树脂表面硬化方法、表面硬化树脂及生产设备和树脂基片的制作方法

专利名称：树脂表面硬化方法、表面硬化树脂及生产设备和树脂基片的制作方法
技术领域：
本发明涉及用作例如光盘基片、磁盘或者磁—光盘基片的树脂的表面硬化方法、表面硬化树脂、表面硬化树脂的生产设备和信息载体用树脂盘基片。
由于铝、玻璃等材料容易加工成具有一定的刚度、光洁度等等，所以，人们一直将这些材料用作光盘基片、磁盘或者磁—光盘基片。然而，近些年，由于树脂基片便宜且能够通过注模法轻易地形成凹点和凹槽，所以，人们提出了树脂基片。
然而，虽然这种树脂盘基片可以廉价地生产，但它也容易被外力所损坏。因此，必须对树脂盘基片进行表面硬化处理。
但是，为了改善塑料制品表面的物理性能，通常是通过以一定的能级(在几十千电子伏特和几兆电子伏特之间)注入离子而简单地进行离子注入。
到目前为止，尚未创立一种仅使表面附近达到足够的表面硬度的硬化方法。
因此，本发明的目的是提供一种用于树脂的表面硬化方法和表面硬化树脂，其能够在短时间内以较低的能量改善待处理物品的表面；一种表面硬化树脂的生产设备和信息载体用树脂盘基片。
本发明人留意了近几年研究出的把离子注入塑料材料的技术〖例如，应用物理学会分学会第45次会议的会刊，Riken，Iwaki，No.2，p.687 29-p-ZB-10，以及，Thin Film Tripology(东京大学出版)，p.128，S.hibi，The 18th symp.onion implantation and submicron fabrication，RikagakuKenkyusho，1987，81〗并研究了这一技术在盘形信息载体方面的应用。结果，本发明人发现，通过至少在支承信息记录层的那一侧把比如碳离子、氩离子、氮离子、硅离子等注入由树脂比如丙烯酸基树脂、聚对苯二甲酸乙酯、聚碳酸酯、非晶聚烯烃以及高密度聚乙烯制成的基片的整个表面中，便能够改善树脂的表面并能够获得表面没有裂纹或塑性变形的盘形基片。
此外，本发明涉及一种用于树脂的表面硬化方法，用以通过在树脂上交替地进行离子注入和在与离子注入不同的条件下的物理薄膜沉积，使要处理的树脂的表面硬化(以下称作本发明的“硬化方法1”)。
另外，本发明涉及一种用于树脂的表面硬化方法，用以通过在树脂上同时进行离子注入和物理薄膜沉积，使要处理的树脂的表面硬化(以下称作本发明的“硬化方法2”)。
此外，本发明涉及一种用于树脂的表面硬化方法，用以通过在偏压电场的作用下在树脂上进行离子注入，使要处理的树脂的表面硬化(以下称作本发明的“硬化方法3”)。
根据本发明的硬化方法1、2和3，由于交替地或者同时进行离子注入和在不同条件下的物理薄膜沉积，或者在偏压电场的作用下进行离子注入，可以在较低的能量下在树脂的表面交替地或者同时形成一个薄的或者浅的离子注入层及物理沉积薄膜，因而能够硬化树脂的表面，决不会以大体上与在离子注入层上形成物理沉积薄膜相同的方式产生一分界面。此外，如果施加一偏压电场，会将注入离子加速，提高离子注入效率，从而提高硬化速度。因此，例如，如果将树脂的表面改造成富含DLC(金刚石类碳)结构的材料，并且，如果将所产生的材料应用于盘基片，则能够在短时间内生产出没有裂纹之类缺陷的优质产品，从而提高生产率。
此外，本发明还涉及一种通过形成高硬度的离子注入树脂层和高硬度的薄膜层而形成的表面硬化树脂(以下称作本发明的“硬化树脂”)。
由于本发明的硬化树脂是通过上述表面硬化方法生产的硬化树脂，所以，能够提供一种具有与上述硬化方法相同效果的令人满意的表面硬化树脂。
此外，本发明涉及一种包括离子注入装置和在与离子注入装置不同的条件下操作的物理薄膜沉积装置的表面硬化树脂的生产设备(以下称作本发明的“生产设备1”)，离子注入装置和物理薄膜沉积装置均布置成面对要处理的树脂(两个装置都能够由同样的设备实现)。
除此以外，本发明还涉及一种表面硬化树脂的生产设备(以下称作本发明的“生产设备2”)，该设备设计成在要处理的树脂上同时进行离子注入和物理薄膜沉积。
此外，本发明还涉及一种表面硬化树脂的生产设备(以下称作本发明的“生产设备3”)，该设备设计成在偏压电场的作用下在要处理的树脂上进行离子注入。
利用本发明的生产设备1、2和3，能够提供一种基于上述生产方法的具有良好再生性的生产设备。


图1(a)至1(d)是表示根据本发明实施例的塑料基片的硬化工艺的示意图，图1(a)表示离子注入，图1(b)表示薄膜沉积，图1(c)表示处理后的状态，图1(d)表示另一处理，此时，薄膜沉积和离子注入同步进行，图2是用于本发明实施例中的离子注入装置的示意图；图3是能够用于本发明实施例中的另一种离子注入装置的示意图；图4是用于本发明实施例中的薄膜沉积装置的示意图；图5是能够用于本发明实施例中的另一种薄膜沉积装置的示意图；图6是用于本发明实施例中的偏压装置的示意图；图7是能够用于本发明实施例中的、包括离子注入装置和薄膜沉积装置的设备的示意图；图8是表示用于本发明实施例中的、测量屈服点强度的方法的示意性透视图；图9是表示用本发明的测量方法测量的结果的曲线图；图10是表示本发明实施例的未经处理的塑料基片的红外线吸收光谱的曲线图；图11是表示按照本发明实施例仅进行了离子注入的塑料基片的红外线吸收光谱的曲线图；图12是表示按照本发明实施例处理以后的塑料基片的红外线吸收光谱的曲线图；图13是表示按照本发明实施例处理之后的塑料基片的喇曼(Raman)光谱学光谱的曲线图；图14是表示采用了根据本发明的一个实施例的由非晶聚烯烃制造的基片的磁盘以及磁头的示意性透视图；图15是表示用于本发明实施例中的质量-分离型离子注入装置的示意图；图16是表示根据本发明的实施例的测量屈服点强度的方法的示意性透视图；以及图17是表示在本发明加载期间变形曲线的曲线图。
下面参照附图描述本发明的优选实施例。
在前述的本发明的硬化方法、硬化树脂和生产设备中，最好是在离子注入过程中通过改变离子能量而重复进行上述的离子注入和物理薄膜沉积，改变离子能量可通过使离子加速或减速来实现。作为离子注入装置，可以利用图2所示的Freeman型离子枪进行例如碳离子注入，或者通过用微波型离子枪等使二氧化碳气体离子化并利用质量分离磁场仅分离出大部分的碳来进行加速了的离子注入。
在图2所示的离子注入装置中，通过质量分离线圈32、加速和减速透镜33和扫描线圈34把由离子源31供给的离子注入放置在真空室30内的基片。用一个基片转动板35以转动的方式保持基片，真空室30的内部用抽空装置36抽成真空。通过这种装置的使用，仅通过改变离子能量便能够用同一台装置进行离子注入和物理薄膜沉积，而且，如果下文描述的偏压装置也用上的话，则可以加速离子注入和物理薄膜的沉积。
此外，例如，如图3所示，通过在内部简单地设置一个气体引入管17和一个射频(RF)线圈18，以及在能够设定成真空的石英管16的上方放置一栅极15，则可以通过使用无分离磁场的简化的注入方法进行离子注入，或者用能够注入多价离子的电弧型离子注入装置进行离子注入。这些装置的任意一个都能够借助于加速电极电压和减速电极电压来改变离子能量。
作为薄膜沉积装置，可以使用图4所示的汽相沉积装置，该装置包括一电子枪、激光或阴极电弧且不使用工作气体，或者当使用工作气体时包括有一Kauffmann型离子源或者磁控管溅射源。
图4所示的装置起一电磁感应系统的作用，该电磁感应系统包括一个布置在由触发电源23施加激励电压的放电用阴极20的外测的偏转线圈22，用以将由阴极20产生的离子有效地引导给阳极21；和一个布置在阳极21的后级的电磁线圈24，用以将带电的离子引导给基片26。基片夹具25和电源27起下文将描述的偏压装置的作用。电源28是一个向电磁线圈24施加激励电压的电源，并通过电容器37构成一个低压电路。
图5所示的装置包括一个位于布置在真空室38内的等离子产生装置39的上方的、作为靶子的离子源40，通过将氩(Ar)引至靶子和处在靶子上方的基片26之间而产生等离子，进而通过溅射形成一薄膜。
如图7所示，这种离子注入和物理薄膜沉积还能够通过、例如、把离子注入装置48和物理薄膜沉积装置49布置成面对处在同一室50内的、由一基座41支承的基片26来进行。
在上述的离子注入装置和薄膜沉积装置根据实际需要单独使用的情况下，应在通过离子注入赋予树脂导电性之后重复离子注入步骤以及在偏压电场的作用下进行离子镀或者电弧蒸发的步骤。
作为基片的偏压装置，如图6所示，是把要处理的基片26安装到靠近水冷却的底座29的基片夹具25上，并由偏压电源27施加直流和交流，或者叠加有直流的交流，脉冲电压以及叠加有直流的脉冲电压。
理想的是，在上述的离子注入之后，在偏压电场的作用下进行离子镀或者电弧蒸发。然而，在离子注入以及在离子注入之后在比离子注入时能量要低的能量下进行具有高硬度的薄膜的物理薄膜沉积之后，也能够形成具有高硬度的薄膜。
通过离子混合以便在上述的离子注入的同时进行沉积，或者通过使树脂的周围绝缘以增加离子注入期间的电荷，还能够产生一个自偏压。结果，能够达到与当把脉冲电压施加到基片上时所产生的效果相同的效果，而且，离子注入和薄膜沉积被自我重复。
在这种情况下，最好是通过施加一直流偏压、交流偏压或者脉冲偏压作为偏压电场，以形成表面硬化层。
此外，最好是象前述那样通过根据实际需要单独使用离子注入装置或薄膜沉积装置，以20KeV或者低于20KeV的能量将每平方厘米1017或者更多的离子注入树脂。
在这种情况下，对于上述的离子注入来说，最好是使用碳离子。然而，也可以使用至少一种例如从由氮离子、钛离子、钨离子、碳离子、钼离子和硅离子组成的组中选择的离子。
此外，对于上述的树脂来说，非晶聚烯烃(以下称作“APO”)是合适的。但是，也可以使用至少一种例如从由聚碳酸酯、聚甲基丙烯酸甲酯、丙烯酸基树脂、聚对苯二甲酸乙酯和高密度聚乙烯组成的组中选择的树脂。
表面硬化树脂的屈服点强度用例如图8所示的装置进行测量。具体地说，使一带有半径为0.5μm的尖头的三棱锥形金刚石压头3与盘1的表面上的硬化层2接触，并利用一压电元件施加0.1g的小负载来推压头3，以便测量负载变形。
因此，本发明适用于制作光盘基片或者磁盘基片的树脂的表面硬化。[例子]下面将详细介绍本发明的几个例子。
根据前述的本发明的优选实施例，通过用上述的离子注入装置和薄膜沉积装置把碳离子注入一平方英寸的APO基片，改造塑料基片的表面以及变换实施例，可以获得下面七个例子。<例1>
利用图2所示的离子注入装置，在被抽成10-7Torr的本底真空之后，用离子源将二氧化碳变成等离子，并使碳离子加速和减速以及质量分离，以产生20KeV的离子能，通过以10μA作为离子电流的连续的离子供给，将每平方厘米1016个离子注入图1(a)所示的基片10的表面，以便形成注入了离子的层11。结果，基片10的杨氏模量变成25Gpa，虽然它原本只有1.8Gpa。
此后，通过图4所示的阴极离子源的使用，形成如图1(b)所示的薄膜12。与离子注入类似，在10-7Torr的本底真空条件下，在一电弧离子源处、在碳固体材料上产生50V的等离子弧，用电磁系统把离子电流引导至基片26。此时，如图6所示，将一偏压施加到基片26上，以10Hz的频率把脉冲偏压源27接通，利用该脉冲偏压源27，以1∶10的脉冲间隔对基片26加上-50V的偏压。所形成的具有高硬度的薄膜12的薄膜厚度是20nm，且无裂纹产生。<例2>
与例1类似，利用图2所示的离子注入装置，在被抽成10-7Torr的本底真空之后，用离子源将二氧化碳变成等离子，使碳离子加速和减速以及质量分离，以产生离子能。
在离子注入的开始，通过在20KV的加速电压下，以10μA作为离子电流的连续的离子供给，将每平方厘米1016个离子注入图1(a)所示的基片10的表面，然后，将加速电压连续地降低，以便每平方厘米注入1016个离子，最终达到每平方厘米注入1017个离子，从而形成一注入了离子的层11。最后，利用同样的装置在100V下形成薄膜，如图1(b)所示。<例3>
与前述两例类似，利用图2所示的离子注入装置，在被抽成10-7Torr的本底真空之后，用离子源将二氧化碳变成等离子，并通过质量分离使碳离子加速和减速，以产生20KeV的离子能。
通过以10μA作为离子电流的连续的离子供给，将每平方厘米1016个离子注入图1(a)所示的基片10的表面。然后，在把基片10的电阻率从未处理(离子注入前)时的1014欧姆厘米降低到104欧姆厘米以后，利用图4所示的阴极离子源在碳固体材料上产生50V的等离子弧，以形成厚度为1nm的薄膜。
此时，由电磁系统引导的离子电流抵达基片并形成图1(b)所示的薄膜。将这些操作重复20次，以改善基片10并在基片10上形成一硬化层13，如图1(c)所示。<例4>
与例1类似，利用图2所示的离子注入装置，在被抽成10-7Torr的本底真空之后，用离子源将二氧化碳变成等离子，并通过质量分离使碳离子加速和减速，以产生离子能。
如图1(d)所示，通过在20KV的加速电压下、以10μA作为离子电流的连续的离子供给进行离子注入。随后，利用图4所示的阴极离子源，在不使用工作气体的情况下在基片10上进行薄膜沉积。此时，在碳固体材料上产生50V的等离子弧，由电磁系统引导的离子电流抵达基片，从而形成一个如图1(d)所示的具有高硬度的薄膜12。<例5>
与例1类似，利用图2所示的离子注入装置，在被抽成10-7Torr的本底真空之后，用离子源将二氧化碳改变成等离子，并通过物质分离使碳离子加速和减速，以产生离子能。
如图1(a)所示，通过在15KV的加速电压下、以10μA作为离子电流的连续的离子供给进行离子注入，以便在基片10的表面形成一注入了离子的层11。利用相同的装置，如图6所示，将一在-14KV至+14KV之间变化的脉冲电压施加到要处理的基片上。此外，通过以1∶10的脉冲比率和10Hz的频率施加脉冲电压来进行离子注入。<例6>
与例1类似，利用图2所示的离子注入装置，在被抽成10-7Torr的本底真空之后，用离子源将二氧化碳变成等离子，并通过质量分离使碳离子加速和减速，以便在10KeV和20KeV之间产生8μA的离子能。
利用同样的装置，如此设定离子束——即使得离子束不过扫描(overscan)基片夹具，也就是说，离子束仅在基片夹具之内扫描，而且，把陶瓷材料比如玻璃、石英、矾土和BN作为绝缘材料装到基片夹具上，以便减少和防止来自基片夹具的次级电子。
当把一塑料基片附着到绝缘衬底上时，由于塑料是绝缘材料，所以，会在其表面产生电荷。通常，利用次级电子将这些电荷中和。然而，由于次级电子被阻止，所以，在基片上产生正电荷，而且，作为注入电荷的20KeV被减速，从而产生与将脉冲电压应用到基片上所获得的相同的效果。换句话说，薄膜沉积和离子注入被自我重复。<例7>
与例1类似，利用图2所示的离子注入装置，在被抽成10-7Torr的本底真空之后，用离子源将二氧化碳变成等离子，并通过质量分离使碳离子加速和减速，以产生20KeV的离子能。
在这种情况下，如图1(a)所示，通过以10μA作为离子电流的连续的离子供给，只把每平方厘米1016个离子注入基片10的表面。结果，基片10的杨氏模量是10Gpa。
对进行了包括离子注入和薄膜沉积在内的表面硬化处理的、具有例1至例6的高硬度的塑料的硬度和IR(红外线吸收光谱)、进行了仅包括例7的离子注入在内的表面硬化处理的塑料的硬度和IR以及未进行这些表面硬化处理的塑料的硬度和IR进行测量和比较。但是，由于例1至例6的受试对象的测量表现出相同的结果，所以，仅使用例1的数据。
图9是用图8所示的测量装置测得的屈服点强度的曲线图。具体地说，在例1的情况下，例1的变形曲线42因压电元件的加载而表现出一个从零点开始的位移，但在卸载以后又返回到零点。然而，在例7中，由于只进行了离子注入，所以，当施加负载时，它的变形曲线43表现出一个大的位移，且在卸载以后不返回到零点，而是保持轻微的位移。此外，当对未进行表面硬化处理的塑料加载时，它的变形曲线44表现出一个更大位移，且在卸载以后不返回到零点，长时间保持变形状态。在图9中，向上的箭头A表示加上负载时的位移，而向下的箭头B表示卸掉负载以后位移方面的变化。
因此，图9所示的测量结果证明例1至例6的表面硬度高于例7的表面硬度，而且，表面被改造成不大可能表现出塑性变形的表面。
图10至图12是表示这三种塑料基片的测得的IR结果的曲线图。
如图10所示，未经处理的塑料基片也含有在波数稍稍低于3000的附近具有一峰的单键(single bond)元素和在波数稍稍低于1000至1500的范围内具有一峰的双键(double bond)元素。
然而，如图11所示，与未经处理的基片相比，只进行了离子注入的例7的基片在整个范围内更清晰地呈现峰，尤其是在双键部分。
然而，如图12所示，在离子注入和薄膜沉积均进行了的例1的情况下，在整个范围内峰显示更加清晰，而且，单键和双键都呈现尖峰。因此，这证明塑料基片的表面附近被改造成DLC结构，而且，从结合附图9解释的硬度测量结果可以看出，具有扩大量的双键碳的DLC成分增加。
图13是表示就例1的基片所进行的喇曼(Raman)光谱学测量结果的曲线图。在该曲线图中，曲线45和46是表示具有DLC结构的基片上所出现的一种现象的分析值，而波形线47是测量值。换句话说，曲线图示出了在1350cm-1处具有一峰和在1570cm-1处具有一峰的光谱，并且证明表面具有DLC结构。
根据本发明的技术原理，上述实施例和例子能够以多种形式加以改变。
例如，离子注入条件和薄膜沉积条件可以设置为不同于上述例子中声称的那些条件的条件。此外，离子注入装置和薄膜沉积装置也可以以多种形式加以改变，例如，这些装置可以象图7所示那样放置在同一个室内。
此外，虽然所举的例子仅说明了用以制作记录信息的盘基片的树脂的表面硬化。但是，本发明还适用于例如用以制作除盘基片以外的绝缘材料和机械设备的树脂零件的表面硬化。
根据这些例子，由于是在不同的能量条件下交替地、或者同步地、或者通过用偏压加速离子束来对塑料盘基片进行离子注入和薄膜沉积的，所以，能够以不高于20KeV的能量实现每平方厘米注入1017或更多的离子。因此，能够在不用额外沉积薄膜的情况下，形成一个没有分界面的硬化层，该硬化层与在离子注入层上还沉积有薄膜的基片具有相同的效果。
此外，由于离子能量低达20KeV，甚至低于20KeV，所以，温升很小，而且，改造部分的深度很小。因此，本发明达到了仅改善表层的效果，提供了与用作常规的保护膜的DLC膜相等的硬度。此外，由于基片被自我改造，因此，能够产生一种无裂纹的、无剥离的表面状态，即使当拾取器头与盘的表面发生接触时也能够防止盘损伤和不能使用。
此外，从生产的观点来看，当每平方厘米注入1017个离子时，花费在注入方面的时间是一小时，所以，这种技术难以进入实际应用。但是，就本发明来说，由于薄膜沉积和离子注入同步进行，所以，花费在生产过程中的时间缩短，因而提高了生产效率。
如上所述，本发明适用于通过交替地进行离子注入和在不同于离子注入的条件下的物理薄膜沉积，或者同时进行离子注入和物理薄膜沉积，或者通过在偏压电场的作用下进一步注入离子来实现对要处理的树脂的表面硬化处理。因此，能够在较低的能量下在树脂的表面交替地或者同时形成一个薄的或者浅的离子注入层和物理沉积薄膜层，而且，能够以与在离子注入层上形成物理沉积薄膜基本相同的方式硬化树脂表面，不会存在分解面。此外，如果施加一个偏压电场，则注入的离子得以加速，提高离子注入效率，且硬化率能够提高。结果是，例如，如果树脂的表面被改造成富含DLC结构的材料，以及，如果把该材料应用于盘基片，那么，在短时间内便能够生产出没有裂纹之类缺陷的品质优良的产品，从而提高生产率。
下面将结合本发明具体应用方面的一个优选实施例来介绍本发明，例如，结合信息载体用的树脂盘基片，比如，光盘基片、磁盘基片等介绍本发明。
图14是根据本发明的实施例的非晶聚烯烃(以下称作“APO”)磁盘(仅示出了磁盘的四分之一)和磁头的示意性透视图。
如图14所示，通过在一高纯度的非晶聚烯烃基片(以下称作“基片”)上进行上述实施例的离子注入，在基片52的表面上形成包括许多SP3成分的DLC，并且，在基片52上形成一磁性层53和一保护层54。然而，在光盘的情况下，要用形成一个介电层来代替磁性层53。
如图14所示，通过这种离子注入，在基片52的表面形成一硬化层52a，而在该硬化层上面又形成磁性层53，从而改善了表面硬度。作为注入的离子，可以使用碳离子、氩离子、氮离子和硅离子。然而，在本实施例中，将以注入碳离子为例加以介绍。
为了实现表面硬度的改善，表面硬度(Hv)落在Hv500和3000之间是理想的。如果表面硬度太小，基片容易因与记录或者重放机构例如光拾取器接触而损坏。
此外，碳离子的注入量理想的是在1017和5×1017/cm2之间的范围内，更理想的是在1017和1022/cm2之间的范围内。如果浓度太低，就达不到上述的改善表面硬度的效果。
此外，如果离子注入层52a的厚度太薄，就有可能达不到上述改善表面硬度的效果。另一方面，如果基片太厚，表面容易因应力而变形。对于表面改善层来说，要求其厚度等于或者大于0.05μm，为避免与磁(光)头碰撞，厚度最大为0.2μm。传统的薄膜是难以满足要求的。但是，利用本发明的离子注入方法能够轻易地满足这些要求。
为了达到高纯度和高真空，这种硬化处理采用图15所示的质量分离型离子源60。作为本底真空度，在10-8Torr的真空气氛下，借助于微波型离子源可从CO2气体产生碳离子。在这种情况下，只有碳抵达基片，通过用磁体和离子传递系统加速和减速离子，使得在10KeV和80KeV之间的碳抵达基片。
然后，利用质量分离型离子源60，将20KeV的碳的正离子注入基片52的表面。通过每平方厘米分别注入1016个离子、1017个离子和5×1017个离子，制备三种试样并进行实验。关于注入深度，根据一个用作适用于SIMS的计算机软件的修正软件的计算结果，对于20Kev来说，能够把离子注入到从表面算起的0.1μm的深度。
下面介绍没有偏压电场作用的情况。
与不进行离子注入的情况相比，当进行离子注入时，能够获得显著的效果。为了获得更加理想的效果，当在上述的偏压的作用下进行离子注入时，能够获得更显著的效果。
也就是说，上述的结果表明，基片的表面因离子注入而具有了DLC结构，且它的屈服点强度改善。屈服点强度的改善可通过以下事实证明。
图16是表示屈服点强度测量方法的示意性透视图。在该方法中，使得带有半径为0.5μm的尖头的三棱锥型金刚石压头56与盘51的表面相接触，并通过用一压电元件施加0.1g的小负载的方式推压头，对负载变形予以测量。
图17是表示测量结果的曲线图。在该曲线图中，A1是当每平方厘米注入1017个离子时的变形曲线，B1是当每平方厘米注入1016个离子时的变形曲线，C1是当不注入离子时的变形曲线，而D1是玻璃的变形曲线，它的目的是与离子注入进行对比。
根据该曲线图可以发现，曲线C1和B1都没有返回到原始位置，而是具有所产生的塑性变形。另一方面，发现拥有曲线A1的试样具有这样的特性，即曲线A1返回到原始位置且在弹性变形范围内具有复盖性能，而且，基片表面被硬化到接近玻璃的曲线D1的硬度。因此，理想的是每平方厘米注入10Ｕ17个离子，或者比1017还多的离子。
本实施方案应用这样一种现象作为一个量度，以计量因记录和重放头碰撞光盘或者磁盘所引起的变形，通过离子注入形成一个没有分界面的硬化区域，而不是形成一个薄膜，从而生产没有裂纹或者塑性变形的盘基片。
与汽相沉积形成的层不同的是，本实施方案的DLC层具有一倾向成分。因此，由于从裂纹或变形部分脱气，基片不会随时间而发生改变。例如，象传统的CD盘那样，为了形成一紧密的铝质薄膜，当把铝汽相沉积到通过使比如丙烯酸类材料或类似材料经受等离子处理而制备的材料上时，存在这样一个问题，即自内部产生尚未分解的气体并影响表面上的铝。然而，这种问题在本发明的以高能量进行的离子注入中不会发生。就硬度而言，可以获得具有接近玻璃的硬度的表面。如果这一表面与记录层上的表面保护膜联合，对于盘是非常有效的。
此外，在上述的喇曼光谱学中，对于聚合物来说，在1500cm-1处，荧光的作用恶性地影响到清晰度。因此，为了消除这种影响，可以用除波长为514nm的氩激光之外的、波长为633nm、266nm和214nm的激光进行测量。因此，本实施例的可靠性被确认。
关于把离子注入基片的方法，业已知道一种类似于上述方法的高纯度和高真空的方法。在该方法中，在后期把由阴极电弧装置产生的离子加速并注入。
根据本实施方案，通过把离子的注入数量设置成等于或者大于1017/cm2以及注入能量为20KeV，能够注入富含SP3的离子，并能够把要处理的表面改造成不表现出塑性变形的硬度。因此，如果把这项技术应用到光盘或者磁盘的生产当中，即便当用以记录和重现信息的移动头与盘的表面发生接触时，也能够防止盘被损坏或者不能使用。
如前所述，根据本发明，基片表面被充分改善，获得与用做常规的保护膜的DLC薄膜的硬度类似的硬度，并且，由于基片自我改造，因此获得一种没有裂纹和剥离的表面状态。
在上述的实施方案中，通过把氩离子、碳离子、氮离子或硅离子用作注入离子，改变注入能量或者改变时间，能够控制离子注入浓度和深度。此外，还可以用丙烯酸基树脂、聚对苯二甲酸乙酯、聚碳酸酯、高密度聚乙烯或非晶聚烯烃作为基片的材料。
如上所述，本发明是一种用以支承信息记录层的树脂制盘基片，并且，利用离子注入的硬化处理已经应用到至少是在支承信息记录层的那一侧的表面。因此，树脂的表面得以改善，不会出现裂纹或塑性变形，能够获得一种具有足够表面硬度的盘基片。因此，如果把这种盘基片用作盘形信息载体，则能够防止记录和再现期间因磁(光)头与盘接触产生振动而损坏盘。
虽然已经参照附图描述了本发明的优选实施例，然而，应当明白，本发明并不局限于这些明确的实施例，对于本领域熟练技术人员来说，在不脱离由所附权利要求限定的本发明的精神或范围的情况下，能够产生各种变换和改变。
权利要求
1.一种用于树脂的表面硬化方法，包括通过交替地进行离子注入和在与离子注入条件不同的条件下的物理薄膜沉积来硬化要处理的树脂表面的步骤。
2.根据权利要求1所述的用于树脂的表面硬化方法，其特征是，通过改变离子能量重复进行离子注入和物理薄膜沉积。
3.根据权利要求1所述的用于树脂的表面硬化方法，其特征是，在通过离子注入赋予树脂导电性之后，重复离子注入步骤和在偏压电场作用下进行离子镀或者电弧蒸发的步聚。
4.根据权利要求1所述的用于树脂的表面硬化方法，其特征是，在离子注入之后，在偏压电场作用下进行离子镀或者电弧蒸发。
5.根据权利要求1所述的用于树脂的表面硬化方法，其特征是，在离子注入之后，形成一个高硬度的薄膜。
6.根据权利要求5所述的用于树脂的表面硬化方法，其特征是，在离子注入之后，在比离子注入时低的能量下进行高硬度薄膜的物理沉积。
7.根据权利要求1所述的用于树脂的表面硬化方法，其特征是，以等于或者低于20KeV的能量，把等于或者多于1017/cm2的离子注入树脂。
8.根据权利要求1所述的用于树脂的表面硬化方法，其特征是，把从由碳离子、氮离子、钛离子、钨离子、钼离子、氩离子和硅离子组成的组中选择的至少一种离子用于离子注入。
9.根据权利要求1所述的用于树脂的表面硬化方法，其特征是，把从由聚碳酸酯、聚甲基丙烯酸甲酯、非晶聚烯烃、丙烯酸基树脂、聚对苯二甲酸乙酯和高密度聚乙烯组成的组中选择的至少一种树脂用作要处理的树脂。
10.根据权利要求1所述的用于树脂的表面硬化方法，其特征是，它适用于光盘基片或者磁盘基片或者磁-光盘基片。
11.根据权利要求1所述的用于树脂的表面硬化方法，其特征是，把离子束设定成不过扫描基片夹具。
12.一种用于树脂的表面硬化方法，包括通过在树脂上同时进行离子注入和物理薄膜沉积来硬化要处理的树脂表面的步骤。
13.根据权利要求12所述的用于树脂的表面硬化方法，其特征是，包括离子混合步骤，在该步骤里，在离子注入的同时进行汽相沉积。
14.根据权利要求12所述的用于树脂的表面硬化方法，其特征是，通过在离子注入期间使树脂的周围绝缘以增加电荷，产生自偏压。
15.根据权利要求12所述的用于树脂的表面硬化方法，其特征是，以等于或者低于20KeV的能量，把等于或者多于1017/cm2的离子注入树脂。
16.根据权利要求12所述的用于树脂的表面硬化方法，其特征是，把至少一种从由碳离子、氮离子、钛离子、钨离子、钼离子、氩离子和硅离子组成的组中选择的离子用于离子注入。
17.根据权利要求12所述的用于树脂的表面硬化方法，其特征是，把至少一种从由聚碳酸酯、聚甲基丙烯酸甲酯、非晶聚烯烃、丙烯酸基树脂、聚对苯二甲酸乙酯和高密度聚乙烯组成的组中选择的树脂用作要处理的树脂。
18.根据权利要求12所述的用于树脂的表面硬化方法，其特征是，它适用于光盘基片或者磁盘基片。
19.根据权利要求12所述的用于树脂的表面硬化方法，其特征是，把离子束设定成不过扫描基片夹具。
20.一种用于树脂的表面硬化方法，包括通过在偏压电场的作用下在树脂上进行离子注入来硬化要处理的树脂表面的步骤。
21.根据权利要求20所述的用于树脂的表面硬化方法，其特征是，借助直流偏压、交流偏压或者脉冲偏压产生偏压电场。
22.根据权利要求20所述的用于树脂的表面硬化方法，其特征是，以等于或者低于20KeV的能量，把等于或者多于1017/cm2的离子注入树脂。
23.根据权利要求20所述的用于树脂的表面硬化方法，其特征是，把至少一种从由碳离子、氮离子、钛离子、氩离子、钨离子、钼离子和硅离子组成的组中选择的离子用于离子注入。
24.根据权利要求20所述的用于树脂的表面硬化方法，其特征是，把至少一种从由聚碳酸酯、聚甲基丙烯酸甲酯、非晶聚烯烃、丙烯酸基树脂、聚对苯二甲酸乙酯和高密度聚乙烯组成的组中选择的树脂用作要处理的树脂。
25.根据权利要求20所述的用于树脂的表面硬化方法，其特征是，它适用于光盘基片或者磁盘基片或者磁-光盘基片。
26.根据权利要求20所述的用于树脂的表面硬化方法，其特征是，把离子束设定成不过扫描基片夹具。
27.一种表面硬化的树脂，包括一个高硬度的离子注入层和一个高硬度的薄膜层，这两层互相层叠在一起。
28.根据权利要求27所述的表面硬化的树脂，其特征是，离子注入层的离子注入量等于或者多于1017个离子/cm2。
29.根据权利要求27所述的表面硬化的树脂，其特征是，离子注入层注入的离子是至少一种从由碳离子、氮离子、钛离子、钨离子、钼离子、氩离子和硅离子组成的组中选择的离子。
30.根据权利要求27所述的表面硬化的树脂，其特征是，所说的树脂是至少一种从由聚碳酸酯、聚甲基丙烯酸甲酯、非晶聚烯烃、丙烯酸基树脂、聚对苯二甲酸乙酯和高密度聚乙烯组成的组中选择的树脂制成的。
31.根据权利要求27所述的表面硬化的树脂，其特征是，它适用于光盘基片或者磁盘基片或者磁-光盘基片。
32.一种表面硬化树脂的生产设备，包括一个离子注入装置和一个在与离子注入装置的条件不同的条件下操作的物理薄膜沉积装置，离子注入装置和物理薄膜沉积装置均布置成面对要处理的树脂。
33.根据权利要求32所述的表面硬化树脂的生产设备，其特征是，通过改变离子能量重复操作离子注入装置和物理薄膜沉积装置。
34.根据权利要求32所述的表面硬化树脂的生产设备，其特征是，物理薄膜沉积装置设计成在偏压电场的作用下进行离子镀或者电弧蒸发。
35.根据权利要求32所述的表面硬化树脂的生产设备，其特征是，操纵物理薄膜沉积装置，以形成高硬度的薄膜。
36.根据权利要求35所述的表面硬化树脂的生产设备，其特征是，在比离子注入装置的低的能量下操纵物理薄膜沉积装置，以形成高硬度的薄膜。
37.根据权利要求32所述的表面硬化树脂的生产设备，其特征是，以等于或者低于20KeV的能量，把等于或者多于1017/cm2的离子注入树脂。
38.根据权利要求32所述的表面硬化树脂的生产设备，其特征是，把至少一种从由碳离子、氮离子、钛离子、氩离子、钨离子、钼离子和硅离子组成的组中选择的离子用于离子注入。
39.根据权利要求32所述的表面硬化树脂的生产设备，其特征是，把至少一种从由聚碳酸酯、聚甲基丙烯酸甲酯、非晶聚烯烃、丙烯酸基树脂、聚对苯二甲酸乙酯和高密度聚乙烯组成的组中选择的树脂用作要处理的树脂。
40.根据权利要求32所述的表面硬化树脂的生产设备，其特征是，它适用于生产光盘基片、磁盘基片或者磁-光盘基片。
41.根据权利要求32所述的表面硬化树脂的生产设备，其特征是，把离子束设定成不过扫描基片保持架。
42.一种表面硬化树脂的生产设备，包括用于在要处理的树脂上同步进行离子注入和物理薄膜沉积的装置。
43.根据权利要求42所述的表面硬化树脂的生产设备，其特征是，提供一个离子混合装置，用来在离子注入的同时进行汽相沉积。
44.根据权利要求42所述的表面硬化树脂的生产设备，其特征是，包括一个通过在离子注入期间使树脂的周围绝缘以增加电荷，从而产生自偏压的装置。
45.根据权利要求42所述的表面硬化树脂的生产设备，其特征是，以等于或者低于20KeV能量，把等于或者多于1017/cm2的离子注入树脂。
46.根据权利要求42所述的表面硬化树脂的生产设备，其特征是，把至少一种从由碳离子、氮离子、钛离子、氩离子、钨离子、钼离子和硅离子组成的组中选择的离子用于离子注入。
47.根据权利要求42所述的表面硬化树脂的生产设备，其特征是，把至少一种从由聚碳酸酯、聚甲基丙烯酸甲酯、非晶聚烯烃、丙烯酸基树脂、聚对苯二甲酸乙酯和高密度聚乙烯组成的组中选择的树脂用作要处理的树脂。
48.根据权利要求42所述的表面硬化树脂的生产设备，其特征是，它适用于生产光盘基片、磁盘基片或者磁-光盘基片。
49.根据权利要求42所述的表面硬化树脂的生产设备，其特征是，把离子束设定成不过扫描基片夹具。
50.一种表面硬化的树脂的生产设备，包括一个用以在偏压电场的作用下在要处理的树脂上进行离子注入的装置。
51.根据权利要求50所述的表面硬化树脂的生产设备，其特征是，偏压电场是由直流偏压、交流偏压或者脉冲偏压产生的。
52.根据权利要求50所述的表面硬化树脂的生产设备，其特征是，以等于或者低于20KeV能量，把等于或者多于1017/cm2的离子注入树脂。
53.根据权利要求50所述的表面硬化树脂的生产设备，其特征是，把至少一种从由碳离子、氮离子、钛离子、氩离子、钨离子、钼离子和硅离子组成的组中选择的离子用于离子注入。
54.根据权利要求50所述的表面硬化树脂的生产设备，其特征是，把至少一种从由聚碳酸酯、聚甲基丙烯酸甲酯、非晶聚烯烃、丙烯酸基树脂、聚对苯二甲酸乙酯和高密度聚乙烯组成的组中选择的树脂用作要处理的树脂。
55.根据权利要求50所述的表面硬化树脂的生产设备，其特征是，它适用于生产光盘基片、磁盘基片或者磁-光盘基片。
56.根据权利要求50所述的表面硬化树脂的生产设备，其特征是，把离子束设定成不过扫描基片夹具。
57.一种用来支承信息记录层的信息载体用树脂盘基片，包括一个基片；其特征是，通过离子注入使它的至少是支承信息记录层的那个表面经受硬化处理。
58.根据权利要求57所述的信息载体用树脂盘基片，其特征是，把至少一种从由碳离子、氩离子、氮离子、Ar离子和硅离子组成的组中选择的离子用于离子注入。
59.根据权利要求57所述的信息载体用树脂盘基片，其特征是，把至少一种从由非晶聚烯烃、丙烯酸基树脂、聚对苯二甲酸乙酯、聚碳酸酯和高密度聚乙烯组成的组中选择的树脂用作盘基片的树脂。
全文摘要
本申请公开了一种用于树脂的表面硬化方法和表面硬化的树脂,能够在短时间内以低的能量改善塑料盘基片的表面;还公开了这种树脂的生产设备。以等于或者低于20KeV的能量把每平方厘米具有等于或者多于10
文档编号C23C14/48GK1248589SQ9911165
公开日2000年3月29日 申请日期1999年7月2日 优先权日1998年7月3日
发明者外崎峰广, 竹井裕, 冲田裕之, 堀野裕治, 茶谷原昭义, 木野村淳, 坪内信辉 申请人:索尼株式会社, 工业技术院