專利名稱：基于聚焦離子束技術(shù)的微刀具制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種利用聚焦離子束銑削技術(shù)加工微刀具的方法，該方法加工的微刀具 可用于超精密加工和微細(xì)加工等領(lǐng)域中的復(fù)雜微納結(jié)構(gòu)和器件的微加工。
背景技術(shù)：
隨著微小型化系統(tǒng)的飛速發(fā)展，對(duì)一些微小型零件及部件等的制造都需要通過微刀 具來加工實(shí)現(xiàn)，因此，微刀具的制造加工已成為發(fā)展微小型系統(tǒng)、精密系統(tǒng)的關(guān)鍵。目 前，微米尺度的微刀具主要通過精密磨削、拋光、線電極放電磨削(WEDG)等技術(shù)來加 工，本發(fā)明提出一種基于聚焦離子束技術(shù)加工微刀具的新方法，可快速精確地加工各種 材料的微刀具，刀具的特征尺寸范圍為1 100nm，刃口圓弧半徑可小于20nm。與其他傳 統(tǒng)的刀具加工方法相比，此方法具有精度高，可重復(fù)性強(qiáng)，在線觀測(cè)，適用于各種材料 和幾何形狀等優(yōu)點(diǎn)。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的技術(shù)解決問題是克服了傳統(tǒng)加工方法很難實(shí)現(xiàn)納米級(jí)刃口半徑和復(fù)雜刀 具輪廓加工的缺點(diǎn)，利用聚焦離子束技術(shù)的銑削功能，獲得了具有精確的特征尺寸，納 米級(jí)的刃口圓弧半徑以及復(fù)雜幾何形狀的微刀具。
本發(fā)明的技術(shù)解決方案是基于聚焦離子束技術(shù)的微刀具加工方法，可通過以下步 驟實(shí)現(xiàn)
(1) 首先將經(jīng)過磨削拋光的刀具毛坯安裝在F舊系統(tǒng)和高精度旋轉(zhuǎn)器相結(jié)合的實(shí) 驗(yàn)平臺(tái)上；
(2) 將刀具毛坯末端的位置調(diào)整到離子束的工作距離，然后旋轉(zhuǎn)樣品臺(tái)，使離子束 的入射方向垂直被加工的面；
(3) 設(shè)定恰當(dāng)?shù)碾x子束參數(shù)，在刀具毛坯的圓柱面上選取需要加工的區(qū)域，通過 FIB銑削獲得刀具的前刀面；
(4) 將刀具順時(shí)針旋轉(zhuǎn)90度，從刀具的背面去除柱體兩側(cè)多余的部分，用來獲得 刀具的兩個(gè)側(cè)刀面；
(5) 再次調(diào)整樣品臺(tái)，使刀具背面的法線方向與離子束成一定的角度，將預(yù)先設(shè)計(jì) 好的.bmp圖形文件通過計(jì)算機(jī)輸入到系統(tǒng)中，進(jìn)行FIB的銑削加工，獲得具 有恰當(dāng)后角的后刀面，最終獲得了不同橫截面形狀的微刀具，如矩形，圓弧形， 三角形，鋸齒形等。上述的聚焦離子束系統(tǒng)所使用的是鎵離子源或鈹離子源，所用的納米旋轉(zhuǎn)器由精密 馬達(dá)驅(qū)動(dòng)，可實(shí)現(xiàn)360。連續(xù)旋轉(zhuǎn)，旋轉(zhuǎn)精度小于l度，納米旋轉(zhuǎn)器固定在聚焦離子束系 統(tǒng)的樣品臺(tái)上；刀具毛坯的選擇取決于所需加工的刀具尺寸，以減少材料去除量、節(jié)約 成本為準(zhǔn)則；刀具的材料可以是高速鋼，硬質(zhì)合金，立方氮化硼，聚晶金剛石，單晶金 剛石等任何刀具材料；離子束的工作距離為19.5mm;為了獲得銳利的切削邊緣及恰當(dāng)?shù)?后角，刀具相對(duì)離子束的位置，以及FIB銑削刀具不同面的順序具有關(guān)鍵的作用；FIB 銑削加工微刀具各個(gè)刀面的順序依次是前刀面、側(cè)刀面、后刀面；如果側(cè)刀面參與切削， 在銑削每個(gè)側(cè)面時(shí)，需要通過調(diào)整被加工面與離子束間的相對(duì)位置，使被銑削的兩個(gè)側(cè) 刀面分別有5"L0。的側(cè)后角；刀具的后角為5-10° ;不同形狀刀具的加工可通過設(shè)計(jì)相 應(yīng)的灰度圖像來實(shí)現(xiàn)。
與傳統(tǒng)加工方法相比，本發(fā)明主要具有的優(yōu)點(diǎn)可精確控制刀具的特征尺寸；被銑 削刀具的幾何形狀不受限制；可形成尖銳的切削邊緣，獲得很小的刀具刃口圓弧半徑； 材料是在原子量級(jí)被去除的，因此在加工時(shí)不會(huì)損傷刀具，避免了刀具的斷裂破損；可 在刀具成型過程中進(jìn)行實(shí)時(shí)觀測(cè)。


圖l基于聚焦離子束的微刀具加工方法的基本原理示意圖。.
圖2基于聚焦離子束的微刀具加工方法的基本步驟示意圖，其中，圖2-l(a)前刀面 離子束銑削的示意圖，深色部分表示要被去除的部分，箭頭表示離子束的入射方向；圖 2-2(b)是前刀面加工后的刀具立體圖；圖2-2(a)側(cè)刀面離子束銑削的示意圖，深色部分表 示要被去除的部分，箭頭表示離子束的入射方向；圖2-2(b)是前刀面和側(cè)刀面加工后的刀 具立體圖；圖2-3(a)為后刀面離子束銑削的示意圖，深色部分表示要被去除的部分，箭頭 表示離子束的入射方向；圖2-3(b)是經(jīng)過前刀面、側(cè)刀面、后刀面加工后的刀具立體圖； 圖2-4是加工完成的刀具的立體圖。
圖3基于聚焦離子束加工圓弧形刀具的流程圖。
具體實(shí)施方式
實(shí)施例1:
通過本發(fā)明方法基于聚焦離子束技術(shù)加工的圓弧形微刀具，加工流程圖見圖3，具體 加工步驟如下
(1) 選取末端直徑約為5C^m的刀具毛坯3，材料為硬質(zhì)合金，安裝在F舊/SEM 雙束系統(tǒng)1和高精度的納米旋轉(zhuǎn)器5相結(jié)合的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)上(參見圖1);
(2) 將刀具毛坯3末端的位置調(diào)整到聚焦離子束2的工作距離19.5mm處，然后 旋轉(zhuǎn)樣品臺(tái)4，使離子束的入射方向垂直被加工的面;
(3) 設(shè)定離子束的能量為30KeV，束流為3nA，在刀具毛坯的圓柱面上選取需要加工的區(qū)域，通過FIB銑削獲得刀具的前刀面，(參見圖2-l，其中圖2-l(a) 為離子束銑削的示意圖，深色部分表示要被去除的部分，箭頭表示離子束的入 射方向；圖2-2(b)是加工后的刀具立體圖)；
(4) 將刀具順時(shí)針旋轉(zhuǎn)90度，去除柱體兩側(cè)多余的部分用來獲得刀具的兩個(gè)側(cè)刀 面(參見圖2-2 (a)和(b)，圖中，深色部分表示要被去除的部分，箭頭表
-示離子束的入射方向)，確定了刀具的寬度為19.52pm;
(5) 傾斜樣品臺(tái)4，使刀具背面的法線方向與離子束的夾角為7。，將圓弧形截面 所對(duì)應(yīng)的.bmp圖形文件通過計(jì)算機(jī)輸入到系統(tǒng)中，設(shè)定上述相同的離子束參 數(shù)進(jìn)行銑削加工，獲得了具有7.2。后角，刃口圓弧半徑小于20nm的圓弧形 微刀具。(參見圖2-3 (a)和(b)以及圖2-4，圖中，深色部分表示要被去
' 除的部分，箭頭表示離子束的入射方向) 實(shí)施例2:
通過本發(fā)明方法基于聚焦離子束技術(shù)加工的矩形微刀具，具體加工步驟如下
(1) 選取末端直徑小于約為60trni的刀具毛坯3，材料為聚晶金剛石(PCD)，安 裝在F舊/SEM雙束系統(tǒng)1和高精度的納米旋轉(zhuǎn)器5相結(jié)合的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)上(參 見圖1);
(2) 將刀具毛坯3末端的位置調(diào)整到聚焦離子束2的工作距離19.5mm處，然后 旋轉(zhuǎn)樣品臺(tái)4，使離子束的入射方向垂直被加工的面；
(3) 設(shè)定離子束的能量為30KeV，束流為7nA，在刀具毛坯的圓柱面上選取需要 加工的區(qū)域，通過FIB銑削獲得刀具的前刀面；
(4) 將刀具順時(shí)針旋轉(zhuǎn)90度，并調(diào)整樣品臺(tái)的位置，使被加工的兩個(gè)側(cè)面分別與 離子束成7°的夾角，獲得刀具的兩個(gè)側(cè)刀面，確定了刀具的寬度為31. 34pm;
(5) 傾斜樣品臺(tái)4，使刀具背面的法線方向與離子束的夾角為7° ，設(shè)定上述相同 的離子束參數(shù)并選定待加工的矩形區(qū)域，進(jìn)行銑削加工，獲得了具有7.2°后 角，刃口圓弧半徑小于20nm的矩形微刀具。
權(quán)利要求
1. 一種基于聚焦離子束技術(shù)的微刀具制備方法，通過以下步驟實(shí)現(xiàn)(1)將經(jīng)過磨削拋光的刀具毛坯固定在旋轉(zhuǎn)器平臺(tái)上；(2)將刀具毛坯末端的位置調(diào)整到聚焦離子束系統(tǒng)的工作距離，然后調(diào)整旋轉(zhuǎn)器平臺(tái)，使離子束的入射方向垂直被加工的面；(3)設(shè)定離子束參數(shù)，在刀具毛坯的圓柱面上選取需要加工的區(qū)域，通過聚焦離子束銑削獲得刀具的前刀面；(4)將刀具順時(shí)針旋轉(zhuǎn)90度，再通過聚焦離子束銑削，去除柱體兩側(cè)多余的部分用來獲得刀具的兩個(gè)側(cè)刀面；(5)再次調(diào)整旋轉(zhuǎn)器平臺(tái)，使刀具背面的法線方向與離子束成所設(shè)定的后角值，將預(yù)先設(shè)計(jì)好的.bmp圖形文件通過計(jì)算機(jī)輸入到系統(tǒng)中，進(jìn)行聚焦離子束的銑削加工，獲得具有恰當(dāng)后角的后刀面和微刀具刃口半徑。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于聚焦離子束技術(shù)的微刀具加工方法，其特征在于，所述的 離子束是鎵離子束或鈹離子束。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于聚焦離子束技術(shù)的微刀具加工方法，其特征在于，所述的 聚焦離子束系統(tǒng)為FIB單束系統(tǒng)或FIB/SEM雙束系統(tǒng)。
4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于聚焦離子束技術(shù)的微刀具加工方法，其特征在于，步驟(1) 中的旋轉(zhuǎn)器由精密馬達(dá)驅(qū)動(dòng)實(shí)現(xiàn)360。連續(xù)旋轉(zhuǎn)，旋轉(zhuǎn)精度不低于1度。
5. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于聚焦離子束技術(shù)的微刀具加工方法，其特征在于，F(xiàn)IB銑 削微刀具各個(gè)刀面的順序?yàn)橄燃庸で暗睹?，然后是?cè)刀面，最后是后刀面。
6. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于聚焦離子束技術(shù)的微刀具加工方法，其特征在于，刀具毛 坯的材料為高速鋼、硬質(zhì)合金、立方氮化硼、聚晶金剛石或單晶金剛石。
7. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于聚焦離子束技術(shù)的微刀具加工方法，其特征在于，在步驟(2)中的工作距離取19.5mm。
8. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于聚焦離子束技術(shù)的微刀具加工方法，其特征在于，所述步 驟(4)中，如果側(cè)刀面參與切削，在銑削每個(gè)側(cè)面時(shí)，需要分別通過調(diào)整被加工面 與離子束間的相對(duì)位置，使被銑削的兩個(gè)側(cè)刀面分別有5-10°的側(cè)后角。
9. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于聚焦離子束技術(shù)的微刀具加工方法，其特征在于，所述步 驟(5)中，刀具的后角為5-10°。
全文摘要
本發(fā)明屬于復(fù)雜微納結(jié)構(gòu)和器件的微加工技術(shù)領(lǐng)域，涉及一種基于聚焦離子束(Focused ion beam，F(xiàn)IB)技術(shù)的微刀具加工方法，該方法是將FIB技術(shù)的應(yīng)用擴(kuò)展到微型刀具的加工中，在設(shè)計(jì)組建的聚焦離子束系統(tǒng)與高精度的旋轉(zhuǎn)器相結(jié)合的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)上，利用聚焦離子束的銑削功能對(duì)不同材料的刀具毛坯進(jìn)行復(fù)雜三維結(jié)構(gòu)的微刀具加工。通過設(shè)定恰當(dāng)?shù)木劢闺x子束加工參數(shù)以及精確控制刀具毛坯與離子束入射方向之間的方位，輸入不同的灰度圖像精確控制FIB銑削，能夠加工各種復(fù)雜幾何形狀的微刀具。與其他傳統(tǒng)的刀具加工方法相比，本發(fā)明提出的方法具有精度高、可重復(fù)性強(qiáng)、應(yīng)力應(yīng)變小、可在線觀測(cè)、適用于各種材料和幾何形狀等優(yōu)點(diǎn)。
文檔編號(hào)B82B3/00GK101543901SQ20091006798
公開日2009年9月30日 申請(qǐng)日期2009年2月27日 優(yōu)先權(quán)日2009年2月27日
發(fā)明者張少婧, 徐宗偉, 房豐洲, 胡小唐 申請(qǐng)人:天津大學(xué)