CN113884443A - 基于磁光克尔效应的磁性晶圆大视野成像方法和成像装置 - Google Patents

基于磁光克尔效应的磁性晶圆大视野成像方法和成像装置 Download PDF

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Abstract

本发明提供了基于磁光克尔效应的磁性晶圆大视野成像方法和成像装置，所述方法包括以下内容：通过磁光克尔成像光路将磁性晶圆内部磁化状态在计算机上显示成像；具体为，所述磁光克尔成像光路包括偏振照明光路和偏振成像光路，先用偏振照明光路对磁性晶圆进行照射处理，偏振成像光路收集被磁性晶圆反射的光形成图像，成像光路将图像传送给计算机，计算机显示图像。本发明首次实现磁性晶圆大视野成像，可以提高对磁性晶圆性质的快速检测，尤其对磁性晶圆在工业领域的发展和应用具有重要意义。

Description

基于磁光克尔效应的磁性晶圆大视野成像方法和成像装置
技术领域
本发明属于物理测量技术领域和演示设备领域，尤其涉及晶圆磁化状态成像技术领域，具体涉及基于磁光克尔效应磁性晶圆大视野成像方法和成像装置。
背景技术
晶圆是制造半导体器件的基础性原材料，一般分为2英寸、4英寸、6英寸、8英寸、12英寸规格不等。在晶圆表面通过真空蒸发法、电沉积法、溅射法等方式镀上磁性薄膜得到磁性晶圆，可用于制造自旋电子芯片，不仅利用电子的电荷属性，也利用和操作其自旋特性，具有高集成，高能效的优点，可广泛用于现代信息技术中，具有巨大的应用和市场前景。利用光学的方法对晶圆磁性进行检测，具有无损、检测速度相对于电学等方法更快等优势。但是目前对磁性晶圆的磁性变化进行光学检测主要使用激光进行单点测试，并结合扫描成像技术形成多点图像。在工业化生产时，这种方法费时费力，效率慢，无法快速探测磁性晶圆的性能。另一方面，对于大多数学生来说，自旋是一个相当陌生的概念，因为目前电子自旋无法在直观上得到演示，这给自旋电子学的教学和相关知识的普及带来很大的障碍，不利于自旋电子学的发展。
发明内容
为了解决上述问题，本发明第一方面提供了基于磁光克尔效应的磁性晶圆大视野成像方法，所述方法包括以下内容：通过磁光成像光路将磁性晶圆内部磁化状态在计算机上显示成像，所述磁光克尔成像光路使用磁光克尔效应进行成像；具体为，所述磁光克尔成像光路包括偏振照明光路和偏振成像光路，先用偏振照明光路对磁性晶圆进行照射，所述偏振照明光路提供的照明光为线偏振光，偏振成像光路收集被磁性晶圆反射的光形成图像，所述偏振成像光路能够处理反射光携带的偏振信号，并对偏振状态进行空间分辨成像，偏振成像光路将图像传送给计算机，计算机显示图像。
优选的，所述偏振照明光路包括光源，起偏器，所述起偏器是指能够将非偏振光变为线偏振光的光学元件，透镜元件；所述偏振成像光路包括检偏器，透镜组II和相机；
所述光源提供入射光，入射光依次通过起偏器，透镜元件，照射到磁性晶圆上，反射后的光依次通过检偏器，透镜组II和相机；或者，所述光源提供入射光，入射光依次通过透镜元件，起偏器，照射到磁性晶圆上，反射后的光依次通过检偏器，透镜组II和相机。
优选的，所述计算机显示图像采用作差法，用于增强成像效果。
优选的，所述检偏器的尺寸使被磁性晶圆反射的光都能通过检偏器。
本发明第二方面提供了基于磁光克尔效应的磁性晶圆大视野成像装置，所述装置包括磁光克尔成像光路，磁性晶圆和计算机；所述磁光克尔成像光路包括偏振照明光路和偏振成像光路；
所述偏振照明光路，用于提供具有线偏振特性的的入射光，对磁性晶圆进行照射处理；
所述偏振成像光路，用于收集被磁性晶圆反射的光，对反射光的偏振信息进行检偏处理并形成图像；
所述计算机，用于显示图像。
本发明所述偏振照明光路提供稳定的，照明均匀的入射光，可以提高成像的效果。
优选的，所述偏振照明光路包括光源，起偏器，透镜元件；所述偏振成像光路包括检偏器，透镜组II和相机；
所述光源的一侧设置起偏器，起偏器的另一侧设置透镜元件，通过透镜元件的光照射到磁性晶圆上，磁性晶圆反射的光通过检偏器，所述检偏器的另一侧依次设置透镜组II和相机，所述相机和计算机连接；或者，所述光源的一侧设置透镜元件，透镜元件的另一侧设置起偏器，通过起偏器的光照射到磁性晶圆上，磁性晶圆反射的光通过检偏器，所述检偏器的另一侧依次设置透镜组II和相机，所述相机和计算机连接。
优选的，所述起偏器和所述检偏器为可旋转设置或为固定设置。
优选的，所述透镜元件选自透镜或透镜组I。
优选的，所述透镜组II的长度为0.1～1m。
优选的，所述透镜组II的焦距为0.06～3m。
优选的，所述透镜组II选自远心透镜组。
优选的，所述透镜组II选自长焦透镜组。
本发明第三方面提供了所述装置的使用方法，包括磁性晶圆上薄膜的磁化状态反转演示方法，具体步骤为：打开光源，计算机上显示磁性晶圆的图像，将磁铁靠近磁性晶圆远离磁光克尔成像光路的一侧，磁铁在与磁性晶圆对应的范围内运动时，计算机上显示磁铁运动路径；用磁铁的另一端靠近磁性晶圆，计算机显示磁性晶圆的成像恢复原状态。
本发明第四方面提供了所述的磁光克尔效应的磁性晶圆大视野成像装置的应用。
优选的，所述应用具体为：将磁性晶圆至于磁场中，改变磁场的极性和强度，通过所述装置成像获得不同磁场下对应的磁性晶圆的磁性膜层的磁化状态信息，最终得到磁性晶圆全局的磁场-磁性层磁化强度对应关系。
所述应用为用于教学演示、写字或画画。
所述检偏器采用线偏振器。当反射光透射过此种光学元件时，发射光的偏振角度与检偏器的相对角度决定了透过后光线的强度。
优选的，磁铁靠近磁性晶圆的一端表面的直径或边长为10μm～1cm。
优选的，所述磁铁远离磁性晶圆的一端连接有控制部，用于操作者控制磁铁运动。
与现有技术相比，本发明的优点和有益效果为：
(1)本发明提供了基于磁光克尔效应的磁性晶圆大视野成像方法，通过磁光克尔光路实现了磁性晶圆的大视野成像，使用本发明的方法可以提高对磁性晶圆性质的快速检测，尤其是对磁性晶圆在工业领域的发展和应用具有重要意义。
(2)本发明提供了基于磁光克尔效应的磁性晶圆大视野成像装置，可以实现晶圆磁性的大范围成像，同时本发明的装置能够提供稳定均匀的光源，并保证了良好的偏振线性。
(3)本发明基于磁光克尔效应的磁性晶圆大视野成像装置可以广泛用于磁性晶圆内部的磁化状态以成像的方式展示，可以对教学起辅助作用，能够直观地为学生展示磁性晶圆的工作原理，使抽象概念变得直观，加快学生对自旋电子概念的理解。学生可以亲自在成像装置上上写字、画画，还可以随时擦除，增加了体验感和提高了学习的趣味性，还可以用于普及自旋电子相关知识。
附图说明
图1为基于磁光克尔效应的磁性晶圆大视野成像装置的结构示意图；
图2为另一种基于磁光克尔效应的磁性晶圆大视野成像装置的结构示意图；
图3为基于磁光克尔效应的磁性晶圆大视野成像装置的使用方法流程图；
图4为磁性晶圆在计算机上显示的原始状态图像；
图5为磁性晶圆经磁性反转后在计算机上显示的图像。
其中，1电子自旋模块，11、光源，12、起偏器，13、透镜元件，14、磁性晶圆，15、检偏器，16、透镜组II，17、相机，2、计算机。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明的技术方案做进一步详细的说明。
请参阅图1，本发明提供了基于磁光克尔效应磁性晶圆大视野成像的装置，包括电子自旋模块1和计算机2，所述电子自旋模块1包括光源11，起偏器12，透镜元件13，磁性晶圆14，检偏器15，透镜组II 16和相机17。所述磁性晶圆14的表面镀制了一层具有垂直磁各向异性磁性薄膜。所述磁性薄膜的厚度为0.1nm～100nm。
所述光源11提供入射光，入射光依次通过起偏器12，得到线偏振光，再经过透镜元件13，照射到磁性晶圆14的磁性薄膜上，光经磁性晶圆反射，光的偏振角度发生变化，依次通过检偏器15，透镜组II 16和相机17，所述相机17与所述计算机3连接，在计算机3上显示成像。
所述光源11不做特别的限定，可以选择LED灯、汞灯、氙气灯等。
所述检偏器15为线偏振器，当反射光透射过此种光学元件时，发射光的偏振角度与检偏器的相对角度决定了透过后光线的强度。
所述透镜元件为透镜或透镜组I，所述透镜组I不做特别限制。
所述透镜组II 16的长度为0.1～1m。
所述透镜组II 16的焦距为0.06～3m。
在一种实施例中，所述透镜组II 16选自远心透镜组。
在另一种实施例中，所述透镜组II 16选自长焦透镜组。
所述检偏器15的尺寸应保证使磁性晶圆14反射的所有光束都通过检偏器15。
在一种实施例中，所述起偏器12和所述检偏器15为固定设置。
在另一种实施例中，所述起偏器12和所述检偏器15为可旋转设置，可以调整起偏器12和所述检偏器15的角度。
如图2所示，将所述透镜元件13和起偏器12的位置互换，也即，所述光源11提供入射光，入射光依次通过透镜元件13，起偏器12，照射到磁性晶圆14的磁性薄膜上，光经磁性晶圆反射，光的偏振角度发生变化，依次通过检偏器15，透镜组II 16和相机17，所述相机17与所述计算机3连接，在计算机3上显示成像。
所述计算机2成像和演示时图像处理使用作差法。作差法是一种图像处理方法，作差法是指将两张图片对应像元的亮度值进行一一相减，让两张图片相对变化的信息更加突出显示，最终达到降低图片噪声水平的方式。作差法可以用于消除噪声，并将磁性翻转现象突出显示出来。本发明的成像装置用于磁性晶圆的大视野成像，同时还要求成像清晰，以便在成像和演示时效果更显著，本发明选用作差法处理计算机上图像，结合电子自旋模块，可以呈现更好的成像和演示效果。
本发明中对相机17不做特别限制，优选的，所述相机17为CMOS相机。
本发明提供了所述装置的应用，具体为将磁性晶圆至于磁场中，改变磁场的极性和强度，通过所述装置成像获得不同磁场下对应的磁性晶圆的磁性膜层的磁化状态信息，最终得到晶圆全局的磁场-磁性层磁化强度对应关系，进而提取磁化强度均匀性、矫顽场等磁性信息。
在本发明的应用中不限制磁场的给定方式。优选的，所述磁场由电磁铁或者永磁铁产生。
如图3所示，本发明提供了基于磁光克尔效应磁性晶圆大视野成像装置的使用方法，包括以下步骤：打开光源11，调整起偏器12和检偏器15的方向，计算机3上显示磁性晶圆14的原始图像，将磁铁的一端靠近磁性晶圆14远离检偏器15的一侧，磁铁在与磁性晶圆14对应的范围内运动时，磁性晶圆14上相应的区域就会发生电子反转，在计算机3上会显示磁铁的运动路径，路径颜色变化。在计算机3上显示磁性晶圆14颜色发生明暗变化代表磁性晶圆14上的磁性膜层磁化方向的变化。当用磁铁的另一端靠近磁性晶圆14时，磁性晶圆14的磁性又恢复到原有状态，计算机3显示磁性晶圆14的原始图像，恢复原来的亮度，说明磁性晶圆14上磁性薄膜的变化是可逆的，这也是自旋电子芯片做成储存器后能够进行无限次的信息擦除、写入的原因，能够保持相当长的使用寿命。
所述磁铁为靠近磁性晶圆14的一端表面的尺寸为10μm～1cm的磁铁。
所述磁铁的另一端连接有控制部，由于磁铁的体积较小，直接用手控制操作不方便，可以在磁铁的一端安装控制部，操作者可以通过控制部来控制磁铁的运动。
另外，可用另一块表面积大的磁铁靠近磁性晶圆14，使磁性晶圆14的磁性又恢复到原有状态。
实施例1
本实施例提供了一种基于磁光克尔效应磁性晶圆大视野成像的装置，包括电子自旋模块1和计算机2，所述电子自旋模块1包括光源11，起偏器12，透镜，磁性晶圆14，检偏器15，透镜组II 16和相机I17。所述磁性晶圆14的表面镀制了一层具有垂直磁各向异性磁性薄膜。
所述光源11提供入射光，入射光依次通过起偏器12，透镜，照射到磁性晶圆14的磁性薄膜上，光经磁性晶圆反射，光的偏振角度发生变化，依次通过检偏器15，透镜组II 16和相机17，所述相机17与所述计算机3连接，在计算机3上显示成像。
所述透镜组II 16为远心透镜组。
所述起偏器12和所述检偏器15为可旋转设置，可以调整起偏器12和所述检偏器15的角度。
所述计算机的图像处理使用作差法。
本实施例的相机17为CMOS相机。
本实施例的基于磁光克尔效应磁性晶圆大视野成像装置的使用方法，包括以下步骤：打开光源11，如图4所示，计算机3上显示磁性晶圆14的图像，将磁铁靠近磁性晶圆14远离检偏器15的一侧，磁铁在与磁性晶圆14对应的范围内运动时，磁性晶圆14上相应的区域就会发生电子反转，在计算机3上会显示磁铁运动的路径，路径颜色变明，见图5。因此，通过本发明的装置可以对磁性晶圆大视野成像，也可以直观展示磁性晶圆的工作原理。
以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其进行限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的普通技术人员来说，依然可以对前述实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明所要求保护的技术方案的精神和范围。

Claims (10)

1.基于磁光克尔效应的磁性晶圆大视野成像方法，其特征在于，所述方法包括以下内容：通过磁光成像光路将磁性晶圆内部磁化状态在计算机上显示成像，所述磁光克尔成像光路使用磁光克尔效应进行成像；具体为，所述磁光克尔成像光路包括偏振照明光路和偏振成像光路，先用偏振照明光路对磁性晶圆进行照射，所述偏振照明光路提供的照明光为线偏振光，偏振成像光路收集被磁性晶圆反射的光形成图像，所述偏振成像光路能够处理反射光携带的偏振信号，并对偏振状态进行空间分辨成像，偏振成像光路将图像传送给计算机，计算机显示图像。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：所述偏振照明光路包括光源，起偏器，透镜元件；所述偏振成像光路包括检偏器，透镜组II和相机；
所述光源提供入射光，入射光依次通过起偏器，透镜元件，照射到磁性晶圆上，反射后的光依次通过检偏器，透镜组II和相机；或者，所述光源提供入射光，入射光依次通过透镜元件，起偏器，照射到磁性晶圆上，反射后的光依次通过检偏器，透镜组II和相机。
3.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于：所述计算机处理图像采用作差法，用于增强成像效果。
4.基于磁光克尔效应的磁性晶圆大视野成像装置，其特征在于：所述装置包括磁光克尔成像光路，磁性晶圆和计算机；所述磁光克尔成像光路包括偏振照明光路和偏振成像光路；
所述偏振照明光路，用于提供具有线偏振特性的入射光，对磁性晶圆进行照射处理；
所述偏振成像光路，用于收集被磁性晶圆反射的光，对反射光的偏振信息进行检偏处理并形成图像；
所述计算机，用于显示图像。
5.根据权利要求4所述的装置，其特征在于：所述偏振照明光路包括光源，起偏器，透镜元件；所述偏振成像光路包括检偏器，透镜组II和相机；
所述光源的一侧设置起偏器，起偏器的另一侧设置透镜元件，通过透镜元件的光照射到磁性晶圆上，磁性晶圆反射的光通过检偏器，所述检偏器的另一侧依次设置透镜组II和相机，所述相机和计算机连接；或者，所述光源的一侧设置透镜元件，透镜元件的另一侧设置起偏器，通过起偏器的光照射到磁性晶圆上，磁性晶圆反射的光通过检偏器，所述检偏器的另一侧依次设置透镜组II和相机，所述相机和计算机连接。
6.根据权利要求5所述的装置，其特征在于：所述起偏器和所述检偏器为可旋转设置或为固定设置。
7.一种根据权利要求4～6任意一项所述装置的使用方法，其特征在于，包括磁性晶圆上薄膜的磁化状态反转演示方法，具体步骤为：打开光源，计算机上显示磁性晶圆的图像，将磁铁靠近磁性晶圆远离磁光克尔成像光路的一侧，磁铁在与磁性晶圆对应的范围内运动时，计算机上显示磁铁运动路径；用磁铁的另一端靠近磁性晶圆，计算机显示磁性晶圆的成像恢复原状态。
8.权利要求4～6任一项所述的磁光克尔效应的磁性晶圆大视野成像装置的应用。
9.根据权利要求8所述的应用，其特征在于：所述应用具体为：将磁性晶圆至于磁场中，改变磁场的极性和强度，通过所述装置成像获得不同磁场下对应的磁性晶圆的磁性膜层的磁化状态信息，最终得到磁性晶圆全局的磁场-磁性层磁化强度对应关系。
10.根据权利要求8所述的应用，其特征在于：所述应用为用于教学演示、写字或画画。
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