CN104150433A - 采用afm探针纳米刻划加工复杂三维微纳米结构的装置及方法 - Google Patents

Abstract

一种采用AFM探针纳米刻划加工复杂三维微纳米结构的装置及方法，属于微纳米结构加工领域。为了解决复杂三维微纳米结构加工问题，所述装置包括AFM、X方向精密工作台、Y方向精密工作台，X方向精密工作台底座固连在在Y方向精密工作台的滑块上，X方向定位工作台的滑块进行X方向运动，Y方向精密工作台底座固连在AFM样品台上，Y方向定位工作台的滑块进行Y方向运动。本发明提出的三种方法分别通过对同一套商用AFM以及高精度定位平台系统的不用控制和参数设置，实现采用AFM探针纳米刻划技术加工复杂三维微纳米结构的加工。本发明能够在较低成本下解决复杂三维微纳米结构的加工问题，且方法简单，装置及加工实现成本相对较低。

Description

采用AFM探针纳米刻划加工复杂三维微纳米结构的装置及方法

 

技术领域

本发明属于微纳米结构加工领域，涉及一种基于AFM探针纳米刻划加工的复杂三维微纳米结构加工的装置和方法。

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、复杂三维微纳米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、微米尺度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，可以实现在纳米尺度甚至原子分子、原子尺度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度的延伸技术，已经被证明它具有在微米尺度上加工复杂纳米精度的三维微纳米结构的能力。与此同时，传统的精密微车削系统由于采用刀具的尺度和运动部件的精度都在微米量级，导致该方法的加工尺度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未来加工复杂三维微纳米结构加工的设备。  

发明内容

为了解决复杂三维微纳米结构加工问题，本发明提供了一种采用AFM探针纳米刻划加工复杂三维微纳米结构的装置及方法。

本发明提供的采用AFM探针纳米刻划加工复杂三维微纳米结构的装置，包括AFM、X方向精密工作台、Y方向精密工作台，X方向精密工作台底座固连在在Y方向精密工作台的滑块上，Y方向精密工作台底座固连在AFM样品台上。

本发明提供的采用AFM探针纳米刻划加工纳米精度复杂三维微纳米结构的方法，包括以下三种方法：

方法1、匹配AFM探针进给速度和高精度定位平台的移动速度实现底面阶梯结构的纳米通道的加工：

AFM探针在设定的正方形区域连续扫描加工，一次扫描结束后回到初始位置继续重复上一次的扫描，同时X方向精密工作台在加工方向以同一速度运动，这样通过对AFM探针进给方向扫描速度与X方向精密工作台运动速度的设定和匹配，不同结构的纳米通道就可以有效地加工得到。

方法2、通过对AFM探针的编程控制实现复杂三维几何图形叠加的纳米通道：

该方法是在方法1的基础上进行工作的进一步推进。通过对AFM探针的扫描陶管的编程控制，实现对扫描陶管移动位置和移动速度的控制，即可加工出任意所需要得到的几何图案，同时与X方向精密工作台进行速度的匹配就可以实现不同几何图案叠加的纳米通道的加工。

方法3、改变AFM探针加工方向的进给量实现三维正弦及上下坡结构的加工：

由于AFM探针作用到样品表面上的力通过微悬臂、PZT、AFM控制系统保持为一定值，所以改变AFM探针进给量的大小，即改变相邻两次加工扫描之间的间距，就能改变加工结构的加工深度。根据所要加工的微纳米结构不同位置的深度计算出相应进给量的大小。利用商用AFM装置与纳米精度定位平台的参数匹配就能加工出想要的三维正弦及上下坡结构。

上述三种加工方法均通过AFM机械刻划的方式去除材料，实现加工目的。将AFM探针作为加工用的微小刀具，Z向扫描陶管的运动带动探针做上下运动，实现加工过程中探针作用到表面上的力为一个恒定值。AFM系统原有的手动工作台被新的二维高精度定位平台所替换，带动待加工样品实现高精度的二维移动。

本发明具有如下优点：

1、本发明提出的三种方法分别通过对同一套商用AFM以及高精度定位平台系统的不用控制和参数设置，实现采用AFM探针纳米刻划技术加工复杂三维微纳米结构的加工。

2、本发明能够在较低成本下解决复杂三维微纳米结构的加工问题，且方法简单，装置及加工实现成本相对较低。

附图说明

    图1是本发明所述的AFM加工复杂三维微纳米结构加工装置图

    图2是本发明所述的AFM加工复杂三维微纳米结构装置的进一步具体结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的技术方案作进一步的说明，但并不局限于此，凡是对本发明技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神和范围，均应涵盖在本发明的保护范围中。

具体实施方式一：如图1所示，本实施方式提供了一种AFM加工复杂三维微纳米结构加工装置，由AFM 1(Q-Scope 250; Ambios Company, USA)、被加工样品2、X方向精密工作台3及Y方向精密工作台4(M511.HD; PI Company, Germany)组成，其中：X方向精密工作台3与Y方向精密工作台4都是毫米尺度、纳米级定位精度的位移台，二者层叠安装，即：被加工样品2固定在X方向精密工作台3的滑块上，X方向精密工作台3底座固连在Y方向精密工作台4的滑块上，X方向定位工作台3的滑块进行X方向运动，Y方向精密工作台4底座固连在AFM1样品台上，Y方向定位工作台4的滑块进行Y方向运动。

具体实施方式二：如图2所示，本实施方式与具体实施方式一不同的是，所述加工装置还可以包括二维高精度定位平台控制器5、控制计算机6、AFM控制器7和控制电脑8，二维高精度定位平台控制器5与X方向精密工作台3和Y方向精密工作台4相连，控制计算机6与二维高精度定位平台控制器5相连，原子力显微镜1与AFM控制器7和控制电脑8依次连接。

具体实施方式三：本实施方式提供了一种AFM探针纳米刻划加工底面阶梯结构的纳米通道的方法，其过程为：首先根据所需加工的纳米通道的长度、宽度、叠加区域的次数、叠加区域大小等加工参数预先设定AFM探针的扫描范围、扫描频率以及X方向精密工作台的加工速度以及加工长度；最后完成加工。具体过程如下所述：

（1）AFM系统设置为接触模式，金刚石AFM探针以一定负载逐渐接触样品表面使得针尖压入样品表面，对针尖施加的载荷间接地控制了加工深度。

（2）AFM探针在设定的区域扫描范围进行扫描，AFM探针从初始点移动到终点来完成一个扫描循环。在完成一个扫描循环后，AFM探针返回初始点开始一个新的扫描循环操作。这个过程持续重复进行直到加工过程完成。扫描的同时，X方向精密工作台以一定较低的初速度持续沿着X轴方向运动，方向如图1所示。两种情况会产生：X方向精密工作台的运动方向和AFM探针的进给运动方向相同；X方向精密工作台的运动方向和AFM探针的进给运动方向相反。AFM探针的扫描范围和X方向精密工作台的运动位移分别来控制所加工纳米通道的宽度和长度。与此同时，AFM探针的进给方向的速度和X方向精密工作台的运动速度决定了纳米通道底部阶梯结构的尺寸和结构。

（3）在加工获得一个纳米通道后，AFM探针抬起，控制Y方向精密工作台移动到下一个待加工位置。重复步骤（1）和（2），可以加工另一个纳米通道。

（4）重复步骤（3），纳米通道阵列结构可以通过这样的形式加工得到。

具体实施方式四：本实施方式提供了一种AFM探针纳米刻划加工复杂三维几何图形叠加的纳米通道的方法，其过程为：首先根据所需加工的几何图案利用 visual basic对AFM的扫描陶管进行编程，使用Ambios公司提供的SlewScanOffsetsXY_ and_SetScanDacGains  (nmX#,nmY#,Optional  um_sRate!)函数进行AFM探针位置和扫描速度的控制，由于此时AFM探针与X方向精密工作台同时运动，所以要控制加工形状不发生变形，根据所需的形状和尺寸大小设定加工过程中AFM探针的扫描速度和移动位置及其X方向精密工作台的加工速度和长度，而且要控制在每个加工循环中AFM探针运动的时间相同，这样才能使得加工过程的叠加运动产生的几何形状不发生变形。具体过程如下所述：

（1）AFM系统在接触模式下进行工作，根据加工要求设置进给量、角度、加工时间、循环次数等扫描参数。扫描路径中的转折点和终点坐标可以通过计算得到。然后AFM探针以一定预先设定的载荷逼近样品表面，并且通过控制扫描陶管施加到AFM探针的载荷保持恒定。通过设置扫描参数控制AFM探针的运动轨迹。当AFM探针到达一个完整加工结构的终点时，AFM探针会立即从终点返回坐标系原点。

（2）X方向精密工作台以一个恒定较低的速度运动。AFM探针与X方向精密工作台同时运动。通过AFM探针持续扫描与X方向精密工作台的共同运动作用，可以加工不同几何形状的复杂叠加结构。

（3）当所有循环运动完成后，X方向精密工作台停止运动。移动Y方向精密工作台到指定加工位置，通过重复步骤（1）和（2）可进行下一个复杂三维结构的加工。

（4）重复步骤（3），直至完成所有复杂三维几何图形叠加的纳米通道的加工。

具体实施方式五：本实施方式提供了一种AFM探针纳米刻划加工复杂三维正弦或上下坡结构的方法，其过程为：设置AFM探针的扫描范围为零，同时设定加工长度、加工间距、加工方向、垂直载荷、速度等参数，然后通过VC对X方向精密工作台和Y方向精密工作台进行编程控制，并驱动二维高精度定位平台进行加工。具体过程如下所述：

（1）AFM系统在接触模式下工作，AFM探针以一定的载荷接触样品表面。在加工过程中，施加到AFM探针的载荷通过AFM闭环系统控制保持不变。

（2）通过实验确定在一定载荷AFM探针进给量和加工深度的函数关系，根据所需加工正弦和上下坡结构的截面深度图，得到相对应的AFM探针在加工过程中相应的进给量的数值。以进给量的数值总和来控制加工纳米结构的长度。加工过程中AFM探针的刻划方向垂直于AFM探针悬臂方向，并且刻划速度保持在每秒几毫米的范围左右。通过改变探针刻划路径的长度来控制所加工纳米结构的宽度。在控制过程中纳米结构过程中的进给量和结构的宽度转化为电压控制信号来对X方向精密工作台和Y方向精密工作台进行控制。

（3）在加工获得一个纳米结构后，AFM探针抬起，控制X方向精密工作台移动到下一个加工位置。重复步骤（1）和（2），可以加工另一个纳米结构。

（4）重复步骤（3），直至完成所有加工。

Claims (10)

1.一种采用AFM探针纳米刻划加工复杂三维微纳米结构的装置，其特征在于所述装置包括AFM、X方向精密工作台、Y方向精密工作台，X方向精密工作台底座固连在在Y方向精密工作台的滑块上，Y方向精密工作台底座固连在AFM样品台上。

2.根据权利要求1所述的采用AFM探针纳米刻划加工复杂三维微纳米结构的装置，其特征在于所述装置还包括包括二维高精度定位平台控制器、控制计算机、AFM控制器和控制电脑，二维高精度定位平台控制器与X方向精密工作台和Y方向精密工作台相连，控制计算机与二维高精度定位平台控制器相连，原子力显微镜与AFM控制器和控制电脑依次连接。

3.根据权利要求1或2所述的采用AFM探针纳米刻划加工复杂三维微纳米结构的装置，其特征在于所述X方向精密工作台与Y方向精密工作台都是毫米尺度、纳米级定位精度的位移台。

4.一种采用AFM探针纳米刻划加工复杂三维微纳米结构的方法，其特征在于所述方法步骤如下：

AFM探针在设定的区域连续扫描加工，一次扫描结束后回到初始位置继续重复上一次的扫描，同时X方向精密工作台在加工方向以同一速度运动，通过对AFM探针进给方向扫描速度与X方向精密工作台运动速度的设定和匹配，实现底面阶梯结构的纳米通道的加工。

5.根据权利要求4所述的一种采用AFM探针纳米刻划加工复杂三维微纳米结构的方法，其特征在于所述方法具体步骤如下：

（1）AFM系统设置为接触模式，AFM针尖以一定负载逐渐接触样品表面使得针尖压入样品表面；

（2）AFM探针在设定的区域扫描范围进行扫描，AFM探针从初始点移动到终点来完成一个扫描循环；在完成一个扫描循环后，AFM探针返回初始点开始一个新的扫描循环操作，这个过程持续重复进行直到加工获得一个纳米通道；扫描的同时，X方向精密工作台以一定初速度持续沿着X轴方向运动；

（3）在加工获得一个纳米通道后，AFM探针抬起，控制Y方向精密工作台移动到下一个待加工位置，重复步骤（1）和（2），加工另一个纳米通道；

（4）重复步骤（3），直至完成所有纳米通道的加工。

6.一种采用AFM探针纳米刻划加工复杂三维微纳米结构的方法，其特征在于所述方法步骤如下：

通过对AFM探针的扫描陶管的编程控制，实现对扫描陶管移动位置和移动速度的控制，即可加工出任意所需要得到的几何图案，同时与X方向精密工作台进行速度的匹配实现不同几何图案叠加的纳米通道的加工。

7.根据权利要求8所述的一种采用AFM探针纳米刻划加工复杂三维微纳米结构的方法，其特征在于所述方法具体步骤如下：

（1）AFM系统在接触模式下进行工作，根据加工要求设置扫描参数；然后AFM探针以一定载荷逼近样品表面，并且通过控制扫描陶管施加到AFM探针的载荷保持恒定；通过设置扫描参数控制AFM探针的运动轨迹，当AFM探针到达一个完整加工结构的终点时，AFM探针立即从终点返回坐标系原点；

（2）X方向精密工作台以恒定速度运动，AFM系统与X方向精密工作台同时运动，通过AFM探针持续扫描与X方向精密工作台的共同运动作用，加工不同几何形状的复杂叠加结构；

（3）当所有循环运动完成后，X方向精密工作台停止运动，移动Y方向精密工作台到指定加工位置，重复步骤（1）和（2）进行下一个复杂三维结构的加工；

（4）重复步骤（3），直至完成所有加工。

8.一种采用AFM探针纳米刻划加工复杂三维微纳米结构的方法，其特征在于所述方法步骤如下：

改变AFM探针进给量的大小，即改变相邻两次加工扫描之间的间距，改变加工结构的加工深度，根据所要加工的微纳米结构不同位置的深度计算出相应进给量的大小，利用AFM置与X方向精密工作台的参数匹配实现三维正弦及上下坡结构的加工。

9.根据权利要求8所述的一种采用AFM探针纳米刻划加工复杂三维微纳米结构的方法，其特征在于所述方法具体步骤如下：

（1）AFM系统在接触模式下工作，AFM探针以一定的载荷接触样品表面；

（2）通过实验确定在一定载荷AFM探针进给量和加工深度的函数关系，根据所需加工正弦和上下坡结构的截面深度图，得到相对应的AFM探针在加工过程中相应的进给量的数值，以进给量的数值总和来控制加工纳米结构的长度；加工过程中AFM探针的刻划方向垂直于AFM探针悬臂方向，通过改变探针刻划路径的长度控制所加工纳米结构的宽度；

（3）在加工获得一个纳米结构后，AFM探针抬起，控制Y方向精密工作台移动到下一个加工位置，重复步骤（1）和（2），加工另一个纳米结构；

（4）重复步骤（3），直至完成所有加工。

10.根据权利要求9所述的一种采用AFM探针纳米刻划加工复杂三维微纳米结构的方法，其特征在于所述加工过程中，施加到AFM探针的载荷不变。