基于AFM的納米加工機理及相關工藝技術研究.pdf

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

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

3、中采用AFM(AtomicForceMicroscope)金剛石針尖的納米刻劃技術，能夠模擬傳統(tǒng)的金剛石刀具的切削過程，去除數(shù)個納米厚度的切屑，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，在納米尺度去除材料的機理及將AFM系統(tǒng)作為加工設備的特殊性等相關問題還有待深入研究，導致到目前為止，很難加工出高精度的微小零件或結構。因此針對上述存在的問題，本文從理論和實際應用兩方面研究AFM微探針納米機械刻劃加工技術，具體研究內容包括如下

4、幾個方面：
　　采用分子動力學的方法，針對同一個探針，在刻劃深度不同情況下對應的三種探針模型：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微探針納米機械刻劃加工過程的分子動力學模型，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))內原子的勢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構時，進給量對表面質量及深度

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

6、刻劃過程中的微牛量級力的測量，為研究納米加工過程提供有用的信息。在給出了針對該方法的校準過程基礎上，研究了力表征信號的測量方法，分析了AFM系統(tǒng)的參數(shù)設置和精密工作臺的參數(shù)設置對測量結果的影響。
　　基于本文建立的新型納米加工系統(tǒng)并結合提出的刻劃力的測量方法，研究了AFM微探針納米機械刻劃加工技術在納米尺度上去除材料的機理。對探針的形狀、相對微懸臂長軸的刻劃方向、垂直載荷、進給量、刻劃速度等對切屑去除狀態(tài)、表面質量、加工深度和刻劃

7、力等的影響進行了深入分析。并將實驗結果與本文所得和他人的分子動力學仿真結論對比，驗證了仿真模型和實驗結果的正確性。
　　為了加工出良好的微納米結構，研究了采用AFM微探針納米機械刻劃加工技術加工微納結構的工藝。分析并得出了AFM微探針納米機械刻劃加工過程以加工效率為主和以加工質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構的加工方法，并加工了復雜的微小結構。
　　將AFM微探針納米機械

8、刻劃加工技術應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量的提高，以及單晶硅表面可控自組裝等三個方面。提出了采用該技術在微小(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驗的錐形微充氣孔；提出了采用該技術進行局部表面質量提高的加工方法，得出采用該技術可以去除缺陷，改善傳統(tǒng)超精密加工脆性材料表面的局部質量的結論；提出了十六烯分子在S