阅读说明：本技术 用于自旋电子元件的铁磁共振(fmr)电测试设备 (Ferromagnetic resonance (FMR) electrical test apparatus for spintronic components ) 是由 真杰诺 李松 路克·汤马斯 圣地牙哥·山诺·古山 于 2019-01-17 设计创作，主要内容包括：一种扫描铁磁共振(FMR)测量系统,具有射频(RF)探针和安装在支架板上的一或两个磁极,并可分别在测试位置处实现垂直于平面或面内的磁场。当射频探针尖端接触待测芯片(WUT)上的磁性膜时,多个微波频率(f<Sub>R</Sub>)依序由探针尖端传输。同时,对接触区域施加磁场(HR),以在磁性膜中对应每对(H<Sub>R</Sub>,f<Sub>R</Sub>)值产生铁磁共振条件。射频输出信号可通过磁性膜传输或从磁性膜反射到射频二极管并转成电压信号,控制器使用电压信号来确立亚毫米区域中的等效各向异性场、线宽、阻尼常数及/或不匀散频。通过移动待测芯片至预定位置,可在每个测试位置进行多次铁磁共振测量。(A scanning ferromagnetic resonance (FMR) measurement system has a Radio Frequency (RF) probe and one or two magnetic poles mounted on a mounting plate and can implement a magnetic field perpendicular to a plane or in a plane, respectively, at a test location. Multiple microwave frequencies (f) when a radio frequency probe tip contacts a magnetic film on a chip under test (WUT) R ) Sequentially transported by the probe tip. At the same time, a magnetic field (HR) is applied to the contact region so as to correspond to each pair (H) in the magnetic film R ，f R ) The value creates a ferromagnetic resonance condition. The radio frequency output signal may be transmitted through or reflected from the magnetic film to the radio frequencyThe diodes and converted to voltage signals that are used by the controller to establish an equivalent anisotropy field, line width, damping constant, and/or non-uniform dispersion frequency in the sub-millimeter region. By moving the chip under test to a predetermined position, multiple ferroresonance measurements can be made at each test position.)

用于自旋电子元件的铁磁共振(FMR)电测试设备

相关专利申请

本申请案涉及案号#HT16-012，序号15/463,074，申请日3/20/17；该申请被转让给普通受让人，在此通过参考整体并入本文。

技术领域

本发明实施例涉及一种用于测量磁性薄膜和直径小至次毫米区域中的结构的磁特性的系统及其方法，特别是一种其磁性组件和RF探针是设于一平台并安装在电探针台中，以可无需在工程或制造环境中切割芯片的前提下，对整芯片上的薄膜和结构进行全自动化的铁磁共振测试。

背景技术

磁性薄膜和多层膜在各类型的磁性存储元件中扮演有相当重要的角色，例如磁性硬盘(magnetic hard disk，HDD)驱动器、磁性随机存取存储器(Magnetic Random AccessMemory，MRAM)、自旋扭矩振荡器(spin torque oscillator，STO)以及磁域壁(magneticdomain wall)装置。为了开发且优化这些装置，磁性薄膜叠层的监测和特征分析是需要的。必须使用各种不同的磁性特征技术来判断所有必要的磁性参数，例如晶体异向性(crystalline anisotropy)、表面或界面异向性(surface or interface anisotropy)、磁化饱和度(Ms)、阻尼常数(α)、旋磁比(γ)、不匀散频(inhomogeneous broadening，L0)、电阻与面积乘积(RA)以及磁阻率(MR)。

铁磁共振(FMR)系为其中一种相当成熟的方法，可用于测量异向场、以及在延伸的未图样化薄膜中或在包括大量次微米图样结构的区域上的磁性薄膜和多层膜的旋磁比(γ)和阻尼常数(α)。铁磁薄膜的共振频率f_R可通过如下所示，又称为Kittel公式的公式(1)中所给出，而H_R是垂直于薄膜平面所施加的共振场、H_K是包括结构性、表面以及静磁(magnetostatic)贡献的等效各向异性场，而γ为旋磁比。

2πf_R＝γ(H_R+H_K) (1)

FMR实验是通过利用微波激发和准静态(quasi-static)磁场的组合来探测磁系统(薄膜、多层堆叠结构、或结构化元件)来执行。通过以恒定的微波频率来扫描磁场或是以恒定的磁场来扫描频率，二者皆可用来获得FMR数据。当铁磁共振条件成立时，其是可通过铁磁样品对微波(RF信号)的增益吸收来检测得知。于是，铁磁共振(FMR)条件是由成对的磁场和微波频率值(H_R，f_R)所定义。

现今有一些方法可用以将铁磁样品提升至微波激发。过去常见的FMR实验条件多采用管状波导，以及其样品需被置放于电磁铁的极点之间的共振腔中。近年来，已发展出更适于分析膜状样品的新方法。详细而言，待测芯片(wafer under test，WUT)被放置接触于一非磁性波导传输线(waveguide transmission line，WGTL)，其可以是接地共面波导(grounded coplanar waveguide，GCPWG)、共面波导(coplanar waveguide，CPWG)、同轴波导(co-axial waveguide，CWG)、带状线(stripline，SL)或微带线(microstrip，MS)的形式。由波导传输线所传输或反射的功率被测量作为施加磁场与微波频率之间函数。

请参考图1a，其显示输出电压被划分成可变磁场在使用五个不同的微波频率值(f1至f5)的固定微波频率(f)的函数。可以获取柯西分布(Lorentzian)峰的中心与宽度作为激发频率的函数。如先前所描述，中心场区是共振场(H_R)，其是与Kittel公式的激发频率有关，而该公式如下式(2)所显示，并以略微不同的形式重写之，其中h为普朗克(Planck)常数，μ_B为波耳磁子(Bohr magneton)。

H_R(f)＝[h/(γxμ_B)]x f-H_K (2)

H_R随着微波频率的变化如图1b所示，其中沿着曲线21的每一点是从图1a中柯西分布峰形状的Hr1至Hr5其中的一者推导得出的。如公式(2)所显示，当频率f＝0时，可得出等效各向异性场H_K的值。

共振峰的线宽L为该共振峰的一半振幅ΔH时的宽度，并且与磁化动力学中涉及的耗散过程有关。

根据以下的公式(3)，线宽与激发频率和无维度(dimensionless)Gilbert阻尼常数α相关，而L₀为不匀散频。通过将H_R和L相对于激发频率f_R和H_K拟合，可以推导出α以及γ。

L(f)＝(2hα/γxμ_B)f+L₀ (3)

C.Bilzer et al.在2007年应用物理学杂志J.101,074505的“向量网络分析仪共面波导薄膜的铁磁共振：不同评估方法的比较”(“Vector network analyzerferromagnetic resonance of thin films on coplanar waveguides:Comparison ofdifferent evaluation methods”in J.of Applied Physics,101,074505)与2008年IEEE第44册、第11项、第3265页的“开路一端口网络分析仪铁磁共振”(“Open-Circuit One-PortNetwork Analyzer Ferromagnetic Resonance”in IEEE Trans.Magn.,Vol.44,No.11,p.3265)中公开了一种用于检测共面波导上的CoFe和CoFeB薄膜中FMR的网络分析仪。在这些实验中，平面WGTL通常通过微波电探针连接到射频(RF)连接器，并设置于电磁铁的极点之间。因此，受限于WGTL的尺寸(约5mm长)和传统电磁的间隙尺寸，只有小尺寸的样品(通常直径<1英寸)可被测量。因此，当若要以这种FMR技术测量微电子工业中常使用的芯片(直径通常为6、8、12英寸或更大)，则仅能将它们切割成小样品，才能进行测量。

图2是显示自Claus Bilzer博士在2007年于巴黎(Universite Paris Sud-ParisXI)“铁磁薄膜的微波敏感性：计量和对磁化动力学的洞察”(“Microwave susceptibilityof thin ferromagnetic films:metrology and insight into magnetizationdynamics”)的报告，其公开了传统的一种铁磁共振系统。向量网络分析器(VNA)10是从第一端口通过第一同轴电缆1连接到第一微波探针部2a，而第一微波探针部2a是连接到共面波导(CPWG)6。共面波导的顶表面相邻安装于基底上的磁性膜4。当来自探针2a的微波频率和外部磁场3沿x轴方向施加在磁性膜上时，在传输模式下的输出信号进入第二微波探针部2b，然后经由第二同轴电缆5再返回该向量网络分析器的第二端口。磁性膜尺寸b通常需限制在1英寸或更小，这意味着必须由一整芯片切割出磁性膜4。

由于传统的FMR技术是破坏性的、耗时的、并且仅限于测量横截面尺寸远大于1mm的较大型结构，因此这些测量方法等同于阻碍了FMR技术在磁数据存储工业中被作为表征工具的接受度，并使其无法广泛地应用。需要一种改良的FMR测量系统与技术，以实现对整芯片的全自动测量，并达到效率更高的吞吐量与较低的成本。优选地，FMR系统应可由市售零件所建构而成。并且，改良的FMR技术应该具备能够测量直径小于1mm的薄膜的磁特性，以便能够测量相较于现有技术中更微小的测试结构。

发明内容

本公开的主要目的是提供一种用于铁磁共振测量的全自动系统，使得整个芯片上横向尺寸小于1mm的磁性结构可在无需切割该芯片以制备测试样品的状态下，进行测试和特征化。

本公开的第二目的是根据所述的第一目的提供全自动系统，其组件皆可以容易地从市售零件取得。

本公开的第三目的在于提供一种铁磁共振测量系统，其能够将更均匀的磁场施加至待测芯片，从而提升测量期间数据采集的可靠度。

为达到上述目的，本公开的一实施例是公开一种扫描铁磁共振测量系统，其配置环绕一连接到电探针台的控制器(计算机)。电探针台包括一RF探针，其具有连接到RF产生器的第一连接器，以及连接到RF功率检测器(二极管)的第二连接器。RF探针连接于设置在一支架板上的底盘，使得在铁磁共振测量期间，RF探针尖端与待测芯片(WUT)上一待测磁性结构的一部分相接触。根据一实施例，RF探针尖端是由以GSSG图案排列的两组探针组成，其中G为接地而S为信号通路。当RF探针尖端接触待测芯片上的磁性结构时，一磁场被施加于所接触的区域，并且该磁场是由磁极所产生，而磁极亦设置于RF探针上方的支架板上。一晶圆夹台在测量期间稳固承载该待测芯片，并且设定为可进行横向移动，使得在后续测量期间可监控或测试该待测芯片上的多个不同位置。

在另一实施例中，磁性组件可包括两个磁极，这两个磁极个别设置于RF探针的不同侧，以在RF测量期间向磁性膜提供面内磁场。磁极优选地可邻近该待测芯片上的磁性膜，但不与其顶表面接触。

根据用于执行铁磁共振测量的RF传输模式的实施例，其中RF源是与一主动倍频器连结，而该主动倍频器是通过一RF输入电缆连接到RF探针上的第一连接器。因此，RF信号通过探针尖端中的第一信号(S)通路，而磁场被施加到由RF探针尖端接触的磁性结构。当RF电流激发测试结构中的磁性层时，产生一功率损耗，且该功率损耗是由一RF二极管所检测到，而该RF二极管通过RF输出电缆连接到RF探针上的第二连接器。换句话说，RF电流通过测试结构，然后经由第二S通路离开到RF输出电缆。RF二极管是连接一模拟数字转换器(ADC)，其可将从RF二极管获取的数据传输到控制器(计算机)。通过测量通过测试结构的传输功率，可形成不同施加RF频率对施加磁场的函数。

在另一可作为反射铁磁共振测量模式的实施例中，除了保留第一实施例中的组件外，更在倍频器和RF探针之间的RF电路中***定向耦合器。再者，由于输入RF电流和输出RF电流是通过相同的S通路进出该定向耦合器，因此RF探针尖端中只有一条S通路是必需的。输出RF电流是从定向耦合器发送到RF二极管，然后到该模拟数字转换器。

在所公开的所有实施例中，控制器指示晶圆夹台和待测芯片在平行于待测芯片顶表面的平面的x轴及/或y轴方向上移动，使得RF探针对准在待测芯片上的预定(x，y)坐标(测试点)。在第一测量和第二测量之间的时间区间内，RF探针是与待测芯片上的磁性结构或磁性膜间隔开一间隙距离。在每个测试点，于FMR测量开始时，晶圆夹台和待测芯片是先被升高，使得探针尖端与磁性结构相接触。在每次测量结束时，再降低待测芯片和晶圆夹台，以重新建立磁性膜和探针尖端之间的间隙。因此，FMR测量序列包括“步进与重复”图样，其中晶圆夹台和待测芯片是横向移动(步进)以使磁极和RF探针对齐在待测芯片上的新(x，y)坐标上方，之后再升高晶圆夹台和待测芯片，使得磁性结构可与RF探针尖端相接触，然后在测量结束后，降低待测芯片和晶圆夹台至该间隙距离。磁性结构上的接触区域的面积优选地可具有小于1mm的直径，以便检测具有该数量级的尺寸的磁性元件的Hk和α值。

在所有实施例中，RF探针将一序列的微波频率(RF输入信号)传送至芯片。依据每个施加的微波频率，在接触的磁性结构中建立FMR条件，并且，该磁性结构的微波(RF)吸收率取决于RF频率的大小、施加的磁场与磁性结构中的磁特性。由于磁性结构的FMR吸收，RF功率二极管检测到在输入RF信号和输出RF信号之间的功率损耗。模拟数字转换器将每个RF输出信号转换为电压读数，使得控制器可根据该电压读数来决定例如磁性结构中的Hk和α值。

由于使用单一控制器来管理测试的所有方面，包括晶圆夹台和安装板的移动、RF信号的处理、磁场的生成、以及测试数据的编译，因此优化了吞吐量，使得系统和扫描FMR测量方法可完全自动化，并且可以在工程或生产环境中容易实施。再者，RF探针、磁性组件、安装板、以及RF电路组件皆为可商购的，并且可以便于配置以提供一种可靠的扫描FMR测量系统。

附图说明

图1a是显示一传统的Lorentzian形状峰值序列的示意图，其铁磁共振测量的微波频率是由24GHz至48GHz。

图1b是显示图1a的微波频率对共振场(H_R)的函数图。

图2为习见一传统铁磁共振测量的示意图。

图3为根据本公开第一实施例的一全自动化铁磁共振测量系统的组件示意图。

图4为根据本公开实施例一RF探针的斜角视图，其包括两组探针(两组用于接地而两组用于信号)，其为本发明全自动化扫描铁磁共振测量系统的一部分。

图5为根据本公开实施例一磁性组件的剖视图，在针对一芯片上的膜或磁性结构进行铁磁共振测量时，其是于图4中的RF探针上方形成对准。

图6为根据图5中的磁极极尖的放大图，其是于进行铁磁共振测量时设置于RF探针尖端的上方。

图7为根据本公开实施例的磁性组件的剖视图，该磁性组件在RF探针的相对侧上具有两个磁极并且在进行铁磁共振测量期间提供面内磁场。

图8为根据本公开的一传输FMR测量模式下的RF源、RF二极管和RF测量电路中其他组件的布局图，其是连接至待测芯片上方的RF探针。

图9为根据本公开的一反射FMR测量模式下的RF源、RF二极管和定向耦合器的布局图，其是连接至待测芯片上方的RF探针。

图10为根据本公开一实施例在一传输FMR测量模式下的简化等效DC电路图。

图11为根据本公开一实施例在一反射FMR测量模式下的简化等效DC电路图。

图12为根据本公开一实施例用于进行FMR测量的序列步骤流程图。

图13为根据本公开一实施例自RF二极管获得的采集数据作为不同微波频率对不同施加磁场间的函数曲线图。

具体实施方式

本公开是一种扫描铁磁共振(FMR)系统，其是设计用于测量磁性结构的磁特性，包括H_K和α，而该磁性结构的直径基本上可小于1mm。芯片上的多个测试位置是通过RF传输模式或RF反射模式来测量。待测芯片(WUT)上的X轴和Y轴坐标是平行于晶圆夹台的平面，并位在该平面的上方。本公开还包括一种FMR测试方法，用于测量未图样化的芯片或元件结构中的一或多个磁性膜的磁特性。“射频”(RF)与“微波”(microwave)两词是可以互换使用。

在相关的美国专利申请号为15/463,074的专利中，已公开有一种FMR测量系统，该系统是依靠一波导传输线(waveguide transmission line，WGTL)，其是连接到RF输入和RF输出连接器，并且能够在整个芯片的多个位置上进行测量。然而，波导传输线通常是经客制化设计的，并且其设置位置需要尽可能地靠近待测芯片，以改善增益元件级的耦合和磁场。此外，与元件结构中的次微米尺寸(sub-micro dimension)相比，测量中的探测区域是非常大的(直径为毫米至厘米)。现在，已经公开一种改良型的扫描铁磁共振(FMR)测量系统，而该系统可完全由商业上可获得的部件构成，并且能够以更小的结构来监测和测量磁特性，且该结构的直径大体上可以小于1毫米。

参考图3，图3是根据本公开一实施例所述的一种扫描FMR测量系统的示意图，其是显示有关键组件的布局。计算机，以下称为控制器11，是用于管理一探针台(proberstage)，例如一晶圆夹台(wafer chuck)20的移动，以及一待测芯片22，而待测试的磁性膜22f是形成于待测芯片22上。应当理解的是，本公开所指的“磁性膜”可包括一磁性层、形成在层堆叠结构中的多个磁性层、或是在该待测芯片上的多个磁性结构，例如磁性穿隧接面(magnectic tunnel junction，MTJ)单元。待测芯片是经由真空保持在该晶圆夹台的顶表面上，并且该晶圆夹台与待测芯片相对于保持在支架板上静置位置的磁性组件与RF探针为可移动的。然而，本公开亦可预期待测芯片与晶圆夹台可以是静置的，而连接至支架板的磁性组件与RF探针是可移动的。

磁性组件30中的磁场(由至少一个磁场源组成)是通过来自控制器通过连结42a指示时经由电源产生器31的电力输入所产生。在本公开的优选实施例中，磁场是被施加在待测芯片上的预定(x_n，y_n)坐标，而安装支架46上的RF探针40中的RF信号通路会与该预定(x_n，y_n)坐标处的磁性膜的顶表面22t接触。由于同时施加来自RF探针的微波频率(RF输入信号)，以及来自极尖(如图5所示)具有高达3特斯拉的磁场在磁性组件上，缘此，在靠近待测芯片上的预定(x_n，y_n)坐标的磁性膜中是形成铁磁共振(ferromagnetic resonance，FMR)条件。在其他实施例(未显示)中，则亦可以使用磁场源中的一不具有极尖形状的延伸部来施加磁场。

RF检测器可以是功率二极管44，以下称作RF二极管，其是可检测从磁性膜传输的一RF输出信号并通过一第二信号通路与一第二RF连接器(未显示)离开该RF探针。每一RF输出信号对应于由铁磁共振(FMR)条件所引起的RF功率损耗，其中一定量的微波功率会被吸收，并将磁性膜激发至一共振状态。每一FMR测量可包括多个RF输入信号，而每一RF输入信号对应于不同的RF频率。在预定(x_n，y_n)坐标处执行FMR测量之后，晶圆夹台20与待测芯片22会经由来自控制器11并通过一连结42d的信号所控制而降低其位置，如箭头51d所显示，以在RF探针下方重新建立一间隙距离。随后，晶圆夹台与待测芯片移动到另一个预定(x_n，y_n)坐标，然后晶圆夹台的位置被升起，如箭头51u所显示，以使RF探针能接触磁性膜的顶表面22t，以进行下一个FMR测量。

控制器11具有一连接至RF产生器48的电连结42b，而RF产生器48通过一连结42c提供多个微波频率至RF探针40上的一第一RF连接器(未显示)。在一些实施例中，RF产生器产生频率范围在1到20GHz的范围内的第一微波频率(f1)。然而，本公开是可预期在RF产生器和RF探针之间***一倍频器模块(未显示)，以将第一微波频率f1调整到第二RF频率(f2)，而f2>f1。举例来说，当第一微波频率f1＝20GHz时，倍频器模块可以是一主动倍频器(active frequency doubler)，其将第一微波频率f1调整到第二RF频率f2，使得f2＝40GHz。根据本公开的第一实施例，低于1GHz的RF频率是不可行在磁性膜中引起FMR条件。

在用于FMR测量的优选操作模式中，施加的磁场是在固定的微波频率中变化(从最小值扫到最大值)。优选地，通过连续地扫过多个不同微波频率中的每一微波频率，可重复执行所FMR测量。RF二极管将来自RF探针的功率输出转换为电压信号，而该电压信号是经由输出电缆45传送到控制器。之后，控制器根据每对施加的磁场值与施加的微波频率，计算得到H_K和α，甚至在某些情况下可进而得到γ与不匀散频(inhomogeneous broadening，L₀)，以及根据来自RF二极管的电压输出数据用于在FMR测量序列中使用的每一(x_n，y_n)坐标，以建立一FMR条件。

本公开所涵盖的设计并不以图3所显示的实施方式为限，亦包括除了图3中所示设计之外的其他实施方式，其是可产生磁性薄膜样品的微波激发(FMR条件)，并检测其中的功率吸收。举例来说，类似于图2中VNA 10的一向量网络分析器(vector network analyzer，VNA)可用为RF输出产生器与RF输入分析器。在与脉冲感应微波磁力测定(pulsedinductive microwave magnetometry，PIMM)相关的另一实施例中，脉冲产生器与时间解析示波器(time-resolved oscilloscope)可分别作为RF来源与RF分析器。在本发明的另一个实施例中，亦可以采用本领域具通常知识者已知的锁定放大器检测技术来放大FMR输出信号，由以指示来自每一FMR条件的功率损耗。

参考图4，其是为市售RF探针40的斜角视图。RF探针经由螺钉41连接至底盘40c。分别连接于RF探针的第一RF连接器15a与第二RF连接器15b是从底盘的顶表面突出。RF探针尖端40t是从RF探针的正面延伸，并且在此示例性实施例中包括有以GSSG图案设置的两组探针。G探针40g为接地通路，S探针40s为信号通路，且各信号通路是与待测的磁结构或薄膜(未显示)的顶表面相接触。在一些实施例中，S和G探针的直径可为数十微米量级，尽管其与磁性膜的顶表面接触的底部可具有接近1微米的尺寸。

在图5中，其是显示包括磁性组件的扫描FMR测量系统的一部分的剖面图，而该磁性组件在一测试位置上提供与磁性薄膜垂直于平面的方向的磁场，以及该测试位置为待测芯片22上的(x_n，y_n)坐标(未显示)。支架板(holder plate)28是通过安装支架29连接到RF探针40。磁性组件30亦设置于该支架板的顶部下方，并且在此示范例中磁性组件30包括对准在RF探针尖端上方的磁极32、围绕该磁极的铜线圈31、以及与该铜线圈的外侧相邻的磁性返回磁极33。晶圆夹台20在其顶表面上具有多个孔洞20v，以允许施加真空并将待测芯片22维持在定位。晶圆夹台亦可以在FMR测量之间进行横向移动50和垂直移动51。在一示范实施例中，RF输入电缆17a和RF输出电缆17b可分别通过90°弯头连接器16连接至RF探针。

参考图6，其是显示图5中的扫描FMR测量系统中一部分的放大图。磁极32具有对准在安装支架29中的开口25上方的极尖32t，并且在RF探针尖端40t的端部40e上方包括两个接地通路40g与两个信号通路40s，如先前图4所述。在其他实施例中，该极尖可以突出穿过该开口，但不与RF探针尖端或磁性膜相接触。安装支架的底侧29t面向待测芯片22上磁性膜22f的顶表面22t。RF探针端部40e是突出穿过该开口25，并在FMR测量期间与一部分的顶表面22t接触。磁场H_R是施加在所选择的(x_n，y_n)坐标且垂直于该顶表面22t的方向上。用于磁性组件的FMR测量的RF频率，其是通常介于1至100GHz的范围内。

参考图7，其是显示本公开的扫描FMR测量系统的第二实施例，而第二实施例包括先前实施例的所有特征，除了磁性组件。在第二实施例中包括两个磁极32a、32b，其中每一磁极被铜线圈31所围绕，并被分别固定在RF探针尖端40e的两侧，其是靠近待测芯片22但并未接触磁性膜(未显示)。在此，一第一极可施加平面磁场H_R，而第二极可以作为返回极。因此，极配置可以在磁性膜平面中靠近(x_n，y_n)坐标产生磁场H_R，其中RF探针尖端接触其顶表面。用于该磁性组件配置在FMR测量期间施加的RF频率可以介于0.01到100GHz的范围内。

参考图8，其是根据本公开第一实施例的扫描FMR测量系统用于RF信号传输模式的示意图。为了专注于电性布局，故磁性组件和支架板并未显示于图示中。应当可理解的是，图5与图6所显示具有单一磁极或者具有双磁极(图7)的磁性组件，皆可用于RF传输模式。

在一示范性实施例中，控制器11具有耦接至商用RF产生器48的连结42b，其是可产生如先前所描述的频率范围。RF产生器是通过连结42c连接至倍频器模块47，例如主动倍频器，接着通过RF输入电缆17a连接至RF探针40上的RF输入连接器15a。当来自至少一个磁极尖端(未显示)的磁场和来自RF探针尖端中的第一信号通路(图4中的40s)的RF频率同时施加到磁性薄膜中邻近该RF探针端部的区域时，RF探针端部40e在FMR测量期间会与磁性膜22f接触。当磁性膜被激发到FMR共振状态时，对应于功率损耗的RF输出信号是通过第二信号通路传到RF输出连接器15b，然后经由RF输出电缆17b到达RF二极管44，其中二极管44可以是正萧特基二极管(positive Schottky diode)，例如，以防止过压应力。然后，在到达控制器之前，RF输出信号会传送至模拟数字转换器(analog to digital converter，ADC)49。根据一实施例，具有磁性组件的支架板和RF探针可安装于一商用电探针台上，且可自不同的供应商处所获得。

在没有进行FMR测量的间隔区间，具有端部40e的RF探针尖端与待测芯片22上磁性膜22f的顶表面22t之间具有一间隙距离>0。如先前所描述，当扫描FMR测量系统被编程以在一预定的(x_n，y_n)坐标执行多次FMR测量时，晶圆夹台会被升高，使得RF探针端部接触于磁性膜，直到FMR测量完成。在单极实施例(图6)中，重要的是磁极极尖32t是对准在该(x_n，y_n)坐标上，使其中RF探针端部与顶表面22t接触，以使得邻近于该(x_n，y_n)坐标的相同区域皆可曝露于每一FMR测量所需的磁场(H_R)和RF频率(f_R)之中。

在FMR测量期间，当磁场施加到由RF探针端部40e所接触的磁性膜上(x_n，y_n)坐标周围的区域时，由RF输入信号提供的一部分微波功率在FMR条件下会被磁性膜22f所吸收，使得经由RF输出电缆17b和RF功率二极管所携载的RF输出信号，相较于RF输入信号，会具有较低的功率。RF功率二极管可以是萧特基二极管或另一商用RF二极管，并将每(H_R，f_R)对的RF输出信号转换为中继到控制器的电压测量。换句话说，所施加的磁场(H_R)强度可依据给定的RF频率(f_R)而变化，或是在(x_n，y_n)坐标的每一FMR测量期间，可施加固定的磁场搭配多个RF频率。优选地，所施加的磁场是在一固定的微波频率(F1)下从最小值扫到最大值，然后通过用多个不同的微波频率(F2，F3...Fn)中的每一个微波频率连续扫描该磁场，以重复所述的FMR测量。一旦在第一(x_n，y_n)坐标进行多次FMR测量，该晶圆夹台和待测芯片会被降低并“步进”到第二(x_n，y_n)坐标，以进行第二组FMR测量。因此，此描述的扫描FMR测量方法，其包括在多个预定的(x_n，y_n)坐标进行多个FMR测量，并且由控制器11所管理。

根据图9所显示的第二实施例，本公开的扫描FMR测量系统配置在反射模式。反射模式大致上保留先前针对传输模式所描述的所有特征，除了反射模式在RF探针40中仅有一个信号通路40s为有效的。换句话说，仅有一组G和S通路为电性连接，而另一组闲置。此外，根据优选实施例，定向耦合器60设置于主动倍频器(AFD)47和RF输入电缆17a之间。因此，如第一实施例，RF输入信号先从RF产生器48通过类似如AFD的倍频器模块。之后，RF输入信号通过定向耦合器、RF输入电缆、以及RF输入连接器15a至RF探针端部40e。

由RF输入信号提供的一部分微波功率会被磁性膜22f上邻近(x_n，y_n)坐标所吸收，且该位置接触RF探针端部。在这种情况下，RF输出信号是由用于输入信号的信号通路40s所携载，并在到达控制器11之前通过RF输入连接器15a返回到定向耦合器60与模拟数字转换器49，其中RF信号是通过RF输出电缆17c传至萧特基二极管44或另一个RF二极管。在另一可选实施例中，可使用功率分配器或T形连接变压器(bias tee)来替代本领域具通常知识者所理解的定向耦合器。

如先前关于传输模式的描述，施加于(x_n，y_n)坐标的磁场强度(H_R)可通过用一连串的频率F1、F2一直到Fn个别进行，以从最小值扫到最大值。抑或是，RF频率亦可通过由一连串增加的磁场H1、H2一直到Hn个别进行，以从最小值扫到最大值。一旦在第一个(x_n，y_n)坐标进行多次FMR测量，该晶圆夹台和待测芯片会被降低并“步进”到第二个(x_n，y_n)坐标，以进行第二系列的FMR测量。因此，基于RF反射模式的第二实施例的扫描FMR测量方法，其是包括在磁性膜22f上的多个预定的(x_n，y_n)坐标进行多次FMR测量。萧特基二极管44或另一商用RF二极管将每一(H_R，f_R)对的RF输出信号转换为通过模拟数字转换器49中继到控制器的电压测量值。

控制器使用FMR测量数据和先前描述的公式(1)至(3)中来决定Hk和α值，以及在某些情况下可得到在磁性膜上每一(x_n，y_n)坐标的γ与不匀散频(inhomogeneousbroadening，L₀)值。如先前所描述，术语“磁性膜”可包括未图样化薄膜中的层堆叠、或是沿着x轴和y轴方向具有次毫米或甚至次微米尺寸的多个元件。在所有情况下，都应该存在有导电通路，其穿过磁性膜以使RF频率(具有施加的磁场)在磁性膜中引起FMR条件。

参考图10，其是显示用于传输模式的连接设备的简化等效DC电路图。图示的上半部显示了探针尖端的端部40e，其中第一信号通路40s₁和第二信号通路40s₂各自侧接在接地通路40g的一侧。图示的下半部显示了作为信号源的RF产生器48，以及通过通路40s₁到电阻器的连接，其是表示通过磁性膜22f上邻近(x_n，y_n)坐标的电阻电流路径。输出路径是通过第二信号通路40s₂到萧特基二极管44或另一个RF二极管，其中产生对应于在通过该电阻电流路径期间功率损耗的电压信号。

在图11，其是显示用于反射模式的连接设备的简化等效DC电路图。图示的左半部显示了探针尖端的端部40e，其中信号通路40s与接地通路40g相邻。值得注意的是，图4中所示的两组40g/40s通路中只有一组通路在此反射模式下的FMR测量为有效的。图11的右半部显示了RF产生器48以及通过信号通路40s到电容器的连接，其是表示通过磁性膜22f邻近于(x_n，y_n)坐标的电容电流路径。输出路径亦通过信号通路40s到定向耦合器，然后通过萧特基二极管44等，并在其中产生对应于在通过该电容电流路径期间功率损耗的电压信号。

参考图12，其是根据本公开实施例所述的扫描FMR测量方法的步骤流程图，且该方法并可用于传输模式和反射模式实施例两者，并且可以适用于如先前描述的任一磁性组件。在步骤110中，控制器命令(通过图3中的连结42d)用以承载待测芯片的晶圆夹台与其上的磁性膜向上移动(如图3的箭头51u所示)，使得磁性膜上邻近第一(x_n，y_n)坐标的区域可接触该RF探针端部40e(图6)。接着，在步骤111中，控制器通过另一个连结42b指示RF产生器48通过信号通路40s(图4)发送微波频率F1，同时如前面所提过的，上覆磁极片可在第一(x_n，y_n)坐标施加磁场。如先前所描述，该磁场优选地可从最小值扫到最大值。

由于同时施加微波频率F1与可变磁场，该磁性膜达到一FMR条件并吸收一部分的微波功率，这取决于磁性膜的磁特性、微波频率F1的大小、以及引发薄膜中产生铁磁共振状态的施加磁场(H_R)。因此，在步骤112中，RF功率二极管检测RF输出信号中减少的功率值，而该功率值是由与步骤111中控制器RF在输入信号所指定的值相比而来。

在步骤113中，RF功率二极管将RF输出信号转换为电压测量值，且该电压测量值是被传输到控制器(经由图8、图9中示范性实施例中的模拟数字转换器)，并指示在所施加的该微波频率F1和所施加的磁场H_R下磁性膜的微波吸收率。

步骤114除了包括重复前述的步骤111至步骤113，除了RF输入信号具有一第二频率F2，其是在施加F1于先前选择的(x_n，y_n)坐标后施加到磁性膜上。在一些实施例中，FMR测量方法包括在每一(x_n，y_n)坐标重复前述的步骤111至步骤113很多次。换句话说，可以在施加F2之后的一时间间隔期间中施加不同于F1和F2的第三频率F3，并且依此方法，在F3之后持续施加不同频率，以达到“第n”频率Fn。值得注意的是，对于每一频率F1直到Fn，所施加的磁场优选地可在最小值与最大值之间进行扫描。因此，FMR条件是随着每一施加的频率和一特定的磁场值而引发，并且每一FMR条件具有独特的微波吸收率，其可被RF功率二极管转换成相对应的电压信号。在本发明的一个替代实施例中，施加的磁场可保持固定在第一值H1，而微波频率从F1变化(扫描)到Fn以建立FMR条件。此后，可施加不同于H1的第二磁场H2，而微波频率通过范围值内进行变化。可通过扫描具有一范围值的RF频率与不同磁场直到最大Hn值，来重复进行扫描FMR测量方法。

参考步骤115，控制器命令晶圆夹台和覆盖的磁性膜移动到不同的(x_n，y_n)坐标，例如从(x_-1，y₁)移动到(x₂，y₂)。该运动包括第一步骤，以使RF探针尖端与第一(x_n，y_n)坐标脱离，且晶圆夹台和待测芯片向下移动(如图3中的箭头51d所示)。然后，在第二步骤中，使晶圆夹台和待测芯片水平移动(如图5中的横向移动50)，最后第三步骤中晶圆夹台和待测芯片向上移动的，使得RF探针尖端接触在待测磁性膜上的第二(x_n，y_n)坐标。

此后，在第二(x_n，y_n)坐标重复执行步骤111至步骤114，以完成FMR测量。值得注意的是，每一(x_n，y_n)坐标可以包括小于一平方微米到多个平方毫米的接触面积，这取决于所选择的信号探针40s的尺寸大小，以及每一(x_n，y_n)坐标可以是RF探针尖端所接触的区域的中心点。

根据待测芯片的直径(例如可以是6英寸、8英寸或12英寸)以及FMR测量所需的不同(x_n，yn)坐标的数量，步骤116指示可重复步骤111至步骤115多次以产生多个FMR测量，其是对应于“n”个不同的(x_n，y_n)坐标，个别具有多个(H_R，f_R)对，其中f_R是F1到Fn其中之一，并且H_R可以从最小H1值变化到最大Hn值。在步骤117中，确定是否已经测试了磁性膜上的所有预定坐标(x_n，y_n)。如果“否”，则在不同的(x_n，y_n)坐标进行另一次FMR测量。如果“是”，则步骤118指示扫描FMR测量方法完成。

如先前所述，控制器能够在对应于不同(x_n，y_n)坐标的每一测量位置处确定磁性膜中的磁特性。每一FMR测量产生对应于每一FMR条件，于公式(1)中的一或多对(频率，磁场)也称为(H_R，f_R)对。控制器使用FMR测量数据和先前描述的公式(1)至(3)中的一或多个，以决定Hk和α值，以及在某些情况下可决定γ与不匀散频(inhomogeneous broadening)L₀。

使用先前描述的传输模式实施例，我们对完整(未图样化)的薄膜结构进行FMR测量。图13为其典型的数据结果示意图。在此实施例中，以五个不同频率做为所施加的磁场在未切割的8英寸直径芯片(待测芯片)上的函数来测量传送功率。根据本公开所公开的FMR测量方法所产生的曲线60、61、62、63、64是分别在20GHz、25GHz、30GHz、35GHz、40GHz的RF频率下，与磁场于-1.0特斯拉至1.0特斯拉(10000Oe)之间进行扫描的。每一(x_n，y_n)坐标的FMR测量需要耗费大约两分钟的处理时间。整个芯片的全部FMR测量时间取决于在此FMR测量序列中的所需的(x_n，y_n)坐标的数量多寡。

扫描FMR测量系统中不论是所描述的传输模式或反射模式所需用到的所有组件都是可商购的。本公开的扫描FMR测量模式可应用的元件结构，其横截面面积或未经图样化的磁性膜面积大体上小于现有技术。再者，如先前所描述的磁性组件还可应用更加均匀的磁性膜，从而相较传统方法具有更高可靠度的FMR测量结果。

虽然本发明已以优选实施例发明如上，然其并非用以限定本发明，任何所属技术领域中包括通常知识者，在不脱离本发明的构思和范围内，当可作些许的变动与润饰，因此本发明的保护范围当视权利要求所界定者为准。