CN115839560A - 一种真空晶圆检测制冷装置 - Google Patents

Abstract

本申请涉及一种真空晶圆检测制冷装置，包括支撑架、支撑架顶板、探针台、测试机构、真空腔体、载物台、两级GM制冷机、加热环、外层真空罩、内层真空罩、环形稳定罩、制冷机安装板、配重块和承载板。本申请采用两级GM制冷机提供冷量，避免使用液氮、液氦等制冷剂，舍弃了液路管道及液路控制阀件，能简化装置结构；两级GM制冷机温度最低可达到4K标准，温度调节范围更广，而且具有制冷速度快，温度稳定性好、运转可靠、使用寿命长等优点；将两级GM制冷机密封在外层真空罩和内层真空罩内，冷量损失少。本申请做了减震设计，不易影响测试结果。

Description

一种真空晶圆检测制冷装置

技术领域

本申请涉及晶圆检测设备技术领域，尤其是涉及一种真空晶圆检测制冷装置。

背景技术

随着半导体行业的迅猛发展，对半导体器件的研究要求越来越高，特别是真空环境、高温环境、极低温环境等不同环境中的测试情况越来越多。比如公开号为CN211955566U、名称为“一种用于半导体器件的真空高低温测试探针台”的中国专利申请中，就公开了一种半导体器件的真空检测装置，它采用制冷剂直接通过载物台循环，能够实现快速降温，同时配合加热部件，通过加热与降温交替进行，快速达到半导体器件的测试温度，大大缩减测试时间，提升半导体器件的测试效率。制冷剂一般为液氮或者液氦，这种设备的设计和操作较为复杂，有必要进一步改进。

发明内容

为了解决现有依靠制冷剂进行制冷的检测设备设计和操作较为复杂的技术问题，本发明提供了一种真空晶圆检测制冷装置。

本申请提供的一种真空晶圆检测制冷装置采用如下的技术方案：一种真空晶圆检测制冷装置，包括支撑架、支撑架顶板、探针台、测试机构、真空腔体、载物台、两级GM制冷机、加热环、外层真空罩、内层真空罩、环形稳定罩、制冷机安装板、配重块和承载板；

所述支撑架顶板设置在支撑架上，所述探针台设置在支撑架顶板上，所述测试机构设置在探针台上；所述真空腔体设置在支撑架顶板上，所述探针台中部设有避让孔，用于避让真空腔体；

所述支撑架顶板中部也设有避让孔，用于避让外层真空罩；所述真空腔体底部设有避让孔，用于避让内层真空罩和两级GM制冷机；

所述配重块设置在承载板上，所述制冷机安装板设置在配重块上方；

所述两级GM制冷机设有第一法兰和第二法兰，所述两级GM制冷机的一级制冷段和二级制冷段均位于外层真空罩内，外层真空罩上端与真空腔体的底部密封连接，下端固定设置在制冷机安装板上，第一法兰与外层真空罩的下端密封固定连接；所述两级GM制冷机的二级制冷段位于内层真空罩内，内层真空罩下端与第二法兰密封连接，上端伸入真空腔体内，两级GM制冷机的制冷头也伸入真空腔体内；制冷头为自由端，未被其他部件固定；所述加热环设置在内层真空罩顶端，并位于制冷头的上方，所述载物台设置在加热环上端，所述环形稳定罩下端固定设置在加热环上，上端固定设置在真空腔体的内部顶壁上。

通过采用上述技术方案，本申请采用两级GM制冷机提供冷量，避免使用液氮、液氦等制冷剂，舍弃了液路管道及液路控制阀件，能简化装置结构；两级GM制冷机温度最低可达到4K标准，温度调节范围更广，而且具有制冷速度快，温度稳定性好、运转可靠、使用寿命长等优点。

本申请将两级GM制冷机密封在外层真空罩和内层真空罩内，并且与真空腔体连通，抽真空后，外层真空罩和内层真空罩具有绝热作用，减少冷量损失，一级制冷段最低温度一般为40K，二级制冷段最低温度为4K，二级制冷段通过外层真空罩和内层真空罩的绝热后，冷量损失更少。

由于两级GM制冷机在工作中会产生震动，本申请做了减震设计，不易影响测试结果。

载物台设置在加热环上，加热环位于制冷头的上方，加热环为中空结构，不会阻挡冷量上传，无论是制热还是制冷，都能把热量或冷量快速传递给载物台上的晶圆。两级GM制冷机的制冷头还能将真空腔体内的水汽分子快速冰冻住，减少水汽对将检测的影响。二级制冷段制冷头的震动幅度一般最大，本申请把制冷头设计为自由端，不会传递震动给真空腔体或载物台，对减少震动大有益处。

优选地，所述内层真空罩顶端设有多个调高螺钉柱，所述加热环通过调高螺钉柱设置在内层真空罩顶端。

通过采用上述技术方案，一是通过调整加热环的高度，来间接调整载物台的高度，以适应检测要求；二是减少加热环传递热量给下方的部件。

优选地，所述外层真空罩的侧面设有抽真空管。

通过采用上述技术方案，本申请把抽真空管尽量向下布局，因为抽真空管本身也会产生轻微震动，能减少对真空腔体的影响。

优选地，所述测试机构包括光学测试机构、电性测试机构和光学观察机构。

通过采用上述技术方案，能实现基本的检测功能。

优选地，所述支撑架底部设有万向脚轮，所述制冷机安装板底部也设有万向脚轮。

通过采用上述技术方案，由于设置了配重块，所以整体重量是比较大的，安装万向脚轮后移动会方便一些。

优选地，所述支撑架上设有中部横向连接杆，所述制冷机安装板通过连接板与中部横向连接杆固定连接。

通过采用上述技术方案，中部横向连接杆能增加支撑架的整体刚性，承重大，连接板将支撑架和制冷机安装板连接为一体，支撑架能承担或消除一部分水平方向的震动。

优选地，所述外层真空罩包括上半部分和下半部分，上半部分和下半部分密封固定连接，上半部分为真空波纹管。

通过采用上述技术方案，真空波纹管在长度方向具有一定的变形能力，传递震动的能力进一步变差。

优选地，所述配重块包括第一配重块和第二配重块，所述两级GM制冷机位于第一配重块和第二配重块之间。

通过采用上述技术方案，两侧的配重均衡，能起到较好减震效果，尤其是竖直方向的震动。

优选地，所述第一配重块和第二配重块与制冷机安装板之间均设有橡胶减震垫。

通过采用上述技术方案，进一步减小震动。

综上所述，本申请包括以下至少一种有益技术效果：

1.本申请采用两级GM制冷机提供冷量，避免使用液氮、液氦等制冷剂，舍弃了液路管道及液路控制阀件，能简化装置结构；

2.两级GM制冷机温度最低可达到4K标准，温度调节范围更广，而且具有制冷速度快，温度稳定性好、运转可靠、使用寿命长等优点；

3.本申请将两级GM制冷机密封在外层真空罩和内层真空罩内，外层真空罩和内层真空罩具有绝热作用，减少冷量损失；

4.本申请做了减震设计，震动很小，不易影响检测结果。

附图说明

图1绘示了本申请实施例所述真空晶圆检测制冷装置的立体图；

图2绘示了本申请实施例所述真空晶圆检测制冷装置的侧视图；

图3绘示了本申请实施例所述真空晶圆检测制冷装置的俯视图；

图4绘示了图3中A-A向剖示图；

图5绘示了图4中C处放大图；

图6绘示了图3中B-B向剖示图；

图7绘示了本申请实施例真空腔体内部零件的布局示意。

附图标记说明：1、支撑架；101、万向脚轮；102、中部横向连接杆；2、支撑架顶板；21、避让孔；3、探针台；31、避让孔；4、测试机构；5、真空腔体；51、避让孔；6、载物台；7、两级GM制冷机；71、第一法兰；72、第二法兰；73、一级制冷段；74、二级制冷段；75、制冷头；8、加热环；9、外层真空罩；91、上半部分；92、下半部分；10、内层真空罩；11、环形稳定罩；12、制冷机安装板；121、万向脚轮；13、配重块；131、第一配重块；132、第二配重块；14、承载板；15、调高螺钉柱；16、抽真空管；17、连接板；18、橡胶减震垫。

具体实施方式

以下结合附图1-7对本申请作进一步详细说明。

参照图1和图2，本申请实施例公开一种真空晶圆检测制冷装置，包括支撑架1、支撑架顶板2、探针台3、测试机构4、真空腔体5、载物台6、两级GM制冷机7、加热环8、外层真空罩9、内层真空罩10、环形稳定罩11、制冷机安装板12、配重块13和承载板14；所述支撑架顶板2设置在支撑架1上，所述探针台3设置在支撑架顶板2上，所述测试机构4设置在探针台3上；所述真空腔体5设置在支撑架顶板2上，所述探针台3中部设有避让孔31，用于避让真空腔体5；所述支撑架顶板2中部也设有避让孔21，用于避让外层真空罩9；所述真空腔体5底部设有避让孔51，用于避让内层真空罩10和两级GM制冷机7；所述配重块13设置在承载板14上，所述制冷机安装板12设置在配重块13上方。

所述两级GM制冷机7设有第一法兰71和第二法兰72，所述两级GM制冷机7的一级制冷段73和二级制冷段74均位于外层真空罩9内，外层真空罩9上端与真空腔体5的底部密封连接，下端固定设置在制冷机安装板12上，第一法兰71与外层真空罩9的下端密封固定连接；所述两级GM制冷机7的二级制冷段74位于内层真空罩10内，内层真空罩10下端与第二法兰72密封连接，上端伸入真空腔体5内，两级GM制冷机7的制冷头75也伸入真空腔体5内；制冷头75为自由端，未被其他部件固定；所述加热环8设置在内层真空罩10顶端，并位于制冷头75的上方，所述载物台6设置在加热环8上端，所述环形稳定罩11下端固定设置在加热环8上，上端固定设置在真空腔体5的内部顶壁上。

参照图5和图7，所述内层真空罩10顶端设有多个调高螺钉柱15，所述加热环8通过调高螺钉柱15设置在内层真空罩10顶端。一是通过调整加热环8的高度，来间接调整载物台6的高度，以适应检测要求；二是减少加热环8传递热量给下方的部件。

参照图1，所述外层真空罩9的侧面设有抽真空管16。本申请把抽真空管16尽量向下布局，因为抽真空管16本身也会产生轻微震动，能减少对真空腔体5的影响；由于外层真空罩9内腔与真空腔体5相连通，所以能对真空腔体5进行抽真空。

参照图1，所述测试机构4包括光学测试机构、电性测试机构和光学观察机构。在背景技术中提到的专利文献中，公开了光学测试机构、电性测试机构和光学观察机构的具体结构，设置目的及效果，此处不再重复。

参照图1，所述支撑架1底部设有万向脚轮101，所述制冷机安装板12底部也设有万向脚轮121。由于设置了配重块13，所以整体重量是比较大的，安装万向脚轮101、121后移动会方便一些。

参照图1，所述支撑架1上设有中部横向连接杆102，所述制冷机安装板12通过连接板17与中部横向连接杆102固定连接。中部横向连接杆102能增加支撑架1的整体刚性，承重大，连接板17将支撑架1和制冷机安装板12连接为一体，支撑架1能承担或消除一部分水平方向的震动。

参照图4和图5，所述外层真空罩9包括上半部分91和下半部分92，上半部分91和下半部分92密封固定连接，上半部分91为真空波纹管。真空波纹管在长度方向具有一定的变形能力，传递震动的能力进一步变差。

参照图5，所述配重块13包括第一配重块131和第二配重块132，所述两级GM制冷机7位于第一配重块131和第二配重块132之间。两侧的配重均衡，能起到较好减震效果，尤其是竖直方向的震动。所述第一配重块131和第二配重块132与制冷机安装板12之间均设有橡胶减震垫18，进一步减小震动。

本申请采用两级GM制冷机7提供冷量，避免使用液氮、液氦等制冷剂，舍弃了液路管道及液路控制阀件，能简化装置结构；两级GM制冷机7温度最低可达到4K标准，温度调节范围更广，而且具有制冷速度快，温度稳定性好、运转可靠、使用寿命长等优点。

本申请将两级GM制冷机7密封在外层真空罩9和内层真空罩10内，并且与真空腔体5连通，抽真空后，外层真空罩9和内层真空罩10具有绝热作用，减少冷量损失，一级制冷段73最低温度一般为40K，二级制冷段74最低温度为4K，二级制冷段74通过外层真空罩9和内层真空罩10的绝热后，冷量损失更少。

由于两级GM制冷机7在工作中会产生震动，必须要做减震设计，否则会造成测试结果不准确甚至无法进行测试。为此，本申请设置了制冷机安装板12、配重块13和承载板14，两级GM制冷机7上的第一法兰71固定在外层真空罩9下端，外层真空罩9下端再被固定在制冷机安装板12上，由于制冷机安装板12上设置了配重块13，重量大，起到稳定基石的作用，能有效减小震动；由于外部真空罩为薄壁结构的圆筒状构件，具有一定的柔性，刚度差，传递震动的能力也差，传递到上端时震动已经大幅变弱，再被真空腔体5固定，对真空腔体5的影响已经很小。而且本申请内层真空罩10的下端固定在第二法兰72上，上端连接加热环8，加热环8又被环形稳定罩11固定，内层真空罩10和环形稳定罩11也是薄壁结构的圆筒状构件，传递震动的能力也差，传递到上端时震动已经大幅变弱，再被真空腔体5固定，震动很小。

载物台6设置在加热环8上，加热环8位于制冷头75的上方，加热环8为中空结构，不会阻挡冷量上传，无论是制热还是制冷，都能把热量或冷量快速传递给载物台6上的晶圆。两级GM制冷机7的制冷头75还能将真空腔体5内的水汽分子快速冰冻住，减少水汽对将检测的影响。二级制冷段74制冷头75的震动幅度一般最大，本申请把制冷头75设计为自由端，不会传递震动给真空腔体5或载物台6，对减少震动大有益处。

以上均为本申请的较佳实施例，并非依此限制本申请的保护范围，故：凡依本申请的结构、形状、原理所做的等效变化，均应涵盖于本申请的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种真空晶圆检测制冷装置，其特征在于，包括支撑架(1)、支撑架顶板(2)、探针台(3)、测试机构(4)、真空腔体(5)、载物台(6)、两级GM制冷机(7)、加热环(8)、外层真空罩(9)、内层真空罩(10)、环形稳定罩(11)、制冷机安装板(12)、配重块(13)和承载板(14)；

所述支撑架顶板(2)设置在支撑架(1)上，所述探针台(3)设置在支撑架顶板(2)上，所述测试机构(4)设置在探针台(3)上；所述真空腔体(5)设置在支撑架顶板(2)上，所述探针台(3)中部设有避让孔(31)，用于避让真空腔体(5)；

所述支撑架顶板(2)中部也设有避让孔(21)，用于避让外层真空罩(9)；所述真空腔体(5)底部设有避让孔(51)，用于避让内层真空罩(10)和两级GM制冷机(7)；

所述配重块(13)设置在承载板(14)上，所述制冷机安装板(12)设置在配重块(13)上方；

所述两级GM制冷机(7)设有第一法兰(71)和第二法兰(72)，所述两级GM制冷机(7)的一级制冷段(73)和二级制冷段(74)均位于外层真空罩(9)内，外层真空罩(9)上端与真空腔体(5)的底部密封连接，下端固定设置在制冷机安装板(12)上，第一法兰(71)与外层真空罩(9)的下端密封固定连接；所述两级GM制冷机(7)的二级制冷段(74)位于内层真空罩(10)内，内层真空罩(10)下端与第二法兰(72)密封连接，上端伸入真空腔体(5)内，两级GM制冷机(7)的制冷头(75)也伸入真空腔体(5)内；制冷头(75)为自由端，未被其他部件固定；所述加热环(8)设置在内层真空罩(10)顶端，并位于制冷头(75)的上方，所述载物台(6)设置在加热环(8)上端，所述环形稳定罩(11)下端固定设置在加热环(8)上，上端固定设置在真空腔体(5)的内部顶壁上。

2.根据权利要求1所述的真空晶圆检测制冷装置，其特征在于，所述内层真空罩(10)顶端设有多个调高螺钉柱(15)，所述加热环(8)通过调高螺钉柱(15)设置在内层真空罩(10)顶端。

3.根据权利要求1所述的真空晶圆检测制冷装置，其特征在于，所述外层真空罩(9)的侧面设有抽真空管(16)。

4.根据权利要求1所述的真空晶圆检测制冷装置，其特征在于，所述测试机构(4)包括光学测试机构、电性测试机构和光学观察机构。

5.根据权利要求1所述的真空晶圆检测制冷装置，其特征在于，所述支撑架(1)底部设有万向脚轮(101)，所述制冷机安装板(12)底部也设有万向脚轮(121)。

6.根据权利要求5所述的真空晶圆检测制冷装置，其特征在于，所述支撑架(1)上设有中部横向连接杆(102)，所述制冷机安装板(12)通过连接板(17)与中部横向连接杆(102)固定连接。

7.根据权利要求5所述的真空晶圆检测制冷装置，其特征在于，所述外层真空罩(9)包括上半部分(91)和下半部分(92)，上半部分(91)和下半部分(92)密封固定连接，上半部分(91)为真空波纹管。

8.根据权利要求1所述的真空晶圆检测制冷装置，其特征在于，所述配重块(13)包括第一配重块(131)和第二配重块(132)，所述两级GM制冷机(7)位于第一配重块(131)和第二配重块(132)之间。

9.根据权利要求8所述的真空晶圆检测制冷装置，其特征在于，所述第一配重块(131)和第二配重块(132)与制冷机安装板(12)之间均设有橡胶减震垫(18)。

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