CN106185798A - 基于聚焦离子束注入的脆性材料纳米切削方法 - Google Patents

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国晨
房丰洲
兀伟
刘冰
何忠杜
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Abstract

本发明涉及一种基于聚焦离子束注入的脆性材料纳米切削方法，包括：将待加工脆性材料基底置于聚焦离子束样品室；通过电子束成像系统对其进行形貌观测，选取加工区域；利用聚焦离子束对基底在选定好的区域进行可控离子注入改性加工得到改性样品；将SEM原位在线纳米切削平台置于所述的聚焦离子束样品室内，利用SEM原位在线纳米切削平台对改性后基底进行不同切削深度的可控定量纳米切削加工。本发明可以有效减小刀具磨损，提高被加工脆性材料表面的加工质量。

Description

基于聚焦离子束注入的脆性材料纳米切削方法
技术领域
本发明涉及一种纳米切削方法，更具体而言，涉及一种脆性材料纳米切削方法，该方法可用于微纳制造、光学和电子等领域。
背景技术
聚焦离子束(Focused ion beam,FIB)加工技术在微纳米结构的加工中得到了广泛的应用。聚焦离子束系统不仅能够去除材料(铣削加工)，还具有添加材料(离子注入和沉积)加工的能力。离子注入是采用高能离子轰击样品表面，使高能离子射入样品，入射离子通过与工件中的原子碰撞，逐渐失去能量，最后停留在样品表层。
与传统的硬脆材料纳米切削相比，运用聚焦离子束系统进行离子注入改性，使被加工样品表面塑性增强，硬度和脆性减弱。不仅可以大大提高被加工表面的加工质量，还可以抑制刀具磨损。
发明内容
本发明的目的在于，提供一种基于聚焦离子束注入的脆性材料纳米切削方法用以以有效减小刀具磨损，提高被加工脆性材料表面的加工质量。
本发明的目的是通过下述方案实现的：
一种基于聚焦离子束注入的脆性材料纳米切削方法，包括下列步骤：
(1)将待加工脆性材料基底置于聚焦离子束样品室；
(2)通过电子束成像系统对其进行形貌观测，选取加工区域；
(3)利用聚焦离子束对基底在选定好的区域进行可控离子注入改性加工得到改性样品；
(4)将SEM原位在线纳米切削平台置于所述的聚焦离子束样品室内，利用SEM原位在线纳米切削平台对改性后基底进行不同切削深度的可控定量纳米切削加工，加工方法为：将纳米切削平台的隔离平台11通过预紧螺钉6固定在扫描电子显微镜SEM的基座10上，然后把改性样品放置在扫描电子显微镜SEM的样品台3上，调节SEM的第一微动台7和第二微动台8在X、Y、Z三个方向上的运动，使改性样品靠近刀具4从而实现对刀，对刀完成后，通过软件控制纳米切削平台上的纳米微动台5在X和Y方向的运动实现可控定量的切削加工，其中X方向为刀具的进给方向，Y方向为切深方向，整个对刀和切削过程均在扫描电镜SEM的监测下完成，若需移除或者提取切屑，则可以使用安装在纳米切削平台上的纳米机械手9。
本发明先用聚焦离子束注入脆性材料表面产生改性层再用SEM原位在线纳米切削平台进行不同切削深度的可控定量切削的加工方法，与传统的加工方法相比，具有以下显著的优势：首先，这种方法结合了FIB可控纳米注入和SEM在线纳可控米切削的优势，切削深度控制精度<10nm，因此可以基于离子注入深度，开展不同深度的可控定量切削加工。其次，SEM原位在线纳米切削平台，通过刀具的二次电子成像阴影对刀过程的精确控制，同时可以实现切削过程的在线高分辨率观测，切屑的原位测量。
附图说明
图1聚焦离子束注入与SEM原位在线纳米切削平台相结合的定量纳米切削加工方法的基本原理示意图，其中：(a)聚焦离子束注入和纳米切削示意图(b)SEM原位在线纳米切削平台定量纳米切削加工装置示意图
图2(a)为采用聚焦离子束剂量为5x1016离子/厘米2注入单晶硅表面产生的改性层的扫描电子显微镜表面照片，(b)为在该剂量下采用透射电子显微镜观测注入区域表层的高分辨照片，照片的比例尺＝20nm，其中红圈位置为产生的改性层，改性层厚度大约为50nm左右。
图3(a)为SEM原位在线纳米切削平台切削时所用刀具与样品接触的图片(b)为SEM原位在线纳米切削平台对离子注入后基底进行纳米切削加工的加工结果的扫描电子显微镜照片。
附图标记说明如下：
1扫描电子显微镜(SEM) 2样品 3样品台 4刀柄和刀具 5纳米微动台 6预紧螺钉7微动台 A 8微动台 B 9纳米机械手 10基座 11隔离平台
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明做进一步说明。
参见图1(a)，首先将脆性材料基底Ⅱ放进聚焦离子束设备样品室内，通过电子束或离子束成像系统对样品进行形貌观测，选择适合进行离子注入的区域。利用聚焦离子束Ⅰ对脆性材料基底按照选择好的区域进行参数可控的离子注入加工，聚焦离子束照射剂量需要不大于临界剂量1.4x1017离子/厘米2，离子束能量为500V-30kV。图中Ⅲ为刀具。
参见图1(b)，在聚焦离子束样品室内用SEM原位在线纳米切削平台对改性后的基底表面开展不同切削深度的可控定量纳米切削加工。首先，将纳米切削平台的隔离平台11通过预紧螺钉6固定在扫描电子显微镜(SEM)的基座10上，然后把样品放置在SEM的样品台3上，调节SEM的微动台7和8在X、Y、Z三个方向上的运动，使样品靠近刀具4从而实现对刀。对刀完成后，通过软件控制切削平台上的纳米微动台5在X和Y方向的运动实现可控定量的切削加工，其中X方向为刀具的进给方向，Y方向为切深方向，整个对刀和切削过程均在扫描电镜(SEM)的监测下完成，若需移除或者提取切屑，则可以使用安装在纳米切削平台上的纳米机械手9。
本发明所述的聚焦离子束是镓离子束，所述的脆性材料基底可以是单晶硅、碳化硅和单晶锗等材料。

Claims (1)

1.一种基于聚焦离子束注入的脆性材料纳米切削方法，包括下列步骤：
(1)将待加工脆性材料基底置于聚焦离子束样品室；
(2)通过电子束成像系统对其进行形貌观测，选取加工区域；
(3)利用聚焦离子束对基底在选定好的区域进行可控离子注入改性加工得到改性样品；
(4)将SEM原位在线纳米切削平台置于所述的聚焦离子束样品室内，利用SEM原位在线纳米切削平台对改性后基底进行不同切削深度的可控定量纳米切削加工，加工方法为：将纳米切削平台的隔离平台(1)(1)通过预紧螺钉(6)固定在扫描电子显微镜SEM的基座(1)0上，然后把改性样品放置在扫描电子显微镜SEM的样品台(3)上，调节SEM的第一微动台(7)和第二微动台(8)在X、Y、Z三个方向上的运动，使改性样品靠近刀具(4)从而实现对刀，对刀完成后，通过软件控制纳米切削平台上的纳米微动台(5)在X和Y方向的运动实现可控定量的切削加工，其中X方向为刀具的进给方向，Y方向为切深方向，整个对刀和切削过程均在扫描电镜SEM的监测下完成，若需移除或者提取切屑，则可以使用安装在纳米切削平台上的纳米机械手(9)。
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