Abscheiderate h¨angt neben anderen Parametern auch von der Gr¨oße der Kathode, also der Fl¨ache auf der abgeschieden wird, ab. Deshalb weist der Probenhalter f¨ur die Elektrolyse eine im Vergleich zu den Strukturen große Referenzfl¨ache aus Metall auf, auf der ebenfalls Material abgeschieden wird. Dadurch wird die Abscheiderate praktisch unabh¨angig von den Details der Strukturen auf der Probe und ist im wesentlichen durch die Referenzfl¨ache bestimmt.
Der Hauptvorteil der elektrolytischen Abscheidung liegt in der Erreichbarkeit großer Aspektverh¨altnisse (Strukturh¨ohe zu den lateralen Abmessungen) der Me-tallstrukturen, wie sie durch thermisches Verdampfen und Lift-off-Verfahren nicht realisierbar sind, da man die freigelegten Stellen im Lack nicht bis zur Oberkante mit Material f¨ullen kann. Dabei kommt dem Verlauf der Lackflanken der entwickelten Strukturen eine besondere Bedeutung zu, da die elektrolytisch abgeschieden Struktu-ren eine Art Abguss der ¨Offnungen im Lack darstellen. Durch geeignete Lacksysteme, Belichtungs- und Entwicklungsparameter lassen sich nahezu senkrechte Lackflanken erreichen (vergleiche Abbildung 4.14).
Zur Abscheidung von Permalloy (Py, weichmagnetische Nickel-Eisen-Legierung) wurde in der vorliegenden Arbeit ein so genannter Wolfscher Elektrolyt verwendet [63, 64]. Durch Variation der Fe++ Ionen-konzentration im Elektrolyten und durch die Stromdichte bei der Abscheidung l¨asst sich das richtige Verh¨altnis zwischen Nickel und Eisen einstellen. Bei der elektrolytischen Abscheidung wurde auf die Erkenntnisse und Erfahrungen der Arbeiten von Werner Breuer und Marcus Zenger zur¨uckgegriffen [63, 64,65].
4.2 Herstellung der Proben f¨ ur die Mikro-Hall-Magnetometrie
Die Schritte f¨ur die Herstellung der Proben f¨ur die Mikro-Hall-Magnetometrie wur-den bereits ausf¨uhrlich in den Vorg¨angerarbeiten zu dieser Thematik von D. Schuh [62], M. Rahm [66] und J. Stahl [67] vorgestellt. Deshalb wird in diesem Ab-schnitt nur ein knapper ¨Uberblick ¨uber die Prozessierung der Hallstrukturen ge-geben. In einem ersten Schritt werden auf etwa 5×5mm2 großen Waferst¨ucken des 2DEG-Materials mit Hilfe von optischer Lithographie und nasschemischem ¨Atzen 15 Multihallbar-Mesastrukturen hergestellt (siehe Abbildung4.6 a) und b) ).
Anschließend werden an den breiten Enden der Strukturen (Bondpads) ohm-sche Kontakte einlegiert. Die weitere Prozessierung bezieht sich auf die f¨unf etwa 10×10µm2 großen, kreuzf¨ormigen Strukturen, die sich im zentralen Bereich der ge¨atzten Struktur befinden (siehe Abbildung 4.6 c) ). In einem n¨achsten Schritt werden zun¨achst diese Kreuze weiter eingeschr¨ankt, so dass die eigentlichen Hall-sensoren mit lateralen Abmessungen von einigen hundert Nanometern entstehen.
Dies wird mit Hilfe von ESL und anschließendem reaktiven Ionen- ¨Atzen (RIE) oder chemisch unterst¨utztem Ionenstrahl- ¨Atzen (CAIBE) erreicht (siehe Abbildung4.7).
Abbildung 4.6: In einem ersten Schritt bei der Herstellung der Proben f¨ur die Mikro-Hall-Magnetometrie werden Mesastrukturen mittels optischer Kontakt-Lithographie angefertigt. Teil-bild a) zeigt den Layer der entsprechenden Maske im ¨Uberblick. Mit dieser Maske werden 15 Multihallbar-Strukturen gleichzeitig auf Waferst¨ucke mit Abmessungen von etwa 5×5mm2 be-lichtet. In Teilbild b) ist eine einzelne dieser Multihallbars vergr¨oßert dargestellt, wobei die vier pe-ripheren Kreuze als Justiermarken f¨ur die nachfolgenden optischen Lithographischritte dienen. Die Strukturen stellen f¨ur die weitere Prozessierung eine eng zusammenliegende Doppelkreuzstruktur (Ausschnitt b), rechts) sowie f¨unf Kreuzungen mit 10µm breiten Balken entlang eines zentralen Strompfades (Ausschnitt b), links und Ausschnitt c)) zur Verf¨ugung. An den breiten Enden der Strukturen k¨onnen ohmsche Kontakte erzeugt werden, die groß genug sind (etwa 70×100µm2), um außerdem als Bondpads f¨ur die sp¨atere Kontaktierung der Probe zu dienen (vergleiche dazu Abbildung4.16).
Da das 2DEG in GaAs/AlGaAs-Heterostrukturen an den Materialgrenzen verarmt, entstehen auf diese Weise Sensoren mit abgerundeten Ecken, deren aktive Fl¨achen deutlich kleiner sind als ihre geometrischen Abmessungen. Je nach dem verwendeten Material, dem eingesetzten ¨Atzverfahren und der Messtemperatur kann die Breite ld der Verarmungszone 250nmoder mehr betragen. Insbesondere Sch¨adigungen, die beim Ionenstrahl¨atzen in der N¨ahe der ¨Atzflanken hervorgerufen werden, f¨uhren zu sehr großen Verarmungsl¨angen. Nasschemisches ¨Atzen ist dagegen bez¨uglich der Ver-armung des 2DEGs das schonendste Verfahren. Jedoch kann mit dieser Methode das Verrunden von Eckenradien aufgrund der Isotropie des ¨Atzprozesses nicht vermieden werden. Als Kompromiss zwischen den Extremen haben sich die beiden genannten Verfahren (RIE und CAIBE) bew¨ahrt, dennoch ist es auch mit diesen Methoden not-wendig, die tats¨achlichen Grenzen f¨ur die minimal erreichbaren Strukturgr¨oßen in Abh¨angigkeit vom Material und der Strukturgeometrie jeweils konkret zu ermitteln.
In den ge¨atzten Fl¨achen der Einschr¨ankungen des Hallkreuzes in Abbildung4.7 sind malteserkreuz-f¨ormige Justiermarken aus Gold zu erkennen. Diese dienen zur Orientierung bei der Repositionierung, wenn in einem weiteren ESL-Schritt der Nanomagnet auf den Sensor aufgebracht wird. Ein ausgefeiltes Repositionierungs-verfahren erlaubt es mit dem eLitho-Programm verschiedene, aufeinander folgende ESL-Schritte lagerichtig aneinander auszurichten (siehe Abbildung 4.8). Dazu wird nach dem erneuten Einbau der belackten Probe in das REM zun¨achst ein Bild
auf-4.2 Herstellung der Proben f¨ur die Mikro-Hall-Magnetometrie 63
Abbildung 4.7: Die mittels optischer Lithographie hergestellten Kreuze der Multihallbar (ver-gleiche Abbildung 4.6) werden mit Hilfe der ESL weiter eingeschr¨ankt, so dass die eigentlichen Hallsensoren mit lateralen Abmessungen von meist deutlich weniger als einem Mikrometer entste-hen. Bei der in der Abbildung gezeigten Struktur (REM-Aufnahme, unter60◦ verkippt) wurde das Lackmuster durch chemisch unterst¨utztes Ionenstrahl¨atzen auf die Heterostruktur ¨ubertragen. In den ge¨atzten Fl¨achen der Einschr¨ankungen sind malteserkreuz-f¨ormige Lift-off-Justiermarken zu erkennen, die zur Repositionierung beim Aufbringen des Nanomagneten dienen (siehe Abbildungen 4.8und4.9). Zur Repositionierung k¨onnen grunds¨atzlich alle Strukturmerkmale mit bekannten Ko-ordinaten herangezogen werden, deshalb wurde im Verlauf der Arbeit auf die Justiermarken ganz verzichtet und die magnetischen Strukturen nur noch anhand der ¨Atzkanten der Mesa repositio-niert.
genommen, um die Lage der bereits vorhandenen Struktur zu ermitteln. Die Auf-nahmezeit soll dabei m¨oglichst kurz gehalten werden, da ja auch beim Scannen f¨ur die Bildaufnahme der Lack bereits merklich belichtet werden kann. Gegebenenfalls muss die bei der Bildaufnahme aufgebrachte Dosis bei der anschließenden Belich-tung der Struktur ber¨ucksichtigt werden. Dies ist m¨oglich, da sich f¨ur die meisten Belichtungsprozesse sukzessive aufgebrachte Dosen einfach addieren. Wenn die Vor-belichtung aufgrund besonderer Gegebenheiten zu groß werden w¨urde, etwa bei sehr dicken Lacken, bei denen sich aufgrund der Streuung im Lack meist sehr verrausch-te Bilder ergeben, oder bei sehr kleinen Bildabmessungen, kann auf eine maskierverrausch-te Bildaufnahme zur¨uckgegriffen werden. Diese erlaubt es in bestimmten Bereichen in-nerhalb des quadratischen Bildbereiches den Elektronenstrahl auszutasten, so dass bei der Bildaufnahme beispielsweise nur der Bereich in unmittelbarer N¨ahe der Ju-stiermarken bestrahlt wird.
Mit Hilfe des Mauszeigers kann im aufgenommen Bild die tats¨achliche Position der Marken bez¨uglich des Scan-Systems (Ist-Position) ermittelt werden. Durch Ver-gleich der Ist-Position mit den angegebenen Koordinaten der entsprechenden Marken im Struktur-Koordinatensystem (Soll-Position) kann das Programm die erforderli-chen Manipulationen (Drehung und Verschiebung) errechnen, um die zu schreibende Struktur an die richtige Stelle zu belichten. Dieser Prozess ist flexibel zu
konfigurie-Abbildung 4.8: Bei sukzessive aufeinander folgenden ESL-Prozessen ist es meist erforderlich die einzelnen Schreibschritte lagerichtig zueinander auszurichten. Dieser Vorgang wird h¨aufig als Repositionierung oder Alignment bezeichnet. F¨ur gew¨ohnlich wird dazu die Zielposition grob mit dem Tisch angefahren und dort ein Bild aufgenommen, auf dem Strukturmerkmale mit bekannten Koordinaten zu erkennen sind. Mit Hilfe des Mauszeigers k¨onnen die Positionen dieser Merkmale im aktuellen Scan-Systems ausgelesen werden. Durch Vergleich dieser Ist-Position mit den angege-benen Soll-Koordinaten der Marken kann das Programm die zur lagerichtigen Positionierung der Struktur erforderlichen Manipulationen berechnen. Auf diese Weise ist eine zielgenaue Belichtung der nachfolgenden Strukturen m¨oglich.
ren (beliebig viele Marken, mehrstufig, bevorzugte Manipulation) und l¨auft w¨ahrend der Belichtung weitgehend automatisch ab. Der einzige erforderliche Benutzerein-griff im Verlauf der Belichtung ist das Anklicken der Justiermarken im eingezogenen Bild. Dennoch k¨onnen alle Parameter w¨ahrend des Ablaufes interaktiv den aktuellen Gegebenheiten angepasst werden.
4.2 Herstellung der Proben f¨ur die Mikro-Hall-Magnetometrie 65
Abbildung 4.9: Diese REM-Aufnahme zeigt eine fertig strukturierte Sonde f¨ur die Mikro-Hall-Magnetometrie, die aus der selben Probenserie stammt wie die in Abbildung4.7gezeigte Struktur.
Hier ist jedoch im Zentrum des Kreuzes bereits die zu vermessende Nickel-Scheibe im Lift-off-Verfahren platziert worden.
Da zur Repositionierung grunds¨atzlich alle Strukturmerkmale mit ausreichendem Kontrast im REM und bekannten Koordinaten herangezogen werden k¨onnen, wurde im weiteren Verlauf der Arbeit meist ganz auf ESL-Justiermarken verzichtet und die magnetischen Strukturen wurden anhand der ¨Atzkanten der Mesa repositioniert. Auf diese Weise k¨onnen zuverl¨assig Repositionierungs-Genauigkeiten von etwa 20nm erreicht werden (vergleiche dazu auch [67]). Diese Genauigkeit ist hier auch durch den Mikroskoptisch begrenzt, da eine Abweichung in dieser Gr¨oßenordnung schon allein durch die mechanische Drift des Tisches zu erwarten ist. Abbildung 4.9 zeigt ein Hallkreuz auf dem eine Nickel-Scheibe mit diesem Verfahren platziert wurde.
In vielen F¨allen wurde vor dem Aufbringen der Nanomagneten fl¨achig ¨uber den Kreuzungsbereich eine etwa 10nmdicke Gate-Elektrode aus Gold gedampft, mit der es durch Anlegen einer Spannung w¨ahrend der Messungen m¨oglich ist, die Ladungs-tr¨agerdichte des 2DEG im Bereich der Hallsonden etwas zu ver¨andern. Dadurch k¨onnen die Transporteigenschaften der Sonden bez¨uglich ihrer Eignung als Magnet-feldsensor optimiert werden. Bei elektrolytisch abgeschiedenen Magneten war das Aufbringen des Gates ohnehin f¨ur die Elektrolyse erforderlich, so dass die Gate-Elektrode in diesen F¨allen sogar eine doppelte Funktion ¨ubernehmen konnte.
Die fertig strukturierten Multihallbars werden abschließend durch Ritzen und Brechen vereinzelt und in Chipcarrier geklebt. Nachdem durch Bonden mit d¨unnen Golddr¨ahten eine leitf¨ahige Verbindung zwischen den Steckkontakten des Chipcar-riers und den Kontaktpads der Probe hergestellt wird, ist es bequem m¨oglich, die Probe in den Probenstab f¨ur die Messung im Kryostaten einzubauen.