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第四章 實驗儀器原理與模擬儀器原理
4-1 濺鍍系統(Sputter)
濺鍍系統是屬於物理氣象沉積的一種，主要原理是讓具有高動能的游離氣體 分子撞擊靶材(target)，將動能轉換給靶材表面上的原子，使靶材表面的原子飛濺 出來，碰到基板(wafer)時就會沉積在基板上而形成薄膜。
濺鍍的過程是將真空腔內的氣體壓力抽至背景壓力，然後通入工作氣體至工 作壓力，由於靶材接在陰極，陽極接地，所以在兩極間加一偏壓可使工作氣體游 離成陽離子與電子的電漿態，接著帶正電的陽離子會受到靶材陰極的吸引而開始 加速撞擊靶材，使靶材表面的原子飛濺至基板上沉積。
圖 4-1-1. 濺鍍系統原理示意圖
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通入的工作氣體必須要特別選擇，首先工作氣體的活性必須非常小，不可與 基板、靶材甚至腔壁發生化學反應，否則將會影響薄膜的品質；其次，游離後的 工作氣體必須能有效地將動能轉換給靶材表面上的原子，所以工作氣體的質量不 能太小；再加上安全與經濟等考量，一般濺鍍所選擇的工作氣體為氬氣。
在兩極之間加的電壓一般為直流偏壓，這種模式稱為直流濺鍍(DC sputter)，
在直流濺鍍的過程中，靶材必須為金屬導體，帶正電的氬離子才可以從靶材中獲 得自由電子恢復電中性，回到工作區域；如果靶材為絕緣體，氬離子在撞擊靶材 後會因無法獲得自由電子而累積在陰極靶材上，造成靶材原子飛向基板的屏障，
因此需要使用交流偏壓，這種模式稱為射頻濺鍍(RF sputter)，靶材上的極性在陰 極和陽極之間不斷交換，當靶材呈現陰極時，吸引陽離子撞擊靶材，當靶材呈現 陽極時，將累積於靶材上的陽離子排斥開，讓電荷不會累積在陰極靶材上。
本實驗的多層膜皆是由濺鍍系統製成，真空腔透過渦輪分子幫浦 (turbo molecular pump)抽氣，後端再由機械幫浦(mechanic pump)串接抽氣至大氣，可將 真 空 腔 的 背 景 壓 力 抽 到 7 × 10-7torr ， 而 鍍 膜 過 程 的 工 作 壓 力 則 是 控 制 在 1.2×10-3torr。
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影響，所以我們便可以利用異向性磁阻（anisotropy magnetoresistance，AMR）來得知其磁化的行為。
本實驗之磁阻量測系統主要是由直流電流源（Keithley-6221、 Keithley-236）， 電壓計（Keithley-182、Keithley-2182、Keithley-2000），電磁鐵，電磁鐵電源供 應器（Kepco BOP 20-20D），高斯計（Gauss meter），搭配電腦自動控制程式
（Labview）所組成，圖 3.3.1 為磁阻量測系統迴路裝置示意圖，其主要儀器分述 如下：
電磁鐵與其雙極電源供應器：電磁鐵搭配 Kepco BOP 20-20D 電源供應器，最大 可以提供 20 安培電流，產生 6000 高斯的磁場。
直流電流源：Keithley-236、Keithley-6221，主要提供高穩定度低雜訊的直流 電源來進行樣品量測，其中 Keithley-236 也可以當電壓源，而同時量電流，其提 供電流範圍為 10 fA 到 100 mA，而電壓範圍為 10 μV 到 110 V。而 Keithley-6221 為更精良的直/交流（DC/AC）電流源，其提供比 Keithley-236 更穩定更低雜訊 的電流。
電壓計： Keithley-2182，因為通常異向性磁阻變化通常只有 1％以下，所以 需 要 利 用 Keithley-182 高 靈 敏 度 的 伏 特 電 壓 計 以 進 行 小 訊 號 量 測 ， 此 外 Keithley-2182 為靈敏度更高的電壓計，其更可同時量測兩組電壓值數據。
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4-3 樣品製作(CIP 製程)
圖4-3-1 樣品製作流程圖
樣品步驟總共有四大步驟，第一步是製作樣品，先塗上 PMMA 4A 的光阻 劑，用攝氏 135 度烤，共要塗兩層，各烤十分鐘跟一小時，然後利用電子束微 影系統定義圖形，再來利用 MIBK 顯影，之後進入濺鍍系統鍍上我們的樣品鎳 鐵薄膜，拿出來之後利用丙酮舉離。第二步是鍍電極，一樣是重複上述的動作，
塗 PMMA 4A，烤兩次，各十分鐘，利用電子束微影系統定義圖形，再來利用 MIBK 顯影，之後進入濺鍍系統鍍上 Ti/Cu/Ti，最底下那層 Ti 是為了能夠能在 SiO2 上可以有較好的附著性，最上層的 Ti 是為了保護銅不會氧化，主要的電極 部份為銅。第三步是製作絕緣層，使最後一道的傳輸線可以和樣品跟電極隔絕，
避免微波跟通入樣品電流相互干擾，最後一道是傳輸線，以便我們可以利用
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Prod(刺)給入微波。值得一提的是，其中 1-2 道是在製作凸字型的樣品時，會利 用乾式蝕刻以氬氣的電漿態轟擊樣品，使沒有被光阻劑保護的地方被蝕刻掉，最 後得到我們需要的凸字形。
第一部份我們製作的樣品為 Ta(10)/Py(10)/Cu(3)/Py(25)單位為(nm) ， 直徑為 2μm的三層膜結構磁盤，第二部份我們製作為 Py(10)/Py(40) 單位為 (nm)，直徑上層 1μm 、下層 2μm 的凸字形磁盤。最後一部分我們並沒有使用 電子束微影系統，而是直接在SiO2 上鍍上 Pd/Co 多層膜並使用交替式漸進磁 力量測儀(AGM)去量測它。
圖4-3-2 2μ1μ disk 製成完成圖
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4-4 三層磁盤量測介紹
圖4-4-1 三層磁盤量測示意圖
如上圖，左邊的圓圈是微波訊號產生器，右邊方形是伏特計，藍色部份是傳 輸線用來利用傳輸微波訊號，在傳輸線跟訊號產生器之間，我們是利用Prod 插 在傳輸線上，利用這樣的方式搭配我們所設計的傳輸線，可以讓微波的功率衰減 較少的傳入至樣品之中。樣品則是灰色放置在傳輸線之間以便可以受到垂直方向 (𝐻𝑟)的微波，實驗步驟是先利用外加磁場(𝐻𝑡)將三層膜底層磁盤變成渦漩狀態，
在掃場的過程中「同時」給予高頻訊號產生器使灰色樣品的區域產生垂直方向的 微波，便可以利用 Keithley-2182 量測到電壓差。值得一提的是，這實驗並沒 有使用電流供應器，所量測到的電壓差是來自於純自旋流的電壓差。
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4-5 凸字磁盤量測介紹
圖4-5-1 凸字磁盤量測示意圖
如上圖，左邊的圓圈是微波訊號產生器，右邊方形是 Keithley-2182 伏特 計和 Keithley-6221 電流供應器，藍色部份是傳輸線用來利用傳輸微波訊號，
樣品則是綠色放置在傳輸線之間以便可以受到垂直方向(𝐻𝑟)的微波，實驗步驟是 先利用外加磁場(𝐻𝑡)磁盤變成渦漩狀態，再利用高頻訊號產生器在綠色樣品部份 產生垂直方向的變頻率微波，在傳輸線跟訊號產生器之間，我們是利用Prod 插 在傳輸線上，利用這樣的方式搭配我們所設計的傳輸線，可以讓微波的功率衰減 較少的傳入至樣品之中。使凸字形的磁盤上渦漩核心受到微波而共振激發。
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4-6 模擬軟體與參數設定
OOMMF（The Object Oriented MicroMagnetic Framework）為一套 微磁模擬的軟體，由美國NIST（the National Institute of Standards and Technology)所開發，為完全免費的開源軟體（Open Source），並可以自行加 掛附加套件，來因應各種不同的特殊磁特性運算需求。
軟體運算模式
OOMMF 主要功能，是依所規劃的樣品圖形，細切成均等大小的 Cell，Cell 大小尺寸可以自訂，每個 Cell 皆具備一組自身的參數，參數有磁矩大小與磁矩 方向，Cell 之間的重要參數則有磁交換能常數 A，參數設定完成後，在動態模擬 的運算過程中，可再加入外加磁場，各個磁矩在時間演進中的運動是依循 Landau-Lifshitz-Gilbert equation
𝑑𝑴
𝑑𝑡 = −|𝛾|𝑴 × 𝑯𝑒𝑓𝑓 + 𝛼
𝑀𝑠(𝑴 ×𝑑𝑴
𝑑𝑡) (3-1)
LLG Equation:其中 M 為磁矩向量、Ms 為飽和磁矩大小、Heff為等效 磁場、α 為阻滯係數、γ 為 Gilbert 磁旋比(Gilbert gyromagnetic ratio)
OOMMF 的使用說明中，運算時間演化運算近似法則為常見的 Runge-Kutta 演算法[32]。通常使用的模式是外加磁場Ｈ為變數的模擬，當每改變一次磁場，
則必須持續運算達到自旋進動動能達到所設定的下限，方能切換至下一個磁場進 行運算。
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