KR930003605B1 - 플라스틱 물체에 탄소필름을 코팅하는 마이크로파 증강 cvd법 및 그 제품 - Google Patents

플라스틱 물체에 탄소필름을 코팅하는 마이크로파 증강 cvd법 및 그 제품 Download PDF

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Abstract

내용 없음.

Description

플라스틱 물체에 탄소필름을 코팅하는 마이크로파 증강 CVD법 및 그 제품
제 1 도는 본 발명에 의거하여 플라스틱 물체를 코팅하는 CVD 장치의 단면도.
제2(a)도는 컴퓨터 시뮬레이션에 의하여 단면내자장의 등위면의 양상을 나타내는 도표.
제2(b)도는 컴퓨터 시뮬레이션에 의하여 전기장의 강도를 나타내는 도표.
제3(a)도와 제3(b)도는 각각 공명공간내의 마이크로파 전파의 자장과 전장의 등위면을 나타내는 도표.
제 4 도는 본 발명에 의거한 탄소필름을 형성하는 다른 CVD 장치의 단면도.
제 5 도는 본 발명에 의거한 탄소필름을 형성하는 또 다른 CVD 장치의 단면도.
본 발명은 플라스틱에 카본필름을 코팅하는 마이크로파 증강 CVD법 및 그 제품에 관한 것이다.
최근 ECR CVD는 엷은 필름 특히 무정형박막(amorphous thin film)의 새로운 제법으로서의 연구가 좋은 과제가 되고 있다.
예를들면 마쓰오등은 미합중엷은 필름 특히 무정형박막(amorphous thin film)의 새로운 제법으로서의 연국 좋은 과제가 되고 있다.
예를들면 마쓰오등은 미합중라즈마 가스에 핀치효과를 주는 기능이 있는 자장에 의해 플라즈마 상태로 반응가스를 에너지화 하는 마이크로파를 사용한다. 이 양상과 함께 반응가스는 마이크로파의 에너지를 흡수할 수 있다. 코팅할 기판은 휘산(sputter) 되는 것을 방지하기 위해 여기공간(공진공간 : resonating space)으로부터 거리를 두고 있다. 에너지화된 가스는 공진공간에서 기판상으로 샤워된다.
전자시이클로트론 공진을 설치하기 위하여 공진공간내의 압력을 1×10-3내지 1×10-5토르(Torr)로 유지한다. 여기에서 전자는 독립된 입자로 생각할 수 있으며 ECR에 필요한 특별한 강도를 가지는 자장의 어떤 면상의 전자 사이클로트론 공진내의 마이크로파와 공명한다. 여기된 플라즈마는 분기자장의 수단에 의하여 공진공간으로 부터 공진공간으로 거리를 둔 코팅할 기판이 배치된 침착공간으로 추출된다.
이러한 선행기술의 방법에서는 다결정 또는 단결정성 구조의 박막 필름의 형성은 매우 어려웠으며 현재로 가능한 방법은 강도가 낮은 무정형 필름의 제조방법에 거의 한정되어 있다.
또한 고에너지 화학 기상반응은 이러한 선행기술로는 일어나기 어려우며 그러므로 고융점을 가지는 다이아몬드 필름 또는 다른 탄소 필름, 혹은 요철부를 가지는 시계부품의 외부와 같은 불균일 표면상의 균일필름은 형성할 수 없었다.
본 발명의 목적은 마이크로파 증강 CVD법에 의하여 경직 탄소막으로 약한(fragile) 부품을 피복하는 것이다. 탄소코팅은 몇가지 목적에 적용된다. 기계부품으로서 기어 또는 스크류의 부품을 코팅하면 카본코팅은 부품의 강도를 보강하고 부품의 내마모성을 높인다. 단추, 안경테, 시계의 어떤 부분과 같은 장식품을 코팅하면 카본코팅은 장식치장이 된다.
본 발명의 주요한 양상에 따르면 탄소화합물에 추가하여 반응실에 질소 및/또는 질소화합물 가스를 도입한다. 도입된 질소는 내외부 응력에 의한 성장으로 부터 격자결함을 방지한다. 또한 붕소화합물을 질소화합물과 함께 도입하면 카본침착의 접착성이 개선된다. 질화붕소는 탄소와 시계부품과 같은 코팅할 하기 기재 사이의 접착제 역할을 한다. 바람직하게는 탄소와 질화붕소는 기재상에 10% 이하의 붕소와 질소를 함유하는 결정입자 또는 층의 형태로 퇴적된다.
본 발명의 다른 양상에 의하여 신규의 CVD법이 달성된다.
본 발명의 방법은 본 발명자들이 처음으로 도입한 혼성 사이클로트론 공명을 사용한다.
바람직하게는 압력은 3토르 이상으로 유지된다.
혼성 공명을 위하여 반응실의 압력은 선행기술에서 보다 102~105배 높게 상승시킨다. 예를들면, 혼성공명을 저압에서 ECR이 일어난 후에 압력을 증가시켜 설정할 수 있다. 즉, 제1플라즈마 가스를 1×10-3내지 1×10-5토르에서 자장존재하에 마이크로파를 도입하여 ECR에 둘 수 있다.
다음 반응가스는 플라즈마 가스안으로 도입되어 압력을 0.1 내지 300토르로 상승하고 공명은 ECR에서 MCR(혼성 사이클로트론 공명)으로 변한다. MCR은 휘슬러 모오드(Whisler mode)와 함께 나타난다. 탄소는 분해하고 비교적 고압에서만 필요한 반응이 일어날 수 있다. 공정에서 다이아몬드는 선택적으로 볼록부에서 성장한다. 또한 탄소는 다이아몬드가 바람직할때 무정형으로 증착되지만 플라스마 상태내 수소는 부식에 의하여 양호하게 무정형 탄소를 제거하고 결정카본이 남는다.
본 발명에 의하여 형성되는 다이아몬드의 경도는 선행기술 증기상 방법에 의하여 만든 다이아몬드의 1.3 내지 3.0배 높다.
여기서 사용되는 "필름"이란 용어는 광범위한 의미로서 만일 많은 다이아몬드 입자가 표면에 미세하게 분포되었다면 이러한 다이아몬드 코팅을 "필름"이라고 한다. 물론, 균일연속의 무정형층을 "필름"이라고 칭한다.
플라스틱 기어휠을 본 발명에 의거하여 예를들면 1~10미크론 두께의 다이아몬드 필름으로 코팅하면 무게가 가볍고, 내마모성이 높으며, 평활한 표면과 저가격인 것을 특징으로 하는 새로운 종류의 기어휠이 제작 된다.
이러한 이점은 플라스틱구에 본 발명의 탄소필름을 코팅한 볼베어링에도 적용된다.
좋은 가공성을 가지는 플라스틱제 및 알루미늄 또는 그 합금으로된 손목시계의 부분을 탄소필름으로 코팅하면 손목시계는 강하게 형성되고 경량으로 할 수 있다. 특히, 공정중에 부품의 모서리에서 전장이 농축되는 경향이 있으며 모서리는 특히 외부에 더 많이 노출되어 있으므로 이 두가지 요인에 의하여 평평한 면보다 모서리부분이 더 두꺼운 탄소막이 코팅될 수 있다.
본 발명의 구체예를 제 1 도에 든다.
도면에서 장치는 플라즈마 발생공간(1)과 부속공간(2)이 있는 반응실이 있으며 적당한 압력으로 유지된다. 전원(25)로부터 전력을 공급되는 마이크로파 발생기(4), 전자석(5와 5') 및 수냉장치(18)가 있다. 플라즈마 발생공간(1)은 둥근단면을 가진다. 플라즈마 발생공간(1)은 안쪽으로 말린 언저리를 가지는 중공실린더(10')가 공간에 회전 가능하게 지지되어 마이크로파 발생기(4)로부터 방출된 마이크로파가 그축을 따라 실린더로 통과한다. 스테인리스강 또는 석영으로 만들어진 실린더(10')는 전동기(16)에 의한 기어수단에 의하여 회전한다.
반응실을 비우기 위하여 압력조절밸브(11)(12)와 (13)을 통해 반응실과 연결되는 터보 분자펌프(8)와 로터리펌프(14)로 구성되는 진공시스템이 되어있다. 이 장치의 공정은 다음과 같이 수행된다.
탄소막으로 코팅할 물체(10)는 지름 3~10㎜ 두께 0.2~2.0㎜의 기어휠, 스크류, 단추, 고강도가 필요한 완구부품, 안경테, 볼펜, 회전연필등의 외주면 또는 다이아몬드로 코팅할 여러가지 외부형태를 가지는 장식품, 또는 플라스틱제 프레임과 같은 시계부품, 유리 또는 플라스틱제 윈도우와 같은 플라스틱제 또는 알루미늄제 물품이다. 물체(10)를 공정중에 0.1~10rpm으로 회전하는 실린더(10')에 넣는다. 동시에 물체(10)를 어떤 손상이 생기지 않는 온도까지 승온 가열한다. 플라스틱은 예를들면 150~300℃로 승온하고 알루미늄 또는 그 합금물체는 400~700℃로 철, 스테인리스강 또는 기타금속 물체는 700~1000℃로 승온한다. 온도가 상승하면 코팅의 강도가 높아지고 다이아몬드의 비율이 증가한다. 실린더(10')는 도면에는 나타나지 않았으나 진동수단에 의하여 100㎐~10KHz의 마이크로 진동에 의하여 진동한다. 회전과 진동에 의하여 반응가스에 노출되는 물체의 표면은 공정중에 항상 전환된다.
반응실은 터보분자 펌프(8)와 로터리 펌프에 의하여 1×10-6토르이하로 진공이 된다.
다음 아르곤, 헬륨 또는 수소와 같은 비생산성 가스를 30SCCM에서 가스도입장치(6)으로부터 반응실에 도입한다. 2.45㎓의 마이크로파가 500W에서 마이크로파 발생기에서 방출되어 마이크로파 도입윈도우(15)를 거쳐 자석(5와 5')에 의해 유도된 약 2K 가우스의 자장이 이루어진 플라즈마 발생공간(1)에 방출된다. 비생산성 가스압력은 1×10-4토르이다.
플라즈마는 공간(1)에서 마이크로파의 에너지에 의하여 고밀도로 발생한다.
물체(10)의 표면은 고에너지 전자와 비생산성(non-productive) 원자에 의하여 세정된다. 비생산성 가스의 도입에 추가하여 C2H2, C2H4및 CH4가 도입장치(7)에 의하여 200SCCM에서 도입된다. 동시에 다량의 수소가 반응실에 도입되어 탄소화합물 가스가 수소에 의해 0.1~2.0%로 희석된다.
반응실의 압력은 0.1~300 토르 바람직하게는 3~30토르, 예를들면 10토르에서 유지된다.
비교적 고압때문에 생산품은 고속도로 퇴적되고 실내에서 광범위하게 퍼진다. 반응가스는 상기 설명에서 설명한 비생산성 가스에서와 마찬가지로 마이크로파 에너지에 의해 여기한다.
혼성공명의 결과로 탄소는 다이아몬드 필름 또는 i-카본(결정성 입자로 된 격리된 탄소)필름의 형태로 물체(10)상에 증착된다.
제2(a)도는 제 1 도의 영역(30)의 자장분포도이다. 도표의 커어브는 등위 표면을 따라 연결된 것이고 숫자는 2000 가우스의 자력을 가지는 자석(5와 5')에 의하여 유도되는 자장의 각 커어브상의 강도를 나타낸다.
자석(5)와 (5')의 자력을 조정함으로서 자장의 강도를 조절할 수 있으며, 이리하여 자장(875±185 가우스)과 전기장 간섭이 있는 영역(100)에 위치하는 코팅할 표면상에 자장이 크게 균일하게 된다. 도표에서(26)은 자장과 마이크로파의 빈도사이의 ECR 조건이 만족되는 875가우스의 등위표면을 나타낸다. 본 발명에 의하면 물론 ECR은 반응실내의 고압때문에 설치할 수 없으나 그 대신 ECR 조건의 등위면을 포함하는 광역에 혼성 사이크로트론 공명(MCR)이 일어난다.
제2(b)도는 제2(a)도의 건에 상응하는 X축의 도표이며, 플라즈마 발생공간(1)내의 마이크로파의 전기장의 강도를 나타낸다. 전기장의 강도는 영역(100과 100')내에서 최대치를 나타낸다.
그러나 영역(100')에서는 마이크로파의 전파를 방해하지 않고 기재(10')를 가열하는 것이 어렵다. 다른 영역에서 필름은 균일하지 않게 퇴적되며 생성물은 도우넛 형태로 증착된다. 이 이유 때문에 기재(10)는 영역(100)에 배치된다. 플라즈마는 측면 방향으로 흐른다. 실험에 따르면 균일한 필름이 100㎜까지의 지름을 가지는 원형기재에 형성될 수 있다. 바람직하게는 실내에서 필름은 50㎜까지의 지름을 가지는 원형기재상에 균일두께와 균일품질로 형성된다. 더 큰 기재를 코팅하려면 공간(1)의 지름을 마이크로파의 주파수로서 1.225㎓를 사용하도록 제작한 제2(a)도의 수직방향에 대하여 2배로 한다. 제3(a)도와 제3(b)도는 플라즈마 발생공간(1)의 단면상에 마이크로파 발생기(4)로부터 방출되는 마이크로파에 의한 자장과 전기장 분포를 나타내는 도표이다.
도면의 원내의 커브는 등위면에 따라 그어진 것이며, 숫자는 강도를 나타낸다. 제3(b)도에서 전기장은 25KV/m에 최대값에 달한다.
본 발명에 의거하여 형성된 필름은 회절상이 얻어진다.
결과로 다이아몬드의 존재를 지시하는 점과 함께 후방 무늬가 관찰된다. 350℃와 같이 낮은 기재온도에서 필름이 퇴적될때 특히 무정형 구조인 후광 무늬가 관찰되었다.
한편, 기재온도 800℃ 이상에서 퇴적된 회절 무늬의 필름상에 다이아몬드의 존재를 나타내는 맑은 점이 나타난다. 필름이 중간온도에서 퇴적될때 그 탄소필름은 무정형 탄소와 마이크로 결정성 탄소의 혼합물인 i-탄소필름이 된다.
또한, 필름을 차등입력 전력에 의하여 150~350℃에서 퇴적할 수 있다. 마이크로파의 전원입력이 1.0kW일때 다이아몬드의 존재에 의한 후광패턴과 점이 연속으로 i-탄소구조를 지시하면서 관찰한다. 후광무늬는 마이크로파전력이 상승함에 따라 점차 사라지고 전력이 1.5kW 이상에 달하면 필름은 다이아몬드 구조가 많아진다.
이 실험에서 탄소막은 1~30원자%의 수소를 함유한다. 또한 필름은 차등입력에 의하여 700℃에서 퇴적된다. 마이크로파 전력이 50W로 부터 상승하면 후광무늬는 점차 사라지고 전력이 700W로 이상이 되며 다이아몬드 구조가 필름에 우세해진다.
반응실내의 압력은 ECR 조건에 필요한 것으로 선택되어 예비플라즈마 방출이 일어난다. 한편, 방출이 계속되면 압력은 1 토르 내지 3×103토르로 변경되어 보통 1㎜ 이하의 0.05㎜ 내지 수 ㎜까지 평균 자유경로를 가지는 플라즈마 입자를 가지는 혼합공명이 일어난다.
다음, 본 발명의 다른 퇴적방법을 설명한다.
상기 실시예의 퇴적장치가 이 실시예에서도 사용될 수 있다.
플라스틱 기어 부품과 같은 다수의 물체(10)를 실린더(10')에 넣고 반응실을 1×10-6토르 이상의 진공으로 한다. 다음 수소가스를 30SCCM에서 가스도입장치(6)로 부터 도입하고 마이크로파 발생기(4)에서 방출되는 2.45㎓에서 500W의 마이크로파를 마이크로파 도입윈도우(15)를 통해 자석(5)와 (5')에 의해 유도되는 약 2K 가우스의 자장이 형성된 플라즈마 발생공간(1)에 도입한다.
수소는 마이크로파의 에너지에 의하여 1×10-4토르에서 공간(1)내의 고밀도 플라즈마 상태로 여기된다.
물체(10)의 표면은 고에너지 전자와 수소원자에 의해 세정된다. 수소가스 도입에 추가하여 C2H2, C2H4, CH3OH, C2H5OH 또는 CH4와 같은 탄소화합물이 생산성 가스로서 도입장치(7)를 통해 30SCCM에서 도입된다.
이 공정에서 생산성 가스는 수소에 의하여 예를들면 0.1 내지 5%의 충분히 엷은 밀도로 희석한다. 또 이에 추가하여 암모니아 또는 질소가스와 같은 질소 또는 그 화합물 가스 도입장치에 의해 반응실로 도입된다.
질소화합물가스의 탄소화합물 가스에 대한 비율은 0.1%~5%이다.
반응실의 압력을 0.1~300토르, 양호하게는 3~30토르, 예를들면 10토르에서 유지된다. 반응실의 압력을 증가시키므로서 생산성 가스를 고밀도로 할 수 있고 생성물의 성장속도를 빠르게 할 수 있다.
즉, 탄소원자는 고에너지 조건에서 여기되어 탄소코팅이 되는 실린더(10')내에 배치된 물체(10)를 입자지름 0.1 내지 100미크론의 i-탄소 또는 다이아몬드로 된 필름형태로 코팅한다.
증착 탄소는 0.01~1중량%의 질소를 함유한다.
다음 또 다른 실시예를 설명한다. 실린더(10')에 배치된 물체(10)와 반응실은 1×10-6토르 이상의 진공으로 비운다.
다음 수소가스를 300SSCM에서 가스도입장치(6)으로 부터 도입하고 2.45㎓에서 1kW의 마이크로파가 마이크로파 발생기(4)에서 방출되어 마이크로파 도입창(15)을 거쳐 자석(5)와 (5')에 의하여 유도되는 약 2K 가우스의 자장이 형성된 플라즈마 발생공간(1)에 도입된다. 수소는 마이크로파의 에너지에 의해 공간(1)에서 고밀도 플라즈마 상태로 여기된다. 물체(10)의 표면은 고에너지 전자와 수소원자에 의해 세정된다.
수소가스 도입에 추가해서 C2H2, C2H4, CH3OH, C2H5OH 또는 CH4와 같은 생산성 가스로서의 탄소화합물 가스가 도입장치(7)를 통해 3SCCM에서 도입된다.
이 공정에서 생산성 가스는 수소로 예를들면 0.1 내지 15%의 충분히 엷은 밀도로 희석된다.
암모니아 NO2, NO, N2또는 질소가스와 같은 질소화합물가스와 B2H6또는 BF3를 도입장치(7과 8)로 부터 각각 B/N=1으로 반응실에 도입한다. 탄소화합물에 대한 B2H6(BF3)＋NH3의 비율은 1%~50%이다. 다음 반응실의 압력을 1토르 내지 760토르, 바람직하게는 10토르 또는 10~100토르 예를들면, 30토르에 유지한다. 반응실의 압력을 증가시키므로서, 생산성 가스의 밀도를 높일 수 있으며 생성물의 성장속도를 빠르게 할 수 있다. 즉, 실린더(10')내에 배치된 물체(10)는 질소와 붕소를 함유하는(또는 질화붕소 형태내외) 탄소로 피막된다. 이 생성물은 주성분으로서 탄소와 질화붕소를 함유하며 그 비율의 합은 최소한 90%이다.
상기 과정에 의하여 생성된 박막의 전자 빔 회절상에 관찰된 것은 다결정 질화붕소와 결정성 탄소 즉, 다이아몬드(단 결정입자)의 존재를 나타내는 점이다.
즉, 질화붕소와 다이아몬드 혼합물로 만들어진 필름이다.
마이크로파전력이 1kW에서 5kW을 증가함에 따라 필름내의 다이아몬드 비율이 증가한다.
붕소 및 질소원으로 BF3및/또는 NF3가 사용될때 플라즈마는 불소를 함유하게 되며 불소는 부식에 의하여 피막된 표면에 남아있는 불순물을 제거하는 작용을 한다.
비교예로서 저장을 사용하지 않고 상기와 같은 방식으로 필름 형성공정이 수행되면 흑연막이 퇴적된다.
또한 유사한 방법으로 퇴적조건을 적당히 선택함으로써 무정형 또는 마이크로 결정 필름이 퇴적될 수 있다.
탄소화합물 가스를 대량의 수소가스로 희석하고 입력전력이 비교적 적고 공정온도가 비교적 낮으면 무정형 필름이 퇴적된다.
본 발명에 의하여 형성되는 탄소는 그 탄소가 무정형 또는 결정성이든간에 매우 고강도를 나타낸다.
빅커스(vickers) 경도가 2000㎏/㎟~6400㎏/㎟ 예를들면 2000㎏/㎟이며 열전도도가 2.5W/㎝ deg 이상, 예를들면 5.0~6.6W/㎝ deg이다.
본 발명은 r.f. 전력에 의하여 일어나는 글로우 또는 아크방전 증강 CVD의 수단에 의한 탄소형성에 적용할 수 있다.
제 4 도는 r.f. 전력에 의하여 증착되는 CVD장치의 단면도이다. 도면에서 장치는 반응실(101), 적재실(103), 적재실 진공을 위한 로터리 펌프(105), 반응실(101)과 적재실(103)을 비우기 위한 로터리 펌프(109)와 연관된 터보분자 펌프(107) 노즐(129)를 통하는 반응가스 또는 도프제 가스와 같은 도입공정가스의 가스 공급장치(127), 지지물체(113)의 기재지지구(111), 지지구(111)에 대향으로 배치된 전극(115), 전극(115)와 기재지지구(111)사이에 r.f. 전력을 공급하는 짝배합회로(121)과 DC 바이어스회로(123)과 연관된 레디오 주파수 전력원(119)로 된 RF전원(117), 물체(113) 가열석영창(129)와 할로겐 램프히터(125)로 구성된다.
물체(113)를 탄소막으로 코팅하는 퇴적방법은 다음과 같다.
문(129)을 통해 반응실(101)에 물체(113)를 배치후 CH4, C2H4와 C2H2와 같은 기상탄소화합물과 질소, 질화물가스 및 붕화물 가스와 같은 도프제 가스로 구성된 반응성 가스를 1×10×3내지 5×10×2토르에서 반응실에 도입한다. 탄소화합물가스는 수소로 희석되어 50몰%로 한다. 동시에 물체(113)을 히터(125)로 450℃ 이하로 가열한다. 이 조건에서 기상반응은 전원(117)에서 입력되는 r.f. 전력에 의해 개시한다. r.f. 전력은 13.56㎒에서 50W 내지 1kW(0.03 내지 3.00W/㎠)가 -200V 내지 ＋400v의 DC 바이어스 전압으로 추가된다. 다음 탄소막은 150Å/분의 성장속도로 물체(113)에 퇴적된다. 이 탄소막은 결정구조 보다는 무정형 구조인 것으로 보인다. 무정형 구조임에도 경도는 다이아몬드막의 경도정도인 것으로 측정되었다. 그 빅커스경도는 2000~6400㎏/㎟, 예를들면 2000㎏/㎟이다.
따라서 이를 "다이아몬드성탄소" 또는 약해서 DLC라고 칭한다.
제 5 도에서 감광인쇄 드럼은 탄소막 퇴적용 플라즈마 CVD 수단에 의하여 형성된다.
일반적으로 감광물질 생성 광감지층은 200℃이상 고온에서 견디는 유기광 도전체(OPC)이다. 이러한 유기도전체의 예로는 폴리-N-비닐-카바졸(PVC), 트리-니트로-플로오르레논(TNF) 등이었다. 베리어층을 형성하기 위하여 OPC층은 폴리에틸렌, 포리카보네이트, 폴리우레탄, 바릴렌(barilen)등과 같은 유기절연필름을 코팅한다. 회전내 유기절연필름은 고경도와 표면평활성을 가지는 본 발명의 탄소막으로 코팅되고, 비교적 저온에서 접착 형성된다. OPC필름과 깔리는 금속층 사이에는 필름에 따라 P 또는 n형 실리콘 반도체층이 배치될 수 있다.
도면에서 스테인리스강 용기(201)에는 뚜껑(201')과 반응공간이 그 안에 있다. 기재(210)는 A1, Cr, Mo, Au, Ir, Nr, V, Ti, Pd 및 Pt로 만든 실린더 형태내에 공간에 배치된다. 기재(210)는 그 외면에 수지격벽필름으로 코팅된다. 한쌍의 지지구(208)과 (208')은 용기(261)의 반대쪽벽에 있어서 그축 둘레의 기재(210)를 지지회전한다.
뚜껑(1')상에는 펌프(209)와 밸브(214와 215)로 구성되는 배기장치(11)에 의하여 배출가스가 제거되는 망상전극(220')의 균일화 기가 설치된다. 뚜껑(1')에 대한 반대쪽에는 전자석(205)와 (205')에 의해 유도되는 저장이 있는 공명공간(202)이 형성된다.
마이크로파전자(203)는 정합장치(204)와 연관되어 공명공간(202)의 반대쪽끝과 연결된다. 전원은 지지구(208)과 (208') 및 균일화기로서 작용하는 망상전극(220)사이에 연결되는 DC전원을 포함하는 고주파 전원(206)이다. 반응공간에 입력되는 전력은 예를들면 지지구와 망상전극 사이에 공급되는 DC 전압에 의해 13.56㎒ 전압경사에 의해 유도되는 전기장이다. 기재면은 도면에서 전장에 대해 수직으로 배열된다. 용기(210)는 만일 기재가 길다면 축방향 회전중에 축방향에서 기재를 회동하기 위한 장치가 설치된다.
또한 다수의 기재(기판)를 도면의 정방향에 다수의 지지구 쌍들을 배치하여 한꺼번에 처리할 수 있다. 균일화기는 반응성가스가 반응공간의 광역에 퍼지는 것을 도운다. 수소로 희석된 메탄과 디보란 또는 포스핀(도프제로서)으로 구성된 반응성 가스는 도입장치(213)을 거쳐 반응공간에 도입된다. 예를들면 메탄/수소=1/1 ; 입력전력=50W 내지 1kW(0.03 내지 3W/㎠ 플라즈마 전기장의 뜻으로), 만일 DC 바이어스가 공급되지 않으면 생성 탄소내 수소의 유기가 증가하고 광에너지 갭(gap)이 2.5 내지 3.5eV가 된다. 만일 양성전위가 전극(220)에 관계되는 지지구에 보내지면 수소이온은 재박동(repulse)하고 1.0 내지 2.0eV의 가스밴드(band)내에 수득되는 에너지갭이 감소한다. 기재온도는 －100 내지 ＋200℃ 사이, 바람직하게는 －100 내지 ＋150℃로 하므로서 열저항이 높지않은 깔리는 수지층에 손상이 나타나지 않게 된다. 또한 반응가스가 반응공간에 들어가기 앞서서 예비여기될때 퇴적 속도는 500 내지 1000Å/min이다. 예비여기가 없으면 퇴적속도는 100 내지 200Å/min으로 낮아지게 된다. 기재상 탄소막의 두께는 0.1 내지 4미크론, 바람직하게는 더 넓은 에너지 갭으로 0.5 내지 2미크론이며 궁극적으로 좋은 내마모성의 격벽층이 얻어진다.
이 실시예에서 형성된 탄소코팅의 빅커스 경도는 2000㎏/㎟이상이며 열전도성은 2.5W/㎝ deg 이상으로서 이 코팅을 채택한 복사기의 수명은 드럼의 교체없이 200,000시간 이상의 복사가 가능하게 개선된다.
다음은 이 구체화의 실시예이다.
[1) 제 1 실시예]
반응압력을 0.1토르로 하였다. 수소와 메탄을 각각 200SCCM에서 도입하였다. 마이크로파를 2.45㎓와 30W 내지 1.3kW, 예를들면 500W에서 공명공간에 도입하였다. 공명공간내 자장의 강도는 875가우스이다. 반응공간에 입력되는 전력은 13.56㎒에서 500W로 입력된다. 기판은 의도적으로 가열하지는 않지만 플라즈마광으로 150℃까지 승온한다.
결과적으로 무정형탄소의 퇴적속도는 15분의 증착시간동안 30Å/초 이었다. 이 속도는 플라즈마 CVD의 1.5Å/초 보다 20배 높은 것이다. 무정형 탄소필름은 빅커스경도 2300㎏/㎟, 저항 10Ω㎝ 및 광에너지갭 1.8eV을 나타낸다.
수소와 에틸렌 또는 아세틸렌의 혼합물을 메탄대신에 사용하면 퇴적속도는 더 개선된다.
[2) 제 2 실시예]
다음 사항을 제외하고 제 1 실시예와 같은 방법으로 하여 지름 25㎝, 길이 30㎝의 OPC 필름으로 코팅한 알루미늄제 감광드럼의 표면에 탄소필름을 퇴적한다. 전력을 300W 바이어스 ＋200V에서 반응공간으로 입력한다.
반응공간내 압력을 0.3토르이다. 0.4미크롬 두께의 탄소 필름이 200Å/min으로 퇴적되었다.
[3) 제 3 실시예]
고주파 CVD의 휘슬러 모오드와 다음 조건을 사용하여 제 2 실시예와 같은 방식으로 퇴적한다.
휘슬러 모오드는 제이무실과 에프작해크의 플라즈마 피직스 불튬 17, 735-739면(1974)에서 설명한다.
기판을 축방향으로 회동시키고 공정중에 -30℃가지 냉각한다. DC 바이어스는 ＋400V이다. 결과적으로 0.5미크론 두께의 탄소필름이 형성된다. 이 실험에 의하여 필름시료 300개를 제조하고 복사기를 사용하여 신뢰성을 시험한다.
실온→150℃→실온의 사이클을 100번 행한 후에 복사상의 콘트라스트 및 박리현상의 결함이 일어난 시료가 없었다. 회전드럼 둘레에 야기되는 것으로부터 페이퍼를 방지하기 위하여 탄소필름으로 금속스키지(squeezee)를 코팅한 것을 복사기에 사용하였을때 필름의 어떤 부분에도 105내지 106번 복사후에도 결함이 나타나지 않았다.
이 결과는 드럼이 존재하는 기계의 수명이 1×104내지 7×104번 복사가 가능함에 비교하여 뛰어난 것이라 할 수 있다.
본 발명에 의거하여 초격자 구조도 형성할 수 있다. 탄소화합물 가스를 사용하여 상기와 같은 방법으로 질화붕소(BN) 박막을 퇴적시킬 수 있다.
탄소박막과 BN박막을 여러번 교대로 퇴적시키면 기판(기재)위에 초격자 구조가 퇴적(stack)된다.
본 발명은 상기 구체에 실시예에만 한하지 않으며 본 분야 기술에 의해 많은 수정변화가 있을 수 있으며, 예를들면 탄소에 0.001 내지 1중량%의 알루미늄 또는 인을 추가하는 것도 효과가 증명되었다.

Claims (21)

  1. 코팅될 플라스틱 표면을 가지는 물체를 반응실에 배치하고 반응실에 적어도 한가지 이상의 기체상의 탄소화합물을 함유하는 반응가스를 넣고, 전자력(電磁力)을 공급하여 반응실에 상기 반응 가스를 여기(exciting)시키고, 화학기상 반응에 의하여 상기 표면에 탄소층을 퇴적하는 것으로 이루어지는 탄소필름으로 플라스틱 표면을 코팅하는 방법에 있어서, 상기 퇴적중에 상기 반응가스에 부가하여 붕소 또는 질소를 포함하는 기체를 상기 반응실내로 도입하는 것을 특징으로 하는 방법.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 물체는 플라스틱재 기어의 일부인 것을 특징으로 하는 탄소필름 코팅방법.
  3. 제 2 항에 있어서, 상기 부분이 기어휠인 코팅방법.
  4. 제 3 항에 있어서, 기어휠의 경도는 빅커스경도 2000㎏/㎟ 이상인 코팅방법.
  5. 제 1 항에서, 전자력은 마이크로파인 것을 특징으로 하는 코팅방법.
  6. 제 5 항에서, 마이크로파가 자장(磁場)과 함께 반응가스에 입력됨으로서 반응가스가 사이클로트론 공명에 의하여 여기되는 코팅방법.
  7. 제 1 항에서, 상기 탄소화합물은 C2H2, C2H4또는 CH4인 탄소피막 코팅방법.
  8. 제 7 항에서, 탄소화합물을 수소로 희석하여 0.1-2%로 한 방법.
  9. 제 1 항에서, 반응가스의 압력은 0.1-300토르로 한 방법.
  10. 제 1 항에서, 상기 전자기력은 r.f. 전력인 방법.
  11. 제 1 항에서, 상기 기체상 탄소화합물을 수소에 의해 50%로 희석한 방법.
  12. 제 1 항에서, 공정중에 물체의 온도를 200℃이상으로 하지 않는 방법.
  13. 빅커스경도 2000㎏/㎟이상의 탄소층으로 코팅한 플라스틱 물체.
  14. 제13항에서, 상기 물체가 장식품인 물체.
  15. 제14항에서, 상기 물체의 탄소층이 다이아몬드 분말로 된 물체.
  16. 제13항에서, 상기 물체가 기계장치 부품인 물체.
  17. 제16항에서, 상기 물체가 기어휠인 물체.
  18. 제16항에서, 상기 물체의 탄소층은 무정형 필름인 물체.
  19. 제18항에서, 상기 탄소층은 다이아몬드와 같은 탄소필름인 물품.
  20. 유기광도전성 필름과 그 위에 입힌 탄소코팅으로 된 층이며, 빅커스경도 2000㎏/㎟이상을 가지는 것을 특징으로 하는 기재위에 형성되는 감광층.
  21. 광도전성 필름, 유기격벽층, 상기 격벽층에 입혀진 탄소코팅으로 구성되며, 빅커스경도 2000㎏/㎟이상을 가지는 것을 특징으로 하는 기재위에 형성되는 감광층.
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