CN106185798A - 基于聚焦离子束注入的脆性材料纳米切削方法 - Google Patents
基于聚焦离子束注入的脆性材料纳米切削方法 Download PDFInfo
- Publication number
- CN106185798A CN106185798A CN201610599318.5A CN201610599318A CN106185798A CN 106185798 A CN106185798 A CN 106185798A CN 201610599318 A CN201610599318 A CN 201610599318A CN 106185798 A CN106185798 A CN 106185798A
- Authority
- CN
- China
- Prior art keywords
- focused ion
- cutting
- sem
- ion beam
- nano
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Pending
Links
- 238000005520 cutting process Methods 0.000 title claims abstract description 46
- 239000000463 material Substances 0.000 title claims abstract description 18
- 238000010884 ion-beam technique Methods 0.000 claims abstract description 26
- 239000000758 substrate Substances 0.000 claims abstract description 14
- 238000012545 processing Methods 0.000 claims abstract description 13
- 238000005468 ion implantation Methods 0.000 claims abstract description 10
- 238000003754 machining Methods 0.000 claims abstract description 6
- 238000003384 imaging method Methods 0.000 claims abstract description 5
- 238000010894 electron beam technology Methods 0.000 claims abstract description 4
- 238000012986 modification Methods 0.000 claims abstract description 4
- 230000004048 modification Effects 0.000 claims abstract description 4
- 238000002955 isolation Methods 0.000 claims description 4
- 238000012544 monitoring process Methods 0.000 claims description 3
- 238000003672 processing method Methods 0.000 claims description 3
- NJPPVKZQTLUDBO-UHFFFAOYSA-N novaluron Chemical compound C1=C(Cl)C(OC(F)(F)C(OC(F)(F)F)F)=CC=C1NC(=O)NC(=O)C1=C(F)C=CC=C1F NJPPVKZQTLUDBO-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims 2
- 240000007594 Oryza sativa Species 0.000 claims 1
- 235000007164 Oryza sativa Nutrition 0.000 claims 1
- 235000009566 rice Nutrition 0.000 claims 1
- 238000010408 sweeping Methods 0.000 claims 1
- 238000011065 in-situ storage Methods 0.000 abstract description 11
- 238000000034 method Methods 0.000 abstract description 9
- 238000002513 implantation Methods 0.000 abstract description 6
- 150000002500 ions Chemical class 0.000 description 5
- 239000010410 layer Substances 0.000 description 4
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 3
- 229910021421 monocrystalline silicon Inorganic materials 0.000 description 2
- 230000005540 biological transmission Effects 0.000 description 1
- 239000013078 crystal Substances 0.000 description 1
- 230000008021 deposition Effects 0.000 description 1
- 238000005516 engineering process Methods 0.000 description 1
- CKHJYUSOUQDYEN-UHFFFAOYSA-N gallium(3+) Chemical compound [Ga+3] CKHJYUSOUQDYEN-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 229910052732 germanium Inorganic materials 0.000 description 1
- GNPVGFCGXDBREM-UHFFFAOYSA-N germanium atom Chemical compound [Ge] GNPVGFCGXDBREM-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 239000007943 implant Substances 0.000 description 1
- 238000012625 in-situ measurement Methods 0.000 description 1
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 description 1
- 238000003801 milling Methods 0.000 description 1
- 239000002086 nanomaterial Substances 0.000 description 1
- 230000036316 preload Effects 0.000 description 1
- HBMJWWWQQXIZIP-UHFFFAOYSA-N silicon carbide Chemical compound [Si+]#[C-] HBMJWWWQQXIZIP-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 229910010271 silicon carbide Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000002344 surface layer Substances 0.000 description 1
Classifications
-
- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
- B82—NANOTECHNOLOGY
- B82B—NANOSTRUCTURES FORMED BY MANIPULATION OF INDIVIDUAL ATOMS, MOLECULES, OR LIMITED COLLECTIONS OF ATOMS OR MOLECULES AS DISCRETE UNITS; MANUFACTURE OR TREATMENT THEREOF
- B82B3/00—Manufacture or treatment of nanostructures by manipulation of individual atoms or molecules, or limited collections of atoms or molecules as discrete units
- B82B3/0061—Methods for manipulating nanostructures
- B82B3/0066—Orienting nanostructures
-
- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
- B82—NANOTECHNOLOGY
- B82B—NANOSTRUCTURES FORMED BY MANIPULATION OF INDIVIDUAL ATOMS, MOLECULES, OR LIMITED COLLECTIONS OF ATOMS OR MOLECULES AS DISCRETE UNITS; MANUFACTURE OR TREATMENT THEREOF
- B82B3/00—Manufacture or treatment of nanostructures by manipulation of individual atoms or molecules, or limited collections of atoms or molecules as discrete units
- B82B3/0009—Forming specific nanostructures
- B82B3/0019—Forming specific nanostructures without movable or flexible elements
-
- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
- B82—NANOTECHNOLOGY
- B82Y—SPECIFIC USES OR APPLICATIONS OF NANOSTRUCTURES; MEASUREMENT OR ANALYSIS OF NANOSTRUCTURES; MANUFACTURE OR TREATMENT OF NANOSTRUCTURES
- B82Y40/00—Manufacture or treatment of nanostructures
Landscapes
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Chemical & Material Sciences (AREA)
- Nanotechnology (AREA)
- Crystallography & Structural Chemistry (AREA)
- Manufacturing & Machinery (AREA)
- Physics & Mathematics (AREA)
- Condensed Matter Physics & Semiconductors (AREA)
- General Physics & Mathematics (AREA)
- Sampling And Sample Adjustment (AREA)
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
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)。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN201610599318.5A CN106185798A (zh) | 2016-07-22 | 2016-07-22 | 基于聚焦离子束注入的脆性材料纳米切削方法 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN201610599318.5A CN106185798A (zh) | 2016-07-22 | 2016-07-22 | 基于聚焦离子束注入的脆性材料纳米切削方法 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| CN106185798A true CN106185798A (zh) | 2016-12-07 |
Family
ID=57495996
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| CN201610599318.5A Pending CN106185798A (zh) | 2016-07-22 | 2016-07-22 | 基于聚焦离子束注入的脆性材料纳米切削方法 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| CN (1) | CN106185798A (zh) |
Cited By (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN107042591A (zh) * | 2017-05-09 | 2017-08-15 | 天津大学 | 基于高能离子辐照电离损伤的晶体材料超精密加工方法 |
| CN107199642A (zh) * | 2017-05-19 | 2017-09-26 | 天津大学 | 一种晶体材料超精密车削加工损伤控制方法 |
| CN109514057A (zh) * | 2018-12-28 | 2019-03-26 | 天津商业大学 | 一种基于聚焦离子束加工的金刚石刀具可控修锐方法 |
| CN110125284A (zh) * | 2019-05-28 | 2019-08-16 | 南开大学 | 一种可控切割深度的批量环切金属丝的装置及方法 |
Citations (6)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN101301994A (zh) * | 2008-07-10 | 2008-11-12 | 北京航空航天大学 | 电子束-离子束微纳米加工组合系统 |
| CN103193196A (zh) * | 2013-03-20 | 2013-07-10 | 北京大学 | 一种三维微纳米结构的组装方法 |
| CN103878392A (zh) * | 2014-03-28 | 2014-06-25 | 天津大学 | 基于sem原位在线观测的纳米切削装置 |
| CN105008891A (zh) * | 2013-01-11 | 2015-10-28 | Fei公司 | 用于变更蚀刻速率的离子注入 |
| CN105593967A (zh) * | 2013-05-10 | 2016-05-18 | 牛津仪器纳米技术工具有限公司 | 减小目标样品的厚度的方法 |
| CN105668514A (zh) * | 2016-01-25 | 2016-06-15 | 北京航空航天大学 | 一种聚焦离子束-电子束双束融合可控微纳加工的方法 |
-
2016
- 2016-07-22 CN CN201610599318.5A patent/CN106185798A/zh active Pending
Patent Citations (7)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN101301994A (zh) * | 2008-07-10 | 2008-11-12 | 北京航空航天大学 | 电子束-离子束微纳米加工组合系统 |
| CN105008891A (zh) * | 2013-01-11 | 2015-10-28 | Fei公司 | 用于变更蚀刻速率的离子注入 |
| US20150348752A1 (en) * | 2013-01-11 | 2015-12-03 | Fei Company | Ion Implantation to Alter Etch Rate |
| CN103193196A (zh) * | 2013-03-20 | 2013-07-10 | 北京大学 | 一种三维微纳米结构的组装方法 |
| CN105593967A (zh) * | 2013-05-10 | 2016-05-18 | 牛津仪器纳米技术工具有限公司 | 减小目标样品的厚度的方法 |
| CN103878392A (zh) * | 2014-03-28 | 2014-06-25 | 天津大学 | 基于sem原位在线观测的纳米切削装置 |
| CN105668514A (zh) * | 2016-01-25 | 2016-06-15 | 北京航空航天大学 | 一种聚焦离子束-电子束双束融合可控微纳加工的方法 |
Cited By (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN107042591A (zh) * | 2017-05-09 | 2017-08-15 | 天津大学 | 基于高能离子辐照电离损伤的晶体材料超精密加工方法 |
| CN107199642A (zh) * | 2017-05-19 | 2017-09-26 | 天津大学 | 一种晶体材料超精密车削加工损伤控制方法 |
| CN109514057A (zh) * | 2018-12-28 | 2019-03-26 | 天津商业大学 | 一种基于聚焦离子束加工的金刚石刀具可控修锐方法 |
| CN110125284A (zh) * | 2019-05-28 | 2019-08-16 | 南开大学 | 一种可控切割深度的批量环切金属丝的装置及方法 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| CN106185798A (zh) | 基于聚焦离子束注入的脆性材料纳米切削方法 | |
| Gierak et al. | Sub-5 nm FIB direct patterning of nanodevices | |
| Stanford et al. | Advanced nanoscale patterning and material synthesis with gas field helium and neon ion beams | |
| CN101559627B (zh) | 粒子束辅助单晶脆性材料超精密加工方法 | |
| Dhara et al. | Enhanced dynamic annealing in Ga+ ion-implanted GaN nanowires | |
| Kang et al. | Modification mechanism of collaborative ions implanted into 4H-SiC by atomic simulation and experiment | |
| Liu et al. | In situ experimental study on material removal behaviour of single-crystal silicon in nanocutting | |
| JP3711018B2 (ja) | Ｔｅｍ試料薄片化加工方法 | |
| WO2006014632A3 (en) | Improved magnet for scanning ion beams | |
| Nguyen et al. | Material removal mechanism and deformation characteristics of GaN surface at the nanoscale | |
| Miyamoto | Ultra fine finishing of diamond tools by ion beams | |
| Kucheyev et al. | Blistering of H-implanted GaN | |
| Wan et al. | Strain and structure order variation of pure aluminum due to helium irradiation | |
| Kurokawa et al. | Approach to high efficient CMP for power device substrates | |
| CN109514057A (zh) | 一种基于聚焦离子束加工的金刚石刀具可控修锐方法 | |
| JP2002277364A (ja) | 薄片試料加工方法及び薄片試料の作製方法 | |
| Rashid et al. | Interface damage of protective layer in TEM lamella preparation for highly doped Ge substrate | |
| CN102476405A (zh) | 一种通过粒子束提高精密加工精度的方法 | |
| TW200830348A (en) | Carrier and method for preparing specimen of transmission electron microscope | |
| Hu et al. | Occurrence of particle debris field during focused Ga ion beam milling of glassy carbon | |
| Wang et al. | Ion cutting of amorphous metals by using helium ion implantation | |
| Poudel et al. | Characterization and light emission properties of osmium silicides synthesized by low energy ion implantation | |
| Huang | An Innovative Fabrication Route to Machining Micro-Tensile Specimens Using Plasma-Focused Ion Beam and Femtosecond Laser Ablation and Investigation of the Size Effect Phenomenon Through Mechanical Testing of Fabricated Single Crystal Copper Micro-Tensile Specimens | |
| Sosiati et al. | A Cross-sectional TEM Specimen of a Multilayer Thin Film Prepared Using the FIB Technique | |
| Ohtsuka et al. | 4.24 Development of Micro-Processing Technique of Ceramics--using Rare-Gas Ion Beam Irradiation |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| WD01 | Invention patent application deemed withdrawn after publication |
Application publication date: 20161207 |
|
| WD01 | Invention patent application deemed withdrawn after publication |