CZ308196A3 - Holicí břit a způsob jeho výroby - Google Patents

Description

Vynález se týká . holicích . břitů holicích strojků a způsobů výroby holicích břitů nebo podobných řezných nástrojů s ostrými a trvanlivými řeznými hranami, a zejména amorfního diamantového povlaku břitů při použití zdroje ve formě filtrovaného katodového plazmového oblouku. Vynález se obzvláště hodí pro vytváření velmi tvrdého a tuhého povlaku s vysokým stranovým poměrem na velmi tenkých řezných hranách břitů.

Dosavadní stav techniky

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

Byla navržena řada takových povlakových materiálů, jako poiymerní materiály a kovy, jakož i jiné materiály včetně diamantovitého uhlíkového materiálu (DLC). Každá taková vrstva nebo vrstvy musí být adhezně slučitelné tak, aby každá vrstva zůstala pevně lnoucí k substrátu v průběhu života holicího břítu, 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 USA č.5 032 243 popisuje podkladové • ·

-2• ·· materiály břitu naostřené iontovým bombardováním ze zdrojů iontů, majících osy jejich svazků orientovány na hrany holicích břitů. Patentový spis USA č.5 232 568 popisuje a znázorňuje břity, které mají mezivrstvu, vloženou mezi substrát a diamantovitý povlak, přičemž mezivrstva se uloží na substrát a po té se na mezivrstvu nanáší diamantovitý povlak.

Dosavadní řešení nebyla zcela úspěšná a bylo by žádoucí jednoduše používat mechanických obtahovacích procesů pro vytvoření naostřeného substrátu místo vytváření iontového svazku podle spisu US 5 032 243, následovaných přímým nanášením amorfního diamantového povlaku 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 a tvrdosti substrátu nanesením amorfního diamantového povlaku přímo na substrát.

Zhruba v posledním desetiletí našlo vakuové obloukové odpařování široké průmyslové uplatnění při nanášení povlaků z kovu, slitiny nebo kovové sloučeniny na substrátu, který se má povlékat. Vakuová oblouková výbojová zařízení také našla uplatnění jako zdroje iontů pro taková uplatnění, jako je iontová implantace, urychlovače svazků a pohon raket.

Způsob vakuového obloukového odpařování pro povlékání nebo implantování substrátu 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 • · · · ·· ··

-3jsou v rozmezí 25 až 1000 A, s napětími od 15 do 50 V.

Obloukový plazmový výboj vede elektrický proud mezi katodou a anodou plazmou tvořenou 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 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, obvykle pomocí mechanického dotyku, vysokonapětové jiskry nebo laserovým ozářením. Následující obloukový plazmový výboj je vysoce lokalizovaný v jednom nebo více mobilních mobilních obloukových bodech (arc-spot, vlastně obloukových místech, 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 na 10⁶-10⁸ A/cm² 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 povlékat, je uložen mezi katodou a anodou nebo u katody a anody. Pára katodového materiálu se obvykle dále urychluje směrem k povrchu substrátu zavedeným napětím a kondenzuje na povrchu substrátu nebo v něm zůstává zachycena. Do vakuové komory mohou být během odpařovacího procesu • · • · • · · ·

-4zavedeny 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 magnetických polí sklon k tomu, aby se pohyboval nahodile okolo povrchu terče a zanechává stopu mikroskopických kráterovitých znaků na povrchu terče.

Zevně zavedené 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 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 postranní 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 má 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 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.

Magnetické postupy první kategorie jsou obecně jednodušší, než filtrační postupy, ale zcela nevylučují tvorbu makročástic. Filtrační metody druhé 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 45-180° tak, že prochází ohybem do filtrační trubice a naráží na substrát. Nenabité makročástice nejsou ohýbány 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 USA č.2 972 695, popisující magneticky stabilizované vakuové obloukové odpařovací zařízení, spisy USA č.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 USA č.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 nebo urychlovací dráze na katodě jsou znázorněny v patentových spisech USA Č.4 724 058, 4 673 477 a 4 849 088. Každý z uvedených spisů popisuje obloukové odpařovací zařízení používající obloukovitě magnetické 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 také známé například pohybovat prostředkem vytvářejícím elektromagnetické pole oblouku, a to buď mechanicky podle spisu US 4 673 477 a 4 849 088. nebo pomočí více elektromagnetů, jak je

-Ί-

navrhováno ve spisu US 4 724 058.

Příklady podlouhlých, válcovitých katod jsou obsaženy ve spisech USA č.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 pole obloukového proudu pro vyvolávání jeho pohybu po délce katody. Spis USA č.5 269 898 uvádí, že tvorba makročástic se může snížit zavedením přídavné axiální složky magnetického pole pro urychlení a řízení pohybu oblouku.

Patentový spis USA č.4 492845 popisuje obloukové odpařovací zařízení používající prstencovou katodu, v němž je odpařovatelný katodový povrch její vnější stěna, ležící proti válcové 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 odráženým 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.

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

-8• · · · · · ·· ··· · · · · · · · · 9 9 9 9 999 • 99 ···· · · ·· vytváření solenoidového magnetického pole trubicí a s kruho- i vou obloukovou odpařovací katodou na jednom konci a s trubicí a substrátem na druhém konci. Plazma vysílané katodou je odrážena 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 USA č.5 279 723 popisuje zařízení v podstatě podobné původnímu Aksenovovu filtru s použitím válcové trubice s ohybem o 45°, kruhovou nebo kuželovitou katodou a anodou, a spočívající ve zdokonalení různých složek včetně tvaru katody a vnitřních odrazných prvků, které snižují přenos makročástic.

Patentový spis USA č.4 452 686 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 vysílaná katodou je ohýbána magnetickým a elektrickým polem u stěny trubice a centrální elektrody, a je dopravována podél magnetického pole trubicí a okolo střední elektrody. Nabité makročástice nejsou ohýbány magnetickým nebo elektrickým polem a jsoů zachycovány střední elektrodou.

Patentový spis USA 5 282 944 popisuje zařízení poněkud podobné tomu, jaké je uvedeno ve spisu USA č.4 452 686, používající rovnou válcovou filtrační trubici a centrální štít, který zabraňuje makročásticím, vysílaným v malých úhlech od katody, aby se dostaly přímo na substrát. Elektromagnetové cívky vytvářejí v trubici, která je v podstatě solenoidová,magnetické pole v blízkosti stěny trubice. Odpa-9···· ·· ·· ·· · · · · ! • · · · · • · · · · · • · · · · · ··· ·· ·· ···· ·· ·· • · · · • · ·· • · · · · • · · ·· ·· řovatelný povrch katody je v tomto případě vnější povrch krátkého válce, orientovaného souose s filtrační trubicí, takže plazma vysílaná z katody je směrovaná 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 používající obracení polarity magnetického pole pro řízení pohybu oblouku na katodové ploše, ani filtrační trubici mající průřez ve tvaru pravoúhlého čtyřúhelníka (pravoúhle čtyřúhelníkový). Obecně je přitom považováno za účelné, aby filtrovaný katodový oblouk obsahoval pravoúhle čtyřúhelníkový zdroj nanášení.

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

Filtrované katodové obloukové zdroje mají výhodu v tom, že proud páry katodového materiálu, vysílaný ze zdroje, je plně ionizovaný, na rozdíl od způsobů nanášení nezaložených na oblouku, jako odpařování a rozprašování. 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 re-

-10• · · · • · ·· • · · · · • · · • · * · aktivitu páry při tvorbě směsí nebo sloučenin s reaktivními plyny v systému nebo přímo se substrátem.

Podstata vynálezu

Podle vynálezu se řezné hrany opatří zlepšenými mechanickými vlastnostmi tím, že se na naostřenou hranu substrátu nanese povlak amorfního diamantového materiálu. Takové materiály mohou být charakterizovány tím, že mají nejméně 40 procent uhlíkové vazby sp3, tvrdost nejméně 45 GPa a modul nejméně 400 GPa. Takové materiály dále nekorodují horkými vodnými roztoky a sloučeninami, běžně používanými při holení. Materiály mající tyto vlastnosti budou označovány v dalším popisu jako amorfní diamant. Na rozdíl od amorfního diamantového materiálu podle vynálezu nemají tradiční diamantovité (diamantu podobné) uhlíkové povlaky (DLC) vyrobené takovými tradičními metodami, jako je rozprašování, takovou vysokou tvrdost. Na rozdíl od amorfního diamantu podle tohoto popisu, mají povlaky DLC v typickém případě tvrdost nepřesahující 30 GPa.

Extrémní tvrdost a tuhost naneseného diamantového povlaku může dodávat pevnost velmi tenké břitové hraně. Spis USA 4 720 918 popisuje hrany tohoto typu, které jsou zde zahrnuty jako příklady a nejsou považovány ze omezující. Velmi tenká břitová hrana může poskytovat zvýšený holicí komfort, ale je praktická pouze pokud je hrana dostatečně silná pro to, aby odolávala holení. Tenká hrana, včetně těch, které jsou popsány v patentovém spisu USA č.4 720 918, zesílená 400 až 2000 angstrómy amorfního diamantu, bude tvořit konečnou 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 amorfního diamantového povlaku.

Další příspěvek k tenkosti hrany je velký stranový ·· ·· • · « • ·· • ♦ · · <

• * 4 ·· ··

-11··*· poměr, dosažitelný obzvláštním procesem katodového obloukového nanášení, používaným v rámci vynálezu pro výrobu amorfních diamantových povlaků. Pojem stranový poměr je podrob-_r nejí vysvětlen s odvoláním na obr.3 v následujícím popisu a pro účely tohoto shrnutí podstaty vynálezu je třeba uvést, : že jde o poměr (a) ku (b), kde (a) je první vzdálenost, měřená od ostří povlaku povlaku od ostří substrátu a (b) je druhá vzdálenost, měřená od povrchu povlaku k ostří substrátu.

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

Podstatou vynálezu je holicí břit, obsahující substrát s klínovitě naostřenou hranou, jehož podstatou je, že jeho klínovitě naostřená hrana je vymezována fasetami majícími šířku nejméně 0,1 mm a sevřený úhel menší než 20° a vrstvu amorfního diamantového materiálu na uvedené klínoví té hraně.

Ve výhodných provedeních je substrát holicího břitu z oceli, amorfní diamantový povlak 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.

Dále vynález přináší způsob výroby výše uvedeného ho·· ·· • · · · « · «» ··· · · • · ♦ ·· ··

-12·· ·· • · · · • · · • · · * • · · ·· ···· ·· licího břitu, jehož podstata spočívá v tom, že se vytvoří substrát a na substrátu se vytvoří klínovítě naostřená hrana, mající sevřený úhel menší než 30° a poloměr zaoblení ostří menší než 1200 angstrómů a na naostřenou hranu se nanese vrstva amorfního diamantového materiálu.

Při způsobu podle vynálezu je poloměr ostří hrany (t.j. odhadovaný poloměr největšího kruhu, který může být vepsán do krajního ostří hrany, když se takové krajní ostří pozoruje pod řádkovacím elektronovým mikroskopem při zvětšeních nejméně 25 000) s výhodou menší než 1200 angstrómů, a nanášení vrstvy amorfního diamantu na naostřenou hranu odpařováním filtrovaným katodovým obloukem pro dosažení poloměru na krajním ostří amorfní diamantové vrstvy méně než okolo 1000 angstrómů. Amorfní diamantová vrstva se může nanášet více postupy, majícími všechny jako společný znak intenzivní nanášení uhlíku jako 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 amorfní diamantový povlak na řezné hraně má tlouštku nejméně 400 angstrómů, vrstva amorfního diamantu má nejméně 40 procent uhlíkové vazby sp3, tvrdost nejméně 45 GPa a přilnavý polymerní povlak může být nanášen na řeznou hranu s povlakem na řeznou hranu z amorfního diamantu .

Vynález je umožňuje dosáhnout výhod filtrovaného ka• · • · · · · · · · · · · • · ·· ····· . ··· · · · ···· · ·«· ··· ·· · ··· ·· ·· ···· ·· ·· — 13 — todového 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. Cílem vynálezu je proto vytvořit filtrovaný katodový oblouk na pravoúhle čtyřúhelníkové katodě ve vakuu pro splnění úkolů, které nemohou být dosaženy podle známého stavu techniky.

Vynález používá prostředky pro vytváření a směrování přímého plazmového svazku na pravoúhle čtyřúhelníkovou plochu pro účely vytváření povlaku nebo iontové implantace na substrátu. Obdélníková 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 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 elektromagnetových cívek, umístěných vně trubice nebo uvnitř těla katody. Například současné připojení proudu oblouku k oběma koncům pravoúhle čtyřúhelníkové katody a měněním podílu celkového celkového proudu, který prochází do každého konce katody na základě signálů z čidel umístěných na koncích katod, vytváří složku magnetického pole orientaci požadovanou k tomu, aby vyvolala pohyb oblouku po délce katody, jak je popsáno v patentovém spisu USA č.5 269 898.

Jelikož směr, kterým většina proudu oblouku prochází v pravoúhle čtyřúhelníkové katodě, je obracen na základě • ·

I » · · · · · ·· • ·«·· »♦···♦·

-15signálů 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 USA č.5 269 898, může být složka magnetického pole, působící sledování 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 USA č.5 037 522.

Doprava plazmatu trubicí vyplývá primárně 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 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 stejná přes obracení 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 • ··· • · • ·

-16směru 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 poloměru 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 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 poli 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, nebo ji 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 • · · • · · · · · · » · · · · · · · · · · · · • · · · · · · · ·

I»· ·· «· ···· ·» ··

-17v 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 plazmových 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 USA č.5 282 944, kde se uvádí, že je potřeba více izolačních prstenců, označených 21 na obr.2 a 3 tohoto spisu, pro zabránění ztráty plazmatu do stěn trubice, kde magnetické pole prochází stěnou trubice. Zahrnutí oblasti magnetického zrcadlového pole do vstupního ramene přednostního provedení vytváří přednostní směr pro plazmový tok směrem k výstupnímu 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 ramene plazmové trubice, nárazníkovou oblast pole v blízkosti vnějšího poloměru ohybu v trubici, a oblast magnetického zrcadlového pole ve vstup-

-18k· ·· • · « • 99 » · · · « • · Ί k« »* ním rameni trubice u katody poskytují dostatečnou nastavitelnost pro umožňování optimalizace dopravy plazmatu trubicí pro širokou škálu materiálů terče. Je třeba však rozumět tomu, že ne všechny 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 čtyřúhelníkovým 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 dovoluji 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 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 nan᧠« ·· · ·· ·· ·· «· · · · · · · · · · • · ·· · · · ·· • ♦ · · « · · ····· • · · » · · · · · ··» ·· ·· ···· ·· ·'♦

-19šení amorfního diamantového povlaku, jsou popsány v následujícím popisu na příkladech provedení s odvoláním na připojené výkresy, ve kterých znázorňuje obr.l 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.4 schematický pohled na zařízení pro provádění vynálezu, obr.lA 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 koncový pohled po odříznutí 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 amorfního diamantového povlaku, po nichž bude následovat popis podmínek procesu pro nanášení požadovaného povlaku.

Jak ukazuje obr.l, obsahuje holicí jednotka 10 obsahuje uspořádání pro připojení' k rukojeti holicího strojku a plošinový člen 12 vytvarovaný z houževnatého polystyrenu mající dále uváděný tvar a obsahující příčně uspořádanou plochu 14 pro záběr do kůže. Na plošinovém členu 12 jsou uloženy přední břit 16., mající naostřený břit 18 a následující břit 20. mající naostřenou hranu 22. Krytový člen 24. z tvarovaného houževnatého polystyrenu má tvar vymezující plochu 26 pro záběr do kůže, uloženou za břitovou hranou 22 a ke krytovému členu 24 je připojen pomocný holicí kompozit

28.

-20« ··· • « · ·· ·· • · · · · · · · · · · • · · · · · · ·· • «·· · · » ····:· • · * · · « ·· · ··· «· ·· · · · · · · 99

Holicí jednotka 30 znázorněná na obr.2 je typu znázorněného v patentovém spisu USA 4 586 255 a obsahuje tvarované těleso 32 s přední částí 34 a zadní částí 3.6. V tělese 32 jsou pružně upevněny chránítkový člen 38., přední břitová jednotka 40 a zadní břitová jednotka 42.. Každá břitová jednotka 40, 42 obsahuje břitový člen 44, který má naostřenou hranu 46. Pomocný holicí kompozit 48 je upevněn třecím spojením v ústupku v zadní části 36.

Na obr.3 je znázorněn schematický pohled na hranovou oblast břitů 16, 20 a 44. Z tohoto obrázku může být lépe porozuměno pojmu stranového poměru. Břit obsahuje tělovou část 50 z nerezavějící oceli s klínovitě naostřenou hranou, vytvořenou ve sledu po sobě následujících obtahovacích pochodů pro vytváření klínovité hrany, při kterém se tvoří ostří 52, které má poloměr s výhodou menší než poloměr, v typickém případě menší než 500 angstrómů s fasetami 54 a 56., které se rozbíhají v úhlu v úhlu okolo 13°. Na ostří 52 a fasetách 54. 56 je amorfní diamant 60, který má tlouštku okolo 2000 angstrómů, se stranovým poměrem (poměrem vzdálenosti (a) ostří 70 z amorfního diamantu od ostří 52 z nerezavějící oceli, a šířky (b) amorfního diamantového povlaku 60 k ostří 52) okolo 3:1.

Na vrstvě 60 je uložena přilnavá telomerní vrstva 72, která má tlouštku v podstatě takovou, v jaké je nanesena, ale redukuje během počátečního holení se na monovrstvu.

Na obr.4 je schematicky znázorněno zařízení pro zpracovávání břitů typu znázorněného na obr.3. Zařízení obsahuje systém pro nanášení filtrovaným katodovým obloukem, jaký je vyráběn společností Vapour Technologies of Boulder, Colorado, který má komoru 80 z nerezové oceli, připojenou k neznázorněnému vakuovému čerpacímu systému ventilem 82. V komoře 80 je uložen elektricky izolovaná, vodou chlazená plošina «··· «9 ·· ·· ·* • · · ♦ · · · ·«·· • · ·· ·»··· • · 9 · · · · ··· · · • · · «·· · · » «99 99 · * 9 9 9 9 · · 9 · '

-2184., na níž je uložen otočný nosič 86., který drží sloupec holicích břitů 88.

Naostřené hrany 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 v předem určených intervalech pro účel střídavého odkrývání každého břitového okraje vzhledem ke svazku uhlíkových iontů z jediného zdroje 92 katodového oblouku, čímž se zajistuje rovnoměrné nanášení na obou úkosech břitu.

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

Trubka je orientována tak, že poskytuje úhel 40° mezi rovinou 112 tvořenou ostřími břitů a osou 114 výstupu trubky. 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 ke přívodu 118 stejnosměrného proudu přes přepínač 128. Detaily řešení přednostního filtrovaného katodového oblouku a funkce jsou popisovány níže ve výše zmíněné související přihlášce USA č.08/233 006.

• 999

9 9· ·9 9 9

9 9 9 9 · 9 999·

9 9 4 999 99 • 9 9 · 9 9 * 9999 9 · 9 «99 9 9 9

999 99 99 9999 99 Μ

-22Otočný nosič 86 nese sloupec břitů 88 s hranami umístěnými ve vzdálenosti 15 cm od ústí trubice filtru. Sloupec 88 břitů se otáčí mezi polohou, kde jeden úkos leží proti trubce 92 a podobnou polohou, kde opačný úkos leží proti trubce 92. Toto otočení o 180° se provádí každých 10 sekund, čímž se zajišťuje, že úkosy jsou rovnoměrně povlečeny.

V jednom příkladě konkrétního sledu zpracovávání je sloupec břitů 88, dlouhých 2,5 cm, upevněn k otočnému uložení 86. spustí se chladicí voda nosiče a z komory 80 se odvede plyn a páry. Tlak do komory 80 se nastaví na 50 militorr s proudícím argonem. Spínač 122 se sepne pro poskytování stejnosměrného proudu -400 V dó sloupce břitů, čímž se zapálí stejnosměrný plazmový výboj, v němž se břity čistí deset minut. Po čisticím kroku se nejprve nastaví tlak v komoře na 0,1 militorr argonu, vybudí se cívky 102 pole do jediné trubky 92, sepne se spínač 120 do grafitového terče 96 a nastaví se přívod 124 stejnosměrného proudu na -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 bří těch 88, které se otočí každých 10 sekund o 180°.

Po té, co oblouk běžel 2 minuty, nastaví se zdroj 124 přepětí na -50 V a nanášení pokračuje po dobu celkem 16 minut. Výsledný amorfní diamanatový povlak břitu má v principu tlouštku 1000 angstrómů na každé fasetě. Poloměr ostří břitu je přibližně 350 angstrómů 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 « ·« · «« · · ·· ··

X · · · ♦ t ♦ · z » « · · * * ·· • « 9 · * · * · · ♦ · * ««»··' « * * «·· ·· ·· ···· ♦· ♦ · břitů se současně povlékají s přibližně stejným úhlem dopadu. V tomto případě se sloupec 88 břitů neotáčí, ale místo toho se posouvá oblastí, kde plazmata vysílaná z obou zdrojů se protínají. Všechny další znaky sledu zpracovávání jsou shodné s těmi, jaké byly popsány výše.

Po té se na hrany břitů břitů s povlakem amorfního diamantu ukládá povlak 72 polytetrafluorethylenového (PTFE) telomeru. Způsob zahrnuje ohřev břitů v neutrální atmosféře argonu a povlečení řezných hran břitů polymerovým povlakem z pevného polytetrafluorethylenu, lnoucího k břitům a snižujího tření. Povlaky 72 a 60 jsou pevně lnoucí k tělesu břitu 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 amorfní diamantový povlak 60 je v podstatě neovlivňovaný při vystavení nepříznivému namáhání v podmínkách tohoto řezače plsti a nadále pevně lne k tělesu 50 břitu, á to i po ponoření v destilované vodě po dobu šestnáct hodin při teplotě 80°C.

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

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

Nanášení povlaku amorfního diamantu může být prováděno při použití běžného zdrojového materiálu filtrovaného katodového obloukového plazmatu, jak je popsán v patentovém « ·< · φ« ·· ·· ♦ · ·♦ · · · 9 · · * · · • * * » * f · ·* • · t ♦ · 9 9 ··· 9 £ >♦·*♦· ··¥ ··« ·· ·· ···· 99 ··

-24spisu USA 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 přepětí na substrátu, stejné průměrné ukládání na obou stranách břítu a pozornost věnovanou úhlu předkládání vzhledem ke zdroji.

Počáteční vysoké přepětí v rozpětí 200-2000 V se zavádí na substrát se zavádí během nanášení po dobu až dvou minut tak, aby se zajistila přilnavost. Nižší přepětí druhého stupně v rozpětí 10-200 V se poté se po té zavede pro optimalizování struktury tvrdého uhlíkového povlaku z amorfního diamantu 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 přepětí, jako například přidáním mezilehlého stupně s předpětím 500 V.

Rozklad amorfního diamantu se provádí při stejné průměrné rychlosti (nebo současně) na obou stranách břítu. Nastavením nejméně dvou zdrojů pro současné nanášení a/nebo cyklické měnění úhlu předkládání soupravy břitů'vzhledem ke zdroji ukládání se bude vrstva povlaku 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 nakloněných ploch, může být soubor břitů uložen jako sloupec břitů, vymezujících rovinnou plochu tvořenou ostřími nebo v karuselovém zařízení nebo jinak. Vrstevnaté řešení přitom vyžaduje bud’ «·«· ·« ·· · · * · · • · t ♦ ♦ « ♦ ♦ · · · · • » · * * ·

H« ·» #* »·»·

-25*· : « ·« ·· • · ·· ;

• « · « * · · 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 každého holicího strojku s přibližně stejnou rychlostí v průběhu ukládání.

Pro nanášení povlaku v tlouštce 1000 angstrómů je výhodný způsob nenanést všech 1000 angstrómů na druhou stranu sloupce břitů, ale provádět místo toho současné nanášení na obou stranách nebo cyklické střídání v rozpětí 3 až 500 angstrómů na první stranu a po té 3 až 500 angstrómů na druhou stranu, a tak dále, až se vytvoří tlouštka 1000 angstrómů nebo jiná požadovaná tlouštka 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. Bříty se předkládají v úhlu měřeném od od přímky kolmé k rovině vymezované ostřími břitů uložených ve sloupci (nebo od osy půlící úhel vymezovaný ostřím a první a druhou nakloněnou plochou řezné hrany břitu, když bříty nejsou uloženy ve sloupci), který je větší než 20°, ale je menší než 90°. Úhel 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 (t.j.

0« ·# ·· ·· {· · * · · · * · · ·· • ♦ « · * · · ··· · · #«»·«· · · ♦ ·♦· ·· 99 ««·» ♦* ·· !

-26s radiovou frekvencí) nebo stejnosměrným doutnavým výbojem a vytváření přepětí substrátu se může provádět zdrojem radiové frekvence nebo nebo stejnosměrným zdrojem (a takové přepětí se může používat pro tvarování ostří břítu).

Z výše uvedeného je zřejmé, že vynález dovoluje zpevňovat tenký břit při udržování ostrosti (t.j. udělování tuhosti tenkému břitu, aniž by se porušila ostrost ostří). Tam, kde by se mohl povlékat běžný břit na tlouštku o velikosti 100 až 350 angstrómů, se způsobem podle vynálezu nanese povlak amorfního diamantu do tlouštky až okolo 3000 angstrómů (při měření na povrchu břitu uloženém směrem od ostří) a až 5000 angstrómů 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 2:1 a vyšší, umožňované způsobem podle vynálezu, spojené s mimořádnou pevností tvrdého uhlíkového povlaku z amorfního diamantu, dodává břitu prvotřídní kvalitu.

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

Obr.lA ukazuje katodu 20, spojenou s filtrem 22 způsobilým oddělování makročástic od toku iontů vytvářeného katodovým obloukovým výbojem. Katoda 20 má tvar komolého kužele s kruhovým čelem a sbíhajícími še stěnami. Filtr 22 obsahuje dva solenoidy, přisazené svými konci jeden ke druhému, ale v úhlu 45°, pro zabraňování tomu, aby záměrná přímka obloukového bodu na katodě směrovala k substrátu 24, který se »4 4 4 4 4 4 4

4 4 4 · 4 4 4 4 4 · • 4 4 4 4 4 « 44 • 4 4 4 4 4 ♦ 444 · * • 44 4 ♦ 4 44 » • •4 4» »4 4444 44 »4 — 27 — 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 katodový terč 30 na těle 31 katody. Terč má odpařovatelný povrch 33., mající v podstatě obdélníkový tvar. V přednostním provedení je katoda 30 z uhlíku, ale může být z jakéhokoli vhodného odpařovatelného materiálu. Tělo 31 katody je uloženo na držáku 32 a je uloženo ve vstupním rameni 26 plazmové trubice 34. Katoda 30 je připojena k zápornému výstupu napájecího zdroje 28 oblouku a plazmová trubice 34 (která také slouží jako anoda) je připojena ke kladnému výstupu napájecího zdroje oblouku. Pro zapálení obloukové výboje mezi katodou 30 a anodou 34 slouží zapalovač 35 oblouku. Katoda 30 a odpařovatelný povrch 33 mohou být také obklopovány izolátory 86 (obr.6A). Uvnitř plazmové trubice 34 je uložena vnitřní elektroda 82, jakož i čidlo 84.

Plazmová trubice 34 má pravoúhle čtyřúhelníkový tvar podobných rozměrů, jako katoda 30. Plazmová trubice má ve směru její střednice ohyb v její ose. Ve zde znázorněném provedení je znázorněn na jedné ze stěn trubice ekvivalentní ohyb 37, mající přibližně úhel 90θ, ale obecně je vhodný ohyb v rozmezí přibližně 15° až 120°. Ekvivalentní vnější ohyb, odpovídající vnějšímu poloměru, je obecně označen vztahovou značkou 39. Plazmová trubice 34 má vstupní rameno 36 a výstupní rameno 38 na jednotlivých stranách vnitřního ohybu 37. Katoda 30 je uložena na izolovaném držáku 32 na konci vstupního ramene nebo v jeho blízkosti, takže odpařovatelný povrch 33 katody je obrácen proti plazmové trubici. Jeden nebo více substrátů 44, které se mají povléká, může být umístěno v oblasti konce výstupního ramena 38 nebo v blízkosti tohoto konce.

«·«· ·· ·* ·* ·· • · · ···· * · · · • ♦ « · » · · ·* • ·»«· ·»·«·*♦ *«*«*« · « * b«« »* ·* ···♦ ♦< ··

-28Okolo plazmové trubice 34 je uložen soubor elektromagnetů. V blízkosti vstupního ramene 36 plazmové trubice je umístěn magnet 46 připojený k napájecímu zdroji 52 cívky. V blízkosti vnějšího ohybu 39 plazmové trubice 34 je uložen magnet 48, připojený k napájecímu zdroji 52 cívky. Část výstupního ramene 38 plazmové trubice je dále obalována magnetem 50., který je solenoid připojený k napájecímu zdroji 52 cívky. Perspektivní pohled na obr.3A ukazuje magnety 46, 48 a 50 ve ve vztahu k plazmové trubici 34, s magnetem 46 v blízkosti vstupního ramene 38., magnet 48 v blízkosti vnějšího ohybu 39 a magnet 50 navinutý okolo výstupního ramene 38.

Z obr.4A je patrné, že magnet 46 obsahuje cívku 70, obalující střední pól magneticky permeabilního materiálu, s koncovými deskami 74 připojenými k odpovídajícímu konci středního pólu. Podobně obsahuje magnet 76 cívku, obalující střední pól 78 magneticky permeabilního materiálu, s koncovými deskami 80 připojenými k odpovídajícím koncům středního pólu. Ve znázorněném provedení jsou koncové desky 80 magnetu 48 vyrobeny z magneticky permeabilního materiálu, zatímco koncové desky 74 magnetu 46 jsou vyrobeny z nepermeabilního materiálu za účelem tvarování magnetického pole požadovaným způsobem.

Jak je dále patrné na obr.2A, je do.katody 30 přiváděna potrubím 54 voda. Plazmová trubice 34 a vnitřní elektroda 82 mohou být také s výhodou chlazeny vodou, ale opatření pro taková chlazení nejsou znázorněna. Na substrát 44 může být zavedeno přepětí a substrát se může otáčet/anebo posouvat během nanášení. V přednostním provedení jsou plazmová trubice 34 a substrát 44 obklopovány v neznázorněné komoře a vytváří se vakuum. V jiném výhodném provedení jsou plazmová trubice a držák katody ve vakuu, zatímco vnějšek trubice *·♦· ·· »* #· ·· ♦ · · * » * » ♦ » · · • ♦ w » « « · ·· • « · · · · · ··· · * »··*·» · · » «·· ♦· *« «··· ·« ·« — 29 — 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 34 slouží k zabraňování tomu, aby záměrná osa plazmového trubice 34 vedla k substrátu 44 (neznázorněnému na obr.4A nebo 5A, přičemž se však rozumí, že leží na konci výstupního ramene 38 trubice nebo v jeho blízkosti). Vnitřní stěny výstupního ramene 38, vstupní rameno 36 a ohyb plazmové trubice 34 jsou s výhodou opatřeny více zarážkovými stěnami 52, 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 34 může být uložena elektricky izolovaná vnitřní elektroda 82. Může být elektricky plovoucí vzhledem k anodě, nebo může mít kladné přepětí vzhledem k anodě. Podle obr.5A je u každého konce odpařovatelného povrchu katody 30 umístěna dvojice čidel 54., a to čidlo 54A u levého konce a čidlo 54B u pravého konce.

Magnety 46, 48 a 50 vytvářejí magnetické pole, reprezentované čarami magnetického toku, což je možné lépe pochopit s odvoláním na obr.6A. Čáry 60 magnetického toku jsou orientovány ve směru v podstatě rovnoběžném s osou plazmové trubice 34 ve výstupním rameni 38. Čáry 62 magnetického toku jsou orientovány ve směru v podstatě rovnoběžném k odpařovatelnému povrchu 33 katody 30 v oblasti vstupního ramene 36. vytvářející magnetické zrcadlo u odpařovatelného povrchu 33 katody 30.

Znázornění čar 60 magnetického toku na obr.6A bylo provedeno komerčně dostupným magnetickým analyzním programem «« ·· ·· ·· ···· · · · · • · · · » · » ·· • 9 9 · 9 99 ··· · » • 9««·· · · t »9« ·· t· 999· «4 »4

-30konečných prvků. V konkrétním znázorněném příkladě mají magnety 50 a 46 600 ampérzávitů a magnet 48 má 200 ampérzávitů. V tomto případě je síla pole ve středu výstupního ramene 38 trubice přibližně 50 gausů. Je patrné, že v tomto případě je hustota toku (síla pole) na výstupním ohybu 39 trubice přibližně rovná hustotě na vnitřním poloměru 37 ohybu. Nastavením počtu závitů v cívce 76 magnetu 48 nebo proudu jí procházejícího (t.j. nastavením ampérzávitů) může být hustota toku na výstupním poloměru 39 ohybu nastavena nezávisle na hustotě toku kdekoli v trubici.

Jak je patrné z obr.5A, čidla 54A a 54B jsou způsobilá snímat obloukové místo a vytvářet signál, kdykoliv se obloukové místo přiblíží buď k levému nebo k pravému odpovídajícímu konci katody 30. Čidla 54 mohou například sestávat z elektricky izolovaných drátů, zavedených do plazmové trubice 34, přičemž dráty jsou připojeny k anodě přes neznázorněný rezistor s odporem například 1000 ohmů, a vytvoří se tak elektrické napětí všude, kde se oblouk přiblíží k drátu. Alternativně mohou čidla obsahovat diodu citlivou na světlo, která detekuje optickou emisi z obloukového proudu, nebo detektor magnetického pole, který snímá magnetické pole oblouku. Napájecí zdroj 52 cívky (obr.2A) má přepínač, způsobilý obracet směr toku proudu proudu magnety, a je připojený neznázorněnými běžnými prostředky k čidlům 54 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 trubici. Alternativně může být obrácen pouze jeden nebo oba magnety 46 a magnet 48.

Při žádoucím, samostatně neznázorněném uspořádání systému jsou magnety napájeny nezávisle více než jedním napájecím zdrojem 52 cívky. Použití více než jednoho napájecí-31··*· w

9 • 9 · • 9 «

999 99

9· 99 • · * · • · ·

9 9 • 99

9999

99

9 9

99

9·· 9 9

9 « ·· 99 ho zdroje dovoluje, aby se proud magnetů měnil vzájemně nezávisle v různých částech plazmové trubice 34.. Současně jsou samostatné napájecí zdroje cívky opatřeny každý řídicími systémy tak, že všechny obrací směr proudu současně s ovládáním signálem z čidel 54.

Z výše uvedeného popisu lze snadno pochopit, že systém pracuje následovně. Startér 35 oblouku zapaluje oblouk mezi katodou 30 a plazmovou trubicí 34, která slouží jako anoda. Obloukový výboj má původ v obloukovém bodě na odpařovatelném povrchu katody a vytváří plazma, obsahující ionizovanou páru materiálu katody. Plazmová trubice 34 směruje plazma vytvářené obloukovým výbojem z katody na substrát 44, který se má povlékat a/nebo implantovat, a který je umístěn na výstupním rameni 38 trubice nebo v jeho blízkosti. Plazmová trubice 34 má pravoúhle čtyřúhelníkový průřezový tvar podobných rozměrů, jako katoda 30. ^a má ohyb o přibližně 15-180° v ose podél své střednice (ve znázorněném provedení je vnitřní ohyb 37 o 90°) se vstupním ramenem 36 a výstupním ramenem 38, oddělovanými od sebe ohybem. Katoda 30 leží na konci vstupního ramena 36 nebo v jeho blízkosti, se svým odpařovatelným povrchem umístěným proti plazmové trubici, a substrát 44 je umístěn v oblasti na konci výstupního ramene 38 nebo její blízkosti.

Magnety 46, 48 a 50 vytvářejí v plazmové trubici 34 a přes odpařovatelný povrch katody 30 magnetické pole, které je znázorněno čarami magnetického toku. V oblasti výstupního ramene 38 jsou čáry magnetického toku orientovány ve směru v podstatě rovnoběžném s osou trubice 3_4· V oblasti vstupního ramene 36 u katody a v její blízkosti jsou čáry magnetického toku orientovány v podstatě rovnoběžně s odpařovatelným povrchem katody .30.. Čáry magnetického toku se také sbíhají v oblasti vstupního ramene 36 plazmové trubice 34 a vytvářejí magnetické zrcadlo přilehle a rovnoběžně s pravoúhle

-32··· ··«· ·· ·· • · ♦ · • · · • · · · « • · ♦

9» ···· • 9 ·· • · · · • · ··

9·« · · • · ·

9« ·« čtyřúhelníkovou katodou 30. Čáry magnetického toku orientují ionizovanou páru ohybem do plazmové trubice a nutí obloukový bod do v podstatě lineárního pohybu po délce odpařovatelného povrchu 33 katody 30. Magnetické zrcadlo je orientováno ve směru, který odráží plazma směrem k výstupnímu rameni 38 plazmové trubice 34.

Čidla 54 snímají obloukový bod a vytvářejí signál, kdykoli se obloukový bod přiblíží k jednomu z konců odpařovatelného povrchu. Signál z čidel ovládá řídicí systém, který obrací proud v napájecím ždroji 52 cívky, čímž se obrací směr čar magnetického toku bez podstatného měnění tvaru čar toku nebo jejich orientace vzhledem k plazmové trubici 34. Obloukový bod se tak nutí nejen sledovat v lineárním směru povrch pravoúhle čtyřúhelníkové katody 30, ale také ho vratně sledovat v podstatě po dráze od jednoho konce ke druhému.

Vnitřní stěny plazmové trubice 34 jsou opatřeny zarážkovými stěnami 52.. Makročástice jsou filtrovány ohybem trubice a zarážkové stěny slouží 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 centimetrů dlouhého a 2,5 centimetrů širokého, nebo poměru mezi délkou a šířkou okolo dvanáct ku jedné. Jelikož se pravoúhle čtyřúhelníková katoda podle vynálezu může neomezeně prodlužovat, očekává se, že jsou dosažitelné i vyšší poměry.

Řešení tak přináší cestu, jak vytvářet a orientovat plazmový svazek po pravoúhle čtyřúhelníkové ploše pro účely vytváření povlaku nebo provádění iontového implantování na ·«···· ·· ·· ·· ,, , , · · · · · 9 • ♦ 9 · · 9 · 9· • ·»· · · * 9 9 9 · 9 ··· » · · · · · ··· »· 9# ···· »9 ··

-33substrátu.

Jak bylo vysvětleno, výhody 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 řízení magnetického pole v plazmové trubici.

Zejména umožňují tvar magnetického pole a řízení oblouku na obdélníkovém 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 sledování 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 (15)

1. Holicí břit, obsahující substrát s klínovitě naostřenou hranou, vyznačený tím, že jeho klínovitě naostřená hrana (18) je vymezována fasetami (54, 56) majícími šířku nejméně 0,1 mm a sevřený úhel menší než 20° a vrstvu (60) amorfního diamantového materiálu na uvedené klínovitě hraně (18).

2. Holicí břit podle nároku 1 vyznačený tím, že vrstva (60) amorfního diamantového materiálu má nejméně 40% uhlíkové vazby sp3 a je transparentní ve viditelném pásmu světla.

3. Holicí břit podle nároku 2 vyznačený tím, že vrstva (60) amorfního diamantového materiálu má stranový poměr větší než 2:1.

4. Holicí břit podle nároku 3 vyznačený tím, že vrstva (60) amorfního diamantového materiálu má na sobě přilnavý povlak polymeru.

5. Holicí břit podle nároku 4 vyznačený tím, že vrstva (60) amorfního diamantového materiálu má tlouštku okolo 2000 angstrómů.

6. Holicí břit podle nároku 1 vyznačený tím, že vrstva (60) amorfního diamantového materiálu má tlouštku nejméně okolo 400 angstrómů od naostřeného ostří uvedeného substrátu (50) do vzdálenosti čtyřiceti mikrometrů od naostřeného ostří (70) a vymezující poloměr zaoblení ostří menší než okolo 1000 angstrómů.

7. Holicí břit podle nároku 6 vyznačený tím, že uvedený substrát je z oceli, uvedená klínovitá hrana je vytvo99·9 • 9 99 999 99 • 9999 99 99·9 ·

999 999 999

999 99 99 9999 99 99

-35řena posloupností mechanizovaných brousicích pochodů a vrstva (60) amorfního diamantového materiálu je vytvořena katodovým obloukovým procesem.

8. Holicí břit podle nároku 7 vyznačený tím, že vrstva (60) amorfního diamantového materiálu má nejméně 40% uhlíkové vazby sp3 a na této vrstvě je uložen přilnavý polymerový povlak.

9. Způsob výroby holicího břitu podle nejméně jednoho z nároků 1 až 8, vyznačený tím, že se vytvoří substrát (50) a na substrátu se vytvoří klínovitě naostřená hrana (18), mající sevřený úhel menší než 30° a poloměr zaoblení ostří menší než 1200 angstrómů a na naostřenou hranu se nanese vrstva (60) amorfního diamantového materiálu.

10. Způsob podle nároku 9, vyznačený tím, že substrát se mechanicky obrušuje posloupností obtahovacích pochodů pro vytvoření uvedené naostřené hrany (18).

11. Způsob podle nároku 9 nebo 10, vyznačený tím, že se na řezné hraně (18) s povlakem z amorfního diamantového materiálu ukládá přilnavý polymerový povlak (72).

12. Způsob podle nároku 9 vyznačený tím, že vrstva (60) amorfního diamantového materiálu na uvedené řezné hraně (18) má tlouštku nejméně 400 angstrómů od naostřeného ostří uvedeného substrátu (50) do vzdálenosti 40 mikrometrů od naostřeného ostří.

13. Způsob podle nároku 9 vyznačený tím, že substrát (50) je z kovu a uvedená vrstva (60) amorfního diamantového materiálu je nejméně čtyřikrát tak tvrdá jako uvedený kovový substrát (50).

9999 • ♦ 9

9 ·

9 9

9 9 9

99 «9

9 9

99 9999

3614. Způsob podle nároku 9 vyznačený tím, že uvedená vrstva (60) amorfního diamantového materiálu (60) se nanáší postupem zvoleným ze skupiny sestávající z filtrovaného katodového oblouku, katodového oblouku, anodového oblouku, plazmového rozkladu plynných uhlovodíků, nanášením rozprašováním s následnou ionizací indukčně vázanou radiovou frekvencí, laserovou ablací, laserovým nanášením s absorpčními vlnami (LAWD) a nanášením iontovým svazkem.

15. Způsob podle nároku 9 vyznačený tím, že vrstva (60) amorfního diamantového materiálu se nanáší ve vakuu nebo v argonové atmosféře v komoře (80), z níž byl odčerpán plyn a páry a do níž byl vložen grafitový terč (96), přičemž tento grafitový terč se vybudí a zapálí se na něm oblouk pro ukládání uvedené vrstvy (60) amorfního diamantového materiálu na uvedené naostřené hraně, při současném zavedení stejnosměrného přepětí nebo přepětí na základě radiové frekvence na uvedený substrát (50).

16. Způsob podle nároku 9 vyznačený tím, že úhel dopadu mezi plazmovým svazkem a fasetou břitu je nejméně 32°.