CZ293994B6 - Holicí břit, způsob jeho výroby, a holicí jednotka - Google Patents

Abstract

Holicí břit obsahuje substrát (50) s klínovitě naostřenou hranou (18) vymezovanou fasetami (54, 56) majícími šířku nejméně 0,1 mm a sevřený úhel menší než 20.degree., a vrstvu (60) tvrdého uhlíkového materiálu na klínovitě naostřené hraně (18), tvořenou vrstvou amorfního diamantu. Při způsobu výroby holicího břitu se vytvoří substrát (50) s klínovitě naostřenou hranou (18) a na tuto klínovitě naostřenou hranu (18) se nanese vrstva (60) tvrdého uhlíkového materiálu. Pro vytvoření vrstvy (60) tvrdého uhlíkového materiálu se na naostřenou hranu (18) nanáší amorfní diamantový materiál prostřednictvím vysoce ionizovaného svazku uhlíkových iontů v komoře (80) s vytvořeným vakuem. Holicí jednotka obsahuje nosnou strukturu (12, 32) s plochami (14, 26) pro styk s kůží, umístěnými ve vzájemném odstupu, a nejméně jeden výše uvedený holicí břit (16, 20, 44), upevněný k nosné struktuře (12, 32).ŕ

Description

Holicí břit, způsob jeho výroby, a holicí jednotka

Oblast techniky

Vynález se týká holicího břitu, obsahujícího substrát s klínovitě naostřenou hranou vymezovanou fasetami majícími šířku nejméně 0,1 mm a sevřený úhel menší než 20°, a vrstvu tvrdého uhlíkového materiálu na uvedené klínovitě naostřené hraně. Dále se týká způsobu výroby tohoto holicího břitu, při kterém se vytvoří substrát s klínovitě naostřenou hranou a na tuto klínovitě naostřenou hranu se nanese vrstva tvrdého uhlíkového materiálu. Týká se rovněž holicí jednotky, obsahující nosnou strukturu s plochami pro styk s kůží, umístěnými ve vzájemném odstupu, a nejméně jeden holicí břit, upevněný k nosné struktuře.

Dosavadní stav techniky

Holicí břit je obvykle tvořen substrátovým materiálem, jako je kov nebo keramická hmota, a hrana je tvořena klínovitým útvarem s krajním ostřím, které má poloměr menší než přibližně 1000 angstromů, přičemž klínovitě plochy svírají úhel menší než 30°. Jelikož holicí působení vyvolává namáhání, má to často za následek poškození, a pro zlepšení schopnosti bylo navrženo použití jedné nebo více přídavných vrstev povlakového materiálu pro usnadnění holení a/nebo pro zvýšení tvrdosti a/nebo odolnosti holicí hrany proti korozi.

Byla navržena řada takových povlakových materiálů, jako polymemí materiály a kovy, jakož i jiné materiály včetně diamantového uhlíkového materiálu (DLC). Každá taková vrstva nebo vrstvy musí být adhezně kompatibilní tak, aby každá vrstva zůstala pevně lnoucí k substrátu v průběhu života holicího břitu, a přitom poskytovala žádoucí vlastnosti, jako je zlepšená holicí schopnost, zvýšená tvrdost a/nebo odolnost proti korozi, aniž by se přitom negativně ovlivňovala geometrie a řezná účinnost holicí hrany.

Patentový spis US 5 032 243 popisuje substrátové materiály břitu naostřené iontovým bombardováním ze zdrojů iontů, mající osy jejich svazků orientovány na hrany holicích břitů. Patentový spis US 5 232 568 a 5 295 305 popisuje a znázorňuje břity, které mají mezivrstvu, vloženou mezi substrát a diamantový povlak, přičemž mezivrstva se uloží na substrát a poté se na mezivrstvu nanáší diamantový povlak.

Dosavadní řešení nebyla zcela úspěšná a bylo by žádoucí jednoduše používat mechanických obtahovacích procesů vytvoření naostřeného substrátu místo vytváření iontového svazku podle spisu US 5 032 243, následovaných přímým nanášením tvrdého uhlíkového materiálu na substrát bez potřeby nanášet mezivrstvu. Bylo by proto žádoucí, aby bylo možné začít s tenkým břitovým substrátem vyrobeným mechanickým obtahováním a udělením tuhosti a tvrdosti substrátu nanesením tvrdého uhlíkového materiálu přímo na substrát.

Zhruba v posledním desetiletí našlo široké průmyslové uplatnění při nanášení povlaků z kovu, slitiny nebo kovové sloučeniny na substrátu, který se má povlékat, vakuového obloukového odpařování (vacuum are evaporation). Obloukové výboje ve vakuu také našly uplatnění jako zdroje iontů pro taková uplatnění, jako je iontová implantace, urychlovače svazků a pohon raket.

Způsob vakuového obloukového odpařování pro povlékání nebo implantování zahrnuje katodový terč, složený z materiálu, který se má nanášet, a substrát, který se má povlékat. Terč se přeměňuje na páry vysokým proudem nízkonapěťovým obloukovým plazmovým výbojem ve vakuové komoře, která byla vakuována na podtlak v typickém případě nižší, než 0,1 Pa (0,001 mbar). Substráty, které se mají povlékat nebo implantovat, se obvykle ukládají do vakuové komory, ležící proti odpařovatelnému povrchu terče ve vzdálenosti v typickém případě 10 až 100 cm. Typické obloukové proudy jsou v rozmezí 25 až 1000 A, s napětími od 15 do 50 V.

-1 CZ 293994 B6

Obloukový plazmový výboj vede elektrický proud mezi katodou a anodou tvořeným odpařováním a ionizací terčového materiálu obloukem. Katoda (záporná elektroda) je elektricky izolovaný zdrojový útvar (konstrukce), který se během procesu alespoň částečně spotřebovává. Spotřebovatelná část katody se nazývá „terč“ a často se vyrábí jako vyměnitelný prvek, přichycený sevřením 5 k chlazenému nespotřebovatelnému prvku, nazývanému tělo katody. Anoda (kladná elektroda) může být elektricky izolovaný útvar (konstrukce) uvnitř vakuové komory nebo jím může být vakuová komora samotná a během procesu se nespotřebovává.

Oblouk se zapaluje na odpařovatelném povrchu katodového terče, pomocí mechanického dotyku, 10 vysokonapěťové jiskry nebo laserovým ozářením. Následující obloukový plazmový výboj je vysoce lokalizovaný v jednom nebo více mobilních obloukových „bodech“, představovaných ploškami s určitými minimálními rozměry, v nichž zapálený oblouk dopadá na zpracovávaný předmět, (dále obloukových bodech) na povrchu katodového terče, ale je rozdělován po velké ploše anody. Mimořádně vysoká proudová hustota obloukového bodu na katodě, odhadovaná 15 vysoká proudová hustota obloukového bodu na katodě, odhadovaná na 10⁶ až 10⁸ má za následek lokální přehřívání, odpařování a ionizaci katodového zdrojového materiálu.

Každý obloukový bod vysílá proud plazmatu směrem přibližně kolmo k povrchu katodového terče vytvářející světelné pero sahající do oblasti mezi katodou a anodou. Substrát, který se má 20 povlékat, je uložen mezi katodou a anodou nebo u katody a anody. Pára katodového materiálu se obvykle dále urychluje směrem k povrchu substrátu přiloženým napětím a kondenzuje na povrchu substrátu nebo v něm zůstává zachycena. Do vakuové komory mohou být během odpařovacího procesu zavedeny reaktivní plyny, které mohou mít za následek tvorbu materiálových směsí nebo sloučenin zahrnujících materiál terče, reaktivní plyn a/nebo materiál substrátu.

Při proudu oblouku pod okolo 70-100 A, v závislosti na materiálu terče, je přítomný na povrchu katodového zdrojového materiálu pouze jeden obloukový bod. Při vyšších obloukových proudech může existovat současně více obloukových bodů na povrchu terče, z nichž každý nese stejný podíl celkového obloukového proudu. Obloukový bod má při nepřítomnosti uváděných magne30 tických polí sklon k tomu, aby se pohyboval nahodile okolo povrchu terče a zanechává stopu mikroskopických kráterovitých znaků na povrchu terče.

Zevně přiložené magnetické pole vyvíjí sílu na proud oblouku ve směru kolmém k oběma osám pole a k proudu a může mít dominantní vliv na průměrný pohyb obloukového bodu, i když malý 35 pohyb oblouku zůstává částečně náhodný. Směr pohybu obloukového bodu v magnetickém poli je opačný nebo zpětný k očekávanému vektorovému směru JxB, založenému na Amperově zákoně, týkajícím se elektronového proudu vysílaného z katody. Tento jev vyplývá z komplexních dynamických efektů v obloukovém proudu a byl v široké míře popsán a rozebrán.

Nežádoucí vedlejší účinek odpařování terčového materiálu v obloukovém bodě je vytváření kapiček roztaveného terčového materiálu, které jsou vyháněny z terče reakčními silami, vyplývajícími z rozpínání proudu páry. Tyto kapičky se obvykle nazývají makročástice a jejich velikost je v rozmezí od hodnot menších než jeden mikrometr až do desítek mikrometrů. Makročástice mohou zůstat zachycené v povlaku, když jsou ukládány na substrátu, který se mám povlékat, čímž se vytvářejí nežádoucí nepravidelnosti, nebo mohou makročástice ulpět na substrátu a později vypadnout, takže vytvářejí v povlaku důlky.

Byly navrženy různé strategie pro snížení počtu makročástic, zabudovaných do povlaku na substrátu. Tyto strategie spadají obecně do dvou kategorií, a to první kategorie používající 50 určitou formu magnetického pole pro řízení a urychlování oblouku, čímž se snižuje vytváření makročástic, a druhé kategorie, používající filtrovací zařízení mezi katodovým zdrojem a substrátem, takže se vysílá ionizovaný podíl katodového výtěžku na substrát, ale blokují se roztavené kapičky.

-2CZ 293994 B6

Magnetické postupy první kategorie jsou obecně jednodušší než filtrační postupy, ale zcela nevylučují tvorbu makročástic. Filtrační postupy kategorie jsou obecně účinnější pro odstraňování makročástic, než magnetické postupy, ale vyžadují složitější zařízení a snižují výrazně výtěžek zdroje.

Filtrační postupy pracují tak, že se ukládá substrát mimo záměrnou přímku katodového terčového povrchu tak, že makročástice přímo nenarážejí na substrát. Mezi katodu a substrát se vloží zalomená filtrační trubice pro dopravu plazmatu k substrátu.

Pro dosažení substrátu se nabité plazma, vysílané z katodového zdroje elektromagneticky ohýbá ve filtrační trubici v úhlu 45 až 180° tak, prochází ohybem do filtrační trubice a naráží na substrát. Nenabité makročástice nejsou ohýbané elektromagnetickým polem a pokračují v pohybu, který naráží na stěny filtrační trubice tak, že ideálně makročástice nedosahují na substrát. V praxi však může mít odrážení makročástic od stěn filtru a/nebo unášení malých částic za následek přenos některých makročástic filtrem a dojde tak k zasažení substrátu.

Filtrované katodové oblouky byly založeny na kruhové nebo válcové geometrii katody, čímž jsou zpravidla omezována možná použití pro malé substráty nebo zvláštní tvary.

Příklady dřívějších prací v oboru obloukového odpařování jsou popsány v řadě patentových spisů USA, včetně Edisonova patentového spisu 484 582, který popisuje použití vakuového obloukového odpařování pro nanášení povlaku na substrát, dále patentový spis US 2 972 695, popisující magneticky stabilizované vakuové obloukové odpařovací zařízení, spisy US 3 625 848 a č. 3 836 451, popisující obloukové odpařovací zařízení s obzvláštními uspořádáními elektrod a použití magnetického pole pro zvýšení rychlosti odpařování a směrování iontů na substrát, dále spisy US 3 783 231 a 3 793 179, které popisují obzvláštní uspořádání elektrod a štítů a popisují použití magnetického pole, aktivovaného kdykoli se obloukový bod pohybuje z požadované odpařovací plochy katodového zdrojového materiálu.

Příklady katodových oblouků, vymezovaných v kruhové nebo zrychlovací dráze na katodě jsou znázorněny v patentových spisech US 4 724 058, 4 673 477 a 4 849 088. Každý z uvedených spisů popisuje obloukové odpařovací zařízení používající obloukovité pole ve tvaru uzavřeného smyčkového tunelu, který vymezuje polohu obloukového místa na uzavřenou smyčkovou dráhu v pevné nebo pohyblivé poloze na povrchu katody. Vymezování polohy a urychlování oblouku magnetickým polem se přisuzuje snižování tvorby makročástic obloukovým výbojem. Prostředky, požadované pro vytváření takového magnetického pole jsou v široké míře známé v oboru rovinného magnetronového rozprašování. Je to také známé například pohybovat prostředkem vytvářejícím elektromagnetické pole oblouku, a to buď mechanicky podle předpisu US 4 673 477 a 4 849 088, nebo pomocí více elektromagnetů, jak je navrhováno ve spisu US 4 724 058.

Příklady podlouhlých, válcovitých katod jsou obsaženy ve spisech US 4 609 564 a 4 859 489, 5 037 522 a 5 269 898, které všechny popisují použití podlouhlé katody ve formě válce nebo tyče, a používají vlastního magnetického obloukového proudu pro vyvolávání jeho pohybu po délce katody. Spis US 5 269 898 uvádí, že tvorba makročástic se může snížit zavedením přídavné axiální složky magnetického pole pro urychlení a řízení pohybu oblouku.

Patentový spis US 4 492 845 popisuje obloukové odpařovací zařízení používající prstencovou katodu, v němž je odpařovatelný katodový povrch její vnější stěna, ležící proti anodě většího průměru a větší délky než má katoda. Substráty, které se mají opatřovat povlakem jsou uloženy uvnitř prstencové katody, neležící proti odpařovatelnému povrchu, a jsou povlékány ionizovaným materiálem odraženým zpět elektromagnetickým polem u anody. Pro zvyšování odrazu od anody je popisováno souosé magnetické pole. Makročástice vypuzované z katodového povrchu nejsou elektricky odráženy anodou (i když se mohou od ní odrážet mechanicky). V důsledku toho se sníží zachycování makročástic v povlaku.

-3CZ 293994 B6

Příklady snahy snížit počet makročástic zachycených do povlaku na substrát použitím určité formy filtračního zařízení mezi katodovým zdrojem a substrátem pro vysílání nabitě ionizované části katodového výtěžku a pro blokování nenabitých makročástic jsou znázorněny v rámci

Aksenova/Axenova, Falabelly a Sanderse.

Publikace Aksenova a kol. („Doprava plazmových proudů v křivočarém plazmovém optickém systému“, Sovětský časopis plazmové fyziky, 4(4), 1978) popisuje použití válcové plazmové trubice s ohybem 90°, s elektromagnetickými cívkami pro vytváření solenoidového magnetického pole trubicí a s kruhovou obloukovou odpařovací katodou na jednom konci a s trubicí a substrátem na druhém konci. Plazma vysílané katodou je odráženo ze stěn trubice přítomnými magnetickými a elektrickými poli, a je dopravováno podél magnetického pole trubicí k substrátu, zatímco nenabité makročástice nejsou ohýbány elektrostatickými poli a jsou zachycovány stěnami trubice.

Patentový spis US 5 279 723 (Falabella) popisuje zařízení v podstatě podobné původní Aksenovou filtru s použitím válcové trubice s ohybem o 45°, kruhovou nebo kuželovou katodou a anodou, a spočívající ve zdokonalení různých složek včetně tvaru a vnitřních odrazných prvků, které snižují přenos makročástic.

Patentový spis US 4 452 686 (Axenov) popisuje rovnou válcovou filtrační trubici bez ohybu, kruhovou katodu uloženou na jednom konci trubice, elektromagnetové cívky pro vytváření solenoidového magnetického pole trubicí umístěnou ve středu trubice a s přídavnou elektrodou umístěnou ve středu trubice, která blokuje přímou zaměřovači přímku ukládání z katody na substrát. Plazma vysílané katodou je ohýbáno magnetickým a elektrickým polem u stěny trubice a centrální elektrody, a je dopravováno podél magnetického pole trubicí a okolo střední elektrody. Nabité makročástice nejsou ohýbány magnetickým polem nebo elektrickým polem a jsou zachycovány střední elektrodou.

Patentový spis US 5 282 944 (Sanders) popisuje zařízení poněkud podobné tomu, jaké je uvedeno ve spisu US 4 452 686 (Axenov), používající rovnou válcovou filtrační trubici a centrální štít, který zahrnuje makročásticím, vysílaným v malých úhlech od katody, aby se dostaly přímo na substrát. Elektromagnetové cívky vytvářejí v trubici, která je v podstatě solenoidová, magnetická pole blízkosti stěny trubice. Odpařovatelný povrch je v tomto případě vnější povrch krátkého válce, orientovaného souose s filtrační trubicí, takže plazma vysílané z katody je směrované radiálně k vnější stěně filtrační trubice a je ohýbána přibližně o 90° magnetickým polem a elektrickým polem u stěn trubice, a je dopravována podél magnetického pole na konci trubice, na němž je uložen substrát. Vnitřní elektrody jsou popsány jako zvyšující ohyb plazmatu na konci kruhové filtrové trubice, opačném vůči konci, na němž leží substrát.

Žádný z uvedených spisů nepopisuje katodu mající odpařovatelný povrch a považující obracení polarity magnetického pole pro řízení pohybu oblouku na katodové ploše, ani filtrační trubice i mající průřez ve tvaru pravoúhlého čtyřúhelníka (pravoúhle čtyřúhelníkový). Obecně je přitom považováno za účelné, aby filtrovaný katodový oblouk obsahoval pravoúhlé čtyřúhelníkový zdroj nanášení.

Pravoúhle čtyřúhelníkové zdroje nanášení jsou žádoucí pro povlékání velkých substrátů, povlékání foliového materiálu ve formě svitku a pro povlékání souvislých menších substrátů na lineárním dopravníku kruhového karuselu. Vyvinutí pravoúhle čtyřúhelníkových rovinných magnetronových rozprašovacích katod v sedmdesátých letech vedlo k širokému průmyslovému rozšíření rozprašování (naprašování) pro vytváření povlaku substrátu v takových tvarech (viz příklad magnetronovou rozprašovací katodu podle patentových spisů US 4 865 708 a 4 892 633).

Filtrované katodové obloukové zdroje mají výhodu v tom, že proud katodového materiálu, vysílaný ze zdroje, je plně ionizovaný, na rozdíl od způsobů nanášení nezaložených na oblouku,

-4CZ 293994 B6 jako naparování a naprašování. Plně ionizovaný proud páry z pravoúhle čtyřúhelníkového zdroje by umožnil lepší řízení energie atomů, přicházejících na substrát pro vytváření povlaku nebo implantaci, a zvýšil by reaktivitu páry při tvorbě směsí sloučenin s reaktivními plyny v systému nebo přímo se substrátem.

Spis US 4 720 918 popisuje hrany s povlakem tvrdého uhlíkového materiálu, kterým je zajištěno zesílení břitové hrany. Velmi tenká břitová hrana může poskytovat zvýšený holicí komfort, ale je praktická pouze tehdy, pokud je dostatečně silná pro to, aby odolávala holení.

Podstata vynálezu

Vynález přináší holicí břit, obsahující substrát s klínovitě naostřenou hranou vymezovanou fasetami majícími šířku nejméně 0,1 mm a sevřený úhel menší než 20°, a vrstvu tvrdého uhlíkového materiálu na klínovitě naostřené hraně, přičemž podstata navrženého řešení spočívá v tom, že vrstva tvrdého uhlíkového materiálu je tvořena vrstvou amorfního diamantu.

Amorfní diamant má podle dalšího znaku vynálezu nejméně 40% uhlíkové vazby sp³.

Vrstva amorfního diamantu je s výhodou taková, že má tak zvaný stranový poměr, tj. poměr vzdálenosti svého krajního ostří od ostří hrany substrátu, k tloušťce vrstvy amorfního diamantu, měřené mezi jejím vnějším povrchem a povrchem substrátu, větší než 2:1.

Podle dalšího znaku má vrstva amorfního diamantu na sobě přilnavý povlak polymeru.

S výhodou má vrstva amorfního diamantu tloušťku přibližně 2000 angstrómů.

Podle dalšího znaku vynálezu má vrstva amorfního diamantu v oblasti sahající do vzdálenosti 40 pm od ostří hrany substrátu tloušťku nejméně 400 angstrómů, přičemž poloměr krajního ostří vrstvy amorfního diamantu je menší než 1000 angstrómů.

Vynález dále navrhuje způsob výroby výše uvedeného holicího břitu, při kterém se vytvoří substrát s klínovitě naostřenou hranou a na tuto klínovitě naostřenou hranu se nanese vrstva tvrdého uhlíkového materiálu, přičemž podle vynálezu se pro vytvoření vrstvy tvrdého uhlíkového materiálu na naostřenou hranu nanáší amorfní diamantový materiál prostřednictvím vysoce ionizovaného svazku uhlíkových iontů v komoře s vytvořeným vakuem, přičemž vysoce ionizovaný svazek uhlíkových iontů se získá postupem zvoleným ze skupiny postupů, zahrnujících vytvoření filtrovaného katodového oblouku, katodového oblouku nebo anodového oblouku, plazmového rozkladu plynných uhlovodíků, nanášení rozprašováním s dostatečnou ionizací indukčně vázanou radiovou frekvencí, laserovou ablací, laserovým nanášením s absorpční vlnou (LAWD) a nanášením iontovým svazkem.

S výhodou se vrstva amorfního diamantu na substrát nanáší prostřednictvím filtrovaného katodového oblouku při použití grafitového katodového terče vloženého do komory, v níž bylo vytvořeno vakuum, a na grafitovém katodovém terči se zapálí oblouk vysokonapěťovou jiskrou nebo ozářením laserem, přičemž z grafitového katodového terče odpařované uhlíkové ionty se urychlují stejnoměrným předpětím nebo radiofrekvenčním předpětím, zavedeným na substrát.

Vynález dále přináší holicí jednotku, obsahující nosnou konstrukci s plochami pro styk s kůží, umístěnými ve vzájemném odstupu, a nejméně jeden holicí břit, upevněný k nosné struktuře, přičemž holicí jednotka se vyznačuje tím, že holicí břit je vytvořen výše uvedeným holicím břitem. S výhodou jsou mezi plochami pro styk s kůží uspořádány dva rovnoběžně orientované holicí břity.

-5CZ 293994 B6

Vynález umožňuje dodat řezným hranám zlepšené mechanické vlastnosti tím, že se naostřená hrana opatří vrstvou amorfní diamantového materiálu (nebo krátce amorfního diamantu). Takové materiály s výhodou mají výše uvedený obsah uhlíkové vazby sp³ (nejméně 40 %), tvrdost nejméně 45 GPa a modul nejméně 400 GPa. Takové materiály dále nekorodují horkými vodnými roztoky a sloučeninami, běžně používanými při holení. Na rozdíl od amorfního diamantového materiálu podle vynálezu nemají tradiční diamantové (diamantu podobné) uhlíkové povlaky (DLC) vyrobené tradičními metodami, jako je naprašování, takovou vysokou tvrdost. Na rozdíl od amorfního diamantu podle vynálezu mají povlaky DLC v typickém případě tvrdost nepřesahující 30 GPa.

Extrémní tvrdost a tuhost naneseného povlaku amorfního diamantu může dodávat pevnost velmi tenké břitové hraně. Břitová hrana, zesílená 400 až 2000 angstromy amorfního diamantu, bude obsahovat dokončenou hranu, která je podstatně tenčí než hrany dosud používané pro holení, spojenou s dostatečnou pevností pro odolávání při holení, a to vzhledem k mimořádné pevnosti vrstvy amorfního diamantu.

Další příspěvek k tenkosti hrany je velký stranový poměr, dosažitelný obzvláštním procesem katodového obloukového nanášení, používaným v rámci vynálezu pro výrobu povlaků z amorfního diamantu.

Stranový poměr poskytuje užitečnou míru účinku povlaku na geometrii pod ním ležící břitové hrany substrátu - čím větší nebo vyšší je stranový poměr povlaku, tím „ostřejší“ je povlečený břit ve srovnání s břitem povlečeným s nižším stranovým poměrem. Jako další důsledek mimořádné pevnosti povlaků z amorfního diamantu podle vynálezu se očekává, že při nanesení takového povlaku na holicí břit normálního průřezu se dosáhne delší holicí živnost.

Ve výhodných provedeních je substrát holicího břitu z oceli, povlak z amorfního diamantu je nejméně čtyřikrát tak tvrdý, jako holicí substrát, klínovitá hrana je vytvořena sledem mechanických brusných pochodů a vrstva amorfního diamantu je tvořena uhlíkovými ionty pocházejícími z grafitového terče použitého jako zdroj filtrovaného katodového oblouku.

Při způsobu podle vynálezu je poloměr ostří hrany (tj. odhadovaný poloměr největší kružnice, která může být vepsána do krajního ostří hrany, když se takové krajní ostří pozoruje pod řádkovacím elektronovým mikroskopem při zvětšeních nejméně 25 000) s výhodou menší než 1200 angstromů, a vrstva amorfního diamantu se nanáší na naostřenou hranu odpařováním filtrovaným katodovým obloukem pro dosažení poloměru na krajním ostří amorfní diamantové vrstvy menšího než okolo 1000 angstromů. Vrstva amorfního diamantu se může nanášet více postupy, majícími všechny jako společný znak intenzivní nanášení uhlíkujako vysoce ionizované látky. I když pro tento účel mohou být používány postupy katodového oblouku, anodového oblouku, plazmového rozkladu plynných uhlovodíků, rozprašování dodatečnou ionizací indukčně vázaným rf, laserovou ablací, laserovým nanášením s absorpčními vlnami (LAWD) a přímým nanášením iontovým svazkem, používá přednostní provedení filtrovaný katodový oblouk.

Při konkrétním procesu se substrát mechanicky obrušuje ve sledu obtahovacích procesů pro vytvoření naostřených hran, vrstva amorfního diamantu se ukládá filtrovaným katodovým obloukem, přičemž povlak z amorfního diamantu na řezné hraně substrátu má tloušťku nejméně 400 angstromů, vrstva amorfního diamantu má nejméně 40 procent uhlíkové vazby sp³, tvrdost nejméně 45 GPa a na řeznou hranu substrátu s vrstvou amorfního diamantu může být nanášen přilnavý polymerní povlak.

Vynález umožňuje dosáhnout výhod filtrovaného katodového oblouku (proud plně ionizované páry, vyloučení rozstřikování kapiček) a výhody pravoúhle čtyřúhelníkového zdroje (rovnoměrné odpařování ze zdroje a rovnoměrné nanášení na substrátu při použití lineárního pohybu) pro povlékání nebo implantování na dlouhém nebo velkém substrátu s minimální kontaminací substrátu kapičkami roztaveného zdrojového materiálu.

-6CZ 293994 B6

Vynález používá prostředky pro vytváření a směrování přímého plazmového svazku na pravoúhle čtyřúhelníkovou plochu pro účely vytváření povlaku nebo vykonávání iontové implantace na substrátu. Pravoúhle čtyřúhelníkové katoda je uložena v zahnuté trubce pravoúhle čtyřúhelníkového průřezu, která vymezuje plazma a ohýbá je směrem k oblasti substrátu při současném zachycování roztavených kapiček katodového materiálu, také vytvářených obloukem. Oblast plazmové trubice, v níž je katoda uložena, je zde dále označována jako vstupní rameno trubice, zatímco substrát je uložen u výstupního ramena trubice.

Magnetické pole se vytváří v trubici, která směruje plazma trubicí při současném působení toho, že se oblouk pohybuje v jednom směru po délce pravoúhle čtyřúhelníkové katody. Když oblouk dosahuje konec katody, poskytne čidlo signál, na jehož základě se obrátí polarita magnetického pole, čímž vyvolá obrácení směru oblouku a oblouk se pohybuje směrem k opačnému konci katody. Polarita magnetického pole se přepne, kdykoliv oblouk dosáhne jednoho z konců katody, takže oblouk sleduje pravoúhle čtyřúhelníkovou katodu po její délce tam a zpět.

Ačkoliv polarita (směr) magnetického pole se opakovaně obrací, tvar magnetického pole a jeho orientace vzhledem k trubici s výhodou zůstávají v podstatě stejné, a plazma se přenáší trubkou v obou polaritách. V přednostním provedení tvoří oblast sbíhajících se čar magnetického pole u katody tvoří magnetické zrcadlo, které odráží plazma směrem k výstupu trubice.

Pohyb oblouku po délce katodového terče vyplývá ze složky magnetického pole přilehlé k povrchu terče, která je rovnoběžná s rovinou povrchu terče a kolmá k dlouhé ose pravoúhle čtyřúhelníkového terče. Pro složky magnetického toku v této orientaci jsou možné dvě polarity (směry). Když má pole jednu polaritu, oblouk se pohybuje po délce katody ve směru daném zpětným vektorem JxB, jak je popsáno výše. Když má pole opačnou polaritu, pohybuje se oblouk po délce katody v opačném směru.

Obrácením polarity magnetického pole, založeným na signálech z čidel umístěných na koncích katody, při udržování orientace čar toku vzhledem k povrchu terče, se směr pohybu oblouku po délce katody může periodicky obracet, čímž se způsobí, že oblouk sleduje sem a tam délku pravoúhle čtyřúhelníkové katody po v podstatě přímce.

Přepínatelné (obrátitelné) magnetické pole u odpařovatelného povrchu terče, které působí, že se oblouk pohybuje po délce terče, může být vytvářeno použitím ďektromagnetových cívek, umístěných vně trubice nebo uvnitř těla katody. Například současné připojení proudu k oběma koncům pravoúhle čtyřúhelníkové katody a měněním podílu celkového proudu, který prochází do každého konce katody na základě signálů z čidel umístěných na koncích katod, vytváří složku magnetického pole v orientaci požadované k tomu, aby vyvolala pohyb oblouku po délce katody, jak je popsáno v patentovém spisu US 5 269 898.

Jelikož směr, kteiým většina proudu oblouku prochází v pravoúhle čtyřúhelníkové katodě, je obracen na základě signálů z čidel, obrací se také polarita (směr) složky magnetického pole, rovnoběžné s povrchem terče, na základě signálů z čidel, čímž se obrací směr dráhy oblouku po délce terče. Podobně, jak je také popsáno v patentovém spisu US 5 269 898, může být složka magnetického pole, působící skenování obloukem, také vyvolávána řízením proudu po délce katody a obracet svůj směr na základě signálů čidla, nebo přepínáním přiváděného proudu oblouku z jednoho konce katody na druhý, jak je popisováno v patentovém spisu US 5 037 522.

Doprava plazmatu trubicí vyplývá ze složky magnetického pole u stěn trubice, která je rovnoběžná s rovinou stěn a rovnoběžná s osou trubice. Difúze elektronů plazmatu magnetickým polem směrem ke stěnám trubice vytváří složku elektrického pole, která odráží kladně nabité ionty a dovoluje jim tak se pohybovat podél trubice a okolo jejího ohybu. Nenabité makročástice nejsou odráženy a jsou proto zachycovány stěnami trubice nebo zarážkovými stěnami, které mohou být osazeny kolmo ke stěně trubice a vybíhat do krátké vzdálenosti ze stěny trubice, aby

-7CZ 293994 B6 snížily odrážení makročástic od stěn trubice. Polarita složek magnetického pole v trubici a u stěn trubice se s výhodou přepíná současně s polaritou složky pole u povrchu terče, což má za následek pohyb oblouku, takže tvar magnetického pole v trubici zůstává stejný přes obrácení polarity. Do rámce vynálezu však také náleží obracet polaritu pole pouze v oblasti povrchu terče při udržování statického (neobracejícího se ) magnetického pole ve zbytku trubky při použití elektromagnetů nebo permanentních magnetů. Obměny v čistém tvaru magnetického pole mohou v tomto posledním případě vyvolat periodické obměny v přenosu plazmatu trubicí v závislosti na obracení pole v blízkosti povrchu terče.

Jelikož proud plazmatu se vysílá z katody primárně ve směru kolmo k odpařovatelnému povrchu, má sklon narážet na stěnu trubice nejsilněji v oblasti vnějšího poloměru ohybu trubice. Aby se zvýšil přenos plazmatu trubicí, je žádoucí zintenzivnit sílu magnetického pole v této oblasti. Přídavným faktorem je to, že materiály katodového terče rozdílné atomové hmotnosti a teploty tání jsou vysílány z terče s rozdílnými rychlostmi a kinetickými energiemi. Je proto žádoucí měnit sílu magnetického pole, zejména v oblasti ohybu trubice, pro optimalizaci přenosu pro různé materiály. V blízkosti vnějšího ohybu trubice proti odpařovatelnému povrchu terče je tak umístěna samostatná elektromagnetová cívka, v níž se proud může s výhodou měnit nezávisle na proudu v ostatních cívkách, vytvářejících části magnetického pole v trubici.

Je třeba si povšimnout toho, že ve válcových plazmových trubicích (nebo v přímé dráze, která může být nastavena vzhledem k pravoúhle čtyřúhelníkové trubici), v němž jsou jedna nebo více elektromagnetových cívek uloženy tak, že kruhově obklopují trubici, přičemž vytvářejí solenoidové magnetické pole trubicí, musí být dráty tvořící cívku (cívky) nutně umístěny v těsnějších odstupech od sebe u vnitřního poloměru ohybu v trubici než u vnějšího poloměru. To má za následek, že magnetické pole uvnitř trubice má větší sílu směrem ke vnitřnímu poloměru trubice, kde jsou dráty uloženy v těsnějších odstupech, a menší sílu směrem ke vnějšímu poloměru trubice, kam proud obloukového plazmatu naráží. Podle jiných doporučení může být síla magnetického pole uvnitř trubice při vnějším poloměru ohybu zvětšena tak, aby se vyrovnala síle pole u vnitřního poloměru, nebojí přesáhla, aby se zvýšil přenos plazmatu trubicí.

Elektrické pole kolmé ke stěně trubice, které odráží kladně nabité ionty od stěny trubice, je tvořeno difúzí plazmových elektronů příčně magnetickým polem ve směru v podstatě rovnoběžném se směrem stěn trubice. Je také možné, aby se ionty odrážely od stěny trubice druhým způsobem, a to vytvářením čar magnetického toku v blízkosti stěny oblasti, v níž se čáry magnetického toku sbíhají, když se přibližují stěně v přibližně kolmém směru, čímž se vytváří oblast známá jako magnetické zrcadlo. Plazmové elektrony přibližující se ke stěně jsou odráženy nebo zpožďovány, když vstupují do oblasti sbíhajících se čar toku, čímž se vytváří spád hustoty elektrického pole, který rovněž odráží ionty plazmatu. Pro vymezování polohy plazmatu se v laboratorních zařízeních nebo jiných zařízení obvykle používají magnetická zrcadla.

Vhodnost magnetického zrcadla je popisována v oboru filtrovaných obloukových plazmových zdrojů ve vakuu poprvé. Potřeba funkce poskytované zrcadlovým polem je uvedena například v patentovém spisu US 5 282 944, kde se uvádí, že je potřeba více izolačních prstenců, pro zabránění ztráty plazmatu do stěn trubice, kde magnetické pole prochází stěnou trubice. Oblasti magnetického zrcadlového pole do vstupního ramena přednostního provedení vytváří přednostní směr pro plazmový tok směrem k vstupnímu ramenu trubice při současném poskytování složky magnetického pole (rovnoběžné s povrchem terče a kolmé k jeho podélné ose), která působí, že se oblouk pohybuje po délce terče. Obracení polarity magnetického zrcadlového pole a tím i složky pole rovnoběžné s povrchem terče působí, že se směr pohybu oblouku na povrchu terče obrací beze změny tvaru nebo funkce zrcadlového pole.

Kombinace a superponování zdrojů nezávisle měnitelného magnetického pole, vytvářející oblast solenoidového magnetického pole v oblasti plazmové trubice, „nárazníkovou“ oblast v blízkosti vnějšího poloměru ohybu v trubici, a oblast magnetického zrcadlového pole ve vstupním rameni trubice u katody, poskytují dostatečnou nastavitelnost pro umožňování optimalizace dopravy

-8CZ 293994 B6 plazmatu trubicí pro širokou škálu materiálů terče. Je třeba však rozumět tomu, že ne tyto prvky musí být přítomné, a že přítomné prvky nemusí být nutně proměnlivé, zejména v případě zdroje, který je optimalizován na jediný terčový materiál. Například v závislosti na způsobu použitém pro obracení polarity magnetického pole v blízkosti povrchu terče může být dostačující jediný solenoidový elektromagnet obklopující celou trubici.

Tvar magnetického pole a způsoby řízení umožňují vytvořit kompaktní a účinný plazmový zdroj s pravoúhle čtyřůhelníkovým výstupním otvorem, který může být tak dlouhý, jak je požadováno, čímž se poskytují výhody filtrovaného katodového oblouku v kombinaci s prospěšnými účinky pravoúhle čtyřúhelníkového zdroje nanášení. Postup obracení pole pro ovládání oblouku na povrchu katody dovoluje, aby šířka katody byla mnohem menší, než je možné při použití magnetického pole typu race-track (s „dráhou pro rychlý běh“).

Plazmová trubice může být proto vytvořena jako mnohem užší a kratší, což má za následek kompaktní řešení, které se dá snáze vřadit do vakuového systému než objemné filtry, zejména v systémech obsahujících více plazmových zdrojů. Úzká katoda a pohybující se oblouk také dovolují rovnoměrnější erozi terče podél jeho délky a vyšší použití materiálu terče, než je možné u rovinných katod typu race-track.

Výhody způsobu dovolují, aby zdroj byl neomezeně prodlužován do délky a umožnily se tak dosáhnout přínosy nanášení nebo implantace filtrovaným obloukem.

Přehled obrázků na výkresech

Další znaky a výhody vynálezu, včetně podmínek procesu nanášení amorfního diamantového povlaku, jsou popsány v následujícím popisu na příkladech provedení s odvoláním na připojené výkresy, ve kterých znázorňuje obr. 1 perspektivní pohled na holicí jednotku, obr. 2 perspektivní pohled na jinou holicí jednotku, obr. 3 schematický řez znázorňující jeden příklad geometrie hrany holicího břitu podle vynálezu, obr. 4schematický pohled na zařízení pro provádění vynálezu, obr. IA schematické znázornění filtrovaného vakuového oblouku, používající kruhovou katodu a válcovou plazmovou trubici, obr. 2A schematický pohled na zdroj filtrovaného obloukového plazmatu, obr. 3A perspektivní pohled na sestavu trubic a magnetů, obr. 4A řez koncem trubicové sestavy, obr. 5A podélný řez částí trubicové sestavy a obr. 6A pohled od konce v řezu, ukazující čáry magnetického pole a zrcadlo magnetického pole ve vztahu k trubicové sestavě a jejím magnetovým soupravám.

Příklady provedení vynálezu

V následujícím popisu budou vysvětleny vlastnosti a parametry různých přednostních provedení břitu, substrátu a povlaku z amorfního diamantu, po nichž bude následovat popis podmínek procesu pro nanášení požadovaného povlaku.

Jak ukazuje obr. 1, obsahuje holicí jednotka 10 uspořádání pro připojení k rukojeti holicího strojku a nosnou strukturu 12, ve tvaru plošinového členu vytvarovaného z houževnatého polystyrenu mající dále uváděný tvar a obsahující příčně uspořádanou plochu 14 pro záběr do kůže. Na nosné struktuře 12 jsou uloženy přední břit 16, mající naostřenou hranu 18, a následující břit 20, mající naostřenou hranu 22. Holicí jednotka 10 dále poskytuje krytový člen 24 z tvarovaného houževnatého polystyrenu, mající tvar vymezující plochu 26, pro záběr do kůže, uloženou za naostřenou hranou 22, a ke kterému členu 24 je připojen pomocný holicí kompozit 28.

Holicí jednotka 30 znázorněná na obr. 2 je typu znázorněného v patentovém spisu US 4 586 255 a obsahuje nosnou strukturu 32 ve formě tvarovaného tělesa s přední částí 34 a zadní částí 36. V tělese nosné struktury 32 jsou pružně upevněny chránítkový člen 38, přední břitová jednotka 40 a

-9CZ 293994 B6 zadní břitová jednotka 42. Každá, břitová jednotka 40, 42 obsahuje břit 44, který má naostřenou hranu 46. Ve vybrání v zadní části 36 je upevněn třecím spojením pomocný holicí kompozit 48.

Na obr. 3 je znázorněn schematický pohled na hranovou oblast holicích břitů 16, 20 nebo 44. Z tohoto obrázku může být lépe porozuměno pojmu stranového poměru. Břit obsahuje substrát50 z nerezavějící oceli s klínovitě naostřenou hranou, vytvořenou ve sledu po sobě následujících obtahovacích pochodů pro vytváření klínovité hrany, při kterém se vytvoří ostří 52, které má v typickém případě poloměr menší než 500 angstromů. Klínovitá hrana s ostřím 52 je vymezována fasetami 54, 56, které se rozbíhají v úhlu okolo 13°. Na ostří 52 a fasetách 54, 56 je uložena vrstva 60 amorfního diamantu, která má tloušťku b okolo 2000 angstromů, se stranovým poměrem (poměrem vzdálenosti a krajního ostří 70 vrstvy 60 amorfního diamantu od ostří 52 hrany substrátu 50 z nerezavějící oceli, a tloušťky b vrstvy 60 amorfního diamantu) okolo 3:1.

Na vrstvě 60 amorfního diamantu je uložen přilnavý telomemí povlak 72, který má tloušťku v podstatě takovou, v jaké je nanesený, ale který se redukuje během počátečního holení na molekulovou vrstvu.

Na obr. 4 je schematicky znázorněno zařízení pro zpracovávání břitů typu znázorněného na obr. 3. Zařízení obsahuje systém pro nanášení filtrovaným katodovým obloukem, který má komoru 80 z nerezavějící oceli, připojenou k neznázoměnému vakuovému čerpacímu systému ventilem 82. V komoře 80 je uložena elektricky izolovaná, vodou chlazená plošina 84, na níž je uložen otočný nosič 86, který drží sloupec holicích břitů 88.

Naostřené hrany 46 jsou uspořádány kolmo k rovině tažení a lícem směrem dolů od nosiče 86. Motor 90, upevněný vně komory 80 poskytuje možnost 180° otáčení sloupce břitů 88 v předem určených intervalech pro účel střídavého odkrývání každého břitového okraje vzhledem ke svazku uhlíkových iontů z jediného zdroje 92 katodového oblouku, čímž se zajišťuje rovnoměrné nanášení na obou úkosech břitů 20,44.

V komoře 80 jsou dále uloženy dva zdroje 92, 94 filtrovaných katodových oblouků, sestávající každý z grafitového terče 96 (katody, s čistotou 99,99 %), zapalovače 98 oblouku a trubky 100. Trubka 100 (filtr) slouží pro směrování proudu uhlíkových iontů (plazmového oblouku) z grafitového terče 96 na sloupec břitů 88 použitím magnetických polí solenoidu vytvářených elektrickými vinutími 102 po délce potrubí a elektromagnetem 104 uloženým pod trubkou 100. Zdroj katodového oblouku může být také typu popsaného v související patentové přihlášce US 08/233 006. Pro chlazení terče 96, zdroje 92 a nosiče 86 slouží odpovídající potrubí 106, 108 a 110 pro chlazení vodou.

Trubka 100 filtru je orientována tak, že poskytuje úhel 40° mezi rovinou 112 tvořenou ostřími břitů 44 a osou 114 výstupu trubky 100. Tento úhel se volí tak, aby zajišťoval, že se ukládá povlak s plnou hustotou. Grafitový terč 96 je dlouhý přibližně 30 centimetrů a 2,5 centimetrů široký a je elektricky izolovaný od komory 80, zatímco trubka 100 je na zemnicím potenciálu. Grafitový terč 96 je připojen k přívodu 118 stejnoměrného proudu přes spínač 128. Detaily řešení přednostního filtrovaného katodového oblouku a funkce jsou popisovány níže ve výše zmíněné související přihlášce US 08/233 006.

Otočný nosič 86 nese sloupec holicích břitů 88 s hranami umístěnými ve vzdálenosti 15 cm od ústí trubky 100 filtru. Sloupec břitů 88 se otáčí mezi polohou, kde jeden úkos leží proti zdroji 92 a podobnou polohou, kde opačný úkos leží proti zdroji 92. Toto otočení o 180° se provádí každých 10 sekund, čímž se zajišťuje, že úkosy jsou rovnoměrně povlečeny.

V jednom příkladě konkrétního sledu zpracovávání se sloupec břitů 88, dlouhých 2,5 cm, upevní k otočnému nosiči 86, spustí se chladící voda nosiče 86 a komora 80 se vyčerpá. Tlak do komory 80 se nastaví na 50 militorr s proudícím argonem. Spínač 120 se sepne pro poskytování stejnoměrného proudu -400 V do sloupce břitů 88, čímž se zapálí stejnoměrný plazmový výboj,

-10CZ 293994 B6 v němž se břity 44 čistí deset minut. Po čisticím kroku se nejprve nastaví tlak v komoře na 0,1 militorr argonu, vybudí se vinutí 102 pole do jediného zdroje 92, sepne se spínač 120 do grafitového terče 96 a nastaví se přívod 124 stejnoměrného proudu -1000 V a zapálí se (iniciuje) oblouk na grafitovém terči 96 mechanickým zapalovačem 98. Proud oblouku se nastaví na 100 A. Intenzivní plazma uhlíkových iontů se vysílá z trubky 92 a nanáší se na sloupce břitů 88, které se otočí každých 10 sekund o 180°.

Poté, co oblouk běžel 2 minuty, nastaví se přívod 124 na předpětí -50 V a nanášení pokračuje po dobu celkem 16 minut. Výsledná vrstva 60 amorfního diamantového materiálu na břitu 44 má v principu tloušťku 1000 angstromů na každé fasetě 54, 56. Poloměr ostří břitu 44 je přibližně 350 angstromů a stranový poměr je přibližně 2,5 : 1.

V dalším příkladě postupu zpracování se nechají současně působit dva katodové obloukové zdroje, přičemž druhý zdroj 94 leží proti prvnímu zdroji 92 tak, že obě fasety 54. 56 břitů 44 se současně povlékají s přibližně stejným úhlem dopadu. V tomto případě se sloupec břitů 88 neotáčí, ale na místo toho se posouvá oblastí, kde se plazma vysílaná z obou zdrojů 92. 94 protínají. Všechny další znaky sledu zpracovávání jsou shodné s těmi, jaké byly popsány výše.

Poté se na hrany 22 břitů 44 s povlakem vrstvy 60 amorfního diamantu ukládá povlak 72 polytetrafluorethylenového (PTFE) telomeru. Způsob zahrnuje ohřev břitů 44 v neutrální argonové atmosféře a povlečení řezných hran břitů 44 a snižujícího tření. Telomemí povlak 72 a vrstva 60 amorfního diamantového materiálu pevně lnou k substrátu 50, vykazují nízkou sílu při zkoušce řezače mokré vlněné plsti (nejnižší z prvních pěti řezů s mokrou vlnovou plstí L5 vykazují okolo 0,45 kg) a odolávají opakovaným vyvíjením sil řezače vlněné plsti, což ukazuje, že vrstva 60 amorfního diamantového materiálu je v podstatě neovlivňovaná při vystavení nepříznivému namáhání v podmínkách tohoto řezače plsti a nadále pevně lne k substrátu 50 břitu 44, a to i po ponoření v destilované vodě po dobu 16 hodin při teplotě 80 °C.

Výsledné břity 44 se sestaví do vložkových holicích jednotek 30 typu znázorněného na obr. 2 a umožňují holení s výbornými holicími výsledky.

Výše uvedený popis vlastností a parametrů břitů, substrátů a vrstev amorfního diamantového materiálu mohou být dále blíže a lépe pochopeny následujícím konkrétním popisem vhodných podmínek procesu, jaké byly obecně popsány výše. Nejprve budou shrnuty katodové obloukové zdroje. Potom budou popsány různé výhodné podmínky provádění.

Nanášení vrstvy amorfního diamantového materiálu může být prováděno při použití běžného zdrojového materiálu filtrovaného katodového obloukového plazmatu, jak je popsán v patentovém spisu US 5 279 723. V prvním provedení se však nanášení provádí podle výše popsané související přihlášky. I když pravoúhle čtyřúhelníkový zdroj se obzvláště hodí pro provádění vynálezu, vynález není takto omezen. Podobně může být použit nefiltrovaný nebo jiný běžný zdroj a vynálezu je třeba rozumět tak, že není omezen na filtrované katodové zdroje.

Podmínky způsobu zahrnují vícekrokové předpětí na substrátu, stejné průměrné ukládání na obou stranách břitu a pozornost věnovanou úhlu předkládání vzhledem ke zdroji.

Počáteční vysoké předpětí v rozpětí 200 až 2000 V se zavádí na substrát během nanášení po dobu až dvou minut tak, aby se zajistila přilnavost. Nižší předpětí druhého stupně v rozpětí 10 až 200 V se poté zavede pro optimalizování struktury tvrdé uhlíkové vrstvy z amorfního diamantového materiálu a pro vytvoření požadované krystalové struktury. I když jsou podle vynálezu žádoucí nejméně dva předchozí stupně, může být také žádoucí provést další „sestupný krok“ v podobě sníženého předpětí, jako například přidáním mezilehlého stupně s předpětím 500 V.

- 11 CZ 293994 B6

Nanášení amorfního diamantu se provádí při stejné průměrné rychlosti (nebo současně) na obou stranách břitu. Nastavením nejméně dvou zdrojů pro současné nanášení a/nebo cyklické měnění úhlu předkládání soupravy břitú vzhledem ke zdroji ukládání se bude povlaková vrstva nanášet stejně nebo při stejné průměrné rychlosti ukládání na obou stranách. S ohledem na skutečnost, že břity mají každý řeznou hranu vymezovanou první nakloněnou plochou a druhou nakloněnou plochou, vymezujících ostří na spojnici šikmých ploch, může být soubor břitů uložen jako sloupec břitů, vymezujících rovinnou plochu tvořenou ostřími nebo v karuselovém zařízení nebo jinak. Vrstevnaté řešení přitom vyžaduje buď použít nejméně dva zdroje tak, že rychlost nanášení je v daném okamžiku stejná na obou stranách řezné hrany, nebo se používá pohybu soupravy břitů (sloupce nebo karuselu) vzhledem k jedinému zdroji (cyklické předkládání břitů vzhledem ke zdroji, jako je kmitání sloupce, otáčení karuselu nebo jiné postupné předkládání) tak, aby byl povlak uložen na obou stranách řezné hrany s přibližně stejnou rychlostí v průběhu ukládání.

Pro nanášení vrstvy amorfního diamantového materiálu v tloušťce 1000 angstromů je výhodný způsob nenanést celých 1000 angstromů na první stranu a potom celých 1000 angstromů na druhou stranu sloupce břitů, ale provádět místo toho současné nanášení na obou stranách nebo cyklické střídání v rozpětí 3 až 500 angstromů na první stranu a po té 3 až 500 angstromů na druhou stranu, a tak dále, až se vytvoří tloušťka 1000 angstromů nebo jiná požadovaná tloušťka na obou stranách řezné hrany každého břitu. I když výše uvedený postup je přednostní provedení, vynález se na ně neomezuje a může být realizován s nerovným nebo nevyváženým vrstvením.

Je třeba brát na zřetel, že úhlu předkládání je třeba také věnovat určitou pozornost. Podmínky nízkého tlaku (vysoký podtlak) vytvářejí vysoce směrovaný plazmový proud ionizovaného uhlíku. Břity se předkládají v úhlu měřeném od přímky kolmé k rovině vymezované ostřími břitú uložených ve sloupci (nebo od osy půlící úhel vymezovaný ostřím a první a druhou šikmou plochou klínovité řezné hrany břitu, když břity nejsou uloženy ve sloupci), který je větší než 20°, ale je menší než 90°. Uhel předkládání je určen k orientování plazmového proudu více směrově proti jedné nebo druhé straně řezných hran břitů.

Jak je obvyklé může se ukládání podle vynálezu provádět s procesním plynem, jako je argon, nebo bez něj, přičemž čištění komory se může provádět radiofrekvenčním (tj. s radiovou frekvencí) nebo stejnosměrným doutnavým výbojem a vytváření předpětí substrátu se může provádět zdrojem radiové frekvence nebo stejnoměrným zdrojem ( a takové předpětí se může používat pro tvarování ostří břitu).

Z výše uvedeného je zřejmé, že vynález dovoluje zpevňovat tenký břit pří udržování ostrosti (tj. udělování tuhosti tenkému břitu, aniž by se porušila ostrost ostří). Tam, kde by se mohl povlékat běžný břit na tloušťku o velikosti 100 až 350 angstromů, se způsobem podle vynálezu nanese vrstva amorfního diamantového materiálu do tloušťky až okolo 3000 angstromů (při měření na povrchu břitu uloženém směrem od ostří) a až 5000 angstromů při měření na ostří. Jak bylo uvedeno výše, toto vše se dosahuje při udržování vysokého stranového poměru.

Je vhodné poznamenat, že u holicích břitů, určených k povlékání tímto způsobem, se očekává, že budou tenčí, než obvyklý holicí břit, a ostřejší, a že stranové poměry 2:1a vyšší, umožňované způsobem podle vynálezu, spojené s mimořádnou pevností tvrdé uhlíkové vrstvy z amorfního diamantového materiálu, dodává břitu prvotřídní kvalitu.

Vynález dále přináší způsob, jak vytvářet a směrovat plazmový svazek po pravoúhle čtyřúhelníkové ploše pro vytváření povlakové vrstvy nebo pro provádění iontové implantace na substrát.

Obr. IA ukazuje katodu 220, spojenou s filtrem 222 způsobilým oddělováním makročástic od toku iontů vytvářeného katodovým obloukovým výbojem. Katoda 220 má tvar komolého kužele s kruhovým čelem a sbíhajícími se stěnami. Filtr 222 obsahuje dva solenoidy, přisazené svými konci jeden ke druhému, ale v úhlu 45°, pro zabraňování tomu, aby záměrnápřímka obloukového

-12CZ 293994 B6 bodu na katodě 220 směřovala k substrátu 224, který se má povlékat, při vytváření dráhy pro průchod iontů a elektronů, a obsahuje řadu zarážkových stěn pro zachycování makročástic.

S odvoláním na schematický pohled na obr. 2A může být pochopeno jedno výhodné provedení, podle kterého zařízení obsahuje katodu 230 ve formě terče na těle 231 katody 230. Terč má odpařovatelný povrch 233, mající v podstatě obdélníkový tvar. V přednostním provedení je katoda 230 uhlíku, ale může být z jakéhokoliv vhodného odpařovatelného materiálu. Tělo 231 katody 230 je uloženo na drážku 232 a je uloženo ve vstupním rameni 226 plazmové trubice 234. Katoda 230 je připojena k zápornému výstupu napájecího zdroje 228 oblouku a plazmová trubice 234 (která také slouží jako anoda) je připojena ke kladnému výstupu napájecího zdroje 228 oblouku. Pro zapálení obloukového výboje mezi katodou 230 a anodou slouží zapalovač 235 oblouku. Katoda 230 a odpařovatelný povrch 233 mohou být také obklopovány izolátory (obr. 4A). uvnitř plazmové trubice 234 je uložena vnitřní elektroda 282, jakož i čidlo 284.

Plazmová trubice 234 má pravoúhle čtyřůhelníkový tvar podobných rozměrů, jako katoda 230. Plazmová trubice 234 má ve směru její střednice ohyb v její ose. Ve zde znázorněném provedení je znázorněn na jedné ze stěn trubice 234 ekvivalentní ohyb 237. mající přibližně úhel 90°. Ale obecně je vhodný ohyb v rozmezí přibližně 15° až 120°. Ekvivalentní vnější ohyb 239 odpovídá vnějšímu poloměru. Plazmová trubice 234 má vstupní rameno 236 a výstupní rameno 238 na jednotlivých stranách vnitřního ohybu 237. Katoda 230 je uložena na izolovaném držáku 232 na konci vstupního ramene nebo v jeho blízkosti, takže odpařovatelný povrch 233 katody 230 je obrácen proti plazmové trubici 234. Jeden nebo více substrátů 244. které se mají povlékat, může být umístěno v oblasti konce výstupního ramena238 nebo v blízkosti tohoto konce.

Okolo plazmové trubice 234 je uložen soubor elektromagnetů. V blízkosti vstupního ramene 236 plazmové trubice 234 je umístěn magnet 246 připojený k napájecímu zdroji 252 cívky. V blízkosti vnějšího ohybu 239 plazmové trubice 234 je uložen magnet 248, připojený k napájecímu zdroji 252 cívky. Část výstupního ramene 238 plazmové trubice 234 je dále obalována magnetem 250, kterým je solenoid připojený k napájecímu zdroji 252 cívky. Perspektivní pohled na obr. 3A ukazuje magnety 246. 248.250 ve vztahu k plazmové trubici 234. s magnetem 246 v blízkosti vstupního ramene 238. magnet 248 v blízkosti vnějšího ohybu 239 a magnet 250 navinutý okolo výstupního ramene 238.

Z obr. 4A je patrné, že magnet 246 obsahuje cívku 270, obalující střední pól magneticky permeabilního materiálu, s koncovými deskami 274 připojenými k odpovídajícímu konci středního pólu. Podobně obsahuje magnet 248, cívku 276. obalující střední pól 278 magneticky permeabilního materiálu, s koncovými deskami 280 připojenými k odpovídajícím koncům středního pólu. Ve znázorněném provedení jsou koncové desky 280 magnetu 248 vyrobeny z magneticky permeabilního materiálu, zatímco koncové desky 274 magnetu 246 jsou vyrobeny z nepermeabilního materiálu za účelem tvarování magnetického pole požadovaným qjůsobem.

Jak je dále patrné na obr. 2A, je do katody 230 přiváděna potrubím 254 voda. Plazmová trubice 234 a vnitřní elektroda 282 mohou být také s výhodou chlazeny vodou, ale opatření pro taková chlazení nejsou znázorněna. Na substrát 244 může být zavedeno předpětí a substrát 244 se může otáčet/anebo posouvat během nanášení. V přednostním provedení jsou plazmová trubice 234 a substrát 244 obklopovány v neznázoměné komoře a vytváří se vakuum. V jiném výhodném provedení jsou plazmová trubice a držák katody ve vakuu, zatímco vnějšek trubice je pod atmosférickým tlakem.

V řezech na obr. 4A a 5A, používajících stejné vztahové značky pro jednotlivé znázorněné prvky jako na předchozích obrázcích, jsou patrné některé další detaily systému. Je patrné, že ohyb v plazmové trubici 234 slouží k zabraňování tomu, aby záměrná osa plazmové trubice 234 vedla k substrátu 244 (neznázorněnému na obr. 4A nebo 5A, přičemž se však rozumí, že leží na konci výstupního ramene 238 trubice 234 nebo vjeho blízkosti). Vnitřní stěny výstupního ramene 238, vstupní rameno 236 a ohyb plazmové trubice 234 jsou s výhodou opatřeny více zarážkovými

- 13 CZ 293994 B6 stěnami 252\ umístěnými se vzájemnými odstupy a orientovanými v podstatě kolmo k vnitřním stěnám a v podstatě vzájemně rovnoběžnými.

Na obr. 4A je dále patrné, že uvnitř plazmové trubice 234 může být uložena elektricky izolovaná vnitřní elektroda 282. Může být elektricky plovoucí vzhledem k anodě, nebo může mít kladné předpětí vzhledem k anodě. Podle obr. 5A je u každého konce odpařovatelného povrchu katody 230 umístěna dvojice čidel, a to čidlo 254A u levého konce a čidlo 254B u pravého konce.

Magnety 246, 248, 250 vytvářejí magnetické pole, reprezentované čarami magnetického toku, což je možné lépe pochopit s odvoláním na obr. 6A. Čáry 260 magnetického toku jsou orientovány ve směru v podstatě rovnoběžném s osou plazmové trubice 234 ve výstupním rameni 238. Čáry 262 magnetického toku jsou orientovány ve směru v podstatě rovnoběžném k odpařovatelnému povrchu 233 katody 230 v oblasti vstupního ramene 236. vytvářející magnetické zrcadlo u odpařovatelného povrchu 233 katody 230.

Znázornění čar 260 magnetického toku na obr. 6A bylo provedeno komerčně dostupným magnetickým analyzním programem konečných prvků. V konkrétním znázorněném příkladě mají magnety 250 a 246 600 ampérzávitů a magnet 248 má 200 ampérzávitů. V tomto případě je síla pole ve středu výstupního ramene 238 trubice 234 přibližně 50 gaussů. Je patrné, že v tomto případě je hustota toku (síla pole) na vnějším ohybu 239 trubice 234 přibližně rovná hustotě na vnitřním ohybu 237. Nastavení počtu závitů v cívce 276 magnetu 248 nebo proudu jí procházejícího (tj. nastavení ampérzávitů) může být hustota toku na vnějším ohybu239 nastavena nezávisle na hustotě toku kdekoli v trubici 234.

Jak je patrné z obr. 5A, čidla 254A a 254B jsou způsobilá snímat obloukové místo a vytvářet signál, kdykoliv se obloukové místo přiblíží buď k levému, nebo pravému odpovídajícímu konci katody 230. Čidla 254A a 254B mohou například sestávat z elektricky izolovaných drátů, zavedených do plazmové trubice 234 , přičemž dráty jsou připojeny k anodě přes neznázoměný rezistor s odporem například 1000 ohmů, a vytvoří se tak elektrické napětí všude, kde se oblouk přiblíží k drátu. Alternativně mohou čidla 254A a 254B obsahovat diodu citlivou na světlo, která detekuje optickou emisi z obloukového proudu, nebo detektor magnetického pole, který snímá magnetické pole oblouku. Napájecí zdroj 252 cívky (obr. 2A) má přepínač, způsobilý obracet směr toku proudu magnety, a je připojený neznázorněnými běžnými prostředky k čidlům 254A a 254B pro ovládání obracení magnetického pole. K obracení magnetického pole může docházet současně ve všech magnetech a dojde jím k obrácení směru čar magnetického toku, aniž by se podstatně měnil tvar čar toku nebo jejich orientace vzhledem k plazmové trubice 234. Alternativně může být obrácen pouze jeden nebo oba magnety 246, 248.

Při žádoucím, samostatně neznázoměném uspořádání systému jsou magnety 246, 248, 250 napájeny nezávisle více než jedním napájecím zdrojem 252 cívky. Použití více než jednoho napájecího zdroje 252 dovoluje, aby se proud magnetů 246. 248, 250 měnil vzájemně nezávisle v různých částech plazmové trubice 234· Současně jsou samostatné napájecí zdroje 252 cívky opatřeny každý řídicími systémy tak, že všechny obrací směr proudu současně s ovládáním signálem z čidel 254A a 254B .

Z výše uvedeného popisu lze snadno pochopit, že systém pracuje následovně. Startér 235 oblouku zapaluje oblouk mezi katodou 230 a plazmovou trubicí 234 , která slouží jako anoda. Obloukový výboj má původ v obloukovém bodě na odpařovatelném povrchu 233 katody 230 a vytváří plazma, obsahující ionizovanou páru materiálu katody 230. Plazmová trubice 234 směruje plazma vytvářené obloukovým výbojem z katody 230 na substrát 244, který se má povlékat a/nebo implantovat, a který je umístěn na výstupním rameni 238 trubice 234 nebo v jeho blízkosti. Plazmová trubice 234 má pravoúhle čtyřúhelníkový průřezový tvar podobných rozměrů, jako katoda 230, a má ohyb přibližně 15 až 180° v ose podél své střednice (ve znázorněném provedení je vnitřní ohyb 237 90°) se vstupním rameni 236 a výstupním ramenem 238, oddělovanými od sebe ohybem. Katoda 230 leží na konci vstupního ramena 236 nebo v jeho

-14CZ 293994 B6 blízkosti, se svým odpařovatelným povrchem 233 umístěným proti plazmové trubici, a substrát 244 je umístěn v oblasti na konci výstupního ramene 238 nebo její blízkosti.

Magnety 246, 248, 250 vytvářejí v plazmové trubici 234 a přes odpařovatelný povrch 233 katody 230 magnetického pole, které je znázorněno čarami 260, 262, 264 magnetického toku. V oblasti výstupního ramene 238 jsou čáry 260, 262, 264 magnetického toku orientovány ve směru v podstatě rovnoběžném s osou trubice 234. V oblasti vstupního ramene 236 u katody 230 a v její blízkosti jsou čáry 260, 262, 264 magnetického toku orientovány v podstatě rovnoběžně s odpařovatelným povrchem 233 katody 230. Čáry 260, 262, 264 magnetického toku se také sbíhají v oblasti uvnitř vstupního ramene 236 plazmové trubice 234, vytvářející magnetické zrcadlo přilehle a rovnoběžně s pravoúhle čtyřúhelníkovou katodou 230. Čáry 260, 262, 264 magnetického toku orientují ionizovanou páru ohybem do plazmové trubice 234 a nutí obloukový bod v podstatě lineárnímu pohybu po délce odpařovatelného povrchu 233 katody 230. Magnetické zrcadlo je orientováno ve směru, kteiý odráží plazma směrem k výstupnímu rameni 238 plazmové trubice 234 .

Čidla 254A a 254B snímají obloukový bod a vytvářejí signál, kdykoli se obloukový bod přiblíží k jednomu z konců odpařovatelného povrchu 233. Signál z čidel 254A a 254B ovládá řídicí systém, který obrací proud v napájecím zdroji 252 cívky, čímž se obrací směr čáry 260, 262, 264 magnetického toku bez podstatného měnění jejich tvaru toku nebo jejich orientace vzhledem k plazmové trubice 234· Obloukový bod se tak nutí nejen sledovat v lineárním směru povrch pravoúhle čtyřúhelníkové katody 230, ale také ho vratně sledovat v podstatě po dráze od jednoho konce ke druhému.

Vnitřní stěny plazmové trubice 234 jsou opatřeny zarážkovými stěnami 252'. Makročástice jsou filtrovány ohybem trubice 234 a zarážkové stěny 252' složí pro zachycování makročástic.

Systém obsahuje dlouhý a úzký pravoúhle čtyřúhelníkový zdroj a relativně kompaktní trubici, mající pravoúhle čtyřúhelníkový průřez o rozměrech podobných rozměrům zdroje. Je tak vytvořena kompaktní trubice. Dobré výsledky se dosahují například při použití katodového terče přibližně 30 cm dlouhého a 2,5 cm širokého, nebo poměru mezi délkou a šířkou okolo dvanáctku jedné. Jelikož se pravoúhle čtyřúhelníkové katoda podle vynálezu může neomezeně prodlužovat, očekává se, že jsou dosažitelné i vyšší poměry.

Řešení tak přináší cestu, jak vytvářet a orientovat plazmový svazek pro pravoúhle čtyřúhelníkové ploše pro účely vytváření povlaku nebo provádění iontového implantování na substrátu.

Jak bylo vysvětleno, účinky se dosahují pravoúhle čtyřúhelníkovým tvarem katodového zdrojového materiálu, pravoúhle čtyřúhelníkovým průřezovým tvarem plazmové trubice, řízením pohybu oblouku na katodě, obracením polarity magnetického pole, aby se tak umožnilo v podstatě lineární sledování pravoúhle čtyřúhelníkového zdroje po jeho délce v podstatě vratným pohybem a tvarem a řízením magnetického pole v plazmové trubici.

Zejména umožňují tvar magnetického pole a řízení oblouku na pravoúhle čtyřúhelníkovém zdroji zkonstruovat kompaktní a účinný plazmový zdroj s pravoúhle čtyřúhelníkovým výstupním otvorem, který může být tak dlouhý, jak je požadováno, čímž se poskytují výhody filtrovaného katodového oblouku v kombinaci s výhodami pravoúhle čtyřúhelníkového zdroje nanášení. Způsob obracení pole pro řízení oblouku dovoluje, aby šířka katodového zdroje byla nejmenší možná při použití magnetického pole typu race-track podle stavu techniky.

Plazmová filtrační trubice může být proto zhotovena mnohem užší a kratší, což bude mít za následek kompaktní řešení, které se dá snáze vřadit do vakuového systému, než objemné filtry. Úzká katoda a úzké lineární skenování obloukem také dovolují rovnoměrnější erozi terče po jeho délce a vede k vyššímu zužitkování zdrojového materiálu, než je možné u rovinných katod typu race-track.

Claims (10)

1. PATENTOVÉ NÁROKY

   1. Holicí břit, obsahující substrát (50) s klínovitě naostřenou hranou (18) vymezovanou fasetami (54, 56) majícími šířku nejméně 0,1 mm a sevřený úhel menší než 20°, a vrstvu (60) tvrdého uhlíkového materiálu na klínovitě naostřené hraně (18), vyznačený tím, že vrstva (60) tvrdého uhlíkového materiálu je tvořena vrstvou amorfního diamantu.
2. 2. Holicí břit podle nároku 1, vyznačený tím, že amorfní diamant má nejméně 40% uhlíkové vazby sp³.
3. 3. Holicí břit podle nároku2, vyznačený tím, že vrstva (60) amorfního diamantu má poměr vzdálenosti (a) svého krajního ostří (70) od ostří (52) hrany (18) substrátu, k tloušťce (b) vrstvy (60) amorfního diamantu, měřené mezi jejím vnějším povrchem a povrchem substrátu (50), větší než 2 : 1.
4. 4. Holicí břit podle kteréhokoli z nároků laž3, vyznačený tím, že vrstva (60) amorfního diamantu má na sobě přilnavý povlak polymeru.
5. 5. Holicí břit podle kteréhokoli z nároků 1 až 4, vyznačený tím, že vrstva (60) amorfního diamantu má tloušťku (b) přibližně 2000 angstromů.
6. 6. Holicí břit podle nároku 1,vyznačený tím, že vrstva (60) amorfního diamantu má v oblasti sahající do vzdálenosti 40 pm od ostří (52) hrany (18) substrátu (50) tloušťku (b) nejméně 400 angstromů, přičemž poloměr krajního ostří (70) vrstvy (60) amorfního diamantu je menší než 1000 angstromů.
7. 7. Způsob výroby holicího břitu podle nároků 1 až 6, při kterém se vytvoří substrát (50) s klínovitě naostřenou hranou (18) a na tuto klínovitě naostřenou hranu (18) se nanese vrstva (60) tvrdého uhlíkového materiálu, vyznačený tím, že se pro vytvoření vrstvy (60) tvrdého uhlíkového materiálu na naostřenou hranu (18) nanáší amorfní diamantový materiál prostřednictvím vysoce ionizovaného svazku uhlíkových iontů v komoře (80) s vytvořeným vakuem, přičemž ionizovaný svazek uhlíkových iontů se získá postupem zvoleným ze skupiny postupů, zahrnujících vytvoření filtrovaného katodového oblouku, katodového oblouku nebo anodového oblouku, plazmového rozkladu plynných uhlovodíků, nanášení rozprašováním s dodatečnou ionizací indukčně vázanou radiovou frekvencí, laserovou ablací, laserovým nanášením s absorpční vlnou (LAWD) a nanášením iontovým svazkem.
8. 8. Způsob podle nároku 7, vyznačený tím, že se vrstva (60) amorfního diamantu na substrát (50) nanáší prostřednictvím filtrovaného katodového oblouku při použití grafitového katodového terče (96) vloženého do komory (80), v níž bylo vytvořeno vakuum, a na grafitovém katodovém terči (96) se zapálí oblouk vysokonapěťovou jiskrou nebo ozářením laserem, přičemž z grafitového katodového terče (96) odpařované uhlíkové ionty se urychlují stejnoměrným předpětím nebo radiofrekvenčním předpětím, zavedeným na substrát (50).
9. 9. Holicí jednotka (10, 30), obsahující nosnou strukturu (12, 32) s plochami (14, 26) pro styk s kůží, umístěnými ve vzájemném odstupu, a nejméně jeden holicí břit (16, 20, 44), upevněný k nosné struktuře (12, 32), vyznačená tím, že holicí břit je tvořen holicím břitem (16, 20, 44) podle nároků 1 až 6.
10. 10. Holicí jednotka podle nároku 9, vyznačená tím, že mezi plochami (14, 26) pro styk s kůží jsou uspořádány dva rovnoběžně orientované holicí břity (16, 20,44).