CN101202145B

CN101202145B - 一种横向交换耦合的磁信息存储介质材料及其制备方法

Info

Publication number: CN101202145B
Application number: CN2007100503462A
Authority: CN
Inventors: 钟智勇; 刘爽; 张怀武; 荆玉兰; 唐晓莉; 苏桦; 贾利军
Original assignee: University of Electronic Science and Technology of China
Current assignee: University of Electronic Science and Technology of China
Priority date: 2007-10-30
Filing date: 2007-10-30
Publication date: 2010-04-21
Anticipated expiration: 2027-10-30
Also published as: CN101202145A

Abstract

本发明属于电子材料技术领域，涉及超高密度磁信息存储技术。本发明的磁信息存储单元由高/低各向异性常数磁性薄膜在横向方向上交换耦合而成。制备时，先制备高各向异性常数磁性薄膜，经退火处理后，采用离子注入或离子扩散工艺对其进行部分改性，降低改性部分的各向异性和矫顽力，从而形成低各向异性常数磁性薄膜；最终由高/低各向异性常数磁性薄膜在横向上耦合成横向交换耦合的磁信息存储介质材料。本发明解决了纵向交换耦合复合磁信息存储介质在高温处理过程中因界面扩散、记录层恶化引起的信息存储单元翻转场分布增大和信息记录稳定性降低的不足，能够进一步降低信息存储单元翻转场，使信息记录更加稳定，满足超高密度磁信息存储的要求。

Description

一种横向交换耦合的磁信息存储介质材料及其制备方法

技术领域

本发明属于电子材料技术领域，涉及应用于超高密度磁信息存储的磁介质材料，特别是涉及解决在高各向异性常数磁记录介质上信息的写入问题。

背景技术

随着信息化社会的不断发展，人类对信息存储的要求越来越高，追求更高密度的信息存储是人类永远的目标。磁信息存储是信息存储的一种主要手段，在其高密度化过程中，要求记录磁畴的尺寸越来越小。当尺寸小到一定程度时磁畴的热运动将不规则，即表现出超顺磁性，从而失去记录信息。磁有序的弛豫时间是衡量磁畴热稳定性的一个重要参数，它的表达式为τ＝τ₀ exp(KV/k_bT)，其中τ₀为常数，K为磁各向异性常数，V为晶粒的体积，k_b为玻尔兹曼常数，T为测量温度。由该式可见，τ与KV/k_bT成指数关系。当记录点的尺寸V减小时，热稳定性将急剧降低，为在室温下保持良好的热稳定性，必须使介质的磁各向异性常数K增大。根据Stoner-Wohlfarth理论，各向异性常数的增加必然会引起矫顽力Hc的增大。但对于传统的磁记录方法，记录介质矫顽力Hc的增大是有一定限度的，它决定于写入磁头在一定温度下的饱和磁化强度。即使使用目前饱和磁化强度较高的材料(Fe₈₈Ta₁₂N，Fe₉₇Si₃N等富Fe合金)作为写入磁头，介质矫顽力也应低于360kA/m(45000e)，否则难以写入。

针对一方面需要用矫顽力高的材料作为超高密度磁存储介质，而另一方面现有的写入磁头饱和磁化强度难以满足要求的现实，国内外的研究学者提出了一些解决办法。(1).采用光磁混合记录(opto-magnetic hybrid recording)技术，有人也叫它热辅助磁记录(Heat-assisted magnetic recording，HAMR)和光辅助磁记录(optically-assistedmagnetic recording，OAMR)技术，该技术的写入原理与早期的磁光存储技术一样，通过激光束等热源加热高矫顽力磁存储介质至居里温度附近，矫顽力大幅度下降，在外磁场的作用下，介质被磁化写入信息。其信息的读出方式可用现有的巨磁电阻磁头读出技术读出。该技术可望把记录密度提高到100Gbit/in²以上，但其存在的问题是为了实现高密度信息存储，对激光光路的要求很高，增加了设计难度，并且是驱动器技术与现有技术不兼容。(2).采用纵向交换耦合复合磁介质技术，其原理是将高各向异性常数的硬磁层(作为信息记录层)与低各向异性常数的软磁层通过层间交换耦合构成双层或多层薄膜(如图1所示)，利用软磁层辅助翻转，从而降低了翻转场，并且保持了记录信息位的稳定。这种复合介质优点是可以通过目前的薄膜技术工艺得到，其驱动器与现有技术兼容。但是目前，能用于100Gbit/in²存储密度以上的介质是具有L₁₀相的FePt、CoPt合金以及稀土永磁合金薄膜如SmCo、NdFeB等，这些材料都需要高温(大于500℃)后退火处理，才能具有高矫顽力特性，应用于超高密度磁信息存储。在高温处理过程中，这种通过层间交换耦合的复合介质，其界面将会发生扩散，大大恶化记录层的特性，从而使记录信息位的翻转场分布增大，信息记录位的稳定性降低。(3).全新的存储介质概念，如磁电复合记录介质技术，就是利用电场辅助磁信息记录位的翻转，但这些概念是刚刚由科学家提出，其实用化过程还较远，有许多基础性的工作需要去做。

发明内容

为了克服目前提出的纵向(层间)交换耦合复合磁信息存储介质在高温处理过程中由于界面扩散、记录层恶化引起的信息存储单元翻转场分布增大和信息记录稳定性降低的不足，本发明提供一种新型的横向交换耦合结构的磁信息存储介质材料及其制备方法。本发明在同样解决高密度磁信息高矫顽力材料上的写入问题的前提下，能够进一步降低信息存储单元翻转场，从而使信息记录位更加稳定，满足超高密度磁信息存储的要求。

本发明的技术方案为：

一种横向交换耦合的磁信息存储介质材料，由周期性密集分布的磁信息存储单元(即存储位)构成，如图2所示，所述磁信息存储单元包括衬底基片1、高各向异性常数磁性薄膜2和低各向异性常数磁性薄膜3。其特征在于磁信息存储单元是由高各向异性常数磁性薄膜2与低各向异性常数磁性薄膜3是在横向方向上交换耦合而构成的，其中低各向异性常数磁性薄膜3的面积占整个磁信息存储单元面积的五分之一到三分之一。

所述磁信息存储单元的面积大小以及高、低各向异性常数磁性薄膜2、3的厚度由所用材料与记录密度决定。

上述方案中所述高、低各向异性常数磁性薄膜2、3材料可以是FePt、CoPt、SmCo、NdFeB或MnAl合金永磁材料。

一种横向交换耦合的磁信息存储介质材料的制备方法，包括以下步骤：

步骤1.采用常规薄膜工艺在基片1上制备高各向异性常数磁性薄膜2。高各向异性常数磁性薄膜2材料可以是FePt、CoPt、SmCo、NdFeB或MnAl合金永磁材料。

步骤2.对步骤1.所制备的高各向异性常数磁性薄膜2进行退火处理，使高各向异性常数磁性薄膜2具备高矫顽力，并且磁矩沿基片表面或垂直于基片表面取向。

步骤3.根据记录磁道的要求，采用离子注入或离子扩散工艺对步骤2.所得的高各向异性常数磁性薄膜2进行部分改性，使得改性部分的高各向异性常数磁性薄膜2的各向异性降低，降低其矫顽力，从而形成低各向异性常数磁性薄膜3；最终由高各向异性常数磁性薄膜2和低各向异性常数磁性薄膜3构成横向交换耦合的磁信息存储介质材料。

本发明提出了一种新型的横向交换耦合结构磁信息存储介质材料，该材料磁信息存储单元的翻转场比纵向交换耦合结构磁信息存储介质材料的磁信息存储单元的翻转场更小，如图4所示。图4是通过微磁学理论模拟计算出的横向和纵向交换耦合介质的翻转场随软磁部分宽度或厚度变化关系，从图中可以看出交换耦合介质的翻转场均随软磁宽度或厚度的增加而减小，但横向交换耦合介质可以在较小宽度就可以时翻转场下降到磁头可写入的程度。本发明通过高、低各向异性常数磁性薄膜的横向耦合解决了高密度磁信息高矫顽力材料上的写入问题；同时解决了纵向交换耦合复合磁信息存储介质在高温处理过程中由于界面扩散、记录层恶化引起的信息存储单元翻转场分布增大和信息记录稳定性降低的不足，从而使信息记录位更加稳定，满足超高密度磁信息存储的要求。

附图说明

图1为现有纵向交换耦合的磁信息存储介质磁信息存储单元界面示意图。其中1是衬底基片，2是高各向异性常数磁性薄膜，3是低各向异性常数磁性薄膜。

图2为本发明提供的横向交换耦合的磁信息存储介质磁信息存储单元界面示意图。

图3为记录面密度为360Gbit/in²的纵/横交换耦合磁信息存储介质中低各向异性常数磁性薄膜3(即软磁层)的厚度/宽度对交换耦合介质翻转场的影响。

具体实施方式

设计横向耦合交换耦合磁介质的关键是根据记录密度的要求，确定磁性材料及磁信息存储单元的面积，从而决定用于离子注入或离子扩散改性部分的面积(即磁信息存储单元中低各向异性常数磁性薄膜3的面积)。下面以360Gbit/in²的面存储密度记录介质为例说明实施方式。

具体实施方式1

(1)根据面密度的要求，确定每个磁信息存储单元面积为40nm×40nm，磁信息存储材料选用FePt合金，其厚度为10nm；

(2)在记录盘片上通过直流磁控溅射工艺制备厚度为10nm的FePt合金薄膜，其中溅射靶材为Fe50Pt50(原子比)，纯度为99.9％，溅射工艺为背底真空＜2×10^-7mbar；氩气溅射气压5×10^-3mbar，功率为250W。

(3)将已镀磁性薄膜的盘片放在真空退火炉中，抽真空至1×10^-4mbar以下，冲入氢气至气压2×10^-5mbar，在580℃退火1小时，使磁性薄膜成为具有L₁₀相结构的磁各向易轴沿垂直于基片方向取向的高各向异性常数磁性薄膜2。

(4)将事先设计好钼片掩膜放置在已退火处理的磁性薄膜盘片上，通过离子束注入(剂量10⁸/cm²)对相应区域(40nm×10nm)改性，使其各向异性常数减小，易轴沿平面取向，从而形成低各向异性常数磁性薄膜3。

具体实施方式2

与具体实施方式1类似，只是将离子束注入工艺改为离子扩散工艺。

具体实施方式3

与具体实施方式1类似，只是将FePt合金材料改为CoPt、SmCo或NdFeB。

具体实施方式4

与具体实施方式3类似，只是将离子束注入工艺改为离子扩散工艺。

Claims

1.一种横向交换耦合的磁信息存储介质材料，由周期性密集分布的磁信息存储单元构成，所述磁信息存储单元包括衬底基片(1)、高各向异性常数磁性薄膜(2)和低各向异性常数磁性薄膜(3)，其特征在于，磁信息存储单元是由高各向异性常数磁性薄膜(2)与低各向异性常数磁性薄膜(3)在横向方向上交换耦合而构成的，其中低各向异性常数磁性薄膜(3)的面积占整个磁信息存储单元面积的五分之一到三分之一。

2.根据权利要求1所述的横向交换耦合的磁信息存储介质材料，其特征在于，磁信息存储单元的面积大小以及所述高、低各向异性常数磁性薄膜(2、3)的厚度由所用材料与记录密度决定。

3.根据权利要求1所述的横向交换耦合的磁信息存储介质材料，其特征在于，所述磁性薄膜(2、3)材料是FePt、CoPt、SmCo、NdFeB或MnAl合金永磁材料。

4.一种横向交换耦合的磁信息存储介质材料的制备方法，包括以下步骤：

步骤1.采用常规薄膜工艺在基片(1)上制备高各向异性常数磁性薄膜(2)；

步骤2.对步骤1所制备的高各向异性常数磁性薄膜(2)进行退火处理，使高各向异性常数磁性薄膜(2)具备高矫顽力，并且磁矩沿基片表面或垂直于基片表面取向；

步骤3.根据记录磁道的要求，采用离子注入或离子扩散工艺对步骤2所得的高各向异性常数磁性薄膜(2)进行部分改性，使得改性部分的高各向异性常数磁性薄膜(2)的各向异性降低，降低其矫顽力，从而形成低各向异性常数磁性薄膜(3)；最终由高各向异性常数磁性薄膜(2)和低各向异性常数磁性薄膜(3)构成横向交换耦合的磁信息存储介质材料。

5.根据权利要求4所述的横向交换耦合的磁信息存储介质材料的制备方法，其特征在于，步骤1中高各向异性常数磁性薄膜(2)材料是FePt、CoPt、SmCo、NdFeB或MnAl合金永磁材料。