一，自動真空探針臺構造設計

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、環境測試系統、人機 界面、XYZ 工作臺等幾部分組成。

1.1 真空腔體結構設計及密封技術

1.1.1 真空腔體結構設計

真空腔體設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，同時結構還需 盡量緊湊，因此它的優化性設計至關重要。設計需要提前考慮的方面有：腔體和外部管件的接口 預留位置和接口大小、與外部接線端子的預留位 置和數量、整個腔體端蓋的鎖緊形式、觀察窗口和照明系統的位置和數量、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 面的設計。

(1)真空腔體密封性設計;

(2)腔體內對特種氣體的防腐蝕性、防毒性設計; (3)腔體的電磁屏蔽設計;

(4)電氣接插頭的防潮、防水設計;

(5)操作區的安全設計;

(6)維修、維護的方便性設計。

1.1.2 真空腔體密封技術

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

真空腔體采用圓形桶狀，下端面與工作平臺 緊密結合，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構，目前 國內比較普遍應用的密封形式分為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構

工作臺結構是真空探針臺設備的關鍵部件之 一，在探針測試過程起著至關重要的作用。工作臺 部分完全置于真空腔體內，主要包括XY 工作臺和承片臺兩部分。

1.2.1 XY 精密工作臺結構設計

由于XY 工作臺需要放置于真空腔體內，XY 工作臺結構越緊湊，真空腔體就越小，設備尺寸也 就相應減小。結構緊湊合理的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，要求零部件結構密致性好，零部件材料不能逸出空氣，材料表 面不能有揮發性油脂。XY 工作臺完全暴露在特 種環境中，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，需要對相應外購件 加裝特制密封裝置，使外購件與腔體內環境有效 隔絕。

根據探針測試需要，XY 精密工作臺的技術要 求為：XY 向行程160 mm;精度±0.008 mm;重復 定位精度±0.003 mm;分辨率0.001 mm。在結構 設計時，為達到上述精密控制要求選用伺服電機 驅動，全閉環運動控制;整個工作臺需要放置于真 空腔體內，結構緊湊合理的工作臺結構可以有效 地減小真空腔體設計尺寸，XY 工作臺結構采用 絲杠、交叉滾子導軌組合形式。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、導軌等外購件，選型號時，需 要考慮溫度、濕度、腐蝕性等特種環境下運行情 況，要求在高真空狀態下材料不能逸出空氣，外購 件內部、外部不能有揮發性油脂。如果沒有合適的 型號滿足上述要求，需要對相應外購件加裝特制 密封罩。

1.2.2 承片臺結構設計

根據工藝要求，承片臺在繼承現有抬升機構 穩定性、可靠性的同時，還應具有高低溫控特性、低電磁吸收率、抗酸堿腐蝕等特性。設備要求溫度 范圍為-65～+200 ℃，這就要求承片盤溫度在此范圍內程控可調。制冷機構和加熱機構必須和承 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。制冷機構和制熱機構的 合理設計，可以更好地避免由于溫度傳導作用引 起其它零部件的溫度大幅的變化。腔體內填充一 定濃度的特種氣體進行測試，承片臺的承片盤及 其他機械構件必須具有耐腐蝕，在承片臺結構設 計時，需要在特種環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境 下的有效性。

承片臺結構設計要具有實現自動對準的茲 向 旋轉，茲 向旋轉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° ;為了實現與探針的緊密接觸穩定地抬升、有效地達到接觸 位置的精度，抬升機構的進給精度要高，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 移動，實現高剛性、穩定的探針接觸。

承片臺旋轉結構在設計上采用THK 超精密 交叉滾柱軸環RB 型(外圈分隔，內環旋轉)支撐 旋轉。在交叉滾柱軸環中，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 由于內圈或外圈是分隔的構造，軸承間隙可調整。

即使被施加預壓，也能獲得高精度的旋轉。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自由轉動。

承片臺的升降結構主要是靠滾珠絲杠帶動兩 個對稱的線性導軌進行上下往復運動，實現探針 接觸檢測。

審核編輯：湯梓紅