用氣體對流換熱對探針實施冷卻/加熱的冰鑷/光刻裝置的制作方法

專利名稱：用氣體對流換熱對探針實施冷卻/加熱的冰鑷/光刻裝置的制作方法
技術領域：
本發明涉及一種用氣體對流換熱對探針實施冷卻/加熱的水鑷/光刻裝 置，以達到對微米/納米尺度物體進行冰鑷操控或進行熱化學微米/納米光 刻力口工。
背景技術：
近期，國際上在微/納米技術領域方面的研究如火如茶，展示了一個具 有重大發展前景的研究方向。其中微/納米尺度下的操作技術以及微/納米 尺度加工技術都是研究者們關注的熱點。
隨著自然科學與工程技術向微型化趨勢的快速邁進，微/納米操作技術 研究逐步引起了人們的廣泛重視。操縱微小物體的工具， 一般稱為微/納米 鑷，這是與宏觀操縱過程中的機器手相比擬而得來的。借助于微/納米操作
技術，人們可以隨意的加工和組裝出三維MEMS元件，亦或是將其用于 移動微機器人系統從而完成相應的實踐活動；納米操作的目的則在于在更 小尺度上的操作如分子組裝，以及對納米尺度下的器件或生物學對象如 DNA、蛋白質等進行操作以滿足各種分析目的；在有些場合下，為了獲得 對問題的清晰認識，需要對微材料進行分揀，如從一堆雜亂的碳納米管叢 中挑出符合規格的單根碳納米管來進行檢測和評價，這都需要極為精細的 拾取方法。因此對微小物體的操縱，當前已成為諸多研究與應用場合中極 具挑戰性的課題。而微/納米操作與宏觀尺寸下的情況極為不同，其操作對 象肉眼不可見，必須借助特定的具有多種放大倍率及多自由度觀察能力的 顯微鏡才可進行操作；且操作對象質量輕，結構脆弱，易于損毀；形狀復 雜；制約微操作過程的物理化學規律與大尺寸情況不同；操作行為卻與大 尺寸同樣呈多樣化，如沉積、揭起、抓獲、彎折、移動、釋放、扭曲、振 動、拉伸及旋轉等。發展微/納米操作技術時，需要兼顧操作器與對象之間 相互作用的復雜度、精巧性、準確性及效率。
迄今已有 一 系列形式多樣的方法被相繼提出，其工作原理大體基于機械、水力學、光壓、超聲、靜電、電磁等效應或這些效應的組合實現。2003
年，劉靜等從低溫工程學角度出發，提出一種采用針尖與對象之間形成的 極微小的冰晶來實現對物體的操縱，因而可形象地稱為冰鑷。與已有的各 種微/納米操作原理不同的是，這種方法在操作時所需執行的只是凍結過 程，使探針尖端與待操作對象之間形成一個微小的水球，從而借助于該冰 球牢牢的將對象抓起并完成各種操作，因此工作十分簡便。前期試驗表明， 應用水鑷可方便地對物體實施各種復雜的操作，如拉伸、旋轉等，且不受 對象的形狀、輕重、柔軟或是堅硬程度，以及是否生物或非生物材料、含 水或帶電與否等的限制，并可與其它機構結合，組成微觀意義上的自動化 設備。
與微操作類似的，微/納米尺度加工技術也十分引人矚目，因為它是實 現微/納米尺度下各種器件的基礎。光刻技術是微/納米尺度加工技術中的 一種，美國喬治亞工學院研究人員成功開發出一種納米光刻技術，稱為熱
化學納米光刻術(TCNL),通過電阻加熱使原子力顯微鏡的硅材料探針升
溫，并使它在高分子薄膜上"行走"，通過探針尖的熱量導致高分子膜表
面發生化學反應，而改變薄膜的化學性質，以完成光刻過程。這種納米光
刻術不僅速度極快，"刻寫，，尺寸小，能夠用于包括空氣和液體等多種工
作環境，而其另一個特點是它不像常規納米光刻術那樣，需要其他的化學
物質或強電場。研究人員同樣提出，采用IBM公司開發的原子力顯微鏡探
針組，熱化學納米光刻術還具有大規模生產的潛能，可讓用戶同時用上千
個針尖獨立地"刻寫，，圖案。在上述研究者之前，中國科學院理化技術研
究所白曉丹碩士論文中，就提出并研究過利用加熱提升化學蝕刻精度的思 相
'^、 o
可以看出，熱化學納米光刻術與水鑷存在異曲同工之處，即同樣利用 熱力學效果對探針施加影響，并利用熱傳導的方式將能量傳遞至探針尖
端；而其不同之處在于，兩者使用了相反的熱力學效果以實現完全不同的 功能。水鑷采用熱力學中的冷卻效應對探針尖端進行降溫，通過探針尖端 的冷量使其與操作對象之間形成的極微'J、冰晶來完成對物體的操縱，冷卻 效應通過節流、半導體制冷等實現；熱化學納米光刻術則是利用熱力學中 的加熱效應對探針尖端進行升溫，通過探針尖的熱量導致高分子膜表面發 生化學反應，而改變薄膜的局部化學性質，以完成光刻過程，加熱效應由 電阻加熱完成。然而，上述兩種技術中均存在一定局限性，如微/納米尺度下的熱傳導過程受環境影響較大，能量損失相對嚴重，能量利用率低下且 容易導致操作失敗。而在微/納米尺度下實現節流過程還具有一定難度，且 大量的冷量損失后會引起環境中的水蒸汽凝結，在水鑷表面結霜，使得冰 鑷尖端的微納米尺寸失效，從而影響操作過程。在納米光刻術中，電阻加 熱會帶來高電壓的危險，且當需要實現探針陣列化時，還會存在不同方向 上導熱速率不同引起的探針受熱不均從而使得操作過程失敗等現象。
考慮到這些因素，本發明從新的角度提供一種可以同時實現微/納米尺 度水鑷以及熱化學微/納米光刻技術的方法，即借助于氣體對流換熱來實現 對探針尖端進行冷卻或加熱。此方法相對靈活，簡單易行，克服現有技術 存在的不足。

發明內容
本發明的目的在于提供一種用氣體對流換熱對探針實施冷卻/加熱的 冰鑷/光刻裝置，以實現微/納米尺度水鑷的功能以及熱化學微/納米光刻技 術。采用此種方法實現的微/納米尺度冰鑷，不僅能夠完成傳統冰鑷的所有 功能，還可以克服傳統冰鑷固有的弊端，且具備簡單易行、成本低廉、易
于與微系統集成等優點，更可以輕松的實現水鑷的陣列化；采用此種方法 實現的熱化學微/納米光刻術，可避免高電壓帶來的安全隱患，同時可避免 探針陣列化后存在的導熱不均現象，在大規模陣列化納米熱化學加工方面 尤其有優勢。
本發明的技術方案如下
本發明提供的用氣體對流換熱對探針實施冷卻/加熱的水鑷/光刻裝 置，包括冷/熱氣體傳輸系統、操作系統和數據采集系統；
所述操作系統包括 一底座；位于所述底座之上的操作室，所述操作 室上端面設有觀察視窗；所述操作室左右側壁上分別設有通孔，所述操作 室的前或后側壁上設有排氣孔；所述操作室內的底座之上放置一設置有二 維操作導軌的二維操作平臺，所述二維操作平臺通過該二維操作旋鈕操縱 所述二維操作導軌使所述二維操作平臺作平面二維運動；在所述二維操作
平臺兩側分別設有連接于二維操作導軌的第 一旋轉機械臂和第二旋轉機 械臂，所述第一旋轉機械臂和第二旋轉機械臂端部分別安裝由探針主體部 分和探針尖端部分構成的探針；
所述冷/熱氣傳輸系統由冷/熱源儲氣瓶和絕熱傳輸管線組成，所述絕
5熱傳輸管線一端連通所述冷/熱源儲氣瓶，另一端穿過所述通孔伸入所述操
作室內；
所述數據釆集系統由計算機、與所述計算機相連的數據采集裝置和一 端連接于所述數據采集裝置輸出端的熱電偶組成，所述熱電偶的另一端穿
過所述通孔322連接于所述探針的探針尖端部分。 所述的傳輸管線為耐低溫/高溫絕熱管線。
所述操作室外部尺寸為20mm x 20mm x 20mm到1000mm x 1000mm x 1000mm之間。
所述操作室為聚四氟乙烯材質的操作室；所述操作室的觀察視窗為玻 璃或有機玻璃材質的觀察視窗。
所述探針主體部分為金屬或半導體硅材質的探針主體，所述操探針尖 端部分的直徑在lnm- lmm范圍之間。
所述絕熱傳輸管線出口處的氣體氣流速度為lmm-lcm/秒。
當本發明為用于對納米級探針實施冷卻的冰鑷裝置時，可利用氣體對 流換熱對納米級探針實施冷卻，儲氣瓶內儲存冷源氣體，該冷源氣體經由 絕熱管線輸送至操作系統的操作室內，使探針因對流換熱過程快速降溫； 當探針的溫度降低至-10。C或更低時，通過調整二維操作平臺的二維操作 旋鈕以及控制第一旋轉機械臂和第二旋轉機械臂，使探針逐漸靠近被操作 目標；當探針與被被操作目標接觸后，通過探針尖端部分上的冷量，使兩 者之間形成一個微小的冰球，從而借助于該冰球牢牢的將被被操作目標抓 起并完成各種操作。當需要釋放被操作目標時，只需停止對低溫氣體的輸 送，使得水球自然復溫融合便可；
當本發明為用于對納米級探針實施加熱的光刻裝置時，可利用氣體對 流換熱對納米級探針實施加熱，即儲氣瓶內儲存熱源氣體，開啟儲氣瓶開 關，該熱源氣體經由絕熱管線輸送至操作系統的操作室內，使探針因對流 換熱過程快速升溫；當探針的溫度升至工作溫度時便可開始熱化學光刻操 作過程。控制第一、第二旋轉機械臂，使探針逐漸靠近并與目標芯片相接 觸，調整二維操作平臺操作旋鈕，使目標芯片在探針下"行走"，通過探 針尖端部分的熱量導致高分子膜表面發生化學反應，而改變薄膜的化學性 質，以完成光刻過程。
本發明中所述數據采集系統可采用任意 一 款溫度數據采集裝置以及 配套的電腦裝置。本發明中所述冷/熱氣體傳輸系統中的冷源氣體可為氮氣等物理性質
穩定的干燥氣體；絕熱傳輸管線可根據要求設置為耐低溫/耐高溫的絕熱管 線。
本發明中所述操作系統中的操作室可使用聚四氟乙烯等絕熱性能較 好的材料；觀察視窗的材料為透光性能良好的玻璃或有機玻璃；探針的探 針主體部分可為金屬或半導體硅等熱性能良好且具有一定強度的材料，其
探針尖端部分直徑可在lnm- lmm范圍之間；其他器件的材料沒有特別要 ,，。才喿4乍室夕卜開j尺寸可在20mm x 20mm x 20mm至U 1000mm x 1000mm x 1000mm之間，在操作過程中可置于顯微鏡下，通過觀察視窗進行觀察操 作。
當發明用于實現冰鑷功能，放在操作平臺上被被操作目標的直徑可在 lnm-10mm范圍之間，且材質沒有限制。當被被操作目標自身含有水分 或浸沒于水中時，可使用冰鑷對其直接進行操作，即利用水鑷將被被操作 目標含有的或周圍的水分凍結，形成微小的水球以完成對被被操作目標抓 取等操作；當被被操作目標為棵露在環境中的不含濕物質時，操作前需在 其表面滴加水滴，然后利用冰鑷將此水滴凍結，從而借助于冰球牢牢的將 被被操作目標抓起并完成各種操作。
當發明用于實現納米光刻術時，被被操作目標的襯底芯片材質可為常 見的半導體硅、二氧化硅或玻璃等，襯底芯片上涂有的高分子膜為在加熱 條件下可發生化學反應的材料，厚度在lnm-5mm。
綜上所述，本發明的用氣體對流換熱對探針實施冷卻/加熱的冰鑷/光 刻裝置，可以在相同的裝置上實現完全不同的微/納米尺度操作，當用氣體 對流換熱對探針尖進行冷卻時，能夠實現微/納米尺度冰鑷的功能；當利用 用氣體對流換熱對探針尖進行加熱時，便能夠實現熱化學微/納米光刻技 術。采用氣體對流換熱實現的微/納米尺度冰鑷，不僅能夠完成傳統冰鑷的 所有功能，擁有傳統水鑷所有優點，還可以克服傳統冰鑷固有的弊端，提 高冷量利用率，避免探針表面結霜，提高操作的準確性和可靠性；采用氣 體對流換熱實現的熱化學微/納米光刻術，可避免高電壓帶來的安全隱患， 同時可避免探針陣列化后存在的導熱不均現象。與此同時，本發明的用氣 體對流換熱對探針實施冷卻/加熱的冰鑷/光刻裝置具備簡單易行、成本低 廉、易于與微系統集成、可根據被操作目標及光刻的尺寸要求靈活選用合 適的探針等優點，且可以更輕松的實現探針的陣列化。


圖1-1和圖1-2為本發明的結構示意圖； 圖2-1至圖2-3為本發明提供的水鑷工作過程示意圖； 圖3-1和圖3-2為本發明提供的熱化學光刻過程示意圖； 圖4-1至圖4-2為本發明提供的探針陣列工作示意圖。
具體實施例方式
下面結合附圖和具體實施例進一步描述本發明有圖1-1和圖1-2可 知，本發明提供的用氣體對流換熱對探針實施冷卻/加熱的冰鑷/光刻裝置， 包括冷/熱氣體傳輸系統、操作系統和數據采集系統；
所述操作系統包括 一底座31;位于所述底座31之上的操作室32, 所述操作室32上端面設有觀察視窗33;所述操作室32左右側壁上分別設 有通孔322,所述操作室32的前或后側壁上設有排氣孔321;所述操作室 32內的底座31之上放置一設置有二維操作導軌35的二維操作平臺34, 所述二維操作平臺34通過該二維操作旋鈕36操縱所述二維操作導軌35 使所述二維操作平臺34作平面二維運動；在所述二維操作平臺34兩側分 別設有連接于二維操作導軌35的第一旋轉機械臂37A和第二旋轉機械臂 37B，所述第一旋轉機械臂37A和第二旋轉機械臂37B端部分別安裝由探 針主體部分381和4果針尖端部分382構成的揮:針38;
所述冷/熱氣傳輸系統由冷/熱源儲氣瓶21和絕熱傳輸管線22組成， 所述絕熱傳輸管線22 —端連通所述冷/熱源儲氣瓶21，另一端穿過所述通 孔322伸入所述#:作室32內；
所述數據采集系統由計算機11、與所述計算機11相連的數據采集裝 置12和一端連接于所述數據采集裝置12輸出端的熱電偶13組成，所述 熱電偶13的另一端穿過所述通孔322連接于所述探針38的探針尖端部分 382。
所述的傳輸管線22為耐低溫/高溫絕熱管線。
所述操作室32外部尺寸為20mm x 20mm x 20mm到1000mm x 1000mm x 1000mm之間。
所述操作室32為聚四氟乙烯材質的操作室；所述操作室32的觀察視 窗33為玻璃或有才幾玻璃材質的觀察視窗。所述探針主體部分為金屬或半導體硅材質的探針主體，所述操探針尖
端部分的直徑在lnm- lmm范圍之間。
所述絕熱傳輸管線出口處的氣體氣流速度為lmm-lcm/秒。 圖2-1至圖2-3為本發明提供的水鑷工作過程示意圖為本發明提供的 冰鑷工作過程示意圖，也是本發明的一個實施例。當本發明用于實現冰鑷 的操作功能時，儲氣瓶21內儲存有低溫氣體，操作時，首先在二維操作 平臺34上擺放被被操作目標4，然后啟動數據采集系統以監視探針38與 操作系統的操作室32內的溫度變化情況；打開儲氣瓶21,使得低溫氣體 經由絕熱輸氣管線22輸送至操作室32內，并在絕熱輸氣管線22出口處 排出并吹向探針38;隨著低溫氣體的輸入，探針38因對流換熱過程快速 降溫；而原操作系統內部的氣體由于低溫氣體的輸入，經由操作室32上 設置的排氣口 321被擠壓出操作室外，因此操作系統內部的溫度逐漸降低； 借助筆記本電腦11觀察探針38的溫度，當探針38的溫度降低至-10°C 或更低時便可開始冰鑷的操作過程；通過調整二維操作平臺操作旋鈕36 以及控制第一旋轉機械臂37A和第二旋轉機械臂37B,使探針38探針尖 端部分382逐漸靠近被被操作目標4;當探針尖端部分382與被被操作目 標4接觸后，通過探針尖端部分382的冷量，兩者之間形成一個微小的水 球，從而借助于該水球牢牢的將被被操作目標4l爪起并完成各種操作。當 需要釋放被被操作目標4時，只需停止對低溫氣體的輸送，使得水球自然 復溫融合便可；為了防止絕熱傳輸管線出口處的氣體氣流速度過大而吹跑 被被操作目標4，絕熱傳輸管線出口處的氣體氣流速度一般控制在 lmm-lcm /秒。
圖3-1和圖3-3為本發明提供的熱化學光刻過程示意圖，也是本發明 的一個實施例。當本發明用于實現納米光刻術時，儲氣瓶21內儲存高溫 氣體,操作時，首先將涂有高分子膜的目標芯片5置于二維操作平臺34上， 然后啟動數據采集系統以監視探針38與操作系統內部的溫度變化情況； 打開儲氣瓶21,使高溫氣體經由絕熱輸氣管線22輸送至操作室32內，并 在絕熱輸氣管線22出口處排出并吹向探針38;隨著高溫氣體的輸入，探 針38因對流換熱過程快速升溫；而操作系統內部的原有氣體由于高溫氣 體的輸入，經由操作室32上設置的排氣口 321被擠壓出操作室外，因此 操作系統內部的溫度逐漸升高；借助電腦11觀察^果針38的溫度，當探針 38的溫度升至工作溫度時便可開始熱化學光刻操作過程；控制第一旋轉機臂37B,使探針尖端部分382逐漸靠近并與目標 芯片5相接觸，調整二維操作平臺的二維操作旋鈕36，使目標芯片5在探 針尖端部分382下"行走"，通過探針尖端部分382的熱量導致高分子膜 表面發生化學反應，而改變薄膜的化學性質，以完成光刻過程。
圖4-1至圖4-2為本發明提供的探針陣列工作示意圖；當本發明用于 實現水鑷的操作功能時，探針可采用探針陣列，可以在材料堆中對具有特 定條件的目標進行批量篩選，有效的提高了操作效率；當本發明用于實現 納米光刻術時，探針也可采用探針陣列，可同時完成若干個圖案的刻寫， 并保證圖案的一致性。
本發明中上述實施例中，數據采集系統可采用任意 一款溫度數據采集 裝置以及配套的電腦裝置。
本發明中上述實施例中，冷/熱氣體傳輸系統中的氣體可為氮氣等物理 性質穩定的干燥氣體；所述的冷源傳輸管線22A為耐低溫絕熱管線；所述 的熱源傳輸管線22B為耐高溫絕熱管線。
本發明中上述實施例中，操作系統中的操作室32可使用聚四氟乙烯 等絕熱性能較好的材料；觀察視窗33的材料為透光性能良好的玻璃或有 機玻璃；探針38可為金屬或半導體硅等熱性能良好且具有一定強度的材 料，其探針尖端部分直徑可在lnm-lmm范圍之間；其他器件的材料沒有 特別要求。操作系統的操作室32尺寸可在20mm x 20mm x 20mm到100mm x 100mmx 100mm之間，在操作過程中可置于顯孩"竟下，通過觀察視窗進 行觀察。
本發明中上述實施例中，當發明用于實現冰鑷功能時，被被操作目標 4的直徑可在lnm- 10mm范圍之間，且材質沒有限制。當被被操作目標4 自身含有水分或浸沒于水中時，可使用水鑷對其直接進行操作，即利用水 鑷將被被操作目標4含有的或周圍的水分凍結，形成微d、的水球6從而完 成抓取等操作；當被被操作目標4為棵露在環境中的不含濕物質時，操作 前需在其表面滴加水滴，然后利用水鑷將此水滴凍結，從而借助于該冰5求 牢牢的將被被操作目標4抓起并完成各種操作。
本發明的優點如下本發明可以在相同的裝置上實現完全不同的微/ 納米尺度技術，即用于實現微/納米操作技術中的水鑷和微/納米加工技術 中的熱化學光刻術。利用本發明不僅可以完成這兩種技術，同時還能彌補 其中的一些不足，使其能夠在更多的場合下應用；而且本發明結構簡單，易于實現，安全可靠，成本低廉，易于與微系統集成，可根據被操作目標 或光刻尺寸的要求靈活選用合適的探針；第三，此種方法可以輕松的實現 探針的陣列化，從而可以使冰鑷在材料堆中完成對目標的批量篩選，也可 以使納米光刻術同時完成若干個圖案的刻寫。
應該注意到并理解，在不脫離后附的權利要求所要求的本發明的精神 和范圍的情況下，能夠對上述詳細描述的本發明做出各種修改和改進。因 此，要求保護的技術方案的范圍不受所給出的任何特定示范教導的限制。
權利要求
1、一種用氣體對流換熱對探針實施冷卻/加熱的冰鑷/光刻裝置，包括冷/熱氣體傳輸系統、操作系統和數據采集系統；所述操作系統包括一底座；位于所述底座之上的操作室，所述操作室上端面設有觀察視窗；所述操作室左右側壁上分別設有通孔，所述操作室的前或后側壁上設有排氣孔；所述操作室內的底座之上放置一設置有二維操作導軌的二維操作平臺，所述二維操作平臺通過所述二維操作旋鈕操縱所述二維操作導軌使所述二維操作平臺作平面二維運動；在所述二維操作平臺兩側分別設有連接于二維操作導軌的第一旋轉機械臂和第二旋轉機械臂，所述第一旋轉機械臂和第二旋轉機械臂端部分別安裝由探針主體部分和探針尖端部分構成的探針；所述冷/熱氣傳輸系統由冷/熱源儲氣瓶和絕熱傳輸管線組成，所述絕熱傳輸管線一端連通所述冷/熱源儲氣瓶，另一端穿過所述通孔伸入所述操作室內；所述數據采集系統由計算機、與所述計算機相連的數據采集裝置和一端連接于所述數據采集裝置輸出端的熱電偶組成，所述熱電偶的另一端穿過所述通孔連接于所述探針的探針尖端部分。
2、 按權利要求1所述的用氣體對流換熱對探針實施冷卻/加熱的冰鑷 /光刻裝置，其特征在于，所述操作室外部尺寸為20mm x 20mm x 20mm到 1000mm x 1000mm x 1000mm之間。
3、 按權利要求1所述的用氣體對流換熱對探針實施冷卻/力。熱的冰鑷 /光刻裝置，其特征在于，所述操作室為聚四氟乙烯材質的操作室；所述操 作室的觀察視窗為玻璃或有機玻璃材質的觀察視窗。
4、 按權利要求1所述的用氣體對流換熱對探針實施冷卻/加熱的冰鑷 /光刻裝置，其特征在于，所述探針主體部分為金屬或半導體硅材質的探針 主體，所述操:探針尖端部分的直徑在lnm- lmm范圍之間。
5、 按權利要求1所述的用氣體對流換熱對探針實施冷卻/加熱的冰鑷 /光刻裝置，其特征在于，所述絕熱傳輸管線出口處的氣體氣流速度為 lmm隱lcm /秒。
全文摘要
一種用氣體對流換熱對探針實施冷卻/加熱的冰鑷/光刻裝置，包括冷/熱氣體傳輸系統、操作系統和數據采集系統；操作系統包括位于底座上的操作室，操作室的上端設觀察視窗，左右側壁上設通孔，前或后側壁上設排氣孔；操作室內底座上置二維操作平臺，平臺作平面二維運動，平臺兩側設第一和第二旋轉機械臂，機械臂端部裝探針；冷/熱氣傳輸系統由冷源儲氣瓶、熱源儲氣瓶，冷源絕熱傳輸管線和熱冷源絕熱傳輸管線組成，分別與冷源儲氣瓶和熱源儲氣瓶相連的冷源絕熱傳輸管線和熱源絕熱傳輸管線伸入操作室；數據采集系統由計算機、與計算機相連的數據采集裝置和熱電偶組成，熱電偶連接于探針尖端部分。具結構簡單，易于實現，安全可靠，成本低等優點。
文檔編號G01N1/02GK101539568SQ20081010247
公開日2009年9月23日 申請日期2008年3月21日 優先權日2008年3月21日
發明者靜 劉, 陽 楊 申請人:中國科學院理化技術研究所