CN1005941B - 磁多层结构 - Google Patents

Abstract

一种具有高磁导率及高饱和磁通密度的磁多层结构，包括互相变替叠置的多个磁层和多个中间层。各磁层由Ｆｅ、Ｃｏ、Ｎｉ或包含这些元素的一种的金属制成，各中间层由能与磁层材料形成填隙固溶体的材料制成。

Description

磁多层结构 

本发明涉及到具有高饱和磁通密度和高相对磁导率的磁多层结构。这种磁多层结构可用于磁头磁极，该磁极对高矫顽力的高密度磁记录介质具有出色的记录和重放特征。但这种结构并不仅限于这一应用。

到目前为止，构成用于磁记录的磁头磁极的磁层是用包含作为主要组分的Fe、Co或Ni并具有大于10kG饱和磁通密度的合金，或饱和磁通密度高于18kG的Fe-Si系统合金制作，并被制成了用于高密度记录的磁头磁极（JP-A-59-182938）。为得到用于高密度记录的具有陡峭分布的磁场，要把磁头磁极的端部或整个磁极沿记录介质运动方向的厚度设置在0.5um或更小。由于在这一部分中磁通密度很高，故要用高饱和磁通密度、高磁导率及低矫顽力的材料来制作这一部分。另外，由于这一部分的厚度小，会发生磁饱和。因此，为实现所需要的磁头记录和重放特性，需要高于15kG的高饱和磁通密度，以便使层厚度不超过0.5um。另一方面，为在不受上述层厚度影响的条件下满足磁头的记录和重放特性，需要大于1，000的高相对磁对磁导率和低于10e的低矫顽力。

到目前为止，磁层用高频溅射法或类似方法制作。在用含Fe作为主组分的材料时，磁层的磁特性具有高于15kG的高饱和磁通密度。但是，其相对磁导率仅为700以下。因此，传统的磁层不适于制作进行高密度记录的磁头。因此，到目前为止，制作出具有高饱和磁通密度的高相对磁导率双重特性的磁层是极困难的。

本发明者理解到，在金属层的多层结构下，通过把两种原子层数量级的极薄的金属层叠置起来，就可望制成一种新材料，它具有一种不同于原来金属特性的新特性（例如，参见Shinjo：“Digest for the Meeting of the Japan Society of Applied Magnetics”，43-1，（1986）pp.1-8）。因此，本发明者采用离子束溅射方法。对由铁族元素和其他元素组成的磁性多层结构进行了考查。这样，本发明者发现，例如，当通过其他元素把Fe分层而形成多层结构时，多重层具有矫顽力减小的倾向。用电子显微镜观察到了这种多层结构的剖面。尽管观察它很困难，但可以肯定，Fe层的晶柱被中间层所切断，并从柱形晶体变成了细晶粒。因此，可以推断，这些多层结构中矫顽力减小的一个原因应基于Fe的晶粒变细这一发现。

本发明者还研究了这些多层结构的相对磁导率和饱和磁通密度。这样，可以肯定，虽然相对磁导率有随矫顽力减小而增加的趋势，但饱和磁通密度并不总是增加，并且几乎所有这种多层结构的饱和磁通密度都比单层铁的低。另外，通过仔细进行研究，发现作为能增加相对磁导率而又不降低多层结构饱和磁通密度的中间层材料，可采用含从Ee、Co、Ni等组成的组中选出的铁族元素或从B、N、C、P、S等组成的组中选出的元素所组成的材料，其中从B、N、C、P、S等中选出的上述元素能以填隙方式与以铁族金属作为主组分的合金形成固溶体。

采用由铁族金属或能与含铁族金属的合金形成填隙固溶体的元素组成的中间层的磁多层结构能增加相对磁导率而又不减小饱和磁通密度的原因现在尚不清楚。但据认为这些元素具有使晶粒变细而又不减少铁族金属或其合金中的单位体积磁矩的性质。

本发明的一个目的是提供一种具有高饱和磁通密度和高相对磁导率的磁多层结构。这种磁多层结构适于制作磁头的磁极（例如，用于垂直和纵向记录的），它在高矫顽力媒质上的高密度记录方面有着优异的记录和再现特性。

本发明是考虑到上述研究及检验的结果而作出的。根据本发明的一个方面，把由铁族元素金属制成的具有高饱和磁通密度的磁层，或由以上述元素作为主要组分的磁层与由B、C、N、P、S等或由一种或多种这些元素组成的化合物（如Zr、C、Fe₂B、TiB₂、BN、Bp、B₄C、SiC、Si₃N₄、TiC、TiN、Ti₂N、AlN）构成的中间层叠置在一起，以提供一种磁多层结构。上述铁族元素属于周期表中的Ⅷ族，并以铁Fe、Co、Ni为代表。上述B、C、N、P、S等元素及其这些元素的上述化合物能够与构成磁层的上述金属或铁族元素合金构成填隙固液体。一个磁层和一个中间层的组合构成一个周期。通过交替叠置多个磁层和中间层而形成多个周期。这样，得到了一种磁膜形式的磁够层结构。它具有例如，约15kG或更高的饱和磁通密度，约1，000或更高的相对磁导率，及约10e或更低的矫顽力。

在按照本发明的一个实施例的磁多层结构中，磁层是由具有高饱和磁通密度的Fe、Co、或Ni中的一种金属、包含从这些金属中选出的至少一种的合金、以及从这些金属中选出的作为主要组分的金属和从C、Si、B、N、Ti等中选出的一种元素组成的合金、或其它类似材料构成。叠置在磁层上的中间层由从B、C、P、S等中选出的一种元素，或包从B、C、N、P等中选出的至少一种元素的化合物制成。这些元素能与构成磁层的金属或合金形成策隙固溶体，通过叠置而在磁多层结构中形成的磁层与其上的中间层的厚度和在诸如0.2nm至250nm的范围内。中间层的厚度最好在0.5nm至5nm的范围内。还希望使中间层的厚度在磁多层结构中为一个周期厚度的1%至25%。

通过叠置一或多个由磁层与中间层组成的周期而构成的磁多层结构的厚度大致随要制造的磁头磁极等的具体要求而变。这类磁极的厚度一般在约100nm至50um的范围内。

从Ti、Zr、C、Si、Ge、Sn等中选出的一种Ⅳ族元素或诸如C、N、B等能与Fe、Ni、或Co层构成填隙固液体的一种元素被作为添加剂加入构成磁层的合金中，以增加磁多层结构的磁导率。从Rh、Ru、Pd、Co、Ni、Os、Ir、和Pt、Cu、Ag或Au中选出的一种Ⅷ族元素作为添加剂被加入形成磁层的合金中，以改善磁多层结构的抗矫顽性。通过包含Ti、Zr、Hf、V、Nb、Ta、Mo或W等添加剂，可改善磁多层结构的耐热性。

应适当确定添加剂的量，以使磁层的磁致伸缩常数的绝对值大致为1×10^-6或更小。为此，应尽量减小磁多层结构的制作过程及用该磁多层结构制作磁头的过程中产生的变形（如层制作或叠置所引起的变形）以防止磁头磁特性的恶化。通常添加剂的量不超过10原子%。

本发明的磁多层结构可构成图7所示的高密度纵向记录磁头磁极的两个磁层中的一或两层，或构成图8所示的用于高密度垂直磁记录的磁头主磁极的磁层。

根据一实施例，由Fe、Co、或Ni或者以从这些元素中选出的元素作为主要组分的合金制成的磁层通过中间层被精细地叠置起来，该中间层含有能与上述金属或合金组成填隙固溶体的元素，从而制成磁多层结构，该磁多层结构具有如18kG或更高的高饱和磁通密度及约1，500或更高的相对磁导率。因此，当该磁多层结构被用作构成磁记录磁头主磁极的磁层时，可在磁极端部产生强磁场，而且即使层厚只有0.2um左右，也不会产生磁饱和。从而得到了超高密度磁记录。

图1是按照本发明的例1产生的磁多层结构的剖面结构的图示;

图2显示了用于本发明实施例中的离子束溅射装置的结构;

图3是曲线图，显示了磁多层结构中碳层厚度与一周期厚度的比值对磁多层结构的相对磁导率与矫顽力的影响;

图4是曲线图，显示了磁多层结构中碳层厚度与一周期厚度的比值的影响;

图5是曲线图，显示了磁多层结构中一周期厚度与磁多层结构的饱和磁通密度间的关系;

图6是曲线图，显示了磁多层结构中一周期厚度与磁多层结构的相对磁导率间的关系。

图7和8显示了用于纵向记录和垂直记录的磁头的例子。

下面将对本发明的优选实施例进行描述。

（例1）

用离子束溅射法制成磁多层结构。如图2所示，按离子束溅射法，从第一离子枪1发射出的加速电子溅射设置在旋转靶支架3上的靶材料4，从而使溅射粒子被淀积于安在基板支架7上的基板8上。此时，由于靶支架3在每一预定时间周期内旋转，分别依次固定在靶支架3的前和后表面上的靶材料4和5为离子所溅射。由于溅射粒子交替地被淀积到基板8上，叠置上了一个薄层。在此例中，还用了第二离子枪2向基板支架7上发射电子。第二离子枪2不仅能在溅射前清除基板，而且甚至能在第一离子枪1的溅射操作中把离子射到基板8上。通过激发溅射粒子，可以控制淀积到基板8上的层的状态，从而优化磁多层结构的磁特性。

下面是形成具有高饱和磁通密度及高相对磁导率的多层结构的所需离子束溅射条件。

靶前表面……Fe（纯度99.9%）

靶后表面……C（纯度99.99%）

第一电子靶枪

……1200V

的加速电压

第一电子枪的

……1.2mA/Cm²

离子电流密度

第二电子枪的

……200V

加速电压

第二电子枪的

……1.5mA/Cm²

离子电流密度

Ar压强……2.5×10²pa

基板温度……75℃

基板转动速度……100r.p

在上述条件下分别独立地测量Fe层及C层的形成速度。当形成多层结构时，层的厚度由时间控制。在此情况下，Fe层形成速度为0.22nm/sec，C层为0.07nm/sec，当形成多层结构时，先开始第一电子枪的运行，并在一活门（未显示）关闭的情况下进行Fe和C靶的预溅射过程。然后，开始第二电子枪的运行。随后，打开活门并开始多层结构的制作。在此例中，在预定的时间周期内通过每次从Fe靶转到C靶并从C靶转到Fe靶，制成了具有图1所示结构的磁多层结构。即，磁多层结构是通过在基板上叠置多个周期，其中每个周期由诸如Fe制成的磁层及由诸如C制成的中间层结合而成。

图3显示了所产生的磁多层结构的相对磁导率u′和5MHz时的矫顽力Hc，图4显示了饱和磁通密度Bs。如从图3可看到的，随着单个碳层厚度与一个周期厚度的比值的增加，矫顽力大大降低了。相对磁导率随比值的减小而大大增加。尽管当碳层的比值进一步增强时相对磁导率有减小的倾向，但矫顽力没有变化。另一方面，如从图4中可看出的，当单个碳层厚度与一个周期厚度之比值增加时，饱和磁通密度有逐渐减小的趋势。但是，直到碳层厚度与一个周期厚度的比值达到25%时为止，饱和磁通密度减小了很少。当该比值超过25%时其减小加快。

从上面结果，对增加碳层厚度的比值使饱和磁通密度减小而相对磁导率增加的原因可作如下假定。即，由于加入了薄碳层，每个铁层的柱状晶体被切断，从而产生了类似于晶粒直径显著减小的效应，从而减小了晶线各向异性耗散。另一方面，饱和磁通密度许小是由于因作为非磁性材料的碳的加入而使铁与多层结构的比值减小，从而使磁矩被稀释了。然而可以推断当碳层厚度的比例较小时，形成了铁磁性Fe-C合金且磁矩未被稀释。

从上述结果，若要使磁头磁极材料所必需的特性，从而使相对磁导率大于1000且饱和磁通密度大于18kG，则单个碳层厚度的比值应在一个周期厚度的1至25%的范围内。更好的碳层厚度比值为2至20%的范围内。然而，如图5和6所示，当作为磁层和中间层厚度和的一个周期厚度小于0.2nm时，所形成的磁多层结构的饱和磁通密度显著下降。反之，当一个周期的厚度超过250nm时，相对磁导率极度下降。因此，一个周期的厚度最好在0.2nm至50nm间。当中间层厚度小于0.05nm时，相对磁导率显著下降。当其超过5nm时，相对磁导率再次显著下降。这样，中间层的厚度最好为0.05nm至5nm之间。

用X射线衍射法检查所产生的由4.8nm厚的铁层和0.2nm厚的碳层组成的磁多层结构，结果，在相应于晶格面间距d＝5.05nm的位置上检测到了衍射线，从而证实形成了多层结构，另一方面，用Auger电子能谱仪分析9.5nm厚的铁层及0.5nm厚的碳层构成的所制出的多层结构，结果，铁和碳的Anger电子强度交替增加。这样，就用Anger电子能谱仪证实了多层结构的存在。

（例2）

在例1中，改变磁层的材料，中间层的材料及它们的厚度，如表1所示，并且用类似于例1中的方法进行检查。表1显示了所得到的磁多层结构在5MHz下的相对磁导率u¹和饱和磁通密度Bs（kG）。如从表1中所看出的，所有这些磁多层结构都有19kG以上的饱和磁通密度和1500以上的相对磁导率。

这些结果显示出，磁层材料并不仅限于单纯的铁，也可是〈＆＆〉为主要组分的材料，且中间层材料可以是象B、O、N、＊、P_*，＊等能与Fe形成填隙式固溶体或包含这些能形成填隙的溶体的元素的化合物。作为表1中的中间层材料，显示了进行离子束溅射时的靶材料。所得的多层结构并不意味着形成了包含表1所示混合物的层。

在前述磁多层结构被用作磁记录磁头主磁极的情况下，检验该结构的记录特性。这样证实得到了能提供100KBPI（千位/英寸）记录密度（大于传统的80KBPI）的磁头主磁极。

在上面各例子中，铁或铁合金被用作磁层。但已证实，即使在使用铁族元素镍或铜或以这些铁族元素作为主要组分的合金及前述添加剂的情况下，也能得到与前面各例子相似的结果。

Claims (9)

1、具有高磁导率和高饱和磁通密度的磁多层结构，该结构包括多个磁层和多个中间层，每个所述中间层都位于每个相邻所述磁层之间，各所述磁层都是从由Fe、Co、Ni和以至少一种这些元素作为主要组分的合金所组成的组中选出的磁性材料制作的，其特征在于：

各所述中间层材料由B、C、N、P、S和含有B、C、N、P和S中的至少一种元素的化合物所组成的组中选出。

任一所述磁层与其上的中间层的厚度之和大致在0.2nm至250nm的范围内，各所述中间层厚度大约在0.05nm至5nm的范围内。所述各中间层的厚度与所述各磁层的厚度的比值大致在0.01至0.25的范围内。

2、权利要求1的磁多层结构，其中所述合金进一步包含从C、Si、B、N和Ti组成的组中选出的添加剂。

3、如权利要求1的磁多层结构，其中任一所述磁层与其上的中间层的厚度之和大0.2nm至50nm的范围内，各所述中间层的厚度大致在0.05nm至5nm的范围内，所述各中间层的厚度与所述各磁层的厚度的比大致在0.01至0.25的范围内。

4、如权利要求1的磁多层结构，其中所述合金进一步包含从Ⅳ族元素、B和N组成的组中选出的添加剂。

5、权利要求1的磁多层结构，其中所述合金进一步包含从Ⅷ族元素、Cu、Ag和Au组成的组中选出的添加剂。

6、权利要求1的磁多层结构，其中所述合金进一步包含从由Ti、Zr、Hf、V、Nb、Ta、Mo和W组成的组中选出的添加剂。

7、具有磁极部分的磁头，其特征在于，至少一部分所述磁极部分是用权利要求1所限定的磁多层结构制造的。

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