CN1226722C - 用于超高密度记录的垂直磁薄膜 - Google Patents
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Abstract
提供了一种垂直磁记录介质。该垂直磁记录介质具有一个用于引起一个垂直磁记录层的垂直取向的底层，它被叠置在一个基底与该垂直磁记录层之间，且该垂直磁记录层的厚度被控制在大于等于5nm、小于30nm之内以具有一个负的成核场。
Description
本发明的领域
本发明涉及一种磁记录介质，且更具体地说是涉及一种垂直磁记录介质，它被用于硬盘驱动器(HDD)中并在记录信息时具有改善的热稳定性和信/噪比(SNR)。
相关技术的描述
硬盘驱动器(HDD)是存储信息的主要设备，且一直在持续地发展以适应高密度和低价格的需求。近来，由于巨磁阻(GMR)读取头的开发、记录介质的改进和信号处理方法的改进(诸如部分响应最大可能性(PRML)，面积记录密度以每年大于100％的速度增加。对于高密度信息记录，用于HDD的磁盘必须具有低噪声特性且同时需要有良好的热稳定性，以克服超顺磁效应。
图1是一种传统的垂直磁记录介质的示意剖视图。见图1，在一个玻璃或铝(Al)合金基底10上，依次叠置了使一个垂直磁记录层具有垂直取向的底层12、垂直磁记录层13、保护垂直磁记录层13不受氧化和机械磨损的保护层14、以及一个润滑层15。
以下结合图1描述采用一种传统的Co合金记录层垂直磁记录介质的制造方法。
基于CoCr或CoPt的三元或四元合金的被用来形成垂直磁记录层13，且垂直磁记录层13必须被如此地形成-即使得Co的六方晶粒的[0001]轴与基底10的表面垂直。为此，用Ti或诸如TiCr的Ti合金制成的底层12被用作CoCrPt磁层的晶粒的定向生长的一个模板(template)。
一般地，基底10可以是一个玻璃盘、覆有NiP的Al-Mg盘或一个热氧化硅盘。Ti底层12通过用溅射或其他物理淀积方法在基底10上淀积Ti或TiCr而形成。该底层的厚度在1-200nm的范围内，且Co合金的垂直磁记录层13被形成在底层12上。在此，重要的是Ti晶体晶粒的[0001]面的取向与基底的表面相垂直。
在垂直记录中，在纵向记录介质中采用的较厚的磁层可被用于高密度记录，这从热稳定性的角度看是一个大的优点。然而，众所周知的是，在传统的垂直记录介质中，介质噪声水平随着记录密度的增大而增大，且在纵向记录介质中更是这样。在纵向记录的情况下，过渡噪声，即在其中记录的位的磁极性改变的区域中发生的噪声，是一种重要的介质噪声。在垂直记录中，直流擦除噪声，即由于记录的位中逆转的磁畴所产生的噪声，以及过渡噪声，成为了重要的噪声源。为了减小直流擦除噪声，在记录的位中的逆转的磁畴的数目必须得到减小。
直流擦除噪声的减小，只有在一个主滞后环的第二象限中存在有介质的一个“成核场”的情况下，才能够实现。该成核场是一种外部磁场，它必须在沿着一个方向的饱和之后被施加才能够引起磁化的逆转。
在图2中，纵轴M是磁化，且水平轴H是所加的外部磁场。传统的被研究得最深入的CoCr、CoCrPt和CoCrPtX型的垂直磁记录介质，被设计成比纵向记录介质厚得多，以获得更高的热稳定性。多数研究者研究的厚度在50至200nm磁厚度的范围内。传统的介质的平方比(SQ)的值为0.4至0.8。SQ被定义为：
平方比(SQ)＝剩余磁化(Mr)/饱和磁化(Ms)
在垂直记录中采用厚记录层是基于较高的输出信号和良好的热稳定性的考虑。然而，如果CoCr、CoCrPt和CoCrPtX合金的厚度增大，诸如超过50nm，虽然临界厚度取决于磁层的组成和淀积条件，但磁化逆转的机制从强Wolfarth型耦合转动改变为非耦合转动(参考文献1：Taek Dong Lee，Min Sig Hwang，Kyung Jin Lee，“Effects ofmagnetic layerthickness on negative nucleation field and Crsegregationbehavior in CoCrPt/Ti perpendicular media”，Journal ofMagnetism and Magnetic Materials，vol.235(2001)，P.297-304；K.J.Lee，T.D.Lee，N.Y.Park，“step-like energy barriervariationof high Ku materials”，Digest submitted a bstract forintermag2002)。这减小了负成核场的幅度。
当平方比小于1时，在垂直记录介质中施加的正向场饱和之后，由于在所加的领域的减小期间产生的自去磁场，磁化逆转在施加正向场时被引发。
然而，当平方比大于1时，磁化逆转在所加的正向场饱和之后在所加场的减小期间在零或负的所加场下被引发。因此，当平方比小于1时，用于磁化逆转的成核场是一个正的施加的场，且我们将它定义为“正的成核场”。如果平方比为1，用于磁化逆转的该成核场是零或负的施加的场，且我们将它定义为一个“负的成核场”。
在具有正的成核场的一种介质中，即使在其中未施加一个施加的外部场的情况下也会发生磁化逆转，且这构成了直流擦除噪声源在具有零成核场或非常小的负的成核场的介质中，由于一种去磁场，在一个写入的位中也发生了磁化逆转，如在参考文献2(L.WU，H.HONDA，K.OUCHI，″LOW NOISE MULTIPLAYER MEDIAFORPERPENDICULAR MAGNETIC RECORDING″，IEEETRANS.MAGN.，VOL.35(1999)，P.2775-2777)中显示的。
因此，为了减小直流擦除噪声，需要具有基本上为负的成核场的一种介质(参考文献2)。
另外，当采用环形的头和没有适当的负的成核场的单层垂直介质时，在一个倒数第二个位中的小晶粒的磁化可在写入一个新的位期间被一个逆转的头场所逆转，因为该头场具有宽的分布。
后一种现象在高密度记录中发生得更为显著，因而传统的具有零或正的成核场的垂直记录介质不能被用于高密度记录区。
本发明的概述
为了解决传统垂直介质中的上述问题，本发明的一个目的是提供一种具有强于-500Oe的负的成核场的CoCrPt型垂直磁记录介质。这将在低密度记录区中提供高的热稳定性并在高密度记录区中提供低噪声特性。
相应地，为了实现上述目的，提供了一种垂直磁记录介质，其中用于引起垂直磁记录层的垂直取向的一个底层被叠置于一个基底与该垂直磁记录层之间，且该垂直磁记录层的厚度被控制在大于等于5nm、小于30nm的范围内，以具有负的成核场。
优选的是该垂直磁记录层用CoCrPt合金制成。
优选的是该垂直磁记录层包含8-20原子％的Pt，具体取决于该层中的Cr的含量。
还优选的是垂直磁记录层包含12-20原子％的Cr。
还优选的是该垂直磁记录层进一步包括含量低于4原子％的Ta、Nb或Ta+Nb。
还优选的是底层用Ti合金制成。
附图的简要描述
从以下结合附图对本发明的最佳实施例的详细描述，本发明的上述目的和优点将变得显而易见。在附图中：
图1是一种传统的垂直磁记录介质的示意剖视图；
图2是显示一种传统的成核场的磁化-磁场的曲线图；
图3A和3B是曲线图，显示了根据本发明的一个最佳实施例的一种垂直磁记录薄膜的晶格常数a和c的变化；
图4是磁化-磁场的曲线图，显示了根据本发明的该最佳实施例的一种垂直磁记录介质的成核场；
图5显示了成核场按照根据本发明的该最佳实施例的一种垂直磁记录介质的一个磁层的铂(Pt)含量和厚度的变化；
图6显示了成核场按照根据本发明的该最佳实施例的一种垂直磁记录介质的一个磁层的厚度和组份的变化；
图7显示了从数值模拟获得的按照成核场的电流饱和曲线和电流大小；且
图8是信/噪比(SNR)-成核场的曲线图，它是从数值模拟获得的。
本发明的详细描述
以下将对本发明作详细描述。
本发明的发明人发现了一种现象，即磁回线的性质按照CoCrPt合金膜的组份和厚度的变化很大。本发明对CoCrPt合金膜的组份和结构作了改变，从而改善了垂直磁记录介质的性质，即实现了更高的磁记录密度。
在所报告的具有垂直磁各向异性的介质中，所谓的“磁光记录介质”，诸如TbFeCo和Co/Pt或Co/Pd多层介质呈现出负的成核场。然而，TbFeCo是非晶结构的因而不容易进行过渡噪声控制。另外，对于Co/Pt或Co/Pd介质，情况也是类似的。因此，更希望的是具有诸如CoCrPt型的具有负的成核场的晶粒垂直介质，因为通过控制诸如Cr的非磁元素的离析，容易获得晶粒间的磁去耦合，从而减小过渡噪声。为此，本发明提供了一种CoCrPtX型的具有适当的负的成核场的垂直介质。该介质包括一个Ti底层、一个CoCrPtZr记录层和一个碳保护层。为了控制晶粒的大小和Ti底层取向，诸如非磁CoZr和CoNb的籽晶层可得到采用。
本发明的特征在于，CoCrPt合金或加有Nb、Ta或Ta+Nb的CoCrPt合金，以厚度5-40nm的非常薄的膜的形式，被淀积到垂直取向的底层上，从而使得一个成核场存在于磁回线的象限II中。在此厚度之外，磁化逆转机制从耦合转动改变成非耦合转动，且这伴随有一种减小的负的成核场。
该CoCrPt薄膜由12-20原子％的Cr且优选地是14-17原子％的Cr、8-20原子％的Pt且优选地是11-20原子％的Pt且更优选地是11-18原子％的Pt、以及作为第四或第五种元素的低于4原子％的Ta、Nb或Ta+Nb且优选地2-4原子％的Ta、Nb或Ta+Nb组成。
如上所述的CoCrPt层和具有作为添加元素的Ta或Nb的CoCrPt层，生长出良好的c轴排列六方结构的Ti底层，虽然在CoCrPt与Ti底层之间有约17％的晶格错位。
有时，在该CoCrPt与Ti界面处形成有一个非常薄的非晶层，以减小由于上述晶格错位而发生的弹性应力能量。CoCrPt层和加有作为添加元素的Ta和Nb的CoCrPt层的磁性质，随着CoCrPt层和加有第四元素的CoCrPt层的厚度的变化很大，如以下所述的。
首先，一个负的成核场开始时随着磁记录层的厚度而增大，达到一个最大值并随着磁记录层厚度的进一步增大而减小(图5)。呈现最大成核场的磁记录层的厚度取决于磁记录层的组份(图6)。负的成核场随着磁层厚度的增大而减小的原因，与磁化逆转机制从厚度较小时的耦合自旋转动至厚度较大时的非耦合自旋转动的改变有关。因此，磁层厚度的控制是实现适当的负的成核场的最重要的因素。
其次，随着CoCrPt层和加有Ta和Nb的CoCrPt层的厚度的增大，一种Cr离析模式发生了改变。在厚度薄时，例如在5nm时，未观测到显著的Cr分离。当CoCrPt层的厚度进一步增大时，至晶粒边界的Cr离析变得显著。如果没有Cr离析，晶粒之间的磁交换相互作用很强且这又增大了负的成核场。另一方面，如果有显著的Cr离析，晶粒之间的磁交换相互作用变弱且从交换相互作用的角度看负的成核场减小。
然而，更为重要的事物是介质噪声特性。对于更高密度的记录，由于输出信号变弱，介质噪声应该尽可能地低。为了减小介质过渡噪声，晶粒之间的交换相互作用应该被晶粒边界处的Cr或其他非磁元素离析所减小。这种离析行为以及厚度对再现信号的效果Mr·t，其中t表示记录层厚度，为记录层的厚度设定了一个下限。当CoCrPt磁记录层厚度大于10nm时，观测到了Cr离析。因而通过控制该厚度、溅射方法、以及CoCrPt层的组份，Cr离析能够得到控制。
成核场根据磁层的厚度变化的原因将在以下得到更为详细的描述。
在其中磁层(或记录层)具有大于50nm的厚度的情况下，如上所述地，在磁层与底层之间发生了晶格错位，且由于磁层与Ti底层之间的弹性能量而形成了在磁性质上不稳定的一个起始生长层，结果，磁化逆转不均匀并产生了卷曲或弯曲的结构，因而减小了成核场。
另外，通过在磁层与底层之间的界面处所加的该弹性能量，形成了一个起始磁层，因而该弹性能量得到消耗，导致在磁层与底层之间的该界面处几乎没有残余的弹性能量。因此，在CoCrPt磁层中容易使晶体晶粒边界产生Cr离析。结果，磁层的饱和磁化得到了增大，晶体晶粒的磁各向异性能量得到增大，且晶体晶粒之间的磁耦合减小。
去磁场、饱和磁化与磁各向异性能量之间的关系是：
去磁场效应∝(饱和磁化)2/(磁各向异性能量)
因此，如果饱和磁化和磁各向异性能量同时增大，去磁场的效果增大，且结果成核场减小。
然而，象本发明那样，在其中磁薄膜具有5-40nm的厚度的情况下，CoCrPt合金的晶体晶格常数a与c的值大于在Ti底层与CoCrPt层之间的界面附近的晶格常数a与c的平衡态值。这意味着在磁层中有由于界面弹性能量造成的拉伸应力，且同时没有消耗界面弹性能量的起始生长层。因此，在其中磁薄膜具有5-40nm的厚度的情况下，在磁层中几乎没有任何Cr离析。
如果没有Cr离析，磁各向异性能量减小。然而，如果饱和磁化减小且饱和磁化减小的平方大于磁各向异性能量的减小，成核场可被增大。进一步地，如果没有Cr离析，晶体晶粒之间的磁交换能量比较大，因而成核场可被增大。由于上述原因，在其中磁层具有5-40nm的厚度的情况下，可实现一种大的负的成核场。
另外，Pt和Cr的含量在一个预定的范围内确定，从而使CoCrPt磁层具有适当的负的成核场。根据本发明人进行的实验的结果，在14-17原子％的Cr的情况下，当Pt的含量从8原子％增大至20原子％时，更优选地，从11原子％增大至20原子％时，成核场增大。这是磁各向异性能量随着Pt的含量的增大而增大的主要原因。
另外，在其中Pt的含量在约12原子％保持恒定的情况下，如果Cr的含量低于10原子％则成核场不具有负值，且如果Cr的含量在12-20原子％的范围内则成核场具有负值。具体地，如果Cr的含量在14-17原子％附近则成核场具有一个负的最大值，且如果Cr的含量增大至大于14-17原子％，成核场为0或具有一个正值。因此，该CoCrPt合金由12-20原子％的Cr且优选地是14-17原子％的Cr、8-20原子％的Pt且优选地是11-20原子％的Pt组成，从而使成核场可具有一个负值。
另外，为了减小噪声，作为加快Cr离析的第四元素的Ta或Nb以小于4原子％的量且优选地是2-4原子％的量被添加。Ta或Nb的含量大于4原子％不是优选的，因为成核场将大大减小。
以下更详细地描述本发明的最佳实施例。
(实施例1)
在厚度为0.635mm的玻璃基底上淀积厚度为50nm的Ti底层，且随后在该Ti底层上淀积20nm厚的CoCrPt合金(74.6原子％的Co、17.1原子％的Cr、以及8.3原子％的Pt)磁层-它是一种垂直磁记录层，淀积厚度10nm的作为保护层的一个碳层，并淀积厚度2nm的Z-DOL(0.04％)(由Ausimont有限公司制造)的润滑层，且制成了一种垂直磁记录盘。
(实施例2)
用与实施例1的方法相同的方法制成一种垂直磁记录盘，只是采用了70.1原子％的Co、16.9原子％的Cr、以及10.5原子％的Pt来形成垂直磁层。
(实施例3)
用与实施例1的方法相同的方法制成一种垂直磁记录盘，只是采用了70.1原子％的Co、16.3原子％的Cr、以及13.6原子％的Pt来形成垂直磁层。
(实施例4)
用与实施例1的方法相同的方法制成一种垂直磁记录盘，只是采用了69.6原子％的Co、15.5原子％的Cr、以及14.1原子％的Pt来形成垂直磁层。
(实施例5-8)
用与实施例1-4的方法相同的方法制成一种垂直磁记录盘，只是垂直磁记录层的厚度为10nm。
在Ti底层与CoCrPt层之间的界面处，测量实施例1-4和5-8中的垂直磁记录盘的CoCrPt合金的晶格常数，该晶格常数随着垂直磁记录盘的磁层的含量和厚度而变化，测量结果被显示在图3A和3B中。
参见图3A和3B，随着Pt的含量的增大，晶格常数a和c增大，且具体地，当垂直磁记录层为10nm时，晶格常数a和c比20nm厚度的情况下大。磁层越薄，磁层的晶格结构越具有扩张性。因此，晶格扩张是由于底层与磁层之间的弹性能量造成的。
在图4中，为实施例3的磁记录盘测量成核场且它具有一个负值。
(实施例9)
用与实施例3相同的方法制成垂直磁记录盘，只是垂直磁记录层的厚度被设定在10nm、15nm、20nm、25nm、30nm以及40nm。
(实施例10)
用与实施例4相同的方法制成垂直磁记录盘，只是垂直磁记录层的厚度被设定在10nm、15nm、20nm、25nm、30nm以及40nm。
图5显示了根据实施例8和10的垂直磁记录介质的按照磁层的厚度和铂(Pt)的组份的成核场变化。在此，y轴表示了当在象限II上存在有成核场时的正值。在图5中，磁层的厚度根据Pt的含量而变化，并具有一个最大成核场值。磁层的组份以及磁层的厚度对于获得该最大成核场值都是重要的。
(实施例11)
用与实施例1相同的方法制成一个垂直磁记录盘，只是垂直磁记录层用CoCrPt Ta合金(69.8原子％的Co、16.1原子％的Cr、12.0原子％的Pt、以及2.1原子％的Ta)形成。
(实施例12)
用与实施例11相同的方法制成一个垂直磁记录盘，只是67.7原子％的Co、18.9原子％的Cr、11.5原子％的Pt、以及2.1原子％的Ta被用来形成垂直磁记录层。
(实施例13)
用与实施例11相同的方法制成一个垂直磁记录盘，只是66.6原子％的Co、20.0原子％的Cr、11.4原子％的Pt、以及2.0原子％的Ta被用来形成垂直磁记录层。
图6显示了根据本发明的实施例11-13的成核场按照垂直磁记录介质的磁层的厚度和组份的变化。在此，y轴表示当在象限II上存在成核场上时的正值。在图6中，成核场对于根据本发明的磁层的一个厚度具有负值，即使诸如Ta的第四种元素被加到该磁层中。
图7是数值模拟的结果的曲线图，显示了电流饱和曲线，它代表了当成核场(Hn)的值各为-1、0、1和2时，根据加到一个记录头上的电流的大小的垂直记录介质的输出。在其中该介质具有一个不存在或一个正的成核场的情况下，输出在一个预定的电流值处具有最大值并随着电流增大而减小。然而，在其中介质具有一个负的成核场的情况下，随着电流增大，输出增大并具有相当恒定的值。
图8是数值模拟结果的曲线图，显示了根据成核场的变化的信/噪比(SNR)。在图8中，当成核场变为负时，SNR呈现出总体上的增大。
在硬盘驱动器(HDD)中，信息被记录在一个预定的频带中，且在低记录频率和高记录频率下都获得高的输出值是绝对有利的。由于代表最大输出的电流值随着记录频率的增大而减小，输出值的特性根据电流的大小而一直处于饱和，这意味着根据本发明的垂直磁记录介质对于高密度记录非常有用的。
结果，通过调节磁层的厚度和组份而获得的负的成核场增大了信号强度并减小了噪声，从而实现了高密度的垂直磁记录。
具有负的成核场的CoCrPt磁层被用在根据本发明的垂直磁记录介质中。该记录薄膜具有负的成核场，因而逆转的磁畴的数目在高密度记录时得到减小，因而由于直流擦除噪声的减小而增大了信号强度并获得了高的SNR。
虽然结合本发明的最佳实施例对本发明进行了具体显示和描述，但本领域的技术人员应该理解的是，在不脱离所附权利要求书所限定的本发明的精神和范围的前提下，可以进行各种形式和细节上的改变。
Claims (16)
1.一种垂直磁记录介质，其中用于引起一个垂直磁记录层的垂直取向的一个底层被叠置在一个基底和该垂直磁记录层之间，其中该垂直磁记录层的厚度被控制在大于等于5nm、小于30nm的范围内，以具有一个负的成核场。
2.根据权利要求1的垂直磁记录介质，其中该垂直磁记录层包含8-20原子％的Pt。
3.根据权利要求1的垂直磁记录介质，其中该垂直磁记录层包含11-20原子％的Pt。
4.根据权利要求1的垂直磁记录介质，其中该垂直磁记录层包含11-18原子％的Pt。
5.根据权利要求1的垂直磁记录介质，其中该垂直磁记录层包含12-20原子％的Cr。
6.根据权利要求1的垂直磁记录介质，其中该垂直磁记录层包含14-17原子％的Cr。
7.根据权利要求1的垂直磁记录介质，其中该垂直磁记录层是由CoCrPt合金形成的。
8.根据权利要求7的垂直磁记录介质，其中该垂直磁记录层包含8-20原子％的Pt。
9.根据权利要求7的垂直磁记录介质，其中该垂直磁记录层包含11-20原子％的Pt。
10.根据权利要求7的垂直磁记录介质，其中该垂直磁记录层包含11-18原子％的Pt。
11.根据权利要求7的垂直磁记录介质，其中垂直磁记录层包含12-20原子％的Cr。
12.根据权利要求7的垂直磁记录介质，其中垂直磁记录层包含14-17原子％的Cr。
13.根据权利要求7的垂直磁记录介质，其中该垂直磁记录层是由包含8-20原子％的Pt和12-20原子％的Cr的CoCrPt合金形成的。
14.根据权利要求7的垂直磁记录介质，其中该垂直磁记录层进一步包括含量低于4原子％的Ta、Nb或Ta+Nb。
15.根据权利要求7的垂直磁记录介质，其中该垂直磁记录层进一步包括含量为2-4原子％的Ta、Nb或Ta+Nb。
16.根据权利要求1的垂直磁记录介质，其中该底层是用Ti合金制成的。
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