CN100431006C - 用于磁性装置的磁性膜 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种能够被实际应用的磁性装置的磁性膜，该磁性膜具有大于2.45T的饱和磁化强度。该磁性膜是一种由铁、钴和钯组成的合金膜。钯的摩尔含量为1-7%，而且该合金膜通过溅射法形成。本发明还提供了另一种磁性膜，该磁性膜含有交替层叠的铁磁性膜以及钯膜或含有钯的合金膜。该钯膜或含有钯的合金膜的厚度为0.05-0.28nm，而且所述层叠的膜通过溅射法或蒸镀法形成。

Description

用于磁性装置的磁性膜
技术领域
本发明涉及一种用于磁性装置的磁性膜，该磁性膜具有高的饱和磁化强度，还涉及一种用于硬盘驱动装置的磁头和一种固体器件，该磁头和固体器件都具有本发明的磁性膜。
背景技术
为了改善硬盘驱动装置的记录密度，由记录磁头所产生的磁场强度必须较大。对于传统的记录磁头而言，其磁极(芯)由铁磁性材料制成，电流通过绕在磁极上的线圈而产生感应磁场，且将该感应磁场集中在磁极上，从而能够在一个方向上放射出用于写入的强磁场。
如果由线圈产生的感应磁场强度固定不变，则磁极的饱和磁化强度增强，或感应磁场有效地集中，从而就能增强用于写入的磁场强度。
为了增强用于写入的磁场强度，采用了具有高饱和磁化强度的材料。这些材料有Ni-Fe合金(坡莫合金)、Fe-Al-Si合金(山达斯特(Sendust)合金)、Fe-Co-Si-B无定形合金、Co-Ni-Fe合金、Co-Fe合金等等。
当用于硬盘驱动装置的记录磁头最初投入实际应用时，它是以Ni-Zn铁素体作为磁极材料的。那时，磁性记录介质只有磁带。Ni-Zn铁素体具有很高的耐磨性和耐腐蚀性，并且还具有很高的电阻率，因此能够避免涡流损耗。但是，Ni-Zn铁素体的缺点是，其作为磁极材料的饱和磁化强度较低，只有例如0.4T。
那时，磁极都是用机械加工来制造的，但是这样难以加工出用于小型记录磁头的磁极。为了解决这个问题，就采用了能够应用光刻法的坡莫合金等。坡莫合金是一种19世纪发明的软性磁性材料，它具有相对较高的耐腐蚀性，而且它的饱和磁化强度大于铁素体，因而坡莫合金也像铁素体一样被用作为制造磁极的材料。但是，坡莫合金的饱和磁化强度为1.0T，因此坡莫合金磁极的磁场不足。因而，目前采用具有高饱和磁化强度的材料。
目前，主要采用Fe70Co30合金作为磁极材料。其饱和磁化强度为2.45T，作为单质，这个数据是最高的。其它任何材料的饱和磁化强度都超不过Fe70Co30合金。需要注意的是，据报道Fe16N2膜的饱和磁化强度数据为2.8-3.0T(参见M.Komuro等，Journal of Applied Physics(应用物理学杂志)，vol.67，NO.9，pp.5126(1990))。但是该数据目前遭到质疑，它似乎应为2.4T或更小(参见M.Takahashi等，Journal of Applied Physics，vol.79，NO.8，pp.5546(1996))。也就是说，Fe16N2的饱和磁化强度小于Fe70Co30合金的2.45T。
与本发明磁性膜类似的磁性膜的实验数据曾有报道。在实验中，在Fe被分散于Pd中而形成的低合金、Fe/Pd多层膜和FeCo/Pd多层膜中，Fe或FeCo中的一个原子的饱和磁矩最多增加至10μB。需要注意的是，一个Fe原子的饱和磁矩为2.2μB，Fe70Co30的饱和磁矩为2.46μB。这种现象是由在Fe原子和Pd原子间的界面上饱和磁矩增大造成的。但是，根据这个数据，如果该膜完全由Fe-Pd合金(或Fe-Co-Pd合金)形成，且Pd的含量比例远大于Fe的含量比例时，于是整个膜的饱和磁化强度必然会非常小。因此，这种膜就无法在实践中用作磁极材料。在任何膜中，在接近液氦的汽化温度(大约2.4K左右)，能够观察到较高的饱和磁化强度；而在室温下饱和磁矩不会增大。上述数据发表于Physical Review(物理综述)，vol.125，No.2，pp.541(1962)；Journal of Applied Physics，vol.77，No.8，pp.3965(1995)；IEEE Transaction on Magnetism，vol.28，No.5，pp.2766(1992)；以及Journal of Applied Physics，vol.92，No.5，pp.2634(2002)。
为了改善硬盘驱动装置的记录密度，在记录磁头上采用具有高饱和磁化强度的材料是有效的。但是，如上所述，具有最高的饱和磁化强度的材料是Fe70Co30合金，它的饱和磁化强度为2.45T。任何其它材料的饱和磁化强度都不大于2.45T。
发明内容
本发明的发明人研究了Fe-Co-Pd膜的组成和Fe-Co/Pd多层膜的膜结构，从而发明了一种饱和磁化强度大于2.45T的磁性膜。
本发明的一个目的在于提供一种用于磁性装置的磁性膜，该磁性膜其能够实际应用，并且其饱和磁化强度大于2.45T。
本发明的另一目的在于提供一种用于硬盘驱动装置的磁头和一种固体器件，所述磁头和固体器件都采用上述磁性膜。
为了达到以上目的，本发明具有以下结构。
该磁性膜的第一种结构是一种由铁、钴和钯所组成的合金膜，其中钯的摩尔含量1-7％，该合金膜通过溅射法形成。
在第一种基本结构中，在溅射法中采用由铁、钴和钯所组成的合金作为靶，并且该合金中钯的摩尔含量为1-7％。采用这种结构，可以正确地调整合金膜中钯的摩尔含量，从而能够提供饱和磁化强度(Bs)大于2.45T的磁性膜。
该磁性膜的第二种基本结构包含铁磁性膜和钯膜或含钯的合金膜，这两种膜交替层叠，其中，所述钯膜或含钯的合金膜的厚度为0.05-0.28nm，并且这些层叠的膜是通过溅射法或蒸镀法形成的。
在第二种基本结构中，至少要层叠两层铁磁性膜。
在该第二种基本结构中，铁磁性膜可由铁-钴或含有铁-钻的合金制成，而且铁与钴的摩尔量比(CFe/CCo)为0.667-9.0。
并且，在该第二种基本结构中，铁磁性膜的厚度可为小于等于2.3nm。通过这样的结构，能够提供饱和磁化强度大于2.45T的磁性膜。
本发明中用于硬盘驱动装置的磁头包含上述第一种或第二种基本结构的磁性膜。
此外，本发明的固体器件包含上述第一种或第二种基本结构的磁性膜。
本发明的磁性膜中，该磁性膜的饱和磁化强度可大于传统的Fe70Co30合金，Fe70Co30合金的饱和磁化强度最大为2.45T。通过将这种磁性膜用于硬盘驱动装置的磁头或固体器件，可以得到能够以高记录密度记录数据的硬盘驱动装置或固体器件。
附图说明
以下将通过实施例并参考附图来描述本发明的实施方案，在附图中：
图1是表明加入到Fe70Co30合金中的Pd的量与溅射膜的饱和磁化强度之间关系的曲线图；
图2为用于磁性装置的磁性膜的层状结构的说明图；
图3是表明钯膜厚度与多层膜的饱和磁化强度之间关系的曲线图，该多层膜中铁磁性膜和所述钯膜交替层叠；
图4是表明铁磁性膜厚度与多层膜的饱和磁化强度之间关系的曲线图，该多层膜中所述铁磁性膜和钯膜交替层叠；
图5为具有该磁性膜的磁头的说明图；
图6为一种固体器件的说明图；以及
图7为另一种固体器件的说明图。
具体实施方式
下面将参照附图详细描述本发明的优选实施方案。这些实施方案为用于磁性装置的磁性膜、具有该磁性膜的用于硬盘驱动装置的磁头和固体器件。
首先，参照图1来说明加入到Fe70Co30合金中的Pd的量与溅射磁性膜的饱和磁化强度之间的关系。在实验中，制备加入了钯的由Fe70Co30合金制成的多个靶。这些靶中所含的钯的含量不同。在1000W和0.4Pa的条件下进行溅射。溅射膜的厚度为50nm。测得的溅射膜的饱和磁化强度(Bs)如图1所示。需要注意的是，溅射膜有时称为“第一磁性膜”。根据图1，不含有Pd的溅射膜的饱和磁化强度(Bs)为2.45T。另一方面，含有3％Pd的溅射膜的饱和磁化强度(Bs)为2.55T。需要注意的是，含有大于等于7％Pd的溅射膜的饱和磁化强度(Bs)小于2.45T。
根据这些实验，Pd的加入量优选为小于7％，以便使溅射膜的饱和磁化强度(Bs)大于2.45T，该溅射膜是采用由含有Pd的Fe70Co30合金制得的靶形成。并且，Pd的量应该为大于等于1％，以便于精确地控制Pd的含量。
第一磁性膜的组成与传统的Fe分散于Pd中的磁性膜有很大的不同。因此，实验中的FeCoPd膜的饱和磁化强度(Bs)的增大不是仅由Fe分散于Pd中所形成的低合金中存在的饱和磁矩μB的增加所引起的。发明人认为，Pd取代了晶格点或者侵入晶格之间，从而扩展了FeCo的晶格。通过扩展其晶格，电子态发生了改变，因而在第一磁性膜中其饱和磁化强度增大。
习惯上，用于硬盘驱动装置记录磁头的磁性膜通过溅射法或电镀法来制得。适用于形成所述第一磁性膜的方法为溅射法。通过适当的调节靶组成或基本材料的组成，可以容易地在1-7％的范围之内调节该膜中钯的摩尔含量。若预先制备由铁-钴-钯合金制成的靶，且其中钯的摩尔含量是预先设定的值，则在溅射膜中钯的组成就由靶中钯的组成来限定。因此，其摩尔含量就能够得到准确的控制。除此之外，在进行溅射法的过程中，溅射膜中钯的摩尔含量不会改变。
应该注意的是，自从坡莫合金用作磁极以来，就一直采用电镀法。但是，电镀法不适用于本发明的FeCoPd膜。用于磁极的膜的厚度为几纳米到数百纳米，但是在用电镀FeCoPd膜的最初阶段和最终阶段，该膜的组成很容易改变。原因在于电离倾向为Fe＞Co＞＞Pd＞Au＞Pt，因此在制备FeCoPd合金时Pd较先析出，于是在初始阶段和最终阶段，电镀液中Pd离子与Fe和Co离子之比发生波动。为了避免其组成的变化，在电镀液中加入一种添加剂，例如糖精，但这会降低电镀膜的饱和磁化强度。为了获得大于2.45T的饱和磁化强度，Pd的摩尔含量必须得到严格的控制，但是电镀法不适合进行这种严格的控制。
本发明的另一种磁性膜如图2所示。下文中，该磁性膜10被称为“第二磁性膜”。铁-钴铁磁性膜11和钯膜12在用于磁性装置的磁性膜10中交替层叠。
图3是表明钯膜12的厚度与磁性膜10的饱和磁化强度(Bs)之间关系的曲线，磁性膜10中，25层铁磁性膜11和25层钯膜12交替层叠。根据该曲线图，当钯膜12的厚度为0.05-0.28nm时，其饱和磁化强度(Bs)超过2.45T。在图3的实验中，25层铁磁性膜12和25层钯膜12交替层叠。进一步进行实验。也就是说，测定10层铁磁性膜11和10层钯膜12交替层叠的磁性膜10的饱和磁化强度(Bs)，并测定由50层铁磁性膜11和50层钯膜12交替层叠的其它磁性膜10的饱和磁化强度(Bs)。在实验中，测定结果与图3相似。也就是说，在10层铁磁性膜11和10层钯膜12交替层叠的第二磁性膜中，层数不影响其饱和磁化强度，钯膜12的厚度影响其饱和磁化强度。
为了提高第二磁性膜(层叠的膜)的饱和磁化强度，铁的摩尔量对钴的摩尔量之比(CFe/CCo)为0.667-9.0。
图4表明了铁磁性膜11的厚度与磁性膜10的饱和磁化强度(Bs)之间的关系，该磁性膜10中，铁磁性膜11和钯膜12交替层叠。根据图4，当铁磁性膜11的厚度为1.0-2.3nm时，其饱和磁化强度(Bs)超过2.45T。
需要注意的是，在第二磁性膜10中，可以采用含有钯的合金膜，而不采用钯膜12。所述含有钯的合金为MoPd、RhPd等等。在FeCo膜和所述合金膜交替层叠的磁性膜中，当该含有钯的合金膜的厚度为0.05-0.28nm时，能够获得高的饱和磁化强度。
需要注意的是，适用于制备该第二磁性膜的方法为溅射法或蒸镀法(MBE法)。通过这些方法，能够以高精确度重复形成厚度为0.05-0.28nm的很薄的钯膜或合金膜，以及厚度小于等于2.3nm的很薄的铁磁性膜。
在本发明的层叠的磁性膜中，钯膜(或含有钯的合金膜)与铁磁性膜之间的界面必须清晰或转变明显。溅射法和蒸镀法都适于形成这样的界面。
另一方面，电镀法属于湿法，膜的生长速度很快。因此电镀法就不适于重复形成很薄的膜。尤其是，当电镀液由于膜材料的改变而发生变化时，已经沉积成膜的金属将再度溶解于电镀液中，从而就会在界面处形成不应形成的混合层。形成混合层后，饱和磁化强度的增加就必然小。
上述实施方案中的磁性膜的饱和磁化强度很大，因此它们能够适用于硬盘驱动装置的磁头和固体器件等等。
图5显示了硬盘驱动装置的磁头。磁头30用于纵向磁记录。记录磁头部分20有下部磁极21、上部磁极22和与芯部22a互连的线圈24。
本发明的磁性膜的饱和磁化强度为大于等于2.45T，该值大于主要用作磁芯材料的Fe70Co30合金的值。通过在下部磁极21中采用这种磁性膜，可有效地提高用于写入的磁场强度，从而可以提高记录介质26的记录密度。
当本发明的多层磁性膜应用于下部磁极21时，可以通过调节铁磁性膜11和钯膜12(或含有钯的合金膜)的层叠数来调整下部磁极21的厚度。
本发明的磁性膜不仅适用于磁头30的下部磁极21，还适用其上部磁极22。此外，可以在磁极21和22中采用由溅射法形成的第一磁性膜，该磁性膜由Fe70Co30合金组成，在该合金中加入了摩尔含量为1-7％的Pd。在这种情况下，第一磁性膜也具有大于2.45T的饱和磁化强度，从而可以大幅度提高记录介质26的记录密度。
图6和7显示了包含本发明磁性膜的固体器件。图6显示了固体器件40，其中，在由钯制成的基体42中，等间隔地排列着由铁-钴制成的量子细线43。图7显示了固体器件42，其中，在由钯制成的基体42中，等间隔地排列着由铁-钴制成的量子点45。可以通过交替形成钯层和铁-钴铁磁性层来制造固体器件40和41。这些层可以采用掩模通过溅射法或蒸镀法来形成。
图6和7中所示的固体器件40和41可用于磁记录装置。它们的层状结构与本发明中多层磁性膜的结构相似。也就是说，固体器件40和41具有高的饱和磁化强度，因此它们能够有效地以高密度来记录数据。尤其是，具有点结构的固体器件41能够提高每单位体积的饱和磁化强度。
需要注意的是，本发明人进一步试验了通过层叠FeCoPd膜和Pd合金膜而形成的多层磁性膜。该FeCoPd膜的最大饱和磁化强度是2.9T。这个数值大于以往报道的任何数值。
在不背离本发明的精神或必要特征的情况下，本发明能够以其他的具体形式来实施。因此应当理解，上述实施方案的任何方面均是说明性的，而非限制性的，因此，本发明的范围由所附的权利要求而非以上的说明来界定，其意在包括在等同于权利要求的含义和范围内的所有变化。

Claims (8)

1.一种用于磁性装置的磁性膜，该磁性膜包含交替层叠的铁磁性膜以及钯膜或含钯的合金膜，其中，所述钯膜或所述含钯的合金膜的厚度为0.05nm-0.28nm，而且所述层叠的膜由溅射法或蒸镀法形成。
2.根据权利要求1所述的磁性膜，其中，层叠了至少两层铁磁性膜。
3.根据权利要求1所述的磁性膜，其中，所述的铁磁性膜由铁-钴或含有铁-钴的合金制成，而且铁与钴的摩尔量之比CFe/CCo为0.667-9.0。
4.根据权利要求3所述的磁性膜，其中，所述铁磁性膜的厚度小于等于2.3nm。
5.一种用于硬盘驱动装置的磁头，该磁头由具有用于写入数据的磁极和用于写入数据的线圈的写磁头构成，其中，所述磁极由磁性膜制成，而且所述的磁性膜包含交替层叠的铁磁性膜以及钯膜或含钯的合金膜，所述钯膜或所述含钯的合金膜的厚度为0.05nm-0.28nm，而且所述的层叠的膜由溅射法或蒸镀法形成。
6.根据权利要求5所述的磁头，其中，所述铁磁性膜的厚度小于等于2.3nm。
7.一种固体器件，其包含用于磁性装置的磁性膜，其中，所述磁性膜包含交替层叠的铁磁性膜以及钯膜或含钯的合金膜，所述钯膜或所述含钯的合金膜的厚度为0.05nm-0.28nm，而且，所述层叠的膜由溅射法或蒸镀法形成。
8.根据权利要求7所述的固体器件，其中，所述铁磁性膜的厚度小于等于2.3nm。
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