用透射显微技术制备氮化硅薄膜磁性纳米结构的研究

Summary

提出了一种适用于透射电镜 (TEM) 和磁透射 x 射线显微术 (MTXM) 研究的磁涡流成形磁性微纳米结构的制备方法。

Abstract

电子和 x 射线磁性镜允许高分辨率的磁性成像向下到十纳米。然而, 样品需要在透明的膜上制备, 这些薄膜非常脆弱且难于操作。我们提出了制造样品的过程, 磁性微-和纳米结构的旋转构型形成磁涡, 适用于洛伦兹透射电镜和磁性透射 x 射线显微学研究。样品是在氮化硅膜上制备的, 其制备过程包括自旋涂层、紫外和电子束光刻、抗化学发展、磁性材料的蒸发, 然后是形成最后的磁性结构。洛仑兹透射电子显微术的样品包括在单光刻步骤中制备的磁性 nanodiscs。用磁性 x 射线透射显微镜样品进行时间分辨磁化动态实验, 将磁 nanodiscs 放在波导上, 用于产生可重复的磁场脉冲, 通过电电流通过波导。波导是在额外的光刻步骤中创建的。

Introduction

近两年来, 随着技术走向小型化, 纳米结构的磁性得到了深入的研究。随着结构的横向尺寸变小, 铁磁结构的磁性特性也开始受结构几何的影响, 除了磁性材料的性质外。从散装材料到显微组织的不同磁性元素的行为被详细审查 (例如,休伯特和赫尔穆特·舍费尔)¹。非平凡磁化地面状态最著名的例子之一是磁性涡旋-卷曲磁化结构发生在微米和亚微米大小的薄磁盘和多边形。这里的磁化是在平面上绕出平面涡核^2,3。磁涡的磁化反转在静态^4、5、6和动态^{7、8、9、10}中得到了广泛的研究。政权。磁涡的可能的应用是,例如,多比特记忆细胞¹¹, 逻辑电路¹², 射频设备¹³, 或自旋波发射器¹⁴。

为了成像磁涡, 特别是涡核, 显微技术的空间分辨率应尽可能接近基本的磁性长度刻度 (低于 10 nm)。洛仑兹透射电镜¹⁵ (LTEM) 和磁透射 x 射线显微镜¹⁶ (MTXM) 是磁涡流成像的理想候选者, 因为它们提供了高空间分辨率, 而且 MTXM 也提供了高的时间磁化动力学研究的决议。这些技术的缺点是复杂的样品准备, 这是本文的主题。

这里介绍的过程解释了用 TEM¹⁷和 MTXM^10,11制作成像磁涡的样品。这两种技术都具有传输特性, 因此, 在薄膜上制造结构是必要的。膜通常由氮化硅制成, 其厚度范围从纳米到几上百纳米。这两种方法中的每一个都需要不同的支持框架几何图形。在 MTXM 的情况下, 框架是 5 x 5 毫米²和窗口是大的, 2 x 2 毫米²。在 TEM 的情况下, 框架几何是一个直径为3毫米的圆圈, 其大小取决于实验的窗口尺寸, 通常为 250 x 250 µm²。膜带来了更多的挑战, 更困难的样品处理, 有打破窗口在所有的光刻过程的风险。

样品的制作可以通过正负抗光刻技术进行¹⁸。正抗光刻工艺采用正面抗蚀;化学结构的抵抗变化后, 辐照和暴露的部分将成为可溶性在化工开发商。暴露的区域将会冲走, 而未曝光的区域将留在基板上。在负阻光刻过程中, 辐照硬化了抗性, 暴露的区域将保留在基体上, 而未曝光区域将在化学显影中冲洗掉。这两种技术都可以用于样品的制作, 但是我们更喜欢正面抗光刻, 因为与负阻光刻技术相比, 它需要较少的制造步骤。它也更容易处理, 更快, 并经常提供更好的结果。

Protocol

我们演示了一种制备 TEM 和 MTXM 样品的方法。坡莫合金 nanodiscs 直径范围从 250-4000 毫微米和厚度在 20-100 毫微米之间在30毫微米厚的罪孽膜被制造为 TEM 和200毫微米厚的罪孽膜为 MTXM。图 1显示了罪恶膜的照片。 图 1: 用作 MTXM (左) 和 TEM (右) 样品的基片的罪恶膜的照片.图像显示标尺的大小比较。MTXM 框架是一个 5 x 5 毫米矩形与窗口厚度200毫微米和 TEM 框架适合一个3毫米圆直径与窗口厚度30毫微米。请单击此处查看此图的较大版本. 1. 透射电镜样品的制作 注: 在本节中, 我们描述了用于观测磁涡流17的成核过程的 TEM 样品的制作。膜被选择为基材, 因为它们为磁性结构的 lithographical 制造提供了坚实的支持。一个重要的参数是膜的窗口厚度。较高的加速电压允许穿透较厚的样品, 但任何不必要的厚度将导致信号损失19。因此, 我们使用我们的供应商提供的最薄的薄膜 (30 nm)。 衬底制备和自旋涂层注: 自旋涂层是一种广泛使用的工艺, 以获得理想的抗膜在基板上。少量的抵抗被丢弃在基板上, 然后以非常高的速度旋转以获得所需的涂层厚度。TEM 膜的自旋涂层是相当奇特的, 因为以下原因: (i) 如果膜是纺在旋转涂布机的轴, 抵抗不会是统一的, 由于膜的小直径和 (ii) 真空支架不能使用, 因为他们可以打破膜。为此, 我们设计了3D 打印适配器 (见图 2), 它保持膜离轴, 不需要真空来保存样品。 焙在180摄氏度的热板上的罪孽膜, 以去除任何湿气。 在旋转涂布机上插入适配器, 然后将膜置于适配器中。 自旋涂层 950 K PMMA (聚甲基丙烯酸甲酯) 抵抗在3000转每分钟1分钟, 以产生大约 200 nm 的薄膜厚度。 后烘烤的热板上的样品在180°c 3 分钟硬化 PMMA 层。 图 2: 3D 打印适配器的照片, 用于在自旋涂层中保持 TEM 膜离轴.多膜可同时涂覆。请单击此处查看此图的较大版本. 电子束光刻 (EBL) 绘制图形数据库系统 (GDS) 格式的光盘所需的图案, 并将其上载到电子束 (电子束) 光刻系统。 将样品加载到电子束写入器系统中, 设置舞台和光束。 将光盘区域暴露在20凯文的光束能量为260µC/厘米2的电子剂量。注: 博览会过程的合适参数为 250 pA 的光束电流, 步长为 10 nm。与大块基底相比, 这种剂量约为 30%, 因为膜上的背向散射高度降低。 化学发展 暴露后, 在甲基异丁基酮 (MIBK) 的开发者中开发样品2分钟. 用异丙醇 (IPA) 在三十年代停止发展。 三十年代把每个样品洗去去离子水, 用氮气吹干, 同时拿着镊子。 使用光学显微镜在低放大倍数 (使用5X 目标), 然后在高放大倍数 (使用100X 目标) 检查样品的发展;图 3显示了一个被开发的样本的光学显微镜图像。 电子束蒸发注: 电子束蒸发20是一种物理气相沉积形式, 在高真空下由带电钨灯丝产生的高能电子束轰击目标阳极。电子束使原子从目标转变成气态相。这些原子沉淀成固体形式, 将真空室中的所有东西都涂上薄薄的靶材层。最好是使用电子束蒸发系统的升降目的, 因为它给了一个很好的边缘的光盘, 而不存入任何额外的材料光盘的边界。 将膜小心地用聚 oxydiphenylene pyromellitimide (如Kapton) 贴在支架上, 并通过负载锁将其转移到电子束蒸发器的沉积室中。 使用电子束蒸发系统将薄层的坡莫合金 (镍80Fe20) 沉积, 其厚度范围从20到 100 nm, 沉积速率约为 1 Aͦ/秒. 使用 8 kV 的加速度电压和光束电流大约 120 mA。 升降 用丙酮 (至少99.5% 纯度) 将1小时的膜放入烧杯中。 现在用丙酮喷雾膜, 同时用镊子, 直到多余的金属被除去。 如果多余的金属残留在样品上, 请将膜放回烧杯中, 然后重复该过程。注: 可选择使用兆声浴来辅助升降过程。请注意, 它是不可能使用经典的超声波浴, 因为它打破了膜。 用扫描电子显微镜 (SEM) 在5伏的加速电压和 100 pA 的束流中进行最终检查, 将最终的磁片阵列图像。图 3b显示了100,000X 放大倍数的图像。 LTEM 成像 将样品装入 TEM 样品架中, 并将其插入显微镜中。 使用显微镜的标准程序, 校正样品高度并将洛仑兹模式的显微镜对准所需的加速电压 (在我们的案例中为 300 kV)。 引入磁信号, 将洛仑兹透镜离焦。 继续做实验。倾斜样品, 以引入平面场组件 (例如, 合适的角度是 30°, 检查持有人的规格最大倾角)。 应用磁场刺激物镜 (通常在洛仑兹模式下关闭)。注: 现场校准曲线应由 TEM 制造商提供。 对样品进行饱和, 通过 deexciting 物镜, 在相机上捕捉图像, 逐渐减小磁场。示例结果如图 3c所示。 图 3: 由光学和电子镜成像的最终样本.(a) 该面板显示了氮化硅膜窗口, 其阵列中的圆盘在电子束曝光后抵抗发展。(b) 本小组展示了扫描电镜所成像的磁片的最终阵列. (c) 此面板显示磁性 nanodiscs 阵列中磁性涡核态的 LTEM 图像。请单击此处查看此图的较大版本. 2. MTXM 样品的制作 注: 在 MTXM 测量中, 我们可以利用该技术的时间分辨率。为了引入高频励磁涡旋, 在第一步制造一个金波导, 然后在第二光刻步骤中将磁片放在波导的顶部。整个结构是捏造的 200 nm 厚的罪恶膜, 这是透明足够的软 x 射线21。详细步骤将在下面的文本中描述, 流程的示意图如图 4所示。MTXM 样品的制作过程贯穿上述的所有步骤, 为 TEM 样品制作, 但需要额外的光刻步骤, 以制造波导。 图 4: 在 MTXM 时间分辨实验中, 在氮化硅膜上使用圆盘和波导的样品的制备步骤的示意图.它涉及两步光刻, 以获得最终的结构。请单击此处查看此图的较大版本. 样品制备和自旋涂层注: MTXM 膜为 5 x 5 毫米2帧, 具有 3 x 3 毫米2宽和 200 nm 厚的中央窗口。膜不能放在旋转涂布机真空卡盘, 因为它会打破膜。在这种情况下, 我们胶合膜到一个 10 x 10 毫米2硅片, 使其易于使用。 焙180摄氏度的热板上的罪孽样品, 以去除样品中的水分。 自旋涂层正面抵抗凯撒在3000转每分钟1分钟;产生的薄膜厚度约为500纳米。注意: 这种类型的抵抗被选择为其更高的灵敏度, 导致更快的写作时间。在抵抗数据表上可以找到厚度-自旋速度依赖性。 在热板上烘烤样品在150°c 1 分钟硬化抵抗层。 波导电子束光刻 以 GDS 格式创建所需的波导和对准标记 (用于第二光刻步骤) 的模式, 并将其上载到电子束光刻系统。 将样品加载到电子束写入器系统中, 设置舞台和光束。 将光盘区域暴露在20凯文的光束能量为65µC/厘米2的电子剂量, 一个 10 nA 的光束电流, 和一个台阶尺寸 200 nm。注: 我们使用凯撒正面抵抗公开波导和对准标记。这种抗性比 PMMA 具有更高的灵敏度, 电子剂量的65微机/cm2在光束能量20凯文, 因此, 有利于加快博览会。 化学发展 曝光后, 开发的样品在开发商为1分钟, 并遵循这一塞子 (IPA) 三十年代。 三十年代把样品洗去去离子水, 用镊子把它们吹干, 用氮气把它们擦干。 电子束蒸发 使用电子束蒸发器将 Ti (3 nm)/Au (100 nm) 双层沉积在波导和对准标记上。 以 10 rpm 的速度连续旋转样品以增加层的均匀性。注: 钛层的 3-5 nm, 使胶粘剂接触之间的罪孽样品和 Au 层。金层的厚度通常介于 80-120 nm 之间。这范围的厚度是适合的电线粘合的样品到定制印制电路板, 我们用来注入电流脉冲到波导。 使用 0.5-0.7 Aͦ/秒的 Ti 的沉积率和 2.5 Aͦ/秒的 Au. 保持电子束系统的基本压力在大约 10-7毫巴或更好。 或者, 用铜代替 Au 来制作波导, 以提高软 x 射线的透明度。 升降 钛/金薄膜沉积后, 将样品放入丙酮中1小时。 现在, 用丙酮喷雾膜, 直到多余的金属被除去。 如果多余的金属残留在样品上, 将它们放回烧杯中丙酮, 然后重复该过程。注: 可以选择使用兆声浴来支持升降过程。样品与钛/金波导结构, 并与对准标记再次通过相同的光刻步骤, 以制作的磁光盘在波导上。 2沉积 将样品与波导和对准标记插入原子层沉积系统, 并将2层沉积 20 nm, 使波导和圆盘之间的绝缘层。 用钛前体四 (dimethylamido) 钛 (TDMAT) 和 H2O 为2的氧等离子体沉积, 并以 0.51 Aͦ/周期的速率生长。 样品的自旋涂层注: 我们使用双层的抵抗, 以提高光盘的边缘质量。在电子束照射的过程中, 底部的抵抗是过量的, 在开发之后, 它提供了一个精致的切边。 焙在热板上的样品在180°c 15 分钟, 以消除水分。 自旋涂层共聚物抵抗在4000转每分钟1分钟。注: 所产生的薄膜厚度约为30纳米。 后烘烤的热板上的样品在180°c 3 分钟硬化抵抗。 自旋涂层 PMMA 950K 抵抗在4000转每分钟1分钟。产生的薄膜厚度约为270纳米。 后烘烤样品在180°c 3 分钟硬化抵抗。 圆盘电子束光刻 创建第二个 lithographical 模式的光盘的 GDS 格式, 并上传到电子束光刻系统。 使用全局标记将 UV 协调系统与示例对齐。 使用本地标记对齐写字段, 以便校准写字段的大小、旋转和移位, 以确保光盘在波导上的正确位置。 将光盘区域暴露在20凯文的光束能量的电子剂量为220µC/厘米2 。使用 200-300 pA 的光束电流和一步大小为 10 nm 以暴露图案。 化学发展 在一个以 MIBK 为基础的开发人员中开发1分钟的样品, 并在三十年代用塞子 (IPA)。 然后冲洗样品在去离子水三十年代和吹干他们与氮气, 同时拿着镊子。 离子束溅射沉积 将样品插入离子束溅射系统。 根据溅射材料的方向倾斜试样持有者, 以便通过阴影效应使圆盘锥度变细。注: 锥度用于控制涡旋环流11的开关。 在大约 0.50.7毫巴的工作压力下, 用 10–5 Aͦ/秒的沉积速率将 20-50 nm 厚的坡莫合金 (镍80Fe20) 层存入。注: 基本压力应为 10-7毫巴或更好。 升降 把样品放在丙酮中1小时。 现在, 用丙酮喷雾膜, 同时把它们放在镊子中, 直到去除多余的金属。 如果多余的金属残留在样品上, 请将样品放回烧杯中丙酮, 然后重复该过程。注: 可以选择使用兆声浴来支持升降过程。我们得到了坡莫合金光盘的最终结构在一个钛/Au 波导上的罪恶膜, 如图 5所示。 图 5: 扫描电镜图像的最终结构30毫微米厚和2µm 宽坡莫合金光盘上的黄金波导与对准标记.这些样品进一步用于时间分辨的 MTXM 实验。请单击此处查看此图的较大版本.

Representative Results

图 1显示了用于 MTXM 和 LTEM 镜的罪恶框架和膜的照片。图 2显示了在自旋涂层过程中, 3 维打印适配器的设计, 用于将 TEM 膜脱离轴。图 3显示了 LTEM 样品准备的各个步骤 (在抵抗发展之后和起飞过程之后) 和 LTEM 观察到的最终图像。图 4显示了在 MTXM 时间分辨实验中, 为制作圆盘和在 SiN 膜上的波导而准备步骤的示意图。图 5 显示了包含放在波导上的光盘的最终 MTXM 样本。

Discussion

我们已经展示了 LTEM 和 MTXM 磁性镜样品的制作。这些样品需要在薄的罪孽膜上制作, 这样, 在 LTEM 的情况下, 和软 x 射线的电子, 在 MTXM 的情况下, 可以穿透样品。这些样品可以制造 1) 正面抵抗光刻或 2) 消极抵抗光刻。

我们使用了正面抗光刻技术, 因为它需要更少的样品准备和更少的制造步骤, 并允许更容易的处理。它还允许研究员使用的阴影效果, 我们用于精确的圆盘形状控制 (圆盘一侧的渐狭)。该形状用于控制在核^10,11的磁性涡旋的循环。

这种技术的缺点是复杂的升降过程, 因为薄膜材料有时沉积在抗力边缘上, 不能通过升降来去除。我们使用双抗层来解决这个问题。这稍微限制了 lithographical 过程的分辨率 (约 20 nm), 但仍足以用于磁性成像。

消极抵抗光刻技术提供一个更高的决议作为结构以决议下来到7毫微米可以被写入抵抗。然后用湿蚀刻或离子束蚀刻将材料蚀刻掉。这种方法的问题是, 在蚀刻后, 抵抗很难去除。在薄坡莫合金结构的情况下, 通常使用的氧等离子体抗剥离是不可能的, 因为它们很容易氧化。这一事实, 连同使用隐藏技术的需要, 有利于在整个工作中使用的正光刻过程。

我们使用本文所述方法制备的样品, 用于观察 MTXM^10、11和不同核态17的循环切换过程中的磁涡动力学..这可以扩展到更多的实验类型, 需要 lithographically 制备的膜结构。

Materials

SiN Membrane – TEM	Silson	SiRN-TEM-200-0.25-500	TEM membrane
SiN Membrane – MTXM	Silson	SiRN-5.0-200-3.0-200	MTXM membrane
3D adapter for spin coating			The model of the adapter for 3D printing can be downloaded at: https://www.thingiverse.com/thing:2808368
PMMA 950k electron beam resist	Allresist	AR-P 679.04	used for TEM sample
Electron beam resist developer	Allresist	AR 600-56	used for TEM sample
High-contrast electron beam resist	Allresist	AR-P 6200.13	used for the waveguide on the MTXM sample
High-contrast electron beam resist developer	Allresist	AR-600-546	used for the waveguide on the MTXM sample
Tetrakis(dimethylamido)titanium(IV)	Sigma Aldrich	669008 Aldrich	used for TiO2 thin film deposition by ALD
Electron beam resist for nanometer lithography	Allresist	AR-P 617.02	used as the bottom layer of bilayer resist for easier lift-off procedure
PMMA 950k electron beam resist	Allresist	AR-P 679.04	used as the top layer of bilayer resist for easier lift-off procedure
Electron beam resist developer	Allresist	AR 600-56	used for development of the disks on waveguide
Permalloy pellets	Kurt J Lesker	EVMPERMQXQ-D	used for the deposition of the magnetic layers
Titanium pellets	Kurt J Lesker	EVMTI45QXQD	used as adhesive layer for the gold waveguide
Gold pellets	Kurt J Lesker	EVMAUXX40G	used for the deposition of the waveguide