научная статья по теме ПОЛУЧЕНИЕ МАГНИТНЫХ МИКРО- И НАНОСТРУКТУР МЕТОДОМ СКАНИРУЮЩЕЙ ЗОНДОВОЙ ЛИТОГРАФИИ Электроника. Радиотехника

Текст научной статьи на тему «ПОЛУЧЕНИЕ МАГНИТНЫХ МИКРО- И НАНОСТРУКТУР МЕТОДОМ СКАНИРУЮЩЕЙ ЗОНДОВОЙ ЛИТОГРАФИИ»

МИКРОЭЛЕКТРОНИКА, 2012, том 41, № 2, с. 90-97

ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ МИКРО- И НАНОЭЛЕКТРОНИКИ

УДК 621.382.049

ПОЛУЧЕНИЕ МАГНИТНЫХ МИКРО- И НАНОСТРУКТУР МЕТОДОМ СКАНИРУЮЩЕЙ ЗОНДОВОЙ ЛИТОГРАФИИ © 2012 г. А. А. Бухараев1, 2, Д. А. Бизяев1, Н. И. Нургазизов1, Т. Ф. Ханипов1, 2

1 Учреждение Российской академии наук Казанский физико-технический институт Казанского научного центра Российской АН 2Казанский (Приволжский) федеральный университет E-mail: a_bukharaev@kfti.knc.ru Поступила в редакцию 15.07.2011 г.

В работе представлены экспериментальные результаты по получению методом сканирующей зон-довой литографии планарных магнитных структур на основе нанопленок кобальта. Показано, что ферромагнитные микрочастицы с различной доменной структурой можно создавать локальным окислением проводящим зондом атомно-силового микроскопа (АСМ) пленки кобальта на подложке из графита. Методом АСМ-наногравировки полиметилметакрилата сформированы маски, которые позволили получить на поверхности диоксида кремния микроконтактные площадки, соединенные нанопроволоками кобальта шириной от 250 до 1400 нм и толщиной от 10 до 30 нм. Топография и структура намагниченности созданных структур контролировалась методами атомно-силовой и магнитно-силовой микроскопии.

ВВЕДЕНИЕ

В последние годы значительные усилия ученых, инженеров и технологов направлены на создание наноразмерных устройств, которые могут стать основой элементной базы спиновой электроники (спинтроники) [1, 2]. Основным методом, используемым для получения структур с размерами порядка 100 нм и меньше, является нано-литография.

В настоящее время в нанолитографии используются самые различные виды локального воздействия на поверхность, изменяющие ее свойства. Среди них — ультрафиолетовое и рентгеновские излучение, электронные и ионные пучки [3, 4]. Методы сканирующей зондовой микроскопии также применяются для создания наноструктур [5—7]. Использование возможностей сканирующего зондового микроскопа лежит в основе сканирующей зондовой литографии (СЗЛ). Такая ли-тографиия имеет ряд преимуществ по сравнению с другими методами литографии. Одно из них — относительная дешевизна и доступность этого метода, что является немаловажным фактором, особенно на начальном этапе поисковых исследований. При этом с помощью сканирующей зондо-вой литографии можно получать структуры с размерами всего в десятки нанометров, т.е. такого же порядка, как и структуры, создаваемые, например, методами электронно-лучевой литографии [4]. Другое достоинство сканирующей зондовой литографии — это возможность во многих случаях с помощью того же сканирующего зондового микроскопа, что использовался для нанолитографии,

получать информацию о морфологии, магнитных и электрических свойствах сформированной структуры.

Одной из актуальных задач нанолитографии является создание на диэлектрической подложке структур в виде металлической ферромагнитной нанопроволоки, соединяющей две микроконтактные площадки. Кроме изучения свойств такого низкоразмерного объекта (магнитосопротивле-ние, удельное сопротивление, распределение доменов), интерес представляет использование нанопроволок для получения в них непроводящей щели шириной от одного до нескольких нанометров. Подобная структура может применяться для изучения эффектов прохождения спин-поляризо-ванного тока через наночастицу или отдельную молекулу, осажденную в такую нанощель.

В представленной работе для формирования планарных магнитных микро- и наноструктур использовалось два метода сканирующей зондовой литографии: 1) локальное анодное окисление (ЛАО) металлической пленки; 2) нанограви-ровка — получение маски путем удаления иглой атомно-силового микроскопа в нужном месте тонкого слоя резиста, предварительно нанесенного на поверхность подложки (АСМ-наногра-вировка).

Сканирующая зондовая литография на основе локального анодного окисления достаточно хорошо известна и используется для формирования на поверхности металлов и полупроводников микро-и наноструктур заданной конфигурации [9—11]. Локальное анодное окисление с помощью атом-

но-силового микроскопа осуществляется на воздухе при достаточно высоком уровне влажности. В этом случае на поверхности адсобируется тонкий слой воды. При приближении проводящего зонда (кантилевера) атомно-силового микроскопа к образцу между кончиком иглы кантилевера и поверхностью формируется капиллярный водяной мостик. Зонд и проводящий образец замыкаются в единую цепь. При подаче на зонд напряжения в несколько вольт вблизи кончика иглы создается поле порядка 108—1010 В/м, под действием которого происходит электрохимическая реакция — диссоциация молекул воды на протоны Н+, анионы О-2 и ОН-. Ионы реагируют с поверхностью подложки, образуя оксид. В связи с тем, что объем оксида больше объема исходного материала подложки, после реакции окисления на поверхности формируются выступы (увеличенные в объеме участки поверхности), которые можно наблюдать с помощью атомно-силового микроскопа. Различные размеры модифицированных структур получают выбором приложенного напряжения. Высоту и ширину формируемого оксидного слоя можно увеличить за счет приложения большего напряжения смещения, т.е. за счет увеличения тока проходящего через водяной наномостик между зондом и поверхностью. Также на размер формируемой структуры влияет скорость сканирования зонда по поверхности, т.е. время нахождения иглы в данной точке поверхности. При увеличении скорости сканирования меньший заряд проходит через данную точку поверхности, что уменьшает размер структуры. Наиболее успешно метод ЛАО используется при создании наноструктур на поверхности кремния [9] и титана [11]. В значительно меньшей степени эта методика применяется для формирования ферромагнитных микро- и наноструктур [12]. Локальное окисление ферромагнитных пленок интересно тем, что, создавая в планарных структурах окисленные области заданной конфигурации, можно изменять доменную структуру пленки, формировать проводящие ферромагнитные нанопроволоки и наноконтакты. В таких нанопроволоках и наноконтактах можно ожидать появление эффектов гигантского магни-тосопротивления и квантования проводимости, что представляет интерес с точки зрения фундаментальной и прикладной науки.

АСМ-наногравировка представляет собой формирование наноканавок на поверхности иглой кантилевера. Ширина таких канавок определяется формой иглы и толщиной нанесенного на поверхность подложки резиста. В полуконтактном режиме работы атомно-силового микроскопа в тонком слое резиста острой иглой прорезаются канавки с минимальной шириной ~30 нм [8]. Обычно в качестве резиста используется ро1у-те-ШуЦте&асгуМе) (РММА). Важно, чтобы при сканировании кончик зонда достигал подложки и

удалял с ее поверхности РММА. После завершения наногравировки на поверхность образца напыляют слой металла так, чтобы толщина этого слоя была меньше, чем толщина слоя РММА. Следующий этап — удаление резиста с напыленным на него металлом в режиме lift-off (так называемая "взрывная литография"), после чего на образце остается только металл, осажденный на дно прорезанных наноканавок. Таким способом были получены нанопроволоки Ni, Au, Cu, Al и Ti шириной всего в 50 нм [13].

В настоящей статье представлены экспериментальные результаты по получению методами сканирующей зондовой литографии магнитных структур из Co (нанопроволок и микрочастиц) на поверхности высокоориентированного пироли-тического графита (ВОПГ) и диоксида кремния. Отличительной особенностью данной работы является использование магнитно-силовой микроскопии (МСМ) для анализа структуры намагниченности в сформированных микро- и нанообъ-ектах.

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ

Для нанесения на поверхность образца пленки кобальта толщиной от 10 до 30 нм, использовалась установка Multiprobe P фирмы Omicron, в которой в камере подготовки образцов электронным пучком осуществлялось распыление мишени из кобальта в вакууме 5 х 10-9 мБар. Скорость напыления металла на подложку составляла примерно 0.1нм/мин. Для экспериментов по локально-анодному окислению вакуумное напыление Со проводилось через маску в виде сетки с размером отверстий 25 х 25 мкм2 или специальную маску со щелью шириной порядка 10 мкм. В последнем случае удавалось получить между двумя контактными площадками Со микромостики шириной до 10 мкм. Толщина пленок Со задавалась временем напыления и контролировалась с помощью сканирующего зондового микроскопа Solver Р-47 фирмы NT-MDT. Этот же микроскоп использовался в экспериментах по ЛАО, АСМ-нанограви-ровке, получению магнитно-силовых изображений и проведения адгезионных измерений.

Окисление пленки Со, полученной на поверхности ВОПГ, было возможно при подборе оптимальных параметров: величины приложенного напряжения между зондом атомно-силового микроскопа и образцом (US), времени нахождения зонда в каждой точке при пошаговом сканировании, влажности окружающего воздуха. Наличие на поверхности пленки Со адсорбированного слоя воды контролировалось методом атомно-си-ловой спектроскопии. Для этого регистрировались кривые отвода-подвода [14, 15], на которых

БУХАРАЕВ и др. (а)

0

нм 40 г

20

30 мкм

0

10

20

30 мкм

Рис. 1. Нанопроволоки из оксида кобальта, полученные методом ЛАО на поверхности пленки кобальта, при различных напряжениях (слева направо: 10, 8, 6, 4 В): (а) — АСМ изображение; (б) — профиль поверхности вдоль линии А—В.

мкм

8

0

четко наблюдался момент разрыва капиллярного водяного мостика при отводе иглы атомно-сило-вого микроскопа от поверхности.

В используемом в работе микроскопе Solver Р-47 предусмотрена возможность перемещать проводящий зонд атомно-силового микроскопа вдоль поверхности по заданной траектории. Это позволило получать на поверхности Со структуры из оксида кобальта заданной формы и размеров. Для формирования более однородного слоя оксида кобальта использовалась многократное прохождения зонда по одной и той же траектории. Для формирования структур использовались проводящие зонды NSG01 с покрытием из платины (фирмы НТ-МДТ). При проведении МСМ-измерений использовались зонды с магнитным пок

Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.

Показать целиком