从硅晶片制造复杂刀片几何体和增强刀片几何体的方法

专利名称：从硅晶片制造复杂刀片几何体和增强刀片几何体的方法
技术领域：
本发明涉及眼科和其它类型手术和非手术用的刀片和机械装置。更具体地说，本发明涉及从单晶硅和其它单晶或者多晶材料制造的眼科、微型手术和非手术刀片及机械装置，以及制造并加强上述机械装置、手术和非手术刀片的方法。
背景技术：
现有的手术刀片借助几种不同的方法制造，每种方法具有其自身的优点和缺点。最常用的制造方法是机械打磨不锈钢。随后研磨刀片(通过许多不同的方法，如超声浆磨、机械磨蚀和打磨)或者电化学抛光以实现锋利的刀刃。这些方法的优点是证明它们是大量制造一次性刀片的经济的方法。这些方法最大的缺点是刀刃质量是可变的，从而实现优越的锋利一致性仍是个挑战。这主要是由于其工艺的内在局限。刀片刀刃半径从30nm-1000nm。
刀片制造相对新的方法使用压印(coining)不锈钢代替打磨。随后，电化学抛光刀片以实现锋利的刀刃。已经发现该方法比打磨方法更经济。还已经发现生产出具有更好的锋利一致性的刀片。这种方法的缺点是锋利一致性仍然小于金刚石刀片制造方法所实现的锋利一致性。由于可任意处理的成本及其改善的质量，今天在软组织手术中使用金属刀片是普遍的。
在许多手术用品市场，尤其是在眼科手术用品市场中金刚石刀片在锋利性方面是金标准(gold standard)。已知金刚石刀片能够在最小的组织抵抗力下干净地切割软组织。由于多次切割时它们一致的锋利性，希望使用金刚石刀片。因为金属刀片的最终锋利性和锋利性的可变性劣于金刚石刀片，所以绝大多数外科医生使用金刚石刀片。用于制造金刚石刀片的制造方法使用研磨方法来实现精致的利刃和一致的刀刃半径。所得刀片的刀刃半径从5nm-30nm。该方法的缺点是速度慢并且作为直接的结果，制造这种金刚石刀片的成本在$500-$5000的范围内。因此，销售这些刀片用于重复应用。这种方法目前用于其它不太硬的材料，如红宝石和蓝宝石，以更低的成本实现相同的锋利性。但是，尽管比金刚石便宜，红宝石和/或蓝宝石手术质量刀片仍具有制造成本相当高，在$50-$500的范围内，并且它们的刀刃只能持续大约2百个病例的缺点。因此，销售这种刀片用于重复使用和有限的重复使用的应用中。
已经有一些使用硅制造手术刀片的建议。但是，在一种情况或另一种情况中，这些方法在其以一次性的成本制造各种结构的刀片的能力方面是有限的。许多硅刀片的专利基于硅的各向异性刻蚀。各向异性刻蚀方法是高度方向性的刻蚀，在不同方向上具有不同的刻蚀速率。该方法可以产生锋利的切割刀刃。但是，由于该方法的特性，它受到刀片形状和包括的可以获得的斜角的限制。湿的体相各向异性刻蚀方法，如那些使用氢氧化钾(KOH)、乙二胺/邻苯二酚(pyrcatechol)(EDP)和三甲基-2-羟乙基氢氧化铵(TMAH)浴的方法沿着特定的晶面刻蚀以实现锋利的边缘。该晶面典型地是硅<100>中的(111)面，从硅晶片表平面成54.7°角度。这产生了包含54.7°斜角的刀片，已经发现因为该刀片由于太不锋利而在大多数手术应用中是临床上不可接受的。因为包括斜角是109.4°，所以当使用这种技术制造双斜面刀片时这种应用是更坏的。所述方法进一步受到可以制造的刀片轮廓的限制。刻蚀面在硅晶片中彼此成90°。因此，只能制造具有矩形剖面的刀片。
在下面更详细说明的从硅制造手术和非手术刀片的方法中，在一个或多个机加工步骤期间可能在脆的硅材料中导致机械损伤。裂纹、碎片、刮痕和锐边全部作为脆性材料中裂纹的开始点。当机械装置负荷或者受到应力时，这些点会引发灾难性的失效。
在从晶片形成的刀片中产生锋利的刀刃的其它方法也是公知的，其中连同各向同性的湿或干刻蚀一起，使用光掩模来刻蚀晶片以形成眼科刀片几何体和切割刀刃。在所述方法中，刀片的整个周边穿透刻蚀(etch through)并且形成锋利的刀刃。只有当刻蚀掩模位于原位时才会发生这种穿透的刻蚀。掩模大致定义了将要产生的切割刀刃的位置。然后，除去掩模并且当溶解了其载体时刀片自由地漂出(需要额外的管芯级清洗步骤)。这对于大规模生产高质量的、无缺陷的眼科刀片既效率低又是无效的。因为向制造过程添加了步骤，所以效率低。
这种方法还固有地存在着明显的切割刀刃几何形状限制。这种方法产生的斜面对于单斜面刀片局限于低效的45°并且对于双斜面刀片局限不切实际的90°。此外，所述方法严重地限制斜面的宽度为最大值，对于单斜面刀片为晶片的一倍厚度，并且对于双斜面刀片为晶片的一半厚度。通过在眼科团体中很少采用可以证明，这些几何形状导致不良的切割工具。
因此，需要制造解决上述方法缺点的刀片。本发明的系统和方法可以以不锈钢方法的一次性成本制造出具有金刚石刀片锋利程度的刀片。另外，本发明的系统和方法可以大量地并且在严密的工艺控制下生产刀片。此外，本发明的系统和方法可以生产具有线型或非线型刀片斜面的手术和各种其它类型刀片。再另外，本发明的系统和方法可以除去当根据本文所述的方法制造刀片(手术或非手术)或者其它机械装置时引入硅单晶材料中的机械损伤。

发明内容
通过本发明克服了上述缺点并且实现了大量优点，本发明涉及从诸如硅的晶态或多晶材料制造手术刀片的系统和方法，其通过各种方法提供了在晶态或多晶晶片中以任何所需的斜面角或刀片结构机加工沟槽。然后，为了形成均匀半径的并对软组织手术应用足够质量的切割刀刃，将机加工的晶态或多晶晶片浸在各向同性的刻蚀溶液中，该溶液均匀地逐层除去晶片材料的分子。本发明的系统和方法提供了制造这种高质量手术刀片的非常廉价的方法。
因此，本发明的目的是提供制造手术刀片的方法，其包括如下步骤在安装组件上安装硅或者其它晶态或多晶晶片，用刨槽机(router)在晶态或多晶晶片的第一侧上机加工一个或多个沟槽以形成线型或非线型的沟槽，刻蚀晶态或多晶晶片的第一侧以形成一个或多个手术刀片，将手术刀片分成单个(singulating)，以及装配手术刀片。
本发明的另一个目的是提供制造手术刀片的方法，其包括如下步骤在安装组件上安装晶态或多晶晶片，用刨槽机在晶态或多晶晶片的第一侧上机加工一个或多个沟槽以形成线型或非线型的沟槽，用涂层涂布晶态或多晶晶片的第一侧，从安装组件上拆下晶态或多晶晶片，并且在安装组件上重新安装晶态或多晶晶片的第一侧，机加工晶态或多晶晶片的第二侧，刻蚀晶态或多晶晶片的第二侧以形成一个或多个手术刀片，将手术刀片分成单个，以及装配手术刀片。
本发明的再另一个目的是提供制造手术刀片的方法，其包括如下步骤在安装组件上安装晶态或多晶晶片，用刨槽机在晶态或多晶晶片的第一侧上机加工一个或多个沟槽以形成线型或非线型的沟槽，从安装组件上拆下晶态或多晶晶片，并且在安装组件上重新安装晶态或多晶晶片的第一侧，用刨槽机加工晶态或多晶晶片的第二侧以形成线型或非线型的沟槽，刻蚀晶态或多晶晶片的第二侧以形成一个或多个手术刀片，转变晶态或多晶材料层以形成硬化的表面，将手术刀片分成单个，以及装配手术刀片。
本发明的再另一个目的是为根据本文所述的方法制造的手术刀片提供眼科、显微手术、心脏、眼睛、耳朵、脑、重构和美容手术及生物学用途，以及各种非医学或非生物学用途的几个示例性的实施方案。
本发明的再另一个目的是提供增加根据本文所述的一种或多种方法从包括硅的单晶或多晶材料制造的机械装置及手术和非手术刀片强度的系统和方法。
因此，本发明的目的是提供基于各向同性和各向异性刻蚀方法的方法，其没有先有技术的所有缺陷并且具有本文所述的全部优点。该方法允许形成复杂的刀片几何体，其中包括但不局限于各种单和双斜面的狭缝刀(slit knives)、梯形刀(trapezoidal knives)、凿刀(chiselknives)及其它。根据本发明几个实施方案的使用各向同性刻蚀方法制造刀片的上述方法受到形成将最终变成刀片切割刀刃的V形沟槽的精确机械方法的有效性的限制。根据本发明实施方案的方法产生V形沟槽而不会向晶片添加任何机械应力。通过使用光掩模、湿刻蚀(各向同性和各向异性)和干刻蚀(各向同性和各向异性，包括反应性离子刻蚀)的组合，以无限数量的两维几何形状形成V形沟槽并且对预成形的斜面角具有优异的控制。一旦已经形成了初始的V形沟槽(或沟槽)，然后使带沟槽的晶片接受本文所述的无掩模的各向同性刻蚀方法。然后，可以产生最终的刀片几何形状和非常锋利的切割刀刃。


当结合附图阅读时，参考下面优选实施方案的详细说明将最好理解本发明的新颖特征和优点。
图1说明根据本发明第一实施方案从硅制造双斜面手术刀片的方法的流程图；图2说明根据本发明第二实施方案从硅制造单斜面手术刀片的方法的流程图；图3说明根据本发明第三实施方案从硅制造单斜面手术刀片的替代方法的流程图；图4说明安装在安装组件上的硅晶片，俯视图；图5说明安装在安装组件上的硅晶片，侧视图；图6说明根据本发明实施方案使用激光射水预切割硅晶片来辅助在硅晶片中机加工沟槽；图7A-7D说明根据本发明实施方案用来在硅晶片中机加工沟槽的划割锯片结构；图8说明根据本发明实施方案划割锯片通过安装在支撑衬垫上的硅晶片的操作；图8A-8C说明当根据本发明实施方案用划割锯片在硅晶片中机加工沟槽时狭缝的使用；图9说明根据本发明实施方案在带型安装的硅晶片中机加工沟槽的划割锯片的截面图；图10A和10B分别说明根据本发明实施方案制造的具有单斜面切割刀刃的硅手术刀片和具有双斜面切割刀刃的硅手术刀片；图11说明根据本发明实施方案用来在硅晶片中机加工沟槽的激光系统的方框图；图12说明根据本发明实施方案用来在硅晶片中机加工沟槽的超声机加工系统的方框图；图13说明根据本发明实施方案用来在硅晶片中形成沟槽的热锻系统的图；图14说明根据本发明实施方案具有一个机加工的沟槽并向机加工侧施加了涂层的硅晶片；图15说明根据本发明实施方案在带型安装的硅晶片中机加工第二个沟槽的划割锯片的截面图；图16说明根据本发明实施方案已经在两侧上机加工了沟槽的硅晶片的剖面图；图17A和17B说明根据本发明实施方案在两侧上具有机加工沟槽的硅晶片上进行的各向同性刻蚀方法；图18A和18B说明根据本发明实施方案在两侧上具有机加工沟槽并且在一侧上具有涂层的硅晶片上的各向同性刻蚀方法；图19说明根据本发明实施方案制造的在一侧上具有涂层的双斜面硅手术刀片的所得切割刀刃；图20A-20G说明可以根据本发明方法制造的手术刀片的各种实例；图21A和21B分别说明在5,000倍放大倍数下根据本发明实施方案制造的硅手术刀片和不锈钢手术刀片的刀片刀刃的侧视图；图22A和22B分别说明在10,000倍放大倍数下根据本发明实施方案制造的硅手术刀片和不锈钢刀片的刀片刀刃的俯视图；图23A和23B说明根据本发明另一个实施方案在一侧上具有机加工沟槽并且在相对侧上具有涂层的硅晶片上的各向同性刻蚀方法；图24说明根据本发明实施方案制造的把手和手术刀片的后狭缝组件(post-slot assembly)；图25A和25B说明根据本发明实施方案由晶态材料制成的刀刃和包括层转变过程的由晶态材料制成的刀刃的剖面透视图；图26-29说明根据本发明实施方案使用刨槽机在晶态材料中机加工线型或非线型沟槽的步骤；图30说明根据本发明实施方案在晶态材料中刨出线型或非线型沟槽的流程图；图31A-31C说明根据本发明实施方案制造的双斜面多刻面刀片；图32A-32C说明根据本发明实施方案制造的可变双斜面刀片；
图33A-33D说明根据本发明实施方案制造的可以用于眼科和其它显微手术用途的手术刀片的几个实例；图34A-34C说明根据本发明实施方案制造的手术刀片的各种制造参数；图35A和35B说明根据本发明实施方案制造的手术刀片的附加制造参数；图36说明根据本发明实施方案从金属制造的刀片和从硅制造的刀片的刀刃半径范围的比较；图37说明根据本发明实施方案从金属制造的刀片和从硅制造的刀片的表面粗糙度范围的比较；图38说明根据本发明第四实施方案制造硅手术刀片的方法的流程图；图39-43说明当根据图38中说明的制造硅手术刀片的方法加工时的硅晶片；图44-52说明通过金刚石锯和激光刻蚀各种深度硅试样件在表面平滑度方面的结果；以及图53A-53C说明金刚石刀片、金属刀片和根据本发明实施方案制造的硅刀片之间在顶端刺伤力、引起伤口所需的压力和穿透试验介质所需的力方面的比较结果；图54说明根据本发明实施方案用于制造手术刀片的具有光阻材料(光抗蚀剂)的硅的截面图；图55A说明在光抗蚀剂层上面布置的第一图案化光掩模暴露于紫外线下的图55的硅晶片的截面图，并且图55B说明在已经完成紫外线曝光、显影光抗蚀剂和除去第一图案化光掩模后的图55A的硅晶片的截面图；图56A和56B与图55A和55B中所示相似，说明第二图案化光掩模的布置和紫外线曝光的实例；图57A说明根据本发明实施方案在已经发生了部分各向异性刻蚀后图55B的硅晶片的截面图，并且图57B说明根据本发明另一个实施方案在各向异性刻蚀方法已经原位转变成各向同性刻蚀方法后图56B的硅晶片的截面图；图58说明根据本发明再另一个实施方案在已经发生了部分湿各向同性刻蚀后图56B的硅晶片的截面图；图59说明图57B的但除去了显影的光抗蚀剂层的硅晶片截面图；图60说明图58的但除去了图案化的光抗蚀剂层的硅晶片截面图；图61说明用与图57A和57B中所示的刻蚀方法相似的两次部分刻蚀制备双斜面刀片的硅晶片的截面图；图62说明用与图58的刻蚀相似的两次部分刻蚀制备不同类型的双斜面刀片的硅晶片的截面图；图63说明根据本发明实施方案的硅手术刀片制造方法的流程图。
具体实施例方式
现在将参考

优选实施方案的各种特征，其中相似的部分用相同的附图标记表示。下面对实践本发明的目前认为最佳方式的说明不是以限制的意义给出，而是仅为了说明本发明的一般原理来提供。
本发明的系统和方法提供了用于切割软组织的手术刀片的制造方法。尽管以手术刀片说明优选的实施方案，但是根据本发明下面详细讨论的方法还可以制造大量的切割装置。因此，本发明领域技术人员清楚尽管在整个这些讨论中参考“手术刀片”，但是可以制造大量其它类型的切割装置，例如包括医用剃刀、柳叶刀、皮下注射器针头、采样套管及其他医用利器。另外，根据本发明系统和方法制造的刀片还用作其它非医学用途，例如包括剃须和实验室使用(例如组织取样)的刀片。另外，尽管整个下面的讨论提及眼科用途，但是大量其它类型的医学用途包括但不局限于眼睛、心脏、耳朵、脑、美容和重构手术。
尽管是本领域技术人员公知的，但是应该定义术语单斜面、双斜面和刻面。单斜面指刀片上一个斜面，其中所得锋利的切割刀刃在与刀片主要表面相同的面上。例如参见在下面更详细讨论的图10A。双斜面指刀片上两个斜面，其中所得锋利的切割刀刃基本上在与整个所得刀片中心线相同的面上，如图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，每个斜面可以具有一个、两个或多个刻面。因此，在任何一个刀片上，可以有多个锋利的刀刃(或者即多组斜面，并且每个斜面可以具有一个或者多个刻面)。
图34A-34C说明根据本发明实施方案制造的手术刀片340的辅助视图。在图34A中，说明手术刀片的各个参数。例如，侧切长度、尖到肩长度和剖面角度都被示出。每个参数的值根据刀片的设计和预期的用途而不同。但是因为手术或非手术刀片制造方法(如下所述)的益处，根据这些方法制造的特定手术刀片的剖面角可以制造成小于典型遇到的角度。仅为举例说明的目的，并且不是以限制意义给出，根据本发明一个实施方案对于特定的刀片剖面可以获得大约60°的剖面角。图34B和34C说明如上所述的其它参数。
本领域技术人员公知的其它工业术语和参数是刀片的刀刃半径。“切割半径”或者“刀刃半径”是切割皮肤、眼睛(在眼科用途的情况中)或者其它材料/物质的锐化刀刃的半径。举例来说，如果外科医生使用刀片切割或切开病人的眼睛，所用的刀片尽可能地锋利如果不是决定性，也是非常重要的。图35A和35B说明根据本发明实施方案制造的手术刀片的刀刃半径。图35B是图35A的刀片350沿着线A-A的视图。如下面所述的根据本发明实施方案制造的刀片(手术或非手术)可以具有在大约30nm-大约60nm范围内的刀刃半径，并且在本发明的一个实施方案中，可以具有大约40nm的刀刃半径。表I和表II说明在金属刀片的刀刃半径和如下面所述根据本发明实施方案制造的硅刀片的刀刃半径测量中积累的原始数据。在图36中通过第一条曲线362总结了该数据，其说明如下所述根据本发明实施方案制造的刀片的刀刃半径范围，认为小于在图36中由第二条曲线364所示的金属刀片的刀刃半径范围。刀刃半径越小产生越锋利的刀片。
表I刀刃半径-金属刀片

表II刀刃半径-硅刀片

制造刀片的基础材料是具有优选晶体取向的单晶硅。但是，硅的其它取向也是合适的，并且可以各向同性地刻蚀其它材料。例如，也可以使用具有<110>和<111>取向的硅晶片，以及以各种电阻率和含氧量水平掺杂的硅晶片。另外，可以使用由其它材料，如氮化硅和砷化镓制成的晶片。晶片形式对于基础材料是一种特别有用的形式。除了单晶材料外，还可以使用多晶材料制造手术刀片。这些多晶材料的实例包括多晶硅。很清楚术语本文使用的“晶态”将用来指单晶和多晶材料。
因此，本发明领域技术人员清楚尽管在整个讨论中提及“硅晶片”，但是根据本发明的各种实施方案可以使用与各种取向组合的任意上述材料，以及可能可利用的其它适当的材料和取向。
图1说明根据本发明第一实施方案从硅制造双斜面手术刀片的方法的流程图。图1、2和3的方法一般性说明了可以用来制造根据本发明的硅手术刀片的方法。但是，可以改变图1、2和3中所示的方法步骤的顺序来产生不同标准的硅手术刀片，或者满足不同的制造环境。
例如，尽管如下所示并说明的图1说明根据本发明第一实施方案制造双斜面手术刀片的方法，但是可以使用该方法制造每个切割刀刃具有多个(即三个或更多个)刻面。图31A-C说明这种刀片，并且在下面更详细地说明。此外，所示和说明的方法还可以用来制造可变的双斜面刀片，如图32所示。下面也将更详细地说明图32。另外，作为具有两个(或更多个)斜面角的具有两个(或更多个)切割表面的单面刀片的另一个实例，使用本文所述的方法可以制造图20B和20D中所示的刀片，其对于多个刀片刀刃具有不同的斜面角。如此，图1、2和3的方法代表了根据本发明方法的一般性实施方案，因为有许多不同的变动，包括可以得到根据本发明精神和范围制造的硅手术刀片的相同步骤。
图1的方法用来根据本发明实施方案优选使用诸如硅的晶态材料制造双斜面手术刀片，并且从步骤1002开始。在步骤1002中，将硅晶片安装在安装组件204上。在图4中，显示了安装在晶片框/UV带组件(安装组件)204上的硅晶片202。安装组件204是半导体工业中处理硅晶片材料的常用方法。本领域技术人员清楚根据本发明实施方案制造手术刀片不一定需要将硅(晶态)片202安装到晶片安装组件204上。
图5说明安装在相同安装组件204上的相同硅晶片202，但是是侧视图(左或右；它是对称的，尽管不一定是这种情况)。在图5中，将硅晶片202安装在带308上，然后将其安装到安装组件204上。硅晶片202具有第一侧304和第二侧306。
再参考图1，步骤1002后是判定步骤1004。判定步骤1004决定如果需要则在步骤1006中在硅晶片202中进行可选的预切割。如图6所示，可以通过激光射水402进行所述预切割。在图6中，显示了将激光束404导向到安装在安装组件204上的硅晶片202上的激光射水(laser waterjet)402。在图6中可以看出，作为激光束404与硅晶片202冲击的结果，可以在硅晶片202中产生各种预切割的孔洞(或者通孔基准)406。
由激光束404烧蚀硅晶片202。激光束404烧蚀硅晶片202的能力与激光波长λ相关。在一个使用硅晶片的实施方案中，获得最佳结果的波长是典型地由YAG激光器提供的1064纳米，但是也可以使用其它类型的激光器。如果使用不同的晶态或多晶材料，那么其它波长和激光器类型可能是更合适的。
所得的通孔基准406(按照这种方式可以切出多个孔洞)可以用作机加工沟槽的引导(参考下面的步骤1008详述)，尤其是如果将使用划割锯片来机加工沟槽时。也可以通过用于相同目的的任何激光束(例如准分子激光器或激光射水402)来切割通孔基准406。典型地以加号“+”或者圆圈形状切出预切割的通孔基准。但是，由具体的制造工具和环境决定通孔基准形状的选择，并因此不局限于只有上述两种形状。
除了使用激光束预切割通孔基准外，也可以使用其它的机械机加工方法。例如这些方法包括但不局限于钻孔工具、机械打磨工具和超声机加工工具100。尽管所述装置的使用对于本发明的实施方案是新颖的，本领域技术人员公知所述装置和它们的一般使用。
为了使硅晶片202在刻蚀方法期间保持其完整性并且不会破裂，在机加工沟槽前对硅晶片202进行预切割。可以使用激光束(例如激光射水402或者准分子激光器)在划割锯片502的椭圆形通孔狭缝中滚动(参考图7A-7C详细讨论)，从而在其周边内在硅晶片202中机加工沟槽。也使用用来产生通孔基准的机械机加工装置和方法(如上所述)来产生通孔狭缝。
再参考图1，下一个步骤是步骤1008，其可以接着步骤1006(如果在硅晶片202中切割通孔基准406)，或者接着硅晶片作为安装步骤的步骤1002和1004(“步骤1004”不是物理制造步骤；包括这些判定步骤来说明总的制造方法及其变化)。在步骤1008中，在硅晶片202的第一侧304中机加工沟槽。根据制造条件和最终硅手术刀片产品的所需设计，有几种可以用来机加工沟槽的方法。
机加工方法可以使用或者划割锯片、激光系统、超声机加工工具、热锻方法或者刨槽机。也可以使用其它机加工方法。将依次讨论每种方法。由这些方法的任一种机加工出的沟槽提供了手术刀片的角(斜面角)。当沟槽机加工在硅晶片202上操作时，或者以划割锯片的形状，由准分子激光形成的图案，或者由超声机加工工具形成的图案，以手术刀片预成形体的所需形状除去硅材料。在划割锯片的情况中，硅手术刀片将只具有直的刀刃；在后两种方法中，刀片基本上可以是任意所需的形状。在热锻方法的情况中，加热硅晶片使之可锻(malleable)，然后在两个压模间挤压，每个压模具有要“模压”入加热的可锻硅晶片中的所需沟槽的三维形状。为了这种讨论，“机加工”沟槽涵盖所有在硅晶片中制造沟槽的方法，包括那些具体提到的方法，无论是划割锯片、准分子激光、超声机加工还是热锻方法，以及未提到的等价方法。现在将更详细地讨论这些机加工沟槽的方法。
图7A-7D说明根据本发明实施方案用来在硅晶片中机加工沟槽的划割锯片结构。在图7A中，第一划割锯片502表现出角度Φ，其基本上是在已经完成整个制造过程后所得的角度。图7B说明第二划割锯片504，其具有两个成角度的切割表面，每个表面表现出切割角Φ。图7C说明第三划割锯片506，其也具有切割角Φ，但是结构与第一划割锯片502略微不同。图7D说明第四划割锯片508，与图7B相似，其具有两个成角度的切割表面，每个表面表现出切割角Φ。
尽管图7A-7D中显示的划割锯片502、504、506和508每个都具有相同的切割角Φ，但是本领域技术人员清楚切割角对于硅基手术刀片的不同用途可以是不同的。另外，如下面所述，单面硅手术刀片可以具有其中包括了不同角度的不同的切割刀刃。第二划割锯片504可以用来为硅基手术刀片的特殊设计增加制造能力，或者生产具有两个或三个切割刀刃的硅手术刀片。将参考图20A-20G详细地讨论刀片设计的各个实例。在本发明的一个实施方案中，划割锯片将是金刚石砂粒锯片。
使用特殊的划割锯片在硅晶片202的第一侧304中机加工沟道。具体选择划割锯片组成来提供最佳的所得表面同时维持可接受的磨损寿命。划割锯片的刀刃具有将设置硅晶片202中所得沟道形状的剖面的形状。该形状与所得刀片的斜面结构有关。例如，手术刀片典型地已经包括了对于单斜面刀片在从15°-45°范围内的斜面角并且对于双斜面刀片一半包括了在从15°-45°范围内的斜面角。结合刻蚀条件选择划割锯片提供了斜面角的精确控制。
图8说明根据本发明划割锯片穿过安装在支撑衬垫上的硅晶片的操作。图8说明在硅晶片202的第一侧304中机加工沟槽的划割锯片的操作。在本实施例中，可以使用图7A-7D中的任意划割锯片(502、504、506或508)产生硅基手术刀片。还应当理解图7A-7D中的刀片结构不是划割锯片可以产生的唯一可能的结构。图9说明根据本发明实施方案在带型安装的硅晶片中机加工沟槽的划割锯片的截面图。图9说明实际穿透硅晶片202的图8中所示的相同的划割锯片的近观截面图。可以看出划割锯片502并不是彻底穿透硅晶片202，而是对于单斜面刀片穿透大约硅晶片202厚度的50-90％。这适用于用来机加工(或者模制，借助热锻)单斜面沟槽的任何方法。对于通过任何划割锯片，或者任意机加工方法切割双斜面，在硅晶片202每侧上将切削掉(或者模制)硅晶片202厚度的大约25-49％。图10A和10B分别说明根据本发明实施方案制造的具有单斜面切割刀刃的硅手术刀片和具有双斜面切割刀刃的硅手术刀片。
如上所述，尤其是如果使用划割锯片机加工沟槽，在硅晶片202中切出狭缝。以与通孔基准相似的方式，即使用激光射水或者准分子激光在硅晶片202中切出狭缝，但是用作非常不同的目的。重新回想为了在沟槽机加工机器上精确定位硅晶片202，沟槽机加工机器使用通孔基准。当制造双斜面刀片时这是尤其有用的，因为必须精确定位第二次(在硅晶片202的反面上)以保证正确制造双斜面刀片。但是，狭缝用于不同的目的。狭缝允许划割锯片从边缘切开硅晶片202(如图8所示)，而不会使硅晶片202破裂或弄破。如图8A中所示，这是一个实施方案。参考图8，明显地如果不使用狭缝，并且如图所示机加工沟槽，机加工的硅晶片202容易沿着机加工的沟槽破裂，因为在那些区域中硅晶片明显更薄，并且小的应力就会引起其破裂。也就是说，图8的机加工硅晶片缺乏结构刚性。比较该硅晶片与图8C的硅晶片。图8C的机加工的硅晶片202是更加刚性的并且导致生产量提高。根据图8C机加工的硅晶片202比图8的硅晶片更少破裂。如图8A和8B中所示，使狭缝比划割锯片更宽，并且足够长至允许划割锯片插入其中以在适当的深度处开始机加工。因此，划割锯片在其向下移动时不会试图切割硅晶片202，这会引起裂片和破裂；像设计要做的一样，划割锯片在其以水平方式移动时开始切割。图8C说明一系列在硅晶片202的第一侧中的狭缝和机加工的沟槽。
图11说明根据本发明实施方案用来在硅晶片中机加工沟槽的激光系统的方框图。如参考下面详细讨论的图12所述，也可以超声机加工沟槽。这两种方法的优点是可以制造出非线型和复杂切割刀刃剖面，如新月形刀片、勺状刀片和巩膜刀片。图11说明简化的激光机加工组件900。激光机加工组件900包括发射激光束904的激光器902和建立在基底908上面的多轴控制机械906。当然，激光机加工组件900还可以包含计算机和可能的网络接口，为了清晰起见已经省略了它们。
当使用激光机加工组件900机加工沟槽时，在也适合通过多轴控制机械906操纵的安装组件204上安装硅晶片202。通过使用激光机加工组件900和各种光束掩模技术，可以机加工刀片轮廓的阵列。光束掩模位于激光器902内部，并且通过仔细的设计阻止激光器902在不需要的地方烧蚀硅材料。对于双斜面刀片，使用预切的斜面206A、206B或者基准406来校准，按照与相同的方式机加工对面。
在湿各向同性刻蚀步骤的制备(将参考图1，步骤1018详细地讨论)中，使用激光器902在硅晶片202的第一侧304或者第二侧306中准确且精确地机加工沟槽图案(在参考激光的使用中也称作“烧蚀剖面”)。使用多轴控制和内部激光束掩模在硅晶片202中光栅化上述烧蚀剖面。结果，实现了具有与手术刀片产品所需相应的浅倾斜的斜面的轮廓沟槽。通过这种方法可以实现各种弯曲的剖面图案。在所述机加工步骤中可以使用几种类型的激光器。例如，可以使用准分子激光器或激光射水402。准分子激光器902的波长在157nm至248nm的范周内。其它的实例包括YAG激光器和波长355纳米的激光器。当然本领域技术人员可以领会可以使用具有在150nm-11,000nm范围内的特定波长的激光束来机加工沟槽图案。
图12说明根据本发明实施方案用来在硅晶片中机加工沟槽的超声机加工系统的方框图。使用精确机加工的超声工具104进行超声机加工，然后使用所述工具用研磨浆料102机加工硅晶片202的第一侧304或者第二侧306。一次对一侧进行机加工。对于双斜面刀片，使用通孔基准406来校准，按照相同的方式机加工对面。
在湿各向同性刻蚀步骤中，使用超声机加工在硅晶片202中准确且精确地加出沟槽图案。通过超声振动心轴/工具(工具)104进行超声机加工。工具104不会与硅晶片202接触，但是紧密邻近硅晶片202并且通过工具104发射出的超声波的操作刺激研磨浆料102。由工具104发射出的超声波强迫研磨浆料102将硅晶片202腐蚀成在工具104上机加工的相应图案。
借助碾磨、打磨或静电放电机加工(EDM)机加工工具104以产生沟槽图案。机加工硅晶片202上所得的图案相应于在工具104上机加工的图案。使用超声机加工方法优于准分子激光的优点是在超声机加工的同时硅晶片202整侧上都具有大量的刀片沟槽。因此，该方法是快速且相对廉价的。另外，像准分子激光机加工方法一样，借助该方法可以实现各种弯曲的剖面图案。
图13说明根据本发明实施方案用来在硅晶片中形成沟槽的热锻系统的图。还可以将沟槽结构热锻入硅晶片表面中。该方法使用加热晶片至可锻的条件。随后在两个结合了所得沟槽阴图的压模间挤压晶片表面。
在加热室中预热硅晶片202，或者通过硅晶片202位于其上面的加热的基底部件1054的操作完全加热硅晶片202。在高温下经历足够的时间后，硅晶片202变成可锻的。然后，在足够的压力下强迫加热的压模1052下压到硅晶片202上，将加热压模1052的阴图印入硅晶片202的第一侧304中。压模1052的设计可以具有大量各种斜面角、深度、长度和剖面的沟槽，从而产生实际上可想象的任意刀片设计。图13所示的图巨大简化了并且放大以清晰地显示出热锻方法的相关特征。
图26-29说明根据本发明实施方案在晶态材料中使用刨槽机加工线型或非线型沟槽的步骤。在图26中，已经在硅晶片202中钻出通孔622。在本发明的一个实施方案中，需要通孔622防止微裂纹。如上所述，可以通过在其它方法中几种不同的方法之一，包括使用钻孔机、超声机加工、激光器、或者激光射水在硅晶片202中制备通孔622。通孔622的数量取决于要在硅晶片202中形成的刀片的数量。通常，对于每个刀片需要至少两个通孔622(开始和结束刨槽)，但是本发明的这个实施方案不局限于任意数量的通孔622。
在硅晶片202中已经钻出所有所需的通孔622后，在已经使刨槽机620达到特定的转速后将其(从上面看表现出逆时针旋转)降入通孔622中。根据软件控制将刨槽机620降至所需深度并且在所需方向上移动。参见图27。软件控制控制刨槽机620降低的深度(并且当完成刨槽时升起)、刨槽机620在硅晶片202中行驶的X-Y方向，以及它在X-Y方向上移动的速度。对于未来的刀片形状，通过所需的倾角驱动刨槽机620几何形状。例如，用于特定目的的手术刀片可能需要特殊内含角度和特殊设计的刀片。图28说明当刨槽硅晶片202时刨槽机620产生的斜面。例如，如果双斜面刀片需要30°的封闭角，刨槽机角度应该是150°。
使用刨槽机620为在硅晶片202中提供线型或非线型的沟槽提供了相对廉价的方法。如图29中所见，单面刀片可以具有线型或非线型的部分。使用单面的、廉价工具产生沟槽在刀片制造过程中节省了时间和金钱，从而降低了制造和销售成本。
图30说明根据本发明实施方案在晶态材料中刨出线型或非线型沟槽的方法的流程图。在步骤604中，单独的机加工方法在硅晶片202中提供了所需数量的通孔622。在步骤606中，在已经使刨槽机620达到所需的转速后，将其插入第一通孔622的所需深度处。然后，软件控制进行根据预定的图案移动刨槽机620，产生所需斜面角和设计的沟槽(步骤608)。当刨槽机遇到最后一个通孔622时，软件控制能够缩回刨槽机620(步骤610)。当在硅晶片202上产生最优量的刀片所需要时，可以重复所述过程很多次(步骤612)。
已经讨论了机加工沟槽的几种方法，再次将注意指向图1。在于硅晶片202的第一侧304中机加工沟槽的步骤1008后，必须在判定步骤2001中就是否涂布硅晶片202进行判定。图14说明根据本发明实施方案具有一个机加工的沟槽并向机加工侧施加了涂层的硅晶片。如果施加了涂层，那么根据本发明领域技术人员公知的许多技术之一，可以在步骤2002中对硅晶片202的第一侧304施加涂层1102。供应涂层1102便于刻蚀控制并且对所得刀片刀刃提供附加的强度。将硅晶片202放在沉积室中，在那里硅晶片202的整个第一侧304-包括平坦的区域和沟槽的区域-涂布了氮化硅(Si3N4)薄层。所得涂层1102的厚度可以在从10nm-2微米的范围内。涂层1102可以由比硅(晶态)晶片202更硬的任何材料组成。具体地说，涂层1102也可以由氮化钛(TiN)、氮化铝钛(AlTiN)、二氧化硅(SiO2)、碳化硅(SiC)、碳化钛(TiC)、氮化硼(BN)或者金刚石状晶体(DLC)组成。下面参考图18A和18B更详细地讨论用于双斜面手术刀片的涂层。
在已经在可选步骤2002中施加了涂层1102后，下一个步骤是步骤2003，拆下并重新安装(如果不施加涂层在步骤1008后也可以是步骤2003)。在步骤2003中，使用相同的标准安装机器从带308中拆下硅晶片202。该机器通过对UV敏感的带308辐照紫外光(UV)以降低其粘性而拆下硅晶片202。也可以使用低粘性或放热的带代替UV敏感的带308。在充分的UV光曝光后，容易从带安装中剥落硅晶片202。然后，重新安装硅晶片202，第二侧306朝上，准备用于制造第二侧306的沟槽。
然后，在硅晶片202上实施步骤2004。在步骤2004中，为了产生双斜面硅基手术刀片，同在步骤1008中进行的一样，在硅晶片202的第二侧306中机加工沟槽。图15说明根据本发明实施方案在带型安装的硅晶片202中机加工第二个沟槽的划割锯片502的截面图。当然，也可以使用准分子激光器902、超声机加工工具100或者热锻方法在硅晶片202中机加工第二个沟槽。在图15中，说明在硅晶片202的第二侧306上机加工第二个沟槽的划割锯片502。说明已经在步骤2002中可选施加的涂层1102。图10A和10B分别说明所得的单和双斜面切割刀刃。在图10A中，已经在硅晶片202上制造出单面切割刀刃，在单面刀片组件中导致切割角Φ。在图10B中，(通过任意上述开槽方法)在硅晶片202中已经机加工出与第一个沟槽具有相同角度的第二个沟槽。结果得到双斜面硅基手术刀片，其每个切割刀刃表现出切割角Φ，得到双斜面角为2Φ。图16说明根据本发明实施方案已经在两侧上机加工出沟槽的硅晶片的剖面图。
图31A-31C说明根据本发明实施方案制造的双斜面多刻面刀片。在图31A中，从俯视图说明双斜面多刻面刀片700。双斜面多刻面刀片700是根据本文所述的方法制造的四个刻面的刀片。角度θ1描述了第一组刻面704a、704b的内含斜面角，并且角度θ2描述了第二组刻面704c和704d的内含斜面角。
通过上述的任意机加工沟槽方法可以制造出在双斜面多刻面刀片700中显示的斜面和刻面。例如，可以使用激光束904机加工沟槽，从而在双斜面多刻面刀片700中形成斜面。激光束904可以制造第一遍，在硅晶片的第一侧上机加工第一个沟槽，机加工第一个沟槽，并且制造第二遍，适当间隔地机加工出第二个沟槽。同样，还可以从参考图13更详细说明的热锻方法制造出第一个多斜面刀片700。此外，如图31A-31C中所示，可以使用机加工沟槽的上述任意方法机加工多个沟槽以形成双斜面多刻面刀片700。
在图32A中，从俯视图说明可变的双斜面刀片702。根据本文所述的方法可以制造出可变的双斜面刀片702。角度θ4在刀片尖部开始变钝，然后向着肩部变得更加尖锐，导致角度θ2。这种设计增强了可变双斜面刀片702的锋利的尖部。
通过上述任意开槽方法可以制造出在可变双斜面刀片702中显示的斜面。例如，可以使用激光束904机加工沟槽，在可变双斜面刀片702中形成斜面。根据软件程序控制，可以调整激光束904，通过机加工晶态材料制备可变的斜面。同样，也可以从参考图13更详细说明的热锻方法产生第一个多斜面刀片700。此外，如图32A-32C中所示，可以使用机加工沟槽的上述任意方法机加工多个沟槽；形成可变的双斜面刀片702。图32B和32C说明可变双斜面刀片702的两个侧面透视图，表示了斜面角Φ3和Φ4根据距尖部的距离在可变双斜面刀片702上怎样变化。
图20B和20D也说明可以制造的具有多个斜面角的多切割刀刃刀片的顶部透视图。本文所述的方法可以制造例如如图20B和20D所示的刀片，其中每个切割刀刃具有不同的斜面角。在图20B和20D中，有四个切割刀刃并且每个具有不同的单斜面或双斜面角。另外，如上所述，每个斜面角可以具有一个或更多个刻面。这些只是为了例示目的而显示，并且不意味着限制本文所述的本发明的实施方案。
在机加工沟槽步骤2004后，必须在判定步骤2005中就是在步骤1018中刻蚀两次机加工沟槽的硅晶片202，还是在步骤1016中划割两次机加工沟槽的硅晶片202进行判定。通过划割锯片、激光束(例如准分子激光器、或者激光射水402)实施划割步骤1016。划割在代替晶片舟的常规夹具(custom fixtures)中提供了要刻蚀(在步骤1018中)的所得条带(在下面详细讨论)。
图17A和17B说明根据本发明实施方案在两侧上具有机加工的沟槽的硅晶片上实施的各向同性刻蚀方法。在刻蚀步骤1018中，从带308中拆下机加工的硅晶片202。然后，将硅晶片202放在晶片舟上并且浸在各向同性的酸性浴1400中。控制刻蚀剂1402的温度、浓度和搅拌，使刻蚀方法的均匀性最大化。所用的各向同性刻蚀剂1402由氢氟酸、硝酸和乙酸(HNA)组成。可以使用其它的组合和浓度来实现相同的目的。例如，可以用水替换乙酸。也可以使用喷雾刻蚀、各向同性的二氟化氙气体刻蚀和电解刻蚀代替浸泡刻蚀来实现相同的结果。在气体刻蚀中可以使用的化合物的另一个实例是六氟化硫，或者其它相似的氟代气体。
刻蚀方法将均匀地刻蚀硅晶片202的两侧及其各自的沟槽，直至相对沟槽剖面贯穿。立即从刻蚀剂1402中取出硅晶片202并且漂洗一次。通过这种方法获得的预期切割刀刃半径在从5nm-500nm的范围内。
各向同性的化学刻蚀是用来以均匀的方式除去硅的方法。在根据本发明实施方案的制造方法中，使在上述机加工下产生的晶片表面剖面均匀地向下与晶片对面上的剖面贯穿(如果需要单斜面刀片，将贯穿未机加工的对面硅晶片表面)。为了在保留刀片角度下实现所需的刀片锋利度，使用各向同性的刻蚀。因为所需的刀刃几何形状太精致而不能耐受机加工的机械力和热力，所以仅通过机加工试图贯穿晶片剖面失败。各向同性的刻蚀剂(刻蚀剂)1402的每种酸性组分在各向同性酸性浴1400中具有特定的功能。首先，硝酸氧化曝光的硅，其次氢氟酸除去氧化的硅。乙酸在该过程期间用作稀释剂。实现可重复的结果需要精确控制组成、温度和搅拌。
在图17A中，将没有涂层1102的硅晶片202放在各向同性的刻蚀浴1400中。注意每个手术刀片，第一个手术刀片1404、第二个手术刀片1406和第三个手术刀片1408彼此连接。当刻蚀剂1402在硅上工作时，随着时间除去逐层的分子，降低硅(即手术刀片)的宽度直至(第一个手术刀片1404的)两个角度1410和1412在与下一个手术刀片(第二个手术刀片1406)的连接点处贯穿。结果是形成几个手术刀片(1404、1406和1408)。注意除了因为已经由刻蚀剂1402溶解了硅而保留更少的硅材料外，在整个各向同性刻蚀方法中已经维持了相同的角度。
图18A和18B说明根据本发明另一个实施方案在两侧上具有机加工的沟槽并且在一侧上具有涂层的硅晶片上的各向同性刻蚀方法。在图18A和18B中，在硅晶片202上已经留下带308和涂层1102，从而刻蚀方法仅对硅晶片202的第二侧306起作用。在刻蚀方法期间不一定将晶片安装在带上，这仅是一个制造选择。另外，各向同性的刻蚀材料1402仅对曝光的硅晶片202工作，除去硅材料(一层接着另一层)，但是同在步骤2004中机加工一样，维持相同的角度(因为这是第二侧306)。结果，在图18B中，因为各向同性的刻蚀剂1402沿着机加工的沟槽表面除去均匀的硅分子层，所以硅基手术刀片1504、1506和1508与在步骤1008和2004中机加工地一样，因为带308和可选的涂层1102在第一侧304上和在第二侧306上具有相同的角度。根本没有刻蚀硅晶片202的第一侧304，对最终的硅基手术刀片提供了附加的强度。
使用可选步骤2002、向硅晶片202的第一侧304施加涂层1102的另一个益处是切割刀刃(第一次机加工沟槽侧)由比基础硅材料具有更强材料性质的涂层1102(其优选由氮化硅层组成)组成。因此，施加涂层1102的过程导致更强且更耐用的切割刀刃。涂层1102还给刀片表面提供了与电机械往复刀片装置中的钢接触的刀片所需的耐磨性。表III说明在没有涂层1102(硅)和具有涂层1102(氮化硅)制造下的硅基手术刀片的典型强度指示的规格。
表III

杨氏模量(也称作弹性模量)是材料内在硬性的测量。模量越高，材料越硬。屈服强度是材料在负荷下将从弹性向塑性变形的点。换句话说，它是材料不再弯曲，但是将永久变形或断裂的点。在刻蚀(具有或不具有涂层1102)后，彻底漂洗并清洗刻蚀的硅晶片202以除去所有残留的刻蚀剂1402化学品。
图19说明根据本发明实施方案制造的一侧上具有涂层的双斜面硅手术刀片的所得切割刀刃。切割刀刃1602典型地具有与金刚石手术刀片相似的5-500纳米的半径，但是它是以低得多的成本制造的。在已经实施了步骤1018的刻蚀方法后，可以根据步骤1020安装硅基手术刀片，这与安装步骤1002和步骤2003中相同。
在安装步骤1020后，可以在步骤1022中使硅基手术刀片(硅刀片)分成单个，这意味着通过使用划割锯片、激光束(例如激光射水402或准分子激光器)，或者其它适当的装置割裂每个硅刀片，使硅刀片彼此分开。本领域技术人员可以领会也可以使用具有在从150nm-11,000nm范围内的特定波长的激光器。在该波长范围内的激光器的实例是准分子激光器。激光射水(YAG激光器)的独特性是它能在晶片中卷曲弯曲的、中断的图案。这就给制造商提供了制造实际上无限量的无切割刀刃的刀片剖面的灵活性。激光射水使用水流作为使激光像带锯一样切割的波导。在如上所述可以以连续的、直线图案划割的先有技术划割机的当前状态下不能实现这一点。
在步骤1024中，根据消费者的特殊需求，拾取分成单个的手术刀片并且放在刀片把手组件上。但是，在实际的“拾和放”之前，在晶片安装机器中由紫外(UV)光辐照刻蚀的硅晶片202(安装在带上或者框上或者在带/晶片框上)，从而降低带308的粘性。然后，将仍在“降低粘性”的带和框，或者带/晶片框上的硅晶片202装入可商购的附带压模的装配系统中。从上面想起讨论了根据不同的制造环境可以相互交换一些步骤的顺序。一个这种实例是分成单个与UV光辐照的步骤如果需要可以相互交换这些步骤。
附带压模的装配系统将从“降低粘性”的带和框，或者带/晶片框上除去单个刻蚀的硅手术刀片，并且将硅手术刀片在所需的容差内连接到它们各自的夹持器上。将使用环氧或粘合剂安装两个组件。可以使用其它的装配方法将硅手术刀片连接到其各自的衬底上，包括热刮软(staking)、超声刮软、超声焊接、激光焊接或者低共熔粘结。最后在步骤1026中，根据硅手术刀片的设计，包装全部装配了把手的硅手术刀片，保证无菌和安全，并且运输以使用。
可以用来将手术刀片安装到其夹持器上的其它装配方法包括狭缝的另一个用途。如上所述，可以通过激光射水或者准分子激光来产生狭缝，并且用来给划割锯片提供开口，从而在机加工沟槽时啮合硅晶片202。狭缝的其它用途可以为夹持器中一个或更多个柱子提供刀片容器。图24说明这种布局。在图24中，最终的手术刀片2402具有两个在其夹持器界面区2406中产生的狭缝2404a、2404b。这些狭缝与刀片夹持器2410的柱子2408a、2408b分界。可以在制造过程中的任意点处在硅晶片202中切出狭缝，但是优选在手术刀片的分成单个之前进行。在分界前，可以向适当的区域施加粘合剂，保证紧密的保持。然后，如图所示胶粘盖子2412，给终产品提供最终的外观。实施柱-狭缝装配的目的是它对于在切割程序期间刀片2402可能遭遇的任何拉力提供了附加的耐性。
已经说明了双斜面硅基手术刀片的制造方法，将注意力转向图2，该图说明根据本发明第二实施方案从硅制造单斜面手术刀片的方法的流程图。图1的步骤1002、1004、1006、1008与图2中所示的方法相同，因此将不再重复。
但是，在下一个步骤即步骤1010中制造单斜面手术刀片的方法与制造双斜面刀片的方法不同，因此将详细讨论。
接着步骤1008，判定步骤1010判定是否将从硅晶片安装组件204中拆下机加工的硅晶片202。如果要拆下单沟槽的硅晶片202(在步骤1012中)，那么下一步选择是在步骤1016中划割单沟槽晶片。在可选的拆卸步骤1012中，使用相同的标准安装机器从带308中拆下硅晶片202。
如果在步骤1012中拆下硅晶片202，那么可选地可以在步骤1016中划割硅晶片202(即将硅晶片202切成条带)。可以通过划割刀片、准分子激光器902、或者激光射水402来实施划割步骤1016。划割在代替晶片舟的常规设备中提供了要刻蚀的所得条带(在下面详细讨论)(在步骤1018中)。或者接着划割步骤1016、拆卸步骤1012，或者接着机加工沟槽步骤1008，单斜面硅基手术刀片制造方法中的下一个步骤是步骤1018。步骤1018是刻蚀步骤，上面已经详细说明了该步骤。然后，接着是步骤1020、1022、1024和1026，上面已经参考双斜面硅基手术刀片的制造方法详细说明了所有这些步骤，因此不需要再次说明。
图3说明根据本发明第三实施方案从硅制造单斜面硅基手术刀片的替代方法的流程图。在所有步骤1002、1004、1006和1008中，图3中所示的方法与图2中所示的方法相同。但是在图3的步骤1008后，存在着涂布步骤2002。上面参考图1说明了涂布步骤2002，并且不需要再次讨论。涂布步骤的结果与前面所述的相同硅晶片202的机加工侧在上面具有层1102。
接着涂布步骤2002，在步骤2003中拆下并且重新安装硅晶片202。该步骤也与前面参考图1所讨论的等同(步骤2003)。结果是硅晶片202的涂布侧在安装组件204上面朝下。然后，进行步骤1018、1020、1022、1024和1026，上面已经详细说明了所有这些步骤。最终结果是单斜面的手术刀片，其第一侧304(机加工侧)上具备涂层1102，从而改善了手术刀片的强度和耐用性。图23A和23B更详细地说明和描述单斜面涂布的手术刀片。
图23A和23B说明根据本发明进一步实施方案在一侧上具有机加工的沟槽并且在相对侧上具有涂层的硅晶片上的各向同性的刻蚀方法。如上所述，硅晶片202具有施加到第一侧304上，然后安装到带308上，因此与之接触的涂层1102，如图23A中所示。然后，将硅晶片202放置在如上面详细所述的包含刻蚀剂1402的浴1400中。刻蚀剂1402开始刻蚀硅晶片202的第二侧306(“顶侧”)，逐层除去硅分子。在一段时间后，硅晶片202在厚度被刻蚀剂1402降低，直至第二侧306与第一侧304和涂层1102接触。结果是涂布了氮化硅的单斜面硅基手术刀片。具有氮化硅(或者涂布的)刀片刀刃的所有上述优点同样适用于如参考图18A、18B和19显示并讨论的这类刀片。
图20A-20G说明可以根据本发明方法制造的硅基手术刀片的各种实例。使用所述方法可以制造出各种刀片设计。可以生产出具有单斜面、对称和不对称双斜面的以及弯曲切割刀刃的刀片。对于单斜面刀片，仅在晶片的一侧上实施机加工。可以制造出各种刀片轮廓，如单刃凿形(图20A)、三刃凿形(图20B)、两刃凿形(图20C)、狭缝、四刃凿形(图20D)、刺形、一边边刃(图20E)、角膜刀、一边边刃(图20F)和新月形、弯曲的利刃(图20G)。可以使用所述方法改变剖面角、宽度、长度、厚度和斜面角。所述方法可以结合传统的光刻，产生更多的变化和特征。
图21A和21B分别以5,000倍放大倍数显示了根据本发明实施方案制造的硅手术刀片和不锈钢手术刀片的侧视图。注意图21A和21B之间的差异。图21A更平滑且更均匀。图22A和22B分别以10,000倍放大倍数显示了根据本发明实施方案制造的硅手术刀片和不锈钢手术刀片的俯视图。同样，图22A和22B之间的差异是作为根据本发明实施方案方法结果的前者比图22B的不锈钢刀片更平滑且更均匀。
图25A和25B说明根据本发明实施方案由晶态材料制成的刀刃和包括层转变过程的由晶态材料制成的刀刃的剖面透视图。在本发明的另一个实施方案中，在刻蚀硅晶片后可以将衬底材料的表面化学转变成新材料2504。该步骤也称作“热氧化、氮化转变”或者“硅表面的碳化硅转变”步骤。根据允许与衬底/刀片材料相互作用的元素，可以产生其它化合物。将刀片表面转变成衬底材料的化合物的益处是可以选择新的材料/表面，从而产生更硬的切割刀刃。但是与涂层不同，刀片的切割刀刃维持了在刻蚀步骤后的几何形状和锋利性。注意在图25A和25B中，硅刀片的深度不会因为转变过程而变化；“D1”(仅硅的刀片的深度)等于“D2”(具有转变层2504的硅刀片的深度)。
图33A-33D说明可以用于眼科用途并根据本发明实施方案制造的手术刀片的几个实例。图33A说明可以用于眼科白内障手术目的的狭缝刀片/刀720。狭缝刀片(slit blade)/刀720具有第一斜面组722a和第二斜面组722b。第一和第二斜面组722a、722b每个都可以是相同或不同角度的单斜面、相同或不同角度的双斜面、或者每个斜面组722a、722b都可以是多斜面以及一个或更多个刻面。根据本发明实施方案，斜面角、刀片角、厚度和刻面的组合都是可以根据狭缝刀片/刀720的具体用途而改变，并且可以根据在本文中公开的方法制造的设计标准。
图33B说明可以在屈光的(LASIKTM)眼科手术中使用的微型角膜刀片724。微型角膜刀片724具有一个可以是单斜面或者双斜面的斜面726并且具有一个或更多个刻面。对于图33A-33D以及本文中其它地方中显示的手术刀片，斜面角、刻面、它们的位置和布局的组合基本上是无限制的。微型角膜刀片724显示出双斜面726。如上所述，可以使用孔洞728a和728b将微型角膜刀片724安装到把手上。
图33C说明可以用于白内障眼科手术的袖珍刀片(pocket blade)/刀730。图33C中显示的袖珍刀片/刀730具有单面并且基本上是圆形的刀片。圆形是优选的，但是不是必需的；也可以代替使用其它的弯曲形状(例如椭圆形)。刀片可以是单、双或多斜面刀片，或者它们的组合，如上所述。图33D说明可以用于白内障眼科手术的新月形刀片/刀734。图33D中显示的新月形刀片/刀734具有单面并且卵形的刀片。同样，卵形是优选的，但是不是必需的。新月形刀片/刀734优选具有单斜面角度刀片，但是刀片可以是单或者双斜面刀片，每个斜面具有一个或更多个刻面，或者它们的组合，如上所述。
参考图1，在步骤1018后，进行转变表面的判定(判定步骤1019)。如果添加转变层(判定步骤1019中“是”的路径)，在步骤1021中添加转变层。然后，所述方法行进至步骤1020。如果不添加转变层(判定步骤1019中“否”的路径)，所述方法行进至步骤1020。转变过程需要扩散和高温炉。在真空或者在惰性环境下加热衬底至超过500℃的温度。以控制的浓度向炉中计量所选的气体并且作为高温的结果，它们扩散入硅中。当它们扩散入硅中时，它们与硅反应，形成新的化合物。因为通过扩散和与衬底的化学反应产生新的材料而不是施加涂层，所以保留了硅刀片的原始几何形状(锋利性)。转变过程的另一个益处是转变层的光学折射率与衬底不同，所以刀片看起来着色。颜色与转变的材料的组成以及其厚度有关。
在表面已经转变的单晶衬底材料也表现出优于未转变刀片的抗断裂和耐磨性。通过将表面改变成更硬的材料，降低了衬底形成裂纹开始位置并沿着晶面裂开的趋势。
可以在具有某些相互可交换性的情形下实施的制造步骤的另一个实例是糙面精整(matte-finish)步骤。通常，尤其是当在手术刀片实施方案中制造时，刀片的硅表面将是高度反射性的。如果在照明源下和显微镜下使用所述刀片时，这可能会分散外科医生的注意力。因此，可以给刀片的表面提供漫射(例如来自手术程序中所用的高强度灯的)入射光的糙面精整，与有光泽相反，使之暗淡。通过用适当的激光辐照刀片表面，按照特定的图案和密度在刀片表面中烧蚀区域来产生糙面精整。烧蚀区域是圆形形状，因为这通常是发射的激光束的形状，但是不一定是这种情况。圆形烧蚀区域的尺寸直径在从25-50微米的范围内，并且同样与制造者和所用的激光类型有关。圆形烧蚀区域的深度在从10-25微米的范围内。
圆形烧蚀区域的“密度”指由圆形烧蚀区域覆盖的表面积的总百分数。大约5％的“烧蚀区域密度”使刀片从正常的光滑、镜面般外观明显变暗淡。但是，共同定位(co-locating)所有的烧蚀区不会影响刀片其余部分的镜面般效果。因此，在整个刀片的表面积上，但以随机的方式施加圆形烧蚀区域。实际上，可能产生随机地位于低洼处的图形文件，但是对图案实现了特定烧蚀区域密度和随意性的所需作用。该图形文件可以手动产生，或者由计算机中的程序自动产生。可以实现的其它特征是在刀片自身上铭刻序列号、制造商的商标、或者外科医生的或者医院的姓名。
典型地，可以使用龙门式(gantry)激光器、或者检流头(galvo-head)激光机在刀片上产生糙面精整。前者是慢的，但是非常准确，而后者是快的，但是没有龙门式激光准确。因为总的准确度不是重要的，并且制造速度直接影响成本，所以检流头激光机是有用的工具。它能够每秒钟移动数千千米，给典型的手术刀片提供了大约5秒钟的总烧蚀区域刻蚀时间。
图37说明根据本发明实施方案从金属制造的刀片和从硅制造的刀片的表面粗糙度范围的比较。
手术和非手术刀片的另一个参数是表面粗糙度特性。表面粗糙度是重要的参数，因为它确定了在由刀刃进行初始的切割后皮肤或材料在刀片上容易滑动的程度。粗糙的表面趋向于阻碍或者捕获皮肤或材料，而平滑的表面将允许其在刀片上更容易移动。粗糙的刀片表面可能引起撕破或撕裂，或者在更坏的情况中使外科医生(在手术使用中)进行不稳定的切割。这种情况是非常罕见的。上述根据本发明实施方案从硅制造的刀片或机械装置表现出非常平滑的表面，表面缺陷的基本上平滑并且比金属刀片更加平滑。表IV说明金属刀片的表面粗糙度测量，并且表V说明上述根据本发明实施方案制造的硅刀片的表面粗糙度测量。两个表格都表示了在刀片尖部附近测量的表面粗糙度。图37显示了两条曲线，第一条曲线372和第二条曲线374，其代表了上述根据本发明实施方案制造的硅刀片(第一条曲线372)和金属刀片(第二条曲线374)的表面粗糙度值Ra。
表IV金属刀片的表面粗糙度测量

表V硅刀片的表面粗糙度测量

图38说明根据本发明一个实施方案制造硅手术刀片的另一种方法。图38中所述的制造硅手术刀片的方法制备出足够强以便用来代替为相似用途(即眼科手术应用)制造的金属刀片的刀片。在方法380中，也执行许多参考图1-3说明的步骤，但是为了简化目的而不再讨论。例如，在方法380中可以执行划割1016和添加转变层(步骤1019)的步骤，但是出于上述原因已经省去。另外，在可能时并且为了避免混乱，已经保留了一些与上面使用相同的元件编号。在其它情况中，当清楚尽管步骤相似，但是实际上涉及与前面所述略微的步骤时，已经使用新的元件编号。此外，下面说明开槽(划割)、产生基准通孔的熟悉步骤，并且可以使用其它步骤和上述相同的设备(例如激光射水、超声机加工、金刚石锯片)来产生如下所述的各特征。
方法380从激光切割1的步骤382开始。在图38中，激光切割1产生圆形基准386(如图39中所示)，用来在激光和开槽划割设备上对准硅晶片(晶片)202。激光切割1还产生作为沟槽划割设备对准沟槽的基准的十字线，以及要切割来产生刀片侧边的狭缝390(参见图42)。
在步骤1008中，根据更详细说明的各种方法和设备对斜面392开槽(参见图40)。在步骤384中，激光切割2产生图41中所示的马蹄形394。图42中说明准备用于刻蚀步骤1016的所得开槽的晶片420。激光切割步骤可能产生在脆的硅材料中导致的机械损伤。刻蚀步骤除去了机械导致的损伤。通过除去机械导致的损伤，也可以除去应力集中点，导致材料(硅)屈服强度的显著增加。各向同性的刻蚀剂抛光材料的表面，在此情况中包括刀片切割和非切割的边缘。刻蚀剂可以由氢氟酸、硝酸和乙酸组成。裂纹、碎片、刮痕和锐边全部都作为脆性材料中裂纹的开始点。当机械装置负荷或者受到应力时，这些点会引发灾难性的失效。通过消除或者使裂纹开始缺陷最小化，材料变得更加耐用。
接着刻蚀步骤1018，可以安装(步骤1020)、分成单个(步骤1022)、拾取并旋转(步骤1024)并且根据消费者偏爱包装(步骤1026))刀片。已经在上面更详细地说明了步骤1020-1026，并且为了简化，此处不再重复它们的说明。
图39-42说明当其在根据图38中所述的硅手术刀片的制造方法机处理时的硅晶片。图43说明可以根据如上面参考图38-42所述的本发明一个实施方案的方法制造的硅手术刀片。方法380中的几个改进改进了机械强度特性，现在将更详细地讨论。例如，图43中所示的马蹄形在本发明的本实施方案中制造得比前面更大。此外，上面在步骤382中关于图38讨论的激光切割1切割出产生刀片边缘的狭缝390。这按照做使刀片的非切割边缘的最大长度经历刻蚀(步骤1018)的方式来进行，又增加了刀片的机械强度。激光切割1还产生凸缘396(如图43中所示)。使凸缘更大提供了更好定义的在激光切割2中产生(步骤384)的马蹄形。另外，开槽过程切割每个“雪花”(斜面392)。“雪花”图案通过开槽步骤1008产生，如图40所示。这些被显示为斜面392。在“雪花”(斜面392)之间没有切割。这就增加了晶片202的机械强度和完整性。至于激光切割，理论上可以改变脉冲宽度和/或脉冲重复频率(PRF)，使得对硅的机械损伤最小。
可以使用上面参考图38-43说明的方法380除去在几个不同的机加工实施方案中导致的损伤，如激光烧蚀、刨槽、金刚石砂轮打磨、超声打磨、研磨、抛光、压印、压花、离子铣削和等离子刻蚀方法(即RIE、DRIE、ICP和ECR)。还可以使用方法380改善由前面的各向异性或各向同性湿刻蚀方法产生的表面质量，所述刻蚀方法使用，但不局限于KOH、NaOH、CeOH、RbOH、NH4OH、TMAH、EDP或HNA。
刻蚀剂溶液(HNA)是对硅的氧化/还原刻蚀剂。在适当的条件下，该溶液将非常快地形成微电化学电池，用作阳极/阴极对，刻蚀掉硅衬底材料和临时形成的二氧化硅。这类反应等同地作用于所有表面上。这意味着趋向于基本上拉平或者洗掉任何的表面不规则。所得表面是基本上无缺陷的，具有光谱上镜面般的外观以及在100埃量级的表面粗糙度。
已经对根据上面参考图38-43所述的方法机加工的硅样品进行了试验。将这些硅样品称作“试样”。作为已经怎样机加工的函数，测量硅试样的强度。试验结果表明，使用上面参考图38-43所述的方法大大增加了由3点弯曲试验所测量的断裂模量(MOR)。可以使用下述的数据比较机械装置、根据如参考图38-43所显示并说明的本发明实施方案的方法以及根据本发明实施方案在本文中描述的其它硅制造方法制备的手术和非手术刀片的强度。
由于单晶硅中脆性断裂的破坏模式，需要准确代表根据上述本发明的任意各种方法制造的硅产品的试样片。需要平均MOR和统计分布值以平均的方式表征材料的强度。
在实施强度测量试验中，评价金刚石砂轮划割刀刃、采用GemCity制造的短脉冲YAG激光器切割的刀刃，以及采用Synova制造的长脉冲YAG激光器切割的刀刃。此外，在刻蚀掉50μ硅后和刻蚀掉150μ硅后测试这三个表面。刻蚀剂用来除去由切割方法产生的损伤/应力集中点并且还用来减少已经减弱了具有缺陷的最终边缘的数量。
对于每种情况，在使用挠曲模式的拉伸强度试验机(Instron)上，冲击(pushed)测量20mm×7mm的10个试样至破坏。在每种情况中，在切割后刻蚀侧壁显著增加了平均MOR。下面在表VI中总结了数据。在表VI中，to表示试样的初始厚度。更高的MOR值可以归因于刻蚀消除掉侧壁中的任何碎屑或刮痕，如图44-52中所示。在图44-52中，tr表示了试样的最终厚度。通过消除侧壁中的任何碎屑或刮痕，试样体内可能引发灾难性裂纹的位置的总体数量巨大降低。已经批量获得刻蚀至250μ的部分的数据(除了那些在从大约300μ-大约250μ的刻蚀深度由Gem City装置切割出的外)并且分布分析。数据拟合出正态分布，平均MOR为1254MPa并且标准偏差为455MPa。
表VI作为切割方法和刻蚀除去的材料的函数的MOR<111>取向跨度16.5mmto＝300μMOR(MPa)用Gem City激光器切割无刻蚀 164.6用Gem City激光器切割刻蚀至250μ693.3用Synova激光器切割无刻蚀 336.0用Synova激光器切割刻蚀至250μ 1205.5用Disco锯切割无刻蚀507.0用Disco锯切割刻蚀至250μ 1240.0<111>取向to＝400μ用Gem City激光器切割无刻蚀 176.1用Gem City激光器切割刻蚀至250μ1245.4用Synova激光器切割无刻蚀 315.0用Synova激光器切割刻蚀至250μ 1411.9用Disco锯切割无刻蚀498.0用Disco锯切割刻蚀至250μ 1218.0
试样取向与平面平行。
每个样品尺寸为10。
基于试验结果在某种置信度下得到下面的结论●由Gem City激光器产生的损伤深度显著大于划割或者Synova激光器。在Gem City激光器上切割的部分(170MPa)是在Synova激光器上切割部分(325MPa)强度的一半。
●在Synova激光器上切割的部分(325MPa)大约为在Disco锯上切割部分(502MPa)强度的60％。这表明Synova激光器的损伤深度更大。
●刻蚀掉50μ材料对于Disco(1230MPa)切割和Synova激光器切割(1300MPa)得到非常相似的结果。这两个值都是划割和未刻蚀部分的两倍多。
图53A-53C说明金刚石刀片、金属刀片和根据上文所述的本发明实施方案制造的硅刀片之间的比较结果。如图53A所示，根据上文所述的本发明实施方案从硅制造的刀片以几分之一的成本表现出比金刚石刀片更高的顶部刺伤力。硅刀片比金属刀片具有更好的顶部刺伤力特性(比较第一个圆形(bullet)532(金刚石刀片)、第二个圆形534(硅刀片)和第三个圆形536(金属刀片))。
根据上文所述的本发明实施方案制造的硅刀片可以比金属刀片锋利得多(并且可以几乎等于金刚石刀片)并且比金属刀片平滑得多(如上面参考表IV和V所述)。
图53B和53C说明金刚石刀片、金属刀片和根据本发明实施方案制造的硅刀片之间在引起伤口所需的压力和穿透试验介质所需的力方面的比较结果。
在图63的流程图中说明的方法600的各步骤可以被包含在上面参考1、2、3和38说明的制造手术或非手术刀片的其它方法中。方法600可以用来产生比上述其它方法更加复杂的刀片。下面以硅晶片202说明方法600。但是，本领域技术人员可以领会方法600以及本文所述的其它方法可以使用由其它材料组成的晶片202，其包括，但不局限于SiC、蓝宝石、氧化铝、以及其它类型的材料。这些材料可以是单晶或者多晶材料。
在根据图1、2和3方法的步骤1004，以及根据图38方法的步骤382中，已经在硅晶片(晶片)202中切割出通孔基准后，执行方法600。使用这些基准在制造过程后续步骤中使用的各种机器中对准硅晶片202。在方法600的步骤2000中，向晶片202的第一侧上施加光抗蚀剂层540。在图54中显示了这个步骤。如果需要双斜面刀片，那么向晶片202的两侧施加光抗蚀剂层540。这在下面更详细地说明。在步骤2002中，烘烤光抗蚀剂层540，将图案化的光掩模544放在覆盖光抗蚀剂的晶片202上，然后将具有烘烤的光抗蚀剂层540和图案化的光掩模544的晶片202在紫外光542下曝光特定的一段时间。本领域技术人员可以领会不仅紫外光可以用于曝光光抗蚀剂层540，而且也可以使用X-射线以及其它类型的辐射(与所用的光抗蚀剂材料类型相关)。可以使用负或者正光抗蚀剂材料。本领域技术人员可以领会根据所需的斜面角和要使用的光抗蚀剂材料的类型和刻蚀方法图案化的光掩模544将是不同的。
作为紫外光542曝光和随后显影的结果，光抗蚀剂层540变成图案化的光抗蚀剂541并且图案化光掩模544的图案被复制到图案化的光抗蚀剂541中。对于正光抗蚀剂材料，X射线或紫外线或其它辐射曝光的光抗蚀剂材料部分是在显影期间除去的部分。对于负光抗蚀剂材料是相反的。图55A说明用紫外光542曝光光抗蚀剂层540上面布置了第一图案化光掩模544A的图55的晶片202的截面图，并且图55B说明在已经完成紫外曝光、并且已经显影光抗蚀剂层540以形成图案化的光抗蚀剂层541并且已经除去了第一图案化光掩模544A后的图55A的晶片202的截面图。与图55A和55B中所示的相似，图56A和56B说明第二图案化光掩模544B的布置和紫外光曝光并显影的实例。如果需要双斜面刀片，对于晶片202的另一侧可以重复步骤2000和2002。
接着步骤2002，方法600进行至判定步骤2003。作为步骤2000和2002的结果，晶片202的第一侧上面具有第一图案化的光抗蚀剂层541。在判定步骤2003中，判定是否要制造双斜面刀片。如果要制造双斜面刀片(判定步骤2003中“是”的路径)，那么判定是否已经机加工了两侧。如果没有机加工两侧(判定步骤2001中“否”的路径)，那么方法600再次进行步骤2000和2002，其中在晶片202的第二侧上沉积第二光抗蚀剂层540，并且在步骤2002中，烘烤第二侧，并且在第二光抗蚀剂层540上布置第二图案化的光掩模544B。然后用紫外光、X射线或者其它类型的辐射通过第二图案化的光掩模544B曝光第二光抗蚀剂层540。结果，第二光抗蚀剂层540变成第二图案化的光抗蚀剂层541。然后，所述方法返回步骤2003，其中再次判定这是上面已经制造出一个或者多个双斜面刀片的晶片(判定步骤2003中“是”的路径)。然后，方法600判定已经机加工了晶片202的两侧(判定步骤2001中“是”的路径)，并且进行至步骤2005。在步骤2005中，显影第一和第二侧分别采用第一和第二图案化的光抗蚀剂层540A、540B覆盖的晶片202，从而除去第一和第二图案化的光抗蚀剂层540A、540B的特定部分。如上所述，显影并除去的图案化光抗蚀剂层541A、541B的部分与光抗蚀剂材料是负型或正型有关。然后，方法600行进至步骤2004，在下面更详细地讨论该步骤。
如果在第一次通过步骤2000和2002后判定不是制造双斜面刀片(判定步骤2003中“否”的路径；即单斜面刀片)，方法600行进至步骤2005。在步骤2005中，显影只有第一侧用第一图案化的光抗蚀剂层541覆盖的晶片202，从而除去第一图案化的光抗蚀剂层541的特定部分。如上所述，显影并除去的图案化光抗蚀剂层541A的部分与光抗蚀剂材料是负型或正型有关。然后，方法600行进至步骤2004，在下面更详细地讨论该步骤。
基于要形成的切割装置的所需斜面角选择光抗蚀剂层540上使用的图案化的光掩模544。基于刻蚀方法，在下面更详细讨论的步骤2004将是湿、干、各向同性或者各向异性的刻蚀来选择适当的图案。例如，因为将使用不同的刻蚀方法，所以图55A、55B和56A、56B使用不同的图案化光掩模544。许多刻蚀组合是可能的，并且还能扩展为多个掩模和重复刻蚀，从而形成几乎任何斜面角。通过实例并且决不是指限制性的实例，可以使用第一图案化的光掩模544A，然后第一刻蚀方法，然后使用第二图案化的光掩模544B，接着是第一或者第二刻蚀方法。
在步骤2004中，进行晶片202的刻蚀。如上所述，刻蚀是除去组成晶片202的晶态材料层以产生刀片(手术或其它)或者其它类型工具的过程。在此情况下，使用刻蚀产生定义了刀片形状和角度的沟槽。如上所述，通过各种机械方法，包括但不局限于用金刚石锯片或刨槽机切割、或者使用激光器或超声机加工装置形成沟槽，在图1、2、3和38中所示方法的步骤1008中通常实施开槽步骤。在刻蚀形成沟槽后，除去图案化的光抗蚀剂层541并且进行附加刻蚀以完成材料除去过程并且实际上形成刀片的锋利刀刃。尽管该方法有点更加复杂，如上所述，但是它允许制造者产生非常复杂的刀片设计，包括多个斜面、多个斜面角和各种剖面角。
在步骤2004中，部分刻蚀用图案化光抗蚀剂层541遮挡的晶片202。无论已经在哪里显影掉图案化光抗蚀剂层541，将刻蚀掉曝光的下面的晶片202。根据所选的刻蚀剂，刻蚀剂将或者底切(undercut)出图案化的光抗蚀剂层541或者直接复制出图案化光抗蚀剂层541的几何结构。这在图57A、57B和58中显示。
图57A说明根据本发明实施方案在已经发生了部分各向异性刻蚀后图55B的硅晶片的截面图，并且图57B说明根据本发明另一个实施方案在各向异性刻蚀方法已经原位转变成各向同性刻蚀方法后图56B的硅晶片的截面图。图58说明根据本发明实施方案在已经发生了部分湿各向同性刻蚀后图56B的硅晶片的截面图。
图57A说明刻蚀剂直接复制出图案化光抗蚀剂层541几何结构的实例。在此情况下中使用的刻蚀剂是各向异性的反应性离子刻蚀(各向异性RIE)。第一刻蚀区546A和546B复制出图案化光抗蚀剂层541的几何结构。在图58中，湿各向同性刻蚀剂已经底切出显影的光抗蚀剂层541。图58说明上面参考图1、2、3和38中所示方法更详细讨论的湿各向同性刻蚀方法。图58中的图案化光抗蚀剂层541不受湿各向同性刻蚀方法的影响，并且保留了其原始结构(与图56B的未刻蚀晶片202相比)。
图57B说明结合各向异性和各向同性反应性离子刻蚀(RIE)方法来形成V形沟槽、或者第二刻蚀区548A、548B的结果。在图57B中，由两步RIE过程形成第二刻蚀区548A、548B。首先，在导致各向异性刻蚀的等离子体条件下刻蚀晶片202。这导致了如图57A中所示的晶片202。然后，原位改变工艺参数，从而刻蚀各向同性地进行。RIE各向同性刻蚀剂影响图案化的光抗蚀剂层541，这可以从比较图57B的晶片202与图55B和57A的晶片202中看出。通过仔细选择线宽和它们的相对间距，可以在不同的速率下在衬底中制造出RIE各向异性刻蚀部分。
图58说明在已经发生了湿各向同性刻蚀后图56B的硅晶片的截面图，其允许湿各向同性刻蚀剂基本上底切出图案化的光抗蚀剂层541。这就导致浅的V形沟槽、或者第三刻蚀区550。在任意上述刻蚀方法(和它们的各种组合)中，刻蚀方法仅需要进行至大约数十微米(晶片202初始厚度几分之一)，产生将在最终的刀片上变成切割刀刃预成形体的适当沟槽。
接着步骤2004，其中使用任意上述刻蚀方法(或者它们的组合)刻蚀晶片202，通过适当的湿化学剂(溶剂、商业光剥离剂等)在步骤2006中除去图案化的光抗蚀剂层541，或者在氧等离子体设备中灰化。图59说明图57B的但除去了图案化光抗蚀剂层541的晶片的截面图。该晶片202将产生单斜面刀片。图60说明图58B的但除去了图案化光抗蚀剂层541的晶片202的截面图。该晶片202将产生单斜面刀片。图61说明采用两次部分刻蚀(与图59的刻蚀相似的两次刻蚀)制造出双斜面刀片并且除去了图案化光抗蚀剂层541的晶片的截面图，并且图62说明采用两次部分刻蚀(与图60的刻蚀相似的两次刻蚀)制造出双斜面刀片并且除去了图案化光抗蚀剂层541的晶片202的截面图。
一旦已经在步骤2006中除去了图案化光抗蚀剂层541，在步骤2008中将初始刻蚀(或者开槽的)晶片202安装到UV激光器划割带上，并且在步骤2010中在晶片202中切出通孔狭缝390，以形成刀片的非切割边缘。这两个步骤都在上述更详细地说明了。在步骤2012中，从激光器带上取下安装的晶片202并且在连续的浴中清洗，除去碎片和有机及金属污染物。然后，方法600返回至上面参考图1、2、3和38说明的方法，实施如在步骤1018中所述的各向同性刻蚀。但是，可以进行许多附加步骤来实现其它特征。例如，如上面参考步骤2002所述，在各向同性刻蚀步骤1018前向晶片202的一侧施加涂层。另外，如上面参考步骤1016所述，可以实施可选的划割步骤。接着步骤1018的湿各向同性刻蚀，如果接着是图1的方法，则所述方法进行至步骤1019(可选地添加转变层)，或者如果接着图2、3和38的方法，则进行至步骤1020(安装)。
在刻蚀步骤1018中，现在如上所述在各向同性的HNA浴中湿刻蚀晶片202。由HNA刻蚀一起形成V形沟槽(或者第一、第二或者第三刻蚀区546、548、550)，从而产生非常锋利的切割刀刃，同时它也刻蚀掉平面表面使整个晶片/刀片具有其最终的目标厚度。然后，将晶片202转移至彻底漂洗的刻蚀停止步骤。然后，如上面更详细地所述，将刀片分成单个，并且与把手结合，产生有用的机械切割工具(医学利刃)。
已经参考其示例性的实施方案说明了本发明。但是，本领域技术人员容易明白可以以上述示例性实施方案以外的具体形式体现本发明。可以这样做而不会背离本发明的精神和范围。示例性的实施方案只是举例说明并且决不认为是限制性的。
权利要求
1.一种从晶态材料晶片制造切割装置的方法，其包括在晶态材料的第一侧上的晶态材料晶片中形成沟槽，所述沟槽包含刀片的至少一个刀片轮廓；以及刻蚀晶态材料的至少第一侧以形成至少一个切割刀刃。
2.根据权利要求1的方法，其还包括在晶态材料中形成至少一个刀片侧边；并且其中所述刻蚀晶态材料的至少第一侧包括刻蚀所述至少一个侧边。
3.根据权利要求2的方法，其中所述至少一个侧边包括非线型部分。
4.根据权利要求3的方法，其中所述非线型部分是马蹄形状。
5.根据权利要求1的方法，其中沟槽的形成包括形成含有第一斜面的第一图案；以及所述刻蚀所述晶态材料的至少第一侧包括刻蚀所述第一斜面以形成所述至少一个切割刀刃的至少第一部分。
6.根据权利要求5的方法，其中沟槽的形成包括形成含有第二斜面的第二图案；以及所述刻蚀所述晶态材料的至少第一侧包括刻蚀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.根据权利要求6的方法，其中在所述晶态材料的第一侧上布置第一图案和第二图案，从而使所述第一斜面和第二斜面彼此分开。
8.根据权利要求7的方法，其中第一和第二图案至少之一包括许多以雪花状图案在晶态材料的第一侧上形成的多个斜面。
9.根据权利要求1的方法，其还包括在所述晶态材料中形成至少一个狭缝，所述狭缝包括刀片的非切割边的至少一部分。
10.根据权利要求9的方法，其中所述形成至少一个狭缝包括使刀片的非切割边长度最大化。
11.根据权利要求1的方法，其中所述刻蚀步骤包括将具有至少一个刀片轮廓的晶态材料晶片放置到晶片舟上；将晶片舟和具有至少一个刀片轮廓的晶态材料晶片浸在各向同性的酸浴中；及以均匀的方式刻蚀晶态材料，从而以均匀的方式除去曝光表面上的晶态材料，因此按所述至少一个刀片轮廓的形状刻蚀出锋利的切割装置刀刃。
12.根据权利要求11的方法，其中所述各向同性的酸浴包括氢氟酸、硝酸和乙酸的混合物。
13.根据权利要求11的方法，其中所述各向同性的酸浴包括氢氟酸、硝酸和水的混合物。
14.根据权利要求1的方法，其中所述刻蚀步骤包括将具有至少一个刀片轮廓的晶态材料晶片放置到晶片舟上；在晶片舟和具有至少一个刀片轮廓的晶态材料晶片上喷撒喷雾刻蚀剂；及用喷雾刻蚀剂以均匀的方式刻蚀晶态材料，从而以均匀的方式除去曝光表面上的晶态材料，因此按所述至少一个刀片轮廓的形状刻蚀出锋利的切割装置刀刃。
15.根据权利要求1的方法，其中所述刻蚀步骤包括将具有至少一个刀片轮廓的晶态材料晶片放置到晶片舟上；将晶片舟和具有至少一个刀片轮廓的晶态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气体环境中；及用各向同性的二氟化氙、六氟化硫或者相似的氟代气体以均匀的方式刻蚀晶态材料，从而以均匀的方式除去曝光表面上的晶态材料，因此按所述至少一个刀片轮廓的形状刻蚀出锋利的切割装置刀刃。
16.根据权利要求1的方法，其中所述刻蚀步骤包括将具有至少一个刀片轮廓的晶态材料晶片放置到晶片舟中；将晶片舟和具有至少一个刀片轮廓的晶态材料晶片浸入电解浴中；及用电解浴以均匀的方式刻蚀晶态材料，从而以均匀的方式除去曝光表面上的晶态材料，因此按所述至少一个刀片轮廓的形状刻蚀出锋利的切割装置刀刃。
17.根据权利要求2的方法，其中所述形成至少一个侧边包括将能量从来自准分子激光器或者激光射水的激光束传送给晶态材料。
18.根据权利要求9的方法，其中所述形成至少一个狭缝包括将能量从来自准分子激光器或者激光射水的激光束传送给晶态材料。
19.根据权利要求1的方法，其中所述晶态材料包括硅。
20.根据权利要求1的方法，其中所述形成沟槽包括在晶态材料的第一侧上形成光抗蚀剂层；图案化所述光抗蚀剂层，从而从晶态材料第一侧的至少第一部分中除去至少一部分光抗蚀剂层；部分刻蚀所述晶态材料第一侧的第一部分以形成沟槽；以及在刻蚀所述晶态材料的至少第一侧之前除去光抗蚀剂层。
21.根据权利要求1的方法，其中所述部分刻蚀包括各向同性反应性离子刻蚀所述晶态材料的第一部分和各向异性反应性离子刻蚀所述晶态材料的第一部分中至少之一。
全文摘要
眼科手术刀片从或者单晶或者多晶材料，优选是晶片形式的材料制造。所述方法包括通过安装晶片来准备单晶或者多晶晶片并使用数种方法之一在晶片中刻蚀沟槽。形成斜面刀片表面的沟槽的机加工方法包括金刚石刀片锯、激光系统、超声机械、热锻压和刨槽机。其它的方法包括湿刻蚀(各向同性和各向异性)及干刻蚀(各向同性和各向异性，包括反应性离子刻蚀)、以及这些刻蚀步骤的组合。然后，将晶片放在刻蚀剂溶液中，其以均匀的方式各向同性地刻蚀晶片，从而均匀地除去晶态的或者多晶材料层，产生单、双或者多斜面刀片。可以在晶片中机加工出几乎任何角度，并且在刻蚀后仍保留机加工的角度。所得刀片的刀刃半径是5－500nm，这与金刚石刀刃的刀片口径相同，但制造成本是几分之一。半径的范围可以是30－60nm，具体的实现是大约40nm。刀片的轮廓具有例如大约60°的角度。眼科手术刀片可以用于白内障和屈光的手术程序，以及显微手术、生物学的和非医学的、非生物学的目的。如本文所述制造的手术和非手术刀片和机械装置还表现出比金属刀片光滑得多的表面。
文档编号H01L21/302GK1965394SQ200580018355
公开日2007年5月16日 申请日期2005年4月29日 优先权日2004年4月30日
发明者詹姆斯·休斯, 瓦迪姆·达斯卡尔, 约瑟夫·基南, 埃迪拉·基斯, 苏珊·查维兹 申请人:贝克顿·迪金森公司