CN110109001A - 一种原位气氛热电两场测试用样品台及芯片电极自密封结构 - Google Patents
一种原位气氛热电两场测试用样品台及芯片电极自密封结构 Download PDFInfo
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Abstract
本发明提供一种原位气氛热电两场测试用样品台及芯片电极自密封结构，采用的技术方案是：一种原位气氛热电两场测试用样品台，基于光学显微镜，包括集成电路测试台和安装有原位芯片的芯片安装台组件，关键在于，所述集成电路测试台中包括底座、安装在底座上的探针密封组件及电路板，探针限位于包括上密封板、探针导向板和下密封板的探针密封组件的连通孔中，探针导向板上开设通孔并限位有压簧，电路板下压时借助压簧形成下密封板与原位芯片之间、探针与电极之间的自密封结构。有益效果是：结构简单，易于加工，制造成本低，降低了实验成本；可以在光学显微镜下完成原位气体加热、真空加热及电学实验等多类型实验，操作简便。
Description
技术领域
本发明涉及原位电热性能表征设备技术领域，具体涉及一种原位气氛测试用样品台及芯片电极自密封结构，尤其适用于原位气氛热电测试。
背景技术
热电及相变是材料和器件的重要性质，可以反映材料和器件的诸多物理性能，原位、实时、动态的研究材料的组成结构与物理化学性质之间的相关性，有利于促进材料的设计和性能优化，大大提高新材料的研发效率，进一步提高功能材料利用率，促进现有能源产业结构升级转型。原位透射电镜技术是将样品分散在原位芯片上，应用透射电镜在材料分子尺度或原子尺度下，观察研究材料性质-结构关系及其动态变化和研究低维结构的物理和电化学性质的先进手段。现有原位芯片可以集成越来越多的物理、化学功能，为表征材料在热学、电学环境下动态结构及性质提供原位加热及电学环境。
近年来，原位仿真环境透射电镜分析表征技术发展迅速，我国在原位透射电镜分析表征设备及分析方面也有所发展，但明显落后于世界科技强国，相关技术装备水平仍存在较大的差距。其主要问题在于，设计制作原位仿真环境和多场耦合功能样品杆系统的技术难度大，具有变温功能的透射电子显微镜样品杆结构复杂，功能单一，技术要求高，国内透射电子显微镜系统及原位仿真环境样品杆系统都是由国外公司进口，价格昂贵，造成使用需求极大而设备严重不足，一方面严重影响了试验效率和科研进展，另一方面，试验成本很高，给科研及企业增加了很大的负担。
原位透射电镜样品杆作为重要组件，其价格几乎占到透射电子显微镜价格的一半，使用者技术要求高、操作复杂、高成本及高风险，严重阻碍原位透射电镜表征技术的推广使用。所使用的原位芯片尺寸小，通电即可工作，附着在原位芯片上的加热组件、电学测试电路工艺尺寸通常都为微米或纳米级别，外流的电极接口通常为0.5mm，电极间隔最小距离为0.2mm，既要与原位芯片电极良好接触、又要保证原位气氛下加热实验中气氛的密封性，是设计原位仿真环境和多场耦合功能样品杆系统及原位样品台测试装置要考虑的重要问题。现有设备中，外流的电极接口通常是采用特制的折弯钨针与芯片电极进行接触，不具有密封作用，在气氛环境下容易电离气体，且折弯钨针为定制件，定制成本高，不具有通用性。原位透射电镜样品杆则采用上下两个原位芯片密封的方式将电极隔离出来，然后再进行电极接触连接，此结构需要耗费两个原位芯片，成本高。简化结构、降低成本，为原位芯片电极提供良好的电接触和密封，是原位气氛加热和电学测试设备中急需解决的技术问题。
发明内容
为解决现有原位电热性能表征中密封性差、成本高的技术问题，本发明提供一种原位气氛测试用样品台及芯片电极自密封结构，采用直插式探针与原位芯片电极紧密连接同时探针密封组件自适应压紧原位芯片的技术方案，实现了原位芯片性能测试中的自动密封，避免了电极电离气氛，保证了试验的准确性，同时成本大大降低，且易操作。
本发明采用的技术方案是：
一种原位气氛测试用样品台，基于光学显微镜，包括集成电路测试台和安装有原位芯片的芯片安装台组件，关键在于，所述集成电路测试台中包括底座、安装在底座上的探针密封组件及电路板，探针限位于包括上密封板、探针导向板和下密封板的探针密封组件的连通孔中，探针导向板上开设通孔并限位有压簧，电路板下压时借助压簧形成下密封板与原位芯片之间、探针与电极之间的自密封结构。
进一步的，所述探针上端与电路板固定连接，所述电路板、上密封板和探针导向板定位连接，所述下密封板吊装于探针导向板下方并在压簧压缩及伸开时具有上下移动自由度。
进一步的，所述芯片安装台组件上设有芯片容纳腔，芯片容纳腔内开设有进气口和出气口并分别与气源和出气管路连通，形成气路系统。
进一步的，所述连通孔包括中部的主体部和两端的缩颈部，所述探针结构中包括针筒及弹性连接在针筒上的探头，探头穿过下部缩颈部与原位芯片的电极接触。
进一步的，所述原位芯片上设有样品承载膜、电极及配套的加热组件和电学测试电路，样品承载膜为碳膜或SiN膜；所述加热组件为金属丝或SiC薄膜；所述电学测试电路为四电极IV测试电路；所述电极的宽度不小于0.4mm。
进一步的，所述集成电路测试台的电路板上设有与电学工作站相连的电气接口及与原位芯片样品承载膜对应的观察窗，所述观察窗为石英玻璃或亚克力材质。
本发明还提供一种原位气氛测试用芯片电极自密封结构，设置在样品台中电路板的下方，包括与原位芯片电极对应的探针，关键在于，所述探针限位于包括上密封板、探针导向板和下密封板的探针密封组件的连通孔中，探针导向板上开设通孔并限位有压簧，电路板下压时借助压簧形成下密封板与原位芯片之间、探针与电极之间的自密封结构。
进一步的，所述探针上端与电路板固定连接，所述电路板、上密封板和探针导向板定位连接，所述下密封板吊装于探针导向板下方并在压簧压缩及伸开时具有上下移动自由度。
进一步的，所述连通孔包括中部的主体部和两端的缩颈部，所述探针结构中包括针筒及弹性连接在针筒上的探头，探头穿过下部缩颈部与原位芯片电极接触。
进一步的，所述探针与连通孔上端口之间设有弹簧。
上述技术方案中，原位气氛热电两场测试用样品台，基于光学显微镜，样品台结构中包括集成电路测试台和安装有原位芯片的芯片安装台组件，集成电路测试台安装在芯片安装台组件的上方，关键在于，所述集成电路测试台中包括底座、安装在底座上的探针密封组件及电路板，探针密封组件包括上密封板、探针导向板和下密封板，探针密封组件设有连通孔，探针限位于连通孔中且下端探头伸出连通孔从而与原位芯片的电极连接，探针导向板上开设通孔并限位有压簧，电路板向下压时，探针的探头先与原位芯片的电极接触，继续下压，探头收缩，进而下密封板的下平面与芯片上表面接触，继续向下压入，下密封板与的上平面与探针导向板的下平面接触，此时压簧处于压紧后的工作状态，下密封板在压簧压紧力的作用下，下平面会与原位芯片电极的表面牢牢贴合上，探针的探头也与芯片的电极紧密贴合，该结构使得设备装配过程中形成探针与原位芯片电极的自密封，保证了探针与芯片电极的密封连接，而不与原位芯片腔室内的气体接触，避免了在气氛环境下容易电离气体，从而保证了试验的准确性。密封性能受压簧的规格及压紧长度影响，探针与电极的接触力由探针探头的收缩长度影响，均可根据实验具体要求进行选择调整。
原位气氛热电两场测试用芯片电极的自密封结构，用于对测试芯片的电极进行密封，芯片上放置样品，芯片上方有集成电路测试台，集成电路测试台包括其最上方的电路板，该自密封机构设置电路板的下方。自密封结构中包括与原位芯片电极对应的探针，关键设计在于，自密封结构中还包括探针密封组件，探针密封组件中包括上密封板、探针导向板和下密封板，探针密封组件设有连通孔，探针限位于连通孔中且下端探头伸出连通孔，从而与原位芯片的电极连接，探针导向板上开设通孔并限位有压簧，在试验装配过程中当受到向下的压力时，探针的探头先与芯片的电极接触，继续下压，探头收缩，进而下密封板的下平面与芯片上表面接触，下密封板与的上平面与探针导向板的下平面接触，此时压簧处于压紧后的工作状态，下密封板在压簧压紧力的作用下，下平面会与原位芯片上表面牢牢贴合上，探针探头与芯片的电极紧密贴合，该结构使得设备装配过程中形成探针与原位芯片电极的自密封，保证了探针与芯片电极的密封连接，而不与原位芯片腔室内的气体接触，避免了在气氛环境下容易电离气体，从而保证了试验的准确性，且与现有技术中采用两个原位芯片密封芯片气氛腔的技术相比，节约一个芯片，大大降低实验成本，且装配过程自密封，操作简单。
本发明的有益效果是：（1）本发明提供的自密封结构及样品台，采用直插式探针与原位芯片电极连接即可完成原位气体加热实验，相比现有技术的两芯片密封的形式，大大降低了实验成本；同时对原位芯片工艺性能要求降低，大大降低了芯片制作成本；（2）本样品台可以在光学显微镜下完成原位气体加热、真空加热及电学实验等多类型实验，为原位透射实验提供依据，操作简便，操作人员无需经过严格培训即可上手；实验风险低，不会损伤光学显微镜及其他附属配件，大大提高了试验效率和普及率，且样品台结构简单，易于加工，制造成本低。
附图说明
图1为本发明样品台的整体结构示意图；
图2为样品台中芯片安装台组件的整体结构示意图；
图3为样品台中集成电路测试台的分解结构示意图；
图4为探针密封座下压过程中剖面结构示意图；
图5为探针密封座压下后的剖面结构示意图；
图6为集成电路测试台装配成品结构示意图；
图7为原位芯片结构示意图；
其中，1、芯片安装台组件，1-1、芯片容纳腔，1-2、气源接口，1-3、出气管路接口，1-4、进气口，1-5、出气口，2、原位芯片，2-1、电极，3、集成电路测试台，4、电路板，4-1、观察窗，4-2、电气接口，5、探针密封组件，5-1、连通孔，6、底座，7、密封胶圈，8、下密封板，9、探针，9-1、针筒，9-2、探头，9-3、探针簧，10、压簧，11、探针导向板，11-1、通孔，12、上密封板，13、探针密封座安装定位销。
具体实施方式
以下以具体实施例详细说明本发明所提供的一种原位气氛热电两场测试用样品台及芯片电极自密封结构，但不以任何形式限制本发明的保护范围，所属领域技术人员根据技术方案所进行的改善修改或者类似替换，均应包含在本发明的保护范围之内。
实施例1
一种原位气氛测试用样品台，尤其适用于热电两场测试，基于光学显微镜，结构参见图1所示，样品台包括集成电路测试台3和安装有原位芯片2的芯片安装台组件1，集成电路测试台3为原位芯片2提供电极接触探针，探针数量与原位芯片2电极数量位置相匹配，原位芯片2可定制或市售购买获得，优选硅基芯片，芯片安装台组件1安装原位芯片2并为原位实验提供气体环境，结构参见图2所示。所述的集成电路测试台3的结构具体参见图3所示，包括底座6、安装在底座6上的探针密封组件5和电路板4，为保证定位精确，还配套设有安装螺丝、定位销等配件，探针密封组件5中包括上密封板12、探针导向板11和下密封板8，上密封板12、探针导向板11和下密封板8结合开设孔结构形成连通孔，探针9穿过连通孔且上、下两端均伸出连通孔，从而上端与电路板4连接、下端与原位芯片2接触，探针9结构中包括针筒9-1及借助探针簧9-3弹性连接在针筒9-1内的探头9-2。探针导向板11上开设通孔11-1并限位设置有压簧10，电路板4下压时，如图4所示状态，探针9的探头9-2先与原位芯片2的电极2-1接触，继续下压，探头9-2收缩，进而下密封板8的下平面与原位芯片2上表面接触，继续向下压入，下密封板8的上平面与探针导向板11的下平面接触，此时压簧10处于压紧后的工作状态，下密封板8在压簧10压紧力的作用下，下平面会与原位芯片2的表面牢牢贴合上，探针9的探头9-2也与原位芯片2的电极2-1紧密贴合，如图5所示，该结构使得设备装配过程中借助压簧10的张力，形成下密封板8与原位芯片2之间、探针9与电极2-1之间的自密封结构，保证了探针9与芯片电极2-1的密封连接，而不与芯片腔室内的气体接触，避免了在气氛环境下容易电离气体，避免了尖端放电，从而保证了试验的准确性。密封性能受压簧10的规格及压紧长度影响，探针9与电极2-1的接触力由探针9探头9-2的收缩长度影响，均可根据实验具体要求进行选择调整。
所述探针9上端与电路板4固定连接，所述电路板4、上密封板12和探针导向板11定位连接，形成电路板4与上密封板12紧密贴合从而将探针9的上端密封，所述下密封板8吊装于探针导向板11下方，压簧10限位安装在探针导向板11的通孔11-1中，当压簧10压缩或伸开时，具有下密封板8发生上下移动。
芯片安装台组件1上开设芯片容纳腔1-1，芯片容纳腔1-1内设有进气口1-4和出气口1-5，芯片安装台组件1上还设有气源接口1-2、出气管路接口1-3。气源接口1-2借助管道、法兰连接等与气源连通，进气口1-4与气源接口1-2相通，形成进气通道；出气口1-5与出气管路接口1-3相通，出气管路接口1-3借助管道、法兰连接等与真空泵连通，形成出气通道，即抽真空通道。进气通道、出气通道形成的气路系统，为原位实验提供气体环境。常规的，在芯片容纳腔1-1内设有压力传感器，压力传感器通常装在芯片容纳腔1-1内的进气口1-4处或近进气口1-4的位置设有压力传感器，压力传感器与计算机连接并将芯片容纳腔1-1内的压力信息传输至计算机，从而实现芯片容纳腔1-1内气体环境的控制。为保证环境的密闭性，通常芯片安装台组件1上还设有密封圈。在进气通道、出气通道上均设有压力计、流量计及阀门。所述气源为一氧化碳、乙炔、甲烷、氧气，二氧化碳、氢气，氮气或空气。
为避免探针9滑落，更准确限位探针9，连通孔为异形孔、台阶孔，包括中部的主体部和两端的缩颈部，参见图5所示，探头9-2穿过连通孔下端的缩颈部从而与原位芯片2的电极2-1接触。
本实施例中，所述原位芯片2采用市场现有的八电极热电芯片设计，结构参见图6所示，芯片上设有样品承载膜、电极2-1及配套的加热组件和电学测试电路。本样品台主要用于光学显微镜下原位热场测试、电场测试或热电两场测试，从而为投射电镜提供实验依据等，对原位芯片2工艺要求降低，本样品承载膜用于承载样品，厚度一般在100-200nm之间，优选120nm厚，材质优选碳膜或SiN膜，可以使电子极易穿透成像，无需工艺要求高的投射电镜用样品承载膜，大大降低了芯片成本。电极2-1设有8个，其中4个为金属加热丝电极，另4个为电学测试电极，依据该芯片设计的集成电路测试台3配套设有8个探针分别与电极2-1接触，电极2-1的宽度不小于0.4mm。粉末样品可直接溶液分散制样，棒状条状样品可聚焦离子束加工制样，并定位在样品承载膜上，样品承载膜、电路板4的观察窗4-1位置对应，便于观察样品。所述的加热组件为金属丝或SiC薄膜；所述电学测试电路为四电极IV测试电路，可以满足所有电学测试，精度更高。所述集成电路测试台3的电路板4上设有与电学工作站匹配的电气接口4-2及与原位芯片2样品承载膜对应的观察窗4-1，图1及图3均有显示，电学工作站通过电气接口4-2为电极2-1提供电源、电压等，通过调节电学工作站可实现原位芯片2的温度控制和电学参数的测量等，本实施例中电学工作站为美国Keithley表，电气接口4-2相应的与Keithley表匹配，直接与Keithley表相连即可；所述观察窗4-1为石英玻璃或亚克力材质。
为进一步保证密封结构，探针9的探头9-2直径要小于连通孔下端缩颈部的直径，连通孔下端缩颈部的直径要小于原位芯片2电极2-1的宽度，这样可保证探头9-2在于电极2-1接触时，使下密封板8下平面与原位芯片2电极面（上表面）牢牢贴合，不留缝隙，达到密封良好的效果。实际使用中，最优选方案，原位芯片2的电极2-1宽度通常为0.5mm，探针9的探针9-1触头直径为0.17mm，材料为BeCu，表面渡Au，测试最大电流不小于1.7A，本身电阻小于50mΩ，其中接触碳头可压缩距离为1mm。
样品台在使用时，装配方法可为，先组装探针密封组件5，将压簧10装入探针导向板11的通孔11-1内，用螺钉及探针密封座安装定位销13连接探针导向板11和探针上密封板12。然后装入探针9、下密封板8，再将组装好的探针密封组件5放入底座6的安装槽内，用配套螺钉固定，之后放入密封胶圈7，再装入电路板4，用相应的定位销及螺钉安装固定，完成集成电路测试台3的装配，最后再与芯片安装台组件1组装，从而完成样品台的装配。整个测试装置样品台在使用中密封性良好，真空度可以达到0.4mbar。
实施例2
一种原位气氛热电两场测试用芯片电极自密封结构，在样品台中可采用此自密封结构实现芯片电极的密封，所述的自密封结构设置在集成电路测试台3中电路板4的下方，包括与原位芯片2电极2-1对应的探针9，所述探针9限位于探针密封组件5开设的连通孔中，参见图5所示，探针密封组件5结构中包括上密封板12、探针导向板11和下密封板8，连通孔贯穿设置在上密封板12、探针导向板11和下密封板8中，且上端伸出与电路板4固定连接，下端伸出与电极2-1接触。探针导向板11上开设通孔11-1，通孔11-1内限位设有压簧10，电路板4下压时借助压簧10形成下密封板8与原位芯片2之间、探针9与电极2-1之间的自密封结构。
如图3所示，电路板4、上密封板12和探针导向板11借助探针密封座安装定位销13精确定位连接，如图5所示，压簧10限位安装在探针导向板11的通孔11-1中，当压簧10压缩或伸开时，具有下密封板8发生上下移动。
为避免探针9滑落，更准确限位探针9，连通孔为异形孔、台阶孔，包括中部的主体部和两端的缩颈部，参见图5所示，探头9-2穿过连通孔下端的缩颈部从而与原位芯片2的电极2-1接触。更进一步的，可在探针9针筒9-1的肩部（上端较细的连接部与中部的连接处）与连通孔上端口之间（优选上端的缩颈部与主体部连接处）设有弹簧，可进一步弹性下压探针9，保证长时间接触。
上述自密封结构在应用安装时，还设置底座6，底座6上开有安装探针密封组件5的槽，并配套设置密封胶圈7，探针密封组件5安装在电路板4与底座6之间，探针9的顶端伸出上密封板12与电路板4连接，下端与电极2-1接触，借助探针密封组件5实现整个组件与外界密封良好。
其密封原理及探针9结构等，参见实施例1中说明。
探针9与电极2-1的接触力由探针9的探头9-2的收缩长度确定，密封力受探头9-2与针筒9-1之间的探针簧9-3规格及压紧长度影响，接触力与密封力可根据实验的具体要求调整相应的设计参数。
综合上述可见，本发明提供的原位气氛热电两场测试用样品台及芯片电极自密封结构，结构简洁，使用方便，对原位芯片2工艺性能要求降低，大大降低了芯片制作成本，可以在光学显微镜下完成原位气体加热、真空加热及电学实验等多类型实验，可为原位透射实验提供依据，降低实验成本，大大简化了原位气氛热电两场测试的操作，提高了普及率和实验效率。
Claims (10)
1.一种原位气氛测试用样品台，基于光学显微镜，包括集成电路测试台（3）和安装有原位芯片（2）的芯片安装台组件（1），其特征在于，所述集成电路测试台（3）中包括底座（6）、安装在底座（6）上的探针密封组件（5）及电路板（4），探针（9）限位于包括上密封板（12）、探针导向板（11）和下密封板（8）的探针密封组件（5）的连通孔中，探针导向板（11）上开设通孔（11-1）并限位有压簧（10），电路板（4）下压时借助压簧（10）形成下密封板（8）与原位芯片（2）之间、探针（9）与电极（2-1）之间的自密封结构。
2.根据权利要求1所述的样品台，其特征在于，所述探针（9）上端与电路板（4）固定连接，所述电路板（4）、上密封板（12）和探针导向板（11）定位连接，所述下密封板（8）吊装于探针导向板（11）下方并在压簧（10）压缩及伸开时具有上下移动自由度。
3.根据权利要求1所述的样品台，其特征在于，所述芯片安装台组件（1）上设有芯片容纳腔（1-1），芯片容纳腔（1-1）内开设有进气口（1-4）和出气口（1-5）并分别与气源和出气管路连通，形成气路系统。
4.根据权利要求1所述的样品台，其特征在于，所述连通孔包括中部的主体部和两端的缩颈部， 所述探针（9）结构中包括针筒（9-1）及弹性连接在针筒（9-1）上的探头（9-2），探头（9-2）穿过下部缩颈部与原位芯片（2）的电极（2-1）接触。
5.根据权利要求4所述的样品台，其特征在于，所述原位芯片（2）上设有样品承载膜、电极（2-1）及配套的加热组件和电学测试电路；所述样品承载膜为碳膜或SiN膜；所述加热组件为金属丝或SiC薄膜；所述电学测试电路为四电极IV测试电路；所述电极（2-1）的宽度不小于0.4mm。
6.根据权利要求1所述的样品台，其特征在于，所述集成电路测试台（3）的电路板（4）上设有与电学工作站相连的电气接口（4-2）及与原位芯片（2）样品承载膜样品承载膜对应的观察窗（4-1），所述观察窗（4-1）为石英玻璃或亚克力材质。
7.一种原位气氛测试用芯片电极自密封结构，设置在样品台中电路板（4）的下方，包括与原位芯片（2）电极（2-1）对应的探针（9），其特征在于，所述探针（9）限位于包括上密封板（12）、探针导向板（11）和下密封板（8）的探针密封组件（5）的连通孔中，探针导向板（11）上开设通孔（11-1）并限位有压簧（10），电路板（4）下压时借助压簧（10）形成下密封板（8）与原位芯片（2）之间、探针（9）与电极（2-1）之间的自密封结构。
8.根据权利要求7所述的自密封结构，其特征在于，所述探针（9）上端与电路板（4）固定连接，所述电路板（4）、上密封板（12）和探针导向板（11）定位连接，所述下密封板（8）吊装于探针导向板（11）下方并在压簧（10）压缩及伸开时具有上下移动自由度。
9.根据权利要求7所述的自密封结构，其特征在于，所述连通孔包括中部的主体部和两端的缩颈部， 所述探针（9）结构中包括针筒（9-1）及弹性连接在针筒（9-1）上的探头（9-2），探头（9-2）穿过下部缩颈部与原位芯片（2）电极（2-1）接触。
10.根据权利要求7或9所述的自密封结构，其特征在于，所述探针（9）与连通孔上端口之间设有弹簧。
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