DE69823578T2

DE69823578T2 - Sonde für ein Magnetkraftmikroskop

Info

Publication number: DE69823578T2
Application number: DE69823578T
Authority: DE
Inventors: Andreas San Jose Moser; Dieter Klaus San Jose Weller
Original assignee: International Business Machines Corp
Current assignee: International Business Machines Corp
Priority date: 1997-03-20
Filing date: 1998-02-16
Publication date: 2006-03-23
Anticipated expiration: 2018-02-17
Also published as: DE69823578D1; EP0866307B1; EP0866307A2; US5900729A; EP0866307A3; JPH11166936A

Description

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.

Claims

Sonde (10) für ein Magnetkraftmikroskop, welche Folgendes umfasst: einen Sondenkörper; ein aus einem magnetischen Material gebildetes Polpaar (P1, P2) am Sondenkörper; eine Schicht auch einem elektrisch leitenden Material, welche am Sondenkörper zwischen den Polen (P1, P2) gebildet und als Spule (11) strukturiert ist; und eine an einem der Polenden (P2) angebrachte Sondenspitze (20), welche eine Oberfläche aus einem magnetischen Material (22) aufweist; wobei in der Sondenspitze (20) ein magnetisches Wechselfeld erzeugt wird, wenn die Spule an eine elektrische Wechselstromquelle angeschlossen wird.
Sonde nach Anspruch 1, bei welcher die magnetische Oberfläche der Sondenspitze (20) aus einem ferromagnetischen Material aus der Gruppe Cobalt, Eisen, Nickel sowie Legierungen von Cobalt, Eisen oder Nickel besteht.
Sonde nach Anspruch 1, bei welcher die magnetische Oberfläche der Sondenspitze (20) im Wesentlichen aus einem paramagnetischen oder aus einem superparamagnetischen Material besteht.
Sonde nach Anspruch 1, bei welcher die Sondenspitze (20) an den Enden beider Pole (P1, P2) angebracht ist und zu der magnetischen Oberfläche zwei Oberflächenbereiche (23, 24) gehören, welche beide mit einem entsprechenden Pol (P1, P2) in Kontakt stehen, und bei welcher das Ende der Sondenspitze (20) nichtferromagnetisch ist.
Sonde nach Anspruch 1, bei welcher die Sondenspitze (20) im Allgemeinen eine konische Form aufweist, deren Grundfläche sich am Ende des Pols (P1, P2) befindet und deren Spitze von der Grundfläche weg zeigt.
Sonde nach Anspruch 1, bei welcher im wesentlichen die gesamte Sondenspitze (20) aus einem magnetischen Material gebildet ist und sich nur mit einem der Pole (P1, P2) in Kontakt befindet.
Sonde nach Anspruch 1, bei welcher der Sondenkörper einen Teil eines Plattenlaufwerkschlittens zur Magnetaufzeichnung mit einer Luftlagerfläche (air-bearing surface, ABS), bei welcher die Pole (P1, P2) und die strukturierte Spule (11) einen Dünnschicht-Induktionsschreibkopf am hinteren Ende des Schlittens darstellen und die Sondenspitze (20) an einem der Pole (P1, P2) nahe der Luftlagerfläche des Schlittens angebracht ist.
Sonde nach Anspruch 1, bei welcher die Spule (11) um einen der Pole (P1, P2) gewickelt ist.
Sonde nach Anspruch 1, bei welcher die beiden Pole (P1, P2) so miteinander verbunden sind, dass sie ein Joch bilden, um welches die Spule (11) gewickelt ist.
Auslegerarmanordnung zur Verwendung in einem Magnetkraft-Mikroskopsystem auf Wechselstrombasis, wobei die Auslegerarmanordnung Folgendes umfasst: einen biegsamen und im Allgemeinen eben geformten Auslegerarm; und eine Sonde nach einem der Ansprüche 1 bis 9, welche sich nahe einem ersten Ende des Auslegerarms befindet.