CN1108231C - 刀片的非晶态金刚石涂层 - Google Patents

Abstract

改进的剃刀和剃刀片以及制造具有锋利而耐用的刀刃的剃刀片(16，20，44)或类似刮剃工具的方法，优先采用过滤阴极弧等离子源极使上述刀刃上沉积出非晶态金刚石硬碳涂层(60)，沉积在基片(50)的锋利刃边上的非晶态金刚石涂层(60)至少含有40%(体积)的碳键，其硬度至少为45千兆牛顿/米²，其模量至少为400千兆牛顿/米²。可以对上述基片进行机械磨削，在基片与非晶态金刚石涂层之间没有中间层。上述涂层使薄刀片具有刚性和韧性，同时又保持高的长宽比。

Description

刀片的非晶态金刚石涂层

本发明涉及改进的剃刀和剃刀刀片，并涉及制造具有锋利而耐久的刀刃的剃刀刀片或类似的刮剃工具的方法，具体地涉及采用过滤阴极弧源而形成的非晶态金刚石涂层。本发明特别适用于在很薄的剃刀刀刃上形成具有高的长宽比的十分坚硬而又富有刚性的涂层。

剃刀刀片通常用合适的9基片材料例如金属或陶瓷等制成，并且具有一条楔形的刃边，该刃边带有半径小于1000A°的刃峰或尖部，所述楔形刃边的两表面的夹角小于30°。进行刮剃操作时，刀刃常常发生损坏，为了提高刮剃性能，已提出采用一层或多层附加的涂层材料，使之有利于刮剃操作和/或提高刮剃刃边的硬度和/或抗腐蚀性。

业已提出多种上述的涂层材料，例如聚合物材料和金属以及其他的包括类金刚石碳(DLC)材料，上述的每一层或几层的附加涂层材料必须具有粘结相容性以便使每一涂层能够在剃刀刀片的有效使用寿命期间牢牢地粘结在基片上，并且具有所需的特性如：改善刮剃性能、提高硬度和/或抗腐蚀性，同时又不严重地影响到刮剃刃的几何形状和刮剃效率。

美国专利No.5032243(Bache等人)公开了一种由离子束轴线对准剃刀刀片刃边的离子源发出的离子轰击磨快的刀片基体材料。美国专利No.5232568(Parent等人)和美国专利No.5295305(Hahn等人)公开了在基片与金刚石之类的涂层之间带有中间层的刀片，其中先在基片上沉积出上述的中间层，然后再在上述的中间层上沉淀类金刚石涂层。

先前的办法并非完全成功的，人们可望采用简单的机械磨刀的方法(而不是上述Bache等人所述的离子束轰击法)将基片磨快，然后直接在基片上沉积非晶态金刚石涂层(而不需要插入沉积中间层的工步)。

因此，可望能够从通过机械磨削形成薄的刀片基片开始，然后再直接在该基片上沉积一层非晶态金刚石涂层使基片兼有刚性和硬度。

按照本发明，通过对基片的磨利刃边加上一种非晶态金刚石材料的涂层而提高剃刀刀片的刀刃的机械性能。这种涂层材料的特征是至少含有40％(体积)的碳键，其硬度至少为45千兆牛顿/米²，其模量至少为400千兆牛顿/米²。而且这种涂层材料不受刮剃时常用的热水溶液和各种化合物所腐蚀。在本发明的改进方法中，以非晶态金刚石材料作为具有上述特性的材料。与本发明的非晶态金刚石材料相反，通过传统的方法(例如溅射法)制成的传统的类金刚石碳涂层(DLC)没有如此高的硬度，DLC涂层与本发明的非晶态金刚石不同，其硬度一般不超过30千兆牛顿/米²。

上述的非晶态金刚石涂层具有很高的硬度和刚性，它可使十分薄的剃刀刀刃具有强度。美国专利No.4720918(Curry等人)公开过这种类型的刀刃，本文将其纳入作为实你，但不必认为受其限制。很薄的刀刃可使刮剃时更舒适，但只是在刀刃的强度足以承受刮剃操作时才能实现。一个由400-2000A°非晶态金刚石涂层强化的薄刀刃(包括但不限于美国专利No.4720918所述那种薄刀刃)将是一种比现用刮剃刀刃薄得多的精致刀刃，且兼有承受刮剃的足够强度，这是由于非晶态金刚石涂层具有异平寻常的强度。

使薄刀刃进一步提高质量是本发明采用了特殊的阴极弧沉积法来形成非晶态金刚石涂层而使刀刃具有高的长宽比。关于“长宽比”将在下文讨论中参考图3作较详细的说明，但在这里为了综述方便可以将它理解为(a)与(b)之比，其中，(a)是从涂层的尖顶至基片的尖顶的第一距离，(b)是从涂层的表面至基片的表面的第二距离。

长宽比可用来度量加在基片的本底刀刃轮廓上的涂层效果，涂层的长宽比越大或者说越高，带有涂层的刀片就越比带有较低长宽比涂层的刀片“更锋利”，本发明使用很高强度的非晶态金刚石涂层的再一个优点是，将此涂层用于具有普通横截面的剃刀刀片时可望具有更长的使用寿命。

按照本发明的一个方面，在刀片上做出一条楔形刃边，然后在楔形刃边的尖部和侧面加上一层非晶态金刚石涂层，涂层的厚度最好至少为400A°(这就形成一个小于500°左右的尖部半径)，其长宽比最好为2∶1至4∶1。刀片具有良好的刮剃性能且使用寿命长。

在最佳实施例中，剃刀刀片基体材料是钢，非晶态金刚石涂层的硬度至少是钢基片的4倍，采用多步机械磨削法做出刀片的楔形刃边；用石墨靶作为过滤阴极弧源产生碳离子来形成非晶态金刚石涂层。

按照本发明的另一个方面，提供一种制造剃刀刀片的方法，该方法包括下列步骤：制备一种基片；在该基片的一边做成夹角小于30°、尖顶部半径最好小于1200A°的楔形利刃边(所述的尖顶部半径是指将刀刃尖顶置于至少放大25000倍的扫描电镜下观察时位于刀刃尖顶内的最大圆的估算半径)；用过滤阴极弧蒸发法在刀片的利刃边上沉积一层非晶态金刚石层，使该非晶态金刚石涂层的尖顶部半径小于1000A°左右。上述的非晶态金刚石层可采用多种方法来沉积，这些方法通常都是用碳作为高离子化物质的高能沉积。虽然阴极弧法、阳极弧法、烃类气体的等离子分解法、用感应偶合射频进行后离子化的溅射沉积法、激光消蚀法、激光吸收波沉积法(LAWD)和直接的离子束沉积法均可用来沉积涂层，但是本发明的最佳实施例采用过滤阴极弧沉积法。

在一种具体的方法中，对基片进行多步机械磨削做出锋利刃边；用过滤阴极弧法沉积一层非晶态金刚石层，刀刃上的非晶态金刚石涂层的厚度至少为400A°，该非晶态金刚石层至少含有40％(体积)的碳键，其硬度至少为45千兆牛顿/米²；然后在沉积在刀刃上的非晶态金刚石涂层之上再涂一层粘结性聚合物涂层。

按照本发明的再一方面是提供一种刮剃装置，该刮剃装置含有一个刀片支承构件和至少一个固定在该支承构件上的刀片构件，上述的刀片支承构件在刀刃的前后具有与使用者的皮肤相接合的外表面。固定在支承构件上的剃刀刀片构件含有一个带有由小平面构成的楔形刀刃的基片和一层强化材料层，上述的小平面在距刃尖40μm处的斜角为小于17°，上述强化材料层在从上述基片的刃尖至距刃尖40μm处的厚度至少为400A°，其刃尖部的半径小于500A°，其长宽比的范围为2∶1至4∶1。

在一种具体的刮剃装置中，剃刀刀片构件具有两个钢制基片，其两楔形刃边相互平行地置于皮肤接合面之间，其刃边强化层是非晶态金刚石层，层厚约为1000A°(根据基片种类和工艺参数的不同，一般为400-2000A°)，该强化层的特征在于至少含有40％(体积)的碳键，其硬度至少为45千兆牛顿/米²，在非晶态金刚石材料层上涂有一层粘结性聚合物层。

上述的刮剃装置可以是容易用来与剃刀把连接和分开的盒式装置，或者，也可以与刀把做成整体，这样，当刀片变钝时，整个剃刀就要报废。上述的前、后皮肤接合表面与刀刃相结合形成刮剃的几何形状。美国专利No.3876563和美国专利No.4586255所公开的那种刮剃装置就是特别好的刮剃装置。

通过下面结合附图对具体的实施例的说明将可看出本发明的其他特征和优点，包括沉积所需的非晶态金刚石涂层的工艺条件，附图中

图1是本发明的刮剃装置的透视图；

图2是本发明的另一种刮剃装置的透视图；

图3是说明本发明的剃刀刀刃几何形状的一个例子的示意图；

图4是实施本发明的设备的示意图；

图1A-6A是在下面附件A说明的尚未授权美国专利申请No.08/233006中的附图。

在下面的叙述中，将结合说明沉积所需涂层的工艺条件来说明刀片、基材和非晶态金刚石涂层的各种最佳实施例。

参看图1，刮剃装置10含有连接剃刀柄的构件和一个由高致密性聚苯乙烯模压成的台座件12，该台座件12具有形成向前横向延伸的皮肤接合表面14的结构，在台座件12上安装了具有锋利刀刃18的前刀片16和具有锋利刀刃22的后刀片20，由高致密性聚苯乙烯模压成的盖件24具有形成位于刀刃22后面的皮肤接合表面26的结构，在盖件24上固定有刮剃辅助复合件28。

图2示出在美国专利No.4586 255(Jacabson)公开的那种刮剃装置30，它含有一个带有前部34和后部36的模压体32，在该模压体32上弹性地安装了防护件38、前刀片组件40和后刀片组件42，每一个刀片组件40和42各有一个带有锋利刀刃46的刀片44。在后部36的槽内摩擦固定着一个刮剃辅助复合件48。

图3示出刀片16、20和44的刀刃区的示意图，从图中可清楚地看出其长宽比。这种刀片含有不锈钢基体部分50，该基体部分50具有楔形锋利刀刃，刀刃是在磨出尖部52的磨刃工序中形成的，尖部52的半径一般小于500A°，其两小平面54和56的宽度为0.1mm，夹角为小于20°，在一个实施例中夹角约为13°。在尖部52和平面54、56上沉积有一层厚度约为2000A°的非晶态金属石层60，其长度或第二厚度(从非晶属金刚石层尖部70到不锈钢基体尖部52的距离)(a)与非晶质金刚石涂层60的第一厚度(b)之比至少为2∶1，在一个实施例中为3∶1。

在涂层60上再涂上一层粘结性的调聚物层72，该层72涂覆时的厚度较大，但在最初的刮剃过程中便减小至单层厚度。

图4示出加工图3所示类型的刀片的设备示意图。该设备是一种过滤阴极弧沉积装置(例如Colorado Boulder蒸发技术公司制造的那种装置)，该装置含有一个不锈钢工作室80，该工作室80通过阀82与真空泵系统(未示出)相连接。工作室80内安装了一个电绝缘的水冷基底平台84，在该平台上设置了一个夹持一组剃刀片88的可转动的夹持器86。

刀片88的锋利刀刃垂直于图纸平面排列，其小平面从夹具86向下。固定在工作室80外部的马达90可使刀片组在预定行程上转动180°，以便使每个刀刃交替地暴露在来自单一阴极弧源92的碳离子束中，保证刀片的两个斜面受到均匀地沉积。

在工作室80内还设置有两个过滤阴极弧源92、94，它们各由一个石墨靶96(阴极、纯度为99.99％)、一个引弧机构98和一个过滤器或称导管100组成。过滤器100用来将碳离子(弧等离子)流从阴极96导引到刀片组88上，这种导引是利用由沿导管长度设置的电线圈102和置于导管下方的电磁体104产生的螺线磁场实现的。上述的阴极弧源也可以是在Welty于1994年4月25日提出的未决美国专利申请No.08/233006(该申请书的说明已纳入本申请书作为附件A)中所述的那一种，磁场可以控制，以便像上述专利申请书中所述那样，使得与弧源相关的弧具有最佳的性能。靶96、导管100和刀片夹具86分别装有水冷却管106、108和110。

导管100安装成使其出口中心轴线114与刀片尖部组成的平面112之间的夹角为50°。选择这种角度是为了保证沉积出完全致密的深层。石墨靶96的长度约为30cm，宽度约为2.5cm，它与工作室80之间是电绝缘的，而导管100是接地的。石墨靶96通过开关120与一个直流电源118相连接。用电线将刀片组88通过开关122与直流电源124相连接或者通过开关126与整流电源128相连接。在上面提到的Welty的未决美国专利申请No.08/233 006中进一步讨论了最佳的过滤阴极弧的设计与操作的细节。

可转动的夹持器86夹持刀片组88，其刀刃与过滤导管口之间相隔15cm。刀片组88可在刀片的一个斜面向着导管100时的位置与另一个斜面向着导管100时的位置之间转动，每10秒钟转动180°，保证在每个斜面上均等地沉积上涂层。

一种具体处理程序的实施例是：将刀片组88(长2.5cm)夹紧在可转动的夹持器86上，打开夹持器冷却水，对工作室80抽真空。通入流动的氩气将工作室80的压力调至50微乇。合上开关122，对叶片组加上-400伏的直流电压，引发直流等离子放电，对叶片组清理10分钟。经过清理后，(i)将工作室氩气压力调至0.1微乇；(ii)对单一导管100的电磁场线圈102供电；(iii)合上接石墨靶96的开关120；(iV)将通到刀片组的直流电源124的电压调至-1000伏；(v)用引弧机构98的石墨靶96上引弧。将该弧流调至100安培。从导管100发射出强大的碳离子等离子体，并沉积在每10秒钟旋转180°的刀片88上。

起弧两分钟后，将偏压电源124调至-50伏，继续沉积，总的时间为16分钟。刀片每面所得到的非晶态金刚石涂层的厚度约为1000A°。刀片尖部的半径约350A°，长宽比约为2.5∶1。

在另一个处理程序的实施例中，两个阴极弧源同时工作，第二个弧源94位于第一个弧源92的对面，所以，刀片的两个平面可在大致相同的倾斜角度下同时沉积涂层，在这种实施例中，刀片组88不转动，而是在两个弧源射出的等离子交叉区域中进行少许移动。本实施例处理方法的所有其他方面都与上述实施例相同。

然后，在刀片上带有非晶态金刚石涂层的刀刃上再涂敷一层聚四氟乙烯(PTFE)调聚物涂层72。其工艺包括在中性的氩气气氛中加热刀片和在刀片的刀刃上涂上一种粘结性的可摩擦减薄的固态PTFE聚合物涂层。涂层72和60牢牢地粘附在刀片本体50上，用一种低温毛毡磨削力(用温毛毡(L5)至少进行5次磨削，磨削力约为0.45kg)磨削刀片本体，经过反复的毛毡磨削试验要表明非晶态金刚石涂层60在上述毛毡磨削试验的使用条件下基本上不受影响，并且，即使浸渍在80℃的蒸馏水中16h后，仍然牢固地粘附在刀片本体60上。

将所制成的刀片件44装配在图2所示那种类型的刮剃装置30上，具有良好的刮剃效果。

工艺条件

通过下面对上面概述的适宜工艺条件的具体说明将可进一步了解上面所公开的刀片、基材和非晶态金刚石涂层的特征和性质。首先，综述最佳的阴极弧源，然后再说明各种最佳的工艺条件。

阴极弧源

可以使用如美国专利No.5279723(Falabella等人)所公开的普通过滤阴极弧等离子源材料来沉积非晶态金刚石涂层，但是在一个最佳实施例中，按照先前参考的已纳入本文作为附件A的尚未授权专利申请中的方法来沉积这种涂层。虽然，附件A所述的矩形源极特别适用本发明的实施，但是，本发明不限于此。非过滤的或者其他普通的源极同样可以用，不应将本发明理解为只用过滤的阴极弧源。

工艺条件和调节  工艺条件包括：对基材多步加偏压；对刀片两侧面的均衡平均沉积；和保持展示角。

在沉积涂层时，最初对基片施加200-2000伏的高偏压达2min，以形成粘结。第二步施加10-200伏的较低偏压，以便获得最佳的非晶态金刚石硬碳涂层组织，并形成理想的结晶组织。虽然，按照本发明至少需要有上述两个步骤，但是，也可以还要一个“下台阶”式的降低偏压的步骤，例如，增加一个施加500伏的中等偏压的步骤。

非晶态金刚石涂层以均等的速度(或者说同时地)沉积在刀片的两面上。通过设置至少一对源极以便同时地沉积和/或周期地调整刀片相对于源极展示角，涂层就会均匀地或者说以均等的速度沉积到刀片的两面上。由于每个刀片都各有一个由第一斜面与第二斜面组成的并在两斜面会合的尖部处形成的刀刃，而且一组刀片可以：

·叠成一沓、其尖部组成一个平面那样设置，或者

·设置在一个转盘上，或者按其他方式设置，

所以，施加涂层的概念包括，(i)至少使用两个源极而刀刃的两个侧面上的沉积速度瞬时相等，或者(ii)通过刀片组(叠层或转盘)相对于单一源极的移动(刀片相对于源极周期地交替出现，例如通过翻动叠层、转动圆盘、或其他的依序出现的方式)而使涂层在整个沉积时间内以大致均匀的速度沉积在每把剃刀的刀刃的两个侧面上。

这就是说，要施加厚度为1000A°的涂层，本发明的最佳方法不是先在许多刀片的第一侧面上沉积全部1000 A°厚的涂层，然后再在刀片的第二侧面上沉积全部1000 A °厚的涂层，而是，(i)同时在两侧面上进行沉积，直到在每个刀片的刀刃的两个侧面上形成1000 A°或其他所需厚度的涂层，或者(ii)循环交替地首先在第一侧面上沉积3-500A°厚的涂层，然后在第二侧面上沉积3-500A°厚的涂层，回过来，再在第一侧面上施加一定厚度的涂层……，如此往复，直到在每个刀片的刀刃两侧面上形成1000A°或其他所需厚度的涂层为止。虽然，上面所述方法是一种最佳的方法，但是，不可将本发明理解为只限于此，本发明也可以按照不均等的或者说不平衡的涂层方式予以实施。

应当明白，上述的展示角是很重要的。低压(高真空)条件可形成一个高度定向的离子化碳的等离子流。刀片处于与层叠刀片的尖部构成的平面的垂线呈一定角度的位置(或者说处于与未叠放的刀片刀刃的第一斜面与第二斜面的夹角的等分线呈一定角度的位置)，该角度大于20°，但小于90°，展示角用来导引等离子流更加定向地对着刀片刀刃的一个侧面或另一个侧面。

如所周知，本发明的沉积工艺可以使用或者不用工作气体(例如氩气)来实施；工作室可通过整流或直流辉光放电进行清理；对基材施加偏压可采用直流电源或整流电源(这种加偏压的方法可用来使刀片尖部成形)。

下面将会看到，本发明可以强化薄的刀片同时保持其锋利程度(也就是说，可提高薄刀片的韧性和刚性而不损坏尖部的尖锐度或者说锋利程度)，在一种可对较普通的剃刀片施加厚度约为100-350A°的涂层的场合下，本发明的方法将可沉积厚度高达3000A°(从远离尖部的刀片表面上测量)和5000A°(在刀片尖部测量)的非晶态金刚石涂层。如上所述，本发明方法在获得上述所有效果的同时仍保持高的长宽比。

要注意到，采用本发明方法进行涂层的剃刀片可望比普通剃刀片更薄、更锋利，而且按本发明工艺可允许2∶1或更高的长宽比，并具有非晶态金刚石硬碳涂层的高强度，使刀片本身的级别提高一步。

                  矩形的真空弧等离子源极

本发明的范围

本发明涉及一种真空弧蒸发方法，更具体地，涉及一种安装在矩形等离子导管内的矩形平面阴极的过滤阴极弧蒸发方法。上述矩形源极的长度可以无限地延长，因此，本发明特别适用于对一种长的或大的基体件进行涂层或离子注入。

本发明兼有过滤阴极弧的优点(充分离子化的气化物流、消除熔滴飞溅)和矩形源极的优点(从源极均匀地蒸发并通过线性运动均匀地沉积在基体件上)，从而达到对较大的基体件进行均匀的涂层或离子注入，并且基体件极少受到熔融源极材料微滴的污染。

本发明的背景

过去十年来，真空弧蒸发技术已广泛用于工业生产中对一种待涂层的基体件沉积金属、合金和金属化合物涂层。真空弧放电也已用作诸如离子注入、离子束加速器和火箭推进等用途的离子源。

对一种基体件进行涂层或离子注入的真空弧蒸发方法包括一个用要沉积的材料制成的阴极靶和一个待涂层的基体件。通过大电流低电压等离子弧放电使安置在已抽真空(真空度一般小于0.001毫巴)的真空室内的阴极靶蒸发，待涂层或待注入离子的基体件通常置于真空室内对准阴极靶的蒸发表面，一般相距10-100cm。弧电流一般为25-1000安培，弧电压为15-50伏特。

弧等离子放电通过由电弧使靶极材料蒸发和离子化产生的等离子在阴极与阳极之间形成电流，所述阴极(负电极)是一种电绝缘源极件，它在沉积过程中至少部分地消耗，阴极的可消耗部分称为“靶”，通常制成一种可夹持在一个被冷却的称之为阴极体的非消耗件上的可更换件。阳极(正电极)可以是一种置于真空室的电绝缘构件，或者真空室本身，它在沉积过程中不消耗。

通常通过机械接触，高压打火或激光照射法在阴极靶的可蒸发表面引发电弧，随之出现的弧等离子放电高度地集中在阴极蒸发表面上的一个或多个流动的弧光点中，但分布在阳极的大的面积上，阴极上的弧光点中极高的电流密度(估计为10⁶-10⁸安培/厘米²)使得阴极材料局部加热、蒸发和离子化。

每个弧光点沿大致垂直于阴极靶面的方向射出一股等离子射流，从而形成一种伸入阴极与阳极之间区域的发光射流。将待涂层或待注入离子的基体件置于阴极与阳极之间或邻近阴极和阳极处。通过施加一个电压常可进一步加速阴极材料的气化物投向基体表面，并凝结在基体表面上或嵌入基体表面内。在蒸发过程中可向真空室内引入活性气体，从而形成含有靶极材料、活性气体和/或基体材料的化合物。

在弧电流低于大约70-100安培(视靶极材料而定)时，阴极材料的表面上只有单一的弧光点。当弧电流高时，在靶极表面上同时出现许多弧光点，每个弧光点携带占总的弧电流的相同百分数的电流。在不加磁场的情况下，弧光点倾向于围绕靶极表面随意运动，在靶极表面留下一种像喷火口似的微观特征的尾迹。

外加的磁场对弧射流施加一个沿垂直于磁通线和射流的方向的力，并且对弧光点的宏观平均运动有极大的影响(虽然弧光点的微观运动仍然是半随意性的)。弧光点在磁场中的运动方向与根据电子流从阴极发射时的安培定律确定的矢量J×B的方向相反或者说“反向”，这一现象是由于弧射流内复杂的动力学效应引起的，并且已经广泛报导和讨论过。

弧光点上靶极材料蒸发的一种不希望的副效应是在蒸发射流膨胀产生的反作用力的作用下从靶极射出熔融材料的熔滴。这些熔滴通常称为微粒，其尺寸范围从不到一个微米到几十微米。这些微粒落到待涂层的基体上时，可能嵌入涂层中，使之凹凸不平，或者是，这些微柱撞击到基体上，使之脱落，从而在涂层中形成坑点。

已经想出各种对策来减少进入基体上的涂层内的微粒数量，这些对策大致可分为两类：(1)第一类是采用某种形式的磁场来控制和加速弧光点，从而减少微粒的产生，(2)第二类是采用在阴极弧源与基体之间设置一种过滤装置，以便将阴极靶材料已离子化的部分传送到基体上而堵住熔融液滴。

上述的第一类方法即磁场法一般比第二类方法即过滤法简单，但不能完全消除微粒的产生。第二类的过滤法消除微粒通常比磁场法更有效，但需要复杂的装置，并且显著减少弧源的输出量。

过滤法是将基体置于阴极靶表面的视准线之外，所以从阴极射出的微粒不会直接冲撞在基体上。在阴极与基体之间设置一种带角度的过滤导管，将等离子输送到基体上。

为了使从阴极源发射出来的带电等离子到达基体上，通过电磁偏转法使这些等离子在上述过滤导管内偏转45-180°而通过过滤导管的拐弯处再撞击到基体上。而不带电荷的微粒则不受电磁场的作用而偏转，它们继续前进而撞到滤导管的管壁上，这就达到阻止微粒到达基体上的目的。但是，实际上，微粒从过滤导管壁反弹出来和/或等离子中小粒子的吸入都可能使一些微粒通过过滤导管而到达基体上。

现有的过滤阴极弧技术是建立在圆形的或圆筒形的阴极和过滤器的基础上的，它们一般只用于小的或特殊形状的基体件。

有几个美国专利(包括Edison的USP No.484 582)公开过在弧蒸发方面所做的早期工作实例。上述专利No.484 582叙述了采用真空弧蒸发法在一个基体件上沉积一层涂层的技术；美国专利No.2972695(Wroe)公开了一种磁稳定化的真空弧蒸发设备；美国专利No.3625848和3836451(Snaper)公开了带有特殊形状电极的弧蒸发设备，应用磁场提高蒸发速率并将离子导引到基体上；美国专利3783231和3793179(Sablev等人)公开了一种特殊电极和挡板的形状，和弧光点离开所需的阴极源极材料之蒸发表面时所激活的磁场的应用。

美国专利4724058(Morrison)、4673477(Ramalingam等人)和4849088(Voltrop等人)公开了约束在阴极上的圆形轨迹或者说粒子轨道内的阴极弧的实例。每一个上述的参考专利都谈到一种采用封闭的环形通道形的弧形磁场的弧蒸发设备，所述的磁场将弧光点约束在阴极表面的一个固定的或活动的部位上的封闭环形粒子轨道上。据认为，通过磁场约束和加速弧光点可以减少上述的因弧放电而产生的微粒。产生上述磁场所需的装置是在平面磁控管溅射技术中广为人知的。而且也知道，例如，可以通过机械方法(如Ramalingam等人和Veltrop等人的专利所述那样)，或者通过采用多步电磁法(如Morrison的专利所述那样)来移动弧的电磁场发生装置。

美国专利4609564和4859489(Pinkhasov)和5037522(Vevgason)和5269898(Welty)公开过长的圆柱形阴极的实例，他们全都宣称采用了圆筒形的或棒状的长阴极，并利用弧电流自身的磁场来迫使电极沿其长度方向运动。Welty说，采用附加的轴向磁场件来加速和控制弧的运动，可以减少微粒的产生。

美国专利No.4492845(Kljuchko等人)公开了一种采用圆环形阴极的弧蒸发装置，在此装置中，可蒸发的阴极表面就是它的面对着直径和长度都比它大的圆筒形阳极的阴极外壁，待涂层的基体置于环形阴极的内部，不面对着蒸发表面，由受阳极的电磁场作用而反射回来的离子化材料进行涂层，据称，同轴磁场可以加强从阳极的反射。从阴极表面射出的微粒不会被阳极电反射(虽然它们可从阳极机械地回弹)，因此，减少了进入涂层的微粒。

在Aksenov/Axenov、Falabella和Sanders所做的工作中，表明了使用设置在阴极源与基体之间的某种形式的过滤装置、用来传送阴极输出的带电的离子化部分并堵住不带电的微粒以减少进入基体涂层中的微粒数量的工作实例。

Aksenov等人的论文(“在弯曲的等离子-光学装置中等离子流的传输”，《苏联等离子物理学杂志》，1978年第4期第4页)谈到了一种具有90°弯曲的圆筒形等离子导管的应用，该导管带有电磁线圈以形成一种通过导管的螺线形磁场，在导管之一端有一个圆形的弧蒸发阴极，在另一端置放一个基体件。由于磁场和电场的的作用，使阴极射出的等离子从导管壁反射出来，并通过导管沿着磁场传输到基体上，与此同时，不带电的微粒就不会因磁场或静电场的作用而偏转，而是被导管壁所拦截。

美国专利No.5279723(Falabella等人)公开了一种基本上与上述的Aksenov的过滤装置相似的装置，该装置采用一种具有45°弯曲的圆筒形导管和一个圆形的或锥形的阴极和阳极，上述专利对各种部件进行了改进，包括对阴极和内挡板的形状的改进，从而减少了微粒的迁移。

美国专利No.4452686(Axerov等人)公开了一种不带弯曲的直圆筒形过滤导管，在导管的一端设置一个圆形阴极，用电磁线圈产生一种通过导管的螺线形磁场，在导管的中央设置一个附加电极，正好挡住从阴极到基体的视准沉积线。从阴极射出的电离子由于导管壁和中央电极上的磁场和电场的作用而偏转，并沿通过导管和围绕中央电极的磁场而迁移，不带电的微粒就不会受磁场或电场的作用而偏转，而是被中央电极所拦截。

美国专利No.5282944(Sanders等人)公开了一种与No.4452686(Axenov)的装置有些相似的装置，该装置采用一种直的圆筒形过滤导管和一个中央挡板，该挡板可防止从阴极以低角度射出的微粒直接到达基体上。电磁线圈在导管内产生一个接近导管壁的大致为螺线形的磁场。在此情况下，阴极的蒸发表面就是一个与过滤导管同轴定向的短圆筒的外表面，这样，从阴极射出的等离子径向地射到过滤导管的外壁上，而后在磁场和电场的作用下在导管壁处作大约90°的偏转，并沿着磁场迁移到置有基体件的导管端部。所发明的内电极加强了等离子在圆形过滤导管中与设置基体件的一端相对的另一端处的偏转。

现有技术从未公开过一种带有矩形蒸发表面的阴极和应用磁场极性的变换来控制阴极表面上弧的运动的技术，也没有公开过具有矩形横截面的过滤导管。因此，尽管人们做了以上所述的工作。但是，仍然需要对过滤阴极弧进行改进。过滤阴极弧最好有一种矩形的沉积源极。

大型基体件的涂层、轧制态板材的涂层以及在线性传送带或圆盘传送带上连续流水作业的较小基体件的涂层都希望采用矩形的沉积源极，廿十年代研制的矩形平面磁控管溅射阴极已经导致上述各类基体件涂层用的溅射技术的广泛工业化(参见，例如Welty的美国专利No.4865708和4892633所述的磁控管溅射阴极)。

过滤阴极弧源的优点在于从源极射出的阴极材料的气化物流可以无分离子化，这与非弧基沉积法例如蒸发和溅射法不相同。来自矩形源极的充分离子化的气化物流可以使到达基体上的、用于进行涂层或离子注入的原子的能量变得更高，并且可提高气化物与系统中的活性气体或直接与基体形成化合物的活性。

本发明具有过滤阴极弧的优点(充分离子化的气化物流，消除熔滴飞溅)和矩形源极的优点(从源极均匀地蒸发和通过线性运动均匀地沉积在基体上)，以便对长的或大的基体件进行涂层或离子注入，因此，本发明的目标就是使一种矩形的真空弧阴极产生一种过滤的阴极弧，来完成现有技术不能履行的使命。

本发明的综述

本发明提供一种在一个矩形区域内产生和导引等离子流的装置，用来在一种基体上形成一种涂层或进行离子注入。将一个矩形阴极安装在一个带角度的并具有矩形横截面的导管内，该导管限制等离子流并使之向基体所在部位偏转，与此同时拦截也是由弧产生的阴极材料的熔滴。这里，将等离子导管中安装阴极的区域称之为导管入口段，而基体件则安装在靠近导管的出口段处。

在导管内建立一个导引等离子通过导管同时又使弧光沿矩形阴极的长度方向移动的磁场。当弧光到达阴极的端部时，传感器理发出一个信号，使至少一部分磁场的极性改变方向，从而引起弧光变向，并向着阴极的另一端移动。无化弧光到达阴极的哪一端，都转换磁场的极性，从而使弧光沿矩形阴极的长度前后扫过阴极。

虽然磁场的极性(方向)反复地转向，但是，磁场的形状及其相对于导管的取向最好保持基本不变，并使等离子在每一极性下都迁移通过导管。在本发明的一个最佳实施例中，邻近阴极处的磁场线收敛区形成了一个向导管出口的反射等离子的磁镜。

弧光沿阴极靶长度方向运动是由于邻近于靶极表面的磁场分量引起的，该磁场分量平行于靶极表面的平面并垂直于矩形靶极的长轴线。对于该取向的磁通分量来说，两种极性(方向)都是可能的。当磁场具有一个极性时，弧光沿如上所述的向后的J×B矢量的方向顺着阴极长度移动，当磁场具有相反的极性时，弧光便沿相反方向顺着阴极长度移动。

由于磁场的极性根据位于阴极两端的传感器发出的信号而改变，同时又保持磁通线相对于靶极表面的取向，故能够使弧光沿阴极长度移动的方向定期地变换，从而使弧光沿一条较直的线顺着矩形阴极的长度前、后扫描。

采用位于导管外面或阴极体内部的电磁线圈，可以产生邻近于靶极蒸发表面的可换向的磁场，该磁场可促使弧光沿靶极长度移动。在现有技术中已有采用流过矩形阴极的弧电流本身的磁场来产生一种可换向的磁场。例如，将弧电流同时连接到矩形阴极的两端，并根据位于阴极两端的传感器发出的信号改变流至阴极各端的总电流的百分比，就会产生一个沿所需取向的磁场分量，使弧光顺着阴极的长度移动，这一点正如美国专利No.5269898(Welty)所述的那样。

当矩形阴极内流过的大部分弧电流的方向按照传感器发出的信号而改变时，平行于靶极表面的磁场分量的极性(方向)也发生变换，从而使沿靶极长度移动的弧光变换方向。而且，也可由沿着阴极长度方向通过的并根据传感器信号而变换自身的方向的控制电流(正如美国专利No.5269898也谈到的那样)、或者，通过改变从阴极的一端向另一端的弧光电流输入的方向(正如Vergason的美国专利No.5039522所述那样)来产生促使我扫描的磁场分量。在现有技术中，还未提到过采用一种与流过阴极本身的电流无关的磁体件来产生可换向磁场的问题。

等离子通过导管的迁移主要是由于导管壁附近的平行于壁面和导管轴线的磁场分量的作用所致。等离子的电子通过磁场向导管壁扩散形成了一个垂直于能反射正电荷离子的导管壁的电场分量，从而使等离子继续沿着导管并绕过导管的弯曲处向前移动。不带电的微粒不受到反射，因此被导管壁或挡板所拦截，所述挡板是垂直于导管壁安装的，并伸入导管内一个短的距离以减少微粒回弹而离开导管壁。导管内及邻近导管壁的磁场分量的极性最好随邻近靶极表面的、引起弧光扫描的磁场分量的极性而同时转换，以便使整个导管的磁场形状保持不变(尽管极性是变化的)。但是，仅改变靶极表面区域内的磁场极性并采用电磁铁或永久磁铁使导管区保持固定的(非变化的)磁场，也属本发明的范围。在后一种情况下，磁场基本形状的变化可引起通过导管的等离子迁移随着靶极附近磁场极性的变换而变化。

由于等离子射流主要沿垂直于阴极蒸发表面的方向从阴极射出，所以，在导管拐弯的外径区域容易发生强烈碰撞导管壁的现象。为了促进等离子通过导管的迁移，最好加强上述区域内的磁场强度。另一个因素是，具有不同原子量和熔点的阴极靶材料以不同的速度和动能从靶极射出，因此，希望改变磁场强度，特别是在导管弯曲区的磁场强度，以便使各咱材料都能最好地迁移。于是，在本发明的一个最佳实施例中，在导管弯曲部位的外径附近与靶极蒸发表面相对处设置一个独立的电磁线圈，流过该线圈的电流最好可独立变化，与产生导管内的磁场的其他线圈内的电流无关。

应当注意到，在现有技术的圆筒形等离子导管中(或者在现有技术已发展为矩形导管的直通式管道中)，环绕着导管设置了一个或多个电磁线圈以便形成一种通过导管的螺线形磁场，组成该线圈的导线在导管弯曲的内径处一定要比在外径处更为紧密地隔开在一起，结果，导管内的磁场分布情况是：在导线相隔较紧密的内径处磁场强度较大，而在受弧等离子射流撞击的导管外径处磁场强度较低。因此，在这一方面现有技术的做法与本发明不同，在本发明中，在导管内弯曲的外径处的磁场强度提高到等于或大于内径处的磁场强度，以便加快等离子通过导管的迁移。

通过等离子电子垂直于磁场方向(该磁场方向基本上平行于过滤导管壁)的扩散可形成一个垂直于导管壁的电场，在现有技术中以及在本发明的这一方面(上面已谈到)该电场反射来自导管壁的带正电荷的离子。另外，也可以通过第二方法使离子反射而离开导管壁，也就是，使导管壁附近形成一个磁通线沿大致垂直的方向在靠近导管壁处收敛的区域(该区域称为磁镜)。当靠近导管壁的等离子电子进入磁通线收敛区时便被反射或阻止，从而形成一个可产生一个也反射等离子离子的电场的电子密度梯度。上述的磁镜通常在实验室设备或其他的等离子装置中用来约束等离子。

本发明首次公开了磁镜场在过滤真空弧等离子源技术中的应用。现有技术已谈过需要磁镜场所提供的功能的问题。例如，在美国专利No.5282944(Sanders等人)就谈到过，该专利说明书指出，必须采用其图2和3中标号为21的许多绝缘环件来防止等离子在磁场通过导管壁的区域内传给导管壁。在本发明的一个最佳实施例中，导管入口段具有一个磁镜场区就可为流向导管出口段的等离子流提供一个最佳的方向，同时又提供了使弧光顺着靶极长度移动的磁场分量(该发量平行于靶极的表面并垂直于其长轴轴线)。磁镜场极性的变换(以由此产生的平行于靶极表面的磁场分量的极性的变换)引起靶极表面上弧光移动方向的变换，但不改变磁镜场的形状或功能。

由于各种可独立变化的磁场源相结合和叠加在导管出口段上形成了一个螺线形磁场区、在导管弯曲外径处附近形成了一个“阻尼”场区和在导管入口段内邻近阴极处形成了一个磁镜场区，所以，本发明具有足够的调节性来使很多种靶极材料的等离子沿导管的迁移最佳化。但是，应当明白，在本发明的一个实施例中，不是上述所有的要素都是需要的，所需要的各种要素也不是独立变化的，尤其是在采用某种对单一靶极材料最理想的磁场源时更是如此。例如，根据变换靶极表面附近的磁场极性所采用的方法的不同，采用一个绕在整个导管的螺线形电磁体可能就足够了。

本发明与现有技术的不同之处在于：采用矩形的阴极和等离子导管；阴极上弧的运动的控制方法；和等离子导管中磁场的形状及其控制。

具体采说，本发明的磁场形状和控制方法使之有可能制出具有矩形的输出通道且可制成所需长度的紧凑而高效的等离子源，因此兼有过滤阴极弧和矩形沉积源的优点。用来控制弧在阴极表面上运动的磁场换向技术可使阴极的宽度做成比现有技术的采用粒子轨道式磁场用的阴极窄得多。

  因此，等离子导管可以做得较窄和较短，这就形成一种紧凑的结构，比现有技术的笨重的过滤器更容易装入真空系统中，特别是在含有多个等离子源的系统中更是如此。窄的阴极和扫描弧也可使靶材沿其长度的消蚀比现有技术中所用的平面轨道式阴极更均匀，并可采用更高的靶极材料。

本发明的优点可使源极的长度无限地延长，从而使采用矩形或长形蒸发源极的应用具有过滤弧沉积或离子注入的优点。

附图的说明

图1A是使用圆形阴极和圆筒形等离子导管的现有技术的过滤真空弧的示意图；

图2A是本发明的过滤弧等离子源极的示意图；

图3A是本发明的导管组件和磁体的透视图；

图4A是本发明的导管组件的端视垂直剖视图；

图5A是本发明的导管组件的侧视垂直剖视图；

图6A是表示本发明的磁场线和磁场镜与导管组件和磁铁组件的相对关系的端部剖视图。

最佳实施例的详细说明

本发明提供一种在一个矩形面积内产生和导引等离束以便在一种基体件上形成涂层或者进行离子注入的方法。

图1A示出一种现有技术的与一个过滤器22相连接的阴极20，所述的过滤器22可将由阴极弧放电产生的离子流与粗大粒子分离开。阴极20是截头锥体形的，具有圆形截面和锥形的侧面。过滤器22含有两个端部相对但彼此呈45°夹角的螺线管，这种排列可阻隔阴极弧光至待涂层的基体件24的视准线，同时又为离子流和电子流提供通道，过滤器22还带有若干个挡板，用来俘获粗大粒子。

参看图2A，本发明的一个最佳实施例含有一个设在阴极体31上的阴极靶30，该靶30具有一个大致为矩形的蒸发表面33。在一个最佳实施例中，阴极30是碳质材料，但也可以是其他任何合适的可蒸发材料。阴极体31安装在夹持器32上并位于等离子导管34的入口段36内。阴极30与弧极电源28的负极连接，而等离子导管34(它也用作为阳极)与弧极电源28的正极连接。引弧器35用来在阴极30与阳极34之间激发弧光放电。阴极30和蒸发表面33也可由绝缘体86包围(参见图4A)在等离子导管34内安装了一个内电极82，作为传感器84。

等离子导管34具有矩形的横截面形状，其尺寸与阴极30相近。导管34具有沿其中心线的弯曲轴线，在本实施例中，在导管的一个侧壁上示出一个相应的内径弯曲点37，内圆心角大约为90°，但是，对于实施本发明来说，内圆心角大致为15°-120°的范围都是合适的。标号39总的表示相应的外径弯曲。等离子导管34在其内径弯曲点37的两侧有一个入口段36和一个出口段38，阴极30安装在一个靠近入口段端部或位于入口段端部的绝缘夹持器32上，所以阴极的蒸发器33面朝等离子导管内部。在出口段38的端部或靠近出口段38的端部可置放一个或多个待涂层的基体件44。

围绕等离子导管34设置了一组电磁体。磁体46与绕组电源53相连接，并置于导管入口段36附近，磁体48与绕组电源53相连接，并置于靠近导管34的外径弯曲部分39处。磁体50是一个与绕组电源53连接的螺线管，它绕在等离子导管出口段38的一部分上。透视图3A示出了磁体46、48和50与等离子导管34的关系，磁体46位于其出口段38附近，磁体48位于其外径弯曲部分39附近，而磁体50则绕在出口段38上。

参看图4A，可以看出，磁体46带有一个绕在导磁材料制的中心磁极72上的线圈70，中心磁极72的两端分别与端板74相连接。同样地，磁体48也带有一个绕在导磁材料制的中心磁极78上的线圈76，并由端板80分别与中心磁极78相连接。在本实施例中，磁体48的端板80是用导磁材料制的，而磁体46的端板74则是用非导磁材料制的，以便按所需方式形成磁场。

再参看图2A，可以看到，管道54将水通入阴极30。等离子导管34和内电极82最好也通水冷却，但在图中未示出冷却系统。可以对基体件44施加偏压，并且基体件在沉积时可以按一般方式转动和/或移动，在一个最佳实施例中，等离子导管34和基体件44密封在一个工作室(未示出)内并抽真空。在本发明的另一个最佳实施例中，等离子导管34和导管的阴极夹持器32处在真空中，而等离子导管的外部则处在大气压力下。

下面再结合图4A和5A的剖视图(图中标号与前面所用标号相同)来说明本发明装置的某些其它的细节。可以看到，等离子导管34的弯曲是为了阻隔阴极30与基体件44之间的视准线(所述基体件44在图中未示出，但可理解为置于导管出口段38的端部或者在导管出口段38端部附近)。等离子导管34的出口段38、入口段36和拐弯处的内壁最好设置许多成行排列并大致与内壁垂直又彼此大致平行的挡板52。

参看图4A，可以看出，电绝缘的内电极82，安装在等离子导管34内部，该电极82可相对于阳极有电性浮动，或者说，可相对于阳极受正偏压。参看图5A，一对传感器54置于阴极30的蒸发表面两端的附近其中54A邻近左端，54B邻近右端。

磁体46、48和50产生以磁通线表示的磁场，这一点在图6A看得更清楚。磁通线60的方向大致平行于等离子导管34出口段38内的轴线。磁通线62的方向大致平行于邻近阴极的导管入口段36内的阴极30的蒸发表面33。磁通线在入口段36内的区域64收敛，形成一个邻近阴极30的蒸发表面33的磁镜。

图6A所示的磁通线60的图形可由市场上可购得的有限元磁分析程序来产生。在本实施例中，磁体50和46具有600安匝，而磁体48具有200安匝。此时，在导管出口段38中心处的磁场强度大约为50高斯。可以看出，在本实施中导管外径弯曲部39处的磁通密度(磁场强度)大致等于导管的内径弯曲点37处的磁通密度。通过调节磁体48的线76的匝数，或者调节通过它的电流(也就是调节安匝)，可以调节导管的外径弯曲部位39处的磁通密度，而与导管其他部位的磁通密度无关。

每当弧光分别逼近阴极30的左端或者右端时，传感器54A和54B(见图5A)能检测弧光并发出信号。传感器54可以是例如伸入等离子导管34内的电绝缘导线，通过一个电阻(未示出，例如1000欧姆的电阻)将该导线与阳极连接，因此，当弧光逼近导线时，就产生一个电压。另外，传感器54也可以是一个可检测来自弧射流的光发射的光敏二极管，或者是一个可检测电弧磁场强度的磁场测量计。绕组电源53(见图2A)带有一个可以改变流过磁体的电流方向的开关，并通过一种普通的控制机构(未示出)与传感器54相连接，以便使磁场改变方向。磁场的换向可以同时在所有磁体中进行，并且在基本上不改变磁通线的形状或它们相对于等离子导管的取向的情况下变换磁通线的方向。另外也可以只变换磁体46和48中的一个或两个的磁通线方向。

在本发明系统的一个理想的结构(未单独示出)中，这些磁体由一个以上的绕组电源53独立供电。采用多个绕组电源可以使流过各磁体的电流彼此独立地改变以便独立地调节等离子导管34中各部位的磁场强度。同时，各个绕组电源分别带有控制系统，所以，它们在一受到传感器54的信号的激励时，可以同时全都改变电流的方向。

从上所述，很容易理解本发明装置是按如下方式工作的。

首先由引弧器35在阴极30与作为阳极的等离子导管34之间激发弧光放电，该弧光放电起源于阴极蒸发表面的弧光，并产生一种含有阴极材料的离子化气化物的等离子。

等离子导管34将弧光放电产生的等离子从阴极30导引至置于导管出口段38处或其附近的待涂层和/或待离子注入的基体件44处。等离子导管34具有尺寸与阴极30相近的矩形横截面形状，并沿其中心线的轴线大约弯曲15°-180°(在本实施例中，内径弯曲处37的圆心角为90°)，由于这种弯曲使入口段36和出口段38的视准线彼此隔开。阴极30置于入口段36的端部或置于该端部的附近，它的蒸发表面朝向等离子导管之内部基体件44置于出口段38的端部或其附近的一个区域内。

磁体46、48和50在等离子导管34内和阴极30的蒸发表面上产生一个磁场，这由磁通线表示。磁通线的方向大致平行于导管34出口段38的轴线，而在阴极处或阴极附近处的入口段36区域内的磁通线则大致平行于阴极30的蒸发表面。磁通线还在等离子导管34的入口段36区域内收敛而形成一个邻近于并且平行于矩形阴极30的磁镜。磁通线导引离子化气化物通过等离子导管的弯曲处，并促使弧光沿阴极30的蒸发表面33的长度进行大致为线性的运动。磁镜的取向向着等离子导管34的出口段38反射等离子的方向。

传感器54检测弧光，并在弧光逼近上述蒸发表面的任一端部时产生一个信号，该信号驱使控制系统改变绕组电源53的电流方向，从而在基本上不改变磁通线的形状的情况下或者说在不改变磁通线相对于等离子导管34的取向的情况下改变磁通线的方向。因此，促使弧光不仅沿线性方向扫描矩形电极30的表面，而且是大体上从一个端部到另一个端部来回地扫描。

等离子导管34的内壁上带有成行排列的挡板52。导管的弯曲可以过滤粗大粒子，而且上述的挡板也用来俘获这些粗大粒子。

本发明的装置具有一个长而窄的矩形源极和一个模截面为矩形且截面尺寸与上述源极相近的较紧凑的导管。从而建立了小型的导管，例如，采用一种长度约为30cm、宽度为2.5cm或者长宽比约为12∶1的阴极靶已获得良好效果。由于本发明的矩形阴极的长度可以无限地延长，故可望达到更高的长宽比。

因此，可以明白，本发明提供了一种产生并在一个矩形面积内导引等离子束以便在一个基材上形成涂层或进行离子注入的方法。

正如上面已谈到的，本发明的好处是通过如下措施实现的：(a)矩形的阴极弧源材料；(b)矩形横截面的等离子导管：(c)通过变换磁场极性控制阴极上弧的运动以便使弧大体上沿线性方向前后扫描过矩形源极的长度；(d)形成和控制等离子导管中的磁场形状。

具体来说，本发明的磁场形状和对矩形源极上弧的控制使得有可能建立一处紧凑而有效的并且具有能够做成所需长度的带有矩形输出孔径的等离子源，从而兼有过滤阴极弧和矩形沉积弧源的好处。用来控制弧的磁场换向技术可以使阴极的宽度做得比现有技术的采用粒子轨道磁场的阴极要窄得多。

因此，等离子过滤导管可做成比现有技术的笨重的过滤器要窄得多、短得多，从而形成一种容易组合成一个真空系统的紧凑结构。窄的阴极和窄的线性扫描弧也可使靶极沿其长度较均匀地耗蚀，并使源极材料的利用率比现有技术的使用平面粒子轨道式阴极要高。

本发明的优点可使源极的长度无限延长，从而使采用矩形的或长形的蒸发源极的应用具有过滤弧沉积或离子注入的优点。

Claims (31)

1.一种剃刀片，含有一个带有楔形刃边的基片和一层覆盖在该楔形刃边上的非晶态金刚石涂层，上述的楔形刃边由小平面形成，该小平面的宽度至少为0.1mm，夹角为小于20°。

2.根据权利要求1的剃刀片，其特征在于，上述的非晶态金刚石涂层体积至少含40％的碳键，并且在可见光下是透明的。

3.根据权利要求2的剃刀片，其特征在于，上述的非晶态金刚石涂层的长宽比大于2∶1。

4.根据权利要求3的剃刀片，其特征在于，在上述的非晶态金刚石涂层上还有一层粘结性的聚合物涂层。

5.根据权利要求4的剃刀片，其特征在于，上述的非晶态金刚石涂层的厚度为2000A°。

6.一种剃刀片，含有一片带有楔形刃边的基片和一层覆盖在上述楔形刃边的顶部和侧面上的非晶态金刚石涂层，该涂层在从上述基片的锋利尖顶的距该尖顶40μm处的厚度至少为400A°，并且涂层尖顶部的半径小于1000A°左右。

7.根据权利要求6的剃刀片，其特征在于，上述的基片材料是钢；通过一系列机械磨削做成上述的楔形刃边；通过阴极弧法沉积出上述的非晶态金刚石涂层。

8.根据权利要求7的剃刀片，其特征在于，上述的非晶态金刚石涂层体积至少含有40％的碳键，在上述的非晶态金刚石涂层上还带有一层粘结性的聚合物涂层。

9.一种刮剃装置，含有一个带有彼此隔开的皮肤接合面的支承构件和一个固定在上述支承构件上的剃刀片构件，上述的剃刀片构件含有的一个带有楔形刃边的基片和一层覆盖在该基片楔形刃边上的非晶态金刚石涂层，带有非晶态金刚石涂层的刀刃位于上述的皮肤接合面之间。

10.根据权利要求9的刮剃装置，其特征在于，上述的剃刀片构件含有两个带有楔形刃边的基片，并且该两基片的楔形刃边彼此平行地置于上述皮肤接合面之间。

11.根据权利要求10的刮剃装置，其特征在于，上述每一非晶态金刚石涂层体积含有大于40％的碳键；其厚度为2000A°；在该涂层上又分别带有粘结性的聚合物涂层。

12.对一种带有第一斜面和第二斜面组成的刀刃的刀片施加硬碳涂层的方法，该方法含有如下步骤：

(a)对一个作为阴极的可蒸发碳表面引弧放电，从而产生气化碳的等离子流；

(b)将一种待涂层的刀片定向于上述等离子流内，以便在上述刀片的刀刃上沉积上述的蒸发碳。

(c)使上述的刀片相对于上述等离子流而变化姿态以便在上述刀片的刀刃的第一斜面上和第二斜面上沉积上述的气化碳。

其特征在于，在上述的刀刃的第一斜面上和第二斜面上沉积上述的气化碳是以大致均等的速度进行的。

13.根据权利要求12的方法，其特征在于，上述的刀片夹持在一个含有多个层叠刀片的叠层内，上述的刀片定向和变化姿态的步骤是对上述的一层叠刀片进行的。

14.根据权利要求13的方法，其特征在于，

(a)上述层叠刀片中的每个刀片在它的刀刃的第一斜面与第二斜面的交界处都有一个尖顶，而刀片的叠合要使所有刀片的尖顶组成一个平面；

(b)上述的等离子流是可分解为一组大致平行的线的大致定向的流速；和

(c)上述的使刀片定向的步骤还包括这样安装刀片的步骤：即，要使得上述平面的垂线与上述一组大致平行的线中之一形成的角度处于20°-90°的范围内，从而使上述刀刃的第一斜面和第二斜面中有一个以上述的角度暴露在等离子流内。

15.根据权利要求14的方法，其特征在于：上述的改变刀片的姿态的步骤包括使上述刀片的刀刃的第一斜面和第二斜面分别呈上述角度暴露在等离子流中的步骤。

16.根据权利要求15的方法，其特征在于，上述的将刀片的刀刃的第一斜面和第二斜面分别暴露在等离子流中的步骤还包括使层叠刀片与等离子流彼此相对移动的步骤，从而使上述的第一和第二斜面分别依序地暴露在上述等离子流中，以便使上述第一和第二斜面在上述的依序暴露时各自形成一个逐渐增厚的沉积层。

17.根据权利要求16的方法，其特征在于，上述增厚的沉积层的增量为3A°-500A°，并且，上述的移动步骤重复地进行，直到在上述刀刃的第一斜面和第二斜面上分别沉积出至少两个增量的沉积层为止，

18.根据权利要求15的方法，其特征在于，上述的将刀刃的第一斜面和第二斜面分别暴露在等离子流中的步骤还包括采用一个与上述的过滤阴极弧源相结合的第一和第二斜面分别呈上述角度同时暴露在等离子流，从而可使上述的第一和第二斜面分别呈上述角度同时暴露在等离子流中，以便在上述第一和第二斜面上分别同时形成一个沉积层。

19.根据权利要求15的方法，其特征在于，还包括对刀片先加一个第一偏压然后加一个第二偏压，与此同时在刀片上进行上述的气化碳沉积的步骤。

20.根据权利要求19的方法，其特征在于，上述的第一偏压为200-2000伏，上述的第二偏压为10-200伏。

21.根据权利要求19的方法，其特征在于，上述的施加第一偏压的时间长达2分钟。

22.根据权利要求12的方法，其特征在于，上述刀片夹持在含有一组刀片的夹持器内，上述的使刀片定向和变换姿态的步骤是对上述夹持器内的刀片进行的。

23.根据权利要求22的方法，其特征在于，

(a)上述夹持器内的一组刀片中的每一刀片在其刀刃的第一斜面的第二斜面交界处都有一个尖部，并具有由该尖部与上述第一和第二斜面形成的第一角；

(b)上述的等离子流是一种可分解成一组大致平行的线的大致定向的流束；和

(c)上述的使刀片定向设置的步骤还包括以下述方式安置刀片的步骤：使由上述第一角的等分线与上述一组大致平行的线中之一相交形成的第二角处于20°-90°的范围内，从而使刀片的刀刃的上述第一斜面和第二斜面中的一个斜面呈上述角度暴露在等离子流中。

24.根据权利要求23的方法，其特征在于，上述的变换刀片姿势的步骤包括使刀片的刀刃的第一斜面和第二斜面分别呈上述角度暴露在等离子流中的步骤。

25.根据权利要求24的方法，其特征在于，上述的使刀片刀刃的第一和第二斜面分别暴露在等离子流中的步骤还包括使一组刀片与等离子流彼此作相对移动的步骤，从而使上述第一和第二斜面分别依序暴露在上述的等离子流中，以便使上述斜面在依序暴露的过程中分别形成一个逐渐增厚的沉积层。

26.根据权利要求25的方法，其特征在于，上述的增厚的沉积层的增量3A°-500A°，上述的移动步骤重复地进行，直到在上述刀片刀刃的第一第二斜面上至少分别沉积出两个增量的沉积层为止。

27.根据权利要求24的方法，其特征在于，上述的将刀片刀刃的第一斜面和第二斜面分别暴露在等离子流中的步骤还包括采用一个与上述的过滤阴极弧源相结合的第二等离子发生装置来产生一股第二气化碳等离子流，从而可使上述的第一斜面和第二斜面分别呈上述角度同时暴露在等离子流中，以便在上述的每一斜面上分别同时地形成一个沉积层。

28.根据权利要求24的方法，其特征在于：还包括对刀片先加一个第一偏压然后再加一个第二偏压，与此同时在刀片上进行上述的气化碳沉积步骤。

29.根据权利要求28的方法，其特征在于，上述的第一偏压为200-2000伏，上述的第二偏压为10-200伏。

30.根据权利要求29的方法，其特征在于上述的施加第一偏压的时间长达2分钟。

31.一种具有由一个第一斜面和一个第二斜面形成的刀刃的刀片，上述的刀刃在上述第一斜面与第二斜面交界处上有一个尖顶，并且，该顶部与第一和第二斜面形成一个角度，

其特征在于，上述的刀刃含有一层沉积在上述第一斜面和第二斜面上而包住上述尖顶的硬碳涂层和形成相应的涂层的尖顶，该硬碳涂层具有从垂直于上述第一斜面或第二斜面测量的第一厚度，并具有一个沿上述角度的等分线测量的在所述的涂层的尖顶与所述的刀刃的尖顶之间的第二厚度，该第二厚度与上述第一厚度之比至少为2∶1。

上述硬碳涂层的硬度至少为40千兆牛顿/米²。

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