CN104950269B - 二维磁场探针台测量系统 - Google Patents

Abstract

本发明属于物理及半导体测量技术领域，具体为二维磁场探针台测量系统。测量系统包括基座、二维磁场电磁铁、置于电磁铁磁极中央并固定于基座上的载物台卡盘、探针平台和显微测量装置，探针平台中间开口，沿开口环绕放置有若干直流、高频探针座和探针，探针通过开口接触载物台卡盘上的样品；多种直流及高频仪器，连接探针测量磁场环境下的样品；本发明为集成化智能化的二维磁场探针台测量系统，可实现二维磁场探针测量功能；可放置更多的探针座和探针，从而实现磁场环境下更为复杂的测量；本发明机械振动小、灵活性好、性价比高，应用场景广泛。

Description

二维磁场探针台测量系统

技术领域

本发明属于物理及半导体测量技术领域，具体为一种二维磁场探针台测量系统。

背景技术

探针台在物理及半导体领域是一种应用广泛的非破坏性测试手段，可以对材料或器件的电学特性、光电特性、高频特性（射频、微波、毫米波、太赫兹波）等测量提供一个平台。磁场探针台可提供磁场并施加于材料或器件，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。

目前，磁场探针台被广泛应用，但它存在不足之处：现有的磁场探针台主要提供一个维度（方向）的磁场，不能满足研究材料或器件随磁场方向变化的特性等需求；并且它能够放置的探针座和探针较少，使得进行一些更为复杂的测量变得困难。

发明内容

本发明的目的在于提出一种二维磁场探针台测量系统，以解决现有磁场探针台不能改变磁场方向、可放置探针座和探针较少的问题，可有效改变磁场方向，根据需要设置探针座和探针的数量，可广泛应用于物理及半导体测量的各种场景。

本发明的技术方案如下：

二维磁场探针台测量系统，其特征在于包括：

一个基座，用于承载和固定其它部件；

一个二维磁场电磁铁，用于产生二维磁场，固定于基座上；

一个载物台卡盘，用于放置待测的样品，位于二维磁场电磁铁磁极中央并固定于基座上；

一个中间开口的探针平台，用于承载和固定探针座，位于二维磁场电磁铁的上方，中间开口正对于载物台卡盘的上方；

多个匹配安装的探针座和探针，用于接触载物台卡盘上的样品；探针座和探针沿探针平台的中间开口均匀环绕分布；探针平台的中间开口设计使得可以放置更多的探针座和探针，从而实现二维磁场环境下更为复杂的直流及高频探针测量；

多个直流及高频仪器，通过线缆连接探针测量磁场环境下的样品；

一套显微测量装置，用于观测探针针尖和样品并进行操作。

所述二维磁场电磁铁为平卧的四极电磁铁，四极通过闭合的框架轭铁固定，两两相对并互相垂直，中间留有空隙；相对两极的线圈串联形成一对，四个线圈组成相互垂直的两对。利用一个励磁电源给其中一对线圈提供电流，获得一维磁场；利用第二个励磁电源给另一对线圈提供电流，获得与前述一维磁场垂直的另一维磁场；通过调节两个励磁电流的方向和大小，这二维磁场可合成平面内任意方向、任意大小（一定范围内）的磁场。计算机可控制二个励磁电源，从而实现对二维磁场的控制。四极结构可作变化使二维磁场整体向上平移。

样品通过真空吸附固定于载物台卡盘上，感受二维磁场；载物台卡盘可进行XYZ轴三维移动，通过加热或制冷满足变温需求。

所述探针平台通过若干过均匀设置的支柱固定于基座上。

当探针平台的表面光滑时，探针座为真空吸附型，通过真空吸附固定于探针平台上表面；当探针平台为光学面包板时，探针座上设置固定槽，通过螺丝配合固定槽将探针座固定于探针平台上。

所述探针座可进行XYZ轴调节，从而使探针通过开口接触载物台卡盘上的样品；所述探针可进行XYZ轴三维微调，针通过线缆连接相应的直流及高频仪器测量磁场环境下的样品。所述探针座和探针为直流、高频型，高频包含射频、微波、毫米波和太赫兹波频段。

所述直流及高频仪器包括电流源表、纳伏表、半导体参数分析仪、锁相放大器、高频信号源、高频频谱仪、高频矢量网络分析仪等。

所述显微测量装置通过探针平台边缘的立柱固定，显微测量装置的光学显微镜可三维移动，搭载CCD摄像机进行成像显示。

所述探针平台的边缘处设置有一垂直板，垂直板上安装有转接头阵列、空气开关阵列；转接头用于直流及低频线缆的转接，空气开关用于控制载物台卡盘、吸附型探针座的空气线路通断。

计算机通过数据控制线连接励磁电源、直流及高频仪器、显微测量装置等，通过编写的软件进行磁场大小和方向控制、仪器自动控制、数据采集和处理等，形成集成化智能化的二维磁场探针台测量系统。

本发明的有益效果如下：

本发明的磁场探针台可实现二维磁场探针测量功能，通过改变电流方向和大小可有效改变磁场方向，根据需要设置探针座和探针的数量；本发明设置的基座可起到减振作用，垂直板上的转接头可有效减小线缆振动的影响，改变磁场方向和大小时没有振动，从而系统整体的机械振动小；根据需要可灵活放置任意探针座实现复杂测量、可一维和二维磁场测量，具有较好的灵活性；二维磁场测量、可放置较多探针座和探针，故性能优良；整套系统相对现有的商用磁场探针台来说，性价比高，可广泛应用于物理及半导体测量的各种场景。

附图说明

图1为本发明的整体结构示意图；

图2为本发明的二维磁场电磁铁及其控制示意图

图3为本发明的载物台卡盘示意图；

图4为本发明采用真空吸附型探针平台和探针座的结构示意图；

图5为本发明采用螺丝固定型探针平台和探针座的结构示意图；

图6为本发明的系统控制示意图；

其中，附图标记为：1基座，2二维磁场电磁铁，3载物台卡盘，4支柱，5探针平台，5-1真空吸附型探针平台，5-2螺丝固定型探针平台，6开口，7探针座，7-1吸附型探针座，7-2带有固定槽的探针座，8探针，8-1、8-2、8-3……直流探针，8-1’、8-2’、8-3’……高频探针，9线缆，10直流、高频仪器，10-1、10-2、10-3……直流仪器，10-1’、10-2’、10-3’……高频仪器，11显微测量装置，12探针平台边缘的立柱，13转接头阵列，14空气开关阵列,15垂直板，16-19线圈，20框架轭铁，21-22励磁电源，23、24、25磁场，26载物台卡盘的真空吸附孔，27载物台卡盘的真空口，28 X/Y轴旋钮，29 Z轴旋钮，30密封圈，31探针座的真空吸附孔，32探针座的真空口，33 XYZ轴移动旋钮，34螺丝孔，35固定槽，36螺丝。

具体实施方式

本发明提供了一种二维磁场探针台测量系统，整体结构如图1所示，包括：用于承载和固定二维磁场探针台其它部件的基座1；平卧并固定于基座上的二维磁场电磁铁2；位于二维磁场电磁铁2的磁极中央并固定于基座1上的载物台卡盘3，用于放置和吸附待测样品；位于二维磁场电磁铁2的上方、通过支柱4固定于基座1的探针平台5，探针平台5的中间有开口6；环绕开口6放置的多个探针座7和探针8，探针8通过开口6接触载物台卡盘3上的样品；探针8通过线缆9连接相应的直流、高频仪器10进行测量；一套显微测量装置11固定于探针平台5边缘的立柱12上；转接头阵列13、空气开关阵列14固定于探针平台5边缘的垂直板15上。

二维磁场电磁铁2为四极结构电磁铁，如图2所示。四极的线圈16、17、18、19通过闭合的框架轭铁20固定，相对两极的线圈串联形成一对，四个线圈组成相互垂直的两对（16和17、18和19）。利用励磁电源21给其中一对线圈提供电流，获得一维磁场23；利用第二个励磁电源22给另一对线圈提供电流，获得与前述一维磁场垂直的另一维磁场24；通过调节两个励磁电源21、22输出电流的方向和大小，磁场23、24可合成平面内任意方向、任意大小（一定范围内，达数千奥斯特）的磁场25。

载物台卡盘3位于二维磁场电磁铁2的磁极中央并固定于基座1上。载物台卡盘3如图3所示，载物台卡盘3的上表面具有真空吸附孔26，通过载物台卡盘3内部与下部的真空口27相通；载物台卡盘的真空口27通过空气软管与探针平台5上的空气开关阵列14中的空气开关相连，空气开关阵列14另一端连接低振动真空泵进行抽气；样品置于载物台卡盘3上，当抽气且空气开关打开时，样品被稳定吸附。载物台卡盘3具有X/Y轴旋钮28使载物台卡盘3沿X/Y轴移动，有Z轴旋钮29使载物台卡盘3沿Z轴升降。载物台卡盘3可加热或制冷，带温控装置以满足变温测量需要。

探针平台5位于二维磁场电磁铁2上方，通过支柱4固定于基座1上；探针平台5具有中间的开口6，正对下方的载物台卡盘3。探针平台5的具体实施方式有两种：第一种，真空吸附型探针平台；第二种，螺丝固定型探针平台。

如图4所示，真空吸附型探针平台5-1上表面光滑，吸附型探针座7-1下部四周有密封圈30，中间有真空吸附孔31，真空吸附孔31通过吸附型探针座7-1内部与尾部的真空口32相通，真空口32通过空气软管与探针平台5上的空气开关阵列14中的空气开关相连，空气开关阵列14另一端连接低振动真空泵进行抽气；当真空泵抽气且空气开关打开时，吸附型探针座7-1便稳定吸附在真空吸附型探针平台5-1上。吸附型探针座7-1具有XYZ轴移动旋钮33，可进行三维移动。

如图5所示，螺丝固定型探针平台5-2为非磁金属光学面包板，布满标准螺丝孔34；探针座7-2下部有固定槽35，通过螺丝36固定于螺丝固定型探针平台5-2上。探针座7-2具有XYZ轴移动旋钮，可进行三维移动。

实际测量时，探针座7（7-1、7-2）环绕探针平台5的开口6放置，将显微测量装置11移动到开口6上方，在光学显微镜下调节探针8使其通过开口6接触载物台卡盘3上的样品；探针8通过线缆9连接相应的直流及高频仪器10在磁场环境下进行测量。为减小振动对测量信号的影响，直流及低频线缆先连接探针平台边缘垂直板15上的转接头，再与相应仪器相连。

此探针平台除二维电磁铁部分，其余部分均使用非磁材料。

如图6所示，二维磁场探针台测量系统的控制测量流程为：

励磁电源21、励磁电流22通过电源线缆分别连接二维磁场电磁铁2的两对线圈；直流仪器10-1、10-2、10-3…通过直流线缆连接直流探针8-1、8-2、8-3…，高频仪器10-1’、10-2’、10-3’…通过高频线缆连接高频探针8-1’、8-2’、8-3’…；直流及高频探针接触样品；显微测量装置11观测探针和样品。计算机通过数据控制线分别连接励磁电源21、励磁电流22、直流仪器（10-1、10-2、10-3…）、高频仪器（10-1’、10-2’、10-3’…）、显微测量装置11等，通过编写的软件进行磁场大小和方向控制、仪器自动控制、数据采集和处理等，形成集成化智能化的二维磁场探针台测量系统。

以上所公开的内容，只是作为本发明的较佳实施例，而不能以此限制本发明的权利范围，因此根据本发明权利要求保护范围所做的各种变化、修饰、或改进，仍属于本发明所要求保护的范围。

Claims (10)

1.二维磁场探针台测量系统，其特征在于包括：

一个基座（1），用于承载和固定其它部件；

一个二维磁场电磁铁（2），用于产生二维磁场，固定于基座（1）上；

一个载物台卡盘（3），用于放置待测的样品，位于二维磁场电磁铁（2）磁极中央并固定于基座（1）上；

一个中间开口（6）的探针平台（5），用于承载和固定探针座（7），位于二维磁场电磁铁（2）的上方，中间开口（6）正对于载物台卡盘（3）的上方；

多个匹配安装的探针座（7）和探针（8），用于接触载物台卡盘（3）上的样品；探针座（7）和探针（8）沿探针平台（5）的中间开口（6）环绕分布；所述探针座（7）和探针（8）为直流、高频型,所述高频包含射频、微波、毫米波、太赫兹波频段；

多个直流及高频仪器（10），通过线缆（9）连接探针（8）测量磁场环境下的样品；

一套显微测量装置（11），用于观测探针（8）针尖和样品并进行操作。

2.根据权利要求1所述的二维磁场探针台测量系统，其特征在于：所述二维磁场电磁铁（2）为平卧的四极电磁铁，四极通过闭合的框架轭铁（20）固定，两两相对并互相垂直，中间留有空隙；相对两极的线圈串联形成一对，四个线圈组成相互垂直的两对。

3.根据权利要求2所述的二维磁场探针台测量系统，其特征在于：通过两个励磁电源分别给两对线圈提供电流，获得二维磁场；二维磁场的方向和大小通过调节两个励磁电流的方向和大小实现。

4.根据权利要求1所述的二维磁场探针台测量系统，其特征在于：样品通过真空吸附固定于载物台卡盘（3）上；载物台卡盘（3）可进行XYZ轴三维移动，通过加热或制冷满足变温需求。

5.根据权利要求1所述的二维磁场探针台测量系统，其特征在于：所述探针平台（5）通过若干过均匀设置的支柱（4）固定于基座（1）上。

6.根据权利要求5所述的二维磁场探针台测量系统，其特征在于：当探针平台（5）的表面光滑时，探针座（7）为真空吸附型，通过真空吸附固定于探针平台（5）上表面；当探针平台（5）为光学面包板时，探针座（7）上设置固定槽，通过螺丝配合固定槽将探针座（7）固定于探针平台（5）上。

7.根据权利要求1所述的二维磁场探针台测量系统，其特征在于：所述探针座（7）可进行XYZ轴调节，所述探针（8）可进行XYZ轴三维微调。

8.根据权利要求1所述的二维磁场探针台测量系统，其特征在于所述直流及高频仪器（10）包括电流源表、纳伏表、半导体参数分析仪、锁相放大器、高频信号源、高频频谱仪、高频矢量网络分析仪。

9.根据权利要求1所述的二维磁场探针台测量系统，其特征在于：所述显微测量装置（11）通过探针平台（5）边缘的立柱（12）固定，显微测量装置（11）的光学显微镜可三维移动，搭载CCD进行成像显示。

10.根据权利要求1所述的二维磁场探针台测量系统，其特征在于：所述探针平台（5）的边缘处设置有一垂直板（15），垂直板（15）上安装有转接头阵列（13）、空气开关阵列（14）；转接头用于直流及低频线缆的转接，空气开关用于控制载物台卡盘（3）、吸附型探针座（7-1）的空气线路通断。