阅读说明：本技术 一种无损测量薄膜的探针和测量仪器 (Probe and measuring instrument for nondestructive measurement of thin film ) 是由 郁彩艳 白莹 赵慧玲 李世玉 尹延锋 于 2020-08-04 设计创作，主要内容包括：本发明提供一种无损测量薄膜的探针及测量仪器,包含导电针体、导电弹性针头、固定环、感应收缩簧。感应收缩簧的感应端超出导电弹性针头一定距离,能够监测到与纳米级厚度薄膜的接触和接触后的应力大小,能够精准地控制再次推进时间,使探针恰好接触薄膜而不损坏薄膜。该探针及测量仪适合对半导体薄膜进行接触式无损、稳定、可重复的准确检测,同时也适合推广到其它薄膜材料的电学检测。(The invention provides a probe and a measuring instrument for nondestructive measurement of a film, which comprise a conductive needle body, a conductive elastic needle head, a fixing ring and an induction contraction spring. The sensing end of the sensing contraction spring exceeds the conductive elastic needle head for a certain distance, the contact with the nano-scale thickness film and the stress after the contact can be monitored, the re-propulsion time can be accurately controlled, and the probe just contacts the film without damaging the film. The probe and the measuring instrument are suitable for performing contact type nondestructive, stable and repeatable accurate detection on the semiconductor film, and are also suitable for being popularized to electrical detection of other film materials.)

一种无损测量薄膜的探针和测量仪器

技术领域

本发明涉及半导体薄膜的电学测试领域，具体而言，涉及对薄膜无损电学测量的探针和测量仪。

背景技术

目前，常用于测量薄膜电学性质的方法主要为接触式探针法，探针为硬质金属，在测试能够承受一定压力且损伤不明显或可以忽略的薄膜材料时，可以使测试过程顺利进行，并保证测试数据具有一定的准确性和重复性。但在测试纳米级薄膜类型材料时，硬质金属探头压下的机械压力较大，对石墨烯及纳米级薄膜等材料易造成机械损伤，使得探针和样品之间接触不良，使测试过程不能顺利进行，或不能保证测试数据具有一定准确度和重复性以及再现性。

为解决上述问题，有部分技术采用在薄膜上涂点状导电银浆，烘干后作为辅助测试点，或采用液体金属汞电极作为柔性电极。虽然以上方法均有一定效果，但是操作过程复杂、技术难度大或汞具有毒性，较难推广使用。

为测试纳米级薄膜的电学测试，公布号为CN 209656786 U的专利提出了一种无损测量石墨烯薄膜的方块电阻的探针、探头及测量仪，探针包括导电针体和导电弹性针头。导电弹性针头与薄层材料接触时，导电弹性针头能够产生形变以防止破坏薄层材料，以及探针可以经弹性件与探头本体连接，利用弹性件的缓冲作用进一步降低测试过程中对薄膜产生损坏的风险。但是仅靠弹性缓冲的作用是无法完全避免对薄膜，特别是半导体薄膜的破坏。公布号为CN104422824A的专利公开了一种金属薄膜电阻率的测量方法，在金属薄膜的表面制作一层有机保护膜，先以第一速度将探针快速下降至有机保护膜表面，之后探针以第二速度扎破有机保护膜并缓慢下降至金属薄膜表面。该专利采用两种不同的探针速度，极大地减少了金属薄膜被扎破的几率，但是部分薄膜表面制备有机保护膜会影响薄膜的电学、光学性质，特别是半导体薄膜。此外，CN104422824A也未公开下降至金属薄膜表面的判断方法，仍存在损坏薄膜的风险。因此，为实现完全无损薄膜的测试，仍亟待开发相关新技术方法。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的在于克服现有技术的缺点与不足，提供一种尤其适用于对半导体薄膜进行无损测量的实现精准推进的探针及测量仪，该探针及测量仪适合对半导体薄膜进行接触式无损、稳定、可重复的准确检测，同时也适合推广到其它薄膜材料的电学检测。

为达到上述目的，本发明通过以下技术方案实现：

本发明第一方面提供一种无损测量薄膜的探针，其组件包括，如图1所示：

导电针体1；

导电弹性针头2，导电弹性针头2与导电针体1的一端部连接，且导电弹性针头与导电针体之间能够导电，以使导电弹性针头2与薄膜接触时，导电弹性针头能够产生形变以防止破坏薄膜；

固定环3，固定环3与导电针体1的另一端部连接，且固定环3与导电针体1之间电绝缘；

感应收缩簧4，感应收缩簧4的一端设置于固定环3上，感应收缩簧4不仅能够被动收缩，还具有主动收缩功能，能够在控制器的控制下主动收缩；

感应端5，感应收缩簧4的另一端为感应端5，且超出导电弹性针头一定距离D；

感应端5至少具有接触传感器，用于监测感应收缩簧5是否接触到薄膜；

优选地，感应端5还具有应力传感器，用于测试感应端5与薄膜的接触应力。进一步地，接触传感器和接触传感器可为同一个应力感测元件，该应力感测元件能够监测到与薄膜的接触和接触后的应力大小。

优选地，感应收缩簧4为弹簧形状，导电针体1和导电弹性针头2设置于感应收缩簧4内，以保证探针无论以何种角度向薄膜靠近时感应收缩簧4末端的感应端5优先接触到薄膜。

优选地，感应收缩簧4为上大下小的弹簧形状，使感应端5的截面积相对较小，满足小面积薄膜电极点的测量要求。

优选地，感应收缩簧4的感应端5截面为圆环，以减少对薄膜的接触损伤。

优选地，感应收缩簧4的感应端5被柔性材料包裹。

测量的对象优选为半导体薄膜，但并不局限于半导体薄膜，还可适用于测量其它纳米级厚度的薄膜材料。

具体地，感应端5感测到其未接触到薄膜时，探针以第一速度V₁推进，感应收缩簧不收缩；感应端5感测其到接触到薄膜时，探针以第二速度V₂推进，推进时间为T＝D/V₂。

优选地，感应端5感测其接触到薄膜时，探针以第二速度推进时，感应收缩簧的主动收缩速度和探针的推进速度同步变化，速度大小一致。

优选地，感应端5感测其接触到薄膜时，探针以第二速度推进时，感应收缩簧4不主动收缩，仅被动收缩。

本发明第二方面提供一种精准推进实现无损电学测量的测量仪器，包括：

主机、计算机、测试台以及感应端感测信号接收器，控制器；还包括本申请第一方面实施例提供的无损测量薄膜的探针；

控制器根据感应端的感测信号控制探针推进速度和/或感应收缩簧的收缩速度；

感应端感测信号接收器与感应收缩簧和控制器连接，感应端感测信号接收器通过感应收缩簧获取感应端的信号后，将信号传输到控制器，控制器根据信号控制探针的推进速度和感应收缩簧的收缩速度；

具体地，感应端5感测到其未接触到薄膜时，控制器控制探针以第一速度V₁推进，感应收缩簧不收缩；感应端5感测到其接触到薄膜时，控制器控制探针以第二速度V₂推进，推进时间为T＝D/V₂。有限地，V₂小于V₁。

优选地，当待检测薄膜为半导体薄膜时，感应端5感测其接触到薄膜时，控制器控制探针以第二速度推进时，感应收缩簧的主动收缩速度和探针的推进速度同步变化，速度大小一致。

优选地，当待检测薄膜为金属或半导体薄膜时，感应端5感测其接触到薄膜时，控制器控制探针以第二速度推进时，感应收缩簧4不主动收缩，仅被动收缩。

优选地，当待检测薄膜为金属或半导体薄膜时，感应端5感测其接触到薄膜时，控制器控制探针以第二速度V₂推进时，感应收缩簧4不主动收缩，仅被动收缩，推进时间为T＝D/V₂。在未达到推进时间，若感应端5提前达到预设应力阈值，控制器控制探针提前结束推进，进一步防止对薄膜的破坏。预设应力阈值为提前设定的探针损坏待测薄膜时，感应端5感测到的应力临界值。

优选地，当待检测薄膜为多个薄膜电极点组成的电极阵列时，感应端5感测其接触到薄膜时，控制器控制探针以第二速度V₂推进时，感应收缩簧4不主动收缩，仅被动收缩，推进时间为T＝D/V₂。在达到推进时间时，结束推进并记录感应端5的检测值，选择检测值相同的电极点进行测试对比，避免探针应力对测试结果的影响。

本发明的有益效果在于：提供了一种无损测量薄膜特别是半导体薄膜或纳米薄膜电学性质的探针和测量仪，该探头采用导电弹性针头与薄膜材料接触，当其应用于探头，相较于传统硬质金属探针，避免了对薄膜材料会造成机械损伤，且能够保证探针和薄膜样品之间良好电学接触，保证了薄膜电学数据测量的准确度和重复性以及再现性。此外，最重要的是，本发明的探针能够监测探针推进过程，在达到探针与薄膜间预设距离时，改变推进速度，能够精准地控制再次推进时间，使探针恰好接触薄膜而不损坏薄膜。本发明的探针还能监控电学测试过程中，探针与薄膜间的应力值，选择应力值相一致的测试点，能够极大地提高测试的精准性，避免探针应力的差异对测试结果造成影响。

附图说明

以下结合附图对本发明做进一步说明。

附图1为本发明一种无损测量薄膜的探针。

具体实施方式

通过以下具体实施例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可以由以下实施例了解本发明之其他优点与功效。此外，本发明也可以通过其他不同具体实施例加以施行或应用，在不悖离本发明之精神下进行各种修饰与变更。

[实施例1]

如图1所示，本实施例提供一种无损测量半导体薄膜的探针，包含：

导电针体1；

导电弹性针头2，导电弹性针头2与导电针体1的一端部连接，且导电弹性针头2与导电针体1之间能够导电，以使导电弹性针头2与半导体薄膜接触时，导电弹性针头2能够产生形变以防止破坏半导体薄膜；

固定环3，固定环3与导电针体1的另一端部连接，且固定环3与导电针体1之间电绝缘；

感应收缩簧4，感应收缩簧4的一端部设置于固定环3上，感应收缩簧4在控制器(图中未示出)的控制下主动收缩；

感应端5，感应收缩簧4的另一端部为感应端5，且超出导电弹性针头一定距离D；

感应端5具有接触传感器，用于监测感应收缩簧5接触到半导体薄膜；

感应端5具有应力传感器，用于测试感应端5与半导体薄膜的接触应力；接触传感器和接触传感器可为同一个应力感测元件，该应力感测元件能够监测到与半导体薄膜的接触和接触后的应力大小；

感应收缩簧4为弹簧形状，导电针体1和导电弹性针头2设置于感应收缩簧4内，以保证探针无论以何种角度向半导体薄膜靠近时感应收缩簧4末端的感应端5优先接触到半导体薄膜；感应收缩簧4为上大下小的弹簧形状，使感应端5的截面积相对较小，满足小面积半导体薄膜点的测量要求；

感应收缩簧4的感应端5截面为圆环，以减少对半导体薄膜的接触损伤；感应收缩簧4的感应端5被柔性材料包裹。

感应端5感测到其未接触到半导体薄膜时，探针以第一速度V₁推进，感应收缩簧不收缩；感应端5感测到其接触到薄膜时，探针以第二速度V₂推进，推进时间为T＝D/V₂，同时感应收缩簧的主动收缩速度和探针的推进速度同步变化，速度大小一致，其中V₁＞V₂。

[实施例2]

如图1所示，本实施例提供一种无损测量纳米级厚度薄膜的探针，包含：

导电针体1；

导电弹性针头2，导电弹性针头2与导电针体1的一端部连接，且导电弹性针头2与导电针体1之间能够导电，以使导电弹性针头2与纳米级厚度薄膜接触时，导电弹性针头2能够产生形变以防止破坏纳米级厚度薄膜；

固定环3，固定环3与导电针体1的另一端部连接，且固定环3与导电针体2之间电绝缘；

感应收缩簧4，感应收缩簧4的一端部设置于固定环3上，感应收缩簧4仅被动收缩；

感应端5，感应收缩簧4的另一端部为感应端5，且超出导电弹性针头2一定距离D；

感应端5至少包含接触传感器，用于监测感应收缩簧5是否接触到纳米级厚度薄膜；

感应端5还包含应力传感器，用于测试感应端5与纳米级厚度薄膜的接触应力；接触传感器和接触传感器可为同一个应力感测元件，该应力感测元件能够监测到与纳米级厚度薄膜的接触和接触后的应力大小；

感应收缩簧4为弹簧形状，导电针体1和导电弹性针头2设置于感应收缩簧4内，以保证探针无论以何种角度向纳米级厚度薄膜靠近时感应收缩簧4末端的感应端5优先接触到纳米级厚度薄膜；感应收缩簧4为上大下小的弹簧形状，使感应端5的截面积相对较小，满足小面积纳米级厚度薄膜点的测量要求；

感应收缩簧4的感应端5截面为圆环，以减少对纳米级厚度薄膜的接触损伤；感应收缩簧4的感应端5被柔性材料包裹；

感应端5感测到其未接触到纳米级厚度薄膜时，探针以第一速度V₁推进，感应收缩簧不收缩；感应端5感测其到接触到薄膜时，探针以第二速度V₂推进，推进时间为T＝D/V₂，其中V₁＞V₂；

在未达到推进时间T，若感应端5提前达到预设应力阈值时，控制器控制探针提前结束推进，进一步防止对薄膜的破坏。预设应力阈值为提前设定的探针损坏待测薄膜时，感应端5感测到的应力临界值。

在达到推进时间时，结束推进，并记录感应端5的检测值，选择检测值相同的测试点进行测试对比，避免探针应力的不同对测试结果造成影响。

[实施例3]

本实施例提供一种精准推进实现无损电学测量的测量仪器，包括：

主机、计算机、测试台以及感应端感测信号接收器，控制器；还包括本申请实施例1或2提供的无损测量薄膜的探针；

控制器根据感应端的感测信号控制探针推进速度和/或感应收缩簧的收缩速度；

感应端感测信号，接收器与感应收缩簧和控制器连接，接收器通过感应收缩簧获取感应端的信号后，将信号传输到控制器，控制器根据信号控制探针的推进速度和/或感应收缩簧的收缩速度。