CN101256778A - 垂直磁记录介质及其制造方法 - Google Patents
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Abstract
一种垂直磁记录介质及其制造方法，该磁记录介质包括：衬底；第一底层，其形成在衬底上方并由钌或钌合金形成，所述钌或钌合金的晶粒近似垂直于衬底生长并通过第一气隙以平面内方向彼此隔离；记录层，其设置在第一底层上方并由通过第二气隙以平面内方向彼此隔离的磁晶粒形成；以及晶粒尺寸差别防止层，其插入记录层和第一底层之间，该晶粒尺寸差别防止层包括钴基合金晶粒和氧化物，所述钴基合金晶粒近似垂直于衬底生长，该氧化物用于使钴基合金晶粒在平面内方向彼此隔离。
Description
技术领域
本发明一般涉及磁记录介质及其制造方法，尤其涉及具有磁性层的垂直磁记录介质的改进，该磁性层由在平行于记录表面的平面中彼此空间隔离的磁晶粒组成。
背景技术
硬盘驱动器是大容量数字数据存储设备，由于其每存储位元的费用低，因此近年来，其用途已被广泛展开，包括用于个人计算机的典型应用。在泛网时代，由于受到音频和视频数字记录设备的日益增加的应用所驱动，预期对用作存储设备的硬盘驱动器的需求将进一步增加。为了记录或存储视频数据或音频数据，需要进一步增加硬盘驱动器的存储容量。
因为音频和视频记录及再现装置的目标市场是家庭消费者市场，因此在增加存储器容量的同时必须进一步降低存储器的每位元成本。为了降低存储设备的每位元成本，有效的方式是减少组成硬盘驱动器的元件数。例如，通过增加每一磁记录介质(例如磁盘)的记录密度，记录容量可被增加，而不需要增加用于硬盘驱动器的磁记录介质的数量。如果实现了超高密度记录，则可以减少磁记录介质的数量，同时增加了总的记录容量，这可以进一步减少用于硬盘驱动器中的磁头数量。如果实现了这个目的，则可以大大降低每存储位元的成本。
在这些情形中，增加磁记录介质的记录密度是一种主张，而通过增加分辨率(输出级)同时降低噪声来实现高SN比(信噪比)是主要的挑战。为了实现这个目的，需要减小磁记录层的磁晶粒的晶粒尺寸，并且确保磁晶粒的磁隔离(magnetic isolation)。
在制造垂直磁记录介质时，通常将钴-铬(CoCr)基合金用于磁记录层。在这种情形下，通过溅射方法形成CoCr基合金层同时加热衬底，以使得在CoCr基合金的磁晶粒的晶界处偏析非磁性的铬(Cr)。偏析出的非磁性铬磁性隔离磁晶粒。然而，为了降低由于磁畴的形成引起的峰值噪声(spikenoise)，对于垂直磁记录介质需要插入软磁非晶层作为底层。为了保持软磁层为非晶态的，必须制止在形成记录层时用于铬偏析而对衬底应用的加热处理。
为了克服这个问题，已研究出由具有SiO2隔离的CoCr基合金形成的新型记录层，来代替在制造垂直记录介质期间需要加热处理的铬(Cr)偏析。在此技术中，CoCr基合金(例如CoCrPt)的磁晶粒通过非磁性SiO2彼此空间隔离，以确保磁隔离。
已提出构建一种插到记录层下面的钌(Ru)底层，使得钌晶粒通过气隙彼此空间隔离，以确保记录层的磁晶粒的磁隔离，其中每一磁晶粒由非磁性材料例如SiO2包围。例如参见JP2005-353256A。
更优选的是，记录层的磁晶粒彼此空间隔离，而不需要利用非磁性材料例如氧化物，从而能够减少沉积室中或衬底上的污染，并且能够提高产品的可靠性。另外，希望降低记录层的晶粒尺寸的差别或变化，同时在平面内方向中保持磁晶粒的特定隔离。
发明内容
在本发明实施例的一个方案中，垂直磁记录介质包括：
衬底；
第一底层，其形成在该衬底上方并由钌或钌合金形成，所述钌或钌合金的晶粒垂直于该衬底生长并通过第一气隙以平面内方向彼此隔离；
记录层，其设置于该第一底层上方，并由垂直于该衬底生长并通过第二气隙以该平面内方向彼此隔离的磁晶粒形成；以及
晶粒尺寸差别防止层，其插入在该记录层和该第一底层之间，该晶粒尺寸差别防止层包括钴基合金晶粒和氧化物，所述钴基合金晶粒垂直于该衬底生长，该氧化物用于使所述钴基合金晶粒在平面内方向彼此隔离。
在实施例的另一个方案中，提供一种制造垂直记录介质的方法。该方法包括如下步骤：
形成钌或钌合金的第一底层，所述钌或钌合金的晶粒通过第一气隙彼此隔离；
在该第一底层上方形成晶粒尺寸差别防止层，该晶粒尺寸差别防止层包括通过氧化物彼此空间隔离的钴基合金晶粒；以及
直接在该晶粒尺寸差别防止层上形成记录层，该记录层包括通过第二气隙彼此隔离的磁晶粒。
附图说明
当结合附图阅读及以下详细描述时，本发明的其它目的、特征和优点变得更明显，其中：
图1是在本发明研发期间提出的垂直磁记录介质的示意性横截面图；
图2是根据本发明实施例的垂直磁记录介质的示意性横截面图；
图3A是根据本发明实施例的垂直磁记录介质的记录层的磁晶粒的TEM图像；
图3B是示出图3A中所示的记录层的晶粒尺寸差别(或变化)的坐标图；
图4A是图1所示的比较结构中示出的垂直磁记录介质的记录层的磁晶粒的TEM图像；
图4B是示出图4A的比较结构的记录层的晶粒尺寸差别(或变化)的坐标图；
图5A是根据本发明实施例具有不同膜厚度的记录层的磁晶粒的TEM图像；
图5B是示出图5A所示的记录层的晶粒尺寸差别(或变化)的坐标图；以及
图6是图示根据本发明实施例的磁存储装置的主要部分的平面图。
具体实施方式
以下结合附图详细描述本发明的优选实施例。
图1是在本发明研发期间提出的垂直磁记录介质的示意性横截面图。通过降低沉积室中或衬底表面上的污染，改善了制造可靠度。为了实现此目的，提出近似垂直于衬底并与第一底层15对齐地生长磁晶粒17a，第一底层15具有通过气隙15b彼此隔离的晶粒15a，而不需要利用记录层17中的非磁性材料。根据这种方法，记录层17的磁晶粒17a通过气隙17b在平面内彼此空间隔离。在这个结构中，软磁底层12和取向控制层13以此顺序设置在衬底11上。第二底层14和第一底层15以此顺序设置在取向控制层13上。第一和第二底层由相同材料制成，例如钌(Ru)。第二底层14并不是绝对必要的，可以被省略。然而，通过在第一底层15之下直接插入第二底层14，改善了第一底层15的结晶特性和晶体取向。这种配置可进一步改善在第一底层15上形成的磁晶粒17a的结晶特性和晶体取向。
然而，在具有磁晶粒17a的记录层17中，磁晶粒17a以平面内方向通过气隙17b彼此空间隔离，晶粒尺寸的差别或变化增加。这被认为由于在磁晶粒生长时一些磁晶粒在局部位置相互结合的结果。在这种情形下，可能无法充分实现高记录密度。
为了克服该问题，本发明的实施例提供一种晶粒尺寸差别防止层(grainsize dispersion preventing layer)，该晶粒尺寸差别防止层直接插到作为记录层的磁性层之下。该晶粒尺寸差别防止层包括通过氧化物彼此隔离的钴基合金的晶粒。出于这个原因，该晶粒尺寸差别防止层可被命名为“添加氧化物的钴基合金晶粒层”。紧接晶粒尺寸差别防止层之下设置具有钌(Ru)晶粒的第一底层，所述钌晶粒通过气隙15b在平面内彼此隔离。
根据这种配置，能够减少记录层中空间隔离的磁晶粒的晶粒尺寸的差别或变化，同时可以将平均晶粒尺寸保持较小。因此，可以改善磁记录介质的记录密度。
图2是根据本发明实施例的垂直磁记录介质10的示意性横截面图。垂直磁记录介质10包括软磁底层12、取向控制层13、第二底层14、第一底层15、晶粒尺寸差别防止层(添加氧化物的Co基合金晶粒层)19和记录层17，所述这些层以上述顺序沉积在衬底11上。
衬底11是适用于磁记录介质的任意衬底，衬底11的实例包括塑料衬底、微晶玻璃(crystallized glass)衬底、硅(Si)衬底、陶瓷衬底和耐热树脂衬底。在该实施例中，使用微晶玻璃衬底。
软磁底层(SUL)12由任意非晶或微晶的软磁材料形成，并且厚度范围是从50nm到2μm。软磁底层12可以形成为单层或多层。从记录磁场的有效集中的方面看，希望具有1.0T或高于1.0T的饱和磁通密度的软磁材料。这种软磁材料的实例包括FeSi、FeAlSi、FeTaC、CoNbZr、CoCrNb、NiFeNb和Co。
取向控制层13具有从2.0nm到10nm的膜厚度，并用于确定第一和第二底层14和15的晶粒的c轴方向，第一和第二底层14和15以膜厚度方向形成于取向控制层13上。取向控制层13还用于以平面内方向均匀分布底层14和15的晶粒尺寸。取向控制层13由Ta、Ti、C、Mo、W、Re、Os、Hf、Mg、Pt及其合金中的至少一种形成。可选择地，取向控制层13可以由非晶金属例如NiP形成。
第二底层14是由钌(Ru)或具有hcp(密排六方)晶体结构的Ru合金形成的连续多晶层，并包括晶粒14a和晶界14b。因为第二底层14是连续多晶层，其中晶粒14a经由晶界14b彼此结合，因此其具有较好的结晶特性，(0001)取向面近似垂直于衬底11。第二底层14不是绝对必要的，且可被省略。然而，为了改善第一底层15和记录层17的结晶特性和晶体取向，希望将第二底层14直接插到第一底层15下。
第一底层15被直接设置在第二底层14上，且包括近似垂直衬底11生长的晶粒15a和用于使晶粒15a以平面内方向彼此隔离的气隙15b。通过控制晶体生长条件可以实现该结构，这将在下面进行详细描述。
在具有通过气隙15b彼此隔离的晶粒15a的第一底层15上方设置晶粒尺寸差别防止层19。晶粒尺寸差别防止层19由钴(Co)基合金晶粒19a与填充在Co基合金晶粒19a之间的空间中的氧化物19b构成，其中钴(Co)基合金晶粒19a与第一底层15的晶粒15a对齐。晶粒尺寸差别防止层(即，添加氧化物的Co基合金晶粒层)的膜厚度约5nm至12nm。
记录层17被设置在晶粒尺寸差别防止层19上方。记录层17不包括氧化物，取而代之的是包括磁晶粒17a和气隙17b，磁晶粒17a近似垂直衬底11生长，气隙17b使磁晶粒17a以平面内方向彼此隔离。磁晶粒17a由具有hcp晶体结构的铁磁材料形成，该材料可以是钴基合金，例如CoCr、CoCrTa、CoPt、CoCrPt或CoCrPtM。
通过直接在记录层17下插入晶粒尺寸差别防止层19，有效减少了磁晶粒17a的晶粒尺寸在平面内的变化。这被认为因为晶粒尺寸差别防止层19中的氧化物19b能够确保Co基合金的晶粒19a的空间隔离，因此直接在晶粒尺寸差别防止层19上形成的记录层17的磁晶粒17a与用于隔离它们的气隙17b能够以可靠方式似垂直于衬底生长。另外，由于存在直接设置在晶粒尺寸差别层19下的第一底层15，因此磁晶粒17a的结晶特性和晶体取向保持在满意的状态。
垂直磁记录介质10由保护层(未示出)覆盖，并且在必要时进一步在保护层上方设置润滑层(未示出)。
在垂直磁记录介质10的制造过程中，在衬底11的表面被清洁并干燥后，具有200nm厚度的CoNbZr层作为软磁底层12形成在衬底11上方。接着，具有3nm厚度的钽(Ta)层作为取向控制层13形成在CoNbZr软磁底层12上方。通过在氩(Ar)气氛中以3毫托(约0.4Pa)的气压和在室温下的DC溅射方法形成CoNbZr软磁底层12和Ta(取向控制)层13。
接着，具有9nm厚度的钌(Ru)连续多晶层作为第二底层14形成在取向控制层13上方。在此实例中，Ru连续多晶层14的生长条件为在Ar气氛中以0.6nm/s的沉积速率、在1毫托(0.133Pa)气压下、在室温进行DC溅射。作为第二底层14的Ru连续多晶层可以在10毫托(1.33Pa)或低于10毫托(1.33Pa)的Ar气压下和/或以0.5nm/s或高于0.5nm/s的沉积速率形成。
接着，具有10nm厚度的钌(Ru)层作为第一底层15形成在第二底层14上方。生长条件是在40毫托(5.33Pa)的Ar气压下以0.3nm/s的沉积速率在室温进行DC溅射。在这些条件下，可以形成具有Ru晶粒15a的第一底层15，Ru晶粒15a通过气隙15b在平面内彼此隔离。可以在以下条件下形成第一底层(具有通过气隙15b彼此隔离的Ru晶粒15a)的这种膜结构：以2nm/s或低于2nm/s的沉积速率在20毫托(2.66Pa)或高于20毫托(2.66Pa)的Ar气压下。
接着，通过溅射方法在40毫托(5.33Pa)的Ar气压下并以0.2nm/s沉积速率，在第一底层15上方形成具有6.6nm厚度的添加有氧化物的Co基合金晶粒层，作为晶粒尺寸差别防止层19。在该实例中，CoCrPt被用作Co基合金，而SiO2被用作使CoCrPt晶粒彼此隔离的氧化物(以构成CCP-SiO2层)。在该溅射法中，可以使用CoCrPt材料和SiO2材料混合的复合靶，或可选择地，可以利用分离靶进行同时溅射。以2nm/s或低于2nm/s的沉积速率、在20毫托(3.66Pa)或高于20毫托(3.66Pa)的Ar气压的条件下可形成添加氧化物的Co基合金晶粒层结构。
在晶粒尺寸差别防止层19上方形成具有10nm厚度的Co80Pt20磁性层，该Co80Pt20磁性层用作记录层17。生长条件是在室温下、在40毫托(5.33Pa)的Ar气压下以0.2nm/s的沉积速率进行DC溅射。Co80Pt20磁晶粒17a可以以0.3nm/s或低于0.3nm/s的沉积速率近似垂直衬底11生长，从而使得通过气隙17b彼此隔离。
为了增加磁记录介质的记录密度，一般需要减小磁晶粒的晶粒尺寸；然而，随着晶粒尺寸的减小，对热扰动的抵抗力降低。为了克服这个问题，期望使用具有高Ku值(磁晶各向异性)的磁材料。公知的是具有增大的铂(Pt)含量的钴(Co)合金具有相对高Ku值。不同于规则化合金，由于富铂的钴合金不需要高温处理，因此在制造记录介质时，该富铂的钴合金适合与非晶体的软磁底层12一起使用。当然其它适合的钴基合金可以用于代替富铂的钴合金。
通过在具有气隙17b的记录层和具有气隙15b的第一底层15之间插入具有通过氧化物(SiO2)19b隔离的CoCrPt晶粒19a的晶粒尺寸差别防止层19，记录层17的晶粒尺寸在平面内的变化可充分降低。
接着，在记录层17上形成具有3nm厚度的碳层作为保护膜16。在垂直磁记录介质10的整个上述制造过程中，保持真空环境，并且在室温下执行每一个溅射步骤，而不必加热衬底11。
在上述实例中，虽然应用DC溅射来形成软磁底层(CoNbZr层)12、取向控制层(Ta层)13、第一和第二底层(Ru层)15和14以及记录层(Co80Pt20层)17，但可以使用任何适合的沉积方法，例如RF溅射或真空气相沉积。对于第一和第二底层15和14，可以使用Ru-X合金(X为Co、Cr、Fe、Ni和Mn中的至少一种)来代替钌。
图3A是具有直接插到记录层17下的晶粒尺寸差别防止层(添加氧化物的Co基合金晶粒层)19的记录层的平面TEM图像，图3B是示出在TEM图像中观察到的晶粒尺寸分布的坐标图。图4A和图4B分别是没有晶粒尺寸差别防止层19的图1的比较实例的平面TEM图像和晶粒尺寸分布图。
为了更加精确，在图3A所示的实例中，具有6.6nm厚度的CCP-SiO2层在上述条件下被形成，并且被直接设置在Co80Pt20记录层17下作为晶粒尺寸差别防止层19。记录层17的磁晶粒17a的平均直径(Dave)是4.7nm，晶粒尺寸的变化(σ)是0.6nm。
与此相比，在图4所示的比较实例中，Co80Pt20记录层17直接形成在第一底层(Ru层)15上，而没有插入作为晶粒尺寸差别防止层19的CCP-SiO2层。记录层17的磁晶粒17a的平均直径(Dave)是7.6nm，晶粒尺寸的变化(σ)是2.1nm。
从观察结果可知，插入在记录层17和第一底层15之间的晶粒尺寸差别防止层19能够大大降低记录层17的磁晶粒17a的平均晶粒尺寸和变化。虽然在实施例中，CCP-SiO2层被用作晶粒尺寸差别防止层(即，添加氧化物的Co基合金晶粒层)19，但也可使用其它适合的材料，只要通过任意氧化物将Co基合金晶粒彼此空间隔离即可。
图5A示出厚度增加到13nm的CCP-SiO2层19的平面TEM图像，而其它结构与图3A所示的相同，只是以不同的比例呈现。在这种情形下，磁晶粒17a的平均直径(Dave)减小到4.4nm，从而实现了小型化效果。然而，相比图3B所示的6.6纳米厚的CCP-SiO2，晶粒尺寸的变化(σ)稍微增加，如图5B所示。这意味着增加晶粒尺寸差别防止层(添加氧化物的Co基合金晶粒层)19的厚度有利于减小平均晶粒尺寸，但存在减小晶粒尺寸变化的限制。因此，期望晶粒尺寸差别防止层19的膜厚度为5nm至12nm。
通过对垂直磁记录介质应用该实施例的结构，可以减小平均晶粒尺寸和晶粒尺寸的变化，从而能够改善记录密度。
图2所示的垂直磁记录介质10可被用于磁存储装置，例如硬盘驱动器。图6是示出磁存储装置90的主要部分的平面图。磁存储装置90包括：由轴(spindle)(未示出)驱动的轮轴(hub)92；可旋转地固定到轮轴92的垂直磁记录介质93；制动器单元94；连接到制动器单元94的臂95和悬架96，从而使得以垂直磁记录介质93的径向方向可移动；以及由悬架96支撑的磁头98，所有这些都设置在外壳91中。磁记录介质93包括上述的一个或多个垂直磁记录介质10，所述垂直磁记录介质例如以叠置的方式排布。为每一个垂直磁记录介质10提供磁头98。磁头98是磁记录和再现装置的至少一部分。磁存储装置90总体上是高性能的存储器，因为在每一个垂直磁记录介质10中增加了记录密度，同时减小了平面内变化。
本发明主张在2007年2月26日提出的申请号为2007-045546的日本专利申请的优先权，该日本专利申请的全部内容在此以引用方式并入本文。
Claims (17)
1、一种垂直磁记录介质，包括：
衬底；
第一底层，其形成在该衬底上方并由钌或钌合金形成，所述钌或钌合金的晶粒近似垂直于该衬底生长并通过第一气隙以平面内方向彼此隔离；
记录层，其设置于该第一底层上方，并由近似垂直于该衬底生长并通过第二气隙以该平面内方向彼此隔离的磁晶粒形成；以及
晶粒尺寸差别防止层，其插入在该记录层和该第一底层之间，该晶粒尺寸差别防止层包括钴基合金晶粒和氧化物，所述钴基合金晶粒近似垂直于该衬底生长，该氧化物用于使所述钴基合金晶粒在平面内方向彼此隔离。
2、如权利要求1所述的垂直磁记录介质，还包括：
第二底层，其直接设置在该第一底层下方，并形成为钌或钌合金的连续多晶层。
3、如权利要求1所述的垂直磁记录介质，还包括：
取向控制层，其形成在该衬底上方和该第一底层下方。
4、如权利要求2所述的垂直磁记录介质，还包括：
取向控制层，其形成在该衬底上方和该第二底层下方。
5、如权利要求1所述的垂直磁记录介质，其中该记录层的磁晶粒的晶粒尺寸的变化是0.6nm或低于0.6nm。
6、如权利要求1所述的垂直磁记录介质，其中该晶粒尺寸差别防止层的厚度范围为5nm至12nm。
7、如权利要求3或4所述的垂直磁记录介质，其中该取向控制层的厚度是2.0nm至10nm，并由Ta、Ti、C、Mo、W、Re、Os、Hf、Mg、Pt及其合金中的至少一种形成。
8、如权利要求1所述的垂直磁记录介质，其中该记录层的磁晶粒与该晶粒尺寸差别防止层的钴基合金晶粒对齐。
9、一种磁存储装置，包括：
权利要求1中所述的垂直磁记录介质；以及
磁头，其被配置为向该垂直磁记录介质中写入信息和/或从该垂直磁记录介质中读取信息。
10、一种制造垂直磁记录介质的方法，包括如下步骤：
形成钌或钌合金的第一底层，所述钌或钌合金的晶粒通过第一气隙彼此隔离；
在该第一底层上方形成晶粒尺寸差别防止层，该晶粒尺寸差别防止层包括通过氧化物彼此空间隔离的钴基合金晶粒；以及
直接在该晶粒尺寸差别防止层上形成记录层，该记录层包括通过第二气隙彼此隔离的磁晶粒。
11、如权利要求10所述的方法，还包括步骤：
在形成该第一底层之前，在该衬底上方形成钌或钌合金的连续多晶层作为第二底层。
12、如权利要求10或11所述的方法，其中该晶粒尺寸差别防止层的膜厚度为5nm至12nm。
13、如权利要求10所述的方法，其中在20毫托或高于20毫托的氩气压下以2nm/s或低于2nm/s的沉积速率形成该晶粒尺寸差别防止层。
14、如权利要求10所述的方法，其中通过以0.3nm/s或低于0.3nm/s的沉积速率生长CoPt层，来形成该记录层。
15、如权利要求11所述的方法，其中通过在10毫托或低于10毫托的氩气压下进行溅射，来形成该第二底层。
16、如权利要求11所述的方法，其中以0.5nm/s或高于0.5nm/s的沉积速率形成该第二底层。
17、如权利要求10所述的方法，还包括步骤：
在形成该第一底层之前形成软磁底层；
其中在室温下形成该第一底层、该晶粒尺寸差别防止层和该记录层。
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