CN100373458C - 磁记录介质 - Google Patents
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Abstract
一种磁记录盘有一个磁记录层形成于特殊的多层的“主”层(30)之上。该主层包含至少两个铁磁薄膜(32、34)，它们穿过一个非铁磁性隔膜抗铁磁性(AF)地彼此交换耦合，从而使它们的磁矩为逆平行取向。磁记录层(25)与主层中的顶铁磁薄膜有不同的组成，而且与主层的顶铁磁薄膜铁磁性耦合。
Description
技术领域
一般而言，本发明涉及一种磁记录介质。
发明背景
传统的磁记录介质，如在硬盘驱动器中的磁记录盘，通常使用颗粒状铁磁层，如溅射沉积的钴一铂(Copt)合金，作为记录介质。在磁记录层中的每个磁畴(magnetised domain)包含许多小的磁性颗粒。磁畴之间的转换代表记录数据的“比特”。美国专利4,789,598号和5,523,173号描述了这类传统的刚性盘。
随着磁记录盘存储密度的增大，剩余磁化强度Mr(铁磁材料每单位体积的磁矩)和磁层厚度t的乘积降低了。类似地，磁层的矫顽磁场或矫顽磁力(Hc)增大了。这导致了比值Mrt/Hc减小。为实现减小Mrt，可减小磁层的厚度t，但只能达到一个限度，因为层中的磁化强度将变得对热衰变更加敏感。这种衰变已被归因于小磁颗粒的热激活(超顺磁效应)。磁颗粒的热稳定性在很大程度上决定于KuV，这里Ku是磁层的磁各向异性常数，V是该磁颗粒的体积。由于磁层厚度减小了，V也减小了。这样，如果磁层厚度太薄，在正常的盘驱动器操作条件下，所存储的磁信息将不再是稳定的。
解决这一问题的一个途径是转移到有更高各向异性的材料(更高的Ku)。然而，Ku的增大有一极限点，在那里矫顽磁力Hc(它近似等于Ku/Mr)变得太大，以致不能由传统的记录头写入。一个类似的途径是对固定的层厚度减小磁层的Mr，但这也受到能被写入的矫顽磁力的限制。另一解决方案是增大颗粒间的交换，从而增大磁颗粒的有效磁体积。然而，然而，已经表明这一途径对磁层的固有信号噪声比(SNR)是有害的。
我们的待决申请09/416,364号(1999年10月8日提交)通过用两个铁磁薄膜代替传统的单一磁记录层来解决热稳定性问题，这两个铁磁薄膜穿过一个非铁磁性隔膜抗铁磁性地耦合在一起。因为这两个抗铁磁性耦合的薄膜的磁矩取向是逆平行的，所以这一记录层的净剩余磁化强度一厚度乘积(Mrt)是这两个铁磁薄膜的Mrt值之差。然而，实现Mrt的这一减小没有降低记录层的热稳定性(由KuV表示的)，因为这两个单独的抗铁磁性耦合薄膜每一个中颗粒的体积V建设性地相加。尽管这一途径看来是有希望的，但它引入了与这一非传统记录层的磁性质和记录/再生性质有关的一组新的未知量。
所需要的是这样一种磁记录介质，它将支持很高密度的记录又保持好的热稳定性，同时还能利用传统磁记录材料(如单层颗粒状钴合金磁性材料)的众所周知的磁性质和记录/再生性质。
发明内容
因此，本发明提供一种磁记录介质，包含一个基片；放在基片上的主层，包含第一铁磁薄膜，放在第一铁磁薄膜上并与之接触的非铁磁性隔膜，以及放在该隔膜之上并与之接触的第二铁磁薄膜，该第二铁磁薄膜穿过隔膜抗铁磁性交换耦合于第一铁磁薄膜；以及在主层的第二铁磁薄膜上的磁记录层，该磁记录层的组成不同于第二铁磁薄膜的组成。
在最佳实施例中，选择这两个铁磁薄膜的厚度和材料，使得来自各个铁磁薄膜的磁矩基本上抵消。这样，主层没有净磁矩，或者很小的非零磁矩，从而对磁记录层的Mrt没有贡献。
磁记录层与主层中的顶层铁磁薄膜有不同的组成，并与主层的顶层铁磁薄膜铁磁性耦合。决定热稳定性的复合结构(磁记录层和主层)的磁性体积V将近似等于磁记录层和主层的抗铁磁性(AF)耦合的铁磁薄膜中的颗粒的体积之和。然而，该复合结构的磁矩只是来自磁记录层的磁矩，因为主层被设计成基本上没有净磁矩。这样，主层的两个铁磁薄膜之间的抗铁磁性耦合提供了一种机制，它增大了复合结构的有效厚度而不增大该复合结构的净Mrt值。
在另一个实施例中，主层的两个AF耦合薄膜的磁矩仍然是逆平行取向的，但其大小有一个预定的差值，从而使主层有一个净磁矩。这样做可以优化记录性能，减小热衰变或把该介质设计成具有一定磁矩值和矫顽磁力值而不改变制造过程。
为了更充分地理解本发明的性质和优点，应结合附图参考下文中对实施例的详细描述。
附图说明
图1是有单层磁记录层的先有技术磁记录盘的示意截面图。
图2是本发明的一个实施例的磁记录盘的示意截面图。
发明详述
图1显示有单层钴合金磁记录层15的先有技术盘10的层结构截面图。薄膜层被溅射沉积到基片11的至少一个平表面上而且最好是两个平表面上，以形成盘的数据记录区。盘基片11可以由任何适当的材料制成，如玻璃、SiC/Si、陶瓷、石英、或A1Mg合金基底加上NiP表面涂层。种子层12是一个可选层，它可用于改善下伏层13的生长，从而改善磁层14的磁性质，如它的矫顽磁力。种子层12最通用于当基片11是非金属的时候，如玻璃。种子层12的厚度在大约5至50nm的范围，它是诸如Ta、CrTi或NiAl等材料之一，已知它们在先有技术中用作种子材料促进其后沉积的层沿某些优选晶向的生长。如果存在种子层，则下伏层13沉积在种子层上，否则直接沉积在基片11上，它是非磁性材料，如铬或铬合金，如CrV或CrTi。下伏层13厚度的变化造成磁层15的磁特性变化，如它的矫顽磁力的变化。下伏层13的厚度在1至100nm的范围，其典型值为20nm左右。
在沉积磁层15之前，通常在下伏层13上沉积一个很薄的(通常0.5至5nm)Co合金发动(onset)或成核(nucleation)层14。成核层14有选定的组分以增强六角密堆积(HCP)的Co合金磁层15的生长，从而使它的C轴取向在该层的平面中。成核层14可以是CoCr合金，其中Cr组分的选择使层14成为非铁磁性的或只有很轻微的铁磁性。另一种作法是，成核层14可以是铁磁性Co合金，在这种情况中，成核层14将影响磁层15的磁性质。Co合金磁记录层15可以是CoPtCrB合金，其中铂的原子百分比为4at.％～25at.％，铬的原子百分比为10at.％～23at.％，并且硼的原子百分比为2at.％～20at.％。如果磁层15是CoPtCrB，则成核层14可以是CoPtCr或CoPtCrB，其中B的原子百分比小于6at.％。磁层15通常的厚度在5至20nm的范围。
外敷保护层16可以是典型的外敷层，基本上是非晶碳，可选性地掺杂氢和/或氮。该外敷层的厚度通常小于15nm。上述从种子层12到外敷层16所有各层可以按连续的过程在串联式溅射系统或单盘系统中完成溅射，例如市场上可得到的具有多个溅射标靶能力的单盘系统。可以用标准标靶和本领域公知的技术加上以上修改来完成每层的溅射沉积。
最佳实施例
本实施例的磁记录介质有一个在特殊的多层次主层上形成的磁记录层。该主层包含至少两个铁磁薄膜，它们穿过一个非铁磁性隔膜彼此抗铁磁性地(AF)交换耦合。
在该最佳实施例中，主层的两个AF耦合薄膜具有的磁矩大小基本相等但逆平行取向，从而使该主层基本上没有净磁矩。然而，该主层可以有某一非零净磁矩，因为制造精确厚度的薄膜是困难的。
在图2所示截面示意图中描绘了根据本发明的磁记录盘20，这里已由主层30代替了图1的先有技术结构中的发动或成核层14。如图2中示意性显示的那样，记录层25沉积在主层30上。主层30由两个铁磁薄膜32、34构成，它们由一非铁磁性隔膜36分开。对非铁磁性隔膜36的厚度和组成的选择使得相邻薄膜32、34各自的磁矩42、44穿过非铁磁性隔膜36构成AF耦合，而且在零外加磁场中是逆平行的。铁磁薄膜32、34的磁矩值分别为Mr1t1和Mr2t2，这里Mrlt1和Mr2t2近似相等。(因为剩余磁化强度Mr被表示为铁磁材料每单位体积的磁矩，所以乘积Mrt是厚度为t的磁层每单位面积的磁矩)。
在该最佳实施例中，铁磁薄膜32、34每个有基本相同的厚度t而且用基本相同的铁磁材料制成，从而有相同的Mr。这样，磁矩42、44基本上彼此补偿或者说抵消，从而使主层30基本上没有净磁矩。
已经广泛地研究和在文献中描述过铁磁薄膜经由非铁磁性过渡金属隔膜的AF耦合。通常，随着隔膜厚度的增大，交换耦合以铁磁性向抗铁磁性振荡。Parkin等在“Oscillations in Exchange Coupling andMagnetoresistance in Metallic Superlattice Structures(互换耦合中的振荡和在金属超晶格结构中的磁阻)：Co/Ru，Co/Cr和Fe/Cr”(Phys.Rev.Lett.，Vo164，P2034(1990))一文中描述了选定材料组合的这种振荡耦合关系。材料组合包括由Co、Fe、Ni以及它们的合金，如Ni-Fe、Ni-Co和Fe-Co制成的铁磁薄膜和诸如钌(Ru)、铬(Cr)、铑(Rh)、铱(Ir)和铜(Cu)以及它们的合金制成的非铁磁性隔膜。对于每种这样的材料组合，得要确定其振荡交换耦合关系(如果尚未知道的话)，从而选择非铁磁性隔膜的厚度以保证这两个铁磁薄膜之间的抗铁磁耦合。振荡周期取决于非铁磁性隔膜材料，但振荡耦合的强度和相位还取决于铁磁材料和分界表面的质量。铁磁薄膜的振荡抗铁磁耦合已经用在自旋阀型的巨大磁阻(GMR)记录头中，以设计连续被磁化的抗铁磁性耦合薄膜，在磁头操作期间这些薄膜的磁矩被逆平行地牢固耦合在一起。例如在美国专利5,408,377号和5,465,185号中描述了这些自旋阀型结构。两个铁磁薄膜穿过很薄的非铁磁性隔膜抗铁磁性耦合的这类磁结构，如在自旋阀头中使用的和在图2的主层30结构中显示的结构，也称作“合成抗铁磁体(synthetic antiferromagnet)”。在由于来自各个铁磁薄膜的磁矩彼此抵消使结构没有净磁矩的情况中，该结构可称作“补偿”合成抗铁磁体。
对于主层30的这种AF耦合结构，相邻薄膜32、34的磁矩42、44各自的取向逆平行排列，因而是破坏性相加。箭头42、44代表各个磁畴的磁矩取向，它们穿过AF耦合薄36直接在彼此的上方和下方。在没有外加磁场的情况中，在下伏层23上的底铁磁薄膜34有颗粒结构，其各个磁畴的磁矩基本上是在该薄膜平面中随机取向，铁磁薄膜32的颗粒形成磁畴，其磁矩的取向逆平行于直接穿过AF耦合薄膜36的铁磁薄膜34的磁矩取向。
对铁磁薄膜34、44的铁磁材料类型和厚度值t1、t2的选择使得在零外加磁场中的净磁矩将基本上为零。主层30的Mrt由Mrlt1-Mr2t2给出。在该最佳实施例中，Mr1t1应等于Mr2t2。这可通过在两个薄膜32、34中使用相同的铁磁材料并让t1与t2相同来实现。如果这两个薄膜32、34中使用不同的铁磁材料组成，从而使这两个铁磁薄膜的磁化强度(材料每单位体积的磁矩)不同，则相应地调节它们的厚度。尽管图2显示的是有单个隔膜的双薄膜结构主层30，本发明可扩层到有多个隔膜和多个铁磁膜的主层结构。
磁记录层25直接沉积在顶铁磁膜32上，它也作为磁层25的发动或成核层。因为主层30要起补偿合成抗铁磁体的作用，所以在薄膜32顶上的磁层25的组成必须不同于薄膜32的组成。在该最佳实施例中，磁层25是CoPtCrB合金，而主层30的铁磁薄膜32、34也是CoPtCrB合金，但有不同的组成，例如所存在的B含量明显少于磁层25中的B含量。另一种作法是，薄膜32、34可以是CoCr合金或CoPtCr合金。薄膜32、34可以有厚度在0.5至5nm范围。主层30中的非铁磁隔膜36是0.6nm的Ru膜。Ru隔膜厚度的选择是使其处在振荡耦合关系的第一抗铁磁峰。让每个CoPtCrB铁磁薄膜32、34包括一个界面薄膜也可能是有好处的，该界面薄膜由基本上为0.5nm的Co构成，位于与Ru隔膜36分界面处。这些超薄Co膜增大铁磁薄膜和隔膜之间的分界表面磁矩，造成增强的抗铁磁性耦合。然而，在CoPtCrB铁磁薄膜32、34中不包含Co界面薄膜也将发生抗铁磁性交换耦合。
顶铁磁薄膜32与磁层25铁磁性交换耦合，而穿过隔膜36与底铁磁薄膜34抗铁磁弱耦合。当来自写头的磁场切换磁层25中颗粒的磁化强度方向时，顶薄膜32的磁化强度方向也会切换，这是因为与那些颗粒的交换耦合。底薄膜34的磁化强度方向也将切换，这是由于它与顶薄膜32的弱抗铁磁耦合。这样，薄膜32、34的磁矩将保持逆平行，不管主层30顶上的磁层25中颗粒的磁化强度方向如何。
与单个磁层相比，该最佳实施例的复合结构(磁层25与主层30一起)具有增强的热稳定性，这是因为在薄膜32、34二者中的颗粒的各向异性基本上是单轴向的，从而能建设性地相加，即使薄膜42、44的磁矩是逆平行的。决定热稳定性的复合结构磁体积V将近似等于磁层25和AF耦合薄膜32、34中颗粒体积之和。然而，该复合结构的磁矩只是来自磁层25的磁矩，因为主层30基本上没有净磁矩。两个铁磁薄膜32、34之间的抗铁磁耦合提供了一种机制，它增大了复合结构的有效薄膜厚度同时又减小了该复合结构的净Mrt值。这样，铁磁薄膜能含有直径很小的颗粒并保持热稳定性。
在另一个实施例中，主层的两个AF耦合薄膜有仍然逆平行取向的磁矩，但有意地使它们的大小不同，从而使主层有一个非零净磁矩(Mr1t1不等于Mr2t2)。这样的实施例的理由之一是在主层中下铁磁薄膜的厚度不等于上铁磁薄膜厚度的一个点上该结构可能有最佳记录性能水平。如果在这两个薄膜中使用相同的材料(Mr1＝Mr2)，则Mr1t1不等于Mr2t2。如果必须保持主层的顶薄膜足够薄从而不对磁记录层产生记录噪声，同时又必须使主层的底薄膜足够厚以更强地发展所希望的共面C轴取向，那么就会发生这种情况。这另一实施例的第二个理由涉及介质的热稳定性。在介质中记录的磁转换产生一个磁场，其方向趋向于对相邻的磁转换退磁，从而有助于热衰变。在本发明的主层中，将在下铁磁薄膜中造成转换，它将造成一个与此退磁磁场相反的磁场，从而减小热衰变。这另一实施例的第三个理由是调节介质的信号水平或Mrt。在盘驱动器产业，通常是根据所要求的Mrt和矫顽磁力(Hc)值来设计磁盘。然而，Mrt和Hc是互相关的。所以，对于给定的Mrt值，为达到介质Hc的设计点，传统途径是改变工艺过程的条件，如下伏层的厚度或沉积温度，这会对记录特性有损害。利用本发明，能通过不同的方法调节Mrt，即改变Mr1t1和Mr2t2的相对值。
Claims (13)
1.一种磁记录介质，包含：
基片；
在基片上的主层，包含第一铁磁薄膜、放在第一铁磁薄膜之上并与之接触的非铁磁性隔膜、以及放在该隔膜之上并与之接触的第二铁磁薄膜，该第二铁磁薄膜穿过隔膜抗铁磁性交换耦合于第一铁磁薄膜；以及
在主层的第二铁磁薄膜上的磁记录层，该磁记录层的组成不同于第二铁磁薄膜的组成。
2.权利要求1的介质，其中主层的第一和第二铁磁薄膜由相同的材料形成。
3.权利要求1的介质，其中主层的隔膜是由包含钌(Ru)、铬(Cr)、铑(Rh)、铱(Ir)、铜(Cu)和它们的合金的一组材料中选出的材料形成的。
4.权利要求1的介质，其中主层的第一和第二铁磁薄膜是由包含Co、Fe、Ni和它们的合金的一组材料中选出的材料制成的。
5.权利要求1的介质，其中主层的第一铁磁薄膜包括一个界面薄膜，它由钴构成，位于第一铁磁薄膜和隔膜的分界面处。
6.权利要求1的介质，其中主层的第二铁磁薄膜包括一个界面薄膜，它由钴构成，位于第二铁磁薄膜和隔膜的分界面处。
7.权利要求1的介质，进一步包含一个非铁磁下伏层，位于基片上基片和主层之间。
8.权利要求1的介质，进一步包含一个外敷保护层，形成于磁记录层之上。
9.权利要求1的介质，其中第一铁磁薄膜有厚度t1和磁化强度M1，第二铁磁薄膜有厚度t2和磁化强度M2，而且其中第一和第二铁磁薄膜各自的每单位面积磁矩(M1×t1)和(M2×t2)彼此不同。
10.权利要求9的介质，其中第一和第二铁磁薄膜是由相同材料形成的，而且其中t1不同于t2。
11.权利要求9的介质，其中第一和第二铁磁薄膜是由不同材料形成的，而且其中t1和t2是相同的厚度。
12.权利要求1的介质，其中第一铁磁薄膜有厚度t1和磁化强度M1，第二铁磁薄膜有厚度t2和磁化强度M2，而且其中第一和第二铁磁薄膜各自的每单位面积磁矩(M1×t1)和(M2×t2)相同。
13.权利要求1的介质，其中该介质是磁记录盘。
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