[发明专利]基于AFM直写式力电耦合刻蚀加工准三维微纳米结构的方法

说明书

本发明涉及一种基于AFM直写式力电耦合刻蚀加工准三维微纳米结构的方法，该方法可在真空或大气环境下进行，在刻蚀过程中，利用AFM探针作为力电耦合刻蚀的刀具和电极，对样品表面同时施加机械力和电场的复合作用，并且在水平方向上按照扫描加工路径移动AFM探针，实现在样品的指定区域上去除材料，保持同一刻蚀深度，从而形成准三维的微纳米结构。与现有技术相比，本发明是一种直写式的微纳米刻蚀加工方法，制造过程无须传统微纳米刻蚀加工中的光刻胶和掩膜工艺，操作过程方便灵活，可控性强，且刻蚀精度高，加工后的表面粗糙度可低至3.0nm，在微纳米器件加工领域中具有广泛的应用价值。

技术领域

本发明涉及纳米加工领域，具体的说是一种基于AFM(原子力显微镜)的直写式力电耦合刻蚀加工准三维微纳米结构的方法。

背景技术

原子力显微镜(AFM)是一种纳米尺度的表面形貌扫描成像和检测设备，可以达到原子尺度的空间分辨率。除了作为重要的测量工具，AFM还被用于开发新型的微纳米加工刻蚀技术，可用于加工微纳米传感器、二极管、晶体管、微流控芯片等器件，具有重要的应用价值。

目前传统的微纳米加工技术，例如：光刻、电子束刻蚀等方法还存在如下的不足之处：

1)刻蚀过程中采用光刻胶作为掩膜的工艺，操作过程复杂；

2)在去除光刻胶的过程中，易在样品表面引入杂质污染；

3)对于纳米尺度的加工难度大，尤其是当特征尺寸小于10nm以下时。

基于AFM的直写式力电耦合刻蚀加工方法无需使用光刻胶，通过AFM探针针尖施加的力载荷和局域强电场，去除局域的样品材料，刻蚀深度可由施加的力载荷和偏压的大小调整，范围约8～60nm。

专利申请201510877418.5公开了一种采用AFM探针纳米刻划加工复杂三维微纳米结构的方法，属于微纳米结构加工领域。为了解决复杂三维微纳米结构加工问题，所述装置包括AFM、X方向精密工作台、Y方向精密工作台，X方向精密工作台底座固连在Y方向精密工作台的滑块上，X方向定位工作台的滑块进行X方向运动，Y方向精密工作台底座固连在AFM样品台上，Y方向定位工作台的滑块进行Y方向运动。该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。该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。然而，因为以上AFM探针纳米刻划加工方法是基于机械压入和刻划力作用来去除材料，加工结构的深度理论上等于压入深度的大小，无法刻蚀更大的深度；此外也不适用于加工硬度大的材料，需要采用硬度更大的AFM探针工具进行材料蚀除的加工。

与以上专利相对比，本发明专利中所述的基于AFM直写式力电耦合刻蚀加工方法去除材料的机理是力刻蚀和电场刻蚀相结合，能够有效地提高结构深度，获得的刻蚀深度能够比初始的压入深度大3倍以上，并且可以用普通的AFM探针刻蚀硬度大的金属材料。

发明内容

本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种不需要使用光刻胶工艺，基于AFM的直写式力电耦合刻蚀加工的方法，并且刻蚀加工精度高，表面粗糙度低，能够实现准三维的微纳米结构加工。

本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：一种基于AFM直写式力电耦合刻蚀加工准三维微纳米结构的方法，其特征在于，在刻蚀过程中，利用AFM探针作为力电耦合刻蚀的刀具和电极，对样品表面同时施加机械力和电场的复合作用，并且在水平方向上按照扫描加工路径移动AFM探针，实现在样品的指定区域上去除材料，保持同一刻蚀深度，从而形成准三维的微纳米结构。

所述的AFM探针为阴极、样品为阳极，在刻蚀过程中，阴极和阳极之间形成局域强电场，当局域电场强度阈值E₀达6.0～8.0V/nm以上时，样品材料被放电蚀除。