DE4003670C2 - Einrichtung zur tomographischen Messung dreidimensionaler mikromagnetischer oder mikroelektrischer Felder mit einer Drehvorrichtung - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Einrichtung zu einer tomo­ graphischen Messung des an einem felderzeugenden Meßobjektes austretenden dreidimensionalen mikromagnetischen oder mikro­ elektrischen Feldes mit einem Elektronenstrahlteil, in dessen Vakuumraum

• - ein scharf gebündelter Elektronenstrahl durch das Feld des Meßobjektes zu führen ist und
• - eine Vorrichtung zur Drehung des auf einem Drehteller be­ festigten Meßobjektes um eine senkrecht zu dem Elektronen­ strahl verlaufende Achse vorgesehen ist,

sowie mit einem nachgeordneten Ausleseteil zur Auswertung und Darstellung der Intensitätsverteilung des in dem Feld des Meß­ objektes abgelenkten Elektronenstrahls. Eine derartige Meß­ einrichtung ist in der Veröffentlichung "IEEE Trans. Magn.", Vol. MAG-21, No. 5, Sept. 1985, Seiten 1593 bis 1595 angegeben.

Dieser bekannten Meßeinrichtung ist eine Apparatur zugrundege­ legt, die aus der Veröffentlichung "IEEE Trans. Magn.", Vol. MAG-20, No. 5, Sept. 1984, Seiten 866 bis 868 hervorgeht. Mit dieser bekannten Apparatur kann das Magnetfeld eines magnet­ felderzeugenden Meßobjektes (Probanden) indirekt zweidimen­ sional detektiert werden. Hierzu wird in dem Vakuumraum eines modifizierten Rasterelektronenmikroskops ein scharf gebündel­ ter Elektronenstrahl in unmittelbarer Nähe des magnetfeld­ erzeugenden Meßobjektes vorbeigeführt. Bei dem Meßobjekt kann es sich insbesondere um einen Dünnfilm-Magnetkopf handeln, wie er für eine Datenspeicheranlage geeignet ist. Solche Magnet­ köpfe erzeugen in einem begrenzten Volumen ein magnetisches Streufeld, das äußerst schwach ist. So sind z. B. an den Pol­ spiegeln der Magnetpole solcher Magnetköpfe Feldstärken in der Größenordnung von nur 10 kA/m zu messen. Derartige Magnetfel­ der werden deshalb auch als mikromagnetische Felder bezeich­ net. Aufgrund solcher sehr schwachen Felder muß der Abstand zwischen dem Elektronenstrahl und der Meßobjektebene sehr gering gewählt werden und beispielsweise bei nur etwa 0,5 µm liegen. Unter der Meßobjektebene wird dabei im Falle eines Magnetkopfes die Feldaustrittsebene seiner Magnetschenkel verstanden, die auch als Polspiegelebene bezeichnet wird.

Bei der bekannten Meßapparatur wird also der Elektronenstrahl durch die Komponenten der magnetischen Induktion B_x bzw. B_y des Streufeldes des Meßobjektes in die entsprechende y- bzw. x-Richtung in einem angenommenen x-y-Koordinatensystem abge­ lenkt. Aus der Größe der Ablenkung der Elektronen können dann die Komponenten der magnetischen Induktion berechnet werden. Um die Elektronen sichtbar zu machen, trifft bei der bekannten Meßapparatur der abgelenkte Elektronenstrahl auf eine inner­ halb des Vakuumraums des modifizierten Elektronenmikroskops be­ findliche Mikrokanalplatte, der eine Phosphorschicht nachgeord­ net ist. In dieser Phosphorschicht wird die Elektronenintensitäts­ verteilung in eine Lichtintensitätsverteilung umgewandelt. Das nun aus dem Vakuumraum des Elektronenmikroskops austretende Licht wird dann über eine Transferoptik einer TV-Kamera zuge­ führt, mit der die Lichtintensitätsverteilung in Abhängigkeit von dem Streufeld des Meßobjektes zweidimensional beobachtet werden kann.

Bei der aus der eingangs genannten Veröffentlichung "IEEE Trans. Magn.", Vol. MAG-21 zu entnehmenden Meßeinrichtung wird von der aus der genannten Veröffentlichung "IEEE Trans. Magn.", Vol. MAG-20 bekannten Meßapparatur ausgegangen, um mittels einer tomographischen Meßmethode eine dreidimensionale Be­ stimmung der Streufelder eines Magnetkopfes vornehmen zu können. Hierzu ist zusätzlich in dem Vakuumraum des Elektronen­ mikroskops eine Vorrichtung zur Drehung des Meßobjektes um eine senkrecht zu dem Elektronenstrahl verlaufende Achse vorgesehen. Mit dieser Vorrichtung wird das auf einem Drehteller (bzw. Pro­ bentisch) befestigte magnetfelderzeugende Meßobjekt sukzessive um insgesamt 180° gedreht. Bei jeder einzelnen Winkelstellung wird eine Linienmessung durchgeführt, die sich aus einer Viel­ zahl von Punktmessungen zusammensetzt. Mit Dünnfilm-Magnet­ köpfen sind bei dem erforderlichen geringen Arbeitsabstand zwi­ schen der Meßobjektebene und dem Elektronenstrahl solche drei­ dimensionalen Messungen nur mit einem Drehteller durchführbar, der bei der erforderlichen Drehung des Meßobjektes die Dreh­ achse, die Meßobjekt ebene sowie den Abstand zur Meßebene konstant hält. Die Meßebene wird dabei durch den Elektronen­ strahl aufgespannt.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es deshalb, die Dreh­ vorrichtung der Meßeinrichtung mit den eingangs genannten Merk­ malen dahingehend auszugestalten, daß mit ihr auf verhältnis­ mäßig einfache Weise die geforderte exakte Position der Meß­ ebene des Meßobjektes bezüglich des Elektronenstrahls einzu­ halten ist.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß zwi­ schen einem Antriebsteil der Drehvorrichtung und dem Drehteller drei sich parallel zur Drehachse erstreckende, mit dem An­ triebsteil starr verbundene und auf einem bezüglich der Dreh­ achse konzentrischen gedachten Kreis befindliche Stellglieder vorgesehen sind, deren axiale Länge jeweils piezoelektrisch einstellbar ist und die jeweils über Verbindungselemente mit Kugelgelenken an dem Drehteller angreifen, wobei die drei Angriffspunkte dieser Verbindungselemente an dem Drehteller ebenfalls auf einem bezüglich der Drehachse konzentrischen gedachten Kreis liegen, dessen Radius kleiner ist als der Ra­ dius des gedachten Kreises, auf dem sich die piezoelektrischen Stellglieder befinden.

Die mit dieser Ausgestaltung der Meßeinrichtung verbundenen Vorteile sind insbesondere darin zu sehen, daß das gebildete piezoelektrische Dreibein ohne größere Schwierigkeiten erlaubt, die Meßobjektebene bei der Drehung des Drehtellers parallel zur Meßebene des Elektronenstrahls einzustellen. Dabei ist eine spielfreie Verkippung des Drehtellers in allen Richtungen durch die Verwendung der drei auf einem Kreis mit verhältnismäßig kleinem Radius befindlichen Kugelgelenke zu gewährleisten.

Vorteilhafte Ausgestaltungen der erfindungsgemäßen Meßeinrich­ tung gehen aus den Unteransprüchen hervor.

Zur weiteren Erläuterung der Erfindung wird nachfolgend auf die Zeichnung Bezug genommen, in deren Fig. 1 ein Ausführungsbeispiel einer erfindungsge­ mäßen Meßeinrichtung skizziert ist. Fig. 2 zeigt schematisch eine Schrägansicht auf eine Drehvorrichtung dieser Meßeinrich­ tung. Aus den Fig. 3 und 4 sind ein Verbindungselement bzw. eine Kugelhalteplatte dieser Drehvorrichtung ersichtlich. In den Figuren sind sich entsprechende Teile mit denselben Be­ zugszeichen versehen.

In Fig. 1 ist der prinzipielle Aufbau eines Ausführungsbeispiels einer Meßeinrichtung nach der Erfindung schematisch veranschaulicht. Hierbei sind an sich bekannte Ausführungsformen entsprechender Einrichtungen zugrundegelegt (vgl. die genannten Textstellen aus "IEEE Trans. Magn.", Vol. MAG-20 und MAG-21). Die allgemein mit 2 bezeich­ nete Meßeinrichtung umfaßt unter anderem einen als modifizier­ tes Rasterelektronenmikroskop ausgebildeten Teil 3. Dieser in bekannter Weise aufgebaute Elektronenstrahlteil 3 enthält innerhalb des Vakuumraums 4 seines Vakuumgehäuses 4a eine Elek­ tronenstrahlquelle 5, mit der ein Elektronenstrahl 6 erzeugt wird. Nachdem dieser Strahl die üblichen elektrostatischen oder elektromagnetischen Linsen 7a und 7b durchlaufen hat, tritt er scharf gebündelt in ein zu detektierendes Magnetfeld geringer Stärke, beispielsweise zwischen 10 und 500 A/m ein. Dieses Magnetfeld bzw. seine damit verbundene Induktion B wird von einem in den Vakuumraum 4 eingebrachten magnetfelderzeugenden Meßobjekt 10 hervorgerufen. Bei diesem Meßobjekt 10 kann es sich insbesondere um einen in Dünnfilm-Technik erstellten, in der Figur übertrieben groß gezeichneten Magnetkopf handeln, der insbesondere für Datenspeicheranlagen geeignet ist. Aufgrund der in dem Magnetfeld auf den Elektronenstrahl 6 einwirkenden Lorentz-Kräfte wird dieser entsprechend in x- und/oder y- Richtung eines angenommenen x-y-Koordinatensystems abgelenkt. Die Ablenkung ist dabei ein Maß für die magnetische Induktion B. Der Ablenkungswinkel α ist in der Figur übertrieben groß eingezeichnet und beträgt im allgemeinen nur wenige Winkel­ grade.

Um für eine tomographische, dreidimensionale Bestimmung die hierfür erforderliche Drehung des zu detektierenden Magnetfel­ des gemäß der eingangs genannten Veröffentlichung "IEEE Trans. Magn.", Vol. MAG-21 durchführen zu können, ist außerdem eine in dieser Figur nicht näher ausgeführte Drehvorrichtung 11 vorge­ sehen. Die Vorrichtung enthält einen Drehteller 12, der um eine senkrecht zu dem Elektronenstrahl 6 verlaufende Achse 13 sukzessive um jeweils einen vorbestimmten Drehwinkel zu drehen ist und dessen Tellerebene zumindest annähernd parallel zur Richtung des Elektronenstrahls 6 liegen soll. Auf dem Dreh­ teller 12 ist das Meßobjekt 10 bzw. der Magnetkopf so angeord­ net, daß das von ihm erzeugte zu detektierende Magnetfeld mit der Induktion B senkrecht zur Richtung des Elektronenstrahls 6 verläuft. Die Meßobjektebene, d.h. die Ebene der Polspiegel P des Kopfes liegt somit ebenfalls parallel zur Richtung des Elektronenstrahls 6.

Der abgelenkte und mit 6′ bezeichnete Elektronenstrahl trifft dann auf einen nachgeordneten Ausleseteil der Einrichtung, mit dem die Intensitätsverteilung des Elektronenstrahls in bekannter Weise detektiert, ausgewertet und bildlich dargestellt wird. Entsprechende Ausleseteile, deren Geräteteile innerhalb und/oder außerhalb des Vakuumraums 4 des Elektronenstrahlteils 3 angeordnet sein können, sowie die erforderliche Elektronik sind an sich bekannt (vgl. z. B. die genannten Literaturstellen aus "IEEE Trans. Magn."). Auf ihre bildliche Darstellung wurde deshalb in der Zeichnung praktisch verzichtet. Lediglich ein Eintrittsbereich des Ausleseteils ist in Fig. 1 schematisch angedeutet und mit 15 bezeichnet. Für den Ausleseteil kommen insbesondere auch Gestaltungsmerkmale wie z. B. positionsempfindliche, zweidimensionale Fotodioden oder Diodenreihenanordnungen in Frage, die aus den nicht-vorveröffentlichten, DE-Offenlegungsschriften 40 03 307 (mit dem Titel: "Detektionseinrichtung zur Messung mikromagnetischer oder -elektrischer Felder"), 40 03 308 (mit dem Titel: "Einrichtung zur Detektion mikromagnetischer oder mikroelektrischer Felder") und 40 03 356 (mit dem Titel: "Detektionseinrichtung zur dreidimensionalen Bestimmung mikromagnetischer oder mikroelektrischer Felder") zu entnehmen sind.

Die Ausgestaltung der Drehvorrichtung 11 bei dem Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in Fig. 2 näher veranschaulicht. Hierbei wird von einer Drehvorrichtung ausgegangen, die aus der ebenfalls eine Meßeinrichtung der eingangs genannten Art beschreibenden Dissertation von J. B. Elsbrock mit dem Titel "Quantitative Bestimmung statischer und dynamischer mikromagnetischer Streufelder im Rasterelektronenmikroskop" der Universität (Gesamthochschule) Duisburg, Oktober 1986, insbesondere Seiten 75 und 76 hervorgeht. Diese bekannte Drehvorrichtung ist mit einem Probentisch (Kreuztisch) zur Aufnahme des Meßobjektes versehen, der u. a. die folgenden Gestaltungsmerkmale aufweist, nämlich

• a) eine Drehvorrichtung mit einem Antrieb über Zahnrad und Schnecke,
• b) einen mechanisch feinverstellbaren Kippmechanismus zur Kippung der Drehachse,
• c) eine mechanisch zu betätigende Bewegungsvorrichtung für eine Verschiebung in zwei Richtungen sowie
• d) einen Justierkopf zur Justierung des Meßobjektes mittels Stellschrauben.

Gemäß der in Fig. 2 gezeigten schematischen Schrägansicht auf ein wesentliches Teilstück der Drehvorrichtung 11 enthält diese eine mit einem nicht-dargestellten Antrieb verbundene Welle 18, die um die Drehachse 13 um vorbestimmte Drehwinkel drehbar ist. An der Stirnseite dieser Welle befindet sich ein Kreuztisch 19 für eine manuelle Grobpositionierung. Auf der oberen Flachseite 19a dieses Kreuztisches sind drei säulenartige Stellglieder 20, 21 und 22 befestigt, die auf einem gedachten, bezüglich der Drehachse 13 konzentrischen Kreis Kl regelmäßig verteilt angeordnet sind. Bei den sich parallel zu der Drehachse 13 erstreckenden Stellgliedern 20 bis 22 handelt es sich um prinzipiell bekannte, bei der bekannten Drehvorrichtung jedoch nicht eingesetzte Elemente, deren jeweilige axiale Länge L piezoelektrisch für eine Feinpositionierung einstellbar ist. Diese Stellglieder sind nicht wie beim Stand der Technik direkt und starr an dem Drehteller 12 befestigt, sondern zwischen ihnen und dem Drehteller ist jeweils ein besonderes Verbindungselement vorgesehen. Von den drei allgemein mit 23 bis 25 bezeichneten Verbindungselementen sind in Fig. 2 im wesentlichen nur Teile der beiden Elemente 23 und 24 ersichtlich. Die Verbindungselemente müssen dabei so ausgestaltet sein, daß sie ein geringfügiges Verkippen der Ebene der das Meßobjekt aufnehmenden Flachseite 12a des Drehtellers 12 gegenüber der Ebene der Flachseite 19a des Kreuztisches 19 ermöglichen. Hierzu ist für jedes Verbindungselement ein Kugelgelenk vorgesehen. Gemäß dem gewählten Ausführungsbeispiel sind dabei die Kugelgelenke an der Rückseite des Drehtellers 12 ausgebil­ det, wobei die in entsprechenden pfannenartigen Ausnehmungen des Drehtellers befindlichen Kugelköpfe dieser allgemein mit 26 bis 28 bezeichneten Gelenke in der Figur nur angedeutet sind. Die Köpfe dieser Gelenke sollen dabei ebenfalls auf einem gedachten, bezüglich der Drehachse 13 konzentrischen Kreis K2 regelmäßig verteilt angeordnet sein. Der Radius des gedachten Kreises K2 ist dabei verhältnismäßig klein, auf jeden Fall kleiner als der Radius des gedachten Kreises Kl.

Aus diesem Grunde muß jedes der drei Verbindungselemente 23 bis 25 als ein entsprechendes Übergangsstück vom Radius des grö­ ßeren Kreises Kl auf den Radius des kleineren Kreises K2 aus­ gebildet sein. Ein Ausführungsbeispiel eines entsprechenden Verbindungselementes ist in Fig. 3 als Schnitt gezeigt. Dabei ist für die Figur das Verbindungselement 25 ausgewählt. Dieses Element braucht nicht einstückig ausgebildet zu werden, sondern kann insbesondere aus Montagegründen auch aus mehreren Teil­ stücken zusammengesetzt sein. Es ist an einem Ende 25a starr mit dem zugewandten, auf dem Kreis K1 mit Radius R1 befind­ lichen piezoelektrischen Stellglied verbunden, beispielsweise mit diesem verschraubt. An dem anderen, dem Drehteller 12 zugewandten Ende ist das Verbindungselement 25 als Kugelkopf 25b ausgebildet, der auf dem Radius R2 des Kreises K2 anzu­ ordnen ist. Dieser Kugelkopf 25a ist in einer entsprechenden Ausnehmung 30 gelagert, die an der dem Antriebsteil der Dreh­ vorrichtung 11 zugewandten Unterseite des Drehtellers 12 aus­ gebildet ist. Er bildet somit zusammen mit der Ausnehmung 30 eines der Kugelgelenke, nämlich das Kugelgelenk 28.

Um eine feste Halterung jedes Kugelkopfes an dem Drehteller 12 zu gewährleisten, ist eine zerlegbare Kugelhalteplatte 31 vorgesehen, die an der Unterseite des Drehtellers 12 zu be­ festigen, beispielsweise dort anzuschrauben ist. Die Kugel­ halteplatte 31 und die Unterseite des Drehtellers 12 sind dabei so ausgestaltet, daß sie die den Kugelkopf 25a aufnehmende Aus­ nehmung 30 jeweils zur Hälfte ausbilden. Für die beiden an­ deren, in der Figur nicht gezeigten Kugelgelenke gilt entspre­ chendes.

Aus Montagegründen ist die Kugelhalteplatte 31 zerlegbar aus­ geführt. Eine Aufsicht auf diese Platte 31 ist in Fig. 4 schematisch dargestellt. Die Platte 31 setzt sich dabei aus drei gleichen Plattensegmenten 31a bis 31c zusammen. Sie weist drei kreisförmige Durchführungen 32a bis 32c auf, die auf dem Kreis K2 mit dem Radius R2 liegen. Der Durchmesser dieser Durchführungen ist dabei so gewählt, daß jeweils zwar der ge­ stängeartige Teil des zugeordneten Verbindungselementes unge­ hindert hindurchragen kann, jedoch ein Herausrutschen des zugeordneten Kugelkopfes mit größerem Durchmesser verhindert wird. In der Figur sind ferner noch drei Punkte 33a bis 33c zur Befestigung der einzelnen Plattensegmente 31a bis 31c an der Unterseite des Drehtellers 12 ersichtlich.

Die in den Figuren dargestellte Ausgestaltung der Drehvorrich­ tung 11 erlaubt es somit, die Meßobjektebene bei der Drehung des Drehtellers parallel zur Meßebene einzustellen. Eine spiel­ freie Verkippung des Drehtellers in alle Richtungen wird dabei durch die Verwendung der drei Kugelgelenke gewährleistet. Die Überprüfung der Parallelität der Meßobjektebene mit der Meß­ ebene und das Einhalten des Arbeitsabstandes zwischen diesen Ebenen kann z. B. direkt durch elektronenmikroskopische Beobach­ tung erfolgen.

Im Hinblick auf eine dreidimensionale Bestimmung von mikro­ magnetischen Streufeldern ist es zur Erzielung einer möglichst hohen Meßgenauigkeit mit einem Meßfehler von z. B. nur einigen Prozent und im Hinblick auf eine möglichst kurze Meßzeit vor­ teilhaft, wenn bei der tomographischen Messung mit der beschriebenen Meßeinrichtung etwa 45 verschiedene Winkel einge­ stellt und jeweils etwa 60 Punktmessungen durchgeführt werden. Kann man einen Meßfehler von etwa 10% tolerieren, so sind nur 40 Winkeleinstellungen mit 50 Punktmessungen erforderlich. Für grobe Orientierungsmessungen mit einem Fehler bis zu 25% können sogar nur 30 Winkeleinstellungen mit 40 Punktmessungen ausreichen.

Bei der beschriebenen Meßeinrichtung wurde davon ausge­ gangen, daß mit dem Kreuztisch 19 eine manuelle Grobpositionie­ rung bzw. -justage vorgenommen wird. Selbstverständlich ist es auch möglich, für die Positionierung dieses Tisches piezoelek­ trische Teile vorzusehen.

Ferner wurde bei dem gewählten Ausführungsbeispiel angenommen, daß mit der erfindungsgemäßen Meßeinrichtung mikromagnetische Felder eines Meßobjektes detektiert werden. Es liegt jedoch auf der Hand, daß diese Meßeinrichtung und das ihr zugrundeliegende Verfahren ebensogut auch auf eine Detektion von mikroelektri­ schen Feldern anwendbar sind.

Claims (6)

1. Einrichtung zu einer tomographischen Messung des an einem felderzeugenden Meßobjektes austretenden dreidimensionalen mikromagnetischen oder mikroelektrischen Feldes mit einem Elektronenstrahlteil, in dessen Vakuumraum

• - ein scharf gebündelter Elektronenstrahl durch das Feld des Meßobjektes zu führen ist und
• - eine Vorrichtung zur Drehung des auf einem Drehteller be­ festigten Meßobjektes um eine senkrecht zu dem Elektronen­ strahl verlaufende Achse vorgesehen ist,

sowie mit einem nachgeordneten Ausleseteil zur Auswertung und Darstellung der Intensitätsverteilung des in dem Feld des Meßobjektes abgelenkten Elektronenstrahls, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen einem Antriebs­ teil (18, 19) der Drehvorrichtung (11) und dem Drehteller (12) drei sich parallel zu der Drehachse (13) erstreckende, mit dem Antriebsteil (19) starr verbundene und aus einem bezüglich der Drehachse (13) konzentrischen gedachten Kreis (Kl) befindliche Stellglieder (20 bis 22) vorgesehen sind, deren axiale Länge (L) jeweils piezoelektrisch einstellbar ist und die jeweils über Verbindungselemente (23 bis 25) mit Kugelgelenken (26 bis 28) an dem Drehteller (12) angreifen, wobei die drei Angriffs­ punkte der Verbindungselemente an dem Drehteller ebenfalls auf einem bezüglich der Drehachse (13) konzentrischen gedachten Kreis (K2) liegen, dessen Radius (R2) kleiner ist als der Ra­ dius (R1) des gedachten Kreises (K1), auf dem sich die piezo­ elektrischen Stellglieder (20 bis 22) befinden.

2. Meßeinrichtung nach Anspruch 1, dadurch ge­ kennzeichnet, daß jedes der Verbindungselemente (23 bis 25) an seinem dem Drehteller (12) zugewandten Ende (25a) als Kugelkopf (25b) gestaltet ist, der in einer entspre­ chenden Ausnehmung (30) gelagert ist, die an der dem Antriebs­ teil (18, 19) zugewandten Unterseite des Drehtellers (12) aus­ gebildet ist.

3. Meßeinrichtung nach Anspruch 2, dadurch ge­ kennzeichnet, daß zur Halterung der Kugelköpfe (25b) eine zerlegbare Kugelhalteplatte (31) an der Unterseite des Drehtellers (12) zu befestigen ist und daß die die Kugel­ köpfe (25b) aufnehmenden Ausnehmungen (30) jeweils zur einen Hälfte in dem Drehteller (12) und zur anderen Hälfte in der Kugelhalteplatte (31) ausgebildet sind.

4. Meßeinrichtung nach Anspruch 3, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die Kugelhalteplatte (31) aus drei baugleichen Plattensegmenten (31a bis 31c) zusammensetz­ bar ist.

5. Meßeinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, da­ durch gekennzeichnet, daß die piezoelek­ trischen Stellglieder (20 bis 22) auf ihrer dem Antriebsteil (18) zugewandten Seite auf einem Kreuztisch (19) befestigt sind, der mittels piezoelektrischer Teile justierbar ist.