DE112018001461T5

DE112018001461T5 - Scannen von ferromagnetischer Resonanz (FMR) zur Charakterisierung von Magnetfilmen und Mehrfachschichten auf Wafer-Ebene

Info

Publication number: DE112018001461T5
Application number: DE112018001461.4T
Authority: DE
Inventors: Santiago Serrano Guisan; Luc Thomas; Son Le; Guenole Jan
Original assignee: Taiwan Semiconductor Manufacturing Co TSMC Ltd
Current assignee: Taiwan Semiconductor Manufacturing Co TSMC Ltd
Priority date: 2017-03-20
Filing date: 2018-03-01
Publication date: 2019-12-05
Also published as: WO2018175080A9; US10401464B2; WO2018175080A1; CN110431409A; US20180267128A1; US20190331752A1; US11092661B2; KR102268363B1; KR20190129108A

Abstract

Ein ferromagnetisches Resonanz (FMR) -Messsystem ist mit einer Wellenleiter-Übertragungsleitung (WGTL) offenbart, die an beiden Enden mit einer Montageplatte verbunden ist, die eine Öffnung aufweist, durch welche die WGTL aufgehängt ist. Während die WGTL-Unterseite einen Abschnitt des Magnetfilms auf einem gesamten Wafer berührt, werden mehrere Mikrowellenfrequenzen nacheinander durch die WGTL übertragen. Gleichzeitig wird ein Magnetfeld an den kontaktierten Bereich angelegt, wodurch ein FMR-Zustand in dem Magnetfilm verursacht wird. Nachdem die HF-Ausgabe von der WGTL zu einem HF-Detektor durchgelassen oder reflektiert und in ein Spannungssignal umgewandelt wird, werden das effektive Anisotropiefeld, die Linienbreite, der Dämpfungskoeffizient und/oder die inhomogene Verbreiterung auf der Grundlage der Magnetfeldstärke, der Mikrowellenfrequenz und der Ausgangsspannung bestimmt. Eine Vielzahl von Messungen wird durchgeführt, indem die WGTL oder der Wafer gesteuert bewegt und das gleichzeitige Anlegen von Mikrowellenfrequenzen und Magnetfeld an zusätzlichen vorprogrammierten Stellen auf dem Magnetfilm wiederholt wird.

Description

TECHNISCHES GEBIET
Die vorliegende Offenbarung betrifft ein System zum Messen magnetischer Eigenschaften in magnetischen Filmen und Mehrfachschichten und ein Verfahren, um dies zu tun, und insbesondere eine Wellenleiter-Übertragungsleitung (WGTL), die auf einer Plattform montiert und in einer elektrischen Sondenstation installiert ist, um vollautomatisches FMR-Testen über ganze Wafer hinweg zu ermöglichen, ohne dass die Wafer in technischen Umgebungen oder Produktumgebungen geschnitten werden müssen.
HINTERGRUND
Magnetische Dünnfilme und Mehrfachschichten spielen eine Schlüsselrolle in verschiedenen Arten von Magnetspeichervorrichtungen, wie z. B. einem magnetischen Festplattenlaufwerk (HDD), einem magnetischen Direktzugriffsspeicher (MRAM), einem Spin Torque Oscillator (STO) und Magnetdomänenwandvorrichtungen. Um solche Vorrichtungen zu entwickeln und zu optimieren, ist die Charakterisierung von magnetischen Dünnfilmstapeln notwendig. Zur Bestimmung aller wesentlichen magnetischen Parameter wie Kristallanisotropie, Oberflächen- oder Grenzflächenanisotropie, Magnetisierungssättigung (Ms), Dämpfungskonstante (a), gyromagnetisches Verhältnis (γ), inhomogene Verbreiterung, Widerstand x Flächenprodukt (RA) und magnetoresistives Verhältnis (MR) müssen verschiedene magnetische Charakterisierungstechniken angewendet werden.
FMR ist eine etablierte Methode zur Messung von Anisotropiefeldern sowie des gyromagnetischen Verhältnisses γ und der Dämpfungskonstante α von Magnetfilmen und Mehrfachschichten in ausgedehnten Filmen ohne Struktur oder in Strukturen mit Submikrometer-Struktur. Die Resonanzfrequenz f_R eines ferromagnetischen Films wird durch die in der nachstehenden Gleichung (1) gezeigte sogenannte Kittel-Formel angegeben, wobei H_R das Resonanzfeld ist, das senkrecht zur Filmebene angelegt wird, H_K das effektive Anisotropiefeld ist, das die strukturelle, Oberflächen- und magnetostatische Beiträge umfasst und wobei γ das gyromagnetische Verhältnis ist. $2 π f_{R} = γ (H_{R} + H_{K})$
Ein FMR-Experiment wird durchgeführt, indem das Magnetsystem (Dünnfilm, Mehrschichtstapel oder strukturierte Vorrichtung) mit einer Kombination aus Mikrowellenanregung und einem quasistatischen Magnetfeld untersucht wird. FMR-Daten werden erhalten, indem entweder das Magnetfeld mit einer konstanten Mikrowellenfrequenz überstrichen wird oder indem die Frequenz mit einem konstanten Feld überstrichen wird. Wenn die ferromagnetische Resonanzbedingung erreicht ist, kann dies durch eine verstärkte Absorption der Mikrowelle durch die ferromagnetische Sonde festgestellt werden. Somit werden Resonanzbedingungen (FMR) durch Paare von Magnetfeld- und Mikrowellenfrequenzwerten (H_R, f_R) definiert.
Es gibt verschiedene Möglichkeiten, eine ferromagnetische Sonde einer Mikrowellenanregung auszusetzen. In der Vergangenheit verwendeten FMR-Versuchsbedingungen röhrenförmige Wellenleiter, und Sonden wurden in einem Resonanzhohlraum zwischen den Polen eines Elektromagneten angeordnet. In jüngerer Zeit wurden neue Methoden entwickelt, mit denen sich filmförmige Sonden gut analysieren lassen. Insbesondere wird der zu testende Wafer (WUT) in Kontakt mit einer nichtmagnetischen Wellenleiter-Übertragungsleitung (WGTL) gebracht, die in Form eines geerdeten koplanaren Wellenleiters (GCPWG), eines koplanaren Wellenleiters (CPWG), eines koaxialen Wellenleiters (CWG), einer Streifenleitung (SL) oder eines Mikrostreifen (MS) vorliegen kann. Die von der WGTL übertragene oder reflektierte Leistung wird als eine Funktion des angelegten Magnetfeldes und der Mikrowellenfrequenz überwacht.
Bezugnehmend auf 1a wird eine schematische Darstellung gezeigt, in der Ausgangsspannungen als Funktion eines variablen Magnetfelds bei konstanter Mikrowellenfrequenz unter Verwendung von fünf verschiedenen Werten (f1 - f5) der Mikrowellenfrequenz aufgetragen sind. Das Zentrum und die Breite der Lorentz-Peaks werden aus den Daten als Funktion der Anregungsfrequenz extrahiert. Wie bereits erwähnt, stellt das Mittenfeld das Resonanzfeld (H_R) dar, das sich auf die Erregerfrequenz nach der Kittel-Formel bezieht, die in der folgenden Gleichung (2) in etwas anderer Form umgeschrieben wird, wobei h die Plancksche Konstante und µ_B das Bohrsche Magneton ist. $H_{R} (f) = [h / (γ \times μ_{B})] \times f - H_{K}$
Die Veränderung von H_R mit der Mikrowellenfrequenz ist in 3 gezeigt. In 1b ist jeder der Punkte entlang der Kurve 21 von einem der Lorentzschen Peaks Hr1-Hr5 in 1a abgeleitet. Wie durch Gleichung (2) angegeben, ergibt die Extrapolation der Daten zu f = 0 den Wert des effektiven Anisotropiefeldes H_K.
Die Linienbreite L des Resonanzpeaks ist die Breite bei halber Amplitude H des Resonanzpeaks und hängt mit dissipativen Prozessen zusammen, die an der Magnetisierungsdynamik beteiligt sind.
Die Linienbreite hängt von der Anregungsfrequenz und der dimensionslosen Gilbert-Dämpfungskonstante α gemäß der folgenden Gleichung (3) ab, wobei L_O eine inhomogene Verbreiterung ist. Durch Anpassen von H_R und L in Bezug auf die Erregerfrequenz f_R können H_K sowie α und γ abgeleitet werden. $L (f) = (2h α / γ \times μ B) f + Lo$
Ein Netzwerkanalysator zum Nachweis von FMR in dünnen CoFe- und CoFeB-Filmen auf einem koplanaren Wellenleiter wird von C. Bilzer et al. in „Vector network analyzer ferromagnetic resonance of thin films on coplanar waveguides: Comparison of different evaluation methods" in Journal of Applied Physics 101, 074505 (2007) und in „Open-Circuit One-Port Network Analyzer Ferromagnetic Resonance“ in IEEE Trans. Magn. Vol. 44, Nr. 11, p. 3265 (2008) beschrieben. In diesen Experimenten wird die planare WGTL typischerweise durch elektrische Mikrowellensonden an Hochfrequenz (RF) -Verbindungen angebracht und zwischen den Polen eines Elektromagneten angeordnet. In Anbetracht der Größe der WGTL (ungefähr 5 mm lang) und der Größe des Spalts typischer Elektromagnete können daher nur Sonden kleiner Größe (normalerweise < 1 Inch im Durchmesser) gemessen werden. Dementsprechend können Wafer, die typischerweise in der Mikroelektronikindustrie verwendet werden (mit Durchmessern von 6, 8,12 Inches oder mehr), nur mit dieser FMR-Technik gemessen werden, wenn sie in kleine Coupons geschnitten werden.
2 ist reproduziert aus „Microwave susceptibility of thin ferromagnetic films: metrology and insight into magnetization dynamics“, Claus Bilzer, Ph.D. Bericht, Universität Paris Sud - Paris XI, 2007) und zeigt ein konventionelles FMR-System. Der Vektornetzwerkanalysator 30 ist von einem Anschluss über ein erstes Koaxialkabel 31 mit einem ersten Mikrowellensondenabschnitt 32a verbunden, der an dem koplanaren Wellenleiter (CPWG) 36 angebracht ist. Eine Oberseite des CPWG grenzt an einen auf einem Substrat angebrachten Magnetfilm 34. Wenn eine Mikrowellenfrequenz von der Sonde 32a und ein externes Magnetfeld 33 in einer x-Achsenrichtung über den Magnetfilm angelegt werden, gelangt ein Ausgangssignal in einem Übertragungsmodus in einen zweiten Mikrowellensondenabschnitt 32b und dann durch ein zweites Koaxialkabel 35 vor Rückkehr zum VTA an einen zweiten Port. Die magnetische Filmgröße b ist typischerweise beschränkt auf 1 Inch oder weniger, was bedeutet, dass die magnetische Filmprobe 34 aus einem ganzen Wafer geschnitten werden muss.
Da herkömmliche FMR-Techniken zerstörend, unpraktisch und zeitaufwendig sind, sind sie in einem Ausmaß unerwünscht, das eine breite Akzeptanz von FMR als Charakterisierungswerkzeug in der Magnetdatenspeicherindustrie verhindert. Es ist ein verbessertes FMR-Messsystem und -verfahren erforderlich, das für einen schnelleren Durchsatz vollautomatische FMR-Messungen an ganzen Wafern ermöglicht und zu geringeren Kosten führt, indem ein nichtinvasiver Test bereitgestellt wird, bei dem das Schneiden von Wafern vermieden wird.
KURZDARSTELLUNG
Eine Aufgabe der vorliegenden Offenbarung ist es, ein vollautomatisches System für FMR-Messungen bereitzustellen, so dass der Waferdurchsatz verbessert wird und die mit dem Schneiden von Wafern zur Herstellung von Testproben verbundene Zerstörung von Wafern vermieden wird.
Eine zweite Aufgabe der vorliegenden Offenbarung besteht darin, ein vollautomatisches System gemäß der ersten Aufgabe bereitzustellen, das eine Wellenleiter-Übertragungsleitung (WGTL) zum Durchführen des FMR-Tests mit der Fähigkeit zum Charakterisieren mehrerer Stellen auf magnetischen Dünnfilmen und Mehrfachschichten umfasst, die auf unstrukturierten oder strukturierten ganzen Wafern gebildet sind.
Diese Ziele werden gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung mit einem FMR-Testsystem erreicht, das um eine Steuereinheit (Computer) herum konfiguriert ist, die mit einer elektrischen Sondenstation verbunden ist, die eine WGTL, die an einem Ende mit einem HF-Generator und am anderen Ende mit einem HF-Leistungsdetektor (Diode), verbunden ist, einen Magnetfeldpol, der über der WGTL positioniert ist, und ein Wafer-Spannfutter umfasst, der einen zu testenden Wafer (WUT) unter der WGTL hält und sich seitlich in einer vorprogrammierten Richtung in Bezug auf die WGTL bewegt. Ein HF-Eingangskabel vom HF-Generator ist an einen HF-Startverbinder am ersten Ende angeschlossen, der an ein erstes Ende der WGTL angeschlossen ist und ein HF-Eingangssignal an diese liefert. Die WGTL ist an einem zweiten Ende mit einem HF-Startverbinder am zweiten Ende verbunden, der an ein HF-Ausgangskabel angeschlossen ist. Beide HF-Startverbinder sind starr an einer Montageplatte festgeklemmt, und mindestens ein Teil der WGTL ragt durch und unter eine Öffnung in der Montageplatte.
Gemäß einem hierin offenbarten FMR-Messmodus weist die Steuereinheit das Wafer-Spannfutter und den WUT an, sich in einer x-Achsen- und/oder y-Achsenrichtung parallel zu der Ebene der Montageplatte zu bewegen, so dass die WGTL über einer vorbestimmten (x, y) Koordinate auf dem WUT ausgerichtet ist. Die WGTL ist durch einen Spaltabstand in der z-Achsenrichtung von dem WUT getrennt, wodurch ein Kontakt vermieden wird. Dann wird der WUT in vertikaler Richtung bewegt, um einen Kontakt zwischen einer WGTL-Unterseite und einer Oberseite eines Magnetfilms auf dem WUT herzustellen. In anderen Ausführungsformen wird der WUT stationär gehalten, während die Montageplatte und die WGTL über eine Reihe vorbestimmter (x, y) Koordinaten auf den WUT hin bewegt werden. Bei bestimmten x- und y-Achsenkoordinaten, die in der Steuereinheit vorprogrammiert sind, wird die WGTL vertikal bewegt, um die Oberfläche des Magnetfilms zu berühren. In einigen Ausführungsformen hat die WGTL eine im Wesentlichen U-Form, während in anderen Ausführungsformen die WGTL planare obere und untere Oberflächen aufweist.
Während die WGTL einen Teil der Oberfläche des Magnetfilms berührt, wird ein statisches Magnetfeld von einem Magnetpolstück angelegt, das über der Öffnung in der Montageplatte und direkt über der WGTL-Kontaktfläche positioniert ist. Die WGTL sendet eine Folge von Mikrowellenfrequenzen (HF-Eingangssignalen) an den Wafer. In dem Magnetfilm wird mit jeder angelegten Mikrowellenfrequenz eine FMR-Bedingung hergestellt, und das Ausmaß der Mikrowellenabsorption durch den Magnetfilm hängt von den Größen der Mikrowellenfrequenz, dem statischen Magnetfeld und den magnetischen Eigenschaften des dünnen Magnetfilms ab.
Infolge der FMR-Absorption durch den Magnetfilm tritt ein Leistungsverlust zwischen dem ersten und dem zweiten Ende der WGTL auf, der von der HF-Leistungsdiode erfasst wird. Die HF-Leistungsdiode, die auch als HF-Detektor bekannt ist, wandelt jedes HF-Ausgangssignal von der WGTL in eine Spannungsanzeige um, welche die Steuereinheit zur Berechnung von Hk und beispielsweise α für den Magnetfilm verwendet. Nach jeder FMR-Messung werden das Wafer-Spannfutter und der WUT auf einen Spaltabstand k > 0 abgesenkt und dann zur nächsten (x, y) Koordinate für eine nachfolgende FMR-Messung bewegt. Somit umfasst die FMR-Messsequenz ein „Fortschritts- und Wiederhol-“ Muster, in dem das Spannfutter und der WUT seitlich (gestuft) bewegt werden, um die WGTL über einer neuen (x, y) Koordinate auf dem WUT auszurichten, der angehoben wird, um Kontakt mit der WGTL herzustellen, und dann auf den Spaltabstand nach der Messung abgesenkt wird. Die Fläche des kontaktierten Bereichs auf dem Magnetfilm ist ausreichend groß, um Hk und α für eine Vielzahl von Tausenden von Magnetspeichervorrichtungen innerhalb des kontaktierten Bereichs zu erfassen.
Gemäß einer Ausführungsform wird eine kommerzielle WGTL mit einer flachen, rechteckigen Form modifiziert, um eine ausreichende Flexibilität bereitzustellen, die es ermöglicht, dass die WGTL ohne Bruch gebogen wird.
Die vorliegende Offenbarung umfasst auch eine Ausführungsform, bei der die HF-Eingangs- und Ausgangskabel an ersten bzw. zweiten End Launch HF-Steckverbindern angebracht sind, die wiederum an einer oberen Oberfläche einer flachen WGTL befestigt sind. Die WGTL-Unterseite befindet sich unterhalb der Montageplatte und ist beim Berühren einer Magnetfilm-Oberseite während einer FMR-Messung unbelastet. Vorzugsweise sollten sich die End Launch HF-Steckverbinder für die Endabgabe nicht unter die Kontaktebene zwischen der WGTL und dem Magnetfilm erstrecken, um einen Kontakt oder eine enge Nähe zwischen der WGTL und den WUT zu ermöglichen.
Da eine einzige Steuereinheit verwendet werden kann, um alle Aspekte des Testens zu verwalten, einschließlich der Bewegung des Wafer-Spannfutters und der Montageplatte, der HF-Signalverarbeitung, der Magnetfelderzeugung und der Zusammenstellung der Testdaten, wird der Durchsatz optimiert, so dass das System und das FMR-Messverfahren leicht in einer Engineering- oder Produktionsumgebung implementiert werden können.
Figurenliste

1a zeigt eine schematische Beschreibung der typischen Reihe von Lorentz-förmigen Peaks, die aus ferromagnetischen Resonanzmessungen für Mikrowellenfrequenzen von 24 GHz bis 48 GHz abgeleitet wurden.
1b zeigt eine Aufzeichnung des Resonanzfeldes (H_R) als Funktion der in 1a verwendeten Mikrowellenfrequenzen.
2 ist ein Diagramm, das ein FMR-Messschema nach dem Stand der Technik darstellt.
3 ist ein Diagramm, das die verschiedenen Komponenten eines vollautomatischen FMR-Messsystem gemäß einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung zeigt, das einen Übertragungsmodus zum Durchführen von FMR-Messungen darstellt.
4 ist ein Diagramm, das die verschiedenen Komponenten eines vollautomatisierten FMR-Messsystems gemäß einer zweiten Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung zeigt, das einen Reflexionsmodus zum Durchführen von FMR-Messungen darstellt.
5 ist eine Querschnittsansicht eines FMR-Messsystems gemäß der vorliegenden Offenbarung, wobei eine gebogene WGTL an einer Montageplatte angebracht ist und der zu testende Wafer während der FMR-Messungen an einem beweglichen Spannfutter gehalten wird.
6 ist eine Schrägansicht der Ausführungsform in 5, wobei die gebogene WGTL über einer Öffnung in einer Montageplatte aufgehängt ist und ein mittlerer Abschnitt der WGTL sich unter der Ebene der Montageplatte befindet.
7a und 7b sind eine Draufsicht bzw. eine Querschnittsansicht einer flachen WGTL mit rückseitigen End Launch HF-Steckverbinderbefestigungen gemäß einer anderen Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung.
8 ist ein Flussdiagramm, das verschiedene Schritte zum Durchführen einer FMR-Messung gemäß einem Verfahren der vorliegenden Offenbarung zeigt.
9 zeigt die FMR-Messergebnisse von H_K als eine Funktion der x- und y-Achsenkoordinaten eines senkrechten magnetischen Tunnelübergangs (pMTJ) -Stapels mit einer nominalen gleichmäßigen Dicke über den gesamten Wafer und erhalten gemäß einem hierin beschriebenen Verfahren.
10 zeigt FMR-Messergebnisse für den Dämpfungsparameter α als Funktion der x- und y-Achsenkoordinaten eines pMTJ-Stapels mit einer nominalen gleichmäßigen Dicke über den gesamten Wafer, die gemäß einem Verfahren der vorliegenden Offenbarung erhalten wurden.
11a zeigt die FMR-Messergebnisse von H_K als Funktion der x- und y-Achsenkoordinaten für einen magnetischen Dünnfilm mit variabler Dicke auf einem Wafer gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung.
11b ist eine Aufzeichnung von H_K gegen Dicke, die aus Daten entnommen wurde, die während der FMR-Messungen erhalten wurden, die zur Erzeugung von 11a verwendet werden.

DETAILLIERTE BESCHREIBUNG
Die vorliegende Offenbarung ist ein Abtast-FMR-System, das entworfen ist, um magnetische Eigenschaften einschließlich H_K und α für magnetische Filme oder Mehrfachschichten auf einem ganzen Wafer an einer Vielzahl von Stellen zu messen, die durch ihre (x, y) -Koordinaten identifiziert sind. Das FMR-Abtastsystem ist vollautomatisch und verfügt über eine Montageplatte mit einer zentralen Öffnung, in der eine Wellenleiter-Übertragungsleitung (WGTL) an zwei Enden aufgehängt ist, die an HF-Steckverbindern befestigt sind, die starr auf einer Montageplatte gehalten sind. Es versteht sich von selbst, dass der Begriff „HF-Steckverbinder“ verschiedene Arten von HF-Steckverbindern umfasst, einschließlich End Launch HF-Steckverbinder, die in den beispielhaften Ausführungsformen erwähnt werden. Andere Ausführungsformen können jedoch andere Arten von HF-Steckverbindern umfassen, die im Stand der Technik verwendet, aber hier nicht beschrieben werden. Die x-Achsen- und y-Achsenkoordinaten auf dem zu testenden Wafer (WUT) liegen in einer Ebene, die parallel zur und unter der Ebene der Montageplatte ausgerichtet ist. Jeder FMR-Messort auf einem Magnetfilm weist ein Koordinatenpaar (x_n, y_n) auf, wobei n eine ganze Zahl ist. Die z-Achsenrichtung in den Zeichnungen ist orthogonal zur Ebene des WUT. Die vorliegende Offenbarung umfasst auch ein FMR-Testverfahren zum Messen magnetischer Eigenschaften eines oder mehrerer Filme auf strukturierten oder nicht strukturierten Wafern.
Bezugnehmend auf 3 ist eine Ausführungsform eines FMR-Messsystems gemäß der vorliegenden Offenbarung in einem Diagramm dargestellt, welches das Layout der Hauptkomponenten zeigt. Es gibt einen Computer, der im Folgenden als die Steuereinheit 40 bezeichnet wird, um die Bewegung der WGTL 45 und der Montageplatte 46, an der die WGTL befestigt ist, zu verwalten. Der Magnetfeldpol 83 kann auch durch die Steuereinheit bewegt werden, um eine Position über der WGTL und dem Testort eines Magnetfilms 43f auf dem WUT 43 beizubehalten, wie später erläutert wird. Es versteht sich von selbst, dass der Begriff „magnetischer Film“ einen oder mehrere magnetische Filme umfassen kann, die in einem Stapel von Schichten ausgebildet sind. In einigen Ausführungsformen wird der WUT durch ein Vakuum auf einer oberen Oberfläche eines Wafer-Spannfutters 42 gehalten, und das Wafer-Spannfutter und der WUT werden auf programmierte Weise bewegt, während der Magnetfeldpol, die WGTL und die Montageplatte in einer stationären Position gehalten werden.
In bevorzugten Ausführungsformen wird ein Magnetfeld an eine vorbestimmte (x_n, y_n) Koordinate auf dem WUT angelegt, während eine Signalpfadschicht der WGTL eine obere Oberfläche 43t des Magnetfilms an der (x_n, y_n) -Koordinate berührt. Infolge des gleichzeitigen Anlegens einer Mikrowellenfrequenz durch die WGTL und eines Magnetfelds von bis zu 3 Tesla von dem Magnetpolstück wird eine ferromagnetische Resonanzbedingung (FMR) in dem Magnetfilm nahe der vorbestimmten (x, y) Koordinate auf dem WUT hergestellt. Die WGTL kann ein Mikrostreifen, ein geerdeter koplanarer Wellenleiter, ein koplanarer Wellenleiter, eine Streifenleitung oder ein koaxialer Wellenleiter sein.
Der HF-Detektor kann eine Leistungsdiode 55 sein, die ein HF-Ausgangssignal von der WGTL erfasst, das einem HF-Leistungsverlust entspricht, der durch den FMR-Zustand verursacht wird, bei dem eine bestimmte Menge an Mikrowellenleistung absorbiert wird und der Magnetfilm zu einem Resonanzzustand angeregt wird. Nachdem die FMR-Messung an der (x_n, y_n) -Koordinate durchgeführt wurde, werden das Wafer-Spannfutter und der WUT über ein Signal durch die Verbindung 41c bei 50d abgesenkt, um einen Spalt unter der WGTL wiederherzustellen. Anschließend werden das Wafer-Spannfutter und der WUT zu einer anderen vorbestimmten (x_n, y_n) Koordinate bewegt und das Spannfutter wird bei 50u angehoben, um es der WGTL zu ermöglichen, die Magnetfilmoberfläche 43t für eine weitere FMR-Messung zu kontaktieren.
Die Steuereinheit 40 hat eine erste Verbindung 41a zu einem Leistungsgenerator 47, der dafür verantwortlich ist, ein geeignetes Magnetfeld von dem Magnetfeldpol 83 bereitzustellen, so dass eine angelegte Mikrowellenfrequenz und das angelegte Feld einen FMR-Zustand in dem Magnetfilm 43f induzieren, wenn das Sonden-Spannfutter 42 und der WUT 43 bei 50u angehoben werden, um einen Kontakt des Magnetfilms mit einer WGTL-Bodenfläche (nicht gezeigt) zu ermöglichen, die durch und unter einer Öffnung in der Montageplatte 46 aufgehängt ist. Währenddessen hat die Steuereinheit eine zweite Verbindung 41b zu einem HF Generator 49 aufgebaut, der eine Vielzahl von Mikrowellenfrequenzen über das HF-Eingangskabel 51a zu einem Ende der WGTL liefert.
In einer bevorzugten Betriebsart wird das angelegte Magnetfeld bei konstanter Mikrowellenfrequenz variiert (von einem minimalen zu einem maximalen Wert durchfahren). Die FMR-Messung kann für mehrere unterschiedliche Mikrowellenfrequenzen wiederholt werden. Die HF-Leistungsdiode wandelt die Ausgangsleistung in ein Spannungssignal um, das über ein Ausgangskabel 51b an die Steuereinheit übertragen wird. Danach berechnet die Steuereinheit H_k und α basierend auf jedem Paar von angelegten Magnetfeldwerten und angelegten Mikrowellenfrequenzen, die zum Herstellen einer FMR-Bedingung verwendet werden, und Spannungsausgangsdaten von der HF-Leistungsdiode für jede (x_n, y_n) Koordinate, die in der FMR-Messsequenz verwendet wird.
Die vorliegende Offenbarung geht davon aus, dass andere Anordnungen als diejenige, die in 3 dargestellt ist, vorgesehen verwendet können, um die Mikrowellenanregung (FMR-Bedingung) einer magnetischen Filmprobe zu erzeugen und die Absorption darin zu erfassen. Beispielsweise kann ein Vektornetzwerkanalysator (VNA) ähnlich dem in 2 dargestellten VNA 30 als HF-Ausgangsgenerator und HF-Eingangsanalysator verwendet werden. In einer anderen Ausführungsform, die sich auf die gepulste induktive Mikrowellenmagnetometrie (PIMM) bezieht, können ein Impulsgenerator und ein zeitaufgelöstes Oszilloskop als HF-Quelle bzw. HF-Analysator dienen. In einer weiteren Ausführungsform kann eine den Fachleuten bekannte Lock-In-Verstärker-Detektionstechnik eingesetzt werden, um das FMR-Ausgangssignal (Leistungsverlust) zu verstärken.
Gemäß verschiedenen Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung werden FMR-Messungen durchgeführt, indem ein HF-Signal analysiert wird, das durch eine WGTL gesendet wird, wie dies mit Bezug auf FIG . 3 und 5-6 beschrieben wurde, oder indem ein HF-Signal gemessen wird, das von einem Wellenleiter reflektiert wird, der durch einen offenen Stromkreis oder einen Kurzschluss abgeschlossen ist. Eine Ausführungsform, die einen Reflexionsgrad-Betriebsmodus zeigt, ist in 4 dargestellt, wo ein Richtkoppler 75 zwischen dem HF-Generator 49 und der WGTL 45 eingefügt ist, um ein HF-Eingangssignal an die WGTL zu senden und ein von der WGTL reflektiertes HF-Ausgangssignal zu empfangen. Alternativ kann ein Leistungsteiler oder ein Vorspannungs-T-Bauteil anstelle des Richtkopplers verwendet werden, wie dies Fachleuten bekannt ist. Mikrowellenfrequenzen werden vom HF-Generator über ein erstes Eingangskabel 51a1 zum Richtkoppler und dann über ein zweites Eingangskabel 51a2 zur WGTL eingegeben. Alle anderen Komponenten des Übertragungsmodus-Layouts in 3 bleiben erhalten.
In einigen Ausführungsformen durchlaufen die HF-Eingangs- und Ausgangssignale einen End Launch HF-Steckverbinder (nicht gezeigt), der zwischen dem zweiten Eingangskabel und der WGTL positioniert ist. Insbesondere empfängt der Richtkoppler reflektierte HF-Signale (Ausgangssignale) von der WGTL über das Kabel 51a2 und leitet die Signale dann an die HF-Leistungsdiode 55, wo eine Umwandlung in ein Spannungsausgangssignal für jedes Paar von angelegtem Magnetfeld und angelegter Mikrowellenfeldfrequenz (H_R, f_R) erfolgt, wie zuvor beschrieben. Das Ausgangssignal wird dann über das Ausgangskabel 51b an die Steuereinheit 40 übertragen.
Bezugnehmend auf 5 ist eine Querschnittsansicht eines FMR-Messsystems basierend auf einer HF-Signalübertragung durch eine WGTL gemäß einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung gezeigt und umfasst das Magnetpolstück 83, die gebogene WGTL 45 und den Magnetfilm 43f auf dem WUT 43. In der beispielhaften Ausführungsform weist die WGTL ein erstes Ende, das an einem End Launch HF-Eingangssteckverbinder 54a angebracht ist, und ein zweites Ende auf, das an einem End Launch HF-Ausgangssteckverbinder 54b angeschlossen ist, so dass beide End Launch HF-Eingangs-/Ausgangssteckverbinder über einer oberen Oberfläche liegen. Die WGTL ist im Wesentlichen U-förmig gebogen und ragt durch die Öffnung 46a, so dass sich ein Mittelabschnitt 45b, der im Folgenden als Spitzenabschnitt bezeichnet wird, unter einer Bodenfläche 46b der Montageplatte befindet. Gemäß einer Ausführungsform sind die Montageplatte zusammen mit der WGTL und dem WUT auf einer kommerziellen elektrischen Sondenstation installiert, die von verschiedenen Anbietern erhältlich ist.
Während Intervallen, in denen keine FMR-Messungen durchgeführt werden, ist der Spitzenabschnitt 45b ein Spaltabstand k> 0 von der oberen Oberfläche 43t des Magnetfilms 43f auf der WUT 43 entfernt. Wie zuvor angegeben, wird, wenn das FMR-System programmiert ist, um eine FMR-Messung bei einer bestimmten (x_n, y_n) Koordinate durchzuführen, das Wafer-Spannfutter angehoben, so dass k = 0 ist, bis die FMR-Messung abgeschlossen ist. In einer alternativen Ausführungsform ist k in der Nähe von O und ausreichend klein, vorzugsweise weniger als 100 Mikrometer, um eine effiziente Übertragung von Mikrowellen von der WGTL auf den Magnetfilm zu ermöglichen. Es ist wichtig, dass sich die Magnetpolspitze 83b über der Öffnung 46a befindet und über der (x_n, y_n) Koordinate ausgerichtet ist, wo der Spitzenabschnitt 45b mit der oberen Oberfläche 43t in Kontakt kommt, so dass derselbe Bereich in der Nähe der (x_n, y_n) Koordinate sowohl dem Magnetfeld als auch der Mikrowellenfrequenz ausgesetzt ist.
Bezugnehmend auf 6 ist eine Schrägansicht der Montageplatte 46 und der WGTL 45 aus 5 dargestellt, wobei das Magnetpolstück entfernt ist. Gemäß einer Ausführungsform weist die Öffnung 46a zwei parallele Seiten 46d auf, die in einer x-Achsenrichtung ausgerichtet sind und im Wesentlichen orthogonal zu den Montageplattenseiten 46s1, 46s2 sein können. An jedem Ende der Öffnung 46a, an dem die Seiten 46d enden, befindet sich ein End Launch HF-Steckverbinder. Ein „äußeres“ Ende 54a1 eines ersten End Launch HF-Steckverbinders ist an dem HF-Eingangssteckverbinder 52a angebracht und ein zweites „inneres“ Ende 54a2 ist mit dem Ende 45e der WGTL verbunden. Währenddessen ist ein inneres Ende 54b2 eines zweiten End Launch HF-Steckverbinders an dem Ende 45f der WGTL angebracht und ein äußeres Ende 54b1 davon ist an dem HF-Ausgangssteckverbinder 52b angebracht. Somit werden Mikrowellenfrequenzen im Bereich von 1 - 100 GHz vom HF-Generator (nicht gezeigt) über das Eingangskabel 51a zur WGTL über den ersten End Launch HF-Steckverbinder gesendet und HF-Ausgangssignale werden über den zweiten End Launch HF-Steckverbinder zur HF-Diode 55 gesendet. Gemäß einer Ausführungsform ist die WGTL 45 gebogen, um mit der Aufhängung durch die Öffnung 46a in der Montageplattenkonstruktion kompatibel zu sein und um eine kleine Kontaktfläche (mehrere Quadratmillimeter) mit dem Magnetfilm auf dem darunter liegenden WUT bereitzustellen.
Die gesamte WGTL-Baugruppe (WGTL- und End Launch HF-Steckverbinder) ist an der Montageplatte 46 durch zwei abnehmbare und einziehbare Klemmen 56 befestigt. Die Öffnung 46a kann durch ein herkömmliches Verfahren darin ausgebildet werden und hat eine x-Achsen-Abmessung von ausreichender Länge, um zu ermöglichen, das eine gebogene WGTL zwischen den beiden Klemmen aufgehängt werden und einen mittleren Spitzenabschnitt unterhalb der Ebene der Montageplatte haben kann.
Die vorliegende Offenbarung umfasst auch eine zweite Ausführungsform eines FMR-Messsystems, das dem in 6 dargestellten Schema mit der Ausnahme ähnlich ist, dass die WGTL nicht gebogen ist und planare obere und untere Oberflächen aufweist. Damit eine Unterseite einer flachen WGTL mit einem Magnetfilm unter der Öffnung 46a in der Montageplatte in Kontakt kommt, ist ein unterschiedlicher End Launch HF-Steckverbinder erforderlich.
Bezugnehmend auf die Draufsicht der zweiten Ausführungsform in 7 a ist als ein Schlüsselmerkmal zusätzlich zu der flachen WGTL 45' ein zweiter Typ eines End Launch HF-Steckverbinders 54c, 54d erforderlich, der an einer oberen Oberfläche eines starren Substrats 63 in der Nähe der Enden 45e' bzw. 45f' der flachen WGTL durch Schrauben 58 befestigt ist. Ein HF-Eingangskabel (nicht gezeigt) ist mit dem HF-Verbinder 52f des End Launch Steckverbinders 54c in der Nähe des Endes 45e' verbunden und eine HF-Leistungsdiode (nicht gezeigt) ist mit dem HF-Verbinder 52f des End Launch Steckverbinders 54d in der Nähe des Endes 45f verbunden. Jeder End Launch Steckverbinder hat einen Stift 54p an einer Innenseite, der eine obere Leiterschicht 61t kontaktiert. Die Schrauben erstrecken sich vorzugsweise durch eine Öffnung (nicht gezeigt) in das starre Substrat, um die WGTL sicher zu halten, insbesondere bei seitlichen Bewegungen in der (x, y) -Ebene und bei vertikalen Bewegungen in einer z-Achsenrichtung, die für FMR-Messungen erforderlich sind. Die Ebene 70-70 ist entlang der x-Achsenrichtung ausgerichtet und halbiert die flache WGTL.
7b zeigt eine Querschnittsansicht der flachen WGTL 45' und des End Launch Steckverbinders in der Ebene 70-70 in 7a. Als Ergebnis der Anbringung der End Launch Steckverbinder 54c und 54d mit einer oberen Oberfläche 63t des starren Substrats, die eine obere Schicht in der WGTL ist, ist die untere Oberfläche, welche die Signalpfadschicht 61b umfasst, frei, um während einer FMR-Messung einen Kontakt mit einem darunterliegenden Magnetfilm 43f herzustellen. Gemäß einer Ausführungsform ist mindestens ein Bodenabschnitt der flachen WGTL einschließlich der Signalpfadschicht durch eine Öffnung in der Montageplatte aufgehängt. Alternativ kann die flache WGTL unterhalb der Öffnung aufgehängt sein. Die dielektrische Schicht 60b trennt die Signalpfadschicht von dem starren Substrat 63 und der oberen Massepfadschicht 62a. Der Spalt k wird während einer stationären Position zwischen FMR-Messungen angezeigt, wenn kein Kontakt zwischen der WGTL und dem Magnetfilm besteht. Die obere Leiterschicht 61t ist mit der Signalpfadschicht durch eine erste Durchkontaktierung 61v1, die unter einem ersten Stift 54p am End Launch Steckverbinder 54c positioniert sein kann, und durch eine zweite Durchkontaktierung 61v2 verbunden, die unter dem zweiten Stift 54p am End Launch Steckverbinder 54d positioniert sein kann. Massepfad- und Signalpfadschichten bestehen typischerweise aus einem leitenden Metall.
Während einer FMR-Messung, wenn ein Magnetfeld an einen Bereich um eine (x, y) Koordinate des von der WGTL kontaktierten Magnetfilms angelegt wird, geht eine Mikrowellenfrequenz durch den End Launch Steckverbinder 54c und die obere Leiterschicht 61t und dann durch die Durchkontaktierung 61v1 und in die Signalpfadschicht 61b. Ein Teil der Mikrowellenleistung wird von dem Magnetfilm 43f während eines FMR-Zustands absorbiert, so dass das durch die Durchkontaktierung 61v2 und durch den End Launch Steckverbinder 54d durchgeführte HF-Ausgangssignal, verglichen mit dem HF-Eingangssignal, eine verringerte Leistung aufweist. Die HF-Leistungsdiode (nicht gezeigt) wandelt das HF-Leistungsausgangssignal für jedes (H_R, f_R) Paar in eine Spannungsmessung um, die an die Steuereinheit weitergeleitet wird.
Bezugnehmend auf 8 ist ein FMR-Messverfahren in einem Flussdiagramm gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung dargestellt und kann für beide Ausführungsformen verwendet werden, die sich auf eine gebogene WGTL oder eine flache WGTL beziehen. In Schritt 110 befiehlt die Steuereinheit (früher in Bezug auf einen Übertragungsmodus in 3 oder einen Reflexionsmodus in 4 beschrieben) einer WGTL über die Verbindung 41c, zum Beispiel einen ersten Ort zu kontaktieren, der durch eine (x, y) Koordinate auf einem zu testenden Magnetfilm dargestellt ist. Der Kontakt wird durch Absenken der WGTL und der Montageplatte oder durch Anheben des Wafer-Spannfutters und Überlagern des zu prüfenden Wafers mit einer freiliegenden oberen Oberfläche des Magnetfilms (siehe Bewegung 50u in 3, 4) erreicht. Als Nächstes weist in Schritt 111 die Steuereinheit über eine andere Verbindung 41b einen HF-Generator zum Senden einer Mikrowellenfrequenz F1 an die WGTL an, während ein darüberliegendes Magnetpolstück ein Magnetfeld an der ausgewählten (x, y) Koordinate anlegt.
Durch gleichzeitiges Anlegen der Mikrowellenfrequenz F1 und des Magnetfeldes erreicht der Magnetfilm einen FMR-Zustand und absorbiert einen Teil der Mikrowellenleistung, der von den magnetischen Eigenschaften des Magnetfilms F1 und dem angelegten Feld (H_R) abhängt. Dementsprechend erfasst die HF-Leistungsdiode in Schritt 112 einen reduzierten Leistungswert in dem HF-Ausgangssignal im Vergleich zu dem Wert, der von der Steuereinheit in dem HF-Eingangssignal von Schritt 111 spezifiziert wurde.
In Schritt 113 wandelt die HF-Leistungsdiode das HF-Ausgangssignal in eine Spannungsmessung um, die an die Steuereinheit übertragen wird und die Mikrowellenabsorption durch den Magnetfilm für die angelegte Mikrowellenfrequenz F₁ und das angelegte Magnetfeld H_R anzeigt.
Schritt 114 umfasst eine Wiederholung der Schritte 111 - 113 mit der Ausnahme, dass das HF-Eingangssignal eine zweite Frequenz F2 aufweist, die an der zuvor ausgewählten (x, y) Koordinate an den Magnetfilm angelegt wird, nachdem F1 angelegt wurde. In einigen Ausführungsformen werden die Schritte 111 - 113 mehrmals an jeder (x, y) Koordinate wiederholt, die für das FMR-Messverfahren verwendet wird. Mit anderen Worten, eine dritte Frequenz F3, die sich von F1 und F2 unterscheidet, kann während eines Zeitintervalls nach F2 und so weiter bis zu einer „n-ten“ Frequenz Fn nach F3 angelegt werden. Es ist zu beachten, dass das angelegte Magnetfeld das Band von einem minimalen zu einem maximalen Wert überstreicht, wenn jede Frequenz F1 bis Fn gemäß einer bevorzugten Ausführungsform angelegt wird. Somit tritt bei jeder angelegten Frequenz ein FMR-Zustand auf und jeder FMR-Zustand weist eine eindeutige Mikrowellenabsorption auf, die von der HF-Leistungsdiode in ein entsprechendes Spannungssignal umgewandelt wird. In einer alternativen Ausführungsform wird das angelegte Magnetfeld konstant gehalten, während die Mikrowellenfrequenzen von F1 bis Fn variiert (überstrichen) werden, um einen FMR-Zustand herzustellen.
Mit Bezug auf Schritt 115 befiehlt die Steuereinheit, dass das Wafer-Spannfutter und der darüberliegende Magnetfilm abgesenkt werden (Bewegung 50d in 3), wodurch die WGTL davon abgehalten wird, Kontakt mit dem ersten Ort herzustellen. In einer Ausführungsform, in welcher das Wafer-Spannfutter und der Wafer alle Bewegungen in der x- und der y-Achsenrichtung ausführen, weist die Steuereinheit das Wafer-Spannfutter an, sich zu einer zweiten Stelle zu bewegen, an welcher der WGTL-Spitzenabschnitt über einer anderen (x, y) Koordinate in Bezug auf die Anfangskoordinate (x, y) ausgerichtet ist. Das Wafer-Spannfutter und der Magnetfilm auf dem WUT werden angehoben, um erneut Kontakt mit der WGTL herzustellen.
Danach werden die Schritte 111-114 wiederholt, um eine FMR-Messung an der zweiten Stelle abzuschließen. Es sei angemerkt, dass jeder Ort eine Kontaktfläche von mehreren Quadratmillimetern umfassen kann und jede (x, y) -Koordinate ein Mittelpunkt in der Fläche sein kann, die von der WGTL kontaktiert wird.
In Abhängigkeit von der Größe der Magnetfilmfläche, die von der WGTL kontaktiert werden soll, und der Anzahl der verschiedenen Positionen, die für eine FMR-Messung gewünscht werden, gibt Schritt 116 an, dass die Schritte 111-115 mehrmals wiederholt werden können, um mehrere FMR-Messungen zu erhalten. Dabei handelt es sich um „m“ verschiedene (x, y) Koordinaten mit jeweils einer Vielzahl von (H_R, f_R) Paaren, wobei f_R eines von F1 bis Fn ist. In Schritt 117 wird eine Entscheidung getroffen, ob alle vorgewählten (x, y) Koordinaten auf dem Magnetfilm getestet wurden oder nicht. Wenn „nein“, wird eine weitere FMR-Messung an einer anderen (x, y) Koordinate durchgeführt. Wenn „ja“, zeigt Schritt 118 an, dass der FMR-Messprozess abgeschlossen ist.
Wie zuvor erwähnt, kann die Steuereinheit die magnetischen Eigenschaften in dem Magnetfilm an jedem Ort bestimmen, der einer unterschiedlichen (x, y) Koordinate entspricht. Jede FMR-Messung ergibt ein oder mehrere Paare (Frequenz, Feld), die in Gleichung (1) auch als (H_R, f_R) - Paare bezeichnet werden, die jeder FMR-Bedingung entsprechen. Die Steuereinheit verwendet FMR-Messdaten und eine oder mehrere der zuvor beschriebenen Gleichungen (1) - (3), um Hk, α und in einigen Fällen γ und inhomogene Verbreiterung (L_O) zu bestimmen.
Ein Experiment wurde unter Verwendung des FMR-Systems mit einer gebogenen WGTL durchgeführt, wie in den 5-6 gezeigt, und zeigt, wie effektiv das senkrechte magnetische Anisotropiefeld (Hk) über einen unstrukturierten Film überwacht wird, der aus einem Stapel magnetischer Tunnelübergangsschichten (MTJ) besteht. In diesem Beispiel wurden 43 Regionen mit jeweils einer anderen (x, y) Koordinate auf einem ungeschnittenen Wafer mit 8 Inch Durchmesser getestet, indem Mikrowellenfrequenzen zwischen 10-40 GHz und Magnetfelder bis zu 1 Tesla (10000 Oe) gemäß einem FMR-Messverfahren der vorliegenden Offenbarung angelegt wurden. Jeder Bereich hat eine rechteckige Form mit einer Länge von ungefähr 10 mm entlang der x-Achsenrichtung und einer Breite von ungefähr 9 mm in der y-Achsenrichtung. Die FMR-Messung an jeder (x, y) Koordinate erforderte ungefähr zwei Minuten Prozesszeit für eine Gesamt-FMR-Messzeit von ungefähr 90 Minuten für den gesamten Wafer.
9 zeigt eine Abbildung der H_K-Ergebnisse und 10 zeigt eine Abbildung des Dämpfungskoeffizienten α .-Ergebnisses für jede der 43 Regionen auf dem 8-Inch-Wafer als eine Funktion ihrer x-Achsen- und y-Achsen-Koordinaten. H_K variiert zwischen 9760 Oe in der oberen linken Ecke und 9670 Oe in der unteren rechten Ecke des Wafers. Der für dieses Experiment verwendete MTJ-Stapel war eine auf CoFeB/MgO/CoFeB basierende MTJ-Struktur. Die Ergebnisse zeigen, dass der MTJ-Stapel eine sehr hohe senkrechte magnetische Anisotropie (PMA) und eine im Wesentlichen gleichmäßige Dicke über den Wafer aufweist.
In einem zweiten Experiment wurde derselbe MTJ-Schichtstapel aus dem ersten Experiment beibehalten. Die freie Schichtdicke wurde jedoch absichtlich von 17 Angström im oberen linken Teil des Wafers durch kleine Inkremente bis 18,5 Angström in der unteren rechten Ecke variiert, um zu demonstrieren, wie das FMR-Messsystem und -verfahren der vorliegenden Offenbarung vorteilhaft als ein Werkzeug zur Untersuchung der H_K-Abhängigkeit von der freien Schichtdicke verwendet werden kann. Die experimentellen Ergebnisse sind in 11a abgebildet und zeigen, wie H_K von 10500 Oe im oberen linken Abschnitt des Wafers bis zu 8760 Oe in der unteren rechten Ecke des Wafers variiert. 11b zeigt die Ergebnisse von H_K als eine Funktion der Dicke entlang der Ebene 95-95 in 11a. Insbesondere wird ein im wesentlichen linearer Plot gebildet, der anzeigt, dass H_K stetig zunimmt, wenn die Dicke der freien Schicht allmählich von 18,5 Angström auf 17 Angström verringert wird.
HF-Steckverbinder, die Sondenstation (Plattform), der HF-Generator, die HF-Leistungsdiode, Eingangs- und Ausgangskabel sowie alternative HF-Vorrichtungen wie Vektornetzwerkanalysatoren, Impulsgeneratoren und zeitaufgelöste Oszilloskope sind im Handel erhältlich. Ein geeigneter Magnet, der ein Magnetpolstück umfasst, welches das erforderliche Magnetfeld zum Induzieren einer Magnetresonanz gemäß der vorliegenden Offenbarung liefert, ist auch im Handel erhältlich oder kann von einer Fachperson kundenspezifisch hergestellt werden.
Während diese Offenbarung insbesondere unter Bezugnahme auf die bevorzugte Ausführungsform davon gezeigt und beschrieben wurde, wird der Fachmann verstehen, dass verschiedene Änderungen in Form und Details vorgenommen werden können, ohne vom Geist und Umfang dieser Offenbarung abzuweichen.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Nicht-Patentliteratur

C. Bilzer et al. in „Vector network analyzer ferromagnetic resonance of thin films on coplanar waveguides: Comparison of different evaluation methods“ in Journal of Applied Physics 101, 074505 (2007) [0010]

Claims

Ferromagnetisches Resonanz (FMR) -Messsystem für einen zu testenden Wafer (WLTT), auf dem ein oder mehrere Magnetfilme ausgebildet sind, umfassend: (a) eine Wellenleiter-Übertragungsleitung (WGTL), die mit einem Mikrowellengenerator verbunden ist; (b) einen Magneten, der ein Magnetfeld bereitstellt, das zusammen mit einem gleichzeitigen Anlegen einer Mikrowellenfrequenz konfiguriert ist, um einen Magnetresonanzzustand in dem einen oder den mehreren Magnetfilmen zu induzieren; und (c) ein System zum Erfassen der Mikrowellenabsorption durch den einen oder die mehreren Magnetfilme, wenn eine Magnetresonanzbedingung vorliegt, wobei die WGTL und der WUT so konfiguriert sind, dass sie sich seitlich und vertikal relativ zueinander bewegen, so dass die WGTL den WUT kontaktiert oder in der Nähe des WUT an vorbestimmten Positionen angeordnet wird.
FMR-Messsystem nach Anspruch 1, wobei die WGTL und der WUT in einer elektrischen Sondenstation installiert sind.
FMR-Messsystem nach Anspruch 1, wobei die WGTL in Bezug auf den WUT und den einen oder die mehreren Magnetfilme, die stationär gehalten werden, bewegt wird.
FMR-Messsystem nach Anspruch 1, wobei der WUT und der eine oder die mehreren Magnetfilme in Bezug auf die WGTL, die stationär gehalten wird, bewegt werden.
FMR-Messsystem nach Anspruch 1, wobei die WGTL in der Nähe des WUT angeordnet ist, so dass der vertikale Abstand zwischen der WGTL und dem WUT während einer FMR-Messung weniger als 100 Mikrometer beträgt.
FMR-Messsystem nach Anspruch 1, wobei die WGTL ein Mikrostreifen ist.
FMR-Messsystem nach Anspruch 1, wobei die WGTL ein koplanarer Wellenleiter oder ein geerdeter koplanarer Wellenleiter ist.
FMR-Messsystem nach Anspruch 1, wobei die WGTL eine Streifenleitung ist.
FMR-Messsystem nach Anspruch 1, wobei die WGTL ein koaxialer Wellenleiter ist.
Abtastendes ferromagnetisches Resonanz (FMR) -Messsystem, umfassend: (a) eine Steuereinheit mit einer ersten Verbindung zu einem HF-Generator, mit einer zweiten Verbindung zu einem Leistungsgenerator, der mit einem Magneten verbunden ist, und mit einer dritten Verbindung zu einer oder beiden Montageplatten, auf denen eine gebogene Wellenleiter-Übertragungsleitung (WGTL) montiert ist und ein Wafer-Spannfutter konfiguriert ist, um einen darüberliegenden ganzen, zu testenden Wafer (WUT) mit einem Magnetfilm mit einer freiliegenden oberen Oberfläche zu halten, wobei die Montageplatte und/oder das Wafer-Spannfutter so programmiert sind, dass sie sich in einer schrittweisen und wiederholten Weise seitlich und vertikal bewegen; (b) den HF-Generator, der konfiguriert ist, um eine Sequenz von HF-Eingangssignalen, die jeweils eine unterschiedliche Mikrowellenfrequenz aufweisen, über ein HF-Eingangskabel an die gebogene WGTL zu liefern; (c) die gebogene WGTL, die einen Mittelspitzenabschnitt aufweist, der konfiguriert ist, um einen vorbestimmten Bereich der freiliegenden oberen Oberfläche des Magnetfilms während einer FMR-Messung zu kontaktieren, um die verschiedenen Mikrowellenfrequenzen sequentiell darauf zu übertragen; und (d) den Magnet, der ein Magnetpolstück aufweist, das über dem gebogenen WGTL-Mittelspitzenabschnitt ausgerichtet ist und das ein Magnetfeld durch eine Montageplattenöffnung auf dem vorbestimmten Bereich des Magnetfilms bereitstellt, so dass ein FMR-Zustand in dem vorbestimmten Bereich hergestellt wird, wodurch eine einzigartige Mikrowellenabsorption für jede unterschiedliche Mikrowellenfrequenz (f_R) verursacht wird, die zu einem HF-Leistungsverlust für jede Kombination aus H_R und f_R führt und aus einem HF-Ausgangssignal ermittelt wird, das von der WGTL zu einem HF-Detektor geleitet wird, wobei der HF-Detektor konfiguriert ist, um ein Spannungssignal als FMR-Messung an die Steuereinheit zu senden, so dass eine oder mehrere magnetische Eigenschaften für den Magnetfilm ermittelt werden.
Abtastendes FMR-Messsystem nach Anspruch 10, wobei der gebogene WGTL und die Montageplatte in einer elektrischen Sondenstation installiert sind.
Abtastendes FMR-Messsystem nach Anspruch 10, ferner umfassend einen ersten HF-Verbinder, der das HF-Eingangskabel mit der gebogenen WGTL verbindet, und einen zweiten HF-Verbinder, der die gebogene WGTL mit dem HF-Detektor verbindet, und wobei der erste und der zweite HF Steckverbinder die freiliegende Oberseite des Magnetfilms nicht berühren und sich nicht über eine Kontaktebene zwischen der gebogenen WGTL und dem Magnetfilm hinaus erstrecken.
Abtastendes FMR-Messsystem nach Anspruch 12, umfassend einen Übertragungsmodus zum Durchführen der FMR-Messung, wobei das HF-Eingangssignal über den ersten HF-Verbinder und das HF-Ausgangssignal über den zweiten HF-Verbinder gesendet werden.
Abtastendes FMR-Messsystem nach Anspruch 12, wobei der erste und der zweite HF-Verbinder End Launch HF-Steckverbinder sind.
Abtastendes FMR-Messsystem nach Anspruch 10, ferner umfassend einen Richtkoppler, einen Leistungsteiler oder ein Vorspannungs-T-Bauteil, welcher das HF-Eingangssignal vom HF-Generator empfängt und dann das HF-Eingangssignal über das HF-Eingangskabel zur WGTL überträgt, wobei der Richtkoppler, der Leistungsteiler oder der Vorspannungs-T-Bauteil auch ein reflektiertes HF-Ausgangssignal von der WGTL empfängt und das reflektierte HF-Ausgangssignal in einem Reflexionsmodus zum Durchführen der FMR-Messung an den HF-Detektor überträgt.
Abtastendes FMR-Messsystem nach Anspruch 10, wobei die gebogene WGTL eine im Wesentlichen U-Form aufweist.
Abtastendes FMR-Messsystem nach Anspruch 10, wobei die Montageplatte und die gebogene WGTL in Bezug auf den WUT und den Magnetfilm, die stationär gehalten werden, bewegt werden.
Abtastendes FMR-Messsystem nach Anspruch 10, wobei der WUT und der Magnetfilm in Bezug auf die WGTL und die Montageplatte, die stationär gehalten werden, bewegt werden.
Abtastendes FMR-Messsystem nach Anspruch 10, wobei die gebogene WGTL und der Magnetfilm nach der FMR-Messung durch eine vertikale Bewegung getrennt werden, um einen Spalt dazwischen herzustellen, bevor eine seitliche Bewegung ausgeführt wird, um den gebogenen WGTL über einem anderen vorbestimmten Bereich in dem Magnetfilm auszurichten.
Abtastendes FMR-Messsystem nach Anspruch 10, wobei die FMR-Bedingung mit jeder der verschiedenen Mikrowellenfrequenzen durch Überstreichen des Magnetfelds von einem Minimalwert zu einem Maximalwert hergestellt wird.
Abtastendes FMR-Messsystem nach Anspruch 10, wobei die FMR-Bedingung hergestellt wird, indem das Magnetfeld konstant gehalten wird und mit einer Vielzahl von unterschiedlichen Mikrowellenfrequenzen überstrichen wird, die in einer sequentiellen Reihenfolge angelegt werden.
Abtastendes ferromagnetisches Resonanz (FMR) -Messsystem, umfassend: (a) eine Steuereinheit mit einer ersten Verbindung zu einem HF-Generator, mit einer zweiten Verbindung zu einem Leistungsgenerator, der mit einem Magneten verbunden ist, und mit einer dritten Verbindung zu einer oder beiden Montageplatten, an denen eine Flachwellenleiter-Übertragungsleitung (WGTL) angebracht ist und ein Wafer-Spannfutter konfiguriert ist, um einen darüberliegenden gesamten zu testenden Wafer (WUT) mit einem Magnetfilm mit einer freiliegenden oberen Oberfläche zu halten, wobei die Montageplatte oder das Wafer-Spannfutter so programmiert sind, dass sie sich in einer schrittweisen und wiederholten Weise seitlich und vertikal bewegen; (b) den HF-Generator, der konfiguriert ist, um eine Sequenz von HF-Eingangssignalen, die jeweils eine unterschiedliche Mikrowellenfrequenz aufweisen, über ein HF-Eingangskabel an die flache WGTL zu liefern; (c) die flache WGTL, die an der Montageplatte durch einen ersten HF-Verbinder, der an einer oberen Oberfläche der WGTL in der Nähe eines ersten Endes davon angebracht ist, und durch einen zweiten HF-Verbinder angebracht ist, der an einer oberen Oberfläche der WGTL in der Nähe eines zweiten Endes davon angebracht ist, wobei die flache WGTL eine Bodenfläche unterhalb einer Montageplattenöffnung aufweist und konfiguriert ist, um einen vorbestimmten Bereich auf der freiliegenden oberen Fläche des Magnetfilms zu kontaktieren und die mehreren Mikrowellenfrequenzen sequentiell darauf zu übertragen; und (d) den Magneten, der ein Magnetpolstück aufweist, das über der flachen WGTL ausgerichtet ist und ein Magnetfeld durch die Montageplattenöffnung auf dem vorbestimmten Bereich des Magnetfilms liefert, so dass ein FMR-Zustand in dem vorbestimmten Bereich hergestellt wird, wodurch eine einzigartige Mikrowellenabsorption für jede Frequenz (f_R) verursacht wird, die zu einem HF-Leistungsverlust für jede Kombination von H_R und f_R führt und anhand eines HF-Ausgangssignals erfasst wird, das von der WGTL zu einer HF-Leistungsdiode übertragen wird, wobei die HF-Leistungsdiode so konfiguriert ist, dass sie das Ausgangssignal auf ein Spannungssignal umsetzt und das Spannungssignal an die Steuereinheit sendet, so dass eine oder mehrere magnetische Eigenschaften für den Magnetfilm bestimmt werden.
Abtastendes FMR-Messsystem nach Anspruch 22, wobei die flache WGTL und die Montageplatte in einer elektrischen Sondenstation installiert sind.
Abtastendes FMR-Messsystem nach Anspruch 22, wobei die vertikale Bewegung der Montageplatte oder des Wafer-Spannfutters bewirkt, dass die Bodenfläche der flachen WGTL den vorbestimmten Bereich der freiliegenden oberen Fläche des Magnetfilms berührt.
Abtastendes FMR-Messsystem nach Anspruch 22, wobei der erste und der zweite HF-Verbinder die freiliegende Oberseite des Magnetfilms nicht berühren oder sich unter einer Kontaktebene zwischen der flachen WGTL und der freiliegenden Oberseite des Magnetfilms erstrecken.
Abtastendes FMR-Messsystem nach Anspruch 22, wobei die Montageplatte und die flache WGTL in Bezug auf den WUT und den Magnetfilm, die stationär gehalten werden, bewegt werden.
Abtastendes FMR-Messsystem nach Anspruch 22, wobei der WUT und der Magnetfilm in Bezug auf die flache WGTL und die Montageplatte, die stationär gehalten werden, bewegt werden.
Abtastendes FMR-Messsystem nach Anspruch 22, wobei die flache WGTL und der magnetische Film nach der FMR-Messung durch eine vertikale Bewegung getrennt werden, um einen Spalt dazwischen herzustellen, bevor eine seitliche Bewegung ausgeführt wird, um die flache WGTL über einem anderen vorbestimmten Bereich in dem Magnetfilm auszurichten.
Abtastendes FMR-Messsystem nach Anspruch 22, wobei die flache WGTL eine obere Leiterschicht, eine starre Substratschicht, eine untere Masseebenenschicht mit einer Signalschicht und eine dielektrische Schicht zwischen der starren Substratschicht und der unteren Masseebenenschicht umfasst.
Abtastendes FMR-Messsystem nach Anspruch 22, wobei die FMR-Messung mit einem Übertragungsmodus durchgeführt wird, bei dem das HF-Eingangssignal den ersten HF-Verbinder durchläuft und das HF-Ausgangssignal den zweiten HF-Verbinder durchläuft.
Abtastendes FMR-Messsystem nach Anspruch 22, ferner umfassend einen Richtkoppler, einen Leistungsteiler oder einen Vorspannungs-T-Bauteil, welcher das HF-Eingangssignal vom HF-Generator empfängt und dann das HF-Eingangssignal über das HF-Eingangskabel zur WGTL überträgt, wobei der Richtkoppler, der Leistungsteiler oder der Vorspannungs-T-Bauteil auch ein reflektiertes HF-Ausgangssignal von der WGTL über das HF-Eingangskabel empfängt und das reflektierte HF-Ausgangssignal an den HF-Detektor in einem Reflexionsmodus zum Durchführen der FMR-Messung überträgt.
Abtastendes FMR-Messsystem nach Anspruch 22, wobei der erste und der zweite HF-Verbinder End Lauch Steckverbinder sind.
Verfahren zum Durchführen einer abtastenden ferromagnetischen Resonanz (FMR) - Messung an einem ganzen, zu testenden Wafer (WUT) mit einem freiliegenden Magnetfilm, umfassend: (a) Bereitstellen eines Wafer-Spannfutters, auf dem der WUT gehalten wird und das eine erste Verbindung zu einer Steuereinheit aufweist; (b) Bereitstellen einer Wellenleiter-Übertragungsleitung (WGTL), die so konfiguriert ist, dass sie einen ersten Ort auf dem freiliegenden Magnetfilm berührt oder in dessen Nähe angeordnet wird; (c) Anlegen einer Sequenz von HF-Eingangssignalen von einem HF-Generator, der eine zweite Verbindung zur Steuereinheit aufweist, wobei jedes HF-Eingangssignal die WGTL durchläuft und eine unterschiedliche Mikrowellenfrequenz aufweist, die sequentiell an den ersten Ort gesendet wird; (d) Anlegen eines Magnetfeldes von einem darüberliegenden Magnetpolstück gleichzeitig mit jeder unterschiedlichen Mikrowellenfrequenz, um einen FMR-Zustand herzustellen, wodurch sich ein HF-Ausgangssignal für jedes Paar eines angelegten Mikrowellenfrequenzwerts und eines angelegten Magnetfeldwerts ergibt; und (e) Übertragen einer Sequenz von HF-Ausgangssignalen von der WGTL zu einem HF-Detektor, der konfiguriert ist, um jedes HF-Ausgangssignal in ein Spannungssignal umzuwandeln und jedes Spannungssignal an die Steuereinheit zu senden, wobei die Steuereinheit eine oder mehrere Eigenschaften in dem freiliegenden Magnetfilm bestimmt.
Verfahren nach Anspruch 33, wobei die WGTL und die Montageplatte in einer elektrischen Sondenstation installiert sind.
Verfahren nach Anspruch 33, wobei der Kontakt zwischen der WGTL und dem freiliegenden Magnetfilm durch eine vertikale Bewegung der Montageplatte oder eine vertikale Bewegung des Wafer-Spannfutters erreicht wird.
Verfahren nach Anspruch 33, wobei die WGTL an zwei Enden an einer Montageplatte befestigt ist und durch oder unter einer Montageplattenöffnung aufgehängt ist, um mit dem freiliegenden Magnetfilm in Kontakt zu treten oder in der Nähe desselben angeordnet zu werden.
Verfahren nach Anspruch 33, ferner umfassend das Durchführen einer zweiten FMR-Messung an einem zweiten Ort auf dem freiliegenden Magnetfilm nach dem Durchführen der Schritte (a) - (e).
Verfahren nach Anspruch 37, wobei das Durchführen der zweiten FMR-Messung umfasst: (a) Trennen der WGTL und des freiliegenden Magnetfilms unter Verwendung einer vertikalen Bewegung der Montageplatte oder des Wafer-Spannfutters; (b) Durchführen einer seitlichen Bewegung der Montageplatte oder des Wafer-Spannfutters, so dass die WGTL und das Magnetpolstück über der zweiten Stelle ausgerichtet sind; und (c) Durchführen einer vertikalen Bewegung der Montageplatte oder des Wafer-Spannfutters, so dass der WGTL den freiliegenden Magnetfilm berührt oder in dessen Nähe bewegt wird.
Verfahren nach Anspruch 33, wobei die unterschiedlichen Mikrowellenfrequenzen zwischen 1 und 100 GHz liegen.
Verfahren nach Anspruch 33, wobei die Stärke des Magnetfelds bis zu 3 Tesla beträgt.