CN100424758C - 垂直磁记录盘 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种具有颗粒Co基铁磁合金记录层(RL)以及所述RL与软磁衬层(SUL)之间的减小厚度的交换中断层(EBL)的垂直磁记录盘，所述RL具有选定金属(Ta或Nb)的氧化物。一种包括所述盘、写头和读头的垂直磁记录系统由于所述减小厚度的EBL而具有改善的向RL写的能力。
Description
技术领域
本发明总地涉及垂直磁记录介质，更特别地，涉及用于磁记录硬盘驱动器的具有垂直磁记录层的盘.
背景技术
垂直磁记录是在磁记录硬盘驱动器中实现超高记录密度的途径之一，其中所记录的位(bit)在记录层中垂直或离面(out-of-plane)取向地存储.普通类型的垂直磁记录系统是利用“双层”介质的系统.这类系统如图1所示，具有单写极类型的记录头.双层介质包括形成在“软磁”或较低矫顽力导磁衬层(SUL)上的垂直磁数据记录层(RL).SUL用作磁场从记录头的写极到返回极的磁通返回路径.图1中，RL示出为具有垂直记录或磁化的区域，相邻区域具有相反的磁化方向，如箭头所示.相邻的相反方向的磁化区域之间的磁转变(magnetic transition)作为所记录的位可被读元件或头检测.
图2是现有技术垂直磁记录盘的横截面的示意图，示出了作用在记录层RL上的写场Hw.该盘还包括硬盘衬底、用于SUL的生长的籽层或始层(onsetlayer，OL)、用于中断SUL的导磁膜与RL之间的磁交换耦合并促进RL的外延生长的非磁交换中断层(EBL)、以及保护覆层(OC).如图2所示，RL位于“表象(apparent)”记录头(ARH)的间隙内，与纵向或面内(in-plane)记录相比其允许明显更高的写场.ARH包括盘之上的作为真实写头(RWH)的写极(图1)、以及RL下面的有效次级写极(effective secondary write pole)(SWP).SWP由SUL促成，SUL通过EBL自RL去耦，并且在写过程期间由于其高磁导率而产生RWH的磁镜像.这有效地使RL在ARH的间隙中且允许RL内大的写场Hw.
用于RL的一类材料是颗粒铁磁钴合金，例如CoPtCr合金，其具有六角密堆积(hcp)晶体结构，c轴基本离面或垂直于RL取向.颗粒钴合金RL还应当具有良好隔离的精细晶粒结构从而产生高矫顽力介质并减小造成高本征介质噪声的晶粒间交换耦合.因此，已经提出通过加入析淀到晶粒边界的氧化物来提高钴合金RL中的晶粒分离(grain segregation)，所述氧化物包括Si、Ta、和Nb的氧化物.
已经提出了一种垂直磁记录介质，其中RL是两铁磁层的反铁磁耦合(AFC)记录层，所述每个铁磁层具有垂直磁各向异性，它们通过反铁磁(AF)耦合层分隔开.AF耦合层诱发两铁磁层之间的垂直反铁磁交换耦合，如图3中AFC RL的每个磁化区域中两铁磁层之间的反平行磁化方向所示.上铁磁层通常通过使其更厚而形成有比下铁磁层更高的磁矩，从而在没有磁场时AFC RL具有净磁矩.在此类介质中，如US 6,815,082 B2所述，第一或下铁磁层以及第二或上铁磁层两者都由具有hcp晶体结构并且具有或没有氧化物的颗粒钴合金例如CoPtCr合金形成.
具有或没有氧化物的钴合金RL，包括钴合金AFC RL，由于沉积期间其hcp晶体结构的c轴被诱导为垂直于层平面生长而具有离面或垂直磁各向异性.为了诱导hcp RL的该生长，其上形成RL的EBL通常也是hcp材料.在具有AFC RL的垂直磁记录介质中，EBL也具有hcp晶体结构从而诱导AFC RL中的下层的垂直磁各向异性.钌(Ru)是建议用于EBL的一种非磁hcp材料.尽管图2未示出，籽层通常直接沉积在SUL上从而促进EBL的生长.
为了以超高记录密度例如大于200Gbits/in2实现高性能垂直磁记录盘，RL应当表现出低本征介质噪声(高信噪比或SNR)、大于约5000Oe的矫顽力Hc以及大于(更负)约-1500Oe的成核场(nucleation field)Hn.成核场Hn具有几个含义，但这里使用时其是反转场(reversing field)，优选地在M-H磁滞回线的第二象限，该处磁化下降至其饱和值Ms的90％.成核场越负，剩磁状态越稳定，因为需要更大的反转场来改变磁化.
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颗粒合金RL的垂直磁记录介质，该CoPtCr颗粒合金具有添加的SiO2.该RL具有约4000Oe的Hc和约-700Oe的Hn.T.Chiba等人在“Structure and magnetic properties of Co-Pt-Ta2O5 filmfor perpendicular magnetic recording media”(Joumal of Magnetism andMagnetic Materials，Vol.287，February 2005，pp.167-171)中描述了具有CoPt颗粒合金RL的垂直磁记录介质，该CoPt颗粒合金具有添加的Ta2O5.该RL具有约3000Oe的Hc.
在垂直磁记录系统中记录介质是写头的一部分，因此需要与头设计匹配，如图2对具有单写极头的系统的描绘.对于单写极头，需要最小化写极至SUL的间距从而集中写场磁通并因此最大化写场.另一类系统使用拖尾屏蔽型写头.在该系统中写极至拖尾屏蔽件的距离应当匹配写极至SUL的间距从而获得最佳写角.在两类系统中，都使用薄EBL来实现所需的头至SUL间距.然而，虽然为了写而期望减小EBL的厚度，但是使EBL足够厚从而提供用于hcp钴合金RL的生长的模板以确保其c轴是垂直的.EBL也足够厚从而提供具有高Hc和足够低的颗粒间交换耦合的RL以最小化本征介质噪声.具有Si氧化物的RL所需的EBL厚度通常大于约20nm。T.Chiba等人的上述文章中所报导的具有Ta氧化物的RL具有15nm厚度的Ru EBL。
所需要的是具有CoPtCr颗粒合金RL和薄EBL的高性能、超高记录密度垂直磁记录盘以用于最佳写性能.
发明内容
本发明是具有记录层(RL)和交换中断层(EBL)的垂直磁记录盘以及垂直磁记录系统，所述记录层具有选定金属的氧化物，所述交换中断层具有减小的厚度，所述垂直磁记录系统包括盘、写头和读头.所述盘具有改善的可写性(writability)和高读回信号幅度.所述RL是颗粒Co基铁磁合金，其具有仅Ta的一种或多种氧化物.其上生长RL的所述EBL比用于具有除Ta以外的分离子的氧化物的RL的EBL的最小要求厚度显著更薄.在一个实施例中，所述RL具有与具有其它分离子例如Si的氧化物的RL相当的Hc和Hn.
在所述盘的一个实施例中，所述RL是颗粒CoPtCr铁磁合金，具有由Cr的一种或多种氧化物以及单独选定的分离子Ta或Nb的一种或多种氧化物构成的颗粒间材料.所述RL中氧的量在约22与35原子百分比之间.在该实施例中，EBL是Ru，厚度大于8nm并小于14nm.该盘表现出大于5000Oe的Hc和大于-1500Oe的Hn.作为对比，具有类似结构但具有Si代替Ta或Nb作为分离子的对比盘表现出类似的Hc和Hn值，但要求约21nm的RuEBL厚度.除了由于减小厚度的EBL带来的改善的可写性以外，本发明的盘比对比盘相比具有显著更好的SNR、更高的读回信号幅度和更好的错误率.
为了更充分理解本发明的本质和优点，应当结合附图参考下面的详细说明.
附图说明
图1是现有技术垂直磁记录系统的示意图；
图2是根据现有技术的垂直磁记录盘的横截面的示意图并描绘了写场；
图3是根据现有技术具有反铁磁耦合(AFC)记录层的垂直磁记录盘的横截面的示意图；
图4是根据本发明的垂直磁记录盘的横截面的示意图；
图5是用于制造本发明的测试盘和对比盘的多靶溅射源以及相关的靶成分的视图；
图6是对于四个Ta-Ox测试盘和三个Si-Ox对比盘的作为EBL厚度的函数的SNR(dB)的曲线图；
图7是对于Ta-Ox测试盘和Si-Ox对比盘作为写电流的函数的用于低密度数据图案的归一化读回信号的对比；
图8是对于四个Ta-Ox测试盘和Si-Ox对比盘的作为填充因子的函数的读回信号幅度的曲线图；
图9是对于Ta-Ox盘和Si-Ox对比盘的作为线记录密度的函数的字节错误率的曲线图.
具体实施方式
根据本发明的垂直磁记录盘示于图4.该结构类似于图2的现有技术结构，除了RL的成分以及减小厚度的EBL以外.
参照图4，构成盘的各层位于硬盘衬底上.该衬底可以是任何商业可得的玻璃衬底，但是还可以是具有NiP或其它已知表面涂层的传统铝合金，或者诸如硅、硅碱钙石(canasite)或硅碳化物的供选衬底.SUL位于衬底上，或者直接在衬底上或者直接在粘合层或OL上.OL促进SUL的生长并可以是具有约2-5纳米(nm)厚度的AlTi合金或类似材料.SUL是由多个软磁层(SULa和SULb)形成的层叠或多层SUL，该多个软磁层通过作为反铁磁(AF)耦合膜从而在SULa和SULb之间起到反铁磁交换耦合的媒介作用的层间膜(诸如Ru、Ir或Cr)分隔开.这类SUL在美国专利6686070 B1和6835475B2中作了描述.SUL也可以是单层.SUL还可以是由多个软磁膜形成的层叠或多层SUL，该多个软磁膜通过诸如碳或SiN膜或者Al或CoCr导电膜的非磁膜分隔开.SUL层或多层由非晶导磁材料形成，例如合金CoNiFe、FeCoB、CoCuFe、NiFe、FeAlSi、FeTaN、FeN、FeTaC、CoTaZr、CoFeB、以及CoZrNb.SUL的厚度通常在约50-400nm的范围.形成在RL上的OC可以是非晶“类金刚石(diamond-like)”碳膜或其它公知保护覆层，例如硅氮化物.
SUL上的非磁EBL是用于控制颗粒RL中的六角密堆积(hcp)晶体取向的具有hcp晶体结构的非磁金属或合金.EBL促进hcp颗粒RL的生长使得其c轴基本垂直地取向，从而产生垂直磁各向异性.钌(Ru)是通常使用的用于EBL的材料，但是其它材料包括选自Ti、Re和Os的金属，以及含有选自Ti、Re、Ru和Os的至少一种元素的合金，包括Ru基合金.如果Ru用作EBL，则它可以直接形成在籽层(SL)上，籽层形成在SUL上，例如为1-2nm厚的NiFe层或2-4nm厚的NiV或NiW层.在本发明的优选实施例中，EBL是具有小于15nm厚度的Ru，优选地大于8nm并小于14nm.
RL是颗粒铁磁Co合金，具有由“M”分离子(其中M为Ta或Nb)中的一种或更多的一种或更多氧化物构成的颗粒间材料.优选地颗粒间材料中的M氧化物或多种氧化物是仅一种元素的氧化物或多种氧化物，即Ta-Ox或Nb-Ox.RL也可以含Cr，Cr的一种或多种氧化物也作为颗粒间材料出现.
各种测试盘通过溅射沉积制造，在RL中有Ta或Nb，并具有不同厚度的Ru EBL.然后测试盘的记录特性与除了Si代替Ta或Nb在记录层中且Ru EBL具有更高范围的厚度以外基本相同的盘比较.该盘具有类似于图4所示的结构，75nm厚的CoTaZr层作为SULa和SULb，0.7nm厚的Ru层作为AF耦合膜，2-4nm厚的NiV层作为用于Ru EBL生长的SL，以及14nm厚的RL.
利用
Triatron多靶溅射源在Ar/O2气体混合物中通过反应溅射制造RL.该溅射源示于图5并具有三个同心靶，每个具有其自己的电源.为了制造各种成分，内靶对于测试盘是Ta2O5或Nb2O5，对于对比盘是SiO2.中间靶是CrPt合金(例如Cr60Pt40、Cr52Pt48或Cr56Pt44，其中下标代表at.％)并且外靶是Co.在制造CoPtCr合金的其它靶布置例如Co/CoCrPt、CoCr/Pt、CoCr/Cr、和CoCrPt/Pt上也获得了可比结果.用于RL的一般成分对于具有Ta-Ox的四个测试盘是Co49-Pt11-Cr10-Ta3-O27(其中下标代表原子百分比)，对于具有Si-Ox的对比盘是Co49-Pt11-Cr11-Si4-O25.这样，Ta-Ox测试盘和Si-Ox对比盘具有相同厚度(14nm)的RL以及基本相同量的分离子和氧.
图6是对于四个Ta-Ox测试盘和三个Si-Ox对比盘的作为Ru EBL厚度的函数的在530千磁通改变/英寸(kfci)的线记录密度的SNR(dB)的曲线.具有21nm的Ru EBL的Si-Ox对比盘具有5580Oe的Hc和-1700Oe的Hn.相比之下，具有10-13nm的Ru EBL的三个Ta-Ox测试盘具有基本相同的SNR以及可比的5230Oe的Hc和-1730Oe的Hn.
图7是对于Ta-Ox测试盘(13nm Ru EBL)和Si-Ox对比盘(21nm RuEBL)的作为写电流函数的归一化读回信号的比较.图7示出Ta-Ox测试盘的改善的可写性.与对于Si-Ox对比盘在约40mA相比，Ta-Ox RL在大约20mA的写电流实现了饱和磁化.较低的写电流意味着RL可以用较小的写场来写并且写头可以制得更小.
图8是对于四个Ta-Ox测试盘和具有21nm Ru EBL的Si-Ox对比盘的作为填充因子(filling factor)的函数的读回信号幅度的曲线图.读回信号与填充因子成比例，其中填充因子是总的头至SUL间距的被RL厚度占有的分数部分(fractional part).具有10-13nm Ru EBL的Ta-Ox盘与具有21nm RuEBL的Si-Ox盘相比具有约20％更高的读回信号幅度.
图9示出与具有21nm Ru EBL的Si-Ox盘比较时具有13nm Ru EBL的Ta-Ox盘的改善的字节错误率.
通过透射电子显微镜(TEM)分析确定时，具有13nm Ru EBL的Ta-Ox盘的平均RL晶粒尺寸显著小于具有21nm Ru EBL的Si-Ox盘(大约6.0nm对7.1nm).较小的晶粒锐化了RL中磁化区域之间的磁转变，这改善了读回信号的质量.
尽管上述数据是用于Ta-Ox测试盘的，但是对于具有Co50-Pt11-Cr11-Nb3-O25的一般成分的Nb-Ox测试盘也获得了类似结果.因此，本发明也适用于RL中具有Nb-Ox且具有显著更薄EBL的垂直磁记录介质.上述数据是用于由Ru形成的EBL的.然而，本发明也适用于由其它非磁hcp材料形成的EBL，所述非磁hcp材料包括Ti、Re和Os，以及包含选自Ti、Re、Ru和Os的至少一种元素的合金，包括Ru基合金.
上述数据是用于具有颗粒Co-Pt-Cr-M-Ox的RL的测试盘，其中含氧量较高，所述氧来自于氧化物靶和Ar/O2溅射气体混合物.因为RL中氧的量显著大于形成化学计量的M-O所需的氧的量，所以显著量的Cr氧化物也形成在晶粒之间.具有Ta-Ox、Nb-Ox或Si-Ox的RL以及这些较高水平的氧已经显示出产生了超高密度记录所需的高Hc和Hn值，如前面引用的相关待决申请中所描述的.将产生具有大于约5000Oe的Hc和大于(更负)约-1500Oe的Hn的RL的RL中氧含量的范围被确定为在约22和35at.％之间.用于这些高氧RL的优选的分离子范围确定为Si约是2-9at.％，Ta是2-5at.％，Nb是2-5at.％.因此，上述数据显示这样的高氧Ta-Ox或Nb-Ox RL可具有与具有Si-Ox的高氧RL可比的Hc和/或Hn值，但是具有显著更薄的EBL.然而，本发明不限于具有这些较高水平的氧的RL.本发明还可应用于具有较低Hc和/或Hn值的具有Ta-Ox或Nb-Ox RL的盘，因为这样的盘与具有有可比的Hc和/或Hn值但是有除了Ta或Nb以外的分离子的氧化物的RL的盘所需的EBL相比将具有薄的EBL.
尽管上述数据对于如图4所示的单层RL所示出，但是RL也可以是AFCRL，类似于图3所示且在前面引用的US 6815082 B2中所描述的类型.在具有AFC RL和减小厚度的EBL的实施例中，至少上铁磁层、或者上和下铁磁层两者，将含有Ta或Nb.
尽管参照其优选实施例特别显示和描述了本发明，但是本领域技术人员能够理解，在不脱离本发明的精神和范围的情况下可以进行形式和细节上的各种改变.因此，所公开的方面将被认为仅是说明性的并仅限制在权利要求所确定的范围内.
本申请与2005年5月24日提交的标题为“PERPENDICULARMAGNETIC RECORDING DISK WITH IMPROVED RECORDING LAYERHAVING HIGH OXYGEN CONTENT”的待决申请11/135750相关.
Claims (23)
1. 一种垂直磁记录介质，包括：
衬底；
所述衬底上的导磁材料的衬层；
垂直磁记录层，在所述衬层上且包括颗粒铁磁Co合金以及仅Ta的一种或多种氧化物；以及
非磁交换中断层，在所述衬层和所述记录层之间，用于磁去耦所述记录层和所述衬层，所述交换中断层具有小于15nm的厚度。
2. 如权利要求1所述的介质，其中所述记录层具有大于5000Oe的矫顽力Hc。
3. 如权利要求1所述的介质，其中所述记录层具有比-1500Oe更负的成核场Hn。
4. 如权利要求1所述的介质，其中所述交换中断层的厚度大于8nm且小于14nm。
5. 如权利要求1所述的介质，其中所述交换中断层由选自含有Ru、Ti、Re、Os以及Ru、Ti、Re和Os的一种或多种的合金的组的材料形成。
6. 如权利要求5所述的介质，其中所述交换中断层基本由Ru构成。
7. 如权利要求1所述的介质，还包括所述衬层与所述交换中断层之间的籽层且其中所述交换中断层直接在所述籽层上。
8. 如权利要求1所述的介质，其中所述记录层中的所述颗粒Co合金包括通过颗粒间材料分离的Co合金晶粒，且其中Ta的一种或多种氧化物作为颗粒间材料存在。
9. 如权利要求8所述的介质，其中所述记录层中存在的Ta的量大于2原子百分比并小于5原子百分比。
10. 如权利要求1所述的介质，其中所述记录层是包括通过非磁反铁磁耦合层分隔开的第一和第二颗粒铁磁Co合金层的反铁磁耦合AFC记录层，所述第一层位于所述交换中断层与所述第二层之间，所述AFC记录层在没有外加磁场时具有基本的净磁矩。
11. 如权利要求1所述的介质，其中所述导磁材料的衬层由选自含有合金CoFe、CoNiFe、NiFe、FeCoB、CoCuFe、FeAlSi、FeTaN、FeN、FeTaC、CoTaZr和CoZrNb的组的材料形成。
12. 如权利要求1所述的介质，其中所述导磁材料的衬层是通过非磁膜分隔开的多个导磁膜的叠层。
13. 如权利要求12所述的介质，其中所述叠层中的非磁膜提供所述叠层中的导磁膜的反铁磁耦合。
14. 一种垂直磁记录系统，包括：
如权利要求1所述的介质；
写头，用于磁化所述介质的所述记录层中的区域；以及
读头，用于检测所述磁化区域之间的转变。
15. 一种垂直磁记录盘，包括：
衬底；
所述衬底上的导磁材料的衬层；
垂直磁记录层，包括具有六角密堆积hcp晶体结构的c轴基本垂直于所述记录层取向的CoPtCr基铁磁合金的晶粒以及包括仅Ta的一种或多种氧化物的颗粒间材料；
交换中断层，在所述衬层和所述记录层之间，用于磁去耦所述记录层和所述衬层，所述交换中断层是选自包括Ru和Ru基合金的组的非磁hcp材料，所述交换中断层具有小于15nm的厚度；以及
籽层，在所述衬层与所述交换中断层之间，用于促进所述交换中断层的hcp生长，所述交换中断层直接在所述籽层上并与之接触。
16. 如权利要求15所述的盘，其中所述记录层具有大于5000Oe的矫顽力Hc和比-1500Oe更负的成核场Hn。
17. 如权利要求15所述的盘，其中所述交换中断层的厚度大于8nm并小于14nm。
18. 如权利要求15所述的盘，其中所述记录层中存在的氧的量大于22原子百分比并小于35原子百分比。
19. 如权利要求18所述的盘，其中所述记录层中存在的Ta的量大于2原子百分比并小于5原子百分比。
20. 如权利要求15所述的盘，其中所述记录层是包括通过非磁反铁磁耦合层分隔开的第一和第二颗粒铁磁CoPtCr基铁磁合金层的反铁磁耦合AFC记录层，所述第一层位于所述交换中断层与所述第二层之间，所述AFC记录层在没有外加磁场时具有基本的净磁矩。
21. 如权利要求15所述的盘，其中所述导磁材料的衬层由选自包括合金CoFe、CoNiFe、NiFe、FeCoB、CoCuFe、FeAlSi、FeTaN、FeN、FeTaC、CoTaZr和CoZrNb的组的材料形成。
22. 如权利要求15所述的盘，其中所述导磁材料的衬层是通过非磁膜分隔开的多个导磁膜的叠层。
23. 如权利要求22所述的盘，其中所述叠层中的非磁膜提供所述叠层中的导磁膜的反铁磁耦合。
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