用于微納加工與表面形貌測量的設(shè)備及其使用方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種用于微納加工與表面形貌測量的設(shè)備，包括底座和垂直固定在底座上的立座以及三個呈空間正交分布的手動螺旋臺，三個手動螺旋臺分別為：安裝在底座上的Y向手動螺旋臺、安裝在Y向手動螺旋臺上的X向手動螺旋臺和安裝在立座上的Z向手動螺旋臺，在X向手動螺旋臺上固定有x/y/z三向精密定位平臺，在x/y/z三向精密定位平臺上固定有載物臺，在x/y/z三向精密定位平臺上方設(shè)有探針系統(tǒng)，探針系統(tǒng)安裝在L型板的下表面上，L型板固定在Z向手動螺旋臺上。本發(fā)明還公開了上述設(shè)備的使用方法。本發(fā)明能夠?qū)崿F(xiàn)基于位移和基于力的兩種方式的微納加工以及實現(xiàn)基于力的表面形貌測量。
【專利說明】用于微納加工與表面形貌測量的設(shè)備及其使用方法

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及微納領(lǐng)域，特別是一種用于微納加工與表面形貌測量的設(shè)備及采用該設(shè)備進行微納加工和表面形貌測量的方法。

【背景技術(shù)】
[0002]微納加工與表面形貌測量是微納領(lǐng)域的一個重要方向。市面上的原子力顯微鏡可以實現(xiàn)上述兩種功能，但不足之處在于:1)精密定位精度低，不能實現(xiàn)精準的微納加工；2)只能實現(xiàn)基于力的微納加工，加工深度難以預測；3)探針懸臂為單向支撐，易受加工方向的影響。除去原子力顯微鏡，還有其它可實現(xiàn)這兩種功能的設(shè)備，雖然定位精度有所提高，但是一般也都只能實現(xiàn)基于力的微納加工和表面測量，很少有能夠?qū)崿F(xiàn)基于位移和基于力兩種方式的微納加工。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0003]本發(fā)明為解決公知技術(shù)中存在的技術(shù)問題而提供一種用于微納加工與表面形貌測量的設(shè)備及采用該設(shè)備進行微納加工和表面形貌測量的方法，該設(shè)備能夠?qū)崿F(xiàn)基于位移和基于力的兩種方式的微納加工以及實現(xiàn)基于力的表面形貌測量。
[0004]本發(fā)明為解決公知技術(shù)中存在的技術(shù)問題所采取的第一個技術(shù)方案是:一種用于微納加工與表面形貌測量的設(shè)備，包括底座和垂直固定在所述底座上的立座以及三個呈空間正交分布的手動螺旋臺，三個所述手動螺旋臺分別為:安裝在所述底座上的Y向手動螺旋臺、安裝在所述Y向手動螺旋臺上的X向手動螺旋臺和安裝在所述立座上的Z向手動螺旋臺，在所述X向手動螺旋臺上固定有x/y/z三向精密定位平臺，在所述x/y/z三向精密定位平臺上固定有載物臺，在所述x/y/z三向精密定位平臺上方設(shè)有探針系統(tǒng)，所述探針系統(tǒng)安裝在L型板的下表面上，所述L型板固定在所述Z向手動螺旋臺上；
[0005]所述探針系統(tǒng)包括從上至下依次同心固接的上端蓋、線圈箍、連接環(huán)、探針懸臂和下端蓋；所述上端蓋固接在所述L型板的下表面上；所述線圈箍的上部為連接盤，下部為繞線輪，中心處設(shè)有通孔，在所述繞線輪上繞有線圈，所述繞線輪延伸至所述連接環(huán)內(nèi)；在所述下端蓋的上表面中部設(shè)有方槽，在所述方槽內(nèi)嵌裝有玻璃基片，在所述玻璃基片的上表面上形成有電鍍銅膜；所述探針懸臂形成在一個金屬箔片的中部，采用鏤空封閉結(jié)構(gòu)，在所述探針懸臂上表面的中心處固設(shè)有永磁體，所述永磁體的上部延伸至所述線圈箍的中心通孔內(nèi)，在所述探針懸臂下表面的中心處固設(shè)有金剛石探針，所述金剛石探針穿過所述玻璃基片和所述下端蓋伸出在所述下端蓋之下，所述金剛石探針、所述永磁體和所述線圈箍同軸設(shè)置；所述電鍍銅膜與所述探針懸臂組成電容傳感器。
[0006]所述電鍍銅膜由相隔設(shè)置的至少兩部分組成。
[0007]本發(fā)明為解決公知技術(shù)中存在的技術(shù)問題所采取的第二個技術(shù)方案是:采用上述設(shè)備進行基于位移的微納加工方法，通過探針懸臂與電鍍銅膜組成的電容傳感器測量金剛石探針的z向位置，反饋控制輸入到線圈的電流，該電流與永磁體相互作用產(chǎn)生電磁力使金剛石探針在Z向位置保持不變；控制x/y/z三向精密定位平臺運行，實現(xiàn)基于位移的微納加工。
[0008]本發(fā)明為解決公知技術(shù)中存在的技術(shù)問題所采取的第三個技術(shù)方案是:采用上述設(shè)備進行基于力的微納加工方法，禁用x/y/z三向精密定位平臺的z向運動，使x/y/z三向精密定位平臺在χ/y平面內(nèi)運動；控制輸入到線圈的電流，從而控制該電流與永磁體產(chǎn)生的電磁力；通過探針懸臂與電鍍銅膜組成的電容傳感器測量探針懸臂的變形量，計算變形力，電磁力與變形力的差值即為最終施加在金剛石探針上的力，從而實現(xiàn)基于力的微納加工。
[0009]本發(fā)明為解決公知技術(shù)中存在的技術(shù)問題所采取的第四個技術(shù)方案是:采用上述設(shè)備進行表面形貌測量的方法，禁止向線圈輸入電流，使x/y/z三向精密定位平臺沿z向移動，促使探針懸臂產(chǎn)生一定的變形，通過探針懸臂與電鍍銅膜組成的電容傳感器測量探針懸臂的變形量，計算變形力，該變形力等效于金剛石探針與樣品的接觸力，使χ/y/z三向精密定位平臺在χ/y平面內(nèi)運動開始進行測量，在測量過程中保持金剛石探針與樣品的接觸力不變，實時調(diào)節(jié)χ/y/z三向精密定位平臺的z向運動，則該z向運動反映了樣品的表面形貌，實現(xiàn)了基于力的表面形貌測量。
[0010]本發(fā)明具有的優(yōu)點和積極效果是:通過三個手動螺旋臺實現(xiàn)載物臺的大范圍位置調(diào)節(jié)，通過x/y/z三向精密定位平臺實現(xiàn)精密運動，協(xié)調(diào)控制探針系統(tǒng)和x/y/z三向精密定位平臺可實現(xiàn)基于位移和基于力的微納加工方法，其中基于位移的微納加工方法可大大減少加工參數(shù)對加工深度的影響，增強設(shè)備的可控性，尤其在對不同材料進行加工時，非常方便；基于力的微納加工則可得到高精度的微納結(jié)構(gòu)。除此之外該設(shè)備還可以對微納表面進行形貌測量。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0011]圖1為本發(fā)明設(shè)備的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0012]圖2為本發(fā)明設(shè)備中探針系統(tǒng)的詳解圖。
[0013]圖中:IX、X向手動螺旋臺，Iy、Y向手動螺旋臺，I z、Z向手動螺旋臺，2、立座，3、L型板，4、探針系統(tǒng)，5、載物臺，6、x/y/z三向精密定位平臺，7、連接板，8、底座；41、上端蓋，42、中心通孔，43、線圈箍，44、線圈，45、連接環(huán)，46、永磁體，47、探針懸臂，48、金剛石探針，49、電鍍銅膜，410、玻璃基片，411、方槽，412、中心孔，413、下端蓋。

【具體實施方式】
[0014]為能進一步了解本發(fā)明的
【發(fā)明內(nèi)容】
、特點及功效，茲例舉以下實施例，并配合附圖詳細說明如下:
[0015]請參閱圖1和圖2，一種用于微納加工與表面形貌測量的設(shè)備，包括底座8和垂直固定在所述底座8上的立座2以及三個呈空間正交分布的手動螺旋臺，三個所述手動螺旋臺分別為:安裝在所述底座8上的Y向手動螺旋臺ly、安裝在所述Y向手動螺旋臺Iy上的X向手動螺旋臺Ix和安裝在所述立座2上的Z向手動螺旋臺lz，在所述X向手動螺旋臺Ix上固定有x/y/z三向精密定位平臺6，x/y/z三向精密定位平臺6和X向手動螺旋臺Ix通過連接板7連接。在所述x/y/z三向精密定位平臺6上固定有載物臺5，在所述x/y/z三向精密定位平臺6上方設(shè)有探針系統(tǒng)4，所述探針系統(tǒng)4安裝在L型板3的下表面上，所述L型板3固定在所述Z向手動螺旋臺Iz上。載物臺5用來承載樣品。探針系統(tǒng)4提供加工過程與表面形貌測量過程中所需的力。
[0016]所述探針系統(tǒng)包括從上至下依次同心固接的上端蓋41、線圈箍43、連接環(huán)45、探針懸臂47和下端蓋413 ;所述上端蓋41固接在所述L型板3的下表面上；所述線圈箍43的上部為連接盤，下部為繞線輪，中心處設(shè)有通孔，在所述繞線輪上繞有線圈44，所述繞線輪延伸至所述連接環(huán)45內(nèi)；在所述下端蓋413的上表面中部設(shè)有方槽411，在所述方槽411內(nèi)嵌裝有玻璃基片410，在所述玻璃基片410的上表面上形成有電鍍銅膜49 ;所述探針懸臂47形成在一個金屬箔片的中部，采用鏤空封閉結(jié)構(gòu)，在所述探針懸臂47上表面的中心處固設(shè)有永磁體46，所述永磁體46的上部延伸至所述線圈箍43的中心通孔42內(nèi)，在所述探針懸臂47下表面的中心處固設(shè)有金剛石探針48，所述金剛石探針48穿過所述玻璃基片410和所述下端蓋413伸出在所述下端蓋413之下，所述金剛石探針48、所述永磁體46和所述線圈箍43同軸設(shè)置；所述電鍍銅膜49與所述探針懸臂47組成電容傳感器。在所述玻璃基片410和所述下端蓋413上設(shè)有供金剛石探針48穿過的中心孔412。永磁體46可以在線圈箍的中心通孔42中z向自由移動。金剛石探針48穿出下端蓋413后與樣品進行接觸。
[0017]在本實施例中，所述電鍍銅膜49由相隔設(shè)置的至少兩部分組成。相比于一個整體的電鍍銅膜，將電鍍銅膜分為至少兩部分，電鍍銅膜49可與探針懸臂47組成至少兩個電容傳感器，這種結(jié)構(gòu)的設(shè)置可以測得至少兩組數(shù)據(jù)，對金剛石探針48在z向位置的變化會更敏感更準確，除滿足基本的微納加工與表面形貌測量外，還可以提供必要的數(shù)據(jù)供表面形貌的其它分析，比如粗糙度。
[0018]采用上述設(shè)備進行基于位移的微納加工方法，通過探針懸臂47與電鍍銅膜49組成的電容傳感器測量金剛石探針48的z向位置，反饋控制輸入到線圈44的電流，該電流與永磁體46相互作用產(chǎn)生電磁力使金剛石探針48在z向位置保持不變；控制x/y/z三向精密定位平臺6運行，實現(xiàn)基于位移的微納加工。
[0019]采用上述設(shè)備進行基于力的微納加工方法，禁用x/y/z三向精密定位平臺6的z向運動，使x/y/z三向精密定位平臺6在x/y平面內(nèi)運動；控制輸入到線圈44的電流，從而控制該電流與永磁體46產(chǎn)生的電磁力；通過探針懸臂47與電鍍銅膜49組成的電容傳感器測量探針懸臂47的變形量，計算變形力，電磁力與變形力的差值即為最終施加在金剛石探針48上的力，從而實現(xiàn)基于力的微納加工。
[0020]采用上述設(shè)備進行表面形貌測量的方法，禁止向線圈44輸入電流，使x/y/z三向精密定位平臺6沿z向移動，促使探針懸臂47產(chǎn)生一定的變形，通過探針懸臂47與電鍍銅膜49組成的電容傳感器測量探針懸臂47的變形量，計算變形力，該變形力等效于金剛石探針48與樣品的接觸力Hix/y/z三向精密定位平臺6在x/y平面內(nèi)運動開始進行測量，在測量過程中保持金剛石探針48與樣品的接觸力即變形力不變，實時調(diào)節(jié)x/y/z三向精密定位平臺6的z向運動，則該z向運動反映了樣品的表面形貌，實現(xiàn)了基于力的表面形貌測量。
[0021]綜上所述。上述底座8和立座2是整個設(shè)備的支撐結(jié)構(gòu)，通過手動螺旋臺實現(xiàn)加工樣品在X、1、z三個方向的大范圍調(diào)整，便于樣品的放置。x/y/z三向精密定位平臺6用來對樣品的運動進行納米級別的控制，以保證微納加工和表面形貌測量的精度。探針系統(tǒng)4中的電磁結(jié)構(gòu)可產(chǎn)生電磁力，為微納加工過程與表面形貌測量過程提供所需要的力。協(xié)調(diào)控制探針系統(tǒng)4和x/y/z三向精密定位平臺6即可實現(xiàn)基于位移和基于力兩種方式的微納加工以及表面形貌的測量。
[0022]盡管上面結(jié)合附圖對本發(fā)明的優(yōu)選實施例進行了描述，但是本發(fā)明并不局限于上述的【具體實施方式】，上述的【具體實施方式】僅僅是示意性的，并不是限制性的，本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員在本發(fā)明的啟示下，在不脫離本發(fā)明宗旨和權(quán)利要求所保護的范圍情況下，還可以做出很多形式，這些均屬于本發(fā)明的保護范圍之內(nèi)。
【權(quán)利要求】
1.一種用于微納加工與表面形貌測量的設(shè)備，其特征在于，包括底座和垂直固定在所述底座上的立座以及三個呈空間正交分布的手動螺旋臺，三個所述手動螺旋臺分別為:安裝在所述底座上的Y向手動螺旋臺、安裝在所述Y向手動螺旋臺上的X向手動螺旋臺和安裝在所述立座上的Z向手動螺旋臺，在所述X向手動螺旋臺上固定有x/y/z三向精密定位平臺，在所述x/y/z三向精密定位平臺上固定有載物臺，在所述x/y/z三向精密定位平臺上方設(shè)有探針系統(tǒng)，所述探針系統(tǒng)安裝在L型板的下表面上，所述L型板固定在所述Z向手動螺旋臺上； 所述探針系統(tǒng)包括從上至下依次同心固接的上端蓋、線圈箍、連接環(huán)、探針懸臂和下端蓋；所述上端蓋固接在所述L型板的下表面上；所述線圈箍的上部為連接盤，下部為繞線輪，中心處設(shè)有通孔，在所述繞線輪上繞有線圈，所述繞線輪延伸至所述連接環(huán)內(nèi)；在所述下端蓋的上表面中部設(shè)有方槽，在所述方槽內(nèi)嵌裝有玻璃基片，在所述玻璃基片的上表面上形成有電鍍銅膜；所述探針懸臂形成在一個金屬箔片的中部，采用鏤空封閉結(jié)構(gòu)，在所述探針懸臂上表面的中心處固設(shè)有永磁體，所述永磁體的上部延伸至所述線圈箍的中心通孔內(nèi)，在所述探針懸臂下表面的中心處固設(shè)有金剛石探針，所述金剛石探針穿過所述玻璃基片和所述下端蓋伸出在所述下端蓋之下，所述金剛石探針、所述永磁體和所述線圈箍同軸設(shè)置；所述電鍍銅膜與所述探針懸臂組成電容傳感器。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的用于微納加工與表面形貌測量的設(shè)備，其特征在于，所述電鍍銅膜由相隔設(shè)置的至少兩部分組成。
3.采用如權(quán)利要求1所述的設(shè)備進行基于位移的微納加工方法，其特征在于，通過探針懸臂與電鍍銅膜組成的電容傳感器測量金剛石探針的z向位置，反饋控制輸入到線圈的電流，該電流與永磁體相互作用產(chǎn)生電磁力使金剛石探針在z向位置保持不變；控制x/y/z三向精密定位平臺運行，實現(xiàn)基于位移的微納加工。
4.采用如權(quán)利要求1所述的設(shè)備進行基于力的微納加工方法，其特征在于，禁用x/y/Z三向精密定位平臺的Z向運動，使x/y/z三向精密定位平臺在x/y平面內(nèi)運動；控制輸入到線圈的電流，從而控制該電流與永磁體產(chǎn)生的電磁力；通過探針懸臂與電鍍銅膜組成的電容傳感器測量探針懸臂的變形量，計算變形力，電磁力與變形力的差值即為最終施加在金剛石探針上的力，從而實現(xiàn)基于力的微納加工。
5.采用如權(quán)利要求1所述的設(shè)備進行表面形貌測量的方法，其特征在于，禁止向線圈輸入電流，使x/y/z三向精密定位平臺沿z向移動，促使探針懸臂產(chǎn)生一定的變形，通過探針懸臂與電鍍銅膜組成的電容傳感器測量探針懸臂的變形量，計算變形力，該變形力等效于金剛石探針與樣品的接觸力，使χ/y/z三向精密定位平臺在χ/y平面內(nèi)運動開始進行測量，在測量過程中保持金剛石探針與樣品的接觸力不變，實時調(diào)節(jié)x/y/z三向精密定位平臺的z向運動，則該z向運動反映了樣品的表面形貌，實現(xiàn)了基于力的表面形貌測量。
【文檔編號】G01B7/28GK104495743SQ201410828371
【公開日】2015年4月8日 申請日期:2014年12月26日 優(yōu)先權(quán)日:2014年12月26日
【發(fā)明者】郭志永, 田延嶺, 田佳, 張大衛(wèi) 申請人:天津大學