TWI782767B - 一種大量製作奈米級針尖探針的方法 - Google Patents

Abstract

本發明乃提出一個創新的奈米級針尖探針的製備手法，所獲得的探針針尖直徑為10-100 nm，且所需設備簡便、操作簡單，無須繁雜的電路設計與靈敏的電流計，製作過程中也無須人員時時確認，製程容易且可以大量製作，大幅改善現有製作奈米級針尖探針製程的所有缺點，使半導體量測所需要的奈米級針尖探針可以更便宜的價格被大量提供。

Description

一種大量製作奈米級針尖探針的方法

本發明乃關於一種大量製作探針的方法，且特別是關於一種大量製作奈米級針尖探針的方法。

奈米探針是半導體業量測單一電晶體電性的唯一工具，原理是利用數根具有奈米級針尖(10-50nm)的探針(材料為鎢)以一固定下壓力道，分別接觸待測電晶體的電極(如閘極、源極、或汲極)，最後藉由外部測試器(Tester)給予測試條件，量測待測電晶體的電壓/電流(IV)特性。上述過程中，探針狀況對於量測有著決定性的影響，例如，1)對先進製程(<16nm)樣品，探針針尖如果太鈍，則探針無法接觸到待測電極，導致無法量測，或2)探針如已量測數個樣品，針尖變鈍之外，針尖表面也會沾附接觸先前樣品之電極的材料，產生接觸電阻，影響量測結果等，探針狀況如有疑慮，更換新且較尖的探針是業界目前唯一的方法；但奈米級針尖探針所費不貲，且越尖越貴，研發出方便且能大量製作奈米級針尖探針的方法，將是半導體業所殷殷期盼的事。

圖1A~1D所示為習知一種製作奈米級針尖探針的示意流程圖。如圖1所表示，習知製作奈米級針尖探針的方法主要採用電化學方式，所需材料包含一電源供應器(直流或交流)110、一控制電路120、一電流計130、一碳棒140、一鎢線(一般直徑<0.5mm)150，以及一盛有強鹼水溶液180之容器170， 該強鹼水溶液180為例如但不限於濃度1-2M的氫氧化鉀(KOH)水溶液或氫氧化鈉(NaOH)水溶液，其中鎢線150與電源供應器110之正電極電性連接，碳棒140與電源供應器110之負極電性連接，且碳棒140與鎢線150部分***容器170所盛的強鹼水溶液180內。將電源供應器110之間輸出電壓設定於2-10V之間便可藉由電化學方式開始製作奈米級針尖探針。惟，如圖1A所示，鎢線150因表面張力緣故，與強鹼水溶液180液面L1會有一向上傾角θ，故電化學主要反應位置會在氫氧化鉀水溶液或氫氧化鈉水溶液液面L1附近。電化學反應會在鎢線150靠近強鹼水溶液180的液面L1附近的位置將鎢原子解離成鎢氧離子(WO₄ ^-2)，逐漸形成一如圖1B所示內凹弧線。同時，位在強鹼水溶液180的液面L1下方的下鎢線153也會有解離反應，使得下鎢線153變短，變瘦，如圖1C所示。最後，因電化學反應使鎢線150靠近強鹼水溶液180的液面L1附近的位置之剩餘材料越來越少(鎢線半徑變小)，最後支撐不住下鎢線153重量，重力拉扯關係，使上、下鎢線151、153分離，形成上鎢針161與下鎢針163，如圖1D所示。

為取得穩定且有一定尖度的奈米級針尖探針，一般手法是在電源供應器110前外加一控制電路120與一高靈敏的電流計130，當電流低於一設定之截止電流時，瞬間(50-100ns)停止電源輸出，避免因上、下鎢線151、153分離後，上鎢針161的針尖因表面張力關係，針尖與強鹼水溶液180接觸，仍會持續解離反應，致使針尖由尖再變鈍。奈米探針都是選用如圖1D所示的上鎢針161當探針，下鎢針163因受化學反應緣故，外型已變形，且在掉落到容器170底部時，針尖先落地，針尖極可能受損，如圖1D所示，並不適合拿來做為奈米 級針尖探針。惟，此改善方法缺點是需要額外搭配一控制電路120與一高靈敏的電流計130，不僅增加不方便性外，且一次也只能製作一根，產量有限。

有鑒於此，本發明乃提出一個創新的奈米級針尖探針的製備手法，無須繁雜的電路設計與靈敏的電流計，製作過程中也無須人員時時確認，製程容易且可以大量製作。

本發明乃揭示一種大量製作奈米級針尖探針的方法，其步驟包括：提供2N個長度T1的第一鎢線，並以電化學方式去除該等2N個第一鎢線的表面氧化層，以獲得2N個第二鎢線，N為自然數，且T1>0；在該等2N個第二鎢線之一端表面形成一長度T2的保護層，以製備獲得2N個第三鎢線，T1>T2>0；提供一金屬圓盤治具，包括一位在該金屬圓盤治具中心處的第一通孔、2N個等距圍繞該第一通孔的第二通孔以及2N個螺絲孔，每一該等螺絲孔乃分別對應於其中一該等第二通孔，且每一該等螺絲孔乃自該金屬圓盤治具之圓周邊緣朝向其中一該等第二通孔貫穿，其中該第一通孔的直徑為R1，該第二通孔的直徑為R2，每一該等第二通孔之圓心與該第一通孔圓心之距離為R3，R1,R3>R2>0；提供一容器，該容器內盛一強鹼水溶液；將該金屬圓盤治具放置於該容器上方，然後將一碳棒***該第一通孔並以一絕緣材固定於該金屬圓盤治具的該第一通孔內，使該碳棒浸入該強鹼水溶液內，並將該等2N個第三鎢線分別***該等第二通孔內，調整該等2N個第三鎢線的高度，使位在每一該等2N個第三鎢線的一端的該保護層的上緣低於該強鹼水溶液的液面h1之距離，h1>0且每一該等2N個第三鎢線並分別以其中一該等螺絲經由其中一該等螺絲孔固定於其所對應的其中一該等第二通孔上；提供一電源供應器，具有一正電極及一負電極，並以該正電極電性連接該金屬圓盤治具，以該負電極電性連接該碳棒，並於該電源供應 器的輸出電壓為V的條件下進行電化學反應以開始製作奈米級針尖探針，且當該等2N個第三鎢線分離成2N個固定於該金屬圓盤治具的上鎢針與2N個沉入該強鹼水溶液內的下鎢針時，關閉該電源供應器，2

V

10；以及取出沉入該強鹼水溶液內的該等2N個下鎢針，去除該等2N個下鎢針表面的該保護層後，便可完成2N個奈米級針尖探針之製備。

如上所述的方法，其中T1例如但不限於介於50-60mm；N例如但不限於介於1至15；T2為例如但不限於20mm。

如上所述的方法，其中當該金屬圓盤治具之直徑為例如但不限於120mm，厚度為例如但不限於10mm，且R1為例如但不限於40mm，R2為例如但不限於1mm，R3例如但不限於介於50-55mm，該容器之直徑為例如但不限於100mm，且0.5mm

h1

1mm。

如上所述的方法，其中該強鹼水溶液為例如但不限於濃度1-2M的氫氧化鉀水溶液或氫氧化鈉水溶液。

如上所述的方法，其中該製備獲得2N個第三鎢線之步驟包括：提供一加熱的保護層溶液；將該等2N個第二鎢線部分垂直浸入該加熱的保護層溶液內，使位在被浸入該加熱的保護層溶液內之該等2N個第二鎢線的一端表面形成一長度T2保護層，完成該等2N個第三鎢線之製備。

如上所述的方法，其中該加熱的保護層溶液為例如但不限於溫度介於攝氏40-50度間的熔蠟或熱熔膠。

如上所述的方法，其中該去除該等下鎢針表面的該保護層的步驟包括：提供一丙酮溶劑；將該等2N個下鎢針浸入該丙酮溶劑內攪拌清洗15-30秒；以及將該等2N個下鎢針自該丙酮溶劑中取出，然後浸入一去離子水中，攪拌清洗5-10秒，將該等2N個下鎢針自該去離子水中取出後便可完成2N個奈米級針尖探針之製備。

110:電源供應器

120:控制電路

130:電流計

140:碳棒

150:鎢線

151:上鎢線

153:下鎢線

161:上鎢針

163:下鎢針

170:容器

180:強鹼水溶液

210:電源供應器

240:碳棒

251:第一鎢線

252:第二鎢線

253:第三鎢線

260:表面氧化層

270:保護層

281:上鎢針

283:下鎢針

2831:下鎢針283的奈米級針尖

300:容器

350:強鹼水溶液

400:容器

450:保護層溶液

500:金屬圓盤治具

505:圓周邊緣

510:第一通孔

520:第二通孔

530:螺絲孔

540:絕緣材

550:螺絲

R1:第一通孔直徑

R2:第二通孔直徑

R3:第二通孔之圓心與該第一通孔圓心之距離

T1:第一鎢線之長度

T2:保護層270之長度

θ:向上傾角

L1:液面

h1:保護層270的上緣與液面L1之距離

圖1A~1D所繪示的是習知一種製作探針的製程示意圖。

圖2A~2K所繪示的是根據本發明實施例所揭示的一種大量製作奈米級針尖探針的製程示意圖。

為了使本發明揭示內容的敘述更加詳盡與完備，下文針對了本發明的實施態樣與具體實施例提出了說明性的描述；但這並非實施或運用本發明具體實施例的唯一形式。以下所揭露的各實施例，在有益的情形下可相互組合或取代，也可在一實施例中附加其它的實施例，而無須進一步的記載或說明。

在以下描述中，將詳細敘述許多特定細節以使讀者能夠充分理解以下的實施例。然而，可在無此等特定細節之情況下實踐本發明之實施例。在其它情況下，為簡化圖式，熟知的結構與裝置僅示意性地繪示於圖中。

實施例

根據本發明實施例所揭示的一種大量製作奈米級針尖探針的製程乃以圖2A~2K作例示說明。

首先，提供2N個如圖2A所示的第一鎢線251，其長度T1為例如但不限於50-60mm，且其直徑為例如但不限於0.5mm。本實施例所提供的第一鎢線251之數量為12個(即N=6)，在根據本發明的其它實施例中，所提供的第一鎢線251之數量可為2以上的偶數數量，即N為自然數，且N較佳的是介於1~15。如圖2A所示，每一該等第一鎢線251之表面具有一表面氧化層260。

其次，如圖2B~2C所示，利用電化學法去除每一該等第一鎢線251表面之表面氧化層260，以獲得如圖2C所示的去除表面氧化層260的第二鎢線252。此步驟乃將每一該等第一鎢線251平放入一盛有強鹼水溶液350的容器300內，該強鹼水溶液350為例如但不限於濃度1-2M的氫氧化鉀水溶液或氫氧化鈉水溶液，將每一該等第一鎢線251分別接上電源供應器210的正極，並將一接上電源供應器210的負極的碳棒240部分***盛有強鹼水溶液350的容器300內，並使電源供應器210施加5V電壓，維持為時15-20秒，以獲得如圖2C所示的去除表面氧化層260的第二鎢線252。

然後，如圖2D~2E所示般，提供一盛有加熱的保護層溶液450的容器400，並將該等第二鎢線252部分垂直浸入該加熱的保護層溶液450內，使位在被浸入該加熱的保護層溶液450內之該等第二鎢線252的一端表面形成一長度T2保護層270，完成該等第三鎢線253之製備。該加熱的保護層溶液450為例如但不限於溫度介於攝氏40-50度間的熔蠟或熱熔膠，且保護層270之長度T2為例如但不限於20mm。

接著，如圖2F-1~2F-2所示般，提供一金屬圓盤治具500，其中圖2F-1為該金屬圓盤治具500之俯視圖，而圖2F-2為該金屬圓盤治具500之側視圖。如圖2F-1~2F-2所示，該金屬圓盤治具500包括一位在該金屬圓盤治具中心處的第一通孔510、2N個等距圍繞該第一通孔510的第二通孔520以及2N個螺絲孔530，每一該等螺絲孔530乃分別對應於其中一該等第二通孔520，且每一該等螺絲孔530乃自該金屬圓盤治具500之圓周邊緣505朝向其中一該等第二通孔520貫穿。其中，該第一通孔510的直徑為R1，該第二通孔的直徑為R2，每一該等第二通孔之圓心與該第一通孔圓心之距離為R3，R1,R3>R2>0。在本實施例中，R1為例如但不限於40mm，R2為例如但不限於1mm，R3為例如但不限於50-55mm，且 螺絲孔為例如但不限於螺紋牙徑：M1.4之螺絲孔。在根據本發明的其它實施例中，R1、R2、R3之尺寸以及螺絲孔之螺紋牙徑可視實際需要加以調整。此外，本實施例所提供的第一通孔510、第二通孔520以及螺絲孔530之數量分別為12個(即N=6)，在根據本發明的其它實施例中，所提供的第一通孔510、第二通孔520以及螺絲孔530之數量可分別為2以上的偶數數量，即N為自然數，且N較佳的是介於1~15。

然後，如圖2G所示，提供另一內盛強鹼水溶液350的容器300，該強鹼水溶液350為例如但不限於濃度1-2M的氫氧化鉀水溶液或氫氧化鈉水溶液，然後將該金屬圓盤治具500放置於該容器300上方。

接著，如圖2H所示，提供一電源供應器210，以該電源供應器210正電極電性連接該金屬圓盤治具500，並將一與電源供應器210之負極電性連接的碳棒240部分***該第一通孔510並以一絕緣材540，例如但不限於壓克力，固定於該金屬圓盤治具500的該第一通孔510內，並使該碳棒240部分浸入該強鹼水溶液350內，然後再將該等第三鎢線253分別***該等第二通孔520內，調整該等第三鎢線520的高度，使位在每一該等第三鎢線253的一端的該保護層270的上緣低於該強鹼水溶液350的液面h1之距離，h1為例如但不限於0.5-1mm，且每一該等第三鎢線253並分別以其中一該等螺絲550經由其中一該等螺絲孔530固定於其所對應的其中一該等第二通孔520上。本實施例之螺絲550為例如但不限於螺紋牙徑：M1.4之螺絲。然後，該電源供應器210的輸出電壓設定為V的條件下進行電化學反應以開始製作奈米級針尖探針，其中電源供應器210的輸出電壓V乃例如但不限於介於2~10伏特之間。電化學反應只會發生在鎢線253與強鹼水溶液350的液面附近，液面下的鎢線253因有保護層270緣故，此部分鎢線253不會接 觸到強鹼水溶液350，並不會有電化學反應，因此在整個奈米級針尖探針製作過程中，形狀並不會改變。如圖2I所示，當圖2H所示的12個第三鎢線253分離成12個固定於該金屬圓盤治具500的上鎢針281與12個沉入該強鹼水溶液350內的下鎢針283時，關閉該電源供應器210。下鎢針283在脫離上鎢針281的瞬間，因為下鎢針283沒有接電源供應器，不會再有電化學反應，因此所獲得的針尖2831是最尖的狀態。且下鎢針283在沉入該強鹼水溶液350內的過程中，因有保護層270緣故，不會造成下鎢針283具有奈米級針尖2831受損。圖2H乃繪示將一第三鎢線253***一第二通孔520內作例示說明，其餘的第三鎢線253乃同樣***如圖2H所示的其餘的第二通孔520內，在此不再贅述。

最後，如圖2J所示取出沉入該強鹼水溶液350內的該等下鎢針，去除該等下鎢針283表面的該保護層270後，便可獲得如圖2K所示具有奈米級針尖2831的探針283。根據本實施例所製作好的下鎢針283經過電子顯微鏡確認其針尖2831直徑為10-100nm。針對不同製程尺寸的待分析樣品，可以選用具有適合奈米級針尖探針進行量測。本實施例去除該等下鎢針283表面的該保護層270之步驟，包括提供一丙酮溶劑；將該等2N個下鎢針浸入該丙酮溶劑內攪拌清洗15-30秒；以及將該等下鎢針283自該丙酮溶劑中取出，然後浸入一去離子水中，攪拌清洗5-10秒，將該等下鎢針283自該去離子水中取出後便可完成該等具奈米級針尖2831的探針283之製備。本實施例雖使用丙酮溶劑去除該等下鎢針283表面的該保護層270，惟根據本發明的其它實施例，也可視該保護層270之材質選擇其它適合的有機溶劑，在此不再贅述。

如上所述，本實施例所揭示的大量製作奈米級針尖探針的方法，所獲得的探針針尖直徑為10-100nm，且所需設備簡便、操作簡單，無 須繁雜的電路設計與靈敏的電流計，製作過程中也無須人員時時確認，製程容易且可以大量製作，大幅改善現有製作奈米級針尖探針製程的所有缺點，使半導體量測所需要的奈米級針尖探針可以以更便宜的價格被大量提供。

雖然本發明已以實施例揭露如上，然其並非用以限定本發明，任何熟習此技藝者，在不脫離本發明之精神和範圍內，當可作各種之更動與潤飾，因此本發明之保護範圍當視後附之申請專利範圍所界定者為準。

210:電源供應器

240:碳棒

270:保護層

281:上鎢針

283:下鎢針

2831:下鎢針283的奈米級針尖

300:容器

350:強鹼水溶液

500:金屬圓盤治具

510:第一通孔

520:第二通孔

530:螺絲孔

540:絕緣材

550:螺絲

Claims (10)

1. 一種大量製作奈米級針尖探針的方法，其步驟包括：提供2N個長度T1的第一鎢線，並以電化學方式去除該等2N個第一鎢線的表面氧化層，以獲得2N個第二鎢線，N為自然數，且T1>0；在該等2N個第二鎢線之一端表面形成一長度T2的保護層，以製備獲得2N個第三鎢線，T1>T2>0；提供一金屬圓盤治具，包括一位在該金屬圓盤治具中心處的第一通孔、2N個等距圍繞該第一通孔的第二通孔以及2N個螺絲孔，每一該等螺絲孔乃分別對應於其中一該等第二通孔，且每一該等螺絲孔乃自該金屬圓盤治具之圓周邊緣朝向其中一該等第二通孔貫穿，其中該第一通孔的直徑為R1，該第二通孔的直徑為R2，每一該等第二通孔之圓心與該第一通孔圓心之距離為R3，R1,R3>R2>0；提供一容器，該容器內盛一強鹼水溶液；將該金屬圓盤治具放置於該容器上方，然後將一碳棒***該第一通孔，並以一絕緣材固定於該金屬圓盤治具的該第一通孔內，使該碳棒浸入該強鹼水溶液內，並將該等2N個第三鎢線分別***該等第二通孔內，調整該等2N個第三鎢線的高度，使位在每一該等2N個第三鎢線的一端的該保護層的上緣低於該強鹼水溶液的液面h1之距離，h1>0且每一該等2N個第三鎢線並分別以其中一該等螺絲經由其中一該等螺絲孔固定於其所對應的其中一該等第二通孔上；提供一電源供應器，具有一正電極及一負電極，並以該正電極電性連接該金屬圓盤治具，以該負電極電性連接該碳棒，並於該電源供應器 的輸出電壓為V的條件下進行電化學反應以開始製作奈米級針尖探針，且當該等2N個第三鎢線分離成2N個固定於該金屬圓盤治具的上鎢針與2N個沉入該強鹼水溶液內的下鎢針時，關閉該電源供應器，2

   

   V

   

   10；以及取出沉入該強鹼水溶液內的該等2N個下鎢針，去除該等2N個下鎢針表面的該保護層後，便可完成2N個奈米級針尖探針之製備。
2. 如請求項1所述的方法，其中T1介於50-60mm。
3. 如請求項1所述的方法，其中N介於1至15。
4. 如請求項2所述的方法，其中T2為20mm。
5. 如請求項2所述的方法，其中該金屬圓盤治具之直徑為120mm，厚度為10mm。
6. 如請求項5所述的方法，其中R1為40mm，R2為1mm，R3介於50-55mm，該容器之直徑為100mm，且0.5mm

   

   h1

   

   1mm。
7. 如請求項1所述的方法，其中該強鹼水溶液為濃度1-2M的氫氧化鉀水溶液或氫氧化鈉水溶液。
8. 如請求項1所述的方法，其中該製備獲得2N個第三鎢線之步驟包括：提供一加熱的保護層溶液；將該等2N個第二鎢線部分垂直浸入該加熱的保護層溶液內，使位在被浸入該加熱的保護層溶液內之該等2N個第二鎢線的一端表面形成一長度T2保護層，完成該等2N個第三鎢線之製備。
9. 如請求項8所述的方法，其中該加熱的保護層溶液為溫度介於攝氏40-50度間的熔蠟或熱熔膠。
10. 如請求項9所述的方法，其中該去除該等下鎢針表面的該保護層的步驟包括：提供一丙酮溶劑；將該等2N個下鎢針浸入該丙酮溶劑內攪拌清洗15-30秒；以及將該等2N個下鎢針自該丙酮溶劑中取出，然後浸入一去離子水中，攪拌清洗5-10秒，將該等2N個下鎢針自該去離子水中取出後便可完成2N個奈米級針尖探針之製備。

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