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Gebiet der
Erfindung
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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.
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Hintergrund
der Erfindung
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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.
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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.
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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, 2032 (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).
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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, MFM-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.
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Die
DE 195 19 478 A1 beschreibt
ein Herstellungsverfahren für
eine Sonde mit beschichteter Spitze sowie eine verfahrensgemäß hergestellte Sonde
zur Verwendung bei der magnetischen Rasterkraftmikroskopie. Auf
die Spitze wird eine ferromagnetische Schicht aufgebracht, worauf
eine Elektronenstrahlinduzierte Abscheidung einer Schutzschicht auf
die Spitze stattfindet. Schließlich
wird die aufgedampfte, nicht mit Schutzschicht bedeckte ferromagnetische
Schicht entfernt.
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In
der
EP 0 786 642 A1 wird
eine Mikrospitze zur Detektierung von Tunnelstrom oder Magnetkräften offenbart,
wobei in einer Ausnehmung auf einem ersten Substrat eine so genannte
Peelingschicht gebildet und anschließend darauf die Mikrospitze
ausgebildet wird. Auf einem zweiten Substrat wird eine so genannte
Joiningschicht ausgebildet und die Mikrospitze des ersten Substrats
anschließend
auf die Joiningschicht des zweiten Substrats übertragen.
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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.
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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.
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Noch
eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, die
Magnetfelder unter Verwendung einer nichtmagnetischen Standard-Spitze als
lokaler Sonde zu charakterisieren.
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Diese
und weitere Aufgaben und Vorteile der vorliegenden Erfindungen werden
durch das in Anspruch 1 definierte Verfahren und die in Anspruch
11 definierte Vorrichtung ebenso wie durch die in Anspruch 14 definierte
Verwendung der Vorrichtung erreicht.
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Weitere
vorteilhafte Ausführungsformen
der Erfindung sind in den abhängigen
Ansprüchen
enthalten.
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Kurzbeschreibung
der Zeichnungen
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1A zeigt
die Schichtsequenz auf der Oberfläche eines mit dem Verfahren
gemäß der Erfindung
zu charakterisierenden Schreib-/Lesekopfes,
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1B stellt
die Rasterkraftmikroskop(SFM)-Topographie des Schreib-/Lesekopfes von 1A dar,
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1C ist
eine Zeilenabrasterung über
die Polspitzen des in 1B gezeigten Kopfes hinweg,
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1D zeigt
die Antworten einer lateral abgerasterten, nicht-magnetischen Spitze
im vertikalen Modus gemäß der Erfindung,
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1E zeigt
die Antworten, jedoch im Torsionsmodus,
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2 stellt
schematisch ein Messprinzip des Verfahrens gemäß der Erfindung dar,
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3A und
B zeigen Zeilenabrasterungen über
die RWH- Schreiblücke hinweg
sowohl von Signalen im normierten vertikalen Modus als auch im Torsionsmodus,
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6 zeigt
die schematische Anordnung von Magnetfeldern, die eine Detektion
von Bit-Strukturen
gemäß der Erfindung
ermöglicht,
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4 ist
eine MFM-Abbildung einer beschichteten Mikrostruktur gemäß der Erfindung;
und
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5 zeigt
schematisch die Integration einer magnetosensitiven Schicht in eine
SFM-Spitze gemäß der Erfindung.
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Zusammenfassung
der Erfindung
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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.
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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.
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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.
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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)).
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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.
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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.
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Im
Folgenden wird die Erfindung detaillierter in Bezug auf magnetische
Schreib-/Leseköpfe
erläutert.
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Detaillierte
Beschreibung der bevorzugten Ausführungsform
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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.
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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 1B dargestellt,
die klar Oberflächenmerkmale
sowohl der Polspitzen als auch der magnetischen Abschirmschicht
zeigt. Eine Zeilenabrasterung entlang der Schichten ist in 1C aufgetragen,
und gemessene topographische Schwankungen liegen typischerweise
im Bereich von 5 nm bis 10 nm. In 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 0 ist die darüberliegende
Schicht (Al2O3).
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1B stellt
die SFM-Topographie eines RWH dar, die als Graustufenabbildung mit
einem z-Bereich von 20 nm gezeigt ist, und 1C zeigt eine
entsprechende Zeilenabrasterung über
die Polspitzen hinweg, wie durch die gestrichelte Linie in 1B angezeigt,
welche die typische Oberflächenwelligkeit
zeigt.
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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 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.
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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.
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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 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.
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Der
Aufbau der elektronischen Komponenten und das Messprinzip sind in 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.
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In 1D ist
die Amplitude Vvm der vertikalen Antwort
(vertikaler Modus) der magnetostriktiven Beschichtung in einer Position
und mit einer Rasterabmessung gezeigt, die der in 1B dargestellten
Topographie ähnlich
ist, jedoch mit einem oszillierenden Magnetfeld. Die Antwort ist
in dunkleren Grautönen
(stärkere
Antwort) und helleren Grautönen (schwache
Antwort) codiert.
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1E zeigt
die Amplitude Vtm der Torsionsantwort, die
in der Lage ist, Strukturen mit einer typischen Abmessung in magnetischen
Domänen
aufzulösen.
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Die
Lock-in-Antworten im vertikalen Modus (vm) (1D) und
im Torsionsmodus (tm) (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 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 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.
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Außerdem wurde
als Referenzexperiment die beschichtete Mikrostruktur mit MFM abgebildet, wobei
der Schreibstrom während
der gesamten Dauer eingeschaltet war. Das in 4 dargestellte MFM-Bild
zeigt klar magnetische Domänen
(mit 6 bezeichnet) des Tb-Fe-Dünnfilms ebenso wie das Schreib-Magnetfeld, das mit φ bezeichnet
ist.
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Eine
weitere Technik zur Charakterisierung von Magnetfeldern, die von
Bauelementen ausgehen, kann die Integration einer MSE-Schicht in eine SFM-Spitze
sein, wie in 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.
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Die
Schicht kann entweder durch sequentielle Vakuumdepositionstechniken
oder mittels fokussierten Ionenstrahltechniken in die Spitze eingebaut werden.
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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.
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Statische
Magnetfelder, z.B. Bitstrukturen in Proben, können durch Verwenden eines
zusätzlichen externen
Magnetfeldes und einer weichmagnetischen, piezomagnetischen Spitze
detektiert werden. Dies ist in 6 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.
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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.
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Es
sind mehrere Vorteile der berichteten Technik im Vergleich zu MFM-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.