一种基于空间电势限域的3D微纳结构直写系统技术方案

本发明专利技术涉及微纳米技术领域，特别是涉及一种基于空间电势限域的3D微纳结构直写系统，包括：模型构建模块，基于待构筑微纳结构的形态和特点，构建3D结构模型，并生成数字控制信号及直写过程中电子束的驻留时间和扫描速率；数模转换模块，对数字控制信号进行数模转换和放大，得到模拟控制信号；工作台模块，用于承载待写材料，并调整待写材料的角度；电子束模块，用于发射电子束并聚焦在待写材料的上方，并控制电子束的焦点按照设定路径进行扫描，对待写材料进行直写，得到待构筑微纳结构；束闸模块，进行打开和关闭，以控制电子束是否聚焦在待写材料的上方。本发明专利技术能够灵活便捷、低成本地实现微纳结构及纳米器件的直写构筑，材料普适性宽。宽。宽。

【技术实现步骤摘要】
一种基于空间电势限域的3D微纳结构直写系统


[0001]本专利技术涉及3D微纳加工及增材制造领域，特别是涉及一种基于空间电势限域的3D微纳结构直写系统。

技术介绍

[0002]金属与半导体3D微纳结构在集成电路、光学超材料和微电机械系统等领域具有广泛的应用前景。然而，当前的3D微纳加工设备和3D打印系统，由于其结构加工原理的限制，存在加工分辨率低、构筑效率低、材料普适性差和适用范围窄等不可回避的技术缺陷。如扫描隧道显微镜原子操纵设备，虽可实现单个原子搬运及原子级精度的结构构建，但原子操纵通量低，效率低，而且依赖于超高真空环境。
[0003]电子束诱导沉积是目前唯一无模板直写金属及半导体3D微纳结构的技术，它主要是在电镜系统中附加配置前驱体注入装置，利用电子束的化学活性分解气态前驱体，使非挥发性物质沉积，从而实现金属及半导体3D微纳结构的直写。该技术能沉积的材料种类主要依赖于金属有机前驱体，且前驱体的有效利用率低，大部分都耗散在构筑过程中；制备结构中易含有碳、氯等有机杂质碎片，尽管一些杂质去除方法，如电子束辐照法、退火、激光辅助沉积法和等离子体后处理等在结构提纯方面取得了很大进展。然而，杂质去除方法的引入也使得结构构筑过程复杂化，无形中增加了结构构筑成本，降低效率。
[0004]目前，设备市场上仍缺乏同时兼具材料普适性宽、操作灵活度高及实时性强的金属和半导体3D微纳结构的直写设备，究其原因，主要是缺乏创新性结构成型原理及以其为基础的微加工设备。

技术实现思路

[0005]有鉴于此，本专利技术提供了一种基于空间电势限域的3D微纳结构直写系统，能够灵活便捷、低成本地实现金属和半导体微纳结构及纳米器件的直写构筑；加工精度跨微米和纳米尺度；材料普适性宽，适合大部分金属和半导体材料的结构直写构建。
[0006]为实现上述目的，本专利技术提供了如下方案：
[0007]一种基于空间电势限域的3D微纳结构直写系统，包括：
[0008]模型构建模块，基于待构筑微纳结构的形态和特点，构建3D结构模型，并基于所述3D结构模型的特征，生成数字控制信号及待构筑微纳结构直写过程中电子束的驻留时间和扫描速率；
[0009]数模转换模块，对所述数字控制信号进行数模转换和放大，得到模拟控制信号；
[0010]工作台模块，用于承载衬底及待写材料，并根据所述模拟控制信号对所述衬底的空间位置进行调整，根据所述模拟控制信号对所述待写材料的角度进行调整；
[0011]电子束模块，用于根据所述模拟控制信号发射电子束并聚焦在所述待写材料的上方，并基于所述驻留时间和所述扫描速率控制所述电子束的焦点按照设定路径进行扫描，对所述待写材料进行直写，得到所述待构筑微纳结构；
[0012]束闸模块，基于所述模拟控制信号进行打开和关闭，以控制所述电子束是否聚焦在所述待写材料的上方。
[0013]优选地，所述工作台模块、所述电子束模块和所述束闸模块位于真空环境中。
[0014]优选地，所述数模转换模块包括：
[0015]数模转换单元，对所述数字控制信号进行数模转换，得到初始模拟控制信号；
[0016]放大电路，对所述初始模拟控制信号进行放大，得到所述模拟控制信号。
[0017]优选地，所述工作台模块具有二维平移自由度、垂直自由度、旋转自由度和倾斜自由度。
[0018]优选地，所述电子束模块包括：
[0019]电子束单元，提供所述电子束，所述电子束单元包括发射所述电子束的电子枪和高压装置；所述高压装置对所述电子束进行加速；
[0020]X偏转线圈，基于所述模拟控制信号、所述驻留时间和所述扫描速率调整所述电子束的焦点的x轴坐标；
[0021]Y偏转线圈，基于所述模拟控制信号、所述驻留时间和所述扫描速率调整所述电子束的焦点的y轴坐标；
[0022]Z聚焦线圈，基于所述模拟控制信号、所述驻留时间和所述扫描速率调整所述电子束的焦点的z轴坐标。
[0023]优选地，所述系统还包括：
[0024]二次电子成像模块，所述二次电子成像模块用于对所述待构筑微纳结构在写入前和写入后进行形貌成像。
[0025]优选地，电子束聚焦在所述待写材料的上方，在所述待写材料的表面上距离电子束的焦点的最近点产生低电势区，所述待写材料脱附的荷电原子和原子团在空间电势限域下向低电势点进行迁移和扩散，并积聚形成微凸起；
[0026]所述电子束的焦点与所述待写材料之间形成空间电势限域，所述空间电势限域为所述待写材料的表面的低电势点与所述电子束的焦点之间的漏斗形电势分布；所述漏斗形电势分布对荷电原子和原子团的迁移和扩散进行约束。
[0027]根据本专利技术提供的具体实施例，本专利技术公开了以下技术效果：
[0028]本专利技术涉及3D微纳加工及增材制造领域，特别是涉及一种基于空间电势限域的3D微纳结构直写系统，包括：模型构建模块，基于待构筑微纳结构的形态和特点，构建3D结构模型，并生成数字控制信号及待构筑微纳结构直写过程中电子束的驻留时间和扫描速率；数模转换模块，对数字控制信号进行数模转换和放大，得到模拟控制信号；工作台模块，用于承载衬底和待写材料，并调整待写材料的角度；电子束模块，用于发射电子束并聚焦在待写材料的上方，并依据上述的模拟控制信号控制电子束的焦点按照设定路径进行扫描，对待写材料进行直写，得到待构筑微纳结构；束闸模块，进行打开和关闭，以控制电子束是否聚焦在待写材料的上方。本专利技术能够灵活便捷、低成本地实现微纳结构及纳米器件的直写构筑，材料普适性宽。
附图说明
[0029]为了更清楚地说明本专利技术实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所
需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本专利技术的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
[0030]图1为本专利技术基于空间电势限域的3D微纳结构直写系统结构图；
[0031]图2为本专利技术空间电势限域原理的二维示意图；
[0032]图3为本专利技术电子束模块结构图。
[0033]符号说明：1、模型构建模块；2、数模转换模块；3、工作台模块；4、电子束模块；5、束闸模块；6、二次电子成像模块；7、待写材料；41、电子束单元；42、X偏转线圈；43、Y偏转线圈；44、Z聚焦线圈；100、微凸起；200、焦点；300、正电势最低点；400、负电势最低点；500、正分布曲线；600、负分布曲线。
具体实施方式
[0034]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楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本专利技术一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本专利技术中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本专利技术保护的范围。
[0035]本专利技术的目的是提供一种基于空间电势限域的3D微纳结构直写系统，能够灵活便捷、低成本地本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于空间电势限域的3D微纳结构直写系统，其特征在于，包括：模型构建模块，基于待构筑微纳结构的形态和特点，构建3D结构模型，并基于所述3D结构模型的特征，生成数字控制信号及待构筑微纳结构直写过程中电子束的驻留时间和扫描速率；数模转换模块，对所述数字控制信号进行数模转换和放大，得到模拟控制信号；工作台模块，用于承载衬底及待写材料，并根据所述模拟控制信号对所述衬底的空间位置进行调整，根据所述模拟控制信号对所述待写材料的角度进行调整；电子束模块，用于根据所述模拟控制信号发射电子束并聚焦在所述待写材料的上方，并基于所述驻留时间和所述扫描速率控制所述电子束的焦点按照设定路径进行扫描，对所述待写材料进行直写，得到所述待构筑微纳结构；束闸模块，基于所述模拟控制信号进行打开和关闭，以控制所述电子束是否聚焦在所述待写材料的上方。2.根据权利要求1所述的3D微纳结构直写系统，其特征在于，所述工作台模块、所述电子束模块和所述束闸模块位于真空环境中。3.根据权利要求1所述的3D微纳结构直写系统，其特征在于，所述数模转换模块包括：数模转换单元，对所述数字控制信号进行数模转换，得到初始模拟控制信号；放大电路，对所述初始模拟控制信号进行放大，得到所述模拟控制信号。4.根据权利要求1所述的3D微纳结构直写系统，其特征在于，所述...

【专利技术属性】
技术研发人员：杨光红，杨锋，黄晓伟，田宝丽，贾彩虹，王洪哲，程轲，程纲，
申请(专利权)人：河南大学，
类型：发明
国别省市：