利用AFM探针机械刻划方法加工微纳米结构

　　随着纳米技术的飞速发展, 传统的制造业包括大规模集成电路的制作, 各种军用民用的微传感器,微小零件和微小结构的尺寸从微米进入纳米尺度,其精度也要求达到纳米量级. 通常MEMS 器件采用LIGA 技术制作, 然而这种技术设备投资很大, 并且需要制作掩模, 不适合经济的加工小批量MEMS 器件. 因此MEMS 器件制作的发展需求要求具有柔性, 低成本的加工方法来满足MEMS 技术发展的需要. 目前出现的基于扫描探针显微术的加工技术[ 1-4]等有望满足这种需求. 这种加工技术是通过一个微探针与样品表面之间在纳米尺度上的相互作用如力[ 1] , 热[ 2] , 电场[ 3] , 化学反应[ 4] 等可以改变样品表面的形貌从而实现微纳米尺度的加工. 在基于扫描探针显微术的加工方法中, 采用AFM 探针的机械刻划技术由于其简单可靠, 可以在多种材料上如聚合物, 金属, 半导体等表面上直接加工出高精度的微纳米结构. 然而目前基于A FM 微探针机械刻划技术所存在的问题导致还不能加工出高精度的微纳米结构. 这些问题主要在于① AFM 是用来测量的设备导致AFM 可控能力较差, 不适合进行加工. ②采用AFM 探针在纳米尺度上的加工机理有待深入探讨. ③ 加工工艺问题研究较少. 目前这方面国内外的研究主要集中在摩擦磨损领域. 虽然纳米加工与摩擦磨损在纳米尺度上去除材料的机理是相同的. 然而所关注的研究目的并不相同. 摩擦磨损主要关心磨损率, 磨损微粒的形态, 磨损深度等, 而纳米加工则关注结构以及加工表面的完整性, 一致性等问题. 因此针对上述问题, 本文主要探讨基于AFM与微动工作台的加工系统的加工精度以及探针去除材料的刻划机理, 以及加工过程中AFM 的不同模式, 不同方向刻划对加工结果的影响. 并在机理及工艺分析的基础上, 加工出了规则的微纳米结构.

　　1 实验装置

　　本文采用的是基于AFM 系统( Dimensio n3100) 改造的一套微加工系统, 主要包括AFM 和三维微动工作台( 德国PI 公司) . 该系统的原理在作者的其他文章中已有讲述[ 5-6] . 工作原理: 探针压入表面静止不动, 而依靠工作台的移动来实现加工运动.

　　此时扫描陶管只进行垂直表面方向的调节运动, 而不进行二维水平面内的运动. 这种组合的优点在于消除了扫描陶管非线性、磁滞的影响. 刻划加工中运动精度是靠三维微动工作台的精度来保证. 而工作台是依靠压电陶瓷推动柔性铰链运动, 由电容传感器测量实际位置而构成闭环反馈系统. 可以达到X Y 向± 2 nm, Z 向±5 nm 的重复性定位精度. 图1( a) 所示即为采用该系统加工的三角形线型结构,而图1( b) 为其局部的放大图. 可以看出该系统的定位精度很高, 可以满足加工微纳米结构的要求.