本发明涉及一种用离子束(IB)对聚合物，金属和陶瓷材料进行表面改性的装置，特别是涉及一种用离子束(IB)对聚合物，金属和陶瓷材料进行表面改性的改进装置，该装置能够控制反应气体的量和离子束的能量，能够对粉末材料表面进行改性，并实现材料的连续表面改性。

传统的离子束改性方法包括基于薄膜制造的方法和基于表面清洁处理的方法。
在薄膜制造方法中，提出了使用高能量(从几十千伏到几兆伏)的离子灌输，离子束照射，通过从产生低能量(0到几千伏)粒子的离子源将离子化粒子照射在目标物上从而形成被沉积的材料而实现的离子束喷射沉积，多离子束沉积，用于促进薄膜制造的过程，以及离子辅助的沉积。
另外，在表面清洁方法中，提出了通过将活跃粒子照射到材料表面而产生的表面清洁，和通过向真空室输送反应气体而实现的活性离子束刻蚀。
在使用离子束的薄膜制造的情况下，通过控制被沉积的粒子和辅助离子束粒子之间的粒子相对比例来制造薄膜。在使用离子束的清洁方法的情况下，在控制等离子体产生和反应气体的量的同时使反应气体离子化从而实现快速表面清洁，而传统的湿反应清洁法需要的时间长。
图1是描述较早申请(韩国专利申请第2465/1996，11994/1996，11995/1996和11996/1996号，它们的公开文本在此作为本发明的参考)的表面改性装置的示意图，该装置包括带有产生离子束IB的离子枪12和产生辅助离子束AB的辅助离子枪14的离子源10，用于分别测定和控制照射的活跃离子量的离子束流测定单元40和控制器42，用于握住表面被离子改性的样品材料22的样品夹持器20，带有用于向样品材料22提供反应气体的反应气体入口管26的反应气体控制单元(未给出)，用于在封闭的真空室30中产生真空以产生离子束IB和AB的真空泵28。
该装置可以通过下列方式实现操作。首先，在聚合物材料周围提供氧气作为反应气体，将氩离子照射到该材料的表面，从而在聚合物材料表面产生亲水的官能团，其中一个氧原子与一个碳环化学键合。另外，氩离子与提供的氧气一起被照射到氮化物AIN的表面，从而在表面形成AION的键合和一种新材料而不破坏材料本身。因此，由于表面固有性质的改变而可以解决各种问题。例如可以改变与其它材料的粘合性，吸附性能，与水的亲水性，以及材料的表面强度。在离子束辅助反应中，具有低能量带的粒子能量一般用于与早期的沉积方法比较，粒子照射的量为1013-1018离子/厘米2，反应气体的量的特征在于材料周围的分压高于真空室中总的真空度。
但是在上述的离子束照射装置中，只有通过反应气体的表面改性被认为是重要的。因此物理性质的改进和表面改性特征不能通过控制反应气体的量而获得。而且，施用于样品材料的离子束的能量仅仅通过离子束来控制。
本发明的公开本发明的目的是提供一种用离子束对聚合物，金属和陶瓷材料进行表面改性的装置，该装置克服了现有技术中存在的上述问题。
本发明的另一个目的是提供一种装置，该装置能够控制提供到被改性表面的反应气体的量，同时将特定量的离子束能量照射到希望进行表面改性的材料的表面，并能够控制施用到表面的离子束的离子能量，以在表面上形成具有新化学结构的材料，从而通过控制离子照射量、反应气体的灌输量以及活化粒子的粒子能量来控制表面改性的程度。
本发明的另一个目的是提供一种用于表面改性的装置，该装置在工业实际中能够以两面照射类型和连续间歇类型过程使用。
为了达到上述目的，提供了按照本发明的用离子束对聚合物，金属和陶瓷材料进行表面改性的装置，该装置包括室腔，用于在该室腔中保持真空的设施，带有用于产生离子束的离子枪的离子源，用于使希望进行表面改性的材料能够放置在其上被来自离子源的离子束照射的夹持器，以及用于向该材料表面输送反应气体的反应气体输送设施，其中在使夹持器与室腔绝缘的情况下对夹持器施加一个电压，以控制照射到该材料表面上的离子束的离子能量。
为了达到上述目的，还提供了按照本发明的用离子束对聚合物，金属和陶瓷材料进行表面改性的装置，该装置包括室腔，用于在该室腔中保持真空的设施，带有用于产生离子束的离子枪的离子源，用于使希望进行表面改性的材料能够放置在其上被来自离子源的离子束照射的夹持器，用于向该材料表面输送反应气体的反应气体输送设施，以及用于将当反应气体施用到材料表面时使表面被改性的室腔的材料反应部分与提供有离子源的室腔的部分相互分离的分离设施，其中室腔的材料反应部分中的真空度高于提供有离子源的室腔的部分中的真空度。
为了达到上述目的，还进一步提供了按照本发明的用离子束对聚合物，金属和陶瓷材料进行表面改性的装置，该装置包括室腔，用于在该室腔中保持真空的真空设施，带有用于产生离子束的离子枪的、安装在室腔上部的离子源，用于夹持被来自离子源的离子束照射的粉末材料同时搅拌该粉末材料的夹持器，以及用于向该粉末材料输送反应气体的反应气体输送设施。
还进一步提供了这样的装置，其中在上述装置中安装有二个或多个真空设施，并且还包括分离设施，该分离设施用于将室腔的材料反应部分与室腔提供有离子源的部分相互分离，其中所述材料反应部分的表面在反应气体施用到该材料表面时发生改性，并且其中保持室腔的材料反应部分中的真空度高于提供有离子源的室腔的部分中的真空度。
为了达到上述目的，再进一步提供了按照本发明的用离子束对聚合物，金属和陶瓷材料进行表面改性的装置，该装置包括室腔，用于在该室腔中保持真空的真空设施，每个带有一个离子枪的、安装在室腔的上部或下部、或者安装在室腔中至少二个相对位置的、用于分别产生离子束并分别将离子束照射到希望进行表面改性的材料的前和/或后或对面的一个或多个离子源，用于输送希望进行表面改性的材料的设施，以及用于将反应气体输送到被来自离子源的离子束照射的材料的相应表面的反应气体输送设施，其中该材料被连续输送到室腔中的照射离子束的反应区域，并从该反应区域中取出。
在此，希望进行表面改性的材料可以盘绕成卷，材料的未盘绕的一端位于室腔的一侧被送至反应区域，被送至反应区域的材料部分用离子束照射而被表面改性，然后将改性的材料在室腔的另一侧重新盘绕。该材料也可以以晶片的形式输送和取出。
另外，在室腔中可以安装多个真空设施，并且这些真空设施按照适当的顺序安装，以使当希望进行表面改性的材料从反应室腔外面输送至反应区域和将已被表面改性的材料移到室腔外时，室腔中的真空度在反应区域处于最大。
Kaufman型离子源，冷中空阴极离子源，或高频离子源等可以用作所述离子源。从离子源产生的活化粒子在后面将称为离子束。照射的离子的量优选的是在1013-1018离子/厘米2范围内。吹到希望进行表面改性的材料上的反应气体的量优选为0-30毫升/分钟。反应室腔中反应气体的分压高于希望进行表面改性的材料周围的分压。真空室腔中反应气体的分压为10-1-10-7乇。
本发明的其它优点、目的和特征将通过下面的描述变得更清楚。
附图的简要说明通过后面的详细描述和附图将对本发明有更充分的理解，这些附图仅用于描述，因而并不限定本发明，其中：图1为描述现有技术中使用反应气体的离子辅助反应装置的示意图；图2为描述按照本发明的离子辅助反应装置的示意图，该装置能对希望进行表面改性的材料的表面施加一个电压；图3为描述按照本发明的离子辅助反应装置的示意图，该装置能控制反应气体的分压；图4为描述按照本发明的离子辅助反应装置的示意图，该装置能对粉末材料表面实施改性；图5为描述按照本发明的离子辅助反应装置的透视示意图，该装置能对材料的多个面进行改性；图6为描述按照本发明的离子辅助反应装置的示意图，该装置能实现间歇式连续处理；图7为描述按照本发明的离子辅助反应装置的示意图，该装置能通过将材料从外面导入真空室腔而对材料表面进行连续改性；图8为描述按照本发明的离子辅助反应装置的示意图，该装置能对以一组晶片形式提供的材料表面进行连续改性。
实施优选的具体实施方式的模式本发明涉及一种用低能量离子束进行表面改性的装置，该装置不同于涉及薄膜制造和表面清洁的现有技术。本发明的目的在于克服韩国专利申请第2465/1996，11994/1996，11995/1996和11996/1996号所公开的技术中存在的局限。
当从离子源产生的离子束照射到聚合物材料的表面上，同时将反应气体吹到其上，即将氧气或氮气吹到该表面上时，疏水性表面可变成亲水性表面。而且，在通过将一种惰性气体照射到表面上，同时通过将反应气体吹到该表面在该表面上沉积其它薄膜(氮化物或氧化物)，而改变沉积的金属薄膜表面的粗糙度的情况下，二种薄膜之间的粘合力可以获得增强。
图2为描述按照本发明的离子辅助反应装置的示意图，该装置能对希望进行表面改性的材料施加一个电压(即偏压)。按照本发明的第一种优选的具体实施方式，当将离子束照射到具有弯曲表面的金属薄膜、氧化物薄膜或有机材料200的表面时，通过从电压源220向希望进行表面改性的材料施加一个电压同时当加速从离子枪来的Ar+离子时，在从离子枪210来的离子与材料表面之间产生一种吸引力或排斥力，使得能获得电荷畸变以改变材料表面的组成和形状。也就是说，按照本发明，提供一种施加了电压的夹持器230，而现有技术中在夹持器上不施加电压。另外，按照本发明，夹持器230与真空室腔之间是电绝缘的，在夹持器上施加了正压和负压。
图3为描述能控制反应气体分压的离子束装置的示意图。在现有技术中，由于反应气体是当输送到夹持器周围时吹到材料的表面上，难以控制反应气体的量。但是在本发明中，如图3所示，提供了分隔段300，310，用于将希望进行表面改性的材料320与产生离子束IB的离子枪340分隔开，从而易于控制材料320周围的反应气体的分压。分隔段300，310安装在室腔中，其理由是当在材料320表面周围吹扫的反应气体进入离子枪340时，该反应气体可与离子枪340中的灯丝热线反应，从而由于它们之间的氧化或氮化反应损害灯丝热线。另外反应气体与灯丝热线之间的这种反应可以阻止从离子源产生的等离子体的形成。这就是说，由于材料周围的真空度比离子源一侧的真空度低10-3，反应气体不会进入离子源一侧而是朝外面释放。当建立分隔段300，310以便只暴露预定的区域时，只对预定表面进行改性成为可能，从而使材料320的表面可以选择性地改性，而且可以阻止可引起上述问题的外部材料的进入。另外，通过能提供不同真空度的真空泵350a、350b、350c的变化安装，可以控制位于材料周围的330a部分与330b部分或离子源周围的330c部分之间的真空室腔330中的分压。
图4为描述按照本发明的用于对粉末材料进行改性的离子辅助反应装置的示意图。在现有技术中，离子源被安装在离子辅助沉积装置的下部，需要沉积的材料放置在其上面，即希望进行表面改性的目标物如在离子溅射法中一样放置在离子源的对面。但是在此情况下不可能夹持一种材料如由细颗粒组成的材料或非均匀形状的材料。但是，按照本发明，粉末材料420可以通过将离子源400安装在室腔410的上部并搅拌该粉末材料420而进行表面改性。为了对粉末材料进行改性，夹持器430安装在真空室腔410中以夹持该粉末材料420，从离子源400来的离子束IB照射到该粉末材料上，并且当开动马达450时能搅拌该粉末材料420。在反应气体吹扫的情况下，在粉末材料420周围或在夹持器430中安装了一种用于向粉末材料提供反应气体的气体吹扫单元440，以控制反应气体的量。
图5为可以对材料的多个面进行改性的装置的示意图。换句话说，该图示出的装置根据离子源的位置可以对一片布的多个表面或薄膜的多个表面进行改性。如该图所示，二个或多个离子源510，520被安装在室腔的上部或下部，或者安装在室腔500中至少二个相对的位置上，用于分别产生离子束IB并分别将离子束照射到希望进行表面改性的材料530的前和/或后或相应对立的面上。即可以以45°、60°、90°的角度将离子束照射到表面改性的面上，使得各种形状的材料如球形材料、弯曲材料等可以均匀地进行表面改性。
图6为描述可以实现间歇式连续过程的离子束改性装置的示意图。一般来说，该装置设计成在大规模生产中可以连续处理薄膜、箔或薄片的表面。如该图所示，在形成具有长的长度如盘绕成卷的一匹薄膜或纺织品材料后，在其上进行连续的表面改性。上述连续表面改性装置通过安装将薄膜盘绕成卷的装置，同样也具有可以控制薄膜速度以控制表面改性程度的优点。该装置包括室腔600，用于在该室腔中保持真空的真空源650，每个带有一个离子枪的、安装在室腔600的上部或下部、或者安装在室腔中至少二个相对位置的、用于分别产生离子束并分别将离子束照射到希望进行表面改性的材料630的前和/或后或对面的一个或多个离子源610，620，用于输送材料630的滚轴631，632，633，634，以及用于将反应气体输送到被从离子源产生的离子束照射的材料的相应表面的反应气体输送导管640a，640b，其中该材料630被连续输送到室腔中的照射离子束的反应区域，并从该反应区域中取出。
图7为描述可以对从外部环境进入到室腔中的真空环境的材料进行连续改性的离子束改性装置的示意图。一般来说，产生离子束的离子源装置只有当室腔中保持高真空度时才能产生高质量的离子束。在由第一真空泵712形成初始真空的第一真空室腔710中获得低的真空度，然后通过另一真空泵702在随后的真空室腔700中顺序地获得所希望的真空度。由于提供了产生初始真空的第一真空室腔712仅用于形成初始真空状态，大体积的真空室腔是没有必要的。如果初始真空状态不能按希望地形成，可以提供二级或三级真空室腔720和二级或三级真空泵722。当形成所希望的真空度后，将材料730转移到反应区域，在该区域中照射从离子源740来的离子束IB并进行表面改性。在取出改性后的材料的情况下，材料经过一个或多个室腔被取出，该室腔按照与获得所希望的真空状态时相反的顺序具有较低的真空度，然后将所得材料按照合适的方式储存。
图8为描述可以对以组件形式如晶片提供的材料进行连续改性的离子束装置的示意图，该装置可以用于形成氧化物材料或用于形成具有机械强度的材料。该装置可以用于对具有平板形状的表面进行改性，所以具有有用的用途，如用于硅晶片，金属板和厚陶瓷膜的表面改性。为了移动板形材料，在离子束改性室腔的两边附有一个容器室820，并且一种带形输送体系830横跨离子束改性室腔伸展。首先，支撑夹持器840的垂直移动棒可以上下移动，用于改变最大可同时含有6个制品(晶片，板等)的圆形夹持器840。第二，每个夹持器840可旋转并与间歇式输送系统830相连，用于将制品移动到离子束改性室腔中。夹持器旋转系统850由以60°角旋旋转的步进电机驱动。
如上所述，在本发明中，通过控制离子辅助反应装置中反应气体的量和照射到表面需要改性的材料上的离子束的能量，可以增强材料表面的特性。
根据本发明，使可以用于实际制造工业的表面照射方法或连续间歇式工艺的实现成为可能。
虽然由于描述的目的公开了本发明的优选的具体实施方式，但本领域的技术人员应该领会，在不超出权利要求书所列的本发明的范围和精神的情况下，可以对其进行各种改进、增加或替代。