CN101539568A - 用气体对流换热对探针实施冷却/加热的冰镊/光刻装置 - Google Patents

Abstract

一种用气体对流换热对探针实施冷却/加热的冰镊/光刻装置，包括冷/热气体传输***、操作***和数据采集***；操作***包括位于底座上的操作室，操作室的上端设观察视窗，左右侧壁上设通孔，前或后侧壁上设排气孔；操作室内底座上置二维操作平台，平台作平面二维运动，平台两侧设第一和第二旋转机械臂，机械臂端部装探针；冷/热气传输***由冷源储气瓶、热源储气瓶，冷源绝热传输管线和热冷源绝热传输管线组成，分别与冷源储气瓶和热源储气瓶相连的冷源绝热传输管线和热源绝热传输管线伸入操作室；数据采集***由计算机、与计算机相连的数据采集装置和热电偶组成，热电偶连接于探针尖端部分。具结构简单，易于实现，安全可靠，成本低等优点。

Description

用气体对流换热对探针实施冷却/加热的冰镊/光刻装置

技术领域

本发明涉及一种用气体对流换热对探针实施冷却/加热的冰镊/光刻装置，以达到对微米/纳米尺度物体进行冰镊操控或进行热化学微米/纳米光刻加工。

背景技术

近期，国际上在微/纳米技术领域方面的研究如火如荼，展示了一个具有重大发展前景的研究方向。其中微/纳米尺度下的操作技术以及微/纳米尺度加工技术都是研究者们关注的热点。

随着自然科学与工程技术向微型化趋势的快速迈进，微/纳米操作技术研究逐步引起了人们的广泛重视。操纵微小物体的工具，一般称为微/纳米镊，这是与宏观操纵过程中的机器手相比拟而得来的。借助于微/纳米操作技术，人们可以随意的加工和组装出三维MEMS元件，亦或是将其用于移动微机器人***从而完成相应的实践活动；纳米操作的目的则在于在更小尺度上的操作如分子组装，以及对纳米尺度下的器件或生物学对象如DNA、蛋白质等进行操作以满足各种分析目的；在有些场合下，为了获得对问题的清晰认识，需要对微材料进行分拣，如从一堆杂乱的碳纳米管丛中挑出符合规格的单根碳纳米管来进行检测和评价，这都需要极为精细的拾取方法。因此对微小物体的操纵，当前已成为诸多研究与应用场合中极具挑战性的课题。而微/纳米操作与宏观尺寸下的情况极为不同，其操作对象肉眼不可见，必须借助特定的具有多种放大倍率及多自由度观察能力的显微镜才可进行操作；且操作对象质量轻，结构脆弱，易于损毁；形状复杂；制约微操作过程的物理化学规律与大尺寸情况不同；操作行为却与大尺寸同样呈多样化，如沉积、揭起、抓获、弯折、移动、释放、扭曲、振动、拉伸及旋转等。发展微/纳米操作技术时，需要兼顾操作器与对象之间相互作用的复杂度、精巧性、准确性及效率。

迄今已有一系列形式多样的方法被相继提出，其工作原理大体基于机械、水力学、光压、超声、静电、电磁等效应或这些效应的组合实现。2003年，刘静等从低温工程学角度出发，提出一种采用针尖与对象之间形成的极微小的冰晶来实现对物体的操纵，因而可形象地称为冰镊。与已有的各种微/纳米操作原理不同的是，这种方法在操作时所需执行的只是冻结过程，使探针尖端与待操作对象之间形成一个微小的冰球，从而借助于该冰球牢牢的将对象抓起并完成各种操作，因此工作十分简便。前期试验表明，应用冰镊可方便地对物体实施各种复杂的操作，如拉伸、旋转等，且不受对象的形状、轻重、柔软或是坚硬程度，以及是否生物或非生物材料、含水或带电与否等的限制，并可与其它机构结合，组成微观意义上的自动化设备。

与微操作类似的，微/纳米尺度加工技术也十分引人瞩目，因为它是实现微/纳米尺度下各种器件的基础。光刻技术是微/纳米尺度加工技术中的一种，美国乔治亚工学院研究人员成功开发出一种纳米光刻技术，称为热化学纳米光刻术(TCNL)，通过电阻加热使原子力显微镜的硅材料探针升温，并使它在高分子薄膜上“行走”，通过探针尖的热量导致高分子膜表面发生化学反应，而改变薄膜的化学性质，以完成光刻过程。这种纳米光刻术不仅速度极快，“刻写”尺寸小，能够用于包括空气和液体等多种工作环境，而其另一个特点是它不像常规纳米光刻术那样，需要其他的化学物质或强电场。研究人员同样提出，采用IBM公司开发的原子力显微镜探针组，热化学纳米光刻术还具有大规模生产的潜能，可让用户同时用上千个针尖独立地“刻写”图案。在上述研究者之前，中国科学院理化技术研究所白晓丹硕士论文中，就提出并研究过利用加热提升化学蚀刻精度的思想。

可以看出，热化学纳米光刻术与冰镊存在异曲同工之处，即同样利用热力学效果对探针施加影响，并利用热传导的方式将能量传递至探针尖端；而其不同之处在于，两者使用了相反的热力学效果以实现完全不同的功能。冰镊采用热力学中的冷却效应对探针尖端进行降温，通过探针尖端的冷量使其与操作对象之间形成的极微小冰晶来完成对物体的操纵，冷却效应通过节流、半导体制冷等实现；热化学纳米光刻术则是利用热力学中的加热效应对探针尖端进行升温，通过探针尖的热量导致高分子膜表面发生化学反应，而改变薄膜的局部化学性质，以完成光刻过程，加热效应由电阻加热完成。然而，上述两种技术中均存在一定局限性，如微/纳米尺度下的热传导过程受环境影响较大，能量损失相对严重，能量利用率低下且容易导致操作失败。而在微/纳米尺度下实现节流过程还具有一定难度，且大量的冷量损失后会引起环境中的水蒸汽凝结，在冰镊表面结霜，使得冰镊尖端的微纳米尺寸失效，从而影响操作过程。在纳米光刻术中，电阻加热会带来高电压的危险，且当需要实现探针阵列化时，还会存在不同方向上导热速率不同引起的探针受热不均从而使得操作过程失败等现象。

考虑到这些因素，本发明从新的角度提供一种可以同时实现微/纳米尺度冰镊以及热化学微/纳米光刻技术的方法，即借助于气体对流换热来实现对探针尖端进行冷却或加热。此方法相对灵活，简单易行，克服现有技术存在的不足。

发明内容

本发明的目的在于提供一种用气体对流换热对探针实施冷却/加热的冰镊/光刻装置，以实现微/纳米尺度冰镊的功能以及热化学微/纳米光刻技术。采用此种方法实现的微/纳米尺度冰镊，不仅能够完成传统冰镊的所有功能，还可以克服传统冰镊固有的弊端，且具备简单易行、成本低廉、易于与微***集成等优点，更可以轻松的实现冰镊的阵列化；采用此种方法实现的热化学微/纳米光刻术，可避免高电压带来的安全隐患，同时可避免探针阵列化后存在的导热不均现象，在大规模阵列化纳米热化学加工方面尤其有优势。

本发明的技术方案如下：

本发明提供的用气体对流换热对探针实施冷却/加热的冰镊/光刻装置，包括：冷/热气体传输***、操作***和数据采集***；

所述操作***包括：一底座；位于所述底座之上的操作室，所述操作室上端面设有观察视窗；所述操作室左右侧壁上分别设有通孔，所述操作室的前或后侧壁上设有排气孔；所述操作室内的底座之上放置一设置有二维操作导轨的二维操作平台，所述二维操作平台通过该二维操作旋钮操纵所述二维操作导轨使所述二维操作平台作平面二维运动；在所述二维操作平台两侧分别设有连接于二维操作导轨的第一旋转机械臂和第二旋转机械臂，所述第一旋转机械臂和第二旋转机械臂端部分别安装由探针主体部分和探针尖端部分构成的探针；

所述冷/热气传输***由冷/热源储气瓶和绝热传输管线组成，所述绝热传输管线一端连通所述冷/热源储气瓶，另一端穿过所述通孔伸入所述操作室内；

所述数据采集***由计算机、与所述计算机相连的数据采集装置和一端连接于所述数据采集装置输出端的热电偶组成，所述热电偶的另一端穿过所述通孔322连接于所述探针的探针尖端部分。

所述的传输管线为耐低温/高温绝热管线。

所述操作室外部尺寸为20mm×20mm×20mm到1000mm×1000mm×1000mm之间。

所述操作室为聚四氟乙烯材质的操作室；所述操作室的观察视窗为玻璃或有机玻璃材质的观察视窗。

所述探针主体部分为金属或半导体硅材质的探针主体，所述操探针尖端部分的直径在1nm-1mm范围之间。

所述绝热传输管线出口处的气体气流速度为1mm-1cm/秒。

当本发明为用于对纳米级探针实施冷却的冰镊装置时，可利用气体对流换热对纳米级探针实施冷却，储气瓶内储存冷源气体，该冷源气体经由绝热管线输送至操作***的操作室内，使探针因对流换热过程快速降温；当探针的温度降低至-10℃或更低时，通过调整二维操作平台的二维操作旋钮以及控制第一旋转机械臂和第二旋转机械臂，使探针逐渐靠近***作目标；当探针与被***作目标接触后，通过探针尖端部分上的冷量，使两者之间形成一个微小的冰球，从而借助于该冰球牢牢的将被***作目标抓起并完成各种操作。当需要释放***作目标时，只需停止对低温气体的输送，使得冰球自然复温融合便可；

当本发明为用于对纳米级探针实施加热的光刻装置时，可利用气体对流换热对纳米级探针实施加热，即储气瓶内储存热源气体，开启储气瓶开关，该热源气体经由绝热管线输送至操作***的操作室内，使探针因对流换热过程快速升温；当探针的温度升至工作温度时便可开始热化学光刻操作过程。控制第一、第二旋转机械臂，使探针逐渐靠近并与目标芯片相接触，调整二维操作平台操作旋钮，使目标芯片在探针下“行走”，通过探针尖端部分的热量导致高分子膜表面发生化学反应，而改变薄膜的化学性质，以完成光刻过程。

本发明中所述数据采集***可采用任意一款温度数据采集装置以及配套的电脑装置。

本发明中所述冷/热气体传输***中的冷源气体可为氮气等物理性质稳定的干燥气体；绝热传输管线可根据要求设置为耐低温/耐高温的绝热管线。

本发明中所述操作***中的操作室可使用聚四氟乙烯等绝热性能较好的材料；观察视窗的材料为透光性能良好的玻璃或有机玻璃；探针的探针主体部分可为金属或半导体硅等热性能良好且具有一定强度的材料，其探针尖端部分直径可在1nm-1mm范围之间；其他器件的材料没有特别要求。操作室外形尺寸可在20mm×20mm×20mm到1000mm×1000mm×1000mm之间，在操作过程中可置于显微镜下，通过观察视窗进行观察操作。

当发明用于实现冰镊功能，放在操作平台上被***作目标的直径可在1nm-10mm范围之间，且材质没有限制。当被***作目标自身含有水分或浸没于水中时，可使用冰镊对其直接进行操作，即利用冰镊将被***作目标含有的或周围的水分冻结，形成微小的冰球以完成对被***作目标抓取等操作；当被***作目标为裸露在环境中的不含湿物质时，操作前需在其表面滴加水滴，然后利用冰镊将此水滴冻结，从而借助于冰球牢牢的将被***作目标抓起并完成各种操作。

当发明用于实现纳米光刻术时，被***作目标的衬底芯片材质可为常见的半导体硅、二氧化硅或玻璃等，衬底芯片上涂有的高分子膜为在加热条件下可发生化学反应的材料，厚度在1nm-5mm。

综上所述，本发明的用气体对流换热对探针实施冷却/加热的冰镊/光刻装置，可以在相同的装置上实现完全不同的微/纳米尺度操作，当用气体对流换热对探针尖进行冷却时，能够实现微/纳米尺度冰镊的功能；当利用用气体对流换热对探针尖进行加热时，便能够实现热化学微/纳米光刻技术。采用气体对流换热实现的微/纳米尺度冰镊，不仅能够完成传统冰镊的所有功能，拥有传统冰镊所有优点，还可以克服传统冰镊固有的弊端，提高冷量利用率，避免探针表面结霜，提高操作的准确性和可靠性；采用气体对流换热实现的热化学微/纳米光刻术，可避免高电压带来的安全隐患，同时可避免探针阵列化后存在的导热不均现象。与此同时，本发明的用气体对流换热对探针实施冷却/加热的冰镊/光刻装置具备简单易行、成本低廉、易于与微***集成、可根据***作目标及光刻的尺寸要求灵活选用合适的探针等优点，且可以更轻松的实现探针的阵列化。

附图说明

图1-1和图1-2为本发明的结构示意图；

图2-1至图2-3为本发明提供的冰镊工作过程示意图；

图3-1和图3-2为本发明提供的热化学光刻过程示意图；

图4-1至图4-2为本发明提供的探针阵列工作示意图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例进一步描述本发明：有图1-1和图1-2可知，本发明提供的用气体对流换热对探针实施冷却/加热的冰镊/光刻装置，包括：冷/热气体传输***、操作***和数据采集***；

所述操作***包括：一底座31；位于所述底座31之上的操作室32，所述操作室32上端面设有观察视窗33；所述操作室32左右侧壁上分别设有通孔322，所述操作室32的前或后侧壁上设有排气孔321；所述操作室32内的底座31之上放置一设置有二维操作导轨35的二维操作平台34，所述二维操作平台34通过该二维操作旋钮36操纵所述二维操作导轨35使所述二维操作平台34作平面二维运动；在所述二维操作平台34两侧分别设有连接于二维操作导轨35的第一旋转机械臂37A和第二旋转机械臂37B，所述第一旋转机械臂37A和第二旋转机械臂37B端部分别安装由探针主体部分381和探针尖端部分382构成的探针38；

所述冷/热气传输***由冷/热源储气瓶21和绝热传输管线22组成，所述绝热传输管线22一端连通所述冷/热源储气瓶21，另一端穿过所述通孔322伸入所述操作室32内；

所述数据采集***由计算机11、与所述计算机11相连的数据采集装置12和一端连接于所述数据采集装置12输出端的热电偶13组成，所述热电偶13的另一端穿过所述通孔322连接于所述探针38的探针尖端部分382。

所述的传输管线22为耐低温/高温绝热管线。

所述操作室32外部尺寸为20mm×20mm×20mm到1000mm×1000mm×1000mm之间。

所述操作室32为聚四氟乙烯材质的操作室；所述操作室32的观察视窗33为玻璃或有机玻璃材质的观察视窗。

所述探针主体部分为金属或半导体硅材质的探针主体，所述操探针尖端部分的直径在1nm-1mm范围之间。

所述绝热传输管线出口处的气体气流速度为1mm-1cm/秒。

图2-1至图2-3为本发明提供的冰镊工作过程示意图为本发明提供的冰镊工作过程示意图，也是本发明的一个实施例。当本发明用于实现冰镊的操作功能时，储气瓶21内储存有低温气体，操作时，首先在二维操作平台34上摆放被***作目标4，然后启动数据采集***以监视探针38与操作***的操作室32内的温度变化情况；打开储气瓶21，使得低温气体经由绝热输气管线22输送至操作室32内，并在绝热输气管线22出口处排出并吹向探针38；随着低温气体的输入，探针38因对流换热过程快速降温；而原操作***内部的气体由于低温气体的输入，经由操作室32上设置的排气口321被挤压出操作室外，因此操作***内部的温度逐渐降低；借助笔记本电脑11观察探针38的温度，当探针38的温度降低至-10℃或更低时便可开始冰镊的操作过程；通过调整二维操作平台操作旋钮36以及控制第一旋转机械臂37A和第二旋转机械臂37B，使探针38探针尖端部分382逐渐靠近被***作目标4；当探针尖端部分382与被***作目标4接触后，通过探针尖端部分382的冷量，两者之间形成一个微小的冰球，从而借助于该冰球牢牢的将被***作目标4抓起并完成各种操作。当需要释放被***作目标4时，只需停止对低温气体的输送，使得冰球自然复温融合便可；为了防止绝热传输管线出口处的气体气流速度过大而吹跑被***作目标4，绝热传输管线出口处的气体气流速度一般控制在1mm-1cm/秒。

图3-1和图3-3为本发明提供的热化学光刻过程示意图，也是本发明的一个实施例。当本发明用于实现纳米光刻术时，储气瓶21内储存高温气体，操作时，首先将涂有高分子膜的目标芯片5置于二维操作平台34上，然后启动数据采集***以监视探针38与操作***内部的温度变化情况；打开储气瓶21，使高温气体经由绝热输气管线22输送至操作室32内，并在绝热输气管线22出口处排出并吹向探针38；随着高温气体的输入，探针38因对流换热过程快速升温；而操作***内部的原有气体由于高温气体的输入，经由操作室32上设置的排气口321被挤压出操作室外，因此操作***内部的温度逐渐升高；借助电脑11观察探针38的温度，当探针38的温度升至工作温度时便可开始热化学光刻操作过程；控制第一旋转机械臂37A和第二旋转机械臂37B，使探针尖端部分382逐渐靠近并与目标芯片5相接触，调整二维操作平台的二维操作旋钮36，使目标芯片5在探针尖端部分382下“行走”，通过探针尖端部分382的热量导致高分子膜表面发生化学反应，而改变薄膜的化学性质，以完成光刻过程。

图4-1至图4-2为本发明提供的探针阵列工作示意图；当本发明用于实现冰镊的操作功能时，探针可采用探针阵列，可以在材料堆中对具有特定条件的目标进行批量筛选，有效的提高了操作效率；当本发明用于实现纳米光刻术时，探针也可采用探针阵列，可同时完成若干个图案的刻写，并保证图案的一致性。

本发明中上述实施例中，数据采集***可采用任意一款温度数据采集装置以及配套的电脑装置。

本发明中上述实施例中，冷/热气体传输***中的气体可为氮气等物理性质稳定的干燥气体；所述的冷源传输管线22A为耐低温绝热管线；所述的热源传输管线22B为耐高温绝热管线。

本发明中上述实施例中，操作***中的操作室32可使用聚四氟乙烯等绝热性能较好的材料；观察视窗33的材料为透光性能良好的玻璃或有机玻璃；探针38可为金属或半导体硅等热性能良好且具有一定强度的材料，其探针尖端部分直径可在1nm-1mm范围之间；其他器件的材料没有特别要求。操作***的操作室32尺寸可在20mm×20mm×20mm到100mm×100mm×100mm之间，在操作过程中可置于显微镜下，通过观察视窗进行观察。

本发明中上述实施例中，当发明用于实现冰镊功能时，被***作目标4的直径可在1nm-10mm范围之间，且材质没有限制。当被***作目标4自身含有水分或浸没于水中时，可使用冰镊对其直接进行操作，即利用冰镊将被***作目标4含有的或周围的水分冻结，形成微小的冰球6从而完成抓取等操作；当被***作目标4为裸露在环境中的不含湿物质时，操作前需在其表面滴加水滴，然后利用冰镊将此水滴冻结，从而借助于该冰球牢牢的将被***作目标4抓起并完成各种操作。

本发明的优点如下：本发明可以在相同的装置上实现完全不同的微/纳米尺度技术，即用于实现微/纳米操作技术中的冰镊和微/纳米加工技术中的热化学光刻术。利用本发明不仅可以完成这两种技术，同时还能弥补其中的一些不足，使其能够在更多的场合下应用；而且本发明结构简单，易于实现，安全可靠，成本低廉，易于与微***集成，可根据***作目标或光刻尺寸的要求灵活选用合适的探针；第三，此种方法可以轻松的实现探针的阵列化，从而可以使冰镊在材料堆中完成对目标的批量筛选，也可以使纳米光刻术同时完成若干个图案的刻写。

应该注意到并理解，在不脱离后附的权利要求所要求的本发明的精神和范围的情况下，能够对上述详细描述的本发明做出各种修改和改进。因此，要求保护的技术方案的范围不受所给出的任何特定示范教导的限制。

Claims (5)

1、一种用气体对流换热对探针实施冷却/加热的冰镊/光刻装置，包括：冷/热气体传输***、操作***和数据采集***；

所述操作***包括：一底座；位于所述底座之上的操作室，所述操作室上端面设有观察视窗；所述操作室左右侧壁上分别设有通孔，所述操作室的前或后侧壁上设有排气孔；所述操作室内的底座之上放置一设置有二维操作导轨的二维操作平台，所述二维操作平台通过所述二维操作旋钮操纵所述二维操作导轨使所述二维操作平台作平面二维运动；在所述二维操作平台两侧分别设有连接于二维操作导轨的第一旋转机械臂和第二旋转机械臂，所述第一旋转机械臂和第二旋转机械臂端部分别安装由探针主体部分和探针尖端部分构成的探针；

所述冷/热气传输***由冷/热源储气瓶和绝热传输管线组成，所述绝热传输管线一端连通所述冷/热源储气瓶，另一端穿过所述通孔伸入所述操作室内；

所述数据采集***由计算机、与所述计算机相连的数据采集装置和一端连接于所述数据采集装置输出端的热电偶组成，所述热电偶的另一端穿过所述通孔连接于所述探针的探针尖端部分。

2、按权利要求1所述的用气体对流换热对探针实施冷却/加热的冰镊/光刻装置，其特征在于，所述操作室外部尺寸为20mm×20mm×20mm到1000mm×1000mm×1000mm之间。

3、按权利要求1所述的用气体对流换热对探针实施冷却/加热的冰镊/光刻装置，其特征在于，所述操作室为聚四氟乙烯材质的操作室；所述操作室的观察视窗为玻璃或有机玻璃材质的观察视窗。

4、按权利要求1所述的用气体对流换热对探针实施冷却/加热的冰镊/光刻装置，其特征在于，所述探针主体部分为金属或半导体硅材质的探针主体，所述操探针尖端部分的直径在1nm-1mm范围之间。

5、按权利要求1所述的用气体对流换热对探针实施冷却/加热的冰镊/光刻装置，其特征在于，所述绝热传输管线出口处的气体气流速度为1mm-1cm/秒。

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