CN101723318A - 一种石英、玻璃材料表面的微纳米加工方法 - Google Patents
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Abstract
一种石英、玻璃材料表面的微纳米加工方法，其具体作法是：将尖端部为球冠状的探针安装在扫描探针显微镜上，将被加工的石英或玻璃材料固定在扫描探针显微镜的样品台上，启动扫描探针显微镜，给探针施加载荷F，该载荷F的值为根据赫兹接触公式计算出的被加工材料表面发生破坏的理论临界载荷值Fd0的0.03-0.5倍，并使探针沿着设定的轨迹在被加工材料表面进行刻划即可在被加工材料表面加工出纳米凸起结构。该方法操作简单，精度高，重复性好，可靠性高，且无污染、环保。
Description
技术领域
本发明涉及一种微纳米加工方法，尤其涉及一种绝缘材料表面的纳米级结构的微纳米加工方法。
背景技术
微纳米器件在环境监测、国防工业、航空航天、工业过程控制、医疗与健康，以及公共安全快速检测和预警等方面有广阔的应用前景。单晶石英、玻璃是优良的绝缘基底材料，它们不与除氟、氟化氢和氢氟酸以外的卤素、卤化氢和氢卤素以及硫酸、硝酸反应。基于石英和玻璃的绝缘性和耐腐蚀性，石英材料被用来加工陀螺仪、加速度传感器等微纳米器件，玻璃材料被用来加工微流路芯片、绝缘体衬底等产品。但是，这些研究成果的商业化尚依赖于先进的纳米级加工制造技术。2006年，全球最大的晶体元器件供应商Epson Toyocom公司提出了QMEMS战略，即“通过微加工技术，使石英原材料具备机械、电子、光学、化学等方面的性能，并增加高精度、高稳定附加值的设备”。可见石英材料的微加工受到越来越多的关注。随着时代的发展，纳米级结构的微纳米器件的需求日益增加，石英、玻璃等绝缘材料也会更多的应用于微纳米器件的制造，所以迫切需要寻求一种清洁高效的绝缘体材料的纳米加工技术。
纳米器件的结构主要由不同尺寸的纳米点、纳米线和纳米面等构成。因此，纳米加工的关键在于如何实现这些纳米结构的可控加工。
按照原理的不同，目前针对石英的微纳米加工方法主要有：(1)等离子刻蚀技术：利用模板将微纳米器件的结构图形传导到单晶石英表面或介质层上，通过等离子体和石英的化学反应达到刻蚀的目的。但是这种方法有固有的缺点：难以消除掩膜版基版的缺陷、加工步骤复杂、样品表面易污染、刻蚀速率低等。(2)聚焦离子束加工：利用外加高压电场加速Ga2+离子，在偏转电场的控制下形成定向的离子束。通过离子束对单晶石英表面进行物理刻蚀加工。该方法需要对石英表面镀金膜进行保护，加工过程中一部分Ga2+离子会被注入石英晶体内部，对单晶石英造成污染。此方法过程复杂，设备昂贵，不利于大规模应用。
针对玻璃的微纳米加工方法主要有：(1)湿法刻蚀：通过掩模作用和化学试剂的腐蚀，在玻璃表面加工出微结构。该方法工艺复杂，前期需要对玻璃抛光处理，后期使用大量的化学试剂进行腐蚀，对样品和环境都产生污染。(2)飞秒激光加工：利用高能激光束照射光敏玻璃表面，激光引发光敏玻璃表面发生化学变化，经热处理和腐蚀后在玻璃表面加工出微结构，但此种方法只适用特定的光敏玻璃，适用性受到限制。
目前，基于扫描探针显微镜的加工方法能实现纳米级的加工精度，且多探针并行加工等方法可以有效地提高加工效率，具有广阔的应用前景。然而，现有的扫描探针显微镜纳米加工方法采用机械刻划的方式加工的纳米结构为沟槽，不能加工凸起结构。而阳极氧化法只能在导体和半导体材料表面做加工，不适于石英和玻璃(绝缘体)表面的加工。因此，亟需开发一种工艺简单而且能用于绝缘体表面的纳米凸起结构加工的新方法。
发明内容
本发明的目的是提供一种石英、玻璃材料表面的微纳米加工方法。该方法操作简单，精度高，重复性好，可靠性高，且无污染、环保。
本发明实现其发明目的，所采用的技术方案是一种石英、玻璃材料表面的微纳米加工方法，其具体作法是：
将尖端部为球冠状的探针安装在扫描探针显微镜上，将被加工的石英或玻璃材料固定在扫描探针显微镜的样品台上，启动扫描探针显微镜，给探针施加载荷F，该载荷F的值为根据赫兹接触公式计算出的被加工材料表面发生破坏的理论临界载荷值Fd0的0.03-0.5倍，并使探针沿着设定的轨迹在被加工材料表面进行刻划即可在被加工材料表面加工出纳米凸起结构。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
一、本发明不需要对试样做特殊化学处理，不需要对扫描探针针尖做修饰，不需要外加电场，直接采用机械加工的方法即可加工出特定的纳米级凸起结构而非沟槽结构，其操作过程十分简单，加工效率高，重复性好。在整个加工过程没有加入化学物质，也没有化学反应，清洁环保，无污染。
二、扫描探针显微镜采用线扫描(线刻划)方式即可在石英或玻璃表面加工出线状的纳米级结构和点状的纳米级结构；采用面扫描(面刻划)方式，即可在石英或玻璃表面制作出面状凸起结构。因此，可以方便地根据实际需求选择载荷和刻划模式，加工出不同高度的各种纳米级凸起结构。
三、本发明方法加工的纳米结构主要是由绝缘的石英和玻璃材料表面在受到特定的载荷作用下，产生微观变形形成，并非外来物质附着形成或氧化反应生成，也非磨削形成，材料表面成份没有改变，不会对材料表面造成污染。
四、刻划加工后，不拆卸被加工材料，而在扫描探针显微镜上换上专用于扫描形貌的高灵敏度的氮化硅探针采用10nN以下的载荷，对加工区域进行形貌扫描(由于载荷很低，不会对表面产生破坏)，即可观察到纳米结构的三维形貌。如果材料不符合加工要求，可精确原位进行第二次加工，直至加工成合格品。通过少量样品的试验后，即可精确设定加工参数，进行大批量的高精度加工。加工过程中浪费少，合格率高。
上述的扫描探针的球冠状尖端部的曲率半径为400nm-2.5μm。如此规格形状的扫描探针，可以更好地保证石英或玻璃表面，在设定载荷下能够产生凸起形变而加工成纳米级的凸起结构。
下面结合附图和具体的实施方式对本发明作进一步的详细说明。
附图说明
图1为本发明实施例一的方法对单晶石英表面进行纳米加工得到的线状纳米结构。图中材料加工的具体参数为：单晶石英片(X-cut)厚度为0.5mm，扫描探针显微镜(SPM)采用SPI3800N型，扫描探针为金刚石探针，其悬臂梁的弹性系数为180N/m，金刚石探针球冠状尖端部的曲率半径为430nm。
其中a1-a4分图对应的加工载荷均为50μN、扫描循环次数分别为20次、50次、100次、300次；
b1-b4分图对应的扫描循环次数均为200次、对应的加工载荷分别为5μN、15μN、30μN、70μN。
图2为本发明实施例一的方法在单晶石英片表面加工的面状纳米结构。所用载荷为30μN，扫描次数为8次，该面状凸起的尺寸为3μm×3μm。
图3为本发明实施例一的方法在单晶石英片表面加工的纳米点结构。所用载荷为50μN，刻划长度为200nm，刻划次数为50次。
图4为本发明实施例一的方法在单晶石英片表面刻写出的“NANO”。c1、c2刻写时所用载荷为分别为7μN、30μN，循环次数均为100次。
图5为本发明实施例二的方法在单晶石英片表面加工得到的线状纳米结构。d1分图对应的加工载荷为4μN，循环次数为100次。d2分图对应的加工载荷为3μN，循环次数为300次。
图6为本发明实施例三的方法在玻璃表面加工的线状纳米结构。e1、e2、e3、e4分图对应的循环次数为50次，加工载荷分别为5μN、10μN、15μN、20μN。
具体实施方式
实施例一
本发明的一种具体实施方式是：一种石英、玻璃材料表面的微纳米加工方法，其具体作法是：
将尖端部为球冠状的探针安装在扫描探针显微镜上，将被加工的石英材料固定在扫描探针显微镜的样品台上，启动扫描探针显微镜，给探针施加载荷F，该载荷F的值为根据赫兹接触公式计算出的被加工材料表面发生破坏的理论临界载荷值Fd0的0.03-0.5倍，并使探针沿着设定的轨迹在被加工材料表面进行刻划即可在被加工材料表面加工出纳米凸起结构。
本例的探针选用金刚石探针，被加工的石英材料为单晶石英片。金刚石和单晶石英片的弹性模量分别为1141GPa和71.4GPa，泊松比分别为0.07和0.17。单晶石英片的硬度为9.5GPa。根据赫兹接触公式，计算出金刚石探针使单晶石英片表面发生破坏的理论临界载荷Fd0为170μN。因此探针施加的载荷F为5-85μN。
本例的金刚石扫描探针的球冠状尖端部的曲率半径为400nm-2.5μm。
本例中的单晶石英片(X-cut)在加工前可先进行清洗，清洗的具体做法是，依次在丙酮、乙醇、纯水中超声清洗。既可保持样品表面清洁，又可避免扫面探针针尖被污染。
以下是采用本例方法进行的几个具体的试验过程与结果：
加工试验选用的金刚石探针的球冠状尖端部的曲率半径为430nm。
1、石英表面线状纳米结构的加工试验：
加工时选用的具体条件和参数：样品为厚度约0.5mm的单晶石英片(X-cut)，采用SPI3800N型扫描探针显微镜作为加工设备，所采用的扫描探针为金刚石探针，其悬臂梁的弹性系数为180N/m，试验中载荷分别选取为5μN、15μN、30μN、70μN，刻划时的循环次数分别选取为20次、50次、100次、300次，刻划时选用线刻划模式。
采用以上参数条件对多个单晶石英晶片进行加工试验，结果表明，均可在单晶石英表面形成预期的纳米结构。
对以上加工后的单晶石英片，可利用专用于扫描形貌的悬臂梁弹性系数为0.1N/m的氮化硅探针在扫描探针显微镜AFM模式下，对加工区域进行原位扫描，得到加工后的线状纳米结构三维形貌。附图1给出了其中的部分形貌图。其中a1-a4分图对应的加工载荷均为50μN、刻划次数分别为20次、50次、100次、300次；b1-b4分图对应的扫描循环次数均为200次、对应的加工载荷分别为5μN、15μN、30μN、70μN。
从图1的形貌图中可以看出，线状纳米结构的高度可达到5nm；纳米结构高度与循环次数和施加载荷呈正相关关系。
2、石英表面面状纳米结构的加工试验：
加工时选用的具体参数：载荷为30μN；采用面扫描方式(即相邻的线扫描的轨迹紧邻)，扫描区域为3μm×3μm，扫描步长(相邻两条扫描线的间距)为11.7nm，扫描频率设为2Hz，面扫描次数为8次，其余加工条件和参数与以上线状纳米结构的加工试验1相同。
采用氮化硅探针对加工区域进行原位扫描，得到如图2的面状纳米结构三维形貌，其高度为2nm。
3、石英表面点状纳米结构的加工试验：
加工时选用的具体参数：载荷为50μN，设定的金刚石探针轨迹为定点，刻划(循环)50次，刻划长度为200nm。其余参数、条件则与以上试验1的线状纳米结构的加工完全相同。
刻划完成后，采用氮化硅针尖原位扫描表征刻划效果，结果如附图3所示，该纳米点的高度约为0.7nm，直径约为170nm。
4、石英表面复杂形状纳米结构的加工试验：
加工时选用的具体参数：载荷分别设为7μN、30μN，循环次数100次，扫描频率为2Hz。设定的扫描轨迹为“NANO”四个字母笔画。每个笔画均设定其相应的角度和长度，如“A”的“/”及“-”分别设定为-76°、3.1μm和0°、0.75μm的扫描线轨迹；其余的加工参数、条件也与试验1的线状纳米结构的加工完全相同。
选用扫描氮化硅探针对刻写区域进行扫描，得到的加工结果如图4所示。图4中的c1、c2分图对应的载荷分别为7μN、30μN，加工出的纳米结构对应的高度分别为0.5nm、1.5nm。
可见，采用本发明的方法可以按预定要求刻写出复杂形状的纳米结构，纳米结构高度与施加载荷呈正相关关系。
实施例二
本例与实施例一基本相同，所不同的仅仅是：扫描探针选用SiO2扫描探针，由于SiO2的弹性模量为70GPa。根据赫兹接触公式计算，SiO2探针使被加工单晶石英材料表面发生破坏的理论临界载荷Fd0为15.6μN。因此，探针施加的载荷F为0.5-7.8μN。
实验证明，采用SiO2扫描探针可加工出宽度在几十纳米、高度可达2nm的线状纳米凸起结构。
图5为采用本例的方法在石英表面进行的一个具体加工实验的结果，该图也为刻划完成后，采用氮化硅探针原位扫描得到的刻划效果图。加工时其悬臂梁弹性系数为12.9N/m，探针尖端部的曲率半径为2.5μm，扫描频率为2Hz。图5中d1、d2分图对应的载荷为分别为3μN、4μN，循环次数分别为100次、300次。
实施例三
本例与实施例一基本相同，不同的仅仅是：被加工材料改为玻璃片。由于玻璃片的硬度为4.7GPa，金刚石和玻璃片的泊松比分别为0.07和0.19，金刚石探针和玻璃片的弹性模量分别为68和1141GPa。根据赫兹接触公式计算，金刚石探针所施加的使玻璃发生破坏的理论临界载荷Fd0为37μN；因此，探针施加的载荷F为1-19μN。
图6为采用本例的方法在玻璃片表面进行的具体加工实验的结果图，该图也为刻划完成后，采用氮化硅探针原位扫描得到的刻划效果图。
图6中e1、e2、e3、e4分图对应的载荷分别为5μN、10μN、15μN、20μN。各分图的循环次数均为50次，扫描频率均为2Hz。
从图6可以看出：加工出的纳米凸起结构高度可达1.6nm。
显然，本发明可以根据需要设定不同的刻划模式和刻划轨迹，从而在石英和玻璃等绝缘材料表面加工出不同的各种形状的纳米结构。
实验表明，本发明加工的纳米结构的高度与载荷和循环次数正相关。若需要加工高度更高的纳米结构，则可通过施加更大的载荷和/或增加循环次数实现；相反，如果加工较低的纳米结构，则可降低载荷或降低循环次数。但通常刻划次数为300次以下。
Claims (2)
1.一种石英、玻璃材料表面的微纳米加工方法，其具体作法是：
将尖端部为球冠状的探针安装在扫描探针显微镜上，将被加工的石英或玻璃材料固定在扫描探针显微镜的样品台上，启动扫描探针显微镜，给探针施加载荷F，该载荷F的值为根据赫兹接触公式计算出的被加工材料表面发生破坏的理论临界载荷值Fd0的0.03-0.5倍，并使探针沿着设定的轨迹在被加工材料表面进行刻划即可在被加工材料表面加工出纳米凸起结构。
2.根据权利要求1所述的一种石英、玻璃材料表面的微纳米加工方法，其特征在于：所述的扫描探针的球冠状尖端部的曲率半径为400nm-2.5μm。
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