基于AFM的納米加工機(jī)理及相關(guān)工藝技術(shù)研究.pdf

1、隨著科學(xué)技術(shù)的飛速發(fā)展，微型化是民用及軍事研究領(lǐng)域總的發(fā)展趨勢(shì)。如大規(guī)模集成電路的發(fā)展，要求每個(gè)電子器件的尺寸達(dá)到納米量級(jí)；現(xiàn)代化的高技術(shù)戰(zhàn)爭(zhēng)要求武器小型化，如微型潛艇、微型飛機(jī)、微型導(dǎo)彈等等。這些新型武器的組成零件要求其尺寸達(dá)到微米乃至納米量級(jí)，其加工精度達(dá)到納米量級(jí)。這些零件或者元件的制造需要各種納米加工技術(shù)。納米加工技術(shù)的研究對(duì)上述領(lǐng)域具有重要的理論和現(xiàn)實(shí)意義。
　　納米加工技術(shù)是基于現(xiàn)有的各種微加工技術(shù)發(fā)展起來的，包括超精

2、密金剛石刀具切削技術(shù)、光刻技術(shù)、電火花微加工技術(shù)、能量束加工技術(shù)等等。然而現(xiàn)有的這些加工技術(shù)在加工微納米結(jié)構(gòu)方面的加工精度很難達(dá)到納米量級(jí)。因此出現(xiàn)了許多新型非傳統(tǒng)的納米加工技術(shù)如自組裝技術(shù)、納米壓印技術(shù)、生物制造技術(shù)以及隨著掃描探針顯微鏡(ScanningProbeMicroscope，SPM)的發(fā)明，基于SPM的納米加工技術(shù)等等。而基于SPM的納米加工技術(shù)以其納米量級(jí)的加工精度得到了廣大學(xué)者的關(guān)注，并被認(rèn)為將成為本世紀(jì)的前沿技術(shù)。其

3、中采用AFM(AtomicForceMicroscope)金剛石針尖的納米刻劃技術(shù)，能夠模擬傳統(tǒng)的金剛石刀具的切削過程，去除數(shù)個(gè)納米厚度的切屑，顯示了極高的加工能力。但是這種方法還是一種新興的技術(shù)，在納米尺度去除材料的機(jī)理及將AFM系統(tǒng)作為加工設(shè)備的特殊性等相關(guān)問題還有待深入研究，導(dǎo)致到目前為止，很難加工出高精度的微小零件或結(jié)構(gòu)。因此針對(duì)上述存在的問題，本文從理論和實(shí)際應(yīng)用兩方面研究AFM微探針納米機(jī)械刻劃加工技術(shù)，具體研究?jī)?nèi)容包括如下

4、幾個(gè)方面：
　　采用分子動(dòng)力學(xué)的方法，針對(duì)同一個(gè)探針，在刻劃深度不同情況下對(duì)應(yīng)的三種探針模型：圓錐形探針，帶有圓角的三棱錐形探針和鋒銳的三棱錐探針，建立了AFM微探針納米機(jī)械刻劃加工過程的分子動(dòng)力學(xué)模型，研究了納米尺度材料的去除過程。提出通過不同變形區(qū)域(塑性變形，彈性變形以及彈塑性變形共存區(qū))內(nèi)原子的勢(shì)能變化分析工件變形的方法，并得出在納米尺度，材料去除形態(tài)和刻劃力受探針形狀的影響規(guī)律以及加工凹槽型結(jié)構(gòu)時(shí)，進(jìn)給量對(duì)表面質(zhì)量及深度

5、的影響規(guī)律；分析了兩次刻劃之間工件的馳預(yù)過程對(duì)刻劃過程的影響作用。
　　建立了基于AFM及三維精密工作臺(tái)的納米加工系統(tǒng)。該系統(tǒng)的特點(diǎn)是加工范圍與AFM掃描陶管的掃描范圍無關(guān)，僅由工作臺(tái)的移動(dòng)范圍決定。并可以通過更換探針的方法改變加工方式，如采用機(jī)械刻劃或陽(yáng)極氧化的加工方法。因此可以實(shí)現(xiàn)大范圍高精度的復(fù)雜微納尺度結(jié)構(gòu)的加工。
　　提出了一種基于微懸臂變形來測(cè)量AFM微探針納米機(jī)械刻劃過程中三方向刻劃力的方法。采用該方法可以實(shí)現(xiàn)

6、刻劃過程中的微牛量級(jí)力的測(cè)量，為研究納米加工過程提供有用的信息。在給出了針對(duì)該方法的校準(zhǔn)過程基礎(chǔ)上，研究了力表征信號(hào)的測(cè)量方法，分析了AFM系統(tǒng)的參數(shù)設(shè)置和精密工作臺(tái)的參數(shù)設(shè)置對(duì)測(cè)量結(jié)果的影響。
　　基于本文建立的新型納米加工系統(tǒng)并結(jié)合提出的刻劃力的測(cè)量方法，研究了AFM微探針納米機(jī)械刻劃加工技術(shù)在納米尺度上去除材料的機(jī)理。對(duì)探針的形狀、相對(duì)微懸臂長(zhǎng)軸的刻劃方向、垂直載荷、進(jìn)給量、刻劃速度等對(duì)切屑去除狀態(tài)、表面質(zhì)量、加工深度和刻劃

7、力等的影響進(jìn)行了深入分析。并將實(shí)驗(yàn)結(jié)果與本文所得和他人的分子動(dòng)力學(xué)仿真結(jié)論對(duì)比，驗(yàn)證了仿真模型和實(shí)驗(yàn)結(jié)果的正確性。
　　為了加工出良好的微納米結(jié)構(gòu)，研究了采用AFM微探針納米機(jī)械刻劃加工技術(shù)加工微納結(jié)構(gòu)的工藝。分析并得出了AFM微探針納米機(jī)械刻劃加工過程以加工效率為主和以加工質(zhì)量為主兩種不同情況下的最優(yōu)加工參數(shù)。提出基于該納米加工系統(tǒng)，加工二維及三維微納尺度結(jié)構(gòu)的加工方法，并加工了復(fù)雜的微小結(jié)構(gòu)。
　　將AFM微探針納米機(jī)械

8、刻劃加工技術(shù)應(yīng)用在核聚變靶球表面微充氣孔的加工，超精密車削脆性材料表面局部質(zhì)量的提高，以及單晶硅表面可控自組裝等三個(gè)方面。提出了采用該技術(shù)在微小(直徑為0.2-0.5mm)，空心薄壁(壁厚為0.8-1.2μm)的玻璃靶球表面加工錐形微充氣孔的加工方法，并加工出了良好的符合打靶實(shí)驗(yàn)的錐形微充氣孔；提出了采用該技術(shù)進(jìn)行局部表面質(zhì)量提高的加工方法，得出采用該技術(shù)可以去除缺陷，改善傳統(tǒng)超精密加工脆性材料表面的局部質(zhì)量的結(jié)論；提出了十六烯分子在S