近场扫描微波显微技术是一种新兴的在比自由空间辐射波长?小得多的尺度上研究材料电动力学响应的技术,它突破了光学远场测试时空间分辨率的极限,可以进一步提高空间分辨率。因此,这项技术在半导体芯片的在片测试领域有着广阔的应用前景。它不仅可以实现材料特性的测量,还可以在微观上呈现材料特性的变化,从而能够指导集成度越来越高的半导体芯片的设计与制造。本课题来源于国家自然科学基金项目——微波大功率半导体芯片热态参数综合分析仪。利用微波近场扫描显微镜对半导体芯片进行测试的机理是近场探针产生的微波信号与半导体材料进行电磁耦合,材料的特性反作用于微波信号在样品中的传播,探针将这种影响反馈至测量仪器。对测试机理的研究有两个核心,一个是探针与半导体材料的电磁耦合作用,另一个是这种耦合作用在测量电路中的体现,也就是将耦合作用等效到电路中元器件参数的变化,利用电路分析方法构建材料特性和测量参数之间的理论关系。本文主要研究了三个方面的问题。首先,研究了探针与半导体材料的电磁耦合。从近场的概念出发,结合准静态场的定义,将探针尖端处理成球形导体,利用静电场中的像电荷法,推导出电准静态场下探针样品间电磁作用的场分布数学模型,解决了探针尖端处近场电场分布的数学描述问题。然后从仿真的角度说明数学模型的正确性。第一步是利用MATLAB对数学模型进行计算和成像,第二步是在COMSOL中建立探针样品物理模型,通过有限元计算得到电势分布图像。通过分别比较图像分布趋势和正交方向上的数据点信息,验证了数学模型是正确的,同时说明了近场中电势快速衰减的特征。其次,研究了同轴探针与样品形成的等效阻抗。将探针样品的电磁耦合作用反映到电路中等效元器件的变化,一般低阶RLC就可以近似等效。而如果遇到变化复杂的测量结果曲线,一般需要用高阶电路等效。本文利用电容模型模拟同轴探针与样品的相互作用,构建了基于同轴探针的实验系统,分析了造成不同实验现象的原因,为进一步优化实验系统提供指导。最后,研究了探针空间分辨率的影响因素。探针尖端形成的近场在样品中的作用范围表征探针的探测能力,直接决定了它的空间分辨率。通过研究探针样品接触情形下的横向分辨率和深度分辨率与样品中电场分布的关系,提出了一种理论计算探针空间分辨率的方法,并利用COMSOL软件进行了验证。采用同样的方法研究了探针样品非接触情形下的空间分辨率。同时从理论角度说明了探针尖端的特征长度对空间分辨率的影响是决定性的,而探针样品间距对空间分辨率的影响较小。因而利用这种分析方法可以指导探针尖端细节的设计及尖样距离的控制。通过本文的研究,提出了一种探针近场中电场分布的数学描述方法,利用仿真计算进行了验证,为近场测试机理的研究打下基础。同时,分析了同轴探针与样品的等效阻抗,利用电容模型模拟二者的耦合作用,构建了基于同轴探针的实验系统,分析了造成不同实验现象的原因。利用本文中提出的数学描述方法分析了探针的空间分辨率,创造性地提出了在探针设计阶段就可以估计空间分辨率的理论方法。以上对近场微波扫描显微镜技术的研究工作只是一个方面,后续的研究依然任重而道远。