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ゆきさくまじ
5 years ago
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1 SPring-8 利用推進協議会先端磁性材料研究会第 3 回研究会パターン媒体の先端技術開発とナノ磁気イメージングからのアプローチ 2010 年 3 月 16 日顕微 XMCD 法によるパターン媒体の磁気特性評価近藤祐治, 千葉隆, 田口香, 有明順本多直樹鈴木基寛, 河村直己, 高垣昌史秋田県産業技術総合研究センター東北工業大学高輝度光科学研究センター /SPring-8 B. M. Zulfakri, 保坂純男群馬大学長谷川崇, 石尾俊二秋田大学

2 HDD の面記録密度ロードマップ 10 BPM (Bit Patterned Media) Energy-assisted Recording Shingled Write Recording Energy-assisted Write Recording + BPM Areal density (Tbit/in 2 ) LMR (Longitudinal Magnetic Recording) DTM (Discrete Track Media) PMR (Perpendicular Magnetic Recording) 研究レベル製品レベル Year IDEMA Japan の HP より参照

熱的に安定高密度化のトリレンマ飽和記録の確保 Hs 小熱安定性の確保 S/Nの確保 Ku

3 ビットパターン媒体 (BPM) 記録高密度化に伴って垂直記録においてもトリレンマの問題が発生 1 粒子を 1 ビットに対応させたパターン媒体記録磁化反転単位粒子体積の増大により書き易く熱的に安定高密度化のトリレンマ飽和記録の確保 Hs 小熱安定性の確保 S/Nの確保 Ku 大 D(V) 小グラニュラ媒体 1 ビットビットパターン媒体 (BPM) 一粒子のサイズは大きくなる

4 BPM の研究開発の現状媒体設計技術設計パラメータ飽和磁化異方性磁界異方性磁界分散ドット径 / ドット間隔 etc. BPM の磁気特性をフィードバックパターニング技術各種リソグラフィー自己組織化転写技術ドライ方式ウェット方式 etc. 作製技術現状のリソグラフィー技術は低スループット 10 µm 程度の試料磁気特性評価技術市販レベルの磁気評価装置 VSM 高感度(~10 SQUID -11 emu) MFM 定量性が必要評価不可能 SPring-8のmicro-XMCD を利用

5 目的ビットパターン媒体の設計指針の構築作製プロセス技術開発低ダメージプロセスの提案本プロセスの有効性の確認 ( ダメージの低減 ) 1 Tbit/in 2 級ドットアレイの作製磁気特性評価 (SFD 解析 ) micro-xmcd( ( 顕微磁気円二色性 ) による磁気特性評価

6 顕微磁気円二色性を用いた高感度微小磁力計高感度微小磁力計輸送部光源 : 真空封止型アンジュレータ分光器 : ニ結晶型エネルギー領域 :5~37 kev 分解能 E/E: Beamline: BL 39 XU in SPring-8 Electromagnet SDD detector K-B mirror optics Sample 末端部集光ミラー :K-B ミラー電磁石 :H max =12 koe@ ギャップ 6 mm 8 koe@ ギャップ 10 mm 試料ステージ : 角度可変 (0~90 deg) 検出器 : シリコンドリフト検出器

7 X 線ビーム径 X 線ビーム径 Irradiated area of focused X-ray Spot diameter 2.4 µm 10 µm 程度のパターン領域に比べて十分小さなビーム径を実現

FIB (Focused Ion Beam) 加工による BPM 作製 Process 1:

イオン加速エネルギー :30 : kev ビーム電流 :1 : pa プレカット基板

8 FIB (Focused Ion Beam) 加工による BPM 作製 Process 1: CoPt/underlayer deposition CoPt underlayer substrate Process 2: Direct patterning by FIB Focused Ga ion beam scanning イオン種 :Ga : イオン加速エネルギー :30 : kev ビーム電流 :1 : pa プレカット基板パターン領域未加工膜ドットアレイ 5 x 5 mm 2 8 µm ドット径 D= 70, 100, 150 nm 角

FIB 加工による BPM の磁気評価 Normalized XMCD (arb. units) 0.15 0.10 0.05 0.00-0.05-0.10-0.15 Film D=150 nm D=100 nm D=70 nm -4-3 -2-1 0 1 2 3 4 Applied field (koe) E=11.

9 FIB 加工による BPM の磁気評価 Normalized XMCD (arb. units) Film D=150 nm D=100 nm D=70 nm Applied field (koe) E=11.56 kev (Pt L 3 edge) 連続膜 100 nm 径ドット 1 µm ドット径小飽和磁化減少磁気的ダメージ? XMCD : I( E, H ) = I ( E, H ) I + ( E, H ) M cosθ 通常の磁気測定と符号が同じになるように, 通常の XMCD の定義と逆になっていることに注意

10 飽和磁化減少検証モデル Ga エッチングにより作製した磁性ドットは以下の二つの領域から成ると仮定 1. ドット中央部 (D center ) M center = M film 2. ドット周辺部 (D edge ) M edge = 0 ダメージ領域の見積もりモンテカルロシミュレーション Ion beam x D edge, D center (nm) D edge D center Dot size (nm) D edge ~ 13 nm N Ga ion 30 kev X (nm) 11 nm depth CoPt 膜実験で見積もった D edge と一致ドット周囲の磁化が消失したのは Ga イオンが打ち込まれたことが原因

11 1 Tbit/in 2 級 BPM 作製プロセス Ion beam z x CoPt 膜 Implanted width (nm) 10 1 Ar ion Implanted width 2000 Ar ion 200 ev Ion energy (ev) 1500 低ダメージプロセスの提案 N nm 低エネルギーイオンの利用打ち込み幅 :1 nm 以下イオンエネルギー :200 ev 以下 X (nm)

12 低エネルギー Ar + エッチングによる BPM 作製パターニングプロセス : 電子線描画 + Ar イオンミリングプロセス 1: 磁性膜の成膜プロセス 2: EBレジストのパターニング E-beam EB resist プロセス 3: Arイオンミリングによる磁性膜へのドット転写 Ar ion beam 磁性膜の特性膜構造 : Co 80 -Pt 20 (7 nm)/ru/pt/sub. H c 0.4 koe H k 7.7 koe M s 860 emu/cm 3 EB 描画条件加速電圧 :50 kv ビーム電流 : 50 pa 電子線レジスト : calixarene レジスト膜厚 : 15 nm 現像液 : o-xylene ミリング条件加速電圧 : 200 V ビーム電流 : 60 ma 照射角度 : 30 deg

13 エッチング前後のドット形状エッチング前エッチング後 100 nm 径 70 nm 径 20 nm 径

磁化曲線のドット径依存性 2007B 重点ナノテクノロジー支援課題の実験結果 Normalized XMCD (arb. units) 0.15 0.10 0.05 0.00-0.05-0.10-0.

14 磁化曲線のドット径依存性 2007B 重点ナノテクノロジー支援課題の実験結果 Normalized XMCD (arb. units) Film D=100 nm D=70 nm D=20 nm E=11.56 kev (Pt L 3 edge) 連続膜 20 nm 径ドットドット径が変化しても飽和磁化減少なし 1 µm Applied field (koe)

低エネルギー Ar + エッチング FIB の比較 Normalized XMCD (arb. units) 0.15 0.10 0.05 0.00-0.05-0.10-0.15 Film D=100 nm D=70 nm D=20 nm FIB 加工と比較 E=11.

15 低エネルギー Ar + エッチング FIB の比較 Normalized XMCD (arb. units) Film D=100 nm D=70 nm D=20 nm FIB 加工と比較 E=11.56 kev (Pt L 3 edge) 連続膜 Ar エッチングによる BPMのHc > 20 nm 径ドット 1 µm FIB 加工による BPMのHc Applied field (koe) 磁気異方性減少なし低エネルギーイオンによるエッチングでは, 磁性ドットの磁気ダメージを低減できる

16 保磁力のドット径依存性 Coerc civity (koe) Experiment Simulation result by Belle et al. マイクロマグネティクスシミュレーション計算パラーメータ t=20 nm M s =800 emu/cm 3 <H k >=8.0 koe σh k =15 % σθ=3 deg. spacing: 100 nm Dot diameter (nm) Belle らの研究 (B. D. Belle et al., J. Appl. Phys., 107, 09F517-1 (2007)) Co/Pt ドットエッチング条件 : イオンエネルギー 2 kev ドット径が小さくなるにつれて, 抗磁力は増大 ( 計算結果と一致 ) エッチングによる垂直磁気異方性エネルギーの低下も少ない

17 1 Tbit/in 2 級磁性ドットの SEM 像 Ar イオンミリング前 Ar イオンミリング後 25 nm ピッチ (1 Tbit/in 2 相当 ) 平均直径 <d> 17.3 nm 標準偏差 σ 1.17 nm 30 nm ピッチ (717 Gbit/in 2 相当 ) 平均直径 <d> 18.9 nm 標準偏差 σ 1.10 nm

18 MFM 像 AC 消磁状態での MFM 像 p=30 nm AFM 像と MFM 像を重ねた像 AFM 像 MFM 像個々のドットに対応した磁気信号を確認磁気的に孤立

19 30 nm ピッチドットアレイの磁気特性評価 XMCD intensity (Arb. units) SFD の要因 H k 分散配向分散磁性膜の物性 Switching probability (Arb. units) 50 0 ドット径分散ドット形状分散静磁気相互作用微細加工精度ドット間スペース Magnetic field (koe) <H SW >=6.0 koe σh SW =1.04 koe (σ) SFD σh SW /<H SW >~ 17 %

20 まとめ作製プロセス技術開発高エネルギー Ga イオンエッチングドット径とともにXMCD 強度が減少モデル解析の結果, ドット外周部に13 nm 程度の領域で磁化を消失モンテカルロシミュレーション解析の結果,11 nmのイオン打ち込みがある磁気的ダメージを低減するためには低エネルギーイオンの利用が有効低エネルギー Ar イオンエッチングドット径に依存せずXMCD 強度がほぼ一定高エネルギー Gaイオンにより作製したドットと比較すると,Hcが大きい低エネルギーイオンを用いることで, 磁化および磁気異方性エネルギーの低下を抑制できる. 1 Tbit/in 2 級のドットアレイ作製 SEM 観察ドット径平均 17~19 nm 程度, サイズ分散 1 nm 程度 MFM 観察個々のドットに対応した磁気信号を確認 micro-xmcdによる磁気特性評価 17 % 程度のSFDがあることがわかった

21 謝辞外部資金本研究の一部は科学研究費補助金( 若手研究 (B) 課題番号 ) NEDOグリーンITプロジェクトの補助により実施された. SPring-8 実験課題本研究は文科省先端大型研究施設戦略活用プログラム(2005B~2006B) 重点ナノテクノロジー支援課題(2007B~2009B) で行われた.

研究成果報告書

様式 C-9 科学研究費助成事業 ( 科学研究費補助金 ) 研究成果報告書平成 24 年 4 月 9 日現在機関番号 :4 研究種目 : 若手研究 (B) 研究期間 :2~2 課題番号 :2276224 研究課題名 ( 和文 ) 強磁性 - 反強磁性型二次元ナノ構造体におけるスピン配列の解明研究課題名 ( 英文 ) Study on spin arrangement in two dimensional