DE2832045A1

DE2832045A1 - Vorrichtung zur untersuchung der oberflaechen von magnetischen materialien

Info

Publication number: DE2832045A1
Application number: DE19782832045
Authority: DE
Inventors: Donald John Barclay; Christopher Thomas Prowting
Original assignee: International Business Machines Corp
Current assignee: International Business Machines Corp
Priority date: 1977-08-24
Filing date: 1978-07-21
Publication date: 1979-03-01
Also published as: FR2401428A1; US4265543A; FR2401428B1; JPS5435790A; GB1545340A

Description

Anmelderin: International Business Machines

Corporation, Armonk N.Y., 10504

pr/zi

Vorrichtung zur untersuchung der Oberflächen von magnetischen Materialien

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Untersuchung der Oberflächen von magnetischen Materialien unter Ausnutzung der magneto-optischen Kerreffekts.

In der Literatursteile "In-situ Measurement of Magnetic Properties in Vacuum-Deposited Permalloy Films" von K. Y. Ahn, IBM Journal of Research and Development, Nov. 1966, Seiten 477 - 483, wird eine den magneto-optischen Kerreffekt verwendende Vorrichtung beschrieben, bei der eine besonders geformte und Spulen zur Erzeugung eines magnetischen Feldes enthaltende Kammer erforderlich ist, um die Eigenschaften von magnetischen Filmen während und nach ihrer Auftragung feststellen zu können.

In der UK-Patentschrift 1414 353 wird ebenfalls eine Vorrichtung beschrieben, die aus einer besonders ausgebildeten Kammer zur Steuerung und überprüfung von elektroplatierten Schichten mit Hilfe des magneto-optischen Kerreffekts besteht. In dieser Vorrichtung ist eine Quelle polarisierten Lichtes untergebracht, um Licht zur Reflexion an eine magnetisierte Fläche zu erzeugen. Durch die aufgrund des magneto-optischen Kerreffektes auftretenden Änderungen des Polarisationszustandes des reflektierten Lichtes wird dann ein Steuersignal erzeugt.

Die Erfindung geht von der Aufgabe aus, eine einfache Vorrichtung anzugeben, die bei geringstem Raumbedarf und ein-

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• fächern Aufbau Untersuchungen an aus magnetischem Material bestehenden Schichten unter Ausnutzung des Kerreffektes ermöglicht. Insbesondere soll es möglich sein, solche ünter-

I suchungen während des Aufbaus oder der Aufbringung solcher Schichten durchzuführen, ohne das an den zur Aufbringung j oder Erzeugung dieser Schichten dienenden Aparaturen um- !ständliche Konstruktionen oder Umbauten erforderlich sind. Diese Aufgabe wird durch die im Anspruch 1 beschriebene Erfindung gelöst.

Während bei den bisher bekannten Vorrichtungen dieser Art zur Untersuchung der durch Elektroplatieren oder Aufdampfen aufgebrachten Schichten besonders konstruierte Platier- oder Aufdämpfvorrichtungen bzw. umständliche Umbauten an bereits bestehenden derartigen Vorrichtungen erforderlich waren, ist es mit der vorliegenden Erfindung möglich, die jMessaparatur extrem klein und einfach auszugestalten, so daß Untersuchungen auch während des Betriebs in fast allen bekannten Elektroplatier- oder Aufdampfvorrichtungen möglich sind. Die Erfindung eignet sich wegen ihrer Kleinheit und wegen der Einfachheit ihres Aufbaus auch für zahlreiche andere Anwendungs formen.

Die Erfindung wird anschließend anhand der Figuren näher erläutert.

Es zeigen:

Fig. 1 ein Ausführungsbeispiel der Erfindung.

Fig. 2 die Zusammensetzung eines in dem in Fig. 1 beschrie-

benen Ausführungsbeispiel verwendbaren Magnetkernes. Fig. 3 eine Seitenansicht der Fig. 2.

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" "' ■ weitere Ausführungsbeispiele der Erfindung. 5 und 6

Der in Fig. 1 mit 1 bezeichnete, aus weichmagnetischem Mate- ' rial bestehende und U-förmig ausgebildete Magnetkern besteht : '■ aus Schenkeln 2 und 3 sowie aus einem diese verbindenden : Joch 4. Die unteren Enden der Schenkel 2 und 3 weisen > unter gleichen Winkeln nach innen gebogene und sich verjüngen-! de Bereiche 5 und 6 auf, die in in unmittelbarer Nachbarschaft: zueinander liegenden Polschuhspitzen 7 und 8 auslaufen. Eine beispielsweise aus isoliertem Kupferdraht bestehende Wicklung 9 ist auf die Schenkel 2 und 3 und das diese verbindende Joch 4 aufgebracht, mit der beim Durchfluß eines geeigneten .Stromes der Kern 1 magnetisiert und zwischen den Polschuhspitzen 7 und 8 ein magnetisches Feld erzeugt wird.

Weiterhin ist ein aus einem Glasfaserbündel bestehender Licht-[ _leiter 11 vorgesehen, der von oben nach unten verläuft und den sich verjüngenden Teil 5 durchsetzt, um an der Polschuh- ^:spitze 7 auszutreten. In ähnlicher Weise ist ein ebenfalls aus einem Glasfaserbündel bestehender Lichtleiter 12 vorge-]sehen, der den sich verjüngenden Teil 6 durchsetzt, um an ;der Polschuhspitze 8 auszutreten. Die unteren Enden der !Lichtleiter 11 und 12 weisen in bezug auf die vertikalen Schenkel 2 und 3 die gleiche Neigung auf. Dadurch wird sichergestellt, daß eine in einer horizontalen Ebene liegende Fläche TO das aus dem Lichtleiter 11 austretende Licht in den Lichtleiter 12 reflektiert.

Weiterhin ist ein Helium-/Neonlaser 13 oder eine andere geeignete Lichtquelle vorgesehen, die über einen Polarisator 14 und eine Linse 15 Licht zum Eingang des Glasfaserbündel 11 überträgt. Das das Glasfaserbündel 11 durchsetzende Licht wird an der Fläche 10 reflektiert, wobei sich bei Vorliegen eines durch den erregten Kern 1 entstehenden Magnetfeldes

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aufgrund des magneto-optischen Kerreffektes der Polarisations-.

zustand des Lichtes ändert. Das mit diesem geänderten PoIa- ^: risationszustand in das untere Ende des Lichtleiters 12 ein- ; tretende Licht wird über einen Analysator 16 einem elektri-¹ sehen Detektor 17 zugeführt, an dessen Ausgang ein die durch ' den magneto-optischen Kerreffekt bewirkte Änderung des : Polarisationszustandes anzeigendes Signal auftritt, das eine Messung dieser Änderung gestattet.

In den Figuren 2 und 3 wird ein zur Verwendung in der in Fig. 1 dargestellten Vorrichtung vorgesehener Magnetkern in Vorder- und Seitenansicht dargestellt. Das Joch 4 und die ' Schenkel 2 und 3 werden aus Blöcken aus weichmagnetischem Ferritmaterial gearbeitet. Zur Vereinfachung der Herstellung i sind die Schenkel 2 und 3 einander gleich. In die sich verjüngenden Bereiche 5 und 6 werden Bohrungen oder Schlitze 18 und 19 zur Aufnahme der Glasfaserbündel eingearbeitet. Wie aus Fig. 3 ersichtlich, sind die Querschnitte der sich verjüngenden Teile 5 und 6 kleiner als die Querschnitte der Schenkel 2 und 3, um im Falle einer Verwendung in einem Elektroplatierungsbad die Abschirmeffekte zu verringern. Die _; Schlitze 18 und 19 bilden jeweils einen Winkel von 45° mit , der Senkrechten. Es kann aber auch zweckmäßig sein, Vorrich- ■ tungen mit unter 60° angeordneten Schlitzen zu verwenden. ; Nach der Fertigstellung der Schenkel 2 und 3 und des Joches I 4 werden diese zur Bildung eines U-förmigen Kernes 1 miteinander verbunden. !

Ein gemäß den Figuren 1,2 und 3 aufgebauter Kern hat vorzugsweise eine Länge von 2,5 cm und eine Spule 9 mit etwa 70, gemäß der Darstellung in Fig. T, auf dem Kern aufgebrachten Windungen. Durch diese Spule wird ein magnetisches Feld von etwa 1900 Oersted bei einer Verlustleistung von 1 Watt in der Spule erzeugt. Dieses magnetische Feld reicht für magneto-optische Kerreffektmessungen aus, wenn die Polschuh-

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spitzen 7 und 8 etwa 0,25 mm von einer aus hartmagnetischem [ ■Material bestehenden Schicht entfernt sind. j

Die relative Einfachheit des in Fig. 1 dargestellten optischen .Systems beruht auf der Verwendung von Glasfaserbündeln. Diese ; Bündel müssen so ausgebildet sein, um polarisiertes Licht > zu übertragen und an ihrem Ausgang einen parallelen oder j fokusierten Strahl entstehen zu lassen. Konventionelle I

i Glasfasern weisen diese Eigenschaft nicht auf; es müssen \ vielmehr Glasfasern mit einem geeigneten Brechungsxndexgra- I dienten verwendet werden, wie sie beispielsweise auch im [ Handel erhältlich sind. Eine Beschreibung derartiger Fasern ; ist beispielsweise in den Literaturstellen "Guide to SELFOC",
;Nippon Electric Company Limited, Juni 1971, und "Newly
Developed Glas Devices for Image Transmission", von K. Matsushita und K. Ikeda, "Proceedings of the Society of Photooptical Instrumentation Engineers", Vol. 31, 16 - 17, Okt.
1972, Seiten 23 bis 35 enthalten.

Diese einen Brechungsindexgradienten aufweisenden Fasern eri zeugen in Abhängigkeit von der Länge und von der Art des
eingegebenen Lichtes einen parallelen oder einen fokusierten
Ausgangsstrahl. Durch die Verwendung von einen Brechungsindexgradienten aufweisenden Glasfasern ist es möglich, das
in Fig. 1 dargestellt Ausführungsbeispiel so zu konstruieren,
daß nur die Glasfasern 11 und 12 mit dem Kern verbunden sind,
während alle anderen erforderlichen Elemente in einer
relativ großen Entfernung vom Kern angeordnet werden können.
Ein Nachteil dieser Fasern liegt jedoch darin, daß sie relativ steif sind und daher bei einer Verwendung gemäß Fig. 1 einen
großen Krümmungsradius benötigen.

Bei der Herstellung der in den Fig. 2 und 3 dargestellten
Elemente ist es möglich, die Schlitze 18 und 19 mit Hilfe

von Laserstrahlen zu erzeugen.

I „._.

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In Fig. 4 wird ein weiteres Ausführungsbeispiel der Erfindung dargestellt, bei dem die durch den großen Krümmungsradius von Brechungsindexgradienten aufweisenden optischen Fasern bedingten Schwierigkeiten vermieden werden. Gleiche Teile werden mit gleichen Bezugszeichen versehen. Da der gleiche U-förmige Kern 1 verwendet wird, werden nur die Unterschiede beschrieben. Der wesentliche Unterschied liegt in der Verwendung von zwei Prismen 20 und 21 mit interner Totalreflektion durch die es möglich wird, daß die Teile 22, 23, 24 und 25 gerade verlaufen, so daß die in Fig. 1 dargestellte gekrümmte Anordnung der Lichtleiter 11 und 12 vermieden werden kann.

Das einem Halbleiterlaser 26 erzeugte Licht durchsetzt den Polarisator 15 und einen geradlinig verlaufenden Teil 22 eines Glasfaserbündels in Nachbarschaft des Schenkels 2 und wird durch das Prisma 20 in Richtung auf die gerade verlaufende Glasfaser 24 reflektiert, die im Innern des sich verjüngenden Teils 5 verläuft. Nach einer Reflelx ion des aus dieser Faser austretenden Lichtes an einer nicht dargestellten Fläche gelangt das Licht, dessen Polaristionszustand sich aufgrund des magneto-optischen Kerreffektes geändert hat, zur Eingangsfläche der geraden Glasfaser 25 und wird beim Austritt aus dieser Faser durch das Prisma 21 zur geraden, neben dem Schenkel 3 verlaufenden Faser 23 reflektiert. Die Erfassung des Lichtes erfolgt über den Analysator 16 und den Halbleiterdetektor 17.

In Fig. 5 wird ein weiteres Ausführungsbeispiel der Erfindung dargestellt, das dem in Fig. 1 wiedergegebenen Ausführungsbeispiel ähnlich ist. Der Unterschied zwischen beiden Ausführungsformen besteht darin, daß an der Polschuhspitze 7 ein Polarisator 30 und an der Polschuhspitze 8 ein Analysator 31 angebracht ist. Es wird darauf hingewiesen, daß die Polschuhspitzen 7 und 8 rechtwinklig bezüglich des Lichtweges an den Polschuhspitzen angeordnet sind. Die Größe der

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. Miniaturpolarisatoren und -analysatoren 30 bzw- 31 liegen in der Größenordnung von einem mm . Derartige Komponenten sind im Handel erhältlich. Bei der in Fig. 5 dargestellten Ausführungsform müssen die Fasern 11 und 12 als Fasern mit Brechungsindexgradienten ausgebildet sein, um die Verwendung von parallelem oder fokusiertem Licht für magneto-optische Kerrmessungen zu ermöglichen. Es können jedoch auch konventionelle optische Fasern verwendet werden, wenn zusätzliche

^: Linsen an den Polschuhspitzen zur Erzeugung des erforderlichen parallelen oder fokusierten Lichts vorgesehen sind.

Wie aus Fig. 6 hervorgeht, muß der Kern 1 nicht unbedingt U-förmig ausgebildet werden. So ist in Fig. 6z. B. ein kreisförmiger Kern 35 dargestellt. Im allgemeinen sollten die Kerne einen kreisförmigen Querschnitt haben, um eine besonders gute Einwirkung der Spule auf den Kern zu ermöglichen und um die Abmessungen der Luftspalte herabzusetzen. Die Kerne können beispielsweise durch die im folgenden Absatz beschriebenen Platierungstechniken erzeugt werden.

Es ist bekannt, weichmagnetische Materialien, wie z.B. Nickel oder Eisenlegierungen durch Elektroplatierung zu formen. So kann beispielsweise der Kern 1 oder der Kern 35 durch Elektroplatieren einer weichmagnetischen Substanz auf einen geeigneten leitenden Formkörper hergestellt werden. Dieser Formkörper würde unter anderem aus Röhren mit einem Innendurchmesser bestehen, der geringfügig größer als ; der Durchmesser der im Kern unterzubringenden optischen Fasern ist. Weiterhin kann es zur Sicherstellung eines guten magnetischen Wirkungsgrades zweckmäßig sein, die Spule 5

! durch Kupferplatierung und/oder Ätzverfahren aufzubringen, da auf diese Weise ein Minimum an Luftspalt zwischen dem magnetischen Kern und der Wicklung erhalten wird. Bei der Verwendung von gewickleten Spulen ist ein kreisförmiger Querschnitt der Kerne 1 oder 35 besonders vorteilhaft.

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■ Die in den Figuren 1 bis 6 dargestellten Ausführungsbeispiele iberuhen auf dem sogenannten longitudinalen Kerreffekt, bei . dem die Einfallebene des polarisierten Lichtes parallel zur ; Richtung des magnetischen Feldes zwischen den Polschuhspitzen ¹ liegt. Es ist aber auch möglich, die Vorrichtungen so auszubilden, daß der transversale oder polare Kerreffekt ausge-' nützt wird.

j Bei Ausnutzung des transveralen Kerreffektes liegt die Eini fallebene des polarisierten Lichtes senkrecht zur Richtung

; des magnetischen Feldes zwischen den Polschuhspitzen. In i diesem Falle müßten die Enden der optischen Fasern unter I rechten Winkeln in bezug auf die in den Figuren dargestellten i Lagen gehaltert werden.

Beim polaren Kerreffekt ist die Richtung des einfallenden und des reflektierenden Lichtes senkrecht zur Richtung des magnetischen Feldes zwischen den Polschuhspitzen, das paraliIeI zur zu untersuchenden Fläche 10 ist. Dieser Umstand er- :fordert, daß die optischen Fasern so gehaltert werden, daß 'die Enden der Fasern senkrecht zur Fläche 10 verlaufen. Der !polare Kerreffekt ist besonders vorteilhaft in Zusammenhang mit Anwendungen für magnetische Blasen- und Domänenmaterialien und Vorrichtungen verwendbar.

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L e e r s e i t e

Claims

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PATENTANSPRÜCHE

Vorrichtung zur Untersuchung der Oberflächen magnetischer Materialien unter Ausnutzung des magneto-optischen

; Kerreffekts, gekennzeichnet durch einen Prüfkopf, der aus einem Kern (1) aus magnetischem Material mit nahe beieinander liegenden Polschuhspitzen (7, 8) besteht, einen Lichtweg bestehend aus einem Lichtleiter (11)

: und einem Polarisator (14) zur Übertragung von polarisiertem Licht auf einen in der Nähe der Polschuhstücke liegenden Bereich einer zu untersuchenden Fläche (10) und einen zweiten Lichtweg bestehend aus einem Lichtleiter (12) und einem Analysator (16) zur übertragung von an der zu untersuchenden Fläche reflektierten Licht zu einem Lichtdetektor (17).
2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Kern (1) aus magnetischem Material U-förmig ausgebildet ist.

ι
3. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Kern (1) aus magnetischem Material kreisförmig ausgebildet ist und polschuhspitzenförmige Verlängerungen (7, 8) aufweist.

!
4. Vorrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 j

bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Kern (1) aus magnetischem Material mit einer leitenden Wicklung (9) zur Erzeugung eines magnetischen Feldes versehen ist.

Vorrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Kern (1) aus permanentmagnetischem Material besteht.

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6. Vorrichtung nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Lichtleiter (11, 12) als optische Fasern ausgebildet sind.

7. Vorrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 6, gekennzeichnet durch die Ausnutzung des longitudinalen Kerreffekts.

8. Vorrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 6, gekennzeichnet durch die Ausnutzung des transversalen oder polaren Kerreffektes.

9. Vorrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die optischen Lichtleiter (11, 12) die Polschuhspitzen (7, 8) durchsetzen.

10. Vorrichtung nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß ein Polarisator

(30) und ein Analysator (31) an den oder in unmittelbarer Nähe der Polschuhspitzen (7, 8) angeordnet sind.

11. Vorrichtung nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß ein Polarisator

(14) und ein Analysator (16) entfernt von den Polschuhspitzen (7, 8) angeordnet sind und daß die Lichtleiter aus Glasfasern mit Brechungsindexgradienten bestehen.

12. Vorrichtung nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch in Verlauf der Lichtleitungen angeordnete Prismen (20, 21).

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