[发明专利]一种新型的耐久导电探针头涂层

说明书

本发明涉及涉及薄膜技术领域，具体涉及一种新型的耐久导电探针头涂层；以HfN作为母体，通过合金化形式引入适量的Ag，形成Ag纳米颗粒镶嵌的Hf‑Ag‑N固溶体膜，本发明提供一种Ag纳米颗粒镶嵌Hf‑Ag‑N固溶体涂层，获得了接近N掺杂DLC的高硬度(32.4GPa)、接近Pt‑Ir合金的高电导率(4.07×10⁶S/m)以及杰出的耐磨性(磨损率为9×10^‑7mm³/(Nm))。

技术领域

本发明涉及薄膜技术领域，具体涉及一种新型的耐久导电探针头涂层。

背景技术

“摩尔定律”时代的到来掀起了全世界范围的半导体器件的小型化，应用于原子分辨率的高级电学检测、光刻和纳米结构合成等领域的高端探针头被广泛需求。“探针头-样品”的反复接触会引起探针头的物理完整性和精度退化，这迫切需要人们发展耐久导电探针头涂层(DCTC)。为了获得需要的使用性能和寿命，同时具备高硬度、高耐磨性以及高导电性的DCTC被迫切需求。

截止目前，人们提出了两种思路来尝试在DCTC中获得高硬度与高导电的集成，一是以高导电的金属为母体，通过合金化来改善硬度；二是以超硬的类金刚石(DLC)为母体，通过掺杂来改善导电性。遗憾的是，第一种思路获得的涂层(例如Pt-Ir合金)导电性好，但硬度不足。涂覆这种涂层的原子力显微镜(AFM)探针头在与样品反复接触后很容易钝化或损坏，因而不适合高载荷和高硬度样品的检测；第二种涂层(例如N掺杂的DLC涂层)具有高硬度，但电导率比金属低3-5个数量级。涂覆这种涂层的AFM探针头的导电性达不到ITRS(国际半导体技术路线图)标准，无法获得原子级的检测精度。这些结果表明现有的DCTC的综合性能还不够理想，新型的DCTC亟待被发展。

获取理想DCTC的技术难点主要集中在三个方面：(1)DCTC的母体材料选择十分困难，金属基的涂层导电性好但硬度低，DLC基的涂层硬度高但导电性差，这导致新型母体材料亟待发展。(2)缺少可资借鉴的DCTC结构设计理论，这极大地限制了未来高端探针技术的发展。(3)在一种材料中实现高硬度、高导电性以及高耐磨性的集成在实验上具备挑战性，需要优化的制备工艺、参数以及材料组分的调控。

发明内容

为了同时解决上述三个技术难点，本发明设计和制备出一种Ag纳米颗粒镶嵌的Hf-Ag-N固溶体膜，实现同时具备高硬度、高耐磨性以及高导电性的高性能DCTC，其综合性能较传统DCTCs更为理想。

为实现以上目的，本发明通过以下技术方案予以实现：

一种新型的耐久导电探针头涂层，其特征在于：以HfN作为母体，通过合金化形式引入适量的Ag，形成Ag纳米颗粒镶嵌的Hf-Ag-N固溶体膜；

该Hf-Ag-N固溶体膜包含两相：面心立方相Ag，岩盐相Hf-Ag-N固溶体；Hf-Ag-N固溶体膜的膜厚为620nm。

优选的，一种新型的耐久导电探针头涂层，其制备方法包括以下步骤：

(1)溅射实验前衬底预处理：单晶Si(100)和玻璃衬底放入真空室之前，用丙酮、无水乙醇、蒸馏水依次超声清洗后吹干；

(2)衬底预热与预溅射：当真空室达到本底真空度后，衬底加温到预设温度且保持30min，Hf和Ag靶材单晶Si(100)和玻璃衬底上，Hf和Ag靶材在纯Ar气条件下预溅射5min；

(3)正式溅射实验：调整靶基距、工作压强、衬底偏压和温度分别固定在70mm、1.0Pa、-160V和200℃，通过Ar和N2的混合放电气体溅射沉积，即得耐久导电探针头涂层。

优选的，所述Ag纳米颗粒的尺寸为9-11nm。

优选的，所述岩盐相Hf-Ag-N固溶体的晶粒尺寸为7-9nm。

优选的，所述Ag相在岩盐相中的占比为7-9％。