基于AFM的纳米机械刻蚀加工研究

　　引言

　　原子力显微镜(AFM)是扫描探针显微镜的一种,其机理主要以弹性微悬臂梁作为力传感器,当针尖在样品表面扫描时,利用针尖与样品之间的作用力引起悬臂梁的形变,来实现对微观表面的探测与加工。由于AFM不受加工材料的限制,可实现对半导体、绝缘体、金属等多种表面的加工,目前已成为众多研究者进行扫描探针刻蚀加工研究最为常用的工具。利用原子力显微镜进行纳米量级刻蚀加工的方法很多,根据其形成纳米结构机理的不同大致可分为:机械式刻蚀、场致氧化、局域氧化、原子搬迁、电化学反应等[1]。机械式刻蚀加工是目前研究较多的一种刻蚀技术,该技术是指AFM针尖与样品在接触模式下,通过控制针尖施加微牛量级的作用力,直接在样品表面刻蚀出纳米级图形。这种机械刻蚀加工方法即可实现对金属、半导体材料、合金等的加工,又可对有机抗蚀剂(PMMA)、LB膜、自组装膜(SAM)等活性层进行刻蚀加工。图1为纳米刻蚀加工的示意图。

　　目前,这种原子力显微镜AFM机械刻蚀加工技术主要有以下几个方面的应用:①制造微纳米尺度结构:目前通过纳米机械刻蚀加工已可以在材料表面刻蚀加工出复杂图形及简单三维立体[2～3]。②加工介观尺度功能器件[4]。③高密度存储[5～6]。区别于传统意义的机械加工,纳米级别的机械刻蚀加工中,原子的结构和运动变得非常重要,同时在原子尺度,材料也不能被视作连续体,传统的连续介质力学已不再适用。本文结合AFM实验及分子动力学模拟,对纳米机械刻蚀加工过程中,影响加工过程及表面质量的因素,如AFM探针、加工工艺、工件等进行论述。

　　1　探针对加工的影响

　　AFM探针作为纳米机械刻蚀的加工工具在加工过程中有着重要的作用,针尖材料的性质、几何形状、磨损状况等均会对加工产生影响。研究发现,并不是所有的探针都可以进行刻蚀加工,进行机械刻蚀的探针必须有足够的弹性模量。Zhou Hualan等分别使用DNP、TESP(W)、NSC21/50、铂铱针尖等4种不同弹性模量的针尖进行刻蚀加工实验,发现使用弹性模量最小的DNP针尖时不能完成刻蚀加工[7]。目前应用于刻蚀加工的主要是金刚石针尖。探针的几何形状取决于针尖的曲率半径和针尖锥度两个方面,在刻蚀过程中发现越细的针尖,也就是针尖曲率半径和锥度越小的针尖,所需要的切削力越小,加工过程中工件材料原子的堆积速度、材料的侧向流动也很少,产生的刻屑也少。究其原因主要是曲率半径和锥度较大的针尖在刻蚀过程中接触了更多的工件材料原子,并导致大量的工件材料原子在针尖周围受到挤压,因而需要更多的切削合力,产生切屑也多[8]。针尖的曲率半径通常还会限制纳米图案的分辨率。