用於超高密度記錄的垂直磁薄膜的製作方法
2023-07-12 09:22:16
專利名稱：用於超高密度記錄的垂直磁薄膜的製作方法
技術領域：
本發明的領域本發明涉及一種磁記錄介質，且更具體地說是涉及一種垂直磁記錄介質，它被用於硬碟驅動器(HDD)中並在記錄信息時具有改善的熱穩定性和信/噪比(SNR)。
相關技術的描述硬碟驅動器(HDD)是存儲信息的主要設備，且一直在持續地發展以適應高密度和低價格的需求。近來，由於巨磁阻(GMR)讀取頭的開發、記錄介質的改進和信號處理方法的改進(諸如部分響應最大可能性(PRML)，面積記錄密度以每年大於100％的速度增加。對於高密度信息記錄，用於HDD的磁碟必須具有低噪聲特性且同時需要有良好的熱穩定性，以克服超順磁效應。
圖1是一種傳統的垂直磁記錄介質的示意剖視圖。見圖1，在一個玻璃或鋁(Al)合金基底10上，依次疊置了使一個垂直磁記錄層具有垂直取向的底層12、垂直磁記錄層13、保護垂直磁記錄層13不受氧化和機械磨損的保護層14、以及一個潤滑層15。
以下結合圖1描述採用一種傳統的Co合金記錄層垂直磁記錄介質的製造方法。
基於CoCr或CoPt的三元或四元合金的被用來形成垂直磁記錄層13，且垂直磁記錄層13必須被如此地形成-即使得Co的六方晶粒的軸與基底10的表面垂直。為此，用Ti或諸如TiCr的Ti合金製成的底層12被用作CoCrPt磁層的晶粒的定向生長的一個模板(template)。
一般地，基底10可以是一個玻璃盤、覆有NiP的Al-Mg盤或一個熱氧化矽盤。Ti底層12通過用濺射或其他物理澱積方法在基底10上澱積Ti或TiCr而形成。該底層的厚度在1-200nm的範圍內，且Co合金的垂直磁記錄層13被形成在底層12上。在此，重要的是Ti晶體晶粒的面的取向與基底的表面相垂直。
在垂直記錄中，在縱向記錄介質中採用的較厚的磁層可被用於高密度記錄，這從熱穩定性的角度看是一個大的優點。然而，眾所周知的是，在傳統的垂直記錄介質中，介質噪聲水平隨著記錄密度的增大而增大，且在縱向記錄介質中更是這樣。在縱向記錄的情況下，過渡噪聲，即在其中記錄的位的磁極性改變的區域中發生的噪聲，是一種重要的介質噪聲。在垂直記錄中，直流擦除噪聲，即由於記錄的位中逆轉的磁疇所產生的噪聲，以及過渡噪聲，成為了重要的噪聲源。為了減小直流擦除噪聲，在記錄的位中的逆轉的磁疇的數目必須得到減小。
直流擦除噪聲的減小，只有在一個主滯後環的第二象限中存在有介質的一個「成核場」的情況下，才能夠實現。該成核場是一種外部磁場，它必須在沿著一個方向的飽和之後被施加才能夠引起磁化的逆轉。
在圖2中，縱軸M是磁化，且水平軸H是所加的外部磁場。傳統的被研究得最深入的CoCr、CoCrPt和CoCrPtX型的垂直磁記錄介質，被設計成比縱向記錄介質厚得多，以獲得更高的熱穩定性。多數研究者研究的厚度在50至200nm磁厚度的範圍內。傳統的介質的平方比(SQ)的值為0.4至0.8。SQ被定義為平方比(SQ)＝剩餘磁化(Mr)/飽和磁化(Ms)在垂直記錄中採用厚記錄層是基於較高的輸出信號和良好的熱穩定性的考慮。然而，如果CoCr、CoCrPt和CoCrPtX合金的厚度增大，諸如超過50nm，雖然臨界厚度取決於磁層的組成和澱積條件，但磁化逆轉的機制從強Wolfarth型耦合轉動改變為非耦合轉動(參考文獻1Taek Dong Lee，Min Sig Hwang，Kyung Jin Lee，「Effects ofmagnetic layerthickness on negative nucleation field and Crsegregationbehavior in CoCrPt/Ti perpendicular media」，Journal of Magnetism and Magnetic Materials，vol.235(2001)，P.297-304；K.J.Lee，T.D.Lee，N.Y.Park，「step-like energy barriervariationof high Ku materials」，Digest submitted abstract forintermag2002)。這減小了負成核場的幅度。
當平方比小於1時，在垂直記錄介質中施加的正向場飽和之後，由於在所加的領域的減小期間產生的自去磁場，磁化逆轉在施加正向場時被引發。
然而，當平方比大於1時，磁化逆轉在所加的正向場飽和之後在所加場的減小期間在零或負的所加場下被引發。因此，當平方比小於1時，用於磁化逆轉的成核場是一個正的施加的場，且我們將它定義為「正的成核場」。如果平方比為1，用於磁化逆轉的該成核場是零或負的施加的場，且我們將它定義為一個「負的成核場」。
在具有正的成核場的一種介質中，即使在其中未施加一個施加的外部場的情況下也會發生磁化逆轉，且這構成了直流擦除噪聲源在具有零成核場或非常小的負的成核場的介質中，由於一種去磁場，在一個寫入的位中也發生了磁化逆轉，如在參考文獻2(L.WU，H.HONDA，K.OUCHI，″LOW NOISE MULTIPLAYER MEDIAFORPERPENDICULAR MAGNETIC RECORDING″，IEEETRANS.MAGN.，VOL.35(1999)，P.2775-2777)中顯示的。
因此，為了減小直流擦除噪聲，需要具有基本上為負的成核場的一種介質(參考文獻2)。
另外，當採用環形的頭和沒有適當的負的成核場的單層垂直介質時，在一個倒數第二個位中的小晶粒的磁化可在寫入一個新的位期間被一個逆轉的頭場所逆轉，因為該頭場具有寬的分布。
後一種現象在高密度記錄中發生得更為顯著，因而傳統的具有零或正的成核場的垂直記錄介質不能被用於高密度記錄區。
本發明的概述為了解決傳統垂直介質中的上述問題，本發明的一個目的是提供一種具有強於-500 Oe的負的成核場的CoCrPt型垂直磁記錄介質。這將在低密度記錄區中提供高的熱穩定性並在高密度記錄區中提供低噪聲特性。
相應地，為了實現上述目的，提供了一種垂直磁記錄介質，其中用於引起垂直磁記錄層的垂直取向的一個底層被疊置於一個基底與該垂直磁記錄層之間，且該垂直磁記錄層的厚度被控制在5-40nm的範圍內，以具有負的成核場。
優選的是該垂直磁記錄層用CoCrPt合金製成。
優選的是該垂直磁記錄層包含8-20原子％的Pt，具體取決於該層中的Cr的含量。
還優選的是垂直磁記錄層包含12-20原子％的Cr。
還優選的是該垂直磁記錄層進一步包括含量低於4原子％的Ta、Nb或Ta+Nb。
還優選的是底層用Ti合金製成。
附圖的簡要描述從以下結合附圖對本發明的最佳實施例的詳細描述，本發明的上述目的和優點將變得顯而易見。在附圖中圖1是一種傳統的垂直磁記錄介質的示意剖視圖；圖2是顯示一種傳統的成核場的磁化-磁場的曲線圖；圖3A和3B是曲線圖，顯示了根據本發明的一個最佳實施例的一種垂直磁記錄薄膜的晶格常數a和c的變化；圖4是磁化-磁場的曲線圖，顯示了根據本發明的該最佳實施例的一種垂直磁記錄介質的成核場；圖5顯示了成核場按照根據本發明的該最佳實施例的一種垂直磁記錄介質的一個磁層的鉑(Pt)含量和厚度的變化；圖6顯示了成核場按照根據本發明的該最佳實施例的一種垂直磁記錄介質的一個磁層的厚度和組份的變化；圖7顯示了從數值模擬獲得的按照成核場的電流飽和曲線和電流大小；且圖8是信/噪比(SNR)-成核場的曲線圖，它是從數值模擬獲得的。
本發明的詳細描述以下將對本發明作詳細描述。
本發明的發明人發現了一種現象，即磁回線的性質按照CoCrPt合金膜的組份和厚度的變化很大。本發明對CoCrPt合金膜的組份和結構作了改變，從而改善了垂直磁記錄介質的性質，即實現了更高的磁記錄密度。
在所報告的具有垂直磁各向異性的介質中，所謂的「磁光記錄介質」，諸如TbFeCo和Co/Pt或Co/Pd多層介質呈現出負的成核場。然而，TbFeCo是非晶結構的因而不容易進行過渡噪聲控制。另外，對於Co/Pt或Co/Pd介質，情況也是類似的。因此，更希望的是具有諸如CoCrPt型的具有負的成核場的晶粒垂直介質，因為通過控制諸如Cr的非磁元素的離析，容易獲得晶粒間的磁去耦合，從而減小過渡噪聲。為此，本發明提供了一種CoCrPtX型的具有適當的負的成核場的垂直介質。該介質包括一個Ti底層、一個CoCrPtZr記錄層和一個碳保護層。為了控制晶粒的大小和Ti底層取向，諸如非磁CoZr和CoNb的籽晶層可得到採用。
本發明的特徵在於，CoCrPt合金或加有Nb、Ta或Ta+Nb的CoCrPt合金，以厚度5-40nm的非常薄的膜的形式，被澱積到垂直取向的底層上，從而使得一個成核場存在於磁回線的象限II中。在此厚度之外，磁化逆轉機制從耦合轉動改變成非耦合轉動，且這伴隨有一種減小的負的成核場。
該CoCrPt薄膜由12-20原子％的Cr且優選地是14-17原子％的Cr、8-20原子％的Pt且優選地是11-20原子％的Pt且更優選地是11-18原子％的Pt、以及作為第四或第五種元素的低於4原子％的Ta、Nb或Ta+Nb且優選地2-4原子％的Ta、Nb或Ta+Nb組成。
如上所述的CoCrPt層和具有作為添加元素的Ta或Nb的CoCrPt層，生長出良好的c軸排列六方結構的Ti底層，雖然在CoCrPt與Ti底層之間有約17％的晶格錯位。
有時，在該CoCrPt與Ti界面處形成有一個非常薄的非晶層，以減小由於上述晶格錯位而發生的彈性應力能量。CoCrPt層和加有作為添加元素的Ta和Nb的CoCrPt層的磁性質，隨著CoCrPt層和加有第四元素的CoCrPt層的厚度的變化很大，如以下所述的。
首先，一個負的成核場開始時隨著磁記錄層的厚度而增大，達到一個最大值並隨著磁記錄層厚度的進一步增大而減小(圖5)。呈現最大成核場的磁記錄層的厚度取決於磁記錄層的組份(圖6)。負的成核場隨著磁層厚度的增大而減小的原因，與磁化逆轉機制從厚度較小時的耦合自旋轉動至厚度較大時的非耦合自旋轉動的改變有關。因此，磁層厚度的控制是實現適當的負的成核場的最重要的因素。
其次，隨著CoCrPt層和加有Ta和Nb的CoCrPt層的厚度的增大，一種Cr離析模式發生了改變。在厚度薄時，例如在5nm時，未觀測到顯著的Cr分離。當CoCrPt層的厚度進一步增大時，至晶粒邊界的Cr離析變得顯著。如果沒有Cr離析，晶粒之間的磁交換相互作用很強且這又增大了負的成核場。另一方面，如果有顯著的Cr離析，晶粒之間的磁交換相互作用變弱且從交換相互作用的角度看負的成核場減小。
然而，更為重要的事物是介質噪聲特性。對於更高密度的記錄，由於輸出信號變弱，介質噪聲應該儘可能地低。為了減小介質過渡噪聲，晶粒之間的交換相互作用應該被晶粒邊界處的Cr或其他非磁元素離析所減小。這種離析行為以及厚度對再現信號的效果Mr·t，其中t表示記錄層厚度，為記錄層的厚度設定了一個下限。當CoCrPt磁記錄層厚度大於10nm時，觀測到了Cr離析。因而通過控制該厚度、濺射方法、以及CoCrPt層的組份，Cr離析能夠得到控制。
成核場根據磁層的厚度變化的原因將在以下得到更為詳細的描述。
在其中磁層(或記錄層)具有大於50nm的厚度的情況下，如上所述地，在磁層與底層之間發生了晶格錯位，且由於磁層與Ti底層之間的彈性能量而形成了在磁性質上不穩定的一個起始生長層，結果，磁化逆轉不均勻並產生了捲曲或彎曲的結構，因而減小了成核場。
另外，通過在磁層與底層之間的界面處所加的該彈性能量，形成了一個起始磁層，因而該彈性能量得到消耗，導致在磁層與底層之間的該界面處幾乎沒有殘餘的彈性能量。因此，在CoCrPt磁層中容易使晶體晶粒邊界產生Cr離析。結果，磁層的飽和磁化得到了增大，晶體晶粒的磁各向異性能量得到增大，且晶體晶粒之間的磁耦合減小。
去磁場、飽和磁化與磁各向異性能量之間的關係是去磁場效應∝(飽和磁化)2/(磁各向異性能量)因此，如果飽和磁化和磁各向異性能量同時增大，去磁場的效果增大，且結果成核場減小。
然而，象本發明那樣，在其中磁薄膜具有5-40nm的厚度的情況下，CoCrPt合金的晶體晶格常數a與c的值大於在Ti底層與CoCrPt層之間的界面附近的晶格常數a與c的平衡態值。這意味著在磁層中有由於界面彈性能量造成的拉伸應力，且同時沒有消耗界面彈性能量的起始生長層。因此，在其中磁薄膜具有5-40nm的厚度的情況下，在磁層中幾乎沒有任何Cr離析。
如果沒有Cr離析，磁各向異性能量減小。然而，如果飽和磁化減小且飽和磁化減小的平方大於磁各向異性能量的減小，成核場可被增大。進一步地，如果沒有Cr離析，晶體晶粒之間的磁交換能量比較大，因而成核場可被增大。由於上述原因，在其中磁層具有5-40nm的厚度的情況下，可實現一種大的負的成核場。
另外，Pt和Cr的含量在一個預定的範圍內確定，從而使CoCrPt磁層具有適當的負的成核場。根據本發明人進行的實驗的結果，在14-17原子％的Cr的情況下，當Pt的含量從8原子％增大至20原子％時，更優選地，從11原子％增大至20原子％時，成核場增大。這是磁各向異性能量隨著Pt的含量的增大而增大的主要原因。
另外，在其中Pt的含量在約12原子％保持恆定的情況下，如果Cr的含量低於10原子％則成核場不具有負值，且如果Cr的含量在12-20原子％的範圍內則成核場具有負值。具體地，如果Cr的含量在14-17原子％附近則成核場具有一個負的最大值，且如果Cr的含量增大至大於14-17原子％，成核場為0或具有一個正值。因此，該CoCrPt合金由12-20原子％的Cr且優選地是14-17原子％的Cr、8-20原子％的Pt且優選地是11-20原子％的Pt組成，從而使成核場可具有一個負值。
另外，為了減小噪聲，作為加快Cr離析的第四元素的Ta或Nb以小於4原子％的量且優選地是2-4原子％的量被添加。Ta或Nb的含量大於4原子％不是優選的，因為成核場將大大減小。
以下更詳細地描述本發明的最佳實施例。(實施例1)在厚度為0.635mm的玻璃基底上澱積厚度為50nm的Ti底層，且隨後在該Ti底層上澱積20nm厚的CoCrPt合金(74.6原子％的Co、17.1原子％的Cr、以及8.3原子％的Pt)磁層-它是一種垂直磁記錄層，澱積厚度10nm的作為保護層的一個碳層，並澱積厚度2nm的Z-DOL(0.04％)(由Ausimont有限公司製造)的潤滑層，且製成了一種垂直磁記錄盤。(實施例2)用與實施例1的方法相同的方法製成一種垂直磁記錄盤，只是採用了70.1原子％的Co、16.9原子％的Cr、以及10.5原子％的Pt來形成垂直磁層。(實施例3)用與實施例1的方法相同的方法製成一種垂直磁記錄盤，只是採用了70.1原子％的Co、16.3原子％的Cr、以及13.6原子％的Pt來形成垂直磁層。(實施例4)用與實施例1的方法相同的方法製成一種垂直磁記錄盤，只是採用了69.6原子％的Co、15.5原子％的Cr、以及14.1原子％的Pt來形成垂直磁層。(實施例5-8)用與實施例1-4的方法相同的方法製成一種垂直磁記錄盤，只是垂直磁記錄層的厚度為10nm。
在Ti底層與CoCrPt層之間的界面處，測量實施例1-4和5-8中的垂直磁記錄盤的CoCrPt合金的晶格常數，該晶格常數隨著垂直磁記錄盤的磁層的含量和厚度而變化，測量結果被顯示在圖3A和3B中。
參見圖3A和3B，隨著Pt的含量的增大，晶格常數a和c增大，且具體地，當垂直磁記錄層為10nm時，晶格常數a和c比20nm厚度的情況下大。磁層越薄，磁層的晶格結構越具有擴張性。因此，晶格擴張是由於底層與磁層之間的彈性能量造成的。
在圖4中，為實施例3的磁記錄盤測量成核場且它具有一個負值。(實施例9)用與實施例3相同的方法製成垂直磁記錄盤，只是垂直磁記錄層的厚度被設定在10nm、15nm、20nm、25nm、30nm以及40nm。(實施例10)用與實施例4相同的方法製成垂直磁記錄盤，只是垂直磁記錄層的厚度被設定在10nm、15nm、20nm、25nm、30nm以及40nm。
圖5顯示了根據實施例8和10的垂直磁記錄介質的按照磁層的厚度和鉑(Pt)的組份的成核場變化。在此，y軸表示了當在象限II上存在有成核場時的正值。在圖5中，磁層的厚度根據Pt的含量而變化，並具有一個最大成核場值。磁層的組份以及磁層的厚度對於獲得該最大成核場值都是重要的。(實施例11)用與實施例1相同的方法製成一個垂直磁記錄盤，只是垂直磁記錄層用CoCrPt Ta合金(69.8原子％的Co、16.1原子％的Cr、12.0原子％的Pt、以及2.1原子％的Ta)形成。(實施例12)用與實施例11相同的方法製成一個垂直磁記錄盤，只是67.7原子％的Co、18.9原子％的Cr、11.5原子％的Pt、以及2.1原子％的Ta被用來形成垂直磁記錄層。(實施例13)用與實施例11相同的方法製成一個垂直磁記錄盤，只是66.6原子％的Co、20.0原子％的Cr、11.4原子％的Pt、以及2.0原子％的Ta被用來形成垂直磁記錄層。
圖6顯示了根據本發明的實施例11-13的成核場按照垂直磁記錄介質的磁層的厚度和組份的變化。在此，y軸表示當在象限II上存在成核場上時的正值。在圖6中，成核場對於根據本發明的磁層的一個厚度具有負值，即使諸如Ta的第四種元素被加到該磁層中。
圖7是數值模擬的結果的曲線圖，顯示了電流飽和曲線，它代表了當成核場(Hn)的值各為-1、0、1和2時，根據加到一個記錄頭上的電流的大小的垂直記錄介質的輸出。在其中該介質具有一個不存在或一個正的成核場的情況下，輸出在一個預定的電流值處具有最大值並隨著電流增大而減小。然而，在其中介質具有一個負的成核場的情況下，隨著電流增大，輸出增大並具有相當恆定的值。
圖8是數值模擬結果的曲線圖，顯示了根據成核場的變化的信/噪比(SNR)。在圖8中，當成核場變為負時，SNR呈現出總體上的增大。
在硬碟驅動器(HDD)中，信息被記錄在一個預定的頻帶中，且在低記錄頻率和高記錄頻率下都獲得高的輸出值是絕對有利的。由於代表最大輸出的電流值隨著記錄頻率的增大而減小，輸出值的特性根據電流的大小而一直處於飽和，這意味著根據本發明的垂直磁記錄介質對於高密度記錄非常有用的。
結果，通過調節磁層的厚度和組份而獲得的負的成核場增大了信號強度並減小了噪聲，從而實現了高密度的垂直磁記錄。
具有負的成核場的CoCrPt磁層被用在根據本發明的垂直磁記錄介質中。該記錄薄膜具有負的成核場，因而逆轉的磁疇的數目在高密度記錄時得到減小，因而由於直流擦除噪聲的減小而增大了信號強度並獲得了高的SNR。
雖然結合本發明的最佳實施例對本發明進行了具體顯示和描述，但本領域的技術人員應該理解的是，在不脫離所附權利要求書所限定的本發明的精神和範圍的前提下，可以進行各種形式和細節上的改變。
權利要求
1.一種垂直磁記錄介質，其中用於引起一個垂直磁記錄層的垂直取向的一個底層被疊置在一個基底和該垂直磁記錄層之間，其中該垂直磁記錄層的厚度被控制在5-40nm的範圍內以具有一個負的成核場。
2.根據權利要求1的垂直磁記錄介質，其中該垂直磁記錄層包含8-20原子％的Pt。
3.根據權利要求1的垂直磁記錄介質，其中該垂直磁記錄層包含11-20原子％的Pt。
4.根據權利要求1的垂直磁記錄介質，其中該垂直磁記錄層包含11-18原子％的Pt。
5.根據權利要求1的垂直磁記錄介質，其中該垂直磁記錄層包含12-20原子％的Cr。
6.根據權利要求1的垂直磁記錄介質，其中該垂直磁記錄層包含14-17原子％的Cr。
7.根據權利要求1的垂直磁記錄介質，其中該垂直磁記錄層是由CoCrPt合金形成的。
8.根據權利要求7的垂直磁記錄介質，其中該垂直磁記錄層包含8-20原子％的Pt。
9.根據權利要求7的垂直磁記錄介質，其中該垂直磁記錄層包含11-20原子％的Pt。
10.根據權利要求7的垂直磁記錄介質，其中該垂直磁記錄層包含11-18原子％的Pt。
11.根據權利要求7的垂直磁記錄介質，其中垂直磁記錄層包含12-20原子％的Cr。
12.根據權利要求7的垂直磁記錄介質，其中垂直磁記錄層包含14-17原子％的Cr。
13.根據權利要求7的垂直磁記錄介質，其中該垂直磁記錄層是由包含8-20原子％的Pt和12-20原子％的Cr的CoCrPt合金形成的。
14.根據權利要求7的垂直磁記錄介質，其中該垂直磁記錄層進一步包括含量低於4原子％的Ta、Nb或Ta+Nb。
15.根據權利要求7的垂直磁記錄介質，其中該垂直磁記錄層進一步包括含量低於2-4原子％的Ta、Nb或Ta+Nb。
16.根據權利要求1的垂直磁記錄介質，其中該底層是用Ti合金製成的。
全文摘要
提供了一種垂直磁記錄介質。該垂直磁記錄介質具有一個用於引起一個垂直磁記錄層的垂直取向的底層,它被疊置在一個基底與該垂直磁記錄層之間,且該垂直磁記錄層的厚度被控制在5－40nm之內以具有一個負的成核場。
文檔編號G11B5/64GK1366298SQ0210158
公開日2002年8月28日 申請日期2002年1月10日 優先權日2001年1月10日
發明者李炅珍, 李宅東, 李仁善, 黃玟植 申請人:三星電子株式會社, 韓國科學技術院