CN113341196A - 一种基于范德堡法的高通量微区电学性能检测系统及检测方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及材料电学性能检测领域，具体涉及一种基于范德堡法的高通量微区电学性能检测系统及检测方法。检测系统包括样品台、检测机构和位置调节机构。样品台用于放置待检测的样品；检测机构具有多根探针，用于利用范德堡法对样品进行检测；位置调节机构用于在检测过程中自动调整探针与样品台的相对位置，以使探针能够对样品的不同微区进行检测。检测方法基于检测系统实现。其能够对高通量的样品进行检测，与高通量实验技术更加匹配，使高通量实验技术实现整体的提速。位置调节机构实现了自动化调节，代替了人工调节，效率大大提高，与高通量检测的匹配度更高。

Description

一种基于范德堡法的高通量微区电学性能检测系统及检测 方法

【技术领域】

本发明涉及材料的电学性能检测领域，具体而言，涉及一种基于范德堡法的高通量微区电学性能检测系统及检测方法。

【背景技术】

高通量制备技术通过并行多通道合成或高通量物理气相沉积等方法，实现单次实验最多几百万个具有不同成分或制备参数的样品制备，与传统的“试错”实验方法相比，实验效率有质的提升，与之相匹配的高通量表征技术越来越受到重视。

为了适应在高通量标准下的材料检测需要，目前，在材料电学性能检测以及半导体性能测试的工作中，通常采取以下方式来进行：

(1)采用并行分布的探针阵列对样品进行测试。此类方法受探针加工工艺和相邻探针间较大静电吸引的影响，限制了其进一步提升实验通量，且存在智能化程度低、要求测试样品为标准正方形等问题。

(2)利用探针组成28*28的阵列，每4个探针一组，可对7*7高通量薄膜材料进行高通量电学测试。这类方法需要同时向整个高通量薄膜材料施加匀强磁场，而实验通量较大的高通量薄膜材料往往面积也较大，在较大尺度上获得匀强磁场具有较大的难度，而且还会大幅度提高检测的成本。

(3)为了提高测试的通量，采取缩小待测薄膜尺寸，这样就需要制备与样品相对应的微型集成电路阵列，使得成本进一步提高。且由于多种薄膜样品需要在制备完成后进行高温烧结处理，在高温烧结过程中集成电路中的成分可能会扩散进薄膜中，导致薄膜性能发生变化，降低测试结果可行度。

由此可知，目前针对材料电学性能检测以及半导体性能测试的高通量检测手段存在着检测限制大、成本高、可行度低的缺陷，对于提高在高通量标准下的检测效率和准确性非常不利。

有鉴于此，特提出本申请。

【发明内容】

为了解决现有技术中针对高通量的实验产品存在的检测效率低下的技术问题，本发明的实施例提供了一种基于范德堡法的高通量微区电学性能检测系统及检测方法。

本发明的实施例提供一种基于范德堡法的高通量微区电学性能检测系统，其包括：样品台、检测机构和位置调节机构。样品台用于放置待检测的样品；检测机构具有多根探针，用于利用范德堡法对样品进行检测；位置调节机构用于在检测过程中自动调整探针与样品台的相对位置，以使探针能够对样品的不同微区进行检测。

优选地，位置调节机构还具有运动轨迹设定模块，用于设定探针与样品台的相对运动轨迹。

优选地，位置调节机构针对样品台和每一探针进行独立的相对位置调整。

优选地，每一探针均与电流端口及电压检测端口选择性电性连接。

优选地，高通量微区电学性能检测系统还包括磁性件和/或加热单元；其中，磁性件用于为样品的检测提供磁场环境；加热单元用于为样品的检测提供所需的检测温度。

优选地，高通量微区电学性能检测系统还包括磁场调节组件，用于反转磁性件的磁场。

为了进一步解决上述技术问题，本发明的实施例还提供一种采用上述的基于范德堡法的高通量微区电学性能检测系统的检测方法，其包括：放置待检测的样品于样品台；利用检测机构的多根探针对样品进行检测，在检测过程中，利用位置调节机构自动调整探针与样品台的相对位置，使探针能够对样品的不同微区进行检测。

优选地，自动调整探针与样品台相对位置之前，预设探针与样品台的相对运动轨迹，相对运动轨迹基于样品中微区的分布情况来设定。

优选地，利用探针对样品的电阻率进行检测时，沿微区的周向，检测每一组相邻两探针间的电压，将检测结果矢量叠加以修正微区形状对电阻率检测的干扰。

优选地，样品的检测在磁场环境中进行，利用探针对样品的霍尔电压进行检测时，调整磁场反转并分别检测磁场反转前后样品的霍尔电压，将检测结果矢量叠加以修正霍尔效应的附加效应的干扰。

与现有技术相比，本发明的实施例提供的技术方案的有益效果包括：

1.将待检测的样品放置于样品台之后，利用检测机构的探针对样品的电阻率进行检测，在检测过程中，利用位置调节机构自动调整探针与样品台的相对位置，使探针能够对样品的不同微区进行连续式检测。这样的话，能够提高与高通量实验技术的匹配度，使高通量实验技术实现整体的提速。位置调节机构实现了自动化调节，代替了人工调节，效率大大提高。

此外，相比于现有技术中将大量探针进行阵列来检测整个样品中的全部微区的方式相比，更加节省成本，测量过程的各个探针的电流控制也更加方便。另一方面，也无需同时对整个样品施加大面积均匀的垂直磁场，大大降低了检测难度。

另外，与直接将待测材料制备于电路板表面进行检测的方式相比，无需额外制作电路板，也无需将试样产品结合到电路板上，大大简化了检测流程，也为前期的高通量合成实验减轻了负担，而且还完全规避了某些薄膜样品需要在制备完成后进行高温烧结处理，而使集成电路中的成分扩散进薄膜中，导致薄膜性能发生变化的问题。

2.利用运动轨迹设定模块来设定探针与样品台的相对运动轨迹，可以将探针与样品台的相对运动轨迹设定为与样品中微区的分布情况相适应，使探针通过相对样品台进行移动，对样品的全部微区进行检测，大大提高了检测效率，能够准确地对全部微区进行检测。

3.采用位置调节机构针对样品台和每一探针进行独立的相对位置调整，不仅可以根据样品的微区分布情况来设定平移探针时的运动轨迹，而且还可以根据不同的微区范围大小同时调整探针之间的相对位置关系，以适应同一个样品上不同大小微区的检测，检测的灵活度和准确度更高。

4.每一根探针都可以选择与恒流恒压电源电性导通，也可以选择与电压检测模块电性导通，这样能够提供更丰富的检测手段。在检测过程中，就能够沿微区的周向，检测每一组相邻两探针间的电压，用于修正微区形状对电阻率检测的干扰。

5.磁性件能够为检测提供磁场环境，便于霍尔电压的准确检测。

6.磁场调节组件能够用于反转磁性件的磁场，通过对磁场反转前后的霍尔电压进行检测，能够消除霍尔效应的附加效应的干扰。

【附图说明】

为了更清楚地说明本发明的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。

图1为本发明实施例1提供的高通量微区电学性能检测系统的结构示意图；

图2为本发明实施例1提供的高通量微区电学性能检测系统的磁性机构的结构示意图；

图3为本发明实施例1提供的高通量微区电学性能检测系统的磁性机构的另一视角的结构示意图；

图4为本发明实施例1提供的高通量微区电学性能检测系统的环形磁铁的结构示意图；

图5为本发明实施例1提供的高通量微区电学性能检测系统的磁性机构与样品台的配合示意图；

图6为环形磁铁由两块磁铁块替代时的结构示意图；

图7为本发明实施例1提供的高通量微区电学性能检测系统的样品台的结构示意图；

图8为环形磁铁在样品台处的磁感线分布的示意图；

图9为本发明实施例1提供的高通量微区电学性能检测系统的检测机构的结构示意图；

图10为本发明实施例1提供的高通量微区电学性能检测系统的检测机构与样品台的配合示意图；

图11为本发明实施例1提供的高通量微区电学性能检测系统的探针检测微区时的示意图；

图12为本发明实施例1提供的高通量微区电学性能检测系统的位置调节机构的结构示意图；

图13为本发明实施例1提供的高通量微区电学性能检测系统的控制系统的配合示意图；

图14为本发明实施例1的第五个变形中的高通量微区电学性能检测系统的结构示意图；

图15为本发明实施例2提供的高通量微区电学性能检测方法的流程示意图。

附图标记说明：

1000-高通量微区电学性能检测系统；100-底座；200-防护罩；210-封板；300-磁性机构；310-环形磁铁；320-转轴；330-转动机构；340-滑动板；341-立柱；400-样品台；410-吸孔；420-沟槽；430-抽气管；440-真空泵；500-检测机构；510-第一检测臂；520-第二检测臂；530-恒流恒压电源；540-电压检测模块；600-位置调节机构；610-机械臂；620-控制器；630-运动轨迹设定模块；700-控制系统。

【具体实施方式】

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。

因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。

在本发明的描述中，还需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“设置”、“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸地连接或一体地连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连；还可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

实施例

请参照图1，本实施例提供一种基于范德堡法的高通量微区电学性能检测系统1000，用于对材料的电学性能进行检测，例如薄膜材料。高通量微区电学性能检测系统1000包括：底座100、防护罩200、磁性机构300、样品台400、检测机构500、位置调节机构600和控制系统700。磁性机构300设置于底座100，样品台400设于磁性机构300远离底座100的一侧。检测机构500设置于样品台400远离底座100的一侧，用于对放置于样品台400的样品进行检测。位置调节机构600与检测机构500相连接，位置调节机构600用于移动检测机构500，以使检测机构500能够对样品的不同位置进行检测。防护罩200用于将磁性机构300、样品台400、检测机构500和位置调节机构600罩住，以起到防护和防尘的作用。

需要说明的是，高通量试验技术中，一个薄膜样品中分布着数量众多的成分点，即微区，每个成分点的组成和配比是不相同的。

其中，样品台400用于放置待检测的薄膜样品，磁性机构300用于为薄膜样品的检测提供磁场，检测机构500用于对样品的电学性能进行检测，而位置调节机构600则用于在检测过程中自动调整检测机构500与样品台400的相对位置、以及磁性机构300与样品台400的相对位置，从而使检测机构500能够对样品的不同微区进行检测，控制系统700用于对磁性机构300、检测机构500和位置调节机构600进行统一控制。这样的话，就能够连续地对样品的不同微区(即成分点)进行检测，大大提高了检测效率，能够适应高通量的检测需求。

具体的，底座100为防震桌，能够降低外部震动对检测环境的干扰。可以为底座100配置调平机构和水平检测机构500，以用于将桌面调整至水平状态，更便于检测的进行。可以理解，底座100还可以是其他配备有减震部件的设备，若检测环境中并没有外部震动的干扰，也可以不配置减震部件。

防护罩200罩设于底座100，将磁性机构300、样品台400、检测机构500和位置调节机构600罩住。防护罩200的材质为有机玻璃，不仅能够起到防尘、防水和安全防护的效果，还便于观察样品状况和检测状况。

防护罩200开设有用于取放样品的取放口，取放口用于向样品台400放置样品，或者将样品取出，而且还可以通过取样口对防护罩200内的各个部件进行清理和维护。取放口设置有可拆卸的透明的封板210，封板210也由有机玻璃制成，封板210用于封闭取放口。

可以理解，防护罩200和封板210还可以采用其他的透明材料制成，并不限于此。

请参阅图2、图3和图4，磁性机构300安装于底座100。磁性机构300包括环形磁铁310、转轴320、转动机构330和滑动板340。滑动板340可滑动地安装于底座100，环形磁铁310、转轴320和转动机构330都设置于滑动板340远离底座100的一侧。

具体的，环形磁铁310呈圆环状，环形磁铁310的N极和S极均呈圆环状，环形磁铁310的N极和S极同轴相连，且环形磁铁310的N极和S极对称设置。在本实施例中，环形磁铁310的N极远离S极的一侧表面与S极远离N极的一侧表面均垂直于环形磁铁310的中轴线设置。

环形磁铁310作为磁性件，为样品的检测提供磁场环境，在对样品进行检测时，使样品处于环形磁铁310的磁场中，从而便于对样品的霍尔电压进行检测。可以理解，环形磁铁310还可用其他能够提供磁场环境的磁性元件来替代。

环形磁铁310与转轴320固定连接，转轴320由绝缘材料制成，转轴320的一端连接于环形磁铁310的弧型壁并沿环形磁铁310的径向设置。在本实施例中，转轴320的中轴线位于环形磁铁310的N极和S极的交界面。

转动机构330采用的是伺服马达，转动机构330的动力输出部与转轴320传动配合，用于驱动转轴320转动，从而控制环形磁铁310翻转，实现对环形磁铁310所提供的磁场方向的控制。

滑动板340远离底座100的板面安装有两根间隔设置的立柱341，转轴320穿过立柱341并可转动地配合于立柱341，环形磁铁310被转轴320架设于两根立柱341之间，且环形磁铁310与滑动板340的板面之间具有间隔，以便于环形磁铁310能够相对滑动板340顺利转动。

转动机构330安装于一立柱341并与转轴320传动配合，转动机构330用于驱动转轴320。滑动板340可滑动地安装于底座100，通过移动滑动板340，可以将磁性机构300在底座100上整体移动。

如图5所示，在进行检测之前，可以通过转动机构330将环形磁铁310调节至与样品台400的承载面平行，从而使环形磁铁310能够为放置于样品台400的样品提供垂直的磁场，便于检测工作的顺利开展，也有利于提高检测的精确度。

在检测过程中，当对样品的一个微区检测完毕后，可以通过转动机构330将环形磁铁310翻转180°，使穿过样品的磁场反向，在反向的磁场环境中再进行一次检测，将在正反方向的磁场中的检测结果进行矢量叠加，即可将磁场方向引起的检测误差进行消除对于提高检测精度具有积极意义。此外，由于环形磁铁310在反转前后，磁场强度是相同的，只有磁场方向发生了变化，这对于消除附加效应的干扰非常有利。转动机构330和转轴320作为磁性机构300的磁场调节组件，能够用于改变磁场方向，大大提高了检测的便利性和精确度。

在本实施例的一个变形中，环形磁铁310还可以采用电磁铁来进行替代，当需要反转磁场方向时，将电流反向即可。

在本实施例的另一个变形中，请结合图6，环形磁铁310还可以采用两块磁铁来替代。两块磁铁分别设于样品台400的两侧，其中一块磁铁将N极对准样品台400，另一块磁铁将S极对准样品台400。当需要反转磁场方向时，将两个磁铁的位置互换即可，或者将两块磁铁保持原位置，将两块磁铁的另一极对准样品台400。也能够实现磁场方向的反转。

可以理解，转动机构330还可以采用手动调节机构或者其他的转动驱动器，并不局限于此。

请参阅图5和图7，样品台400为托盘，样品台400的承载面开设有吸孔410和沟槽420，沟槽420均与吸孔410连通，吸孔410通过抽气管430与真空泵440的抽气口连通。当薄膜样品放置于样品台400的承载面时，开启真空泵440，就能够将薄膜样品牢固地吸附于样品台400，防止样品脱落或者发生移位，有利于检测的顺利进行。可以理解，样品台400还可以采用其他能够承载薄膜样品的物件，并不限于此。

样品台400设置于环形磁铁310的远离底座100的一侧，环形磁铁310与样品台400间隔设置，从而避免样品台400阻挡到环形磁铁310翻转。

若需要检测样品的霍尔电压，在进行检测前，将环形磁铁310的表面调节至与样品台400的承载面平行，具体操作为：当以环形磁铁310的N极朝向样品台400时，就将环形磁铁310的N极远离S极的一侧表面调节至与样品台400的承载面平行；而如果是以环形磁铁310的S极朝向样品台400时，就将环形磁铁310的S极远离N极的一侧表面调节至与样品台400的承载面平行。这样的话，环形磁铁310能够在样品台400处施加垂直于样品台400承载面的磁场，便于顺利对检测霍尔电压进行检测，能够提高检测的准确度。

通过移动滑动板340或者调节薄膜样品在样品台400的具体位置，使薄膜样品的待检测区域位于环形磁铁310的中间位置，以便于环形磁铁310能够在检测区域形成规则的垂直磁场，如图8所示。

若需要检测样品的电阻率，在进行检测前，可以通过移动滑动板340，将环形磁铁310从样品台400处移开，从而将磁场撤去，便于对微区的电阻率进行检测。滑动板340作为磁性机构300的手动调节组件，能够很方便地对磁性机构300的具体位置进行粗调节。

请参阅图9和图10，检测机构500包括第一检测臂510、第二检测臂520、探针a、探针b、探针c、探针d、恒流恒压电源530和电压检测。

在本实施例中，第一检测臂510和第二检测臂520均设置于样品台400的远离环形磁铁310的一侧，探针a和探针b设置于第一检测臂510，探针c和探针d设置于第二检测臂520，探针a、探针b、探针c和探针d均垂直于样品台400的承载面设置。沿垂直于样品台400的承载面方向，第一检测臂510和第二检测臂520与样品台400的距离相同，探针a、探针b、探针c和探针d四者的尖端与样品台400的距离也相同。

探针a和探针b之间的距离通过设置于第一检测臂510的螺旋调节机构进行调节，具体为旋转旋钮1，探针a和探针b与样品台400之间的距离通过旋钮2调节。

探针c和探针d之间的距离通过设置于第二检测臂520的螺旋调节机构进行调节，具体为旋转旋钮3，探针c和探针d与样品台400之间的距离通过旋钮4调节。

第一检测臂510和第二检测臂520之间的距离也是通过螺旋调节机构来进行调节，具体为旋转旋钮5。

通过以上设计，能够对探针a、探针b、探针c和探针d的相对位置关系、以及探针a、探针b、探针c和探针d四者与样品台400的距离进行灵活的调节，以用于对不同规格的样品和不同规格的微区进行检测。旋钮1、旋钮2、旋钮3、旋钮4和旋钮5作为探针和检测臂的手动调节组件，在检测开始之前，能够对探针a、探针b、探针c和探针d进行预定位，将其调节至所需位置，以便于对薄膜样品的微区进行检测。

在本发明其他的实施例中，还可以为样品台400设置手动调节组件，来直接调节样品台400的位置，使样品台400的位置能够同时与环形磁铁310、探针相适应。

探针a、探针b、探针c和探针d均与恒流恒压电源530选择性电性连接，探针a、探针b、探针c和探针d也均与电压检测模块540选择性电性连接。

需要说明的是，上文中“选择性电性连接”指的是：可以根据实际检测需要，将二者电性导通以及将二者电性断开，即可以将二者在电性导通和电性断开两种连接模式之间进行自由切换。可以通过电路开关来实现该效果，但不限于此。

也就是说，每一根探针都可以选择与恒流恒压电源530电性导通，也可以选择与电压检测模块540电性导通，这样能够提供更丰富的检测手段。

在本实施例中，具体采用的是改良型的范德堡法来对材料的电学性能进行检测。具体的，请结合图11，以测试样品的微区p的电阻率为例，探针a、探针b、探针c和探针d沿微区p的边缘分布。沿微区p的周向，探针a、探针b、探针c和探针d依次间隔排布。

在进行电阻率检测时，可以先将探针a和探针b与恒流恒压电源530电性导通，并将探针c和探针d与电压检测模块540的检测端口电性导通。此时，探针a和探针b之间通入电流，探针c和探针d用于检测电压，检测到的电压记为U_ab。

随后，将探针b和探针c与恒流恒压电源530电性导通，并将探针a和探针d与电压检测模块540的检测端口电性导通。此时，探针b和探针c之间通入电流，探针a和探针d用于检测电压，检测到的电压记为U_bc。

将探针c和探针d与恒流恒压电源530电性导通，并将探针a和探针b与电压检测模块540的检测端口电性导通。此时，探针c和探针d之间通入电流，探针a和探针b用于检测电压，检测到的电压记为U_cd。

将探针d和探针a与恒流恒压电源530电性导通，并将探针b和探针c与电压检测模块540的检测端口电性导通。此时，探针d和探针a之间通入电流，探针b和探针c用于检测电压，检测到的电压记为U_da。

将U_ab、U_bc、U_cd和U_da进行矢量叠加，即可将电流方向引起的检测误差进行消除，同时还能够将微区的形状引起的检测误差进行消除，使最终检测得到的检测结果的准确度更高。

可以理解，探针的数量和检测臂的数量都可以根据实际检测需求灵活调整，并不局限于此。例如：可以是将检测臂的数量和探针的数量设置为相同，每一个检测臂都安装一根探针，再对每一根探针和每一个检测臂的位置进行单独调节；也可以只设置一个检测臂，将全部探针都安装到同一个检测臂，再对每根探针的具体位置进行调节。

另一方面，所有的探针和检测臂也无需都可以单独进行位置调节，可以将其中的一部分设置为位置可调节，另一部分设置为不可调，通过调节位置可调的这一部分来实现整体相对位置关系的调整。

需要说明的是，探针a、探针b、探针c、探针d、第一检测臂510和第二检测臂520的位置调节还可以采用其他的机构来实现，例如机械手、滑轨结构等，且不限于此。

请参照图12，位置调节机构600包括机械臂610和控制器620，控制器620用于控制机械臂610的运动路径和运动方式。

第一检测臂510和第二检测臂520均安装于机械臂610，机械臂610能够带动第一检测臂510和第二检测臂520一同运动，从而改变探针a、探针b、探针c和探针d相对样品的位置，以此来对样品不同的微区进行检测。

控制器620中具有用于设定运动路径的运动轨迹设定模块630，根据薄膜样品中成分点(即微区)的分布情况，设定对应的运动轨迹这样就能够使机械臂610驱动探针沿着设定的轨迹进行运动，从而使探针与样品台400的相对运动轨迹能够将需要检测的微区全部覆盖到，这样就能够很方便地对整个样品的微区进行全面检测，能够适应高通量的检测需求。

请参照图13，控制系统700用于统一管控整个检测过程，以实现自动化检测。机械臂610、控制器620、恒流恒压电源530、电压检测模块540、真空泵440和转动机构330都与控制系统700信号连接。

当样品被准确放置到样品台400的承载面后，控制系统700控制真空泵440启动，将薄膜样品稳定地吸附于样品台400。随后利用旋钮1、旋钮2、旋钮3、旋钮4和旋钮5将各个探针调节至与薄膜样品的待检测微区相适应的位置，即可进行检测。

检测开始后，先将环形磁铁310移动至样品台400的区域之外，在无磁场的情况下，控制系统700控制恒流恒压电源530和电压检测模块540配合探针先对电阻率进行检测。在检测完一个微区之后，控制系统700向控制器620发出指令，控制器620根据其所预设的运动路径的信息，控制机械臂610将第一检测臂510和第二检测臂520进行整体平移，从而将探针整体平移至样品的下一个微区，对下一个微区的电阻率进行检测。根据控制器620中设定的运动路径，机械臂610能够将探针按运动路径进行逐步的整体平移，从而对样品中的全部微区完成检测。需要说明的是，该种检测方式适用于每个微区形状大小相同的情形。

在本发明其他的实施例中，每个探针安装于一个检测臂，每个检测臂连接于一个单独的机械臂610。也就是说，每个探针都是利用一个单独的机械臂610进行单独移动。这样的话，不仅可以根据样品的微区的分布情况来设定平移探针时的运动轨迹，而且还可以根据不同的微区的范围大小同时调整探针之间的相对位置关系，以适应同一个样品上不同大小的微区的检测。可以通过提前扫描样品，或者提前获取样品的微区分布情况和微区大小情况，来设定探针的运动轨迹以及运动到每一个微区之后探针之间的相对位置关系。具体的，可以将样品按横纵坐标进行划分，每一个微区对应多少的横纵坐标范围，为了能够对该微区进行准确检测，探针需要移动至对应的那些坐标点，这样的话，就可以制定出每一根探针的运动轨迹，全部的探针同步进行运动，就能够实现对不同微区的检测，而且还能够同时适应不同微区的大小范围，检测的灵活度和准确度更高。该种检测方式更适用于每个微区形状大小不相同的情形。

回到本实施例中，当对电阻率检测完毕后，将环形磁铁310移动至样品台400的区域内，使环形磁铁310位于样品台400靠近底座100的一侧，并使环形磁铁310的表面与样品平行，让样品位于环形磁铁310的中间区域。此时控制系统700控制恒流恒压电源530和电压检测模块540配合探针对霍尔电压进行检测。在对同一个微区的霍尔电压进行检测时，控制系统700控制转动机构330，使环形磁铁310能够相对样品台400转动180°，使通过样品的磁场反向，分别检测在不同方向的磁场环境下的同一个微区的霍尔电压。

当一个微区的霍尔电压检测完毕后，控制系统700向控制器620发出指令，控制器620根据其所保存的运动路径的信息，控制机械臂610将第一检测臂510和第二检测臂520进行整体平移，从而将探针整体平移至样品的下一个微区，对下一个微区的霍尔电压进行检测。根据控制器620中设定的运动路径，机械臂610能够将探针按运动路径进行逐步的整体平移，从而对样品中的全部微区完成检测。

全部检测完毕后，控制系统700控制真空泵440关闭，从而解除对样品的吸附，就可以更换样品继续检测了。

检测过程中的全部检测数据统一由控制系统700归档保存，以用于后续对样品的电学性能进行评估。此外，控制系统700的检测数据还可以上传至云端，进行统一计算和管理。另外，也可以直接向控制系统700中导入计算公式，让控制系统700根据计算公式将检测数据直接计算为需要的结果，例如电阻率、霍尔系数、载流子浓度、载流子迁移速率等，直接将计算结果进行归档整体和输出。

可以理解，在进行检测的过程中，在对同一个微区进行检测时，也可以是先将环形磁铁310移动至样品台400的区域之外，在无磁场的情况下，对电阻率进行检测。随后立即将环形磁铁310移动至样品台400的区域之内，在正反磁场的情况下，分别检测霍尔电压。待电阻率和霍尔电压都检测完毕后，再将探针移动至下一个微区进行检测。为了提高检测的便利性，可以为滑动板340配置用于驱动其远离样品台400和靠近样品台400的驱动部件，可以是气缸、丝杆机构等，但不限于此。由控制系统700统一控制，以提高检测的自动化程度和检测效率。

在本实施例中，控制系统700还配置有可视化组件，用于观察探针和样品之间的距离以及接触情况，避免发生撞针的情况，在进行手动调节时，也能够为探针的准确定位提供视觉提示。可视化组件可以采用显微镜进行直接观察，也可以采用显微摄像头和显示屏相结合的形式。

在本实施例的第一个变形中，第一检测臂510和第二检测臂520由丝杆机构进行驱动，以对第一检测臂510和第二检测臂520进行整体平移，实现对不同微区的检测。可以理解，还可以采用其他的机构来对第一检测臂510和第二检测臂520进行移动，并不局限于此，可以根据需要灵活选择。

在本实施例的第二个变形中，第一检测臂510和第二检测臂520各自有一个机械臂610驱动，即第一检测臂510连接于一个机械臂610，第二检测臂520连接于另一个机械臂610，两个机械臂610分别控制第一检测臂510和第二检测臂520的移动。根据设定的运动轨迹，控制器620控制两个机械臂610进行运动，以对不同的微区进行检测。

在本实施例的第三个变形中，第一检测臂510和第二检测臂520不通过机械臂610移动，而是用机械臂610直接移动样品台400，通过移动样品台400，来实现探针和样品之间的相对位置变化，完成对不同微区的检测。

在本实施例的第四个变形中，请参阅图14，环形磁铁310可以做的更小，不用将整个样品台400进行覆盖，利用机械臂610同时移动环形磁铁310和检测机构500，即同时设定探针与样品台400的相对运动轨迹、及环形磁铁310与样品台400的相对运动轨迹，以使在检测不同的微区时，被检测的微区都位于环形磁铁310的中间区域，保证磁场垂直于该正在被检测的微区。当然，也可以保持环形磁铁310、第一检测臂510和第二检测臂520不动，直接移动样品台400。

在本实施例的第五个变形中，还可以设置用于为样品提供特定的检测温度的加热单元，从而能够在不同的测试温度下对样品进行检测。加热单元可以设于样品台400内部，当然也可以设置于其他便于对样品进行温度控制的位置。加热单元可以采用电热丝和热电偶，且并不局限于此。

需要说明的是，机械臂610可以采用其他能够实现位置调节的机构来替代，只要能够驱动探针相对样品移动，完成对样品不同微区的检测即可，例如：二维移动平台，但并不仅限于此。

实施例2

请参阅图15，本实施例提供一种高通量微区电学性能检测方法，该方法采用实施例1中的高通量微区电学性能检测系统1000。具体包括：

S1：放置待检测的样品于样品台；

S2：利用检测机构的多根探针对样品进行检测，在检测过程中，利用位置调节机构自动调整探针与样品台的相对位置，使探针能够对样品的不同微区进行检测。

将待检测的样品放置于样品台400之后，将环形磁铁310移动至样品台400的区域之外，在无磁场的情况下，利用检测机构500的探针对样品的电阻率进行检测，在检测过程中，利用位置调节机构600自动调整探针与样品台400的相对位置，使探针能够对样品的不同微区进行连续式检测。

这样的话，能够对高通量的样品进行检测，与高通量实验技术更加匹配，能够打通高通量实验技术的试验端和检测端，使高通量实验技术实现整体的提速。位置调节机构600实现了自动化调节，代替了人工调节，效率大大提高，与高通量检测的匹配度更高。

进一步地，利用位置调节机构600自动调整相对位置之前，预设探针与样品台400的相对运动轨迹，而二者的相对运动轨迹基于样品中微区的分布情况来设定。这样的话，在位置调节机构600调整探针与样品台400的相对位置时，可以保证探针沿着样品中微区的分布路径来进行移动，使探针能够对样品中的微区进行逐一检测，方便高效。

利用检测机构500的探针对样品的电阻率进行检测时，沿微区的周向，检测每一组相邻两探针间的电压，用于修正微区形状对电阻率检测的干扰。具体可参照实施例1中对U_ab、U_bc、U_cd和U_da的检测。

当得到U_ab、U_bc、U_cd和U_da的相关数据后，电阻率ρ可通过以下公式计算得到:

其中，I_ab为探针a和探针b之间的电流大小，I_bc、I_cd、I_da同理。通过计算，可以消除微区的形状对电阻率检测的影响。

高通量微区电学性能检测系统1000利用磁性件为样品的检测提供磁场，利用检测机构500的探针对样品的霍尔电压进行检测时，在磁性件的磁场反转前后的磁场环境中分别检测霍尔电压，用于修正霍尔效应的附加效应的干扰。具体操作方式可参照实施例1，通过对反转前后的磁场环境中的霍尔电压进行检测，能够消除霍尔效应的附加效应对检测结果的干扰。

具体的，以U_ac表示磁场反转前探针a和探针c之间的电压，U_ac指电流从探针a到探针c时，测得的探针b和探针d之间的电势差。同理，以U_ca表示磁场反转前探针c和探针a之间的电压。以U'_ac表示磁场反转后探针a和探针c之间的电压，同理，以U'_ca表示磁场反转后探针c和探针a之间的电压。那么可以知晓：

其中，U₀为不等位电压，U_E为爱廷豪森效应电压，U_N为能斯特效应电压，U_R为里纪-杜勒克效应电压。

由以上四式可知：

此时除爱廷豪森效应电压U_E外其余所有外加电压全部消除。一般的，当U_H大于或等于U_E的100倍时，此时U_E可以忽略不计。

则：

为减小样品不均匀对实验结果的误差，再测试电流由探针b和探针

d通入样品时探针a和探针c之间的电势差。

取平均值即得到样品的霍尔电压：

进而可计算待测样品的霍尔系数：

根据霍尔系数的正负，可判断半导体类型，若R_H>0，则测试样品为P型半导体，若R_H<0，则样品为N型半导体。测得霍尔系数R_H后，则可根据公式求得载流子浓度n。其中，

进而根据公式可计算得出载流子迁移率μ，其中，

通过以上过程，即可得出样品的电学性能参数，以便于对样品的应用前景进行综合判断。

与现有技术相比，本发明的实施例提供的技术方案的有益效果包括：

1.将待检测的样品放置于样品台400之后，利用检测机构500的探针对样品的电阻率进行检测，在检测过程中，利用位置调节机构600自动调整探针与样品台400的相对位置，使探针能够对样品的不同微区进行连续式检测。这样的话，能够提高与高通量实验技术的匹配度，使高通量实验技术实现整体的提速。位置调节机构600实现了自动化调节，代替了人工调节，效率大大提高。

此外，相比于现有技术中将大量探针进行阵列来检测整个样品中的全部微区的方式相比，更加节省成本，测量过程的各个探针的电流控制也更加方便。另一方面，也无需同时对整个样品施加均匀的垂直磁场，大大降低了检测难度。

另外，与直接将待测材料制备于电路板表面进行检测的方式相比，无需额外制作电路板，也无需将试样产品结合到电路板上，大大简化了检测流程，也为前期的高通量合成实验减轻了负担，而且还完全规避了某些薄膜样品需要在制备完成后进行高温烧结处理，而使集成电路中的成分扩散进薄膜中，导致薄膜性能发生变化的问题。

2.利用运动轨迹设定模块630来设定探针与样品台400的相对运动轨迹，可以将探针与样品台400的相对运动轨迹设定为与样品中微区的分布情况相适应，使探针通过相对样品台400进行移动，对样品的全部微区进行检测，大大提高了检测效率，能够准确地对全部微区进行检测。

3.采用位置调节机构600针对样品台400和每一探针进行独立的相对位置调整，不仅可以根据样品的微区的分布情况来设定平移探针时的运动轨迹，而且还可以根据不同的微区的范围大小同时调整探针之间的相对位置关系，以适应同一个样品上不同大小的微区的检测，检测的灵活度和准确度更高。

4.每一根探针都可以选择与恒流恒压电源530电性导通，也可以选择与电压检测模块540电性导通，这样能够提供更丰富的检测手段。在检测过程中，就能够沿微区的周向，检测每一组相邻两探针间的电压，用于修正微区形状对电阻率检测的干扰。

5.磁性件能够为检测提供磁场环境，便于霍尔电压的准确检测。

6.磁场调节组件能够用于反转磁性件的磁场，通过对磁场反转前后的霍尔电压进行检测，能够消除霍尔效应的附加效应的干扰。

7.现有技术是采用并行分布的探针阵列对样品进行测试，受探针加工工艺和相邻探针间较大静电吸引的影响，限制了其进一步提升实验通量，且智能化程度低。高通量微区电学性能检测系统1000采用位置可调的探针能够适应不同规格的样品和不同大小的微区的检测工作，通过位置调节机构600，能够自动地、连续地对整个样品的不同微区进行检测，大大提高了检测效率，与高通量实验技术更加适配。

8.现有技术中探针阵列固定，因此可测试的高通量薄膜材料尺寸不可调，测试数量、微区形状及位置也是固定的，不利于小尺寸、大数量、多种形状的高通量材料表征。同时这种方法需要同时向整个高通量薄膜材料施加匀强磁场，而实验通量较大的高通量薄膜材料往往面积也较大，在较大尺度上获得匀强磁场也具有一定的难度，会大幅度提高测试成本。高通量微区电学性能检测系统1000采用能够一同相对样品台400移动的磁性机构300和探针、或能够相对磁性机构300和探针移动的样品台400，能够确保样品中正在被检测的微区处于均匀的垂直磁场中，保证了每个微区的检测结果的准确度。成本得到了有效的控制，磁场均匀度和垂直性也得到了有力保障。

9.通过沿微区的周向对相邻两探针进行电压测试，消除了微区的形状对测试结果的干扰。通过对正反磁场中霍尔电压的检测，消除了附加效应的干扰。高通量微区电学性能检测系统1000能够有效地消除误差，提高检测结果的可靠性。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种基于范德堡法的高通量微区电学性能检测系统，其特征在于，包括：

样品台，用于放置待检测的样品；

检测机构，具有多根探针，用于利用范德堡法对样品进行检测；及

位置调节机构，用于在检测过程中自动调整所述探针与所述样品台的相对位置，以使所述探针能够对样品的不同微区进行检测。

2.根据权利要求1所述的基于范德堡法的高通量微区电学性能检测系统，其特征在于，所述位置调节机构还具有运动轨迹设定模块，用于设定所述探针与所述样品台的相对运动轨迹。

3.根据权利要求1所述的基于范德堡法的高通量微区电学性能检测系统，其特征在于，所述位置调节机构针对所述样品台和每一所述探针进行独立的相对位置调整。

4.根据权利要求1所述的基于范德堡法的高通量微区电学性能检测系统，其特征在于，每一所述探针均与电流端口及电压检测端口选择性电性连接。

5.根据权利要求1所述的基于范德堡法的高通量微区电学性能检测系统，其特征在于，所述高通量微区电学性能检测系统还包括磁性件和/或加热单元；

其中，所述磁性件用于为样品的检测提供磁场环境；所述加热单元用于为样品的检测提供所需的检测温度。

6.根据权利要求5所述的基于范德堡法的高通量微区电学性能检测系统，其特征在于，所述高通量微区电学性能检测系统还包括磁场调节组件，用于反转所述磁性件的磁场。

7.一种采用如权利要求1-6任一项所述的基于范德堡法的高通量微区电学性能检测系统的检测方法，其特征在于，包括：

放置待检测的样品于所述样品台；

利用所述检测机构的所述多根探针采用范德堡法对样品进行检测，在检测过程中，利用所述位置调节机构自动调整所述探针与所述样品台的相对位置，使所述探针能够对样品的不同微区进行检测。

8.根据权利要求7所述的检测方法，其特征在于，自动调整探针与样品台相对位置之前，预设所述探针与所述样品台的相对运动轨迹，所述相对运动轨迹基于样品中微区的分布情况来设定。

9.根据权利要求7所述的检测方法，其特征在于，利用所述探针对样品的电阻率进行检测时，沿微区的周向，检测每一组相邻两探针间的电压，将检测结果矢量叠加以修正微区形状对电阻率检测的干扰。

10.根据权利要求7所述的检测方法，其特征在于，样品的检测在磁场环境中进行，利用所述探针对样品的霍尔电压进行检测时，调整磁场反转并分别检测磁场反转前后样品的霍尔电压，将检测结果矢量叠加以修正霍尔效应的附加效应的干扰。

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