카본 이온을 포함하는 플라즈마 중에 디스크 기판이 배치된 상태에서 펄스 전원(8)에 의해 플러스의 펄스 전압과 마이너스의 펄스 전압을 포함하는 펄스형 전압을 발생시켜서, 해당 펄스형 전압을 바이어스 전압으로서 디스크 기판에 인가하였다. 이에 따라, 디스크 기판에 카본 이온을 인입하여 디스크 기판으로의 이온 주입을 행하였다.
또, 이와 같이 이온 주입을 행하고 있을 때에는 표면 처리의 대상이 되는 디스크 기판의 표면에 플라즈마 시스가 하얗게 발생하고 있는 것이 관측되었다.
그리고, 이상과 같이 디스크 기판에 대하여 이온 주입에 의한 표면 처리를 행하기 전과 행한 후에 대해서, 해당 디스크 기판의 습도의 침투도 및 산소 투과도를 측정하였다.
그 결과, 이온 주입에 의한 표면 처리를 행하기 전은 습도의 침투도가 10g/㎡·24h이며 산소 투과도가 100㎤/㎡·24h·atm이었다. 이에 대하여, 이온 주입에 의한 표면 처리를 행한 후는 습도의 침투도가 0.007g/㎡·24h가 되며 산소 투과도가 0.3㎤/㎡·24h·atm이 되었다. 이와 같이, 이온 주입에 의한 표면 처리를 행함으로써 디스크 기판의 습도의 침투도 및 산소 투과도가 매우 작아졌다.
종래, 플라스틱제의 디스크 기판으로는 대기 중의 수증기나 산소를 디스크 기판이 흡수하고, 그 영향에 의해 디스크 기판이 변형하게 된다는 문제가 있었다. 그러나, 상술된 바와 같이 본 발명을 적용하여 이온 주입을 행함으로써 디스크 기판의 습도의 침투도나 산소 투과도를 매우 작게 하여 디스크 기판이 대기 중의 수증기나 산소를 흡수하지 않도록 할 수가 있다. 즉, 본 발명을 적용하여 플라스틱제의 디스크 기판에 대하여 이온 주입을 행함으로써 디스크 기판이 대기 중의 수증기나 산소를 흡수하는 것에 기인하는 디스크 기판의 변형을 방지할 수가 있다.
제5 실시예
본 실시예에서는, 디스크 기판 상에 자성층이 형성되어 이루어지는 자기 디스크를 표면 처리의 대상이 되는 피처리물(2)로 하고, 자성층 상에 형성된 보호막에 대하여 이온 주입을 행하였다. 즉, 여기서는 표면 처리의 대상이 되는 절연물을 기재상에 기록층이 형성되어 이루어지는 기록 매체로 하였다. 또한, 피처리물(2)에 주입하는 이온종은 카본으로 하고, 이온 발생원(10)에는 Commonwealth Scientific Corp. 제의 필터링된 캐소딕 아크 소스를 이용하였다.
본 실시예에서는, 우선, 자성 분말을 바인더에 섞어서 플라스틱제의 디스크 기판 상에 도포하고 디스크 기판 상에 자성층이 형성되어 이루어지는 자기 디스크를 제작하였다.
그리고, 이 자기 디스크를 진공 용기(3)의 내부에 배치된 홀더(5)에 부착함과 함께 이온 주입을 행할 때 자기 디스크의 온도가 지나치게 상승하지 않도록, 홀더(5)에 조립된 냉각수 도입용 파이프에 냉각수를 흘렸다. 그리고, 표면 처리의 대상이 되는 자기 디스크를 홀더(5)에 부착한 후, 진공 용기(3)의 내부를 저온 펌프(4)에 의해 배기하여 고진공 상태로 하였다. 이 때의 진공 용기(3)의 내부의 진공도 즉, 이온을 진공 용기(3)의 내부에 도입하기 전의 진공도(배경 진공도)는 약 10-7Torr로 하였다.
다음에, 이온 발생 장치(6)에 의해 카본 이온을 발생시켜서 해당 카본 이온을 진공 용기(3)의 내부에 도입하였다. 여기서, 카본 이온류에 의한 이온 전류는 약 10A, 카본 이온의 에너지는 약 25eV가 되도록 하였다. 그리고, 이와 같이 카본 이온을 진공 용기(3)의 내부에 도입하여, 카본 이온을 포함하는 플라즈마를 발생시켰다. 이 때의 진공 용기(3)의 내부의 진공도 즉, 이온 주입을 할 때의 진공도는 약 10-5Torr이었다.
그리고, 카본 이온을 포함하는 플라즈마 중에 자기 디스크가 배치된 상태에서 펄스 전원(8)에 의해 플러스의 펄스 전압과 마이너스의 펄스 전압을 포함하는 펄스형 전압을 발생시켜서 해당 펄스형 전압을 바이어스 전압으로서, 자기 디스크에 인가하였다. 이에 따라, 자기 디스크에 카본 이온을 인입하여 자기 디스크의 자성층으로의 이온 주입을 행하였다.
또, 이와 같이 이온 주입을 행하고 있을 때는 표면 처리의 대상이 되는 자기 디스크의 표면에 플라즈마 시스가 하얗게 발생하고 있는 것이 관측되었다.
이상과 같이 자기 디스크의 자성층에 이온을 주입함으로서 자성층의 표면 경도를 높여서 자기 디스크의 내구성 및 신뢰성을 향상할 수가 있었다.
그런데, 본 발명을 이용하여 이온 주입을 행할 때는 피처리물(2)에 인가하는 펄스형 전압의 파형을 제어함으로써, 피처리물(2)에 주입하는 이온의 주입량이나 주입 깊이나 주입 프로파일 등을 제어할 수가 있다. 그래서, 자기 디스크에 대한 표면 처리를 행할 때는 자기 디스크에 인가하는 펄스형 전압의 파형을 제어하여, 자성층의 표면 근방에 의해 많은 이온이 주입되도록 하는 것이 바람직하다. 이에 따라, 주로 자성층 표면 근방을 개질하여 자성층의 표면 경도를 매우 높일 수 있다.
또한, 본 발명을 이용하여 이온 주입을 행할 때는 피처리물(2)에 인가하는 펄스형 전압의 파형을 제어함으로써, 피처리물(2)에 이온을 주입할 뿐만 아니라, 성막도 동시에 행할 수 있다. 그래서, 자기 디스크에 대한 표면 처리를 행할 때는 자기 디스크에 인가하는 펄스형 전압의 파형을 제어하여, 이온 주입에 의한 표면 개질과 동시에 자성층을 보호하는 보호막의 형성 등을 동시에 행하도록 하여도 좋다.
제6 실시예
본 실시예에서는, 광 디스크, 광자기 디스크, 자기 디스크 등과 같은 디스크형 기록 매체에서 기록층을 보호하는 보호막을 표면 처리의 대상이 되는 피처리물(2)로 하였다. 즉, 기재 상에 기록층이 형성되어 이루어짐과 함께 해당 기록층 상에 보호막이 형성되어 이루어지는 기록 매체를 표면 처리의 대상으로 하고, 기록층 상에 형성된 보호막에 대하여 이온 주입을 행하였다. 또한, 피처리물(2)에 주입하는 이온종은 카본으로 하고, 이온 발생원(10)에는 Commonwealth Scientific Corp.제의 필터링된 캐소딕 아크 소스를 이용하였다.
본 실시예에서는, 우선, 플라스틱제의 디스크 기판 상에 기록층을 형성하고, 다음에 해당 기록층 상에 스핀코트 장치를 이용하여 자외선 경화 수지로 이루어지는 보호막을 형성하여, 디스크 기판 상에 기록층 및 보호막이 적층 형성되어 이루어지는 디스크형 기록 매체를 제작하였다.
그리고, 이 디스크형 기록 매체를 진공 용기(3)의 내부에 배치된 홀더(5)에 부착함과 함께 이온 주입을 행할 때 디스크형 기록 매체의 온도가 지나치게 상승하지 않도록, 홀더(5)에 조립된 냉각수 도입용 파이프에 냉각수를 흘렸다. 그리고, 표면 처리의 대상이 되는 디스크형 기록 매체를 홀더(5)에 부착한 후, 진공 용기(3)의 내부를 저온 펌프(4)에 의해 배기하여 고진공 상태로 하였다. 이때의 진공 용기(3)의 내부의 진공도 즉, 이온을 진공 용기(3)의 내부에 도입하는 전의 진공도(배경 진공도)는 약 10-7Torr로 하였다.
다음에, 이온 발생 장치(6)에 의해 카본 이온을 발생시켜서 해당 카본 이온을 진공 용기(3)의 내부에 도입하였다. 여기서, 카본 이온류에 의한 이온 전류는 약 10A, 카본 이온의 에너지는 약 25eV가 되도록 하였다. 그리고, 이와 같이 카본 이온을 진공 용기(3)의 내부에 도입하여 카본 이온을 포함하는 플라즈마를 발생시켰다. 이 때의 진공 용기(3)의 내부의 진공도 즉, 이온 주입을 행할 때의 진공도는 약 10-5Torr이었다.
그리고, 카본 이온을 포함하는 플라즈마 중에 디스크형 기록 매체가 배치된 상태에서 펄스 전원(8)에 의해 플러스의 펄스 전압과 마이너스의 펄스 전압을 포함하는 펄스형 전압을 발생시키고, 해당 펄스형 전압을 바이어스 전압으로서 디스크형 기록 매체에 인가하였다. 이에 따라, 디스크형 기록 매체에 카본 이온을 인입하여 디스크형 기록 매체의 보호막으로의 이온 주입을 행하였다.
또, 이와 같이 이온 주입을 행하고 있을 때에는 표면 처리의 대상이 되는 디스크형 기록 매체의 표면에 플라즈마 시스가 하얗게 발생하고 있는 것이 관측되었다.
이상과 같이 디스크형 기록 매체의 보호막에 이온을 주입함으로서, 보호막의 표면 경도를 높여서 디스크형 기록 매체의 내구성 및 신뢰성을 향상할 수가 있었다. 그리고, 이와 같이 디스크형 기록 매체의 보호막의 표면 경도를 높임으로써 예를 들면, 종래는 손상 방지를 위해 카트리지에 넣어 사용하고 있었던 것과 같은 디스크형 기록 매체를 카트리지에 넣는 일 없이 사용하는 것과 같은 것도 가능해진다.
그런데, 본 발명을 이용하여 이온 주입을 행할 때는 피처리물(2)에 인가하는 펄스형 전압의 파형을 제어함으로써, 피처리물(2)에 주입하는 이온의 주입량이나 주입 깊이나 주입 프로파일 등을 제어할 수가 있다. 그래서, 디스크형 기록 매체에 대한 표면 처리를 행할 때는 디스크형 기록 매체에 인가하는 펄스형 전압의 파형을 제어하여 보호막의 표면 근방에 의해 많은 이온이 주입되도록 하는 것이 바람직하다. 이에 따라, 주로 보호막 표면 근방을 개질하여 보호막의 표면 경도를 매우 높일 수 있다.
제7 실시예
본 실시예에서는, 액정 패널에서 액정을 봉입하기 위한 패널 기판을 플라스틱에 의해 제작하고, 해당 패널 기판을 표면 처리의 대상이 되는 피처리물(2)로 하였다. 또한, 피처리물(2)에 주입하는 이온종은 카본으로 하고 이온 발생원(10)에는 Commonwealth Scientific Corp.제의 필터링된 캐소딕 아크 소스를 이용하였다.
그리고, 우선, 표면 처리의 대상이 되는 패널 기판을 진공 용기(3)의 내부에 배치된 홀더(5)에 부착함과 함께, 이온 주입을 행할 때 패널 기판의 온도가 지나치게 상승하지 않도록, 홀더(5)에 조립된 냉각수 도입용 파이프에 냉각수를 흘렸다. 그리고, 표면 처리의 대상이 되는 패널 기판을 홀더(5)에 부착한 후, 진공 용기(3)의 내부를 저온 펌프(4)에 의해 배기하여 고진공 상태로 하였다. 이 때의 진공 용기(3)의 내부의 진공도 즉, 이온을 진공 용기(3)의 내부에 도입하기 전의 진공도(배경 진공도)는 약 10-7Torr로 하였다.
다음에, 이온 발생 장치(6)에 의해 카본 이온을 발생시켜서 해당 카본 이온을 진공 용기(3)의 내부에 도입하였다. 여기서, 카본 이온류에 의한 이온 전류는 약 10 A, 카본 이온의 에너지는 약 25eV가 되도록 하였다. 그리고, 이와 같이 카본 이온을 진공 용기(3)의 내부에 도입하여 카본 이온을 포함하는 플라즈마를 발생시켰다. 이 때의 진공 용기(3)의 내부의 진공도 즉, 이온 주입을 행할 때의 진공도는 약 10-5Torr이었다.
그리고, 카본 이온을 포함하는 플라즈마 중에 패널 기판이 배치된 상태에서 펄스 전원(8)에 의해 플러스의 펄스 전압과 마이너스의 펄스 전압을 포함하는 펄스형 전압을 발생시켜서, 해당 펄스형 전압을 바이어스 전압으로서 패널 기판에 인가하였다. 이에 따라, 패널 기판에 카본 이온을 인입하여 패널 기판으로의 이온 주입을 행하였다.
또, 이와 같이 이온 주입을 행하고 있을 때에는 표면 처리의 대상이 되는 패널 기판의 표면에 플라즈마 시스가 하얗게 발생하고 있는 것이 관측되었다.
그리고, 이상과 같이 패널 기판에 대하여 이온 주입에 의한 표면 처리를 행하기 전과 행한 후에 대해서 해당 패널 기판의 습도의 침투도 및 산소 투과도를 측정하였다. 그 결과, 이온 주입에 의한 표면 처리를 행하기 전은 습도의 침투도가 10g/㎡·24h이며, 산소 투과도가 100㎤/㎡·24h·atm이던데 대하여 이온 주입에 의한 표면 처리를 행한 후는 습도의 침투도가 0.007g/㎡·24h가 되며, 산소 투과도가 0.3㎤/㎡·24h·atm이 되었다. 이와 같이, 이온 주입에 의한 표면 처리를 행함으로써 패널 기판의 습도의 침투도 및 산소 투과도가 매우 작아지며, 플라스틱제의 패널 기판의 습도의 침투도 및 산소 투과도를 유리에 의해서 제작한 패널 기판과 같은 정도로 할 수가 있다.
종래, 액정 패널에서 액정을 봉입하기 위한 패널 기판은 유리에 의해 제작되어 있었다. 이 패널 기판을 플라스틱에 의해 제작하도록 하면, 액정 패널의 경량화나 저비용화를 꾀할 수 있어 매우 바람직하다. 그러나, 플라스틱은 기밀성에 뒤떨어지기 때문에, 종래 액정을 봉입하기 위한 패널 기판을 플라스틱에 의해 제작하는 것은 어려웠다.
그러나, 상술된 바와 같이 본 발명을 적용하여 이온 주입을 행함으로써 플라스틱제의 패널 기판의 습도의 침투도 및 산소 투과도를, 유리만큼 향상할 수가 있다. 따라서, 본 실시예와 같이 본 발명을 적용하여 이온 주입을 행함으로써 액정 패널에서 액정을 봉입하기 위한 패널 기판을 플라스틱에 의해 제작하는 것이 가능해진다.
제8 실시예
본 실시예에서는, 플라스틱 기판에 인쇄를 실시하고 그것을 표면 처리의 대상이 되는 피처리물(2)로 하였다. 즉, 절연체에 인쇄가 실시되어 이루어지는 인쇄물을 표면 처리의 대상으로 하고 그 인쇄면에 대하여 이온 주입을 행하였다. 또한, 피처리물(2)에 주입하는 이온종은 카본으로 하고, 이온 발생원(10)에는 Commonwealth Scientific Corp.제의 필터링된 캐소딕 아크 소스를 이용하였다.
본 실시예에서는, 우선 인쇄를 실시한 플라스틱 기판을 진공 용기(3)의 내부에 배치된 홀더(5)에 부착함과 함께 이온 주입을 행할 때 플라스틱 기판의 온도가 지나치게 상승되지 않도록 홀더(5)에 조립된 냉각수 도입용 파이프에 냉각수를 흘렸다. 그리고, 인쇄를 실시한 플라스틱 기판을 홀더(5)에 부착한 후 진공 용기(3)의 내부를 저온 펌프(4)에 의해 배기하여 고진공 상태로 하였다. 이때의 진공 용기(3)의 내부의 진공도 즉, 이온을 진공 용기(3)의 내부에 도입하기 전의 진공도(배경 진공도)는 약 10-7Torr로 하였다.
다음에, 이온 발생 장치(6)에 의해 카본 이온을 발생시켜서 해당 카본 이온을 진공 용기(3)의 내부에 도입하였다. 여기서, 카본 이온류에 의한 이온 전류는 약 10A, 카본 이온의 에너지는 약 25eV가 되도록 하였다. 그리고, 이와 같이 카본 이온을 진공 용기(3)의 내부에 도입하여 카본 이온을 포함하는 플라즈마를 발생시켰다. 이 때의 진공 용기(3)의 내부의 진공도 즉, 이온 주입을 행할 때의 진공도는 약 10-5Torr였다.
그리고, 인쇄를 실시한 플라스틱 기판이 카본 이온을 포함하는 플라즈마 중에 배치된 상태에서 펄스 전원(8)에 의해 플러스의 펄스 전압과 마이너스의 펄스 전압을 포함하는 펄스형 전압을 발생시켜서, 해당 펄스형 전압을 바이어스 전압으로서 인쇄를 실시한 플라스틱 기판에 인가하였다. 이에 따라, 플라스틱 기판의 인쇄면에 카본 이온을 인입하여 플라스틱 기판의 인쇄면으로의 이온 주입을 행하였다.
또, 이와 같이 이온 주입을 행하고 있을 때에는 표면 처리의 대상이 되는 플라스틱 기판의 표면에 플라즈마 시스가 하얗게 발생하고 있는 것이 관측된다.
그리고, 이상과 같이 인쇄가 실시된 플라스틱 기판에 대하여 이온 주입에 의한 표면 처리를 행하기 전과 행한 후에 대하여, 신동 과학제(Shinto)의 헤이돈(Heidon) Type22형의 표면 평가 장치에 의한 스크래치 테스트를 행하였다. 그 결과, 표면 처리를 행하기 전은 0.01g 정도로 인쇄면에 손상되었지만, 표면 처리를 행한 후는 1g까지 손상되지 않았다.
또한, 이상과 같이 이온 주입에 의한 표면 처리를 실시한 후, 플라스틱 기판을, 아세톤이나 에탄올 등의 용매에 넣어서, 초음파 세정기에 1시간 정도 걸었더니 인쇄가 바래지지 않는 것이 확인되었다. 이것은 이온 주입에 의한 표면 처리에 의해 플라스틱 기판에 인쇄된 잉크가 아세톤이나 에탄올 등의 용매에 대하여 불용이 되도록 개질된 것을 나타내고 있다.
이상과 같이, 인쇄물에 대하여 이온을 주입함으로서, 인쇄된 잉크를 개질하여 인쇄를 바래지기 어렵게 할 수가 있다. 또, 본 발명에 의한 이온 주입은 플라즈마 주입법에 의한 것이므로, 이온 빔 주입법과 달리 피처리물(2)이 입체적인 구조를 갖고 있어도 균일하게 이온을 주입하는 것이 가능하다. 따라서, 인쇄물이 입체적인 구조를 갖고 있는 경우라도, 해당 인쇄물의 표면 전체에 대하여 균일하게 이온 주입을 행하고 인쇄면 전체에 대해서 인쇄를 바래지기 어렵게 할 수가 있다.
이상 상세하게 설명한 바와 같이, 본 발명에 따르면 표면 처리의 대상이 절연물만으로도, 플라즈마 주입법에 의해 이온을 주입하여 표면 처리를 실시하는 것이 가능해진다. 따라서, 예를 들면 표면 처리의 대상이 입체적인 구조를 갖는 절연물과 같은 경우에도, 피처리물의 표면에 균일하게 이온을 주입하여 표면 개질을 실시할 수 있다.
특히 본 발명에 따르면 절연물인 플라스틱에 대하여도 이온 주입에 의한 표면 처리를 실시하는 것이 가능해진다. 즉, 본 발명에 따르면 플라스틱에 대하여 이온 주입에 의한 표면 개질을 실시하여, 경도, 탄소성 특성, 전기 전도도, 윤활성, 내구성, 내습성, 내식성, 습윤성, 기체 투과율 등의 각 종 특성을 개질하는 것이 가능해진다. 따라서, 본 발명에 따르면 종래는 금속이나 유리 등에 의해 만들어지고 있던 많은 부품을 염가인 플라스틱으로 대체하는 것이 가능해지며 산업상 매우 유효하다.

Claims (13)

  1. 절연물에 이온을 주입하기 위한 표면 처리 장치에 있어서,
    상기 절연물에 주입될 상기 이온을 포함하는 플라즈마 발생 수단과,
    상기 절연물에 대해 펄스형 전압을 인가하는 수단과,
    상기 플라즈마 발생 수단에 의해, 절연물에 주입하는 이온을 포함하는 플라즈마를 발생시키고, 상기 전압 인가 수단에 의해 플러스의 펄스 전압 및/또는 마이너스의 펄스 전압을 인가함에 따라 상기 플라즈마 분위기에서 상기 이온을 상기 절연물에 주입하는 수단
    을 포함하는 것을 특징으로 하는 표면 처리 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 장치는 상기 펄스형 전압 인가 수단에 의해 상기 절연물에 대해 인가하는 펄스형 전압의 파형을 제어하는 수단을 구비하는 것
    을 특징으로 하는 표면 처리 장치.
  3. 절연물에 이온을 주입함에 따라 절연물의 표면을 처리하는 표면 처리 방법에 있어서,
    상기 절연물에 주입될 이온을 포함하는 플라즈마 속에서, 플러스의 펄스 전압 또는 마이너스의 펄스 전압을 절연물에 인가하고,
    상기 절연물에 상기 이온을 주입하는 것
    을 특징으로 하는 표면 처리 방법.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 절연물에 상기 펄스형 전압을 인가할 때에, 펄스사이에 전압을 인가하지 않은 기간이 있는 것
    을 특징으로 하는 표면 처리 방법.
  5. 제3항에 있어서,
    상기 절연물에 상기 펄스형 전압을 인가할 때에, 상기 펄스형 전압이 DC 전압 성분에 의해 바이어스되는 것
    을 특징으로 하는 표면 처리 방법.
  6. 제3항에 있어서,
    상기 펄스형 전압의 파형은 2 또는 그 이상의 상이한 파형을 갖는 것
    을 특징으로하는 표면 처리 방법.
  7. 제3항에 있어서,
    상기 절연물에 인가하는 펄스형 전압의 파형을 제어함에 따라, 상기 절연물에 상기 이온을 주입할 때의 주입량, 주입 깊이 및 주입 프로파일 중 적어도 어느 하나를 제어하는 것
    을 특징으로 하는 표면 처리 방법.
  8. 제3항에 있어서,
    상기 절연물이 나선형 스캔 방식(helical scanning formula)에 따른 자기 테이프의 기록 및/또는 재생에 사용되는 회전 드럼인 것
    을 특징으로 하는 표면 처리 방법.
  9. 제3항에 있어서,
    상기 절연물이 기록 매체의 기록층을 지지하는 기재인 것
    을 특징으로 하는 표면 처리 방법.
  10. 제3항에 있어서,
    상기 절연물이 기재 상에 기록층이 형성되어 이루어지는 기록 매체인 것
    을 특징으로 하는 표면 처리 방법.
  11. 제3항에 있어서,
    상기 절연물이 기재 상에 기록층이 형성되어 이루어짐과 함께, 상기 기록층 상에 보호막이 형성되어 이루어지는 기록 매체이고,
    적어도 상기 기록 매체의 보호막에 대해, 이온을 주입하여 표면 처리를 실시하는 것
    을 특징으로 하는 표면 처리 방법.
  12. 제3항에 있어서,
    상기 절연물이 액정 패널에 있어서 액정을 봉입하기 위한 패널 기판인 것
    을 특징으로 하는 표면 처리 방법.
  13. 제3항에 있어서,
    상기 절연물이 절연체에 인쇄가 실시되는 기판인 것
    을 특징으로 하는 표면 처리 방법.
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