三维磁场探针台测试系统及测试方法与流程

本发明涉及物理及半导体测试技术领域，特别是涉及一种可以提供三维磁场的探针台测试系统及测试方法。

背景技术：

物理及半导体领域中，探针台测试是一种应用广泛的非破坏性测试手段，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(射频、微波、毫米波、太赫兹波)等。普通商用探针台，可以用来进行电学测试，无法提供磁场，磁场探针台测试系统可对材料样品或器件提供磁场，研究它们在磁场下的相关特性，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。

随着对磁性器件和自旋电子器件研究的深入，磁场探针台需要满足多维度磁场和电学测试的需求，目前有技术人员提出集成磁场的探针台系统，能产生面内磁场或者垂直磁场，现有技术文件1(冯正等.二维磁场探针台测试系统[p].cn104950269a,2015-09-30.)公开了一种二维磁场探针台测试系统，但它存在不足之处，其磁场探针台主要提供一个维度(方向)或两个维度(方向)的磁场，无法产生三维磁场，不能满足研究材料或器件在复杂磁场方向变化情况下的特性测试需求；

现有技术文件2(魏发南等.可变结构三维磁场发生系统[p].cn110265204a,2019-09-20.)和现有文件3(杨海东.三维电磁铁[p].cn210039818u,2020-02-07.)所采用的三维磁铁结构形式结构较为复杂。并且现有技术技术1-3由于磁极间距不能过大会导致电磁铁产生的磁场强度无法满足测试需求，现有测试系统对样品和器件大小有限制，一般所测试样品较小，尺寸大约在10mm×10mm左右，在对尺寸较大的样品进行测试时需要进行切块处理。

技术实现要素：

本发明的目的在于提出一种三维磁场探针台测试系统，可以解决现有磁场探针台不能产生任意方向三维矢量磁场和测试样品尺寸限制的问题；通过改变电磁铁通电方式可分别提供一维、二维、三维磁场，产生任意方向的三维矢量磁场，在线圈内部添加铁芯，生成的三维电磁场磁场强度有较大提升；且结构紧凑，探针平面剩余的空间大以便添加较多探针，同时兼容大尺寸样品的测试，根据需求可用于测试24英寸以下的样品，可广泛应用于物理及半导体测试的各种场景。

本发明的技术方案如下：

一种三维磁场探针台测试系统，其包括：基座，用于放置样品的样品承载模块，用于在不同测试磁场环境下测试样品的探针台模块，用于观测探针台模块和样品进行扎针操作采集图像数据的显微测量装置，以及三维电磁铁模块，所述三维电磁铁模块包括：励磁电源，安装在基座上的磁铁桥架，可拆卸地安装在磁铁桥架上在励磁电源的激励下产生磁场的三维电磁铁；所述样品承载模块包括：用于放置样品的样品台和用于移动样品台的位移台，其中样品台的样品盘面积最大可简兼容24英寸样品进行测试。

优选地，所述三维电磁铁为五极电磁铁，包括一个垂直磁极和四个水平磁极，四个水平磁极位于同一水平面内，在x轴上相对设置的两个水平磁极为第一水平磁极对，在y轴上相对设置的两个水平磁极为第二水平磁极对，在五个磁极之间留有间隙，五个磁极之间的间距可容纳样品台的样品盘，并且每个磁极上都绕有线圈；或者

所述三维电磁铁为四极电磁铁，包括四个水平磁极，四个水平磁极位于同一水平面内，在x轴上相对设置的两个水平磁极为第三水平磁极对，在y轴上相对设置的两个水平磁极为第四水平磁极对，在四个磁极之间留有间隙，四个磁极之间的间距可根据样品台的样品盘面积调整，并且每个磁极上都绕有线圈。

优选地，在其中一个或者多个磁极的尖端附近设置磁传感器，用单个磁传感器的信号或者多个磁传感器信号的组合，反馈到计算机或者单片机装置，读取磁场；进一步地可以根据读取的磁场，调节各励磁线圈的电流，从而对磁场进行反馈调节。

优选地，样品固定在样品台上，样品台位于三维电磁铁水平磁极和垂直磁极之间，感受三维磁场；位移台设置在磁铁桥架下方，位移台上方连接至样品台，下方固定在基座上，通过手动或电动调节位移台，驱动样品台在测试时产生xy两轴位移和/或绕z轴的旋转；和/或

所述探针台模块包括：与至少一台直流或高频仪器相连接用于接触样品进行测试的探针，在xyz三轴方向对探针进行微调的探针座，以及设置在三维电磁铁上方用于承载和固定探针座的探针平台，沿探针平台的中间开口均匀环绕设置多组探针座和探针。

所述探针平台通过多根探针台支撑柱固定在基座上，探针台支撑柱驱动探针平台沿z轴方向升降。

优选地，所述显微测量装置固定在基座上，用于观测探针针尖和样品进行扎针操作，采集图像数据，显微测量装置的光学显微镜可进行xyz三轴移动，同时搭载摄像机进行成像显示。

优选地，所述显微测量装置为一种光学显微镜，包括光源、相机模块、显微成像模块，或者，其可替换为基于磁光克尔效应进行磁场测试的显微镜设备，所述基于磁光克尔效应进行磁场测试的显微镜设备其包括光源、偏振器和光电信号转换器。

本发明还提供了一种基于三维磁场探针台测试系统的测试方法，包括以下步骤：

步骤1：根据样品的几何尺寸，选定合适尺寸的样品台并调整三维电磁铁的磁极之间的间距，将样品固定在样品台上；

步骤2：使用励磁电源对三维电磁铁进行励磁，产生用于测试的磁场；

步骤3：调整样品台和探针空间位置，对样品进行扎针操作，操作探针进行测试；

步骤4：调整显微测量装置，用于观测样品，采集图像数据。

优选地，在步骤2中，调节励磁电源为三维电磁铁线圈提供的电流的大小和方向，控制测试使用的磁场的大小和方向，使用步骤2.1-2.4中的至少一个步骤进行励磁：

步骤2.1，使用励磁电源给位于x轴方向的水平磁极对或位于y轴方向的水平磁极对的线圈提供相应的电流，获得x轴或y轴方向的一维磁场；或者

步骤2.2，使用励磁电源给位于x轴方向的水平磁极对和位于y轴方向的水平磁极对的线圈提供相应的电流，可以同时获得水平面内的二维磁场；或者

步骤2.3，使用励磁电源给x轴方向的水平磁极对和z轴方向的垂直磁极的线圈提供相应的电流，或使用励磁电源给位于y轴方向的水平磁极对和z轴方向的垂直磁极的线圈提供相应的电流，获得垂直于样品的一维磁场；或者

步骤2.4，使用励磁电源同时为五个磁极的线圈提供相应的电流同时获得包含水平方向和垂直方向组成的任意角度三维磁场。

优选地，步骤2还包括：在其中一个或者多个磁极的尖端附近固定磁传感器，用单个磁传感器的信号或者多个磁传感器信号的组合，反馈到计算机或者单片机装置，读取磁场；进一步地，根据读取的磁场，调节各励磁线圈的电流，从而对磁场进行反馈调节。

优选地，步骤3包括：

步骤3.1，手动或电动调节位移台，驱动样品台产生xy轴的位移和/或绕z轴的旋转，用于对样品每个区域进行测试；

步骤3.2，在xyz三轴方向对探针进行微调，使探针在测试时可以接触样品；

步骤4包括：

在xyz轴方向上调整显微测量装置，显微测量装置通过搭载摄像机进行成像显示。

本发明的有益效果如下：与现有技术相比，本发明的磁场探针台可实现三维磁场探针测试功能，通过计算机软件控制电流方向和大小可有效改变磁场方向，适用不同测试需求，提供不同方向的一维、二维磁场。本发明三维电磁铁在线圈内部添加铁芯，生成的三维电磁场磁场强度有较大提升；且结构紧凑，探针平面剩余的空间大以便添加较多探针。本发明的测试系统同样与其他电学仪器兼容性较好，方便其他仪器仪表参与样品测试。同时本发明的样品台和位移台可以在满足较大样品的测试需求的同时，保证的测试系统的整体稳定性和样品测试的稳定性；整套测试系统均可改造为计算机软件自动控制，相对于现有的磁场探针台手动测试来说，可应用于大批量物理及半导体测试的场景。

附图说明

图1为本发明的三维磁场探针台测试系统；

图2为本发明的三维电磁铁的一种优选结构；

图3为本发明的三维电磁铁的另一种优选结构；

图4为本发明的三维电磁铁的又一种优选结构；

图5(a)-(d)为本发明可产生的一维磁场、二维磁场、三维磁场示意图；

图6为本发明的磁铁固定装置；

图7为本发明的磁铁桥架结构；

图8为本发明样品台和大尺寸样品台；

图9为本发明带开口的探针平台；

图10为本发明的使用三维磁场探针台测试系统的测试方法的流程图。

其中，1-基座，2-磁铁桥架，3-三维电磁铁，4-探针台支撑柱，5-探针平台，6-样品台，7-位移台，8-探针座，9-探针，10-显微测量装置，11-14-水平磁极，15-垂直磁极，16-线圈，19-待检测样品，20-磁铁固定装置，21-磁铁固定装置支撑柱，22-开口。

具体实施方式

下面，结合说明书附图对权利要求书、发明内容部分记载的技术方案进行进一步的详细解释和说明。

为表述方便，在本发明中引入空间直角坐标系，将把x轴和y轴配置在水平面上，z轴为垂向，它们的正方向符合右手规则。

图1示出了依照本发明优选实施例的三维磁场探针台测试系统，其包括：用于承载和固定其余部件的基座1，用于产生磁场的三维电磁铁模块，用于放置样品的样品承载模块，用于在不同测试磁场环境下测试样品不同特性的探针台模块，以及用于观测探针台模块和样品扎针操作，采集图像数据的显微测量装置10。值得注意的是，为不阻碍展示其他结构，图1中部分结构有所省略。

所述基座1具有减震功能，能够保证整体设备不受震动的影响。磁学测试过程中系统外部产生的震动对样品的测试结果影响较大，震动来源为大地传动、空气传动等方式，其中最主要来源为大地传动。基座1可采用包括但不限于，气浮减震、阻尼减震、大理石减震、橡胶减震垫等形式进行过减震以减少震动对测试系统的影响。

所述三维电磁铁模块包括：三维电磁铁3，一组磁铁桥架2和励磁电源；三维电磁铁3可拆卸地安装在磁铁桥架2上，用于在励磁电源的激励下产生磁场，磁铁桥架2安装在所述基座1上，用于固定三维电磁铁3。

如图2所示，所述三维电磁铁3可以是五极电磁铁，包括四个水平磁极11-14和一个垂直磁极15。四个水平磁极11-14位于同一水平面内，在x轴上相对设置的两个水平磁极11、13为第一水平磁极对，在y轴上相对设置的两个水平磁极12、14为第二水平磁极对。为保证生成磁场强度满足测试需求，在五极电磁铁之间留有间隙，即，四个水平磁极11-14之间留有一定间隙，水平磁极11-14与垂直磁极15之间也留有一定间隙。每个磁极11-15上都绕有线圈16，如图3所示，线圈16的位置还可以根据空间需求移动位置。三维电磁铁在线圈内部添加铁芯，生成的三维电磁场磁场强度有较大提升；且结构紧凑，探针平面剩余的空间大以便添加较多探针。

如图4所示，所述三维电磁铁还可以是四极电磁铁，包括四个水平磁极，四个水平磁极位于同一水平面内，在x轴上相对设置的两个水平磁极为第三水平磁极对，在y轴上相对设置的两个水平磁极为第四水平磁极对，在四个磁极之间留有间隙，四个磁极之间的间距可根据样品台6的样品盘面积调整，并且每个磁极上都绕有位置可调的线圈。三维磁场探针台测试系统可以同时备有五极电磁铁和四极电磁铁，在不同测试要求下进行可拆卸替换。

如图5(a)-(d)所示，使用五极电磁铁时，使用励磁电源给第一水平磁极对或第二水平磁极对的线圈提供相应的电流，可以获得x轴或y轴方向的一维矢量磁场；使用励磁电源给第一水平磁极对和第二水平磁极对的线圈提供相应的电流，可以同时获得包含x轴和y轴方向的二维矢量磁场；使用励磁电源给第一水平磁极对和垂直磁极的线圈提供方向相应的电流，或使用励磁电源给第二水平磁极对和垂直磁极的线圈提供方向相应的电流，均可以获得垂直于样品的二维矢量磁场；使用励磁电源同时为五个磁极的线圈提供相应的电流可以获得任意方向的三维矢量磁场；计算机可控制各励磁电源，从而实现对三维磁场的控制。

在其中一个或者多个磁极的尖端附近设置磁传感器，用单个磁传感器的信号或者多个磁传感器信号的组合，反馈到计算机或者单片机装置，读取磁场；进一步地可以根据读取的磁场，调节各励磁线圈的电流，从而对磁场进行反馈调节。

同理，与使用无极电磁铁类似，在使用四极电磁铁时，可以对第三水平磁极对和第四水平磁极对进行励磁，产生相应方向的磁场。

如图6所示，进一步地，考虑到在对大型样品进行测试时，由于磁极间距尺寸较大，磁极之间在磁场作用下，产生较大吸引力而引发磁极变形的问题，可在三维电磁铁3之上添加磁铁固定装置20，磁铁固定装置20设置在探针平台与三维电磁铁3中的四个水平磁极之间，通过支撑柱固定于底部基座1之上，选用包括但不限于铝合金或无磁不锈钢等无磁材料，磁铁固定装置20与上磁极之间刚性连接，实现保护磁铁不变形的效果。

所述样品承载模块包括：样品台6，位移台7；所述样品台6用于放置测试的样品，设置在三维电磁铁3的中心且位于三维电磁铁3中的垂直磁极和水平磁极之间，其通过两侧立柱与下方位移台7连接；所述位移台7上方连接至样品台6，下方固定在基座1上，用于驱动样品台6，调整样品测试位置。

样品可以通过包括但不限于真空吸附、压片、胶粘等方式固定在所述样品台6上，感受三维磁场，同时样品固定后，如图7所示，通过手动调节或电动调节设置在磁铁桥架2下方的位移台7，所述样品台6受位移台7驱动，用于驱动样品台6在测试时产生xy轴的位移和/或绕z轴的旋转，用于对样品每个区域进行测试。

如图8所示，通过调整三维电磁铁3的水平磁极之间的间距和样品盘面积，可以兼容24英寸之内的样品。同时对样品台进行相应改造，可满足样品的高温或低温测试要求。进一步地，在进行小尺寸样品的二维水平磁场测试时，可以将样品台升高，位于四个水平磁极11-14中心位置，可在平行于样品平面的二维面内进行磁场测试。

如图1所示，所述探针台模块包括：探针平台5，多组匹配测试系统的探针座8和探针9。所述探针平台5设置在三维电磁铁3上方，用于承载和固定探针座8，并在探针9中心留有开口。所述探针9固定在所述探针座8上，用于接触样品台6上的样品进行测试，各组探针座8和探针9沿探针平台5的中心开口均匀环绕分布。

所述探针平台5通过多根均匀设置的探针台支撑柱4固定在基座1上，各根探针台支撑柱4高度相同，优选地，探针台支撑柱4为包括但不限于机械、气动、液压或电动等结构，用于驱动探针平台5沿z轴方向升降，实现多组探针座8和探针9的快速升降。如图9所示，进一步地，为方便大尺寸样品的取放，可在探针平台外侧设置开口22。

所述探针9可通过线缆连接至多个直流或高频仪器，可以在不同测试磁场环境下测试样品的不同特性。

所述探针座8根据探针平台表面情况选择包括但不限于真空吸附、螺栓、夹装等方式固定于探针平台5上。

所述探针座8在xyz三轴方向对探针9进行微调，使探针9在测试时可以接触样品，探针9通过线缆与相应的直流或高频仪器测试相连，所述直流或高频仪器包括但不限于：电流源表、高频信号源、纳伏表、半导体参数分析仪、锁相放大器、高频频谱仪、高频矢量网络分析仪等。

探针座8和探针9根据不同的测试环境选择直流或高频型，高频包含射频、微波、毫米波和太赫兹波频段；优选地，可将探针座8更换为可同时安装多个探针的探针卡，配合探针平台5的升降可进行快速测试。

所述显微测量装置10通过固定装置固定于底部基座1，用于观测探针9针尖和样品进行扎针操作，确保在测量时探针准确的接触到样品测试区域范围内，同时在测试期间观测并采集样品在测试激励下样品的图像数据。显微测量装置的光学显微镜可进行xyz三轴移动，同时通过搭载的摄像机将图像传输到外部计算机之上进行图像的分析与储存，并在外部搭载的显示器之上进行成像显示。

计算机通过数据控制线连接励磁电源、直流或高频仪器、显微测量装置等，通过编写的软件控制电流大小、磁场大小和方向、仪器自动控制、数据和图像的采集和处理等工作，集成化为智能三维磁场探针台测试系统。

优选地，所述显微测量装置10为一种光学显微镜，包括光源、相机模块、显微成像模块，或者，其可替换为基于磁光克尔效应进行磁场测试的显微镜设备，所述基于磁光克尔效应进行磁场测试的显微镜设备其包括光源、偏振器和光电信号转换器。。

如图10所示，本申请还提供了一种使用前述三维磁场探针台测试系统的测试方法，所述方法包括：

步骤1：根据样品的几何尺寸，选定合适尺寸的样品台并调整三维电磁铁的磁极之间的间距，将样品固定在样品台上；

步骤2：使用励磁电源对三维电磁铁进行励磁，产生用于测试的磁场；

步骤3：调整样品台和探针空间位置，与接触样品，进行测试；

步骤4：调整显微测量装置，用于观测探针针尖和样品进行扎针操作，采集图像数据。

优选地，在步骤2中，调节励磁电源为三维电磁铁线圈提供的电流的大小和方向，控制测试使用的磁场的大小和方向，使用步骤2.1-3.2中的至少一个步骤进行励磁：

步骤2.1，使用励磁电源给位于x轴方向的水平磁极对或位于y轴方向的水平磁极对的线圈提供相应的电流，获得x轴或y轴方向的一维磁场；或者

步骤2.2，使用励磁电源给位于x轴方向的水平磁极对和位于y轴方向的水平磁极对的线圈提供相应的电流，可以同时获得水平面内的二维磁场；或者

步骤2.3，使用励磁电源给x轴方向的水平磁极对和z轴方向的垂直磁极的线圈提供相应的电流，或使用励磁电源给位于y轴方向的水平磁极对和z轴方向的垂直磁极的线圈提供相应的电流，获得垂直于样品的一维磁场；或者

步骤2.4，使用励磁电源同时为五个磁极的线圈提供相应的电流同时获得包含水平方向和垂直方向组成的三维磁场。

步骤2还包括：在其中一个或者多个磁极的尖端附近固定磁传感器，用单个磁传感器的信号或者多个磁传感器信号的组合，反馈到计算机或者单片机装置，读取磁场；进一步地，根据读取的磁场，调节各励磁线圈的电流，从而对磁场进行反馈调节。

优选地，步骤3包括：

步骤3.1，手动或电动调节位移台，驱动样品台产生xy轴的位移和/或绕z轴的旋转，用于对样品每个区域进行测试。

步骤3.2，在xyz三轴方向对探针进行微调，使探针在测试时可以接触样品。

步骤4包括：

在xyz轴方向上调整显微测量装置，显微测量装置通过搭载摄像机进行成像显示。

本发明的有益效果在于，与现有技术相比，本发明的磁场探针台可实现三维磁场探针测试功能，通过计算机软件控制电流方向和大小可有效改变磁场方向，适用不同测试需求，提供不同方向的一维、二维磁场；同时本发明的样品台和位移台可以在满足较大样品的测试需求的同时，保证的测试系统的整体稳定性和样品测试的稳定性；整套测试系统均可改造为计算机软件自动控制，相对于现有的磁场探针台手动测试来说，可应用于大批量物理及半导体测试的场景。

本发明申请人结合说明书附图对本发明的实施示例做了详细的说明与描述，但是本领域技术人员应该理解，以上实施示例仅为本发明的优选实施方案，详尽的说明只是为了帮助读者更好地理解本发明精神，而并非对本发明保护范围的限制，相反，任何基于本发明的发明精神所作的任何改进或修饰都应当落在本发明的保护范围之内。