低温磁场探针台导冷结构、探针台及温度控制方法

技术领域

本发明属于物理及半导体测试技术领域，涉及一种探针台，具体地，涉及一种低温磁场探针台导冷结构、低温磁场探针台温度控制方法及低温磁场探针台探针台。

背景技术

探针台测试设备是一种应用广泛的非破坏性测试手段，可用于物理及半导体领域的测试，具体地，可用于测试材料样品或器件的电学特性、光电特性、高频特性等方面的性能，在物理及半导体领域中的应用十分丰富。在此基础上，磁场探针台测试系统进一步提供了磁场环境，使得探针台测试设备可以进一步研究被测材料或器件在磁场下的性能表现及特性，其典型应用包括磁学、自旋电子学、半导体物理与器件、量子器件等。

现在低温工程学中，将低温分成4个温区：制冷：室温-120K；低温：120K-4.2k；超低温：4.2K-0.1K；极低温：0.1K-0K。在实际使用过程中，由于部分被测材料或器件的最终产品的使用环境为低温环境，需要测试被测材料或器件在低温状态下的性能表现，因此，需要提供一种能够使样品处于低温环境下的磁场探针台。更具体地说，需要提供一种能够使样品处于低温环境下的冷却结构，以及相应的磁场探针台。

发明内容

本发明提供了一种低温磁场探针台，能够使样品处于低温环境下并进行测试。本发明所述的低温，指的是低温工程学中的低温、超低温三个温区，即大约是120K-4K的温度区间。

为了实现上述目的，本发明提供的技术方案如下：

本发明首先提供了一种低温磁场探针台导冷结构，包括电磁铁组件、样品台组件、冷腔、冷头，所述电磁铁组件、样品台组件设置于所述冷腔的腔体内部，所述冷头设置有两个，所述冷头的其中之一与所述样品台组件导冷连接，所述冷头的其中另一与所述电磁铁组件导冷连接。

优选地，所述导冷连接为导冷链连接。

可选地，所述冷头的其中之一位于所述冷腔的腔体内部，其中另一设置在所述冷腔的腔体外部。

优选地，所述冷头包括第一冷头、第二冷头，所述冷腔包括第一冷腔、第二冷腔，所述第一冷头容纳于所述第一冷腔，所述第二冷头容纳于所述第二冷腔，所述电磁铁组件、样品台组件位于所述第一冷腔内部，所述第二冷腔与第一冷腔之间通过冷腔连接管连通，所述第一冷头通过第一导冷链与所述电磁铁组件导冷连接，所述第二冷头通过第二导冷链与所述样品台组件导冷连接，所述第二导冷链穿过所述冷腔连接管。

可选地，在所述第二冷头上连接固定形状的导冷杆，在所述导冷杆上连接所述第二导冷链，使所述第二导冷链连接于所述样品台组件。可作为替代地，在所述第二冷头上连接固定形状的导冷杆，在所述导冷杆的末端连接第二导冷杆，所述第二导冷杆向所述第一冷腔的方向伸出，并在所述第二导冷杆的末端连接所述第二导冷链。

优选地，所述第一冷腔内部为真空。

进一步优选地，所述第二冷腔内部为真空。

优选地，所述导冷结构还包括外腔，所述冷腔设置于所述外腔的腔体内部。

进一步优选地，所述外腔包括第一外腔、第二外腔，所述第一冷腔设置于所述第一外腔的腔体内部，所述第二冷腔设置于所述第二外腔的腔体内部；所述第一外腔与所述第二外腔通过外腔连接管连通，所述冷腔连接管设置于所述外腔连接管内。

优选地，所述外腔内部为真空。

优选地，在所述冷腔与外腔之间设置有外冷头。进一步优选地，所述第一冷腔与所述第一外腔之间设置有第一外冷头；所述第二冷腔与所述第二外腔之间设置有第二外冷头。

进一步地，所述第一冷头的一端与所述电磁铁组件导冷连接、另一端与第一外冷头连接，所述第一外冷头与第一冷源连接，所述第一冷源为所述第一外冷头、第一冷头提供冷能；所述第二冷头的一端与所述样品台组件导冷连接、另一端与第二外冷头连接，所述第二外冷头与第二冷源连接，所述第二冷源为所述第二外冷头、第二冷头提供冷能。

更进一步地，所述第一冷腔套于所述第一冷头外侧并与所述第一外冷头导冷密封连接，所述第一外腔套于所述第一冷腔外侧并与所述第一外冷头与所述第一冷源的其中至少之一密封连接；所述第二冷腔套于所述第二冷头外侧并与所述第二外冷头导冷密封连接，所述第二外腔套于所述第二冷腔外侧并与所述第二外冷头与所述第二冷源的其中至少之一密封连接。

优选地，所述电磁铁组件包括电磁线圈、防辐射屏、导冷底座，所述防辐射屏与所述导冷底座围成环形腔体，所述电磁线圈设置于所述环形腔体内；所述导冷底座与所述冷头导冷连接。

可选地，所述第一冷腔设置有中间冷屏，所述中间冷屏将所述第一冷腔分隔为上冷腔、下冷腔，所述电磁铁组件、样品台组件设置于所述上冷腔；所述第一冷头设置于所述下冷腔，所述中间冷屏设置有通孔，所述第一导冷链穿过所述通孔。

可选地，电磁铁组件通过电磁铁支架固定于所述中间冷屏；所述样品台组件包括样品台、样品台支架，所述样品台通过所述样品台支架固定于所述中间冷屏。

所述电磁铁组件、样品台组件之间设置有隔热冷屏。

本发明还提供了一种低温磁场探针台温度控制方法，第一冷头通过导冷连接使所述电磁线圈达到第一预设温度；第二冷头通过导冷连接使所述样品台达到第二预设温度；加热所述样品台，使所述样品台达到第三预设温度。

优选地，所述样品台连接有加热装置，通过所述加热装置加热所述样品台。进一步优选地，加热装置设置于样品台内部。

优选地，所述样品台位于所述电磁线圈的内侧。

优选地，所述样品台与所述电磁线圈直接设置有隔热冷屏。

本发明还提供了一种低温磁场探针台，包括低温组件、探针组件、电磁铁组件、样品台组件，所述低温组件包括冷头、冷腔，所述冷头至少部分地容纳于所述冷腔；所述低温组件设置有两组，所述低温组件包括第一低温组件、第二低温组件，所述第一低温组件、第二低温组件的所述冷腔相互连通；所述电磁铁组件、样品台组件设置于所述第一低温组件的所述冷腔内，所述电磁铁组件与所述第一低温组件的所述冷头导冷连接，所述样品台组件与所述第二低温组件的所述冷头导冷连接；所述探针组件包括探针、探针座，所述探针座与所述第一低温组件的所述冷腔密封连接，所述探针伸入所述冷腔并靠近所述样品台组件。

优选地，所述探针与所述第一冷腔通过第一探针导冷链导冷连接，所述探针与所述电磁铁组件通过第二探针导冷链导冷连接。

所述低温组件还包括外腔，所述冷腔设置于所述外腔的腔体内部。

优选地，所述第一低温组件的所述外腔与所述第二低温组件的所述外腔连通；所述第一低温组件的所述冷腔与所述第二低温组件的所述冷腔相互连通。

所述低温组件还包括外冷头，所述外冷头设置于所述外腔与所述冷腔之间。

所述低温磁场探针台还包括显微镜组件，所述第一低温组件的所述外腔设置有外腔观察镜，所述第一低温组件的所述冷腔设置有冷腔观察镜，所述外腔观察镜、冷腔观察镜、样品台组件沿所述显微镜组件的成像光路设置。

优选地，所述低温磁场探针台还包括支撑组件，所述支撑组件包括支撑架、气浮板、气浮垫，所述气浮板通过气浮垫支撑于所述支撑架上，所述第一低温组件、第二低温组件、探针组件分别与所述气浮板固定连接。

所述外腔外侧固定设置有连接环，所述连接环与所述气浮板固定连接。

可选地，低温磁场探针台还包括减震组件。

优选地，所述减震组件包括减震支架、减震固定板、配重块，所述减震固定板固定于所述减震支架，所述配重块与所述减震支架连接。

优选地，所述外腔设置有减震连接环，所述减震连接环与所述减震固定板固定连接。

本发明至少具有以下有益效果：本发明提供的导冷结构及低温磁场探针台，通过将样品台组件、电磁铁组件与不同的冷头导冷连接，减少样品台组件、电磁铁组件之间的温度传导，避免二者在同一冷源作用下产生温度上的同步变化，使样品台组件、电磁铁组件的温度可以分别调节，便于进行样品台组件、电磁铁组件的温度调节和控制，使用场景更加丰富。

本发明提供的温度控制方法，通过使样品台降温后加热至目标温度，提供冗余冷能，提高了温度调整速度。

附图说明

图1为一种低温磁场探针台的整体结构示意图。

图2为一种低温磁场探针台的整体结构的侧视图。。

图3为一种低温磁场探针台、导冷结构整体结构示意图。

图4为图3的A部放大图。

具体实施方式

为使本发明的目的、特征更明显易懂，下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步的说明。需要说明的是，附图均采用非常简化的形式且均使用非精准的比率，仅用于方便、清晰地辅助说明本发明实施例的目的。

本发明的描述中，除非另有明确的限定，设置、安装、连接等词语应做广义理解，所属技术领域技术人员可以结合技术方案的具体内容合理确定上述词语在本发明中的具体含义。

请参阅图3、图4，一种低温磁场探针台导冷结构，包括电磁铁组件600、样品台组件700、冷腔、冷头，电磁铁组件600、样品台组件700设置于冷腔的腔体内部，冷头设置有两个，冷头的其中之一与样品台组件700导冷连接，冷头的其中另一与电磁铁组件600导冷连接。

通过使电磁铁组件600、样品台组件700通过不同的导冷路径进行导冷，使二者的温度能够分别控制，例如，使电磁铁组件600达到超导转变温度以及超导转变温度以下，使样品台组件700位于任意温度；或使电磁铁组件600达到超导温度，使样品台组件700位于低温，即大约在120K-4K的温度区间。

更具体地，冷头的其中之一与样品台组件700通过导冷链262导冷连接，冷头的其中另一与电磁铁组件600通过导冷链160导冷连接。此外，还可以根据实际需要，选择其他导冷形式，例如，通过使冷头直接接触被降温元器件的形式进行导冷。

冷头的其中之一位于冷腔的腔体内部，其中另一设置在冷腔的腔体外部。此时，设置于冷腔的腔体外部的冷头，可以根据需要，设置相应的腔体容纳该冷头，并通过连通结构使得该腔体与冷腔连通，使该冷头与相应的被降温设备之间的导冷结构穿过该连通结构。

具体地，请参阅图3、图4，冷头包括第一冷头150、第二冷头250，冷腔包括第一冷腔140、第二冷腔240，第一冷头150容纳于第一冷腔140，第二冷头250容纳于第二冷腔240，电磁铁组件600、样品台组件700位于第一冷腔140内部，第二冷腔240与第一冷腔140之间通过冷腔连接管241连通，第一冷头150通过第一导冷链160与电磁铁组件500导冷连接，第二冷头250通过第二导冷链262与样品台组件700导冷连接，第二导冷链262穿过冷腔连接管241。

此外，还可以进一步设置多个中间元件进行导冷，例如，在第二冷头250上连接固定形状的导冷杆261，在导冷杆261上连接第二导冷链262，再使第二导冷链262连接于样品台组件700，同样能够实现导冷；还可以更进一步地，在导冷杆261的末端连接第二导冷杆，第二导冷杆向第一冷腔140的方向伸出，并在第二导冷杆的末端连接第二导冷链262。本领域技术人员可以根据实际需求，调整导冷的具体元件。

第一冷腔140、第二冷腔240内部可以根据需要，构造为真空环境。由于第一冷腔140、第二冷腔240相互连通，因此，第一冷腔140与第二冷腔240处于同一真空环境当中，二者的真空环境可以同时构建。

此外，还可以根据需要，在冷腔外设置外腔。具体地，导冷结构还包括外腔，冷腔设置于外腔的腔体内部。更具体地，请参阅图1至图4，外腔包括第一外腔120、第二外腔220，第一冷腔140设置于第一外腔120的腔体内部，第二冷腔240设置于第二外腔220的腔体内部；第一外腔120与第二外腔220通过外腔连接管221连通，冷腔连接管241设置于外腔连接管221内。通过双层腔体的设置，能够减少冷腔140、240向外的热辐射造成的冷能逸散。

作为一种可选的实施方式，冷腔、外腔的腔体内均为真空，也就是说，使冷腔140、240的内外侧均为真空环境，此时，冷腔140、240不受环境气压的影响，减少冷腔140、240所受的外力，能够避免冷腔140在低温下因外力损坏；双层腔体也能够在其中一层腔体泄露时，仍能提供真空的测试环境，例如，即使冷腔140、240出现腔体泄露，但由于外腔120、220的腔体内仍为真空环境，因此冷腔140、240内仍将保持真空；或者，当外腔120、220出现泄露时，冷腔140、240仍能保持真空。能够进一步增强真空环境的稳定程度，提高设备整体的寿命。

进一步地，在冷腔与外腔之间，还可设置外冷头。请参阅图3，第一冷腔140与第一外腔120之间设置有第一外冷头130；第二冷腔240与第二外腔220之间设置有第二外冷头230。

更具体地，请参阅图3至图4，第一冷头150的一端与电磁铁组件600导冷连接、另一端与第一外冷头130连接，第一外冷头130与第一冷源110连接，第一冷源110为第一外冷头130、第一冷头150提供冷能；第二冷头250的一端与样品台组件700导冷连接、另一端与第二外冷头230连接，第二外冷头230与第二冷源210连接，第二冷源210为第二外冷头230、第二冷头250提供冷能。

请参阅图3至图4，第一冷腔140套于第一冷头150外侧并与第一外冷头130导冷密封连接，第一外腔120套于第一冷腔140外侧并与第一外冷头130与第一冷源110的其中至少之一密封连接；第二冷腔240套于第二冷头250外侧并与第二外冷头230导冷密封连接，第二外腔220套于第二冷腔240外侧并与第二外冷头230与第二冷源210的其中至少之一密封连接。冷腔、外腔与冷头、外冷头、冷源之间的固定方式可以根据需要进行调整。此外更具具体地，第一冷头150、第一外冷头130、第一冷源110构成阶梯台柱的形式；第二冷头250、第二外冷头230、第二冷源210构成阶梯台柱的形式。

请参阅图4，电磁铁组件600包括电磁线圈610、防辐射屏620、导冷底座630，防辐射屏620与导冷底座630围成一环形腔体，电磁线圈610设置于腔体内；导冷底座630与冷头导冷连接。具体地，在本实施例中，导冷底座630与第一冷头150通过第一导冷链160导冷连接。样品台组件700设置于环形腔体围成的圆形通孔内，样品台组件700通过第二导冷链262与第二冷头250导冷连接。

防辐射屏620能够反射热辐射，减少热辐射导致的温度传递，以使腔体与外部环境的热交换减少，避免冷能逸散，从而使得腔体内的温度保持在低温。

可选地，第一冷腔140设置有中间冷屏143，中间冷屏143将第一冷腔140分隔为上冷腔142、下冷腔141，电磁铁组件600、样品台组件700设置于上冷腔142。第一冷头150设置于下冷腔141，中间冷屏143设置有通孔147，第一导冷链160穿过通孔147。可选地，电磁铁组件600通过电磁铁支架640固定于中间冷屏143。样品台组件700包括样品台710、样品台支架740，样品台710通过样品台支架740固定于中间冷屏143。

为了固定冷腔与外腔的相对位置，如图4所示，第一冷腔140与第一外腔120之间设置有固定支脚146。更具体地说，固定支脚146的两端分别与第一冷腔140、第一外腔120固定连接。

请参阅图4，可以根据需要，在电磁铁组件600、样品台组件700之间，设置隔热冷屏730，减少电磁铁组件600、样品台组件700之间的热辐射，进而减少温度上的相互影响。

本发明还提供了一种低温磁场探针台温度控制方法，包括：第一冷头150通过导冷连接使电磁线圈610达到第一预设温度；第二冷头250通过导冷连接使样品台710达到第二预设温度；加热样品台710，使样品台710达到第三预设温度。

样品台710连接有加热装置720，通过加热装置720加热样品台。可选地，如图4所示，加热装置720设置于样品台710内部。

使样品台710、电磁线圈610与不同的冷头导冷连接，从而分别控制样品台、电磁线圈610的制冷程度，即分别控制第一预设温度、第二预设温度，避免二者之间的相互干扰。

将样品台设置于预设位置，比如，使样品台710位于电磁线圈610的内侧。通过第一冷源110，使第一冷头150温度降低，通过第一导冷链160与导冷底座630导冷连接，进而使防辐射屏620、导冷底座630的温度降低，再进一步地使内部的电磁线圈610温度降低，从而使得电磁线圈610达到第一预设温度。具体地，第一预设温度为使电磁线圈610正常工作的温度，例如，当电磁线圈610为超导线圈时，第一预设温度为超导转变温度及以下。通过第二冷源210，使第二冷头250温度降低，通过第二导冷链262与样品台710导冷连接，从而使样品台710的温度降低，从而使样品台710的温度达到第二预设温度。该第二预设温度可以根据需要进行调整，例如，使第二预设温度为冷源的作用下样品台710能够达到的最低温度，也可以为略高于最低温度且低于第三预设温度。在样品台710上放置被测样品时，通过加热装置720对样品台710加热，使样品台710的温度逐渐升高，从而达到第三预设温度。该第三预设温度，即为被测样品的测试所需的温度。通过控制加热装置720使样品台710温度升高并达到平衡。此时，由于第二导冷链262提供的冷能能够使样品台710达到低于第三预设温度的的第二预设温度，实质上第二导冷链262提供了冗余的冷能，在对样品台710的温度进行调整时，例如，使样品台710的温度升高时，可以通过加热装置720迅速加热样品台710；使样品台710的温度降低时，仅需减小加热装置720的加热功率即可，能够通过冗余冷能使样品台710快速降温，温度调节具有更高的时间灵敏度。此外，由于时间灵敏度高，大大减少了温度控制操作和实际温度变化之间的时间差，使温度控制操作获得更快的反馈，便于及时调整温度控制方式和内容，可以对样品台710的温度进行精细控制。

需要注意的是，请参阅图4，在某些情况下，在电磁线圈610与样品台710之间会设置有隔热冷屏730，用以减少电磁线圈610与样品台710之间的导热，尤其是高温时（比如接近室温时）避免样品台710向电磁线圈610传递热量导致电磁线圈不能正常工作。

本发明还提供了一种低温磁场探针台，包括低温组件、探针组件300、电磁铁组件600、样品台组件700，低温组件包括冷头、冷腔，冷头至少部分地容纳于冷腔；低温组件设置有两组，低温组件包括第一低温组件100、第二低温组件200，第一低温组件100、第二低温组件200的冷腔140、240相互连通；电磁铁组件600、样品台组件700设置于第一低温组件100的冷腔140内，电磁铁组件600与第一低温组件100的冷头导冷连接，样品台组件700与第二低温组件200的冷头导冷连接；探针组件300包括探针310、探针座320，探针座320与第一低温组件100的冷腔140密封连接，探针310伸入冷腔140并靠近样品台组件700。

为了对探针310的温度进行控制，请参阅图4，探针310与第一冷腔140之间通过第一探针导冷链340导冷连接，探针310与电磁铁组件600之间通过第二探针导冷链350导冷连接。

低温组件100、200还包括外腔，冷腔设置于外腔的腔体内部。

请参阅图1至图3，第一低温组件100的外腔120与第二低温组件200的外腔220连通；第一低温组件100的冷腔140与第二低温组件200的冷腔240相互连通。

低温组件100、200还包括外冷头130、230，外冷头130、230设置于外腔120、220与冷腔140、240之间。

探针座320通过探针管330与第一外腔120连接，探针310通过探针管330伸入第一外腔120。第一内腔140的相应位置设置有通孔，探针310自该通孔伸入至第一冷腔140内，从而使探针310伸入至样品台710附近，便于接触被测样品。

具体地，探针管330选择柔性波纹管。

低温磁场探针台还包括显微镜组件500，第一低温组件100的外腔120设置有外腔观察镜121，第一低温组件100的冷腔140设置有冷腔观察镜145，外腔观察镜121、冷腔观察镜145、样品台组件700沿显微镜组件500的成像光路设置。具体地，请参阅图2，显微镜组件500包括显微镜支架510、显微镜模组520，显微镜模组520通过显微镜支架510固定于气浮板420上。

相应地，为了便于制造和加工，第一冷腔140的顶部设置有冷腔盖144，冷腔观察镜145固定设置于冷腔盖144，便于观察镜145的拆装和维护。第一外腔120的顶部设置有外腔盖122，外腔观察镜121固定于外腔盖122，可以根据需要拆装外腔盖122，从而便于外腔观察镜121、冷腔盖144、冷腔观察镜145的拆装。此外，通过设置便于拆装的外腔盖122、冷腔盖144，便于对第一冷腔140内的电磁铁组件600、样品台组件700、探针310，以及相应的导冷、支撑结构进行检修，便于使用。

低温磁场探针台还包括支撑组件400，支撑组件400包括支撑架410、气浮板420、气浮垫430，气浮板420通过气浮垫430支撑于支撑架410上，第一低温组件100、第二低温组件200、探针组件300分别与气浮板420固定连接。根据需要，在支撑架410的底部设置减震支脚440，进一步增强支撑组件400整体的减震效果。具体地，减震支脚440为弹性减震支脚。

具体地，请参阅图2，第一低温组件100的第一外腔120外侧设置有第一连接凸缘122，第一连接凸缘122与气浮板420连接；第二低温组件200的第二外腔220外侧设置有第二连接凸缘222，第二连接凸缘222与气浮板420固定连接。

此外，低温磁场探针台还包括减震组件800、900。请参阅图1至图3，减震组件800、900包括减震支架810、910、减震固定板820、920、配重块830、930，减震固定板820、920固定于减震支架810、910，配重块830、930与减震支架810、910连接。减震组件800、900设置有两个，两个减震组件分别为第一减震组件800、第二减震组件900，第一低温组件100与第一减震组件800固定连接，第二低温组件200与第二减震组件900固定连接。此外，还可以根据需要，在减震支架810、910的底部设置减震支脚840、940，以增加稳定性。

第一低温组件100的第一外腔120通过减震连接凸缘123与第一减震组件800的减震固定板820连接；第二低温组件200的第二外腔220通过减震连接凸缘223与第二减震组件900的减震固定板920固定连接。

以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和优点，因此以上所述仅为本发明的实施例。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还包括各种等效变化和改进，这些变化和改进都将落入要求保护的本发明范围内。