DE4003356A1 - Detektionseinrichtung zur dreidimensionalen bestimmung mikromagnetischer oder mikroelektrischer felder - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Detektionseinrichtung zur dreidimensionalen Bestimmung des an einem felderzeugenden Meß­ objektes austretenden mikromagnetischen oder mikroelektrischen Feldes mit einem Elektronenstrahlteil, in dessen Vakuumraum

• - ein Elektronenstrahl durch das Feld des Meßobjektes zu füh­ ren ist und
• - eine Vorrichtung zur Drehung des Meßobjektes um eine senk­ recht zu dem Elektronenstrahl verlaufende Achse vorgesehen ist, sowie mit einem nachgeordneten Ausleseteil zur Auswertung und Darstellung der Intensitätsverteilung des in dem Feld des Meßobjektes abgelenkten Elektronenstrahls. Eine derartige De­ tektionseinrichtung ist in der Veröffentlichung "IEEE Trans. Magn.", Vol. MAG-21, No. 5, Sept. 1985, Seiten 1593 bis 1595 angedeutet.

Dieser bekannten Detektionseinrichtung ist eine Apparatur zu­ grundegelegt, die aus der Veröffentlichung "IEEE Trans. Magn.", Vol. MAG-20, No. 5, Sept. 1984, Seiten 866 bis 868 hervorgeht. Mit dieser bekannten Apparatur kann das Magnetfeld eines magnetfelderzeugenden Meßobjektes (Probanden) indirekt zwei­ dimensional detektiert werden. Hierzu wird in dem Vakuumraum eines modifizierten Rasterelektronenmikroskops ein scharf ge­ bündelter Elektronenstrahl in unmittelbarer Nähe des magnet­ felderzeugenden Meßobjektes vorbeigeführt. Bei dem Meßobjekt kann es sich insbesondere um einen Dünnfilm-Magnetkopf für eine Datenspeicheranlage handeln, der in einem begrenzten Volumen ein magnetisches Streufeld erzeugt. Felder entsprechender Magnetköpfe sind äußerst schwach. So sind z. B. an den Polspie­ geln der Magnetpole solcher Magnetköpfe Feldstärken in der Größenordnung von nur 10 kA/m zu messen. Derartige Magnetfelder werden deshalb auch als mikromagnetische Felder bezeichnet. Bei der bekannten Detektionsapparatur wird der Elektronenstrahl durch die Komponenten der magnetischen Induktion B_x bzw. B_y des Streufeldes des Meßobjektes in die entsprechende y- bzw. x- Richtung in einem angenommenen x-y-Koordinatensystem abgelenkt. Aus der Größe der Ablenkung der Elektronen können dann die Komponenten der magnetischen Induktion berechnet werden. Um die Elektronen sichtbar zu machen, trifft bei der bekannten Detek­ tionsapparatur der abgelenkte Elektronenstrahl auf eine inner­ halb des Vakuumraums des modifizierten Elektronenmikroskops befindliche Mikrokanalplatte, der ein Leuchtschirm, beispiels­ weise eine Phosphorschicht nachgeordnet ist. In dieser Phosphor­ schicht wird die Elektronenintensitätsverteilung in eine Licht­ intensitätsverteilung umgewandelt. Das nun aus dem Vakuumraum des Elektronenmikroskops austretende Licht wird dann über eine Transferoptik einer TV-Kamera zugeführt, mit der die Lichtin­ tensitätsverteilung in Abhängigkeit von dem Streufeld des Meßobjektes zweidimensional beobachtet werden kann.

Bei der aus der eingangs genannten Veröffentlichung "IEEE Trans. Magn.", Vol. MAG-21 zu entnehmenden Detektionseinrich­ tung wird von der aus der genannten Veröffentlichung "IEEE Trans. Magn.", Vol. MAG-20 bekannten Detektionsapparatur ausge­ gangen, um mittels einer tomographischen Meßmethode eine drei­ dimensionale Bestimmung der Streufelder eines Magnetkopfes vor­ zunehmen. Hierzu ist zusätzlich in den Vakuumraum des Elek­ tronenmikroskops eine Vorrichtung zur Drehung des Meßobjektes um eine senkrecht zu dem Elektronenstrahl verlaufende Achse vorgesehen. Mit dieser Vorrichtung wird das magnetfelderzeu­ gende Meßobjekt sukzessive um insgesamt 180° gedreht. Bei je­ der einzelnen Winkelstellung wird eine Linienmessung durchge­ führt. Es hat sich jedoch gezeigt, daß bei dieser bekannten Detektionseinrichtung der in der Phosphorschicht erzeugte Lichtfleck verhältnismäßig groß und verschmiert ist. Das bei einer Punktmessung von dem Elektronenstrahl erzeugte Bild muß deshalb zunächst mittels einer elektronischen Bildverarbeitung erfaßt werden. Erst anschließend kann dann die Berechnung des Schwerpunktes des Lichtfleckes erfolgen. Die Zeit zur Durch­ führung einer Linienmessung, bei der eine Vielzahl entsprechen­ der Punktmessungen vorgenommen werden muß, beträgt daher viele Minuten. Bei einer solch langen Meßzeit besteht dann aber die Gefahr, daß es zu Aufladungen des das zu detektierende Feld erzeugenden Meßobjektes und damit zu einer Verfälschung des Meßergebnisses kommt. Aufgrund der sehr schwachen Streufelder eines Magnetkopfes muß nämlich der Abstand zwischen der Meß­ ebene des Elektronenstrahls und dem Polspiegel des Magnet­ kopfes sehr gering gewählt werden und beispielsweise bei nur etwa 0,5 µm liegen. D. h., mit Dünnfilm-Magnetköpfen sind bei dem erforderlichen geringen Arbeitsabstand wegen der erwähnten Aufladungsproblematik dreidimensionale Messungen ohne eine erhebliche Beschleunigung des Meßverfahrens praktisch nicht durchführbar. Außerdem ist bei den bekannten Detektionseinrich­ tungen der apparative Aufwand zur bildlichen Darstellung der Intensitätsverteilung des abgelenkten Elektronenstrahls verhältnismäßig hoch.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es deshalb, die Detek­ tionseinrichtung mit den eingangs genannten Merkmalen dahin­ gehend auszugestalten, daß mit ihr eine verhältnismäßig schnelle dreidimensionale Messung von mikromagnetischen oder -elektrischen Feldern mit Hilfe des Elektronenstrahls eines Elektronenmikroskops ermöglicht wird und zugleich der hierzu erforderliche apparative Aufwand begrenzt zu halten ist.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß für den Ausleseteil eine Reihenanordnung von in einer Richtung neben­ einander aufgereihten Diodenelementen vorgesehen ist, wobei die streifenartig ausgebildeten pn-Übergangsbereiche jeweils be­ nachbarter Diodenelemente parallel zueinander ausgerichtet sind, und daß diese Reihenanordnung in dem Vakuumraum des Elek­ tronenstrahlteils so angeordnet ist, daß ihre Diodenelemente unmittelbar dem abgelenkten Elektronenstrahl ausgesetzt sind.

Der Erfindung liegt dabei die Erkenntnis zugrunde, daß sich auf eine Umwandlung der Elektronenstrahlintensität in eine Licht­ intensität verzichten läßt, wenn man die erfindungsgemäße Rei­ henanordnung von Diodenelementen unmittelbar zum Auslesen des Elektronenstrahls einsetzt. Ein auf einen pn-Übergangsbereich eines Diodenelements auftreffender Elektronenstrahl erzeugt nämlich dort einen zusätzlichen Strom, der an entsprechenden Elektroden abzunehmen ist. Die so feststellbaren Stromände­ rungen in den Übergangsbereichen der einzelnen Diodenelemente sind dann ein direktes Maß für eine Ortskoordinate der Ablen­ kung des Elektronenstrahls und damit für die entsprechende Komponente der magnetischen Induktion des Meßobjektes. Zur Berechnung einer dreidimensionalen Feldverteilung nach der bekannten tomographischen Methode genügt es nämlich, wenn bei jeder Linienmessung, die für jede Winkelstellung der Drehvor­ richtung durchgeführt wird, nur eine der Komponenten B oder B in einem angenommenen Koordinatensystem ausgewertet wird. Dies ist ausreichend, weil die beiden Komponenten nicht unabhängig voneinander, sondern über eine Hilbert-Transformation mitein­ ander verknüpft sind. Mit dieser Ausgestaltung der Detektions­ einrichtung nach der Erfindung ist insbesondere der Vorteil verbunden, daß die Meßzeit zum Auslesen der Diodenreihenanord­ nung sehr kurz ist. Außerdem kann ein sehr kleiner Strahlstrom des Elektronenstrahls vorgesehen werden. Dies bringt den Vor­ teil mit sich, daß eine außerordentlich hohe Empfindlichkeit erreicht werden kann.

Vorteilhafte Ausgestaltungen der erfindungsgemäßen Detektions­ einrichtung gehen aus den Unteransprüchen hervor.

Zur weiteren Erläuterung der Erfindung wird nachfolgend auf die Zeichnung Bezug genommen, in deren Fig. 1 eine erfindungsge­ mäße Detektionseinrichtung skizziert ist. Fig. 2 zeigt schema­ tisch eine Schrägansicht auf eine Diodenreihenanordnung des Ausleseteils dieser Detektionseinrichtung. In den Figuren sind sich entsprechende Teile mit denselben Bezugszeichen versehen.

In Fig. 1 ist der prinzipielle Aufbau einer Detektionseinrich­ tung nach der Erfindung schematisch veranschaulicht. Hierbei sind an sich bekannte Ausführungsformen entsprechender Ein­ richtungen zugrundegelegt (vgl. die genannten Textstellen aus "IEEE Trans. Magn.", Vol. MAG-20 und MAG-21). Die allgemein mit 2 bezeichnete Detektionseinrichtung umfaßt unter anderem einen als modifiziertes Rasterelektronenmikroskop ausgebildeten Elek­ tronenstrahlteil 3. Dieser in bekannter Weise aufgebaute Elek­ tronenstrahlteil 3 enthält innerhalb des Vakuumraums 4 seines Vakuumgehäuses 4a eine Elektronenstrahlquelle 5, mit der ein Elektronenstrahl 6 erzeugt wird. Nachdem dieser Strahl die üblichen elektrostatischen oder elektromagnetischen Linsen 7a und 7b durchlaufen hat, tritt er in ein zu detektierendes Magnetfeld geringer Stärke, beispielsweise zwischen 10 und 500 A/m ein. Dieses Magnetfeld bzw. seine damit verbundene Induktion B wird von einem in den Vakuumraum 4 eingebrachten magnetfelderzeugenden Meßobjekt 10 hervorgerufen. Bei diesem Meßobjekt 10 kann es sich insbesondere um einen in Dünnfilm- Technik erstellten Magnetkopf handeln, wie er für Datenspeicher­ anlagen üblich ist. Aufgrund der in dem Magnetfeld auf den Elektronenstrahl 6 einwirkenden Lorentz-Kräfte wird dieser entsprechend in x- und/oder y-Richtung eines angenommenen x-y-Koordinatensystems abgelenkt. Die Ablenkung ist dabei ein Maß für die magnetische Induktion B. Der Ablenkungswinkel α ist in der Figur übertrieben groß eingezeichnet und beträgt im allgemeinen nur wenige Winkelgrade. Um für eine tomographische, dreidimensionale Bestimmung die hierfür erforderliche Drehung des zu detektierenden Magnetfeldes gemäß der eingangs genannten Veröffentlichung "IEEE Trans. Magn.", Vol. MAG-21 durchführen zu können, ist außerdem eine in der Figur nicht näher ausge­ führte Drehvorrichtung 11 vorgesehen. Mit Hilfe dieser Vorrich­ tung ist das Meßobjekt 10 um eine senkrecht zu dem Elektronen­ strahl 6 verlaufende Achse 12 sukzessive um jeweils einen vor­ bestimmten Winkel zu drehen.

Der abgelenkte und mit 6′ bezeichnete Elektronenstrahl soll dann gemäß der Erfindung unmittelbar auf eine in dem Vakuumraum 4 nachgeordnete spezielle Reihenanordnung 20 von Diodenelemen­ ten eines Ausleseteils der Einrichtung treffen. Mit diesem Aus­ leseteil ist die Intensitätsverteilung des abgelenkten Elek­ tronenstrahls auszuwerten und darzustellen. D. h., bei der er­ findungsgemäßen Detektionseinrichtung können vorteilhaft die bei bekannten Detektionseinrichtungen sonst vorhandenen Teile zur Umwandlung der Elektronenstrahlintensität in eine Lichtin­ tensität sowie dann erforderliche Teile zur Lichtübertragung entfallen. Der besondere Vorteil der erfindungsgemäßen Ausge­ staltung der Detektionseinrichtung ist in der damit verbundenen extrem hohen Empfindlichkeit zu sehen, die gegenüber den be­ kannten Ausführungsformen zu einem Faktor 600 bis 800 höher liegen kann. Daher lassen sich vorteilhaft auch sehr kleine Strahlströme von beispielsweise unter 0,1 pA verwenden, was insbesondere bei einer tomographischen Meßmethode eine Aufla­ dung des Meßobjektes 10 verhindert.

Die Diodenreihenanordnung 20 wird von einer Vielzahl von in einer Richtung (Dimension) nebeneinander aufgereihten Dioden­ elementen gebildet und ist somit hinsichtlich der x- oder der y-Richtung des auf sie auftreffenden abgelenkten Elektronen­ strahls 6′ empfindlich. Die Ausgestaltung dieser vielfach auch als eindimensionales "Array" bezeichneten Reihenanordnung ist in Fig. 2 näher veranschaulicht.

Gemäß der in Fig. 2 gezeigten schematischen Schrägansicht auf ein Teilstück der Diodenreihenanordnung 20 enthält diese einen beispielsweise n-dotierten Grundkörper 21, der in einer Rich­ tung, z. B. in x-Richtung, eine ausgeprägte Ausdehnung hat und quer dazu, also in y-Richtung, verhältnismäßig schmal ist. ln diesen Grundkörper ist in dessen dem einfallenden Elektronen­ strahl 6′ zugewandten Oberfläche eine Reihe von streifen- oder stegförmigen Zonen 22 _i eingelassen. Diese Zonen 22 _i (mit 1 i z, wobei z weit über 100, vorzugsweise über 500 liegen kann) verlaufen jeweils quer zur Ausdehnungsrichtung x des Grundkörpers 21, also in y-Richtung, und weisen eine p-Dotie­ rung auf. Zwischen dem n-dotierten Material des Grundkörpers 21 und jeder p-dotierten Zone 22 _i ist somit ein dünner, streifen­ förmiger p-n-Übergangsbereich 23 _i ausgebildet. Die Übergangs­ bereiche 23 _i sind in der Figur durch verstärkte Linien ange­ deutet. An den freien Stirnseiten jeder p-dotierten Zone 22 _i befindet sich ferner eine Elektrode 24 _i, während eine weitere, allen p-n-Übergangsbereichen 23 _i zugeordnete, beispielsweise auf Massepotential liegende Elektrode 25 auf dem Boden des Grundkörpers 21 abgeschieden ist. Die so gebildeten Diodenele­ mente sind in der Figur mit 26 _i bezeichnet. Eine üblicherweise auf flächenhaften Dioden vorhandene Schutzschicht 27 aus SiO₂ ist auf der dem einfallenden Elektronenstrahl 6′ zugewandten Seite der Reihenanordnung auf eine Dicke d von höchstens 1 µm abgedünnt. Dann können nämlich Elektronen mit einer Energie von über 15 keV diese Schutzschicht ohne erhebliche Verluste durch­ dringen und werden bei einem Auftreffen auf eines der Elemente der Reihenanordnung dort direkt detektiert. Eine an den Elek­ troden 24 _i und 25 anzuschließende Elektronik ist an sich bekannt und deshalb in der Figur nicht dargestellt.

Für eine konkrete Ausführungsform der Diodenreihenanordnung 20 können beispielsweise die nachfolgend aufgelisteten Abmessungen gewählt werden: Höhe des n-dotierten Grundkörpers 21: 200 bis 500 µm,
Ausdehnung des Grundkörpers in y-Richtung: 1,5 bis 4 mm,
Dicke jeder p-dotierten Zone 22 _i: 1 bis 2 µm,
Breite b jeder Zone 22 _i: 10 bis 20 µm,
Abstand a zwischen benachbarten Zonen 22 _i: 5 bis 15 µm,
Dicke d der SiO₂-Schutzschicht 27: 1 µm,
Anzahl der Diodenelemente: über 100, vorzugsweise über 1000.

So kann man z. B. eine Diodenreihenanordnung 20 mit 1024 Dioden­ elementen verwenden, welche in x-Richtung insgesamt 2,5 cm lang ist und deren Diodenflächen jeweils 10 µm × 20 µm bei einem Ra­ stermaß a+b von 23 µm einnehmen. Die Meßzeit zur Feststellung des Ortes x-y eines abgelenkten Elektronenstrahls kann dann gegenüber bekannten Detektionseinrichtungen um mindestens 90% reduziert werden. Die Meßzeit zum Auslesen der Diodenreihenan­ ordnung ist dabei sehr kurz und kann weniger als 16 ms betra­ gen. Wegen des extrem kleinen Strahlstroms von z. B. nur 3 × 10^-14 A kann eine außerordentlich hohe Empfindlichkeit der Detektionseinrichtung erreicht werden.

Im Hinblick auf die Erzielung einer möglichst hohen Meßgenauig­ keit mit einem Meßfehler von z. B. nur einigen Prozent und einer möglichst kurzen Meßzeit werden bei einer tomographischen Messung mit der erfindungsgemäßen Detektionseinrichtung vor­ teilhaft etwa 45 verschiedene Winkel eingestellt und jeweils etwa 60 Punktmessungen durchgeführt. Kann man einen Meßfehler von etwa 10% tolerieren, so sind nur 40 Winkeleinstellungen mit 50 Punktmessungen erforderlich. Für grobe Orientierungs­ messungen mit einem Fehler bis zu 25% können 30 Winkelstellun­ gen mit 40 Punktmessungen ausreichen.

Eine zum Betrieb der erfindungsgemäßen Detektionseinrichtung erforderliche Elektronik ist an sich bekannt (vgl. die genann­ ten Literaturstellen aus "IEEE Trans. Magn."). Auf ihre bild­ liche Darstellung wurde deshalb in der Zeichnung verzichtet.

Gemäß dem in den Figuren dargestellten Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Detektionseinrichtung wurde davon aus­ gegangen, daß sich die eindimensionale Diodenreihenanordnung 20 in x-Richtung erstreckt, die parallel zur Ausdehnungsrichtung der Drehachse 12 liegt. Wegen der erwähnten Verknüpfung der B_y-Komponente mit der B_x-Komponente der magnetischen Induktion des zu detektierenden Magnetfeldes können jedoch die Dioden­ elemente der Reihenanordnung auch in y-Richtung aufgereiht sein.

Darüber hinaus wurde angenommen, daß mit der Detektionsein­ richtung ein mikromagnetisches Feld detektiert wird. Für den Fachmann ist es jedoch selbstverständlich, daß die erfindungs­ gemäße Detektionseinrichtung und das ihr zugrundeliegende Meß­ verfahren ebensogut auch zur Detektion mikroelektrischer Fel­ der anwendbar sind.

Claims (7)

1. Detektionseinrichtung zur dreidimensionalen Bestimmung des an einem felderzeugenden Meßobjektes austretenden mikromagne­ tischen oder mikroelektrischen Feldes mit einem Elektronen­ strahlteil, in dessen Vakuumraum

• - ein Elektronenstrahl durch das Feld des Meßobjektes zu füh­ ren ist und
• - eine Vorrichtung zur Drehung des Meßobjektes um eine senk­ recht zu dem Elektronenstrahl verlaufende Achse vorgesehen ist, sowie mit einem nachgeordneten Ausleseteil zur Auswertung und Darstellung der Intensitätsverteilung des in dem Feld des Meßobjektes abgelenkten Elektronenstrahls, dadurch gekennzeichnet, daß für den Ausleseteil eine Reihenanordnung (20) von in einer Richtung nebeneinander aufge­ reihten Diodenelementen (26 _i) vorgesehen ist, wobei die strei­ fenartig ausgebildeten p-n-Übergangsbereiche (23 _i) jeweils be­ nachbarter Diodenelemente (26 _i) parallel zueinander ausgerich­ tet sind, und daß diese Reihenanordnung (20) in dem Vakuumraum (4) des Elektronenstrahlteils (3) so angeordnet ist, daß ihre Diodenelemente (26 _i) unmittelbar dem abgelenkten Elektronen­ strahl (6′) ausgesetzt sind.

2. Detektionseinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Diodenelemente (26 _i) einen gemeinsamen, n-dotierten Grundkörper (21) enthalten, der mit den p-Zonen (22 _i) der Diodenelemente (26 _i) versehen ist.

3. Detektionseinrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß auf der den p-Zonen (22 _i) abgewandten Seite des n-dotierten Grundkörpers (21) eine erste Elektrode (25) und an den Stirnseiten der p-Zonen (22 _i) jeweils eine weitere Elektrode (24 _i) angeordnet sind.

4. Detektionseinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Rei­ henanordnung (20) auf der dem einfallenden Elektronenstrahl (6′) zugewandten Flachseite mit einer Schutzschicht (27) ver­ sehen ist, deren Dicke (d) höchstens 1 µm beträgt.

5. Detektionseinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die p-Zonen (22 _i) in Ausdehnungsrichtung (x) der Reihenanordnung (20) eine Breite (b) zwischen 10 und 20 µm haben und in dieser Richtung untereinander um einen Abstand (a) zwischen 5 und 15 µm be­ abstandet sind.

6. Detektionseinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet ; daß die Reihen­ anordnung (20) mindestens 100, vorzugsweise mindestens 500 Diodenelemente (26 _i) enthält.

7. Detektionseinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß sich die Reihenanordnung (20) zumindest annähernd parallel zur Richtung (x) der Drehachse (12) der das Meßobjekt (10) drehenden Dreh­ vorrichtung (11) erstreckt.