TW201619612A - 製備微奈米探針設備及方法 - Google Patents

Abstract

本發明係關於一種製備微奈米探針設備及方法，製備微奈米探針設備包含電化學蝕刻單元、傳送單元、電源供應器、振動單元、清洗單元以及儲放單元。電化學蝕刻單元容置具有一蝕刻液表面之電化學蝕刻液。傳送單元之夾取部夾取金屬材料之一端，將金屬材料傳送至電化學蝕刻單元，並將金屬材料之另一端浸置於電化學蝕刻液中。夾取部和電化學蝕刻液分別與電源供應器之電源正極和電源負極電連接。振動單元使金屬材料之另一端相對於蝕刻液表面進行上下位移，以動態蝕刻形成金屬探針。傳送單元最後將金屬探針傳送至清洗單元進行清洗並儲放至儲放單元。

Description

製備微奈米探針設備及方法

本發明係關於一種製備微奈米探針設備及方法，特別是關於一種可大量快速生產具有超細針尖探針的製備微奈米探針設備及方法。

在掃描探針顯微技術（Scanning Probe Microscopy, SPM）廣泛地應用各種領域中，諸如奈米微影、奈米電子學、電化學、細胞生物學及電子顯微技術中。在此技術中，探針針尖的尺寸、形狀及成分影響了顯微解析度，譬如探針頭越尖越能提供高解析度，是故探針頭形狀的可控性、一致性與再現性，不論在產業界或是在學界均十分重要。

在習知各種製備掃描探針顯微技術之探針的各種方法中，電化學蝕刻 (electrochemical etching)是目前最常被用來製備超細針尖的方法，具有低成本、快速及可靠度高的優勢。然而，蝕刻後的針尖表面具有粗糙且無法有效控制針尖寬度及形狀的缺點，以及現有的電化學蝕刻方法每次僅能生產一根探針，且製備流程需要分由不同設備及人工協力完成，不僅產能有限，生產出的探針品質更是良莠不一，是故產學界均亟需一種能夠達成自動化批次製備具有極尖探針的設備及方法。

本發明之目的在於提供一種高效率且自動化批次製備具有極尖微奈米探針的設備及方法，藉此快速量產兼具一致性高且再現性高等優點的超細金屬微奈米探針。

為達成上述目的，本發明提供了一種製備微奈米探針設備，其包含一電化學蝕刻單元、一傳送單元、一電源供應器、一振動單元、一清洗單元以及一儲放單元。電化學蝕刻單元容置一電化學蝕刻液，該電化學蝕刻液具有一蝕刻液表面。傳送單元具一夾取部，該夾取部可夾取一金屬材料之一端，將該金屬材料傳送至該電化學蝕刻單元，並將該金屬材料之另一端浸置於該電化學蝕刻液中。電源供應器具有一電源正極和該夾取部電連接，一電源負極和該電化學蝕刻液電連結。振動單元連結該夾取部，使該金屬材料之另一端可以相對於該蝕刻液表面進行一上下位移，以動態蝕刻形成一金屬探針。清洗單元具有一清洗液，該傳送單元將該金屬探針傳送至該清洗單元，並將該金屬探針浸置於該清洗液中，以移除該金屬探針表面上所殘留之電化學蝕刻液。儲放單元可以收置該被移除電化學蝕刻液後之金屬探針。

本發明更提供一種製備微奈米探針方法，包含：提供容置一電化學蝕刻液之一電化學蝕刻單元，該電化學蝕刻液具一蝕刻液表面；夾取一金屬材料之一端，將該金屬材料傳送至該電化學蝕刻單元，並將該金屬材料之另一端浸置於該電化學蝕刻液中；以及使該金屬材料之另一端相對於該蝕刻液表面進行一上下位移，以動態蝕刻形成一金屬探針。

為了讓上述的目的、技術特徵和優點能夠更為本領域之人士所知悉並應用，下文係以本發明之數個較佳實施例以及附圖進行詳細的說明。

以下將透過實施例來解釋本發明內容，然而，關於實施例中之說明僅為闡釋本發明之技術內容及其目的功效，而非用以直接限制本發明之範圍。需說明者，以下實施例及圖式中，與本發明無關之元件已省略而未繪示，且圖式中各元件間之尺寸關係僅為求容易瞭解，非用以限制實際比例。

如圖1及圖2所示，本發明之實施例係為一製備微奈米探針設備1，用於自動化地從金屬材料量產規格一致之微奈米金屬探針。製備微奈米探針設備1包含一電源供應器10、一電化學蝕刻單元11、一傳送單元12、一振動單元13、一控制單元14、一清洗單元15、一儲放單元16以及一加熱單元17（為便於說明，僅於圖2繪示）。

電源供應器10具有一電源正極101、一電源負極103及連接至電源負極103之一負電極棒105於本發明中，負電極棒可採用鈦、鉑或不鏽鋼製成，最佳為以鉑製成。於本實施例中，電源供應器10係為一直流電源供應器，其自電源正極101與電源負極103提供5~30伏特且0.2~5安培之直流電源；然於其他實施態樣中，亦可採用脈衝電源供應器，脈衝電壓值之工作週期（duty cycle）為0.1~1。本發明所述之負電極棒僅為其中一種實施態樣，在其它實施例中，不論是使用電極網或板等，都不會影響本發明所欲保護的範圍。

電化學蝕刻單元11容置一電化學蝕刻液111，電化學蝕刻液11具有一蝕刻液表面112，並與電源負極103電性連接。於本發明中，電化學蝕刻液可為硫酸、鹽酸、硝酸、磷酸、氯化鈉、氯化鉀、氯化銨、氫氧化鉀、氫氧化鈉、氫氧化鈣、氫氧化鋁、檸檬酸、草酸及氫氧化銨至少其中之一之混和液，且電化學蝕刻液之ph大於9。在一較佳的實施例中，可以選用鹽酸2~30%、硝酸2~30%、磷酸2~30%、氫氧化銨2~50%和草酸1~10%的混合電化學蝕刻液。

傳送單元12具有電連接至一電源正極101之一夾取部121，夾取部121可夾取至少一金屬材料2之一端，將金屬材料2傳送至電化學蝕刻單元11，並將金屬材料2之另一端浸置於電化學蝕刻液111中。於本實施例中，夾取部121每次可夾取2~4根金屬材料2以分別形成微奈米金屬探針2’。金屬材料2可為一圓柱狀，其直徑範圍為0.5-5mm。於本實施例中，此金屬材料2可為鈹銅絲。在另一個實施態樣中，金屬材料2在傳送至電化學蝕刻單元11之前，可以先進行一前處理步驟，利用酒精、丙酮或氫氧化鉀等去除金屬材料2表面的油脂。

振動單元13連結夾取部121，使金屬材料2之另一端（亦即不受夾取部121夾取之一端）可以相對於蝕刻液表面112進行一上下位移，將金屬材料2之另一端於電化學蝕刻液111中重覆浸入並移出，亦即使金屬材料2以離開液面及浸入液面之方式振動，以將金屬材料2動態蝕刻成一金屬探針2’。如圖3(a)及圖3(b)所示，上下位移具有一振幅範圍，其中振幅範圍包括金屬材料2之另一端位移到蝕刻液表面112上和蝕刻液表面112之距離a及位移到蝕刻液表面112下和蝕刻液表面112之距離b。於本發明中，位移到蝕刻液表面112上和蝕刻液表面112之距離範圍為3mm以上，而位移到蝕刻液表面112下和蝕刻液表面112之距離範圍為2-17mm。振動單元13所進行之上下位移具有0.2-10Hz之一振動頻率。

控制單元14可傳送一控制指令至振動單元13，其中控制指令可以控制振動單元13使為一振動模式。詳細而言，控制指令可以控制振動單元13使夾取部121快速下降至蝕刻液表面112下的振幅範圍，再緩緩上升至蝕刻液表面112上的振幅範圍。於其他實施態樣中，控制指令亦可為控制振動單元13使夾取部121緩緩下降至蝕刻液表面112下的振幅範圍，再快速上升至蝕刻液表面112上的振幅範圍。

清洗單元15容置一清洗液151，此清洗液151為去離子水，可為循環清洗液或新鮮清洗液。傳送單元12將金屬探針2’傳送至清洗單元15，並將金屬探針2’浸置於清洗液151中，輕晃1~3秒鐘，以移除金屬探針2’表面上所殘留之電化學蝕刻液111。

儲放單元16係用於使被移除電化學蝕刻液後之金屬探針2’自然風乾，並批次存放收置，並平放於一卡槽內（圖未示）。

加熱單元17電連接置控制單元14，並如圖2所示，加熱單元17包含一包覆加熱帶171及一溫度感測器173。包覆加熱帶171裹於電化學蝕刻單元11周圍，溫度感測器173貼附於電化學蝕刻單元11表面。於本實施例中，溫度感測器173為熱電耦式感測器（thermocouple sensor），感測電化學蝕刻單元11之溫度，傳送至控制單元17後，由控制單元17運算判斷後，控制包覆加熱帶171對電化學蝕刻單元11之加熱溫控動作，以調整電化學蝕刻液111對金屬材料2之蝕刻化學反應速度。

如圖1所示，本實施例之電源供應器10、電化學蝕刻單元11、清洗單元15以及儲放單元16係設置於傳送單元12四周，藉由傳送單元12之機械手臂便可於所及範圍內之各單元進行極尖金屬探針2’之製備微奈米探針方法。於其他實施例中，亦可將傳送單元12架設於可移動之自走式動力設備上，或將電源供應器10、電化學蝕刻單元11、清洗單元15以及儲放單元16設置於輸送線上，俾使製備微奈米探針方法可流暢進行。

詳細而言，本實施例之傳送單元12的夾取部121夾取金屬材料2，使該等金屬材料2連接至電源正極101，以控制單元14之控制指令控制振動單元13，使夾取部121以1~3cm/sec的速率、0.2~10Hz之頻率，將該等金屬材料2之另一端相對於電化學蝕刻液111之蝕刻液表面112進行一上下位移，該等金屬材料2之另一端向上升至蝕刻液表面112高度為2mm，向下浸置於電化學蝕刻液111之蝕刻液表面112下之深度1-17mm。而該等金屬材料2局部地浸置於電化學蝕刻液111中的時間長度為10至30秒，夾取部121夾著金屬材料2上下位移以進行動態蝕刻。此時金屬材料2與負電極棒105為平行設置，且兩者之垂直距離為3~15公分，控制單元14之控制指令使振動單元13停止振動，並使夾取部121將由該等金屬材料2形成之金屬探針2’向上位移離開電化學蝕刻液111。再將金屬探針2’浸置於成分為去離子水之清洗液151中三秒，藉此清洗移除殘留之電化學蝕刻液111後，放置於儲放單元16，使之風乾儲存。在不同實施例中，可以依不同探針規格需求，搭配不同的深度與時間控制指令，利用本製備微奈米探針設備1以製作出不同規格的金屬探針2’。

需特別說明的是，由於本發明之金屬材料2未受夾取之一端，係以完全離開電化學蝕刻液之蝕刻液表面112，以進行大幅度的振盪。若將金屬材料2浸入電化學蝕刻液111之該端保持於蝕刻液表面112下振盪，則會使電化學蝕刻液111於浸入之金屬材料2周圍蝕刻液表面112產生蝕刻渦流（vortex），更詳細而言，此蝕刻渦流係產生於蝕刻液表面112之新月形液面處，使得蝕刻作用於此蝕刻渦流處更為強烈。此種現象控制了探針形狀及探針深寬比。

更進一步而言，由於本發明控制了電化學蝕刻液111的流體動作，將針尖完全移出蝕刻液表面112，故避免了在液面附近形成蝕刻渦流。且因僅有針尖處於電化學蝕刻液111中上下位移，故電化學蝕刻液111僅對針尖進行蝕刻作用，相較於將針尖保持於蝕刻液表面112以下之上下位移蝕刻，而於金屬材料中間進行蝕刻，進而造成蝕刻後端處之掉落現象（drop off），本發明僅於端處進行蝕刻，故電化學蝕刻液中不會有掉落的金屬材料固體殘留物，避免金屬材料浪費。

本發明之製備微奈米探針方法所得之蝕刻後金屬探針具有一深寬比，該深寬比介於10-250。本發明之製備微奈米探針設備可精確製作出具有各種針尖形狀之金屬探針2’，諸如平針尖、鈍針尖及尖針尖，針尖曲率半徑介於2-100μm為平針尖、針尖曲率半徑介於200-2000nm為鈍針尖、針尖曲率半徑介於2-200nm為尖針尖等。且亦可於金屬材料之特定位置形成反曲點，製作出不同針頭形狀之探針。如圖4(a)至圖4(d)所示，金屬探針2’均具有一主體部21、一針頭部23及一針尖部25，但各圖所示之金屬探針2’具有不同外形。詳細而言，圖4(a)係用於說明本發明可製作出具有細長針頭之金屬探針2’，此種態樣之針頭部23接近針尖部25處外型細長，例如具有4-5μm之直徑，在針頭部23具有一反曲點27，形成於距針尖部25之一段距離。又於圖4(b)、圖4(c)所示態樣中，金屬探針之針頭部23分別為具有兩個反曲點27，圖4(b)和圖4(a)的差異在於，圖4(b)的針頭部23因具有兩個反曲點27，故為一階梯式的漸縮，接近針尖部25處的直徑小於接近主體部21的直徑，且接近針尖部25處外型細長；圖4(c)和圖4(b)雖均具有兩個反曲點27而呈階梯式，但兩者的差異在於，圖4(c)的針頭部23在接近針尖部25處為一圓錐狀的漸縮。在其它實施例中，針頭部23的反曲點27數量可以為一個或兩個以上，針頭部23寬度可以製備為細長外型或是多個階梯式的漸縮，依不同的量測需求去設計不同的針頭部23外形。圖4(d)之金屬探針2’不具反曲點，故主體部21係直接與針尖部25連接。須說明的是，上述舉例僅用於說明，本發明並不限製備以上四種型態尺寸之金屬探針，本發明的製備微奈米探針設備及方法可以依實際需要的外形，在控制單元14上設定好參數。

於本實施例中，傳送單元12花費4分鐘抓取2根金屬材料2，使金屬材料2於蝕刻液111中進行動態蝕刻15分鐘，再將成形後之金屬探針2’以清洗液151清洗3分鐘，最後於儲放單元16放置3分鐘使之乾燥，單次製備方法總共花費25分鐘，共完成2支微奈米金屬探針2’，平均每支工時12.5分鐘。

本發明之製備微奈米探針設備可決定探針的形貌，諸如曲率半徑、探針尖鈍及深寬比，且本發明可製備之金屬探針的深寬比大於250。換言之，本發明可依需求大量有效率地生產特定形狀之微奈米金屬探針，且此等探針具有極高之一致性與再現性，提供各個微奈米領域更為便捷、穩定、有效率之測試工具。

本發明在上文中已以較佳實施例揭露，然熟習本項技術者應理解的是，該實施例僅用於描繪本發明，而不應解讀為限制本發明之範圍。應注意的是，舉凡與該實施例等效之變化與置換，均應設為涵蓋於本發明之範疇內。因此，本發明之保護範圍當以申請專利範圍所界定者為準。

1‧‧‧製備微奈米探針設備
10‧‧‧電源供應器
101‧‧‧電源正極
103‧‧‧電源負極
105‧‧‧負電極棒
11‧‧‧電化學蝕刻單元
111‧‧‧電化學蝕刻液
112‧‧‧蝕刻液表面
12‧‧‧傳送單元
121‧‧‧夾取部
13‧‧‧振動單元
14‧‧‧控制單元
15‧‧‧清洗單元
151‧‧‧清洗液
16‧‧‧儲放單元
17‧‧‧加熱單元
171‧‧‧包覆加熱帶
173‧‧‧溫度感測器
2‧‧‧金屬材料
2’‧‧‧金屬探針
21‧‧‧主體部
23‧‧‧針頭部
25‧‧‧針尖部
27‧‧‧反曲點
a、b‧‧‧距離

圖1為本發明實施例中製備微奈米探針設備生產微奈米探針之示意圖；

圖2為本發明實施例中製備微奈米探針設備加熱單元之示意圖；

圖3(a)、圖3(b)分別為本發明實施例中製備微奈米探針設備使金屬材料之其中一端離開液面及浸入液面之示意圖；以及

圖4(a)~圖4(d)分別為本發明實施例中金屬探針之之各種外形示意圖。

1‧‧‧製備微奈米探針設備

10‧‧‧電源供應器

101‧‧‧電源正極

103‧‧‧電源負極

105‧‧‧負電極棒

11‧‧‧電化學蝕刻單元

111‧‧‧電化學蝕刻液

112‧‧‧蝕刻液表面

12‧‧‧傳送單元

121‧‧‧夾取部

13‧‧‧振動單元

14‧‧‧控制單元

15‧‧‧清洗單元

151‧‧‧清洗液

16‧‧‧儲放單元

2‧‧‧金屬材料

2’‧‧‧金屬探針

Claims (10)

1. 一種製備微奈米探針設備，包含： 一電化學蝕刻單元，容置一電化學蝕刻液，該電化學蝕刻液具有一蝕刻液表面； 一傳送單元，具一夾取部，該夾取部可夾取一金屬材料之一端，將該金屬材料傳送至該電化學蝕刻單元，並將該金屬材料之另一端浸置於該電化學蝕刻液中； 一電源供應器，具有一電源正極和該夾取部電連接，一電源負極和該電化學蝕刻液電連結； 一振動單元，連結該夾取部，使該金屬材料之另一端可以相對於該蝕刻液表面進行一上下位移，以動態蝕刻形成一金屬探針； 一清洗單元，具有一清洗液，該傳送單元將該金屬探針傳送至該清洗單元，並將該金屬探針浸置於該清洗液中，以移除該金屬探針表面上所殘留之電化學蝕刻液；以及 一儲放單元，可以收置該被移除電化學蝕刻液後之金屬探針。
2. 如請求項1所述之製備微奈米探針設備，該上下位移具有一振幅範圍，其中該振幅範圍包括該金屬材料之另一端位移到該蝕刻液表面上和該蝕刻液表面之距離及位移到蝕刻液表面下和該蝕刻液表面之距離。
3. 如請求項2所述之製備微奈米探針設備，其中位移到該蝕刻液表面上和該蝕刻液表面之距離範圍為2mm以上。
4. 如請求項2所述之製備微奈米探針設備，其中位移到該蝕刻液表面下和該蝕刻液表面之距離範圍為1-17mm。
5. 如請求項2所述之製備微奈米探針設備，該上下位移具有一振動頻率為0.2-10Hz。
6. 如請求項2所述之製備微奈米探針設備，其中該電化學蝕刻液為硫酸、鹽酸、硝酸、磷酸、氯化鈉、氯化鉀、氯化銨、氫氧化鉀、氫氧化鈉、氫氧化鈣、氫氧化鋁及氫氧化銨至少其中之一之混和液，且該電化學蝕刻液之ph大於9。
7. 如請求項2所述之製備微奈米探針設備，其中該金屬材料為一圓柱狀，該圓柱狀之直徑範圍為0.5-5mm。
8. 如請求項2所述之製備微奈米探針設備，其中蝕刻後之該金屬探針具有一深寬比，該深寬比介於10-250。
9. 如請求項2所述之製備微奈米探針設備，更包括一加熱單元。
10. 如請求項9所述之製備微奈米探針設備，其中該加熱單元為一包覆加熱帶。