一种AFM探针相同刻划方向机械加工复杂纳米结构的装置及方法

摘要

本发明公开了一种AFM探针相同刻划方向机械加工复杂纳米结构的装置及方法。所述装置包括AFM、手动二维调整台、精密主轴及二维高精度定位平台，其中：手动调整二维台的底部与精密主轴的上端连接，精密主轴的下端与二维高精度定位平台连接，二维高精度定位平台固连在AFM的样品台上。本发明利用原子力显微镜AFM的加工的优势，并且改善了由于AFM探针几何形状不完全对称对加工结果有所影响的问题，实现了AFM探针同方向加工刻划的方法。本发明加工方法简单，无需复杂的加工系统，操作简单，并且可以得到精度达到纳米量级的微纳米结构。本发明实现了AFM探针同方向纳米刻划加工，该方法获得了加工结构深度、加工质量一致性好的优势。

说明书

 

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探针相同刻划方向机械加工复杂纳米结构的装置及方法。

背景技术

随着纳米科学技术的快速发展，具有高精度的复杂纳米结构在许多领域有着广泛的需求，如纳流控生物芯片使生物分子得以进行生物传输、生物分离以及生物检测；纳米尺度的传感器可以检测单个生物分子的重量；一个弹性体纳米通道设备可以控制DNA移位过程；一个纳米通道设备可以进行传输药品。对于上述的这类结构的加工，目前采用的加工手段主要为传统光刻、聚焦离子束、电子束加工、激光加工等传统纳米加工手段，然而昂贵的加工设备、复杂的实验过程、加工精度低以及低加工效率等缺点限制了上述复杂纳米结构的加工。

自从原子力显微镜(AFM)出现以来，通过控制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加工复杂超高精度的微纳米结构的能力。但是由于AFM探针的几何形状非完全对称，所以当采取不用刻划方向进行加工时，得到结构的深度、加工质量、深度一致性等不一致，这样就给加工纳米精度的结构带来了一定的问题。

发明内容

为了解决现有技术中加工结构深度和加工质量不一致等问题，本发明提供了一种AFM探针相同刻划方向机械加工复杂纳米结构的装置及方法。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的：

一种AFM探针相同刻划方向机械加工复杂纳米结构的装置，包括AFM、手动二维调整台、精密主轴及二维高精度定位平台，其中：AFM与被加工样品配合使用获得刻划形貌图，手动调整二维台的底部与精密主轴的上端连接，精密主轴的下端与二维高精度定位平台连接，二维高精度定位平台底座固连在AFM的样品台上。

基于上述检测装置实现的AFM探针相同刻划方向机械加工复杂纳米结构的方法，包括如下步骤：

一、被加工样品固定在手动二维调整台的上部，对精密主轴进行调心，并确定AFM探针与精密主轴回转中心的相对位置关系。

二、确定AFM探针的刻划方向，根据需要加工的结构图案进行加工，对AFM针尖施加加工载荷，移动二维高精度定位平台进行刻划图案的第一条线。

三、将施加到AFM探针上的载荷设置为零，这时针尖在样品上的移动不造成材料去除，对加工结果不产生影响。旋转精密主轴配合移动二维高精度定位平台使得第一条线的终点与针尖位置重合，并且沿着相同方向刻划时第二条线与第一条线的角度偏差与所需加工结构图案一致，根据第二条线的长度进行刻划。此时施加所需加载的载荷与第一次刻划的载荷相同。

四、重复步骤二和三，直至完成整个图案的加工。

本发明具有如下优点：

1、本发明利用原子力显微镜AFM的加工的优势，并且改善了由于AFM探针几何形状不完全对称对加工结果有所影响的问题，实现了AFM探针同方向加工刻划的方法。

2、本发明加工方法简单，无需复杂的加工系统，操作简单，并且可以得到精度达到纳米量级的微纳米结构。

3、本发明实现了AFM探针同方向纳米刻划加工，该方法获得了加工结构深度、加工质量一致性好的优势。

附图说明

图1是本发明所述的一种AFM探针相同刻划方向机械加工复杂纳米结构装置的结构示意图；

图2是本发明所述的一种AFM探针相同刻划方向机械加工复杂纳米结构方法的流程图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的技术方案作进一步的说明，但并不局限于此，凡是对本发明技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神和范围，均应涵盖在本发明的保护范围中。

具体实施方式一：如图1所示，本实施方式提供的一种AFM探针相同刻划方向机械加工复杂纳米结构的装置，包括：AFM(Q-Scope 250; Ambios Company, USA)1、被加工样品2、手动二维调整台 (Sigma, Japan)3、精密主轴(ABRS-150MP, Aerotech, USA)4及二维高精度定位平台(M511.HD; PI Company, Germany)5，其中，AFM1与被加工样品2配合使用获得刻划形貌图，被加工样品2固定在手动二维调整台3上，手动二维调整台3的底部与精密主轴4的上端连接，精密主轴4的下端与二维高精度定位平台5连接，二维高精度定位平台5底座固连在AFM1的样品台上。精密主轴4和二维高精度定位平台5均对AFM探针在被加工样品表面的加工位置进行控制，二维高精度定位平台5实现在二维平面内的两轴向的直线位移控制，精密主轴4实现竖直于二维平面方向的转动控制。

所述二维高精度定位平台5由X方向精密工作台和Y方向精密工作台层叠组成，精密主轴4的下端与X方向精密工作台的滑块连接，X方向定位工作台3的滑块进行X方向运动，Y方向精密工作台底座固连在AFM1的样品台上，Y方向定位工作台的滑块进行Y方向运动。

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。

具体实施方式二：本实施方式提供了一种AFM探针相同刻划方向机械加工复杂纳米结构的方法，包括如下步骤：

一、首先对精密主轴进行粗调心，并大致确定AFM探针与精密主轴回转中心的相对位置；之后对AFM探针施加一定载荷并保持其不动，控制精密主轴回转360°，使用AFM的三维形貌检测功能获得纳米加工后的表面形貌图，通过提取该表面形貌图的圆轨迹图像获得精密主轴的回转中心，从而实现AFM探针与样品表面的接触点与回转中心的精确相对位置。

二、确定AFM针尖的加工刻划位置，根据线结构的长度对高精度定位平台进行位置移动控制，完成一条线结构的加工。

三、将施加于针尖的载荷设置为零，控制精密主轴回转角度及二维高精度定位平台调整针尖相对于样品的位置并进行下一次加工刻划。

四、重复步骤二和三，直至完成整个图案结构的加工。

具体实施方式三：如图2所示，本实施方式提供了一种AFM探针相同刻划方向机械加工复杂纳米结构的方法，具体步骤如下：

步骤1：调心并确定AFM探针压入位置与精密主轴回转中心的相对位置；分为粗调心和精调心两种方式。

（1）粗调心

被加工样品固定在手动二维调整台上，在被加工样品表面上做一个十字形标记，通过在光学显微镜下观察，用手动二维调整台粗略地将十字形标记中心调整到精密主轴回转中心位置附近。这时，AFM探针接近样品表面，利用AFM的辅助光学显微镜清楚地看清样品表面，并将精密主轴转动180°，两个位置的十字形标记连线的中点位置大概为精密主轴的轴心。利用手动二维调整台将标记的十字形中心调整到旋转精密主轴180°前后两个位置的十字形标记连线的中心处。AFM探针接近样品，在AFM辅助显微镜下观察AFM探针与十字形中心的位置，控制X和Y方向二维高精度定位平台使AFM探针与十字形中心位置重合，粗调心过程完成。

（2）精调心

调节手动二维调整台，确定接近的被加工样品在这个区域表面质量良好，否则会影响精调心过程。AFM工作在接触模式，施加一定载荷使AFM探针接触被加工样品表面并保持AFM探针扫描范围设置为零，精密主轴回转360°，完成机械刻划后，将AFM工作模式转换为轻敲模式对加工区域进行扫描。通过AFM测得加工区域的表面形貌图后，将所述表面形貌图中提取的圆轨迹的圆心作为精密主轴的回转中心。并且可以确定AFM探针与精密主轴回转中心的相对位置关系。

步骤2：确定AFM探针刻划方向并进行图案第一条线结构的加工刻划。

确定针尖加工刻划方向为垂直于AFM探针悬臂的方向（Y轴正方向），如图1所示。由于该方向加工结构的深度一致性和加工质量较好。将AFM探针的扫描范围设置为零，并对探针施加一定载荷使探针接触被加工样品表面。根据第一条线结构的长度，控制Y方向二维高精度定位平台移动到需要到达的位置，针尖移动的起点和重点距离为第一条线结构的长度，二维定位的移动方向与探针的刻划方向相反，为沿着Y轴负方向，这样就保证了我们加工刻划第一条线结构在长度和方向的正确性。

步骤3：调整AFM探针相对样品的位置和方向。

由于第二条线结构的加工与第一条线结构的方向不一致，所以根据两条线的夹角，控制精密主轴旋转一定角度并控制X和Y方向二维高精度定位将第一条线结构的终点移动到与AFM探针与被加工样品表面接触点重合的位置，并确定旋转角度使得第一次与第二次刻划的加工方向一致。

步骤4：进行图案第二条线结构的加工刻划。

根据第二条线结构的长度控制Y方向二维高精度定位平台移动相应距离，实现第二条线结构的加工刻划。

步骤5：重复步骤3和步骤4，完成整个图案的加工。