DE10007617A1 - Charakterisierung von Magnetfeldern - Google Patents
Charakterisierung von MagnetfeldernInfo
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Abstract
Es wird eine magnetische Charakterisierung des von einem RWH-Bauelement ausgehenden Magnetfeldes unter Verwendung einer magnetostriktiven Schicht als Sonde zwischen dem Bauelement und der abrasternd geführten SFM-Spitze präsentiert. Die Erkenntnisse weisen auf eine vielversprechende Technik hin, um Magnetfelder lateral wenigstens im Bereich von 100 nm aufzulösen. Es können weitere magnetosensitive Eigenschaften, wie der magnetoelastische und der piezomagnetische Effekt, in einer ähnlichen Weise verwendet werden, um auf magnetische Eigenschaften von Mikrostrukturen oder von magnetischen Mehrfachschichten zu schließen.
Description
Die vorliegende Erfindung bezieht sich allgemein auf ein
neuartiges Verfahren der Rasterkraftmikroskopie (scanning force
microscopy). Spezieller bezieht sie sich auf ein Verfahren zum
Charakterisieren von Magnetfeldern. Noch spezieller bezieht
sich die vorliegende Erfindung auf ein solches Verfahren, das
magnetosensitive Materialien verwendet. Die Erfindung bezieht
sich außerdem auf eine Vorrichtung zum Ausführen eines
derartigen Verfahrens ebenso wie auf eine neuartige Rastersonde
(scanning probe), um das Verfahren gemäß der Erfindung
auszuführen.
Mit der kontinuierlich zunehmenden Aufzeichnungsdichte in
magnetischen Speichermedien und der kontinuierlichen
Verbesserung in der Qualität von Magnetköpfen in den letzten
Jahren wurde es immer wichtiger, in der Lage zu sein, die
räumliche Verteilung eines Magnetfeldes so genau wie möglich zu
messen, da diese Verteilung in der Nähe des Spaltes in einem
Magnetkopf einen Faktor darstellt, der einen starken Einfluss
auf die Aufzeichnungs-, Überschreibungs- und
Wiedergabeeigenschaften hat.
Magnetische Schreib- und Aufzeichnungsköpfe stellen daher ein
Gebiet intensiver Forschung und Entwicklung dar, das äußerst
sensitive Techniken erfordert, um Bauelementparameter für eine
weitere Miniaturisierung zu bestimmen. Außerdem ist es für die
Prozess-Steuerung wünschenswert, dass eine wissenschaftliche
und technische Rückkopplung für Herstellungsparameter so früh
wie möglich im Produktionsprozess ermöglicht wird, speziell auf
einem Reihen- oder sogar auf Waferniveau. Mikro- und
Nanostrukturen werden sowohl in der Forschung als auch in
analytischen Disziplinen für eine Online-Qualitätskontrolle und
Fehleranalyse häufig durch Rastersondenmikroskopie (SPM:
scanning probe microscopy) charakterisiert. SPM kann
verschiedene, jedoch spezifische Funktionalitäten zuweisen, die
eine Charakterisierung verschiedener Oberflächeneigenschaften
ermöglichen, z. B. Oberflächenrauhigkeit,
Leitfähigkeitsschwankungen, Magnetismus, Härte, thermische und
Reibungsphänomene im Nanometerbereich. In der Speicherindustrie
wurden Techniken der Magnetkraftmikroskopie (MFM: magnetic
force microscopy) dazu verwendet, magnetische Speicherplatten
und magnetoresistive Dünnfilm-Aufzeichnungsköpfe zu
charakterisieren. In gleicher Weise stellen magnetische
Schreibköpfe mit Mikrometerabmessungen eine Haupttechnologie
dar, die eine Miniaturisierung erfährt, um kleinere
Bitabmessungen und dadurch eine höhere Flächendichte in den
magnetischen Aufzeichnungsmedien zu realisieren.
Techniken zur Abbildung magnetischer Eigenschaften basieren auf
Elektronenmikroskopie (electron microscopy), wie
spinpolarisierter Rasterelektronenmikroskopie (spin polarized
scanning electron microscopy) (vergleiche R. Allenspach,
Physics World, 7, 45 (1994)), Lorentz-Mikroskopie (vergleiche
X. Portier et al., Appl. Phys. Lett., 71, 22032 (1997)),
Magnetkraftmikroskopie (vergleiche Y. Martin und H. K.
Wickramasinghe, Appl. Phys. Lett. 50, 1455 (1987)),
Tunnelmikroskopie mit spinpolarisierten Elektronen (spin
polarized electron tunneling microscope) (vergleiche Z. Wu et
al., Surface Science, 386, 311 (1997)), magneto-optische
Nahfeldrastermikroskopie (scanning near field magnetooptical
microscopy) (vergleiche U. Hartmann, Journal of Magnetism and
Magnetic Materials, 157/158, 545 (1996)) und Kerr-Mikroskopie
(A. Hubert und R. Schäfer, Magnetic Domains, The Analysis of
Magnetic Microstructures, New York 1998).
Insbesondere in der MFM besteht eine Betriebsart darin, den
Magnetsensor über ein bimorphes Element in Resonanz zu
versetzen und Phasenverschiebungen aufgrund variabler
Magnetkräfte zu detektieren. Eine weitere Betriebsart, die zur
Charakterisierung von Schreibelementen verwendet wird, besteht
darin, MEM-Sensorvibrationen über das variable Magnetfeld des
Schreibelements anzuregen. In dieser Betriebsart ändern sich
die Vibrationscharakteristika des MFM-Sensors in Abhängigkeit
von seiner Position über dem Schreibelement. Beide Techniken
zeichnen sich durch eine hohe laterale Auflösung (ungefähr 50 nm)
aus, das hohe Magnetfeld, das von dem Schreibelement
erzeugt wird, kann jedoch verursachen, dass die Magnetspitze
die Oberfläche berührt, was zu Abbildungsartefakten führt.
Außerdem ändern Magnetfelder über dem Koerzitivfeld der
Rasterspitze ihre magnetischen Momente. Letzteres kann
schwerwiegende Abbildungsartefakte verursachen und kann zu
einer Missinterpretation von gemessenen Bauelementparametern
führen.
Daher besteht eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung darin,
ein Verfahren zum Charakterisieren von Magnetfeldern und
magnetischen Eigenschaften von Mikrostrukturen bereitzustellen,
das nicht an den oben erwähnten Artefakten leidet.
Eine weitere Aufgabe der Erfindung besteht in der
Charakterisierung derartiger Magnetfelder, die von Bauelementen
mit Mikrometerabmessungen ausgehen, insbesondere von
magnetischen Schreib-/Leseköpfen (RWH) (magnetic read/write
heads), die in der Speichertechnologie verwendet werden.
Noch eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht
darin, die Magnetfelder unter Verwendung einer nicht-
magnetischen Standard-Spitze als lokaler Sonde zu
charakterisieren.
Diese und weitere Aufgaben und Vorteile der vorliegenden
Erfindungen werden durch Verwenden des in Anspruch 1
definierten Verfahrens und der in Anspruch 12 definierten
Vorrichtung ebenso wie durch die in Anspruch 15 definierte
Rastersonde erreicht.
Weitere vorteilhafte Ausführungsformen der Erfindung sind in
den abhängigen Ansprüchen enthalten.
Fig. 1A zeigt die Schichtsequenz auf der Oberfläche
eines mit dem Verfahren gemäß der Erfindung zu
charakterisierenden Schreib-/Lesekopfes,
Fig. 1B stellt die Rasterkraftmikroskop(SFM)-Topographie
des Schreib-/Lesekopfes von Fig. 1A dar,
Fig. 1C ist eine Zeilenabrasterung über die Polspitzen
des in Fig. 1B gezeigten Kopfes hinweg,
Fig. 1D zeigt die Antworten einer lateral abgerasterten,
nicht-magnetischen Spitze im vertikalen Modus
gemäß der Erfindung,
Fig. 1E zeigt die Antworten, jedoch im Torsionsmodus,
Fig. 2 stellt schematisch ein Messprinzip des
Verfahrens gemäß der Erfindung dar,
Fig. 3A und B zeigen Zeilenabrasterungen über die RWH-
Schreiblücke hinweg sowohl von Signalen im
normierten vertikalen Modus als auch im
Torsionsmodus,
Fig. 4 zeigt die schematische Anordnung von
Magnetfeldern, die eine Detektion von Bit-
Strukturen gemäß der Erfindung ermöglicht,
Fig. 5 ist eine MFM-Abbildung einer beschichteten
Mikrostruktur gemäß der Erfindung; und
Fig. 6 zeigt schematisch die Integration einer
magnetosensitiven Schicht in eine SFM-Spitze
gemäß der Erfindung.
Die vorliegende Erfindung stellt eine neuartige Technik zur
Charakterisierung von Magnetfeldern dar, die von Bauelementen
mit Mikrometerabmessungen ausgehen, wobei eine magnetosensitive
(MSE) Schicht verwendet wird, die sich zwischen der Spitze des
Rastersondenmikroskops und dem magnetischen RWH-Bauelement
befindet. In dem Fall, in dem sich die MSE-Schicht auf dem
Substrat oder in einer definierten Entfernung von dem Substrat
befindet, wird vorzugsweise eine Dünnfilmschicht verwendet.
Zum ersten Mal wird eine magnetosensitive Schicht dazu
verwendet, die Schwankung eines Magnetfelds in einer
Mikrostruktur lateral abzutasten. Die Technik zeichnet sich
durch eine magnetische Charakterisierung mittels Verwenden
einer nicht-magnetischen Spitze als lokaler Sonde aus, welche
die Verwendung von kommerziell erhältlichen, gut definierten,
üblichen Rasterkraftmikroskopie(SFM)-Sensoren ermöglicht.
Es ist zu erwähnen, dass der Gegenstand der vorliegenden
Erfindung nicht auf RWH beschränkt ist, sondern im Prinzip auf
alle Objekte, Materialien, Proben und Bauelemente angewendet
werden kann, die ein Magnetfeld erzeugen. MSE-Materialien,
insbesondere magnetostriktive (MST) Materialien, die ihre Länge
bei einem angelegten Magnetfeld ändern, werden zum Beispiel als
leistungsfähige Wandlersysteme und als eine Schicht eines
Spinventil-Spannungssensors verwendet, um geringe Ablenkungen
zu detektieren. MST bezieht sich auf jegliche Änderungen in den
Abmessungen eines magnetischen Materials, die durch eine
Änderung seiner Magnetisierung verursacht werden. Es gibt
verschiedene Typen von Magnetostriktion: i) Joule-
Magnetostriktion, wenn die Änderung in der Abmessung parallel
zu dem angelegten Feld verläuft, ii) transversale Joule-
Magnetostriktion, wenn die Änderung in der Abmessung senkrecht
zu dem angelegten Feld verläuft, iii) Volumen-Magnetostriktion,
iv) den Guillemin-Effekt, der zu einer Verbiegung unter dem
Magnetfeld führt, und v) den Wiedemann-Effekt, der zu einer
Verdrehung unter dem Magnetfeld führt.
Eigenschaften von magnetostriktiven Schichten werden aus dem
Biegen von Auslegern, die auf einer Seite beschichtet sind und
variierenden externen Magnetfeldern ausgesetzt werden, oder
durch eine direkte Messung des Ausdehnung oder Kontraktion von
MST-Materialien in einem bekannten externen Magnetfeld
abgeleitet. Jene Ausdehnungsmessungen können mittels
Rastertunnelmikroskopie durchgeführt werden. Außerdem wurden
SFM-Topographiedaten dazu verwendet, den magnetostriktiven
Koeffizienten aus Oberflächendeformationen in Terfenol-D-
Kristallen zu berechnen. Des weiteren wurde ein Magnetometer
basierend auf der Detektion magnetostriktiver Ausdehnung durch
Verwenden eines Tunnel-Verschiebungssensors (tunneling
displacement sensor) gebaut (vergleiche R. A. Brizzolara und
R. J. Colton, J. Magn. Mat., 88, 343 bis 350 (1990); A. P.
Holden, D. G. Lord und P. J. Grundy, J. Appl. Phys., 79, 6070 bis
6072 (1996); J. H. Wandass, J. S. Murday und R. J. Colton, Sensors
and Actuators, 19, 211 bis 225 (1989)).
Es ist zu erwähnen, dass die vorliegende Erfindung nicht auf
MST-Materialien beschränkt ist. Sie kann auch mit jedem
beliebigen Material verwendet werden, das seine mechanischen
Eigenschaften in Abhängigkeit von seiner Magnetisierung oder in
Abhängigkeit von einem externen angelegten Magnetfeld ändert,
z. B. piezomagnetischem und magnetoelastischem Material.
Piezomagnetische Materialien sind zum Beispiel α-Fe2O3 und
FexNiyBz mit hohen piezomagnetischen Kopplungskoeffizienten. In
diesem Fall ist vorzugsweise x = 40, y = 40 und z = 20. Als
ersten Vorteil zeigen piezomagnetische Materialien eine lineare
Abhängigkeit in ihrer feldinduzierten Deformation, während
diese Abhängigkeit für magnetostriktive Materialien quadratisch
ist. Ein weiterer Vorteil rührt von der Tatsache her, dass der
piezomagnetische Effekt in Materialien mit kleiner
Magnetisierung festgestellt werden kann.
Magnetoelastische Materialien, wie FewBxSiyCz, vorzugsweise
amorphes Fe81B13,5Si3,5C2 (w = 81, x = 13,5, y = 3,5 und z = 2),
zeigen beim Anlegen eines Magnetfeldes eine Änderung des
Elastizitätsmoduls E/E0 von 10,0. Da elastische Eigenschaften
von Materialien auch ihre Oberfläche beeinflussen, ist jegliche
mechanische Interaktion zwischen der Spitze und der Oberfläche
feldabhängig, gleichgültig ob sich das magnetoelastische
Material an der Probenoberfläche oder an der Spitze befindet.
Die Parameter, die sich auf diese Interaktion beziehen, wie die
Kontaktfläche, sind dann feldabhängig. Diese Änderungen können
im Kontaktmodus durch eine Änderung der Reibungskräfte der
abgetasteten Oberfläche oder im Abgriffmodus durch eine
Änderung der Frequenz, der Amplitude oder der Phase der
Sensorvibrationen detektiert werden.
Im Folgenden wird die Erfindung detaillierter in Bezug auf
magnetische Schreib-/Leseköpfe erläutert.
In der vorliegenden Erfindung verursachen Magnetfelder H, die
in einer Mikrostruktur erzeugt werden und sich in eine
magnetostriktive, dünne darüberliegende Schicht erstrecken,
Deformationen in Abhängigkeit von der lokalen Höhe von H.
Fig. 1A zeigt einen schematischen Querschnitt eines RWH, der
zur Demonstration des Verfahrens gemäß der Erfindung verwendet
wird. Das Magnetfeld, das von dem RWH ausgeht, kann durch
Variieren des Schreibspulenstroms IRWH unter Verwendung einer
externen Stromquelle (Frequenzgenerator) gesteuert werden. Es
können Magnetfelder bis zu 2,0 × 105 Am-1 erzeugt werden, die
hauptsächlich zwischen den Polspitzen P1 und P2 lokalisiert
sind. Ein für diese Mikrostrukturen repräsentatives
Topographiebild, das durch SFM aufgezeichnet wurde, ist in
Fig. 1B dargestellt, die klar Oberflächenmerkmale sowohl der
Polspitzen als auch der magnetischen Abschirmschicht zeigt.
Eine Zeilenabrasterung entlang der Schichten ist in Fig. 1C
aufgetragen, und gemessene topographische Schwankungen liegen
typischerweise im Bereich von 5 nm bis 10 nm. In Fig. 1A ist U
die Unterlagenschicht, S1 und S2 sind magnetische Abschirmungen
(Sendust, NiFe oder Sendust, Permalloy), MR ist der
magnetoresistive Sensor einschließlich seiner Verdrahtung, P1
und P2 sind die Enden der magnetischen Polspitzen, WG ist die
Schreiblücke, und O ist die darüberliegende Schicht (Al2O3).
Fig. 1B stellt die SFM-Topographie eines RWH dar, die als
Graustufenabbildung mit einem z-Bereich von 20 nm gezeigt ist,
und Fig. 1C zeigt eine entsprechende Zeilenabrasterung über die
Polspitzen hinweg, wie durch die gestrichelte Linie in Fig. 1B
angezeigt, welche die typische Oberflächenwelligkeit zeigt.
Eine Möglichkeit der Positionierung der MSE-Schicht zwischen
der SFM-Spitze und dem magnetischen RWH-Bauelement besteht
darin, den Polspitzenbereich des RWH zu beschichten. Es wurde
zum Beispiel ein magnetostriktiver Film aus Tb-Fe mit einer
Dicke von ungefähr 150 nm durch Gleichstromsputtern auf dem
Substrat aufgebracht. Aus einer zusätzlichen SFM-
Topographieanalyse des gleichen RWH-Elements, wie in Fig. 1B
dargestellt, wurde festgestellt, dass die Deposition von Tb-Fe
die topographischen Merkmale auf der Oberfläche nicht
signifikant änderte. Tb-Fe nimmt in seiner Länge in Richtung
des Magnetfeldes zu; die Volumen-Magnetostriktion bei
Sättigungsmagnetfeldern wurde mit ungefähr 700 × 10-6 gemessen.
Ein senkrecht zu dem dünnen magnetostriktiven Film angelegtes
Magnetfeld verursacht eine maximale Dickenänderung von ungefähr
0,1 nm, welche die Oberflächenrauhigkeit überlagert. Aus der
16-Bit-Auflösung des Analog-Digital-Wandlers der SPM-
Steuereinheit wurde eine theoretische vertikale Piezo-Auflösung
in der Größenordnung von 0,01 nm berechnet, was für eine
quantitative Bestimmung einer durch ein Magnetfeld induzierten
Dickenänderung einer dünnen magnetostriktiven Schicht nicht
dienlich ist.
Eine Möglichkeit, diese Beschränkungen zu überwinden, besteht
darin, das Magnetfeld des RWH durch einen modulierten IRWH zu
modulieren, was zu einer periodischen Deformation des
magnetostriktiven Dünnfilms führt. Lokale Deformationen der
Oberfläche betätigen einen lateral abrasternd geführten
Ausleger eines Kraftmikroskops, das im Kontaktmodus betrieben
wird, wie schematisch in Fig. 2 skizziert. Diese Technik ist
weder durch die oben beschriebene Piezo-Auflösung beschränkt,
noch wurde beobachtet, dass eine Topographie, wie Stufen, das
Lock-in-Ausgangssignal überlagert, wenn die magnetosensitive
Schicht über 1,5 kHz aktiviert und die SFM-Sonde langsam
abrasternd geführt wird.
Der Aufbau der elektronischen Komponenten und das Messprinzip
sind in Fig. 2 schematisch skizziert. Ein Sensor, der durch
eine SPM-Elektronik gesteuert wird, wird im Kontaktmodus
betrieben und abrasternd über eine Magnetfeldquelle geführt.
Ohne Magnetfeld zeigt eine gleichförmig aufgebrachte MSE-
Schicht keine magnetfeldabhängigen lateralen Schwankungen, und
die Topographie des Bauelements wird gemessen. Der Sensor, der
in diesem Modus betrieben wird, ist mit gestrichelten Linien
gezeichnet. Die Frequenz und die Größe des Magnetfelds in einer
Probe können durch die Einstellungen eines Frequenzgenerators
(FG) variiert werden. Die Antwort der MST-Schicht, z. B. eine
Dickenänderung, folgt nun Schwankungen des Magnetfelds. Wenn
die Spitze des Sensors abrasternd geführt wird, folgt der
Ausleger der durch das Magnetfeld induzierten Deformation der
MST-Schicht. Eine periodische Variation der Größe des
Magnetfelds führt zu einem in gleicher Weise periodisch
betätigten Sensor. Ablenkungen des Auslegers werden durch das
Strahlablenkungsprinzip gemessen. Die Signale A, B, C, D des
Quadranten-Detektors (QD) werden dazu verwendet, vertikale und
Torsionsablenkungen in Spannungen Vvm und Vtm umzuwandeln, wobei
Vvm = (B + C - A - D)/(A + B + C + D) und Vtm = (A + B - C - D)/
(A + B + C + D). Beide Spannungen können unter Verwendung
einer Signalaufschlüsselungsbox (SBOB) ausgelesen werden, und
ein elektronischer Schalter erlaubt die Auswahl eines Signals,
das mit der FG-Spannung in einem Lock-in-Verstärker verglichen
wird. Die Lock-in-Ausgangsspannung wird mit der SPM-Elektronik
verbunden und wird dazu verwendet, die Antwort des Auslegers
als Funktion seiner Position anzuzeigen.
In Fig. 1D ist die Amplitude Vvm der vertikalen Antwort
(vertikaler Modus) der magnetostriktiven Beschichtung in einer
Position und mit einer Rasterabmessung gezeigt, die der in Fig.
1B dargestellten Topographie ähnlich ist, jedoch mit einem
oszillierenden Magnetfeld. Die Antwort ist in dunkleren
Grautönen (stärkere Antwort) und helleren Grautönen (schwache
Antwort) codiert.
Fig. 1E zeigt die Amplitude Vtm der Torsionsantwort, die in der
Lage ist, Strukturen mit einer typischen Abmessung in
magnetischen Domänen aufzulösen.
Die Lock-in-Antworten im vertikalen Modus (vm) (Fig. 1D) und
im Torsionsmodus (tm) (Fig. 1E) der lateral abrasternd
geführten, nicht-magnetischen Spitze sind als Graustufenbilder
dargestellt. Hellere Gebiete zeigen in beiden Betriebsarten
eine zunehmende Sensoroszillationsamplitude an, in dem
vorliegenden Beispiel eine stärkere Antwort auf magnetostriktiv
induzierte Änderungen in der Tb-Fe-Schicht. Dunklere Gebiete
repräsentieren eine abnehmende Oszillationsamplitude oder eine
schwächere Antwort auf die magnetostriktive Schicht. Die
maximalen Antworten wurden in beiden Betriebsarten zwischen den
zwei Polspitzen (Schreiblücke) gemessen, was konsistent mit
magnetischen Charakterisierungen ist, die durch andere
Techniken durchgeführt wurden. Es wurde beobachtet, dass das
Magnetfeld für beide Betriebsarten symmetrisch zu der
darunterliegenden Bauelementstruktur war. Im tm waren sogar
Details der Domänenstruktur der magnetostriktiven Schicht
sichtbar (in Fig. 1E durch einen Pfeil angezeigt). Diese
kleinen Merkmale wurden dazu verwendet, die laterale Auflösung
der Technik abzuschätzen, die im Bereich von 100 nm liegt. Um
die in beiden Betriebsarten aufgezeichneten Antworten zu
vergleichen, sind in den Fig. 3A und B zwei
Zeilenabrasterungen der normierten Werte (Nvm = Vvm/Vnoise, Ntm =
Vtm/Vnoise, wobei Vnoise die Rauschspannungen in beiden
Betriebsarten sind) der Lock-in-Signale aufgetragen, die
ähnlich jenen der topographischen Abbildung orientiert sind. Es
wurde berechnet, dass die Antworthöhe im Torsionsmodus um einen
Faktor von ungefähr 3,5 besser als im vertikalen Modus war.
Außerdem wurde als Referenzexperiment die beschichtete
Mikrostruktur mit MFM abgebildet, wobei der Schreibstrom
während der gesamten Dauer eingeschaltet war. Das in Fig. 4
dargestellte MFM-Bild zeigt klar magnetische Domänen (mit δ
bezeichnet) des Tb-Fe-Dünnfilms ebenso wie das Schreib-
Magnetfeld, das mit ϕ bezeichnet ist.
Eine weitere Technik zur Charakterisierung von Magnetfeldern,
die von Bauelementen ausgehen, kann die Integration einer MSE-
Schicht in eine SFM-Spitze sein, wie in Fig. 5 schematisch
skizziert. In diesem Fall kann es jedoch sein, dass die Schicht
keine Dünnfilmschicht mehr ist. Die Variation des Abstands d
zwischen dem Scheitelpunkt der Spitze und der magnetosensitiven
Schicht erlaubt die Detektion des Magnetfeldes bei typischen
Abständen von RWH zu Speichermedien. Die skizzierte Betriebsart
ermöglicht die Detektion von Magnetfeldern bei höherer
Auflösung aufgrund der reduzierten lateralen Abmessung der
magnetostriktiven Schicht und der resultierenden freien
Betätigung im Vergleich zu der "eingespannten Betätigung" in
Dünnfilmen.
Die Schicht kann entweder durch sequentielle
Vakuumdepositionstechniken oder mittels fokussierten
Ionenstrahltechniken in die Spitze eingebaut werden.
Eine dritte Möglichkeit, die vorliegende Erfindung auszuführen,
besteht darin, die MSE-Schicht irgendwo zwischen der abrasternd
geführten Spitze und der Probenoberfläche anzuordnen, jedoch
nicht in direktem Kontakt mit der Probe, wo Magnetfelder zu
charakterisieren sind. Dies kann durch Verwendung von
Mikrobearbeitungstechniken realisiert werden. Dabei ist die
MSE-Schicht in einer Weise strukturiert, dass sie sich über das
Magnetfeld in einem definierten Abstand zu der Oberfläche
spannt. Eine weitere Art, den definierten Abstand zwischen der
Probenoberfläche unter Vermeidung eines direkten Kontakts zu
realisieren, besteht darin, die Oberfläche mit einem weichen
Abstandshaltermaterial vorzubeschichten, z. B. einem organischen
Material, das ermöglicht, dass die MSE-Oberfläche durch das
darunterliegende variierende Magnetfeld freier deformiert wird.
Statische Magnetfelder, z. B. Bitstrukturen in Proben, können
durch Verwenden eines zusätzlichen externen Magnetfeldes und
einer weichmagnetischen, piezomagnetischen Spitze detektiert
werden. Dies ist in Fig. 4 dargestellt, wobei Hext das externe
oszillierende Magnetfeld ist, Hbit das Magnetfeld ist, das von
dem Übergangsgebiet ausgeht, und Hsat das Sättigungsfeld der
Rastermagnetsonde ist. Das Sättigungsfeld der Rastersonde muss
etwas kleiner als das Magnetfeld der Bitstruktur in dem
Übergangsgebiet sein. Des weiteren muss das externe Feld
kleiner als die Koerzitivität der Probe sein und außerdem klein
genug, die Rastersonde nicht aus ihrer Magnetisierung in dem
Fall herauszutreiben, in dem die Spitze über einem
Übergangsgebiet positioniert ist. Im Falle, dass diese Spitze
über einem Übergangsgebiet positioniert ist, wird sie
vollständig magnetisiert, d. h. sie weist ihre maximale oder
minimale Ausdehnung aufgrund des piezomagnetischen Effekts auf,
in Abhängigkeit von der Richtung der Bitänderung. Außerhalb des
Übergangsgebiets ist die Spitze jedoch nicht vollständig
magnetisiert. Im Falle, dass nunmehr ein alternierendes
Magnetfeld angelegt wird, übersteigen dann innerhalb der
Übergangsgebiete das Magnetfeld und das modulierte externe Feld
das Sättigungsfeld der Spitze, und es treten kleinere
Ausdehnungen auf. Außerhalb der Bitänderungsgebiete oszilliert
jedoch die Magnetisierung der Spitze und somit die Ausdehnung
mit der Frequenz des externen Feldes. Dieses Verhalten kann
dazu verwendet werden, die Bitspur durch graphisches Auftragen
der Oszillationsamplitude in Abhängigkeit von der Position der
Spitze abzubilden.
Es gibt eine große Variation der Amplitude und der Vorzeichen
von MST-Koeffizienten von einem Material zum anderen und für
ein gegebenes Material von einer Orientierung zur anderen.
Anstelle einer Charakterisierung des Magnetfelds selbst kann
das magnetische Verhalten in einem Material oder in
Multischichten aufgrund eines variablen externen Magnetfeldes
untersucht werden. Folglich können Parameter des magnetischen
Materials (magnetostriktive, magnetoelastische oder
piezomagnetische Koeffizienten) auf einem Maßstab von
magnetischen Domänen extrahiert werden, wie das Vorzeichen und
die Orientierung der Magnetisierung. Ein abrasterndes Führen
der Sonde über Schichten aus verschiedenem Material hinweg
ermöglicht es, Kopplungsphänomene zu untersuchen, die
magnetostriktive, magnetoelastische oder piezomagnetische
Eigenschaften an der Grenzfläche dieser Schichten ändern.
Es sind mehrere Vorteile der berichteten Technik im Vergleich
zu MW-Techniken festzustellen. Erstens ermöglicht die Technik
die Verwendung von üblichen SFM-Auslegern für eine laterale
Abbildung von Magnetfeldschwankungen. Zweitens zeigen Bilder,
die durch MFM, insbesondere unter Verwendung von
Frequenzmodulationstechniken, aufgezeichnet wurden, das
ausgehende Magnetfeld nicht direkt an. Die Rekonstruktion des
Magnetfeldes kann vereinfacht werden, indem MSE-Schichten mit
einer linearen Antwort auf Magnetfelder verwendet werden. Die
MSE-Schicht kann, wenn sie in die abrasternd geführte Spitze
integriert ist, während eines lateralen Rastervorgangs
mechanisch nicht verändert werden, was eine Quelle von
Bildartefakten vermeidet. Es ist vorauszusehen, dass die
berichtete und verwandte Techniken zur Charakterisierung eines
weiten Bereichs magnetischer Materialien und auch für eine
industrielle Prozess-Steuerung verwendet werden können.
Claims (16)
1. Verfahren zum Charakterisieren von Magnetfeldern, die von
Objekten oder Bauelementen ausgehen, insbesondere von
magnetischen Schreib-/Leseköpfen mit Mikrometerabmessungen,
wobei Rasterkraftmikroskop-Sensoren verwendet werden,
gekennzeichnet durch
Anordnen einer magnetosensitiven Schicht zwischen der
Oberfläche des Bauelements und dem Sensor.
2. Verfahren nach Anspruch 1, wobei die magnetosensitive
Schicht eine Dünnfilmschicht ist.
3. Verfahren nach Anspruch 1, wobei die magnetosensitive
Schicht eine Mehrfachschicht aus verschiedenen Materialien
ist.
4. Verfahren nach irgendeinem der Ansprüche 1 bis 3, wobei die
magnetosensitive Schicht eine mikrostrukturierte Schicht
ist.
5. Verfahren nach irgendeinem der vorhergehenden Ansprüche,
wobei der Sensor eine nicht-magnetische Spitze ist.
6. Verfahren nach irgendeinem der vorhergehenden Ansprüche,
wobei die magnetosensitive Schicht aus der Gruppe
ausgewählt wird, die aus magnetostriktiven,
magnetoelastischen und/oder piezomagnetischen Schichten
besteht.
7. Verfahren nach Anspruch 6, wobei die magnetostriktiven
Schichten aus der Gruppe ausgewählt werden, die aus SmFe2
und TbFe2 besteht.
8. Verfahren nach Anspruch 6, wobei die magnetoelastischen
Schichten aus der Gruppe ausgewählt werden, die aus
FewBxSiyCz und Ni besteht.
9. Verfahren nach Anspruch 8, wobei w = 81, x = 13,5, y = 3,5
und z = 2 ist.
10. Verfahren nach Anspruch 6, wobei die piezomagnetischen
Schichten aus der Gruppe ausgewählt werden, die aus α-
Fe2O3 und FexNiyBz besteht.
11. Verfahren nach Anspruch 10, wobei x = 40, y = 40 und z =
20 ist.
12. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach
irgendeinem der Ansprüche 1 bis 11, die aus einem zu
charakterisierenden Objekt und einem Rasterkraftmikroskop-
Sensor besteht, gekennzeichnet durch eine magnetosensitive
Schicht, die zwischen dem Substrat und dem Sensor
angeordnet ist.
13. Vorrichtung nach Anspruch 12, wobei die Schicht auf der
Oberfläche des Objektes angeordnet ist.
14. Vorrichtung nach Anspruch 12, wobei die Schicht in einem
bestimmten Abstand von dem Objekt angeordnet ist.
15. Rasterkraftmikroskop-Sensor, dadurch gekennzeichnet, dass
er eine magnetosensitive Schicht trägt.
16. Verwendung eines Rasterkraftmikroskop-Sensors nach
Anspruch 15, um ein Magnetfeld zu charakterisieren, das
von einem magnetischen Schreib-/Lesekopf mit
Mikrometerabmessung ausgeht.
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