基于SERF原子磁力仪的PN结二维矢量磁扫描探测系统

技术领域

本发明涉及半导体无损检测领域，尤其涉及基于SERF原子磁力仪的PN结二维矢量磁扫描探测系统。

背景技术

原子磁力仪作为一种灵敏度很高的磁力仪被广泛应用于极弱磁场的检测领域中，用极弱的光作为激励照射到PN结面板表面，产生载流子电流，该电流产生的磁场强度极弱在pT量级，传统的磁传感器的探测灵敏度有限，无法进行检测，而原子磁力仪的探测灵敏度可以达到fT量级，能够得到高精度的光伏PN结面板整个平面的磁场分布。

关于PN结面板的磁场分布检测可能通过磁场的分布，得到PN结面板的光伏性能，通过扫描可以评估光伏PN结面板质量和面缺陷，能够作为光伏PN结面板产品设计和制造工艺环节的重要优化依据。目前，企业研发和质量检测部门对光伏面板产品的电磁学特性检测可以概括为整体的集总参数测试和单点测试两种方法。二者皆难以直接体现光伏面板产品的整体磁场分布特征和内部缺陷信息，难以满足蓬勃发展的光伏产业市场需求。光伏检测行业迫切需要高效率、高精度、低成本的检测方法，特别是能够将光伏面板内部的磁场分布特征信息以可视化图像展现的新型检测装备和技术。

发明内容

针对现有的半导体无损检测的特点、需求以及空间磁成像测量技术的不足，本发明提供基于SERF原子磁力仪的PN结二维矢量磁扫描探测系统，实现了对半导体材料磁场信息的准确快速采集、磁场数据处理、得到半导体光伏面板磁场分布图像。

本发明采用的技术方案是：基于SERF原子磁力仪的PN结二维矢量磁扫描探测系统，包括无磁自动扫描装置、自动激励信号装置和测量磁场的磁传感器组；

所述无磁自动扫描装置包括提供无磁环境的坡莫合金磁屏蔽桶(101)、设置在坡莫合金磁屏蔽桶(101)内的光伏PN结面板(102)、设置在坡莫合金磁屏蔽桶(101)外的二维步进电机运动模组(107)；

所述二维步进电机运动模组(107)包括X轴直线导轨模组、Y轴直线导轨模组和无磁延长杆(110)，X轴直线导轨模组和Y轴直线导轨模组均包括电机、丝杆和导轨和移动滑台；电机和丝杆一端连接，丝杆与导轨平行，移动滑台螺纹连接在丝杆上，移动滑台下端与导轨滑动连接；所述X轴直线导轨模组连接在Y轴直线导轨模组的移动滑台顶部，X轴直线导轨模组的移动滑台一侧设有无磁延长杆(110)；无磁延长杆(110)的一端与X轴直线导轨模组的移动滑台固定连接，无磁延长杆(110)的另一端沿y轴方向延伸并伸入坡莫合金磁屏蔽桶(101)内与光伏PN结面板(102)的侧面固定连接，光伏PN结面板(102)能在X轴直线导轨模组和Y轴直线导轨模组的带动下沿x轴和y轴方向移动；

所述磁传感器组包括两个磁传感器和无磁面板，无磁面板位于待光伏PN结面板(102)下方，无磁面板上开设有两个非磁性基板槽；两个磁传感器分别设置在对应的非磁性基板槽内，磁传感器测量待测样品光伏面板(102)在光刺激下各个方向产生的磁场大小，每个磁传感器有三个通道的输出，分别测量X、Y、Z三个方向上的磁场结果，两个磁传感器共六个输出信号；两个磁传感器中，其中一个磁传感器用于实验数据的采集；另外一个磁传感器记录背景磁场，与前一个磁传感器做线性差分，以消除二维步进电机运动模组(107)运动导致坡莫合金磁屏蔽桶(101)内部磁场分布的变化；

所述自动激励信号装置包括激光器、简易函数信号发生器(105)、光开关(106)、无磁光纤(104)、准直器(109)、步进电机控制器(108)和计算机；所述激光器位于坡莫合金磁屏蔽桶(101)外部，激光器连接无磁光纤(104)，无磁光纤(104)的另一端进入坡莫合金磁屏蔽桶(101)内连接有准直器(109)，准直器(109)位于光伏PN结面板(102)上方；激光器发出的激光束经过准直器(109)后垂直入射至光伏PN结面板(102)上的待测样品表面，在有光源的条件下使光伏PN结面板(102)产生磁场；

所述无磁光纤(104)上且位于坡莫合金磁屏蔽桶(101)外部的位置设有光开关(106)，光开关(106)通过简易函数信号发生器(105)与计算机相连，光开关(106)在计算机的控制下产生开-关-开-关的信号，以及与其信号对齐的简易函数信号发生器(105)产生的方波信号，便于后续数据处理；

所述计算机的信号输出端与步进电机控制器(108)的信号接收端相连，步进电机控制器(108)的信号输出端与二维步进电机运动模组(107)的电机相连，计算机控制二维步进电机运动模组(107)在平面空间的两个方向上运动，进而带动设置在光伏PN结面板(102)上的待测样品的移动，实现对整个待测样品磁场分布的扫描测量；所述两个磁传感器的信号输出端与计算机的信号输入端相连，磁传感器将测量的磁场数据传输至计算机，计算机处理得到待测样品的平面磁场图像分布。

进一步，两个磁传感器做线性差分，测量过程中，准直器和两个传感器位置固定不动，光伏PN结面板(102)移动，带动待测样品在磁传感器上方移动，每次移动测量出待测样品不同位置的磁场大小。

进一步，两个磁传感器做线性差分，测量过程中，两个传感器位置固定不动，将光源入射至待测样品表面；使光源与待测样品一起移动，实现二维扫描。

本发明的有益效果是：

(1)本发明基于SERF原子磁力仪的PN结二维矢量磁扫描探测系统装置，区别于传统目测、光学成像、电化学反应等检测手段，该发明解决了在磁屏蔽条件下无法移动待测样品，测量结果受外界磁场影响较大，无法准确获得待测样品的整个磁场分布的问题。通过在磁屏蔽环境下准确获得待测样品的磁场分布，进而表征出待测样品磁场特征和内部缺陷等信息，并准确定位到待测样品的某一具体位置，对生产更高效率的半导体器件具有指导意义。

(2)本发明基于SERF原子磁力仪的PN结二维矢量磁扫描探测系统装置，相比传统磁强计磁力仪磁场检测方法来说，仅耗时长且检测效率与精度均很低，而本发明使用的SERF原子磁力仪具有集成化、自动化、灵敏度高等优点。此外传统测量过程受外界磁场影响较大，最终对于磁信息的获取与实际差别很大，此方法在克服以上缺点的同时，可以连续、准确、多次并在极短的时间内测量待测样品的整体磁场分布，最终可以将磁信息以图像的形式展现。

(3)本发明基于SERF原子磁力仪的PN结二维矢量磁扫描探测系统装置的实现将较为抽象的待测样品磁场分布以可视化的图像形式呈现，将复杂的磁场信息，通过连续自动化测量的方式转换为图像信息，借助磁场图像可以直观地辨别待测样品的缺陷信息，进而可以指导生产工艺，对于该方法的测量为测量磁性材料的整体磁场分布提供了新的研究手段。

附图说明

图1是本发明的结构示意图。

图2是位置示意板的结构示意图。

图3是二维步进电机运动模组的结构示意图。

具体实施方式

下面将结合附图对本发明专利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。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做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。

在本发明的描述中，需要说明的是，如出现术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，如出现术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，如出现术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，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。

参照附图，基于SERF原子磁力仪的PN结二维矢量磁扫描探测系统，包括无磁自动扫描装置、自动激励信号装置和测量磁场的磁传感器组；

所述无磁自动扫描装置包括提供无磁环境的四层坡莫合金磁屏蔽桶101、设置在坡莫合金磁屏蔽桶101内的光伏PN结面板102、设置在坡莫合金磁屏蔽桶101外的二维步进电机运动模组107；

所述二维步进电机运动模组107包括X轴直线导轨模组、Y轴直线导轨模组和无磁延长杆110，X轴直线导轨模组和Y轴直线导轨模组均包括电机、丝杆和导轨和移动滑台；电机和丝杆一端连接，丝杆与导轨平行，移动滑台螺纹连接在丝杆上，移动滑台下端与导轨滑动连接；所述X轴直线导轨模组连接在Y轴直线导轨模组的移动滑台顶部，X轴直线导轨模组的移动滑台一侧设有无磁延长杆110；无磁延长杆110的一端与X轴直线导轨模组的移动滑台固定连接，无磁延长杆110的另一端沿y轴方向延伸并伸入坡莫合金磁屏蔽桶101内与光伏PN结面板102的侧面固定连接，光伏PN结面板102能在X轴直线导轨模组和Y轴直线导轨模组的带动下沿x轴和y轴方向移动；

所述磁传感器组包括两个磁传感器和无磁面板，无磁面板位于待光伏PN结面板102下方，无磁面板上开设有两个非磁性基板槽；两个磁传感器分别设置在对应的非磁性基板槽内，磁传感器测量待测样品光伏面板102在光刺激下各个方向产生的磁场大小，每个磁传感器有三个通道的输出，分别测量X、Y、Z三个方向上的磁场结果，两个磁传感器共六个输出信号；两个磁传感器中，其中一个磁传感器用于实验数据的采集；另外一个磁传感器记录背景磁场，与前一个磁传感器做线性差分，以消除二维步进电机运动模组107运动中中产生的抖动导致坡莫合金磁屏蔽桶101内部磁场分布的变化和外界磁场；

所述自动激励信号装置包括激光器、简易函数信号发生器105、光开关106、无磁光纤104、准直器109、步进电机控制器108和计算机；所述激光器位于坡莫合金磁屏蔽桶101外部，激光器连接无磁光纤104，无磁光纤104的另一端进入坡莫合金磁屏蔽桶101内连接有准直器109，准直器109位于光伏PN结面板102上方；激光器发出的激光束经过准直器109后垂直入射至光伏PN结面板102上的待测样品表面，在有光源的条件下使光伏PN结面板102产生磁场；

所述无磁光纤104上且位于坡莫合金磁屏蔽桶101外部的位置设有光开关106，光开关106通过简易函数信号发生器105与计算机相连，光开关106在计算机的控制下产生开-关-开-关的信号，以及与其信号对齐的简易函数信号发生器105产生的方波信号，便于后续数据处理；

所述计算机的信号输出端与步进电机控制器108的信号接收端相连，步进电机控制器108的信号输出端与二维步进电机运动模组107的电机相连，计算机控制二维步进电机运动模组107在平面空间的两个方向上运动，进而带动设置在光伏PN结面板102上的待测样品的移动，实现对整个待测样品磁场分布的扫描测量；所述两个磁传感器的信号输出端与计算机的信号输入端相连，磁传感器将测量的磁场数据传输至计算机，计算机处理得到待测样品的平面磁场图像分布。

本发明的实施例中，磁传感器即SERF原子磁力仪，所述的原子磁力仪具体是指无自旋交换弛豫(SERF)原子磁力仪，该类型原子磁力仪三轴灵敏度可达fT量级，可以提供精准的微弱磁场探测。

本发明的实施例中，由计算机控制的光开关与简易函数信号发生器，分别产生开关信号和方波信号，一个控制激励光的开关，一个用于对齐开关信号，并调整不同的占空比，方便后续的算法做相应的数据处理。

本发明的实施例中，还包括如图2所示的位置示意板，位置示意板位于磁传感器103的下方，位置示意板上设有磁传感器位置标识槽201和光伏PN结面板位置标识槽202，一方面是固定传感器位置，因为要多次测量，保持传感器位置不动，另一方面中间方型的大小和待测面板大小相同，以便在测试过程中知道测量到光伏面板的那个位置。该磁屏蔽环境下基于SERF原子磁力仪检测PN结待测样品局部受光刺激时引起磁场分布的矢量磁场成像装置，固定的两个传感器做线性差分，本发明涉及到两种二维扫描的方法：方法一固定好光源和磁传感器不动，光伏PN结面板移动，每次移动测量出光伏PN结面板不同位置的磁场大小；方法二磁传感器不动，将光源入射到待测样品表面，使待测样品和光源一起移动，测量出的磁场数据经软件处理，最终得出光伏面板的磁场分布图。两种方法均可得出整个待测样品的磁场分布图。

该磁屏蔽环境下SERF原子磁力仪检测PN结待测局部受光刺激时引起磁场分布的矢量磁场成像装置，由上位机控制的步进电机直线运动模组带动延伸杆的运动，进而控制位于延伸杆上的待测样品的空间移动，由此可以测量出整个待测样品的磁场分布。

本说明书实施例所述的内容仅仅是对发明构思的实现形式的列举，本发明的保护范围不应当被视为仅限于实施例所陈述的具体形式，本发明的保护范围也及于本领域技术人员根据本发明构思所能够想到的等同技术手段。