一种探针台及低温测试系统的制作方法

本发明涉及半导体器件的低温测试领域，具体涉及一种探针台及低温测试系统。

背景技术：

低温测试系统作为一种重要的材料研究设备，广泛地应用于材料微观结构和宏观性能研究领域。Linkam低温测试系统主要包括低温制冷系统和低温测试台，低温测试台包括放置样品的测试平台和将测试平台包裹其中的测试台腔室，低温制冷系统通过高纯氮气为测试台腔室提供低温测试环境，测试平台上具有圆形金属轨道，两根探针的针柄部连接磁铁块，磁铁块吸附在圆形轨道上并可在轨道上滑动，以实现对探针连接点的调节。传统测试台对待测样品进行测试时，首先将低温测试台外部的测试设备（如电压源表、电流源表或其他测试仪表）的接入端与测试台接入端连接，测试台通过金属轨道与磁铁实现与两个探针的连接。然后将测试台腔室的上盖打开，将样品放在测试平台上，将测试台上的两个探针搭接在样品上，再合上测试台腔室的上盖，低温制冷系统为测试台腔室制造低温测试环境，即可对样品进行测量。

这种测试系统存在以下缺点：（1）只有两个探针进行测试，由于两根探针只能连接一个外部测量仪表的正负两极，而一个测量仪表无法实现四端法测电阻的要求，因此传统两探针方式不适用与四端法测电阻；（2）由于样品的尺寸和电极分布位置多样化会导致样品可能不会处于测试台中央部分，这样测试台上盖在合紧的过程中就会导致样品滑动，因为探针是搭接在样品上，且探针的搭接点十分锐利，样品移动带动探针相对样品上的电极偏移，这样将会损坏样品电极，同时导致探针和样品连接失败；（3）由于探针调节的过程是手动拨动探针在探针的圆形轨道上移动或转动，手动控制不稳定，尤其是通过手动控制细小的探针与微小电极的对接，稍微不慎将使探针对电极刮损，同时也会造成虚焊；（4）由于探针和电极过于微小，肉眼不易初步分辨是否已连接，且肉眼不借助观测仪器连接时，可能需要多次连接才能正确对位，多次连接刮蹭会造成对电极的损伤，因此需要借助显微镜观测来实现探针和样品电极的连接，但由于样品是在低温测试台的测试台腔室内进行连接，需要将显微镜移到低温测试台上部，其过程繁琐费力、不方便。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种低温测试系统，以解决传统样品测量时需要将样品放置在测试台腔室内进行连接而造成连接困难和连接时造成电极损伤的技术问题。

为实现上述目的，本发明低温测试系统的技术方案是：低温测试系统包括低温测试台和为低温测试台制冷的制冷装置，低温测试台包括测试台腔室和可放入测试台腔室的探针台，测试台腔室包括设在测试台腔室下部的测试平台和罩设在测试平台上的腔室上盖，探针台包括样品台，样品台上设有用于与样品连接的探针，探针后端与测试台腔室内的电极可拆式连接，样品台上还设有用于固定样品的样品夹具，样品台具有自样品台上表面向下凹陷的样品放置凹槽。

进一步地，所述样品夹具包括至少两个相对设置的弹簧顶片。采用两个弹簧顶片作为样品的夹具，不仅结构简单，操作方便，而且占用空间小，且方便通过螺钉连接以实现样品夹具的调节。

进一步地，所述探针包括针柄和针头，针柄上开有贯通上下两面的针柄长孔，针头端部具有向下弯折的触头，通过螺钉穿过所述针柄长孔将针柄压紧在样品台上。采用此结构的探针，不仅方便固定，结构简单，而且仅通过一个螺钉即可实现探针的调节，具体为通过螺钉松紧及探针弹性调节探针端部触头的上下位置，通过螺钉在针柄上的针柄长孔中的滑动调节探针在样品台上的径向伸缩，通过针柄长孔相对于一个螺钉的转动调节探针端部触头在水平方向上的位置。

进一步地，所述弹簧顶片上开有贯通上下两面的夹具长孔，通过螺钉穿过夹具长孔将弹簧顶片压紧在所述样品台上。样品夹具的两个弹簧顶片中部设置长条形的夹具长孔，不仅可供螺钉穿过以对样品夹具进行固定，也可保证样品夹具在样品台上的径向伸缩和水平方向上的转动，以实现对样品多角度的夹紧固定。

进一步地，所述样品台为圆台，所述样品放置凹槽为圆柱形凹槽，样品台还设有自样品台外周面贯通至圆柱形凹槽的夹具安装孔，夹具安装孔内通过螺钉固定所述样品夹具，所述探针通过螺钉将其压紧在样品台的上表面上。圆柱形样品台和圆柱形凹槽保证样品台中心对称，周向不用区分方向，且更适用与测试台腔室内空腔，样品夹具安装在样品台侧壁上的夹具安装孔内，当圆柱形凹槽较深，样品处于凹槽底部，为了使样品夹具更好的固定样品，固样品夹具的安装槽必须位于样品台的中下部，又为了保证样品台整体结构的牢固性能，故在样品台侧壁上掏出扇形孔，而不是从样品台两端部开设向样品台中间凹陷的凹槽。另外，夹具安装孔保证了样品夹具不仅可以在其中伸缩，而且还可以在夹具安装孔内绕样品夹具的紧固螺钉转动，以便更好固定样品。

进一步地，所述样品放置凹槽的内壁上布设有散热孔。由于样品放置槽为底部封闭空间，在制冷系统对其制冷时，热量传导较慢，增设多个散热孔保证热量传导更迅速，以提高效率。

本发明的目的还在于提供一种探针台。

本发明探针台的技术方案是：一种探针台，包括样品台，样品台上设有用于与样品连接的探针，探针的后端具有用于与测试台腔室内的电极连接的连接结构，样品台上还设有用于固定样品的样品夹具，样品台具有自样品台上表面向下凹陷的样品放置凹槽。

进一步地，所述样品夹具包括至少两个相对设置的弹簧顶片。采用两个弹簧顶片作为样品的夹具，不仅结构简单，操作方便，而且占用空间小，且方便通过螺钉连接以实现样品夹具的调节。

进一步地，所述探针包括针柄和针头，针柄上开有贯通上下两面的针柄长孔，针头端部具有向下弯折的触头，通过螺钉穿过所述针柄长孔将针柄压紧在样品台上。采用此结构的探针，不仅方便固定，结构简单，而且仅通过一个螺钉即可实现探针的调节，具体为通过螺钉松紧及探针弹性调节探针端部触头的上下位置，通过螺钉在针柄上的针柄长孔中的滑动调节探针在样品台上的径向伸缩，通过针柄长孔相对于一个螺钉的转动调节探针端部触头在水平方向上的位置。

进一步地，所述弹簧顶片上开有贯通上下两面的夹具长孔，通过螺钉穿过夹具长孔将弹簧顶片压紧在所述样品台上。样品夹具的两个弹簧顶片中部设置长条形的夹具长孔，不仅可供螺钉穿过以对样品夹具进行固定，也可保证样品夹具在样品台上的径向伸缩和水平方向上的转动，以实现对样品多角度的夹紧固定。

进一步地，所述样品台为圆台，所述样品放置凹槽为圆柱形凹槽，样品台还设有自样品台外周面贯通至圆柱形凹槽的夹具安装孔，夹具安装孔内通过螺钉固定所述样品夹具，所述探针通过螺钉将其压紧在样品台的上表面上。圆柱形样品台和圆柱形凹槽保证样品台中心对称，周向不用区分方向，且更适用与测试台腔室内空腔，样品夹具安装在样品台侧壁上的夹具安装孔内，当圆柱形凹槽较深，样品处于凹槽底部，为了使样品夹具更好的固定样品，固样品夹具的安装槽必须位于样品台的中下部，又为了保证样品台整体结构的牢固性能，故在样品台侧壁上掏出扇形孔，而不是从样品台两端部开设向样品台中间凹陷的凹槽。另外，夹具安装孔保证了样品夹具不仅可以在其中伸缩，而且还可以在夹具安装孔内绕样品夹具的紧固螺钉转动，以便更好固定样品。

进一步地，所述样品放置凹槽的内壁上布设有散热孔。由于样品放置槽为底部封闭空间，在制冷系统对其制冷时，热量传导较慢，增设多个散热孔保证热量传导更迅速，以提高效率。

本发明低温测试系统的有益效果是：采用本发明的低温测试系统，探针台独立设置并与测试台腔室内的电极可拆式连接，保证探针台可在测试台腔室内自由移动，在测量样品时，即使样品因尺寸太大或放置位置较偏斜，也可通过调整探针台位置，使样品处于测试台腔室的正中心位置，保证在合上测试台腔室上盖时也不会导致样品和探针的错动，保证样品电极的安全性。同时，由于探针台为独立的，在连接样品电极过程中，可将探针台拿出测试台腔室放置在显微镜下实现探针与样品电极的对位，对位完成且通过样品夹具固定后再放入测试台腔室进行连接测试，操作方便快捷且不会因在测试台腔室不容易对准电极位置而导致样品电极受损伤。另外，探针台可设置四个探针而实现四端法测电阻。另外，由于探针台的独立性，可在不更换电极点的情况下进行其他电学测试。

本发明探针台在与低温测试台和制冷系统配合使用时，具有与本发明低温测试系统相同的有益效果，为避免重复，此处不再赘述。

附图说明

图1为本发明探针台的具体实施例俯视图；

图2为图1中A-A处剖视图；

图3为图1中样品台的俯视图；

图4为图3中B-B处剖视图；

图5为图1中探针的俯视图；

图6为图5中C-C处的剖视图；

图7为图1中卡样弹片的俯视图；

图8为图7中D-D处剖视图；

图中：1-样品台，11-样品放置凹槽，12-夹具安装孔，13-夹具螺钉孔，14-探针螺钉孔，2-探针，21-针柄，212-针柄长孔，22-针头，221-触头，3-样品夹具，31-夹具长孔，4-螺钉，5-样品。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的实施方式作进一步说明。

本发明的低温测试系统的具体实施例，如图1至图8所示，低温测试系统包括低温测试台（图中未示出）和为低温测试台提供低温环境的制冷装置（图中未示出），低温测试台包括测试台腔室（图中未示出）和可放入测试台腔室的探针台，测试台腔室包括设在测试台腔室下部的测试平台（图中未示出）和罩设在测试平台上的腔室上盖（图中未示出）。

探针台独立设置并与测试台腔室内的电极可拆式连接，保证探针台可在测试台腔室内自由移动，在测量样品5时，即使样品5因尺寸太大或放置位置较偏斜，也可通过调整探针台位置，使样品5处于测试台腔室的正中心位置，保证在合上测试台腔室上盖时也不会导致样品5和探针2的错动，保证样品电极的安全性。在连接样品电极过程中，可将探针台拿出测试台腔室放置在显微镜下实现探针2与样品电极的对位，对位完成且通过样品夹具3固定后再放入测试台腔室进行连接测试，操作方便快捷且不会因在测试台腔室不容易对准电极位置而导致样品电极受损伤。探针台可设置四个探针2而实现四端法测电阻。另外，由于探针台的独立性，可在不更换电极点的情况下进行其他电学测试。

如图1至图2所示，探针台包括样品台1、设在样品台1上用于固定样品5的样品夹具3、设在样品台1上用于与样品5连接测试的探针2。

如图3至图4所示，样品台1为圆台，在其他实施例中，样品台1外形也可为正六边形等多边形结构。样品台1高5mm，自样品台1上表面向下开有4mm深的圆柱形凹槽作为样品放置凹槽11，样品5可放置在样品放置凹槽11内进行测量。在其他实施例中，样品放置凹槽11也可为正六边形等多边形结构，其深度也可根据需要调整为3mm或2mm等。

样品台1上表面的环形表面上设有四个用于固定探针2的探针螺钉孔14，可用于与M2的螺钉4配合使用，在其他实施例中，螺钉4和探针螺钉孔14尺寸可根据需要调节。

样品台1自其外周面贯通至样品放置凹槽11内还设有两个相对的夹具安装孔12，用于供样品夹具3放入、固定与在其内调节。在其他实施例中，夹具安装孔12也可设置三个或四个等，相应的可设置三个或四个样品夹具3的弹簧顶片放置其中，以更好的多角度固定样品5；夹具安装孔12也可替换为自样品台1上端面向下开设的凹槽，相应的样品夹具3的弹簧顶片放置时直接从上向下放置即可，相应的夹具螺钉孔13也会随之变动。夹具安装孔12为水平截面呈扇形的扇形孔，且扇形的开口朝向样品台1的轴心，以保证安装在夹具安装孔12中的样品夹具3的弹簧顶片具有更大的转动范围，在其他实施例中，夹具安装孔12也可为尺寸足够样品夹具3所需的活动范围的水平截面上呈矩形孔或腰形孔等。

样品台1还设有自样品台1上端面贯通至夹具安装孔12下部的夹具螺钉孔13，以便于螺钉4将样品夹具3压紧在夹具安装孔12的底面上，在其他实施例中，夹具螺钉孔13也可采用自样品台1下端面贯通至夹具安装孔12上部，以将样品夹具3压紧在夹具安装孔12的上表面上。

样品台1的样品放置凹槽11的内壁上设有散热孔，用于对样品放置凹槽11及其中的样品进行散热，散热孔均布在样品放置凹槽11的底壁和侧壁上，在其他实施例中，也可仅在样品放置凹槽11的底壁或侧壁设置散热孔。

如图5至图6所示，探针2包括针柄21和针头22。针柄21整体呈长方体形，其的长宽高尺寸分别为10mm、3mm、0.5mm，在其他实施例中，针柄21也可为腰形薄片或椭圆形薄片，针柄21的尺寸可根据需要调整。针柄21最大的两个面上开设矩形的针柄长孔，以供螺钉4对其进行固定，且可松动螺钉4后使螺钉4在该针柄长孔中滑动或转动，以保证探针2可自由调节，在其他实施例中，针柄长孔也可为腰形孔或椭圆形孔或其他方便调节的形状。针柄长孔的长宽高尺寸分别为8mm、2mm、0.5mm，在其他实施例中，具体尺寸可根据需要调节，比如选用M1.5的螺钉4紧固时，针柄长孔的尺寸可相应变小，宽度可设置为1.5mm等。

针头22连接在针柄21长度方向上的一端，向针柄21的长度方向上延伸3mm，然后向下弯折90度，再延伸4mm，在其他实施例中，针头22的相互垂直的两段长度可根据需要调节，比如，当探针2安装后离样品5的上表面距离为2mm，则可将针头22向下弯折的一段的长度设为2-3mm，保证探针2固定后其针头22压在样品5上的力大小合适，具体还可通过螺钉4松紧进行微调；针头22上与针柄21直接相连的一段的长度可适当调节，其调节时需要配合探针2的整体安装位置及针柄21上的针柄长孔的长度，需要保证针柄21的针柄长孔套在螺钉4上伸缩运动时，探针2的针头22可以伸到样品5上的任何位置。针头22向下弯折的一段的端部具有触头221，用于与样品5上的电极搭接，实现探针2与样品电极的电导通。

如图7至图8所示，样品夹具3包括两个相对设置的弹簧顶片，用于将样品固定在样品台1上。在其他实施例中，样品夹具3也可由三个、四个或更多弹簧顶片组成，弹簧顶片数目增多可实现多角度多方位对样品5的固定。弹簧顶片整体为长方形薄片状，在其他实施例中，弹簧顶片形状也可替换为腰形或椭圆形等。弹簧顶片的长宽高尺寸分别为8mm、3mm、1mm，在其他实施例中，也可根据需要调整为其他尺寸。弹簧顶片上下两面上开有贯通的夹具长孔31，以供螺钉4对其进行固定，且可松动螺钉4后使螺钉4在该夹具长孔31中滑动或转动，以保证样品夹具3可自由调节，在其他实施例中，夹具长孔31也可为腰形孔或椭圆形孔或其他方便调节的形状。夹具长孔31的尺寸为6mm、2mm、1mm，在其他实施例中，夹具长孔31的尺寸可根据需要调节。

本实施例是针对样品5长宽高尺寸分别为5mm、5mm、0.5mm，样品5在该尺寸附近变动时，均可通过螺钉4与针柄21上的针柄长孔、样品夹具3上的夹具长孔31的配合调节进行适当调整。

本发明的低温测试系统在使用过程中：

样品电极与探针2对位时，由于探针2和样品电极十分微小，肉眼不易直接观察，可将独立设置的探针台直接拿出测试台腔室，并放置在显微镜下进行样品电极与探针2的正确对位，对位准确迅速。对位时首先将探针台放在显微镜下，保证探针台上的探针固定螺钉和样品夹具3固定螺钉处于松动状态，将样品5放置在探针台上合适位置，用样品夹具3将样品5固定，拧紧样品夹具3的固定螺钉，将探针2逐个与样品5上的电极对位，每根探针2对位后均通过拧紧探针2的固定螺钉以将探针2固定。具体对位过程中，可通过螺钉4的松紧对探针2压在样品5上的压紧力进行微调，可通过螺钉4在针柄21的针柄长孔内的滑动或相对转动调整探针2的水平位置，可通过螺钉4在样品夹具3的夹具长孔31中的位置或相对转动调整样品5的位置和角度。

调整时，四个探针2在对位过程中可根据需要随时调整样品5位置，以使样品5处于合适位置，调整时需先松开探针2的固定螺钉，然后将探针2移开，再松开样品夹具3的固定螺钉，将样品5摆放在合适位置后重复上述样品电极与探针2对位过程即可。

连接过程，对位完成后可将探针台整体放置在测试台腔室内的测试平台上，将测试台腔室内的四根电极线分别与探针台上的探针2的后端连接，探针2的后端具有与电极线连接的连接结构。连接完成后将探针台摆放在测试台腔室的合理位置，保证探针台不接触腔室内壁，盖上腔室上盖，盖腔室上盖的过程中如探针台位置不合适可随时手动调整。盖上腔室上盖后即可将外部各种测试设备与其连接进行数据的测量，连接连个电表时可实现四端法测电阻。

本发明探针台的具体实施例与本发明低温测试系统各具体实施例中的探针台的各具体实施例相同，此处不再赘述。