Name: Herstellung von magnetische Nanostrukturen auf Silizium-Nitrid Membranen für magnetische Wirbel Studien mit Übertragungstechniken Mikroskopie (Video) | JoVE Journal
Uploaded: 2018-07-02T14:00:00.000+00:00
Duration: 6 min 27 s
Description: Erfahren Sie die Herstellung magnetischer Nanostrukturen auf Silizium-Nitrid-Membranen für magnetische Wirbel-Studien mit Übertragungsmikroskopie. Diese Methode ermöglicht die systematische Fabrikation für Materialwissenschaften.

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Diese Forschung wurde von der Grant-Agentur der Tschechischen Republik (Projekt Nr. 15-34632 L) und vom CEITEC Nano + Projekt-ID CZ.02.1.01/0.0/0.0/16 013/0001728 finanziell unterstützt. Die Probe-Fertigung und die LTEM Messung wurden in der CEITEC Nano Forschungsinfrastruktur (ID LM2015041, MEYS CR 2016-2019) durchgeführt. Meena Dhankhar wurde mit einem Ph.d. Brünn-Talent-Stipendium unterstützt.

Wir zeigen eine Methode für die Herstellung von Proben für TEM und MTXM. Permalloy Nanodiscs mit Durchmessern von 250-4000 nm und dicken zwischen 20-100 nm sind auf 30 nm dicken Sünde Membranen für TEM und 200 nm Dicke Sünde Membranen für MTXM hergestellt. Fotos von der Sünde-Membranen sind in Abbildung 1dargestellt.
<img alt="Figure 1" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/57817/57817fig1.jpg"> Abbildung 1 : Foto von Sünde Membranen als Substrat für MTXM (links) und TEM (rechts) Proben verwendet. Das Bild zeigt den Größenvergleich auf ein Lineal. Die MTXM-Frame ist ein 5 x 5 mm Rechteck mit einer Fensterdicke von 200 nm und TEM Rahmen passt einen 3 mm Kreis vom Durchmesser mit einer Fensterdicke von 30 nm. <a href="/files/ftp_upload/57817/57817fig1large.jpg" target="_blank">Bitte klicken Sie hier für eine größere Version dieser Figur.</a>
1. Herstellung der Proben für TEM
Hinweis: In diesem Abschnitt beschreiben wir die Herstellung der Proben für TEM, die für die Beobachtung des Prozesses der Magnetische Wirbel17Keimbildung verwendet wird. Die Membranen sind als Substrate ausgewählt, weil sie eine feste Stütze für die lithographical Herstellung von magnetischen Strukturen bieten. Ein wichtiger Parameter ist die Membrandicke Fenster. Eine höhere Beschleunigungsspannung ermöglicht durchdringende dickere Proben, aber jede unnötige Dicke wird dazu führen, dass einen Verlust von Signal-19. Aus diesem Grund verwenden wir die dünnsten Membranen zur Verfügung von unserem Lieferanten (30 nm).
<ol><li>
Substrataufbereitung und Spin-coating Hinweis: Spin Coating ist ein weit verbreitetes Verfahren zu einer gewünschten Film auf dem Substrat zu widerstehen. Eine kleine Menge von widerstehen entfällt auf dem Substrat, die dann mit einer sehr hohen Geschwindigkeit zu der gewünschten Schichtdicke gedreht wird. Die Spin-Beschichtung von TEM-Membranen ist ziemlich eigenartig aus den folgenden Gründen: (i) Wenn die Membran auf der Spin Coater Achse gedreht wird, der Resist werden nicht einheitlich durch die Membran mit kleinem Durchmesser und (Ii) Vakuum Halter können nicht verwendet werden, weil sie brechen können die Membran. Für diesen Zweck entwickelt wir 3D gedruckte Adapter (siehe Abbildung 2), die die Membran aus der Achse und erfordern kein Vakuum, das Beispiel zu halten.<ol>
<li>Prebake Sünde Membranen auf einer heißen Platte bei 180 ° C für 15 min, keine Feuchtigkeit zu entfernen.</li>
		<li>Fügt Adapter auf Spin Coater und legt dann Membranen im Adapter.</li>
		<li>Spin Mantel 950 K PMMA (Poly-Methyl-Methacrylat) widerstehen bei 3.000 u/min für 1 min herstellen eine Schichtdicke von ca. 200 nm.</li>
		<li>Nach dem Backen der Proben auf der Heizplatte bei 180 ° C für 3 min die PMMA-Schicht aushärten lassen.</li>
	</ol>
</li>
</ol><img alt="Figure 2" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/57817/57817fig2.jpg"> Abbildung 2 : Foto von 3D gedruckt Adapter verwendet, um die TEM Membran einfallenden während der Spin-Beschichtung halten. Gleichzeitig können mehrere Membranen beschichtet werden. <a href="/files/ftp_upload/57817/57817fig2large.jpg" target="_blank">Bitte klicken Sie hier für eine größere Version dieser Figur.</a>
<ol start="2"><li>
Elektronenstrahl Lithographie (EBL)
	<ol>
<li>Zeichnen Sie das gewünschte Muster von Discs in das grafische Datenbank System (GDS) Format und laden Sie sie auf den Elektronenstrahl (e-Beam)-Lithografie-System.</li>
		<li>Laden Sie die Proben in der Elektronenstrahl-Schriftsteller-System, die Bühne und beamen.</li>
		<li>Setzen Sie den scheibenbereich ein Elektron Dosis von 260 µC/cm2 bei der Strahlenergie von 20 keV. Hinweis: Sind die geeigneten Parameter des Prozesses Ausstellung einen Strahlstrom von 250 pA und einer Schrittweite von 10 nm. Diese Dosis ist etwa 30 % höher im Vergleich um zu bulk-Substrate wie des Photons auf den Membranen stark reduziert ist.</li>
	</ol>
</li>
	<li>
Chemische Entwicklung
	<ol>
<li>Nach der Belichtung entwickeln die Proben in einer Methyl-Isobutyl-Keton (MIBK)-basierte Entwickler für 2 min. stoppen die Entwicklung mithilfe von Isopropylalkohol (IPA) für 30 s.</li>
		<li>Waschen Sie jede Probe in entionisiertem Wasser für 30 s und Föhnen Sie es mit Stickstoff während Sie mit einer Pinzette halten.</li>
		<li>Überprüfen Sie die Entwicklung der Proben mit dem Lichtmikroskop an einer niedrigen Vergrößerung zuerst (mit einer 5 X Objektiv) und dann bei hoher Vergrößerung (über ein 100 X Objektiv); das Lichtmikroskop Bild einer entwickelten Probe ist in Abbildung 3dargestellt.</li>
	</ol>
</li>
	<li>
Elektronenstrahl Verdampfung Hinweis: Elektronenstrahl Verdampfung20 ist eine Form der körperlichen Aufdampfen in dem eine Ziel-Anode mit einen hochenergetischen Elektronenstrahl produziert durch ein geladenes Wolfram-Glühfaden im Hochvakuum bombardiert wird. Der Elektronenstrahl bewirkt, dass Atome aus dem Ziel, in einer gasförmigen Phase zu verwandeln. Diese Atome Niederschlag in fester Form und alles in der Vakuumkammer mit einer dünnen Schicht der Target-Material zu beschichten. Es ist besser, ein Elektronenstrahl-Verdampfung-System für einen Lift-Off-Zweck zu verwenden, wie es eine schöne Flanke auf den Datenträger ohne Hinterlegung zusätzliches Material auf der Scheibe-Begrenzung.<ol>
<li>Kleben Sie die Membranen vorsichtig mit Poly-Oxydiphenylene-Pyromellitimide (z.B.Kapton) auf den Halter und über Last-Sperre in der Ablagerung Handelskammer den Elektronenstrahl-Verdampfer zu übertragen.</li>
		<li>Verwenden der Elektronenstrahl Verdampfung-System, um eine dünne Schicht von Permalloy (Ni80Fe20) zu hinterlegen mit dicken von 20 bis 100 nm bei Abschmelzleistung von etwa 1 Aͦ/s. verwenden die Beschleunigungsspannung von 8 kV und strahlen einen Strom von ca. 120 mA.</li>
	</ol>
</li>
	<li>
Lift-Off
	<ol>
<li>Setzen Sie die Membranen 1 h in ein Becherglas mit Aceton (mit mindestens 99,5 % Reinheit).</li>
		<li>Jetzt Sprühen Sie die Membranen mit Aceton jeweils mit einer Pinzette halten, bis das überschüssige Metall entfernt wird.</li>
		<li>Bleibt das überschüssige Metall auf die Probe, setzen Sie die Membranen wieder in den Becher und wiederholen Sie den Vorgang. Hinweis: Optional ein Megasonic Bad ließe sich der Lift-Off-Verfahren unterstützen. Beachten Sie, dass es nicht möglich, eine klassische Ultraschallbad zu verwenden, wie es die Membranen bricht.</li>
		<li>Bild das letzte Array der magnetischen Scheiben mit einem Rasterelektronenmikroskop (REM) an die Beschleunigungsspannung von 5 kV und einen Strahlstrom von 100 pA für die Endkontrolle. Abbildung 3 bzeigt ein Bild mit der Vergrößerung der 100.000 X.</li>
	</ol>
</li>
	<li>
LTEM Bildgebung
	<ol>
<li>Montieren Sie die Probe in der TEM Probenhalter und stecken Sie es in das Mikroskop.</li>
		<li>Korrigieren Sie die Probe Höhe und richten Sie das Mikroskop in der Lorentz-Modus auf die gewünschte Beschleunigungsspannung (in unserem Fall 300 kV) mit dem Standardverfahren des Mikroskops.</li>
		<li>Stellen Sie das magnetische Signal durch Defokussierung die Lorentz-Linse.</li>
		<li>Fahren Sie mit dem Experiment. Die Probe zu kippen, um in der Ebene Feldkomponente vorstellen (z.B.die geeigneten Winkel 30° ist, prüfen Sie die Halter-Spezifikationen für den maximalen Neigungswinkel).</li>
		<li>Wenden Sie das magnetische Feld, indem spannende der Objektivlinse (normalerweise in der Lorentz-Modus deaktiviert). Hinweis: Die Feld Kalibrierkurve des Herstellers der TEM vorzusehen.</li>
		<li>Die Probe zu sättigen, stufenweise verringern das magnetische Feld durch das Objektiv deexciting und Aufnahmen vor der Kamera. Beispielergebnisse sind in Abbildung 3 cdargestellt.</li>
	</ol>
</li>
</ol><img alt="Figure 3" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/57817/57817fig3.jpg"> Abbildung 3 : Letzte Probe durch optische abgebildet und Elektron Microscopies. (ein) zeigt dieses Panel Fenster Silizium-Nitrid Membran mit Arrays von Discs im Resist nach der Elektronenstrahl Exposition und Resist-Entwicklung. (b) dieses Panel zeigt das letzte Array der magnetischen Scheiben durch dieses Panel das LTEM Bild der Magnetische Wirbel Keimbildung Staaten in einem Array von der magnetischen Nanodiscs zeigt SEM (c) abgebildet. <a href="/files/ftp_upload/57817/57817fig3large.jpg" target="_blank">Bitte klicken Sie hier für eine größere Version dieser Figur.</a>
2. Herstellung der Proben für MTXM
Hinweis: Bei MTXM Messungen können wir die Technik zeitliche Auflösung nutzen. Um eine hochfrequente Anregung der Magnetische Wirbel einzuführen, fabrizieren Sie einen gold Wellenleiter in einem ersten Schritt und dann magnetische Scheiben auf den Hohlleiter in einem zweiten Schritt der Lithographie. Die gesamte Struktur ist auf einer 200 nm Dicke Sünde Membran hergestellt, die für weiche Röntgenstrahlung21transparent genug ist. Die einzelnen Schritte werden im folgenden Text beschrieben und die schematische Darstellung des Prozesses ist in Abbildung 4dargestellt. Der Prozess der MTXM Probe Fabrikation durchläuft alle oben beschrieben für die TEM-Proben-Herstellung aber ein zusätzliche Lithographie Schritt ist erforderlich, um die Wellenleiter zu fabrizieren.
<img alt="Figure 4" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/57817/57817fig4.jpg"> Abbildung 4 : Schaltpläne von Vorbereitungsschritten einer Probe mit Scheiben und einen Wellenleiter auf einer Silizium-Nitrid-Membran für MTXM Zeitaufgelöste Experimente. Es geht um eine zweistufige Lithographie um die endgültige Struktur zu erhalten. <a href="/files/ftp_upload/57817/57817fig4large.jpg" target="_blank">Bitte klicken Sie hier für eine größere Version dieser Figur.</a>
<ol><li>Probenvorbereitung und Spin-coating Hinweis: Die Membran für MTXM ist ein 5 x 5 mm2 Rahmen mit einem 3 x 3 mm-2 Breite und 200 nm Dicke zentrale Fenster. Die Membran kann nicht auf dem Spin Coater Vakuum Futter gestellt werden, wie es die Membrane brechen würde. In diesem Fall verklebt wir die Membran auf einem 10 x 10 mm2 Silizium-Wafer machen es leicht, mit zu arbeiten.<ol>
<li>Prebake Sünde Proben auf einer heißen Platte bei 180 ° C für 15 min, keine Feuchtigkeit aus den Proben zu entfernen.</li>
		<li>Drehen Sie Mantel der positive Resist CSAR bei 3.000 u/min für 1 min; die daraus resultierende Schichtdicke beträgt ca. 500 nm. Hinweis: Diese Art von Widerstand wurde für seine höhere Empfindlichkeit, was zu schneller schreiben Zeiten gewählt. Die Dicke-Spin-Geschwindigkeit-Abhängigkeit finden Sie auf dem Datenblatt widerstehen.</li>
		<li>Nach dem Backen der Proben auf einer heißen Platte bei 150 ° C für 1 min, Lackschicht zu verhärten.</li>
	</ol></li>
	<li>Elektronenstrahllithographie des wellenleiters
	<ol>
<li>Erstellen Sie das gewünschte Muster der Wellenleiter und Ausrichtung Marken (für die zweite Lithographie-Schritte) im GDS-Format und laden Sie sie auf den Elektronenstrahl-Lithographie-System.</li>
		<li>Laden Sie die Proben in der Elektronenstrahl-Schriftsteller-System, die Bühne und beamen.</li>
		<li>Setzen Sie den scheibenbereich ein Elektron Dosis von 65 µC/cm2 bei der Strahlenergie von 20 keV und Strahlstrom von 10 nA einer Schrittweite von 200 nm. Hinweis: Wir verwendet CSAR positive Resist für die Aufdeckung der Wellenleiter und Ausrichtung Markierung. Dieser Widerstand hat eine höhere Empfindlichkeit als PMMA mit der Elektronenstrahl-Dosis von 65 μC/cm2 an die Strahlenergie von 20 keV und ist daher günstig, um die Exposition zu beschleunigen.</li>
	</ol></li>
	<li>Chemische Entwicklung
	<ol>
<li>Nach der Belichtung entwickeln die Proben in der Entwickler für 1 min und danach mit einem Stopfen (IPA) für 30 s.</li>
		<li>Waschen Sie die Proben in entionisiertem Wasser für 30 s und Föhnen sie mit Stickstoff, während Sie sie mit der Pinzette halten.</li>
	</ol></li>
	<li>Elektronenstrahl Verdampfung
	<ol>
<li>Verwenden Sie den Elektronenstrahl-Verdampfer, um Ti(3nm)/Au(100nm) Bilayer der Wellenleiter und Ausrichtung Marken zu hinterlegen.</li>
		<li>Drehen Sie die Proben kontinuierlich mit einer Geschwindigkeit von 10 u/min um die Homogenität der Schicht zu erhöhen. Hinweis: Die Titan-Schicht von 3-5 nm macht einen Klebstoffen Kontakt zwischen der Sünde-Probe und der Au-Schicht. Die Dicke der Schicht Au ist in der Regel zwischen 80-120 nm. Dieses Leistungsspektrum Dicke eignet sich für die Drahtbonden der Probe zu maßgeschneiderte Leiterplatten, die wir verwendet, um die Stromimpulse in die Wellenleiter zu injizieren.</li>
		<li>Verwenden Sie eine Abscheiderate für Ti von 0,5 - 0,7 Aͦ/s und für Au ~2.5 Aͦ/s. der Basisdruck der Elektronenstrahl-System bei ca. 10-7 Mbar oder besser pflegen.</li>
		<li>Alternativ können Sie Cu statt Au für die Herstellung des wellenleiters für eine größere Transparenz für die weiche Röntgenstrahlen.</li>
	</ol></li>
	<li>Lift-Off
	<ol>
<li>Setzen Sie nach der Absetzung von der Ti/Au Dünnschicht die Proben in Aceton für 1 h.</li>
		<li>Jetzt Sprühen Sie die Membranen mit Aceton und mit einer Pinzette halten, bis das überschüssige Metall entfernt wird.</li>
		<li>Bleibt das überschüssige Metall auf die Proben, legen Sie sie zurück in das Becherglas mit Aceton und wiederholen Sie den Vorgang. Hinweis: Optional ein Megasonic Bad ließe sich der Lift-Off-Verfahren unterstützen. Die Proben mit der Ti/Au-Waveguide-Struktur und mit Ausrichtungsmarken durchlaufen die gleichen Lithographie-Schritte wieder für die Herstellung der magnetischen Scheiben auf den Hohlleiter.</li>
	</ol></li>
	<li>TiO2 Ablagerung
	<ol>
<li>Legen Sie die Proben mit den Wellenleiter und Ausrichtung Markierungen in der atomic Layer Deposition System und Einzahlung 20 nm des TiO2 Layers, die Isolierschicht zwischen den Hohlleiter und die Scheiben zu machen.</li>
		<li>Ti Vorläufer Tetrakis (Dimethylamido) Titan (TDMAT) und H2O für die Abscheidung von TiO2 durch Sauerstoffplasma verwenden und mit einer Rate von 0,51 Aͦ/Zyklus wachsen.</li>
	</ol></li>
	<li>Spin-Beschichtung der Proben Hinweis: Wir eine doppelte Schicht von Resist verwendet, um die Kantenqualität der Scheiben erhöhen. Während der Elektronenstrahl-Belichtung der unteren-Resist überdosiert, und nach der Entwicklung, es bietet eine raffinierte Unterschnitt.<ol>
<li>Prebake die Proben auf der Heizplatte bei 180 ° C für 15 min um die Feuchtigkeit zu entfernen.</li>
		<li>Drehen Sie Mantel der Copolymer widerstehen bei 4.000 u/min für 1 min. Hinweis: Die resultierende Schichtdicke ist etwa 30 nm.</li>
		<li>Nach dem Backen der Proben auf der Heizplatte bei 180 ° C für 3 min Resists aushärten lassen.</li>
		<li>Drehen Sie Mantel der PMMA 950K widerstehen bei 4.000 u/min für 1 min. Die daraus resultierende Schichtdicke beträgt ca. 270 nm.</li>
		<li>Nach dem Backen der Proben bei 180 ° C für 3 min Resists aushärten lassen.</li>
	</ol></li>
	<li>Elektronenstrahl Lithographie von discs
	<ol>
<li>Erstellen Sie das zweite lithographical Muster der Scheiben in der GDS-Format und laden Sie sie auf den Elektronenstrahl-Lithographie-System.</li>
		<li>Verwenden Sie die globale Marken, um das UV-Koordinatensystem zum Beispiel auszurichten.</li>
		<li>Verwenden Sie die lokalen Marken, Feld schreiben anzugleichen, um des schreiben-Felds Größe, Drehung und Verschiebung zu gewährleisten eine korrekte Position der Scheiben auf den Hohlleiter zu kalibrieren.</li>
		<li>Setzen Sie den scheibenbereich ein Elektron Dosis von 220 µC/cm2 bei einer Strahlenergie von 20 keV. Verwenden Sie einen Strahlstrom von 200-300 pA und einer Schrittweite von 10 nm für die Aufdeckung der Muster.</li>
	</ol></li>
	<li>Chemische Entwicklung
	<ol>
<li>Die Proben in einem MIBK ansässige Entwickler für 1 min entwickeln und danach mit einem Stopfen (IPA) für 30 s.</li>
		<li>Spülen Sie die Proben in entionisiertem Wasser für 30 s und Föhnen sie mit Stickstoff halten sie mit einer Pinzette.</li>
	</ol></li>
	<li>Ionenstrahl-Sputtern
	<ol>
<li>Legen Sie die Proben in das Ionenstrahl-Sputtern System.</li>
		<li>Kippen der Probenhalter um 30° in Bezug auf die Richtung der gesputterten Material um die Scheiben durch den schattierungseffekt verjüngen. Hinweis: Die Verjüngung dient zur Steuerung, die Umschaltung der Wirbel Zirkulation11.</li>
		<li>Hinterlegen Sie eine 20-50 nm Dicke Permalloy (Ni80Fe20) Schicht mit einer Aussage Rate von 0,5 - 0,7 Aͦ/s bei einem Arbeitsdruck von ca. 10-5 Mbar. Hinweis: Der Basisdruck sollte 10-7 Mbar oder besser sein.</li>
	</ol></li>
	<li>Lift-Off
	<ol>
<li>Legen Sie die Proben in Aceton für 1 h.</li>
		<li>Nun, Sprühen Sie die Membranen mit Aceton und eine Pinzette halten, bis das überschüssige Metall entfernt wird.</li>
		<li>Wenn das überschüssige Metall auf die Probe bleibt, legen Sie die Probe zurück in das Becherglas mit Aceton und wiederholen Sie den Vorgang. Hinweis: Optional ein Megasonic Bad ließe sich der Lift-Off-Verfahren unterstützen. Wir haben die endgültige Struktur der Permalloy Scheiben über einen Ti/Au Wellenleiter auf eine Sünde-Membran, wie in Abbildung 5dargestellt.</li>
	</ol></li>
</ol><img alt="Figure 5" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/57817/57817fig5.jpg"> Abbildung 5 : REM-Aufnahme der die endgültige Struktur des 30 nm dick und 2 µm Breite Permalloy Scheiben auf einem gold Hohlleiter mit Ausrichtungsmarken. Die Proben werden verwendet für Zeitaufgelösten MTXM Experimente weiter. <a href="/files/ftp_upload/57817/57817fig5large.jpg" target="_blank">Bitte klicken Sie hier für eine größere Version dieser Figur.</a>

<ol><li>Hubert, A., Schäfer, R. <a target="_blank" href="http://scholar.google.com/scholar?hl=en&safe=off&q=author%3aHubert%2C+A+%22Magnetic+Domains.+The+Analysis+of+Magnetic+Microstructures%22">Magnetic Domains. The Analysis of Magnetic Microstructures</a>. , Springer. Berlin, Heidelberg, New York. (1998).</li>
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<li>Shinjo, T., Okuno, T., Hassdorf, R., Shigeto, K., Ono, T. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Magnetic+vortex+core+observation+in+circular+dots+of+Permalloy%5BTitle%5D)+AND+%22Science%22%5BJournal%5D)">Magnetic vortex core observation in circular dots of Permalloy.</a> Science. 289 (5481), 930-932 (2000).</li>
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</ol>

Die Autoren haben nichts preisgeben.

Wir haben die Herstellung von Proben für LTEM und MTXM magnetische Microscopies bewiesen. Diese Proben müssen auf dünnen Sünde Membranen hergestellt werden, so dass die Elektronen bei der LTEM und weiche Röntgenstrahlen, im Falle der MTXM durch die Proben eindringen können. Diese Proben können (1) eine positive Resist-Lithographie oder durch (2) ein negativ-Resist-Lithographie hergestellt werden.
Wir nutzten die positive Resist-Lithographie-Technik, weil es weniger Probenvorbereitung und weniger Fertigungsschritte erfordert und einfachere Verarbeitung erlaubt. Darüber hinaus können die Forscher den schattierungseffekt zu verwenden, die wir für die genaue Disk-Form-Steuerelement (eine Verjüngung der einen Seite der Scheibe) verwendet. Diese Form wurde verwendet, um die Zirkulation der Magnetische Wirbel während Keimbildung10,11zu kontrollieren.
Der Nachteil dieser Technik ist das komplizierte Lift-Off-Verfahren, weil das Dünnschicht-Material sich manchmal am Rande widerstehen lagert und dann nicht durch einen Lift-Off entfernt werden. Wir lösen dieses Problem mithilfe einer doppelten Lackschicht. Dies schränkt leicht die Auflösung (ca. 20 nm) des lithographical Prozesses aber noch ausreichend für die Zwecke der magnetischen Bildgebung.
Die negativ-Resist-Lithographie-Technik bietet eine höhere Auflösung als Strukturen mit einer Auflösung bis zu 7 nm in der Resist geschrieben werden kann. Das Material ist dann weggeätzt Nassätzen oder durch Ion beam Ätzen. Das Problem bei diesem Ansatz ist, dass der Resist schwierig, nach der Radierung zu entfernen. Häufig verwendete Sauerstoff Plasma Resist stripping ist nicht möglich bei dünnen Permalloy Strukturen, da sie sehr leicht oxidieren. Diese Tatsache, zusammen mit der Notwendigkeit die beschattenden Technik, begünstigt die positive Lithographie-Prozess, der während dieser Arbeit verwendet wurde.
Wir nutzten die Proben von den Methoden, die in diesem Papier für die Beobachtung der Dynamik der Magnetische Wirbel während einer Auflage durch eine MTXM10,11 und für die Beobachtung der verschiedenen Keimbildung Staaten17 beschrieben . Dies kann auf mehrere Arten von Experimenten erfordern lithographically vorbereitete Strukturen auf den Membranen ausgedehnt werden.

Der Magnetismus von Nanostrukturen wurde in den letzten zwei Jahrzehnten nach technologischen Trends zur Miniaturisierung intensiv untersucht. Da die seitlichen Abmessungen der Strukturen kleiner werden und kleiner, die magnetischen Eigenschaften der ferromagnetischen Strukturen beginnen durch die Geometrie der Struktur zusätzlich zu den Eigenschaften des magnetischen Materials zu Regeln. Das Verhalten der verschiedenen magnetischen Elemente von Schüttgütern Mikrostrukturen wurde im Detail (z. B. durch Hubert und Schäfer)1bewertet. Eines der bekanntesten Beispiele für nicht-triviale Magnetisierung Grundzustand ist Magnetische Wirbel-Curling Magnetisierung Strukturen im µm - und Submikron-Größe dünne magnetische Scheiben und Polygone auftreten. Die Magnetisierung hier ist in der Ebene um eine Out-of-Plane Vortex Core2,3curling. Die Magnetisierung Umkehrung der magnetischen Wirbel wurde ausgiebig studiert in statischen4,5,6 und dynamische7,8,9,10 Regime. Die Anwendungsmöglichkeiten der Magnetische Wirbel sind, z. B. Multi-bit Speicher Zellen11, Logikschaltungen12, Hochfrequenz-Geräte13oder Spin-Wellen-Emitter14.
Um eine magnetische Wirbel und vor allem die Vortex Core image, die räumliche Auflösung der Mikroskopie-Technik sollte so nah wie mögliche an grundlegenden magnetische Längenskalen (unter 10 nm). Lorentz Transmission Electron Microscopy15 (LTEM) und magnetische Übertragung Röntgen-Mikroskopie16 (MTXM) sind ideale Kandidaten für die Bildgebung von magnetischen Wirbeln wie sie eine hohe räumliche Auflösung bieten und MTXM auch eine hohe bietet zeitliche Auflösung für Magnetisierung Dynamik Studien. Der Nachteil dieser Techniken ist die komplizierte Probenvorbereitung, die Gegenstand des vorliegenden Papiers ist.
Die hier dargestellten Prozesse erklären die Herstellung von Proben für imaging-Magnetische Wirbel von TEM17 und MTXM10,11verwendet. Beide Techniken sind Übertragung Charakters und wegen der, dass es notwendig, die Strukturen auf dünnen Membranen zu fabrizieren. Die Membranen sind in der Regel aus Siliziumnitrid und ihre Dicke reicht von zehn Nanometer bis wenige hundert Nanometer gefertigt. Jede dieser beiden Methoden erfordert eine unterschiedliche Support-Rahmengeometrie. Der Rahmen ist bei MTXM, 5 x 5 mm2 und das Fenster ist groß, 2 x 2 mm2. Im Falle von TEM ist die Rahmengeometrie ein Kreis von 3 mm im Durchmesser mit der Fenstergröße abhängig von dem Experiment, in der Regel 250 x 250 µm2. Die Membranen bringen zusätzliche Herausforderungen schwieriger Probenbehandlung mit dem Risiko einer brechen die Fenster bei allen Prozessen der Lithographie.
Die Herstellung der Proben erfolgt durch, dass sowohl positive als auch negative Lithographie Techniken18widerstehen. Das positive Resist Lithographie-Verfahren nutzt eine positive Resist; die chemische Struktur der Resist Änderungen bei der Bestrahlung und dem exponierten Teil werden in der chemischen Entwickler löslich. Die exponierte Bereich wird wegwaschen, während die unbelichtete Bereich auf dem Substrat bleibt. Im Falle einer negativ-Resist Lithographie die Bestrahlung härtet der Resist und exponierte Bereich bleibt auf dem Substrat während der unbelichtete Bereich in der chemischen Entwickler abwaschen wird. Beide Techniken können verwendet werden, für die Herstellung der Proben, aber wir bevorzugen positive Resist Lithographie, denn es erfordert weniger Fertigungsschritte im Vergleich zu den negativen Lithographie-Technik zu widerstehen. Es ist auch einfacher zu handhaben, schneller und liefert oft bessere Ergebnisse.

<table><tbody><tr><td>SiN-Membran - TEM</td><td>Silson</td><td>SiRN-TEM-200-0.25-500</td><td>TEM-Membran</td></tr><tr><td>SiN-Membran - MTXM</td><td>Silson</td><td>SiRN-5.0-200-3.0-200</td><td>MTXM-Membran</td></tr><tr><td>3D-Adapter für Spin-Coating</td><td></td><td></td><td>Das Modell des Adapters für den 3D-Druck kann heruntergeladen werden unter: https://www.thingiverse.com/thing:2808368</td></tr><tr><td>PMMA 950k Elektronenstrahlresist</td><td>Allresist</td><td>AR-P 679.04</td><td>für TEM-Proben</td></tr><tr><td>Elektronenstrahlresist-Entwickler</td><td>Allresist</td><td>AR 600-56</td><td>für TEM-Probe</td></tr><tr><td>Hochkontrastreicher Elektronenstrahlresist</td><td>Allresist</td><td>AR-P 6200.13</td><td>für den Hohlleiter auf der MTXM-Probe</td></tr> Kontrastreicher <tr><td>Elektronenstrahlresist-Entwickler</td><td>Allresist</td><td>AR-600-546</td><td>für den Wellenleiter auf der MTXM-Probe</td></tr><tr><td>Tetrakis(dimethylamido)titanium(IV)</td><td>Sigma Aldrich</td><td>669008 Aldrich&nbsp;</td><td>wird für die TiO2-Dünnschichtabscheidung durch ALD&nbsp;</td></tr><tr><td>Elektronenstrahlresist für die Nanometer-Lithographie</td><td>Allresist</td><td>AR-P 617.02</td><td>als untere Schicht des Doppelschichtlacks für leichteres Abheben des Verfahrens</td></tr><tr><td>PMMA 950k Elektronenstrahlresist</td><td>Allresist</td><td>AR-P 679.04</td><td>als oberste Schicht des Doppelschichtlacks für leichteres Abheben</td></tr><tr><td>Elektronenstrahlresist-Entwickler</td><td>Allresist</td><td>AR 600-56</td><td>für die Entwicklung der Scheiben auf dem Wellenleiter</td></tr><tr><td>Permalloy-Pellets</td><td>Kurt J Lesker</td><td>EVMPERMQXQ-D</td><td>für die Abscheidung der magnetischen Schichten</td></tr><tr><td>Titan-Pellets</td><td>Kurt J Lesker</td><td>EVMTI45QXQD</td><td>als Klebeschicht für den Gold-Wellenleiter</td></tr><tr><td>verwendet Gold-Pellets</td><td>Kurt J Lesker</td><td>EVMAUXX40G</td><td>für die Abscheidung des Wellenleiters verwendet</td></tr></tbody></table>

herstellung von magnetische nanostrukturen auf silizium-nitrid membranen für magnetische wirbel studien mit Übertragungstechniken mikroskopie

Fabrication of Magnetic Nanostructures on Silicon Nitride Membranes for Magnetic Vortex Studies Using Transmission Microscopy Techniques

Elektron und Röntgen-magnetische Microscopies ermöglichen hohe magnetische Abbildungsleistung bis zehn Nanometer. Allerdings müssen die Proben auf transparenter Membranen vorbereitet werden, die sehr anfällig und schwierig zu handhaben sind. Präsentieren wir Ihnen Prozesse für die Herstellung von Proben mit magnetischen Mikro- und Nanostrukturen mit Spin Konfigurationen bilden Magnetische Wirbel für Lorentz Transmissions-Elektronenmikroskopie und magnetische Übertragung Röntgen-Mikroskopie Studien geeignet. Die Proben werden auf Silizium-Nitrid Membranen zubereitet und die Herstellung besteht aus einem Spin Beschichtung, UV- und Elektronenstrahl Lithographie, die chemische Entwicklung des Resists, und die Verdunstung des magnetischen Materials gefolgt von einem Lift-Off-Prozess bilden die endgültige magnetischen Strukturen. Die Proben für die Lorentz-Transmissions-Elektronenmikroskopie bestehen aus magnetischen Nanodiscs in einem einzigen Lithographie Schritt vorbereitet. Die Proben für die Transmissions-magnetische Röntgen-Mikroskopie dienen zur Zeitaufgelösten Magnetisierung dynamische Versuche, und magnetische Nanodiscs befinden sich auf einem Hohlleiter, die für die Erzeugung wiederholbare Magnetfeld Pulse verwendet wird, indem man ein elektrisches Strom durch den Wellenleiter. Der Wellenleiter wird in einem zusätzlichen Lithographie Schritt erstellt.

Abbildung 1 zeigt die Fotografien der Sünde Rahmen und Membranen für die MTXM und LTEM Microscopies verwendet. Abbildung 2 zeigt den Aufbau der 3D-Druck Adapter, die TEM Membran einfallenden während der Spin-Coating-Verfahren zu halten. Abbildung 3 zeigt die verschiedenen Schritte der LTEM Probenvorbereitung (nach der Resist-Entwicklung und nach dem Lift-Off-Verfahren) und das fertige Bild von der LTEM beobachtet. Abbildung 4 zeigt die Schaltpläne der vorbereitenden Maßnahmen für die Herstellung von Scheiben und der Wellenleiter auf der Sünde-Membran für die MTXM Zeitaufgelöste Experimente. Abbildung 5 zeigt der Endprobe MTXM, enthält die Scheiben auf einen Wellenleiter gelegt.

Ein Protokoll für die Herstellung von magnetischen Mikro- und Nanostrukturen mit Spin Konfigurationen bilden Magnetische Wirbel geeignet für Transmissions-Elektronenmikroskopie (TEM) und Röntgen-Mikroskopie (MTXM) Untersuchungen zur magnetischen Übertragung wird vorgestellt.

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

Electron and x-ray magnetic microscopies allow for high-resolution magnetic imaging down to tens of nanometers. However, the samples need to be prepared ...

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.

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Ingenieurwesen

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Herstellung von magnetische Nanostrukturen auf Silizium-Nitrid Membranen für magnetische Wirbel Studien mit Übertragungstechniken Mikroskopie (Video) | JoVE Journal

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

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