阳极氧化铝直接作为压印模具制备大面积磁性纳米结构的探索

摘要

我们已经探索了在Si晶片上制造的阳极氧化铝（AAO）的直接使用作为纳米压印光刻（NIL）的模具。AAO模具已经制造超过10厘米²具有两种不同孔径的区域 nm andnm。通过在AAO模具上涂一层薄SiO来改善其表面化学性质，克服了抗粘自组装单分子层(SAM)和AAO之间缺乏粘结的关键挑战之一₂层。然后我们将常用的硅烷基自组装单分子层(SAM)应用于这些硅氧化物₂-涂层AAO模具，并成功实现了具有特征尺寸的抗蚀柱的压印采用孔径为。nm的模具nm。最后，我们实现了面向L1的(001)_0.FePt图案结构，网点直径为 nm by using a AAO mold with a pore diameter ofnm。垂直H_C未加图案的FePt约为3.3 kOe，加图案的FePt约为12 kOe。这些结果表明，AAO模具具有广阔的应用前景。

1.介绍

纳米压印光刻技术(NIL)已经引起了极大的关注[1-6.]自1995年创新以来的纳米制造社区[7.]，并被认为是制造10纳米以下特性的下一代纳米制造工具[3.-5.］．NIL是一种高吞吐量和低成本的光刻技术，在许多新兴领域，如电子产品[8.]，光子学[9.，位模式媒体[10.那11.]，以及生物应用[12.］．位图案化介质是特别感兴趣的，因为它在增加磁数据存储设备中的面部密度时的电位[13.那14.］．模具(也称为模板或图章)是NIL的关键部分，它决定了后期在实际应用中的吞吐量和分辨率。通常用电子束光刻或聚焦离子束光刻，然后用反应离子蚀刻(RIE)进行图案转移。这些方法的高成本和低通量限制了NIL在研究和实际应用中制作大面积纳米图案的用处。因此，探索低成本和高强度的大面积模具的制造是必须充分发挥NIL的潜力。然而，到目前为止，在这个要求很高的领域，只有很少的作品被报道。Park等[15.通过使用涉及额外图案转移步骤的嵌段共聚物光刻来制造大面积模具。Kim等人。[2]和lee等人。[16.)使用的氧化铝膜充满碳和铝,分别,也涉及一些严厉的措施,如制造难以处理的阳极氧化铝膜由于其脆性性质,将与另一个刚性衬底的氧化铝膜,沉积的碳或铝、热处理、离子铣和化学腐蚀。

在本文中，我们演示了直接使用在硅片上制备的AAO作为模具，通过在AAO模具表面涂上一层薄的SiO来改变其表面化学性质₂层采用原子层沉积(ALD)。我们成功地制作了FePt纳米结构与nm特征尺寸超过1厘米²区域。我们开发的模具是高度经济的，并且可以轻松控制横向和垂直尺寸[17.那18.］．

2.实验程序

制作过程如图所示1（一种）-1(h).该过程包括两个主要过程:(i)制备不同孔径的AAO模具，在模具上涂一层薄的SiO₂，其次是SAM沉积和(ii)纳米印迹。

2.1。用不同孔径的AAO模具制备

首先，在4英寸厚的薄膜上沉积了一层1000 nm Al薄膜，下层是薄的Ti。〜10.2厘米)硅晶圆片的热蒸发(图1(a))。这个涂有铝膜的圆盘被切成薄片在磷酸和草酸中通过两步阳极氧化过程进行阳极氧化，如其他地方所述[18.-21.］．第一种阳极氧化在2.7wt％的草酸中在40V和160V下进行（H.₂C₂O._4.）和10wt％的磷酸（h_3.阿宝_4.）分别用于特定时间。随后，将样品浸入H的混合物溶液中_3.阿宝_4.（)和铬₂O._3.（）在70在特定时间内去除在第一次阳极氧化过程中形成的氧化铝膜，以获得高度有序的图纹铝表面。然后在与第一步相同的条件下进行第二次阳极氧化。在草酸和磷酸中进行阳极氧化分别提供较小和较大的孔间距离。然后在30°C下，在5%的磷酸溶液中进行扩孔处理。对用磷酸和草酸制备的阳极氧化铝经扩孔处理后的孔径进行了研究 nm and nm, respectively.

2.2。纳米印刷品

AAO模具被涂上了一层很薄的涂层〜2-3 nm siO.₂通过原子层沉积（ALD）技术，然后用常用的硅烷基SAM（庚二氟-1,1,2,2-四氢二乙烯基三氯硅烷）进行涂层（图1（b））。SiO的AAO的表面改性₂是直接使用AAO模具成功的关键。L1_0.-有序FePt (4nm)连续薄膜，具有Si/SiO薄膜结构₂/CrRu(30 nm)/Pt(3 nm)/FePt(4 nm)/Ru(3 nm)由Pt和Fe靶在350°C下在Si晶片上通过溅射生长(图)1（C））。然后通过旋涂（图）涂有纳便器-1050热抗蚀剂（图1（d））。然后通过使用纳米晶片BX200纳米喷壶在涂布热抗蚀剂的纳米氧化物BX200纳米粉末进行热纳米压印（图1(e))。进入AAO孔隙的抗蚀剂在脱模后仍保持柱状(图)1(f))。利用电阻柱作为蚀刻掩模，通过RIE和Ar离子铣削对FePt薄膜进行图形化处理(图)1(g))。通过在丙酮和RIE中化学蚀刻去除剩余的抗蚀剂柱，使FePt柱留在基材上(图)1（H））。用现场发射扫描电子显微镜（Fe-SEM）观察模具和印迹图案结构的表面形态。通过振动样品磁力计（VSM）和超导量子干涉装置（SQUID）测量图案化之前和之后的备用膜的磁性。通过X射线衍射仪（XRD）分析连续备用膜的晶体性能。

3.结果与讨论

我们从一个大孔径的模具开始。数字2(一个)显示磷酸中制造的AAO模具的SEM平面视图图像。插图显示了AaO孔径的分布。AaO孔的直径是nm。孔的深度从SEM横截面图像估计约400nm。改进AAO孔的排序和尺寸分布超出了通过优化阳极化参数来实现的本工作的范围[20.那21.］．数字2 (b)显示了使用如图所示的模具在硅晶片上印迹抗蚀剂的SEM图像2(一个)仅在没有任何SIO的情况下涂有SAM层₂涂层。压印是在350 psi, 175°C下进行3分钟。超过50%的抗蚀面积用模具剥落，以亮区为代表。虽然抗蚀剂仍然附着在衬底的其余部分，但没有观察到如插图中相应区域的高倍图像所示的特征。模具与抗蚀剂之间的摩擦和粘接问题是纳米压印技术面临的主要挑战之一。随着纳米结构尺寸的越来越小，表面体积比急剧增加，摩擦和粘着问题变得更加严重。当模具与涂有抗蚀剂的基材接触时，高的表面能产生大量的表面力。随着表面之间的相互作用，两个表面的形状发生变化，重新建立新的能量平衡状态，产生粘附。由于表面之间的粘附力，纳米系统产生很大的摩擦力，特别是在脱模过程中。在几个选项中[22.那23.据报道，硅烷基疏水性自组装单层（SAM），即“庚二氟-1,1,2,2-四氢二癸基三氯硅烷”，已作为最成功的润滑方法报告[23.］．如图所示，我们在AAO模具上直接使用这种基于硅烷的SAM并没有得到任何印痕2 (b)因为Al之间的键合较差₂O._3.和sam层。然后我们通过用非常薄的方式修改AAO模具的表面〜2-3 nm siO.₂ALD，然后在上面沉积SAM层。最终，我们实现了超过1厘米的优秀印痕²面积具有非常好的模具复制，如图所示2 (c)．即使是最小的特征也是清晰的印象也清楚地显示在图中的插图中2 (c)．印迹特征的直径为nm如图左插图所示2 (c)．压印抗蚀剂柱的直径略大于模具直径可以是由于SEM成像期间通过电子束膨胀的抗蚀剂。用SiO涂覆AAO模具₂膜层降低了模具的表面能，增强了与SAM膜层的结合，是成功压印的关键。

在SI晶片上实现具有大特征尺寸的抗蚀剂柱的成功印迹之后，我们专注于减少特征尺寸和制造L1的努力_0.FePt的结构。我们成长L1_0.-有序FePt (4nm)连续薄膜，具有Si/SiO薄膜结构₂/CrRu(30 nm)/Pt(3 nm)/FePt(4 nm)/Ru(3 nm)。FePt层是在350℃下由Pt和Fe靶材溅射而成。该FePt薄膜是旋转涂覆150纳米厚的热阻和图案使用AAO模具与纳米孔隙直径。

数字3（a）显示模具的平面图SEM图像。通过在草酸中阳极氧化Al膜以获得更小的孔径来制造该模具以获得更小的孔径[21.］．模具的面积约为1厘米²．模具中孔的直径是nm如图所示3（a），从SEM断面图像估计孔隙深度约为150 nm。压印是在350 psi, 175°C下进行3分钟。数字3（b）图中显示了FePt薄膜上印迹抗蚀矿柱的SEM截面图像，插图显示了抗蚀矿柱直径的分布。所述印迹抗蚀柱的直径为nm。如白色箭头所示，一些柱子的高度比其他柱子的高度要小。这可能是由于模具缺乏足够的平整度和初始抗蚀厚度不足。数字3（c）在去除残余层之后，示出了在Si晶片上的PEPT点的平面视图SEM图像并使用抗蚀剂柱作为蚀刻掩模将图案传送图案。扫描点的直径是nm。截点直径比模具的孔径小约45％以及作为印迹抗蚀剂柱的孔径小。由于RIE的残留层在残余层中，由于抗蚀剂柱的横向蚀刻，可能发生这种尺寸的减少。该尺寸减少还表明可以通过控制孔深度和残留层厚度来再次调谐印迹特征的尺寸。一些点，如图所示的黑色箭头所示3（c）几乎蚀刻掉，因为较小的掩模高度到它上，如图中白色箭头所示3（b）．结果，截点的密度比模具中孔的密度小一点。

数据4(一)和4 (b)显示了FePt连续膜的XRD谱图mh连续膜和图案化结构的环。图案中的连续备用薄膜的XRD图案表现出非常好的L1_0.FePt(001)纹理。FePt连续膜具有很好的垂直各向异性H_C为3.3 kOe，方形比约为统一，与XRD图中良好的(001)织构一致。在室温下用SQUID测量了FePt结构的磁性。该结构的垂直矫顽力约为12 kOe，约为连续膜的3.5倍。这H_C价值远低于MgO上的孤立的FeSt群岛[24.］．对于这个低值，可以考虑几种机制H_C图案化结构的值。首先，随着PT用作中间层的PT层和扫描层之间的界面，可以发生扩散。因此，界面处的组合物和开关场可以与另一部分不同。具有较小开关字段的界面处的近址可以与具有更大的开关字段的相邻部分耦合并减少H_C[17.那25.］．其次，再沉积效应可能会在柱的外表面添加一些无序的FePt。这种重新沉积的无序FePt可以作为成核位点，在低场下启动磁化开关，从而降低矫顽力[26.］．此外，离子铣削对FePt柱的边缘损伤也可能是导致FePt柱低熔点的原因之一H_C在模式FePt结构中[27.］．

4。结论

研究表明，在硅片上制备的阳极氧化铝(AAO)可作为纳米印迹的大面积模具。通过在AAO表面涂上一层非常薄的SiO，克服了模具和抗蚀剂之间的粘着问题₂层。此外，我们已成功制作L1_0.FePt图案结构纳米特征尺寸。通过对纳米印迹参数和模具平整度的优化，可为实际应用中制备特征尺寸较小、密度较高的磁性纳米结构开辟道路。

致谢

这项工作是由Insic的极高面积密度记录（EHDR）计划和国家科学基金会（NSF）MRSEC计划的部分支持。这项工作的一部分已经在纳米制造中心（NFC）和明尼苏达大学的特征设施中进行。作者们感谢Mark Fisher博士在明尼苏达大学NFC的Mark Fisher。

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