JP4296293B2 - ウルトラセンシティブ・インサイチュー・マグネットメーターシステム - Google Patents

ウルトラセンシティブ・インサイチュー・マグネットメーターシステム Download PDF

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Description

本発明はウルトラセンシティブ・インサイチュー・マグネットメーターシステムに関し、より詳細には、マグネチック薄膜をＵＨＶチャンバ内で蒸着させて成長させる過程中で前記マグネチック薄膜のマグネチックモーメントをインサイチュー(in-situ)でサブモノレーヤー(sub-monolayer)以下の精密度でモニタリングすることができるウルトラセンシティブ・インサイチュー・マグネットメーターシステムに関するものである。
一般的にマグネチック薄膜のマグネチックモーメントをモニタリングするための磁気センサはホール效果(hall effect)、磁気抵抗效果、誘導コイルまたはスキッド素子などを利用して具現することができるし、前記磁気センサーを利用して磁場を測定する方法がモニタリング方法として利用されている。
先ず、ホール效果を利用する方法は電流が流れている板に垂直で磁場を印加すれば電流の方向と磁場の方向に垂直した方向に電場が発生して起電力が現われる現象を利用するものである。
次に磁気抵抗效果を利用する方法は電気抵抗が磁場の強さの二乗に比例して変わる現象を利用したものであり、ファラデーの誘導法則によって磁場が誘導コイルに及ぶ影響を感知して磁場測定をする方法である。
スキッド素子を利用する方法は超伝導状態で現われる磁束量子化(flux quantization)とジョセフソン效果を利用して１０-１０ガウス(Gauss)までの磁場の大きさを測定することができる方法である。
ＶＳＭ(A vibrating sample magnetometer)は時間によって変化される磁場が生成する電場に対する法則であるファラデーの誘導法則を利用し、前記電場は測定が可能であり、前記変わる磁場に対する情報を知らせてくれる。前記ＶＳＭはサンプルであるマグネチック物質に対する磁気の性質を測定するのに使用される。
ＡＧＭ(Alternating Gradient Field)は変動する、または停止されたＤＣフィールド内に位置したサンプルに加えられる周期力を抽出するのに利用される。前記力はサンプルに加えられる磁場の大きさとサンプルの磁気モーメントに比例する。
この力はサンプルを微細に動くようにして、このような動きはプロブの腕に装着された圧電体を利用したセンシング部で測定されて、サンプルの磁気モーメント及びヒステリシスカーブを得るのに使用される。
モーク(MOKE)は偏光された光が磁気サンプルに入射されてサンプル内に磁気モーメントとの相互作用によって偏光の程度が変化するようになるが、このような変化を測定してサンプルの磁気的特性を測定するようになる。
キャパシタンスカンチレバーチップビームマグネットメーターはカンチレバーに蒸着された磁性物質が外部のトークフィールドによって力を受けるようになって、この力がカンチレバーの微細な動きで現われて、この時カンチレバーとカンチレバーの下部に形成された導体板との間にキャパシタンスを変化させて、このような変化を通じてカンチレバーに蒸着された磁性膜の性質を分析する。
しかし、前記のような従来の薄膜マグネチックモーメントモニタリングシステムは薄膜の蒸着過程が終わった後になされるものであり、薄膜を蒸着する過程中に薄膜のマグネチックモーメントをモニタリングすることができないという問題点がある。
また、このような従来システムとしては薄膜が蒸着された後、真空状態を破った後に測定しなければならないので、薄膜の酸化(oxidation)を誘発して、薄膜が蒸着された後の結果のみを見られるという問題点がある。
一方、従来のマグネチックモーメントモニタリングシステムのうちで一部は真空状態を破らなくて測定が可能であるが、蒸着が終わった後の結果のみを測定するという短所を有している。
また、従来のモニタリングシステムの場合、マグネチック薄膜の特性を数オングストローム(Angstrom)程度の精密度で測定するのが可能であるが、サブオングストローム(sub-Angstrom)以下の精密度で測定することは不可能であって、超薄膜の蒸着過程から得ることができる磁気的特性を糾明するのに難しいという問題点がある。
本発明は前記の問題点を解決するためのものであり、本発明の目的は真空状態を破らないで蒸着過程のうちで膜の磁性特性を連続的にモニタリングすることができるウルトラセンシティブ・インサイチュー・マグネットメーターシステムを提供するためである。本発明の他の目的はマグネチック薄膜の蒸着過程のうちでマグネチック薄膜の特性をサブモノレーヤー以下の精密度で測定することができるウルトラセンシティブ・インサイチュー・マグネットメーターシステムを提供するためである。
本発明のもう一つの目的は、巨大磁気抵抗效果(Giant Magnetro Resistance
Effect)研究と磁気記録媒体(Magnetic recording media)の面積メモリー密度(areal memory density)を向上させるために必須に研究されなければならないウルトラ磁気薄膜マルチレーヤー(ultra thin magnetic film multilayers)の磁気的特性を糾明することができるウルトラセンシティブ・インサイチュー・マグネットメーターシステムを提供するためである。
前記のような目的を達成するために案出された本発明の望ましい実施例は蒸着ソースと、該蒸着ソースからマグネチック原子が入射されて蒸着されるカンチレバーチップと、該カンチレバーチップの振動を感知して電気信号で出力する干渉計と、内部に前記カンチレバーチップを含んでいるし、前記干渉計のファイバー端部を前記カンチレバーチップの表面と適正間隔で維持されるように固定させる蒸着ヘッドと、外部から入力される電圧を増幅させて出力する高電圧増幅部と、該高電圧増幅部で増幅された電圧によって振動する圧電体と、該圧電体から発生する信号を検出して、検出された圧電体信号を感知するロック-インアンプと、前記干渉計から入力される信号と１８０度位相を有する信号を発生させて位相を固定させた後に前記高電圧増幅部から出力する位相固定ループと、前記ロック-インアンプから出力される交流電圧を増幅させて前記増幅ヘッド内部のコイルに印加するパワーアンプと、及び前記ロック-インアンプから干渉計の出力電圧を供給されて前記カンチレバーチップの動きをモニタリングするオシレーターでなされたことを特徴とする。
本発明の蒸着ヘッドは、蒸着ホールが形成された蒸着シールドと、該蒸着シールド内側面に付着して前記アンプから交流電源を供給されて薄膜に磁界を発生させるコイルと、該コイルと離隔して前記蒸着シールドの下面上部に設置された支持板と、該支持板に固定設置されて、マグネチック薄膜のモーメントを一方向で整列させるための永久磁石または電磁石と、前記蒸着シールドの下面上部に設置されたセラミックス物質と、前記セラミックス物質の上部に設置された導電体と、該導電体の一側端に設置される圧電体の下部電極と、前記セラミックス物質の一側面と密着して、前記導電体の上部に設置される圧電体と、該圧電体の上部に設置される第１金属板と、該第１金属板の上に設置される蒸着ホールプレート及びカンチレバーチップと、前記第１金属板の一側下部に設置される圧電体の上部電極と、前記カンチレバーチップのフレーム上部に塗布されたフォトレジストと、前記フォトレジストの上部に設置された第２金属板と、該第２金属板の上部に固定設置されたスクリューと、及び前記第２金属板の間に、前記第２金属板と密着設置される光ファイバーと、でなされたことを特徴とする。
また、本発明の他の実施例は、蒸着ソースと、一側にはフィルムが付着していて、その反対側は前記蒸着ソースから入射されるマグネチック原子が蒸着されるカンチレバーチップと、外部から入力される電圧をフィルタリングして振幅を変化させて出力するパワーアンプと、前記カンチレバーチップの振動を感知して電気信号から出力する干渉計と、内部に前記カンチレバーチップを含んでいるし、前記干渉計のファイバー端部を前記カンチレバーチップの表面と適正間隔で維持されるように固定させる蒸着ヘッドと、前記干渉計から出力される信号を感知するロック-インアンプと、前記干渉計から入力される信号を感知して、コイルに入力される信号との位相を固定させて質量増加による共鳴振動数の変化效果が最終マグネチックシグナルに影響を与えないようにする位相固定ループ(ＰＬＬ)と、前記ロック-インアンプから出力される干渉計の出力信号を保存するコンピューターと、前記パワーアンプから出力される交流電圧によってＡＣトークフィールドを生成するコイルと、外部から供給される電流に応じてバイアスフィールドを生成する電磁石と、で構成されることを特徴とする。
(実施例１)
以下、本発明によるウルトラセンシティブ・インサイチュー・マグネットメーターシステムの構成を説明すれば次のようである。
添付図面の図１に示すように、本発明は蒸着ソース１０、蒸着ヘッド３０、干渉計５０、位相固定ループ６０、高電圧増幅部７０、パワーアンプ８０、オシレーター９０、ロック-インアンプ１００、コンピューター１１０で構成される。また、前記位相固定ループ６０は位相感知部６１と、ループフィルター６２と、電圧制御オシレーター６３の三つの部分で構成される。
先ず、蒸着ソース１０と蒸着ヘッド３０がＵＨＶチャンバ２０の内部に設置される。前記蒸着ソース１０はマグネチック原子を蒸着ヘッド３０内部のカンチレバーチップ４６のパドル(paddle)の下部表面に供給する役割をして、前記蒸着ヘッド３０は干渉計５０の光ファイバー３１の端部とカンチレバーチップ４６の表面を適正間隔で維持サンプルを固定させる役割をする。
前記ＵＨＶチャンバ２０上に干渉計５０はＵＨＶチャンバの外に付着するが、光ファイバーによってフィードスルー(feedthrough)を通じて蒸着ヘッドに連結されて、前記干渉計５０は蒸着ヘッド３０内部のカンチレバーチップ４６の振動を感知して電気信号に出力する。すなわち、干渉計５０はＵＨＶチャンバ２０の外側に付着する一方、フィードスルー(feedthrough)を通じて蒸着ヘッドの光ファイバー３１によって連結される。そして、前記干渉計５０はレーザーダイオード、温度制御機、ディレクションカプラ、レーザーダイオードドライブ、レーザーマウント及び光検出器で構成される。
前記干渉計５０で感知された電気信号は位相固定ループ(Phase Locked Loop、６０)に伝達する。前記位相固定ループ６０は位相感知部(Phase detector、６１)と、ループフィルター(Loop Filter、６２)と、電圧制御オシレーター(Voltage Controlled Oscillator、６３)の三つの部分で構成される。
前記位相固定ループ６０の機能は、圧電体４７に入力される信号と干渉計５０から出力される信号の位相を常に１８０度で固定維持させることにある。よって、これによりマグネチックトークによるカンチレバーチップ４６の運動を相殺させて、蒸着時に質量追加效果による共鳴周波数の変化及びこれによる最終出力信号の歪曲を防止する役割をする。
前記高電圧増幅部７０は前記位相固定ループ６０から出力された微細な信号を増幅して圧電体４７に供給する役割をする。すなわち、高電圧増幅部７０によって出力される圧電体に供給されて磁気トークによって発生されたカンチレバーチップ４６の振動を最小化する。
前記圧電体４７は前記増幅された位相反転信号を入力されて前記カンチレバーチップ４６の振動を相殺させる役割をして、前記ロック-インアンプ１００は電圧制御オシレーター６３から出力された位相反転信号を感知してコンピューター１１０のような保存媒体を有するモニタリングシステムに伝達する役割をする。
一方、パワーアンプ８０はロック-インアンプを通じて出た交流電圧を増幅した後に前記蒸着ヘッド３０内部のコイル３３に供給する。この時、パワーアンプ８０から供給される交流電圧はカンチレバーチップ４６の共鳴周波数に該当する正弦波電圧信号である。
また、前記オシレーター９０は前記カンチレバーチップ４６本来の動きを感知した干渉計５０から出力される信号と前記圧電体４７にフィードバックされる信号を通じて、前記カンチレバーチップ４６本来の動き及び相殺されたカンチレバーチップ４６の動きを認識して観測者が観測することができるようにする。
前記カンチレバーチップ４６本来の動きとは、薄膜の磁気モーメントに回転力が加えられて薄膜が蒸着されたカンチレバーチップ４６が上下で振動する時の動きをいうし、相殺されたカンチレバーチップ４６の動きとは電圧制御オシレーター６３から出力された位相反転信号が前記圧電体４７に入力されてカンチレバーチップ４６の本来の動きが相殺された時の動きを言う。
一方、前記蒸着ヘッド３０の構成は次のようである。
一方、添付図面の図２に示すように、蒸着ヘッド３０は円筒状の蒸着シールド３２の中央に蒸着ホール３１が形成される。前記蒸着シールド３２は薄膜の蒸着時に蒸着ヘッド３０内部のすべての部分を保護する役割をする。
前記円筒状の蒸着シールド３２の内側面にコイル３３が付着する。前記コイル３３は交流磁場(torque-field)を発生する役割をする。
前記コイル３３と離隔して前記蒸着シールド３２の下面上部に支持板３４が縦で設置されて、前記支持板３４に永久磁石(SmCo magnet、３５)または電磁石が固定設置される。前記永久磁石３５または電磁石はマグネチック薄膜のモーメントを一方向で整列させて、前記支持板３４は前記磁石を支持する役割をして、材質は高真空と互換可能な物質でなされる。
一方、前記円筒状の蒸着シールド３２の下面上部にセラミックス物質３６が設置される。前記セラミックス物質３６は前記蒸着シールド３２と圧電体下部電極３８との電気的な隔離のために設置される。この時、前記蒸着シールドは高真空と互換可能な物質でなされて、前記セラミックス物質は高真空と互換性を有する絶縁物質である。
前記絶縁部材３６の上部で導電体３７は下部電極として作用をして、前記導電体３７のうち図面上の右側に位置した導電体の右側端に圧電体の下部電極３８に電気的に連結される。前記圧電体の下部電極３８は前記導電体３７に電圧を印加する役割をする。前記導電体は高真空と互換可能な物質でなされる。
また、前記セラミックス３６物質の一側面と密着して、前記導電体３７の上部に圧電体４７が設置される。前記圧電体４７はカンチレバー４６の運動を相殺させるためにフィードバック(feedback)用の振動を発生する。
前記圧電体４７の上部に第１金属板４５が設置され、前記第１金属板４５の一側下部に圧電体の上部電極３９が設置される。前記圧電体の上部電極３９は第２金属板４４に電圧を印加する役割をする。
前記第１金属板の上部には蒸着ホールプレート４８及びカンチレバーチップ４６が設置される。
添付図面３はカンチレバーチップ４６と蒸着ホールプレート４８の構造を示す図面である。添付図面の図３に示すように、カンチレバーチップ４６はフレーム４６a、レッグ４６b、パドル４６cの三つの部分で分けられる。
添付図面４はカンチレバーチップ４６と蒸着ホールプレート４８が結合された構造を示す図面である。
前記添付図面の図４に示すように、蒸着ホールプレート４８とカンチレバーチップ４６は結合された構造をなしている。前記蒸着ホールプレート４８はカンチレバーのレッグ４６bに薄膜が蒸着しないようにして、カンチレバーのパドル４６cのみに薄膜を蒸着させる役割をする。すなわち、蒸着ホールプレート４８とカンチレバープレートは一体型で形成されて、カンチレバーチップ４６と名付ける。前記蒸着ホールプレート４８とカンチレバープレートはロニックボンディング(lonic bonding)方法によってボンディングされる。
そして、カンチレバーのパドル４６c表面には添付図面の図７に示すようにフィルム蒸着工程の間にエディカレント(eddy current)電流の效果を最小化させるために小さくて長い溝らが形成されている。
前記カンチレバーのフレーム４６c上部にはフォトレジスト４３が塗布される。すなわち、前記フォトレジスト４３はカンチレバーフレームの上部のみに塗布される。前記フォトレジスト４３はカンチレバーのパドル４６cと光ファイバー４０端部との間隔を一定に維持するための役割をする。前記カンチレバーのパドル４６cと光ファイバー４０端部との間隔は５-１０μmであることが望ましい。
前記フォトレジスト４３の上部に第２金属板４４が設置されて、前記第２金属板４４はスクリュー４９によって第１金属板４５と結合されて、ここにカンチレバーチップ４６が圧電体の上部電極で使用される金属板３９に固定される。
すなわち、前記第２金属板４４はCuなどのような高真空と互換可能な物質でなされて、前記第２金属板４４と光ファイバー４０とは一体型でなされる。そして、サンプルは４個のスクリューを解体させることで除去される。
すなわち、サンプルを他のものに交替する時に４個のスクリューを除去し、それから添付図面の図４のカンチレバーチップ４６を除去する。新しいカンチレバーチップを第１金属板４５に位置させて、前記新しいカンチレバーチップの上部に一体型でなされた第２金属板４４及び光ファイバー４０を位置させる。そして、再び４個のスクリュー４９を使用して結合させる。
また、前記第２金属板４４の間の中央に光ファイバー４０が前記第２金属板４４と固定されて設置される。前記光ファイバー４０の基本構造は光ファイバーコア(fiber core、４１)とクラッド(clad、４２)とでなされる。前記光ファイバーコア４１の直径は約５μm、波長(wavelength)が７８０nmであるシングルモードファイバーを実施例で説明したが、今後にインフラレッド(infrared)領域であるマルチモード(multimode)光ファイバーを利用することも可能である。
前記のように構成されたウルトラセンシティブ・インサイチュー・マグネットメーターシステムの一実施例の作用に対して説明すれば次のようである。
前記添付図面の図１に示すように、蒸着過程の間に、蒸着ソース(deposition source、１０)から蒸着ヘッド３０内部のカンチレバーパドル(cantilever paddle、４６c)の下部表面でマグネチック原子(Magnetic Atom)が蒸着される。前記カンチレバーパドル４６cの下部表面に蒸着されたマグネチック原子は蒸着過程の間に成長して薄膜を形成する。
一方、永久磁石(SmCo Permanent Magnet、３５)または電磁石は薄膜に磁場(bias field)を作って、前記磁場によって薄膜の磁気モーメント(Magnetic Moment)が磁気力線の方向に整列される。
この時、トークコイル(RF torque coil、３３)と連結されたパワーアンプ８０ではカンチレバー４６の共鳴周波数に該当する正弦波信号、すなわちロック-インアンプから供給された信号がコイルに供給される。
前記トークコイル３３に供給された正弦波電圧信号は前記トークコイル３３に交流電圧を印加して交流磁界(AC torque field)を発生させる。
したがって、トークコイル３３に流れる交流電流によって発生する交流磁界(AC torque
field)が、前記薄膜に垂直方向に印加されるので、磁気力線の方向に整列された薄膜の磁気モーメントにマグネチック回転力(magnetic torque)を発生させて、薄膜が蒸着されたカンチレバーチップ４６を上下に振動させる。
一方、前記カンチレバーチップ４６の共鳴周波数(resonance frequency)はカンチレバーチップの厚さによって左右される。前記共鳴周波数は２kHz以上でなければならないが、これは電気ノイズとルームノイズ(room noise)は２kHz以下である時に優勢であるためである。カンチレバーチップの厚さによって共鳴周波数を制御することができる。そして、このような共鳴周波数で前記カンチレバーチップ４６が作動する。
共鳴オペレーションを利用する理由は、共鳴振動でＱエンハンスメント(enhancement)を有するからである。
Figure 0004296293
ここで、Ｑはカンチレバーチップの機械学品質要素である。
一方、添付図面の図５と図６を参照して、前記マグネチック薄膜に印加される回転力を求める。すなわち、印加される回転力TM=m×BT=μ０ｍHTであり、前記磁気薄膜に加えられた回転力によるカンチレバーチップ４６の移動変位は次のようである。
すなわち、移動変位は、
Figure 0004296293
 である。
ここで、lcはカンチレバーチップ４６の長さ、μ０は自由空間での透磁率、MSは飽和磁化度、afは磁気薄膜の蒸着面積、HTは回転磁界(torque field)、TMは磁気回転力(magnetic torque)、wcはカンチレバーチップ４６の幅、tcはカンチレバーチップ４６の厚さ、tfは薄膜の厚さを言う。Eはヤングスモデュラス(Young’s modulas)である。
一方、前記カンチレバーチップ４６の振動はレーザーダイオード干渉計(Laser Diode
Interferometer、５０)によって感知される。前記レーザーダイオード干渉計５０によって感知された信号は位相固定ループ６０を通じて位相が１８０度反転された正弦波信号に変換されて出力される。レーザーダイオード干渉計５０はレーザーの波長を温度によって変化させることができる。
前記位相固定ループ６０で位相が１８０度反転される過程を見ると次のようである。
先ず、位相固定ループ６０内の前記位相感知部(phase detector、６１)は前記干渉計５０から出力される信号と電圧制御オシレーター(ＶＣＯ、６３)を経って圧電体４７に入力される信号の位相差をＤＣボルトで測定する。
前記ループフィルター(Loop Filter、６２)は電圧制御オシレーター６３のコントロール電圧として使用するために前記位相感知部６１から出力された信号をフィルタリングして出力する。
前記ループフィルター６２から出力された信号は最終的に電圧制御オシレーター６３を通じて位相が１８０度反転された正弦波(sinusoidal)信号に変換されて、ループフィルター及び位相感知部とのフィードバックを通じて位相が固定される一方、高電圧増幅部７０を通じて圧電体４７に供給する。
前記高電圧増幅部７０は電圧制御オシレーター６３から出力された微細な位相反転信号を増幅させる役割をする。また、前記位相反転された正弦波信号はロック-インアンプ１００で感知される。
一方、前記位相固定ループ６０から出力された位相反転信号は高電圧増幅部７０を経って、前記カンチレバーチップ４６の下部にある圧電体(piezo electric material、４７)にフィードバック(feedback)される。そして、マグネチックフィルムによって起因したカンチレバーチップ４６の振動が相殺される。このような過程をアクティブフィードバック(Active Feedback)過程であると言う。
前記アクティブフィードバック(Active feedback)過程を通じて、カンチレバーチップ４６は振動がほとんどない状態に戻るようになる。ここで、アクティブフィードバックを使用する理由は蒸着過程の間に、蒸着ソース(deposition source、１０)からカンチレバーチップ４６の下部表面にマグネチック原子が移動しながら、カンチレバーチップ４６の質量を増加させて、共鳴周波数を変化させること(mass loading effect)を最小化して温度変化によるエラスティックモデュラス(elastic modulas)效果を最小化するためである。
一方、オシレーター(Oscillator、８０)を通じて前記カンチレバーチップ４６本来の動きを感知した干渉計５０から出力される信号と前記圧電体４７にフィードバックされる信号を通じて、カンチレバーチップ４６の本来の動き及び相殺された動きを観測する。
一方、前記位相固定ループ６０を通過した位相反転信号は高電圧増幅部７０を経って圧電体４７にフィードバックされると同時に、前記位相反転信号の振幅(amplitude)は磁気薄膜モーメントに転換可能な信号であり、この信号はロック-インアンプ(Lock-in amp、１００)で感知されて、コンピューター１１０のような保存媒体を有するモニタリングシステムで出力される。
前記ロック-インアンプ１００はノイズの影響を受けないで正確な測定ができるようにするために使用される。
この時、圧電体４７にフィードバックされる位相反転信号の振幅は薄膜の磁気モーメントと比例して、これを通じて蒸着過程のうちで磁気モーメント(magnetic moment)をモニタリングするようになる。
この時、測定された薄膜の磁気モーメントと理論的な値を比べるためには、干渉計５０によって感知された信号の振幅を磁気モーメントに変換してくれる次のような公式が必要である。
Figure 0004296293
ここで、lはレーザー波長、DVはフィルムの蒸着による磁気モーメント変化に該当する信号をロック-インアンプで測定した値、Vはフリンジビジビリティー(fringe visibility)、V０は重点電圧である。
(実施例２)
添付図面の図８及び図９は本発明であるウルトラセンシティブ・インサイチュー・マグネットメーターシステムの他の実施例であり、蒸着ソース１０と、光ファイバーに対応されるカンチレバーパドルの面にスタンダードNiFeフィルム５１が蒸着されていて、その反対側の面は前記蒸着ソース１０から入射されるマグネチック原子が蒸着されるカンチレバーチップ４６と、前記カンチレバーチップ４６の振動を感知して電気信号で出力する干渉計５０と、内部に前記カンチレバーチップ４６を含んでいるし、前記干渉計５０の光ファイバー端部を前記カンチレバーチップ４６表面と適正間隔で維持されるように固定させる蒸着ヘッド３０と、位相固定ループ(ＰＬＬ、６０)から入力される電圧を整流して振幅を変化させて出力するパワーアンプ８０aと、前記干渉計５０から出力される信号を感知するロック-インアンプ１００と、フィルムが蒸着されているうちに前記干渉計５０から入力される信号を感知して、感知された信号とトークコイル３３に入力される信号の位相差を感知して、この位相差を位相固定ループ６０のＰＩＤコントローラーにあらかじめセッティングされている位相値と一致するようにフィードバックを通じて位相を固定させて蒸着過程のうちで質量変化による共鳴振動数の変化效果を無くして常に共鳴振動数でカンチレバー振動に対する出力信号を測定することができるようにする位相固定ループ(ＰＬＬ、６０)と、前記ロック-インアンプ１００から出力される干渉計５０の出力信号を保存するコンピューター１１０と、前記パワーアンプ８０aから出力される交流電圧によってＡＣトークフィールドを生成するコイル３３と、外部から供給される電流に応じてバイアスフィールドを生成する電磁石５２で構成される。
前記のように構成されたウルトラセンシティブ・インサイチュー・マグネットメーターシステムの他の実施例の作用に対して説明すると次のようである。
蒸着過程の間に、蒸着ソース(deposition source、１０)からマグネチック原子(Magnetic Atom)が蒸着ヘッド３０内部のカンチレバーチップ４６のパドル(paddle)下部表面に放射されて蒸着される。前記カンチレバーチップ４６のパドル下部表面に蒸着されたマグネチック原子は蒸着過程の間に成長して薄膜を形成する。
一方、電磁石５２は薄膜に磁場(bias field)を作って、前記磁場によって薄膜の磁気モーメント(Magnetic Moment)が磁気力線の方向に整列される。
この時、トークコイル(RF torque coil、３３)と連結されたパワーアンプ８０aから供給される交流電圧に応じてＡＣトーク磁場(ＡＣ torque field)を発生させる。
したがって、トークコイル３３に流れる交流電流によって発生するＡＣトーク磁場(ＡＣ
torque field)と前記電磁石５２で発生するバイアス磁場が相互作用によってカンチレバーチップが共鳴周波数で動くようにする。
一方、前記カンチレバーチップ４６の共鳴周波数(resonance frequency)はカンチレバーチップの厚さによって左右される。前記共鳴周波数は２kHz以上でなければならないが、これは電気ノイズとルームノイズ(room noise)は２kHz以下である時に優勢であるためである。カンチレバーチップの厚さによって共鳴周波数を制御することができる。そして、このような共鳴周波数で前記カンチレバーチップ４６が作動する。
一方、前記カンチレバーチップ４６の振動はレーザーダイオード干渉計(Laser Diode
Interferometer、５０)によって感知される。前記レーザーダイオード干渉計５０によって感知された信号は位相固定ループ６０でコイルに入力される信号との位相を固定させて干渉計５０で発生された信号と位相が固定された前記信号はパワーアンプ８０aを通じて前記コイル３３に供給される。
前記に記述した位相固定はカンチレバーの共鳴振動数が蒸着過程のうちで質量変化によって変わるようになる效果が最終マグネチックシグナルに与える影響をなくしてくれる。
一方、ロック-インアンプ(Lock-in
amp、１００)は干渉計５０によって感知される信号を薄膜蒸着によるカンチレバーチップの振幅に比例する信号になって、この信号はコンピューター１１０のような保存媒体を有するモニタリングシステムで出力される。
以上で説明した本発明はインサイチューモニタリング方式ですべての蒸着過程を観測することができる效果がある。
また、本発明は磁気薄膜の蒸着過程のうちでサブオングストローム以下の精密度で薄膜の特性を観測することができるし、また原子レベルの蒸着まで感知することができる效果を達成することができる。
また、本発明はアクティブフィードバックシステムを利用して蒸着過程の間に、蒸着ソース(deposition
source)からカンチレバーチップパドルの下部表面にマグネチック原子が移動しながら、カンチレバーチップの質量を増加させて、共鳴周波数を変化させること(mass loading effect)を最小化して温度変化によるエラスティックモデュラス(elastic modulas)效果を最小化する效果を達成することができる。
また、本発明は電磁石を利用して磁場の大きさをネガティブフィールドからポジティブフィールドまで多様に変化させながら蒸着過程を観測することで、薄膜のヒステリシス曲線を描き出すことができるようにする效果を達成することができる。
以上の本発明は前記に記述された実施例らによって限定されないで、当業者らによって多様な変形と変更をもたらすことができるし、これは添付された請求項で含まれる本発明の主旨と範囲に含まれる。
本発明であるマグネットメーターの全体測定システムの一実施例を示す図面である。 図１に適用された蒸着ヘッド部分の断面図である。 カンチレバーチップと蒸着ホールプレートとの構造を示す図面である。 カンチレバーチップと蒸着ホールプレートとが結合された構造を示す図面である。 カンチレバーチップと薄膜の外形図である。 薄膜が蒸着されたカンチレバーチップに回転力(torque)が加えられる原理を示す図面である。 本発明が適用されたカンチレバーチップパドルの表面に溝が形成されていることを説明するための図面である。 本発明であるマグネットメーターの全体測定システムの他の実施例を示す図面である。 図８に適用された蒸着ヘッド部分の断面図である。

Claims (16)

  1. 蒸着ソースと、
    前記蒸着ソースからマグネチック原子が入射されて蒸着されるカンチレバーチップと、
    前記カンチレバーチップの振動を感知して電気信号に出力する干渉計と、
    内部に前記カンチレバーチップを含んでいるし、前記干渉計のファイバー端部を前記カンチレバーチップ表面と適正間隔で維持されるように固定させる蒸着ヘッドと、
    外部から入力される電圧を増幅させて出力する高電圧増幅部と、
    前記高電圧増幅部から増幅された電圧によって振動する圧電体と、
    前記圧電体から発生する信号を検出して、検出された圧電体信号を感知するロック-インアンプと、
    前記干渉計から入力される信号と１８０度位相を有する信号を発生させて位相を固定させた後に前記高電圧増幅部に出力する位相固定ループと、
    前記ロック-インアンプから出力される交流電圧を増幅させて前記増幅ヘッド内部のコイルに印加するパワーアンプと、及び
    前記ロック-インアンプから干渉計の出力電圧を供給されて前記カンチレバーチップの動きをモニタリングするオシレーターと、
    でなされたことを特徴とするウルトラセンシティブ・インサイチュー・マグネットメーターシステム。
  2. 前記位相固定ループで発生される信号は、
    前記カンチレバーチップの振動を相殺させることを特徴とする請求項１に記載のウルトラセンシティブ・インサイチュー・マグネットメーターシステム。
  3. 前記干渉計は、
    レーザーダイオード温度制御用干渉計であることを特徴とする請求項１に記載のウルトラセンシティブ・インサイチュー・マグネットメーターシステム。
  4. 前記位相固定ループは、
    前記干渉計を通じて入力される信号と前記圧電体に出力される信号の位相差に対応するＤＣ電圧を発生する位相感知部と、該位相感知部から出力された信号をフィルタリングするループフィルターと、該ループフィルターから出力された信号を入力されて正弦波信号に変換して出力する一方、前記正弦波信号を前記位相感知部にフィードバックさせて位相を補正する電圧制御オシレーターでなされることを特徴とする請求項１に記載のウルトラセンシティブ・インサイチュー・マグネットメーターシステム。
  5. 前記蒸着ヘッドは、
    蒸着ホールが形成された蒸着シールドと、
    中空の胴体と、該胴体の上部に形成された中空の突出口を有して、前記蒸着シールドの上部に設置される絶縁部材と、
    前記突出口に結合されて設置される導電体と、
    前記導電体の上部に設置される圧電体と、
    下端一側に前記圧電体の上部電極が形成されているし、前記圧電体の上部に設置される第１金属板と、及び
    前記第１金属板の上部に設置されるカンチレバーチップと、
    前記カンチレバーチップのフレーム上部に積層されるフォトレジストと、
    光ファイバが結合されている第２銅板と、
    前記蒸着シールドに垂直で結合される支持板と、
    前記支持板によって支持される永久磁石と、及び
    前記蒸着シールドの内側一側面に付着、固定されるコイルで構成されて、
    前記第１銅板及び第２銅板はスクリューによって結合されることを特徴とする請求項１に記載のウルトラセンシティブ・インサイチュー・マグネットメーターシステム。
  6. 前記絶縁部材は、
    セラミックスでなされたことを特徴とする請求項５に記載のウルトラセンシティブ・インサイチュー・マグネットメーターシステム。
  7. 前記蒸着シールドは、
    薄膜の蒸着時に前記蒸着ヘッドの内部を保護するためのものであることを特徴とする請求項５に記載のウルトラセンシティブ・インサイチュー・マグネットメーターシステム。
  8. 前記支持板は、
    伝導性金属またはセラミックスであることを特徴とする請求項５に記載のウルトラセンシティブ・インサイチュー・マグネットメーターシステム。
  9. 前記絶縁部材は、
    前記蒸着シールドと前記圧電体の下部電極が絶縁されるようにすることを特徴とする請求項５に記載のウルトラセンシティブ・インサイチュー・マグネットメーターシステム。
  10. 前記導電体は、
    高真空と互換可能な物質でなされたことを特徴とする請求項５に記載のウルトラセンシティブ・インサイチュー・マグネットメーターシステム。
  11. 前記下部電極は、
    前記導電体に電圧を印加するためのものであるこをと特徴とする請求項５に記載のウルトラセンシティブ・インサイチュー・マグネットメーターシステム。
  12. 前記圧電体は、
    前記カンチレバーチップの運動を相殺させるためにフィードバック用の振動を発生するためのものであることを特徴とする請求項５に記載のウルトラセンシティブ・インサイチュー・マグネットメーターシステム。
  13. 前記蒸着ホールプレートは、
    シリコーン(Si)であり、前記カンチレバーチップのレッグ(leg)を除いたパドル(paddle)のみに薄膜が蒸着されるようにすることを特徴とする請求項５に記載のウルトラセンシティブ・インサイチュー・マグネットメーターシステム。
  14. 前記フォトレジストは、
    カンチレバーチップのパドルとファイバー端部との相互間に所定距離程度が離れて位置されるようにすることを特徴とする請求項５に記載のウルトラセンシティブ・インサイチュー・マグネットメーターシステム。
  15. フィルム蒸着工程の間にエディカレント(eddy current)電流の效果を最小化させるために小さくて長い溝らで形成されていることを特徴とする請求項１に記載のウルトラセンシティブ・インサイチュー・マグネットメーターシステム。
  16. 蒸着ソースと、
    一側にはフィルムが付着していて、その反対側は前記蒸着ソースから入射されるマグネチック原子が蒸着されるカンチレバーチップと、
    外部から入力される電圧を整流して振幅を変化させて出力するパワーアンプと、
    前記カンチレバーチップの振動を感知して電気信号に出力する干渉計の内部に前記カンチレバーチップを含んでいるし、前記干渉計のファイバー端部を前記カンチレバーチップの表面と適正間隔で維持されるように固定させる蒸着ヘッドと、
    前記干渉計から出力される信号を感知するロック-インアンプと、
    前記干渉計から入力される信号を感知して、コイルに入力される信号との位相を固定させて質量増加による共鳴振動数の変化效果が最終マグネチックシグナルに影響を与えないようにする位相固定ループ(ＰＬＬ)と、
    前記ロック-インアンプから出力される干渉計の出力信号を保存するコンピューターと、
    前記パワーアンプから出力される交流電圧によってＡＣトークフィールドを生成するコイルと、
    外部から供給される電流に応じてバイアスフィールドを生成する電磁石と、
    で構成されることを特徴とするウルトラセンシティブ・インサイチュー・マグネットメーターシステム。
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