CZ20003600A3 - Řezaný nástroj s atomicky ostrým břitem a způsob jeho výroby - Google Patents

Abstract

Nástroj sestává z kovového předvýrobku (5), opatřeného břitem (8) a majícího na části alespoň jednoho svého řezného povrchu (7) u břitu (8) nanesen materiál (6) tvrdší než kov, který je v ostrém úhlu k rovině, kteráje paralelní k řeznému povrchu (7), opracován do atomicky ostrého břitu (9). Tloušťka materiálu (6), který je zvolen ze skupiny zahrnující křemík, kameninu, sklo, A12O3, TiN, AlTiN, SiC, SiN, MoS2, amorfní uhlík, černý diamant a zirkon, je v rozsahu od 100 do 500 angstromů. Při výrobě nástroje se do oblasti břitu (8) na alespoň jeden řezný povrch (7) kovového předvýrobku (5) nanese, chemickým ukládáním par, ukládáním za asistence iontů nebo rozprašováním, za přítomnosti vysokého podtlaku a plynů napomáhajících přilnutí, vrstva materiálu (6) tvrdšího než kov, která se následně, v ostrém úhlu k rovině, kteráje paralelní k řeznému povrchu (7), brousí zaměřeným svazkem (40) iontů až do vytvoření atomicky ostrého břitu (9) na břitu (8).

Description

Oblast techniky .^2,/

Předložený vynález se týká zařízení, která mají extrémně ostré řezné hrany, používané zejména v chirurgických nástrojích a způsobů výroby řečených zařízení. Ve skutečnosti se vynález týká způsobu výroby atomicky ostré řezné hrany v materiálu pomocí jednoduchého nebo duálního frézování svazkem iontů a zařízení, tímto způsobem vyrobených. Vynález je zvláště využíván při výrobě chirurgických řezných nástrojů, může však být použit k poskytnutí jakéhokoliv ostří, kde je žádoucí jeho zvýšená ostrost.

Dosavadní stav techniky

Současné lékařské postupy vyžadují řezné nástroje o výjimečné ostrosti a rezistenci vůči otěru a které navíc, kladou minimální odpor vůči tkáni. V jemné mikrochirurgii a zvláště v oftalmologické chirurgii, ostří musí být extrémně ostrá a během celé operace si musí uchovat tuto ostrost. Nicméně, dokonce v současnosti dostupná pronikavě ostrá ostří mohou klást značný odpor, který ztěžuje pronikání tkání a vytváří tak „potrhaný“ řez. Navíc studie prokázaly, že degradace ostří může vést k poškození tkáně, k pooperačním komplikacím a k pomalejšímu zhojení.

Kritickým prvkem chirurgického nože je ostří. Úlomky, odštěpky nebo přerušení celistvosti ostří, residua a/nebo zprohýbání ostří nože může způsobit neupotřebitelnost nože nebo dokonce, v horším případě, zranit pacienta.

Řezné nástroje s ostrým břitem jsou obvykle vyráběny z kovů jako je nerezová ocel, Carborundum, nebo z jiných relativně tvrdých materiálů jako je karbid křemíku, křemík, sklo, safír, rubín nebo diamant. Sklo, křemík a nerezová ocel jsou relativně • · β ·

levné a proto na jedno použití, zatímco diamant, rubín a safír jsou relativně nákladné a proto z hlediska hospodárnosti je nutné je používat opakovaně. Každý z těchto materiálů může být broušen, otiskován, leptán, otloukán nebo leštěn nesčetnými prostředky tak, aby zabezpečil ostrou řeznou hranu. Na příklad, kov může být broušen, otiskován a/nebo leptán k dosažení řezného nástroje s extrémně jemným ostřím. Nicméně, čím se stane ostří z kovu tenčí, tím je úhel zaostření břitu menší. Výsledkem je větší nestálost (křehkost) tenčího ostří kovového řezného nástroje než relativně tlustší řezné hrany. Tato křehkost se projevuje značným opotřebením, to znamená, že na ostří se objevují úlomky, trhlinky, přerušení, zbytkové ostřiny a/nebo zvlnění nebo prohnutí ostří. Navíc, kovová ostří se mohou značně otupit dokonce během jednoho použití.

Mnozí ze znalců v oboru pokládají diamantové ostří za akceptovatelný standard ostrosti. Nicméně, diamantové ostří je velmi nákladné, nesmírně jemné a stále vyžaduje pravidelné opakované ostření. Proto odborníky byl vyhledáván způsob, zejména z ekonomických důvodu, jak vytvořit řezné nástroje s diamantovou ostrostí. Následuje pojednání o některých současných pokusech o zabezpečení tvrdých ostrých řezných hran.

Henderson (US 4,534,827) popisuje řezný nástroj vyrobený leptáním a chemickým vyleštěním jednotlivého krystalu materiálu z oxidu hlinitého, například rubínu nebo safíru, k vytvoření břitu, jehož maximální poloměr zakřivení je kolem 100 angstromů (A). Nicméně, popisované materiály jsou křehké a navíc ostří vytvořená krystalovou mřížkou materiálu vykazují přirozený sklon.

Mirtich et al. (US 4,490,229) popisuje způsob výroby uhlíkového tenkého povlaku , skoro jako diamantového, na substrátu. Povrch substrátu je vystaven argonovému svazku iontů, který obsahuje uhlovodík. Současně, druhý argonový svazek iontů (bez uhlovodíku), který má větší iontovou energii, je nasměrován proti povrchu, Je tím zvýšena mobilita kondenzujících atomů a odstraněny druhotné vázané atomy.

Bache et al. (US 4,933,058) popisuje způsob potažení řezného substrátu tvrdším materiálem ukládáním chemických par nebo rozprašováním, pň současném

994 9 vystavení řezné hrany iontovému ostřelování. Iontové ostřelování zajistí upřednostňovanou orientaci ukládání tvrdšího materiálu, navíc odstraní rozprášení ukládaného materiálu, které vytvoří povlak se zvláštním profilem a s konečným poloměrem hrotu.

Kokai (japonský PN 61-210179) popisuje použití povlaků z amorfního uhlíku (karbidu křemíku), plasmovým indukovaným fázovým ukládáním par v plynné směsi vodíku a vodíkových sloučením (na příklad metanu) k vytvoření řezné hrany o tloušťce mezi 1nm a 20nm.

Hoshino (US 4,832,979) popisuje proces přípravy laserového nože, u kterého povrch pronikající části nože je potažen uhlíkovým povlakem o tloušťce od 1 do 50pm na které je povlak ochranné vrstvy o tloušťce od 1 do 50 pm ze safíru, rubínu nebo z taveného křemene.

Kitamura et al. (US 4,839,195) popisuje vytvoření mikrosvazku potažením základního substrátu ostří, například safíru diamantovou vrstvou o tloušťce přibližně 5 až 50nm , plasmovým indukovaným chemickým fázovým ukládáním par a následným ohřevem při 700 - 1300 ⁰ C ,aby došlo k vyloučení adsorbovaných nečistot v diamantové vrstvě. Kitamaru et al. (US 4,980,021) dále popisuje leptání povrchu uhlíkatých povlaků na povrchu ostří k dosažení užitečné povrchové hrubosti.

Bache et al.(US 5,032,243) popisuje způsob vytváření nebo modifikace řezných hran žiletkových břitů vystavením svazku nerezových žiletek iontovému ostřelování ze dvou iontových zdrojů, které jsou umístěna na protilehlých stranách k rovině, která leží mezi svazkem a která je paralelní k hlavním povrchům žiletek. Mechanicky ostřená řezná hrana je ostřelována ionty ze dvou zdrojů, aby byl vytvořen nový břit. Následně je zapojen výparník elektronového svazku pro žádoucí vyprchání povlakového materiálu nebo komponent z míst, kde povlak je směsí a působení iontových zdrojů pokračuje. Po uložení se zahájí odstraňování zbytků rozprášení, jejichž podíl s ohledem na iontové zdroje by měl být menší než podíl z ukládání a iontové zdroje jsou ovládány tak, aby zabezpečily ukládání.

• 9 · ·

9

Hahn (US 5,048,191) popisuje způsob vytvoření žiletkového břitu, mechanickým obroušením hrany keramického substrátu do tvaru ostré hrany s fasetami o úhlu zaostření, který je menší než 30 stupňů pro zajištění dodatkových faset svírajících úhel větší než 40 stupňů tak, aby vrcholový rádius byl menší než 500Á.

Kramer (US 5,121,660) popisuje proces tvarování žiletkového břitu, jehož součástí je poskytnutí polykrystalického keramického substrátu o velikosti zrn menší než 2 pm, mechanickým obroušením hran substrátu do tvaru ostrého břitu s úhlem zaostření menším než 20 stupňů a rozprašováním - leptáním zaostřených hran tak, aby došlo k redukci vrcholového poloměru na méně než 300 A. Čímž se vytvoří ostří.

De Juan, Jr. et al. (US 5,317,938) popisuje způsob výroby mikroskopických chirurgických nožů z plochého rovinného substrátu. Fotorezistentní maskovací vrstva je vytvořena na vrchní povrchové části substrátu podle předlohy mikroskopického chirurgického nástroje a vrchní povrch substrátu je isotropicky leptán spodní stranou povrchu tak, aby vytvořil část řezné hrany. Konfigurace řezné hrany odpovídá části hrany maskovací vrstvy. Polovodičové materiály jako je křemík, karbid křemíku, safír a diamant, mohou být použity jako substrát.

Knudsen et al.(US 5,724,868) popisuje metodu výroby nože se zdokonaleným řezem. Ocelový polovýrobek nožové čepele je potažen TiN, TiCN) nebo (TiAI)N katodovým obloukovým procesem pomocí zdrojů lineárního ukládání se současným ohřevem a otáčením nožového polovýrobku k ukládacím zdrojům. Nožová hrana polovýrobku může být naostřena nebo nemusí být naostřena před potahováním. Jestliže polovýrobek není naostřen před potahováním, je následně ostřen, přednostně pouze na jedné straně, běžnými způsoby, které používají hrubé obrušování a konečné obtahování nože na řemenu.

Decker et al.(US 5,799,549) popisuje zdokonalená žiletková ostří a proces výroby ostrých a odolných ostří slinutým uhlíkovým potažením ostří nožového substrátu amorfním diamantem. Substrát může být mechanicky vybrušován a mezi substrátem a diamantovým povlakem není vložena žádná mezivrstva. Potažení přenáší tuhost a pevnost na tenké ostří při zachování vysokých požadavků.

• · · · • ·

Marcus et al.(US 5,842,387) popisuje řezné hrany nožového ostří o „extrémní ostrosti“ , které jsou vyrobeny z keramických vrstev monokrystalického křemíku. Keramická vrstva je nejdříve pokryta leptající krycí vrstvou podél vrcholové hrany. Pak je keramická vrstva leptána k neopracované maskovací vrstvě a po stranách k vrcholové hraně, které se sbíhají do vrcholové špičky. Ostrý vrchol hrany je proveden pomocí procesu tvorby/odstraňování kysličníku.Získají se tím ostří s vynikající ostrostí, nicméně cyklus procesu vytváření / odstraňování kysličníku je časově náročný. Dále, extrémně ostré nožové řezné hrany jsou relativně křehké a při větším použití mají tendenci k otupení hran, doporučuje se další zesílení řezných hran přidáním jedné nebo více ochranných vrstev , například rozprašováním. Navíc, provedení ostří s dvojitým sklonem podle tohoto návodu je obtížné a nákladné.

V důsledku toho, potřeba ostřejších a trvalejších ostří řezných nástrojů, zvláště pro jemnou chirurgii stále trvá. Ve skutečnosti, stále zůstávají nevyřešené požadavky na průmysl, zajistit ekonomickou výrobu řezných nástrojů s atomicky ostrou řeznou hranou a vrcholem ostří.

V tomto prostředí bude žádoucí vyrábět řezné nástroje pro omezené použití nebo na jedno použití, s jednoduchým nebo dvojitým sklonem, které vykazují výjimečnou ostrost, vynikající rezistenci vůči otěru a minimální tlakový odpor a vyvinout způsob výroby nástrojů používaných v mikrochirurgii pro opětovné použití nebo na jedno použití. Dále je zapotřebí zabezpečit nástroje s neporušenou řeznou hranou. Navíc, je zapotřebí vyrábět řezné nástroje z materiálu, který je biologicky kompatibilní pro použití v chirurgických nástrojích. Je rovněž žádoucí zabezpečit hospodárnost takového nástroje a způsobu jeho výroby.

Podstata vynálezu

Předložený vynález poskytuje ostří s atomicky ostrou řeznou hranou, které je vyrobeno z trvanlivého materiálu. Předložený vynález používá frézovací technologii pomocí zaměření iontového svazku (FIB) k „atomickému obroušení „ atomicky ostré hrany ostří řezného nástroje, to znamená, že ostrost hrany je měřena submikronovým měřítkem a poloměr zakřivení může mít v řádu kolem 1A do300A.

Technologie frézování zaměřením iontového svazku byla vyvinuta k „iontovému frézování“ nebo „leptání“ vysoce precizních integrovaných obvodů na polovodičových materiálech. Podmínky a techniky zaměření iontového svazku byly popsány v US 5,482,802, US 5,658,470, US 5,690,784, US 5,744,400, US 5,840,859, US 5,852,297 a US 5,945,677 a odkazy na jejich popisy jsou zde začleněny.

U jednoho provedení podle vynálezu, atomicky ostrý břit pro řezný nástroj obsahuje polovýrobek řezné hrany z kovového materiálu, řečený polovýrobek má hlavní povrch a zkosenou hranu u jednoho konce hlavního povrchu, vrstvu druhého materiálu uloženou na části řečeného hlavního povrchu alespoň na jedné straně řezné hrany polovýrobku na řečené zkosené hraně, řečený druhý materiál je tvrdší než kov, přičemž vrstva je obrušována v ostrém úhlu k rovině paralelní k řečenému hlavnímu povrchu zaměřeným iontovým svazkem, který opatří řečený polovýrobek nepřerušenou, atomicky ostrou řeznou hranou.

U jiného provedení , atomicky ostrý břit pro řezný nástroj tvoří nožový předvýrobek , který má větší povrchovou vrstvu a hranu na jednom konci, přičemž hrana je frézována v ostrém úhlu k rovině, která je paralelní s hlavním povrchem do ostrého úhlu, zaměřeným iontovým svazkem tak, aby řečený předvýrobek byl opatřen nepřerušenou, atomicky ostrou řeznou hranou.S výhodou je tento předvýrobek břitu vyroben z keramické vrstvy, která obsahuje materiál zvolený ze skupiny sestávající z křemíku, kameniny, skla, AI₂O₃, AlTiN, TiN, SiC, SiN, MoS₂, z amorfního uhlíku, černého diamantu, zirkonu a z podobných materiálů.

Předmětem vynálezu je rovněž způsob výroby atomicky ostrého břitu pro řezné nástroje. Podle jednoho způsobu je zabezpečen předvýrobek z kovového materiálu, který je opatřen větší povrchovou vrstvou a zkosenou hranou u jednoho konce povrchové vrstvy; na části povrchové vrstvy u zkosené hrany se ukládá nepřerušená vrstva druhého materiálu, který je tvrdší než kov; a vrstva druhého materiálu je frézována zaměřeným iontovým svazkem pro vytvoření ostrého břitu.

Jiný způsob výroby atomicky ostrého břitu pro řezné nástroje tvoří následující kroky: zabezpečení keramické vrstvy vhodného materiálu pro vytvoření ostří; výřez keramické vrstvy pro vytvoření alespoň jednoho předvýrobku břitu s trojúhelníkovým profilem, řečený předvýrobek břitu má více hran; umístění předvýrobku do podtlakové komory;odčerpání podtlakové komory na požadovaný tlak;;frézování hrany předvýrobku břitu zaměřeným iontovým svazkem pro dosažení atomicky ostrého břitu na jeho předvýrobku.

Zařízení podle předloženého vynálezu může mít jednostranně zkosené ostří nebo oboustranně zkosené ostří.

Jiná hlediska a provedení jsou diskutována dole. Dodatkové aspekty a přednosti předloženého vynálezu vyplynou z výkresů a popisů, které následují.

Stručný popis výkresů

Pro úplnější pochopení povahy a záměrů předloženého vynálezu, je odkazováno na následující detailní popis ve spojení s doprovodnými výkresy, kde stejné odkazové znaky jsou použity pro odpovídající součástky na výkresech z několika pohledů, na kterých :

OBR. 1 je schematické zobrazení řezné hrany předvýrobku pro vytvoření břitu poté, kdy byl uložen povlak a před vytvořením nového břitu zaměřeným iontovým frézováním, podle jednoho provedení předloženého vynálezu.

OBR. 2 je schematické zobrazení řezné hrany na předvýrobku pro břit, který byl potažen a frézován zaměřeným iontovým svazkem k vytvoření nového břitu, podle jednoho provedení předloženého vynálezu.

OBR. 3A je znázornění výřezu keramické vrstvy pro vytvoření hrubých předvýrobků.

44444» « · · 4 99

9 9 4 9 4 9 4 9 9 9

9 9 4 4 4 4 4 4

44 4 444 44 4

444 4 4 4444

44 444 444 99 99

OBR. 3B znázorňuje schematické provedení předvýrobku, který je dodáván k frézování zaměřeným iontovým svazkem, přičemž atomicky leštěná strana předvýrobku netvoří část řezné hrany.

OBR. 3C znázorňuje alternující provedení předvýrobku dodávané k frézování zaměřeným iontovým svazkem, přičemž atomicky leštěná strana předvýrobku je součástí řezné hrany.

OBR. 4A je digitální mikrofotografická ilustrace konvenčně zaostřeného břitu, který má typické mikroskopické poškození hrany.

OBR. 4B-4E jsou digitálními mikrofotografickými ilustracemi konvenčně zaostřených břitů , které mají mikroskopické návalky na hraně a/nebo mikroskopické usazeniny.

OBR. 5A je plošný pohled znázorňující provedení řezné hrany na předvýrobcích, které je použitelné pro přípravu atomicky ostré řezné hrany podle předloženého vynálezu.

OBR. 5B je průřez označený 5B-5B na OBR. 5A.

OBR. 6 je digitální mikrofotografická ilustrace konvenčně zaostřené hrany, jejíž část byla dodatečně frézována zaměřeným iontovým svazkem podle předloženého vynálezu, znázorňující dramatické výsledky tohoto frézování na atomicky ostré řezné hraně.

OBR. 7 znázorňuje předvýrobek se zaostřenou řeznou hranou podle předloženého vynálezu, která je připojena k substrátu.

Detailní popis vynálezu zahrnující přednostní provedení

Atomicky ostré břity v souladu s předloženým vynálezem zahrnují část řezné hrany vytvořené ze slinutých karbidů se zaostřenou hranou vytvořenou frézováním pomocí zaměřeného iontového svazku. Vhodnými tvrdými materiály pro praktické použití

Φ ·

Φ Φ 4 » · · 4

Φ * Φ · podle vynálezu jsou Si, AI2O3, TiN, AlTiN, SiC, SiN, M0S2, amorfní uhlík, černý diamant, zirkon a podobné materiály, které je možno odstranit zaměřeným iontovým svazkem.Část hrany z tvrdého materiálu může být uložena na substrátu, kterým je obvykle měkčí, robustnější materiál. Alternativně, tvrdý materiál může být formován do plátu na kterém je vytvarována zaostřená hrana zaměřeným iontovým svazkem.

U jednoho provedení podle vynálezu (OBR. 1), kovový předvýrobek řezné hrany 5 je vytvořen jakýmkoliv způsobem, například, metalurgicky hydraulickým litím, kováním, ražením, elektrickým výbojem, mikroskopickým strojním obráběním, světelným leptáním, nebo podobně. Předvýrobek 5 je přednostně tvarován alespoň s jednou zúženou řeznou hranou 7. Takto je řezná hrana 7 podstatně tenčí než zbytek předvýrobku 5. Předvýrobek 5 je proveden v jakékoliv tloušťce vhodné pro požadované řezné nářadí nebo chirurgický nástroj 10,

Vytvořený předvýrobek 5 pro břit je očištěn a je na něm aplikován povlak 6 z materiálu, který je podstatně tvrdší než materiál předvýrobku 5^ na příklad chemickým ukládáním par, rozprašováním nebo ukládáním za asistence iontů. Tyto procesy, které jsou dobře známe z dosavadního stavu techniky, obvykle používají vysokého podtlaku, podtlak je obvykle menší než 10'² Torrů, na příklad 10‘³,10~⁴, atd. Povlak 6 z tvrdého materiálu může být vytvořen za přítomnosti vhodných plynných prvků, které se používají v procesu podtlakového ukládání. Je rovněž samozřejmě známé, že přítomnost jistých plynů napomáhá lepší přilnavosti povlaku 6 k předvýrobku 5. Vhodnými tvrdými materiály pro uložený povlak 6 jsou Si, AI₂O₃, TiN, AlTiN, SiC, SiN, MoS2, amorfní uhlík, černý diamant, zirkon a podobné takovéto materiály.

Povlak 6 je aplikován takovým způsobem, že pevná vrstva tvrdšího materiálu pokrývá alespoň jednu stranu řezné hrany 7 na předvýrobku 5. Přednostně, povlak 6 Vytváří souvislou vrstvu na řezné hraně 7. Byly používány povlaky 6 o tloušťce 30,000 A; ale obvykle, je hospodárnější aplikovat povlak , jehož tloušťka se pohybuje v řádu kolem 500 A nebo méně. Ve skutečnosti, u výhodného provedení, tloušťka povlaku 6 po frézování soustředěným iontovým svazkem je kolem od 100 A do 500 A, ještě výhodněji alespoň kolem 200 A.

·· · · · ·♦ ··· · · ··

V aplikaci, kde je požadován povlak 6 pouze na jedné straně, to jest pro řeznou hranu 7 jednostranně zkoseného řezného nástroje 10, proces povlakování obvykle ukládá nadbytek povlakového materiálu 6 na základní povrch 11, který musí být odstraněn. Ve skutečnosti, je žádoucí vyrobit část břitu, který není určen k povlakování (to znamená, základního povrchu 11, na příklad nesoustředěným iontovým frézováním nebo iontovým leptáním, aby byl odstraněn nežádoucí nadbytek tvrdého materiálu 6.Poté je předvýrobek ostřen pomocí frézování soustředěným iontovým svazkem, aby byl vytvořen nový ostrý břit 9 s atomicky ostrým břitem. Pro oboustranně zkosené řezné nástroje, na kterých jsou zúženy a potaženy tvrdším materiálem obě strany předvýrobku, každá strana předvýrobku je frézována soustředěným iontovým svazkem tak, aby byl vytvořen nový ostrý konec s atomicky ostrou oboustranně zkosenou hranou.

Soustředěný iontový svazek odstraňuje části povlaku 6 z hrany 7 a znovu ustavuje nový, „atomicky ostrý“ břit 9 (OBR.2), kterým je nahrazena zbylá, to jest, nefrézovaná, tloušťka povlaku 6 z původního břitu 7 předvýrobku 5. US patent číslo 5,945,677, který je zde zastoupen citací, popisuje proces zajištění soustředěného iontového svazku, používaném v nanolitografii. Takový soustředěný iontový svazek může být soustředěn v úhlu na řeznou hranu potaženého předvýrobku 5 k odstranění tvrdého materiálu 6 tak, aby byl vytvořen nový atomicky ostrý břit 9.

Frézování zaměřeným iontovým svazkem, tak jak je popsáno výše, se uskutečňuje pomocí specializovaného zařízení , které je vyrobeno v oddělení mikrotechniky FEI nebo podobně. Zaostřený iontový svazek 40, který je pracovním energetickým zdrojem, je přednostně odvozen od elektricky excitovaného tekutého zdroje galia 45; nicméně, jiné dosud známé iontové zdroje 45 mohou být použity aniž by došlo k odklonění od výkladu k tomuto vynálezu.Zdroj 45 emituje svazek iontů 40 galia, který je zaostřen do bodu o požadovaném průměru.Zaostřený ohniskový svazek 40 je prostorově omezen, přednostně kolem 5nm v průměru. Větší průměr zaostřeného svazku, například 10nm, může být rovněž použit s uspokojivými výsledky. Energetická hladina potřebná k nabroušení ostré řezné hrany 9 na břitu předvýrobku 5 se pohybuje v rozmezí od cca 30pA pro svazek o průměru 5nm do cca 100pA pro svazek o průměru 10nm. Stejně jako v kterémkoliv procesu frézování, předmětem tohoto postupného kroku je odstranění (1) části nebo celého specifického • ·· φ φφ φ φ

φ φ φ • φ φ φ φφ φφ povrchu tvrdšího povlaku 6 podél požadované řezné hrany 9 a (2) v rovině základního povrchu 11, nebo, u řezných hran oboustranně zkosených, odstranění tvrdého povlaku podél požadované řezné hrany.

Zaostřený iontový svazek 40 protíná jako atomicky frézovací stroj, umožňuje dělení,prosté pnutí na místě k vytvoření atomicky-obroušené řezné hrany 9.

Zaostřený iontový svazek 40 je směrován na povlak 6 předvýrobku 5 po úhlem v rozsahu několika stupňů požadovaného konečného úhlu zaostření břitu 9. Výrobní postupy podle předloženého vynálezu zabezpečují břit 9 o vysoké kvalitě konečné úpravy povrchu a schopnost opakování rozměrové tolerance vytvořeného produktu. Je výhodné, aby rozměrová tolerance byla přesná alespoň ± 0,3 mikronů, nebo méně. Navíc, může být zabezpečen poloměr zakřivení břitu menší než kolem 300 Á, výhodněji méně než kolem 100 A, ještě raději méně než kolem 10 A. Navíc, výrobou břitu podle předloženého vynálezu, se zabrání usazení mikroskopických částic na břitu.

Předvýrobek 5 břitu s novou atomicky ostrou hranou je v konečné fázi spojen s nosným substrátem (OBR. 7), kterým může být na příklad kov nebo plastický materiál, který přijímá prakticky jakýkoliv tvar nebo formu a poskytuje konstrukční výztuž, pevnost a rezistenci vůči roztříštění výslednému břitu 9. Jak je znázorněno na OBR. 7, oboustranně zkosený, atomicky zaostřený předvýrobek je namontován k substrátu 25 pomocí adhesiva (není znázorněno). Substrát může být vyroben z jakéhokoliv vhodného materiálu jako je kov nebo plastický materiál.

U druhého provedení, předvýrobky 60 břitu jsou vyrobeny z keramické vrstvy v podobě listu 65 z metalického křemíku, kameniny, skla, AI2O3, TiN, AlTiN, SiC, SIN, M0S2, amorfního uhlíku, černého diamantu, zirkonu a z podobných tvrdých materiálů. Předvýrobky břitu různých tvarů mohou být stvořeny z listu 65 mikroskopickým obráběním, frézování nezaostřeným iontovým svazkem, nebo leptáním (OBR. 5a a 5b), přičemž tyto postupy jsou dobře známy v tomto oboru.U tohoto provedení, množství předvýrobku 60 je nejdříve hrubě vyrobeno řečenými postupy. Předvýrobky 60 břitu jsou chemicky leptány pro zajištění řezné hrany 63 a jsou hrubě rozřezány pro vytvoření hřbetu řezné hrany.Pak je řezná hrana 63 ostřena frézováním zaostřeným iontovým svazkem , jak je popsáno výše, podle potřeby na jedné nebo obou stranách pro zabezpečení požadovaného atomicky ostrého břitu. Tímto způsobem je možno zabezpečit ostré řezné hrany relativně rychle. Předvýrobky s ostrými hranami frézované pomocí zaostřeného iontového svazku mohou být uchyceny na výztužích (na příklad vir OBR. 7) k provedení řezných nástrojů.

Pravoúhlé předvýrobky 61, které jsou vyrobeny mikroskopickým obráběním, leptáním nebo frézováním nezaostřeným svazkem, představují výrobky preferovaného tvaru; nicméně, na příklad kruhové, eliptické, trojúhelníkové a polygonální tvary se nevymykají použití podle předloženého vynálezu. K vytvoření předvýrobku 6 pravoúhlého tvaru se používá mikroskopického obrábění, leptání nebo frézování nezaostřeným svazkem takovým způsobem aby se definoval obvod pravoúhlého předvýrobku 61.Zúžení úhlu 62 řezné hrany 63 hrubého předvýrobku 61 je obvykle mezi kolem 30 a kolem 60 stupňů, přednostně kolem 36,8 stupňů jak je znázorněno na OBR. 5b. Pravoúhlý předvýrobek 61 je následně frézován zaostřeným iontovým svazkem pro vytvoření atomicky ostré hrany 63. Jednotlivé předvýrobky 60 břitu mohou být například vytvořeny půlením 69 z pravoúhlých předvýrobků 61. Jako příklad, na obrázku 5a, pravoúhlý předvýrobek 61 je rozpůlen a je vytvořen pár předvýrobků 60 břitu se třemi atomicky ostrými břity 63. Břit může být proveden v jakémkoliv tvaru. Nosný substrát, na příklad, z kovu, plastu, skla atd., je následně laminován do předvýrobku 60 břitu pro zabezpečení konstrukční výztuže, pevnosti a rezistence vůči tříštivosti.

Podle jiného provedení (OBR. 3a), řada předvýrobků 30 břitu je vyrobena z vrstvy například z křemíku, kameniny, skla, AI₂O_3> TíN, AlTiN, SiC, SiN, MoS₂, amorfního uhlíku, černého diamantu, zirkonu a z podobných tvrdých materiálů, především z materiálů, které jsou snadno dostupné ve formě vrstev z polovodičového průmyslového odvětví. Tloušťka vrstvy 35 je mezi kolem 100 pm a kolem 1000 pm. Ještě raději, alespoň jedna strana 38 vrstvy 35 je vyleštěna do atomicky jemného povrchu. Tato charakteristika je rovněž všeobecně známa v polovodičovém průmyslovém odvětví. Na začátku, pro vytvoření hrubého geometrického tvaru předvýrobku 30 břitu na vrstvě 35 se používá pily 32. Ve skutečnosti, předmětem řezací operace je vytvoření série podélných předvýrobků 30 břitu, například, trojúhelníkových hranolů na povrchu vrstvy 35. Před řezací operací je vrstva 35 pevně uchycena v upínacím přípravku a pak řezací pila 32 systematicky vyrábí řadu předvýrobku 30. Řezací pila 32 je vybavena speciálně připraveným ostřím 39 (například diamant, karbid křemíku a podobně) s řezným čelem kolem 100 pm. Zvlášť připravené ostří 39 pily 32 je schopné tvarovat přesně zešikmené výřezy ve vrstvě 35, přičemž tvarované vrcholy svírají úhel přednostně v rozsahu od kolem 10 do kolem 90 stupňů; nicméně, řezací prostředek pily 32 je zvolen tak, aby nevznikaly odřezky v rozměru větším než 0,3 pm.

Po rozřezání vrstvy 35 na předvýrobky 30 břitu nastupuje čištění, například ultrazvukové čištění, plasmatické, vysokotlaké deionizovanou vodou a podobně, aby veškeré nečistoty a řezné rozpouštěcí prostředky, které by mohly kontaminovat povrch, byly odstraněny. Předvýrobky 30 břitu jsou pak vloženy do podtlakové komory a vystaveny broušení zaostřeným iontovým svazkem. V komoře je upraven podtlak kolem 10'⁷ Torr. Zaostřený svazek iontů 40 je veden podél alespoň jedné strany 31, 33 směrem k vrcholu 34 předvýrobku 30 břitu (OBR. 3B).

Předvýrobky řezných hran mohou být rovněž vyrobeny technikou chemického leptání, která je známa v tomto oboru. Například, křemíková krycí vrstva je opatřena fotorezistentním povrchem, který je odolný vůči rozpouštědlům používaným k leptání. Krycí vrstvu tvoří podélné rezistentní proužky umístěné v místech vrcholu ostří předvýrobku , to znamená , že vrchol řezné hrany předvýrobku má vrcholový bod umístěný kolmo k rovině vrstvy. Pro vyleptání hloubky 150 mikronů ve vrstvě je nutné zabezpečit proužek rezistentní krycí vrstvy alespoň o šířce jednoho mikronu podél vrcholu břitu, aby nedošlo během leptání k poškození struktury břitu. Konečný břit je zaostřen směrovaným iontovým svazkem.

V závislosti na požadovaném konečném použití a/nebo na konečném poloměru zakřivení, to jest ostrosti břitu, zaostřený iontový svazek 40 může být směrován na předvýrobek 30 břitu z čelní strany hlavní řezné hrany 50 nebo ze spodní strany hrany 50 (OBR. 3B). Konečná ostrost je vytvořena tehdy, je-li zdroj 45 zaměřeného iontového svazku veden k řezné hraně 50 přednostně ze spodní strany vodicí hrany předvýrobku 30 břitu. Úhly zaostření břitů jsou přednostně od kolem 10

·· · ··· do 70 stupňů. Běžně používané jsou i úhly vytvořené technikou broušení směrovaným iontovým svazkem v rozmezí od kolem 5 do kolem 70 stupňů.

Přednostně, pro zajištění atomicky ostrého jednostranně zešikmeného břitu s přilehlou leštěnou stranou 38 je používán směrovaný iontový svazek který je veden od protilehlé strany 31.

Jakmile je vyrobena požadovaná atomicky ostrá hrana 50 na předvýrobku 30 břitu, základní substrát předvýrobku 30 břitu (protějšek zaostřené hrany, to jest strana 33) je pevné uchycena k nosnému substrátu (to jest, viz OBR 7), který je vyroben například z kovu, plastického materiálu, skla, kameniny nebo podobně pomocí spojovacích prostředků například pájky, epoxidu, pájení natvrdo, vázání, vrubového spojení, lepidel, kluzného uložení, slícování nebo pomocí eutektického spojení. Nosný substrát napomáhá konečnému připojení montovaného, atomicky ostrého předvýrobku 30 břitu k jakémukoliv požadovanému řeznému nástroji nebo tělesu nástroje.

Pro dvojité zešikmení řezné hrany, směrovaný iontový svazek je veden z obou stran břitu.

Použitím mechanizmu pro příčné směrovaní iontového svazku, vysoce účinného způsobu, je možné modelovat různé geometrické tvary hran ; proces je označován jako „ ostření svazkem“. Zaměřený iontový svazek pro „ostření svazkem“ je přednostně v průměru alespoň 10nm.

OBR. 4A až 4E znázorňují hrany předchozích nožů, které byly mechanicky ostřeny a vyleštěny tak, aby zajistily extrémní ostrost mikrochirurgických nástrojů. Na OBR. 4A je znázorněn typický defekt na ostří. Na OBR. 4B až 4E jsou znázorněny typické návalky kovu na ostří a mikroskopické zbytky zanechané mechanickými postupy broušení a leštění.

OBR. 6 graficky znázorňuje dramatické zdokonalení ostří, které je výsledkem broušení směrovaným iontovým svazkem. OBR. 6 zobrazuje dvě oblasti na břitu. První oblast 52 byla ostřena konvenčním broušením a leštěním hrany. Kolem ostří

9999

9 9 • 9 9 « 9

9 9 9

99

9 99 99

99 9 9 *9

9 9 9 9 9

9 9 9 9 · 9

9 9 9 9 9

999 999 99 99 jsou mikroskopické nečistoty a hrana, sama o sobě vykazuje návalky. Druhá oblast 54 byla broušena směrovaným iontovým svazkem 40 v souladu s předloženým vynálezem. Upozorňujeme na překvapivě Čistý povrch kolem ostří a na čistý atomicky ostrý břit.

Vynález byl podrobně popsán včetně přednostních provedení . Nicméně, je žádoucí upozornit na to, že popis specifikace vynálezu a výkresy mohou použít odborníci k provedení změn, dodatků a/nebo zdokonalení, aniž by došlo k vybočení z rámce tohoto vynálezu.

Claims (47)

1. PATENTOVÉ NÁROKY

   1. Atomicky ostrý břit pro řezné nástroje, řečený břit tvoří:

   předvýrobek (5) břitu vyrobený z kovového materiálu, řečený předvýrobek má hlavní povrch a zahrocenou zkosenou hranu na jednom konci hlavního povrchu, vrstva (6) druhého materiálu uložená na části hlavního povrchu alespoň na jedné straně předvýrobku břitu u řečené zkosené hrany, řečený druhý materiál je tvrdší než kov, vyznačující se tím, že vrstva je broušena do ostrého úhlu k rovině paralelní k řečenému hlavnímu povrchu zaměřeným iontovým svazkem pro vytvoření nepřerušeného, atomicky ostrého břitu (9) na řečeném předvýrobku (5).
2. 2. Atomicky ostrý břit, jak je stanoveno v nároku 1, dále obsahuje nosný substrát, ke kterému je připojen kovový předvýrobek.
3. 3. Atomicky ostrý břit, jak je stanoveno v nároku 1,vyznačující se tím, že tloušťka vrstvy druhého materiálu (6) je v rozmezí kolem od 100 do kolem 500 A.
4. 4. Atomicky ostrý břit, jak je stanoveno v nároku 1, v y z n a č u j í c í se t í m, že tloušťka povlakové vrstvy (6)je alespoň kolem 200 A.
5. 5. Atomicky ostrý břit, jak je stanoveno v nároku Lvyznačující se tím, že druhý materiál tvoří materiál zvolený ze skupiny sestávající z křemíku, kameniny, skla, AI2O3, TiN, AlTiN, SiC, SiN, M0S2, amorfního uhlíku, černého diamantu a zirkonu.
6. 6. Atomicky ostrý břit, jak je stanoveno v nároku Lvyznačující se tím, že břit má poloměr zakřivení menší než kolem 300 A.
7. 7. Atomicky ostrý břit, jak je stanoveno v nároku Lvyznačující se tím, že břit má poloměr zakřivení menší než kolem 100 A.
8. 8. Atomicky ostrý břit, jak je stanoveno v nároku 1,vyznačující se tím, že břit má poloměr zakřivení menší než kolem 10 Á.
9. 9. Atomicky ostrý břit, jak je stanoveno v nároku 1,vyznačující se tím, že břit má jednostranně zešikmenou hranu.
10. 10. Atomicky ostrý břit, jak je stanoveno v nároku 1,vyznačující se tím, že břit má oboustranně zešikmenou hranu.
11. 11. Atomicky ostrý břit pro řezné nástroje, řečený břit tvoří:

    předvýrobek (6) břitu opatřený hlavním povrchem (7) a řeznou hranou (8) na jednom konci, vyznačující se tím, že řezná hrana je vybroušena v ostrém úhlu k rovině, která je paralelní k řečenému hlavnímu povrchu zaměřeným iontovým svazkem pro zajištění nepřerušeného atomicky ostrého břitu (9) na řečeném předvýrobku (5).
12. 12. Atomicky ostrý břit, jak je stanoveno v nároku 11, vyznačující se tím, že předvýrobek břitu je vyroben z vrstvy obsahující materiál zvolený ze skupiny sestávající z křemíku, kameniny, skla, AI2O3, TiN, AlTiN, SiC, SiN, M0S2, amorfního uhlíku, černého diamantu a zirkonu.
13. 13. Atomicky ostrý břit, jak je stanoveno v nároku 11, vyznačující se tím, že řezná hrana předvýrobku břitu má hranu ostří menší než kolem 1 mikronu před ostřením.
14. 14. Atomicky ostrý břit, jak je stanoveno v nároku 11, vyznačující se tím, že řezný nástroj dále obsahuje nosný substrát, ke kterému je připojen řečený předvýrobek břitu s nepřerušeným, atomicky ostrým břitem.
15. 15. Atomicky ostrý břit, jak je stanoveno v nároku 14, vyznačující se tím, že nosný substrát je zvolen ze skupiny obsahující kov, plastické hmoty, sklo nebo kameninu.
16. 16. Atomicky ostrý břit, jak je stanoveno v nároku 11, vyznačující se tím, že břit má poloměr zakřivení menší než je kolem 300 A.
17. 17. Atomicky ostrý břit, jak je stanoveno v nároku 11, vyznačující se tím, že břit má poloměr zakřivení menší než je kolem 100 A.
18. 18. Atomicky ostrý břit, jak je stanoveno v nároku 11, vyznačující se tím, že břit má poloměr zakřivení menší než je kolem 10 A.
19. 19. Atomicky ostrý břit, jak je stanoveno v nároku 11, vyznačující se tím, že břit má jednostranně zešikmenou hranu.
20. 20. Atomicky ostrý břit, jak je stanoveno v nároku 11, vyznačující se tím, že břit má oboustranně zešikmenou hranu.
21. 21. Způsob výroby atomicky ostrého břitu pro řezné nástroje, řečenou metodu tvoří:

    provedení předvýrobku vyrobeného z kovového materiálu, který je opatřen hlavním povrchem a zkosenou hranou na jednom konci hlavního povrchu;

    na části hlavního povrchu na zkosené hraně uložení druhého materiálu, který je tvrdší než kov; a obroušení vrstvy druhého materiálu zaměřeným iontovým svazkem pro vytvoření atomicky ostrého břitu.
22. 22. Způsob výroby atomicky ostrého břitu řezného nástroje podle nároku 21, v y znáčů j í c í se t í m , že vrstva druhého materiálu je uložena v tloušťce od kolem 100 do kolem 500 A.
23. 23. Zůsob výroby atomicky ostrého řezného nástroje podle nároku 21,vyznačují c í se t í m, že vrstva druhého materiálu je uložena v tloušťce alespoň kolem 200A.
24. 24. Způsob výroby atomicky ostrého řezného nástroje podle nároku 21, v y z n a č uj í c í se t í m, že druhý materiál je zvolen ze skupiny sestávající z křemíku, • · · · · · • · • · • ·* · · kameniny, skla, AI2O3, TiN, AlTiN, SiC, SiN, M0S2, amorfního uhlíku, černého diamantu a zirkonu.
25. 25. Způsob výroby atomicky ostrého řezného nástroje podle nároku 21, v y z n a č uj í c í se t í m , že břit má poloměr zakřivení menší než kolem 300 A.
26. 26. Způsob výroby atomicky ostrého řezného nástroje podle nároku 21,vyznačující se t í m , že břit má poloměr zakřivení menší než kolem 100 A.
27. 27. Způsob výroby atomicky ostrého řezného nástroje podle nároku 21, v y z n a č uj í c í se t í m , že břit má poloměr zakřivení menší než kolem 10 A.
28. 28. Způsob výroby atomicky ostrého řezného nástroje podle nároku 21, v y z n a č uj í c í se t í m, že břit má jednostranně zešikmenou hranu.
29. 29. Způsob výroby atomicky ostrého řezného nástroje podle nároku 21,vyznačující se t í m, že břit má oboustranně zešikmenou hranu.
30. 30. Způsob výroby atomicky ostrého břitu pro řezné nástroje, řečený způsob tvoří:

    zabezpečení předvýrobku břitu, který je opatřen hlavním povrchem a řeznou hranou na svém konci, obroušení řečené hrany do ostrého úhlu k rovině paralelní k řečenému hlavnímu povrchu pomocí zaostřeného iontového svazku pro vytvoření řečeného předvýrobku s nepřerušeným atomicky ostrým břitem.
31. 31. Způsob výroby atomicky ostrého břitu, jak je vyznačeno v nároku 30, v y znáčů j í c í se t í m, že před výrobek je vrstva, kterou tvoří materiál zvolený ze skupiny sestávající z křemíku, kameniny, skla, AI2O3, TiN, AlTiN, SiC, SiN, MoS₂, amorfního uhlíku, černého diamantu a zirkonu.
32. 32. Způsob výroby atomicky ostrého břitu jak je vyznačeno v nároku 30, v y znáčů j í c í se t í m , že předvýrobek má tloušťku kolem od 100 pm do kolem 1000pm.

    • · · ·
33. 33. Způsob výroby atomicky ostrého řezného nástroje podle nároku 30, v y z n a č uj í c í se t í m, že břit má poloměr zakřivení menší než kolem 300 A.
34. 34. Způsob výroby atomicky ostrého řezného nástroje podle nároku 30, v y z n a č uj í c í se t í m, že břit má poloměr zakřivení menší než kolem 100 A.
35. 35. Způsob výroby atomicky ostrého řezného nástroje podle nároku 30, v y z n a č uj í c í se t í m, že břit má poloměr zakřivení menší než kolem 10 A.
36. 36. Způsob výroby atomicky ostrého řezného nástroje podle nároku 30, v y z n a č uj í c í se t í m, že břit má jednostranně zešikmenou hranu.
37. 37. Způsob výroby atomicky ostrého řezného nástroje podle nároku 30, v y z n a č uj í c í se t í m, že břit má oboustranně zešikmenou hranu.
38. 38. Způsob výroby atomicky ostrého břitu pro řezné nástroje, řečený způsob tvoří následující kroky:

    zabezpečení vrstvy materiálu vhodného pro tvarování břitu; vystřižení vrstvy pro vytvoření alespoň jednoho předvýrobku břitu trojúhelníkového profilu, řečený předvýrobek břitu je opatřen několika hranami; umístění předvýrobku břitu v podtlakové komoře; vytvoření požadovaného tlaku v podtlakové komoře; a obroušení hrany předvýrobku břitu zaměřeným iontovým svazkem k vytvoření atomicky ostrého břitu na předvýrobku.
39. 39. Způsob vytvoření atomicky ostrého břitu jak je vyznačeno v nároku 38 dále tvoří připojení atomicky ostrého předvýrobku břitu k substrátu řezného nástroje.
40. 40. Způsob vytvoření atomicky ostrého břitu jak je vyznačeno v nároku 38, v y znáčů j í c í se t í m, že vrstva obsahuje materiál zvolený ze skupiny sestávající z křemíku, kameniny, skla, AI2O3, TiN, AlTiN, SiC, SiN, M0S2, amorfního uhlíku, černého diamantu a zirkonu.

    • · · ·
41. 41. Způsob výroby atomicky ostrého břitu podle nároku 38, v y z n a č u j í c í se t f m , že vrstva je kolem 100 až kolem 1000 mikronů tlustá.
42. 42. Způsob výroby atomicky ostrého břitu podle nároku 38, vyznačující se t í m, že jej tvoří vyříznutí vrstvy v úhlu k povrchu substrátu v rozmezí od kolem 5 do kolem 70 stupňů.
43. 43. Způsob výroby atomicky ostrého břitu podle nároku 38, jehož součástí je zabezpečení vrstvy, která je opatřena alespoň jedním atomicky leštěným povrchem.
44. 44. Způsob výroby atomicky ostrého břitu podle nároku 38, jehož součástí je zabezpečení zaměřeného iontového svazku o průměru 5 nm.
45. 45. Způsob výroby atomicky ostrého břitu podle nároku 38, jehož součástí je zabezpečení zaměřeného iontového svazku o průměru 10 nm.
46. 46. Způsob výroby atomicky ostrého řezného nástroje podle nároku 38, vyznačující se t í m, že břit má jednostranně zkosenou hranu.
47. 47. Způsob výroby atomicky ostrého řezného nástroje podle nároku 38, vyznačující se t í m, že břit má oboustranně zkosenou hranu.