专利名称:一种制作在超高真空变温条件下工作的微四探针的工艺的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种制作在超高真空变温条件下工作的微四探针(MFPP)的工艺。
技术背景
晶体管作为20世纪最重要的发明之一，推动了微电子工业的迅速的发展。研究表 明半导体表面的电学性质决定了晶体管的性质。尽管20世纪40年代，Bardeen已经提出 了表面态的概念，并成为制作晶体管的理论基础。但是直到今天，无论实验上还是理论上， 对于通过半导体表面态的电子或者空穴的电导还没有很清楚的认识。这主要是因为表面 态局限于晶体表面几个原子层的范围内，很难将它的电导和体电导区分开，而且表面缺陷 和原子台阶等也会影响表面态的电导。由于表面态有着和材料不同的性质，可以将它看成 一种新型的纳米材料。伴随着纳米科技的不断发展，在现代电子学，由于器件做得越来越 小，表面和界面直接影响到器件的性能，表面态电导的影响显得越来越重要。新的探针技术 的发明，如四探针扫描隧道显微镜(STM)和微四探针(Microscope FourPoint Probe，简称 MFPP)，其中MFPP是将间距在微米级别的四个探针集成在一起的技术。使用微加工制作四 探针的费用比较高，而且由于工艺的原因，制作的探针弹性比较差，很容易压碎。
1947 年 William Shockley, John Bardeen 和 Walter Brattain 发明了固态晶体 管，半导体表面科学也应运而生。Bardeen提出一个假设，认为半导体表面有丰富的电子态 (即表面态)，在门电压电场的作用下，这些态就凸显出来。换而言之，电子被局限在表面态 之中，是不能自由移动，导体体内电子受到表面的影响很小，电流几乎不受影响，通过门电 压控制表面态。Bardeen根据这原理制作了世界上第一个点接触晶体管。通过两个针尖与 Ge单晶表面接触，电流从一个针尖流入，并在它的周围形成一个电场的分布，另一个针尖在 探测，同时通过在Ge晶体内加电压(基极)来控制通过两个针尖之间的电流，这就是后来 的放大器。Bardeen最早用的Ge单晶的表面非常的脏，而且是在大气下做的。由于当时真 空技术和测试条件的限制，Bardeen提出的表面态的概念并没有真正意义上被探测到。
从Bardeen用两点的方法去研究表面态已经过去50多年了，现在随着超高真空技 术的不断发展，人们可以更加准确的去研究半导体表面的结构，例如在利用分子束外延技 术在原子尺度上控制半导体表面的原子，在原子尺度上的人工排列的有序二维晶体结构被 制备出来，这些结构与其电学性质有着密切的关系。人们已经利用X射线，光电子能谱，扫 描隧道显微镜对半导体表面的结构和能带结构进行了深入的研究，但是并没有一种直接的 方法去探测表面态的电导。直到近年来四探针STM和MFPP出现，表面态的电导测试又重新 引起人们的关注。
日本的S. Hasegawa研究组利用四探针STM的方法研究半导体的表面态，发现当探 针的间距在微米量级时，测到的电阻主要来源于表面态的影响，人们根据这一实验结果利 用微加工的方法制作了 MFPP，它是在一个基片上集成四个探针的芯片，探针之间的间距在 微米量级。这种探针可以安装在具有纳米步进电机的真空室里面，探针可以借助压电陶瓷 的作用准确的定位到样品上，对样品表面再构或者表面单个原子层或者几个原子层厚度的金属薄膜进行直接的测量。这些研究可以揭示一些本质物理的现象，如量子尺寸效应，金属 绝缘体相变，Hall系数和超导转变温度随着薄膜厚度的振荡行为，这些薄膜一般被认为是 非常薄的晶体，和晶体有相同的电子能带结构。
直排的四探针可以直接的测量材料电学性质，可以对半导体载流子浓度或者电阻 率进行测量。如图1所示，四个探针依次命名为Pl，P2，P3，P4，电阻可以用下面的公式表 示
ρ = c (V/I)
其中，V是内侧两个探针P2和P3之间的电压，I是流经外侧两个探针Pl和P4的 电流，c为校正因子。
制作传统四探针的材料一般为钨或者碳化钨，探针之间的距离通常在0.5mm左 右，甚至更大。由于探针间距比较大，传统的四探针一般反应的是体材料和表面态电阻的 和，很难将表面态从中间区分出来。为了使探针与测试样品很好的接触，一般通过外部的控 制系统如步进马达等在样品和探针之间施加一定的压力，由于钨或者碳化钨的硬度大，这 样，很容易破坏样品的表面。也有用微加工的方法直接将电极沉积到样品上面，这种方法可 以使电极之间的距离做的非常近，但是缺点是不能更改探针的位置，容易污染样品的表面 且工艺非常的复杂。
MFPP可以同时克服传统四探针和微加工沉积电极的缺点，使探针的间距到0. 5mm 以下，甚至到IOOnm的量级，很方便的原位的测量表面不同位置的电导，而且很容易和其他 的测试电路进行集成。这种探针一般是采用微加工的方法来制作，费用高，而且由于探针材 料的原因很容易损坏。
发明内容
本发明的目的在于提供一种更简易的制作微四探针(MFPP)的工艺，利用该工艺 所制作的MFPP，探针之间的间距可以控制到10 μ m0 7 μ m之间，并且可以在超高真空、低 温、变温、强磁场等极端条件下，对样品表面进行原位的测试。
本发明工艺用金线作为制作探针的材料，将探针固定到支撑材料上形成一个 MFPP0
下面详细介绍本发明工艺
(1)制备探针选取直径为30 μ m 50μπι的金线作为探针的材料，将金线拉直后 按所需长度截取四段，并用丙酮超声波清洗10分钟后，作为四根探针(Ρ1、Ρ2、Ρ3、Ρ4)备 用；
(2)制备基片采用三氧化二铝(Al2O3)陶瓷片作为支撑材料，将三氧化二铝陶瓷 片切割成2 3mm的宽度，并根据测试系统的实际情况确定所切割陶瓷片的长度，备用；
(3)利用绝缘胶将四根探针粘接到基片上，粘接时，使各探针之间相互平行，并调 整各探针的位置，将相邻探针之间的间距控制在40 μ m 60 μ m之间；
(4)加热绝缘胶使其固化；
(5)将四探针插入I2/KI (摩尔比大于2 1)溶液中，利用下面的反应将四探针的 头部腐蚀平，并通过控制反应时间来控制探针的长度，腐蚀的化学反应式为
Au+2KI+3I2 = 2K[AuI4][0020](6)用乙醇浸泡四探针除去上面残留的I2/KI，然后用绝缘胶对探针与基片进行加 固固定；
(7)最后，用导电胶从四探针上引出电极，制成所需的MFPP。
进一步，所述步骤(3)中所用的绝缘胶为EPO-TEK公司生产的H74F绝缘胶；所述 步骤(7)中所用的导电胶为EPO-TEK公司生产的Η20Ε导电银胶。
进一步，所述步骤(3)利用绝缘胶将探针粘接到基片上的具体操作如下
①在Al2O3基片上点绝缘胶，控制绝缘胶的量，将胶层控制在基片中部；控制绝缘 胶的粘稠度，使探针能够在绝缘胶表面张力作用下在Al2O3基片上平行分散开；
②首先，用镊子将第1个探针粘到基片上，使其与基片的长边平行；然后，依次将 第2、第3、第4个探针粘到基片上，粘接过程中，利用公知的腐蚀好的钨针尖，在显微镜下对 第2、第3、第4探针的位置进行微调，使各探针相互平行，并将相邻探针之间的间距控制在 40 μ m ~ 60 μ m t|l]。
进一步，所述步骤⑷在对绝缘胶进行加热固化时，最终的加热温度为150°C，加 热到该温度时的升温速度为3°C /min，加热到150°C后保温直至绝缘胶完全固化。
进一步，所述MFPP 为直排四探针 LMFPP (Linear Microscope FourPoint Probe)。
进一步，完成步骤(4)后，利用公知的腐蚀好的钨针尖使四个探针倾斜，并使其自 由端顶端相接，然后继续后面的步骤(5)、(6)、(7)，即可得到相邻探针之间的间距进一步缩 小的MFPP。
进一步，完成步骤(7)后，对四根探针的角度进行调整，使四根探针的自由端分列 在一个四方形的四个顶点上，即可制成方形四探针SMFPP (square Microscope Four Point Probe)；或者，在完成步骤(4)后，对探针的角度进行调整，以控制经步骤(5)后各探针的 长度，并在完成步骤(7)后，通过对四根探针的角度进行调整，最终得到所需的方形四探针 SMFPP(square Microscope Four Point Probe)。
Au很难氧化，且刚性小，因而采用金线作为探针不会破坏样品的表面；金线直径 一般在30 μ m 50 μ m之间，理论上金线越细可以使探针的距离越近，但是实验表明当金线 的直径小于30 μ m后，金线几乎没有弹性，很难与样品表面很好的接触。
Al2O3导热性能好而且热膨胀系数小，将其作为MFPP的支撑材料有利于MFPP进行 变温实验。
在将探针粘到基片上时，将探针放到基片上的绝缘胶上后，绝缘胶会由于毛细原 理自动沿金线流动，因此，向基片上点胶时，将胶层限制在基片中部，可避免因距离基片边 缘太近，而使胶流到探针顶端造成探针绝缘。
控制绝缘胶的粘稠度，使绝缘胶非常稀，可以利用其表面张力使探针在Al2O3基片 上自动平行分散开，从而方便对探针位置的调整。
将各探针在基片上粘好后，在加热绝缘胶使其固化时，如果升温过块，会打乱已经 排序好的各探针的位置，因此，应缓慢加热，保证固化过程中探针位置的稳定。
EPO-TEK公司生产的H74F绝缘胶可以在4. 2K的温度条件下工作，且不会影响到真 空度，因此采用这种胶来粘接固定探针和基片，可避免对MFPP的工作造成干扰。
图1为现有直排四探针结构及工作原理示意图；
图2为本发明工艺制作直排四探针过程中，在基片上点绝缘胶并将探针粘到基片 上后的状态示意图；
图3为本发明工艺利用绝缘胶对探针和基片做进一步加固时的状态示意图；
图4(a)、(b)为本发明工艺制作探针之间间距进一步缩小的LMFPP的工艺示意图；
图5 (a)、(b)、(c)、(d)为本发明工艺制作SMFPP的工艺示意图；
图6为本发明工艺制作的LMFPP使用时的装配状态示意图；
图7为利用本发明工艺制作的MFPP对样品进行测试时的测试结果曲线；
图8为本发明工艺中所涉及的公知的腐蚀好的钨针尖的结构示意图。
具体实施方式
本发明工艺用金线作为制作探针的材料，将探针固定到支撑材料上形成一个 MFPP0下面详细介绍这种工艺的流程
(1)选取直径为30 μ m 50 μ m的金线作为探针的材料，将金线拉直并截取大约 IOmm长的4段作为探针，用丙酮超声波清洗10分钟后备用；
(2)支撑材料采用三氧化二铝(Al2O3),将三氧化二铝陶瓷片切成2 3mm的宽度， 并根据测试系统的实际情况确定其长度；
(3)选用EPO-TEK公司生产的H74F绝缘胶将探针粘接到Al2O3基片上。点少量的 非常稀的绝缘胶到Al2O3基片上，控制绝缘胶的施加量，将胶层限定在基片中部，使胶层边 缘距离基片的边缘1mm，以避免因毛细作用使绝缘胶流到探针的顶端使探针绝缘；控制绝 缘胶的粘稠度，以利用绝缘胶表面张力使探针在Al2O3基片上自动平行分散开。
(4)用镊子将第1个探针粘到基片上，使其与基片的长边平行，并使其一端(自由 端)超出基片边缘大约2mm。
(5)用镊子将第2个探针放到基片上，利用如图8所示的腐蚀好的钨针尖，在200 倍的显微镜下微调两者第1、第2探针之间的距离，两个探针在其下方绝缘胶表面张力作用 下，自动相互平行排列。
(6)采用与上述相同的方法，依次将第3、第4探针粘到基片上，相邻探针之间的间 距控制在40μπι 60μπι之间，如图2所示。
(7)将4个探针粘好后，给绝缘胶加热固化。加热时，如果给绝缘胶迅速升温，将 会导致已经排序好的四探针变得杂乱无章，所以给四探针升温时要缓慢，速度大约是;TC / min，升温至150°C加热5分钟即可使其完全固化。
(8)在光学显微镜下观察固定好的探针的间距是否符合要求，如果间距满足实验 的要求，且没有交叉现象出现，继续进行，否则重新制作。
(9)将四探针插入I2/KI (摩尔比大于2 1)溶液中，利用下面的反应将四探针的 头部腐蚀平，腐蚀的化学反应式为
Au+2KI+3I2 = 2K[AuI4]
(10)用乙醇将四探针浸泡5小时以上除去上面残留的I2/KI，然后用绝缘胶将探 针与基片加固固定，如图3所示。[0056](11)最后，用EPO-TEK公司生产H20E导电银胶引出电极。
经过上述步骤，即可得到相邻探针之间的间距为30 μ m 50 μ m的直排四探针。
如果必要，还可通过下述步骤进一步缩小探针之间的距离
在步骤8之后，利用钨针尖使中间四个探针自由端顶端相交，如图4 (a)所示，然后 再用12/κ 水溶液腐蚀，这样可以使探针的距离到 ομπι左右，腐蚀后的结构如图4(b)所
7J/ ο
经过上述各步得到的是直排四探针，如果需要，还可进一步制成四方MFPP，这种四 方探针可以用于测量表面态或者金属薄膜的各向异性和磁场下的霍尔电导。制作步骤在制 作直排MFPP步骤8之后，进行下面的操作
a、将固定好的4个探针如图5(a)所示，在显微镜下用腐蚀过的钨针将探针Pl和 P4调整一定角度，如图5(b)所示。
以用12/1(1溶液腐蚀后如图5((3)所示，然后用钨针重新调整探针Pl和P4的角度， 制作完成如图5(d)所示的四方四探针。
利用上述工艺制作完成MFPP后，将MFPP安装到步进马达上，使用步进马达驱动 MFPP，并在超高真空的系统中对原位制备的Bi单晶膜进行了测试，测试过程如下
1)安装MFPP时，使探针所在的平面即基片与样品之间的夹角在30度左右，如图6 所示；
2)样品接地，在CXD下监视MFPP进到接近样品的位置，通过步进马达驱动MFPP 接近样品，当四个探针都接触到样品上后，将样品和地断开，开始进行测试。我们采用 Keithley2400作为电流源，Keithley2182作为测量两端的电压，测试温度为120K，Bi膜的 厚度为12ML测试结果如图7所示，与已发表的文章数据相符。
7
权利要求
一种制作在超高真空变温条件下工作的微四探针的方法，具体为(1)制备探针选取直径为30μm～50μm的金线作为探针的材料，将金线拉直后按所需长度截取四段，并用丙酮超声波清洗10分钟后，作为四根探针(P1、P2、P3、P4)备用；(2)制备基片采用三氧化二铝(Al2O3)陶瓷片作为支撑材料，将三氧化二铝陶瓷片切割成2～3mm的宽度，并根据测试系统的实际情况确定所切割陶瓷片的长度，备用；(3)利用绝缘胶将四根探针粘接到基片上，粘接时，使各探针之间相互平行，并调整各探针的位置，将相邻探针之间的间距控制在40μm～60μm之间；(4)加热绝缘胶使其固化；(5)将四探针垂直插入I2/KI溶液中，利用下面的反应将四探针的头部腐蚀平，并通过控制反应时间来控制探针的长度，腐蚀的化学反应式为Au+2KI+3I2→2K[AuI4](6)用乙醇浸泡四探针除去上面残留的I2/KI，然后用绝缘胶对探针与基片进行加固固定；(7)最后，用导电胶从四探针上引出电极，制成所需的微四探针。
2.如权利要求
1所述的方法，其特征在于，所述步骤(3)中所用的绝缘胶为EPO-TEK公 司生产的H74F绝缘胶；所述步骤(7)中所用的导电胶为EPO-TEK公司生产的Η20Ε导电银胶。
3.如权利要求
2所述的方法，其特征在于，所述步骤(3)利用绝缘胶将探针粘接到基片 上的具体操作如下①在Al2O3基片上点绝缘胶，控制绝缘胶的量，将胶层控制在基片中部；控制绝缘胶的 粘稠度，使探针能够在绝缘胶表面张力作用下在Al2O3基片上平行分散开；②首先，用镊子将第1个探针粘到基片上，使其与基片的长边平行；然后，依次将第2、 第3、第4个探针粘到基片上，粘接过程中，利用公知的腐蚀好的钨针尖，在显微镜下对第 2、第3、第4探针的位置进行微调，使各探针相互平行，并将相临探针之间的间距控制在 40 μ m ~ 60 μ m^jl]。
4.如权利要求
2所述的方法，其特征在于，所述步骤(4)在对绝缘胶进行加热固化时， 最终的加热温度为150°C，加热到该温度时的升温速度为3°C /min，加热到150°C后保温直 至绝缘胶完全固化。
5.如权利要求
1所述的方法，其特征在于，所述微四探针为直排四探针。
6.如权利要求
5所述的方法，其特征在于，完成步骤(4)后，利用公知的腐蚀好的钨针 尖使四个探针倾斜，并使其自由端顶端相接，然后继续后面的步骤(5)、(6)、(7)，即可得到 相邻探针之间的间距进一步缩小的微四探针。
7.如权利要求
1所述的方法，其特征在于，完成步骤(7)后，对四根探针的角度进行调 整，使四根探针的自由端分列在一个四方形的四个顶点上，即可制成方形四探针；或者，在 完成步骤(4)后，对探针的角度进行调整，以控制经步骤(5)后各探针的长度，并在完成步 骤(7)后，通过对四根探针的角度进行调整，最终得到所需的方形微四探针。
专利摘要
本发明公开了一种制作在超高真空变温条件下工作的微四探针(MFPP)的工艺，该工艺用金线作为制作探针的材料，将探针固定到支撑材料上形成一个MFPP。因Au很难氧化，且刚性小，因而采用金线作为探针不会破坏样品的表面；Al2O3导热性能好而且热膨胀系数小，将其作为MFPP的支撑材料有利于MFPP进行变温实验；EPO-TEK公司生产的H74F绝缘胶可以在4.2K的温度条件下工作，且不会影响到真空度，因此用来粘接固定探针和基片，可避免对MFPP的工作造成干扰。利用本发明工艺可方便快速地制作出所需的MFPP。
文档编号G01Q60/16GKCN101521047 B发布类型授权 专利申请号CN 200910077292
公开日2010年12月8日 申请日期2009年1月21日
发明者庞斐, 梁学锦, 陈东敏 申请人:中国科学院物理研究所导出引文BiBTeX, EndNote, RefMan专利引用 (5),