CN1725303A - 用于倾斜记录的磁记录介质 - Google Patents
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Abstract
一种根据本发明的记录介质，具有磁记录层和软衬层(SUL)，该磁记录层具有以(111)择优取向沉积的L10磁性材料。一组实施例包括L10介质与SUL之间的中间层(籽晶层或衬层)。中间层可以是密堆表面结构(三角晶格)从而促进L10介质的(111)取向。例如，中间层可以为(111)取向的、面心立方(fcc)材料，诸如铂、钯、铱、铑、FePt、FePd或FePdPt合金；或者中间层可为(100)取向的六方密堆(hcp)材料，诸如钌、铼或锇。或者，中间层可以是非晶材料。本发明的L10记录层可以沉积有基质材料，从而形成晶粒边界并提供L10材料的晶粒的磁隔离。
Description
技术领域
本发明涉及用于磁记录的磁存储装置和磁记录介质，且更加特别地涉及易磁化轴的择优取向倾斜离开介质的表面平面的薄膜磁介质。
背景技术
使用垂直记录的典型的现有技术磁盘驱动器系统10在图1中示出。工作中，磁换能器(磁头)14在其在旋转磁盘16上方飞行时由悬架(未示出)支撑。通常称作“磁头”或“滑块”的磁换能器14由执行读取和写入磁转变任务的元件构成。在使用垂直记录的磁盘驱动器中，记录磁头被设计为引导磁通在垂直于磁盘平面的方向上穿过记录层。通常，用于垂直记录的磁盘16具有包括硬磁记录层28和软磁衬层29的薄膜21。在使用单极型磁头的记录操作期间，磁通受引导从记录磁头的主磁极垂直经过硬磁记录层，随后进入软衬层平面，并回到记录磁头中的返回磁极。主磁极及任何屏蔽件的形状和尺寸是确定轨道宽度的主要因素。磁头14的写入磁头部分(未示出)使用磁极片42。
授予Litvinov等人的美国专利6531202号是用于垂直或竖直记录的磁记录介质的示例。该介质包括沉积在基板上的软磁衬层。所介绍的适合的软磁材料包括CoFe及其合金、FeAlN、NiFe、CoZrNb和FeTaN，CoFe和FeAlN为优选的软材料。硬磁记录层沉积在软衬层上。所介绍的适合用于记录层的硬磁材料包括Co/Pd或Co/Pt的多重层、L10相的CoPt、FePt、CoPd和FePd、以及hcp Co合金，这样的多重层和L10相为优选的硬材料。
在授予Ga-Lane Chen的美国专利6524730号中，一种用于竖直记录的软磁衬层被称作“保持层(keeper layer)”。该软衬层被认为通过将磁通从磁记录介质的磁头的写入磁极向下吸引而给出更好的写入效率。所给出的软磁材料的示例为NiFe、CoZrNb、FeAlNx。
体四方晶系L10有序相材料(亦即所谓CuAu(I)材料)-诸如Copt和FePt-因其高磁晶各向异性和磁矩而为人熟知，而这些性质也正是高密度磁记录介质所期望的。就两者同为易磁化轴而言，L10相的C轴与hcp CoPt合金的C轴类似。因此，虽然Co和Pt的无序面心立方(fcc)固溶体具有立方对称性和低的磁各向异性，但有序L10相具有与hcp CoPt合金类似但大小更大的单轴各向异性。授予Thiele等人的美国专利6007623号介绍了一种生产水平磁记录介质的方法，该记录介质具有作为其磁性膜的颗粒结构膜(granularfilm)，该颗粒结构膜具有呈四方晶系L10结构的化学有序的FePt或FePtX(或CoPt或CoPtX)合金的晶粒。这些颗粒结构膜在单个晶粒内表现出非常高的磁晶各向异性。该膜通过从单个合金靶的溅镀或从几个靶的共溅镀制备。颗粒结构和化学有序借助于例如温度和沉积速度的溅镀参数，并通过使用为后续溅镀沉积颗粒磁性膜提供结构的蚀刻的籽晶层来控制。籽晶层的结构通过溅射蚀刻、等离子体蚀刻、离子辐照、或激光照射来获得。磁性质-即Hc和面磁矩密度Mrt-通过粒度(晶粒尺寸和晶粒分布)、化学有序化程度、以及一种或更多种诸如Cr、Ag、Cu、Ta或B的非磁性材料的添加来控制。这些非磁性材料部分结合到晶粒中，但主要积累于晶粒的边界。于是，非磁性材料的作用是“弱化”磁化和使晶粒间的磁交换退耦。
已经介绍了对CoPtCr使用SiO2来促进晶粒边界的形成而不干扰垂直磁记录介质中的外延。(T.Oikawa等人，“Microstructure and Magnetic RecordingProperties of CoPtCr-SiO2 Perpendicular Recording Media”，IEEE Transactionson Magnetics，vol.38，no.5，2002年9月，pp.1976-1978。)
倾斜磁记录是用于扩大硬盘驱动器(HDD)面密度超过1Tb/in2和扩大数据速率超过1Gb/s的领导性备选技术之一。所需的是一种可制造的方法，以制造具有离开磁盘表面的平面约45度的各向异性方向的高SNR介质。用于垂直记录的磁头结构和基本介质制造方法可以用于倾斜介质。倾斜记录装置可望花费与目前可用技术大致相同的成本。倾斜记录具有多个超出垂直记录的优点。第一，介质的各向异性场和磁化都能够近似加倍(达到约Hk 30kOe，Ms＝800emu/cc)，因为对于给定的最大磁头场晶粒更易于反转。能量密度的四倍的增加意味着晶粒体积的四倍减小，而无热稳定性问题。第二，对于倾斜记录而言，由各向异性角的分布导致的翻转场变化小了达10倍。这导致了更明显的位转变和更高的位密度。第三，轨道之间的防护带对于倾斜记录变得更小，因为轨道边缘处翻转场和能垒因更大的写入场角度而增大。第四，倾斜记录能够具有比垂直记录更高的数据速率，因为反转力矩(reversal torque)高得多。已经报道了比垂直记录短达10倍的翻转时间。
Gao和Bertram已提出了结合单极磁头使用具有磁性层的软衬层，其具有自磁盘平面倾斜的45度的各向异性。各向异性的取向可以跨轨道、向轨道下或随机分布。在其理论性文章中，Gao和Bertram未给出用于制造其分析的假想介质的材料和技术。(Kai-Zhong Gao和H.Neal Bertram，“MagneticRecording Configuration for Densities Beyond 1 Tb/in2 and Data Rates Beyond 1Gb/s”，IEEE Transactions on Magnetics，vol.38，no.6，2002年11月，pp.3675-3683。)
Jae-Yoon Jeong等人已经讨论了使用MgO(111)衬层来改善L10 FePt(111)膜的结晶学取向。FePt在300℃下沉积，然后在400至500℃下退火1小时。(Jae-Yoon Jeong等人，“Controlling the Crystallographic Orientation inUltrathin L10 FePt(111)Films on MgO(111)Underlayer”，IEEE Transactions onMagnetics，vol.37，no.4，2001年7月，pp.1268-1270。)
发明内容
一种根据本发明的记录介质，具有磁记录层和软衬层(SUL)，该磁记录层具有以(111)择优取向沉积的L10磁性材料记录层。一组实施例包括Ll0介质与SUL之间的中间层(籽晶层或衬层)。中间层可以是密堆表面结构(三角晶格(triangular lattice))从而促进L10介质的(111)取向。例如，中间层可以是(111)取向的、面心立方(fcc)材料，诸如铂、钯、铱、铑、FePt、FePd或FePdPt合金；或者中间层可为(100)取向的六方密堆(hcp)材料，诸如钌、铼或锇。或者，中间层可以是非晶材料。
本发明的L10记录层可以沉积有基质材料，诸如SiOx、碳(C)、硼(B)、氮化硼(BN)、碳化硼(BC)、CN、SiN、SiC、钇稳定的氧化锆(YSZ)、AlOx、或MgOx，从而形成晶粒边界并提供L10材料的晶粒的磁性隔离。形成晶粒边界的基质材料优选约1nm厚。或者，Cr、Ag、Au、Cu、Ta或B可以与L10记录层沉积。如上所述，这些非磁性材料部分结合在晶粒中，但主要积累在晶粒边界。于是，非磁性材料的作用在于“弱化”磁化，并使晶粒之间的磁交换退耦。
可选地，本发明的介质可以包括机械地织构化(刮擦)的基板，从而促进介质磁化矢量的面内分量在轨道内或跨轨道方向上取向。沉积L10材料的优选方法使用200℃与600℃之间的高温。可以使用高温玻璃陶瓷基板。
在一实施例中，本发明的介质还包括圆周织构化或径向织构化的基板。
L10记录层的一实施例包括四方晶系AB材料，其具有近似等原子数量的A和B，且
A＝((Co和/或Fe)以及可选的Ni、Mn、Cu)以及
B＝(Pt和/或Pd)，易磁化轴偏离薄膜平面36度。
附图说明
图1为使用垂直记录的现有技术磁盘驱动器的选定部件的示意图；
图2为根据本发明一实施例的薄膜磁盘的垂直于薄膜平面截取的截面图，其包括倾斜记录层和SUL；
图3为根据本发明一实施例的薄膜磁盘的垂直于薄膜平面截取的截面图，其包括倾斜记录层、中间层和SUL；
图4为根据本发明一实施例的薄膜磁盘的垂直于薄膜平面截取的截面图，其包括具有基质材料(matrix material)的倾斜记录层、中间层和SUL；以及
图5为根据本发明一实施例的倾斜记录层的垂直于薄膜平面截取的截面图，其用于说明记录层中磁畴的磁化。
具体实施方式
产生垂直写入场的写入磁头可以用于根据本发明的介质。软衬层(SUL)用于倾斜记录层，从而与施加垂直场的磁极头(pole head)一起以与垂直记录类似的方式辅助写入过程。适用于倾斜记录层的材料包括Copt或FePt，其中Mn、Ni或Cu可以部分替代Co或Fe，和/或Pd可部分或全部替代Pt。在一组实施例中，记录层具有偏离平面36度的倾斜角，其具有2D随机面内矢量(in-plane vector)。
诸如FePt和CoPt的材料是用于倾斜记录的理想备选材料，因为其非常高的各向异性、高磁化、以及具有在(100)方向的c轴的fct结构。fct结构为在(100)方向被略微压缩(通常约3％)的fcc结构。这意味着(111)织构的L10膜以约arcsin[(1/3)1/2]＝35度的固定离面角(out-of-plane angle)倾斜(通过沿(100)方向的fct压缩，这增加至约36度)。在L10介质在非常高的温度下沉积(或之后在非常高的温度下退火)且足够厚时，其在非晶基板上通常以(111)织构取向。近来还显示出，(100)织构可以在恰当的条件下在非晶基板上实现或在使用基质材料隔离晶粒时实现(用于垂直记录)。然而，期望能够在较低的温度下可靠地生长具有(111)织构且具有基质材料的L10介质。可靠的(111)织构L10介质可以通过籽晶层上的外延生长来最好地获得。近来，为了纵向记录，已经使用具有(111)织构的氧化物籽晶层(MgO)利用特定的反应溅镀工艺实现了(111)织构的L10 FePt介质。理想地，使用易沉积金属籽晶层将是优选的，如对(100)取向的L10膜以及现有技术垂直介质所进行的那样。以前，已经公开了将具有(111)织构的Pt或Pd籽晶层用于纵向记录L10介质的生长。优选地，晶粒应利用基质材料如SiOx隔开。
本发明的第一实施例在图2中示出，其示出了根据本发明一实施例的磁盘16上的薄膜21的截面。记录层34包括沉积在软衬层(SUL)32之上的(111)取向的、颗粒结构的L10磁性材料41，用于利用垂直写入场的倾斜记录。记录层34的磁性能被选择以提供一易翻转轴(各向异性)，该易翻转轴倾斜离开磁盘表面上的薄膜的平面。该磁性材料的易磁化轴近似离开该薄膜平面36度。附图中膜的厚度并未按照比例。除此处所示的以外，实际厚度可以根据现有技术确定。优选地，L10记录层厚度小于20nm，且L10介质底部与SUL顶部之间的距离小于20nm。薄膜平面内的平均晶粒尺寸在2nm与8nm之间。L10磁性材料41的沉积优选在200与600℃之间的高温下进行。用于磁盘的高温玻璃陶瓷基板(未示出)也是优选的。
颗粒结构的(111)取向的L10可以是具有近似等原子数量的A和B的四方晶系AB材料，其中：
A＝((Co和/或Fe)和可选的Ni、Mn、Cu)；以及
B＝(Pt和/或Pd)。
可以选择性地包括诸如Ni、Mn和Cu的元素从而降低矫顽力。
如现有技术中公知的那样，按照化学有序的方式，Co和Fe原子排列在一原子面内，且与Pt的原子面交替(使得Co和Fe原子构成薄膜的约50％，而Pt构成另50％)。这些面垂直于(100)方向。如现有技术中公知的那样，Pt可以部分或全部以Pd取代，从而调整磁性质。Co或Fe(或CoFe)可以部分以Mn、Ni或Cu取代，从而调整磁性质。例如，倾斜层可以包括在高温下沉积的fct Fe50Pd25Pt25材料，从而促进化学有序相的生长。
软衬层(SUL)32由软磁材料制成。已知多种软磁材料，且其可以作为衬层。一个示例为NiFe(坡莫合金)，其广泛用于磁记录头。可以使用传统的覆盖层35。可选地，可以使用圆周抛光或机械织构化(刮擦)基板来促进介质磁化矢量的面内分量在轨道内或跨轨道方向上取向。可以使用其它已知的用于引入各向异性应力的方法，例如倾斜沉积(deposition at an angle)。
本发明的第二实施例在图3中示出，其示出了具有设置在记录层34与SUL32之间的中间层33的磁盘16上的薄膜21的截面。中间层材料被选择为具有与L10膜匹配的相近晶格。在一个实施例中，本发明包括具有(111)织构的晶格匹配的fcc金属层作为用于外延L10倾斜介质的中间层。例如，CoPt具有3.80埃的a轴晶格常数和3.68埃的c轴晶格常数，而FePt具有a＝3.85埃且c＝3.71埃。被良好地晶格匹配的fcc金属包括铂(a＝c＝3.92埃)、钯(a＝c＝3.89埃)、铱(a＝c＝3.84埃)、以及铑(a＝c＝3.80埃)。或者，具有(100)织构的hcp金属具有三角密堆表面结构(close-packed surface structure)，并且也可以用于建立用于(111)取向的L10倾斜介质的外延。例如，钌、铼和锇分别具有3.82、3.90和3.87埃的用于上覆层(overlayer)生长的“有效”晶格常数。中间层33优选为以下之一：
a)(111)取向的fcc材料，诸如铂、钯、铱、铑、FePt、FePd和FePdPt合金等；或者
b)(100)取向的hcp材料，诸如钌、铼或锇等；或者
c)非晶中间层，诸如SiOx。
将(111)取向的fcc材料-例如FePt、FePd和FePdPt合金等-用于中间层33可选地允许相同的合金用于记录层34和中间层33两者。中间层将为fcc结构，而记录层将为fct结构。在记录层34和中间层33中使用匹配材料提供了可选的优点：降低层间的任何混合的影响。fcc中间层可以在室温沉积。作为示例，用于记录层的fct Fe50Pd25Pt25材料可以生长在fcc Fe50Pd25Pt25中间层的上面。在晶格间距上所述两层将非常接近地匹配。fcc Fe50Pd25Pt25中间层可以在足够低的温度下沉积，从而防止形成fct结构。fct记录层于高温下对磁盘沉积。在足够高的温度下，fcc结构可以转化为fct，但生长用于磁性材料的fct结构所需的温度不必高到足以转化中间层的已存在的fcc结构。另外，若层的成分类似，则可预期层间的任何原子互扩散对记录层的磁性能几乎不产生影响。成分与fct记录层类似的fcc材料通常具有软磁性能，且可以作为SUL的延伸。这降低了写入磁头与SUL之间的有效距离，增大了写入分辨率。
可以有多于一个的中间层。fcc和hcp层通常为多晶。优选地，晶粒尺寸近似相等。另外，倾斜记录层的晶粒可以按照一对一的形式外延生长在中间层中的晶粒上，或者可以不这样生长。
诸如SiOx的非晶中间层33也可用于消除SUL的外延影响。非晶材料将用作SUL与倾斜记录层之间的交换中断层，而不用作外延籽晶层。由于倾斜材料可以直接在玻璃上生长，所以非晶中间层33的使用可以复制此生长条件。
可选地，织构化基板的使用可以按各向异性的方式挤压中间层，并促进面内分量的取向。大多数关于倾斜记录的报道假定介质在固定的跨轨道方向上倾斜。这样做主要是为了简化，以与垂直记录相比较。然而，已经报道，若轴倾斜可以在仅仅两个方向-即从OD至ID和从ID至OD-之间随机改变，则记录性能的某些方面可以进一步改善。对于面内倾斜方向为2D随机的情形也有了理论研究。在所有情况下，预知SNR比垂直记录的高得多，对于单晶倾斜介质有10dB改善，对于2D随机倾斜介质有7.5dB改善(假定两种情况下离面角变化5度)。看来这与对纵向记录的计算是大致一致的，所述计算将2D随机取向与理想取向相比，且显示出约3dB的差异。可以预期，由面内取向变化导致的DC噪声将比转变噪声小，且倾斜介质的大多数优点可以在2D随机情况下实现。然而，显然对于将面内方向定向有一些好处，且文献中对于跨轨道方向有偏好。可选地，使用织构化基板可以按照各向异性的方式挤压中间层，并促进上覆层中面内分量的定向。例如，机械地织构化的基板通常在沟槽方向比靠着沟槽更加促进挤压，因为在跨沟槽方向上有更大的表面积和“空间”。挤压各向异性通常为约0.5％。在具有约2％的投影到(111)面内的挤压的L10倾斜记录层中，被挤压的中间层可以促进最接近于沟槽方向的(100)倾斜方向的生长。若中间层内的hcp和fcc空位都用于上覆层生长，则对于倾斜角将有六个可能的方向，且最近的倾斜方向将离优选方向至多30度。依据晶格匹配，挤压各向异性将还可以促进在跨沟槽方向上的倾斜。由于期望沟槽方向平行于轨道方向，且跨轨道倾斜取向可以具有比轨道内倾斜取向更高的SNR，所以这可以是优选的。
本发明的第三实施例在图4中示出，其显示了具有记录层34M、中间层33、以及SUL32的磁盘16上的薄膜21的截面。记录层34M包括形成晶粒边界的基质材料42。记录层34M通过晶粒边界材料与倾斜磁性材料41的共沉积来形成。所述材料将在沉积过程期间自分离，且结果是L10材料的晶粒通过基质材料磁隔离。例如，Si和O可以被共沉积，从而在L10晶粒之间形成非晶SiOx基质材料。该基质材料用于减小晶粒间耦合。优选地，晶粒边界材料近似1nm厚。例如Cr、Ag、Au、Cu、Ta或B的其它掺杂剂可以添加至记录层，它们倾向于将其自身排列在晶粒边界并降低晶粒间耦合。其它也可以被共沉积从而在晶粒之间形成非晶材料的材料包括碳(C)、硼(B)、氮化硼(BN)、碳化硼(BC)、CN、SiN、SiC、钇稳定的氧化锆(YSZ)、AlOx或MgOx。
图5将用于说明写入过程期间的磁转变。图5示意性示出了倾斜介质磁盘的记录层34M的经过写入轨道中心的横截面。箭头表示倾斜记录层中晶粒的磁化方向。尽管这些方向离薄膜平面约36度(由于基板的粗糙和其它非理想原因，离面角可以变化几度)，但是对于面内方向存在多种可能性。在最一般的情况下，自一个晶粒到另一个晶粒，磁化的面内分量将是随机的。或者，若薄膜可以按照促进轨道内轴向上的晶粒生长的方式被织构化，则向上取向的晶粒将趋于在轨道下方方向或轨道上方方向上倾斜(这是图5所示的情况)。这是现有技术中通常所说的双晶倾斜介质。双晶也可以在跨轨道方向上取向。若倾斜介质可以被生长来促进单一方向上的c轴生长，则介质即为通常所说的单晶倾斜介质。图5中，加号表示正磁荷，负号表示负磁荷。例如，写入磁头可以在一磁畴内使介质在向上的方向上取向，使得正磁荷在晶粒顶部，而在另一磁畴内使介质在向下的方向上取向，使得负磁荷在晶粒的顶部。在这些磁畴之间，是通过磁头的读取元件感应并代表所存储的数字信息的转变。对于单晶倾斜介质，磁畴内的晶粒将在晶粒侧壁上具有正磁荷，其紧接相邻晶粒的侧壁上的负磁荷排列。因为正负磁荷非常接近，所以其将倾向于抵销且几乎不建立净磁场。然而，对于双晶和2D随机倾斜介质，侧壁磁荷通常不会消除，且在读取磁头中将有产生DC噪声的由侧壁磁荷导致的随机磁场图谱。然而，即使是此额外的噪声源，也预期倾斜介质提供明显优于垂直介质的优点。
根据本发明的薄膜磁盘可以使用标准的薄膜制造技术制造。本发明已参照具体的实施例介绍，但对于根据本发明的材料、方法和结构的其它使用和应用对于本领域技术人员是显而易见的。
Claims (22)
1.一种倾斜磁记录介质，包括：
软磁衬层；以及
在该软磁衬层上方的具有(111)取向的L10磁性材料。
2.如权利要求1所述的倾斜磁记录介质，还包括：
该L10磁性材料与该软磁衬层之间的中间层。
3.如权利要求2所述的倾斜磁记录介质，其中该中间层具有密堆表面结构(三角晶格)。
4.如权利要求2所述的倾斜磁记录介质，其中该中间层具有(111)取向的fcc结构。
5.如权利要求4所述的倾斜磁记录介质，其中该中间层主要由铂、钯、铱或铑构成。
6.如权利要求4所述的倾斜磁记录介质，其中该中间层为主要由Fe、Co、Pd和Pt构成的fcc合金。
7.如权利要求2所述的倾斜磁记录介质，其中该中间层为(100)取向的hcp材料。
8.如权利要求7所述的倾斜磁记录介质，其中该中间层主要由钌、铼或锇构成。
9.如权利要求1所述的倾斜磁记录介质，还包括晶粒边界材料，其隔离该L10磁性材料的晶粒。
10.如权利要求9所述的倾斜磁记录介质，其中该晶粒边界材料包括SiOx、碳(C)、硼(B)、氮化硼(BN)、碳化硼(BC)、CN、SiN、SiC、钇稳定的氧化锆(YSZ)、AlOx、MgOx、Cr、Ag、Au、Cu、Ta。
11.如权利要求1所述的倾斜磁记录介质，还包括圆周织构化的基板。
12.如权利要求1所述的倾斜磁记录介质，还包括径向织构化的基板。
13.如权利要求1所述的倾斜磁记录介质，其中该L10磁性材料是具有近似等原子数量的A和B的四方晶系AB材料，其中A＝(Co、Fe或CoFe)且B＝(Pt、Pd或PtPd)。
14.如权利要求1所述的倾斜磁记录介质，其中该L10磁1性材料是具有近似等原子数量的A和B的四方晶系AB材料，其中A＝((Co、Fe或CoFe)与(Ni、Mn或Cu))且B＝(Pt、Pd或PtPd)。
15.如权利要求2所述的倾斜磁记录介质，其中该L10磁性材料具有与该中间层的材料成分近似相等的材料成分。
16.如权利要求2所述的倾斜磁记录介质，其中该中间层为软磁的。
17.如权利要求2所述的倾斜磁记录介质，其中该中间层为非晶材料。
18.一种制造倾斜磁介质的方法，包括步骤：
沉积软磁衬层；以及
在该软磁衬层之上沉积具有(111)取向的L10磁性材料。
19.如权利要求18所述的方法，其中沉积L10磁性材料的步骤使用200℃与600℃之间的高温。
20.一种磁存储装置，包括：
倾斜磁记录介质，包括软磁衬层和在该软磁衬层上方的具有(111)取向的L10磁性材料；以及
用于在该磁记录介质中记录磁转变的写入磁头。
21.如权利要求20所述的磁存储装置，其中该磁记录介质还包括该L10磁性材料与该软磁衬层之间的中间层。
22.如权利要求21所述的磁存储装置，其中该中间层具有密堆表面结构(三角晶格)或(111)取向的fcc结构。
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