CN114660515A

CN114660515A - 磁场结构

Info

Publication number: CN114660515A
Application number: CN202111534761.1A
Authority: CN
Inventors: 唐敏注; 汤士源; 黄玉婷; 杨明达
Original assignee: Industrial Technology Research Institute ITRI
Current assignee: Industrial Technology Research Institute ITRI
Priority date: 2020-12-22
Filing date: 2021-12-15
Publication date: 2022-06-24
Also published as: US20220196598A1; TW202225704A; US11747301B2; TWI814176B

Abstract

本发明公开一种磁场结构，包括：两个磁极，其设于一导磁回路上且于该两个磁极之间形成容置一待测元件的空间；磁场源，用以于该空间中提供一磁场；以及光学定位元件，设于该两个磁极的其中一者中，用以对该待测元件进行光学定位。本发明的磁场结构可同时提供强磁场及精密定位的功能。

Description

磁场结构

技术领域

本发明涉及一种磁场结构，尤其是涉及一种具有光学定位功能的磁场结构。

背景技术

半导体元件尺寸日益微型化，使得每一电极面积也逐渐缩小且距离更短；此外，在进行电磁特性测试时，必须施加强磁场，以借由外部探针连接测量仪器来撷取待测元件的电磁特性参数。如此一来，外部探针更需要精密定位，才能有效地进行磁性检测。

在现有技术中，外部探针进行定位时所使用的光学定位元件，一般是设置于待测元件上方，而施加强磁场的磁极一般也是设置在待测元件上方。若是同时需要探针精密定位与施加强磁场的功能时，磁极与光学定位元件在空间上将会互相抵触而无法同时使用。

为解决该问题，现有以下解决方案：一是将光学定位元件斜向配置于磁极一侧；另一是进行探针定位时先将磁极移开，接着移入光学定位元件，完成探针定位后再移开光学定位元件，之后移入磁极。然而，将光学定位元件斜向配置的方式，经常造成角度视差、光距对焦不易而无法精准对位，导致测量耗时，且光学定位元件仅能从探针旁的微小空间导入光源进行测量，增加空间配置困难度；另外，将磁极及光学定位元件移动的方式，则有可能因为磁极及光学定位元件的移动而产生振动，造成定位后的探针移位，进而可能毁损待测元件上精细的电极等问题。

发明内容

本发明的主要目的在于提供一种磁场结构，可同时提供强磁场及精密定位的功能。

本发明的磁场结构包括：两个磁极，其设于一导磁回路上，且彼此相对设置以于该两个磁极之间形成容置一待测元件的空间；磁场源，用以于该空间中提供一磁场；以及光学定位元件，设于该两个磁极的其中一者中，用以对该待测元件进行光学定位。

附图说明

图1A为本发明的磁场结构的整体示意图；

图1B为图1A的磁场结构的局部剖面示意图；

图2A为本发明的磁场结构中磁极的第一实施例的立体示意图；

图2B为图2A的磁极的剖面示意图；

图3A为本发明的磁场结构中磁极的第二实施例的立体示意图；

图3B为图3A的磁极的剖面示意图；

图4A为本发明的磁场结构中磁极的第三实施例的立体示意图；

图4B为图4A的磁极的剖面示意图；

图5A及图5B为图2A及图2B的磁极的不同实施例的磁场模拟分析图；

图6A及图6B为图3A及图3B的磁极的不同实施例的磁场模拟分析图；

图7A及图7B为图4A及图4B的磁极的不同实施例的磁场模拟分析图；

图8A为本发明的磁场结构中磁极的第四实施例的立体示意图；

图8B为图8A的磁极的剖面示意图；

图9A为本发明的磁场结构中磁极的第五实施例的立体示意图；

图9B为图9A的磁极的剖面示意图；

图10A为本发明的磁场结构中磁极的第六实施例的立体示意图；

图10B为图10A的磁极的剖面示意图。

符号说明

1:磁场结构

11、12:磁极

111、111’:容纳孔

1111、1112、1113、1111’、1112’、1113’:圆柱状结构

112、113:段差

114:磁轴

13:导磁回路

14:线圈

15:光学定位元件

151:光轴

16:空间

2:待测元件

3:探针

3’:探针座

4:测量仪器

D1、D11、D11’、D12、D13、D2:直径。

具体实施方式

以下借由特定的具体实施例加以说明本发明的实施方式，而熟悉此技术的人士可由本说明书所揭示的内容轻易地了解本发明的其他优点和功效，也可借由其他不同的具体实施例加以施行或应用。

请同时参阅图1A及图1B，本发明的磁场结构1包括磁极11、12、导磁回路13、磁场源及光学定位元件15。磁极11、12分别设于导磁回路13的两端上，使磁极11、12彼此相对设置，以于磁极11、12之间形成空间16，该空间16可容置一待测元件2。

在一实施例中，磁极11、12可为圆锥状，例如为直径60mm逐渐缩减至直径10mm的圆锥状，或是如图2A及图2B所示的部分为圆柱状(直径D1为60mm)而部分靠近待测元件2的一端为圆锥状(从直径D1具有60mm渐缩至直径D2具有10mm)的组合，借以集中磁力线并增强磁场，但本发明并不以此为限。

磁场源用以于空间16中提供一磁场。在本实施例中，磁场源可例如为围绕于磁极12周围的线圈14通电流后所产生的电磁场。在其他实施例中，磁场源可以是永久磁石所产生的永磁场。本发明并不以上述为限。在空间16产生磁场后，即可借由探针3、探针座3’及测量仪器4来撷取待测元件2的电磁特性参数。

光学定位元件15可设于磁极11、12的其中一者中，用以对待测元件2进行光学定位。以下以光学定位元件15设于磁极11中为例进行说明，但本发明并不限制光学定位元件15仅能设于磁极11中，也可设于磁极12中。

详细而言，磁极11可具有容纳孔111，用以容设光学定位元件15。在第一实施例中，如图2A及图2B所示，容纳孔111为圆柱状且为挖空状态，容纳孔111在直径D1一端具有直径D11，并贯通到直径D2一端而具有直径D12，其中，直径D11等于直径D12，且直径D1≥直径D2≥直径D11＝直径D12，并以垂直于待测元件2的方向而贯穿设于磁极11中，使得容纳孔111的两端外露于磁极11，亦即两端具有开口。在第二实施例中，如图3A及图3B所示，容纳孔111可为圆锥状且为挖空状态，例如从直径D11具有30mm逐渐缩小至直径D12具有5mm的圆锥状，直径D11大于直径D12，且直径D1≥直径D2≥直径D12；且直径D1≥直径D11>直径D12。再于第三实施例中，如图4A及图4B所示，容纳孔111可为具有至少一段差112、113的多个圆柱状结构1111、1112、1113且为挖空状态，例如分别由直径D11具有30mm(靠近直径D1一端)的圆柱状结构1113、直径D13具有10mm的圆柱状结构1112及直径D12具有5mm(靠近直径D2一端)的圆柱状结构1111所堆叠构成的结构，直径D13的圆柱状结构1112位于直径D11的圆柱状结构1113与直径D12的圆柱状结构1111之间，直径D1>直径D11>直径D13>直径D12；且直径D1≥直径D2>直径D12。由于容纳孔111可为圆柱状、圆锥状、具有至少一段差112、113的多个圆柱状结构1111、1112、1113或其组合等不同实施态样，故可依据光学定位元件15的尺寸大小来选择容纳孔11的实施态样，使其配置还具有弹性。

上述图2A至图4B为容纳孔111贯穿设于磁极11中且容纳孔111的二端外露于磁极11的实施态样(两端具有开口)，但在其它实施态样中，如图8A至图10B所示的第四实施例至第六实施例，容纳孔111’也可以仅一端外露于磁极11(一端有开口)，另一端位于磁极11内部而未外露于磁极11(另一端密封)。在第四实施例中，如图8A及图8B所示，容纳孔111’为圆柱状且为挖空状态，容纳孔111’在直径D2一端外露并具有直径D12，但在直径D1一端没有外露，而是形成在磁极11内部，直径D11等于直径D12，具有关系为直径D1≥直径D2≥直径D11＝直径D12。在第五实施例中，如图9A及图9B所示，容纳孔111’可为圆锥状且为挖空状态，例如从直径D12具有5mm逐渐放大至直径D11’的圆锥状。由于容纳孔111’在直径D2一端外露并具有直径D12(一端有开口)，但在直径D1一端没有外露(另一端密封)，故直径D11’可视形成在磁极11内部的位置来决定，具体可小于前述第二实施例中直径D11(即小于30mm)，直径D11’大于直径D12，具有关系为直径D1≥直径D2≥直径D12；且直径D1>直径D11’>直径D12。再在第六实施例中，如图10A及图10B所示，容纳孔111’可为具有至少一段差112、113的多个圆柱状结构1111’、1112’、1113’且为挖空状态，例如分别由直径D11具有30mm(靠近直径D1一端)的圆柱状结构1113’、直径D13具有10mm的圆柱状结构1112’及直径D12具有5mm(靠近直径D2一端)的圆柱状结构1111’所堆叠构成的结构，直径D13的圆柱状结构1112’位于直径D11的圆柱状结构1113’与直径D12的圆柱状结构1111’之间，而圆柱状结构1111’在直径D2一端外露并具有直径D12(一端有开口)，但圆柱状结构1113’在直径D1一端没有外露(另一端密封)，具有关系为直径D1>直径D11>直径D13>直径D12；且直径D1≥直径D2>直径D12。

在一实施例中，如图1B，光学定位元件15可为显微镜、相机、摄影机、感光耦合装置(CCD)或互补式金属氧化物半导体装置(CMOS)，但本发明并不以此为限。另外，为使光学定位元件15能精准定位及不会造成角度视差，其用以拍摄待测元件2的光轴可垂直于待测元件2的表面。在另一实施例中，光学定位元件15的光轴151还可与磁极11的磁轴114平行或重叠，但本发明并不以此为限。

本发明的磁场结构借由在磁极内设置容纳孔以容设光学定位元件的设计，可同时提供施加强磁场及探针精密定位的功能，从而具备加速探针精准对位与快速磁性动态检测的功效。本发明现提供以下比较例及实施例，加以证实本发明的上述功能及功效。

比较例1：其为现有技术中没有设置光学定位元件(也没有设计容纳孔)的磁场结构。以磁极尺寸由直径60mm逐渐缩减为直径10mm、线圈2000圈、电流4A(Ampere，安培)为例，比较例1所产生的磁场大小为1.1T(Tesla)。

比较例2：其为现有技术中仅有单一磁极的磁场结构。以磁极尺寸由直径60mm逐渐缩减为直径10mm、线圈2000圈、电流4A为例，比较例2所产生的磁场大小为0.47T(Tesla)。在电流为5A、6A、7A、8A、9A时，磁场大小分别为0.57T、0.66T、0.74T、0.79T、0.83T，即便将电流增加为10A，磁场大小也仅能达到0.87T，难以达到1T以上。

第一实施例：其结构及设置参数与比较例1相同，但磁极11具有容纳孔111可容设光学定位元件15，如图1A及图1B所示。容纳孔111可为如图2A及图2B所示的圆柱状。可一并参阅图5A及图5B，容纳孔111的直径D12为5mm时，磁场为1.07T，而容纳孔111的直径D12为8mm时，磁场为0.98T。在其他实施例中，容纳孔111的直径D12分别为6、7、9、10mm时，磁场分别为1.05T、1.02T、0.94T、0.89T。由此可知，直径D12的增加会导致磁极11前端材料磁饱和，故磁场会降低。在一实施例中，本发明的容纳孔111的直径D12的优选实施范围可为小于或等于8mm，但本发明并不以此为限。

第二实施例：其结构及设置参数与第一实施例相同，但容纳孔111可为如图3A及图3B所示的圆锥状。可一并参阅图6A及图6B，容纳孔111的直径D11为30mm、直径D12为5mm时，磁场为1.06T，而容纳孔111的直径D11为33mm、直径D12为8mm时，磁场为0.96T。在其他实施例中，容纳孔111的直径D11为31mm、直径D12为6mm时，磁场为1.03T；容纳孔111的直径D11为32mm、直径D12为7mm时，磁场为1.00T；容纳孔111的直径D11为34mm、直径D12为9mm时，磁场为0.91T；容纳孔111的直径D11为35mm、直径D12为10mm时，磁场为0.86T。由此可知，直径D12的增加会导致磁极11前端材料磁饱和，故磁场会降低。

第三实施例：其结构及设置参数与第一实施例相同，但容纳孔111可为如图4A及图4B所示的具有至少一段差112、113的多个圆柱状结构1111、1112、1113，容纳孔111的圆柱状结构1113的直径D11为30mm，圆柱状结构1112的直径D13为15mm。可一并参阅图7A及图7B，容纳孔111的圆柱状结构1111的直径D12为5mm时，磁场为1.07T，而容纳孔111的圆柱状结构1111的直径D12为8mm时，磁场为0.98T。在其他实施例中，容纳孔111的圆柱状结构1111的直径D12分别为6、7、9、10mm时，磁场分别为1.05T、1.02T、0.94T、0.89T。由此可知，直径D12的增加会导致磁极11前端材料磁饱和，故磁场会降低。

第四实施例：其结构及设置参数与第一实施例相同，但容纳孔111’可为如图8A及图8B所示的其一端未外露于磁极11的实施态样。容纳孔111’的直径D12为5mm时，磁场为1.07T，而容纳孔111’的直径D12为8mm时，磁场为0.98T。在其他实施例中，容纳孔111’的直径D12分别为6、7、9、10mm时，磁场分别为1.05T、1.02T、0.94T、0.89T。由此可见，直径D12的增加会导致磁极11前端材料磁饱和，故磁场会降低，但容纳孔111’是否贯穿磁极11则对磁场的改变无明显影响。在一实施例中，本发明的容纳孔111的直径D12的优选实施范围可为小于或等于8mm，但本发明并不以此为限。

第五实施例：其结构及设置参数与第二实施例相同，但容纳孔111’可为如图9A及图9B所示的圆锥状，但其一端未外露于磁极11的实施态样。容纳孔111’的直径D12分别为5mm、6mm、7mm、8mm、9mm、10mm时，磁场分别为1.06T、1.04T、1.00T、0.96T、0.91T、0.86T。由此可见，直径D12的增加会导致磁极11前端材料磁饱和，故磁场会降低，但容纳孔111’是否贯穿磁极11则对磁场的改变无明显影响。

第六实施例：其结构及设置参数与第三实施例相同，但容纳孔111’可为如图10A及图10B所示的圆柱状结构1113未外露于磁极11的实施态样。容纳孔111’的圆柱状结构1111’的直径D12分别为5mm、6mm、7mm、8mm、9mm、10mm时，磁场分别为1.07T、1.05T、1.02T、0.98T、0.94T、0.89T。由此可知，直径D12的增加会导致磁极11前端材料磁饱和，故磁场会降低，但容纳孔111’是否贯穿磁极11则对磁场的改变无明显影响。

由上述比较例1、2及第一、二、三、四、五、六实施例的结果可知，比较例1的磁场虽可达到1.1T，但没有设置光学定位元件而无法精准定位，比较例2因具有单一磁极而可设置光学定位元件，但磁场大小过低。第一实施例相较于比较例1而言，第一实施例虽然磁极11设有容纳孔111而可能会影响磁场大小，但实际上可借由控制容纳孔111的直径D12的大小，使磁场维持在近似比较例1的磁场大小，从而具备可同时提供施加强磁场及探针精密定位的功能。在本实施例中，如图2A及图2B所示，容纳孔111的直径D12与磁极11靠近待测元件2的一端的直径D2之间的比值可小于或等于0.8，例如容纳孔111的直径D12为8mm，磁极11的直径D2为10mm，此时磁场为0.98T。在其他实施例中，该比值(D12/D2)较佳可小于或等于0.5，例如容纳孔111的直径D12为5mm，磁极11的直径D2为10mm，此时磁场为1.07T。由此可证明即便磁极11内设置有容纳孔111，本发明的磁场结构仍可提供高达1T的强磁场。

另外，由第二、三实施例相较于比较例1而言，容纳孔111的不同实施态样依然可提供高达1T的强磁场。虽然第一、二、三实施例容纳孔111的直径渐增，而使得磁极前端材料磁饱和，导致磁场大小/强度随之下降，但也可借由增加电流的方式来维持磁场于1T以上，只要容纳孔111的直径(如图3A至图4B所示的直径D12)与磁极11的直径D2之间的比值(D12/D2)小于或等于0.8即可，本发明并不以此为限。另外，本发明的第四、五、六实施例也相同于上述第一、二、三实施例，可提供高达1T的强磁场。

上述实施形态仅为例示性说明本发明的技术原理、特点及其功效，并非用以限制本发明的可实施范畴，任何本领域普通技术人员均可在不违背本发明的精神与范畴下，对上述实施形态进行修饰与改变。然任何运用本发明所教示内容而完成的等效修饰及改变，均仍应为权利要求书所涵盖。而本发明的权利保护范围，应如权利要求书所列。

Claims

1.一种磁场结构，其特征在于，包括：

两个磁极，其设于导磁回路上，且彼此相对设置以于该两个磁极之间形成有用以容置待测元件的空间；

磁场源，其用以于该空间中提供磁场；以及

光学定位元件，其设于该两个磁极的其中一者中，用以对该待测元件进行光学定位。

2.如权利要求1所述的磁场结构，其特征在于，该两个磁极的其中一者具有容纳孔，用以容设该光学定位元件。

3.如权利要求2所述的磁场结构，其特征在于，该容纳孔以垂直于该待测元件的方向而贯穿设于该两个磁极的其中一者中，以使该容纳孔的两端外露于该两个磁极的该其中一者。

4.如权利要求2所述的磁场结构，其特征在于，该容纳孔以垂直于该待测元件的方向而设于该两个磁极的其中一者中，以使该容纳孔的一端外露于该两个磁极的该其中一者，该容纳孔的另一端密封。

5.如权利要求2所述的磁场结构，其特征在于，该容纳孔的直径与该容纳孔所在的该磁极所靠近该待测元件的一端的直径之间的比值小于等于0.8。

6.如权利要求5所述的磁场结构，其特征在于，该比值小于等于0.5。

7.如权利要求2所述的磁场结构，其特征在于，该容纳孔为圆柱状、圆锥状、具有至少一段差的多个圆柱状结构或其组合。

8.如权利要求1所述的磁场结构，其特征在于，该两个磁极为圆锥状。

9.如权利要求1所述的磁场结构，其特征在于，该光学定位元件的光轴垂直于该待测元件。

10.如权利要求1所述的磁场结构，其特征在于，该光学定位元件的光轴平行或重叠于该光学定位元件所在的磁极的磁轴。

11.如权利要求1所述的磁场结构，其特征在于，该磁场源为线圈通电流后所产生的电磁场或永久磁石所产生的永磁场。

12.如权利要求1所述的磁场结构，其特征在于，该光学定位元件为显微镜、相机、摄影机、感光耦合装置或互补式金属氧化物半导体装置。