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磁性奈米鑄型結構 文/張家旗、張怡甄、陳哲勤、洪連輝、吳仲卿 奈米鑄型磁膜結構的實現與研究，除了印證微磁學的理論，同時在磁性儲存、磁性記憶體(例如磁阻式隨機 存取記憶體，MRAM)及磁場感測方面具有很大的應用價值。本文主要探討奈米磁性薄膜製程，與分析在研發及 可能量產的現況發展。並且由微磁學的理論，探討不同尺度鑄型磁性薄膜的磁區結構及其翻轉行為。其中，形 狀異向性扮演一個非常重要的機制，也就是說不同形狀之鑄形磁性薄膜，具有截然不同的磁區結構穩定態和翻 轉機制。 一、前言 Measurement) [18-19] 、磁力顯微術(Magnetic Force Microscopy, MFM) [20-22] 、 微 磁 學模 擬 由於奈米結構製作技術的進步，人們對磁學的探 (Micromagnetic Simulation) [9]等，都被廣泛的應用在 究不再停留在塊材或大面積薄膜，進而拓展了對微小 微小鑄型磁膜元件的研究上。 鑄型磁性薄膜的研究領域，而且不同形狀的鑄形薄 膜，基於形狀異向性的支配，其磁區結構會有所不 多年來，半導體製程技術的成熟，對鑄型磁膜的 同，甚至磁矩翻轉的行為也會有截然不同的機制。簡 研究，提供了一個入門技術。其中，光微影技術可以 單的說，形狀決定了鑄型薄膜的磁特性，包括殘磁態 提供小至次微米尺度的結構製程，兩百奈米以下則需 及磁矩翻轉機制等。而直到目前為止，幾乎所有的幾 要電子束微影的支援，圖一為本實驗室製作之三十奈 何形狀的鑄型磁性薄膜都被研究過，例如，矩形[1] 、 米直徑（六十奈米間距）金屬點陣列。而近年來的發 兩端漸尖形 [2-3] 、橢圓形[4-5] 、圓形[6-8] 、環狀形 展，逼進十奈米或更小的結構製程更已不是難事。只 [9-12]等等。尤其，當鑄型元件縮小至奈米尺度時， 是電子束微影製程有其先天性的困難，也就是低產量 其特性更是值得探究的問題。事實上，此領域的發 (low throughput)的限制。然而，科學界也不斷的克服 展，除了探討微磁學的物理機制外，在磁性紀錄及磁 技術瓶頸，尤其奈米壓印技術的開發已逐漸成熟。圖 場感測的潛在應用面，更是驅使人們投入此研究的主 二是普林斯頓大學電機系的研究群最近發表的 4 奈米 要原動力。 線寬 、14 奈米間距的壓印成果[23] 。當然此技術需要 多道繁複的製程，在未來實際的應用面，仍然需要進 二、製程與檢測技術 一步的努力，惟在科技的發展歷程上，可以算是使未 來奈米元件製程露出一線矚光。 奈米鑄型磁膜的研究需要製程技術及磁特性檢 測。基本上，前者的發展已成熟多年，尤其光微影及 電子束微影技術在半導體工業使用已久，而後者在近 十多年也有長足的進展，舉凡穿隧式電子顯微儀 (Transmission Electron Microscopy) [13] 、磁光柯爾效 應(Magneto-Optical Kerr effect, MOKE) [14] 、超導量 子 干 涉 儀 (Superconducting Quantum Interference Device, SQUID) [15] 、 掃 描 式 霍 爾 探 針 顯 微 術 1 µm (Scanning Hall Probe Microscopy, SHPM) [16] 、(Local Hall effect, LHE) [17] 、磁阻量測