基于sem原位在線觀測(cè)的納米切削裝置制造方法
【專(zhuān)利摘要】本發(fā)明提供一種基于SEM原位在線觀測(cè)的納米切削裝置，包括基座(1)，位于基座(1)兩側(cè)的具有相同高度的兩塊立板(10)，掃描電子顯微鏡(2)，納米移動(dòng)臺(tái)(4)，包括上微動(dòng)臺(tái)(8)和下微動(dòng)臺(tái)(9)的多軸精密微移動(dòng)臺(tái)，金剛石刀具(3)，隔離板(5)樣品托(7)，隔離板(5)與立板(10)相連并懸于下微動(dòng)臺(tái)的上方，中間開(kāi)設(shè)有孔洞，下微動(dòng)臺(tái)(9)置于基座(1)上；上微動(dòng)臺(tái)(8)置于下微動(dòng)臺(tái)(9)上面，通過(guò)孔洞伸出；納米移動(dòng)臺(tái)(4)置于隔離板(5)上，帶動(dòng)金剛石刀具(3)進(jìn)行切削運(yùn)動(dòng)。本發(fā)明結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，穩(wěn)定可靠，可以實(shí)現(xiàn)原位觀測(cè)功能，而且對(duì)刀容易，提高了加工的靈活性。
【專(zhuān)利說(shuō)明】基于SEM原位在線觀測(cè)的納米切削裝置
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種納米切削裝置，具體而言，涉及一種基于SEM(掃描電子顯微鏡)高真空環(huán)境下進(jìn)行納米切削的實(shí)驗(yàn)裝置，該裝置可應(yīng)用于納米切削機(jī)理的實(shí)驗(yàn)研究。
【背景技術(shù)】
[0002]由于納米切削中切削厚度已與刀具刃口半徑為同一數(shù)量級(jí)，受到材料尺寸效應(yīng)、刀具刃口效應(yīng)和切削比能急劇增加等尺度效應(yīng)的影響，在材料去除機(jī)理等方面納米切削已與傳統(tǒng)切削存在顯著不同。傳統(tǒng)剪切理論已無(wú)法有效解釋和分析納米切削加工結(jié)果和現(xiàn)象，亟需深入系統(tǒng)針對(duì)納米切削機(jī)理中存在的新現(xiàn)象與新規(guī)律開(kāi)展相關(guān)研究。
[0003]目前，對(duì)納米切削機(jī)理的實(shí)驗(yàn)研究主要利用超精密車(chē)床對(duì)材料進(jìn)行極限切削。但是基于超精密車(chē)床的極限切削研究存在切屑觀測(cè)困難、在線搜集工藝復(fù)雜等難題，而且相關(guān)離線表征分析中也會(huì)額外引入不確定因素，包括空氣氧化、灰塵污染等，不利于納米切削機(jī)理研究。
[0004]另外，有人在SEM中對(duì)材料進(jìn)行納米壓痕實(shí)驗(yàn)，但是金剛石壓頭結(jié)構(gòu)參數(shù)與刀具參數(shù)差別巨大，如無(wú)法實(shí)現(xiàn)刀具前后角等，降低了納米切削加工相關(guān)機(jī)理研究的有效性和真實(shí)性。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本發(fā)明的目的在于，克服上述現(xiàn)有納米切削機(jī)理研究方法的不足，提出一種可以實(shí)現(xiàn)原位在線觀測(cè)功能的納米切削裝置，用以更好地研究納米切削機(jī)理。
[0006]本發(fā)明的目的是通過(guò)下述方案實(shí)現(xiàn)的:
[0007]一種基于SEM原位在線觀測(cè)的納米切削裝置，置于真空腔內(nèi)，包括基座(I)，位于基座(I)兩側(cè)的具有相同高度的兩塊立板(10)，掃描電子顯微鏡(2)，納米移動(dòng)臺(tái)(4)，包括上微動(dòng)臺(tái)(8)和下微動(dòng)臺(tái)(9)的多軸精密微移動(dòng)臺(tái)，金剛石刀具和刀柄(3)，隔離板(5)樣品托(7)，其中，隔離板(5)與立板(10)相連并置于下微動(dòng)臺(tái)的上方，中間開(kāi)設(shè)有孔洞。隔離板(5)與下微動(dòng)臺(tái)(9)之間相隔一定距離，下微動(dòng)臺(tái)(9)置于基座⑴上，具有X、Y自由度；上微動(dòng)臺(tái)(8)置于下微動(dòng)臺(tái)(9)上面，通過(guò)隔離板(5)上的孔洞伸出，上微動(dòng)臺(tái)(8)具有Z、R自由度；納米移動(dòng)臺(tái)⑷置于隔離板(5)上，具有X軸、Y軸、Z軸三個(gè)自由度，帶動(dòng)金剛石刀具(3)進(jìn)行切削運(yùn)動(dòng)，X軸是切削深度方向，Y軸是切削方向，Z軸用于微調(diào)樣品與刀具直線刃的位置高度關(guān)系；樣品托置于上移動(dòng)臺(tái)上；掃描電子顯微鏡(2)用于進(jìn)行切削加工的原位在線觀測(cè)。
[0008]本發(fā)明提出的基于SEM原位在線觀測(cè)的納米切削裝置，用于納米切削機(jī)理的實(shí)驗(yàn)研究，與傳統(tǒng)的超精密車(chē)削方法相比，具有以下顯著優(yōu)勢(shì):
[0009]首先，本發(fā)明應(yīng)用在SEM高真空環(huán)境下研究納米切削機(jī)理，可以實(shí)現(xiàn)在線觀測(cè)功能，便于原位分析材料的納米去除模式、切屑形態(tài)以及材料的加工表面質(zhì)量。
[0010]其次，對(duì)刀過(guò)程在SEM的監(jiān)測(cè)下進(jìn)行，操作靈活，容易對(duì)刀，顯著提高實(shí)驗(yàn)效率。多維納米移動(dòng)臺(tái)具有納米級(jí)定位精度及分辨率，能夠控制切削深度達(dá)到納米量級(jí)甚至小于刀具刃口半徑。
[0011]另外，如果在大氣環(huán)境下進(jìn)行切削實(shí)驗(yàn)，然后利用SEM對(duì)其結(jié)果進(jìn)行離線分析表征，材料會(huì)額外引入空氣氧化、灰塵污染等不確定因素。本發(fā)明基于SEM的真空環(huán)境進(jìn)行原位實(shí)驗(yàn)，避免上述不確定因素的發(fā)生。
【專(zhuān)利附圖】

【附圖說(shuō)明】
[0012]圖1是納米切削裝置結(jié)構(gòu)圖。
[0013]圖2是沿SEM觀測(cè)方向切削過(guò)程原理圖。
[0014]圖3是單晶銅納米切削過(guò)程SEM照片
[0015]圖4 Ca)是單晶硅脆塑轉(zhuǎn)變實(shí)驗(yàn)SEM照片。
[0016]圖4 (b)是單晶硅脆性切削實(shí)驗(yàn)SEM照片。
[0017]附圖標(biāo)記:1基座；2SEM ；3金剛石刀具及刀柄；4多維納米移動(dòng)臺(tái)；5隔離板；6樣品；7樣品托；8上微動(dòng)臺(tái)；9下微動(dòng)臺(tái)；10立板。
【具體實(shí)施方式】
[0018]本發(fā)明應(yīng)用與納米切削機(jī)理的實(shí)驗(yàn)研究中，其步驟如下。
[0019]參見(jiàn)圖1納米切削裝置結(jié)構(gòu)圖。
[0020]整體的切削裝置具有:基座I ;SEM2 ;多維納米移動(dòng)臺(tái)4 ;多軸精密微移動(dòng)臺(tái)(包括上微動(dòng)臺(tái)8和下微動(dòng)臺(tái)9);金剛石刀具和刀柄3 ;隔離板5 ;立板10 ;樣品6 ;樣品托7 ；
[0021]上微動(dòng)臺(tái)8包括Z、R自由度，下微動(dòng)臺(tái)9包括X、Y自由度，其中上微動(dòng)臺(tái)8通過(guò)螺紋固定于下微動(dòng)臺(tái)9上。納米移動(dòng)臺(tái)4具有X、Y、Z三個(gè)自由度，帶動(dòng)金剛石刀具3進(jìn)行切削運(yùn)動(dòng)，X軸是切削深度方向，Y軸是切削方向，Z軸用于微調(diào)樣品與刀具直線刃的位置高度關(guān)系。
[0022]立板10通過(guò)頂絲固定在基座I上面，中間開(kāi)設(shè)有孔洞，為了使上微動(dòng)臺(tái)8的Z向移動(dòng)和下微動(dòng)臺(tái)9的Χ、Υ方向移動(dòng)與隔離板5不產(chǎn)生干涉。它將納米移動(dòng)臺(tái)4和多軸精密微移動(dòng)臺(tái)分離，實(shí)現(xiàn)樣品6與刀具3的相對(duì)運(yùn)動(dòng)。隔離板5與下微動(dòng)臺(tái)之間距離約為5mm。如果不使用隔離板5，直接將納米移動(dòng)臺(tái)4固定在下微動(dòng)臺(tái)9上，則刀具與樣品隨著下微動(dòng)臺(tái)9 一同移動(dòng)，不能夠使樣品靠近刀具完成切削。
[0023]圖2是沿著SEM2觀測(cè)方向的納米切削過(guò)程俯視圖，通過(guò)SEM2在線觀測(cè)材料去除方式。切削加工之后，通過(guò)基座I的T軸，旋轉(zhuǎn)樣品一定角度，即能觀察材料已加工表面的
表面質(zhì)量。
[0024]參見(jiàn)圖1，首先將樣品6粘在樣品托7上，或者螺紋緊固，并將樣品托7通過(guò)頂絲固定在上微動(dòng)臺(tái)8上。立板10通過(guò)頂絲緊固在裝置基座I上。頂絲可以通過(guò)人為旋緊或者松動(dòng)來(lái)微調(diào)金剛石刀具3在SEM2視野中的位置。將納米移動(dòng)臺(tái)4通過(guò)螺紋安裝在隔離板5上，再將金剛石刀具與刀柄3螺紋緊固在納米移動(dòng)臺(tái)4上。完成安裝工序并將裝置推入SEM真空腔內(nèi)。
[0025]然后，通過(guò)PC控制下微動(dòng)臺(tái)9帶動(dòng)樣品6在X、Y方向迅速靠近刀具3，控制上微動(dòng)臺(tái)8在Z方向調(diào)整樣品與刀具高度相同。樣品置于待切削區(qū)域。通過(guò)納米移動(dòng)臺(tái)4控制金剛石刀具3預(yù)切削材料表面，然后退回，使刀具的直線刃與樣品6表面平行，并且此時(shí)刀具位置為切削深度為零處。
[0026]最后，控制金剛石刀具3沿切深X方向納米量級(jí)進(jìn)給，并控制刀具沿Y方向進(jìn)行對(duì)材料的切削實(shí)驗(yàn)。同時(shí)，通過(guò)SEM2對(duì)切削過(guò)程在線觀測(cè)，分析材料去除機(jī)理和切屑形態(tài)以及材料表面質(zhì)量，完成納米切削實(shí)驗(yàn)。
[0027]實(shí)施例1
[0028]利用直線刃金剛石刀具對(duì)單晶銅材料進(jìn)行納米切削，研究材料去除機(jī)理。采用5kV加速電壓和98pA的束流觀測(cè)，切削深度設(shè)為50nm，切削速度設(shè)為10nm/S。原位在線觀測(cè)納米切削過(guò)程，圖3是切削過(guò)程某一時(shí)刻的SEM圖。
[0029]實(shí)施例2
[0030]利用直線刃金剛石刀具對(duì)單晶硅材料進(jìn)行納米切削，研究脆性材料的脆塑轉(zhuǎn)變厚度。采用5kV加速電壓和98pA的束流觀測(cè)，斜切實(shí)驗(yàn)切削深度范圍為50nm?Onm，切削速度設(shè)為lOnm/s。原位在線觀測(cè)納米切削過(guò)程，圖4 (a)和(b)是切削后硅表面形貌SEM圖。
【權(quán)利要求】
1.一種基于SEM原位在線觀測(cè)的納米切削裝置，置于真空腔內(nèi)，包括基座(1)，位于基座(I)兩側(cè)的具有相同高度的兩塊立板(10)，掃描電子顯微鏡(2)，納米移動(dòng)臺(tái)(4)，包括上微動(dòng)臺(tái)(8)和下微動(dòng)臺(tái)(9)的多軸精密微移動(dòng)臺(tái)，金剛石刀具(3)，隔離板(5)樣品托(7)，其中，隔離板(5)與立板(10)相連并置于下微動(dòng)臺(tái)的上方，中間開(kāi)設(shè)有孔洞。隔離板(5)與下微動(dòng)臺(tái)(9)之間相隔一定距離，下微動(dòng)臺(tái)(9)置于基座(I)上，具有X、Y自由度；上微動(dòng)臺(tái)(8)置于下微動(dòng)臺(tái)(9)上面，通過(guò)隔離板(5)上的孔洞伸出，上微動(dòng)臺(tái)(8)具有Z、R自由度；納米移動(dòng)臺(tái)(4)置于隔離板(5)上，具有X軸、Y軸、Z軸三個(gè)自由度，帶動(dòng)金剛石刀具(3)進(jìn)行切削運(yùn)動(dòng)，X軸是切削深度方向，Y軸是切削方向，Z軸用于微調(diào)樣品與刀具直線刃的位置高度關(guān)系；樣品托置于上移動(dòng)臺(tái)上；掃描電子顯微鏡(2)用于進(jìn)行切削加工的原位在線觀測(cè)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的切削裝置，其特征在于，納米移動(dòng)臺(tái)(4)尺寸為30mmX 30mmX42mm,重復(fù)定位精度小于3nm,移動(dòng)分辨率小于Inm ；X> Y方向運(yùn)動(dòng)行程為7 μ m,能實(shí)現(xiàn)的切削厚度為O?7 μ m。并且X、Y兩軸具有并聯(lián)運(yùn)動(dòng)功能，可以實(shí)現(xiàn)直線、斜線、正弦曲線等多種加工軌跡。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的切削裝置，其特征在于，金剛石刀具(3)為聚焦離子束加工的直線刃刀具，刃長(zhǎng)為10?15 μ m,前角0° ,后角5?8° ,刃口半徑為20?60nm。
【文檔編號(hào)】B23B5/00GK103878392SQ201410123818
【公開(kāi)日】2014年6月25日 申請(qǐng)日期:2014年3月28日 優(yōu)先權(quán)日:2014年3月28日
【發(fā)明者】劉冰, 房豐洲, 徐宗偉, 兀偉, 趙兵, 賈瑞麗, 曹克雄 申請(qǐng)人:天津大學(xué)