DE60002812T2

DE60002812T2 - Verfahren zur Herstellung atomar scharfer Schneidklingen.

Info

Publication number: DE60002812T2
Application number: DE60002812T
Authority: DE
Inventors: Martin H. Newman
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1999-10-15
Filing date: 2000-09-29
Publication date: 2004-02-26
Anticipated expiration: 2020-09-30
Also published as: ES2199111T3; AU782041B2; KR20010050739A; IL138710A0; EP1092515A1; AR042165A1; CA2323259A1; AU6412100A; DE60002812D1; CA2323259C; US20070283578A1; KR100755961B1; ATE240821T1; US20050210684A1; JP3553482B2; EP1092515B1; JP2001161701A; BR0004830A

Description

Gebiet der Erfindung
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf Vorrichtungen mit extrem scharfen Schneidkanten, die insbesondere für chirurgische Instrumente nützlich sind, sowie auf Verfahren zum Herstellen solcher Vorrichtungen. Tatsächlich bezieht sich die Erfindung auf einen Prozeß zur Erzeugung einer atomar scharfen Schneidkante in einem Material unter Verwendung eines einzeln oder doppelt fokussierten Ionenstrahlfräsvorgangs und auf die dadurch hergestellten Vorrichtungen. Die Erfindung ist insbesondere für die Herstellung von chirurgischen Schneidinstrumenten nützlich, sie kann jedoch noch verwendet werden, um jegliche Schneidkante herzustellen, bei der eine erhöhte Schärfe der Schneidkante wünschenswert ist.
Hintergrund der Erfindung
Moderne, medizinische Verfahren erfordern Schneidinstrumente mit äußerster Schärfe und Verschleißfestigkeit und müssen darüber hinaus minimale Gewebewiderstandskräfte aufweisen. In der empfindlichen Mikro-Chirurgie und insbesondere in der ophtalmologischen Chirurgie müssen Schneidkanten extrem scharf sein und die Schärfe muß über die Operation aufrecht erhalten bleiben. Jedoch können sogar derzeit erhältliche spitzwinklig geschärfte Klingen wesentliche Widerstandskräfte zeigen, was es schwierig macht, sich durch Gewebe zu bewegen, ohne einen "groben" Schnitt zu erzeugen. Darüber hinaus haben Studien gezeigt, daß eine Klingenverschlechterung zu Gewebebeschädigung, postoperative Komplikationen und zu langsamerer Heilung führen kann.
Ein kritisches Element einer chirurgischen Klinge ist die Schneidkante. Späne, Kerben oder Brüche in der Unversehrtheit der Kante, bleibende Grate und/oder gequetschte oder verbogene Schneidkanten der Klinge können die Klinge nutzlos werden lassen oder im schlimmeren Fall den Patienten verletzen.
Scharfkantige Schneidinstrumente werden typischerweise aus Metallen wie rostfreiem Stahl, Karborund oder aus anderen relativ harten Materialien wie Siliciumkarbid, Silicium, Glas, Saphiren, Rubin oder Diamanten hergestellt. Glas, Silicium und rostfreier Strahl sind relativ billig und deshalb wegwerfbar, während Diamanten, Rubine und Saphire relativ teuer sind und notwendigerweise typischerweise eine Wiederverwendung aus ökonomischen Gründen erforderlich machen. Jedes dieser Materialien kann durch eine Unzahl von Vorrichtungen geschliffen, gestanzt, geätzt, geläppt oder gehohnt werden, um eine Schneidkante vorzusehen. Beispielsweise kann Metall geschliffen, gestanzt und/oder geätzt werden, um Schneidklingen mit extrem feinen Schneidkanten zu erzeugen. Jedoch je dünner die Schneidkante des Metalls wird, desto enger wird/werden der Schrägwinkel/die Schrägwinkel, der/die die Schneidkante bildet/bilden. Folglich zeigen Schneidklingen aus Metall mit einer dünneren Kante eine größere Zerbrechlichkeit als Klingen mit relativ dickeren Kanten. Dies Zerbrechlichkeit zeigt sich durch beachtlichen Verschleiß, das heißt durch Späne, Kerben, Brüche, bleibende Grate und/oder gequetschte oder verbogene Schneidkanten. Darüber hinaus können Schneidklingen aus Metall während eines einzigen Gebrauchs merklich stumpf werden.
Viele Fachleute haben eine Diamantklinge als akzeptierten Standard für Schärfe in Erwägung gezogen. Jedoch sind Diamantklingen sehr teuer, extrem empfindlich und erfordern ein Nachschärfen auf regelmäßiger Basis. Solche Fachleute haben sich durch eine Vielzahl an Vorrichtungen ökonomischere Vorrichtungen zur Bearbeitung von Schneidvorrichtungen mit diamantähnlicher Schärfe ausgedacht. Einige der kürzlich unternommenen Versuche, harte scharfe Schneidkanten bereitzustellen, werden nachfolgend diskutiert.
Henderson ( US 4,534,827 ) offenbart ein Schneidinstrument, das durch Ätzen und chemisches Polieren eines einkristallinen Aluminiumoxidmaterials, beispielsweise Rubine oder Saphire, hergestellt wird, um eine Kante zu erzeugen, deren maximaler Radius eine Krümmung von ungefähr 100 Angstrom (Å) besitzt. Jedoch sind die offenbarten Materialien spröde und darüber hinaus zeigen die Schneidklingen, die durch die Vergitterung des Materials hergestellt werden, eine natürliche Abschrägungsneigung.
Mirtich et al. ( US 4,490,229 ) offenbart ein Verfahren zur Herstellung diamantähnlicher Kohlenstoffilme auf einem Substrat. Die Oberfläche des Substrats wird einem Argonionenstrahl ausgesetzt, der Kohlenwasserstoff enthält. Gleichzeitig wird ein zweiter Argonionenstrahl (ohne Kohlenwasserstoff), der eine größere Ionenenergie besitzt, auf die Oberfläche gerichtet, was die Mobilität der kondensierenden Atome erhöht und weniger gebundene Atome entfernt.
Bache et al. ( US 4,933,058 ) offenbart ein Verfahren zur Beschichtung eines Schneidsubstrats mit einem härteren Material durch chemische Dampfablagerung oder durch Sputtern, während die Schneidkante gleichzeitig einem Ionenbeschuß unterworfen ist. Der Ionenbeschuß verursacht eine bevorzugte Ablagerungsausrichtung des härteren Materials und darüber hinaus eine Spritzerbeseitigung des abgelagerten Materials, das eine Beschichtung mit einer besonderen Querschnittgestalt und einem Grenzspitzenradius erzeugt.
Kokai (Japanische PN 61-210179) offenbart die Anmeldung von Beschichtungen aus amorphem Kohlenstaoff (Siliciumkarbid) durch eine plasmainduzierte Dampfphasenablagerung in einem Gasgemisch aus Wasserstoff und Wasserstoffkomponenten (beispielsweise aus Methan), um eine Schneidkante mit einer Dicke zwischen 1 nm und 20 nm zu erzeugen.
Hoshino ( US 4,832,979 ) offenbart einen Prozeß zur Vorbereitung eines Lasermessers, wobei die Oberfläche eines Musterabschnittes mit einer Kohlenstoffbeschichtung von 1 bis 50 μm Dicke beschichtet ist, auf der eine 1 bis 50 μm dicke Schutzbeschichtung aus Saphir, Rubin oder Quarzglas beschichtet ist.
Kitamura et al. ( US 4,839,195 ) offenbart die Erzeugung eines Mikrotoms durch Beschichten eines Basisklingensubstrats, beispielsweise eines Saphirs, mit einer annähernd 5 bis 50 nm dicken Schicht aus Diamant, durch eine plasmainduzierte chemische Dampfphasenablagerung und nachfolgende Wärmbehandlung bei 700° bis 1300°C zum Austreiben von Verunreinigungen aus der Diamantschicht. Kitamura et al. ( US 4,980,021 ) offenbart des weiteren einen Ätzvorgang der Oberfläche der kohlenstoffhaltigen Beschichtung auf der Oberfläche der Klinge, um eine günstige Oberflächenrauhheit bereitzustellen.
Bache et al. ( US 5,032,243 ) beschreibt ein Verfahren zur Erzeugung oder Modifizierung von Schneidkanten aus Rasierklin gen, indem ein Stapel rostfreier Stahlrasierklingen einem Ionenbeschuß aus zwei Ionenquellen unterzogen wird, die an gegenüberliegenden Seiten einer Ebene angeordnet sind, die in dem Stapel liegt und die parallel zu den Hauptoberflächen der Klingen sind. Eine mechanisch geschärfte Schneidkante wird mit Ionen aus den zwei Quellen beschossen, um eine neue Kante aufzubauen, nachdem ein Elektronenstrahlverdampfer betrieben wurde, um das gewünschte Beschichtungsmaterial oder dessen Komponente, deren Beschichtung eine Mischung ist, zu verdampfen, und der Betrieb der Ionenquellen wird fortgeführt. Nachdem mit der Ablagerung begonnen wurde, sollte die Spritzerentfernungsrate aufgrund der Ionenquellen niedriger als die Ablagerungsrate sein und die Ionenquellen werden betrieben, um die Ablagerung zu gewährleisten.
Hahn ( US 5,048,191 ) beschreibt einen Prozeß zur Erzeugung einer Rasierklinge durch Vorsehen eines keramischen Substrats, durch mechanisches Abtragen einer Kante des Substrats, um eine scharfe Kante mit Facetten zu erzeugen, die einen eingeschlossenen Winkel von weniger als 30° besitzen, durch thermisches Bearbeiten der mechanisch abgearbeiteten Kante, um eine Oberflächenrauhheit und unter der Oberfläche liegende Defekte zu reduzieren, und durch Sputterschärfen der geschärften Kante zum Bereitstellen von Hilfsfacetten, die einen eingeschlossenen Winkel von mehr als 40° besitzen, um einen Radius von weniger als 500 Å zu definieren.
Kramer ( US 5,121,660 ) beschreibt einen Prozeß zur Erzeugung einer Rasierklinge, der das Vorsehen eines polykristallinen Keramiksubstrats enthält, der eine Korngröße kleiner als 2 μm besitzt, das mechanische Abarbeiten einer Kante des Substrats, um eine geschärfte Kantezu erzeugen, die einen eingeschlossenen Winkel von weniger als 20° besitzt, und das Sputterätzen der geschärften Kante, um den Radius auf weniger als 300 Å zu reduzieren, wodurch eine Schneidkante erzeugt wird.
De Juan, Jr. et al. ( US 5,317,938 ) beschreibt ein Verfahren zur Herstellung eines mikrochirurgischen Schneidgeräts aus einem flachen planaren Substrat. Eine Photoresistmaskenschicht ist auf der oben liegenden Oberfläche des Substrats in einem Muster des mikrochirurgischen Instruments ausgebildet und die Oberseite des Substrats wird durch die Bodenoberfläche isotropisch geätzt, um einen Schneidkantenabschnitt zu erzeugen, wobei der Schneidkantenabschnitt eine Konfiguration besitzt, die dem Kantenabschnitt der Maskenschicht entspricht. Halbleitermaterialien wie Silicium, Siliciumkarbid, Saphire und Diamanten können für das Substrat verwendet werden.
Knudsen et al. ( US 5,724,868 ) beschreibt ein Verfahren zur Herstellung eines Messers mit verbesserter Schneidfunktion. Ein Stahlmesserklingenrohling wird mit TiN, Ti(CN) oder (Ti-Al)N durch einen Kathodenbogenprozeß unter Verwendung linearer Ablagerungsquellen mit gleichzeitigem Erhitzen und Rotieren des Klingenrohlings relativ zu den Ablagerungsqüellen beschichtet. Die Klingenkante der Klinge kann vor der Ablagerung der Beschichtung geschärft oder ungeschärft sein. Wenn der Rohling vor der Ablagerung ungeschärft ist, wird er nachfolgend geschärft, vorzugsweise auf nur einer Seite, durch herkömmliche Prozeduren unter Verwendung eines abtragenden Schleifvorgangs und eines finalen Stoppens der Klinge.
Decker et al. ( US 5,799,549 ) beschreibt verbesserte Rasierklingen und Verfahren zur Erzeugung scharfer und haltbarer Schneidkanten durch hartes Kohlenstoffbeschichten der geschärften Kante der Klingensubstrate mit amorphen Diamanten. Das Substrat kann mechanisch gehohnt werden und es liegt keine Zwischenschicht zwischen dem Substrat und der Diamantbeschichtung vor. Das Beschichten verleiht einer dünnen Klinge eine Starrheit und Steifigkeit, während ein hohes Zuschärfungsverhältnis aufrecht erhalten bleibt.
Marcus et al. ( US 5,842,387 ) offenbart Schneidklingen, die "ultrascharfe" Schneidkanten besitzen, die aus Wafern aus monokristallinem Silicium hergestellt werden. Zuerst wird der Wafer mit einer Ätzflüssigkeitmaskenschicht über einen verlängerten Grat bedeckt. Anschließend wird der Wafer geätzt, um die Maske zu unterätzen und die Seitenwände des Grats zu formen, daß sie zu der Gratspitze hin konvergieren. Ein scharfer Gratscheitel wird unter Verwendung eines Oxid bildenden/Oxid abziehenden Prozesses bereitgestellt. Es werden Klingen mit hervorragender Schärfe erhalten, jedoch sind die Oxid bildenden/Oxid abziehenden Zyklen des Prozesses zeitraubend. Des weiteren sind die extrem scharfen Klingenkanten relativ brüchig und es ist in vielen Anwendungen vorzuziehen, die Kanten abzustumpfen und die Kanten weiter zu festigen, indem eine oder mehr Schutzschichten hinzugefügt wird/werden, beispielsweise durch RF-Sputtern. Zusätzlich sind Klingen, die Doppelschrägen aufweisen, mit dieser Lehre schwierig und teuer herzustellen.
Folglich besteht weiterhin eine Notwendigkeit nach einer schärferen und haltbareren Kante auf Schneidinstrumenten, insbesondere für die Präzisionschirurgie. Tatsächlich verbleibt eine ungelöste Notwendigkeit in der Industrie nach einem ökonomischen Schneidinstrument, das eine atomar scharfe Schneidkante und Klingenspitze bereitstellt.
Bei diesem Einsatz wäre es wünschenswert, begrenzt wiederverwertbare oder wegwerfbare einzel- oder doppelschräge Schnei dinstrumente zu erzeugen, die eine außergewöhnliche Schärfe, eine hervorragende Verschleißfestigkeit und minimale Schneidwiderstandskräfte zeigen, sowie ein Verfahren zur Herstellung des wiederverwendbaren oder wegwerfbaren Instruments zur Verwendung in mikrochirurgischen Vorgängen. Des weiteren wäre es wünschenswert, ein Instrument mit einer kontinuierlichen Schneidkante bereitzustellen. Darüber hinaus wäre es wünschenswert, solch ein Schneidinstrument aus einem Material herzustellen, das biokompatibel ist, zur Verwendung in chirurgischen Instrumenten. Es wäre ferner wünschenswert, ein solches Instrument und ein Verfahren zur ökonomischen Herstellung des Instrumentes bereitzustellen.
Zusammenfassung der Erfindung
Die vorliegende Erfindung, die durch die Ansprüche 1, 8 und 13 definiert wird, sieht eine Klinge vor, die eine atomar scharfe Schneidkante besitzt, die aus einem harten haltbaren Material hergestellt ist. Die vorliegende Erfindung verwendet eine Frästechnologie mit fokussiertem Ionenstrahl (FIB), um eine atomar scharfe Kante an die Klinge eines Schneidinstrumentes "atomar zu fräsen", d.h. die Kante ist auf einer submikroskopischen Skala scharf und kann einen Krümmungsradius in der Größenordnung von ungefähr 1 Å bis ungefähr 300 Å besitzen.
Die FIB-Technologie wurde entwickelt, um integrierte Schaltmuster hochpräzise in Halbleitermaterialien "Ionenzufräsen" oder "zu ätzen". Die FIB-Bedingungen und Technologien wurden in der US 5,482,802 , US 5,658,470, US 5,690,784, US 5,744,400, US 5,840,859, US 5,852,297 und US 5,945,677 beschrieben.
Vorrichtungen gemäß der vorliegenden Erfindung können eine einzeln abgeschrägte Schneidkante oder eine doppelt abgeschrägte Schneidkante besitzen.
Andere Aspekte und Ausführungsformen der Erfindung werden nachfolgend diskutiert. Zusätzliche Rufgaben und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden anhand der Zeichnungen und nachfolgenden Beschreibungen offensichtlich.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Zum bessern Verständnis der Natur und der gewünschten Aufgaben der vorliegenden Erfindung wird auf die nachfolgend detaillierte Beschreibung unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen verwiesen, wobei gleiche Bezugszeichen entsprechende Teile durchgehend für die verschiedenen Ansichten bezeichnen:
1 ist eine schematische Ansicht der Schneidkante eines Rohlings für eine Schneidklinge nachdem eine Beschichtung abgelagert worden ist, jedoch vor dem fokussierten Ionenfräsen einer neuen Schneidkante gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
2 ist eine schematische Ansicht der Schneidkante eines Rohlings für eine Schneidklinge, der beschichtet und mit fokussierten Ionen gefräst wurde, um eine neue Schneidkante gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zu erzeugen.
3A ist eine Ausführungsform eines Wafer-Dicing-Prozesses zur Erzeugung grober Rohlinge.
3B zeigt schematisch eine Ausführungsform eines Rohlings, der einem fokussierten Ionenstrahlfräsvorgang unterworfen wird, wobei die atomar polierte Seite des Rohlings keinen Teil der Schneidkante bildet.
3C zeigt schematisch eine alternative Ausführungsform eines Rohlings, der einem Ionenstrahlfräsvorgang unterworfen wird, wobei die atomar polierte Seite des Rohlings einen Teil der Schneidkante bildet.
4A ist eine digitale Mikrofotografie, die eine herkömmlich geschärfte Kante darstellt, die einen typischen mikroskopischen Kantendefekt besitzt.
Die 4B-4E sind digitale Mikrofotografien, die herkömmlich geschärfte Kanten darstellen, die an der Kante eine mikroskopische Überwalzung und/oder eine mikroskopische Aufschüttung besitzen.
5A ist eine Draufsicht, die eine Ausführungsform von Schneidkantenrohlingen darstellt, die zur Vorbereitung einer atomar scharfen Schneidkante gemäß der vorliegenden Erfindung verwendbar ist.
5B ist eine Querschnittsansicht entlang 5B–5B in 5A.
6 ist eine digitale Mikrofotografie, die eine herkömmlich geschärfte Kante darstellt, wobei ein Abschnitt davon durch einen fokussierten Ionenstrahlfräsvorgang gemäß der vorliegenden Erfindung weiter geschärft wurde, wodurch die dramatischen Ergebnisse des fokussierten Ionenstrahlfräsvorgangs für eine atomar scharfe Schneidkante gezeigt werden.
7 stellt einen geschärften Schneidkantenrohling gemäß der vorliegenden Erfindung dar, der an einem Substrat befestigt ist.
Detaillierte Beschreibung der Erfindung einschließlich bevorzugter Ausführungsformen Atomar scharfe Schneidkanten gemäß der vorliegenden Erfindung enthalten einen Schneidkantenabschnitt, der ein hartes Material aufweist, das eine geschärfte Kante besitzt, die durch einen fokussierten Ionenstrahlfräsvorgang (FIB-Fräsvorgang) der geschärften Kante erzeugt wird. Geeignete harte Materialien für die Realisierung der vorliegenden Erfindung sind Si, Al₂O₃, TiN, AlTiN, SiC, SiN, Molybdän Disulfid (MoS₂), amorpher Kohlenstoff, diamantähnlicher Kohlenstoff, Zirkonium und ähnlich Materialien, die durch einen fokussierten Ionenstrahl entfernbar sind. Der Kantenabschnitt aus hartem Material kann auf einem Substrat gelagert werden., typischerweise aus einem weicheren, robusteren Material. Alternativ kann das harte Material in einem Wafer ausgebildet werden, auf dem eine geschärfte Kante durch einen fokussierten Ionenstrahl erzeugt wird.
In einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung (1) ist ein Metallschneidkantenrohling 5 durch irgendein Verfahren gebildet, beispielsweise durch Leistungsmetallgießen, Schmieden, Prägen, elektrische Entladungsbearbeitung, Mikrobearbeitung, Fotoätzen oder dergleichen. Der Rohling 5 wird vorzugsweise mit wenigstens einer konischen Schneidkante 7 gebildet. Somit ist die Schneidkante im wesentlichen weniger dick als der Rest des Rohlings 5. Der Rohling 5 ist mit irgendeiner Dicke hergestellt, die für das Schneidwerkzeug oder das chirurgische Instrument 10, das gewünscht wird, geeignet ist.
Der geformte Schneidkantenrohling 5 wird gereinigt und es wird eine Beschichtung 6 aus einem Material, das wesentlich härter als das Material des Rohlings 5 ist, darauf aufgebracht, beispielsweise durch eine chemische Dampfablagerung, durch Sputtern oder durch eine ionenunterstützte Ablagerung. Diese Vorgänge, die dem Fachmann wohlbekannt sind, verwenden typischerweise einen hohen Unterdruck, bei dem der Unterdruck niedriger als 10^-2 Torr, beispielsweise 10^-3, 10^-4, etc. ist. Die Beschichtung aus hartem Material 6 kann in Anwesenheit geeigneter gasförmiger Elemente hergestellt werden, die durch den Vakuumablagerungsprozeß aufgebracht wird. In der Tat ist es dem Fachmann ferner bekannt, daß die Anwesenheit bestimmter Gase die Haftung der Beschichtung 6 an dem Rohling 5 unterstützt. Geeignete harte Materialien für die abgelagerte Beschichtung 6 sind Si, Al₂O₃, ALTiN, TiN, SiC, SiN, MoS₂, amorpher Kohlenstoff, diamantähnlicher Kohlenstoff, Zirkonium und ähnliche Materialien.
Die Beschichtung 6 wird so aufgebracht, daß eine wesentliche Schicht des härteren Materials wenigstens eine Seite der Schneidkante 7 des Rohlings 5 kontinuierlich bedeckt. Vorzugsweise bildet die Beschichtung 6 eine kontinuierliche Schicht an der Schneidkante 7. Die Beschichtungen 6, die 30.000 Å haben, wurden angewendet; jedoch ist es ökonomischer, eine Beschichtung aufzubringen, die in der Größenordnung von ungefähr 500 Å oder weniger liegt. Tatsächlich beträgt die Dicke für die Beschichtung 6 nach dem fokussierten Ionenstrahlfräsen in der bevorzugten Ausführungsform ungefähr 100 Å bis ungefähr 500 Å, vorzugsweise mindestens ungefähr 200 Å.
In einer Anwendung, bei der eine Beschichtung 6 nur auf einer Seite erwünscht ist, das heißt für die Schneidkante 7 eines einzeln abgeschrägten Schneidinstrumentes 10, wird bei dem Beschichtungsprozeß typischerweise überschüssiges Beschichtungsmaterial 6 auf der Basisoberfläche 11 abgelagert, das entfernt werden muß. Tatsächlich ist es wünschenswert, den Teil der Klinge, der nicht beschichtet werden sollte (das heißt die Basisoberfläche 11), zu bearbeiten, beispielsweise durch ein nichtfokussiertes Ionenfräsen oder durch Ionenätzen, um das unerwünschte überschüssige harte Material 6 zu beseitigen. Danach wird der Rohling 5 durch fokussiertes Ionenstrahlfräsen (FIB) geschärft, um eine neue geschärfte Kante 9, die eine atomar scharfe Kante besitzt, zu erzeugen. Für doppelt abgeschrägte Schneidinstrumente, bei denen beide Seiten des Rohlings konisch zulaufen und die mit einem härteren Material beschichtet sind, wird jede beschichtete Seite des Rohlings durch einen fokussierten Ionenstrahl gefräst, um ein neues geschärftes Ende zu erzeugen, das eine atomar scharfe doppelt abgeschrägte Kante besitzt.
Der fokussierte Ionenstrahl beseitigt Teile der Beschichtung 6 von der Kante 7 und stellt eine neue "atomar scharfe" Schneidkante 9 wieder her (2), die um die verbleibende, d.h. die nichtgefräste, Dicke der Beschichtung 6 von der ursprünglichen Schneidkante 7 des Rohlings 5 versetzt ist. Das US-Patent mit der Nr. 5,945,677 beschreibt einen Prozeß zur Bereitstellung eines fokussierten Ionenstrahls (FIB), der für eine Nanolitographie verwendet werden kann. Solch ein FIB kann in einem Winkel auf der Schneidkante des beschichteten Rohlings 5 fokussiert werden, um hartes Material 6 zu beseitigen, um eine neue atomar scharfe Schneidkante 9 zu erzeugen.
Das fokussierte Ionenstrahlfräsen, wie es oben beschrieben wurde, wird mit einer speziellen Ausrüstung durchgeführt, die durch Micrion Division von FEI oder dergleichen hergestellt wird. Der fokussierte Ionenstrahl 40, der die Arbeitsenergiequelle bildet, wird vorzugsweise aus einer elektrisch erregten flüssigen Galliumquelle 45 abgeleitet; jedoch können andere Ionenquellen 45, die dem Fachmann bekannt sind, innerhalb des Umfangs der Ansprüche verwendet werden. Die Quelle 45 gibt einen Strahl aus Galliumionen 40, die auf einen gewünschten Durchmesser fokussiert werden, aus. Der fokussierte Strahl 40 wird räumlich beabstandet, vorzugsweise um ungefähr 5 nm im Durchmesser. Größere fokussierte Strahldurchmesser, beispielsweise 10 nm, können jedoch auch mit zufriedenstellenden Ergebnissen verwendet werden. Das Energieniveau, das erforderlich ist, um eine scharfe Schneidkante 9 auf einem Klingenrohling 5 zu fräsen, reicht von ungefähr 30 pA für einen 5 nm Durchmesserstrahl bis ungefähr 100 pA für einen 10 nm Durchmesserstrahl. Wie in jedem beliebigen Fräsvorgang liegt die Aufgabe dieses Verarbeitungsschrittes darin, (1) einige oder alle spezifischen Flächen der härteren Beschichtung 6 entlang der gewünschten Schneidkante 9 zu beseitigen, und (2) in der Ebene der Basisoberfläche 11, oder, für doppelt abgeschrägte Schneidkanten, die harte Beschichtung entlang der gewünschten Schneidkanten zu beseitigen.
Der fokussierte Ionenstrahl 40 schneidet wie eine atomare Fräsmaschine und gestattet ein spannungsfreies Schneiden an Ort und Stelle, um eine atomar gefräste Schneidkante 9 zu erzeugen.
Der fokussierte Ionenstrahl 40 wird auf die Beschichtung 6 auf dem Rohling 5 in einem Winkel innerhalb weniger Grade des gewünschten Endwinkels der geschärften Schneidkante 9 gerichtet.
Typischerweise wird der Strahl 40 auf die Schneidkante 9 des Rohlings 5 mit einem Winkel von ungefähr fünf (5)° größer als die Referenz zu einer Ebene parallel zur Hauptoberfläche der rohen Schneidkante 9 gerichtet. Die Prozeßschritte der vorliegenden Erfindung stellen eine Schneidkante 9 bereit, die eine hohe Qualität im Oberflächenfinish und die Wiederholbarkeit der Dimensionstoleranz des erzeugten Produkts besitzt. Es ist vorteilhaft, wenn die Dimensionstoleranz genau bis wenigstens ± 0,3 μm oder weniger beträgt. Darüber hinaus kann ein Krümmungsradius der Schneidkante von weniger als ungefähr 300 Å, vorzugsweise mit weniger als ungefähr 100 Å und noch weiter vorzugsweise von weniger als ungefähr 10 Å bereitgestellt werden. Des weiteren wird eine mikroskopische Aufschüttung an der Schneidkante vermieden, indem die Schneidkante erfindungsgemäß hergestellt wird.
Der Schneidkantenrohling 5, der die neue atomar geschärfte Kante besitzt, wird schließlich mit einem Trägersubstrat verbunden (7), das beispielsweise Metall oder Plastik sein kann, das praktischerweise jegliche Gestalt oder Form einnehmen kann und für eine konstruktive Lagerung, Festigkeit und Bruchwiderstand hinsichtlich der resultierenden Schneidkante 9 sorgt. Wie in 7 dargestellt ist, wird ein doppelt abgeschrägter atomar geschärfter Rohling mittels eines Klebstoffes (nicht gezeigt) auf einem Substrat 25 befestigt. Das Substrat kann aus jeglichem geeigneten Material wie einem Metall oder einem Plastik hergestellt sein.
In einer zweiten Ausführungsform werden Schneidkantenrohlinge 60 aus einem waferähnlichen Blatt 65 aus metallischem Silicium, Keramik, Glas, Al₂O₃, ALTiN, TiN, SiC, SiN, MoS₂, amorphem Kohlenstoff, diamantähnlichem Kohlenstoff, Zirkonium und solch einem ähnlichen harten Material hergestellt. Die Schneidkan tenrohlinge, die in ihren Formen variieren, können aus einem Blatt 65 durch Mikrobearbeiten, durch nichtfokussiertes Ionenstrahlfräsen, oder durch Ätzen geformt werden (5a und 5b), wobei diese Prozeßvorgänge dem Fachmann wohl bekannt sind. In dieser Ausführungsform wird zunächst eine Mehrzahl von Rohlingen 60 durch diese Vorgänge grob geformt. Die Schneidkantenrohlinge 60 werden chemisch geätzt, um eine Schneidkante 63 vorzubereiten, und sie werden grob getrennt, um eine Rückenschärfe bereitzustellen. Anschließend wird die Schneidkante 63 durch Fräsen mit einem fokussierten Ionenstrahl wie oben beschrieben geschärft, je nach Bedarf auf einer oder zwei Seiten, um die gewünschte atomar scharfe Schneidkante bereitzustellen. Diese Ausführungsform kann geschärfte Schneidkanten relativ schnell bereitstellen. Die Rohlinge mit den FIB-gefrästen geschärften Kanten können auf Trägern montiert werden (siehe beispielsweise 7), um Schneidinstrumente bereitzustellen.
Rechtwinklige Rohlinge 61, die durch Mikrobearbeiten, Ätzen oder nicht fokussiertes Strahlfräsen hergestellt werden, sind die bevorzugte Form; jedoch liegen beispielsweise kreisförmige, elliptische, dreieckige und polygonale Formen in der Lehre der Erfindung. Um die rechtwinkligen Rohlinge 61 zu erzeugen, wird eine Mikrobearbeitung, ein Ätzvorgang oder ein nichtfokussiertes Strahlfräsen in einer solchen Art und Weise durchgeführt, daß die äußere Begrenzung (Perimeter) des rechtwinkligen Rohlings 61 definiert wird. Der Kegelwinkel 62 der Schneidkante 63 des groben Rohlings 61 liegt typischerweise zwischen ungefähr 30 und ungefähr 60°, vorzugsweise bei ungefähr 36,8°, die in Fig. 5b gezeigt ist. Anschließend wird der rechtwinklige Rohling 61 mit einem fokussierten Ionenstrahl gefräst, um eine atomar scharfe Schneidkante bei 63 zu bilden. Die einzelnen Schneidkantenrohlinge 60 können beispielsweise aus den rechtwinkligen Rohlingen 61 in zwei Hälften 69 geteilt werden. Als ein Beispiel wird in 5a ein rechtwinkliger Rohling 61 in zwei Hälften 69 geteilt, um ein Paar Schneidkantenrohlinge 60 mit drei atomar scharfen Schneidkanten 63 zu erzeugen. Die Schneidkante kann in jeglicher Form vorgesehen sein. Als Trägersubstrat wird anschließend beispielsweise Metall, Plastik, Glas, etc. auf dem geschnittenen Kantenrohling 60 laminiert, um für eine konstruktive Lagerung, Festigkeit und einen Bruchwiderstand zu sorgen.
In einer anderen Ausführungsform (3a) wird eine Mehrzahl von Klingenschneidkantenrohlingen 30 aus Wafern 35 beispielsweise aus Silicium, Keramik, Glas, Al₂O₃, ALTiN, TiN, SiC, SiN, MoS₂, amorphem Kohlenstoff, diamantähnlichem Kohlenstoff, Zirkonium und einem ähnlich harten Material hergestellt, vorzugsweise aus Materialien, die leicht in der Form von Wafern aus der Halbleiterindustrie verfügbar sind. Vorzugsweise beträgt die Dicke des Wafers 35 zwischen ungefähr 100 μm und ungefähr 1.000 μm. Es ist vorteilhafter, wenn wenigstens eine Seite 38 des Wafers 35 für ein atomares Finish poliert ist, wobei dieses Merkmal in der Halbleiterindustrie üblich ist.
Anfangs wird eine Waferzerschneidesäge 32 an dem Wafer 35 eingesetzt, um eine grobe Geometrie für den Schneidkantenrohling 30 bereitzustellen. Tatsächlich ist es Aufgabe des Sägevorgangs, eine Serie länglicher Schneidkantenrohlinge 30 zu bilden oder zu erzeugen, beispielsweise dreieckig prismengeformte Komponenten, quer über die Oberfläche des Wafers 35. Vor dem Sägen wird der Wafer 35 sicher in einer Befestigungsvorrichtung montiert und anschließend erzeugt eine Schneidsäge 32 systematisch eine Mehrzahl von Rohlingen 30. Die Schneidsäge 32 ist mit einer speziell präparierten Klinge 39 ausgestattet (beispielsweise Diamant, Siliciumkarbid oder dergleichen), mit einer Schneidseite von ungefähr 100 μm. Die speziell präparierte Klinge 39 der Schneidsäge 32 ist in der Lage, Präzisionsabschrägungen in dem Wafer 35 zu schneiden, wobei die Scheitel so gebildet sind, daß sie einen Winkelbereich von vorzugsweise ungefähr 10 bis ungefähr 90° enthalten; jedoch wird das Schneidmedium der Säge 32 so ausgewählt, daß es keine Späne erzeugt, die größer als 0,3 μm in ihrer Abmessung sind.
Nachdem der zersägte Wafer 35 in Schneidkantenrohlinge 30 geschnitten wurde, wird er gereinigt, beispielsweise durch Ultraschallreinigen, durch Plasma, durch entionisiertes Wasser mit Hochdruck, und ähnlichem, um alle Aufschüttungen und Schneidlösungen, die die Oberfläche kontaminiert haben könnten, zu beseitigen. Die geschnittenen Kantenrohlinge 30 werden anschließend in eine Vakuumkammer einer Fräse zum fokussierten Ionenstrahlfräsen geladen. Die Kammer wird auf einen Unterdruck von ungefähr 10^-7 Torr leer gesaugt. Anschließend wird ein fokussierter Ionenstrahl 40 entlang wenigstens einer Seite 31, 33 zu dem Scheitel 34 des Klingenrohlings 30 gerichtet (3B).
Die Schneidkantenrohlinge können ferner durch chemische Ätzverfahren, die dem Fachmann wohl bekannt sind, hergestellt werden. Beispielsweise wird ein Siliciumwafer mit einer Fotoresist-Maske versehen, die der verwendeten Ätzlösung widersteht. Die Maske besteht aus Längsstreifen aus einem Schutzlack, der sich an der Position der oberen Klingenkante des Schneidkantenrohlings befindet, das heißt an dem Scheitelpunkt des Schneidkantenrohlings, mit einer Höhe senkrecht zur Ebene des Wafers. Für eine Ätztiefe in dem Wafer von 150 μm ist es notwendig, wenigstens einen 1 μm breiten Streifen aus Schutzlack entlang der Oberseite der Klingenkante vorzusehen, um ein Unterätzen und eine Beschädigung der Kantenstruktur zu verhindern. Die endgültige Kante wird durch FIB geformt.
In Abhängigkeit von der gewünschten Endverwendung und/oder dem endgültigen Krümmungsradius, d.h. der Kantenschärfe, kann der Fokusionenstrahl 40 von der Vorderseite der Führungskante 50 oder von der Rückseite der Führungskante 50 auf den Klingenrohling 30 gerichtet werden (3B). Die endgültige Schärfe wird erzeugt, wenn die fokussierte Ionenstrahlquelle 45 vorzugsweise von der Rückseite der Führungskante des Schneidkantenrohlings 30 auf die Schneidkante 50 aufgebracht wird. Es werden geschärfte Kanten bevorzugt, die Winkel von ungefähr 10 bis ungefähr 70° enthalten. Somit werden typischerweise FIB-Winkel von ungefähr 5 bis ungefähr 70° verwendet.
Es wird vorzugsweise eine Kante verwendet, die eine polierte Seite 38 besitzt, die daran angrenzt, und der FIB wird von einer gegenüberliegenden Seite 31 aus darauf gerichtet, um die atomar geschärfte einzeln abgeschrägte Kante bereitzustellen.
. Sobald die gewünschte atomar scharfe Kante 50 auf dem Schneidkantenrohling 30 hergestellt worden ist, wird die Basis des Schneidkantenrohlings 30 (gegenüber der geschärften Kante, beispielsweise die Seite 33) fest auf einem Trägersubstrat angebracht (siehe beispielsweise 7), die beispielsweise aus Metall, Plastik, Glas, Keramik oder dergleichen mittels beispielsweise Lötmetall, Epoxid, durch Hartlöten, Vernieten, Vercrimpen, durch Klebstoffe, durch Reibungsbefestigen oder durch eutektisches Kleben hergestellt wird. Das Trägersubstrat vereinfacht ein endgültiges Befestigen des montierten atomar scharfen Schneidkantenrohlings 30 auf jeglichem gewünschten Schneidinstrument oder Werkzeugkörper. Es ist ferner möglich, diese Erfindung zu realisieren, indem der geschärfte Klingen rohling 30 direkt auf dem Schneidinstrument oder dem Werkzeugkörper befestigt wird.
Für eine doppelt abgeschrägte Schneidkante wird der FIB auf beide Seiten der Schneidkante gerichtet.
Durch die Verwendung des fokussierten Ionenstrahlmechanismus im transversalen Starkstrommodus ist es möglich, verschiedene Kantengeometrien durch einen Prozeß zu bilden, der als "Strahlformen" bezeichnet wird. Der fokussierte Ionenstrahl zum "Strahlformen" besitzt vorzugsweise einen Strahldurchmesser von ungefähr wenigstens 10 nm.
Die 4A-4E stellen die Kanten der herkömmlichen Klingen dar, die mechanisch geschärft oder gehohnt wurden, um eine extreme Schärfe für mikrochirurgische Instrumente bereitzustellen. 4A zeigt einen typischen Defekt der geschärften Kante. Die 4B-4E zeigen typische Überwalzungen aus Metall an der geschärften Kante und mikroskopische Aufschüttungen, die durch das mechanische Schärfen und die Hohnprozesse übrig geblieben sind.
6 stellt graphisch die dramatische Verbesserung der Schärfe dar, die aus dem fokussierten Ionenstrahlfräsen resultiert. 6 stellt zwei Flächen auf einer Klingenkante dar. Die erste Fläche 52 wurde durch konventionelles Abschleifen und Hohnen der Kante geschärft. Es hat mikroskopische Aufschüttungen um die geschärfte Kante und die Kante selbst zeigt Überwalzungen. Die zweite Fläche54 wurde mit einem fokussierten Ionenstrahl 40 erfindungsgemäß gefräst. Es wird auf die überraschend sauberen Oberflächen um die geschärfte Kante herum und die reine atomar scharfe Kante hingewiesen.

Claims

Verfahren zur Herstellung einer atomar scharfen Schneidkante für ein Schneidinstrument, wobei das Verfahren aufweist: Bereitstellen eines aus einem Metall hergestellten Rohlings (5, 30, 61), der eine Hauptseite besitzt, und eine spitz zulaufende Kante an einem Ende der Hauptseite; Aufbringen einer kontinuierlichen Schicht eines zweiten Materials, das härter als das Metall ist, auf einem Teil der Hauptseite an der spitz zulaufenden Kante; und gekennnzeichnet durch Abtragen der Schicht des zweiten Materials mit einem fokussierten Ionenstrahl (40), um eine atomar scharfe Schneidkante (9, 50) zu erzeugen.
Verfahren gemäß Anspruch 1, wobei die Schicht des zweiten Materials in einer Dicke von ungefähr 100 bis ungefähr 500 Å, vorzugsweise mit einer Dicke von wenigstens ungefähr 200 Å aufgebracht wird.
Verfahren gemäß Anspruch 1 oder 2, wobei das zweite Material aus einer Gruppe ausgewählt wird, die aus Silicium, Keramik, Glas, Al₂O₃, AlTiN, TiN, SiC, SiN, MoS₂, aus Aktivkohle, aus diamantähnlichem Kohlenstoff und Zirkon besteht.
Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei die Schicht in einem spitzen. Winkel zu einer Ebene parallel zur Hauptseite mittels eines fokussierten Ionenstrahls (40) abge tragen wird, um den Rohling mit einer kontinuierlichen, atomar scharfen Schneidkante (9, 50) zu versehen.
Verfahren gemäß Anspruch 4, wobei ein Trägersubstrat (25) vorgesehen ist, auf dem der Metallrohling angebracht ist.
Verfahren gemäß Anspruch 4 oder 5, wobei die Schicht des zweiten Materials eine Dicke von ungefähr 100 bis ungefähr 500 Å und/oder die Beschichtungsschicht eine Dicke von wenigstens ungefähr 200 Å besitzt.
Verfahren gemäß einem der Ansprüche 4 bis 6, wobei das zweite Material ein Material aufweist, das aus einer Gruppe ausgewählt ist, die aus Silicium, Keramik, Glas, Al₂O₃, AlTiN, TiN, SiC, SiN, MoS₂, aus Aktivkohle, aus diamantähnlichem Kohlenstoff und Zirkon besteht.
Verfahren zur Herstellung einer atomar scharfen Schneidkante für ein Schneidinstrument, wobei das Verfahren aufweist: Bereitstellen eines Klingenrohlings (5, 30, 61), der eine Hauptseite und an einem Ende hiervon eine Kante (7) besitzt, gekennzeichnet durch, Abtragen der Kante in einem spitzen Winkel zu einer Ebene parallel zur Hauptseite unter Verwendung eines fokussierten Ionenstrahls (40), um den Rohling mit einer kontinuierlichen atomar scharfen Schneidkante (9) bereitzustellen.
Verfahren gemäß Anspruch 8, wobei der Rohling ein Wafer (35, 65) ist, der ein Material aufweist, das aus einer Gruppe ausgewählt ist, die aus die aus Silicium, Keramik, Glas, Al₂O₃, AlTiN, TiN, SiC, SiN, MoS₂, aus Aktivkohle, aus diamantähnlichem Kohlenstoff und Zirkon besteht, und/oder wobei der Roh ling mit einer Dicke von ungefähr 100 μm bis ungefähr 1.000 μm ausgebildet ist.
Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1 bis 9, wobei die Schneidkante (9, 50) mit einem Krümmungsradius ausgebildet ist, der geringer als ungefähr 300 Å, vorzugsweise geringer als ungefähr 100 Å, noch weiter vorzugsweise geringer als 10 Å ist.
Verfahren gemäß Anspruch 8 oder 9, wobei die Schneidkante (7) des Klingenrohlings (5) vor dem Schärfen eine Klingenkante von weniger als ungefähr 1 μm besitzt.
Verfahren gemäß einem der Ansprüche 4 bis 7 oder 11, wobei das Schneidinstrument des weiteren ein Trägersubstrat (25) aufweist, um daran den Klingenrohling (5) mit einer kontinuierlichen, atomar scharfen Schneidkante (9) zu befestigen, wobei das Trägersubstrat vorzugsweise aus einer Gruppe ausgewählt ist, die Metall, Plastik, Glas oder Keramik aufweist.
Verfahren zur Herstellung einer atomar scharfen Schneidkante (30, 61) für ein Schneidinstrument, wobei das Verfahren die folgenden Schritte aufweist Bereitstellen eines Wafers (35, 65) aus einem Material, das zur Erzeugung einer Schneidkante geeignet ist; Schneiden des Wafers zur Herstellung von wenigstens einem Klingenrohling, der einen dreieckigen Querschnitt besitzt, wobei der Klingenrohling eine Mehrzahl von Kanten besitzt, gekennzeichnet durch Positionieren des Klingenrohlings in einer Vakuumkammer; Evakuieren der Vakuumkammer auf einen gewünschten Druck; und Bearbeiten einer Kante des Klingenrohlings mit einem fokussierten Ionenstrahl (40) zum Bereitstellen einer atomar scharfen Schneidkante (50) auf dem Klingenrohling.
Verfahren gemäß Anspruch 13, des weiteren aufweisend den Schritt zu Befestigung des atomar scharfen Klingenrohlings an einem Schneidinstrumentensubstrat und/oder wobei der Wafer (35, 65) ein Material aufweist, das ausgewählt ist aus einer Gruppe, die aus die aus Silicium, Keramik, Glas, Al₂O₃, AlTiN, TiN, SiC, SiN, MoS₂, aus Aktivkohle, aus diamantähnlichem Kohlenstoff und Zirkon besteht und/oder wobei der Wafer mit einer Dicke von ungefähr 100 bis ungefähr 1.000 μm ausgebildet ist.
Verfahren gemäß Anspruch 13 oder 14, aufweisend den Schritt des Schneidens des Wafers (35, 65) in einem Winkel zur Oberfläche des Wafers, der im Bereich zwischen ungefähr 5 bis ungefähr 70° liegt und/oder den Schritt aufweisend, den Wafer mit wenigstens einer atomar polierten Oberfläche zu versehen, und/oder den Schritt aufweisend, den fokussierten Ionenstrahl mit einem Durchmesser von 5 nm bereitzustellen oder den Schritt aufweisend, den fokussierten Ionenstrahl mit einem Durchmesser von 10 nm vorzusehen.
Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1 bis 3 oder 8 bis 10 oder 13 bis 15, wobei die Schneidkante mit einer einzigen abgeschrägten Kante oder einer doppelt abgeschrägten Kante ausgebildet ist.