一种基于聚焦离子束辅助沉积的增材制造方法技术

本发明专利技术涉及一种采用聚焦离子束辅助沉积产生微纳复合三维结构的增材制造方法。该方法是将聚焦离子束辅助沉积的应用扩展到3D增材制造中，通过气体注入系统将气相反应前驱物喷射到待加工结构基底表面，在离子束进行扫描过程中，气相前驱物受到离子束辐射发生反应，从而将所需材料沉积到基底表面。本发明专利技术利用离子束沉积的方法，实现自下而上的多层微纳米结构的加工。通过控制离子束的扫描图形和剂量，能够加工各种复杂图形的三维结构。本发明专利技术提出的方法具有分辨率高、可重复性强、可实时监测、适用于多种材料、可制造各种微纳复合结构等优点。点。点。

【技术实现步骤摘要】
一种基于聚焦离子束辅助沉积的增材制造方法


[0001]本专利技术涉及增材制造领域，尤其涉及一种采用聚焦离子束辅助沉积产生微纳复合三维结构的增材制造方法。

技术介绍

[0002]增材制造或3D打印，是一种自下而上的快速成型技术，该技术使用计算机设计三维模型数据，通过软件和控制系统将材料逐层累加，实现将三维模型制造成三维实体物品的制造技术。随着微米技术和纳米技术的发展，制备能够改变材料表面功能或具有特定功能的三维复合微纳结构，不论是在科学研究还是工业应用领域都有着非常重要的意义。
[0003]本专利技术提出的采用聚焦离子束辅助沉积产生微纳复合三维结构的增材制造方法，实现自下而上的多层微纳米结构加工。通过控制离子束的扫描图形和剂量，能够加工各种复杂图形的三维结构，结构的特征尺寸小于5nm。与传统的增材制造技术相比，本专利技术提出的方法具有分辨率高、可重复性强、可实时监测、适用于多种材料、可制造各种微纳复合结构等优点。

技术实现思路

[0004]本专利技术的技术解决问题是：克服现有技术的不足，提供一种利用聚焦离子束辅助沉积产生微纳复合三维结构的增材制造方法，提高了传统增材制造技术的加工精度，同时实现了材料的微纳复合结构快速直接成型。
[0005]本专利技术的技术解决方案是：一种基于聚焦离子束辅助沉积的增材制造方法，可通过以下步骤实现：
[0006]将待加工结构基底固定在样品托上，将固定有待加工结构基底的样品托放置在电子束/离子束双束系统真空腔室内的样品台上；
[0007]将待加工结构基底的位置高度调整到聚焦离子束系统的工作距离，旋转样品台，使待加工结构基底表面与离子束的入射方向垂直；
[0008]采用电子束聚焦清晰成像待加工结构基底表面，然后采用聚焦离子束辅助沉积在基底上加工三维微纳结构；
[0009]采用扫描电子束成像实时监测加工的结构。
[0010]上述方案中，所述的聚焦离子束系统为电子束/离子束双束系统，离子束是镓离子束。
[0011]上述方案中，所述的将待加工结构基底的位置高度调整到聚焦离子束系统的工作距离，该工作距离为13mm。
[0012]上述方案中，所述的采用聚焦离子束辅助沉积在待加工结构基底上加工三维微纳结构包括：
[0013]采用电子束聚焦清晰成像待加工结构基底表面，通过双束系统的气体注入系统引入气相反应前驱物，通过画图软件在基底表面画出所要沉积的图形，设置图形的尺寸以及
厚度，系统会依据所画图形的尺寸和位置，控制离子束按照所画图形的区域进行扫描，气相前驱物受到离子束辐射发生反应，从而将所需材料沉积到扫描区域，通过调整厚度、层数，实现三维复合微纳结构的增材制造。
[0014]上述方案中，所述的采用扫描电子束成像实时监测加工的结构包括：
[0015]通过扫描电子束成像实时监测所沉积结构的情况，包括结构大小、厚度等；系统可根据扫描电子束成像与设计参数比较反馈控制实时进行三维结构修正，满足加工精度要求；扫描电子束成像的工作距离为4mm。
[0016]与现有的增材制造方法相比，本专利技术主要有以下优点：
[0017](1)本专利技术采用聚焦离子束辅助沉积方法制造三维微纳复合结构，整个过程中，结构的尺寸、高度都是精确可控的，是一种具有高度重复性、一致性和可控性的三维微纳结构制造方法。
[0018](2)由于聚焦离子束辅助沉积制造的图案结构几乎不受限制，并且特征尺寸可以从微米级到纳米级精确可调，因此本专利技术是一种具有制造精度高、制造图案结构灵活的增材制造方法。
[0019](3)本专利技术利用扫描电子束成像可以实时监测制造过程，并且扫描电子束成像观测不会损坏加工的样品，具有实时监测的优点，制造精度可控。
附图说明
[0020]图1是本专利技术提供的基于聚焦离子束辅助沉积增材制造方法的基本步骤流程图。
[0021]图2是基于聚焦离子束辅助沉积增材制造方法的基本原理示意图。
[0022]其中，1为离子束腔；2为气体注入系统；3为电子束腔；4为待加工基底。
[0023]图3是本专利技术利用聚焦离子束辅助沉积加工的三维微纳复合结构的基本步骤示意图，其中，图3(a)为沉积的单层结构扫描电子束成像图；(b)为多层结构的图形设计示意图；(c)为加工的三维结构成型扫描电子束成像图。
具体实施方式
[0024]下面将结合本专利技术实施例中的附图，对本专利技术实施例中的技术方案进行清晰、完整的描述。
[0025]实施例1：
[0026]如图1所示，为本专利技术提供的基于聚焦离子束辅助沉积增材制造方法的基本步骤流程图，该方法包括以下步骤：
[0027]步骤1：将待加工结构基底固定在样品托上，将固定有待加工结构基底的样品托放置在电子束/离子束双束系统真空腔室内的样品台上；
[0028]步骤2：将待加工结构基底的位置高度调整到聚焦离子束系统的工作距离，旋转样品台，使待加工结构基底表面与离子束的入射方向垂直；
[0029]步骤3：采用电子束聚焦清晰待加工结构基底表面，然后采用聚焦离子束辅助沉积在基底上加工三维微纳结构；
[0030]步骤4：采用扫描电子束成像实时监测加工的结构。
[0031]实施例2：
[0032]如图2所示，为基于聚焦离子束辅助沉积增材制造方法的基本原理示意图。将待加工结构基底固定在样品托上，将固定有待加工结构基底的样品托放置在电子束/离子束双束系统真空腔室内的样品台上，抽真空。真空达到要求之后，打开电子枪(电子束加速电压15kV，电流86pA)和离子枪(离子束加速电压30kV，电流80pA)，调整样品台高度到扫描电子束成像工作距离4mm，将样品台倾斜52
°
，使待加工结构基底表面与离子束的入射方向垂直。聚焦清晰之后，加热气相反应前驱物，插入双束系统的气体注入系统。通过软件设计如图3(c)所示的3D图形，设定结构长度(边长为10μm)和厚度(200nm)，采用离子束束流为80pA在待加工结构基底表面沉积所设计的三维微纳复合结构。图3(a)、图3(b)所示加工过程中扫描电子束成像实时监测的图像。通过监测图像的显示，可以随时调整加工参数，提高加工质量和加工精度。图3(c)所示基于聚焦离子束辅助沉积制造的三维结构成型扫描电子束成像图。
[0033]提供以上实施例仅是为了描述本专利技术的目的和技术方案，并非要限制本专利技术的范围。本专利技术的范围由所附权利要求限定。凡在本专利技术的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本专利技术的保护范围之内。
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【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于聚焦离子束辅助沉积的增材制造方法，其特征在于，操作步骤如下：(1)将待加工结构基底固定在样品托上，将固定有待加工结构基底的样品托放置在电子束/离子束双束系统真空腔室内的样品台上；(2)将待加工结构基底的位置高度调整到聚焦离子束系统的工作距离，旋转样品台，使待加工结构基底表面与离子束的入射方向垂直；(3)采用电子束聚焦清晰待加工结构基底表面，然后采用聚焦离子束辅助沉积在基底上加工三维微纳结构；(4)采用扫描电子束成像实时监测加工的结构。2.根据权利要求1所述的基于聚焦离子束辅助沉积的增材制造方法，其特征在于，所述的离子束是镓离子束。3.根据权利要求1所述的基于聚焦离子束辅助沉积的增材制造方法，其特征在于，所述的聚焦离子束系统为电子束/离子束双束系统。4.根据权利要求1所述的基于聚焦离子束辅助沉积的增材制造方法，其特征在于，所述的将待加工结构基底的位置高度调整到聚焦离子束系统的工作距离，该工作距离为13mm。5....

【专利技术属性】
技术研发人员：王作斌，曹亮，刘日，张文晓，姜晓琳，翁占坤，宋正勋，许红梅，
申请(专利权)人：长春理工大学，
类型：发明
国别省市：