JP2019523824A - かみそりブレード刃先上のフルオロカーボンポリマーのパルスレーザ蒸着 - Google Patents

Abstract

摩擦を低減して切断力を低下させるために薄くて均一なフルオロカーボンポリマーコーティングを多面基板上に堆積させる方法、特に、薄くて実質的に均一な膜をかみそりブレードの刃先上に堆積させる方法を提供する。開示する方法は、１００フェムト秒から１０ナノ秒のパルス長のための約２００から約１０００ｎｍの波長で、パルス長当たり１マイクロジュールから１ミリジュールの強度で、１００ｋＨｚから１ＧＨｚの反復速度でのレーザを使用するパルスレーザ蒸着を含む。【選択図】 図１

Description

本出願は、２０１６年５月３１日出願で引用により本明細書にその全体が組み込まれている米国仮特許出願第６２／３４３，３３３号の利益を主張するものである。

本発明は、多面基板上に薄く実質的に均一なＰＴＦＥコーティングを堆積させる方法を提供する。３００ｎｍ未満、１００ｎｍ未満、及び５０ｎｍ未満の薄膜は、鋭い刃先のような多面を有する基板上に１９０ｎｍから１０７５ｎｍの波長でのレーザを使用するパルスレーザ蒸着（ＰＬＤ）を用いて堆積させることができる。そのようなコーティングは、剃毛体験を改善するために摩擦を低減して切断力を低下させるのにかみそりブレード刃先に対して特に有用である。

非被覆かみそりブレードは、典型的に、不快感及び痛みに起因して乾燥した皮膚面、例えば、乾燥した髭及び身体の他の部分を剃るのに使用されず、切られる髭又は毛髪を水、シェービングクリーム、及び／又は石鹸を使用して剃る前に柔らかくすることが一般的である。それでも、非被覆ブレードを使用する剃毛による刺激は、ブレードが毛髪を通過する時のけん引及び引きに起因して依然として遭遇する。従って、ブレードが毛髪を通過するのに必要な切断力を低減し、かつ過度のけん引によって引き起こされる不快感を低減するために、ブレードコーティングが開発されている。

長年にわたって、かみそりブレードエッジは、剃毛の快適性を改善するためにフルオロカーボンポリマー、典型的に何らかの形態のポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）で被覆されてきた。ＰＴＦＥは、一般的に、水又は他の適切な担体中の界面活性剤と共にＰＴＦＥ粒子の分散剤として噴霧される。得られるコーティングは、不活性環境内で加熱されてポリマーを溶融して層を平滑化し、それをブレード面に結合する。しかし、得られるコーティングは、特に最初の剃毛中に最適な快適さに対しては厚すぎる傾向がある。剃毛の行為は、余分なＰＴＦＥを剥ぎ落とし、より最適な剃毛性能を生成する。従って、最初の剃毛は、その後の剃毛よりも快適性に劣る可能性がある。

余分なＰＴＦＥ層を除去する溶剤を使用してＰＴＦＥ層を部分的に除去し、より薄いコーティングを生成して最初の剃毛の快適性を改善する試みが行われてきた。しかし、ＰＴＦＥに対する適切な溶媒が非常に高価であり、使用寿命が限られており、かつ適正に廃棄することが困難であるのでこれらの方法には欠点がある。これに代えて、いずれの余分なＰＴＦＥの除去も必要とせずにこの最初の剃毛の快適性を提供するためにかみそりブレード上により薄いＰＴＦＥコーティングを形成することが試みられてきた。

〔特許文献１〕は、ポリフルオロカーボン被覆かみそりブレード刃先を溶媒で処理してＰＴＦＥの層を薄くし、それによって被覆ブレードの初期切断力を低下させる段階を含む方法を開示している。同様に、〔特許文献２〕は、初期溶媒処理の後にブレードに第２のポリフルオロカーボンコーティングを塗布し、任意的に第２の溶媒処理が続くことを更に開示している。両方の場合に、被覆ブレードは、ポリフルオロカーボンをブレードに接着するために加熱される。〔特許文献３〕は、少なくとも２つの被覆ブレードを含有するかみそりを開示しており、第１のブレードは、一方のブレードが他方のブレードとは異なる構成のポリマーコーティングを有することに起因して第２のブレードとは異なる摩擦抵抗を有する。被覆ブレードをプラズマ、電流、又は電子ビームのうちの少なくとも１つに露出する段階を含む被覆かみそりブレードのコーティングを改質する方法が提供されている。ブレードをＣＦ₂含有プラズマに露出することによってそれを被覆する方法も開示されている。

〔非特許文献１〕、〔非特許文献２〕は、市販のＰＴＦＥロッド及びプレス加工ＰＴＦＥ粉末ペレットから切り出されたＴＥＦＬＯＮディスクの切除を通じたＮａＣｌプレート、シリコンウェーハ、及び水晶マイクロバランスセンサ上へのＰＴＦＥ膜のパルスレーザ蒸着における中赤外レーザ、すなわち、２〜１０ミクロンの波長で発光するレーザの使用を開示している。同じく、微細構造上に高品質ＴＥＦＬＯＮ薄膜を堆積させようとする時に遭遇する様々な課題が議論されており、その１つは、適切な市販の中赤外レーザを得る際の困難であると言われている。他の困難は、フルオロカーボンモノマのプラズマ重合、イオンビーム、及び高周波スパッタリングからもたらされるフッ素の不足である均一ＰＴＦＥ膜の形成と、ポリマーを再形成するために高温での加熱を必要とするモノマをもたらすＴＥＦＬＯＮのＵＶ又は近赤外パルスレーザ蒸着中に観察されるポリマー分解とを含む。

米国特許第５，９８５，４５９号明細書 米国特許出願第２０１６０００１４５６号明細書 米国特許第９，０２７，４４３号明細書

Ｍ．Ｒ．Ｐａｐａｎｔｏｎａｋｉｓ及びＲ．Ｆ．Ｈａｇｌｕｎｄ，Ｊｒ．著「微細構造上へのＴＥＦＬＯＮ（登録商標）コーティングの赤外線レーザ蒸着」 Ｄａｎｅｉｉｅ Ｍ．Ｔａｎｎｅｒ、Ｒａｊｅｓｈｕｎｉ Ｒａｍｅｓｈａｍ編「ＭＥＭＳ／ＭＯＥＭＳ Ｖの信頼性、パッケージング、試験、及び特性評価」、Ｐｒｏｃ．ｏｆ ＳＰＩＥ、第６１１１巻、６１１１０４（２００６）

多面的かつプレート又は半導体ウェーハよりも２次元性の少ないかみそりブレードなどのような基板上にフルオロカーボンポリマーの高品質、低摩擦、及び均一な薄膜を一貫して効率的に形成するための改良された方法の必要性が残っている。ポリマー劣化、すなわち、炭素結合切断は、典型的にＰＴＦＥのＵＶ又は近赤外パルスレーザ蒸着中に生じるが、強度、パルス長、及びパルス反復速度を制御することにより、実質的に均一な厚み及び優れた摩擦低減、及び他の高性能特性を有する薄いＰＴＦＥ膜は、１９０から１１００ｎｍの範囲の波長、すなわち、ＵＶから近赤外でのレーザを使用するパルスレーザ蒸着を通じて形成することができることが見出されている。得られる膜の非常に薄くて均一な性質及び優れた接着性に起因して、かみそりブレード上の刃先のような多面的な面は、例えば１００ｎｍ未満の厚みを有する均一な膜で被覆することができる。

本発明の方法は、従って、非常に薄くて均一なフルオロカーボンポリマーコーティング、例えば、ＰＴＦＥコーティングを基板に、特に少なくとも１つの鋭い刃先を有するものに塗布するのに非常に適しており、このコーティングは、かみそりブレードの刃先に塗布された時に、最初の剃毛からブレードの寿命にわたって最適な性能及び快適性を示すブレードを提供する。

本発明は、第１の態様では、（ｉ）フルオロカーボンポリマーを含むターゲットを反応チャンバ内に与える段階と、（ｉｉ）被覆される基板を反応チャンバ内のターゲットの近くに位置決めする段階と、（ｉｉｉ）チャンバの内側に１．３３３×１０^-1パスカルから１．３３３×１０^-7パスカルの真空圧力を確立する段階と、（ｉｖ）１００フェムト秒から１０ナノ秒のパルス長のための２００ｎｍから１１００ｎｍの波長で、パルス長当たり１マイクロジュールから１ミリジュールの強度で、１００ｋＨｚから１ＧＨｚの反復速度で、フルオロカーボンポリマー膜を基板上に堆積させるのに十分な時間にわたってフルオロカーボンポリマーターゲットを照射する段階と、（ｖ）基板の少なくとも１つの刃先の少なくとも１つの小面の少なくとも鋭い先端及びその鋭い先端の近くの一部分上に実質的に均一なフルオロカーボンポリマー薄膜を形成する段階とを含む鋭い先端と隣接する小面とによって定められた１又は２以上の刃先を有する基板上にフルオロカーボンポリマー膜を形成する方法に関する。

好ましくは、被覆される基板を反応チャンバ内でフルオロカーボンポリマーを含むターゲットの近くに位置決めする段階では、フルオロカーボンポリマーは、ポリテトラフルオロエチレンを含む。好ましくは、被覆される基板を反応チャンバ内でフルオロカーボンポリマーを含むターゲットの近くに位置決めする段階では、反応チャンバは、１．３３３×１０^-2パスカルから１．３３３×１０^-4パスカルの圧力にある。当業者は、１７０℃の温度まで基板を加熱することもできる。好ましくは、フルオロカーボンポリマーターゲットを照射する段階では、パルス長は、１フェムト秒から５００ピコ秒である。本方法は、１０ｎｍから１００ｎｍの厚みを有する実質的に均一なフルオロカーボンポリマー薄膜を形成することができる。最も好ましくは、形成される膜は、１０ｎｍから５０ｎｍの厚みを有する。

本方法は、実質的に均一なフルオロカーボンポリマー薄膜を形成する段階の後に被覆基板を熱処理する段階を更に含むことができる。好ましくは、被覆基板を熱処理する段階は、２５０から３５０℃の温度で数分にわたって基板を加熱する段階を含む。本方法は、フルオロカーボンポリマーを含む追加のターゲットを与える段階を更に含むことができる。

更に別の態様では、本発明は、（ｉ）グラファイトでドープされたポリテトラフルオロエチレンターゲットを与える段階と、（ｉｉ）１．３３３×１０^-2パスカルから１．３３３×１０^-4パスカルの圧力での真空チャンバ内のポリテトラフルオロエチレンターゲットの近くに基板を位置決めする段階と、（ｉｉｉ）１００フェムト秒から５００ピコ秒のパルス長のための２４０ｎｍから３６０ｎｍの波長で、パルス長当たり１マイクロジュールから２５０ミリジュールの強度で、１ｋＨｚから１０Ｈｚの反復速度で、ポリテトラフルオロエチレン膜を基板上に堆積させるのに十分な時間にわたってポリテトラフルオロエチレンターゲットを照射する段階と、（ｖｉ）基板の１又は２以上の小面上に１００ｎｍ未満の厚みを有する実質的に均一なポリテトラフルオロエチレン薄膜を形成する段階と、（ｖ）ポリテトラフルオロエチレン膜を基板面に結合させるような時間にわたってかつその温度で基板を加熱する段階とを含む複数の小面を有する基板上にポリテトラフルオロエチレンの薄膜を形成する方法に関する。本方法は、堆積中に真空チャンバ内で基板を加熱する段階を更に含むことができる。

好ましくは、ポリテトラフルオロエチレンターゲットを照射する段階は、１００フェムト秒から３００フェムト秒に対する２４４ｎｍから３４３ｎｍの波長で、１０マイクロジュールから２５０ミリジュールの強度で、１ｋＨｚから５００ｋＨｚの反復で行われる。好ましくは、実質的に均一なポリテトラフルオロエチレン薄膜を形成する段階では、膜は、５０ｎｍ未満の厚みを有する。

更に別の態様では、本発明は、更に、本明細書に開示するいずれかの方法によって形成されたコーティングを有する少なくとも１つのかみそりブレードを含むかみそりに関する。

新規であると考えられる本発明の開示の特徴及び本発明に特徴的である要素は、添付の特許請求の範囲で具体的に列挙される。図は単に例示目的であり、縮尺通りに描かれていない。しかし、開示自体は、編成及び作動方法の両方に関して、添付の図面と併せて以下の好ましい実施形態の説明を参照することによって最も良く理解することができる。

単一フルオロカーボンポリマーターゲット源から生成されたフルオロカーボン切除プルームに対して角度αでかみそりのスタックが固定された真空チャンバの内側の本発明の方法の概略図である。 １よりも多いフルオロカーボンポリマーターゲット源から生成されたフルオロカーボンポリマー切除プルームに対してかみそりのスタックが固定された本発明の方法の概略図である。 実施例１に従って堆積された約３０％ＣＦ₂を含むフルオロカーボン膜のＸＰＳスペクトルの図である。 ＣｈｅｍｏｕｒｓのＬＷ ２１２０ ＰＴＦＥの分散剤を使用して基板の上に噴霧された約９９％ＣＦ₂を含む対照市販ＰＴＦＥ膜のＸＰＳスペクトルの図である。 実施例２に従って基板の上に堆積された約９９％ＣＦ₂を含む膜のＸＰＳスペクトルの図である。 本発明の方法を使用して堆積されたポリテトラフルオロエチレンコーティングを有するかみそりブレードエッジの光学画像である。 ＣｈｅｍｏｕｒｓのＬＷ ２１２０ ＰＴＦＥの分散剤の従来型噴霧方法を使用して堆積されたポリテトラフルオロエチレンコーティングを有するかみそりブレードエッジの光学画像である。

本発明の開示の実施形態は、本明細書に説明する特徴及び／又は段階、及び本明細書に説明するか又は当業者ならば理解する付加的又は任意的な成分、構成要素、段階、又は制限のいずれかを含み、それらから本質的に成り、及びそれらから実質的に成るものとすることができる。本明細書に開示する全ての濃度は、特に断りがない限り、組成物の総重量に基づく重量パーセント（重量％）であることは理解されるものとする。本明細書に列挙するいずれの数値範囲も、その中に包含される全ての部分的範囲を含むものとし、そのような範囲は、説明する範囲の下限値と上限値の間の数及び／又は分数のいずれも含むように意図している。

本発明の広範な実施形態は、鋭い刃先を有するかみそりブレードのような多面基板上に薄いフルオロカーボンコーティングを堆積又は形成する方法、より具体的には、薄いフルオロカーボンコーティングがそのような基板の刃先の少なくとも一部に形成される方法を提供し、本方法は、２００から１１００ｎｍの波長でパルス当たり１０マイクロジュールから１ジュールでのレーザ放射のパルスを用いてＰＴＦＥのようなフルオロカーボンポリマーを照射する段階を含み、パルス長は、１ｋＨｚから１ＧＨｚの反復速度で１フェムト秒から１０ナノ秒、例えば、１フェムト秒から１ナノ秒又は１フェムト秒から５００ピコ秒である。

基板上に形成されるポリマー膜は、実質的に均一な厚みを有して薄く、例えば、３００ｎｍ又はそれ未満のような５００ｎｍ又はそれ未満であり、典型的に非常に薄く、２００ｎｍ又はそれ未満、例えば、１５０ｎｍ又はそれ未満であり、特定の実施形態では、１００ｎｍ又はそれ未満の厚みを有する膜、例えば、７５ｎｍ、５０ｎｍ、又は３０ｎｍ又はそれ未満の厚みを有する膜が調製される。膜のＣＦ₂含有量は、典型的に少なくとも９０％、多くの場合に９５％を超え、一部の実施形態では、９９％を超えるＣＦ₂が達成される。この膜は、典型的に高度の結晶化度を有して非常に均一で滑らかであり、かみそり産業で現在使用されている従来製法のＰＴＦＥコーティングと比較して一般的に優れた摩擦係数を示している。

従って、本発明の一実施形態は、鋭い先端及び隣接する小面によって定められる１又は２以上の刃先を有する基板上にフルオロカーボンコーティングを形成する方法を提供し、本方法は、１．３３３×１０^-1パスカルから１．３３３×１０^-7、例えば、１．３３３×１０^-2から１．３３３×１０^-4パスカルの圧力下で真空チャンバ内のフルオロカーボンポリマーターゲットの近くに被覆される基板を位置決めする段階と、３００ｎｍから７００ｎｍ、例えば、３４３ｎｍの波長でパルス当たり１０マイクロジュールから１ジュールのパワーのレーザ放射のパルスを使用してフルオロカーボンポリマーターゲットを照射する段階とを含み、そのパルスは、１ｋＨｚから１０Ｈｚの反復速度で、ポリテトラフルオロエチレン膜を基板の全て又は一部に堆積させるのに十分な時間にわたって、１フェムト秒から１０ナノ秒、例えば、１フェムト秒から１ナノ秒のパルス長を有し、少なくとも１つの刃先の少なくとも１つの小面の鋭い先端とその鋭い先端の近くの一部分とは、フルオロカーボンポリマーで被覆される。

フルオロカーボンポリマーターゲットは、一般的に、幅広く商業的に入手可能でいくつかの商品名で販売されているポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）を含み、その一部は、いくつかを挙げると、ＣｈｅｍｏｕｒｓカンパニーのＴＥＦＬＯＮ及びＺＯＮＹＬ、Ｅｎｐｒｏ ＩｎｄｕｓｔｒｉｅｓインコーポレーテッドのＴＥＸＯＬＯＮ ＴＨＰ、旭硝子カンパニーのＦＬＵＯＮ、Ｓｏｌｖａｙ ＳＡのＡＧＯＦＬＯＮ、３ＭのＤＹＮＮＥＯＮ、及びＳａｉｎｔ Ｇｏｂａｉｎ ＳＡのＮＯＲＴＯＮ Ｔ−１００及びＴ−２００を含む。

本方法は、室温又は高温を使用して実施することができる。例えば、一部の実施形態では、フルオロカーボンのターゲットは、２０℃から３５０℃、好ましくは、２０℃から１７０℃、より好ましくは、１５０℃から１７０℃の温度で照射される。

波長、パルス長、強度、及び反復速度、及び形成される薄膜の望ましい特性に応じて、１フェムト秒から５００ピコ秒のパルス長を使用し、非常に薄くかつ非常に滑らかな薄膜を生成することができる。望ましい薄膜は、好ましくは、１フェムト秒から５００ピコ秒のパルス長を使用して、より好ましくは、１フェムト秒から約１ピコ秒のパルス長を使用して形成することができる。１Ｈｚから約１５００Ｈｚの反復速度を使用することができ、ある一定の実施形態では、５から１００Ｈｚ、１０から５００Ｈｚ、５００から１ＭＨｚ、及び７５０から１２００Ｈｚの反復速度を使用する。レーザの反復速度は、１ｋＨｚから１ＧＨｚの範囲に及ぶ場合がある。

更に別の熱処理をすることなく、優れた接着性及び滑らかさを有する均一な膜が得られることが多い。しかし、接着性を更に改善し、フルオロカーボンポリマー膜を平滑化し、及び／又はフルオロカーボンポリマーの結晶化を高めるために、被覆基板は、追加の熱処理段階を受けなければならない場合がある。例えば、一部の実施形態では、フルオロカーボンポリマー膜を堆積させた基板は、例えば、約２００℃から約４００℃の温度、又は約１５０℃から約４５０℃、例えば、約２５０℃から約３５０℃の温度で数分から数時間にわたって加熱を更に受ける。

本発明の特定の実施形態では、被覆される基板は、かみそりブレード、又は何らかの方法で基板を切断又は再成形することによってかみそりのブレードに容易に成形される基板である。当業技術で公知のように、多くの場合に、ブレードの刃先だけをフルオロカーボンコーティングで被覆し、かみそりブレード刃先の切断力を低減する。本発明は、基板の選択された部分を容易に被覆することを可能にする。例えば、本発明の様々な実施形態では、刃先の先端だけを被覆することができ、先端とその隣接する小面の一方又は両方とを被覆することができ、一部の実施形態では、先端とその先端に近接する隣接小面の一方又は両方とを被覆することができる。

従って、本発明は、かみそりブレードの１又は２以上の刃先上に薄く均一なＰＴＦＥ膜を形成する方法、又は基板が１よりも多い小面を有する場合に容易にかみそりブレードに成形される基板上に薄く均一なＰＴＦＥ膜を形成する方法、かみそりブレードを形成する方法、かみそりブレードのような基板の切断力を低減する方法、及び得られる被覆基板、例えば、かみそりブレード提供する。同じく提供するのは、１又は２以上のかみそりブレードを含むかみそりであり、少なくとも１つのかみそりブレードは、本発明によって調製される。

本発明の１つの特定の実施形態は、刃先を有する基板を含むかみそりブレードを調製する方法に関し、その刃先の少なくとも一部は、本発明の方法により、ＰＴＦＥのようなフルオロカーボンポリマーの多くの場合に１００ｎｍ未満の薄くかつ均一な膜で被覆される。現在、多くのかみそりが１つだけの露出した刃先を有するブレードを使用するが、１よりも多い刃先を有するかみそりブレードが公知であり、本発明に使用することができる。本発明により、１よりも多い刃先を有するかみそりブレードは、刃先のうちの１又は２以上にフルオロカーボンポリマーを堆積させることができる。本明細書の一部の特定の実施例は、被覆かみそりブレードの形成に関するが、当業者は、少なくとも１つの刃先を有する他の基板に対して以下の説明を容易に拡張することができる。

本発明の基板は、かみそりブレード、又は鋭い先端及び隣接する小面によって定められた刃先を有するかみそりブレードに容易に成形される基板である。かみそりブレードの製造には様々な材料が使用されており、そのような材料のいずれかを含むブレード（又は他の基板）を本発明に使用することができる。かみそりブレードは、ステンレス鋼のような鋼を使用して作られることが多い。かみそりブレードはまた、その上に堆積させた別の硬質材料の層を含むことができ、例えば、非晶質ダイヤモンド、クロム、窒化クロムのような単一又は多層の硬質コーティングを刃先に塗布することができる。

様々な厚み、例えば、約１０ｎｍから約２００ｎｍの層を本発明の方法によって形成することができるが、非常に薄い、例えば、１５０ｎｍ又は１００ｎｍ未満のＰＴＦＥ膜を有するかみそりからより良好な快適性と切断性能とが得られる。本発明の多くの実施形態では、ＰＴＦＥ膜は、１００ｎｍ又はそれ未満、最も好ましくは、１００ｎｍ未満、例えば、７５ｎｍ、５０ｎｍ、４５ｎｍ、又は３０ｎｍ又はそれ未満のような厚みを有するかみそりブレード刃先の少なくとも一部上に堆積される。

本発明のパルスレーザ蒸着方法は、９０％又はそれよりも高いＣＦ₂含有量を有するＰＴＦＥ膜を提供し、多くの場合に９５％又はそれよりも高く、更に９９％さえも達成され、この特性は、プラズマ強化化学気相成長法（ＰＥＣＶＤ）、高周波マグネトロンスパッタリングのような他の真空技術では達成されていない。特に、本発明のかみそりブレード上に堆積された膜のＣＦ₂含有量は、例えば、一般的に噴霧により分散剤として塗布されてその後に高温での加熱を伴うＣｈｅｍｏｕｒｓカンパニーから入手可能なＤＲＹＦＩＬＭ ＬＷ２１２０ ＰＴＦＥを使用して調製されたかみそり産業に使用される既存のＰＴＦＥコーティングと同等か又はそれよりも良好である。

ＰＴＦＥのパルスレーザ蒸着は、近赤外から深紫外、すなわち、１９３ｎｍから１０６４ｎｍの波長での十分なパワーで達成することができる。しかし、高ピークパワーの赤外線フェムト秒パルスは、炭素鎖を破壊し、ターゲットのポリマーを分解することが示されている。より低いピークパワーの紫外ナノ秒パルスは、炭素鎖及び元の材料特性を維持するが、ナノ秒パルスレーザ蒸着は、余分なマクロ粒子を有する膜を生成することが多く、これは、一般的に望ましい膜特性には有害であり、約３０ｎｍ厚のような非常に薄いＰＴＦＥ膜は、マクロ粒子の凝集のために容易には形成されない。本発明は、ピコ秒パルスの紫外レーザが堆積膜の品質とかみそりブレードの低摩擦コーティングに必要とされる材料特性との間に均衡を提供することができることを見出している。

本発明の方法では、レーザは、真空下でＰＴＦＥプラーク、ブロック、ディスク、シリンダ、細粒などとしてフルオロカーボンポリマーを含むターゲットを切除する。切除中に１又は２以上のターゲットを使用することができる。ＰＴＦＥターゲットの切除によって切除プルームが生成され、切除されたＰＴＦＥの膜が、近くに位置決めされた基板上に形成される。基板をターゲットに対して位置決めする方法により、基板上のどこに膜が堆積されるかが決定される。１又は２以上のターゲットを有することにより、基板の１又は２以上の小面上に望ましい膜を首尾よく形成することができる。好ましくは、ターゲットは、基板の近くに、例えば、５０ｍｍから１００ｍｍに配置されるが、当業者は、望ましい膜形成を生成するためにターゲットと基板の間の最適な距離を決定することができる。フルオロカーボンのターゲットは、一般的に、３，０００から４，０００，０００のモル平均分子量を有するＰＴＦＥを含む。例えば、多くの実施形態では、例えば、４，０００から４００，０００又は４，０００から１００，０００、例えば、１００，０００から４００，０００又は１０，０００から５０，０００のような３，０００から２，０００，０００のモル平均分子量を有するＰＴＦＥを含むターゲットを使用する。他の実施形態では、ターゲットは、４００，０００から４，０００，０００、例えば、５００，０００又は１，０００，０００から４，０００，０００、２，０００，０００から４，０００，０００のモル平均分子量を有するＰＴＦＥを含む。

フルオロカーボンポリマーターゲットは、単一成分又はＰＴＦＥの別物質との混合物とすることができ、又はターゲットのフルオロカーボンポリマーの外側層を支持する非フルオロカーボンシリンダのような別の物質によって支持されたフルオロポリマーを含むことができる。フルオロカーボンポリマーターゲットは、所望波長での吸収を高める材料でドープすることができる。例えば、フルオロカーボンポリマーは、グラファイト、有機染料、又はスズのような他の金属でドープすることができる。好ましいドーパントは、２重量％グラファイトまで、１．５重量％グラファイトまで、０．５重量％グラファイトまで、０．２重量％グラファイトまで、又は０．０５重量％グラファイトまでの量のグラファイトである。

一般的に、本発明のパルスレーザ蒸着方法は、真空チャンバ内で行われる。切除プルームへの質量及びエネルギの移送がない限り、真空中でのプルームの膨張は断熱的であると見なされ、従って、プルームの膨張は、ほぼ無衝突と呼ばれる。図１では、反応チャンバ（図示せず）の内側では、１又は２以上のかみそりブレード（スタックが示されているが）を含む基板１０は、典型的にＰＴＦＥのようなフルオロカーボンポリマーを含むターゲット２０に対して２５°から９０°までの角度αで真空中に位置決めされる。ターゲット２０は、放射加熱器３０で加熱することができる。レーザ源は示されていないが、２００ｎｍから１０００ｎｍの波長の光５０を投射する。レーザ５０がターゲット１０に当たると、ターゲット材料の切除プルーム４０が形成され、これが基板１０の面と接触した状態で、基板１０又はその一部にターゲット材料の膜を堆積させる。

図２では、反応チャンバの内側では、１又は２以上のかみそりブレードを含む基板１５は、反応チャンバ内の第１のフルオロカーボンポリマーターゲット２５及び第２のフルオロカーボンポリマーターゲット２６の近くに位置決めされる。ターゲット２５／２６は、１又は２以上の放射加熱器３５で加熱することができる。第１のレーザ源５５及び第２のレーザ源５６は示されていないが、上記に開示した波長で光５５／５６を投射し、各ターゲット材料の切除プルーム４５／４６を形成し、これが基板１５の面と接触した状態で、その面上にターゲット材料４０の膜を堆積させる。追加のターゲット及びそこから生成される切除プルームは、、複数の角度での堆積を可能にし、かみそりブレードのような基板の複数小面を被覆する。

レーザのタイプは、Ｎｄ：ＹＡＧ、Ｙｂ：ＹＡＧ、又はＮｄ：ＹＬＦタイプレーザのあらゆる第３又は第４高調波、ＸｅＣｌ、ＡｒＦ、ＫｒＦ、及びＦ２などのエキシマレーザ族内のあらゆるピコ秒パルスレーザを含むことができるがそれらに限定されない。パルス長は、典型的に１フェムト秒から約２００ピコ秒である。膜は、例えば、１０ナノ秒のようなより長いパルス長を使用して形成することができるが、厚みが１００ｎｍ又は５０ｎｍ未満の高品質膜は、典型的にこれらのより長いパルスでは得られない。反復速度は、１ｋＨｚから１ＧＨｚであり、レーザの強度は、パルス当たり２０マイクロジュールから１ジュールである。ターゲットは、一般的にＰＴＦＥを含み、その例はＴＥＸＯＬＯＮ ＴＨＰ ８７６４であるが、他のＰＴＦＥ源を使用することができる。薄く連続した均一なＰＴＦＥ膜の成長を助けるために、加熱器を使用して堆積中に基板の選択された温度を維持することができる。しかし、加熱器は必ずしも必要ではなく、０℃、１０℃、又は２０℃から２００℃、２５０℃、又は３５０℃の温度を使用することができる。

後熱処理は、膜を平滑化すると共に結晶化を高めるのに必要とされる場合がある。これは、フルオロカーボンポリマーの融点よりも高温又は低温のいずれかで達成することができる。フルオロカーボンポリマーの融点を超える加熱は、ポリマーの基板に対する良好な接着性を保証するのに必要とされる場合がある。典型的な温度は、数分から数時間にわたる２５０℃から３５０℃の範囲を含むが、これに限定されない。一部の実施形態では、この熱処理段階は必要とされず又は任意的である。

一般的に、本発明によって被覆される基板は、あらゆる全体形状のものとすることができ、鋭いエッジを保持するのに足りるだけ硬く、使用される処理条件に対して安定であるあらゆる材料で製造することができる。そのような基板材料は、金属、ステンレス鋼のような金属合金、金属の炭化物及び窒化物のような金属化合物、セラミック又は固くした粘土、硬質炭素基板、及び何らかの有機ポリマーでさえも含まれる。基板は、単一材料又は複数の材料から製造することができ、単一の一体化された塊として形成されるか又は様々な層を含むことができる。

本発明の方法は、基板の刃先にＰＴＦＥ膜を形成するのに理想的に適しており、基板全体を本発明によって被覆することができるが、典型的に、そのコーティングを刃先自体又はその一部に限定することがより費用効果が高い。上述のように、本発明の基板は、１又は２以上の刃先を含み、本発明による膜は、これらの刃先のうちの１又は２以上に堆積させることができる。

当業技術で認識されているように、刃先は、鋭い先端及び隣接する小面によって定められることが多い。かみそりブレードは、多くの場合に、半径が１０００オングストローム未満、好ましくは、２００から５００オングストロームの鋭い先端を有する刃先を有する。鋭い先端に隣接する小面は、典型的に、鋭い先端から４０ミクロンで測定した場合に３０度未満、例えば、約１５〜２０度の刃先角を有する。小面は、刃先の異なる面を提供するものとして見ることができるが、本発明の一部の実施形態では、これらの面のうちの１つに膜が形成され、他の実施形態では、膜が両方の面に形成される。堆積された膜は、先端から小面が基板の残った部分と接触する点まで小面全体を覆うことができるが、一部の実施形態では、先端に近接する小面の一部のみが被覆される。

波長、パルス長、及び周波数、パルス当たりのパワーのようなレーザパルスのパラメータは、全てが基板上に形成される膜の特性において重要な役割を果たすことができる。様々な特定の実施形態では、レーザ波長は、１９０〜５００ｎｍ、例えば、３００ｎｍから４５０ｎｍであり、３２３ｎｍから４００ｎｍを含む場合もある。これに代えて、レーザ波長は、３００ｎｍから約７５０ｎｍ、例えば、約５００ｎｍから約７００ｎｍを含むことができ、一部の特定の実施形態では、波長は、約７００ｎｍから約１０７５ｎｍ、例えば、約７５０ｎｍから約１０６４ｎｍである。

パルス長は、他のパラメータに応じて変わる場合があり、１フェムト秒から１００ピコ秒のパルス、好ましくは、１フェムト秒から１０ピコ秒、より好ましくは、１フェムト秒から１ピコ秒のパルスが使用される。

パルス当たりのパワーは、１０キロジュールから１マイクロジュール、例えば、２０キロジュールから５００キロジュールの範囲であり、一部の特定の実施形態では、パルス当たりのパワーは、５００キロジュールから約１ジュールまで、例えば、７００キロジュージから５００マイクロジュール、又は１又は５０マイクロジュールから２５０又は５００マイクロジュールの範囲である。

実施例１は、従来のＲＦマグネトロンスパッタリング技術を使用して製造された膜である。真空チャンバの内側にかみそりブレードを６５ｍｍの投射距離でＰＴＦＥターゲットの前に固定した。チャンバを６．６６６×１０^-3パスカルのベース圧力まで排気した。圧力が１．８６６パスカルになるようにアルゴンの背景ガスをチャンバに流し込んだ。マグネトロン電力は、２１３ワットに設定し、厚み１００ｎｍのＰＴＦＥ膜をブレードの上に形成した。図３は、約３０％ＣＦ₂を含む実施例１の膜のＸ線光子（ＸＰＳ）スペクトルを示している。複数のピークは、膜中に見出される複数の化学種を示唆している。

図４は、Ｃｈｅｍｏｕｒｓカンパニーから入手可能なＤＲＹＦＩＬＭ ＬＷ２１２０ ＰＴＦＥの分散剤を使用してブレードに噴霧された約９９％ＣＦ₂を含む市販のＰＴＦＥ膜のＸＰＳスペクトルを示している。ＲＦマグネトロンスパッタ膜と比較して、噴霧された膜は、主として単一化学種、ＣＦ₂を含むことを示している。しかし、噴霧されたコーティングは、厚みが３００ｎｍから７００ｎｍに及ぶ高い点及び低い点を有して滑らかではない。これは、図７の光学画像で見ることができ、画像の上部がコーティングのトポグラフィの変動を示している。

実施例２は、波長２４８ｎｍのナノ秒ＫｒＦエキシマレーザを使用するパルスレーザ蒸着の例である。真空チャンバの内側にかみそりブレードを１００ｍｍの投射距離でＰＴＦＥターゲットの前に固定した。チャンバを６．６６６×１０^-3パスカルのベース圧力まで排気した。ブレードを室温にして、パルス当たり２５０ミリジュールの強度、２５ナノ秒のパルス長、及び５０Ｈｚの反復速度のパルスでターゲットを照射した。

図５は、かみそりの上に堆積された膜が約９９％ＣＦ₂を含む実施例２のＸＰＳスペクトルを示し、図４のＣｈｅｍｏｕｒｓのＬＷ ２１２０の分散剤による市販のＰＴＦＥ膜のＸＰＳスペクトルに類似している。しかし、実施例２のＰＬＤ条件の下では、膜の厚みは１０００ｎｍと好ましくない。高い強度及び長いパルス長は、１００ｎｍ未満の均一な厚みを有する膜の形成を妨げるマクロ粒子を生成した。

本発明により、実施例３は、波長８００ｎｍ、パルス当たり１００マイクロジュールの強度、１２０フェムト秒のパルス長、１ｋＨｚの反復速度でのＴｉ：Ｓａｐｐｈｉｒｅレーザを使用してフェムト秒パルスを使用するパルスレーザ蒸着を利用した。フルオロカーボンポリマーターゲットはＰＴＦＥであった。投射距離は７５ｍｍであった。厚み３０ｎｍの均一な薄膜が基板上に堆積された。

本発明により、実施例４は、波長３４３ｎｍ、パルス当たり１０マイクロジュールの強度、３００フェムト秒のパルス長、５００Ｈｚの反復速度でのＹｂ：ＹＡＧレーザを使用してフェムト秒パルスを使用するパルスレーザ蒸着を利用した。フルオロカーボンポリマーターゲットは、０．２重量％グラファイトでドープされたＰＴＦＥであった。投射距離は８９ｍｍであった。厚み３３ｎｍの均一な薄膜が基板上に堆積された。

図６は、実施例４で形成された膜の均一性を示す光学画像であり、かみそりブレードのエッジが画像の上部に示されている。これを図７に示すＤＲＹＦＩＬＭ ＬＷ２１２０ ＰＴＦＥの分散剤を噴霧した後に加熱することによって形成された従来のＰＴＦＥ膜の光学画像と対比されたい。

本発明は、波長、強度、パルス長、及び反復速度を最適化することにより、パルスレーザ蒸着を利用して多面基板上に均一な薄膜を形成する方法を開示するものである。フルオロカーボンポリマーの均一な薄膜は、フルオロカーボンポリマーターゲットを照射して基板の１又は２以上の小面に好ましくは１００ｎｍ未満、より好ましくは５０ｎｍ未満、最も好ましくは４０ｎｍ未満の厚みを有する膜を生成する時に形成することができる。そのような堆積方法は、ブレードの切断力を低減するためにかみそりブレード刃先に均一な薄いポリテトラフルオロエチレン膜を形成するのに特に有用である。

具体的な好ましい実施形態と併せて本発明の開示を詳細に説明したが、以上の説明に照らせば、多くの代替物、修正物、及び変形物が当業者に明らかであろうことは明白である。従って、添付の特許請求の範囲は、あらゆるそのような代替物、修正物、及び変形物を本発明の開示の真の範囲及び精神に入るものとして包含することになるように想定している。

１０ 基板
２０ ターゲット
４０ 切除プルーム
５０ レーザ
α ターゲットに対する基板の角度

Claims (15)

1. 鋭い先端と隣接する小面とによって定められる１又は２以上の刃先を有する基板上にフルオロカーボンポリマー膜を形成する方法であって、
   反応チャンバ内にフルオロカーボンポリマーを含むターゲットを与える段階と、
   被覆される基板を前記反応チャンバ内の前記ターゲットの近くに位置決めする段階と、
   前記チャンバの内側に１．３３３×１０^-1パスカルから１．３３３×１０^-7パスカルの真空圧力を確立する段階と、
   １００フェムト秒から１０ナノ秒のパルス長のための２００ｎｍから１１００ｎｍの波長で、パルス長当たり１マイクロジュールから２５０ミリジュールの強度で、１００ｋＨｚから１ＧＨｚの反復速度で、フルオロカーボンポリマー膜を前記基板上に堆積させるのに十分な時間にわたって前記フルオロカーボンポリマーターゲットを照射する段階と、
   前記基板の少なくとも１つの刃先の少なくとも１つの小面の少なくとも前記鋭い先端及び該鋭い先端の近くの一部分上に実質的に均一なフルオロカーボンポリマー薄膜を形成する段階と、
   を含むことを特徴とする方法。
2. 被覆される前記基板を反応チャンバ内でフルオロカーボンポリマーを含むターゲットの近くに位置決めする前記段階では、該フルオロカーボンポリマーは、ポリテトラフルオロエチレンを含むことを特徴とする請求項１に記載の方法。
3. 被覆される前記基板を反応チャンバ内でフルオロカーボンポリマーを含むターゲットの近くに位置決めする前記段階では、該反応チャンバは、１．３３３×１０^-2パスカルから１．３３３×１０^-4パスカルの圧力にあることを特徴とする請求項１に記載の方法。
4. 前記基板を１７０℃の温度まで加熱する段階を更に含むことを特徴とする請求項１から請求項３のいずれか１項に記載の方法。
5. 前記フルオロカーボンポリマーターゲットを照射する前記段階では、前記パルス長は、１フェムト秒から５００ピコ秒であることを特徴とする請求項１から請求項４のいずれか１項に記載の方法。
6. 前記実質的に均一なフルオロカーボンポリマー薄膜を形成する前記段階では、該膜は、１０ｎｍから１００ｎｍの厚みを有することを特徴とする請求項１から請求項５のいずれか１項に記載の方法。
7. 前記実質的に均一なフルオロカーボンポリマー薄膜を形成する前記段階では、該膜は、１０ｎｍから５０ｎｍの厚みを有することを特徴とする請求項８に記載の方法。
8. 前記実質的に均一なフルオロカーボンポリマー薄膜を形成する前記段階の後に該被覆基板を熱処理する段階を更に含むことを特徴とする請求項１から請求項７のいずれか１項に記載の方法。
9. 前記被覆基板を熱処理する前記段階は、数分にわたって２５０から３５０℃の温度で該基板を加熱する段階を含むことを特徴とする請求項８に記載の方法。
10. フルオロカーボンポリマーを含む追加のターゲットを与える段階を更に含むことを特徴とする請求項１から請求項９のいずれか１項に記載の方法。
11. 複数の小面を有する基板上にポリテトラフルオロエチレンの薄膜を形成する方法であって、
    グラファイトでドープされたポリテトラフルオロエチレンターゲットを与える段階と、
    １．３３３×１０^-2パスカルから１．３３３×１０^-4パスカルの圧力での真空チャンバ内で前記基板を前記ポリテトラフルオロエチレンターゲットの近くに位置決めする段階と、
    １００フェムト秒から５００ピコ秒のパルス長のための２４０ｎｍから３６０ｎｍの波長で、パルス長当たり１マイクロジュールから１００マイクロジュールの強度で、１ｋＨｚから１０Ｈｚの反復速度で、ポリテトラフルオロエチレン膜を前記基板上に堆積させるのに十分な時間にわたって前記ポリテトラフルオロエチレンターゲットを照射する段階と、
    前記基板の１又は２以上の小面上に１００ｎｍ未満の厚みを有する実質的に均一なポリテトラフルオロエチレン薄膜を形成する段階と、
    前記ポリテトラフルオロエチレン膜を前記基板の面に結合させるような時間にわたってかつその温度で該基板を加熱する段階と、
    を含むことを特徴とする方法。
12. 前記真空チャンバ内で前記基板を加熱する段階を更に含むことを特徴とする請求項１１に記載の方法。
13. 前記ポリテトラフルオロエチレンターゲットを照射する前記段階は、１００フェムト秒から３００フェムト秒のための２４４ｎｍから３４３ｎｍの波長で、１０マイクロジュールから２０キロジュールの強度で、１ｋＨｚから５００ｋＨｚの反復で行われることを特徴とする請求項１１に記載の方法。
14. 実質的に均一なポリテトラフルオロエチレン薄膜を形成する前記段階では、該膜は、５０ｎｍ未満の厚みを有することを特徴とする請求項１１に記載の方法。
15. 請求項１から請求項１４のいずれか１項に記載の方法によって形成されたコーティングを有する少なくとも１つのかみそりブレード、
    を含むことを特徴とするかみそり。