DE19755534A1

DE19755534A1 - Verfahren und Vorrichtung zur Messung der Verteilung von Magnetfeldern

Info

Publication number: DE19755534A1
Application number: DE19755534A
Authority: DE
Inventors: Andreas Dr Dietzel; Friedrich Dr Fleischmann
Original assignee: International Business Machines Corp
Current assignee: International Business Machines Corp
Priority date: 1997-12-13
Filing date: 1997-12-13
Publication date: 1999-06-24
Anticipated expiration: 2017-12-14
Also published as: DE19755534B4; US6297630B1

Description

Gebiet der Erfindung

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Bestimmung der Verteilung von Magnetfeldern im mehrdimensionalen Raum. Speziell betrifft die Erfindung die Messung solcher Felder bei Schreib-/Leseköpfen für magnetische Speichermedien. Die Erfindung betrifft außerdem eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens.

Stand der Technik

Mit der ständig zunehmenden Aufzeichnungsdichte und der stetigen Qualitätsverbesserung bei der Entwicklung von Magnetköpfen in der letzten Zeit wird es immer wichtiger, die mehrdimensionale räumliche Verteilung eines Magnetfeldes möglichst genau messen zu können, da diese Verteilung in der Nähe des Spalts eines Magnetkopfes einen Faktor darstellt, der die Aufnahme- bzw. Wiedergabeeigenschaften stark beeinflußt.

Wird ein Magnetkopf über ein magnetisches Aufzeichnungsmedium, bspw. eine Magnetplatte, die eine magnetische Dünnfilmschicht beinhaltet, geführt, so entsteht in den magnetischen Schichten der Platte eine Magnetisierung, die im Mikrometer- bzw. Submikrometerbereich liegt. Durch die zunehmende Schreibdichte auf der Platte werden die Abstände zwischen benachbarten Spuren immer geringer. Es ist daher wichtig, daß die Magnetisierung immer scharf umrissen bleibt und bspw. nicht in benachbarte Spuren hineinreicht, was zu Schreib- bzw. Lesefehlern führen kann.

Es ist daher von Interesse, die Verteilung des Magnetfeldes möglichst genau analysieren bzw. vermessen zu können, um solchen Schreib- bzw. Lesefehlern vorzubeugen. Dazu ist es besonders vorteilhaft, wenn eine solche Charakterisierung bereits im Vorfeld, d. h., bei der Herstellung des Magnetkopfes, geschehen kann und nicht erst nach Fertigstellung in besonderen Tests durchgeführt werden muß.

J.H.J. Fluitman, "Recording Head Field Measurement with a Magnetoresistive Transducer", Transactions on Magnetics, Vol. 4, Nr. 5, September 1978, Seiten 433-435, beschreibt die Messung von Feldverteilungen von Magnetköpfen mit einem magnetoresistiven (MR) Element in Form eines eindimensionalen Rastervorgangs des MR-Elements in der Richtung seiner kurzen Achse und anschließende Berechnung des MR-Signal-Outputs.

Als eine Methode zur Messung der magnetischen Feldverteilung im Mikrometerbereich ist kürzlich die sogenannte Elektronenstrahltomographie vorgeschlagen worden, bei der die Feldverteilung dreidimensional durch die Tomographiemethode (Tomographie steht für die Bestimmung eines Schnittbilds mittels algebraischer Rekonstruktion ausgehend von Meßwerten, die Material- oder Raumeigenschaften, aufintegriert entlang eines Meßstrahls, repräsentieren) rekonstruiert wird, wobei von der Größe der Abweichung eines Elektronenstrahls aufgrund der Einwirkung der Lorentzkraft des magnetischen Feldes auf den Elektronenstrahl nach dem Durchtritt durch das magnetische Feld ausgegangen wird. Eine Anwendung einer Computersimulation führt dann zu einem einfachen Modell der Magnetfeldverteilung (vgl. "Evaluation of Three-Dimensional Micromagnetic Stray Fields by Means of Electron-Beam Tomography", IEEE Trans. Magn., MAG-21, 5, Seiten 1593, 1594 (1985)).

J.P.J. Groenland et al., "Measurement System for Two- Dimensional Magnetic Field Distributions, Applied to the Investigation of Recording Head Fields", J. Phys. E: Sci. Instrum., Vol. 14, 1981, S. 503 ff, beschreiben die Messung der magnetischen Feldverteilung eines Magnetkopfes mit Hilfe eines magnetoresistiven Sensors. Hier wird jedoch nicht versucht, die Feldverteilung aus den erhaltenen Meßwerten direkt zu bestimmen, sondern es werden Simulationen gerechnet, mit deren Hilfe die Messungen dann interpretiert werden.

In US-A-5,075,623 wird ein Verfahren zur hochpräzisen Messung der dreidimensionalen räumlichen Verteilung von Magnetfeldern beschrieben, das die Ablenkung eines Elektronenstrahls im magnetischen Feld (Lorentz-Kraft) mit der Methode der algebraischen Rekonstruktion verbindet. Das Verfahren ist dadurch charakterisiert, daß (a) eine Referenzachse, in der die magnetische Feldverteilung gemessen werden soll und mehrere dazu senkrechte Ebenen ausgewählt werden, (b) ein Elektronenstrahl in jeder dieser zu vermessenden Ebenen mit vorbestimmten Einfallswinkeln gescannt wird und sukkzessive die Größe der Abweichung des Elektronenstrahls aufgrund der Lorentzkraft gemessen wird, (c) eine algebraische Rekonstruktion der Magnetfeldverteilung in jeder der Ebenen auf der Grundlage der entsprechend gemessenen Abweichung durchgeführt wird, (d) die Flugbahn des Elektronenstrahls berechnet wird, um eine Abweichungsgröße zu erhalten, die jeder der sukkzessiven gemessenen Abweichungen entspricht, (e) die Differenzen der berechneten Abweichungen des Elektronenstrahls und der entsprechenden gemessenen Abweichung berechnet werden, und (f) das rekonstruierte Magnetfeld auf der Basis dieser Differenz korrigiert wird, bis die Differenz unter einem vorbestimmten Wert liegt.

Hintergrund der Erfindung

Nachteilig bei den Verfahren des Standes der Technik ist die Tatsache, daß sie zum Teil keine Bestimmung der mehrdimensionalen Verteilung des Magnetfelds gestatten und zum anderen sehr aufwendig und teuer sind. So verlangt bspw. die Elektronenstrahlmethode die Verwendung einer Vakuumkammer, was zu einem hohen apparativen Aufwand und stark erhöhten Kosten führt. Desweiteren ist die Charakterisierung bspw. von Magnetköpfen recht schwierig, da mit den genannten Apparaturen aufgrund der Notwendigkeit, die zu vermessenden Teile in die Vakuumkammer einschleusen und auch wieder ausschleusen zu müssen, kein hoher Durchsatz erreicht werden kann. Zudem liegt bei dieser Methode die zu vermessende Probe stets zwischen einem Sender und einem Empfänger, wobei die Abstände im cm-Bereich liegen, was vor allem bei einer ausgeprägten Topographie der Probe nachteilig ist, da häufig der Elektronenstrahl aufgrund Abschirmung durch die Probe selbst vom Empfänger nicht detektiert werden kann.

Es ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren zur Bestimmung der mehrdimensionalen Verteilung eines Magnetfeldes bereitzustellen, das ohne großen apparativen Aufwand auf kostengünstige Art und Weise eine Bestimmung der Verteilung eines Magnetfeldes erlaubt.

Eine weitere Aufgabe liegt darin, ein Verfahren der genannten Art bereitzustellen, mit dem auch bei ausgeprägter Topographie der zu vermessenden Probe ein zufriedenstellendes Ergebnis erreicht werden kann.

Diese und weitere Aufgaben werden durch ein Verfahren zur Bestimmung der mehrdimensionalen Verteilung eines Magnetfeldes gemäß Anspruch 1 und die Vorrichtung gemäß Anspruch 10 gelöst.

Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Verfahrens und der Vorrichtung sind in den Unteransprüchen dargelegt.

Obwohl die vorliegende Erfindung überall dort anwendbar ist, wo sich Magnetfelder über mikroskopische Dimensionen (d. h., im Bereich von Millimetern bis hinunter zum Nanometerbereich) erstrecken, bspw. bei Schaltkreisen mit geringen Leiterbahnabständen, soll sie im folgenden anhand der Bestimmung der Verteilung des Magnetfeldes bei Schreib-/Lese köpfen näher erläutert werden.

Das erfindungsgemäße Verfahren erlaubt eine kostengünstige, einfache Bestimmung der mehrdimensionalen Verteilung von Magnetfeldern, insbesondere bei Magnetköpfen. Die Bestimmung kann ohne aufwendige apparative Vorkehrungen durchgeführt werden und bietet die Möglichkeit, bereits im Vorfeld eine Charakterisierung der Magnetfelder zu ermöglichen, wodurch frühzeitige Voraussagen der späteren Performance ermöglicht werden. Aufgrund der Einfachheit der Anordnung kann ein großer Durchsatz erreicht werden und auch aufgrund einer komplizierten Topographie schwierig zu charakterisierende Proben liefern ein exaktes Ergebnis.

Beschreibung der Erfindung

Die vorliegende Erfindung verbindet das Prinzip des magnetoresistiven Effekts mit der Methode der algebraischen Rekonstruktion, um eine Messung der mehrdimensionalen Verteilung des Magnetfeldes zu erlauben. Unter magnetoresistivem (MR)-Effekt versteht man die Änderung des elektrischen Widerstands aufgrund einer Penetrierung durch ein Magnetfeld. Moderne MR-Sensoren werden durch eine optimierte Mehrlagen-Dünnfilmtechnologie realisiert. Eine Weiterentwicklung des MR-Effekts ist der Giant Magnetoresistive (GMR)-Effekt, der eine mehrfach stärkere Änderung der Leitfähigkeit hervorruft und damit noch empfindlichere Magnetfeldmessungen erlaubt.

Zur Messung der Feldverteilung gemäß der vorliegenden Erfindung wird ein magnetoresistiver Sensor (MR-Element) verwendet. Der magnetoresistive Sensor besteht aus einem Dünnfilm mit einer Kante als Magnetfeld-Eintrittsfenster. Aus diesem Grunde integriert der Sensor das Magnetfeld entlang seiner x,y-Dimensionen der Eintrittsfläche. Für die Messung kann bevorzugt ein Dünnfilm verwendet werden, ähnlich oder aus praktischen Gründen auch identisch dem bei der Herstellung des Leseelements verwendeten Mehrlagenfilms. Die Erfindung ist jedoch nicht auf diese Ausführungsform beschränkt, sondern es können beliebige magnetoresistive Dünnfilme verwendet werden. Die Ausdehnung der verwendeten Filme liegt bevorzugt im Bereich von 1-100 µm. Dadurch ist die Möglichkeit gegeben, bei extremen Topographien ein "Eintauchen" der Meßstrecke, d. h., des MR-Sensors, zu ermöglichen. Somit besteht die Möglichkeit, auch Feldverteilungen über konvexen Probengeometrien zu vermessen.

Zur Messung der Feldverteilung wird zunächst ein Abstand vom magnetfelderzeugenden Objekt festgelegt, in dem die Messung durchgeführt werden soll (z-Achse). Es wird hier also eine bestimmte x,y-Ebene ausgewählt, in der die Messung stattfindet. Dies ist wichtig, da die Größe des magnetischen Feldes nichtlinear mit dem Abstand vom magnetfelderzeugenden Element abfällt. Eine Möglichkeit besteht bspw. darin, in Kontakt mit der Probe zu messen. Dies hat den Vorteil, daß der Abstand 0 meist wohldefiniert ist, und das austretende Feld hier sein Maximum hat. Bei der Messung der Feldverteilung eines Magnetkopfes ist es z. B. sinnvoll, die Messung in der späteren Flughöhe des Kopfes über der Magnetplatte durchzuführen, um genau das Feld zu messen, das später am Ort der Plattenoberfläche, d. h., dort, wo die magnetisierbaren Schichten liegen, herrscht, während es bei Anwendung der Erfindung auf elektrische Schaltkreise vernünftig erscheint, den Abstand zwischen benachbarten Leiterbahnen zu wählen.

Anschließend wird der MR-Sensor (Dünnfilm) in einer Richtung über das Meßgebiet geführt, wobei die Rasterrichtung senkrecht zur Längsachse des Sensors erfolgt, um eine Überdeckung des Meßfeldes mit Meßstrahlen zu erzielen. Während des Rasterns werden dabei die entsprechenden Signale registriert und aufgezeichnet. Die Rasterung kann je nach gewünschter Auflösung in entsprechend großen Schritten erfolgen.

Danach erfolgt ein Rastern des Meßgebiets unter einem vorgegebenen Winkel zur ersten Rasterrichtung, gleichfalls unter Registrierung und Aufzeichnung der jeweiligen Signale. In einer besonderen Ausführungsform der Erfindung kann dieser zweite Rastervorgang mit Hilfe eines zweiten, im gewünschten Winkel zum ersten Sensor angeordneten Dünnfilms erfolgen. Werden zwei getrennte Sensoren verwendet, können diese bspw. in einem Winkel von 90° angeordnet sein. In diesem Falle kann man bspw. zwei in Epoxy eingebettete MR-Leseköpfe verwenden, die eine polierte glatte Oberfläche aufweisen, auf der der zu analysierende Magnetkopf in zwei Richtungen gleiten kann. Dabei muß darauf geachtet werden, daß eine korrekte Überlappung der Rasterpositionen für die beiden MR-Sensoren erhalten wird. Damit wird sichergestellt, daß die "Zeilen und Spalten" dieses Rastervorgangs bei der Rekonstruktion objektgetreu übereinandergebracht werden können.

Eine solche Vorrichtung ist in Fig. 1 schematisch dargestellt. Das magnetfelderzeugende Element 1, im vorliegenden Fall ein an einer Suspension 4 aufgehängter Magnetkopf, befindet sich in Kontakt mit einer Meßplatte 2, in die zwei MR-Sensoren 3 eingebettet sind. Die Sensoren sind ortsfest angeordnet und bilden einen rechten Winkel zueinander. Die Meßplatte kann nun in x,y-Richtung bewegt werden, wodurch der Magnetkopf "abgerastert" wird. Natürlich kann der Magnetkopf auch, wie bereits weiter oben erwähnt, in einem bestimmten Abstand über der Platte angeordnet sein.

Selbstverständlich können auch mehr als zwei Sensoren verwendet werden, die dann in einem vorgegebenen Winkel zueinander angeordnet sind. Der damit einhergehende zusätzliche technologische Aufwand für das System könnte bspw. bei Anwendungen mit hohen Anforderungen an die Bildqualität gerechtfertigt sein.

Ein weiterer bedeutender Vorteil des Verfahrens liegt in der möglichen Kombination mit anderen Methoden, wie bspw. rastersondenmikroskopische Verfahren (Rasterkraftmikroskop), wenn man die zueinander orthogonalen Sensoren auf einem micro beam realisiert. Auf diese Weise können die Meßergebnisse sinnvoll ergänzt werden.

Eine solche Anordnung ist schematisch in Fig. 2 dargestellt. Eine mikromechanische Ausführung einer säulenförmigen Struktur 5 mit glatten Kantenflächen 6 (micro beam) trägt auf diesen Kantenflächen magnetoresistive Schichten 7, die als Sensoren in x- bzw. y-Richtung dienen. Die säulenförmige Struktur, die bspw. aus lithographisch strukturiertem Silizium bestehen kann, kann nun in x- und y-Richtung bewegt werden, wodurch wiederum der Magnetkopf abgerastert wird. Auf der zum zu untersuchenden Magnetkopf zeigenden Frontfläche 8 der Säule kann u. U. eine Spitze 9 angebracht werden, die als Rastersondenspitze dienen kann.

Eine weitere Ausführungsform der Erfindung umfaßt das Rastern des Meßfeldes mit nur einem Sensor, der vor jedem separaten Rastervorgang in einem entsprechenden Winkel ausgerichtet wird.

Der nächste Schritt des erfindungsgemäßen Verfahrens besteht nun in der algebraischen Rekonstruktion des Meßfeldes.

Die Dimension in y-Richtung ist normalerweise um einige Größenordnungen weiter als die Dimension in x-Richtung (Filmdicke). Aus diesem Grunde kann die Bestimmung der Feldverteilung analog der Bildrekonstruktion in der Röntgencomputertomographie gesehen werden, bei der die Signalintegration entlang des Röntgenstrahls zwischen der Röntgenquelle und dem Detektor abläuft. Um ein zweidimensionales Röntgenbild erhalten zu können, wird dabei die Quelle-Detektor-Achse gedreht und das Signal als eine Funktion des Drehwinkels (0-360°) gemessen.

Das Feld wird nun in N×N Pixel P_uv (P_uv stellt den Punkt des Schnittbilds dar, der sich in der Spalte u und der Zeile v befindet) aufgeteilt:

Dadurch kann das Meßsignal S, das ein Linienintegral entlang der langen Achse des Sensors darstellt, als endliche Summe dargestellt werden. Die Rekonstruktion der Feldverteilung ist dann gleichbedeutend mit dem Problem der Lösung eines Systems mit 2N Gleichungen:

S_u = SUM_v (P_uv); v = 1. . .N

S_v = SUM_u (P_uv); u = 1. . .N,

wobei S_u den Signal-Output des MR-Elements mit der langen Achse in x-Richtung darstellt. Entsprechend bezeichnet S_v den Signal-Output in y-Richtung. Eine solche Berechnung kann sehr einfach mit Hilfe eines PCs als iterative Näherung durchgeführt werden. Man erhält auf diese Weise eine zweidimensionale Verteilung des Magnetfelds.

Zur Festlegung der dreidimensionalen Verteilung des Magnetfeldes kann nun eine neue Ebene für die Messung festgelegt (Schritt a)) und die Schritte b) bis d) erneut durchlaufen werden. Auf diese Weise kann die gesamte dreidimensionale Verteilung ermittelt werden.

Für die Bestimmung der Magnetfeldverteilung bei magnetischen Schreibköpfen ist u. U. eine zweidimensionale Messung auf der Ebene der Magnetplatte, d. h., im Abstand der Flughöhe, ausreichend. In diesem Falle reicht also eine einzige Messung für die Bestimmung der Verteilung aus.

Mit Hilfe der vorliegenden Erfindung lassen sich also sowohl zwei- als auch dreidimensionale Verteilungen von Magnetfeldern auf einfache Art und Weise messen. Die Messergebnisse werden direkt, d. h., ohne weitere zusätzliche Korrekturen (wie bspw. für eine aus der Ablenkung eines Elektronenstrahls resultierende Verbiegung des Meßstrahls im Falle der Elektronenstrahltomographie) erhalten. So kann schnell und ohne zusätzliche Näherungsverfahren eine Feldverteilung eindeutig rekonstruiert werden.

Claims

1. Verfahren zur Bestimmung der mehrdimensionalen Verteilung von Magnetfeldern eines magnetfelderzeugenden Elements mit Hilfe mindestens eines magnetoresistiven Sensors, gekennzeichnet durch folgende Schritte

a) Festlegen eines Abstandes von dem magnetfelderzeugenden Element zur Abgrenzung des Meßgebiets, in dem die Messung durchgeführt werden soll;
b) Rasterung des Meßgebiets in einer Richtung, wobei die Rasterrichtung senkrecht zur Längsachse des mindestens einen Sensors liegt, und Aufnahme der entsprechenden Signale;
c) Rastern des Meßgebiets unter einem vorgegebenen Winkel zur ersten Rasterungsrichtung und Aufnahme der entsprechenden Signale; und
d) algebraische Rekonstruktion der Magnetfeldverteilung aufgrund der aufgenommenen Signale.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß es als zusätzlichen Schritt enthält

e) Festlegen eines weiteren Abstandes von dem magnetfelderzeugenden Element, in dem eine zweite Messung durchgeführt werden soll; und
f) Wiederholen der Schritte b) bis d).

3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das magnetfelderzeugende Element ein Schreib-/Lese element ist.

4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das magnetfelderzeugende Element ein stromdurchflossener Leiter ist.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der magnetoresistive Sensor als Dünnfilmstruktur realisiert ist.

6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß der verwendete Dünnfilm identisch ist mit dem bei der Herstellung eines Schreib-/Leseelements verwendeten.

7. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Abstand so gewählt wird, daß die Messung in Kontakt mit dem magnetfelderzeugenden Element durchgeführt wird.

8. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß zwei magnetoresistive Sensoren verwendet werden, die in einem Winkel von 90° zueinander ortsfest angeordnet sind.

9. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß bei Verwendung nur eines magnetoresistiven Sensors der Sensor vor der Durchführung des Schritts c) durch Drehung unter den vorbestimmten Winkel gebracht wird.

10. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß zwei MR-Sensoren (3) orthogonal zueinander ortsfest angeordnet sind.

11. Vorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Sensoren in einer Meßplatte (2) angeordnet sind.

12. Vorrichtung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Meßplatte in x,y-Richtung beweglich angeordnet ist.

13. Vorrichtung nach Anspruch 11 oder 12, dadurch gekennzeichnet, daß die Meßplatte aus Epoxymaterial besteht.

14. Vorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß die zwei MR-Sensoren als magnetoresistive Schichten (7) ausgebildet sind, die auf den Kantenflächen (6) einer säulenförmigen Struktur (5) aufgebracht sind.

15. Vorrichtung nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß die säulenförmige Struktur aus lithographisch strukturiertem Silizium besteht.

16. Vorrichtung nach Anspruch 14 oder 15, dadurch gekennzeichnet, daß die säulenförmige Struktur auf der dem magnetfelderzeugenden Element zugewandten Seite eine Rastersondenspitze trägt.