DE69532805T2

DE69532805T2 - Verfahren zum amorphen diamantbeschichten von klingen

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Publication number: DE69532805T2
Application number: DE69532805T
Authority: DE
Inventors: Thomas G. Decker; Gregory P. Lundie; David L. Pappas; Richard P. Welty; C. Robert Parent
Original assignee: Gillette Co LLC
Current assignee: Gillette Co LLC
Priority date: 1994-04-25
Filing date: 1995-04-21
Publication date: 2005-01-27
Anticipated expiration: 2015-04-22
Also published as: KR970702132A; JPH09512447A; CN1270878A; WO1995029044A1; DE69532805D1; US5992268A; ES2214498T3; RU2004117619A; US5799549A; CN1148824A; CN1108231C; ATE263005T1; TW370572B; AR048905A2; CZ290081B6; EP0757615B1; CA2188022A1; DE69535068T2; DE69535068D1; EP1440775A1

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft verbesserte Verfahren zur Herstellung von Rasierklingen mit scharfen und haltbaren Rasierklingen, wobei eine amorphe Diamantschicht unter Verwendung einer gefilterten Kathodenzerstäubungs-Bogenentladungsplasmaquelle gemäß dem Oberbegriff aus Anspruch 1 auf ein Substrat abgeschieden wird (siehe zum Beispiel das U.S. Patent US-A-5.295.305). Die Erfindung findet im Besonderen Anwendung zur Gestaltung einer sehr harten und steifen Beschichtung mit hohem Längenverhältnis auf sehr dünnen Schneidkanten von Rasierklingen.
Eine Rasierklinge wird für gewöhnlich aus einem geeigneten Substratmaterial wie etwa Metall oder Keramik gestaltet, und eine Kante wird mit einer keilförmigen. Konfiguration mit einer letztendlichen Kante oder Spitze gebildet, die einen Radius von weniger als etwa 1.000 Angström aufweist, wobei die keilförmigen Oberflächen einen Öffnungswinkel von weniger als 30° aufweisen. Da die Rasierwirkung erheblich ist und es häufig zu Beschädigungen der Klingenkanten kommt sowie zur Verbesserung der Rasureigenschaften wurde der Einsatz von einer oder mehreren Schichten aus ergänzendem Beschichtungsmaterial vorgeschlagen, um die Rasur zu erleichtern und/oder um die Härte und/oder die Korrosionsbeständigkeit der Rasierkante zu erhöhen.
Vorgeschlagen wurden eine ganze Reihe derartiger Beschichtungs- bzw.- Überzugsmaterialien, wie etwa Polymere und Metalle, sowie andere Materialien, darunter diamantähnlicher Kohlenstoff (englische Abkürzung DLC für diamond-like carbon). Jede derartige Schicht aus ergänzendem Material muss eine Adhäsionskompatibilität aufweisen, so das jede Schicht über die Lebensdauer der Rasierklinge fest an dem Substrat haften bleibt, und ferner sieht jede derartige Schicht vorzugsweise Eigenschaften wie eine verbesserte Rasureignung, eine höhere Härte und/oder einen höhere Korrosionsfestigkeit vor, während gleichzeitig die Geometrie und die Wirksamkeit des Schneidens der Rasierkante bzw. – schneide nicht nachteilig beeinflusst werden.
Das U.S. Patent US-A-5.032.243 an Bache et al. beschreibt Klingensubstratmaterialien, die durch Ionenbeschuss durch Ionenquellen geschärft werden, deren Strahlenachsen auf die Kanten der der Rasierklingen gerichtet sind. Das U.S. Patent US-A-5.232.568 an Parent et al. und das U.S. Patent US-A-5.295.305 an Rahn et al. zeigen Klingen, die eine Zwischenschicht zwischen dem Substrat und der diamantartigen Beschichtung aufweisen, wobei die Zwischenschicht auf das Substrat abgeschieden wird, und wobei danach die diamantartige Beschichtung auf die Zwischenschicht abgeschieden wird. EP0207467 offenbart die Gestaltung eines diamantbeschichteten Mikrotrommessers durch plasmainduzierte Bedampfung in einer Atmosphäre aus einer Mischung eines Kohlenwasserstoffgemischs und Wasserstoff, wobei die Beschichtung durch eine Wärmebehandlung mit hoher Temperatur verfeinert wird.
Die dem Stand der Technik entsprechenden Lösungen sind nicht durch und durch erfolgreich und es wäre wünschenswert einfach mechanische Abziehverfahren für die Gestaltung des geschärften Substrats zu verwenden (an Stelle der Ionenstrahlbildung nach Bache et al.), gefolgt von der direkten Abscheidung einer amorphen Diamantbeschichtung auf das Substrat (ohne den Zwischenschritt der Abscheidung einer Zwischenschicht). Somit wäre es wünschenswert, wenn man mit einem durch mechanisches Abziehen erzeugten dünnen Klingensubstrat beginnen und dem Substrat sowohl Steifheit als auch Härte durch Abscheiden einer amorphen Diamantbeschichtung direkt auf das Substrat verleihen könnte.
Vorgesehen ist gemäß der vorliegenden Erfindung ein Verfahren zur Formgebung einer Rasierklinge, wobei eine amorphe Diamantschicht auf ein Substrat abgeschieden wird, wobei das Verfahren die folgenden Schritte umfasst: Vorsehen eines Substrats; Formen einer keilförmigen geschärften Kante auf dem Substrat mit einem Öffnungswinkel von weniger als dreißig Grad und einem Radius an der Spitze von weniger als 1200 Angström; Abscheiden einer amorphen Diamantschicht auf die geschärfte Kante; Anlegen einer anfänglichen hohen Vorspannung an das Substrat während der Abscheidung und folgendes Anlegen einer zweiten, niedrigeren Vorspannung an das Substrat während der Abscheidung.
Die Schneidkanten der Rasierklingen werden mit verbesserten mechanischen Eigenschaften versehen, indem auf die geschärfte Kante des Substrats eine Beschichtung eines amorphen Diamantwerkstoffs aufgetragen wird. Derartige Werkstoffe sind dadurch gekennzeichnet, dass sie mindestens zu 40% eine sp3-Kohlenstoffbindung, eine Härte von mindestens 45 Gigapascal und einen Modul von mindestens 400 Gigapascal aufweisen. Darüber hinaus korrodieren derartige Werkstoffe nicht durch die heißen wässrigen Lösungen und Zusammensetzungen, die beim Rasieren für gewöhnlich eingesetzt werden. Materialien bzw. Werkstoffe mit derartigen Eigenschaften werden im weiteren Verlauf der vorliegenden Offenbarung als amorpher Diamant bezeichnet. Im Gegensatz zu dem amorphen Diamantmaterial der vorliegenden Erfindung weisen herkömmliche diamant-ähnliche Kohlenstoffbeschichtungen (DLC), die durch herkömmliche Verfahren wie Zerstäubung erzeugt werden, keine derart hohen Härten auf. Im Gegensatz zu dem amorphen Diamant der vorliegenden Patenschrift weisen DLC-Beschichtungen für gewöhnlich Härten auf, die 30 Gigapascal nicht überschreiten.
Die extreme Härte und Steifheit der aufgebrachten amorphen Diamantbeschichtung kann einer sehr dünnen Rasierklingenkante Stärke verleihen. Das U.S. Patent US-A-4.729.918 an Curry et al. beschreibt derartige Kanten bzw. Schneiden, und wobei diese hierin als Beispiele enthalten sind ohne einschränkende Funktion zu besitzen. Eine sehr dünne Klingenkante kann den Komfort einer Rasur erhöhen, wobei sie nur dann von praktischem Nutzen ist, wenn die Kante ausreichend stark ist, um der Rasur standhalten zu können. Eine dünne Kante, einschließlich jedoch nicht beschränkt auf die in dem U.S. Patent US-A-4.720.918 beschriebenen Kanten, gestärkt durch 400 bis 2000 Angström amorphen Diamant umfassen eine fertig gestellte Kante, die signifikant dünner ist als die bislang für die Rasur verwendeten Kanten bzw. Schneiden, in Verbindung mit einer ausreichenden Stärke, die der Rasur standhält, wobei dies durch die außerordentlich hohe Stärke der amorphen Diamantbeschichtung begründet ist.
Einen weiteren Beitrag zu der dünnen Kante leistet das hohe Längen- bzw. Seitenverhältnis, das durch das gemäß der vorliegenden Erfindung zur Herstellung amorpher Diamantbeschichtungen verwendete spezielle Kathodenzerstäubungsverfahren mit Bogenentladung erreicht werden kann. Das "Längenverhältnis" wird in Bezug auf die Abbildung aus 3 später im Text näher erläutert, wobei es im Sinne der vorliegenden Zusammenfassung als das Verhältnis von (a) zu (b) bezeichnet werden kann, wobei (a) eine erste Strecke von der Spitze der Beschichtung zu der Spitze des Substrats darstellt, und wobei (b) eine zweite Strecke von einer Oberfläche der Beschichtung zu der Spitze des Substrats ist.
Das Längenverhältnis sieht ein nützliches Maß für die Wirkung einer Beschichtung auf die darunter liegende Klingenkantengeometrie des Substrats vor – je größer bzw. höher das Längenverhältnis der Beschichtung ist, desto "schärfer" ist die beschichtete Klinge im Vergleich zu einer mit einem niedrigeren Längenverhältnis beschichteten Klinge. Als weitere Folge der außerordentlichen Stärke der amorphen Diamantbeschichtungen gemäß der vorliegenden Erfindung wird von dem Auftragen einer derartigen Beschichtung auf eine Rasierklinge mit normalem Querschnitt eine längere Lebensdauer für die Rasur erwartet.
Vorgesehen sind gemäß der einem Aspekt der vorliegenden Erfindung eine keilförmige Kante und eine Schicht aus amorphem Diamant auf der Spitze und den Flanken der keilförmigen Kante, vorzugsweise mit einer Dicke von mindestens 400 Angström, wobei ein Spitzenradius von weniger als etwa 500 Angström sowie ein Längenverhältnis von 2:1 bis 4:1 definiert werden. Die Klinge weist ausgezeichnete Rasureigenschaften und eine lange Lebensdauer auf.
In einem speziellen Verfahren wird das Substrat in einer Folge von Abziehschritten mechanisch abgeschliffen, so dass die geschärfte Kante erzeugt wird; wobei eine Schicht aus amorphem Diamant durch gefilterte Kathodenzerstäubung durch Bogenentladung abgeschieden wird, wobei die amorphe Diamantbeschichtung auf der Schneidkante eine Dicke von mindestens 400 Angström aufweist; und wobei eine haftende Polymerbeschichtung auf die mit amorphem Diamant beschichtete Schneidkante aufgetragen werden kann.
Weitere Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung, einschließlich Verfahrensbedingungen zum Auftragen der gewünschten amorphen Diamantbeschichtung werden im Verlauf der folgenden Beschreibung bestimmter Ausführungsbeispiele in Verbindung mit den Zeichnungen deutlich. In den Zeichnungen zeigen:
1 eine Perspektivansicht einer Rasiereinheit gemäß der vorliegenden Erfindung;
2 eine Perspektivansicht einer weiteren Rasiereinheit gemäß der vorliegenden Erfindung;
3 eine schematische Ansicht einer Vorrichtung zur Ausführung der vorliegenden Erfindung; und die 1A bis 6A Abbildungen des nachstehend beschriebenen U.S. Patents US-A-5.480.527.
Die folgende Beschreibung offenbart die Merkmale und Eigenschaften verschiedener bevorzugter Ausführungsbeispiele der Klinge, des Substrats und der amorphen Diamantbeschichtung, gefolgt von einer Offenbarung der Verfahrensbedingungen zum Abscheiden der gewünschten Beschichtung.
In Bezug auf die Abbildung aus 1 weist die Rasiereinheit 10 eine Struktur zur Befestigung an einem Rasierhandstück auf, sowie ein Plattformelement 12, das aus einem hochschlagfesten Polystyrol geformt ist, mit einer Struktur, die eine vordere, sich transversal erstreckende Hauteingriffsoberfläche 14 definiert. An dem Plattformelement 12 angebracht sind eine vordere Klinge 16 mit einer geschärften Kante 18 und eine folgende Klinge 20 mit einer geschärften Kante 22. Ein Kappen- bzw. Abdeckungselement 24, das aus hochschlagfestem Polystyrol geformt ist, weist eine Struktur auf, die eine Hauteingriffsoberfläche 26 definiert, die hinter der Klingenkante 22 angeordnet ist, und wobei an dem Kappenelement 24 ein die Rasur unterstützender Verbundstoff 28 angebracht ist.
Die in der Abbildung aus 2 dargestellte Rasiereinheit 30 entspricht der in dem U.S. Patent US-A-4.586.255 an Jacobson dargestellten Art und weist einen geformten Körper 32 mit einem vorderen Teilstück 34 und einem hinteren Teilstück 36 auf. Elastisch in dem Körper 32 angebracht sind das Schutzelement 38, die vordere Klingeneinheit 40 und die hintere Klingeneinheit 42. Jede Klingeneinheit 40, 42 weist ein Klingenelement 44 mit einer geschärften Kante 46 auf. Ein die Rasur unterstützender Verbundstoff 48 ist reibschlüssig in einer Aussparung in dem hinteren Teilstück 36 gesichert.
Die Abbildung aus 3 zeigt eine schematische Ansicht des Kantenbereichs der Klingen 16, 20 und 44, aus welcher das Längenverhältnis besser verständlich werden sollte. Die Klinge weist ein Körperteilstück 50 aus Edelstahl mit einer keilförmig geformten Kante bzw. Schneide auf, die in eine Folge von Abziehvorgängen zur Kantengestaltung gebildet wird, wobei ein Spitzenteilstück 52 gebildet wird, das einen Radius aufweist, der für gewöhnlich kleiner ist als 500 Angström, mit den Facetten 54 und 56, die in einem Winkel von etwa 13° divergieren. Auf die Spitze 52 und die Facetten 54, 56 wird amorpher Diamant 60 mit einer Dicke von etwa 2.000 Angström abgeschieden, mit einem Längenverhältnis (dem Verhältnis zwischen der Strecke (a) von der amorphen Diamantspitze 70 zu der Edelstahlspitze 52 und der Breite (b) der amorphen Diamantbeschichtung 60 zu der Spitze 52) von etwa 3:1.
Auf die Schicht 60 abgeschieden wird eine haftende Telomerschicht 72 die eine substantielle abgeschiedene Dicke aufweist, die während der ersten Rasur auf eine Monoschichtdicke reduziert wird.
Die Abbildung aus 4 veranschaulicht schematisch eine Vorrichtung zur Verarbeitung von Klingen der in der Abbildung aus 3 dargestellten Art. Die Vorrichtung weist ein System zur gefilterten Kathodenzerstäubung durch Bogenentladung auf, wie es etwa von Vapor Technologies, Boulder, Colorado, USA, hergestellt wird, mit einer Edelstahlkammer 80, die über ein Ventil 82 mit einem Vakuumpumpsystem (nicht abgebildet) verbunden ist. In der Kammer 80 angebracht ist eine elektrisch isolierte, wassergekühlte Substratplattform 85, auf der eine drehbare Armatur 86 angeordnet ist, die einen Stapel von Rasierklingen 88 trägt.
Die geschärften Kanten werden senkrecht zu der Ebene des Ziehens ausgerichtet und zeigen von dem Träger bzw. der Stütze 86 nach unten. Der außerhalb der Kammer 80 angebrachte Motor 90 sieht eine Drehung des Klingenstapels um 180 Grad in vorbestimmten Intervallen vor, um jede Klingenkante wechselweise dem Strahl von Kohlenstoffionen von einer einzigen Kathodenzerstäubungsquelle durch Bogenentladung 92 auszusetzen, so dass eine einheitliche Abscheidung auf beiden Klingenfacetten gewährleistet wird.
In der Kammer 80 befinden sich ferner zwei Quellen zur gefilterten Kathodenzerstäubung durch Bogenentladung 92, 94, die jeweils aus einem Graphit-Target 96 (Kathode, 99,99% Reinheit), einem Bogenzündmechanismus 98 und einem Filter oder einem Kanal 100 bestehen. Der Filter 100 dient dazu, den Fluss der Kohlenstoffionen (das Bogenplasma) von der Kathode 96 zu dem Klingenstapel 88 zu richten, und zwar unter Verwendung quellenfreier Magnetfelder, die durch elektrische Windungen 102 entlang der Länge des Kanals und einen unterhalb des Kanals positionierten Elektromagnet 104 erzeugt werden. Die Quelle zur Kathodenzerstäubung durch Bogenentladung kann auch der hierin beschriebenen Art entsprechen, und die Magnetfelder können so geregelt werden, dass die Leistung des Bogens im Verhältnis zu den Quellen optimiert wird, und zwar gemäß der Beschreibung in der gleichzeitig anhängigen U.S. Patentanmeldung 08/233.006 von Welty, eingereicht am 25. April 1994, die in der vorliegenden Anmeldung enthalten ist. Vorgesehen sind Wasserkühlleitungen 106, 108 und 110 für das Target 96, den Kanal 92 bzw. den Klingenträger 86.
Der Kanal ist so gerichtet, dass er einen Winkel von 40 Grad zwischen der durch die Klingenspitzen dargestellten Ebene 112 und der zentralen Achse 114 des Kanalauslasses 114 vorsieht. Dieser Winkel ist so ausgewählt, dass eine absolut dichte Beschichtung abgeschieden wird. Das Graphit-Target 96 ist ungefähr 30 Zentimeter lang und 2,5 Zentimeter breit, und es ist von der Kammer 80 elektrisch isoliert, während sich der Kanal 100 auf Erdpotenzial befindet. Das Graphit-Target 96 ist über einen Schalter 120 mit einer Gleichstromquelle 118 verbunden. Vorgesehen ist eine elektrische Verdrahtung zur Verbindung des Klingenstapels 88 über den Schalter 122 mit der Gleichstromversorgungseinheit 124 oder über den Schalter 126 mit der Hochfrequenzstromversorgung 128. Die Einzelheiten einer bevorzugten Konstruktion und Betriebsweise werden nachstehend in dem bereits erwähnten U.S. Patent US-A-5.480.527 an Welty beschrieben, das später im Text wiederholt wird.
Ein drehbarer Träger 86 stützt den Klingenstapel 88, wobei die Kanten zu der Mündung des Filterkanals einen Abstand von 15 Zentimetern aufweisen. Der Klingenstapel 88 wird zwischen einer Position, an der eine Facette zu dem Kanal 92 gerichtet ist, und einer ähnlichen Position, an der die entgegengesetzte Facette zu dem Kanal 92 gerichtet ist, gedreht. Diese Drehung um 180 Grad wird alle zehn Sekunden vorgenommen, um zu gewährleisten, dass die Facetten gleichmäßig beschichtet werden.
In einem Beispiel für eine bestimmte Verarbeitungsfolge wird ein Klingenstapel 88 (2,5 cm lang) auf dem drehbaren Träger 86 angebracht, wobei das unterstützende Kühlwasser eingeschaltet und die Kammer 80 luftleer gemacht wird. Der Druck in der Kammer 80 wird mit strömendem Argon auf 50 Millitorr eingestellt. Der Schalter 122 wird geschlossen, um dem Klingenstapel –400 Volt Gleichstrom zuzuführen, wobei eine Gleichstrom-Plasmaentladung gezündet wird, wobei die Klingen zehn Minuten lang gereinigt werden. Nach dem Reinigungsschritt (i) wird der Druck in der Kammer auf 0,1 Millitorr Argon eingestellt, (ii) werden die Feldwicklungen 102 für einen einzelnen Kanal 92 erregt, (iii) wird der Schalter 120 zu dem Graphit-Target 96 geschlossen, (iv) wird die Stromversorgung 124 zu den Klingen auf –1000 Volt Gleichstrom eingestellt und (v) wird ein Bogen an dem Graphit-Target 96 mit einem mechanischen Zünder 98 gezündet/eingeleitet. Der Bogenstrom wird auf 100 A eingestellt. Ein instensives Plasma aus Kohlenstoffionen wird aus dem Kanal 92 emittiert und auf den Klingen 88 abgeschieden, die sich alle zehn Sekunden um 180 Grad drehen.
Nachdem der Bogen 2 Minuten lang ausgeführt worden ist, wird die Vorspannung 124 auf –50 Volt eingestellt, und die Abscheidung dauert insgesamt 16 Minuten an. Die resultierende Beschichtung aus amorphem Diamant weist auf jeder Facette eine Dicke von ungefähr 1000 Angström auf. Der Radius der Klingenspitze entspricht ungefähr 350 Angström und das Längenverhältnis ist ungefähr gleich 2,5:1.
In einem weiteren Beispiel der Verarbeitungsfolge werden die zwei Quellen für eine Kathodenzerstäubung durch Bogenentladung gleichzeitig betrieben, wobei die zweite Quelle 94 entgegengesetzt zu der ersten Quelle 92 positioniert ist, so dass beide Klingenfacetten gleichzeitig mit ungefähr dem gleichen Einfallwinkel beschichtet werden. In diesem Fall wird der Klingenstapel 88 nicht gedreht, sondern vielmehr durch den Bereich, in dem sich die von beiden Quellen emittierten Plasmas schneiden, verschoben. Alle anderen Aspekte der Verarbeitungsfolge sind mit den vorstehend beschriebenen Aspekten identisch.
Danach wird eine Beschichtung 72 aus Polytetrafluorethylen (PTFE) Telomer auf die mit amorphem Diamant beschichteten Klingenkanten aufgetragen. Das Verfahren umfasst das Erhitzen der Klingen in einer neutralen Atmosphäre aus Argon sowie das Vorsehen einer haftenden und Reibung reduzierenden Polymerbeschichtung aus festem PTFE auf den Schneidkanten. Die Beschichtungen 72 und 60 hafteten fest an dem Klingenkörper 50, sahen eine niedrige Schneidekraft für wollenen Nassfilz vor (die niedrigste Kraft der ersten fünf Schnitte mit wollenem Nassfilz (L5) entspricht etwa 0,45 Kilogramm), und sie hielten wiederholten Anwendungen von wollenen Nassfilz-Schneiderkräften stand, was anzeigt, dass die amorphe Diamantbeschichtung 60 im Wesentlichen unbeeinflusst bleibt, wenn sie den extremen Bedingungen des Filzschneidertests ausgesetzt worden ist, und wobei die Beschichtung auch nach einem Tauchen in destilliertes Wasser bei 80°C über einen Zeitraum von sechzehn Stunden fest an dem Klingenkörper 50 haften blieb.
Aus den resultierenden Klingenelementen 44 wurden Kassetten- bzw. Patroneneinheiten 30 der in der Abbildung aus 2 abgebildeten Art hergestellt und Rasuren mit ausgezeichneten Rasurergebnissen erzielt.
Verfahrensbedingungen
Die vorstehende Offenbarung der Merkmale und Eigenschaften der Klingen, Substrate und amorphen Diamantbeschichtungen wird durch die folgende genaue Beschreibung geeigneter Verfahrensbedingungen, die vorstehend allgemein beschrieben worden sind, besser verständlich und verbessert. Zuerst werden die bevorzugten Kathodenzerstäubungsquellen durch Bogenentladung zusammengefasst. Daraufhin werden die bevorzugten Verfahrensbedingungen beschrieben.
Quelle zur Kathodenzerstäubung durch Bogenentladung.
Eine Abscheidungsbeschichtung aus amorphem Diamant kann unter Verwendung eines herkömmlichen gefilterten Plasmaausgangsmaterial zur Kathodenzerstäubung durch Bogenentladung gemäß der Beschreibung in dem U.S. Patent US-A-5.279.723 an Falabella et al. aufgetragen werden. In einem bevorzugten Ausführungsbeispiel wird die Abscheidungsbeschichtung jedoch gemäß der vorstehend genannten gleichzeitig anhängigen Anmeldung aufgetragen, die hierin als angehängt ist. Obwohl sich die rechteckige Quelle aus US-A-5.480.527 besonders für die Ausführung der vorliegenden Erfindung eignet, ist die Erfindung nicht darauf beschränkt. In ähnlicher Weise kann eine ungefilterte oder eine andere herkömmliche Quelle verwendet werden, und die vorliegende Erfindung ist nicht auf gefilterte Quellen für die Kathodenzerstäubung durch Bogenentladung beschränkt.
Verfahrensbedingungen und Einstellungen.
Zu den Verfahrensbedingungen zählen eine Vorspannung des Substrats in mehreren Schritten, eine einheitliche durchschnittliche Abscheidung auf beide Seiten der Klinge sowie die Einhaltung des Präsentationswinkels.
Eine anfänglich hohe Vorspannung im bereich von 200 bis 2000 Volt wird dem Substrat während der Abscheidung zur Erzeugung der Adhäsion für bis zu zwei Minuten zugeführt. Eine niedrigere Vorspannung der zweiten Stufe im Bereich von 10 bis 200 Volt wird danach zugeführt, um die Struktur der harten Kohlenstoffbeschichtung aus amorphem Diamant zu optimieren und um die gewünschte Kristallstruktur zu erzeugen. Obwohl zumindest die vorstehenden beiden Stufen gemäß der vorliegenden Erfindung wünschenswert sind, kann es auch wünschenswert sein, eine weitere herabstufende inkrementale Reduzierung der Vorspannung vorzusehen, wie zum Beispiel durch das Hinzufügen einer intermediären Vorspannungsstufe bei 500 Volt.
Die amorphe Diamantabscheidung wird mit einer einheitlichen durchschnittlichen Rate (oder gleichzeitig) auf beide Seiten der Klinge aufgetragen. Durch die Einstellung von mindestens zwei Quellen für die gleichzeitige Abscheidung und/oder zyklisches Wechseln des Präsentationswinkels der Klingenanordnung im Verhältnis zu der Abscheidungsquelle wird die Beschichtungsschicht gleichmäßig oder mit einer einheitlichen durchschnittlichen Rate der Abscheidung auf beide Seiten aufgetragen. In Anbetracht der Tatsache, dass die Klingen jeweils eine Schneidkante aufweisen, die durch eine erste schräge Oberfläche und eine zweite schräge Oberfläche begrenzt ist, die an der Verbindung der schrägen Oberflächen zu einer Spitze zusammenkommen, und dass eine Anordnung von Klingen:

– als ein Klingenstapel angeordnet sein kann, der eine durch die Spitzen gebildete Ebenenoberfläche darstellt,
– in einem Karussell oder anderweitig angeordnet sein kann; umfasst das Schichtkonzept entweder (i) den Einsatz von

Das heißt, um eine Beschichtung mit einer Dicke von 1000 Angström aufzutragen, würde ein bevorzugtes Verfahren gemäß der vorliegenden Erfindung nicht alle 1000 Angström auf der ersten und danach alle 100 Angström auf der zweiten Seite eines Klingenstapels auftragen, vielmehr würde es (i) entweder eine gleichzeitige Abscheidung auf beiden Seiten vorsehen oder (ii) einen zyklischen Wechsel in einem Bereich von 3 bis 500 Angström auf der ersten Seite und danach 3 bis 500 Angström auf der zweiten Seite und so weiter vorsehen, bis die 1000 Angström oder eine andere gewünschte Dicke auf beiden Seiten der Schneidkante jeder Klinge vorgesehen worden ist. Die vorstehenden Ausführungen beschreiben zwar ein bevorzugtes Verfahren, wobei die vorliegende Erfindung darauf jedoch nicht beschränkt ist und mit einer ungleichmäßigen oder unausgeglichen Schichtenanordnung ausgeführt werden kann.
Hiermit wird festgestellt, dass der Winkel der Präsentation von gewisser Bedeutung ist. Die niedrigen Druckbedingungen (hohes Vakuum) erzeugen einen in hohem Maße direktionalen Plasmastrom von ionisiertem Kohlenstoff. Die Klingen werden in einem Winkel präsentiert, der senkrecht zu der durch die Spitzen der gestapelten Klingen gebildeten Ebene gemessen (oder gemessen von der den Öffnungswinkel zwischen der Spitze und den ersten und zweiten schrägen Oberflächen der Schneidkante einer nicht gestapelten Klinge schneidenden Linie) größer als 20° und kleiner als 90° ist. Der Präsentationswinkel dient dazu, den Plasmastrom direktionaler an eine oder die andere Seite der Schneidkanten der Klingen zu richten.
Wie dies allgemein bekannt ist, kann der erfindungsgemäße Abscheidungsprozess mit oder ohne ein Betriebsgas betrieben werden; wobei die Reinigung der Kammer mit HF- oder Gleichstrom-Glühentladung erreicht werden kann; und wobei die Vorspannung des Substrats mit Gleichstrom- oder HF-Quellen durchgeführt werden kann (und wobei eine derartige Vorspannung zur Formung der Spitze der Klinge eingesetzt werden kann).
Somit sollte ersichtlich sein, dass die vorliegende Erfindung eine Stärkung einer dünnen Klinge ermöglicht, während die Schärfe erhalten bleibt (oder der dünnen Klinge Steifheit und Starrheit verliehen wird, ohne die Spitzigkeit und Schärfe der Spitze zu zerstören). Wenn eine herkömmlichere Rasierklinge bis auf eine Dicke im Bereich von etwa 100 bis 350 Angström beschichtet werden kann, scheidet das erfindungsgemäße Verfahren eine amorphe Diamantbeschichtung mit einer Dicke von möglicherweise bis zu 3.000 Angström (gemessen auf der Klingenoberfläche entfernt von der Spitze) und von bis zu 5.000 Angström gemessen an der Spitze ab. Wie dies bereits vorstehend im Text erwähnt worden ist, wird all dies unter Aufrechterhaltung eines hohen Längenverhältnisses erreicht.
Hiermit wird festgestellt, dass die Rasierklingen, die durch das vorliegende Verfahren beschichtet werden sollen, dünner und schärfer sein sollen als eine gewöhnliche Rasierklinge, und wobei durch das Verfahren gemäß der vorliegenden Erfindung Längenverhältnis von 2:1 und höher zugelassen werden, gekoppelt mit der enormen Stärke der harten Kohlenstoffbeschichtung aus amorphem Diamant, wodurch die Klingen eine ganz eigene Kategorie darstellen.
Die folgenden Ausführungen, dem vorstehend bereits genannten U.S. Patent US-A-5.480.527 entnommen, beschreiben das aktuell bevorzugte System und den Betrieb zur gefilterten Kathodenzerstäubung durch Bogenentladung.
In etwa im Laufe des letzten Jahrzehnts wurde die Vakuumbogenverdampfung weit verbreitet kommerziell zur Abscheidung von Metall-, Legierungs- und Metallverbindungsbeschichtungen auf einem zu beschichtenden Substrat eingesetzt. Vakuumbogenentladungen werden ebenfalls als Ionenquellen für Anwendungen wie die Ionenimplantierung, Strahlenbeschleuniger und Raketenantriebe eingesetzt.
Das Verfahren der Vakuumbogenbedampfung zur Beschichtung oder zum Implantieren eines Substrats umfasst ein Kathoden-Target aus einem abzuscheidenden Material und ein zu beschichtendes Substrat. Das Target wird mit einer Bogenplasmaentladung mit hohem Strom und niedriger Spannung in einer Vakuumkammer bedampft, die vorher auf einen Druck von für gewöhnlich weniger als 0,001 Millibar evakuiert worden ist. Die zu beschichtenden oder implantierenden Substrate werden für gewöhnlich in der Vakuumkammer zu der Verdampfungsoberfläche des Targets ausgerichtet platziert, und zwar mit einem Abstand von für gewöhnlich zwischen 10 und 100 cm. Kennzeichnende Bogenströme liegen zwischen 25 und 1000 Ampere, wobei die Spannungen zwischen 15 und 50 Volt liegen.
Die Bogenplasmaentladung leitet elektrischen Strom zwischen einer Kathode und einer Anode durch das durch Bedampfung und Ionisierung des Targetmaterials durch den Bogen erzeugte Plasma. Die Kathode (negative Elektrode) ist eine elektrisch isolierte Quellenstruktur, die zumindest teilweise während dem Prozess verbraucht wird. Der verbrauchbare Abschnitt der Kathode wird als "Target" bezeichnet und wird häufig als ein austauschbares Element hergestellt, das an ein gekühltes, nicht verbrauchbares Element geklemmt wird, das als der Kathodenkörper bezeichnet wird. Die Anode (positive Elektrode) kann eine elektrisch isolierte Struktur in der Vakuumkammer oder die Vakuumkammer selbst darstellen und wird während dem Verfahren nicht verbraucht.
Ein Bogen wird an der verdampfbaren Oberfläche des Kathoden-Targets gezündet, für gewöhnlich durch mechanischen Kontakt, einen Hochspannungsfunken oder durch Laserbestrahlung. Die auftretende Bogenplasmaentladungist in einem oder mehreren mobilen Bogenflecken auf der Kathoden-Targetoberfläche in hohem Maße lokalisiert, jedoch über eine große Fläche an der Anode verteilt. Die außerordentlich hohe Stromdichte in dem Bogenfleck an der Kathode von schätzungsweise 10⁶ – 10⁸ Ampere/cm² führt zu einer lokalen Erhitzung, Verdampfung und Ionisierung des Kathoden-Sourcematerials.
Jeder Bogenfleck emittiert einen Plasmastrahl in eine ungefähr senkrecht zu der Kathoden-Targetoberfläche verlaufenden Richtung, wobei eine sich in den Bereich zwischen der Kathode und der Anode erstreckende Strahlwolke gebildet wird. Das zu beschichtende oder implantierende Substrat wird zwischen Kathode und Anode platziert oder angrenzend daran. Der Dampf des Kathodenmaterials wird für gewöhnlich durch eine angelegte Spannung in Richtung der Substratoberfläche weiter beschleunigt und kondensiert auf oder eingebettet in die Oberfläche des Substrats. Reaktive Gase können während dem Verdampfungsprozess in die Vakuumkammer eingeführt werden, was zur Bildung von Materialverbindungen führt, welche das Targetmaterial, reaktives Gas und/oder Substratmaterial aufweisen.
Abhängig von dem Targetmaterial existiert bei einem Bogenstrom von unterhalb etwa 70 bis 100 Ampere auf der Oberfläche des Kathoden-Sourcematerials nur ein einziger Bogenfleck. Bei höheren Bogenströmen können auf der Targetoberfläche gleichzeitig mehrere Bogenflecken existieren, wobei jeder einen gleichen Anteil des Gesamtbogenstroms aufweist. In Abwesenheit angelegter Magnetfelder neigt ein Bogenfleck dazu, sich wahlfrei um die Targetoberfläche zu bewegen, wobei auf der Targetoberfläche eine Spur mikroskopisch kleiner muldenartiger Merkmale verbleibt.
Ein von außen angelegtes Magnetfeld übt eine Kraft auf den Bogenstrahl in eine senkrecht zu den Feldlinien und dem Strahl verlaufende Richtung aus und kann einen dominanten Einfluss auf die große durchschnittliche Bewegung des Bogenflecks aufweisen, wobei die geringe Bewegung des Bogens halb wahlfrei bleibt. Die Bewegungsrichtung des Bogenflecks in einem Magnetfeld verläuft entgegengesetzt oder "retrograd" zu dem Vektor der Richtung JxB gemäß der Ampereschen Regel unter Berücksichtigung des von der Kathode emittierten Elektronenstroms. Dieses Phänomen geht auf die komplexen dynamischen Effekte in dem Bogenstrahl zurück und wurde bereits umfassend beschrieben und erläutert.
Ein unerwünschter Nebeneffekt der Verdampfung des Targetmaterials an dem Bogenfleck ist die Erzeugung von Tröpfchen des geschmolzenen Targetmaterials, die von dem Target durch reaktive Kräfte aufgrund der Erweiterung des Dampfstrahls ausgestoßen werden. Diese Tröpfchen werden für gewöhnlich Makropartikel genannt und deren Durchmesser reicht vom Submikronbereich bis in den zweistelligen Mikronbereich. Die Makropartikel können sich in die Beschichtung einbetten, wenn sie auf dem zu beschichteten Substrat auftreffen, wobei unerwünschte Ungleichmäßigkeiten gebildet werden, oder wobei die Makropartikel an dem Substrat haften bleiben und später abfallen können, was in der Beschichtung Mulden erzeugt.
Es wurden verschiedene Strategien entwickelt, um die Anzahl der in der Beschichtung auf dem Substrat enthaltenen Makropartikel zu reduzieren. Diese Strategien gehören allgemein zwei Kategorien an: (1) einer ersten Kategorie unter Verwendung einer gewissen Form von Magnetfeld zur Regelung und Beschleunigung des Bogens, wodurch die Erzeugung von Makropartikeln reduziert wird; und (2) einer zweiten Kategorie unter Verwendung einer Filtervorrichtung zwischen der Kathodenquelle und dem Substrat, um den ionisierten Anteil der Kathodenausgabe auf das Substrat zu übertragen, wobei die geschmolzenen Tröpfchen jedoch blockiert werden.
Die magnetischen Methoden der ersten Kategorie sind allgemein einfacher als die Filterverfahren, wobei sie die Erzeugung von Makropartikeln jedoch nicht vollständig eliminieren. Die Filtermethoden der zweiten Kategorie sind allgemein effektiver in Bezug auf die Entfernung von Makropartikeln als die magnetischen Methoden, wobei sie jedoch eine komplexe Vorrichtung voraussetzen und die Quellenausgabe erheblich reduzieren.
Bei Filterverfahren wird das Substrat außerhalb der Sichtlinie der Kathoden-Targetoberfläche platziert, so dass von der Kathode emittierte Makropartikel nicht direkt auf dem Substrat auftreffen. Ein in einem Winkel angeordneter Filterkanal befindet sich zwischen der Kathode und dem Substrat, um das Plasma zu dem Substrat zu transportieren.
Um das Substrat zu erreichen, wird das von der Kathoden-Source emittierte geladene Plasma elektromagnetisch in dem Filterkanal in einem Winkel von 45 bis 180° abgelenkt, so dass es durch die Biegung in dem Filterkanal verläuft und auf das Substrat auftrifft. Die ungeladenen Makropartikel werden durch das elektromagnetische Feld nicht abgelenkt und verlaufen weiter in einem Kurs, der auf die Wände des Filterkanals trifft, so dass die Makropartikel im Idealfall das Substrat nicht erreichen. In der Praxis kann das Abprallen von Makropartikeln von den Filterwänden und/oder das Mitführen kleiner Teilchen in dem Plasma dazu führen, dass einige Makropartikel durch die Filter übertragen werden und das Substrat erreichen.
Frühere gefilterte Kathodenzerstäubungsbögen basierten auf einer runden oder zylindrischen Kathoden- und Filtergeometrie, wobei potenzielle Anwendungen allgemein auf kleine Substrate oder besondere Formen beschränkt sind.
Beispiele für frühe Arbeiten auf dem Gebiet der Bogenverdampfung werden in verschiedenen U.S. Patenten beschrieben, darunter das U.S. Patent US-A-484.582 an Edison, das den Einsatz der Vakuumbogenverdampfung zur Abscheidung einer Beschichtung auf einem Substrat beschreibt; das U.S. Patent US-A-2.972.695 an Wroe, das eine magnetisch stabilisierte Vakuumbogenverdampfungsvorrichtung beschreibt; die U.S. Patente US-A-3.625.848 und US-A-3.836.451 an Snaper, welche eine Bogenverdampfungsvorrichtung mit speziellen Elektrodenkonfigurationen beschreiben sowie den Einsatz eines Magnetfelds zur Erhöhung der Verdampfungsrate sowie zum Richten der Ionen auf das Substrat; und die U.S. Patente US-A-3.783.231 und US-A-3.793.179 an Sablev et al., welche bestimmte Konfigurationen und Abschirmungen beschreiben sowie die Nutzung eines Magnetfelds, das immer dann aktiviert wird, wenn sich der Bogenfleck von der gewünschten Verdampfungsoberfläche des Kathoden-Sourcematerials weg bewegt.
Beispiele für in einem runden oder umlaufenden Pfad (Rennbahnpfad) eingegrenzte Kathodenbögen an der Kathode werden in den folgenden U.S. Patenten veranschaulicht: US-A-4.724.058 an Morrison; US-A-4.673.477 an Ramalingam et al.; und US-A-4.849.088 an Veltrop et al. Jede der vorstehenden Patentschriften beschreibt eine Bogenverdampfungsvorrichtung, die ein bogenförmiges Magnetfeld in der Form eines geschlossenen Tunnels verwendet, welche den Bogenfleck auf einen geschlossenen Rennbahnverlauf an einer festen oder veränderlichen Position an der Kathodenoberfläche begrenzt. Die Begrenzung und Beschleunigung des Bogens durch das Magnetfeld soll die Erzeugung von Makropartikeln durch die Bogenentladung verringern. Die Einrichtungen bzw. Mittel zur Erzeugung eines derartigen Magnetfelds sind auf dem Gebiet der planaren Magnetronzerstäubung allgemein bekannt. Ferner ist es zum Beispiel bekannt, die elektromagnetische Felderzeugungseinrichtung des Bogens entweder mechanisch gemäß den Lehren von Ramalingam et al. und Veltrop et al. oder unter Verwendung eine Mehrzahl von Elektromagneten gemäß der Lehre von Morrison zu bewegen.
Beispiele für zylindrische Längskathoden finden sich in den U.S. Patenten US-A-4.609.564 und US-A-4.859.489 an Pinkhasov; in US-A-5.037.522 an Vergason und in US-A-5.269.898 an Welty, die alle den Einsatz einer Längskathode in Form eines Zylinders oder eines Stabs beschreiben und alle das selbstmagnetische Feld des Bogenstroms nutzen, um die Bewegung entlang der Länge der Kathode zu bewirken. Welty lehrt, dass die Makropartikelerzeugung durch die Anwendung einer zusätzlichen axialen Magnetfeldkomponente zur Beschleunigung und Regelung der Bogenbewegung reduziert werden kann.
Das U.S. Patent US-A-4.492.845 an Kljuchko et al. beschreibt eine Bogenverdampfungsvorrichtung unter Verwendung einer ringförmigen Kathode, und wobei die verdampfbare Kathodenoberfläche die Außenwand darstellt, die zu einer zylindrischen Anode mit größerem Durchmesser und größerer Länge als die Kathode zeigt. Die zu beschichtenden Substrate sind in der ringförmigen Kathode angeordnet und zeigen nicht zu der verdampfbaren Oberfläche und werden durch ionisiertes Material beschichtet, das durch das elektromagnetische Feld an der Anode zurück reflektiert wird. Beschrieben wird ein koaxiales Magnetfeld zur Verbesserung der Reflexion von der Anode. Von der Kathodenoberfläche ausgestoßene Makropartikel werden durch die Anode nicht elektrisch reflektiert (obwohl einige von ihnen mechanisch abprallen können). Folglich wird der Einschluss von Makropartikeln in der Beschichtung reduziert.
Die Arbeiten von Aksenov/Axenov, Falabella und Sanders veranschaulichen Beispiele für Anstrengungen zur Reduzierung der Anzahl an Makropartikeln, die in der Beschichtung auf dem Substrat vorhanden sind, indem eine gewisse Ausführung einer Filtervorrichtung zwischen der Kathoden-Source und dem Substrat verwendet wird, um den geladenen Ionenanteil der Kathodenausgabe zu übermitteln und um die ungeladenen Makropartikel zu blockieren.
Eine Publikation von Aksenov et al. ("Transport of plasma streams in a curvilinear plasma-optics system", Soviet Journal of Plasma Physics, 4(4), 1978) beschreibt den Einsatz eines zylindrischen Plasmakanals mit einer Biegung um neunzig (90) Grad, mit elektromagnetischen Wicklungen zur Erzeugung eines quellenfreien Magnetfelds durch den Kanal, und mit einer runden Bogenverdampfungskathode an einem Ende des Kanals und mit einem Substrat an dem anderen Ende. Das durch die Kathode emittierte Plasma wird von den Kanalwänden durch vorhandene magnetische und elektrische Felder reflektiert und durch den Kanal entlang dem Magnetfeld zu dem Substrat transportiert, während die ungeladenen Makropartikel durch die magnetischen oder elektrischen Felder nicht abgelenkt und von den Kanalwänden abgefangen werden.
Das U.S. Patent US-A-5.279.723 an Falabella et al. beschreibt eine im Wesentlichen mit dem ursprünglichen Filter nach Aksenov übereinstimmende Vorrichtung, und zwar unter Verwendung eines zylindrischen Kanals mit einer Biegung von 45 Grad, einer runden oder konischen Kathode und Anode sowie mit Verbesserungen verschiedener Bauteile, einschließlich der Form der Kathode und der inneren Baffles, welche die Makropartikelübermittlung reduzieren.
Das U.S. Patent US-A-4.452.686 an Axenov et al. beschreibt einen geraden zylindrischen Filterkanal ohne Biegung, wobei eine runde Kathode an einem Ende des Kanals angeordnet ist, mit elektromagnetischen Wicklungen zur Erzeugung eines quellenfreien Magnetfelds durch den Kanal, und wobei eine zusätzliche Elektrode in der Mitte des Kanals angeordnet ist, welche die direkte Sichtlinienabscheidung von der Kathode zu dem Substrat blockiert. Das von der Kathode emittierte Plasma wird durch die magnetischen und elektrischen Felder an der Kanalwand und der zentralen Elektrode abgelenkt und entlang dem Magnetfeld durch den Kanal und um die zentrale Elektrode abgelenkt. Die ungeladenen Makropartikel werden von den magnetischen oder elektrischen Feldern nicht abgelenkt und von der zentralen Elektrode abgefangen.
Das U.S. Patent US-A-5.282.944 an Sanders et al. beschreibt eine Vorrichtung, die in etwa der Vorrichtung aus US-A-4.452.686 an Axenov entspricht, und zwar unter Verwendung eines geraden zylindrischen Filterkanals und einer zentralen Abschirmung, die es verhindert, dass Makropartikel, die in flachen Winkeln von der Kathode emittiert werden, das Substrat direkt erreichen. Elektromagnetische Wicklungen erzeugen in dem Kanal ein Magnetfeld, das nahe der Kanalwand im Wesentlichen quellenfrei ist. Die verdampfbare Oberfläche der Kathode ist in diesem Fall die äußere Oberfläche eines kurzen Zylinders, der koaxial zu dem Filterkanal ausgerichtet ist, so dass das von der Kathode emittierte Plasma radial zu der Außenwand des Filterkanals gerichtet ist und in einem Winkel von ungefähr neunzig Grad durch das Magnetfeld und das elektrische Feld an den Kanalwänden abgelenkt und entlang dem Magnetfeld zu dem Ende des Kanals transportiert wird, an dem sich das Substrat befindet. Offenbart werden innere Elektroden zur Förderung der Ablenkung des Plasmas an dem Ende des runden Filterkanals, das entgegengesetzt zu dem Ende angeordnet ist, an dem sich das Substrat befindet.
In keiner der Veröffentlichungen gemäß dem Stand der Technik wird eine Kathode mit einer verdampfbaren Oberfläche mit einer rechteckigen Form und unter Verwendung einer Magnetfeldpolaritätsumkehr zur Regelung der Bewegung des Bogens an der Kathodenoberfläche offenbart, und wobei ferner kein Filterkanal mit einem rechteckigen Querschnitt offenbart wird.
Rechteckige Abscheidungsquellen sind wünschenswert für das Beschichten großer Substrate, für Beschichtungen von Bahnmaterial in Rollenform sowie für das Beschichten von Endlosströmen kleinerer Substrate auf einer linearen Fördereinrichtung oder einem runden Karussell. Die Entwicklung rechteckiger planarer Magnetronzerstäubungskathoden in den 70er Jahren führte zu der weit verbreiteten Kommerzialisierung der Sputter-Technik bzw. der Zerstäubungstechnik für die Beschichtung von Substraten in derartigen Konfigurationen (siehe zum Beispiel die Magnetronzerstäubungskathode von Welty der U.S. Patente US-A-4.865.708 und US-A-4.892.633).
Die gefilterten Kathodenbogenquellen weisen den Vorteil auf, dass der von der Source bzw. der Quelle emittierte Dampfstrahl des Kathodenmaterials vollständig ionisiert wird, im Gegensatz zu Abscheidungsverfahren ohne Bogenentladung, wie zum Beispiel die Verdampfung und Zerstäubung. Der vollständig ionisierte Dampfstrom von einer rechteckigen Quelle würde eine größere Kontrolle bzw. Regelung über die Energie der Atome ermöglichen, die das Substrat zur Beschichtung oder Implantierung erreichen, und er würde das Reaktionsvermögen des Dampfs bei der Bildung von Verbindungen mit reaktiven Gasen in dem System erhöhen oder direkt mit dem Substrat.
Die nachstehend beschriebene Konstruktion sowie deren Funktionsweise sehen die Vorteile eines gefilterten Kathodenbogens (vollständig ionisierter Dampfstrom, Eliminierung verstreuter Tröpfchen) und die Vorteile einer rechteckigen Source bzw. Quelle vor (gleichmäßige Verdampfung von der Quelle und gleichmäßige Abscheidung auf dem Substrat unter Verwendung linearer Bewegung), so dass ein langes oder großes Substrat beschichtet bzw. implantiert wird.
Die vorliegende beschriebene Konstruktion sieht eine Einrichtung zur Erzeugung und zum Richten eines Plasmastrahls über eine rechteckige Fläche vor, und zwar zu dem Zweck der Bildung einer Beschichtung sowie zur Ausführung einer Ionenimplantierung auf einem Substrat. Eine rechteckige Kathode ist in einem mit einem Winkel versehenen Kanal mit einem rechteckigen Querschnitt angebracht, welcher das Plasma einschränkt und es in Richtung des Substratbereichs ablenkt, während die geschmolzenen Kathodenmaterialtröpfchen abgefangen werden, die ebenfalls durch den Bogen erzeugt werden. Der Bereich des Plasmakanals, in dem die Kathode angebracht ist, wird hierin als der Eingangsarm des Kanals bezeichnet, während das Substrat angrenzend an den Austrittsarm des Kanals angebracht ist.
In dem Kanal wird ein Magnetfeld erzeugt, das das Plasma durch den Kanal leitet, während es gleichzeitig bewirkt wird, dass sich der Bogen in eine Richtung entlang der Länge der rechteckigen Kathode bewegt. Wenn der Bogen das Ende der Kathode erreicht, sieht ein Sensor ein Signal vor, auf das hin die Polarität zumindest eines Teils des Magnetfelds umgekehrt wird, was bewirkt, dass sich die Richtung des Bogens umkehrt und sich dieser in Richtung des entgegengesetzten Endes der Kathode bewegt. Die Polarität des Magnetfelds wird immer dann gewechselt, wenn der Bogen ein Ende der Kathode erreicht, wobei der Bogen somit entlang der Länge der rechteckigen Kathode vor und zurück abgetastet wird.
Obwohl die Polarität (Richtung) des Magnetfelds wiederholt umgekehrt wird, bleiben die Form des Magnetfelds und dessen Ausrichtung in Bezug auf den Kanal vorzugsweise im Wesentlichen unverändert, und Plasma wird in einer der Polaritäten durch den Kanal übertragen. In einem bevorzugten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung bildet ein Bereich konvergierender Magnetfeldlinien angrenzend an die Kathode einen Magnetspiegel, der Plasma in Richtung des Auslasses bzw. des Ausgangs des Kanals reflektiert.
Die Bewegung des Bogens entlang der Länge des Kathoden-Targets ist durch die Komponente des Magnetfelds angrenzend an die Targetoberfläche begründet, die parallel zu der Ebene der Targetoberfläche und senkrecht zu der Längsachse des rechteckigen Targets ist. Für Magnetflusskomponenten dieser Ausrichtung sind zwei Polaritäten (Richtungen) möglich. Wenn das Feld eine Polarität aufweist, bewegt sich der Bogen entlang der Länge der Kathode in die durch den retrograden JxB Vektor vorgegebene Richtung, wie dies bereits vorstehend im Text beschrieben worden ist. Wenn das Feld die entgegengesetzte Polarität aufweist, bewegt sich der Bogen entlang der Länge der Kathode in die entgegengesetzte Richtung.
Durch Umkehr der Polarität des Magnetfelds auf der Basis von Signalen von den an den Enden der Kathode angeordneten Sensoren, während die Ausrichtung der Flusslinien in Bezug auf die Targetoberflächen aufrechterhalten wird, kann die Richtung der Bewegung des Bogens entlang der Länge der Kathode periodisch umgekehrt werden, was bewirkt, dass der Bogen entlang der Länge der rechteckigen Kathode entlang einer verhältnismäßig geraden Linie vor und zurück abtastet.
Das umkehrbare Magnetfeld angrenzend an die verdampfbare Oberfläche des Targets, das es bewirkt, dass sich der Bogen entlang der Länge des Targets bewegt, kann unter Verwendung von elektromagnetischen Wicklungen erzeugt werden, die sich außerhalb des Kanals oder in dem Kathodenkörper befinden. Gemäß dem Stand der Technik ist die Erzeugung eines umkehrbaren Felds unter Verwendung des selbstmagnetischen Felds des durch die rechteckige Kathode fließenden Bogenstroms bekannt. Das gleichzeitige Verbinden des Bogenstroms mit beiden Enden der rechteckigen Kathode sowie die Veränderung des Anteils des Gesamtstroms, der zu jedem Ende der Kathode fließt, auf der Basis der Signale von den an den Enden der Kathoden angeordneten Sensoren erzeugt eine Magnetfeldkomponente in der Ausrichtung, die benötigt wird, um es zu bewirken, dass sich der Bogen entlang der Länge der Kathode bewegt, wie dies in dem U.S. Patent US-A-5.269.898 an Welty beschrieben ist.
Wenn sich die Richtung, in welche der Großteil des Bogenstroms in der rechteckigen Kathode fließt, auf der Basis von Signalen von dem Sensor umkehrt, kehr sich auch die Polarität (Richtung) der Magnetfeldkomponente parallel zu der Targetoberfläche um, wodurch die Richtung der Bogenbewegung entlang der Länge des Targets umgekehrt wird. Wie dies ferner in dem U.S. Patent US-A-5.269.898 beschrieben ist, kann die Magnetfeldkomponente, welche die Bogenabtastung bewirkt, auch durch das Leiten eines Steuerstroms entlang der Länge der Kathode und die Richtungsumkehr auf der Basis der Sensorsignale erzeugt werden oder durch das Umschalten der Bogenstromeingabe von einem Ende der Kathode zu der anderen, wie dies in dem U.S. Patent US-A-5.037.522 an Vergason beschrieben wird. Gemäß dem Stand der Technik wurden keine Vorschläge zur Erzeugung des umkehrbaren Magnetfelds unter Verwendung magnetischer Einrichtungen gemacht, die von den durch die Kathode selbst fließenden Strömen unabhängig sind.
Der Plasmatransport durch den Kanal ist hauptsächlich durch die Komponente des Magnetfelds angrenzend an die Kanalwände begründet, die parallel zu der Ebene der Wände und parallel zu der Achse des Kanals ist. Die Diffusion der Plasmaelektronen durch das Magnetfeld in Richtung der Kanalwände erzeugt eine elektrische Feldkomponente senkrecht zu der Kanalwand, welche die positiv geladenen Ionen ablenkt, so dass diese weiter entlang des Kanals und um die Biegung in dem Kanal verlaufen können. Die ungeladenen Makropartikel werden nicht reflektiert und somit durch die Kanalwände abgefangen oder durch Baffles, die senkrecht zu der Kanalwand angebracht werden können und sich eine kurze Strecke in den Kanal erstrecken, um das Abprallen der Makropartikel von den Kanalwänden zu reduzieren. Die Polarität der Magnetfeldkomponenten in dem Kanal und angrenzend an die Kanalwände wird vorzugsweise gleichzeitig mit der Polarität der Feldkomponente angrenzend an die Targetoberfläche umgeschaltet, welche das Abtasten des Bogens bewirkt, so dass die Form des Magnetfelds durch den Kanal ungeachtet der Polaritätswechsel unverändert bleibt. Gemäß dem Umfang der vorliegenden verwendeten Technik kann ferner auch die Polarität des Felds nur in dem Bereich der Targetoberfläche umgekehrt werden, während in dem Rest des Kanals unter Verwendung von Elektromagneten oder permanenten Magneten ein statisches (sich nicht umkehrendes) Magnetfeld aufrechterhalten wird. Veränderungen der reinen Form des Magnetfelds können in dem letztgenannten Fall periodische Schwankungen der Plasmaübertragung durch den Kanal als eine Funktion der Umkehr des Felds nahe der Targetoberfläche bewirken.
Da der Plasmastrahl von der Kathode primär in die senkrecht zu der verdampfbaren Oberfläche verlaufende Richtung emittiert wird, neigt er dazu, in dem Bereich des äußeren Radius der Biegung in dem Kanal am stärksten auf der Kanalwand aufzutreffen. Zur Steigerung der Plasmaübertragung durch den Kanal ist es wünschenswert, die Stärke des Magnetfelds in diesem Bereich zu verstärken. Ein weiterer Faktor ist es, dass Kathoden-Targetmaterialien mit unterschiedlichem Atomgewicht und Schmelzpunkt von dem Target mit unterschiedlichen Geschwindigkeiten und kinetischen Energien emittiert werden. Somit ist es wünschenswert, die Stärke des Magnetfelds zu regeln, und zwar im Besonderen in dem Bereich der Biegung in dem Kanal, um die Übertragung für verschiedene Materialien zu optimieren.
In einem bevorzugten Ausführungsbeispiel ist somit in der Umgebung des äußeren Radius der Biegung in dem Kanal eine separate elektromagnetische Spule bzw. Wicklung entgegengesetzt zu der verdampfbaren Oberfläche des Targets vorgesehen, wobei der Strom vorzugsweise unabhängig von dem Strom in den anderen Wicklungen geregelt wird, wobei Abschnitte des Magnetfelds in dem Kanal erzeugt werden.
Hiermit wird festgestellt, dass gemäß dem Stand der Technik in Bezug auf zylindrische Plasmakanäle (oder in Bezug auf den geraden Ansatz, dass der Stand der Technik auf einen rechteckigen Kanal erweitert worden ist), in denen eine oder mehrere elektromagnetische Wicklungen angeordnet sind, welche den Kanal umgeben, um ein quellenfreies Magnetfeld durch den Kanal hindurch zu erzeugen, die die Wicklung (en) umfassenden Drähte unbedingt an dem inneren Radius der Biegung in dem Kanal engere Abstände aufweisen müssen als an dem äußeren Radius. Dies führt dazu, dass das Magnetfeld in dem Kanal in Richtung des inneren Radius des Kanals, wo die Drähte einen engeren Abstand aufweisen, eine größere Stärke besitzen, sowie eine geringere Stärke in Richtung des äußeren Radius des Kanals, wo der Bogenplasmastrahl auftrifft. Die Lehren gemäß dem Stand der Technik weichen somit von diesem Aspekt der vorliegenden Erfindung ab, wobei die Magnetfeldstärke in dem Kanal an dem äußeren Radius der Biegung so verstärkt werden kann, dass sie größer oder gleich der Feldstärke an dem inneren Radius ist, um die Übertragung von Plasma durch den Kanal zu erhöhen.
Das elektrische Feld, das zu der Kanalwand senkrecht verläuft, welches die positiv geladenen Ionen gemäß dem Stand der Technik sowie in den vorstehend beschriebenen Aspekten der vorliegenden Erfindung von der Kanalwand reflektiert, wird durch Diffusion der Plasmaelektronen transversal durch ein Magnetfeld erzeugt, das im Wesentlichen parallel zu den Filterkanalwänden ist. Es ist ferner möglich, die Ionen durch ein zweites Verfahren von der Kanalwand weggehend zu reflektieren, das heißt durch die Erzeugung eines Bereichs in der Nähe der Wand, in dem die magnetischen Flusslinien konvergieren, wenn sie sich der Wand ungefähr in einer senkrechten Richtung nähern, wobei ein als magnetischer Spiegel bekannter Bereich erzeugt wird. Sich der Wand nähernde Plasmaelektronen werden reflektiert oder abgeschwächt, wenn sie in den Bereich konvergierender Flusslinien eintreten, wobei ein Verlauf der Elektronendichte erzeugt wird, der zu einem elektrischen Feld führt, das auch die Plasmaionen reflektiert. Magnetische Spiegel werden für gewöhnlich zur Plasmabegrenzung in Laborvorrichtungen und anderen Plasmavorrichtungen verwendet.
Die Nutzung eines magnetischen Spiegelfelds wird in der vorliegenden Erfindung zum ersten Mal auf dem Gebiet gefilterter Vakuumbogen-Plasmaquellen offenbart. Die Notwendigkeit für die durch das Spiegelfeld vorgesehene Funktion wird zum Beispiel in dem U.S. Patent US-A-5.282.944 an Sanders et al. veranschaulicht, in dem ausgeführt wird, dass eine Mehrzahl von isolierenden Ringen, die in den Abbildungen der 2 und 3 mit 21 bezeichnet sind, erforderlich sind, um einen Plasmaverlust an die Kanalwände in den Bereichen zu verhindern, in denen das Magnetfeld durch die Kanalwand verläuft. Die Integration eines Magnetspiegelfeldbereichs in dem Eingangsarm eines bevorzugten Ausführungsbeispiels der vorliegenden Technik erzeugt eine bevorzugte Richtung für den Plasmafluss in Richtung des Austrittsarms des Kanals, während gleichzeitig die Magnetfeldkomponente vorgesehen wird (parallel zu der Oberfläche des Targets und senkrecht zu der Längsachse), was bewirkt, dass sich der Bogen entlang der Länge des Targets bewegt. Eine Polaritätsumkehr des Magnetspiegelfelds und somit der Feldkomponente, die parallel zu der Targetoberfläche ist, bewirkt, dass sich die Bewegungsrichtung des Bogens an der Targetoberfläche umkehrt, ohne dass die Form oder Funktion des Spiegelfelds verändert wird.
Die Kombination und Überlagerung unabhängig voneinander regelbarer Magnetfeldquellen, die einen quellenfreien Magnetfeldbereich in dem Austrittsarm des Plasmakanals vorsehen, einen "Stoßfänger"-Feldbereich nahe dem äußeren Radius der Biegung in dem Kanal und einen Magnetspiegelfeldbereich in dem Eintrittsarm des Kanals angrenzend an die Kathode, sorgen für eine ausreichende Anpassungsfähigkeit für eine Optimierung des Plasmatransports durch den Kanal für eine Vielzahl von Targetmaterialien. Hiermit wird jedoch festgestellt, dass nicht alle diese Elemente in einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Technik vorhanden sein müssen, und wobei die vorhandenen Elemente nicht unabhängig voneinander regelbar sein müssen, im Besonderen für den Fall einer Source bzw. Quelle, die für ein einziges Targetmaterial optimiert ist. Abhängig von dem für die Umkehr der Polarität des Magnetfeldbereichs nahe der Targetoberfläche verwendeten Verfahren kann zum Beispiel ein einzelner quellenfreier Elektromagnet ausreichend sein, der den ganzen Kanal umgibt.
Die vorliegende Technik unterscheidet sich vom Stand der Technik in Bezug auf die rechteckige Form der Kathode und des Plasmakanals, in Bezug auf das Verfahren zur Regelung der Bogenbewegung an der Kathode und in Bezug auf die Form und Regelung des Magnetfelds in dem Plasmakanal.
Im Besonderen ermöglichen die offenbarte Magnetfeldform und die Regelungsverfahren die Konstruktion einer kompakten, effizienten Plasmaquelle mit einer rechteckigen Ausgangsöffnung in Kombination mit den Vorteilen einer rechteckigen Abscheidungsquelle. Die Feldumkehrtechnik für die Bogenregelung an der Kathodenoberfläche ermöglicht es, dass die Breite der Kathode deutlich kleiner gestalt werden kann, als wie dies unter Verfahren des dem Stand der Technik entsprechenden Magnetfeld im Rennbahnstil der Fall ist.
Der Plasmakanal kann somit deutlich schmaler und kürzer gestaltet werden, was zu einem kompakten Design führt, das sich leichter in ein Vakuumsystem integrieren lässt als sperrige Filter gemäß dem Stand der Technik, und zwar speziell in Systemen, die mehrere Plasmaquellen enthaltne. Die schmale Kathode und der abgetastete Bogen ermöglichen ferner eine einheitlichere Erosion des Targets entlang dessen Länge sowie eine höhere Nutzung des Targetmaterials als wie dies bei planaren Kathoden des Rennbahntyps möglich ist.
Die Vorteile der vorliegenden Technik ermöglichen eine unendliche Erweiterung der Länge der Quelle, wodurch die Vorteile der gefilterten Bogenabscheidung oder Implantierung für Anwendungen vorgesehen werden, die rechteckige oder erweiterte Dampfquellen benötigen.
In den Zeichnungen zeigen:
1A eine schematische Darstellung eines dem Stand der Technik entsprechenden gefilterten Vakuumbogens unter Verwendung einer runden Kathode und eines zyklindrischen Plasmakanals;
2A eine schematische Ansicht der gefilterten Bogenplasmaquelle gemäß der vorliegenden Technik;
3A eine Perspektivansicht der Kanaleinheit und der Magnete der vorliegenden Technik;
4A eine Endansicht im Querschnitt der Kanaleinheit der vorliegenden Technik;
5A eine Seitenquerschnittsansicht der Kanaleinheit der vorliegenden Technik; und
6A eine aufgebrochene Endansicht der Magnetfeldlinien und des Magnetfeldspiegels der vorliegenden Technik in Verbindung mit der Kanaleinheit und den entsprechenden Magnetanordnungen.
Vorgesehen ist gemäß der vorliegenden Technik eine Möglichkeit zur Erzeugung und zum Leiten eines Plasmastrahls über eine rechteckige Fläche zum Zweck der Gestaltung einer Beschichtung oder zur Durchführung einer Ionenimplantierung auf einem Substrat.
Die Abbildung aus 1A zeigt eine dem Stand der Technik entsprechende Kathode 20, die mit einem Filter 22 gekoppelt ist und Makropartikel aus einem durch kathodische Bogenentladung erzeugten Ionenfluss abzuscheiden. Die Kathode 20 ist kegelstumpfförmig, mit einer runden Fläche und konischen Seiten. Der Filter 22 weist zwei Solenoide auf, die Ende an Ende und mit einem Winkel von 45° zueinander angeordnet sind, um es zu verhindern, dass die Sichtlinie von einem Bogenfleck an der Kathode zu einem Substrat 24 beschichtet wird, während ein Pfad für den Fluss der Ionen und Elektronen vorgesehen wird, und er weist ferner eine Reihe von Baffles auf, die dazu dienen, Makropartikel einzuschließen.
In Bezug auf die schematische Ansicht aus 2A wird ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung verständlich, das ein Kathoden-Target 30 an dem Kathodenkörper 31 aufweist. Das Target 30 weist eine verdampfbare Oberfläche 33 mit einer im Wesentlichen rechteckigen Form auf. In einem bevorzugten Ausführungsbeispiel handelt es sich bei der Kathode 30 um Kohlenstoff, wobei sie sich aber auch aus jedem geeigneten verdampfbaren Material zusammensetzen kann. Der Kathodenkörper 31 ist an einem Halter 32 angebracht und in dem Eintrittsarm 36 des Plasmakanals 34 angeordnet. Die Kathode 30 ist mit dem negativen Ausgang einer Bogenstromversorgung 28 angebracht, und der Plasmakanal 34 (der auch als Anode dient) ist mit dem positiven Ausgang der Bogenstromversorgung verbunden. Ein Bogenzünder 35 ist zum Zünden einer Bogenentladung zwischen der Kathode 30 und der Anode 34 vorgesehen. Die Kathode 30 und die verdampfbare Oberfläche 33 können auch von Isolatoren 86 (in Bezug auf 4A) umgeben sein. Eine interne Elektrode 82 ist in dem Plasmakanal 34 angebracht, ebenso wie der Sensor 84.
Der Plasmakanal 34 weist eine rechteckige Querschnittsform mit ähnlichen Abmessungen wie die Kathode 30 auf. Der Plasmakanal weist in der Achse entlang der Mittellinie des Plasmakanals eine Biegung auf. In dem hier abgebildeten Ausführungsbeispiel ist ein äquivalenter Biegungspunkt 37 des inneren Radius an einer der Wände des Kanals abgebildet und entspricht ungefähr 90°, wobei ein innerer Radiuswinkel im Bereich von ungefähr 15° bis 120° zur Ausführung der vorliegenden Erfindung geeignet ist. Eine äquivalente Biegung des äußeren Radius ist allgemein mit der Bezugsziffer 39 bezeichnet. Der Plasmakanal 34 weist einen Eintrittsarm 36 und einen Austrittsarm 38 auf jeder Seite des Biegungspunktes 37 des inneren Radius auf. Die Kathode 30 ist an einem isolierten Halter 32 an oder nahe dem Ende des Eintrittsarms angebracht, so dass die verdampfbare Oberfläche 33 der Kathode in den Plasmakanal zeigt. Ein oder mehrere zu beschichtende Substrate 44 können in einem Bereich an oder nahe dem Ende des Austrittsarms 38 angeordnet werden.
Eine Anordnung von Elektromagneten ist um den Plasmakanal 34 angeordnet. Der Magnet 46 ist mit einer Spulenstromversorgung 52 verbunden und nahe an dem Eintrittsarm 36 des Plasmakanals angeordnet. Der Magnet 48 ist mit der Spulenstromversorgung 52 verbunden und nahe dem äußeren Radius 39 der Biegung in dem Plasmakanal 34 angeordnet. Der Magnet 50 ist ein mit der Spulenstromversorgung 52 verbundenes Solenoid und um ein Teilstück des Austrittsarms 38 des Plasmakanals gewickelt. Die Perspektivansicht aus 3A zeigt die Magneten 46, 48 und 50 im Verhältnis zu dem Plasmakanal 34, wobei der Magnet 46 nahe dem Eintrittsarm 38 angeordnet ist, wobei der Magnet 48 sich nahe an dem äußeren Radius 39 der Biegung befindet, und wobei der Magnet 50 um den Austrittsarm 38 gewickelt ist.
In Bezug auf die Abbildung aus 4A wird deutlich, dass der Magnet 46 eine Wicklung 70 aufweist, die um einen zentralen Pol 72 aus einem magnetisch durchlässigen Material gewickelt ist, wobei Endplatten 74 an jedem Ende des zentralen Pols angebracht sind. In ähnlicher Weise weist der Magnet 48 eine Wicklung 76 auf, die um einen zentralen Pol 78 aus einem magnetisch durchlässigen Material gewickelt ist, wobei Endplatten 80 an jedem Ende des zentralen Pols angebracht sind. In dem abgebildeten Ausführungsbeispiel bestehen die Endplatten 80 des Magneten 48 aus einem magnetisch durchlässigen Material, während die Endplatten 74 des Magneten 46 aus einem undurchlässigen Material bestehen, um das Magnetfeld auf die gewünschte Art und Weise zu formen.
In erneutem Bezug auf die Abbildung aus 2A ist ersichtlich, dass die Leitung 54 der Kathode 30 Wasser zuführt. Der Plasmakanal 34 und die interne Elektrode 82 können vorzugsweise auch wassergekühlt werden, wobei Vorkehrungen für eine derartige Kühlung nicht abgebildet sind. Eine Vorspannung kann an das Substrat 44 angelegt werden, und das Substrat kann während der Abscheidung auf herkömmliche Art und Weise gedreht und/oder verschoben werden. In einem bevorzugten Ausführungsbeispiel sind der Plasmakanal 34 und das Substrat 44 in einer Kammer (nicht abgebildet) eingeschlossen und es wird ein Vakuum gezogen. In einem weiteren bevorzugten Ausführungsbeispiel befinden sich der Plasmakanal 34 und der Kathodenhalter 32 des Kanals in Vakuum, während das Äußere des Kanals atmosphärischem Druck ausgesetzt ist.
In folgendem Bezug auf die Querschnittsansichten der Abbildungen der 4A und 5A, die mit den gleichen Bezugsziffern bezeichnet sind, die auch vorstehend verwendet worden sind, werden bestimmte weitere Einzelheiten des Systems besser verständlich. Es ist ersichtlich, dass die Biegung in dem Plasmakanal 34 dazu dient, eine Sichtlinie zwischen der Kathode 30 und dem Substrat 44 (in den Abbildungen der 4A und 5A nicht abgebildet, jedoch an oder nahe dem Ende des Austrittsarms 38 des Kanals angeordnet) zu verhindern. Die Innenwände des Austrittsarms 38, des Eintrittsarms 36 und der Biegung des Plasmakanals 34 sind vorzugsweise mit einer Reihe räumlich getrennter Baffles 52 versehen, die im Wesentlichen senkrecht zu den Innenwänden und im Wesentlichen parallel zueinander sind.
In Bezug auf die Abbildung aus 4A ist eine elektrisch isolierte innere Elektrode 82 in dem Plasmakanal 34 angebracht ersichtlich. Diese kann im Verhältnis zu der Anode elektrisch schwebend sein oder eine positive Vorspannung im Verhältnis zu der Anode aufweisen. In Bezug auf die Abbildung aus 5A ist ein Paar von Sensoren 54 angrenzend an jedes Ende der verdampfbaren Oberfläche der Kathode 30 angeordnet, wobei sich 54A angrenzend an das linke Ende befindet, während 54B angrenzend an das rechte Ende angeordnet ist.
Die Magneten 46, 48 und 50 erzeugen ein durch die Magnetflusslinien dargestelltes Magnetfeld, das in Bezug auf die Abbildung aus 6A besser verständlich wird. Die Magnetflusslinien 60 sind in eine Richtung ausgerichtet, die im Wesentlichen parallel zu der Achse des Plasmakanals 34 in dem Austrittsarm 38 verläuft. Die Magnetflusslinien 62 sind in eine Richtung ausgerichtet, die im Wesentlichen parallel zu der verdampfbaren Oberfläche 33 der Kathode 30 in dem Bereich des Eintrittsarms 36 nahe der Kathode verläuft. Die Magnetflusslinien konvergieren in einem Bereich 64 in dem Eintrittsarm 36, wobei angrenzend an die verdampfbare Oberfläche 33 der Kathode 30 ein Magnetspiegel erzeugt wird.
Die Darstellung der Magnetflusslinien 60 aus 6A wurde durch ein im Handel erhältliches finite Element-Magnetanalyseprogramm erzeugt. In dem speziellen abgebildeten Fall weisen die Magneten 50 und 46 600 Amperewindungen auf, während der Magnet 48 200 Amperewindungen aufweist. In diesem Fall entspricht die Feldstärke in der Mitte des Austrittsarms 38 des Kanals ungefähr 50 Gauss. Es ist ersichtlich, dass die Flussdichte (Feldstärke) an dem äußeren Radius 39 der Biegung in dem Kanal in diesem Fall ungefähr der Flussdichte an dem inneren Radius 37 der Biegung entspricht. Durch Anpassung der Anzahl der Windungen in der Spule 76 des Magneten 48 oder des dort hindurch fließenden Stroms (d.h. Anpassung der Amperewindungen) kann die Flussdichte an dem äußeren Radius 39 der Biegung unabhängig von der Flussdichte an anderen Stellen in dem Kanal geregelt werden.
Die Sensoren 54A und 54B (siehe 5A) können einen Bogenfleck erfassen und immer dann ein Signal erzeugen, wenn sich der Bogenfleck dem entsprechenden linken oder rechten Ende der Kathode 30 nähert. Die Sensoren 54 können zum Beispiel aus elektrisch isolierten Drähten bestehen, die sich in den Plasmakanal 34 erstrecken, wobei die Drähte über einen Widerstand (nicht abgebildet) von zum Beispiel 1000 Ohm mit der Anode verbunden sind, wodurch immer dann eine elektrische Spannung vorgesehen wird, wenn sich der Bogen dem Draht nähert. Alternativ können die Sensoren 54 eine lichtempfindliche Diode umfassen, welche die optische Emission von dem Bogenstrahl erfasst, oder es handelt sich um einen Magnetfelddetektor, der das Magnetfeld des Bogens erfasst. Die Spulenstromversorgung 52 (siehe 2A) weist einen Schalter auf, der die Richtung des Stromflusses durch die Magneten umkehren kann, und der über herkömmliche Steuereinrichtungen (nicht abgebildet) mit den Sensoren 54 verbunden ist, um eine Magnetfeldumkehr auszulösen. Die Magnetfeldumkehr kann gleichzeitig in allen Magneten auftreten und kehrt die Richtung der Magnetflusslinien um, ohne die Form der Flusslinien oder deren Ausrichtung im Verhältnis zu dem Plasmakanal wesentlich zu verändern. Alternativ kann auch nur einer oder können beide der Magneten 46 und 48 umgekehrt werden.
In einer wünschenswerten Konfiguration des Systems (nicht einzeln abgebildet) werden die Magneten einzeln durch mehr als eine Spulenstromversorgung 52 mit Strom versorgt. Der Einsatz von mehr als einer Spulenstromversorgung ermöglicht eine Regelung des Stroms der Magneten unabhängig voneinander, so dass die Magnetfeldstärke in verschiedenen Teilen des Plasmakanals 34 unabhängig geregelt wird. Gleichzeitig sind die einzelnen Spulenstromversorgungen jeweils mit Regelsystemen versehen, so dass sie bei einer Betätigung durch ein Signal von den Sensoren 54 alle gleichzeitig die Richtung des Stroms umkehren.
Aus der vorstehenden Beschreibung wird leicht deutlich, dass das System wie folgt arbeitet.
Der Bogenzünder 35 zündet eine Bogenentladung zwischen der Kathode 30 und dem als Anode dienenden Plasmakanal 34. Die Bogenentladung stammt aus einem Bogenfleck auf der verdampfbaren Oberfläche der Kathode und erzeugt ein Plasma, das einen ionisierten Dampf des Kathodenmaterials enthält.
Der Plasmakanal 34 leitet das durch die Bogenentladung erzeugte Plasma von der Kathode zu einem zu beschichtenden und/oder zu implantierenden Substrat 44, das nahe oder an dem Austrittsarm 38 des Kanals angeordnet ist. Der Plasmakanal 34 weist eine rechteckige Querschnittsform mit ähnlichen Abmessungen wie die Kathode 30 und eine Biegung von ungefähr 15 bis 180 Grad in der Achse entlang der Mittellinie auf (in dem veranschaulichten Ausführungsbeispiel entspricht der Innenradius 37 der Biegung 90 Grad), wobei der Eintrittsarm 36 und der Austrittsarm 38 von den jeweiligen Sichtlinien durch die Biegung getrennt sind. Die Kathode 30 ist an oder nahe an dem Ende des Eintrittsarms 36 angeordnet, wobei ihre verdampfbare Oberfläche in den Plasmakanal zeigt, und wobei das Substrat 44 in einem Bereich an oder nahe an dem Ende des Austrittsarms 38 angeordnet ist.
Die Magneten 46, 48 und 50 erzeugen in dem Plasmakanal 34 und über die verdampfbare Oberfläche der Kathode 30 ein Magnetfeld, das durch die Magnetflusslinien dargestellt ist. Die Magnetflusslinien sind in einer Richtung ausgerichtet, die im Wesentlichen parallel zu der Achse des Kanals 34 in dem Austrittsarm 38 verläuft. Die Magnetflusslinien sind im Wesentlichen parallel zu der verdampfbaren Oberfläche der Kathode 30 in dem Bereich des Eintrittsarms 36 an oder nahe an der Kathode ausgerichtet. Die Magnetflusslinien konvergieren ferner in einem Bereich in dem Eintrittsarm 36 des Plasmakanals 34, wobei ein Magnetspiegel angrenzend an und parallel zu der rechteckigen Kathode 30 gebildet wird. Die Magnetflusslinien richten den ionisierten Dampf durch die Biegung in dem Plasmakanal und zwingen den Bogenfleck zu einer allgemein linearen Bewegung entlang der Länge der verdampfbaren Oberfläche 33 der Kathode 30. Der Magnetspiegel ist in eine Richtung ausgerichtet, die das Plasma in Richtung des Austrittsarms 38 des Plasmakanals 34 reflektiert.
Die Sensoren 54 erfassen den Bogenfleck und erzeugen immer dann ein Signal, wenn sich der Bogenfleck einem Ende der genannten verdampfbaren Oberfläche nähert. Das Signal von den Sensoren löst ein Regelsystem aus, das den Strom in der Spulenstromversorgung 52 umkehrt, wodurch die Richtung der Magnetflusslinien umgekehrt wird, ohne die Form der Flusslinien oder deren Ausrichtung im Verhältnis zu dem Plasmakanal 34 wesentlich zu verändern. Der Bogenfleck wird somit nicht zur dazu gezwungen, in eine lineare Richtung über die Oberfläche der rechteckigen Kathode 30 abzutasten, sondern auch dazu, in einem allgemein von Ende zu Ende verlaufenden Pfad vor und zurück abzutasten.
Die Innenwände des Plasmakanals 34 sind mit Baffles 52 versehen. Makropartikel werden durch die Biegung in dem Kanal gefiltert und die Baffles dienen dazu, die Makropartikel einzuschließen.
Das System weist eine lange und schmale rechteckige Quelle auf sowie einen verhältnismäßig kompakten Kanal mit einem rechteckigen Querschnitt mit Abmessungen, die denen der Quelle ähnlich sind. Dadurch wird ein kompakter Kanal erzeugt. Zum Beispiel konnten gute Ergebnisse unter Verwendung eines Kathoden-Targets mit einer Länge von ungefähr 30 Zentimetern und einer Breite von 2,5 Zentimetern oder einem Längen-Breiten-Verhältnis von etwa zwölf zu eins erzielt werden. Da die rechteckige Kathode gemäß dieser Erfindung unendlich erweitert werden kann, wird erwartet, dass sogar noch höhere Verhältnisse erreicht werden können.
Demgemäß wird hiermit festgestellt, dass die vorliegende Technik eine Möglichkeit vorsieht, um einen Plasmastrahl zu erzeugen und über eine rechteckige Fläche zu richten, und zwar zu dem Zweck der Gestaltung einer Beschichtung oder dem Ausführen einer Ionenimplantierung auf einem Substrat.
Wie dies bereits vorstehend erläutert worden ist, werden die Vorteile durch folgendes erreicht: (a) die rechteckige Form des Kathoden-Sourcematerials, (b) die rechteckige Querschnittsform des Plasmakanals, (c) die Regelung der Bogenbewegung an der Kathode durch Umkehr der Polarität des Magnetfelds, so dass eine Abtastung des Bogens allgemein in eine lineare Richtung vor und zurück über die Länge der rechteckigen Quelle bewirkt wird und (d) die Form und Regelung des Magnetfelds in dem Plasmakanal.
Im Besonderen ermöglichen es die Form des Magnetfelds und die Regelung des Bogens an der rechteckigen Quelle, eine kompakte, effiziente Plasmaquelle mit einer rechteckigen Ausgangsöffnung zu gestalten, die so lang wie gewünscht gestaltet werden kann, so dass die Vorteile eines gefilterten Kathodenbogens in Kombination mit den Vorteilen einer rechteckigen Abscheidungsquelle vorgesehen werden. Die Feldumkehrtechnik für die Bogenregelung ermöglicht es, dass die Breite der Kathodenquelle deutlich schmaler gestaltet werden kann als wie dies unter Verwendung eines dem Stand der Technik entsprechenden Magnetfelds des Rennbahntyps möglich ist.
Der Plasmafilterkanal kann somit deutlich schmaler und kürzer gestaltet werden, was zu einer kompakten Konstruktion führt, die sich leichter in ein Vakuumsystem integrieren lässt als die sperrigen Filter gemäß dem Stand der Technik. Die schmale Kathode und der schmale, lineare Abtastbogen ermöglichen ferner eine einheitlichere Erosion des Targets entlang dessen Länge und führt zu einer größeren Nutzung des Ausgangsmaterials als wie dies mit Kathoden des planaren Rennbahntyps möglich ist.
Die Vorteile ermöglichen eine unendliche Erweiterung der Länge der Quelle, wodurch die Vorteile der gefilterten Bogenabscheidung oder der Implantierung für Anwendungen vorgesehen werden, die rechteckige oder erweiterte Dampfquellen voraussetzen.

Claims

Verfahren zur Formgebung einer Rasierklinge, wobei eine amorphe Diamantschicht (60) auf ein Substrat (50) abgeschieden wird, wobei das Verfahren die folgenden Schritte umfasst: (a) Vorsehen eines Substrats; (b) Formen einer keilförmigen geschärften Kante auf dem genannten Substrat mit einem Öffnungswinkel von weniger als dreißig Grad und einem Radius an der Spitze (52) von weniger als 1200 Angström; und gekennzeichnet durch (c) Abscheiden einer amorphen Diamantschicht (60) auf die genannte geschärfte Kante; Anlegen einer anfänglichen hohen Vorspannung an das Substrat (50) während der Abscheidung und folgendes Anlegen einer zweiten, niedrigeren Vorspannung an das Substrat während der Abscheidung.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei das genannte Substrat (50) in einer Folge von Honschritten abgeschliffen wird, so dass die genannte geschärfte Kante gebildet wird.
Verfahren nach Anspruch 1 und ferner den Schritt des Auftragens einer anhängenden polymeren Beschichtung (72) auf der genannten mit amorphem Diamant beschichteten Schneidkante aufweist.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei die genannte amorphe Diamantbeschichtung (60) auf der genannten Schneidkante eine Dicke von mindestens 400 Angström von der geschärften Spitze (52) des genannten Substrats (50) bis zu einer Entfernung von vierzig Mikrometern von der geschärften Spitze (52) aufweist.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei das genannte Substrat aus Metall besteht, und wobei die genannte amorphe Diamantbeschichtung (60) viermal so hart ist wie das genannte Metallsubstrat (50).
Verfahren nach Anspruch 1, wobei die genannte amorphe Diamantschicht (60) durch eine Technik abgeschieden wird, die aus der Gruppe ausgewählt wird, die folgendes umfasst: gefilterte Kathodenzerstäubung durch Bogenentladung, Kathodenzerstäubung durch Bogenentladung, Anodenzerstäubung durch Bogenentladung, Plasmazersetzung von Kohlenwasserstoffgasen, Zerstäubungsbeschichtung mit Nachionisierung durch induktiv gekoppelte Hochfrequenz, Laserablation, laserabsorbierende Wellenabscheidung (LAWD für Laser Absorptive Wave Deposition) und Ionenstrahlabscheidung.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei die genannte amorphe Diamantschicht (60) in einem Vakuum oder in einer Argonatmosphäre in einer entleerten Kammer (80) abgeschieden wird, in der sich ein Graphit-Target (96) befindet; wobei das genannte Graphit-Target (96) erregt wird, und wobei ein Bogen darauf auftrifft, um die genannte amorphe Diamantschicht auf der genannten geschärften Kante abzuscheiden, während eine Gleichstrom- oder Hochfrequenzvorspannung an das genannte Substrat (50) angelegt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei der Einfallswinkel zwischen dem Plasmastrahl und der Klingenfacette nicht kleiner ist als 32 Grad.
Verfahren nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch das Abscheiden einer amorphen Diamantschicht auf die genannte erste Klingenfacette und eine zweite Klingenfacette, während die Abschneidung so geregelt wird, dass die amorphe Diamantschicht auf die erste Klingenfacette und die zweite Klingenfacette mit einer ungefähr übereinstimmenden bscheidungsrate abgeschieden wird.
Verfahren nach Anspruch 9, wobei das genannte amorphe Diamantmaterial (60) durch Kathodenzerstäubung durch Bogenentladung abgeschieden wird.
Verfahren nach Anspruch 9, wobei die genannte amorphe Diamantbeschichtung (60) auf der genannten keilförmigen Kante eine Dicke von mindestens 400 Angström aufweist.
Verfahren nach Anspruch 11, wobei das Verfahren ferner den Schritt des Auftragens einer polymeren Beschichtung (72) auf die genannte amorphe Diamantbeschichtungs-Schneidkante aufweist.
Verfahren nach Anspruch 12, wobei die genannte amorphe Diamantbeschichtung (60) auf der genannten Schneidkante eine Dicke von etwa 2000 Angström aufweist.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei die genannte amorphe Diamantschicht (60) direkt auf das genannte Substrat abgeschieden wird.