一种环境气氛下多能场诱导原子级数控加工装置及方法

本发明属于纳米制造领域，尤其涉及一种环境气氛下多能场诱导原子级数控加工装置及方法。

背景技术：

1、制造技术经历了宏观手工制造、介观机械制造、微纳光学制造等阶段，当前半导体器件的制造工艺也已经走到了最前沿的3 nm技术节点，随着信息器件朝着更小尺寸、更低功耗、更高性能的方向发展，制造技术必将进入原子尺度。以单原子精度实现材料去除或增加，打破现有物理极限，能够为量子芯片、冷原子干涉陀螺仪、航空耐热涂层等尺度极小、精度极高的器件加工制造提供解决方案，对国防军工、航空航天、集成电路、信息储存和能源医疗等国家重大战略领域的发展均具有十分重要的意义。现有纳米制造技术有单点金刚石车削、纳米压印、聚焦离子束刻蚀、湿法刻蚀、光学刻蚀、电子束刻蚀、原子层沉积、原子层刻蚀、利用超高真空低温扫描隧道显微镜直接操纵单个原子等方式。

2、单点金刚石车削如申请公布号为cn114378532a的发明专利申请公布的基于单点金刚石车削表面的电化学抛光方法，该方法材料去除深度仅能控制在纳米量级。纳米压印和聚焦离子束刻蚀如申请公布号为cn113126428a的发明专利申请公布的纳米压印方法和授权公告号为cn112735936b的发明专利公开的电感耦合等离子体和聚焦离子束刻蚀的微光开关加工方法，上述方法能达到更高的精度，具有无掩模、无化学物质等优势，但往往不能避免亚表面损伤；湿法刻蚀、光学刻蚀和电子束刻蚀如授权公告号为cn104037061b的发明专利公布的湿环境下电子束直接纳米刻蚀或印刷的方法，该方法除需要化学物质或掩膜外，还难以将精度控制到单个原子层水平；原子层沉积、原子层刻蚀是实现材料表面原子尺度制造的有效途径，如申请公布号为cn114864370a的发明专利申请公开的一种快速自如沉积或刻蚀原子层的方法，这两种方法都需要掩模来进行区域选择，包含复杂的处理步骤；利用超高真空低温扫描隧道显微镜能够直接操纵单个原子，但依赖严苛的实验环境，操纵效率低，且只能面向金属等导电性较好的材料。

技术实现思路

1、本发明的目的在于提供一种环境气氛下多能场诱导原子级数控加工装置及方法，以解决现有原子精度制造方法中依赖超高真空、超低温环境，需要掩膜进行区域选择，难以避免亚表面晶格损伤，无法稳定高效去除或沉积特定原子等问题。

2、为解决上述技术问题，本发明提供的技术方案为：

3、本发明涉及一种环境气氛下多能场诱导原子级数控加工装置，其包括电磁屏蔽腔和控制机构；所述的电磁屏蔽腔内部设有环境腔体，环境腔体的底部设有工件放置平台，环境腔体的顶部设有通过纳米工具执行机构驱动的纳米工具，工件放置平台用于放置工件并使工件沿x、y轴方向移动，所述的纳米工具执行机构用于控制纳米工具在工件放置平台上方沿x、y、z轴方向移动，所述的电磁屏蔽腔上还设有与环境腔体连通的进气口和出气口，进气口用于向环境腔体内输送活性媒介，出气口用于将环境腔体内的废气排出；所述的控制机构用于控制工件放置平台和纳米工具执行机构，控制机构还用于向环境腔体施加能场进而改变环境腔体内部的环境气氛，能场包括力场、温度场、电场、光场和磁场。

4、优选地，所述的工件放置平台包括从下到上依次设置的隔振平台、xy轴电机运动平台和加热台，所述的隔振平台用于减振，所述的xy轴电机运动平台用于驱动工件沿x、y轴方向移动，所述的加热台用于施加温度场。

5、优选地，所述的纳米工具执行机构包括从上到下依次设置的z轴电机运动平台、xyz轴压电陶瓷扫描管和工具夹具；所述的工具夹具用于夹持纳米工具；所述的xyz轴压电陶瓷扫描管用于驱动纳米工具沿x、y、z轴方向移动，实现纳米工具的精定位，并通过纳米工具在工件表面施加力场；所述的z轴电机运动平台用于驱动纳米工具沿z轴方向移动，进而实现纳米工具的粗定位。

6、优选地，所述的控制机构包括：

7、电机运动控制器，用于控制xy轴电机运动平台和z轴电机运动平台；

8、压电陶瓷运动控制器，用于控制xyz轴压电陶瓷扫描管；

9、能场控制器，用于改变环境腔体内部的力场、温度场、电场、光场和磁场。

10、优选地，所述的控制机构还包括温湿度控制器，用于控制环境腔体内的环境，包括环境腔体内部的温度和湿度。

11、优选地，所述的进气口处连接有三向阀，三向阀的三个通道分别用于连接两种活性媒介源和惰性气体源；所述的三向阀的三个通道处均设有质量流量控制器。

12、优选地，所述的纳米工具采用具有光电磁活性的材料，莫氏硬度低于6。

13、本发明还涉及一种基于环境气氛下多能场诱导原子级数控加工装置的数控加工方法，其包括以下步骤：

14、s1.将工件固定在工件放置平台上，通过控制机构控制环境腔体的温湿度场，通过控制机构将纳米工具移动到待加工位置；

15、s2. 向环境腔体循环供给活性媒介，通过控制机构控制环境腔体内的力场、电场、光场和磁场，诱导纳米工具、活性媒介和工件表层原子形成化学键，削弱工件表层原子和亚层原子的化学键强度或加强媒介原子和工件表层原子的结合性；通过控制机构控制纳米工具移动，致使工件表层原子和亚层原子间的化学键剪切断裂并去除表层原子，或致使媒介原子沉积于工件表层原子上。

16、优选地，所述的力场的力范围为0~100μn；所述的温度场的温度范围为0~500℃；所述的电场为控制工件-纳米工具间的电压在-100 v~+100 v之间；所述的光场的波段范围为紫外到红外，功率范围为10 mw~10 w；所述的工件-纳米工具间的磁场范围为-10 t~+10 t，所述s2和s3中，环境腔体内的温度保持在0 ℃~500 ℃（±2 ℃），环境腔体内的相对湿度控制在30 %~80 %（±5 %）。

17、优选地，所述的活性媒介为携带目标原子的液体或气体。

18、与现有技术相比，本发明的有益技术效果如下：

19、本发明涉及的环境气氛下多能场诱导原子级数控加工装置包括控制机构，其不仅用于控制工件放置平台和纳米工具执行机构，还用于向环境腔体施加能场，能场包括力场、温度场、电场、光场和磁场，进而改变环境腔体内部的环境气氛；使用其进行加工时，通过改变能场诱导纳米工具、活性媒介和工件表层原子形成化学键，削弱工件表层原子和亚层原子的化学键强度，或者加强媒介原子和工件表层原子的结合性，实现原子级的去除和沉积，解决了原子级精准制造和高材料去除率/沉积率间的矛盾，工具硬度远低于工件，且施加的载荷远小于工件的屈服极限，主要依赖于能场辅助下纳米工具-工件界面增强的化学反应，能够避免亚表面晶格损伤等问题，无需掩膜，在常温常压环境氛围下即可进行，成本低，通用性好。

技术特征：

1.一种环境气氛下多能场诱导原子级数控加工装置，其特征在于：其包括电磁屏蔽腔和控制机构；所述的电磁屏蔽腔内部设有环境腔体，环境腔体的底部设有工件放置平台，环境腔体的顶部设有通过纳米工具执行机构驱动的纳米工具，工件放置平台用于放置工件并使工件沿x、y轴方向移动，所述的纳米工具执行机构用于控制纳米工具在工件放置平台上方沿x、y、z轴方向移动，所述的电磁屏蔽腔上还设有与环境腔体连通的进气口和出气口，进气口用于向环境腔体内输送活性媒介，出气口用于将环境腔体内的废气排出；所述的控制机构用于控制工件放置平台和纳米工具执行机构，控制机构还用于向环境腔体施加能场进而改变环境腔体内部的环境气氛，能场包括力场、温度场、电场、光场和磁场。

2.根据权利要求1所述的环境气氛下多能场诱导原子级数控加工装置，其特征在于：所述的工件放置平台包括从下到上依次设置的隔振平台、xy轴电机运动平台和加热台，所述的隔振平台用于减振，所述的xy轴电机运动平台用于驱动工件沿x、y轴方向移动，所述的加热台用于施加温度场。

3.根据权利要求2所述的环境气氛下多能场诱导原子级数控加工装置，其特征在于：所述的纳米工具执行机构包括从上到下依次设置的z轴电机运动平台、xyz轴压电陶瓷扫描管和工具夹具；所述的工具夹具用于夹持纳米工具；所述的xyz轴压电陶瓷扫描管用于驱动纳米工具沿x、y、z轴方向移动，实现纳米工具的精定位，并通过纳米工具在工件表面施加力场；所述的z轴电机运动平台用于驱动纳米工具沿z轴方向移动进而实现纳米工具的粗定位。

4.根据权利要求3所述的环境气氛下多能场诱导原子级数控加工装置，其特征在于：所述的控制机构包括：

5.根据权利要求4所述的环境气氛下多能场诱导原子级数控加工装置，其特征在于：所述的控制机构还包括温湿度控制器，用于控制环境腔体内的环境。

6.根据权利要求1所述的环境气氛下多能场诱导原子级数控加工装置，其特征在于：所述的进气口处连接有三向阀，三向阀的三个通道分别用于连接两种活性媒介源和惰性气体源；所述的三向阀的三个通道处均设有质量流量控制器。

7.根据权利要求1所述的环境气氛下多能场诱导原子级数控加工装置，其特征在于：所述的纳米工具采用具有光电磁活性的材料，莫氏硬度低于6。

8.一种基于权利要求1所述的环境气氛下多能场诱导原子级数控加工装置的环境气氛下多能场诱导原子级数控加工方法，其特征在于，其包括以下步骤：

9.根据权利要求8所述的环境气氛下多能场诱导原子级数控加工方法，其特征在于：所述的力场的力范围为0~100μn；所述的温度场的温度范围为0~500℃；所述的电场为控制工件-纳米工具间的电压在-100 v~+100 v之间；所述的光场的波段范围为紫外到红外，功率范围为10 mw~10 w；所述的工件-纳米工具间的磁场范围为-10 t~+10 t，所述s2和s3中，环境腔体内的温度保持在0 ℃~500 ℃（±2 ℃），环境腔体内的相对湿度控制在30 %~80 %（±5 %）。

10.根据权利要求8所述的环境气氛下多能场诱导原子级数控加工方法，其特征在于：所述的活性媒介为携带目标原子的液体或气体。

技术总结
本发明涉及一种环境气氛下多能场诱导原子级数控加工装置及方法，属于纳米制造领域，该装置包括电磁屏蔽腔和控制机构；电磁屏蔽腔内部设有环境腔体，环境腔体底部设有工件放置平台，顶部设有通过纳米工具执行机构驱动的纳米工具，电磁屏蔽腔上还设有与环境腔体连通的进气口和出气口；控制机构用于控制工件放置平台和纳米工具执行机构以及施加能场，包括力场、温度场、电场、光场和磁场。该装置解决了传统原子层沉积和刻蚀技术中依赖掩膜获得局域特征和无法实现原子级可控制造的问题，又解决了扫描隧道显微镜原子操纵技术中依赖超高真空、超低温环境，只能用于特定材料且操纵效率低等问题，具有原子级精度、效率高、成本低和通用性好等优势。

技术研发人员：朱吴乐,孙奇,吴思东,贾炳春,王靖远,高威,韩放,薛曹阳,赵翔,张伟建,居冰峰
受保护的技术使用者：浙江大学
技术研发日：
技术公布日：2024/4/7