[发明专利]采用AFM探针纳米刻划加工复杂三维微纳米结构的方法

说明书

本申请是申请日2014年08月07日、申请号201410385711.5、发明名称《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》的分案申请。

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、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，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；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；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；

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