樹脂表面硬化方法、表面硬化樹脂及生產設備和樹脂基片的製作方法
2023-05-21 22:41:56
專利名稱：樹脂表面硬化方法、表面硬化樹脂及生產設備和樹脂基片的製作方法
技術領域：
本發明涉及用作例如光碟基片、磁碟或者磁—光碟基片的樹脂的表面硬化方法、表面硬化樹脂、表面硬化樹脂的生產設備和信息載體用樹脂盤基片。
由於鋁、玻璃等材料容易加工成具有一定的剛度、光潔度等等，所以，人們一直將這些材料用作光碟基片、磁碟或者磁—光碟基片。然而，近些年，由於樹脂基片便宜且能夠通過注模法輕易地形成凹點和凹槽，所以，人們提出了樹脂基片。
然而，雖然這種樹脂盤基片可以廉價地生產，但它也容易被外力所損壞。因此，必須對樹脂盤基片進行表面硬化處理。
但是，為了改善塑料製品表面的物理性能，通常是通過以一定的能級(在幾十千電子伏特和幾兆電子伏特之間)注入離子而簡單地進行離子注入。
到目前為止，尚未創立一種僅使表面附近達到足夠的表面硬度的硬化方法。
因此，本發明的目的是提供一種用於樹脂的表面硬化方法和表面硬化樹脂，其能夠在短時間內以較低的能量改善待處理物品的表面；一種表面硬化樹脂的生產設備和信息載體用樹脂盤基片。
本發明人留意了近幾年研究出的把離子注入塑料材料的技術〖例如，應用物理學會分學會第45次會議的會刊，Riken，Iwaki，No.2，p.687 29-p-ZB-10，以及，Thin Film Tripology(東京大學出版)，p.128，S.hibi，The 18th symp.onion implantation and submicron fabrication，RikagakuKenkyusho，1987，81〗並研究了這一技術在盤形信息載體方面的應用。結果，本發明人發現，通過至少在支承信息記錄層的那一側把比如碳離子、氬離子、氮離子、矽離子等注入由樹脂比如丙烯酸基樹脂、聚對苯二甲酸乙酯、聚碳酸酯、非晶聚烯烴以及高密度聚乙烯製成的基片的整個表面中，便能夠改善樹脂的表面並能夠獲得表面沒有裂紋或塑性變形的盤形基片。
此外，本發明涉及一種用於樹脂的表面硬化方法，用以通過在樹脂上交替地進行離子注入和在與離子注入不同的條件下的物理薄膜沉積，使要處理的樹脂的表面硬化(以下稱作本發明的「硬化方法1」)。
另外，本發明涉及一種用於樹脂的表面硬化方法，用以通過在樹脂上同時進行離子注入和物理薄膜沉積，使要處理的樹脂的表面硬化(以下稱作本發明的「硬化方法2」)。
此外，本發明涉及一種用於樹脂的表面硬化方法，用以通過在偏壓電場的作用下在樹脂上進行離子注入，使要處理的樹脂的表面硬化(以下稱作本發明的「硬化方法3」)。
根據本發明的硬化方法1、2和3，由於交替地或者同時進行離子注入和在不同條件下的物理薄膜沉積，或者在偏壓電場的作用下進行離子注入，可以在較低的能量下在樹脂的表面交替地或者同時形成一個薄的或者淺的離子注入層及物理沉積薄膜，因而能夠硬化樹脂的表面，決不會以大體上與在離子注入層上形成物理沉積薄膜相同的方式產生一分界面。此外，如果施加一偏壓電場，會將注入離子加速，提高離子注入效率，從而提高硬化速度。因此，例如，如果將樹脂的表面改造成富含DLC(金剛石類碳)結構的材料，並且，如果將所產生的材料應用於盤基片，則能夠在短時間內生產出沒有裂紋之類缺陷的優質產品，從而提高生產率。
此外，本發明還涉及一種通過形成高硬度的離子注入樹脂層和高硬度的薄膜層而形成的表面硬化樹脂(以下稱作本發明的「硬化樹脂」)。
由於本發明的硬化樹脂是通過上述表面硬化方法生產的硬化樹脂，所以，能夠提供一種具有與上述硬化方法相同效果的令人滿意的表面硬化樹脂。
此外，本發明涉及一種包括離子注入裝置和在與離子注入裝置不同的條件下操作的物理薄膜沉積裝置的表面硬化樹脂的生產設備(以下稱作本發明的「生產設備1」)，離子注入裝置和物理薄膜沉積裝置均布置成面對要處理的樹脂(兩個裝置都能夠由同樣的設備實現)。
除此以外，本發明還涉及一種表面硬化樹脂的生產設備(以下稱作本發明的「生產設備2」)，該設備設計成在要處理的樹脂上同時進行離子注入和物理薄膜沉積。
此外，本發明還涉及一種表面硬化樹脂的生產設備(以下稱作本發明的「生產設備3」)，該設備設計成在偏壓電場的作用下在要處理的樹脂上進行離子注入。
利用本發明的生產設備1、2和3，能夠提供一種基於上述生產方法的具有良好再生性的生產設備。
圖1(a)至1(d)是表示根據本發明實施例的塑料基片的硬化工藝的示意圖，圖1(a)表示離子注入，圖1(b)表示薄膜沉積，圖1(c)表示處理後的狀態，圖1(d)表示另一處理，此時，薄膜沉積和離子注入同步進行，圖2是用於本發明實施例中的離子注入裝置的示意圖；圖3是能夠用於本發明實施例中的另一種離子注入裝置的示意圖；圖4是用於本發明實施例中的薄膜沉積裝置的示意圖；圖5是能夠用於本發明實施例中的另一種薄膜沉積裝置的示意圖；圖6是用於本發明實施例中的偏壓裝置的示意圖；圖7是能夠用於本發明實施例中的、包括離子注入裝置和薄膜沉積裝置的設備的示意圖；圖8是表示用於本發明實施例中的、測量屈服點強度的方法的示意性透視圖；圖9是表示用本發明的測量方法測量的結果的曲線圖；圖10是表示本發明實施例的未經處理的塑料基片的紅外線吸收光譜的曲線圖；圖11是表示按照本發明實施例僅進行了離子注入的塑料基片的紅外線吸收光譜的曲線圖；圖12是表示按照本發明實施例處理以後的塑料基片的紅外線吸收光譜的曲線圖；圖13是表示按照本發明實施例處理之後的塑料基片的喇曼(Raman)光譜學光譜的曲線圖；圖14是表示採用了根據本發明的一個實施例的由非晶聚烯烴製造的基片的磁碟以及磁頭的示意性透視圖；圖15是表示用於本發明實施例中的質量-分離型離子注入裝置的示意圖；圖16是表示根據本發明的實施例的測量屈服點強度的方法的示意性透視圖；以及圖17是表示在本發明加載期間變形曲線的曲線圖。
下面參照附圖描述本發明的優選實施例。
在前述的本發明的硬化方法、硬化樹脂和生產設備中，最好是在離子注入過程中通過改變離子能量而重複進行上述的離子注入和物理薄膜沉積，改變離子能量可通過使離子加速或減速來實現。作為離子注入裝置，可以利用圖2所示的Freeman型離子槍進行例如碳離子注入，或者通過用微波型離子槍等使二氧化碳氣體離子化並利用質量分離磁場僅分離出大部分的碳來進行加速了的離子注入。
在圖2所示的離子注入裝置中，通過質量分離線圈32、加速和減速透鏡33和掃描線圈34把由離子源31供給的離子注入放置在真空室30內的基片。用一個基片轉動板35以轉動的方式保持基片，真空室30的內部用抽空裝置36抽成真空。通過這種裝置的使用，僅通過改變離子能量便能夠用同一臺裝置進行離子注入和物理薄膜沉積，而且，如果下文描述的偏壓裝置也用上的話，則可以加速離子注入和物理薄膜的沉積。
此外，例如，如圖3所示，通過在內部簡單地設置一個氣體引入管17和一個射頻(RF)線圈18，以及在能夠設定成真空的石英管16的上方放置一柵極15，則可以通過使用無分離磁場的簡化的注入方法進行離子注入，或者用能夠注入多價離子的電弧型離子注入裝置進行離子注入。這些裝置的任意一個都能夠藉助於加速電極電壓和減速電極電壓來改變離子能量。
作為薄膜沉積裝置，可以使用圖4所示的汽相沉積裝置，該裝置包括一電子槍、雷射或陰極電弧且不使用工作氣體，或者當使用工作氣體時包括有一Kauffmann型離子源或者磁控管濺射源。
圖4所示的裝置起一電磁感應系統的作用，該電磁感應系統包括一個布置在由觸發電源23施加激勵電壓的放電用陰極20的外測的偏轉線圈22，用以將由陰極20產生的離子有效地引導給陽極21；和一個布置在陽極21的後級的電磁線圈24，用以將帶電的離子引導給基片26。基片夾具25和電源27起下文將描述的偏壓裝置的作用。電源28是一個向電磁線圈24施加激勵電壓的電源，並通過電容器37構成一個低壓電路。
圖5所示的裝置包括一個位於布置在真空室38內的等離子產生裝置39的上方的、作為靶子的離子源40，通過將氬(Ar)引至靶子和處在靶子上方的基片26之間而產生等離子，進而通過濺射形成一薄膜。
如圖7所示，這種離子注入和物理薄膜沉積還能夠通過、例如、把離子注入裝置48和物理薄膜沉積裝置49布置成面對處在同一室50內的、由一基座41支承的基片26來進行。
在上述的離子注入裝置和薄膜沉積裝置根據實際需要單獨使用的情況下，應在通過離子注入賦予樹脂導電性之後重複離子注入步驟以及在偏壓電場的作用下進行離子鍍或者電弧蒸發的步驟。
作為基片的偏壓裝置，如圖6所示，是把要處理的基片26安裝到靠近水冷卻的底座29的基片夾具25上，並由偏壓電源27施加直流和交流，或者疊加有直流的交流，脈衝電壓以及疊加有直流的脈衝電壓。
理想的是，在上述的離子注入之後，在偏壓電場的作用下進行離子鍍或者電弧蒸發。然而，在離子注入以及在離子注入之後在比離子注入時能量要低的能量下進行具有高硬度的薄膜的物理薄膜沉積之後，也能夠形成具有高硬度的薄膜。
通過離子混合以便在上述的離子注入的同時進行沉積，或者通過使樹脂的周圍絕緣以增加離子注入期間的電荷，還能夠產生一個自偏壓。結果，能夠達到與當把脈衝電壓施加到基片上時所產生的效果相同的效果，而且，離子注入和薄膜沉積被自我重複。
在這種情況下，最好是通過施加一直流偏壓、交流偏壓或者脈衝偏壓作為偏壓電場，以形成表面硬化層。
此外，最好是象前述那樣通過根據實際需要單獨使用離子注入裝置或薄膜沉積裝置，以20KeV或者低於20KeV的能量將每平方釐米1017或者更多的離子注入樹脂。
在這種情況下，對於上述的離子注入來說，最好是使用碳離子。然而，也可以使用至少一種例如從由氮離子、鈦離子、鎢離子、碳離子、鉬離子和矽離子組成的組中選擇的離子。
此外，對於上述的樹脂來說，非晶聚烯烴(以下稱作「APO」)是合適的。但是，也可以使用至少一種例如從由聚碳酸酯、聚甲基丙烯酸甲酯、丙烯酸基樹脂、聚對苯二甲酸乙酯和高密度聚乙烯組成的組中選擇的樹脂。
表面硬化樹脂的屈服點強度用例如圖8所示的裝置進行測量。具體地說，使一帶有半徑為0.5μm的尖頭的三稜錐形金剛石壓頭3與盤1的表面上的硬化層2接觸，並利用一壓電元件施加0.1g的小負載來推壓頭3，以便測量負載變形。
因此，本發明適用於製作光碟基片或者磁碟基片的樹脂的表面硬化。[例子]下面將詳細介紹本發明的幾個例子。
根據前述的本發明的優選實施例，通過用上述的離子注入裝置和薄膜沉積裝置把碳離子注入一平方英寸的APO基片，改造塑料基片的表面以及變換實施例，可以獲得下面七個例子。例1
利用圖2所示的離子注入裝置，在被抽成10-7Torr的本底真空之後，用離子源將二氧化碳變成等離子，並使碳離子加速和減速以及質量分離，以產生20KeV的離子能，通過以10μA作為離子電流的連續的離子供給，將每平方釐米1016個離子注入圖1(a)所示的基片10的表面，以便形成注入了離子的層11。結果，基片10的楊氏模量變成25Gpa，雖然它原本只有1.8Gpa。
此後，通過圖4所示的陰極離子源的使用，形成如圖1(b)所示的薄膜12。與離子注入類似，在10-7Torr的本底真空條件下，在一電弧離子源處、在碳固體材料上產生50V的等離子弧，用電磁系統把離子電流引導至基片26。此時，如圖6所示，將一偏壓施加到基片26上，以10Hz的頻率把脈衝偏壓源27接通，利用該脈衝偏壓源27，以1∶10的脈衝間隔對基片26加上-50V的偏壓。所形成的具有高硬度的薄膜12的薄膜厚度是20nm，且無裂紋產生。例2
與例1類似，利用圖2所示的離子注入裝置，在被抽成10-7Torr的本底真空之後，用離子源將二氧化碳變成等離子，使碳離子加速和減速以及質量分離，以產生離子能。
在離子注入的開始，通過在20KV的加速電壓下，以10μA作為離子電流的連續的離子供給，將每平方釐米1016個離子注入圖1(a)所示的基片10的表面，然後，將加速電壓連續地降低，以便每平方釐米注入1016個離子，最終達到每平方釐米注入1017個離子，從而形成一注入了離子的層11。最後，利用同樣的裝置在100V下形成薄膜，如圖1(b)所示。例3
與前述兩例類似，利用圖2所示的離子注入裝置，在被抽成10-7Torr的本底真空之後，用離子源將二氧化碳變成等離子，並通過質量分離使碳離子加速和減速，以產生20KeV的離子能。
通過以10μA作為離子電流的連續的離子供給，將每平方釐米1016個離子注入圖1(a)所示的基片10的表面。然後，在把基片10的電阻率從未處理(離子注入前)時的1014歐姆釐米降低到104歐姆釐米以後，利用圖4所示的陰極離子源在碳固體材料上產生50V的等離子弧，以形成厚度為1nm的薄膜。
此時，由電磁系統引導的離子電流抵達基片並形成圖1(b)所示的薄膜。將這些操作重複20次，以改善基片10並在基片10上形成一硬化層13，如圖1(c)所示。例4
與例1類似，利用圖2所示的離子注入裝置，在被抽成10-7Torr的本底真空之後，用離子源將二氧化碳變成等離子，並通過質量分離使碳離子加速和減速，以產生離子能。
如圖1(d)所示，通過在20KV的加速電壓下、以10μA作為離子電流的連續的離子供給進行離子注入。隨後，利用圖4所示的陰極離子源，在不使用工作氣體的情況下在基片10上進行薄膜沉積。此時，在碳固體材料上產生50V的等離子弧，由電磁系統引導的離子電流抵達基片，從而形成一個如圖1(d)所示的具有高硬度的薄膜12。例5
與例1類似，利用圖2所示的離子注入裝置，在被抽成10-7Torr的本底真空之後，用離子源將二氧化碳改變成等離子，並通過物質分離使碳離子加速和減速，以產生離子能。
如圖1(a)所示，通過在15KV的加速電壓下、以10μA作為離子電流的連續的離子供給進行離子注入，以便在基片10的表面形成一注入了離子的層11。利用相同的裝置，如圖6所示，將一在-14KV至+14KV之間變化的脈衝電壓施加到要處理的基片上。此外，通過以1∶10的脈衝比率和10Hz的頻率施加脈衝電壓來進行離子注入。例6
與例1類似，利用圖2所示的離子注入裝置，在被抽成10-7Torr的本底真空之後，用離子源將二氧化碳變成等離子，並通過質量分離使碳離子加速和減速，以便在10KeV和20KeV之間產生8μA的離子能。
利用同樣的裝置，如此設定離子束——即使得離子束不過掃描(overscan)基片夾具，也就是說，離子束僅在基片夾具之內掃描，而且，把陶瓷材料比如玻璃、石英、礬土和BN作為絕緣材料裝到基片夾具上，以便減少和防止來自基片夾具的次級電子。
當把一塑料基片附著到絕緣襯底上時，由於塑料是絕緣材料，所以，會在其表面產生電荷。通常，利用次級電子將這些電荷中和。然而，由於次級電子被阻止，所以，在基片上產生正電荷，而且，作為注入電荷的20KeV被減速，從而產生與將脈衝電壓應用到基片上所獲得的相同的效果。換句話說，薄膜沉積和離子注入被自我重複。例7
與例1類似，利用圖2所示的離子注入裝置，在被抽成10-7Torr的本底真空之後，用離子源將二氧化碳變成等離子，並通過質量分離使碳離子加速和減速，以產生20KeV的離子能。
在這種情況下，如圖1(a)所示，通過以10μA作為離子電流的連續的離子供給，只把每平方釐米1016個離子注入基片10的表面。結果，基片10的楊氏模量是10Gpa。
對進行了包括離子注入和薄膜沉積在內的表面硬化處理的、具有例1至例6的高硬度的塑料的硬度和IR(紅外線吸收光譜)、進行了僅包括例7的離子注入在內的表面硬化處理的塑料的硬度和IR以及未進行這些表面硬化處理的塑料的硬度和IR進行測量和比較。但是，由於例1至例6的受試對象的測量表現出相同的結果，所以，僅使用例1的數據。
圖9是用圖8所示的測量裝置測得的屈服點強度的曲線圖。具體地說，在例1的情況下，例1的變形曲線42因壓電元件的加載而表現出一個從零點開始的位移，但在卸載以後又返回到零點。然而，在例7中，由於只進行了離子注入，所以，當施加負載時，它的變形曲線43表現出一個大的位移，且在卸載以後不返回到零點，而是保持輕微的位移。此外，當對未進行表面硬化處理的塑料加載時，它的變形曲線44表現出一個更大位移，且在卸載以後不返回到零點，長時間保持變形狀態。在圖9中，向上的箭頭A表示加上負載時的位移，而向下的箭頭B表示卸掉負載以後位移方面的變化。
因此，圖9所示的測量結果證明例1至例6的表面硬度高於例7的表面硬度，而且，表面被改造成不大可能表現出塑性變形的表面。
圖10至圖12是表示這三種塑料基片的測得的IR結果的曲線圖。
如圖10所示，未經處理的塑料基片也含有在波數稍稍低於3000的附近具有一峰的單鍵(single bond)元素和在波數稍稍低於1000至1500的範圍內具有一峰的雙鍵(double bond)元素。
然而，如圖11所示，與未經處理的基片相比，只進行了離子注入的例7的基片在整個範圍內更清晰地呈現峰，尤其是在雙鍵部分。
然而，如圖12所示，在離子注入和薄膜沉積均進行了的例1的情況下，在整個範圍內峰顯示更加清晰，而且，單鍵和雙鍵都呈現尖峰。因此，這證明塑料基片的表面附近被改造成DLC結構，而且，從結合附圖9解釋的硬度測量結果可以看出，具有擴大量的雙鍵碳的DLC成分增加。
圖13是表示就例1的基片所進行的喇曼(Raman)光譜學測量結果的曲線圖。在該曲線圖中，曲線45和46是表示具有DLC結構的基片上所出現的一種現象的分析值，而波形線47是測量值。換句話說，曲線圖示出了在1350cm-1處具有一峰和在1570cm-1處具有一峰的光譜，並且證明表面具有DLC結構。
根據本發明的技術原理，上述實施例和例子能夠以多種形式加以改變。
例如，離子注入條件和薄膜沉積條件可以設置為不同於上述例子中聲稱的那些條件的條件。此外，離子注入裝置和薄膜沉積裝置也可以以多種形式加以改變，例如，這些裝置可以象圖7所示那樣放置在同一個室內。
此外，雖然所舉的例子僅說明了用以製作記錄信息的盤基片的樹脂的表面硬化。但是，本發明還適用於例如用以製作除盤基片以外的絕緣材料和機械設備的樹脂零件的表面硬化。
根據這些例子，由於是在不同的能量條件下交替地、或者同步地、或者通過用偏壓加速離子束來對塑料盤基片進行離子注入和薄膜沉積的，所以，能夠以不高於20KeV的能量實現每平方釐米注入1017或更多的離子。因此，能夠在不用額外沉積薄膜的情況下，形成一個沒有分界面的硬化層，該硬化層與在離子注入層上還沉積有薄膜的基片具有相同的效果。
此外，由於離子能量低達20KeV，甚至低於20KeV，所以，溫升很小，而且，改造部分的深度很小。因此，本發明達到了僅改善表層的效果，提供了與用作常規的保護膜的DLC膜相等的硬度。此外，由於基片被自我改造，因此，能夠產生一種無裂紋的、無剝離的表面狀態，即使當拾取器頭與盤的表面發生接觸時也能夠防止盤損傷和不能使用。
此外，從生產的觀點來看，當每平方釐米注入1017個離子時，花費在注入方面的時間是一小時，所以，這種技術難以進入實際應用。但是，就本發明來說，由於薄膜沉積和離子注入同步進行，所以，花費在生產過程中的時間縮短，因而提高了生產效率。
如上所述，本發明適用於通過交替地進行離子注入和在不同於離子注入的條件下的物理薄膜沉積，或者同時進行離子注入和物理薄膜沉積，或者通過在偏壓電場的作用下進一步注入離子來實現對要處理的樹脂的表面硬化處理。因此，能夠在較低的能量下在樹脂的表面交替地或者同時形成一個薄的或者淺的離子注入層和物理沉積薄膜層，而且，能夠以與在離子注入層上形成物理沉積薄膜基本相同的方式硬化樹脂表面，不會存在分解面。此外，如果施加一個偏壓電場，則注入的離子得以加速，提高離子注入效率，且硬化率能夠提高。結果是，例如，如果樹脂的表面被改造成富含DLC結構的材料，以及，如果把該材料應用於盤基片，那麼，在短時間內便能夠生產出沒有裂紋之類缺陷的品質優良的產品，從而提高生產率。
下面將結合本發明具體應用方面的一個優選實施例來介紹本發明，例如，結合信息載體用的樹脂盤基片，比如，光碟基片、磁碟基片等介紹本發明。
圖14是根據本發明的實施例的非晶聚烯烴(以下稱作「APO」)磁碟(僅示出了磁碟的四分之一)和磁頭的示意性透視圖。
如圖14所示，通過在一高純度的非晶聚烯烴基片(以下稱作「基片」)上進行上述實施例的離子注入，在基片52的表面上形成包括許多SP3成分的DLC，並且，在基片52上形成一磁性層53和一保護層54。然而，在光碟的情況下，要用形成一個介電層來代替磁性層53。
如圖14所示，通過這種離子注入，在基片52的表面形成一硬化層52a，而在該硬化層上面又形成磁性層53，從而改善了表面硬度。作為注入的離子，可以使用碳離子、氬離子、氮離子和矽離子。然而，在本實施例中，將以注入碳離子為例加以介紹。
為了實現表面硬度的改善，表面硬度(Hv)落在Hv500和3000之間是理想的。如果表面硬度太小，基片容易因與記錄或者重放機構例如光拾取器接觸而損壞。
此外，碳離子的注入量理想的是在1017和5×1017/cm2之間的範圍內，更理想的是在1017和1022/cm2之間的範圍內。如果濃度太低，就達不到上述的改善表面硬度的效果。
此外，如果離子注入層52a的厚度太薄，就有可能達不到上述改善表面硬度的效果。另一方面，如果基片太厚，表面容易因應力而變形。對於表面改善層來說，要求其厚度等於或者大於0.05μm，為避免與磁(光)頭碰撞，厚度最大為0.2μm。傳統的薄膜是難以滿足要求的。但是，利用本發明的離子注入方法能夠輕易地滿足這些要求。
為了達到高純度和高真空，這種硬化處理採用圖15所示的質量分離型離子源60。作為本底真空度，在10-8Torr的真空氣氛下，藉助於微波型離子源可從CO2氣體產生碳離子。在這種情況下，只有碳抵達基片，通過用磁體和離子傳遞系統加速和減速離子，使得在10KeV和80KeV之間的碳抵達基片。
然後，利用質量分離型離子源60，將20KeV的碳的正離子注入基片52的表面。通過每平方釐米分別注入1016個離子、1017個離子和5×1017個離子，製備三種試樣並進行實驗。關於注入深度，根據一個用作適用於SIMS的計算機軟體的修正軟體的計算結果，對於20Kev來說，能夠把離子注入到從表面算起的0.1μm的深度。
下面介紹沒有偏壓電場作用的情況。
與不進行離子注入的情況相比，當進行離子注入時，能夠獲得顯著的效果。為了獲得更加理想的效果，當在上述的偏壓的作用下進行離子注入時，能夠獲得更顯著的效果。
也就是說，上述的結果表明，基片的表面因離子注入而具有了DLC結構，且它的屈服點強度改善。屈服點強度的改善可通過以下事實證明。
圖16是表示屈服點強度測量方法的示意性透視圖。在該方法中，使得帶有半徑為0.5μm的尖頭的三稜錐型金剛石壓頭56與盤51的表面相接觸，並通過用一壓電元件施加0.1g的小負載的方式推壓頭，對負載變形予以測量。
圖17是表示測量結果的曲線圖。在該曲線圖中，A1是當每平方釐米注入1017個離子時的變形曲線，B1是當每平方釐米注入1016個離子時的變形曲線，C1是當不注入離子時的變形曲線，而D1是玻璃的變形曲線，它的目的是與離子注入進行對比。
根據該曲線圖可以發現，曲線C1和B1都沒有返回到原始位置，而是具有所產生的塑性變形。另一方面，發現擁有曲線A1的試樣具有這樣的特性，即曲線A1返回到原始位置且在彈性變形範圍內具有復蓋性能，而且，基片表面被硬化到接近玻璃的曲線D1的硬度。因此，理想的是每平方釐米注入10Ｕ17個離子，或者比1017還多的離子。
本實施方案應用這樣一種現象作為一個量度，以計量因記錄和重放頭碰撞光碟或者磁碟所引起的變形，通過離子注入形成一個沒有分界面的硬化區域，而不是形成一個薄膜，從而生產沒有裂紋或者塑性變形的盤基片。
與汽相沉積形成的層不同的是，本實施方案的DLC層具有一傾向成分。因此，由於從裂紋或變形部分脫氣，基片不會隨時間而發生改變。例如，象傳統的CD盤那樣，為了形成一緊密的鋁質薄膜，當把鋁汽相沉積到通過使比如丙烯酸類材料或類似材料經受等離子處理而製備的材料上時，存在這樣一個問題，即自內部產生尚未分解的氣體並影響表面上的鋁。然而，這種問題在本發明的以高能量進行的離子注入中不會發生。就硬度而言，可以獲得具有接近玻璃的硬度的表面。如果這一表面與記錄層上的表面保護膜聯合，對於盤是非常有效的。
此外，在上述的喇曼光譜學中，對於聚合物來說，在1500cm-1處，螢光的作用惡性地影響到清晰度。因此，為了消除這種影響，可以用除波長為514nm的氬雷射之外的、波長為633nm、266nm和214nm的雷射進行測量。因此，本實施例的可靠性被確認。
關於把離子注入基片的方法，業已知道一種類似於上述方法的高純度和高真空的方法。在該方法中，在後期把由陰極電弧裝置產生的離子加速並注入。
根據本實施方案，通過把離子的注入數量設置成等於或者大於1017/cm2以及注入能量為20KeV，能夠注入富含SP3的離子，並能夠把要處理的表面改造成不表現出塑性變形的硬度。因此，如果把這項技術應用到光碟或者磁碟的生產當中，即便當用以記錄和重現信息的移動頭與盤的表面發生接觸時，也能夠防止盤被損壞或者不能使用。
如前所述，根據本發明，基片表面被充分改善，獲得與用做常規的保護膜的DLC薄膜的硬度類似的硬度，並且，由於基片自我改造，因此獲得一種沒有裂紋和剝離的表面狀態。
在上述的實施方案中，通過把氬離子、碳離子、氮離子或矽離子用作注入離子，改變注入能量或者改變時間，能夠控制離子注入濃度和深度。此外，還可以用丙烯酸基樹脂、聚對苯二甲酸乙酯、聚碳酸酯、高密度聚乙烯或非晶聚烯烴作為基片的材料。
如上所述，本發明是一種用以支承信息記錄層的樹脂制盤基片，並且，利用離子注入的硬化處理已經應用到至少是在支承信息記錄層的那一側的表面。因此，樹脂的表面得以改善，不會出現裂紋或塑性變形，能夠獲得一種具有足夠表面硬度的盤基片。因此，如果把這種盤基片用作盤形信息載體，則能夠防止記錄和再現期間因磁(光)頭與盤接觸產生振動而損壞盤。
雖然已經參照附圖描述了本發明的優選實施例，然而，應當明白，本發明並不局限於這些明確的實施例，對於本領域熟練技術人員來說，在不脫離由所附權利要求限定的本發明的精神或範圍的情況下，能夠產生各種變換和改變。
權利要求
1.一種用於樹脂的表面硬化方法，包括通過交替地進行離子注入和在與離子注入條件不同的條件下的物理薄膜沉積來硬化要處理的樹脂表面的步驟。
2.根據權利要求1所述的用於樹脂的表面硬化方法，其特徵是，通過改變離子能量重複進行離子注入和物理薄膜沉積。
3.根據權利要求1所述的用於樹脂的表面硬化方法，其特徵是，在通過離子注入賦予樹脂導電性之後，重複離子注入步驟和在偏壓電場作用下進行離子鍍或者電弧蒸發的步聚。
4.根據權利要求1所述的用於樹脂的表面硬化方法，其特徵是，在離子注入之後，在偏壓電場作用下進行離子鍍或者電弧蒸發。
5.根據權利要求1所述的用於樹脂的表面硬化方法，其特徵是，在離子注入之後，形成一個高硬度的薄膜。
6.根據權利要求5所述的用於樹脂的表面硬化方法，其特徵是，在離子注入之後，在比離子注入時低的能量下進行高硬度薄膜的物理沉積。
7.根據權利要求1所述的用於樹脂的表面硬化方法，其特徵是，以等於或者低於20KeV的能量，把等於或者多於1017/cm2的離子注入樹脂。
8.根據權利要求1所述的用於樹脂的表面硬化方法，其特徵是，把從由碳離子、氮離子、鈦離子、鎢離子、鉬離子、氬離子和矽離子組成的組中選擇的至少一種離子用於離子注入。
9.根據權利要求1所述的用於樹脂的表面硬化方法，其特徵是，把從由聚碳酸酯、聚甲基丙烯酸甲酯、非晶聚烯烴、丙烯酸基樹脂、聚對苯二甲酸乙酯和高密度聚乙烯組成的組中選擇的至少一種樹脂用作要處理的樹脂。
10.根據權利要求1所述的用於樹脂的表面硬化方法，其特徵是，它適用於光碟基片或者磁碟基片或者磁-光碟基片。
11.根據權利要求1所述的用於樹脂的表面硬化方法，其特徵是，把離子束設定成不過掃描基片夾具。
12.一種用於樹脂的表面硬化方法，包括通過在樹脂上同時進行離子注入和物理薄膜沉積來硬化要處理的樹脂表面的步驟。
13.根據權利要求12所述的用於樹脂的表面硬化方法，其特徵是，包括離子混合步驟，在該步驟裡，在離子注入的同時進行汽相沉積。
14.根據權利要求12所述的用於樹脂的表面硬化方法，其特徵是，通過在離子注入期間使樹脂的周圍絕緣以增加電荷，產生自偏壓。
15.根據權利要求12所述的用於樹脂的表面硬化方法，其特徵是，以等於或者低於20KeV的能量，把等於或者多於1017/cm2的離子注入樹脂。
16.根據權利要求12所述的用於樹脂的表面硬化方法，其特徵是，把至少一種從由碳離子、氮離子、鈦離子、鎢離子、鉬離子、氬離子和矽離子組成的組中選擇的離子用於離子注入。
17.根據權利要求12所述的用於樹脂的表面硬化方法，其特徵是，把至少一種從由聚碳酸酯、聚甲基丙烯酸甲酯、非晶聚烯烴、丙烯酸基樹脂、聚對苯二甲酸乙酯和高密度聚乙烯組成的組中選擇的樹脂用作要處理的樹脂。
18.根據權利要求12所述的用於樹脂的表面硬化方法，其特徵是，它適用於光碟基片或者磁碟基片。
19.根據權利要求12所述的用於樹脂的表面硬化方法，其特徵是，把離子束設定成不過掃描基片夾具。
20.一種用於樹脂的表面硬化方法，包括通過在偏壓電場的作用下在樹脂上進行離子注入來硬化要處理的樹脂表面的步驟。
21.根據權利要求20所述的用於樹脂的表面硬化方法，其特徵是，藉助直流偏壓、交流偏壓或者脈衝偏壓產生偏壓電場。
22.根據權利要求20所述的用於樹脂的表面硬化方法，其特徵是，以等於或者低於20KeV的能量，把等於或者多於1017/cm2的離子注入樹脂。
23.根據權利要求20所述的用於樹脂的表面硬化方法，其特徵是，把至少一種從由碳離子、氮離子、鈦離子、氬離子、鎢離子、鉬離子和矽離子組成的組中選擇的離子用於離子注入。
24.根據權利要求20所述的用於樹脂的表面硬化方法，其特徵是，把至少一種從由聚碳酸酯、聚甲基丙烯酸甲酯、非晶聚烯烴、丙烯酸基樹脂、聚對苯二甲酸乙酯和高密度聚乙烯組成的組中選擇的樹脂用作要處理的樹脂。
25.根據權利要求20所述的用於樹脂的表面硬化方法，其特徵是，它適用於光碟基片或者磁碟基片或者磁-光碟基片。
26.根據權利要求20所述的用於樹脂的表面硬化方法，其特徵是，把離子束設定成不過掃描基片夾具。
27.一種表面硬化的樹脂，包括一個高硬度的離子注入層和一個高硬度的薄膜層，這兩層互相層疊在一起。
28.根據權利要求27所述的表面硬化的樹脂，其特徵是，離子注入層的離子注入量等於或者多於1017個離子/cm2。
29.根據權利要求27所述的表面硬化的樹脂，其特徵是，離子注入層注入的離子是至少一種從由碳離子、氮離子、鈦離子、鎢離子、鉬離子、氬離子和矽離子組成的組中選擇的離子。
30.根據權利要求27所述的表面硬化的樹脂，其特徵是，所說的樹脂是至少一種從由聚碳酸酯、聚甲基丙烯酸甲酯、非晶聚烯烴、丙烯酸基樹脂、聚對苯二甲酸乙酯和高密度聚乙烯組成的組中選擇的樹脂製成的。
31.根據權利要求27所述的表面硬化的樹脂，其特徵是，它適用於光碟基片或者磁碟基片或者磁-光碟基片。
32.一種表面硬化樹脂的生產設備，包括一個離子注入裝置和一個在與離子注入裝置的條件不同的條件下操作的物理薄膜沉積裝置，離子注入裝置和物理薄膜沉積裝置均布置成面對要處理的樹脂。
33.根據權利要求32所述的表面硬化樹脂的生產設備，其特徵是，通過改變離子能量重複操作離子注入裝置和物理薄膜沉積裝置。
34.根據權利要求32所述的表面硬化樹脂的生產設備，其特徵是，物理薄膜沉積裝置設計成在偏壓電場的作用下進行離子鍍或者電弧蒸發。
35.根據權利要求32所述的表面硬化樹脂的生產設備，其特徵是，操縱物理薄膜沉積裝置，以形成高硬度的薄膜。
36.根據權利要求35所述的表面硬化樹脂的生產設備，其特徵是，在比離子注入裝置的低的能量下操縱物理薄膜沉積裝置，以形成高硬度的薄膜。
37.根據權利要求32所述的表面硬化樹脂的生產設備，其特徵是，以等於或者低於20KeV的能量，把等於或者多於1017/cm2的離子注入樹脂。
38.根據權利要求32所述的表面硬化樹脂的生產設備，其特徵是，把至少一種從由碳離子、氮離子、鈦離子、氬離子、鎢離子、鉬離子和矽離子組成的組中選擇的離子用於離子注入。
39.根據權利要求32所述的表面硬化樹脂的生產設備，其特徵是，把至少一種從由聚碳酸酯、聚甲基丙烯酸甲酯、非晶聚烯烴、丙烯酸基樹脂、聚對苯二甲酸乙酯和高密度聚乙烯組成的組中選擇的樹脂用作要處理的樹脂。
40.根據權利要求32所述的表面硬化樹脂的生產設備，其特徵是，它適用於生產光碟基片、磁碟基片或者磁-光碟基片。
41.根據權利要求32所述的表面硬化樹脂的生產設備，其特徵是，把離子束設定成不過掃描基片保持架。
42.一種表面硬化樹脂的生產設備，包括用於在要處理的樹脂上同步進行離子注入和物理薄膜沉積的裝置。
43.根據權利要求42所述的表面硬化樹脂的生產設備，其特徵是，提供一個離子混合裝置，用來在離子注入的同時進行汽相沉積。
44.根據權利要求42所述的表面硬化樹脂的生產設備，其特徵是，包括一個通過在離子注入期間使樹脂的周圍絕緣以增加電荷，從而產生自偏壓的裝置。
45.根據權利要求42所述的表面硬化樹脂的生產設備，其特徵是，以等於或者低於20KeV能量，把等於或者多於1017/cm2的離子注入樹脂。
46.根據權利要求42所述的表面硬化樹脂的生產設備，其特徵是，把至少一種從由碳離子、氮離子、鈦離子、氬離子、鎢離子、鉬離子和矽離子組成的組中選擇的離子用於離子注入。
47.根據權利要求42所述的表面硬化樹脂的生產設備，其特徵是，把至少一種從由聚碳酸酯、聚甲基丙烯酸甲酯、非晶聚烯烴、丙烯酸基樹脂、聚對苯二甲酸乙酯和高密度聚乙烯組成的組中選擇的樹脂用作要處理的樹脂。
48.根據權利要求42所述的表面硬化樹脂的生產設備，其特徵是，它適用於生產光碟基片、磁碟基片或者磁-光碟基片。
49.根據權利要求42所述的表面硬化樹脂的生產設備，其特徵是，把離子束設定成不過掃描基片夾具。
50.一種表面硬化的樹脂的生產設備，包括一個用以在偏壓電場的作用下在要處理的樹脂上進行離子注入的裝置。
51.根據權利要求50所述的表面硬化樹脂的生產設備，其特徵是，偏壓電場是由直流偏壓、交流偏壓或者脈衝偏壓產生的。
52.根據權利要求50所述的表面硬化樹脂的生產設備，其特徵是，以等於或者低於20KeV能量，把等於或者多於1017/cm2的離子注入樹脂。
53.根據權利要求50所述的表面硬化樹脂的生產設備，其特徵是，把至少一種從由碳離子、氮離子、鈦離子、氬離子、鎢離子、鉬離子和矽離子組成的組中選擇的離子用於離子注入。
54.根據權利要求50所述的表面硬化樹脂的生產設備，其特徵是，把至少一種從由聚碳酸酯、聚甲基丙烯酸甲酯、非晶聚烯烴、丙烯酸基樹脂、聚對苯二甲酸乙酯和高密度聚乙烯組成的組中選擇的樹脂用作要處理的樹脂。
55.根據權利要求50所述的表面硬化樹脂的生產設備，其特徵是，它適用於生產光碟基片、磁碟基片或者磁-光碟基片。
56.根據權利要求50所述的表面硬化樹脂的生產設備，其特徵是，把離子束設定成不過掃描基片夾具。
57.一種用來支承信息記錄層的信息載體用樹脂盤基片，包括一個基片；其特徵是，通過離子注入使它的至少是支承信息記錄層的那個表面經受硬化處理。
58.根據權利要求57所述的信息載體用樹脂盤基片，其特徵是，把至少一種從由碳離子、氬離子、氮離子、Ar離子和矽離子組成的組中選擇的離子用於離子注入。
59.根據權利要求57所述的信息載體用樹脂盤基片，其特徵是，把至少一種從由非晶聚烯烴、丙烯酸基樹脂、聚對苯二甲酸乙酯、聚碳酸酯和高密度聚乙烯組成的組中選擇的樹脂用作盤基片的樹脂。
全文摘要
本申請公開了一種用於樹脂的表面硬化方法和表面硬化的樹脂,能夠在短時間內以低的能量改善塑料盤基片的表面;還公開了這種樹脂的生產設備。以等於或者低於20KeV的能量把每平方釐米具有等於或者多於10
文檔編號C23C14/48GK1248589SQ9911165
公開日2000年3月29日 申請日期1999年7月2日 優先權日1998年7月3日
發明者外崎峰廣, 竹井裕, 衝田裕之, 堀野裕治, 茶谷原昭義, 木野村淳, 坪內信輝 申請人:索尼株式會社, 工業技術院