垂直磁記錄盤的製作方法

2023-06-10 22:41:16

專利名稱：垂直磁記錄盤的製作方法
技術領域：
本發明總地涉及垂直磁記錄介質，更特別地，涉及用於磁記錄硬碟驅動器的具有垂直磁記錄層的盤。
背景技術：
垂直磁記錄是在磁記錄硬碟驅動器中實現超高記錄密度的途徑之一，其中所記錄的位(bit)在記錄層中垂直或離面(out-of-plane)取向地存儲。普通類型的垂直磁記錄系統是利用「雙層」介質的系統。這類系統如圖1所示，具有單寫極類型的記錄頭。雙層介質包括形成在「軟磁」或較低矯頑力導磁襯層(SUL)上的垂直磁數據記錄層(RL)。SUL用作磁場從記錄頭的寫極到返回極的磁通返迴路徑。圖1中，RL示出為具有垂直記錄或磁化的區域，相鄰區域具有相反的磁化方向，如箭頭所示。相鄰的相反方向的磁化區域之間的磁轉變(magnetic transition)作為所記錄的位可被讀元件或頭檢測。
圖2是現有技術垂直磁記錄盤的橫截面的示意圖，示出了作用在記錄層RL上的寫場Hw。該盤還包括硬碟襯底、用於SUL的生長的籽層或始層(onsetlayer，OL)、用於中斷SUL的導磁膜與RL之間的磁交換耦合併促進RL的外延生長的非磁交換中斷層(EBL)、以及保護覆層(OC)。如圖2所示，RL位於「表象(apparent)」記錄頭(ARH)的間隙內，與縱向或面內(in-plane)記錄相比其允許明顯更高的寫場。ARH包括盤之上的作為真實寫頭(RWH)的寫極(圖1)、以及RL下面的有效次級寫極(effective secondary write pole)(SWP)。SWP由SUL促成，SUL通過EBL自RL去耦，並且在寫過程期間由於其高磁導率而產生RWH的磁鏡像。這有效地使RL在ARH的間隙中且允許RL內大的寫場Hw。
用於RL的一類材料是顆粒鐵磁鈷合金，例如CoPtCr合金，其具有六角密堆積(hcp)晶體結構，c軸基本離面或垂直於RL取向。顆粒鈷合金RL還應當具有良好隔離的精細晶粒結構從而產生高矯頑力介質並減小造成高本徵介質噪聲的晶粒間交換耦合。因此，已經提出通過加入析澱到晶粒邊界的氧化物來提高鈷合金RL中的晶粒分離(grain segregation)，所述氧化物包括Si、Ta、和Nb的氧化物。
已經提出了一種垂直磁記錄介質，其中RL是兩鐵磁層的反鐵磁耦合(AFC)記錄層，所述每個鐵磁層具有垂直磁各向異性，它們通過反鐵磁(AF)耦合層分隔開。AF耦合層誘發兩鐵磁層之間的垂直反鐵磁交換耦合，如圖3中AFC RL的每個磁化區域中兩鐵磁層之間的反平行磁化方向所示。上鐵磁層通常通過使其更厚而形成有比下鐵磁層更高的磁矩，從而在沒有磁場時AFC RL具有淨磁矩。在此類介質中，如US 6,815,082 B2所述，第一或下鐵磁層以及第二或上鐵磁層兩者都由具有hcp晶體結構並且具有或沒有氧化物的顆粒鈷合金例如CoPtCr合金形成。
具有或沒有氧化物的鈷合金RL，包括鈷合金AFC RL，由於沉積期間其hcp晶體結構的c軸被誘導為垂直於層平面生長而具有離面或垂直磁各向異性。為了誘導hcp RL的該生長，其上形成RL的EBL通常也是hcp材料。在具有AFC RL的垂直磁記錄介質中，EBL也具有hcp晶體結構從而誘導AFC RL中的下層的垂直磁各向異性。釕(Ru)是建議用於EBL的一種非磁hcp材料。儘管圖2未示出，籽層通常直接沉積在SUL上從而促進EBL的生長。
為了以超高記錄密度例如大於200Gbits/in2實現高性能垂直磁記錄盤，RL應當表現出低本徵介質噪聲(高信噪比或SNR)、大於約5000Oe的矯頑力Hc以及大於(更負)約-1500Oe的成核場(nucleation field)Hn。成核場Hn具有幾個含義，但這裡使用時其是反轉場(reversing field)，優選地在M-H磁滯回線的第二象限，該處磁化下降至其飽和值Ms的90％。成核場越負，剩磁狀態越穩定，因為需要更大的反轉場來改變磁化。
H.Uwazumi等人在「CoPtCr-SiO2Granular Media for High-DensityPerpendicular Recording」(IEEE Transactions on Magnetics，Vol.39，No.4，July2003，pp.1914-1918)中描述了具有CoPtCr顆粒合金RL的垂直磁記錄介質，該CoPtCr顆粒合金具有添加的SiO2。該RL具有約4000Oe的Hc和約-700Oe的Hn。T.Chiba等人在「Structure and magnetic properties of Co-Pt-Ta2O5filmfor perpendicular magnetic recording media」(Journal of Magnetism andMagnetic Materials，Vol.287，February 2005，pp.167-171)中描述了具有CoPt顆粒合金RL的垂直磁記錄介質，該CoPt顆粒合金具有添加的Ta2O5。該RL具有約3000Oe的Hc。
在垂直磁記錄系統中記錄介質是寫頭的一部分，因此需要與頭設計匹配，如圖2對具有單寫極頭的系統的描繪。對於單寫極頭，需要最小化寫極至SUL的間距從而集中寫場磁通並因此最大化寫場。另一類系統使用拖尾屏蔽型寫頭。在該系統中寫極至拖尾屏蔽件的距離應當匹配寫極至SUL的間距從而獲得最佳寫角。在兩類系統中，都使用薄EBL來實現所需的頭至SUL間距。然而，雖然為了寫而期望減小EBL的厚度，但是使EBL足夠厚從而提供用於hcp鈷合金RL的生長的模板以確保其c軸是垂直的。EBL也足夠厚從而提供具有高Hc和足夠低的顆粒間交換耦合的RL以最小化本徵介質噪聲。具有Si氧化物的RL所需的EBL厚度通常大於約20nm。T.Chiba等人的上述文章中所報導的具有Ta氧化物的RL具有15nm厚度的Ru EBL。
所需要的是具有CoPtCr顆粒合金RL和薄EBL的高性能、超高記錄密度垂直磁記錄盤以用於最佳寫性能。

發明內容
本發明是具有記錄層(RL)和交換中斷層(EBL)的垂直磁記錄盤以及垂直磁記錄系統，所述記錄層具有選定金屬的氧化物，所述交換中斷層具有減小的厚度，所述垂直磁記錄系統包括盤、寫頭和讀頭。所述盤具有改善的可寫性(writability)和高讀回信號幅度。所述RL是顆粒Co基鐵磁合金，其具有Ta和Nb中的一種或多種的一種或多種氧化物。其上生長RL的所述EBL比用於具有除Ta和Nb以外的分離子的氧化物的RL的EBL的最小要求厚度顯著更薄。在一個實施例中，所述RL具有與具有其它分離子例如Si的氧化物的RL相當的Hc和Hn。
在所述盤的一個實施例中，所述RL是顆粒CoPtCr鐵磁合金，具有由Cr的一種或多種氧化物以及單獨選定的分離子Ta或Nb的一種或多種氧化物構成的顆粒間材料。所述RL中氧的量在約22與35原子百分比之間。在該實施例中，EBL是Ru，厚度大於8nm並小於14nm。該盤表現出大於5000Oe的Hc和大於-1500Oe的Hn。作為對比，具有類似結構但具有Si代替Ta或Nb作為分離子的對比盤表現出類似的Hc和Hn值，但要求約21nm的RuBL厚度。除了由於減小厚度的EBL帶來的改善的可寫性以外，本發明的盤比對比盤相比具有顯著更好的SNR、更高的讀回信號幅度和更好的錯誤率。
為了更充分理解本發明的本質和優點，應當結合附圖參考下面的詳細說明。


圖1是現有技術垂直磁記錄系統的示意圖；圖2是根據現有技術的垂直磁記錄盤的橫截面的示意圖並描繪了寫場；圖3是根據現有技術具有反鐵磁耦合(AFC)記錄層的垂直磁記錄盤的橫截面的示意圖；圖4是根據本發明的垂直磁記錄盤的橫截面的示意圖；圖5是用於製造本發明的測試盤和對比盤的多靶濺射源以及相關的靶成分的視圖；圖6是對於四個Ta-Ox測試盤和三個Si-Ox對比盤的作為EBL厚度的函數的SNR(dB)的曲線圖；圖7是對於Ta-Ox測試盤和Si-Ox對比盤作為寫電流的函數的用於低密度數據圖案的歸一化讀回信號的對比；圖8是對於四個Ta-Ox測試盤和Si-Ox對比盤的作為填充因子的函數的讀回信號幅度的曲線圖；圖9是對於Ta-Ox盤和Si-Ox對比盤的作為線記錄密度的函數的字節錯誤率的曲線圖。
具體實施例方式
根據本發明的垂直磁記錄盤示於圖4。該結構類似於圖2的現有技術結構，除了RL的成分以及減小厚度的EBL以外。
參照圖4，構成盤的各層位於硬碟襯底上。該襯底可以是任何商業可得的玻璃襯底，但是還可以是具有NiP或其它已知表面塗層的傳統鋁合金，或者諸如矽、矽鹼鈣石(canasite)或矽碳化物的供選襯底。SUL位於襯底上，或者直接在襯底上或者直接在粘合層或OL上。OL促進SUL的生長並可以是具有約2-5納米(nm)厚度的AlTi合金或類似材料。SUL是由多個軟磁層(SULa和SULb)形成的層疊或多層SUL，該多個軟磁層通過作為反鐵磁(AF)耦合膜從而在SULa和SULb之間起到反鐵磁交換耦合的媒介作用的層間膜(諸如Ru、Ir或Cr)分隔開。這類SUL在美國專利6686070 B1和6835475 B2中作了描述。SUL也可以是單層。SUL還可以是由多個軟磁膜形成的層疊或多層SUL，該多個軟磁膜通過諸如碳或SiN膜或者Al或CoCr導電膜的非磁膜分隔開。SUL層或多層由非晶導磁材料形成，例如合金CoNiFe、FeCoB、CoCuFe、NiFe、FeAlSi、FeTaN、FeN、FeTaC、CoTaZr、CoFeB、以及CoZrNb。SUL的厚度通常在約50-400nm的範圍。形成在RL上的OC可以是非晶「類金剛石(diamond-like)」碳膜或其它公知保護覆層，例如矽氮化物。
SUL上的非磁EBL是用於控制顆粒RL中的六角密堆積(hcp)晶體取向的具有hcp晶體結構的非磁金屬或合金。EBL促進hcp顆粒RL的生長使得其c軸基本垂直地取向，從而產生垂直磁各向異性。釕(Ru)是通常使用的用於EBL的材料，但是其它材料包括選自Ti、Re和Os的金屬，以及含有選自Ti、Re、Ru和Os的至少一種元素的合金，包括Ru基合金。如果Ru用作EBL，則它可以直接形成在籽層(SL)上，籽層形成在SUL上，例如為1-2nm厚的NiFe層或2-4nm厚的NiV或NiW層。在本發明的優選實施例中，EBL是具有小於15nm厚度的Ru，優選地大於8nm並小於14nm。
RL是顆粒鐵磁Co合金，具有由「M」分離子(其中M為Ta或Nb)中的一種或更多的一種或更多氧化物構成的顆粒間材料。優選地顆粒間材料中的M氧化物或多種氧化物是僅一種元素的氧化物或多種氧化物，即Ta-Ox或Nb-Ox。RL也可以含Cr，Cr的一種或多種氧化物也作為顆粒間材料出現。
各種測試盤通過濺射沉積製造，在RL中有Ta或Nb，並具有不同厚度的Ru EBL。然後測試盤的記錄特性與除了Si代替Ta或Nb在記錄層中且Ru EBL具有更高範圍的厚度以外基本相同的盤比較。該盤具有類似於圖4所示的結構，75nm厚的CoTaZr層作為SULa和SULb，0.7nm厚的Ru層作為AF耦合膜，2-4nm厚的NiV層作為用於Ru EBL生長的SL，以及14nm厚的RL。
利用Unaxis Triatron多靶濺射源在Ar/O2氣體混合物中通過反應濺射製造RL。該濺射源示於圖5並具有三個同心靶，每個具有其自己的電源。為了製造各種成分，內靶對於測試盤是Ta2O5或Nb2O5，對於對比盤是SiO2。中間靶是CrPt合金(例如Cr60Pt40、Cr52Pt48或Cr56Pt44，其中下標代表at.％)並且外靶是Co。在製造CoPtCr合金的其它靶布置例如Co/CoCrPt、CoCr/Pt、CoCr/Cr、和CoCrPt/Pt上也獲得了可比結果。用於RL的一般成分對於具有Ta-Ox的四個測試盤是Co49-Pt11-Cr10-Ta3-O27(其中下標代表原子百分比)，對於具有Si-Ox的對比盤是Co49-Pt11-Cr11-Si4-O25。這樣，Ta-Ox測試盤和Si-Ox對比盤具有相同厚度(14nm)的RL以及基本相同量的分離子和氧。
圖6是對於四個Ta-Ox測試盤和三個Si-Ox對比盤的作為Ru EBL厚度的函數的在530千磁通改變/英寸(kfci)的線記錄密度的SNR(dB)的曲線。具有21nm的Ru EBL的Si-Ox對比盤具有5580Oe的Hc和-1700Oe的Hn。相比之下，具有10-13nm的Ru EBL的三個Ta-Ox測試盤具有基本相同的SNR以及可比的5230Oe的Hc和-1730Oe的Hn。
圖7是對於Ta-Ox測試盤(13nm Ru EBL)和Si-Ox對比盤(21nm RuEBL)的作為寫電流函數的歸一化讀回信號的比較。圖7示出Ta-Ox測試盤的改善的可寫性。與對於Si-Ox對比盤在約40mA相比，Ta-Ox RL在大約20mA的寫電流實現了飽和磁化。較低的寫電流意味著RL可以用較小的寫場來寫並且寫頭可以製得更小。
圖8是對於四個Ta-Ox測試盤和具有21nm Ru EBL的Si-Ox對比盤的作為填充因子(filling factor)的函數的讀回信號幅度的曲線圖。讀回信號與填充因子成比例，其中填充因子是總的頭至SUL間距的被RL厚度佔有的分數部分(fractional part)。具有10-13nm Ru EBL的Ta-Ox盤與具有21nm RuEBL的Si-Ox盤相比具有約20％更高的讀回信號幅度。
圖9示出與具有21nm Ru EBL的Si-Ox盤比較時具有13nm Ru EBL的Ta-Ox盤的改善的字節錯誤率。
通過透射電子顯微鏡(TEM)分析確定時，具有13nm Ru EBL的Ta-Ox盤的平均RL晶粒尺寸顯著小於具有21nm Ru EBL的Si-Ox盤(大約6.0nm對7.1nm)。較小的晶粒銳化了RL中磁化區域之間的磁轉變，這改善了讀回信號的質量。
儘管上述數據是用於Ta-Ox測試盤的，但是對於具有Co50-Pt11-Cr11-Nb3-O25的一般成分的Nb-Ox測試盤也獲得了類似結果。因此，本發明也適用於RL中具有Nb-Ox且具有顯著更薄EBL的垂直磁記錄介質。上述數據是用於由Ru形成的EBL的。然而，本發明也適用於由其它非磁hcp材料形成的EBL，所述非磁hcp材料包括Ti、Re和Os，以及包含選自Ti、Re、Ru和Os的至少一種元素的合金，包括Ru基合金。
上述數據是用於具有顆粒Co-Pt-Cr-M-Ox的RL的測試盤，其中含氧量較高，所述氧來自於氧化物靶和Ar/O2濺射氣體混合物。因為RL中氧的量顯著大於形成化學計量的M-O所需的氧的量，所以顯著量的Cr氧化物也形成在晶粒之間。具有Ta-Ox、Nb-Ox或Si-Ox的RL以及這些較高水平的氧已經顯示出產生了超高密度記錄所需的高Hc和Hn值，如前面引用的相關待決申請中所描述的。將產生具有大於約5000Oe的Hc和大於(更負)約-1500Oe的Hn的RL的RL中氧含量的範圍被確定為在約22和35at.％之間。用於這些高氧RL的優選的分離子範圍確定為Si約是2-9at.％，Ta是2-5at.％，Nb是2-5at.％。因此，上述數據顯示這樣的高氧Ta-Ox或Nb-Ox RL可具有與具有Si-Ox的高氧RL可比的Hc和/或Hn值，但是具有顯著更薄的EBL。然而，本發明不限於具有這些較高水平的氧的RL。本發明還可應用於具有較低Hc和/或Hn值的具有Ta-Ox或Nb-Ox RL的盤，因為這樣的盤與具有有可比的Hc和/或Hn值但是有除了Ta或Nb以外的分離子的氧化物的RL的盤所需的EBL相比將具有薄的EBL。
儘管上述數據對於如圖4所示的單層RL所示出，但是RL也可以是AFCRL，類似於圖3所示且在前面引用的US 6815082 B2中所描述的類型。在具有AFC RL和減小厚度的EBL的實施例中，至少上鐵磁層、或者上和下鐵磁層兩者，將含有Ta或Nb。
儘管參照其優選實施例特別顯示和描述了本發明，但是本領域技術人員能夠理解，在不脫離本發明的精神和範圍的情況下可以進行形式和細節上的各種改變。因此，所公開的方面將被認為僅是說明性的並僅限制在權利要求所確定的範圍內。
本申請與2005年5月24日提交的標題為「PERPENDICULARMAGNETIC RECORDING DISK WITH IMPROVED RECORDING LAYERHAVING HIGH OXYGEN CONTENT」的待決申請11/135750相關。
權利要求
1.一種垂直磁記錄介質，包括襯底；所述襯底上的導磁材料的襯層；垂直磁記錄層，在所述襯層上且包括顆粒鐵磁Co合金以及Ta和Nb中的一種或多種的一種或多種氧化物；以及非磁交換中斷層，在所述襯層和所述記錄層之間，用於磁去耦所述記錄層和所述襯層，所述交換中斷層具有小於15nm的厚度。
2.如權利要求1所述的介質，其中所述記錄層具有大於約5000Oe的矯頑力Hc。
3.如權利要求1所述的介質，其中所述記錄層具有比約-1500Oe更負的成核場Hn。
4.如權利要求1所述的介質，其中所述交換中斷層的厚度大於8nm且小於14nm。
5.如權利要求1所述的介質，其中所述交換中斷層由選自含有Ru、Ti、Re、Os以及Ru、Ti、Re和Os的一種或多種的合金的組的材料形成。
6.如權利要求5所述的介質，其中所述交換中斷層基本由Ru構成。
7.如權利要求1所述的介質，還包括所述襯層與所述交換中斷層之間的籽層且其中所述交換中斷層直接在所述籽層上。
8.如權利要求1所述的介質，其中所述記錄層中的所述顆粒Co合金包括通過顆粒間材料分離的Co合金晶粒，且其中Ta和Nb中的一種或多種的一種或多種氧化物作為顆粒間材料存在。
9.如權利要求8所述的介質，其中所述記錄層還包括Cr以及Cr的一種或多種氧化物，且其中所述記錄層中存在的氧的量大於約22原子百分比且小於約35原子百分比。
10.如權利要求9所述的介質，其中所述記錄層不含Nb，且其中所述記錄層中存在的Ta的量大於約2原子百分比並小於約5原子百分比。
11.如權利要求9所述的介質，其中所述記錄層不含Ta，且其中所述記錄層中存在的Nb的量大於約2原子百分比並小於約5原子百分比。
12.如權利要求1所述的介質，其中所述記錄層是包括通過非磁反鐵磁耦合層分隔開的第一和第二顆粒鐵磁Co合金層的反鐵磁耦合(AFC)記錄層，所述第二層還包括Ta和Nb中的一種或多種的一種或多種氧化物並且所述第一層位於所述交換中斷層與所述第二層之間，所述AFC記錄層在沒有外加磁場時具有基本的淨磁矩。
13.如權利要求1所述的介質，其中所述導磁材料的襯層由選自含有合金CoFe、CoNiFe、NiFe、FeCoB、CoCuFe、FeAlSi、FeTaN、FeN、FeTaC、CoTaZr和CoZrNb的組的材料形成。
14.如權利要求1所述的介質，其中所述導磁材料的襯層是通過非磁膜分隔開的多個導磁膜的疊層。
15.如權利要求14所述的介質，其中所述疊層中的非磁膜提供所述疊層中的導磁膜的反鐵磁耦合。
16.一種垂直磁記錄系統，包括如權利要求1所述的介質；寫頭，用於磁化所述介質的所述記錄層中的區域；以及讀頭，用於檢測所述磁化區域之間的所述轉變。
17.一種垂直磁記錄盤，包括襯底；所述襯底上的導磁材料的襯層；垂直磁記錄層，包括具有六角密堆積(hcp)晶體結構的c軸基本垂直於所述記錄層取向的CoPtCr基鐵磁合金的晶粒以及包括Cr的一種或多種氧化物及選自Ta和Nb中的金屬的一種或多種氧化物的顆粒間材料；交換中斷層，在所述襯層和所述記錄層之間，用於磁去耦所述記錄層和所述襯層，所述交換中斷層是選自包括Ru和Ru基合金的組的非磁hcp材料，所述交換中斷層具有小於15nm的厚度；以及籽層，在所述襯層與所述交換中斷層之間，用於促進所述交換中斷層的hcp生長，所述交換中斷層直接在所述籽層上並與之接觸。
18.如權利要求17所述的盤，其中所述記錄層具有大於約5000Oe的矯頑力Hc和比約-1500Oe更負的成核場Hn。
19.如權利要求17所述的盤，其中所述交換中斷層的厚度大於8nm並小於14nm。
20.如權利要求17所述的盤，其中所述記錄層中存在的氧的量大於約22原子百分比並小於約35原子百分比。
21.如權利要求20所述的盤，其中所述記錄層不含Nb，且其中所述記錄層中存在的Ta的量大於約2原子百分比並小於約5原子百分比。
22.如權利要求20所述的盤，其中所述記錄層不含Ta，且其中所述記錄層中存在的Nb的量大於約2原子百分比並小於約5原子百分比。
23.如權利要求17所述的盤，其中所述記錄層是包括通過非磁反鐵磁耦合層分隔開的第一和第二顆粒鐵磁CoPtCr基鐵磁合金層的反鐵磁耦合(AFC)記錄層，所述第二層還包括選自Ta和Nb中的金屬的一種或多種氧化物且所述第一層位於所述交換中斷層與所述第二層之間，所述AFC記錄層在沒有外加磁場時具有基本的淨磁矩。
24.如權利要求17所述的盤，其中所述導磁材料的襯層由選自包括合金CoFe、CoNiFe、NiFe、FeCoB、CoCuFe、FeAlSi、FeTaN、FeN、FeTaC、CoTaZr和CoZrNb的組的材料形成。
25.如權利要求17所述的盤，其中所述導磁材料的襯層是通過非磁膜分隔開的多個導磁膜的疊層。
26.如權利要求25所述的盤，其中所述疊層中的非磁膜提供所述疊層中的導磁膜的反鐵磁耦合。
全文摘要
本發明提供一種具有顆粒Co基鐵磁合金記錄層(RL)以及所述RL與軟磁襯層(SUL)之間的減小厚度的交換中斷層(EBL)的垂直磁記錄盤，所述RL具有選定金屬(Ta或Nb)的氧化物。一種包括所述盤、寫頭和讀頭的垂直磁記錄系統由於所述減小厚度的EBL而具有改善的向RL寫的能力。
文檔編號G11B5/70GK1913004SQ200610114939
公開日2007年2月14日 申請日期2006年8月14日 優先權日2005年8月12日
發明者霍亞·V·多, 伯恩德·海因茨, 池田圭宏, 高野賢太郎, 肖敏 申請人:日立環球儲存科技荷蘭有限公司