Magnetische Nanoanalytik: Spinabhängige Abbildung
Halbleiterbauelement-Analytik: Rasterkapazitätsmikroskopie und -Spektrokopie
Optische Nanoanalytik: Nahfeldmikroskopie und -Spektroskopie
Nanoanalytik organischer Systeme: Kryo-Rasterkraftmikroskopie

Magnetische Nanoanalytik: Spinabhängige Abbildung

Verbundpartner:
Zentrum für Mikrostrukturforschung, Universität Hamburg
FOCUS GmbH, Hünstetten-Görsroth
Gesellschaft für systembezogene Technologieentwicklung mbH, Mainz
IFW Dresden

Motivation

Die fortschreitende Entwicklung der Spinelektronik und magnetischen Speichertechnologie benötigt verläßliche Analysemethoden zur Abfrage des Magnetisierungszustandes der nanoskaligen Bits oder Einzelelemente in einem größeren Array (z.B. MRAM). Insbesondere zur effizienten Qualitätskontrolle ist die möglichst schnelle Erfassung von vielen Einzelelementen bzw. die Charakterisierung dynamischer Vorgänge (Schaltverhalten) nötig, was zwingend eine parallele Bilderfassung erfordert. Zur genauen Analyse von Defektstrukturen in einzelnen Elementen ist dagegen höchste laterale Auflösung unumgänglich. Das Projekt soll zwei vielversprechende Lösungsansätze dieser Probleme unter Verwendung spinabhängiger Abbildungsverfahren verfolgen, die sich einerseits durch schnelle Bilderfassung bei hohem magnetischem Kontrast und andererseits durch höchste Ortsauflösung auszeichnen.

Die beiden Verfahren sind die spinpolarisierte Elektronenemissionsmikroskopie und die spinpolarisierte Rastertunnelmikroskopie. Durch vergleichende Untersuchungen der gemessenen Spinpolarisation in Funktion von externen Parametern (Temperatur, Magnetfeld, elektrische Spannung) an identisch präparierten Testproben sollen beide Verfahren für die zeitlich und räumlich höchstaufgelöste Charakterisierung magnetischer Nanostrukturen optimiert werden.

Im Gegensatz zu bisher bereits etablierten Methoden der magnetischen Abbildung erlaubt die spinpolarisierte Rastertunnelmikroskopie eine Charakterisierung bis zur atomaren Skala, während die spinpolarisierte Elektronenemissionsmikroskopie eine hohe zeitliche Auflösung dynamischer Vorgänge ermöglicht. Unter Kombination beider Verfahren soll eine einzigartige magnetische Nanoanalytik für die Qualitätskontrolle und Qualitätssicherung magnetischer Speicher und Bauelemente bereitgestellt werden.

Zielsetzung

Magnetisch sensitive Elektronenemissionsmikroskopie- sowie Rastersondenverfahren sollen in Bezug auf Sensitivität, Auflösung und Geschwindigkeit der Bilderfassung verbessert werden, um magnetische Charakterisierungen von z.B. Domänen- und Domänenwandeigenschaften, die die Entwicklung technisch relevanter Speichermedien signifikant beschleunigen können, in einem möglichst frühen Prozeßstadium effizient durchzuführen.

Nach Aussagen von Vertretern führender Industriefirmen im Bereich magnetischer Datenspeicher sind schon jetzt Bitgrößen im Bereich von 20nm (!) in Industrielabors realisiert worden. Es liegt daher auf der Hand, daß zur Charakterisierung und Qualitätskontrolle zukünftig eine Ortsauflösung besser als 2 nm gefragt sein wird. Dies kann aus heutiger Sicht nur mittels spinpolarisierter Rastertunnelmikroskopie (SPSTM) erreicht werden. Andererseits ist für die Untersuchung dynamischer Vorgänge eine hohe Zeitauflösung erforderlich, welche nur mittels paralleler Bilderfassung realisiert werden kann, wie dies im Falle der spinpolarisierten Doppelreflexions-Elektronenemissionsmikroskopie (SP-DREEM) möglich ist. Mit beiden Meßverfahren läßt sich eine magnetische Nanospektroskopie mittels spinpolarisierten Elektronen sowie die Abbildung magnetischer Nanostrukturen durchführen.

Da in größeren Arrays (z.B. MRAM) Temperatureffekte das Schaltverhalten jedes einzelnen nanoskaligen Einzelelementes signifikant beeinflussen können, sollen in diesem Projekt die Experimente bei variabler Temperatur durchgeführt werden. Durch die weitere Möglichkeit, während der Messungen ein externes Magnetfeld anzulegen, kann ferner dessen Einfluß auf das Magnetisierungsverhalten bestimmt werden. Des weiteren ist für das Verständnis von TMR-Effekten (insbesondere in Bezug auf Bias- und Materialabhängigkeiten) eine vergleichende Studie zwischen oxidischen und Vakuumtunnelbarrieren unerläßlich. Erste Untersuchungen hierzu zeigen, daß der TMR-Effekt im Falle von Vakuumbarrieren unter Ausnutzung stark spinpolarisierter Oberflächenzustände wesentlich erhöht werden kann. Von industrieller Relevanz ist auch die daran anschließende Bestimmung des Einflusses von Verunreinigungen ("impurity-assisted tunneling") auf den Vakuum-TMR-Effekt.

Während der gesamten Laufzeit dieses Projekts ist geplant, vergleichende Untersuchungen zur gemessenen Spinpolarisation zwischen SPSTM und SP-DREEM durchzuführen. Hierzu sollen vergleichende Messungen an identisch präparierten Testproben sowie an industriellen Proben in Hamburg und Mainz vorgenommen werden.

Die Quantifizierung von SPSTM/PEEM/SP-DREEM-Daten (Focus GmbH, GST mbH, Universität Hamburg) an ausgewählten, industriell relevanten Testobjekten sowie die Korrelation zu anderen abbildenden Verfahren wie Magnetkraftmikroskopie MFM (Universität Hamburg) und Kerr-Mikroskopie (IFW Dresden) soll die Qualitätssicherung und –verbesserung für magnetische Speichermedien und zukünftige Bauelemente der Spinelektronik absichern.

Durch die theoretische Beschreibung der Kontrastmechanismen (Universität Hamburg), die in diesem Projekt für die Abbildung der magnetischen Strukturen dienen, wird die technologische Weiterentwicklung der spinabhängigen Meßverfahren zusätzlich unterstützt werden.