RU2484781C1

RU2484781C1 - Лезвие офтальмохирургическое

Info

Publication number: RU2484781C1
Application number: RU2011153572/14A
Authority: RU
Inventors: Владимир Анатольевич Баскин; Павел Сергеевич Приходько; Виктор Васильевич Денискин; Михаил Ольгердович Рапидов; Константин Иванович Баринов; Ильяс Амирович Латыпов; Александр Александрович Караваев; Анатолий Никитич Бессарабов
Priority date: 2011-12-28
Filing date: 2011-12-28
Publication date: 2013-06-20

Abstract

Изобретение относится к офтальмологии. Лезвие офтальмохирургическое содержит корпус с основанием из монокристаллического кремния и режущую кромку, основание корпуса и клинообразная режущая кромка покрыты слоями термически выращенного диоксида кремния (SiO₂) толщиной (700÷1200)Å и карбида кремния толщиной (200÷500)Å. Устройство позволяет увеличить прочность, износостойкость, контрастность. 1 ил., 3 пр.

Description

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

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

Однако приведенное выше техническое решение обладает рядом существенных недостатков: недостаточной прочностью, недостаточной твердостью, низкой износостойкостью и недостаточной контрастностью.

Низкая механическая прочность лезвия, конструкция которого представлена в описании прототипа, связана напрямую с низкими значениями величин твердости как самого монокристаллического кремния, используемого в качестве материала основания и клинообразной режущей кромки, так и аморфных пленок диоксида кремния, сформированных на поверхностях, ограничивающих указанное выше основание с клинообразной режущей кромкой. При этом величина твердости монокристаллического кремния не превышает 7 единиц по шкале Мооса, в то время как аналогичная величина твердости для аморфных пленок диоксида кремния также не превышает 7 единиц по шкале Мооса.

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

Низкое значение изностойкости лезвий медицинских прототипа непосредственно связано с низкой величиной твердости армирующего покрытия, сформированного на основе пленок диоксида кремния, которая для пленок диоксида кремния не превышает 7 единиц по шкале Мооса.

Недостаточная контрастность лезвий микрохирургических связана с наличием на поверхностях кристаллографических плоскостей (100) и (111) пластины монокристаллического кремния, линия пересечения которых образует режущую кромку, слоев диоксида кремния толщиной 7000 Å, цветовая гамма которых близка к цвету металла, что наряду с высокой отражающей способностью кристаллографической плоскости (111), представляющей собой поверхность, класс чистоты обработки которой не может быть достигнут ни одним из известных в настоящее время способов обработки, приводит к значительному напряжению зрения микрохирурга офтальмолога во время проведения офтальмологических операций.

Технический результат: повышение прочности, повышение твердости, увеличение износостойкости и увеличение контрастности лезвий офтальмохирургических.

Технический результат достигается тем, что в лезвии офтальмохирургическом, содержащем корпус с основанием из монокристаллического кремния и режущую кромку, основание корпуса и клинообразная режущая кромка покрыты слоями термически выращенного диоксида кремния толщиной (700÷4200) Å и карбида кремния толщиной (200÷500) Å.

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

Изобретение поясняется чертежом, представленным на фигуре 1.

На фигуре 1 обозначено:

1 - основание корпуса;

2 - клинообразная режущая кромка;

3 - слой аморфного диоксида кремния;

4 - слой аморфного карбида кремния.

Предложенное изобретение выполнено следующим образом. Лезвие офтальмохирургическое содержит основание 1 и клинообразную режущую кромку 2, конструктивно выполненные как единое целое из пластины монокристаллического кремния. При этом режущая кромка 2 представляет собой линию пересечения кристаллографических плоскостей (100) и (111) пластины монокристаллического кремния. Основание и кристаллографические плоскости (100) и (111), линия пересечения которых образует режущую кромку, покрыты первым аморфным слоем 3 термически выращенного диоксида кремния толщиной (700÷4200) Å, на поверхности которого сформирован второй слой 4, выполненный из карбида кремния толщиной (200÷500) Å, обладающего аморфной структурой.

Авторы провели многочисленные технические и технологические испытания, которые показали следующее. Толщина слоя диоксида кремния не может быть менее чем 700 Å, так как при меньших значениях толщин пленок диоксида кремния значительно уменьшается адгезия, что приводит к снижению механической прочности лезвия офтальмохирургического. Кроме того, при значениях толщин пленок диоксида кремния менее 700 Å в термически выращенных пленках диоксида кремния наблюдается сравнительно большая плотность дефектов, более 0,5 дефекта на квадратный сантиметр поверхности, что связано с островковым механизмом роста пленок диоксида кремния. При толщинах пленок диоксида кремния менее 700 Å в физической структуре лезвия пластина монокристаллического кремния - пленка аморфного диоксида кремния - пленка аморфного карбида кремния наблюдаются сравнительно высокие значения механических напряжений, приводящие к нарушению целостности покрытия, сформированного на основе слоев карбида кремния, в силу разницы величин коэффициентов линейного теплового расширения (КЛТР), так для монокристаллического кремния

, для пленок диоксида кремния

, а для пленок карбида кремния

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

Толщина слоя карбида кремния не может быть менее 200 Å, так как при меньшей величине толщины пленки карбида кремния наблюдается резкое уменьшение твердости лезвия офтальмохирургического из-за нарушения сплошности покрытия, которое в предложенном техническом решении выполняет функции внешнего армирующего покрытия, обеспечивающего формирование каркаса прочности лезвия офтальмохирургического.

Толщина слоя карбида кремния не может быть более 500 Å, так как при больших толщинах пленок карбида кремния в физической структуре лезвия, состоящей из пластины монокристаллического кремния, покрытой слоями аморфного диоксида кремния и аморфного карбида кремния, возникают большие механические напряжения, приводящие к снижению механической прочности лезвия офтальмохирургического. И, кроме того, увеличение толщины покрытия на основе пленок карбида кремния приводит к увеличению радиуса скругления (R) режущей кромки, что отрицательно влияет на остроту режущих кромок лезвия офтальмохирургического.

Прочность основания и режущих кромок физической структуры, выполненных из пластины монокристаллического кремния со сформированным армирующим покрытием, выполняющим функции каркаса прочности, зависит от физических свойств армирующего покрытия, твердости материала, из которого выполнено указанное покрытие, толщины покрытия и формы каркаса прочности, а также от применяемых в технологическом цикле изготовления лезвий методов создания покрытия и последующих регулирующих термических отжигов, обеспечивающих уменьшение механических напряжений в физической структуре лезвия офтальмохирургического. В предлагаемой физической структуре лезвия офтальмохирургического, когда на поверхностях монокристаллического кремния, ограничивающих основание и клинообразную режущую кромку, сформировано армирующее покрытие на основе аморфных пленок карбида кремния, размещенное непосредственно на поверхности технологического подстилающего покрытия, выполненного на основе аморфных пленок диоксида кремния, функциональное назначение которого сводится к обеспечению минимальной величины механических напряжений в физической структуре лезвия и согласованию коэффициентов линейного теплового расширения (КЛТР) монокристаллического кремния основания и пленок карбида кремния, так называемого демпфирующего слоя, или как принято в современной научно-технической литературе, термина - спейсера, прочностные характеристики лезвия составят 133-139% по отношению к лезвию, изготовленному из пластины монокристаллического кремния, учитывая более высокую твердость аморфных по структуре карбида кремния по отношению к пластине монокристаллического кремния и пленкам диоксида кремния, имеющим аморфную структуру.

Одновременно повышается контрастность лезвия офтальмохирургического за счет правильного сочетания толщин пленок подстилающего технологического слоя, выполненного на основе аморфных пленок диоксида кремния и карбида кремния, сформированных на поверхностях клинообразной режущей кромки лезвия офтальмохирургического, что позволяет получать цветовую гамму зеленого цвета.

Указанное выше свойство позволяет повысить удобство в работе офтальмомикрохирурга, уменьшая зрительное напряжение его при проведении офтальмомикрохирургических операций.

Изобретение выполнено следующим образом.

На пластине монокристаллического кремния групповыми методами, применяемыми в производстве полупроводниковых приборов и интегральных схем с использованием методов термического окисления пластин монокристаллического кремния в реакторе системы однозонной диффузионной, фотолитографической обработки с применением установок пошагового совмещения и экспонирования, а также оборудования фотохимической обработки пластин полупроводникового материала, травления пластин монокристаллического кремния в реакционных камерах оборудования линии химической обработки пластин полупроводникового материала, а также с использованием методов газофазного осаждения пленок карбида кремния, формируются структуры лезвий офтальмохирургических в количестве не менее 100 шт. на одной пластине монокристаллического кремния диаметром 100 мм, отвечающего требованиям ЕТО 035.240 ТУ.

Клинообразные режущие кромки лезвий образованы линиями пересечения кристаллографических плоскостей (111) и (100) пластин монокристаллического кремния. При этом величина угла наклона кристаллографических плоскостей (111) к основанию пластины монокристаллического кремния, представляющему в предлагаемом изобретении кристаллографическую плоскость (100), определяется строением элементарной кристаллической решетки монокристаллического материала. При использовании в качестве основания пластины монокристаллического кремния, ориентированной в кристаллической плоскости (100), этот угол наклона является строго фиксированным и составляет примерно 54°.

Конструкция лезвия офтальмохирургического на основе твердой пластины монокристаллического кремния характеризуется наибольшей остротой режущей кромки, которая не может быть достигнута ни одним из известных в настоящее время способов обработки, так как в этом случае величина радиуса скругления (R) режущей кромки ограничена всего несколькими постоянными элементарной решетки a=5,431 Å.

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

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

Кремний как активный химический элемент при взаимодействии с кислородом атмосферы образует на поверхности монокристаллического кремния пленку естественного диоксида кремния толщиной (150÷200) Å, реакция образования пленки естественного диоксида кремния протекает в течение 3÷24 часов при нормальной влажности и нормальном атмосферном давлении. Но в силу отсутствия контроля чистоты поверхности исходного материала, а именно монокристаллического кремния указанная пленка естественного диоксида кремния обладает большим количеством пор и других дефектов. Поэтому для создания оптимальных условий, обеспечивающих сопряжения двух материалов монокристаллического кремния и аморфных пленок карбида кремния по величинам коэффициентов линейного теплового расширения (КЛТР), используют аморфные пленки диоксида кремния, выращенные методом термического окисления пластин монокристаллического кремния в кварцевых или реакторах из поликристаллического кремния в строго контролируемых условиях, отвечающих требованием электровакуумной гигиены при температурах порядка Т=1000°C в атмосфере кислорода, насыщенной парами деионизованной воды, толщиной (700÷1200) Å. Пленки диоксида кремния, полученные методами термического прокисления поверхности монокристаллического кремния, обладают высокой механической прочность с минимальной плотностью дефектов в виде пор и отличной адгезией к поверхности монокристаллического кремния, так как в процессе протекания химической реакции, приводящей к образованию пленок диоксида кремния, происходит «съедание» некоторого количества исходного материала, а именно монокристаллического кремния. Соотношение, связывающее объем исходного монокристаллического кремния, затраченного на образование пленки диоксида кремния, выглядит следующим образом:

H(Si)=1,44 H(SiO₂),

где

H(SiO₂) - толщина пленки диоксида кремния;

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

Пленки карбида кремния, обладая повышенной твердостью, определяемой 9,5÷9,7 единиц по шкале Мооса, по отношению к аморфным пленкам диоксида кремния и исходному материалу для создания физической структуры лезвия, а именно пластине монокристаллического кремния, создают сплошное прочное покрытие на поверхности подстилающего слоя диоксида кремния, обеспечивающее формирование внешнего армирующего покрытия - каркаса прочности лезвий офтальмохирургических.

Наличие внешнего армирующего каркаса, выполненного из слоев карбида кремния, обладающих повышенной твердостью по отношению к аморфным пленкам диоксида кремния, создает условия, гарантирующие увеличение изностойкости лезвия микрохирургического.

Пленки карбида кремния, сформированные на поверхности подстилающего подслоя диоксида кремния в зависимости от толщины самих пленок карбида кремния и толщины подстилающего подслоя диоксида кремния, создают на поверхности как клинообразных режущих кромок, так и основания цветовую гамму зеленого цвета, что позволяет повысить величину контрастности лезвий офтальмохирургических.

Указанное выше свойство позволяет повысить удобство в работе офтальмомикрохирурга, уменьшая зрительное напряжение его при проведении офтальмохирургических операций.

Предложенная авторами конструкция позволяет.

Повысить механическую прочность лезвий офтальмохирургических примерно в 5÷8 раз за счет уменьшения величины механических напряжений, возникающих в системе монокристаллический кремний - пленка аморфного карбида кремния в случае использовании технологического подслоя, выполненного на основе аморфных пленок диоксида кремния, выполняющего функции демпфирующего слоя толщиной от 700 Å до 1200 Å, а также за счет формирования внешнего армирующего покрытия, способного создавать каркас прочности лезвия, выполненного из слоев карбида кремния, обладающих аморфной структурой.

Повысить твердость лезвий офтальмохирургических за счет использования покрытий на основе пленок карбида кремния, выполняющих функции внешнего армирующего покрытия, позволяющего создать каркас прочности лезвия.

Повысить износостойкость лезвия офтальмохирургического за счет использования внешнего армирующего покрытия - каркаса прочности, выполненного из слоев карбида кремния, обладающих большой твердостью, следствием чего является увеличение суммарной длины реза или количества резов стандартной протяженности, например, 1,75 мм, примерно в 30÷40 раз.

Повысить износостойкость лезвия офтальмохирургического за счет использования слоев диоксида кремния и карбида кремния, максимальная суммарная толщина которых (1700 Å) меньше толщины пленки диоксида кремния, указанной в прототипе (7000 Å), более чем в 4 раза, а это позволило уменьшить величину радиуса скругления (R) режущей кромки с сотен единиц постоянной кристаллической решетки монокристаллического кремния до 50÷60 а, которая непосредственно оказывает влияние как на остроту режущих кромок, так и на изностойкость лезвия офтальмохирургического.

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

Сочетание сформированных на поверхностях режущих кромок аморфных пленок диоксида кремния и карбида кремния обеспечивает получение на поверхностях как режущих кромок, так и основания корпуса цветовую гамму зеленого цвета, что позволяет резко повысить контрастность лезвий офтальмохирургических и способствует повышению удобства в работе офтальмомикрохирурга, уменьшая зрительное напряжение его при проведении офтальмомикрохирургических операций.

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

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

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

Пример 1.

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

Создано офтальмомикрохирургическое лезвие с клинообразной режущей кромкой, покрытой слоями термически выращенного диоксида кремния толщиной 700 Å и карбида кремния толщиной 200 Å.

Пример 2.

Создано офтальмомикрохирургическое лезвие с клинообразной режущей кромкой, покрытой слоями термически выращенного диоксида кремния толщиной 1200 Å и карбида кремния толщиной 500 Å.

Пример 3.

Создано офтальмомикрохирургическое лезвие с клинообразной режущей кромкой, покрытой слоями термически выращенного диоксида кремния толщиной 950 Å и карбида кремния толщиной 350 Å.

Claims

Лезвие офтальмохирургическое, содержащее корпус с основанием из монокристаллического кремния и режущую кромку, отличающееся тем, что основание корпуса и клинообразная режущая кромка покрыты слоями термически выращенного диоксида кремния (SiO₂) толщиной (700÷1200)Å и карбида кремния толщиной (200÷500)Å.