CN102379005B - 用离子和中性束注入改变膜的磁性 - Google Patents

Abstract

提供了形成具有磁图案化表面的基板的方法和装置。在基板上形成包括一或多种具有磁性的材料的磁层。磁层经过图案化处理，在处理过程中选择多个部分磁层表面进行改变，改变部分具有与未改变部分不同的磁性而不会改变基板的形貌。保护层和润滑层沉积在图案化的磁层上。通过多种可选择的工艺将基板暴露于不同形式的能量中来完成图案化。

Description

用离子和中性束注入改变膜的磁性

技术领域

本发明的实施方式涉及硬盘驱动器介质以及用于制备该硬盘驱动器介质的装置和方法。更具体地，本发明的实施方式涉及用于形成硬盘驱动器的图案化磁介质的方法和装置。

背景技术

磁层和磁敏感层在电子工业中有多种应用。在一个突出的实例中，硬盘驱动器是计算机及相关设备的特殊存储介质。硬盘驱动器存在于大部分台式和便携式计算机中，并可存在于许多消费类电子设备中，如媒体刻录机和播放机，以及用于收集和记录数据的仪器。硬盘驱动器还可以以阵列的形式部署用于网络存储。

硬盘驱动器磁性地存储信息。硬盘驱动器中的盘设置有磁畴，所述磁畴可通过磁头单独寻址。磁头移动到磁畴附近并改变磁畴的磁性来记录信息。恢复所记录的信息时，磁头移动到磁畴附近并检测该磁畴的磁性。该磁畴的磁性通常解释为对应两个可能的状态中的一个，即“0”状态和“1”状态。以这种方式，数字信息可被记录于磁介质上并之后被恢复。

硬盘驱动器中的磁介质通常是玻璃、复合玻璃/陶瓷、或金属基板，所述磁介质通常是非磁性的，上面沉积有磁敏感材料。磁敏感层通常被沉积以形成图案，从而使盘的表面具有磁敏感区，且所述磁敏感区中散布着非磁性区。非磁性基板通常在形貌上被图案化，并且磁敏感材料是通过旋涂或电镀的方式沉积。然后该盘可被抛光或磨平以暴露围绕磁畴的非磁性边界。在一些情况下，磁材料是以图案化方式沉积，以形成被非性磁区分隔的磁粒或点。

这样的方法预期生成能够支持数据密度高达约1TB/in²、单个磁畴的尺寸小到20nm的存储结构。当自旋方向不同的磁畴相遇时，将存在一个称为布洛赫壁(Bloch wall)的区域，在该区域中，自旋方向经历从第一方向至第二方向的过渡。该过渡区域的宽度限制着信息存储的面密度，这是因为布洛赫壁占据整个磁畴的越来越多的部分。

为了克服由于连续磁性薄膜中的布洛赫壁宽度引起的限制，磁畴可以由非磁性区(该非磁性区可以比连续磁性薄膜中的布洛赫壁的宽度窄)物理地隔开。在介质上产生离散的磁性区或非磁性区的传统方法集中于形成单比特磁畴，通过将磁畴沉积为分离的岛，或是通过从连续的磁性膜上去除材料以物理地分离磁畴，所述单比特磁畴完全地相互分离。基板可由掩模遮掩和图案化，并且磁性材料沉积于暴露部分上，或者磁性材料可在掩模和图案化之前被沉积，然后在暴露的部分中蚀刻去除所述磁性材料。在任意一种情况下，磁性区的剩余图案都改变了基板的形貌。因为典型的硬盘驱动器的读写头可在距盘的表面近达2nm处掠过，这些形貌的变化可能是有限的。因此，需要一种将磁介质图案化的工艺或方法，这种工艺或方法具有高分辨率且不会改变介质的形貌，以及一种用于有效地执行所述工艺或方法以实现大批量制造的装置。

发明内容

本发明的实施方式提供一种在一或多个基板的磁敏感表面上生成磁畴图案的方法，该方法包括：向磁敏感表面的至少一部分施加掩模，以形成该表面的遮掩部分和未遮掩部分；通过将该表面暴露给导向该表面的高能粒子，来改变该磁敏感表面的未遮掩部分的磁性，每个粒子具有介于约0.2KeV到约4.8KeV之间的能量；以及去除该掩模。

其他实施方式提供一种形成磁介质的方法，该方法包括：在基板上形成磁层；在所述磁层上方形成掩模，以形成所述磁层的遮掩部分和未遮掩部分；以及将所述基板暴露给离子束，其中离子具有介于约0.2KeV到约4.8KeV之间的平均能量。

其他实施方式提供了一种形成磁介质的方法，该方法包括：在基板的至少两个主要表面上形成磁层；在所述基板的至少两个主要表面的磁层上方形成掩模，以形成所述磁层的遮掩部分和未遮掩部分；以及通过将所述未遮掩部分暴露给粒子束，以改变所述基板的至少两个主要表面上的未遮掩部分的磁性。

附图说明

以可以详细地理解本发明的上述特征的方式，通过参考实施方式获得对以上简单概括的本发明的更具体描述，其中一些实施方式是通过附图举例说明。然而，应注意的是，附图仅例举本发明的典型实施方式，因此不应视为对本发明范围的限制，本发明可容许其他同等有效的实施方式。

图1A是概述根据本发明一个实施方式的方法的流程图。

图1B-1D是图1A的方法的不同阶段中基板的示意侧视图。

图2A是概述根据另一个实施方式的方法的流程图。

图2B-2D是图2A的方法的不同阶段中基板的示意侧视图。

图3A是概述根据本发明另一个实施方式的方法的流程图。

图3B-3I是图示该方法的不同阶段所使用的不同物件。

图4是根据本发明一实施方式的装置的横截面示意图。

图5A是根据本发明一个实施方式的基板载体的透视图。

图5B是根据本发明另一个实施方式的基板载体的横截面图。

为了有助理解，可能的话，在附图中通常用相同的元件符号来表示相同的元件。预期在一个实施方式中公开的元件可有效地运用于其他实施方式，而无需特别说明。

具体实施方式

本发明的实施方式大体上提供用于处理磁介质基板的装置和方法，所述磁介质基板例如可用作硬盘驱动器中的存储介质。所述装置和方法通过以图案化的方式对基板施加能量来改变基板的磁性，以产生具有不同性质的磁畴，所述磁畴的性质可通过磁头检测和改变。这些磁畴可通过磁头来单独寻址，磁头被固持在基板表面附近，使得磁头可检测并影响单个磁畴的磁性。本发明的实施方式产生的磁畴的尺寸小于约25nm，同时可保持基板的形貌。

所使用的基板通常是金属或玻璃，也可以是金属合金或复合玻璃物质，如玻璃/陶瓷混合物。基板通常涂覆有磁敏感材料，磁敏感材料为磁性图案化提供介质。磁敏感材料可形成多层，每层具有相同或不同的成分。在一个实施方式中，在基底基板上方形成第一层软磁性材料，如铁或/和铁/镍合金，以及在第一层上方形成第二层磁性材料，如钴/镍/铂合金。这些层可通过本领域已知的任意合适的方法来形成，如物理气相沉积法、或溅射法、化学气相沉积法、等离子体增强化学气相沉积法、旋涂法、通过电化学或无电方式进行的镀覆等。

在磁敏感材料中形成磁图案后，如下文详细描述，在磁敏感层上形成保护层，以防止磁头与磁介质之间相接触。保护层优选是无磁性的，并且在一些实施方式中包括碳(如非晶的或类金刚石的碳)或氮化碳。保护层通常还非常薄，如厚度小于约10nm。

在保护层上方可形成润滑层，以在磁头和基板之间相接触时保护磁头。润滑层可以是润滑聚合物，如含氟聚合物，并且可通过任意便利的方法来沉积。润滑层通常也非常薄，如厚度小于约50nm。

本发明的实施方式提供了通过物理图案化工艺，在硬盘介质的一或多个表面上建立磁性图案的方法和装置。图案模板涂覆有掩模材料，将该模板施加到将要图案化的基板上。根据模板的图案，将掩模材料施加到基板。用这种方式可以将尺寸特征小于约25nm的非常精细的图案印在基板上。掩模可使基板的多个部分完全暴露，或者可用薄掩模层覆盖一些部分而用厚掩模层覆盖其他部分。保持暴露的基板部分或用薄掩模层覆盖的部分实质上是未被遮掩的，而其他部分则是被遮掩的。然后基板的未遮掩部分可暴露于能量，以改变未遮掩部分的磁性。一旦除去掩模，基板仍保留其原来的形貌，但却带有非常精细的磁畴和非磁畴的图案，所述磁畴和非磁畴的图案能够支持超过1Tb/in²的存储密度。

图1A是概述根据本发明的一个实施方式的方法100的流程图。图1B-1D是图1A的工艺的不同阶段中基板150的横截面示意图。基板150具有基底层152和磁敏感层154。基底层152通常是结构坚固的材料，如金属、玻璃、陶瓷或上述材料的组合。许多基板的特征通常是铝或玻璃基底层，但其他实施方式的特征可能是碳复合材料。基底层152为磁敏感层154提供结构强度和良好的粘着力，且通常是不透磁的，具有抗磁性或仅有非常弱的顺磁性。例如，在一些实施方式中，基底层的磁敏感性低于约10^-4(铝的磁敏感性约为1.2×10^-5)。

磁敏感层154通常由一或多种铁磁材料形成。在一些实施方式中，所述磁敏感层154包括具有相同或不同成分的多个层。在一个实施方式中，磁敏感层154包括第一层和第二层，其中第一层是软磁性材料，所述软磁性材料通常被定义为磁矫顽力低的材料，而第二层的磁矫顽力高于第一层。在一些实施方式中，第一层可包括铁、镍、铂或上述材料的组合。在一些实施方式中，第一层可包括具有相同或不同成分的多个子层(sub-layer)。第二层也可包括多种材料，如钴、铬、铂、钽、铁、铽、钆或上述材料的组合。第二层也可包括具有相同或不同成分的多个子层。在一个实施方式中，磁敏感层154包括第一层和第二层，第一层为厚度介于约100nm到约1000nm(1μm)之间的铁或铁/镍合金，第二层包括两个子层，各个子层的厚度介于约30nm到约70nm之间，如约50nm，并且各自包括铬、钴和铂。

磁表面被图案化，以形成磁性不同的磁畴。为了产生磁畴图案，在步骤102将掩模材料156施加到基板150。掩模材料156通常包括容易去除但一点也不会改变磁敏感层154的材料，或者包括如果不去除也不会对器件的性能产生副作用的材料。例如，在许多实施方式中，掩模材料可溶于溶剂液体，如水或碳氢化合物。在一些实施方式中，掩模作为可固化液体施加于基板，用模板通过物理压印来图案化，并通过加热或UV照射进行固化。在其他实施方式中，所述掩模施加于模板且至少部分固化后，才将经涂覆的模板施加于基板。掩模材料156通常还对入射能量或高能离子引起的退化有抵抗力。在一些实施方式中，掩模材料156是可固化材料，如环氧或热塑性聚合物，所述可固化材料在固化之前是流动的，并在固化后对高能处理提供一定的抵抗力。掩模材料限定了磁敏感层154的遮掩和未遮掩部分。

在步骤104，磁敏感层154的未遮掩部分的磁性被改变。能量158被导向基板150，并冲击磁敏感层154的暴露的未遮掩部分。当能量达到能够激发磁材料中原子的热运动的足够强度时，将磁材料暴露于能量中通常将开始扰乱和改变磁性。能量达到某个阀值之上将使原子的自旋方向随机化，减少或消除材料的磁性。在一些实施方式中，通过暴露于能量158，可减少或消除磁敏感层154的磁性或磁敏感性。磁敏感性是当材料暴露于磁场中时获得磁性的难易程度(ease)。磁敏感层154的未遮掩部分的改变产生了磁畴图案，该磁畴图案由未改变区162和改变区160来限定。所述图案可被认定为磁性和非磁性材料的磁畴，高和低磁场的磁畴，或高和低磁敏感性的磁畴。然后在步骤106去除掩模材料156，留下带有磁敏感层154的基板，磁敏感层具有由高磁性区162和低磁性区160限定的磁畴图案。由此得到的基板150具有基本上与所述基板被处理前相同的形貌。

图2A是概述了根据本发明另一个实施方式的方法200的流程图。图2B-2D是图2A的方法中基板250在不同阶段的示意侧视图。在步骤202，以与参考图1A-1D所述的相似工艺，使基板的磁性表面图案化为具有不同磁性的区域。图2B图示具有基底层252和磁层254的基板250。基底层252和磁层254可具有与上述基底层152和磁敏感层154相似的性质。磁性表面254的图案化区域256的磁性与未图案化区域的磁性不同。例如，图案化区域256可能是基本消磁的，或者图案化区域的磁性或磁敏感性被降低或改变。

在步骤204，在基板的磁层上形成保护层258。保护层258防止磁性表面与任何可能降低所述保护层性质的材料(如氧或湿气)发生相互作用。在一些实施方式中，保护层258也可以是密封层。在一些实施方式中，保护层258可以包括碳，可以包括碳和氮，可以是含有碳和氮的层，可以是无定形碳层，或可以是氮化碳层。在其他实施方式中，保护层258可以是聚合物，该聚合物可以包含碳。在一些实施方式中，保护层258可以是塑料或热塑性材料。保护层通常是用低温工艺沉积，以免改变磁层254的磁性。

在步骤206，在基板上方形成润滑层260。润滑层260为磁装置(未图示)提供保护，所述磁设备被设置以检测和改变基板250的磁层254各区域的磁性。当磁装置和基板表面相接触时，润滑层260将使磁装置上可能损坏器件的摩擦力最小化。在一些实施方式中，润滑层260可以是聚合物、含碳聚合物、含氟聚合物、含氟和碳的聚合物、含氟聚合物、结晶层或类金刚石碳层。润滑层260通常也是用低温工艺沉积。

图1A和2A的方法100和200的特征是使基板表面图案化成为具有不同磁性的区域。在一个实施方式中，用离子束发生器可将基板暴露于高能离子。一方面，离子束可被设置以使硅、硼、氧、氦、氮、氩、氟、氖、磷或砷的离子传递到基板。另一方面，离子束可传递以下物质的离子：磷化氢(PH₃)、甲烷(CH₄)、乙烷(C₂H₆)、乙烯(C₂H₄)、四氟化碳(CF₄)、一氧化碳(CO)、二氧化碳(CO₂)、二氧化氮(NO₂)、氨(NH₃)、三氟化硼(BF₃)、乙硼烷(B₂H₆)、三氟化氮(NF₃)、胂(AsH₃)、二砷(As₂)、二磷(P₂)、四氟化磷(PF₄)、四氟化砷(AsF₄)、四氟化硅(SiF₄)、硅烷(SiH₄)或乙硅烷(Si₂H₆)。在有些方面，离子束可传递以上所列离子的组合或混合物。以上所列的离子并不代表所有的可用于轰击基板的离子。任何可在真空中隔离(isolate)而不会自发衰变的离子都可通过电场朝向基板加速。

在一个实施方式中，给离子施予能量以达到基板表面的平均冲击能量，所述能量介于约0.2keV到约4.8keV之间，如约1.0keV到约4.0keV之间，例如约0.2keV到约1.0keV之间，或约1.0keV到约2.0keV之间，或约2.0keV到约4.0keV之间。在一些实施方式中，包括一种以上带电原子的离子可具有的单位原子冲击能量介于约0.2keV到约4.8keV，如约1.0keV到约4.0keV之间，例如约0.2keV到约1.0keV之间，或约1.0keV到约2.0keV之间，或约2.0keV到约4.0keV之间。

在其它的实施方式中，可通过暴露于高能粒子，如离子、自由基和中性粒子来改变基板的磁性，暴露所述基板于高能粒子可包括注入离子或仅仅将基板暴露于低能离子而没有注入。通过例如导向平均能量小于约1.0KeV的离子来轰击基板而不注入离子，将会通过纯粹的能量处理或热处理、通过将高能离子的动能转移到磁表面来改变磁性，从而引起每次碰撞时磁矩的差别随机化。注入离子将因能量的以及成分的作用而改变磁性，使注入点附近的磁矩随机化并将注入离子自身的磁性赋予基板。因此，可通过改变基板表面的成分、基板表面的结构或二者来改变基板表面的磁性。

根据本发明所述的方法处理的基板具有至少一个其中形成有磁畴图案的表面。磁畴由具有不同磁性的磁域分隔开。第一多个磁畴具有第一数值的磁性，并且第二多个磁畴具有与第一数值不同的第二数值的磁性。第一多个磁畴全部被第二多个磁畴分隔开。在一个实施方式中，磁畴可具有磁场或对磁胁迫的敏感性，而分隔的磁畴是没有磁性的。通常，磁畴的尺寸小于约50nm，如介于约5nm到约50nm之间，如小于约25nm，如约5nm到约25nm之间。几乎没有磁性的区域通常包括选自由以下元素所组成的群组的一或多种元素：硼、氮、氢、氧、碳、磷、砷、氟、硅和锗。带有残留的磁性的区域显示没有这种注入。磁性磁畴与非磁性磁畴形成了容易识别的边界，且具有可测量的不同磁性。

用离子或中性束注入通常会导致掺杂浓度分布，该掺杂浓度分布在注入表面下方具有最大值。因此，磁性层的掺杂区域具有的掺杂浓度在磁性层表面附近将随着深度增加而增大，达到最大浓度后，将随着深度的进一步增加而减少。注入深度通常取决于注入能量，因此在一些实施方式中，低能量的注入可在注入材料的表面附近产生浓度最大值。浓度最大值通常是在层厚的约5％到约50％的深度处。对于100nm厚的磁性层来说，最大掺杂浓度将出现在层表面下方介于约5nm到约50nm之间、例如约30nm的深度。如果层厚为50nm，则最大掺杂浓度通常出现在介于约2nm到约25nm的深度。

高能离子可通过使用离子注入器来产生，例如美国加州圣克拉拉市的应用材料股份有限公司制造的 X Plus注入器。正如本领域所知，离子注入器使电子从原子中分离出来，通过磁性过滤选择具有所需能量的离子，并将所选择的离子加速到所需的能量。如果需要的话，可以在离子束发射器和基板之间通过应用电磁作用来进一步调节离子的能量、或聚焦离子束、使离子束成形或引导离子束。

图案化工艺对改变基板磁性的工艺有帮助作用。图3A是概述根据本发明另一个实施方式的方法300的流程图。图3B-3I图示了在方法300的不同阶段方法300所使用的不同物件。在步骤302，将模板前体材料354施加于母基板352以获得图案。母基板352显示了根据方法300将要在连续基板上显现的主图案。母基板352可包括任何耐用材料，如金属、玻璃、或陶瓷，并且可通过任何合适的工艺，如任何图案化的工艺，例如通过沉积或蚀刻工艺或两种工艺的结合，赋予母基板初始图案。在一个实施方式中，母基板可通过电子束工艺图案化。电子束工艺可包括用电子束直接雕刻、或先用电子束光刻然后进行蚀刻。在另一个实施方式中，可用UV光刻使母基板352图案化。模板前体材料354可以以气体或液体形式施加于母基板352，并优选用任何适当的工艺(如旋涂法、模压涂布法或气相沉积法)施加于母基板352上以形成平滑层。模板前体材料354的表面与母基板352界面相接，从而获得记录于母基板352上的图案。在一些实施方式中，模板前体材料可以是聚乙烯醇(PVA)。在其他实施方式中，模板前体材料可以是可固化的聚合物，如合成橡胶(elastomer)。

在步骤304，模板前体材料354可以固化形成图案化模板356。图案化模板356通常是柔性的固体材料。固化工艺可以包括加热、干燥或UV处理模板前体材料354。固化后，图案化模板356优选具有足够的机械强度以脱离母基板352，而不会损坏图案化模板356或使图案化模板356永久性变形。例如，可通过旋涂法、模压涂布法、或挤压涂布法将液体聚乙烯醇施加于母基板上，所施加的液体聚乙烯醇厚度为约10nm到约1000nm之间，如约50nm到约200nm之间，例如约100nm，然后在约50℃到约300℃、例如约100℃的温度下，固化约1到5分钟以形成固体。

在步骤306，图案化模板356从母基板352上脱离，并涂上抗蚀材料358。抗蚀材料358可用任意适当的工艺，如旋涂法、模压涂布法、喷墨印刷或气相沉积法，以液体或气体形式施加于图案化模板356。将抗蚀材料358施加到图案化模板356上以形成平滑层。抗蚀层通常是薄的，厚度为例如约10nm到约100nm之间，如约60nm。

在步骤308，将带有抗蚀材料358的图案化模板356施加于将要被磁性图案化的基板360的磁敏感表面366。这通常由抗蚀材料358和磁敏感表面366之间的物理接触工艺完成，并且可能需要精确的校准工艺。在一些实施方式中，精确校准是通过视觉或自动校准基板360、或支撑基板的装置以及图案模板356上的校准记号来完成的。在抗蚀材料358和磁敏感表面366之间的物理接触后，可进行任选的固化工艺，固化工艺可包括加热、干燥、或暴露于电磁能量。固化工艺有助于比粘结抗蚀材料358到图案化模板356更牢固地粘结抗蚀材料358到磁敏感表面366。

在步骤310，将图案化模板356从抗蚀材料358上脱离，留下粘着到基板360上的抗蚀材料358，所述抗蚀材料358带有从图案化模板356获得的图案。在步骤312，通过去除抗蚀材料358的一部分，暴露出底下的磁敏感表面366而显现所述图案。在替代的实施方式中，可以涂覆抗蚀层而不暴露任何的下方表面，因为后续的工艺可以设置为穿透抗蚀层较薄的部分，而被抗蚀层较厚的部分成功地阻挡。因此，在步骤312去除部分抗蚀材料358是可选择的。在大多数实施方式中，抗蚀层的厚度通常为约30nm到约100nm之间，如约50nm到约70nm之间。在许多实施方式中，抗蚀层有厚和薄的部分，薄的部分的厚度标准为允许入射能量或粒子通过，而厚的部分的厚度标准为阻挡入射能量和粒子。因此，厚的部分遮掩了所述厚部分覆盖的基板表面区域，而薄的部分则暴露了所述薄部分覆盖的区域。在一些实施方式中，抗蚀层的厚的部分具有第一厚度而薄的部分具有第二厚度，其中第一厚度对第二厚度的比率在约1.3到约1.8之间，或约1.4到约1.7之间，如在约1.5到约1.6之间。此厚度分布比率(thickness profile ratio)可用于调节注入深度，如下文进一步描述的。

在步骤314，如上文参考图1A-1D所述的，将能量362施加于基板360，以改变磁敏感表面366的未遮掩部分364的磁性。尽管能量362被图示为在磁敏感表面366的整个厚度中改变未遮掩部分364，但在一些实施方式中，可能有利的是只改变磁敏感表面366的靠近表面的一部分层。例如，预计较深的改变将导致磁畴之间磁性的较明显差异。不过，此外，磁性的改变可能不是刚好垂直于磁敏感表面366进行的。当能量362冲击磁敏感表面366时，所述能量362的影响将横向穿过该层一段距离，从而改变不是直接位于冲击点下面的磁畴的磁性。这种横向扩展将降低被遮掩部分边缘的磁性，从而降低了磁畴之间边界的清晰度。由于这个原因，所需的改变深度取决于层的厚度对正被改变的未遮掩部分的宽度或尺寸的比率。膜厚度对未遮掩部分的宽度比越高，所需的改变深度占总的膜厚度的分数就越小。

在步骤314的图案化之后，在步骤316去除抗蚀材料，留下带有磁敏感表面366的基板360，所述磁敏感表面366具有磁性图案。可以通过用不与底下的磁性材料发生反应的化学品进行蚀刻，如干洗或灰化工艺，来去除抗蚀材料，或通过溶解于诸如DMSO的液体溶剂来去除抗蚀材料。在一个实例中，由于不存在磁敏感表面366上的永久性沉积或蚀刻，所述磁敏感表面366在图案化后的形貌与所述磁敏感表面被图案化之前的形貌基本上是相同的。

在磁层中深度注入离子最能影响注入区域的磁性改变。浅度注入，如100nm厚的层中的2-10nm的注入，将在该注入区域下方留下很大一部分的原子成直线自旋的层。这种离子穿透能介于约200eV到约1000eV之间的浅度注入，将导致磁性的部分改变。因此，可以通过调节注入深度来选择强制改变的程度。注入离子的大小也会影响注入到某一给定深度所需的能量。例如，以约200eV的平均能量注入磁性材料内的氦离子将使该磁性材料消磁约20％至约50％，而以约1000eV的平均能量注入的氩离子将消磁约50％至约80％。

到达基板表面的离子的能量受到注入器向离子赋予的能量、离子入射到基板上的角度、以及抗蚀材料的厚度和硬度(即对离子穿透的抵抗力)的影响，离子穿透所述抗蚀材料以到达基板表面。抗蚀层的厚度、硬度和厚度分布是独立选择的，使得具有给定能量范围的离子将在所需的位置穿透抗蚀层而不在其他位置穿透，并且使得穿透抗蚀层的离子在到达基板表面时具有所需的能量。可以通过调整抗蚀层下面的基板表面处的入射粒子能量来调节注入的深度。例如，注入深度将随着离子能量的增加、抗蚀层厚度的减小和抗蚀层硬度的减小而增加。为了防止较高能量的离子穿透抗蚀层的阻挡部分，必须使这些部分较厚，但不使非阻挡部分较厚。因此，增加抗蚀层的厚度分布比率可使图案化注入达到更大的深度。

使用薄的抗蚀层，结合低能量的离子轰击可导致离子冲击基板表面而不会注入该表面内。这种处理对于涉及非常薄的磁层(例如，小于约20nm)和非常小的图案特征(例如小于约10nm)的工艺是有益的。对于这些实施方式，可将穿透能量介于约200eV到1000eV之间的离子施加于平均厚度介于约30nm到约50nm之间、厚度分布比率介于约1.5到约2.0之间的薄抗蚀层。这种抗蚀层具有厚度约20nm到约40nm之间的薄部分和厚度约35nm到约70nm之间的厚部分。抗蚀层的厚部分防止低能离子到达基板表面，而薄部分将离子能量降低到注入阀值和磁畴重新定向阀值之间的水平。取决于磁层的材料，磁畴重新定向阀值可为约3eV到约30eV之间，且注入阀值可为约500eV到约1000eV之间。因此，对于具有较低的晶格内聚力的材料来说，具有动能约200eV至约500eV的离子可以改变基板表面的磁性而不会发生注入。对于具有较高的晶格内聚力的材料来说，可以使用高达1000eV的能量而不会发生注入。如上所述，可调整抗蚀材料的厚度来调节基板表面上的离子入射能。在一些实施方式中，如果需要的话，可在离子处理之前，将抗蚀层部分蚀刻或溶解，以暴露出部分基板表面。

通过调节高能粒子在基板上的入射角，可增加磁畴的无序化或调节冲击扰乱与注入扰乱的相对程度。高能粒子可以在第一次处理时以第一入射角导向基板，并且在第二次处理时以不同于第一入射角的第二入射角导向基板，以增加对磁畴的扰乱程度。在大多数实施方式中，任何离子束处理期间的入射角度将在约0°(即“垂直的”或正交于基板表面)到约7°之间，如约2°到约5°之间。用有角度的离子束能量进行处理可引起一些程度上的图案化抵消，因此在一些实施方式中，在将图案化的抗蚀层施加到基板之前先确认抵消的尺寸。当将图案化的抗蚀层定位在基板上时，抵消尺寸也被包括在内。

通过横越一或多个基板的表面扫描离子束，将一或多个基板暴露于来自所述离子束的高能粒子中。通过将基板放置在基板载体上，并且横越所述基板载体上放置有基板的基板载体扫描离子束，可同时处理一个以上的基板，所述基板载体由经选择能承受离子束处理的材料构建成。在一个实施方式中，离子束可被导向基板或基板载体的中心，且以从中心扩展到边缘的螺旋模式改变基板或基板载体的相对于离子束的位置，从而处理整个基板或基板载体。当离子束的路径是从中心螺旋而出时，某些程度上重叠以前的路径对改善处理的一致性可能是有益的。在一些实施方式中，离子束在靠近离子束中心处比靠近离子束边缘处具有更高的通量密度。此外，基板表面的经过离子束中心附近的部分比经过离子束边缘附近的部分接收更多的通量。使表面上的路径重叠将至少部分地补偿通量密度中的这些变化。

在上述的螺旋式的实施方式中，基板或基板载体可放置在可移动的支撑体上。可移动的支撑体可被设置用于在一个维度或两个维度上移动。在两个维度中移动的支撑体可由控制器来控制以便促进螺旋模式。在一个维度中移动的支撑体可与电磁耦合，以在正交方向上调节离子束，所述支撑体和所述电磁都在控制器的控制下以便促进螺旋模式。

在另一个实施方式中，离子束可以相对于基板或基板载体以光栅扫描模式移动。所述离子束在X-方向上从一个边缘到另一个边缘地扫过基板或载体，在与X-方向正交的Y-方向移动短距离，然后再在X-方向上扫过基板或载体，重复上述过程直至整个基板或载体都被扫描到。由于上述原困，Y-方向上的位移通常选择为允许离子束路径有一些重叠。

在另一个实施方式中，用本领域已知的适当的电磁学技术使离子束变成长度与宽度不同的带，并且横越基板或载体扫描该带。在一个实施方式中，所述带的长度可大体上与基板或载体的尺寸，如对角线、直径，或者最大尺寸相等，使得一次扫描可处理整个基板或载体。在另一个实施方式中，所述带的长度小于基板或载体的最大尺寸，如半径、对角线的一半或边长的一半，使得需要扫描二或更多次来处理基板或载体。所述离子束的宽度加以选择以便以目标扫描速率传送所需的量。

在另一个实施方式中，离子束可变成非圆形的、狭长的或某些方面不规则的形状。通常是以与上述那些处理基板或载体相似的模式横越基板或载体扫描离子束。所述离子束路径之间的重叠程度取决于该离子束的形状和强度分布。在一些实施方式中，离子束具有椭圆形的、类椭圆形的或椭球形的横截面形状。

在一些实施方式中，在冲击到基板上之前，离子束可部分或全部被中和。离子带着所需的能量离开束柱，并且所述离子经过中和器，所述中和器含有如氩气、氦气或其他惰性气体的非反应性气体。离子与非反应性气体的中性原子交换电荷并变成中性粒子。如本发明别处所述的，该等中性粒子冲击基板或布置在基板上的抗蚀材料，并且根据抗蚀图案来扰乱基板的磁畴。通过离子与中和介质的相互作用，中和器可减少离子的能量和加强离子的分散。为了进行补偿，离子束可以在经过中和器之前被超量充能或集中。在一些实施方式中，使用中性粒子有利于克服由于空间电荷效应引起的离子束扩散。

阻止高能粒子穿透抗蚀层所需的抗蚀层厚度取决于注入的种类、工艺参数和所需的离子在磁性薄膜里的穿透深度。当选择用于注入的区域的尺寸减小时，抗蚀层的厚度也减小以允许有效的图案化。当抗蚀层的厚度减小时，抗蚀层可能无法再有效地遮掩部分的基板表面。由于这个原因，在一些实施方式中，调节抗蚀层的硬度和厚度可能是有利的。

可通过向抗蚀层中添加掺杂剂，如含硅化合物来调节抗蚀层的硬度，这样加强了对带电荷离子的穿透的抵抗力。可用于加强对带电荷离子的穿透抵抗力的其他掺杂剂包括含硫和磷的化合物。在一个实施方式中，可添加纳米颗粒来调节对带电荷离子的穿透的抵抗力。例如，以这种方式，可使用氧化铝(AI₂O₃)、二氧化硅(SiO₂)、二氧化铈(CeO₂)和二氧化钛(TiO₂)的纳米颗粒。在其他实施方式中，可进一步通过用不同的固化或干燥工艺来调节抗蚀层的硬度。对于需要固化或干燥的抗蚀材料来说，较多的固化或干燥，如通过延长固化或干燥的时间或者通过增加温度，通常产生较硬的抗蚀层，较硬的抗蚀层将更能抵抗穿透。对于使用较薄的抗蚀层和具有较高初始能量的离子来说，用较硬的抗蚀剂层可提供对入射离子的能量含量的更精细控制。

基于工艺参数和所需的离子在磁性薄膜里的穿透深度，不同的元素种类对磁性有不同的影响。例如，一或多种元素可能有利于用于改变磁性膜的磁性。在一个实施方式中，氦和硼的组合可提供额外的好处。例如，可使用较少的能量，使分子量较小的氦较深地穿透到磁性薄膜里并改变磁性。分子量较高的硼可在氦的穿透之前、之后或与氦的穿透一起使用，以进一步影响磁性薄膜的磁性，并且硼还发挥屏障的作用，以阻止氦离子随着时间推移从磁性薄膜中脱离。

如硼和氦等元素可扰乱基板的磁畴，从而降低经过硼和氦离子处理的区域的磁敏感性。然而，其他元素可通过将所述元素的磁性添加到基板来增强磁敏感性。例如，含某些可增加薄膜的磁性的元素(如铂)的化合物，可用于增强被处理区域的磁敏感性。

图4是根据本发明的实施方式的装置400的横截面示意图。装置400包括用于处理一或多个基板的腔室402、用于生成高能粒子的束柱404、以及用于定位一或多个待处理基板的基板支撑体406。

束柱404包括离子发生器408和用于使离子移动到腔室402的加速器410。离子从发生器408移动穿过加速器410并穿过出口414进入可选择的中和器412。需要的话，可以使用中和器412将离子转换成电中性粒子。

中和器412可包括气体腔418和集中膜416，所述集中膜416被设置用于在中和作用前使离子束集中，使得中和的离子束在冲击一或多个基板时具有所需要的直径。通过管道420向气体腔418提供中和气体，并且所述中和气体吸收从集中膜416进入的离子束的电荷。带电荷的气体通过管道422离开气体腔418。束集中膜416也可带电磁，以便在一个或两个维度中转移离子束方向上来冲击一或多个基板上的不同位置。

在具有或没有中和器412的情况下，由束柱404产生的束426冲击放置在基板支撑体406上的一或多个基板。对于有一个以上基板的实施方式，基板可放置在载体上(未在图4中显示)，该载体进而被放置在基板支撑体上。通过相对于束426移动基板，使束426被导向放置在基板支撑体406上的所有基板的所有部分。基板支撑体406可安装在可移动的台407上，所述台407可沿一个或两个方向移动。只能在一个方向上移动的台407可连接至集中膜416，该集中膜416能使束426在正交方向上移位以达到基板的所有区域。可在两个方向上移动的台407可相对束426来移动基板，使得基板的所有区域都可被处理到。

位于可移动的台407之上的基板支撑体406的运动可用控制器424来控制，控制器424可将基板支撑体沿着控制器运动范围定位在任意需要的位置。如果台407只能在一个方向上运动，且束柱404包括可在与台407的运动方向正交的方向上移动束426的集中膜416，则控制器424可被设置用于控制台和束两者。

图4中的束柱404可被设置用于将束426变成具有不同长度和宽度的带。可将电磁布置在集中膜416中以加长束426的形状，或甚至将束426分裂成多个平行束，以形成所述带。对于长度与基板或载体尺寸大体上相同的带状束，台407可仅在一个方向上移动基板或载体以将基板暴露于该带状束。因此，连接有单向台407的带状束柱足以暴露支撑体406上放置的一或多个基板的所有区域。

图5A和5B是根据本发明的实施方式中的基板载体500的示意图。图5A图示了基板载体500的透视图，图5B图示了与支撑体510相连的基板载体500。基板载体500具有多个基板位点502，用于将基板放置在所述基板位点502上。在图5A的实施方式中，基板位点502图示为载体500的凹陷区域。每个基板位点502有用于稳定基板的接触部分504。基板通常搁放在接触部分504上，并向着凹陷位点502的边缘往外延伸，由此在基板底下产生空腔。

图5B图示与支撑体510相连的横截面形式的载体500。接触部分504具有延伸部506，所述延伸部506用于与基板中心的空缺相匹配。载体500还具有多个管道508，所述多个管道508设置为穿过接触部分504。管道508与类似地设置在支撑体510中的管道512流体连通。管道512和508提供了工具以将热控制介质，如加热或冷却介质，施加到基板位点502中放置的每个基板底下的空腔中。对于本文所述的可能需要冷却基板的工艺，可以通过管道512和508向基板的背面提供冷却气体。在一个实施方式中，改变基板的磁性表面可使基板温度上升到足以降解抗蚀材料或威胁到磁层完整性的程度。在这种实施方式中，可以在处理期间通过向基板施加冷的非反应性气体，如氦气、氩气、氢气或氮气，来冷却基板。

在基板载体的替代实施方式中，基板位点可以是位于载体其他平面上的突起部。突起部的形状与基板中的空缺相配，使得基板被固持在载体的平面上。突起部可包括管道，所述管道与上文所述的用于每个基板背面的热控制的管道相似。

在图5B的基板载体中，管道508图示为以相对于接触部分504的主轴90°的角度从接触部分504向外突出。在替代实施方式中，管道508可以配置有管嘴，以按照任意所需的方式为热控制介质塑形或引导该热控制介质的流动。例如，管嘴可以朝向基板的向上的角度将热控制介质转向。在替代的实施方式中，管道504可形成为具有向上的角度以将热控制介质引向基板。在多种实施方式中，热气或冷气可用于图5B中基板载体的热控制。

本发明的实施方式可应用于和包含多种类型的磁记录介质。例如，可生产具有颗粒磁性结构的记录介质。此外，可使用多层磁性薄膜。磁性薄膜同样也是连续的磁性膜，可与图案化介质一起使用。图案化介质可是位元图案化介质或轨迹图案化介质。在一个实施方式中，磁性薄膜可由高度各向异性的磁性材料制备而成，这种磁性薄膜适用于热辅助磁记录。

以上是针对本发明的一些实施方式，但在不偏离本发明的基本范围的情况下可设计出本发明其他的和进一步的实施方式。

Claims (10)

1.一种在一或多个基板的磁敏感表面上产生多个磁畴的方法，包括：

在所述一或多个基板的所述磁敏感表面的至少一部分的上方形成图案化的掩模，以形成所述表面的遮掩部分和未遮掩部分；和

通过将所述表面暴露给平均能量介于0.2keV和4.8keV之间的离子或中性离子，来改变所述磁敏感表面的未遮掩部分的磁性，所述离子或中性离子包括选自由以下元素所组成的群组的元素：氢、氟、硅、铂、铝和磷；

其中所述多个磁畴具有第一多个磁畴和第二多个磁畴，所述第一多个磁畴具有第一数值的磁性，所述第二多个磁畴具有与所述第一数值不同的第二数值的磁性，其中所述第一多个磁畴和所述第二多个磁畴中的每一磁畴的尺寸小于50nm。

2.如权利要求1所述的方法，其中改变所述磁敏感表面的未遮掩部分的磁性包括：

将所述一或多个基板放置在离子注入腔中的支撑体上；

生成高能粒子束；

将所述高能粒子束导向所述一或多个基板上的连续位置；和

将所述高能粒子注入基板表面。

3.如权利要求2所述的方法，其中生成所述高能粒子束包括生成离子束并且中和所述离子束。

4.一种形成磁介质的方法，包括：

在基板上形成磁层；

在所述磁层的上方形成掩模，以形成所述磁层的遮掩部分和未遮掩部分；

通过将所述未遮掩部分暴露给离子束来改变所述未遮掩部分的磁性，其中所述离子具有介于0.2keV到4.8keV之间的平均能量，且所述离子包括选自由以下元素所组成的群组的元素：氢、氟、硅、铂、铝和磷；和

去除所述掩模；

其中所述磁介质具有第一多个磁畴和第二多个磁畴，所述第一多个磁畴具有第一数值的磁性，所述第二多个磁畴具有与所述第一数值不同的第二数值的磁性，其中所述第一多个磁畴和所述第二多个磁畴中的每一磁畴的尺寸小于50nm。

5.如权利要求4所述的方法，进一步包括在将所述未遮掩部分暴露给离子束的同时冷却所述基板。

6.如权利要求4所述的方法，其中一次处理中有二或更多个基板被暴露给所述离子束。

7.如权利要求4所述的方法，其中改变所述未遮掩部分的磁性包括基本上使所述未遮掩部分消磁。

8.一种形成磁介质的方法，包括：

在基板的至少两个主要表面上形成磁层；

在所述基板的至少两个主要表面上的磁层的上方形成图案化的掩模，以形成所述磁层的遮掩部分和未遮掩部分；和

通过将所述未遮掩部分暴露给平均能量介于0.2keV和4.8keV之间的粒子束，来改变所述基板的所述至少两个主要表面的未遮掩部分的磁性，所述粒子束包括选自由以下元素所组成的群组的元素：氢、氟、硅、铂、铝和磷；

其中所述磁介质具有第一多个磁畴和第二多个磁畴，所述第一多个磁畴具有第一数值的磁性，所述第二多个磁畴具有与所述第一数值不同的第二数值的磁性，其中所述第一多个磁畴和所述第二多个磁畴中的每一磁畴的尺寸小于50nm。

9.如权利要求8所述的方法，其中在一个腔室中同时处理多个基板。

10.如权利要求9所述的方法，其中每个基板的两个主要表面被相继暴露于工艺环境中。