用于半导体样品的测试装置、测试系统及其测试方法

技术领域

本发明涉及一种用于半导体样品的测试装置、测试系统及用于该测试系统的测试方法。具体而言，本发明还涉及一种在温度变化的情况下自动测试硅片的测试装置、测试系统及其测试方法。

背景技术

随着量子计算、深空探测等前沿领域的发展，对于电子器件在极端温度的使用环境适应性要求不断提升。鉴于宇宙深空的微波背景辐射的温度是2.73K，量子计算机的工作温度通常更低，因而要求在这些应用场景下使用的诸如存储器件的电子器件能够在超低温范围内，特别是液氦温区(4.2K左右)进行测试，使得它们能够用于前述特定的应用领域中。

发明内容

本公开至少一实施例提供一种用于半导体样品的测试装置，该测试装置包括：样品室，该样品室包括：包括承载面的样品台，承载面配置为承载样品器件；接触探头，该接触探头配置为可移动地接触承载在承载面上的样品器件；和壳体，该壳体将样品台和接触探头容纳在内部；环境调节单元，与样品室连接，并配置为调节样品室内的环境，该环境调节单元包括用于无流体地调节样品器件温度的干式温度调节单元；以及控制器，与接触探头信号连接，并配置为控制接触探头移动至与样品器件接触。

本公开至少一实施例还提供一种测试系统，该测试系统包括前述测试装置；以及测试仪器，配置为与接触探头信号连接，并且在接触探头与样品器件接触的情况下从接触探头获得指示样品器件的特性的测试信号并基于测试信号确定样品器件的特性。

本公开至少一实施例还提供一种用于前述测试系统的测试方法，该测试方法包括：在样品台的承载面上提供样品器件；调节样品室内的环境参数；以及通过控制器控制接触探头移动至与样品器件上的指定位置接触。

附图说明

为了更清楚地说明本公开实施例的技术方案，下面将对实施例的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅涉及本公开的一些实施例，而非对本公开的限制。

图1A示出了本公开至少一实施例提供的一种测试装置的框图；

图1B示出了图1A的测试装置中的样品室的示意图；

图2示出了本公开至少一实施例提供的另一种测试装置的框图；

图3示出了本公开至少一实施例提供的测试装置中的一种样品室的示意图；

图4示出了本公开至少一实施例提供的测试装置中的另一种样品室的示意图；

图5示出了本公开至少一实施例提供的测试装置中的又一种样品室的示意图；

图6A示出了本公开至少一实施例提供的测试装置中的再一种样品室的示意图；

图6B以相对于图6A俯视的角度示出了本公开至少一实施例提供的测试装置中的再一种样品室的示意图；

图7示出了本公开至少一实施例提供的又一个测试装置的示意图；

图8示出了本公开至少一实施例提供的一种测试系统的框图；

图9示出了本公开至少一具体实施例提供的一种测试系统的示意图；

图10示出了本公开至少一具体实施例提供的测试系统中的样品室的示意图；

图11示出了用于本公开至少一具体实施例提供的测试系统的测试方法的流程图；

图12示出了本公开至少一实施例提供的一种测试方法的流程图；

图13示出了本公开至少一实施例提供的一种调节样品室内环境参数方法的流程图；

图14示出了本公开至少一实施例提供的另一种测试方法的流程图；

图15示出了本公开至少一实施例提供的移动接触探头方法的流程图；以及

图16示出了本公开至少一实施例提供的确定接触探头接触状态的方法的流程图。

具体实施方式

为使本公开实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本公开实施例的附图，对本公开实施例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公开的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于所描述的本公开的实施例，本领域普通技术人员在无需创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本公开保护的范围。

除非另外定义，本公开使用的技术术语或者科学术语应当为本公开所属领域内具有一般技能的人士所理解的通常意义。本公开中使用的“第一”、“第二”以及类似的词语并不表示任何顺序、数量或者重要性，而只是用来区分不同的组成部分。同样，“一个”、“一”或者“该”等类似词语也不表示数量限制，而是表示存在至少一个。“包括”或者“包含”等类似的词语意指出现该词前面的元件或者物件涵盖出现在该词后面列举的元件或者物件及其等同，而不排除其他元件或者物件。“耦接”、“连接”或者“相连”等类似的词语并非限定于物理的或者机械的连接，而是可以包括电性的连接，不管是直接的还是间接的。“上”、“下”、“左”、“右”等仅用于表示相对位置关系，当被描述对象的绝对位置改变后，则该相对位置关系也可能相应地改变。

阻变存储器作为近年来新发展的新型存储器，已经广泛应用在嵌入式系统、神经网络芯片等领域中。与传统非易失性存储器相比，阻变存储器对超低温环境的兼容性具有显著的优势。然而，对于阻变存储器(以及通用的各类存储器)的测试设备的测试温度通常还局限在-60～200℃范围内，这些测试设备只能满足针对普通环境的可靠性和耐久性等测试，而无法进行超低温度范围内的测试。

此外，目前商用的测试系统通常采用插杆式的样品室设计，即在插杆头部承载样品，并且可以调节样品区域的温度以进行测试。但是这类测试系统可能存在以下问题：

(1)样品区的面积太小。样品区的尺寸无法放置完整的硅片(wafer)，使得必须将硅片切割之后才能执行测试。具体地，能够容纳的器件尺寸通常不超过2cm×2cm，这远小于通常的完整硅片尺寸，其中硅片的直径为8英寸(≈20.3cm)、12英寸(≈30.5cm)等。

(2)无法原位更换器件测量。在商用的测试系统的测量过程中可能需要通过超声键合机进行固定的接线，在测试环境受控制地改变之后不可能更换样品执行测量。

(3)输入输出接口的数量有限，通常仅有十余个接口，无法满足存储器阵列的测量需求。

(4)缺少光学观测通道。在样品后，器件被封闭在样品室中，无法实时观察样品表面情况；

(5)对半导体测试设备的兼容性较差。例如半导体测试设备的接口均为三同轴(Triaxial)电缆，而商用的测试系统通常只支持普通同轴(coaxial)电缆或普通双绞线。

目前商用的测试系统的上述问题致使阻变存储器的硅片级测量变得愈加困难，特别是对于超低温的研发测试造成了较大困难。

本公开至少一实施例提供一种用于半导体样品的测试装置，该测试装置包括：样品室，该样品室包括：包括承载面的样品台，承载面配置为承载样品器件；接触探头，该接触探头配置为可移动地接触承载在承载面上的样品器件；和壳体，该壳体将样品台和接触探头容纳在内部；环境调节单元，与样品室连接，并配置为调节样品室内的环境，该环境调节单元包括用于无流体地调节样品器件温度的干式温度调节单元；以及控制器，与接触探头信号连接，并配置为控制接触探头移动至与样品器件接触。

本公开至少一实施例还提供一种测试系统。

本公开至少一实施例还提供一种用于前述测试系统的测试方法。

本公开上述实施例提供的测试装置还可以包括在测试系统中，并且可以用于在受控制地改变样品环境的情况下自动测试诸如阻变存储器的电子器件的测试方法。另外，在本公开上述实施例提供的测试装置，能够满足在高低温(4K～500K)范围内在硅片级别对诸如阻变存储器的器件及器件阵列的进行直接测试，并且保持硅片的完整性。同时，在改变样品温度的方面，该测试装置能够避免使用液氦、液氮等低温流体对样品区进行降温，而且避免在长时间测量的情况下需要定时补充低温流体。替代地，该测试装置使用干式温度调节单元，特别是干式制冷单元能够实现低于液氦温区的温度区间，从而在受控制地改变环境参数的情况下实现对完整硅片进行长时间的测试，以便补偿在环境参数改变时产生的位置位移，例如温度漂移。

在本公开的一些实施例中，该测试装置还可以实现对大尺寸的完整晶圆进行高低温进行电学测试。利用干式温度调节单元作为主要制冷或升温方式可以实现长时间的测量，同时补偿在高低温范围变化时产生的温度漂移。

下面结合附图对本公开的实施例及其示例进行详细说明。除非特别说明，附图中相同的附图标记表示相同的组件、部件或元件。

图1A示出了本公开至少一实施例提供的一种测试装置1000的框图，并且图1B示出了图1A所示的测试装置1000中的样品室1200的示意图。

例如，在一些示例中，参见图1A，一种用于测试样品器件1100的测试装置1000可以包括样品室1200、环境调节单元1300和控制器1400，用于对样品器件1100进行测试。

例如，样品室1200可以包括样品台1220、接触探头1240和壳体1260。例如，在一些示例中，样品台1220可以包括承载面1222，该承载面可以配置为承载样品器件1100，如图1B所示。优选地，样品器件1100可以包括硅片上的裸芯(die)，诸如阻变存储器、阻变存储器阵列等。例如，阻变存储器可以选自包括基于以下阻变物理机制的非易失性存储器：纳米机械记忆、分子阻变、静电/电子记忆、电化学金属化记忆、价变记忆、热化学记忆、相变记忆、磁阻记忆、铁电隧穿或其他引起阻变的物理机制。例如，在一些示例中，该承载面1222的面积可以不小于完整硅片的尺寸，例如不小于4英寸、8英寸或12英寸。例如，在一些示例中，接触探头1240可以配置为可移动地接触承载在承载面1222上的样品器件1100。在一些示例中，接触探头1240可以选自探针和/或探卡等，以用于直接接触样品器件1100进行测试。例如，在一些示例中，探卡可以包括多个输入输出接口，其中输入输出接口的数目多于二十，特别是多于一百个，甚至更多。例如，在一些示例中，壳体1260可以将样品台1220和接触探头1240容纳在内部。在一些示例中，壳体1260的材料可以具有较小热导率，并且可以由以下材料中的至少一者构成：304不锈钢、碳纤维等。优选地，壳体的结构可以以空心管材等方式布置，以便减小支撑结构的截面积，从而降低高温区和低温区间的总热传导能力以实现隔绝热传导的效果。

例如，在一些示例中，环境调节单元1300可以与样品室1200连接，并且可以配置为调节样品室1200内的环境。例如，样品室1200内的可调节的环境包括但不限于，温度、湿度、气体浓度、真空度、气体压强、磁场或电场等，以便测试装置1000在前述环境参数中的一个或多个发生改变或设置成预定值或预定范围的情况下对样品器件1100进行测试，从而得到这些环境参数与样品器件1100的诸如电学、光学、磁学、声学等物理性质之间的关系。例如，在一些示例中，环境调节单元1300可以包括用于无流体地调节样品器件1100温度的干式温度调节单元1320。在此，术语“无流体”应理解为不使用流体。而且测试装置的布置由于采用无流体的设计，因而不需要流体管道，而且可以避免使样品器件1100和接触探头1240完全或部分地浸没在诸如低温流体的流体中。另外，干式温度调节单元1320的具体布置可以参考下面的具体描述，在此不再赘述。

例如，在一些示例中，控制器1400可以与接触探头1240信号连接，并且可以配置为控制接触探头1240移动至与样品器件1100接触。例如，在一些示例中，控制器1400还可以配置为控制环境调节单元1300以调节样品室1200的环境。可选地，控制器1400还可以配置为控制干式温度调节单元1320以调节样品室1200的温度。控制器1400可以通过控制环境调节单元1300控制接触探头1240的移动，以实现在环境改变的情况下自动控制接触探头1240移动来对样品器件1100进行测量。

例如，在一些示例中，控制器1400还可以配置为具有计算功能的任何电子设备，例如可以为智能电话、膝上型计算机、平板计算机、桌上型计算机、网络服务器等，以自动地控制接触探头1240、环境调节单元1300、干式温度调节单元1320，以及后文中提及的气体操作装置、图像获取单元、驱动器和测试仪器，本公开的实施例对控制器的具体实现形式不作限制。例如，该电子设备可以包括FPGA处理器、ARM处理器、GPA处理器、中央处理单元(CentralProcessing Unit，CPU)或图形处理单元(Graphics Processing Unit，GPU)、数字信号处理器(DSP)等具有数据处理能力和/或指令执行能力的其它形式的处理单元、存储单元等，该电子设备上还安装有操作系统、应用程序编程接口(例如，OpenGL(Open GraphicsLibrary)、Metal等)等。该控制器的软件程序可以借助于诸如LABVIEW软件以实现对测试装置中各个组件的控制。可选地，软件程序还可以使用诸如Python、C++或C#等其他编程语言来实现，或者其它支持所用的测试装置1000以及支持其它支持IEEE 488.2协议的通讯接口协议的编程语言。

图2示出了本公开至少一实施例提供的另一种测试装置1000的框图。例如，图2所示的测试装置1000中的样品器件1100、样品室1200、环境调节单元1300、干式温度调节单元1320和控制器1400与图1A所示的具有相同附图标记的对应组件实质上相同，在此不再赘述。

在如图2所示的测试装置1000中，环境调节单元1300还包括气体操作装置1340。例如，在一些示例中，气体操作装置1340可以包括气体通道1342，并配置为通过气体通道1342向样品室1200内吹送气体或从样品室1200吸取气体。例如，在一些示例中，气体操作装置1340可以还可以包括抽真空单元。优选地，抽真空单元可以包括机械泵和分子泵的组，并借助于其可以实现的真空度大于或等于1×10

下面结合图3至图6A描述本公开至少一实施例提供的测试装置1000中的各种样品室的示意图。为了简洁起见，图3至图6A的各种样品室省略了包括在图1A和图1B中的样品器件1100、接触探头1240、控制器1400、环境调节单元1300、和/或包括在图2中的气体操作装置1340和气体通道1342。

图3示出了本公开至少一实施例提供的测试装置1000中的一种样品室1200的示意图。例如图3所示的样品台1220、壳体1260、干式温度调节单元1320与图1A和图1B所示的具有相同附图标记的对应组件实质上相同，在此不再赘述。

例如，在一些示例中，如图3所示的测试装置1000中，干式控温调节单元1320包括第一制冷单元1322。例如，第一制冷单元1322与第一防辐射屏1262连接。例如，第一制冷单元1322可以生成的温度小于或等于100K，特别是小于或等于50K，特别是小于或等于30K、甚至更低。例如，在一些示例中，第一防辐射屏1262可以将样品台1220和接触探头1240(未示出)容纳在内部，并被容纳在壳体1260内。例如，在一些示例中，第一防辐射屏1262可以包括防辐射屏以抑制热辐射，使得能够将由第一制冷单元1322生成的温度维持极长时间，例如数天甚至数周的测试时长。

图4示出了本公开至少一实施例提供的测试装置1000中的另一种样品室1200的示意图。例如图4所示的样品台1220、壳体1260、干式温度调节单元1320、第一制冷单元1322和第一防辐射屏1262与图3所示的具有相同附图标记的对应组件实质上相同，在此不再赘述。

例如，在一些示例中，所述干式控温调节单元1320还可以包括第二制冷单元1324。例如，第二制冷单元1324可以与第二防辐射屏1264连接。例如，在一些示例中，第二防辐射屏1264可以将样品台1200和接触探头1240(未示出)容纳在内部，并可以被容纳在第一防辐射屏1264内，并且由第二制冷单元1324生成的温度低于由第一制冷单元1322生成的温度。例如，由第二制冷单元1344生成的温度可以小于或等于10K，特别是可以小于或等于4.2K，特别是可以小于或等于2K，甚至更低。由于第二制冷单元1324生成比第一制冷单元1322更低的温度，使得仅有第一防辐射屏1262难以抑制更低温区的热辐射，而且也无法长时间维持由第二制冷单元1324生成的温度。因此需要增设第二防辐射屏1264。通过第二防辐射屏1264可以实现在温度降低至极限低温的情况下进一步抑制热辐射，有助于实现长时间将样品器件1100在该极限温度下进行测试。

图5示出了本公开至少一实施例提供的测试装置1000中的又一种样品室1200的示意图。例如，图5所示的样品台1220、壳体1260、干式温度调节单元1320、第一制冷单元1322、第一防辐射屏1262、第二制冷单元1324、第一防辐射屏1262和第二防辐射屏1264与图4所示的具有相同附图标记的对应组件实质上相同，在此不再赘述。

例如，在一些示例中，第一制冷单元1322和第二制冷单元1324可以分别通过柔性金属编织线1266与第一防辐射屏1262和第二防辐射屏1264连接，并且干式控温调节单元1320可以通过波纹管1268与壳体1260连接。例如，在一些示例中，柔性金属编织线可以是用软的纯金属线编织而成的绳，特别是铜辫子。这些柔性金属编织线有助于热传导，并且隔绝了由第一制冷单元1322和第二制冷单元1324造成的机械性振动。优选地，波纹管1268可以是真空波纹管，该真空波纹管可以与空心管材布置的壳体1260一起维持样品室1200的真空状态，又能够大幅降低第一制冷单元1322和第二制冷单元1324的机械性振动向样品室1200传导。

图6A和图6B示出了本公开至少一实施例提供的测试装置1000中的再一种样品室1200的示意图。并且图6B以相对于图6A俯视的角度呈现。例如，图6A所示的样品台1220、壳体1260、干式温度调节单元1320、第一制冷单元1322、第一防辐射屏1262、第二制冷单元1324、第一防辐射屏1262、第二防辐射屏1264、柔性金属编织线1266和波纹管1268与图5所示的具有相同附图标记的对应组件实质上相同，在此不再赘述。

如图6A所示，例如，在一些示例中，壳体1260、第一防辐射屏1262和第二防辐射屏1264中的每一个都可以包括观测部1270，每个观测部1270都可以是至少部分透明的。例如，每个观测部的材料可以由玻璃构成。例如，在一些示例中，每个观测部的材料可以包括红外截止玻璃，特别是该玻璃抑制光的波长范围大于700nm，从而进一步降低或消除红外光的热效应。例如，在一些示例中，壳体1260、第一防辐射屏1262和第二防辐射屏1264中的每一个可以由超高真空(UHV)规格的视窗法兰(Flange)构成，以实现较高的真空效果。

如图6B所示，壳体1260、第一防辐射屏1262和第二防辐射屏1264中包括的各个观测部1270相对于样品台1220的正投影区域可以重叠。如图6B所示，各个观测部1270的正投影区域面积大于样品台1220的面积因而大于硅片1120的面积。另外，样品器件1100作为裸芯(die)可以包括在硅片1120中，通过观测部可以观测到整个硅片1120。借助于包括不同的光学器件，光学检测装置的光学布置可以得到关于整个硅片1120的光学信息。同样地，通过观测部还可以观测到接触探头1240在硅片1120上的位置。在一些示例中，各个观测部1270的正投影区域面积还可以小于硅片1120的面积。在观测部1270的正投影区域的面积小于硅片1120的情况下，样品台1220可以配备有样品台驱动器(也称为第一驱动器，未示出)，以在平行于承载面1222的方向(平面xy)上移动样品台1220以便通过移动样品台1220实现对样品器件1100进行光学检测。较小的观测部有利于避免大面积的红外辐射。在一些示例中，样品驱动器可以是步进电机、伺服电极等。例如，在一些示例中，样品驱动器还可以是压电陶瓷电机，以便能够适应真空、低温及超低温环境。在一些示例中，样品台的实际位移距离可以使用位移传感器进行准确地测量，例如电子尺、电阻尺、光栅尺、磁栅尺等。在一些示例中，样品台驱动器和位移传感器二者可以与控制器信号连接，并配置为由控制器1400控制驱动样品台1220在xy平面上移动然后从位移传感器接收位移的信息以校正样品台的移动距离，最终实现样品台的自动地精确定位。例如，在一些示例中，基于样品驱动器和位移传感器的联合控制，可以实现多达几十厘米的移动范围以及达亚微米量级的移动精度。

图7示出了本公开至少一实施例提供的又一个测试装置1000的示意图。例如，图7所示的样品台1220、壳体1260、干式温度调节单元1320、第一制冷单元1322、第一防辐射屏1262、第二制冷单元1324、第一防辐射屏1262、第二防辐射屏1264、柔性金属编织线1266、波纹管1268、观测部1270与图6A所示的具有相同附图标记的对应组件实质上相同，在此不再赘述。

例如，在一些示例中，测试装置1000还包括图像获取单元1500，其中，图像获取单元1500配置为在样品室1200外部，并配置为通过观测部1270获取样品器件1100的图像。例如，在一些示例中，控制器1400还配置为根据图像获取单元1500获取的样品器件1100的图像以控制接触探头1240移动。在一些示例中，图像获取单元1500可以包括CCD、CMOS或其他光学探测器捕获样品器件1100的图像。图像获取单元1500还可以包括用于辅助成像的光学部件，例如显微镜头、透镜组、光阑等光学元件。

例如，在一些示例中，测试装置1000还可以包括驱动器1600(也称为接触探头驱动器或第二驱动器)，其中，驱动器1600配置为能够驱动接触探头1240在以下方向中至少一个方向上移动：平行于承载面1222(未示出)的方向(即，xy平面)；或垂直于承载面1222的方向(即，z方向)。在一些示例中，驱动器1600可以与控制器1400信号连接，并配置为由控制器1400控制驱动接触探头1240在xy平面和/或z方向上移动。在一些示例中，驱动器1600可以是步进电机、伺服电极。例如，在一些优选的实施例中，驱动器1600可以是具有压电陶瓷电机的XYZ三轴驱动器。例如，在一些示例中，测试装置1000还可以包括位移传感器(未示出)，用于准确地测量接触探头1240的位移距离。在一些示例中，位移传感器可以包括以下中的一个或多个：电子尺、电阻尺、光栅尺和磁栅尺等。在一些示例中，控制器1400配置为从位移传感器接收接触探头1240的位移信息以校正接触探头1240的移动距离，最终实现接触探头1240的自动地精确定位。例如，在一些示例中，基于驱动器1600和位移传感器的联合控制，可以实现移动范围多达几十厘米的移动范围以及多达亚微米量级的移动精度。

例如，在一些示例中，测试装置1000还包括与接触探头1240信号连接的三同轴电缆和/或射频信号接口，用于与下文提及的测试仪器信号连接。使用三同轴电缆或射频信号接口有利于测试装置1000中的接触探头1240与控制器1400和各种测试仪器信号兼容，减少信号损耗，保证了测试信号的稳定通信。

图8示出了本公开至少一实施例提供的一种测试系统2000的框图。图8所示的测试装置1000中的样品器件1100、样品室1200、环境调节单元1300、干式温度调节单元1320、气体操作装置1340、气体通道1342和控制器1400与图2所示的具有相同附图标记的对应组件实质上相同，并且图8所示的图像获取单元1500和驱动器1600与图7所示具有相同附图标记的对应组件实质上相同，在此不再赘述。

例如，图8所示的测试系统2000可以包括前述的测试装置1000以及测试仪器1700。测试仪器1700可以配置为与接触探头1240信号连接，并且在接触探头1240与样品器件1100接触的情况下从接触探头1240获得指示样品器件1100的特性的测试信号并基于测试信号确定样品器件1100的特性。例如，在一些示例中，获得的测试信号可以包括但不限于样品器件1100指定位置上的电阻、电流、电压等。例如，在一些示例中，测试仪器还可以配置为从接触探头1240向样品器件1100写入测试信号。例如，写入的测试信号可以包括但不限于直流电压、脉冲信号等。在一些示例中，该测量系统2000可以按测试需求实现在不同温度条件下根据接触探头1240的信号对样品器件1100进行各项电学性质测量。

下面结合图9和图10详细说明以具体实施例提供的一种测试系统以及在该测试系统中包括的样品室的布置。

图9示出了本公开至少一具体实施例提供的一种测试系统的示意图。如图9所示，测试系统包含真空探针台、控温系统、上位机、测量仪表。

例如，在一些示例中，真空探针台可以包括硅片台、探针或探卡以及壳体。其中，硅片台包括其上承载硅片的承载面。探针或探卡可移动地接触硅片上的裸芯以实现电信号连通。例如，在一些示例中，在真空探针台内使用包含机械泵与分子泵组的真空系统。例如，真空系统可以将真空探针台的真空度调节至约1×10

控温系统可以配置为调节真空探针台内部的温度，特别是在1.5K～500K范围内。例如，在一些示例中，控温系统(即，上文提及的干式温度调节单元)可以包括脉管制冷机、水冷机、加热器、温控仪等。其中，脉管制冷机的原理不同于传统的液氦和/或液氮湿式制冷的方式，脉管制冷机通过不同的制冷单元实现在各个情况下对硅片和裸芯进行制冷，而不需要将硅片置于流体中，并且在长时间的测量期间不需要对低温流体进行补给。因此，与湿式温度调节相比，干式温度调节更有利于长时间的测量。例如，控温系统可以配置为利用比例-积分-微分(PID)闭环控制温度。

另外，上位机还可以与真空探针台、控温系统进行信号连接，并且配置为向真空探针台和控温系统发送真空控制指令和控温指令，并且从真空探针台和控温系统接收与温度、真空度等环境参数相关的状态信息。例如，真空探针台中的探针或探卡可以通过测试信号与测试仪器信号连接。例如，控温系统通过热连接与真空探针台连接。同时，上位机利用图像传感器获取的含有待测试的裸芯与探针或探卡的标记图像，实时监测二者相对位置关系，适时对受温度等环境变化引起的位移进行补偿。在一些示例中，图像传感器可以包括诸如CCD、CMOS或其他光学探测器，特别是用于获取图像的相机或获取影像的摄像机。具体的测试方法将在下文详细说明，在此不再赘述。

例如，在硅片上的裸芯为存储器的情况下，测量仪表可以配置为用于测试存储器，以执行阻值校验、脉冲写入、IV曲线等功能。根据不同的测试任务需求，可以增加或删除指定的测量仪表。对于阻变存储器的应用场景，测量仪表可以包括但不限于安捷伦B1500A半导体测试仪、B2200A开关矩阵、吉时利4200参数分析仪等。

例如，上位机借助于控制软件可以响应于根据图像确定探针或探卡到达指定位置以及由测量仪表确定探针或探卡与裸芯接触信号连接，并且配置为向测量仪表发送测试指令并且从测量仪表接收测试数据。例如，在硅片这种大尺寸元件的情况下，单一温度的测量周期完成对硅片上各个裸芯的指定位置的测试可能需要几个小时，甚至十几个小时。因此，该测量系统在不同的温度条件下借助于不同测量仪器连续测量各个裸芯的时间可以多达几天，特别是可以多达几个星期，甚至更长。

图10示出了如图9所示的测试系统中的样品室的示意图。

如图10所示，测试系统中的采用的诸如脉管制冷机的干式制冷机可以具有二级制冷的结构并且包括一级冷头和二级冷头，该一级冷头具有第一制冷功率和第一温度，并且该二级冷头具有第二制冷功率和第二温度更低，其中，第一制冷功率大于第二制冷功率，第一温度高于第二温度。例如，第一温度的值30K至50K，第二温度的值为1.5K至15K。

为了能够长时间地维持样品台上裸芯的第一温度和第二温度，探针台需要采用以下布置以抑制热传导、热对流和热辐射等各种形式的热量传输。

例如，探针台还包括双层防辐射屏。首先，将一级冷头通过热连接与外层防辐射屏连接，并且外层防辐射屏被容纳在壳体内，其次，二级冷头通过热连接与内层防辐射屏连接，所述内层防辐射屏将样品台和接触探头容纳在内部，并被容纳在所述外层防辐射屏内。例如，在一些示例中，双层防辐射屏可以通过一级冷头将外层防辐射屏内的温度维持在第一温度，进而通过二级冷头将内层防辐射屏内的裸芯温度维持在第二温度，并且能够起到消除或减少外界热量，特别是热辐射进入低温样品台的作用。在一些示例中，热连接可以是前述的铜辫子，该热连接可以起到既能隔绝振动传递又能热传导的作用，从而避免了一级冷头和二级冷头与样品台和/或防辐射屏之间采用机械式的硬性连接。同样，制冷机可以通过前述真空波纹管与真空壳体连接。其中，真空波纹管能够起到既能保持真空，又能够大幅降低制冷机振动向真空腔的传导。

例如，在一些示例中，探针台中的支撑材料主要选自304不锈钢、碳纤维等热导率较小的材料，并且具有空心管材的结构以减小支撑结构的截面积。在通过机械泵和分子泵组将探针台抽真空的情况下，优选地，可以实现10

上述真空探针台可以抑制或最大程度上降低由制冷机产生的振动，并且因此避免了由振动导致的所获得的图像不清晰以及由振动引起探针对硅片和裸芯的划伤和破坏。

图11示出了用于本公开至少一具体实施例提供的测试系统的测试方法300的流程图。

如图11所示，用于如图9和图10所示的测量系统的测试方法300包括步骤S310至步骤S380。

开始测试。

步骤S310：在真空探针台中的样品台上放置待测样品(硅片)。

步骤S320：将真空探针台抽真空。

步骤S330：控温系统初始化。

步骤S340：使用控制器控制探针或探卡按压接触样品。

步骤S350：对样品运行测试程序。具体测试程序可以参见后续的测试方法说明，在此不再赘述。

步骤S360：关闭控温系统将真空探针台恢复至室温。

步骤S370：关闭真空系统向真空探针台吹送氮气。

步骤S380：从真空探针台取出测试样品(硅片)。

结束测试。

上述测试程序通过LabVIEW或其它支持IEEE 488.2协议的编程语言编写，协同系统各部分进行自动化测试。通过上述测试程序可以实现的测试包括但不限于：电阻-温度依赖关系，不同温度下的直流写入与脉冲写入测试，不同温度下多比特(Multi-bit)写入与实时校验，不同温度下的器件IV曲线测试，不同温度下的耐久性(Endurance)测试，不同温度下的数据保持性(Retention)测试。

下面结合图12至图16详细描述本公开至少一实施例提供的各种测试方法，例如使用上述测试系统对诸如阻变存储器的样品器件进行测试。

图12示出了本公开至少一实施例提供的一种测试方法100的流程图。如图12所示，该测试方法100包括步骤S110至S130。

步骤S110：在样品台的承载面上提供样品器件。例如可以参考上文中所述的样品室1200、样品台1220、承载面1222、样品器件1100的相关描述，在此不再赘述。

步骤S120：调节样品室内的环境参数。例如，在步骤S120中，使用环境调节单元1300调节样品室1200内的环境参数。例如可以参考上文中所述的环境调节单元1300、环境参数的相关描述，在此不再赘述。

步骤S130：通过控制器控制接触探头移动至与样品器件上的指定位置接触。例如，在一些示例中，在步骤S130中，通过控制器1400可以控制驱动器1600接触探头1240移动，直至与样品器件1100上的指定位置接触。可以参考上文中控制器1400、接触探头1240、驱动器1600的相关描述，在此不再赘述。

图13示出了本公开至少一实施例提供的一种调节样品室内环境参数方法(对应于图12中的步骤S120)的流程图。如图13所示，步骤S120包括步骤S122和步骤S124。

步骤S122：通过控制器为环境参数预设一组数值。例如，由控制器1400预设一组环境参数的值。例如，可以参考上文中环境参数的相关描述，在此不再赘述。

步骤S124：控制器通过环境调节单元将样品室内的环境参数调节到该组数值中的每一个。例如，在一些示例中，控制器1400使用比例-积分-微分闭环控制温度。采用比例-积分-微分闭环控制温度，可以根据温度检测的反馈信息不断调节样品室1200内的实时温度，以实现样品器件1100内的温度长时间保持不变。

图14示出了本公开至少一实施例提供的另一种测试方法200的流程图。其中图14的步骤S210、步骤S220和步骤S230与图13的步骤S110、步骤S120和步骤S130实质相同，在此不再赘述。

如图14所示，该测试方法200还包括步骤S240至步骤S260。具体描述如下。

步骤S240：在步骤S220调节样品室内的环境参数之前，通过控制器预设样品器件的标记和指定位置，使用图像获取单元捕获样品器件的第一图像。例如，在一些示例中，还可以通过控制器1400预设标记与指定位置之间的距离，其中该距离在由环境参数变化而引起的温度漂移的情况下保持不变。例如，在一些示例中，在步骤S240之前，可以通过样品台驱动器将待测试的样品器件1100(即，待测试的裸芯)移动到图像捕获单元的视场中心，以便待测试的样品器件1100可以位于所捕获的第一图像的中部。例如，在一些示例中，在步骤S240之前，从样品器件1100表面移开接触探头1240，以避免硅片上的标记和样品器件1100的指定位置被接触探头1240遮蔽。例如，标记可以指代硅片上的刻线、数字或符号或特定图案，诸如十字，使得当环境参数变化情况下测试的指定位置发生位移时，控制器可以借助于该标记重新定位。例如，指定位置可以指代样品器件1100上的输入输出接口，诸如电极垫(pad)。例如，在一些示例中，指定位置可以配置为经由接触探头1240向测试仪器1700输出测试信号或从测试仪器1700输入测试信号。

步骤S250：在环境参数完成调节的情况下，通过图像获取单元捕获样品器件的第二图像。如图14所示，在步骤S220之后，执行步骤S250。例如，通过图像获取单元1500捕获样品器件1100的第二图像，其中第二图像中的样品器件1100可能产生由于环境参数变化而引起位移变化，从而导致标记、指定位置发生变化。

步骤S260：基于所述标记将第一图像与第二图像进行比较，获得指定位置在第二图像中的实际定位。例如，基于样品器件1100中的标记将第一图像与第二图像通过图像比较算法进行比较，得到指定位置(也称为电极垫)在图像中的实际位置，因为样品器件1100和硅片1120的尺寸以及标记与指定位置之间的距离保持不变。例如，在一些示例中，实际定位可以表示为xy平面上的具体坐标。优选地，为了便于运行图像比较算法，第一图像的分辨率与第二图像的分辨率相同。例如，上述图像比较算法可以由神经网络算法来实现。

注意到，在一些示例中，样品台1200的移动可以不必与图像捕获单元1500形成闭环控制。换言之，控制器1400可以独立地控制样品台驱动器，而无需图像捕获单元1500的反馈。因为硅片上的器件或裸芯的尺寸保持不变的，所以样品台驱动器仅需按照预设的位置移动即可。

图15示出了本公开至少一实施例提供的移动接触探头方法S230的流程图。图15中的该移动接触探头方法S230是对图14所示的测试方法200中的步骤S230进一步阐述。如图15所示，移动接触探头的方法包括步骤S232至步骤S238。图14中的其他步骤同样适用于包括图15的移动探针接触方法的测试方法。

步骤S232：通过驱动器在平行于承载面的方向上移动接触探头，使用图像获取单元捕获含有接触探头的第三图像。例如，在一些示例中，通过驱动器1600使接触探头1240在xy平面上缓慢移动，同时使用图像获取单元1500时域上连续地捕获含有接触探头1240的第三图像。例如，第三图像可以是随时间推移的多个图像的集合中的一个图像。

步骤S234：基于第二图像和第三图像，使用图像识别算法获取接触探头在第三图像中的实际定位。例如，在一些示例中，将第二图像与第三图像使用深度神经网络的图像识别算法进行比较，从而实时地获取接触探头1240在平行于承载面的方向(即xy平面)上的具体坐标。例如，在一些示例中，深度神经网络的图像识别算法的架构可以采用U-net构型，以利于接触探头1240的尖端在图像中的定位。例如，在一些示例中，可以通过前述图像识别算法获得具有与第二图像与第三图像的分辨率相同分辨率的二值化图像，可以借助于该二值化图像描绘出接触探头所在区域的轮廓，并且根据接触探头的轮廓确定接触探头的尖端在xy平面上的具体坐标。采用深度神经网络的识别算法，特别是采用U-net构型能够实现针对不同类型的接触探头的尖端的准确识别。

步骤S236：判断接触探头在第三图像中的实际定位是否到达指定位置在第二图像中的实际定位。例如，在一些示例中，判断接触探头的尖端在xy平面上的具体坐标与指定位置(例如，电极pad)在xy平面上的具体坐标之间的距离是否满足(例如小于)指定间距阈值、是否为零，或者判断两个具体坐标是否重合。例如，还可以采用其他定位方式判断接触探头和指定位置在xy平面上的实际定位，本发明对此不作限制。

步骤S238：在确定接触探头在第三图像中的实际定位到达指定位置在第二图像中的实际定位的情况下，通过驱动器在垂直于承载面的方向上移动接触探头，直到确定接触探头与样品器件上的所述指定位置接触。例如，在一些示例中，在确定接触探头和指定位置在xy平面上的实际定位之间的距离满足(例如小于)指定间距阈值、为零或者两个实际定位发生重合的情况下，通过驱动器1600在z方向上朝向样品器件1100的方向移动接触探头1240，直到确定接触探头1240与样品器件1100上的指定位置满足物理接触。判断接触探头与例如电极垫的接触状态的方法将在下面详细展开。

另外，如果确定接触探头在第三图像中的实际定位没有到达指定位置在第二图像中的实际定位，则回到步骤S322，继续移动接触探头1240，重新判断接触探头1240的实际定位。

图16示出了本公开至少一实施例提供的一种确定接触探头接触状态的方法S238的流程图。图16的确定接触探头接触状态的方法S238是对图15所示的方法中的步骤S238进一步阐述。确定接触探头与指定位置接触的方法S238包括步骤S2382至步骤S2388。

步骤S2382：通过驱动器在垂直于承载面的方向上移动接触探头。在步骤S2382中，驱动器1600受控制器1400控制地将接触探头1240沿如图7所示的z方向竖直向下移动，使得接触探头靠近样品器件1100的指定位置。

步骤S2384：通过测试仪器实时监测接触探头的接触状态。在步骤S2384中，在接触探头1240不断靠近指定位置的过程中，可以通过测试仪器1700实时监测接触探头1240的接触状态，例如电阻值。

步骤S2386：在接触状态满足阈值状态的情况下，执行对指定位置的测量。例如，在一些示例中，在当电阻值小于指定阈值时，意味着接触探头的尖端已经接触到样品器件1100上的指定位置。例如，在一些示例中，当接触探头1240具有多个探针时，可以测量各个探针之间的电阻值作为接触状态，当各探针之间的电阻值都小于指定阈值时，所述多个探针均已实现接触后，则可以对指定位置进行后续的测量。

例如，在一些示例中，执行对指定位置的测量包括：通过测试仪器1700从接触探头1240获得指示样品器件1100的特性的测试信号，并基于测试信号确定样品器件1100的特性。例如，还可以通过测试仪器1700从接触探头1240输入诸如电压、脉冲信号的测试信号。可以参考上文中与样品器件1100的特性、获取的测试信号的相关描述，在此不再赘述。

在完成一次测量后，可以回到图12中的步骤S110或步骤S120和图14的步骤S210或步骤S220。也就是说，可以选择更换样品或者重新调节环境参数。例如，在一些示例中，在不更换样品的情况下，继续调节诸如环境的环境参数。例如，在预设要测量的温度包括4K、8K、10K、15K、40K、70K、120K、180K、300K的情况下并在4K的温度条件下完成测试以后，将样品室1200内的温度，特别是样品台1220的温度调节至下一个预设温度，例如8K。然后在下一个预设温度调节完成时，执行接触探头的重新定位并且进行下一次测量。继而，测试系统1200通过上述方法可以完成所有预设温度条件下的测试。

例如，在图12至图16中的至少一实施例提供的各个测试方法都可以由控制器1400或者控制器1400中的控制软件来控制测试系统中的各个部件，例如通过软件控制驱动器1600、图像捕获单元1500、样品驱动器1600、环境调节单元1300，以及包括在环境调节单元1300中的干式温度调节单元1320和气体操作装置1340的具体操作，以实现接触探头1240与样品器件1100的指定位置自动精确地定位和接触。

以上结合具体实施例描述了本申请的基本原理，但是，需要指出的是，在本申请中提及的优点、优势、效果等仅是示例而非限制，不能认为这些优点、优势、效果等是本申请的各个实施例必须具备的。另外，上述公开的具体细节仅是为了示例的作用和便于理解的作用，而非限制，上述细节并不限制本申请为必须采用上述具体的细节来实现。

值得注意的，本申请中的步骤流程图以及以上方法描述仅作为例示性的例子并且不旨在于要求或暗示必须按照给出的顺序进行各个实施例的步骤，某些步骤可以并行、彼此独立或按照其他适当的顺序执行。另外，诸如“其次”、“然后”、“接下来”等等的词语不旨在于限制步骤的顺序；这些词语仅用于引导读者通读这些方法的描述。

本申请中涉及的器件、装置、设备、系统的方框图仅作为例示性的例子并且不意图要求或暗示必须按照方框图示出的方式进行连接、布置、配置。还需要指出的是，在本申请的装置和方法中，各部件或各步骤是可以分解和/或重新组合的。这些分解和/或重新组合应视为本申请的等效方案。

有以下几点需要说明：

(1)本公开实施例附图只涉及到与本公开实施例涉及到的结构，其他结构可参考通常设计。

(2)在不冲突的情况下，本公开的实施例及实施例中的特征可以相互组合以得到新的实施例。

以上所述仅是本公开的示范性实施方式，而非用于限制本公开的保护范围，本公开的保护范围由所附的权利要求确定。