CN114634154B - 一种基于afm的十纳米多能场加工装置及加工方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于AFM的十纳米多能场加工装置及加工方法。该加工装置包括原子力显微镜加工与成像模块、高强度激光发生与控制模块及电物理场产生与控制模块。本发明通过激光与电物理场耦合产生局域场增强效应，作用于特殊强化处理后的探针针尖与样品表面，然后借助原子力显微镜纳米级的探针运动控制功能，控制扫描探针通过光、电、热、力等多种能场作用在样品表面进行去除或改性。通过上述开发的光、电、热和力耦合的混合匹配光刻策略，可有效得到去除或改性效果、减缓探针针尖磨损速度并大幅提高加工精度和加工效率。
Description
技术领域
本发明属于近场光学、纳米加工以及扫描探针成像装置技术领域，特别涉及一种基于AFM的十纳米多能场加工装置及加工方法。
背景技术
纳米材料因其特殊的结构层次而具有一系列特殊的物理和化学特性，在光、电、磁、传感和催化等领域具有重要的研究意义。其制作的精密器件具有体积小、重量轻和便于设计等优势，在微型电子、生物医疗、航空航天、能源环境等行业已经取得了一定的应用。然而，近年来科学技术的迅速发展使得人们对器件性能的要求越来越高，随之带来的需减小结构特征尺寸的要求又促进了超精密机械加工、光刻加工、纳米压印技术和能量束加工等加工方式的进一步发展，但仍存在加工设备复杂、加工成本高和精度不可控等问题，如超精密机械加工虽然可以加工出几个纳米的超精密表面，但对机床主轴的刚度、旋转精度、抗震性能和抗热变形能力的设计要求较高，设备制造成本较高；光刻加工是目前微电子领域加工制造中较为成熟的加工手段，加工效率高且成本较低，但受光衍射效应的影响，传统光刻加工难以突破加工130nm以下线宽的理论极限；纳米压印技术通过压模结合腐蚀的方法，解决了传统光刻印刷存在的光衍射局限和光散射问题，可以进行10nm以下简单图形重复结构的大面积制备，制造成本较低，但仍存在纳米压印模板制造和对准困难等一系列问题；聚焦离子束/电子束双束纳米加工方法可以通过扫描电子显微镜对高强度聚焦离子束加工出的纳米结构进行实时观察，可在加工过程中对缺陷进行实时修补，提高产品加工质量，但加工设备昂贵，加工成本较高。因此，寻求更加精密、高效的纳米结构加工方式仍是当前急需解决的科学前沿问题。
原子力显微镜(Atomic Force Microscopy,AFM)可通过探针与样品之间微弱的原子间相互作用力如范德华力、排斥力、附着力、摩擦力等来获得物质表面稳定、高分辨样品表面形貌，分辨率可达原子级。同时，探针与样品间的相互作用力会使得样品表面发生物理化学变化，基于此，发展了原子力显微镜扫描探针加工技术。与现有的微纳米加工技术相比，该加工方法可直接观察探针与材料间原子、分子以及纳米粒子的相互作用的特点，可直接进行单个原子的加工，具有加工精度高和加工尺度小的特点，并可适应超高真空、大气、液态、高低温等多种环境。但该加工方式也存在显著不足，如针尖与样品间存在机械力的相互作用，针尖与在样品间的粘附力与相对滑动可能会造成针尖的磨损和变形，而探针制造困难且价格昂贵，因此该方法不适用于加工硬度较高的材料。另外，过大的相互作用力还容易造成加工样品的位移而影响加工精度。因此，如何在保证扫描探针高效、高精度加工的同时，克服扫描探针易磨损的问题，是当前科研工作者亟待解决的重大科研问题。
扫描探针加工技术的加工特点具有较高的灵活性，探针与样品间可通过施加光、电、热、磁、超声等多能场以引起材料的物理和化学变化来对材料进行纳米加工，为解决扫描探针易磨损和变形的问题，寻求更加高效、高精度的多能场辅助复合加工方法在纳米加工领域具有广泛的应用前景。
发明内容
本发明公开了一种基于AFM的十纳米多能场加工装置及加工方法。该加工装置包括原子力显微镜加工与成像模块、高强度激光发生与控制模块及电物理场产生与控制模块。本发明通过激光与电物理场耦合产生局域场增强效应，作用于特殊强化处理后的探针针尖与样品表面，最后借助原子力显微镜纳米级的探针运动控制功能，控制扫描探针通过光、电、热、力等多种能场作用在样品表面进行去除或改性。通过上述开发的光、电、热和力耦合的混合匹配光刻策略，可有效减缓探针针尖磨损速度并大幅提高加工精度和加工效率。本发明的基于AFM的十纳米多能场加工装置可以通过光、电、热、力等多种能场共同作用在样品表面进行去除或改性，也可以通过光、电、热、力等多种能场中的任一种或多种场的耦合作用对样品表面进行去除或改性。
所提供的技术方案如下：
一种基于AFM的十纳米多能场加工装置，其特征在于，包括。
原子力显微镜加工与成像模块：用于样品的成像与机械力加工作业；
高强度激光发生与控制模块：用于对探针和样品表面施加激光束；
电物理场产生与控制模块：用于对扫描探针和样品表面施加电场或电流。
在上述的一种基于AFM的十纳米多能场加工装置，原子力显微镜加工与成像模块包括样品台、样品台旁的X、Y、Z轴压电陶陶瓷控制器、设置在X、Y、Z轴压电陶陶瓷控制器上的悬臂、固定在悬臂上的探针和光电检测模块以及显微镜，显微镜包括微机信号处理系统、显示模块、功率计和红外线热像仪。
在上述的一种基于AFM的十纳米多能场加工装置，所述的高强度激光发生与控制模块能用于产生高强度激光束并以一定的波长、光斑大小和入射角度照射到探针针尖与样品表面，包括
激光发生装置：采用一个激光器，用于发射设定激光束；
激光光路调光装置：包括依次设置在激光器发射端的半波片、偏振镜、中密度盘，以及上下设置的两个反光镜，两个反光镜通过XYZ三维调控台能够在XYZ方向移动；
温度检测装置：采用红外线热像仪，设置在样品台上方，用于检测加工温度。
在上述的一种基于AFM的十纳米多能场加工装置，所述的电物理场产生与控制模块包括电源、电路和功率检测仪。
在上述的一种基于AFM的十纳米多能场加工装置，所述的电物理场产生与控制模块能用于对扫描探针针尖和样品表面施加电场或电流中的任一种。所述电场加载方式为：加工样品为导电材料或非导电材料时，将扫描探针置于平行板电容器之间，对电容器施加交流电压或直流电压，使针尖及样品周围存在一定的电场；所述电流加载方式为：加工样品为导电材料时，扫描探针和加工样品分别连接外置电源的不同电极，使探针与样品之间存在一定的偏置电压，针尖与样品接触部位会因电阻的增大而产生焦耳热，电物理场产生与控制模块包括电源、电路和功率检测装置。
在上述的一种基于AFM的十纳米多能场加工装置，探针材料包括但不限于硅、碳纳米管或其他高硬度、高导电性能材料；或根据探针所需的导电性和硬度要求，在探针表面生长所需厚度的包括但不限于TiN膜层的导电性好、硬度高的涂层。
一种基于AFM的十纳米多能场加工装置的加工方法，其特征在于，加工过程包括如下步骤：
步骤S1.将待加工材料通过导电胶固定在工件夹持装置上，再将工件夹持装置固定在原子力显微镜的压电陶瓷扫描台上，完成待加工材料的定位装夹；借助原子力显微镜的纳米级的探针运动控制功能及高分辨率成像功能对样品进行扫描并选定样品加工的初始位置。
步骤S2.通过激光器调节激光波长，通过激光光路调光装置调节激光的光斑大小和入射角度，使其照射在探针针尖和样品表面。
步骤S3.调节电源的电压或电流大小，使其在探针针尖及样品周围产生电场或在探针与样品接触部位产生焦耳热。
步骤S4.调整激光参数和电源参数，精确调控激光与不同电物理场加载模式下产生的耦合场的强度，然后借助原子力显微镜纳米级的三维移动平台，控制扫描探针通过光、电、热、力多种能场作用在样品表面进行去除或改性中的任一种。
在上述的一种基于AFM的十纳米多能场加工方法，其特征在于，所述步骤S3中，通过电物理场产生与控制模块对扫描探针和样品表面施加电场或电流。通过改变电压大小调节探针针尖与样品周围电场强度或通过改变电流大小调节探针与样品接触部位产生的焦耳热的大小，以控制激光与电物理场耦合产生的局域场强度。该局域场强度可以使样品去除或改性。
在上述的一种基于AFM的十纳米多能场加工方法，所述步骤S4中，根据步骤S3所述耦合场对针尖和样品表面的作用效果，借助原子力显微镜纳米级的三维移动平台，通过力控制组件控制扫描探针，在光、电、热、力耦合场作用下，对样品表面进行去除或改性。
在上述的一种基于AFM的十纳米多能场加工方法，加工过程中通过扫描探针显微镜自带的微机信号处理系统、显示模块、功率计和红外线热像仪，实时监测样品加工状态，作为反馈信号调整光场和电物理场强度及力作用强度，以实现原位耦合场对待加工材料的精确去除或改性及在线监测。
本发明方法与现有技术相比，具有如下突出的优点和效果：1、本发明所述的一种基于AFM的十纳米多能场加工装置及其加工方法，该加工方式以机械力为材料的主要去除或改性方式，充分发挥了原子力显微镜加工精度高、加工方式灵活的优势；通过光、电、热和力耦合的混合匹配光刻策略，调控探针对样品的加工性能，该加工方式可降低扫描探针的性能要求并扩大加工材料的适用范围。2、与激光直接照射待加工材料相比，本发明所述的高强度激光辅助加工模块及其加工方法可保证激光加热区域与探针加工区域的一致性，并可大幅度减小耦合场对非加工区域的损伤。3、本发明所述的电物理场辅助加工模块及其加工方法，可根据加工材料特性，选取不同的电物理场加载方式，可进一步扩大加工样品的适用范围。4、原子力显微镜的刻蚀模式适用多种模型，在轻敲模式下，对柔软、易碎、粘附性较强的样品有较好的加工性能，且能最大化地降低针尖受到的侧向力。5、选用的TiN涂层硬度高，且具有优良的耐磨性、耐热性、韧性和良好的化学稳定性等，适用大多数加工材料。6、可有效减缓探针针尖磨损速度，可有效提高加工效率并节约加工成本。
附图说明
图1本发明的一种基于AFM的十纳米多能场加工装置的整体结构示意图。
其中：控制电脑1、激光器2、光束3、Z轴压电陶陶瓷控制器4、悬臂5、探针6、加工样品7、直流稳压电源8、导电胶9、样品台10、X、Y轴压电陶陶瓷控制器11、红外线热像仪12、光电检测模块13。
图2本发明的一种基于AFM的十纳米多能场加工装置中的电物理场辅助扫描探针加工模块示意图(a)电场加载方式(b)电流加载方式。其中：电容器14、功率检测仪15。
图3本发明的一种基于AFM的十纳米多能场加工装置中的高强度激光发生与控制模块示意图。其中：半波片16、偏振镜17、中密度盘18、反光镜19、XYZ三维调控台20、扩束镜21。
具体实施方式
下面将结合本发明中的附图，对本发明技术方案进行清楚和完整地描述：
一种基于AFM的十纳米多能场加工装置，包括原子力显微镜加工模块、高强度激光发生与控制模块、电物理场产生与控制模块。将待加工材料7通过导电胶9固定在样品台10上；通过计算机1控制的X、Y轴压电陶陶瓷控制器对样品进行X、Y方向的移动。在加工前对样品进行扫描并选定样品加工的大致位置。通过Z马达趋近功能，使针尖远离样品一定距离。
多能场耦合加工平台集成：激光发生器2产生的激光3通过半波片16、偏振镜17、中密度盘18、反光镜19、扩束镜21和XYZ三维调控台20进行调节，使激光器产生的具有一定波长的激光以特定的光斑大小和角度照射到扫描探针针尖6和样品7的表面位置；以电场加载方式为例，加工样品为导电材料或非导电材料时，将扫描探针置于平行板电容器之间，对电容器施加交流电压或直流电压，使针尖及样品周围存在一定的电场。通过调节激光波长、光斑大小、入射角度和电场的大小，控制针尖处耦合场的强度，精确调控耦合多能场对针尖和样品表面的作用效果，借助原子力显微镜纳米级的高精度三维移动平台，通过力控制组件控制针尖在光、电、热、力等耦合场作用下，对样品表面进行去除或改性。
加工过程中通过温度检测装置(红外线热像仪)、功率检测仪及原子力显微镜的成像模块，实时监测样品加工状态，作为反馈信号调整光场、电场强度及力作用强度，以精确控制耦合场对探针的耦合作用场效果，实现原位耦合场对待加工材料的精确去除或改性及在线监测。
本文中所描述的具体实施例仅仅是对本发明精神作举例说明。本发明所属技术领域的技术人员可以对所描述的具体实施例做各种各样的修改或补充或采用类似的方式替代，但并不会偏离本发明的精神或者超越所附权利要求书所定义的范围。
Claims (6)
1.一种基于AFM的十纳米多能场加工装置，其特征在于，包括
原子力显微镜加工与成像模块：用于样品的成像与机械力加工作业；
激光发生与控制模块：用于对探针和样品表面施加激光束；
电物理场产生与控制模块：用于对扫描探针和样品表面施加电场或电流；
所述的激光发生与控制模块能用于产生激光束并以一定的波长、光斑大小和入射角度照射到探针针尖与样品表面，包括
激光发生装置：采用一个激光器，用于发射设定激光束；
激光光路调光装置：包括依次设置在激光器发射端的半波片、偏振镜、中密度盘，以及上下设置的两个反光镜，两个反光镜通过XYZ三维调控台能够在XYZ方向移动；
温度检测装置：采用红外线热像仪，设置在样品台上方，用于检测加工温度；
所述的电物理场产生与控制模块包括电源、电路和功率检测装置；
所述的电物理场产生与控制模块能用于对扫描探针针尖和样品表面施加电场或电流中的任一种，所述电场加载方式为：加工样品为导电材料或非导电材料时，将扫描探针置于平行板电容器之间，对电容器施加交流电压或直流电压，使针尖及样品周围存在一定的电场；所述电流加载方式为：加工样品为导电材料时，扫描探针和加工样品分别连接外置电源的不同电极，使探针与样品之间存在一定的偏置电压，针尖与样品接触部位会因电阻的增大而产生焦耳热，电物理场产生与控制模块包括电源、电路和功率检测装置；
探针材料包括硅纳米管或碳纳米管；或根据探针所需的导电性和硬度要求，在探针表面生长所需厚度的包括TiN膜层。
2.根据权利要求1所述的一种基于AFM的十纳米多能场加工装置，其特征在于，原子力显微镜加工与成像模块包括样品台、样品台旁的X、Y、Z轴压电陶瓷控制器、设置在X、Y、Z轴压电陶瓷控制器上的悬臂、固定在悬臂上的探针和光电检测模块以及原子力显微镜，原子力显微镜包括微机信号处理系统、显示模块、功率检测装置和红外线热像仪。
3.一种权利要求1-2任一项所述的基于AFM的十纳米多能场加工装置的加工方法，其特征在于，加工过程包括如下步骤：
步骤S1.将待加工材料通过导电胶固定在工件夹持装置上，再将工件夹持装置固定在原子力显微镜的压电陶瓷扫描台上，完成待加工材料的定位装夹；借助原子力显微镜的纳米级的探针运动控制功能及高分辨率成像功能对样品进行扫描并选定样品加工的初始位置；
步骤S2.通过激光器调节激光波长，通过激光光路调光装置调节激光的光斑大小和入射角度，使其照射在探针针尖和样品表面；
步骤S3.调节电源的电压或电流大小，使其在探针针尖及样品周围产生电场或在探针与样品接触部位产生焦耳热；
步骤S4.调整激光参数和电源参数，调控激光与不同电物理场加载模式下产生的耦合场的强度，然后借助原子力显微镜纳米级的三维移动平台，控制扫描探针通过光、电、热、力多种能场作用在样品表面进行去除或改性中的任一种。
4.根据权利要求3所述的一种基于AFM的十纳米多能场加工方法，其特征在于，所述步骤S3中，通过电物理场产生与控制模块对扫描探针和样品表面施加电场或电流，通过改变电压大小调节探针针尖与样品周围电场强度或通过改变电流大小调节探针与样品接触部位产生的焦耳热的大小，以控制激光与电物理场耦合产生的局域场强度，该局域场强度可以使样品去除或改性。
5.根据权利要求4所述的一种基于AFM的十纳米多能场加工方法，其特征在于，所述步骤S4中，根据步骤S3所述耦合场对针尖和样品表面的作用效果，借助原子力显微镜纳米级的三维移动平台，通过力控制组件控制扫描探针，在光、电、热、力耦合场作用下，对样品表面进行去除或改性。
6.根据权利要求5所述的一种基于AFM的十纳米多能场加工方法，其特征在于，加工过程中通过原子力显微镜自带的微机信号处理系统、显示模块、功率检测装置和温度检测装置中的红外线热像仪，实时监测样品加工状态，作为反馈信号调整光场和电物理场强度及力作用强度，以实现原位耦合场对待加工材料的精确去除或改性及在线监测。
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