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日本产综研开发可在扫描电镜中工作的纳米机械加工系统

展会前线中国仪表网2006年04月05日 11:13人气:673

日经BP社2006年3月15日报道 日本产业技术综合研究所先进制造工艺研究部门Fine factory研究小组研究员芦田极、日本富山大学教授森田升及其助手高野登,日前开发出了可在扫描电子显微镜(SEM)中工作的纳米机械加工系统,成功地以视频方式拍摄到了以单晶硅为切削材料进行纳米级切削的过程。

这套加工系统使用了原子力显微镜(AFM)装置,加工工具则使用自主开发的加工悬臂。通过改变加在悬臂顶端刀刃上的接触荷重,在1~100nm的范围内控制切进深度,以纳米为单位进行切削。利用SEM把刀刃顶端放大以后进行观察,能够以视频方式记录纳米级切削的过程。

通过直接观察加工过程,能够得到极为翔实的信息,因此该系统将会成为用来阐明利用纳米机械加工进行材料清除的原理,以及探索最佳加工条件的强有力工具。在SEM中工作的纳米机械加工系统的开发可应用于纳米压印等工艺所使用的纳米模具的修正加工等,将会推动纳米应用技术的实用化开发。

机械加工依据的基本原理是使用固体工具对材料进行切削,在基础实验中可以证明,只要有纳米级的尖锐工具和超精密驱动装置,理论上就能以纳米为单位进行切削加工。最近几年来,使用AFM装置的纳米机械加工曾经作为超LSI用光掩膜修正加工技术得到过实际应用,因此作为可应用于纳米应用领域的技术被业界寄予很高的期望。然而,尽管加工原理看似简单,但尤其是从加工尺寸小这个条件来说,很难对加工现象进行观测,因此对它的机理还存在很多尚未阐明的东西,现场的理解和经验要领先于理论性的解释。

该研究小组早在10年前就开始了有关利用AFM装置进行纳米级切削加工的研究,独自开发出了纳米级切削加工的实验观测系统、以及作为其关键零部件的加工悬臂,反复实施了旨在对加工现象进行观察的基础实验。

同时还进行了旨在追求加工精度的研究,甚至在地方新生联盟的研究开发业务中实施了以实用化为目的的纳米加工与测量系统的开发,以及提高加工悬臂用刀刃尖锐度的技术开发。希望直接观察纳米加工过程的愿望在了解加工现象方面是一种自然而然的想法,同时也是必不可少的信息。出于这种考虑,在日本新能源与产业技术综合开发机构(NEDO)产业技术研究扶持项目的帮助下一直在进行相关研究。

此项研究大体包括两种开发要素,一是建立在SEM中工作的纳米加工系统,二是开发可完全能够对刀刃顶端部分进行放大观察的尖锐加工悬臂。

本次实验使用的单晶硅通常称为硬脆材料,质地坚硬。从其性质上来说,在机械微加工中像玻璃一样易碎。而在纳米切削中,即使像玻璃一样的硬脆材料也表现得和普通金属材料一样,可顺利进行延性模式切削。本次实验结果证实,既然单晶硅比普通金属材料还硬,因而纳米机械加工可广泛应用于金属和玻璃等多种材料。

此次发表中所讲的“纳米级机械加工的直接观测”就是指,不论加工尺度如何,均可得出有助于阐明机械加工基本原理的有益数据。从上述学术观点来说,该系统有望成为阐明机械加工原理的强有力工具。另外,对于在产业界的应用来说,由于已经有了称为超LSI光掩膜修正系统的实用化先例,因此可望用于推进旨在探索最佳加工条件的研究工作,以及新的应用技术开发。
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