一种芯片制样装置及方法

本发明属于纳米材料微观结构表征，特别是涉及一种芯片制样装置及方法。

背景技术：

1、现如今，高分辨成像技术如tem(透射电子显微镜)，因其可以观察样品的细微直至原子尺度，在物理学和生物学等许多科学领域中具有重要应用，如病毒学、材料科学、纳米技术、半导体研究等。tem实现纳米材料的高分辨表征的前提是将材料样品(如片状、线状、管状)精准、干净地制样到tem表征芯片的观察窗口，以便获得高分辨率的tem图像。

2、随着对纳米功能材料进行原位表征(即力、热、电、气氛等外场环境下材料形貌或结构的实时观察)的需求不断增加，更需要将材料精确定位在原位tem表征芯片的指定窗口位置。该类tem芯片通常采用微机电系统(mems)工艺，在悬浮氮化硅(sinx)膜上刻蚀出数个(如1-10个)观察窗，其直径0.5-10微米，厚度0-50纳米(观察窗为刻蚀悬浮氮化硅膜后得到的凹槽底面剩余的薄膜部分，其厚度为0即刻蚀形成通孔)，在不破坏悬浮薄膜的同时将少量材料制备于观察窗上，是极具挑战的。特别是在某些特定需求下，需要控制单根纳米线或纳米管、单片纳米片进行原位表征。例如单根纳米线力学原位拉伸测试需要将单根纳米线双端固定，中间悬浮于几微米的观察区域；单片单晶纳米材料原位电学测试需要将纳米片两端接触表征芯片上的测试电极，中间悬空于几微米观察窗上，更是大大增加对原位tem的制样要求。

3、目前最广泛应用的tem芯片制样方法是滴涂法，即利用移液枪将样品直接滴在tem表征芯片上，该方法完全依赖随机性，只适合普通的tem观察，无法满足对材料数量、位置要求高的tem制样需求；同时，滴涂时溶液内的杂质会沾污tem表征芯片，影响高分辨观察；特别是原位tem表征芯片成本很高(数千元一片)，一块芯片仅有几个观察窗位，滴涂浓度、液滴大小控制不好，容易造成芯片浪费。

4、另一种高精度的tem芯片制样方法是采用集成于扫描电子显微镜(sem)或聚焦离子束刻蚀系统(fib)里的微机械手，在电子束成像的同时，利用微机械手可将单个纳米线或纳米片放置在tem表征芯片上。然而，该类方法依赖复杂、精密的微操作，且需要非常昂贵的sem和机械手设备，并未广泛应用。

5、应该注意，上面对技术背景的介绍只是为了方便对本申请的技术方案进行清楚、完整的说明，并方便本领域技术人员的理解而阐述的，不能仅仅因为这些方案在本申请的背景技术部分进行了阐述而认为上述技术方案为本领域技术人员所公知。

技术实现思路

1、鉴于以上现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种芯片制样装置及方法，用于解决现有技术中制样精度差、操作复杂、成本高的问题。

2、为实现上述目的，本发明提供一种芯片制样装置，所述芯片制样装置包括：

3、第一位移装置、支撑结构、压印薄膜、待表征样品、表征芯片；

4、所述待表征样品设置在所述压印薄膜上，所述压印薄膜设置在所述支撑结构面向所述表征芯片的一面；所述支撑结构设置在所述第一位移装置上，所述第一位移装置用于移动所述支撑结构，进而移动所述待表征样品；

5、所述表征芯片上设置有悬浮薄膜，所述悬浮薄膜上设置有观察窗；所述第一位移装置用于将所述待表征样品从所述压印薄膜转移到所述表征芯片的所述悬浮薄膜的所述观察窗上。

6、可选地，所述悬浮薄膜上设置有凹槽，所述观察窗为所述悬浮薄膜上的凹槽底面的薄膜，其形状包括方形、圆形或长条形中的一种或一种以上的任意组合。

7、可选地，于所述悬浮薄膜上设置微结构，所述微结构包括微电极或/和微机械结构。

8、可选地，所述悬浮薄膜的厚度为100-1000纳米，所述观察窗的厚度为0-50纳米。

9、可选地，所述芯片制样装置还包括第二位移装置，所述表征芯片设置于所述第二位移装置上，所述第二位移装置可移动所述表征芯片以配合所述第一位移装置使所述观察窗与所述待表征样品对准。

10、可选地，所述压印薄膜的材料为粘弹性聚合物，所述粘弹性聚合物包括聚二甲基硅氧烷。

11、可选地，所述悬浮薄膜的材料为半导体材料，所述半导体材料包括氮化硅。

12、可选地，所述待表征样品与所述压印薄膜之间的作用力小于所述待表征样品与所述悬浮薄膜之间的作用力。

13、本发明还提供一种芯片制样方法，所述芯片制样方法采用上述任意一种芯片制样装置进行，所述芯片制样方法包括：

14、设置所述待表征样品于所述压印薄膜上；

15、移动所述支撑结构，使所述压印薄膜上的所述待表征样品在垂直于所述表征芯片的方向上对准所述悬浮薄膜上的观察窗；

16、在垂直于所述表征芯片的方向上移动所述支撑结构，使所述待表征样品贴近所述悬浮薄膜，直至所述待表征样品压合至所述悬浮薄膜上，并覆盖所述观察窗；

17、在垂直于所述表征芯片的方向上移动所述支撑结构，使所述压印薄膜远离所述悬浮薄膜，以使所述压印薄膜与所述待表征样品分离，同时所述待表征样品留在所述悬浮薄膜上的所述观察窗上。

18、可选地，使所述待表征样品贴近所述表征芯片上的悬浮薄膜时，所述支撑结构在垂直于所述表征芯片的方向上的移动速度为0.05-0.5微米每秒；和/或使所述压印薄膜与所述待表征样品分离时，所述压印薄膜在垂直于所述表征芯片的方向上的移动速度为0.05-0.5微米每秒。

19、如上，本发明的芯片制样装置及方法，具有以下有益效果：

20、本发明通过压印薄膜将待表征样品转移至表征芯片的观察窗，不会对表征芯片的悬浮薄膜及观察窗造成损伤，且可实现样品在观察窗上的高精度定位，适用于各种具有复杂热、力、电学微结构的表征芯片；同时，制样设备便携、操作方便，制样过程无需溶液，不会污染表征芯片，影响表征观察；此外，可对同一表征芯片上多个观察窗逐一制备一种或多种样品，显著降低了表征成本。

技术特征：

1.一种芯片制样装置，其特征在于，所述芯片制样装置包括：第一位移装置、支撑结构、压印薄膜、待表征样品、表征芯片；

2.根据权利要求1所述的芯片制样装置，其特征在于，所述悬浮薄膜上设置有凹槽，所述观察窗为所述悬浮薄膜上的凹槽底面的薄膜，其形状包括方形、圆形或长条形中的一种或一种以上的任意组合。

3.根据权利要求1所述的芯片制样装置，其特征在于，于所述悬浮薄膜上设置微结构，所述微结构包括微电极或/和微机械结构。

4.根据权利要求2所述的芯片制样装置，其特征在于，所述悬浮薄膜的厚度为100-1000纳米，所述观察窗的厚度为0-50纳米。

5.根据权利要求1所述的芯片制样装置，其特征在于，所述芯片制样装置还包括第二位移装置，所述表征芯片设置于所述第二位移装置上，所述第二位移装置可移动所述表征芯片以配合所述第一位移装置使所述观察窗与所述待表征样品对准。

6.根据权利要求1述的芯片制样装置，其特征在于，所述压印薄膜的材料为粘弹性聚合物，所述粘弹性聚合物包括聚二甲基硅氧烷。

7.根据权利要求1所述的芯片制样装置，其特征在于，所述悬浮薄膜的材料为半导体材料，所述半导体材料包括氮化硅。

8.根据权利要求1所述的芯片制样方法，其特征在于，所述待表征样品与所述压印薄膜之间的作用力小于所述待表征样品与所述悬浮薄膜之间的作用力。

9.一种芯片制样方法，其特征在于，所述方法使用权利要求1-7中任意一项所述的芯片制样装置进行，所述芯片制样方法包括：

10.根据权利要求8所述的芯片制样方法，其特征在于，使所述待表征样品贴近所述表征芯片上的悬浮薄膜时，所述支撑结构在垂直于所述表征芯片的方向上的移动速度为0.05-0.5微米每秒；和/或使所述压印薄膜与所述待表征样品分离时，所述压印薄膜在垂直于所述表征芯片的方向上的移动速度为0.05-0.5微米每秒。

技术总结
本发明提供一种芯片制样装置及方法，方法包括：待表征样品设置于压印薄膜上；将待表征样品与表征芯片上的观察窗对准；移动支撑结构靠近表征芯片，至待表征样品压合至观察窗上；移动支撑结构远离表征芯片，使待表征样品与所述压印薄膜分离以留在表征芯片的观察窗上。本发明通过压印薄膜将待表征样品转移至表征芯片的观察窗，不会对表征芯片的悬浮薄膜及其观察窗造成损伤，且可实现样品在观察窗上的高精度定位，适用于各种具有复杂热、力、电学微结构的表征芯片；同时，制样设备便携、操作方便、低成本，制样过程无需溶液，不会污染表征芯片，影响表征观察；此外，可对同一表征芯片上多个观察窗逐一制备一种或多种样品，显著降低了表征成本。

技术研发人员：贾浩,李明,李昕欣
受保护的技术使用者：中国科学院上海微系统与信息技术研究所
技术研发日：
技术公布日：2024/1/11