JP4267064B2 - ブレードの非晶質ダイヤモンドコーティング - Google Patents

Description

【０００１】
【技術分野】
本発明は改良された剃刀および剃刀ブレード、ならびに鋭利で耐久性の刃先を有する剃刀ブレードまたは類似刃物の製造法、特にフィルター型陰極アークプラズマソースを用いたブレードの非晶質ダイヤモンド被膜、に関するものである。本発明は、剃刀ブレードの極めて薄い刃先上に高いアスペクト比の、極めて堅い剛性のある被膜を形成させるのに特に有用である。
【０００２】
【背景技術】
剃刀ブレードは典型的には適当な基質物質、例えば金属またはセラミック、から形成され、かつエッジは約１，０００Åまたはそれ未満の半径を持つ最終エッジまたは先端を伴った、楔形形状で形成され、その楔形表面は３０度未満の開先角度をなしている。剃髪動作が厳しいとブレードエッジがしばしば損傷するので、剃髪能力を高めるために、ならびに／または剃髪エッジの硬度および／もしくは耐食性を増加させるために、補足被膜物質からなる１またはそれより多い層を使用して剃髪を容易にすることが提案されている。
【０００３】
多くの被膜物質、例えば重合体状物質および金属、ならびに、ダイヤモンド状炭素（ＤＬＣ）物質を包含する他の物質が提案されている。そのような層または補足物質層の各々は、剃刀ブレードの有用期間に亙って基質に強固に接着して残るような接着相容性を有すべきであり、かつ剃髪エッジの形状および切れ味に逆効果を及ぼさずに、改良された剃髪性、改良された硬度および／または耐食性のような特性を提供することが望ましい。
【０００４】
Ｂａｃｈｅらの米国特許第５，０３２，２４３号明細書には、剃刀ブレードエッジに向けたビーム軸をもつイオンソースからのイオン衝撃により鋭利化されたブレード基質物質が記載されている。Ｐａｒｅｎｔらの米国特許第５，２３２，５６８号明細書およびＨａｈｎらの米国特許第５，２９２，３０５号明細書には、基質とダイヤモンド状被膜との間に置かれた１つの中間層を有するブレードが開示されており、この中間層は基質上に堆積し、次いでダイヤモンド状被膜がその中間層上に堆積している。
【０００５】
これまでの解決法は完全に成功だというわけではないので、Ｂａｃｈｅらの特許明細書に開示されたイオンビーム形成よりも寧ろ）機械的研磨法を単に用いて鋭利化された基質を形成させ、次いで（中間層を堆積させる中間工程なしに）基質上に非晶質ダイヤモンドを直接堆積させるのが望ましいはずである。したがって、機械的研磨により作った薄ブレード基質から出発し、この基質上に非晶質ダイヤモンド被膜を直接堆積させて基質上に堅さと剛性の両方を付与し得ることが望ましい。
【０００６】
【発明の開示】
本発明によれば、基質の鋭利化されたエッジに非晶質ダイヤモンド物質の被膜を施すことにより、改良された機械的性質を持つ剃刀ブレードの刃先が提供される。そのような物質はｓｐ３炭素結合を少なくとも４０％、硬度が少なくとも４５ギガパスカル、およびモジュラスが少なくとも４００ギガパスカルであることにより特徴付けできる。さらに、そのような物質は熱水溶液および剃髪中に通常使用する化合物類により腐食されない。これらの特性を示す物質は、本開示の以後の説明中で非晶質ダイヤモンドと呼称されるであろう。本発明の非晶質ダイヤモンド物質とは対照的に、従来法、例えばスパッタリング、で作った伝統的ダイヤモンド状炭素被膜（ＤＬＣ）は、そのような高い硬度を示さない。本発明の非晶質ダイヤモンドとは異なって、ＤＬＣ被膜は典型的には３０ギガパスカルを越えない硬度を示す。
【０００７】
【発明を実施するための最良の形態】
施した非晶質ダイヤモンド被膜の極端な硬度と剛性が、極めて薄い剃刀ブレードエッジに対して強度を付与する。Ｃｕｒｒｙらの米国特許第４，７２０，９１８号明細書にはこのタイプのブレードが記載されており、したがってこれらを例として本明細書に含めるが、制約が考慮される必要はない。非常に薄いブレードエッジは剃髪の快適さを増加させるが、そのエッジが剃髪に耐え得るに十分強い限りにおいてのみ実用的である。米国特許第４，７２０，９１８号明細書中に記載されているものも含めて、かつそれらのみに限定されないが、非晶質ダイヤモンドの４００〜２０００Åまで強化された薄いエッジは、今日剃髪で使用されるエッジよりも有意に一層薄い仕上げエッジからなり、同時に非晶質ダイヤモンド被膜の十分な強さに起因する、剃髪に耐え得るに十分な強度を伴っている。
【０００８】
薄いエッジにさらに寄与するのは、非晶質ダイヤモンド被膜の製造で本発明に使用する特定の陰極アーク堆積法により達成される、高いアスペクト比である。
この「アスペクト比」については、図３を参照しながら次の持論中で一層詳細に説明するが、この要旨の目的に対しては（ａ）：（ｂ）比として理解しうる。ここで（ａ）は被膜の先端から基質の先端に至る第１距離であり、（ｂ）は被膜面から基質の先端に至る第２距離である。
【０００９】
このアスペクト比はその下にある基質のブレードエッジの形状大きさに及ぼす被膜の効果の有用な尺度を提供する−−−被膜のアスペクト比が一層大きいまたは一層高いほど、低いアスペクト比で被覆されたブレードと比較した場合被覆ブレードは「より鋭い」。本発明の非晶質ダイヤモンド塗膜の非凡な強度のさらなる結果として、通常の断面を有する剃刀ブレード上にそのような被膜を適用すると一層長い剃髪寿命が期待され得る。
本発明の１提案によれば、楔形エッジ、およびその楔形エッジの先端およびフランク上の非晶質ダイヤモンド層が提供され、層の好ましい厚さは少なくとも４００Åであり、これが約５００Å未満の先端半径をおよび約２：１〜４：１のアスペクト比の範囲を決めている。このブレードは優れた剃髪性と長寿命を示す。
【００１０】
好ましい実施対様では、この剃刀ブレード基質は鋼製であり、その非晶質ダイヤモンド被膜は鋼基質の少なくとも４倍硬く、その楔形エッジは遂次的機械研磨工程で作られ、かつその非晶質ダイヤモンド層はフィルター型陰極アーク（filtered cathodic arc）ソースとして用いた黒鉛ターゲットから供給される炭素イオンから形成される。
【００１１】
本発明の他の１提案によれば、剃刀ブレードを形成させる方法が提供され、この方法中には、基質を提供する工程、３０度未満の開先角度および好ましくは１，２００Å未満の先端半径（すなわち、かかる最終先端を少なくとも２５，０００倍の走査電子顕微鏡下で観察した際の、エッジの最終先端より内側に位置し得る最大円の推定半径）を有する楔形の鋭利化されたエッジをこの基質のエッジ上に形成させる工程、および陰極アーク気化法により鋭利化されたエッジ上に非晶質ダイヤモンドの層を堆積させて約１０００Å未満の非晶質ダイヤモンド層の最終先端における半径を提供させる工程、が包含される。この非晶質ダイヤモンド層はいずれも高度にイオン化された形態の炭素をエネルギー的に堆積させる各種の方法で堆積できる。陰極アーク法、陽極アーク法、炭化水素ガスのプラズマ分解法、誘導連結ｒｆによる後イオン化を用いたスパッター法、レーザー融蝕法、レーザー吸収ウエーブ堆積法（ＬＡＷＤ）、および直接イオンビーム堆積法がこの目的に使用される。本発明の好ましい実施態様ではフィルター型陰極アーク法の１種を使用する。
【００１２】
具体的な１方法では、基質を連続研磨工程で機械的に研磨して鋭利化されたエッジを形成させ、フィルター型陰極アーク法により非晶質ダイヤモンド層を堆積させ、この際の刃先の非晶質ダイヤモンド被膜の厚さは少なくとも４００Åであり、非晶質ダイヤモンド層のｓｐ３炭素結合は少なくとも４０％であり、かつ密着性高分子被膜を非晶質ダイヤモンド被覆刃先上に施すこともできる。
【００１３】
本発明の他の１実施態様によれば、ブレードエッジ（１つまたは複数）の前方および後方にあるユーザーの皮膚を噛み合わせるための外部表面を有するブレード支持構造体およびこの支持構造に固定された少なくとも１つのブレード部材からなる剃髪ユニットが提供される。この支持構造体に固定された剃刀ブレード構造体中には、鋭利化された先端から４０ミクロメーターの距離において１７度未満の開先角度を有する小面で区画された楔形刃先をもつ基質、および上記基質の鋭利化された先端から、この鋭利化された先端から４０ミクロメーターの距離までに、少なくとも４００Åの厚さを有する強化物質層が包含され、この強化物質の最終半径は５００Å未満であり、そのアスペクト比は２：１〜４：１である。
【００１４】
１つの特定剃髪ユニットでは、この剃刀ブレード構造中には２つの鋼製基質が包含され、その楔形エッジは皮膚噛み合わせ面の間に互いに平行に配設され、上記エッジ強化層は厚さは約１０００Åの非晶質ダイヤモンドから作られ（典型的には基質および処理パラメーターに依存して４００〜２０００Åの範囲）、かつこの非晶質ダイヤモンドはｓｐ３炭素結合が少なくとも４０％であり、硬度が少なくとも４５ギガパスカルであることを特徴とし、さらに非晶質ダイヤモンド物質の各層上には密着性ポリマー被膜がある。
【００１５】
上記剃髪ユニットは、剃刀ハンドルへの装着および脱着に適した廃棄可能なカートリッジ式のものであったり、またはブレードもしくはブレード類が使用不能になった場合に剃刀一式を１ユニットとして廃棄できるようにハンドルで統合し得るようなものである。前方および後方の皮膚かみ合わせ面はブレードエッジ（１または複数）と連動して剃髪用形状寸法を区画している。特に好ましい剃髪ユニットは米国特許第３，８７６，５６３号明細書および米国特許第４，５８６，２５５号明細書に記載のタイプのものである。
【００１６】
所望の非晶質ダイヤモンド被膜を施すためのプロセス条件を包含する、本発明の他の特徴および有利な点は、具体的な実施態様の下記の記載を図面との関連づけて判読することにより明瞭になるであろう。
【００１７】
次の記載において、ブレード、基質および非晶質ダイヤモンド被膜の好ましい各種実施態様の特徴と性質を説明し、次いで所望の被膜を堆積するためのプロセス条件を開示する。
【００１８】
図１を参照するに、剃髪ユニット１０中には、剃刀ハンドルへのアタッチメント用の構造が包含され、かつ前方に横切って伸長する皮膚噛み合わせ面１４を区画する構造を包含する高耐衝撃性ポリスチレン製プラットホーム部材１２が包含される。プラットホーム部材１２上には鋭利化されたエッジ１８を有するリードブレード１６および鋭利化されたエッジ２２を有する次のブレード１６が置かれている。高耐衝撃性ポリスチレンから成形されたキャップ部材２４は、皮膚噛み合わせ面２６を区画する構造を有し、表面２６はブレードエッジ２２の後方に配設され、かつキャップ部材２４に添付された剃髪促進複合物質２８がある。
【００１９】
図２の剃髪ユニット３０はＪａｃｏｂｓｏｎの米国特許第４，５８６，２５５号明細書に開示されたタイプのものであり、かつ前部３４および後部３６を伴った成形体３２を包含している。ガード部材３８、リードブレードユニット４０および後ブレードユニット４２が成形体３２中に弾力的に固定されている。ブレードユニット４０、４２の各々中には鋭利化されたエッジ４６を有するブレード部材４４が包含される。剃髪促進複合物質４８は後方部分３６の凹み中に摩擦的に固定されている。
【００２０】
図３にはブレード１６、２０および４４のエッジ領域の略図が示されており、この図からアスペクト比が一層よく理解できる。このブレードは、遂次的エッジ形成研磨操作で形成された、楔形の鋭利化されたエッジを有する不錆鋼製ボデイー部分５０を包含し、上記研磨操作では約１３度の開先角度の小面５４および５６を伴った、典型的には５００Å未満の半径を有する先端部分５２を形成させる。先端５２および小面（facet）５４，５６上には約２，０００Åの厚さの非晶質ダイヤモンド６０が堆積し、そのアスペクト比［非晶質ダイヤモンド先端７０から不錆鋼先端５２までの距離（ａ）、および先端５２に対する非晶質ダイヤモンド被膜６０の幅（ｂ）の比］は約３：１である。
【００２１】
層６０上には、実質的には堆積した際の厚さではあるが、最初の剃髪の間に単分子層厚に低減されるような密着性テロマー層７２が堆積されている。
【００２２】
図３にみられるタイプのブレードを処理するための１装置を図４の略図で示す。この装置中には、Ｖａｐｏｕｒ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｉｅｓ（米国コロラド州ボルダー）により製作されるような、バルブ８２を通じて減圧ポンプ系（図示せず）に連結した不錆鋼製室８０を有する、フィルター型陰極アーク堆積システムが包含される。室８０の上には、電気絶縁された水冷却基質プラットホーム８４が据付られ、その上に剃刀ブレード８８のスタックを保持する回転式取付け具８６が置かれている。
【００２３】
鋭利化されたエッジは図の平面に垂直に配列し、かつ回転式取付け具８６から下向きに面している。各ブレードエッジを単一陰極アークソース９２からの炭素イオンビームに交互に露出してブレード斜面の両側に均一な堆積を確保させる目的で、室８０の外部に固定されたモーター９０が予め設定した間隔を置いてブレードスタックを１８０度回転させる。
同時に室８０中には２つのフィルター型陰極アークソース９２、９４が配設され、それぞれ黒鉛ターゲット９６（陰極、純度９９．９９％）、アークストライク機構９８、おびフィルターまたはダクト１００からなっている。フィルター１００は、電気巻線１０２により生じたソレノイド磁界およびダクト下に位置する電磁石１０４を使用して、炭素イオン（アークプラズマ）の流れを陰極９６からブレード８８のスタックへと指向させるのに役立つ。この陰極アークソースも上記のタイプであってもよく、かつこの磁界は、Ｗｅｌｔｙらの同時係属米国出願第０８／２３３，００６号明細書（１９９４年４月２５日出願、米国特許第５４８０５２７号）中に記載されているようなソースに比較してアーク性能を最適化するように制御できる。上記同時係属米国出願の記載はアタッチメントＡとして識別される本出願中に含める。
水冷却ライン１０６、１０８および１１０がターゲット９６、フィルター型陰極アークソース９２および回転式取付け具８６のそれぞれに具備される。
【００２４】
このダクトは、ブレード先端およびダクト出口の中心軸１１４により作られる平面１１２の間に４０度の角度が提供されるように指向される。この角度を選択して完全に級密な被膜が堆積するのを確保する。黒鉛ターゲット９６は、長さ約３０ｃｍ、幅２．５ｃｍであり、室８０から電気絶縁され、一方でダクト１００はグランドポテンシャルにある。黒鉛ターゲット９６はスイッチ１２０を通じてＤＣパワー供給源１１８に接続する。スイッチ１２２を通じてブレード８８のスタックをＤＣパワー供給源１２４に接続し、またはスイッチ１２６通じてＲＦパワー供給源１２８に接続するための電気巻線が具備される。好ましいフィルター型陰極アークの詳細設計および操作は前に触れた同時係属米国出願第０８／２３３，００６号明細書中でさらに論議する。
【００２５】
回転式取付け具８６が、フィルターダクト口から１５ｃｍ隔てたエッジでブレード８８のスタックを支えている。ブレード８８のスタックは１つの斜面がフィルター型陰極アークソース９２のダクトに面する位置、および反対斜面がフィルター型陰極アークソース９２のダクトに面する類似位置との間を回転する。この１８０度の回転は１０秒毎に行われ、複数斜面が均等に被覆されるのを保証する。
【００２６】
具体的プロセス順序の一例では、ブレード８８（長さ２．５ｃｍ）のスタックを回転式取付け具８６上に固定し、回転式取付け具冷却水の供給を始め、室８０を排気する。室８０への圧力をアルゴン流で５０ミリトルに調節する。スイッチ１２２を閉じてブレードスタックへ−４００ボルトＤＣを印加し、ＤＣプラズマ放電を始めて１０分間、ブレードを清浄にする。清浄工程後、（ｉ）室内の圧力をアルゴンの０．１ミリトルに調節し、（ｉｉ）フィルター型陰極アークソース９２の単一ダクトへの磁界コイル１０２を電圧印加し、（ｉｉｉ）黒鉛ターゲット９６へのスイッチ１２０を閉じ、（ｉｖ）複数ブレードへのＤＣパワー供給源１２４を−１０００ボルトＤＣに調節し、かつ（ｖ）機械的ハンマー９８を用いて黒鉛ターゲット９６上にアークをストライク／開始させる。アーク電流は１００アンペアに設定する。炭素イオンの強力なプラズマがフィルター型陰極アークソース９２のダクトから放射され、１０秒毎に１８０度回転するブレード８８上に堆積させる。
【００２７】
アークを２分間放射させた後、ＤＣパワー供給源１２４を−５０ボルトに設定し、全１６分間の堆積を継続する。生成非晶質ダイヤモンド被膜の各小面上の厚さは約１０００Åである。ブレード先端半径は約３５０Åであり、かつアスペクト比は約２．５：１である。プロセス順序の他の一例では、２つの陰極アークソースを同時に運転し、第２のフィルター型陰極アークソース９４を第１のフィルター型陰極アークソース９２の反対側に位置させてブレードの両小面が殆ど同一の入射角で同時に被覆されるようにする。この場合、ブレード８８のスタックは回転させないで、寧ろ両ソースの交差箇所からプラズマが放射される領域を通じて移動させる。プロセス順序の他の全ての提案は上記のものと同じである。
【００２８】
ポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）テロマーの被膜７２を次いでブレードの非晶質ダイヤモンド被覆膜エッジに施す。この方法中には、アルゴンの中性雰囲気下でブレードを加熱し、かつ刃先上に摩擦低減性で密着性の固形ＰＴＦＥからなるポリマー被膜を供給することが包含される。被膜７２および６０はブレードボディー５０に強く密着して、湿潤ウールフェルトカッター力が低く（湿潤ウールフェルト（Ｌ５）を用いた最初の５カットの最低は約０．４５ｋｇ）、かつウールフェルトカッター力の繰り返し適用にも抵抗して、このフェルトカッター試験の厳しい条件に露出されても非晶質ダイヤモンド被膜６０が実質的に影響を受けず、希釈水中８０℃で１６時間浸漬した後でもブレードボディー５０に強く密着して残っていることを示していた。
【００２９】
生じたブレードエレメント４４を図２に示すようなタイプのカートリッジユニット３０中に配備した結果、剃髪に際しては優れていた。
【００３０】
プロセス条件
ブレード、基質および非晶質ダイヤモンド被膜の特性および性質についての上記開示は、上記において一般的に記載した適当なプロセス条件を特定した次の記載により一層理解でき、かつ価値を高めることができるはずである。先ず、好ましい陰極アークソースを要約する。次いで好ましい各種プロセス条件を記載する。
【００３１】
陰極アークソース
非晶質ダイヤモンドの堆積被膜はＦａｌａｂｅｌｌａら米国特許第５，２７９，７２３号明細書中に記載されているような公知のフィルター型陰極アークプラズマソース物質を用いて施すことができる。しかし好ましい１実施態様では、ここにアタッチメントＡとして添付した同時係属米国出願に従って堆積被膜を施す。アタッチメントＡの長方形ソースは本発明の実施に際し特に適当であるが、本発明はそれだけに限定されない。同様に、フィルタリングしないソースまたは他の公知のソースも使用可能であり、本発明がフィルター型陰極アークソースに限定されるものと理解すべきではない。
【００３２】
プロセス条件および調製
プロセス条件中には基質に対する多段工程バイアス、ブレード両面上への等しく平均した堆積、および展示の角度に対する注意が包含される。
【００３３】
堆積中に２００−２０００ボルトの範囲の高い初期バイアスを２分まで、基質に施して密着を確立する。次いで１０−２００ボルトの低い第２段階バイアスを施して非晶質ダイヤモンド硬質被膜の構造を最適化し、かつ所望の結晶構造を確立させる。本発明によれば少なくとも上記２段階が望ましいが、例えば５００ボルトの中間バイアス段階を追加して、さらなる「ステップダウン」増加バイアスを提供することも望ましい。
【００３４】
非晶質ダイヤモンド堆積物は等しい平均速度（または同時に）でブレード両側上に堆積させる。同時堆積のために少なくとも２つのソースを準備したり、および／または堆積ソースに対してセットしたブレード展示角度をサイクルさせることにより、等しく、または等しい平均堆積速度で被膜層を両側に施し得るはずである。各ブレードは第１傾斜面および第２傾斜面により区画された刃先を有しており、その傾斜面の交差箇所に１先端がくること、および１群のブレードは、
＊上記先端により形成された平面を提供するブレードスタックとして配置でき、または
＊カルーセル（ｃａｒｏｕｓｅｌ）およびその他の中に配設ができる、
という事実を考慮すると、上記層形成という概念中には、（ｉ）少なくとも２つのソースを用いることにより刃先両側上での堆積速度を即座に等しくするか、または（ｉｉ）時間に亙って殆ど等しい速度で各剃刀の刃先の両側上に被膜を敷設し得るように、単一ソース（スタックのクリッピング、カルーセルの回転、または他の遂次的供給による等、ソースに関してのブレード供給のサイクル的変化）に対するブレードセット（スタックまたはカルーセル）の移動を採用するかのいずれかが包含される。
【００３５】
すなわち、厚さ１０００Åの被膜を施すためには、本発明の好ましい方法では第１側面上に全て１０００Åを敷設し、次いでブレードスタックの第２側面上に全て１０００Åを敷設するのではなく、−−代わりに各ブレードの刃先の両側に１０００Åまたは他の望ましい厚さが形成される迄（ｉ）両側面上に同時に堆積させるか、または（ｉｉ）第１側面上に３〜５００Å範囲で、次いで第２側面上に３〜５００Å範囲でサイクル的変化を行うかのいずれかである。上記の方法は好ましい方法であるが、本発明はこれのみに限定されると理解されるべきではなく、また平坦でない、すなわちバランスの崩れた層形成を用いても実施できる。
【００３６】
供給角度はある程度重要であることを理解しなければならない。低圧（高減圧）条件ではイオン化炭素の、高度に配向したプラズマ流が生じる。ブレードはスタックドブレードの先端により形成された平面に垂直の線から測定した角度で供給され（または非スタックドブレードの刃先の先端ならびに第１および第２傾斜面により囲まれた角度を２等分する線から測定して）、すなわち２０度超９０度未満で供給される。この供給角度はブレードの刃先の１側面または他の側面に対して一層指向的にプラズマ流を向わせることを意図するものである。
【００３７】
公知のように、本発明の堆積方法は、プロセスガス、例えばアルゴン、の有無に係わらず操作でき、室の清浄化はＲＦまたはＤＣグロー放電を用いて実施でき、かつ基質のバイアスはＤＣまたはＲＦソースを用いて行える（かかるバイアスはブレード先端を鋭利化するのにも用いられ得る）。
【００３８】
かくして本発明は、鋭利性を維持しながら薄いブレードの強化を可能にする（すなわち、先端の鋭さ、すなわち鋭利性を損なうことなく薄いブレードに硬度と剛性を付与する）ことが判る。一層公知の剃刀ブレードは約１００〜３５０Å程度の厚さで被覆されるかもしないが、本発明の方法では恐らく厚さ３，０００Å程度（先端から離れて配設されたブレード面上で測定されるように）、先端部で５，０００Å程度、の非晶質ダイヤモンド被膜を堆積させることができるはずである。先立って記載したように、このことは高いアスペクト比を維持したまま達成できる。
【００３９】
本発明の方法で被覆を意図する剃刀ブレードは、通常の剃刀ブレードよりも薄くかつ一層鋭利であることが期待でき、さらに非晶質ダイヤモンド硬質炭素被膜の超強度に加えて本発明の方法によりアスペクト比２：１およびそれより高い比率が許容されることは、それだけで他に類がない。
【００４０】
アタッチメントＡ
長方形減圧アークプラズマソース
発明の分野
本発明は減圧アーク気化に関し、さらに詳細には長方形ダクト中に置かれた長方形平面陰極のフィルター型陰極アーク気化に関する。この長方形ソースは長さが不定に伸長でき、したがって本発明は長い、または大きな基質上に被覆またはイオン注入するのに特に有用である。
【００４１】
本発明は溶融ソース物質のはねかし小滴による基質の汚染を最小限にしながら、大きな基質上への均一被覆または注入を達成するために、フィルター型陰極アーク（完全にイオン化した蒸気流、はねかし小滴の除去）の恩典と長方形ソースの恩典（ソースからの均一気化および線運動を用いた基質上への均一堆積）との併合を実現するものである。
【００４２】
発明の背景
過去１０年程度で、減圧アーク気化法は金属、合金、および金属化合物被膜を、被覆すべき基質上に堆積させるために広く実用化された。減圧アーク放電はイオン注入、ビーム加速、およびロケット噴射等の用途に対するイオンソースとしても用いられてきた。
【００４３】
基質を被覆または注入する上記減圧アーク気化法には、被堆積物質からなる陰極ターゲット、および被被覆基質が包含される。このターゲットは、典型的には０．００１ｍｂａｒ未満の圧力に減圧された減圧室中の高電流、低電圧のアークプラズマ放電により気化される。被被覆または被注入基質は通常はターゲットの気化可能面に面してソース圧室中、典型的には１０〜１００ｃｍの距離で配設される。アーク電流は通常は２５と１０００アンペアとの間、電圧は１５と５０との間である。
【００４４】
このアークプラズマ放電は、アークによるターゲット物質の気化およびイオン化で作られたプラズマを介して陰極と陽極間に電流を長す。陰極（負電極）は電気的に隔離されたソース構造であり、このプロセス間で少なくとも部分的に消費される。陰極の消費部分は「ターゲット」と呼称され、陰極ボディーと呼ばれる冷却非消耗エレメントにクランプされた置換可能エレメントとして製作されることが多い。陽極（正電極）は陰極内の電気的に隔離されたソース構造であり、またはそれ自体が減圧室であり、このプロセス間では消費されない。
【００４５】
アークは、通常は機械的コンタクト高電圧スパーク、またはレーザー照射を用いてターゲットの気化面上で発火させる。続いて起こるアークプラズマ放電は陰極ターゲット面の１つまたはそれより多い動的アークスポット中に著しく極限化される。陰極アークスポットにおける極端に高い電流密度は１０⁶−１０⁸アンペア／ｃｍ²と推測されるが、この結果、局部加熱、気化、および陰極ソース物質のイオン化が起きる。
【００４６】
各アークスポットは、陰極ターゲット面に殆ど垂直方向にプラズマジェットを放射し、陰極および陽極間の領域に伸長する発光プルーム（luminous plume）を形成する。被被覆または被注入基質は陰極と陽極との間、またはこれに近接して置かれる。通常、陰極物質の蒸気は、電圧印加により基質面に向かって一層加速され、基質表面上で凝縮または基質中に埋め込まれる。上記気化工程中に反応性ガスを減圧室中に導入してもよく、その結果、ターゲット物質、反応性ガス、および／または基質物質を含む物質化合物が形成される。
【００４７】
ターゲット物質にもよるが、アーク電流が７０−１００アンペア未満であると、陰極ソース物質上には単一アークスポットのみしか存在しない。アーク電流が高いと、ターゲット面に同時に複数のアークスポットが存在することができ、それぞれが全アーク電流を等分で運ぶ。磁場が存在しないと、アークスポットはターゲット面周りにランダムに動く傾向があり、ターゲット面上に顕微鏡的クレーター様特徴を残す。
【００４８】
極端に磁場を与えると、磁場線およびジェット両方の垂直方向にアークジェット上に力が加わり、アークの小規模な運動がセミランダムで残るとしても、アークスポットの大規模な平均移動に対して支配的影響を及ぼし得る。電子流が陰極から放射されることを考慮すると、磁場のアークスポットの運動方向はアンペアの法則に準拠して予想できるベクトルＪ×Ｂ方向に反対または「逆行（retrograde）」である。この現象はアークジェット内部の複雑な運動効果に原因し、かつ広く報告および論議がなされている。
【００４９】
アークスポットにおけるターゲット物質の気化の好ましくない副作用は、蒸気ジェットの膨張に起因する反応力によりターゲットから放射される溶融ターゲット物質の小滴の発生である。これらの小滴は通常マクロ粒子と呼ばれ、その直径はサブミクロンないし数１０ミクロンである。このマクロ粒子はこれらが被被覆基質上に到達すると被膜中に埋め込まれて不都合な不規則性を形成したり、またはこのマクロ粒子は基質面に付着して後で剥離して被膜中にピットを引き起こす。
【００５０】
基質上の被膜中に取り込まれるマクロ粒子の数を低減させるための多くの策略が工夫されている。これらの策略は一般的に２つのカテゴリーに分かれる。
（１）アークを制御および促進するために、ある形の磁場を用いてマクロ粒子発生を低減させる第１の策略、および
（２）基質への陰極出力（ｏｕｔｐｕｔ）のイオン化部分は透過するが、溶融小滴はブロックするように、陰極ソースと基質との間にあるフィルター装置を用いる第２の策略。
第１の策略の磁気方法はフィルター方法よりも一般に単純であるが、マクロ粒子を完全には取り除けない。第２戦略のフィルター方法は磁気方法よりもマクロ粒子の除去に関して一般に一層効率的であるが、複雑な装置が必要であり、かつソース出力を著しく減少させる。
【００５１】
フィルター方法は、陰極ターゲット面の透視線から外れて基質を配設し、陰極から放出されるマクロ粒子が基質上を直接侵略しないように操業する。基質へのプラズマを輸送するために、アングルドフィルターダクトを陰極と基質との間に配設する。
基質への到達のために、陰極ソースから放射された荷電プラズマを４５〜１８０度の角度を通してフィルターダクト内で電磁的に偏向させ、フィルターダクト中のベンドを通じて通過させ、かつ基質上に衝突させる。未偏向マクロ粒子は磁場では偏向されずにフィルターダクト壁をヒットする経路に継続し、理想的にはマクロ粒子が基質に到達しないようにする。しかし実際には、マクロ粒子がフィルター壁を飛び越えたりおよび／またはプラズマ中の小粒子の持ち込みにより、フィルター装置を通して基質に到達する若干のマクロ粒子の透過がある。
【００５２】
予めフィルタリングした陰極アークは円形または円筒状陰極およびフィルター形状寸法、一般的には制限した小さな基質や特殊形状物への潜在的適用、に基づいている。
アーク気化の分野で行われた初期の仕事は、基質上に被膜を堆積させるための減圧アーク気化の使用を記載したＥｄｉｓｏｎの米国特許第４８４，５８２号明細書、電磁的に安定化された減圧アーク気化装置を記載したＷｒｏｅの米国特許第２，９７２，６９５号明細書、特定電極形状を有するアーク気化装置および気化速度を高め、かつ基質へイオンを指向させるために磁場を用いることを記載したＳｎａｐｅｒの米国特許第３，６２５，８４８号明細書および同第３，８３６，４５１号明細書、ならびに電極およびシールドの特殊形状、および陰極ソース物質の所望気化面をアークスポットが立ち去る際には何時でも活性化される磁場を使用することを記載したＳａｂｌｅｖの米国特許第３，７８３，２３１号明細書および同第３，７９３，１７９号各明細書を包含する幾つかの米国特許明細書中に記載がある。
【００５３】
陰極上の円形通路またはレーストラック通路内に閉じ込めた陰極アークの例は、Ｍｏｒｒｉｓｏｎの米国特許第４，７２４，０５８号明細書、Ｒａｍａｌｉｎｇａｍらの米国特許第４，６７３，４７７号明細書、およびＶｅｌｔｒｏｐらの米国特許第４，８４９，０８８号明細書に記載がある。上記各引例は、密閉ループトンネル形状のアーチ形磁場を用いたアーク気化装置を記載しており、このものは陰極面の固定または移動可能位置の密閉ループレーストラック軌道にアークスポットを閉じ込める。アークを磁場により閉じ込めて加速すると、アーク放射によるマクロ粒子の発生を低減させると言われる。かかる磁場発生に必要な方法は平面磁電管スパッター分野では広く知られている。例えば、ＲａｍａｌｉｎｇａｍらおよびＶｅｌｔｒｏｐらの教示のように機械的に、またはＭｏｒｒｉｓｏｎによる教示のように多段電磁石の使用のいずれかにより、アークの電磁場発生手段を動かすことで知られている。
【００５４】
長い円筒状の陰極の例は、Ｗｅｌｔｙの米国特許第４，６０９，５６４号明細書および同第４，８５９，４８９号明細書中に含まれており、これらの全てはシリンダーまたはロッド形状の長い陰極の使用を記載しており、かつこの陰極の長さに沿ってその運動を強制するためにアーク流の自己磁場を利用している。Ｗｅｌｔｙは、アーク運動を促進および制御するために軸方向磁場部品を追加に適用するとマクロ粒子の発生が低減できることを教示している。
【００５５】
Ｋｌｊｕｃｈｋｏらの米国特許第４，４９２，８４５号明細書には環状陰極を用いたアーク気化装置を記載しており、ここでは気化可能な陰極面はその外側壁であり、この壁は陰極よりも直径が大きく一層長い円筒状陽極に面している。被被覆基質はこの環状陰極の内部に配設されるが、気化面には面しておらず、かつ陽極における電磁場により反射されたイオン化物質により被覆されている。
同軸磁場は陽極からの反射を強めると記載されている。陰極から放射されたマクロ粒子は陽極により電気的には反射されない（これらは機械的にそれを乗り越えることはあり得るが）。その結果として、被膜中へのマクロ粒子の取り込みが減少する。
【００５６】
基質と陰極ソース間のフィルター装置のある種の形態を用いて、陰極出力の荷電イオン化部分を透過し、非電荷マクロ粒子をブロックして、基質上の被膜へのマクロ粒子の取り込みを低減させる試みの例は、Ａｋｓｅｎｏｖ／Ａｘｅｎｏｖ、ＦａｌａｂｅｌｌａおよびＳａｎｄｅｒｓらによりなされた仕事中に開示がある。
【００５７】
Ａｋｓｅｎｏｖら（“Ｔｒａｎｓｐｏｒｔ ｏｆ ｐｌａｓｍａ ｓｔｒｅａｍｓ ｉｎ ａ ｃｕｒｖｉｌｉｎｅａｒ ｐｌａｓｍａ−ｏｐｔｉｃｓ ｓｙｓｔｅｍ”、Ｓｏｖｉｅｔ Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｐｌａｓｍａ Ｐｈｉｓｉｃｓ，４（４），１９７８）には、ダクトを通じてソレノイド磁場を創るための電磁コイル、およびダクトの１端における円形アーク気化陰極および他端における基質を伴う、９０度ベンドを包む円筒状プラズマダクトの使用を記載している。陰極から放射されるプラズマは、その場の磁場および電場によりダクト壁から反射され、かつダクトを通して磁場に沿って基質へと輸送され、一方非電荷マクロ粒子は磁場または静電場により反射されず、ダクト壁により捕捉される。
【００５８】
Ｆａｌａｂｅｌｌａらの米国特許第５，２７９，７２３号明細書中には、４５度ベンド、円形または円錐形陰極および陽極を伴い、かつマクロ粒子透過を低減する陰極形状および内部バフルを包含した各種の改良部品を含んだ、原型のアゼノフフィルターに実質的に類似した装置を記載している。
【００５９】
Ａｘｅｎｏｖらの米国特許第４，４５２，６８５号明細書には、ダクト１端に位置する円形陰極、ダクトを通じてソレノイド磁場を発生させる電磁コイルを伴い、かつ陰極から基質への照準堆積直進線をブロックするための、ダクト中央に位置する追加電極を伴った、ベントがない直立円筒状フィルターダクトが記載されている。陰極から放射されたプラズマは、ダクト壁の磁気的および電気的場により反射され、ダクトを通じて中央電極周りに輸送される。非電荷マクロ粒子は磁気的および電気的場により反射されず、中央電極により捕捉される。
【００６０】
Ｓａｎｄｅｒｓらの米国特許第５，２８２，９４４号明細書には直立円筒状フィルターダクトおよび、陰極から低角度で放射されるマクロ粒子の基質への直接の到達を阻止する中央シールドを用いて、Ａｘｅｎｏｖの米国特許第４，４５２，６８６号明細書に若干類似した工夫を記載している。実質的ソレノイドであるダクト内のダクト壁近くで電磁コイルが磁場を生じさせる。この場合の陰極の気化面は、フィルターダクトと同軸で配向している短形シリンダーの外面であり、陰極から放射されるプラズマはフィルターダクトの外側壁に放射状に指向されて、ダクト壁における磁場および電場により角度約９０度を通じて反射され、次いで磁場に沿って基質が位置するダクト端に輸送される。基質が位置する端部に相向の円形フィルターダクトの端部でプラズマ反射を増幅する内部電極が開示されている。
【００６１】
公知引例のいずれもが、長方形気化面を有する陰極、および陰極面上のアークの動きを制御するための磁場極性反転を採用したり、または長方形断面を有するフィルターダクトの開示はしていない。したがって上記説明の仕事にもかかわらず、改良されたフィルター型陰極アークに対する必要性は依然としてある。このフィルター型陰極アークには長方形の堆積ソースが含まれていることが好ましい。
【００６２】
大きな基質の被覆、ロール形シート物質の被覆、および線状コンベアーまたは丸いカルーセル上の小さな基質の連続ストリーム被覆には長方形堆積ソースが望ましい。１９７０年代における長方形平面磁電管スパッター陰極の開発は、かかる形状の基質の被覆に対するスパッタリングを広範な商業化に導いた（例えば、Ｗｅｌｔｙの米国特許第４，８６５，７０８号明細書および同第４，８９２，６３３各明細書中の磁電管スパッタリング陰極参照）。
【００６３】
フィルター型陰極アークソースは、ソースから放射される陰極物質の蒸気流が完全にイオン化される利点があり、非アーク式堆積法、例えば気化およびスパッタリング、とは異なっている。長方形ソースからの完全イオン化蒸気流は被覆または注入用基質に到達する原子エネルギーに対して一層大きな制御を可能にし、かつ蒸気が系中の反応性ガスと化合物を形成する反応性、または基質との直接の反応性を増加させる。
【００６４】
本発明は長い、または大きな基質に被覆または注入をするために、フィルター型陰極アークのメリット（完全イオン化蒸気流、はねかし小滴の排除）および長方形ソースのメリット（ソースからの均一な気化および線状運動を用いた基質への均一堆積）を実現する。したがって、従来技術では達成できなかった仕事を成就するために長方形減圧アーク陰極上にフィルター型陰極アークを提供するのが本発明の最終目標である。
【００６５】
発明の要約
本発明は、基質上に被膜形成またはイオン注入を行う目的で、長方形面積上に亙ってプラズマビームを発生させ、これを指向させる方法を提供する。長方形陰極が長方形断面のアングルドダクト内に据え付けられ、ダクトはプラズマを閉じ込め、かつプラズマを基質に向けて反射させる一方で、アークにより発生した陰極物質の小滴を捕捉する。陰極を据え付けたプラズマダクトの領域は、ここではダクトの入口アームと呼称し、一方基質はダクトの出口アームに近接して据え付ける。
【００６６】
ダクトを通してプラズマを指向させ、一方で長方形陰極の長さ方向の下向きの１方向にアークを同時に動かすための磁場を、ダクト内に創り出す。アークが陰極端部に到達したら、この磁場の少なくとも１部の極性を逆転させるような信号をセンサーにより供給し、アークの方向を逆転させて陰極の反対端部に向けて動かす。磁場の極性は、アークが陰極のいずれかの端部に達したらスイッチし、かくしてアークを長方形陰極の長さ方向に沿って前後に走査させる。
【００６７】
磁場の極性（方向）は繰り返して逆転されるが、ダクトに関する磁場の形状およびその配向は実質的に不変であるのが好ましく、かつプラズマはいずれの極性でもダクトを通して透過する。本発明の好ましい１実施態様では、陰極に近接した磁場線が収斂する領域は、ダクト出口に向うプラズマを反射する磁気ミラーを形成する。
【００６８】
陰極ターゲットの長さに沿ったアークの動きは、ターゲット面の平面に平行でかつ長方形ターゲットの長軸に垂直な上記ターゲット面に近接した磁場成分に原因がある。この配向における磁気線束成分に対しては、２つの極性（方向）が可能である。磁場が１極性の場合、アークは陰極の長さに沿って上記のような逆行Ｊ×Ｂベクトルにより与えられた方向に動く。磁場が反対極性の場合、アークは陰極の長さに沿って反対方向に動く。
【００６９】
陰極の端部に位置するセンサーからの信号に基づいて磁場極性を逆転させ、一方でターゲット面に関して線束の配向を維持すると、陰極の長さに沿ったアークの動きの方向を周期的に逆転させて、比較的直線なラインに沿って長方形陰極の長さに沿って前後にアークを走査できる。
【００７０】
ターゲット気化面に近接する可逆性磁場はターゲットの長さ方向に沿ってアークを動かすが、このものはダクトの外部または陰極ボディー内部に位置する電磁コイルを用いて発生させる。可逆性磁場の発生は、長方形陰極を通じて流れるアーク電流の自己磁場を用いて発生できることは公知である。例えば、長方形陰極の両端にアーク電流を同時に接続して、次いで陰極の端部に位置するセンサーからの信号に基づいて陰極の各端部に流れる全電流の部分を変更することにより、米国特許第５，２６９，８９８号明細書中にＷｅｌｔｙが記載しているように、陰極の長さ方法に沿って動くアークを起こさせるのに必要な配向において磁場成分を生成させ得る。
【００７１】
大多数のアーク電流が長方形陰極内を流れる方向はセンサーからの信号に基づいて逆転するので、ターゲット面に平行する磁場成分の極性（方向）も逆転し、かくしてターゲットの長さ方向に沿って流れるアークの方向も逆になる。同じく、米国特許第５，２６９，８９８号明細書にも記載があるように、アーク走査を起こさせる磁場成分も、陰極の長さに沿って制御電流を通過させ、センサー信号に基づいてその方向を逆転させることにより、またはＶｅｒｇａｓｏｎの米国特許第５，０３７，５２２号明細書に記載されているような陰極の１端から他端へ入力したアーク電流をスイッチさせることによっても発生させことができる。陰極自体を通じて流れる電流とは独立な磁気手段を用いて可逆性磁場を生じさせることについては、従来なんらの示唆もない。
【００７２】
ダクトを通じてのプラズマ輸送は、ダクト壁平面に平行で、かつダクト軸に平行なダクト壁に近接した磁場の成分に主として原因する。ダクト壁に向かった磁場を通じてプラズマ電子を拡散させると、正荷電したイオンを反射するダクト壁に垂直な電場成分が創られ、かくしてダクトに沿い、かつダクト内のベンド周りに、これらを連続的に移動させる。非電荷マクロ粒子は反射されないので、ダクト壁で捕捉され、またはダクトに垂直に据付られ、かつダクト中に短距離だけ伸長しているバフルにより捕捉され、マクロ粒子がダクト壁に跳ね返るのを減少させる。ダクト内またはダクト壁に近接している磁場成分の極性はアーク走査を起こさせるターゲット面に近接した磁場成分の極性と同時にスイッチするのが好ましく、その結果、ターゲット全部を通じて磁場の形は極性の逆転にも係わらず同一で残る。しかし、ターゲット面領域のみで磁場極性を逆転し、一方で電磁石または永久磁石を用いて、残りのダクトにおける静電磁場（不可逆）を維持することも、本発明の範囲に属する。後者の場合の磁場のネット形状を変更すると、ダクトを通じてのプラズマ透過の周期的変化を、ターゲット面近くの磁場逆転の関数として生起させることができる。
【００７３】
プラズマジェットは気化可能面に垂直方向に主として陰極から放射されるので、ダクト中のベンド外半径領域のダクト壁が最も強く侵される傾向がある。ダクトを通じてのプラズマ透過を増加させるためには、この領域の磁場の強さを強化することが望ましい。違った原子重量で異なった融点を有する陰極ターゲット物質が、違った速度と運動エネルギーでターゲットから放射されることも、追加的因子である。したがって、磁場の強さ、特にダクト中のベンド領域の磁場の強さを変えて、各種物質に対する透過を最適化することが望ましい。したがって、本発明の好ましい１実施態様では、ダクト中のベンドの外半径近辺でターゲットの気化面に背反して、別途の電磁コイルを準備し、ここではダクト中に磁場の１部を生ずる他のコイル中の電流とは独立に、電流を変更できることも好ましい。
【００７４】
円筒状プラズマダクトの従来技術では（または従来技術は長方形ダクトに向けて伸長しているはずであるという率直な表現において）、１つまたはそれより多い電磁コイルが、ダクトを通じてソレノイド磁場を創るためにダクトを取り巻くように配設し、そのコイルからなるワイヤは外半径におけるよりもダクト内のベンドの内半径で互いに一層間隔を詰めて配置する必要がある。このことは、ワイヤが間隔を一層詰めて配置されたダクトの内半径に向けて一層大きな強さを有するダクト内磁場と、アークプラズマジェットが侵害するダクト外半径に向けて一層強い強度を有するダクト内磁場が生ずる結果になる。したがって、公知技術の教示は本発明の提案からかけ離れており、本発明ではダクトを通じてのプラズマの透過を増加させるために、ベンド外半径におけるダクト内磁場強度を、内半径における磁場の強さに等しいか、またはこれを越える程度まで強化できる。
【００７５】
公知技術および上記本発明の提案における、ダクト壁からの正荷電イオンを反射するダクト壁に垂直な電場は、フィルターダクト壁に実質的に平行な磁場を通って横切るプラズマ電子の拡散により創られる。また第２の方法によってもダクト壁からイオンを反射し去ることが可能であり、換言すればイオンがほぼ垂直方向に壁に接近した際に磁束線が収斂する、磁気ミラーとして知られる領域を壁近くに創ることによっても可能である。壁に接近するプラズマ電子はそれらが収斂磁束線の領域に入る際に反射または撃退され、電子密度傾斜が創られる結果、同様にプラズマイオンを反射する電場が生ずる。磁気ミラーは実験装置または他の装置でのプラズマ閉じ込めに一般に使用されるものである。
【００７６】
磁気ミラー場の有用性は、フィルタード減圧アークプラズマソースの技術においては本発明で初めて開示される。ミラー場により提供される機能に対する必要性は、例えばＳａｎｄｅｒｓらの米国特許第５，２８２，９４４号明細書中に記載された従来技術において説明されており、ここでは多数の絶縁リング、それらの図２および３におけるラベル化２１が、ダクト壁を通じて磁場が通過する領域におけるダクト壁へのプラズマ損失を避けるために必要であると指摘している。
【００７７】
本発明の好ましい１実施態様の入口アームにおける磁気ミラー場の包含により、ダクト出口アームに向かうプラマ流に対する好ましい方向が創れ、一方ではターゲット長さ方向の下方にアークを移動させる磁場成分（ターゲット面に平行、かつその長軸に垂直）を同時に提供する。磁気ミラー場の極性の逆転、およびかくしてターゲット面に平行する場成分が、ミラー場の形および機能を変えることなくターゲット面上のアークの走行方向を逆転させる。
【００７８】
プラズマダクト出口アームにソレノイド磁場領域を提供する独自可変性磁場ソース、ダクト中のベンド外半径近くの「バンパー」場領域、および陰極に近接するダクト入口アームにおける磁気ミラー場領域の組合わせと並置によれば、各種ターゲット物質に対してダクトを通じてのプラズマ輸送の最適化を許容するに十分な調整能力が提供される。しかしながら本発明の１実施態様では、これら全てのエレメントを存在させる必要もなく、また存在するエレメントが独自可変性である必要もなく、単一ターゲット物質に対して最適化される場合には特にその必要がないことが理解されるべきである。例えば、ターゲット面近くの磁場極性を逆転するのに用いる方法に応じて、全ダクトを取り巻く単一ソレノイド電磁石で十分である。
【００７９】
本発明は陰極およびプラズマダクトの長方形において、陰極上アークの動きを制御する方法において、およびプラズマダクト内磁場の形および制御において、従来方法とは異なるものである。
【００８０】
特に、開示された磁場の形および制御方法は、所望の長さで作り得る長方形出力開口部を有する、簡潔で効率的なプラズマソースを組立てることを可能にし、かくして長方形堆積ソースの有利性と共にフィルター型陰極アークの有利性を提供できる。陰極面のアーク制御の場合の場逆転手法は、陰極の幅を従来のレーストラック型磁場を用いて可能な程度よりも遥かに小さく創ることを可能にする。
【００８１】
したがって遥かに狭く、短くプラズマダクトが作れるので、従来の嵩高なフィルターよりも減圧システム中、特に多重プラズマソースを含むシステム中に一層容易に組込める。また狭い陰極および走査されたアークも、平面レーストラック型陰極を用いて可能であるよりも、長さ方向に沿った一層均一なターゲット侵食を可能にし、かつターゲット物質の一層高度な利用を可能にする。
【００８２】
本発明の有利な点は、ソースを長さ方向に無制限に伸長できるので、長方形または伸長された蒸気ソースを必要とする用途に対してフィルター型アーク堆積法または注入法の恩典を提供する。
【００８３】
好ましい実施態様の説明
本発明は、基質上に被膜を形成させる目的またはイオン注入を行う目的で、長方形領域上に亙ってプラズマビームを発生させ、指向させる方法を提供する。
図５は、陰極アーク放電により生じたイオン線束からマクロ粒子を分離し得るフィルター５２２に連結された、従来技術による陰極５２０を示す。陰極５２０は円形面および傾斜側面を有するｆｒｕｓｔｒｕｍ形である。フィルター５２２中には、陰極上のアークスポットから被被覆基質５２４への透視線をさえぎる一方、イオンおよび電子が流れる通路を提供するために互いに４５度の角度で置かれた端部対端部をなす２つのソレノイドが包含され、またマクロ粒子を捕捉するための一連のトラップが包含される。
【００８４】
図６の略図を参照すると、本発明の好ましい１実施対様には陰極ボディー５３１上の陰極ターゲット５３０が包含されることが理解できる。ターゲット５３０は実質的長方形の気化可能面５３３を有している。好ましい１実施態様では、この陰極５３０は炭素であるが、気化可能ないずれの適当な物質からなっていてもよい。陰極ボディー５３１はホルダー５３２上に据付られ、プラズマダクト５３４の入り口アーム５３６中に位置している。陰極５３０はアークパワー供給源５２８の負出力に接続し、かつプラズマダクト５３４（このものは陰極としても作用する）はアークパワー供給源の正出力に接続する。陰極５３０と陽極５３４間のアーク放電点火のためにアークストライカー５３５が具備される。また陰極５３０および気化可能面５３３も絶縁体５８６（図８参照）により囲んでもよい。センサー５８４と同じく、プラズマダクト５３４内には内部電極５８２が据付られる。
【００８５】
プラズマダクト５３４は陰極５３０に同様の寸法の長方形断面をなしている。このプラズマダクトの中には、プラズマダクト中心線に沿った軸にベンドが包含される。ここに示す実施態様では、匹敵する内半径ベンドポイント５３７がダクト壁の１つ上に見られ、このものは約９０度の角度であるが、本発明の実施に際して適当な内半径角度は約１５〜１２０度の範囲である。匹敵する外半径ベンドを一般的に図面番号５３９で示す。プラズマダクト５３４には内半径ベンドポイント５３７のいずれ側にも入口アーム５３６および出口アーム５３８が備えられる。陰極５３０は入口アーム端部またはその近くで隔離ホルダー５３２上に据付られ、これにより陰極気化面がプラズマダクト中に面するようになる。１つまたはそれより多い被被覆基質を出口アーム５３８の端部またはその近くの領域に位置させることができる。
【００８６】
１組の電磁石をプラズマダクト５３４近辺に配置する。磁石５４６をコイルパワー供給源５５２に接続してプラズマダクトの入口アーム５３６近くに位置させる。磁石５４８をコイルパワー供給源５５２に接続してプラズマダクト５３４中のベンド外半径５３９近くに位置させる。磁石５５０は、コイルパワー供給源５５２に接続されたソレノイドであり、プラズマダクト出口アーム５３８の１部の周辺を包んでいる。磁石５４６、５４８および５５０を、プラズマダクト５３４との関連で入口アーム５３８近くの磁石５４６、ベンドの外半径５３９近くの磁石５４８、および出口アーム５３８周りにコイルされた磁石５５０として図７に示す。
【００８７】
図８を参照すると、磁石５４６中には、磁気透過性物質からなる中央ポール５７２周りを包むコイル５７０が、中央ポールの各端部に付属する端板５７４と共に包含されていることが理解できる。同様に、磁石５４８中には、磁気透過性物質からなる中央ポール５７８周りを包むコイル５７６が、中央ポールの各端部に付属する端板５８０と共に包含されている。この実施態様では所望の態様で磁場の形を決めるために、磁石５４８の端板５８０は磁気透過性物質からなり、一方で磁石５４６の端板５７４は非透過性物質からなっている。
【００８８】
再度図６について説明する。導管５５４は陰極５３０に水を導入するのが判る。プラズマダクト５３４および内部電極５８２も水冷したほうが好ましいが、冷却水の供給は図示していない。バイアス電圧を基質５４４に印加し、かつ堆積中に基質は型通りに回転および／または移動させる。好ましい１実施態様では、プラズマダクト５３４および基質５４４は室（図示せず）内に密閉し、室内を減圧にする。本発明の他の好ましい１実施態様では、プラズマダクト５３４およびダクトの陰極ホルダー５３２を減圧下に置き、一方でダクト外側は大気圧下に置く。
【００８９】
図８及び９の断面図を参照するに、ここでは以前使用したと同じ図面番号が付記されているが、本発明のシステムに関する、ある種の追加的細部が理解できるはずである。プラズマダクト５３４中のベンドが陰極５３０と基質５４４との間の透視線をさえぎるのに役立つことが判る（図８および９には示さないが、ダクト出口アーム５３８端部またはその近くに位置されることが理解できる）。出口アーム５３８の内壁、入りロアーム５３６およびプラズマダクト５３４のベンドは、内壁に実質的に垂直で、かつ互いに実質的平行な、間隔を置いた多数のバフル５５２と共に１列に整列させるのが好ましい。
【００９０】
図８を参照するに、電気絶縁された内部電極５８２がプラズマダクト５３４内に据付られているのが判る。このものは陽極に対して電気的にフロートしていてもよく、または陽極に関して正にバイアスされてもよい。図９を参照するに、左端に近接した５５４Ａおよび右端に近接した５５４Ｂと共に、陰極５３０の気化面の各端部に近接して１対のセンサー５５４が位置している。
【００９１】
図１０を参照すると一層よく理解できるが、磁束線により表される磁場が磁石５４６、５４８および５５０から発生する。磁束線５６０は出口アーム５３８内のプラズマダクト５３４の軸に実質的に平行方向に配向される。磁線束５６２は陰極近くの入り口アーム５３６の領域内で陰極５３０の気化面５３３に実質的に平行方向に配向される。磁線束は入口アーム５３６内の領域５６４において収斂し、陰極５３０の気化面５３３に近接した磁気ミラーを形成する。
【００９２】
図１０の磁気束線５６０の代表は、市販の有限要素磁気分析プログラムにより発生させた。ここに示した特定ケースでは、磁石５５０および５４６は６００アンペア-捩り数のもので、一方で磁石５４８は２００アンペア-捩り数を有する。この場合のダクト出口アーム５３８の中心における場強度は約５０ガウスである。この場合から判ることは、ダクト中のベンド外半径５３９における線束密度（場の強さ）はベンドの内半径５３７における線束密度にほぼ等しいことが判る。磁石５４８のコイル５７６の捩り数、またはそれを通じて流れる電流の制御（すなわち、アペア−捩じり数の調整）により、ベンド外半径５３９における線束密度を、ダクトのどこかほかの所の線束密度とは独立に調整できる。
【００９３】
センサー５５４Ａおよび５５４Ｂ（図９参照）は、アークスポットを感知し、アークスポットが陰極５３０の左端または右端それぞれのいずれかに接近する際には何時でも信号を発することができる。例えばセンサー５５４はプラズマダクト５３４中に伸長している電気絶縁ワイヤからなり、このワイヤは例えば１０００オームの抵抗（図示せず）に接続され、アークがワイヤに接近する際にはいつでも電圧を印加する。別法として、センサー５５４はアークジェットからの発光を検知する光感応性ダイオードからなっていてもよく、またはアークの磁場を感知する磁場検知器からなることもできる。コイル電力供給源５５２（図６参照）は、磁石を通じて流れる電流の方向を逆転し得るスイッチを具備し、かつこのものは公知制御手段（図示せず）によりセンサー５５４に検出されて磁場の逆転を行う。磁場逆転は全ての磁石で同時に生起させることができ、かつプラズマダクトに関して線束ラインの形状または配向を実質的に変えることなく磁気線束ラインの方向の逆転ができる。別法として、磁石５４６および５４８の１つまたは両方も逆転できる。
【００９４】
本発明システムの好ましい配置（別途に図示せず）では、磁石の１つより多いコイル電力供給源５５２により独立に作動させる。１つより多いコイル電力供給源を使用すると、プラズマダクト５３４の異なった部分において独立に磁場強さの調節を行って、磁石電流を互いに独立に変更できる。同時に、この別途コイル電力供給源（複数）には各々制御システムが備えられ、これらの全てがセンサー５５４からの信号による作動に際して同時に流れの方向を逆転する。
【００９５】
上記の記載から容易に理解できるように、本発明のシステムは次のように操作する。陽極として機能するプラズマダクト５３４と陰極５３０との間のアーク放電をアークスターター３５が開始する。アーク放電は陰極気化可能面のアークスポットにおいて開始し、陰極物質のイオン化蒸気を含むプラズマを生成する。
【００９６】
プラズマダクト５３４は、陰極からのアーク放電により生じたプラズマを、ダクト出口アーム５３８またはその近くに位置する、被被覆および／または被注入基質５４４に指向させる。プラズマダクト５３４は陰極５３０と同様の寸法の長方形断面を有しており、かつその中央線に沿った軸に約１５〜１８０度のベンドを備えており（説明される実施態様では、ベンド内半径は５３７は９０度）、入口アーム５３６および出口アーム５３８はベンドにより互いに透視線から離れている。陰極５３０は入口アーム３６またはその近くに位置し、その気化可能面はプラズマダクトに面し、かつ基質５４４は出口アーム５３８の端部またはその近くの領域中に位置している。
【００９７】
磁石５４６、５４８および５５０はプラズマダクト５３４内および陰極５３０の気化面上で磁場を発生し、この磁場は磁気線束ラインにより表される。磁気線束ラインは出口アーム５３８以内でダクト５３４の軸に実質的に平行な方向に配向する。磁気線束ラインは、陰極またはその近くの入り口アーム５３６の領域内の陰極５３０の気化面に実質的に平行に配向する。また磁気線束ラインは、プラズマダクト５３４の入口アーム５３６内の領域で収斂して長方形陰極５３０に近接し、これに平行な磁気ミラーを形成させる。この磁気線束ラインはプラズマダクトベンドを通じてイオン化蒸気を指向し、かつ陰極５３０の気化可能面５３３の長さ方向に沿ってアークを概略の直線運動に駆り立てる。磁気ミラーはプラズマダクト５３４の出口アーム５３８に向けてプラズマを反射する方向に向けられる。
【００９８】
センサー５５４はアークスポットを感知し、アークスポットが上記気化可能面端部のいずかに接近する際には信号を発信する。センサーからの信号は、コイル電力供給源５５２の流れを逆転させる制御システムを作動させ、これによりプラズマダクト５３４に関して磁気線束ラインの形状または配向を実質的に変えることなく磁気線束ラインの方向を逆転させる。このように、アークスポットは長方形陰極５３０の面上に亙って直線方向に走査するのみでなく、一般的に端部対端部通路で前後に操作するように強要される。
【００９９】
プラズマダクト５３４の内部壁はバフル５５２と共に１列に整列する。マクロ粒子はダクト中のベンドによりフィルターされ、かつこのバフルはマクロ粒子をトラップするのに役立つ。
【０１００】
この発明のシステム中には、長く狭い長方形のソースおよび、ソースに同様の寸法の長方形断面を有する比較的単純なダクトが包含される。このようにしてコンパクトなダクトが創られる。例えば、長さ約３０ｃｍ、幅約２．５ｃｍ、または長さ：幅比が約２：１の陰極ターゲットを用いると良好な結果が得られる。本発明の長方形陰極は無限に伸長できるので、比率が一層大きなものも期待できる。
【０１０１】
したがって、本発明は基質上に被膜形成またはイオン注入を行う目的で、長方形面上に亙ってプラズマビームを発生または指向させる方法を提供するものと理解することができる。
【０１０２】
以上の説明のように本発明の恩典は、（ａ）陰極ソース物質が長方形形状であること、（ｂ）プラズマダクトの長方形断面形状であること、（ｃ）磁場の極性逆転によりアークを長方形ソースの長さ方向を横切って前後に、概略直線方向に走査させること、および（ｄ）プラズマダクト中の磁場の形状適合および制御すること、により実現される。
【０１０３】
特に、本発明の長方形ソース上へのアークの磁場および形状制御により、長方形出力開口を有するシンプルで効率のよいプラズマソースを組立てることを可能にし、かくして長方形堆積ソースの恩恵と共にフィルター型陰極アークの恩恵が提供される。アーク制御の場合の磁場逆転手法によれば、従来技術のレーストラック型磁場を用いて可能な場合よりも陰極ソースの幅を一層小さく作れる。
【０１０４】
したがって、プラズマフィルターダクトを一層狭く、かつ一層短く作れるので、従来技術の嵩高フィルターよりも、減圧システム中に一層容易に組込めるシンプルな設計が可能になる。狭い陰極および狭い直線状走査アークも、平面レーストラック型陰極が可能なよりも、長さ方向に沿ってのターゲットの一層均一な浸食を可能とし、ソース物質の一層高度な利用を可能にする。
【０１０５】
本発明の恩恵により、長さ方向に無限に伸長し得るソースが可能になり、かくして長方形ソースまたは伸長型気化ソースを必要とする用途に対するフィルター型アーク堆積法または注入法の恩恵が提供される。
【図面の簡単な説明】
【０１０６】
【図１】本発明の剃髪ユニットの透視図。
【図２】本発明の剃髪ユニットの他の１透視図。
【図３】本発明の剃刀ブレードのエッジの形状寸法の１例を説明する略図。
【図４】本発明の実施に対する装置の略図。
【図５】円形陰極および円筒状プラズマダクトを用いた、従来のフィルター型減圧アークの略図。
【図６】フィルター型アークプラズマソースの略図。
【図７】ダクトアセンブリおよび磁石の斜視図。
【図８】ダクトアセンブリの端断面立面図。
【図９】ダクトアセンブリの側面断面立面図。
【図１０】磁場線および磁場ミラーを、それらのダクトアセンブリおよび磁石との関連で示した端切断図。

Claims (12)

1. 髭剃り用剃刀ブレードであって、前記ブレードは第１および第２傾斜面により決められた刃先を有し、上記刃先が前記第１および第２傾斜面の交差箇所で先端を有し、かつ第１および第２傾斜面により決められた角度を取り巻き、前記刃先には、第１および第２傾斜面上に直接堆積された、被覆された非晶質ダイヤモンド被膜が先端を覆うように包含され、前記非晶質ダイヤモンド被膜は、少なくとも４０％のｓｐ３炭素結合を有し、少なくとも４０ギガパスカルの硬度および少なくとも４００ギガパスカルのモジュラスを有し、ここで前記被膜は、陰極アーク法により、電圧印加された黒鉛ターゲットが置かれた、減圧下またはアルゴン雰囲気下の排気室内において、前記の第１および第２傾斜面に、高い初期バイアスをかけ、次いで低い第２段階バイアスをかける多段工程バイアスによってＤＣまたはＲＦバイアスをかけながら、前記ターゲット上にアークを生じさせて非晶質ダイヤモンドの被膜を前記刃先に堆積させたものである、剃刀ブレード。
2. 前記非晶質ダイヤモンド被膜が、第１および第２傾斜面の１つに垂直に測定した第２距離（ｂ）、および被膜の先端から基質の先端に至る第１距離（ａ）を有し、前記第１距離（ａ）／第２距離（ｂ）の比が少なくとも２である、請求項１に記載の剃刀ブレード。
3. 前記被膜が少なくとも４００Åの厚さを有する、請求項１に記載の剃刀ブレード。
4. 前記被膜が４００〜２０００Åの厚さを有する、請求項１に記載の剃刀ブレード。
5. 前記剃刀ブレードが、基質として鋼を含んでなる、請求項１に記載の剃刀ブレード。
6. 前記刃先が前記非晶質ダイヤモンド被膜上にポリエチレンテレフタレート層を含む、請求項１に記載の剃刀ブレード。
7. 前記非晶質ダイヤモンド被膜がフィルター型陰極アーク法により堆積された、請求項１に記載の剃刀ブレード。
8. 前記非晶質ダイヤモンド物質被膜が、少なくとも４５ギガパスカルの硬度を有する、請求項１に記載の剃刀ブレード。
9. 前記第１および第２傾斜面により決められた刃先が３０度未満の開先角度を有する、請求項１に記載の剃刀ブレード。
10. 支持構造体およびこの支持構造に固定された請求項１に記載の髭剃りブレードを具備してなり、前記支持構造がハンドルに結合できるように配設されている、髭剃りユニット。
11. 支持構造に固定された第２の髭剃りブレードをさらに具備してなる、請求項１０に記載の髭剃りユニット。
12. 支持体構造に結合されたハンドルをさらに具備してなる、請求項１０に記載の髭剃りユニット。

Images