CN103365101B - 一种纳米图形化系统及其磁场施加装置 - Google Patents

一种纳米图形化系统及其磁场施加装置 Download PDF

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Abstract

一种纳米图形化系统及其磁场施加装置，该纳米图形化系统包括真空腔、样品台和磁场施加装置，该磁场施加装置包括电源、磁场产生装置和一对磁极，所述磁场产生装置包括线圈和导磁软铁芯，所述电源与所述线圈连接，所述线圈缠绕在所述导磁软铁芯上以产生磁场，所述导磁软铁芯为半闭合框形结构，所述磁极分别安装在所述半闭合框形结构的两末端，所述纳米图形化系统的真空腔内设置有样品台，所述磁极相对于所述样品台设置在所述真空腔内，所述线圈和所述导磁软铁芯设置在所述真空腔外，所述导磁软铁芯将所述线圈产生的磁场引导进入所述真空腔内，所述磁极用以对所述样品台上的样品进行定位以及局域磁场的施加。

Description

一种纳米图形化系统及其磁场施加装置
技术领域
本发明涉及一种纳米图形化和磁电高频特性测量系统，特别是一种可实现对微米或纳米图形化器件的磁电响应特性的测量研究的微米和纳米图形化系统及其磁场施加装置。
背景技术
自从1988年巨磁电阻(GMR)效应和隧穿磁电阻(TMR)效应发现以来，伴随着纳米薄膜材料制备以及微纳米加工技术的进步，自旋电子学作为一个新兴的学科取得了飞速发展，并极大的促进信息科学的进步。目前，纳米磁性材料与器件已经广泛应用于包括诸如电子、磁学、化学、生物等多个领域。而针对纳米磁性材料与器件的研究，已经成为凝聚态物理以及现代信息技术和工业生产中的核心问题之一。这也意味着，有关纳米磁性材料和器件的研究变成一个包含纳米微观结构成像、纳米图形化以及有磁场或电场参与的综合测量与分析的完备过程。
电子束曝光(electron beam lithography，EBL)系统是目前集成纳米结构制备和观测的重要设备之一，包含扫描电子显微镜(SEM)成像功能和电子束图形发生器，即利用聚焦电子束直接在抗蚀剂层上写出纳米图形。根据电子束束斑小和能量高的特点，利用电子束曝光系统可以制得5-10纳米线宽的纳米结构，是制作纳米材料和器件的理想方法。目前，最小线宽小于5纳米的纳米结构制备的世界纪录，是由德国Raith公司的EBL系统得以实现并保持至今。尽管部分EBL系统引入了电信号测量功能的探针臂，但是，目前EBL系统还无法实现对纳米材料和器件的直接观测与原位电、磁信号操控及测量上的相互兼容。其瓶颈问题主要是因为：EBL系统中用于曝光和成像的电子，会在原位测量样品用的外加磁场或电场的作用下发生偏转，因而会严重干扰和影响电子束的聚焦与扫描。为了解决以上的问题，我们在专利号为“201120265595.5”，名称为“纳米图形化和超宽频电磁特性测量系统”的中国实用新型专利中提出了在EBL系统中引入磁场。但该磁场发生装置无法实现局部区域的磁场/电场的定位引入。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种纳米图形化系统及其磁场施加装置，可以实现在SEM成像或EBL图形化功能的成像功能的基础上的局部区域的磁场的定位引入。
为了实现上述目的，本发明提供了一种纳米图形化系统的磁场施加装置，其中，包括电源、磁场产生装置和一对磁极，所述磁场产生装置包括线圈和导磁软铁芯，所述电源与所述线圈连接，所述线圈缠绕在所述导磁软铁芯上以产生磁场，所述导磁软铁芯为半闭合框形结构，所述磁极分别安装在所述半闭合框形结构的两末端，所述纳米图形化系统的真空腔内设置有样品台，所述磁极相对于所述样品台设置在所述真空腔内，所述线圈和所述导磁软铁芯设置在所述真空腔外，所述导磁软铁芯将所述线圈产生的磁场引导进入所述真空腔内，所述磁极用以对所述样品台上的样品进行定位以及局域磁场的施加。
上述的磁场施加装置，其中，所述磁极为伸缩式结构，所述伸缩式结构的磁极相对于所述样品台分别具有一伸出位置和收回位置。
上述的磁场施加装置，其中，所述磁极通过一波纹管与所述导磁软铁芯的末端连接，所述磁极相对于所述样品台分别具有一伸出位置和收回位置。
上述的磁场施加装置，其中，所述磁极为探针式结构，所述探针式结构的端部具有一向下弯曲的弧度。
上述的磁场施加装置，其中，所述磁极为薄片式结构以施加大范围均匀磁场，所述薄片式结构的磁极的上表面具有一下凹的弧面。
上述的磁场施加装置，其中，所述磁场施加装置还包括一电场施加装置，所述电场施加装置包括电场施加电源和绝缘体，所述绝缘体分别设置在所述导磁软铁芯和所述磁极之间，所述电场施加电源分别与所述磁极连接，以实现对所述样品的定位以及局域电场的施加。
上述的磁场施加装置，其中，所述电场施加电源为直流或交流电压，以实现直流电场或交流电场的施加。
上述的磁场施加装置，其中，所述导磁软铁芯和所述磁极均采用非磁性导磁材料以减少所述真空腔内的杂散场。
上述的磁场施加装置，其中，所述磁极的尖端为平面结构、球面结构或凹陷的弧面结构。
为了更好地实现上述目的，本发明还提供了一种纳米图形化系统，包括真空腔、样品台和磁场施加装置，所述样品台设置在所述真空腔内，所述磁场施加装置对应于所述样品台设置，其中，所述磁场施加装置为上述的磁场施加装置。
本发明的技术效果在于：本发明可以实现大范围或局部区域的磁场/电场的引入。可以减小磁场施加装置在SEM或EBL腔体内的占用空间，可以降低腔内的机械结构的复杂度；可以将磁场束缚在局部区域，进而最小化磁场/电场对原系统的影响；有利于待测区域的定位；可以用于研究被测样品的局域性质。和现有技术的SEM或EBL系统中的磁场施加装置相比，本发明可以实现更加有效的、精准的且对SEM或EBL本身功能影响最小的磁场施加，因而可以用于可以快速高效地进行纳米材料和器件及其阵列样品的测试与研究中磁场的施加，具有广泛的应用领域和市场需求。
以下结合附图和具体实施例对本发明进行详细描述，但不作为对本发明的限定。
附图说明
图1为本发明的纳米图形化系统结构框图；
图2A为本发明一实施例的磁场施加装置结构示意图(伸出位置)；
图2B为图2A的非工作状态示意图(收回位置)；
图2C为本发明一实施例的磁极安装示意图；
图3A为本发明另一实施例的磁场施加装置结构示意图(伸出位置)；
图3B为图3A的非工作状态示意图(收回位置)；
图4A为本发明又一实施例的磁场施加装置结构示意图(伸出位置)；
图4B为图4A的非工作状态示意图(收回位置)；
图5为本发明又一实施例的磁场施加装置结构示意图(伸出位置)；
图6A为本发明又一实施例的磁场施加装置结构示意图(伸出位置)；
图6B为图6A的非工作状态示意图(收回位置)；
图7为本发明一实施例的磁极结构示意图；
图8为本发明另一实施例的磁极结构示意图；
图9A～9C为本发明的磁极尖端的结构示意图。
其中，附图标记
1  真空腔
2  样品台
3  磁场施加装置
31  电源
32  磁场产生装置
321  线圈
322  导磁软铁芯
33  磁极
331  弧度
332  弧面
34  波纹管
35  电场施加装置
351  电场施加电源
352  绝缘体
4  样品
具体实施方式
下面结合附图对本发明的结构原理和工作原理作具体的描述：
参见图1，图1为本发明的纳米图形化系统结构框图。本发明的纳米图形化系统，包括真空腔1、样品台2和磁场施加装置3，所述样品台2设置在所述真空腔1内，所述磁场施加装置3对应于所述样品台2设置，因该纳米图形化系统的其他部分的结构、功能及相互位置关系、连接关系等均为较成熟的现有技术，故在此不再赘述，下面仅对本发明的磁场施加装置3予以详细说明。
参见图2A～图4B，图2A为本发明一实施例的磁场施加装置结构示意图(伸出位置)，图2B为图2A的非工作状态示意图(收回位置)，图3A为本发明另一实施例的磁场施加装置结构示意图(伸出位置)，图3B为图3A的非工作状态示意图(收回位置)，图4A为本发明又一实施例的磁场施加装置结构示意图(伸出位置)，图4B为图4A的非工作状态示意图(收回位置)。本发明的磁场施加装置3，包括电源31、磁场产生装置32和一对磁极33，所述磁场产生装置32包括线圈321和导磁软铁芯322，所述电源31与所述线圈321连接，所述线圈321缠绕在所述导磁软铁芯322上以产生磁场，所述导磁软铁芯322为半闭合框形结构或者说是准闭合结构，所述磁极33分别安装在所述半闭合框形结构的两末端，所述磁极33与导磁软铁芯322共同构成闭合的回路，可以使得磁力线呈闭合态。磁场由缠绕在导磁软铁芯322上的亥姆霍兹线圈321产生，通过导磁软铁芯322引导至真空腔1的内部。所述纳米图形化系统的真空腔1内设置有样品台2，所述磁极33相对于所述样品台2设置在所述真空腔1内，所述线圈321和所述导磁软铁芯322设置在所述真空腔1外，所述导磁软铁芯322将所述线圈321产生的磁场引导入所述真空腔1内，所述磁极33用以对所述样品台2上的样品4进行定位以及局域磁场的施加。
本实施例中，所述磁极33优选为伸缩式结构，所述伸缩式结构的磁极33相对于所述样品台2分别具有一伸出位置和收回位置。另外，所述磁极33可通过一波纹管34与所述导磁软铁芯322的末端连接，所述磁极33相对于所述样品台2分别具有一伸出位置和收回位置。参见图7，图7为本发明一实施例的磁极结构示意图。所述磁极33优选为探针式结构，所述探针式结构的端部具有一向下弯曲的弧度331。或者，参见图8，图8为本发明另一实施例的磁极结构示意图。所述磁极33也可为薄片式结构以施加大范围均匀磁场，所述薄片式结构的磁极33的上表面具有一下凹的弧面332。所述导磁软铁芯322和所述磁极33均采用非磁性导磁材料或剩磁极小的软磁性材料以减少所述真空腔1内的杂散场。所述软磁性材料可以为NiFe合金、硅钢片或软磁铁氧体。参见图9A～9C，图9A～9C为本发明的磁极尖端的结构示意图。所述磁极33的尖端为平面结构、球面结构或凹陷的弧面332结构。
参见图2A～2C，通过在线圈321中施加合适的电流，进而产生需要大小的磁场。磁场通过导磁软铁芯322引导至SEM或EBL腔内，构成闭合磁路。由于SEM或EBL腔内为真空，导磁软铁芯322通过腔壁处采用波纹管密封处理。腔内的导磁软铁芯322尖端的磁场施加结构为一对磁极33结构。腔外由线圈321产生的磁场通过导磁软铁芯322的引导直至一对磁极33的尖端，因此在样品4上产生相磁场。两磁极33可以进行前后的机械移动，可以进行磁场施加区域的调节。当不需要施加磁场时，两磁极33撤离至真空腔1的腔体两侧。可移动磁极33的具体结构可如图2C所示。可移动的磁极33部分嵌套在导磁软铁芯322中，保证两部分的接触紧密，可以有效地避免磁力线的泄露。所述线圈321由高电导率的导电丝绕制，导线直径为0.2到2mm，线圈321匝数和直径可以根据需要的磁场来确定。所述线圈321外围可以用循环水套包裹进行冷却。所述软磁性材料为具有高磁导率、小剩磁特性的材料，优选纯铁和低碳钢、铁硅系合金、铁铝系合金、铁硅铝系合金、镍铁系合金、铁钴系合金、软磁铁氧体、非晶态软磁合金、颗粒尺寸在50nm左右的纳米晶软磁合金。
参见图3A和3B，通过在线圈321中施加合适的电流，进而产生需要大小的磁场。磁场通过导磁软铁芯322引导至SEM或EBL腔内，构成闭合磁路。当不需要施加磁场的时候，两磁极33可同时撤至真空腔1腔中的一侧。这种结构的优点在于，当不需要施加磁场时，导磁软铁芯322和磁极33仍然可以构成一个闭合的磁路，有效地避免剩磁的外泄。同样，导磁软铁芯322或磁极33通过真空腔1的腔壁处采用波纹管密封处理，如图中所示。
参见图4A和4B，通过在线圈321中施加合适的电流，进而产生需要大小的磁场。磁场通过导磁软铁芯322引导至SEM或EBL腔内，构成闭合磁路。本实施例的所述磁极33采用伸缩式结构。当不需要施加磁场的时候，两磁极33同时收缩至真空腔1腔中的一侧。这种结构的优点在于，当不需要施加磁场时，两磁极33收缩，有效地节省真空腔1腔内的空间。
参见图5～图6B，图5为本发明又一实施例的磁场施加装置结构示意图(伸出位置)，图6A为本发明又一实施例的磁场施加装置结构示意图(伸出位置)，图6B为图6A的非工作状态示意图(收回位置)。本实施例中，所述磁场施加装置3还可包括一电场施加装置35，所述电场施加装置35包括电场施加电源351和绝缘体352，所述绝缘体352分别设置在所述导磁软铁芯322和所述磁极33之间，所述电场施加电源351分别与所述磁极33连接，以实现对所述样品的定位以及局域电场的施加。所述电场施加电源351可为直流或交流电压，以实现直流电场或交流电场的施加。对于软薄的绝缘体352，磁场仍可以形成有效的闭合状态。同时，绝缘体352的设置可以使该磁场施加装置3同时完成电场的施加。所述的导磁软铁芯322采用非磁性高磁导率的金属材料，可以满足磁场的施加。在不施加磁场的情况，导磁软铁芯322为非磁性金属态，也可以满足电场的施加。此外，采用非磁性高磁导率的金属材料也会使导磁软铁芯322在无磁场施加的情况下的剩磁几乎为零，进而最小化对SEM或EBL原有功能的产生影响。
参见图5，本实施例中增加了电场施加装置35，其中，绝缘体352并不会影响磁路的闭合状态。通过在亥姆霍兹线圈321中施加合适的电流，进而产生需要大小的磁场。磁场通过导磁软铁芯322引导至SEM或EBL腔内，构成闭合磁路。由于SEM或EBL腔内为真空，导磁软铁芯322通过腔壁处采用波纹管进行密封处理。腔外由线圈321产生的磁场通过导磁软铁芯322的引导直至一对磁极33的尖端，并施加在局域的区域内。除此之外，由于绝缘体352的存在，顶部的两磁极33也可以用于施加电场。两磁极33分别和电场施加电源351的正、负极相连，在磁极33的尖端形成电力线，并施加在局域的区域内。两磁极33可以进行前后的机械移动，可以进行电场施加区域的调节。所述磁极33可以采用伸缩示结构，进而实现局域磁场和局域电场的施加，如图6A和6B所示。当不需要施加电场的时候，两磁极33同时收缩至腔中的一侧。这种结构的优点在于，当不需要施加电场时，两磁极33收缩，有效地节省腔内的空间。
参见图7、图8，产生磁场的磁极33可以采用非探针和探针式结构。通过如图8所示的薄片式结构的磁极33，可以施加大范围的均匀的磁场。图7所示为探针式结构，探针的尖端可以采用小尺寸，进而可以对样品4施加一个局域的磁场。两磁极33可以进行前后的机械移动，可以进行磁场施加区域的调节。由于SEM或EBL腔内为真空，导磁软铁芯322或磁极33通过腔壁处采用波纹管进行密封处理。
参见图9A～9C，所述用于施加磁场的磁极33的尖端可以采用平面结构、球面结构或凹陷的弧面结构，如图所示。对于不同的结构，在施加端的周围产生的杂散磁场的分布不同。通过计算可以得到，图9C在尖端处产生的杂散磁场最小。对于需要减小杂散场磁场的磁场施加，可以采用如图9C所示的尖端结构。另外，计算表明，图9A所示结构产生的磁场的均匀区最大，对于需要大均匀区的测量时，可以有采用如图9A所示的尖端结构。
本发明的用于磁场施加装置，既可以实现大范围也可以实现大范围或局部区域的磁场/电场的引入。可以广泛地应用于SEM或EBL以及其它设备当中的磁场或电场的施加。因此，可以广泛应用于半导体、微电子、磁电子、自旋电子学的材料及其器件的测量和研究领域，也可以广泛应用于信息产业中的相关电子产品的批量检测和质量监督。
当然，本发明还可有其它多种实施例，在不背离本发明精神及其实质的情况下，熟悉本领域的技术人员当可根据本发明作出各种相应的改变和变形，但这些相应的改变和变形都应属于本发明所附的权利要求的保护范围。

Claims (6)

1.一种纳米图形化系统的磁场施加装置，其特征在于，包括电源、磁场产生装置和一对磁极，所述磁场产生装置包括线圈和导磁软铁芯，所述电源与所述线圈连接，所述线圈缠绕在所述导磁软铁芯上以产生磁场，所述导磁软铁芯为半闭合框形结构，所述磁极分别安装在所述半闭合框形结构的两末端，所述纳米图形化系统的真空腔内设置有样品台，所述磁极相对于所述样品台设置在所述真空腔内，所述线圈和所述导磁软铁芯设置在所述真空腔外，所述导磁软铁芯将所述线圈产生的磁场引导入所述真空腔内，所述磁极用以对所述样品台上的样品进行定位以及局域磁场的施加，所述磁极通过一波纹管与所述导磁软铁芯的末端连接，所述磁极相对于所述样品台分别具有一伸出位置和收回位置，其中，所述磁极为伸缩式结构，所述伸缩式结构的磁极相对于所述样品台分别具有一伸出位置和收回位置；或者，所述磁极为探针式结构，所述探针式结构的端部具有一向下弯曲的弧度；或者，所述磁极为薄片式结构以施加大范围均匀磁场，所述薄片式结构的磁极的上表面具有一下凹的弧面。
2.如权利要求1所述的磁场施加装置，其特征在于，所述磁场施加装置还包括一电场施加装置，所述电场施加装置包括电场施加电源和绝缘体，所述绝缘体分别设置在所述导磁软铁芯和所述磁极之间，所述电场施加电源分别与所述磁极连接，以实现对所述样品的定位以及局域电场的施加。
3.如权利要求2所述的磁场施加装置，其特征在于，所述电场施加电源为直流或交流电压，以实现直流电场或交流电场的施加。
4.如权利要求3所述的磁场施加装置，其特征在于，所述导磁软铁芯和所述磁极均采用非磁性导磁材料以减少所述真空腔内的杂散场。
5.如权利要求3所述的磁场施加装置，其特征在于，所述磁极的尖端为平面结构、球面结构或凹陷的弧面结构。
6.一种纳米图形化系统，包括真空腔、样品台和磁场施加装置，所述样品台设置在所述真空腔内，所述磁场施加装置对应于所述样品台设置，其特征在于，所述磁场施加装置为上述的权利要求1、2、3、4或5所述的磁场施加装置。
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