一种钨金属纳米探针的制备方法*

陆 畅 杨 冰

(重庆市第八中学校 重庆 401120)

1 引言

半导体芯片电学性能测试是检验芯片功能和良率的重要环节.芯片电极尺寸在微纳米量级半导体芯片测试中,通常用纳米探针实现芯片微小电极的接触,从而达到给半导体芯片加电压、接通芯片电路,实现微纳米操作情况下测试的目的.纳米探针作为连通芯片的电极,其性能优劣直接影响着芯片性能测试结果.市场上批量生产的探针价格在每根几元到数百元不等,属于易消耗品.为了保证芯片测试效果且降低成本,开发一种简易的纳米探针制备方法.

目前,制造探针针尖的方法有机械加工方法和电化学刻蚀方法等[1-3].剪切法可以使钨丝针尖的成像分辨率达到原子级,但是剪切法具有偶然性,难以工业化批量生产.根据施加电流的不同,电化学刻蚀法制备金属探针可分为直流法、交流法以及交直流混用法.采用交流电可以制备圆锥状的钨丝针尖;利用直流法制备出双曲面尖锐针尖.此外,金属探针针尖的形状也会受到氢氧化钠溶液等因素影响.盛有氢氧化钠溶液的烧杯和金属圈都是腐蚀金属的重要装置,对于实现良好的金属探针针尖至关重要[4].近年来,科研人员对探针制备系统中的机械控制设备实现了智能化[5-6],使金属探针的制备更加精确.然而,当前对金属探针的制备均相对复杂和繁琐,很难满足不同领域的个性化需求,表1给出了不同探针针尖制备方法的对比.

本论文使用钨金属丝为探针制备材料,采用一种简易装置,实现了快速、便捷钨金属探针的制备,并研究了腐蚀电压和腐蚀时间对金属探针形貌的影响.

2 实验器材和操作

本实验所用实验装置有变压器、电流表、电压表、自制简易电化学化学反应装置,如图1所示.

实验所用的材料有钨丝、铜丝、烧杯和NaOH溶液(2 mol/L).通过研究腐蚀电压和反应时间与金属探针针尖曲率的影响关系,确定探针针尖的制备条件.实验基于电化学腐蚀方法,当金属材料与电解质溶液接触,通过电极反应产生腐蚀.实验过程中将钨丝末端套上塑料管(本实验用废弃电线塑胶外壳代替),再将钨丝浸入反应溶液中使管外金属底部恰好与液面齐平.通过电化学腐蚀,使得套有塑料管的钨丝部分脱落,钨丝尾部被腐蚀形成针尖,获得所需的钨金属探针.装置中使用变压器将220 V标准电压转化成低电压交流电,将电源正负极分别用红黑两种鳄鱼夹连接到带绝缘层的粗铜丝和细钨丝,并在导线前部分接闸刀开关.钨丝及导线的绝缘棒用可移动的支架固定,以便调整高度;另一侧铜棒则直接用螺丝帽固定.盛有NaOH溶液的烧杯放于电极下,可以适当垫高调整高低.

图1为实验装置系统实物图,其中插图为实验原理图.在实验操作中,首先,将套上塑料管的钨丝用鳄鱼夹固定在绝缘棒上.随后,将钨丝置于配好的NaOH溶液中,电极两端加上电压,即可开始腐蚀反应.实验过程中可观察到阴极有气泡和灰黑色物质产生,阳极有棕红色物质脱落,初步猜测为铜锈被NaOH溶液腐蚀脱落,在每次实验接近尾声时观察到有电火花自钨丝针尖部位产生.变压器调整至研究所需电压,秒表记录不同电压情况下制备钨丝针尖的情况以及反应所需时间.选定相同电压,在同一次反应中选取同一针尖同一位置(实验中选取距针尖尾部0.5 mm位置)测量针尖直径,探究直径与时间的关系.在一系列实验完成后,关闭开关,将变压器电压调至最小后,关闭电源.如图2所示为反应后的钨丝照片.

将制作好的针尖和断裂的塑料管钨丝部分取出放置光学显微镜下观察形貌和测量尺寸,制成的针尖细长、形貌光滑、对称,而断裂部分针尖略粗糙.

3 实验结果和讨论

图3(a)为实验中制备的钨金属探针,从图中看出,本实验制备出了形状均匀的钨丝针尖.图3(b)实验中间过程钨丝表面变化照片,从图中可以观察到接触氢氧化钠溶液部分已开始逐渐腐蚀变细.图3(c)为完全腐蚀断钨丝所需电压与时间关系曲线.从图中可以观察出,随着电压增高腐蚀所需的时间逐渐减少,当电压达到11 V时,制备探针所需时间大约1 min 20 s.较少的制备时间说明本实验所搭的简易装置能够实现钨金属探针的快速制备.图3(d)为给定电压下(3 V)钨丝直径随腐蚀时间的关系曲线.从图中可以得出,当施加3 V电压时钨金属腐蚀速率为1.5 mm/s.

图3 制备的探针纤维镜照片和腐蚀关系图

电化学腐蚀法制备探针的腐蚀机理所涉及的电化学反应为[7]:

阴极:6H2O+6e-→3H2(g)+6OH-

总反应:

4 总结

本文采用电化学腐蚀法,创新利用细塑料管包裹钨丝针尖方法,设计了简易的电化学腐蚀装置,并制备出了钨金属探针,运用控制变量法研究了腐蚀电压、腐蚀时间、钨金属半径之间的关系.与传统静态探针制备不同,本文所采用的电化学腐蚀法具有制作工艺简单、腐蚀速率易控制、成本低廉等优点.金属探针的广泛应用必然会对半导体芯片监测和生物医学的发展带来巨大便利.