一种用于真空互联扫描电镜样品托的制作方法

本实用新型涉及真空机械领域，尤其涉及一种用于真空互联扫描电镜的样品托。

技术背景

由于在地球上的人造真空可以实现局域的超洁净环境，对特定材料生长、制备以及科学研究具有重要的意义，如半导体晶圆生长、半导体体器件制备、电子扫描显微镜检测物体、透射电子显微镜检测材料的界面等，都是在人造真空环境下进行的。为更好的利用真空高洁净特性连续的研究材料生长、器件制备、性能的检测，中国科学院苏州纳米技术与纳米仿生研究所设计并建造了一套真空互联系统。在该真空互联系统中，所有相关的材料生长、器件制备、性能检测的设备都利用真空管道进行了连接，并在互联的真空管道中布置了磁力推动样品传送小车，用来将研究的样品从一个设备传送至另一个设备，而被研究样品本身在全生命周期内不必因为样品传送而暴露到大气中引入污染。

扫描电子显微镜(SEM)是材料研究、半导体器件制备过程中常用的检测和观察设备，也是连入上述的真空互联系统的设备之一。常规的SEM的样品装载是在大气下将样品夹持到SEM样品托上，然后装入SEM真空腔抽真空后进行SEM观察、分析。在上述真空互联系统中，由于样品不允许暴露在大气环境中以避免引入污染，现行通用的SEM样品托和装载方法无法满足真空下装载SEM样品的需要，因此需要一种样品托能在真空环境中将待测的样品，尤其是完整的晶圆(wafer)，装载到SEM观察台上，并保持样品在观察过程相对样品托不动。

技术实现要素：

针对上述的真空互联系统中SEM需要一种能在真空环境中将待测的样品，尤其是完整的晶圆(wafer)，装载到SEM观察台上，并保持样品在观察过程相对样品托不动的样品托，本实用新型提出了一种用于真空互联扫描电镜样的品托，结合SEM观察台具有水平、垂直移动和360°原位旋转的功能，以及真空互联系统中现有的样品传送系统，实现SEM样品真空下加载并可以保持样品在观察过程中相对样品托固定不动。

本实用新型采用的技术方案是：

一种用于真空互联扫描电镜样品托具有三层结构，顶层是样品夹持层，中间层是弹簧预应力施加层，底层是与SEM观察台连接的样品托安装接口。顶层样品夹持层相对于底层样品托安装接口，在施加外力克服了中间层预加弹簧应力引发的摩擦力后，可以做相对旋转；在没有外力作用下，样品托顶层与底层在中间层弹簧预应力引发的摩擦力作用下形成一个整体，随SEM观察台移动、旋转。

近一步讲本实用新型的真空互联扫描电镜样品托的顶层是：一个优选圆形的样品托盘，在样品托盘的样品承载面的周边等距装有2个或2个以上，在垂直方向压紧样品的样品压紧弹簧，样品压紧弹簧安装在具有回位弹簧的径向推杆上，可以样品托盘上样品承载面的径向运动；

近一步讲本实用新型的真空互联扫描电镜样品托的顶层是：在样品托盘的中心用轴承安装一个旋转凸轮，中心旋转凸轮上连续均匀间隔分布凸出点和凹入点，随凸轮转动，凸轮上的凸出点可以推动径向推杆，让样品压紧弹簧远离样品托盘的样品承载面，为样品装载提供空间，凸轮上的凹入点结合径向推杆上的回位弹簧的作用，可以使样品压紧弹簧回位到样品托盘的样品承载面上，进而压紧样品；

近一步讲本实用新型的真空互联扫描电镜样品托的中间层是一个可以提供弹簧预应力的机构，在没有外力作用在顶层样品托固定卡位机构使样品托顶层不动使，样品托的顶层和底层在该弹簧预应力产生的摩擦力作用下形成一个整体，随底层样品托安装接口移动、旋转，当有外力作用在顶层样品托固定卡位机构使样品托顶层不动使，并克服中间层该弹簧预应力产生的摩擦力时，底层样品托安装接口在SEM观察台原位旋转电机的带动下，会带动顶层中的中心旋转凸轮相对样品托盘旋转，从而推动样品压紧弹簧的打开等待装载样品，或样品压紧弹簧回位压紧样品。

近一步讲本实用新型的真空互联扫描电镜样品托的底层是：一个根据所用扫描电镜原位旋转电机轴设计、中间带圆孔的薄片样品托安装接口，中心孔的一端与顶层的中心旋转凸轮的中心轴过盈配合形成一体，可以带动中心旋转凸轮旋转，中心孔的另一端与待安装的SEM样品观察台的原位旋转电机轴相配合，可以随SEM观察台进行水平、垂直移动和原位360度旋转；

在本真空互联扫描电镜样品托中全部采用机械结构，没有电机等电气，利用SEM观察台自身的动力和真空互联系统的自有送样系统，实现真空互联系统下SEM样品的真空装载和固定问题，减少真空的污染源和电气连接的复杂性。

附图说明

图1是SEM观察台运动方式和真空互联系统的样品传送系统原理示意。

图2是真空互联扫描电镜样品托的构成分解示意。

图3是真空互联扫描电镜样品托的装配示意。

图4是真空互联扫描电镜样品托压紧样品状态。

图5是真空互联扫描电镜样品托打开样品压紧弹簧状态。

附图标记包括：

X是SEM样品观察台水平x移动方向 Y是SEM样品观察台水平y移动方向 Z是SEM观察台垂直z移动方向 R是SEM样品观察台原位电机360度旋转方向 H真空互联系统的样品托 C真空互联系统中的样品传送叉 G在SEM样品腔中的固定叉 1带中心轴的中心旋转凸轮2径向推杆 2-1径向导轨 2-2回位弹簧3样品压紧弹簧 4径向推杆固定座4-1过孔5样品托盘 5-1径向导槽5-2样品承载面5-3固定卡位和样品叉进出位 6样品托盘连接座6-1螺丝孔 6-2轴承安装孔 7轴承 8预应力机构 9样品托安装接口 9-1凸轮轴安装孔及SEM原位旋转电机安装孔 10样品压紧弹簧安装螺丝 11样品托装配螺丝

具体实施方式

下面结合附图及具体实施例对本实用新型做进一步详细说明。

图1是SEM观察台运动方式和真空互联系统的样品传送系统原理示意图。在图1中的坐标系统表示SEM观察台可以实现的运动方式。如果将图1中的样品托H装在SEM观察台的原位360度旋转电机轴上，样品台在H在SEM样品腔内随样品观察台可以水平进行X、Y、垂直Z方向移动，也可以在SEM原位360旋转电机的带动下沿R进行旋转。

在专利“一种应用于真空互联系统的样品传送系统”(申请号201611000379.1)中提出了一套在真空条件下完全机械操作的样品传送系统。在该套样品传送系统中，图1中的样品传送叉-C在真空磁力杆的带动下沿水平X方向前后移动。对于带晶圆(wafer)的样品叉-C进入到SEM的样品腔内后，位置相对SEM样品腔固定不动。SEM观察台可以带动样品托-H移动套样品叉-C的下端，对准样品叉-C的缺口后沿Z轴升起，将晶圆(wafer)接入样品-H，然后沿X方向后退出样品叉-C的缺口，即完成了真空互联系统的样品传送过程。在现有样品传送系统和样品托-H上可以进行SEM样品真空下的装载，但没有实现样品在SEM样品托上的固定，不能满足保持SEM样品在观察过程中相对样品托固定不动的要求。

具体实施例

下面就以2时晶圆(wafer)真空互联的样品传送系统为例，阐述本实用新型中真空互联扫描电镜样品托的结构和工作方式。

图2是本真空互联扫描电镜样品托的构成分解图。1是带中心轴的中心旋转凸轮，中心轴的长度和直径将满足2时晶圆(wafer)整体样品托的厚度和直径要求，在本实施例中分别为20mm和18mm，中心旋转凸轮-1上具有均匀、间隔分布、连续光滑过渡的凸出点与凹入点，凸出点和凹入殿彼此数目相同，与径向推杆-2在样品托盘-5上的等间距分布的数目相配，并与径向推杆-2的顶端接触。在本实施例中，承载2时晶圆(wafer)的样品托盘直径为56mm，样品托盘-5的样品承载面-5-3上分布了2套样品压紧弹簧-3，如图2中所示，根据需要可以是3套、4套甚至更多套，原理一致。中心旋转凸轮-1采用了椭圆结构，长轴22mm、短轴18mm，凸出点和凹入点行各2个，均匀间隔分布，程差为2mm。样品压紧弹簧-3可以根据样品压紧力的要求进行独立调节，在本实例中采用了分指式的厚度0.3mm的SUS303弯曲弹簧片，宽度5mm，如图2中的部件-3所示。样品压紧弹簧3通过螺丝-10固定到径向推杆-2上，与径向导轨-2-1和回位弹簧-2-2共同构成样品压紧弹簧机构。径向导轨-2-1与样品托盘-5上的径向导槽-5-1相配，在本实施例中采用了厚度为1mm的方型阶梯槽，保证样品压紧弹簧-3沿样品托盘-5的径向运动，进入或离开样品承载面-5-2。由样品压紧弹簧3和径向推杆-2构成的样品样品压紧弹簧机构，在样品托盘-5上穿过径向导槽标-5-1，然后插入径向推杆固定座-4的过孔-4-1，中间安装回位弹簧2-2，用螺丝-11安装到样品托-5上。带中心轴的中心旋转凸轮-1，通过轴承-7安装到样品托盘连接座-6的轴承安装孔-6-2上，在本实施例中，轴承-7采用中心孔18mm，外径24mm，厚度4mm的深沟圆珠微型轴承，与中心旋转凸轮-1的中心轴外径和轴承安装孔-6-2的内径采用过盈配合，形成不易分离的可相对旋转的结构。径向推杆固定座-4、样品托盘-5通过过孔，用螺丝-11与连接螺丝孔-6-1固定到样品托盘连接座-6上，形成本真空互联扫描电镜样品托的顶层。装配好真空互联扫描电镜样品托的顶层后，沿中心旋转凸轮-1的中心轴套入弹簧预应力机构-8形成弹簧预应力中间层，在本实例中采用厚度0.1mm，内直径20mm，外直径40mm的SUS303双面凸点的波形弹簧，如图2中的部件-8所示，也可以采用其它弹簧预应力结构，比如3点以上均匀分布的用弹簧压紧的圆珠预应力结构。在本实施例中波形弹簧-8的预应力调节为是所用SEM原位旋转电机驱动力的1/4，在没有外力作用于样品托盘-5的边缘固定卡位-5-3时，弹簧预应力在品托盘连接座-6和样品托安装接口-9间产生的摩擦力，可以使SEM原位旋转电机带动整个样品托旋转。装好弹簧预应力机构-8后，将样品托安装接口-9的凸轮轴安装孔-9-1的内经与中心旋转凸轮-1的中心轴外径过盈配合安装，将上、中、下三层连接，形成一个完整的真空互联扫描电镜样品托，如图3所示。样品托安装接口-9的安装孔-9-1与SEM原位旋转电机的接口，随原位旋转电机轴的类型而定。

下面参考图1，进一步解释本实用新型中真空互联扫描电镜样品托的使用，详细阐述样品晶圆(wafer)的装载过程。本实用新型中的真空互联扫描电镜样品托通过样品托安装接口-9的安装孔-9-1安装到SEM样品观察台原位电机上，如图中样品托-H所示。在SEM样品腔内与样品叉-C进出方向一致的位置，固定另外一个与样品叉-C结构类似固定叉-G，固定叉-G的位置高度低于样品叉-C的位置，固定叉G的开口与样品托盘-5的固定卡位-5-3的宽度相一致，如图2中所示，在本实施例中采用42mm的宽度。本实用新型中的样品托在SEM样品观察台的带动下做水平X-Y移动，将样品托盘-5的固定卡位-5-3卡入固定叉-G时，本样品托的样品托盘-5被卡住不动，此时开动SEM原位旋转电机，克服弹簧预应力机构-8的弹簧预应力产生的摩擦力，如图2中所示，将带动顶层中的中心旋转凸轮-1相对于样品托盘-5转动。当凸轮-1的凹入点与径向推杆-2接触时，在回位弹簧2-2的作用下样品压紧弹簧-3卡入样品托盘-5的样品承载面5-2，压紧样品，如图4所示；当中心旋转凸轮-1的凸出点与径向推杆-2接触时，中心旋转凸轮-1顶开径向推杆-2，将样品压紧弹簧-3推离样品托盘-5的样品承载面5-3，如图5所示，为晶圆样品加载留出空间，此时SEM观察台继续沿Z方向升高本样品托，如图1中的坐标系所示，进入样品传送叉-C的空隙，将晶圆样品(wafer)接进入样品托盘-5，然后样品传送叉-C沿X方向撤出。继续转动SEM原位电机，凸轮-1的凹点开始接触径向推杆-2，在图2中回位弹簧2-2的作用下，压紧弹簧-3回到样品托盘-5上的晶圆(wafer)表面，将样品压紧。卸载晶圆样品的过程与上述过程相反。

在本实施例中仅以2时晶圆为标准样品真空互联系统下的SEM为例，阐述了本实用新型的真空互联扫描电镜样品托的构成和应用方式，是真空互联扫描电镜样品托的基本形式，显然，所描述的实施例仅是本实用新型的一部分实施例，而不是全部实施例，对于本技术领域的技术人员来讲，在不脱离本实用新型方案路线的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰不具有本质性更改也将视为本实用新型的保护范围。