刀片的非晶態金剛石涂層的制作方法

專利名稱：刀片的非晶態金剛石涂層的制作方法
技術領域：
本發明涉及改進的剃刀和剃刀刀片，并涉及制造具有鋒利而耐久的刀刃的剃刀刀片或類似的刮剃工具的方法，具體地涉及采用過濾陰極弧源而形成的非晶態金剛石涂層。本發明特別適用于在很薄的剃刀刀刃上形成具有高的長寬比的十分堅硬而又富有剛性的涂層。
剃刀刀片通常用合適的9基片材料例如金屬或陶瓷等制成，并且具有一條楔形的刃邊，該刃邊帶有半徑小于1000A°的刃峰或尖部，所述楔形刃邊的兩表面的夾角小于30°。進行刮剃操作時，刀刃常常發生損壞，為了提高刮剃性能，已提出采用一層或多層附加的涂層材料，使之有利于刮剃操作和/或提高刮剃刃邊的硬度和/或抗腐蝕性。
業已提出多種上述的涂層材料，例如聚合物材料和金屬以及其他的包括類金剛石碳(DLC)材料，上述的每一層或幾層的附加涂層材料必須具有粘結相容性以便使每一涂層能夠在剃刀刀片的有效使用壽命期間牢牢地粘結在基片上，并且具有所需的特性如改善刮剃性能、提高硬度和/或抗腐蝕性，同時又不嚴重地影響到刮剃刃的幾何形狀和刮剃效率。
美國專利No.5032243(Bache等人)公開了一種由離子束軸線對準剃刀刀片刃邊的離子源發出的離子轟擊磨快的刀片基體材料。美國專利No.5232568(Parent等人)和美國專利No.5295305(Hahn等人)公開了在基片與金剛石之類的涂層之間帶有中間層的刀片，其中先在基片上沉積出上述的中間層，然后再在上述的中間層上沉淀類金剛石涂層。
先前的辦法并非完全成功的，人們可望采用簡單的機械磨刀的方法(而不是上述Bache等人所述的離子束轟擊法)將基片磨快，然后直接在基片上沉積非晶態金剛石涂層(而不需要插入沉積中間層的工步)。因此，可望能夠從通過機械磨削形成薄的刀片基片開始，然后再直接在該基片上沉積一層非晶態金剛石涂層使基片兼有剛性和硬度。
按照本發明，通過對基片的磨利刃邊加上一種非晶態金剛石材料的涂層而提高剃刀刀片的刀刃的機械性能。這種涂層材料的特征是至少含有40％(體積)的碳鍵，其硬度至少為45千兆牛頓/米2，其模量至少為400千兆牛頓/米2。而且這種涂層材料不受刮剃時常用的熱水溶液和各種化合物所腐蝕。在本發明的改進方法中，以非晶態金剛石材料作為具有上述特性的材料。與本發明的非晶態金剛石材料相反，通過傳統的方法(例如濺射法)制成的傳統的類金剛石碳涂層(DLC)沒有如此高的硬度，DLC涂層與本發明的非晶態金剛石不同，其硬度一般不超過30千兆牛頓/米2。
上述的非晶態金剛石涂層具有很高的硬度和剛性，它可使十分薄的剃刀刀刃具有強度。美國專利No.4720918(Curry等人)公開過這種類型的刀刃，本文將其納入作為實你，但不必認為受其限制。很薄的刀刃可使刮剃時更舒適，但只是在刀刃的強度足以承受刮剃操作時才能實現。一個由400-2000A°非晶態金剛石涂層強化的薄刀刃(包括但不限于美國專利No.4720918所述那種薄刀刃)將是一種比現用刮剃刀刃薄得多的精致刀刃，且兼有承受刮剃的足夠強度，這是由于非晶態金剛石涂層具有異平尋常的強度。
使薄刀刃進一步提高質量是本發明采用了特殊的陰極弧沉積法來形成非晶態金剛石涂層而使刀刃具有高的長寬比。關于“長寬比”將在下文討論中參考圖3作較詳細的說明，但在這里為了綜述方便可以將它理解為(a)與(b)之比，其中，(a)是從涂層的尖頂至基片的尖頂的第一距離，(b)是從涂層的表面至基片的表面的第二距離。
長寬比可用來度量加在基片的本底刀刃輪廓上的涂層效果，涂層的長寬比越大或者說越高，帶有涂層的刀片就越比帶有較低長寬比涂層的刀片“更鋒利”，本發明使用很高強度的非晶態金剛石涂層的再一個優點是，將此涂層用于具有普通橫截面的剃刀刀片時可望具有更長的使用壽命。
按照本發明的一個方面，在刀片上做出一條楔形刃邊，然后在楔形刃邊的尖部和側面加上一層非晶態金剛石涂層，涂層的厚度最好至少為400A°(這就形成一個小于500°左右的尖部半徑)，其長寬比最好為2∶1至4∶1。刀片具有良好的刮剃性能且使用壽命長。
在最佳實施例中，剃刀刀片基體材料是鋼，非晶態金剛石涂層的硬度至少是鋼基片的4倍，采用多步機械磨削法做出刀片的楔形刃邊；用石墨靶作為過濾陰極弧源產生碳離子來形成非晶態金剛石涂層。
按照本發明的另一個方面，提供一種制造剃刀刀片的方法，該方法包括下列步驟制備一種基片；在該基片的一邊做成夾角小于30°、尖頂部半徑最好小于1200A°的楔形利刃邊(所述的尖頂部半徑是指將刀刃尖頂置于至少放大25000倍的掃描電鏡下觀察時位于刀刃尖頂內的最大圓的估算半徑)；用過濾陰極弧蒸發法在刀片的利刃邊上沉積一層非晶態金剛石層，使該非晶態金剛石涂層的尖頂部半徑小于1000A°左右。上述的非晶態金剛石層可采用多種方法來沉積，這些方法通常都是用碳作為高離子化物質的高能沉積。雖然陰極弧法、陽極弧法、烴類氣體的等離子分解法、用感應偶合射頻進行后離子化的濺射沉積法、激光消蝕法、激光吸收波沉積法(LAWD)和直接的離子束沉積法均可用來沉積涂層，但是本發明的最佳實施例采用過濾陰極弧沉積法。
在一種具體的方法中，對基片進行多步機械磨削做出鋒利刃邊；用過濾陰極弧法沉積一層非晶態金剛石層，刀刃上的非晶態金剛石涂層的厚度至少為400A°，該非晶態金剛石層至少含有40％(體積)的碳鍵，其硬度至少為45千兆牛頓/米2；然后在沉積在刀刃上的非晶態金剛石涂層之上再涂一層粘結性聚合物涂層。
按照本發明的再一方面是提供一種刮剃裝置，該刮剃裝置含有一個刀片支承構件和至少一個固定在該支承構件上的刀片構件，上述的刀片支承構件在刀刃的前后具有與使用者的皮膚相接合的外表面。固定在支承構件上的剃刀刀片構件含有一個帶有由小平面構成的楔形刀刃的基片和一層強化材料層，上述的小平面在距刃尖40μm處的斜角為小于17°，上述強化材料層在從上述基片的刃尖至距刃尖40μm處的厚度至少為400A°，其刃尖部的半徑小于500A°，其長寬比的范圍為2∶1至4∶1。
在一種具體的刮剃裝置中，剃刀刀片構件具有兩個鋼制基片，其兩楔形刃邊相互平行地置于皮膚接合面之間，其刃邊強化層是非晶態金剛石層，層厚約為1000A°(根據基片種類和工藝參數的不同，一般為400-2000A°)，該強化層的特征在于至少含有40％(體積)的碳鍵，其硬度至少為45千兆牛頓/米2，在非晶態金剛石材料層上涂有一層粘結性聚合物層。
上述的刮剃裝置可以是容易用來與剃刀把連接和分開的盒式裝置，或者，也可以與刀把做成整體，這樣，當刀片變鈍時，整個剃刀就要報廢。上述的前、后皮膚接合表面與刀刃相結合形成刮剃的幾何形狀。美國專利No.3876563和美國專利No.4586255所公開的那種刮剃裝置就是特別好的刮剃裝置。
通過下面結合附圖對具體的實施例的說明將可看出本發明的其他特征和優點，包括沉積所需的非晶態金剛石涂層的工藝條件，附圖中

圖1是本發明的刮剃裝置的透視圖；圖2是本發明的另一種刮剃裝置的透視圖；圖3是說明本發明的剃刀刀刃幾何形狀的一個例子的示意圖；圖4是實施本發明的設備的示意圖；圖1A-6A是在下面附件A說明的尚未授權美國專利申請No.08/233006中的附圖。
在下面的敘述中，將結合說明沉積所需涂層的工藝條件來說明刀片、基材和非晶態金剛石涂層的各種最佳實施例。
參看圖1，刮剃裝置10含有連接剃刀柄的構件和一個由高致密性聚苯乙烯模壓成的臺座件12，該臺座件12具有形成向前橫向延伸的皮膚接合表面14的結構，在臺座件12上安裝了具有鋒利刀刃18的前刀片16和具有鋒利刀刃22的后刀片20，由高致密性聚苯乙烯模壓成的蓋件24具有形成位于刀刃22后面的皮膚接合表面26的結構，在蓋件24上固定有刮剃輔助復合件28。
圖2示出在美國專利No.4586 255(Jacabson)公開的那種刮剃裝置30，它含有一個帶有前部34和后部36的模壓體32，在該模壓體32上彈性地安裝了防護件38、前刀片組件40和后刀片組件42，每一個刀片組件40和42各有一個帶有鋒利刀刃46的刀片44。在后部36的槽內摩擦固定著一個刮剃輔助復合件48。
圖3示出刀片16、20和44的刀刃區的示意圖，從圖中可清楚地看出其長寬比。這種刀片含有不銹鋼基體部分50，該基體部分50具有楔形鋒利刀刃，刀刃是在磨出尖部52的磨刃工序中形成的，尖部52的半徑一般小于500A°，其兩小平面54和56的夾角約為13°。在尖部52和平面54、56上沉積有一層厚度約為2000A°的非晶態金剛石層60，其長度(從非晶質金剛石層尖部70到不銹鋼基體尖部52的距離(a)與非晶質金剛石涂層60的寬度(b)之比)約為3∶1。
在涂層60上再涂上一層粘結性的調聚物層72，該層72涂覆時的厚度較大，但在最初的刮剃過程中便減小至單層厚度。
圖4示出加工圖3所示類型的刀片的設備示意圖。該設備是一種過濾陰極弧沉積裝置(例如Colorado Boulder蒸發技術公司制造的那種裝置)，該裝置含有一個不銹鋼工作室80，該工作室80通過閥82與真空泵系統(未示出)相連接。工作室80內安裝了一個電絕緣的水冷基底平臺84，在該平臺上設置了一個夾持一組剃刀片88的可轉動的夾持器86。
刀片88的鋒利刀刃垂直于圖紙平面排列，其小平面從夾具86向下。固定在工作室80外部的馬達90可使刀片組在預定行程上轉動180°，以便使每個刀刃交替地暴露在來自單一陰極弧源92的碳離子束中，保證刀片的兩個斜面受到均勻地沉積。
在工作室80內還設置有兩個過濾陰極弧源92、94，它們各由一個石墨靶96(陰極、純度為99.99％)、一個引弧機構98和一個過濾器或稱導管100組成。過濾器100用來將碳離子(弧等離子)流從陰極96導引到刀片組88上，這種導引是利用由沿導管長度設置的電線圈102和置于導管下方的電磁體104產生的螺線磁場實現的。上述的陰極弧源也可以是在Welty于1994年4月25日提出的未決美國專利申請No.08/233006(該申請書的說明已納入本申請書作為附件A)中所述的那一種，磁場可以控制，以便像上述專利申請書中所述那樣，使得與弧源相關的弧具有最佳的性能。靶96、導管100和刀片夾具86分別裝有水冷卻管106、108和110。
導管100安裝成使其出口中心軸線114與刀片尖部組成的平面112之間的夾角為50°。選擇這種角度是為了保證沉積出完全致密的深層。石墨靶96的長度約為30cm，寬度約為2.5cm，它與工作室80之間是電絕緣的，而導管100是接地的。石墨靶96通過開關120與一個直流電源118相連接。用電線將刀片組88通過開關122與直流電源124相連接或者通過開關126與整流電源128相連接。在上面提到的Welty的未決美國專利申請No.08/233 006中進一步討論了最佳的過濾陰極弧的設計與操作的細節。
可轉動的夾持器86夾持刀片組88，其刀刃與過濾導管口之間相隔15cm。刀片組88可在刀片的一個斜面向著導管100時的位置與另一個斜面向著導管100時的位置之間轉動，每10秒鐘轉動180°，保證在每個斜面上均等地沉積上涂層。
一種具體處理程序的實施例是將刀片組88(長2.5cm)夾緊在可轉動的夾持器86上，打開夾持器冷卻水，對工作室80抽真空。通入流動的氬氣將工作室80的壓力調至50微乇。合上開關122，對葉片組加上-400伏的直流電壓，引發直流等離子放電，對葉片組清理10分鐘。經過清理后，(i)將工作室氬氣壓力調至0.1微乇；(ii)對單一導管100的電磁場線圈102供電；(iii)合上接石墨靶96的開關120；(iv)將通到刀片組的直流電源124的電壓調至-1000伏；(v)用引弧機構98的石墨靶96上引弧。將該弧流調至100安培。從導管100發射出強大的碳離子等離子體，并沉積在每10秒鐘旋轉180°的刀片88上。
起弧兩分鐘后，將偏壓電源124調至-50伏，繼續沉積，總的時間為16分鐘。刀片每面所得到的非晶態金剛石涂層的厚度約為1000A°。刀片尖部的半徑約350A°，長寬比約為2.5∶1。
在另一個處理程序的實施例中，兩個陰極弧源同時工作，第二個弧源94位于第一個弧源92的對面，所以，刀片的兩個平面可在大致相同的傾斜角度下同時沉積涂層，在這種實施例中，刀片組88不轉動，而是在兩個弧源射出的等離子交叉區域中進行少許移動。本實施例處理方法的所有其他方面都與上述實施例相同。
然后，在刀片上帶有非晶態金剛石涂層的刀刃上再涂敷一層聚四氟乙烯(PTFE)調聚物涂層72。其工藝包括在中性的氬氣氣氛中加熱刀片和在刀片的刀刃上涂上一種粘結性的可摩擦減薄的固態PTFE聚合物涂層。涂層72和60牢牢地粘附在刀片本體50上，用一種低溫毛氈磨削力(用濕毛氈(L5)至少進行5次磨削，磨削力約為0.45kg)磨削刀片本體，經過反復的毛氈磨削試驗要表明非晶態金剛石涂層60在上述毛氈磨削試驗的使用條件下基本上不受影響，并且，即使浸漬在80℃的蒸餾水中16h后，仍然牢固地粘附在刀片本體60上。
將所制成的刀片件44裝配在圖2所示那種類型的刮剃裝置30上，具有良好的刮剃效果。
工藝條件通過下面對上面概述的適宜工藝條件的具體說明將可進一步了解上面所公開的刀片、基材和非晶態金剛石涂層的特征和性質。首先，綜述最佳的陰極弧源，然后再說明各種最佳的工藝條件。
陰極弧源可以使用如美國專利No.5279723(Falabella等人)所公開的普通過濾陰極弧等離子源材料來沉積非晶態金剛石涂層，但是在一個最佳實施例中，按照先前參考的已納入本文作為附件A的尚未授權專利申請中的方法來沉積這種涂層。雖然，附件A所述的矩形源極特別適用本發明的實施，但是，本發明不限于此。非過濾的或者其他普通的源極同樣可以用，不應將本發明理解為只用過濾的陰極弧源。
工藝條件和調節工藝條件包括對基材多步加偏壓；對刀片兩側面的均衡平均沉積；和保持展示角。
在沉積涂層時，最初對基片施加200-2000伏的高偏壓達2min，以形成粘結。第二步施加10-200伏的較低偏壓，以便獲得最佳的非晶態金剛石硬碳涂層組織，并形成理想的結晶組織。雖然，按照本發明至少需要有上述兩個步驟，但是，也可以還要一個“下臺階”式的降低偏壓的步驟，例如，增加一個施加500伏的中等偏壓的步驟。
非晶態金剛石涂層以均等的速度(或者說同時地)沉積在刀片的兩面上。通過設置至少一對源極以便同時地沉積和/或周期地調整刀片相對于源極展示角，涂層就會均勻地或者說以均等的速度沉積到刀片的兩面上。由于每個刀片都各有一個由第一斜面與第二斜面組成的并在兩斜面會合的尖部處形成的刀刃，而且一組刀片可以·疊成一沓、其尖部組成一個平面那樣設置，或者·設置在一個轉盤上，或者按其他方式設置，所以，施加涂層的概念包括，(i)至少使用兩個源極而刀刃的兩個側面上的沉積速度瞬時相等，或者(ii)通過刀片組(疊層或轉盤)相對于單一源極的移動(刀片相對于源極周期地交替出現，例如通過翻動疊層、轉動圓盤、或其他的依序出現的方式)而使涂層在整個沉積時間內以大致均勻的速度沉積在每把剃刀的刀刃的兩個側面上。
這就是說，要施加厚度為1000A°的涂層，本發明的最佳方法不是先在許多刀片的第一側面上沉積全部1000A°厚的涂層，然后再在刀片的第二側面上沉積全部1000A°厚的涂層，而是，(i)同時在兩側面上進行沉積，直到在每個刀片的刀刃的兩個側面上形成1000A°或其他所需厚度的涂層，或者(ii)循環交替地首先在第一側面上沉積3-500A°厚的涂層，然后在第二側面上沉積3-500A°厚的涂層，回過來，再在第一側面上施加一定厚度的涂層……，如此往復，直到在每個刀片的刀刃兩側面上形成1000A°或其他所需厚度的涂層為止。雖然，上面所述方法是一種最佳的方法，但是，不可將本發明理解為只限于此，本發明也可以按照不均等的或者說不平衡的涂層方式予以實施。
應當明白，上述的展示角是很重要的。低壓(高真空)條件可形成一個高度定向的離子化碳的等離子流。刀片處于與層疊刀片的尖部構成的平面的垂線呈一定角度的位置(或者說處于與未疊放的刀片刀刃的第一斜面與第二斜面的夾角的等分線呈一定角度的位置)，該角度大于20°，但小于90°，展示角用來導引等離子流更加定向地對著刀片刀刃的一個側面或另一個側面。
如所周知，本發明的沉積工藝可以使用或者不用工作氣體(例如氬氣)來實施；工作室可通過整流或直流輝光放電進行清理；對基材施加偏壓可采用直流電源或整流電源(這種加偏壓的方法可用來使刀片尖部成形)。
下面將會看到，本發明可以強化薄的刀片同時保持其鋒利程度(也就是說，可提高薄刀片的韌性和剛性而不損壞尖部的尖銳度或者說鋒利程度)，在一種可對較普通的剃刀片施加厚度約為100-350A°的涂層的場合下，本發明的方法將可沉積厚度高達3000A°(從遠離尖部的刀片表面上測量)和5000A°(在刀片尖部測量)的非晶態金剛石涂層。如上所述，本發明方法在獲得上述所有效果的同時仍保持高的長寬比。
要注意到，采用本發明方法進行涂層的剃刀片可望比普通剃刀片更薄、更鋒利，而且按本發明工藝可允許2∶1或更高的長寬比，并具有非晶態金剛石硬碳涂層的高強度，使刀片本身的級別提高一步。
附件A矩形的真空弧等離子源極本發明的范圍本發明涉及一種真空弧蒸發方法，更具體地，涉及一種安裝在矩形等離子導管內的矩形平面陰極的過濾陰極弧蒸發方法。上述矩形源極的長度可以無限地延長，因此，本發明特別適用于對一種長的或大的基體件進行涂層或離子注入。
本發明兼有過濾陰極弧的優點(充分離子化的氣化物流、消除熔滴飛濺)和矩形源極的優點(從源極均勻地蒸發并通過線性運動均勻地沉積在基體件上)，從而達到對較大的基體件進行均勻的涂層或離子注入，并且基體件極少受到熔融源極材料微滴的污染。
本發明的背景過去十年來，真空弧蒸發技術已廣泛用于工業生產中對一種待涂層的基體件沉積金屬、合金和金屬化合物涂層。真空弧放電也已用作諸如離子注入、離子束加速器和火箭推進等用途的離子源。
對一種基體件進行涂層或離子注入的真空弧蒸發方法包括一個用要沉積的材料制成的陰極靶和一個待涂層的基體件。通過大電流低電壓等離子弧放電使安置在已抽真空(真空度一般小于0.001毫巴)的真空室內的陰極靶蒸發，待涂層或待注入離子的基體件通常置于真空室內對準陰極靶的蒸發表面，一般相距10-100cm?；‰娏饕话銥?5-1000安培，弧電壓為15-50伏特。
弧等離子放電通過由電弧使靶極材料蒸發和離子化產生的等離子在陰極與陽極之間形成電流，所述陰極(負電極)是一種電絕緣源極件，它在沉積過程中至少部分地消耗，陰極的可消耗部分稱為“靶”，通常制成一種可夾持在一個被冷卻的稱之為陰極體的非消耗件上的可更換件。陽極(正電極)可以是一種置于真空室的電絕緣構件，或者真空室本身，它在沉積過程中不消耗。
通常通過機械接觸，高壓打火或激光照射法在陰極靶的可蒸發表面引發電弧，隨之出現的弧等離子放電高度地集中在陰極蒸發表面上的一個或多個流動的弧光點中，但分布在陽極的大的面積上，陰極上的弧光點中極高的電流密度(估計為106-108安培/厘米2)使得陰極材料局部加熱、蒸發和離子化。
每個弧光點沿大致垂直于陰極靶面的方向射出一股等離子射流，從而形成一種伸入陰極與陽極之間區域的發光射流。將待涂層或待注入離子的基體件置于陰極與陽極之間或鄰近陰極和陽極處。通過施加一個電壓?？蛇M一步加速陰極材料的氣化物投向基體表面，并凝結在基體表面上或嵌入基體表面內。在蒸發過程中可向真空室內引入活性氣體，從而形成含有靶極材料、活性氣體和/或基體材料的化合物。
在弧電流低于大約70-100安培(視靶極材料而定)時，陰極材料的表面上只有單一的弧光點。當弧電流高時，在靶極表面上同時出現許多弧光點，每個弧光點攜帶占總的弧電流的相同百分數的電流。在不加磁場的情況下，弧光點傾向于圍繞靶極表面隨意運動，在靶極表面留下一種像噴火口似的微觀特征的尾跡。
外加的磁場對弧射流施加一個沿垂直于磁通線和射流的方向的力，并且對弧光點的宏觀平均運動有極大的影響(雖然弧光點的微觀運動仍然是半隨意性的)?；」恻c在磁場中的運動方向與根據電子流從陰極發射時的安培定律確定的矢量J×B的方向相反或者說“反向”，這一現象是由于弧射流內復雜的動力學效應引起的，并且已經廣泛報導和討論過。
弧光點上靶極材料蒸發的一種不希望的副效應是在蒸發射流膨脹產生的反作用力的作用下從靶極射出熔融材料的熔滴。這些熔滴通常稱為微粒，其尺寸范圍從不到一個微米到幾十微米。這些微粒落到待涂層的基體上時，可能嵌入涂層中，使之凹凸不平，或者是，這些微柱撞擊到基體上，使之脫落，從而在涂層中形成坑點。
已經想出各種對策來減少進入基體上的涂層內的微粒數量，這些對策大致可分為兩類(1)第一類是采用某種形式的磁場來控制和加速弧光點，從而減少微粒的產生，(2)第二類是采用在陰極弧源與基體之間設置一種過濾裝置，以便將陰極靶材料已離子化的部分傳送到基體上而堵住熔融液滴。
上述的第一類方法即磁場法一般比第二類方法即過濾法簡單，但不能完全消除微粒的產生。第二類的過濾法消除微粒通常比磁場法更有效，但需要復雜的裝置，并且顯著減少弧源的輸出量。
過濾法是將基體置于陰極靶表面的視準線之外，所以從陰極射出的微粒不會直接沖撞在基體上。在陰極與基體之間設置一種帶角度的過濾導管，將等離子輸送到基體上。
為了使從陰極源發射出來的帶電等離子到達基體上，通過電磁偏轉法使這些等離子在上述過濾導管內偏轉45-180°而通過過濾導管的拐彎處再撞擊到基體上。而不帶電荷的微粒則不受電磁場的作用而偏轉，它們繼續前進而撞到濾導管的管壁上，這就達到阻止微粒到達基體上的目的。但是，實際上，微粒從過濾導管壁反彈出來和/或等離子中小粒子的吸入都可能使一些微粒通過過濾導管而到達基體上。
現有的過濾陰極弧技術是建立在圓形的或圓筒形的陰極和過濾器的基礎上的，它們一般只用于小的或特殊形狀的基體件。
有幾個美國專利(包括Edison的USP No.484 582)公開過在弧蒸發方面所做的早期工作實例。上述專利No.484 582敘述了采用真空弧蒸發法在一個基體件上沉積一層涂層的技術；美國專利No.2972695(Wroe)公開了一種磁穩定化的真空弧蒸發設備；美國專利No.3625848和3836451(Snaper)公開了帶有特殊形狀電極的弧蒸發設備，應用磁場提高蒸發速率并將離子導引到基體上；美國專利3783231和3793179(Sablev等人)公開了一種特殊電極和擋板的形狀，和弧光點離開所需的陰極源極材料之蒸發表面時所激活的磁場的應用。
美國專利4724058(Morrison)、4673477(Ramalingam等人)和4849088(Voltrop等人)公開了約束在陰極上的圓形軌跡或者說粒子軌道內的陰極弧的實例。每一個上述的參考專利都談到一種采用封閉的環形通道形的弧形磁場的弧蒸發設備，所述的磁場將弧光點約束在陰極表面的一個固定的或活動的部位上的封閉環形粒子軌道上。據認為，通過磁場約束和加速弧光點可以減少上述的因弧放電而產生的微粒。產生上述磁場所需的裝置是在平面磁控管濺射技術中廣為人知的。而且也知道，例如，可以通過機械方法(如Ramalingam等人和Veltrop等人的專利所述那樣)，或者通過采用多步電磁法(如Morrison的專利所述那樣)來移動弧的電磁場發生裝置。
美國專利4609564和4859489(Pinkhasov)和5037522(Vevgason)和5269898(Welty)公開過長的圓柱形陰極的實例，他們全都宣稱采用了圓筒形的或棒狀的長陰極，并利用弧電流自身的磁場來迫使電極沿其長度方向運動。Welty說，采用附加的軸向磁場件來加速和控制弧的運動，可以減少微粒的產生。
美國專利No.4492845(Kljuchko等人)公開了一種采用圓環形陰極的弧蒸發裝置，在此裝置中，可蒸發的陰極表面就是它的面對著直徑和長度都比它大的圓筒形陽極的陰極外壁，待涂層的基體置于環形陰極的內部，不面對著蒸發表面，由受陽極的電磁場作用而反射回來的離子化材料進行涂層，據稱，同軸磁場可以加強從陽極的反射。從陰極表面射出的微粒不會被陽極電反射(雖然它們可從陽極機械地回彈)，因此，減少了進入涂層的微粒。
在Aksenov/Axenov、Falabella和Sanders所做的工作中，表明了使用設置在陰極源與基體之間的某種形式的過濾裝置、用來傳送陰極輸出的帶電的離子化部分并堵住不帶電的微粒以減少進入基體涂層中的微粒數量的工作實例。
Aksenov等人的論文(“在彎曲的等離子-光學裝置中等離子流的傳輸”，《蘇聯等離子物理學雜志》，1978年第4期第4頁)談到了一種具有90°彎曲的圓筒形等離子導管的應用，該導管帶有電磁線圈以形成一種通過導管的螺線形磁場，在導管之一端有一個圓形的弧蒸發陰極，在另一端置放一個基體件。由于磁場和電場的的作用，使陰極射出的等離子從導管壁反射出來，并通過導管沿著磁場傳輸到基體上，與此同時，不帶電的微粒就不會因磁場或靜電場的作用而偏轉，而是被導管壁所攔截。
美國專利No.5279723(Falabella等人)公開了一種基本上與上述的Aksenov的過濾裝置相似的裝置，該裝置采用一種具有45°彎曲的圓筒形導管和一個圓形的或錐形的陰極和陽極，上述專利對各種部件進行了改進，包括對陰極和內擋板的形狀的改進，從而減少了微粒的遷移。
美國專利No.4452686(Axenov等人)公開了一種不帶彎曲的直圓筒形過濾導管，在導管的一端設置一個圓形陰極，用電磁線圈產生一種通過導管的螺線形磁場，在導管的中央設置一個附加電極，正好擋住從陰極到基體的視準沉積線。從陰極射出的電離子由于導管壁和中央電極上的磁場和電場的作用而偏轉，并沿通過導管和圍繞中央電極的磁場而遷移，不帶電的微粒就不會受磁場或電場的作用而偏轉，而是被中央電極所攔截。
美國專利No.5282944(Sanders等人)公開了一種與No.4452686(Axenov)的裝置有些相似的裝置，該裝置采用一種直的圓筒形過濾導管和一個中央擋板，該擋板可防止從陰極以低角度射出的微粒直接到達基體上。電磁線圈在導管內產生一個接近導管壁的大致為螺線形的磁場。在此情況下，陰極的蒸發表面就是一個與過濾導管同軸定向的短圓筒的外表面，這樣，從陰極射出的等離子徑向地射到過濾導管的外壁上，而后在磁場和電場的作用下在導管壁處作大約90°的偏轉，并沿著磁場遷移到置有基體件的導管端部。所發明的內電極加強了等離子在圓形過濾導管中與設置基體件的一端相對的另一端處的偏轉。
現有技術從未公開過一種帶有矩形蒸發表面的陰極和應用磁場極性的變換來控制陰極表面上弧的運動的技術，也沒有公開過具有矩形橫截面的過濾導管。因此，盡管人們做了以上所述的工作。但是，仍然需要對過濾陰極弧進行改進。過濾陰極弧最好有一種矩形的沉積源極。
大型基體件的涂層、軋制態板材的涂層以及在線性傳送帶或圓盤傳送帶上連續流水作業的較小基體件的涂層都希望采用矩形的沉積源極，廿十年代研制的矩形平面磁控管濺射陰極已經導致上述各類基體件涂層用的濺射技術的廣泛工業化(參見，例如Welty的美國專利No.4865708和4892633所述的磁控管濺射陰極)。
過濾陰極弧源的優點在于從源極射出的陰極材料的氣化物流可以充分離子化，這與非弧基沉積法例如蒸發和濺射法不相同。來自矩形源極的充分離子化的氣化物流可以使到達基體上的、用于進行涂層或離子注入的原子的能量變得更高，并且可提高氣化物與系統中的活性氣體或直接與基體形成化合物的活性。
本發明具有過濾陰極弧的優點(充分離子化的氣化物流，消除熔滴飛濺)和矩形源極的優點(從源極均勻地蒸發和通過線性運動均勻地沉積在基體上)，以便對長的或大的基體件進行涂層或離子注入，因此，本發明的目標就是使一種矩形的真空弧陰極產生一種過濾的陰極弧，來完成現有技術不能履行的使命。
本發明的綜述本發明提供一種在一個矩形區域內產生和導引等離子流的裝置，用來在一種基體上形成一種涂層或進行離子注入。將一個矩形陰極安裝在一個帶角度的并具有矩形橫截面的導管內，該導管限制等離子流并使之向基體所在部位偏轉，與此同時攔截也是由弧產生的陰極材料的熔滴。這里，將等離子導管中安裝陰極的區域稱之為導管入口段，而基體件則安裝在靠近導管的出口段處。
在導管內建立一個導引等離子通過導管同時又使弧光沿矩形陰極的長度方向移動的磁場。當弧光到達陰極的端部時，傳感器理發出一個信號，使至少一部分磁場的極性改變方向，從而引起弧光變向，并向著陰極的另一端移動。無化弧光到達陰極的哪一端，都轉換磁場的極性，從而使弧光沿矩形陰極的長度前后掃過陰極。
雖然磁場的極性(方向)反復地轉向，但是，磁場的形狀及其相對于導管的取向最好保持基本不變，并使等離子在每一極性下都遷移通過導管。在本發明的一個最佳實施例中，鄰近陰極處的磁場線收斂區形成了一個向導管出口的反射等離子的磁鏡。
弧光沿陰極靶長度方向運動是由于鄰近于靶極表面的磁場分量引起的，該磁場分量平行于靶極表面的平面并垂直于矩形靶極的長軸線。對于該取向的磁通分量來說，兩種極性(方向)都是可能的。當磁場具有一個極性時，弧光沿如上所述的向后的J×B矢量的方向順著陰極長度移動，當磁場具有相反的極性時，弧光便沿相反方向順著陰極長度移動。
由于磁場的極性根據位于陰極兩端的傳感器發出的信號而改變，同時又保持磁通線相對于靶極表面的取向，故能夠使弧光沿陰極長度移動的方向定期地變換，從而使弧光沿一條較直的線順著矩形陰極的長度前、后掃描。
采用位于導管外面或陰極體內部的電磁線圈，可以產生鄰近于靶極蒸發表面的可換向的磁場，該磁場可促使弧光沿靶極長度移動。在現有技術中已有采用流過矩形陰極的弧電流本身的磁場來產生一種可換向的磁場。例如，將弧電流同時連接到矩形陰極的兩端，并根據位于陰極兩端的傳感器發出的信號改變流至陰極各端的總電流的百分比，就會產生一個沿所需取向的磁場分量，使弧光順著陰極的長度移動，這一點正如美國專利No.5269898(Welty)所述的那樣。
當矩形陰極內流過的大部分弧電流的方向按照傳感器發出的信號而改變時，平行于靶極表面的磁場分量的極性(方向)也發生變換，從而使沿靶極長度移動的弧光變換方向。而且，也可由沿著陰極長度方向通過的并根據傳感器信號而變換自身的方向的控制電流(正如美國專利No.5269898也談到的那樣)、或者，通過改變從陰極的一端向另一端的弧光電流輸入的方向(正如Vergason的美國專利No.5039522所述那樣)來產生促使我掃描的磁場分量。在現有技術中，還未提到過采用一種與流過陰極本身的電流無關的磁體件來產生可換向磁場的問題。
等離子通過導管的遷移主要是由于導管壁附近的平行于壁面和導管軸線的磁場分量的作用所致。等離子的電子通過磁場向導管壁擴散形成了一個垂直于能反射正電荷離子的導管壁的電場分量，從而使等離子繼續沿著導管并繞過導管的彎曲處向前移動。不帶電的微粒不受到反射，因此被導管壁或擋板所攔截，所述擋板是垂直于導管壁安裝的，并伸入導管內一個短的距離以減少微?；貜椂x開導管壁。導管內及鄰近導管壁的磁場分量的極性最好隨鄰近靶極表面的、引起弧光掃描的磁場分量的極性而同時轉換，以便使整個導管的磁場形狀保持不變(盡管極性是變化的)。但是，僅改變靶極表面區域內的磁場極性并采用電磁鐵或永久磁鐵使導管區保持固定的(非變化的)磁場，也屬本發明的范圍。在后一種情況下，磁場基本形狀的變化可引起通過導管的等離子遷移隨著靶極附近磁場極性的變換而變化。
由于等離子射流主要沿垂直于陰極蒸發表面的方向從陰極射出，所以，在導管拐彎的外徑區域容易發生強烈碰撞導管壁的現象。為了促進等離子通過導管的遷移，最好加強上述區域內的磁場強度。另一個因素是，具有不同原子量和熔點的陰極靶材料以不同的速度和動能從靶極射出，因此，希望改變磁場強度，特別是在導管彎曲區的磁場強度，以便使各咱材料都能最好地遷移。于是，在本發明的一個最佳實施例中，在導管彎曲部位的外徑附近與靶極蒸發表面相對處設置一個獨立的電磁線圈，流過該線圈的電流最好可獨立變化，與產生導管內的磁場的其他線圈內的電流無關。
應當注意到，在現有技術的圓筒形等離子導管中(或者在現有技術已發展為矩形導管的直通式管道中)，環繞著導管設置了一個或多個電磁線圈以便形成一種通過導管的螺線形磁場，組成該線圈的導線在導管彎曲的內徑處一定要比在外徑處更為緊密地隔開在一起，結果，導管內的磁場分布情況是在導線相隔較緊密的內徑處磁場強度較大，而在受弧等離子射流撞擊的導管外徑處磁場強度較低。因此，在這一方面現有技術的做法與本發明不同，在本發明中，在導管內彎曲的外徑處的磁場強度提高到等于或大于內徑處的磁場強度，以便加快等離子通過導管的遷移。
通過等離子電子垂直于磁場方向(該磁場方向基本上平行于過濾導管壁)的擴散可形成一個垂直于導管壁的電場，在現有技術中以及在本發明的這一方面(上面已談到)該電場反射來自導管壁的帶正電荷的離子。另外，也可以通過第二方法使離子反射而離開導管壁，也就是，使導管壁附近形成一個磁通線沿大致垂直的方向在靠近導管壁處收斂的區域(該區域稱為磁鏡)。當靠近導管壁的等離子電子進入磁通線收斂區時便被反射或阻止，從而形成一個可產生一個也反射等離子離子的電場的電子密度梯度。上述的磁鏡通常在實驗室設備或其他的等離子裝置中用來約束等離子。
本發明首次公開了磁鏡場在過濾真空弧等離子源技術中的應用?，F有技術已談過需要磁鏡場所提供的功能的問題。例如，在美國專利No.5282944(Sanders等人)就談到過，該專利說明書指出，必須采用其圖2和3中標號為21的許多絕緣環件來防止等離子在磁場通過導管壁的區域內傳給導管壁。在本發明的一個最佳實施例中，導管入口段具有一個磁鏡場區就可為流向導管出口段的等離子流提供一個最佳的方向，同時又提供了使弧光順著靶極長度移動的磁場分量(該發量平行于靶極的表面并垂直于其長軸軸線)。磁鏡場極性的變換(以由此產生的平行于靶極表面的磁場分量的極性的變換)引起靶極表面上弧光移動方向的變換，但不改變磁鏡場的形狀或功能。
由于各種可獨立變化的磁場源相結合和疊加在導管出口段上形成了一個螺線形磁場區、在導管彎曲外徑處附近形成了一個“阻尼”場區和在導管入口段內鄰近陰極處形成了一個磁鏡場區，所以，本發明具有足夠的調節性來使很多種靶極材料的等離子沿導管的遷移最佳化。但是，應當明白，在本發明的一個實施例中，不是上述所有的要素都是需要的，所需要的各種要素也不是獨立變化的，尤其是在采用某種對單一靶極材料最理想的磁場源時更是如此。例如，根據變換靶極表面附近的磁場極性所采用的方法的不同，采用一個繞在整個導管的螺線形電磁體可能就足夠了。
本發明與現有技術的不同之處在于采用矩形的陰極和等離子導管；陰極上弧的運動的控制方法；和等離子導管中磁場的形狀及其控制。
具體來說，本發明的磁場形狀和控制方法使之有可能制出具有矩形的輸出通道且可制成所需長度的緊湊而高效的等離子源，因此兼有過濾陰極弧和矩形沉積源的優點。用來控制弧在陰極表面上運動的磁場換向技術可使陰極的寬度做成比現有技術的采用粒子軌道式磁場用的陰極窄得多。
因此，等離子導管可以做得較窄和較短，這就形成一種緊湊的結構，比現有技術的笨重的過濾器更容易裝入真空系統中，特別是在含有多個等離子源的系統中更是如此。窄的陰極和掃描弧也可使靶材沿其長度的消蝕比現有技術中所用的平面軌道式陰極更均勻，并可采用更高的靶極材料。
本發明的優點可使源極的長度無限地延長，從而使采用矩形或長形蒸發源極的應用具有過濾弧沉積或離子注入的優點。
附圖的說明圖1A是使用圓形陰極和圓筒形等離子導管的現有技術的過濾真空弧的示意圖；圖2A是本發明的過濾弧等離子源極的示意圖3A是本發明的導管組件和磁體的透視圖；圖4A是本發明的導管組件的端視垂直剖視圖；圖5A是本發明的導管組件的側視垂直剖視圖；圖6A是表示本發明的磁場線和磁場鏡與導管組件和磁鐵組件的相對關系的端部剖視圖。
最佳實施例的詳細說明本發明提供一種在一個矩形面積內產生和導引等離束以便在一種基體件上形成涂層或者進行離子注入的方法。
圖1A示出一種現有技術的與一個過濾器22相連接的陰極20，所述的過濾器22可將由陰極弧放電產生的離子流與粗大粒子分離開。陰極20是截頭錐體形的，具有圓形截面和錐形的側面。過濾器22含有兩個端部相對但彼此呈45°夾角的螺線管，這種排列可阻隔陰極弧光至待涂層的基體件24的視準線，同時又為離子流和電子流提供通道，過濾器22還帶有若干個擋板，用來俘獲粗大粒子。
參看圖2A，本發明的一個最佳實施例含有一個設在陰極體31上的陰極靶30，該靶30具有一個大致為矩形的蒸發表面33。在一個最佳實施例中，陰極30是碳質材料，但也可以是其他任何合適的可蒸發材料。陰極體31安裝在夾持器32上并位于等離子導管34的入口段36內。陰極30與弧極電源28的負極連接，而等離子導管34(它也用作為陽極)與弧極電源28的正極連接。引弧器35用來在陰極30與陽極34之間激發弧光放電。陰極30和蒸發表面33也可由絕緣體86包圍(參見圖4A)。在等離子導管34內安裝了一個內電極82，作為傳感器84。
等離子導管34具有矩形的橫截面形狀，其尺寸與陰極30相近。導管34具有沿其中心線的彎曲軸線，在本實施例中，在導管的一個側壁上示出一個相應的內徑彎曲點37，內圓心角大約為90°，但是，對于實施本發明來說，內圓心角大致為15°-120°的范圍都是合適的。標號39總的表示相應的外徑彎曲。等離子導管34在其內徑彎曲點37的兩側有一個入口段36和一個出口段38，陰極30安裝在一個靠近入口段端部或位于入口段端部的絕緣夾持器32上，所以陰極的蒸發器33面朝等離子導管內部。在出口段38的端部或靠近出口段38的端部可置放一個或多個待涂層的基體件44。
圍繞等離子導管34設置了一組電磁體。磁體46與繞組電源53相連接，并置于導管入口段36附近，磁體48與繞組電源53相連接，并置于靠近導管34的外徑彎曲部分39處。磁體50是一個與繞組電源53連接的螺線管，它繞在等離子導管出口段38的一部分上。透視圖3A示出了磁體46、48和50與等離子導管34的關系，磁體46位于其出口段38附近，磁體48位于其外徑彎曲部分39附近，而磁體50則繞在出口段38上。
參看圖4A，可以看出，磁體46帶有一個繞在導磁材料制的中心磁極72上的線圈70，中心磁極72的兩端分別與端板74相連接。同樣地，磁體48也帶有一個繞在導磁材料制的中心磁極78上的線圈76，并由端板80分別與中心磁極78相連接。在本實施例中，磁體48的端板80是用導磁材料制的，而磁體46的端板74則是用非導磁材料制的，以便按所需方式形成磁場。
再參看圖2A，可以看到，管道54將水通入陰極30。等離子導管34和內電極82最好也通水冷卻，但在圖中未示出冷卻系統。可以對基體件44施加偏壓，并且基體件在沉積時可以按一般方式轉動和/或移動，在一個最佳實施例中，等離子導管34和基體件44密封在一個工作室(未示出)內并抽真空。在本發明的另一個最佳實施例中，等離子導管34和導管的陰極夾持器32處在真空中，而等離子導管的外部則處在大氣壓力下。
下面再結合圖4A和5A的剖視圖(圖中標號與前面所用標號相同)來說明本發明裝置的某些其它的細節?？梢钥吹?，等離子導管34的彎曲是為了阻隔陰極30與基體件44之間的視準線(所述基體件44在圖中未示出，但可理解為置于導管出口段38的端部或者在導管出口段38端部附近)。等離子導管34的出口段38、入口段36和拐彎處的內壁最好設置許多成行排列并大致與內壁垂直又彼此大致平行的擋板52。
參看圖4A，可以看出，電絕緣的內電極82，安裝在等離子導管34內部，該電極82可相對于陽極有電性浮動，或者說，可相對于陽極受正偏壓。參看圖5A，一對傳感器54置于陰極30的蒸發表面兩端的附近，其中54A鄰近左端，54B鄰近右端。
磁體46、48和50產生以磁通線表示的磁場，這一點在圖6A看得更清楚。磁通線60的方向大致平行于等離子導管34出口段38內的軸線。磁通線62的方向大致平行于鄰近陰極的導管入口段36內的陰極30的蒸發表面33。磁通線在入口段36內的區域64收斂，形成一個鄰近陰極30的蒸發表面33的磁鏡。
圖6A所示的磁通線60的圖形可由市場上可購得的有限元磁分析程序來產生。在本實施例中，磁體50和46具有600安匝，而磁體48具有200安匝。此時，在導管出口段38中心處的磁場強度大約為50高斯。可以看出，在本實施中導管外徑彎曲部39處的磁通密度(磁場強度)大致等于導管的內徑彎曲點37處的磁通密度。通過調節磁體48的線76的匝數，或者調節通過它的電流(也就是調節安匝)，可以調節導管的外徑彎曲部位39處的磁通密度，而與導管其他部位的磁通密度無關。
每當弧光分別逼近陰極30的左端或者右端時，傳感器54A和54B(見圖5A)能檢測弧光并發出信號。傳感器54可以是例如伸入等離子導管34內的電絕緣導線，通過一個電阻(未示出，例如1000歐姆的電阻)將該導線與陽極連接，因此，當弧光逼近導線時，就產生一個電壓。另外，傳感器54也可以是一個可檢測來自弧射流的光發射的光敏二極管，或者是一個可檢測電弧磁場強度的磁場測量計。繞組電源53(見圖2A)帶有一個可以改變流過磁體的電流方向的開關，并通過一種普通的控制機構(未示出)與傳感器54相連接，以便使磁場改變方向。磁場的換向可以同時在所有磁體中進行，并且在基本上不改變磁通線的形狀或它們相對于等離子導管的取向的情況下變換磁通線的方向。另外也可以只變換磁體46和48中的一個或兩個的磁通線方向。
在本發明系統的一個理想的結構(未單獨示出)中，這些磁體由一個以上的繞組電源53獨立供電。采用多個繞組電源可以使流過各磁體的電流彼此獨立地改變以便獨立地調節等離子導管34中各部位的磁場強度。同時，各個繞組電源分別帶有控制系統，所以，它們在一受到傳感器54的信號的激勵時，可以同時全都改變電流的方向。
從上所述，很容易理解本發明裝置是按如下方式工作的。
首先由引弧器35在陰極30與作為陽極的等離子導管34之間激發弧光放電，該弧光放電起源于陰極蒸發表面的弧光，并產生一種含有陰極材料的離子化氣化物的等離子。
等離子導管34將弧光放電產生的等離子從陰極30導引至置于導管出口段38處或其附近的待涂層和/或待離子注入的基體件44處。等離子導管34具有尺寸與陰極30相近的矩形橫截面形狀，并沿其中心線的軸線大約彎曲15°-180°(在本實施例中，內徑彎曲處37的圓心角為90°)，由于這種彎曲使入口段36和出口段38的視準線彼此隔開。陰極30置于入口段36的端部或置于該端部的附近，它的蒸發表面朝向等離子導管之內部基體件44置于出口段38的端部或其附近的一個區域內。
磁體46、48和50在等離子導管34內和陰極30的蒸發表面上產生一個磁場，這由磁通線表示。磁通線的方向大致平行于導管34出口段38的軸線，而在陰極處或陰極附近處的入口段36區域內的磁通線則大致平行于陰極30的蒸發表面。磁通線還在等離子導管34的入口段36區域內收斂而形成一個鄰近于并且平行于矩形陰極30的磁鏡。磁通線導引離子化氣化物通過等離子導管的彎曲處，并促使弧光沿陰極30的蒸發表面33的長度進行大致為線性的運動。磁鏡的取向向著等離子導管34的出口段38反射等離子的方向。
傳感器54檢測弧光，并在弧光逼近上述蒸發表面的任一端部時產生一個信號，該信號驅使控制系統改變繞組電源53的電流方向，從而在基本上不改變磁通線的形狀的情況下或者說在不改變磁通線相對于等離子導管34的取向的情況下改變磁通線的方向。因此，促使弧光不僅沿線性方向掃描矩形電極30的表面，而且是大體上從一個端部到另一個端部來回地掃描。
等離子導管34的內壁上帶有成行排列的擋板52。導管的彎曲可以過濾粗大粒子，而且上述的擋板也用來俘獲這些粗大粒子。
本發明的裝置具有一個長而窄的矩形源極和一個模截面為矩形且截面尺寸與上述源極相近的較緊湊的導管。從而建立了小型的導管，例如，采用一種長度約為30cm、寬度為2.5cm或者長寬比約為12∶1的陰極靶已獲得良好效果。由于本發明的矩形陰極的長度可以無限地延長，故可望達到更高的長寬比。
因此，可以明白，本發明提供了一種產生并在一個矩形面積內導引等離子束以便在一個基材上形成涂層或進行離子注入的方法。
正如上面已談到的，本發明的好處是通過如下措施實現的(a)矩形的陰極弧源材料；(b)矩形橫截面的等離子導管(c)通過變換磁場極性控制陰極上弧的運動以便使弧大體上沿線性方向前后掃描過矩形源極的長度；(d)形成和控制等離子導管中的磁場形狀。
具體來說，本發明的磁場形狀和對矩形源極上弧的控制使得有可能建立一處緊湊而有效的并且具有能夠做成所需長度的帶有矩形輸出孔徑的等離子源，從而兼有過濾陰極弧和矩形沉積弧源的好處。用來控制弧的磁場換向技術可以使陰極的寬度做得比現有技術的采用粒子軌道磁場的陰極要窄得多。
因此，等離子過濾導管可做成比現有技術的笨重的過濾器要窄得多、短得多，從而形成一種容易組合成一個真空系統的緊湊結構。窄的陰極和窄的線性掃描弧也可使靶極沿其長度較均勻地耗蝕，并使源極材料的利用率比現有技術的使用平面粒子軌道式陰極要高。
本發明的優點可使源極的長度無限延長，從而使采用矩形的或長形的蒸發源極的應用具有過濾弧沉積或離子注入的優點。
權利要求
1.一種剃刀片，含有一個帶有楔形刃邊的基片和一層覆蓋在該楔形刃邊上的非晶態金剛石涂層，上述的楔形刃邊由小平面形成，該小平面的寬度至少約為0.1mm，夾角為小于20°。
2.根據權利要求1的剃刀片，其特征在于，上述的非晶態金剛石涂層至少含40％(體積)的碳鍵，并且在可見光下是透明的。
3.根據權利要求2的剃刀片，其特征在于，上述的非晶態金剛石涂層的長寬比大于2∶1。
4.根據權利要求3的剃刀片，其特征在于，在上述的非晶態金剛石涂層上還有一層粘結性的聚合物涂層。
5.根據權利要求4的剃刀片，其特征在于，上述的非晶態金剛石涂層的厚度約為2000A°。
6.一種剃刀片，含有一片帶有楔形刃邊的基片和一層覆蓋在上述楔形刃邊的頂部和側面上的非晶態金剛石涂層，該涂層在從上述基片的鋒利尖頂的距該尖頂40μm處的厚度至少約為400A°，并且涂層尖頂部的半徑小于1000A°左右。
7.根據權利要求6的剃刀片，其特征在于，上述的基片材料是鋼；通過一系列機械磨削做成上述的楔形刃邊；通過陰極弧法沉積出上述的非晶態金剛石涂層。
8.根據權利要求7的剃刀片，其特征在于，上述的非晶態金剛石涂層至少含有40％(體積)的碳鍵，在上述的非晶態金剛石涂層上還帶有一層粘結性的聚合物涂層。
9.一種刮剃裝置，含有一個帶有彼此隔開的皮膚接合面的支承構件和一個固定在上述支承構件上的剃刀片構件，上述的剃刀片構件含有的一個帶有楔形刃邊的基片和一層覆蓋在該基片楔形刃邊上的非晶態金剛石涂層，帶有非晶態金剛石涂層的刀刃位于上述的皮膚接合面之間。
10.根據權利要求9的刮剃裝置，其特征在于，上述的剃刀片構件含有兩個帶有楔形刃邊的基片，并且該兩基片的楔形刃邊彼此平行地置于上述皮膚接合面之間。
11.根據權利要求10的刮剃裝置，其特征在于，上述每一非晶態金剛石涂層含有大于40％(體積)的碳鍵；其厚度約為2000A°；在該涂層上又分別帶有粘結性的聚合物涂層。
12.對一種帶有第一斜面和第二斜面組成的刀刃的刀片施加硬碳涂層的方法，該方法含有如下步驟(a)對一個作為陰極的可蒸發碳表面引弧放電，從而產生氣化碳的等離子流；(b)將一種待涂層的刀片定向于上述等離子流內，以便在上述刀片的刀刃上沉積上述的蒸發碳。(c)使上述的刀片相對于上述等離子流而變化姿態以便在上述刀片的刀刃的第一斜面上和第二斜面上沉積上述的氣化碳。其特征在于，在上述的刀刃的第一斜面上和第二斜面上沉積上述的氣化碳是以大致均等的速度進行的。
13.根據權利要求12的方法，其特征在于，上述的刀片夾持在一個含有多個層疊刀片的疊層內，上述的刀片定向和變化姿態的步驟是對上述的一層疊刀片進行的。
14.根據權利要求13的方法，其特征在于，(a)上述層疊刀片中的每個刀片在它的刀刃的第一斜面與第二斜面的交界處都有一個尖頂，而刀片的疊合要使所有刀片的尖頂組成一個平面；(b)上述的等離子流是可分解為一組大致平行的線的大致定向的流速；和(c)上述的使刀片定向的步驟還包括這樣安裝刀片的步驟即，要使得上述平面的垂線與上述一組大致平行的線中之一形成的角度處于20°-90°的范圍內，從而使上述刀刃的第一斜面和第二斜面中有一個以上述的角度暴露在等離子流內。
15.根據權利要求14的方法，其特征在于上述的改變刀片的姿態的步驟包括使上述刀片的刀刃的第一斜面和第二斜面分別呈上述角度暴露在等離子流中的步驟。
16.根據權利要求15的方法，其特征在于，上述的將刀片的刀刃的第一斜面和第二斜面分別暴露在等離子流中的步驟還包括使層疊刀片與等離子流彼此相對移動的步驟，從而使上述的第一和第二斜面分別依序地暴露在上述等離子流中，以便使上述第一和第二斜面在上述的依序暴露時各自形成一個逐漸增厚的沉積層。
17.根據權利要求16的方法，其特征在于，上述增厚的沉積層的增量為3A°-500A°，并且，上述的移動步驟重復地進行，直到在上述刀刃的第一斜面和第二斜面上分別沉積出至少兩個增量的沉積層為止，
18.根據權利要求15的方法，其特征在于，上述的將刀刃的第一斜面和第二斜面分別暴露在等離子流中的步驟還包括采用一個與上述的過濾陰極弧源相結合的第一和第二斜面分別呈上述角度同時暴露在等離子流，從而可使上述的第一和第二斜面分別呈上述角度同時暴露在等離子流中，以便在上述第一和第二斜面上分別同時形成一個沉積層。
19.根據權利要求15的方法，其特征在于，還包括對刀片先加一個第一偏壓然后加一個第二偏壓，與此同時在刀片上進行上述的氣化碳沉積的步驟。
20.根據權利要求19的方法，其特征在于，上述的第一偏壓為200-2000伏，上述的第二偏壓為10-200伏。
21.根據權利要求19的方法，其特征在于，上述的施加第一偏壓的時間長達2分鐘。
22.根據權利要求12的方法，其特征在于，上述刀片夾持在含有一組刀片的夾持器內，上述的使刀片定向和變換姿態的步驟是對上述夾持器內的刀片進行的。
23.根據權利要求22的方法，其特征在于，(a)上述夾持器內的一組刀片中的每一刀片在其刀刃的第一斜面的第二斜面交界處都有一個尖部，并具有由該尖部與上述第一和第二斜面形成的第一角；(b)上述的等離子流是一種可分解成一組大致平行的線的大致定向的流束；和(c)上述的使刀片定向設置的步驟還包括以下述方式安置刀片的步驟使由上述第一角的等分線與上述一組大致平行的線中之一相交形成的第二角處于20°-90°的范圍內，從而使刀片的刀刃的上述第一斜面和第二斜面中的一個斜面呈上述角度暴露在等離子流中。
24.根據權利要求23的方法，其特征在于，上述的變換刀片姿勢的步驟包括使刀片的刀刃的第一斜面和第二斜面分別呈上述角度暴露在等離子流中的步驟。
25.根據權利要求24的方法，其特征在于，上述的使刀片刀刃的第一和第二斜面分別暴露在等離子流中的步驟還包括使一組刀片與等離子流彼此作相對移動的步驟，從而使上述第一和第二斜面分別依序暴露在上述的等離子流中，以便使上述斜面在依序暴露的過程中分別形成一個逐漸增厚的沉積層。
26.根據權利要求25的方法，其特征在于，上述的增厚的沉積層的增量3A°-500A°，上述的移動步驟重復地進行，直到在上述刀片刀刃的第一第二斜面上至少分別沉積出兩個增量的沉積層為止。
27.根據權利要求24的方法，其特征在于，上述的將刀片刀刃的第一斜面和第二斜面分別暴露在等離子流中的步驟還包括采用一個與上述的過濾陰極弧源相結合的第二等離子發生裝置來產生一股第二氣化碳等離子流，從而可使上述的第一斜面和第二斜面分別呈上述角度同時暴露在等離子流中，以便在上述的每一斜面上分別同時地形成一個沉積層。
28.根據權利要求24的方法，其特征在于還包括對刀片先加一個第一偏壓然后再加一個第二偏壓，與此同時在刀片上進行上述的氣化碳沉積步驟。
29.根據權利要求28的方法，其特征在于，上述的第一偏壓為200-2000伏，上述的第二偏壓為10-200伏。
30.根據權利要求29的方法，其特征在于上述的施加第一偏壓的時間長達2分鐘。
31.一種具有由一個第一斜面和一個第二斜面形成的刀刃的刀片，上述的刀刃在上述第一斜面與第二斜面交界處上有一個尖頂，并且，該頂部與第一和第二斜面形成一個角度，其特征在于，上述的刀刃含有一層沉積在上述第一斜面和第二斜面上而包住上述尖頂的硬碳涂層，并具有一個沿上述角度的等分線測量的第二厚度，該第二厚度與上述第一厚度之比至少為2∶1。上述硬碳涂層的硬度至少為40千兆牛頓/米2。
全文摘要
改進的剃刀和剃刀片以及制造具有鋒利而耐用的刀刃的剃刀片(16,20,44)或類似刮剃工具的方法,優選采用過濾陰極弧等離子源極使上述刀刃上沉積出非晶態金剛石硬碳涂層(60),沉積在基片(50)的鋒利刃邊上的非晶態金剛石涂層(60)至少含有40%(體積)的碳鍵,其硬度至少為45千兆牛頓/米
文檔編號B26B21/56GK1270878SQ00104139
公開日2000年10月25日 申請日期2000年3月14日 優先權日1994年4月25日
發明者托馬斯·G·德克爾, 喬治·P·倫迪, 大為·L·帕帕斯, 理查德·P·韋爾提, C·羅伯特·帕倫提 申請人:吉萊特公司