專利名稱：超靈敏原位磁強計系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種超靈敏原位磁強計系統(tǒng)，更特別地，涉及在超高真空(UHV)室中沉積和生長磁薄膜時能原位監(jiān)測具有亞單層(sub-monolayer)或更高精度的磁薄膜的磁矩的超靈敏原位(in-situ)磁強計(magnetometer)系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
通常，用于監(jiān)測磁薄膜的磁矩的磁傳感器可以利用霍爾效應(yīng)(Halleffect)、磁致電阻效應(yīng)、感應(yīng)線圈、超導(dǎo)量子干涉裝置(SQUID)等來實現(xiàn)。利用磁傳感器測量磁場的方法用作監(jiān)測方法。
首先，利用霍爾效應(yīng)的方法利用這一現(xiàn)象，即當(dāng)磁場施加到其中流動電流的板時，由于沿與電流方向和磁場方向垂直的方向產(chǎn)生電場而產(chǎn)生電動勢。
下一個，利用磁致電阻效應(yīng)的方法利用這一現(xiàn)象，即電阻與磁場強度的平方成比例地改變。另外，此方法根據(jù)電磁感應(yīng)的法拉第定律通過檢測磁場對感應(yīng)線圈的影響來測量磁場。
使用SQUID的方法能利用在超導(dǎo)狀態(tài)中出現(xiàn)的磁通量子化和約瑟夫森效應(yīng)(Josephson effect)測量達到10-10高斯(Gauss)的磁場大小。
振動樣品磁強計(VSM)利用與產(chǎn)生隨時間變化的磁場的電場相關(guān)的電磁感應(yīng)法拉第定律，測量電場，并通知用戶關(guān)于變化的磁場的信息。VSM用于測量與用作樣品的磁材料相關(guān)的磁屬性。
交變梯度場(AGM)用于提取施加到位于變化或直流(DC)場內(nèi)的樣品的周期力。該周期力與施加到樣品的磁場的大小以及樣品的磁矩成比例。
該周期力細微地移動樣品。該運動通過利用安裝在探針的臂上的壓電材料的檢測部件被測量。此外，所測量的運動的值用于產(chǎn)生與樣品有關(guān)的磁矩值以及滯后曲線。
當(dāng)偏振光入射到磁樣品中且入射光與樣品內(nèi)的磁矩之間的相互作用改變偏振度時，磁光克爾效應(yīng)(MOKE)用于通過測量偏振度的改變來測量樣品的磁特性。
沉積在懸臂(cantilever)上的磁材料受到外轉(zhuǎn)矩場導(dǎo)致的力，該力細微地移動懸臂。此時，懸臂與形成在懸臂的下部上的導(dǎo)電板之間的電容改變。電容檢測懸臂片磁強計利用變化的電容分析沉積在懸臂上的磁膜的屬性。
然而，傳統(tǒng)的系統(tǒng)僅能在薄膜被沉積之后監(jiān)測薄膜的磁矩，從而存在在膜沉積期間不能監(jiān)測薄膜的磁矩的問題。
此外，傳統(tǒng)監(jiān)測系統(tǒng)必須在薄膜被沉積且真空被打破之后執(zhí)行測量，從而存在薄膜被氧化以及僅能在薄膜被沉積之后產(chǎn)生測量結(jié)果的問題。
部分傳統(tǒng)監(jiān)測系統(tǒng)能進行測量而不打破真空狀態(tài)，但仍有僅能在薄膜被沉積之后產(chǎn)生測量結(jié)果的問題。
此外，傳統(tǒng)監(jiān)測系統(tǒng)能測量具有數(shù)埃精度的磁膜的特性，但是不能測量具有亞埃(sub-angstrom)精度的磁膜的特性，從而存在從沉積超薄膜的工藝獲得的磁特性不能被檢查的缺點。

發(fā)明內(nèi)容
因此，考慮到上述以及其它問題而進行本發(fā)明，且本發(fā)明的一個目的在于提供一種超靈敏原位磁強計系統(tǒng)，其能夠在進行沉積工藝的同時連續(xù)地監(jiān)測薄膜的磁特性而不打破室內(nèi)的真空。
本發(fā)明的另一目的在于提供在沉積磁薄膜的同時能測量亞單層精度的磁薄膜的特性的超靈敏原位磁強計系統(tǒng)。
本發(fā)明的再一目的在于提供一種能檢測超薄磁膜多層的磁特性的超靈敏原位磁強計系統(tǒng)，其對于進行巨磁致電阻效應(yīng)研究和對磁記錄媒質(zhì)的面存儲密度的改進的研究是必要的。
根據(jù)本發(fā)明的第一方面，上述和其它目標可通過提供一種超靈敏原位磁強計系統(tǒng)來實現(xiàn)，該系統(tǒng)包括沉積源；懸臂片，從所述沉積源入射的磁原子沉積在其上；干涉計，用于檢測所述懸臂片的振動從而輸出電信號；沉積頭，用于維持干涉計的光學(xué)纖維的劈裂端(cleaved end)與懸臂槳的表面之間的適當(dāng)距離；高壓放大器，用于放大外部輸入的電壓；壓電材料，其被來自高壓放大器的放大電壓振蕩；鎖相放大器，用于檢測來自壓電材料的信號；鎖相回路(PLL)，用于實施從干涉計輸出的信號與輸入到壓電材料的信號之間的相位鎖定操作；功率放大器，用于放大從鎖相放大器輸出的交變電流(AC)電壓且將該放大的AC電壓施加到沉積頭內(nèi)的轉(zhuǎn)矩線圈；以及振蕩器，用于從鎖相放大器接收干涉計的輸出電壓且監(jiān)測懸臂槳的位移。
所述沉積頭包括沉積罩，其中形成有沉積孔；線圈，其附著到所述沉積罩的內(nèi)壁用于響應(yīng)于從所述功率放大器接收的AC電壓在薄膜處產(chǎn)生磁轉(zhuǎn)矩場；支承板，其與所述線圈間隔開且安裝在所述沉積罩的下表面上；永磁體或電磁體，其固定地安裝在所述支承板上用于沿一方向排列薄膜的磁矩；陶瓷材料，其安裝在沉積罩的下表面上；電導(dǎo)體，其安裝在所述陶瓷材料的上部分上；壓電材料的下電極，其安裝在所述電導(dǎo)體的一端；壓電材料，其緊密粘附到所述陶瓷材料的一個表面且安裝在所述電導(dǎo)體的上部分上；第一非磁金屬板，其安裝所述壓電材料的上部分上；沉積孔板和懸臂片，其安裝在所述第一非磁金屬板上；所述壓電材料的上電極，其安裝在所述第一非磁金屬板的下部分上；第二非磁金屬板，其安裝在光致抗蝕劑上；以及螺桿(screw)，其固定到第二非磁金屬板的上部，其中光學(xué)纖維位于第二非磁金屬板的中心且緊密安裝到第二非磁金屬板從而當(dāng)四個螺桿被緊固時劈裂的纖維端與懸臂槳的表面之間保持5-10微米的間隙。
根據(jù)本發(fā)明的第二方面，上述和其它目的可通過提供一種超靈敏原位磁強計系統(tǒng)來實現(xiàn)，其包括沉積源；懸臂片，其中劈裂的纖維端面對片的懸臂槳的一側(cè)且從沉積源入射的磁原子沉積在片的懸臂槳表面的另一側(cè)；功率放大器，用于調(diào)整外部輸入電壓從而改變所調(diào)整的電壓的振幅及所改變的振幅；干涉計，用于檢測懸臂槳的振動從而輸出電信號；其中包括懸臂片的沉積頭，用于維持干涉計的劈裂的纖維端與懸臂槳的表面之間的適當(dāng)距離；鎖相放大器(lock-in amplifier)，用于檢測干涉計輸出的信號；鎖相回路(PLL)，用于在磁薄膜沉積期間檢測從所述干涉計輸出的信號，基于來自干涉計的信號和輸入到轉(zhuǎn)矩線圈的信號進行相位鎖定操作，以及對最終的磁信號消除質(zhì)量負荷效應(yīng)引起的頻率偏移；計算機，用于存儲來自鎖相放大器的干涉計的輸出信號；轉(zhuǎn)矩線圈，用于借助于從功率放大器輸出的AC電壓產(chǎn)生交變電流(AC)轉(zhuǎn)矩場；以及電磁體，用于借助外加電流產(chǎn)生偏置場。


本發(fā)明的上述和其它目的、特征、以及其它優(yōu)點將從下面結(jié)合附圖進行的詳細描述而被更清楚地理解，附圖中圖1示出根據(jù)本發(fā)明的磁強計系統(tǒng)的一個實施例；圖2是橫截面圖，示出圖1中應(yīng)用的沉積頭；圖3示出懸臂和沉積孔板的結(jié)構(gòu)；圖4是橫截面圖，示出其中懸臂和沉積孔板耦合的結(jié)構(gòu)(懸臂片)；圖5是總圖，示出懸臂片和薄膜；圖6是說明圖，示出轉(zhuǎn)矩應(yīng)用到其上沉積有薄膜的懸臂片的原理；圖7示出一結(jié)構(gòu)，其中槽形成在應(yīng)用本發(fā)明的懸臂槳的表面上；圖8示出根據(jù)本發(fā)明的磁強計系統(tǒng)的另一實施例；以及圖9是橫截面圖，示出圖8中應(yīng)用的沉積頭。
具體實施例方式
實施例1現(xiàn)在，將描述根據(jù)本發(fā)明的超靈敏原位磁強計系統(tǒng)。
如圖1所示，根據(jù)本發(fā)明的系統(tǒng)包括沉積源10、沉積頭30、干涉計50、鎖相回路(PLL)60、高壓放大器70、功率放大器80、振蕩器90、鎖相放大器(lock-in amplifier)100以及計算機110。PLL 60包括相位檢測器61、環(huán)路濾波器62、以及電壓控制振蕩器(VCO)63三個部分。
首先，沉積源10和沉積頭30安裝在超高真空(UHV)室20內(nèi)。沉積源10起到向沉積頭30內(nèi)的懸臂片(cantilever chip)46的懸臂槳(cantileverpaddle)46c的下表面提供磁原子的作用。沉積頭30維持干涉計50的劈裂纖維40與片的懸臂槳46c的表面之間的適當(dāng)距離，且固定樣品。
UHV室20上方的干涉計50附著在UHV室20外，且通過光學(xué)纖維40以及向轉(zhuǎn)矩線圈和電磁體提供電流的電線經(jīng)饋通(feed-through)連接到沉積頭30。干涉計50檢測沉積頭30內(nèi)片的懸臂槳46c的振動且然后轉(zhuǎn)化為電輸出信號。此外，通過激光二極管、溫度控制器、方向耦合器、激光二極管驅(qū)動器、激光器底座、以及光學(xué)檢測器來配置干涉計50。
來自干涉計50的信號傳輸?shù)絇LL 60。如上所述，PLL 60包括相位檢測器61、環(huán)路濾波器62、以及VCO 63三個部件。
PLL 60具有固定地維持輸入到壓電材料47的信號與從干涉計50輸出的信號之間180°的相位差的功能。因此，對沉積在槳表面上的磁膜起作用的磁轉(zhuǎn)矩導(dǎo)致的懸臂槳46c的運動被消去，且因此膜沉積期間歸因于質(zhì)量負荷效應(yīng)(mass loading effect)的共振頻率偏移被最小化。輸入到壓電材料的信號被用作膜的磁矩。
高壓放大器70放大從PLL 60輸出的精細信號且然后將其提供給壓電材料47。也就是說，由于來自高壓放大器70的放大輸出信號提供給壓電材料47，懸臂槳46c的由磁轉(zhuǎn)矩產(chǎn)生的振動被最小化且因此膜沉積期間質(zhì)量負荷和熱漂移效應(yīng)被最小化。
壓電材料47以180°倒相(phase inversion)來振動，與來自激光干涉計的輸出信號的共振頻率和振幅相同。該振動抵消懸臂槳46c的由于槳上的磁膜導(dǎo)致的振動。鎖相放大器100執(zhí)行檢測從VCO 63輸出的倒相信號且將檢測到的信號作為所述膜的磁膜信息傳輸?shù)骄哂写鎯γ劫|(zhì)的監(jiān)測系統(tǒng)例如計算機110的功能。
功率放大器80放大從鎖相放大器100輸出的交變電壓(ACV)，且然后將放大的AC電壓提供給沉積頭30內(nèi)的轉(zhuǎn)矩線圈33。此時，來自功率放大器80的AC電壓對應(yīng)于懸臂槳46的共振頻率。
此外，振蕩器90識別懸臂槳46c的固有動作(inherent motion)和懸臂槳46c的被抵消的動作，使得觀察者能確定懸臂動作被抵消。
懸臂槳46c的固有動作表示當(dāng)轉(zhuǎn)矩應(yīng)用到薄膜的磁矩且因此其上沉積有薄膜的懸臂槳46c垂直振動時的運動。懸臂槳46c的抵消的運動表示當(dāng)從VCO 63輸出的倒相信號提供給壓電材料47且因此懸臂槳46c的固有運動被抵消時的運動。
現(xiàn)在，將描述沉積頭30的配置。
如圖2所示，沉積頭30具有一結(jié)構(gòu)，其中沉積孔31形成在圓筒形沉積罩32的底部中心。沉積罩32保護沉積頭30中的所有部件在膜沉積期間免于所有可能的意外的原子沉積。
轉(zhuǎn)矩線圈33附著到圓筒形沉積罩32的內(nèi)壁。線圈33產(chǎn)生AC磁轉(zhuǎn)矩場。
與線圈33間隔開的支承板34垂直安裝在圓筒形沉積罩32的底部上。釤鈷(SmCo)永磁體或電磁體35彼此面對地固定安裝于支承板34上。SmCo永磁體或電磁體35產(chǎn)生偏置場且排列沉積在位于兩個偏置場磁體之間中心處的懸臂槳上的薄膜的磁矩。支承板34支承磁體35，且通過與超高真空(UHV)相容的材料配置。
陶瓷材料36安裝在圓筒形沉積罩32的下表面上。安裝陶瓷材料36從而電隔離沉積罩32與壓電材料47的下電極38。在此例中，沉積罩32通過與UHV相容的材料配置，陶瓷材料36是與UHV相容的絕緣材料。
安裝在絕緣材料36的上部分上的電導(dǎo)體37用作下電極，且電耦合到壓電材料47的在圖2中電導(dǎo)體37右側(cè)的下電極38。壓電材料47的下電極38施加電壓到電導(dǎo)體37。電導(dǎo)體37由與UHV相容的材料配置。
緊密粘合到陶瓷材料36的一側(cè)的壓電材料47安裝在電導(dǎo)體37的上部分上。壓電材料47產(chǎn)生用于抵消懸臂槳46c的運動的反饋振動。這里使用的全部導(dǎo)體材料為非磁材料。
第一非磁金屬板45安裝在壓電材料47上。壓電材料47的上電極39安裝在第一非磁金屬板45的下表面上。壓電材料47的上電極39施加電壓到第二非磁金屬板44。
懸臂片(沉積孔板48和懸臂46通過離子鍵(ionic bonding)的結(jié)合結(jié)構(gòu))安裝在第一金屬板45的上部分上。
圖3示出懸臂46和沉積孔板48的結(jié)構(gòu)。如圖3所示，懸臂46分為框架46a、腿46b、以及槳46c三個部分。
圖4示出其中懸臂46和沉積孔板48耦合的結(jié)構(gòu)(懸臂片)。
如圖4所示，沉積孔板48和懸臂46彼此耦合。沉積孔板48防止懸臂46的腿46b上的薄膜沉積，且執(zhí)行一功能使得薄膜僅沉積在懸臂片的懸臂槳46c上。即，沉積孔板48和懸臂形成為可稱為懸臂片(cantilever chip)的一體。沉積孔板48和懸臂通過離子鍵結(jié)合。
如圖7所示，小而長的槽形成在懸臂槳46c的表面中從而在膜沉積期間最小化渦流效應(yīng)。
光致抗蝕劑43涂覆在懸臂的懸臂框架46a上。即，光致抗蝕劑43僅涂覆在懸臂的框架46a的上部分上。光致抗蝕劑43維持懸臂片的懸臂槳46c的表面與光學(xué)纖維40的劈裂端之間的恒定距離。優(yōu)選地，懸臂的槳46c與光學(xué)纖維40的劈裂端之間的距離在5μm至10μm的范圍。
第二非磁金屬板44安裝在光致抗蝕劑43的上部分上，且通過螺桿49與第一非磁金屬板45結(jié)合。懸臂片通過第一非磁金屬板45耦合到充當(dāng)壓電材料47的上電極的非磁金屬板39。
即，第二非磁金屬板44由與UHV相容的材料例如Cu配置。第二非磁金屬板44和光學(xué)纖維40配置為一體。樣品通過分開四個螺桿49被移除。
在樣品替換的情況下，四個螺桿松開且然后圖4的懸臂片能被移除。新懸臂片被置于第一非磁金屬板45上，且然后配置為一體的第二非磁金屬板44和光學(xué)纖維40置于新懸臂片上。第一和第二非磁金屬板45和44通過四個螺桿49被結(jié)合。
光學(xué)纖維40被固定在第二非磁金屬板44的中心。光學(xué)纖維40的基本結(jié)構(gòu)包括纖維芯41和覆層(clad)42。纖維芯41的直徑約為5μm，光學(xué)纖維40能使用780nm波長的單模光學(xué)纖維。供選地，紅外波長的多模光學(xué)纖維也能用于本發(fā)明。
現(xiàn)在，將描述如上構(gòu)造的超靈敏原位磁強計系統(tǒng)的功能。
如圖1所示，膜沉積期間來自沉積源10的磁原子沉積在位于沉積頭30的內(nèi)部的懸臂槳46c的下表面上。沉積在懸臂槳46c的下表面上的磁原子在膜沉積期間生長且開始形成薄膜。
SmCo永磁體或電磁體35在懸臂片定位的位置處產(chǎn)生偏置場。薄膜的磁矩充分排列為平行于所施加的偏置場的方向。
此時，耦合到RF轉(zhuǎn)矩線圈33的功率放大器80向線圈33提供具有懸臂槳46c的共振頻率的正弦信號，即從VCO提供的信號。
提供給轉(zhuǎn)矩線圈33的正弦電壓信號產(chǎn)生交變電流(AC)轉(zhuǎn)矩場。
這樣，所產(chǎn)生的AC轉(zhuǎn)矩場還垂直施加到沉積在槳上的薄膜的表面且然后產(chǎn)生導(dǎo)致懸臂槳的垂直振動的磁轉(zhuǎn)矩。
懸臂槳46c的共振頻率取決于懸臂46的厚度。共振頻率必須超過2KHz，因為電噪聲和室內(nèi)噪聲(room noise)在2KHz的共振頻率下是嚴重的。共振頻率可以通過懸臂46的厚度控制。因此懸臂46以超過2KHz的共振頻率運行。
共振運行有Q增大的優(yōu)點，如Zr＝Z×Q，其中Q是懸臂46的機械品質(zhì)因數(shù)。
施加到磁薄膜的轉(zhuǎn)矩能寫為TM＝m×BT＝μ0mHT。由于施加到槳上的磁薄膜的轉(zhuǎn)矩而導(dǎo)致的懸臂槳46c的位移還可以寫為Z＝6TMlc2/ Ewctc3＝6μ0mHTlc2/Ewctc3＝6μ0MStfafHTlc2/Ewctc3，其中l(wèi)c表示懸臂腿46b的長度，μ0表示自由空間的磁導(dǎo)率，MS表示所沉積的膜的飽和磁化，af表示沉積膜面積，TM表示作用在槳上的磁轉(zhuǎn)矩，wc表示懸臂腿46b的寬度，tc表示懸臂46的厚度，tf表示膜的厚度。E是硅的楊氏模量。
懸臂槳46c的振動通過激光二極管干涉計50被檢測。激光二極管干涉計50檢測的信號通過PLL 60基于180°倒相被轉(zhuǎn)換成正弦信號，且轉(zhuǎn)換的信號通過放大器被提供給壓電材料從而抵消懸臂槳運動。通過調(diào)節(jié)激光二極管的溫度，激光二極管的激光波長能被調(diào)節(jié)以用于最佳干涉條紋可見度(fringevisibility)。
下面將描述來自鎖相放大器的輸出信號在PLL 60中的180°倒相。
首先，以DC電壓，PLL 60中相位檢測器61測量從干涉計50輸出的信號與輸入到壓電材料47的信號之間的相位差。
環(huán)路濾波器62過濾來自相位檢測器61的輸出信號且將其發(fā)送到電壓控制振蕩器。
來自環(huán)路濾波器62的輸出信號通過VCO 63基于180°倒相被轉(zhuǎn)換為正弦信號。相位通過基于相位檢測器61、環(huán)路濾波器62、以及VCO的反饋被鎖定，使得鎖相信號通過高壓放大器70被提供給壓電材料47。
高壓放大器70執(zhí)行放大從VCO 63輸出的倒相信號的功能。鎖相放大器100檢測作為所沉積的膜的磁信息提供給壓電材料的180°倒相輸出信號。
從PLL 60輸出的倒相信號通過高壓放大器70反饋到位于懸臂片下面的壓電材料47。與磁轉(zhuǎn)矩相關(guān)的懸臂槳46c的振動被抵消。該過程被稱為主動反饋(active feedback)。
通過主動反饋，懸臂槳46c返回到幾乎沒有振動的狀態(tài)。當(dāng)在膜沉積期間來自沉積源10的磁原子移動到懸臂槳46c的下表面時懸臂槳46的質(zhì)量增大，且因此懸臂的共振頻率將稍微向較低偏移。這是所謂的質(zhì)量負荷效應(yīng)，當(dāng)主動反饋開啟時其最小化。由熱效應(yīng)導(dǎo)致的相位偏移也將通過主動反饋最小化。
借助于從干涉計50輸出的信號以及反饋到壓電材料47的信號，觀察懸臂槳46c的固有運動和抵消的運動，該干涉計50通過振蕩器80檢測懸臂槳46c的固有運動。
通過PLL 60的倒相信號通過高壓放大器70被反饋到壓電材料47，倒相信號的振幅可被轉(zhuǎn)化為薄膜的磁矩。倒相信號被鎖相放大器100檢測且通過存儲媒質(zhì)例如計算機110被記錄。
鎖相放大器100不受噪聲影響，用于精確測量。
反饋到壓電材料47的倒相信號的振幅與沉積在懸臂槳上的薄膜的磁矩成比例。沉積工藝期間，磁矩被測量。
此時，需要下面的公式來將干涉計50檢測的信號的振幅轉(zhuǎn)換為磁矩，從而薄膜的測量磁矩可以與理論值比較。
MStfaf＝Ewctc3λΔV/24πμ0HTlc2VV0，其中λ表示激光波長，ΔV表示當(dāng)鎖相放大器測量與歸因于膜沉積的磁矩變化對應(yīng)的信號時的測量值，V和V0是干涉條紋可見度和中點電壓，分別定義為V=(Vmax-Vmin)(Vmax+Vmin);V0=(Vmax+Vmin)2]]>其中Vmax和Vmin是分別與最大相長和相消干涉對應(yīng)的電壓。V和V0是激光干涉計的特性。
實施例2圖8和9示出根據(jù)本發(fā)明的超靈敏原位磁強計系統(tǒng)的另一實施例。該超靈敏原位磁強計系統(tǒng)包括沉積源10；懸臂片，其中標準NiFe膜51沉積在懸臂槳的與光學(xué)纖維對應(yīng)的一個表面上而沒有使用壓電材料，從沉積源10入射的磁原子沉積在懸臂槳的另一表面上；干涉計50，用于通過檢測懸臂槳46c的振動輸出電信號；以及如前所述的懸臂片。該超靈敏原位磁強計系統(tǒng)還包括沉積頭30，用于維持干涉計50的劈裂的纖維端與懸臂槳46c的表面之間的適當(dāng)距離；功率放大器80a，用于調(diào)整從鎖相回路(PLL)60輸入的電壓且改變該電壓的振幅從而輸出改變了的振幅；PLL 60，用于檢測從干涉計50輸出的信號，檢測來自干涉計的檢測信號與輸入到轉(zhuǎn)矩線圈33的信號之間的相位差，通過反饋鎖定相位使得測量期間相位差一直等于PLL 60的PID(比例積分微分)控制器中預(yù)設(shè)的相位值，以及膜沉積工藝期間測量懸臂槳振動的輸出信號，消除歸因于質(zhì)量負荷效應(yīng)的共振頻率偏移的影響；計算機110，用于存儲來自鎖相放大器100的干涉計；轉(zhuǎn)矩線圈33，用于響應(yīng)于從功率放大器80a輸出的AC電壓產(chǎn)生交變電流(AC)轉(zhuǎn)矩場；以及電磁體52，用于響應(yīng)于外DCV產(chǎn)生偏置場。
下面將描述如上構(gòu)造的超靈敏原位磁強計系統(tǒng)的功能。
膜沉積期間，來自沉積源10的磁原子被發(fā)射且沉積在沉積頭30內(nèi)懸臂槳46c的下表面上。沉積在懸臂槳46c的下表面上的磁原子形成薄膜。
電磁體52在懸臂片定位的位置處產(chǎn)生偏置場。薄膜的磁矩排列為平行于偏置場的方向。
響應(yīng)于從與RF轉(zhuǎn)矩線圈33耦接的功率放大器80a提供的AC電壓，AC轉(zhuǎn)矩場產(chǎn)生且垂直施加到沉積在懸臂槳上的膜的表面。
因此，轉(zhuǎn)矩線圈產(chǎn)生的AC轉(zhuǎn)矩場以及電磁體52產(chǎn)生的偏置場使懸臂槳46c以共振頻率振動。當(dāng)沉積在面對劈裂的纖維端的槳表面上的膜是標準坡莫合金膜時，其用于尋找懸臂槳的共振頻率，而不是前述實施例中那樣使用壓電材料。該膜具有與前述實施例中使用的壓電材料相同的功能。懸臂槳的尋找共振頻率的此配置的唯一不同在于代替壓電激勵利用磁激勵振動。
懸臂槳46c的共振頻率取決于懸臂46的厚度。共振頻率必須超過2KHz，因為當(dāng)共振頻率低于2KHz時電噪聲和室內(nèi)噪聲嚴重。共振頻率可以通過懸臂46的厚度控制。為此，懸臂46以超過2KHz的共振頻率運行。
懸臂片46的振動被激光二極管干涉計50檢測。與前述實施例相比具有稍微不同的配置的PLL 60(相位檢測器、PID控制器和電壓控制振蕩器)以PID中預(yù)設(shè)的值執(zhí)行激光二極管干涉計50檢測的信號與輸入到轉(zhuǎn)矩線圈33的信號之間的相位鎖定操作。因此，上述兩個信號之間的相位差在膜沉積期間保持相同，即使共振頻率由于質(zhì)量負荷效應(yīng)而改變；這意味著PLL總是跟蹤歸因于質(zhì)量負荷或熱漂移效應(yīng)的相位改變。來自PLL的VCO的鎖定信號通過功率放大器80a提供給轉(zhuǎn)矩線圈33。
在膜沉積期間上述相位鎖定從最終的磁信號消除了質(zhì)量負荷效應(yīng)或歸因于熱效應(yīng)或室的機械振動的可能的相位改變影響。
干涉計50檢測的信號的振幅與沉積在懸臂槳上的薄膜的磁矩成比例。鎖相放大器100輸出檢測的信號到具有存儲媒質(zhì)的檢測系統(tǒng)例如計算機110。
盡管為了說明而公開了本發(fā)明的優(yōu)選實施例，但是本領(lǐng)域技術(shù)人員將意識到，在不偏離本發(fā)明的范圍的情況下，各種修改、增加和替換是可能的。因此，本發(fā)明不限于上述實施例，而是本發(fā)明由所附權(quán)利要求與其全范圍的等價物一起定義。
工業(yè)實用性從上面的描述顯見，本發(fā)明允許觀察者利用原位監(jiān)測系統(tǒng)觀測全部磁膜沉積過程。
根據(jù)本發(fā)明，在沉積磁薄膜的同時能以亞?；蛘吒叩木扔^察薄膜的特性，原子級沉積也能被檢測。
利用主動反饋系統(tǒng)，在膜沉積期間，本發(fā)明能最小化從沉積源向懸臂槳的下表面移動磁原子時增大懸臂片的質(zhì)量導(dǎo)致的質(zhì)量負荷效應(yīng)，且能最小化由于溫度變化導(dǎo)致的彈性模量的影響。
根據(jù)本發(fā)明，通過利用產(chǎn)生偏置場的電磁體從負到正掃過磁場而不打破室的真空，還能觀察到諸如滯后曲線、各向異性能的磁膜特性。
權(quán)利要求
1.一種超靈敏原位磁強計系統(tǒng)，包括沉積源；片的懸臂槳，從所述沉積源入射的磁原子沉積在其上；干涉計，其用于檢測所述片的懸臂槳的振動從而輸出電信號；沉積頭，其用于維持所述干涉計的劈裂的纖維端與所述片的懸臂槳的表面之間的適當(dāng)距離；高壓放大器，其用于放大提供給壓電材料的信號；壓電材料，其通過來自所述高壓放大器的所述放大了的電壓振動；鎖相放大器，其用于檢測來自所述壓電材料的信號；鎖相回路(PLL)，其用于執(zhí)行從所述干涉計輸出的信號與輸入到所述壓電材料的信號之間的相位鎖定操作；功率放大器，其用于放大從所述鎖相放大器輸出的交變電流(AC)電壓且將該放大的AC電壓施加到所述沉積頭內(nèi)部的轉(zhuǎn)矩線圈；以及振蕩器，其用于從所述鎖相放大器接收所述干涉計的輸出電壓且監(jiān)測所述懸臂槳的位移。
2.如權(quán)利要求1所述的超靈敏原位磁強計系統(tǒng)，其中從所述PLL產(chǎn)生的信號抵消所述懸臂槳的振動。
3.如權(quán)利要求1所述的超靈敏原位磁強計系統(tǒng)，其中所述干涉計通過控制激光二極管的溫度能調(diào)節(jié)激光波長從而發(fā)現(xiàn)最佳干涉條紋和可見度。
4.如權(quán)利要求1所述的超靈敏原位磁強計系統(tǒng)，其中所述PLL包括相位檢測器，其用于產(chǎn)生直流(DC)電壓，該直流(DC)電壓對應(yīng)于從所述激光干涉計輸入的信號與輸出到所述壓電材料的信號之間的相位差；環(huán)路濾波器，其用于過濾從所述相位檢測器輸出的信號；以及電壓控制振蕩器(VCO)，其用于接收從所述環(huán)路濾波器輸出的信號從而將所接收的信號轉(zhuǎn)換為具有180°倒相的正弦信號并輸出所轉(zhuǎn)換的信號，以及用于通過將該正弦信號反饋到相位檢測器來保持所述相位差。
5.如權(quán)利要求1所述的超靈敏原位磁強計系統(tǒng)，其中所述沉積頭包括沉積罩，其中形成沉積孔；絕緣材料，其安裝在所述沉積罩上，所述絕緣材料包括空心體及形成在該體上的空心凸出；非磁電導(dǎo)體，其耦接到所述凸出體；壓電材料，其安裝在所述電導(dǎo)體的上部分上；諸如銅的第一非磁金屬板，其中所述壓電材料的上電極形成在所述第一非磁金屬板的下端的一側(cè)，所述第一非磁金屬板安裝在所述壓電材料的上部分上；懸臂片，其安裝在所述第一非磁金屬板的上部分上；光致抗蝕劑，其堆疊在所述懸臂的框架的上部分上；第二非磁金屬或銅板，其耦接到所述光學(xué)纖維；支承板，其垂直耦接到所述沉積罩；永磁體，其被所述支承板支承；以及轉(zhuǎn)矩線圈，其附著到所述沉積罩的內(nèi)側(cè)，且其中所述第一和第二非磁或銅板通過螺桿耦合。
6.如權(quán)利要求5所述的超靈敏原位磁強計系統(tǒng)，其中所述絕緣材料是陶瓷。
7.如權(quán)利要求5所述的超靈敏原位磁強計系統(tǒng)，其中在膜沉積期間所述沉積罩保護所述沉積頭的內(nèi)部部件。
8.如權(quán)利要求5所述的超靈敏原位磁強計系統(tǒng)，其中所述支承板是非磁導(dǎo)電金屬或陶瓷。
9.如權(quán)利要求5所述的超靈敏原位磁強計系統(tǒng)，其中所述絕緣材料用于所述沉積罩與所述壓電材料的下電極之間的絕緣。
10.如權(quán)利要求5所述的超靈敏原位磁強計系統(tǒng)，其中所述非磁電導(dǎo)體由與UHV相容的材料配置。
11.如權(quán)利要求5所述的超靈敏原位磁強計系統(tǒng)，其中所述下電極施加電壓到所述非磁電導(dǎo)體。
12.如權(quán)利要求5所述的超靈敏原位磁強計系統(tǒng)，其中所述壓電材料產(chǎn)生反饋振動從而抵消所述懸臂槳的運動。
13.如權(quán)利要求5所述的超靈敏原位磁強計系統(tǒng)，還包括由Si配置的沉積孔板，其中薄膜僅沉積在所述懸臂的除了腿之外的所述槳上。
14.如權(quán)利要求5所述的超靈敏原位磁強計系統(tǒng)，其中所述光致抗蝕劑與所述懸臂的槳和所述劈裂的纖維端間隔開預(yù)定距離。
15.如權(quán)利要求1所述的超靈敏原位磁強計系統(tǒng)，其中形成小且長的槽使得在膜沉積期間渦流效應(yīng)能被最小化。
16.一種超靈敏原位磁強計系統(tǒng)，包括沉積源；懸臂片，其中劈裂的纖維端面對所述片的懸臂槳的一側(cè)且從所述沉積源入射的磁原子沉積在所述片的所述懸臂槳表面的另一側(cè)上；功率放大器，其用于調(diào)整外部輸入電壓從而改變所調(diào)整的電壓的振幅以及所改變的振幅；干涉計，其用于檢測所述懸臂槳的振動從而輸出電信號；其中包括所述懸臂片的沉積頭，其用于維持所述干涉計的所述劈裂的纖維端與所述懸臂槳的表面之間的適當(dāng)距離；鎖相放大器，其用于檢測從所述干涉計輸出的信號；鎖相回路(PLL)，其用于在所述膜沉積期間檢測從所述干涉計輸出的信號，基于來自所述干涉計的信號以及輸入到所述轉(zhuǎn)矩線圈的信號執(zhí)行相位鎖定操作，以及對所述最終磁信號消除由質(zhì)量負荷效應(yīng)引起的頻率偏移；計算機，其用于存儲來自所述鎖相放大器的所述干涉計的輸出信號；轉(zhuǎn)矩線圈，其用于借助于從所述功率放大器輸出的AC電壓產(chǎn)生交變電流(AC)轉(zhuǎn)矩場；以及電磁體，其用于借助外加DCV產(chǎn)生偏置場。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種超靈敏原位磁強計系統(tǒng)，更特別地，涉及在超高真空(UHV)室中沉積和生長磁薄膜時能原位監(jiān)測具有亞單層精度的磁薄膜的磁矩的超靈敏原位磁強計系統(tǒng)。
文檔編號G01R33/02GK1875284SQ200480031849
公開日2006年12月6日 申請日期2004年9月1日 優(yōu)先權(quán)日2003年9月2日
發(fā)明者閔同焄 申請人:株式會社菲托尼斯