樣品製作及量測 - 以磁電阻量測探討次微米磁性圓盤之磁區結構

我們主要的目的是用量測磁電阻的方式來探討次微米圓盤之磁區結構，其方 法為將圓盤製作在一層金的薄膜上量測，在製程上需用到微影技術，而微影技術又分成光微影技術製程和電子束微影技術製程；磁電阻量測採用四點量測法，所給予最大的磁場強度為 2300Oe，並在溫度為 10K 時進行量測，下圖為實驗流程圖：

光微影製程

電子束微影製程

將樣品降溫至 10K

以四點量測量測磁電阻

製作次微米尺度的下電極(厚

30 nm

金)

在下電極上製作次微米尺度的 permalloy 磁性圓盤(disk)

製作連接微米尺度電極和次微米尺度下電極用的跨線

製作微米尺度的電極(厚 70nm 金)

磁場平行電流磁阻量測(LMR)

磁場垂直電流磁阻量測(TMR) 磁場平行膜面

3-1 微影技術

微影技術現今普遍被用於製作奈米或是微米元件上，是一項重要的製成技術，我們的樣品的製作主要利用光微影 (photolithography) 和電子束微影技術 (e-beam lithography)來完成，光微影的解析度雖然沒有電子束微影要來的好，但是在製作大尺度的樣品時要比電子束微影省時間，因此在樣品製作上，兩技術互相配合使用。

3-1.1 電子束微影技術

電子束微影技術的基本配備為一台掃描式電子顯微鏡(SEM)，本實驗所使用的 SEM 是透過對鎢絲加熱而產生電子並給予其 20kV 的加速電壓，再經由數個線圈對電子束施加梯度磁場藉由 Lorenz force 使其聚焦，當到達樣品台時，電子束的 spot size 約為。電子阻劑(PMMA)在受到此高能量電子束照設時會產生化學變化而可溶於顯影液中；再利用 beam blanker 來選擇電子束是否照射電子阻劑，便可以在電子阻劑上蝕刻出我們想要的圖形；利用蒸鍍系統鍍上我們想要的材料，並用丙酮舉離掉不要的部份，便可製作我們設計的結構。

nm 10

以下介紹電子束微影技術的步驟：

A. 首先在矽基板(silicon wafer)上，利用旋轉塗佈機塗上一層厚度約的電子阻劑，如圖 3-1

nm 300

silicon wafer PMMA

圖 3-1 在矽基板上塗上一層電子阻劑(PMMA)。

B. 將其放置在加熱器上加熱至後，烤五分鐘以將電子阻劑烤乾；利用軟體 Design CAD 繪出電子束在電子阻劑上照射的區域，如圖 3-2；

C

150

圖 3-2 利用 Design-CAD 繪出電子束的照射區域。

C. 將塗上電子阻劑的矽基板放入掃描式電子顯微鏡裡，藉著 beam blanker，我們利用電場控制電子束在電子阻劑上照射的區域。電子阻劑在被電子束照射過後，其鍵結因被電子束打斷而產生化學變化，使其可以溶解在顯影液(methyl isobutyl ketone : isopropyl alcohol = 1:3 )中，我們將樣品泡在顯影液中 75 秒，定影液(isopropyl alcohol) 15 秒，顯影時的溫度大約維持在；顯影過後，電子阻劑被電子束照過的地方會被顯影液溶解掉，如圖 3-3

C

silicon wafer

PMMA PMMA

圖 3-3 電子阻劑(PMMA)在顯影過後所留下的凹槽。

底層的

silicon wafer

會讓部份的電子反射，導致在下層的電子阻劑受到電子碰撞機會比上層大，所以在下層的電子阻劑被顯影液溶解掉的部份比上層多而呈現梯形的形狀。

D. 把樣品放入蒸鍍系統中鍍上我們想要的材料，如圖 3-4；

silicon wafer

PMMA PMMA

圖 3-4 鍍上材料後的樣品示意圖。

E. 以丙酮去除掉樣品上的電子阻劑，如圖 3-5；

silicon wafer

圖 3-5 舉離過後的樣品。

我們便可把 Design-CAD 所繪的圖形轉移到矽基板上，如圖 3-6；

μ m 70

圖 3-6 中央部份為利用電子束微影製作出來的成品，旁邊的金電極則為利用光微影技術製作。

在我們的NPGS系統中，會影響到最後樣品的形狀和大小的因素主要有三個：照射電子阻劑所需的電子束電子濃度，Design-CAD所繪的圖形，和電子束照射電子阻劑時，彼此落點的間距(電子束在照設電子阻劑時，是一個點一個點的

照射，每個點之間的距離是可以透過NPGS去控制的，如圖3-7)。NPGS透過beam blanker控制電子束照射在電子阻劑上的時間來決定所給予每個落點的電子濃度，濃度越大表示所需照射的時間也就越久；若在圖形內的落點越密，則每次製作出來樣品形狀大小的誤差就越小，根據多次的實驗發現，當電子束落點的間距為

5 nm 5 × nm

時，可以讓誤差小於百分之五以下。

圖3-8表示製作磁性圓盤時，電子濃度和NPGS所繪的直徑與實際製作出樣品 大小的對照關係：1.54 m

μ

,1.37 m

μ

,1.18 m

μ

,1.00 m

μ

,0.64 m

μ

,0.45 m

μ

代表著Design CAD所繪圓盤(disk)的直徑，縱軸表示樣品的直徑，橫軸則表示電子濃度(dose)；

從圖中我們可以發現，當我們給予的電子濃度越大時，最後製作出來圓盤的直徑也就越大；如果我們想製作一個直徑為1.8

μ m

的圓盤，根據圖3-8，必需在Design CAD先設計一個直徑為1.54

μ m

的圓形，然後在電子束照射電子阻劑(PMMA)時給予0.16(nC/cm)的電子濃度。

電子束聚焦處 spot size 的大小和電子阻劑的厚度都會影響著最後樣品的成果，因此我們必須精確的控制每一個會影響最後結果的因素，才能做出我們想要的形狀以及大小。

Design CAD 所設計的圖形電子照射的位置

圖 3-7 電子束照射在 Design-CAD 所繪區域上的電子阻劑(PMMA)之示意圖。

0.04 0.06 0.08 0.10 0.12 0.14 0.16 0.18

0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1.0 1.1 1.2 1.3 1.4 1.5 1.6 1.7 1.8 1.9

0.45 m 0.64

m 1.00

m 1.18

m 1.37

m

Diam eter(

m)

Dose(nC/cm)

1.54 m

圖3-8 製作出來圓盤的直徑與電子濃度的關係。

3-1.2光微影技術：

此技術是利用曝光機將光罩上的圖形轉移至基板表面光阻層的一種方法，基本原理跟電子束微影技術大致上一樣，只是把電子束換成紫外光線，以及塗在矽基板上的電子阻劑換成光阻劑；紫外光的波長大約365nm，所以目前製作最小的線寬大約2

μ m

，若要製作更細小的線寬，則必須要用到更短波長的光源或使用其它技術(如電子束微影技術)；我們主要利用光微影技術來製做金電極以連接樣品和電性量測系統，圖3-9為完成後的樣品，左上圖的中央部份預留以製作電子束微影的樣品，電極以輻射狀向外延伸，最外圍250

μ m

×350

μ m

的大方塊則是做為打線區，用來連接金電極和電性量測系統。光微影製程部分主要由學弟李宗霖以及學長鐘廷翊製作。

製做電子束微影用的區域

打線區 500

μ m

圖 3-9 電子顯微鏡下的光微影接腳。

3-1.3 熱蒸鍍系統

F. 調整chamber內氧氣的氣壓使其維持在 torr後關閉e跟b閥門；給予一800V的高壓游離氧氣以產生電漿，電漿可以去除樣品在顯影過後殘餘的

圖3-10 熱蒸鍍系統示意圖。

3-2 樣品製作

我們利用量測磁電阻的方式來探討次微米磁性圓盤的磁區結構(domain structure)，量測方式是把磁性圓盤(Permalloy disk)製作在厚度為30nm的金下電極上來量測，因此在製作上透過電子束微影技術分成三道製程：

第一道製程，先用

30 nm

厚的金製作下電極，如圖3-11；

第二道製程，將磁性圓盤製作下電極的金上，磁性圓盤彼此間距等於圓盤直徑，

如圖3-12；

第三道製程，製作連接下電極和光微影金電極用的跨線，如圖3-13；

圖 3-11 電子束微影第一道製程。

圖 3-12 電子束微影第二道製程。

圖 3-13 電子束微影第三道製程。

在每一道製程中，為了確實把樣品製作在正確的位置上，我們必需進行定位；定位是利用四個事先製作的定位點(如圖 3-14)以校正電子束照射電子阻劑的位置，詳細的步驟如下：

A. 將電子束的掃描範為移動到欲製作樣品的位置，如圖3-14；

定位點

圖3-14 樣品將製作在中央區域。

B. 控制Beam blanker，Beam blanker會以電場遮蔽電子束，讓電子束只在跟四個定位點有關的相對位置對樣品曝光，如圖3-15；

定位點

圖3-15 對定位點校正前。

C. 將每個視窗對準定位點，如圖3-16，即校正完成

圖3-16 對定位點校正後。

在第一道製程時，我們是利用光微影所製作的定位點進行定位，為了將磁性圓盤非常準確的製作在下電極上，第二道製程利用乃是利用第一道製程所製作的定位點進行定位，如圖3-11，步驟上亦分成三部份來進行：

A. 將電子束的掃描範為移至如圖3-11的位置。

B. 打開Beam blanker以電場遮敝電子束，讓電子束只在跟四個定位點有關的相對位置對樣品曝光，如圖3-17。

C. 將視窗對準定位點，如圖3-18，即校正完成。

為了降低定位時所造成的誤差以增加定位的準確度，我們在定位時可以透過 NPGS調整定位十字架每格移動的範圍，如圖3-19，定位十字架每格移動的範圍會影響定位的準確度，而若定位十字架每格移動的間距越小，則我們會看到較大的定位視窗；圖3-18的定位十字架每格移動的距離為，圖3-20的定位十字架每格移動的距離為，圖3-18和圖3-20兩者所用的定位點大小是一樣的，但是我們可以看到圖3-18的定位視窗明顯的比圖3-20要來大的多；圖3-21和圖3-22 分別為用圖3-18和圖3-20的定位結果，雖然兩者所用的定位點是一樣的，但是很明顯的使用圖3-18定位比較準確；因此在定位時，定位十字架每格移動的間距越小，所造成的定位誤差也就越小，我們目前可以控制定位誤差在以內。

nm 50 nm

150 nm

20

圖3-17 對定位點校正前。

μ m

圖3-18 對定位點進行校正後。

定位十字架

定位點

圖3-19 定位十字架。

μ m

圖3-20 較小的定位視窗。

μ m 3

圖3-21 用移動間隔較小定位十字架的定位結果。

圖3-22 用移動間隔較大定位十字架的定位結果。

3-3 低溫系統

我們在量測時的溫度為10K，所以我們必須透過低溫系統以降溫到我們想要的溫度。本實驗室的低溫系統有 (可量測溫度300K~1.5K)， (可量測溫度 30K~0.3K)以及dilution(可量測溫度20K~20mK)三種系統，本實驗降溫主要靠系統，因此我們就簡單介紹使用低溫系統的實驗步驟。

He4 He³

He4

3-4.1 低溫系統裝置簡介：

圖3-23為我所使用⁴He低溫系統：A區主要裝液態氦，B區主要裝液態氮，樣品位於sample rod的底端並置於sample space中；不同的區域之間有一層真空夾層將彼此隔開；我們利用減壓降溫法，一方面利用機械幫浦對sample space抽氣已降低其壓力，一方面讓液態氦透過毛細管從A區流到B區以達到降溫的效果。

我們在sample rod的底端靠近樣品的附近以及sample space底端靠近毛細管出口附近，分別裝有GaAs diode和silicon diode溫度計，兩個diode在不同的溫度下會有不同的電壓對電流關係，藉由給予其定電流然後測量其電壓值我們便可以判斷

在文檔中以磁電阻量測探討次微米磁性圓盤之磁區結構 (頁 40-63)