基于聚焦離子束銑削技術(shù)的微刀具制備

張少婧，徐宗偉，房豐洲，胡小唐

(天津大學精密測量技術(shù)與儀器國家重點實驗室，天津市微納制造技術(shù)工程中心，天津 300072)

隨著半導體器件、微型機械、光通訊、微電子技術(shù)等的發(fā)展，對更高精度尺寸、形狀加工的要求愈加強烈，使微細加工和超微細加工不斷發(fā)展，成為精密加工領(lǐng)域中的一個極重要的關(guān)鍵技術(shù)[1]．而微細切削刀具是微細切削加工的重要研究對象，是基于微細切削的特點與加工機理，面向多種材料微小零件或結(jié)構(gòu)具體加工需求的一類特種切削刀具，已成為發(fā)展微小型系統(tǒng)、精密系統(tǒng)的關(guān)鍵．具有較小的特征尺寸，鋒銳的刃口及復雜形狀微型刀具的制備一直是制約微細切削刀具發(fā)展的關(guān)鍵技術(shù)．利用聚焦離子束技術(shù)(focused ion beam，F(xiàn)IB)來實現(xiàn)微刀具的制備，能夠解決上述的技術(shù)問題，因而必將成為一種重要的微細切削刀具的制備方法．

聚焦離子束技術(shù)作為一種新型的微納加工和分析技術(shù)，集材料刻蝕、沉積、注入和改性于一身，主要應(yīng)用包括集成電路的缺陷診斷修補、TEM 和 STEM的樣品制備、掃描離子顯微鏡、FIB直接注入、FIB曝光、微納結(jié)構(gòu)及關(guān)鍵元器件的制造、多束技術(shù)和全真空聯(lián)機技術(shù)等[2-8]，并越來越廣泛地應(yīng)用在國防、航空航天、光學、材料科學以及生物科學等各個領(lǐng)域．隨著FIB技術(shù)研究的不斷深入，它已成為具有廣泛發(fā)展前景的微細加工技術(shù)之一．

FIB可以對硬質(zhì)合金、高速鋼、金剛石等多種刀具材料進行微細加工，利用其制備微刀具主要有以下幾個優(yōu)點：①可形成鋒銳的切削刀刃，獲得極其微小的刀具刃口半徑；②被制作的刀具的幾何形狀不受限制；③可精確控制刀具的特征尺寸；④材料是在原子量級被去除的，無加工應(yīng)力-應(yīng)變，避免了刀具的斷裂破損；⑤可在刀具成型過程中進行在線實時觀測．但FIB加工在保證高精度的同時也存在加工效率低、成本較高等缺點．

筆者利用聚焦離子束的無掩模加工、靈活性高和精度高等特點，探索通過FIB銑削進行微切削刀具的制備及其加工性能研究．

1 FIB制備微刀具的方法

基于聚焦離子束技術(shù)制備微刀具是利用 FIB的銑削功能來實現(xiàn)的，圖1是FIB銑削加工的原理[9]．液態(tài)金屬鎵離子通過電磁場聚焦成細束后，入射離子轟擊固體材料的表面，使樣品中的原子獲得離子的動能濺射出表面，實現(xiàn)了原子量級的逐層去除．

圖1 FIB銑削加工的原理Fig.1 Schematic of FIB milling

微刀具的典型特征尺寸一般在5～50,μm的范圍內(nèi)，因此，為了減少 FIB加工微刀具過程中的材料去除量，提高加工效率，應(yīng)選擇末端尺寸接近目標微刀具尺寸的毛坯．在 FIB銑削微刀具的過程中，決定刀具特性，譬如刃口半徑、前刀面、后角等的關(guān)鍵因素有：刀具的旋轉(zhuǎn)定位、刀具相對離子束的位置以及FIB銑削刀具不同面的順序等．刀具的旋轉(zhuǎn)是通過一個高精度的旋轉(zhuǎn)器來控制的，通過旋轉(zhuǎn)刀具實現(xiàn)精確地定位各個被 FIB銑削的刀面．研究證明，距離離子源最遠的面的邊緣會產(chǎn)生更尖銳的邊緣，相反則邊緣會產(chǎn)生圓角，這是由于高斯分布的離子束部分強度擴散到了被定義圖形邊界的外邊所引起的[10-12]．因此，為了產(chǎn)生鋒銳的切削邊緣刃口半徑，F(xiàn)IB銑削不同刀面的次序以及加工過程中刀具相對離子束的位置都具有至關(guān)重要的作用[13]．

圖2是FIB制備微刀具的加工步驟示意，箭頭指示了離子束濺射的方向，深色陰影部分表示被FIB銑削去除的區(qū)域．首先，在刀具毛坯的圓柱面上銑削前刀面，如圖 2(a)所示．通過 FIB銑削可獲得一個表面平滑的前刀面．然后，將刀具毛坯旋轉(zhuǎn)90°，使離子束在前刀面背對的圓錐面上進行銑削加工，如圖 2(b)所示．柱體兩側(cè)的部分被去除，獲得了 2個鋒銳的切削邊緣，被銑削的2個相對的平面作為刀具的側(cè)后刀面．最后，銑削刀具的主后刀面并獲得恰當?shù)暮蠼侨鐖D2(c)所示．根據(jù)所需的刀具橫截面形狀向系統(tǒng)輸入相應(yīng)的加工圖形，圖2中加工的是圓弧形刀具．離子束垂直于刀具的背面進行銑削，通過調(diào)整聚焦離子束的入射角，即離子束與刀具背面的法向平面之間的夾角，可獲得合適的后角．同時，產(chǎn)生了鋒銳的切削刃．通過以上的加工步驟，最終由FIB銑削獲得了一個具有鋒銳刃口和合適后角的微刀具，如圖2(d)所示．

圖2 FIB制備微刀具的加工步驟示意Fig.2 Schematic of procedures of micro tools fabrication Fig.2 with FIB milling

2 實驗與分析

FIB銑削微刀具的實驗平臺如圖3所示，主要由2部分組成：聚焦離子束系統(tǒng)和納米旋轉(zhuǎn)器．該FIB/SEM 雙束系統(tǒng)將具有高精度成像分辨率的場發(fā)射掃描電子顯微鏡(SEM)與精確的聚焦離子束銑削結(jié)合在一起，采用液態(tài)金屬鎵作為離子源，離子束的工作電壓范圍為 5～30,kV，工作電流的變化范圍1,pA～20,nA．在最小束流下，離子束的半最大值全寬(FWHM)直徑可小至 5,nm．樣品臺是一個五軸馬達臺，x、y、z軸方向上的運動范圍為 50,mm×50,mm×25,mm，重復精度為 2,μm，可連續(xù)旋轉(zhuǎn) n×360°，傾斜角度從-15°到 60°．納米旋轉(zhuǎn)器(RT-STEM)是一個獨立的旋轉(zhuǎn)軸，由納米馬達驅(qū)動可實現(xiàn) 360°連續(xù)旋轉(zhuǎn)，最小轉(zhuǎn)角為10-7rad．在加工微刀具的過程中，將旋轉(zhuǎn)器安裝在雙束系統(tǒng)的樣品臺上，刀具毛坯固定在旋轉(zhuǎn)軸的前端，可以為雙束系統(tǒng)的樣品臺提供另一個自由度．通過調(diào)整離子束與毛坯之間的相對位置，可以精確地銑削各種微刀具．

利用 FIB銑削的微刀具進行超精密加工時所使用的超精密數(shù)控金剛石車床，用于高精度的單點金剛石車削，其精度高，穩(wěn)定性好，可獲得納米量級的表面粗糙度和亞微米級的面形精度．它的編程分辨率為1.0,nm，反饋分辨率達0.034,nm．

白光干涉儀用來測量被微刀具加工的工件的表面形貌．它可以快速精確地進行三維表面形貌的測量，垂直測量范圍從0.1,nm到10,mm，垂直分辨率小于0.8,nm．

本實驗使用硬質(zhì)合金材料作為刀具的毛坯，它末端的截面直徑約為 30,μm．首先將刀具毛坯固定在納米旋轉(zhuǎn)器的旋轉(zhuǎn)軸上，然后將旋轉(zhuǎn)器安裝在雙束系統(tǒng)的樣品臺上，如圖3所示．按照第1節(jié)介紹的FIB制備微刀具的方法及步驟，獲得了一個橫截面為矩形的微型刀具，圖4是刀具在不同方位的SEM圖片．其中，圖4(a)～,(c)分別為刀具的全視圖，側(cè)視圖和俯視圖．在加工過程中所使用的鎵離子束的能量為30,keV，束流為 3,nA．刀具的寬度為 7.65,μm，高度為 15.42,μm，前角為0°，主后角為15.9°，側(cè)后角為4.5°．使用白光干涉儀在 7.5×9,μm 的測量范圍內(nèi)測得刀具前刀面的粗糙度為6.76,nm．通過SEM測得刀具刃口圓弧半徑的最大值約為30,nm．

圖3 FIB銑削微刀具的實驗平臺Fig.3 Photograph of system for micro tool fabrication with FIB milling

圖4 FIB銑削的矩形微刀具的SEM照片F(xiàn)ig.4 Scanning electron micrographs of micro tool with rectangular cross-section fabricated with FIB milling

圖5 使用FIB制備的刀具在Al6061工件上加工的一系列環(huán)形凹槽的SEM照片F(xiàn)ig.5 Scanning electron micrographs of annular microgrooves on 6061 Al machined by FIB-fabricated tool

為了測試刀具的加工性能，將FIB加工的微型車刀安裝在單點金剛石車床上，在材料為 Al6061的工件表面上進行加工．在不同的主軸轉(zhuǎn)速和切削深度下，加工了一系列同心環(huán)形微槽，加工結(jié)果如圖 5所示．使用白光干涉儀測量不同的加工參數(shù)下，被加工微凹槽的特征尺寸，表面粗糙度，邊緣垂直度等，測量數(shù)據(jù)如表 1所示．從表 1中可見，微刀具加工的微槽寬度接近刀具的實際寬度，并且在切削深度相同的情況下，隨著主軸轉(zhuǎn)速的不斷增加，微槽的寬度越接近于刀具的寬度；此外，在主軸轉(zhuǎn)速不變時，切削深度越大，凹槽的邊緣垂直度越好，在切削深度為4,μm時接近90°．加工后刀具的磨損情況如圖6所示．

圖6 刀具進行切削試驗后的SEM照片F(xiàn)ig.6 Scanning electron micrographs of micro tool after cutting test

表1 不同加工參數(shù)下車削的一系列微槽的測量結(jié)果Tab.1 Measuring results of machined microgrooves with various cutting parameters

3 結(jié) 語

本文通過組建FIB銑削微刀具的實驗平臺，提出了利用聚焦離子束銑削功能制備微刀具的方法，設(shè)計了基于FIB制備微刀具的加工過程及步驟，獲得了具有高精度特征尺寸、鋒銳刃口及復雜形狀的微刀具．使用離子束對硬質(zhì)合金材料的毛坯進行銑削，獲得了一個刀具寬度為 7.65,μm、刃口半徑小于 30,nm的矩形微刀具．將制備的刀具安裝在超精密金剛石車床上，在 Al6061工件表面車削了一系列同心環(huán)形微槽．測量結(jié)果表明，隨著主軸轉(zhuǎn)速的不斷增加，微槽的寬度越接近于刀具的寬度；而凹槽的邊緣垂直度則與切削深度成正比．

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