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Induktiver Messkopf für die nicht-invasive Charakterisierung magnetostatischer und dynamischer Parameter magnetischer Dünnschichtsysteme

12.11.2012

Bauelemente, die auf magnetischen Dünnschichtsystemen basieren, haben zahlreiche industrielle Anwendungen, z.B. im Bereich der Datenspeicherung oder als magnetische Sensoren. Sowohl im Bereich der Forschung und Entwicklung als auch bei der Produktion dieser Bauelemente werden Messverfahren benötigt, mit denen die Materialparameter der Schichten nach den verschiedenen Prozessschritten kontrolliert werden können. Während in Forschung und Entwicklung die Zuverlässigkeit der Messverfahren im Vordergrund steht, erfordert die produktionsbegleitende Qualitätskontrolle zusätzlich noch schnelle und zerstörungsfreie Messmethoden.

An der PTB wurde nun ein Messverfahren zu Charakterisierung der dynamischen und magnetostatischen Eigenschaften magnetischer Dünnschichten entwickelt, das schnell und zerstörungsfrei an ganzen Wafern durchgeführt werden kann.
Das Messprinzip basiert dabei auf der Messung der ferromagnetischen Resonanz mit einem neuartigen induktiven Messkopf (Bild 1b).

Zur Messung wird der Messkopf auf den Wafer aufgesetzt und ein äußeres Magnetfeld angelegt (Bild 1a). Über den Messkopf werden die magnetischen Momente der Schicht zu hochfrequenten Schwingungen (der sogenannten Präzession) angeregt.
Trifft die Anregungsfrequenz eine ferromagetische Resonanzfrequenz f der magnetischen Momente so kann dies über ein charakteristisches induktives Signal mit Hilfe des Messkopfes detektiert werden. Aus der Form des Resonanzsignals kann auf die dynamischen Eigenschaften der Probe geschlossen werden. Aus der Lage der Resonanzfrequenz bei verschiedenen Magnetfeldern können zusätzlich verschiedene magnetostatische Materialeigenschaften abgeleitet werden.

Der wesentliche Vorteil des neuen Messkopfes ist, dass Messungen der magnetischen Eigenschaften unmittelbar an kompletten Wafern durchgeführt werden können. Es sind keine weiteren Präparationsschritte wie etwa ein Zerteilen des Wafers erforderlich. Die Messung ist rückführbar und robust. Zudem kann der Messkopf an verschiedenen Stellen des Wafers positioniert werden, um so die lokale Variation der magnetischen Eigenschaften zu untersuchen.

 

 

 

Bild 1: Induktiver Messkopf in Seiten- und Aufsicht (b) und schematische Darstellung des Messsystems mit Ausleseelektronik (VNA) und Elektromagnet zur Erzeugung des äußeren Magnetfeldes B (a).

 

 

Ansprechpartner: S. Sievers
Fachbereich 2.5:  Halbleiterphysik und Magnetismus