吳東陽， 姚志宏

(1.中國科學(xué)院 微電子研究所，北京 100029； 2.中國科學(xué)院大學(xué)，北京 100049； 3.中國科學(xué)院 微電子器件與集成技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100029)

0 引 言

測試磁阻效應(yīng)需要控制磁場、讀取磁場、設(shè)定角度、施加電流、讀取電壓等功能，這些功能缺一不可，并且需要較高的精度。傳統(tǒng)的手動(dòng)測量，曲線上的每一個(gè)點(diǎn)的測試與數(shù)據(jù)處理都費(fèi)時(shí)費(fèi)力。為統(tǒng)合這些功能，現(xiàn)代測試主要通過計(jì)算機(jī)聯(lián)系和控制各個(gè)儀器，能做到像一個(gè)儀器一樣使用，這便是虛擬儀器[1]的由來。通過編程使現(xiàn)實(shí)中的各種儀器模塊化到程序中，它們的數(shù)據(jù)由程序統(tǒng)合處理，能實(shí)時(shí)呈現(xiàn)并易于交互。對(duì)于有磁場變化的測試，因磁場的變化引起的感生電動(dòng)勢與磁滯效應(yīng)使磁場掃描的每個(gè)點(diǎn)都需要等待秒(s)級(jí)的弛豫時(shí)間，因而測試采樣的點(diǎn)間距(分辨率)與點(diǎn)數(shù)對(duì)測試效率的影響至關(guān)重要。并且在磁阻的測試時(shí)，時(shí)常能遇到在大部分區(qū)域曲線平緩，而特定區(qū)域變化迅速的情況。

為了增加變化快速區(qū)域的分辨率，本文通過算法，編程實(shí)現(xiàn)自動(dòng)優(yōu)化分辨率的功能，大大提高了測試效率。

1 測試原理

磁阻效應(yīng)[2]是如鐵磁材料在外加磁場影響下的電阻值，并且其隨外加磁場大小、方向的變化而變化的一種效應(yīng)。磁阻有多種特性分類，如在鐵磁體中的各向異性磁阻(AMR)、疇壁磁阻(DWMR)和自旋霍爾磁電阻(SMR)，在多層膜(例如磁隧道結(jié))中的巨磁阻(GMR)、隧道磁阻(TMR)和巨大磁阻(CMR)等[3～8]。

以自旋霍爾磁電阻[9]為例

(1)

式中 自旋霍爾效應(yīng)的強(qiáng)度可由Δρ/ρ0表征，電阻率ρ(Ω·m)可由電阻R(Ω)求得，ΔR(Ω)為大值Rmax(Ω)減最小值Rmin(Ω)的量。

2 磁阻測試系統(tǒng)開發(fā)

2.1 總體設(shè)計(jì)方案

本文中設(shè)計(jì)方案的實(shí)現(xiàn)，依靠于上位機(jī)上的LabVIEW軟件環(huán)境，通過其特有的圖形化編程方式，實(shí)現(xiàn)了對(duì)各個(gè)功能模塊的統(tǒng)籌控制、數(shù)據(jù)收集處理和反饋，并能進(jìn)行實(shí)時(shí)交互。而與儀器的通信，是由其自帶的VISA這一極具效率的應(yīng)用程序編程接口(API)統(tǒng)一實(shí)現(xiàn)的，并不需要了解各種接口類型的低級(jí)通信協(xié)議。再由于模塊化編程，各模塊之間相對(duì)獨(dú)立，大大減小了復(fù)雜度與耦合度，更利于程序的維護(hù)與功能的更新，并且對(duì)于不同的硬件平臺(tái)也能快速地遷移部署。

下位機(jī)在磁阻測試中共實(shí)現(xiàn)了4個(gè)功能:1)由功率電源、電磁鐵和特斯拉計(jì)實(shí)現(xiàn)的有反饋的磁場產(chǎn)生；2)由步進(jìn)電機(jī)控制轉(zhuǎn)動(dòng)器而實(shí)現(xiàn)的角度轉(zhuǎn)動(dòng)；3)由精密電流源輸出的特定測試電流；4)由精準(zhǔn)電壓表讀取的實(shí)際電壓。磁阻測試系統(tǒng)的簡要流程如圖1所示。

圖1 簡要測試流程

2.2 虛擬儀器具體設(shè)計(jì)

2.2.1 自動(dòng)優(yōu)化分辨率模塊

PICKPOINT自動(dòng)優(yōu)化分辨率程序模塊是本測試系統(tǒng)中最主要的創(chuàng)新。PICKPOINT的LabVIEW簡要程序模塊如圖2所示。

圖2 自動(dòng)優(yōu)化分辨率簡要程序模塊

為實(shí)現(xiàn)自動(dòng)加密變化迅速區(qū)域的采樣間隔，先要進(jìn)行較為快速的初掃描，然后由輸入控件XInput和YInput分別傳入初掃描的XY數(shù)組。而進(jìn)入for循環(huán)框前還需要Fine Step Size傳入加密的采樣間隔，用Left Rank、Right Rank為參數(shù)的中值濾波器來降噪的YInput，最后是由增益Gain和降噪后YInput的最大最小值綜合獲得的是否為變化迅速區(qū)域的判斷條件。

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進(jìn)入For循環(huán)框后，將第T+1次點(diǎn)與第T次點(diǎn)的差值(類比于一階導(dǎo)數(shù))減去第T次點(diǎn)與第T-1次點(diǎn)的差值，其結(jié)果(類比于二階導(dǎo)數(shù))受增益Gain和降噪后的最大最小值綜合調(diào)控，而其是否為0，則作為PICKPOINT CORE條件框的判斷依據(jù)。若其值為0，則進(jìn)入條件框?yàn)椤罢妗钡哪K；反之，則進(jìn)入條件框?yàn)椤凹佟钡哪K。只有條件框?yàn)椤罢妗钡哪K會(huì)往移位寄存器中添加變化迅速區(qū)域的起始與加密后的采樣間隔，最終輸出到Out。

在實(shí)際應(yīng)用中還需要添加更多的參量和程序，例如兩個(gè)快速變化區(qū)域之間的采樣密度和原本掃描范圍的兩端也需要保存下來才能獲得完整的自動(dòng)優(yōu)化分辨率后的掃描參數(shù)。

2.2.2 磁場控制模塊

為了使用電磁鐵產(chǎn)生磁場，需要為其提供電流，而恒定的電流通過能在鐵芯中心部分產(chǎn)生較為均勻的靜磁場。因此,可以擬合一組在平衡狀態(tài)下的電流與磁場的關(guān)系，根據(jù)安培定律兩者是線性的關(guān)系。但由于磁滯的存在，在掃描磁場時(shí)，當(dāng)前的磁場與之前的電流I(t-tc)還有時(shí)間t都相關(guān)。因此使用反饋來實(shí)現(xiàn)較為精確磁場控制。這個(gè)控制磁場的LabVIEW程序FIELD CONTROLER，如圖3所示。

圖3 磁場控制程序模塊

在圖3的Part 1部分中，由Set Field傳入目標(biāo)磁場，通過Field to Current公式模塊線性變成電流值，再通過GSC模塊階梯地變化電流(快速頻繁變化的電流因楞次定律使功率電源處于過負(fù)載狀態(tài)影響儀器壽命與安全)，接著，電流通過電磁鐵而獲得初步磁場(實(shí)際上由于設(shè)置精確磁場的時(shí)間成本太高，在掃描的自變量為磁場時(shí)，運(yùn)行到這一步大都能滿足需求)。

Part 2中，使用While循環(huán)框不停判斷結(jié)束循環(huán)條件，其中，有2個(gè)結(jié)束條件在OSCIL模塊的第“0”幀內(nèi)，分別是等待0.5 s后FIELD READ模塊檢測磁場不變(進(jìn)入第“0”幀的條件是檢測磁場與目標(biāo)磁場相同)和進(jìn)入第“0”幀4次。循環(huán)時(shí)若檢測磁場與目標(biāo)磁場不相同則進(jìn)入第“1”幀，通過Oscillating公式計(jì)算下一個(gè)目標(biāo)電流從而振蕩逼近目標(biāo)磁場。最后，若循環(huán)計(jì)數(shù)超過100但檢測磁場仍未收斂到目標(biāo)磁場則亦會(huì)結(jié)束循環(huán)。一般運(yùn)行完這個(gè)磁場控制程序，磁場結(jié)果誤差在±0.5Oe以內(nèi)，誤差原因應(yīng)包括磁滯效應(yīng)與功率電源的精度不足。

ROTATOR程序模塊有幾種主要的功能：1)MOTOR的步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)控制功能；2)ROT MODE的模式選擇功能；3)DELAY的等待轉(zhuǎn)動(dòng)結(jié)束功能；4)通過Rotator position顯示和反饋節(jié)點(diǎn)儲(chǔ)存角度功能。ROTATOR的LabVIEW程序模塊如圖4所示。

圖4 步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)器程序模塊

MOTOR模塊實(shí)際上只接收ROT MODE傳入的正負(fù)轉(zhuǎn)動(dòng)角度和Rotation speed傳入的轉(zhuǎn)動(dòng)速度，后轉(zhuǎn)化成步進(jìn)電機(jī)能執(zhí)行的16進(jìn)制代碼從而實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)角功能，但并不會(huì)反饋當(dāng)前的角度與是否完成轉(zhuǎn)動(dòng)，是一個(gè)功能單一的核心。

ROT MODE模塊中有3種模式，即Rot、Pos和Set pos模式。ROTATOR程序模塊使用前需要初始化反饋節(jié)點(diǎn)，即角度調(diào)零后再啟動(dòng)，而使用中調(diào)零的情況，則需要通過ROT MODE的Set pos模式。Set pos模式是通過將Position的值傳給Rotator position顯示和反饋節(jié)點(diǎn)儲(chǔ)存，并將0作為轉(zhuǎn)動(dòng)角度傳給MOTOR模塊(即不轉(zhuǎn)動(dòng))來實(shí)現(xiàn)的。Rot模式會(huì)直接將Rotation的值作為轉(zhuǎn)動(dòng)角度傳給MOTOR模塊，而Pos模式會(huì)將Position的值與當(dāng)前儲(chǔ)存角度的差作為轉(zhuǎn)動(dòng)角度傳給MOTOR模塊，來實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)動(dòng)當(dāng)前位置到Position值的位置。DELAY模塊包含擬合得到的絕對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)角度與結(jié)束時(shí)間關(guān)系(步進(jìn)電機(jī)的加、減速的階段，使它們并不是簡單的線性關(guān)系)，其會(huì)將輸入的絕對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)角度轉(zhuǎn)化為時(shí)延。在程序運(yùn)行時(shí)，還會(huì)將轉(zhuǎn)動(dòng)的角度與當(dāng)前位置的和會(huì)被轉(zhuǎn)換到±360°內(nèi)，然后，被顯示控件Rotator position顯示和反饋節(jié)點(diǎn)儲(chǔ)存。

2.2.4 其余的程序模塊

本文系統(tǒng)中還有一些程序模塊未說明，例如電流脈沖高度掃描程序PLUSE、串口磁場強(qiáng)度讀取程序FIELD READ、將掃描參數(shù)轉(zhuǎn)換為采樣點(diǎn)數(shù)組的SWEEP X程序、將多個(gè)自變量掃描程序相互整合的連續(xù)運(yùn)行程序CONTINUOUS RUNNING、能自動(dòng)保存實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)與圖片的SAVEFLE程序(內(nèi)含正則提取參數(shù)到文件名并判斷路徑與文件是否存在功能)等。這些模塊相互配合在整個(gè)系統(tǒng)中起著重要作用。

3 測試系統(tǒng)驗(yàn)證

3.1 前面板示例

LabVIEW的前面板是和用戶交互的界面，測試的參數(shù)輸入和結(jié)果呈現(xiàn)都可由前面板實(shí)現(xiàn)。簡要磁阻測試的前面板如圖5所示。其中的測試器件是在硅/氧化硅基片上磁控濺射5 nm的NiFe薄膜，然后使用光刻與離子束刻蝕得到長50 μm,寬10 μm的霍爾棒器件。測試時(shí)是掃描磁場，且磁場在面內(nèi)與電流垂直，檢測電壓為縱向電壓，如圖6(a)所示。

圖5 簡要磁阻測試前面板

圖6 電流磁場電壓測試關(guān)系

3.2 自動(dòng)優(yōu)化分辨率示例

在圖7中展示了自動(dòng)優(yōu)化的成果。測試器件先是在硅/氧化硅基片上依次磁控濺射8 nm 的Ta,1.2 nm的CoFeB,2 nm的MgO和3 nm的Ta，獲得有垂直各向異性的CoFeB，之后使用光刻與離子束刻蝕圖型化成霍爾棒。本示例的掃描自變量更換為掃描電流脈沖的高度，即通過掃描脈沖高度漸變的電流獲取由自旋軌道矩(SOT)[10]引起的翻轉(zhuǎn)電流，其脈沖寬度為1 ms。測試時(shí)磁場在面內(nèi)與電流平行，檢測電壓為橫向電壓，如圖6(b)所示。且進(jìn)行了2次自動(dòng)優(yōu)化，分別是從第一次的采樣間隔Δx=100 μA到10 μA和第二次從10 μA到1 μA。其中，Enlarged圖能很好地看出第二次優(yōu)化后相比第一次有10倍的分辨率，相比于未優(yōu)化的曲線更是有100倍的分辨率。

圖7 自動(dòng)優(yōu)化的垂直各向異性磁阻電流翻轉(zhuǎn)曲線

4 結(jié) 論

本文介紹了一種能自動(dòng)優(yōu)化分辨率和高度模塊化的磁阻測試系統(tǒng)。在掃描磁場的測試中，每個(gè)采樣點(diǎn)等待時(shí)間過長的問題，在優(yōu)化分辨率后能夠得到很好的改進(jìn)。而高度模塊化的系統(tǒng)，增加了易讀性減少了復(fù)雜度。且正如文中磁場掃描和電流脈沖掃描的轉(zhuǎn)換一樣，模塊之間的相互更換與結(jié)合能簡易地實(shí)現(xiàn)不同的功能，甚至還能實(shí)現(xiàn)更為復(fù)雜的功能，例如多自變量自動(dòng)測量與優(yōu)化，從而使測試效率大大增加。目前的系統(tǒng)包含了磁場與電流的施加與檢測，之后如遇到例如增加光照或壓力這樣的硬件平臺(tái)增改，也能通過模塊化編程快速且平穩(wěn)地遷移部署。