基于动态刻划原理的三维微/纳结构加工新方法研究

Three-dimensional (3D) micro/nano structures have a wide range of applications in the theoretical research fields and major engineering applications, such as micro-optics, Inertial Confinement Fusion Ignition projects, etc. However, how to fabricate this kind of structure faces new challenges nowadays, as both the machining accuracy and the dimension of 3D micro/nano structures have already reached the nanometer scale. Therefore, there is an urgent need to develop nanofabrication methods with new principles. This project aims to study the ultrasonic nanomachining technique based on the AFM dynamic ploughing process. A theoretical model of this technique is established, and subsequently the materials removal mechanism is clarified in conjunction with experiments. The integrated system of processing and testing for a variety of workpiece materials and cantilevers is developed. Specific key issues, such as the effects of the variation in the machining depth on fabricating 3D micro/nano structures, the optimization of the machining parameters and the 3D processing procedure and so on, are solved. Finally, the typical 3D micro/nano structures can be successfully achieved by this technique. Through the research of these works, a novel nano machining method for processing 3D micro/nano structures based on a vibrating tip and a corresponding nano machining system is provided. This work will also lay the foundation for the nano-scale vibration cutting theory, and has important theoretical significance and a good prospect.

三维微/纳结构在微光学、激光惯性约束聚变点火工程等理论研究及重大工程应用领域都有着广泛的应用。然而由于三维微/纳结构的加工精度及尺度已达到纳米量级，如何加工这类结构面临新的挑战，因此亟需研究新原理的纳米加工方法。本项目提出开展基于AFM动态刻划原理的三维微/纳结构加工方法的研究。建立基于AFM动态刻划原理的纳米超声振动加工过程的理论模型，结合实验阐明振动探针去除纳米尺度材料的机制；建立面向多种工件材料，适合多种悬臂的加工检测一体化系统；解决采用该技术加工三维微/纳结构遇到的加工深度变化、工艺参数优化和三维加工工艺流程等关键问题，实现典型三维微/纳结构的加工。通过本课题的研究，将提供一个基于探针纳米振动原理的三维微纳结构新型加工方法及加工系统，并且将为建立纳米尺度振动切削理论奠定基础，具有重要的理论意义和良好的应用前景。

随着纳光学、纳电子学、纳米流控等技术的飞速发展，基于纳米结构特殊效应的器件在上述领域得到了广泛的应用。多年来低成本、高效率、高精度的三维纳米结构的制造技术是国际上研究的热点问题。目前基于原子力显微镜（AFM）的纳米机械加工技术仍然存在着探针磨损速度快和加工效率较低等问题，制约着此项技术向应用方面的快速发展。因此，本项目提出了不同于传统AFM静态刻划原理的新型加工方法：基于AFM动态刻划原理的加工技术。在AFM动态刻划过程中，探针或样品做高频振动，实际上是一种纳米超声振动加工方法。本项目首先采用分子动力学仿真和动力学分析两种手段仿真分析了AFM动态刻划过程，获得了加工参数对加工结果的影响规律。第二，建立了基于AFM动态刻划原理的加工检测一体化系统，实现了基于AFM敲击模式的探针动态刻划模式加工（振动频率200KHz-500KHz）和样品高频振动模式（1.5MHz）的动态刻划加工两种方式；第三，研究了微悬臂类型、加工速度、激振振幅、探针横向步进等工艺参数对纳米沟槽、三维纳米结构的深度、结构形貌等的影响规律；利用沟槽形貌的几何叠加模型，分析了在较大的激振振幅下，采用动态刻划加工技术加工聚碳酸酯表面时形成凸起纳米结构的原因。第四，提出了基于动态刻划技术高效加工纳米点阵的新方法：在振动探针作用下，PMMA材料经过弹性变形、塑性变形和堆积形成过程，可以实现以加工速度400 μm/s制备深度小于4nm的纳米点阵；提出了基于动态刻划技术的三维复杂周期性纳米结构加工新方法：基于沟槽两侧堆积形状不同的原理，实现了PMMA薄膜表面周期几十纳米、幅值10 nm左右的三维周期性纳米结构的制备。最后，结合传统的湿法刻蚀与干法刻蚀的工艺手段，将加工的结构作为掩膜成功转印到单晶硅表面。通过本项目的研究，拓展了传统超声振动加工的范围，也为纳米结构的加工提供了一种有效的手段，具有重要的理论意义和实用价值。