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CN102470537A - 剃刀上的原子层沉积涂层 - Google Patents

剃刀上的原子层沉积涂层 Download PDF

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CN102470537A CN2010800320404A CN201080032040A CN102470537A CN 102470537 A CN102470537 A CN 102470537A CN 2010800320404 A CN2010800320404 A CN 2010800320404A CN 201080032040 A CN201080032040 A CN 201080032040A CN 102470537 A CN102470537 A CN 102470537A
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Abstract

本发明公开了用于在剃刀刀片上产生共形涂层的原子层沉积(ALD)工艺的一种新型应用，其中均匀的、共形的、致密的涂层被沉积在刀片侧翼的整个表面以及刀片主体的至少一部分或整个表面上。为了改善涂覆的刀刃的剃刮能力(例如，减小刀片尖端半径)，可在ALD工艺期间、之后或期间和之后蚀刻采用ALD制备的涂层。

Description

剃刀上的原子层沉积涂层
技术领域
本发明涉及涂层组分。更具体地讲，本发明涉及剃刀组件例如剃刀刀片上的改善的涂层。
背景技术
市场上的大部分剃刀刀片均是通过向锋利的不锈钢基底施加薄膜硬涂层制备的。这些涂层通常是通过“物理气相沉积”(PVD)技术而沉积在刀刃上的，所述技术包括真空条件，其中原材料(称作靶标材料，即，将被沉积的材料)一般呈固体形式。通常的PVD技术并入了诸如溅射涂覆或“脉冲激光沉积”(PLD)之类的工艺。
薄的硬涂层具有某些作用和优点。一个优点是，硬涂层一般通过加固刀刃来强化刀刃尤其是具有细长轮廓的那些，从而在剃刮期间保护刀刃免受过度损伤。
此外，PVD形成的涂层一般会很好地粘附在刀刃的表面上，继而提供足够的表面以用于随后的涂层(例如，Teflon
Figure BDA0000131417060000011
或调聚物涂层或其他聚合材料涂层)的沉积。
然而，目前的PVD工艺的一个主要缺点是，PVD工艺主要为“视线”工艺，使得最佳品质的涂层沉积在平坦的表面或组件上。利用PVD工艺，为了获得对三维的成型组件的最佳覆盖率，通常使所述组件在真空室中旋转并作行星式运动。尽管这些旋转及行星式运动的附加步骤有助于产生更均匀的覆盖率，但制备的涂层的品质会受到不利影响，因为如本领域已知的那样，涂层密度相当快速地随入射角而劣化，并且已知PVD工艺由于其沉积性质的缘故，所产生的是具有柱状生长的膜或涂层。对膜的此类柱状生长的一般描述可见于J.A.Thornton，Ann.Rev.Mater.Sci 7，239(1977)，题目为“High Rate Thick Film Growth”。
PVD形成的涂层能够与沉积同时地被成型，因为无需停止沉积过程以便允许最终刀刃尖端或刀片尖端最佳地被成形以用于切割毛发而不会切割或划伤皮肤。因此，为了增加密度并限制膜的柱状生长，常常将目前的PVD溅射膜或涂层用高偏压来沉积，从而优化薄膜的机械特性。然而，高偏压的缺点是，其可导致所得最终刀片尖端变得过于锋利(例如，表现为刀片尖端区域中只有极少或根本没有涂层)，从而限制了获得如下文所述的期望的最佳尖端半径。
因此，均匀地涂覆剃刀刀刃已成了现有技术中的挑战。
在入射角常常较小(例如，15度或更小)的情况下，即使施加了高偏压，刀刃上的现有技术的涂层一般仍然是低密度柱状的，具有受到不利影响的机械特性和膜粗糙度。
此外，使用真空技术来沉积涂层的一个固有问题一般来讲在于刀刃上的涂层可产生如下的刀片尖端半径值，所述半径值对于能够剃刮的刀刃来讲可能太大了，并且可具有不可取地高的羊毛毡切削力(例如，从切割羊毛毡获得的最低切削力较高)。一般来讲，切削力是通过羊毛毡切割测试来测量的，所述测试通过测量每个刀片切穿羊毛毡所需的力来测量刀片的切削力。使每个刀片穿过羊毛毡切割器一定的次数(例如，5次)，并且在记录仪上测量每次切割的力。将最低值定义为切削力。
为了使刀刃有效地剃刮毛发(例如，剃刮能力)，一般已知的是，羊毛毡切削力有利地可能需要小于约1.6磅，这与约20nm的刀片尖端半径值一致。对羊毛毡切削力和刀片尖端半径的描述可见于公布于2007年10月4日的题目为“Razors”的美国专利公布2007/0227008、公布于1991年10月15日的题目为“Razor Blade Technology”的美国专利5,056,227、和公布于1991年9月17日的题目为“Razor BladeTechnology”的美国专利5,048,191，前述专利转让给了本文的受让人。
此外，已知的现有技术的工艺例如PVD一般只限于涂覆不超过刀片侧翼的上部并且一般不覆盖整个刀片侧翼。此外，沉积的涂层厚度越远离最终尖端(例如，更靠近刀片主体)就越薄，使得所述厚度一般朝刀片侧翼的端部可接近于零。
然而，可期望一次只利用所述一种工艺以不仅涂覆刀片侧翼的一部分而且还均匀地涂覆整个刀片侧翼，并且也涂覆刀片主体的部分或整个刀片主体，其中剃刀刀片一般具有刀片主体和两个刀片侧翼。
因此，需要更好地发展涂覆剃刀刀片的工艺以改善涂层的品质(例如，均匀度和致密度)和覆盖率，同时保持剃刮能力。
发明内容
本发明提供了一种用于涂覆剃刀刀片的方法，所述方法包括使用原子层沉积(ALD)工艺在被定位在真空室中的至少一个剃刀刀片上沉积至少一种材料的至少一个涂层，其中所述至少一个涂层覆盖至少一个刀片侧翼的整个表面和所述至少一个剃刀刀片的刀片主体的表面的至少一部分；以及蚀刻所述至少一个涂层。所述蚀刻可发生在ALD工艺期间、之后或既发生在ALD工艺期间也发生在ALD工艺之后。
在本发明的另一方面，剃刀刀片包括至少一个材料层的至少一个涂层，所述涂层使用ALD工艺来形成，并且其中所述至少一个涂层中的一个被蚀刻。
在本发明的又一方面，剃刀刀片包括第一材料的第一涂层和第二材料的第二涂层，所述第一涂层和第二涂层中的至少一个是使用ALD工艺沉积的，其中第二涂层沉积在第一涂层的顶部表面上。
本发明的其他方面提供了一种通过以下方式来涂覆剃刀组件的方法：使用ALD工艺在被定位在真空室中的至少一个剃刀组件上沉积至少一种材料的至少一个涂层。所述剃刀组件可包括刀片架夹片、刀片支撑体、剃刀刀片主体、剃刀刀片侧翼、弯曲刀片、剃刀柄部、或它们的任何组合。
除非另外限定，本文所用的所有技术和科学术语均与本发明所属领域的普通技术人员通常理解的术语具有相同的含义。虽然在本发明的实施或测试中能够使用与本文所述相似或等价的方法和材料，但是下文描述了合适的方法和材料。本文提及的所有出版物、专利申请、专利和其他参考文献均全文以引用方式并入。在冲突的情况下，将以本说明书(包括定义)为准。此外，材料、方法和实施例仅为示例性的而非旨在进行限制。
通过以下发明详述和权利要求，本发明的其他特征和优点将显而易见。
附图说明
虽然在说明书之后提供了特别指出和清楚地要求保护本发明的权利要求书，但是据信通过以下结合附图的描述可以更好地理解本发明，附图中类似的标号用于指示基本上相同的元件，并且其中：
图1和1A为根据本发明的真空室的示意图，其示出了能够通过原子层沉积(ALD)而被涂覆的剃刀刀片。
图2为图1的近距离示意图，其示出了在第一前体被引入到真空室中之后的两个剃刀刀刃的一部分的横截面。
图3为第一前体在剃刀刀刃上形成了材料表面单层之后的图2的近距离示意图。
图4为在第二前体被引入到真空室中之后的图3的近距离示意图。
图5示出了第二前体在剃刀刀片侧翼上形成了材料单层之后的图4的剃刀刀片侧翼的横截面。
图6示出了如下情况之后的剃刀刀片侧翼的横截面：图1-5的ALD工艺重复进行了很多次，从而在剃刀刀片侧翼上形成了最终材料涂层。
图7示出了根据本发明的在图6的涂层上执行了原位离子蚀刻工艺之前和之后的剃刀刀片侧翼的横截面。
图8示出了根据本发明的在蚀刻之前和之后的ALD涂覆的刀片尖端和斜面区域的“扫描电镜”(SEM)照片。
图9为本发明的工艺的流程图。
图10示出了根据本发明的剃刀刀片(侧翼和主体)，所述刀片具有使用ALD工艺沉积的两个具有对比特征(例如，颜色)的涂层。
图11示出了根据本发明的使用ALD工艺沉积在刀片侧翼和刀片主体上的两个涂层的蚀刻。
图12示出了根据本发明的具有使用ALD工艺和刻板或掩模而沉积的两个涂层的刀片侧翼和主体。
具体实施方式
本发明公开了用于涂覆剃刀刀片主体和侧翼的原子层沉积(ALD)工艺的一种新型应用。
ALD为本领域一般已知的一种自限制性序列表面化学处理法，其将材料的共形薄膜沉积到相异组分的基底上。ALD在化学上类似于“化学气相沉积”(CVD)，不同的是ALD反应将CVD反应分成了两个半反应，从而保持前体材料在反应期间是分离的。由于ALD膜“生长”是自限制的并且基于表面反应，从而获得了原子标度的沉积，继而有可能获得控制沉积的能力。此外，通过保持所述前体在整个涂覆过程中是分离的可获得精细至约0.1纳米(nm)/单层的膜生长的原子层控制。
ALD工艺和特征一般描述于例如1977年11月15日公布的题目为“Method for Producing Compound Thin Films”的美国专利4,058,430以及M.Ritala和M.
Figure BDA0000131417060000051
的“Atomic layer deposition”，Handbook of Thin Films Materials，H.S.Nalwa，Ed.，第1卷，第2章，第103-159页，Academic Press，2002。在现有技术的应用中，ALD沉积一般发生在进入到沟槽中的平坦表面上。
在本发明中，ALD沉积在位于斜角的交点处发生在剃刀刀片的侧翼中的切刃上以及刀片主体上。根据本发明，当用于剃刀系统例如剃刀刀片的涂层组件的新型应用时，ALD提供如下所述的许多优点。
ALD的一个关键优点是，一般有可能均匀地涂覆基底的暴露表面，一次涂覆单一原子层，并且由于其不是一种如现有技术的PVD工艺一样的“视线”技术，因此ALD能够涂覆表面，而无论它们的形状、结构或位置如何。因此，当ALD工艺用于涂覆剃刀刀片时，刀片侧翼的整个斜面和刀片主体的任何暴露部分均可被均匀地一次涂覆一个单层。由于其一次沉积或产生一个单层，因此可获得具有最佳密度的涂层或膜。一般已知的是，较致密的膜或涂层为有利的，因为它们不太易于受到腐蚀并且具有更好的耐磨性。
以下术语可根据本发明如下所示地来定义。
本发明中的术语“单层”表示一个层或“原子的”或一层的材料。设置在彼此顶部上的若干个单层可表示“涂层”或“膜”。
因此，术语“膜”和“层”在本发明中可互换使用，这两个术语一般均表示沉积的材料。
术语“吸收层”表示在ALD工艺中在第一前体被引入到真空室中并被沉积之后形成的层。所述吸收层通过将气体、液体或溶质积聚为凝结层而聚集在基底(例如，剃刀刀片的不锈钢材料)的表面上。
“致密”材料为其特征为“最密集的”或具有基本上零孔隙率的材料。“最密集的”表示材料的分子或元素的原子层的构成，所述原子层为紧密地套叠的(彼此邻近并位于彼此顶部上)使得基本上没有孔隙或孔在分子之间形成并且一般没有分子柱(例如，非柱状)形成。例如，在图6中，涂层62被描绘为“最密集的”或“致密的”。一般来讲，涂层的“密度”可与孔隙率成反比(例如，密度越高，则孔隙率越低)。
“均匀”材料为如下的材料，在整个所述材料中具有基本上相同的不变的特征或特征程度。例如，包括均匀厚度的沉积的材料可表示如下的材料，所述材料在整个沉积区域中具有基本上相同的厚度。
“光滑”表面是指一般不含突出部或不平度，并且不粗糙的表面。
“薄”涂层或材料可具有介于约2nm至约500nm范围的厚度，并且期望为约5nm的厚度。
“同质”涂层或材料具有2nm以下的厚度。本发明的ALD工艺能够沉积薄且同质的涂层。
“共形”(例如，“共形”涂层)表示覆盖组件的整个区域使得所有表面均被覆盖，无论组件的形状、结构或角度或放置情况(例如，在真空室中)如何。要注意的是，由于ALD工艺的沉积性质提供了共形涂层，因此期望本发明中的ALD工艺不需要组件旋转或作行星式运动。
本发明中的术语“剃刀刀片”旨在表示包括不锈钢的“基底”，其包括刀片主体和至少一个侧翼。期望剃刀刀片包括形成刀刃的两个侧翼和刀片主体。所述两个侧翼相交于一点或尖端或常常称作最终尖端的部位。每个侧翼可具有一个、两个或更多个斜面。刀片主体一般为侧翼或斜面下面的剃刀刀片的剩余区域。如图1的图注部分所示，刀片12包括刀片主体21、两个侧翼24中的每一个的两个斜面26，所述两个侧翼相交于形成刀刃25的尖端23。“基底”表示在本发明中被ALD工艺作用的物质或材料。预期本发明的基底也可包括其他金属、塑料、纸材或任何其他物质。本文的例证性实施方案涉及通常用于形成剃刀刀片的不锈钢基底。
“刀片尖端半径”(常常称作“最终尖端半径”)表示半径测量，所述半径测量靠近所述两个侧翼相交的位置在剃刀刀片的最终尖端的圆形区域中测得，并且可在剃刀刀片上测量，不论所述刀片是涂覆的还是未涂覆的。如本领域一般已知的那样，对刀片尖端半径的描述见于公布于1991年9月17日的题目为“Razor Blade Technology”的美国专利5,048,191、和公布于1991年10月15日的题目为“Razor BladeTechnology”的美国专利5,056,227，前述专利转让给了本文的受让人。
图1-7示出了“原子层沉积”(ALD)工艺的一个例证性实例，所述工艺用于将氧化锆或ZrO2涂层沉积到根据本发明提供的不锈钢剃刀刀片基底上。
现在参见图1，其描绘了真空室系统10的方框图，所述系统具有定位在真空室11内的多个剃刀刀片12。剃刀刀片12一般具有刀片主体21、刀片尖端23和刀刃24。剃刀刀片12可按任何方式被布置在所述真空室内。如图所示，剃刀刀片彼此邻近地被定位在常常称作剃刀刀片锭子的排列中。然而，也可使用隔片18将它们设置成彼此之间具有空间(如图1A所示)。通过使用隔片18，增加了对刀片12的刀片主体21的涂层覆盖率。
刀片12也可被设置成刀刃和尖端面向相反的方向或彼此成不同的角度(未示出)。本发明设想到了刀片12的任何可行的取向。
在为ALD工艺作准备时，理想地在初始时使用真空泵13通过阀门14将真空室11抽空(或吹扫掉所有的化学物质或气体)。然后开启加热器8a和8b，并且可将它们设定在环境温度或室温(20至25℃)至约500℃之间，并且理想地设定在约150℃至约400℃之间。在本文所述的整个ALD工艺中，真空室11内的压力条件可在约0.01托至约3.0托范围内，并且可理想地为约1托。
大约在此时，如图2所示，将第一沉积前体22通过输入阀15引入到真空室11中。在该实例中，第一前体22为呈蒸气形式的氯化锆(ZrCl4)。图2描绘了图1的刀片尖端横截面12a，其示出了两个刀片尖端区域的近距离视图，所述区域具有尖端23和侧翼24以及浮置在真空室11中的ZrCl4气体分子22。
随后，第一沉积前体22或ZrCl4蒸气如图3所示在真空室11中在刀片侧翼24上形成材料的吸收层32。层32被认为是吸收的，因为其为在真空室11中已从蒸气22聚集在了刀片侧翼24的表面上的凝结层。
应当指出的是，虽然图2和3的近距离视图仅示出了刀片侧翼24和刀片尖端23，但在本发明的工艺中，处在真空条件中的包括刀片主体21和侧翼24的刀片12的任何暴露表面均将被完全且共形地涂覆。这示出于例如图6中，其中刀片侧翼24被涂层共形地覆盖；并且也示出于图10中，其中刀片主体121和刀片侧翼124被共形地涂覆。
如上文所述地获得的与温度和大气压相关的第一真空条件有效地允许形成吸收层32。吸收层32的厚度范围可为约0.1nm至约0.3nm，并且如图3所示，吸收层32可理想地在各处均具有相当均匀的厚度。
然后通过经由输入阀16引入惰性气体(理想地氩气或氮气)从真空室11中吹扫掉残留在真空室11中的第一沉积前体22或ZrCl4蒸气，从而提供第二真空条件，所述第二真空条件有效地允许第二沉积前体被引入到所述真空室中以形成另一个材料单层，如下所述。
如图4所示，其示出了先前涂覆有材料吸收层32的刀片侧翼24的近距离视图，并且然后根据本发明，将第二沉积前体42通过输入阀17引入到所述真空室中。在该实施方案中，第二沉积前体42理想地为以气体(例如，H2O气体)形式存在的“水”，其也可被称作“水蒸汽”。图4示出了刚刚在其被引入到真空室11中并被由浮置在真空室11中的元素表示之后的第二沉积前体42。如前所述，整个刀片12(包括刀片主体21，虽然未示出)均处在所述真空室条件中。
然后真空室11中的第二沉积前体42或H2O气体与ZrCl4层32反应以产生材料第一单层52(在该实例中，如图5所示的氧化锆或ZrO2)。ZrO2材料第一单层52将理想地不会成为吸收层，如ZrCl4材料的吸收层32。第一单层52的厚度范围可为约0.1nm至约0.3nm。如图5所示，第一单层52可具有基本上均匀的厚度。
在第一ALD工艺循环期间，吸收层32已有效地贡献于ZrO2材料第一单层52的形成。由于当使用ALD工艺时一次仅产生一个单层(例如，ZrO2)，因此通过按所需的次数重复上述过程可获得期望的涂层或膜厚度。以该方式，第二单层52’一般在第一单层52的顶部上形成，第三单层52”在第二单层52’的顶部上形成(例如，提供各单层的套叠层化)等，直到获得所期望的涂层或厚度。因此，可理解的是，任何数目的附加的材料单层均可沉积在第一单层52的顶部上以形成所期望的最终涂层或膜62，如图6所示。
在重复每个此类ALD工艺或循环之前，期望从真空室11中吹扫掉残留的气体(通过输出阀14并且通过输出真空泵13)。
为了便于示例，图6描绘了仅约三(3)个单层52，将所述仅约三(3)个单层52沉积到刀片侧翼24上，从而形成涂层62，所述单层是在重复了结合图1-5的上述过程约三次之后形成的。因此，图6中的涂层62的厚度可按近为小于各个单层52，52’和52”的约三倍厚度。应当理解，虽然涂层62的厚度可接近为约各个单层52，52’和52”的厚度的总和，但由于单独成层的单层的最密集性质，涂层62的厚度可小于各个单层52，52’和52”的厚度的约线性倍数。
ALD被重复的次数或循环数一般可取决于被沉积材料的性质(例如，原子尺寸)和期望的最终涂层厚度。期望的最终涂层的厚度范围可理想地为约5nm至约500nm。在期望较厚涂层(例如，至多约2000nm)的情况下，重复较多次数的ALD循环。在期望较薄的同质涂层(例如，2nm以下)的情况下，重复较少次数的ALD循环。因此针对使用的材料的性质和类型，有必要重复ALD工艺三次以上以获得期望的厚度。例如，在本发明中，ALD工艺可被重复大约50至约5000次，因此可沉积约50至约5000个单个单层，从而形成最终涂层。例如，可容易地推断得知，图6所示的最终涂层62可为期望的最终涂层(就厚度和其他性能方面而言)，并且为了示例的目的，如果厚度为约100nm，则可假定是在约1000次ALD工艺的重复或循环之后形成的。
因此，图6中的最终涂层理想地为通过ALD工艺形成的共形涂层，所述ALD工艺采用了能够在所有表面上完全覆盖各组件例如剃刀刀片的气体化学处理法。此外，期望如图6所示的最终涂层具有基本上零孔隙率并且基本上没有膜柱状生长(例如，致密的)。也期望最终涂层62为均匀的，因为其在整个沉积区域中一般将具有相同的特征和厚度，并且此外在ALD工艺完成之后将具有光滑且平整的表面形态。这些涂层性能相对于上述现有技术的工艺的涂层性能来讲得到了极大的改善。
此外，在ALD工艺完成之后，虽然期望涂层62的厚度在刀片的所有区域中为均匀的，但在某些情况下，涂层62的刀片尖端半径63(示出于图7中)可在约80nm至约300nm范围内。继而，这些ALD涂覆的刀片可潜在地具有相对高的羊毛毡切削力(例如，2至3磅)，因此，这不是期望的，因为如背景技术部分所述，在高羊毛毡切削力的情况下，刀刃的剃刮能力不太强。期望可剃刮毛发的刀刃需要具有小于约1.6磅的羊毛毡切削力(例如，L5)。
为了有助于减小羊毛毡切削力(如有必要)，根据本发明的另一方面，所述涂层的蚀刻或理想地定向蚀刻在ALD工艺完成之后进行或在ALD工艺期间和/或在ALD工艺完成之后间歇地进行。本发明中的蚀刻表示如下能力：选择性地除去沉积涂层的某些区域，从而有效地使其变得较薄。
应当指出的是，现有技术中的ALD沉积不涉及对膜或基底的蚀刻，因为这会阻止膜生长并且将不存在竞争反应通道。在本发明中，蚀刻ALD沉积的层在很多情况下是期望的，具体地讲用于最小化膜生长(例如，成形刀刃区域中的涂层以改进刀片尖端半径)。
定向蚀刻表示，在蚀刻工艺期间可控制蚀刻所发生的方向或角度。用以减小羊毛毡切削力的蚀刻工艺可被定制成在刀刃区域或刀片尖端区域或刀片侧翼中的涂层上执行；然而，本发明也设想到蚀刻刀片主体上的涂层，如下文结合图11所述。
定向蚀刻可理想地通过离子蚀刻工艺来进行，所述离子蚀刻工艺是“原位”执行的，其中刀片在真空室11中不需要被重新定位或换句话讲被移动。本发明的离子蚀刻可理想地使用约1.5kW功率的射频源来进行，真空条件为约10毫托的氩气，并结合使用诸如Veeco 3cm栅极式DC(CSC)离子源之类的仪器。
如图7所示，在本发明的一个方面，离子蚀刻工序71可紧接在图1-6的ALD工艺之后执行，在所述ALD工艺之后刀片尖端23区域周围的涂层62可被成型为用于减小刀片尖端半径63，以在蚀刻上部76a(例如，刀片尖端区域)中的涂层74之后提供改进的刀片尖端半径72。如图7所描述的那样，在蚀刻完成之后，两个斜面75a和75b在刀片尖端77的两侧上形成。这些斜面75a和75b位于刀片侧翼部分76的上部76a中，所述刀片侧翼部分具有如图7所示的刀片侧翼长度78。从如图7所描述的刀片12的最终尖端77开始，刀片侧翼长度78可在约100nm或0.1微米的范围内(例如，T.1)。刀片的总刀片侧翼部分24(部分地示出)通常延伸超过图7所示的长度78并且可在约150微米至约350微米范围内。因此，在该实例中，虽然蚀刻所发生的区域靠近刀片尖端77，但在剃刀刀片的总刀片侧翼部分24中可理想地存在一个或多个附加斜面，并且因此所述斜面中的未示出的一些可被设置在长度78以外(例如，从最终尖端77开始大于100nm)，并且如果需要也可被蚀刻。
应当指出，蚀刻或各向异性蚀刻因其性质的缘故具有角度依赖性，因此当以不同角度蚀刻时，所述蚀刻一般是以不同的速率进行的。通常，蚀刻的速率可在尖端处较快并且在侧翼处较慢，从而有助于成形出最佳锋利边缘。蚀刻通常可在角度较小时进行得较慢，并且在角度较大时进行得较快。
如上参照图6所述，刀片尖端半径63可在约80nm至约300nm范围内。图7的刀片尖端半径72(在蚀刻工序71和ALD工艺均完成之后)可在约15nm至约40nm范围内，并且理想地为约20nm。因此，在蚀刻之后，从刀片尖端半径63到刀片尖端半径72的减小量可为至少约10％。在完成蚀刻工艺之后，蚀刻过的层74的羊毛毡切削力也可因此被进一步减小至期望的约1.0磅至约1.5磅，这处在能够剃刮的刀刃的最佳范围内。应当指出的是，蚀刻工艺一般不影响所产生的ALD涂层的均匀度和致密度。
如上所述，本发明的蚀刻工艺可按期望在ALD工艺之后进行和/或在ALD工艺期间以一个或多个间歇进行，从而成形刀片尖端涂层并且获得期望的刀片尖端半径。如果以ALD工艺的一个或多个间歇来执行蚀刻，则一般将停止ALD工艺以执行所述蚀刻。这与现有技术中的很多沉积工艺形成对比，所述很多沉积工艺能够与如上所述的沉积同时地进行蚀刻。
可产生类似的改进的并且也是本发明所设想到的其他蚀刻方法包括但不限于光基(例如，激光)蚀刻、RF蚀刻、等离子蚀刻、化学蚀刻或它们的任何组合。
在本发明中，如上参照图1-6所述地使用ALD工艺将最终涂层62沉积在刀片上所花费的总时间可在约1分钟至约10小时范围内，并且理想地为约6至15分钟。在本发明中，在刀片上执行附加的原位离子蚀刻工艺(其在用ALD沉积最终涂层之后执行)所花费的时间可在约2分钟至约60分钟范围内，并且理想地为约20至30分钟。
在本发明的上述实施方案的另一个例证性实例中，第一沉积前体可为氯化铪以在刀片侧翼上形成HfCl4的吸收层，并且第二沉积前体可为水蒸汽以产生一个氧化铪或HfO2单层涂层。如上所述，可按所需的次数来重复沉积吸收的HfCl4层以形成第一氧化铪或HfO2单层涂层的过程，从而产生具有期望的膜厚度的多个HfO2单层。一般来讲，如上所述，在重复每个此类循环之前，期望从真空室11中吹扫掉残留的气体(通过阀门14并且通过真空泵13)。因此，任何数目的附加的HfO2材料单层均可被沉积在初始HfO2单层的顶部上以形成最终涂层，所述最终涂层具有如上文结合图6所述的期望的特征(例如，厚度、密度、均匀度)。类似地，如上文参照图7所述，如有必要，可在产生HfO2最终涂层期间或之后进行原位离子蚀刻工艺以减小刀片尖端半径。
图8示出了在用ALD方式沉积了氧化铪涂层之后的进行蚀刻和未进行蚀刻情况下的用作比较的刀片尖端的实际扫描电镜(SEM)照片。如图所示，SEM照片82描绘了在使用ALD工艺之后而未蚀刻的涂覆的(非蚀刻的)刀片尖端83。SEM照片84和86描绘了照片82的ALD涂覆的刀片尖端83，所述刀片尖端具有根据本发明执行的原位离子蚀刻，从而产生了具有蚀刻的涂层的改进的刀片尖端85。SEM照片86描绘了蚀刻之后的具有刀片尖端85的照片84的横截面。当比较这些照片时，用肉眼即可见到与刀片尖端83的非蚀刻的ALD涂层相比的、在ALD工艺之后蚀刻过的刀片尖端85的刀片尖端半径和均匀度以及其他特征方面的改进之处。刀片尖端83的刀片尖端半径83a可在约80nm至约300nm范围内。刀片尖端85的刀片尖端半径85a(在ALD和蚀刻工艺均完成之后)可在约15nm至约40nm范围内，并且理想地为约20nm。因此，蚀刻之后的刀片尖端83的刀片尖端半径83a至刀片尖端85的刀片尖端半径85a的减小可为至少约10％，并且理想地为至少约50％。在完成了蚀刻工艺之后，蚀刻过的涂覆的刀片尖端85的羊毛毡切削力相对于刀片尖端83来讲可进一步减小至期望的约1.0磅至约1.5磅(处在能够剃刮的刀片的最佳范围内)。
可见与现有技术的工艺相比，对剃刀刀片基底应用ALD工艺或具有蚀刻的ALD工艺(ALD/蚀刻)具有很多优点。一个主要优点是，在ALD或ALD/蚀刻工艺中的任何时候剃刀刀片均无需在真空室中旋转或作行星式运动。ALD或ALD/蚀刻工艺产生覆盖刀片基底的所有区域的共形涂层，所述区域包括刀片主体21和刀片侧翼24的所有暴露表面，因而不仅仅如在现有技术的工艺中那样只是刀片侧翼的一部分。因此，ALD或ALD/蚀刻工艺允许产生全系列的涂层，这取决于气体化学处理法而不是如在现有技术的工艺例如PVD的情形中那样取决于达到物理靶标的能力。以该方式，ALD潜在地为一种成本低于传统PVD工艺的工艺。
另一个优点是，所得涂层是致密的，这是由于其是使用要求一次沉积一个单层的原子成层工艺来施加的，同时还由于每个后续原子层均是与前一个原子层套叠的或紧密堆集的，从而提供了具有基本上零孔隙率的涂层。一般已知的是，涂层越致密，则其相对于不太致密的涂层例如现有技术中的那些的随时间的耐磨性就越好。ALD制备的涂层一般比现有技术的涂层更致密。令人信服的是，ALD制备的涂层可比现有技术的涂层致密至少约5％，并且期望更致密地大于约10％。
由于目前技术中的刀片是朝不断增加的细长方向发展的，因此实现了对确保坚固边缘区域的需求，尽管该细长倾向越来越强烈。ALD工艺提供了一种具有膜或涂层的剃刀刀片，所述膜或涂层具有共形性质，从而允许整个刀片表面(刀片侧翼和刀片主体)均被均匀且致密地涂覆。这种增加的均匀度和致密度(尤其是在刀片侧翼区域中)产生了更坚固、更坚硬的涂层，所述涂层继而有助于提供改进的坚固的、坚硬的刀刃区域(或主体)。
实际上，ALD工艺可提供一种相对于现有技术的向刀片或刀刃(或侧翼)提供强度的方法。换用实例来讲：如果比较一个“薄的”200nm厚的现有技术的涂层(例如，用上述PVD技术制备的)，其很可能将不会如“薄的”200nm厚的ALD制备的涂层那样坚固或坚硬，而当ALD制备的涂层的厚度与现有技术的涂层相同时，ALD制备的涂层将似乎比现有技术的涂层更致密且更均匀。
因此，令人信服的是，甚至较薄的ALD制备的涂层(例如，100nm)也可产生与较厚的现有技术(例如，200nm)的涂层相同的强度和硬度性能。这表明可期望将ALD沉积工艺用于涂层以减小沉积时间和成本，并且在制造期间增加效率。
因此，由此断定ALD工艺的一个主要优点似乎可为，可将较薄的ALD涂层沉积在刀片或刀片侧翼上，以获得与使用现有技术的工艺(例如PVD)沉积的较厚涂层相当的强度和硬度水平。
本发明的基本过程描绘于图9所示的流程图中。在步骤91处，吹扫并抽空真空室以提供第一真空条件，随后在步骤92处引入第一沉积前体，所述第一沉积前体在步骤93处形成吸收层。在步骤94处，再次吹扫并抽空真空室以建立第二真空条件，随后在步骤95处引入第二沉积前体，所述第二沉积前体在步骤96处形成第一单层。在步骤97处，如果尚未获得期望的单层厚度，则重复工序91-96；如果已获得了期望的单层厚度，则(如有必要)在步骤98处执行蚀刻工艺(例如，原位离子蚀刻)以改善刀片尖端周围的涂层。步骤98a表明，如果期望进行中间或夹层蚀刻，则也可在各次重复的循环之间执行蚀刻工艺。在步骤99处获得最终涂层，所述最终涂层可为或可不为蚀刻过的。
在本发明的另一方面，预期可引入任何类型的材料以用作第一沉积前体，并且可引入任何类型的材料以用作第二沉积前体。
例如，除了上文所详述的前体实例以外，还可使用其他化合物例如氯化钛或氯化铝。当选择本发明中的第一沉积前体化合物时，通常期望的特征为，所述前体具有通常高的介电常数和热稳定性、不会自分解或溶解到所述膜或基底中。
至于第二沉积前体，将包括氧的最终涂层62可能需要氧源。因此，任何具有氧源的化合物均可为合适的，例如如上所述的水蒸汽。然而，使用水蒸汽作为氧源的一个潜在缺点可为，从所述真空室中充分地除去水蒸汽所需的吹扫时间可能较长，并且较长的吹扫时间一般会导致低生产能力(例如，每小时涂覆的刀片数目)并且继而导致较高的成本。可使用任何其他化合物作为氧源以替代使用水蒸汽作为第二沉积前体。本发明设想到的一种其他氧源化合物为臭氧(O3)。
本发明设想到用最终涂层的混合层或可能不同类型的单层来形成超晶格涂层或多层的涂层，其中不同材料的涂层成层在彼此的顶部上。可按期望选择不同类型的涂层材料的数目和层的数目，并且这些超晶格涂层可提供具有有益硬度和密度的涂层。
在本发明的又一方面，剃刀刀片基底可包括刀片，所述刀片由具有或不具有顶层涂层的钢构成，所述涂层具有但不限于以下成分：铬(Cr)、类金刚石碳(DLC)、非晶态金刚石、铬/铂(Cr/Pt)、钛(Ti)、氮化钛(Ti/N)或铌(Nb)或它们的任何组合。
此外，剃刀刀片基底还可由夹层构成，所述夹层可为任何类型，例如但不限于铝(Al)、钛(Ti)、镍(Ni)、铜(Cu)、锆(Zr)、铌(Nb)、钼(Mo)、钯(Pd)、铪(Hf)、钽(Ta)、铬(Cr)、钨(W)、类金刚石碳(DLC)、或它们的任何组合。
在本发明的又一方面，基底可在启动ALD工艺之前被改性。例如，剃刀刀片的基底可被改性以提供化合物对基底的更好的粘附性。初始时可将基底(例如，刀片主体和/或侧翼)在UV臭氧、RF或DC等离子环境中清洁约5至约15分钟以改善前体的粘附性并因此改善最终涂层。
与现有技术的PVD工艺形成对比的是，如上所述，本发明的ALD工艺在默认情况下被应用到整个刀片主体(例如，不仅是刀片侧翼)，并且因此ALD工艺可具有用于剃刀刀片侧翼和剃刀刀片主体的更多应用。
例如，可期望在刀片侧翼或刀片主体上提供范围广泛的颜色、文字、图形或其他标记或特征或它们的任何组合。
在一个例证性实施方案即如图10所示的剃刀刀片100中，具有侧翼124、尖端123、边缘125和主体121的剃刀刀片112的第一或下涂层114可使用ALD工艺来形成，其具有某种特征或颜色(例如，蓝色)，并且第二或上涂层116可形成在下涂层114的顶部表面上，其具有另一种特征或颜色(例如，绿色)，使得随着使用，棕色/金色的上涂层116被磨掉从而露出蓝色的下涂层114。应当指出的是，本文所述的最终涂层HfO2可提供蓝色，并且TiO2涂层可提供棕色/金色至红色。因此，如果颜色从绿色转变为红色(例如，类似于交通灯)，则可潜在地向使用者指示刀片的使用不再安全了。很多钛材料可提供颜色。然而，本发明设想到了可提供相异特征或颜色或任何数目的涂层的任何类型的材料，并且对用于剃刀刀片的彩色涂层的材料的进一步描述可见于提交于2004年6月3日的题目为“Colored Razor Blades”的美国专利公布2005/0268470A1，前述专利公布转让给了本文的受让人。
此外，本发明也设想到了如下的一个实施方案：其中图11的剃刀刀片110包括刀片侧翼124，所述刀片侧翼具有通过ALD工艺施加的具有第一颜色(例如，绿色)的第一涂层114和具有第二颜色(例如，粉红色)的第二或上涂层116，其中第二涂层116可随后在如图11所示的某些区域中被蚀刻，使得彩色的第一涂层114在蚀刻出的区域中显露出来。在图11中，蚀刻出的区域露出了刀片侧翼124上的第一涂层114，所述区域例证性地示出了拼出商标名Venus
Figure BDA0000131417060000171
这个字的几个字母。本发明设想到了任何数目的位置排列或不同的方面或特征。
图11还示出了如上所述地使用ALD工艺将涂层114和116施加到刀片主体121并随后蚀刻出露出了刀片侧翼124上的第一涂层114的区域的概念，所述区域再次例证性地示出了拼出了商标名Venus
Figure BDA0000131417060000172
这个字的几个字母。
在本发明中，可在ALD工艺期间或之后沉积或蚀刻任何颜色、文字、图形、特征或其他标记或它们的任何组合。
除此之外，替代蚀刻，本文所述的ALD工艺也可结合钢掩模或模板来使用(例如，通过使用由钢或玻璃制成的以光刻方式蚀刻的掩模)，以便将图形、设计或文字放置在基底上。这种放置也可包括将图形、设计或文字绘画或印刷(例如，激光或喷墨印刷)在基底上。如图12所示，在ALD工艺期间或之后，可使用钢掩模或刻板127在剃刀刀片主体和边缘上获得选定区域126，所述掩模或刻板具有分别放置在所选定的刀片区域126上的孔127a。孔127a可如图12所示地为选定区域126提供拼出了商标名Venus
Figure BDA0000131417060000181
这个字的几个字母或花或其他设计。
取决于特定的掩模或刻板，选定区域126应当代表ALD涂层被沉积的位置或者ALD涂层不被沉积的位置，这取决于所期望的结果。
以该方式，ALD沉积区域为可选择的，并且本发明可设想到任何数目的位置排列和不同的方面或特征。
此外，本发明并不限于将ALD工艺用于涂覆剃刀刀片。例如，如本文所述的ALD工艺可用来将材料放置在任何剃刀组件上，包括但不限于剃刀刀片架夹片、刀片支撑体、弯曲刀片或剃刀柄部的任何部件(例如，金属部件)或它们的任何部分。因此，可如本发明所述地涂覆和蚀刻任何前述金属剃刀组件。
此外，本发明还设想到将本文所述的ALD工艺用于涂覆任何类型的基底或材料例如非金属表面或基底，包括但不限于如下应用区域中的纸材、木材、陶瓷、塑料、玻璃、织物，所述应用区域包括但不限于家庭、健康/医药、美容、女性、婴儿、个人、织物、宠物和食品。
除了使用如上所述的ALD工艺将无机材料沉积在金属上以外，本发明还设想到可使用本文所述的一般ALD工艺将任何聚合物或弹性体涂覆上任何有机或有机金属材料(例如，包含与碳相联的金属或准金属的有机化合物)。
一个实例可为将ALD工艺应用到其他剃刀组件上，例如剃刀刀片架、刀片架连接结构、外壳和/或弹性体或任何润滑体。
例如，本发明设想到，ALD沉积可用来将有机金属或抗微生物涂层或试剂例如银或异噻唑啉酮(它们可表现出抗真菌和抗菌特性)放置在弹性体剃刀柄部或牙刷上，并且蚀刻可用来在涂层的外表面内或在所述外表面上产生脊或文字或其他方面。可设想到的是，如果期望同质涂层(例如，通常小于2nm的厚度)，则可需要较少次数的总ALD循环来获得抗微生物涂层。
因此，本发明的新型方面似乎等同地适用于能够使用ALD沉积技术和/或蚀刻工艺来涂覆的任何基底。取决于所期望的设计选型和所选择的沉积材料，这些ALD沉积的厚度可在约0.1nm至约2000nm的广泛范围内。如果所期望的是材料单层，则厚度可为约0.5nm；或如果所期望的是薄的材料层，则这种沉积的涂层的各层厚度可为约5nm。
此外，关于剃刀刀片，由于在ALD和蚀刻工艺之后，刀片侧翼很可能被涂覆有聚合材料例如聚四氟乙烯或PTFE(或某种形式的Teflon
Figure BDA0000131417060000191
)(常常称作调聚物)，因此本发明也设想到，所述聚合材料的涂覆可在ALD工艺和/或蚀刻工艺期间通过使用已知的现有技术的沉积工艺来进行。
此外，还可在现有技术的膜或涂层沉积之前、期间或之后使用本发明的ALD工艺和/或蚀刻工艺。例如，结合现有技术的涂层，ALD和/或蚀刻工艺可用来提供一个或多个夹层、下伏层或上伏层或它们的任何组合。已经使用现有技术的PVD工艺涂覆过的剃刀刀片可继而随后使用本发明的ALD和/或具有蚀刻工艺的ALD被沉积上某个上伏层，以改善表面光滑度或致密度。
本文所公开的量纲和值不旨在被理解为严格地限于所述的精确值。相反，除非另外指明，每个这样的量纲是指所引用的数值和围绕该数值的功能上等同的范围。例如，公开为“40mm”的量纲旨在表示“约40mm”。
在发明详述中所有引用文献在相关部分均以引用方式并入本文中。任何文献的引用不可理解为是对其作为本发明的现有技术的认可。当该书面文件中术语的任何含义或定义与以引用方式并入的文件中术语的任何任何含义或定义矛盾时，应当服从在该书面文件中赋予该术语的含义或定义。
尽管举例说明和描述了本发明的特定实施方案，但是对本领域的技术人员显而易见的是，在不脱离本发明的实质和范围的情况下可作出许多其他的改变和变型。因此，所附权利要求旨在涵盖处于本发明范围内的所有这些改变和变型。

Claims (15)

1.一种用于涂覆剃刀刀片的方法，其特征在于：
使用原子层沉积(ALD)工艺在被定位在真空室中的至少一个剃刀刀片上沉积至少一种材料的至少一个涂层，其中所述至少一个涂层覆盖至少一个刀片侧翼的整个表面和所述至少一个剃刀刀片的刀片主体的表面的至少一部分；以及
蚀刻所述至少一个涂层。
2.如权利要求1所述的方法，其中所述涂层的所述蚀刻发生在所述至少一个刀片侧翼上或所述刀片主体上或既发生在所述刀片侧翼上也发生在所述刀片主体上。
3.如权利要求1所述的方法，其中所述蚀刻除去所述涂层以产生在约15nm至约40nm范围内的刀片尖端半径。
4.如权利要求1所述的方法，其中所述蚀刻发生在所述原子层沉积工艺期间、所述原子层沉积工艺之后，或既发生在所述原子层沉积工艺期间也发生在所述原子层沉积工艺之后。
5.如权利要求1所述的方法，其中所述蚀刻包括定向的原位离子蚀刻、化学蚀刻、RF蚀刻、等离子光基蚀刻或它们的任何组合。
6.如权利要求1所述的方法，其中所述涂层为共形的，具有基本上均匀的厚度、光滑的表面形态和基本上零孔隙率。
7.如权利要求1所述的方法，其中所述涂层具有在约0.1nm至约500nm范围内的厚度。
8.如权利要求1所述的方法，其中所述原子层沉积工艺的特征还在于：
a.将第一材料的第一单层沉积到所述至少一个剃刀刀片上；
b.将第二材料的第二单层沉积到所述至少一个剃刀刀片上；
c.重复步骤(a)和(b)直到产生所述至少一个涂层的最佳厚度；并且
其中步骤(a)或(b)还包括以下步骤：
d.抽空所述真空室；
e.将第一沉积前体引入到所述真空室中以在所述至少一个剃刀刀片上形成吸收层；
f.吹扫所述真空室；以及
g.将第二沉积前体引入到所述真空室中以在所述至少一个剃刀刀片上产生所述材料的单层。
9.如权利要求8所述的方法，其中所述第一材料和第二材料是相同的。
10.如权利要求10所述的方法，其中所述第一沉积前体包括氯化锆、氯化铪、氯化铝、或氯化钛、或它们的任何组合，并且所述第二沉积前体包括水蒸汽，并且其中所述剃刀刀片由以下材料构成：钢、铬(Cr)、类金刚石碳(DLC)、非晶态金刚石、铬/铂(Cr/Pt)、钛、氮化钛或铌或它们的任何组合。
11.一种使用如权利要求1所述的方法形成的剃刀刀片。
12.一种剃刀刀片，其特征在于：第一材料的第一涂层和第二材料的第二涂层，其中所述第一涂层和第二涂层中的至少一个是使用原子层沉积工艺沉积的，并且其中所述第二涂层沉积在所述第一涂层的顶部表面上。
13.如权利要求12所述的剃刀刀片，其中所述第二涂层部分地覆盖所述第一涂层。
14.如权利要求12所述的剃刀刀片，其中所述第二涂层的至少一部分通过蚀刻被除去。
15.如权利要求12所述的剃刀刀片，其中所述第一材料包括第一特性，并且所述第二材料包括第二特性。
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