Transcript 「シリコン埋め込みパーマロイ微細 十字パターン配列の

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
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
Clean Room
Laboratory
• Electron beam lithography
EB-patterning process
Spin coating of
resist
EB exposure
Development
Si substrate
〔１〕Dot size
square(1μm  1μm)、rectangular(300nm100nm)、
circular(100 nmφ)、cross(200nm
3μm, 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〕Baking 160℃ 20min
Dry-etching
Dry etching process
Etching
〔１〕Etching gas:
Resist removal
CF4
〔２〕Vacuum 3.0×10-3Pa
〔３〕Gas pressure
9.2Pa
〔４〕RF power:
400W
〔５〕Etching rate: 0.1μm/min
300nm
100nm
Silicon surface after etching
Laboratory
EB deposition
RF magnetron
sputtering
Embedding of permalloy
〔１〕material: permalloy（Ni80Fe20）
〔２〕Vacuum 3.0×10-6Torr
〔３〕Accelerating voltage
4kV
Embedding of permalloy 〔４〕Deposition rate 1.0Å/sec
film by electron beam
deposition
Chemical mechanical polishing (CMP)
〔１〕Polishing chemicals:
Polished by
Kent3(Nanofactor)Slurry…GRANZOX sp-15
flattening
(Al2O3 powder)
grain-size～20nm
〔２〕pH 11
〔３〕polishing rate: 60nm/min
Observation
• ＡＦＭ/MFM
FE-SEM
SEM observation
300nm×100nmsquare dot, 300 nm space
3μm
0.6μm
Cross sectional SEM observation
100nm
1m square dot array
AFM
MFM
VSM measurement
Square dots
0.0005
Perpendicular
In-plane
M(emu)
M(emu)
0.0001
0
-0.0001
Hc= 50 Oe
-4
-2
0
H(kOe)
2
4
0
Hc= 30 Oe
-0.0005
-4
-2
0
H(kOe)
2
4
LLG simulation
By K. Machida
Dot model
Saturation magnetization (Ms)
800 emu/cm3
Exchange field (A)
1×10-6 erg/cm3
Anisotropic constant (Ku)
1000 erg/cm3
Gyro magnetic constant（γ)
-1.76×107 rad/(s・Oe)
Damping constant（α）
0.2
Easy axis
Y direction
Dot Size
200 nm×200 nm×100 nm
Number of dot
1
Mesh size
10 nm×10 nm×10 nm
y (E.A.)
z
Hy = 10 kOe → 0 Oe
divM
x
divMy
Hy = 10 kOe
Hy = 5 kOe
Hy = 3 kOe
Hy = 2 kOe
Hy = 1 kOe
Hy = 0 Oe
AFM observation
Rectangular dots
Circular dots
AFM Line scan ・・・ Surface roughness~10nm
Rectangular dots
VSM measurement
0.0004
Perpendicular
0
-0.0001
-0.0002
-2
Hc=100 Oe
-1
0
H(kOe)
1
0
-0.0002
-0.0004
-2
2
Shorter axis
0.0002
0.0002
M(emu)
M(emu)
0.0001
0.0004
Longer axis
M(emu)
0.0002
-0.0002
Hc=50 Oe
-1
0
H(Oe)
1
0
2
-0.0004
-2
Hc=50 Oe
-1
0
H(Oe)
1
2
Pattern variations for different scan
direction
0°
15°
30°
45°
60°
75°
90°
MFM images
Scanning direction
MFM image of 300nm x 100nm dot
with a low-moment probe tip
AFM
MFM
組み合わせたらどうなるか？
十字架パターンの製作
• L=3m, d=200nm
s=3m
• L=1.5 m, d=100nm
s=1.5 m
d
L
s
CROSS3 (200nm×3000nm cross dots)
AFM
MFM
試料磁化方向依存性
２００nm×３０００nm cross dots
(wide scan)
Initial state
probe-sample
Parallel 20kOe
Probe-sample
Antiparallel 20kOe
200nm×3000nm cross dots
(narrow scan)
Initial state
Probe-sample
Parallel 20kOe
Probe-sample
Parallel 20kOe
MFM and AFM images of CROSS3
AFM
MFM
Kerr microscope image
100nm×1500nm cross dots
(wide scan)
Initialized
Probe-sample
Parallel 20kOe
Probe-sample
Antiparallel 20kOe
１００nm×１５００nm cross dots
(narrow scan)
Initial
Probe-sample
Parallel 20kOe
Probe-sample
Parallel 20kOe
Cross-pattern model
LLG
simulation
Saturation magnetization (Ms)
800 emu/cm3
Exchange field (A)
1×10-6 erg/cm3
Anisotropic constant (Ku)
1000 erg/cm3
Gyro magnetic constant（γ)
-1.76×107 rad/(s・Oe)
Damping constant（α）
0.2
Easy axis
Z direction
Cross-pattern size
500 (L) nm×100 (w) nm ×t50 nm
Number of cross-pattern
1
Mesh size
10 nm×10 nm×10 nm
y
L
Y
L
z (E.A.)
W
Z.
W
X
.
Hz = 20 kOe → 0 Oe
divM
divMz
x
Hz = 20 kOe
Hz = 10 kOe
Hz = 1 kOe
Hz = 0 Oe
Hz = 5 kOe
Cross1(empty dots)
50cm
1.5cm
30°
8cm
camera
camera
screen
screen
Cross1(permalloy embedded)
50cm
30°
8cm
Cross3 (permalloy embedded)
50cm
90°
5cm
50cm
30°
8cm
Cross, no magnetic material embedded, H=0
PinPout
PinSout
90
120
800000
90
30000
60
120
60
25000
600000
20000
30
150
30
150
15000
400000
10000
200000
0
5000
180
0
0
180
0
5000
200000
10000
400000
15000
330
210
600000
25000
800000
240
300
SinPout
120
60
15000
30
150
150000
60
30
150
10000
100000
5000
50000
180
0
50000
0
180
0
5000
100000
10000
330
210
200000
15000
330
210
20000
250000
300000
120
20000
200000
150000
90
25000
250000
300
270
SinSout
90
300000
240
30000
270
0
330
210
20000
240
300
270
25000
240
300
270
Cross, permalloy embedded
H=2kOe applied
2nd
+H
-H
90
600000
120
60
500000
400000
30
150
300000
200000
PinPout
100000
0
180
0
100000
Repeated measurement
200000
300000
330
210
400000
1st
500000
600000
240
300
270
90
600000
120
+H
-H
60
500000
400000
30
150
300000
200000
100000
0
180
0
100000
200000
300000
330
210
400000
500000
600000
240
300
270
3rd
600000
500000
400000
300000
200000
100000
0
100000
200000
300000
400000
500000
600000
90
120
+H
-H
60
30
150
180
0
330
210
240
300
270
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。
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。
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。
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。