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磁性微结构的制作及其特性研究

张自军  
【摘要】: 由于在超高密度磁存储技术、磁阻传感器、磁随机存储器等诸多方面有着广泛的应用前景,微米、纳米磁性单元阵列最近吸引了越来越多的兴趣。目前,磁性单元研究包括微米、亚微米以及纳米尺度的磁性单元的制作及其特殊的磁特性研究。这些微小的单元的磁特性与大块材料以及连续膜的磁性有着诸多的不同之处。各向异性、单元之间的相互作用以及不同状态的磁畴结构是其中的几个最重要的问题,它们对于磁滞回线、矫顽力、剩磁、饱和场都有影响,而这些参数对于磁性单元的应用是很重要的,虽然已经有大量的工作对其进行了研究,但由于磁性单元结构磁性的复杂性,还需要进行更多的研究。在众多的磁性材料中,CoFe被认为是在自旋电子学领域有着广泛应用前景的铁磁性材料之一。本文以采用磁控溅射在Si衬底上沉积Ta\Co_(0.9)Fe_(0.1)\Ta的三明治薄膜为基底,采用全息光刻-离子束刻蚀技术制作微米、亚微米以及深亚微米的Co_(0.9)Fe_(0.1)单元结构,并研究了Co_(0.9)Fe_(0.1)单元磁性。论文的主要工作包括: 一.Ta\Co_(0.9)Fe_(0.1)\Ta单元阵列的全息光刻离子束刻蚀制作研究 1)全息光刻获得二维图形的研究。本文采用苏州瑞红公司RZJ-390型正性光刻胶,系统研究了劳埃镜光路两次曝光制作二维的光刻胶图形从孔阵到点阵的演变过程,及其与曝光量和显影时间的关系,得出获得二维光刻胶孔阵和点阵的最佳曝光量与显影时间。讨论了全息光刻工艺的影响因素,探讨了优化的工艺参数组合。 2)高反射率基底垂直驻波图形及其消除方法的研究。磁性材料具有高反射率,实验测得50nm厚的Ta\Co_(0.9)Fe_(0.1)\Ta薄膜对于波长为441.6nm的全息光刻激光光源具有较大的反射率,全息光刻的基底反射形成的垂直驻波将对光刻胶图形产生严重影响。惯用的减少垂直驻波影响的方法是使用抗反膜(ARC),也有采用增加曝光量的方式来减少垂直驻波。但是,使用抗反膜的工艺复杂,增加曝光量则使得光刻工艺的可重复性以及可控性下降,本文利用光刻胶灰化工艺很好地消除了垂直驻波的影响,使得高反射基底全息光刻可控性得以提高。 3)全息光刻实现100nm以下图形尺寸的方案研究。利用增加曝光量、增加两相干光夹角的方法获得了特征尺寸200nm的一维光刻胶条纹图形和特征尺寸100nm的二维点阵图形。利用光刻胶灰化工艺的各向同性,将光刻胶灰化技术引入纳米级精确可控光刻胶图形研究,制得了单元尺寸为150nm的光刻胶图形。 4)Co_(0.9)Fe_(0.1)合金膜图形化氧化防护研究。由于离子束刻蚀后,大量单元侧壁暴露在空气中,因此Co_(0.9)Fe_(0.1)会被氧化。采用XPS研究了刻蚀后样品中的元素氧化情况,表明在空气中放置一周后的样品中的Fe大部分被氧化成三价氧化物。为了防止样品的氧化,我们采用刻蚀后原位溅射生长Au薄层的方法,很好地解决了样品氧化问题。 二.Co_(0.9)Fe_(0.1)单元阵列的磁性研究 将软X射线磁性圆二色(SXMCD)技术引入到铁磁性微结构表征的研究中。以国家同步辐射实验室的磁性圆二色实验站为平台,探讨了XMCD技术用于磁性微结构单元表征所需要的条件。研究了样品有效吸收面积减小对于XMCD谱的影响。采用SMOKE、SQUID获得了多种Co_(0.9)Fe_(0.1)磁性深亚微米图形单元的室温的磁滞回线。得到其饱和磁场强度、矫顽力等重要的磁性。利用磁力显微镜(MFM)获得了Co_(0.9)Fe_(0.1)磁性深亚微米图形单元磁畴结构,并分析了其磁畴形态。我们的研究成果与已有的研究结果吻合,并丰富了铁磁性亚微米单元磁性研究技术。


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