DE4003307A1 - Detektionseinrichtung zur messung mikromagnetischer oder -elektrischer felder - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Detektionseinrichtung zur Messung von an einem magnetfelderzeugenden Meßobjekt austre­ tenden mikromagnetischen oder -elektrischen Feldern mit Hilfe des Elektronenstrahls eines Elektronenmikroskops. Die Einrich­ tung enthält dabei einen die Intensitätsverteilung des in dem Magnetfeld des Meßobjekts abgelenkten Elektronenstrahls in eine Lichtintensitätsverteilung umwandelnden Konverterteil mit einem Leuchtschirm, dem ein optischer Ausleseteil zur Auswertung und Darstellung der Lichtintensitätsverteilung nachgeordnet ist. Eine derartige Detektionseinrichtung ist in der Veröffent­ lichung "IEEE Trans. Magn.", Vol. MAG-20, No. 5, Sept. 1984, Seiten 866 bis 868 beschrieben.

Mit der bekannten Einrichtung kann indirekt das Magnetfeld eines magnetfelderzeugenden Meßobjektes (Probanden) detektiert werden. Hierzu wird in einem Rasterelektronenmikroskop ein scharf gebündelter Elektronenstrahl in unmittelbarer Nähe des magnetfelderzeugenden Meßobjektes vorbeigeführt. Bei dem Meß­ objekt kann es sich insbesondere um einen Magnetkopf für eine Datenspeicheranlage handeln, der in einem eng begrenzten Volu­ men ein magnetisches Streufeld erzeugt. Entsprechende Felder sind äußerst schwach. So werden z. B. Feldstärken in der Größen­ ordnung von nur 100 kA/m an den Polspiegeln der Magnetpole sol­ cher Magnetköpfe gemessen. Derartige Felder werden deshalb auch als mikromagnetisch bezeichnet.

Bei der bekannten Detektionseinrichtung wird der Elektronen­ strahl durch die Komponenten der magnetischen Induktion B_x bzw. B_y des Streufeldes des Meßobjektes in die entsprechende y- bzw. x-Richtung abgelenkt.

Aus der Größe der Ablenkung der Elektronenintensitätsverteilung können dann die Komponenten der magnetischen Induktion berech­ net werden. Um diese Elektronenintensitätsverteilung sichtbar zu machen, trifft bei der bekannten Einrichtung der abgelenkte Elektronenstrahl zunächst auf eine Mikrokanalplatte, der eine Phosphorschicht nachgeordnet ist. In dieser Phosphorschicht wird die Elektronenintensitätsverteilung in eine Lichtinten­ sitätsverteilung umgewandelt. Das nun aus dem Vakuumraum des Elektronenmikroskops austretende Licht wird dann über eine Transferoptik einer TV-Kamera zugeführt, mit der die Lichtin­ tensitätsverteilung in Abhängigkeit von dem erzeugten Streu­ feld beobachtet werden kann.

Es hat sich jedoch gezeigt, daß bei dieser bekannten Detektions­ einrichtung der in der Phosphorschicht erzeugte Lichtfleck ver­ hältnismäßig groß und verschmiert ist, so daß bei jeder Punkt­ messung das von dem Elektronenstrahl erzeugte Bild durch eine elektronische Bildverarbeitung erfaßt werden muß und erst an­ schließend die Berechnung des Schwerpunktes erfolgen kann. Die Zeit zur Durchführung einer Linienmessung, bei der eine Viel­ zahl von Punktmessungen vorgenommen werden müssen, beträgt da­ her viele Minuten. Eine solch lange Meßzeit kann aber, insbe­ sondere bei Dünnfilm-Magnetköpfen mit einem sehr geringen Ab­ stand zwischen der Meßebene des Elektronenstrahls und dem Pol­ spiegel des Magnetkopfes von z. B. nur etwa 0,5 µm, zu einer Aufladung des das zu detektierende Feld erzeugenden Meßobjektes und damit zu einer Verfälschung der Meßergebnisse aufgrund von elektrostatischen Wechselwirkungen führen.

Ferner ist in der Veröffentlichung "IEEE Trans. Magn.", Vol. MAG-21, No. 5, Sept. 1985, Seiten 1593 bis 1595 eine entspre­ chende tomographische Meßmethode zu einer dreidimensionalen Be­ stimmung der Streufelder eines Magnetkopfes beschrieben. Hier­ für ist eine entsprechende Detektionseinrichtung zugrundege­ legt, bei der jedoch das magnetfelderzeugende Meßobjekt um insgesamt 180° gedreht und bei jeder Winkeleinstellung eine Linienmessung durchgeführt wird. Mit Dünnfilm-Magnetköpfen sind bei dem geforderten geringen Arbeitsabstand wegen der erwähnten Aufladungsproblematik entsprechende dreidimensionale Messungen ohne eine erhebliche Beschleunigung des Meßverfahrens in der Praxis nicht durchführbar.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es deshalb, die Detek­ tionseinrichtung mit den eingangs genannten Merkmalen dahin­ gehend auszugestalten, daß mit ihr eine schnelle Messung von mikromagnetischen Feldern mit Hilfe des Elektronenstrahls eines Elektronenmikroskops ermöglicht wird.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß der Aus­ leseteil eine zweidimensionale, positionsempfindliche Fotodiode enthält, die zwei zueinander parallele, p- n-dotierte Schichten aufweist, die zumindest annähernd senkrecht bezüglich der Ein­ fallsrichtung des Lichtes ausgerichtet sind und deren dem Licht ausgesetzte Flächen sich jeweils zwischen zwei untereinander parallelen Streifenelektroden befinden, wobei die Elektroden der p-Schicht um 90° versetzt gegenüber den Elektroden der n- Schicht ausgerichtet sind.

Die mit dieser Ausgestaltung der Detektionseinrichtung verbun­ denen Vorteile sind insbesondere darin zu sehen, daß ein auf die p- und die n-Schicht der Fotodiode auftreffender Licht­ strahl jeweils dort einen zusätzlichen Strom erzeugt und die so feststellbaren Stromänderungen in diesen Schichten ein direktes Maß für die Koordinaten der Ablenkung des Elektronenstrahls und damit für die entsprechenden Komponenten der magnetischen In­ duktion des Meßobjektes sind. Die Meßzeit zur Bestimmung der Ortskoordinaten des Lichtschwerpunktes läßt sich so gegenüber der bekannten Detektionseinrichtung ganz erheblich reduzieren.

Vorteilhafte Ausgestaltungen der erfindungsgemäßen Detektions­ einrichtung gehen aus den Unteransprüchen hervor.

Zur weiteren Erläuterung der Erfindung wird nachfolgend auf die Zeichnung Bezug genommen, in deren Fig. 1 eine erfindungsge­ mäße Detektionseinrichtung skizziert ist. Aus Fig. 2 geht schematisch ein Längsschnitt durch den Konverter- und Auslese­ teil dieser Detektionseinrichtung hervor. Fig. 3 zeigt eine Schrägansicht auf eine Fotodiode des Ausleseteils dieser Detektionseinrichtung. In den Figuren sind sich entsprechende Details mit denselben Bezugszeichen versehen.

In Fig. 1 ist der prinzipielle Aufbau einer Detektionsein­ richtung nach der Erfindung angedeutet. Hierbei sind an sich bekannte Ausführungsformen zugrundegelegt (vgl. z. B. die ge­ nannte Textstelle aus "IEEE Trans. Magn.", Vol. MAG-20). Die allgemein mit 2 bezeichnete Detektionseinrichtung umfaßt unter anderem ein modifiziertes Rasterelektronenmikroskop 3, das in bekannter Weise aufgebaut ist. Dieses Rasterelektronenmikros­ kop enthält innerhalb des Vakuumraums 4 seines Vakuumgehäuses 4a eine Elektronenstrahlquelle 5, mit der ein (primärer) Elek­ tronenstrahl 6 erzeugt wird. Nachdem dieser Strahl die üblichen elektrostatischen oder elektromagnetischen Linsen 7a und 7b durchlaufen hat, tritt er in ein zu detektierendes Magnetfeld mit einer Induktion B ein. Dieses Magnetfeld wird von einem in den Vakuumraum 4 eingebrachten magnetfelderzeugenden Meßobjekt 10 hervorgerufen. Bei dem Meßobjekt 10 kann es sich insbeson­ dere um einen in Dünnfilm-Technik erstellten Magnetkopf für Datenspeicheranlagen handeln. Aufgrund der in dem Magnetfeld auf den Elektronenstrahl 6 einwirkenden Lorentz-Kräfte wird dieser entsprechend in x- und/oder y-Richtung eines ange­ nommenen x-y-Koordinatensystems abgelenkt. Der Ablenkungswin­ kel α ist in der Figur übertrieben groß angenommen; er be­ trägt im allgemeinen nur wenige Winkelgrade.

Der abgelenkte, mit 6′ bezeichnete Elektronenstrahl trifft dann auf einen Konverterteil 11, der zumindest einen Leuchtschirm 11a, vorzugsweise eine Phosphorschicht oder einen YAG-Kristall, enthält, in welcher die Elektronen des abgelenkten Elektronen­ strahls 6′ in sichtbare Lichtquanten 12 umgewandelt werden. Zu­ sätzlich zu dem Leuchtschirm 11a kann der Konverterteil 11 ge­ gebenenfalls noch in bekannter Weise eine Mikrokanalplatte auf­ weisen. Bei der erfindungsgemäßen Detektoreinrichtung 2 kann jedoch vorteilhaft auf eine derartige Kanalplatte verzichtet werden. Somit ist eine ansonsten aufwendige Justage einer sol­ chen Mikrokanalplatte nicht mehr erforderlich.

Die in dem Leuchtschirm 11a hervorgerufene Lichtintensitätsver­ teilung wird mittels eines nachgeordneten, außerhalb des Vakuum­ raums 4 befindlichen Ausleseteils 15 durch ein Vakuumfenster 14 des Vakuumgehäuses 4a hindurch optisch beobachtet, ausgewertet und dargestellt. Die für die Erfindung wesentlichen Teile die­ ses Ausleseteils sind in Fig. 2 angedeutet.

Wie aus dem schematischen Schnitt dieser Fig. 2 ersichtlich ist, gelangt das in dem Leuchtschirm 11a durch den abgelenkten Elektronenstrahl 6′ vorteilhaft direkt erzeugte, aus dem Va­ kuumfenster 14 austretende Licht 12 über eine an sich bekannte fokussierende Optik 16 auf eine Fotodiode 20. Diese Fotodiode hat eine ausgeprägte zweidimensionale Gestalt und ist hinsicht­ lich der Position in x- und y-Richtung des auf sie auftreffen­ den Lichtes 12 empfindlich. Die Ausgestaltung dieser Fotodiode 20 ist in Fig. 3 näher veranschaulicht.

Die in Fig. 3 in Schrägansicht gezeigte Fotodiode 20 enthält in an sich bekannter Weise zwei zueinander parallele planare Schichten 21 und 22, von denen z. B. die dem einfallenden Licht 12 zugewandte Schicht 21 eine p-Dotierung aufweist. Dann muß die Schicht 22 eine n-Dotierung haben. Die Ausrichtung der Fo­ todiode 20 ist dabei so vorgenommen, daß das einfallende Licht 12 zumindest annähernd senkrecht auf die p-Schicht 21 auf­ trifft. Zwischen den beiden Schichten 21 und 22 befindet sich eine nicht-dotierte, sogenannte "intrinsische" Zwischenschicht 23. Folglich ist dem in der Figur dargestellten Ausführungs­ beispiel eine Fotodiode vom sogenannten "pin"-Typ zugrundege­ legt. Für die erfindungsgemäße Detektionseinrichtung sind je­ doch auch andere Typen von Fotodioden mit p- und n-Schichten geeignet. An den in x-Richtung eines angenommenen x-y-Koordi­ natensystems beabstandeten Rändern der p-Schicht 21 sind zwei untereinander parallele Streifenelektroden 24a und 24b aufge­ bracht, beispielsweise aufgedampft. Zwischen diesen Streifen­ elektroden soll sich die dem Licht 12 ausgesetzte Fläche 25 der Schicht 21 befinden. In entsprechender Weise weist auch die n-Schicht 22 zwei Streifenelektroden 26a und 26b mit einer dazwischenliegenden Eintrittsfläche 27 für das Licht 12 auf. Diese Streifenelektroden 26a und 26b sind jedoch gegenüber den Streifenelektroden 24a und 24b um 90° gedreht angeordnet und liegen somit an den in y-Richtung beabstandeten Rändern der Schicht 22.

Mit einer derartigen zweidimensionalen, positionsempfindlichen Diode kann nun direkt der Schwerpunkt eines Lichtfleckes ge­ messen werden. Hierzu werden z. B. die Elektroden 24a und 26a mit jeweils einer Konstantspannungsquelle verbunden und an den Elektroden 24b und 26b auftretende Ströme gemessen. Trifft nun an einem Ort mit den Koordinaten x und y der Fotodiode 20 ein Lichtstrahl 12 auf, so erzeugt er einen zusätzlichen Strom, der gleichmäßig nach allen Seiten abfließt. Daher ist die an der Elektrode 24b feststellbare Stromänderung proportional zu der Länge x und die Stromänderung an der Elektrode 26b pro­ portional zu der Länge y. Die Meßzeit zur Stromänderung des Ortes x, y des Lichtschwerpunktes kann damit gegenüber den bekannten Detektionseinrichtungen mit TV-Kamera um mindestens 90% reduziert werden.

Gemäß dem den Figuren zugrundegelegten Ausführungsbeispiel wurde davon ausgegangen, daß mit der erfindungsgemäßen Detek­ tionseinrichtung 2 eine zweidimensionale Bestimmung von mikro­ magnetischen Feldern eines magnetfelderzeugenden Meßobjektes 10 vorgenommen wird. Ebensogut kann eine Detektionseinrichtung nach der Erfindung auch so ausgestaltet sein, daß mit ihr eine dreidimensionale Messung ermöglicht wird. Die hierzu erforder­ lichen konstruktiven Mittel zur Drehung des magnetfelderzeugen­ den Meßobjektes 10 um eine senkrecht zu dem Elektronenstrahl 6 liegende Achse sind an sich bekannt (vgl. z. B. die genannte Textstelle aus "IEEE Trans. Magn.", Vol. MAG-21). Hierbei ist es im Hinblick auf eine möglichst hohe Meßgenauigkeit mit einem Meßfehler von nur einigen Prozent und einer möglichst kurzen Meßzeit vorteilhaft, wenn bei der tomographischen Messung etwa 45 verschiedene Winkel eingestellt und jeweils etwa 60 Punkt­ messungen ausgeführt werden. Kann ein Meßfehler von etwa 10% toleriert werden, so sind nur 40 Winkelstellungen mit 50 Punkt­ messungen erforderlich. Für Orientierungsmessungen mit einem Fehler bis zu 25% können 30 Winkelstellungen mit 40 Punkt­ messungen ausreichen.

Eine zum Betrieb der erfindungsgemäßen Detektionseinrichtung erforderliche Elektronik ist an sich bekannt (vgl. die genann­ ten Textstellen aus "IEEE Trans. Magn."). Auf ihre bildliche Darstellung wurde deshalb in der Zeichnung verzichtet.

Ferner ist es selbstverständlich, daß die erfindungsgemäße De­ tektionseinrichtung und das ihr zugrundeliegende Verfahren zur Detektion mikromagnetischer Felder ebensogut auch auf die De­ tektion mikroelektrischer Felder anwendbar sind.

Claims (5)

1. Detektionseinrichtung zur Messung von an einem magnetfeld­ erzeugenden Meßobjekt austretenden mikromagnetischen oder -elektrischen Feldern mit Hilfe des Elektronenstrahls eines Elektronenmikroskops, welche Einrichtung einen die Intensitäts­ verteilung des in dem Magnetfeld des Meßobjektes abgelenkten Elektronenstrahls in eine Lichtintensitätsverteilung umwandeln­ den Konverterteil mit einem Leuchtschirm enthält, dem ein opti­ scher Ausleseteil zur Auswertung und Darstellung der Lichtin­ tensitätsverteilung nachgeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, daß der Ausleseteil (15) eine zweidimensionale, positionsempfindliche Fotodiode (20) enthält, die zwei parallele, p- bzw. n-dotierte Schichten (21 bzw. 22) aufweist, die zumindest annähernd senkrecht bezüglich der Ein­ fallsrichtung des Lichtes (12) ausgerichtet sind und deren dem Licht ausgesetzte Flächen (25 bzw. 27) sich jeweils zwischen zwei untereinander parallelen Streifenelektroden (24a, 24b bzw. 26a, 26b) befinden, wobei die Elektroden (24a, 24b) der p-Schicht (21) um 90° versetzt gegenüber den Elektroden (26a, 26b) der n-Schicht (22) ausgerichtet sind.

2. Detektionseinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Fotodiode (20) zwischen ihrer p-Schicht (21) und ihrer n-Schicht (22) eine nicht-do­ tierte Zwischenschicht (23) aufweist.

3. Detektionseinrichtung nach Anspruch 1 oder 2, da­ durch gekennzeichnet, daß an jeweils einer Elektrode der Elektrodenpaare (24a, 24b bzw. 26a, 26b) der p-Schicht (21) und der n-Schicht (22) ein konstantes elek­ trisches Potential gelegt ist und daß Mittel zum Messen der an den jeweils anderen Elektroden auftretenden Ströme vorgesehen sind.

4. Detektionseinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Kon­ verterteil (11) im wesentlichen nur von dem Leuchtschirm (11a) gebildet ist.

5. Detektionseinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß Mittel zur Drehung des magnetfelderzeugenden Meßobjektes (10) um eine senkrecht zu dem Elektronenstrahl (6) liegende Achse vorge­ sehen sind.