JP3553482B2 - 原子的に鋭利な切刃及びその製作方法 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、外科手術器具用に特に有用である切削装置用の極めて薄い切刃端をもつ切刃の製作方法及びその方法により製作された切刃に関し、より詳細には、１本又は２本の集束イオンビームによる削り加工を用いて材料に原子的に鋭利な切刃端を成形するプロセス、及びそのプロセスにより製作された切刃端をもつ切刃に関する。本発明は、手術用メスの製作において特に有用であるが、さらに、優れて鋭利な切刃端を要する殆どの刃を提供するために適用することができる。
【０００２】
【従来の技術】
現代の医学的処置においては、極めて鋭利で耐磨耗性に優れ、さらに生体組織の抗力が最小である切削器具が必要とされている。繊細な顕微手術、特に眼科手術において、切刃端は極めて鋭利でなければならず、またその鋭利さを手術中も変わらずに維持されねばならない。しかしながら、現在入手可能な鋭利な刃でも、かなりの抗力を示し、生体組織に“ぎざぎざ”の切口を付けずに使用することは難しい。さらに、刃の品質が低下すると、組織に損傷を与え、術後の合併症及び治癒の遅延をもたらすことが研究により明らかにされている。
【０００３】
外科手術用メスの決定的に重要な要素は切刃端である。切刃端にチップ、欠け傷又は破損、バリ及び／又はだれ又は歪みが生じると、その刃は使用不能となり、最悪の場合、患者を傷つけることになる。
【０００４】
薄刃切削器具は、ステンレス鋼のような金属，カーボランダム又は炭化珪素，シリコン，ガラス，サファイア，ルビー又はダイヤモンドのような他の比較的硬い材料から通常製作される。ガラス，シリコン及びステンレス鋼は比較的安価で従って使い捨てが可能であり、一方、ダイヤモンド，ルビー及びサファイアは、比較的高価であり経済性の面から当然再使用が要求される。これらの材料の各々は、種々の手段で研削，圧縮成形，エッチング加工，研磨仕上げ又は研ぎ仕上げして切刃端を成形することができる。例えば、金属では研削，圧縮成形及び／又はエッチング加工して精密な切刃端をもつ刃を製作することができる。しかしながら、金属の切刃端が薄ければ薄いほど、切刃端を形成する傾斜角度（ベベル角度）が狭くなる。その結果、薄刃の切刃は、比較的厚刃の切刃より脆くなる。この脆さは、切刃端の顕著な磨耗、即ち、チップ，欠け傷，破損，バリ及び／又はだれ又は歪みによって明白に示される。さらに、金属切刃は一回使用するだけでもかなり鈍くなる。
【０００５】
当業者の多くは、ダイヤモンド刃を鋭利さの許容標準と見なしてきた。しかしながら、ダイヤモンド刃は、非常に高価で極めて繊細であり、さらに定期的に再研磨を要する。かように、当業者は、種々の手段により、ダイヤモンドに類似した鋭利さをもつ切削装置を製作する経済的な方法を考案してきた。硬い鋭利な切刃端を提供するためになされた最近の幾つかの試みについて以下に説明する。
【０００６】
Ｈｅｎｄｅｒｓｏｎは、米国特許第４，５３４，８２７号において、最大曲率半径が約１００オングストローム（Å）の切刃端を形成するために、例えばルビー又はサファイアのような酸化アルミニウム材の単結晶をエッチング加工し化学的に研磨して製作した切削器具を開示している。しかしながら、この開示材料は脆弱であり、さらに、材料の結晶格子により形成された切刃は、固有のベベルをもつ傾向がある。
【０００７】
Ｍｉｒｔｉｃｈは、米国特許第４，４９０，２２９号において、基板上にダイヤモンド類似炭素膜を製作する方法を開示している。基板表面に炭化水素を含むアルゴンイオンビームを照射する。同時に、より高いイオンエネルギーをもつ第２のアルゴンイオンビーム（炭化水素を含まない）を同表面に当て凝縮原子の可動性を高めて少数の束縛原子を除去する。
【０００８】
Ｂａｃｈｅ他は、米国特許第４，９３３，０５８号において、切刃端をイオンビームで照射しながら化学的蒸着又はスパッタリングによって刃基板をより硬い材料で被覆する方法を開示している。イオンビームの衝撃により、高硬度材料の好ましい蒸着方位が得られ、さらに蒸着材料のスパッタ除去を生じ、特殊な断面形状と極限先端半径を有する被覆が得られる。
【０００９】
特開昭６１−２１０１７９号公報においては、１ｎｍから２０ｎｍまでの厚さの切刃端を生成するために水素と水素化合物（例えば、エタン）の混合ガス中でプラズマ誘導蒸気相蒸着により無定形炭素（シリコンカーバイド）を被覆する装置を開示している。
【００１０】
Ｈｏｓｈｉｎｏは、米国特許第４，８３２，９７９号において、ナイフのプローブ部表面を１μｍから５０μｍの厚さの炭素被膜で被覆し、その上に１μｍから５０μｍの厚さのサファイア、ルビー又は石英ガラスの保護被膜を被覆したレーザナイフの製作プロセスを記述している。
【００１１】
Ｋｉｔａｍｕｒａ他は、米国特許第４，８３９，１９５号において、例えばサファイヤの刃基板にプラズマ誘導による化学的蒸気相の蒸着で約５〜５０ｎｍの厚みのダイヤモンド層を被覆し７００〜１３００℃の温度で熱処理してダイヤモンド層内の吸収不純物を排除することによってミクロトームを形成することを開示している。Ｋｉｔａｍｕｒａ他は、米国特許第４，９８０，０２１号において、さらに、刃の表面に炭素質被覆面をエッチング加工し有利な表面粗さを得ることを開示している。
【００１２】
Ｂａｃｈｅ他は、米国特許第５，０３２，２４３号において、ステンレス鋼製剃刀の刃のスタックを、刃の主刃面に平行でスタック内平面の両端に配置した２基のイオン源からのイオンビームを当てることにより、剃刀の切刃端を成形又は変形させる方法を記述している。機械的に形削りした切刃端を２基のイオン源からのイオンで照射して新しい切刃端を形成し、次に電子ビーム蒸着装置を運転し、被覆が化合物であれば所望の被覆材又はその成分を蒸着させて、イオン源の運転を続行する。蒸着開始後のイオン源によるスパッタ除去速度は蒸着速度より小さくして、蒸着可能なようにイオン源を運転する。
【００１３】
Ｈａｈｎは、米国特許第５，０４８，１９１号において、セラミック基板を備え、その基板の一端を機械的に研磨して３０度より小さい刃先角をもつファセット付きの鋭い切刃端を形成し、機械研磨した刃を熱処理して表面粗さと下地表面の欠陥を除去し、切刃端をスパッタ加工して４０度より大きい刃先角をもつ補助ファセットを供給し５００Åより小さい先端半径にする、剃刀の成形プロセスを記述している。
【００１４】
Ｋｒａｍｅｒは、米国特許第５，１２１，６６０号において、２μｍ未満の粒子寸法をもつ多結晶セラミック基板を備え、その基板の一端を機械的に研磨して２０度より小さい刃先角をもつファセット付き鋭端を形成し、その鋭端をスパッタ加工して先端半径を３００Åより小さい先端半径に減少させて刃先を成形する、剃刀の成形プロセスを記述している。
【００１５】
ＤｅＪｕａｎ，Ｊｒ他は、米国特許第５，３１７，９３８号において、平面基板から顕微手術用メスを製作する方法を記述している。基板の上面にフォトレジストのマスク層を顕微手術用メスの形に形成し、その基板上面を等方体に下面までエッチングして、マスク層のエッジ部に対応する輪郭を有する切刃端部を形成する。シリコンのような半導体材料，炭化珪素，サファイア及びダイヤモンドが基板として使用できる。
【００１６】
Ｋｎｕｄｓｅｎ他は、米国特許第５，７２４，８６８号において、切削性能を改善した刃物の製作方法を記述している。蒸着源に対し切刃ブランクを加熱回転させながら、線形蒸着源を使用する陰極アークプロセスにより鋼製刃物ブランクにＴｉＮ、Ｔｉ（ＣＮ）又は（ＴｉＡｌ）Ｎを被覆する。ブランクの切刃端は被覆蒸着前に形削りしても又は形削りしなくても良い。ブランクを被膜蒸着前に形削りしない場合は、その後に、ブランクを砥石研磨と最終革研ぎを用いる従来の処理手順により好ましくはその一端のみを形削りする。
【００１７】
Ｄｅｃｋｅｒ他は、米国特許第５，７９９，５４９号において、剃刀の改良刃並びに無定形ダイヤモンドで切刃基板の形削りしたエッジに硬炭素被覆することにより鋭利で丈夫な切刃端を製作するプロセスを記述している。基板を機械的に研ぎ上げることができ、基板とダイヤモンド被膜間には中間層が無い。この被膜は、薄刃に高い縦横比を維持しながら剛性と硬さを与える。
【００１８】
Ｍａｒｃｕｓ他は、米国特許第５，８４２，３８７号において、単結晶シリコンのウェーハから製作する“超薄”切刃端をもつナイフの刃を開示している。最初に、ウェーハにエッチ液マスク層を延伸上端（リッジ）に一面に塗布し、次に、そのウェーハをエッチングしてマスクをアンダーカットし、上端の両側が上端の頂点に向けて収斂するように形成する。酸化膜形成／除去プロセスを用いて鋭利な上端頂点を形成する。優れた鋭利さをもつ刃が得られるが、しかしながら、このプロセスの酸化膜形成／除去サイクルは長時間を要する。さらに、極薄切刃端は相対的に脆弱であり、多くの用途において、切刃端を鈍らせ、例えばＲＦスパッタリングによって保護層を１層以上追加し切刃端の強度を高める方が良いとされている。さらに、２つの傾斜面（ベベル）をもつ刃の制作は困難であり、またこの方法により製作した刃は高価となる。
【００１９】
【発明が解決しようとする課題】
上述のごとく、切削器具、特に顕微手術用のより鋭利で丈夫な切刃端に対する要求は依然として満たされずに残っており、実際に、原子的に鋭利な切刃端と刃先を提供する経済的な切削器具に対する産業界の要求は解決されないままになっている。
【００２０】
本発明は、上述のごとき実情に鑑みてなされたものであり、極めて鋭利で優れた耐磨耗性を有し、刃の抗力が最小であり、制限付き再使用又は使い捨て式の切刃（片細又は両細刃）及びその製作方法を提供し、加えてその切刃を用いた切削器具並びに顕微手術用に使用される再使用又は使い捨て切削器具を製作する方法を提供することをその目的とする。加えて、この切削器具に連続切刃端を備えることをもその目的とする。
さらに、本発明は、手術用器具に使用するために生体組織に適した材料で製作された、かような切削器具を提供することをその目的とする。また、かような器具と器具を安価に製作する方法を提供することをもその目的とする。
【００２１】
【課題を解決するための手段】
集束イオンビーム（ＦＩＢ）加工により原子的に鋭利な切刃端を形成する。その方法では、切刃端ブランクを供給し、集束イオンビームにより削り加工し、原子的に鋭利な切刃端を形成する。他の方法では、金属切刃ブランクを供給し、より硬い材料層をブランクの少なくとも片側に蒸着し、集束イオンビームにより加工して原子的に鋭利な切刃端を形成する。
【００２２】
請求項１の発明は、主刃面と該主刃面の一端にあるテーパエッジとをもつ金属材料製の切刃端ブランクと、
該切刃端ブランクの少なくとも１側面における前記テーパエッジおいて前記主刃面の一部分に蒸着した、前記金属材料より硬い第２の材料の層と、よりなる切削器具用の原子的に鋭利な切刃であって、
集束イオンビームによって前記層を前記主刃面に平行な平面に対して鋭角に削ることにより、前記ブランクに連続した原子的に鋭利な切刃端を形成することを特徴としたものである。
請求項２の発明は、請求項１の発明において、前記金属材料製ブランクを取り付ける支持基板をさらに含んでなることを特徴としたものである。
請求項３の発明は、請求項１の発明において、前記第２材料の層の厚みは約１００Åから約５００Åまでの範囲であることを特徴としたものである。
【００２３】
請求項４の発明は、請求項１の発明において、前記集束イオンビームで加工した層の厚みは少なくとも約２００Åであることを特徴としたものである。
請求項５の発明は、請求項１の発明において、前記第２材料は、シリコン，セラミック，ガラス，Ａｌ２Ｏ３，ＡｌＴｉＮ，ＴｉＮ，ＳｉＣ，ＳｉＮ，ＭｏＳ２，無定形炭素，ダイヤモンド類似炭素及びジルコニウムよりなるグループから選択した１材料を含んでなることを特徴としたものである。
請求項６の発明は、請求項１の発明において、前記切刃端は約３００Åより小さい曲率半径を有することを特徴としたものである。
【００２４】
請求項７の発明は、請求項１の発明において、前記切刃端は約１００Åより小さい曲率半径を有することを特徴としたものである。
請求項８の発明は、請求項１の発明において、前記切刃端は約１０Åより小さい曲率半径を有することを特徴としたものである。
請求項９の発明は、請求項１の発明において、前記切刃端は片面にベベルエッジを有することを特徴としたものである。
請求項１０の発明は、請求項１の発明において、前記切刃端は両面にベベルエッジを有することを特徴としたものである。
【００２５】
請求項１１の発明は、主刃面と該主刃面の一端にエッジをもつ切刃ブランクを含んでなる、切削器具用の原子的な切刃であって、集束イオンビームにより前記エッジを前記主刃面に平行な平面に対して鋭角に削ることにより、前記ブランクに連続した原子的に鋭利な切刃端を形成することを特徴としたものである。
請求項１２の発明は、請求項１１の発明において、前記切刃ブランクは、シリコン，セラミック，ガラス，Ａｌ２Ｏ３，ＡｌＴｉＮ，ＴｉＮ，ＳｉＣ，ＳｉＮ，ＭｏＳ２，無定形炭素，ダイヤモンド類似炭素及びジルコニウムよりなるグループから選択した１材料よりなるウェーハから製作することを特徴としたものである。
【００２６】
請求項１３の発明は、請求項１１の発明において、前記切刃の前記切刃端は加工前に約１μｍより小さい刃先を有することを特徴としたものである。
請求項１４の発明は、請求項１１の発明において、前記切削器具は、連続した原子的に鋭利な切刃端を形成した前記切刃ブランクを取り付ける支持基板をさらに含んでなることを特徴としたものである。
請求項１５の発明は、請求項１４の発明において、前記支持基板は、金属，プラスチック，ガラス又はセラミックを含んでなるグループから選択することを特徴としたものである。
【００２７】
請求項１６の発明は、請求項１１の発明において、前記切刃端は約３００Åより小さい曲率半径を有することを特徴としたものである。
請求項１７の発明は、請求項１１の発明において、前記切刃端は約１００Åより小さい曲率半径を有することを特徴としたものである。
請求項１８の発明は、請求項１１の発明において、前記切刃端は約１０Åより小さい曲率半径を有することを特徴としたものである。
請求項１９の発明は、請求項１１の発明において、前記切刃端は片面にベベルエッジを有することを特徴としたものである。
【００２８】
請求項２０の発明は、請求項１１の発明において、前記切刃端は両面にベベルエッジを有することを特徴としたものである。
請求項２１の発明は、主刃面と該主刃面の一端にあるテーパエッジとをもつ金属材料製のブランクを供給することと、
前記テーパエッジおける前記主刃面の一部分に前記金属材料より硬い第２材料の連続層を蒸着することと、
集束イオンビームで前記第２材料の層を削り加工して原子的に鋭利な切刃端を形成することを含んでなることを特徴としたものである。
【００２９】
請求項２２の発明は、請求項２１の発明において、前記第２材料の層は約１００Åから約５００Åまでの厚みに蒸着することを特徴としたものである。
請求項２３の発明は、請求項２１の発明において、前記第２材料の層は少なくとも約２００Åの厚さに蒸着することを特徴としたものである。
【００３０】
請求項２４の発明は、請求項２１の発明において、前記第２材料は、シリコン，セラミック，ガラス，Ａｌ２Ｏ３，ＡｌＴｉＮ，ＴｉＮ，ＳｉＣ，ＳｉＮ，ＭｏＳ２，無定形炭素、ダイヤモンド類似炭素及びジルコニウムよりなるグループから選択することを特徴としたものである。
請求項２５の発明は、請求項２１の発明において、前記切刃端は約３００Åより小さい曲率半径を有することを特徴としたものである。
請求項２６の発明は、請求項２１の発明において、前記切刃端は約１００Åより小さい曲率半径を有することを特徴としたものである。
【００３１】
請求項２７の発明は、請求項２１の発明において、前記切刃端は約１０Åより小さい曲率半径を有することを特徴としたものである。
請求項２８の発明は、請求項２１の発明において、前記切刃端は片面にベベルエッジを有することを特徴としたものでる。
請求項２９の発明は、請求項２１の発明において、前記切刃端は両面にベベルエッジを有することを特徴としたものである。
請求項３０の発明は、主刃面と該主刃面の一端にエッジとをもつ切刃ブランクを供給することと、集束イオンビームを用いて前記エッジを前記主刃面に平行な平面に対し鋭角に削り加工して前記ブランクに連続した原子的に鋭利な切刃端を形成することを含んでなることを特徴としたものである。
請求項３１の発明は、請求項３０の発明において、前記切刃ブランクは、シリコン，セラミック，ガラス，Ａｌ２Ｏ３，ＡｌＴｉＮ，ＴｉＮ，ＳｉＣ，ＳｉＮ，ＭｏＳ２，無定形炭素，ダイヤモンド類似炭素及びジルコニウムよりなるグループから選択した１材料を含んでなるウェーハであることを特徴としたものである。
【００３２】
請求項３２の発明は、請求項３０の発明において、前記ブランクは約１００μｍから約１０００μｍまでの厚みを有することを特徴としたものである。
請求項３３の発明は、請求項３０の発明において、前記切刃端は約３００Åより小さい曲率半径を有することを特徴としたものである。
請求項３４の発明は、請求項３０の発明において、前記切刃端は約１００Åより小さい曲率半径を有することを特徴としたものである。
【００３３】
請求項３５の発明は、請求項３０の発明において、前記切刃端は約１０Åより小さい曲率半径を有することを特徴としたものである。
請求項３６の発明は、請求項３０の発明において、前記切刃端は片面にベベルエッジを有することを特徴としたものである。
【００３４】
請求項３７の発明は、請求項３０の発明において、前記切刃端は両面にベベルエッジを有することを特徴としたものである。
請求項３８の発明は、切刃端を形成するのに適した材料のウェーハを供給するステップと、
該ウェーハを、複数のエッジと三角形断面を有する少なくとも１つの切刃ブランクに切削するステップと、
前記切刃ブランクを真空室内に位置決めするステップと、
前記真空室を所望の真空圧に排気するステップと、
集束イオンビームで前記切刃ブランクのエッジを削り加工して前記ブランクに連続した原子的に鋭利な切刃端を供給するステップと、
を含んでなることを特徴としたものである。
【００３５】
請求項３９の発明は、請求項３８の発明において、原子的に鋭利な切刃端を形成した前記切刃ブランクを支持基板に取り付けるステップをさらに含むことを特徴としたものである。
請求項４０の発明は、請求項３８の発明において、前記ウェーハは、シリコン，セラミック，ガラス，Ａｌ２Ｏ３，ＡｌＴｉＮ，ＴｉＮ，ＳｉＣ，ＳｉＮ，ＭｏＳ２，無定形炭素，ダイヤモンド類似炭素及びジルコニウムよりなるグループから選択した１材料を含んでなることを特徴としたものである。
【００３６】
請求項４１の発明は、請求項３８の発明において、前記ウェーハは約１００μｍから約１０００μｍまでの厚みを有することを特徴としたものである。
請求項４２の発明は、請求項３８の発明において、前記ウェーハをウェーハ表面に対して約５度から約７０度までの範囲の角度で切削するステップを含んでなることを特徴としたものである。
【００３７】
請求項４３の発明は、請求項３８の発明において、前記ウェーハに少なくとも１つの原子的に研磨した表面を備えるステップを含んでなることを特徴としたものである。
請求項４４の発明は、請求項３８の発明において、直径が５ｎｍの前記集束イオンビームを供給するステップを含んでなることを特徴としたものである。
【００３８】
請求項４５の発明は、請求項３８の発明において、直径が１０ｎｍの前記集束イオンビームを供給するステップを含んでなることを特徴としたものである。
請求項４６の発明は、請求項３８の発明において、前記切刃端は片面にベベルエッジを有することを特徴としたものである。
【００３９】
請求項４７の発明は、請求項３８の発明において、前記切刃端は両面にベベルエッジを有することを特徴としたものである。
【００４０】
【発明の実施の形態】
本発明では、硬くて耐久性のある材料で製作した原子的に鋭利な切刃端をもつ刃を提供する。
本発明は、集束イオンビーム（ＦＩＢ）による加工技術を使用して“原子的に削り加工”し、切削器具の刃に原子的に鋭利な切刃端を付ける。切刃端はサブμｍの尺度で鋭利であり、約１Åから約３００Åまでのオーダの曲率半径を持ち得る。
【００４１】
ＦＩＢ技術は、高精度集積回路パターンを半導体材料に“イオン加工”又は“エッチング加工”するために開発された。ＦＩＢの条件及び技法は、米国特許第５，４８２，８０２号，米国特許第５，６５８，４７０号，米国特許第５，６９０，７８４号，米国特許第５，７４４，４００号，米国特許第５，８４０，８５９号，米国特許第５，８５２，２９７号及び米国特許第５，９４５，６７７号に記述されており、これら資料の開示内容を本明細書において参照する。
【００４２】
本発明の一実施形態において、切削器具用の原子的に鋭利な切刃は、主刃面と主刃面の一端にテーパした切刃端を有する金属材料製の切刃端ブランクと、前記テーパした切刃端の切刃端ブランクの少なくとも片側の前記主刃面の一部に蒸着させた、前記金属より硬い第２材料層とを含んでなり、前記層は、前記ブランクに連続した鋭利な切刃端を装備するように集束イオンビームで前記主刃面に平行な平面に対し鋭角に削り加工される。
【００４３】
本発明の他の実施形態において、切削器具用の原子的に鋭利な切刃は、主刃面と主刃面の一端に切刃端を有する刃ブランクを含んでなり、前記切刃端を集束イオンビームで前記主刃面に平行な平面に対し鋭角に削り加工して、前記ブランクに連続した鋭利な切刃端を形成する。好ましくは、刃ブランク材は、シリコン，セラミック，ガラス，Ａｌ２Ｏ３，ＡｌＴｉＮ，ＴｉＮ，ＳｉＣ，ＳｉＮ，ＭｏＳ２，無定形炭素、ダイヤモンド類似炭素、ジルコニウム等の材料グループから選択した材料を含んでなるウェーハから製作する。
【００４４】
本発明では、また、切削器具用の原子的に鋭利な切刃端を製作する方法を提供する。
１つの方法は、主刃面と主刃面の一端をテーパ切刃端をもつ金属材ブランクを供給し、前記主刃面のテーパ切刃端部分に前記金属より硬い第２材料の連続層を蒸着し、前記第２材料層を集束イオンビームにより削り加工して原子的に鋭利な切刃端を形成することよりなる。
【００４５】
切削器具用の原子的に鋭利な切刃端を製作する他の方法は、切刃端の形成に適した材質のウェーハを供給するステップと、前記ウェーハを切削して複数端を有し３角形断面である少なくとも１枚の刃ブランクを製作するステップと、前記刃ブランクを真空室（真空チャンバ）内に位置決めするステップと、前記真空室を所望圧力まで排気するステップと、前記刃ブランクの刃先を集束イオンビームで研削して前記刃ブランクに原子的に鋭利な切刃端を形成するステップとを含んでなる。
本発明による装置は、片側傾斜（ベベル）切刃端又は両側傾斜（ベベル）切刃端を有し得る。
【００４６】
本発明の実施形態を以下に詳述する。本発明の他の目的と利点は、添付図面を参照して以下の記述を読めば明らかになろう。
本発明による原子的に鋭利である切刃は、集束イオンビーム（ＦＩＢ）で鋭利に切刃端を形成した硬質材料より構成される切刃端部を含んでいる。本発明の実施に適した硬質材は、Ｓｉ，Ａｌ２Ｏ３，ＴｉＮ，ＡｌＴｉＮ，ＳｉＣ，ＳｉＮ，二硫化モリブデン（ＭｏＳ２），無定形炭素，ダイヤモンド類似炭素，ジルコン及び集束イオンビームで除去可能な類似材料である。硬質材料の切刃端部は、通常、より柔らかくて粗い材質の基板上に支持することができる。代替案として、硬質材料をウェーハに成形し、そのウェーハ上に集束イオンビームで鋭利な切刃端を形成することもできる。
【００４７】
図１は、本発明の一実施形態による、被覆蒸着後に新しい切刃端を集束イオンビームで加工する前の状態における切刃ブランクの切刃端を示す概略図である。図１に示す本発明の一実施形態において、金属の切刃端ブランク５を例えば動力鋳造，鍛造，コイニング，放電加工，微細加工，フォトエッチング等の任意の方法で成形する。ブランク（半完成品）５は、好ましくは、少なくとも１つのテーパ（先細の）切刃端７をもつように形成する。かような切刃端７はブランク５の残り部分より薄い。ブランク５は、所望の切削工具又は手術器具１０に適した任意の厚さに作成する。
【００４８】
形成された切刃端ブランク５を清掃して、ブランク５の材質より本質的に硬い材料の被覆６を、例えば、化学的蒸着，スパッタリング又はイオン支援蒸着により形成する。当技術において通常の技術を有する者には公知であるこれらのプロセスは真空度が高い、すなわち、通常圧力が１０−２Ｔｏｒｒより低い（例えば、１０−３，１０−４）の高真空を用いる。硬質材の被覆６は適当な元素ガス中で真空蒸着プロセスにより形成される。或る特定のガスが存在することによりブランク５への被覆６の付着が実際に助長されることも、当技術において通常の技術を有する者にはよく知られている。蒸着被覆６に適した硬質材料は、Ｓｉ，Ａｌ２Ｏ３，ＡｌＴｉＮ，ＴｉＮ，ＳｉＣ，ＳｉＮ，ＭｏＳ２，無定形炭素，ダイヤモンド類似炭素、ジルコン及びこれらに類似の材料である。
【００４９】
被覆６は、より硬い材料の十分な層がブランク５の切刃端７の少なくとも片側を連続的に被覆するように蒸着する。被覆６が切刃端７において連続した層を形成することが好ましい。３０，０００Åの厚さの被覆６を蒸着した。但し、通常は、約５００Å以下のオーダの被覆とするのが経済的である。実際に、好適な実施態様において、集束イオンビーム加工後の被覆６の厚さは約１００Åから約５００Åであり、少なくとも約２００Åであれば一層好ましい。
【００５０】
図２は、本発明の一実施形態による、被覆を蒸着し集束イオンビームで加工して新しい切刃端を形成した切刃ブランクの切刃端を示す概略図である。被覆６を片側のみに付けたい場合、即ち、片面傾斜（ベベル）切削器具１０の切刃端７用被覆の場合、被覆プロセスは、通常基底面１１上に余剰の被覆材６を蒸着させるので、これは除去しなければならない。実際には、被覆するつもりの無かった刃身部分（即ち、基底面１１）を、例えば、非集束イオン加工又はイオンエッチングにより処理して、望ましくない余剰硬質材を除去するのが望ましい。その後、ブランク５を集束イオンビーム（ＦＩＢ）加工により尖鋭にして原子的に鋭利な切刃端をもつ新しいシャープエッジ（切刃端）９を生成する。ブランクの両面をテーパして硬質材で被覆した両面傾斜切削器具の場合、ブランクの各被覆面を集束イオンビーム（ＦＩＢ）で研削して原子的に鋭利な両面傾斜刃先を有する新しい鋭端部を生成する。
【００５１】
集束イオンビームは、切刃端７から被覆６を部分的に除去し、ブランク５の当初の切刃端７に残る、即ち、削りとられなかった、被覆６の厚さで置き換えた新しい“原子的に鋭利な”切刃端９（図２）を再形成する。ここに参照する米国特許第５，９４５，６７７号には、ナノ平板印刷に使用できる集束イオンビーム（ＦＩＢ）を供給するプロセスが記述されている。かようなＦＩＢは、被覆したブランク５の切刃端に角度をもって集束し、硬質材６を削り取って新しい原子的に鋭利な切刃端９を形成する。
【００５２】
集束イオンビーム加工は、ＦＥＩ社のＭｉｃｒｉｏｎ部により製作された専用装置又は類似装置を用いて上述のように実行される。加工エネルギー源である集束イオンビーム４０は、電気的に励起された液体ガリウム源４５から発生したものが好ましい。しかしながら、当業者には公知の他のイオン源４５を使用しても、本発明の教示から逸脱するものではない。イオン源４５は、所望の直径に集束できるガリウムイオンビーム４０を出射する。集束ビーム４０は空間的に制限され、好ましくは約５ｎｍの直径に制限される。しかし、より大きい径、例えば１０ｎｍに集束したビームも使用して、十分な結果を得ることができる。刃ブランク５に鋭利な刃先端９を加工するのに必要なエネルギーレベルは、５ｎｍ径のビームの場合の約３０ｐＡであり、１０ｎｍ径のビームの場合約１００ｐＡである。任意の削り加工プロセスにおいて、この処理ステップの目的は、（１）所望の切刃端９に沿ってより硬質の被覆６の若干又は全特定領域を除去し、（２）基底面１１の平面又は両面傾斜切刃端の場合において、所望の切刃端に沿って硬質被覆を削り取ることである。
【００５３】
集束イオンビーム４０は、原子削り加工機のように切削し、応力を生じないで、その場所を切断することにより原子的に鋭利な切刃端９を形成する。
集束イオンビーム４０を、ブランク５の被覆６に、切刃端９の所望最終角度の数度範囲内の角度で衝突させる。通常、イオンビーム４０は、ブランクの切刃端９の主刃面に平行な平面に対する基準値より大きい約５度の角度でブランク５の切刃端９に向けて発射する。本発明によるプロセスは、高品質な表面仕上げと形成製品の寸法公差の反復性をもつ切刃端９を供給する。寸法公差は少なくとも±０．３μｍ以内の精度であることが好ましい。さらに、約３００Å未満、好ましくは１００Å未満、さらに好ましくは１０Åの切刃端の曲率半径にすることができる。さらに、本発明に従い切刃端を製作することにより、顕微な破片（ｄｅｂｒｉｓ）が避けられる。
【００５４】
図３は、本発明の一実施形態による、鋭利にした切刃端ブランクを基板に取り付けた状態を示す図である。新しい原子的に鋭利にした切刃端をもつ切刃端ブランク５を、最終的に支持基板２５に取り付ける。この支持基板２５は、例えば、金属又はプラスチック製で、実際には任意の形状又は形態を取り、最終切刃端９に対する支持構造を提供し、強度及び微細亀裂（Ｓｈａｔｔｅｒ）強度を高める。図３に示すように、両面に傾斜（ベベル）を付けた原子的に鋭利なブランクを、接着剤（図示しない）で基板２５に取り付ける。この基板２５は、金属又はプラスチックのような任意適当な材料で製作できる。
【００５５】
図４は、本発明の他の実施形態による、原子的に鋭利な刃先を作成するために有用な切刃端ブランクを示す図で、図４（Ａ）はその平面図、図４（Ｂ）は図４（Ａ）の線５Ｂ−５Ｂについての断面図である。切刃ブランク６０は、金属シリコン，セラミック，ガラス，Ａｌ２Ｏ３，ＡｌＴｉＮ，ＴｉＮ，ＳｉＣ，ＳｉＮ，ＭｏＳ２，無定形炭素，ダイヤモンド類似炭素，ジルコン及び類似の硬質材料のウェーハ状薄板６５から製作する。種々の形状をした切刃端ブランクを微細加工、非集束イオンビーム加工又はエッチングにより薄板材６５から形成できる（図４（Ａ）及び４（Ｂ））。尚、このプロセスは当業者には公知である。本実施形態において、複数のブランク６０を前記プロセスによりまず粗く形成する。ブランク６０を化学的に腐蝕させて切刃端６３を形成し、粗引きしてバックエッジを形成する。その後、切刃端６３を上述のように必要に応じ片面又は両面を集束イオンビームで削って鋭利にして所望の原子的に鋭利な切刃端を形成する。この実施例は鋭利な切刃端を比較的迅速に加工できる。集束イオンビーム（ＦＩＢ）加工により鋭利にした切刃端をもつブランクを支持（例えば図３に示す支持基板２５）に取り付けて切削器具として供給する。
【００５６】
微細加工，エッチング又は非集束イオンビーム加工により作成した矩形ブランク６１は好ましい形状例であるが、例えば、円形，楕円形，三角形及び多角形にすることも本発明の教示範囲内である。矩形ブランク６１を形成するために、矩形ブランク６１の周縁を規定できるように、微細加工、エッチング又は非集束イオンビーム加工する。粗いブランク６１の切刃端６３のテーパ６２は、通常、約３０度から約６０度までの範囲であり、好ましくは、図４（Ｂ）に示す約３６．８度である。矩形ブランク６１を次に集束イオンビームで削り原子的に鋭利な切刃端６３を作り出す。例えば、矩形ブランク６１を半割６９にして個別の切刃ブランク６０することができる。１例として、図４（Ａ）に示すように、矩形６１を半割６９にして、原子的に鋭利な３つの切刃端６３をもつ１対の切刃端ブランク６０を生成する。切刃端は任意の形状に製作できる。例えば金属プラスチック、ガラス等の材質の支持基板を、切刃端を有するブランク６０にラミネートして支持構造を付加し、強度及び微細亀裂強さ（Ｓｈａｔｔｅｒ ｒｅｓｉｓｔａｎｃｅ）を高める。
【００５７】
図５は、本発明の他の実施形態による、粗ブランクの製作方法を説明するための図で、図５（Ａ）は、粗ブランクを製作するウェーハ切削プロセスの一例を説明するための図である。本発明の他の実施形態において、複数の刃物の切刃端ブランク３０は、例えばシリコン，セラミック，ガラス，Ａｌ２Ｏ３，ＡｌＴｉＮ，ＴｉＮ，ＳｉＣ，ＳｉＮ，ＭｏＳ２，無定形炭素，ダイヤモンド類似炭素，ジルコン及び類似の硬質材料のウェーハ３５から、好ましくは半導体産業からウェーハの形状で入手できる材料から製作する。ウェーハ３５の厚さは、約１００μｍから約１０００μｍまでの範囲内であるのが望ましい。ウェーハ３５の少なくとも片側３８は、半導体産業においては一般的特徴である、原子仕上げまで研磨されていればさらに好ましい。
【００５８】
最初に、ウェーハダイシングソー３２を使用し、ウェーハ３５上に切刃端ブランク３０のための粗い形状を付ける。実際には、このダイシング操作の目的は、例えば、ウェーハ３５の表面を横切る三角プリズム形状で構成される１連の延伸切刃端ブランク３０を形成又は生成することである。ダイシング前に、ウェーハ３５を固定装置に固定し、カッティングソー３２で、複数のブランク３０を整然と形成する。カッテイングソー３２は、（例えば、ダイヤモンド、カーボランダム又は類似の材質で）特別に作成した約１００μｍのすくい面をもつブレード３９を装備している。カッティングソー３２の専用ブレード３９は、ウェーハ３５に、形成されるピークが好ましくは約１０度から約９０度の範囲の刃先角を有するような精密なカットベベルを形成できる。しかしながら、ソー３２の切削手段は、寸法で０．３μｍより大きいチップを生じないように選定する。
【００５９】
図５（Ｂ）は、集束イオンビームで加工したブランクの原子的に研磨した側面が切刃端部分を形成しない例を示す概略図である。ウェーハ３５を刃先ブランク３０に切削後、例えば、超音波洗浄，プラズマ，高圧脱イオン水等により洗浄し、表面を汚している切削液及び全ての砕片を除去する。次に、切刃端ブランク３０を集束イオンビーム加工装置の真空室に入れる。真空室を排気して約１０−７Ｔｏｒｒの真空圧にする。次に、集束イオンビーム４０を、ブランク３０の頂点３４に向けて少なくとも片側３１，３３に沿って出射する。
【００６０】
切刃端ブランクは当業者には公知の化学エッチング技法によっても作成できる。例えば、使用するエッチング溶液に耐性をもつフォトレジストマスクをシリコンウェーハに付ける。このマスクは、切刃端ブランクの上刃エッジ位置、即ち、ウェーハの平面に垂直な高さを有する切刃端ブランクの頂点に配置したレジストの長手方向ストリップよりなる。１５０μｍのウェーハエッチング深さの場合、少なくとも１μｍ幅のレジストストリップを上刃エッジに沿って配置して、エッチングを防止し、エッジ組織の損傷を阻止する。最終エッジを集束イオンビームで加工する。
【００６１】
所望の最終用途及び／又は曲率半径、即ちエッジの鋭利さに応じて、集束イオンビーム４０を前縁５０の前方又は前縁５０の背後からブレードブランク３０に向けることが可能である（図５（Ｂ））。究極の鋭利さは、好ましくは集束イオンビーム源４５を切刃端ブランク３０の前縁の背後から切刃端５０に衝突させる時に形成される。約１０度から約７０度の範囲の刃先角を有する鋭利な刃とするのが好ましい。かように、約５度から約７０度までの集束イオンビームが通常用いられる。
【００６２】
図５（Ｃ）は、集束イオンビームで加工したブランクの原子的に研磨した側面が切刃端部分を形成する他の例を示す概略図である。研磨側面３８に隣接するエッジを使用し、集束イオンビームを反対側３１から出射して、原子的に鋭利した片側傾斜（ベベル）切刃端を形成するようにするのが好ましい。
所望の原子的に鋭利なエッジ５０を切刃端ブランク３０に付けてから、切刃端ブランク３０のベース（鋭利にしたエッジに対抗する、例えば側面３３）を、例えば金属，プラスチック，ガラス，セラミック又は同様な材料で製作した支持基板（例えば図３に示すような）に、例えば、半田，エポキシ，ろう付け，ステーキング，クリンピング，接着，フリクションフィティング又は共晶結合を用いて固定する。この支持基板は、組み付けた原子的に鋭利な切刃端ブランク３０を任意所望の切削器具又は工具本体に最終的に取り付けるのを容易にする。鋭利にした切刃端ブランク３０を切削器具又は工具本体に直接取り付けることにより、本発明を実施することも又可能である。
両面傾斜（ベベル）切刃端の場合、集束イオンビームを切刃端の両側から向かわせる。
【００６３】
集束イオンビーム装置を横方向高電流モードで使用することにより、“ビーム成形”と称するプロセスにより種々のエッジ形状寸法を成形することができる。“ビーム成形”用の集束イオンビームは少なくとも約１０ｎｍのビーム径を有するのが好ましい。
【００６４】
図６乃至図１０は、顕微手術器具用の極薄刃を提供するために機械削りして研ぎ上げた従来の技術による刃の切刃端を示す図である。図６は鋭利にしたエッジの代表的な欠陥である刃先のこぼれを示しており、図７乃至図１０は鋭端部における典型的な金属のだれと機械的な刃削り及び研ぎ上げプロセスによって残された顕微砕片を示している。
【００６５】
図１１は、本発明による集束イオンビーム加工による顕著に改善された鋭利さを示す図である。図１１は、刃先の２つの領域を示しており、第１領域５２は従来のエッジ研削と研磨によって刃削りした刃先を示し、鋭くしたエッジの周りに微細な砕片があり、エッジ自身は金属だれがある。それに対し、第２領域５４は、本発明に従い集束イオンビーム４０により加工されたものである。鋭端周辺の驚くほどきれいな表面と、クリ−ンで原子的に鋭利な切刃端が注目される。
【００６６】
【発明の効果】
本発明によれば、極めて鋭利で優れた耐磨耗性を有し、刃の抗力が最小であり、制限付き再使用又は使い捨て式の片細又は両細刃の切削器具並びに顕微手術用に使用される再使用又は使い捨て切削器具を製作することができる。加えて、この切削器具に連続切刃端を備えることもできる。また、本発明は、手術用器具に使用するために生体組織に適した材料で切削器具を製作できる。さらに、かような器具を安価に製作することができる。本発明によれば、鋭端周辺の驚くほどきれいな表面と、クリ−ンで原子的に鋭利な切刃端が形成可能である。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施形態による、被覆蒸着後に新しい切刃端を集束イオンビームで加工する前の状態における切刃ブランクの切刃端を示す概略図である。
【図２】本発明の一実施形態による、被覆を蒸着し集束イオンビームで加工して新しい切刃端を形成した切刃ブランクの切刃端を示す概略図である。
【図３】本発明の一実施形態による、鋭利にした切刃端ブランクを基板に取り付けた状態を示す図である。
【図４】本発明の他の実施形態による、原子的に鋭利な刃先を作成するために有用な切刃端ブランクを示す図で、図４（Ａ）は、その平面図であり、図４（Ｂ）は図４（Ａ）の線５Ｂ−５Ｂについての断面図である。
【図５】本発明の他の実施形態による、粗ブランクの製作方法を説明するための図で、図５（Ａ）は粗ブランクを製作するウェーハ切削プロセスの一例を示す図であり、図５（Ｂ）は集束イオンビームで加工したブランクのブランクの原子的に研磨した側面が切刃端部分を形成しない、一実施形態を示す概略図、図５（Ｃ）は集束イオンビームで加工したブランクの原子的に研磨した側面が切刃端部分を形成する他の例を示す概略図である。
【図６】典型的な極微な切刃端の欠陥を有する従来の技術による鋭端切刃端を示すディジタル顕微鏡写真である。
【図７】刃先に極微な“だれ”及び／又は極微な介在物を有する従来の技術による鋭端刃先を示すディジタル顕微鏡写真である。
【図８】刃先に極微な“だれ”及び／又は極微な介在物を有する従来の技術による鋭端刃先を示すディジタル顕微鏡写真である。
【図９】刃先に極微な“だれ”及び／又は極微な介在物を有する従来の技術による鋭端刃先を示すディジタル顕微鏡写真である。
【図１０】刃先に極微な“だれ”及び／又は極微な介在物を有する従来の技術による鋭端刃先を示すディジタル顕微鏡写真である。
【図１１】従来方法で加工した切刃端部分を、さらに本発明による集束イオンビームで削り加工し、原子的に鋭利な刃先を集束イオンビームで加工した場合の劇的な結果を示すディジタル顕微鏡写真である。
【符号の説明】
５…ブランク、６…被覆、７…テーパ切刃端、９…原子的に鋭利な切刃端、１０…切削器具、１１…基底面、２５…支持基板、３０…切刃端ブランク、３２…カッテイングソー、３５…ウェーハ、３８…ウェーハの片側、３９…ブレード、４０…集束イオンビーム、４５…イオン源、５０…前縁、５２…第１領域、５４…第２領域、６０…複数のブランク、６１…矩形ブランク、６３…切刃端、６５…薄板材、６９…半割。
【発明の属する技術分野】
本発明は、外科手術器具用に特に有用である切削装置用の極めて薄い切刃端をもつ切刃の製作方法及びその方法により製作された切刃に関し、より詳細には、１本又は２本の集束イオンビームによる削り加工を用いて材料に原子的に鋭利な切刃端を成形するプロセス、及びそのプロセスにより製作された切刃端をもつ切刃に関する。本発明は、手術用メスの製作において特に有用であるが、さらに、優れて鋭利な切刃端を要する殆どの刃を提供するために適用することができる。
【０００２】
【従来の技術】
現代の医学的処置においては、極めて鋭利で耐磨耗性に優れ、さらに生体組織の抗力が最小である切削器具が必要とされている。繊細な顕微手術、特に眼科手術において、切刃端は極めて鋭利でなければならず、またその鋭利さを手術中も変わらずに維持されねばならない。しかしながら、現在入手可能な鋭利な刃でも、かなりの抗力を示し、生体組織に“ぎざぎざ”の切口を付けずに使用することは難しい。さらに、刃の品質が低下すると、組織に損傷を与え、術後の合併症及び治癒の遅延をもたらすことが研究により明らかにされている。
【０００３】
外科手術用メスの決定的に重要な要素は切刃端である。切刃端にチップ、欠け傷又は破損、バリ及び／又はだれ又は歪みが生じると、その刃は使用不能となり、最悪の場合、患者を傷つけることになる。
【０００４】
薄刃切削器具は、ステンレス鋼のような金属，カーボランダム又は炭化珪素，シリコン，ガラス，サファイア，ルビー又はダイヤモンドのような他の比較的硬い材料から通常製作される。ガラス，シリコン及びステンレス鋼は比較的安価で従って使い捨てが可能であり、一方、ダイヤモンド，ルビー及びサファイアは、比較的高価であり経済性の面から当然再使用が要求される。これらの材料の各々は、種々の手段で研削，圧縮成形，エッチング加工，研磨仕上げ又は研ぎ仕上げして切刃端を成形することができる。例えば、金属では研削，圧縮成形及び／又はエッチング加工して精密な切刃端をもつ刃を製作することができる。しかしながら、金属の切刃端が薄ければ薄いほど、切刃端を形成する傾斜角度（ベベル角度）が狭くなる。その結果、薄刃の切刃は、比較的厚刃の切刃より脆くなる。この脆さは、切刃端の顕著な磨耗、即ち、チップ，欠け傷，破損，バリ及び／又はだれ又は歪みによって明白に示される。さらに、金属切刃は一回使用するだけでもかなり鈍くなる。
【０００５】
当業者の多くは、ダイヤモンド刃を鋭利さの許容標準と見なしてきた。しかしながら、ダイヤモンド刃は、非常に高価で極めて繊細であり、さらに定期的に再研磨を要する。かように、当業者は、種々の手段により、ダイヤモンドに類似した鋭利さをもつ切削装置を製作する経済的な方法を考案してきた。硬い鋭利な切刃端を提供するためになされた最近の幾つかの試みについて以下に説明する。
【０００６】
Ｈｅｎｄｅｒｓｏｎは、米国特許第４，５３４，８２７号において、最大曲率半径が約１００オングストローム（Å）の切刃端を形成するために、例えばルビー又はサファイアのような酸化アルミニウム材の単結晶をエッチング加工し化学的に研磨して製作した切削器具を開示している。しかしながら、この開示材料は脆弱であり、さらに、材料の結晶格子により形成された切刃は、固有のベベルをもつ傾向がある。
【０００７】
Ｍｉｒｔｉｃｈは、米国特許第４，４９０，２２９号において、基板上にダイヤモンド類似炭素膜を製作する方法を開示している。基板表面に炭化水素を含むアルゴンイオンビームを照射する。同時に、より高いイオンエネルギーをもつ第２のアルゴンイオンビーム（炭化水素を含まない）を同表面に当て凝縮原子の可動性を高めて少数の束縛原子を除去する。
【０００８】
Ｂａｃｈｅ他は、米国特許第４，９３３，０５８号において、切刃端をイオンビームで照射しながら化学的蒸着又はスパッタリングによって刃基板をより硬い材料で被覆する方法を開示している。イオンビームの衝撃により、高硬度材料の好ましい蒸着方位が得られ、さらに蒸着材料のスパッタ除去を生じ、特殊な断面形状と極限先端半径を有する被覆が得られる。
【０００９】
特開昭６１−２１０１７９号公報においては、１ｎｍから２０ｎｍまでの厚さの切刃端を生成するために水素と水素化合物（例えば、エタン）の混合ガス中でプラズマ誘導蒸気相蒸着により無定形炭素（シリコンカーバイド）を被覆する装置を開示している。
【００１０】
Ｈｏｓｈｉｎｏは、米国特許第４，８３２，９７９号において、ナイフのプローブ部表面を１μｍから５０μｍの厚さの炭素被膜で被覆し、その上に１μｍから５０μｍの厚さのサファイア、ルビー又は石英ガラスの保護被膜を被覆したレーザナイフの製作プロセスを記述している。
【００１１】
Ｋｉｔａｍｕｒａ他は、米国特許第４，８３９，１９５号において、例えばサファイヤの刃基板にプラズマ誘導による化学的蒸気相の蒸着で約５〜５０ｎｍの厚みのダイヤモンド層を被覆し７００〜１３００℃の温度で熱処理してダイヤモンド層内の吸収不純物を排除することによってミクロトームを形成することを開示している。Ｋｉｔａｍｕｒａ他は、米国特許第４，９８０，０２１号において、さらに、刃の表面に炭素質被覆面をエッチング加工し有利な表面粗さを得ることを開示している。
【００１２】
Ｂａｃｈｅ他は、米国特許第５，０３２，２４３号において、ステンレス鋼製剃刀の刃のスタックを、刃の主刃面に平行でスタック内平面の両端に配置した２基のイオン源からのイオンビームを当てることにより、剃刀の切刃端を成形又は変形させる方法を記述している。機械的に形削りした切刃端を２基のイオン源からのイオンで照射して新しい切刃端を形成し、次に電子ビーム蒸着装置を運転し、被覆が化合物であれば所望の被覆材又はその成分を蒸着させて、イオン源の運転を続行する。蒸着開始後のイオン源によるスパッタ除去速度は蒸着速度より小さくして、蒸着可能なようにイオン源を運転する。
【００１３】
Ｈａｈｎは、米国特許第５，０４８，１９１号において、セラミック基板を備え、その基板の一端を機械的に研磨して３０度より小さい刃先角をもつファセット付きの鋭い切刃端を形成し、機械研磨した刃を熱処理して表面粗さと下地表面の欠陥を除去し、切刃端をスパッタ加工して４０度より大きい刃先角をもつ補助ファセットを供給し５００Åより小さい先端半径にする、剃刀の成形プロセスを記述している。
【００１４】
Ｋｒａｍｅｒは、米国特許第５，１２１，６６０号において、２μｍ未満の粒子寸法をもつ多結晶セラミック基板を備え、その基板の一端を機械的に研磨して２０度より小さい刃先角をもつファセット付き鋭端を形成し、その鋭端をスパッタ加工して先端半径を３００Åより小さい先端半径に減少させて刃先を成形する、剃刀の成形プロセスを記述している。
【００１５】
ＤｅＪｕａｎ，Ｊｒ他は、米国特許第５，３１７，９３８号において、平面基板から顕微手術用メスを製作する方法を記述している。基板の上面にフォトレジストのマスク層を顕微手術用メスの形に形成し、その基板上面を等方体に下面までエッチングして、マスク層のエッジ部に対応する輪郭を有する切刃端部を形成する。シリコンのような半導体材料，炭化珪素，サファイア及びダイヤモンドが基板として使用できる。
【００１６】
Ｋｎｕｄｓｅｎ他は、米国特許第５，７２４，８６８号において、切削性能を改善した刃物の製作方法を記述している。蒸着源に対し切刃ブランクを加熱回転させながら、線形蒸着源を使用する陰極アークプロセスにより鋼製刃物ブランクにＴｉＮ、Ｔｉ（ＣＮ）又は（ＴｉＡｌ）Ｎを被覆する。ブランクの切刃端は被覆蒸着前に形削りしても又は形削りしなくても良い。ブランクを被膜蒸着前に形削りしない場合は、その後に、ブランクを砥石研磨と最終革研ぎを用いる従来の処理手順により好ましくはその一端のみを形削りする。
【００１７】
Ｄｅｃｋｅｒ他は、米国特許第５，７９９，５４９号において、剃刀の改良刃並びに無定形ダイヤモンドで切刃基板の形削りしたエッジに硬炭素被覆することにより鋭利で丈夫な切刃端を製作するプロセスを記述している。基板を機械的に研ぎ上げることができ、基板とダイヤモンド被膜間には中間層が無い。この被膜は、薄刃に高い縦横比を維持しながら剛性と硬さを与える。
【００１８】
Ｍａｒｃｕｓ他は、米国特許第５，８４２，３８７号において、単結晶シリコンのウェーハから製作する“超薄”切刃端をもつナイフの刃を開示している。最初に、ウェーハにエッチ液マスク層を延伸上端（リッジ）に一面に塗布し、次に、そのウェーハをエッチングしてマスクをアンダーカットし、上端の両側が上端の頂点に向けて収斂するように形成する。酸化膜形成／除去プロセスを用いて鋭利な上端頂点を形成する。優れた鋭利さをもつ刃が得られるが、しかしながら、このプロセスの酸化膜形成／除去サイクルは長時間を要する。さらに、極薄切刃端は相対的に脆弱であり、多くの用途において、切刃端を鈍らせ、例えばＲＦスパッタリングによって保護層を１層以上追加し切刃端の強度を高める方が良いとされている。さらに、２つの傾斜面（ベベル）をもつ刃の制作は困難であり、またこの方法により製作した刃は高価となる。
【００１９】
【発明が解決しようとする課題】
上述のごとく、切削器具、特に顕微手術用のより鋭利で丈夫な切刃端に対する要求は依然として満たされずに残っており、実際に、原子的に鋭利な切刃端と刃先を提供する経済的な切削器具に対する産業界の要求は解決されないままになっている。
【００２０】
本発明は、上述のごとき実情に鑑みてなされたものであり、極めて鋭利で優れた耐磨耗性を有し、刃の抗力が最小であり、制限付き再使用又は使い捨て式の切刃（片細又は両細刃）及びその製作方法を提供し、加えてその切刃を用いた切削器具並びに顕微手術用に使用される再使用又は使い捨て切削器具を製作する方法を提供することをその目的とする。加えて、この切削器具に連続切刃端を備えることをもその目的とする。
さらに、本発明は、手術用器具に使用するために生体組織に適した材料で製作された、かような切削器具を提供することをその目的とする。また、かような器具と器具を安価に製作する方法を提供することをもその目的とする。
【００２１】
【課題を解決するための手段】
集束イオンビーム（ＦＩＢ）加工により原子的に鋭利な切刃端を形成する。その方法では、切刃端ブランクを供給し、集束イオンビームにより削り加工し、原子的に鋭利な切刃端を形成する。他の方法では、金属切刃ブランクを供給し、より硬い材料層をブランクの少なくとも片側に蒸着し、集束イオンビームにより加工して原子的に鋭利な切刃端を形成する。
【００２２】
請求項１の発明は、主刃面と該主刃面の一端にあるテーパエッジとをもつ金属材料製の切刃端ブランクと、
該切刃端ブランクの少なくとも１側面における前記テーパエッジおいて前記主刃面の一部分に蒸着した、前記金属材料より硬い第２の材料の層と、よりなる切削器具用の原子的に鋭利な切刃であって、
集束イオンビームによって前記層を前記主刃面に平行な平面に対して鋭角に削ることにより、前記ブランクに連続した原子的に鋭利な切刃端を形成することを特徴としたものである。
請求項２の発明は、請求項１の発明において、前記金属材料製ブランクを取り付ける支持基板をさらに含んでなることを特徴としたものである。
請求項３の発明は、請求項１の発明において、前記第２材料の層の厚みは約１００Åから約５００Åまでの範囲であることを特徴としたものである。
【００２３】
請求項４の発明は、請求項１の発明において、前記集束イオンビームで加工した層の厚みは少なくとも約２００Åであることを特徴としたものである。
請求項５の発明は、請求項１の発明において、前記第２材料は、シリコン，セラミック，ガラス，Ａｌ２Ｏ３，ＡｌＴｉＮ，ＴｉＮ，ＳｉＣ，ＳｉＮ，ＭｏＳ２，無定形炭素，ダイヤモンド類似炭素及びジルコニウムよりなるグループから選択した１材料を含んでなることを特徴としたものである。
請求項６の発明は、請求項１の発明において、前記切刃端は約３００Åより小さい曲率半径を有することを特徴としたものである。
【００２４】
請求項７の発明は、請求項１の発明において、前記切刃端は約１００Åより小さい曲率半径を有することを特徴としたものである。
請求項８の発明は、請求項１の発明において、前記切刃端は約１０Åより小さい曲率半径を有することを特徴としたものである。
請求項９の発明は、請求項１の発明において、前記切刃端は片面にベベルエッジを有することを特徴としたものである。
請求項１０の発明は、請求項１の発明において、前記切刃端は両面にベベルエッジを有することを特徴としたものである。
【００２５】
請求項１１の発明は、主刃面と該主刃面の一端にエッジをもつ切刃ブランクを含んでなる、切削器具用の原子的な切刃であって、集束イオンビームにより前記エッジを前記主刃面に平行な平面に対して鋭角に削ることにより、前記ブランクに連続した原子的に鋭利な切刃端を形成することを特徴としたものである。
請求項１２の発明は、請求項１１の発明において、前記切刃ブランクは、シリコン，セラミック，ガラス，Ａｌ２Ｏ３，ＡｌＴｉＮ，ＴｉＮ，ＳｉＣ，ＳｉＮ，ＭｏＳ２，無定形炭素，ダイヤモンド類似炭素及びジルコニウムよりなるグループから選択した１材料よりなるウェーハから製作することを特徴としたものである。
【００２６】
請求項１３の発明は、請求項１１の発明において、前記切刃の前記切刃端は加工前に約１μｍより小さい刃先を有することを特徴としたものである。
請求項１４の発明は、請求項１１の発明において、前記切削器具は、連続した原子的に鋭利な切刃端を形成した前記切刃ブランクを取り付ける支持基板をさらに含んでなることを特徴としたものである。
請求項１５の発明は、請求項１４の発明において、前記支持基板は、金属，プラスチック，ガラス又はセラミックを含んでなるグループから選択することを特徴としたものである。
【００２７】
請求項１６の発明は、請求項１１の発明において、前記切刃端は約３００Åより小さい曲率半径を有することを特徴としたものである。
請求項１７の発明は、請求項１１の発明において、前記切刃端は約１００Åより小さい曲率半径を有することを特徴としたものである。
請求項１８の発明は、請求項１１の発明において、前記切刃端は約１０Åより小さい曲率半径を有することを特徴としたものである。
請求項１９の発明は、請求項１１の発明において、前記切刃端は片面にベベルエッジを有することを特徴としたものである。
【００２８】
請求項２０の発明は、請求項１１の発明において、前記切刃端は両面にベベルエッジを有することを特徴としたものである。
請求項２１の発明は、主刃面と該主刃面の一端にあるテーパエッジとをもつ金属材料製のブランクを供給することと、
前記テーパエッジおける前記主刃面の一部分に前記金属材料より硬い第２材料の連続層を蒸着することと、
集束イオンビームで前記第２材料の層を削り加工して原子的に鋭利な切刃端を形成することを含んでなることを特徴としたものである。
【００２９】
請求項２２の発明は、請求項２１の発明において、前記第２材料の層は約１００Åから約５００Åまでの厚みに蒸着することを特徴としたものである。
請求項２３の発明は、請求項２１の発明において、前記第２材料の層は少なくとも約２００Åの厚さに蒸着することを特徴としたものである。
【００３０】
請求項２４の発明は、請求項２１の発明において、前記第２材料は、シリコン，セラミック，ガラス，Ａｌ２Ｏ３，ＡｌＴｉＮ，ＴｉＮ，ＳｉＣ，ＳｉＮ，ＭｏＳ２，無定形炭素、ダイヤモンド類似炭素及びジルコニウムよりなるグループから選択することを特徴としたものである。
請求項２５の発明は、請求項２１の発明において、前記切刃端は約３００Åより小さい曲率半径を有することを特徴としたものである。
請求項２６の発明は、請求項２１の発明において、前記切刃端は約１００Åより小さい曲率半径を有することを特徴としたものである。
【００３１】
請求項２７の発明は、請求項２１の発明において、前記切刃端は約１０Åより小さい曲率半径を有することを特徴としたものである。
請求項２８の発明は、請求項２１の発明において、前記切刃端は片面にベベルエッジを有することを特徴としたものでる。
請求項２９の発明は、請求項２１の発明において、前記切刃端は両面にベベルエッジを有することを特徴としたものである。
請求項３０の発明は、主刃面と該主刃面の一端にエッジとをもつ切刃ブランクを供給することと、集束イオンビームを用いて前記エッジを前記主刃面に平行な平面に対し鋭角に削り加工して前記ブランクに連続した原子的に鋭利な切刃端を形成することを含んでなることを特徴としたものである。
請求項３１の発明は、請求項３０の発明において、前記切刃ブランクは、シリコン，セラミック，ガラス，Ａｌ２Ｏ３，ＡｌＴｉＮ，ＴｉＮ，ＳｉＣ，ＳｉＮ，ＭｏＳ２，無定形炭素，ダイヤモンド類似炭素及びジルコニウムよりなるグループから選択した１材料を含んでなるウェーハであることを特徴としたものである。
【００３２】
請求項３２の発明は、請求項３０の発明において、前記ブランクは約１００μｍから約１０００μｍまでの厚みを有することを特徴としたものである。
請求項３３の発明は、請求項３０の発明において、前記切刃端は約３００Åより小さい曲率半径を有することを特徴としたものである。
請求項３４の発明は、請求項３０の発明において、前記切刃端は約１００Åより小さい曲率半径を有することを特徴としたものである。
【００３３】
請求項３５の発明は、請求項３０の発明において、前記切刃端は約１０Åより小さい曲率半径を有することを特徴としたものである。
請求項３６の発明は、請求項３０の発明において、前記切刃端は片面にベベルエッジを有することを特徴としたものである。
【００３４】
請求項３７の発明は、請求項３０の発明において、前記切刃端は両面にベベルエッジを有することを特徴としたものである。
請求項３８の発明は、切刃端を形成するのに適した材料のウェーハを供給するステップと、
該ウェーハを、複数のエッジと三角形断面を有する少なくとも１つの切刃ブランクに切削するステップと、
前記切刃ブランクを真空室内に位置決めするステップと、
前記真空室を所望の真空圧に排気するステップと、
集束イオンビームで前記切刃ブランクのエッジを削り加工して前記ブランクに連続した原子的に鋭利な切刃端を供給するステップと、
を含んでなることを特徴としたものである。
【００３５】
請求項３９の発明は、請求項３８の発明において、原子的に鋭利な切刃端を形成した前記切刃ブランクを支持基板に取り付けるステップをさらに含むことを特徴としたものである。
請求項４０の発明は、請求項３８の発明において、前記ウェーハは、シリコン，セラミック，ガラス，Ａｌ２Ｏ３，ＡｌＴｉＮ，ＴｉＮ，ＳｉＣ，ＳｉＮ，ＭｏＳ２，無定形炭素，ダイヤモンド類似炭素及びジルコニウムよりなるグループから選択した１材料を含んでなることを特徴としたものである。
【００３６】
請求項４１の発明は、請求項３８の発明において、前記ウェーハは約１００μｍから約１０００μｍまでの厚みを有することを特徴としたものである。
請求項４２の発明は、請求項３８の発明において、前記ウェーハをウェーハ表面に対して約５度から約７０度までの範囲の角度で切削するステップを含んでなることを特徴としたものである。
【００３７】
請求項４３の発明は、請求項３８の発明において、前記ウェーハに少なくとも１つの原子的に研磨した表面を備えるステップを含んでなることを特徴としたものである。
請求項４４の発明は、請求項３８の発明において、直径が５ｎｍの前記集束イオンビームを供給するステップを含んでなることを特徴としたものである。
【００３８】
請求項４５の発明は、請求項３８の発明において、直径が１０ｎｍの前記集束イオンビームを供給するステップを含んでなることを特徴としたものである。
請求項４６の発明は、請求項３８の発明において、前記切刃端は片面にベベルエッジを有することを特徴としたものである。
【００３９】
請求項４７の発明は、請求項３８の発明において、前記切刃端は両面にベベルエッジを有することを特徴としたものである。
【００４０】
【発明の実施の形態】
本発明では、硬くて耐久性のある材料で製作した原子的に鋭利な切刃端をもつ刃を提供する。
本発明は、集束イオンビーム（ＦＩＢ）による加工技術を使用して“原子的に削り加工”し、切削器具の刃に原子的に鋭利な切刃端を付ける。切刃端はサブμｍの尺度で鋭利であり、約１Åから約３００Åまでのオーダの曲率半径を持ち得る。
【００４１】
ＦＩＢ技術は、高精度集積回路パターンを半導体材料に“イオン加工”又は“エッチング加工”するために開発された。ＦＩＢの条件及び技法は、米国特許第５，４８２，８０２号，米国特許第５，６５８，４７０号，米国特許第５，６９０，７８４号，米国特許第５，７４４，４００号，米国特許第５，８４０，８５９号，米国特許第５，８５２，２９７号及び米国特許第５，９４５，６７７号に記述されており、これら資料の開示内容を本明細書において参照する。
【００４２】
本発明の一実施形態において、切削器具用の原子的に鋭利な切刃は、主刃面と主刃面の一端にテーパした切刃端を有する金属材料製の切刃端ブランクと、前記テーパした切刃端の切刃端ブランクの少なくとも片側の前記主刃面の一部に蒸着させた、前記金属より硬い第２材料層とを含んでなり、前記層は、前記ブランクに連続した鋭利な切刃端を装備するように集束イオンビームで前記主刃面に平行な平面に対し鋭角に削り加工される。
【００４３】
本発明の他の実施形態において、切削器具用の原子的に鋭利な切刃は、主刃面と主刃面の一端に切刃端を有する刃ブランクを含んでなり、前記切刃端を集束イオンビームで前記主刃面に平行な平面に対し鋭角に削り加工して、前記ブランクに連続した鋭利な切刃端を形成する。好ましくは、刃ブランク材は、シリコン，セラミック，ガラス，Ａｌ２Ｏ３，ＡｌＴｉＮ，ＴｉＮ，ＳｉＣ，ＳｉＮ，ＭｏＳ２，無定形炭素、ダイヤモンド類似炭素、ジルコニウム等の材料グループから選択した材料を含んでなるウェーハから製作する。
【００４４】
本発明では、また、切削器具用の原子的に鋭利な切刃端を製作する方法を提供する。
１つの方法は、主刃面と主刃面の一端をテーパ切刃端をもつ金属材ブランクを供給し、前記主刃面のテーパ切刃端部分に前記金属より硬い第２材料の連続層を蒸着し、前記第２材料層を集束イオンビームにより削り加工して原子的に鋭利な切刃端を形成することよりなる。
【００４５】
切削器具用の原子的に鋭利な切刃端を製作する他の方法は、切刃端の形成に適した材質のウェーハを供給するステップと、前記ウェーハを切削して複数端を有し３角形断面である少なくとも１枚の刃ブランクを製作するステップと、前記刃ブランクを真空室（真空チャンバ）内に位置決めするステップと、前記真空室を所望圧力まで排気するステップと、前記刃ブランクの刃先を集束イオンビームで研削して前記刃ブランクに原子的に鋭利な切刃端を形成するステップとを含んでなる。
本発明による装置は、片側傾斜（ベベル）切刃端又は両側傾斜（ベベル）切刃端を有し得る。
【００４６】
本発明の実施形態を以下に詳述する。本発明の他の目的と利点は、添付図面を参照して以下の記述を読めば明らかになろう。
本発明による原子的に鋭利である切刃は、集束イオンビーム（ＦＩＢ）で鋭利に切刃端を形成した硬質材料より構成される切刃端部を含んでいる。本発明の実施に適した硬質材は、Ｓｉ，Ａｌ２Ｏ３，ＴｉＮ，ＡｌＴｉＮ，ＳｉＣ，ＳｉＮ，二硫化モリブデン（ＭｏＳ２），無定形炭素，ダイヤモンド類似炭素，ジルコン及び集束イオンビームで除去可能な類似材料である。硬質材料の切刃端部は、通常、より柔らかくて粗い材質の基板上に支持することができる。代替案として、硬質材料をウェーハに成形し、そのウェーハ上に集束イオンビームで鋭利な切刃端を形成することもできる。
【００４７】
図１は、本発明の一実施形態による、被覆蒸着後に新しい切刃端を集束イオンビームで加工する前の状態における切刃ブランクの切刃端を示す概略図である。図１に示す本発明の一実施形態において、金属の切刃端ブランク５を例えば動力鋳造，鍛造，コイニング，放電加工，微細加工，フォトエッチング等の任意の方法で成形する。ブランク（半完成品）５は、好ましくは、少なくとも１つのテーパ（先細の）切刃端７をもつように形成する。かような切刃端７はブランク５の残り部分より薄い。ブランク５は、所望の切削工具又は手術器具１０に適した任意の厚さに作成する。
【００４８】
形成された切刃端ブランク５を清掃して、ブランク５の材質より本質的に硬い材料の被覆６を、例えば、化学的蒸着，スパッタリング又はイオン支援蒸着により形成する。当技術において通常の技術を有する者には公知であるこれらのプロセスは真空度が高い、すなわち、通常圧力が１０−２Ｔｏｒｒより低い（例えば、１０−３，１０−４）の高真空を用いる。硬質材の被覆６は適当な元素ガス中で真空蒸着プロセスにより形成される。或る特定のガスが存在することによりブランク５への被覆６の付着が実際に助長されることも、当技術において通常の技術を有する者にはよく知られている。蒸着被覆６に適した硬質材料は、Ｓｉ，Ａｌ２Ｏ３，ＡｌＴｉＮ，ＴｉＮ，ＳｉＣ，ＳｉＮ，ＭｏＳ２，無定形炭素，ダイヤモンド類似炭素、ジルコン及びこれらに類似の材料である。
【００４９】
被覆６は、より硬い材料の十分な層がブランク５の切刃端７の少なくとも片側を連続的に被覆するように蒸着する。被覆６が切刃端７において連続した層を形成することが好ましい。３０，０００Åの厚さの被覆６を蒸着した。但し、通常は、約５００Å以下のオーダの被覆とするのが経済的である。実際に、好適な実施態様において、集束イオンビーム加工後の被覆６の厚さは約１００Åから約５００Åであり、少なくとも約２００Åであれば一層好ましい。
【００５０】
図２は、本発明の一実施形態による、被覆を蒸着し集束イオンビームで加工して新しい切刃端を形成した切刃ブランクの切刃端を示す概略図である。被覆６を片側のみに付けたい場合、即ち、片面傾斜（ベベル）切削器具１０の切刃端７用被覆の場合、被覆プロセスは、通常基底面１１上に余剰の被覆材６を蒸着させるので、これは除去しなければならない。実際には、被覆するつもりの無かった刃身部分（即ち、基底面１１）を、例えば、非集束イオン加工又はイオンエッチングにより処理して、望ましくない余剰硬質材を除去するのが望ましい。その後、ブランク５を集束イオンビーム（ＦＩＢ）加工により尖鋭にして原子的に鋭利な切刃端をもつ新しいシャープエッジ（切刃端）９を生成する。ブランクの両面をテーパして硬質材で被覆した両面傾斜切削器具の場合、ブランクの各被覆面を集束イオンビーム（ＦＩＢ）で研削して原子的に鋭利な両面傾斜刃先を有する新しい鋭端部を生成する。
【００５１】
集束イオンビームは、切刃端７から被覆６を部分的に除去し、ブランク５の当初の切刃端７に残る、即ち、削りとられなかった、被覆６の厚さで置き換えた新しい“原子的に鋭利な”切刃端９（図２）を再形成する。ここに参照する米国特許第５，９４５，６７７号には、ナノ平板印刷に使用できる集束イオンビーム（ＦＩＢ）を供給するプロセスが記述されている。かようなＦＩＢは、被覆したブランク５の切刃端に角度をもって集束し、硬質材６を削り取って新しい原子的に鋭利な切刃端９を形成する。
【００５２】
集束イオンビーム加工は、ＦＥＩ社のＭｉｃｒｉｏｎ部により製作された専用装置又は類似装置を用いて上述のように実行される。加工エネルギー源である集束イオンビーム４０は、電気的に励起された液体ガリウム源４５から発生したものが好ましい。しかしながら、当業者には公知の他のイオン源４５を使用しても、本発明の教示から逸脱するものではない。イオン源４５は、所望の直径に集束できるガリウムイオンビーム４０を出射する。集束ビーム４０は空間的に制限され、好ましくは約５ｎｍの直径に制限される。しかし、より大きい径、例えば１０ｎｍに集束したビームも使用して、十分な結果を得ることができる。刃ブランク５に鋭利な刃先端９を加工するのに必要なエネルギーレベルは、５ｎｍ径のビームの場合の約３０ｐＡであり、１０ｎｍ径のビームの場合約１００ｐＡである。任意の削り加工プロセスにおいて、この処理ステップの目的は、（１）所望の切刃端９に沿ってより硬質の被覆６の若干又は全特定領域を除去し、（２）基底面１１の平面又は両面傾斜切刃端の場合において、所望の切刃端に沿って硬質被覆を削り取ることである。
【００５３】
集束イオンビーム４０は、原子削り加工機のように切削し、応力を生じないで、その場所を切断することにより原子的に鋭利な切刃端９を形成する。
集束イオンビーム４０を、ブランク５の被覆６に、切刃端９の所望最終角度の数度範囲内の角度で衝突させる。通常、イオンビーム４０は、ブランクの切刃端９の主刃面に平行な平面に対する基準値より大きい約５度の角度でブランク５の切刃端９に向けて発射する。本発明によるプロセスは、高品質な表面仕上げと形成製品の寸法公差の反復性をもつ切刃端９を供給する。寸法公差は少なくとも±０．３μｍ以内の精度であることが好ましい。さらに、約３００Å未満、好ましくは１００Å未満、さらに好ましくは１０Åの切刃端の曲率半径にすることができる。さらに、本発明に従い切刃端を製作することにより、顕微な破片（ｄｅｂｒｉｓ）が避けられる。
【００５４】
図３は、本発明の一実施形態による、鋭利にした切刃端ブランクを基板に取り付けた状態を示す図である。新しい原子的に鋭利にした切刃端をもつ切刃端ブランク５を、最終的に支持基板２５に取り付ける。この支持基板２５は、例えば、金属又はプラスチック製で、実際には任意の形状又は形態を取り、最終切刃端９に対する支持構造を提供し、強度及び微細亀裂（Ｓｈａｔｔｅｒ）強度を高める。図３に示すように、両面に傾斜（ベベル）を付けた原子的に鋭利なブランクを、接着剤（図示しない）で基板２５に取り付ける。この基板２５は、金属又はプラスチックのような任意適当な材料で製作できる。
【００５５】
図４は、本発明の他の実施形態による、原子的に鋭利な刃先を作成するために有用な切刃端ブランクを示す図で、図４（Ａ）はその平面図、図４（Ｂ）は図４（Ａ）の線５Ｂ−５Ｂについての断面図である。切刃ブランク６０は、金属シリコン，セラミック，ガラス，Ａｌ２Ｏ３，ＡｌＴｉＮ，ＴｉＮ，ＳｉＣ，ＳｉＮ，ＭｏＳ２，無定形炭素，ダイヤモンド類似炭素，ジルコン及び類似の硬質材料のウェーハ状薄板６５から製作する。種々の形状をした切刃端ブランクを微細加工、非集束イオンビーム加工又はエッチングにより薄板材６５から形成できる（図４（Ａ）及び４（Ｂ））。尚、このプロセスは当業者には公知である。本実施形態において、複数のブランク６０を前記プロセスによりまず粗く形成する。ブランク６０を化学的に腐蝕させて切刃端６３を形成し、粗引きしてバックエッジを形成する。その後、切刃端６３を上述のように必要に応じ片面又は両面を集束イオンビームで削って鋭利にして所望の原子的に鋭利な切刃端を形成する。この実施例は鋭利な切刃端を比較的迅速に加工できる。集束イオンビーム（ＦＩＢ）加工により鋭利にした切刃端をもつブランクを支持（例えば図３に示す支持基板２５）に取り付けて切削器具として供給する。
【００５６】
微細加工，エッチング又は非集束イオンビーム加工により作成した矩形ブランク６１は好ましい形状例であるが、例えば、円形，楕円形，三角形及び多角形にすることも本発明の教示範囲内である。矩形ブランク６１を形成するために、矩形ブランク６１の周縁を規定できるように、微細加工、エッチング又は非集束イオンビーム加工する。粗いブランク６１の切刃端６３のテーパ６２は、通常、約３０度から約６０度までの範囲であり、好ましくは、図４（Ｂ）に示す約３６．８度である。矩形ブランク６１を次に集束イオンビームで削り原子的に鋭利な切刃端６３を作り出す。例えば、矩形ブランク６１を半割６９にして個別の切刃ブランク６０することができる。１例として、図４（Ａ）に示すように、矩形６１を半割６９にして、原子的に鋭利な３つの切刃端６３をもつ１対の切刃端ブランク６０を生成する。切刃端は任意の形状に製作できる。例えば金属プラスチック、ガラス等の材質の支持基板を、切刃端を有するブランク６０にラミネートして支持構造を付加し、強度及び微細亀裂強さ（Ｓｈａｔｔｅｒ ｒｅｓｉｓｔａｎｃｅ）を高める。
【００５７】
図５は、本発明の他の実施形態による、粗ブランクの製作方法を説明するための図で、図５（Ａ）は、粗ブランクを製作するウェーハ切削プロセスの一例を説明するための図である。本発明の他の実施形態において、複数の刃物の切刃端ブランク３０は、例えばシリコン，セラミック，ガラス，Ａｌ２Ｏ３，ＡｌＴｉＮ，ＴｉＮ，ＳｉＣ，ＳｉＮ，ＭｏＳ２，無定形炭素，ダイヤモンド類似炭素，ジルコン及び類似の硬質材料のウェーハ３５から、好ましくは半導体産業からウェーハの形状で入手できる材料から製作する。ウェーハ３５の厚さは、約１００μｍから約１０００μｍまでの範囲内であるのが望ましい。ウェーハ３５の少なくとも片側３８は、半導体産業においては一般的特徴である、原子仕上げまで研磨されていればさらに好ましい。
【００５８】
最初に、ウェーハダイシングソー３２を使用し、ウェーハ３５上に切刃端ブランク３０のための粗い形状を付ける。実際には、このダイシング操作の目的は、例えば、ウェーハ３５の表面を横切る三角プリズム形状で構成される１連の延伸切刃端ブランク３０を形成又は生成することである。ダイシング前に、ウェーハ３５を固定装置に固定し、カッティングソー３２で、複数のブランク３０を整然と形成する。カッテイングソー３２は、（例えば、ダイヤモンド、カーボランダム又は類似の材質で）特別に作成した約１００μｍのすくい面をもつブレード３９を装備している。カッティングソー３２の専用ブレード３９は、ウェーハ３５に、形成されるピークが好ましくは約１０度から約９０度の範囲の刃先角を有するような精密なカットベベルを形成できる。しかしながら、ソー３２の切削手段は、寸法で０．３μｍより大きいチップを生じないように選定する。
【００５９】
図５（Ｂ）は、集束イオンビームで加工したブランクの原子的に研磨した側面が切刃端部分を形成しない例を示す概略図である。ウェーハ３５を刃先ブランク３０に切削後、例えば、超音波洗浄，プラズマ，高圧脱イオン水等により洗浄し、表面を汚している切削液及び全ての砕片を除去する。次に、切刃端ブランク３０を集束イオンビーム加工装置の真空室に入れる。真空室を排気して約１０−７Ｔｏｒｒの真空圧にする。次に、集束イオンビーム４０を、ブランク３０の頂点３４に向けて少なくとも片側３１，３３に沿って出射する。
【００６０】
切刃端ブランクは当業者には公知の化学エッチング技法によっても作成できる。例えば、使用するエッチング溶液に耐性をもつフォトレジストマスクをシリコンウェーハに付ける。このマスクは、切刃端ブランクの上刃エッジ位置、即ち、ウェーハの平面に垂直な高さを有する切刃端ブランクの頂点に配置したレジストの長手方向ストリップよりなる。１５０μｍのウェーハエッチング深さの場合、少なくとも１μｍ幅のレジストストリップを上刃エッジに沿って配置して、エッチングを防止し、エッジ組織の損傷を阻止する。最終エッジを集束イオンビームで加工する。
【００６１】
所望の最終用途及び／又は曲率半径、即ちエッジの鋭利さに応じて、集束イオンビーム４０を前縁５０の前方又は前縁５０の背後からブレードブランク３０に向けることが可能である（図５（Ｂ））。究極の鋭利さは、好ましくは集束イオンビーム源４５を切刃端ブランク３０の前縁の背後から切刃端５０に衝突させる時に形成される。約１０度から約７０度の範囲の刃先角を有する鋭利な刃とするのが好ましい。かように、約５度から約７０度までの集束イオンビームが通常用いられる。
【００６２】
図５（Ｃ）は、集束イオンビームで加工したブランクの原子的に研磨した側面が切刃端部分を形成する他の例を示す概略図である。研磨側面３８に隣接するエッジを使用し、集束イオンビームを反対側３１から出射して、原子的に鋭利した片側傾斜（ベベル）切刃端を形成するようにするのが好ましい。
所望の原子的に鋭利なエッジ５０を切刃端ブランク３０に付けてから、切刃端ブランク３０のベース（鋭利にしたエッジに対抗する、例えば側面３３）を、例えば金属，プラスチック，ガラス，セラミック又は同様な材料で製作した支持基板（例えば図３に示すような）に、例えば、半田，エポキシ，ろう付け，ステーキング，クリンピング，接着，フリクションフィティング又は共晶結合を用いて固定する。この支持基板は、組み付けた原子的に鋭利な切刃端ブランク３０を任意所望の切削器具又は工具本体に最終的に取り付けるのを容易にする。鋭利にした切刃端ブランク３０を切削器具又は工具本体に直接取り付けることにより、本発明を実施することも又可能である。
両面傾斜（ベベル）切刃端の場合、集束イオンビームを切刃端の両側から向かわせる。
【００６３】
集束イオンビーム装置を横方向高電流モードで使用することにより、“ビーム成形”と称するプロセスにより種々のエッジ形状寸法を成形することができる。“ビーム成形”用の集束イオンビームは少なくとも約１０ｎｍのビーム径を有するのが好ましい。
【００６４】
図６乃至図１０は、顕微手術器具用の極薄刃を提供するために機械削りして研ぎ上げた従来の技術による刃の切刃端を示す図である。図６は鋭利にしたエッジの代表的な欠陥である刃先のこぼれを示しており、図７乃至図１０は鋭端部における典型的な金属のだれと機械的な刃削り及び研ぎ上げプロセスによって残された顕微砕片を示している。
【００６５】
図１１は、本発明による集束イオンビーム加工による顕著に改善された鋭利さを示す図である。図１１は、刃先の２つの領域を示しており、第１領域５２は従来のエッジ研削と研磨によって刃削りした刃先を示し、鋭くしたエッジの周りに微細な砕片があり、エッジ自身は金属だれがある。それに対し、第２領域５４は、本発明に従い集束イオンビーム４０により加工されたものである。鋭端周辺の驚くほどきれいな表面と、クリ−ンで原子的に鋭利な切刃端が注目される。
【００６６】
【発明の効果】
本発明によれば、極めて鋭利で優れた耐磨耗性を有し、刃の抗力が最小であり、制限付き再使用又は使い捨て式の片細又は両細刃の切削器具並びに顕微手術用に使用される再使用又は使い捨て切削器具を製作することができる。加えて、この切削器具に連続切刃端を備えることもできる。また、本発明は、手術用器具に使用するために生体組織に適した材料で切削器具を製作できる。さらに、かような器具を安価に製作することができる。本発明によれば、鋭端周辺の驚くほどきれいな表面と、クリ−ンで原子的に鋭利な切刃端が形成可能である。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施形態による、被覆蒸着後に新しい切刃端を集束イオンビームで加工する前の状態における切刃ブランクの切刃端を示す概略図である。
【図２】本発明の一実施形態による、被覆を蒸着し集束イオンビームで加工して新しい切刃端を形成した切刃ブランクの切刃端を示す概略図である。
【図３】本発明の一実施形態による、鋭利にした切刃端ブランクを基板に取り付けた状態を示す図である。
【図４】本発明の他の実施形態による、原子的に鋭利な刃先を作成するために有用な切刃端ブランクを示す図で、図４（Ａ）は、その平面図であり、図４（Ｂ）は図４（Ａ）の線５Ｂ−５Ｂについての断面図である。
【図５】本発明の他の実施形態による、粗ブランクの製作方法を説明するための図で、図５（Ａ）は粗ブランクを製作するウェーハ切削プロセスの一例を示す図であり、図５（Ｂ）は集束イオンビームで加工したブランクのブランクの原子的に研磨した側面が切刃端部分を形成しない、一実施形態を示す概略図、図５（Ｃ）は集束イオンビームで加工したブランクの原子的に研磨した側面が切刃端部分を形成する他の例を示す概略図である。
【図６】典型的な極微な切刃端の欠陥を有する従来の技術による鋭端切刃端を示すディジタル顕微鏡写真である。
【図７】刃先に極微な“だれ”及び／又は極微な介在物を有する従来の技術による鋭端刃先を示すディジタル顕微鏡写真である。
【図８】刃先に極微な“だれ”及び／又は極微な介在物を有する従来の技術による鋭端刃先を示すディジタル顕微鏡写真である。
【図９】刃先に極微な“だれ”及び／又は極微な介在物を有する従来の技術による鋭端刃先を示すディジタル顕微鏡写真である。
【図１０】刃先に極微な“だれ”及び／又は極微な介在物を有する従来の技術による鋭端刃先を示すディジタル顕微鏡写真である。
【図１１】従来方法で加工した切刃端部分を、さらに本発明による集束イオンビームで削り加工し、原子的に鋭利な刃先を集束イオンビームで加工した場合の劇的な結果を示すディジタル顕微鏡写真である。
【符号の説明】
５…ブランク、６…被覆、７…テーパ切刃端、９…原子的に鋭利な切刃端、１０…切削器具、１１…基底面、２５…支持基板、３０…切刃端ブランク、３２…カッテイングソー、３５…ウェーハ、３８…ウェーハの片側、３９…ブレード、４０…集束イオンビーム、４５…イオン源、５０…前縁、５２…第１領域、５４…第２領域、６０…複数のブランク、６１…矩形ブランク、６３…切刃端、６５…薄板材、６９…半割。
Claims (47)
- 主刃面と該主刃面の一端にあるテーパエッジとをもつ金属材料製の切刃端ブランクと、
該切刃端ブランクの少なくとも１側面における前記テーパエッジおいて前記主刃面の一部分に蒸着した、前記金属材料より硬い第２の材料の層と、よりなる切削器具用の原子的に鋭利な切刃であって、
集束イオンビームによって前記層を前記主刃面に平行な平面に対して鋭角に削ることにより、前記ブランクに連続した原子的に鋭利な切刃端を形成することを特徴とする原子的に鋭利な切刃。 - 前記金属材料製ブランクを取り付ける支持基板をさらに含んでなることを特徴とする請求項１に記載の原子的に鋭利な切刃。
- 前記第２材料の層の厚みは約１００Åから約５００Åまでの範囲であることを特徴とする請求項１に記載の原子的に鋭利な切刃。
- 前記集束イオンビームで加工した層の厚みは少なくとも約２００Åであることを特徴とする請求項１に記載の原子的に鋭利な切刃。
- 前記第２材料は、シリコン，セラミック，ガラス，Ａｌ２Ｏ３，ＡｌＴｉＮ，ＴｉＮ，ＳｉＣ，ＳｉＮ，ＭｏＳ２，無定形炭素，ダイヤモンド類似炭素及びジルコニウムよりなるグループから選択した１材料を含んでなることを特徴とする請求項１に記載の原子的に鋭利な切刃。
- 前記切刃端は約３００Åより小さい曲率半径を有することを特徴とする請求項１に記載の原子的に鋭利な切刃。
- 前記切刃端は約１００Åより小さい曲率半径を有することを特徴とする請求項１に記載の原子的に鋭利な切刃。
- 前記切刃端は約１０Åより小さい曲率半径を有することを特徴とする請求項１に記載の原子的に鋭利な切刃。
- 前記切刃端は片面にベベルエッジを有することを特徴とする請求項１に記載の原子的に鋭利な切刃。
- 前記切刃端は両面にベベルエッジを有することを特徴とする請求項１に記載の原子的に鋭利な切刃。
- 主刃面と該主刃面の一端にエッジをもつ切刃ブランクを含んでなる、切削器具用の原子的な切刃であって、集束イオンビームにより前記エッジを前記主刃面に平行な平面に対して鋭角に削ることにより、前記ブランクに連続した原子的に鋭利な切刃端を形成することを特徴とする原子的に鋭利な切刃。
- 前記切刃ブランクは、シリコン，セラミック，ガラス，Ａｌ２Ｏ３，ＡｌＴｉＮ，ＴｉＮ，ＳｉＣ，ＳｉＮ，ＭｏＳ２，無定形炭素，ダイヤモンド類似炭素及びジルコニウムよりなるグループから選択した１材料よりなるウェーハから製作することを特徴とする請求項１１に記載の原子的に鋭利な切刃。
- 前記切刃の前記切刃端は加工前に約１μｍより小さい刃先を有することを特徴とする請求項１１に記載の原子的に鋭利な切刃。
- 前記切削器具は、連続した原子的に鋭利な切刃端を形成した前記切刃ブランクを取り付ける支持基板をさらに含んでなることを特徴とする請求項１１に記載の原子的に鋭利な切刃。
- 前記支持基板は、金属，プラスチック，ガラス又はセラミックを含んでなるグループから選択することを特徴とする請求項１４に記載の原子的に鋭利な切刃。
- 前記切刃端は約３００Åより小さい曲率半径を有することを特徴とする請求項１１に記載の原子的に鋭利な切刃。
- 前記切刃端は約１００Åより小さい曲率半径を有することを特徴とする請求項１１に記載の原子的に鋭利な切刃。
- 前記切刃端は約１０Åより小さい曲率半径を有することを特徴とする請求項１１に記載の原子的に鋭利な切刃。
- 前記切刃端は片面にベベルエッジを有することを特徴とする請求項１１に記載の原子的に鋭利な切刃。
- 前記切刃端は両面にベベルエッジを有することを特徴とする請求項１１に記載の原子的に鋭利な切刃。
- 主刃面と該主刃面の一端にあるテーパエッジとをもつ金属材料製のブランクを供給することと、
前記テーパエッジおける前記主刃面の一部分に前記金属材料より硬い第２材料の連続層を蒸着することと、
集束イオンビームで前記第２材料の層を削り加工して原子的に鋭利な切刃端を形成することを含んでなることを特徴とする切削器具用の原子的に鋭利な切刃端を製作する方法。 - 前記第２材料の層は約１００Åから約５００Åまでの厚みに蒸着することを特徴とする請求項２１に記載の切削器具用の原子的に鋭利な切刃端を製作する方法。
- 前記第２材料の層は少なくとも約２００Åの厚さに蒸着することを特徴とする請求項２１に記載の切削器具用の原子的に鋭利な切刃端を製作する方法。
- 前記第２材料は、シリコン，セラミック，ガラス，Ａｌ２Ｏ３，ＡｌＴｉＮ，ＴｉＮ，ＳｉＣ，ＳｉＮ，ＭｏＳ２，無定形炭素、ダイヤモンド類似炭素及びジルコニウムよりなるグループから選択することを特徴とする請求項２１に記載の切削器具用の原子的に鋭利な切刃端を製作する方法。
- 前記切刃端は約３００Åより小さい曲率半径を有することを特徴とする請求項２１に記載の切削器具用の原子的に鋭利な切刃端を製作する方法。
- 前記切刃端は約１００Åより小さい曲率半径を有することを特徴とする請求項２１に記載の切削器具用の原子的に鋭利な切刃端を製作する方法。
- 前記切刃端は約１０Åより小さい曲率半径を有することを特徴とする請求項２１に記載の切削器具用の原子的に鋭利な切刃端を製作する方法。
- 前記切刃端は片面にベベルエッジを有することを特徴とする請求項２１に記載の切削器具用の原子的に鋭利な切刃端を製作する方法。
- 前記切刃端は両面にベベルエッジを有することを特徴とする請求項２１に記載の切削器具用の原子的に鋭利な切刃端を製作する方法。
- 主刃面と該主刃面の一端にエッジとをもつ切刃ブランクを供給することと、集束イオンビームを用いて前記エッジを前記主刃面に平行な平面に対し鋭角に削り加工して前記ブランクに連続した原子的に鋭利な切刃端を形成することを含んでなることを特徴とする切削器具用の原子的に鋭利な切刃端を製作する方法。
- 前記切刃ブランクは、シリコン，セラミック，ガラス，Ａｌ２Ｏ３，ＡｌＴｉＮ，ＴｉＮ，ＳｉＣ，ＳｉＮ，ＭｏＳ２，無定形炭素，ダイヤモンド類似炭素及びジルコニウムよりなるグループから選択した１材料を含んでなるウェーハであることを特徴とする請求項３０に記載の切削器具用の原子的に鋭利な切刃端を製作する方法。
- 前記ブランクは約１００μｍから約１０００μｍまでの厚みを有することを特徴とする請求項３０に記載の切削器具用の原子的に鋭利な切刃端を製作する方法。
- 前記切刃端は約３００Åより小さい曲率半径を有することを特徴とする請求項３０に記載の切削器具用の原子的に鋭利な切刃端を製作する方法。
- 前記切刃端は約１００Åより小さい曲率半径を有することを特徴とする請求項３０に記載の切削器具用の原子的に鋭利な切刃端を製作する方法。
- 前記切刃端は約１０Åより小さい曲率半径を有することを特徴とする請求項３０に記載の切削器具用の原子的に鋭利な切刃端を製作する方法。
- 前記切刃端は片面にベベルエッジを有することを特徴とする請求項３０に記載の切削器具用の原子的に鋭利な切刃端を製作する方法。
- 前記切刃端は両面にベベルエッジを有することを特徴とする請求項３０に記載の切削器具用の原子的に鋭利な切刃端を製作する方法。
- 切刃端を形成するのに適した材料のウェーハを供給するステップと、
該ウェーハを、複数のエッジと三角形断面を有する少なくとも１つの切刃ブランクに切削するステップと、
前記切刃ブランクを真空室内に位置決めするステップと、
前記真空室を所望の真空圧に排気するステップと、
集束イオンビームで前記切刃ブランクのエッジを削り加工して前記ブランクに連続した原子的に鋭利な切刃端を供給するステップと、
を含んでなることを特徴とする切削器具用の原子的に鋭利な切刃端を生産する方法。 - 原子的に鋭利な切刃端を形成した前記切刃ブランクを支持基板に取り付けるステップをさらに含むことを特徴とする請求項３８に記載の切削器具用の原子的に鋭利な切刃端を生産する方法。
- 前記ウェーハは、シリコン，セラミック，ガラス，Ａｌ２Ｏ３，ＡｌＴｉＮ，ＴｉＮ，ＳｉＣ，ＳｉＮ，ＭｏＳ２，無定形炭素，ダイヤモンド類似炭素及びジルコニウムよりなるグループから選択した１材料を含んでなることを特徴とする請求項３８に記載の切削器具用の原子的に鋭利な切刃端を生産する方法。
- 前記ウェーハは約１００μｍから約１０００μｍまでの厚みを有することを特徴とする請求項３８に記載の切削器具用の原子的に鋭利な切刃端を生産する方法。
- 前記ウェーハをウェーハ表面に対して約５度から約７０度までの範囲の角度で切削するステップを含んでなることを特徴とする請求項３８に記載の切削器具用の原子的に鋭利な切刃端を生産する方法。
- 前記ウェーハに少なくとも１つの原子的に研磨した表面を備えるステップを含んでなることを特徴とする請求項３８に記載の切削器具用の原子的に鋭利な切刃端を生産する方法。
- 直径が５ｎｍの前記集束イオンビームを供給するステップを含んでなることを特徴とする請求項３８に記載の切削器具用の原子的に鋭利な切刃端を生産する方法。
- 直径が１０ｎｍの前記集束イオンビームを供給するステップを含んでなることを特徴とする請求項３８に記載の切削器具用の原子的に鋭利な切刃端を生産する方法。
- 前記切刃端は片面にベベルエッジを有することを特徴とする請求項３８に記載の切削器具用の原子的に鋭利な切刃端を生産する方法。
- 前記切刃端は両面にベベルエッジを有することを特徴とする請求項３８に記載の切削器具用の原子的に鋭利な切刃端を生産する方法。
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