一，自動真空探針臺構(gòu)造設(shè)計

自動真空探針臺主要由工控機、真空腔體、測 試儀接口電路、傳感器系統(tǒng)、環(huán)境測試系統(tǒng)、人機 界面、XYZ 工作臺等幾部分組成。

1.1 真空腔體結(jié)構(gòu)設(shè)計及密封技術(shù)

1.1.1 真空腔體結(jié)構(gòu)設(shè)計

真空腔體設(shè)計的合理性直接影響整個探針臺的性能，需要有足夠的空間將XY 工作臺、承片臺、測試探頭等部件容納其中，同時結(jié)構(gòu)還需 盡量緊湊，因此它的優(yōu)化性設(shè)計至關(guān)重要。設(shè)計需要提前考慮的方面有：腔體和外部管件的接口 預(yù)留位置和接口大小、與外部接線端子的預(yù)留位 置和數(shù)量、整個腔體端蓋的鎖緊形式、觀察窗口和照明系統(tǒng)的位置和數(shù)量、液氮管道的接口形 式、取放片窗口位置和大小，主要包括以下幾方 面的設(shè)計。

(1)真空腔體密封性設(shè)計;

(2)腔體內(nèi)對特種氣體的防腐蝕性、防毒性設(shè)計; (3)腔體的電磁屏蔽設(shè)計;

(4)電氣接插頭的防潮、防水設(shè)計;

(5)操作區(qū)的安全設(shè)計;

(6)維修、維護的方便性設(shè)計。

1.1.2 真空腔體密封技術(shù)

真空腔體密封技術(shù)是真空探針的關(guān)鍵部分， 真空腔體密封一旦在設(shè)計和加工過程中出現(xiàn)設(shè)計 缺陷、密封效果不好等問題，就會產(chǎn)生氣體泄漏， 對操作人員造成人身傷害、甚至對大氣環(huán)境造成 污染，這些問題在后期將無法彌補，在腔體裝配前 要進行預(yù)裝試驗，防止類似事件發(fā)生。

真空腔體采用圓形桶狀，下端面與工作平臺 緊密結(jié)合，上端面端蓋可拆卸。選用不銹鋼材料鍛 造后一體加工。加工過程中合理進行材料熱處理，減少加工變形。

焊接各接口時保證焊接可靠性與密封性，腔體所有零部件連接部位均要考慮密封結(jié)構(gòu)，目前 國內(nèi)比較普遍應(yīng)用的密封形式分為KF、CF 和 ISO 密封形式，密封圈材料有丁腈橡膠和氟橡膠 兩種。在探針臺測試領(lǐng)域一般選擇KF 密封形式 和氟橡膠材料密封圈，主要特點是裝配方便，氟橡 膠耐真空、耐高溫、耐腐蝕性好。

腔體加工完成后要進行真空檢漏試驗，對腔 體整體真空度漏率要求小于10～8 Pa·L/s。

1.2 真空探針臺工作臺結(jié)構(gòu)

工作臺結(jié)構(gòu)是真空探針臺設(shè)備的關(guān)鍵部件之 一，在探針測試過程起著至關(guān)重要的作用。工作臺 部分完全置于真空腔體內(nèi)，主要包括XY 工作臺和承片臺兩部分。

1.2.1 XY 精密工作臺結(jié)構(gòu)設(shè)計

由于XY 工作臺需要放置于真空腔體內(nèi)，XY 工作臺結(jié)構(gòu)越緊湊，真空腔體就越小，設(shè)備尺寸也 就相應(yīng)減小。結(jié)構(gòu)緊湊合理的XY 工作臺有利于 降低真空腔體加工難度、減少能源浪費。

XY 工作臺整體處于真空腔體中，要求零部件結(jié)構(gòu)密致性好，零部件材料不能逸出空氣，材料表 面不能有揮發(fā)性油脂。XY 工作臺完全暴露在特 種環(huán)境中，所有零部件均需要通過耐腐蝕、耐低溫 性等試驗，對于電機、絲杠、導(dǎo)軌等外購件，如果沒 有合適的型號滿足上述要求，需要對相應(yīng)外購件 加裝特制密封裝置，使外購件與腔體內(nèi)環(huán)境有效 隔絕。

根據(jù)探針測試需要，XY 精密工作臺的技術(shù)要 求為：XY 向行程160 mm;精度±0.008 mm;重復(fù) 定位精度±0.003 mm;分辨率0.001 mm。在結(jié)構(gòu) 設(shè)計時，為達到上述精密控制要求選用伺服電機 驅(qū)動，全閉環(huán)運動控制;整個工作臺需要放置于真 空腔體內(nèi)，結(jié)構(gòu)緊湊合理的工作臺結(jié)構(gòu)可以有效 地減小真空腔體設(shè)計尺寸，XY 工作臺結(jié)構(gòu)采用 絲杠、交叉滾子導(dǎo)軌組合形式。其中Y 向絲杠采 用偏置方式;X 向絲杠采用對稱方式。

對于電機、絲杠、導(dǎo)軌等外購件，選型號時，需 要考慮溫度、濕度、腐蝕性等特種環(huán)境下運行情 況，要求在高真空狀態(tài)下材料不能逸出空氣，外購 件內(nèi)部、外部不能有揮發(fā)性油脂。如果沒有合適的 型號滿足上述要求，需要對相應(yīng)外購件加裝特制 密封罩。

1.2.2 承片臺結(jié)構(gòu)設(shè)計

根據(jù)工藝要求，承片臺在繼承現(xiàn)有抬升機構(gòu) 穩(wěn)定性、可靠性的同時，還應(yīng)具有高低溫控特性、低電磁吸收率、抗酸堿腐蝕等特性。設(shè)備要求溫度 范圍為-65～+200 ℃，這就要求承片盤溫度在此范圍內(nèi)程控可調(diào)。制冷機構(gòu)和加熱機構(gòu)必須和承 片盤非常接近，能夠更大限度地減少能量浪費，以 快速達到所需測試溫度。制冷機構(gòu)和制熱機構(gòu)的 合理設(shè)計，可以更好地避免由于溫度傳導(dǎo)作用引 起其它零部件的溫度大幅的變化。腔體內(nèi)填充一 定濃度的特種氣體進行測試，承片臺的承片盤及 其他機械構(gòu)件必須具有耐腐蝕，在承片臺結(jié)構(gòu)設(shè) 計時，需要在特種環(huán)境下對選用的加工件材料和 外購件進行可靠性實驗，保證長時間在特種環(huán)境 下的有效性。

承片臺結(jié)構(gòu)設(shè)計要具有實現(xiàn)自動對準的茲 向 旋轉(zhuǎn)，茲 向旋轉(zhuǎn)的分度精度要求非常高，在150 mm (6 英寸)晶圓上的分度精度要臆0.05° ;為了實現(xiàn)與探針的緊密接觸穩(wěn)定地抬升、有效地達到接觸 位置的精度，抬升機構(gòu)的進給精度要高，同時承片 臺要具備極高的剛性，而且在150 mm 的臺面上 剛度一致是非常重要的。通過在Z 軸方向的往復(fù) 移動，實現(xiàn)高剛性、穩(wěn)定的探針接觸。

承片臺旋轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)在設(shè)計上采用THK 超精密 交叉滾柱軸環(huán)RB 型(外圈分隔，內(nèi)環(huán)旋轉(zhuǎn))支撐 旋轉(zhuǎn)。在交叉滾柱軸環(huán)中，因圓柱形滾柱在呈 90° 的V 形溝槽滾動面上通過間隔保持器被相互垂直排列。使得單個軸承就可承受徑向、軸向及 力矩負荷等所有方向的負荷，具有很高的剛性。又 由于內(nèi)圈或外圈是分隔的構(gòu)造，軸承間隙可調(diào)整。

即使被施加預(yù)壓，也能獲得高精度的旋轉(zhuǎn)。承片臺 通過軸承座的連接，使承片臺與承片盤成為一體， 并通過交叉滾柱軸環(huán)自由轉(zhuǎn)動。

承片臺的升降結(jié)構(gòu)主要是靠滾珠絲杠帶動兩 個對稱的線性導(dǎo)軌進行上下往復(fù)運動，實現(xiàn)探針 接觸檢測。

審核編輯：湯梓紅