低温探测应用中的器件温度

      介绍

      超导电路评估 [1] 和器件通道缺陷识别 [2] 是电子器件低温测量的常见应用。传统低温恒温器中的器件表征通常需要耗时且破坏性的布线和晶圆上器件的封装。低温探针台可以使用可定位探针对多个晶圆级设备进行可视化和电子询问，从而加快开发和设备表征工作。对被测设备的光学访问和灵活探测的权衡在于热辐射和通过探针臂的热传导的热负荷。由于这些热负荷以及设备和样品台之间的热阻，设备的实际温度可能会偏离样品台传感器。为了尽量减少这种影响，低温探针台应具有辐射屏蔽以减少样品上的热辐射，样品和样品台之间的热边界应减少，并且探针应热锚定在样品台处或附近。

      如果探测环境没有正确表征，实际样品温度和样品台温度之间的偏差通常是未知的，并可能导致错误测量。在这里，我们研究了低温探测测量中探针臂热锚定对设备温度的作用。 在铌的超导转变温度（9.3 K）下，我们证明了通过良好锚定的臂，样品台和探测装置之间的热梯度可以小于 0.5 K。

图 1 - 使用 CRX-4K 探针台对 Cernox 参考设备进行四点探测。

      实验装置

      选择了具有固定 1W 样品台冷却能力的 Lake Shore CRX-4K 探针台作为测试平台。 为了模拟被测设备，将经过校准的 Cernox™ 传感器焊接到蓝宝石基板上。 蓝宝石基板的底面涂有一层薄薄的 Apiezon®N 润滑脂，并夹在 1.25 英寸的接地样品架上。 将安装在四个标准探针臂上的钨尖端（直径 25 µm）放在 Cernox 传感器的接触垫上，并使用 Lake Shore 336 型温度控制器使用传感器电阻的四点探测测量来获得 Cernox 设备温度 （图1）。 额外的温度传感器嵌入在四个探头臂中，一个用螺栓固定在样品台的底部，用于监测探头臂和台的温度。

      结果

      表 1 总结了三种常见探头臂热锚定配置的设备、载物台和臂温度。在推荐配置中，探头臂被锚定在辐射屏蔽上，探头被锚定在样品载物台上，如图 2 所示。 第二种配置仅依赖于将探针臂和探针热锚定到辐射屏蔽层，最终配置包括四个未锚定的探针臂和移除辐射屏蔽层。

表 1—与配置相关的器件温度

图 2 - 低温探测环境中推荐的热锚定配置。

      讨论

      使用锚定良好的探针和探针臂，我们展示了在探测环境中快速评估超导电路的能力。对于此测量，从纯度为 99.8% 的铌箔 (Alfa-Aesar®) 上剪下一根小线，并用一层薄薄的氰基丙烯酸酯粘合剂将其固定在蓝宝石板上。然后将线变细以增加两者之间的电阻对比正常和超导状态；细化的铌丝在室温下的电阻为 272 mΩ。蓝宝石基板以与 Cernox 参考芯片相同的方式安装，然后在 Lake Shore CRX-4K 探针台中冷却至低温。将四个探针直接降落在铌线上后，监测线电阻作为阶段的函数使用配备 3708 型前置放大器的 Lake Shore 370 型交流电阻桥（10 µA 激励，60 秒积分时间）温度。在每个阶段的温度设定点，系统在获得设备电阻之前稳定 5 分钟.

      图 3 显示了铌丝电阻随平台温度的变化。 我们观察到在低于 8.90 K 的阶段温度下线电阻急剧下降，我们将其归因于探测线中超导性的开始。低于 8.75 K，线电阻下降到实验装置的测量精度以下（<40 微欧）。

图 3——探测铌丝中的超导转变

      结论

      通过电探测校准的 Cernox 传感器和铌晶须，研究了低温探测站中设备的热传递。 我们发现，来自探针的传导热传递会给被测设备带来显着的热负荷，而热锚定对于有效管理热传递和实现合适的设备温度至关重要。 我们证明，在具有适当热锚定探针和有效辐射屏蔽的探针台配置中，被测设备和样品台之间的热梯度可以最小化。