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 Resist removal 〔１〕Etching gas: 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 〔４〕Deposition rate　 1.0Å/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〕pH　11 〔３〕polishing rate:　60nm/min flattening

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 MFM AFM

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

LLG simulation By K. Machida

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

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 Hc=50 Oe Longer axis Shorter axis Hc=100 Oe Perpendicular

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

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

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

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

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

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

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

Cross1(permalloy embedded) 8cm 50cm 30°

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

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

Cross, permalloy embedded H=2kOe applied 2nd Cross, permalloy embedded H=2kOe applied PinPout Repeated measurement 1st 3rd

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。 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。