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奈 米 磁 紀 錄

奈米科技概論 期中報告. 奈 米 磁 紀 錄. 學 生 : 林 志 哲 系 級 : 機 械 所 學 號 : N18971372. Outline. 奈米磁紀錄簡介 水平式與垂直式磁紀錄 磁紀錄媒體的製作 微結構與微磁性分析 結論. 奈米磁紀錄簡介. 在人類文明發展的歷程上，一直都有各式各樣的紀錄媒體產生，早期的竹簡、紙張，到近代資訊化社會下的錄音帶、錄影帶、軟與硬碟片、光碟片、記憶卡等，目前這些產品的發展上有四種技術在相互競爭，依照不同的紀錄方式分類為磁紀錄、光紀錄、磁光紀錄及半導體紀錄媒體，其中以磁紀錄媒體的需求為最

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奈 米 磁 紀 錄

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  1. 奈米科技概論 期中報告 奈 米 磁 紀 錄 學 生: 林 志 哲 系 級: 機 械 所 學 號: N18971372 National Cheng Kung University Micro Systems and Control Lab.

  2. Outline • 奈米磁紀錄簡介 • 水平式與垂直式磁紀錄 • 磁紀錄媒體的製作 • 微結構與微磁性分析 • 結論 National Cheng Kung University Micro Systems and Control Lab.

  3. 奈米磁紀錄簡介 在人類文明發展的歷程上，一直都有各式各樣的紀錄媒體產生，早期的竹簡、紙張，到近代資訊化社會下的錄音帶、錄影帶、軟與硬碟片、光碟片、記憶卡等，目前這些產品的發展上有四種技術在相互競爭，依照不同的紀錄方式分類為磁紀錄、光紀錄、磁光紀錄及半導體紀錄媒體，其中以磁紀錄媒體的需求為最 高，磁紀錄主要是針對硬碟機應用。 現今普遍硬碟機 一般儲存容量為幾百GB 微碟機(micro disk) 1956年 世界第一部IBM硬碟機 儲存容量為 5MB National Cheng Kung University Micro Systems and Control Lab.

  4. 電子控制系統 硬碟機結構 當磁碟高速轉動時，磁頭與碟面間的空氣會被帶動，而產生一層空氣潤滑層，並把磁頭輕微地推離碟面，使磁頭保持在碟面上高速飛馳。因為有磁碟轉動而產生的相對運動，磁頭只要在碟面保持不動，便可以讀寫一條圓形的磁軌。而磁頭讀寫另一條磁軌時，只要往碟中心或外緣移動一下便可以完成。 National Cheng Kung University Micro Systems and Control Lab.

  5. 磁性材料簡介 由靜磁理論可知介質中之磁場強度 (H) 與磁通密度 (B) ，磁化向量(M) 之關係 而當介質中的磁性為線性且各向同性時磁矩向量正比於磁場強度 其中χm稱為磁化率 (magnetic susceptibility)，可將上式改寫成 National Cheng Kung University Micro Systems and Control Lab.

  6. 磁性材料簡介 物質依照磁化率χm的正負及大小可以分為 1.反磁性：反磁性材料在沒有外加磁場的情況下，原子中電子的軌道運動 及自旋運動所產生的磁矩 (magnetic moment) 為零。另外因為角 速度微觀下的微擾運動會使的其產生一很小的磁矩且與外加磁場 反向，此類材料χm數量級為~-10− 5。常見材料為Bi、Cu、Pb、 Hg、Ge、Ag、Au。 2.順磁性：順磁材料電子軌道運動，及自旋運動並不會完全相抵消，其原 子及分子具有淨磁矩，且與外加場同向，但因排列過程受熱擾 動影響，因此磁性不高，此類材料之磁化率通常為極小的正值 數量級 ( 約為10-3 ~ 10 −5 )。常見材料為Al、Mg、Ti 及W。 3.鐵磁性：鐵磁性材料的磁化效應較順磁性物質大上好幾個數量級，其磁 性可用磁域 (磁疇) (magnetic domain) 理論解釋之。鐵磁性材料 中平均一個磁域包含約1015 ~ 1016個原子，縱使在沒有外加場作 用下，他們也擁有因原子磁偶極矩交互作用而排列整齊的磁 矩，並且一般相鄰磁域間以約100個原子寬組成的磁域壁 (domain wall) 作為分隔。常見材料為Fe、Co、Ni 等。 National Cheng Kung University Micro Systems and Control Lab.

  7. 磁性材料簡介 4.反鐵磁性：反鐵磁性材料其原子磁偶極矩間亦有很強的耦合力，但其耦 合作用結果卻使其電子的自旋以相反方向排列，其中相鄰原 子間為反磁矩。常見材料為過渡金屬鹽類及氧化物如： MnO、NiO、CoO等。 5.鐵氧磁性：鐵氧磁性又稱陶鐵磁性或亞鐵磁性，此類材料巨觀磁性與鐵 磁性相類似，但其磁化率較弱；另外其微觀磁性排列則較似 反鐵磁，因其次晶格(sub-lattice) 的磁矩不相等無法完全抵 消。常見材料為鐵酸鹽類MO.e2O3⋅ ，其中M 可為Mn、Ni、 Fe、Co、Mg 等。 National Cheng Kung University Micro Systems and Control Lab.

  8. 水平式磁紀錄 寫入方面：是利用電磁感應原理，銅線圈纏繞磁鐵合金芯，當有寫入電流 通過銅線，合金芯就會產生磁場，在芯中製造一細小缺口，磁 場便能夠被引導到芯外，從而到達磁碟面，完成寫入的動作。 訊號讀取方面：由巨磁阻(GMR)磁頭運用巨磁阻自旋閥原理，讀取磁頭受 感應磁場後所生之感應電流，再依編碼原理定義為“1”或 “0”的資訊位元。 National Cheng Kung University Micro Systems and Control Lab.

  9. 巨磁阻自旋閥(GMR spin-valve) 磁阻(MR)：定義為外加磁場作用下之電阻值與零場下電阻值之差值 與零場下電阻值之比值 而巨磁阻因其電阻值的變化隨外加磁場的增加可達30%以上，故稱為巨磁阻(GMR)。 National Cheng Kung University Micro Systems and Control Lab.

  10. 常磁電阻 (OMR) 非磁性金屬在外加磁場中表現的電阻，成因是金屬導電電子在外加磁場下運動時，受到勞倫茲力 (Lorentz force)的作用 使電子感受到一個與運動方向垂直的力 ( 如下圖所示 )，進而開始作螺旋運動 ( 當運動方向與磁場非垂直時 )。隨著外加磁場愈大，運動的螺旋圓弧半徑愈小，電子行走的路徑增加，相對的也增加了被散射的機率。這種機制一般在非磁性金屬材料中被觀察到，其電阻隨外加磁場增加而增加，故稱之為常磁阻 (OMR)。 National Cheng Kung University Micro Systems and Control Lab.

  11. 異向性磁電阻 (AMR) 1857 年Lord Kelvin 在磁性金屬中有發現一種磁阻現象，與勞倫茲力所引起的常磁阻有相當大的差異。而後研究發現這種異向磁阻在磁資訊儲存方面有相當大的應用。磁性金屬材料，如鐵、鈷、鎳及其合金等，由於電子自旋磁矩的關係，傳輸電子所遇到的環境與在一般金屬中有相當大的差異。過渡金屬的磁性主要是由於原子外層d 軌域的電子而來，由於電子自旋 - 軌道角動量耦合 (spin-orbital coupling) 以及晶格對稱性的影響，造成d 軌域的電子不但因電子自旋向上與自旋向下而有能量的差異，亦使電子在不同的方向傳輸運動也會有能量差異。 除材料本身因素外，異向磁阻會與磁化量M 及量測電流I 之夾角θ 有關 而 為最大磁阻變化量。 National Cheng Kung University Micro Systems and Control Lab.

  12. 異向性磁電阻 (AMR) 異向性磁阻有方向性， 當θ= π/2 時的電阻為 R 1(H)， 而當θ=0時電阻為R 2(H)，因此其電阻大小與磁化量和電流方向夾角有關，故稱為異向性磁阻(AMR)。 異向磁阻效應 National Cheng Kung University Micro Systems and Control Lab.

  13. 異向性磁電阻 (AMR) 當AMR 讀取頭通過一磁紀錄媒體時其電流受磁化向量 作用而偏向。單一磁性材料中AMR 的大小最多只有2% ~ 3%，故其靈敏度有限。 異向磁阻工作示意圖 National Cheng Kung University Micro Systems and Control Lab.

  14. 穿隧磁電阻 (TMR) 穿隧磁阻 (TMR) 多層膜採用兩個磁性層間夾著數個原子厚的絕緣層的構造。這主要是由於在室溫下，具有高MR 比值的穿隧磁阻多層膜被開發出來。目前主要使用的絕緣層仍以鋁氧化膜為主，下圖為一TMR 的基本結構 ── 兩鐵磁金屬中間夾以氧化鋁的絕緣層，並於上下製作電壓電流的外接電極。氧化鋁的絕緣層的製作好壞是TMR 樣品成功與否之關鍵。 National Cheng Kung University Micro Systems and Control Lab.

  15. 穿隧磁電阻 (TMR) 當上下兩個磁矩平行時，導電率最高，電阻最小；上下磁矩反平行時 ，電阻最大。由此推算出的磁阻應是穿隧磁阻在選定兩電極材料後，實驗上所能達到的上限。若以最大電阻 為參考點，可得 其中P1 ,P 2分別代表兩個電極的極化率 (polarization)。 實用上，TMR 膜 的電阻值需降低到可與元件中其它器件匹配。雖然絕緣層變薄，電阻值 就隨之下降，但令人困擾的是，TMR 值也常隨之下降而導致靈敏度降 低。世界上各重點研發單位都致力於開發如何降低電阻值到實用範圍而 又能維持高TMR 比值的鋁氧化技術。 National Cheng Kung University Micro Systems and Control Lab.

  16. 巨磁阻自旋閥(GMR spin-valve) 當電子通過第一層鐵磁性薄膜時，電子將被鐵磁層極化成單一 自旋電子，當兩層鐵磁層磁化方向相反時(a)，自旋電子會產生自旋 相依散射，而使電阻較大；當兩層鐵磁層磁化方向相同時(b)，自旋 電子很容易的通過第二鐵磁層，故電阻較小，此即為巨磁阻之簡化 原理。 National Cheng Kung University Micro Systems and Control Lab.

  17. 巨磁阻自旋閥示意圖 1.自由層(free layer)：由易磁化之軟磁材料所構成，易受外加磁場而改變磁化方向， 與固定層形成磁化方向平行或反平行。常用材料有NiFe合金。 2.中間夾層(spacer)：為非鐵磁性材料，目的為於無外加磁場時，讓上下兩鐵磁層因 產生偶合作用而呈磁化方向反平行。常用有Cu與Ag。 3.固定層(pinned layer)：被偏壓層固定磁化方向之鐵磁性材料，目的為與自由層形成 磁化方向平行或反平行。常用之材料有金。 4.偏壓層(biasing layer)：為固定pinned layer磁化方向之反鐵磁性材料。常用之材質有 磁氧化物(NiO, CoO)等。 National Cheng Kung University Micro Systems and Control Lab.

  18. 水平式磁紀錄 寫入電流因其對於位元的寫入為磁場的有無，因此可示其為方波；而讀取電壓則為磁頭受感應磁場後所生之感應電流提供，可示為突波訊號；而轉入電腦中之訊號則依編碼原理定義為“1＂或“0＂的訊號。 National Cheng Kung University Micro Systems and Control Lab.

  19. 水平式紀錄媒體的去磁效應及紀錄媒體之超順磁效應水平式紀錄媒體的去磁效應及紀錄媒體之超順磁效應 水平式紀錄媒體會受到去磁效應的影響而無法有更小的紀錄位元，此現象以下圖表示 ── 兩紀錄位元晶粒間的磁矩 (M) 在介面處形成磁極，而磁場方向不同的紀錄之磁粒子在其相鄰區域間會產生各向磁異向能(anisotropy Energy, Ku)，這現象就像是磁鐵同級相互排斥的力。而磁極又產生與磁矩方向相反的磁場，稱之為去磁化場(Hd) 。 National Cheng Kung University Micro Systems and Control Lab.

  20. 水平式紀錄媒體的去磁效應及紀錄媒體之超順磁效應水平式紀錄媒體的去磁效應及紀錄媒體之超順磁效應 磁粒子所具有的磁能是Ku與晶粒體積(V) 的乘積，它會受外部熱能(KBT) 的影響，其中KB為波玆曼常數，T 為絕對溫度，在不考慮晶粒間其他交互作用下，可將平均一磁粒子的能量 (E )表示如下： 其中 National Cheng Kung University Micro Systems and Control Lab.

  21. 水平式紀錄媒體的去磁效應及紀錄媒體之超順磁效應水平式紀錄媒體的去磁效應及紀錄媒體之超順磁效應 另外，當Ka 隨著體積縮小而變得太小，直到磁域位障壁能量強度 小到僅需室溫所產生KBT 就能翻轉時，儲存資料便不再能夠被保存，因此造成所謂的不穩定現象(此即所謂之超順磁效應)，影響磁性紀錄媒體的資料讀取與寫入，如下圖所示。理論上超順磁效應在紀錄單元直徑大約10 奈米時會顯現出來。 National Cheng Kung University Micro Systems and Control Lab.

  22. 垂直式磁紀錄 磁光碟片的寫入：是利用半導體雷射作為入射光來加熱磁碟表面所需寫入資 訊的位元部分，當此位元點的磁性物質加熱到接近居禮溫 度時，因為磁化強度值幾乎為零，此時可利用外加磁場改 變此位元點的磁性，在磁性物質冷卻之後，新的磁極性(即 紀錄位元)就會保留下來。 居禮溫度：代表著物質由鐵磁性轉變為順磁性的溫度。鐵磁性的物質在居禮 溫度之下具有自發性磁化的現象，在沒有外加磁場的狀況下，就 具有磁性。 National Cheng Kung University Micro Systems and Control Lab.

  23. 垂直式磁紀錄 磁光碟片的讀取：原理是利用一線性偏振光入射至磁性材料表面後，其經表面反射 回來的光束將產生偏轉而形成橢圓偏振光(即磁光柯爾效應) 。而 此入射光遇到不同表面磁化方向，會產生不同方向偏移的柯爾旋 轉角( )，由此判定便可讀取紀錄於磁光碟片上的磁極資料， 並編碼成“1＂或“0＂的資訊位元。 National Cheng Kung University Micro Systems and Control Lab.

  24. 基板清洗 塗佈PMMA光阻劑 電子束蝕刻所製作之遮罩 曝光顯影 濺鍍金屬 舉離PMMA 磁紀錄媒體的製作 光微影術及電子束蝕刻 缺點：光微影術的光源因隨著元件尺度之縮小光波在光罩圖案邊緣產 生複雜 的繞射作用，理論上光學微影技術的極限不會小於0.1 微米太多。 而電子束來曝光較光學曝光面積有限且時間花費較 長，以致產能(throughput) 非常小，是其致命傷。 National Cheng Kung University Micro Systems and Control Lab.

  25. 磁紀錄媒體的製作 奈米壓印奈米轉印 優點：1.快速、低成本的特性。 2.製程能力已達25 奈米 以下，甚至有望降至 10 奈米以下。 National Cheng Kung University Micro Systems and Control Lab.

  26. 磁紀錄媒體的製作 奈米球自組織蝕刻 奈米結構自組織：是利用較弱鍵結或方向性較低的氫鍵、凡得瓦爾鍵及弱離 子鍵等非共價鍵，經由其整體協調作用，將原子、離子或 分子連結在一起。基於特定化學作用的影響，自我組織可 以控制溶液中奈米粒子間的交互作用與結構。 基板清洗 塗佈奈米球 沉積金屬薄膜 化學溶液舉離奈米球 缺點：不易獲得大面積無缺陷的結構 National Cheng Kung University Micro Systems and Control Lab.

  27. 結合半導體微製造與自我組織的奈米元件製作 結合成熟的半導體微製造技術進行基礎結構的製程，再輔以局部區域自我組織的奈米元件製作。舉例說明，先以光微影蝕刻將基板蝕刻出具有溝槽的圖樣，再將此基板置入溶有奈米高分子球的溶液中，慢慢地把水分去除，此時奈米球會嵌入溝槽之中以自組織排列成形，以獲得奈米結構。 National Cheng Kung University Micro Systems and Control Lab.

  28. 自我組織的奈米元件製作 奈米球蝕刻可藉由不同成長條件下之控制，使蝕刻圖樣作不同的改變，藉以成長奈米環，奈米線等蝕刻結構。 National Cheng Kung University Micro Systems and Control Lab.

  29. 微結構與微磁性分析 接觸式之原子力顯微鏡 利用探針之針尖與待測物表面之原子力交互作用，使非常軟之探針臂產生偏折，此時用特殊微小之雷射光照射探針臂背面，被探針臂反射之雷射光以二相之光電二極體 ( 雷射光相位偵撿器 ) 來紀錄雷射光被探針臂偏移之變化。將此訊號經由電路計算，回饋至掃瞄裝置上，來控制探針與待測物之相對位置。若此時探針與待測物之間做相對之X 及Y 軸掃瞄，則系統可得到X、Y、Z 三軸之訊號。將此X、Y、Z 三軸之訊號處理後，即可得到待測物表面之立體影像。Contact mode AFM 與材料表面之作用力約10−6至10−9牛頓。 National Cheng Kung University Micro Systems and Control Lab.

  30. 微結構與微磁性分析 非接觸式之原子力顯微鏡 Non-contact mode 之探針有共振振動，探針振幅可調整而與材料表面有間歇性輕微跳動接觸。非接觸式模式下AFM 與材料表面之作用力約為10− 12牛頓。在非接觸式使用下AFM 探針下壓力量可視為一種彈性作用，比較不會對z方向造成永久性破壞。但缺點是對試片表面材質與潔淨度較接觸式要求更為嚴格。因此在選擇掃除模式應對試片表面特質先有了解，如此才可得到最佳的掃瞄結果。另外MFM 也是使用AFM 非接觸 式模式的矽探針，但在探針表面上加鍍上CoCr 磁性薄膜。 National Cheng Kung University Micro Systems and Control Lab.

  31. 微結構與微磁性分析 磁力顯微鏡(MFM)：其原理是先以磁性探針採輕敲式操作模式求得樣品表面 高度變化(路徑一)，接著再將探針拉起一高度，使探針 沿著路徑一的軌跡作第二次掃瞄(路徑二)，此時探針與 表面維持固定距離(即提起的高度)，然後紀錄探針振動 頻率、相位或振動因磁力產生的變化，以量取磁力影像。 National Cheng Kung University Micro Systems and Control Lab.

  32. 微結構與微磁性分析 由於MFM 可於量測時利用電磁鐵外加場，因此可針對變磁場下之磁域作分析討論。如左圖中，磁場由 (a) 到 (f) 從1400 Oe 到1900Oe 以間隔100 Oe 的變化所作之MFM 量測，可發現隨著磁場量值的增加而反白 ( 亦即磁矩翻轉 ) 的蝕刻區域也慢慢的增加，表示隨著磁場的增加磁區的磁矩也漸漸表現翻轉至同一方 向。 National Cheng Kung University Micro Systems and Control Lab.

  33. 微結構與微磁性分析 另外，此圖則是利用奈米球蝕刻製成的Co/Pt 陣列。左上圖為表面結構與右下圖為磁力作用，結合後產生左下圖的磁力顯微振幅圖。而右上圖為左下之反差圖。AFM 加上MFM 提供我們奈米微結構與微磁區之高解析量測。 National Cheng Kung University Micro Systems and Control Lab.

  34. 結 論 • 隨著資訊科技的進步及未來多媒體技術需求的提高，高密度磁紀錄媒體的供給成為必然之趨勢，而結合奈米薄膜及奈米蝕刻製程方法，來提高磁性薄膜的紀錄密度，以成為今日資訊產業待突破的技術，相信奈米磁紀錄更廣泛之應用將是指日可期的 目標。 National Cheng Kung University Micro Systems and Control Lab.

  35. Thank you for your attention!! National Cheng Kung University Micro Systems and Control Lab.

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