CN101846760B - 一种纳米光栅的制作方法 - Google Patents

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本发明公开了纳米光栅的制作方法，在光学玻璃表面上镀一层导电薄膜，构成光栅基体，薄膜厚度范围为30nm～90nm；将光栅基体固定在纳米进给工作台上，用扫描隧道显微测量装置在受控状态下带动探针沿Y轴方向运动，扫描隧道显微测量装置的脉冲电压发生器产生脉冲电压，经执行器施加在探针上，对光栅基体进行刻线加工；当一条栅线的刻线加工完成后，光栅基体向X轴方向移动量为10nm～80nm，重复前述刻线加工过程，在光学玻璃表面上制得纳米光栅。本发明采用STM纳米加工技术及STM电子束光刻技术制作具有纳米级线宽的光栅，实现光栅的纳米测量；由于探针与抗蚀膜的距离只有几纳米，加上探针尖端的直径很小，只有一个至数个原子，所以曝光只需通过与一次电子束的相互作用就可产生，克服了二次电子与背散射电子相互作用引起的分辨率降低的缺点，能获得更精细的20mm宽的线条。

Description

一种纳米光栅的制作方法
技术领域
本发明涉及一种纳米光栅的制作方法，其用途是作位移量的精密测量，可用于机械、材料、电子、生物、仪器仪表等技术领域。
背景技术
几何量如长度、线位移等的超精密测量技术是现代科学技术和工程技术的一个重要基础。随着科学技术、工程技术向高精度方向的发展，几何量的纳米测量技术已成为其关键技术之一，尤其是大尺度范围的几何量纳米测量技术，在军事科学、电子技术、控制技术、微***微机械及超精密制造技术等领域中将起到不可估量的作用。
在尺度、线位移等几何量测量中，光栅是一种常用的方便的测量方法。从理论讲，在单位长度中的刻线数越多越细，光栅的测量精度就越高，当刻线细到纳米数量级时，其测量精度就可达到纳米精度。目前，光栅的线条均采用光刻技术制作，由于可见光的物理极限，只能制作粗光栅。对于精密光栅的制作目前采用的是聚集电子光刻技术，电子束光刻由于一次入射产生的二次电子，加之背散射电子的作用，使掩膜上的实际曝光面积总比一次电子束直径大许多，因此聚集电子束光刻的刻线宽度通常只能达到1μmm。要提高光栅的测量精度，就必须要研究探索新的光栅刻线技术，使刻线宽度达到纳米数量级。
扫描隧道显微镜(STM)的工程应用研究为解决这一课题提供了一个新的途径。在STM的探针与工件的偏置电压上加上脉冲电压，可进行纳米加工或电子束曝光。STM纳米加工技术可在物体表面加工出几纳米至几十纳米宽的线条。STM电子束光刻由于探针与抗蚀膜的距离只有几纳米，加上探针尖端的直径很小，只有一个至数个原子，所以曝光只需通过与一次电子束的相互作用就可产生，克服了二次电子与背散射电子相互作用引起的分辨率降低的缺点，能获得更精细的20mm宽的线条。
发明内容
本发明的目的在于为纳米光栅的制作提供一种方法，其技术方案可以通过以下措施来达到：一种纳米光栅的制作方法，其特征是：在光学玻璃表面上镀一层导电薄膜，构成光栅基体，薄膜厚度范围为30nm～90nm；将光栅基体固定在纳米进给工作台上，用扫描隧道显微测量装置在受控状态下带动探针沿Y轴方向运动，扫描隧道显微测量装置的脉冲电压发生器产生脉冲电压，经执行器施加在探针上，对光栅基体进行刻线加工；当一条栅线的刻线加工完成后，纳米进给工作台带动光栅基体向X轴方向移动，移动位移量为10nm～80nm，移动到位后固定，重复前述刻线加工过程，在光学玻璃表面上制得纳米光栅。
进一步的特征是：扫描隧道显微测量装置的压电陶瓷管与探针连接，压电陶瓷管在受控状态下沿Y轴方向运动，带动探针沿Y轴方向运动。
一种实现前述制作方法的扫描隧道显微测量装置，包括基座，在基座上设置可移动的纳米进给工作台，光栅基体设置在纳米进给工作台上；其特征是：微进给机构设置在基座上，微进给机构能在受控状态下移动，产生一定的位移；连接杆连接在微进给机构上，位于光栅基体上方的探针连接在连接杆上，微进给机构通过连接杆驱动测头探针向光栅基体移动；
在探针与光栅基体之间，设置隧道偏压电路，信号采集***连接在隧道偏压电路上，信号采集***经信号处理***与计算机连接，采集到的隧道电流信号输送到信号处理***内进行处理、计算，输入到计算机内；计算机的输出端与微进给机构的控制器连接，计算机发出信号控制微进给机构，使探针与光栅基体之间的间隙d保持恒定；
脉冲电压发生器与执行器连接，经执行器施加在探针上进行刻线加工。
脉冲电压发生器、压电陶瓷驱动器与计算机的输出端连接，受计算机输出的信号控制；压电陶瓷驱动器与压电陶瓷管连接，探针与压电陶瓷管连接，或设置在压电陶瓷管上，计算机控制压电陶瓷驱动器控制压电陶瓷管沿Y轴方向运动，带动探针沿Y轴方向完成整条栅线的加工。当一条栅线的加工完成后，在计算机的控制下，纳米进给工作台向X轴方向移动。
相对于现有技术，本发明具有如下特点：
本发明采用STM纳米加工技术及STM电子束光刻技术制作具有纳米级线宽的光栅，实现光栅的纳米测量。STM电子束光刻由于探针与抗蚀膜的距离只有几纳米，加上探针尖端的直径很小，只有一个至数个原子，所以曝光只需通过与一次电子束的相互作用就可产生，克服了二次电子与背散射电子相互作用引起的分辨率降低的缺点，能获得更精细的20mm宽的线条。
附图说明
附图的图面说明如下：
图1是纳米光栅的制作方法原理示意图。
图1中编号1-基座、2-纳米进给工作台、3-隧道偏压电路、4-信号采集***、5-信号处理***、6-计算机、7-脉冲电压发生器、8-执行器、9-压电陶瓷驱动器、10-连接杆、11-微进给机构、12-立柱、13-压电陶瓷管、14-探针、15-光栅。
具体实施方式
本发明的实施方案如下：一种纳米光栅的制作方法，其特征是，在光学玻璃表面上镀一层导电薄膜，如包含石墨的导电薄膜，薄膜厚度范围为30nm～90nm，构成光栅基体；将光栅基体固定在纳米进给工作台上，再应用扫描隧道显微测量装置带动探针沿Y轴方向运动，扫描隧道显微测量装置的脉冲电压发生器产生脉冲电压，经执行器施加在探针上，探针对光栅基体进行刻线加工，制作光栅；重复前述刻线加工，在光学玻璃表面上制得纳米光栅。本发明的一种具体方法是，扫描隧道显微测量装置的压电陶瓷管与探针连接，带动探针沿Y轴方向运动，压电陶瓷管在受控状态下沿Y轴方向运动，带动探针沿Y轴方向运动完成整条栅线的刻线加工；当一条栅线的刻线加工完成后，纳米进给工作台带动光栅基体向X轴方向移动，移动位移量为10nm～80nm，移动到位后固定，压电陶瓷管在受控状态下沿Y轴方向运动，带动探针沿Y轴方向运动完成整条栅线的刻线加工，刻制下一条栅线；重复前述刻线加工，在光学玻璃表面上制得纳米光栅。
如图1中，本发明的扫描隧道显微测量装置，由基座1、纳米进给工作台2、隧道偏压电路3、信号采集***4、信号处理***5、计算机6、脉冲电压发生器7、执行器8、压电陶瓷驱动器9、连接杆10、微进给机构11、立柱12、压电陶瓷管13、探针14构成，组成一个纳米光栅制作***。可移动的纳米进给工作台2设置在基座1上，光栅基体15设置在纳米进给工作台2上；微进给机构11设置在基座1上，具体可设置在与基座1连接的立柱12上，微进给机构11能在受控状态下移动，产生一定的位移；连接杆10连接在微进给机构11上，位于光栅基体15上方的探针14连接在连接杆10上，微进给机构11通过连接杆10驱动测头探针14向光栅基体15移动，探针14产生上下移动。
在探针14与光栅基体15之间，设置有隧道偏压电路3，信号采集***4连接在隧道偏压电路3上，信号采集***4经信号处理***5与计算机6连接，将采集到的隧道电流信号输送到信号处理***5内进行处理、计算，然后输入到计算机6内；探针14与光栅基体15之间构成隧道效应，在隧道偏压电路3中形成隧道电流。计算机6的输出端与微进给机构11的控制器连接，计算机6根据信号处理***5的信号控制微进给机构11，使探针14与光栅基体15之间的间隙d保持恒定。
脉冲电压发生器7与执行器8连接，脉冲电压发生器7产生脉冲电压，经执行器8施加在探针14上，对光栅基体15进行刻线加工。为了控制方便，将脉冲电压发生器7、压电陶瓷驱动器9与计算机6的输出端连接，受计算机6输出的信号控制。压电陶瓷驱动器9与压电陶瓷管13连接，探针14与压电陶瓷管13连接，或设置在压电陶瓷管13上，压电陶瓷驱动器9控制压电陶瓷管13沿Y轴方向运动，带动探针14完成整条栅线的加工。当一条栅线的加工完成后，纳米进给工作台2向X轴方向移动10nm～80nm，光栅基体15相应移动10nm～80nm，探针14可以刻制下一条栅线。本发明的X轴方向、Y轴方向只是为了描述方便，两者的方向是可以互换的，不应理解为对本发明的限制。
将带有导电薄膜的光栅基体15设置在纳米进给工作台2上，通过计算机6控制微进给机构11的进给量，使探针14与光栅15进入隧道效应状态；脉冲电压发生器7产生脉冲电压，经执行器8施加在探针14上，对光栅基体15进行刻线加工。压电陶瓷驱动器9控制压电陶瓷管13沿Y轴方向运动，带动探针14完成整条栅线的加工。当一条栅线的加工完成后，纳米进给工作台2向X轴方向移动10nm～80nm，光栅基体15相应移动10nm～80nm，刻制下一条栅线。
薄膜厚度可以具体选取30nm、35nm、40nm、45nm、50nm、55nm、60nm、65nm、70nm、75nm、80nm、85nm、88nm等，光栅基体15的移动距离可以选取10nm、15nm、20nm、25nm、30nm、35nm、40nm、45nm、50nm、55nm、60nm、65nm、70nm、75nm、78nm等，都能满足本发明要求。
最后需要说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制技术方案，尽管申请人参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，那些对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本技术方案的宗旨和范围，均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (1)

1.一种纳米光栅的制作方法用的扫描隧道显微测量装置，包括基座(1)，在基座(1)上设置可移动的纳米进给工作台(2)，在光学玻璃表面上镀一层导电薄膜，薄膜厚度范围为30nm～90nm，构成光栅基体(15)，光栅基体(15)设置在纳米进给工作台(2)上；其特征是：微进给机构(11)设置在基座(1)上，微进给机构(11)能在受控状态下移动，产生一定的位移；连接杆(10)连接在微进给机构(11)上，位于光栅基体(15)上方的探针(14)连接在连接杆(10)上，微进给机构(11)通过连接杆(10)驱动探针(14)向光栅基体(15)移动；
在探针(14)与光栅基体(15)之间，设置隧道偏压电路(3)，信号采集***(4)连接在隧道偏压电路(3)上，信号采集***(4)经信号处理***(5)与计算机(6)连接，采集到的隧道电流信号输送到信号处理***(5)内进行处理、计算，输入到计算机(6)内；计算机(6)的输出端与微进给机构(11)的控制器连接，计算机(6)发出信号控制微进给机构(11)，使探针(14)与光栅基体(15)之间的间隙d保持恒定；
脉冲电压发生器(7)与执行器(8)连接，脉冲电压发生器(7)产生的脉冲电压经执行器(8)施加在探针(14)上进行刻线加工；
脉冲电压发生器(7)、压电陶瓷驱动器(9)与计算机(6)的输出端连接，受计算机(6)输出的信号控制；压电陶瓷驱动器(9)与压电陶瓷管(13)连接，探针(14)与压电陶瓷管(13)连接，计算机(6)控制压电陶瓷驱动器(9)控制压电陶瓷管(13)沿Y轴方向运动，带动探针(14)沿Y轴方向完成整条栅线的加工；当一条栅线的加工完成后，在计算机(6)的控制下，纳米进给工作台(2)向X轴方向移动，移动位移量为10nm～80nm，移动到位后固定，重复前述刻线加工过程，在光学玻璃表面上制得纳米光栅。
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