DE19954968C2 - Anordnung zur Bestimmung der Eigenschaften magnetoresistiver Prüflinge - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Anordnung zur Bestimmung der Eigenschaften magnetoresistiver Prüflinge.

Stand der Technik

Es ist bekannt, Sensoren mit magnetoresistiven Schichten zu versehen, deren Widerstand in Abhängig­ keit eines anliegenden äußeren Magnetfeldes veränder­ bar ist. Derartige magnetoresistive Schichten werden bekanntermaßen als Wafer hergestellt und anschließend vereinzelt. Da die magnetoresistive Schicht herstel­ lungsbedingt Inhomogenitäten aufweist, ist eine Be­ stimmung der Eigenschaften der magnetoresistiven Schicht über deren Fläche notwendig. Bekannt ist hierzu, den die magnetoresistive Schicht ausbildenden Wafer in eine elektrische Widerstandsschaltung einzu­ binden und ein von außen veränderliches Magnetfeld anzulegen. Zur Kontaktierung des Wafers sind An­ schlusselektroden vorgesehen, die über Kontaktspitzen in die magnetoresistive Schicht eindringen. Hierbei ist nachteilig, dass durch derartige Kontaktspitzen Schichtverletzungen auftreten, die dazu führen, dass im Bereich der Kontaktierung eine Vereinzelung zu Sensoren nicht möglich ist.

Aus DE 25 28 625 A1 ist ein Detektor zum Auffinden von Ober­ flächenfehlern in langgestreckten, metallischen Körpern wie Barren bekannt. Dazu wird eine auf einem Ferritkern aufge­ wickelte Spule in einem Sondenkopf mit Hilfe einer Konstant­ stromquelle mit einer hochfrequenten Wechselspannung beauf­ schlagt, die in dem zu untersuchenden Prüfling einen Wirbel­ strom hervorruft. Weiter ist dort vorgesehen, die in dem Prüfling hervorgerufene Dämpfung dieses Stromes mit Hilfe eines Oszillatorkreises hinsichtlich Amplitude, Frequenz bzw. Frequenzänderung oder Phasenverschiebung auszuwerten, um auf diese Weise Rückschlüsse über die Struktur des unter­ suchten Prüflings zu gewinnen.

In DE 42 41 437 A1 wird ein Wirbelstromprüfverfahren zur Er­ kennung von Rissen bzw. zur Tiefenerfassung von Rissen in Rollkörpern beschrieben, wobei mit einer Erregerspule einer Prüfzone eines Prüflings zunächst ein magnetisches Wechsel­ feld aufprägt wird. Zudem wird dort mit einer außerhalb der Erregerspule im Abstand von der Oberfläche des Prüflings be­ findlichen Messspule die Rückwirkung der in dem Prüfling in­ duzierten Wirbelströme auf das Wechselfeld erfasst.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung war die Bereitstellung einer Messvorrichtung, die zur Bestimmung der Eigenschaften magnetoresistiver Prüflinge geeignet ist, bei denen die auf­ grund der induzierten Wirbelströme auftretenden Dämpfungen relativ klein und damit schwierig zu messen sind. Weiter werden derartige magnetoresistive Prüflinge in Sensoren ein­ gesetzt, die in Abhängigkeit eines externen Magnetfeldes eine Änderung ihres Widerstandswertes erfahren. Insofern war es auch Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Anordnung bereitzustellen, mit dem magnetoresistive Prüflinge unter Einsatzbedingungen geprüft werden können.

Vorteile der Erfindung

Die erfindungsgemäße Anordnung zur Bestimmung der Eigen­ schaften magnetoresistiver Prüflinge hat den Vorteil, dass in einfacher Weise eine Überprüfung über die gesamte Fläche erfolgen kann, ohne dass Schädigungen einzelner Flächenbe­ reiche auftreten. Dadurch, dass die Bestimmung der Eigen­ schaften des magnetoresistiven Prüflings berührungslos er­ folgt, indem insbesondere eine Erregerspule, die zum Erzeu­ gen eines Wirbelstromes in dem Prüfling mit einer hochfre­ quenten Wechselspannung beaufschlagbar ist, vorgesehen ist, sowie eine Auswerteschaltung zum Erfassen einer von den Ei­ genschaften des magnetoresistiven Prüflings abhängigen Dämp­ fung der hochfrequente Wechselspannung, lassen sich in ein­ facher Weise die magnetoresistiven Eigenschaften des Prüf­ lings aus der momentanen Dämpfung der hochfrequenten Wech­ selspannung ermitteln. Die zu einer Eigendämpfung der Erre­ gerspule hinzutretende Dämpfung durch den Prüfling ist dann ein Maß für die resistiven Eigenschaften, die in einfacher Weise auswertbar sind.

Durch die Beaufschlagung des Prüflings mit einem zusätzli­ chen externen Magnetfeld, was durch die Verwendung einer Luftspule als Erregerspule ohne Störung des Feldverlaufes möglich ist, werden bekanntermaßen in dem magnetoresistiven Prüf­ ling niederohmige Bereiche erzielt, die eine höhere Dämpfungswirkung des Prüflings auf die hochfrequente Wechselspannung, mit der die Erregerspule betrieben wird, ausüben. Hierdurch ist eine Messung des magne­ toresistiven Effektes möglich.

Entscheidend ist, dass durch die gefundene Anordnung die Eigenschaften der magnetoresistiven Prüflinge, insbesondere von Wafern, ohne irgendwelche Schicht­ verletzungen bestimmbar sind, so dass nach erfolgter Prüfung der gesamte Wafer, das heißt die gesamte Flä­ che des Wafers, zur Vereinzelung zu Sensorelementen zur Verfügung steht. Somit erhöht sich gegenüber den bekannten Verfahren die Prozessausbeute.

Weitere bevorzugte Ausgestaltungen der Erfindung er­ geben sich aus den übrigen, in den Unteransprüchen genannten Merkmalen.

Zeichnungen

Die Erfindung wird nachfolgend in einem Ausführungs­ beispiel anhand der zugehörigen Zeichnungen näher er­ läutert. Es zeigen:

Fig. 1 eine schematische Schnittdarstellung durch einen Messkopf und

Fig. 2 eine Schaltungsanordnung zum Betrieb des Messkopfes.

Beschreibung des Ausführungsbeispiels

Fig. 1 zeigt einen Messkopf 10 einer insgesamt nicht dargestellten Anordnung zur Bestimmung der Eigen­ schaften magnetoresistiver Prüflinge. Der Prüfling selber ist ebenfalls nicht dargestellt. Der Messkopf 10 besitzt eine dem Prüfling zugewandte Fläche 12, an der eine Erregerspule, nachfolgend Messspule 14 ge­ nannt, angeordnet ist. Die Messspule 14 ist innerhalb einer elektrischen Abschirmung 16 angeordnet und bei­ spielsweise durch ein Gießharz 18 oder dergleichen eingebettet. Die Messspule 14 ist eine Luftspule, das heißt, diese besitzt keinen ferromagnetischen Kern.

Der Messkopf 10 umfasst ferner eine weitere Magnet­ feldquelle 20, die hier von einer Magnetspule 22 ge­ bildet ist. Die Magnetfeldquelle 20 kann nach anderen Ausführungsbeispielen auch von einem Permanentmagne­ ten gebildet sein. Ein Joch 24 der Magnetspule 22 geht in die Oberfläche 12 über.

Die Messspule 14 ist - wie Fig. 2 verdeutlicht - mit einer Oszillatorschaltung 26 verbunden. Die Oszilla­ torschaltung 26 wird aus einer Spannungsversorgung 28 gespeist, die einen konstanten Strom I bereitstellt. Durch die Oszillatorschaltung 26 wird hierdurch die Messspule 14 mit einer hochfrequenten Wechselspan­ nung, beispielsweise mit einer Frequenz zwischen 2 MHz und 10 MHz, betrieben. Die Spannungsversorgung 28 ist mit einer, hier schematisch als Rechner angedeu­ teten Auswerteschaltung 30 verbunden.

Die in den Fig. 1 und 2 angedeutete Anordnung übt, folgende Funktion aus:

Über die Spannungsversorgung 28 wird die Oszillator­ schaltung 26 mit einer Spannung, von beispielsweise 10 V, und einem Konstantstrom, von beispielsweise 10 mA, betrieben. Über die Oszillatorschaltung 26 wird die Messspule 14 mit einer Wechselspannung, mit einer Frequenz von beispielsweise zwischen 2 MHz und 10 MHz, betrieben. Mit dem Magnetfeld der Messspule 14 wird der nicht dargestellte Prüfling beaufschlagt, der beispielsweise im Abstand von zirka 1 mm zu der Prüffläche 12 angeordnet ist. In dem magnetoresisti­ ven Prüfling wird durch das Magnetfeld ein Wirbel­ strom induziert, der zum Entstehen eines separaten Magnetfeldes führt, das das Magnetfeld der Messspule 14 überlagert. Hierdurch kommt es zu einer Verschie­ bung von Amplitude und Phase der Spannung. Diese Ver­ schiebung der Amplitude und Phase der Spannung ist ein Maß für die Dämpfung. Da der Oszillatorschaltung 26 über die Spannungsversorgung 28 ein konstanter Strom aufgeprägt wird, kommt es in Abhängigkeit der Größe der Dämpfung ausschließlich zu einer Verände­ rung des Betrages der Spannung.

Ohne Einwirkungen eines Prüflings ergibt sich eine Eigendämpfung der Anordnung. Unter Berücksichtigung dieser Eigendämpfung der Anordnung kann eine durch einen Prüfling hervorgerufene zusätzliche Dämpfung aus dem Verlauf der Versorgungsspannung der Oszilla­ torschaltung 26 ausgewertet werden. Bei Prüflingen mit einer resistiven Schicht von beispielsweise 5 Ohm/Quadrat und einem Abstand von 1 mm zur Prüffläche 12 ergibt sich eine zusätzliche Dämpfung von 1000 ppm. Diese Ausgangsgröße kann modellhaft oder mess­ technisch ermittelt werden und steht als Bezugsgröße der Auswerteschaltung 30 zur Verfügung. Wird nun mit­ tels der Auswerteschaltung 30 - bei konstantem aufge­ prägten Strom - der tatsächliche Verlauf der Spannung der Oszillatorschaltung 26 gemessen, kann die tat­ sächliche Dämpfung zu der Ausgangsspannung (von bei­ spielsweise 10 V) ermittelt werden. Somit wird über die Auswerteschaltung 30 das Maß der Dämpfung in Re­ lation zu den Eigenschaften des magnetoresistiven Prüflings gesetzt und liefert ein Maß der Ist-Eigen­ schaften. Bei bekannten Soll-Eigenschaften ist das Maß der Dämpfung bekannt. Eine sich ergebende Abwei­ chung ist ein Maß für die Qualität der Eigenschaften des magnetoresistiven Prüflings.

Da die magnetoresistiven Prüflinge später in Sensoren eingesetzt werden sollen, die in Abhängigkeit eines externen äußeren Magnetfeldes eine bestimmte Änderung ihres Widerstandswertes erfahren, wird in einem zwei­ ten Schritt während der Prüfung über die Magnetspule 22 ein zusätzliches Magnetfeld dem Prüfling auf ge­ prägt. Hierdurch kommt es in den magnetoresistiven Schichten des Prüflings zu einer Erniedrigung des Wi­ derstandes, das heißt, diese werden niederohmig. Auf­ grund bekannter reziproker Zusammenhänge ergibt sich hierdurch eine Erhöhung der von dem Prüfling ausge­ henden Dämpfung auf die Versorgungsspannung der Os­ zillatorschaltung 26. Diese höhere Dämpfung kann wie­ derum mittels der Auswerteschaltung 30 erfasst und mittels bekannter erwarteter Dämpfungswerte bei Ein­ fluss bekannter äußerer zusätzlicher Magnetfelder verglichen werden.

Dieses Aufprägen des zusätzlichen Magnetfeldes kann durch Verbinden der Magnetspule mit einer Spannungs­ versorgung erfolgen. Dieses kann beispielsweise von der Auswerteschaltung 30 gesteuert sein.

Anstelle der Magnetspule kann auch ein Permanentmag­ net über Stellmittel mechanisch dem Prüfling angenä­ hert werden, wodurch ebenfalls die zusätzliche Auf­ prägung des Magnetfeldes möglich ist.

Insgesamt wird deutlich, dass mittels einer einfachen Anordnung eine sichere Überprüfung zuvor hergestell­ ter magnetoresistiver Prüflinge erfolgen kann. Insbe­ sondere bei magnetoresistiven Schichten auf Wafern, beispielsweise 3-Zoll- oder 4-Zoll-Wafern, kann so die gesamte Oberfläche des Wafers berührungslos über­ prüft werden. Ein Durchmesser der Messspule 14 be­ trägt beispielsweise 5 mm Durchmesser, so dass durch nacheinanderfolgendes Abtasten sämtlicher Bereiche der Oberfläche des Wafers Prüfergebnisse erzielbar sind, die einzelnen, sogenannten Quadraten des Wafers zuordbar sind. Hierdurch ergibt sich eine eindeutige Zuordnung von Inhomogenitäten zu einzelnen Quadraten des Wafers. Entsprechend der Zuordnung kann bei nach­ folgender Maskierung und Vereinzelung von einzelnen Sensoren die Verteilung der Inhomogenitäten berück­ sichtigt werden. Irgendwelche äußeren mechanischen Verletzungen der magnetoresistiven Schichten sind durch das berührungslose Bestimmen der Eigenschaften nicht gegeben. Somit ist eine Ausbeute an einwand­ freien Sensoren aus einem Prüfling, hier einem Wafer, gegenüber dem Einsatz bekannter Anordnungen deutlich erhöht.

Claims (4)

1. Anordnung zur Bestimmung der Eigenschaften magnetoresistiver Prüflinge mit einer Erregerspule, die zum Erzeugen eines Wirbelstro­ mes in dem Prüfling mit einer hochfrequenten Wechselspannung beauf­ schlagbar ist, wobei die Wechselspannungserzeugung aus einer Kon­ stantstromquelle gespeist wird, sowie mit einer Auswerteschaltung zum Erfassen einer von den Eigenschaften des magnetoresistiven Prüf­ lings abhängigen Dämpfung der hochfrequenten Wechselspannung, da­ durch gekennzeichnet, dass die Erregerspule (14) eine Luftspule ist, und dass der Prüfling mittels einer Magnetfeldquelle (20) mit einem zusätzlichen externen Magnetfeld beaufschlagbar ist.

2. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Er­ regerspule (14) innerhalb eines Joches (24) einer Magnetspule (20) angeordnet ist.

3. Anordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Er­ regerspule (14) von einer zum Joch (24) gerichteten magnetischen Ab­ schirmung (16) umgeben ist.

4. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Wechselspannung eine Frequenz zwischen 2 MHz und 10 MHz aufweist.