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, недостаточной твердостью и низким значением износостойкости.

Низкая механическая прочность лезвия прототипа связана напрямую с низкими значениями величин твердости как самого монокристаллического кремния, используемого в качестве материала основания корпуса, так и аморфных пленок диоксида кремния, сформированных на поверхностях, ограничивающих указанное выше основание корпуса с клинообразной режущей кромкой, образованной линией пересечения кристаллографических плоскостей (111) и (100) пластины монокристаллического кремния. При этом величина твердости монокристаллического кремния не превышает 7 единиц по шкале Мооса, в то время как аналогичная величина твердости для пленок диоксида кремния также не превышает 7 единиц по шкале Мооса.

Недостаточная величина твердости аморфных пленок диоксида кремния, формирующих армирующее покрытие и создающих каркас прочности физической структуры лезвия, не обеспечивает необходимую механическую прочность лезвий прототипа.

Низкое значение изностойкости лезвия, описание которого представлено в прототипе, связано с низкой величиной твердости армирующего покрытия из диоксида кремния, которая для пленок диоксида кремния не превышает 7 единиц по шкале Мооса, а также со сравнительно большой величиной радиуса скругления (R) клинообразной режущей кромки, напрямую зависящей от толщины пленки армирующего покрытия, сформированного на поверхностях клинообразной режущей кромки.

Технический результат: повышение прочности, повышение твердости и увеличение износостойкости.

Технический результат достигается тем, что в лезвии офтальмохирургическом, содержащем корпус с основанием из монокристаллического кремния и режущую кромку, основание корпуса и клинообразная режущая кромка покрыты слоями термически выращенного диоксида кремния толщиной (700÷200) Å и борида кремния толщиной (100÷200) 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 фиг.1, где обозначено:

1 - основание корпуса;

2 - клинообразная режущая кромка;

3 - слой аморфного диоксида кремния;

4 - слой аморфного борида кремния.

Предложенное изобретение выполнено следующим образом. Лезвие офтальмохирургическое 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 корпуса и кристаллографические плоскости (111) и (100) пластины монокристаллического кремния, линия пересечения которых образует режущую кромку 2, покрыты первым аморфным слоем 3 термически выращенного диоксида кремния толщиной (700÷200) Å, на поверхности которого сформирован второй слой 4, выполненный из борида кремния толщиной (100÷200) Å, имеющего аморфную структуру.

Авторы провели многочисленные технические и технологические испытания, которые показали следующее. Толщина слоя 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 офтальмохирургического. 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 пластина монокристаллического кремния - пленка аморфного диоксида кремния - пленка аморфного борида кремния наблюдаются сравнительно высокие по величине механические напряжения, приводящие к нарушению целостности покрытия, сформированного на основе слоев борида кремния, в силу разницы величин коэффициентов линейного теплового расширения (КЛТР), так, для монокристаллического кремния ά(Si)=2,5×10^-6 К^-1, для пленок диоксида кремния ά(SiO₂)=5,0×10^-7 К^-1, а для пленок борида кремния ά(SiB₆)=3,5×10^-7 К^-1.

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

Толщина аморфного слоя борида кремния не может быть менее 100 Å, так как при меньшей величине толщины пленки борида кремния наблюдается резкое уменьшение твердости лезвия офтальмохирургического из-за нарушения сплошности покрытия борида кремния, которое в предложенном техническом решении выполняет функции наружного армирующего покрытия, обеспечивающего формирование каркаса прочности лезвия.

Толщина слоя борида кремния, имеющего аморфную структуру, не может быть более 200 Å, так как при больших толщинах пленок борида кремния в физической структуре лезвия, состоящей из пластины монокристаллического кремния, покрытого слоями диоксида кремния и борида кремния, возникают значительные по величине механические напряжения, приводящие к снижению механической прочности лезвия офтальмохирургического. И, кроме того, увеличение толщины покрытия на основе пленок борида кремния приводит к увеличению радиуса скругления (R) режущей кромки, что отрицательно влияет на остроту режущих кромок лезвия офтальмохирургического.

Прочность основания и клинообразных режущих кромок физической структуры лезвия, конструктивно выполненных как единое целое из пластины монокристаллического кремния со сформированным армирующим покрытием, выполняющим функции каркаса прочности, зависит от физических свойств армирующего покрытия, твердости материала, из которого выполнено указанное покрытие, толщины покрытия и формы каркаса прочности, а также от физических свойств структуры, на поверхности которой сформировано указанное покрытие, и, кроме того, от применяемых в технологическом цикле изготовления лезвий методов создания покрытия и последующих регулирующих термических отжигов, обеспечивающих уменьшение величины механических напряжений в физической структуре лезвия. В предлагаемой физической структуре лезвия, когда на поверхностях монокристаллического кремния, ограничивающих основание и клинообразную режущую кромку, сформировано армирующее покрытие на основе аморфных пленок борида кремния, размещенное непосредственно на поверхности технологического подстилающего покрытия, выполненного на основе аморфных пленок диоксида кремния, функциональное назначение которого сводится к обеспечению минимальной величины механических напряжений в физической структуре лезвия и согласованию коэффициентов линейного теплового расширения (КЛТР) монокристаллического кремния основания и пленок борида кремния, так называемого демпфирующего слоя или как принятого в современной научно-технической литературе термина - спейсера, прочностные характеристики лезвия составят 129-135% по отношению к лезвию, изготовленного из пластины монокристаллического кремния, учитывая более высокую твердость аморфных по структуре пленок борида кремния по отношению к монокристаллическому кремнию и пленкам диоксида кремния, имеющим аморфную структуру.

Изобретение выполнено следующим образом.

На пластине монокристаллического кремния групповыми методами, применяемыми в производстве полупроводниковых приборов и интегральных схем с использованием методов термического окисления пластин монокристаллического кремния в реакторе системы однозонной диффузионной, фотолитографической обработки с применением установок пошагового совмещения и экспонирования, а также 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 борида кремния в реакторах системы однозонной диффузионной, формируются физические структуры лезвий офтальмохирургических в количестве 100 шт. на одной пластине монокристаллического кремния диаметром 100 мм, отвечающего требованиям ЕТО035.240 ТУ.

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, представляющем 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°.

Конструкция лезвия на основе твердого 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 (R) 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 диоксида кремния толщиной (700-1200) Å, которые выполняют функции демпфирующего элемента конструкции, позволяющего уменьшить величину механических напряжений, возникающих в физической структуре лезвия аморфная пленка борида кремния - монокристаллический кремний.

В связи с тем, что величины коэффициентов линейного теплового расширения (КЛТР) пленок борида кремния и монокристаллического кремния отличаются более чем на порядок, в предлагаемой структуре возникает необходимость использования дополнительного технологического слоя, выполняющего функции демпфирующего элемента конструкции (или как принято в современной технической литературе - спейсера) и обеспечивающего хорошую адгезию армирующего покрытия, способного создать каркас прочности, сформированного на основе пленок борида кремния, к поверхности монокристаллического кремния. В качестве материала этого слоя был выбран термически выращенный при температуре порядка 1000°С на поверхности монокристаллического кремния слой аморфного диоксида кремния толщиной (700÷1200) Å. При этом величины коэффициентов линейного теплового расширения (КЛТР) монокристаллического кремния и пленок диоксида кремния очень хорошо согласованы, что при наличии аморфной структурой термически выращенного слоя диоксида кремния позволяет в значительной мере снизить величину механических напряжений в физической структуре лезвия офтальмохирургического.

Кремний как активный химический элемент при взаимодействии с кислородом атмосферы образует на поверхности монокристаллического кремния пленку естественного диоксида кремния толщиной (150÷200) 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 чистоты поверхности исходного материала, а именно монокристаллического кремния, указанная пленка естественного диоксида кремния обладает большим количеством пор и других дефектов. Поэтому для создания оптимальных условий, обеспечивающих сопряжения двух материалов монокристаллического кремния и пленок аморфного борида кремния по величинам коэффициентов линейного теплового расширения (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 при температуре порядка Т=1000°С в атмосфере кислорода насыщенной парами деионизованной воды толщиной (700÷1200) Å. Пленки диоксида кремния, полученные методами термического прокисления поверхности монокристаллического материала, 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 пленки диоксида кремния;

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

Аморфные пленки борида кремния, обладая повышенной твердостью по отношению к пленкам диоксида кремния и монокристаллическому кремнию, используемого в качестве основания для формирования физической структуры лезвия офтальмохирургического, создают сплошное прочное покрытие на поверхности подстилающего слоя диоксида кремния, обеспечивающее формирование наружного армирующего каркаса, обеспечивающего создание каркаса прочности лезвий офтальмохирургических.

Предложенная авторами конструкция позволяет:

Повысить механическую прочность лезвий офтальмохирургических примерно в 2÷5 раз за счет уменьшения величины механических напряжений, возникающих в физической структуре лезвий пластина монокристаллического кремния - пленка аморфного борида кремния, за счет использования технологического подслоя, выполненного на основе аморфных пленок диоксида кремния и выполняющего функции демпфирующего слоя толщиной от 700 до 1200 Å, а также за счет формирования армирующего покрытия, на основе которого создается каркас прочности физической структуры, выполненный из слоев аморфного борида кремния.

Повысить твердость лезвий офтальмохирургических за счет использования покрытий на основе пленок борида кремния с твердостью 8,5÷9,2 единиц по шкале Мооса, выполняющего функции внешнего армирующего покрытия, обеспечивающего формирование каркаса прочности лезвия офтальмохирургического.

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

Повысить изностостойкость лезвия офтальмохирургического за счет использования внешнего армирующего покрытия - каркаса прочности, выполненного на основе слоев борида кремния, обладающих большой твердостью, следствием чего является увеличение суммарной длины реза или количества резов стандартной протяженности, например 1,75 мм, примерно в 20÷27 раз.

Повысить изностостойкость лезвия офтальмохирургического за счет использования аморфных слоев диоксида кремния и борида кремния, максимальная суммарная толщина которых (1400 Å) меньше толщины пленки диоксида кремния, указанной в прототипе (7000 Å) в 5 раз, а это позволяет уменьшить величину радиуса скругления (R) режущей кромки с сотен единиц постоянной кристаллической решетки монокристаллического кремния до 50÷60 а, где а=5,431 Å - постоянная элементарной решетки монокристаллического кремния, которая непосредственно оказывает влияния как на остроту режущих кромок, так и на изностойкость самого лезвия.

Использование армирующего покрытия на основе пленок борида кремния обеспечивает отсутствие аллергических реакций.

Применение в технологическом цикле изготовления лезвий офтальмохирургических групповых методов обработки, применяемых при создании полупроводниковых приборов и микросхем, позволяет в значительной мере снизить себестоимость изготовления и предоставляет возможность использовать лезвия офтальмохирургические в качестве инструментария одноразового применения.

Использование предложенного авторами изобретения однозначно позволяет обеспечить повышение прочности, повышение твердости и увеличение износостойкости лезвий офтальмохирургических за счет использования нанотехнологий.

Пример 1.

На пластине монокристаллического кремния применили групповые методы с использованием методов 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, травления пластин монокристаллического кремния в реакционных камерах. Применили оборудование линии химической обработки пластин полупроводникового материала. Использовали методы газофазного осаждения слоев борида кремния в реакторах однозонной диффузионной системы. Сформировали физическую структуру офтальмохирургического лезвия на пластине монокристаллического кремния.

Клинообразная режущая кромка покрыта слоями термически выращенного диоксида кремния толщиной 700 Å и борида кремния толщиной 100 Å.

Пример 2.

На пластине монокристаллического кремния применили групповые методы с использованием методов 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, травления пластин монокристаллического кремния в реакционных камерах. Применили оборудование линии химической обработки пластин полупроводникового материала. Использовали методы газофазного осаждения слоев борида кремния в реакторах однозонной диффузионной системы. Сформировали физическую структуру офтальмохирургического лезвия на пластине монокристаллического кремния.

Клинообразная режущая кромка покрыта слоями термически выращенного диоксида кремния толщиной 1200 Å и борида кремния толщиной 200 Å.

Пример 3.

На пластине монокристаллического кремния применили групповые методы с использованием методов 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, травления пластин монокристаллического кремния в реакционных камерах. Применили оборудование линии химической обработки пластин полупроводникового материала. Использовали методы газофазного осаждения слоев борида кремния в реакторах однозонной диффузионной системы. Сформировали физическую структуру офтальмохирургического лезвия на пластине монокристаллического кремния.

Клинообразная режущая кромка покрыта слоями термически выращенного диоксида кремния толщиной 950 Å и борида кремния толщиной 150 Å.