CN102385872B

CN102385872B - 包括具有凸状磁各向异性轮廓的垂直磁记录层的装置

Info

Publication number: CN102385872B
Application number: CN201110275981.7A
Authority: CN
Inventors: T·P·诺兰; H·J·里齐特
Original assignee: Seagate Technology LLC
Current assignee: Seagate Technology LLC
Priority date: 2010-07-30
Filing date: 2011-07-29
Publication date: 2016-03-30
Anticipated expiration: 2031-07-29
Also published as: US9142240B2; US20160055873A1; CN102385872A; TWI546802B; SG177854A1; JP5852350B2; KR101810059B1; SG196816A1; TW201220305A; US20120026626A1; JP2012033257A; KR20120012438A; US9666221B2; MY163734A

Abstract

本发明为包括具有凸状磁各向异性轮廓的垂直磁记录层的装置。一种装置可以包括第一磁性层、第一磁性层上形成的第一交换中断层、第一交换中断层上形成的第二磁性层、第二磁性层上形成的第二交换中断层、第二交换中断层上形成的第三磁性层。第一磁性层具有第一磁各向异性能H_k1，第二磁性层具有第二磁各向异性能H_k2，第三磁性层具有第三磁各向异性能H_k3。在某些实施例中，H_k1-H_k2小于H_k2-H_k3。在某些实施例中，该装置是垂直磁记录介质。

Description

包括具有凸状磁各向异性轮廓的垂直磁记录层的装置

附图说明

图1是硬盘驱动器的示意图。

图2是磁各向异性相对于距磁记录层的硬性层的距离的曲线图示例，其中磁记录层包括连续渐变(graded)成分。

图3是图示包括记录层的记录介质堆栈示例的示意性框图，其中记录层包括第一磁性层、第一交换中断层、第二磁性层、第二交换中断层以及第三磁性层。

图4A-E是根据本公开的磁各向异性相对于用于多个记录层的磁性层的示例性曲线图。

图5是图示磁记录层示例的示意性方框图，其中磁记录层包括n个磁性层交替n-1个交换中断层。

图6是图示磁记录层形成技术示例的流程图。

图7A和7B分别是针对根据本公开构建的磁记录层示例的变换矫顽力轮廓图以及能垒矫顽力降低图。

图8A和8B分别是针对根据本公开构建的磁记录层示例的变换矫顽力轮廓图以及能垒矫顽力降低图。

图9A和9B分别是针对根据本公开构建的磁记录层示例的变换矫顽力轮廓图以及能垒矫顽力降低图。

图10A和10B分别是针对根据本公开构建的磁记录层示例的变换矫顽力轮廓图以及能垒矫顽力降低图。

具体实施方式

图1图示根据本公开的一个方面包括磁记录介质的磁盘驱动器10的示例。盘驱动器10包括基座12和顶盖14，视图中被部分切除。基座12于顶盖14相组合，形成盘驱动器10的外壳16。盘驱动器10还包括一个或多个可旋转的磁记录介质18。磁记录介质18附连到主轴24，该主轴24相对于中心轴旋转介质18。磁记录和读取头22与磁记录介质18相邻。致动臂20承载与磁记录介质18通信的磁记录和读取头22。

磁记录介质18将信息存储为磁记录层中被磁定向的比特。磁读/写头22包括产生足以磁化磁记录介质18中磁记录层离散畴的磁场的记录(写入)头。磁记录层中畴的这些图案表示数据比特，磁取向的改变表示“1”。包括大约两倍比特长度的固定磁化的区域表示“0”。磁记录和读取头22还包括能够检测磁记录层离散磁畴的磁场的读取头。

垂直磁记录介质是具有在磁记录层中的垂直磁各向异性场(H_k)以及沿基本垂直于磁记录层表面的方向形成的磁化的磁记录介质18。垂直磁记录介质可以用在磁记录系统中。垂直磁记录介质可以采用包括多晶CoCr或CoPt的氧化物的磁记录层制成。多晶磁记录层中富含Co的区域呈铁磁性，同时富含Cr或其氧化物的区域形成多晶磁记录层中的附近晶界并且呈非磁性。邻近的铁磁性晶粒之间的横向磁交换耦合被晶粒之间非磁性区域所削弱。

磁数据存储设备(例如盘驱动器10)的进步主要在于提高设备的存储容量，即提高磁记录介质18的面记录密度(以每平方英寸的千兆比特(Gb/in²)表示)。平均晶粒直径较小的磁存储介质18可以允许磁记录介质的面记录密度增大。

高密度垂直磁记录介质可以受益于磁记录层中若干磁属性的平衡，包括用于热稳定性的高磁各向异性、用于磁记录头对记录层可写性的低变换场、磁晶粒之间足够低的横向磁交换耦合以保持磁晶粒或簇之间较小的相关长度、磁晶粒之间足够高的横向磁交换耦合以保持窄的变换场分布(SFD)、以及晶粒之间磁属性的充分均匀性以保持热稳定性且使SFD最小化。

随着面记录密度持续的增大，平均直径较小的磁晶粒可以用于将所记录比特中的磁晶粒数保持在相似值。然而，随着平均晶粒直径的降低，磁记录介质的磁稳定性变得越发值得关注。

由于磁各向异性能，磁晶粒保持其磁化取向，其中磁各向异性能与晶粒体积(K_uV，其中K_u是单位体积的磁各向异性能，V是体积)成比例。磁各向异性能与热能波动相竞争，这可能会随机地重新定向晶粒的磁化。热能波动取决于磁记录层的温度(K_BT，其中K_B是玻尔兹曼常数，T是温度)。磁各向异性能与热能的比(K_uV/kT)之比称为能垒，它作为一种晶粒磁稳定性的度量并且与各个晶粒的体积成比例。因此，对于具有相同的单位体积磁各向异性能K_u的晶粒，晶粒尺寸(晶粒体积)降低可以提高面密度，但是降低了热稳定性。虽然K_u是用于单位体积的磁各向异性能的标签，下文中为了简明，将K_u称为磁各向异性能。

克服由于平均晶粒尺寸降低导致的热稳定性降低的一种方法是增大磁晶粒的平均各向异性场H_k。(H_k＝2K_u/M_s，其中M_s是材料的饱和磁化。)磁各向异性场较高的磁晶粒通常具有较高的磁各向异性能K_u，因而比磁各向异性场较低的相似尺寸的晶粒更具热稳定性。然而，晶粒平均磁各向异性场的增大也可能导致用于改变晶粒磁化取向的磁场增大，因而用于记录数据的磁场变大。

本文所述是用于磁记录层的交换耦合合成(ECC)结构，这可以方便数据写入到磁记录层同时将磁记录层的热稳定性(即，能垒)保持在可接受的值或者该值之上。在某些实施例中，此处所述的ECC结构与其它磁记录层相比既方便数据写入到磁记录层，又增大了记录层的热稳定性。

已经提出了某些ECC结构，其中磁记录层由连续渐变材料构成(例如，磁记录层的成分基本连续地改变，并且不会分为分开的子层)。在这种连续渐变ECC结构中，进一步提出了可以对成分梯度进行选择，从而使磁记录层的磁各向异性相对于与最高各向异性部分的距离的平方成比例地降低(H_K∝1/x²，其中x是与最高各向异性部分的距离)。换句话说，已经提出磁记录层的磁各向异性在磁记录层的高各向异性部分或其附近降低得较快，而随着与高各向异性部分距离的增大而降低得较慢。如图2中所示，这导致磁记录层中磁各向异性相对于位置的曲线呈凹状。在已经提出的H_K∝1/x²磁各向异性梯度的示例中，磁记录层中最高各向异性部分热稳定，无需记录层剩余各向异性较低的部分的贡献。

图1中所示的磁记录介质18包括根据本公开的ECC记录层结构。根据本公开的ECC记录层一个实施例的示意性方框图如图3所示。图3中所示的磁记录介质18包括基底32、软衬层(SUL)34、第一夹层36、第二夹层38、垂直记录层40和保护覆层54。

基底32包括适于在磁记录介质中使用的任意材料，包括例如Al、镀NiP的Al、玻璃或陶瓷玻璃。

尽管在图2中未示出，然而在某些实施例中，可以在基底32的顶部之上直接设置附加的衬层。附加的衬层可以是无定形的，并且提供与基底的粘附以及低表面粗糙度。

软衬层(SUL)34形成在基底32上(或者如果存在的话，形成在附加的衬层上)。SUL34可以是具有足够饱和磁化(M_s)和低磁各向异性场(H_k)的任何软磁材料。例如，SUL34可以是无定形软磁材料，例如Ni、Co、Fe；含铁的合金，例如NiFe(坡莫合金)、FeSiAl或FeSiAlN；含Co的合金，例如CoZr、CoZrCr或CoZrNb；或者含CoFe的合金，例如CoFeZrNb、CoFe、FeCoB或FeCoC。

第一夹层36和第二夹层38可以用于建立引发第一磁性层42的HCP(0002)生长的HCP(六角密堆积)晶态取向，其中磁易轴(magneticeasyaxis)与薄膜表面垂直。

保护覆层54，例如类金刚石的碳，可以形成在垂直记录层40上。在其它示例中，保护覆层54可以包括例如无定形碳层，该层进一步包括氢或氮。尽管在图3中未示出，然而在某些示例中，也可以在保护覆层54上形成润滑层。

垂直记录层40可以形成在第二夹层38上，它可以包括第一磁性层、第一交换中断层44、第二磁性层46、第二交换中断层48、第三磁性层50，以及可选地包括CGC层52。第一磁性层42具有第一磁各向异性场H_k1，第二磁性层46具有第二磁各向异性场H_k2，第三磁性层50具有第三磁各向异性场H_k3。第一磁性层42、第二磁性层46和第三磁性层50的磁各向异性分别定向在与记录层40的平面基本垂直的方向上。(例如，第一磁性层42、第二磁性层46和第三磁性层50的磁易轴分别与记录层40的平面基本垂直)。第一交换中断层44可以用于调节第一磁性层42和第二磁性层46之间的垂直交换耦合，第二交换中断层48可以用于调节第二磁性层46和第三磁性层50之间的垂直交换耦合。在某些示例中，磁记录层40可以包括附加交换中断层以及磁性层(例如，n个磁性层以及多达n-1个交换中断层)。

第一磁性层42、第二磁性层46和第三磁性层50的每一个呈颗粒状，包括通过非磁性材料与相邻的磁晶粒基本分开的磁晶粒。在某些实施例中，第一磁性层42、第二磁性层46和第三磁性层50中的至少一个可以包括Co合金，例如结合了Cr、Ni、Pt、Ta、B、Nb、O、Ti、Si、Mo、Cu、Ag、Ge或Fe中至少一个的Co。在某些实施例中，第一磁性层42、第二磁性层46和第三磁性层50中的至少一个可以包括例如Fe-Pt合金或Sm-Co合金。在某些实施例中，第一磁性层42、第二磁性层46和第三磁性层50中的至少一个可以包括Co合金和Pt合金的交替薄层以及Co合金和Pd合金的交替薄层。在某些实施例中，第一磁性层42、第二磁性层46和第三磁性层50的至少一个中分隔晶粒的非磁性材料可以包括氧化物，例如分隔磁晶粒的SiO₂、TiO₂、CoO、Cr₂O₃、Ta₂O₅。在其它实施例中，第一磁性层42、第二磁性层46和第三磁性层50的至少一个中分隔晶粒的非磁性材料可以包括Cr、B、C或另一非铁磁性元素。

在某些示例中，第一磁性层42、第二磁性层46和第三磁性层50中的至少一个可以包括Co-Pt合金。一种控制层42、46、50的磁各向异性场的方法是控制各个层的Pt含量。例如，Pt含量较高的磁性层可以具有比Pt含量较低的磁性层更高的磁各向异性场。在某些示例中，高磁各向异性场的层可以包括多于大约18at.％的Pt。根据本公开的某些示例，H_k梯度由第一磁性层42、第二磁性层46和第三磁性层50的Pt含量所定义。换句话说，在某些示例中，Pt₁-Pt₂<Pt₂-Pt₃，其中Pt₁是第一磁性层42的Pt含量，Pt₂是第二磁性层46的Pt含量，Pt₃是第三磁性层50的Pt含量。在一个实施例中，Pt₁在约18at.％到约22at.％之间，Pt₂在约14at.％到约18at.％之间，Pt₃小于约14at.％，且Pt₁-Pt₂<Pt₂-Pt₃。

第一交换中断层44和第二交换中断层48每个都包括饱和磁化(M_s)相对较低的材料。例如，第一交换中断层44和第二交换中断层48中的至少一个可以包括Co_xRu_1-x合金。如另一示例，第一交换中断层44和第二交换中断层48中的至少一个包括Ru或主要由Ru组成。此处所用的“主要由……组成”可以是指层由指定的材料组成，但是也可以包括随指定材料沉积的杂质，或者从相邻层扩散到该层的其它元素或材料。在第一交换中断层44或第二交换中断层48包括Co_xRu_1-x合金的示例中，中断层44或48的厚度低于大约3nm。在第一交换中断层44或第二交换中断层48主要由Ru组成的示例中，中断层44或48可以更薄，例如低于约

除了Ru或Co_xRu_1-x合金以外，第一交换中断层44和/或第二交换中断层48可任选地包括非磁性氧化物，例如SiO₂、TiO₂、CoO₂、Cr₂O₃、Ta₂O₅。非磁性氧化物可以用于方便后续将颗粒状第二磁性层44沉积在第一交换中断层44上或者将颗粒状第三磁性层50沉积在第二交换中断层48上。在某些实施例中，第一交换中断层44和第二交换中断层48可以包括基本相似的成分，同时在其它实施例中，第一交换中断层44和第二交换中断层48可以包括不同的成分。

磁记录层40可任选地还包括CGC层52。CGC层52包括例如CoCrPtB合金。在某些实施例中，CoCrPtB合金可以掺入金属或稀土元素，例如Ru、W或Nb。在某些实施例中，CGC层52包括少量的氧化物，例如SiO_x、TiO_x、TaO_x、WO_x、NbO_x、CrO_x、CoO_x。在其它实施例中，CGC层52也可以不包括氧化物(即，不包括任何氧化物)。

可以选择第一磁性层42、第二磁性层46和第三磁性层50的特定成分，从而向各个层42、46、50的每一个提供预定的磁各向异性场H_k。特别地，可以选择第一磁性层42的成分从而提供第一磁各向异性场H_k1，选择第二磁性层46的成分从而提供第二磁各向异性场H_k2，选择第三磁性层50的成分从而提供第三磁各向异性场H_k3。在某些实施例中，最硬磁性层(在某些实施方式中可以是第一磁性层42)的磁各向异性场可以限制到约30kOe(例如，当由Co合金形成时)。因此，当磁记录层40的平均晶粒尺寸足够小时，最硬磁性层可能不够稳定。为了克服此问题，第一磁性层42、第二磁性层46和第三磁性层50的平均各向异性相对较高，从而这三个磁性层42、46、50中的至少二个对磁记录层40的磁化方向的热稳定性有贡献。

一种用于对第一磁性层42、第二磁性层46和第三磁性层50实现相对较高的平均磁各向异性场同时仍然能够获得ECC结构所提供的益处的方式是选择第一、第二和第三磁性层42、46、50的成分，使得H_k1和H_k2之间的差(即，H_k1-H_k2)小于H_k2和H_k3之间的差(即，H_k2-H_k3)。换句话说，磁记录层40中的各个层42、46、50的磁各向异性降低得更慢，或者在与第一磁性层42附近甚至会增加，并且随着距第一磁性层42距离的增大而降低得更快。磁记录层40中磁各向异性场的这种分布可被称为凸状磁各向异性场分布。凸状磁各向异性场分布可以提供磁记录层40的磁取向热稳定性以及磁记录层40的可写性。在某些示例中，凸状磁各向异性场分布可以导致更大比例的磁记录层40由磁各向异性场相对较高的材料形成。

H_k1、H_k2和H_k3的具体值取决于，例如用于向磁记录层40写入数据的记录头、各个层42、46、50中各个晶粒的尺寸、其它两层的相应磁各向异性场、相应层的厚度、相应层的饱和磁化等等。在某些实施例中，各个层42、46、50的H_k值的范围可能分别受到每一层42、46、50的K_uV磁各向异性能贡献的影响。例如，K_uV值较低的第一磁性层42比K_uV值较高的第一磁性层42更易于写入(即，允许应用较低的磁场以改变K_uV值较低的层42中晶粒的磁化取向)。因此，K_uV值较低的第一磁性层42可以允许应用H_k2值较低的第二磁性层46和H_k3值较低的第三磁性层50来驱动ECC辅助写入过程。然而，较低的K_uV值可以使用来自第二磁性层46和第三磁性层50的较大的磁各向异性能贡献，从而总体上保持垂直记录层40的热稳定性。对于包括给定H_k值的层，例如第二磁性层46，K_uV各向异性能贡献受到改变材料的饱和磁化M_s的影响，K_uV＝2H_KV/M_s。除此之外或作为替代，有效体积V可以通过改变磁性层内的晶粒之间的横向磁交换而改变，这可以改变有效磁簇(在基本相似的条件下改变磁取向的晶粒簇)尺寸。

为了简化，H_k1、H_k2和H_k3可以采用的值范围可以分别定义，但是当彼此结合定义时更易于理解，H_k1和H_k2以及H_k2和H_k3之间的差是一种定义预定磁记录层结构的方式。单独考虑的话，无需参考其它层的H_k值，在某些实施例中，H_k1可以在约16kOe到24kOe之间。在其它实施例中，H_k1可以大于约24kOe或小于16kOe。H_k1值的某些示例包括约20kOe或约24kOe。

在某些实施例中，H_k2可以在约12kOe到约24kOe之间，而在其它实施例中，H_k2可以大于24kOe或小于12kOe。H_k2值的某些示例包括约12kOe到约15kOe之间，约16kOe，约19kOe或约24kOe。

在某些实施例中，H_k3可以小于约15kOe，而在其它实施例中，H_k3可以大于15kOe。H_k3值的某些示例包括约3kOe到约9kOe之间，约9kOe，约6kOe或约1kOe。

结合考虑的话，在某些实施例中，H_k1可以在约16kOe到约24kOe之间，H_k2可以在约12kOe到约24kOe之间，H_k3可以小于H_k2，从而H_k1、H_k2和H_k3的值满足H_k1-H_k2<H_k2-H_k3的关系。在某些实施例中，H_k1在约20kOe到约22kOe之间，H_k2在约17kOe到约20kOe之间，H_k3在约9kOe到约14kOe之间。在另一实施例中，层1中Pt的浓度约18-22at％，层2中Pt的浓度约14-18at％，层3中Pt的浓度低于约14at％，H_k2约17-20kOe，H_k3约9-14kOe。

在某些实施例中，H_k1、H_k2和H_k2之间的关系还由H_k2和H_k1之间的比值和/或H_k3和H_k2之间的比值所定义。例如，H_k2/H_k1比值可以大于H_k3/H_k2比值。在某些实施例中，H_k2/H_k1可以大于约0.6，H_k3/H_k2可以小于约0.6。在某些实施例中，H_k2/H_k1可以大于约0.7，H_k3/H_k2可以小于约0.7。在某些实施例中，H_k2/H_k1可以大于约0.9，H_k3/H_k2可以小于约0.9。在某些实施例中，H_k2/H_k1可以大于约1.0，H_k3/H_k2可以小于约1.0。在某一实施例中，H_k2/H_k1可以约为1.2。

在某些实施例中，不管H_k2/H_k1的值，H_k3/H_k2可以小于约0.6。在某些实施例中，H_k3/H_k2可以小于约0.1。

第一磁性层42、第二磁性层46和第三磁性层50的饱和磁化可以相同，也可以不同。在某些实施例中，第一磁性层42、第二磁性层46和第三磁性层50的每一层的饱和磁化M_s可以在约350emu/cm³到约700emu/cm³之间。在某些示例中，第一磁性层42、第二磁性层46和第三磁性层50中至少一个的饱和磁化可以在约450emu/cm³到约700emu/cm³之间。例如，第一磁性层42、第二磁性层46和第三磁性层50中至少一个的饱和磁化可以在约550emu/cm³。

第一磁性层42的厚度可以在约5nm到约10nm之间。第二磁性层46的厚度可以在约3nm到约7nm之间。第三磁性层50的厚度可以小于约10nm。如上所述，各个磁性层42、46、50中每一层的厚度可以对各个层42、46、50的H_k值和/或M_s值的选择产生影响。在一个实施例中，第二磁性层46的厚度可以小于约4nm，H_k1/H_k2大于约0.8且H_k2/H_k3小于约0.8。

图4A-4E是图示第一磁性层42、第二磁性层46和第三磁性层50的磁各向异性场配置示例的视图。图4A-4E图示磁记录层40配置的示例，其中可以选择第一磁性层42、第二磁性层46和第三磁性层50的成分，从而使得差H_k1-H_k2小于差H_k2-H_k3。如上所述，H_k1、H_k2和H_k3之间的关系还可以由第一比值H_k2/H_k1和/或第二比值H_k3/H_k2定义。

例如，图4A图示磁记录层40，其中H_k1-H_k2小于H_k2-H_k3。此外，H_k2/H_k1可以大于约0.6，在某些实施例中，可以大于约0.9。图4A所示的磁记录层40配置的比值H_k3/H_k2可以小于约0.6，并且可以小于0.1。例如，H_k1可以在约16kOe到约24kOe之间，H_k2可以在约12kOe到约24kOe之间，H_k3可以小于约15kOe。在一个实施例中，H_k1为约20kOe，H_k2为约16kOe，H_k3为约9kOe。在另一实施例中，H_k1为约20kOe，H_k2为约19kOe，H_k3为约6kOe。在再一实施例中，H_k1为约24kOe，H_k2为约16kOe，H_k3为约1kOe。

作为另一示例，图4B图示磁记录层40，其中H_k1-H_k2小于H_k2-H_k3。此外，H_k1-H_k2小于0，H_k2/H_k1大于约1.0，例如约为1.2。在图4B所示的实施例中，比值H_k3/H_k2可以小于约0.6，在某些实施例中，可以小于约0.1。在一个实施例中，H_k1为约20kOe，H_k2为约24kOe，H_k3为约1kOe。

图4C-4E图示磁记录层40包括在第三磁性层50上形成的CGC层52的实施例。在CGC层52直接形成在第三磁性层50上的实施例中，CGC层52和第三磁性层50可以为了第三磁性层50和CGC层52在第二磁性层46和第一磁性层42上的ECC作用而充当单个合成层。换句话说，厚度-加权平均磁各向异性场H_k34可以由H_k3的厚度-加权平均以及CGC层52的磁各向异性场H_k4来近似。对于磁各向异性能K_uV的贡献，合成层(第三磁性层50和CGC层52)可以被一起考虑，合成层K_uV的计算可以基于第三磁性层50和CGC层52的组合厚度和磁矩。包括第三磁性层50和CGC层52的合成层可以对第二磁性层46和第一磁性层42产生ECC作用，这与包括磁各向异性场H_k34的单层基本相似。与H_k相同但横向交换耦合较低的层相比，CGC层52内的晶粒之间的横向交换耦合可以降低用于变换CGC层52内晶粒的磁化取向而施加的磁场。因此，在某些实施例中，有效的H_k34可以低于H_k3和H_k4的厚度-加权平均。因此，在某些实施例中，当定义凸状磁各向异性渐变时，仅仅考虑H_k3而不考虑H_k4。

在某些实施例中，如图4C和4D所示，CGC层52可以包括小于H_k3或基本等于H_k3的磁各向异性场H_k4。在某些实施例中，如图4C中所示，CGC层52和第三磁性层50的磁各向异性场之差H_k4-H_k3可以大于差H_k3-H_k2。换句话说，凸状磁各向异性场梯度可以延伸到CGC层52。

在其它实施例中，如图4D所示，H_k4-H_k3可以不大于差H_k3-H_k2。在该实施例中，凸状磁各向异性场梯度可以不延伸到CGC层52，而是可以基本延伸穿过第一磁性层42、第二磁性层46和第三磁性层50。

在其它实施例中，如图4E所示，CGC层52包括大于H_k3的磁各向异性场H_k4。与H_k4-H_k3不大于差H_k3-H_k2的实施例相比，当H_k4大于H_k3时，凸状磁各向异性场梯度可以不延伸到CGC层52，而是可以基本延伸穿过第一磁性层42、第二磁性层46和第三磁性层50。

尽管上述实施例涉及包括三个磁性层以及可任选的CGC层的磁记录层，但是在某些实施例中，磁记录层可以包括多于三个磁性层。通常地，包括凸状磁各向异性梯度的磁记录层的概念可以扩展到任意数量的磁性层。例如，如图5A所示，磁记录层60可以包括(2n-1)层，包括n个磁性层交替n-1个交换中断层，其中n是大于等于3的整数。除此之外或作为替代，磁记录层61可以包括磁性层n上形成的CGC层71，如图5B所示。特别地，图5A图示了第一磁性层62，该层62可以是颗粒状磁性层，具有导致磁各向异性场相对较高的成分。第一磁性层62的磁各向异性场沿基本与记录层60的平面垂直的方向定向(例如，第一磁性层62的晶粒磁易轴基本与记录层60的平面垂直)。第一磁性层62包括Co合金，例如Co与Cr、Ni、Pt、Ta、B、Nb、O、Ti、Si、Mo、Cu、Ag、Ge或Fe中的至少一个组合。在某些实施例中，第一磁性层62可以包括例如Fe-Pt合金或Sm-Co合金。在某些实施例中，第一磁性层62可以包括Co合金和Pt合金或Pd合金的交替薄层。在某些实施例中，分隔第一磁性层62的非磁性材料可以包括分隔磁晶粒的氧化物，例如SiO₂、TiO₂、CoO、Cr₂O₃、Ta₂O₅。在其它实施例中，分隔第一磁性层62中晶粒的非磁性材料可以包括Cr、B、C或其它非铁磁性元素。

第一交换中断层64形成在第一磁性层62上。第一交换中断层64包括Co_xRu_1-x合金。作为另一示例，第一交换中断层64可以包括Ru或主要由Ru组成。在第一交换中断层包括Co_xRu_1-x合金的示例中，中断层64的厚度低于约3nm。在第一交换中断层64主要由Ru组成的示例中，中断层64可以更薄，例如小于约

第二磁性层66形成在第一交换中断层64上，并且可以是颗粒状磁性层，具有导致磁各向异性场相对较高的成分。如上所述，第二磁性层66的磁各向异性小于或基本等于或大于第一磁性层62的磁各向异性。第二磁性层66的磁各向异性沿基本与记录层60的平面垂直的方向定向(例如，第二磁性层66中晶粒的易轴可以与记录层60的平面基本垂直)。第二磁化层66可以包括Co合金，例如Co与Cr、Ni、Pt、Ta、B、Nb、O、Ti、Si、Mo、Cu、Ag、Ge或Fe中至少一个组合。在某些实施例中，第二磁性层66可以包括例如Fe-Pt合金或Sm-Co合金。在某些实施例中，第二磁性层66可以包括Co合金和Pt合金或Pd合金的交替薄层。在某些实施例中，分隔第二磁性层66的非磁性材料可以包括分隔磁晶粒的氧化物，例如SiO₂、TiO₂、CoO、Cr₂O₃、Ta₂O₅。在其它实施例中，分隔第二磁性层66中晶粒的非磁性材料可以包括Cr、B、C或其它非铁磁性元素。

磁记录层60包括任何数量的交替形式的磁性层和交换中断层。每个后续的磁性层可以具有被选择成使磁记录层60在其多个磁性层之间包括凸状磁各向异性场梯度的成分。换句话说，可以选择各个磁性层的成分，从而H_k(n-2)-H_k(n-1)小于H_k(n-1)-H_k(n)，其中H_ki是层i的磁各向异性场。例如，可以选择第一磁性层62、第二磁性层66和第三磁性层(未示出)的成分，从而H_k1-H_k2小于H_k2-H_k3。交换中断层n-168形成在磁性层(n-1)(未示出)上。交换中断层n-168可以包括钌或钌合金，并且具有与第一交换中断层64相似或者与第一交换中断层64不同的成分。在某些实施例中，交换中断层n-168可以主要由钌组成或者包括钌，而在其它实施例中，交换中断层n-168可以包括钌合金，例如Co_xRu_1-x。除了Ru或Co_xRu_1-x合金以外，交换中断层n-168可任选地包括非磁性氧化物，例如SiO₂、TiO₂、CoO、Cr₂O₃、Ta₂O₅。

磁性层n70形成在交换中断层n-168上，并且在某些实施例中，可以是颗粒状磁性层，其磁各向异性相对较低，例如小于记录层60中任何其它磁性层的磁各向异性。磁性层n的磁各向异性场沿与记录层60的平面基本垂直的方向定向。磁性层n70可以包括例如Co合金、Fe-Pt合金、Sm-Co合金，也可以包括或不包括非磁性氧化物，例如上述SiO₂、TiO₂、CoO、Cr₂O₃或Ta₂O₅。磁性层n70的成分可以不同于第一磁性层62和/或第二磁性层66的成分，从而磁性层n70的磁各向异性场与磁记录层60中的其它磁性层的磁各向异性场一起导致凸状磁场梯度。例如，磁性层n70可以包括与第一磁性层62和/或第二磁性层66相似的成分，但是比例不同。

在某些实施例中，CGC层71(图5B所示)可以与上述参考图3所述的CGC层52相似。

一种形成垂直磁记录层的方法在图6中示出。该方法可以形成具有磁各向异性场H_k1的第一磁性层(72)，在第一磁性层上形成第一交换中断层(74)，在第一交换中断层上形成第二磁性层(76)。第二磁性层具有第二磁各向异性场H_k2。在某些实施例中，该方法还包括在第二磁性层上形成第二交换中断层(78)，在第二交换中断层上形成第三磁性层(80)。第三磁性层具有第三磁各向异性场H_k3。在某些实施例中，H_k1-H_k2小于H_k2-H_k3。

尽管上述磁记录层包括与磁性层交替的中断层，但是在某些实施例中，磁记录层也可以不包括每一对相邻磁性层之间的中断层。例如，磁记录层可以包括第二磁性层46和第三磁性层50(图3)，这两层彼此直接相邻地形成，无需介入其间的第二中断层48。这一概念可以扩展到其它磁性层对，例如第一磁性层42和第二磁性层46。另外，在包括多于三个磁性层的实施例(例如，例如参考图5所述的实施例)中，磁记录层60可以包括多达2n-1层，其中包括n个磁性层以及多达n-1个中断层。在上述实施例中，某些相邻磁性层对包括介入的中断层，其它相邻磁性层对不包括介入的中断层。

尽管上述公开主要涉及包括磁记录介质的装置，但是本文所述的磁性层结构也可以用于其它应用。例如，本文所述的磁性层结构可以用于磁传感器或磁阻随机存取存储器(MRAM)。

示例

以下示例是本公开的实施例的说明，但是并不限制本公开的范围。这些示例基于应用理想化磁性层的理论计算。磁性层各自具有相同的M_s和H_ex值。示例中的磁记录层不包括CGC层。在以下示例中，参数如下定义。等式1定义层i的有效磁厚度Δ_i。

Δ_{i} = \frac{M_{s i} δ_{i}}{M_{s 1} δ_{1}}

等式1

其中M_si是层i的饱和磁化，δ_i是层i的厚度，M_s1是层1(即，第一磁性层)的饱和磁化，δ₁是层1的厚度。

等式2定义层i的有效各向异性k_i。

k_{i} = \frac{M_{s i} H_{A i} δ_{i}}{M_{s 1} H_{A 1} δ_{1}} = Δ_{i} \frac{H_{A i}}{H_{A 1}}

等式2

其中M_si层i的饱和磁化，H_Ai是层i的磁矫顽力，δ_i是层i的厚度，M_s1层1的饱和磁化，H_A1是层1的磁矫顽力，δ₁是层1的厚度。

等式3定义层i和层j之间的有效耦合X_ij：

X_{i j} = \frac{2 J_{i j}}{K_{1} δ_{1}}

等式3

其中J_ij是层i和层j之间的量子机械耦合，K₁是层1的磁各向异性能，δ₁是层1的厚度。

对于以下示例，某些参数设为固定。例如，Δ₂＝Δ₃＝0.5Δ₁。换句话说，层2和3的有效厚度设定为相等，其中的每一个是层1有效厚度的一半。

在以下估计示例1-3中，对各个相干转换三层磁记录层做比较，其中三个磁性层的磁各向异性为H_A1、H_A2＝0.75H_A1，H_A3＝0.5H_A1。磁各向异性分布导致为0.8125H_A1的平均磁各向异性<H_A>。然而，在示例中，<H_A>保持恒定，κ₂值可以选择，其设定κ₃值。X₁₂和X₂₃是自由参数。

示例1

图7A和7B图示磁性层1的磁各向异性值H_A1为20kOe、磁性层2的磁各向异性值H_A2为16kOe、磁性层3的磁各向异性值H_A3为9kOe的示例。这种磁各向异性分布是根据本公开的凸状磁各向异性梯度。H_A1-H_A2为4kOe，小于H_A2-H_A3，H_A2-H_A3为7kOe。另外，H_A2/H_A1为0.8，大于H_A3/H_A2(0.5625)。在示例1中，Δ₂＝Δ₃＝0.5，κ₂＝0.4，κ₃＝0.225。

示例1的磁取向变换性能与相干地变换的参考三层磁记录层相比较，例如，其中三个磁性层是耦合的，充当单个磁性层，其有效各向异性被计算为各个层的各向异性的有效厚度-加权平均。第一磁性层的各向异性H_A1＝20kOe，相对有效厚度为1；第二磁性层的各向异性H_A2＝0.8H_A1＝16kOe，相对有效厚度为0.5；第三磁性层的各向异性H_A3＝0.45H_A1＝9kOe，相对有效厚度为0.5。该磁各向异性分布导致有效厚度-加权平均磁各向异性<H_A>为0.8125H_A1＝16.25kOe，并且能垒改变ΔE/ΔE₁为1.625。能垒改变表示与仅包括第一磁性层的磁记录层相比，第二和第三磁性层对磁记录层热稳定性的作用。

将示例1的磁取向变换性能与参考相干变换磁记录层相比较，在基本等于参考磁记录层能垒(1.625)的能垒处发现最小归一化H_sw值(磁记录层的有效矫顽力；等于磁记录层的取向变换时所施加的磁场，由第一磁性层的矫顽力进行归一化)。参照图7A和7B，圆圈82的近似坐标为X₁₂＝0.45，X₂₃＝0.45。转向图7A，在X₁₂＝0.45，X₂₃＝0.45处归一化H_sw值为约0.73，如圆圈84所示。与参考膜的归一化H_sw值0.8125相比较，示例1的磁各向异性梯度使归一化H_sw值下降约11％。换句话说，包括经选择以提供凸状磁各向异性梯度的三个磁性层的磁记录层与包括经选择以提供线性磁各向异性梯度的三个磁性层的磁记录层相比可以更易于变换且热稳定性可与之比拟。

示例2

图8A和8B图示磁性层1的磁各向异性值H_A1为20kOe、磁性层2的磁各向异性值H_A2为19kOe、磁性层3的磁各向异性值H_A3为6kOe的示例。该磁各向异性分布是根据本公开的凸状磁各向异性梯度。H_A1-H_A2为1kOe，小于H_A2-H_A3，H_A2-H_A3为13kOe。另外，H_A2/H_A1为0.95，大于H_A3/H_A2(0.3158)。在示例2中，Δ₂＝Δ₃＝0.5，κ₂＝0.475，κ₃＝0.15。

示例2的磁取向变换性能与相干地变换的参考三层磁记录层相比较，例如，其中三个磁性层是耦合的，充当单个磁性层，其有效各向异性被计算为各个层的各向异性有效厚度-加权平均。第一磁性层的各向异性H_A1＝20kOe，相对有效厚度为1；第二磁性层的各向异性H_A2＝0.95H_A1＝19kOe，相对有效厚度为0.5；第三磁性层的各向异性H_A3＝0.3H_A1＝6kOe，相对有效厚度为0.5。该磁各向异性分布导致平均磁各向异性<H_A>为0.8125H_A1＝16.25kOe，能垒改变ΔE/ΔE₁为1.625。能垒改变表示与仅包括第一磁性层的磁记录层相比，第二和第三磁性层对磁记录层热稳定性的作用。

将示例2的磁取向变换性能与参考相干变换的磁记录层相比较，在基本等于参考磁记录层能垒(1.625)的能垒处发现最小归一化H_sw值。参照图8A和8B，圆圈86的近似坐标为X₁₂＝0.45，X₂₃＝0.45。转到图8A，在X₁₂＝0.45，X₂₃＝0.45处归一化H_sw值为约0.68，如圆圈88所示。与参考膜的归一化H_sw值0.8125相比，示例2的磁各向异性梯度使归一化H_sw值下降约20％。此外，包括经选择以提供凸状磁各向异性梯度的三个磁性层的磁记录层与包括经选择以提供线性磁各向异性梯度的三个磁性层的磁记录层相比更易于变换且热稳定性可与之比拟。

示例3

图9A和9B图示磁性层1的磁各向异性值H_A1为20kOe、磁性层2的磁各向异性值H_A2为24kOe、磁性层3的磁各向异性值H_A3为1kOe的示例。该磁各向异性分布是根据本公开的凸状磁各向异性梯度。H_A1-H_A2为-4kOe，小于H_A2-H_A3，H_A2-H_A3为23kOe。另外，H_A2/H_A1为1.2，大于H_A3/H_A2(0.0417)。在示例3中，Δ₂＝Δ₃＝0.5，κ₂＝0.6，κ₃＝0.025。

示例3的磁取向变换性能与相干地变换的参考三层磁记录层相比较，例如，其中三层磁性层是耦合的，充当单个磁性层，其有效各向异性被计算为各个层的各向异性有效厚度-加权平均。第一磁性层的各向异性H_A1＝20kOe，相对有效厚度为1；第二磁性层的各向异性H_A2＝1.2H_A1＝24kOe，相对有效厚度为0.5；第三磁性层的各向异性H_A3＝0.05H_A1＝1kOe，相对有效厚度为0.5。该磁各向异性分布导致平均磁各向异性<H_A>为0.8125H_A1＝16.25kOe，能垒改变ΔE/ΔE₁为1.625。能垒改变表示与仅包括第一磁性层的磁记录层相比，第二和第三磁性层对磁记录层热稳定性的作用。

将示例3的磁取向变换性能与参考相干变换磁记录层相比较，在基本等于参考磁记录层能垒(1.625)的能垒处发现最小归一化H_sw值(磁记录层的有效矫顽力；等于使磁记录层取向变换所施加的磁场，由第一磁性层的各向异性归一化)。参照图9A和9B，圆圈90的近似坐标为X₁₂＝0.45，X₂₃＝0.45。转到图9A，在X₁₂＝0.45，X₂₃＝0.45处归一化H_sw值为约0.55，如圆圈92所示。与参考膜的归一化H_sw值0.8125相比较，示例3的磁各向异性梯度使归一化H_sw值下降约48％。这证明包括经选择以提供凸状磁各向异性梯度的三层磁性层的磁记录层与包括经选择以提供线性磁各向异性梯度的三个磁性层的磁记录层相比更易于变换，且热稳定性可与之比拟。

示例4

图10A和10B图示磁性层1的磁各向异性值H_A1为24kOe、磁性层2的磁各向异性值H_A2为16kOe、磁性层3的磁各向异性值H_A3为1kOe的示例。该磁各向异性分布是根据本公开的凸状磁各向异性梯度。H_A1-H_A2为4kOe，小于H_A2-H_A3，H_A2-H_A3为15kOe。另外，H_A2/H_A1为0.667，大于H_A3/H_A2(0.0625)。在示例4中，Δ₂＝Δ₃＝0.5，κ₂＝1/3，κ₃＝1/48。

示例4的磁取向变换性能与相干地变换的参考三层磁记录层相比较，例如，其中三个磁性层是耦合的，充当单个磁性层，其有效各向异性被计算为各个层的各向异性有效厚度-加权平均。第一磁性层的各向异性H_A1＝24kOe，相对有效厚度为1；第二磁性层的各向异性H_A2＝(2/3)H_A1＝16kOe，相对有效厚度为0.5；第三磁性层的各向异性H_A3＝(1/24)H_A1＝1kOe，相对有效厚度为0.5。该磁各向异性分布导致平均磁各向异性<H_A>为0.677H_A1＝16.25kOe，能垒改变ΔE/ΔE₁为1.354。能垒改变表示与仅包括第一磁性层的磁记录层相比，第二和第三磁性层对磁记录层热稳定性的作用。

将示例4的磁取向变换性能与参考相干变换磁记录层相比较，在基本等于参考磁记录层能垒(1.354)的能垒处发现最小归一化H_sw值。参照图10A和10B，圆圈94的近似坐标为X₁₂＝0.35，X₂₃＝0.4。转到图10A，在X₁₂＝0.35，X₂₃＝0.4处归一化H_sw值为约0.42，如圆圈96所示。与参考膜的归一化H_sw值0.677相比，示例4的磁各向异性梯度使归一化H_sw值下降约61％。这证明包括经选择以提供凸状磁各向异性梯度的三个磁性层的磁记录层与包括经选择以提供线性磁各向异性梯度的三个磁性层的磁记录层相比更易于变换，且热稳定性可与之比拟。

已经说明了本公开的各种实施例。上述实施方式及其它实施方式在所附权利要求书的范围内。

Claims

1.一种包括具有凸状磁各向异性场梯度的垂直磁记录层的装置，包括：

第一磁性层，具有第一磁各向异性场H_k1；

在第一磁性层上形成的第一交换中断层；

在第一交换中断层上形成的第二磁性层，其中所述第二磁性层具有第二磁各向异性场H_k2；

在所述第二磁性层上形成的第二交换中断层；以及

在所述第二交换中断层上形成的第三磁性层，其中第三磁性层具有第三磁各向异性场H_k3，其中H_k1-H_k2小于H_k2-H_k3；

其中第一到第三磁性层包括相应的磁各向异性场，使得第一到第三磁性层具有凸状磁各向异性场梯度；以及

在第三磁性层上形成的连续颗粒状合成层，其中所述连续颗粒状合成层和第三磁性层包括交换耦合合成结构，所述交换耦合合成结构被配置成在所述交换耦合合成结构之下的第一和第二磁性层上施加具有厚度加权平均磁各向异性场H_k34的交换耦合合成效应，并且其中，所述连续颗粒状合成层包括具有比第三磁性层的Pt含量Pt3更大的Pt含量Pt4的层。

2.如权利要求1所述的装置，其特征在于，第一比值H_k2/H_k1大于第二比值H_k3/H_k2。

3.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述第一磁性层包括在约18at.％到约22at.％之间的Pt含量Pt₁，所述第二磁性层包括在约14at.％到约18at.％之间的Pt含量Pt₂，所述第三磁性层包括小于约14at.％的Pt含量Pt₃，其中Pt₁-Pt₂小于Pt₂-Pt₃。

4.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述连续颗粒状合成(CGC)层具有层磁各向异性场H_k4。

5.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述第一磁性层、所述第二磁性层以及所述第三磁性层中的至少一个包括Co合金、Co合金和Pt合金的交替层或者Co合金和Pd合金的交替层中的至少一个。