用於磁記錄介質的含錳層的製作方法

2023-11-10 12:22:32

專利名稱：用於磁記錄介質的含錳層的製作方法
這裡的工作是在能源部合同No.DE-FG02-90ER45423的部分支持下進行的。美國政府對本發明擁有某些權利。
本發明一般涉及磁記錄介質和包含該介質的裝置，並且尤其涉及在磁記錄介質的形成中與鈷或鈷合金基磁性層一起使用的含錳(Mn)層。
曾經有一種對高存儲容量、低噪音和低成本的磁記錄介質日益增長的需求。為滿足這種需求，已經開發了具有提高的記錄密度和從本質上來提高存儲容量的更精細的晶粒結構的同時降低記錄介質的相關的噪音的記錄介質。但是，在過去二十年的記錄密度的快速增長，加上個人計算機的迅猛增加儀使得對更高存儲容量的具有低噪音和成本的記錄介質的需求更加迫切。
磁碟和磁碟驅動器通常提供對大量存儲信息的快速訪問。可使用柔性盤(軟盤)和硬性盤(硬碟)。數據以磁位的形式存儲在盤上分段的圓形磁軌中。磁碟驅動器典型地使用一個或多個在中心軸旋轉的碟片。磁頭或滑動器在盤表面定位以訪問或增加存儲信息。用於磁碟驅動器的磁頭被安裝在移動臂上，其非常靠近磁碟的方式在各個磁軌和分段上承載著磁頭以。
典型的薄膜磁碟的結構是多層的並包括在基底上被底層覆蓋的襯底，磁性層和可選擇地包括的在頂部的蓋層。蓋層可塗覆保護膜和有機潤滑劑。
磁性層是主要部分，其上記錄磁位。由鈷或鈷基合金構成的具有沉積在非磁性襯底上的鉻或鉻合金的底層的記錄介質已經成為一種工業標準。
磁性能，如矯頑力(Hc)、剩磁化(Mr)和矯頑力方形度(s*)是對Co合金薄膜記錄性能最關鍵的。對於固定成分而言磁性能基本上取決於膜的微觀結構。對於縱向磁記錄介質薄膜而言，所需的Co和Co合金的晶體結構或織構是單軸晶體各向異性的並且易磁化軸主要在膜的平面內(即平面內的)沿c軸方向的六方密堆(HCP)結構。通常，平面內c軸晶體學織構越好，用來縱向記錄的Co合金薄膜的矯頑力越高。獲得高的剩磁就要求高的矯頑力。同樣，對於垂直磁記錄介質，所需的Co合金的晶體結構是單軸晶體各向異性的並且晶軸c軸是垂直於膜平面的HCP結構。對於非常小的晶粒尺寸，矯頑力隨晶粒尺寸的增加而增加。但是大的晶粒尺寸導致大的噪音。這裡需要獲得高矯頑力而不提高與大晶粒相關的噪音。為實現低噪音磁介質，Co合金薄膜應具有均勻的帶晶界的小晶粒，晶界可磁性隔離相鄰的晶粒。這種微觀結構和晶體織構通常通過在襯底表面刻槽、通過改變Co合金的成分或通過正確利用底層由人工沉積過程來獲得。
由於各種原因相對於純Co的Co基合金通常用在縱向和垂直記錄磁介質中。例如，諸如Cr的非磁性元件通常被整塊摻入到磁膜中以降低磁化。在垂直介質中這尤其重要，這裡與合金的磁矩相關的退磁能必須小於磁晶各向異性能以使磁化被取向垂直於介質膜面。同樣的技術在縱向磁介質中使用以降低磁通傳遞退磁能，導致更短的磁通傳遞長度並且因此得到高記錄密度。但是，更重要的是，非磁性元件被引入Co合金以限制Co晶粒之間的磁性交換耦合。人們相信如Cr，Ta，P，B或Si元素在膜生長期間從磁性晶粒主體中向晶粒邊界的擇優擴散有助於通過減少晶粒之間的磁交換耦合來隔開各個晶粒。這然後將導致明顯降低的介質噪聲。例如，Deng等發現少量Ta添加到CoCr合金中導致提高的向晶界的Cr擴散。參見IEEE Transactions onMagnetics V.29，No.5,1993.9，pp3676-3678，YoupingDeng，DavidN.Lambeth和David e.Laughlin的「偏壓濺射CoCrTa/Cr膜的結構特性」一文。
底層會強烈影響晶體學取向、晶粒尺寸和這裡討論的Co合金晶界上的化學偏析。在文獻中報導的底層包括Cr，和帶有添加合金元素X(X＝C，Mg，Al，Si，Ti，V，Co，Ni，Cu，Zr，Nb，Mo，La，Ce，Nd，Gd，Tb，Dy，Er，Ta和W)的Cr合金，Ti，W，Mo，NiP和B2有序排列晶格結構如NiAl和FeAl。儘管這裡表現為大量可利用的底層材料，實際上，僅非常少的幾個能滿足工業的需要。在這些中，最常用的並且也是最成功的底層是純Cr。
對於高密度縱向記錄，平面內取向從而通過體心立方(BCC)的Cr底層上HCP Co合金薄膜的晶粒對晶粒的外延生長而得到。多晶Co基合金薄膜以其c軸，軸平行於膜面來沉積，或者以膜面內c軸的大部分平行於膜面來沉積。Journal of Applied Physics 68(9)p.4734(1990)的K.Hono，B.Wong和D.E.Laughlin的「Co/Cr雙層磁薄膜的晶體結構」已經表明BCC鉻底層促進沉積在這些底層上的HCPCo合金薄膜的晶粒對晶粒的外延生長。帶來Co軸向下靠近膜面的Cr和Co之間的異質外延關係為(002)Cr//(110)Co，(110)Cr//(101)Co，(110)Cr//(100)Co和(112)Cr//(100)Co。不同的Co/Cr外延關係在不同的沉積過程中佔優。為獲得促進HCP結構形成的良好的BCC結構，Cr底層應厚於50埃。
同樣，為獲得垂直高記錄密度介質，Co的c軸相對於膜面的垂直取向通常通過HCP Co合金薄膜向(0002)晶體織構的取向HCP底層或(111)晶體織構的面心立方(FCC)晶體底層的晶粒對晶粒的外延生長來獲得。Ti和Ti90Cr10at％通常被引證為實現該目的的最好的籽晶層，如Pt，CoO/Pt底層和非磁性CoCr35at％已經被用來引入這種結構。參看「用於高密度記錄的高解析度低噪聲單層垂直記錄介質的發展」，IEEE Trans.Magn.Vol.33，no.1，p.996-1001(1997.1)；「用於縱向記錄的CoCrPt/Cr膜和垂直記錄CoCr/Ti膜的成分分離」IEEETrans.Magn.Vol.27，No.6，Part2，p.4718-4720(1991)；「用濺射方法在Pt上製備的CoCrTa垂直膜的性能」，J.MMM，Vol.155，no.1-3，pp.206-208(1996)；IEEE Trans.Magn.Vol.32，no.5，pp.3840-3842(1996.9)；IEEE Trans.Magn.Vol.30，no.6，pp.4020-4022(1994.11)；和「用於高密度記錄的高解析度低噪聲單層垂直記錄介質的發展」，IEEE Trans.Magn.Vol.33，no.2，p.996-1001(1997.1).
美國專利No.4,652,499揭示通過向Cr中添加釩(V)提高縱向記錄介質的底層以改變其晶格常數從而促進HCPCo合金，如CoPt或CoPtCr與BCC CrV底層之間的更好的晶格匹配。另外，序列號為No.08/315,096的美國申請在這裡引為參考，公開了一組新的底層，包括具有B2有序排列晶格結構的材料，如NiAl和FeAl。
發現當把中間層裝在底層和磁性層之間時磁性層的結構增加些改進。而且，籽晶層可裝在底層和襯底之間以提供對底層結構的附加控制來防止底層被襯底沾汙物所汙染。籽晶層、底層和中間層這裡合起來稱為底層結構。另外，與Cr內層分離或不分離的多層磁性層有時被用來產生最終形成的膜的磁性能的變化。磁性層和中間內層這裡合起來稱為磁性層結構。
多層底層和磁性層結構的應用可提供一種對晶粒尺寸、隨後的層的晶粒向晶粒的外延生長以及磁性層的表面粗糙度的增強的控制。但是，附加層的使用也提高整個成本和製造過程的複雜性。
為輕易、小型和更好性能及更低成本的帶有更大存儲密度的計算機的需要要求更高密度的記錄介質來用在硬碟驅動器、其它磁存儲裝置和其它應用中。本發明的目的是為了滿足對具有高矯頑力和低噪音的磁記錄介質的需要。
本發明是涉及襯底和磁性層之間或與磁性層接觸的含Mn層的應用以提供具有增加的矯頑力和降低的介質噪音的磁記錄介質。含Mn層可裝在底層結構中，磁性層結構中，或蓋層以提供給具有更高矯頑力和更低介質噪音的記錄介質。記錄介質可被裝在旋轉、轉換、或靜態存儲裝置中以與磁性換能頭結合使用於磁性數據的記錄和讀出，同時也可採用在其他應用中。
本發明的磁記錄介質優選地包括Co或Co合金磁性層，和配置在襯底和磁性層之間的從Mn，VMn，TiMn，MnZn，CrMnMo，CrMnW，CrMnV或CrMnTi形成的並且最好是CrMn的含Mn層。Co或Co合金磁性層具有HCP結構並以其c軸，易磁化軸(易於磁化的方向)，基本平行於縱向記錄介質的磁性層面，並且對於垂直介質基本上垂直於磁性層面的方式來沉積。
介質進一步包括在底層結構中的附加層，如籽晶層，底層和中間層。多晶MnO是優選的用於縱向介質的籽晶層。除含Mn層之外應用的底層和/或中間層通常包括配置在籽晶層和磁性層之間的具有A2結構或B2有序排列晶體結構的材料。具有A2結構的材料優選為Cr或Cr合金，如CrV，CrMo，CrW或CrTi。具有基本與Cr可比擬的晶格常數的B2有序排列結構的材料，如優選從由NiAl，AlCo，FeAl，FeTi，CoFe，CoTi，CoHf，CoZr，NiTi，CuBe，CuZn，AlMn，AlRe，AgMg和Al2FeMn2組成的一組中選擇的那些，最優選的是FeAl和NiAl。中間含Mn層優選配置在底層和磁性層之間。另外，底層可形成多層，其中每層是前述材料的不同的一層。
一層以上的磁性層可裝在介質中，並且它可包括一個或多個配置在磁性層之間的內層。內層典型地大約10到40埃厚並由Cr組成，但也可是本發明的含Mn層。
磁性層可由蓋層覆蓋，蓋層繼而被保護層覆蓋。有機潤滑劑優選地被添加到保擴層上以減少介質的摩擦磨損。蓋層可由Mn或含Mn合金構成。
相應因此，本發明提供磁記錄介質和裝入具有高矯頑力和低噪音的記錄介質的數據存儲裝置以用在硬碟驅動器和其它應用中。這些和其它的優點從下面詳細描述中更明顯。
本發明的優點通過參考附圖可得到更好的理解，其中

圖1(a)-(c)是本發明的薄膜磁碟的多層結構的幾個實施例的簡圖；圖2a表示Cr-Mn平衡相圖；圖2b表示V-Mn平衡相圖；圖2c表示Mo-Mn平衡相圖；圖2d表示Ti-Mn平衡相圖；圖2e表示Co-Mn平衡相圖；圖3表示氧化矽襯底上4微米厚CrMn膜用Cu Kα。x射線作的x射線衍射掃描圖；圖4表示在CrMn上40nm厚CoCrPt膜和未加熱的光滑玻璃襯底上各種厚度的Cr底層的平面內矯頑力；圖5表示在CrMn上40nm厚CoCrPt膜和在250℃預熱的光滑玻璃襯底上各種厚度的Cr底層的面內矯頑力；圖6表示在250℃預熱的光滑玻璃襯底上的各種厚度的Cr底層上40nm厚CoCrPt膜x射線衍射譜；圖7表示在250℃預熱的光滑玻璃襯底上的各種厚度的CrMn底層上40nm厚CoCrPt膜x射線衍射譜；圖8表示在未加熱的光滑玻璃襯底上製備的MgO籽晶層上CoCrPt(40nm)/CrMn(100nm)膜的x射線衍射；圖9表示在250℃預熱的光滑玻璃襯底上沉積的100nm厚Cr膜的TEM明場像；圖10表示在250℃預熱的光滑玻璃襯底上沉積的100nm厚CrMn膜的TEM明場像；
圖11表示在襯底被預熱到250℃的光滑玻璃襯底上20nmCrMn和Cr底層上各種厚度CoCrTa膜的平面矯頑力；圖12表示在襯底被預熱到250℃的光滑玻璃襯底上各種厚度CrMn和Cr底層上15nm厚的CoCrTa膜的平面矯頑力；圖13表示各種厚度的Cr和CrMn-11(Mnllat％)底層上40nm厚的CoCrPt膜的平面矯頑力。
本發明的記錄介質可體現在旋轉、轉換或靜態數據存儲裝置中，如裝在磁碟驅動器(未示出)中的硬碟。典型地磁碟驅動器包括支撐在用來在磁碟表面上方移動磁頭的懸架組件中的移動臂上的磁換能頭或滑塊。換能頭相對於磁碟表面在正常操作期間被維持在很近間隔的平行關係的狀態中。磁頭和磁碟間的典型的距離是10微米。參看Mee，C.D.和Daniel，E.D.磁記錄，Vol.I-III(McGraw-Hill1987年出版)；F.Jorgenson，磁記錄完全手冊，Chapter16(1988年第3版)，及美國專利No.5,062,021，其公開的相關內容這裡引為參考。本發明的磁記錄介質也被用於柔性磁碟、軟盤或應用已知柔性襯底的磁帶。
參考圖1(a)，本發明的磁記錄介質10由襯底12、含Mn層14和磁性層16組成。另外，如圖1(b)所示，籽晶層18可配置在襯底12上，然後是底層20。中間層22也可配置在含Mn層14和磁性層16之間。磁性層16可利用後面緊接塗覆層26的無機潤滑劑28的蓋層24來覆蓋。在另一實施例中，如圖1(c)所示，有第一和第二磁性層16』和16」，具有一個或多個配置在第一磁性層16』和第二磁性層16」之間的內層30。
在優選的實施例中，含Mn層14具有零磁矩並且與Co或Co合金磁性層16接觸。但是，應該可以理解含Mn層可包括在介質10中作為籽晶層、底層、內層或蓋層，而不僅僅是作為中間層的使用，或者代替這一用途。當與在含Mn層14和磁性層16裝入中間層22的實施例相反而是使含Mn層14和磁性層16互相接觸時，在這樣得到的介質10中可獲得更高的矯頑力。
有效數量的Mn被用來產生足夠厚的含Mn層以在磁性層16中產生外延晶體結構並提供導致磁性介質10具有所需要的磁性能的足夠數量的Mn擴散到磁性層16的晶界。例如，需要磁矯頑力超過在含Mn層不存在時產生的矯頑力，或者與先有技術中的矯頑力相當或超出。
在當前實施例中，使用CrMn合金作為含Mn層，可在CrMn層優選為至少3nm，最優選大於10nm時獲得所要求的磁性能。本領域技術人員將理解，基於這裡提供的引導，薄於3nm的含Mn層在產生所需的磁性能時也是有效的。但是，增加到磁性介質結構中的Mn有最小的有效量值，在此值以下將觀察不到加強的磁性能。
在室溫濺射沉積含Mn層產生具有與使用Cr層代替含Mn層的磁性介質相當的磁性能的磁性介質。甚至是在室溫過程中使用CrMn代替純Cr的動機是Mn比Cr要便宜。因為大部分的Cr靶是用粉末冶金方法製得的，粉末固結而成的CrMn靶將比Cr靶便宜。
在優選的實施例中，含Mn層14和磁性層16被濺射沉積在已經被預熱到一升高的溫度如250℃的襯底12。結果得到的包含含Mn層14的介質10比在沒有預熱襯底12產生的介質10具有更高的矯頑力。期望選擇的用於沉積磁性層16的升高的溫度是沉積速率的函數並且還期望加熱可在磁性層16生成期間或之後進行。例如，商業應用的沉積速率本質上是高的，因此有必要提高溫度到250℃以上以得到在低沉積速率下觀察到的提高的磁性能。
隨沉積溫度的升高矯頑力的提高可能源起於Mn在CrMn/磁性層界面的擴散提高。用適當的處理時間和溫度，材料的優選擴散是到晶界而非不是晶粒主體，參看David A.Porter和KennethE.Easterling的「金屬和合金中的相變」，出版商Van NostrandReinhold公司，98-102頁；和「物理冶金，第一部分」，由R.W.Cahn和P.Haasen編輯，出版商North-Holland Physics Publishing。其它合金元素的層間擴散在Y.c.Feng，D.E.Laughlin和D.N.Lambeth的「Co/Cr薄膜中的互擴散和晶粒隔離」中進一步描述，IEEETransactions on Magnetics V.30，No.6，(1994.11)，這裡其被加入作為參考。本領域技術人員可以理解含Mn層的溫度和Co合金層被配置在介質10上的溫度可改變來產生具有一磁性能範圍的介質。實際上，如上面引證的Feng的參引中所討論的那樣，本領域非技術人員將理解熱後處理如慢退火或快速加熱退火(RTA)，可被用來促進Mn從含Mn層向Co合金磁性層的晶界擴散。
本發明的固溶體Mn合金優選地是VMn，TiMn，MnZn，CrMnMo，CrMnW，CrMnV或CrMnTi，並且最優選是Mn溶解在Cr中的置換固溶體CrMn合金。如圖2(a)所示，大塊Cr可溶解大量Mn以形成置換固溶體。基於圖2a估計室溫時Mn在Cr中的溶解度超過25at％。優選地，對於使用當前的製備介質的優選方法所產生的成分，CrMn合金包含至少10at％Mn，並且更優選至少20at％Mn。用於圖22-2e所示的二元合金的包含若干特定相變溫度的明確引用的相圖可發現在「二元相圖」，第2暨更新版，ASM International(1996)，其主要部分在這裡被加入進來作為參考。
因為Mn的原子體積(0.01224nm3/每個原子)僅稍大於Cr的(0.01200nm3/每個原子)，Cr的晶格常數即使在25at％Mn的CrMn合金中實際保持不變.這不同於其它Cr合金，如CrV，在Crv中增加到Cr的V改變Cr層的晶格常數以更好地與磁性層的晶格常數匹配.
以相似的方式，圖2b表示放到帶有V的固溶體中的Mn的物質量.同樣，V和Mn的量與Cr結合.由於V的原子晶格尺寸大於Cr的，可用來調整固溶體原子間距來晶格匹配並誘導Co合金的外延生長。
類似地，圖2c表示Mn可被放到Mo的置換固溶體中的限量。儘管Mo的原子晶格間距(3.14埃)與Cr(2.88埃)相比要大，有限量的Mo可被放入CrMn固溶體以形成CrMnMo合金。
圖2d表示TiMn相圖。在升高的溫度，Mn的物質量可被放入β-Ti(bcc)固溶體，作為中間層的這種晶格結構的形成即使是在低溫下在選擇來促進磁性層的外延生長的底層上外延生長時也是有利的。同樣，有限數量的Ti可被放入CrMn來調整固溶體的原子晶格間距。
含Mn層通過提供用於磁性層外延生長的樣板或通過擴展底層形成的樣板來提供磁性層的外延生長。在優選的實施例中，為磁性Co合金提供外延生長的樣板的並提供向Co合金磁性層的晶界提供擴散Mn源的固溶體Mn合金被用作含Mn層14。本領域技術人員將理解在含Mn層中使用的Mn的最佳百分比部分地取決於用來製備含Mn層的包括溫度和沉積速率的方法。
當含Mn層被用作中間層時，底層或多個底層可以包含Mn或不包含Mn。如果底層被選擇來給磁性層的外延晶體生長提供樣板，對於含Mn中間層僅需要擴展用於底層所形成的磁性層的外延生長的樣板。
在優選的實施例中，襯底12由非磁性材料構成，如玻璃、矽或塗有NiP的鋁合金。可使用另一種硬碟襯底如玻璃陶瓷、陶瓷、或SiC。
對於縱向介質，磁性層16，16』，16」以其縱向易磁化軸基本平行於這種磁性層的面的形式來沉積。用於縱向介質的磁性層16優選地是Co或Co合金膜，如CoCr，CoSm，CoPt，CoP，CoNi，CoPt，CoNiCr，CoNiZr，CoPtNi，CoCrTa，CoCrPt，CoCrP，CoCrTaSi，CoCrPtSi，CoCrPtB，CoCrPtTa，CoCrPtTaB，CoCrPtTaNb或其它已知Co合金磁性膜並且每個大約為2.5-60nm(25-600埃)厚。
籽晶層18可以是Cr或Cr合金或帶有(002)織構的B1有序排列的晶體結構。用於實施例中應用的籽晶層18的優選籽晶層是具有(002)織構的Cr或MgO薄層。多晶MgO可通過公開在序列號為No.08/553,893的美國申請中的在這裡被加入作為參考的在襯底12上濺射沉積MgO而被製成具有這種織構。籽晶層形成基本連續的厚度可達50nm的層，並且優選地厚度在20nm。在優選實施例中，籽晶層大約是0.1nm到50nm(10到500埃)厚，並且優選在大約1.0nm到20nm(10到200埃)，最優選在2.5nm到10nm(25到100埃)厚。
底層20通常由適合於產生磁性層16的外延生長的材料構成。磁性層16的外延生長應用優選地具有與磁性層的原子間距或原子間距的多倍相比擬的晶體結構和原子間距的底層20而得到促進。例如，可從下面的底層中來選擇材料，該底層具有整數數目(n)的原子間距，等於磁性層的整數數目(m)的原子間距，這裡m和n通常在1到5的範圍內。
在本發明中可使用具有A2和B2有序排列的晶體結構和晶格常數的適合於誘導磁性層16的外延生長的材料。適合的材料包括Cr和具有A2結構的Cr合金，如CrV，CrTi，CrMo和CrW，及B2有序排列結構的材料如NiAl和FeAl。其它具有B2有序排列的結構和與NiAl(a＝0.2887nm)，FeAl(a＝0.291nm)和Cr(a＝0.2884nm)相比擬的晶格常數的相也可考慮是用於本發明的底層的適當的候選材料。這些材料為AlCo(a＝0.286nm)，FeTi(a＝0.298nm)，CoFe(a＝.285nm)，CoTi(a＝.299nm)，CoHf(a＝0.316nm)，CoZr(a＝0.319nm)，NiTi(a＝0.301nm)，CuBe(a＝0.270nm)，CuZn(a＝0.295nm)，AlMn(a＝0.297nm)，AlRe(a＝0.288nm)，AgMg(a＝0.328nm)和Al2FeMn2(a＝0.296nm)。底層14優選為大約10-200nm(100-2000埃)厚的Cr或NiAl。
底層20也可由兩層或多層在前面所列出的材料中的不同材料構成。例如，人們認為可使用具有第一NiAl層和第二Cr、Cr合金、FeAl、AlCo、FeTi、CoFe、CoTi、CoHf、CoZr、NiTi、CuBe、CuZn、AlMn、AlRe、AgMg或Al2FeMn2層的多層。各種材料的組合可用來產生多層，其中各層均是前述底層材料的一層。
中間層22和內層30可由從用於底層20的同一組材料中選擇出的材料構成。在當前的優選實施例中，沒有使用中間層22且CrMn層14與磁性層16接觸。而且僅使用一個磁性層16；因此在當前的優選實施例中，沒有使用內層30。
蓋層24可相鄰於並且優選地與磁性層16或16」接觸來提供。蓋層24優選為1-10nm(10-100埃)厚並可由W，Ta，Zr，Ti，Y，Pt，Cr，Mn，Mn合金或它們的任何組合而成的材料製成。
塗覆層26可提供在蓋層24的外部，從而蓋層24被定位在磁性層16或16」與塗覆層26之間，如圖1(b)和1(c)所示。塗覆層26提供機械磨損層並且厚度為2.5-30nm(25-300埃)。它優選地由陶瓷材料或金剛石碳構成，如Si02，SiC，CHx或CNx(這裡x＜1)，ZrO2或C。有機潤滑劑28沉積在塗覆層26上。潤滑劑28是1nm到10nm(10-100埃)厚並且優選是氟代氯碳化合物或全氟乙醚。示例包括CCl2FCClF2，CF3(CF2)4CF3，CF3(CF2)5CF3，CF3(CF2)10CF3和CF3(CF2)16CF3。
進行測試來評價包含CrMn合金層的若干磁性膜。所有膜通過射頻(RF)二極體濺射來製備，但是正象由RF或直流電(DC)磁電管濺射製備那樣簡單。多層膜在反應室不通風的情況下依次沉積。典型的用於RF二極體沉積過程的狀態是在濺射5×10-7乇或更好並且Ar氣濺射壓力為10毫乇之前是基準壓力。在固定的100瓦(2.3W/cm2)的AC功率下進行濺射。光滑(無織構)製成7500粒、玻璃、NiP-Al、氧化態(111)Si襯底被用來製備所有的膜，除非另作說明。襯底在丙酮、2-丙醇、去離子水三種獨立的清洗液的每一種中被超聲波清洗兩次。
CoCrPt靶是CoCr合金靶與Pt片粘在一起而成的；CrMn靶是純Cr靶與Mn片粘在一起而成的。Cr靶純度為99％。CoCrPt膜在-100的襯底偏壓下來濺射並對Co合金膜電感耦合等離子體(ICP)分析表明成分為78.5at％Co，9at％Cr和12.5at％Pt。所有其它膜在沒有襯底偏壓下被濺射。通過加熱設置襯底的平臺來施加襯底加熱。經過大約60分鐘在襯底和平臺的溫度達到平衡後內進行沉積。
典型的沉積速率是CoCrPt13.3nm/min，Cr13nm/min，CrMn10nm/min和MgO4nm/min.Tencor Alpha Step Profilometer被用來測量膜厚並校正薄膜沉積速率。膜的微觀結構通過透射電子顯微鏡(TEM)，原子力顯微鏡(AFM)和用Cu靶Kα衍射的在θ-2θ的衍射角範圍內掃描的對稱X射線來研究。TEM樣品通過離子研磨後的機械拋光和缺陷處理來製備的。薄膜的平面磁性能在9mm×9mm的方形樣品上通過振動樣品磁強計(VSM)來測量。直到10Koe的磁場被用在膜平面中，其足夠大可來進行飽和磁化。
純Cr靶與Mn片粘結一起被用來濺射沉積CrMn膜。用TEM通過ICP光譜分析確定的CrMn薄膜成分為22at％Mn。襯底上濺射的CrMn膜在θ-2θ的衍射角掃描的X射線衍射表明其與純Cr幾乎有同樣的晶格常數。圖3表示大約4微米厚的CrMn膜在θ-2θ的衍射角掃描的X射線圖。從圖3的X射線掃描計算得到的晶格常數大約是0.288nm，其基本上等於純Cr的晶格常數(0.2884nm)。
在另一系列的測試中，在Cr和CrMn底層上的CoCrPt薄膜用室溫溫度(RT)的襯底來沉積在襯底上。進行X射線衍射研究，表明沉積在Cr和CrMn底層上的CoCrPt膜的薄膜織構實際上沒有不同。膜的平面磁性能被作對比。如圖4所示，CoCrPt/CrMn膜具有的用VSM測量的矯頑力值在實驗誤差範圍內等於所有厚度的膜厚的CoCrPt/Cr的值。VSM測量的其它性能如S*和Mrt的不同，在實驗誤差的範圍內是可忽略的。
在帶有被濺射沉積在濺射前已經被預熱到250℃的襯底上的Cr或CrMn底層的CoCrPt膜中進行另外的實驗。圖5是平面矯頑力Hc與用於固定厚度(40nm)的CoCrPt膜的底層厚度之間的曲線圖。在各種厚度的CrMn和Cr底層上的40nm厚CoCrPt膜的平面磁性能在表1和2中分別表示，其中，t代表磁性層厚度。
表1
>表2
CoCrPt/CrMn膜的矯頑力全部高於CoCrPt/Cr膜，並且隨底層厚度的提高這種差別也增大。在50nm厚的CrMn底層上的CoCrPt膜可測量到4280 Oe的矯頑力其基本上高於類似的CoCrPt/Cr膜的測量到的3202 Oe的矯頑力值。對於CoCrPt僅需要3nm厚的CrMn底層就能達到3690Oe的矯頑力，該值比用任何Cr底層得到的最高值都要高。另外，在CoCrPt/CrMn膜通常可觀察到比CoCrPt/Cr膜高的Hc值，稍高的S*和Mr/Ms值和低的Mrt值。
從表1和2中選擇的幾個膜的晶體學織構作對比。圖6和7表示在10，20，50和100nm的Cr和CrMn底層上40nm厚的CoCrPt膜的X射線衍射掃描圖。隨著依次誘使CoCrPt膜的(1120)織構的外延生長的膜加厚，襯底加熱誘使在Cr和CrMn膜上產生(002)織構。CrMn底層上的CoCrPt膜的更高的矯頑力可部分歸因於膜的強烈的(1120)織構。但是，圖7中的在薄CrMn底層上的CoCrPt膜(如在20nm厚CrMn上的CoCrPt膜)不具有強烈的(1120)峰，卻仍具有明顯高於CoCrPt/Cr膜的矯頑力。
另一種用來獲得強烈的(002)織構的可選擇的方式是通過利用MgO籽晶層。CoCrPt(40nm)/CrMn(100nm)膜不特意加熱而在室溫下沉積在玻璃襯底上的12nm厚的MgO籽晶層上以觀察強烈的(002)織構的CrMn底層是否將加強CoCrPt膜的矯頑力。圖8表示在玻璃襯底上的CoCrPt(40nm)/CrMn(100nm)/MgO(12nm)膜的相應的X射線掃描衍射及相應的矯頑力。從圖8可看到，儘管沒有象在250℃沉積的類似膜中一樣觀察到強烈的(1120)CoCrPt峰，應用籽晶層卻可獲得更強烈的(002)織構的CrMn底層。
2884 Oe的膜的矯頑力基本上大於在室溫下沉積的CrMn或Cr底層的矯頑力。儘管CoCrPt/CrMn/MgO膜具有強烈的(002)織構，該膜的矯頑力小於所有沒有籽晶層並帶有預熱到250℃的襯底時被沉積的CoCrPt/CrMn膜的矯頑力。磁性能的相對的提高表示當CrMn合金底層被使用時織構和溫度是可分別被控制來產生具有高矯頑力和其它磁性能的膜的重要變量。
進行另外的測試來研究中間層對具有CrMn和Cr底層的膜的磁性能所產生的影響。在把襯底預熱到250℃時，通過把Cr和CrMn薄層(2.5nm)分別插入在磁性層和CoCrPt/CrMn及CoCrPt/Cr的底層之間來形成這些膜。如表3所示，由於Cr底層的插入，CoCrPt/CrMn膜的矯頑力從4315Oe下降到3899Oe，而CoCrPt/Cr膜的矯頑力由於CrMn底層的插入從2916Oe被提高到3393Oe。
表3
在磁性層與CrMn底層之間引入Cr中間層與僅有CrMn底層的膜相比導致矯頑力降低。但是，帶CrMn底層和Cr中間層的膜具有基本上高於僅使用Cr作為底層的膜的矯頑力。通過對比，對於帶Cr底層，CrMn作為中間層使用與僅使用Cr底層的膜相比充分提高矯頑力。從這些結果可以理解含Mn層根據要被生成的特定膜和所需要的膜的磁性能可作為底層、中間層，並假設作為內層或蓋層有效使用。
因為沉積的Cr和CrMn中間層是薄的，CoCrPt/CrMn膜和CoCrPt/Cr膜的晶體結構和晶格常數不應被中間層改變很多。因此，介質中的磁性能改變最可能是由於基本上與磁性層接觸的界面層的成分的改變。另外，應注意在不同溫度沉積時儘管在膜織構中未表現出本質上的改變，上述同一膜卻呈現出不同的磁性能。觀察到的磁性能的變化表明在膜中元素的中間層的擴散發生在磁性層界面上。在這方面，在本領域的技術人員可合理地認識到非常薄的不含Mn層可被放置在含Mn層和磁性層之間作為擴散緩和阻擋層限制和控制Mn從含Mn層向磁性層晶界的擴散速率。
圖2e表示Co和Mn之間的二元相圖。HCP CoMn(ε-Co)與相對於Mn含量的HCP CoMn與FCC CoMn(α-Co)之間的相界的負斜率組成的相對小的區域是支持下面的說法的，即隨著溫度和Mn含量的升高，擴散的Mn的大部分將要保持在外延生長的HCP Co合金晶粒的晶界上。
通常，層間擴散將在較高溫度和較小擴散距離時增強，並且將在較低溫度和較大擴散距離時減弱。磁性能的變化意味著Mn從基本上與CoCrPt層接觸的層向Co合金的晶界或晶粒擴散。Mn向磁性層擴散將有助於進一步分離Co合金晶粒，這將導致膜的矯頑力提高。通過對比，到目前為止觀察到的變化並不意味著Cr從底層向磁性層的層間擴散強烈控制著膜的磁性能。
基於上述結果，進行測試來研究如果Mn直接加入到磁性膜中磁性能是否能被類似地改善。通過濺射沉積包含5at％Mn的CoCrPt磁性底層膜在Cr底層上而製造膜。濺射通過把Mn片加到CoCrPt靶上來進行。生成的膜的矯頑力對於在加熱(250℃)的光滑玻璃襯底上濺射的CoCrPtMn/Cr膜大約降低了50％，而對於在未加熱的玻璃襯底上沉積的膜矯頑力下降大約15％。
CoCrPtMn/Cr和CoCrPt/CrMn的不同是因為Mn在兩種膜中的變化的分布。例如，當從含5at％Mn的CoCrPtMn層向Cr層擴散時與從22at％Mn CrMn層向CoCrPt層的擴散相比，Mn最可能具有基本不同的擴散特性。因為Mn在膜中的相對空間分布是不同的，導致的膜的磁性能可望不同。也可能Mn的層間擴散提供了在用來進一步分離磁性層中晶粒的和有助於磁性層中晶粒的對齊的界面結構層上的均勻化效果。
濺射在預熱的襯底上的CrMn和Cr膜的微觀結構應用TEM來對比。圖8和9分別是100nm厚的在250℃預熱的光滑玻璃襯底上沉積的Cr和CrMn膜的TEM明場像。兩個膜表現出具有相似的大約大於50nm的平均晶粒尺寸。CrMn膜具有比Cr膜更精細的晶粒。
CoCrTa合金也通常用作磁性介質。因此，進行另外的測試來評價含Mn層對Co合金的一般的應用性能。研究了一系列在CrMn底層上的CoCr2Ta2膜。由於從前面的CoCrPt膜來實驗，所有CoCrTa/CrMn膜被濺射沉積在250℃預熱的襯底上。圖11表示在固定厚度(20nm)Cr和CrMn底層的各種厚度的CoCrTa膜上平面矯頑力圖。儘管程度很小，仍可觀察到與CoCrPt/CrMn膜類似的Hc改善。在CrMn底層上的CoCrTa膜的矯頑力總是高於在Cr底層上的CoCrTa膜的矯頑力。最大的矯頑力提高在CrMn底層上的大約10nm厚CoCrTa磁性層中觀察到。圖12比較在預熱的光滑玻璃襯底上的各種厚度的Cr或CrMn底層上濺射沉積的15nm厚CoCrTa膜。再次發現更大的矯頑力在CrMn底層膜中觀察到而不是Cr底層的膜中。矯頑力隨底層厚度的提高而提高。例如，CoCrTa(40nm)/CrMn(20nm)膜的矯頑力比類似的CoCrTa/Cr膜大大約7000e。
CrMn底層的Mn含量也被改變來檢查其成分效果。在Cr靶上的Mn片被調整來產生成分估計為大約11at％Mn、設定為CrMn-11的濺射膜。一系列的CoCrPt/CrMn-11膜被沉積在250℃預熱的光滑玻璃襯底上。CoCrPt膜矯頑力對CrMn-11底層厚度之間的關係與類似的在Cr襯底上的類似的膜進行對比被圖示於圖13中。發現CrMn-11底層的膜都具有高於Cr襯底膜的矯頑力。當底層厚度高於10nm時，CoCrPt/CrMn-11膜的矯頑力比CoCrPt/Cr膜高5000e。對CoCrPt/CrMn-11膜的矯頑力的提高小於具有大約22％Mn的CoCrPt/CrMn膜的矯頑力的提高。
製備另一種大約28％Mn含量的濺射沉積CrMn膜，被設定為CrMn-28。所有帶CrMn-28底層的膜表現出比相應的CoCrPt/Cr，CoCrPt/CrMn，CoCrPt/CrMn-11膜低的矯頑力。發現沉積在250℃預熱光滑玻璃襯底上的CoCrPt(40nm)/CrMn-28(50nm)膜的矯頑力為2650Oe，其比類似的CoCrPt/CrMn膜(4280Oe)低38％。在玻璃襯底上的厚CrMn-28膜的X射線衍射θ-2θ掃描表示在2θ＝39.18°時出現一個額外的峰。該峰是基於相變的體心四方α」相的(002)衍射峰，儘管單一的衍射峰不能提供足夠的信息來完全鑑定該相。第二相的出現表現為惡化Co合金的外延。
本領域的普通人員可以理解在不脫離本發明的範圍情況下可對本發明的方法和裝置的特定方面作出若干修改和變化。這種修改和變化意在由前面的說明書和後面的權利要求所覆蓋。
權利要求
1.一種磁記錄介質包括一襯底；一形成磁性記錄層的Co或Co合金膜；一由配置在所述襯底和所述磁性層之間的Mn或固溶體Mn合金構成的以在所述磁性層中提供外延晶體結構的含Mn層。
2.如權利要求1所述的記錄介質，其特徵在於所述磁性層具有使磁性c軸基本平行於所述磁性層的取向。
3.如權利要求1所述的記錄介質，其特徵在於所述含Mn層以有效的數量來配置以提供Mn向所述磁性層的擴散。
4.如權利要求3所述的記錄介質，其特徵在於所述磁性層包括具有晶界的晶粒；及所述含Mn層以有效的數量被配置來提供Mn向所述磁性層的晶界的擴散。
5.如權利要求1所述的記錄介質，其特徵在於所述固溶體Mn合金包括從CrMn、VMn，TiMn，MnZn，CrMnMo，CrMnW，CrMnV和CrMnTi組成的一組中選擇的材料。
6.如權利要求1所述的記錄介質，其特徵在於所述固溶體Mn合金包括CrMn。
7.如權利要求6所述的記錄介質，其特徵在於所述CrMn合金由少於28at％的Mn構成。
8.如權利要求6所述的記錄介質，其特徵在於所述CrMn層至少3nm厚。
9.如權利要求6所述的記錄介質，其特徵在於所述CrMn層由10-25at％的Mn構成。
10.如權利要求9所述的記錄介質，其特徵在於所述CrMn層3-100nm厚。
11.如權利要求1所述的記錄介質，其特徵在於所述含Mn層至少3nm厚。
12.如權利要求1所述的記錄介質，其特徵在於所述磁性層由從CoCrPt合金和CoCrTa合金組成的一組中選擇的材料構成。
13.如權利要求1所述的記錄介質，還包括在所述襯底上沉積的一籽晶層。
14.如權利要求13所述的記錄介質，其特徵在於所述籽晶層由從具有(002)結構的MgO、Cr、CrTi組成的一組中選擇的材料構成。
15.如權利要求13所述的記錄介質，其特徵在於所述籽晶層由從Ti、TiCr和Pt組成的一組中選擇的材料構成。
16.如權利要求1所述的記錄介質，還包括一配置在所述襯底和所述由選擇的促進在所述磁性層中的外延晶體結構的材料構成的含Mn層之間的底層。
17.如權利要求16所述的記錄介質，其特徵在於所述底層由從Cr、Cr合金和具有B2有序排列的結構的和基本上與Cr相比擬的晶格常數的材料組成的一組中選擇的材料構成。
18.如權利要求16所述的記錄介質，其特徵在於所述底層由從Cr、CrV、CrMo、CrW、CrTi、NiAl、AlCo、FeAl、FeTi、CoFe、CoTi、CoHf、CoZr、NiTi、CuBe、CuZn、AlMn、AlRe、AgMg和Al2FeMn2組成的一組中選擇的材料構成。
19.如權利要求16所述的記錄介質，還包括大量由兩種或多種所述材料構成的底層。
20.如權利要求1所述的記錄介質，還包括一配置在所述襯底與所述由選擇的促進在所述磁性層中的外延晶體結構的材料構成的的含Mn層之間的中間層。
21.如權利要求20所述的記錄介質，其特徵在於所述中間層由從Cr、Cr合金和具有B2有序排列的結構的和基本上與Cr相比擬的晶格常數的材料組成的一組中選出的材料構成。
22.如權利要求20所述的記錄介質，其特徵在於所述中間層由從Cr、CrV、CrMo、CrW、CrTi、NiAl、AlCo、FeAl、FeTi、CoFe、CoTi、CoHf、CoZr、NiTi、CuBe、CuZn、AlMn、AlRe、AgMg和Al2FeMn2組成的一組中選擇的材料構成。
23.如權利要求1所述的記錄介質，其特徵在於還包括一第二磁性層，其特徵在於所述磁性層位於所述第二磁性層和所述襯底之間。
24.如權利要求23所述的記錄介質，還包括一配置在所述磁性層與所述第二磁性層之間的含Mn內層。
25.一種磁記錄介質包括一襯底；一形成具有外延晶體結構的磁性記錄層的Co或Co合金膜；一由與所述磁性層接觸的Mn或Mn合金構成的含Mn層，其中所述磁性層處於所述襯底和所述含Mn層之間。
26.一種用於數據存儲的裝置包括一種磁性記錄介質包含，一襯底；一形成磁性記錄層的Co或Co合金膜；一由配置在所述磁性層和所述襯底之間的Mn或固溶體Mn合金構成的以提供所述磁性層的外延生長的含Mn層；和一與所述介質靠近定位的以向所述介質記錄和從所述介質讀出數據的磁性換能器。
27.如權利要求26所述的裝置，其特徵在於所述介質還包括一配置在所述含Mn層與所述襯底之間的以促進所述磁性層的外延生長的底層。
28.如權利要求27所述的裝置，其特徵在於所述底層是由從Cr、CrV、CrMo、CrW、CrTi、NiAl、AlCo、FeAl、FeTi、CoFe、CoTi、CoHf、CoZr、NiTi、CuBe、CuZn、AlMn、AlRe、AgMg和Al2FeMn2組成的一組中選擇的材料構成。
29.如權利要求26所述的裝置，其特徵在於所述含Mn層由CrMn合金構成。
30.如權利要求26所述的裝置，其特徵在於所述介質相對於所述換能器旋轉。
31.如權利要求26所述的裝置，其特徵在於所述磁性層具有從所述含Mn層生長的外延晶體結構。
32.如權利要求26所述的裝置，其特徵在於所述介質的所述記錄磁性層包括具有晶界的晶粒；及所述含Mn層以有效的數量被配置來提供Mn向所述磁性層的晶界的擴散。
33.一種製造在記錄襯底上的外延晶體Co或Co合金磁性層的方法，所述方法包括在襯底上沉積由Mn或固溶體Mn合金構成的含Mn層以提供Co或Co合金磁性層的外延生長；和在含Mn層上製造Co或Co合金磁性層。
34.如權利要求33的方法還包括促進Mn從含Mn層向磁性層的層間擴散的步驟。
35.如權利要求34的方法，其特徵在於所述促進步驟包括加熱含Mn層以促進Mn從含Mn層向磁性層的層間擴散。
36.如權利要求35的方法，其特徵在於所述加熱步驟在所述製造磁性層的步驟期間進行。
37.如權利要求33的方法，其特徵在於所述沉積步驟還包括以有效數量來沉積含Mn層以促進在含Mn層上的磁性層中的外延晶體結構。
38.如權利要求33的方法，其特徵在於所述沉積步驟還包括在襯底上沉積由CrMn合金構成的含Mn層。
39.如權利要求38的方法，其特徵在於所述沉積步驟還包括在襯底上沉積至少3nm厚的CrMn合金層。
40.如權利要求33的方法，其特徵在於所述製造步驟還包括在足夠來產生Mn從含Mn層向磁性層部分的層間擴散的溫度下沉積磁性層。
41.如權利要求39的方法，其特徵在於所述沉積步驟還包括在至少250℃的溫度下濺射沉積磁性層。
42.如權利要求33的方法，還包括在含Mn層與磁性層之間插入中間層的步驟。
43.如權利要求33的方法，還包括在所述襯底上放置籽晶層的步驟。
44.如權利要求33的方法，還包括在含Mn層與襯底之間提供底層的步驟。
45.如權利要求44的方法，其特徵在於所述提供步驟包括提供由從Cr、Cr合金和具有B2有序排列的結構的和基本上與Cr相比擬的晶格常數的材料組成的一組中選出的材料構成的底層。
全文摘要
本發明提供一種在襯底和磁性層之間加入含Mn層以提供具有提高的矯頑力和低噪音的介質的磁記錄介質。含Mn層可被裝在旋轉、傳送或靜態記錄介質中以與用來讀出和記錄磁性數據的磁換能頭一起操作,也可用於其他應用中。本發明的磁記錄介質優選包括Co或Co合金膜磁性記錄層和優選由配置在襯底和磁性層之間以促進磁性層中外延晶體結構的VMn,TiMn,MnZn,CrMnMo,CrMnW,CrMnV和CrMnTi最優選是CrMn合金構成的含Mn層。介質還包括籽晶層優選是用於縱向介質的多晶MgO、底層和中間層。底層和中間層由配置在籽晶層和磁性層之間的具有A2結構或B2有序排列晶體結構的材料構成。具有A2結構的材料優選為Cr或Cr合金,如CrV、CrMo、CrW和CrTi。具有與Cr基本上相比擬的晶格常數的B2有序排列結構的材料如優選從NiAl、AlCo、FeAl、FeTi、CoFe、CoTi、CoHf、CoZr、NiTi、CuBe、CuZn、AlMn、AlRe、AgMg和Al
文檔編號G11B5/738GK1260899SQ98806261
公開日2000年7月19日 申請日期1998年4月22日 優先權日1997年4月22日
發明者D·N·林貝斯, L·－L·李, D·E·勞克林 申請人:卡內基梅隆大學