[發明專利]一種基于AFM的十納米多能場加工裝置及加工方法

在審

• 申請號: 202210178690.4
• 申請日: 2022-02-25
• 公開（公告）號: CN114634154A
• 公開（公告）日: 2022-06-17
• 發明（設計）人: 胡耀武;胡益忠;張嘯寒;夏敏
• 申請（專利權）人: 武漢大學
• 主分類號: B82B3/00
• 分類號: B82B3/00;B82Y40/00;G01Q60/38
• 代理公司: 武漢科皓知識產權代理事務所(特殊普通合伙) 42222
• 代理人: 魯力

本發明公開了一種基于AFM的十納米多能場加工裝置及加工方法。該加工裝置包括原子力顯微鏡加工與成像模塊、高強度激光發生與控制模塊及電物理場產生與控制模塊。本發明通過激光與電物理場耦合產生局域場增強效應，作用于特殊強化處理后的探針針尖與樣品表面，然后借助原子力顯微鏡納米級的探針運動控制功能，控制掃描探針通過光、電、熱、力等多種能場作用在樣品表面進行去除或改性。通過上述開發的光、電、熱和力耦合的混合匹配光刻策略，可有效得到去除或改性效果、減緩探針針尖磨損速度并大幅提高加工精度和加工效率。

技術領域

本發明屬于近場光學、納米加工以及掃描探針成像裝置技術領域，特別涉及一種基于AFM的十納米多能場加工裝置及加工方法。

背景技術

納米材料因其特殊的結構層次而具有一系列特殊的物理和化學特性，在光、電、磁、傳感和催化等領域具有重要的研究意義。其制作的精密器件具有體積小、重量輕和便于設計等優勢，在微型電子、生物醫療、航空航天、能源環境等行業已經取得了一定的應用。然而，近年來科學技術的迅速發展使得人們對器件性能的要求越來越高，隨之帶來的需減小結構特征尺寸的要求又促進了超精密機械加工、光刻加工、納米壓印技術和能量束加工等加工方式的進一步發展，但仍存在加工設備復雜、加工成本高和精度不可控等問題，如超精密機械加工雖然可以加工出幾個納米的超精密表面，但對機床主軸的剛度、旋轉精度、抗震性能和抗熱變形能力的設計要求較高，設備制造成本較高；光刻加工是目前微電子領域加工制造中較為成熟的加工手段，加工效率高且成本較低，但受光衍射效應的影響，傳統光刻加工難以突破加工130nm以下線寬的理論極限；納米壓印技術通過壓模結合腐蝕的方法，解決了傳統光刻印刷存在的光衍射局限和光散射問題，可以進行10nm以下簡單圖形重復結構的大面積制備，制造成本較低，但仍存在納米壓印模板制造和對準困難等一系列問題；聚焦離子束/電子束雙束納米加工方法可以通過掃描電子顯微鏡對高強度聚焦離子束加工出的納米結構進行實時觀察，可在加工過程中對缺陷進行實時修補，提高產品加工質量，但加工設備昂貴，加工成本較高。因此，尋求更加精密、高效的納米結構加工方式仍是當前急需解決的科學前沿問題。

原子力顯微鏡(Atomic Force Microscopy,AFM)可通過探針與樣品之間微弱的原子間相互作用力如范德華力、排斥力、附著力、摩擦力等來獲得物質表面穩定、高分辨樣品表面形貌，分辨率可達原子級。同時，探針與樣品間的相互作用力會使得樣品表面發生物理化學變化，基于此，發展了原子力顯微鏡掃描探針加工技術。與現有的微納米加工技術相比，該加工方法可直接觀察探針與材料間原子、分子以及納米粒子的相互作用的特點，可直接進行單個原子的加工，具有加工精度高和加工尺度小的特點，并可適應超高真空、大氣、液態、高低溫等多種環境。但該加工方式也存在顯著不足，如針尖與樣品間存在機械力的相互作用，針尖與在樣品間的粘附力與相對滑動可能會造成針尖的磨損和變形，而探針制造困難且價格昂貴，因此該方法不適用于加工硬度較高的材料。另外，過大的相互作用力還容易造成加工樣品的位移而影響加工精度。因此，如何在保證掃描探針高效、高精度加工的同時，克服掃描探針易磨損的問題，是當前科研工作者亟待解決的重大科研問題。

掃描探針加工技術的加工特點具有較高的靈活性，探針與樣品間可通過施加光、電、熱、磁、超聲等多能場以引起材料的物理和化學變化來對材料進行納米加工，為解決掃描探針易磨損和變形的問題，尋求更加高效、高精度的多能場輔助復合加工方法在納米加工領域具有廣泛的應用前景。

發明內容