臺灣博碩士論文加值系統

本研究的主旨為探討鎳鐵鑄型元件的翻轉機制與形狀異向性間的關聯。我們製作了一系列不同幾何外形的鑄型元件，元件為直徑800 nm、厚度為30 nm的圓盤，並將圓盤製作一個大小不同一的刻痕，刻痕的深度寬度從100 nm至700 nm不等。樣品的製作方式使用電子束微影技術來定義元件外形，製程上搭配直流磁控濺鍍系統與舉離方法，製作成面積為100μm×100μm的鎳鐵鑄型元件陣列。樣品以磁光柯爾效應來測量磁滯曲線，觀察磁化強度如何隨外加磁場作變化。配合OOMMF模擬軟體，藉以改變不同的能量參數來尋找符合我們實驗使用的鎳鐵材料，並以此模擬軟體來了解元件內部的磁區結構及磁矩排列。實驗發現，依不同的外形可將樣品分為三個不同群組，每個群組內的磁滯曲線皆有相同的行為。小刻痕時具有的vortex state，其翻轉的機制藉由渦漩態核心的生成及推移來達成。大刻痕時呈現出的single-clock-wise state，其翻轉的機制主要為單磁區的同調性翻轉。第三個群組為介於上述兩者的transition state，其翻轉的機制同時存在渦漩核心的移動及形狀異向性的影響。所以在磁盤上製作刻痕所造成的影響因素，存在著形狀異向性、磁區間的聯結力、及漏磁場等。此研究結果將有助於磁儲存技術的高密度發展、或senser微型化的應用。

The relation between anisotropy and the magnetization switching in submicron-scaled NiFe (permalloy, Py) elements is the major matter in this study. For the purpose a new geometry in asymmetric disk is defined. The shape of the elements is like a fixed disk with different slots. The diameter and the thickness of the disks are 800 and 30 nm, and the size of the slots is from 100 to 700 nm. Slotted disk arrays are patterned out in an area of 100μm×100μm utilizing electron beam lithography and lift off techniques NiFe disks are deposited on Si (100) substrate by DC/RF high vacuum sputtering system. The hysteresis loops are measured by magneto-optical Kerr effect (MOKE) equipment in longitudinal configuration, and the external magnetic field is applied orthogonal to the direction of slot. The experimental results are compared with the simulations of Object Oriented MicroMagnetic Framework (OOMMF). We can classify the results into three groups according to the types of magnetization reversal, which are vortex state, transition state, and single-clock-wise state. When the slots are small, the so called vortex state is obvious in magnetization struction. In this case, the magnetization is switching by nucleation, annihilation, and propagation of vortex. When the slots are larger, single-clock-wise magnetization is stable in remnant state. In this case the shape anisotropy and the connection between domains are most factors which influence the magnetization reversal. The transition state demonstrates characteristics of the two states mentioned above. In a magnetization reversal of transition state, shape anisotropy from the boundary of the elements and the propagation of vortex dominate the magnetization switching. We have completed research which contains several basic types of magnetization reversal. This study is booster to magnetic storage cells or miniaturized sensor elements.

第一章 前言 …………………………………………………………… 1
1-1 磁阻式隨機記憶體(MRAM) ……………………………………… 2
1-2 鑄型磁性薄膜的發展 ……………………………………………… 3

第二章 磁學相關理論 ………………………………………………… 5
2-1 磁性物質與磁滯曲線 ……………………………………………… 5
2-2 磁矩翻轉中的相關能量 …………………………………………… 7
2-2-1 靜磁能 ………………………………………………… 8
2-2-2 交換能 ………………………………………………… 9
2-2-3 其他影響磁矩行為之能量 ………………………… 10
2-3 形狀異向性 ………………………………………………………… 11
2-4 磁光柯爾效應 ……………………………………………………… 13
2-4-1 磁光柯爾效應原理 …………………………………… 14
2-4-2 磁光柯爾效應與磁性量測 …………………………… 17
2-5 鐵磁性鑄型元件的研究與發展…………………………………… 19

第三章 實驗方法及製程 ………………………………………………… 23
3-1 實驗儀器 …………………………………………………………… 23
3-1-1 掃描式電子顯微鏡 …………………………………… 23
3-1-2 磁控濺鍍系統 ………………………………………… 25
3-1-3 磁光柯爾效應測量儀 ………………………………… 26
3-1-4 OOMMF微磁模擬軟體 ………………………………… 29
3-2 樣品的製作與測量 ………………………………………………… 33

第四章 實驗結果與討論 ………………………………………………… 35
4-1 實驗樣品之定義與製作 …………………………………………… 36
4-2-1 磁化結構翻轉型式的基本類型 ………………………… 37
4-2-2 元件之幾何外形影響磁化結構的翻轉 ……………… 47
第五章 結論 ……………………………………………………………… 57

圖2-1 磁性材料中，磁化強度M 與外加磁場H 之關係圖。…………… 6
圖2-2 去磁場影響磁性材料內部的磁區結構。………………………… 12
圖2-3 依磁化方向與入射角的幾何關係，MOKE 的三種測量方式。…… 15
圖2-4 (a)三種不同材質的覆蓋層Ta、SiN、和SiN，測量鈷鐵100nm 的
磁光訊號。(b)隨著增厚的金層材質覆蓋層，磁光訊號呈現衰淢
的趨勢。若覆蓋層為非金屬，則在某一條件下可測得最佳的磁光
訊。………………………………………………………………… 18
圖2-5 圖2-5 以鎳鐵鉬為材料製作的奈米圓盤，在不同厚度及直徑下呈
現的磁滯曲線。[14] ……………………………………………… 19
圖2-6 破壞幾何不對稱性，而達到控制渦漩的旋向[15]………………… 20
圖2-7 具有兩種不同深度的扇形截角，而其角度從45°至180°。由磁力
計顯微鏡可觀察出在殘磁態時的磁化結構，上下兩列顯著的不
同。[16]…………………………………………………………… 21
圖3-1 掃掃式電子顯微鏡之外觀(a)及內部構造(b)。 ………………… 24
圖3-2 為濺射時金屬沈積過程。………………………………………… 26
圖3-3 磁光柯爾效應之示意圖。………………………………………… 27
圖3-4 磁光柯爾效應測量儀之實際裝置照片。………………………… 29
圖3-5 mmLaunch 視窗圖示。……………………………………………… 30
圖3-6 mmProbEd 及內部Material Parameters 子視窗之圖示。……30
圖3-7 mmArchive、mmDisp、mmGraph、mmDataTavle 之視窗圖形。…32
圖4-1 (a)本實驗鑄型元件之幾何定義。其中w 為刻痕寬度，d 為刻痕深
度。外部及內部的虛線圓皆為正圓形 (b)實驗樣品之SEM 拍攝照
片。………………………………………………………………… 36
圖4-2 (a)以刻痕深度d 為150nm，寬度w 為100nm 為外形模擬的結果與
實驗值比較。(b) A 圖為正飽和態時之磁化結構。B 圖為正飽和
態進入漩渦態前之過渡態磁化結構。C 圖為漩渦態磁化結構。D
圖為負飽和態磁化結構……………………………………………… 39
圖4-3 (a)刻痕深度d 為400nm，寬度w 為300nm 為外形模擬的結果與實
驗值比較。(b)A 圖為正飽和態磁化結構，由於尖角部份垂直方向
的形狀異向性影響，磁矩略沿邊界排列。B 圖呈現穩定之U 型方
向之磁化結構。C 圖中可觀察到漩渦態核心的移
動。………………………………………………………………… 41
圖4-4 (a)以14 號sample 為藍圖進行模擬的結果。刻痕深度d 為
700nm，寬度w 為100nm。(b) A 圖為正方向之磁化結構，由於刻
痕兩邊強烈之形狀異向性影響，在刻痕兩旁的磁矩呈垂直方向排
列。B 圖中，在小外加場時元件兩邊的形狀約略近似兩個半圓，形成兩個漩渦態磁化結構。C 圖為漩渦之核心消失時的磁化結
構，連結兩半圓之磁區仍保持正向的磁化方
向。………………………………………………………………… 43
圖4-5 (a)以刻痕深度d 為700nm，寬度w 為350nm 為外形模擬的結果與
實驗值比較。(b)A 圖中內側磁矩因垂直性的形狀異向性，而沿著
邊壁排例。B 圖呈現彎曲方向的磁化排列。C 階段中，此結構被
形狀異向性釘扎住相當長範圍。D 則達到負方向的磁化結
構。………………………………………………………………… 45
圖4-6 以MOKE 量測到具有vortex state 行為之六個磁滯曲線，其樣品
條件編號方式為：樣品編號 刻痕深度(nm)-刻痕寬度(nm)。圖
形依序為1 號至6 號樣品，刻痕深度為150~300 nm，寬度為
100~400 nm。圖形左上角鑲入之小圖為6 號樣品之磁滯曲線，6
號樣品之刻痕深度為300nm，寬度為400nm。…………………… 47
圖4-7 以MOKE 量測到具有vortex state 行為之六個磁滯曲線，其樣品
條件編號方式為：樣品編號 刻痕深度(nm)-刻痕寬度(nm)。圖
形依序為7 號至12 號樣品，刻痕深度為400~500 nm，寬度為
100~400 nm。……………………………………………………… 49
圖4-8 以MOKE 量測到具有low switching rotation 行為一共七個樣
品，在此先列舉四個。其樣品條件編號方式為：樣品編號 刻痕
深度(nm)-刻痕寬度(nm)。圖形依序為16 號至19 號樣品，刻痕
深度為600~700 nm，寬度為100~200 nm。左上角鑲入之圖形為
樣品18 號與19 號之磁滯曲線，由此觀察出刻痕較大(樣品19 號)
表現出的磁滯曲線方正性較好。…………………………………… 51
圖4-9 以MOKE 量測到具有single-clock-wise state 行為之另外三個
磁滯曲線。其樣品條件編號方式為：樣品編號 刻痕深度(nm)-
刻痕寬度(nm)。圖形依序為13 號至15 號樣品，刻痕深度為500
nm，寬度為100~200 nm。………………………………………… 53
圖4-10 以MOKE 量測到具有high switching rotation 行為的四個樣品。
其樣品條件編號方式為：樣品編號 刻痕深度(nm)-刻痕寬度
(nm)。圖形依序為20 號至23 號樣品，刻痕深度為600~700 nm，
寬度為300~400 nm。……………………………………………… 54
圖4-11 在圓型鑄型鎳鐵圓上製作大小深度不一的刻痕，可得到不同的磁
矩翻轉型式。圖中靠近左方為vortex state 生成的區域，越靠
近右方越容易形成coherent rotation。中央若干區域為過渡型
態。………………………………………………………………… 55

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