用于测量磁场强度的设备的制作方法
本揭露的实施例涉及一种用于测量磁场强度的设备，且更具体来说涉及一种用于对具有微米尺度结构或纳米尺度结构的磁性元件(例如磁性随机存取存储器(magneticrandomaccessmemory，mram))的磁场强度进行测量的方法及设备。
背景技术：
利用磁性隧道结(magnetictunneljunction，mtj)的磁性随机存取存储器(mram)是用于包括存储器在内的互补金属氧化物半导体(complementarymetaloxidesemiconductor，cmos)集成电路(integratedcircuit，ic)的下一批颠覆性技术之一。磁性随机存取存储器的优点通常是低操作功率消耗、快速读写速度、非易失性质、及辐射抗扰性。在制造磁性随机存取存储器装置时，测量磁性单元及/或膜的磁场强度以及磁场强度的空间分布是重要的。
技术实现要素：
本揭露的实施例公开一种用于测量磁场强度的设备，其特征在于，包括：载台，上面放置有待测量样本；悬臂，具有尖端；光学系统，具有光源及光接收器；以及微波功率源，其中：所述尖端是具有氮空位缺陷的金刚石尖端，所述光学系统被配置成使得来自所述光源的激发光聚焦在所述金刚石尖端处，且所述悬臂被配置为同轴微波天线，来自所述微波功率源的微波经由所述同轴微波天线被供应到所述金刚石尖端。
本揭露的实施例公开一种对磁性材料薄膜的磁场强度进行测量的方法，其特征在于，所述方法包括：将磁性材料样本放置在载台上；将具有尖端的悬臂放置在所述磁性材料样本之上，使得所述尖端与所述磁性材料样本之间具有间隔；在向所述尖端供应微波的同时，将激发光施加到所述尖端；检测从所述尖端发射的荧光；基于所检测到的所述荧光及所述微波的频率而获得所述磁性材料薄膜的所述磁场强度，其中：所述尖端是具有单个氮空位缺陷的金刚石尖端，且所述悬臂被配置为同轴微波天线，且所述微波是经由所述同轴微波天线从微波功率源供应到所述金刚石尖端。
本揭露的实施例公开一种供用于原子力显微镜测量及光学检测磁共振测量的设备使用的悬臂，其特征在于，所述悬臂包括：悬臂本体；尖端；传导导线，嵌入所述悬臂本体中；以及传导盖，设置在所述悬臂本体的外表面上。
附图说明
结合附图阅读以下详细说明，会最佳地理解本揭露的各方面。应注意，根据业内标准惯例，各种特征并非按比例绘制。事实上，为使论述清晰起见，可任意增大或减小各种特征的尺寸。
图1示出根据本揭露实施例的磁场强度测量设备的示意图。
图2示出图1所示悬臂及微波设备的详细视图。
图3a及图3b示出光学检测磁共振(opticallydetectedmagneticresonance，odmr)的原理。
图4a是根据本揭露实施例的磁性隧道结(mtj)磁性随机存取存储器单元的示意图。图4b是根据本揭露实施例的磁性隧道结膜堆叠的示意性剖视图。
图5a、图5b及图5c示出根据本揭露实施例的磁性隧道结膜堆叠的磁性层的示意性剖视图。
附图标号说明
10：载台/样本载台
20：样本/磁性样本
30：激发光源
40：二向色镜(分束器)
50：物镜
60：聚焦透镜
70：光学检测器
80：光学检测器控制器
100：悬臂
110：尖端/金刚石尖端
115：氮空位缺陷
120：杠杆本体
130：导线
140：传导盖
150：开口
160：镜
170：压电致动器/压电元件
175：支撑件
200：微波产生器/微波源
210：锁定放大器
300：系统控制计算机
1000：磁性隧道结膜堆叠
1101：磁性隧道结功能层
1110：第一电极层
1115：晶种层
1120：第一钉扎磁性层
1125：反铁磁性层
1130：第二钉扎磁性层
1135：隧穿势垒层
1140：自由磁性层
1145：顶盖层
1150：扩散势垒层
1155：第二电极层
1201、1202、1301、1302、1303、1304、1401、1402、1403：层
mx：下部金属层/金属层
my：上部金属层/金属层
sw：切换装置
x、y、z：方向
具体实施方式
应理解，以下公开内容提供用于实作本揭露的不同特征的许多不同的实施例或实例。以下阐述组件及构造的具体实施例或实例以简化本揭露。当然，这些仅为实例且不旨在进行限制。举例来说，各元件的尺寸并非仅限于所公开的范围或值，而是可取决于装置的工艺条件及/或所需性质。此外，以下说明中将第一特征形成在第二特征之上或第二特征上可包括其中第一特征与第二特征被形成为直接接触的实施例，且也可包括其中第一特征与第二特征之间可形成有额外特征、从而使得所述第一特征与所述第二特征可能不直接接触的实施例。为简洁及清晰起见，可以不同比例任意地绘制各种特征。在附图中，为简化起见，可省去一些层/特征。
此外，为易于说明，本文中可能使用例如“在...下方(beneath)”、“在...下面(below)”、“下部的(lower)”、“上方(above)”、“上部的(upper)”等空间相对性用语来阐述图中所示出的一个元件或特征与另一(些)元件或特征的关系。所述空间相对性用语旨在除图中所绘示的定向外还囊括装置在使用或操作中的不同定向。装置可具有其他定向(旋转90度或其他定向)，且本文中所用的空间相对性描述语可同样相应地进行解释。另外，用语“由…制成(madeof)”可意指“包含”或“由…组成”。此外，在以下制作工艺中，在所描述操作中/之间可能存在一个或多个额外操作，且操作的次序可加以改变。在本揭露中，除非另有指示，否则a、b及c中的至少一者意指“a”、“b”、“c”、“a及b”、“a及c”、“b及c”、或“a、b及c”，且并非意指来自a的一者、来自b的一者及来自c的一者。
为开发磁性随机存取存储器装置，选择适当的磁性材料、设计磁性随机存取存储器单元及控制制造工艺是重要的。在磁性随机存取存储器制造工艺及装置设计中需要能够以小于50nm分辨率且在无表面形貌复杂化的条件下测量及测绘磁场绝对强度定向(例如以单自旋级)及域边界的空间分布。具体来说，为实现材料表征及/或选择、工艺鉴定及品质可靠性保证，有必要准确地测量及表征磁场强度及空间分布(变化)。
图4a至图5c示出根据本揭露实施例的磁性随机存取存储器单元的示意图。
图4a是根据本揭露实施例的磁性隧道结磁性随机存取存储器单元的示意图。磁性隧道结膜堆叠1000设置在半导体装置的下部金属层mx与上部金属层my之间。金属层mx及my用于在形成于衬底上方不同层级处的半导体装置中将一个元件连接到另一元件。此外，下部金属层mx耦合到切换装置sw，切换装置sw可由包括(但不限于)平面型金属氧化物半导体场效晶体管(metaloxidesemiconductorfieldeffecttransistor，mosfet)、鳍型场效晶体管、环绕栅极(gate-all-around，gaa)场效晶体管、或任何其他切换装置在内的金属氧化物半导体场效晶体管形成。切换装置的控制端子(例如，场效晶体管的栅极端子)耦合到字线。切换装置sw的各端子中的一者耦合到下部金属层mx，且另一端子耦合到源极线，在一些实施例中，所述源极线是固定电位(例如，接地)。上部金属层my耦合到位线。在一些实施例中，切换装置sw设置在上部金属层my与位线之间。
磁性隧道结膜堆叠1000包括耦合到下部金属层mx的第一电极层1110及耦合到上部金属层my的第二电极层1155。磁性隧道结功能层1101设置在第一电极层1110与第二电极层1155之间，如图4b中所示。磁性隧道结功能层1101包括第二钉扎磁性层(pinnedmagneticlayer)1130、自由磁性层1140及隧穿势垒层(tunnelingbarrierlayer)1135，隧穿势垒层1135由非磁性材料制成且设置在第二钉扎磁性层1130与自由磁性层1140之间。自由磁性层1140及第二钉扎磁性层1130分别包含可被磁定向的一种或多种铁磁性材料。自由磁性层1140被配置成使得可通过暴露在外部磁场中来改变或旋转磁定向。第二钉扎磁性层1130被配置成使得磁定向是固定的且将不对典型的磁场作出响应。
隧穿势垒层1135包括相对薄的氧化物层，其能够在低电位下将自由磁性层1140与第二钉扎磁性层1130电隔离且能够在较高电位下通过电子穿隧来传导电流。在一些实施例中，隧穿势垒层1135由氧化镁(magnesiumoxide，mgo)制成。
磁性隧道结功能层1101进一步包括反铁磁性层1125，如图4b中所示。反铁磁性层1125用于固定第二钉扎磁性层1130的磁定向。反铁磁性层1125包含钌(ruthenium，ru)或任何其他适合的反铁磁性材料。
磁性隧道结功能层1101进一步包括均包含一种或多种磁性材料的第一钉扎磁性层1120及第二钉扎磁性层1130，如图4b中所示。
第二钉扎磁性层1130包含多层磁性材料。在一些实施例中，如图5a中所示，第二钉扎磁性层1130包括四个层1301、1302、1303及1304，其中层1304接触隧穿势垒层1135且层1301接触反铁磁性层1125。在一些实施例中，层1301(最底层)包括由钴(cobalt，co)及铂(platinum，pt)形成的多层式结构。在某些实施例中，层1301是钴层，且层1302是如以上所述由钴层及铂层形成的多层。层1303是间隔层。层1304是钴铁硼(cobaltironboron，cofeb)层、钴/钯(cobalt/palladium，copd)层及/或钴铁(cobaltiron，cofe)层。
第一钉扎磁性层1120包含多层磁性材料。在一些实施例中，如图5b中所示，第一钉扎磁性层1120包括两个层1201及1202，其中层1202接触反铁磁性层1125。在一些实施例中，层1201包括由钴(co)及铂(pt)形成的多层式结构。
在一些实施例中，自由磁性层1140包括钴铁硼(cofeb)层、钴/钯(copd)层及/或钴铁(cofe)层。在其他实施例中，自由磁性层1140包含多层磁性材料。在一些实施例中，如图5c中所示，自由磁性层1140包括三个层1401、1402及1403，其中层1401接触隧穿势垒层1135。在一些实施例中，层1401及1403是钴铁硼(cofeb)层、钴/钯(copd)层及/或钴铁(cofe)层。层1402是间隔层。
磁性隧道结功能层1101进一步包括形成在第一电极层1110上的晶种层1115、形成在自由磁性层1140上的顶盖层1145、形成在顶盖层1145上的扩散势垒层(diffusionbarrierlayer)1150，如图4b中所示。顶盖层1145由介电材料(例如氧化镁或氧化铝)制成。第一电极层1110由传导材料(例如金属)制成，以尤其在编程时降低第一钉扎磁性层1120的电阻。第二电极层1155也由传导材料(例如金属)制成，以降低读取期间的电阻率。
在磁性隧道结磁性随机存取存储器单元中，使用并堆叠各种磁性材料层。如上所述，开发高性能磁性隧道结磁性随机存取存储器装置的关键问题之一是精确地评估、表征及分析各种磁性材料层，例如每一磁性材料层的磁场的强度及其空间分布。
磁场强度测量设备中的一者是磁共振力显微镜(magneticresonanceforcemicroscopy，mrfm)。磁共振力显微镜是原子力显微镜(atomicforcemicroscopy，afm)的变体形式，原子力显微镜使用磁化的原子力显微镜尖端。磁共振力显微镜通常需要进行两次扫描：第一次扫描，其中扫描悬臂力(基于尖端与表面的范德华力相互作用(vanderwaalsforceinteraction))以获得形貌信息；接着第二次扫描，其中以固定的表面-尖端距离(例如，20nm)执行接下来的恒定形貌扫描以得到磁力测量值。磁共振力显微镜扫描中的此种“举升”是出于将形貌噪声最小化的目的。
样本与尖端之间的磁力非常复杂且随着间距非常快速地衰减(例如，对于头-头磁偶极，
此外，难以在测量之前控制或表征磁共振力显微镜尖端的形状及磁强度。这也使得难以进行一致的尖端间测量且使批次间数据(run-to-rundata)不可比。
在本揭露中，公开一种测量磁场强度的新颖方法及设备。根据本揭露的实施例，利用采用单个晶体金刚石尖端的扫描探测悬臂，所述单个晶体金刚石尖端接枝有放置在尖端的顶点附近(例如，小于约5nm)处的单个氮空位缺陷(nitrogenvacancydefect，nv)。具有氮空位缺陷的金刚石尖端可直接地、定量地且一致地检测样本的磁场强度。悬臂通过与悬臂进行阻抗匹配的导体被屏蔽，以高效地将微波递送到氮空位缺陷。使用具有阻抗匹配网络的可调式微波产生器-接收器将微波供应到具磁场分析能力的尖端。所公开的方法采用光学检测磁共振(odmr)来以非常高的检测敏感度检测样本的磁场强度(
通过所公开的方法及设备，可实现“无形貌伪影(topography-artifact-free)”的磁成像(通过直接
此外，具有包含氮空位缺陷的金刚石尖端的光学检测磁共振具有约nt/√hz的高敏感度，此为磁共振力显微镜的约1000倍。另外，磁阻抗测量能力可用于测量材料性质—本质上并非纯磁性的—如可影响磁性随机存取存储器性能的杂质。
如以下所阐释，通过光学检测磁共振来进行直接
图1示出根据本揭露实施例的磁场强度测量设备的示意图。所述设备的主要构造与原子力显微镜相同或相似。
所述磁场强度测量设备包括上面放置有样本20的载台10。载台10是可沿着x方向及y方向移动的x-y载台。此外，可在z方向上调整载台10的高度。载台10的构造、机制及材料与在原子力显微镜系统中所使用的载台实质上相同，且因此省去载台10的细节。
所述磁场强度测量设备进一步包括具有金刚石尖端110的悬臂100，如图1中所示。稍后将阐述悬臂的详细构造。
所述磁场强度测量设备包括光学系统。如图1中所示，在一些实施例中，所述光学系统(其可为共焦光学系统)包括激发光源30、二向色镜(分束器)40、物镜50、聚焦透镜60、及光学检测器70。在一些实施例中，激发光源30包括激光源。在一些实施例中，所述激光源可为半导体激光二极管、气体激光器或固态激光器。在其他实施例中，使用发光二极管(lightemittingdiode，led)。在一些实施例中，所发射激光束的峰值波长处于从约460nm至约580nm的范围中。在某些实施例中，峰值波长是约530nm或约532nm。光源以连续波(continuouswave，cw)或脉冲波(pulsewave)的形式来发射激发光。在一些实施例中，在脉冲的情形中，脉冲宽度处于从约100ps至约2000ps的范围中，且重复频率处于从约0.1mhz至10mhz的范围中。
在一些实施例中，激发光源30包括光源及一个或多个准直透镜，所述一个或多个准直透镜可使例如从激光源发射的光扩展及准直。在其他实施例中，激发光源30包括光源及用以发射扫描光束的光扫描机构。
所发射激发光至少部分地穿过二向色镜40并进入物镜50。物镜50包括一个或多个光学透镜，以将入射光聚焦到悬臂100的尖端110。如以下所阐释，在尖端110处发射的荧光由物镜50收集及准直，且经准直光由二向色镜40反射。在二向色镜处反射的光进入包括一个或多个透镜的聚焦透镜60，且接着经聚焦光由光学检测器70检测。
物镜50可具有高数值孔径(numericalaperture，na)，在一些实施例中，所述高数值孔径等于或高于0.80且最高达0.95。在一些实施例中，物镜50的数值孔径处于从约0.85至约0.90的范围中。如果使用浸没透镜(immersionlens)，则数值孔径可大于1.0(例如，1.3)。在一些实施例中，物镜50将激发光以法向入射角聚焦在悬臂100的尖端110上。
在一些实施例中，光学检测器70包括光电二极管(例如，硅雪崩光电二极管)及图像传感器(照相机)(例如电荷耦合装置(chargecoupleddevice，ccd)传感器或互补金属氧化物半导体传感器)中的一者或多者。光学检测器70耦合到包括计算机的光学检测器控制器80。
具有具高数值孔径及长工作距离(例如，约5mm至约15mm)的物镜的共焦光学系统实现了对氮空位缺陷的高功率密度泵激(激发)及荧光的高收集效率(例如，大于约70％)。
图2示出图1所示悬臂100及微波设备的详细视图。悬臂100包括杠杆本体120，杠杆本体120具有附装有金刚石尖端110的远端。金刚石尖端110由具有一个或多个氮空位缺陷115的金刚石制成。在一些实施例中，金刚石尖端110的尺寸处于从约10μm至约100μm的范围中。氮空位中心是金刚石晶体中自然出现的或在技术上形成的杂质，其中氮原子替换碳原子，从而紧挨所述氮原子形成空位。金刚石尖端110可包含单个氮空位缺陷或多个氮空位缺陷。
在一些实施例中，金刚石尖端110包含单个氮空位缺陷，此可确保高空间分辨率及敏感度。当多个氮空位缺陷随机地分布在金刚石尖端110中时，此可降低空间分辨率及/或敏感度。氮空位缺陷位于金刚石尖端的顶点附近处(例如，与金刚石尖端的顶点相距不超过约1nm至约10nm)。
在一些实施例中，金刚石晶体可为(111)晶体。具有氮空位缺陷的金刚石尖端可直接地、定量地且一致地检测样本的磁场强度，如以下所阐释。氮空位缺陷的磁矩在金刚石内部是固定的，且将不改变或影响正被测量的样本的磁矩。
杠杆本体120由绝缘材料(例如氮化硅)制成。用于供应微波的导线130嵌入杠杆本体中，且耦合到金刚石尖端110。在一些实施例中，导线130由例如au、al或cu、或其合金制成。此外，杠杆本体120至少局部地由传导盖140覆盖，以形成同轴微波波导。在一些实施例中，导线130在微波频率范围下的阻抗处于从约10ω至约100ω的范围中。传导盖140由例如cu、au、或al、或其合金制成，且在一些实施例中，可为膜、或片材形状、或网格。传导盖(屏蔽件)与悬臂是阻抗匹配的，以高效地将微波递送到尖端。如图2中所示，悬臂100的远端具有开口150，激发光穿过开口150。在一些实施例中，开口150具有圆形形状、椭圆形形状、或多边形形状。在某些实施例中，开口150填充有透明或半透明材料，以加固悬臂100的开口部分。
在一些实施例中，悬臂100的厚度处于从约2μm至约20μm的范围中，悬臂100的宽度处于从约20μm至约50um的范围中，且悬臂100的长度处于从约200μm至1500μm的范围中。
可通过以下操作来制造悬臂100。首先，提供第一本体材料，例如氮化硅细条。在第一本体材料上形成用于导线130的凹槽，且将导线嵌入所述凹槽中。接着，将第二本体材料(例如氮化硅细条)接合到第一本体材料，以将导线夹置在内部。接着，将金刚石尖端110附装到悬臂。
在一些实施例中，悬臂100也可用作原子力显微镜的悬臂。悬臂100包括供在原子力显微镜测量中使用的镜160。此外，压电致动器170在进行原子力显微镜测量时支撑悬臂100。
所述磁场强度测量设备进一步包括微波产生器200。微波产生器200向金刚石尖端110提供激发电功率。微波产生器200产生变化的激发电功率，所述变化的激发电功率被控制成以连续或步进方式扫掠频率。在一些实施例中，由微波产生器产生的连续或脉冲激发电功率具有处于从约0.5w至约10w的范围中的功率以及介于从约1ghz至约5ghz的范围内的频率。在某些实施例中，微波的中心频率是约2.87ghz且从约2.70ghz扫掠至约3.0ghz。虽然在本揭露中微波是通过导线130提供到金刚石尖端110，然而微波可从放置在金刚石尖端110附近的天线被施加。
在一些实施例中，微波产生器200进一步包括微波检测器及阻抗调整电路，以监测来自悬臂100的反射电功率并调整微波产生器200与悬臂100之间的阻抗。
此外，在一些实施例中，锁定放大器210耦合到微波产生器200。微波产生器200输出扫描微波阻抗显微镜信号的实部及虚部，且锁定放大器210可输出分别与扫描微波阻抗显微镜信号的实部及虚部对应的dr/dv值及dc/dv值。
系统控制计算机300(参见图1)耦合到载台10、光学检测器控制器80及微波产生器200、以及磁场强度测量设备的其他部分，以控制每一部分、获取数据并分析所获取数据。系统控制计算机300、光学检测器控制器80及/或微波产生器200包括一个或多个处理器(例如，中央处理器(centralprocessingunit，cpu))、存储器(随机存取存储器(randomaccessmemory，ram)及/或只读存储器(readonlymemory，rom))及输入/输出(input/output，i/o)。所述存储器中的一者存储控制程序，且所述控制程序在由处理器执行时使处理器控制磁场强度测量设备的全部或一部分。
在原子力显微镜模式中，可获得样本的表面形貌。为获得表面形貌，可使用悬臂的尖端对样本强加于尖端上的力的反应来以高分辨率形成样本表面的三维形状(形貌)的图像。这通过扫描样本相对于尖端的位置(x-y方向)并记录悬臂的与恒定尖端-样本相互作用对应的高度来实现。
更具体来说，悬臂100通过压电元件170而由支撑件175承载，压电元件170使悬臂100摆动，如图2中所示。具有尖锐顶点的尖端110固定到悬臂100的自由端。检测器(图中未示出)(例如光学检测器)记录悬臂的偏转及运动。安装在样本载台10上的样本20相对于尖端顶点在x方向、y方向及z方向上被移位(被扫描)。通过使载台在z方向上移动以使尖端与样本的表面之间的力维持恒定，可获得样本的表面形貌。
图3a及图3b示出光学检测磁共振(odmr)的原理。当金刚石晶体中的氮空位缺陷由具有从460nm至580nm的波长范围的激发光以光学方式激发时，氮空位缺陷使得从氮空位缺陷进行寿命为毫秒范围的强烈荧光发射。
举例来说，当以波长为532nm的激光激发氮空位缺陷时，作为响应，会在室温下以637nm或675nm的零声子线进行发光。氮空位缺陷的基态具有电子自旋三重态结构，所述电子自旋三重态结构在ms＝0态与简并ms＝±1态之间具有为2.87ghz的零场频率分裂。
如图3a中所示，在不存在外部磁场强度b的情况下，当微波的频率被扫掠时，可在大约2.87ghz频率下观测到荧光强度下降(fluorescenceintensitydip)。
在存在磁场强度b的情况下，共振峰值(荧光强度下降)因塞曼效应(zeemaneffect)而分裂。如图3b中所示，可辨识出两个共振峰值(荧光强度下降)，其分别对应于ms＝0次能级与ms＝-1次能级之间的转变及ms＝0次能级与ms＝+1次能级之间的转变。ms＝-1次能级与ms＝+1次能级之间的能级差δ由δ＝gμbb给出，其中g是常数，μb是玻尔磁子(bohrmagneton)(即μb＝9.27×10-24j·t-1＝1.4mhz/高斯，其中1[j]＝1.509e+27[mhz]且1t＝1e+4高斯，并且b是所施加的磁场强度)。对于自由电子，g＝2，且对于氮空位缺陷，g＝4。因此，在本实施例中，gμb的值是5.6mhz/高斯。因此，通过测量微波频率的两个共振峰值之差，可确定出磁场强度b。
因此，可通过对电子自旋共振(electronspinresonance，esr)(即，光学检测磁共振(odmr))进行光学检测以测量氮空位缺陷电子自旋次能级的塞曼移位来评估磁场强度。可通过在使激发微波频率及磁场强度中的至少一者变化的同时检测由氮空位缺陷的电子自旋共振引起的光致发光降低来测量光学检测磁共振。
根据本揭露的实施例，可通过使用图1所示设备来测量或分析磁性样本(例如，形成在衬底上的磁性膜)。首先，在衬底上形成作为样本20的磁性膜。所述磁性膜可为可在磁性随机存取存储器装置中利用的co、copt、cofe、及/或cofeb。可通过物理气相沉积(physicalvapordeposition，pvd)(包括溅镀)及/或化学气相沉积(chemicalvapordeposition，cvd)或任何其他适合的方法来形成所述磁性膜。所述磁性膜通常包括具有不同磁化状态而引起不同磁场强度的多个部分。磁性样本20可为用于硬盘驱动器或磁头的磁性膜。
将磁性样本20放置在样本载台10上。通过控制载台10的x-y移动机构，使待测量区域移动至悬臂100的金刚石尖端110下方。可以纳米数量级准确度(例如，在从约1nm至约5nm的范围中)来使载台10移动。
接着，在经由嵌入悬臂100中的导线130施加微波信号的同时，透过物镜50将激发光施加到金刚石尖端110中的氮空位缺陷。可在使微波频率在例如2.70ghz至3.0ghz之间变化的同时通过光学检测器70来监测通过光学泵激在氮空位缺陷处引起的荧光。系统控制计算机300同步地从微波源200接收与变化的微波频率对应的信号以及从光学检测器控制器80接收与发光强度及/或两次荧光强度下降之差δ对应的信号。依据这两个信号，系统控制计算机300可计算磁性样本20的所关注点处磁场的强度。
此外，为获得磁场强度的空间(例如，二维)分布，使载台10相对于金刚石尖端110移动(即，扫描)。载台10可连续地移动或以逐步方式移动。
在一些实施例中，在测量磁场强度之前，执行形貌第一次扫描(其中以原子力显微镜模式来扫描悬臂力)，以获得样本20的形貌信息。接着，在维持金刚石尖端110与磁性样本20的表面之间的距离的情况下使用光学检测磁共振来执行磁场强度测量。
如上所述，在磁共振力显微镜(mrfm)中，待测量磁力对待测量样本的表面与悬臂的尖端之间的距离非常敏感，因为所述力与(距离)-4成比例地减小。相比之下，在本揭露实施例中，待测量磁场强度b与(距离)-2成比例地减小。因此，根据前述技术对磁场强度b的测量对待测量样本的表面与悬臂的尖端之间距离不那么敏感，且因此可执行实质上“无形貌”的磁场及域成像。此外，由于载台10可以纳米数量级准确度移动，因此在一些实施例中，可以处于从约1nm至约10nm的范围中的非常高的空间分辨率获得磁场强度b的分布。
可在制造操作中在线上及/或在线下来通过使用如图1至图3a及图3b中所阐释的设备对磁性材料膜执行评估。在一些实施例中，当磁性材料层(例如，厚度处于从约0.5nm至约10nm的范围中的薄膜)形成在设置于衬底之上的下伏结构(例如，晶体管)之上且被适当磁化时，执行测量以获得磁场强度及其空间分布。在其他实施例中，通过使用如参照图1至图3a及图3b所阐释的设备来评估被形成为测试样本的磁性材料层。
应理解，本文中未必论述了所有优点，所有实施例或实例并非需要特定优点，且其他实施例或实例可提供不同优点。
举例来说，在本揭露中，通过使用具有单个氮空位缺陷的金刚石尖端，可在光学检测磁共振测量中获得更高的空间分辨率及提高的敏感度。此外，通过使用具有内置同轴微波天线的悬臂，可高效地将微波供应到金刚石尖端且可更轻易地调整金刚石尖端与微波的阻抗匹配。
根据本揭露的方面，一种用于测量磁场强度的设备包括：载台，上面放置有待测量样本；悬臂，具有尖端；光学系统，具有光源及光接收器；以及微波功率源。所述尖端是具有氮空位缺陷的金刚石尖端。所述光学系统被配置成使得来自所述光源的激发光聚焦在所述金刚石尖端处。所述悬臂被配置为同轴微波天线，来自所述微波功率源的微波经由所述同轴微波天线被供应到所述金刚石尖端。在上述及以下实施例中的一者或多者中，所述悬臂包括：悬臂本体；传导导线，嵌入所述悬臂本体中；以及传导盖，设置在所述悬臂本体的外表面上。在上述及以下实施例中的一者或多者中，所述悬臂本体由绝缘材料制成。在上述及以下实施例中的一者或多者中，所述悬臂本体由氮化硅制成。在上述及以下实施例中的一者或多者中，所述微波功率源与所述金刚石尖端是阻抗匹配的。在上述及以下实施例中的一者或多者中，所述微波功率源被配置成产生具有处于从2.70ghz至3.0ghz的范围中的可变频率的所述微波。在上述及以下实施例中的一者或多者中，所述设备进一步包括被配置成控制所述载台、所述光接收器及所述微波功率源的一个或多个控制器。在上述及以下实施例中的一者或多者中，所述控制器与所述微波的频率的变化同步地从所述光接收器接收信号。在上述及以下实施例中的一者或多者中，所述载台及所述悬臂被配置成充当原子力显微镜。在上述及以下实施例中的一者或多者中，所述金刚石尖端具有单个氮空位缺陷。在上述及以下实施例中的一者或多者中，所述激发光的峰值波长处于从约460nm至约580nm的范围中。在上述及以下实施例中的一者或多者中，所述光学系统包括用以将所述激发光聚焦在所述金刚石尖端处的物镜，且所述物镜的数值孔径处于从0.85至0.90的范围中。
根据本揭露的另一方面，在一种对磁性材料薄膜的磁场强度进行测量的方法中，将磁性材料样本放置在载台上。将具有尖端的悬臂放置在所述磁性材料样本之上，使得所述尖端与所述磁性材料样本之间具有间隔。在向所述尖端供应微波的同时，将激发光施加到所述尖端。检测从所述尖端发射的荧光。基于所检测到的所述荧光及所述微波的频率而获得所述磁性材料薄膜的所述磁场强度。所述尖端是具有单个氮空位缺陷的金刚石尖端，并且所述悬臂被配置为同轴微波天线，且所述微波是经由所述同轴微波天线从微波功率源供应到所述金刚石尖端。在上述及以下实施例中的一者或多者中，所述荧光是在使所述微波的所述频率在至少介于2.70ghz与3.0ghz之间的范围中改变的同时检测的。在上述及以下实施例中的一者或多者中，所述激发光的峰值波长处于从约460nm至约580nm的范围中。在上述及以下实施例中的一者或多者中，所述磁性材料薄膜的所述磁场强度是通过使所述悬臂相对于所述磁性材料薄膜进行扫描而获得。在上述及以下实施例中的一者或多者中，所述悬臂是通过移动所述载台而相对于所述磁性材料薄膜进行扫描。在上述及以下实施例中的一者或多者中，通过使用原子力显微镜来测量所述磁性材料薄膜的至少一部分的表面形貌。从所述尖端发射的所述荧光是在使所述尖端与所述磁性材料薄膜的表面之间具有恒定距离的条件下检测的。
根据本揭露的另一方面，提供一种供用于原子力显微镜测量及光学检测磁共振测量的设备使用的悬臂。所述悬臂包括：悬臂本体；尖端；传导导线，嵌入所述悬臂本体中；以及传导盖，设置在所述悬臂本体的外表面上。在上述及以下实施例中的一者或多者中，所述尖端是具有单个氮空位缺陷的金刚石尖端。
以上内容概述了若干实施例或实例的特征以使所属领域中的技术人员可更好地理解本揭露的各方面。所属领域中的技术人员应了解，他们可易于使用本揭露作为基础来设计或修改其他工艺及结构以施行本文所介绍实施例或实例的相同目的及/或实现本文所介绍实施例或实例的相同优点。所属领域中的技术人员还应认识到，此种等效构造并不背离本揭露的精神及范围，且在不背离本揭露的精神及范围的条件下，他们可对本文作出各种改变、替代、及变更。
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