CN100468524C - 具有改进的高氧含量记录层的垂直磁记录盘 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种垂直磁记录盘，其具有改进的具有颗粒间材料的颗粒CoPtCr基铁磁合金的记录层，颗粒间材料由Cr的一种或更多氧化物及Si、Ta、Ti、B、Nb或Hf分离子中的一种或更多种的一种或更多种氧化物构成，其中记录层中出现的氧的量大于约22个原子百分比并且小于约35个原子百分比。记录层中的氧的量显著大于分离子或多种分离子的化学计量氧化物或多种氧化物所需的量，出现在记录层中的氧的主要部分存在于颗粒间材料中。记录层表现出高信噪比(SNR)、大于约5000 Oe的矫顽力Hc及大于(更负)约-1500 Oe的成核场Hn。
Description
技术领域
本发明总地涉及垂直磁记录介质，更具体地，涉及用于在磁记录硬盘驱动器中使用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。最普通类型的垂直磁记录系统是利用具有单写极的记录头和“双层”介质的系统，如图1所示。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用作来自写极的场到记录头的返回极的磁通返回路径。此类型的系统也称为“1型”垂直磁记录。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。相邻的相反方向磁化区域之间的磁转变(magnetic transition)作为所记录的位被读元件或读头所检测。
图2是现有技术垂直磁记录盘的横截面的示意图。该盘包括硬盘衬底、用于SUL的生长的粘合层或始层(onset layer，OL)、SUL、SUL上促进RL的生长的衬层(UL)、及保护覆层(OC)。用于RL的一类传统材料是颗粒铁磁钴合金，例如CoPtCr合金。此材料的铁磁晶粒(grain)具有六角密堆积(hcp)晶体结构以及由于沉积期间hcp晶体结构的c轴被诱导为垂直于层平面生长而导致的离面或垂直磁各向异性。为了诱导hcp RL的该外延生长，其上形成RL的UL通常也是hcp材料。钌(Ru)是建议用于UL的一种材料。尽管单层UL示于图2，但UL可以是多层结构，具有一个或更多hcp层及SUL与hcp层或多层之间的籽层。UL还通常起到交换中断层的作用，从而中断RL与导磁SUL之间的磁交换耦合。
已经提出了一种垂直磁记录介质，其中RL是反铁磁耦合(AFC)层的上铁磁层，如图3所示。AFC层包括UL上的下铁磁层、下铁磁层上的反铁磁(AF)耦合层、以及AF耦合层上的上铁磁层(RL)。在此类型的介质中，如US 6815082 B2所述，每个铁磁层是具有垂直磁各向异性的颗粒钴合金。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层的每个磁化区域中两铁磁层之间的反平行磁化方向所示。
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及大于(更负)约-1500Oe的成核场(nucleation field)Hn。成核场Hn是反转场(reversing field)，优选地在M-H磁滞回线的第二象限，该处磁化开始从其饱和值(Ms)下降。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。
公知地，颗粒钴合金RL应具有良好隔离的精细颗粒(fine-grain)结构以制造高Hc介质并减小颗粒间交换耦合，颗粒间交换耦合是造成高本征介质噪声的原因。已经提出通过加入析淀在晶粒边界处的金属氧化物来提高RL中的晶粒分离(segregation)。H.Uwazumi等在“CoPtCr-SiO2 Granular Mediafor High-Density Perpendicular Recording”(IEEE Transactions on Magnetics，Vol.39，No.4，July 2003，pp.1914-1918)中描述了从CoPtCr-SiO2复合靶通过溅射沉积向CoPtCr颗粒合金加入SiO2。该文献中描述的RL具有约4000Oe的Hc和约-700Oe的Hn。T.Chiba等在“Structure and magnetic properties ofCo-Pt-Ta2O5 film for perpendicular magnetic recording media”(Journal ofMagnetism and Magnetic Materials，Vol.287，February 2005，pp.167-171)中描述了向CoPt颗粒合金加入Ta2O5。当从CoPt和Ta2O5的复合靶溅射沉积RL时，该文献中描述的RL具有约3000Oe的Hc，并且通过溅射期间引入氧气没有获得Hc的增加。
在上面引用的参考文献中，所加入的氧的量不显著大于化学计量的金属氧化物所需的氧的量。M.Zheng等在“Role of Oxygen Incorporation inCo-Cr-Pt-Si-O Perpendicular Magnetic Recording Media”(IEEE Transactions onMagnetics，Vol.40，No.4，July 2004，pp.2498-2500)中描述了在氩/氧(Ar/O2)气体混合物中通过CoPtCr-SiO2复合靶的反应溅射沉积向CoPtCr颗粒合金添加更大量的氧的效果。该参考文献教导，RL中在15原子百分比(at.％)的氧的最优量处实现了大约4000Oe的最大Hc。只有少部分Cr处于氧化物形式并且没有RL中的SiO2的有力证据。如果增加氧的量高于最优值，过量的氧在晶粒中形成Cr和Co的氧化物，导致Hc下降。在21at.％氧的水平，Hc下降到大约1000Oe，这使得RL不可用。
所需要的是具有CoPtCr颗粒合金RL的垂直磁记录盘，该RL表现出大于约-1500Oe的Hn并具有良好隔离的精细晶粒结构，产生高SNR和大于约5000Oe的Hc。
发明内容
本发明是具有改进的记录层的垂直磁记录盘，以及包括该盘、写头和读头的垂直磁记录系统。该记录层是具有颗粒间材料的颗粒CoPtCr基铁磁合金，颗粒间材料由Cr的一种或更多氧化物及Si、Ta、Ti、B、Nb或Hf分离子(segregant)中的一种或更多种的一种或更多种氧化物构成，其中记录层中存在的氧的量大于约22原子百分比并且小于约35原子百分比。记录层中氧的量显著大于分离子或多种分离子的化学计量氧化物或多种氧化物所需的量，记录层中存在的氧的主要部分出现在颗粒间材料中。优选地仅添加单种分离子，从而除了Cr氧化物或多种氧化物以外，颗粒间材料中的仅有氧化物或多种氧化物是来自选自Si、Ta、Ti、B、Nb和Hf的单一元素的氧化物。记录层表现出高SNR、大于约5000Oe的Hc及大于(更负)约-1500Oe的Hn。
为了充分理解本发明的本质和优点，应当参考下面结合附图一起进行的详细说明。
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；
图3是根据现有技术具有反铁磁耦合(AFC)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是用于制造根据本发明的具有记录层成分的盘的多靶溅射源和相关的靶成分的视图；
图6是对于根据本发明的具有记录层成分的盘而言作为溅射室中O2分压的函数的矫顽力Hc和成核场Hn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。
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20至50埃厚度的AlTi合金或者类似材料。SUL是由多个软磁层(SULa和SULb)形成的层叠或多层SUL，该多个软磁层由在SULa和SULb之间作为反铁磁(AF)耦合膜从而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6835475 B2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500至4000埃的范围。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上的非磁衬层UL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。UL促进hcp颗粒RL的外延生长使得其c轴基本垂直地取向，从而产生垂直磁各向异性。钌(Ru)是通常用于UL的材料，但是其它材料包括选自Ti、Re和Os的金属，以及包含选自Ti、Re、Ru和Os的至少一种元素的合金。UL的厚度通常在大约70至220埃的范围。如果Ru用作UL，则它可以直接形成在籽层(SL)上，籽层形成在SUL上，例如为10至20埃厚的NiFe层。
RL是颗粒CoPtCr基铁磁合金，具有由Cr的一种或更多氧化物以及“M”分离子(segregant)(其中M为Si、Ta、Ti、B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，其中RL中存在的氧的量大于约22原子百分比且小于约35原子百分比。该氧的量基本大于化学计量的M氧化物或多种氧化物所需的氧的量，且RL中存在的氧的大部分(大于70％)在颗粒间材料中。优选地颗粒间材料中的M氧化物或多种氧化物是选自Si、Ta、Ti、B和Nb的仅一种元素的氧化物或多种氧化物。该RL表现出高SNR、大于约5000Oe的Hc和大于(更负)约-1500Oe的Hn。
具有各种成分的记录层(RL)利用Unaxis
Triatron多靶溅射源在Ar/O2气体混合物中通过反应溅射制造。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，内靶是M-O化学计量材料(SiO2、Ta2O5、TiO2、Nb2O3)或仅是M(B)。中间靶是CrPt合金(Cr52Pt48或Cr56Pt44，其中下标代表at.％)并且外靶是Co。
虽然氧出现在M-O靶中，但是需要显著更多的氧来制造具有高性能磁特性的RL。这通过控制Ar/O2气体混合物中O2的分压来实现。图6示出在五种不同的O2分压下沉积的五种不同RL(Ta2O5作为M-O内靶)的所测量的Hc和Hn。图6示出对于具有不同M-O或M内靶的所有实验数据产生的类似曲线。每条曲线上的数据点确定给出具有最好Hc和Hn的RL的O2分压。然后利用卢瑟福背散射(RBS)和颗粒诱导X线发射(PIXE)的标准方法分析具有这些最优RL的盘的氧含量和成分。数据总结于下面的表1。
表1
| RL | Co(at.％) | Pt(at.％) | Cr(at.％) | M(at.％) | O(at.％) | H<sub>c</sub>(Oe) | H<sub>n</sub>(Oe) | SNR(dB)@365kfci |
| Co-Pt-Cr-Si-O | 49.2 | 11.4 | 10.7 | 3.9 | 24.8 | 6500 | -1500 | 17.8 |
| Co-Pt-Cr-Ta-O | 49.0 | 10.5 | 10.4 | 3.1 | 27.0 | 6500 | -2500 | 16.0 |
| Co-Pt-Cr-Ti-O | 46.3 | 10.6 | 10.2 | 6.6 | 26.3 | 6000 | -2000 | 15.2 |
| Co-Pt-Cr-B-O | 50.0 | 11.5 | 10.5 | 3.0 | 25.0 | 5500 | -1200 | 14.2 |
| Co-Pt-Cr-Nb-O | 50.5 | 10.5 | 11.0 | 3.0 | 25.0 | 6300 | -2000 | 18.6 |
在上表中，SNR在365000磁通变化/英寸(kfci)的线记录密度下测量。
如图6的曲线还用于确定RL中将产生具有大于约5500Oe的Hc和大于约-2000Oe的Hn的RL的氧含量的范围。在所有情况下该范围确定为在大约22和35at.％之间。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，显著量的Cr氧化物也形成在晶粒之间。还用电子能量损失谱(EELS)的标准方法分析了表1中的RL。结果证明基本上仅Cr、M和O出现在晶粒边界附近的颗粒间材料中，且RL中出现的大于70％的氧存在于颗粒间材料中。由于出现的大量氧，该数据基本确认Cr的大部分作为氧化物出现在颗粒间材料中。
除了表1所列的RL之外，通过改变施加到多靶溅射源中的不同靶的功率，还制造了具有不同量的M分离子的其它样品，以确定将提供具有所需要的磁特性的RL的M分离子成分的范围。优选的分离子范围确定为大约Si是2-9 at.％，Ta是2-5 at.％，Ti是4-10 at.％，B是3-7 at.％，Nb是2-5 at.％。
表1所列的RL仅具有所给出的单一M元素，因为多靶溅射源的内靶仅包含单M-O或M元素。然而，公知可以制造具有Si、Ta、Ti、B和Nb中的一种或更多元素的其它成分溅射靶，从而RL可以包括一种以上的M分离子，在该情况下，除了Cr的一种或更多氧化物以外颗粒间材料还将包括所有分离子的一种或更多氧化物。
利用如上所述的相同反应溅射方法还制造了以铪(Hf)作为M分离子的RL。尽管对于具有Hf的该RL没有类似表1中的具体数据，但对于Co-Pt-Cr-Hf-O RL获得了相当好的记录性能。
尽管对于如图4所示的单层RL示出上面的数据，但具有根据本发明的成分的RL也可用作具有反铁磁耦合(AFC)层的垂直磁记录盘中的上铁磁层，如图3所示。
尽管本发明参照其优选实施例进行了特定示出和描述，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。
Claims (24)
1.一种垂直磁记录盘，包括:
衬底；
所述衬底上的非磁衬层；以及
垂直磁记录层，其在所述衬层上并且包括具有垂直磁各向异性的CoPtCr基铁磁合金的晶粒和颗粒间材料，该颗粒间材料包括Cr的一种或更多种氧化物及Si、Ta、Ti、B、Nb和Hf中的一种或更多的一种或更多种氧化物，其中所述记录层中存在的氧的量大于22个原子百分比并且小于35个原子百分比，
其中所述记录层中存在的多于70％的氧是在所述颗粒间材料中。
2.如权利要求1所述的盘，其中所述颗粒间材料主要包括Cr的一种或更多种氧化物及选自包括Si、Ta、Ti、B和Nb的元素的一种或更多种氧化物。
3.如权利要求1所述的盘，其中所述颗粒间材料主要包括Cr的一种或更多种氧化物及Si的一种或更多种氧化物，其中所述记录层中存在的Si的量大于2个原子百分比并且小于9个原子百分比。
4.如权利要求1所述的盘，其中所述颗粒间材料主要包括Cr的一种或更多种氧化物及Ta的一种或更多种氧化物，其中所述记录层中存在的Ta的量大于2个原子百分比并且小于5个原子百分比。
5.如权利要求1所述的盘，其中所述颗粒间材料主要包括Cr的一种或更多种氧化物及Ti的一种或更多种氧化物，其中所述记录层中存在的Ti的量大于4个原子百分比并且小于10个原子百分比。
6.如权利要求1所述的盘，其中所述颗粒间材料主要包括Cr的一种或更多种氧化物及B的一种或更多种氧化物，其中所述记录层中存在的B的量大于3个原子百分比并且小于7个原子百分比。
7.如权利要求1所述的盘，其中所述颗粒间材料主要包括Cr的一种或更多种氧化物及Nb的一种或更多种氧化物，其中所述记录层中存在的Nb的量大于2个原子百分比并且小于5个原子百分比。
8.如权利要求1所述的盘，其中所述记录层具有大于5000 Oe的矫顽力Hc。
9.如权利要求1所述的盘，其中所述记录层具有大于1500 Oe的成核场Hn。
10.如权利要求1所述的盘，其中所述垂直磁记录层是反铁磁耦合层的上铁磁层，所述反铁磁耦合层包括所述衬层上的钴合金下铁磁层、所述下铁磁层上的非磁反铁磁耦合层、及所述反铁磁耦合层上的所述上铁磁层。
11.如权利要求10所述的盘，其中所述反铁磁耦合层的所述非磁反铁磁耦合层由选自包括钌、铬、铑、铱、铜、及它们的合金的组的材料形成。
12.如权利要求1所述的盘，其中所述衬层由选自包括Ru，Ti，Re，Os及Ru、Ti、Re、Os中的一种或更多的合金的组的材料形成。
13.如权利要求1所述的盘，还包括所述衬底与所述衬层之间的导磁材料层。
14.如权利要求13所述的盘，其中所述导磁材料层由选自包括合金CoFe、CoNiFe、NiFe、FeCoB、CoCuFe、FeAlSi、FeTaN、FeN、FeTaC、CoTaZr、以及CoZrNb的组的材料形成。
15.如权利要求13所述的盘，其中所述导磁材料层是由非磁膜隔开的多个导磁膜的叠层。
16.如权利要求15所述的盘，其中所述叠层中的所述非磁膜提供所述叠层中的所述导磁膜的反铁磁耦合。
17.一种垂直磁记录盘，包括:
衬底；
所述衬底上的导磁材料层；
非磁衬层，其在所述导磁材料层上并具有六角密堆积晶体结构；以及
颗粒磁记录层，其在所述衬层上且具有六角密堆积晶体结构，所述颗粒磁记录层的c轴垂直于所述记录层取向，所述记录层包括Co，Pt，Cr，Cr的一种或更多种氧化物，以及从包括Si、Ta、Ti、B、Nb和Hf的组选择的元素的一种或更多种氧化物，其中所述记录层中存在的氧的量大于22个原子百分比并且小于35个原子百分比，所述记录层具有大于5000 Oe的矫顽力Hc及大于1500 Oe的成核场Hn，
其中所述记录层中出现的多于70％的氧出现在所述颗粒磁记录层的晶粒之间。
18.如权利要求17所述的盘，其中所述Cr的一种或更多种氧化物及所述从包括Si、Ta、Ti、B、Nb和Hf的组选定的元素的一种或更多种氧化物主要出现在所述颗粒磁记录层的所述晶粒之间。
19.如权利要求17所述的盘，其中所述选择的元素是Si，所述记录层中出现的Si的量大于2个原子百分比并且小于9个原子百分比。
20.如权利要求17所述的盘，其中所述选择的元素是Ta，所述记录层中出现的Ta的量大于2个原子百分比并且小于5个原子百分比。
21.如权利要求17所述的盘，其中所述选择的元素是Ti，所述记录层中出现的Ti的量大于4个原子百分比并且小于10个原子百分比。
22.如权利要求17所述的盘，其中所述选择的元素是B，所述记录层中出现的B的量大于3个原子百分比并且小于7个原子百分比。
23.如权利要求17所述的盘，其中所述选择的元素是Nb，所述记录层中出现的Nb的量大于2个原子百分比并且小于5个原子百分比。
24.一种垂直磁记录系统，包括:
权利要求17所述的盘；
写头，其用于磁化所述盘的所述记录层中的区域；及
读头，其用于检测磁化区域之间的转变。
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