CN102530850A - 一种采用afm探针纳米刻划加工毫米尺寸微纳结构的方法 - Google Patents

Abstract

一种采用AFM探针纳米刻划加工毫米尺寸微纳结构的方法。本发明属于毫米尺寸微纳结构加工领域。该方法能够在较低成本下解决毫米尺寸、纳米精度微纳结构的加工问题。方法一：首先将待加工样品置于X-Y二维精密工作台上，通过AFM系统的逼近过程使AFM探针以小于1μN的垂直载荷接触待加工样品的表面；加工纳米线振列结构，设定加工长度、加工宽度、加工间距、加工方向、垂直载荷及加工速度的参数值。方法二与一不同的是：加工由多个相同微结构组合而成的阵列微结构；首先设定加工参数，加工时，由扫描陶管带动AFM探针运动，从而实现方形、圆形或等边三角形阵列微结构的加工。本发明采用AFM探针纳米刻划加工待加工样品的毫米尺寸微纳结构。

Description

一种采用AFM探针纳米刻划加工毫米尺寸微纳结构的方法

技术领域

本发明属于毫米尺寸微纳结构加工领域，特别是一种基于AFM探针纳米刻划加工毫米尺寸微纳结构的方法。

背景技术

具有纳米精度的复杂微结构在许多领域有着广泛的需求，如高密度光栅结构、复杂三维微纳结构等已经广泛应用在二元微光学、X射线天文望远镜、极端远紫外光刻、激光惯性约束核聚变诊断系统、实验力学、表面工程等诸多领域。对于上述的这类结构，目前采用的加工手段主要为电子束加工、聚焦离子束、激光加工等传统纳米加工手段，然而昂贵的加工设备、苛刻的加工条件、微米尺寸的加工范围以及低的加工效率等缺点制约了上述复杂纳米结构的制作。

随着纳米技术的发展，通过控制原子力显微镜（AFM）探针与表面之间的物理、化学的作用，可以实现在纳米尺寸甚至原子尺寸上改变物体表面的微观形貌，从而将其从测量领域扩展到纳米加工领域，并且开展了广泛而深入的研究。在众多的基于AFM探针的纳米加工方法中，基于AFM探针的纳米机械刻划加工作为一种传统超精密加工向纳米尺寸的延伸技术，已经被证明它具有在微米尺寸上加工复杂纳米精度的三维微纳结构的能力。与此同时，传统的精密微车削系统由于采用刀具的尺寸和运动部件的精度都在微米量级，导致该方法的加工尺寸和精度很难达到纳米量级，目前仅处于微米量级。因此人们试图将AFM探针纳米机械加工系统改造作为下一代的纳米级数控（CNC）机床。然而目前这种方法存在的最大问题在于：受扫描陶管的扫描范围限制，其加工范围在微米尺寸（100微米左右），这样的尺寸还不能满足人们对毫米尺寸、纳米精度微纳结构的现实需求。

发明内容

本发明的目的是提供一种结合商用AFM系统并结合毫米尺寸、纳米精度定位平台，实现采用AFM探针纳米刻划加工毫米尺寸微纳结构的方法，该方法能够在较低成本下解决毫米尺寸、纳米精度微纳结构的加工问题。本发明是通过AFM探针机械刻划的方式去除样品表面材料，实现加工目的的。

为实现上述目的的技术方案是：

方案一：一种采用AFM探针纳米刻划加工毫米尺寸微纳结构的方法，所述的方法由下述步骤实现：

步骤一：首先将待加工样品置于X-Y二维精密工作台上，通过X-Y二维精密工作台在长×宽=100mm×100mm范围内确定待加工样品要加工结构的起始点；然后通过AFM系统的逼近过程使AFM探针以小于1μN的垂直载荷接触待加工样品的表面；

步骤二：加工纳米线振列结构；首先设定AFM的扫描范围为0μm，其次设定加工长度、加工宽度、加工间距、加工方向、垂直载荷及加工速度的参数值，上述所述的各参数值分别如下：加工长度L为1mm-50mm、加工宽度B为1mm-50mm、加工间距W为0.2μm-100μm、加工方向为垂直于AFM系统微悬臂长轴方向、垂直载荷为5μN-150μN、加工速度为10μm/s-100μm/s；然后，使用步骤一所述的X-Y二维精密工作台按照上述所述的各参数设定值进行加工，AFM探针的运动轨迹为蛇形，当加工的范围达到预定设置的范围后停止加工。

方案二：一种采用AFM探针纳米刻划加工毫米尺寸微纳结构的方法，所述的方法由下述步骤完成：

步骤一：首先将待加工样品置于X-Y二维精密工作台上，通过X-Y二维精密工作台在长×宽=100mm×100mm范围内确定待加工样品要加工结构的起始点；然后通过AFM系统的逼近过程使AFM探针以小于1μN的垂直载荷接触待加工样品的表面；

步骤二：加工由多个相同单个微结构组合而成的阵列微结构；加工单个微结构的形状为圆形、方形或等边三角形，加工单个圆形微结构的直径为5μm-50μm，加工单个方形或等边三角形微结构的边长为5μm-50μm；加工时垂直载荷为5μN-150μN，加工速度为10μm/s-100μm/s；加工由4-1000个相同单个微结构组合成的阵列微结构，相邻两个单个微结构沿宽度方向的中心距B1为50 μm-100μm，相邻两个单个微结构沿长度方向的中心距L2为50 μm-100μm，由多个相同单个微结构组合而成的阵列微结构沿长度方向的总中心距L依据相邻两个单个微结构沿长度方向的中心距L1以及单个微结构尺寸和加工个数来确定；由多个相同单个微结构组合而成的阵列微结构沿宽度方向的总中心距B依据相邻两个单个微结构沿宽度方向的中心距B1以及单个微结构尺寸和加工个数来确定；加工时，由扫描陶管带动AFM探针运动，从而实现方形、圆形或等边三角形阵列微结构的加工。

本发明的有益效果是：本发明的方法能够实现在毫米尺寸范围内加工微纳结构，且方法简单，所用设备及加工成本较低。依靠AFM系统本身的检测功能，本方法还具有在线检测功能，能够实现微纳结构的加工检测一体化。 

附图说明

图1a所示是利用本发明的方法在X-Y二维精密工作台上，采用AFM探针在待加工样品表面上加工微纳结构的立体图；

图1b所示是利用本发明的方法去除待加工样品表面材料的局部放大图；

图1c所示是扫描陶管通过微悬臂带动AFM探针运动的立体图；

图2所示是加工三角形微纳结构时，AFM探针运动轨迹图；

图3a所示是采用本发明的方法加工毫米尺寸微纳结构的流程框图；

图3b所示是加工纳米线振列结构的探针轨迹图；

图3c所示是加工圆阵列的探针轨迹图；

图4a是采用AFM探针加工毫米尺度微纳结构的加工示意图；

图4b是采用AFM探针加工毫米尺度微纳结构的加工原理图；

图5是采用AFM探针纳米刻划加工毫米尺度微纳结构的加工装置的立体图。

具体实施方式

具体实施方式一：如图1a~图1c及图3b，一种采用AFM探针纳米刻划加工毫米尺寸微纳结构的方法，所述的方法由下述步骤实现：

步骤一：首先将待加工样品4置于X-Y二维精密工作台上，通过X-Y二维精密工作台在长×宽=100mm×100mm范围内确定待加工样品4要加工结构的起始点；然后通过AFM系统的逼近过程使AFM探针3以小于1μN的垂直载荷接触待加工样品4的表面；

步骤二：加工纳米线振列结构；首先设定AFM的扫描范围为0μm，其次设定加工长度、加工宽度、加工间距、加工方向、垂直载荷及加工速度的参数值，上述所述的各参数值分别如下：加工长度L为1mm-50mm、加工宽度B为1mm-50mm、加工间距W为0.2μm-100μm、加工方向为垂直于AFM系统微悬臂5长轴方向、垂直载荷为5μN-150μN、加工速度为10μm/s-100μm/s；然后，使用步骤一所述的X-Y二维精密工作台按照上述所述的各参数设定值进行加工，AFM探针3的运动轨迹为蛇形，当加工的范围达到预定设置的范围后停止加工。

见图3a，所述的方法的实现路线是：开始→移动X-Y二维精密工作台到起始点→AFM探针接触待加工样品表面→设置加工参数：加工长度、进给量、垂直载荷、加工速度、加工个数，并进行加工→判断加工是否结束→若是，结束，若否，继续加工，直至加工结束（见图3a）。

具体实施方式二：如图1a~图1c及图3c，一种采用AFM探针纳米刻划加工毫米尺寸微纳结构的方法，所述的方法由下述步骤实现：

步骤一：首先将待加工样品4置于X-Y二维精密工作台上，通过X-Y二维精密工作台在长×宽=100mm×100mm范围内确定待加工样品4要加工结构的起始点；然后通过AFM系统的逼近过程使AFM探针3以小于1μN的垂直载荷接触待加工样品4的表面；

步骤二：加工由多个相同单个微结构组合而成的阵列微结构；加工单个微结构的形状为圆形、方形或等边三角形，加工单个圆形微结构的直径为5μm-50μm，加工单个方形或等边三角形微结构的边长为5μm-50μm；加工时垂直载荷为5μN-150μN，加工速度为10μm/s-100μm/s；加工由4-1000个相同单个微结构组合成的阵列微结构，相邻两个单个微结构沿宽度方向的中心距B1为50 μm-100μm，相邻两个单个微结构沿长度方向的中心距L2为50 μm-100μm，由多个相同单个微结构组合而成的阵列微结构沿长度方向的总中心距L依据相邻两个单个微结构沿长度方向的中心距L1以及单个微结构尺寸和加工个数来确定；由多个相同单个微结构组合而成的阵列微结构沿宽度方向的总中心距B依据相邻两个单个微结构沿宽度方向的中心距B1以及单个微结构尺寸和加工个数来确定；加工时，由扫描陶管6带动AFM探针3运动，从而实现方形、圆形或等边三角形阵列微结构的加工。

采用AFM的开放软件对扫描陶管6进行运动轨迹编程实现。

实施例1：以在待加工样品表面加工等边三角形微结构的实现过程为例描述加工单个微结构的坐标获得以及移动的实现：利用美国Quesant Instrument Corporation的Ambios Qscope 250^TM AFM系统的V4.05版本的软件，该软件提供Slew_xy(x, y)函数来控制AFM扫描陶管6带动AFM探针3的精确移动，该函数控制AFM探针运动到（x，y）坐标处。因此，只要获得如图2所示每条线的起点和终点坐标，就可以通过调用Slew_xy函数实现AFM探针3的移动，完成加工，如图1a~图1c。

获得坐标的过程：如图2所示，在待加工样品2表面加工等边三角形微结构时，起点坐标(x(si),y(si))如公式（1）所示，终点坐标(x(ei),y(ei))如公式（2）所示。其中：L1为等边三角形的边长；f为进给量；θ为底边和斜边之间的夹角；i=1，2，3………(L/2tanθ)/f，i为一个整数；

                         （1）

                          （2）

同理，加工圆形、方形微结构与此相同，即获得对应的起点坐标(x(si),y(si))和终点坐标(x(ei),y(ei))，然后通过调用Slew_xy函数实现AFM探针的移动，完成单个微结构的加工；然后，由X-Y二维精密工作台在待加工样品4表面100mm×100mm（长×宽）范围内进行定位后，由AFM系统实现50μm×50μm（长×宽）范围内的微纳结构的加工；加工振列结构中不同的微结构时，AFM探针3移动时，施加到待加工样品4表面上的力变为1μN，以保证不破坏待加工样品4。移动到下一个结构处，垂直载荷恢复到加工时的值。在加工阵列微结构时，X-Y二维精密工作台在进行移动时必须保持扫描陶管6是处于静止状态的，这里使用一个时间延迟函数Sleep（T）进行控制的。调用函数Sleep（T）以实现T毫秒时间的延迟，保证X-Y二维精密工作台移动之后扫描陶管6才开始工作。依次完成所有微纳结构的加工，AFM探针3的轨迹如图1a~图1c及图3(c)所示。

实施例2：如图1a~1c，将AFM探针3作为加工用的微小刀具，AFM探针3本身在AFM系统的扫描陶管6控制下可以实现在待加工样品4表面50μm×50μm（长×宽）平面内做X-Y方向的高精度运动，Z向的扫描陶管6的运动带动AFM探针3做10μm上下运动，实现加工过程中AFM探针3作用到待加工样品4表面上的力为一个恒定值。AFM系统原有的手动工作台被X-Y二维精密工作台所替换，带动待加工样品4实现高精度的二维移动。加工深度方向由AFM系统控制微悬臂5的弯曲量，从而控制AFM探针3作用到待加工样品4表面上的力而控制加工的深度。从本实施例表明，材料是依靠AFM探针3与待加工样品4（工件）的相互作用而去除的。

实施例3：如图4a所示，图中以X方向为例。由于AFM探针3作用到待加工样品4表面上的力通过微悬臂5、PZT、AFM控制系统保持为一定值，因此，在待加工样品4作毫米尺度移动时，AFM探针3可以跟踪表面，而消除如图4b中所示的由于螺距误差等误差所导致的X-Y二维精密工作台移动引起的Z方向的误差（上下起伏的误差）、待加工样品倾斜误差（安装带来的）、Z轴与PZT（扫描陶管6）的AB轴间的垂直度误差（可导致加工深度方向的变化）。即在恒力F的作用下，虚波浪线所示为原有表面、实波浪线为已加工表面形貌，在毫米尺寸实现等深度h的微纳米结构的加工。

实施例4：本实施例还提供了一种采用AFM探针纳米刻划加工毫米尺度微纳结构的加工装置：包括AFM扫描陶管6、X精密工作台1、底座平台7、AFM安装背板8及Y精密工作台2，AFM探针3安装在微悬臂5上，微悬臂5安装在扫描陶管6的末端，X精密工作台1与Y精密工作台2都是毫米尺度、纳米级定位精度的位移台，二者层叠安装，被加工样品4安装在X精密工作台1和Y精密工作台2上（见图5）。

Claims (2)

1.一种采用AFM探针纳米刻划加工毫米尺寸微纳结构的方法，其特征是：所述的方法由下述步骤实现：

步骤一：首先将待加工样品置于X-Y二维精密工作台上，通过X-Y二维精密工作台在长×宽=100mm×100mm范围内确定待加工样品要加工结构的起始点；然后通过AFM系统的逼近过程使AFM探针以小于1μN的垂直载荷接触待加工样品的表面；

步骤二：加工纳米线振列结构；首先设定AFM的扫描范围为0μm，其次设定加工长度、加工宽度、加工间距、加工方向、垂直载荷及加工速度的参数值，上述所述的各参数值分别如下：加工长度L为1mm-50mm、加工宽度B为1mm-50mm、加工间距W为0.2μm-100μm、加工方向为垂直于AFM系统微悬臂长轴方向、垂直载荷为5μN-150μN、加工速度为10μm/s-100μm/s；然后，使用步骤一所述的X-Y二维精密工作台按照上述所述的各参数设定值进行加工，AFM探针的运动轨迹为蛇形，当加工的范围达到预定设置的范围后停止加工。

2.一种采用AFM探针纳米刻划加工毫米尺寸微纳结构的方法，其特征是：所述的方法由下述步骤完成：

步骤一：首先将待加工样品置于X-Y二维精密工作台上，通过X-Y二维精密工作台在长×宽=100mm×100mm范围内确定待加工样品要加工结构的起始点；然后通过AFM系统的逼近过程使AFM探针以小于1μN的垂直载荷接触待加工样品的表面；

步骤二：加工由多个相同单个微结构组合而成的阵列微结构；加工单个微结构的形状为圆形、方形或等边三角形，加工单个圆形微结构的直径为5μm-50μm，加工单个方形或等边三角形微结构的边长为5μm-50μm；加工时垂直载荷为5μN-150μN，加工速度为10μm/s-100μm/s；加工由4-1000个相同单个微结构组合成的阵列微结构，相邻两个单个微结构沿宽度方向的中心距B1为50 μm-100μm，相邻两个单个微结构沿长度方向的中心距L2为50 μm-100μm，由多个相同单个微结构组合而成的阵列微结构沿长度方向的总中心距L依据相邻两个单个微结构沿长度方向的中心距L1以及单个微结构尺寸和加工个数来确定；由多个相同单个微结构组合而成的阵列微结构沿宽度方向的总中心距B依据相邻两个单个微结构沿宽度方向的中心距B1以及单个微结构尺寸和加工个数来确定；加工时，由扫描陶管带动AFM探针运动，从而实现方形、圆形或等边三角形阵列微结构的加工。

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