CN106457585A - 制造用于剃刮剃刀的硅刀片的方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了用于由硅材料制造剃刀刀片的方法。在一些具体实施中，该方法包括以一定角度对准包括{100}表面的单晶硅晶片，其中{111}平面与{100}表面相交，平行和垂直于晶片；蚀刻单晶硅晶片，以暴露{111}平面和第二平面，以便提供具有约20度刀片夹角至约35度刀片夹角的刀刃；在刀刃上施涂硬涂层；在硬涂层的沉积之后提供约20纳米至约100纳米的刀刃曲率半径；在刀刃上施涂软涂层；以及将剃刀刀片从单晶硅晶片中移除。

Description

制造用于剃刮剃刀的硅刀片的方法

技术领域

本发明涉及制造用于剃刮剃刀的刀片的方法，并且更具体地涉及由硅制造用于剃刮剃刀的刀片。

背景技术

剃刀刀片通常由诸如不锈钢之类的合适金属薄片材料形成，所述金属薄片材料被纵切成所需的宽度后进行热处理以使金属硬化。硬化操作利用高温炉，在高温炉中，金属可被暴露于大于1145℃的温度，持续最多约20秒，之后进行淬火，由此使金属快速冷却，以获得某些期望的材料特性。

硬化之后，在刀片上形成切割刃。切割刃通常具有楔形构型，其中最终的刀尖具有小于约1000埃的半径，例如约200-300埃的半径。然而，由于使用金属薄片材料的制造工艺中的固有缺陷，刀刃半径可在300埃至10,000埃的范围内。

这种现有方法的优点是它是一种经过证明的大量、高速制造刀片的经济性方法。然而，一直希望找到以下工艺：所述工艺可进一步减小边缘质量可变性，以便实现改善的锋利一致性，并且可形成具有增大强度的刀刃，其将导致修剪毛发所需的力较低，从而提高剃刮期间的舒适度。如果这种工艺可利用更低成本的材料用于刀片形成，那么将是特别理想的。

因此，需要一种更低成本的制造用于剃刮剃刀的刀片的方法，所述刀片具有增加的边缘强度和更小的边缘锋利度可变性，以提供改善的剃刮体验。

发明内容

本发明提供了一种用于由硅晶片生产剃刀刀片的简单、有效的方法。此外，一些方法适用于生产刀片盒，所述刀片盒包括待作为单个单元设置在剃刀刀片架中的形成于单个硅晶片中的多个剃刀刀片。

在一个方面，该方法包括以一定角度对准包括{100}表面的单晶硅晶片，其中{111}平面与{100}表面相交，平行和垂直于晶片。晶片经受蚀刻，以暴露{111}平面和第二平面，以便提供具有约20度刀片夹角至约35度刀片夹角的刀刃。将硬涂层施涂在刀刃上，从而在硬涂层的沉积之后提供约20纳米至约100纳米的刀刃曲率半径。然后在刀刃上施涂软涂层。将剃刀刀片从单晶硅晶片中移除。第二平面可以是{110}平面，或者可以是{552}平面。

在一些方面，可向单晶硅晶片上施涂掩蔽层。可将掩蔽层图案化，以限定剃刀刀片的刀片角度轮廓。可在施涂硬涂层之前移除掩蔽层。硬涂层可包含金刚石、类金刚石碳、非晶金刚石、氮化硼、氮化铌、氮化硅、氮化铬、氮化锆、氮化钛、碳化硅、氧化铝、氧化锆、或它们的任何组合。可在施涂软涂层之前向晶片施涂第二掩蔽层。软涂层可包含聚四氟乙烯。可在将剃刀刀片从硅晶片中移除之前施涂硬涂层。

在其它方面，将剃刀刀片形成于刀片盒中，所述刀片盒包括在硅晶片上的多个剃刀刀片。刀片盒可具有包围多个剃刀刀片的矩形周边。

在其它方面，可将剃刀刀片设置在剃刀刀片架外壳中，或者可将整个刀片盒设置在剃刀刀片架中。

下文的附图和描述中给出了本发明的一个或多个实施方案的详情。从说明书及附图以及从权利要求中可显而易见本发明的其它特征、目的和优点。

附图说明

图1a是根据本发明的一个实施方案的硅剃刀刀片的透视图。

图1b是图1a的硅剃刀刀片的侧视图。

图2a是根据本发明的另一个实施方案的硅剃刀刀片的透视图。

图2b是图2a的硅剃刀刀片的侧视图。

图3是根据本发明的一个实施方案的单晶硅晶片的透视图。

图4是根据本发明的一个实施方案的一种由硅制造剃刀刀片的方法的流程图。

图5是根据本发明的一个实施方案的具有形成于其中的多个剃刀刀片的硅晶片的透视图。

图6是根据本发明的一个实施方案的具有硅剃刀刀片的剃刀刀片架的透视图。

具体实施方式

本公开的方法提供用于剃刮装置或剃刀的刀片的制造。具体地，公开的是用于由硅材料制造用于剃刮装置的剃刀刀片的方法。因此，使用半导体工业蚀刻技术在具有顶部和底部表面的标准单晶硅晶片上加工剃刀刀片。

在图1a和1b中，示出根据本文所述的制造方法制造的剃刀刀片10的两个视图。如图1a所示，剃刀刀片10包括硅主体部分或基底12，其包括具有末端14的楔形锋利边缘。末端14具有刀刃13，所述刀刃13具有约35.3度的刀片夹角15，如图1b所示。切面16和18从末端14分开。末端14的刀片角度由{110}和{111}平面的相交处确定。切面16包括{111}平面的表面，而切面18包括{110}平面表面。

现在转向图2a和2b，示出根据本文所述的制造方法制造的剃刀刀片20的两个视图。如图2a所示，剃刀刀片20包括硅主体部分或基底22，其包括具有末端24的楔形锋利边缘。末端24具有刀刃23，所述刀刃23具有约19.5度的刀片夹角25，如图2b所示。切面26和28从末端24分开。末端24的刀片角度由{552}和{111}平面的相交处确定。切面26包括{111}平面的表面，而切面28包括{552}平面的表面。

制造图1a-2b的剃刀刀片包括以一定角度对准包括{100}表面的单晶硅晶片，其中{111}平面与{100}表面相交，平行和垂直于晶片。在两个平面之间蚀刻硅晶片，以提供具有适当刀片角度的刀刃。向刀刃施涂硬涂层，其中在硬涂层的沉积之后，刀刃的曲率半径在约20纳米和约100纳米之间。也向刀刃施涂软涂层。然后将硅剃刀刀片从单晶硅晶片中移除。

本文所述的硅剃刀刀片可使用半导体工业中众所周知的用于形成超细三维硅结构的物理蚀刻技术制备，所述技术诸如湿法蚀刻(例如，化学溶液)、干法蚀刻(例如，离子束)、或它们的组合。

一般来讲，已知单晶硅晶片在原子排列上具有长程有序，并且在原子之间键合(例如，硅原子之间的共价键合)的方向依赖性上也具有长程有序。因此，在长程上保持了晶体平面之间的相交处。通过使用这种相交处作为切割刃，本发明使得可以使用上述硅显微机械加工技术形成具有超细切割刃的剃刀刀片。用于剃刀刀片的形成的基体硅材料是具有本文定义的优选晶体取向的单晶硅。然而，单晶硅的其它取向是合适的，就像多晶硅那样。

为了帮助理解，图3示出标准单晶硅晶片300的一个实施方案，其具有顶部表面302和底部表面304，即两个{100}表面，并且示出立方晶格306的局部部分。当晶片300被定向平行于<110>取向时，可施涂掩蔽层，使得顶部表面302可经受化学蚀刻，由此形成(即显露)斜面308，在该实施方案中为{111}平面。在图3的实施方案中，晶片300被定向成<0-1 1>取向，但是应当理解，该取向可处于任何{110}平面方向。类似地，通过蚀刻显露的斜面308为(1-1-1)平面，但是还应当理解，可在<110>方向上显露任何{111}平面。

现在参见图4，示出根据一个实施方案的一种由硅制造剃刀刀片的方法的流程图。优选选择单晶硅晶片作为其中形成剃刀刀片的基底，如步骤400中所示。对用于形成剃刀刀片的硅晶片的厚度没有限制。因此，当对剃刀刀片的刚度有需要时，可使用相对较厚的晶片。另一方面，可使用相对较薄的硅晶片(例如，约350微米)形成适于贴面剃刮的剃刀刀片。如果需要，可将硅晶片固定到安装组件上。

在步骤410中，向硅晶片的顶部和底部表面(例如，图3的表面302和304)施涂掩蔽层。可将掩蔽层独立地施涂至顶部和底部表面中的每一个，或者同时施涂至两个表面。可使用任何数目的薄膜沉积工艺施涂掩蔽层，诸如化学气相沉积(CVD)、电沉积、物理气相沉积(PVD)、旋涂、喷涂、刷涂等。在一个实施方案中，掩蔽层步骤410通过氮化硅的低压CVD进行。然而，设想了相对于硅晶片基底材料具有高选择性的其它可能的掩蔽层，诸如氧化硅、铬金等。掩蔽层可具有约200纳米至约500纳米的厚度。

在步骤420中确定硅晶片的晶体排列，使得识别硅晶片的期望平面。对于图1a-2b中实施的剃刀刀片，确定了{111}平面表面和硅晶片表面(顶部或底部)的相交线的取向。可使用若干已知方法寻找相交线的取向。一种对准方法是Vangbo对准，它是基于论文“Precise mask alignment to the crystallographic orientation of silicon wafersusing wet anisotropic etching”，M.Vangbo和Y Backlund,J.Micromech,Microeng,6(1996)，第279-284页(描述使用叉形结构对准掩蔽层的技术)中公开的技术。Vangbo对准技术是基于硅晶片表面与{111}平面表面的对称。这种技术可以是有用的，因为从晶片表面不能直接看到(即目测)例如{111}平面和{552}平面之间相交线的取向。另外，该取向在晶片批次之间将是不同的并且甚至在单个晶片批次内的晶片之间是不同的，这是由于晶片切片和抛光期间的差异。另外，尽管常见微电子机械系统加工中使用的晶片倾向于具有对称平面，但是如本文所述用于形成适于剃刮的刀刃(例如19.5度夹角)的硅晶片通常具有非对称平面。也可使用其它用于对准晶片两侧以在掩蔽层中形成刀刃的方法，诸如X射线衍射技术，其利用布拉格衍射或利用由{111}平面形成的平台。

然后在步骤430中使用双侧对准，以在掩蔽层中限定刀刃，因为将通常从顶部和底部两个表面蚀刻硅晶片以形成最终刀刃。为了恰当地形成刀刃，重要的是使掩蔽层与硅晶片的晶体平面精确对准。为了在可能的最短时间内产生锋利且笔直的刀刃，掩模边缘必须尽可能的接近平行于{111}平面和晶片表面的相交线。

一旦将晶片对准以限定刀刃，就可针对期望的剃刀刀片形状将掩蔽层图案化。在步骤440中通过已知的蚀刻技术诸如反应离子蚀刻将掩模图案化，由此将掩模从期望区域中的基底表面移除，从而显露那些区域中的硅晶片基底。

为了开始形成剃刀刀片形状，诸如上述切面等，在步骤150中使用利用特定图案化的掩蔽层的常规掩蔽各向异性蚀刻工艺。将单晶硅晶片浸没到蚀刻流体中，对所述流体的浓度和温度进行控制。经过预先确定的时长后，将晶片从浸没中移除。在各向异性蚀刻步骤450期间，从晶片上未被掩蔽层覆盖的硅部分进行蚀刻，从而沿着掩模图案显露{111}平面。在掩蔽层的周边部分中，由此形成相对于单晶硅晶片的顶部和底部表面倾斜的倾斜表面，并且进行蚀刻。最后，通过蚀刻基底形成由硅晶片的顶部表面和底部表面形成的倾斜表面(例如，图1a中的切面16和18)并且所述倾斜表面最终交汇形成刀刃。

化学蚀刻是用于以均匀方式从单晶硅晶片中移除硅的熟知方法。例如，可使晶片顶部表面上的轮廓均匀向下以与相对的底部表面上的轮廓相交，并且形成剃刀刀片形状。使用化学蚀刻以便实现期望的刀片锋利度，同时保留刀片夹角。底部表面蚀刻可与顶部表面蚀刻同时进行或者可单独进行。应对化学蚀刻剂组合物、温度、搅拌和持续时间进行控制，以实现期望结果。各向异性或“取向依赖性”蚀刻剂在一个方向上可比在另一个方向上蚀刻的快得多。在氢氧化钾(KOH)中，例如，相比于硅的所有其它晶体平面，{111}平面的蚀刻速率相对较慢。一般来讲，在蚀刻进行时暴露出最慢的蚀刻平面。已知蚀刻{100}硅表面中的内角在与{111}平面的相交处停止。例如，如果蚀刻掩模中的开口形成矩形，那么各向异性蚀刻试剂将蚀刻下去，暴露{111}平面以相对于两个相对侧形成V型沟槽。当在晶片的两侧上且以各种蚀刻剂、温度、以及时间限制进行时，可在晶片中形成剃刀刀刃。在一个实施方案中，硅晶片在步骤450利用KOH蚀刻试剂发生各向异性蚀刻。例如，可将晶片浸入在约70摄氏度的温度下的25重量％KOH水溶液中。可使用其它组合和浓度实现相同的目的。例如，其它可能的各向异性蚀刻试剂是四甲基氢氧化铵(TMAH)、肼、乙二胺和焦性儿茶酚(EDP)的水性溶液等。

在一个实施方案中，使用超声波浴进行各向异性化学蚀刻步骤450。超声波浴有助于减小蚀刻期间形成的氢对硅表面的附着。

蚀刻完成后，在步骤460中将掩模从硅晶片表面移除。对于氮化硅掩蔽层，可使用氟化氢溶液移除掩蔽层。可使用不同的蚀刻试剂移除其它掩蔽材料。例如，铬金掩蔽层可使用碘化钾(KI)、高氯酸和硝酸铈铵移除。

然后可向剃刀刀片的表面施涂内层，诸如硬涂层。可在剃刀刀片保持附接至硅晶片的同时进行内层步骤470，或者可在将剃刀刀片与晶片分开时进行内层步骤470。当内层为沉积在至少剃刀刀片的刀刃上的硬涂层时，其可提供改善的强度、改善的耐腐蚀性和改善的剃刮能力。硬涂层可由如下材料制成：包含细小结晶碳、微米结晶碳或纳米结晶碳的材料(例如，金刚石、非晶金刚石或类金刚石碳(DLC))、氮化物(例如，氮化硼、氮化铌、氮化硅、氮化铬、氮化锆、或氮化钛)、碳化物(例如，碳化硅)、氧化物(例如，氧化铝、氧化锆)或其它陶瓷材料(包括纳米层或纳米复合材料)。含碳材料可掺杂有其它元素诸如钨、钛、银或铬，方法是在通过溅射进行涂敷期间通过例如在靶标中包括这些添加剂。这些材料也可包含氢，例如氢化的DLC。在一个实施方案中，设置在硅剃刀刀片上的硬涂层由氮化硅制成。在另一个实施方案中，设置在硅剃刀刀片上的硬涂层由DLC制成。硬涂层可具有小于约3,000埃，具体地约500埃至约1,500埃的厚度。向刀刃施涂硬涂层，其中在施涂之后，刀刃的曲率半径在约20纳米和约1000纳米之间。曲率半径，也称为边缘半径或切割半径，是切割面部毛发的锋利刀刃的半径。较小的曲率半径通常与较锋利的刀片相关联。在一个实施方案中，硅剃刀刀片具有约50纳米至约150纳米的曲率半径。

沉积内部硬涂层的方法可包括熟知的方法，诸如等离子体化学气相沉积(PCVD)、等离子体增强化学气相沉积(PECVD)等。根据所选的硬涂层材料和沉积方法，可同时涂布剃刀刀片的每个侧面，或者可单独涂布每个侧面(例如，首先涂布{111}刀片切面，其次涂布{552}刀片切面)。该层提供增加的强度。

在外层施涂步骤480中，在硅剃刀刀片的内部硬涂层上施涂外层。外层，有时也称为软涂层，用于在剃刮期间提供减小的摩擦。外层可为聚合物组合物或改性的聚合物组合物。该聚合物组合物可为多氟烃。合适的多氟烃为聚四氟乙烯(PTFE)，其有时被称为调聚物。这种材料是不易燃的稳定的干润滑剂，其由产生稳定分散体的小颗粒组成。它通常可以按重量计含约20％固体物的含水分散体来供给并可通过浸渍、喷射或刷涂来施涂，并且接下来可进行空气干燥或熔融涂布。可在施涂外层之前加热硅剃刀刀片。在一个实施方案中，将硅剃刀刀片加热至约120摄氏度，之后将PTFE的含水分散体喷涂在其上。外层优选小于约5,000埃，典型地可为约1,500埃至约4,000埃，并且可薄至约100埃，前提条件是保持连续涂布。可在外层施涂步骤480期间使用掩模，以帮助防止剃刀刀片的非切割侧面被涂布上外层。这可改善刀片的非切割侧面接着附接至剃刀刀片架中的刀片支撑体等的能力。例如，一些附接刀片的方法使用胶。然而，胶通常不良好地附着一些外层材料，诸如PTFE。

在步骤490中，可通过任何适于在不损坏刀片，尤其是细边缘的情况下将刀片与晶片分开的手段将硅剃刀刀片从晶片中移除。可对剃刀刀片机械切割，诸如使用锯子、激光切割、水切割、折断等。一旦脱离晶片基底，就可将剃刀刀片装配到剃刀刀片架中，如剃刀领域众所周知的。例如，将一个或多个硅剃刀刀片附着到刀片支撑体上并且装配到剃刀刀片架外壳中。一旦从晶片中移除，就可接着在步骤492将刀片装配到剃刀刀片架中。例如，可将刀片附接到刀片支撑体上，然后可将所述刀片支撑体安装于剃刀刀片架外壳中。剃刀刀片架外壳600的一个示例示出于图6中。剃刀刀片架600包括多个硅剃刀刀片602。

虽然主要参考单个剃刀刀片给出本文所述的制造方法，但是所述方法易于适用于多个剃刀刀片的同时制造。在图5中，示出具有根据本文所述的方法生产的多个硅剃刀刀片202的硅晶片200。制造硅晶片200以生产多个剃刀刀片202顺序包括表面掩蔽、掩模的图案化(例如以照相平版印刷方式)以及湿法和/或干法蚀刻化学物质中的选择性材料移除。在硅晶片200上批量制造多个剃刀刀片202之后，通过锯切、切片等将刀片分开并且准备进一步装配到剃刀刀片架中。在图5更仔细地观看，多个剃刀刀片以五个刀片的组簇集在一起。所述簇具有大致矩形形状，为了便于讨论，在本文称为刀片盒204。可以此簇集组织结构制造多个剃刀刀片202，以减少剃刮剃刀系统装配中的下游工艺步骤。剃刀盒204具有通过周边206包围的5个单独的剃刀刀片202，如图所示。刀片盒204可以相同方式制造，或者它们可以是不同的，诸如每个盒子在刀片间距、刀片夹角、刀片数量、刀片取向等方面具有差异。这些差异可由上述各种方法步骤诸如掩蔽图案等的改变造成。可通过围绕周边206锯切，使得独立成套的刀片盒204为单个整体部分来将刀片盒204从晶片200中移除。然后可将刀片盒插入剃刀刀片架的外壳中。以这种方式装配剃刀刀片架消除了将每个单独的剃刀刀片附连至剃刀支撑体、将每个刀片支撑体-剃刀刀片对插入剃刀刀片架外壳中、以及将每个单独的剃刀刀片与期望的刀片高度、角度和间距对准的困难步骤。通过利用本文所述的方法，将多个剃刀刀片对准并固定于刀片盒中，从而消除了附连单独刀片支撑体的需要和将5个单独的剃刀刀片对准到剃刀刀片架外壳中的困难过程。虽然图5示出具有5个剃刀刀片的刀片盒204，但是应当理解，可将任何数目的剃刀刀片簇集在一起，诸如2、3、4、5、或更多个。

还应当指出的是，虽然附图示出的刀片具有大致线性刀刃，但是通过本文所述的方法可产生其它刀片形状和边缘图案。

以本文所述的方式由硅生产用于剃刮的剃刀刀片的许多优点之一是所形成的刀刃具有极小的表面粗糙度。剃刀刀片的峰-谷维度表面粗糙度在约100纳米至约200纳米之间。非常低的表面粗糙度提供使用者体验到的更舒适的剃刮和更少的皮肤刺激。

因此，其它实施方案在以下权利要求书的范围之内。

本文所公开的量纲和值不应理解为严格限于所引用的精确数值。相反，除非另外指明，否则每个这样的量纲旨在表示所述值以及围绕该值功能上等同的范围。例如，公开为“40mm”的量纲旨在表示“约40mm”。

除非明确排除或限制，将本文引用的每篇文献，包括任何交叉引用或相关专利或专利申请，全文以引用方式并入本文。任何文献的引用均不是对其作为本文所公开的或受权利要求书保护的任何发明的现有技术，或其单独地或与任何其它参考文献的任何组合，或者参考、提出、建议或公开任何此类发明的认可。此外，当本发明中术语的任何含义或定义与以引用方式并入的文件中相同术语的任何含义或定义矛盾时，应当服从在本发明中赋予该术语的含义或定义。

虽然已经举例说明和描述了本发明的具体实施方案，但是对于本领域技术人员来说显而易见的是，在不脱离本发明实质和范围的情况下可以做出多个其它改变和变型。因此，本文旨在所附权利要求中涵盖属于本发明范围内的所有这些改变和变型。

Claims (15)

1.一种用于制造至少一个剃刀刀片的方法，包括：

以一定角度对准包括{100}表面的单晶硅晶片，其中{111}平面与所述{100}表面相交，平行和垂直于所述晶片；

蚀刻所述单晶硅晶片，以暴露{111}平面和第二平面，以便提供具有约19.5度刀片夹角至约35.3度刀片夹角的至少一个刀刃；

在所述至少一个刀刃上施涂至少一个内层；

在所述至少一个内层的沉积之后，提供约20纳米至约100纳米的所述至少一个刀刃的曲率半径；

在所述至少一个刀刃上施涂至少一个外层；以及

将所述至少一个剃刀刀片从所述单晶硅晶片中移除。

2.根据权利要求1所述的方法，其中所述第二平面为{110}平面或{552}平面。

3.根据权利要求1所述的方法，还包括在所述对准步骤之前向所述单晶硅晶片施涂掩蔽层。

4.根据权利要求3所述的方法，还包括将所述掩蔽层图案化，以限定所述至少一个剃刀刀片的轮廓。

5.根据权利要求1所述的方法，其中所述至少一个内层包含金刚石、类金刚石碳、非晶金刚石、氮化硼、氮化铌、氮化硅、氮化铬、氮化锆、氮化钛、碳化硅、氧化铝、氧化锆、或它们的任何组合，并且其中所述至少一个外层包含聚四氟乙烯。

6.根据权利要求3或4所述的方法，还包括在施涂所述至少一个内层之前移除所述掩蔽层。

7.根据权利要求3或4所述的方法，还包括在施涂所述至少一个外层之前施涂第二掩蔽层。

8.根据权利要求1所述的方法，其中在将所述至少一个剃刀刀片从所述硅晶片中移除之后施涂所述至少一个内层。

9.根据权利要求1所述的方法，其中在将所述至少一个剃刀刀片从所述硅晶片中移除之前施涂所述至少一个内层，其中将所述至少一个内层首先施涂至所述至少一个剃刀刀片的第一侧，并且随后施涂至所述至少一个剃刀刀片的与所述第一侧相对的第二侧。

10.根据权利要求1所述的方法，其中所述至少一个剃刀刀片的表面粗糙度的变化在约100纳米至200纳米之间。

11.根据权利要求1所述的方法，还包括在所述硅晶片上形成至少一个刀片盒，各自包括多个剃刀刀片和围绕所述多个剃刀刀片的周边。

12.根据权利要求1所述的方法，还包括将所述至少一个剃刀刀片设置在剃刀刀片架外壳中。

13.根据权利要求11所述的方法，还包括将所述至少一个刀片盒设置在剃刀刀片架中。

14.一种使用权利要求1所述的方法形成的剃刀刀片。

15.一种使用权利要求1所述的方法形成的剃刀刀片架。