CN1596436A - 反铁磁性耦合的垂直磁记录介质 - Google Patents
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Abstract
一种高面积记录密度，反铁磁耦合(AFC)的垂直磁记录介质包括：在非磁性基片(2)的表面上形成的层叠，在向上的方向上依次包括：由软磁材料制成的衬底(3)；至少一层非磁性夹层(4)；由硬磁材料制成的垂直各向异性稳定层(6)；非磁性间隔层(7)；以及由硬磁材料制成的主记录层(5)；其中垂直各向异性稳定层(6)和垂直各向异性主记录层(5)是通过非磁性间隔层(7)反铁磁耦合的，以使其磁矩反平行定向，从而提供增强的SMNR和热稳定性。
Description
相关参考的专利申请
本申请享有2001年11月30日提交的美国临时专利申请序列号No.60/337,287的优先权，其所披露的全部内容作为参考包括与此。
发明领域
本发明涉及能够改善信号与介质噪声比(“SMNR”)和热稳定性的垂直磁记录介质，该介质包括一对直立分开的垂直铁磁层，它形成了通过一层非磁性间隔层的反铁磁性耦合，本发明还涉及制造该垂直磁记录介质的方法。本发明特别适用于在数据/信息存储和检索介质的制造，例如，具有超高面积记录/存储密度的硬盘。
背景技术
磁介质广泛地应用于各种应用之中，特别是在计算机工业中，目前正在继续努力提高面积记录密度，即，磁介质的比特密度。就这点而言，在获得非常高的比特密度方面，已经发现所谓“垂直”记录介质远远超过常规的“纵向”介质。在垂直磁记录介质中，剩余磁化形成于与磁性介质的表面垂直的方向，其中磁性介质一般是一层在一个适用基片上的磁性材料层。通过采用一个“单磁极”磁传感器或者具有这类垂直磁性介质的“磁头”就能够获得非常高的线性记录密度。
众所周知，高效和高比特密度的记录介质可以采用垂直磁性介质，这种介质需要在非磁性的基片和“硬”磁性记录层之间插入相对较厚(即，与磁性记录层相比较)“软”磁性衬底，其中，“软”磁性衬底是一层具有大约1KOe或低于1KOe相对较低矫顽力的磁性层，例如，NiFe合金(镍铁导磁合金)；非磁性的基片通常采用诸如玻璃、铝(Al)或基于铝的合金等材料；而“硬”磁性记录层一般具有几KOe的相对较高的矫顽力，典型的约为3-6KOe，例如，是由具有垂直各向异性的基于钴的合金(例如，Co-Cr合金)来制成的磁性层。软磁性衬底用于将磁头所发出的磁通量引导通过硬的和垂直磁性记录层。另外，软磁性衬底可以通过减小退磁场来减小介质对热激发磁化逆转的磁化系数，其中，退磁场可以降低保持磁化当前状态的能量势垒。
一个典型的垂直记录系统10包括一层垂直定向的磁性介质1，它具有一层相对较厚的软磁性衬底；一层相对较薄的硬磁性记录层，以及一个单磁极磁头，正如图1所示，其中，标号2、3、4和5分别表示基片、软磁性衬底、至少一层非磁性夹层，以及垂直定向的垂直磁性介质1的硬磁性记录层，标号7和8分别表示单磁极磁性传感器磁头6的单个磁极和辅助磁极。相对较薄的夹层4(也称之为“中间层”)是由一层或多层非磁性材料所构成，用于(1)防止在软衬底3和硬记录层5之间磁性的相互作用，和(2)改善硬记录层的所需微结构和磁性性能。正如图中表示磁通量φ路径的箭头所示，可以看到磁通量φ是从单磁极磁性传感器磁头6的单个磁极7所发出的，在单磁极7上面的区域中进入和通过直立定向的硬磁性记录层5，进入和穿过软磁性衬底3一段距离，随后从那里离去和在单磁极磁性传感器磁头6的辅助磁极8上面的区域中通过直立定向的硬磁性记录层5。在附图中，以介质1上面的箭头来表示垂直磁性介质1通过传感器磁头6的运动方向。
继续参考图1，垂直线9表示了层叠构成介质1的各个多晶(即，晶粒状)层的晶粒边界。正如从该图中显而易见的，构成层叠介质的各个多晶层的晶粒的宽度(以水平方向来测量)都是基本相同的，即，各个上层都重复下层的晶粒宽度。为了简化说明，在附图中没有显示的是一层保护覆盖层，例如，形成在硬磁性层5上面的类金刚石碳(DLC)，和一层润滑顶层，例如，形成在保护覆盖层上的全氟聚乙烯材料制成的。基片2一般都是圆盘形且是由非磁性金属或合金材料制成，即，Al或一种基于Al的合金，例如，在其沉积表面具有一层Ni-P电镀层的Al-Mg，或者，基片2是由合适的玻璃、陶瓷、玻璃-陶瓷、聚合材料、或者是这些材料的合成物或层叠所制成；衬底3一般是由大约500至4000厚的软磁性材料制成的，其中软磁性材料可于包含Ni、NiFe(镍铁导磁合金)、Co、CoZr、CoZrCr、CoZrNb、CoFe、Fe、FeN、FeSiAl、FeSiAlN、FeCoC等这一组中选出；夹层4一般是由最厚可达约300的非磁性材料所制成的，例如，TiCr；以及硬磁性层5一般是由大约100至大约250厚的基于Co的合金材料制成，该合金材料包括一种或多种选自于包含Cr、Fe、Ta、Ni、Mo、Pt、V、Nb、Ge、B和Pd，氧化铁这一组中的元素，或者一种(CoX/Pd或Pt)n的多层磁性超晶格结构，其中，n是一个从大约10至大约25的整数，基于Co的磁性合金的各交替薄层是从大约2至大约3.5厚，X是一种选自包含Cr、Ta、B、Mo、Pt、W和Fe这一组中的元素，而各交替的薄的非磁性层Pd或Pt的厚度大约为1。各种硬磁性记录层的材料都具有由磁性晶体的各向异性(第一类型)和/或界面的各向异性(第二类型)引起的垂直各向异性。
一般来说，正如以上所讨论的，在垂直磁记录介质的信号与介质噪声比(SMNR)方面的改善可以通过减小磁性晶粒的平均体积V和/或通过减小在晶粒之间的相互作用来获得。但是，在这两种情况中，都需要综合考虑垂直介质的热稳定性。
考虑到上述情况，很显然，需要一种呈现出增强的信号与介质噪声比(SMNR)和热稳定性的、改良的、高面积记录密度、垂直磁性信息/数据记录、存储和检索介质。另外，也需要一种适用于制造呈现增强的SMNR和热稳定性的、高面积记录密度、垂直磁性记录介质的改良方法，可以采用常规的制造技术和设备快速和经济地制造出这种介质。
本发明针对和解决在高比特密度垂直磁性介质的设计和制造中所遇到的问题，即，在不需要综合考虑介质的热稳定性的条件下就能获得高的SMNR，同时保持着高比特密度记录技术的所有结构和物理上的特征。此外，本发明的磁性介质便利地采用常规的制造技术(例如，溅射技术)来制造。
发明内容
本发明的一个优点是一种改良的、高面积记录密度、垂直磁性记录介质。
本发明的另一优点是一种改良的、高面积记录密度、反铁磁性耦合(AFC)、垂直磁性记录介质，它具有增强的信号与噪声比(SMNR)和热稳定性。
本发明还有一个优点是一种制造改良的、高面积记录密度、垂直磁性记录介质的方法。
本发明还有一个优点是一种制造改良的、高面积记录密度、反铁磁性耦合(AFC)且具有增强的信号与噪声比(SMNR)和热稳定性的垂直磁性记录介质的方法。
本发明的其它优点和其它性能将在以下的讨论中作进一步阐述，但是对本领域中的熟练技术人士来说，通过以下的检查或者了解本发明的实现，使之变得更加显而易见。本发明的优点可以根据后附权利要求的特别指出来实现。
根据本发明的一个方面，上述和其它优点可以通过一个高的面积记录密度、反铁磁性耦合(“AFC”)垂直磁性记录介质来部分获得，该记录介质包括：
(a)一个具有一层表面的非磁性基片；和，
(b)一层层叠在基片表面上的层，该层叠包括：从基片表面向上层叠的序列：
(b1)一个衬底层，它由一层软铁磁性材料或由薄的非磁性间隔层分开的多层磁性软铁材料制成；
(b2)至少一层非磁性的夹层；
(b3)一层由硬铁磁性材料所制成的在垂直方向上各向异性的稳定性层；
(b4)一层非磁性间隔层；和，
(b5)一层由硬铁磁性材料所制成的在垂直方向上各向异性的主记录层；
其中，垂直各向异性的稳定性层(b3)和垂直各向异性主记录层(b5)是通过非磁性间隔层(b4)的反铁磁性耦合(AFC)，使得其中的磁矩定位成反平行的，从而提供具有增强的SMNR和热稳定性的介质。
根据本发明的实施例，非磁性间隔层(b4)是从大约2至大约15的厚度，例如，从大约4至大约11的厚度，并且可以在稳定性层(b3)和主记录层(b5)之间选择得使反铁磁性耦合为最大的非磁性材料，其材料包括选自包含Ru、Rh、Ir、Cr、Cu、Re、V这一组中的材料及它们的合金材料，并且层叠(b)还选择性地包括：
(b6)在非磁性间隔层(b4)与主记录层(b5)和/或稳定性层(b3)之间至少一层界面上至少一层铁磁性界面层，其中：
在非磁性间隔层(b4)与主记录层(b5)之间界面上存在着至少一层铁磁性界面层(b6)，或者，在非磁性间隔层(b4)和稳定性层(b3)之间界面上存在着至少一层铁磁性界面层(b6)，或者，在非磁性间隔层(b4)与主记录层(b5)和稳定性层(b3)的各层之间界面上存在着至少一层铁磁性界面层(b6)。
根据本发明实施例，至少一层铁磁性界面层(b6)包括大约一层1个单原子层至一层大约40厚度的铁磁性材料层，其具有饱和磁化数值Ms＞300emu/cc，以及根据本发明特殊实施例，该至少一层铁磁性界面层(b6)包括一层选自Fe、Co、FeCo，及它们的包含至少一种选自Cr、Pt、Ta、B、Mo、Ru、Si、Ge、Nb、Ni、Cu、Ag、Au和W元素的合金的高磁矩元素或合金层，其中在合金中的Co、Fe、或CoFe的浓度是恒定的或者在至少一层界面层(b6)的厚度方向上从接近非磁性间隔层(b4)的界面较高浓度向接近稳定性层(b3)或主记录层(b5)的界面较低浓度变化。
根据本发明的某些实施例，层叠(b)还包括在主记录层(b5)和非磁性间隔层(b4)之间至少一层附加堆叠的双层，它包括一层具有垂直磁性各向异性的磁性层和一层非磁性间隔层，使得层叠(b)包括了另一种磁性层和非磁性间隔层，并且可以选择磁性层的磁性能量以及在磁性层之间的耦合能量，以在数据存储于介质的过程中提供相邻磁性层的磁矩的反平行的排列。
根据本发明的特殊实施例，稳定性层(b3)和主记录层(b5)各自包括一层大约3至300厚的铁磁合金层，该合金层选自CoCr和含有至少一种选自Pt、Ta、B、Mo、Ru、Si、Ge、Nb、Fe、Ni和W元素的CoCr，或者，稳定性层(b3)和主记录层(b5)各自包括一层大约10至300厚的(CoX/Pd或Pt)n，(FeX/Pd或Pt)n或(FeCoX/Pd或Pt)n的多层磁性超晶格结构，其中，n是一个从大约1至大约25的整数，基于Co，基于Fe或基于CoFe磁性合金的各交替薄层是大约1.5至大约10厚，X是一种选自包含Pt、Ta、B、Mo、Ru、Si、Ge、Nb、Cr和W这一组中的一种或多种元素，而非磁性Pd或Pt的各交替层厚度大约为3至大约15。
根据本发明实施例，非磁性基片包括一种选自包含Al、电镀NiP的Al、Al-Mg合金、其它基于Al的合金、其它非磁性金属、其它非磁性合金、玻璃、陶瓷、聚合体、玻璃-陶瓷、以及上述合成和/或层压这一组中的材料；
衬底层(b1)包括一层大约500至大约4,000厚的层，该层由至少一种选自Ni、NiFe(镍铁导磁合金)、Co、CoZr、CoZrCr、CoZrNb、CoTaZr、CoFe、Fe、FeN、FeSiAl、FeSiAlN、FeTaC、FeAlN、FeTaN、CoFeZr、FeCoB和FeCoC的软铁磁性材料制造；和，
至少一层夹层(b2)包括一层大约10至大约300厚的层或至少选自Pt、Pd、Ir、Re、Ru、Hf以及其合金的非磁性材料诸层，或者具有Cr、Pt、Ta和B中的至少一种的基于Co的六方晶系非磁性合金层；以及该介质还包括：
(c)一层在主记录层(b5)上的保护覆盖层；和，
(d)在保护覆盖层(c)上的润滑顶层。
本发明的另一方面是制造一种高面积记录密度、反铁磁性耦合(“AFC”)的垂直磁记录介质的方法，该方法包括步骤：
(a)提供一个具有一个表面的非磁性基片；和
(b)在基片表面上形成一个层叠，其包括以下用于从基片表面上形成一个上覆序列的系列步骤：
(b1)形成一个衬底层，它是由一层磁软铁磁性材料或采用薄的非磁性间隔层分开的多层软磁性材料制成；
(b2)形成至少一层非磁性夹层；
(b3)形成一层垂直各向异性的稳定性层，它是由一层硬铁磁材料制成的；
(b4)形成一层非磁性间隔层；和，
(b5)形成一层垂直各向异性的主记录层，它是由一层硬铁磁材料制成的；
其中，垂直各向异性的稳定性层和垂直各向异性的主记录层是通过非磁性间隔层(b4)的反铁磁性耦合(AFC)，使得其中的磁矩定位成反平行的，从而提供具有增强的SMNR和热稳定性的介质。
根据本发明的实施例，步骤(b4)包括：形成一层非磁性层，从大约2至15的厚度，例如，从大约4至大约11的厚度，其厚度要选得使在稳定性层(b3)和主记录层(b5)之间的反铁磁性耦合为最大，其材料包括选自包含Ru、Rh、Ir、Cr、Cu、Re、V这一组以及其合金的材料：且该方法还可选择地包括步骤：
(b6)在非磁性间隔层与主记录层和/或稳定性层之间至少一层界面上形成至少一层铁磁性界面层，其中步骤(b6)还包括以下可供选择的步骤之一：
(i)在非磁性间隔层和主记录层之间界面上形成至少一层铁磁性界面层；
(ii)在非磁性间隔层和稳定性层之间界面上形成至少一层铁磁性界面层；
(iii)在非磁性间隔层与主记录层和稳定性层的各层之间界面上形成至少一层铁磁性界面层。
根据本发明的特殊实施例，步骤(b6)包括：形成包括大约一层1个单原子层至一层大约40厚度的铁磁性材料层，其具有饱和磁化数值Ms＞300emu/cc，它包括选自Fe、Co、FeCo以及它们包含至少一种选自Cr、Pt、Ta、B、Mo、Ru、Si、Ge、Nb、Ni、Cu、Ag、Au和W元素的合金的高磁矩元素或合金，其中在合金中的Co、Fe、或CoFe的浓度是恒定的或者在至少一层界面层的厚度方向上从接近非磁性间隔层的界面较高浓度向接近稳定性层或主记录层的界面较低浓度变化。
根据本发明另外的实施例，步骤(b)还包括以下序列步骤：
(b6)形成一层非磁性间隔层，它与在步骤(b5)中所形成的主记录层面上覆.0接触；
(b7)形成一层垂直各向异性主记录层，它与在步骤(b6)中所形成的非磁性间隔层面上覆接触；
其中，执行步骤(b6)接着是步骤(b7)的上述序列可以一次或多次执行，并且步骤(b)还可包括另一步骤(b8)，在非磁性间隔层与主记录层和稳定性层之间的至少一个界面上形成至少一层铁磁性界面层。
根据本发明的特殊实施例，步骤(b3)和步骤(b5)用于形成稳定性层和主记录层，且各层包括形成一层垂直各向异性、硬铁磁性层，其材料选自下列：
(i)一层大约3至大约300厚、选自CoCr和包含至少一种选自Pt、Ta、B、Mo、Ru、Si、Ge、Nb、Fe、Ni和W的元素的CoCr的铁磁性合金层；和，
(ii)一层大约10至大约300厚的(CoX/Pd或Pt)n，(FeX/Pd或Pt)n或(FeCoX/Pd或Pt)n的多层磁性超晶格结构，其中，n是一个从大约1至大约25的整数，另一层基于Co，基于Fe或基于CoFe磁性合金的各交替薄层是从大约1.5至大约10厚，X是一种选自包含Pt、Ta、B、Mo、Ru、Si、Ge、Nb、Cr和W这一组中的一种或多种元素，而非磁性层Pd和Pt各交替薄层的厚度大约为3至大约15厚。
根据本发明的实施例，步骤(a)包括提供一个非磁性基片，该基片包括一种选自包含Al、电镀NiP的Al、Al-Mg合金、其它基于Al的合金、其它非磁性金属、其它非磁性合金、玻璃、陶瓷、聚合体、玻璃-陶瓷、以及上述合成和/或层压这一组中的材料；
步骤(b1)包括形成一层大约500至大约4,000厚的衬底层，该层由至少一种选自Ni、NiFe(镍铁导磁合金)、Co、CoZr、CoZrCr、CoZrNb、CoTaZr、CoFe、Fe、FeN、FeSiAl、FeSiAlN、FeTaC、FeAlN、FeTaN、CoFeZr、FeCoB和FeCoC的软铁磁性材料制成；
步骤(b2)包括形成至少一层夹层，该层包括一层大约10至大约300厚或至少一层选自Pt、Pd、Ir、Re、Ru、Hf以及其合金的非磁性材料，或者具有Cr、Pt、Ta和B中至少一种的基于Co的六方晶系的非磁性合金；以及该方法还包括步骤：
(c)在主记录层上形成一层保护覆盖层；和，
(d)在保护覆盖层上形成一层润滑外涂层。
本发明的另一方面是一种高面积记录密度、反铁磁性耦合(“AFC”)的垂直磁记录介质，该介质包括：
(a)一对直立间隔分开、垂直磁各向异性且各由硬铁磁性材料制成的层；和，
(b)适用于反铁磁性耦合这对直立间隔分开的层，以将其磁矩定向成反平行，从而提供具有增强的SMNR和热稳定性的介质的部件。
本领域的熟练技术人士将从以下详细讨论中，对本发明的其它优点和方面将更加清晰的了解，其中所显示和讨论的本发明实施例只是简单用于说明作为实现本发明的最佳模式。正如所讨论的，本发明可以具有其它和不同的实施例，并且它的几个细节都可在各种明显的方面进行改进，但这些都没有背离本发明的精神。因此，附图和讨论都是用于在实质上作说明，而不是限制。
附图的简要描述
当结合以下附图来阅读时，能更好的理解本发明实施例的下列详细描述，在附图中，并不一定按比例来描绘各种性能，但是这种描绘能够最好的说明其恰当的性能，附图中所采用的类似标号在全文中表示类似的性能；
图1以简化和剖面图的方式局部示意说明了一种磁记录、存储和检索系统，它包括一种常规的垂直类磁记录介质，该介质还包括了一层软磁性衬底层和一个单磁极传感器磁头；
图2是显示界面交换能量密度J作为Ru间隔层的厚度为函数变化的图形，其中，Ru间隔层构成根据本发明的基于超晶格垂直磁记录介质中的反铁磁性耦合(AFC)，它所具有的层结构为[Co(2.5)/Pt(9)]4/Co(10)/Ru(可变)/Co(10)/[Co(2.5)/Pt(9)]12；
图3显示了一层常规单层的M-H环路，常规单层属于基于超晶格且没有一层软磁衬底层的垂直磁记录介质，以及基于超晶格且没有一层软磁衬底层的AFC垂直磁记录介质，所具有的各自层结构为：Pt(60)/[CoCrB(2.5)/Pt(9)]12和Pt(60)/[CoCrB(2.5)/Pt(9)]4Co(2)/Ru(～5)/[CoCrB(2.5)/Pt(9)]12；
图4显示了AFC垂直和常规磁记录介质的动态矫顽力的测量结果，即，剩余矫顽力(Hr)作为在VSM测量中磁场施加时间(t)为函数的变化；以及，
图5至9以简化的剖面图方式局部示意说明了根据本发明几种实施例的反铁磁性耦合(AFC)的垂直磁记录介质。
具体实施方式
本发明是基于对非常高面积记录密度的垂直磁记录介质的认识，它可以具有改良的热稳定性和SMNR，可以通过提供一种多层结构来可靠和可控的制造，其中该结构包括至少一对直立间隔分开的、硬磁的、垂直铁磁性层，即，一层较下的稳定性层(即，离记录磁头较远)和一层较上的主记录层(即，离记录磁头较近)，该间隔分开的层是通过在两者之间插入一层磁性耦合结构被反铁磁性耦合在一起的，从而将这对垂直铁磁性层的磁矩定向成反平行的。根据本发明，磁耦合结构包括：一层薄的非磁性间隔层，或者一层薄的非磁性间隔层和一层薄的铁磁性界面层的组合，铁磁性界面层可以存在于一对垂直铁磁性层和非磁性间隔层之间的至少一个界面上，其中，至少一层薄的铁磁性界面层的制备提供了在垂直铁磁性层之间的增强的RKKY类磁耦合，因此增强了热稳定性。
所发明的方法具有一些根据常规技术难以获得的优点，包括：尤其是，增强了反平行的定向，在直立间隔分开的硬磁对之间的RKKY类反铁磁性耦合(AFC)，由一般在制造垂直记录介质中使用的、由合金合成物组成的垂直铁磁层，因此，改良了热稳定性和SMNR；以及非常高面积记录密度的可靠、可控和廉价的形成方法，采用常规制造技术和设备(例如，溅射技术和设备)的热稳定的垂直磁记录介质。
根据本发明，薄的非磁性薄间隔层可以由非磁性材料制成，例如，Ru、Rh、Ir、Cr、Cu、Re、V以及它们的合金，并且至少一层界面层包括铁磁性材料，其具有饱和磁化数值Ms＞300emu/cc，选自Fe、Co、FeCo以及它们包含至少一种选自Cr、Pt、Ta、B、Mo、Ru、Si、Ge、Nb、Ni、Cu、Ag和W的元素的合金，其中在合金中的Co、Fe、或CoFe的浓度是恒定的或者在至少一层界面层的厚度方向上从接近非磁性间隔层的界面较高浓度向接近稳定性层或主记录层的界面较低浓度变化。
现在参考图2，图2显示了界面交换能量密度J作为Ru间隔层的厚度为函数变化的图形，其中，Ru间隔层构成根据本发明的基于超晶格垂直磁记录介质中的反铁磁性耦合(AFC)，它所具有的层结构为[Co(2.5)/Pt(9)]4/Co(10)/Ru(可变)/Co(10)/[Co(2.5)/Pt(9)]12；其中，很显然，当Ru间隔层的厚度为大约3和9之间时，可以获得在垂直磁各向异性多层超晶格的间隔分开对之间的反铁磁性耦合的最大数值。
图3显示了一层常规结构所构成的单层的M-H回线，常规单层属于基于超晶格且没有一层软磁衬底层的垂直磁记录介质，以及基于超晶格且没有一层软磁衬底层的AFC垂直磁记录介质，所具有的各自层结构为：Pt(60)/[CoCrB(2.5)/Pt(9)]12和Pt(60)/[CoCrB(2.5)/Pt(9)]4Co(2)/Ru(～5)/[CoCrB(2.5)/Pt(9)]12。在这两个例子中，每种介质都形成在一个非磁性且表面具有一层非磁性籽晶或衬底的基片上。对于AFC介质来说，主记录层是由[CoCrB(2.5)/Pt(9)]12超晶格结构构成的，稳定性层是由[CoCrB(2.5)/Pt(9)]4超晶格结构构成的。在[CoCrB(2.5)/Pt(9)]4的稳定性层和Ru间隔层之间的薄的Co层作为一层薄的界面层使用，用于增强主记录层和稳定性层通过Ru间隔层的RKKY类耦合。正如从图3中所看到的，在外部施加磁场为0时，主记录层和稳定性层的磁矩作为其间RKKY类耦合的结果主要是反铁磁性对准的。它从而减小在数据存储状态中介质的总的磁矩，并等于
(Mrt)总＝(Mrt)主层-(Mrt)稳定层，其中：Mr和t分别是层的剩余磁化和厚度。因此，通过使用AFC，就能够获得一个具有低的(Mrt)total的稳定记录介质的设计。
此外，这类AFC介质具有由在主记录层和稳定性层之间反铁磁性耦合而引起的改良稳定性。请留意图4，图4显示了在VSM测量中剩余矫顽力(Hr)作为磁场施加时间(t)为函数的变化。所画的数据使用了以下等式：
Hr(t)＝HA{1-[kBT/(KV)effln(f0t/ln2)]1/2}，
式中，HA是有效各向异性场，T是温度，kB是玻尔兹曼常数，以及f0是大约3.5×1010Hz的测量频率。通过线性拟合可以确定有效能量势垒(KV)eff，对在常规介质中的磁晶粒为78.9kBT，对在本发明AFC介质的主记录层中的磁晶粒为81.9kB。对AFC介质中的磁晶粒，有效能量势垒的显著增加，是由于在主记录层和稳定性层之间的反铁磁性耦合的原因。上述数据表明了将一对直立间隔分开的垂直各向异性的磁性层反铁磁性耦合起来影响它们各自磁矩的反平行对准，从而获得增强的热稳定性和SMNR的本发明概念的功效。
请留意图5至9，以简化和剖面图的方式局部示意说明了根据本发明几种实施例的反铁磁性耦合(AFC)的垂直磁记录介质。图5显示了根据本发明第一实施例的一个磁记录介质20，它包括一层非磁性间隔层，可用于提供一对直立间隔分开的、硬磁的、垂直铁磁性层，即，一下层的稳定性层和一上层的主记录层的RKKY类反铁磁性耦合(AFC)。更具体的说，介质20包括：一层非磁性基片2，用于支承构成介质的层叠结构，该基片2是由非磁性材料制成的，非磁性材料选自包含Al、电镀NiP的Al、Al-Mg合金、其它基于Al的合金、其它非磁性金属、其它非磁性合金、玻璃、陶瓷、聚合体、玻璃-陶瓷这一组中的材料、以及上述材料中的合成和/或层压的材料。然而，在适用于硬盘应用的磁记录介质的情况下，基片2的厚度并不是关键的，但基片2必须具有足以提供所必需刚性的厚度。
覆盖基片2的上表面且与其相接触的是一层软磁衬底层3，它由大约500至大约4,000厚的薄层组成，且由至少一种软铁磁性材料制成，其中软铁磁性材料选自Ni、NiFe(镍铁导磁合金)、Co、CoZr、CoZrCr、CoZrNb、CoTaZr、CoFe、Fe、FeN、FeSiAl、FeSiAlN、FeTaC、FeAlN、FeTaN、CoFeZr、FeCoB和FeCoC的软铁磁性材料。只是为了说明，软磁衬底层3可以包括一层大约2,000厚的FeCoB层。另外，软磁衬底层3可以包括多层软磁材料，且由至少一层薄的非磁性中间层4间隔开，该非磁性夹层4形成于覆盖且接触软磁衬底层3的上表面，以及包括一层大约10至大约300厚或至少一层非磁性材料层，该非磁性材料选自Pt、Pd、Ir、Re、Ru、Hf以及其合金，或者具有Cr、Pt、Ta和B中至少一种的基于Co六方晶系的非磁性合金。
根据本发明，图1所示的常规结构的垂直磁记录介质1的单硬磁性、垂直铁磁性记录层5可以采用三明治型的结构来取代，该结构包括籍助于一种耦合结构间隔分开的一对强反铁磁性耦合(AFC)的、硬磁、垂直铁磁性层制成。更具体的说，三明治AFC结构包括：一层第一即下层硬磁、垂直铁磁性层6，称之为一层“稳定性层”，以及，一层第二即上层硬磁、垂直铁磁性层5，称之为一层“主记录层”，这一对层采用一种耦合结构来间隔分开，该耦合结构包括至少一层薄的、非磁性间隔层7，该间隔层包括一层非磁性材料，该材料可选自能提供一个大的RKKY类反铁磁性耦合(AFC)效应的材料。
只是用于说明，而不是限制，第一即下层和第二即上层都是硬磁垂直铁磁性层且分别构成了稳定性层6和主记录层5，各自可包括一层大约3至大约300厚的铁磁性合金层，它选自CoCr和包含至少一种选自Pt、Ta、B、Mo、Ru、Si、Ge、Nb、Fe、Ni和W的元素的CoCr的铁磁性合金层，或者，稳定性层6和主记录层5可包括一层大约10至大约300厚的(CoX/Pd或Pt)n，(FeX/Pd或Pt)n或(FeCoX/Pd或Pt)n的多层磁性超晶格结构，其中，n是一个从大约1至大约25的整数，基于Co，基于Fe或基于CoFe磁性合金的各交替薄层是从大约1.5至大约10厚，X是一种选自包含Pt、Ta、B、Mo、Ru、Si、Ge、Nb、Cr和W这一组中的至少一种元素，而非磁性Pd或Pt的各交替层的厚度大约为3至大约15厚；并且该耦合结构包括至少一层薄的、非磁性间隔层7，该层在稳定性层和主记录层之间提供了大量的反铁磁性耦合，它包括一层大约2至15厚的，例如，一层大约4至大约11厚的非磁性材料层，其非磁性材料选自包含Ru、Rh、Ir、Cr、Cu、Re、V这一组及其合金。
介质20还可以包括保护覆盖层PO以及润滑顶层LT，它们可采用常规方式，例如，分别采用溅射和浸渍的方法，依次形成在第二即上层铁磁性层6的上表面，这些层是存在的，但是在图6至9的实施例中并没有示出，因为没有必要模糊本发明的关键性能。
图6至8分别说明了本发明的实施例，在这些实施例中，耦合结构基本上都包括了上述的非磁性间隔层7，该层插入在直立间隔分开的稳定性层6和主记录层5之间，并且至少一层铁磁性界面层8在非磁性间隔层7和上层、主记录层5和/或下层、稳定性层6之间的至少一个界面上，以便于进一步增强在下层和上层垂直铁磁性层6和5之间的RKKY类耦合。
更具体的说，图6说明了根据本发明一种AFC垂直磁记录介质30的一个实施例，在该实施例中，在非磁性间隔层7和上层、主记录层5之间的界面上存在着一层铁磁性界面层8U；图7说明了根据本发明一种AFC垂直磁记录介质40的一个实施例，在该实施例中，在非磁性间隔层7和下层、稳定性层6之间的界面上存在着一层铁磁性界面层8L；以及，图8说明了根据本发明一种AFC垂直磁记录介质50的一个实施例，在该实施例中，在非磁性间隔层7与上层、主记录层5以及下层、稳定性层6之间的各个界面上存在着一层铁磁性界面层8U、8L。
根据本发明，介质30、40和50的各层铁磁性界面层8、8U和8L包括大约1个单原子层至一层大约40厚度的铁磁性材料层，其具有饱和磁化数值Ms＞300emu/cc。各层铁磁性界面层8、8U、8L可以包括选自Fe、Co、FeCo以及它们包含至少一种选自Cr、Pt、Ta、B、Mo、Ru、Si、Ge、Nb、Ni、Cu、Ag、Au和W元素的合金的高磁矩元素或合金，其中在合金中的Co、Fe、或CoFe的浓度是恒定的或者在至少一层界面层8、8U和8L的厚度方向上从接近非磁性间隔层7的界面较高浓度向接近下层、稳定性层6或上层、主记录层5的界面较低浓度变化。
本发明也期望这磁记录介质的制成，该介质包括在主记录层5和非磁性间隔层7之间至少一对附加层叠对。层的各个附加层叠对包括一层具有垂直磁各向异性的磁性层和一层非磁性间隔层，使得磁性层和非磁性间隔层可以在层叠的厚度方向上相间变化。磁性层的磁性能量和在相邻的磁性层之间的耦合能量(主要是RKKY类耦合和偶极与偶极的相互作用)都是可以调整的，以便于提供处于介质数据存储状态中的相邻磁性层磁矩的反平行对准。
图9说明了一种磁介质60，它包括了2个层叠对的磁性耦合的垂直铁磁性层51与52和各个薄的非磁性间隔层71与72，以及各个下层薄的铁磁性界面层8L1、8L2以及上层薄的铁磁性界面层8U1与8U2。介质60还包括一层垂直磁各向异性稳定性层6。
包括上述磁耦合结构的各个本发明所说明的介质薄膜层的沉积和形成可以方便地采用常规物理气相沉积(PVD)技术(为了简洁本文没有进行讨论)，例如，溅射，或者采用选自溅射、真空蒸发，等等的组合PVD技术。
于是，本发明有利地提供高质量、热稳定、高面积记录密度的垂直磁记录介质，这种介质通过一层硬磁、垂直主铁磁性记录层与另一层硬磁、垂直铁磁性层，即，一层稳定性层的磁耦合获得改良的热稳定性和SMNR。此外，所发明的方法可以采用适用于诸如硬盘之类磁记录介质的自动大规模制造的常规制造技术和设备(例如，溅射技术/设备)的高性价比方式来实现。最后，本发明并不限制应用于硬盘，而是可以广泛地应用于适合器件、产品和应用等所有方式的热稳定、高面积密度的垂直磁记录介质。
在以上讨论中，阐述了许多细节，例如，具体的材料、结构、处理工艺等等，以便于对本发明提供更好的理解。然而，本发明也可以在不凭借以上所具体阐述的细节来实现。在其它实施例中，并没有讨论一些众所周知的工艺技术和结构，为了不多余地使本发明难以理解。
在本披露中只是显示和讨论了本发明的较佳实施例以及它的多功能的部分实例。应该理解的是，本发明能够使用各种其它组合和环境，并且可以在本文所表述的发明概念的范围内进行变化和/或改进。
Claims (20)
1.一种高面积记录密度、反铁磁性耦合(“AFC”)的垂直磁记录介质(20-60)，包括：
(a)一个具有一个表面的非磁性基片(2)；和，
(b)一层形成在所述基片表面上的层叠，所述层叠包括：从所述基片表面叠起的序列：
一层衬底层(3)，它包括一层软铁磁性材料或由薄的非磁性间隔层分开的多层软铁磁性材料；
至少一层非磁性夹层(4)；
一层垂直各向异性稳定性层(6)，它由一层硬磁铁磁性材料组成；
一层非磁性间隔层(7)；和，
一层垂直各向异性主记录层(5)，它由一层硬磁铁磁性材料组成；
其特征在于，所述垂直各向异性的稳定性层(6)和所述垂直各向异性的主记录层(5)是通过所述非磁性间隔层(4)的反铁磁性耦合(AFC)的，以将其磁矩定向成反平行，从而提供所述具有增强的SMNR和热稳定性的介质。
2.如权利要求1所述垂直磁记录介质，其特征在于，
所述非磁性间隔层(7)被选择为从大约2至大约15厚，使在稳定性层(6)和主记录层(5)之间的反铁磁性耦合为最大，并且所包含的材料选自包含Ru、Rh、Ir、Cr、Cu、Re、V这一组及它们的合金；所述层叠(b)还选择性地包括：
至少一层铁磁性界面层在所述非磁性间隔层(7)和所述主记录层(5)以及所述稳定性层(6)之间的至少一个界面上。
3.如权利要求2所述垂直磁记录介质，其特征在于，
所述至少一层铁磁性界面层(8)存在于所述非磁性间隔层(7)和所述主记录层(5)之间的界面上。
4.如权利要求2所述垂直磁记录介质，其特征在于，
所述至少一层铁磁性界面层(8)存在于所述非磁性间隔层(7)和所述稳定性层(6)之间的界面上。
5.如权利要求2所述垂直磁记录介质，其特征在于，
所述至少一层铁磁性界面层(8)存在于所述非磁性间隔层(7)和所述主记录层(5)以及所述稳定性层(6)各层之间的界面上。
6.如权利要求2所述垂直磁记录介质，其特征在于，
所述至少一层铁磁性界面层(8)包括一层大约1个单原子层至一层大约40厚度的铁磁性材料层，其具有饱和磁化数值Ms＞300emu/cc。
7.如权利要求6所述垂直磁记录介质，其特征在于，
所述至少一层铁磁性界面层(8)包括一层选自Fe、Co、FeCo及它们的其包含至少一种选自Cr、Pt、Ta、B、Mo、Ru、Si、Ge、Nb、Ni、Cu、Ag、Au和W元素的合金的高磁矩元素或合金层，其中，在合金中Co、Fe、或CoFe的浓度是恒定的或者在至少一层界面层(8)的厚度方向上从接近非磁性间隔层(7)的界面较高浓度向接近稳定性层(6)或主记录层(5)的界面较低浓度变化。
8.如权利要求1所述垂直磁记录介质，其特征在于，
所述层叠还包括至少一对附加层叠对层，该对附加层叠对层在所述主记录层(5)和所述非磁性间隔层(7)之间，它包括一层具有垂直磁各向异性的磁性层(5)和一层非磁性间隔层(7)，使得所述层叠包括交替的所述磁性层(5)和非磁性间隔层(7)，以及可以选择所述磁性层的磁性能量和在相邻的所述磁性层之间的耦合能量，以提供处于所述介质数据存储状态中的相邻磁性层磁矩的反平行对准。
9.如权利要求8所述垂直磁记录介质，其特征在于，
至少一层铁磁性界面层(8)在所述非磁性间隔层(7)和所述主记录层(5)与所述稳定性层(6)之间的至少一个界面上。
10.如权利要求1所述垂直磁记录介质，其特征在于，
所述稳定性层(6)和所述主记录层(5)各自包括一层大约3至大约300厚的铁磁性合金层，它选自CoCr和包含至少一种选自Pt、Ta、B、Mo、Ru、Si、Ge、Nb、Fe、Ni和W的元素的CoCr。
11.如权利要求1所述垂直磁记录介质，其特征在于，
所述稳定性层(6)和所述主记录层(5)各自包括一层大约10至大约300厚的(CoX/Pd或Pt)n，(FeX/Pd或Pt)n或(FeCoX/Pd或Pt)n的多层磁性超晶格结构，其中，n是一个从大约1至大约25的整数，基于Co，基于Fe或基于CoFe磁性合金的各交替的薄层是从大约1.5至大约10厚，X是一种选自包含Pt、Ta、B、Mo、Ru、Si、Ge、Nb、Cr和W这一组中的至少一种元素，非磁性层Pd或Pt的各交替层厚度大约为3至大约15厚。
12.如权利要求1所述垂直磁记录介质，其特征在于，
所述非磁性基片(2)包括一种选自包含Al、电镀NiP的Al、Al-Mg合金、其它基于Al的合金、其它非磁性金属、其它非磁性合金、玻璃、陶瓷、聚合体、玻璃-陶瓷这一组中的材料、以及上述合成和/或层压的材料；
所述衬底层(3)包括一层大约500至大约4,000厚的，由至少一种选自Ni、NiFe(镍铁导磁合金)、Co、CoZr、CoZrCr、CoZrNb、CoTaZr、CoFe、Fe、FeN、FeSiAl、FeSiAlN、FeTaC、FeAlN、FeTaN、CoFeZr、FeCoB和FeCoC的软铁磁性材料组成；和，
所述至少一层夹层(4)包括至少一种选自Pt、Pd、Ir、Re、Ru、Hf以及其合金的非磁性材料，或者具有Cr、Pt、Ta和B中至少一种的基于Co的六方晶系非磁性合金的大约10至大约300厚的层或诸层。
13.如权利要求1所述垂直磁记录介质，其特征在于，还包括：
(c)在所述主记录层(5)上形成一层保护覆盖层(PO)；和，
(d)在所述保护覆盖层(PO)上形成一层润滑顶层(LT)。
14.一种制作一个高面积记录密度、反铁磁性耦合(“AFC”)垂直磁记录介质的方法，该方法包括步骤：
(a)提供一个具有一个表面的非磁性基片(2)；和
(b)在所述基片(2)表面上形成一个层叠，所述层叠包括以下用于从所述基片(2)表面上形成一个向上覆层序列的系列步骤：
(b1)形成一个衬底层(3)，它是由一层软铁磁性材料或采用薄的非磁性间隔层分开的多层软磁性材料制成；
(b2)形成至少一层非磁性夹层(4)；
(b3)形成一层垂直各向异性的稳定性层(6)，它是由一层硬铁磁性材料制成的；
(b4)形成一层非磁性间隔层(7)；和，
(b5)形成一层垂直各向异性的主记录层(5)，它是由一层硬铁磁性材料制成的；
其中，所述垂直各向异性的稳定性层(6)和所述垂直各向异性的主记录层(5)是通过所述非磁性间隔层(7)反铁磁性耦合(AFC)的，使得其中的磁力矩定位成反平行的，从而提供具有增强的SMNR和热稳定性的所述介质。
15.如权利要求14所述方法，其特征在于，
步骤(b4)包括：形成一层非磁性层，从大约2至15的厚度，以在稳定性层(6)和主记录层(5)之间选择最大的反铁磁性耦合，其材料包括选自包含Ru、Rh、Ir、Cr、Cu、Re、V这一组及其合金的材料：且所述方法还选择性地包括步骤：
(b6)在所述非磁性间隔层(7)与所述主记录层(5)和所述稳定性层(6)之间至少一层界面上形成至少一层铁磁性界面层(8)，其中步骤(b6)还包括以下可供选择的步骤之一：
(i)在所述非磁性间隔层(7)和所述主记录层(5)之间界面上形成至少一层所述铁磁性界面层(8)；
(ii)在所述非磁性间隔层(7)和所述稳定性层(6)之间界面上形成至少一层所述铁磁性界面层(8)；和，
(iii)在所述非磁性间隔层(7)与所述主记录层(5)和所述稳定性层(6)的各层之间界面上形成至少一层所述铁磁性界面层(8)。
16.如权利要求15所述方法，其特征在于，步骤(b6)包括：形成一层大约1个单原子层至大约40厚度的铁磁性材料层，其具有饱和磁化数值Ms＞300emu/cc，它包括选自Fe、Co、FeCo以及它们包含至少一种选自Cr、Pt、Ta、B、Mo、Ru、Si、Ge、Nb、Ni、Cu、Ag、Au和W元素的合金的高磁矩元素或合金，其中在合金中的Co、Fe、或CoFe的浓度是恒定的或者在至少一层界面层(18)的厚度方向上从接近所述非磁性间隔层(7)的界面较高浓度向接近所述稳定性层(6)或所述主记录层(5)的界面较低浓度变化。
17.如权利要求14所述方法，其特征在于，步骤(b)还包括以下序列步骤：
(b6)形成一层非磁性间隔层(7)，它与在步骤(b5)中所形成的主记录层(5)面上相接触；
(b7)形成一层垂直各向异性主记录层(5)，它与在步骤(b6)中所形成的非磁性间隔层(7)面上相接触；
其中，后面是步骤(b7)的上述执行步骤(b6)序列可以一次或多次执行，并且步骤(b)还可包括另一步骤(b8)，在所述非磁性间隔层(7)与所述主记录层(5)和所述稳定性层(6)之间的至少一个界面上形成至少一层铁磁性界面层(8)。
18.如权利要求14所述方法，其特征在于，步骤(b3)和步骤(b5)用于形成所述稳定性层(6)和所述主记录层(5)，且各层包括形成一层垂直各向异性、硬铁磁性层，其材料选自下列可供选择的材料：
(i)一层大约3至大约300厚、选自CoCr和包含至少一种选自Pt、Ta、B、Mo、Ru、Si、Ge、Nb、Fe、Ni和W的元素的CoCr的铁磁性合金层；和，
(ii)一层大约10至大约300厚的(CoX/Pd或Pt)n，(FeX/Pd或Pt)n或(FeCoX/Pd或Pt)n的多层磁性超晶格结构，其中，n是一个从大约1至大约25的整数，基于Co，基于Fe或基于CoFe磁性合金的各交替薄层是从大约1.5至大约10厚，X是一种选自包含Pt、Ta、B、Mo、Ru、Si、Ge、Nb、Ni、Cr和W这一组中的至少一种元素，非磁性层Pd或Pt的各交替薄层厚度大约为3至大约15厚。
19.如权利要求14所述方法，其特征在于，步骤(a)包括提供一个非磁性基片(2)，所述基片(2)包括一种选自包含Al、电镀NiP的Al、Al-Mg合金、其它基于Al的合金、其它非磁性金属、其它非磁性合金、玻璃、陶瓷、聚合体、玻璃-陶瓷这一组中的材料、以及上述合成和/或层压的材料；
步骤(b1)包括形成一层大约500至大约4,000厚的衬底层(3)，所述衬底层由至少一种选自Ni、NiFe(镍铁导磁合金)、Co、CoZr、CoZrCr、CoZrNb、CoTaZr、CoFe、Fe、FeN、FeSiAl、FeSiAlN、FeTaC、FeAlN、FeTaN、CoFeZr、FeCoB和FeCoC的软铁磁性材料组成；
步骤(b2)包括形成至少一层夹层(4)，所述夹层包括至少一种选自Pt、Pd、Ir、Re、Ru、Hf以及其合金的非磁性材料，或者具有Cr、Pt、Ta和B中至少一种的基于Co的六方晶系非磁性合金的大约10至大约300厚的层或诸层；以及所述方法还包括步骤：
(c)在所述主记录层(5)上形成一层保护覆盖层(PO)；和，
(d)在所述保护覆盖层(PO)上形成一层润滑顶层(LT)。
20.一种高面积记录密度、反铁磁性耦合(“AFC”)垂直磁记录介质，该介质包括：
(a)一对直立间隔分开、垂直磁各向异性且各自由硬铁磁性材料制成的层(5，6)；和，
(b)适用于反铁磁性耦合所述这对垂直间隔分开的层，以将其磁矩定向成反平行，从而提供具有增强的SMNR和热稳定性的介质的部件。
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