CN117800285A - 一种环境气氛下多能场诱导原子级数控加工装置及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种环境气氛下多能场诱导原子级数控加工装置及方法，属于纳米制造领域，该装置包括电磁屏蔽腔和控制机构；电磁屏蔽腔内部设有环境腔体，环境腔体底部设有工件放置平台，顶部设有通过纳米工具执行机构驱动的纳米工具，电磁屏蔽腔上还设有与环境腔体连通的进气口和出气口；控制机构用于控制工件放置平台和纳米工具执行机构以及施加能场，包括力场、温度场、电场、光场和磁场。该装置解决了传统原子层沉积和刻蚀技术中依赖掩膜获得局域特征和无法实现原子级可控制造的问题，又解决了扫描隧道显微镜原子操纵技术中依赖超高真空、超低温环境，只能用于特定材料且操纵效率低等问题，具有原子级精度、效率高、成本低和通用性好等优势。
Description
技术领域
本发明属于纳米制造领域，尤其涉及一种环境气氛下多能场诱导原子级数控加工装置及方法。
背景技术
制造技术经历了宏观手工制造、介观机械制造、微纳光学制造等阶段，当前半导体器件的制造工艺也已经走到了最前沿的3 nm技术节点，随着信息器件朝着更小尺寸、更低功耗、更高性能的方向发展，制造技术必将进入原子尺度。以单原子精度实现材料去除或增加，打破现有物理极限，能够为量子芯片、冷原子干涉陀螺仪、航空耐热涂层等尺度极小、精度极高的器件加工制造提供解决方案，对国防军工、航空航天、集成电路、信息储存和能源医疗等国家重大战略领域的发展均具有十分重要的意义。现有纳米制造技术有单点金刚石车削、纳米压印、聚焦离子束刻蚀、湿法刻蚀、光学刻蚀、电子束刻蚀、原子层沉积、原子层刻蚀、利用超高真空低温扫描隧道显微镜直接操纵单个原子等方式。
单点金刚石车削如申请公布号为CN114378532A的发明专利申请公布的基于单点金刚石车削表面的电化学抛光方法，该方法材料去除深度仅能控制在纳米量级。纳米压印和聚焦离子束刻蚀如申请公布号为CN113126428A的发明专利申请公布的纳米压印方法和授权公告号为CN112735936B的发明专利公开的电感耦合等离子体和聚焦离子束刻蚀的微光开关加工方法，上述方法能达到更高的精度，具有无掩模、无化学物质等优势，但往往不能避免亚表面损伤；湿法刻蚀、光学刻蚀和电子束刻蚀如授权公告号为CN104037061B的发明专利公布的湿环境下电子束直接纳米刻蚀或印刷的方法，该方法除需要化学物质或掩膜外，还难以将精度控制到单个原子层水平；原子层沉积、原子层刻蚀是实现材料表面原子尺度制造的有效途径，如申请公布号为CN114864370A的发明专利申请公开的一种快速自如沉积或刻蚀原子层的方法，这两种方法都需要掩模来进行区域选择，包含复杂的处理步骤；利用超高真空低温扫描隧道显微镜能够直接操纵单个原子，但依赖严苛的实验环境，操纵效率低，且只能面向金属等导电性较好的材料。
发明内容
本发明的目的在于提供一种环境气氛下多能场诱导原子级数控加工装置及方法，以解决现有原子精度制造方法中依赖超高真空、超低温环境，需要掩膜进行区域选择，难以避免亚表面晶格损伤，无法稳定高效去除或沉积特定原子等问题。
为解决上述技术问题，本发明提供的技术方案为：
本发明涉及一种环境气氛下多能场诱导原子级数控加工装置，其包括电磁屏蔽腔和控制机构；所述的电磁屏蔽腔内部设有环境腔体，环境腔体的底部设有工件放置平台，环境腔体的顶部设有通过纳米工具执行机构驱动的纳米工具，工件放置平台用于放置工件并使工件沿X、Y轴方向移动，所述的纳米工具执行机构用于控制纳米工具在工件放置平台上方沿X、Y、Z轴方向移动，所述的电磁屏蔽腔上还设有与环境腔体连通的进气口和出气口，进气口用于向环境腔体内输送活性媒介，出气口用于将环境腔体内的废气排出；所述的控制机构用于控制工件放置平台和纳米工具执行机构，控制机构还用于向环境腔体施加能场进而改变环境腔体内部的环境气氛，能场包括力场、温度场、电场、光场和磁场。
优选地，所述的工件放置平台包括从下到上依次设置的隔振平台、xy轴电机运动平台和加热台，所述的隔振平台用于减振，所述的xy轴电机运动平台用于驱动工件沿X、Y轴方向移动，所述的加热台用于施加温度场。
优选地，所述的纳米工具执行机构包括从上到下依次设置的z轴电机运动平台、xyz轴压电陶瓷扫描管和工具夹具；所述的工具夹具用于夹持纳米工具；所述的xyz轴压电陶瓷扫描管用于驱动纳米工具沿X、Y、Z轴方向移动，实现纳米工具的精定位，并通过纳米工具在工件表面施加力场；所述的z轴电机运动平台用于驱动纳米工具沿Z轴方向移动，进而实现纳米工具的粗定位。
优选地，所述的控制机构包括：
电机运动控制器，用于控制xy轴电机运动平台和z轴电机运动平台；
压电陶瓷运动控制器，用于控制xyz轴压电陶瓷扫描管；
能场控制器，用于改变环境腔体内部的力场、温度场、电场、光场和磁场。
优选地，所述的控制机构还包括温湿度控制器，用于控制环境腔体内的环境，包括环境腔体内部的温度和湿度。
优选地，所述的进气口处连接有三向阀，三向阀的三个通道分别用于连接两种活性媒介源和惰性气体源；所述的三向阀的三个通道处均设有质量流量控制器。
优选地，所述的纳米工具采用具有光电磁活性的材料，莫氏硬度低于6。
本发明还涉及一种基于环境气氛下多能场诱导原子级数控加工装置的数控加工方法，其包括以下步骤：
S1.将工件固定在工件放置平台上，通过控制机构控制环境腔体的温湿度场，通过控制机构将纳米工具移动到待加工位置；
S2. 向环境腔体循环供给活性媒介，通过控制机构控制环境腔体内的力场、电场、光场和磁场，诱导纳米工具、活性媒介和工件表层原子形成化学键，削弱工件表层原子和亚层原子的化学键强度或加强媒介原子和工件表层原子的结合性；通过控制机构控制纳米工具移动，致使工件表层原子和亚层原子间的化学键剪切断裂并去除表层原子，或致使媒介原子沉积于工件表层原子上。
优选地，所述的力场的力范围为0~100μN；所述的温度场的温度范围为0~500℃；所述的电场为控制工件-纳米工具间的电压在-100 V~+100 V之间；所述的光场的波段范围为紫外到红外，功率范围为10 mW~10 W；所述的工件-纳米工具间的磁场范围为-10 T~+10 T，所述S2和S3中，环境腔体内的温度保持在0 ℃~500 ℃（±2 ℃），环境腔体内的相对湿度控制在30 %~80 %（±5 %）。
优选地，所述的活性媒介为携带目标原子的液体或气体。
与现有技术相比，本发明的有益技术效果如下：
本发明涉及的环境气氛下多能场诱导原子级数控加工装置包括控制机构，其不仅用于控制工件放置平台和纳米工具执行机构，还用于向环境腔体施加能场，能场包括力场、温度场、电场、光场和磁场，进而改变环境腔体内部的环境气氛；使用其进行加工时，通过改变能场诱导纳米工具、活性媒介和工件表层原子形成化学键，削弱工件表层原子和亚层原子的化学键强度，或者加强媒介原子和工件表层原子的结合性，实现原子级的去除和沉积，解决了原子级精准制造和高材料去除率/沉积率间的矛盾，工具硬度远低于工件，且施加的载荷远小于工件的屈服极限，主要依赖于能场辅助下纳米工具-工件界面增强的化学反应，能够避免亚表面晶格损伤等问题，无需掩膜，在常温常压环境氛围下即可进行，成本低，通用性好。
附图说明
图1是环境气氛下多能场诱导原子级数控加工装置的结构示意图；
图2是基于环境气氛下多能场诱导原子级数控加工装置去除表层原子的原理图；
图3是基于环境气氛下多能场诱导原子级数控加工装置选择性沉积于工件表层原子的原理图；
图4是环境气氛下多能场诱导原子级数控减材制造的示意图；
图5是环境气氛下多能场诱导原子级数控增材制造的示意图。
其中：1-活性媒介A源，2-惰性气体源，3-活性媒介B源，4-质量流量控制器，5-活性媒介分子，6-隔振平台，7-xy轴电机运动平台，8-加热台，9-工件，10-工件原子，11-纳米工具，12-工具夹具，13-xyz轴压电陶瓷扫描管，14-z轴电机运动平台，15-副产物分子，16-环境腔体，17-电磁屏蔽腔，18-能场控制器，19-温湿度控制器，20-电机运动控制器，21-压电陶瓷运动控制器。
具体实施方式
下面通过具体实施例，对本发明的技术方案作进一步具体的说明，实施例是对本发明的说明而作，不是对本发明的限制。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。
实施例1
参照附图1所示，本实施例涉及一种环境气氛下多能场诱导原子级数控加工装置，其包括电磁屏蔽腔17和控制机构。
所述的电磁屏蔽腔17内部设有环境腔体16，环境腔体16的底部设有工件放置平台，环境腔体16的顶部设有通过纳米工具执行机构驱动的纳米工具11。所述的纳米工具11采用半径纳米级、能自感应力、莫氏硬度低于6且具有光电磁活性的材料，如镍、金、银、铂、钯和钴等贵金属材料，氧化钼、氧化钛、氧化铈和氧化锌等金属氧化物材料，以及碳基、硅基和硝酸盐等同时包含金属元素和非金属元素的复合材料。工件放置平台用于放置工件9并使工件9沿X、Y轴方向移动，其具体包括从下到上依次设置的隔振平台6、xy轴电机运动平台7和加热台8，隔振平台6用于减振，xy轴电机运动平台7用于驱动工件9沿X、Y轴方向移动，其能耐高温、抗腐蚀，加热台8用于施加温度场。所述的纳米工具执行机构用于控制纳米工具11在工件放置平台上方沿X、Y、Z轴方向移动，具体包括从上到下依次设置的z轴电机运动平台14、xyz轴压电陶瓷扫描管13和工具夹具12，工具夹具12用于夹持纳米工具11，xyz轴压电陶瓷扫描管13用于驱动纳米工具11沿X、Y、Z轴方向移动，实现纳米工具的精定位，并通过纳米工具在工件表面施加力场，z轴电机运动平台14用于驱动纳米工具11沿Z轴方向移动，进而实现纳米工具的粗定位，xyz轴压电陶瓷扫描管13和z轴电机运动平台14均能耐高温、抗腐蚀。所述的电磁屏蔽腔17上还设有与环境腔体16连通的进气口和出气口，进气口用于向环境腔体16内输送活性媒介，活性媒介是携带目标原子的液体或气体，如单质和卤化物等无机物，金属烷基、金属环戊二烯基、金属β-2酮、金属酰胺、金属醚基等金属有机物，或是等离子体，如氢等离子体、氢氧等离子、氧等离子体、氟等离子体、氩等离子体、氦等离子体、过氧化氢等离子体和臭氧等离子体等，出气口用于将环境腔体16内的废气排出，所述的进气口处连接有三向阀，三向阀的三个通道分别用于连接两种活性媒介源和惰性气体源2，且三个通道处均设有质量流量控制器4。
所述的控制机构包括电机运动控制器20、压电陶瓷运动控制器21、温湿度控制器19和能场控制器18，电机运动控制器20用于控制xy轴电机运动平台7和z轴电机运动平台14，使得工件放置平台沿X、Y轴方向移动以及使得纳米工具11沿Z轴方向移动，进而实现纳米工具的粗定位；压电陶瓷运动控制器21用于控制xyz轴压电陶瓷扫描管13，使得纳米工具11沿X、Y轴方向移动，进而实现对工件放置平台和纳米工具11的精准控制，并通过纳米工具11在工件表面施加力场；温湿度控制器19用于控制环境腔体16内的温度和湿度；能场控制器18用于改变环境腔体16内部的力场、温度场、电场、光场和磁场，具体是：通过xyz轴压电陶瓷扫描管13进给纳米工具在工件9表面施加力场，通过加热台8向工件9施加温度场，通过信号发生器和功率放大器向工件-纳米工具间施加电场，通过组合激光器、准直器、光纤耦合器和光纤向工件9表面施加光场，通过电磁铁向工件-纳米工具间施加磁场；以上能场大小均由能场控制器18维持恒定，进而改变环境腔体16内部的环境气氛。
实施例2
本实施例涉及一种环境气氛下多能场诱导原子级数控加工方法，具体而言，是一种减材制造方法，其包括以下步骤：
S1.将工件9固定在图1所示的工件放置平台上，通过温湿度控制器19控制环境腔体16的温度和湿度并保持温度和湿度恒定，温度保持在0 ℃~500 ℃（±2 ℃），环境腔体16内的相对湿度控制在30 %~80 %（±5 %），通过电机运动控制器20移动工件9位置、纳米工具11的位置和高度，进而将纳米工具11移动到待加工位置，使得纳米工具11与工件9表面接触；
S2. 向环境腔体16循环供给活性媒介，活性媒介为携带目标原子的液体或气体，通过质量流量控制器4可控制活性媒介的流量，通过能场控制器18控制环境腔体16内的力场、温度场、电场、光场和磁场，其中力场的力范围为0~100μN；所述的温度场的温度范围为0~500℃；所述的电场为控制工件-纳米工具间的电压在-100 V~0 V之间；所述的光场的波段范围为紫外到红外，功率范围为10 mW~10 W；所述的工件-纳米工具间的磁场范围为-10 T~0 T。在该特定能场辅助下，界面化学反应的活化能降低，使得临近的活性媒介分子5吸附到纳米工具11和工件9表面，诱导纳米工具11、活性媒介和工件9表层原子形成化学键，同时，削弱工件9表层原子和亚层原子的化学键强度；压电陶瓷运动控制器21控制纳米工具11移动，致使工件9表层原子和亚层原子间的化学键剪切断裂，即媒介原子拔出工件9表层原子实现原子去除，如图1和2所示。
通过实施例2涉及的环境气氛下多能场诱导原子级数控加工方法，每个周期内的纳米工具11移动均会导致活性媒介原子拔出工件9表层原子，实现原子级精度多层可控去除，最终刻蚀出如图4所示的具有原子级精度的图案“V”。
实施例3
本实施例涉及一种环境气氛下多能场诱导原子级数控加工方法，具体而言，是一种增材制造方法，其包括以下步骤：
S1.将工件9固定在图1所示的工件放置平台上，通过温湿度控制器19控制环境腔体16的温度和湿度并保持温度和湿度恒定，温度保持在0 ℃~500 ℃（±2 ℃），环境腔体16内的相对湿度控制在30 %~80 %（±5 %），活性媒介为携带目标原子的液体或气体，通过控制机构将纳米工具11移动到待加工位置；
S2. 向环境腔体16循环供给活性媒介，如先通过活性媒介A源1供给活性媒介A，通过能场控制器18控制环境腔体16内的力场、温度场、电场、光场和磁场，其中力场的力范围为0~100μN；所述的温度场的温度范围为0~500℃；所述的电场为控制工件-纳米工具间的电压在0 V~+100 V之间；所述的光场的波段范围为紫外到红外，功率范围为10 mW~10 W；所述的工件-纳米工具间的磁场范围为0 T~+10 T，在上述特定能场下，界面化学反应的活化能降低，从而能够诱导纳米工具11、活性媒介和工件9表层原子形成化学键，加强媒介原子和工件9表层原子的结合性，用压电陶瓷运动控制器21控制纳米工具11移动，导致活性媒介A的目标原子键合沉积于工件9表层原子，并生成副产物分子15，然后用惰性气体源2通入惰性气体，惰性气体吹扫活性媒介A和副产物分子15，再用活性媒介B源3供给能同沉积原子发生反应的活性媒介B，通过能场控制器18控制环境腔体16内的力场、温度场、电场、光场和磁场，其中力场的力范围为0~100μN；所述的温度场的温度范围为0~500℃；所述的电场为控制工件-纳米工具间的电压在0 V~+100 V之间；所述的光场的波段范围为紫外到红外，功率范围为10 mW~10 W；所述的工件-纳米工具间的磁场范围为0 T~+10 T。在该特定能场下，用压电陶瓷运动控制器21控制纳米工具11移动，导致活性媒介B的目标原子键合沉积于活性媒介A的目标原子上并生成副产物分子15，用惰性气体吹扫活性媒介B和副产物分子15，再供给能同沉积原子发生反应的活性媒介A，如图1和3所示，重复该步骤实现原子级精度多层可控沉积，实现表面确定性增材制造，沉积出具有原子级精度的如附图5所示的“金字塔”图案。
本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。
Claims (10)
1.一种环境气氛下多能场诱导原子级数控加工装置，其特征在于：其包括电磁屏蔽腔和控制机构；所述的电磁屏蔽腔内部设有环境腔体，环境腔体的底部设有工件放置平台，环境腔体的顶部设有通过纳米工具执行机构驱动的纳米工具，工件放置平台用于放置工件并使工件沿X、Y轴方向移动，所述的纳米工具执行机构用于控制纳米工具在工件放置平台上方沿X、Y、Z轴方向移动，所述的电磁屏蔽腔上还设有与环境腔体连通的进气口和出气口，进气口用于向环境腔体内输送活性媒介，出气口用于将环境腔体内的废气排出；所述的控制机构用于控制工件放置平台和纳米工具执行机构，控制机构还用于向环境腔体施加能场进而改变环境腔体内部的环境气氛，能场包括力场、温度场、电场、光场和磁场。
2.根据权利要求1所述的环境气氛下多能场诱导原子级数控加工装置，其特征在于：所述的工件放置平台包括从下到上依次设置的隔振平台、xy轴电机运动平台和加热台，所述的隔振平台用于减振，所述的xy轴电机运动平台用于驱动工件沿X、Y轴方向移动，所述的加热台用于施加温度场。
3.根据权利要求2所述的环境气氛下多能场诱导原子级数控加工装置，其特征在于：所述的纳米工具执行机构包括从上到下依次设置的z轴电机运动平台、xyz轴压电陶瓷扫描管和工具夹具；所述的工具夹具用于夹持纳米工具；所述的xyz轴压电陶瓷扫描管用于驱动纳米工具沿X、Y、Z轴方向移动，实现纳米工具的精定位，并通过纳米工具在工件表面施加力场；所述的z轴电机运动平台用于驱动纳米工具沿Z轴方向移动进而实现纳米工具的粗定位。
4.根据权利要求3所述的环境气氛下多能场诱导原子级数控加工装置，其特征在于：所述的控制机构包括：
电机运动控制器，用于控制xy轴电机运动平台和z轴电机运动平台；
压电陶瓷运动控制器，用于控制xyz轴压电陶瓷扫描管；
能场控制器，用于改变环境腔体内部的力场、温度场、电场、光场和磁场。
5.根据权利要求4所述的环境气氛下多能场诱导原子级数控加工装置，其特征在于：所述的控制机构还包括温湿度控制器，用于控制环境腔体内的环境。
6.根据权利要求1所述的环境气氛下多能场诱导原子级数控加工装置，其特征在于：所述的进气口处连接有三向阀，三向阀的三个通道分别用于连接两种活性媒介源和惰性气体源；所述的三向阀的三个通道处均设有质量流量控制器。
7.根据权利要求1所述的环境气氛下多能场诱导原子级数控加工装置，其特征在于：所述的纳米工具采用具有光电磁活性的材料，莫氏硬度低于6。
8.一种基于权利要求1所述的环境气氛下多能场诱导原子级数控加工装置的环境气氛下多能场诱导原子级数控加工方法，其特征在于，其包括以下步骤：
S1.将工件固定在工件放置平台上，通过控制机构控制环境腔体的温湿度场，通过控制机构将纳米工具移动到待加工位置；
S2. 向环境腔体循环供给活性媒介，通过控制机构控制环境腔体内的力场、电场、光场和磁场，诱导纳米工具、活性媒介和工件表层原子形成化学键，削弱工件表层原子和亚层原子的化学键强度或加强媒介原子和工件表层原子的结合性；通过控制机构控制纳米工具移动，致使工件表层原子和亚层原子间的化学键剪切断裂并去除表层原子，或致使媒介原子沉积于工件表层原子上。
9.根据权利要求8所述的环境气氛下多能场诱导原子级数控加工方法，其特征在于：所述的力场的力范围为0~100μN；所述的温度场的温度范围为0~500℃；所述的电场为控制工件-纳米工具间的电压在-100 V~+100 V之间；所述的光场的波段范围为紫外到红外，功率范围为10 mW~10 W；所述的工件-纳米工具间的磁场范围为-10 T~+10 T，所述S2和S3中，环境腔体内的温度保持在0 ℃~500 ℃（±2 ℃），环境腔体内的相对湿度控制在30 %~80 %（±5 %）。
10.根据权利要求8所述的环境气氛下多能场诱导原子级数控加工方法，其特征在于：所述的活性媒介为携带目标原子的液体或气体。
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