CN100341050C - 垂直磁记录装置 - Google Patents
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Abstract
一种包含垂直双层介质和磁头的垂直磁记录装置，其中垂直双层介质包括基底(1)、包含软磁性层(3a)、中间层(4)和另一个软磁性层(3b)的软垫层(2)、以及垂直记录层(5)，其中两个软磁性层(3a，3b)彼此反铁磁性耦合；磁头包括主磁极(51)、旁轭(52)、以及激励线圈(53)。当低频信号通过所述的磁头记录到所述的垂直记录层(5)的时候，包含在所述软垫层(2)中的两个所述的软磁性层(3a，3b)之间的反铁磁性耦合力Hex_afc与在跨磁轨方向上的MWW最大值一半处的整个宽度之间的关系满足下列公式：Hex_afc＞1.6*ln((0.23-MWW)2*100))+25.6。
Description
技术领域
本发明涉及垂直磁记录装置。
背景技术
垂直磁记录装置具有包括软垫层和垂直记录层的垂直双层介质；以及包括主磁极、旁轭(return yoke)、以及激励线圈的磁头(单磁极头)，并且利用磁头和软垫层之间的磁耦合来记录数据。由于垂直双层介质的软垫层可以被看作磁头的一部分，因而必须使软垫层中的磁化稳定，并且减少来自软垫层的噪声。
通过使用在一个方向上钉扎软垫层磁化的结构来使软垫层的磁化稳定，在这个方向上，在磁化钉扎层上形成软垫层。例如，提出垂直磁记录介质，其中在基底上堆叠面内硬磁性层、中间层、面内软磁性层以及垂直记录层，中间层是饱和磁化小于面内硬磁性层饱和磁化的磁性层、厚度小于0.5nm的非磁性层、或者面内硬磁性层的氧化层(Jpn.Pat.Appln.KOKAI公开No.2003-162807)。在这种垂直磁记录介质中，由外部磁场引起的磁化偏差被抑制了，并且减少了介质噪声。
如上所述，在使用垂直双层介质以及单磁极头的垂直磁记录装置中，也利用单磁极头和垂直双层介质之间的磁耦合，即磁通量从主磁极经过软磁垫层到旁轭的流动，来记录数据。因此，由于主磁极上的剩磁，容易出现记录在介质上的信息的误擦除。为了解决这个问题，提出一种通过改变主磁极形状来减少记录之后主磁极中剩磁从而防止误擦除的方法(Jpn.Pat.Appln.KOKAI公开No.2003-317212)。然而，随着垂直记录介质的磁道密度(TPI)增加，主磁极的尺寸减小。例如，为了实现200kTPI，需要0.13um或者更小的磁道宽度。因此，主磁极被做成针形外观，而且变得磁性不稳定。这使得很难只通过改变主磁极形状来减小剩磁并防止误擦除。此外，当主磁极的磁道宽度减小的时候，主磁极的场强也减小了。这使得很难维持记录品质。
而且，硬盘驱动器除了被集成到个人计算机中之外，它也被集成到汽车导航系统以及家用电器中，并相应地正开始被用于宽的温度环境中。特别是因为磁记录介质根据使用温度改变它的矫顽磁性，所以室温下、高温下以及低温下的记录特性也可能不同。因此，要求硬盘驱动器能够在从低温到高温的宽的温度环境中读写数据而不出现任何问题。更具体地，需要在高温下维持高的热起伏电阻以及良好的边缘特性(fringe characteristics)，并且在低温下维持高的重写特性以及高的信噪比。
发明内容
根据本发明一个方面的垂直磁记录装置包括垂直双层介质和磁头，垂直双层介质包括基底、软垫层以及垂直记录层，其中软垫层包含软磁性层、中间层和另一个软磁性层，其中两个软磁性层彼此反铁磁性地耦合；磁头包括主磁极，旁轭及激励线圈，其中当磁头将低频信号记录在垂直记录层上时包括在软垫层中的两个软磁性层的反铁磁性耦合力Hex_afc与跨磁轨(cross track)方向上最大值磁写宽度(MWW)一半处的整个宽度之间的关系满足下列公式：
Hex_afc＞1.6*ln((0.23-MWW)2*100))+25.6.
根据本发明另一个方面的垂直磁记录装置包括垂直双层介质和磁头，垂直双层介质包括基底、软垫层以及垂直记录层，其中软垫层包含软磁性层、反铁磁性层和另一个软磁性层，其中每个软磁性层和反铁磁性层通过交换耦合而相互耦合，并且两个软磁性层不耦合；磁头包括主磁极、旁轭及激励线圈，其中当磁头将低频信号记录在垂直记录层上时包括在软垫层中的软磁性层和反铁磁性层之间的交换耦合力Hex_sw和跨磁轨方向上最大值MWW一半处的整个宽度之间的关系满足下列公式：
Hex_sw＞1.6*ln((0.23-MWW)2*100))+25.6.
附图说明
附图1是表示根据本发明第一实施例的垂直磁记录装置的剖面图；
附图2是表示作为附图1改进的垂直磁记录介质的剖面图；
附图3是表示作为附图1改进的垂直磁记录介质的剖面图；
附图4是表示作为附图1改进的垂直磁记录介质的剖面图；
附图5是表示作为附图1改进的垂直磁记录介质的剖面图；
附图6是表示MWW和误擦除率之间关系的曲线图；
附图7是表示磁化反转开始时成核场(nucleation field)绝对值Hn与介质的热起伏电阻TD之间关系的曲线图；
附图8是表示包括在软垫层内的软磁性层厚度和边缘特性之间关系的曲线图；
附图9是表示重写特性(OW)和误码率(BER)之间关系的曲线图；
附图10是表示软垫层的反铁磁性耦合力Hex_afc和重写特性OW之间关系的曲线图；
附图11是概略表示包括垂直记录薄膜及软垫层的垂直磁记录介质的静磁特性(磁化曲线)检测结果的曲线图；
附图12是表示介质矫顽磁性Hc与室温和低温之间BER差之间关系的曲线图；
附图13是表示当使用呈现出0.21um的MWW的主磁极时，介质软垫层的反铁磁性耦合力与误擦除率之间关系的曲线图；
附图14是表示在误擦除率饱和的状态下MWW和反铁磁性耦合力Hex_afc之间关系的曲线图；
附图15是表示根据本发明第二实施例的垂直磁记录装置的剖面图；
附图16是表示作为附图15改进的垂直磁记录介质的剖面图；以及
附图17是表示作为附图15改进的垂直磁记录介质的剖面图。
具体实施方式
本发明的实施例将在下文参照附图进行描述。
附图1表示根据本发明第一实施例的垂直磁记录装置。这种垂直磁记录装置包括垂直磁记录介质(垂直双层介质)和磁头。附图1中表示的垂直双层介质具有这样的结构：在这种结构中，软垫层2、以及垂直记录层5被堆叠在非磁性基底1上，其中软垫层2包括软磁性层3a、中间层4和另一软磁性层3b的。附图1中所示的磁头是被称为单磁极头的记录头，并且包括主磁极51、旁轭52、以及激励线圈53。
软磁性层3a和3b由具有高导磁性的软磁材料制成。例子有CoZrNb、FeTaC、FeZrN、FeSi合金、FeAl合金、诸如坡莫合金的FeNi合金、诸如波明德合金的FeCo基合金、诸如Perminvar的FeCoNi合金、NiCo合金、山达斯特合金、MnZn基铁酸盐、MgMn基铁酸盐、MgZn基铁酸盐、FeAlGa、FeCuNbSiB、FeGaGe、FeGeSi、FeSiC、FeZrB、FeZrBCu、CoFeSiB、CoTi、以及CoZrTa。
中间层4由Ru或类似材料制成。软垫层2中包括的两个软磁性层3a和3b通过中间层4彼此反铁磁性地耦合。
下面将参照附图2到5描述附图1的改进的垂直磁记录介质。
附图2中表示的垂直磁记录介质具有这样的结构：在这种结构中，包括软磁性层3a、中间层4、第二中间层14和另一个软磁性层3b的软垫层2、以及垂直记录层5被堆叠在非磁性基底1上。Ru等被用于中间层4，Co等被用于第二中间层14。两个软磁性层3a和3b之间的反铁磁性耦合能够通过由Ru制成的中间层4以及由Co制成的第二中间层14的堆叠来增强。
附图3所示的垂直磁记录介质有这样的结构，在这个结构中，包括软磁性层3a、中间层4和另一个软磁性层3b的软垫层2、非磁性垫层6、以及垂直记录层5被堆叠在非磁性基底1上。附图3所示的垂直磁记录介质与附图1中所示的垂直磁记录介质所不同的地方在于，在软垫层2和垂直记录层5之间形成非磁性垫层6。通过使用非磁性垫层6能够减少介质噪声。
附图4中所示的垂直磁记录介质有这样的结构：在这种结构中，作为磁化钉扎层的面内硬磁性层7、包括软磁性层3a、中间层4和另一个软磁性层3b的软垫层2、以及垂直记录层5被堆叠在非磁性基底1上。附图4所示的垂直磁记录介质与附图1中所示的垂直磁记录介质所不同的地方在于，在基底1和软垫层2之间形成作为磁化钉扎层的面内硬磁性层7。CoCrPtB、CoSm、CoPt或者类似的材料被用于面内硬磁性层7。软垫层2的磁化能够通过为软垫层2形成作为磁化钉扎层的面内硬磁性层7来稳定。
附图5所示的垂直磁记录介质有这样的结构：在这种结构中，作为磁化钉扎层的面内硬磁性层7、具有比面内硬磁性层7的饱和磁化小的磁性或非磁性层8、包括软磁性层3a、中间层4和另一个软磁性层3b的软垫层2、以及垂直记录层5被堆叠在非磁性基底1上。附图5中所示的垂直磁记录介质是通过在附图4中所示的垂直磁记录介质中面内硬磁性层7和软垫层2之间形成具有比面内硬磁性层7的饱和磁化小的磁性或非磁性层8来获得的。通过磁性或非磁性层8能够使软垫层2的磁化进一步稳定。
也可能使用这样一种垂直磁记录介质，这种介质是通过适当地组合附图2到5所示的第二中间层14、非磁性垫层6、面内硬磁性层7以及磁性层8来获得的。
随着主磁极的尺寸减小，由于主磁极中的剩磁，记录在垂直记录介质上的信息的误擦除率增加了。这将在下文以数据为基础来说明。附图6表示MWW和误擦除率之间的关系。MWW等于用记录头的主磁极在垂直记录层上记录的磁道宽度，并且与主磁极的物理磁道宽度有关。当用磁头在垂直记录层上记录低频信号的时候，MWW被确定为在跨磁轨方向中最大值一半处的完整宽度。0％的误擦除率表示在任意部分中都没有出现误擦除，并且保证100％的记录操作。相反，100％的误擦除率表示所有部分都出现了误擦除。附图6表示当MWW小于0.225um时，误擦除率突然上升。因此，为了相对于MWW的进一步减小而减小误擦除率，不仅需要改进磁头，也需要改进磁记录介质。
如前所述，硬盘驱动器除了被集成到个人计算机里之外，它也被集成到汽车导航系统以及家用电器中了，因而使用温度范围从低温扩展到高温。因此，存在两个要求，即(1)在高温下维持高的热起伏电阻以及良好的边缘特性，以及(2)在低温下维持高的重写特性以及高的信噪比。
附图7表示介质的磁性反转开始时成核场的绝对值Hn(Oe)和信号输出衰减与时间的依赖性，即热起伏电阻TD(dB/decade)之间的关系。附图7表示介质为了维持高于0.05dB/dec的热起伏电阻只需要具有1kOe或者更多的Hn。而且，由于高温下介质的Hn小于室温下的Hn，所以室温下Hn理想被设为1.2kOe或更多，从而甚至在高温下也维持高的热起伏电阻。
附图8表示软垫层内包括的软磁性层的厚度与边缘特性之间的关系。边缘特性表示在数据被记录在相邻磁道上10,000次之后所检测到的磁道上(on-track)信号的振幅相对于初始磁道上信号的振幅的比率。因此，100％的振幅比率意味着没有振幅衰减。
当使用CoZrNb的单层膜[240nm]作为软垫层时，振幅比率为40％。当使用CoZrNb的单层膜[120nm]作为软垫层时，振幅比率为60％。
相反，当使用CoZrNb[60nm]/Ru/CoZrNb[60nm](软磁性层的总厚度为120nm)的三层膜(附图1)作为软垫层时，振幅比率大大地增加到98％。而且，当使用CoZrNb[45nm]/Ru/CoZrNb[45nm](软磁性层的总厚度为90nm)的三层膜作为软垫层时，几乎没有发现振幅衰减。如上所述，边缘特性能够通过使用其中夹着中间层(在这个例子中为Ru)的两个软磁性层被反铁磁性耦合的软垫层而不是使用单层的软垫层来改善。
附图9表示重写特性(OW)和误码率(BER)之间的关系。重写特性表示关于记录品质的值。在垂直磁记录中，写入低频信号比写入高频信号更加困难。因此，使用这样一个数值作为重写特性的指标，这个数值以dB为单位表示在高频信号已经被写入之后，当重写低频信号时所获得的未擦除的高频信号。重写特性OW理想为尽可能的高，因为如果重写特性OW被恶化，BER也被恶化。
附图10表示软垫层的反铁磁性耦合力Hex_afc和重写特性OW之间的关系。与CoZrNb/Ru/CoZrNb三层膜相比，其中非常薄的Co被作为第二中间层插入到Ru上方的CoZrNb/Ru/Co/CoZrNb四层膜能够增加反铁磁性耦合力，因而使得可能改善重写特性。通过CoZrNb/Co/Ru/CoZrNb四层膜也能够获得类似的效果。
软垫层的反铁磁性耦合力Hex_afc是以下列方式获得的。附图11概略地表示包括垂直记录薄膜及软垫层的垂直磁记录介质的静磁特性(磁化曲线)的检测结果。参照附图11，a表示软垫层的反铁磁性耦合的上软磁性层的反向场的大小，b表示软垫层的反铁磁性耦合的下软磁性层的反向场的大小。大小为附图11中所示磁场b的一半的值被定义为反铁磁性耦合力Hex_afc。注意，反铁磁性耦合力Hex_afc与磁化钉扎层的存在或不存在是无关的。
附图12表示介质的矫顽磁性Hc与室温和低温之间的BER差之间的关系。在任何介质中，BER在低温下减小，尽管这种减小量或多或少依赖于每一种介质的矫顽磁性。当软垫层是CoZrNb的单层膜[120nm]时，在具有5kOe的Hc的介质中，BER在低温下的减少量大约为-1.2。相反，当通过使用CoZrNb[60nm]/Ru/Co/CoZrNb[60nm](在附图12中用“四层膜”来表示)作为软垫层来增加反铁磁性耦合力时，由于重写特性OW改善了，所以在具有5kOe的Hc的介质中，BER在低温下的减少量提高到大约为-0.6。
正如参照附图6已经描述的那样，当MWW小于0.225um时，误擦除率突然上升。为了解决这个问题，增加软垫层的反铁磁性耦合力是有效的。这将在下文中说明。
附图13表示当使用表现0.21um的MWW的主磁极时，介质软垫层的反铁磁性耦合力与误擦除率之间的关系。如附图13中所示，当增加软垫层的反铁磁性耦合力的时候，由主磁极上的剩磁引起的误擦除率就减少了。注意，因为当反铁磁性耦合力约为20Oe或者更多时误擦除率饱和，因此理想的反铁磁性耦合力约为20Oe或者更多。
附图14表示在误擦除率饱和的情况下MWW和反铁磁性耦合力Hex_afc之间的关系。附图14证明使用具有其反铁磁性耦合力Hex_afc位于附图14中所示曲线上方区域中的软垫层的垂直双层介质的垂直磁记录装置能够减少误擦除率，并且改善重写特性。因而，Hex_afc和MWW只需要满足下列关系：
Hex_afc＞1.6*ln((0.23-MWW)2*100))+25.6
包括不同Hex_afc软垫层的两种类型的垂直双层介质已经被实际制造出来了，包括这些垂直双层介质的垂直磁记录装置的误擦除出现以及重写特性也已经被评估了。
附图2中所示的垂直双层介质已经被制造出来了。CoZrNb[60nm]/Ru[0.8nm]/Co/CoZrNb[60nm]的四层膜被用作软垫层。CoCrPt-SiO2被用作垂直记录层的材料。两种类型的垂直双层介质中每一种的矫顽磁性都是5kOe。一种垂直双层介质具有厚度约为5、反铁磁性耦合力Hex_afc为15Oe的Co层。另外一种垂直双层介质具有厚度约为20、反铁磁性耦合力Hex_afc为23Oe的Co层。
通过使用每一种垂直双层介质以及具有主磁极、呈现0.21um的MWW、，饱和磁通量密度Bs为2.15T的磁头，制造两种类型的垂直磁记录装置。
如前所述，当使用MWW为0.21um的主磁极时，软垫层的反铁磁性耦合力Hex_afc必须约为20Oe或者更多，以抑制由主磁极上剩磁导致的记录在介质上的信息的误擦除。
在使用其反铁磁性耦合力Hex_afc为15Oe的垂直双层介质的垂直磁记录装置(比较实例)中，重写特性值为35dB，并且由于主磁极上的剩磁引起了记录在介质上的信息的误擦除。与此相比，在使用其反铁磁性耦合力Hex_afc为23Oe的垂直双层介质的垂直磁记录装置(实例)中，没有出现由主磁极上的剩磁而导致的记录在介质上的信息的误擦除。同样，实例的垂直磁记录装置的重写特性值为37dB，比比较实例中的重写特性值高出2dB。因此，这种装置即使在低温下运行也不会有任何问题。
需要注意的是，介质噪声可以通过在实例的垂直双层介质中的软垫层和垂直记录层之间额外形成非磁性垫层来减少。同样需要注意的是，软磁层的磁化可以通过在实例的垂直双层介质中的基底和软垫层之间额外形成面内硬磁性层(钉扎层)来进一步稳定。
附图15表示根据本发明第二实施例的垂直磁记录装置。附图15中所示的垂直双层介质有这样的结构，在这种结构中，包括软磁性层3a、反铁磁性层21和另一个软磁性层3b的软垫层2、以及垂直记录层5被堆叠在非磁性基底1上。反铁磁性层21由诸如MnIr基合金、MnFe基合金、NiMn、PtMn、PdPtMn、RhMn、CrMnPt、CrAl、TbCo、NiO或者Fe2O3制成。反铁磁性层21和每一个软磁性层3a、3b通过交换耦合来彼此耦合的。与附图1类似，附图15中所示的磁头包括主磁极51、旁轭52以及激励线圈53。
在附图15所示的垂直磁记录装置中，反铁磁性层和软磁性层之间的交换耦合力Hex_sw可以用与上述反铁磁性耦合力相同的方式来考虑。因此，只需要满足下列的公式：
Hex_sw＞1.6*ln((0.23-MWW)2*100))+25.6
作为附图15的改进的垂直磁记录介质将在下文中参照附图16和17进行描述。
附图16中所示的垂直磁记录介质有这样的结构，在这种结构中，包括软磁性层3a、软磁性垫层22、反铁磁性层21和另一个软磁性层3b的软垫层2、以及垂直记录层5被堆叠在非磁性基底1上。NiFe或类似材料被用作软磁性垫层22。
附图17中所示的垂直磁记录介质有这样的结构，在这种结构中，包括软磁性层3a、反铁磁性层21和另一个软磁性层3b的软垫层2、非磁性垫层6、以及垂直记录层5被堆叠在非磁性基底1上。附图17中所示的垂直磁记录介质与附图15中所示的垂直磁记录介质不同的地方在于，在软垫层2和垂直记录层5之间形成非磁性垫层6。通过非磁性垫层6能够减小介质噪声。
其他的优点及改进对于本领域技术人员来说是显而易见的。因此，本发明在其宽范围上不只限于本文中图示及描述的具体细节和典型实施例。因此，可以进行多种改进而不会背离附加的权利要求书及其等价物所限定的一般发明构思的精神和范围。
Claims (13)
1、一种垂直磁记录装置，包括：
垂直双层介质，包括基底(1)、软垫层(2)以及垂直记录层(5)，其中所述软垫层(2)包含软磁性层(3a)、中间层(4)和另一个软磁性层(3b)，其中所述两个软磁性层(3a，3b)彼此反铁磁性地耦合；以及
磁头，包括主磁极(51)、旁轭(52)、以及激励线圈(53)，
其特征在于：当低频信号通过所述磁头记录到所述垂直记录层(5)上的时候，包含在所述软垫层(2)中的所述两个软磁性层(3a，3b)的反铁磁性耦合力Hex_afc与跨磁轨方向上磁写宽度最大值一半处的整个宽度之间的关系满足下列公式：
Hex_afc＞1.6*ln((0.23-MWW)2*100))+25.6。
2、根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述中间层(4)为Ru。
3、根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述中间层(4)是Ru和Co的堆叠。
4、根据权利要求1所述的装置，其特征在于，在所述软垫层(2)和所述垂直记录层(5)之间进一步包括非磁性垫层(6)。
5、根据权利要求1所述的装置，其特征在于，在所述基底(1)和所述软垫层(2)之间进一步包含磁化钉扎层(7)。
6、根据权利要求5所述的装置，其特征在于，所述磁化钉扎层(7)为面内硬磁性层。
7、根据权利要求6所述的装置，其特征在于，所述面内硬磁性层是从组CoCrPtB、CoSm以及CoPt中选择的。
8、根据权利要求6所述的装置，其特征在于，在所述面内硬磁性层和所述软垫层(2)之间进一步包含饱和磁化比所述面内硬磁性层的饱和磁化小的磁性或非磁性层(8)。
9、一种垂直磁记录装置，包括：
垂直双层介质，包括基底(1)、软垫层(2)以及垂直记录层(5)，其中所述软垫层(2)包含软磁性层(3a)、反铁磁性层(21)和另一个软磁性层(3b)，其中每一个软磁性层(3a或3b)和所述反铁磁性层(21)彼此通过交换耦合来耦合，并且所述两个软磁性层(3a，3b)不耦合；以及
磁头，包括主磁极(51)、旁轭(52)、以及激励线圈(53)，
其特征在于：当低频信号通过所述磁头记录到所述垂直记录层(5)的时候，包含在所述软垫层(2)中的所述软磁性层(3a，3b)与所述反铁磁性层(21)之间的交换耦合力Hex_sw与跨磁轨方向上磁写宽度最大值一半处的整个宽度之间的关系满足下列公式：
Hex_sw＞1.6*ln((0.23-MWW)2*100))+25.6。
10、根据权利要求9所述的装置，其特征在于，所述反铁磁性层(21)是从包含MnIr基合金、MnFe基合金、NiMn、PtMn、PdPtMn、RhMn、CrMnPt、CrAl、TbCo、NiO以及Fe2O3的组中选择的。
11、根据权利要求9所述的装置，其特征在于，在所述反铁磁性层(21)的下面进一步包含软磁垫层(22)。
12、根据权利要求11所述的装置，其特征在于，所述软磁垫层(22)为NiFe。
13、根据权利要求9所述的装置，其特征在于，在所述软垫层(2)和所述垂直记录层(5)之间进一步包含非磁性垫层(6)。
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