壓電納米定位技術(shù)在探針臺(tái)應(yīng)用中有多關(guān)鍵？

在半導(dǎo)體芯片的制造流程中，探針可以對芯片進(jìn)行性能檢驗(yàn)；在新材料研發(fā)的實(shí)驗(yàn)室中，探針與樣品表面的納米級(jí)接觸，解鎖材料的電學(xué)、光學(xué)特性；在生物研究室中，探針正在以極快且細(xì)微的運(yùn)動(dòng)對細(xì)胞進(jìn)行穿透。這些精密操作的背后，都離不開一個(gè)核心設(shè)備——探針臺(tái)。

一、探針臺(tái)

微觀世界的測試站

探針臺(tái)作為現(xiàn)代微納測試和操縱的關(guān)鍵設(shè)備，被廣泛應(yīng)用于半導(dǎo)體檢測、材料研究、生物醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域。它如同微觀世界的手術(shù)臺(tái)，讓研究人員能夠?qū){米材料、細(xì)胞乃至單個(gè)分子進(jìn)行精確的操作和測量。

簡單來說，探針臺(tái)的核心任務(wù)就是在納米至微米尺度下，實(shí)現(xiàn)探針與樣品的精準(zhǔn)對準(zhǔn)、穩(wěn)定接觸，并配合測試儀器完成力、電、光等性能的檢測。無論是半導(dǎo)體行業(yè)中芯片的良率檢測、新型材料的特性分析，還是光電器件的參數(shù)校準(zhǔn)，探針臺(tái)都是重要的連接橋梁，它搭建了宏觀測試設(shè)備與微觀樣品的通道，其精度也直接決定了測試數(shù)據(jù)的可靠性。

探針臺(tái)的核心原理是通過精密的機(jī)械結(jié)構(gòu)與控制技術(shù)，驅(qū)動(dòng)探針或樣品進(jìn)行多自由維度移動(dòng)和角度調(diào)整，確保探針能精準(zhǔn)落在樣品的測試點(diǎn)上，同時(shí)還要保持穩(wěn)定的接觸力，避免壓壞樣品或接觸不良。

納米探針

探針臺(tái)的主要應(yīng)用行業(yè)和場景：

1.半導(dǎo)體行業(yè)：集成電路的電氣性能測試、晶圓測試和封裝后的測試。

2.光電行業(yè)：測試光電元件，如LED、光電探測器和激光器的性能。

3.材料科學(xué)：表征材料表面的微觀形態(tài)，如表面缺陷、晶粒大小等；研究和測試材料在不同溫度下的電學(xué)、磁學(xué)、光學(xué)等性能，以及測試材料的穩(wěn)定性和可靠性。

4.生物醫(yī)學(xué)：研究生物材料表面的生物相容性；生物分子、細(xì)胞和組織的高分辨率成像、分析以及生物傳感器的研發(fā)等等。

二、壓電納米技術(shù)為何

逐漸成為探針臺(tái)的核心需求？

基于探針臺(tái)的應(yīng)用場景看，不論是半導(dǎo)體行業(yè)的芯片檢驗(yàn)還是生物研究領(lǐng)域的細(xì)胞實(shí)驗(yàn)，這些高精密的領(lǐng)域本質(zhì)上都依賴于探針臺(tái)的定位與控制技術(shù)的極限精準(zhǔn)度。當(dāng)操作精度要求達(dá)到納米級(jí)，甚至亞納米級(jí)，傳統(tǒng)的機(jī)械驅(qū)動(dòng)方式早已難以滿足需求，可能存在的機(jī)械間隙會(huì)導(dǎo)致誤差，響應(yīng)速度太慢則無法適配高頻測試，而穩(wěn)定性不足又會(huì)影響數(shù)據(jù)重復(fù)性。

這時(shí)，壓電納米定位與控制技術(shù)就成為了破局的關(guān)鍵：以壓電效應(yīng)為基礎(chǔ)，通過壓電材料的逆壓電效應(yīng)，可以實(shí)現(xiàn)納米級(jí)甚至亞納米級(jí)的位移控制、角度調(diào)整與動(dòng)態(tài)響應(yīng)，契合探針臺(tái)對“高精度、高穩(wěn)定性、快響應(yīng)”的核心需求。

壓電納米技術(shù)的核心優(yōu)點(diǎn)：

·納米級(jí)分辨率：需要達(dá)到納米及以下的運(yùn)動(dòng)精度

·超高穩(wěn)定性：避免振動(dòng)對精密操作的影響

·快速響應(yīng)：毫秒級(jí)的響應(yīng)速度以適應(yīng)動(dòng)態(tài)測試

·真空兼容：適應(yīng)SEM等顯微設(shè)備的高真空環(huán)境

·多軸協(xié)同：可實(shí)現(xiàn)多維度、復(fù)雜的角度控制

三、壓電納米探針臺(tái)大展身手

1、十五維壓電納米探針臺(tái)：高精度壓電技術(shù)的協(xié)同工藝

芯明天壓電納米探針臺(tái)由壓電納米定位臺(tái)、壓電馬達(dá)位移臺(tái)和壓電物鏡定位器及結(jié)構(gòu)組件組成。壓電納米定位臺(tái)作為樣品承載平臺(tái)，能夠?qū)崿F(xiàn)二維高精度偏擺調(diào)節(jié)；由4組壓電馬達(dá)位移臺(tái)分別操控的探針，能夠在XYZ三維空間內(nèi)實(shí)現(xiàn)納米級(jí)精度的運(yùn)動(dòng)；壓電物鏡定位器通過精準(zhǔn)操控物鏡在Z軸方向進(jìn)行納米級(jí)別的聚焦調(diào)節(jié)，從而實(shí)現(xiàn)高分辨率的顯微觀察。

1）樣品臺(tái)

壓電納米定位臺(tái)可實(shí)現(xiàn)單軸甚至多軸精密運(yùn)動(dòng)的壓電平臺(tái)，其運(yùn)動(dòng)范圍可達(dá)毫米級(jí)，具有體積小、無摩擦、響應(yīng)速度快等特點(diǎn)，配置高精度傳感器，可以實(shí)現(xiàn)納米級(jí)分辨率及定位精度；高剛性、零間隙的設(shè)計(jì)特點(diǎn)保證了系統(tǒng)在操作中的穩(wěn)定性和重復(fù)性，是承載樣品的可靠平臺(tái)。

2）探針臺(tái)

壓電馬達(dá)位移臺(tái)是由壓電陶瓷作為驅(qū)動(dòng)馬達(dá)，利用特殊機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，將壓電陶瓷產(chǎn)生的直線微位移轉(zhuǎn)換為機(jī)械平面的宏觀直線（或角度）運(yùn)動(dòng)，行程可達(dá)幾十毫米（或360°）。納米級(jí)的重復(fù)定位特性，使其能夠?qū)崿F(xiàn)探針的高精準(zhǔn)定位。針對探針對樣品作用力控制的需求，芯明天壓電馬達(dá)位移臺(tái)提供了納米級(jí)的運(yùn)動(dòng)控制和精準(zhǔn)的力度輸出，為探針的運(yùn)動(dòng)提供精準(zhǔn)的定位導(dǎo)航。

3）顯微聚焦

在對例如生物細(xì)胞這種微觀樣品進(jìn)行操作時(shí)，需要同時(shí)保持樣品觀測清晰度和探針操作精度，芯明天壓電物鏡定位器是專門為物鏡聚焦顯微而設(shè)計(jì)的，采用無回差柔性鉸鏈并聯(lián)導(dǎo)向機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)，物鏡補(bǔ)償量較小，具有超高聚焦穩(wěn)定性，物鏡定位器裝入顯微檢測/測量或者觀測裝置，可帶動(dòng)物鏡聚焦提高精度，能與多種高分辨率的顯微鏡配合使用，可以實(shí)現(xiàn)樣品與光學(xué)系統(tǒng)的納米級(jí)協(xié)同定位。

圖中所示的探針臺(tái)集成了芯明天多款壓電產(chǎn)品，其核心配置包括：S54二維偏擺臺(tái)，該平臺(tái)可根據(jù)實(shí)際需求靈活定制參數(shù)；N56系列直線馬達(dá)位移臺(tái)，其行程具備豐富的可選范圍，最大行程能達(dá)到50mm以上；壓電物鏡定位器，多行程可選，分辨率最高可達(dá)到2.5nm。

2、十九維壓電納米探針臺(tái)：微納操作的集成

芯明天該款壓電納米探針臺(tái)是集合了壓電納米定位臺(tái)和基于壓電馬達(dá)位移臺(tái)構(gòu)建的納米探針模組的納米探針臺(tái)，可與掃描電子顯微鏡（SEM）、透射電子顯微鏡（TEM）和其它電鏡協(xié)同進(jìn)行納米操作。中心的樣品臺(tái)可進(jìn)行XYZ三軸運(yùn)動(dòng)，4組納米探針模組可進(jìn)行XYZ三維直線及R軸旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。納米探針臺(tái)的外形尺寸、運(yùn)動(dòng)軸、行程和速度等參數(shù)均可定制。