-
Die
Erfindung betrifft die Magnetkraftmikroskopie (magnetic force microscopy,
MFM) und insbesondere eine MFM-Sonde.
-
Die
Magnetkraftmikroskopie (MFM) stellt eine Weiterentwicklung der berührungsfreien
Oberflächenprüfung mittels
Rasterkraftmikroskopie (atomic force microscopy, AFM). Die MFM ist
ein anerkanntes Verfahren zur Bestimmung der Magnetfelder dünner Schichten
wie zum Beispiel magnetischer Aufzeichnungsmedien. Bei einem MFM-System
ist eine feine magnetische Spitze auf einem Sensorkraftarm angebracht,
welcher sich oberhalb der Oberfläche
der magnetischen Probe befindet, während die Probe durch eine
herkömmliche
XYZ-Abtastvorrichtung
abgetastet wird. Die von der Probe auf die Spitze einwirkenden magnetischen
Kräfte
bewirken eine statische Ablenkung des Auslegerarms. Diese Kräfte werden üblicherweise
mittels eines Lasererkennungssystems erfasst, wobei die Ablenkung des
Auslegerarms eine Verschiebung eines reflektierten Laserstrahls
bewirkt. Die MFM mittels einer magnetisierten Eisenspitze wird von
Martin et al. in „Highresolution
Magnetic Imaging of Domains in TbFe by Force Microscopy", Appl. Phys. Lett.,
Bd. 52, Nr. 3, 18. Januar 1988, S. 244 bis 246 beschrieben. Die
Verwendung einer mit einer Schicht aus einem magnetischen Material
wie zum Beispiel NiFe oder CoPtCr beschichteten Siliciumspitze wird
von Grütter et
al. in „Magnetic
Force Microscopy with Batch-fabricated Force Sensors", J. Appl. Phys ,
Bd. 69, Nr. 8, 15. April 1991, S. 5883 bis 5885 beschrieben.
-
In
der US-Patentschrift 5 436 448 wird in 7 dieser
Patentschrift eine Variante dieser Art eines herkömmlichen
statischen MFM-Systems gezeigt und beschrieben.
-
In
diesem modifizierten MFM-System ist um den Auslegerarm mit einer
an dessen Ende befindlichen magnetischen Spitze eine Spule gewunden. Durch
diese Spule fließt
ein Wechselstrom (AC), der einen Wechsel der Magnetisierungsrichtungen
der Spitze bewirkt. Zur Verbesserung der Auflösung des MFM-Systems werden
die Daten der für
eine Polarität
erhaltenen magnetischen Kräfte
von denen der anderen Polarität
subtrahiert. Die Nachteile dieses Wechselstrom-MFM-Systems bestehen
darin, dass man das Magnetfeld der Spule wegen deren physischen
Abstands von der Spitze nicht an der Spitze konzentrieren kann und
die magnetischen Streufelder der Spule mit den Magnetfeldern der
Probe wechselwirken.
-
Aus
diesem Grund wird eine verbesserte Wechselstrom-MFM-Sonde und ein
verbessertes Wechselstrom-MFM-System benötigt, bei dem ein magnetisches
Wechselfeld an der Sondenspitze konzentriert werden kann, ohne dass
Streufelder der Spule die magnetische Probe beeinflussen können.
-
Die
Erfindung besteht in einer Sonde zur Verwendung in einem Wechselstrom-MFM-System.
Die Sonde ist am freien Ende eines Auslegerarms angebracht und hat
ein Paar Magnetpole, die Bestandteil eines magnetischen Jochs und
einer in einer bestimmten Anordnung um das Joch gewundenen elektrisch
leitenden Spule sind. Die Sonde hat eine Sondenspitze mit einer
magnetischen Oberflächenschicht,
welche mit einem der Pole magnetisch gekoppelt ist und aus diesem
herausragt. Wenn durch die Sondenspule ein Wechselstrom fließt, wechselt gemäß diesem
Wechselstrom die Magnetisierungsrichtung der Sondenspitze.
-
Die
Wechselwirkung dieser magnetischen Felder der Sondenspitze mit den
Magnetfeldern der magnetischen Probe bewirken eine Ablenkung des Auslegerarms
zwischen zwei Extremstellungen. Bei der bevorzugten Ausführungsart
ist die Sonde aus einem Teil eines luftgelagerten Schlittens eines
Plattenlaufwerks mit einem Induktionsschreibkopf mit einer strukturierten
dünnen
Schicht an dessen hinterem Ende gebildet. Die Sondenspitze ragt
so aus der luftgelagerten Fläche
des Schlittens heraus, dass sie mit dem Zwischenraum und einem der
Pole des Schreibkopfes in Kontakt steht. Diese Sonde ist dann an
einem herkömmlichen
AFM-Auslegerarm befestigt. Bei einer alternativen Ausführungsart
sind der Auslegerarm, der Sondenkörper und die Sondenspitze durch
herkömmliche
Dünnschicht-
und Lithographieprozesse zu einer Gesamteinheit integriert.
-
Eine
alternative Sondenspitze hat zwei magnetische Oberflächen, die
sich beide in Kontakt mit einem entsprechenden Pol befinden. Das
Ende der Probenspitze ist abgetragen, sodass sich zwischen den beiden
magnetischen Oberflächen
am Ende der Spitze nichtmagnetisches Material befindet. Bei dieser
Ausführungsart
der Sondenspitze überbrückt das durch
die Spule induzierte Magnetfeld den nichtmagnetischen Zwischenraum
zwischen den beiden magnetischen Oberflächen an der Sondenspitze.
-
Durch
die Verwendung der mit den Magnetpolen integrierten und durch den
Sondenkörper
abgeschirmten strukturierten Dünnschichtspule
wie bei einem herkömmlichen
Dünnschicht-Induktionsschreibkopf
auf einem Schlittenkörper
und durch die Anordnung der Spule in der Nähe der Sondenspitze kann man
das Magnetfeld an der Sondenspitze konzentrieren und die Entstehung
von magnetischen Streufeldern verhindern, die mit den Magnetfeldern der
Probe wechselwirken könnten.
-
Ein
besseres Verständnis
des Wesens und der Vorteile der vorliegenden Erfindung ergibt sich aus
der folgenden ausführlichen
Beschreibung in Verbindung mit den beiliegenden Figuren.
-
1 ist
ein Schema des MFM-Systems gemäß der vorliegenden
Erfindung.
-
2A ist
eine Seitenansicht der MFM-Sonde gemäß der vorliegenden Erfindung.
-
2B ist
eine Draufsicht auf das Ende der MFM-Sonde gemäß der vorliegenden Erfindung.
-
3A ist
eine Darstellung der MFM-Sondenspitze, welche die Magnetisierungsrichtung
der magnetischen Oberfläche
der Sondenspitze in einer Richtung zeigt.
-
3B ist
eine Darstellung der MFM-Sondenspitze, welche die Magnetisierungsrichtung
der magnetischen Oberfläche
der Sondenspitze in der entgegengesetzten Richtung zeigt.
-
4 ist
eine perspektivische Ansicht der luftgelagerten Oberfläche eines
Teils eines Schlittens eines magnetischen Aufzeichnungslaufwerks
und zeigt die Anordnung der Sondenspitze bezüglich der Pole und des Zwischenraums
des Induktionsschreibkopfes am Schlittenteil.
-
5 ist
eine Darstellung einer alternativen Sondenspitze mit zwei magnetischen
Oberflächen und
zeigt die Magnetisierungsrichtungen der beiden Oberflächen zur
Erzeugung eines magnetischen Flusses am äußersten Ende der Spitze.
-
6A ist
eine schematische Darstellung einer nicht abgeschirmten Spule in
einem Wechselstrom-MFM-System und zeigt die Wechselwirkung mit der
magnetischen Probe.
-
6B ist
eine schematische Darstellung der Sonde der vorliegenden Erfindung
und zeigt, wie die Felder der Spule vom Prinzip her vor der Wechselwirkung
mit der magnetischen Probe abgeschirmt werden.
-
7 ist
eine seitliche Querschnittsansicht einer alternativen Ausführungsart
der Wechselstrom-MFM-Sonde als integrierter Bestandteil eines einteiligen
Sondenauslegerarms.
-
Das
Magnetkraftmikroskopie-System (MFM) der vorliegenden Erfindung ist
in 1 schematisch dargestellt. Das MFM-System beinhaltet
die MFM-Sonde 10 der vorliegenden Erfindung, welche an
einem biegsamen Auslegerarm 50 angebracht ist. In 1 sind
die Sonde 10 und der Auslegerarm 50 in zwei Extremstellungen
dargestellt, und zwar eine in unmittelbarer Nähe der Oberfläche einer
Probe 60 und die andere am weitesten von der Oberfläche der Probe 60 entfernt.
Bei der Probe 60 kann es sich um ein beliebiges magnetisches
Material handeln, das in 1 als eine Probe einer in senkrechter
Richtung aufzeichnenden magnetischen dünnen Schicht dargestellt ist.
-
Die
Probe 60 liegt auf einer herkömmlichen XYZ-Abtastvorrichtung,
wie sie in MFM-Systemen verwendet wird. Bei der XYZ-Abtastvorrichtung
handelt es sich um ein piezoelektrisches System, das in XY-Richtung
bewegt wird, sodass man die Spitze 20 der Sonde 10 an
verschiedenen XY-Stellen über der Probe 60 positionieren
kann. Der Abstand zwischen der Spitze 20 der Sonde 10 und
der Oberfläche
der Probe wird durch die Abtastvorrichtung konstant gehalten, welche
die Lage der Probe 60 in Z-Richtung steuert. Es gibt auch
MFM-Systeme, bei denen die Probe fest angeordnet ist und der Auslegerarm
mit der Sonde an einer XYZ-Abtastvorrichtung angebracht ist. Die
Sonde 10 enthält
auch eine elektrisch leitende Spule 11, die mit einem Modulator 70 verbunden
ist. Bei dem Modulator 70 handelt es sich um einen handelsüblichen
Impulsgenerator wie zum Beispiel um den Impuls/Funktionsgenerator
Modell 8116A von Hewlett-Packard, der Stromimpulse mit einer konstanten
Frequenz wo für
die Spule 11 erzeugt.
-
Bei
dem MFM-System in 1 handelt es sich mithin um
ein Wechselstrom-MFM-System. Eine Laserlichtquelle 74 erzeugt
einen auf die Rückfläche des
Auslegerarms 50 gerichteten Laserstrahl, der vom Auslegerarm 50 reflektiert
und durch einen Quadrantendetektor 76 empfangen wird. Ein
phasenempfindlicher Verstärker 78 misst
die Phase und die Spitze-zu-Spitze-Amplitude (Amplitude zwischen Maximal-
und Minimalwert) des vom Quadrantendetektor 76 kommenden
Eingangssignals bei der Frequenz ω0.
Der Ausgangswert des phasenempfindlichen Verstärkers 78 entspricht
den Daten, welche das von der Sonde 10 kommende Signal
repräsentieren.
Dieses Signal entspricht der Kraft, die sich aus der Wechselwirkung
zwischen den Magnetfeldern der magnetischen Domänen der Probe 60 und
dem Magnetfeld an der Sondenspitze 20 infolge Magnetisierung
der Sondenspitze 20 durch die Spule 11 ergibt.
-
Alternativ
zum Laserreflexionsverfahren kann man die Ablenkung des Auslegerarms 50 auch mittels
der bekannten AFM-Messverfahren
auf der Grundlage von Tunnelstrommessung, Kapazitätsmessung,
Lichtwellenleiter-Interferometrie und piezoelektrischer Widerstandsmessung
bestimmen. Die Verwendung von Tunnelstrommessungen zur Bestimmung
der Ablenkung des Auslegerarms in einem MFM-System wird in der US-Patentschrift
5 266 897 von IBM beschrieben. Die Verwendung eines kapazitiven
Ablenkungsdetektors wird von C.M. Mate et al. in „Atomic
Force Microscopy Studies of Frictional Forces and of Force Effects
in Scanning Tunnelling Microscopy", J. Vac. Sci. Technol. A, 1988, Bd.
6, S. 575, beschrieben. Die Verwendung eines interferometrischen
Ablenkungs-Nachweisverfahrens mit Lichtwellenleitern wird von D.h.
Rugar et al. in „Force Microscope
Using a Fibre-Optic Displacement Sensor", Rev. Sci. Instr., 1988, Bd. 59, S.
2337, beschrieben.
-
Die
Verwendung eines piezoresistiven AFM-Auslegerarms wird in der US-Patentschrift
5 345 815 der Stanford University beschrieben. Der piezoresistive
Auslegerarm besteht aus einkristallinem Silicium, in welches ein
Dotand implantiert ist, um längs
des Auslegerarms einen piezoresistiven Bereich zu erzeugen, sodass
im Auslegerarm durch die Ablenkung seines freien Endes mechanische
Spannungen erzeugt und sich damit der elektrische Widerstand im
piezoresistiven Bereich proportional zur Ablenkung des Auslegerarms ändert.
-
Im
praktischen Einsatz wird das MFM-System vor der Messung der Probe
eingerichtet, indem zuerst die Sondenspitze 20 mit der
Oberfläche
der Probe 60 in Kontakt gebracht wird. Dann bewegt die Abtastvorrichtung
die Probe schnell entlang einer Zeile in einer Abtastrichtung (normalerweise
in X- oder Y-Richtung). Dann werden die Ausgangssignale des Quadrantendetektors 76.
ohne Modulation seitens des Modulators 70 als Oberflächenprofil
entlang der Abtastzeile aufgezeichnet und anschließend als Bezugswert
für den
Wert der Z-Richtung der Abtastvorrichtung aufgezeichnet. Dann wird
die Abtastvorrichtung in Z-Richtung um etwa 10 bis 50 nm von der Sondenspitze 20 abgesenkt.
Während
des Abtastvorgangs wird entsprechend dem aufgezeichneten Profil
der Abstand zwischen der Sondenspitze 20 und der Oberfläche der
Probe 60 im Wesentlichen konstant gehalten.
-
Während die
Abtastvorrichtung entlang einer Zeile die Probe überstreicht, schaltet der Modulator 70 den
Strom mit einer Frequenz wo, um die Magnetisierung der Sondenspitze 20 zwischen
den entgegengesetzten Richtungen hin- und herzuschalten.
-
Dann
wird die Sondenspitze 20 entsprechend der Stärke und
der Richtungen der aus den Bereichen der Probe 60 entlang
der Abtastzeile kommenden Magnetfelder zwischen den beiden Extremstellungen
nach unten und oben abgelenkt. Der Quadrantendetektor 76 erfasst
während
des Abtastvorgangs die Ablenkung des Auslegerarms und liefert ein
Signal zum phasenempfindlichen Verstärker 78. Der phasenempfindliche
Verstärker 78 ermittelt
die Phase und die Spitze-zu-Spitze-Amplitude des vom Quadrantendetektor 76 gelieferten
Signals bei der Frequenz wo. Am Ausgang des phasenempfindlichen Verstärkers 78 liegt
dann der tatsächliche
Wert s an. In 1 sind diese Datenwerte unterhalb
der XYZ-Abtastvorrichtung in Übereinstimmung
mit den durch Pfeile gezeigten Richtungen der Magnetfelder der Probe 60 dargestellt.
Der Wert s an jeder Stelle XY gibt somit das Vorzeichen und die
Stärke
der Magnetfelder in der Probe 60 an den entsprechenden Punkten
der Oberfläche
der Probe 60 an. Bei der bevorzugten Ausführungsart,
bei der die Spule 11 in Dünnschichttechnik auf einem
herkömmlichen
Induktionsschreibkopf ausgeführt
ist, wird der Strom der Spule 11 zwischen einem positiven
und einem negativen Stromwert im Bereich von ungefähr 40 bis
100 mA moduliert.
-
2A stellt
eine seitliche Querschnittsansicht der am Auslegerarm 50 angebrachten
Sonde 10 dar. Bei der bevorzugten Ausführungsart umfasst die Sonde 10 einen
Teil eines herkömmlichen
luftgelagerten Schlittens, wie er bei Plattenlaufwerken zur magnetischen
Aufzeichnung verwendet wird. Der Schlitten hat an seinem hinteren
Ende einen Induktionsschreibkopf, der aus einem Polpaar und einer
Induktionsspule besteht.
-
Die
Spule und die Pole werden mittels herkömmlicher lithographischer Verfahren
hergestellt, wie sie bei der Herstellung von Dünnschicht-Induktionsschreibköpfen bekannt
sind. 2A zeigt einen solchen Dünnschicht-Induktionsschreibkopf
mit einem Teil 12 eines Schlittenkörpers und einem Polpaar P1
und P2, die durch einen unmagnetischen Zwischenraum 14 voneinander
getrennt sind. Die Pole P1 und P2 sind so miteinander verbunden,
dass sie ein Joch bilden, durch das die Spule 11 hindurchtritt.
Die Querschnitte der Windungen der Spule 11 sind in 2A in
Draufsicht zu sehen. Wenn ein Strom durch die Spule 11 fließt, wird
im Joch ein Magnetfeld induziert und zwischen den Polen P1 und P2 über den
Zwischenraum 14 hinweg ein magnetischer Fluss erzeugt,
wie dies auch bei dem herkömmlichen Dünnschicht-Induktionsschreibkopf
der Fall ist. Die Spule 11 kann entweder wie in 2A um
oder durch das die Pole verbindende Joch oder um einen der Pole „gewickelt" werden, aber bei
allen Ausführungsarten
befindet sich mindestens ein Teil der Spule zwischen den Polen,
sodass der Spulenstrom einen magnetischen Fluss zwischen den Polenden
induzieren kann.
-
Bei
dem Material des Schlittenkörpers
handelt es sich normalerweise um einen Verbundwerkstoff aus Aluminiumoxid/Titancarbid.
Das Füllmaterial im
Zwischenraum 14 besteht üblicherweise aus Aluminiumoxid.
Als Material für
die Pole verwendet man vorzugsweise Permalloy (Ni-Fe), jedoch sind
auch andere Ni-Fe- oder Fe-Ni-Legierungen möglich. Die Spule 11 besteht
aus Kupfer oder einem anderen geeigneten elektrisch leitenden Material.
Der Schlitten hat ein hinteres Ende 18, an welchem der
herkömmliche
Induktionsschreibkopf mittels lithographischer Verfahren gebildet
wurde. Der Schlitten ist jedoch entlang der Ebene 19 als
Scheibe ausgebildet, sodass nur ein Teil des Schlittens den Körper 12 der Sonde 10 bildet.
Die Spule 11 und der Pol P1 sind in der Draufsicht von 2B am
hinteren Ende des Körpers 12 gezeigt.
-
Eine
zumindest mit einem der Pole P1 und P2 und vorzugsweise auch mit
der Endfläche
des Zwischenraums 14 in Kontakt befindliche Spitze 20 ragt
aus der Luftlagerfläche
(airbearing surface, ABS) des Schlittens im Bereich der Enden der
Pole P1 und P2 hervor. Die Sondenspitze 20 hat mindestens
eine Fläche
oder Seite 22, die sich in Kontakt mit einem der Pole (P2
in 2A) befindet und aus einem magnetischen Material
gebildet ist. Die gezeigte Form der Sondenspitze 20 ist
im Allgemeinen konisch, kann jedoch wie im Folgenden erläutert je nach
dem verwendeten Fertigungsverfahren eine andere Form annehmen.
-
2A und 2B ist
zu entnehmen, dass durch die Spule 11 ein Strom vom Modulator 70 (1)
fließt
und dadurch ein Magnetfeld induziert wird, welches die Magnetisierung
der Polspitze 20 mit der magnetischen Oberfläche 22 verursacht,
die in eine bevorzugte Richtung zeigt. Wenn der Modulator 70 die
Richtung des durch die Spule fließenden Stroms umschaltet, kehrt
sich die Magnetisierungsrichtung der Sondenspitze 20 um.
Diese beiden magnetischen Zustände
sind in 3A und 3B schematisch
dargestellt.
-
Die
Sonde 10 und der Auslegerarm 50 werden wie folgt
gefertigt. Aus einem herkömmlichen luftgelagerten
Schlitten, der für
den Einbau in ein herkömmliches
Plattenlaufwerk zur magnetischen Aufzeichnung bereitsteht, wird
entlang der Ebene 19 (2A) eine
Scheibe geschnitten, welche einen Sondenkörper 12 bildet. Der
Sondenkörper 12 wird mittels
eines herkömmlichen
Epoxidharzklebers auf einem Auslegerarm 50 aus Siliciumnitrid
befestigt.
-
Bei
dem Auslegerarm 50 kann es sich um einen handelsüblichen
AFM-Auslegerarm wie z.B. von Digital Instruments oder Park Scientific
handeln. Der Auslegerarm 50 kann alternativ auch aus anderen Materialien
wie zum Beispiel aus einkristallinem Silicium mit Halbleiterqualität gebildet
werden. Der am Auslegerarm 50 befestigte Sondenkörper 12 wird dann
so in ein Rasterelektronenmikroskop (scanning electron microscope,
SEM) eingebaut, dass die Luftlagerfläche des Körpers 12 mit dem Zwischenraum 14 und
den freiliegenden Enden der Pole P1 und P2 in Richtung der Elektronstrahlquelle
des Rasterelektronenmikroskops zeigen. Dann wird von den Polenden
und dem Polzwischenraum ein herkömmliches SEM-Bild
aufgenommen. Dann wird der Elektronenstrahl genau auf die Mitte
des Polzwischenraums 14 justiert. Während der Elektronenstrahl
auf diese Stelle fokussiert bleibt, scheiden sich Restgase und Material
in der Vakuumkammer des Rasterelektronenmikroskops in Form einer
nadelförmigen
oder allgemein konischen Spitze im Bereich des Polzwischenraums
ab. Das oben beschriebene Abscheidungsverfahren wird als elektronenstrahlinduzierte
Abscheidung (electron beam-induced deposition, EBID) bezeichnet
und ist in der Technik bekannt. Das EBID-Verfahren wird zur Herstellung
von RFM-Spitzen in der US-Patentschrift 5 171 992 von IBM beschrieben,
deren 5 die SEM-Vorrichtung zum Aufwachsen solcher Spitzen
schematisch zeigt. Üblicherweise
weist das zur Bildung der Spitze verwendete Material eine Kohlenstoffmatrixstruktur
mit eingelagerten Metallpartikeln auf und wird in der Patentschrift '992 beschrieben.
-
4 ist
eine perspektivische Ansicht des Endteils des Sondenkörpers 12 und
zeigt die Spitze 20 nach dem Aufwachsen in der beschriebenen
Weise auf dem Polzwischenraum 14 und mindestens einem der
Polenden. Die auf diese Weise aufgewachsene Sondenspitze 20 hat
eine Länge
von ungefähr 1
bis 2 μm.
-
Alternativ
kann man die Sondenspitze 20 auf das Ende des Polzwischenraums 14 und
die Enden der Pole P1, P2 aufbringen, indem man das gewünschte Material
durch Verdampfen, Sputtern oder Galvanisieren durch eine lithographische
Maske abscheidet und das abgeschiedene Material mittels eines fokussierten
Ionenstrahls (focused ion beam, FIB) abätzt, um so die Spitze 20 mit
der gewünschten Form
zu erzeugen. Mittels dieses Verfahrens kann man die Sondenspitze 20 auch
komplett aus magnetischem Material herstellen und nur mit dem Polzwischenraum
und einem der Pole in Kontakt bringen, sodass der magnetische Fluss
auf des Ende der Sondenspitze konzentriert werden kann.
-
Dann
wird der Auslegerarm 50 mit der Sonde 10 und der
daran befindlichen Spitze 20 so in eine Vakuumbeschichtungsanlage
gebracht, dass die Längsrichtung
der Spitze 20 allgemein senkrecht auf die Quelle des Materials
ausgerichtet ist, mit dem sie beschichtet werden soll. Aus Richtung
der Materialquelle wird eine Schicht aus magnetischem Material wie
zum Beispiel Cobalt auf der Spitze 20 abgeschieden und
bildet auf mindestens einer Seite der Spitze 20 die Oberflächenschicht 22 aus
ferromagnetischem Material. Bei der bevorzugten Ausführungsart werden
zuerst 16 nm Cobalt und anschließend 3 nm Platin abgeschieden.
Das Platin dient als Korrosionsschutz für das darunter liegende Cobalt.
Die Cobalt- und
die Platinschicht bilden die in 3A und 3B gezeigte
Oberfläche 22.
Die Cobalt- und die Platinschicht können auch durch herkömmliche
Verdampfung oder durch Sputtern abgeschieden werden. Gemäß 2A ist
es wichtig, dass sich die magnetische Oberfläche 22 an der Spitze 20 in
Kontakt mit mindestens einem der Pole P1 oder P2 befindet, sodass
der magnetische Fluss von diesem Pol über die magnetische Oberfläche 22 der
Spitze 20 auf das Ende der Spitze ausgerichtet wird.
-
Die
magnetische Oberfläche 22 der
Sondenspitze 20 kann auch einem beliebigen ferromagnetischen
Material wie zum Beispiel Eisen, Cobalt und Nickel sowie deren Legierungen,
darunter z.B. CoPtCr, NiFe und SmCo, gebildet werden. Die magnetische
Oberfläche
kann auch aus paramagnetischen Materialien wie zum Beispiel Pd und
Pt und aus superparamagnetischen Materialien wie zum Beispiel kleinen
(ca. 4 nm Durchmesser) Fe-, Ni- und Co-Partikeln gebildet werden.
-
Bei
einer alternativen Ausführungsart
der Sondenspitze ist die magnetische Oberfläche der Sondenspitze in zwei
gegenüberliegende
Bereiche aufgeteilt. 5 zeigt, dass zwei Oberflächen 23, 24 einer
Sondenspitze 20' mit
ferromagnetischem Material beschichtet sind. Bei dieser Ausführungsart
ist das Ende der Spitze entfernt worden, sodass sich am Ende der
Spitze zwischen den beiden Oberflächen 23, 24 kein
ferromagnetisches Material befindet. Dadurch kann der magnetische
Fluss das Ende der Spitze von der einen magnetischen Oberfläche 23 zur
anderen magnetischen Oberfläche 24 überbrücken. Bei
dieser Ausführungsart
ist jede Oberfläche 23, 24 so
ausgebildet, dass sie sich in Kontakt mit einem entsprechenden Pol
befindet.
-
Der
Vorteil der vorliegenden Erfindung ist in 6A und 6B gezeigt.
Nach dem in 6A gezeigten Stand der Technik
verursacht die Einwirkung eines Magnetfeldes von einer nicht abgeschirmten
Spule 82 entweder auf den (nicht gezeigten) Auslegerarm
oder auf die Sondenspitze 80 gemäß der Beschreibung in der US-Patentschrift
5 436 448 nach dem Stand der Technik und der Darstellung in 7 derselben Patentschrift
eine Wechselwirkung des magnetischen Streufeldes der Spule 82 mit der
magnetischen Probe 60.
-
In 6B hingegen
ist das Feld der Spule 11 der vorliegenden Erfindung durch
das die Spule umgebende Material einschließlich des Materials des Polzwischenraums 14 und
der Pole P1, P2 abgeschirmt, sodass das einzige auf die Probe 60 einwirkende
Magnetfeld genau in dem Bereich am Ende der Sondenspitze 20 lokalisiert
ist, wo das Magnetfeld mit einem kleinen Bereich der magnetischen
Probe 60 wechselwirken kann.
-
Alternativ
zu der oben beschriebenen aus dem Auslegerarm und der daran angebrachten
Sonde bestehenden Auslegerarmanordnung kann man die Auslegerarmanordnung
aus einem einzigen Stück
herstellen. Zum Beispiel zeigen 3 und 10 eine Kontaktsonde mit integrierter
Aufhängung
in einem Induktionsschreibkopf zur magnetischen Kontaktaufzeichnung,
wie sie in der US-Patentschrift 5 454 158 von IBM gezeigt und beschrieben
wird. 7 zeigt eine derartige Struktur zur Verwendung
im Rahmen der vorliegenden Erfindung, die im Wesentlichen der Struktur
von 10 der Patentschrift '158 entspricht, in
der die Abriebschutzschicht entfernt und die Sondenspitze 140 im
Polzwischenraum 142 zwischen den Polen 143, 144 gebildet
wurde. Bei dieser Ausführungsart
ist die Spitze 140 so gebildet, dass sie sich in Kontakt
mit dem Ende mindestens eines der Pole 143, 144 befindet
und den Polzwischenraum 142 überdeckt. Bei der Struktur von 7 handelt
es sich um eine integrierte Auslegerarmanordnung, bei der die Spule 126 in
einer im Allgemeinen zum Auslegerarm 132 parallelen Ebene liegend
und durch das die beiden Pole 143, 144 verbindende
Joch gewickelt gezeigt ist. Bei dieser Ausführungsart wird die integrierte
Auslegerarmanordnung praktisch in derselben Weise wie in der Patentschrift '158 beschrieben gefertigt,
wobei lediglich der Auslegerarm 132 wesentlich dünner ausgeführt ist, um
für die
Verwendung in einem MFM-System eine größere Biegsamkeit bereitzustellen.
-
Die
Spule 126 ist mit der im Auslegerarm 132 gebildeten
elektrischen Leitung 128 verbunden, und diese endet an
der Kontaktfläche 130,
von der aus eine elektrische Verbindung zum Modulator 70 (1)
hergestellt werden kann. Eine Abriebschutzschicht ist hier nicht
erforderlich, da die Oberfläche
in der Umgebung der Spitze 140 bei MFM-Anwendungen berührungsfrei
bleibt. Die Sondenspitze 140 und die magnetische Oberfläche auf
der Spitze sind in der oben für
die in 2A und 2B gezeigte
Ausführungsart
beschriebenen weise gebildet. Alternativ kann man die Sondenspitze 140 mittels
fotolithografischer und Ätzverfahren
bilden, welche die letzten Schritte bei der Fertigung der gesamten
Struktur darstellen. Die integrierte Auslegerarmanordnung der vorliegenden
Erfindung kann auch unter Verwendung des Herstellungsverfahrens
und der Struktur des in der US-Patentschrift
5 486 963 von IBM gezeigten und beschriebenen Induktionsaufzeichnungskopfes mit
integrierter Aufhängung
gefertigt werden. Bei dem Patent '963 besteht die Spulenschicht aus zwei Teilen,
und einer der Pole ist zwischen den beiden Teilen der Spulenschicht
gebildet, sodass die Spule um einen der beiden Pole gewickelt ist.
-
Der
Auslegerarm kann aus Siliciumnitrid gebildet werden. Die Auslegerarmanordnung
kann Folgendes umfassen:
einen im Allgemeinen eben geformten
flexiblen Auslegerarm;
eine Schicht aus einem magnetischen
Material, die in der Nähe
eines Endes des Auslegerarms als Joch auf dem Auslegerarm gebildet
ist, wobei das Joch zwei Pole aufweist;
eine Schicht aus einem
elektrisch leitenden Material, die auf dem Auslegerarm gebildet
und als Spule zwischen den Polen strukturiert ist; und
eine
an einem Ende eines der Pole angebrachte Sondenspitze, die sich
vom freien Ende des Auslegerarms aus in einer zur Ebene des Auslegerarms
im Allgemeinen senkrechten Richtung erstreckt, wobei die Sondenspitze
eine Oberfläche
aus magnetischem Material hat; wobei das im Joch induzierte Magnetfeld
in der Sondenspitze ein magnetisches Wechselfeld erzeugt, wenn die
Spule mit einer elektrischen Wechselstromquelle verbunden wird.
-
Die
oben erwähnte
als Spule strukturierte Schicht aus elektrisch leitendem Material
kann aus zwei Schichtbereichen gebildet werden, wobei die Schicht
aus dem magnetischen Material in Form eines Jochs zwischen den beiden
Schichtbereichen der Spule liegt.
-
Obwohl
die bevorzugten Ausführungsarten der
vorliegenden Erfindung detailliert dargestellt wurden, ist klar,
dass man an der Erfindung Änderungen und
Verbesserungen anbringen kann, ohne von dem in den folgenden Ansprüchen definierten
Geltungsbereich der Erfindung abzuweichen.