Herstellung von magnetische Nanostrukturen auf Silizium-Nitrid Membranen für magnetische Wirbel Studien mit Übertragungstechniken Mikroskopie

Diese Methode kann dazu beitragen, Schlüsselfragen bei der Herstellung von Mikro- und Nanostrukturen für die Beobachtung mittels Transmissionselektronen- und Röntgenmikroskopie zu beantworten. Der Hauptvorteil dieser Technik besteht darin, dass sie die Herstellung von Proben auf nanometerdünnen Siliziumnitrid-Membranen ermöglicht, was die Voraussetzung für die Beobachtung durch Transmissionsmikroskopie ist. Das Verfahren wird von Meena Dhankhar und Marek Vanatka, Doktoranden aus meinem Labor, vorgeführt.

Legen Sie zunächst die 30 Nanometer großen Silikon-Nitraden-Membranen auf eine heiße Platte bei 180 Grad Celsius und backen Sie sie 15 Minuten lang, um jegliche Feuchtigkeit zu entfernen. Setzen Sie den Adapter auf den Spin Coater und setzen Sie dann die Membranen in den Adapter ein. Der Spin-Coat-Resist von 950 k pmma wird eine Minute lang bei 3.000 U/min hergestellt, um eine Schichtdicke von ca. 200 Nanometern zu erzeugen.

Anschließend werden die Proben auf der heißen Platte bei 180 Grad Celsius drei Minuten lang nachgebacken, um die PMMA-Schicht auszuhärten. Um eine Elektronenstrahllithographie durchzuführen, zeichnen Sie das gewünschte Scheibenmuster im grafischen Datenbanksystem oder im GDS-Format und laden Sie es in das Elektronenstrahllithographiesystem hoch. Laden Sie die Proben in das Elektronenstrahl-Schreibsystem.

Dann Bühne und Beam. Setzen Sie die Scheibenfläche einer Elektronendosis von 260 Mikrocoulomb pro Quadratzentimeter bei einer Strahlenergie von 20 Kiloelektronenvolt aus. Tauchen Sie die Proben nach der Exposition zwei Minuten lang in einen Methylisobutylketon-Entwickler.

Übertragen Sie dann die Proben für 30 Sekunden in Isopropylalkohol, um die Entwicklung zu stoppen. Waschen Sie jede Probe 30 Sekunden lang mit deionisiertem Wasser. Während Sie dann jede Probe mit einer Pinzette halten, verwenden Sie Stickstoff, um sie trocken zu blasen.

Beginnen Sie anschließend mit einem optischen Mikroskop mit geringer Vergrößerung, um die Entwicklung der Proben zu überprüfen, und wechseln Sie dann zu einer hohen Vergrößerung. Um die Elektronenstrahlverdampfung durchzuführen, verwenden Sie Kapton, um die Membranen vorsichtig auf den Halter zu kleben. Und überführen Sie die Proben per Load Lock in die Abscheidungskammer des Elektronenstrahlverdampfers.

Verwenden Sie das Elektronenstrahlverdampfungssystem bei einer Beschleunigungsspannung von acht Kilovolt und einem Strahlstrom von etwa 120 Milliampere, um eine dünne Schicht Permalloy mit einer Dicke von 20 bis 100 Nanometern und einer Abscheidungsrate von etwa einem Angström pro Sekunde abzuscheiden. Um das überschüssige Metall abzuheben, legen Sie die Membranen für eine Stunde in ein Becherglas mit Aceton. Während Sie sie dann mit einer Pinzette halten, verwenden Sie Aceton, um die Membranen zu besprühen, bis das überschüssige Metall entfernt ist.

Wenn überschüssiges Metall auf der Probe verbleibt, legen Sie die Membran für ein weiteres Einweichen wieder in das Aceton, bevor Sie erneut mit Aceton besprühen. Um eine Probe abzubilden, montieren Sie sie in den TEM-Probenhalter und setzen Sie sie in das Mikroskop ein. Korrigieren Sie mit den Standardverfahren des Mikroskops die Probenhöhe und richten Sie das Mikroskop im Lorentz-Modus auf die gewünschte Beschleunigungsspannung aus.

In diesem Fall zum Beispiel 300 Kilovolt. Führen Sie das magnetische Signal ein, indem Sie die Lorentz-Linse defokussieren. Kippen Sie dann die Probe, um die In-Plain-Field-Komponente einzuführen.

Ein geeigneter Winkel beträgt beispielsweise 30 Grad. Wenden Sie das Magnetfeld an, indem Sie die Objektivlinse anregen, die normalerweise im Lorentz-Modus ausgeschaltet ist. Sättigen Sie schließlich die Probe, verringern Sie allmählich das Magnetfeld, indem Sie die Objektivlinse abregen, und nehmen Sie die Bilder mit der Kamera auf.

Hier sind die Silikon-Nitrade-Rahmen und -Membranen zu sehen, die für die MTXM- und LTEM-Mikroskopie verwendet werden. Der MTXM-Rahmen ist ein fünf mal fünf Millimeter großes Quadrat mit einer Fensterstärke von 200 Nanometern. Und der TEM-Rahmen passt auf einen Kreis mit drei Millimetern Durchmesser und einer Fensterdicke von 30 Nanometern.

Diese Platte enthält ein Silizium-Nitrade-Membranfenster mit den Arrays der Scheiben im Resist nach der Elektronenstrahlbelichtung und der Resistentwicklung. Hier ist das endgültige Array der Magnetscheiben zu sehen, das mit dem REM abgebildet wurde. Dieses LTEM-Bild veranschaulicht die Nukleationszustände der magnetischen Wirbel in einem Array von magnetischen Nanodiscs.

Schließlich stellt dieses REM-Bild die endgültige Struktur aus 30 Nanometer dicken und zwei Mikrometer breiten permlegierten Scheiben auf einem goldenen Wellenleiter mit Ausrichtungsmarkierungen dar. Einmal gemeistert, kann diese Technik innerhalb eines Tages durchgeführt werden. Beim Versuch dieses Verfahrens ist es wichtig, daran zu denken, die richtigen Parameter für die Elektronenstrahlbelichtung des Musters zu verwenden.

Nachdem Sie sich dieses Video angesehen haben, sollten Sie ein gutes Verständnis dafür haben, wie Sie die Strukturen Schritt für Schritt mit der vorgestellten Methode herstellen und charakterisieren können. Vergessen Sie nicht, dass die Arbeit mit Chemikalien gefährlich ist und Vorsichtsmaßnahmen wie das Tragen von Handschuhen und Schutzbrillen bei der Handhabung des Materials in einem Abzug immer bei der Durchführung des Eingriffs getroffen werden sollten.