Анализ структурированных наномассивов с помощью атомно-силовых микроскопов серии XE

ДЕК282018

Контроль топографии масочных наношаблонов из анодного оксида алюминия и блок-сополимера

Одним из методов производства структурированных наномассивов является использование масочных наношаблонов. В данном исследовании описывается анализ масочного наношаблона, изготовленного из сополимера PS‑b‑PMMA и анодного оксида алюминия. Во время процесса формирования данного наношаблона для контроля его размеров и формы получаемой маски использовали атомно-силовой микроскоп ХЕ7.

Как и в случае с кристаллами, создавая периодическую структуру, можно создать такие устройства, как электрооптические приборы, массивы для хранения данных и оптические сенсоры. Для получения таких периодических структур (или масочных наношаблонов) используются два метода.

Методы создания масочных наношаблонов

Наношаблон из сополимера

Известно, что ковалентно связанные сополимеры при температуре выше температуры стеклования самопроизвольно образуют микрофазы, чьи форма и размер изменяются в зависимости от состава сополимера [1, 2]. Когда образуются микрофазы цилиндрической формы, менее избыточный композит формирует цилиндр, который также расположен горизонтально по отношению к подложке. Чтобы использовать такие цилиндрические структуры в качестве масок для наномассивов, цилиндры должны быть расположены вертикально по отношению к поверхности подложки, что может быть достигнуто за счет нейтрализации этой самой поверхности. Нейтрализация выполняется путем замещения поверхности кремниевой подложки с помощью водорода. На нейтрализованной подложке PS(46.1 k)-b-PMMA(21.0 k) сополимер нанесен методом центрифугирования и отвержден при 170°C под вакуумом в течение 2 дней. Путем облучения с помощью ультрафиолета (254 нм) в течение 3 часов, полистирол (PS) отверждается, а PMMA разлагается. Далее PMMA вымывается с помощью уксусной кислоты, а отверженный полистирол остается в виде маски. На Рис. 1 представлено изображение маски полистирола, где черные пустоты – это вымытый PMMA.

Рис. 1. Топографические изображения наношаблона сополимера, изготовленного из PS‑b‑PMMA. Черные пустоты – это вымытый PMMA, который образует цилиндр. Область сканирования составляет 2 мкм (a) и 0.5 мкм (b). Диаметр цилиндра составляет 20 ± 2 нм, а их центры находятся на расстоянии порядка 40 ± 1 нм друг относительно друга.

Наношаблон из анодного оксида алюминия

Вторым методом получения масочных наношаблонов является использование анодной мембраны оксида алюминия. Когда к поверхности алюминия, находящегося в щавелевой кислоте, прикладывается напряжение, то она подвергается анодному оксидированию, в результате которого формируется структура в виде шестигранной колонны. Затем оксидный слой снимается с помощью последовательного нанесения растворов HgCl и NaOH и контролируется с помощью АСМ после его осаждения на кремниевые подложки. На рис. 2 представлено топографическое изображение полученной мембраны.

Рис. 2. Топографические изображения анодной мембраны оксида алюминия гексагональной формы. Область сканирования составляет 500 нм: двумерное (a) и трехмерное (b) отображения. Диаметр цилиндра составляет 50 ± 2 нм, а их центры находятся на расстоянии порядка 100 ± 5 нм друг относительно друга.

Измерение

При создании структурированных наномассивов очень важно контролировать размер и форму исходной маски. Размер и форма элементов, составляющих саму наноструктуру, являются ключевыми параметрами, которые определяют свойства наномассива. Следовательно, измерение и контроль топографии – размера, формы, высоты и распределения – маски и формируемого массива позволяет управлять производственными параметрами. Для измерения и анализа обычно используется сканирующая электронная микроскопия (SEM), для которой обычно требуется золотое покрытие на поверхности образца, которое деструктивно воздействует на образец.

С другой стороны, АСМ измеряет образец без какого-либо деформирования и, в результате, предоставляет более точные и качественные данные, по сравнению с теми, что получают с помощью SEM. АСМ серии ХЕ, использующие бесконтактный метод измерения, позволяют исследовать сложные структуры, одной из которых и является структурированный наномассив. Данные микроскопы характеризуются наличием независимых XY- и Z-сканеров, а также быстрым механизмом обратной связи и высокоточными декодерами ортогонального положения, что в совокупности обеспечивает получение точных топографических данных без внесения дополнительных нелинейных искажений.

На рис. 3 представлены топографические изображения Co/Pt пленок, нанесенных на маску сополимера полистирола методом импульсного лазерного осаждения (PLD). Участок Co/Pt подвергался абляции лазером, в результате чего пустоты маски сополимера полистирола заполнялись. Путем контроля маски и созданного структурированного наномассива Co/Pt в ходе их производства, можно получить оптимальные параметры для PLD и для создания структуры в соответствии с поставленными задачами. На рис. 3 полученные АСМ изображения показывают, что диаметр и расстояние между структурами составляет 18 нм и 45 нм, соответственно, что согласуется с диаметром цилиндров и расстоянием между ними для маски сополимера полистирола.

Рис. 3. Топографические изображения структурированного наномассива Co/Pt. Изображение показывает, что структура частично окружена гексагональной решеткой. Область сканирования 2 мкм (a) и 1 мкм (b). Размер структуры составляет 18 ± 2 нм, а их центры находятся на расстоянии порядка 45 нм друг относительно друга.

Контроль топографии и магнитных свойств структурированного магнитного наномассива

За последние годы, структурированные магнитные наномассивы стали одним из главных объектов исследования благодаря их потенциальному применению в области информационных технологий при создании магнитных запоминающих устройств [3]. Особое внимание было уделено магнитным свойствам периодических структур микронных и субмикронных элементов различной формы, в особенности точкам и полосам. Изучение таких субмикронных структур является основой для развития магнитных запоминающих устройств и наноструктурированных носителей информации, поскольку межэлементное взаимодействие определяет пределы интеграции данных магнитных запоминающих устройств [4, 5, 6].

Периодическая магнитная доменная структура исследовалась с помощью магнитно-силовой микроскопии (MFM). Оказалось, что данная методика является эффективным способом картографирования магнитных изображений на наноуровне [7, 8]. Было подтверждено, что для того, чтобы измерить микромагнитные свойства периодических структур на основе магнитных/ немагнитных пленок больше всего подходит технология MFM, которая обладает высокой чувствительностью, необходимой для контроля магнитной доменной структуры и очень маленьких элементов различной формы в тонких пленках.

Эксперимент и результаты

Для исследования были подготовлены образцы в виде двухмерных кобальтовых магнитных массивов, изготовленные с помощью фотолитографии [9] при помощи KrF лазерного источника и процесса мокрого травления (Transene Inc., TFB). Кобальтовая пленка толщиной 40 нм была нанесена на 150 мм подложку из кремния (100) с помощью системы распыления.

Магнитную доменную структуру исследовали на АСМ XE-7 с помощью MFM метода, который, в основном, представляет собой сканирующую зондовую микроскопию [10], оборудованную магнитным кантилевером (Nanosensors, PPP-MFMR). Также система MFM была оборудована электромагнитом, который позволяет исследовать формирование магнитных доменов при приложении внешнего магнитного поля.

На рис. 4 представлены топографическое (АСМ) и магнитное (MFM) изображения, полученные при анализе двумерных структурированных массивов кобальтовых антиточечных структур. MFM изображение (см. рис. 4 (b)) отображает три разных домена. Два из них представляют собой клинообразные домены, соединяющие отверстия, а третий домен имеет ромбовидную форму. Для клинообразных доменов вектор намагниченности параллелен границам, связывающим отверстия, и точкам (от темных до светлых) внутри домена. Вектор намагниченности в ромбовидном домене ориентирован по диагонали. Данная конфигурация минимизирует магнитостатическую энергию [11, 12].

Рис. 4. Топографическое (АСМ) (a) и магнитное (MFM) (b) изображения двумерных структурированных массивов кобальтовых антиточечных структур. Область сканирования 10х10 мкм.

Анализ АСМ изображения показал (см. рис. 5(a)), что были получены двумерные структурированные субмикронные массивы с квадратно-точечной структурой. АСМ изображение явно отображает структуру квадратной решетки с периодичностью около 1.6 мкм. При сравнении АСМ и MFM изображения (см. рис. 5(а) и рис. 5(b)) видно, что топография и магнитный контраст хорошо отличаются друг от друга. Анализ MFM изображения квадратной структуры (см. рис. 5(a)) показывает наличие структуры замыкающего домена типа Ландау-Лифшица со стенками домена 90° и центральным завихрением. Магнитные изменения, главным образом, сконцентрированы вдоль стенок доменов [13, 14]. В системе с незначительной магнито-кристаллической анизотропией баланс размагничивания и обмен энергиями приводит к образованию таких замыкающих структур, как четырехкратные замыкающие доменные структуры в тонких квадратах. Можно увидеть, что кроме контраста, связанного со стенками домена, так же четко обнаруживается и тот, который связан с эпицентром завихрения.

Рис. 5. Топографическое (АСМ) (a) и магнитное (MFM) (b) изображения двумерных структурированных массивов кобальтовых точечных структур. Область сканирования 10 × 10 мкм.

Как видно из рис. 6, в структурированных наномассивах появляются два типа хиральности (отсутствие зеркальной симметрии), направленные по часовой стрелке и против часовой стрелки, и с примерно равной вероятностью из-за двукратного вырождения по энергии. Это открытие показывает бистабильность магнитных вихрей и статическое случайное распределение хиральности вихрей [15]. Кроме того, вихри с разной хиральностью четко определяют соответствующие MFM изображения во внешнем поле.

Рис. 6. MFM изображения квадратно-точечной кобальтовой структуры в зависимости от величины внешнего магнитного поля. Область сканирования 5 × 5 мкм.

MFM изображения в зависимости от величины внешнего магнитного поля показывают, что приложение поля в направлении, обозначенном черной стрелкой, вызывает движение стенки домена (см. рис. 6). Перекрестные движения, во-первых, перпендикулярны направлению внешнего поля и постепенно приближаются к углу. При напряженности магнитного поля в Н=300 Э (эрстед), поле увеличивается в размере за счет правого (или левого) домена. Поскольку напряженность внешнего магнитного поля продолжает расти, векторы намагниченности становятся антипараллельными к внешнему полю, и в итоге все магнитные моменты меняются и становятся параллельными полю. Как видно из рис. 6(d), магнитные домены постепенно схлопываются друг с другом. Эти характеристики тесно связаны с распределением полей аннигиляции завихрений при доменообразовании.

Подробные характеристики атомно-силового микроскопа Park ХЕ7

Ссылки

1. F. S. Bates et. al., Annu. Rev. Phys. Chem. 41, 525 (1990).
2. G. M. Whiteside et. al, Science 254, 1312 (1991).
3. Magnetic Nanostructures, edited by H. S. Nalwa (American Scientific, Los Angeles, CA, 2002).
4. L. Torres, L. Lopez-Diaz, and J. Iniguez, Appl. Phys. Lett. 73, 3766 (1998).
5. B. D. Terris and T. Thomson, J. Phys. D: Appl. Phys. 38, R199 (2005).
6. M. M. Miller, G. A. Prinz, S. F. Cheng, and S. Bounnak, Appl. Phys. Lett. 81, 2211 (2002).
7. Y. Martin and H. K. Wickramasinghe, Appl. Phys. Lett. 50, 1455 (1987).
8. P. Grütter, T. Jung, H. Heinzelmann, A.Wadas, E. Meyer, H. R. Hidber, and H. Guentherodt, J. Appl. Phys. 67, 1437 (1990).
9. J. I. Martín, J. Nogués, K. Liu, J. L. Vicent, and I. K. Schuller, J. Magn. Magn. Mater. 256, 449 (2003).
10. Joonhyung Kwon, Jaewan Hong, Yong-Seok Kim, Dong- Youn Lee, Kyumin Lee, Sang-min Lee, and Sang-il Park, Rev. Sci. Instrum. 74, 4378 (2003).
11. C. T. Yu, H. Jiang, L. Shen, P. J. Flanders, and G. J. Mankey, J. Appl. Phys. 87, 6322 (2000).
12. P. Vavassori, V. Metlushko, R. M. Osgood III, M. Grimsditch, U. Welp, G. Crabtree, W. Fan, S. R. J. Brueck, B.Ilic, and P. J. Hesketh, Phys. Rev. B 59, 6337 (1999).
13. C. Kittel, Rev. Mod. Phys. 21, 541 (1949).
14. J. M. García, A. Thiaville, J. Miltat K. J. Kirk, J. N. Chapman, and F. Alouges, Appl. Phys. Lett. 79, 656 (2001).
15. M. Konoto, T. Yamada, K. Koike, H. Akoh, T. Arima, and Y. Tokura, J. Appl. Phys. 103, 023904 (2008).