一种超声振动刻蚀器及纳米加工系统技术方案

本发明专利技术涉及纳米材料加工技术领域，具体涉及一种超声振动刻蚀器及纳米加工系统。超声振动刻蚀器包括底座、柱体、致动机构和悬臂单元，所述柱体竖直设置在所述底座上，所述悬臂单元设置在所述柱体顶端的上方，所述悬臂单元用于对放置在所述柱体顶端的工件进行加工；所述致动机构与所述柱体相连，用于控制所述悬臂单元的移动并产生超声波振动。纳米加工系统包括：超声振动刻蚀器、AFM扫描模块、信号接入模块和数据采集处理器。有益效果：本发明专利技术具备高速度、可调节的特点，尺寸修正灵活性，在控制线宽的能力以及对于高效率制造复杂图案非常有效。在加工过程中，本发明专利技术有效地降低了对沟槽的影响、图案等加工特征的均匀性。

An ultrasonic vibration etch and nanomabrication system

The invention relates to the technical field of nanometer material processing, in particular to an ultrasonic vibration etcher and a nanometer processing system. The ultrasonic vibration etcher comprises a base, a column, an actuating mechanism and a cantilever unit vertically arranged on the base, the cantilever unit above the top of the column, the cantilever unit for machining a workpiece placed at the top of the column, and the actuating mechanism is connected with the column. It is used to control the movement of the cantilever unit and generate ultrasonic vibration. Nanofabrication system includes ultrasonic vibration etcher, AFM scanning module, signal access module and data acquisition processor. The invention has the characteristics of high speed, adjustable, flexible size correction, the ability to control the line width and is very effective for high efficiency in manufacturing complex patterns. In the process of processing, the invention effectively reduces the influence on grooves and the uniformity of processing features such as patterns.

【技术实现步骤摘要】
一种超声振动刻蚀器及纳米加工系统
本专利技术涉及纳米材料加工
，具体涉及一种超声振动刻蚀器及纳米加工系统。
技术介绍
纳米加工技术广泛应用于场效应晶体管、量子点、纳米线、光栅、纳机电系统以及半导体集成电路等制造领域。扫描探针纳米加工技术是一种利用扫描探针在纳米尺度上图案化材料的平版印刷方法，与其他纳米加工技术相比，扫描探针刻蚀无疑是一种低成本高质量的方法，它可绕过衍射极限，达到10nm以下的分辨率；可实现原子尺度上的控制与反馈。基于尖端的纳米加工(TBN)是扫描探针纳米加工技术中快速增长的方案之一，它以物理探针为基础，使用热场、机械场或电场来对样本表面进行刻蚀。目前，基于尖端的纳米加工主要方法有直接机械刮擦、原子去除法、浸笔纳米刻蚀法、热化学纳米平版印刷术、电化学方法以及场发射方法等。可以成功地制作精度小于50nm的图案。然而，直接机械刮擦在制造速度和性能方面受到限制。一般来说，需要较大的法向力和非常坚硬的悬臂来将尖端推入样品表面。大的法向力导致大的摩擦力和潜在的尖端磨损，这会影响纳米制造中使用的悬臂尖端的寿命。在直接的机械刮擦中，锋利尖端和样品之间的接合难以控制。悬臂尖端和样品之间较大的相互作用力限制了这种方法的最大加工速度。也有一些研究者采用基于尖端振动的方法，如动态犁削刻蚀。但在这种方法中，悬臂在其共振频率附近振动，这使得动态犁削刻蚀的操作和控制相当复杂。尖端-样品之间强大的相互作用力限制了对加工过程的调节。在悬臂的共振频率附近，悬臂振荡的行为对控制系统的尖端-样品间隙和设定力非常敏感，会影响沟槽、图案等加工特征的均匀性。除了上述不足外，大多数其他基于AFM的纳米加工还存在另一个问题，就是缺乏对加工特征尺寸的灵活修改能力。与电子束刻蚀技术不同，机械刮擦和犁削的线宽主要取决于AFM尖端尺寸，按需求控制线宽的能力对于高效率制造复杂图案非常重要。当前各种纳米加工方法面临着亟待解决的共性问题，即同时具备高速度、可调节与尺寸修正灵活性。因此，现有的加工技术需要改进和发展。
技术实现思路
本专利技术的目的是为了解决上述问题，提供了一种超声振动刻蚀器及纳米加工系统，其基于原子力显微镜的高速可调超声波。本专利技术的振动刻蚀器在高速工作过程中可通过调节加工深度与宽度，增加制造过程的可控性，提高材料去除速率，从而为降低了制造纳米结构的成本。为了达到上述专利技术目的，本专利技术采用以下技术方案：一种超声振动刻蚀器，包括底座、柱体、致动机构和悬臂单元，所述柱体竖直设置在所述底座上，所述悬臂单元设置在所述柱体顶端的上方，所述悬臂单元用于对放置在所述柱体顶端的工件进行加工；所述致动机构与所述柱体相连，用于控制所述悬臂单元的移动并产生超声波振动。优选的，所述致动机构包括相互配合的X向压电致动器、Y向压电致动器和Z向压电致动器；X向压电致动器和Y向压电致动器相互垂直地设置于所述底座的表面，且所述X向压电致动器的一端和Y向压电致动器的一端均与所述柱体的底部连接；所述Z向压电致动器设置于所述柱体的顶部并与所述悬臂单元相对应。优选的，所述悬臂单元包括AFM悬臂和热台夹具，所述热台夹具设置在所述柱体的上方，所述热台夹具的端部与所述AFM悬臂连接，AFM悬臂与所述柱体顶端相对。优选的，所述热台夹具包括两个夹片和一个固定架，所述AFM悬臂通过两个夹片进行固定。优选的，所述夹片包括冷臂和热臂，所述冷臂和热臂在加工过程中因温度变化产生偏转。在加工过程中因温度变化产生偏转的最大偏转距离为23μm，最大承受压力为1GPa。优选的，所述热臂的长度为500um。优选的，还包括与所述Z向压电致动器的连接的功能波形发生器，用于配合所述Z向压电致动器形成Z方向的超速波振动，并产生激励信号来触发悬臂单元运动。所述柱体顶端设有Z向压电致动器与所述功能波形发生器相连，在Z方向上提供兆赫级超声波振动一种纳米加工系统，包括上述任一项所述的超声振动刻蚀器，还包括：AFM扫描模块、信号接入模块和数据采集处理器；所述AFM扫描模块与所述超声振动刻蚀器连接，用于采集超声振动刻蚀器加工过程中的实时数据；所述信号接入模块与所述AFM扫描模块及所述数据采集处理器连接，用于将所述AFM扫描模块采集的实时数据传递至所述数据采集处理器；所述数据采集处理器与所述超声振动刻蚀器连接，用于接收并处理所述信号接入模块发送的实时数据，并根据处理结果向所述超声振动刻蚀器发送相应的控制指令，所述超声振动刻蚀器根据所述控制指令调节加工参数。优选的，所述信号接入模块用于获取悬臂单元垂直及横向的偏转信号。优选的，所述数据采集处理器用于向所述超声振动刻蚀器发送X向及Y方向的振动驱动信号，用于对加工过程中的输出信号控制、反馈信号采集和基本信号处理，以及信号发送和切割力数据的采集。本专利技术与现有技术相比，有益效果是：通过本专利技术的超声振动刻蚀器，解决了一般的加工设备通过直接的机械刮擦，使锋利的尖端和样品之间的接合难以控制，以及因存在较大的相互作用力限制了最大加工速度的问题。通过本专利技术的超声振动刻蚀器及纳米加工系统可以使产品加工同时具备高速度、可调节的特点，尺寸修正灵活性，在控制线宽的能力以及对于高效率制造复杂图案非常有效。在加工过程中，本专利技术有效地降低了对沟槽的影响、图案等加工特征的均匀性。附图说明图1是本专利技术的超声振动刻蚀器的结构示意图；图2是本专利技术的悬臂单元结构示意图；图3是本专利技术的夹片结构示意图；图4(a)是本专利技术的刻蚀工作原理示意图；图4(b)是本专利技术的AFM悬臂跟随样本振动的示意图；图4(c)是本专利技术的AFM悬臂尖端呈周期性接触相和脱离相示意图；图5是本专利技术的基于原子力显微镜的高速可调超声波纳米加工系统结构示意图；图6是本专利技术的基于原子力显微镜的高速可调超声波纳米刻蚀加工流程图。图中：1底座2柱体3致动机构31X向压电致动器32Y向压电致动器33Z向压电致动器4悬臂单元41AFM悬臂42热台夹具421夹片4211热臂4212冷臂422固定架5AFM扫描模块6信号接入模块7数据采集处理器具体实施方式下面通过具体实施例对本专利技术的技术方案作进一步描述说明。如果无特殊说明，本专利技术的实施例中所采用的原料均为本领域常用的原料，实施例中所采用的方法，均为本领域的常规方法。本实施例如图1所示：一种超声振动刻蚀器，包括底座1、柱体2、致动机构3和悬臂单元4，所述柱体2竖直设置在所述底座1的中间位置，所述悬臂单元4设置在所述柱体2顶端的上方，所述悬臂单元4用于对放置在所述柱体2顶端的工件进行加工；所述致动机构3与所述柱体2相连，用于控制所述悬臂单元4的移动，以及产生超声波振动。所述底座1由铝材制成，可承受高于10KHz的振动，柱体2位于台体中央，柱体2尺寸为6mm×6mm×15mm，以规范XY面上的圆周振动范围。所述超声振动刻蚀器在PMMA掩膜上进行振动辅助纳米加工，先将PMMA旋涂在硅衬底上并在电热板上烘烤，PMMA是热塑性合成聚合物，杨氏模量和剪切模量分别为1800-3100Mpa和1700Mpa。所述致动机构3包括相互配合的X向压电致动器31、Y向压电致动器32和Z向压电致动器33；X向压电致动器31和Y向压电致动器32相互垂直地设置于所述底座1的表面，且所述X向压电致动器31的一端和Y向压电致动器32的一端均与所述柱体2本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种超声振动刻蚀器，其特征在于，包括底座、柱体、致动机构和悬臂单元，所述柱体竖直设置在所述底座上，所述悬臂单元设置在所述柱体顶端的上方；所述致动机构与所述柱体相连，用于控制所述悬臂单元的移动，以及产生超声波振动。

【技术特征摘要】
1.一种超声振动刻蚀器，其特征在于，包括底座、柱体、致动机构和悬臂单元，所述柱体竖直设置在所述底座上，所述悬臂单元设置在所述柱体顶端的上方；所述致动机构与所述柱体相连，用于控制所述悬臂单元的移动，以及产生超声波振动。2.根据权利要求1所述的超声振动刻蚀器，其特征在于，所述致动机构包括相互配合的X向压电致动器、Y向压电致动器和Z向压电致动器；X向压电致动器和Y向压电致动器相互垂直地设置于所述底座的表面，且所述X向压电致动器的一端和Y向压电致动器的一端均与所述柱体的底部连接；所述Z向压电致动器设置于所述柱体的顶部并与所述悬臂单元相对应。3.根据权利要求1或2所述的超声振动刻蚀器，其特征在于，所述悬臂单元包括AFM悬臂和热台夹具，所述热台夹具设置在所述柱体的上方，所述热台夹具的端部与所述AFM悬臂连接，AFM悬臂与所述柱体顶端相对。4.根据权利要求3所述的超声振动刻蚀器，其特征在于，所述热台夹具包括两个夹片和一个固定架，所述AFM悬臂通过两个夹片进行固定。5.根据权利要求4所述的超声振动刻蚀器，其特征在于，所述夹片包括冷臂和热臂，所述冷臂和热臂在加工过程中因温度变化产生偏转。6.根据权利要求5所述的超声振动刻蚀器，其特征在于，所述热臂的长度为...

【专利技术属性】
技术研发人员：程菲，董景彦，张力，
申请(专利权)人：杭州电子科技大学，
类型：发明
国别省市：浙江,33