素子評価方法及び装置
【課題】磁気ヘッドのリード素子の素子形状を評価する素子評価方法及び装置に関し、同一の評価試料によってリード幅、コア幅及び素子高さを評価しうる素子評価方法及び装置を提供する。
【解決手段】第１の材料よりなる第１の部分と第２の材料よりなる第２の部分とが積層された第１の領域に電子線を入射し、第１及び第２の材料の構成元素の原子質量に依存したコントラストを示す第１の電子線強度を測定し、第１の材料よりなる第２の領域に電子線を入射し、第１の材料の構成元素の原子質量に依存したコントラストを示す第２の電子線強度を測定し、第２の材料よりなる第３の領域に電子線を入射し、第２の材料の構成元素の原子質量に依存したコントラストを示す第３の電子線強度を測定し、第１の電子線強度と第１の部分の厚さとの関係を、第２の電子線強度と評価試料の厚さとの関係及び第３の電子線強度と評価試料の厚さとの関係から算出することにより、第１の領域の第１の部分の厚さを算出する。
【解決手段】第１の材料よりなる第１の部分と第２の材料よりなる第２の部分とが積層された第１の領域に電子線を入射し、第１及び第２の材料の構成元素の原子質量に依存したコントラストを示す第１の電子線強度を測定し、第１の材料よりなる第２の領域に電子線を入射し、第１の材料の構成元素の原子質量に依存したコントラストを示す第２の電子線強度を測定し、第２の材料よりなる第３の領域に電子線を入射し、第２の材料の構成元素の原子質量に依存したコントラストを示す第３の電子線強度を測定し、第１の電子線強度と第１の部分の厚さとの関係を、第２の電子線強度と評価試料の厚さとの関係及び第３の電子線強度と評価試料の厚さとの関係から算出することにより、第１の領域の第１の部分の厚さを算出する。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、素子評価方法及び装置に係り、特に、磁気ヘッドのリード素子の素子形状を評価する素子評価方法及び装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
記録装置の高記録密度化によるビットサイズの縮小に伴い、記録媒体に記録された磁気情報を読み出すための磁気ヘッドのリード素子のサイズも縮小されている。リード素子の製造においては、ビットサイズで規定されるリードコア幅及びリードギャップを制御することに加えて、素子抵抗・出力・感度などに影響を及ぼす素子高さ（ＭＲハイト）を制御することが重要である。製造するリード素子のリードコア幅、リードギャップ及び素子高さの制御性を高めるためには、製造したリード素子を実測してその実測値を製造条件にフィードバックすることが必要である。
【０００３】
高記録密度化が進む近年の記録装置では、リード素子の素子サイズが縮小しており、素子形状の評価には高い空間分解能を有する透過型電子顕微鏡（Transmission Electron Microscope：ＴＥＭ）が必要不可欠になっている。
【０００４】
ＴＥＭによる評価では、評価対象試料は数十〜数百ｎｍ程度の厚さの薄片に加工される。評価対象試料としてリードコア幅及びリードギャップを測長する浮上面（Air Bearing Surface：ＡＢＳ）方向の断面試料を用いる場合、ＡＢＳ方向に直交する素子高さ方向の観察は不可能である。
【０００５】
そこで、ＴＥＭを用いた従来の素子評価方法では、ＡＢＳ方向の断面試料と素子高さ方向の断面試料との２つの試料を用意し、ＡＢＳ方向の断面試料を用いてリードコア幅及びリードギャップを測定し、素子高さ方向の断面試料を用いて素子高さを測定していた。
【非特許文献１】R. F. Egerton, "Electron Energy-Loss Spectroscopy in the Electron Microscope, Second Edition", Plenum Press, New York, 1996, p. 301
【非特許文献２】A. V. Crew, J. Wall, J. Langmore, Science, 168, 1338 (1970)
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、上述のようにＴＥＭを用いた上記従来の素子評価方法では、ＴＥＭ観察用に薄片化加工された同一のＴＥＭ試料を用いてリードコア幅、リードギャップ及び素子高さを測定することはできなかった。このため、リードコア幅、リードギャップ及び素子高さを測定するためには少なくとも２つの評価試料を用意する必要があり、評価試料の準備に労力及び時間を要していた。
【０００７】
また、高記録密度化による素子サイズの縮小により、素子高さ方向の断面観察用のＴＥＭ試料の作製も困難になりつつある。すなわち、面記録密度が約１００Ｇｂｐｓｉの磁気ヘッドの光学コア幅は約１００ｎｍであり、面記録密度が３００Ｇｂｐｓｉ以上では光学コア幅は６０ｎｍ以下になると考えられている。この場合、リードコア幅とＴＥＭ試料厚さが同等或いは同等以下となり、非常に高い精度のピンポイントで断面薄片加工を行うことが必要である。このため、コア幅中心の素子高さ方向の断面ＴＥＭ試料の作製は困難であり、膨大な労力と時間を必要とし、かつ歩留まりも悪くなる。
【０００８】
本発明の目的は、同一の試料によって磁気ヘッドのリード素子のリード幅、コア幅及び素子高さを評価しうる素子評価方法及び装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明の一観点によれば、第１の材料により構成された第１の部分と第２の材料により構成された第２の部分とが積層された第１の領域と、前記第１の材料により構成された第２の領域と、前記第２の材料により構成された第３の領域とを有する薄片状の評価試料を用意し、前記第１の領域に電子線を入射し、前記評価試料を透過した電子線のうち前記第１の材料の構成元素及び前記第２の材料の構成元素の原子質量に依存したコントラストを示す第１の電子線強度を測定し、前記第２の領域に電子線を入射し、前記評価試料を透過した電子線のうち前記第１の材料の構成元素の原子質量に依存したコントラストを示す第２の電子線強度を測定し、前記第３の領域に電子線を入射し、前記評価試料を透過した電子線のうち前記第２の材料の構成元素の原子質量に依存したコントラストを示す第３の電子線強度を測定し、前記第１の電子線強度と前記第１の部分の厚さとの関係を、前記第２の電子線強度と前記評価試料の厚さとの関係及び前記第３の電子線強度と前記評価試料の厚さとの関係から算出することにより、前記第１の領域の前記第１の部分の厚さを算出する素子評価方法が提供される。
【００１０】
また、本発明の他の観点によれば、第１の材料により構成された第１の部分と第２の材料により構成された第２の部分とが積層された第１の領域と、前記第１の材料により構成された第２の領域と、前記第２の材料により構成された第３の領域とを有する薄片状の評価試料を評価するための素子評価装置であって、前記評価試料に収束電子線を入射する電子銃と、前記評価試料を透過した電子線のうち前記評価試料の構成元素の原子質量に依存したコントラストを示す散乱電子線を検出する環状検出器とを有する電子顕微鏡と、前記評価試料に電子線を入射し、前記第１の領域を透過した電子線のうち前記第１の材料の構成元素及び前記第２の材料の構成元素の原子質量に依存したコントラストを示す第１の電子線強度を測定し、前記第２の領域を透過した電子線のうち前記第１の材料の構成元素の原子質量に依存したコントラストを示す第２の電子線強度を測定し、前記第３の領域を透過した電子線のうち前記第２の材料の構成元素の原子質量に依存したコントラストを示す第３の電子線強度を測定する測定機構と、前記第１の電子線強度と前記第１の部分の厚さとの関係を、前記測定機構により測定した前記第２の電子線強度と前記評価試料の厚さとの関係及び前記第３の電子線強度と前記評価試料の厚さとの関係から算出することにより、前記第１の領域の前記第１の部分の厚さを算出する演算機構とを有する素子評価装置が提供される。
【発明の効果】
【００１１】
本発明によれば、磁気ヘッドのリード素子のリードコア幅、リードギャップ及び素子高さを、同一のＴＥＭ試料を用いて測定することができる。これにより、ＴＥＭ試料の準備が容易となり、評価に必要な工数を大幅に削減することができる。また、リード素子形状の評価結果を迅速にリード素子の製造プロセスにフィードバックすることが可能となり、リード素子の製造歩留まりを向上することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１２】
本発明の一実施形態による素子評価方法及び装置について図１乃至図１０を用いて説明する。
【００１３】
図１は磁気ヘッドのリード素子の構造を示す概略断面図、図２は磁気ヘッドのリード素子の構造を示す斜視図、図３は本実施形態による素子評価装置の構造を示す概略図、図４は本実施形態による素子評価方法を示すフローチャート、図５は本実施形態による素子評価方法に用いるＴＥＭ試料を示す概略図、図６は本実施形態による素子評価方法により測定したＳＴＥＭ像を模写した図、図７は下部シールド層の形成領域で測定したＥＥＬＳスペクトルを示すグラフ、図８は環状暗視野ＳＴＥＭ法の原理を説明する概略図、図９は環状暗視野ＳＴＥＭ法における像強度と散乱角との関係を示すグラフ、図１０は環状暗視野ＳＴＥＭ法により測定した像強度と試料位置との関係を示すグラフ、図１１は図１０の測定における電子線の走査経路を示す図である。
【００１４】
はじめに、本実施形態による評価方法及び装置の評価対象である磁気ヘッドのリード素子の構造について図１及び図２を用いて説明する。なお、図１（ａ）は浮上面（Air Bearing Surface：ＡＢＳ）の概略断面図であり、図１（ｂ）はＡＢＳに直交する方向（素子高さ方向）に沿った概略断面図である。
【００１５】
ＮｉＦｅ等の軟磁性材料よりなる下部シールド層１０上には、Ｔａ等よりなる下地層１２が形成されている。下地層１２上には、ＰｄＰｔＭｎ等の反強磁性材料よりなる反強磁性層１４が形成されている。反強磁性層１４上には、強磁性材料よりなる固定磁化層１６が形成されている。固定磁化層１６は、例えば、ＣｏＦｅ等の強磁性材料よりなる強磁性層と、Ｒｕ等の非磁性材料よりなる非磁性層と、ＣｏＦｅ等の強磁性材料よりなる強磁性層とにより構成された積層フェリ構造とすることができる。固定磁化層１６上には、アルミナ等の絶縁材料よりなるバリア層１８が形成されている。バリア層１８上には、軟磁性材料、例えばＣｏＦｅ膜とＮｉＦｅ膜との積層膜よりなる自由磁化層２０が形成されている。自由磁化層２０上には、Ｔａ等の非磁性材料よりなるキャップ層２２が形成されている。
【００１６】
下地層１２、反強磁性層１４、固定磁化層１６、バリア層１８、自由磁化層２０及びキャップ層２２からなる積層体はメサ形状に加工されている。こうして、下部シールド層１０上には、下地層１２、反強磁性層１４、固定磁化層１６、バリア層１８、自由磁化層２０及びキャップ層２２の積層体よりなるトンネル磁気抵抗効果（Tunnel Magnetoresistive Effect：ＴＭＲ）素子２４が形成されている。
【００１７】
ＴＭＲ素子２４が形成された下部シールド層１０上には、リードコア幅方向（図１（ａ）において図面横方向）に沿ってＴＭＲ素子２４を挟むように、ＣｏＣｒＰｔ等よりなる一対のハード膜２８が形成されている。ハード膜２８は、下部シールド層１０の上面上及びＴＭＲ素子２４の側面上に、アルミナ等よりなる絶縁膜２６を介して形成されている。ＴＭＲ素子２４の素子高さ方向（図１（ｂ）において図面横方向）の側壁部分には、アルミナ等よりなる絶縁膜２６が埋め込まれている。
【００１８】
ＴＭＲ素子２４上には、ＮｉＦｅ等の軟磁性材料よりなる上部シールド層３０が形成されている。
【００１９】
図２はリード素子の構造を示す斜視図である。図２において、ｙ−ｚ面に平行な面が図１（ａ）の断面図に相当し、ｘ−ｚ面に平行なＴＭＲ素子２４部の断面が図１（ｂ）の断面図に相当する。
【００２０】
図２に示すように、リード素子の素子高さはＴＭＲ素子２４のｘ方向の幅によって規定され、リードコア幅はｙ方向に沿ったＴＭＲ素子２４（自由磁化層２０）の幅により規定され、リードギャップはＴＭＲ素子２４の厚さ（下部シールド層１０と上部シールド層３０との間隔）により規定される。したがって、電子線の透過像を２次元的に観察することによってリード素子の形状を評価する従来の素子評価方法では、互いに直交する関係にあるリードコア幅、リードギャップ及び素子高さを、同一のＴＥＭ試料によって測定することは不可能である。
【００２１】
次に、本実施形態による素子評価装置について図３を用いて説明する。
【００２２】
本実施形態による素子評価装置は、走査透過型電子顕微鏡（Scanning Transmission Electron Microscope：ＳＴＥＭ）５０を有している。ＳＴＥＭ５０には、評価試料に入射する電子線を制御するための走査レンズ系を制御するための走査レンズ系制御装置５２と、評価試料を透過した電子線を制御するための透過レンズ系を制御するための透過レンズ系制御装置５４と、電子線に対する評価試料の位置を制御するための試料制御装置５６と、試料を透過した電子線を検出する検出器５８とが設けられている。
【００２３】
試料制御装置５６は、処理装置５４に接続されている。走査レンズ系制御装置５２は、走査レンズ系制御用入力装置６０を介して処理装置６４に接続されている。また、透過レンズ系制御装置５４は、透過レンズ系制御用入力装置６２を介して処理装置６４に接続されている。これにより、評価試料の任意の位置へ電子線を収束して入射するとともに、評価試料を透過した電子線を検出器５８へ導くようになっている。検出器５８には、評価試料から得られたＳＴＥＭ像を取得するＳＴＥＭ検出器と、評価試料により高角度に散乱された電子線を検出する環状検出器とが含まれる。
【００２４】
処理装置６４は、走査レンズ系制御装置５２、透過レンズ系制御装置５４、試料制御装置５６等を制御する制御装置として、また、検出器５８から入力される測定データの分析を行う分析装置として機能する。処理装置６４には、外部から測定等に必要な情報を入力するための入力装置６６、測定データの分析に用いられるデータベース等を記憶する外部記憶装置６８、分析結果等を表示する表示装置７０が接続されている。
【００２５】
次に、本実施形態による素子評価方法について図４乃至図１１を用いて説明する。
【００２６】
まず、評価対象のリード素子から、ＳＴＥＭ５０で観察するための試料（以下、「ＴＥＭ試料」と呼ぶ）を作製する（ステップＳ１１）。ＴＥＭ試料は、リード素子をＡＢＳの対向面側から研磨及びミリング等により除去して薄片化することにより形成し、ＡＢＳ側から見て素子全体を包含し、透過型電子顕微鏡で観察が可能な厚さ（〜１５０ｎｍ程度）とする。
【００２７】
図５は、ステップＳ１１において作製したＴＥＭ試料の一例を示す概略図である。図５（ａ）はＴＥＭ試料をＡＢＳ側から見た図であり、図５（ｂ）はＴＭＲ素子２４部分の素子高さ方向の断面図（図４（ａ）のＡ−Ａ′線断面図）である。ＴＥＭ試料は、図５（ｂ）に示すように、ＡＢＳの対向面側には絶縁膜２６が残存するように、すなわち厚さＴが、素子高さよりも厚くなるように、試料を薄片化する。
【００２８】
次いで、ステップＳ１１で作製したＴＥＭ試料を、ＳＴＥＭ５０の試料ステージ（図示せず）上に載置し、鏡筒内を所定の圧力まで減圧する。
【００２９】
次いで、試料ステージ上に載置したＴＥＭ試料に、電子銃（図示せず）により生成された電子線を走査レンズ系制御装置５２によって集束・走査しながら入射する。そして、ＴＥＭ試料を透過した電子線を検出器５８により検出し、ＳＴＥＭ像を取得する（ステップＳ１２）。
【００３０】
次いで、取得したＳＴＥＭ像を検出器５８から処理装置６４へ出力し、処理装置６４によってリードコア幅とリードギャップとを測長する（ステップＳ１３）。ＴＥＭ試料から得られるＳＴＥＭ像は、ＡＢＳ側から見た素子の全体像に対応する。したがって、取得したＳＴＥＭ像から、リードコア幅とリードギャップとを測長することができる。
【００３１】
図６は、本ステップにより取得したＳＴＥＭ像を模写した図である。図６に示すように、本願発明者等が測定したリード素子では、リードコア幅が８８ｎｍであり、リードギャップが４０ｎｍであった。
【００３２】
次いで、電子線を、ＴＥＭ試料の所定の場所に静止し、電子エネルギー損失分光法（Electron Energy Loss Spectroscopy：ＥＥＬＳ）により、ＴＥＭ試料の厚さを測定する（ステップＳ１４）。なお、電子線の入射位置は、ＳＴＥＭ像で確認することができる。
【００３３】
図７は、ＥＥＬＳスペクトルの一例を示すグラフである。縦軸は電子線強度を表し、横軸は電子線の損失エネルギーを表している。すなわち、ＥＥＬＳスペクトルは、試料を透過することにより損失したエネルギーの分布を示している。
【００３４】
エネルギー損失のない電子線の強度、すなわち損失エネルギーが０のときの電子線強度（ゼロロス強度）をＩ０、試料を透過した全電子線の強度をＩｔ、電子の非弾性散乱平均自由工程をλとすると、試料の厚さＴは、
Ｔ＝λｌｎ（Ｉｔ／Ｉ０）
として表される（例えば、非特許文献１を参照）。したがって、非弾性散乱平均自由工程λが分かれば、ＥＥＬＳスペクトルから試料の厚さＴを算出することができる。
【００３５】
非弾性散乱平均自由工程λは、試料の構成材料に依存する。そこで、ＥＥＬＳスペクトルから試料の厚さＴを算出する際には、試料の厚さ方向の全域に渡って同じ材料で構成される部分を用いて測定を行う。測定場所としては、例えば、下部シールド層１０の部分（図６のＡ点を参照）、上部シールド層３０の部分、絶縁膜２６の部分（図６のＢ点を参照）を用いることができる。
【００３６】
本願発明者等が測定を行ったＴＥＭ試料では、ＮｉＦｅよりなる下部シールド層１０の部分（Ａ点）において、非弾性散乱平均自由工程λは９２．７ｎｍであり、ゼロロス強度Ｉ０は１３１７３０カウントであり、全電子線強度Ｉｔは６７１８５８カウントであり、ＴＥＭ試料の厚さＴは１５１．０４ｎｍと測定された。また、アルミナよりなる絶縁膜２６の部分（Ｂ点）において、非弾性散乱平均自由工程λは１２４．０ｎｍであり、ゼロロス強度Ｉ０は６０２５３１カウントであり、全電子線強度Ｉｔは２０４３３７５カウントであり、ＴＥＭ試料の厚さＴは１５１．４３ｎｍと測定された。なお、図７は、Ａ点で測定したＥＥＬＳスペクトルである。
【００３７】
次いで、高角環状暗視野（High Angle Annular Dark Field：ＨＡＡＤＦ）ＳＴＥＭ法を用いて、ＴＥＭ試料の暗視野ＳＴＥＭ像を取得する（ステップＳ１５）。
【００３８】
ＨＡＡＤＦ−ＳＴＥＭ法は、図８に示すように、ＴＥＭ試料４０により散乱された高角散乱電子（図中、散乱角度がβ１〜β２である散乱電子）を環状検出器４２により検出することによりＳＴＥＭ像を取得する方法である。
【００３９】
図９に示すように、低角度散乱のときには、像強度は、弾性散乱電子が支配的となる。これに対し、高角度散乱（約４０ｍｒａｄ以上）のときには、像強度は、熱散漫散乱電子が支配的となる。つまり、高角度散乱した電子では、熱散漫散乱が支配的になり、像強度は原子質量に依存したコントラストを示すようになる（例えば、非特許文献２を参照）。
【００４０】
なお、ステップＳ１３においてステップＳ１２で取得したＳＴＥＭ像からリードコア幅及びリードギャップを測長する代わりに、本ステップで取得した暗視野ＳＴＥＭ像からリードコア幅及びリードギャップを測長するようにしてもよい。
【００４１】
次いで、ＨＡＡＤＦ−ＳＴＥＭ法により、ＴＥＭ試料の所定の場所における像強度（電子線強度）を測定する（ステップＳ１６）。なお、電子線の入射位置は、暗視野ＳＴＥＭ像で確認することができる。
【００４２】
図１０は、図１１の断面図において、Ａ点からＢ点を通ってＤ点に達する経路に沿った像強度（図中、点線）、並びに、Ａ点からＣ点を通ってＥ点に達する経路に沿った像強度（図中、実線）を測定した結果を示すグラフである。図中、Ａ点はＮｉＦｅよりなる下部シールド層１０の部分に相当し、Ｂ点はアルミナよりなる絶縁膜２６の部分に相当し、Ｃ点はＮｉＦｅ／ＣｏＦｅよりなる自由磁化層２０の部分に相当する。図１０の測定結果では、Ａ点の像強度は約２８０００、Ｂ点の強度は１５０００、Ｃ点の強度は２４０００と求められた（何れも単位はカウント数）。
【００４３】
次いで、処理装置６４により、算出した各場所の像強度及びステップＳ１４で算出したＴＥＭ試料の厚さから、リード素子の素子高さを算出する（ステップＳ１７）。
【００４４】
ＨＡＡＤＦ−ＳＴＥＭ法により測定した像強度は、構成元素の原子質量に依存した係数と膜厚の積で記述することができる。
【００４５】
すなわち、Ａ点について考えると、Ａ点における像強度ＩＡは、ＮｉＦｅの原子質量に依存した係数をα、厚さをＴＡとして、
ＩＡ＝α×ＴＡ …（１）
と表すことができる。
【００４６】
同様に、Ｂ点について考えると、Ｂ点における像強度ＩＢは、アルミナの原子質量に依存した係数をβ、厚さをＴＢとして、
ＩＢ＝β×ＴＢ …（２）
と表すことができる。
【００４７】
一方、Ｃ点は、ＴＥＭ試料の厚さ方向に見ると、ＮｉＦｅ／ＣｏＦｅよりなる自由磁化層２０と、絶縁膜２６の二層構造である（図１（ｂ）を参照）。したがって、Ｃ点における像強度ＩＣは、ＮｉＦｅ／ＣｏＦｅの構成元素の原子質量に依存した係数をγ、自由磁化層２０の膜厚（素子高さ）をｔＡ、アルミナの構成元素の原子質量に依存した係数をβ、絶縁膜２６の膜厚をｔＢとして、
ＩＣ＝γ×ｔＡ＋β×ｔＢ …（３）
と表すことができる。
【００４８】
ここで、自由磁化層２０を構成するＮｉＦｅ／ＣｏＦｅは、下部シールド層１０を構成するＮｉＦｅと同じ材料及び原子質量の近い同等の材料により構成されているため、
γ≒α
と近似することができ、（３）式は以下のように書き換えることができる。
【００４９】
ＩＣ＝α×ｔＡ＋β×ｔＢ …（３）′
また、ＴＥＭ試料の厚さＴ並びに自由磁化層２０及び絶縁膜２６の膜厚とは、
Ｔ＝ＴＡ＝ＴＢ＝ｔＡ＋ｔＢ …（４）
の関係を有している。
【００５０】
したがって、（１）式から求めたα、（２）式から求めたβ、（４）式から求めたｔＢを（３）′式に代入することにより、
ＩＣ＝（ＩＡ／Ｔ）×ｔＡ＋（ＩＢ／Ｔ）×（Ｔ−ｔＡ）
の関係が得られる。この式をｔＡについて解くことにより、
ｔＡ＝Ｔ（ＩＣ−ＩＢ）／（ＩＡ−ＩＢ） …（５）
となる。
【００５１】
したがって、（５）式に、厚さＴの測定値（１５１ｎｍ）、Ａ点の像強度（ＩＡ＝２８０００）、Ｂ点の像強度（ＩＢ＝１５０００）、Ｃ点の像強度（ＩＣ＝２４０００）を代入することにより、膜厚ｔＡを、
ｔＡ＝１０４．５ｎｍ
と算出することができる。また、（４）式から、膜厚ｔＢを、
ｔＢ＝４６．５ｎｍ
と算出することができる。
【００５２】
こうして、リード素子の素子高さ（膜厚ｔＡ）を、１０４．５ｎｍと算出することができる。
【００５３】
このように、本実施形態によれば、磁気ヘッドのリード素子を素子高さ方向に薄片化したＴＥＭ試料を作製し、環状暗視野ＳＴＥＭ法によってＴＭＲ素子形成領域、シール層形成領域及び絶縁膜形成領域の像強度をそれぞれ測定し、シール層形成領域又は絶縁膜形成領域のＥＥＬＳスペクトルからＴＥＭ試料の膜厚を測定するので、これら像強度と膜厚との関係からＴＭＲ素子の素子高さを算出することができる。また、リード素子のリードコア幅及びリードギャップは、同一のＴＥＭ試料のＳＴＥＭ像から測長することができる。したがって、リード素子を素子高さ方向に薄片化した同一のＴＥＭ試料を用いて、リード素子のリードコア幅、リードギャップ及び素子高さを測定することができる。これにより、ＴＥＭ試料の準備が容易となり、評価に必要な工数を大幅に削減することができる。また、評価結果を迅速にリード素子の製造プロセスにフィードバックすることが可能となり、リード素子の製造歩留まりを向上することができる。
【００５４】
［変形実施形態］
本発明は上記実施形態に限らず種々の変形が可能である。
【００５５】
例えば、上記実施形態では、ＴＥＭ試料の厚さ方向の全域に渡って同じ材料により構成されている領域として、下部シールド層１０及び絶縁膜２６を適用したが、他の領域を適用してもよい。例えば、下部シールド層１０の代わりに、上部シールド層１２を適用することができる。
【００５６】
また、上記実施形態では、ＴＭＲ素子２４の素子高さを算出する際に自由磁化層２０における像強度を用いたが、他の領域の像強度を用いてもよい。例えば、下地層１２やキャップ層２４と同等の材料よりなる部分がＴＥＭ試料の厚さ方向の全域に渡って存在するような場合には、これらの部分を用いて測定を行ってもよい。
【００５７】
また、上記実施形態では、磁気ヘッドのリード素子の素子高さの測長に本発明の素子評価方法を適用したが、本発明を適用可能な素子はこれに限定されるものではない。本発明の素子評価方法は、第１の材料により構成された第１の部分と第２の材料により構成された第２の部分とを厚さ方向に有する第１の領域と、厚さ方向の全域に渡って前記第１の材料と同等の原子質量を有する第３の材料により構成された第２の領域と、厚さ方向の全域が前記第２の材料と同等の原子質量を有する第４の材料により構成された第３の領域とを有する評価試料の測定に広く適用することができる。
【図面の簡単な説明】
【００５８】
【図１】磁気ヘッドのリード素子の構造を示す概略断面図である。
【図２】磁気ヘッドのリード素子の構造を示す斜視図である。
【図３】本発明の一実施形態による素子評価装置の構造を示す概略図である。
【図４】本発明の一実施形態による素子評価方法を示すフローチャートである。
【図５】本発明の一実施形態による素子評価方法に用いるＴＥＭ試料を示す概略図である。
【図６】本発明の一実施形態による素子評価方法により測定したＳＴＥＭ像を模写した図である。
【図７】下部シールド層の形成領域で測定したＥＥＬＳスペクトルを示すグラフである。
【図８】環状暗視野ＳＴＥＭ法の原理を説明する概略図である。
【図９】環状暗視野ＳＴＥＭ法における像強度と散乱角との関係を示すグラフである。
【図１０】環状暗視野ＳＴＥＭ法により測定した像強度と試料位置との関係を示すグラフである。
【図１１】図１０の測定における電子線の走査経路を示す図である。
【符号の説明】
【００５９】
１０…下部シールド層
１２…下地層
１４…反強磁性層
１６…固定磁化層
１８…バリア層
２０…自由磁化層
２２…キャップ層
２４…ＴＭＲ素子
２６…絶縁膜
２８…ハード膜
３０…上部シールド層
４０…ＴＥＭ試料
４２…環状検出器
５０…ＳＴＥＭ
５２…走査レンズ系制御装置
５４…透過レンズ系制御装置
５６…試料制御装置
５８…検出器
６０…走査レンズ系制御用入力装置
６２…透過レンズ系制御用入力装置
６４…処理装置
６６…入力装置
６８…外部記憶装置
７０…表示装置
【技術分野】
【０００１】
本発明は、素子評価方法及び装置に係り、特に、磁気ヘッドのリード素子の素子形状を評価する素子評価方法及び装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
記録装置の高記録密度化によるビットサイズの縮小に伴い、記録媒体に記録された磁気情報を読み出すための磁気ヘッドのリード素子のサイズも縮小されている。リード素子の製造においては、ビットサイズで規定されるリードコア幅及びリードギャップを制御することに加えて、素子抵抗・出力・感度などに影響を及ぼす素子高さ（ＭＲハイト）を制御することが重要である。製造するリード素子のリードコア幅、リードギャップ及び素子高さの制御性を高めるためには、製造したリード素子を実測してその実測値を製造条件にフィードバックすることが必要である。
【０００３】
高記録密度化が進む近年の記録装置では、リード素子の素子サイズが縮小しており、素子形状の評価には高い空間分解能を有する透過型電子顕微鏡（Transmission Electron Microscope：ＴＥＭ）が必要不可欠になっている。
【０００４】
ＴＥＭによる評価では、評価対象試料は数十〜数百ｎｍ程度の厚さの薄片に加工される。評価対象試料としてリードコア幅及びリードギャップを測長する浮上面（Air Bearing Surface：ＡＢＳ）方向の断面試料を用いる場合、ＡＢＳ方向に直交する素子高さ方向の観察は不可能である。
【０００５】
そこで、ＴＥＭを用いた従来の素子評価方法では、ＡＢＳ方向の断面試料と素子高さ方向の断面試料との２つの試料を用意し、ＡＢＳ方向の断面試料を用いてリードコア幅及びリードギャップを測定し、素子高さ方向の断面試料を用いて素子高さを測定していた。
【非特許文献１】R. F. Egerton, "Electron Energy-Loss Spectroscopy in the Electron Microscope, Second Edition", Plenum Press, New York, 1996, p. 301
【非特許文献２】A. V. Crew, J. Wall, J. Langmore, Science, 168, 1338 (1970)
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、上述のようにＴＥＭを用いた上記従来の素子評価方法では、ＴＥＭ観察用に薄片化加工された同一のＴＥＭ試料を用いてリードコア幅、リードギャップ及び素子高さを測定することはできなかった。このため、リードコア幅、リードギャップ及び素子高さを測定するためには少なくとも２つの評価試料を用意する必要があり、評価試料の準備に労力及び時間を要していた。
【０００７】
また、高記録密度化による素子サイズの縮小により、素子高さ方向の断面観察用のＴＥＭ試料の作製も困難になりつつある。すなわち、面記録密度が約１００Ｇｂｐｓｉの磁気ヘッドの光学コア幅は約１００ｎｍであり、面記録密度が３００Ｇｂｐｓｉ以上では光学コア幅は６０ｎｍ以下になると考えられている。この場合、リードコア幅とＴＥＭ試料厚さが同等或いは同等以下となり、非常に高い精度のピンポイントで断面薄片加工を行うことが必要である。このため、コア幅中心の素子高さ方向の断面ＴＥＭ試料の作製は困難であり、膨大な労力と時間を必要とし、かつ歩留まりも悪くなる。
【０００８】
本発明の目的は、同一の試料によって磁気ヘッドのリード素子のリード幅、コア幅及び素子高さを評価しうる素子評価方法及び装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明の一観点によれば、第１の材料により構成された第１の部分と第２の材料により構成された第２の部分とが積層された第１の領域と、前記第１の材料により構成された第２の領域と、前記第２の材料により構成された第３の領域とを有する薄片状の評価試料を用意し、前記第１の領域に電子線を入射し、前記評価試料を透過した電子線のうち前記第１の材料の構成元素及び前記第２の材料の構成元素の原子質量に依存したコントラストを示す第１の電子線強度を測定し、前記第２の領域に電子線を入射し、前記評価試料を透過した電子線のうち前記第１の材料の構成元素の原子質量に依存したコントラストを示す第２の電子線強度を測定し、前記第３の領域に電子線を入射し、前記評価試料を透過した電子線のうち前記第２の材料の構成元素の原子質量に依存したコントラストを示す第３の電子線強度を測定し、前記第１の電子線強度と前記第１の部分の厚さとの関係を、前記第２の電子線強度と前記評価試料の厚さとの関係及び前記第３の電子線強度と前記評価試料の厚さとの関係から算出することにより、前記第１の領域の前記第１の部分の厚さを算出する素子評価方法が提供される。
【００１０】
また、本発明の他の観点によれば、第１の材料により構成された第１の部分と第２の材料により構成された第２の部分とが積層された第１の領域と、前記第１の材料により構成された第２の領域と、前記第２の材料により構成された第３の領域とを有する薄片状の評価試料を評価するための素子評価装置であって、前記評価試料に収束電子線を入射する電子銃と、前記評価試料を透過した電子線のうち前記評価試料の構成元素の原子質量に依存したコントラストを示す散乱電子線を検出する環状検出器とを有する電子顕微鏡と、前記評価試料に電子線を入射し、前記第１の領域を透過した電子線のうち前記第１の材料の構成元素及び前記第２の材料の構成元素の原子質量に依存したコントラストを示す第１の電子線強度を測定し、前記第２の領域を透過した電子線のうち前記第１の材料の構成元素の原子質量に依存したコントラストを示す第２の電子線強度を測定し、前記第３の領域を透過した電子線のうち前記第２の材料の構成元素の原子質量に依存したコントラストを示す第３の電子線強度を測定する測定機構と、前記第１の電子線強度と前記第１の部分の厚さとの関係を、前記測定機構により測定した前記第２の電子線強度と前記評価試料の厚さとの関係及び前記第３の電子線強度と前記評価試料の厚さとの関係から算出することにより、前記第１の領域の前記第１の部分の厚さを算出する演算機構とを有する素子評価装置が提供される。
【発明の効果】
【００１１】
本発明によれば、磁気ヘッドのリード素子のリードコア幅、リードギャップ及び素子高さを、同一のＴＥＭ試料を用いて測定することができる。これにより、ＴＥＭ試料の準備が容易となり、評価に必要な工数を大幅に削減することができる。また、リード素子形状の評価結果を迅速にリード素子の製造プロセスにフィードバックすることが可能となり、リード素子の製造歩留まりを向上することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１２】
本発明の一実施形態による素子評価方法及び装置について図１乃至図１０を用いて説明する。
【００１３】
図１は磁気ヘッドのリード素子の構造を示す概略断面図、図２は磁気ヘッドのリード素子の構造を示す斜視図、図３は本実施形態による素子評価装置の構造を示す概略図、図４は本実施形態による素子評価方法を示すフローチャート、図５は本実施形態による素子評価方法に用いるＴＥＭ試料を示す概略図、図６は本実施形態による素子評価方法により測定したＳＴＥＭ像を模写した図、図７は下部シールド層の形成領域で測定したＥＥＬＳスペクトルを示すグラフ、図８は環状暗視野ＳＴＥＭ法の原理を説明する概略図、図９は環状暗視野ＳＴＥＭ法における像強度と散乱角との関係を示すグラフ、図１０は環状暗視野ＳＴＥＭ法により測定した像強度と試料位置との関係を示すグラフ、図１１は図１０の測定における電子線の走査経路を示す図である。
【００１４】
はじめに、本実施形態による評価方法及び装置の評価対象である磁気ヘッドのリード素子の構造について図１及び図２を用いて説明する。なお、図１（ａ）は浮上面（Air Bearing Surface：ＡＢＳ）の概略断面図であり、図１（ｂ）はＡＢＳに直交する方向（素子高さ方向）に沿った概略断面図である。
【００１５】
ＮｉＦｅ等の軟磁性材料よりなる下部シールド層１０上には、Ｔａ等よりなる下地層１２が形成されている。下地層１２上には、ＰｄＰｔＭｎ等の反強磁性材料よりなる反強磁性層１４が形成されている。反強磁性層１４上には、強磁性材料よりなる固定磁化層１６が形成されている。固定磁化層１６は、例えば、ＣｏＦｅ等の強磁性材料よりなる強磁性層と、Ｒｕ等の非磁性材料よりなる非磁性層と、ＣｏＦｅ等の強磁性材料よりなる強磁性層とにより構成された積層フェリ構造とすることができる。固定磁化層１６上には、アルミナ等の絶縁材料よりなるバリア層１８が形成されている。バリア層１８上には、軟磁性材料、例えばＣｏＦｅ膜とＮｉＦｅ膜との積層膜よりなる自由磁化層２０が形成されている。自由磁化層２０上には、Ｔａ等の非磁性材料よりなるキャップ層２２が形成されている。
【００１６】
下地層１２、反強磁性層１４、固定磁化層１６、バリア層１８、自由磁化層２０及びキャップ層２２からなる積層体はメサ形状に加工されている。こうして、下部シールド層１０上には、下地層１２、反強磁性層１４、固定磁化層１６、バリア層１８、自由磁化層２０及びキャップ層２２の積層体よりなるトンネル磁気抵抗効果（Tunnel Magnetoresistive Effect：ＴＭＲ）素子２４が形成されている。
【００１７】
ＴＭＲ素子２４が形成された下部シールド層１０上には、リードコア幅方向（図１（ａ）において図面横方向）に沿ってＴＭＲ素子２４を挟むように、ＣｏＣｒＰｔ等よりなる一対のハード膜２８が形成されている。ハード膜２８は、下部シールド層１０の上面上及びＴＭＲ素子２４の側面上に、アルミナ等よりなる絶縁膜２６を介して形成されている。ＴＭＲ素子２４の素子高さ方向（図１（ｂ）において図面横方向）の側壁部分には、アルミナ等よりなる絶縁膜２６が埋め込まれている。
【００１８】
ＴＭＲ素子２４上には、ＮｉＦｅ等の軟磁性材料よりなる上部シールド層３０が形成されている。
【００１９】
図２はリード素子の構造を示す斜視図である。図２において、ｙ−ｚ面に平行な面が図１（ａ）の断面図に相当し、ｘ−ｚ面に平行なＴＭＲ素子２４部の断面が図１（ｂ）の断面図に相当する。
【００２０】
図２に示すように、リード素子の素子高さはＴＭＲ素子２４のｘ方向の幅によって規定され、リードコア幅はｙ方向に沿ったＴＭＲ素子２４（自由磁化層２０）の幅により規定され、リードギャップはＴＭＲ素子２４の厚さ（下部シールド層１０と上部シールド層３０との間隔）により規定される。したがって、電子線の透過像を２次元的に観察することによってリード素子の形状を評価する従来の素子評価方法では、互いに直交する関係にあるリードコア幅、リードギャップ及び素子高さを、同一のＴＥＭ試料によって測定することは不可能である。
【００２１】
次に、本実施形態による素子評価装置について図３を用いて説明する。
【００２２】
本実施形態による素子評価装置は、走査透過型電子顕微鏡（Scanning Transmission Electron Microscope：ＳＴＥＭ）５０を有している。ＳＴＥＭ５０には、評価試料に入射する電子線を制御するための走査レンズ系を制御するための走査レンズ系制御装置５２と、評価試料を透過した電子線を制御するための透過レンズ系を制御するための透過レンズ系制御装置５４と、電子線に対する評価試料の位置を制御するための試料制御装置５６と、試料を透過した電子線を検出する検出器５８とが設けられている。
【００２３】
試料制御装置５６は、処理装置５４に接続されている。走査レンズ系制御装置５２は、走査レンズ系制御用入力装置６０を介して処理装置６４に接続されている。また、透過レンズ系制御装置５４は、透過レンズ系制御用入力装置６２を介して処理装置６４に接続されている。これにより、評価試料の任意の位置へ電子線を収束して入射するとともに、評価試料を透過した電子線を検出器５８へ導くようになっている。検出器５８には、評価試料から得られたＳＴＥＭ像を取得するＳＴＥＭ検出器と、評価試料により高角度に散乱された電子線を検出する環状検出器とが含まれる。
【００２４】
処理装置６４は、走査レンズ系制御装置５２、透過レンズ系制御装置５４、試料制御装置５６等を制御する制御装置として、また、検出器５８から入力される測定データの分析を行う分析装置として機能する。処理装置６４には、外部から測定等に必要な情報を入力するための入力装置６６、測定データの分析に用いられるデータベース等を記憶する外部記憶装置６８、分析結果等を表示する表示装置７０が接続されている。
【００２５】
次に、本実施形態による素子評価方法について図４乃至図１１を用いて説明する。
【００２６】
まず、評価対象のリード素子から、ＳＴＥＭ５０で観察するための試料（以下、「ＴＥＭ試料」と呼ぶ）を作製する（ステップＳ１１）。ＴＥＭ試料は、リード素子をＡＢＳの対向面側から研磨及びミリング等により除去して薄片化することにより形成し、ＡＢＳ側から見て素子全体を包含し、透過型電子顕微鏡で観察が可能な厚さ（〜１５０ｎｍ程度）とする。
【００２７】
図５は、ステップＳ１１において作製したＴＥＭ試料の一例を示す概略図である。図５（ａ）はＴＥＭ試料をＡＢＳ側から見た図であり、図５（ｂ）はＴＭＲ素子２４部分の素子高さ方向の断面図（図４（ａ）のＡ−Ａ′線断面図）である。ＴＥＭ試料は、図５（ｂ）に示すように、ＡＢＳの対向面側には絶縁膜２６が残存するように、すなわち厚さＴが、素子高さよりも厚くなるように、試料を薄片化する。
【００２８】
次いで、ステップＳ１１で作製したＴＥＭ試料を、ＳＴＥＭ５０の試料ステージ（図示せず）上に載置し、鏡筒内を所定の圧力まで減圧する。
【００２９】
次いで、試料ステージ上に載置したＴＥＭ試料に、電子銃（図示せず）により生成された電子線を走査レンズ系制御装置５２によって集束・走査しながら入射する。そして、ＴＥＭ試料を透過した電子線を検出器５８により検出し、ＳＴＥＭ像を取得する（ステップＳ１２）。
【００３０】
次いで、取得したＳＴＥＭ像を検出器５８から処理装置６４へ出力し、処理装置６４によってリードコア幅とリードギャップとを測長する（ステップＳ１３）。ＴＥＭ試料から得られるＳＴＥＭ像は、ＡＢＳ側から見た素子の全体像に対応する。したがって、取得したＳＴＥＭ像から、リードコア幅とリードギャップとを測長することができる。
【００３１】
図６は、本ステップにより取得したＳＴＥＭ像を模写した図である。図６に示すように、本願発明者等が測定したリード素子では、リードコア幅が８８ｎｍであり、リードギャップが４０ｎｍであった。
【００３２】
次いで、電子線を、ＴＥＭ試料の所定の場所に静止し、電子エネルギー損失分光法（Electron Energy Loss Spectroscopy：ＥＥＬＳ）により、ＴＥＭ試料の厚さを測定する（ステップＳ１４）。なお、電子線の入射位置は、ＳＴＥＭ像で確認することができる。
【００３３】
図７は、ＥＥＬＳスペクトルの一例を示すグラフである。縦軸は電子線強度を表し、横軸は電子線の損失エネルギーを表している。すなわち、ＥＥＬＳスペクトルは、試料を透過することにより損失したエネルギーの分布を示している。
【００３４】
エネルギー損失のない電子線の強度、すなわち損失エネルギーが０のときの電子線強度（ゼロロス強度）をＩ０、試料を透過した全電子線の強度をＩｔ、電子の非弾性散乱平均自由工程をλとすると、試料の厚さＴは、
Ｔ＝λｌｎ（Ｉｔ／Ｉ０）
として表される（例えば、非特許文献１を参照）。したがって、非弾性散乱平均自由工程λが分かれば、ＥＥＬＳスペクトルから試料の厚さＴを算出することができる。
【００３５】
非弾性散乱平均自由工程λは、試料の構成材料に依存する。そこで、ＥＥＬＳスペクトルから試料の厚さＴを算出する際には、試料の厚さ方向の全域に渡って同じ材料で構成される部分を用いて測定を行う。測定場所としては、例えば、下部シールド層１０の部分（図６のＡ点を参照）、上部シールド層３０の部分、絶縁膜２６の部分（図６のＢ点を参照）を用いることができる。
【００３６】
本願発明者等が測定を行ったＴＥＭ試料では、ＮｉＦｅよりなる下部シールド層１０の部分（Ａ点）において、非弾性散乱平均自由工程λは９２．７ｎｍであり、ゼロロス強度Ｉ０は１３１７３０カウントであり、全電子線強度Ｉｔは６７１８５８カウントであり、ＴＥＭ試料の厚さＴは１５１．０４ｎｍと測定された。また、アルミナよりなる絶縁膜２６の部分（Ｂ点）において、非弾性散乱平均自由工程λは１２４．０ｎｍであり、ゼロロス強度Ｉ０は６０２５３１カウントであり、全電子線強度Ｉｔは２０４３３７５カウントであり、ＴＥＭ試料の厚さＴは１５１．４３ｎｍと測定された。なお、図７は、Ａ点で測定したＥＥＬＳスペクトルである。
【００３７】
次いで、高角環状暗視野（High Angle Annular Dark Field：ＨＡＡＤＦ）ＳＴＥＭ法を用いて、ＴＥＭ試料の暗視野ＳＴＥＭ像を取得する（ステップＳ１５）。
【００３８】
ＨＡＡＤＦ−ＳＴＥＭ法は、図８に示すように、ＴＥＭ試料４０により散乱された高角散乱電子（図中、散乱角度がβ１〜β２である散乱電子）を環状検出器４２により検出することによりＳＴＥＭ像を取得する方法である。
【００３９】
図９に示すように、低角度散乱のときには、像強度は、弾性散乱電子が支配的となる。これに対し、高角度散乱（約４０ｍｒａｄ以上）のときには、像強度は、熱散漫散乱電子が支配的となる。つまり、高角度散乱した電子では、熱散漫散乱が支配的になり、像強度は原子質量に依存したコントラストを示すようになる（例えば、非特許文献２を参照）。
【００４０】
なお、ステップＳ１３においてステップＳ１２で取得したＳＴＥＭ像からリードコア幅及びリードギャップを測長する代わりに、本ステップで取得した暗視野ＳＴＥＭ像からリードコア幅及びリードギャップを測長するようにしてもよい。
【００４１】
次いで、ＨＡＡＤＦ−ＳＴＥＭ法により、ＴＥＭ試料の所定の場所における像強度（電子線強度）を測定する（ステップＳ１６）。なお、電子線の入射位置は、暗視野ＳＴＥＭ像で確認することができる。
【００４２】
図１０は、図１１の断面図において、Ａ点からＢ点を通ってＤ点に達する経路に沿った像強度（図中、点線）、並びに、Ａ点からＣ点を通ってＥ点に達する経路に沿った像強度（図中、実線）を測定した結果を示すグラフである。図中、Ａ点はＮｉＦｅよりなる下部シールド層１０の部分に相当し、Ｂ点はアルミナよりなる絶縁膜２６の部分に相当し、Ｃ点はＮｉＦｅ／ＣｏＦｅよりなる自由磁化層２０の部分に相当する。図１０の測定結果では、Ａ点の像強度は約２８０００、Ｂ点の強度は１５０００、Ｃ点の強度は２４０００と求められた（何れも単位はカウント数）。
【００４３】
次いで、処理装置６４により、算出した各場所の像強度及びステップＳ１４で算出したＴＥＭ試料の厚さから、リード素子の素子高さを算出する（ステップＳ１７）。
【００４４】
ＨＡＡＤＦ−ＳＴＥＭ法により測定した像強度は、構成元素の原子質量に依存した係数と膜厚の積で記述することができる。
【００４５】
すなわち、Ａ点について考えると、Ａ点における像強度ＩＡは、ＮｉＦｅの原子質量に依存した係数をα、厚さをＴＡとして、
ＩＡ＝α×ＴＡ …（１）
と表すことができる。
【００４６】
同様に、Ｂ点について考えると、Ｂ点における像強度ＩＢは、アルミナの原子質量に依存した係数をβ、厚さをＴＢとして、
ＩＢ＝β×ＴＢ …（２）
と表すことができる。
【００４７】
一方、Ｃ点は、ＴＥＭ試料の厚さ方向に見ると、ＮｉＦｅ／ＣｏＦｅよりなる自由磁化層２０と、絶縁膜２６の二層構造である（図１（ｂ）を参照）。したがって、Ｃ点における像強度ＩＣは、ＮｉＦｅ／ＣｏＦｅの構成元素の原子質量に依存した係数をγ、自由磁化層２０の膜厚（素子高さ）をｔＡ、アルミナの構成元素の原子質量に依存した係数をβ、絶縁膜２６の膜厚をｔＢとして、
ＩＣ＝γ×ｔＡ＋β×ｔＢ …（３）
と表すことができる。
【００４８】
ここで、自由磁化層２０を構成するＮｉＦｅ／ＣｏＦｅは、下部シールド層１０を構成するＮｉＦｅと同じ材料及び原子質量の近い同等の材料により構成されているため、
γ≒α
と近似することができ、（３）式は以下のように書き換えることができる。
【００４９】
ＩＣ＝α×ｔＡ＋β×ｔＢ …（３）′
また、ＴＥＭ試料の厚さＴ並びに自由磁化層２０及び絶縁膜２６の膜厚とは、
Ｔ＝ＴＡ＝ＴＢ＝ｔＡ＋ｔＢ …（４）
の関係を有している。
【００５０】
したがって、（１）式から求めたα、（２）式から求めたβ、（４）式から求めたｔＢを（３）′式に代入することにより、
ＩＣ＝（ＩＡ／Ｔ）×ｔＡ＋（ＩＢ／Ｔ）×（Ｔ−ｔＡ）
の関係が得られる。この式をｔＡについて解くことにより、
ｔＡ＝Ｔ（ＩＣ−ＩＢ）／（ＩＡ−ＩＢ） …（５）
となる。
【００５１】
したがって、（５）式に、厚さＴの測定値（１５１ｎｍ）、Ａ点の像強度（ＩＡ＝２８０００）、Ｂ点の像強度（ＩＢ＝１５０００）、Ｃ点の像強度（ＩＣ＝２４０００）を代入することにより、膜厚ｔＡを、
ｔＡ＝１０４．５ｎｍ
と算出することができる。また、（４）式から、膜厚ｔＢを、
ｔＢ＝４６．５ｎｍ
と算出することができる。
【００５２】
こうして、リード素子の素子高さ（膜厚ｔＡ）を、１０４．５ｎｍと算出することができる。
【００５３】
このように、本実施形態によれば、磁気ヘッドのリード素子を素子高さ方向に薄片化したＴＥＭ試料を作製し、環状暗視野ＳＴＥＭ法によってＴＭＲ素子形成領域、シール層形成領域及び絶縁膜形成領域の像強度をそれぞれ測定し、シール層形成領域又は絶縁膜形成領域のＥＥＬＳスペクトルからＴＥＭ試料の膜厚を測定するので、これら像強度と膜厚との関係からＴＭＲ素子の素子高さを算出することができる。また、リード素子のリードコア幅及びリードギャップは、同一のＴＥＭ試料のＳＴＥＭ像から測長することができる。したがって、リード素子を素子高さ方向に薄片化した同一のＴＥＭ試料を用いて、リード素子のリードコア幅、リードギャップ及び素子高さを測定することができる。これにより、ＴＥＭ試料の準備が容易となり、評価に必要な工数を大幅に削減することができる。また、評価結果を迅速にリード素子の製造プロセスにフィードバックすることが可能となり、リード素子の製造歩留まりを向上することができる。
【００５４】
［変形実施形態］
本発明は上記実施形態に限らず種々の変形が可能である。
【００５５】
例えば、上記実施形態では、ＴＥＭ試料の厚さ方向の全域に渡って同じ材料により構成されている領域として、下部シールド層１０及び絶縁膜２６を適用したが、他の領域を適用してもよい。例えば、下部シールド層１０の代わりに、上部シールド層１２を適用することができる。
【００５６】
また、上記実施形態では、ＴＭＲ素子２４の素子高さを算出する際に自由磁化層２０における像強度を用いたが、他の領域の像強度を用いてもよい。例えば、下地層１２やキャップ層２４と同等の材料よりなる部分がＴＥＭ試料の厚さ方向の全域に渡って存在するような場合には、これらの部分を用いて測定を行ってもよい。
【００５７】
また、上記実施形態では、磁気ヘッドのリード素子の素子高さの測長に本発明の素子評価方法を適用したが、本発明を適用可能な素子はこれに限定されるものではない。本発明の素子評価方法は、第１の材料により構成された第１の部分と第２の材料により構成された第２の部分とを厚さ方向に有する第１の領域と、厚さ方向の全域に渡って前記第１の材料と同等の原子質量を有する第３の材料により構成された第２の領域と、厚さ方向の全域が前記第２の材料と同等の原子質量を有する第４の材料により構成された第３の領域とを有する評価試料の測定に広く適用することができる。
【図面の簡単な説明】
【００５８】
【図１】磁気ヘッドのリード素子の構造を示す概略断面図である。
【図２】磁気ヘッドのリード素子の構造を示す斜視図である。
【図３】本発明の一実施形態による素子評価装置の構造を示す概略図である。
【図４】本発明の一実施形態による素子評価方法を示すフローチャートである。
【図５】本発明の一実施形態による素子評価方法に用いるＴＥＭ試料を示す概略図である。
【図６】本発明の一実施形態による素子評価方法により測定したＳＴＥＭ像を模写した図である。
【図７】下部シールド層の形成領域で測定したＥＥＬＳスペクトルを示すグラフである。
【図８】環状暗視野ＳＴＥＭ法の原理を説明する概略図である。
【図９】環状暗視野ＳＴＥＭ法における像強度と散乱角との関係を示すグラフである。
【図１０】環状暗視野ＳＴＥＭ法により測定した像強度と試料位置との関係を示すグラフである。
【図１１】図１０の測定における電子線の走査経路を示す図である。
【符号の説明】
【００５９】
１０…下部シールド層
１２…下地層
１４…反強磁性層
１６…固定磁化層
１８…バリア層
２０…自由磁化層
２２…キャップ層
２４…ＴＭＲ素子
２６…絶縁膜
２８…ハード膜
３０…上部シールド層
４０…ＴＥＭ試料
４２…環状検出器
５０…ＳＴＥＭ
５２…走査レンズ系制御装置
５４…透過レンズ系制御装置
５６…試料制御装置
５８…検出器
６０…走査レンズ系制御用入力装置
６２…透過レンズ系制御用入力装置
６４…処理装置
６６…入力装置
６８…外部記憶装置
７０…表示装置
【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１の材料により構成された第１の部分と第２の材料により構成された第２の部分とが積層された第１の領域と、前記第１の材料により構成された第２の領域と、前記第２の材料により構成された第３の領域とを有する薄片状の評価試料を用意し、
前記第１の領域に電子線を入射し、前記評価試料を透過した電子線のうち前記第１の材料の構成元素及び前記第２の材料の構成元素の原子質量に依存したコントラストを示す第１の電子線強度を測定し、
前記第２の領域に電子線を入射し、前記評価試料を透過した電子線のうち前記第１の材料の構成元素の原子質量に依存したコントラストを示す第２の電子線強度を測定し、
前記第３の領域に電子線を入射し、前記評価試料を透過した電子線のうち前記第２の材料の構成元素の原子質量に依存したコントラストを示す第３の電子線強度を測定し、
前記第１の電子線強度と前記第１の部分の厚さとの関係を、前記第２の電子線強度と前記評価試料の厚さとの関係及び前記第３の電子線強度と前記評価試料の厚さとの関係から算出することにより、前記第１の領域の前記第１の部分の厚さを算出する
ことを特徴とする素子評価方法。
【請求項２】
請求項１記載の素子評価方法において、
前記第１の電子線強度、前記第２の電子線強度及び前記第３の電子線強度は、環状暗視野ＳＴＥＭ法を用いて測定する
ことを特徴とする素子評価方法。
【請求項３】
請求項２記載の素子評価方法において、
前記第１の電子線強度、前記第２の電子線強度及び前記第３の電子線強度の測定の際に、前記評価試料による散乱角度が４０ｍｒａｄ以上の透過電子線を検出する
ことを特徴とする素子評価方法。
【請求項４】
請求項１乃至３のいずれか１項に記載の素子評価方法において、
前記評価試料の厚さをＴ、前記第１の電子線強度をＩＣ、前記第２の電子線強度をＩＡ、前記第３の電子線強度をＩＢとして、前記第１の部分の厚さｔＡを、
ｔＡ＝Ｔ（ＩＣ−ＩＢ）／（ＩＡ−ＩＢ）
の関係式から算出する
ことを特徴とする素子評価方法。
【請求項５】
請求項１乃至４のいずれか１項に記載の素子評価方法において、
前記評価試料の厚さを、前記第２領域又は前記第３の領域における電子エネルギー損失分光スペクトルから算出する
ことを特徴とする素子評価方法。
【請求項６】
請求項１乃至５のいずれか１項に記載の素子評価方法において、
前記評価試料の前記第２の領域は、前記第１の材料の構成元素と同等の原子質量を有する構成元素からなる材料により構成されており、
前記評価試料の前記第３の領域は、前記第２の材料の構成元素と同等の原子質量を有する構成元素からなる材料により構成されている
ことを特徴とする素子評価方法。
【請求項７】
請求項１乃至６のいずれか１項に記載の素子評価方法において、
前記評価試料は、第１のシールド層上に形成された磁気抵抗効果素子と、前記磁気抵抗効果素子の形成領域を除く前記第１のシールド層上に形成された絶縁膜と、前記磁気抵抗効果素子上に形成された第２のシールド層とを有する磁気ヘッドのリード素子が薄片化されたものであり、
前記第１の領域の前記第１の部分は、前記磁気抵抗効果素子の形成領域であり、
前記第２の領域は、前記第１のシールド層又は前記第２のシールド層の形成領域であり、
前記第３の領域及び前記第１の領域の前記第２の部分は、前記絶縁膜の形成領域であり、
前記第１の部分の厚さは、前記磁気抵抗効果素子の素子高さである
ことを特徴とする素子評価方法。
【請求項８】
請求項７記載の素子評価方法において、
前記評価素子の電子線透過像を取得し、前記電子線透過像から、前記リード素子のリードコア幅及び／又はリードギャップを測長する
ことを特徴とする素子評価方法。
【請求項９】
第１の材料により構成された第１の部分と第２の材料により構成された第２の部分とが積層された第１の領域と、前記第１の材料により構成された第２の領域と、前記第２の材料により構成された第３の領域とを有する薄片状の評価試料を評価するための素子評価装置であって、
前記評価試料に収束電子線を入射する電子銃と、前記評価試料を透過した電子線のうち前記評価試料の構成元素の原子質量に依存したコントラストを示す散乱電子線を検出する環状検出器とを有する電子顕微鏡と、
前記評価試料に電子線を入射し、前記第１の領域を透過した電子線のうち前記第１の材料の構成元素及び前記第２の材料の構成元素の原子質量に依存したコントラストを示す第１の電子線強度を測定し、前記第２の領域を透過した電子線のうち前記第１の材料の構成元素の原子質量に依存したコントラストを示す第２の電子線強度を測定し、前記第３の領域を透過した電子線のうち前記第２の材料の構成元素の原子質量に依存したコントラストを示す第３の電子線強度を測定する測定機構と、
前記第１の電子線強度と前記第１の部分の厚さとの関係を、前記測定機構により測定した前記第２の電子線強度と前記評価試料の厚さとの関係及び前記第３の電子線強度と前記評価試料の厚さとの関係から算出することにより、前記第１の領域の前記第１の部分の厚さを算出する演算機構と
を有することを特徴とする素子評価装置。
【請求項１】
第１の材料により構成された第１の部分と第２の材料により構成された第２の部分とが積層された第１の領域と、前記第１の材料により構成された第２の領域と、前記第２の材料により構成された第３の領域とを有する薄片状の評価試料を用意し、
前記第１の領域に電子線を入射し、前記評価試料を透過した電子線のうち前記第１の材料の構成元素及び前記第２の材料の構成元素の原子質量に依存したコントラストを示す第１の電子線強度を測定し、
前記第２の領域に電子線を入射し、前記評価試料を透過した電子線のうち前記第１の材料の構成元素の原子質量に依存したコントラストを示す第２の電子線強度を測定し、
前記第３の領域に電子線を入射し、前記評価試料を透過した電子線のうち前記第２の材料の構成元素の原子質量に依存したコントラストを示す第３の電子線強度を測定し、
前記第１の電子線強度と前記第１の部分の厚さとの関係を、前記第２の電子線強度と前記評価試料の厚さとの関係及び前記第３の電子線強度と前記評価試料の厚さとの関係から算出することにより、前記第１の領域の前記第１の部分の厚さを算出する
ことを特徴とする素子評価方法。
【請求項２】
請求項１記載の素子評価方法において、
前記第１の電子線強度、前記第２の電子線強度及び前記第３の電子線強度は、環状暗視野ＳＴＥＭ法を用いて測定する
ことを特徴とする素子評価方法。
【請求項３】
請求項２記載の素子評価方法において、
前記第１の電子線強度、前記第２の電子線強度及び前記第３の電子線強度の測定の際に、前記評価試料による散乱角度が４０ｍｒａｄ以上の透過電子線を検出する
ことを特徴とする素子評価方法。
【請求項４】
請求項１乃至３のいずれか１項に記載の素子評価方法において、
前記評価試料の厚さをＴ、前記第１の電子線強度をＩＣ、前記第２の電子線強度をＩＡ、前記第３の電子線強度をＩＢとして、前記第１の部分の厚さｔＡを、
ｔＡ＝Ｔ（ＩＣ−ＩＢ）／（ＩＡ−ＩＢ）
の関係式から算出する
ことを特徴とする素子評価方法。
【請求項５】
請求項１乃至４のいずれか１項に記載の素子評価方法において、
前記評価試料の厚さを、前記第２領域又は前記第３の領域における電子エネルギー損失分光スペクトルから算出する
ことを特徴とする素子評価方法。
【請求項６】
請求項１乃至５のいずれか１項に記載の素子評価方法において、
前記評価試料の前記第２の領域は、前記第１の材料の構成元素と同等の原子質量を有する構成元素からなる材料により構成されており、
前記評価試料の前記第３の領域は、前記第２の材料の構成元素と同等の原子質量を有する構成元素からなる材料により構成されている
ことを特徴とする素子評価方法。
【請求項７】
請求項１乃至６のいずれか１項に記載の素子評価方法において、
前記評価試料は、第１のシールド層上に形成された磁気抵抗効果素子と、前記磁気抵抗効果素子の形成領域を除く前記第１のシールド層上に形成された絶縁膜と、前記磁気抵抗効果素子上に形成された第２のシールド層とを有する磁気ヘッドのリード素子が薄片化されたものであり、
前記第１の領域の前記第１の部分は、前記磁気抵抗効果素子の形成領域であり、
前記第２の領域は、前記第１のシールド層又は前記第２のシールド層の形成領域であり、
前記第３の領域及び前記第１の領域の前記第２の部分は、前記絶縁膜の形成領域であり、
前記第１の部分の厚さは、前記磁気抵抗効果素子の素子高さである
ことを特徴とする素子評価方法。
【請求項８】
請求項７記載の素子評価方法において、
前記評価素子の電子線透過像を取得し、前記電子線透過像から、前記リード素子のリードコア幅及び／又はリードギャップを測長する
ことを特徴とする素子評価方法。
【請求項９】
第１の材料により構成された第１の部分と第２の材料により構成された第２の部分とが積層された第１の領域と、前記第１の材料により構成された第２の領域と、前記第２の材料により構成された第３の領域とを有する薄片状の評価試料を評価するための素子評価装置であって、
前記評価試料に収束電子線を入射する電子銃と、前記評価試料を透過した電子線のうち前記評価試料の構成元素の原子質量に依存したコントラストを示す散乱電子線を検出する環状検出器とを有する電子顕微鏡と、
前記評価試料に電子線を入射し、前記第１の領域を透過した電子線のうち前記第１の材料の構成元素及び前記第２の材料の構成元素の原子質量に依存したコントラストを示す第１の電子線強度を測定し、前記第２の領域を透過した電子線のうち前記第１の材料の構成元素の原子質量に依存したコントラストを示す第２の電子線強度を測定し、前記第３の領域を透過した電子線のうち前記第２の材料の構成元素の原子質量に依存したコントラストを示す第３の電子線強度を測定する測定機構と、
前記第１の電子線強度と前記第１の部分の厚さとの関係を、前記測定機構により測定した前記第２の電子線強度と前記評価試料の厚さとの関係及び前記第３の電子線強度と前記評価試料の厚さとの関係から算出することにより、前記第１の領域の前記第１の部分の厚さを算出する演算機構と
を有することを特徴とする素子評価装置。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【公開番号】特開２００９−５２９４４（Ｐ２００９−５２９４４Ａ）
【公開日】平成２１年３月１２日（２００９．３．１２）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００７−２１８１４２（Ｐ２００７−２１８１４２）
【出願日】平成１９年８月２４日（２００７．８．２４）
【出願人】（０００００５２２３）富士通株式会社 (25,993)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２１年３月１２日（２００９．３．１２）
【国際特許分類】
【出願日】平成１９年８月２４日（２００７．８．２４）
【出願人】（０００００５２２３）富士通株式会社 (25,993)
【Ｆターム（参考）】
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