[發明專利]采用AFM探針納米刻劃加工復雜三維微納米結構的裝置及方法

有效

• 申請號: 201410385711.5
• 申請日: 2014-08-07
• 公開（公告）號: CN104150433A
• 公開（公告）日: 2014-11-19
• 發明（設計）人: 于博文;耿延泉;閆永達;趙學森;胡振江
• 申請（專利權）人: 哈爾濱工業大學
• 主分類號: B81C1/00
• 分類號: B81C1/00;B82Y40/00
• 代理公司: 無
• 代理人: 無

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技術領域

本發明屬于微納米結構加工領域，涉及一種基于AFM探針納米刻劃加工的復雜三維微納米結構加工的裝置和方法。

背景技術

具有納米精度的復雜微結構在許多領域有著廣泛的需求，如高密度光柵結構、復雜三維微納米結構等已經廣泛應用在二元微光學、X射線天文望遠鏡、極端遠紫外光刻、激光慣性約束核聚變診斷系統、實驗力學、表面工程等諸多領域。對于上述的這類結構，目前采用的加工手段主要為電子束加工、聚焦離子束、激光加工等傳統納米加工手段，然而昂貴的加工設備、苛刻的加工條件、微米尺度的加工范圍以及低的加工效率等缺點制約了上述復雜納米結構的制作。

隨著納米技術的發展，通過控制原子力顯微鏡(AFM)探針與表面之間的物理、化學的作用，可以實現在納米尺度甚至原子分子、原子尺度上改變物體表面的微觀形貌，從而將其從測量領域擴展到納米加工領域，并且開展了廣泛而深入的研究。在眾多的基于AFM探針的納米加工方法中，基于AFM探針的納米機械刻劃加工作為一種傳統超精密加工向納米尺度的延伸技術，已經被證明它具有在微米尺度上加工復雜納米精度的三維微納米結構的能力。與此同時，傳統的精密微車削系統由于采用刀具的尺度和運動部件的精度都在微米量級，導致該方法的加工尺度和精度很難達到納米量級，目前僅處于微米量級。因此人們試圖將AFM探針納米機械加工系統改造作為未來加工復雜三維微納米結構加工的設備。??

發明內容

為了解決復雜三維微納米結構加工問題，本發明提供了一種采用AFM探針納米刻劃加工復雜三維微納米結構的裝置及方法。

本發明提供的采用AFM探針納米刻劃加工復雜三維微納米結構的裝置，包括AFM、X方向精密工作臺、Y方向精密工作臺，X方向精密工作臺底座固連在在Y方向精密工作臺的滑塊上，Y方向精密工作臺底座固連在AFM樣品臺上。

本發明提供的采用AFM探針納米刻劃加工納米精度復雜三維微納米結構的方法，包括以下三種方法：

方法1、匹配AFM探針進給速度和高精度定位平臺的移動速度實現底面階梯結構的納米通道的加工：

AFM探針在設定的正方形區域連續掃描加工，一次掃描結束后回到初始位置繼續重復上一次的掃描，同時X方向精密工作臺在加工方向以同一速度運動，這樣通過對AFM探針進給方向掃描速度與X方向精密工作臺運動速度的設定和匹配，不同結構的納米通道就可以有效地加工得到。

方法2、通過對AFM探針的編程控制實現復雜三維幾何圖形疊加的納米通道：

該方法是在方法1的基礎上進行工作的進一步推進。通過對AFM探針的掃描陶管的編程控制，實現對掃描陶管移動位置和移動速度的控制，即可加工出任意所需要得到的幾何圖案，同時與X方向精密工作臺進行速度的匹配就可以實現不同幾何圖案疊加的納米通道的加工。

方法3、改變AFM探針加工方向的進給量實現三維正弦及上下坡結構的加工：

由于AFM探針作用到樣品表面上的力通過微懸臂、PZT、AFM控制系統保持為一定值，所以改變AFM探針進給量的大小，即改變相鄰兩次加工掃描之間的間距，就能改變加工結構的加工深度。根據所要加工的微納米結構不同位置的深度計算出相應進給量的大小。利用商用AFM裝置與納米精度定位平臺的參數匹配就能加工出想要的三維正弦及上下坡結構。

上述三種加工方法均通過AFM機械刻劃的方式去除材料，實現加工目的。將AFM探針作為加工用的微小刀具，Z向掃描陶管的運動帶動探針做上下運動，實現加工過程中探針作用到表面上的力為一個恒定值。AFM系統原有的手動工作臺被新的二維高精度定位平臺所替換，帶動待加工樣品實現高精度的二維移動。

本發明具有如下優點：

1、本發明提出的三種方法分別通過對同一套商用AFM以及高精度定位平臺系統的不用控制和參數設置，實現采用AFM探針納米刻劃技術加工復雜三維微納米結構的加工。

2、本發明能夠在較低成本下解決復雜三維微納米結構的加工問題，且方法簡單，裝置及加工實現成本相對較低。

附圖說明

????圖1是本發明所述的AFM加工復雜三維微納米結構加工裝置圖

????圖2是本發明所述的AFM加工復雜三維微納米結構裝置的進一步具體結構示意圖。

具體實施方式

下面結合附圖對本發明的技術方案作進一步的說明，但并不局限于此，凡是對本發明技術方案進行修改或者等同替換，而不脫離本發明技術方案的精神和范圍，均應涵蓋在本發明的保護范圍中。