ЛЕЗВИЕ ОФТАЛЬМОХИРУРГИЧЕСКОЕ
OPHTHALMOSURGICAL BLADE

Изобретение относится к хирургическим режущим инструментам, для создания которых используются достижения современных нанотехнологий, и может быть использовано для проведения микрохирургических операций в офтальмологии.
Известно лезвие медицинское по патенту Российской Федерации №2331377, которое содержит корпус с крепежной частью и режущую кромку. Отличительной особенностью указанного технического решения является то, что все поверхности, ограничивающие лезвие медицинское, покрыты слоем аморфного диоксида кремния толщиной не менее 0,7 мкм (7000 Å), а основание корпуса и клинообразная режущая кромка выполнены из пластины монокристаллического кремния.
Однако приведенное выше техническое решение обладает рядом существенных недостатков: недостаточной прочностью, недостаточной твердостью, низкой износостойкостью, недостаточной остротой режущей кромки и недостаточной контрастностью.
2
Низкая механическая прочность лезвия прототипа связана напрямую с низкими значениями величин твердости как самого монокристаллического кремния, используемого в качестве материала основания корпуса, так и аморфных пленок диоксида кремния, сформированных на поверхностях, ограничивающих указанное выше основание корпуса с клинообразной режущей кромкой, образованной линией пересечения кристаллографических плоскостей (111) и (100) пластины монокристаллического кремния. Указанное покрытие на основе пленок диоксида кремния выполняет функции армирующего покрытия, позволяющего сформировать на его основе каркас прочности лезвия прототипа. При этом величина твердости монокристаллического кремния не превышает 7 единиц по шкале Мооса, в то время как аналогичная величина твердости для пленок диоксида кремния (SiO) 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 лезвия медицинского, описание которого представлено в прототипе, связано с низкой величиной твердости армирующего покрытия, выполненного на основе пленок диоксида кремния, которая для пленок диоксида кремния не превышает 7 единиц по шкале Мооса, а также со сравнительно большой величиной радиуса скругления (R) клинообразной режущей кромки, напрямую зависящей от толщины пленки армирующего покрытия, сформированного на поверхностях клинообразной режущей кромки лезвия медицинского.
Недостаточная острота режущей кромки лезвия прототипа связана в первую очередь со сравнительно большой величиной радиуса скругления (R) клинообразной режущей кромки, которая для большинства случаев практического применения составляет величину в (120÷250)a (a=5,431 Å - постоянная кристаллической решетки монокристаллического кремния).
Недостаточная контрастность лезвий прототипа связана с наличием на поверхностях кристаллографических плоскостей (100) и (111) пластины монокристаллического кремния, линия пересечения которых образует клинообразную клинообразную 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 твердости, увеличение износостойкости, повышение остроты режущей кромки 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 окиси алюминия толщиной (300÷1300) Å.
Разработанная авторами в результате многолетних исследований совокупность существенных отличительных признаков является необходимой и достаточной для однозначного достижения заявленного технического результата.
Изобретение поясняется чертежом, представленном на фигуре 1.
На фигуре 1 обозначено:
1 - основание корпуса;
2 - клинообразная режущая кромка;
3 - слой аморфного диоксида кремния;
4 - слой аморфной окиси алюминия.
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) пластины монокристаллического кремния, линия пересечения которых образует клинообразную режущую кромку 2, покрыты первым аморфным слоем 3 термически выращенного диоксида кремния толщиной (700÷1200) Å, на поверхности которого сформирован второй слой 4, выполненный из окиси алюминия толщиной (300÷1300) Å, обладающего аморфной структурой.
<mrow><mtext>ά</mtext><mrow><mo>(</mo><mrow><mtext>Si</mtext></mrow><mo>)</mo></mrow><mo>=</mo><mtext>2</mtext><mtext>,5</mtext><mo>×</mo><msup><mrow><mtext>10</mtext></mrow><mrow><mo>−</mo><mtext>6</mtext></mrow></msup><mtext> </mtext><msup><mtext>K</mtext><mrow><mo>−</mo><mtext>1</mtext></mrow></msup><mo>,</mo></mrow>
<mrow><mtext>ά</mtext><mrow><mo>(</mo><mrow><msub><mrow><mtext>SiO</mtext></mrow><mtext>2</mtext></msub></mrow><mo>)</mo></mrow><mo>=</mo><mtext>5</mtext><mtext>,0</mtext><mo>×</mo><msup><mrow><mtext>10</mtext></mrow><mrow><mo>−</mo><mtext>7</mtext></mrow></msup><mtext> </mtext><msup><mtext>K</mtext><mrow><mo>−</mo><mtext>1</mtext></mrow></msup><mo>,</mo></mrow>
<mrow><mtext>ά</mtext><mrow><mo>(</mo><mrow><msub><mrow><mtext>Al</mtext></mrow><mtext>2</mtext></msub><msub><mtext>O</mtext><mtext>3</mtext></msub></mrow><mo>)</mo></mrow><mo>=</mo><mtext>2</mtext><mtext>,5</mtext><mo>×</mo><msup><mrow><mtext>10</mtext></mrow><mrow><mo>−</mo><mtext>6</mtext></mrow></msup><mtext> </mtext><msup><mtext>K</mtext><mrow><mo>−</mo><mtext>1</mtext></mrow></msup><mo>.</mo></mrow>
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 микрохирургического. 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 монокристаллический кремний - пленка аморфного диоксида кремния - пленка аморфной окиси алюминия наблюдаются сравнительно высокие значения механических напряжений, приводящие к нарушению целостности покрытия, сформированного на основе слоев окиси алюминия в силу разницы величин коэффициентов линейного теплового расширения (КЛТР), так для монокристаллического кремния
для пленок диоксида кремния
а для пленок окиси алюминия
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 окиси алюминия не может быть менее 300 Å, так как при меньшей величине толщины пленки окиси алюминия наблюдается резкое уменьшение твердости лезвия офтальмохирургического из-за нарушения сплошности покрытия, которое в предложенном техническом решении выполняет функции внешнего армирующего покрытия, формирующего каркас прочности лезвия офтальмохирургического.
Толщина слоя окиси алюминия не может быть более 1300 Å, так как при больших толщинах пленок окиси алюминия в физической структуре лезвия, состоящей из пластины монокристаллического кремния, покрытой аморфными слоями диоксида кремния и окиси алюминия, возникают большие механические напряжения, приводящие к ухудшению механической прочности лезвия офтальмохирургического. И кроме того, увеличение толщины покрытия на основе пленок окиси алюминия приводит к увеличению радиуса скругления (R) режущей кромки, что отрицательно влияет на остроту режущих кромок лезвия офтальмохирургического.
Прочность основания и клинообразных режущих кромок физической структуры лезвия офтальмохирургического, 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. В предлагаемой конструкции, когда на поверхностях монокристаллического кремния, ограничивающих основание и клинообразную режущую кромку, сформировано армирующее покрытие на основе аморфных пленок окиси алюминия, 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) пластины монокристаллического кремния основания и пленок окиси алюминия, так называемого демпфирующего слоя или принятого в современной научно-технической литературе термина - спейсера, прочностные характеристики лезвия составят 138÷446% по отношению к лезвию изготовленного из пластины монокристаллического кремния, учитывая более высокую твердость аморфных по структуре пленок окиси алюминия 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 окиси алюминия, сформированных на поверхностях клинообразной режущей кромки, что позволяет получать цветовую гамму насыщенного серого 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, с использованием методов вакуумного осаждения слоев окиси алюминия с применением электронно-лучевого испарения мишени, выполненной на основе лейкосапфира, формируются лезвия офтальмохирургические в количестве до 100 шт. на одной пластине монокристаллического кремния диаметром 100 мм, отвечающего требованиям ЕТО035.240 ТУ.
Клинообразные режущие кромки лезвий офтальмохирургических образованы линиями пересечения кристаллографических плоскостей (111) и (100) пластины 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 на основе твердого монокристаллического кремния (Si) 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 монокристаллического кремния.
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÷4200) Å, которые выполняет функции демпфирующего элемента конструкции, позволяющего уменьшить величину механических напряжений, возникающих в физической структуре лезвия пленка окиси алюминия - пластина монокристаллического кремния.
В связи с тем что величины коэффициентов линейного теплового расширения (КЛТР) пленок окиси алюминия и монокристаллического кремния отличаются более чем в три раза, в предлагаемой структуре возникает необходимость использования дополнительного технологического слоя, выполняющего функции демпфирующего элемента конструкции (или как принято в современной технической литературе - спейсера) и обеспечивающего хорошую адгезию армирующего каркаса, сформированного на основе пленок окиси алюминия, к поверхности монокристаллического кремния. В качестве материала этого слоя был выбран термически выращенный на поверхности монокристаллического кремния слой диоксида кремния толщиной (700÷4200) Å. При этом величины коэффициентов линейного теплового расширения (КЛТР) монокристаллического кремния и диоксида кремния очень хорошо согласованы, что при наличии аморфной структуры термически выращенного слоя диоксида кремния позволяет в значительной мере уменьшить величину механических напряжений в физической структуре лезвия офтальмохирургического.
Кремний как активный химический элемент при взаимодействии с кислородом атмосферы образует на поверхности монокристаллического кремния пленку естественного диоксида кремния толщиной (150÷200) Å, реакция образования пленки естественного диоксида кремния) протекает в течение 3÷24 часов при нормальной влажности и нормальном атмосферном давлении. Но в силу отсутствия контроля чистоты поверхности исходного материала, а именно монокристаллического кремния, указанная пленка естественного диоксида кремния обладает большим количеством пор и других дефектов. Поэтому для создания оптимальных условий, обеспечивающих сопряжения двух материалов монокристаллического кремния и пленок окиси алюминия по величинам коэффициентов линейного теплового расширения (КЛТР), используют пленки диоксида кремния, выращенные методом термического окисления пластин монокристаллического кремния в кварцевых или реакторах из поликристаллического кремния в строго контролируемых условиях, отвечающих требованием электровакуумной гигиены, толщиной (700÷1200) Å. Пленки диоксида кремния, полученные методами термического прокисления поверхности монокристаллического материала, обладают высокой механической прочностью с минимальной плотностью дефектов в виде пор и отличной адгезией к поверхности монокристаллического кремния, так как в процессе протекания химической реакции, приводящей к образованию пленок диоксида кремния, происходит «съедание» некоторого количества исходного материала, а именно монокристаллического кремния. Соотношение, связывающее объем исходного монокристаллического кремния, затраченного на образование пленки диоксида кремния, выглядит следующим образом:
2
H(Si)=1,44 H(SiO),
2
где H(SiO) - толщина пленки диоксида кремния;
2
H(Si) - толщина слоя монокристаллического кремния, затраченного для образования слоя диоксида кремния толщиной H(SiO).
Аморфные пленки окиси алюминия, обладая повышенной твердостью, определяемой 9,0÷9,1 единиц по шкале Мооса, по отношению к аморфным пленкам диоксида кремния и пластине монокристаллического кремния, используемой в качестве исходного материала для создания физической структуры лезвий офтальмохирургических, создают сплошное прочное покрытие на поверхности подстилающего подслоя диоксида кремния, обеспечивающее формирование внешнего армирующего покрытия, позволяющего создать каркас прочности лезвий офтальмохирургических.
Наличие внешнего армирующего покрытия, выполненного из слоев окиси алюминия, обладающих повышенной твердостью по отношению к аморфным пленкам диоксида кремния, создает условия гарантирующие увеличение изностойкости лезвия офтальмохирургического.
Пленки окиси алюминия, сформированные на поверхности подстилающего подслоя диоксида кремния, в зависимости от толщины самих пленок окиси алюминия и толщины подстилающего подслоя диоксида кремния создают на поверхности как клинообразных режущих кромок, так и основания лезвия офтальмохирургического цветовую гамму насыщенного серого цвета, что позволяет повысить величину контрастности лезвий офтальмохирургических.
Указанное выше свойство позволяет повысить удобство в работе офтальмомикрохирурга, уменьшая зрительное напряжение его при проведении офтальмомикрохирургических операций.
Предложенная авторами конструкция позволяет:
- повысить механическую прочность лезвий офтальмохирургических примерно в 7÷11 раз за счет уменьшения величины механических напряжений, возникающих в физической структуре лезвия пластина монокристаллического кремния - пленка аморфной окиси алюминия, в случае использования 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 офтальмохирургического, выполненного из слоев окиси алюминия, обладающих аморфной структурой;
- повысить твердость лезвий офтальмохирургических за счет использования покрытий на основе пленок окиси алюминия, выполняющего функции внешнего армирующего покрытия, способствующего формированию каркаса прочности лезвий офтальмохирургических;
- повысить изностостойкость лезвий офтальмохирургических за счет использования внешнего армирующего покрытия, обеспечивающего создание каркаса прочности лезвий, выполненного на основе слоев окиси алюминия, обладающих большой твердостью, следствием чего является увеличение суммарной длины реза или количества резов стандартной протяженности, например, 1,75 мм, примерно в 20÷27 раз;
- уменьшить величину радиуса скругления (R) режущих кромок за счет использования аморфных слоев диоксида кремния и окиси алюминия, максимальная суммарная толщина которых (2500) меньше толщины пленки диоксида кремния, указанной в прототипе (7000), более чем в 2,5 раза, с сотен единиц постоянной кристаллической решетки монокристаллического кремния до (50÷60)a;
- улучшить остроту режущих кромок за счет уменьшения радиуса скругления (R) режущих кромок с сотен единиц постоянной решетки монокристаллического кремния в случае прототипа до (50÷60)a в предложенном техническом решении за счет уменьшения суммарной толщины слоев, сформированных на плоскостях монокристаллического кремния, линия пересечения которых образует клинообразную режущую кромку лезвия офтальмохирургического.
Сочетание сформированных на поверхностях клинообразных режущих кромок аморфных пленок диоксида кремния и окиси алюминия обеспечивает получение на поверхностях как режущих кромок, так и основания лезвия цветовую гамму насыщенного серого цвета, что позволяет резко повысить контрастность лезвий офтальмохирургических и способствует повышению удобства в работе офтальмомикрохирурга, уменьшая зрительное напряжение его при проведении офтальмомикрохирургических операций.
В связи с повышенной твердостью использованного материала покрытия микролезвий, а именно пленок окиси алюминия, 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.
Использование армирующего покрытия на основе пленок окиси алюминия 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 офтальмомикрохирургические в качестве инструментария одноразового применения.
Использование предложенного авторами изобретения однозначно позволяет обеспечить повышение прочности и твердости, увеличить износостойкость и увеличить остроту режущих кромок при одновременном повышении 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 окиси алюминия 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 окиси алюминия толщиной 300 Å.
Пример 2
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 окиси алюминия 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 1200 Å и окиси алюминия толщиной 1300 Å.
Пример 3
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 окиси алюминия 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 950 Å и окиси алюминия толщиной 800 Å.