TWI438437B - 探針尖端固著導電顆粒之製備方法 - Google Patents
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Description
本發明係關於一種探針及探針尖端固著導電顆粒之製備方法，特別是關於一種利用偏壓將導電顆粒固著於探針尖端之探針及探針尖端固著導電顆粒之製備方法。
掃描探針顯微術(Scanning Probe Microscopy；SPM)被應用在描繪或量測微細表面型態與材料性質，其主要技術概念係利用一尖銳的探針來掃描一待測表面。探針係固定在一彈性懸臂一端，使探針於掃描時得藉該彈性懸臂沿著待測表面之輪廓移動。掃描時探針因探針針尖與待測表面原子間之微弱作用力的影響而上下移動，藉由量測探針上下移動之距離，即可描繪出待測表面之表面型態，或量測出待測表面之表面性質。
SPM量測之解析度取決於探針針尖之大小，探針尖端曲率半徑越小，則量測之解析度越高。使用尖端曲率半徑大於單分子粒徑之探針進行量測，僅能獲得數個分子共同表現之平均量測值。因此，要能進一步量測單分子之性質，必須使探針之尖端與量測之分子在尺寸上能相匹配。為此，於探針尖端上吸附微米或奈米顆粒之技術，紛紛被開發出來。
利用自組裝單層(Self Assembly Monolayer；SAM)作為黏著劑，將奈米顆粒吸附至探針尖端為其中一種傳統之習知技藝。Vakarelski,I. U.等人揭示一種利用濕式化學程序將數十奈米的膠體金吸附在探針的尖端(Vakarelski,I. U.;Higashitani,K."Single-Nanoparticle-Terminated Tips for Scanning Probe Microscopy."Langmuir(Letter),2006,22(7),pp 2931-2934.)。然而，利用此法製備之探針需經過幾道濕式化學製程，使探針表面具一吸附層，可是這些製程步驟會增加探針截面積且提高表面粗糙度。再者，若要吸附不同材質的奈米顆粒或使用不同的探針材質時，需使用不同的SAM，故於應用面上頗為不便。此外，欲利用此法獲得在探針尖端上僅吸附單顆粒之結果，需控制懸浮液的濃度、浸泡的時間、浸泡的方式等參數，然此些參數之控制對大量生產而言極具挑戰性。
Okamoto,T.等人揭示一種利用二氧化鈦之光觸媒效應，將金奈米顆粒沉積至探針尖端之方法(Okamoto,T.,Yamaguchi I.,"Photocatalytic deposition of a gold nanoparticle onto the top of a SiN cantilever tip."Journal of Microscopy 2002.(2001)：101-103)。此法係先於探針表面鍍上一層二氧化鈦，之後，對沉浸在含金離子之溶液中之二氧化鈦照光，使導帶(Conduction Band)電子將金離子還原成金原子，由於照射光為經全反射後所產生而且照射於探針尖端的漸逝波(Evanescent Wave)，故金原子只會沉積在探針尖端區域。由於此法需使用產生漸逝波之照明系統及二氧化鈦濺鍍設備，因此製備之探針成本偏高。此外，此法無法準確地控制沉積金之顆粒大小，故難以進行品管控制。
綜上所述，目前仍無將顆粒固著於探針尖端而不對探針產生不良影響，且具成本效益而可為產業界生產利用之製備方法。
本發明揭示一種懸臂探針及探針尖端固著導電顆粒之製備方法，其係利用施加偏壓之方式直接將該導電顆粒轉移並固著於該探針尖端部，因此無需於探針表面進行任何表面處理，也無需使用昂貴設備即能準確地將顆粒固著於探針尖端。
本發明一實施例之一種於探針尖端固著導電顆粒之製備方法包含下列步驟：使一探針之一尖端部趨近一導電顆粒及施加一偏壓於該探針與該導電顆粒間，使該導電顆粒固著於該探針之尖端。
於一實施例中，使一探針之一尖端部趨近一導電顆粒之步驟與施加一偏壓之步驟係同時進行。施加一偏壓之步驟包含施加該探針一負電壓而施加該導電顆粒一正電壓，而該偏壓係一脈波電壓。
本發明一實施例之一種懸臂探針包含一探針及一導電顆粒。該探針具有一尖端部，而該導電顆粒固著於該尖端部，其中該導電顆粒與該尖端部間係共晶接合。
相較於習知技藝，本發明無需對探針之表面施以具吸附能力之表層，故不改變原探針之表面外形。由於無需對探針表面進行任何處理，因此減少繁複探針表面處理製程與成本。本發明揭示之方法，可直接使用成本低、簡單設備，故具低成本優勢。本發明係直接控制探針尖端部趨近導電顆粒，因此可確保導電顆粒係正確地固著於探針尖端部，故具高良率；反觀先前技藝揭示之方法，無法明確地控制顆粒能沉積探針尖端部，致使製程良率難以控制。
上述說明僅是本發明技術方案的概述，為了能夠更清楚瞭解本發明的技術手段，並可依照說明書的內容予以實施，以下以本發明的若干實施範例並配合附圖詳細說明如後。
為讓本發明之上述和其他目的、特徵和優點能更明顯易懂，下文特舉若干實施範例，並配合所附圖式，作詳細說明如下。
圖1顯示本發明一實施例之探針尖端固著導電顆粒之製備裝置100。探針尖端固著導電顆粒之製備裝置100係用於將置於一導電基板102表面之一導電顆粒104吸附於一探針106之尖端，其包含一探針驅動裝置108、一波型產生器110、分析電路114及控制器116。探針驅動裝置108連接於懸臂探針105之懸臂122上，其係用於持固該探針106，並提供該探針106掃描所需之移動。波型產生器110電性連接至該探針106與該導電基板102，其係用於提供該探針106與該導電基板102間一偏壓，其中當該探針106與該導電基板102施加一偏壓時，該探針驅動裝置108移動該探針106趨近該導電顆粒104，使該導電顆粒104吸附於該探針106之尖端。
該導電基板102係一可導電之材料所製成，且用以放置導電顆粒104之表面之粗糙度需足夠小，以至於表面上之導電顆粒104仍得從掃描影像中被辨識出。表面之粗糙度係與導電顆粒104之粒徑可呈相對關係，即導電顆粒104之粒徑越大，允許之表面粗糙度越大，而此一相對之關係，亦可以一比值約略界定，例如表面之粗糙度小於導電顆粒104之平均粒徑之一半。本案實施例中，該導電基板102係一經過拋光之晶圓，而其表面之粗糙度小於1奈米。
導電顆粒104包含微米顆粒及奈米顆粒，此端賴應用所需之解析度。導電顆粒104可為金、銀、白金、鋁、鎢、鎳、鈦等金屬或其他類似者，或者為上述金屬之合金，如：鉻金、鈷鉻合金、鈦白金、鉑銥合金等。本案實施例中，導電顆粒104為包含粒徑為13至40奈米之奈米金球。
懸臂探針105之懸臂形狀可包含V形或長方形，而探針106形狀可為金字塔形。探針106之材質包含矽及四氮化三矽，其表面可披覆一層金屬層，以提高其導電性，該披覆之金屬可包含如鉑銥合金等。
探針驅動裝置108包含以壓電材料作為其驅動之來源，而該壓電材料可包含壓電陶瓷。一用於量測探針懸臂彎曲之量測裝置112所量測之訊號，經分析電路114解析後，傳送至控制器116，控制器116藉此以驅動探針驅動裝置108，使探針106得做三維方向(X、Y、Z)上之移動，其中量測裝置112可包含以雷射光建構成之量測系統。
圖2A-2D顯示本發明一實施例之探針尖端固著導電顆粒之製備流程圖。圖2A-2D非按照比例繪製之示意圖，圖中繪製之導電顆粒104之粒徑可為2奈米至10微米間；探針尖端部118可為介於10奈米至50奈米間，或直徑為數微米之平面端部；及探針端部高度為10微米至30微米間。波型產生器110提供探針106與該導電基板102間一偏壓，利用施加之該偏壓，使探針尖端部118與放置於該導電基板102上之導電顆粒104分別具相反電極性。也由於探針尖端部118與導電顆粒104電極性相反而於彼此間形成靜電力，故當探針尖端部118趨近導電顆粒104一定程度時，導電顆粒104受到靜電力的吸引而從導電基板102轉移而固著於探針尖端部118之表面。本發明揭示之探針尖端固著導電顆粒之製備方法首先在導電基板102上散佈複數顆導電顆粒104，其係以微量滴管將包含導電顆粒104之稀釋膠體溶液，分散滴下數滴至導電基板102之表面上。導電基板102靜置數分鐘，待其乾燥後即完成。膠體溶液可使用具揮發性之液體加以稀釋，如此可確保較完全之乾燥，該液體可包含酒精；稀釋之倍數可應實際需求而定，於本案實施例中，稀釋液係以酒精將一般市售之膠體金稀釋1000倍。
接著，利用原子力顯微鏡(Atomic Force Microscope；AFM)於導電基板102之表面掃描出一表面形貌影像，藉此可確定出導電顆粒104所在位置。之後，移動AFM之探針106至其中一導電顆粒104上方。然後，施加一偏壓於探針106與導電基板102間，並於施加偏壓之當時，利用力頻譜(Force Spectrum)控制探針106與導電顆粒104接觸之時間(如圖2B所示)。該偏壓係為一脈波電壓，藉由控制偏壓之電壓值、施加脈波次數及脈波寬度，可使導電顆粒104固著於探針106時仍保持原來形狀，而且不傷害探針本身。偏壓可為一負偏壓，其形成可於探針106上施予負電壓，而於導電基板106上施予正電壓。經實驗顯示，施加偏壓之電壓值可為1毫伏特至10伏特間；其脈波寬度可為1奈秒至10秒。本案實施例中，施加10至50毫伏特、寬度為100至1000微秒之10個脈波偏壓，可使金奈米顆粒固著於探針尖端部118並保持原球體形狀(如圖3箭頭所示)。另，實驗顯示施加25至50毫伏特、寬度為20至200奈秒之脈波偏壓，可使粒徑13奈米之金奈米球固著於探針尖端部118並保持原球體形狀。最後，停止施加偏壓，並於原處停留一預定時間後，再移動該探針106回歸原點(如圖2C和2D所示)。在停止施加偏壓後將探針106置於原處一預定時間之舉，有助於導電顆粒104在探針尖端部118形成球體形狀，而非為一層薄膜附著。本案實施例中，預定時間包含5至10秒內之時間。
圖4顯示本發明一實施例之探針尖端與導電顆粒之接合示意圖。參照圖2A-2D與圖4，本發明揭示之技術係利用施加探針尖端部118與導電顆粒104相反電極性，使導電顆粒104得固著於探針尖端部118上。偏壓施加之當時，移動探針106使其趨近導電顆粒104，當探針尖端部118與導電顆粒104接近一定程度時，可能產生放電而使其間之溫度升高，使探針尖端部118與導電顆粒104'之接合處402形成共晶接合。共晶之組成可包含探針材質與導電顆粒104'之材質間之共晶；探針表面披覆之金屬材質與電顆粒104'之材質間之共晶；探針材質、探針表面披覆之金屬材質與導電顆粒104'之材質間之共晶。以本案實施例而言，經檢驗結果發現，探針材質為矽，而導電顆粒104'為奈米金球時，接合處402形成矽金共晶。
相較於習知技藝，本發明利用偏壓直接將導電顆粒104固著於探針尖端部118，無須對探針106之表面施以具吸附能力之表層，故不改變原探針之表面外形。由於無須對探針表面進行任何處理，因此減少繁複探針表面處理製程與成本。本發明揭示之方法，可直接利用AFM與偏壓施加裝置，使用設備簡單、成本低。本發明直接控制探針尖端部118趨近導電顆粒104，此可確保導電顆粒104係正確地固著於探針尖端部118，而先前技藝揭示之方法，無法明確地控制顆粒能沉積探針尖端部，致使製程良率難以控制。
本發明之技術內容及技術特點已揭示如上，然而熟悉本項技術之人士仍可能基於本發明之教示及揭示而作種種不背離本發明精神之替換及修飾。因此，本發明之保護範圍應不限於實施例所揭示者，而應包括各種不背離本發明之替換及修飾，並為以下之申請專利範圍所涵蓋。
100．．．製備裝置
102．．．導電基板
104、104'．．．導電顆粒
105．．．懸臂探針
106．．．探針
108．．．探針驅動裝置
110．．．波型產生器
112．．．量測裝置
114．．．分析電路
116．．．控制器
118．．．尖端部
122．．．懸臂
402．．．接合處
圖1顯示本發明一實施例之探針尖端固著導電顆粒之製備裝置；
圖2A-2D顯示本發明一實施例之探針尖端固著導電顆粒之製備流程圖；
圖3顯示本發明一實施範例之導電顆粒固著於探針尖端之示意圖；及
圖4顯示本發明一實施例之探針尖端與導電顆粒之接合示意圖。
102．．．導電基板
104．．．導電顆粒
106．．．探針
110．．．波型產生器
118．．．尖端部
Claims (18)
- 一種探針尖端固著導電顆粒之製備方法，包含下列步驟：利用一探針於一導電基板之一表面掃瞄出一表面形貌影像；根據該表面形貌影像找出該導電基板上之一導電顆粒，其中該導電顆粒為金、銀、白金、鋁、鎢、鎳、鉻金、鈷鉻合金、鈦白金或鉑銥合金顆粒；使該探針之一尖端部趨近該導電顆粒；以及施加一偏壓於該探針與該導電顆粒間，使該導電顆粒固著於該尖端部，並在該導電顆粒與該尖端部之接合處形成共晶接合。
- 根據請求項1之探針尖端固著導電顆粒之製備方法，其中使該探針之一尖端部趨近該導電顆粒之步驟與施加一偏壓之步驟係同時進行。
- 根據請求項1之探針尖端固著導電顆粒之製備方法，其中施加一偏壓之步驟包含施加該探針一負電壓而施加該導電顆粒一正電壓。
- 根據請求項1之探針尖端固著導電顆粒之製備方法，其中該偏壓係一脈波電壓。
- 根據請求項4之探針尖端固著導電顆粒之製備方法，其中該偏壓之電壓值為1毫伏特至10伏特，而其脈波寬度為1奈秒至10秒。
- 根據請求項5之探針尖端固著導電顆粒之製備方法，其中該偏壓為50毫伏特、該脈波寬度100微秒而施加之脈波數目為10。
- 根據請求項1之探針尖端固著導電顆粒之製備方法，其中該探針係利用力頻譜控制其與導電顆粒接觸時間。
- 根據請求項1之探針尖端固著導電顆粒之製備方法，其更包含於停止施加該偏壓一預定時間後，移動該探針。
- 根據請求項8之探針尖端固著導電顆粒之製備方法，其中該預定時間包含5至10秒。
- 根據請求項1之探針尖端固著導電顆粒之製備方法，其中該偏壓係施於該探針與該導電基板。
- 根據請求項10之探針尖端固著導電顆粒之製備方法，其中該表面之粗糙度小於該導電顆粒之平均粒徑之一半。
- 根據請求項10之探針尖端固著導電顆粒之製備方法，其中該導電基板包含矽晶圓。
- 根據請求項12之探針尖端固著導電顆粒之製備方法，其中該表面之粗糙度小於1奈米。
- 根據請求項10之探針尖端固著導電顆粒之製備方法，其另包含一步驟如下：根據該表面之該表面形貌影像，移動該探針至該導電顆粒上方。
- 根據請求項1之探針尖端固著導電顆粒之製備方法，其中該導電顆粒的直徑介於2奈米至10微米之間。
- 根據請求項1之探針尖端固著導電顆粒之製備方法，其中該導電顆粒係球形。
- 根據請求項1之探針尖端固著導電顆粒之製備方法，其中該探針之材質為矽或四氮化三矽。
- 根據請求項1之探針尖端固著導電顆粒之製備方法，其中該探針之表面包含鉑銥合金之披覆層。
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