WO2018043173A1 - プローブおよびその製造方法 - Google Patents

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麗 保原
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国立大学法人東京大学
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    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01R—MEASURING ELECTRIC VARIABLES; MEASURING MAGNETIC VARIABLES
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    • G01R33/20—Arrangements or instruments for measuring magnetic variables involving magnetic resonance
    • G01R33/28—Details of apparatus provided for in groups G01R33/44 - G01R33/64
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    • H01L29/00—Semiconductor devices specially adapted for rectifying, amplifying, oscillating or switching and having potential barriers; Capacitors or resistors having potential barriers, e.g. a PN-junction depletion layer or carrier concentration layer; Details of semiconductor bodies or of electrodes thereof ; Multistep manufacturing processes therefor
    • H01L29/66—Types of semiconductor device ; Multistep manufacturing processes therefor
    • H01L29/82—Types of semiconductor device ; Multistep manufacturing processes therefor controllable by variation of the magnetic field applied to the device

Definitions

  • the present invention relates to a probe and a manufacturing method thereof, and more particularly to a probe for inspecting a spin device and a manufacturing method thereof.
  • the spin device since it is necessary to pass a current through the spin device, the spin device is limited to those formed of a conductor.
  • the measured voltage since a current is passed through the spin device, the measured voltage includes a voltage caused by the current, and it becomes difficult to measure the voltage caused by the spin current. Therefore, it is desired to inject the spin current while suppressing the current flow into the spin device.
  • the probe of the present invention and the manufacturing method thereof provide a probe capable of injecting a spin current while measuring the current flow into the spin device and measuring the spin pressure of the spin device.
  • the probe of the present invention and the manufacturing method thereof employ the following means in order to achieve the main object described above.
  • the probe of the present invention comprises A probe used for testing a spin device, A substrate formed of an insulator or a semiconductor, a first layer formed of a conductive magnetic material, and a second layer formed of a conductive nonmagnetic material are stacked in this order on the tip. And The second layer is formed to have a predetermined thickness that is predetermined as a thickness that is thinner than the relaxation of spin. This is the gist.
  • the probe of the present invention includes, at the tip, a substrate formed of an insulator or a semiconductor, a first layer formed of a conductive magnetic material, and a second layer formed of a conductive nonmagnetic material. Are stacked in this order.
  • the second layer is formed to have a predetermined thickness that is predetermined as a thickness that is thinner than the relaxation of spin.
  • a current is passed between the first layer and the second layer, a current flows in the interface between the first layer and the second layer, and the current direction and the magnetization direction of the magnetic material are in the vicinity of the interface of the second layer. Corresponding spin accumulation occurs and spin pressure is generated.
  • the second layer is formed to a predetermined thickness.
  • a spin current can be injected from the second layer into the spin device by passing a current between the first layer and the second layer with the second layer at the tip of the probe being in contact with the spin device. it can.
  • this spin current is injected, it is not necessary to pass a current through the spin device.
  • the second layer at the tip of the probe is brought into contact with a spin device in which a spin pressure is generated, current is generated at the interface between the first layer and the second layer by spin diffusion, and the first layer and the second layer An electromotive force is generated between At this time, since the flowing current is proportional to the spin pressure, the spin pressure of the spin device can be measured by measuring the current.
  • spin device refers to a device that operates using charges and spins possessed by electrons.
  • the second layer may be formed so as to have a thickness not more than twice the spin relaxation length of the nonmagnetic material.
  • the magnetic substance may be any one of Ni, Co, Fe, Gd, FeNi alloy, permalloy, mu metal, samarium cobalt, Nd, Al—Ni—Co, and ferrite.
  • the nonmagnetic material is Cu, Ag, Al, Au, Pt, Rh, Pd, Ir, Ru, Os, Al—Cu, Cu—Sn, Cu—Au, or Cu—Be. It may be either one of them.
  • a third layer formed of a conductor having a higher electric conductivity than the conductive magnetic substance may be provided between the substrate and the first layer.
  • the conductor may be any one of Cu, Ag, Al, and Au.
  • the method for producing the probe of the present invention comprises: Used for inspection of a spin device, a substrate formed of an insulator or a semiconductor at a tip, a first layer formed of a conductive magnetic material, and a second layer formed of a conductive nonmagnetic material Are stacked in this order, and the second layer is formed to have a predetermined thickness that is predetermined as a thickness that is thinner than the relaxation of spin.
  • a magnetic layer is formed of a conductive magnetic material on at least a part of the surface of a substrate formed of an insulator or a semiconductor, and a conductive non-conductive layer is formed on the magnetic layer.
  • a substrate on which a magnetic layer and a non-magnetic layer are formed by forming a non-magnetic layer with a magnetic material so that the thickness becomes a predetermined thickness that is predetermined as a thickness that is thinner than the relaxation of spin. Is divided at the portion where the magnetic layer and the non-magnetic layer are laminated.
  • spin device refers to a device that operates using two degrees of freedom of charge and spin of electrons.
  • the high conductor layer is formed on the surface of the substrate with a conductor having a higher electrical conductivity than the conductive magnetic body, and then the high conductor layer.
  • the magnetic layer may be formed thereon.
  • the third step includes changing the substrate on which the magnetic layer and the non-magnetic layer are formed by stealth dicing or cleaving to the magnetic layer and the non-layer. You may divide
  • FIG. 4 is an enlarged view of a distal end portion 20a of the probe 20. It is the schematic which shows the outline of the side surface which looked at the front-end
  • FIG. It is explanatory drawing for demonstrating the structure of the model 70 of the front-end
  • model 70 it is explanatory drawing which shows the result of the simulation of distribution of a spin polarization rate when an electric current is sent between the 1st layer 24 and the 2nd layer 26 in the state which does not contact the 2nd layer 26 with a sample. . It is explanatory drawing which shows the result of the simulation of distribution of the spin polarization rate in the model 70 when the model 70 in which the accumulation
  • FIG. 1 is a schematic view showing an outline of an end face of a probe 20 as an embodiment of the present invention.
  • FIG. 2 is an enlarged view of the distal end portion 20 a of the probe 20.
  • FIG. 3 is a schematic diagram showing an outline of a side surface of the tip portion 20a viewed from the direction A in FIG.
  • the probe 20 is formed of Si (silicon), and a first layer 24 and a second layer 26 are laminated in this order at the tip of a long plate-like substrate 22 as a whole. Has been.
  • the first layer 24 is made of Ni (nickel) so as to have a substantially rectangular shape with a thickness of 100 nm, a length L1 in the longitudinal direction of 40 ⁇ m, and a length L2 in the short direction of 10 ⁇ m.
  • the first layer 24 is disposed on the surface of the substrate 22 so as to be along the end side 22 b of the substrate 22.
  • the second layer 26 is formed of Cu (copper) so as to have a substantially rectangular shape with a predetermined thickness D2, a longitudinal length L3 of 40 ⁇ m, and a lateral length L4 of 10 ⁇ m.
  • the predetermined thickness D2 is a thickness that is determined in advance through experiments and analysis as a thickness that is thinner than that in the second layer 26 where spin is relaxed, and is about twice or less the spin relaxation length of Cu. . In the embodiment, the predetermined thickness D2 is 100 nm.
  • the second layer 26 is arranged so that one end thereof overlaps one end of the first layer 24 along the end side 22 c that is substantially perpendicular to the end side 22 b of the substrate 22.
  • the tip 20a of the probe 20 has a structure in which the substrate 22, the first layer 24, and the second layer 26 are laminated.
  • FIG. 4 is an explanatory diagram showing a state when the current source 30 is connected to the probe 20.
  • a current source 30 is connected to the first layer 24 and the second layer 26 and a current is passed between the first layer 24 and the second layer 26, a current flows at the interface between the first layer 24 and the second layer 26.
  • Flowing Since Ni is a magnetic material and Cu is a non-magnetic material, when a current flows through the interface between the first layer 24 and the second layer 26, the direction of the current and the Ni Accumulation of spin according to the direction of magnetization occurs to generate spin pressure.
  • the second layer 26 is formed to have a predetermined thickness D2, that is, a thickness that is thinner than the relaxation of spin in the second layer 26. Therefore, the first layer 24 and the second layer 26 in a state where the surface 26a of the second layer 26 where the first layer 24 and the second layer 26 of the tip 20a of the probe 20 are laminated is in contact with the spin device. , A spin current can be injected from the second layer 26 into the spin device.
  • FIG. 5 is an explanatory diagram for explaining the configuration of the model 70 of the tip 20a for simulating the state of the spin current in the probe 20.
  • the model 70 models the tip 20a of the probe 20 of the embodiment, and has the same dimensions as the tip 20a.
  • the x-axis and y-axis of the arrows indicate the directions of the x-axis and y-axis in FIGS. 6 to 8, respectively.
  • a two-fluid model that handles spin as two types of charges is used.
  • Ni has a spin diffusion length of 3 ⁇ 10 ⁇ 9 m, a spin polarization rate of 0.23, and a resistivity of 6.99 ⁇ 10 ⁇ 8 ⁇ m.
  • Cu has a spin diffusion length of 1 ⁇ 10 ⁇ 6 m, a spin polarization of 0, and a resistivity of 1.68 ⁇ 10 ⁇ 8 ⁇ m.
  • FIG. 6 shows a simulation result of the distribution of spin polarization when a current is passed between the first layer 24 and the second layer 26 in a state where the second layer 26 is not in contact with the sample in the model 70. It is explanatory drawing. In the model 70, as shown in the figure, when current is passed between the first layer 24 and the second layer 26, spin accumulation occurs.
  • FIG. 7 is an explanatory diagram showing the results of a simulation of the distribution of spin polarization in the model 70 when the model 70 in which spin accumulation occurs is brought into contact with the sample.
  • FIG. 8 is an explanatory diagram showing the result of a simulation of the distribution of voltage generated in the model 70 when the model 70 in which spin accumulation occurs is brought into contact with the sample.
  • the vertical axis indicates the voltage generated at the tip 20 a when a current of 1 mA is passed between the first layer 24 and the second layer 26.
  • the model 70 spins in the range of about 1 ⁇ m are injected into the sample in the plane direction.
  • a range of about 1 ⁇ m in the plane direction that is, a relatively wide range of spins flows into the sample. Therefore, even when the current density at the interface between the first layer 24 and the second layer 26 is small, the model 70 is large.
  • a spin current can be injected into the sample.
  • FIG. 8 it turns out that the voltage disturbance which generate
  • FIG. 9 is an explanatory diagram showing a state in which it is verified that a spin current is being injected from the probe 20 into the spin device.
  • the current source 30 shown in FIG. 4 is connected to the probe 20, but the current source 30 is not shown.
  • a thin wire 40 having a thickness of 100 nm, a length in the longitudinal direction of 90 ⁇ m, and a length in the short direction of 1 ⁇ m is used as the spin device.
  • the ambient temperature is set to 7K
  • the current 26 is 1 mA between the first layer 24 and the second layer 26 of the probe 20 with the surface 26a of the second layer 26 of the tip 20a of the probe 20 being in contact with the thin wire 40.
  • the voltage Vs and current Is generated in the thin line 40 are detected by the terminals 50 and 52, and the angle ⁇ of the resistor Rs obtained by dividing the voltage Vs by the current Is flowing in the thin line 40 (the length of the first layer 24). The dependence of the angle between one side of the direction and the thin wire 40 was measured. The angle ⁇ is changed by rotating the thin wire 40 with the probe 20 fixed.
  • FIG. 10 is a graph showing a measurement result of the dependency of the resistance Rs on the angle ⁇ .
  • the resistance R shows a sin curve with respect to the angle ⁇
  • the reverse spin Hall effect is generated, that is, the spin current is injected from the probe 20.
  • the second layer 26 Spin current can be injected into the spin device.
  • the spin current it is not necessary to pass a current through the spin device. Therefore, the spin current can be injected while suppressing the current from flowing into the spin device. Further, it is not necessary to pass a current to the spin device, and a spin current can be injected even when the spin device is formed of an insulator.
  • FIG. 11 is a flowchart showing an example of the manufacturing flow of the probe 20.
  • a Ni layer 62 made of Ni (nickel) is formed on a substrate 60 made of Si (silicon) (step S100).
  • FIG. 12 is an explanatory diagram for explaining the state of the substrate 60 after performing the process of step S100.
  • the Ni layer 62 is formed by depositing Ni (nickel) having a thickness of 100 nm on the substrate 60, and using the EB lithography method, the length in the longitudinal direction is twice the length L1 in the central portion of the substrate 60, and the short direction. Is formed in a substantially rectangular shape twice as long as the length L2.
  • FIG. 13 is an explanatory diagram for explaining the state of the substrate 60, the Ni layer 62, and the Cu layer 64 after performing the process of step S110.
  • Cu (copper) is deposited so that the thickness becomes a predetermined thickness D2, and the longitudinal direction is 90 degrees with respect to the longitudinal direction of the Ni layer 62 at the central portion of the substrate 60 by using the EB lithography method.
  • the length in the longitudinal direction is twice as long as the length L3, and the length in the short side direction is twice as long as the length L4.
  • FIG. 14 is an explanatory diagram for explaining a state after the substrate 60 is divided in the step S120.
  • the probe 120 injects a spin current into the spin device by flowing a current between the first layer 24 and the second layer 26, or the spin pressure of the spin device is changed to the first layer 24. , And can function as a probe that measures the voltage or current between the second layers 26.
  • the tip portion 20a is provided with the substrate 22, the first layer 24 formed of Ni, and the thickness D2 made of Cu (thickness thinner than the relaxation of spin). And the second layer 26 formed in this order are stacked in this order, so that the spin current can be injected and the spin pressure of the spin device can be measured while suppressing the current from flowing into the spin device.
  • a simple probe can be provided.
  • the Ni layer 62 is formed on the surface of the substrate 60 formed of Si, and a part of the Ni layer is formed on the surface of the substrate 22 on which the Ni layer 62 is formed.
  • a Cu layer 64 having a predetermined thickness D2 is formed of Cu so as to overlap with 62, and the Ni layer 62 and the Cu layer 64 are formed on the substrate 22 on which the Ni layer 62 and the Cu layer 64 are formed by a stealth dicing apparatus. Is divided at the stacked portions. Thereby, the probe 20 can be manufactured.
  • the first layer 24 and the second layer 26 are laminated on the end of the long plate-like substrate 22, but the substrate 22, the first layer 24, and the second layer 26 are stacked on the tip 20 a of the probe 20. Since a laminated structure with two layers 26 may be formed, for example, the length of the substrate 22 in the longitudinal direction in FIG. 1 is set to the length L1, and the substrate 22, the first layer 24, and the second layer 26 are laminated. May be attached to the end of another long plate-like member.
  • the substrate 22 on which the Ni layer 62 and the Cu layer 64 are formed is divided by a stealth dicing apparatus at a portion where the Ni layer 62 and the Cu layer 64 are laminated.
  • the method of dividing the substrate 22 on which the Ni layer 62 and the Cu layer 64 are formed at the portion where the Ni layer 62 and the Cu layer 64 are laminated is not limited to that using a stealth dicing apparatus. Any method may be used as long as it is a method of dividing the portion where the Ni layer 62 and the Cu layer 64 are laminated, such as cleavage.
  • the first layer 24 and the second layer 26 are formed in a substantially rectangular shape, arranged so that one end portion thereof overlaps one end portion of the first layer 24, and the distal end portion of the probe 20.
  • a spin current is injected into the spin device by passing a current through the first layer 24 and the second layer 26 with the surface 26a of the second layer 26 of 20a in contact with the spin device.
  • a potential gradient is generated on the surface 26a of the second layer 26, and a local current is generated in the spin device due to the potential gradient.
  • the second layer 226 formed of Cu is formed in a substantially L shape, as in the distal end portion 220a of the modified example of the probe 220 illustrated in FIGS.
  • a first layer 224 formed of Ni may be disposed between the portion being formed and the substrate 22, and a current may flow between the first layer 224 and the substantially L-shaped ends of the second layer 226. Since the current flows through the second layer 226 from two directions, the first layer 224 and the second layer 226 are stacked as compared with the probe 20 in which current flows from the one direction to the second layer 26. It is possible to further reduce the potential gradient in the portion. Thereby, when the surface 226a of the 2nd layer 226 is made to contact a spin device, it can suppress that an electric current flows into a spin device locally.
  • the modified example of the probe 320 is formed on the substrate 60 with Cu (copper), Ag (silver), Al (aluminum), Au (gold), or the like in the process of step S ⁇ b> 100. What is necessary is just to manufacture by forming the Ni layer 62, after forming the high conductor layer which has the electroconductivity whose electric conductivity is higher than the magnetic body which forms the 1 layer 224.
  • the second layers 26 and 226 are formed so as to partially overlap the first layers 24 and 224.
  • the first layers 24 and 224 and the second layers The layers 26 and 226 may be formed in the same shape so that all of the second layers 26 and 226 overlap the first layers 24 and 224. In this case, wirings for connecting the first layers 24, 224, the second layers 26, 226 and the current source 30 may be provided.
  • the substrate 22 is formed of Si, but may be formed of other semiconductors or insulators.
  • the first layers 24 and 224 are made of Ni, but may be formed of any conductive magnetic material, for example, Co (cobalt), Fe (iron), Gd (gadonium), FeNi alloy, permalloy, mu metal, samarium cobalt, Nd (neodymium), Al—Ni—Co, or ferrite may be used.
  • the second layers 26 and 226 are made of Cu, but any other non-magnetic conductive material may be used.
  • the present invention can be used in the probe manufacturing industry.

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Abstract

プローブでは、先端部に、絶縁体または半導体により形成される基板と、導電性の磁性体により形成される第１層と、導電性の非磁性体により形成される第２層と、がこの順で積層されており、第２層は、厚さがスピンが緩和するよりも薄い厚さとして予め定められた所定厚さとなるように形成されている。そして、第１層と第２層とが積層されている部分をスピンデバイスに接触させた状態で第１層と第２層との間に電流を流すことにより、第２層からスピンデバイスにスピン流を注入することができる。また、第１層と第２層とが積層されている部分をスピン圧が発生しているスピンデバイスに接触させることにより、スピンデバイスのスピン圧を測定することができる。

Description

プローブおよびその製造方法
　本発明は、プローブおよびその製造方法、特に、スピンデバイスを検査するためのプローブおよびその製造方法に関する。
　従来、この種のプローブとしては、カーボンナノチューブを非磁性体であるＰｔ（白金）で被覆して形成されるものが提案されている（例えば、非特許文献１参照）。このプローブでは、プローブの先端を被検査体としてのＢｉ（ビスマス）の薄膜に接触させて、プローブから薄膜に電流を流すことにより、ラシュバ効果によりスピン偏極した電流（スピン流）を薄膜に生成する。こうして生成したスピン流に対して逆スピンホール効果により発生する電圧を測定することで、スピンデバイスのスピンの状態を検出している。
東野剛之，平原徹，長谷川修司、「ビスマス超薄膜の表面状態における電流誘起スピン偏極の測定」、日本物理学会 2011年秋季大会、2011年9月23日
　しかしながら、上述のプローブでは、スピンデバイスに電流を流す必要があるから、スピンデバイスとしては導電体から形成されているものに限定されてしまう。また、スピンデバイスに電流を流すから、測定した電圧には電流に起因する電圧が含まれ、スピン流に起因する電圧を測定することが困難となってしまう。したがって、スピンデバイスへの電流の流れ込みを抑制しつつスピン流を注入することが望まれている。
　また、こうしたプローブでは、スピンデバイスのスピン圧を測定することも望まれている。
　本発明のプローブおよびその製造方法は、スピンデバイスへの電流の流れ込みを抑制しつつスピン流を注入したり、スピンデバイスのスピン圧を測定したりすることが可能なプローブを提供することを主目的とする。
　本発明のプローブおよびその製造方法は、上述の主目的を達成するために以下の手段を採った。
　本発明のプローブは、
　スピンデバイスの検査に用いるプローブであって、
　先端部に、絶縁体または半導体により形成される基板と、導電性の磁性体により形成される第１層と、導電性の非磁性体により形成される第２層と、がこの順で積層されており、
　前記第２層は、厚さがスピンが緩和するよりも薄い厚さとして予め定められた所定厚さとなるように形成されている、
　ことを要旨とする。
　この本発明のプローブは、先端部に、絶縁体または半導体により形成される基板と、導電性の磁性体により形成される第１層と、導電性の非磁性体により形成される第２層と、がこの順で積層されている。そして、第２層は、厚さがスピンが緩和するよりも薄い厚さとして予め定められた所定厚さとなるように形成されている。第１層と第２層との間に電流を流すと、第１層と第２層との界面に電流が流れ、第２層のこの界面付近に電流の向きおよび磁性体の磁化の向きに応じたスピンの蓄積が生じてスピン圧が生成される。第２層は、所定厚さに形成されている。したがって、プローブの先端部の第２層をスピンデバイスに接触させた状態で第１層と第２層との間に電流を流すことにより、第２層からスピンデバイスにスピン流を注入することができる。このスピン流の注入に際し、スピンデバイスに電流を流す必要はない。また、プローブの先端部の第２層をスピン圧が発生しているスピンデバイスに接触させると、スピン拡散により第１層と第２層との界面に電流が生じ、第１層と第２層との間に起電力が生じる。このとき、流れる電流はスピン圧に比例するため、電流を測定することによりスピンデバイスのスピン圧を測定することができる。この結果、スピンデバイスへ電流が流れ込むことを抑制しつつスピン流を注入したり、スピンデバイスのスピン圧を測定することが可能なプローブを提供することができる。ここで、「スピンデバイス」とは、電子のもつ電荷およびスピンを利用して作動するデバイスをいう。
　こうした本発明のプローブにおいて、前記第２層は、前記非磁性体のスピン緩和長の２倍以下の厚さになるように形成してもよい。
　また、本発明のプローブにおいて、前記磁性体は、Ｎｉ，Ｃｏ，Ｆｅ，Ｇｄ，ＦｅＮｉ合金，パーマロイ、ミューメタル、サマリウムコバルト、Ｎｄ，Ａｌ－Ｎｉ－Ｃｏ，フェライトのうちのいずれかとしてもよい。
　さらに、本発明のプローブにおいて、前記非磁性体は、Ｃｕ，Ａｇ，Ａｌ，Ａｕ，Ｐｔ，Ｒｈ，Ｐｄ，Ｉｒ，Ｒｕ，Ｏｓ，Ａｌ－Ｃｕ，Ｃｕ－Ｓｎ，Ｃｕ－Ａｕ，Ｃｕ－Ｂｅのうちのいずれかとしてもよい。
　そして、本発明のプローブにおいて、前記基板と前記第１層との間に、前記導電性の磁性体より電気伝導率の高い導電体から形成される第３層、を備えるものとしてもよい。第３層と第１層と第２層との間に電流を流すことにより、第３層を備えておらず同一の電流を第１層と第２層との間に流すものに比して、第２層の第１層と反対側の面における電位勾配が小さくなる。これにより、第２層の第１層と反対側の面をスピンデバイスに接触させたときにスピンデバイスに局所的に電流が流れることを抑制することができる。この場合において、前記導電体は、Ｃｕ，Ａｇ，Ａｌ，Ａｕのいずれかとしてもよい。
　本発明のプローブの製造方法は、
　スピンデバイスの検査に用いられ、先端部に、絶縁体または半導体により形成される基板と、導電性の磁性体により形成される第１層と、導電性の非磁性体により形成される第２層と、がこの順で積層されており、前記第２層は、厚さがスピンが緩和するよりも薄い厚さとして予め定められた所定厚さとなるように形成される、プローブの製造方法であって、
　前記基板の表面の少なくとも一部に、前記導電性の磁性体により磁性体層を形成する第１工程と、
　前記磁性体層上に、前記導電性の非磁性体により、厚さがスピンが緩和する厚さよりも薄い非磁性体層を形成する第２工程と、
　前記磁性体層と前記非磁性体層とが形成されている前記基板を、前記磁性体層と前記非磁性体層とが積層されている部分で分割する第３工程と、
　を備えることを要旨とする。
　この本発明のプローブの製造方法では、絶縁体または半導体により形成される基板の表面の少なくとも一部に、導電性の磁性体により磁性体層を形成し、磁性体層上に、導電性の非磁性体により、厚さがスピンが緩和するよりも薄い厚さとして予め定められた所定厚さとなるように非磁性体層を形成し、磁性体層と非磁性体層とが形成されている基板を、磁性体層と非磁性体層とが積層されている部分で分割する。これにより、スピンデバイスの検査に用いられ、先端部に、絶縁体または半導体により形成される基板と、導電性の磁性体により形成される第１層と、導電性の非磁性体により形成される第２層と、がこの順で積層されており、第２層は、所定厚さに形成される、プローブを製造することができる。ここで、「スピンデバイス」とは、電子のもつ電荷およびスピンの２つの自由度を利用して作動するデバイスをいう。
　こうした本発明のプローブの製造方法において、前記第１工程では、前記基板の表面に前記導電性の磁性体より電気伝導度が高い導電体により高導電体層を形成した後に、前記高導電体層上に前記磁性体層を形成してもよい。こうすれば、基板と第１層との間に、導電性の磁性体より電気伝導率の高い導電体から形成された第３層、を備えるプローブを製造することができる。
　また、本発明のプローブの製造方法において、前記第３工程は、ステルスダイシングまたは劈開により、前記磁性体層と前記非磁性体層とが形成されている前記基板を、前記磁性体層と前記非磁性体層とが積層されている部分で分割してもよい。
本発明の一実施例としてのプローブ２０の端面の概略を示す概略図である。 プローブ２０の先端部２０ａの拡大図である。 先端部２０ａを図２におけるＡ方向から見た側面の概略を示す概略図である。 プローブ２０に電流源３０を接続したときの様子を示す説明図である。 プローブ２０におけるスピン流の様子をシミュレーションするための先端部２０ａのモデル７０の構成を説明するための説明図である。 モデル７０において、第２層２６を試料に接触させない状態で第１層２４と第２層２６との間に電流を流したときのスピン偏極率の分布のシミュレーションの結果を示す説明図である。 スピンの蓄積が生じているモデル７０を試料に接触させたときのモデル７０におけるスピン偏極率の分布のシミュレーションの結果を示す説明図である。 スピンの蓄積が生じているモデル７０を試料に接触させたときのモデル７０において発生する電圧の分布のシミュレーションの結果を示す説明図である。 プローブ２０からスピンデバイスにスピン流が注入していることを検証している様子を示す説明図である。 抵抗Ｒｓの角度θの依存性の測定結果を示すグラフである。 プローブ２０の製造フローの一例を示すフローチャートである。 ステップＳ１００の工程を実行した後の基板６０の様子を説明するための説明図である。 ステップＳ１１０の工程を実行した後の基板６０，Ｎｉ層６２，Ｃｕ層６４の様子を説明するための説明図である。 ステップＳ１２０の工程で基板６０を分割した後の様子を説明するための説明図である。 変形例のプローブ２２０の先端部２２０ａの構成の概略を示す構成概略図である。 変形例のプローブ２２０の先端部２２０ａを図１５のＢ方向から見た側面の概略を示す概略図である。 変形例のプローブ３２０の先端部３２０ａの構成の概略を示す構成概略図である。 変形例のプローブ３２０の先端部３２０ａを図１７のＣ方向から見た側面の概略を示す概略図である。
　次に、本発明を実施するための形態を実施例を用いて説明する。
　図１は、本発明の一実施例としてのプローブ２０の端面の概略を示す概略図である。図２は、プローブ２０の先端部２０ａの拡大図である。図３は、先端部２０ａを図２におけるＡ方向から見た側面の概略を示す概略図である。
　プローブ２０は、図１～図３に示すように、Ｓｉ（シリコン）により形成され全体として長板形状の基板２２の先端部に、第１層２４と、第２層２６と、がこの順に積層されている。
　第１層２４は、Ｎｉ（ニッケル）により、厚さが１００ｎｍで、長手方向の長さＬ１が４０μｍ，短手方向の長さＬ２が１０μｍの略矩形状となるように形成されている。第１層２４は、基板２２の表面に、基板２２の端辺２２ｂに沿うように配置されている。
　第２層２６は、Ｃｕ（銅）により、厚さが所定厚さＤ２、長手方向の長さＬ３が４０μｍ，短手方向の長さＬ４が１０μｍの略矩形状となるよう形成されている。所定厚さＤ２は、第２層２６においてスピンが緩和するよりも薄い厚さとして予め実験や解析などで定められた厚さであり、Ｃｕのスピン緩和長の約２倍以下の長さである。実施例では、所定厚さＤ２を、１００ｎｍとしている。第２層２６は、基板２２の端辺２２ｂと略直角をなす端辺２２ｃに沿って、一方の端部が第１層２４の一方の端部に重なるように配置されている。
　こうした構成により、プローブ２０の先端部２０ａは、基板２２と、第１層２４と、第２層２６と、が積層された構造となっている。
　次に、こうして構成されたプローブ２０の動作について説明する。図４は、プローブ２０に電流源３０を接続したときの様子を示す説明図である。第１層２４，第２層２６に電流源３０を接続し、第１層２４と第２層２６との間に電流を流すと、第１層２４，第２層２６との界面に電流が流れる。Ｎｉは、磁性体であり、Ｃｕは、非磁性体であるから、第１層２４，第２層２６の界面に電流が流れると、第２層２６のこの界面付近に電流の向きおよびＮｉの磁化の向きに応じたスピンの蓄積が生じてスピン圧が生成される。第２層２６は、厚さが所定厚さＤ２、すなわち、第２層２６においてスピンが緩和するよりも薄い厚さとなるように形成されている。したがって、プローブ２０の先端部２０ａの第１層２４，第２層２６が積層されている部分の第２層２６の表面２６ａをスピンデバイスに接触させた状態で第１層２４と第２層２６との間に電流を流すことにより、第２層２６からスピンデバイスにスピン流を注入することができる。
　図５は、プローブ２０におけるスピン流の様子をシミュレーションするための先端部２０ａのモデル７０の構成を説明するための説明図である。モデル７０は、実施例のプローブ２０の先端部２０ａをモデル化したものであり、先端部２０ａと同一の寸法となっている。図中、矢印のｘ軸，ｙ軸は、それぞれ図６～図８のｘ軸，ｙ軸の方向を示している。シミュレーションでは、スピンを２種類のチャージとして扱う２流体モデルとしている。このモデルでは、Ｎｉは、スピン拡散長を３×１０－９ｍ，スピン偏極率を０．２３，抵抗率を６．９９×１０－８Ωｍとしている。Ｃｕは、スピン拡散長を１×１０－６ｍ，スピン偏極率を０，抵抗率を１．６８×１０－８Ωｍとしている。
　図６は、モデル７０において、第２層２６を試料に接触させない状態で第１層２４と第２層２６との間に電流を流したときのスピン偏極率の分布のシミュレーションの結果を示す説明図である。モデル７０では、図示するように、第１層２４と第２層２６との間に電流を流すと、スピンの蓄積が生じる。
　図７は、スピンの蓄積が生じているモデル７０を試料に接触させたときのモデル７０におけるスピン偏極率の分布のシミュレーションの結果を示す説明図である。図８は、スピンの蓄積が生じているモデル７０を試料に接触させたときのモデル７０において発生する電圧の分布のシミュレーションの結果を示す説明図である。図８中、縦軸は、第１層２４と第２層２６との間に１ｍＡの電流を流したときに先端部２０ａに発生する電圧を示している。スピンの蓄積が生じているモデル７０を試料に接触させると、図７に示すように、面方向に１μｍ程度の範囲でスピンが減少している。モデル７０では、面方向に１μｍ程度の範囲のスピンが試料に注入されている。モデル７０では、面方向に１μｍ程度の範囲、つまり、比較的広い範囲のスピンが試料に流れ込んでいることから、第１層２４と第２層２６との界面の電流密度が小さいときでも、大きなスピン流を試料に注入することができる。なお、図８に示すように、スピンの蓄積が生じているモデル７０を試料に接触させることにより発生する電圧擾乱は十分小さいことがわかる。
　図９は、プローブ２０からスピンデバイスにスピン流が注入していることを検証している様子を示す説明図である。図９において、プローブ２０には、図４に示した電流源３０を接続しているが、電流源３０については図示していない。ここでは、スピンデバイスとして、Ａｕにより厚さが１００ｎｍ，長手方向の長さが９０μｍ，短手方向の長さが１μｍの細線４０を用いている。また、環境温度を７Ｋとし、プローブ２０の先端部２０ａの第２層２６の表面２６ａを細線４０に接触させた状態で電流源３０からプローブ２０の第１層２４，第２層２６間に１ｍＡの電流を流したときに、細線４０に生じる電圧Ｖｓおよび電流Ｉｓを端子５０，５２で検出し、電圧Ｖｓを細線４０に流れる電流Ｉｓで除した抵抗Ｒｓの角度θ（第１層２４の長手方向の一辺と細線４０とのなす角度）の依存性を測定した。角度θは、プローブ２０を固定した状態で細線４０を回転させることにより変更している。
　図１０は、抵抗Ｒｓの角度θの依存性の測定結果を示すグラフである。図示するように、角度θに対して抵抗Ｒがｓｉｎカーブを示すことから、逆スピンホール効果が発生している、つまり、プローブ２０からスピン流が注入されていることがわかる。このように、プローブ２０の先端部２０ａの第２層２６の表面２６ａをスピンデバイスに接触させた状態で第１層２４と第２層２６との間に電流を流すことにより、第２層２６からスピンデバイスにスピン流を注入することができる。このスピン流の注入に際し、スピンデバイスに電流を流す必要はないから、スピンデバイスへ電流が流れ込むことを抑制しつつ、スピン流を注入することができる。また、スピンデバイスへ電流を流す必要がなく、スピンデバイスが絶縁体により形成されているときでも、スピン流を注入することができる。
　また、先端部２０ａの第２層２６の表面２６ａをスピン圧が発生しているスピンデバイスに接触させると、スピン拡散によりスピンが第１層２４と第２層２６との界面に流れて、第１層２４と第２層２６との間に起電力が生じると考えられる。このとき、流れる電流は、スピンデバイスに発生しているスピン圧に比例するから、第１層２４と第２層２６との間に生じる電圧もしくは第１層２４と第２層２６との間に流れる電流を測定することにより、スピンデバイスのスピン圧を測定することができると考えられる。
　続いて、プローブ２０の製造方法について説明する。図１１は、プローブ２０の製造フローの一例を示すフローチャートである。
　最初に、Ｓｉ（シリコン）から形成された基板６０にＮｉ（ニッケル）からなるＮｉ層６２を形成する（ステップＳ１００）。図１２は、ステップＳ１００の工程を実行した後の基板６０の様子を説明するための説明図である。Ｎｉ層６２は、厚さが１００ｎｍのＮｉ（ニッケル）を基板６０に堆積させ、ＥＢリソグラフィ法を用いて、基板６０の中央部に長手方向の長さが長さＬ１の２倍，短手方向の長さが長さＬ２の２倍の略矩形状となるように形成されている。
　続いて、Ｎｉ層６２が形成された基板６０にＣｕ（銅）からなるＣｕ層６４を形成する（ステップＳ１１０）。図１３は、ステップＳ１１０の工程を実行した後の基板６０，Ｎｉ層６２，Ｃｕ層６４の様子を説明するための説明図である。Ｃｕ層６４は、厚さが所定厚さＤ２となるようにＣｕ（銅）を堆積させ、ＥＢリソグラフィ法を用いて、基板６０の中央部に、長手方向がＮｉ層６２の長手方向と９０度の角度をなし、長手方向の長さが長さＬ３の２倍、短手方向の長さが長さＬ４の２倍の略矩形状となるように形成されている。
　次に、ステルスダイシング装置によるステルスダイシング法を用いて、Ｎｉ層６２，Ｃｕ層６４とが形成された基板６０をＮｉ層６２，Ｃｕ層６４が積層している部分で分割して（ステップＳ１２０）、製造を終了する。図１４は、ステップＳ１２０の工程で基板６０を分割した後の様子を説明するための説明図である。こうした工程により、図示するように、２つのプローブ２０と、プローブ２０と線対称に第１層２４，第２層２６が配置された２つのプローブ１２０とを製造することができる。なお、プローブ１２０は、プローブ２０と同様に、第１層２４，第２層２６との間に電流を流すことによりスピンデバイスにスピン流を注入したり、スピンデバイスのスピン圧を第１層２４，第２層２６の間の電圧または電流として測定するプローブとして機能することができる。
　以上説明した実施例のプローブ２０によれば、先端部２０ａに、基板２２と、Ｎｉにより形成した第１層２４と、Ｃｕにより厚さが所定厚さＤ２（スピンが緩和するよりも薄い厚さ）となるように形成した第２層２６と、をこの順に積層することにより、スピンデバイスへ電流が流れ込むことを抑制しつつスピン流を注入したり、スピンデバイスのスピン圧を測定することが可能なプローブを提供することができる。
　また、実施例のプローブ２０の製造方法によれば、Ｓｉにより形成された基板６０の表面に、Ｎｉ層６２を形成し、Ｎｉ層６２が形成された基板２２の表面に、一部がＮｉ層６２に重なるように、Ｃｕにより厚さが所定厚さＤ２のＣｕ層６４を形成し、ステルスダイシング装置によって、Ｎｉ層６２，Ｃｕ層６４を形成した基板２２を、Ｎｉ層６２とＣｕ層６４とが積層された部分で分割する。これにより、プローブ２０を製造することができる。
　実施例のプローブ２０では、長板状の基板２２の端部に第１層２４と第２層２６とを積層しているが、プローブ２０の先端部２０ａに基板２２と第１層２４と第２層２６との積層構造を形成すればよいから、例えば、基板２２の図１における長手方向の長さを長さＬ１とし、基板２２と第１層２４と第２層２６とを積層したものを別の長板状の部材の端部に取り付けてもよい。
　実施例のプローブ２０の製造方法では、ステルスダイシング装置によって、Ｎｉ層６２，Ｃｕ層６４を形成した基板２２を、Ｎｉ層６２とＣｕ層６４とが積層された部分で分割している。しかしながら、Ｎｉ層６２，Ｃｕ層６４を形成した基板２２を、Ｎｉ層６２とＣｕ層６４とが積層された部分で分割する手法としてはステルスダイシング装置によるものに限定されたものではなく、例えば、劈開など、Ｎｉ層６２とＣｕ層６４とが積層された部分を分割する手法であればいかなる手法でも構わない。
　実施例のプローブ２０では、第１層２４，第２層２６を略矩形状に形成し、一方の端部が第１層２４の一方の端部に重なるように配置し、プローブ２０の先端部２０ａの第２層２６の表面２６ａをスピンデバイスに接触させた状態で第１層２４，第２層２６に電流を流すことにより、スピンデバイスにスピン流を注入している。このとき、第２層２６の表面２６ａには、電位勾配が生じて、この電位勾配によりスピンデバイスに局所的な電流が生じてしまう。こうした不都合を抑制するために、図１５，図１６に例示する変形例のプローブ２２０の先端部２２０ａのように、Ｃｕにより形成される第２層２２６を略Ｌ字形状として、略Ｌ字の屈曲している部分と基板２２との間にＮｉにより形成された第１層２２４を配置し、第１層２２４と第２層２２６の略Ｌ字の両端との間に電流を流してもよい。第２層２２６には２方向から電流が流れるから、プローブ２０のように第２層２６に１方向から電流を流すものに比して、第１層２２４と第２層２２６とが積層されている部分における電位勾配をより小さくすることができる。これにより、第２層２２６の表面２２６ａをスピンデバイスに接触させたときに、スピンデバイスに局所的に電流が流れることを抑制できる。また、図１７，図１８に例示する変形例のプローブ３２０の先端部３２０ａのように、第１層２２４と基板２２との間にＣｕ（銅）やＡｇ（銀），Ａｌ（アルミニウム），Ａｕ（金）などの第１層２２４を形成する磁性体よりも電気伝導度が高い導電性を有する第３層３２８を形成してもよい。この場合、第２層２２６の両端と第３層３２８との間に電流を流すことにより、スピンデバイスに局所的に電流が流れることをより抑制することができる。なお、変形例のプローブ３２０は、図１１に例示した製造フローにおいて、ステップＳ１００の処理において、基板６０に、Ｃｕ（銅）やＡｇ（銀），Ａｌ（アルミニウム），Ａｕ（金）などの第１層２２４を形成する磁性体よりも電気伝導度が高い導電性を有する高導電体層を形成した後に、Ｎｉ層６２を形成することにより、製造すればよい。
　実施例のプローブ２０や変形例のプローブ２２０，３２０では、第２層２６，２２６を、一部が第１層２４，２２４と重なるよう形成しているが、第１層２４，２２４と第２層２６，２２６とを同一の形状に形成して、第２層２６，２２６の全てが第１層２４，２２４と重なるように形成してもよい。この場合、第１層２４，２２４，第２層２６，２２６と電流源３０とを接続する配線などを設けてもよい。
　実施例のプローブ２０や変形例のプローブ２２０，３２０では、基板２２を、Ｓｉにより形成しているが、他の半導体や絶縁体により形成してもよい。
　実施例のプローブ２０や変形例のプローブ２２０，３２０では、第１層２４，２２４をＮｉにより形成しているが、導電性のある磁性体であればいかなるもので形成してもよく、例えば、Ｃｏ（コバルト），Ｆｅ（鉄），Ｇｄ（ガドニウム），ＦｅＮｉ合金，パーマロイ、ミューメタル、サマリウムコバルト、Ｎｄ（ネオジウム），Ａｌ－Ｎｉ－Ｃｏ，フェライトのうちのいずれかにより形成してもよい。
　実施例のプローブ２０や変形例のプローブ２２０，３２０では、第２層２６，２２６をＣｕにより形成しているが、導電性のある非磁性体であればいかなるもので形成してもよく、例えばＡｇ，Ａｌ（アルミニウム），Ａｕ，Ｐｔ（白金），Ｒｈ（ロジウム），Ｐｄ（パラジウム），Ｉｒ（イリジウム），Ｒｕ（ルテニウム），Ｏｓ（オスミウム），Ａｌ－Ｃｕ，Ｃｕ－Ｓｎ（スズ），Ｃｕ－Ａｕ，Ｃｕ－Ｂｅ（ベリリウム）のうちのいずれかにより形成してもよい。
　以上、本発明を実施するための形態について実施例を用いて説明したが、本発明はこうした実施例に何等限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内において、種々なる形態で実施し得ることは勿論である。
　本発明は、プローブの製造産業などに利用可能である。

Claims (8)

  1. 　スピンデバイスの検査に用いるプローブであって、
    　先端部に、絶縁体または半導体により形成される基板と、導電性の磁性体により形成される第１層と、導電性の非磁性体により形成される第２層と、がこの順で積層されており、
    　前記第２層は、厚さがスピンが緩和するよりも薄い厚さとして予め定められた所定厚さとなるように形成されている、
    　プローブ。
  2. 　請求項１記載のプローブであって、
    　前記第２層は、前記非磁性体のスピン緩和長さの２倍以下の厚さになるように形成されている、
    　プローブ。
  3. 　請求項１または２に記載のプローブであって、
    　前記磁性体は、Ｎｉ，Ｃｏ，Ｆｅ，Ｇｄ，ＦｅＮｉ合金，パーマロイ、ミューメタル、サマリウムコバルト、Ｎｄ，Ａｌ－Ｎｉ－Ｃｏ，フェライトのうちのいずれかである、
    　プローブ。
  4. 　請求項１ないし３のいずれか１つの請求項に記載のプローブであって、
    　前記非磁性体は、Ｃｕ，Ａｇ，Ａｌ，Ａｕ，Ｐｔ，Ｒｈ，Ｐｄ，Ｉｒ，Ｒｕ，Ｏｓ，Ａｌ－Ｃｕ，Ｃｕ－Ｓｎ，Ｃｕ－Ａｕ，Ｃｕ－Ｂｅのうちのいずれかである、
    　プローブ。
  5. 　請求項１ないし４のいずれか１つの請求項に記載のプローブであって、
    　前記基板と前記第１層との間に、前記導電性の磁性体より電気伝導率の高い導電体から形成された第３層、
    　を備えるプローブ。
  6. 　請求項１ないし５のいずれか１つの請求項に記載のプローブであって、
    　前記導電体は、Ｃｕ，Ａｇ，Ａｌ，Ａｕのいずれかである、
    　プローブ。
  7. 　スピンデバイスの検査に用いられ、先端部に、絶縁体または半導体により形成される基板と、導電性の磁性体により形成される第１層と、導電性の非磁性体により形成される第２層と、がこの順で積層されており、前記第２層は、厚さがスピンが緩和するよりも薄い厚さとして予め定められた所定厚さとなるように形成される、プローブの製造方法であって、
    　前記基板の表面の少なくとも一部に、前記導電性の磁性体により磁性体層を形成する第１工程と、
    　前記磁性体層上に、前記導電性の非磁性体により厚さが前記所定厚さとなるように非磁性体層を形成する第２工程と、
    　前記磁性体層と前記非磁性体層とが形成されている前記基板を、前記磁性体層と前記非磁性体層とが積層されている部分で分割する第３工程と、
    　を備えるプローブの製造方法。
  8. 　請求項７記載のプローブの製造方法であって、
    　前記第１工程では、前記基板の表面に前記導電性の磁性体より電気伝導度が高い導電体により高導電体層を形成した後に、前記高導電体層上に前記磁性体層を形成する、
    　プローブの製造方法。
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