從矽晶片製造複雜刀片幾何體和增強刀片幾何體的方法

2023-12-03 13:17:56 2

專利名稱：從矽晶片製造複雜刀片幾何體和增強刀片幾何體的方法
技術領域：
本發明涉及眼科和其它類型手術和非手術用的刀片和機械裝置。更具體地說，本發明涉及從單晶矽和其它單晶或者多晶材料製造的眼科、微型手術和非手術刀片及機械裝置，以及製造並加強上述機械裝置、手術和非手術刀片的方法。
背景技術：
現有的手術刀片藉助幾種不同的方法製造，每種方法具有其自身的優點和缺點。最常用的製造方法是機械打磨不鏽鋼。隨後研磨刀片(通過許多不同的方法，如超聲漿磨、機械磨蝕和打磨)或者電化學拋光以實現鋒利的刀刃。這些方法的優點是證明它們是大量製造一次性刀片的經濟的方法。這些方法最大的缺點是刀刃質量是可變的，從而實現優越的鋒利一致性仍是個挑戰。這主要是由於其工藝的內在局限。刀片刀刃半徑從30nm-1000nm。
刀片製造相對新的方法使用壓印(coining)不鏽鋼代替打磨。隨後，電化學拋光刀片以實現鋒利的刀刃。已經發現該方法比打磨方法更經濟。還已經發現生產出具有更好的鋒利一致性的刀片。這種方法的缺點是鋒利一致性仍然小於金剛石刀片製造方法所實現的鋒利一致性。由於可任意處理的成本及其改善的質量，今天在軟組織手術中使用金屬刀片是普遍的。
在許多手術用品市場，尤其是在眼科手術用品市場中金剛石刀片在鋒利性方面是金標準(gold standard)。已知金剛石刀片能夠在最小的組織抵抗力下乾淨地切割軟組織。由於多次切割時它們一致的鋒利性，希望使用金剛石刀片。因為金屬刀片的最終鋒利性和鋒利性的可變性劣於金剛石刀片，所以絕大多數外科醫生使用金剛石刀片。用於製造金剛石刀片的製造方法使用研磨方法來實現精緻的利刃和一致的刀刃半徑。所得刀片的刀刃半徑從5nm-30nm。該方法的缺點是速度慢並且作為直接的結果，製造這種金剛石刀片的成本在$500-$5000的範圍內。因此，銷售這些刀片用於重複應用。這種方法目前用於其它不太硬的材料，如紅寶石和藍寶石，以更低的成本實現相同的鋒利性。但是，儘管比金剛石便宜，紅寶石和/或藍寶石手術質量刀片仍具有製造成本相當高，在$50-$500的範圍內，並且它們的刀刃只能持續大約2百個病例的缺點。因此，銷售這種刀片用於重複使用和有限的重複使用的應用中。
已經有一些使用矽製造手術刀片的建議。但是，在一種情況或另一種情況中，這些方法在其以一次性的成本製造各種結構的刀片的能力方面是有限的。許多矽刀片的專利基於矽的各向異性刻蝕。各向異性刻蝕方法是高度方向性的刻蝕，在不同方向上具有不同的刻蝕速率。該方法可以產生鋒利的切割刀刃。但是，由於該方法的特性，它受到刀片形狀和包括的可以獲得的斜角的限制。溼的體相各向異性刻蝕方法，如那些使用氫氧化鉀(KOH)、乙二胺/鄰苯二酚(pyrcatechol)(EDP)和三甲基-2-羥乙基氫氧化銨(TMAH)浴的方法沿著特定的晶面刻蝕以實現鋒利的邊緣。該晶面典型地是矽100中的(111)面，從矽晶片表平面成54.7°角度。這產生了包含54.7°斜角的刀片，已經發現因為該刀片由於太不鋒利而在大多數手術應用中是臨床上不可接受的。因為包括斜角是109.4°，所以當使用這種技術製造雙斜面刀片時這種應用是更壞的。所述方法進一步受到可以製造的刀片輪廓的限制。刻蝕面在矽晶片中彼此成90°。因此，只能製造具有矩形剖面的刀片。
在下面更詳細說明的從矽製造手術和非手術刀片的方法中，在一個或多個機加工步驟期間可能在脆的矽材料中導致機械損傷。裂紋、碎片、刮痕和銳邊全部作為脆性材料中裂紋的開始點。當機械裝置負荷或者受到應力時，這些點會引發災難性的失效。
在從晶片形成的刀片中產生鋒利的刀刃的其它方法也是公知的，其中連同各向同性的溼或幹刻蝕一起，使用光掩模來刻蝕晶片以形成眼科刀片幾何體和切割刀刃。在所述方法中，刀片的整個周邊穿透刻蝕(etch through)並且形成鋒利的刀刃。只有當刻蝕掩模位於原位時才會發生這種穿透的刻蝕。掩模大致定義了將要產生的切割刀刃的位置。然後，除去掩模並且當溶解了其載體時刀片自由地漂出(需要額外的管芯級清洗步驟)。這對於大規模生產高質量的、無缺陷的眼科刀片既效率低又是無效的。因為向製造過程添加了步驟，所以效率低。
這種方法還固有地存在著明顯的切割刀刃幾何形狀限制。這種方法產生的斜面對於單斜面刀片局限於低效的45°並且對於雙斜面刀片局限不切實際的90°。此外，所述方法嚴重地限制斜面的寬度為最大值，對於單斜面刀片為晶片的一倍厚度，並且對於雙斜面刀片為晶片的一半厚度。通過在眼科團體中很少採用可以證明，這些幾何形狀導致不良的切割工具。
因此，需要製造解決上述方法缺點的刀片。本發明的系統和方法可以以不鏽鋼方法的一次性成本製造出具有金剛石刀片鋒利程度的刀片。另外，本發明的系統和方法可以大量地並且在嚴密的工藝控制下生產刀片。此外，本發明的系統和方法可以生產具有線型或非線型刀片斜面的手術和各種其它類型刀片。再另外，本發明的系統和方法可以除去當根據本文所述的方法製造刀片(手術或非手術)或者其它機械裝置時引入矽單晶材料中的機械損傷。

發明內容
通過本發明克服了上述缺點並且實現了大量優點，本發明涉及從諸如矽的晶態或多晶材料製造手術刀片的系統和方法，其通過各種方法提供了在晶態或多晶晶片中以任何所需的斜面角或刀片結構機加工溝槽。然後，為了形成均勻半徑的並對軟組織手術應用足夠質量的切割刀刃，將機加工的晶態或多晶晶片浸在各向同性的刻蝕溶液中，該溶液均勻地逐層除去晶片材料的分子。本發明的系統和方法提供了製造這種高質量手術刀片的非常廉價的方法。
因此，本發明的目的是提供製造手術刀片的方法，其包括如下步驟在安裝組件上安裝矽或者其它晶態或多晶晶片，用刨槽機(router)在晶態或多晶晶片的第一側上機加工一個或多個溝槽以形成線型或非線型的溝槽，刻蝕晶態或多晶晶片的第一側以形成一個或多個手術刀片，將手術刀片分成單個(singulating)，以及裝配手術刀片。
本發明的另一個目的是提供製造手術刀片的方法，其包括如下步驟在安裝組件上安裝晶態或多晶晶片，用刨槽機在晶態或多晶晶片的第一側上機加工一個或多個溝槽以形成線型或非線型的溝槽，用塗層塗布晶態或多晶晶片的第一側，從安裝組件上拆下晶態或多晶晶片，並且在安裝組件上重新安裝晶態或多晶晶片的第一側，機加工晶態或多晶晶片的第二側，刻蝕晶態或多晶晶片的第二側以形成一個或多個手術刀片，將手術刀片分成單個，以及裝配手術刀片。
本發明的再另一個目的是提供製造手術刀片的方法，其包括如下步驟在安裝組件上安裝晶態或多晶晶片，用刨槽機在晶態或多晶晶片的第一側上機加工一個或多個溝槽以形成線型或非線型的溝槽，從安裝組件上拆下晶態或多晶晶片，並且在安裝組件上重新安裝晶態或多晶晶片的第一側，用刨槽機加工晶態或多晶晶片的第二側以形成線型或非線型的溝槽，刻蝕晶態或多晶晶片的第二側以形成一個或多個手術刀片，轉變晶態或多晶材料層以形成硬化的表面，將手術刀片分成單個，以及裝配手術刀片。
本發明的再另一個目的是為根據本文所述的方法製造的手術刀片提供眼科、顯微手術、心臟、眼睛、耳朵、腦、重構和美容手術及生物學用途，以及各種非醫學或非生物學用途的幾個示例性的實施方案。
本發明的再另一個目的是提供增加根據本文所述的一種或多種方法從包括矽的單晶或多晶材料製造的機械裝置及手術和非手術刀片強度的系統和方法。
因此，本發明的目的是提供基於各向同性和各向異性刻蝕方法的方法，其沒有先有技術的所有缺陷並且具有本文所述的全部優點。該方法允許形成複雜的刀片幾何體，其中包括但不局限於各種單和雙斜面的狹縫刀(slit knives)、梯形刀(trapezoidal knives)、鑿刀(chiselknives)及其它。根據本發明幾個實施方案的使用各向同性刻蝕方法製造刀片的上述方法受到形成將最終變成刀片切割刀刃的V形溝槽的精確機械方法的有效性的限制。根據本發明實施方案的方法產生V形溝槽而不會向晶片添加任何機械應力。通過使用光掩模、溼刻蝕(各向同性和各向異性)和幹刻蝕(各向同性和各向異性，包括反應性離子刻蝕)的組合，以無限數量的兩維幾何形狀形成V形溝槽並且對預成形的斜面角具有優異的控制。一旦已經形成了初始的V形溝槽(或溝槽)，然後使帶溝槽的晶片接受本文所述的無掩模的各向同性刻蝕方法。然後，可以產生最終的刀片幾何形狀和非常鋒利的切割刀刃。


當結合附圖閱讀時，參考下面優選實施方案的詳細說明將最好理解本發明的新穎特徵和優點。
圖1說明根據本發明第一實施方案從矽製造雙斜面手術刀片的方法的流程圖；圖2說明根據本發明第二實施方案從矽製造單斜面手術刀片的方法的流程圖；圖3說明根據本發明第三實施方案從矽製造單斜面手術刀片的替代方法的流程圖；圖4說明安裝在安裝組件上的矽晶片，俯視圖；圖5說明安裝在安裝組件上的矽晶片，側視圖；圖6說明根據本發明實施方案使用雷射射水預切割矽晶片來輔助在矽晶片中機加工溝槽；圖7A-7D說明根據本發明實施方案用來在矽晶片中機加工溝槽的劃割鋸片結構；圖8說明根據本發明實施方案劃割鋸片通過安裝在支撐襯墊上的矽晶片的操作；圖8A-8C說明當根據本發明實施方案用劃割鋸片在矽晶片中機加工溝槽時狹縫的使用；圖9說明根據本發明實施方案在帶型安裝的矽晶片中機加工溝槽的劃割鋸片的截面圖；圖10A和10B分別說明根據本發明實施方案製造的具有單斜面切割刀刃的矽手術刀片和具有雙斜面切割刀刃的矽手術刀片；圖11說明根據本發明實施方案用來在矽晶片中機加工溝槽的雷射系統的方框圖；圖12說明根據本發明實施方案用來在矽晶片中機加工溝槽的超聲機加工系統的方框圖；圖13說明根據本發明實施方案用來在矽晶片中形成溝槽的熱鍛系統的圖；圖14說明根據本發明實施方案具有一個機加工的溝槽並向機加工側施加了塗層的矽晶片；圖15說明根據本發明實施方案在帶型安裝的矽晶片中機加工第二個溝槽的劃割鋸片的截面圖；圖16說明根據本發明實施方案已經在兩側上機加工了溝槽的矽晶片的剖面圖；圖17A和17B說明根據本發明實施方案在兩側上具有機加工溝槽的矽晶片上進行的各向同性刻蝕方法；圖18A和18B說明根據本發明實施方案在兩側上具有機加工溝槽並且在一側上具有塗層的矽晶片上的各向同性刻蝕方法；圖19說明根據本發明實施方案製造的在一側上具有塗層的雙斜面矽手術刀片的所得切割刀刃；圖20A-20G說明可以根據本發明方法製造的手術刀片的各種實例；圖21A和21B分別說明在5,000倍放大倍數下根據本發明實施方案製造的矽手術刀片和不鏽鋼手術刀片的刀片刀刃的側視圖；圖22A和22B分別說明在10,000倍放大倍數下根據本發明實施方案製造的矽手術刀片和不鏽鋼刀片的刀片刀刃的俯視圖；圖23A和23B說明根據本發明另一個實施方案在一側上具有機加工溝槽並且在相對側上具有塗層的矽晶片上的各向同性刻蝕方法；圖24說明根據本發明實施方案製造的把手和手術刀片的後狹縫組件(post-slot assembly)；圖25A和25B說明根據本發明實施方案由晶態材料製成的刀刃和包括層轉變過程的由晶態材料製成的刀刃的剖面透視圖；圖26-29說明根據本發明實施方案使用刨槽機在晶態材料中機加工線型或非線型溝槽的步驟；圖30說明根據本發明實施方案在晶態材料中刨出線型或非線型溝槽的流程圖；圖31A-31C說明根據本發明實施方案製造的雙斜面多刻面刀片；圖32A-32C說明根據本發明實施方案製造的可變雙斜面刀片；
圖33A-33D說明根據本發明實施方案製造的可以用於眼科和其它顯微手術用途的手術刀片的幾個實例；圖34A-34C說明根據本發明實施方案製造的手術刀片的各種製造參數；圖35A和35B說明根據本發明實施方案製造的手術刀片的附加製造參數；圖36說明根據本發明實施方案從金屬製造的刀片和從矽製造的刀片的刀刃半徑範圍的比較；圖37說明根據本發明實施方案從金屬製造的刀片和從矽製造的刀片的表面粗糙度範圍的比較；圖38說明根據本發明第四實施方案製造矽手術刀片的方法的流程圖；圖39-43說明當根據圖38中說明的製造矽手術刀片的方法加工時的矽晶片；圖44-52說明通過金剛石鋸和雷射刻蝕各種深度矽試樣件在表面平滑度方面的結果；以及圖53A-53C說明金剛石刀片、金屬刀片和根據本發明實施方案製造的矽刀片之間在頂端刺傷力、引起傷口所需的壓力和穿透試驗介質所需的力方面的比較結果；圖54說明根據本發明實施方案用於製造手術刀片的具有光阻材料(光抗蝕劑)的矽的截面圖；圖55A說明在光抗蝕劑層上面布置的第一圖案化光掩模暴露於紫外線下的圖55的矽晶片的截面圖，並且圖55B說明在已經完成紫外線曝光、顯影光抗蝕劑和除去第一圖案化光掩模後的圖55A的矽晶片的截面圖；圖56A和56B與圖55A和55B中所示相似，說明第二圖案化光掩模的布置和紫外線曝光的實例；圖57A說明根據本發明實施方案在已經發生了部分各向異性刻蝕後圖55B的矽晶片的截面圖，並且圖57B說明根據本發明另一個實施方案在各向異性刻蝕方法已經原位轉變成各向同性刻蝕方法後圖56B的矽晶片的截面圖；圖58說明根據本發明再另一個實施方案在已經發生了部分溼各向同性刻蝕後圖56B的矽晶片的截面圖；圖59說明圖57B的但除去了顯影的光抗蝕劑層的矽晶片截面圖；圖60說明圖58的但除去了圖案化的光抗蝕劑層的矽晶片截面圖；圖61說明用與圖57A和57B中所示的刻蝕方法相似的兩次部分刻蝕製備雙斜面刀片的矽晶片的截面圖；圖62說明用與圖58的刻蝕相似的兩次部分刻蝕製備不同類型的雙斜面刀片的矽晶片的截面圖；圖63說明根據本發明實施方案的矽手術刀片製造方法的流程圖。
具體實施例方式
現在將參考

優選實施方案的各種特徵，其中相似的部分用相同的附圖標記表示。下面對實踐本發明的目前認為最佳方式的說明不是以限制的意義給出，而是僅為了說明本發明的一般原理來提供。
本發明的系統和方法提供了用於切割軟組織的手術刀片的製造方法。儘管以手術刀片說明優選的實施方案，但是根據本發明下面詳細討論的方法還可以製造大量的切割裝置。因此，本發明領域技術人員清楚儘管在整個這些討論中參考「手術刀片」，但是可以製造大量其它類型的切割裝置，例如包括醫用剃刀、柳葉刀、皮下注射器針頭、採樣套管及其他醫用利器。另外，根據本發明系統和方法製造的刀片還用作其它非醫學用途，例如包括剃鬚和實驗室使用(例如組織取樣)的刀片。另外，儘管整個下面的討論提及眼科用途，但是大量其它類型的醫學用途包括但不局限於眼睛、心臟、耳朵、腦、美容和重構手術。
儘管是本領域技術人員公知的，但是應該定義術語單斜面、雙斜面和刻面。單斜面指刀片上一個斜面，其中所得鋒利的切割刀刃在與刀片主要表面相同的面上。例如參見在下面更詳細討論的圖10A。雙斜面指刀片上兩個斜面，其中所得鋒利的切割刀刃基本上在與整個所得刀片中心線相同的面上，如圖10B、20A和31C所示。刻面是斜面上存在的平坦的刀刃。在任何刀片上，每個斜面可以具有一個、兩個或多個刻面。因此，在任何一個刀片上，可以有多個鋒利的刀刃(或者即多組斜面，並且每個斜面可以具有一個或者多個刻面)。
圖34A-34C說明根據本發明實施方案製造的手術刀片340的輔助視圖。在圖34A中，說明手術刀片的各個參數。例如，側切長度、尖到肩長度和剖面角度都被示出。每個參數的值根據刀片的設計和預期的用途而不同。但是因為手術或非手術刀片製造方法(如下所述)的益處，根據這些方法製造的特定手術刀片的剖面角可以製造成小於典型遇到的角度。僅為舉例說明的目的，並且不是以限制意義給出，根據本發明一個實施方案對於特定的刀片剖面可以獲得大約60°的剖面角。圖34B和34C說明如上所述的其它參數。
本領域技術人員公知的其它工業術語和參數是刀片的刀刃半徑。「切割半徑」或者「刀刃半徑」是切割皮膚、眼睛(在眼科用途的情況中)或者其它材料/物質的銳化刀刃的半徑。舉例來說，如果外科醫生使用刀片切割或切開病人的眼睛，所用的刀片儘可能地鋒利如果不是決定性，也是非常重要的。圖35A和35B說明根據本發明實施方案製造的手術刀片的刀刃半徑。圖35B是圖35A的刀片350沿著線A-A的視圖。如下面所述的根據本發明實施方案製造的刀片(手術或非手術)可以具有在大約30nm-大約60nm範圍內的刀刃半徑，並且在本發明的一個實施方案中，可以具有大約40nm的刀刃半徑。表I和表II說明在金屬刀片的刀刃半徑和如下面所述根據本發明實施方案製造的矽刀片的刀刃半徑測量中積累的原始數據。在圖36中通過第一條曲線362總結了該數據，其說明如下所述根據本發明實施方案製造的刀片的刀刃半徑範圍，認為小於在圖36中由第二條曲線364所示的金屬刀片的刀刃半徑範圍。刀刃半徑越小產生越鋒利的刀片。
表I刀刃半徑-金屬刀片

表II刀刃半徑-矽刀片

製造刀片的基礎材料是具有優選晶體取向的單晶矽。但是，矽的其它取向也是合適的，並且可以各向同性地刻蝕其它材料。例如，也可以使用具有110和111取向的矽晶片，以及以各種電阻率和含氧量水平摻雜的矽晶片。另外，可以使用由其它材料，如氮化矽和砷化鎵製成的晶片。晶片形式對於基礎材料是一種特別有用的形式。除了單晶材料外，還可以使用多晶材料製造手術刀片。這些多晶材料的實例包括多晶矽。很清楚術語本文使用的「晶態」將用來指單晶和多晶材料。
因此，本發明領域技術人員清楚儘管在整個討論中提及「矽晶片」，但是根據本發明的各種實施方案可以使用與各種取向組合的任意上述材料，以及可能可利用的其它適當的材料和取向。
圖1說明根據本發明第一實施方案從矽製造雙斜面手術刀片的方法的流程圖。圖1、2和3的方法一般性說明了可以用來製造根據本發明的矽手術刀片的方法。但是，可以改變圖1、2和3中所示的方法步驟的順序來產生不同標準的矽手術刀片，或者滿足不同的製造環境。
例如，儘管如下所示並說明的圖1說明根據本發明第一實施方案製造雙斜面手術刀片的方法，但是可以使用該方法製造每個切割刀刃具有多個(即三個或更多個)刻面。圖31A-C說明這種刀片，並且在下面更詳細地說明。此外，所示和說明的方法還可以用來製造可變的雙斜面刀片，如圖32所示。下面也將更詳細地說明圖32。另外，作為具有兩個(或更多個)斜面角的具有兩個(或更多個)切割表面的單面刀片的另一個實例，使用本文所述的方法可以製造圖20B和20D中所示的刀片，其對於多個刀片刀刃具有不同的斜面角。如此，圖1、2和3的方法代表了根據本發明方法的一般性實施方案，因為有許多不同的變動，包括可以得到根據本發明精神和範圍製造的矽手術刀片的相同步驟。
圖1的方法用來根據本發明實施方案優選使用諸如矽的晶態材料製造雙斜面手術刀片，並且從步驟1002開始。在步驟1002中，將矽晶片安裝在安裝組件204上。在圖4中，顯示了安裝在晶片框/UV帶組件(安裝組件)204上的矽晶片202。安裝組件204是半導體工業中處理矽晶片材料的常用方法。本領域技術人員清楚根據本發明實施方案製造手術刀片不一定需要將矽(晶態)片202安裝到晶片安裝組件204上。
圖5說明安裝在相同安裝組件204上的相同矽晶片202，但是是側視圖(左或右；它是對稱的，儘管不一定是這種情況)。在圖5中，將矽晶片202安裝在帶308上，然後將其安裝到安裝組件204上。矽晶片202具有第一側304和第二側306。
再參考圖1，步驟1002後是判定步驟1004。判定步驟1004決定如果需要則在步驟1006中在矽晶片202中進行可選的預切割。如圖6所示，可以通過雷射射水402進行所述預切割。在圖6中，顯示了將雷射束404導向到安裝在安裝組件204上的矽晶片202上的雷射射水(laser waterjet)402。在圖6中可以看出，作為雷射束404與矽晶片202衝擊的結果，可以在矽晶片202中產生各種預切割的孔洞(或者通孔基準)406。
由雷射束404燒蝕矽晶片202。雷射束404燒蝕矽晶片202的能力與雷射波長λ相關。在一個使用矽晶片的實施方案中，獲得最佳結果的波長是典型地由YAG雷射器提供的1064納米，但是也可以使用其它類型的雷射器。如果使用不同的晶態或多晶材料，那麼其它波長和雷射器類型可能是更合適的。
所得的通孔基準406(按照這種方式可以切出多個孔洞)可以用作機加工溝槽的引導(參考下面的步驟1008詳述)，尤其是如果將使用劃割鋸片來機加工溝槽時。也可以通過用於相同目的的任何雷射束(例如準分子雷射器或雷射射水402)來切割通孔基準406。典型地以加號「+」或者圓圈形狀切出預切割的通孔基準。但是，由具體的製造工具和環境決定通孔基準形狀的選擇，並因此不局限於只有上述兩種形狀。
除了使用雷射束預切割通孔基準外，也可以使用其它的機械機加工方法。例如這些方法包括但不局限於鑽孔工具、機械打磨工具和超聲機加工工具100。儘管所述裝置的使用對於本發明的實施方案是新穎的，本領域技術人員公知所述裝置和它們的一般使用。
為了使矽晶片202在刻蝕方法期間保持其完整性並且不會破裂，在機加工溝槽前對矽晶片202進行預切割。可以使用雷射束(例如雷射射水402或者準分子雷射器)在劃割鋸片502的橢圓形通孔狹縫中滾動(參考圖7A-7C詳細討論)，從而在其周邊內在矽晶片202中機加工溝槽。也使用用來產生通孔基準的機械機加工裝置和方法(如上所述)來產生通孔狹縫。
再參考圖1，下一個步驟是步驟1008，其可以接著步驟1006(如果在矽晶片202中切割通孔基準406)，或者接著矽晶片作為安裝步驟的步驟1002和1004(「步驟1004」不是物理製造步驟；包括這些判定步驟來說明總的製造方法及其變化)。在步驟1008中，在矽晶片202的第一側304中機加工溝槽。根據製造條件和最終矽手術刀片產品的所需設計，有幾種可以用來機加工溝槽的方法。
機加工方法可以使用或者劃割鋸片、雷射系統、超聲機加工工具、熱鍛方法或者刨槽機。也可以使用其它機加工方法。將依次討論每種方法。由這些方法的任一種機加工出的溝槽提供了手術刀片的角(斜面角)。當溝槽機加工在矽晶片202上操作時，或者以劃割鋸片的形狀，由準分子雷射形成的圖案，或者由超聲機加工工具形成的圖案，以手術刀片預成形體的所需形狀除去矽材料。在劃割鋸片的情況中，矽手術刀片將只具有直的刀刃；在後兩種方法中，刀片基本上可以是任意所需的形狀。在熱鍛方法的情況中，加熱矽晶片使之可鍛(malleable)，然後在兩個壓模間擠壓，每個壓模具有要「模壓」入加熱的可鍛矽晶片中的所需溝槽的三維形狀。為了這種討論，「機加工」溝槽涵蓋所有在矽晶片中製造溝槽的方法，包括那些具體提到的方法，無論是劃割鋸片、準分子雷射、超聲機加工還是熱鍛方法，以及未提到的等價方法。現在將更詳細地討論這些機加工溝槽的方法。
圖7A-7D說明根據本發明實施方案用來在矽晶片中機加工溝槽的劃割鋸片結構。在圖7A中，第一划割鋸片502表現出角度Φ，其基本上是在已經完成整個製造過程後所得的角度。圖7B說明第二劃割鋸片504，其具有兩個成角度的切割表面，每個表面表現出切割角Φ。圖7C說明第三劃割鋸片506，其也具有切割角Φ，但是結構與第一划割鋸片502略微不同。圖7D說明第四劃割鋸片508，與圖7B相似，其具有兩個成角度的切割表面，每個表面表現出切割角Φ。
儘管圖7A-7D中顯示的劃割鋸片502、504、506和508每個都具有相同的切割角Φ，但是本領域技術人員清楚切割角對於矽基手術刀片的不同用途可以是不同的。另外，如下面所述，單面矽手術刀片可以具有其中包括了不同角度的不同的切割刀刃。第二劃割鋸片504可以用來為矽基手術刀片的特殊設計增加製造能力，或者生產具有兩個或三個切割刀刃的矽手術刀片。將參考圖20A-20G詳細地討論刀片設計的各個實例。在本發明的一個實施方案中，劃割鋸片將是金剛石砂粒鋸片。
使用特殊的劃割鋸片在矽晶片202的第一側304中機加工溝道。具體選擇劃割鋸片組成來提供最佳的所得表面同時維持可接受的磨損壽命。劃割鋸片的刀刃具有將設置矽晶片202中所得溝道形狀的剖面的形狀。該形狀與所得刀片的斜面結構有關。例如，手術刀片典型地已經包括了對於單斜面刀片在從15°-45°範圍內的斜面角並且對於雙斜面刀片一半包括了在從15°-45°範圍內的斜面角。結合刻蝕條件選擇劃割鋸片提供了斜面角的精確控制。
圖8說明根據本發明劃割鋸片穿過安裝在支撐襯墊上的矽晶片的操作。圖8說明在矽晶片202的第一側304中機加工溝槽的劃割鋸片的操作。在本實施例中，可以使用圖7A-7D中的任意劃割鋸片(502、504、506或508)產生矽基手術刀片。還應當理解圖7A-7D中的刀片結構不是劃割鋸片可以產生的唯一可能的結構。圖9說明根據本發明實施方案在帶型安裝的矽晶片中機加工溝槽的劃割鋸片的截面圖。圖9說明實際穿透矽晶片202的圖8中所示的相同的劃割鋸片的近觀截面圖。可以看出劃割鋸片502並不是徹底穿透矽晶片202，而是對於單斜面刀片穿透大約矽晶片202厚度的50-90％。這適用於用來機加工(或者模製，藉助熱鍛)單斜面溝槽的任何方法。對於通過任何劃割鋸片，或者任意機加工方法切割雙斜面，在矽晶片202每側上將切削掉(或者模製)矽晶片202厚度的大約25-49％。圖10A和10B分別說明根據本發明實施方案製造的具有單斜面切割刀刃的矽手術刀片和具有雙斜面切割刀刃的矽手術刀片。
如上所述，尤其是如果使用劃割鋸片機加工溝槽，在矽晶片202中切出狹縫。以與通孔基準相似的方式，即使用雷射射水或者準分子雷射在矽晶片202中切出狹縫，但是用作非常不同的目的。重新回想為了在溝槽機加工機器上精確定位矽晶片202，溝槽機加工機器使用通孔基準。當製造雙斜面刀片時這是尤其有用的，因為必須精確定位第二次(在矽晶片202的反面上)以保證正確製造雙斜面刀片。但是，狹縫用於不同的目的。狹縫允許劃割鋸片從邊緣切開矽晶片202(如圖8所示)，而不會使矽晶片202破裂或弄破。如圖8A中所示，這是一個實施方案。參考圖8，明顯地如果不使用狹縫，並且如圖所示機加工溝槽，機加工的矽晶片202容易沿著機加工的溝槽破裂，因為在那些區域中矽晶片明顯更薄，並且小的應力就會引起其破裂。也就是說，圖8的機加工矽晶片缺乏結構剛性。比較該矽晶片與圖8C的矽晶片。圖8C的機加工的矽晶片202是更加剛性的並且導致生產量提高。根據圖8C機加工的矽晶片202比圖8的矽晶片更少破裂。如圖8A和8B中所示，使狹縫比劃割鋸片更寬，並且足夠長至允許劃割鋸片插入其中以在適當的深度處開始機加工。因此，劃割鋸片在其向下移動時不會試圖切割矽晶片202，這會引起裂片和破裂；像設計要做的一樣，劃割鋸片在其以水平方式移動時開始切割。圖8C說明一系列在矽晶片202的第一側中的狹縫和機加工的溝槽。
圖11說明根據本發明實施方案用來在矽晶片中機加工溝槽的雷射系統的方框圖。如參考下面詳細討論的圖12所述，也可以超聲機加工溝槽。這兩種方法的優點是可以製造出非線型和複雜切割刀刃剖面，如新月形刀片、勺狀刀片和鞏膜刀片。圖11說明簡化的雷射機加工組件900。雷射機加工組件900包括發射雷射束904的雷射器902和建立在基底908上面的多軸控制機械906。當然，雷射機加工組件900還可以包含計算機和可能的網絡接口，為了清晰起見已經省略了它們。
當使用雷射機加工組件900機加工溝槽時，在也適合通過多軸控制機械906操縱的安裝組件204上安裝矽晶片202。通過使用雷射機加工組件900和各種光束掩模技術，可以機加工刀片輪廓的陣列。光束掩模位於雷射器902內部，並且通過仔細的設計阻止雷射器902在不需要的地方燒蝕矽材料。對於雙斜面刀片，使用預切的斜面206A、206B或者基準406來校準，按照與相同的方式機加工對面。
在溼各向同性刻蝕步驟的製備(將參考圖1，步驟1018詳細地討論)中，使用雷射器902在矽晶片202的第一側304或者第二側306中準確且精確地機加工溝槽圖案(在參考雷射的使用中也稱作「燒蝕剖面」)。使用多軸控制和內部雷射束掩模在矽晶片202中光柵化上述燒蝕剖面。結果，實現了具有與手術刀片產品所需相應的淺傾斜的斜面的輪廓溝槽。通過這種方法可以實現各種彎曲的剖面圖案。在所述機加工步驟中可以使用幾種類型的雷射器。例如，可以使用準分子雷射器或雷射射水402。準分子雷射器902的波長在157nm至248nm的範周內。其它的實例包括YAG雷射器和波長355納米的雷射器。當然本領域技術人員可以領會可以使用具有在150nm-11,000nm範圍內的特定波長的雷射束來機加工溝槽圖案。
圖12說明根據本發明實施方案用來在矽晶片中機加工溝槽的超聲機加工系統的方框圖。使用精確機加工的超聲工具104進行超聲機加工，然後使用所述工具用研磨漿料102機加工矽晶片202的第一側304或者第二側306。一次對一側進行機加工。對於雙斜面刀片，使用通孔基準406來校準，按照相同的方式機加工對面。
在溼各向同性刻蝕步驟中，使用超聲機加工在矽晶片202中準確且精確地加出溝槽圖案。通過超聲振動心軸/工具(工具)104進行超聲機加工。工具104不會與矽晶片202接觸，但是緊密鄰近矽晶片202並且通過工具104發射出的超聲波的操作刺激研磨漿料102。由工具104發射出的超聲波強迫研磨漿料102將矽晶片202腐蝕成在工具104上機加工的相應圖案。
藉助碾磨、打磨或靜電放電機加工(EDM)機加工工具104以產生溝槽圖案。機加工矽晶片202上所得的圖案相應於在工具104上機加工的圖案。使用超聲機加工方法優於準分子雷射的優點是在超聲機加工的同時矽晶片202整側上都具有大量的刀片溝槽。因此，該方法是快速且相對廉價的。另外，像準分子雷射機加工方法一樣，藉助該方法可以實現各種彎曲的剖面圖案。
圖13說明根據本發明實施方案用來在矽晶片中形成溝槽的熱鍛系統的圖。還可以將溝槽結構熱鍛入矽晶片表面中。該方法使用加熱晶片至可鍛的條件。隨後在兩個結合了所得溝槽陰圖的壓模間擠壓晶片表面。
在加熱室中預熱矽晶片202，或者通過矽晶片202位於其上面的加熱的基底部件1054的操作完全加熱矽晶片202。在高溫下經歷足夠的時間後，矽晶片202變成可鍛的。然後，在足夠的壓力下強迫加熱的壓模1052下壓到矽晶片202上，將加熱壓模1052的陰圖印入矽晶片202的第一側304中。壓模1052的設計可以具有大量各種斜面角、深度、長度和剖面的溝槽，從而產生實際上可想像的任意刀片設計。圖13所示的圖巨大簡化了並且放大以清晰地顯示出熱鍛方法的相關特徵。
圖26-29說明根據本發明實施方案在晶態材料中使用刨槽機加工線型或非線型溝槽的步驟。在圖26中，已經在矽晶片202中鑽出通孔622。在本發明的一個實施方案中，需要通孔622防止微裂紋。如上所述，可以通過在其它方法中幾種不同的方法之一，包括使用鑽孔機、超聲機加工、雷射器、或者雷射射水在矽晶片202中製備通孔622。通孔622的數量取決於要在矽晶片202中形成的刀片的數量。通常，對於每個刀片需要至少兩個通孔622(開始和結束刨槽)，但是本發明的這個實施方案不局限於任意數量的通孔622。
在矽晶片202中已經鑽出所有所需的通孔622後，在已經使刨槽機620達到特定的轉速後將其(從上面看表現出逆時針旋轉)降入通孔622中。根據軟體控制將刨槽機620降至所需深度並且在所需方向上移動。參見圖27。軟體控制控制刨槽機620降低的深度(並且當完成刨槽時升起)、刨槽機620在矽晶片202中行駛的X-Y方向，以及它在X-Y方向上移動的速度。對於未來的刀片形狀，通過所需的傾角驅動刨槽機620幾何形狀。例如，用於特定目的的手術刀片可能需要特殊內含角度和特殊設計的刀片。圖28說明當刨槽矽晶片202時刨槽機620產生的斜面。例如，如果雙斜面刀片需要30°的封閉角，刨槽機角度應該是150°。
使用刨槽機620為在矽晶片202中提供線型或非線型的溝槽提供了相對廉價的方法。如圖29中所見，單面刀片可以具有線型或非線型的部分。使用單面的、廉價工具產生溝槽在刀片製造過程中節省了時間和金錢，從而降低了製造和銷售成本。
圖30說明根據本發明實施方案在晶態材料中刨出線型或非線型溝槽的方法的流程圖。在步驟604中，單獨的機加工方法在矽晶片202中提供了所需數量的通孔622。在步驟606中，在已經使刨槽機620達到所需的轉速後，將其插入第一通孔622的所需深度處。然後，軟體控制進行根據預定的圖案移動刨槽機620，產生所需斜面角和設計的溝槽(步驟608)。當刨槽機遇到最後一個通孔622時，軟體控制能夠縮回刨槽機620(步驟610)。當在矽晶片202上產生最優量的刀片所需要時，可以重複所述過程很多次(步驟612)。
已經討論了機加工溝槽的幾種方法，再次將注意指向圖1。在於矽晶片202的第一側304中機加工溝槽的步驟1008後，必須在判定步驟2001中就是否塗布矽晶片202進行判定。圖14說明根據本發明實施方案具有一個機加工的溝槽並向機加工側施加了塗層的矽晶片。如果施加了塗層，那麼根據本發明領域技術人員公知的許多技術之一，可以在步驟2002中對矽晶片202的第一側304施加塗層1102。供應塗層1102便於刻蝕控制並且對所得刀片刀刃提供附加的強度。將矽晶片202放在沉積室中，在那裡矽晶片202的整個第一側304-包括平坦的區域和溝槽的區域-塗布了氮化矽(Si3N4)薄層。所得塗層1102的厚度可以在從10nm-2微米的範圍內。塗層1102可以由比矽(晶態)晶片202更硬的任何材料組成。具體地說，塗層1102也可以由氮化鈦(TiN)、氮化鋁鈦(AlTiN)、二氧化矽(SiO2)、碳化矽(SiC)、碳化鈦(TiC)、氮化硼(BN)或者金剛石狀晶體(DLC)組成。下面參考圖18A和18B更詳細地討論用於雙斜面手術刀片的塗層。
在已經在可選步驟2002中施加了塗層1102後，下一個步驟是步驟2003，拆下並重新安裝(如果不施加塗層在步驟1008後也可以是步驟2003)。在步驟2003中，使用相同的標準安裝機器從帶308中拆下矽晶片202。該機器通過對UV敏感的帶308輻照紫外光(UV)以降低其粘性而拆下矽晶片202。也可以使用低粘性或放熱的帶代替UV敏感的帶308。在充分的UV光曝光後，容易從帶安裝中剝落矽晶片202。然後，重新安裝矽晶片202，第二側306朝上，準備用於製造第二側306的溝槽。
然後，在矽晶片202上實施步驟2004。在步驟2004中，為了產生雙斜面矽基手術刀片，同在步驟1008中進行的一樣，在矽晶片202的第二側306中機加工溝槽。圖15說明根據本發明實施方案在帶型安裝的矽晶片202中機加工第二個溝槽的劃割鋸片502的截面圖。當然，也可以使用準分子雷射器902、超聲機加工工具100或者熱鍛方法在矽晶片202中機加工第二個溝槽。在圖15中，說明在矽晶片202的第二側306上機加工第二個溝槽的劃割鋸片502。說明已經在步驟2002中可選施加的塗層1102。圖10A和10B分別說明所得的單和雙斜面切割刀刃。在圖10A中，已經在矽晶片202上製造出單面切割刀刃，在單面刀片組件中導致切割角Φ。在圖10B中，(通過任意上述開槽方法)在矽晶片202中已經機加工出與第一個溝槽具有相同角度的第二個溝槽。結果得到雙斜面矽基手術刀片，其每個切割刀刃表現出切割角Φ，得到雙斜面角為2Φ。圖16說明根據本發明實施方案已經在兩側上機加工出溝槽的矽晶片的剖面圖。
圖31A-31C說明根據本發明實施方案製造的雙斜面多刻面刀片。在圖31A中，從俯視圖說明雙斜面多刻面刀片700。雙斜面多刻面刀片700是根據本文所述的方法製造的四個刻面的刀片。角度θ1描述了第一組刻面704a、704b的內含斜面角，並且角度θ2描述了第二組刻面704c和704d的內含斜面角。
通過上述的任意機加工溝槽方法可以製造出在雙斜面多刻面刀片700中顯示的斜面和刻面。例如，可以使用雷射束904機加工溝槽，從而在雙斜面多刻面刀片700中形成斜面。雷射束904可以製造第一遍，在矽晶片的第一側上機加工第一個溝槽，機加工第一個溝槽，並且製造第二遍，適當間隔地機加工出第二個溝槽。同樣，還可以從參考圖13更詳細說明的熱鍛方法製造出第一個多斜面刀片700。此外，如圖31A-31C中所示，可以使用機加工溝槽的上述任意方法機加工多個溝槽以形成雙斜面多刻面刀片700。
在圖32A中，從俯視圖說明可變的雙斜面刀片702。根據本文所述的方法可以製造出可變的雙斜面刀片702。角度θ4在刀片尖部開始變鈍，然後向著肩部變得更加尖銳，導致角度θ2。這種設計增強了可變雙斜面刀片702的鋒利的尖部。
通過上述任意開槽方法可以製造出在可變雙斜面刀片702中顯示的斜面。例如，可以使用雷射束904機加工溝槽，在可變雙斜面刀片702中形成斜面。根據軟體程序控制，可以調整雷射束904，通過機加工晶態材料製備可變的斜面。同樣，也可以從參考圖13更詳細說明的熱鍛方法產生第一個多斜面刀片700。此外，如圖32A-32C中所示，可以使用機加工溝槽的上述任意方法機加工多個溝槽；形成可變的雙斜面刀片702。圖32B和32C說明可變雙斜面刀片702的兩個側面透視圖，表示了斜面角Φ3和Φ4根據距尖部的距離在可變雙斜面刀片702上怎樣變化。
圖20B和20D也說明可以製造的具有多個斜面角的多切割刀刃刀片的頂部透視圖。本文所述的方法可以製造例如如圖20B和20D所示的刀片，其中每個切割刀刃具有不同的斜面角。在圖20B和20D中，有四個切割刀刃並且每個具有不同的單斜面或雙斜面角。另外，如上所述，每個斜面角可以具有一個或更多個刻面。這些只是為了例示目的而顯示，並且不意味著限制本文所述的本發明的實施方案。
在機加工溝槽步驟2004後，必須在判定步驟2005中就是在步驟1018中刻蝕兩次機加工溝槽的矽晶片202，還是在步驟1016中劃割兩次機加工溝槽的矽晶片202進行判定。通過劃割鋸片、雷射束(例如準分子雷射器、或者雷射射水402)實施劃割步驟1016。劃割在代替晶片舟的常規夾具(custom fixtures)中提供了要刻蝕(在步驟1018中)的所得條帶(在下面詳細討論)。
圖17A和17B說明根據本發明實施方案在兩側上具有機加工的溝槽的矽晶片上實施的各向同性刻蝕方法。在刻蝕步驟1018中，從帶308中拆下機加工的矽晶片202。然後，將矽晶片202放在晶片舟上並且浸在各向同性的酸性浴1400中。控制刻蝕劑1402的溫度、濃度和攪拌，使刻蝕方法的均勻性最大化。所用的各向同性刻蝕劑1402由氫氟酸、硝酸和乙酸(HNA)組成。可以使用其它的組合和濃度來實現相同的目的。例如，可以用水替換乙酸。也可以使用噴霧刻蝕、各向同性的二氟化氙氣體刻蝕和電解刻蝕代替浸泡刻蝕來實現相同的結果。在氣體刻蝕中可以使用的化合物的另一個實例是六氟化硫，或者其它相似的氟代氣體。
刻蝕方法將均勻地刻蝕矽晶片202的兩側及其各自的溝槽，直至相對溝槽剖面貫穿。立即從刻蝕劑1402中取出矽晶片202並且漂洗一次。通過這種方法獲得的預期切割刀刃半徑在從5nm-500nm的範圍內。
各向同性的化學刻蝕是用來以均勻的方式除去矽的方法。在根據本發明實施方案的製造方法中，使在上述機加工下產生的晶片表面剖面均勻地向下與晶片對面上的剖面貫穿(如果需要單斜面刀片，將貫穿未機加工的對面矽晶片表面)。為了在保留刀片角度下實現所需的刀片鋒利度，使用各向同性的刻蝕。因為所需的刀刃幾何形狀太精緻而不能耐受機加工的機械力和熱力，所以僅通過機加工試圖貫穿晶片剖面失敗。各向同性的刻蝕劑(刻蝕劑)1402的每種酸性組分在各向同性酸性浴1400中具有特定的功能。首先，硝酸氧化曝光的矽，其次氫氟酸除去氧化的矽。乙酸在該過程期間用作稀釋劑。實現可重複的結果需要精確控制組成、溫度和攪拌。
在圖17A中，將沒有塗層1102的矽晶片202放在各向同性的刻蝕浴1400中。注意每個手術刀片，第一個手術刀片1404、第二個手術刀片1406和第三個手術刀片1408彼此連接。當刻蝕劑1402在矽上工作時，隨著時間除去逐層的分子，降低矽(即手術刀片)的寬度直至(第一個手術刀片1404的)兩個角度1410和1412在與下一個手術刀片(第二個手術刀片1406)的連接點處貫穿。結果是形成幾個手術刀片(1404、1406和1408)。注意除了因為已經由刻蝕劑1402溶解了矽而保留更少的矽材料外，在整個各向同性刻蝕方法中已經維持了相同的角度。
圖18A和18B說明根據本發明另一個實施方案在兩側上具有機加工的溝槽並且在一側上具有塗層的矽晶片上的各向同性刻蝕方法。在圖18A和18B中，在矽晶片202上已經留下帶308和塗層1102，從而刻蝕方法僅對矽晶片202的第二側306起作用。在刻蝕方法期間不一定將晶片安裝在帶上，這僅是一個製造選擇。另外，各向同性的刻蝕材料1402僅對曝光的矽晶片202工作，除去矽材料(一層接著另一層)，但是同在步驟2004中機加工一樣，維持相同的角度(因為這是第二側306)。結果，在圖18B中，因為各向同性的刻蝕劑1402沿著機加工的溝槽表面除去均勻的矽分子層，所以矽基手術刀片1504、1506和1508與在步驟1008和2004中機加工地一樣，因為帶308和可選的塗層1102在第一側304上和在第二側306上具有相同的角度。根本沒有刻蝕矽晶片202的第一側304，對最終的矽基手術刀片提供了附加的強度。
使用可選步驟2002、向矽晶片202的第一側304施加塗層1102的另一個益處是切割刀刃(第一次機加工溝槽側)由比基礎矽材料具有更強材料性質的塗層1102(其優選由氮化矽層組成)組成。因此，施加塗層1102的過程導致更強且更耐用的切割刀刃。塗層1102還給刀片表面提供了與電機械往復刀片裝置中的鋼接觸的刀片所需的耐磨性。表III說明在沒有塗層1102(矽)和具有塗層1102(氮化矽)製造下的矽基手術刀片的典型強度指示的規格。
表III

楊氏模量(也稱作彈性模量)是材料內在硬性的測量。模量越高，材料越硬。屈服強度是材料在負荷下將從彈性向塑性變形的點。換句話說，它是材料不再彎曲，但是將永久變形或斷裂的點。在刻蝕(具有或不具有塗層1102)後，徹底漂洗並清洗刻蝕的矽晶片202以除去所有殘留的刻蝕劑1402化學品。
圖19說明根據本發明實施方案製造的一側上具有塗層的雙斜面矽手術刀片的所得切割刀刃。切割刀刃1602典型地具有與金剛石手術刀片相似的5-500納米的半徑，但是它是以低得多的成本製造的。在已經實施了步驟1018的刻蝕方法後，可以根據步驟1020安裝矽基手術刀片，這與安裝步驟1002和步驟2003中相同。
在安裝步驟1020後，可以在步驟1022中使矽基手術刀片(矽刀片)分成單個，這意味著通過使用劃割鋸片、雷射束(例如雷射射水402或準分子雷射器)，或者其它適當的裝置割裂每個矽刀片，使矽刀片彼此分開。本領域技術人員可以領會也可以使用具有在從150nm-11,000nm範圍內的特定波長的雷射器。在該波長範圍內的雷射器的實例是準分子雷射器。雷射射水(YAG雷射器)的獨特性是它能在晶片中捲曲彎曲的、中斷的圖案。這就給製造商提供了製造實際上無限量的無切割刀刃的刀片剖面的靈活性。雷射射水使用水流作為使雷射像帶鋸一樣切割的波導。在如上所述可以以連續的、直線圖案劃割的先有技術劃割機的當前狀態下不能實現這一點。
在步驟1024中，根據消費者的特殊需求，拾取分成單個的手術刀片並且放在刀片把手組件上。但是，在實際的「拾和放」之前，在晶片安裝機器中由紫外(UV)光輻照刻蝕的矽晶片202(安裝在帶上或者框上或者在帶/晶片框上)，從而降低帶308的粘性。然後，將仍在「降低粘性」的帶和框，或者帶/晶片框上的矽晶片202裝入可商購的附帶壓模的裝配系統中。從上面想起討論了根據不同的製造環境可以相互交換一些步驟的順序。一個這種實例是分成單個與UV光輻照的步驟如果需要可以相互交換這些步驟。
附帶壓模的裝配系統將從「降低粘性」的帶和框，或者帶/晶片框上除去單個刻蝕的矽手術刀片，並且將矽手術刀片在所需的容差內連接到它們各自的夾持器上。將使用環氧或粘合劑安裝兩個組件。可以使用其它的裝配方法將矽手術刀片連接到其各自的襯底上，包括熱刮軟(staking)、超聲刮軟、超聲焊接、雷射焊接或者低共熔粘結。最後在步驟1026中，根據矽手術刀片的設計，包裝全部裝配了把手的矽手術刀片，保證無菌和安全，並且運輸以使用。
可以用來將手術刀片安裝到其夾持器上的其它裝配方法包括狹縫的另一個用途。如上所述，可以通過雷射射水或者準分子雷射來產生狹縫，並且用來給劃割鋸片提供開口，從而在機加工溝槽時嚙合矽晶片202。狹縫的其它用途可以為夾持器中一個或更多個柱子提供刀片容器。圖24說明這種布局。在圖24中，最終的手術刀片2402具有兩個在其夾持器界面區2406中產生的狹縫2404a、2404b。這些狹縫與刀片夾持器2410的柱子2408a、2408b分界。可以在製造過程中的任意點處在矽晶片202中切出狹縫，但是優選在手術刀片的分成單個之前進行。在分界前，可以向適當的區域施加粘合劑，保證緊密的保持。然後，如圖所示膠粘蓋子2412，給終產品提供最終的外觀。實施柱-狹縫裝配的目的是它對於在切割程序期間刀片2402可能遭遇的任何拉力提供了附加的耐性。
已經說明了雙斜面矽基手術刀片的製造方法，將注意力轉向圖2，該圖說明根據本發明第二實施方案從矽製造單斜面手術刀片的方法的流程圖。圖1的步驟1002、1004、1006、1008與圖2中所示的方法相同，因此將不再重複。
但是，在下一個步驟即步驟1010中製造單斜面手術刀片的方法與製造雙斜面刀片的方法不同，因此將詳細討論。
接著步驟1008，判定步驟1010判定是否將從矽晶片安裝組件204中拆下機加工的矽晶片202。如果要拆下單溝槽的矽晶片202(在步驟1012中)，那麼下一步選擇是在步驟1016中劃割單溝槽晶片。在可選的拆卸步驟1012中，使用相同的標準安裝機器從帶308中拆下矽晶片202。
如果在步驟1012中拆下矽晶片202，那麼可選地可以在步驟1016中劃割矽晶片202(即將矽晶片202切成條帶)。可以通過劃割刀片、準分子雷射器902、或者雷射射水402來實施劃割步驟1016。劃割在代替晶片舟的常規設備中提供了要刻蝕的所得條帶(在下面詳細討論)(在步驟1018中)。或者接著劃割步驟1016、拆卸步驟1012，或者接著機加工溝槽步驟1008，單斜面矽基手術刀片製造方法中的下一個步驟是步驟1018。步驟1018是刻蝕步驟，上面已經詳細說明了該步驟。然後，接著是步驟1020、1022、1024和1026，上面已經參考雙斜面矽基手術刀片的製造方法詳細說明了所有這些步驟，因此不需要再次說明。
圖3說明根據本發明第三實施方案從矽製造單斜面矽基手術刀片的替代方法的流程圖。在所有步驟1002、1004、1006和1008中，圖3中所示的方法與圖2中所示的方法相同。但是在圖3的步驟1008後，存在著塗布步驟2002。上面參考圖1說明了塗布步驟2002，並且不需要再次討論。塗布步驟的結果與前面所述的相同矽晶片202的機加工側在上面具有層1102。
接著塗布步驟2002，在步驟2003中拆下並且重新安裝矽晶片202。該步驟也與前面參考圖1所討論的等同(步驟2003)。結果是矽晶片202的塗布側在安裝組件204上面朝下。然後，進行步驟1018、1020、1022、1024和1026，上面已經詳細說明了所有這些步驟。最終結果是單斜面的手術刀片，其第一側304(機加工側)上具備塗層1102，從而改善了手術刀片的強度和耐用性。圖23A和23B更詳細地說明和描述單斜面塗布的手術刀片。
圖23A和23B說明根據本發明進一步實施方案在一側上具有機加工的溝槽並且在相對側上具有塗層的矽晶片上的各向同性的刻蝕方法。如上所述，矽晶片202具有施加到第一側304上，然後安裝到帶308上，因此與之接觸的塗層1102，如圖23A中所示。然後，將矽晶片202放置在如上面詳細所述的包含刻蝕劑1402的浴1400中。刻蝕劑1402開始刻蝕矽晶片202的第二側306(「頂側」)，逐層除去矽分子。在一段時間後，矽晶片202在厚度被刻蝕劑1402降低，直至第二側306與第一側304和塗層1102接觸。結果是塗布了氮化矽的單斜面矽基手術刀片。具有氮化矽(或者塗布的)刀片刀刃的所有上述優點同樣適用於如參考圖18A、18B和19顯示並討論的這類刀片。
圖20A-20G說明可以根據本發明方法製造的矽基手術刀片的各種實例。使用所述方法可以製造出各種刀片設計。可以生產出具有單斜面、對稱和不對稱雙斜面的以及彎曲切割刀刃的刀片。對於單斜面刀片，僅在晶片的一側上實施機加工。可以製造出各種刀片輪廓，如單刃鑿形(圖20A)、三刃鑿形(圖20B)、兩刃鑿形(圖20C)、狹縫、四刃鑿形(圖20D)、刺形、一邊邊刃(圖20E)、角膜刀、一邊邊刃(圖20F)和新月形、彎曲的利刃(圖20G)。可以使用所述方法改變剖面角、寬度、長度、厚度和斜面角。所述方法可以結合傳統的光刻，產生更多的變化和特徵。
圖21A和21B分別以5,000倍放大倍數顯示了根據本發明實施方案製造的矽手術刀片和不鏽鋼手術刀片的側視圖。注意圖21A和21B之間的差異。圖21A更平滑且更均勻。圖22A和22B分別以10,000倍放大倍數顯示了根據本發明實施方案製造的矽手術刀片和不鏽鋼手術刀片的俯視圖。同樣，圖22A和22B之間的差異是作為根據本發明實施方案方法結果的前者比圖22B的不鏽鋼刀片更平滑且更均勻。
圖25A和25B說明根據本發明實施方案由晶態材料製成的刀刃和包括層轉變過程的由晶態材料製成的刀刃的剖面透視圖。在本發明的另一個實施方案中，在刻蝕矽晶片後可以將襯底材料的表面化學轉變成新材料2504。該步驟也稱作「熱氧化、氮化轉變」或者「矽表面的碳化矽轉變」步驟。根據允許與襯底/刀片材料相互作用的元素，可以產生其它化合物。將刀片表面轉變成襯底材料的化合物的益處是可以選擇新的材料/表面，從而產生更硬的切割刀刃。但是與塗層不同，刀片的切割刀刃維持了在刻蝕步驟後的幾何形狀和鋒利性。注意在圖25A和25B中，矽刀片的深度不會因為轉變過程而變化；「D1」(僅矽的刀片的深度)等於「D2」(具有轉變層2504的矽刀片的深度)。
圖33A-33D說明可以用於眼科用途並根據本發明實施方案製造的手術刀片的幾個實例。圖33A說明可以用於眼科白內障手術目的的狹縫刀片/刀720。狹縫刀片(slit blade)/刀720具有第一斜面組722a和第二斜面組722b。第一和第二斜面組722a、722b每個都可以是相同或不同角度的單斜面、相同或不同角度的雙斜面、或者每個斜面組722a、722b都可以是多斜面以及一個或更多個刻面。根據本發明實施方案，斜面角、刀片角、厚度和刻面的組合都是可以根據狹縫刀片/刀720的具體用途而改變，並且可以根據在本文中公開的方法製造的設計標準。
圖33B說明可以在屈光的(LASIKTM)眼科手術中使用的微型角膜刀片724。微型角膜刀片724具有一個可以是單斜面或者雙斜面的斜面726並且具有一個或更多個刻面。對於圖33A-33D以及本文中其它地方中顯示的手術刀片，斜面角、刻面、它們的位置和布局的組合基本上是無限制的。微型角膜刀片724顯示出雙斜面726。如上所述，可以使用孔洞728a和728b將微型角膜刀片724安裝到把手上。
圖33C說明可以用於白內障眼科手術的袖珍刀片(pocket blade)/刀730。圖33C中顯示的袖珍刀片/刀730具有單面並且基本上是圓形的刀片。圓形是優選的，但是不是必需的；也可以代替使用其它的彎曲形狀(例如橢圓形)。刀片可以是單、雙或多斜面刀片，或者它們的組合，如上所述。圖33D說明可以用於白內障眼科手術的新月形刀片/刀734。圖33D中顯示的新月形刀片/刀734具有單面並且卵形的刀片。同樣，卵形是優選的，但是不是必需的。新月形刀片/刀734優選具有單斜面角度刀片，但是刀片可以是單或者雙斜面刀片，每個斜面具有一個或更多個刻面，或者它們的組合，如上所述。
參考圖1，在步驟1018後，進行轉變表面的判定(判定步驟1019)。如果添加轉變層(判定步驟1019中「是」的路徑)，在步驟1021中添加轉變層。然後，所述方法行進至步驟1020。如果不添加轉變層(判定步驟1019中「否」的路徑)，所述方法行進至步驟1020。轉變過程需要擴散和高溫爐。在真空或者在惰性環境下加熱襯底至超過500℃的溫度。以控制的濃度向爐中計量所選的氣體並且作為高溫的結果，它們擴散入矽中。當它們擴散入矽中時，它們與矽反應，形成新的化合物。因為通過擴散和與襯底的化學反應產生新的材料而不是施加塗層，所以保留了矽刀片的原始幾何形狀(鋒利性)。轉變過程的另一個益處是轉變層的光學折射率與襯底不同，所以刀片看起來著色。顏色與轉變的材料的組成以及其厚度有關。
在表面已經轉變的單晶襯底材料也表現出優於未轉變刀片的抗斷裂和耐磨性。通過將表面改變成更硬的材料，降低了襯底形成裂紋開始位置並沿著晶面裂開的趨勢。
可以在具有某些相互可交換性的情形下實施的製造步驟的另一個實例是糙面精整(matte-finish)步驟。通常，尤其是當在手術刀片實施方案中製造時，刀片的矽表面將是高度反射性的。如果在照明源下和顯微鏡下使用所述刀片時，這可能會分散外科醫生的注意力。因此，可以給刀片的表面提供漫射(例如來自手術程序中所用的高強度燈的)入射光的糙面精整，與有光澤相反，使之暗淡。通過用適當的雷射輻照刀片表面，按照特定的圖案和密度在刀片表面中燒蝕區域來產生糙面精整。燒蝕區域是圓形形狀，因為這通常是發射的雷射束的形狀，但是不一定是這種情況。圓形燒蝕區域的尺寸直徑在從25-50微米的範圍內，並且同樣與製造者和所用的雷射類型有關。圓形燒蝕區域的深度在從10-25微米的範圍內。
圓形燒蝕區域的「密度」指由圓形燒蝕區域覆蓋的表面積的總百分數。大約5％的「燒蝕區域密度」使刀片從正常的光滑、鏡面般外觀明顯變暗淡。但是，共同定位(co-locating)所有的燒蝕區不會影響刀片其餘部分的鏡面般效果。因此，在整個刀片的表面積上，但以隨機的方式施加圓形燒蝕區域。實際上，可能產生隨機地位於低洼處的圖形文件，但是對圖案實現了特定燒蝕區域密度和隨意性的所需作用。該圖形文件可以手動產生，或者由計算機中的程序自動產生。可以實現的其它特徵是在刀片自身上銘刻序列號、製造商的商標、或者外科醫生的或者醫院的姓名。
典型地，可以使用龍門式(gantry)雷射器、或者檢流頭(galvo-head)雷射機在刀片上產生糙面精整。前者是慢的，但是非常準確，而後者是快的，但是沒有龍門式雷射準確。因為總的準確度不是重要的，並且製造速度直接影響成本，所以檢流頭雷射機是有用的工具。它能夠每秒鐘移動數千千米，給典型的手術刀片提供了大約5秒鐘的總燒蝕區域刻蝕時間。
圖37說明根據本發明實施方案從金屬製造的刀片和從矽製造的刀片的表面粗糙度範圍的比較。
手術和非手術刀片的另一個參數是表面粗糙度特性。表面粗糙度是重要的參數，因為它確定了在由刀刃進行初始的切割後皮膚或材料在刀片上容易滑動的程度。粗糙的表面趨向於阻礙或者捕獲皮膚或材料，而平滑的表面將允許其在刀片上更容易移動。粗糙的刀片表面可能引起撕破或撕裂，或者在更壞的情況中使外科醫生(在手術使用中)進行不穩定的切割。這種情況是非常罕見的。上述根據本發明實施方案從矽製造的刀片或機械裝置表現出非常平滑的表面，表面缺陷的基本上平滑並且比金屬刀片更加平滑。表IV說明金屬刀片的表面粗糙度測量，並且表V說明上述根據本發明實施方案製造的矽刀片的表面粗糙度測量。兩個表格都表示了在刀片尖部附近測量的表面粗糙度。圖37顯示了兩條曲線，第一條曲線372和第二條曲線374，其代表了上述根據本發明實施方案製造的矽刀片(第一條曲線372)和金屬刀片(第二條曲線374)的表面粗糙度值Ra。
表IV金屬刀片的表面粗糙度測量

表V矽刀片的表面粗糙度測量

圖38說明根據本發明一個實施方案製造矽手術刀片的另一種方法。圖38中所述的製造矽手術刀片的方法製備出足夠強以便用來代替為相似用途(即眼科手術應用)製造的金屬刀片的刀片。在方法380中，也執行許多參考圖1-3說明的步驟，但是為了簡化目的而不再討論。例如，在方法380中可以執行劃割1016和添加轉變層(步驟1019)的步驟，但是出於上述原因已經省去。另外，在可能時並且為了避免混亂，已經保留了一些與上面使用相同的元件編號。在其它情況中，當清楚儘管步驟相似，但是實際上涉及與前面所述略微的步驟時，已經使用新的元件編號。此外，下面說明開槽(劃割)、產生基準通孔的熟悉步驟，並且可以使用其它步驟和上述相同的設備(例如雷射射水、超聲機加工、金剛石鋸片)來產生如下所述的各特徵。
方法380從雷射切割1的步驟382開始。在圖38中，雷射切割1產生圓形基準386(如圖39中所示)，用來在雷射和開槽劃割設備上對準矽晶片(晶片)202。雷射切割1還產生作為溝槽劃割設備對準溝槽的基準的十字線，以及要切割來產生刀片側邊的狹縫390(參見圖42)。
在步驟1008中，根據更詳細說明的各種方法和設備對斜面392開槽(參見圖40)。在步驟384中，雷射切割2產生圖41中所示的馬蹄形394。圖42中說明準備用於刻蝕步驟1016的所得開槽的晶片420。雷射切割步驟可能產生在脆的矽材料中導致的機械損傷。刻蝕步驟除去了機械導致的損傷。通過除去機械導致的損傷，也可以除去應力集中點，導致材料(矽)屈服強度的顯著增加。各向同性的刻蝕劑拋光材料的表面，在此情況中包括刀片切割和非切割的邊緣。刻蝕劑可以由氫氟酸、硝酸和乙酸組成。裂紋、碎片、刮痕和銳邊全部都作為脆性材料中裂紋的開始點。當機械裝置負荷或者受到應力時，這些點會引發災難性的失效。通過消除或者使裂紋開始缺陷最小化，材料變得更加耐用。
接著刻蝕步驟1018，可以安裝(步驟1020)、分成單個(步驟1022)、拾取並旋轉(步驟1024)並且根據消費者偏愛包裝(步驟1026))刀片。已經在上面更詳細地說明了步驟1020-1026，並且為了簡化，此處不再重複它們的說明。
圖39-42說明當其在根據圖38中所述的矽手術刀片的製造方法機處理時的矽晶片。圖43說明可以根據如上面參考圖38-42所述的本發明一個實施方案的方法製造的矽手術刀片。方法380中的幾個改進改進了機械強度特性，現在將更詳細地討論。例如，圖43中所示的馬蹄形在本發明的本實施方案中製造得比前面更大。此外，上面在步驟382中關於圖38討論的雷射切割1切割出產生刀片邊緣的狹縫390。這按照做使刀片的非切割邊緣的最大長度經歷刻蝕(步驟1018)的方式來進行，又增加了刀片的機械強度。雷射切割1還產生凸緣396(如圖43中所示)。使凸緣更大提供了更好定義的在雷射切割2中產生(步驟384)的馬蹄形。另外，開槽過程切割每個「雪花」(斜面392)。「雪花」圖案通過開槽步驟1008產生，如圖40所示。這些被顯示為斜面392。在「雪花」(斜面392)之間沒有切割。這就增加了晶片202的機械強度和完整性。至於雷射切割，理論上可以改變脈衝寬度和/或脈衝重複頻率(PRF)，使得對矽的機械損傷最小。
可以使用上面參考圖38-43說明的方法380除去在幾個不同的機加工實施方案中導致的損傷，如雷射燒蝕、刨槽、金剛石砂輪打磨、超聲打磨、研磨、拋光、壓印、壓花、離子銑削和等離子刻蝕方法(即RIE、DRIE、ICP和ECR)。還可以使用方法380改善由前面的各向異性或各向同性溼刻蝕方法產生的表面質量，所述刻蝕方法使用，但不局限於KOH、NaOH、CeOH、RbOH、NH4OH、TMAH、EDP或HNA。
刻蝕劑溶液(HNA)是對矽的氧化/還原刻蝕劑。在適當的條件下，該溶液將非常快地形成微電化學電池，用作陽極/陰極對，刻蝕掉矽襯底材料和臨時形成的二氧化矽。這類反應等同地作用於所有表面上。這意味著趨向於基本上拉平或者洗掉任何的表面不規則。所得表面是基本上無缺陷的，具有光譜上鏡面般的外觀以及在100埃量級的表面粗糙度。
已經對根據上面參考圖38-43所述的方法機加工的矽樣品進行了試驗。將這些矽樣品稱作「試樣」。作為已經怎樣機加工的函數，測量矽試樣的強度。試驗結果表明，使用上面參考圖38-43所述的方法大大增加了由3點彎曲試驗所測量的斷裂模量(MOR)。可以使用下述的數據比較機械裝置、根據如參考圖38-43所顯示並說明的本發明實施方案的方法以及根據本發明實施方案在本文中描述的其它矽製造方法製備的手術和非手術刀片的強度。
由於單晶矽中脆性斷裂的破壞模式，需要準確代表根據上述本發明的任意各種方法製造的矽產品的試樣片。需要平均MOR和統計分布值以平均的方式表徵材料的強度。
在實施強度測量試驗中，評價金剛石砂輪劃割刀刃、採用GemCity製造的短脈衝YAG雷射器切割的刀刃，以及採用Synova製造的長脈衝YAG雷射器切割的刀刃。此外，在刻蝕掉50μ矽後和刻蝕掉150μ矽後測試這三個表面。刻蝕劑用來除去由切割方法產生的損傷/應力集中點並且還用來減少已經減弱了具有缺陷的最終邊緣的數量。
對於每種情況，在使用撓曲模式的拉伸強度試驗機(Instron)上，衝擊(pushed)測量20mm×7mm的10個試樣至破壞。在每種情況中，在切割後刻蝕側壁顯著增加了平均MOR。下面在表VI中總結了數據。在表VI中，to表示試樣的初始厚度。更高的MOR值可以歸因於刻蝕消除掉側壁中的任何碎屑或刮痕，如圖44-52中所示。在圖44-52中，tr表示了試樣的最終厚度。通過消除側壁中的任何碎屑或刮痕，試樣體內可能引發災難性裂紋的位置的總體數量巨大降低。已經批量獲得刻蝕至250μ的部分的數據(除了那些在從大約300μ-大約250μ的刻蝕深度由Gem City裝置切割出的外)並且分布分析。數據擬合出正態分布，平均MOR為1254MPa並且標準偏差為455MPa。
表VI作為切割方法和刻蝕除去的材料的函數的MOR111取向跨度16.5mmto＝300μMOR(MPa)用Gem City雷射器切割無刻蝕 164.6用Gem City雷射器切割刻蝕至250μ693.3用Synova雷射器切割無刻蝕 336.0用Synova雷射器切割刻蝕至250μ 1205.5用Disco鋸切割無刻蝕507.0用Disco鋸切割刻蝕至250μ 1240.0111取向to＝400μ用Gem City雷射器切割無刻蝕 176.1用Gem City雷射器切割刻蝕至250μ1245.4用Synova雷射器切割無刻蝕 315.0用Synova雷射器切割刻蝕至250μ 1411.9用Disco鋸切割無刻蝕498.0用Disco鋸切割刻蝕至250μ 1218.0
試樣取向與平面平行。
每個樣品尺寸為10。
基於試驗結果在某種置信度下得到下面的結論●由Gem City雷射器產生的損傷深度顯著大於劃割或者Synova雷射器。在Gem City雷射器上切割的部分(170MPa)是在Synova雷射器上切割部分(325MPa)強度的一半。
●在Synova雷射器上切割的部分(325MPa)大約為在Disco鋸上切割部分(502MPa)強度的60％。這表明Synova雷射器的損傷深度更大。
●刻蝕掉50μ材料對於Disco(1230MPa)切割和Synova雷射器切割(1300MPa)得到非常相似的結果。這兩個值都是劃割和未刻蝕部分的兩倍多。
圖53A-53C說明金剛石刀片、金屬刀片和根據上文所述的本發明實施方案製造的矽刀片之間的比較結果。如圖53A所示，根據上文所述的本發明實施方案從矽製造的刀片以幾分之一的成本表現出比金剛石刀片更高的頂部刺傷力。矽刀片比金屬刀片具有更好的頂部刺傷力特性(比較第一個圓形(bullet)532(金剛石刀片)、第二個圓形534(矽刀片)和第三個圓形536(金屬刀片))。
根據上文所述的本發明實施方案製造的矽刀片可以比金屬刀片鋒利得多(並且可以幾乎等於金剛石刀片)並且比金屬刀片平滑得多(如上面參考表IV和V所述)。
圖53B和53C說明金剛石刀片、金屬刀片和根據本發明實施方案製造的矽刀片之間在引起傷口所需的壓力和穿透試驗介質所需的力方面的比較結果。
在圖63的流程圖中說明的方法600的各步驟可以被包含在上面參考1、2、3和38說明的製造手術或非手術刀片的其它方法中。方法600可以用來產生比上述其它方法更加複雜的刀片。下面以矽晶片202說明方法600。但是，本領域技術人員可以領會方法600以及本文所述的其它方法可以使用由其它材料組成的晶片202，其包括，但不局限於SiC、藍寶石、氧化鋁、以及其它類型的材料。這些材料可以是單晶或者多晶材料。
在根據圖1、2和3方法的步驟1004，以及根據圖38方法的步驟382中，已經在矽晶片(晶片)202中切割出通孔基準後，執行方法600。使用這些基準在製造過程後續步驟中使用的各種機器中對準矽晶片202。在方法600的步驟2000中，向晶片202的第一側上施加光抗蝕劑層540。在圖54中顯示了這個步驟。如果需要雙斜面刀片，那麼向晶片202的兩側施加光抗蝕劑層540。這在下面更詳細地說明。在步驟2002中，烘烤光抗蝕劑層540，將圖案化的光掩模544放在覆蓋光抗蝕劑的晶片202上，然後將具有烘烤的光抗蝕劑層540和圖案化的光掩模544的晶片202在紫外光542下曝光特定的一段時間。本領域技術人員可以領會不僅紫外光可以用於曝光光抗蝕劑層540，而且也可以使用X-射線以及其它類型的輻射(與所用的光抗蝕劑材料類型相關)。可以使用負或者正光抗蝕劑材料。本領域技術人員可以領會根據所需的斜面角和要使用的光抗蝕劑材料的類型和刻蝕方法圖案化的光掩模544將是不同的。
作為紫外光542曝光和隨後顯影的結果，光抗蝕劑層540變成圖案化的光抗蝕劑541並且圖案化光掩模544的圖案被複製到圖案化的光抗蝕劑541中。對於正光抗蝕劑材料，X射線或紫外線或其它輻射曝光的光抗蝕劑材料部分是在顯影期間除去的部分。對於負光抗蝕劑材料是相反的。圖55A說明用紫外光542曝光光抗蝕劑層540上面布置了第一圖案化光掩模544A的圖55的晶片202的截面圖，並且圖55B說明在已經完成紫外曝光、並且已經顯影光抗蝕劑層540以形成圖案化的光抗蝕劑層541並且已經除去了第一圖案化光掩模544A後的圖55A的晶片202的截面圖。與圖55A和55B中所示的相似，圖56A和56B說明第二圖案化光掩模544B的布置和紫外光曝光並顯影的實例。如果需要雙斜面刀片，對於晶片202的另一側可以重複步驟2000和2002。
接著步驟2002，方法600進行至判定步驟2003。作為步驟2000和2002的結果，晶片202的第一側上面具有第一圖案化的光抗蝕劑層541。在判定步驟2003中，判定是否要製造雙斜面刀片。如果要製造雙斜面刀片(判定步驟2003中「是」的路徑)，那麼判定是否已經機加工了兩側。如果沒有機加工兩側(判定步驟2001中「否」的路徑)，那麼方法600再次進行步驟2000和2002，其中在晶片202的第二側上沉積第二光抗蝕劑層540，並且在步驟2002中，烘烤第二側，並且在第二光抗蝕劑層540上布置第二圖案化的光掩模544B。然後用紫外光、X射線或者其它類型的輻射通過第二圖案化的光掩模544B曝光第二光抗蝕劑層540。結果，第二光抗蝕劑層540變成第二圖案化的光抗蝕劑層541。然後，所述方法返回步驟2003，其中再次判定這是上面已經製造出一個或者多個雙斜面刀片的晶片(判定步驟2003中「是」的路徑)。然後，方法600判定已經機加工了晶片202的兩側(判定步驟2001中「是」的路徑)，並且進行至步驟2005。在步驟2005中，顯影第一和第二側分別採用第一和第二圖案化的光抗蝕劑層540A、540B覆蓋的晶片202，從而除去第一和第二圖案化的光抗蝕劑層540A、540B的特定部分。如上所述，顯影並除去的圖案化光抗蝕劑層541A、541B的部分與光抗蝕劑材料是負型或正型有關。然後，方法600行進至步驟2004，在下面更詳細地討論該步驟。
如果在第一次通過步驟2000和2002後判定不是製造雙斜面刀片(判定步驟2003中「否」的路徑；即單斜面刀片)，方法600行進至步驟2005。在步驟2005中，顯影只有第一側用第一圖案化的光抗蝕劑層541覆蓋的晶片202，從而除去第一圖案化的光抗蝕劑層541的特定部分。如上所述，顯影並除去的圖案化光抗蝕劑層541A的部分與光抗蝕劑材料是負型或正型有關。然後，方法600行進至步驟2004，在下面更詳細地討論該步驟。
基於要形成的切割裝置的所需斜面角選擇光抗蝕劑層540上使用的圖案化的光掩模544。基於刻蝕方法，在下面更詳細討論的步驟2004將是溼、幹、各向同性或者各向異性的刻蝕來選擇適當的圖案。例如，因為將使用不同的刻蝕方法，所以圖55A、55B和56A、56B使用不同的圖案化光掩模544。許多刻蝕組合是可能的，並且還能擴展為多個掩模和重複刻蝕，從而形成幾乎任何斜面角。通過實例並且決不是指限制性的實例，可以使用第一圖案化的光掩模544A，然後第一刻蝕方法，然後使用第二圖案化的光掩模544B，接著是第一或者第二刻蝕方法。
在步驟2004中，進行晶片202的刻蝕。如上所述，刻蝕是除去組成晶片202的晶態材料層以產生刀片(手術或其它)或者其它類型工具的過程。在此情況下，使用刻蝕產生定義了刀片形狀和角度的溝槽。如上所述，通過各種機械方法，包括但不局限於用金剛石鋸片或刨槽機切割、或者使用雷射器或超聲機加工裝置形成溝槽，在圖1、2、3和38中所示方法的步驟1008中通常實施開槽步驟。在刻蝕形成溝槽後，除去圖案化的光抗蝕劑層541並且進行附加刻蝕以完成材料除去過程並且實際上形成刀片的鋒利刀刃。儘管該方法有點更加複雜，如上所述，但是它允許製造者產生非常複雜的刀片設計，包括多個斜面、多個斜面角和各種剖面角。
在步驟2004中，部分刻蝕用圖案化光抗蝕劑層541遮擋的晶片202。無論已經在哪裡顯影掉圖案化光抗蝕劑層541，將刻蝕掉曝光的下面的晶片202。根據所選的刻蝕劑，刻蝕劑將或者底切(undercut)出圖案化的光抗蝕劑層541或者直接複製出圖案化光抗蝕劑層541的幾何結構。這在圖57A、57B和58中顯示。
圖57A說明根據本發明實施方案在已經發生了部分各向異性刻蝕後圖55B的矽晶片的截面圖，並且圖57B說明根據本發明另一個實施方案在各向異性刻蝕方法已經原位轉變成各向同性刻蝕方法後圖56B的矽晶片的截面圖。圖58說明根據本發明實施方案在已經發生了部分溼各向同性刻蝕後圖56B的矽晶片的截面圖。
圖57A說明刻蝕劑直接複製出圖案化光抗蝕劑層541幾何結構的實例。在此情況下中使用的刻蝕劑是各向異性的反應性離子刻蝕(各向異性RIE)。第一刻蝕區546A和546B複製出圖案化光抗蝕劑層541的幾何結構。在圖58中，溼各向同性刻蝕劑已經底切出顯影的光抗蝕劑層541。圖58說明上面參考圖1、2、3和38中所示方法更詳細討論的溼各向同性刻蝕方法。圖58中的圖案化光抗蝕劑層541不受溼各向同性刻蝕方法的影響，並且保留了其原始結構(與圖56B的未刻蝕晶片202相比)。
圖57B說明結合各向異性和各向同性反應性離子刻蝕(RIE)方法來形成V形溝槽、或者第二刻蝕區548A、548B的結果。在圖57B中，由兩步RIE過程形成第二刻蝕區548A、548B。首先，在導致各向異性刻蝕的等離子體條件下刻蝕晶片202。這導致了如圖57A中所示的晶片202。然後，原位改變工藝參數，從而刻蝕各向同性地進行。RIE各向同性刻蝕劑影響圖案化的光抗蝕劑層541，這可以從比較圖57B的晶片202與圖55B和57A的晶片202中看出。通過仔細選擇線寬和它們的相對間距，可以在不同的速率下在襯底中製造出RIE各向異性刻蝕部分。
圖58說明在已經發生了溼各向同性刻蝕後圖56B的矽晶片的截面圖，其允許溼各向同性刻蝕劑基本上底切出圖案化的光抗蝕劑層541。這就導致淺的V形溝槽、或者第三刻蝕區550。在任意上述刻蝕方法(和它們的各種組合)中，刻蝕方法僅需要進行至大約數十微米(晶片202初始厚度幾分之一)，產生將在最終的刀片上變成切割刀刃預成形體的適當溝槽。
接著步驟2004，其中使用任意上述刻蝕方法(或者它們的組合)刻蝕晶片202，通過適當的溼化學劑(溶劑、商業光剝離劑等)在步驟2006中除去圖案化的光抗蝕劑層541，或者在氧等離子體設備中灰化。圖59說明圖57B的但除去了圖案化光抗蝕劑層541的晶片的截面圖。該晶片202將產生單斜面刀片。圖60說明圖58B的但除去了圖案化光抗蝕劑層541的晶片202的截面圖。該晶片202將產生單斜面刀片。圖61說明採用兩次部分刻蝕(與圖59的刻蝕相似的兩次刻蝕)製造出雙斜面刀片並且除去了圖案化光抗蝕劑層541的晶片的截面圖，並且圖62說明採用兩次部分刻蝕(與圖60的刻蝕相似的兩次刻蝕)製造出雙斜面刀片並且除去了圖案化光抗蝕劑層541的晶片202的截面圖。
一旦已經在步驟2006中除去了圖案化光抗蝕劑層541，在步驟2008中將初始刻蝕(或者開槽的)晶片202安裝到UV雷射器劃割帶上，並且在步驟2010中在晶片202中切出通孔狹縫390，以形成刀片的非切割邊緣。這兩個步驟都在上述更詳細地說明了。在步驟2012中，從雷射器帶上取下安裝的晶片202並且在連續的浴中清洗，除去碎片和有機及金屬汙染物。然後，方法600返回至上面參考圖1、2、3和38說明的方法，實施如在步驟1018中所述的各向同性刻蝕。但是，可以進行許多附加步驟來實現其它特徵。例如，如上面參考步驟2002所述，在各向同性刻蝕步驟1018前向晶片202的一側施加塗層。另外，如上面參考步驟1016所述，可以實施可選的劃割步驟。接著步驟1018的溼各向同性刻蝕，如果接著是圖1的方法，則所述方法進行至步驟1019(可選地添加轉變層)，或者如果接著圖2、3和38的方法，則進行至步驟1020(安裝)。
在刻蝕步驟1018中，現在如上所述在各向同性的HNA浴中溼刻蝕晶片202。由HNA刻蝕一起形成V形溝槽(或者第一、第二或者第三刻蝕區546、548、550)，從而產生非常鋒利的切割刀刃，同時它也刻蝕掉平面表面使整個晶片/刀片具有其最終的目標厚度。然後，將晶片202轉移至徹底漂洗的刻蝕停止步驟。然後，如上面更詳細地所述，將刀片分成單個，並且與把手結合，產生有用的機械切割工具(醫學利刃)。
已經參考其示例性的實施方案說明了本發明。但是，本領域技術人員容易明白可以以上述示例性實施方案以外的具體形式體現本發明。可以這樣做而不會背離本發明的精神和範圍。示例性的實施方案只是舉例說明並且決不認為是限制性的。
權利要求
1.一種從晶態材料晶片製造切割裝置的方法，其包括在晶態材料的第一側上的晶態材料晶片中形成溝槽，所述溝槽包含刀片的至少一個刀片輪廓；以及刻蝕晶態材料的至少第一側以形成至少一個切割刀刃。
2.根據權利要求1的方法，其還包括在晶態材料中形成至少一個刀片側邊；並且其中所述刻蝕晶態材料的至少第一側包括刻蝕所述至少一個側邊。
3.根據權利要求2的方法，其中所述至少一個側邊包括非線型部分。
4.根據權利要求3的方法，其中所述非線型部分是馬蹄形狀。
5.根據權利要求1的方法，其中溝槽的形成包括形成含有第一斜面的第一圖案；以及所述刻蝕所述晶態材料的至少第一側包括刻蝕所述第一斜面以形成所述至少一個切割刀刃的至少第一部分。
6.根據權利要求5的方法，其中溝槽的形成包括形成含有第二斜面的第二圖案；以及所述刻蝕所述晶態材料的至少第一側包括刻蝕所述第二斜面以形成至少第二切割刀刃的至少第二部分。
7.根據權利要求6的方法，其中在所述晶態材料的第一側上布置第一圖案和第二圖案，從而使所述第一斜面和第二斜面彼此分開。
8.根據權利要求7的方法，其中第一和第二圖案至少之一包括許多以雪花狀圖案在晶態材料的第一側上形成的多個斜面。
9.根據權利要求1的方法，其還包括在所述晶態材料中形成至少一個狹縫，所述狹縫包括刀片的非切割邊的至少一部分。
10.根據權利要求9的方法，其中所述形成至少一個狹縫包括使刀片的非切割邊長度最大化。
11.根據權利要求1的方法，其中所述刻蝕步驟包括將具有至少一個刀片輪廓的晶態材料晶片放置到晶片舟上；將晶片舟和具有至少一個刀片輪廓的晶態材料晶片浸在各向同性的酸浴中；及以均勻的方式刻蝕晶態材料，從而以均勻的方式除去曝光表面上的晶態材料，因此按所述至少一個刀片輪廓的形狀刻蝕出鋒利的切割裝置刀刃。
12.根據權利要求11的方法，其中所述各向同性的酸浴包括氫氟酸、硝酸和乙酸的混合物。
13.根據權利要求11的方法，其中所述各向同性的酸浴包括氫氟酸、硝酸和水的混合物。
14.根據權利要求1的方法，其中所述刻蝕步驟包括將具有至少一個刀片輪廓的晶態材料晶片放置到晶片舟上；在晶片舟和具有至少一個刀片輪廓的晶態材料晶片上噴撒噴霧刻蝕劑；及用噴霧刻蝕劑以均勻的方式刻蝕晶態材料，從而以均勻的方式除去曝光表面上的晶態材料，因此按所述至少一個刀片輪廓的形狀刻蝕出鋒利的切割裝置刀刃。
15.根據權利要求1的方法，其中所述刻蝕步驟包括將具有至少一個刀片輪廓的晶態材料晶片放置到晶片舟上；將晶片舟和具有至少一個刀片輪廓的晶態材料晶片浸入各向同性的二氟化氙、六氟化硫或者相似的氟代氣體環境中；及用各向同性的二氟化氙、六氟化硫或者相似的氟代氣體以均勻的方式刻蝕晶態材料，從而以均勻的方式除去曝光表面上的晶態材料，因此按所述至少一個刀片輪廓的形狀刻蝕出鋒利的切割裝置刀刃。
16.根據權利要求1的方法，其中所述刻蝕步驟包括將具有至少一個刀片輪廓的晶態材料晶片放置到晶片舟中；將晶片舟和具有至少一個刀片輪廓的晶態材料晶片浸入電解浴中；及用電解浴以均勻的方式刻蝕晶態材料，從而以均勻的方式除去曝光表面上的晶態材料，因此按所述至少一個刀片輪廓的形狀刻蝕出鋒利的切割裝置刀刃。
17.根據權利要求2的方法，其中所述形成至少一個側邊包括將能量從來自準分子雷射器或者雷射射水的雷射束傳送給晶態材料。
18.根據權利要求9的方法，其中所述形成至少一個狹縫包括將能量從來自準分子雷射器或者雷射射水的雷射束傳送給晶態材料。
19.根據權利要求1的方法，其中所述晶態材料包括矽。
20.根據權利要求1的方法，其中所述形成溝槽包括在晶態材料的第一側上形成光抗蝕劑層；圖案化所述光抗蝕劑層，從而從晶態材料第一側的至少第一部分中除去至少一部分光抗蝕劑層；部分刻蝕所述晶態材料第一側的第一部分以形成溝槽；以及在刻蝕所述晶態材料的至少第一側之前除去光抗蝕劑層。
21.根據權利要求1的方法，其中所述部分刻蝕包括各向同性反應性離子刻蝕所述晶態材料的第一部分和各向異性反應性離子刻蝕所述晶態材料的第一部分中至少之一。
全文摘要
眼科手術刀片從或者單晶或者多晶材料，優選是晶片形式的材料製造。所述方法包括通過安裝晶片來準備單晶或者多晶晶片並使用數種方法之一在晶片中刻蝕溝槽。形成斜面刀片表面的溝槽的機加工方法包括金剛石刀片鋸、雷射系統、超聲機械、熱鍛壓和刨槽機。其它的方法包括溼刻蝕(各向同性和各向異性)及幹刻蝕(各向同性和各向異性，包括反應性離子刻蝕)、以及這些刻蝕步驟的組合。然後，將晶片放在刻蝕劑溶液中，其以均勻的方式各向同性地刻蝕晶片，從而均勻地除去晶態的或者多晶材料層，產生單、雙或者多斜面刀片。可以在晶片中機加工出幾乎任何角度，並且在刻蝕後仍保留機加工的角度。所得刀片的刀刃半徑是5－500nm，這與金剛石刀刃的刀片口徑相同，但製造成本是幾分之一。半徑的範圍可以是30－60nm，具體的實現是大約40nm。刀片的輪廓具有例如大約60°的角度。眼科手術刀片可以用於白內障和屈光的手術程序，以及顯微手術、生物學的和非醫學的、非生物學的目的。如本文所述製造的手術和非手術刀片和機械裝置還表現出比金屬刀片光滑得多的表面。
文檔編號H01L21/302GK1965394SQ200580018355
公開日2007年5月16日 申請日期2005年4月29日 優先權日2004年4月30日
發明者詹姆斯·休斯, 瓦迪姆·達斯卡爾, 約瑟夫·基南, 埃迪拉·基斯, 蘇珊·查維茲 申請人:貝克頓·迪金森公司