一種采用AFM探針納米刻劃加工復雜三維微納米結構的方法本申請是申請日2014年08月07日、申請?zhí)?01410385711.5、發(fā)明名稱《采用AFM探針納米刻劃加工復雜三維微納米結構的裝置及方法》的分案申請。技術領域本發(fā)明屬于微納米結構加工領域，涉及一種基于AFM探針納米刻劃加工的復雜三維微納米結構加工的方法。

背景技術：
具有納米精度的復雜微結構在許多領域有著廣泛的需求，如高密度光柵結構、復雜三維微納米結構等已經(jīng)廣泛應用在二元微光學、X射線天文望遠鏡、極端遠紫外光刻、激光慣性約束核聚變診斷系統(tǒng)、實驗力學、表面工程等諸多領域。對于上述的這類結構，目前采用的加工手段主要為電子束加工、聚焦離子束、激光加工等傳統(tǒng)納米加工手段，然而昂貴的加工設備、苛刻的加工條件、微米尺度的加工范圍以及低的加工效率等缺點制約了上述復雜納米結構的制作。隨著納米技術的發(fā)展，通過控制原子力顯微鏡(AFM)探針與表面之間的物理、化學的作用，可以實現(xiàn)在納米尺度甚至原子分子、原子尺度上改變物體表面的微觀形貌，從而將其從測量領域擴展到納米加工領域，并且開展了廣泛而深入的研究。在眾多的基于AFM探針的納米加工方法中，基于AFM探針的納米機械刻劃加工作為一種傳統(tǒng)超精密加工向納米尺度的延伸技術，已經(jīng)被證明它具有在微米尺度上加工復雜納米精度的三維微納米結構的能力。與此同時，傳統(tǒng)的精密微車削系統(tǒng)由于采用刀具的尺度和運動部件的精度都在微米量級，導致該方法的加工尺度和精度很難達到納米量級，目前僅處于微米量級。因此人們試圖將AFM探針納米機械加工系統(tǒng)改造作為未來加工復雜三維微納米結構加工的設備。

技術實現(xiàn)要素：
為了解決復雜三維微納米結構加工問題，本發(fā)明提供了一種采用AFM探針納米刻劃加工復雜三維微納米結構的方法。本發(fā)明提供的采用AFM探針納米刻劃加工復雜三維微納米結構的裝置，包括AFM、X方向精密工作臺、Y方向精密工作臺、二維高精度定位平臺控制器、控制計算機、AFM控制器和控制電腦，X方向精密工作臺底座固連在在Y方向精密工作臺的滑塊上，Y方向精密工作臺底座固連在AFM樣品臺上；二維高精度定位平臺控制器與X方向精密工作臺和Y方向精密工作臺相連，控制計算機與二維高精度定位平臺控制器相連，原子力顯微鏡與AFM控制器和控制電腦依次連接；所述X方向精密工作臺與Y方向精密工作臺都是毫米尺度、納米級定位精度的位移臺。本發(fā)明提供的采用AFM探針納米刻劃加工納米精度復雜三維微納米結構的方法，包括以下三種方法：方法1、匹配AFM探針進給速度和高精度定位平臺的移動速度實現(xiàn)底面階梯結構的納米通道的加工：AFM探針在設定的正方形區(qū)域連續(xù)掃描加工，一次掃描結束后回到初始位置繼續(xù)重復上一次的掃描，同時X方向精密工作臺在加工方向以同一速度運動，這樣通過對AFM探針進給方向掃描速度與X方向精密工作臺運動速度的設定和匹配，不同結構的納米通道就可以有效地加工得到。方法2、通過對AFM探針的編程控制實現(xiàn)復雜三維幾何圖形疊加的納米通道：該方法是在方法1的基礎上進行工作的進一步推進。通過對AFM探針的掃描陶管的編程控制，實現(xiàn)對掃描陶管移動位置和移動速度的控制，即可加工出任意所需要得到的幾何圖案，同時與X方向精密工作臺進行速度的匹配就可以實現(xiàn)不同幾何圖案疊加的納米通道的加工。方法3、改變AFM探針加工方向的進給量實現(xiàn)三維正弦及上下坡結構的加工：由于AFM探針作用到樣品表面上的力通過微懸臂、PZT、AFM控制系統(tǒng)保持為一定值，所以改變AFM探針進給量的大小，即改變相鄰兩次加工掃描之間的間距，就能改變加工結構的加工深度。根據(jù)所要加工的微納米結構不同位置的深度計算出相應進給量的大小。利用商用AFM裝置與納米精度定位平臺的參數(shù)匹配就能加工出想要的三維正弦及上下坡結構。上述三種加工方法均通過AFM機械刻劃的方式去除材料，實現(xiàn)加工目的。將AFM探針作為加工用的微小刀具，Z向掃描陶管的運動帶動探針做上下運動，實現(xiàn)加工過程中探針作用到表面上的力為一個恒定值。AFM系統(tǒng)原有的手動工作臺被新的二維高精度定位平臺所替換，帶動待加工樣品實現(xiàn)高精度的二維移動。本發(fā)明具有如下優(yōu)點：1、本發(fā)明提出的三種方法分別通過對同一套商用AFM以及高精度定位平臺系統(tǒng)的不用控制和參數(shù)設置，實現(xiàn)采用AFM探針納米刻劃技術加工復雜三維微納米結構的加工。2、本發(fā)明能夠在較低成本下解決復雜三維微納米結構的加工問題，且方法簡單，裝置及加工實現(xiàn)成本相對較低。附圖說明圖1是本發(fā)明所述的AFM加工復雜三維微納米結構加工裝置圖。圖2是本發(fā)明所述的AFM加工復雜三維微納米結構裝置的進一步具體結構示意圖。具體實施方式下面結合附圖對本發(fā)明的技術方案作進一步的說明，但并不局限于此，凡是對本發(fā)明技術方案進行修改或者等同替換，而不脫離本發(fā)明技術方案的精神和范圍，均應涵蓋在本發(fā)明的保護范圍中。具體實施方式一：如圖1所示，本實施方式提供了一種AFM加工復雜三維微納米結構加工裝置，由AFM1(Q-Scope250;AmbiosCompany,USA)、被加工樣品2、X方向精密工作臺3及Y方向精密工作臺4(M511.HD;PICompany,Germany)組成，其中：X方向精密工作臺3與Y方向精密工作臺4都是毫米尺度、納米級定位精度的位移臺，二者層疊安裝，即：被加工樣品2固定在X方向精密工作臺3的滑塊上，X方向精密工作臺3底座固連在Y方向精密工作臺4的滑塊上，X方向定位工作臺3的滑塊進行X方向運動，Y方向精密工作臺4底座固連在AFM1樣品臺上，Y方向定位工作臺4的滑塊進行Y方向運動。具體實施方式二：如圖2所示，本實施方式與具體實施方式一不同的是，所述加工裝置還可以包括二維高精度定位平臺控制器5、控制計算機6、AFM控制器7和控制電腦8，二維高精度定位平臺控制器5與X方向精密工作臺3和Y方向精密工作臺4相連，控制計算機6與二維高精度定位平臺控制器5相連，原子力顯微鏡1與AFM控制器7和控制電腦8依次連接。具體實施方式三：本實施方式提供了一種AFM探針納米刻劃加工底面階梯結構的納米通道的方法，其過程為：首先根據(jù)所需加工的納米通道的長度、寬度、疊加區(qū)域的次數(shù)、疊加區(qū)域大小等加工參數(shù)預先設定AFM探針的掃描范圍、掃描頻率以及X方向精密工作臺的加工速度以及加工長度；最后完成加工。具體過程如下所述：（1）AFM系統(tǒng)設置為接觸模式，金剛石AFM探針以一定負載逐漸接觸樣品表面使得針尖壓入樣品表面，對針尖施加的載荷間接地控制了加工深度。（2）AFM探針在設定的區(qū)域掃描范圍進行掃描，AFM探針從初始點移動到終點來完成一個掃描循環(huán)。在完成一個掃描循環(huán)后，AFM探針返回初始點開始一個新的掃描循環(huán)操作。這個過程持續(xù)重復進行直到加工過程完成。掃描的同時，X方向精密工作臺以一定較低的初速度持續(xù)沿著X軸方向運動，方向如圖1所示。兩種情況會產(chǎn)生：X方向精密工作臺的運動方向和AFM探針的進給運動方向相同；X方向精密工作臺的運動方向和AFM探針的進給運動方向相反。AFM探針的掃描范圍和X方向精密工作臺的運動位移分別來控制所加工納米通道的寬度和長度。與此同時，AFM探針的進給方向的速度和X方向精密工作臺的運動速度決定了納米通道底部階梯結構的尺寸和結構。（3）在加工獲得一個納米通道后，AFM探針抬起，控制Y方向精密工作臺移動到下一個待加工位置。重復步驟（1）和（2），可以加工另一個納米通道。（4）重復步驟（3），納米通道陣列結構可以通過這樣的形式加工得到。具體實施方式四：本實施方式提供了一種AFM探針納米刻劃加工復雜三維幾何圖形疊加的納米通道的方法，其過程為：首先根據(jù)所需加工的幾何圖案利用visualbasic對AFM的掃描陶管進行編程，使用Ambios公司提供的SlewScanOffsetsXY_and_SetScanDacGains(nmX#,nmY#,Optionalum_sRate!)函數(shù)進行AFM探針位置和掃描速度的控制，由于此時AFM探針與X方向精密工作臺同時運動，所以要控制加工形狀不發(fā)生變形，根據(jù)所需的形狀和尺寸大小設定加工過程中AFM探針的掃描速度和移動位置及其X方向精密工作臺的加工速度和長度，而且要控制在每個加工循環(huán)中AFM探針運動的時間相同，這樣才能使得加工過程的疊加運動產(chǎn)生的幾何形狀不發(fā)生變形。具體過程如下所述：（1）AFM系統(tǒng)在接觸模式下進行工作，根據(jù)加工要求設置進給量、角度、加工時間、循環(huán)次數(shù)等掃描參數(shù)。掃描路徑中的轉折點和終點坐標可以通過計算得到。然后AFM探針以一定預先設定的載荷逼近樣品表面，并且通過控制掃描陶管施加到AFM探針的載荷保持恒定。通過設置掃描參數(shù)控制AFM探針的運動軌跡。當AFM探針到達一個完整加工結構的終點時，AFM探針會立即從終點返回坐標系原點。（2）X方向精密工作臺以一個恒定較低的速度運動。AFM探針與X方向精密工作臺同時運動。通過AFM探針持續(xù)掃描與X方向精密工作臺的共同運動作用，可以加工不同幾何形狀的復雜疊加結構。（3）當所有循環(huán)運動完成后，X方向精密工作臺停止運動。移動Y方向精密工作臺到指定加工位置，通過重復步驟（1）和（2）可進行下一個復雜三維結構的加工。（4）重復步驟（3），直至完成所有復雜三維幾何圖形疊加的納米通道的加工。具體實施方式五：本實施方式提供了一種AFM探針納米刻劃加工復雜三維正弦或上下坡結構的方法，其過程為：設置AFM探針的掃描范圍為零，同時設定加工長度、加工間距、加工方向、垂直載荷、速度等參數(shù)，然后通過VC對X方向精密工作臺和Y方向精密工作臺進行編程控制，并驅動二維高精度定位平臺進行加工。具體過程如下所述：（1）AFM系統(tǒng)在接觸模式下工作，AFM探針以一定的載荷接觸樣品表面。在加工過程中，施加到AFM探針的載荷通過AFM閉環(huán)系統(tǒng)控制保持不變。（2）通過實驗確定在一定載荷AFM探針進給量和加工深度的函數(shù)關系，根據(jù)所需加工正弦和上下坡結構的截面深度圖，得到相對應的AFM探針在加工過程中相應的進給量的數(shù)值。以進給量的數(shù)值總和來控制加工納米結構的長度。加工過程中AFM探針的刻劃方向垂直于AFM探針懸臂方向，并且刻劃速度保持在每秒幾毫米的范圍左右。通過改變探針刻劃路徑的長度來控制所加工納米結構的寬度。在控制過程中納米結構過程中的進給量和結構的寬度轉化為電壓控制信號來對X方向精密工作臺和Y方向精密工作臺進行控制。（3）在加工獲得一個納米結構后，AFM探針抬起，控制X方向精密工作臺移動到下一個加工位置。重復步驟（1）和（2），可以加工另一個納米結構。（4）重復步驟（3），直至完成所有加工。