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マグネティック・ナノイメージングと次世代磁気応用に関する研究会　 2003.10.29

マグネティック・ナノイメージングと次世代磁気応用に関する研究会　 2003.10.29. 「シリコン埋め込みパーマロイ微細 十字パターン配列の磁気構造」 Magnetic structures in cross-shaped nano permalloy pattern-arrays embedded in silicon substrates. 佐藤勝昭、手塚智之、山本尚弘、町田賢司、石橋隆幸、森下義隆、纐纈明伯 K.Sato, T.Tezuka, T. Yamamoto, K.Machida, T. Ishibashi, Y. Morishita and A. Koukitu.

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マグネティック・ナノイメージングと次世代磁気応用に関する研究会　 2003.10.29

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  1. マグネティック・ナノイメージングと次世代磁気応用に関する研究会　2003.10.29マグネティック・ナノイメージングと次世代磁気応用に関する研究会　2003.10.29 「シリコン埋め込みパーマロイ微細十字パターン配列の磁気構造」Magnetic structures in cross-shaped nano permalloy pattern-arrays embedded in silicon substrates 佐藤勝昭、手塚智之、山本尚弘、町田賢司、石橋隆幸、森下義隆、纐纈明伯K.Sato, T.Tezuka, T. Yamamoto, K.Machida, T. Ishibashi, Y. Morishita and A. Koukitu

  2. Introduction • われわれは、これまで、ダマシン法によりシリコンに埋め込んだ微細な磁性体ドット（正方形、長方形、円形）の配列を作製し、その磁気的性質をVSM, MFMを使って観測してきた。 • その結果、150nm厚で100nmφの円柱ドットでは面直磁化であるが、300nm×100nm長方形では面内・面直両磁化成分をもち、1000nm長方形では面内磁化が強いことを明らかにしてきた。 • またその過程で、微小ドットのMFM像はチップの磁化からの磁束による画像の影響が深刻であることが明らかになった。 • 今研究では、十字架パターン配列を作製したので報告する

  3. Clean Room Laboratory • Electron beam lithography

  4. EB-patterning process Spin coating of resist 〔１〕Dot size square(1μm  1μm)、rectangular(300nm100nm)、circular(100 nmφ)、cross(200nm3μm, 100nm 1.5μm) 〔２〕Patterned area: 3mm×3mmー4mm4mm 〔３〕EB-resist thickness: 300 nm 　　　・・・by spin-coating with 5000 rpm rotation 〔４〕Baking160℃20min EB exposure Development Si substrate

  5. Dry-etching

  6. Dry etching process Etching Resist removal 300nm 100nm 〔１〕Etching gas: CF4 〔２〕Vacuum3.0×10-3Pa 〔３〕Gas pressure 9.2Pa 〔４〕RF power: 400W 〔５〕Etching rate: 0.1μm/min Silicon surface after etching

  7. Laboratory EB deposition RF magnetron sputtering

  8. Embedding of permalloy 〔１〕material:permalloy（Ni80Fe20） 〔２〕Vacuum3.0×10-6Torr 〔３〕Accelerating voltage 4kV 〔４〕Deposition rate1.0Å/sec Embedding of permalloy film by electron beam deposition Chemical mechanical polishing (CMP) 〔１〕Polishing chemicals:Polished by Kent3(Nanofactor)Slurry…GRANZOX sp-15 (Al2O3 powder)grain-size～20nm 〔２〕pH11 〔３〕polishing rate:60nm/min flattening

  9. Observation • ＡＦＭ/MFM FE-SEM

  10. 0.6μm 3μm SEM observation 300nm×100nmsquare dot, 300 nm space

  11. 100nm Cross sectional SEM observation

  12. 1m square dot array MFM AFM

  13. In-plane Perpendicular Hc= 30 Oe Hc= 50 Oe Square dots VSM measurement

  14. LLG simulation By K. Machida

  15. y (E.A.) x z Dot model divM divMy Hy = 10 kOe → 0 Oe

  16. Hy= 10 kOe Hy= 5 kOe Hy= 3 kOe Hy= 1 kOe Hy= 0 Oe Hy = 2 kOe

  17. AFM observation Rectangular dots Circular dots AFM Line scan ・・・ Surface roughness~10nm

  18. Perpendicular Hc=100 Oe Longer axis Shorter axis Hc=50 Oe Hc=50 Oe Rectangular dotsVSM measurement

  19. 0° 15° 30° 45° 60° 75° 90° Pattern variations for different scan direction MFM images Scanning direction

  20. MFM image of 300nm x 100nm dot with a low-moment probe tip MFM AFM

  21. 組み合わせたらどうなるか？

  22. 十字架パターンの製作 • L=3m, d=200nms=3m • L=1.5 m, d=100nms=1.5 m d s L

  23. CROSS3 (200nm×3000nm cross dots) AFM MFM

  24. 試料磁化方向依存性 ２００nm×３０００nm cross dots (wide scan) probe-sample Parallel 20kOe Probe-sample Antiparallel 20kOe Initial state

  25. 200nm×3000nm cross dots (narrow scan) Probe-sample Parallel 20kOe Probe-sample Parallel 20kOe Initial state

  26. AFM MFM MFM and AFM images of CROSS3

  27. Kerr microscope image

  28. 100nm×1500nm cross dots (wide scan) Probe-sample Parallel 20kOe Probe-sample Antiparallel 20kOe Initialized

  29. １００nm×１５００nm cross dots (narrow scan) Probe-sample Parallel 20kOe Probe-sample Parallel 20kOe Initial

  30. y L x z (E.A.) W Y L W X. Z. LLG simulation Cross-pattern model Hz = 20 kOe → 0 Oe divM divMz

  31. Hz= 20 kOe Hz= 10 kOe Hz= 5 kOe Hz= 1 kOe Hz= 0 Oe

  32. 50cm 8cm camera screen Cross1(empty dots) 1.5cm 30° camera screen

  33. 50cm 8cm Cross1(permalloy embedded) 30°

  34. 50cm 50cm 5cm 8cm Cross3 (permalloy embedded) 90° 30°

  35. Cross, no magnetic material embedded, H=0 PinPout PinSout SinPout SinSout

  36. 2nd Cross, permalloy embeddedH=2kOe applied PinPout Repeated measurement 1st 3rd

  37. Summary • 1mの正方形ドットの磁区構造はLLG方程式によるシミュレーションで説明できるが、磁壁の湾曲は説明できない。 • 十字架パターン配列のMFM像は、チップの影響を受けて磁気的に整列した痕跡が見受けられる。 • 十字架パターンには、中心付近にボルテックス構造が見られた。十字架のバーの部分にはエッジ効果が見られた。 • LLG方程式を用いた解析では、中心付近のボルテックス構造が得られたが、十字先端における磁極の形成は見られなかった。

  38. Summary cont’d • 磁気光学縦Kerr顕微鏡像に十字架らしき構造は見られたが、磁区パターンは見られなかった。これは解像力の不足のためである。 • シリコンに形成した十字型ピット配列による４回対称のSHG方位角依存性が得られた。 • 磁性体埋め込みによっても同様のSHGパターンが得られたが、明瞭なMSHGは得られなかった。 • これは、十字パターンの複雑な磁区構造によると考えられる。

  39. Proposal • MFMチップ磁極の影響による磁気配列効果をLLGで検証する必要がある。 • 磁気光学効果は本来プローブの影響を受けないはずで、磁区観察に好都合であるが、現行の顕微鏡では1mの解像度が限界である。 • MO-SNOMで反射型測定は困難である。 • しかし、MOディスクでは超解像技術で200nmのマークを読みとっている。紫外線レーザと超解像さらに、ミラー系の採用により遠視野系で100nmの解像度を目指したい。

  40. Acknowledgement • 本研究は東京農工大学２１世紀COEプロジェクト「ナノ未来材料」の一環として行っている。 • 低モーメントチップ測定に協力頂いているセイコーインスツルメンツ社の山岡氏に感謝する • マイクロカー顕微鏡観察にご協力頂いたネオアーク㈱の赤羽氏に感謝する。

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