[发明专利]用气体对流换热对探针实施冷却/加热的冰镊/光刻装置

说明书

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 移动微机器人系统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。