Realizzazione di strutture sub-micrometriche e studio delle loro proprietà magnetiche

PATTERNED MAGNETIC FILMS: FABBRICAZIONE E CARATTERIZZAZIONE

- P. Candeloro -

Negli ultimi decenni è stato rivolto un grande interesse verso matrici di wire, dot e antidot magnetici, sia per le loro potenziali applicazioni nei mezzi di registrazione magnetica, sia per lo studio di fenomeni in sistemi a dimensionalità ridotta. Comunque l’impiego di micro- e nano-strutture nei mezzi di registrazione ad alta densità di dati e nelle RAM non volatili non è banale: le piccole dimensioni laterali delle “isole” magnetiche e la loro ridotta distanza accrescono l’interazione dipolare fra essi, influenzando le loro proprietà statiche e dinamiche. Inoltre, rispetto al caso di un film continuo, si hanno alcuni effetti nuovi dovuti al confinamento laterale delle strutture, come ad esempio la quantizzazione delle onde di spin. Questi ultimi effetti sono interessanti anche da un punto di vista fondamentale.
In questo lavoro sono usate tecniche litografiche, Electron Beam Lithography (EBL) e X-Ray Lithography (XRL), per preparare matrici di strutture magnetiche sub-micrometriche con diversi materiali e geometrie. In particolare, con la litografia elettronica (EBL) sono state preparate matrici di dot quadrati e antidot triangolari di Permalloy (Fe20Ni80) e maschere per raggi X, mentre queste ultime sono state usate nella litografia X (XRL) per lavorare un film di Nichel e un multistratoand Co-Au. L’uso combinato di EBL e XRL ci ha permesso di lavorare film spessi con buone risoluzioni laterali: le dimensioni dei dot vanno da 2micron a 250nm e le loro spaziature da 4micron a 100nm, mentre gli spessori sono compresi fra 100Å e 350Å; tutte le aree lavorate sono (1x1)mm^2. Per la litografia elettronica dei dot quadrati e triangolari è stato usato un resist negativo amplificato chimicamente (SAL601); poi il disegno ottenuto sul resist è stato trasferito sul Permalloy mediante ion-milling. Per la fabbricazione delle maschere per raggi X (sempre con litografia elettronica) sono state usate delle membrane di nitruro di Si (Si3N4) spesse 100nm, depositate su un wafer di Si da 300micron e coperte con un base-plating di Cr-Au: per la litografia è stato usato un resist positivo amplificato chimicamente (UV III) e le strutture di resist sono state sfruttate come maschera per la crescita elettrolitica di 350nm di oro, al fine di ottenere un buon contrasto nella litografia X. Quest’ultima è stata eseguita con uno spesso (800nm) strato di resist SAL601 e con un processo RIE (Reactive Ion Etching) il disegno è stato trasferito dal resist sul film di Nichel e sul multistrato Co-Au.
Le proprietà magnetiche dei campioni prodotti sono state studiate mediante Microscopia a Forza Magnetica (MFM), Brillouin Light Scattering (BLS) e Effetto Kerr Magneto-Ottico (MOKE). In alcuni casi (dot quadrati di Permalloy), le misure MFM mostrano chiaramente la configurazione a domini e la loro evoluzione durante un ciclo di isteresi, mettendo in evidenza una debole interazione dipolare fra i dot; inoltre le misure BLS permettono di osservare la quantizzazione del modo Damon-Eshbach delle onde di spin. Mediante BLS, in tutti gli altri casi, si ottiene il fattore di demgnetizzazione delle strutture e si trova un buon accordo con i valori teorici attesi. Nel caso del multistrato Co-Au, che ha magnetizzazione perpendicolare, il confinamento laterale dei dot contribuisce a spingere la magnetizzazione fuori dal piano del film e questo fatto è rilevato dalle misure BLS. Infine, in tutti i casi, il paragone fra le misure MOKE del film continuo e quelle dei film lavorati, mette in evidenza forti effetti dovuti al confinamento laterale: nei dot di Nichel l’anisotropia magnetica del film è totalmente modificata dall’anisotropia di forma, a tal punto che la direzione di facile magnetizzazione del film continuo diventa la direzione difficile nel caso delle strutture confinate.