KR102412762B1 - 스핀트로닉 디바이스를 위한 강자성 공명(fmr) 전기 테스트 장치 - Google Patents

스핀트로닉 디바이스를 위한 강자성 공명(fmr) 전기 테스트 장치 Download PDF

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Abstract

홀더 플레이트 상에 장착되고 테스트 위치에서 각각 평면에 수직인 자기장 또는 평면 자기장을 가능하게 하는 하나 또는 2개의 자기극 및 무선 주파수(RF) 프로브를 갖는 스캐닝 강자성 공명(FMR) 측정 시스템이 개시된다. RF 프로브 팁이 전체 WUT(Wafer Under Test) 상의 자기 필름과 접촉하는 동안, 복수의 마이크로파 주파수(fR)가 프로브 팁을 통해 순차적으로 송신된다. 동시에, 자기장(HR)이 접촉된 영역에 인가되어 (HR, fR) 값의 각 쌍에 대해 자기 필름에서 FMR 조건을 유발한다. RF 출력 신호는 자기 필름을 통해 송신되거나 자기 필름으로부터 RF 다이오드로 반사되어 제어기가 1 mm 미만의 영역에 대한 유효 이방성 필드, 선폭, 댐핑 계수 및/또는 불균일 확장을 결정하는데 사용하는 전압 신호로 변환된다. WUT는 사전 프로그래밍된 위치로 이동되어 각 테스트 위치에서 다중 FMR 측정을 가능하게 한다.

Description

스핀트로닉 디바이스를 위한 강자성 공명(FMR) 전기 테스트 장치
관련 특허 출원
본 출원은 2017년 3월 20일 출원된 Docket # HT16-012, 미국 특허 일련 번호 15/463,074와 관련되고, 이는 공통 양수인에게 할당되며 그 전체가 본원에 참조에 의해 통합된다.
기술 분야
본 개시는 직경 1 밀리미터 이하와 같이 작은 영역에서 자기 필름 및 구조물의 자기 특성을 측정하기 위한 시스템 및 이를 수행하는 방법에 관한 것으로, 특히 엔지니어링 또는 제조 환경에서 웨이퍼를 절단할 필요없이 전체 웨이퍼에 걸쳐 필름 및 구조물의 완전 자동화된 FMR 테스팅을 가능하게 하도록 플랫폼 상에 장착되고 전기 프로브 스테이션에 설치된 자기 어셈블리 및 RF 프로브에 관한 것이다.
자기 얇은 필름 및 다층은 자기 하드 디스크(magnetic hard disk; HDD) 드라이브, 자기 랜덤 액세스 메모리(Magnetic Random Access Memory; MRAM), 스핀 토크 발진기(spin torque oscillator; STO) 및 자기 도메인 월(wall) 디바이스와 같은 다양한 유형의 자기 저장 디바이스에서 중요한 역할을 한다. 이러한 디바이스를 개발하고 최적화하기 위하여, 자기 얇은 필름 스택의 모니터링 및 특성화가 필요하다. 다양하고 상이한 자기 특성화 기술이 결정 이방성, 표면 또는 계면 이방성, 자화 포화(Ms), 댐핑 상수(α), 자기 회전비(γ), 불균일 확장, 저항 x 면적(RA), 자기 저항비(magnetoresistive ratio; MR)와 같은 모든 필수 자기 파라미터를 결정하는데 사용되어야 한다.
FMR은 이방성 필드, 자기 회전비(γ), 및 확장된 패터닝되지 않은 필름에서 또는 서브-미크론 패턴닝된 구조의 대형 어레이를 포함하는 영역 상에 자기 필름 및 다층의 댐핑 상수(α)를 측정하는 잘 확립된 방법이다. 강자성 필름의 공명 주파수(fR)는, 아래의 식 (1)에 나타낸 소위 키텔(Kittel) 공식에 의해 주어지며, 여기서 HR은 필름의 평면에 수직으로 인가되는 공명 필드이고, HK는 구조적, 표면, 및정자기 기여도를 포함하는 유효 이방성 필드이며, γ는 자기 회전비이다.
Figure 112020087222311-pct00001
(식 1)
FMR 실험은 마이크로파 여기와 준정적(quasi-static) 자기장의 조합으로 자기 시스템(얇은 필름, 다층 스택 또는 구조화된 디바이스)을 프로빙하여 수행된다. FMR 데이터는 일정한 마이크로파 주파수에서 자기장을 스위핑(sweeping)하거나 일정한 자기장에서 주파수를 스위핑함으로써 얻어진다. 강자성 공명 조건이 달성될 때, 이는 강자성 샘플에 의한 마이크로파(RF 신호)의 강화된 흡수에 의해 검출될 수 있다. 따라서 강자성 공명(FMR) 조건은 자기장과 마이크로파 주파수 값(HR, fR)의 쌍에 의해 정의된다.
강자성 샘플을 마이크로파 여기에 제출하는 방법에는 여러 가지가 있다. 역사적으로, FMR 실험 조건은 관형 도파관을 사용하였고, 샘플은 전자석의 극들 사이의 공진 공동에 배치되었다. 보다 최근에는, 막형 샘플을 분석하기에 매우 적합한 새로운 방법이 개발되었다. 특히, 테스트 대상 웨이퍼(wafer under test; WUT)가,접지된 공면 도파관(grounded coplanar waveguide; GCPWG), 공면 도파관(coplanar waveguide; CPWG), 동축 도파관(co-axial waveguide; CWG), 스트립라인(SL) 또는 마이크로스트립(MS)의 형태일 수 있는 비자성 도파관 송신 라인(non-magnetic waveguide transmission line; WGTL)과 접촉하여 배치된다. WGTL에 의해 송신 또는 반사된 전력은 인가된 자기장 및 마이크로파 주파수의 함수로서 모니터링된다.
도 1a를 참조하면, 출력 전압이 마이크로파 주파수의 5개의 상이한 값(f1-f5)을 사용하여 일정한 마이크로파 주파수에서 가변 자기장의 함수로서 플롯(plot)되는 개략도가 도시되어 있다. 로렌츠형(lorentzian) 피크의 중심과 폭는 여기 주파수의 함수로서 데이터로부터 추출된다. 앞에서 언급한 바와 같이, 중심 필드는 공명 필드(HR)이며, 이는 아래의 식 (2)에서 약간 상이한 형태로 다시 쓰여진, 키텔 공식에 따른 여기 주파수와 관련되며, 여기서 h는 플랑크 상수이고 μB는 보어 마그네트론이다.
Figure 112020087222311-pct00002
(식 2)
마이크로파 주파수에 따른 HR의 변화는 도 1b에 도시되어 있으며, 여기서 곡선(21)을 따르는 각각의 포인트는 도 1a의 로렌츠형 피크(Hr1-Hr5) 중 하나로부터 유도된다. 식 (2)에 의해 나타내어지는 바와 같이, f = 0에 대한 데이터의 외삽(extrapolation)은 유효 이방성 필드(HK)의 값을 제공한다.
공진 피크의 라인폭(L)은 공명 피크의 1/2 진폭(ΔH)에서의 폭이며, 자기화 역학에 포함된 소산 프로세스와 관련된다.
라인폭은 아래의 식 (3)에 따라 여기 주파수와 치수없는 길버트(dimensionless Gilbert) 댐핑 상수에 따르며, 여기서 L0은 불균일 확장이다. 여기 주파수(fR)에 대해 HR 및 L을 피팅함으로써, HK뿐만 아니라 α및 γ가 유도될 수 있다.
Figure 112020087222311-pct00003
(식 3)
동면 도파관 상의 얇은 CoFe 및 CoFeB 필름에서 FMR을 검출하기 위한 네트워크 분석기는, C.Bilzer 등에 의해, Applied Physics 101, 074505 (2007)의 J에서의 "Vector network analyzer ferromagnetic resonance of thin films on coplanar waveguides: Comparison of different evaluation methods"에, 그리고 IEEE Trans. Magn,, Vol. 44, No 11, p. 3265 (2008)에서의 "Open-Circuit One-Port Network Analyzer Ferromagnetic Resonance"에 기술되어 있다. 이들 실험에서, 평면 WGTL 은 일반적으로 마이크로파 전기 프로브에 의해 무선 주파수(RF) 커넥터에 부착되고 전자석의 극들 사이에 배치된다. 따라서, WGTL의 크기(길이 약 5 mm)와 일반적인 전자석의 간격 크기를 고려하면, 작은 크기의 샘플(일반적으로 직경 1 인치 미만)만이 측정될 수 있다. 따라서, 마이크로전자 산업에 일반적으로 사용되는 웨이퍼는(직경 6, 8, 12 인치 이상을 가짐), 작은 쿠폰으로 절단된 경우에만 FMR 기술로 측정될 수 있다.
도 2는 Claus Bilzer, Ph.D. report, Universite Paris Sud - Paris XI, 2007의 "Microwave susceptibility of thin ferromagnetic films: metrology and insight into magnetization dynamics"로부터 재생되며, 종래의 FMR 시스템을 도시한다. 벡터 네트워크 분석기(Vector network analyzer; VNA)(10)는 제1 동축 케이블(1)을 통해 하나의 포트로부터 공면 도파관(CPWG)(6)에 부착된 제1 마이크로파 프로브 부분(2a)으로 연결된다. CPWG의 상부 표면은 기판 상에 장착된 자기 필름(34)에 인접한다. 프로브(2a)로부터의 마이크로파 주파수 및 외부 자기장(3)이 자기 필름을 가로 질러 x-축 방향으로 인가될 때, 송신 모드의 출력 신호는, 제2 포트에서 VTA로 리턴되기 전에 제2 마이크로파 프로브 부분(2b)을 통과한 다음 제2 동축 케이블(5)을 통과한다. 자기 필름 크기 b는 일반적으로 1 인치 이하로 제한되는데, 이는 자기 필름 샘플(4)이 전체 웨이퍼로부터 절단되어야 한다는 것을 의미한다.
종래의 FMR 기술은 파괴적이고 시간 소모적이며, 단면 크기가 실질적으로 1 mm보다 큰 대형 구조물을 측정하는데 제한되기 때문에, 자기 데이터 저장 산업에서 특성화 도구로서 FMR의 광범위한 수용을 막을 정도로 바람직하지 않다. 더 빠른 처리량과 더 낮은 비용을 위해 전체 웨이퍼에서 완전 자동화된 측정을 가능하게 하는 개선된 FMR 측정 시스템 및 기술이 필요하다. 바람직하게는, FMR 시스템은 상업적으로 이용가능한 부품으로 구성될 수 있다. 또한, 개선된 FMR 기술은 직경 1 mm 미만의 필름의 부분에서 자기 특성을 측정하여 종래 기술에서 가능한 것보다 더 작은 테스트 구조물을 측정할 수 있어야 한다.
본 개시의 제 1 목적은 FMR 측정을 위한 완전 자동화 시스템을 제공하여, 측방 크기가 1 mm 미만인 자기 구조물이 테스트 샘플을 준비하기 위해 웨이퍼를 절단하는 것 없이 전체 웨이퍼에 걸쳐 모니터링되고 특성화될 수 있도록 하는 것이다.
본 개시의 제 2 목적은 상업적으로 이용가능한 컴포넌트로부터 쉽게 조립될 수 있는 제 1 목적에 따른 완전 자동화 시스템을 제공하는 것이다.
본 개시의 제 3 목적은 보다 균일한 자기장이 테스트 대상 웨이퍼에 인가될 수 있게 함으로써 측정 동안 데이터 획득의 신뢰성을 향상시키는 FMR 측정 시스템을 제공하는 것이다.
이러한 목적은 전기 프로브 스테이션에 연결된 제어기(컴퓨터) 주위에 구성된 스캐닝 FMR 측정 시스템을 사용하여 본 개시의 일 실시예에 따라 달성된다. 전기 프로브 스테이션은 RF 발생기에 연결된 제 1 커넥터 및 RF 전력 검출기(다이오드)에 연결된 제 2 커넥터를 갖는 RF 프로브를 포함한다. RF 프로브는 홀더 플레이트에 장착된 섀시에 부착되어 FMR 측정 동안 RF 프로브 팁이 테스트 대상 웨이퍼(Wafer Under Test; WUT) 상의 측정될 자기 구조물의 일부분과 접촉하도록 한다. RF 프로브 팁은 G가 접지되고 S가 신호 경로인 일실시예에 따라 GSSG 패턴으로 배열된 두 세트의 프로브로 구성된다. RF 프로브 팁이 WUT 상의 자기 구조물과 접촉하면, 자기장이, 접촉 영역에 인가되고, RF 프로브 위의 홀더 플레이트에 또한 장착된 자기극으로부터 생성된다. 웨이퍼 척은, 측정 동안 WUT를 정지 상태(stationary)로 유지하고, WUT 상의 복수의 상이한 위치가 후속 측정 동안 모니터링되거나 테스트될 수 있도록 측방으로 이동하도록 프로그래밍된다.
또다른 실시예에서, 자기 어셈블리는 RF 프로브의 양측 상에 위치결정되는 2개의 자기극을 포함하여 RF 측정 동안 자기 필름에 평면(in-plane) 자기장을 제공한다. 자기극은 바람직하게는 WUT 상의 자기 필름에 근접하지만 그 상부 표면과 접촉하지 않는다.
FMR 측정을 수행하기 위한 RF 송신 모드를 나타내는 일실시예에 따르면, RF 소스는 RF 입력 케이블을 통해 RF 프로브의 제 1 커넥터에 부착되는 능동 주파수 더블러(active frequency doubler)에 연결된다. 따라서, RF 신호는 RF 프로브 팁에 의해 접촉되는 자기 구조물에 자기장이 인가되는 동안, 프로브 팁에서의 제 1 신호(S) 경로를 통과한다. RF 전류가 테스트 구조물의 자기 층을 여기하면, RF 출력 케이블을 통해 RF 프로브의 제 2 커넥터에 연결된 RF 다이오드에 의해 검출되는 전력 손실이 있다. 즉, RF 전류는 테스트 구조물을 통과한 다음, 제 2 S 경로를 통해 RF 출력 케이블로 나간다. RF 다이오드는 아날로그-디지털 변환기(analog-to-digital converter; ADC)에 연결되어 RF 다이오드로부터 획득된 데이터를 제어기(컴퓨터)로 송신한다. 테스트 구조물을 통해 송신된 전력은 인가된 자기장의 함수로서 다른 인가된 RF 주파수에 대해 측정된다.
반사 FMR 측정 모드인 대안적인 실시예에서, 제 1 실시예의 컴포넌트는 방향성 커플러가 주파수 더블러와 RF 프로브 사이의 RF 회로에 삽입되는 것을 제외하고 유지된다. 다음에, 입력 RF 전류와 출력 RF 전류가 방향성 커플러로 그리고 방향성 커플러로부터 동일한 S 경로를 통과하기 때문에 RF 프로브 팁에서 하나의 S 경로만 필요하다. 출력 RF 전류는 방향성 커플러로부터 RF 다이오드로 전송된 다음 ADC로 전송된다.
본 명세서에 개시된 모든 실시예에서, 제어기는, RF 프로브가 WUT 상의 미리 결정된 (x, x) 좌표(테스트 사이트) 위에 정렬되도록 웨이퍼 척 및 WUT가 WUT 상부 표면의 평면에 평행한 x축 및/또는 y축 방향으로 이동하도록 지시한다. RF 프로브는 제 1 측정과 제 2 측정 사이의 시구간 동안 갭 거리만큼 WUT 상의 자기 구조물 또는 필름으로부터 분리된다. 각 테스트 사이트에서, 웨이퍼 척과 WUT는 상승되어 FMR 측정을 시작할 때 프로브 팁이 자기 구조물과 접촉하도록 한다. 각 측정이 끝날 때, WUT 및 웨이퍼 척은 하강되어 자기 필름과 프로브 팁 사이의 간격을 다시 설정한다. 따라서, FMR 측정 시퀀스는, 웨이퍼 척 및 WUT가, WUT 상의 새로운 (x, y) 좌표 위에 자기극 및 RF 프로브를 정렬하기 위해 측방으로(단계식으로) 이동되고, 자기 구조물이 RF 프로브 팁과 접촉하도록 상승된 후, 측정 후에 갭 거리로 하강하는, "단계 및 반복" 패턴을 포함한다. 자기 구조물 상의 접촉 영역의 면적은 바람직하게는 1 mm 미만이어서, 그 정도 크기의 사이즈인 자기 디바이스에 대해 HK 및 α를 검출할 수 있다.
모든 실시예에서, RF 프로브는 마이크로파 주파수(RF 입력 신호)의 시퀀스를 웨이퍼로 송신한다. FMR 조건(condition)은 인가된 각 마이크로파 주파수를 갖는 접촉된 자기 구조물에서 설정되며, 자기 구조물에 의한 마이크로파(RF) 흡수의 범위는 RF 주파수의 크기, 인가된 자기장 및 전기 구조물의 자기 특성에 따른다. 자기 구조물에 의한 FMR 흡수의 결과로서, 입력 RF 신호와 RF 전력 다이오드에 의해 검출되는 출력 RF 신호 사이에 전력 손실이 있다. ADC는 각 RF 출력 신호를, 제어기가 예를 들어 자기 구조물에 대한 HK 및 α를 결정하는데 사용하는, 전압 판독값으로 변환한다.
단일 제어기를 사용하여 웨이퍼 척 및 장착 플레이트 이동, RF 신호 프로세싱, 자기장 생성, 및 테스트 데이터 편집을 포함한 테스트의 모든 측면을 관리할 수 있으므로, 처리량이 최적화되어 시스템 및 스캐닝 FMR 측정 방법이 완전히 자동화된 것으로 말할 수 있으며, 엔지니어링 또는 생산 환경에서 쉽게 구현될 수 있다. 또한, RF 프로브, 자기 어셈블리, 장착 플레이트, 및 RF 회로 컴포넌트는 상업적으로 이용가능하며, 신뢰할 수 있는 스캐닝 FMR 측정 시스템을 제공하도록 쉽게 구성될 수 있다.
도 1a는 24 GHz 내지 48 GHz 마이크로파 주파수에 대해 취해진 강자성 공명 측정으로부터 유도된 일반적인 일련의 로렌츠형 피크의 개략적 설명을 도시한다.
도 1b는 도 1a에서 사용된 마이크로파 주파수의 함수로서 공명장(HR)의 플롯을 도시한다.
도 2는 종래 기술의 FMR 측정 방식을 예시하는 도면이다.
도 3은 본 발명의 제 1 실시예에 따른 완전 자동화된 FMR 측정 시스템의 다양한 컴포넌트를 도시한 도면이다.
도 4는 본 발명의 완전 자동화된 스캐닝 FMR 측정 시스템의 일부인 두 세트의 프로브(접지용 2개 및 신호용 2개)를 포함하는 RF 프로브의 사시도이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따라 웨이퍼 상의 필름 또는 자기 구조물의 FMR 측정 동안 도 4의 RF 프로브 위에 정렬되는 자기 어셈블리의 단면도이다.
도 6은 FMR 측정 동안 RF 프로브 팁 위에 위치결정되는 도 5의 자기극 팁의 확대도를 도시한다.
도 7은 본 개시의 실시예에 따른 FMR 측정 동안 평면 자기장을 제공하고 RF 프로브의 대향하는 측 상에 2개의 자기극을 갖는 자기 어셈블리의 단면도이다.
도 8은 본 개시의 송신 FMR 측정 모드에 따른 테스트 대상 웨이퍼 위의 RF 프로브에 연결된 RF 소스, RF 다이오드 및 RF 측정 회로의 다른 컴포넌트의 레이아웃이다.
도 9는 본 개시의 반사 FMR 측정 모드에 따른 테스트 대상 웨이퍼 위의 RF 프로브에 연결된 RF 소스, RF 다이오드 및 지향성 커플러의 레이아웃이다.
도 10은 본 개시의 일 실시예에 따른 송신 FMR 측정 모드에서 단순화된 등가 DC 회로를 도시한다.
도 11은 본 개시의 실시예에 따른 반사 FMR 측정 모드에서 단순화된 등가 DC 회로를 도시한다.
도 12는 본 개시의 실시예에 따른 FMR 측정을 수행하는데 사용되는 단계들의 시퀀스를 예시하는 흐름도이다.
도 13은 본 개시의 실시예에 따른 상이한 RF 주파수에서 다양한 인가된 자기장의 함수로서 RF 다이오드로부터 획득된 데이터의 플롯이다.
본 개시는 직경이 실질적으로 1mm보다 작을 수 있는 자성 구조물에 대한 HK 및 α를 포함한 자기 특성을 측정하도록 설계된 스캐닝 FMR 시스템이다. 전체 웨이퍼에 걸친 다수의 테스트 사이트가 RF 송신 모드 또는 RF 반사 모드로 순차적으로 측정된다. 테스트 대상 웨이퍼(Wafer Under Test; WUT) 상의 x축 및 y축 좌표는 웨이퍼 척의 평면과 평행하게 그 위에 정렬된 평면 내에 있다. 본 개시는 또한 패터닝되지 않은 웨이퍼 상의 또는 디바이스 구조물 내의 하나 이상의 자기 필름의 자기 특성을 측정하기 위한 FMR 테스트 방법을 포함한다. 용어 "RF" 및 "마이크로파"는 상호 호환하여 사용될 수 있다.
관련 미국 특허 출원 일련 번호 15/463,074에서, 우리는 RF 입력 및 RF 출력 커넥터에 부착된 도파관 송신 라인(WGTL)에 릴레이되고 전체 웨이퍼 상의 복수의 사이트에서 측정을 행할 수 있는 FMR 측정 시스템을 개시하였다. 그러나, WGTL은 일반적으로 커스텀 설계되며 디바이스 레벨에서 커플링 및 자기장을 개선하기 위해 WGTL을 WUT에 최대한 가깝게 위치결정할 필요가 있다. 또한, 측정에서 프로브된 영역은 디바이스 구조물의 서브 미크론 치수에 비해 상당히 크다(mm 내지 cm의 직경 ). 이제, 우리는 상업적으로 이용가능한 컴포넌트로 완전히 구성될 수 있는 개선된 스캐닝 FMR 측정 시스템을 발견하였으며, 실질적으로 직경 1 mm 미만일 수 있는 작은 구조물에서 자기 특성을 모니터링하고 측정할 수 있다.
도 3을 참조하여, 본 개시에 따른 스캐닝 FMR 측정 시스템의 일실시예가 주요 컴포넌트의 레이아웃을 나타내는 도면으로 도시된다. 웨이퍼 척(20)으로 또한 알려진 프로버 스테이지의 이동을 관리하기 위해 이후 제어기(11)로 지칭되는 컴퓨터가 있다.
테스트될 자기 필름(22f)이 WUT(22) 상에 형성된다. 용어 "자기 필름"은 하나의 층, 층들의 스택 내에 형성된 복수의 자기 층들, 또는 WUT 상의 자기 터널 접합(magnetic tunnel junction; MTJ) 셀과 같은 복수의 자기 구조물을 지칭할 수 있음을 이해해야 한다. WUT는 진공에 의해 웨이퍼 척의 상부 표면에 유지되고, 웨이퍼 척 및 WUT는, 자석 어셈블리 및 RF 프로브가 홀더 플레이트의 정지 위치에 유지되는 동안, 프로그래밍된 방식으로 이동된다. 그러나, 본 개시는 또한, 홀더 플레이트에 부착된 자기 어셈블리 및 RF 프로브가 이동가능한 동안, WUT 및 웨이퍼 척은 정지 상태일 수 있다고 예상한다.
자기 어셈블리(30)(적어도 하나의 자기장 소스로 구성됨)의 자기장은 링크(42a)를 통해 제어기에 의해 그렇게 하도록 지시 될 때 전력 발생기(31)로부터 입력된 전력에 의해 생성된다. 바람직한 실시예에서, 장착 브래킷(46) 상의 RF 프로브(40)의 RF 신호 경로가 WUT 상의 미리 결정된 (xn, yn) 좌표에서 자기 필름의 상부 표면(22t)과 접촉하는 동안, 자기장이 (xn, yn) 좌표에 인가된다. RF 프로브로부터 마이크로파 주파수(RF 입력 신호)와, 자기 어셈블리 상의 극 팁(pole tip)(도 5에 도시된)으로부터의 최대 3 테슬라의 자기장을 동시에 인가한 결과로서, 강자성 공명(ferromagnetic resonance; FMR) 조건이 WUT 상의 미리 결정된 (xn, yn) 좌표에 근접한 자기 필름에서 설정된다. 다른 실시예(도시되지 않음)에서, 자기장은 극 팁의 형태가 아닌 연장부를 사용하여 자기장 소스로부터 인가될 수 있다.
RF 검출기는 이하 RF 다이오드로 지칭되는 전력 다이오드(44)일 수 있으며, 이는 자기 필름으로부터 송신된 RF 출력 신호를 검출하고 제 2 신호 경로 및 제 2 RF 커넥터(도시되지 않음)를 통해 RF 프로브를 나간다. 각 RF 출력 신호는, 일정량의 마이크로파 전력이 흡수되고 공진 상태로 자기 필름을 여기하는 FMR 조건에 의해 발생된 RF 전력 손실에 대응한다. 각 FMR 측정은 상이한 RF 주파수에 각각 대응하는 복수의 RF 입력 신호를 포함할 수 있다. (xn, yn) 좌표에서 FMR 측정이 수행된 후, 웨이퍼 척(20) 및 WUT(22)는 RF 프로브 아래에 갭 거리를 다시 설정하기 위해 링크(42d)를 통해 제어기(11)로부터의 신호를 통해 하강된다(51d). 후속하여, 웨이퍼 척 및 WUT가 또다른 미리 결정된 (xn, yn) 좌표로 이동된 후, RF 프로브가 또다른 FMR 측정을 위해 자기 필름 상부 표면(22t)과 접촉할 수 있도록 웨이퍼 척이 상승된다(51u).
제어기(11)는 RF 프로브(40) 상의 제 1 RF 커넥터(도시되지 않음)에 링크(42c)를 통해 복수의 마이크로파 주파수를 제공하는 RF 발생기(48)에 대한 전기적 연결(42b)을 갖는다. 일부 실시예에서, RF 발생기는 1 내지 20 GHz의 범위 내의 제 1 마이크로파 주파수(f1)를 생성한다. 그러나, 본 개시는 f1을 제 2 RF 주파수(f2)로 조정하는(여기서 f2 > f1), RF 발생기와 RF 프로브 사이에 주파수 배율기 모듈(도시되지 않음)을 삽입하는 것을 예상한다. 예를 들어, f1 = 20 GHz 인 경우 주파수 배율기 모듈은 f1을 f2로 조정하는(여기서 f2 = 40 GHz), 능동 주파수 더블러일 수 있다. 제 1 실시예에 따르면, 1 GHz 미만의 RF 주파수는 자기 필름에서 FMR 조건을 유도할 목적으로 실용적이지 않다.
FMR 측정을 위한 바람직한 동작 모드에서, 인가된 자기장은 일정한 마이크로파 주파수에서 변화된다(최소값에서 최대값으로 스위핑됨). FMR 측정은 바람직하게는 복수의 상이한 마이크로파 주파수 각각을 통해 연속적으로 자기장을 스위핑함으로써 반복된다. RF 다이오드는 RF 프로브로부터 출력된 전력을 출력 케이블(45)을 통해 제어기로 송신되는 전압 신호로 변환한다. 그 후, 제어기는, FMR 조건을 설정하는데 사용되는 인가된 자기장 값과 인가된 마이크로파 주파수의 각 쌍에, 그리고 FMR 측정 시퀀스에 사용된 각 (xn, yn) 좌표에 대한 RF 다이오드로부터의 전압 출력 데이터에 기반하여, HK 및 α, 및 일부 경우에 γ, 및 불균일 확장(L0)을 계산하한다.
본 개시는, 자기 필름 샘플의 마이크로파 여기(FMR 조건)를 발생하고 그 내부의 전력 흡수를 검출하는데 사용될 수 있는, 도 3에 예시된 것과는 다른 설계를 포함한다. 예를 들어, 도 2에 도시된 벡터 네트워크 분석기(vector network analyzer; VNA)(10)와 유사한 VNA가 RF 출력 발생기 및 RF 입력 분석기로서 사용될 수 있다. 펄스 유도 마이크로파 자기 측정법(pulsed inductive microwave magnetometry; PIMM)과 관련된 또다른 실시예에서, 펄스 발생기 및 시간-분해 오실로스코프(time-resolved oscilloscope)는 각각 RF 소스 및 RF 분석기의 역할을 할 수 있다. 또다른 실시예에서, 각 FMR 조건으로부터의 전력 손실을 나타내는, FMR 출력 신호를 증폭하기 위해 당업자에게 공지된 록인(lock-in) 증폭기 검출 기술이 사용될 수 있다.
도 4를 참조하면, 상업적으로 이용가능한 RF 프로브(40)의 사시도가 도시되어 있다. RF 프로브는 나사(41)에 의해 섀시(40c)에 부착된다. RF 프로브에 각각 부착된 제 1 및 제 2 RF 커넥터(15a, 15b)는 섀시의 상부 표면으로부터 돌출된 것으로 도시된다. RF 프로브 팁(40t)은 RF 프로브의 전면(front face)으로부터 연장되며, 예시적인 실시예에서 일 실시예에 따라 GSSG 패턴으로 배열된 두 세트의 프로브를 가지며, 여기서 G 프로브(40g)가 접지 경로이고 S 프로브(40s)가 신호 경로이며, 각각 테스트될 자기 구조물 또는 필름(도시되지 않음)의 상단 표면과 접촉한다. 일부 실시예에서, S 및 G 프로브는 수십 미크론 정도의 직경을 갖지만, 자기 필름의 상부 표면과 접촉하는 하부 부분은 1 미크론에 가까운 치수를 가질 수 있다.
도 5에서, WUT(22) 상의 (xn, yn) 좌표(도시되지 않음)인 테스트 사이트에서 자기 필름에 대해 평면에 수직인(perpendicular-to-plane) 방향으로 자기장을 제공하는 자기 어셈블리로 구성된 스캐닝 FMR 측정 시스템의 일부분의 단면도가 도시된다. 장착 브래킷(29)을 통해 RF 프로브(40)에 부착되는 홀더 플레이트(28)가 있다. 자기 어셈블리(30)도 또한 홀더 플레이트의 상부 부분 아래에 장착되며, 예시적인 실시예에서, RF 프로브 팁 위에 정렬된 자기극(32), 자기극을 둘러싸는 Cu 코일(31), 및 구리 코일의 외측에 인접한 자기 리턴 극(33)을 포함한다. 웨이퍼 척(20)은 진공이 인가될 수 있게 하고 WUT(22)를 제자리에 유지할 있게 하도록 상부 표면에 복수의 구멍(20v)을 갖는다. 웨이퍼 척은 FMR 측정 사이에서 측방으로(50) 그리고 수직으로(51) 이동할 수 있다. RF 입력 및 출력 케이블(17a, 17b)은 각각 예시적인 실시예에서 90° 엘보 커넥터(16)를 통해 RF 프로브에 연결된다.
도 6을 참조하면, 도 5의 스캐닝 FMR 측정 시스템의 일부분의 확대도가 도시된다. 자기극(32)은 장착 브래킷(29)의 개구(25) 위에, 그리고 도 4와 관련하여 앞서 설명된 2개의 접지 경로(40g) 및 2개의 신호 경로(40s)로 구성된 RF 프로브 팁(40t)의 단부(40e) 위에 정렬된 극 팁(32t)을 갖는다. 다른 실시예에서, 극 팁은 개구를 통해 돌출될 수 있지만 RF 프로브 팁 또는 자기 필름과 접촉하지 않는다. 장착 브래킷의 하부 측(29t)은 WUT(22) 상의 자기 필름(22f)의 상부 표면(22t)과 마주본다. RF 프로브 단부(40e)는 개구(25)를 통해 돌출되어 FMR 측정 동안 상부 표면(22t)의 일부분과와 접촉되게 한다. 자기장(HR)은 본질적으로 선택된 (xn, yn) 좌표에서 상단 표면(22t)에 수직인 방향으로 인가된다. 이 자기 어셈블리를 사용한 FMR 측정에 사용되는 RF 주파수는 일반적으로 1 내지 100 GHz의 범위 내이다.
도 7을 참조하면, 자기 어셈블리가 각각 Cu 코일(31)로 둘러싸이고 RF 프로브 팁(40e)의 양측 상에 위치결정되며, WUT(22)에 근접하지만 자기 필름(도시되지 않음)에 닿지 않는, 2개의 자기극(32a, 32b)을 포함하는 것을 제외하고 이전 실시예의 모든 특징을 유지하는 본 개시의 스캐닝 FMR 측정 시스템의 제 2 실시예가 도시된다. 여기서, 제 1 극은 평면 자기장(HR)을 인가 할 수 있고, 제 2 극은 리턴 극으로 작용할 수 있다. 따라서, 극 구성은 RF 프로브 팁이 상부 표면과 접촉하는 (xn, yn) 좌표에 근접한 자기 필름의 평면에서 자기장(HR)을 생성한다. 이 자기 어셈블리 구성의 경우 FMR 측정 동안에 인가된 RF 주파수는 0.01 내지 100 GHz의 범위 내일 수 있다.
도 8을 참조하면, 본 개시의 제 1 실시예에 따라 RF 신호 송신 모드를 위해 구성된 스캐닝 FMR 측정 시스템의 개략도가 도시된다. 전기적 레이아웃에 초점을 맞추기 위해 자기 어셈블리와 홀더 플레이트는 도시되지 않는다. 도 5 및 도 6에서의 단일 자기극 또는 이중 자기극(도 7)을 갖는 자기 어셈블리가 RF 송신 모드로 사용될 수 있음을 이해하여야 한다.
예시적인 실시예에서, 제어기(11)는 이전에 언급된 주파수 범위를 발생할 수 있은 능력을 가진 상용 RF 발생기(48)에 대한 링크(42b)를 갖는다. RF 발생기는 링크(42c)에 의해 능동 주파수 더블러와 같은 주파수 배율기 모듈(47)에 연결되며, 이는 RF 입력 케이블(17a)을 통해 RF 프로브(40) 상의 RF 입력 커넥터(15a)에 연결된다. RF 프로브 단부(40e)는 적어도 하나의 자기극 팁(도시되지 않음)의 자기장과 RF 프로브 팁의 제 1 신호 경로(도 4의 40s)로부터의 RF 주파수가 RF 프로브 단부에 인접한 자기 필름 영역에 동시에 인가될 때 FMR 측정 동안 자기 필름(22f)과 접촉한다. 자기 필름이 FMR 공진 상태로 여기되면 전력 손실에 대응하는 RF 출력 신호가 제 2 신호 경로를 통해 RF 출력 커넥터(15b)로, 그 후, RF 출력 케이블(17b)로, 예를 들어 포지티브 쇼트키 다이오드일 수 있는 RF 다이오드(44)로 전달되어, 예를 들어, 과전압 스트레스를 방지할 수 있다. 그 후, RF 출력 신호는 제어기에 도달하기 전에 아날로그-디지털 변환기(ADC)(49)로 송신된다. 일 실시예에 따르면, 자기 어셈블리를 갖는 홀더 플레이트 및 RF 프로브는 다른 공급 업체로부터 입수가능한 상용 전기 프로브 스테이션 상에 설치된다.
FMR 측정이 수행되지 않는 간격 동안, 단부(40e)을 포함하는 RF 프로브 팁은 WUT(22) 상의 자기 필름(22f)의 상단 표면(22t)으로부터의 갭 거리는 0보다 크다. 앞에서 설명한 바와 같이, 스캐닝 FMR 측정 시스템이 특정 (xn, yn) 좌표에서 복수의 FMR 측정을 수행하도록 프로그래밍되면, FMR 측정이 완료될 때까지 RF 프로브 단부가 자기 필름과 접촉하도록 웨이퍼 척이 상승한다. 단극 실시예(도 6)의 경우, RF 프로브 단부가 상부 표면(22t)과 접촉하는 (xn, yn) 좌표 위에 자기극 팁(32t)이 정렬되어, (xn, yn) 좌표에 인접한 동일한 영역이 각 FMR 측정에 필요한 자기장(HR) 및 RF 주파수(fR) 모두에 노출되게 하는 것인 중요하다.
FMR 측정 동안, RF 프로브 단부(40e)에 의해 접촉된 자기 필름 상의 (xn, yn) 좌표 주위 영역에 자기장이 인가되면, RF 입력 신호에 의해 공급되는 마이크로파 전력의 일부분이 FMR 측정 동안 자기 필름(22f)에 의해 흡수되어, RF 출력 케이블(17b)을 통해 그리고 RF 전력 다이오드를 통해 전달된 RF 출력 신호가 RF 입력 신호에 비해 감소된 전력을 갖도록 한다. RF 전력 다이오드는 쇼트키 다이오드 또는 다른 상용 RF 다이오드일 수 있으며, 각 (HR, fR) 쌍에 대한 RF 출력 신호를 제어기로 릴레이되는 전압 측정 값으로 변환한다. 즉, 인가된 자기장(HR)의 강도는 주어진 RF 주파수(fR)에 대해 변화될 수 있거나, 복수의 RF 주파수가 (xn, yn)에서 각 FMR 측정 동안 일정한 자기장으로 인가 될 수 있다. 바람직하게는, 인가된 자기장은 일정한 마이크로파 주파수(F1)에서 최소값으로부터 최대값으로 스위핑된 후, 복수의 상이한 마이크로파 주파수(F2, F3, ... Fn) 각각으로 자기장을 연속적으로 스위핑함으로써 FMR 측정이 반복된다. 일단 복수의 FMR 측정이 제 1 (xn, yn) 좌표에서 행해지면, 웨이퍼 척과 WUT는 제 2 세트의 FMR 측정을 위해 제 2 (xn, yn) 좌표로 하강되고 "단계화(stepped)"된다. 따라서, 여기에 설명된 스캐닝 FMR 측정 방법은 복수의 사전 프로그래밍된 (xn, yn) 좌표에서 다중 FMR 측정을 행하는 것을 포함하고, 제어기(11)에 의해 관리된다.
도 9에 도시된 제 2 실시예에 따르면, 본 발명의 스캐닝 FMR 측정 시스템은 반사 모드로 구성된다. 반사 모드는 RF 프로브(40)에서 단 하나의 신호 경로(40s) 만 활성화되는 것을 제외하고 송신 모드에 대해 이전에 설명된 모든 특징을 유지한다. 즉, 한 세트의 G 및 S 경로만 전기적으로 연결되고 다른 세트는 비활성화된다. 또한, 바람직한 실시예에 따르면, 방향성 커플러(60)가 능동 주파수 더블러(active frequency doubler; AFD)(47)와 RF 입력 케이블(17a) 사이에 삽입된다. 따라서, RF 입력 신호는 RF 발생기(48)로부터 제 1 실시예에서와 같이 AFD와 같은 주파수 배율기 모듈을 통해 이동한다. 그 후, RF 입력 신호는 방향성 커플러, RF 입력 케이블 및 RF 입력 커넥터(15a)를 통해 RF 프로브 단부(40e)로 전달된다.
RF 입력 신호에 의해 공급되는 마이크로파 전력의 일부분은 RF 프로브 단부에 의해 접촉되는 (xn, yn) 좌표에 근접한 자기 필름(22f)에 의해 흡수된다. 이 경우, RF 출력 신호는 입력 신호에 사용되는 신호 경로(40s)를 통해 그리고 RF 입력 커넥터(15a)를 통해 방향성 커플러(60)으로 다시 반송되고, 여기서 RF 신호는 RF 출력 케이블(17c)을 통해 제어기(11)에 도달하기 전에 쇼트키 다이오드(44) 또는 또다른 RF 다이오드, 및 ADC(49)로 라우팅된다. 대안적인 실시예에서, 당업자에 의해 이해되는 바와 같이, 방향성 커플러 대신 전력 분배기 또는 바이어스 티(bias tee)가 사용될 수 있다.
송신 모드와 관련하여 앞서 설명한 바와 같이, (xn, yn) 좌표에서 인가된 자기장(HR)의 강도는 일련의 주파수(F1, F2, ... Fn)에서 각각에 대해 최소값으로부터 최대값으로 스위핑될 수 있다. 대안적으로, RF 주파수는 H1, H2, ... Hn의 일련의 증가하는 크기로 인가된 각 자기장에 대한 최소값으로부터 최대값으로 스위핑될 수 있다. 일단 복수의 FMR 측정이 제 1 (xn, yn) 좌표에서 행해지면, 웨이퍼 척 및 WUT는 제 2 일련의 FMR 측정을 위해 제 2 (xn, yn) 좌표로 하강되고 "단계화"된다. 따라서, RF 반사 모드에 기반하는 제 2 실시예의 스캐닝 FMR 측정 방법은 는 자기 필름(22f) 상의 복수의 사전 프로그래밍된 (xn, yn) 좌표에서 다중 FMR 측정을 행하는 것을 포함한다. 쇼트키 다이오드(44) 또는 다른 상용 RF 다이오드는 각 (HR, fR) 쌍에 대한 RF 출력 신호를 ADC(49)를 통해 제어기에 릴레이되는 전압 측정값으로 변환한다.
제어기는 FMR 측정 데이터 및 앞서 설명한 식 (1) 내지 (3) 중 하나 이상을 사용하여 자기 필름 상의 각 (xn, yn) 좌표에서 HK, α, 일부 경우에 γ, 및 불균일 확장(L0)을 결정한다. 앞서 언급한 바와 같이, 용어 "자기 필름"은 패터닝되지 않은 필름에서, 또는 x축 및 y축 방향을 따라 1 밀리미터 이하의 또는 심지어 1 미크론 이하의 치수를 갖는 복수의 디바이스에서의 층의 스택을 지칭할 수 있다. 모든 경우에, RF 주파수(인가된 자기장과 함께)가 자기 필름에서 FMR 조건을 유도할 수 있도록 자기 필름을 통과하는 전도성 경로가 있어야 한다.
도 10을 참조하면, 연결된 디바이스의 단순화된 등가 DC 회로가 송신 모드에 대해 예시된다. 도면의 상단 부분은 제 1 신호 경로(40s1) 및 제 2 신호 경로(40s2)가 각각 접지 경로(40g)의 측면에 있는 프로브 팁의 단부(40e)를 도시한다. 도면의 하단 부분은 신호 소스로서 RF 발생기(48), 및 (xn, yn) 좌표에 근접한 자기 필름(22f)을 통한 저항성 전류 경로를 나타내는 저항에 대한 경로(40s1)를 통한 연결을 도시한다. 출력 경로는 제 2 신호 경로(40s2)를 통해 쇼트키 다이오드(44) 또는 또다른 RF 다이오드로 향하고, 저항성 전류 경로를 통과하는 동안 전력 손실에 대응하는 전압 신호가 생성된다.
도 11에서, 연결된 디바이스의 단순화된 등가 DC 회로가 반사 모드에 대해 예시된다. 도면의 좌측은 프로브 팁의 단부(40e)를 도시하고, 여기서 신호 경로(40s)는 접지 경로(40g)에 인접하여 있다. 도 4에 도시된 두 세트의 40g/40s 경로 중 하나만 반사 모드에 의해 얻어진 FMR 측정 동안에 활성화된다는 것이 주목된다. 도 11의 우측은 RF 발생기(48), 및 특정 (xn, yn) 좌표에 근접한 자기 필름(22f)을 통한 용량성 전류 경로를 나타내는 커패시터에 대한 신호 경로(40s)를 통한 연결을 도시한다. 출력 경로는 또한 신호 경로(40s)를 통해 방향성 커플러로, 그 후 쇼트키 다이오드(44) 등을 통과하며, 여기서 용량성 전류 경로를 통과하는 동안 전력 손실에 대응하는 전압 신호가 생성된다.
도 12를 참조하면, 스캐닝 FMR 측정 방법이 본 개시의 일 실시예에 따른 흐름도에 예시되어 있으며, 송신 모드 및 반사 모드 실시예 모두에 대해, 그리고 앞서 설명된 자기 어셈블리 중 하나를 가지고 사용될 수 있다. 단계(110)에서, 제어기는 (도 3의 링크(42d)를 통해), 자기 필름 상의 제 1 (xn, yn)에 근접한 영역이 RF 프로브 단부(40e)(도 6)와 접촉하도록, WUT 및 최상부 자기 필름을 유지하는 웨이퍼 척을 상향 이동시키도록(도 3에서 이동(51u)) 명령한다. 이어서, 단계(111)에서, 또다른 링크(42b)를 통해 제어기는, 이전에 설명된 상부 자기극 편(magnetic pole piece)이 제 1 (xn, yn) 좌표에서 자기장을 인가하는 동안, 신호 경로(40s)(도 4)를 통해 마이크로파 주파수(F1)를 전송하도록 지시하는록 RF 발생기(48)에 지시한다. 앞서 언급 한 바와 같이, 자기장은 바람직하게는 최소값으로부터 최대 값으로 스위핑된다.
마이크로파 주파수(F1)와 가변 자기장을 동시에 인가한 결과로서, 자기 필름은 FMR 조건을 달성하고, 자기 필름의 자기 특성, F1의 크기, 및 필름에서 강자성 공진 상태를 유도하는 인가된 자기장(HR)에 따른 마이크로파 전력의 일부분을 흡수한다. 이에 따라, 단계(112)에서 RF 전력 다이오드는 단계(111)로부터의 RF 입력 신호에서 제어기에 의해 지정된 값과 비교하여 RF 출력 신호에서 감소된 전력 값을 검출한다.
단계(113)에서, RF 전력 다이오드는 RF 출력 신호를 제어기로 송신되는 전압 측정값으로 변환하고(도 8, 9의 예시적인 실시예에서 ADC를 통해), 인가된 마이크로파 주파수(F1) 및 인가된 자기장(HR)에 대한 자기 필름에 의한 마이크로파 흡광도를 나타낸다.
단계(114)는 RF 입력 신호가, F1이 인가된 이후에 이전 선택된 (xn, yn) 좌표에서 자기 필름에 인가된, 제 2 주파수(F2)를 갖는 것을 제외하고는 단계(111 내지 113)의 반복을 포함한다. 일부 실시 양태에서, 단계(111 내지 113)은 FMR 측정 방법에 사용되는 각각의 (xn, yn) 좌표에서 복수회 반복된다. 즉, F1 및 F2와는 상이한 제 3 주파수(F3)가 F2 이후의 시간 간격 동안 인가될 수 있으며, F3이 인가된 이후에 ... "제 n" 주파수(Fn)까지 인가될 수 있다. 인가된 자기장은 각 주파수(F1 내지 Fn)에 대해 최소값과 최대값 사이에서 스위핑되는 것이 바람직하다는 것이 주목된다. 따라서 FMR 조건은 인가된 각 주파수 및 특정 자기장 값으로 발생하고, 각 FMR 조건은 RF 전력 다이오드에 의해 대응하는 전압 신호로 변환되는 고유 마이크로파 흡광도를 갖는다. 대안적인 실시예에서, 인가된 자기장은 제 1 값(H1)에서 일정하게 유지되는 반면, 마이크로파 주파수는 FMR 조건을 설정하기 위해 F1에서 Fn까지 변화(스위핑)된다. 그 후, H1과는 상이한 제 2 자기장(H2)이 인가될 수 있는 반면, 마이크로파 주파수는 값의 범위에 걸쳐 변화된다. 스캐닝 FMR 측정 방법은 최대 Hn 값까지 상이한 자기장으로 RF 주파수 범위를 스위핑함으로써 반복될 수 있다.
단계(115)를 참조하면, 제어기는, (x1, y1)로부터 (x2, y2)으로 같은, 상이한 (xn, yn) 좌표로 이동하도록 웨이퍼 척과 상부 자기 필름에 명령한다. 이동은 웨이퍼 척 및 WUT의 하향 이동(도 3의 이동(51d))과 함께 RF 프로브 팁을 제 1 (xn, yn) 좌표로부터 분리하는 제 1 단계를 포함한다. 이어서, 제 2 단계에서는 웨이퍼 척 및 WUT의 측방 이동(도 5의 이동(50))이 있고, 마지막으로 제 3 단계에서는 RF 프로브 팁이 테스트될 자기 필름 상의 제 2 (xn, yn) 좌표와 접촉하도록 하는 웨이퍼 척 및 WUT의 상향 이동이 있다.
그 후, 단계(111 내지 114) 단계가 반복되어 제 2 (xn, yn) 좌표에서 FMR 측정을 완료한다. 각 (xn, yn) 좌표는 선택된 신호 프로브(40s)의 크기에 따라 제곱 미크론 미만의 접촉 영역, 최대 복수의 제곱 밀리미터의 접촉 면적을 포함할 수 있으며, 각 (xn, yn) 좌표는 RF 프로브 팁에 의해 접촉되는 면적의 중심점일 수 있다.
예를 들어 6", 8" 또는 12"일 수 있는 WUT의 직경, 및 FMR 측정에 필요한 상이한 (xn, yn) 좌표의 수에 따라, 단계(116)는 단계(111 내지115)가 복수회 반복되어, 복수의 (HR, fR) 쌍을 각각 갖는 "n"개의 상이한 (xn, yn) 좌표를 포함하는 복수의 FMR 측정을 산출할 수 있고, 여기서 fR은 F1 내지 Fn 중 하나이고 HR은 최소 H1 값으로부터 최대 Hn 값까지 변화될 수 있다. 단계(117)에서, 자기 필름 상의 사전 선택된 (xn, yn) 좌표 모두가 테스트되었는지 여부가 결정된다. "아니오"이면 상이한 (xn, yn) 좌표에서 또다른 FMR 측정이 행해진다. "예"이면, 단계(118)는 스캐닝 FMR 측정 방법이 완료되었음을 표시한다.
앞서 언급한 바와 같이, 제어기는 상이한 (xn, yn) 좌표에 대응하는 각 측정 위치에서 자기 필름의 자기 특성을 결정할 수 있다. 각 FMR 측정은 각 FMR 조건에 대응하는 식(1)에서 (HR, fR) 쌍으로 불리는 하나 이상의 쌍(주파수, 필드)을 산출한다. 제어기는 FMR 측정 데이터와 앞서 설멸된 식 (1) 내지 (3) 중 하나 이상을 사용하여 HK, α, 및 일부 경우에 γ 불균일 확장(L0)을 결정한다.
앞서 설명한 송신 모드 실시예를 사용하여, 전체 (패터닝되지 않은) 필름 구조물에 대해 FMR 측정을 수행하였다. 도 13은 일반적인 데이터 세트를 도시한다. 이 예에서, 송신된 전력은 절단되지 않은 8 인치 직경의 웨이퍼(WUT) 상의 인가된 자기장의 함수로서 5개의 상이한 주파수에 대해 측정된다. 곡선(60, 61, 62, 63 및 64)은 본 발명의 스캐닝 FMR 측정 방법에 따라, 각각 20 GHz, 25 GHz, 30 GHz, 35 GHz 및 40 GHz의 RF 주파수로 생성되며, -1.0 테슬라 내지 1.0 테슬라(10000 Oe)의 자기장을 스위핑한다. 각 (xn, yn) 좌표에서의 FMR 측정은 약 2 분의 프로세싱 시간이 필요로 한다. 전체 웨이퍼에 대한 총 FMR 측정 시간은 FMR 측정 시퀀스에 포함될 원하는 수의 (xn, yn) 좌표에 따른다.
여기에 설명된 송신 모드 또는 반사 모드 실시예를 위한 스캐닝 FMR 측정 시스템을 조립하는데 필요한 모든 컴포넌트는 상업적으로 이용가능한다. 본 발명의 스캐닝 FMR 측정 방식으로 테스트될 수 있는 디바이스 구조물의 단면적 또는 패턴 화되지 않은 자기 필름의 면적은 종래 기술에서보다 실질적으로 작다. 또한, 이전에 설명된 자기 어셈블리는 더 균일한 자기 필름이 인가될 수 있게 하여 종래 방법보다 더 신뢰할 수 있는 FMR 측정을 산출한다.
본 개시는 바람직한 실시예를 참조하여 특히 도시되고 설명되었지만, 당업자는 본 개시 내용의 사상 및 범위를 벗어나지 않고 형태 및 세부 사항의 다양한 변경이 이루어질 수 있음을 이해할 것이다.

Claims (25)

  1. 테스트 대상 웨이퍼(Wafer Under Test; WUT) 상에 형성된 자기 필름 또는 복수의 디바이스 구조물에서 자기 특성을 결정하기 위한 스캐닝 강자성 공명(ferromagnetic resonance; FMR) 측정 시스템에 있어서,
    (a) 마이크로파(RF) 발생기에 연결되고, 2개의 접지 경로 및 상기 2개의 접지 경로 사이에 배열된 2개의 신호 경로를 포함하는 적어도 프로브 팁(probe tip)을 갖는 RF 프로브로서, 상기 2개의 신호 경로 중 적어도 하나는 FMR 측정 동안 자기 필름 또는 복수의 디바이스 구조물과 접촉하는 것인, RF 프로브;
    (b) 상기 자기 필름 또는 복수의 디바이스 구조물에서 제 1 FMR 조건을 유도하도록 구성되는, 상기 RF 발생기로부터의 마이크로파 주파수의 동시 인가와 함께, 상기 RF 프로브 팁에 근접하여 자기장을 제공하는 적어도 하나의 자기장 소스를 포함하는 자기 어셈블리 -
    (c) 상기 제 1 FMR 조건이 설정될 때 상기 자기 필름 또는 복수의 디바이스 구조물에 의한 마이크로파 흡광도 및 대응 전력 손실를 모니터링하기 위한 검출 시스템 - 상기 WUT는 프로브 팁이 FMR 측정 시퀀스 동안 하나 이상의 미리 결정된 위치에서 상기 자기 필름 또는 복수의 디바이스 구조물과 접촉하도록 RF 프로브에 대해 측방으로 그리고 수직으로 이동하도록 구성됨 - ; 및
    (d) 상기 마이크로파 주파수 및 상기 자기장의 동시 인가, 상기 WUT의 이동을 관리하고, 검출 시스템으로부터 신호를 수신하는 제어기 - 상기 신호는 하나 이상의 자기 특성을 포함하는 출력으로 변환됨 -
    를 포함하는, 스캐닝 강자성 공명(FMR) 측정 시스템.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 RF 프로브 및 상기 자기 어셈블리는 홀더 플레이트에 부착되고, 상기 FMR 측정 시퀀스 중에 상기 WUT가 이동되는 동안 정지 상태(stationary)로 유지되는 것인, 스캐닝 강자성 공명(FMR) 측정 시스템.
  3. 제 1 항에 있어서, 상기 RF 프로브 및 상기 자기 어셈블리는 홀더 플레이트에 부착되고, 상기 FMR 측정 시퀀스 중에 상기 WUT가 정지 상태인 동안 이동되는 것인, 스캐닝 강자성 공명(FMR) 측정 시스템.
  4. 제 1 항에 있어서, 상기 스캐닝 강자성 공명(FMR) 측정 시스템은, 상기 RF 발생기로부터의 RF 입력 신호가 RF 프로브 팁에서 상기 2개의 신호 경로 중 제 1 신호 경로를 통해 상기 자기 필름 또는 상기 복수의 디바이스 구조물로 전달되고, 상기 RF 프로브에서의 상기 2개의 신호 경로 중 제 2 신호 경로가 상기 자기 필름 또는 상기 복수의 디바이스 구조물로부터의 RF 출력 신호를 상기 검출 시스템 내의 RF 다이오드로 송신하는, 송신 모드로 구성되는, 스캐닝 강자성 공명(FMR) 측정 시스템.
  5. 제 1 항에 있어서, 상기 스캐닝 강자성 공명(FMR) 측정 시스템은, 상기 RF 발생기로부터의 RF 입력 신호가 상기 RF 프로브에서 상기 2개의 신호 경로 중 제 1 신호 경로를 통해 상기 자기 필름 또는 상기 복수의 디바이스 구조물로 전달되고, 상기 제 1 신호 경로가 또한 상기 자기 필름 또는 상기 복수의 디바이스 구조물로부터의 RF 출력 신호를 상기 검출 시스템 내의 RF 다이오드로 송신하는, 반사 모드로 구성되는, 스캐닝 강자성 공명(FMR) 측정 시스템.
  6. 제 1 항에 있어서, 상기 검출 시스템은 RF 출력 신호를 전압 신호로 변환하는 RF 다이오드, 및 상기 RF 다이오드와 상기 제어기 사이의 아날로그-디지털 변환기를 포함하는 것인, 스캐닝 강자성 공명(FMR) 측정 시스템.
  7. 제 1 항에 있어서, 상기 자기 어셈블리는 상기 RF 프로브 팁 위에 정렬된 단일 자기극(magnetic pole)을 가지며, 상기 FMR 측정 시퀀스 동안 상기 하나 이상의 미리 결정된 위치 각각에서 평면에 수직인(perpendicular-to-plane) 방향으로 상기 자기장을 인가하는 것인, 스캐닝 강자성 공명(FMR) 측정 시스템.
  8. 제 1 항에 있어서, 상기 자기 어셈블리는 상기 RF 프로브 팁의 대향하는 측 상에 위치결정되는 2개의 자기극을 가지며, 상기 FMR 측정 시퀀스 동안 상기 하나 이상의 미리 결정된 위치 각각에서 평면(in-plane) 방향으로 상기 자기장을 인가하는 것인, 스캐닝 강자성 공명(FMR) 측정 시스템.
  9. 제 1 항에 있어서, 상기 제어기는 상기 하나 이상의 미리 결정된 위치 각각에서 마이크로파 주파수 및 자기장의 동시 인가를 반복함으로써 적어도 제 2 FMR 조건을 유도하도록 프로그래밍되고, 상기 마이크로파 주파수 및 자기장 중 적어도 하나는 상기 제 1 FMR 조건을 유도하는데 사용되는 마이크로파 주파수 및 자기장과는 상이한 것인, 스캐닝 강자성 공명(FMR) 측정 시스템.
  10. 자기 필름 또는 복수의 자기 디바이스가 그 위에 형성된 테스트 대상 웨이퍼(Wafer Under Test; WUT) 전체에 대해 강자성 공명(ferromagnetic resonance; FMR) 측정을 수행하는 방법에 있어서,
    (a) 상기 WUT가 유지되고 제어기에 대한 제 1 링크를 갖는 웨이퍼 척 또는 스테이지를 제공하는 단계;
    (b) 2개의 접지 경로 및 상기 2개의 접지 경로 사이에 배열된 2개의 신호 경로를 포함하는 프로브 팁을 갖는 RF 프로브를 제공하는 단계로서, 상기 2개의 신호 경로 중 적어도 하나는 상기 자기 필름 또는 상기 복수의 자기 디바이스를 포함하는 테스트 표면과 접촉하도록 구성된 것인, RF 프로브를 제공하는 단계;
    (c) 상기 제어기에 대한 제 2 링크를 갖는 RF 발생기로부터의 RF 입력 신호 시퀀스를 인가하는 단계 - 각각의 RF 입력 신호는 상기 RF 프로브 팁을 통과하며 상기 테스트 표면의 제 1 위치로 순차적으로 송신되는 상이한 마이크로파 주파수를 포함함 - ;
    (d) 상기 테스트 표면에 FMR 조건을 설정하도록 각각의 상이한 마이크로파 주파수와 동시에 적어도 하나의 자기극으로부터 자기장을 인가함으로써 인가된 마이크로파 주파수 값과 인가된 자기장 값의 각각의 쌍에 대한 RF 출력 신호를 생성하는 단계; 및
    (e) RF 출력 신호의 시퀀스를 상기 RF 프로브 팁으로부터 RF 다이오드로 송신하는 단계 - 상기 RF 다이오드는 각각의 RF 출력 신호를 전압 신호로 변환하고 각각의 전압 신호를 상기 제어기로 전송하도록 구성되며, 상기 제어기는 상기 자기 필름 또는 상기 복수의 자기 디바이스에서 하나 이상의 특성을 결정함 -
    를 포함하는, 강자성 공명(FMR) 측정을 수행하는 방법.
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