DE10007617A1

DE10007617A1 - Charakterisierung von Magnetfeldern

Info

Publication number: DE10007617A1
Application number: DE10007617A
Authority: DE
Inventors: Ruediger Berger; Andreas H Dietzel; Jean Fompeyrine; Frank Krause; Jean Pierre Locquet; Erich Maechler
Original assignee: International Business Machines Corp
Current assignee: International Business Machines Corp
Priority date: 1999-03-20
Filing date: 2000-02-18
Publication date: 2000-11-02
Anticipated expiration: 2020-02-19
Also published as: DE10007617B4; US6448766B1

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

Gebiet der Erfindung

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.

Hintergrund der Erfindung

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.

Stand der Technik

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.

Kurzbeschreibung der Zeichnungen

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.

Zusammenfassung 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 Fe_xNi_yB_z 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 Fe_wB_xSi_yC_z, vorzugsweise amorphes Fe₈₁B_13,5Si_3,5C₂ (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.

Detaillierte Beschreibung der bevorzugten Ausführungsform

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 I_RWH 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 I_RWH 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 V_vm und V_tm umzuwandeln, wobei V_vm= (B + C - A - D)/(A + B + C + D) und V_tm = (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 V_vm 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 V_tm 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 (N_vm = V_vm/V_noise, N_tm = V_tm/V_noise, wobei V_noise 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 H_ext das externe oszillierende Magnetfeld ist, H_bit das Magnetfeld ist, das von dem Übergangsgebiet ausgeht, und H_sat 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

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 Fe_wB_xSi_yC_z 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 Fe_xNi_yB_z 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.