一種鎢金屬納米探針的制備方法*

陸 暢 楊 冰

(重慶市第八中學校 重慶 401120)

1 引言

半導體芯片電學性能測試是檢驗芯片功能和良率的重要環節.芯片電極尺寸在微納米量級半導體芯片測試中,通常用納米探針實現芯片微小電極的接觸,從而達到給半導體芯片加電壓、接通芯片電路,實現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,其性能優劣直接影響著芯片性能測試結果.市場上批量生產的探針價格在每根幾元到數百元不等,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械加工方法和電化學刻蝕方法等[1-3].剪切法可以使鎢絲針尖的成像分辨率達到原子級,但是剪切法具有偶然性,難以工業化批量生產.根據施加電流的不同,電化學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,對于實現良好的金屬探針針尖至關重要[4].近年來,科研人員對探針制備系統中的機械控制設備實現了智能化[5-6],使金屬探針的制備更加精確.然而,當前對金屬探針的制備均相對復雜和繁瑣,很難滿足不同領域的個性化需求,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、自制簡易電化學化學反應裝置,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時間與金屬探針針尖曲率的影響關系,確定探針針尖的制備條件.實驗基于電化學腐蝕方法,當金屬材料與電解質溶液接觸,通過電極反應產生腐蝕.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),再將鎢絲浸入反應溶液中使管外金屬底部恰好與液面齊平.通過電化學腐蝕,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標準電壓轉化成低電壓交流電,將電源正負極分別用紅黑兩種鱷魚夾連接到帶絕緣層的粗銅絲和細鎢絲,并在導線前部分接閘刀開關.鎢絲及導線的絕緣棒用可移動的支架固定,以便調整高度;另一側銅棒則直接用螺絲帽固定.盛有NaOH溶液的燒杯放于電極下,可以適當墊高調整高低.

圖1為實驗裝置系統實物圖,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.實驗過程中可觀察到陰極有氣泡和灰黑色物質產生,陽極有棕紅色物質脫落,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生.變壓器調整至研究所需電壓,秒表記錄不同電壓情況下制備鎢絲針尖的情況以及反應所需時間.選定相同電壓,在同一次反應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系.在一系列實驗完成后,關閉開關,將變壓器電壓調至最小后,關閉電源.如圖2所示為反應后的鎢絲照片.

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

3 實驗結果和討論

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.圖3(c)為完全腐蝕斷鎢絲所需電壓與時間關系曲線.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,當電壓達到11 V時,制備探針所需時間大約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實現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系曲線.從圖中可以得出,當施加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系圖

電化學腐蝕法制備探針的腐蝕機理所涉及的電化學反應為[7]:

陰極:6H2O+6e-→3H2(g)+6OH-

總反應:

4 總結

本文采用電化學腐蝕法,創新利用細塑料管包裹鎢絲針尖方法,設計了簡易的電化學腐蝕裝置,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系.與傳統靜態探針制備不同,本文所采用的電化學腐蝕法具有制作工藝簡單、腐蝕速率易控制、成本低廉等優點.金屬探針的廣泛應用必然會對半導體芯片監測和生物醫學的發展帶來巨大便利.