Результат интеллектуальной деятельности: ЛЕЗВИЕ ОФТАЛЬМОМИКРОХИРУРГИЧЕСКОЕ

Изобретение относится к хирургическим режущим инструментам, для создания которых используются достижения современных нанотехнологий, и может быть использовано для проведения микрохирургических операций в офтальмологии.

Известно лезвие медицинское по патенту Российской Федерации №2331377, которое содержит корпус с крепежной частью и режущую кромку. Отличительной особенностью указанного технического решения является то, что все поверхности, ограничивающие лезвие медицинское, покрыты слоем аморфного диоксида кремния толщиной не менее 0,7 мкм (7000 Å), а основание корпуса и клинообразная режущая кромка выполнены из пластины монокристаллического кремния.

Однако приведенное выше техническое решение обладает рядом существенных недостатков: недостаточной прочностью и недостаточной твердостью.

Технический результат: повышение прочности и повышение твердости.

Технический результат достигается тем, что в лезвии офтальмомикрохирургическом, содержащем корпус с основанием из монокристаллического кремния и режущую кромку, основание корпуса и клинообразная режущая кромка покрыты слоями термически выращенного диоксида кремния толщиной (700÷1200) Å и нитрида кремния толщиной (100÷1200) Å.

Разработанная авторами в результате многолетних исследований совокупность существенных отличительных признаков является необходимой и достаточной для однозначного достижения заявленного технического результата.

Изобретение поясняется чертежом, представленном на фигуре 1.

На фигуре 1 обозначено:

1 - основание корпуса;

2 - клинообразная режущая кромка;

3 - аморфная пленка диоксида кремния,

4 - аморфная пленка нитрида кремния.

Предложенное изобретение выполнено следующим образом. Лезвие офтальмомикрохирургическое содержит основание 1 и клинообразную режущую кромку 2, конструктивно выполненные как единое целое из пластины монокристаллического кремния. При этом режущая кромка 2 представляет собой линию пересечения кристаллографических плоскостей (100) и (111) пластины монокристаллического кремния. Основание и кристаллографические плоскости, линия пересечения которых образует клинообразную режущую кромку 2, покрыты первым аморфным слоем 3 термически выращенного диоксида кремния толщиной (700÷1200) Å, на поверхности которого сформирован второй слой 4, выполненный из нитрида кремния толщиной (100÷1200) Å, представляющий собой аморфную структуру.

Авторы провели многочисленные технические и технологические испытания, которые показали следующее. Толщина слоя 3 аморфного диоксида кремния не может быть менее чем 700 Å, так как при меньших значениях толщин пленок диоксида кремния значительно уменьшается адгезия, что приводит к снижению механической прочности лезвия офтальмомикрохирургического. Кроме того, при значениях толщин пленок диоксида кремния менее 700 Å в термически выращенных пленках диоксида кремния наблюдается сравнительно большая плотность дефектов более 0,5 дефекта на квадратный сантиметр поверхности, что связано с островковым механизмом роста пленок диоксида кремния. При толщинах пленок диоксида кремния менее 700 Å в физической структуре лезвия монокристаллический кремний - пленка аморфного диоксида кремния - пленка аморфного нитрида кремния наблюдаются сравнительно высокие значения механических напряжений, приводящие к нарушению целостности покрытия, сформированного на основе слоев нитрида кремния в силу разницы величин коэффициентов линейного теплового расширения (КЛТР), так, для монокристаллического кремния ά=2,33×10^-6 К^-1, для пленок диоксида кремния ά=5,0×10^-7 К^-1, а для пленок нитрида кремния ά=4,8×10^-6 К^-1, где К^-1 - величина обратная температуре по шкале Кельвина.

Толщина слоя аморфного диоксида кремния не может быть более чем 1200 Å, так как увеличение толщины пленок диоксида кремния, сформированных на кристаллографических плоскостях (111) и (100) пластины монокристаллического кремния, линия пересечения которых образует клинообразную режущую кромку лезвия, приводит к увеличению радиуса округления режущей кромки, что является причиной ухудшения режущих свойств лезвия офтальмомикрохирургического. При этом величина радиуса скругления режущей кромки тем больше, чем больше величина толщины пленки диоксида кремния.

Толщина слоя 4 нитрида кремния, имеющего аморфную структуру, не может быть менее 100 Å, так как при меньшей величине толщины пленки нитрида кремния наблюдается резкое уменьшение твердости лезвия офтальмомикрохирургического из-за нарушения сплошности покрытия, которое в предложенном техническом решении выполняет функции наружного армирующего покрытия, формирующего каркас прочности лезвия офтальмомикрохирургического.

Толщина слоя аморфного нитрида кремния не может быть более 1200 Å, так как при больших толщинах пленок нитрида кремния в физической структуре, состоящей из монокристаллического кремния, покрытого аморфными слоями диоксида кремния и нитрида кремния, возникают большие по величине механические напряжения, приводящие к резкому снижению механической прочности лезвия офтальмомикрохирургического, а также к уменьшению величины адгезии пленок диоксида кремния. В некоторых случаях практического использования наблюдалось отслоение указанных покрытий от поверхности монокристаллического кремния. И, кроме того, увеличение толщины покрытия на основе пленок нитрида кремния приводит к увеличению радиуса скругления клинообразной режущей кромки, что отрицательно влияет на остроту режущих кромок лезвия офтальмомикрохирургического.

Изобретение выполнено следующим образом.

На пластине монокристаллического кремния групповыми методами, применяемыми в производстве полупроводниковых приборов и интегральных микросхем с использованием методов термического окисления пластин монокристаллического кремния в реакторе системы однозонной диффузионной, фотолитографической обработки с применением установок пошагового совмещения и экспонирования и оборудования фотохимической обработки пластин полупроводникового материала, травления пластин монокристаллического кремния в реакционных камерах оборудования линии химической обработки пластин полупроводникового материала, а также с использованием методов газофазного осаждения слоев нитрида кремния в реакторах пониженного давления установки осаждения диэлектрических слоев формируются физические структуры микролезвий в количестве до 100 шт. на одной пластине диаметром 100 мм.

Клинообразные режущие кромки лезвий образованы линиями пересечения кристаллографических плоскостей (111) и (100) пластины монокристаллического кремния. При этом величина угла наклона кристаллографических плоскостей (111) к основанию пластины монокристаллического кремния, представляющему в предлагаемом изобретении кристаллографическую плоскость (100), определяется строением элементарной кристаллической решетки монокристаллического материала. При использовании в качестве основания пластины монокристаллического кремния, ориентированной в кристаллической плоскости (100), этот угол наклона является строго фиксированным и составляет примерно 54°. Ширина режущей кромки такого лезвия напрямую зависит от величины постоянной элементарной решетки. Для монокристаллического кремния эта величина обычно изменяется в пределах от 20 до 50 значений постоянной решетки, которая в научно-технической литературе обозначается как а=5,431 Å. Конструкция лезвия на основе твердой пластины монокристаллического кремния характеризуется наибольшей остротой режущей кромки, которая не может быть достигнута ни одним из известных в настоящее время способов обработки, так как в этом случае величина радиуса скругления режущей кромки ограничена всего несколькими постоянными элементарной решетки а=5,431 Å.

Поверхности, ограничивающие основание и клинообразную режущую кромку, образованную линией пересечения кристаллографических плоскостей (100) и (111) пластины монокристаллического кремния, покрыты слоями термически выращенного при температуре порядка 1000°C диоксида кремния толщиной (700÷1200) Å, которые выполняют функции демпфирующего элемента конструкции, позволяющего уменьшить величину механических напряжений, возникающих в физической структуре лезвия аморфная пленка нитрида кремния - пластина монокристаллического кремния.

В связи с тем, что величины КЛТР пленок нитрида кремния и монокристаллического кремния отличаются более чем в два раза в предлагаемой физической структуре лезвия, возникает необходимость использования дополнительного технологического слоя, выполняющего функции демпфирующего элемента конструкции (или как принято в современной технической литературе - спейсера), обеспечивающего хорошую адгезию армирующего покрытия, обеспечивающего создание каркаса прочности, сформированного на основе аморфных пленок нитрида кремния, к поверхностям монокристаллического кремния. В качестве материала этого слоя был выбран термически выращенный при температуре порядка 1000°C на поверхности монокристаллического кремния слой диоксида кремния толщиной (700÷1200) Å. При этом величины КЛТР монокристаллического кремния и пленки диоксида кремния очень хорошо согласованы, что при наличии аморфной структуры термически выращенного слоя диоксида кремния позволяет в значительной мере снизить величину механических напряжений в физической структуре лезвия офтальмомикрохирургического.

Кремний как активный химический элемент при взаимодействии с кислородом атмосферы образует на поверхности монокристаллического кремния пленку естественного диоксида кремния толщиной (30÷120) Å, реакция образования пленки естественного диоксида кремния протекает в течение 3÷24 часов при нормальной влажности и нормальном атмосферном давлении. Но в силу отсутствия контроля качества поверхности исходного материала, а именно монокристаллического кремния указанная пленка естественного диоксида кремния обладает большим количеством пор и других дефектов, связанных с протеканием химических реакций образования пленок диоксида кремния. Поэтому для создания оптимальных условий, обеспечивающих сопряжение двух материалов монокристаллического кремния и аморфных пленок нитрида кремния по величинам КЛТР, используют пленки диоксида кремния, выращенные методом термического окисления пластин монокристаллического кремния в кварцевых или реакторах из поликристаллического кремния в строго контролируемых условиях, отвечающих требованием электровакуумной гигиены (ЭВГ) при температуре порядка 1000°C толщиной (700÷1200) Å. Пленки диоксида кремния, полученные методами термического прокисления поверхности пластин монокристаллического кремния, обладают высокой механической прочностью с минимальной плотностью дефектов в виде пор и отличной адгезией к поверхности монокристаллического кремния, так как в процессе протекания химической реакции, приводящей к образованию пленок диоксида кремния, происходит «съедание» некоторого количества исходного материала, а именно монокристаллического кремния. Соотношение, связывающее объем исходного монокристаллического кремния, затраченного на образование пленки диоксида кремния выглядит следующим образом:

H(Si)=1,44 H(SiO₂)

где

H(SiO₂) - толщина аморфной пленки диоксида кремния (SiO₂);

H(Si) - толщина слоя монокристаллического кремния (Si), затраченного для образования аморфного слоя диоксида кремния (SiO₂) толщиной H(SiO₂).

Аморфные пленки нитрида кремния, полученные методами газофазного осаждения из газообразного аммиака и газообразного моносилана в реакторах пониженного давления установок осаждения диэлектрических слоев при температуре порядка (630÷680)°C, обладая повышенной твердостью по отношению к аморфным пленкам диоксида кремния и пластине монокристаллического кремния, создают сплошное прочное покрытие на поверхности подстилающего слоя диоксида кремния, обеспечивающее формирование внешнего армирующего покрытия, позволяющего создать каркас прочности лезвий офтальмомикрохирургических.

Предложенная авторами конструкция позволяет:

Повысить механическую прочность лезвий офтальмомикрохирургических примерно в 3÷6 раз за счет уменьшения величины механических напряжений, возникающих в физической структуре лезвия пластина монокристаллического кремний - пленка нитрида кремния за счет использования технологического подслоя, выполненного на основе аморфных пленок диоксида кремния, исполняющего функции демпфирующего слоя толщиной от 700 Å до 1200 Å, а также за счет формирования внешнего армирующего покрытия, обеспечивающего создание каркаса прочности лезвия, выполненного из слоев нитрида кремния, обладающих аморфной структурой.

Повысить твердость лезвий офтальмомикрохирургических за счет использования покрытий на основе аморфных пленок нитрида кремния, с твердостью 8,9÷9,5 единиц по Моосу, выполняющего функции внешнего армирующего покрытия, обеспечивающих формирование каркаса прочности лезвий.

Сочетание сформированных на поверхностях режущих кромок аморфных пленок диоксида кремния и нитрида кремния обеспечивает получение физической структуры лезвий офтальмомикрохирургических с минимальной величиной механических напряжений, что наряду с регулирующим отжигом готовых структур практически полностью исключает вероятность механического повреждения лезвий.

В связи с повышенной твердостью использованного материала покрытия микролезвий, а именно пленок нитрида кремния, созданы условия для уменьшения величины хирургического реза с 2,2 мм до 1,75 мм и даже при совершенствовании конструкции лезвия микрохирургического до 1,25 мм при высоте режущей части лезвия микрохирургического на уровне 100 мкм.

Использование предложенного авторами изобретения однозначно позволяет обеспечить повышение прочности и твердости офтальмомикрохирургических лезвий за счет использования нанотехнологий.

Пример 1.

Применили групповые методы производства полупроводниковых приборов и интегральных микросхем на пластине монокристаллического кремния. Использовали методы термического окисления пластин монокристаллического кремния в реакторе системы однозонной диффузионной, фотолитографической обработки. Применили установку пошагового совмещения и экспонирования. Использовали оборудование фотохимической обработки пластин полупроводникового материала. Использовали оборудование травления пластин монокристаллического кремния в реакционных камерах. Использовали оборудование линии химической обработки пластин полупроводникового материала. Использовали методы газофазного осаждения слоев нитрида кремния в реакторах пониженного давления установки осаждения диэлектрических слоев. Сформировали физическую структуру микролезвия на одной пластине. Клинообразные режущие кромки лезвий образованы линиями пересечения кристаллографических плоскостей пластины монокристаллического кремния. Поверхности, ограничивающие основание и клинообразную режущую кромку, покрыты слоями термически выращенного при температуре 1000°C диоксида кремния.

Создано офтальмомикрохирургическое лезвие с клинообразной режущей кромкой, покрытой слоями термически выращенного диоксида кремния толщиной 700 Å и нитрида кремния толщиной 100 Å.

Пример 2.

Применили групповые методы производства полупроводниковых приборов и интегральных микросхем на пластине монокристаллического кремния. Использовали методы термического окисления пластин монокристаллического кремния в реакторе системы однозонной диффузионной, фотолитографической обработки. Применили установку пошагового совмещения и экспонирования. Использовали оборудование фотохимической обработки пластин полупроводникового материала. Использовали оборудование травления пластин монокристаллического кремния в реакционных камерах. Использовали оборудование линии химической обработки пластин полупроводникового материала. Использовали методы газофазного осаждения слоев нитрида кремния в реакторах пониженного давления установки осаждения диэлектрических слоев. Сформировали физическую структуру микролезвия на одной пластине. Клинообразные режущие кромки лезвий образованы линиями пересечения кристаллографических плоскостей пластины монокристаллического кремния. Поверхности, ограничивающие основание и клинообразную режущую кромку, покрыты слоями термически выращенного при температуре 1000°C диоксида кремния.

Создано офтальмомикрохирургическое лезвие с клинообразной режущей кромкой, покрытой слоями термически выращенного диоксида кремния толщиной 1200 Å и нитрида кремния толщиной 1200 Å.

Пример 3.

Применили групповые методы производства полупроводниковых приборов и интегральных микросхем на пластине монокристаллического кремния. Использовали методы термического окисления пластин монокристаллического кремния в реакторе системы однозонной диффузионной, фотолитографической обработки. Применили установку пошагового совмещения и экспонирования. Использовали оборудование фотохимической обработки пластин полупроводникового материала. Использовали оборудование травления пластин монокристаллического кремния в реакционных камерах. Использовали оборудование линии химической обработки пластин полупроводникового материала. Использовали методы газофазного осаждения слоев нитрида кремния в реакторах пониженного давления установки осаждения диэлектрических слоев. Сформировали физическую структуру микролезвия на одной пластине. Клинообразные режущие кромки лезвий образованы линиями пересечения кристаллографических плоскостей пластины монокристаллического кремния. Поверхности, ограничивающие основание и клинообразную режущую кромку, покрыты слоями термически выращенного при температуре 1000°C диоксида кремния.

Создано офтальмомикрохирургическое лезвие с клинообразной режущей кромкой, покрытой слоями термически выращенного диоксида кремния толщиной 950 Å и нитрида кремния толщиной 650 Å.