一种屏蔽探针装置、低温探针台及低温探针系统

1.本发明涉及半导体器件的低温测试领域，更具体的，涉及一种屏蔽探针装置、低温探针台及低温探针系统。


背景技术：

2.低温探针台是一种为晶片、器件和材料样品测试提供低温和真空环境条件进行非破坏性电学表征和测量的平台。它通常由真空腔体、样品台、热辐射屏、探针臂、探针组件、低温和真空获取组件等几部分组成。其中，探针组件通过探针臂安装在真空腔体内，通过针尖与样品进行非破坏性接触，对样品特性参数进行精确测量。现有的探针组件的测量准确性偏低。
3.现有的探针组件包括zn50r、zn50c标准探针与zn50r-cvt探针。zn50r和zn50c标准探针结构包括：sma连接器、导电微条、针尖和探针支架。探针支架为陶瓷薄片，一侧粘结有导电微条作为探针信号传输线路，另一侧镀有导电薄膜作为信号地。zn50r-cvt探针组件包括：sma连接器、针尖、探针支架、金属弹性部件。其中，金属弹性部件用于补偿由于温度变化引起的针尖与样品之间的相对位移，同时也作为信号传输线路的一部分。


技术实现要素：

4.为了解决上述问题中的至少一个，本发明第一方面提供一种屏蔽探针装置，包括：
5.探针，用于检测被测样品产生探测信号；
6.导电组件，其一端与所述探针耦接，用于传输所述探测信号；
7.信号连接器，其内导体与所述导电组件的另一端耦接，用于将所述探测信号传输至外部的上位机；以及
8.屏蔽组件，所述屏蔽组件包括一屏蔽内腔，所述探针插入所述屏蔽内腔，所述导电组件置于所述屏蔽内腔内，并且所述屏蔽组件的外表面覆盖有导电层和隔热层；其中，所述导电层与所述导电组件、所述导电层与所述探针形成电隔离；所述导电层与信号连接器的外导体耦接，用于将信号连接器与屏蔽组件形成完整的电磁屏蔽。
9.优选地，所述导电组件包括导电条，以及电连接端子，所述电连接端子上形成一通孔，所述探针插入所述通孔的一端，所述导电条插入所述通孔的另一端并且与所述探针抵接；所述导电层与所述探针之间形成间隙，进而形成所述电隔离。
10.优选地，所述屏蔽组件为平板状，所述导电层包括两个，所述导电组件包括导电条以及两个连接端子，所述探针和所述导电条插入至所述两个连接端子之间的间隙，并相互抵接；所述两个导电层各自位于一连接端子一侧，并且处于同侧的导电层和所述连接端子之间形成间隙，进而形成所述电隔离。
11.优选地，处于同侧的所述导电层和所述连接端子的外表面处于同一平面。
12.优选地，所述隔热层包括至少一个单元层，所述单元层为双层结构，其内层为涤纶网，其外层为双面镀铝聚酯薄膜。
13.优选地，所述导电层包括由多个金属丝相互交替交织形成的金属丝网。
14.优选地，所述信号连接器为sma连接器。
15.优选地，所述屏蔽探针装置还包括一接地导线，所述接地导线其一端固定在所述屏蔽组件的隔热层外表面。
16.本发明第二方面提供一种低温探针台，包括上述任一项所述的屏蔽探针装置、真空组件、探针臂以及热辐射组件；
17.所述真空组件包括一真空腔以及真空获取组件；所述屏蔽探针装置固定在所述真空腔内，所述屏蔽探针装置与所述探针臂固定连接。
18.本发明第三方面提供一种低温探针系统，包括上述所述的低温探针台以及上位机。
19.本发明的有益效果
20.相比现有的低温探针台的传统探针组件，本发明提供的一种屏蔽探针装置，对信号传输线路提供电磁屏蔽和热辐射屏蔽。屏蔽组件外表面设有导电层作为信号地层，并与信号连接器的外导体相连，使导电组件的电磁屏蔽具有完整性，可以降低电磁干扰对测量精度的影响，有利于样品特性参数的精确测量。导电组件置于屏蔽组件的屏蔽内腔中，屏蔽组件外表面具有隔热层，可以降低屏蔽探针装置与探针-样品接触区域之间的热辐射从而增加屏蔽探针装置温度的稳定性。
附图说明
21.为了更清楚地说明本发明实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
22.图1为本发明实施方式中屏蔽探针装置的结构示意图；
23.图2为本发明实施方式中屏蔽探针装置探针与屏蔽组件结构示意图；
24.图3为本发明实施方式中屏蔽探针装置探针与平板状屏蔽组件结构示意图；
25.图4为本发明实施方式中屏蔽探针装置侧面结构示意图。
26.附图说明：1、信号连接器；2、信号连接器卡槽；3、屏蔽组件；4、屏蔽探针装置在低温探针台上的固定位置；5、连接端子；6、导电组件；7、连接端子；8、探针；9、导电层；10、涤纶网；11、隔热层；12、针尖焊接区域；13、铜铆钉；14、隔热层接地导线。
具体实施方式
27.下面将结合本发明实施方式中的附图，对本发明实施方式中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施方式仅仅是本发明一部分实施方式，而不是全部的实施方式。基于本发明中的实施方式，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施方式，都属于本发明保护的范围。
28.为了提高对半导体样品特性参数测量的精确性，本发明提供一种屏蔽探针装置，参见图1，包括：
29.探针8，用于检测被测样品产生探测信号；
30.导电组件6，其一端与所述探针8耦接，用于传输所述探测信号；
31.信号连接器1，其与所述导电组件6的另一端耦接，用于将所述探测信号传输至外部的上位机；以及
32.屏蔽组件3，所述屏蔽组件3包括一屏蔽内腔，所述探针8插入所述屏蔽内腔，所述导电组件6置于所述屏蔽内腔内，并且所述屏蔽组件3的外表面覆盖有导电层9和隔热层11；其中，所述导电层9与所述导电组件6、所述导电层9与所述探针8形成电隔离。
33.可以理解的是，电磁屏蔽的基本原理是：采用低电阻的导体材料，并利用电磁波在屏蔽导体表面的反射和在导体内部的吸收以及传输过程中的损耗而使电磁波能量的继续传递受到阻碍，起到屏蔽作用。影响屏蔽体屏蔽效能的有两个因素：一个是整个屏蔽体表面必须是导电连续的，另一个是不能有直接穿透屏蔽体的导体。
34.在具体的实施方式中，现有的探针在电磁干扰和热辐射两个方面具有屏蔽不完整的缺陷。标准探针支架采用单片陶瓷，一侧粘结有导电微条，另一侧镀有导电薄膜作为信号地。可见，作为信号传输线路一部分的导电微条的电磁屏蔽是缺失的，导致微弱信号的精确测量易受到电磁干扰影响。探针组件的金属弹性部件作为信号传输线路的一部分，未进行电磁屏蔽，会导致微弱信号的准确测量易受到电磁干扰影响。探针组件的探针支架陶瓷片导热性良好，未进行热辐射屏蔽，会影响针尖-样品接触区域温度的稳定性，从而导致微弱信号的准确测量易受到热辐射影响。
35.因此，由于探针信号传输线路存在电磁屏蔽部分缺失和阻抗不连续的因素，电磁干扰容易以传导或辐射的方式经由探针组件耦合进入信号传输线路而影响微弱电流或电压信号的精确测量。屏蔽探针装置主要通过热传导和辐射两种方式传输热量。为减少热量损失，屏蔽探针装置所处的真空腔体内安装了热辐射屏减少热辐射。然而，屏蔽组件在热辐射防护中最容易被忽视。由于它距离样品近，和样品之间存在较强的热辐射耦合，容易影响针尖与样品接触区域的温度稳定性，影响测量的精确性。
36.优选地，在本实施例中，探针8和信号连接器1通过导电组件6连接，导电组件6置于屏蔽组件3的屏蔽内腔内，在屏蔽组件3的外表面覆盖有导电层9，屏蔽组件3表面导电是连续的，导电层9对导电组件6形成电磁屏蔽，阻隔了电磁干扰进入信号传输线路，使导电组件6的电磁屏蔽具有完整性；导电层9外表面以及信号连接器1外表面均设有隔热层11，该隔热层11采用绝热多层包覆结构，可以降低探针支架与针尖-样品接触区域之间的热辐射从而增加温度稳定性，屏蔽组件3的外表面设有导电层和隔热层，阻隔电磁干扰，降低热辐射，有利于样品特性参数的精确测量。屏蔽探针装置的横截面结构图，参见图1，侧面结构图，参见图4。信号连接器1固定在具有多层膜沉积的陶瓷片支架上，多层膜沉积的陶瓷片支架具有氧化铝陶瓷片作为衬底，导电组件6位于衬底一侧，陶瓷片衬底有导电组件6的一侧表面部分沉积有一层二氧化硅膜，作为绝缘层完全覆盖导电组件6，陶瓷片衬底两侧分别沉积有一层铝膜，完全覆盖陶瓷片衬底的两侧和沉积的部分二氧化硅膜。陶瓷片衬底两侧沉积的铝膜外表面沉积有一层二氧化硅膜，铝膜与二氧化硅膜形成层叠结构。沉积的铝膜可以作为导电层9，屏蔽电磁干扰，同时铝膜也可以作为热辐射反射层，沉积在铝膜外表面的二氧化硅膜作为热隔离层，铝膜与二氧化硅膜隔离层交替沉积堆叠，并且在衬底两侧对称分布，与陶瓷片衬底形成具有多层膜沉积的陶瓷支架。
37.从上述描述可知，本发明提供的一种屏蔽探针装置，对信号传输线路提供电磁屏
蔽和热辐射屏蔽。屏蔽组件外表面设有导电层作为信号地，并与信号连接器屏蔽外壳相连，使导电组件的电磁屏蔽具有完整性，可以降低电磁干扰影响，有利于样品特性参数的精确测量。导电组件置于屏蔽组件的屏蔽内腔中，屏蔽组件外表面具有隔热层，可以降低屏蔽组件与探针接触区域之间的热辐射从而增加温度稳定性。而且，因隔热层的热辐射防护作用，增加了屏蔽组件材料选择的灵活性，不限于传统的陶瓷。
38.在一些具体实施方式中，参见图2，所述导电组件6包括导电条，以及连接端子7，所述连接端子7上形成一通孔，所述探针8插入所述通孔的一端，所述导电条插入所述通孔的另一端并且与所述探针8抵接；所述导电层9与所述探针8之间形成间隙，进而形成所述电隔离。
39.在本实施例中，屏蔽组件3包括支撑架和屏蔽载体，屏蔽组件3可以是柱状，屏蔽载体环绕导电组件6周侧，屏蔽载体外表面设有导电层9和隔热层11，在一些其他的实施方式中，导电层9和隔热层11也可以设在屏蔽载体的屏蔽内腔内表面，导电组件6向外延伸形成两个电连接端子5和7，导电组件6的电连接端子5与信号连接器1的中心插孔连接，另一个电连接端子7与探针8连接，形成信号传输线路。屏蔽载体与导电组件6之间形成间隙，进而导电层9与探针8绝缘，与导电组件6绝缘。
40.在一些具体实施方式中，参见图2，所述屏蔽组件3为平板状，所述导电层9包括两个，所述导电组件6包括导电条以及两个连接端子7，所述探针8和所述导电条插入至所述两个连接端子7之间的间隙，并相互抵接；所述两个导电层9各自位于一连接端子7一侧，并且处于同侧的导电层9和所述连接端子7之间形成间隙，进而形成所述电隔离。
41.在本实施例中，屏蔽组件3为长方体的平板状，屏蔽组件3包括支撑架和两个屏蔽载体，屏蔽载体相对设置，两个屏蔽载体结构的几何形状、大小、材料一致，两个屏蔽载体的间距大于导电组件6的宽度，每个屏蔽载体均可以完全覆盖导电组件6，导电组件6位于两个屏蔽载体之间，形成夹心结构，屏蔽载体外表面设有导电层9和隔热层11，在一些其他的实施方式中，导电层9和隔热层11也可以设在屏蔽载体内表面，导电组件6一端外延伸形成电连接端子5，导电组件6的电连接端子5与信号连接器1的中心插孔连接，另一端的包括两个电连接端子7，两个电连接端子之间形成间隙，导电条与探针8置于该间隙中，相互连接，形成信号传输线路。屏蔽载体与导电组件6之间形成间隙，进而导电层9与探针8绝缘，与导电组件6绝缘。
42.在一些具体实施方式中，参见图3，处于同侧的所述导电层9和所述连接端子7的外表面处于同一平面；
43.在本实施例中，由于屏蔽组件3为长方体的平板状，屏蔽载体相对设置在屏蔽组件3面积最大的两个表面上，导电层9和连接端子7的外表面处于同一平面能够使得屏蔽组件3更为扁平，提高屏蔽组件3的电磁屏蔽效果，提高屏蔽探针装置的样品测量精度。
44.在一些具体实施方式中，所述隔热层包括至少一个单元层，所述单元层为双层结构，其内层为涤纶网，其外层为双面镀铝聚酯薄膜。
45.在本实施例中，隔热层11位于屏蔽组件3和信号连接器1的外表面，或者位于屏蔽组件3的内表面和信号连接器1的外表面，隔热层11可以采用铝膜和二氧化硅膜交替沉积堆叠来降低热辐射，也可以采用多层双面镀铝聚酯薄膜和涤纶网交替热控的方法来降低热辐射。隔热层11包括多个单元层，每个单元层为双层结构，单元层的最内层为涤纶网10，最外
层为双面镀铝聚酯薄膜。在图1所示的实施例中，隔热层11包裹10个单元层，每单元由1层6μm厚的双面镀铝聚酯薄膜和1层涤纶网构成。
46.在一些具体的实施方式中，所述导电层包括由多个金属丝相互交替交织形成的金属丝网。
47.在一些具体的实施方式中，所述信号连接器为sma连接器。
48.在一些具体的实施方式中，参见图1，所述屏蔽探针装置还包括一接地导线，所述接地导线其一端固定在所述屏蔽组件3的隔热层11外表面。
49.在本实施例中，隔热层11通过铜铆钉13引出一根接地导线14与低温探针台的探针臂的地连接。沉积的铝膜表面上加工有电极，用于接地。每一层铝膜通过电极引出地线与低温探针台样品座的冷地连接。
50.在一些具体的实施方式中，参见图1，探针8焊接在屏蔽组件3底端，焊接区域为12，与连接端子7连接，即探针8、焊接区域12及连接端子7上的信号是连通的。屏蔽组件3外表面镀有的导电层9未完全覆盖屏蔽组件3的外表面，保留了与低温探针台的探针臂固定连接的区域4。
51.此外，本发明第二方面还提供一种低温探针台，包括上述任一项所述的屏蔽探针装置、真空组件、探针臂以及热辐射组件；
52.所述真空组件包括一真空腔以及真空获取组件；所述屏蔽探针装置固定在所述真空腔内，所述屏蔽探针装置与所述探针臂固定连接。
53.可以理解，本方面的低温是指样品的探测环境温度，一般而言在零下5℃，当然本发明不限于此，只要能够进行样品探测即可。
54.在本实施例中，低温探针台由真空腔体、样品台、热辐射屏、探针臂、屏蔽探针装置、低温和真空获取组件等几部分组成，其中，屏蔽探针装置通过探针臂安装在真空腔体内，通过探针8与样品进行非破坏性接触，对样品特性参数进行精确测量。
55.此外，本发明第三方面本发明还提供一种低温探针系统，包括上述所述的低温探针台以及上位机。
56.可以理解的是，上位机与低温探针台中的sma连接器1耦接，可接收探测信号，对样品特性进行测定。
57.综上所述，本发明提供的低温探针台以及低温探针系统，采用设有导电层和隔热层的屏蔽探针装置获取被测样品产生探测信号，在探测信号获取过程中，导电层可以降低电磁干扰影响，有利于低温探针台对样品特性参数进行精确测量，隔热层可以降低屏蔽组件与探针-样品接触区域之间的热辐射从而增加探针-样品接触区域温度稳定性，避免探测信号的准确测量易受到热辐射影响。
58.在本说明书的描述中，参考术语“一个实施方式”、“一些实施方式”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施方式或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本说明书实施方式的至少一个实施方式或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施方式或示例。
59.此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施方式或示例以及不同实施方式或示例的特征进行结合和组合。以上所述仅为本说明书实施方式的实施方式而已，并不用于限制本说明书实施方式。对于本领域技术人员来说，本
说明书实施方式可以有各种更改和变化。凡在本说明书实施方式的精神和原理之内所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本说明书实施方式的权利要求范围之内。