一文详解自动真空探针台构造设计

一，自动真空探针台构造设计

自动真空探针台主要由工控机、真空腔体、测 试仪接口电路、传感器系统、环境测试系统、人机 界面、XYZ 工作台等几部分组成。

1.1 真空腔体结构设计及密封技术

1.1.1 真空腔体结构设计

真空腔体设计的合理性直接影响整个探针台的性能，需要有足够的空间将XY 工作台、承片台、测试探头等部件容纳其中，同时结构还需 尽量紧凑，因此它的优化性设计至关重要。设计需要提前考虑的方面有：腔体和外部管件的接口 预留位置和接口大小、与外部接线端子的预留位 置和数量、整个腔体端盖的锁紧形式、观察窗口和照明系统的位置和数量、液氮管道的接口形 式、取放片窗口位置和大小，主要包括以下几方 面的设计。

(1)真空腔体密封性设计;

(2)腔体内对特种气体的防腐蚀性、防毒性设计; (3)腔体的电磁屏蔽设计;

(4)电气接插头的防潮、防水设计;

(5)操作区的安全设计;

(6)维修、维护的方便性设计。

1.1.2 真空腔体密封技术

真空腔体密封技术是真空探针的关键部分， 真空腔体密封一旦在设计和加工过程中出现设计 缺陷、密封效果不好等问题，就会产生气体泄漏， 对操作人员造成人身伤害、甚至对大气环境造成 污染，这些问题在后期将无法弥补，在腔体装配前 要进行预装试验，防止类似事件发生。

真空腔体采用圆形桶状，下端面与工作平台 紧密结合，上端面端盖可拆卸。选用不锈钢材料锻 造后一体加工。加工过程中合理进行材料热处理，减少加工变形。

焊接各接口时保证焊接可靠性与密封性，腔体所有零部件连接部位均要考虑密封结构，目前 国内比较普遍应用的密封形式分为KF、CF 和 ISO 密封形式，密封圈材料有丁腈橡胶和氟橡胶 两种。在探针台测试领域一般选择KF 密封形式 和氟橡胶材料密封圈，主要特点是装配方便，氟橡 胶耐真空、耐高温、耐腐蚀性好。

腔体加工完成后要进行真空检漏试验，对腔 体整体真空度漏率要求小于10～8 Pa·L/s。

1.2 真空探针台工作台结构

工作台结构是真空探针台设备的关键部件之 一，在探针测试过程起着至关重要的作用。工作台 部分完全置于真空腔体内，主要包括XY 工作台和承片台两部分。

1.2.1 XY 精密工作台结构设计

由于XY 工作台需要放置于真空腔体内，XY 工作台结构越紧凑，真空腔体就越小，设备尺寸也 就相应减小。结构紧凑合理的XY 工作台有利于 降低真空腔体加工难度、减少能源浪费。

XY 工作台整体处于真空腔体中，要求零部件结构密致性好，零部件材料不能逸出空气，材料表 面不能有挥发性油脂。XY 工作台完全暴露在特 种环境中，所有零部件均需要通过耐腐蚀、耐低温 性等试验，对于电机、丝杠、导轨等外购件，如果没 有合适的型号满足上述要求，需要对相应外购件 加装特制密封装置，使外购件与腔体内环境有效 隔绝。

根据探针测试需要，XY 精密工作台的技术要 求为：XY 向行程160 mm;精度±0.008 mm;重复 定位精度±0.003 mm;分辨率0.001 mm。在结构 设计时，为达到上述精密控制要求选用伺服电机 驱动，全闭环运动控制;整个工作台需要放置于真 空腔体内，结构紧凑合理的工作台结构可以有效 地减小真空腔体设计尺寸，XY 工作台结构采用 丝杠、交叉滚子导轨组合形式。其中Y 向丝杠采 用偏置方式;X 向丝杠采用对称方式。

对于电机、丝杠、导轨等外购件，选型号时，需 要考虑温度、湿度、腐蚀性等特种环境下运行情 况，要求在高真空状态下材料不能逸出空气，外购 件内部、外部不能有挥发性油脂。如果没有合适的 型号满足上述要求，需要对相应外购件加装特制 密封罩。

1.2.2 承片台结构设计

根据工艺要求，承片台在继承现有抬升机构 稳定性、可靠性的同时，还应具有高低温控特性、低电磁吸收率、抗酸碱腐蚀等特性。设备要求温度 范围为-65～+200 ℃，这就要求承片盘温度在此范围内程控可调。制冷机构和加热机构必须和承 片盘非常接近，能够更大限度地减少能量浪费，以 快速达到所需测试温度。制冷机构和制热机构的 合理设计，可以更好地避免由于温度传导作用引 起其它零部件的温度大幅的变化。腔体内填充一 定浓度的特种气体进行测试，承片台的承片盘及 其他机械构件必须具有耐腐蚀，在承片台结构设 计时，需要在特种环境下对选用的加工件材料和 外购件进行可靠性实验，保证长时间在特种环境 下的有效性。

承片台结构设计要具有实现自动对准的兹 向 旋转，兹 向旋转的分度精度要求非常高，在150 mm (6 英寸)晶圆上的分度精度要臆0.05° ;为了实现与探针的紧密接触稳定地抬升、有效地达到接触 位置的精度，抬升机构的进给精度要高，同时承片 台要具备极高的刚性，而且在150 mm 的台面上 刚度一致是非常重要的。通过在Z 轴方向的往复 移动，实现高刚性、稳定的探针接触。

承片台旋转结构在设计上采用THK 超精密 交叉滚柱轴环RB 型(外圈分隔，内环旋转)支撑 旋转。在交叉滚柱轴环中，因圆柱形滚柱在呈 90° 的V 形沟槽滚动面上通过间隔保持器被相互垂直排列。使得单个轴承就可承受径向、轴向及 力矩负荷等所有方向的负荷，具有很高的刚性。又 由于内圈或外圈是分隔的构造，轴承间隙可调整。

即使被施加预压，也能获得高精度的旋转。承片台 通过轴承座的连接，使承片台与承片盘成为一体， 并通过交叉滚柱轴环自由转动。

承片台的升降结构主要是靠滚珠丝杠带动两 个对称的线性导轨进行上下往复运动，实现探针 接触检测。

审核编辑：汤梓红