CN103014826A - 一种纳米器件电学测试用钨探针的制备方法及制备装置 - Google Patents
一种纳米器件电学测试用钨探针的制备方法及制备装置 Download PDFInfo
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Abstract
本发明公开了一种纳米器件电学测试用钨探针的制备方法及制备装置，该方法原理是通过电化学腐蚀钨丝获得钨探针，其中钨丝作为阳极并浸泡在电解液中，当通过钨丝的电流降低至20mA时，开始提升钨丝；当钨丝被腐蚀断开的瞬间，反向电流使钨丝作为阴极，并提升钨丝离开电解液，获得钨探针。通过本发明能制备大长径比的钨探针；同时通过检测钨丝断开时的反向电流，即可预估钨探针的尖端锥角，从而节省了传统的后续需要电子扫描显微镜观察确认的时间和成本。
Description
技术领域
本发明主要涉及通过电化学腐蚀法制备纳米器件电学测试用的钨探针的方法及制备装置。
背景技术
随着半导体集成电路集成度的提高，器件尺寸不断缩小，目前主流半导体晶体管已经达到了22纳米的特征尺寸。为了测量单个小尺寸器件的电学特性，需要与器件接触的金属探针直径足够小。特别地，晶体管是四端器件，在测量时，在很小的区域内需要四根金属探针仍然有足够的空间移动自由，这就需要金属探针的长径比（长度/直径）足够大。例如长径比小（3:1）的探针，在小区域移动过程中，会碰到其它金属探针，造成短路，从而无法进行正常的电学测量。
目前制备钨针尖的主流方法电化学腐蚀法。各种不同的电化学腐蚀法已经被发现，例如，在美国专利US 5630932或者西南大学学报在2011年5月第5期第33卷崔庆国等人发表的《利用下端腐蚀法制备纳米级STM探针》论文中。电化学腐蚀技术通常依赖于将要制备的探针钨丝浸入电解液中，并在同样位于电解液的阴极电极（通常是不锈钢）与钨丝之间施加电压。在施加电压时，钨丝位于电解液和空气之间的边界层随着时间的推移逐渐脱落，直到此部分变得非常细的时候，仍然浸入在电解液的钨丝由于太重而自行脱落。然后，流经钨丝和电解质溶液的电流迅速断开从而阻止继续腐蚀钨丝。留下的上端钨丝可做探针。在另一种腐蚀方法中，使用很小的环形电极，钨丝穿过该环形电极。电解液被滴在环形电极内表面上，这样只有电解液薄膜区域会发生腐蚀反应。经过一段时间，在电解液薄膜区域的钨丝会变得非常细，下端由于重力原因自行脱落。下端的钨丝可做探针。
尽管以上所描述的方法是用于制造原子级别尖端，但是长径比往往很小，因为只有电解液界面的几个微米的部分被腐蚀，锥角的变化是突变的。为了制备长径比大的钨探针，需要一种新的方法对钨丝更长的区域进行腐蚀，而且要保证锥角变化连续。
发明内容
发明目的：针对上述现有存在的问题和不足，本发明提供了一种纳米器件电学测试用钨探针的制备方法，通过本方法可以获得大长径比的钨探针。
技术方案：为实现上述发明目的，本发明采用以下技术方案：一种纳米器件电学测试用钨探针的制备方法，通过电化学腐蚀钨丝获得钨探针，其中钨丝作为阳极并浸泡在电解液中，当通过钨丝的电流降低至20mA时，开始提升钨丝；当钨丝被腐蚀断开的瞬间，反向电流使钨丝作为阴极，并提升钨丝离开电解液，获得钨探针。
作为优选，所述电解液为3～5mol/L的氢氧化钠溶液，开始通电腐蚀时的阴极为不锈钢丝。
作为优选，所述钨丝的直径为0.15～0.35mm。
作为优选，所述钨丝的提升速度为1～8微米/秒。
作为优选，所述钨丝浸入电解液中的深度为5～10mm。
进一步改进，所述阴极周围的电解液设有隔离。
作为优选，电流反向时，通过钨丝的电流为1～10mA。
进一步的，实现反向电流的电路：包括第一场效应管、第二场效应管、第三场效应管、第四场效应管、电流比较器、支路转换器和限流电阻，所述四个场效应管的源极与衬底连接，所述第一场效应管和第二场效应管组成第一支路，所述第三场效应管和第四场效应管组成第二支路；所述第一场效应管的源极与第四场效应管的漏极连接后，再依次与限流电阻和钨丝连接；所述第三场效应管的源极与第二场效应管的漏极连接后，再与不锈钢丝连接；所述电流比较器检测通过钨丝的电流，当电流大于零时，控制支路转换器切换到第一支路，此时第一场效应管和第二场效应管工作；当电流为零时，控制支路转换器切换到第二支路，此时第三场效应管和第四场效应管工作。
本发明另一目的是提供了一种基于上述纳米器件电学测试用钨探针制备方法的制备装置，其特征在于：包括盛有电解液的电解槽、线性传感器、马达、支架和隔离管，所述线性传感器固定在支架上，且通过马达带动；所述钨丝与线性传感器连接并能随线性传感器提升，该钨丝作为阳极浸入电解液中；同时阴极也浸入电解液，所述隔离管套在阴极周围，且两端贯通，上端露出液面。
有益效果：与现有技术相比，本发明具有以下优点：通过本发明能制备大长径比的钨探针；同时通过检测钨丝断开时的反向电流，即可预估钨探针的尖端锥角，从而节省了传统的后续需要电子扫描显微镜观察确认的时间和成本。
附图说明
图1为本发明所述钨探针制备方法的原理示意图；
图2为本发明所述钨探针制备装置的结构示意图；
图3为本发明所述反向偏压电路的示意图；
图4为本发明制备的钨探针的SEM照片；
图5为本发明所述钨探针制备过程中通过钨丝的电流随时间的变化曲线图。
其中，支架1、马达2、线性传感器3、钨丝4、电解槽5、不锈钢丝6、隔离管7、升降台8、第一场效应管9、第二场效应管10、第三场效应管11、第四场效应管12。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例，进一步阐明本发明。应理解这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围，在阅读了本发明之后，本领域技术人员对本发明的各种等价形式的修改均落于本申请所附权利要求所限定的范围。
如图1所示，一种纳米器件电学测试用钨探针的制备装置，包括支架1、线性传感器3、马达2、电解槽5、隔离管7和升降台8，所述电解槽5中盛有3～5mol/L的NaOH溶液，并放在升降台8上；所述线性传感器3安装的支架1上，且顶部连接有马达2，将0.2mm直径的钨丝4与线性传感器3连接，并将钨丝4浸入NaOH溶液5～10mm；另外将不锈钢丝6作为阴极也浸入NaOH溶液中，并将隔离管7套在不锈钢丝6周围，并且两端贯通，上端露出液面。其中所述隔离管7的作用是避免电解腐蚀过程中，不锈钢丝6作为阳极表面产生的O2气泡造成电解液的液面出现波动影响液面的平整度。因为，本方法需要平整的液体表面来判断钨丝4是否断开。
工作时，钨丝4作为阳极与作为阴极的不锈钢丝6之间加载5V的电压进行电解腐蚀。开始时，腐蚀电流较大，当钨丝4逐渐被腐蚀，造成钨丝4电阻增大，从而使通过钨丝4的电流减小。当减小到20mA时，马达2工作，该马达2具有低转速、高稳定性的特点，并在线性传感器3的传动下，匀速稳定的提升钨丝4，钨丝4的提升速度控制为1～8微米/秒，此时钨丝4进一步被腐蚀。由于钨丝4与不锈钢丝6电极之间测得的开路电位差为420mV。也就是说即使断开电路后，钨丝4针尖仍会进一步被腐蚀，从而影响尖端的长径比等参数。因此，本发明解决的另个问题是设计“反向偏压电路”，该电路的目的是在钨丝4腐蚀断开的一瞬间使电流反向，从而避免钨丝4进一步被腐蚀。钨丝4腐蚀断开的瞬间，反向电流为1~6mA，则获得的钨探针的尖端直径小于20纳米；方向电流为6.5～10mA，则钨探针的尖端直径为20～30纳米；当反向电流大于10mA时，预示着一个显著的尖端部分还残留在溶液中，没有达到预期的断开，那么这是一个失败的钨探针。
其中所述反向偏压电路，包括第一场效应管9、第二场效应管10、第三场效应管11、第四场效应管12、电流比较器、支路转换器和限流电阻，所述四个场效应管的源极与衬底连接，所述第一场效应管9和第二场效应管10组成第一支路，所述第三场效应管11和第四场效应管12组成第二支路；所述第一场效应管9的源极与第四场效应管12的漏极连接后，再依次与限流电阻和钨丝4连接；所述第三场效应管11的源极与第二场效应管10的漏极连接后，再与不锈钢丝6连接；所述电流比较器检测通过钨丝4的电流，当电流大于零时，控制支路转换器切换到第一支路，此时第一场效应管9和第二场效应管10工作；当电流为零时，控制支路转换器切换到第二支路，此时第三场效应管11和第四场效应管12工作。当开始腐蚀时第一支路工作并通电；当钨丝断开的瞬间，支路转换器切换连通第二支路并通电，此时电流反向。
Claims (9)
1.一种纳米器件电学测试用钨探针的制备方法，通过电化学腐蚀钨丝获得钨探针，其中钨丝作为阳极并浸泡在电解液中，其特征在于：当通过钨丝的电流降低至20mA时，开始提升钨丝；当钨丝被腐蚀断开的瞬间，反向电流使钨丝作为阴极，并提升钨丝离开电解液，获得钨探针。
2.根据权利要求1所述纳米器件电学测试用钨探针的制备方法，其特征在于：所述电解液为3～5mol/L的氢氧化钠溶液，开始通电腐蚀时的阴极为不锈钢丝。
3.根据权利要求2所述纳米器件电学测试用钨探针的制备方法， 特征在于：所述钨丝的直径为0.15～0.35mm。
4.根据权利要求2所述纳米器件电学测试用钨探针的制备方法，其特征在于：所述钨丝的提升速度为1～8微米/秒。
5.根据权利要求4所述纳米器件电学测试用钨探针的制备方法，其特征在于：所述钨丝浸入电解液中的深度为5～10mm。
6.根据权利要求2所述纳米器件电学测试用钨探针的制备方法，其特征在于：所述阴极周围的电解液设有隔离。
7.根据权利要求2所述纳米器件电学测试用钨探针的制备方法，其特征在于：电流反向时，通过钨丝的电流为1～10mA。
8.根据权利要求2所述纳米器件电学测试用钨探针的制备方法，其特征在于：实现反向电流的电路：包括第一场效应管、第二场效应管、第三场效应管、第四场效应管、电流比较器、支路转换器和限流电阻，所述四个场效应管的源极与衬底连接，所述第一场效应管和第二场效应管组成第一支路，所述第三场效应管和第四场效应管组成第二支路；所述第一场效应管的源极与第四场效应管的漏极连接后，再依次与限流电阻和钨丝连接；所述第三场效应管的源极与第二场效应管的漏极连接后，再与不锈钢丝连接；所述电流比较器检测通过钨丝的电流，当电流大于零时，控制支路转换器切换到第一支路，此时第一场效应管和第二场效应管工作；当电流为零时，控制支路转换器切换到第二支路，此时第三场效应管和第四场效应管工作。
9.一种基于权利要求1所述纳米器件电学测试用钨探针制备方法的制备装置，其特征在于：包括盛有电解液的电解槽、线性传感器、马达、支架和隔离管，所述线性传感器固定在支架上，且通过马达带动；所述钨丝与线性传感器连接并能随线性传感器提升，该钨丝作为阳极浸入电解液中；同时阴极也浸入电解液，所述隔离管套在阴极周围，且两端贯通，上端露出液面。
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