CN1913000A - 用于磁性器件的磁性膜、用于硬盘驱动器的磁头和固态器件 - Google Patents

用于磁性器件的磁性膜、用于硬盘驱动器的磁头和固态器件 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种具有大于或等于2.46特斯拉的高饱和磁化强度的磁性材料。通过在记录头中使用这种磁性材料，可以在记录介质上以更高的密度来记录信息。该磁性材料还可以应用于各种固态器件。一种用于磁性器件的磁性膜由交替层叠铁磁性膜和钯膜或者含钯合金膜的多层膜构成。层叠的钯膜或者含钯合金膜的主要晶体结构是体心立方结构，而且所述多层膜通过干法工艺来形成。

Description

用于磁性器件的磁性膜、用于硬盘驱动器的磁头和固态器件
技术领域
本发明涉及具有高饱和磁化强度的用于磁性器件的磁性膜，并且涉及使用该磁性膜的用于磁盘驱动器的磁头和固态器件。
背景技术
为了提高磁盘驱动器的记录密度，必须增强由磁头产生的磁场。当今使用的大多数磁头的构成是，由铁磁体作为磁极(磁芯)，电流流过卷绕成包围该磁极的线圈而产生感应磁场，将感应磁场聚集在磁极内部，从而在一个方向上辐射强写入磁场。
当能通过线圈产生的感应磁场的强度为常量时，增强写入磁场的唯一方式就是制造一种磁头结构，这种磁头结构使磁极的饱和磁化强度提高，和/或有效地聚集感应磁场。
作为例子，有人提出以下材料作为适合上述目的的高饱和磁化强度的材料：镍铁合金(坡莫合金)、铁铝硅合金(山达斯特合金)、例如Fe-Co-Si-B等非晶合金、钴镍铁合金和钴铁合金。
当用于磁盘驱动器的记录头最初被商品化时，采用Ni-Zn铁氧体作为磁性材料。那时，只有磁带能用作磁记录介质，并且使用Ni-Zn铁氧体，因为Ni-Zn铁氧体的优点是例如其抗磨损性和耐腐蚀性优良，并具有防止发生涡流的高电阻。但是，作为磁性材料，Ni-Zn铁氧体的缺陷是，其饱和磁化强度低，仅为0.4T(下文中“T”表示特斯拉)。
另一方面，尽管那时通过机器加工来制造磁极，但是随着磁头尺寸变小，机器加工变得越来越困难，因此，Ni-Zn铁氧体被可以使用光刻法的金属材料例如坡莫合金替代。坡莫合金是从19世纪就开始使用的软磁材料，而且由于其耐腐蚀性较好，而且其饱和磁化强度比铁氧体更高，所以在铁氧体之后使用坡莫合金。但是，由于其饱和磁化强度仍然只有1.0T，所以，写入磁场很快就变得不足，这导致逐渐向具有更高饱和磁化强度的材料转变。
目前，主要采用Fe70Co30合金作为磁性材料，因为它在单独使用时具有2.45T的最大饱和磁化强度。还没有发现饱和磁化强度比Fe70Co30更高的材料。作为一个例外，有人报道了关于饱和磁化强度为2.8到3.0T的铁氮化合物Fe16N2膜的实验数据(非专利文献1)，但是现在，这种值被认为是可疑的，而最大为2.4T的值被认为更加恰当(非专利文献2)。这个值小于Fe70Co30合金2.45T的饱和磁化强度。
作为类似于本发明的磁性器件的磁性膜的数据的实验数据，已经报道了在Pd中分散Fe的稀有合金、Fe/Pd多层膜或者FeCo/Pd多层膜，其中，单个原子Fe或者FeCo的饱和磁矩可以提高到最大值10μB(作为单质的Fe的单个原子的饱和磁矩是2.2μB，而Fe70Co30是2.46μB)。这被描述为是由于在Fe原子和Pd原子之间的界面处磁矩提高的现象引起的。但是，到目前为止所报导的实验数据中，当整个材料都被认为是Fe-Pd合金(或者Fe-Co-Pd合金)时，因为设定Pd的百分比含量比Fe的百分比含量高得多，所以总的饱和磁化强度变得非常低，这使得这种材料在商业上不适于用作磁性材料。而且，在这两种情况中，在大约4.2K处观察到了高饱和磁化强度，4.2K是液氦的沸点，而且没有在室温下提高饱和磁矩的报道。
应当注意，本申请人在2004年提交的专利文献1公开道，包含Fe、Co和Pd的合金膜在合适的组成范围内表现出比Fe70Co30更优良的饱和磁化强度。该文献提到，通过形成Pd和Fe的合金，激发了Fe原子的磁矩，从而提高了整饱和磁化强度。
非专利文献1
M.Komuro等，Journal of Applied Physics，第67卷，第9期，第5126页(1990)
非专利文献2
M.Takahashi等，Journal of Applied Physics，第79卷，第8期，第5546页(1996)
非专利文献3
Physical Review，第125卷，第2期，第541页(1962)
非专利文献4
Journal of Applied Physics，第77卷，第8期，第3965页(1995)
非专利文献5
IEEE Transactions on Magnetism，第28卷，第5期，第2766页(1992)
非专利文献6
Journal of Applied Physics，第92卷，第5期，第2634页(2002)
专利文献1
日本专利申请No.2004-168502
为了提高硬盘驱动器的记录密度，在磁头中使用高饱和磁化强度的材料是有效的。但是，如上所述，现在使用的具有最高饱和磁化强度的材料是Fe70Co30，其饱和磁化强度是2.45T，这是已知饱和磁化强度最高的材料。
发明内容
本发明人通过研究Fe-Co-Pd膜的组成、研究由Fe-Co和Pd构成的多层膜的膜结构以及发展专利文献1中所示的方法，从而实现了本发明。本发明的目的是提供饱和磁化强度大于或等于2.46T的磁性材料，这种磁性材料的饱和磁化强度比传统的Fe70Co30合金更高，而且能够被商业化。
为了实现上述目的，本发明的用于磁性器件的磁性膜由交替层叠铁磁性膜和钯膜或者含钯合金膜的多层膜构成，其中层叠的钯膜或者含钯合金膜的厚度是至少0.05nm，而且该多层膜通过于法工艺形成。本发明的另一种用于磁性器件的磁性膜由交替层叠铁磁性膜和钯膜或者含钯合金膜的多层膜构成，其中层叠的钯膜或者含钯合金膜的主要晶体结构是体心立方结构，而且该多层膜通过干法工艺形成。本发明的另外一种用于磁性器件的磁性膜由交替层叠铁磁性膜和钯膜或者含钯合金膜的多层膜构成，其中该铁磁性膜的饱和磁化强度至少是2.46特斯拉，而且该多层膜通过干法工艺形成。本发明的另外一种用于磁性器件的磁性膜由交替层叠铁磁性膜和铑膜或者含铑合金膜的多层膜构成，其中层叠的铑膜或者含铑合金膜的厚度在0.1nm到0.4nm的范围内，而且该多层膜通过干法工艺形成。本发明的还另外一种用于磁性器件的磁性膜由交替层叠铁磁性膜和合金膜的多层膜构成，其中该合金膜包含选自钛、钒、铬、锰、镍、铜、锆、铌、钼、钌、银、铪、钽、钨、铼、锇、铱、铂和金中的至少一种元素，而且该多层膜通过干法工艺形成。
而且，上述合金膜或者多层膜可以形成在晶体结构为体心立方结构的底层上。
此外，该底层可以由选自具有体心立方结构的铬、钒、钼、铌、钨和镍的金属、包含至少两种该金属的合金或者通过向该合金添加钛或镍形成的合金构成。
该铁磁性膜可以由铁-钴或者包含铁-钴的合金构成，其中铁和钴的摩尔含量的比(CFe/CCo)在0.667到9.0的范围内。
而且，该铁磁性膜可以由包含铁-钴并包含钯、铑或铂中的一种金属的合金构成。
该多层膜可以利用干法工艺来形成，即溅射法、真空淀积法和化学气相沉积法中的任何一种方法。
本发明的用于磁盘驱动器的记录头使用以下用于磁性器件的磁性膜，该磁性膜由交替层叠铁磁性膜和铑膜或者含铑合金膜的多层膜构成，其中层叠的铑膜或者含铑合金膜的厚度在0.1nm到0.4nm的范围内，而且该多层膜通过干法工艺形成。
本发明的固态器件使用以下用于磁性器件的磁性膜，该磁性膜中交替层叠铁磁性膜和铑膜或者含铑合金膜，其中层叠的铑膜或者含铑合金膜的厚度在0.1nm到0.4nm的范围内，而且该多层膜通过干法工艺形成。
Fe70Co30合金的饱和磁化强度为2.45T，这是过去已知的饱和磁化强度最高的磁性材料，而本发明的用于磁性器件的磁性膜提供了比Fe70Co30合金更高的饱和磁化强度。这样，该用于磁性器件的磁性膜可以应用于能够高密度记录的硬盘驱动器的磁头和能够高密度记录的固态器件。
附图说明
通过参考附图阅读和理解下列详细说明，本领域技术人员将清楚地看出本发明的前述和其它目的以及优点。
在附图中：
图1是显示形成为多层膜的用于磁性器件的磁性膜的膜结构的示意图；
图2是在交替层叠铁磁性膜和钯膜的用于磁性器件的磁性膜中，当钯膜厚度改变时，多层膜的饱和磁化强度的测量结果的曲线图；
图3是在交替层叠铁磁性膜和钯膜的用于磁性器件的磁性膜中，当铁磁性膜厚度改变时，饱和磁化强度的测量结果的曲线图；
图4是在交替层叠铁磁性膜和铑膜的用于磁性器件的磁性膜中，当铑膜厚度改变时，多层膜的饱和磁化强度的测量结果的曲线图；
图5是显示使用用于磁性器件的磁性膜的磁头结构的示意图；
图6是显示固态器件的示例性结构的示意图；和
图7是显示固态器件的另一个示例性结构的示意图。
具体实施方式
现在将介绍本发明的用于磁性器件的磁性膜和使用该磁性膜的用于磁盘驱动器的磁头以及固态器件。
图1显示了本发明实施方案的用于磁性器件的磁性膜10。用于磁性器件的磁性膜10是多层膜，该多层膜通过交替层叠作为铁磁性膜的由铁-钴构成的铁磁性膜11和钯膜12而形成。在同一真空槽内，使FeCo和Pd靶交替放电，从而通过溅射法来形成图1中所示的膜。
另外，在构成用于磁性器件的磁性膜10的多层膜中，主要的晶体结构是体心立方结构。
为了促进具有体心立方结构的晶体的生长，在具有适当晶体结构的底层上形成FeCo/Pd多层膜对实现高饱和磁化强度极其有效。作为用于FeCo/Pd多层膜的底层的材料，已经知道使用具有体心立方结构的铬、钒、钼、铌或钨或者其合金是有效的。另外还知道，为了减小晶格与FeCo/Pd多层膜的失配，向底层添加钛和/或镍是有效的，用适当组成比的铬镍合金尤其有效。
图2显示了在构成用于磁性器件的磁性膜10的多层膜中，当FeCo层厚度固定为1.7nm，Pd层厚度在0到0.28nm的范围内变化时，饱和磁化强度Bs的测量结果。图2所示的测量结果显示，尽管在没有与Pd形成多层膜的情况下，FeCo膜的饱和磁化强度Bs是2.41T，但是对于Pd层为0.14nm厚的多层膜，饱和磁化强度Bs提高到2.52T。
图3显示了当Pd层厚度固定，FeCo层厚度在1.7到7.2nm的范围内变化时，多层膜的饱和磁化强度Bs测量结果。图3所示的测量结果显示，尽管在没有与Pd形成多层膜的情况下，FeCo膜的饱和磁化强度Bs是2.41T，但是对于Pd层为0.14nm厚而且FeCo层为4.9nm厚的多层膜，饱和磁化强度Bs提高到2.74T。
在FeCo/Pd多层膜中饱和磁化强度Bs的提高不能仅仅由在Fe分散在Pd中的稀有金属合金中发生的饱和磁矩μB的提高来解释。在本实施方案的用于磁性器件的磁性膜中，据认为，这种提高是Pd扩展了FeCo晶格并因此改变了电子状态的结果。
而且，除Pd以外的金属或合金膜也获得同样的饱和磁化强度提高。图4显示了在FeCo/Rh多层膜中，当FeCo层厚度固定为1.7nm，Rh层厚度在0到0.49nm的范围内变化时，该多层膜的饱和磁化强度Bs。图4所示的测量结果显示，尽管在没有与Rh形成多层膜时，FeCo膜的饱和磁化强度Bs是2.44T，但是对于Rh层厚度为0.1到0.4nm的多层膜，饱和磁化强度Bs提高了。尤其是，当Rh层为0.35nm厚时得到2.7T的饱和磁化强度。
据信，这是由于通过与上述Pd相同的方式，通过与Rh形成多层结构，引起的FeCo层晶体结构的变化而导致了上述结果。这意味着存在这样的组合，通过FeCo和具有与FeCo不同的晶体结构或晶格长度的金属或合金形成多层结构，从而导致饱和磁化强度提高。上述金属或合金的合适的例子是包括选自钛、钒、铬、锰、镍、铜、锆、铌、钼、钌、银、铪、钽、钨、铼、锇、铱、铂和金的一种或多种元素的材料。
作为形成本发明的用于磁性器件的磁性膜的方法，干法工艺方法是合适的。除了上述溅射法之外，这里所指的干法工艺方法还包括真空淀积法、化学气相沉积法或者等同的方法。
在使用溅射法时，当反复层叠钯膜或钯合金膜或者铁磁性膜时，甚至可以精确地控制在0.05nm到0.28nm范围内的非常薄的厚度。尤其是，在由本发明的多层膜形成的用于磁性器件的磁性膜中，从原理上讲，需要使钯膜或钯合金膜与铁磁性膜之间的界面形成得非常齐整，而溅射法适合于形成这种界面。
还可以用真空淀积法来控制极其薄的厚度。
还可以通过减小化学气相沉积过程中反应腔内的压力来控制极其薄的厚度。
应当注意，尽管现在主要使用电镀法来形成用于硬盘驱动器的磁头的磁极上所使用的磁性膜，但是电镀法不适于形成本发明的磁性膜。电镀法是湿法工艺，其中膜的生长速度快，因而不适合反复层叠极其薄的层。尤其是当通过改变电镀浴来改变膜材料时，已经淀积为膜的金属在该浴中将再次溶解，导致在界面上不能形成理想的混合层，这种混合层会减弱由本发明获得的饱和磁化强度的增大效果。
由于上述用于磁性器件的磁性膜具有高饱和磁化强度，所以该用于磁性器件的磁性膜可以有利地用在用于磁盘驱动器的磁头、固态器件等等中。
图5显示了用于硬盘驱动器的磁头30的示例性结构。图5所示的磁头30是用于“面内记录”的构成的例子，它包括作为磁头部分20的下磁极21和上磁极22，并且具有设置为与磁芯部分22a互锁的线圈24。
通过以溅射法在构成磁头部分20的下磁极21上形成上述Fe70Co30/Pd多层膜，可以在下磁极21上形成本发明的用于磁性器件的磁性膜10。
由于本发明的用于磁性器件的磁性膜的饱和磁化强度大于或等于2.45T，这高于传统用途中最常用的磁芯磁极材料Fe70Co30合金，所以通过在下磁极21上使用该磁性膜，可以有效地提高写入磁场强度，而且可以提高记录介质26上的写入密度。
显然，除了用作磁头30的下磁极21之外，本发明的用于磁性器件的磁性膜还可以用作构成上磁极22的磁极材料。
图6和7显示了本发明的用于磁性器件的磁性膜用在固态器件中的例子。具体而言，图6显示了固态器件40，其中，细导线形式的由铁-钴构成的量子线43以预定间隔排布在由钯构成的基础部分42上。图7显示了固态器件41，其中，点状的由铁-钴构成的量子点45以预定间隔排布在由钯构成的基础部分42上。可以通过利用掩模，交替地淀积或者溅射钯层和由铁-钴构成的铁磁性层，从而形成这些固态器件40、41。
图6和7所示固态器件40、41可以用作用于磁记录的器件，尤其是，当固态器件40、41具有形成为多层膜的上述用于磁性器件的磁性膜10的结构时，由于可以获得非常高的饱和磁化强度，所以固态器件40、41可以被有效地用于高密度地记录信息。尤其是，据信，随着所使用的例如图7所示的固态器件41的点状结构程度的增加，磁体单位体积的饱和磁化强度将提高。

Claims (17)

1、一种用于磁性器件的磁性膜，所述磁性膜由交替层叠铁磁性膜和钯膜或者含钯合金膜的多层膜构成，其中层叠的钯膜或者含钯合金膜的厚度是至少0.05nm，而且所述多层膜通过干法工艺来形成。
2、一种用于磁性器件的磁性膜，该磁性膜由交替层叠铁磁性膜和钯膜或者含钯合金膜的多层膜构成，其中层叠的钯膜或者含钯合金膜的主要晶体结构是体心立方结构，而且所述多层膜通过干法工艺来形成。
3、如权利要求2所述的用于磁性器件的磁性膜，其中所述多层膜形成在晶体结构为体心立方结构的底层上。
4、如权利要求3所述的用于磁性器件的磁性膜，其中所述底层由选自具有体心立方结构的铬、钒、钼、铌、钨和镍的金属、包含至少两种该金属的合金或者通过向该合金添加钛或镍形成的合金构成。
5、一种用于磁性器件的磁性膜，所述磁性膜由交替层叠铁磁性膜和钯膜或者含钯合金膜的多层膜构成，其中所述铁磁性膜的饱和磁化强度至少是2.46特斯拉，而且所述多层膜通过干法工艺来形成。
6、一种用于磁性器件的磁性膜，所述磁性膜由交替层叠铁磁性膜和铑膜或者含铑合金膜的多层膜构成，其中所述层叠的铑膜或者含铑合金膜的厚度在0.1nm到0.4nm的范围内，而且所述多层膜通过干法工艺来形成。
7、一种用于磁性器件的磁性膜，所述磁性膜由交替层叠铁磁性膜和合金膜的多层膜构成，其中所述合金膜包含选自钛、钒、铬、锰、镍、铜、锆、铌、钼、钌、银、铪、钽、钨、铼、锇、铱、铂和金的至少一种元素，而且所述多层膜通过干法工艺来形成。
8、如权利要求6所述的用于磁性器件的磁性膜，其中所述多层膜的主要晶体结构是体心立方结构。
9、如权利要求8所述的用于磁性器件的磁性膜，其中所述多层膜形成在晶体结构为体心立方结构的底层上。
10、如权利要求9所述的用于磁性器件的磁性膜，其中所述底层由选自具有体心立方结构的铬、钒、钼、铌、钨和镍的金属、包含至少两种该金属的合金或者通过向该合金添加钛或镍形成的合金构成。
11、如权利要求6所述的用于磁性器件的磁性膜，其中所述铁磁性膜由铁-钴或者包含铁-钴的合金构成，而且铁和钴的摩尔含量的比CFe/CCo在0.667到9.0的范围内。
12、如权利要求11所述的用于磁性器件的磁性膜，其中所述铁磁性膜由包含铁-钴并包含钯、铑或铂中的一种金属的合金构成。
13、如权利要求6所述的用于磁性器件的磁性膜，其中使用溅射法作为所述干法工艺。
14、如权利要求6所述的用于磁性器件的磁性膜，其中使用真空淀积法作为所述干法工艺。
15、如权利要求6所述的用于磁性器件的磁性膜，其中使用化学气相沉积法作为所述干法工艺。
16、一种用于磁盘驱动器的记录头，所述记录头使用用于磁性器件的磁性膜，所述磁性膜由交替层叠铁磁性膜和铑膜或者含铑合金膜的多层膜构成，其中所述层叠的铑膜或者含铑合金膜的厚度在0.1nm到0.4nm的范围内，而且所述多层膜通过干法工艺来形成。
17、一种固态器件，所述固态器件使用用于磁性器件的磁性膜，所述磁性膜由交替层叠铁磁性膜和铑膜或者含铑合金膜的多层膜构成，其中所述层叠的铑膜或者含铑合金膜的厚度在0.1nm到0.4nm的范围内，而且所述多层膜通过干法工艺来形成。
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