CN103065646B - 铁铂纳米团簇磁记录媒体 - Google Patents

Abstract

本发明是一种通过结合纳米孔阳极氧化铝模版的纳米压印刻蚀，把氧化铝模版的结构传印到铁铂薄膜而形成具有超高密度的铁铂纳米点阵磁数据信息存储媒体的技术。此铁铂纳米点阵磁存储媒体的数据信息存储密度(在500Gb/in²到5Tb/in²之间)，取决于纳米孔阳极氧化铝模版的孔径尺寸(从100纳米到10纳米)。具体讲，使用25纳米的孔尺寸的模版，铁铂纳米点阵磁记录媒体数据信息存储为1Tb(10¹²)/in²。

Description

铁铂纳米团簇磁记录媒体

技术领域

从广义的角度，本发明是关于超高密度磁数据存储技术的一项发明。更加具体的说，它是一个涉及超高密度垂直磁数据存储的纳米点阵加工制备方法。

背景技术

早在计算机被人类发明的时候，磁记录就已经在数据信息存储中扮演着重要的角色。比如，在海量数据存储方面，硬盘驱动技术就具有字节存储密度高和使用寿命长的优点。磁材料中刻画磁化方向的磁畴可以具有两种相反的方向，它们分别表示“1”和“0”。而这个磁畴的尺寸很大程度上取决于材料自身的磁晶各项异性常数K_u。目前市场上密度为100Gb/in²的磁记录媒体，它的磁畴（或者是最小磁记录位元bit）特征尺寸大约是100纳米；而对于将来发展密度为1Tb/in²超高密度磁存储媒体，那么相应的磁畴的特征尺寸应该是25纳米的级别。

随着磁畴体积V减小，每一个磁畴相应的磁各项异性能K_uV也会减小。当磁各项异性能K_uV降到可以与热激发能K_BT（这里的T表示开尔文温度，K_B表示玻尔兹曼常数)相比时，磁畴的方向就会因为热激发能的影响而变的不稳定甚至可以翻转，从而导致存储信息的丢失。这就是超顺磁极限。这个极限的存在使得磁畴不得小于一个最小尺寸。随着对磁存储密度的不断追求，人们只能通过不断生产那些具有越来越大的磁各项异性常数Ku的磁性超薄膜媒体来对抗由于磁畴尺寸不断减小而带来的磁记录热不稳定性。

由于磁性铁铂合金膜具有很高的磁各项异性常数K_u（约有7*10⁷ergs/cm³）,因而它是一种能实现超高记录密度的较理想的磁性材料，而且它不含有与稀土元素,从而具有环境稳定性的优点。然而，若要想让铁铂作为垂直磁记录媒体而达到1Tb/in²的高密度，人们依然面临着众多挑战。

为了让铁铂合金成为合格的高密度磁存储媒体，位元与位元之间应该是磁性非关联。这样，在写信息的过程中，就可以把信息写进单个的位元中而没有相互的影响。当今磁存储技术中，含有非关联磁颗粒特性的粒状薄膜被广泛应用。其中，每一个位元里含有数十个磁性颗粒。这些非关联的颗粒在位元与位元之间的过渡区域（磁壁）中有助于减小干扰。另一方面，这种颗粒与颗粒之间的非关联也使得超顺磁效应决定颗粒的尺寸而非位元本身的尺寸，从而减小了信息存储密度。理想的磁媒体是利用位元之间的非关联以及位元内的关联来增加热稳定性进而达到超高密度的目的。因此铁铂合金薄膜应该是被做成具有周期性的磁纳米结构的点阵列，而且每一个点阵列中的点或位元就是一个单磁畴，表示“1”和“0”的状态。在连续铁铂薄膜上做这种具有周期结构的纳米点阵列可以使阵列中的每一个单元点具有单磁畴性能。然而要做出这种既要高密度同时低花费的磁纳米点阵列结构就是一种挑战。众多技术如电子束光刻，聚焦离子束光刻，干涉光刻以及X射线光刻都一直被用来制造作为磁记录媒体的磁点阵列。但是，当要求磁点阵列的特征尺寸低于100纳米时，多数这样的技术会面临降低成本的挑战。而纳米压印光刻作为一种非传统的刻蚀技术，具有高精度和低成本传印纳米结构的特点。不像那种传统的需要用光子或者电子去改变胶的物理和化学性质而达到刻蚀效果的技术，纳米压印是通过让胶材料在压印下发生物理形状的变化而获得模版纳米结构的技术。它的分辨率也超过那些由于粒子束衍射和散射带来限制的传统刻蚀技术的分辨率。在磁媒体领域里，作为下一代磁数据存储的一种最具潜力候选技术，纳米压印技术已经可以把纳米结构的特征尺寸降到10纳米以下。但是由于采用电子束光刻技术做出来的纳米压印模版造价昂贵，所以在经济上不适合批量生产。因此就需要人们发展出一套不昂贵的加工工艺去把容易做出的模版上的纳米结构传印到磁媒体上。纳米孔阳极氧化铝模版(AAO)不仅成本低廉，工艺上难度低，而且它可以让纳米孔的尺寸从1纳米到200纳米变化，同时还可以在750cm²(大约120in²)大面积上使用。孔洞尺寸的可控性可以用来调整点阵中磁点的尺寸以及他们之间的距离。本发明就是使用纳米孔阳极氧化铝模版来传印加工铁铂纳米点阵，从而实现高密度的磁存储媒体的技术。这一技术将大幅度提高存储密度，同时大大降低制造成本。

发明内容

本发明的目的是提供一种超高密度磁数据存储技术，进一步提高磁记录的性能。尤其是提供一种通过把纳米孔阳极氧化铝模版（简称模版）的纳米结构传印到铁铂薄膜进而加工出高密度的铁铂纳米点阵磁记录媒体的方法。

本发明的目的是这样实现的：通过磁控溅射后经高温退火形成具备高磁晶各项异性L1₀相的铁铂薄膜，再利用纳米压印光刻技术，将纳米孔阳极氧化铝模版的纳米结构传印到铁铂薄膜，进而加工出高密度的铁铂纳米点阵磁记录媒体。

附图说明

图1纳米孔阳极氧化铝模版（1标明），其中2标明孔洞，3标明孔洞之间的间隔。

图2（截面图） 在衬底（4标明）上长一层铁铂薄膜（6标明），用5标明这个过程，紧接着高温退火（7标明）得到晶化的铁铂薄膜（8标明）。

图3（截面图）再甩上一层光刻胶（9标明），然后用已经做好的纳米孔阳极氧化铝模版（1）去压印光刻胶来把模版上的纳米结构传给底下的光刻胶（11标明）。整个过程用分别用10、12标明。

图4（截面图）在后来的光刻胶的基础上通过离子束刻蚀(13标明)把光刻胶留下的纳米结构传给晶化的铁铂薄膜（14标明），然后去掉最上面剩余光刻胶，保留剩下的已经被传印的晶化的铁铂薄膜，也就是铁铂纳米点阵。这一步骤用15标明。

图5最终在衬底(4)上形成的铁铂纳米点阵磁记录媒体（15表明）。

具体实施方式

以下通过附图说明本发明的实施方式。

图1中所示的是纳米孔阳极氧化铝模版（1标明，后面简称模版）。它的孔（2标明）径尺寸可以从1纳米到200纳米不等，且可以用到750cm²(大约120in²)大面积上。孔与孔的间隔（3标明）可以在5纳米的范围。这种模版可以很容易做出且价格低廉，商业市场上也可得到。高度有序的纳米孔阵列提供了可以通过纳米压印光刻而得到磁点阵的途径。孔洞尺寸的可控性又可以用来调整点阵中磁点的尺寸以及他们之间的距离。因而这种具有很小纳米孔和间隔的模版可以很好地为提供更高密度的数据存储服务。值得注意的是，如果孔的尺寸太小，成功传印的概率就会降低。那么对于加工密度为1Tb/in2铁铂纳米点阵磁记录来讲，本发明使用25纳米的孔尺寸。

图2描述的是在已选择好的衬底（4标明）上长上一层铁铂薄膜（6标明），然后通过高温退火形成L1₀相的铁铂薄膜（8标明）。衬底可以是玻璃、不锈钢或者半导体。对于硬盘数据存储，我们用当前被市场上广泛使用的玻璃或者有磷化镍（NiP） 涂层的铝。通过磁控溅射或者高真空蒸发，铁铂薄膜可以沉积在衬底上。从硬盘应用的角度，可以用溅射技术沉积铁铂薄膜，且这样的薄膜可以大量的生产。薄膜的厚度可以从1纳米到100纳米。但是，对于很薄的膜，它们的磁化度和磁晶各项异性将会减小。如果膜过厚，又会增加后面离子束刻蚀的时间同时也浪费了材料。对于数据存储的薄膜，其适合厚度是10纳米，此时的薄膜具有完整的磁化强度和垂直磁记录所必要的磁晶各向异性。为了精确控制铁铂薄膜的组分，我们使用两个靶，一个是铁靶，一个是铂靶。以事先设计好的生长速率同时生长铁和铂。不过这种方法长出的铁铂薄膜通常是多晶或非晶的形态，并不是我们需要的具有高度磁晶各向异性L1₀相的铁铂薄膜。为了解决这个问题，我们需要在真空（10^-3mbr），大约700摄氏度下进行高温退火处理。退火进行5到10分钟之后，时间长短依赖于薄膜的厚度，多晶或非晶形态的铁铂薄膜开始向具有L1₀相的铁铂薄膜转变。而L1₀相是高密度垂直磁记录所必需具备的形态。

图3中，在衬底上甩一层光刻胶材料（9标明）， 比如用于电子束光刻的PMMA或感光的光刻胶。步骤10和12具体地描述如何把模版的结构传印到光刻胶上。首先把模版倒置在光刻胶上，然后对衬底、铁铂薄膜、光刻胶以及模版同时加热。温度控制在高于光刻胶的玻璃相变温度。举例来说，A4型PMMA胶的玻璃相变温度大约是105摄氏度，因此就把加热温度设置在180摄氏度。加热的时间由光刻胶的黏度以及玻璃相变温度决定。光刻胶(11标明)加热后，会变成粘稠状的液体。此时，模版是通过外力压向光刻胶的，外力持续特定一段时间。当然力的大小和时间有多种因素决定的，它包括模版孔洞的尺寸、光刻胶的粘滞度、光刻胶的厚度以及胶柱阵列所期望的高度，等等。随后模版、薄膜以及被传印的光刻胶整体被冷却到玻璃相变温度以下。接着，模版从光刻胶中拿出（由步骤12标明）。这样，模版上的纳米结构就成功的传印到光刻胶上了。

图4所示的最后一个阶段，需要把光刻胶上的结构再传印到铁铂薄膜上。一般有三种刻蚀技术可以达到传印的效果。那就是化学刻蚀、离子束铣削以及反应离子束刻蚀。化学刻蚀成本低廉，但它由于会和金属发生酸反应而导致产品的质量下降。离子束铣削是一种传统的刻蚀技术，但当它工作时会去掉所有的材料，且这种高能离子束的撞击同样会影响薄膜的质量。所以在磁记录媒体工艺中推荐使用反应离子束刻蚀。它工作时，是把不需要的材料利用干化学反应和温和的铣削去除掉。被传印的光刻胶现在相当于一个新的掩膜版。铁铂薄膜不需要的部分就可以用反应离子束刻蚀去掉（13标明），这样的话，光刻胶的纳米结构就被进一步的传印到铁铂薄膜上（14标明）了。剩下的光刻胶可以用化学试剂比如丙酮洗掉(15标明)。最后衬底上被传印的铁铂薄膜就变成与模版一样结构的铁铂纳米点阵磁记录媒体。根据氧化铝模版孔径大小, 其存储密度在500Gb/in2 到5Tb/in²之间. 具体讲, 使用25纳米的孔尺寸的模版, 这种高密度铁铂磁记录媒体的位元的尺寸约为25纳米，也就是说整体上数据信息存储密度达到1Tb/in²。

Claims (3)

1.一种铁铂纳米点阵磁数据存储媒体，其特征在于，所述铁铂纳米点阵磁数据存储媒体的制备方法为：通过将纳米孔阳极氧化铝模版（以下简称模版）的纳米结构传印至光刻胶之上，并将光刻胶上的纳米结构采用反应离子束刻蚀的加工方式传印至铁铂薄膜之上，进而加工出高密度的铁铂纳米点阵磁存储媒体；所述铁铂薄膜的厚度为10纳米；上述制备方法中，将模板的纳米结构传印至光刻胶之上的具体方法为：将模版倒置在光刻胶上，然后对衬底、铁铂薄膜、光刻胶以及模版同时加热，加热温度控制在高于光刻胶的玻璃相变温度；随后将模版、薄膜以及被传印的光刻胶整体冷却到玻璃相变温度以下。

2.按照权利要求1所述的铁铂纳米点阵磁数据存储媒体，其特征在于，所述铁铂薄膜为，通过磁控溅射后经高温退火形成具备高磁晶各项异性L1₀相的铁铂薄膜。

3.按照权利要求1所述的铁铂纳米点阵磁存储媒体，其特征在于，所述铁铂纳米点阵磁存储媒体根据氧化铝模版孔径大小，其存储密度在500Gb/in² 到5Tb/in²之间。