NANO-PATTERNED SYSTEM AND MAGNETIC-FIELD APPLYING DEVICE THEREOF

一种纳米图型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型化和磁电高频特性测量系统，特别是一种可实现 对微米或纳米图型化器件的磁电响应特性的测量研究的微米和纳米图型化系 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歩，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歩。 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 l ithography, 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。 发明公开

本发明所要解决的技术问题是提供一种纳米图型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 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。

以下结合附图和具体实施例对本实用新型进行详细描述，但不作为对本实 用新型的限定。 附图简要说明

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 实现本发明的最佳方式

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 2 mm, 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 力口。 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。 工业应用性

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