JP5173472B2 - 磁界校正方法 - Google Patents

Description

本発明は、磁界印加可能なプローバを用い磁気素子を測定する際に、このプローバに対して磁界校正を行う方法に関する。

強磁性磁気抵抗素子（ＭＲ素子）を利用したセンサは、磁場を検出するセンサとして知られており、ＩＣと集積化された磁気スイッチ等の分野で幅広く使用されている。
この種の磁気センサの特性をウエハレベル状態で測定するため、磁界印加装置が装着された磁界プローバが使用されている。測定の概要を図４に示す。

磁界プローバ３０は、磁界印加装置３１とプローバ、制御系から構成され、ステージ３２上に載置されたサンプル素子３３に対してある磁界を印加したときの出力を測定する。磁界プローバは、磁界印加装置を除いて、外部磁界の影響を抑えるため非磁性材料で構成される。磁界印加装置の精度は、特性値を保証するために極めて重要であり、その校正は定期的に行う必要がある。なお、磁界印加装置は、通常電流源によって駆動され、校正は電流値と磁界の値の関係式を求めることである。

例えばある磁界でスイッチング動作を行う磁気スイッチを評価する。図５（ａ）は、ＭＲ素子を用いた２出力タイプの磁気スイッチの例と、図５（ｂ）はそのブロックダイアグラムである。磁気スイッチ４０は、４組のメアンダ状ＭＲ素子４１からなるブリッジ構造（ＭＲブリッジ４２）と、そのブリッジ電圧の出力があるしきい値を超えた際にスイッチング動作を行うコンパレータ回路４３、電源等から構成される。ブリッジ電圧は磁界の値に対応して上下する。

図５（ｂ）に示すように、印加磁場が０のとき、出力電圧は約３Ｖ（Hi-Level）を示し、印加磁場の増加に伴い、ある磁場で電圧は０Ｖ（Low-Level） に変化する（すなわちスイッチング動作）。また、印加磁場を減少させると、ある磁場で出力電圧は０Ｖから３Ｖ（Hi-Level）に変化する。評価は、磁界の増減に対してスイッチングする磁界を求めることで行われるため、印加される磁界の精度は重要となる。

磁界の印加は、例えば、磁界印加装置が取り付けられたプローバにより行われる（例えば、特許文献１）。磁界印加装置は、例えば図６に示すような高透磁率材料からなるポールピースを用いて、試料近傍まで磁界を誘導する。なお、図６（ａ）は、磁界印加装置３１の断面図であり、図６（ｂ）は平面図である。
印加される磁界の精度が重要であることから、磁界の校正作業が必要となる。磁界の校正とは、磁界印加装置に印加する電流と実際に印加される磁界の関係を求めることで、一般的にはホールセンサを用いて校正が行われる。

ここで、ホールセンサは一方向の磁界成分のみを検出し、別の方向からの磁界の影響は受けない。ところが、図６のようなポールピースを用いて例えばＹ方向の磁界を印加した際、わずかながらＸ方向の成分も印加されてしまう。ＭＲセンサは磁界検知方向とそれと面内直交方向の磁界の影響も受けるため、面内直交方向の磁界成分が存在すると、ブリッジ電圧の出力が減少し、結果的にスイッチング磁界の上昇を引き起こすため、実動的に印加磁界が下がってしまうことが問題となっていた。

例えば、ＭＲ素子とホール素子とで磁界プローバの磁界印加装置を測定した結果を図７に示す。ＭＲ素子とホール素子は、予めヘルムホルツコイルで磁界とブリッジ電圧の関係を求めてある。ＭＲ素子で測定した場合は、ホール素子と比較して同一の電流値での磁界の値が小さいことから、Ｘ方向成分の影響を受けていることがわかる。
特許第３０５４４５８号公報

本発明は、このような従来の実情に鑑みて考案されたものであり、磁界検知方向と異なる方向の磁界成分について出力が影響される磁気素子について、磁界方向の出力を正確に測定することができ、磁界一電流値を正確に校正可能な磁界校正方法を提供することを目的とする。

本発明の請求項１に記載の磁界校正方法は、磁気検知方向、素子面内方向、及び素子面に対して垂直方向の磁界成分について出力が影響される被測定物である第一磁気素子を、磁界印加可能なプローバで測定するに際し、磁気検知方向、素子面内方向、及び素子面に対して垂直方向の磁界成分について出力が影響される校正用の第二磁気素子を用いて、前記磁界印加可能なプローバの磁界校正を行う磁界校正方法であって、前記プローバの磁界校正を行うために、ヘルムホルツコイルを用い予め測定された、前記第二磁気素子のブリッジ電圧の磁界依存性のグラフを用いることを特徴とする。
本発明の請求項２に記載の磁界校正方法は、請求項１において、前記第二磁気素子として、磁気抵抗素子を用いることを特徴とする。
本発明の請求項３に記載の磁界校正方法は、請求項１又は２において、前記第二磁気素子として、４組の抵抗からなるブリッジ構造を形成しているものを用いることを特徴とする。
本発明の請求項４に記載の磁界校正方法は、請求項１乃至３のいずれか一項において、前記第一磁気素子の形状と略同一の形状を有する前記第二磁気素子を用いることを特徴とする。
本発明の請求項５に記載の磁界校正方法は、請求項１乃至４のいずれか一項において、前記第一磁気素子の組成と略同一の組成を有する前記第二磁気素子を用いることを特徴とする。
本発明の請求項６に記載の磁界校正方法は、請求項１乃至５のいずれかにおいて、前記第二磁気素子を、前記磁界印加可能なプローバのステージ上又はプローバ内に配することを特徴とする。

本発明では、磁気検知方向、素子面内方向、及び素子面に対して垂直方向の磁界成分について出力が影響される第二磁気素子を校正に用いることで、磁界検知方向と異なる方向の磁界成分について出力が影響される被測定物である第一磁気素子について、磁界方向の出力を正確に測定することができる。そして本発明では、その測定結果に基づいて校正することで、プローバの磁界一電流値を正確に校正可能な磁界校正方法を提供することが可能となる。

以下、本発明の磁界校正方法について説明する。

本発明の磁界校正方法は、磁気検知方向、素子面内方向、及び素子面に対して垂直方向の磁界成分について出力が影響される被測定物である第一磁気素子を、磁界印加可能なプローバで測定するに際し、磁気検知方向、素子面内方向、及び素子面に対して垂直方向の磁界成分について出力が影響される校正用の第二磁気素子を用いて、前記磁界印加可能なプローバの磁界校正を行うことを特徴とする。

本発明では、磁気検知方向、素子面内方向、及び素子面に対して垂直方向の磁界成分について出力が影響される第二磁気素子を校正に用いることで、磁界検知方向と異なる方向の磁界成分について出力が影響される被測定物である第一磁気素子について、磁界方向の出力を正確に測定することができる。そして本発明では、その測定結果に基づいて校正することで、プローバの磁界一電流値を正確に校正可能である。
以下、各工程について詳しく説明する。なお、以下の説明において挙げる数値はあくまでも一例であり、これに限定されないことは言うまでもない。

（１）まず、校正用の第二磁気素子を用い、４組の抵抗からなるブリッジ構造を形成する（以下、「校正サンプル」とも呼ぶ。）。図１は、第二磁気素子を用いて構成された校正サンプルの一例を示す図であり、（ａ）は平面図、（ｂ）は断面図である。
この校正サンプル１０は、シリコン等からなる基板１１上に、校正用の第二磁気素子１２が形成されてなる。ここで校正サンプルに用いる第二磁気素子１２として磁気抵抗素子（ＭＲ素子）を用いる。ＭＲ素子を用いることで、ガウスメータに使われるホール素子と比較して、高分解能である。また、ホール素子は一軸方向のみの磁界を検知するが、ＭＲ素子は平面方向に感度を持つため、Ｚ方向の磁界による影響を受けにくく、面内直交方向の磁界のみを検知することが可能となる。

校正サンプル１０として用いた磁気抵抗素子１２は、４組の抵抗からなるブリッジ構造（ＭＲブリッジ）を形成していることが好ましい。
また、ＭＲブリッジの出力は、その幅、長さ、配置、組成により異なることから、校正用のＭＲブリッジには、被測定物である第一磁気素子（不図示）と同一形状、同一組成の第二磁気素子を用いることが好ましい。これにより、より正確に磁界を検知して、より正確に校正を行うことができる。

例えば図１に示す校正サンプル１０は、Ｓｉ基板上に形成されたＭＲ素子で、Ｌ／Ｓ＝１２．５／２．５μｍ、長さ１６４μｍ、６ターン、組成Ｎｉ：Ｆｅ＝７８：２２（原子量比）のＭＲ素子をブリッジ構造にしたものである。入力抵抗はこの実施例では１０ｋΩ、飽和磁界は約８ｍＴである。

（２）そして、第二磁気素子１２の磁界特性を測定する。
ここで本工程は、前記第二磁気素子１２（校正サンプル１０）をヘルムホルツコイル２０内に配置する工程と、前記ヘルムホルツコイル２０により前記第二磁気素子１２の面内方向に磁界を印加する工程と、を少なくとも有する（図２参照）。

ヘルムホルツコイル２０は電流に比例して、正確な磁界を印加することが可能な装置として知られている。ヘルムホルツコイル２０を用いることにより、磁気抵抗素子に正確な磁界を印加することができ、正確な磁界特性を得ることができる。
また、ヘルムホルツコイルでは、磁界印加方向に対して同心円状に巻回されたコイルを用いて磁界を印加するため、高精度で一方向の磁界印加が可能であり、ＭＲ素子のＹ軸方向の磁界のみに対応するブリッジ出力を得ることが可能となる。

図３は、第二磁気素子１２（校正サンプル１０）の印加磁界に対するブリッジ電圧の変化を示したグラフである。
例えば図２に示すヘルムホルツコイル２０は、この実施例では２．９１８ｍＴ／Ａの電流一磁界依存性を持つ。ヘルムホルツコイル２０を用いて、印加磁界を８ｍＴ印加し、校正サンプル１０を測定したところ、その出力は約４０ｍＶであった。

（３）次に、ヘルムホルツコイル２０で校正した第二磁気素子１２（校正サンプル１０）を用いて、磁界プローバの磁界印加装置を校正する。
具体的には、例えば、ホールセンサで校正された磁界プローバの磁界印加装置で８ｍＴ印加したときのＭＲブリッジの出力電圧は、磁界印加装置のＸ方向磁界成分の影響で、ヘルムホルツコイルで８ｍＴ印加したときのブリッジ出力より低くなる。

そこで、ヘルムホルツコイル２０で８ｍＴ印加したときのブリッジ出力と同一の値となるように、磁界プローバ３０の磁界印加装置３１の電流値を調整する。この電流値をプローバでの８ｍＴの出力とし、各磁界で同様の作業を行い、磁界印加装置の電流値と磁界値のテーブルを作製する。図７に示す「ＭＲ素子による測定結果」が新しいテーブルとなる。

磁界プローバ３０の磁界印加装置３１により、校正サンプル１０を再測定し、ヘルムホルツコイルと比較する。これによりＭＲブリッジに実効的に印加されている磁界を求め、その値で磁界プローバ３０の磁界印加装置３１の磁界一電流値を校正可能である。
このようにヘルムホルツコイル２０により校正サンプル１０を測定することで、校正サンプル１０の―軸磁界方向のみ出力を正確に測定することが可能となる。

また、前記磁界印加可能なプローバのステージ上又はプローバ内で、かつ被測定物が設置されない場所に、校正が終了したＭＲブリッジを配することが好ましい。これにより、再度校正を行う際、迅速な作業が可能となる。

以上、本発明の磁界校正方法について説明してきたが、本発明はこれに限定されるものではなく、発明の趣旨を逸脱しない範囲で、適宜変更が可能である。
また、本発明はＭＲ素子（磁気抵抗素子）に限らず、磁気検知方向と磁気検知方向と素子面内もしくは素子垂直直交方向の磁界成分にも出力が影響される磁気素子全てに有効である

本発明は、磁界校正方法について適用可能である。

磁気抵抗素子を用いて構成された校正サンプルの一例を示す図。 ヘルムホルムコイルを用いて磁気抵抗素子の磁界特性を測定する様子を模式的に示す図。 第一磁気素子の印加磁界に対するブリッジ電圧の変化を示した図。 磁界プローバを用いた、磁気抵抗素子の磁界特性を測定する様子を模式的に示す図。 ２出力タイプの磁気スイッチの回路例と、そのブロックダイアグラム。 磁界プローバの磁界印加装置の一例を模式的に示す図。 ＭＲ素子とホール素子を個別に用い同一の磁界印加装置を測定した結果を示すグラフ。

符号の説明

１０ 校正サンプル、１１ 基板、１２ 第二磁気素子、２０ ヘルムホルツコイル、３０ 磁界プローバ、３１ 磁界印加装置。

Claims (6)

1. 磁気検知方向、素子面内方向、及び素子面に対して垂直方向の磁界成分について出力が影響される被測定物である第一磁気素子を、磁界印加可能なプローバで測定するに際し、
   磁気検知方向、素子面内方向、及び素子面に対して垂直方向の磁界成分について出力が影響される校正用の第二磁気素子を用いて、前記磁界印加可能なプローバの磁界校正を行う磁界校正方法であって、
   前記プローバの磁界校正を行うために、ヘルムホルツコイルを用い予め測定された、前記第二磁気素子のブリッジ電圧の磁界依存性のグラフを用いることを特徴とする磁界校正方法。
2. 前記第二磁気素子として、磁気抵抗素子を用いることを特徴とする請求項１に記載の磁界校正方法。
3. 前記第二磁気素子として、４組の抵抗からなるブリッジ構造を形成しているものを用いることを特徴とする請求項１又は２に記載の磁界校正方法。
4. 前記第一磁気素子の形状と略同一の形状を有する前記第二磁気素子を用いることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか一項に記載の磁界校正方法。
5. 前記第一磁気素子の組成と略同一の組成を有する前記第二磁気素子を用いることを特徴とする請求項１乃至４のいずれか一項に記載の磁界校正方法。
6. 前記第二磁気素子を、前記磁界印加可能なプローバのステージ上又はプローバ内に配することを特徴とする請求項１乃至５のいずれか一項に記載の磁界校正方法。

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