一種鎢金屬納米探針的制備方法*

陸 暢 楊 冰

(重慶市第八中學(xué)校 重慶 401120)

1 引言

半導(dǎo)體芯片電學(xué)性能測試是檢驗芯片功能和良率的重要環(huán)節(jié).芯片電極尺寸在微納米量級半導(dǎo)體芯片測試中,通常用納米探針實現(xiàn)芯片微小電極的接觸,從而達(dá)到給半導(dǎo)體芯片加電壓、接通芯片電路,實現(xiàn)微納米操作情況下測試的目的.納米探針作為連通芯片的電極,其性能優(yōu)劣直接影響著芯片性能測試結(jié)果.市場上批量生產(chǎn)的探針價格在每根幾元到數(shù)百元不等,屬于易消耗品.為了保證芯片測試效果且降低成本,開發(fā)一種簡易的納米探針制備方法.

目前,制造探針針尖的方法有機(jī)械加工方法和電化學(xué)刻蝕方法等[1-3].剪切法可以使鎢絲針尖的成像分辨率達(dá)到原子級,但是剪切法具有偶然性,難以工業(yè)化批量生產(chǎn).根據(jù)施加電流的不同,電化學(xué)刻蝕法制備金屬探針可分為直流法、交流法以及交直流混用法.采用交流電可以制備圓錐狀的鎢絲針尖;利用直流法制備出雙曲面尖銳針尖.此外,金屬探針針尖的形狀也會受到氫氧化鈉溶液等因素影響.盛有氫氧化鈉溶液的燒杯和金屬圈都是腐蝕金屬的重要裝置,對于實現(xiàn)良好的金屬探針針尖至關(guān)重要[4].近年來,科研人員對探針制備系統(tǒng)中的機(jī)械控制設(shè)備實現(xiàn)了智能化[5-6],使金屬探針的制備更加精確.然而,當(dāng)前對金屬探針的制備均相對復(fù)雜和繁瑣,很難滿足不同領(lǐng)域的個性化需求,表1給出了不同探針針尖制備方法的對比.

本論文使用鎢金屬絲為探針制備材料,采用一種簡易裝置,實現(xiàn)了快速、便捷鎢金屬探針的制備,并研究了腐蝕電壓和腐蝕時間對金屬探針形貌的影響.

2 實驗器材和操作

本實驗所用實驗裝置有變壓器、電流表、電壓表、自制簡易電化學(xué)化學(xué)反應(yīng)裝置,如圖1所示.

實驗所用的材料有鎢絲、銅絲、燒杯和NaOH溶液(2 mol/L).通過研究腐蝕電壓和反應(yīng)時間與金屬探針針尖曲率的影響關(guān)系,確定探針針尖的制備條件.實驗基于電化學(xué)腐蝕方法,當(dāng)金屬材料與電解質(zhì)溶液接觸,通過電極反應(yīng)產(chǎn)生腐蝕.實驗過程中將鎢絲末端套上塑料管(本實驗用廢棄電線塑膠外殼代替),再將鎢絲浸入反應(yīng)溶液中使管外金屬底部恰好與液面齊平.通過電化學(xué)腐蝕,使得套有塑料管的鎢絲部分脫落,鎢絲尾部被腐蝕形成針尖,獲得所需的鎢金屬探針.裝置中使用變壓器將220 V標(biāo)準(zhǔn)電壓轉(zhuǎn)化成低電壓交流電,將電源正負(fù)極分別用紅黑兩種鱷魚夾連接到帶絕緣層的粗銅絲和細(xì)鎢絲,并在導(dǎo)線前部分接閘刀開關(guān).鎢絲及導(dǎo)線的絕緣棒用可移動的支架固定,以便調(diào)整高度;另一側(cè)銅棒則直接用螺絲帽固定.盛有NaOH溶液的燒杯放于電極下,可以適當(dāng)墊高調(diào)整高低.

圖1為實驗裝置系統(tǒng)實物圖,其中插圖為實驗原理圖.在實驗操作中,首先,將套上塑料管的鎢絲用鱷魚夾固定在絕緣棒上.隨后,將鎢絲置于配好的NaOH溶液中,電極兩端加上電壓,即可開始腐蝕反應(yīng).實驗過程中可觀察到陰極有氣泡和灰黑色物質(zhì)產(chǎn)生,陽極有棕紅色物質(zhì)脫落,初步猜測為銅銹被NaOH溶液腐蝕脫落,在每次實驗接近尾聲時觀察到有電火花自鎢絲針尖部位產(chǎn)生.變壓器調(diào)整至研究所需電壓,秒表記錄不同電壓情況下制備鎢絲針尖的情況以及反應(yīng)所需時間.選定相同電壓,在同一次反應(yīng)中選取同一針尖同一位置(實驗中選取距針尖尾部0.5 mm位置)測量針尖直徑,探究直徑與時間的關(guān)系.在一系列實驗完成后,關(guān)閉開關(guān),將變壓器電壓調(diào)至最小后,關(guān)閉電源.如圖2所示為反應(yīng)后的鎢絲照片.

將制作好的針尖和斷裂的塑料管鎢絲部分取出放置光學(xué)顯微鏡下觀察形貌和測量尺寸,制成的針尖細(xì)長、形貌光滑、對稱,而斷裂部分針尖略粗糙.

3 實驗結(jié)果和討論

圖3(a)為實驗中制備的鎢金屬探針,從圖中看出,本實驗制備出了形狀均勻的鎢絲針尖.圖3(b)實驗中間過程鎢絲表面變化照片,從圖中可以觀察到接觸氫氧化鈉溶液部分已開始逐漸腐蝕變細(xì).圖3(c)為完全腐蝕斷鎢絲所需電壓與時間關(guān)系曲線.從圖中可以觀察出,隨著電壓增高腐蝕所需的時間逐漸減少,當(dāng)電壓達(dá)到11 V時,制備探針?biāo)钑r間大約1 min 20 s.較少的制備時間說明本實驗所搭的簡易裝置能夠?qū)崿F(xiàn)鎢金屬探針的快速制備.圖3(d)為給定電壓下(3 V)鎢絲直徑隨腐蝕時間的關(guān)系曲線.從圖中可以得出,當(dāng)施加3 V電壓時鎢金屬腐蝕速率為1.5 mm/s.

圖3 制備的探針纖維鏡照片和腐蝕關(guān)系圖

電化學(xué)腐蝕法制備探針的腐蝕機(jī)理所涉及的電化學(xué)反應(yīng)為[7]:

陰極:6H2O+6e-→3H2(g)+6OH-

總反應(yīng):

4 總結(jié)

本文采用電化學(xué)腐蝕法,創(chuàng)新利用細(xì)塑料管包裹鎢絲針尖方法,設(shè)計了簡易的電化學(xué)腐蝕裝置,并制備出了鎢金屬探針,運用控制變量法研究了腐蝕電壓、腐蝕時間、鎢金屬半徑之間的關(guān)系.與傳統(tǒng)靜態(tài)探針制備不同,本文所采用的電化學(xué)腐蝕法具有制作工藝簡單、腐蝕速率易控制、成本低廉等優(yōu)點.金屬探針的廣泛應(yīng)用必然會對半導(dǎo)體芯片監(jiān)測和生物醫(yī)學(xué)的發(fā)展帶來巨大便利.