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以AFM基礎的奈米加工 不敏感材料的深度控制特點和 超音波振盪減少加工力 Li Zhang, Jingyan Dong, and Paul H. Cohen IEEE TRANSACTIONS ON NANOTECHNOLOGY, VOL. 12, NO. 5, SEPTEMBER 2013 班級:奈米四甲 學號:4A014085 姓名:賴建宇 指導老 師 : 莊 承 鑫 目錄 Introduction 前言 Design and experiment 設計與實驗 Results and discussion 結果與討論 Conclusion 結論 前言 原子力顯微鏡（AFM）在奈米加工提供了一種成本低，易於安裝及替換。 奈米材料製程方法，奈米加工上切割或塑性變形來修改樣品已成功用於製造奈米 級的pattern在各種樣品中，例如矽，鋁，聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）。 所製作的線寬度主要由AFM針尖大小決定。 在懸臂共振頻率的針尖 - 樣品的相互作用下，懸臂振盪的行為對於針尖 - 樣品 的間隙和設定點的力量是非常敏感。 在尖端基於奈米加工，大的法向力和摩擦力顯著影響製造性能，從而誘發嚴重的 尖端磨損，降低烙鐵頭壽命。 超音波振盪輔助奈米加工方法的創新製造了高速率可調節加工深度的PMMA薄膜。 以不敏感的鋁和PMMA材料做實驗，以超音波懸臂振盪的方法來達到加工深度的控 制。 A-B （懸臂正常變形）C-D （扭轉） (四象限光電二極體檢測器) AFM. Park XE-70 .定制nanovibrator (它提供了超音波的z振盪和面內的xy圓形振盪) 懸臂偏轉和扭轉信號同 時通過數據採集設備 （NI USB-6259）加工電 壓信號數據採集在 LabVIEW。 裝置還用於生成同步的 正弦波與90◦相位差作為 指令信號的信號函數發 生器（安捷倫33220 A） 被連接到z-壓電來生成 在z方向上的超音波振盪 樣品。 (a)實驗裝置 (b)超音波振盪輔助 奈米加工 圖a中鋁材料，設定點壓力 設定200 nN。 z-壓電的驅動信號增加 從3到10V溝槽深度的增加 為6至12.5nm 圖b中鋁材料，沒有超音波 則需要一個非常大的設定 點的力，製作上的鋁薄膜， 由於其高硬度。 pattern加工深度由設定點 控制，力量大到超過3000 NN需要製造類似一個~12nm 的深海溝，約4500nN法向 力。 圖a中PMMA薄膜。設定點壓 力設定200 nN。 PMMA（小於1nm）。 z-壓電的驅動信號增加 從3到10V從溝槽深度增加 5至11nm 。 圖b中PMMA薄膜。沒有超音 波時需要使圖案與相似深 度。溝槽深度從0.2增加至 13nm，設定點力從200到 400 nN。 超音振盪輔助奈米加工要 求200nN設定點力11nm溝槽 而沒有Z軸振盪加工需要 350nN設定點力。 鋁和PMMA的有效彈性為 55GPa和3.5GPa分別。為 針尖半徑R 20nm和附著 能360mJ/ m^2 。 由楊氏係數E和蒲松式比 ν E-PMMA 3.1GPa Ν-PMMA 0.35 E-Al 70 GPa Ν-Al 0.33 FD曲線鋁較陡。對於相 同的振盪振幅，即使在 同樣的小集合點力，最 大有效力FD鋁陡曲線較 顯著。 由於AFM下閉環控制運行 時，設定點的力被保持 在恆定的水平Fc，不論 樣品的振盪和從所得的 準靜態超音力的振盪。 鋁材料-(a)(b)當特徵深度由控制設定點力（無超音波Z-振盪），大的法向 力需要製造特徵相同的深度。由於特徵深度為1nm增加至約12nm， 在法向力增大從1400mV到2300mV，與超音波的z振盪下為400mV 和側向摩擦力增大從90到228mV ，與超音波的z振盪下為28mV 。 (c)(d)不同特徵深度繪製圖 (e)(f)原始力數據為兩個加工產生類似的功能深度 PMMA薄膜-(a)(b)當特徵深度由控制設定點力（無超音波Z-振盪），大的法 向力需要製造特徵相同的深度。由於特徵深度為1nm增加至約13nm， 在法向力增大從105mV到195mV，與超音波的z振盪下為103mV 和側向摩擦力增大從15到45mV ，與超音波的z振盪下為14mV 。 (c)(d)不同特徵深度繪製圖 (e)(f)原始力數據為兩個加工產生類似的功能深度 鋁材料，橫向奈米加工的 和無z超音波振盪比較 溝深度由幅度控制AFM圖像 Z型振盪和30 mV的XY圓形 振盪。 側向摩擦力增大到213mV 超音波的z振盪下為37mV 。 兩個新的懸臂在磨損試 驗用為80nm，製作溝槽 具有相同的尺寸（寬度 並在一個厚200nmPMMA膜 深度為10nm），總加工 溝長度為1500μm。 尖端磨損量化通過測量 前尖端半徑和加工操作 後，該懸臂刀片的SEM圖 像採取與奈米加工後進 行比較。 (a)(c)用作超聲波振動 尖端輔助奈米加工。 (b)(d)使用的尖端與設 定點力。 結論 在超音波振盪輔助奈米加工調節特徵深度及減少加工力進行了研究。 奈米圖案是由超音波振盪輔助製造奈米加工鋁和PMMA表面。近同樣 功能的深度，實現PMMA和鋁的樣品具有相同的針尖 - 樣品的z振盪 振幅和一個非常小的設定點力。 並且是不敏感的樣品材料。分析樣品的剛度和盪態懸臂的剛性另外， 超音波針尖 - 樣品的z振盪還有效地降低了正常奈米加工過程中的 力量和摩擦。在這兩個PMMA和鋁的樣品，顯著降低法向力和側向摩 擦力，超音波Z-振盪提供了良好的潛力減少尖端磨損的奈米加工。