CN101003356B - 基于原子力显微镜恒高模式的纳米微小结构加工方法 - Google Patents
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Abstract
基于原子力显微镜恒高模式的纳米微小结构加工方法，本发明涉及纳米量级微小结构的加工方法。它克服了现有的AFM的纳米微小结构加工方法加工深度不可人为设定以及所能精确加工的尺寸范围非常有限的缺陷。本发明系统增加了三维微动工作台控制电路和三维微动工作台，本方法的主单片机通过三维微动工作台控制电路驱动三维微动工作台完成高度方向上的运动，使探针的针尖刺入被加工工件表面；探针所受反作用力在悬臂上产生的变形量被光杠杆测角装置检测到并传送给主单片机，三维微动工作台持续进行高度方向上的进给，直到用户的加工深度设定值等于三维微动工作台高度方向上的进给量减去悬臂上产生的变形量，直到刻划工作结束。
Description
技术领域
本发明涉及纳米量级微小结构的加工方法。
背景技术
1982年，IBM公司的Gerd Binnig及Heinrich Roher发明了第一台扫描隧道显微镜(STM)，并于1983年成功地观测到了Si(111)表面的Si(7×7)原子分布图像。随后科学家们在STM的基础上发明了一系列以探针作为工具的纳米尺度表面探测仪器。1986年，Gerd Binnig等人在STM基础上发明了原子力显微镜(AFM)。解决了STM对环境及样品要求高的问题，极大的拓宽了应用范围。1988年激光变形检测技术的发明及1989年美国斯坦福大学成功批量地制备出了微探针，进一步提高了AFM的稳定性，极大地促进了AFM在各领域的应用。近年来，结合AFM技术，使用高硬度的金刚石或Si3N4微探针，利用探针与样品表面之间的作用力，对样品表面直接进行纳米量级的刻划加工，以形成纳米量级三维微小结构，从而使AFM不仅可以实现纳米量级形貌的检测，还可以实现纳米量级微小结构的加工：应用AFM，采用较硬的微悬臂(等效弹性系数通常为50～300N/m)及金刚石针尖对样品进行直接的机械刻划，当垂直载荷加大时，会在纳米尺度上改变样品表面的形貌。从而实现纳米存储“点”、纳米器件“线”、微传感器纳米微小结构及纳米微模具的加工。
但目前AFM的纳米微小结构加工方法中存在如下的缺陷：AFM的针尖划过被加工工件产生痕迹线的过程，完全是由扫描陶管完成的，如图3所示，扫描陶管9-1的弯曲运动完成探针9-3的空间三维动作。由于扫描陶管的扫描范围极其有限，目前为止只能达到80微米×80微米，因此现有的基于AFM的纳米微小结构加工方法所能精确加工的尺寸范围非常有限。并且随着扫描范围的增加，扫描陶管9-1的重复性定位精度变差。目前只应用在10微米范围以内的微纳米结构的加工。并且在加工过程中，加工深度不能够人为设定。
发明内容
本发明的目的是提供一种基于原子力显微镜恒高模式的纳米微小结构加工方法，以克服现有的AFM的纳米微小结构加工方法所能精确加工的尺寸范围非常有限的缺陷，并可实现可设定深度的刻划加工。本发明方法的系统包括计算机3、主单片机4、显示器及键盘5、AFM加工驱动电路8、AFM微悬臂加工系统9和AFM微悬臂光杠杆检测电路10，AFM微悬臂加工系统9包括扫描陶管9-1、悬臂9-2、探针9-3和光杠杆测角装置9-4，计算机3的通信端口连接主单片机4的一个通信端口，主单片机4的另一个通信端口连接显示器及键盘5的通信端口，主单片机4的一个输出端连接AFM加工驱动电路8的输入端，AFM加工驱动电路8的输出端连接AFM微悬臂加工系统9的输入端，AFM微悬臂加工系统9的信号输出端连接AFM微悬臂光杠杆检测电路10的输入端，AFM微悬臂光杠杆检测电路10的输出端连接主单片机4的输入端，它还包括三维微动工作台控制电路6和三维微动工作台7，主单片机4的另一个输出端连接三维微动工作台控制电路6的输入端，三维微动工作台控制电路6的输出端连接三维微动工作台7的输入端。
本方法包括如下步骤：一、通过计算机3输入被加工工件11的加工参数，被加工工件11固定在三维微动工作台7上；二、AFM微悬臂加工系统9的探针9-3针尖接触被加工工件11表面；三、主单片机4通过三维微动工作台控制电路6驱动三维微动工作台7完成高度方向上的运动，使探针9-3的针尖刺入被加工工件11表面；同时，探针9-3所受反作用力在悬臂9-2上产生的变形量v被光杠杆测角装置9-4检测到并通过AFM微悬臂光杠杆检测电路10传送给主单片机4，在主单片机4的控制下三维微动工作台7持续进行高度方向上的进给，直到用户的加工深度设定值h等于三维微动工作台7高度方向上的进给量V减去悬臂9-2上产生的变形量v；四、主单片机4通过三维微动工作台控制电路6驱动三维微动工作台7完成水平方向上的运动，直到刻划工作结束。
工作时，由于被加工工件11上划痕的深度以及长度的实现都是由三维微动工作台7的三维运动来完成的，所以其加工范围完全由三维微动工作台7的运动范围所决定，而三维微动工作台7的运动范围比较大而且不受限制，使本发明的工作范围能达到500微米×500微米，还比较容易保证精度，在大的运动范围内重复性定位精度很高，克服了扫描陶管大范围加工时重复性定位精度差的缺陷，所以本发明的方法克服了现有的基于AFM的纳米微小结构加工方法所能精确加工的尺寸范围非常有限的缺陷。并可以实现加工过程中加工深度的设定。由于在加工过程中探针9-3的高度始终不变化，所以称之为恒高模式加工方法。
附图说明
图1是本发明系统的结构示意图，图2是实施方式二的结构示意图，图3是实施方式一加工过程的示意图，图4是实施方式一中悬臂发生变形的示意图。
具体实施方式
具体实施方式一：下面结合图1、图3和图4具体说明本实施方式。本方法的系统由计算机3、主单片机4、显示器及键盘5、三维微动工作台控制电路6、三维微动工作台7、AFM加工驱动电路8、AFM微悬臂加工系统9和AFM微悬臂光杠杆检测电路10组成，AFM微悬臂加工系统9包括扫描陶管9-1、悬臂9-2、探针9-3和光杠杆测角装置9-4，计算机3的通信端口连接主单片机4的一个通信端口，主单片机4的另一个通信端口连接显示器及键盘5的通信端口，主单片机4的一个输出端连接AFM加工驱动电路8的输入端，AFM加工驱动电路8的输出端连接AFM微悬臂加工系统9的输入端，AFM微悬臂加工系统9的信号输出端连接AFM微悬臂光杠杆检测电路10的输入端，AFM微悬臂光杠杆检测电路10的输出端连接主单片机4的输入端，主单片机4的另一个输出端连接三维微动工作台控制电路6的输入端，三维微动工作台控制电路6的输出端连接三维微动工作台7的输入端。
本方法包括如下步骤：一、通过计算机3输入被加工工件11的加工参数，被加工工件11固定在三维微动工作台7上；二、AFM微悬臂加工系统9的探针9-3针尖接触被加工工件11表面；三、主单片机4通过三维微动工作台控制电路6驱动三维微动工作台7完成高度方向上的运动，使探针9-3的针尖刺入被加工工件11表面；同时，探针9-3所受反作用力在悬臂9-2上产生的变形量v被光杠杆测角装置9-4检测到并通过AFM微悬臂光杠杆检测电路10传送给主单片机4，在主单片机4的控制下三维微动工作台7持续进行高度方向上的进给，直到用户的加工深度设定值h等于三维微动工作台7高度方向上的进给量V减去悬臂9-2上产生的变形量v；这就是本发明恒高模式下，深度可控的原理。四、主单片机4通过三维微动工作台控制电路6驱动三维微动工作台7完成水平方向上的运动，直到刻划工作结束。
在步骤三中，加工深度设定值h是用户在单片机1中预先设定的，探针9-3高度方向上的进给量V是通过三维微动工作台控制电路6输出的驱动信号的量值与三维微动工作台7运动距离的一一对应关系实现的，悬臂9-2上产生的变形量v是通过光杠杆测角装置9-4实时检测到的。
在步骤三中探针9-3所受反作用力在悬臂9-2上产生的变形量v由下式决定： 式中：
L为微悬臂臂长度；θ如图所示为挠曲线在探针针尖处的转角；
AFM加工驱动电路8、AFM微悬臂加工系统9和AFM微悬臂光杠杆检测电路10都是已有的AFM系统所具有的部件。本实施方式探针在高度方向上刻划伺服精度为10nm；刻划加工范围由三维微动工作台限定；刻划加工速度≦2Hz；在图3和图4的坐标系中，Z向代表高度方向，X、Y分别代表水平面中的两个相互垂直的方向。
具体实施方式二：下面结合图2具体说明本实施方式。本实施方式与实施方式一的不同点是：它的系统还包括电源20，电源20的正负极分别连接探针9-3和被加工工件11，电源20的电压幅值小于10V，是持续时间为500ms的脉冲。该功能是附加在刻划功能上的另一个功能。探针9-3和被加工工件11施加由用户设定的电压信号，该电压信号独立与系统其它部分隔离，可实现对加工工件11的针尖诱导局域氧化加工及针尖诱导局域改性加工。
Claims (2)
1.基于原子力显微镜恒高模式的纳米微小结构加工方法，本方法的系统包括计算机(3)、主单片机(4)、显示器及键盘(5)、AFM加工驱动电路(8)、AFM微悬臂加工系统(9)和AFM微悬臂光杠杆检测电路(10)，AFM微悬臂加工系统(9)包括扫描陶管(9-1)、悬臂(9-2)、探针(9-3)和光杠杆测角装置(9-4)，计算机(3)的通信端口连接主单片机(4)的一个通信端口，主单片机(4)的另一个通信端口连接显示器及键盘(5)的通信端口，主单片机(4)的一个输出端连接AFM加工驱动电路(8)的输入端，AFM加工驱动电路(8)的输出端连接AFM微悬臂加工系统(9)的输入端，AFM微悬臂加工系统(9)的信号输出端连接AFM微悬臂光杠杆检测电路(10)的输入端，AFM微悬臂光杠杆检测电路(10)的输出端连接主单片机(4)的输入端，其特征在于本方法的系统还包括三维微动工作台控制电路(6)和三维微动工作台(7)，主单片机(4)的另一个输出端连接三维微动工作台控制电路(6)的输入端，三维微动工作台控制电路(6)的输出端连接三维微动工作台(7)的输入端；
本方法包括如下步骤：一、通过计算机(3)输入被加工工件(11)的加工参数，被加工工件(11)固定在三维微动工作台(7)上；二、AFM微悬臂加工系统(9)的探针(9-3)针尖接触被加工工件(11)表面；三、主单片机(4)通过三维微动工作台控制电路(6)驱动三维微动工作台(7)完成高度方向上的运动，使探针(9-3)的针尖刺入被加工工件(11)表面；同时，探针(9-3)所受反作用力在悬臂(9-2)上产生的变形量v被光杠杆测角装置(9-4)检测到并通过AFM微悬臂光杠杆检测电路(10)传送给主单片机(4)，在主单片机(4)的控制下三维微动工作台(7)持续进行高度方向上的进给，直到用户的加工深度设定值h等于三维微动工作台(7)高度方向上的进给量V减去悬臂(9-2)上产生的变形量v；四、主单片机(4)通过三维微动工作台控制电路(6)驱动三维微动工作台(7)完成水平方向上的运动，直到刻划工作结束。
2.根据权利要求1所述的基于原子力显微镜恒高模式的纳米微小结构加工方法，其特征在于它的系统还包括电源(20)，电源(20)的正负极分别连接探针(9-3)和被加工工件(11)，电源(20)的电压幅值小于10V，是持续时间为500ms的脉冲。
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