薄膜磁性测试系统

微型MOKE磁性测量仪,利用磁光克尔效应测量磁滞回线，具有速度快、精度高、非接触、无损伤(不需要对样品进行额外加工)等优点，可以获得磁性材料的矫顽力、饱和磁场和剩磁等信息。 设备重量轻、占地面积小、操作简单、测试速度快,可以满足实验室研究及工业生产中各种磁性薄膜材料的快速无损检测,辅助完成磁性材料配方调配、质量抽查和后处理参数探索等工作。

离子辐照磁性精细调控系统Helium-S法国Spin-Ion公司成立于2017年，源自法国研究中心/巴黎-萨克雷大学的知名课题组，在磁性材料的离子束工艺方面有20年的经验，拥有4项和40多篇发表文章。Spin-Ion公司推出的产品——可用于多种磁性研究的离子辐照磁性精细调控系统Helium-S，采用创新的离子束技术，可以通过超紧凑和快速的氦离子束设备控制原子间的位移，使其能够在原子尺度上加工材料，并通过离子束工艺来调控薄膜和异质结构。目前全球已有20多家科研和工业用户以及合作伙伴使用该技术。2020年Spin-Ion公司在国内安装了套Helium – S系统，其有的技术正吸引来自相关科研圈和工业领域越来越多的关注。应用领域：- 磁性随机存储器(MRAM)：自旋转移矩磁性随机存储(STT-MRAM)，自旋轨道矩磁性随机存储(SOT-MRAM)，磁畴壁磁性随机存储(DW-MRAM)等；- 自旋电子学：斯格明子，磁性隧道结，磁传感器等；- 磁学相关：磁性氧化物，多铁性材料；- 其他：薄膜改性，芯片加工，仿神经器件，逻辑器件等。产品特点：- 可通过超紧凑和快速的氦离子束设备控制原子间的位移，通过氦离子辐照可调控磁性薄膜或晶圆的磁学性质。- 可提供能量范围：1-30 keV的He+离子束- 采用创新的电子回旋共振（ECR）离子源- 可对25 mm的试样进行快速的均匀辐照（几分钟）- 超紧凑的设计，节省实验空间- 可与现有的超高真空设备互联基本参数：离子束种类• 氦离子 (He+)• 可能产生的离子 : 氢离子 (H+)能量范围 • 1-30 keV• 分辨率50 eV典型离子通量在10 μA时，1015 离子数 /平方厘米/分钟电流范围1-50 μA (按能量不同)离子束滤波器维恩滤波器离子束扫描• X-Y双轴位移• 扫描区域: 25 mm x 25 mm均匀性• 强度：+/- 1%• 角度：+/- 3°离子束纯度1/10000真空度大10-7 mbar尺寸• 超紧凑设计• 长度1.5 m软件• 可实现离子束参数的全面控制• PLC控制辐照腔可对25mm晶圆进行辐照高温转角选件可控制不同的辐照角度，可加热温度至500°C快速进样室选件（Load lock）和辐照腔集成，可过渡25 mm晶圆大小样品测试数据：调控界面各向异性性质和DMI 低电流诱发的SOT转换获取 控制斯格明子和磁畴壁的动态变化部分用户单位：Beihang University (China)University of California San Diego (USA)University of California Davis (USA)New York University (USA)Georgetown University (USA)Northwestern University (USA)University of Lorraine (France)SPINTEC Grenoble (France)University of Cambridge (UK)University of Manchester (UK)Nanyang Technological University and A*STAR (Singapore)University of Gothenburg (Sweden)Western Digital (USA)IBM (USA)Singulus Technologies (Germany)部分发表文章：• Helium Ions Put Magnetic Skyrmions on the Track, R.Juge & D.Ravelosona & O.Boulle, Nanoletters, 21, 7, 2989–2996, (2021)• Ion irradiation and implantation modifications of magneto-ionically induced exchange bias in Gd/NiCoO, Christopher J. Jensen & Dafiné Ravelosona, Kai Liu, Journal of Magnetism and Magnetic Materials 540, 168479 (2021)• Tailoring interfacial effect in multilayers with Dzyaloshinskii–Moriya interaction by helium ion irradiation, A.Sud & D.Ravelosona &M.Cubukcu, Scientific report 11, 23626 (2021)• Magnetic field frustration of the metal-insulator transition in V2O3, J.Trastoy & D.Ravelosona & Y.Schuller, Physical Review B 101, 245109 (2020)• Controlling magnetism by interface engineering, L Herrera Diez & D Ravelosona, Book Magnetic Nano- and Microwires 2nd Edition, Elsevier (2020)• Reduced spin torque nano-oscillator linewidth using He+ irradiation, S Jiang & D Ravelosona & J Akerman, Appl. Phys. Lett. 116, 072403 (2020)• Spin–orbit torque driven multi-level switching in He+ irradiated W–CoFeB–MgO Hall bars with perpendicular anisotropy, X.Zhao & M.Klaui & W.Zhao & D.Ravelosona, Appl. Phys. Lett 116, 242401 (2020)• Enhancement of the Dzyaloshinskii-Moriya Interaction and domain wall velocity through interface intermixing in Ta/CoFeB/MgO, L Herrera Diez & D Ravelosona, Physical Review B 99, 054431 (2019)• Enhancing domain wall velocity through interface intermixing in W-CoFeB-MgO films with perpendicular anisotropy, X Zhao & W.Zhao & D Ravelosona, Applied Physics Letter 115, 122404 (2019)• Suppression of all-optical switching in He+ irradiated Co/Pt multilayers: influence of the domain-wall energy, M El Hadri & S Mangin & D Ravelosona, J. Phys. D: Appl. Phys. 51, 215004 (2018)• Tuning the magnetodynamic properties of all-perpendicular spin valves using He+ irradiation, Sheng Jiang & D.Ravelosona & J.Akerman, AIP Advances 8, 065309 (2018)• Controlling magnetic domain wall motion in the creep regime in He-irradiated CoFeB/MgO films with perpendicular anisotropy, L.Herrera Diez & D.Ravelosona, Applied Physics Letter 107, 032401 (2015)• Measuring the Magnetic Moment Density in Patterned Ultrathin Ferromagnets with Submicrometer Resolution, T.Hingant & D.Ravelosona & V.Jacques, Physical Review Applied 4, 014003 (2015)• Irradiation-induced tailoring of the magnetism of CoFeB/MgO ultrathin films, T Devolder & D Ravelosona, Journal of Applied Physics 113, 203912 (2013)• Influence of ion irradiation on switching field and switching field distribution in arrays of Co/Pd-based bit pattern media, T Hauet & D Ravelosona, Applied Physics Letters 98, 172506 (2011)• Ferromagnetic resonance study of Co/Pd/Co/Ni multilayers with perpendicular anisotropy irradiated with helium ions, J-M.Beaujour & A.D. Kent & D.Ravelosona &E.Fullerton, Journal of Applied Physics 109, 033917 (2011)• Tailoring magnetism by light-ion irradiation, J Fassbender, D Ravelosona, Y Samson, Journal of Physics D: Applied Physics 37 (2004)• Ordering intermetallic alloys by ion irradiation: A way to tailor magnetic media, H Bernas & D Ravelosona, Physical review letters 91, 077203 (2003)

磁性器件需要在磁场扫描下测试，测试晶圆所花费的时间会增加芯片成本。在晶圆上方以高扫速改变磁场是工业化大批量市场面临的挑战。Hprobe产品的主要目的是通过实现每个器件的快速测试时间，以极高的通量对晶圆在磁场下进行电探测。Hprobe的专有磁场发生器技术使这一目标成为可能。 Hprobe的3D磁场发生器和Hcoil-2T磁场发生器是专利技术，与大规模生产中的晶圆级电子探测要求兼容。独特设计的磁场发生器通过电源供电和空气冷却，不需要复杂的液体冷却。 Hprobe测试设备使用100-300mm自动晶圆探针台。集成了磁场发生器的测试头被置于晶圆探针台上。测试设备与以下自动探针台兼容：TEL (Tokyo Electron Limited)、ACCRETECH、Electroglas。技术原理 Hprobe磁场发生器技术应对了磁性集成电路工业测试的挑战。这些技术的发展目标是产生对场强和角度具有极快扫描速率的高强度磁场。磁场发生器集成到测试设备产品中，专用于高通量运行的磁性器件晶圆级测试。 Hprobe公司的三维磁场发生器和Hcoil-2T磁场发生器均为专利技术，符合批量生产对晶圆级电子探测的要求。独特设计的磁场发生器通过电源供电和空气冷却，不需要复杂的液体冷却。快速：极高的磁扫率，每秒高达10000件样品，实现高通量 测试，并与批量生产的测试时间相匹配。灵活：具有独立可控空间轴的三维磁场，用于垂直和平面磁场的任意组合。强大：单一方向的超高强度磁场，结合极快的扫描速度，可在20微秒内达到2特斯拉。 1、三维磁场发生器：三维磁场发生器能够产生三维磁场，其中每个空间轴可被独立驱动。该发生器具有多种组态，可在特定的1D、2D或3D方向上最大化磁场强度或表面覆盖。磁场的扫描速率在场强和角度上上是可控的，扫描速率可达每秒10000件样品。 2、Hcoil-2T磁场发生器：Hcoil-2T磁场发生器是一种创新性的超紧凑型技术，能够以极快的扫描速度在单一方向产生超强磁场。利用这项技术，可以在不到20微秒的时间内达到±2特斯拉磁场。主要特点平面内和垂直方向的高磁场强度磁场的三维控制场强和角度扫描（旋转场）嵌入式校准传感器自动化测试程序MRAM参数提取软件可用于100至300 mm晶圆与标准探针卡兼容完整并可用户定制的软件，可创建测试序列和自动探测空气冷却测试设备1、测试头：磁场发生器集成在测试头中，后者被安装在自动晶圆探针台上，与单个直流或射频探针和探针卡兼容。2、仪表架：测试设备使用高端控制和传感设备。测试设备的仪器组态可以按照用户需求而配置。3、磁场校准套件：磁场发生器配有磁场校准组件，由三维磁传感器和自动定位系统组成，用于在与被测设备完全相同的位置校准磁场。4、软件：带图形用户界面GUI（graphical user interface）的软件，用于磁场的生成、校准，以及MRAM和磁传感器的自动化电测量。软件还包括晶圆厂自动化和生产控制功能。IBEX平台（用于MRAM测试） IBEX平台与200毫米和300毫米自动晶圆探针台兼容，专用于测试MRAM磁性隧道结，以及基于自旋转移矩（STT-MRAM）、自旋轨道矩（SOT-MRAM）和电压控制（VC-MRAM）技术的位单元。该系统能够在快速可变磁场和超窄脉冲信号下进行高通量测试。1、IBEX-P MRAM参数测试 IBEX-P系统以单通道或多通道配置运行，测试结构中包含过程控制和监控（PCM），因而可用于晶圆验收测试（WAT）时生产产量的统计过程控制（SPC）。 IBEX使用Hprobe的带有图形用户界面的专用一站式软件，既可在研发环节中手动操作，又可在全自动晶圆厂中自动操作。该软件包括专用于MRAM器件的最优化生产测试程序。 该系统采用Hprobe的磁场发生器专利技术，将磁场发生器集成到测试头中，后者安装在晶圆探针台上。 该测试设备由精选高端仪器驱动， 从而以极快的测试时间来表征MRAM磁性隧道结或位单元。涉及的仪器包括Keysight、Tektronix和NI等品牌，并使用Hprobe的专有构架模块集成。2、IBEX-F功能测试 IBEX-F系统专用于测试位阵列和片上系统（SoC）嵌入式MRAM存储器。 测试系统以单点或多点配置运行，用于MRAM阵列的表征和测试。其目的是进行产品开发、验证和鉴定，并转入生产。它还可用于嵌入式MRAM器件的大规模生产环境、，在后端（BEOL）过程中进行芯片探测（CP）的筛选和分级。 该测试设备由精选高端仪器驱动，从而以极快的测试时间来表征MRAM磁隧道结或位单元。涉及的仪器包括Keysight、Tektronix和NI等品牌，并使用Hprobe的专有构架模块集成。关于MRAM 测试 与传统采用电荷存储数据的半导体存储器不同，MRAM（磁阻随机存取存储器）是一种非易失性存储器，使用磁化（例如电子自旋）方向来存储数据位。 与现有的半导体技术相比，MRAM具有许多优点，因为它本质上是非易失性的（例如，当电源切断时能够保存数据），同时还表现出非常好的耐久性（例如读/写周期数）和较低的运行功率。最新一代的MRAM为pSTT-MRAM（垂直自旋转移矩随机存取存储器），已被业界选择取代28/22nm以下技术节点的嵌入式闪存，目前各大半导体代工厂均可提供该产品。1）MRAM设备是如何发展的？ 第一代MRAM基于所谓的嵌套型（toggle）技术，即通过内部磁场写入数据（例如磁化翻转）。Toggle-MRAM至今仍然非常成功，但是它耗电量大，且工艺尺寸很难 减小。之后几代MRAM器件开始使用另一种称为自旋转移矩（STT）MRAM的方法。STT-MRAM使用自旋极化电流写入数据。这种方法的优点是提供较低和可调节的翻转电流，从而开发出更高密度的存储器产品。2）MRAM的应用有哪些？ 把pSTT-MRAM首选为先进技术节点的嵌入式非易失性存储器（eNVM），业界对此充满兴趣，并已被一级半导体代工厂的生产计划所证实。STT MRAM现在已可被批量生产，以满足多样化的应用领域，如工业、汽车、物联网、移动、人工智能以及计算和存储。3）MRAM的未来是什么？ 虽然STT MRAM目前是NVM技术的主流，但全球的研究人员已经在研究下一代的产品即SOT-MRAM（自旋轨道矩MRAM）。通过同时实现STT无法做到的无限耐久性和高速性，SOT可以把MRAM的应用拓展到高速缓存中。SOT-MRAM有可能成为一种通用的嵌入式存储器，同时取代微控制器、微处理器和片上系统中的嵌入式NVM和/或嵌入式SRAM。4）MRAM市场预测前景如何？ 根据Objective Analysis and Coughlin Associates于2020年5月发布的一份报告，到2030年，新兴存储市场将达到360亿美元。取代多种现有技术将在很大程度上推动这一惊人的增长，，如取代微控制器、处理器和ASIC中的嵌入式NOR闪存和SRAM模块，以及专业的独立DRAM内存芯片。此外，存储行业向新兴内存技术的转移将促使资本设备支出的稳步增长，相应的制造设备收入将达到6.96亿美元。5）Hprobe对MRAM的成功有何贡献？ 高通量、高可靠性的后端（BEOL）制造设备的可用性是新半导体技术出现的关键。作为一家在MRAM领域拥有独特专业知识的自动测试设备（ATE）供应商，Hprobe为IC制造商提供了一站式解决方案，将加速MRAM产品的开发，确保产品的成功升级。 测试时间是生产中的关键性能指标，也是缩短开发时间的重要附加值。 为STT-MRAM技术 构建最优化的晶圆测试设备，使其具有最大的灵活性和最短的测试时间，可在MRAM开发阶段带来巨大的价值，并可缩短向大批量制造（HVM）升级的时间。Hprobe的方案可解决 对灵活性和产品性能的需求冲突，进而在从技术发布到生产控制和监控的漫长道路上为工程师提供帮助。6）Hprobe产品如何运行？ 本质上，MRAM要求在外加磁场的同时对晶圆进行电测试。此外，探测必须用高频硬件完成，该硬件提供MRAM器件工作时的超窄时域电压/电流脉冲。 因此，晶圆级参数测试通过以下方式完成：扫描器件上方的磁场（垂直和/或平面），同时通过直流电流测量器件电阻。这样可以得到磁滞回线，它反映了存储单元从一种状态切换到另一种状态并保留存储信息的能力。垂直磁场必须高达5000 奥斯特（5特斯拉），以切换器件中的两个不同磁性层。向器件施加超窄（低至300ps， 强度高 至5V）脉冲信号，以复制芯片上的读写操作，并表征其可靠性（击穿电压）。 一旦晶圆制造结束并且芯片制造完成，器件测试就需要在外部磁场下进行，以表征MRAM模块在与环境相关的磁场干扰下工作的抗干扰性。这种测试可以在切割之前的晶圆级或封装芯片级完成。在这两种情况下，都需要在自动化测试设备上施加三维磁场。LINX 平台（用于传感器测试） LINX平台与200mm和300mm自动晶圆探针台兼容，用于测试基于xMR（磁阻）和霍尔效应技术的磁性传感器。该系统能够在静态和快速变化的磁场下进行测试，磁场在空间任何方向可控。LINX-1–磁性传感器测试仪 LINX-1测试仪专用于磁性传感器芯片的晶圆级分选。 该产品使用Hprobes的带有图形用户界面的专用一站式软件，以单通道或多通道配置来生成和校准磁场，包括静态或动态模式下优化的磁场生成模式。该系统具有可编程功能，可与用户的测试平台集成。 LINX-1采用Hprobe专有的磁场发生器技术，与3轴自动化测试头集成。它可以使用手动或自动加载的探针卡进行操作。 磁场的产生由高性能仪器驱动，以实现稳定的静态磁场或高扫描率的可变场。 仪器组包括Keysight、Tektronix和NI等品牌，并使用Hprobe的专有构架模块集成。关于传感器测试 磁性传感器检测由磁铁或电流产生的磁场和地磁场的强度。它们将磁场或磁编码信息转换成电信号，供电子电路处理。 磁性传感器正变得越来越流行，因为它们可以用于多种应用场合，如传感位置、速度或运动方向。磁性传感器有以下几种类型：霍尔效应传感器 霍尔效应传感器 由半导体衬底上的条形载流导体构成，当置于磁通量中时，通过霍尔效应产生垂直于电流方向的电压。霍尔效应传感器被广泛应用于汽车和工业领域。AMR传感器 各向异性磁阻（AMR）传感器由条形或带状磁性各向异性材料组成，其等效电阻与磁化方向和导电方向的夹角有关。与其他磁电阻传感器相比，AMR传感器具有相对较低的磁电阻（MR）率。它们被用于工业、商业和空间技术，作为位移或角度传感器以及地磁场传感器。GMR传感器 巨磁阻（GMR）传感器具有三明治结构，由被界面导电层隔开的磁性薄膜组成。该传感器有两种电阻状态：当两个磁性层磁化方向平行时，器件为低阻态；而当两个磁性层磁化方向相反 时，器件为高阻态。GMR传感器是一种温度稳定性好的精密磁场传感器。它们已被广泛应用于硬盘驱动器（HDD）行业以及工业应用中。TMR传感器 隧道磁阻（TMR）传感器由被隧穿势垒层分离的铁磁多层膜组成。TMR器件的电阻与两铁磁层磁化方向的夹角有关。与其 它种类 的磁场传感器相比，TMR传感器具有更好的信噪比、前所未有的精度、 以及极低的功耗。TMR传感器在温度和寿命方面具有可靠稳定的性能。因此，TMR传感器在要求苛刻的应用中是首选。1）磁性传感器市场和应用有哪些？ 磁性传感器的应用范围很广泛，包括汽车、消费类电子产品、电子医疗系统、电信、工业过程控制等。以往它们被用作罗盘来探测地球磁场，现在被用于多种环境中，用来探测位移、旋转或测量角度。2）磁性传感器的未来发展是什么？ 磁性传感器在很多行业中有大量应用，包括 新型导航设备、 人员侦测（楼宇自动化相关应用）、医疗领域、汽车行业、机器人技术和工厂自动化，这些正引领全球磁性传感器市场的范式转变。全球对物联网、消费电子产品、电动汽车和混合动力汽车、以及高质量传感设备的需求日益增加，正在影响磁性传感器在几个终端用户行业的应用。由于工业0的影响，工厂自动化采用机器人技术的情况越来越多，推动了全球市场在各种安全应用领域对磁性传感器的需求。服务业的发展以及数据中心和云供应商的高速增长，进一步增加了对这些传感器的需求。汽车行业对磁性传感器的需求预计将会增加。传感装置越来越多地被运用于此行业，以提高车辆的便利性和燃油效率。此外，政府机构的强制性规定，如在汽车中安装安全设备和传感元件，预计也会为磁性传感器的发展创造重要机遇。3）磁性传感器市场预测如何？ 根据市场预测，2019年全球磁传感器市场估价为22.83亿美元。预计2020年将达到32.58亿美元，2025年将达到120亿美元，2020-2025年复合年增长率为51%。4）Hprobe对磁性传感器的成功有何贡献？ 作为一家拥有专利技术的自动测试设备（ATE）供应商，Hprobe为IC制造商提供了一站式解决方案，将加速磁性传感器产品的开发，确保成功升级。 测试时间是生产中的关键性能指标，也是缩短开发时间的重要附加值。打造专用于传感器技术和产品晶圆测试的最佳测试设备，使其具有最大的灵活性和最短的测试时间，将在开发阶段带来巨大的价值，并可大大缩短大批量制造（HVM）的上市时间（TTM）。Hprobe的解决方案满足了对灵活性和性能的需求，从而在从技术发布到生产控制和监控的漫长道路上为工程师提供支持。5）Hprobe产品如何运行？ 传感器测量磁场以提取位置、角度、强度和磁场方向的信息。测量得到传感对象运动或电流方向的数据。为了验证芯片产品的最终应用，测试是在晶圆层面上进行的，在改变晶圆上方磁场的同时进行电探测。 晶圆级测试通过以下步骤完成：在空间1D、2D或3D的任何方向施加能够快速稳定的静态磁场，并测量传感器的输出电响应。施加快速扫描场强或角度的可变磁场，以高通量分拣产品，在限制测试成本的同时，实现晶圆上的完全测试覆盖。 关于Hprobe 法国Hprobe公司成立于2017年，总部位于具有“法国硅谷”的美誉格勒诺布尔，是SPINTEC（全球领先的自旋电子学研究实验室之一）的一家衍生公司。 法国Hprobe基于独有的三维磁场发生器等专利技术，致力于为磁性器件和传感器的晶圆级表征和测试提供系统解决方案。目前产品提供的服务内容涵盖磁技术开发所有阶段，能针对性的为MRAM（STT、SOT、VCMA）和磁性传感器（TMR、GMR等）进行表征和测试提供专用设备和服务。 依托投资方的自身优势，普瑞亿科半导体事业部聚焦国内半导体产业工艺发展，与Hprobe协力打造国内领先的晶圆级表征和测试系统解决方案，致力于为中国半导体行业客户提供研究级和生产级的MRAM和磁检测解决方案和服务支持。