CN114624473A - 一种闭循环探针台 - Google Patents

Abstract

本发明的一种闭循环探针台，主要包括支撑柱、安装台、腔体、多个探针臂、探针组件、样品台、减震系统、GM制冷机、气体进出口、温控器接口、显微镜及显微镜底座；所述支撑柱支撑安装台；所述安装台上安装腔体、多个探针臂、显微镜及显微镜底座；所述样品台位于腔体内；所述减震系统位于样品台周围；所述GM制冷机安装在GM支撑安装板上，为系统提供制冷；所述腔体限定出腔室；所述多个探针臂分布在腔体的周围，且每个探针臂可以独立操作；所述探针组件分布在样品台的周围；所述腔体壁上有气体进出口和温控器接口；腔体的密封顶板和顶冷屏的密封顶板均带有石英窗口，可与光学系统（显微镜、照相机、光源和监视器）联用，进行光学透射实验。

Description

一种闭循环探针台

技术领域

本发明涉及探针台技术领域，尤其是涉及一种闭循环探针台。

技术背景

探针台主要用于半导体行业、光电行业、集成电路以及芯片上的高精密电学测量。随着行业的发展，被测器件的种类越来越多，要求也越来越复杂，探针台的功能和要求逐步提高。目前，世界各地的政府实验室、工业和大学的研究需要真空和低温探测系统的探针台，国内市场上的低温设备均为进口的设备，需要制冷剂液氮或者液氦，不仅价格昂贵，而且设备的减震需要配有减震台，进一步的增加了设备的成本；设备的减震和低温效果需要改善。

鉴于以上技术问题，以下提出本发明及其实施例。

发明内容

针对以上问题，本发明的一种闭循环探针台，为晶片、器件和材料（薄膜、纳米线、纳米管等）提供便利的真空和低温测试条件，先进的减震技术保证了样品位置的稳定性；该探针台无需制冷剂，利用GM制冷技术，在不给样品带来振动的情况下提供快速冷却；样品周围是冷屏，最大限度地减小热辐射对样品温度的影响，从而使样品的温度尽可能低。

本发明的一种闭循环探针台，主要包括支撑柱、安装台、腔体、多个探针臂、探针组件、样品台、减震系统、GM制冷机、气体进出口、温控器接口、显微镜及显微镜底座；所述支撑柱支撑安装台；所述安装台上安装腔体、多个探针臂、显微镜及显微镜底座；所述样品台位于腔体内；所述减震系统位于样品台周围；所述GM制冷机安装在GM支撑安装板上，为系统提供制冷；所述腔体限定出腔室；所述多个探针臂分布在腔体的周围，且每个探针臂可以独立操作；所述探针组件分布在样品台的周围；所述腔体壁上有气体进出口和温控器接口；腔体的密封顶板和顶冷屏的密封顶板均带有石英窗口，可与光学系统（显微镜、照相机、光源和监视器）联用，进行光学透射实验。

进一步地，其中，所述腔体由顶腔体和底腔体组成，顶腔体内部有顶冷屏，底腔体内部有底冷屏；顶冷屏和底冷屏的外部均包裹有多层高绝热聚酰亚胺薄膜；薄膜层可以降低漏热；冷屏在低温和外壁的室温之间提供中间温度，减小对外冷量传导，可以防止热辐射，具有很好的屏蔽功能。

进一步地，其中，所述探针臂采用柔性波纹管和三通连接，探针臂一端固定在腔体上，另一端与探针调节支架相连，三通的第三端与三同轴电贯接头连接，可以外接电学测试设备，对器件进行电学测试。

进一步地，其中，所述探针组件均包括探针、探针头、探针手拧套、高绝热探针杆以及探针调节支架；探针安装在探针头上，用探针手拧套固定；高绝热探针杆连接探针头和探针调节支架，其外部包裹了多层高绝热聚酰亚胺薄膜；探针调节支架为三维装置，可以对探针进行X轴,Y轴和Z轴方向位置进行调节。

进一步地，其中，所述样品台采用蓝宝石绝热片，样品台底部安装有加热块和温度传感器，对样品台的温度进行控制和调节。

进一步地，其中，所述减震系统采用柔性铜辫导冷减震以及对称式结构将震动降低到最低，同时确保强度前提下，减少热传导，柔性铜辫把震动减弱，同时把制冷量传递给样品台。

进一步地，其中，所述GM制冷机为系统提供冷量，通过柔性铜辫将冷量传递给样品台、冷屏、探针杆一级导冷铜辫和探针杆二级导冷铜辫，探针杆一级导冷铜辫和探针杆二级导冷铜辫将冷量传递给探针，使探针与样品台的温度一致。

进一步地，其中，所述气体进出气口，外接气源，为样品提供所需的气氛环境。

进一步地，其中，所述温控器接口外接温度控制器，对样品台的温度进行监控和控制。

进一步地，其中，所述显微镜固定在显微镜底座上，探针台可与光学系统（显微镜、照相机、光源和监视器）联用，用于观察样品状态及变化。

附图说明

参照附图下面说明本发明公开内容的具体内容，这将有助于更加容易地理解本发明公开内容的以上和其他目的、特点和优点。附图只是为了示出本发明公开内容的原理。在附图中不必依照比例绘制出单元的尺寸和相对位置。在附图中：图1是根据本发明实施例的一种闭循环探针台的系统整体结构图；

图2是根据本发明实施例的一种闭循环探针台的俯视图；

图3是根据本发明实施例的一种闭循环探针台的剖面结构图；

图4是根据本发明实施例的一种闭循环探针台的腔体内部结构图；

图5是根据本发明实施例的一种闭循环探针台的探针结构图；

图6是根据本发明实施例的一种闭循环探针台的探针杆结构图；

图7是根据本发明实施例的一种闭循环探针台的样品台柔性导冷减震铜辫（a）和冷屏柔性导冷减震铜辫（b）结构图；

图8是根据本发明实施例的一种闭循环探针台的探针杆一级导冷铜辫（a）和探针杆二级导冷铜辫（b）结构图；

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。以下对至少一个示例性实施例的描述实际上仅仅是说明性的，决不作为对本发明及其应用或使用的任何限制。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有开展创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

如图1-图8所示，一种闭循环探针台，主要包括支撑柱（101,102,103,104）、安装台（100）、腔体（200）、多个探针臂（301,302,303，304,305,306）、探针组件（310）、样品台（206）、多个样品台柔性导冷减震铜辫（212）、多个冷屏柔性导冷减震铜辫（211）、GM制冷机（601）、气体进出口（401,402）、温控器接口（700）、显微镜（500）及显微镜底座（504）；所述支撑柱（101,102,103,104）支撑安装台（100）；所述安装台（100）上安装腔体（200）、多个探针臂（301,302,303，304,305,306）、显微镜（500）及显微镜底座（504）；所述样品台（206）位于腔体内；所述多个样品台柔性导冷减震铜辫（212）和多个冷屏柔性导冷减震铜辫（211）位于样品台（206）周围；所述GM制冷机（601）安装在GM支撑安装板上（606）；GM制冷机（601）的法兰与外真空罩（605）的底法兰固定在一起，一级冷头（602）的法兰与外真空罩（605）顶法兰固定在一起，二级冷头（603）通过转接板与多个样品台柔性导冷减震铜辫（212）安装连接在一起，一级冷头（602）的外部有外真空罩（605）；二级冷头（602）的外部安装有底冷屏（204），底冷屏（204）的外部采用波纹管（604）密封；所述腔体（200）限定出腔室；所述多个探针臂（301,302,303，304,305,306）分布在腔体（200）的周围，且每个探针臂可以独立操作；所述探针组件（310）分布在样品台的周围；所述腔体壁上有气体进出口（401,402）和温控器接口（700）；腔体的密封顶板（207）和顶冷屏的顶板（208）带有石英窗口，可与光学系统（显微镜、照相机、光源和监视器）联用，进行光学透射实验。

优选的，其中，所述腔体（200）由顶腔体（201）和底腔体（202）组成，顶腔体（201）内部有顶冷屏（203），底腔体（202）内部有底底冷屏（204）；顶冷屏（203）和底冷屏（204）的外部均包裹有多层高绝热聚酰亚胺薄膜（205）；薄膜层可以降低漏热，在低温和外壁的室温之间提供中间温度，减小对外冷量传导；顶冷屏密封板（208）带有蓝宝石冷窗；底冷屏顶板（213）上分布有多个冷屏柔性导冷减震铜辫（211）、加热器和温度监视器（未示出），多个冷屏柔性导冷减震铜辫（211）用于减震和传递冷量，加热器和温度监视器用于给冷屏加热和对冷屏的温度进行实时监控。

优选的，其中，所述探针臂（301）采用柔性波纹管（3151）和三通（314）连接，探针臂（301）一端固定在腔体（200）上，另一端与探针调节支架（319）相连，三通（314）的第三端（310）与三同轴电贯接头连接，可以外接电学测试设备，对器件进行电学测试；探针组件包括探针（318）、探针头（322）、探针手拧套（317）、探针杆（320）以及探针调节支架（319）；探针（318）安装在探针头（322）上，用探针手拧套（317）固定；探针杆由探针长杆（320）和绝热柱（316）通过导冷座（321）连接而成，绝热柱（316）的外部包裹了多层高绝热聚酰亚胺薄膜；探针调节支架（319）为三维装置，由探针臂X向平移台（312），Y向平移台（311）以及Z向平移台（313）组成，对探针的X轴,Y轴和Z轴方向位置进行调节；当腔室处于真空状态时，柔性不锈钢波纹管（315）在探针臂（301）周围提供结构支撑；柔性不锈钢波纹管（315）允许在保持系统真空的同时操纵探针（318）。

优选的，其中，所述样品台（206）采用蓝宝石绝热片，通过多个立柱（215）固定在顶冷屏（203）的底法兰上；样品台（206）中心带有通光孔，允许光源通过；样品台（206）的底部有加热器和温度传感器（未示出），对样品台（206）进行加热和实时温度监控；样品台（206）周围有减震系统，样品台柔性导冷减震铜辫（212）安装在二级冷头（603）的顶板（214）上，且均匀分布在样品台（206）中心，一端固定在二级冷头（603）的顶板（214）上，另一端固定在样品台（206）的底部；多个冷屏柔性导冷减震铜辫（211）分布在每个探针下部，一端固定在底冷屏顶板（213）上，另一端固定在顶冷屏（203）上；探针杆一级导冷铜辫（209）固定在样品台（206）上，探针杆二级导冷铜辫（210）固定在顶冷屏（203）的外部，且穿越薄膜层；每个探针的两边对称分布有探针杆一级导冷铜辫（209）和探针杆二级导冷铜辫（210）；底冷屏顶板（213）上有加热器和温度计（未示出），加热器对冷屏进行加热，温度计用于监视冷屏的温度；减震系统采用多个样品台柔性导冷减震铜辫（212）和多个冷屏柔性导冷减震铜辫（211）以及对称式结构将震动降低到最低，同时确保强度前提下，减少热传导，把震动减弱，同时把制冷量传递给样品台（206）。

优选的，其中，所述GM制冷机（601）安装在GM支撑安装板（606）上，GM底部支撑板（609）上有多个压砖（610），GM支撑安装板（606）和GM底部支撑板（609）通过GM支撑杆（607）相连，且GM底部支撑板（609）安装有多个减震脚杯（608）；GM制冷机（601）为系统提供冷量，一级冷头（602）和二级冷头（603）分别通过多个冷屏柔性减震铜瓣（211）和多个样品台柔性导冷减震铜辫（212）将冷量传递给样品台（206）、顶冷屏（203）、探针杆一级导冷铜辫（209）和探针杆二级导冷铜辫（209），探针杆一级导冷铜辫（209）和探针杆二级导冷铜辫（209）将冷量传递给探针，使探针与样品的温度一致；二级冷头（603）通过多个样品台柔性导冷减震铜辫（212）将温度传递给样品台（206），样品台（206）把温度传递给样品杆一级导冷铜辫（209）；一级冷头（602）通过多个冷屏柔性减震铜瓣（211）把温度传递给底冷屏（204），底冷屏（204）将温度传递给探针杆二级导冷铜辫（210）；可以使探针杆与探针的温度跟样品台（206）保持一致；底冷屏顶板（213）上安装有加热器和温度传感器，底冷屏（204）的温度通过温度传感器和加热器进行调节；温度传感器用螺丝固定在底冷屏的顶板（213）；加热器由两个并联的筒式加热器组成，并用环氧树脂固定；温度传感器输出和加热器输入通过温度控制器馈线连接到温度控制器。

优选的，其中，所述气体进出气口，可以外接气源，为样品提供所需的气氛环境；气体由第一进气口（401）进入到台体内，进而充满腔室内部，最后从第一出气口（402）排出，第一进气口（401）通过进气管与外部气源连接，第一出气口（402）连接到废气回收装置。

优选的，其中，温度控制器接口（700）外接温度控制器（未示出），温度控制器为探针台在任何温度下的测量提供稳定的温度，控制器感测系统温度并根据需要向探针台加热器发送直流加热器功率，平衡加热功率与冷屏处可用的冷却功率，以在用户输入的任何设定值处提供稳定的温度。控制器还将其时间响应与探针台的时间响应相平衡，以便在没有振荡或不必要延迟的情况下实现稳定的温度。

优选的，其中，所述显微镜（500）固定在显微镜底座（504）上，通过显微镜X向平移台（503）、Y向平移台（502）和Z向调整把手（501）对显微镜（500）可以进行三维调节；腔体的透光密封底板（207）和顶冷屏密封顶板（208）上均有石英窗，这些窗口与样品台的通光孔同轴放置；使探针台可与光学系统（显微镜、照相机、光源和监视器）联用，用于观察样品状态及变化。

应该理解，在不偏离本公开内容的精神的情况下，针对描述和/或示出的特征可以以相同或类似的方式与其他的特征相组合，或替代其他的特征。

以上结合附图对本公开内容进行了描述，但本领域技术人员应该清楚，这些描述都是示例性的，并不是对本公开内容的保护范围的限制。本领域技术人员可以根据本公开内容的精神和原理对本公开内容做出各种变型和修改，这些变型和修改也在本公开内容的范围内。

Claims (10)

1.一种闭循环探针台，其特征在于，主要包括支撑柱、安装台、腔体、多个探针臂、探针组件、样品台、减震系统、GM制冷机、气体进出口、温控器接口、显微镜及显微镜底座；所述支撑柱支撑安装台；所述安装台上安装腔体、多个探针臂、显微镜及显微镜底座；所述样品台位于腔体内；所述减震系统位于样品台周围；所述GM制冷机为系统制冷，GM制冷机固定在GM支撑安装板上；所述腔体限定出腔室；所述多个探针臂分布在腔体的周围，且每个探针臂可以独立操作；所述探针组件分布在样品台的周围；所述腔体壁上有气体进出口和温控器接口；腔体的密封顶板和顶冷屏的密封顶板均带有石英窗口，可与光学系统（显微镜、照相机、光源和监视器）联用，进行光学透射实验。

2.如权利要求1所述一种闭循环探针台，其特征在于，所述腔体由顶腔体和底腔体组成，顶腔体内部有顶冷屏，底腔体内部有底冷屏；顶冷屏和底冷屏的外部均包裹有多层高绝热聚酰亚胺薄膜；薄膜层可以降低漏热；冷屏在低温和外壁的室温之间提供中间温度，减小对外冷量传导，可以防止热辐射，具有很好的屏蔽功能。

3.如权利要求1所述一种闭循环探针台，其特征在于，所述探针臂采用柔性波纹管和三通连接，探针臂一端固定在腔体上，另一端与探针调节支架相连，三通的第三端与三同轴电贯接头连接，可以外接电学测试设备，对器件进行电学测试。

4.如权利要求1所述一种闭循环探针台，其特征在于所述探针组件均包括探针、探针头、探针手拧套、高绝热探针杆以及探针调节支架；探针安装在探针头上，用探针手拧套固定；高绝热探针杆连接探针头和探针调节支架，其外部包裹了多层高绝热聚酰亚胺薄膜；探针调节支架为三维装置，可以对探针进行X轴,Y轴和Z轴方向位置进行调节。

5.如权利要求1所述一种闭循环探针台，其特征在于，所述样品台采用蓝宝石绝热片，样品台底部安装有加热块和温度传感器，对样品台的温度进行控制和调节。

6.如权利要求1所述一种闭循环探针台，其特征在于，所述减震系统采用柔性铜辫导冷减震以及对称式结构将震动降低到最低，同时确保强度前提下，减少热传导，柔性铜辫把震动减弱，同时把制冷量传递给样品台。

7.如权利要求1所述一种闭循环探针台，其特征在于，所述GM制冷机为系统提供冷量，通过柔性铜瓣将冷量传递给样品台、冷屏、探针杆一级导冷铜瓣和探针臂二级导冷铜瓣，探针杆一级导冷铜瓣和探针臂二级导冷铜瓣将冷量传递给探针，使探针与样品台的温度一致。

8.如权利要求1所述一种闭循环探针台，其特征在于，所述气体进出气口，外接气源，为样品提供所需的气氛环境。

9.如权利要求1所述一种闭循环探针台，其特征在于，所述温控器接口外接温度控制器，对样品台的温度进行监控和控制。

10.如权利要求1所述一种闭循环探针台，其特征在于，所述显微镜固定在显微镜底座上，探针台可与光学系统（显微镜、照相机、光源和监视器）联用，用于观察样品状态及变化。

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