DE102014002300A1

DE102014002300A1 - Platte zur magnetischen Senkrechtaufzeichnung mit aus in einem Polymermaterial eingebetteten Nanopartikeln ausgebildeter Schablonenschicht

Info

Publication number: DE102014002300A1
Application number: DE102014002300.1A
Authority: DE
Inventors: Bruce Alvin Gurney; Ricardo Ruiz; Manfred Ernst Schabes; Kentaro Takano; Shi-Ling Chang Wang; Qing Zhu; Han Zou
Original assignee: HGST Netherlands BV
Current assignee: HGST Netherlands BV
Priority date: 2013-02-20
Filing date: 2014-02-20
Publication date: 2014-08-21
Also published as: JP5845297B2; JP2014160531A; GB2512467B; US20140234665A1; GB2512467A; US9236076B2; GB201402459D0

Abstract

Eine Platte zur magnetischen Senkrechtaufzeichnung weist eine Schablonenschicht unter einer Schicht aus Ru oder Ru-Legierung auf, wobei eine granulare Aufzeichnungsschicht aus Co-Legierung auf der Unterlageschicht ausgebildet ist. Die Schablonenschicht umfasst Nanopartikel, die beabstandet sind durch ein und zum Teil in ein Polymermaterial eingebettet sind, wobei die Nanopartikel über die Oberfläche des Polymermaterials hinaus vorspringen. Eine Keimschicht bedeckt die Oberfläche des Polymermaterials und die vorspringenden Nanopartikel, und eine Unterlageschicht aus Ru oder einer Ru-Legierung bedeckt die Keimschicht. Die vorspringenden Nanopartikel dienen als die gesteuerten Keimbildungsorte für die Ru- oder die Ru-Legierungs-Atome. Die Abstände von Nanopartikel zu Nanopartikel können während der Ausbildung der Schablonenschicht gesteuert werden. Dies ermöglicht ein Steuern der Korndurchmesserverteilung der Co-Legierung wie auch der Verteilung des Abstands von Korn zu Korn.

Description

HINTERGRUND DER ERFINDUNG
Gebiet der Erfindung
Diese Erfindung betrifft allgemein Medien zur magnetischen Senkrechtaufzeichnung wie beispielsweise Platten zur magnetischen Senkrechtaufzeichnung zur Verwendung in Festplattenlaufwerken für magnetische Aufzeichnung und insbesondere eine Platte zur magnetischen Senkrechtaufzeichnung von der Art eines kontinuierlichen Mediums (continuous-media type of perpendicular magnetic recording disk) mit einer granularen Cobaltlegierungs-Aufzeichnungsschicht mit gesteuerter Korngröße.
Beschreibung der verwandten Technik
Bei einer „Continuous-Media”-Platte zur magnetischen Senkrechtaufzeichnung ist die Aufzeichnungsschicht eine durchgehende Schicht aus granularem magnetischem Cobaltlegierungsmaterial, das zu konzentrischen Datenspuren geformt wird, die die magnetisch aufgezeichneten Datenbits enthalten, wenn der Schreibkopf auf das magnetische Material schreibt. Continuous-Media-Platten auf die die vorliegende Erfindung abzielt, sind von „Bit-patterned-Media”-Platten (BPM-Platten) zu unterscheiden, die zur Steigerung der Datendichte vorgeschlagen wurden. Bei BPM-Platten ist das magnetisierbare Material auf der Platte als kleine isolierte Dateninseln strukturiert, sodass sich eine einzelne magnetische Domäne in jeder Insel bzw. jedem „Bit” befindet. Beiden einzelnen magnetischen Domänen kann es sich um ein einziges Korn handeln, oder sie können aus einigen stark gekoppelten Körnern bestehen, die ihren magnetischen Zustand gemeinsam als ein einziges magnetisches Volumen ändern. Dies steht im Gegensatz zu Continuous-Media-Platten, bei denen ein einzelnes „Bit” mehrere durch Domänenwände getrennte magnetische Domänen aufweisen kann.
1 ist ein schematischer Schnitt einer Continuous-Media-Platte zur magnetischen Senkrechtaufzeichnung nach dem Stand der Technik. Die Platte weist eine Platten-Trägerschicht und eine optionale „weiche” magnetisch durchlässige Unterlageschicht (WUS) bzw. eine derartige Schicht mit relativ niedriger Koerzivität auf. Die WUS dient als ein Fluss-Rückkehrweg für das Feld von dem Schreibpol zu dem Rückkehrpol des Aufzeichnungskopfes. Das Material der Aufzeichnungsschicht (AS) ist eine granulare ferromagnetische Cobaltlegierung (Co-Legierung) wie beispielsweise eine CoPtCr-Legierung, mit einer hexagonal dicht gepackten (hdp) kristallinen Struktur, wobei die c-Achse im Wesentlichen außerhalb der Ebene oder senkrecht zu der AS ausgerichtet ist. Die AS aus granularer Cobaltlegierung sollte außerdem über eine gut isolierte feinkörnige Struktur verfügen, damit ein Medium von hoher Koerzivität (H_c) erstellt wird, und um intergranulare Austauschkopplung zu verringern, die für starkes intrinsisches Medienrauschen verantwortlich ist. Eine Verbesserung der Kornentmischung in der AS aus Cobaltlegierung wird durch das Hinzufügen von Oxiden erreicht, darunter Oxide von Si, Ta, Ti, Nb, B, C und W. Diese Oxide (Ox) neigen dazu, zu den Korngrenzen hin auszufallen, wie in 1 gezeigt, und bilden zusammen mit den Elementen der Cobaltlegierung nicht magnetisches intergranulares Material. Eine optionale Abdeckschicht (AbS) wie beispielsweise eine granulare Co-Legierung ohne zusätzliche Oxide oder mit geringeren Mengen von Oxiden als die AS wird üblicherweise auf die AS aufgebracht, um die intergranulare Kopplung der Körner der AS zu vermitteln, und ein Schutzüberzug (SÜ) wie zum Beispiel eine Schicht aus amorphem diamantartigem Kohlenstoff wird auf die AbS aufgebracht.
Die Co-Legierungs-AS weist als eine Folge davon, dass die c-Achse ihrer hexagonal dicht gepackten (hdp) kristallinen Struktur dazu angeregt wird, während des Aufbringens im Wesentlichen senkrecht zu der Ebene der Schicht zu wachsen, im Wesentlichen eine magnetische Anisotropie außerhalb der Ebene bzw. eine senkrechte magnetische Anisotropie auf. Um dieses Wachstum der hdp AS anzuregen, befinden sich Zwischenschichten aus Ruthenium (Ru1 und Ru2) unter der AS. Bei Ruthenium (Ru) sowie bestimmten Ru-Legierungen wie beispielsweise RuCr handelt es sich um nicht magnetische hdp Materialien, die das Wachstum der AS anregen. Eine optionale Keimschicht (KS) kann vor dem Aufbringen von Ru1 auf der WUS ausgebildet werden.
Die Verbesserung der Entmischung der magnetischen Körner in der AS mithilfe der zusätzlichen Oxide als Segreganten ist wichtig, um eine hohe Flächendichte und Aufzeichnungsleistung zu erzielen. Das intergranulare Ox-Segregantenmaterial entkoppelt nicht nur intergranularen Austausch, sondern übt auch eine Kontrolle über die Größe und Verteilung der magnetischen Körner in der AS aus. Bei aktuellen Plattenherstellungsverfahren wird diese entmischte AS durch Züchten der AS auf der Ru2-Schicht erzielt, die ein Säulenwachstum der Ru- oder Ru-Legierungs-Körner zeigt.
2 ist ein Transmissionselektronenmikroskopie-Bild (TEM-Bild) eines Abschnitts der Oberfläche einer CoPtCr-SiO2-AS einer Platte, die der ihn 1 gezeigten ähnelt. 2 zeigt gut entmischte magnetische CoPtCr-Körner, die durch intergranulares SiO₂ (weiße Bereiche) getrennt sind. Wie jedoch aus 2 ersichtlich ist, gibt es relativ große Unterschiede in der Größe der magnetischen Körner und damit beim Abstand von Korn zu Korn. Eine große Korngrößenverteilung ist unerwünscht, da sie eine Veränderung der magnetischen Aufzeichnungseigenschaften der gesamten Platte zur Folge hat und, da einige der kleineren Körner thermisch instabil sein können, zu Datenverlust führt. 2 veranschaulicht außerdem die Zufälligkeit der Kompositionen. Da die Keimbildungsorte während der Sputter-Beschichtung von Natur aus zufällig verteilt werden, erfolgt keine Steuerung der Kompositionen. Die Menge von Ox-Segreganten in der AS muss ausreichend sein, um für eine hinreichende Korn-zu-Korn-Trennung zu sorgen, darf aber nicht so hoch sein, dass die thermische Stabilität der AS zerstört wird. Der übliche Gehalt an Ox-Segreganten hat etwa ein Volumen von 20%, und die Korngrenzdicke liegt üblicherweise zwischen etwa 1,0 und 1,5 nm.
Um eine hohe Flächendichte von 1 bis 5 Terabits/Quadratzoll und darüber zu erreichen, ist es wünschenswert, eine hohe Gleichförmigkeit (bzw. engere Verteilung) der Körner in der AS zu erreichen, hauptsächlich für die folgenden drei strukturellen Parameter: Korndurchmesser (d. h., der Durchmesser eines Kreises, der dieselbe Fläche wie das Korn aufweisen würde), Abstand von Korn zu Korn (d. h. der Abstand zwischen den Zentren benachbarter Körner bzw. der Mittenabstand) sowie die Korngrenzdicke. Eine engere Verteilung dieser drei strukturellen Parameter führt zu engeren Verteilungen von magnetischer Austauschinteraktion und Stärke der magnetischen Anisotropie, was beides wünschenswert ist.
Daher ist die in 2 gezeigte AS nach dem Stand der Technik weit davon entfernt, ideal zu sein. Erstens weisen die Körner eine unregelmäßige polygonale Form mit einer großen Größenverteilung auf. Der durchschnittliche Korndurchmesser beträgt etwa 8 bis 11 nm bei einer relativ großen Größenverteilung von etwa 18 bis 22%. Die Verteilungsdaten erhält man durch Messen benachbarter Abstände von Korn zu Korn in hochauflösenden Rasterelektronenmikroskopie-Bildern (REM-Bilder) oder TEM-Bildern und anschließendes Anpassen mithilfe einer Lognormalfunktion. Der „Verteilungswert”, auf den in dieser Anmeldung Bezug genommen wird, soll die Breite der Lognormalfunktion bezeichnen. Zweitens ist die Position der Kornzentren hochgradig zufällig, was bedeutet, dass keine Nahordnung oder lokale Ordnung vorhanden ist, d. h. kein Muster innerhalb von ungefähr 3 bis 5 Kornabständen. Drittens weist die Dicke der Korngrenzen (die Ox-Segreganten sind in 2 als weiße Bereiche zu sehen) eine noch breitere Verteilung auf. Die übliche Korngrenzdicke beträgt 0,9 bis 1,2 nm, mit einer Verteilung von etwa 50 bis 70%. Da es sich bei dem intergranularen Austausch um eine exponentielle Abfallfunktion der Grenzdicke handelt, führt die große Verteilung der Grenzdicke zu einer großen Fluktuation des Austausches zwischen Körnern und damit zu einem signifikanten Signal-Rausch-Verhältnis-Verlust (SNR-Verlust). Laut Wang et al, „Understanding Noise Mechanism in Small Grain Size Perpendicular Thin Film Media", IEEE Trans Mag 46, 2391 (2010), kann eine große Verteilung der Grenzdicke einen SNR-Verlust von 3 bis 10 dB verursachen, und bei feinkörnigen Medien tritt sogar ein größerer SNR-Verlust auf als bei großkörnigen Medien.
Benötigt wird eine Continuous-Media-Platte zur magnetischen Senkrechtaufzeichnung mit einer AS aus granularer Cobaltlegierung mit zusätzlichen Oxiden mit gut entmischten magnetischen Körnern mit einer engen Verteilung von Korndurchmesser lind Korngrenzdicke.
KURZDARSTELLUNG DER ERFINDUNG
Die Erfindung betrifft eine Continuous-Media-Platte zur magnetischen Senkrechtaufzeichnung mit einer Aufzeichnungsschicht (AS) aus granularer Co-Legierung mit gesteuerter Korngrößenverteilung sowie ein Verfahren zur Herstellung der Platte mit gesteuerter Position der Keimbildungsorte.
Die Platte weist eine Trägerschicht mit einer auf der Trägerschicht ausgebildeten Schablonenschicht auf. Die Schablonenschicht umfasst Nanopartikel, die zueinander beabstandet und zum Teil in einem Polymermaterial mit einer funktionellen Endgruppe eingebettet sind. Die Nanopartikel springen über die Oberfläche des Polymermaterials hinaus vor. Eine Keimschicht wie beispielsweise eine NiTa-Legierung oder eine amorphe CoFeTaZr-Legierung bedeckt die Oberfläche des Polymermaterials und die vorspringenden Nanopartikel, und eine Unterlageschicht aus Ru oder einer Ru-Legierung bedeckt die Keimschicht. Eine senkrechte magnetische AS mit einer Schicht aus granularer ferromagnetischer Co-Legierung und einem oder mehreren Oxiden von einem oder mehreren aus Si, Ta, Ti, Nb, B, C und W wird auf der Unterlageschicht ausgebildet.
Die Keimschicht wiederholt im Allgemeinen die Oberflächentopologie der darunterliegenden Schablonenschicht. Die Unterlageschicht aus Ru oder Ru-Legierung definiert die Textur für das Wachstum der AS aus Co-Legierung. Da die Nanopartikel mit vorspringenden oberen Oberflächen als die gesteuerten Keimbildungsorte dienen, bilden die Ru- oder Ru-Legierungs-Atome Kristallkeime bevorzugt auf den durch die darunterliegenden vorspringenden Nanopartikeln gebildeten „Höckern”. Die Ru-Körner sind daher in hohem Maße unzusammenhängend, was zu einer Monoschicht aus Ru- oder Ru-Legierungs-Inseln mit einer Anordnung führt, die im Allgemeinen die Anordnung der darunterliegenden zueinander beabstandeten Nanopartikel wiederholt. Die Co-Legierung weist eine hexagonal dicht gepackte (hdp) kristalline Struktur auf, wobei die c-Achse im Wesentlichen außerhalb der Ebene bzw. senkrecht zu der AS ausgerichtet ist. Die Ru-Inseln fördern das Wachstum der Co-Legierungs-Körner der AS, sodass die c-Achse des hdp Co-Legierungs-Materials im Wesentlichen senkrecht ausgerichtet ist, was zu senkrechter magnetischer Anisotropie führt. Die Oxid-Segreganten bilden sich im Allgemeinen als intergranulares Material zwischen den Co-Legierungs-Körnern.
Die Abstände von Nanopartikel zu Nanopartikel können während der Ausbildung der Schablonenschicht gesteuert werden. Dies ermöglicht ein Steuernder Korndurchmesserverteilung der Co-Legierung wie auch der Verteilung des Abstands von Korn zu Korn.
Um das Wesen und die Vorteile der vorliegenden Erfindung umfassender zu verstehen, sollte auf die folgende ausführliche Beschreibung im Zusammenhang mit den begleitenden Figuren Bezug genommen werden.
KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
1 ist ein schematischer Schnitt einer Platte zur magnetischen Senkrechtaufzeichnung nach dem Stand der Technik.
2 ist ein Transmissionselektronenmikroskopie-Bild (TEM-Bild) eines Abschnitts einer Oberfläche einer COPtCr-SiO₂-Aufzeichnungsschicht einer Platte zur magnetischen Senkrechtaufzeichnung nach dem Stand der Technik, die der in 1 gezeigten Platte ähnelt.
3 ist eine seitliche Schnittansicht der erfindungsgemäßen Continuous-Media-Platte zur magnetischen Senkrechtaufzeichnung, die eine Schablonenschicht (SS) und mindestens eine Keimschicht (KS1) veranschaulicht, die sich zwischen der Trägerschicht und der Ru- oder Ru-Legierungs-Unterlageschicht (US) befinden.
4A ist ein schematischer seitlicher Schnitt, der einen ersten Schritt des Verfahrens zum Ausbilden der Schablonenschicht (SS) in der erfindungsgemäßen Platte zeigt.
4B ist eine schematische Aufsicht, die die im Allgemeinen hexagonal dicht gepackte (hdp) Nahordnung der Nanopartikel der in 4A gezeigten SS zeigt.
4C ist ein REM-Bild, das einen Vergleich der Anordnung von Nanopartikeln der SS wie schleuderbeschichtet (linke Seite von 4C) und nach Lösungsmittel-Ausheilen (rechte Seite von 4C) zeigt, wobei der Einsatz in jeder Figur das mithilfe einer schnellen Fourier-Transformation (Fast Fourier Transformation) des gesamten Bildes erzeugte Beugungsbild ist.
4D veranschaulicht den Schritt des Wegätzens eines Teils des Polymermaterials der in 4A gezeigten Dünnschicht, um die Oberflächen der Nanopartikel der SS freizulegen.
4E veranschaulicht den Schritt des Homogenisierens der Oberfläche der in 4D gezeigten SS.
4F veranschaulicht den Schritt des Aufbringens der verbleibenden Schichten der erfindungsgemäßen Platte.
5 ist ein EELS-STEM-Verbundbild (Electron Energy Loss Spectroscopy-Scanning Transmission Electron Microscopy, EELS-STEM) einer 2,3 nm dicken Ru-Schicht, die mithilfe schablonenabhängigen Wachstums (templated growth) auf einer erfindungsgemäßen Schablonenschicht (SS) ausgebildet wurde.
6 ist ein TEM-Bild eines Abschnitts einer Oberfläche einer CoPtCr-SiO₂-Aufzeichnungsschicht einer einer erfindungsgemäßen Platte zur magnetischen Senkrechtaufzeichnung.
AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
3 ist eine seitliche Schnittansicht der erfindungsgemäßen Continuous-Media-Platte zur magnetischen Senkrechtaufzeichnung. In der erfindungsgemäßen Platte befinden sich eine Schablonenschicht (SS) und mindestens eine Keimschicht (KS1), die beide nachfolgend ausführlich beschrieben werden, zwischen der Trägerschicht und der Unterlageschicht (US) aus Ru oder Ru-Legierung.
Bei der Plattenträgerschicht kann es sich um eine beliebige kommerziell erhältliche Glas-Trägerschicht oder einen Wafer oder eine Platte aus einem Material wie beispielsweise, aber ohne darauf beschränkt zu sein, Silicium (Si), Quarzglas, Kohlenstoff oder ein Siliciumnitrid (SiN_X) handeln. Eine optionale herkömmliche WUS (nicht in 3 gezeigt) kann sich zwischen der Trägerschicht und der SS befinden. Bei der WUS kann es sich um eine einzelne weichmagnetische Schicht (wie in 1 gezeigt) oder um eine Mehrfachschicht aus weichmagnetischen Schichten handeln, die durch nicht magnetische Schichten getrennt sind. Die WUS-Schicht bzw. -Schichten ist/sind aus amorphen, magnetisch durchlässigen Materialien wie zum Beispiel Legierungen von CoNiFe, FeCoB, CoCuFe, NiFe, FeAlSi, FeTaN, FeN, FeTaC, CoTaZr, CoFeB und CoZrNb ausgebildet. Die Dicke der WUS liegt üblicherweise im Bereich von etwa 20 bis 400 nm.
Eine optionale zweite Keimschicht (KS2) kann auf der KS1 ausgebildet werden, und eine Unterlageschicht (US) aus Ruthenium (Ru) oder einer Ru-Legierung wird auf der KS2 ausgebildet oder, wenn keine KS2 vorhanden ist, auf der KS1. Die US aus Ru oder Ru-Legierung wird als unzusammenhängende Inseln 30 über der KS2 ausgebildet oder, wenn keine KS2 vorhanden ist, über der KS1. Die Aufzeichnungsschicht (AS) ist eine granulare ferromagnetische Cobaltlegierung (Co-Legierung) wie beispielsweise eine CoPtCr-Legierung oder eine CoPtCrB-Legierung, mit intergranularen Oxiden, darunter Oxide von einem oder mehreren aus Si, Ta, Ti, Nb, B, C und W. Die Co-Legierung weist eine hexagonal dicht gepackte (hdp) kristalline Struktur auf, wobei die c-Achse im Wesentlichen außerhalb der Ebene bzw. senkrecht zu der AS ausgerichtet ist. Die Ru-Inseln 30 der US fördern das Wachstum der Co-Legierungs-Körner 40 der AS, sodass die c-Achse des hdp Co-Legierungs-Materials im Wesentlichen senkrecht ausgerichtet ist, was zu senkrechter magnetischer Anisotropie führt. Die Oxid-Segreganten bilden sich im Allgemeinen als intergranulares Material 45 zwischen den Co-Legierungs-Körnern 40.
Eine optionale herkömmliche Abdeckschicht (AbS) wie beispielsweise eine granulare Co-Legierung ohne zusätzliche Oxide oder mit geringeren Mengen von Oxiden als die AS Wird üblicherweise auf die AS aufgebracht, um die intergranulare Kopplung der Körner der AS zu vermitteln. Ein herkömmlicher Schutzüberzug (SÜ) wie beispielsweise eine Schicht aus amorphem diamantenartigem Kohlenstoff wird üblicherweise auf die AbS aufgebracht, oder, wenn keine AbS vorhanden ist, auf die AS.
Die SS 10 umfasst Nanopartikel, die durch eine Matrix aus Polymermaterial 20 beabstandet und in diesem eingebettet sind. Wie in 3 gezeigt, weisen die Nanopartikel obere Oberflächen auf, die nicht von dem Polymermaterial bedeckt sind und die vor dem Aufbringen der KS1 freiliegen.
Zu Nanopartikeln (auch als Nanokristalle bezeichnet) zählen kleine kristalline Partikel mit einer Größe von unter 100 nm, die aus Materialien wie beispielsweise CdSe, CdTe, PbSe, FePt, Eisenoxid (FeOx), Si, ZnO, Au, Ru, Cu, Ag sowie Vanadiumoxid (VO_X) bestehen. Nanopartikel können in verschiedenen Größen und mit engen Größenverteilungen synthetisiert werden. Zum Beispiel sind CdSe-Nanopartikel mit Durchmessern im Bereich von 2 bis 7 nm kommerziell erhältlich. Andere Halbleiter-Nanopartikel sind ebenfalls erhältlich. Das schließt III–V-Halbleiter ein, wie sie in D. V. Talapin, MRS Bulletin 37, 63–71 (2012), und in Green, „Solution routes to III–V semiconductor quantum dots", Current Opinion in Solid State and Materials Science 6, Seiten 355–363 (2002) beschrieben werden.
Die Erfindung wird im Hinblick auf ein Beispiel beschrieben, bei dem die Nanopartikel Eisenoxid (Fe₃O₄) sind und das Polymermaterial Polystyrol mit einer COOH-Endgruppe ist. 4A ist ein schematischer seitlicher Schnitt, der einen ersten Schritt des Verfahrens des Ausbildens der SS zeigt. Eine Dünnschicht mit in das Polymermaterial 20 eingebetteten Fe₃O₄-Nanopartikeln 10 wird auf der Oberfläche der Trägerschicht ausgebildet. Die Nanopartikel 10 sind durch die anhängenden Polystyrolketten 12 getrennt. Wie in 4A und der schematischen Aufsicht aus 4B gezeigt, weisen die Nanopartikel 10 eine Nahordnung im Bereich von etwa 3 bis 5 Kornabständen auf, was bedeutet, dass sie innerhalb dieses Nahbereichs in einem im Allgemeinen gleichförmigen Muster auf der Trägerschichtoberfläche angeordnet sind. Die Dünnschicht wird durch Aufschleudern einer Lösung aus den Nanopartikeln und dem Polymermaterial auf die Trägerschichtoberfläche und Trocknenlassen der Lösung gebildet, obwohl andere Verfahren der Verteilung möglich sind. Fe₃O₄-Nanokristalle mit einem Durchmesser von etwa 1 bis 10 nm und mit Polystyrol-Liganden mit einem Molekulargewicht von etwa 0,3 bis 10 kg/mol werden in Toluol (oder einem anderen Lösungsmittel) in einer Konzentration von etwa 1 bis 25 mg/ml gelöst. Eine einzelne Schicht von Fe₃O₄-Nanopartikeln kann mithilfe einer richtigen Auswahl der Konzentration von Nanopartikeln in der Toluollösung und der Rotationsgeschwindigkeit mit relativ hoher Gleichförmigkeit über die gesamte Trägerschichtoberfläche ausgebildet werden. Während dieses Prozesses bilden die Ligandenmoleküle Quervernetzungen, um eine durchgehende Dünnschicht aus Polystyrol aufzubauen, in der die Fe₃O₄-Nanopartikel eingebettet sind. Der Prozess zum Ausbilden der in die Matrix aus Polymermaterial eingebetteten Dünnschicht aus Fe₃O₄-Nanopartikeln, um eine einzelne Schicht aus im Allgemeinen gleichförmig verteilten Fe₃O₄-Nanopartikeln auszubilden, wird von Fischer et al. in „Completely Miscible Nanocomposites", Angew. Chem. Int. Ed. 2011, 50, 7811–7814, beschrieben.
Als ein optionaler Schritt kann nach dem Auftragen der Lösung auf die Trägerschichtoberfläche die Trägerschicht mithilfe eines Lösungsmittels oder thermisch ausgeheilt werden oder beides, zum Beispiel, indem die aufgeschleuderte Dünnschicht einem Toluoldampf (oder einem anderen Lösungsmitteldampf) ausgesetzt wird, oder indem sie bei 250°C thermisch ausgeheilt wird, um die Anordnung der Nanopartikel zu dem im Allgemeinen gleichförmigeren Muster zu erleichtern. Durch den optionalen Schritt des „Lösungsmittel-Ausheilens” (solvent annealing) wird die Ordnung der Anordnung von Nanopartikeln angepasst. „Lösungsmittel-Ausheilen” wird über einen bestimmten Zeitraum, beispielsweise 30 Minuten, in einer geschlossenen, mit Toluoldampf gefüllten Kammer ausgeführt. Während des Lösungsmittel-Ausheil-Prozesses durchdringt Toluoldampf die Polystyrolmatrix und bewirkt ein Aufquellen der Dünnschicht. Wenn das Polystyrol aufquillt, können die Fe₃O₄-Nanopartikel sich bewegen und neu anordnen, um ein gleichförmigeres oder dichter gepacktes Muster zu bilden. 4C zeigt einen Vergleich zwischen der Anordnung der Fe₃O₄-Nanopartikel wie nach der Schleuderbeschichtung (linke Seite von 4C) und nach 30-minütigem Lösungsmittel-Ausheilen (rechte Seite von 4C) und veranschaulicht die Verbesserung der Ordnung, insbesondere der Nahordnung, als eine Folge des Lösungsmittel-Ausheilens. Die Verteilung des Abstands von Partikel zu Partikel kann mithilfe des Schritts des Lösungsmittel-Ausheilens gesteuert werden. Zum Beispiel weisen Partikel nach der Schleuderbeschichtung (as-spun particles) üblicherweise eine Verteilung von etwa 10 bis 15% auf, und Partikel nach 30-minütigem Lösungsmittel-Ausheilen weisen eine Verteilung von etwa 5 bis 10% auf. Durch Lösungsmittel-Ausheilen über einen noch längeren Zeitraum ließe sich eine noch kleinere Verteilung erreichen.
4D veranschaulicht den Schritt des Wegätzens eines Teils des Polymermaterials 20 der in 4A gezeigten Dünnschicht, um die Oberflächen der Fe₃O₄-Nanopartikel 10 freizulegen. Das hat zur Folge, dass die Fe₃O₄-Nanopartikel 10 nur zum Teil in die Matrix aus Polymermaterial 20 eingebettet sind. Ein Sauerstoffplasma (O₂-Plasma) reagiert mit den Polystyrolketten und wandelt sie in Gas und Wasserdampf um, die abgepumpt werden. Da die Nanopartikel ein Oxid sind, werden sie nicht wesentlich durch das O₂-Plasma beeinträchtigt. Durch Steuern der Plasma-Behandlungszeit und der Plasmaintensität lässt sich die Menge des entfernten Polystyrols steuern, und so kann das Ausmaß des Vorspringens der Fe₃O₄-Nanopartikel gesteuert werden. Das bevorzugte Ausmaß des Vorspringens der Fe₃O₄-Nanopartikel liegt bei etwa 35 bis 75 Prozent des Durchmessers der Nanopartikel. Dies erreicht man durch eine 30- bis 50-sekündige O₂-Plasma-Behandlung. Nach dem teilweisen Entfernen des Polystyrols weist die Oberfläche topografische Vorsprünge aus Fe₃O₄-Nanopartikeln 10 auf, wie auch einen chemischen Kontrast zwischen den Oberflächen der Fe₃O₄-Nanopartikel 10 und dem verbleibenden sie umgebenden Polystyrolmaterial 20. Während das Wegätzen einer ausreichenden Menge von Polymermaterial zum Freilegen der Oberflächen der Nanopartikel bevorzugt wird, da es sowohl eine topografische Oberfläche als auch einen chemischen Kontrast zur Folge hat, kann das Polymermaterial in einem geringeren Ausmaß weggeätzt werden, sodass die Nanopartikel möglicherweise noch eine dünne Schicht aus Polymermaterial behalten, aber trotzdem eine topografische Oberfläche ergeben.
4E veranschaulicht den Schritt des Homogenisierens der Oberfläche aus 4D. Eine dünne amorphe Metallschicht dient als eine erste Keimschicht (KS1). Bei der KS1 handelt es sich bevorzugt um eine NiTa-Legierung oder eine CoFeTaZr-Legierung, die in einer Dicke von etwa 1 bis 5 nm mithilfe von Sputter-Beschichtung auf die freiliegenden Oberflächen der Fe₃O₄-Nanopartikel 10 und die Oberfläche des verbleibenden Polystyrolmaterials 20 aufgebracht wird. Die KS1 entspricht auf diese Weise der topografischen Oberfläche der freiliegenden Nanopartikel 10 und des sie umgebenden Polymermaterials 20 und wiederholt diese im Allgemeinen. Bei dieser Dicke ist die KS1 ausreichend, um die gesamte Oberfläche zu bedecken, aber nicht dick genug, um die Vorsprungsmerkmale der Nanopartikel 10 zu ebnen. Nach diesem Schritt ist die SS mit der KS1 fertiggestellt und bereit für das schablonenabhängige Wachstum der AS.
4F veranschaulicht die Schritte des Aufbringens der verbleibenden Schichten der erfindungsgemäßen Platte. Eine optionale zweite Keimschicht (KS2) wird mithilfe von Sputter-Beschichtung auf die KS1 aufgebracht. Die KS2 ist eine Keimschicht für das Wachstum der Ru- oder Ru-Legierungs-Unterlageschicht. Die KS2 ist bevorzugt ein hochgradig kristallines Material wie eine NiW-Legierung, mit einer Dicke von etwa 3 bis 10 nm, aber die KS2 kann auch aus NiV- oder NiFeW-Legierungen ausgebildet werden. Die KS2 verbessert die Kristallinität der hdp US aus Ru oder einer Ru-Legierung. Als Nächstes wird eine Ru-Schicht mit einer Dicke von etwa 5 bis 15 nm mithilfe von Sputter-Beschichtung als die US aufgebracht. Die Ru-US definiert die (0001)-Textur für das Wachstum der AS aus Co-Legierung. Aufgrund der Oberflächentopologie der darunterliegenden KS1 und optionalen KS2 bilden die Ru-Atome Kristallkeime bevorzugt auf den durch die darunterliegenden Fe₃O₄-Nanopartikel 10 gebildeten kleinen Höckern. Die Ru-Körner sind daher in hohem Ausmaß unzusammenhängend. Dies führt zu einer Monoschicht aus Ru-Inseln 30 mit einer Anordnung, die die Anordnung der darunterliegenden Fe₃O₄-Nanopartikel 10 wiederholt. Der Druck von Ar (ar gas) ist ein wichtiger Faktor während des Sputtering von Ru, da er die Rauheit der Ru-Oberfläche bestimmt. Ein niedriger Ar-Druck (0,13 Pa bis 1,33 Pa (1 bis 10 mTorr)) führt zu einer ziemlich glatten Ru-Oberfläche, und ein hoher Ar-Druck (1,33 Pa bis 6,66 Pa (10 bis 50 mTorr)) führt zu größerer Rauheit. Die Feinsteuerung der Ru-Rauheit mithilfe des Ar-Drucks kann dazu verwendet werden, um das Ausmaß der Entmischung zwischen den AS-Körnern abzustimmen, die auf der Ru-Oberfläche gezüchtet werden. Eine größere Rauheit des Ru bewirkt eine stärkere Trennung der magnetischen Körner und weniger magnetische Austauschkopplung. Bei dieser Erfindung beträgt der Ar-Druck bevorzugt etwa 1,33 Pa bis 6,66 Pa (10 bis 50 mTorr). Obwohl Ru ein häufig verwendetes Material für die US ist, kann die US auch aus Legierungen auf der Grundlage von Ru ausgebildet werden wie beispielsweise einer RuCr-Legierung.
5 ist ein EELS-STEM-Verbundbild einer 2,3 nm dicken Ru-Schicht, die mithilfe von schablonenabhängigem Wachstum auf einer erfindungsgemäßen SS ausgebildet wurde. Die SS bestand aus zum Teil in Polystyrolmaterial eingebetteten Fe₃O₄-Nanopartikeln mit einer aus einer NiTa-Legierung ausgebildeten KS1. Die kreisförmigen Körner sind aus Ru ausgebildet, und der weiße Punkt in der Mitte jedes Korns ist die Position des Fe₃O₄-Nanopartikels, erlangt aus dem Fe-Signal bei der EELS. Der weiße Punkt in jeder Insel zeigt die Zuordnung des darunter liegenden Fe-Elements, was beweist, dass die Ru-Inseln auf den Fe₃O₄-Nanopartikeln ausgebildet werden. 5 veranschaulicht auch, dass die Ru-Inseln eine Nahordnung aufweisen, d. h., sie bilden ein im Allgemeinen gleichförmiges Muster innerhalb von etwa 3 bis 5 Inselabständen.
Als Nächstes wird die AS aus einer herkömmlichen Co-Legierung und einem oder mehreren Oxiden mithilfe von Sputter-Beschichtung auf die US aus Ru oder Ru-Legierung aufgebracht. Die AS ist eine granulare ferromagnetische Cobaltlegierung (Co-Legierung) wie beispielsweise eine COPtCr-Legierung oder eine CoPtCrB-Legierung, mit intergranularen Oxiden, darunter Oxide von einem oder mehreren aus Si, Ta, Ti und Nb. Die Co-Legierung weist eine hexagonal dicht gepackte (hdp) kristalline Struktur auf, wobei die c-Achse im Wesentlichen außerhalb der Ebene bzw. senkrecht zu der AS ausgerichtet ist. Die Ru-Inseln 30 fördern das Wachstum der Co-Legierungs-Körner 40 der AS, sodass die c-Achse des hdp Co-Legierungs-Materials im Wesentlichen senkrecht ausgerichtet ist, was zu senkrechter magnetischer Anisotropie führt. Die Oxid-Segreganten bilden sich im Allgemeinen als intergranulares Material 45 zwischen den Co-Legierungs-Körnern 40.
Um die in 4F gezeigte Platte fertigzustellen, kann eine optionale Abdeckschicht (AbS) auf die AS aufgebracht werden, gefolgt von dem Schutzüberzug der Platte (SÜ). Die AbS besteht üblicherweise aus einer ferromagnetischen granularen Co-Legierung wie einer CoPtCr- oder CoPtCrB-Legierung, zum Vermitteln oder Steuern der intergranularen Austauschkopplung in der AS. Daher kann die AbS eine größere Menge von Cr und/oder B als die AS oder eine geringere Menge von Oxiden als die AS aufweisen. Zum Beispiel kann die AbS im Wesentlichen dieselbe Co-Legierungs-Zusammensetzung wie die AS aufweisen, aber keine Oxide enthalten. Demzufolge sind die einzelnen Co-Legierungs-Körner der AbS größer als die Co-Legierungs-Körner der AS und überlagern im Allgemeinen mehrere Körner der AS. Der auf der AbS oder, wenn keine AbS vorhanden ist, auf der AS ausgebildete SÜ kann eine amorphe diamantartige Kohlenstoffdünnschicht oder ein anderer bekannter Schutzüberzeug sein wie beispielsweise Siliciumnitrid (SiN).
6 ist ein TEM-Bild eines Abschnitts einer Oberfläche einer CoPtCr-SiO₂-Aufzeichnungsschicht einer erfindungsgemäßen Platte zur magnetischen Senkrechtaufzeichnung. 6 zeigt, dass die Co-Legierungs-Körner im Vergleich zu der im Allgemeinen unregelmäßigen Form der Körner in 2 eine im Allgemeinen hexagonale Form aufweisen. Noch wichtiger ist, dass im Vergleich mit dem Stand der Technik aus 2 die Verteilung des Korndurchmessers in 6 nur etwa 8% beträgt und die Grenzdicke ebenfalls gleichförmiger ist. Dieser kleinere Wert der Korndurchmesserverteilung kann durch den optionalen Schritt des Ausheilens, z. B. Lösungsmittel-Ausheilen wie vorstehend beschrieben, erreicht werden. Obwohl die Erfindung diese sehr enge Verteilung von 8% für die Korndurchmesser erzielen kann, hat man als Teil dieser Erfindung herausgefunden, dass dieser relativ niedrige Wert „Synchronisierungsrauschen” verursachen kann, d. h. Rauschen mit gleichmäßigen Spitzen. Es kann daher für kontinuierliche Medien zur magnetischen Senkrechtaufzeichnung wünschenswert sein, dass die Verteilung von Korndurchmessern innerhalb von etwa 10 bis 15% liegt. Dies lässt sich dadurch erreichen, dass der Schritt des Ausheilens nicht ausgeführt wird, so dass die Nanopartikel die auf der linken Seite von 4C gezeigte Anordnung aufweisen, oder durch Verkürzen der Zeitdauer für den optionalen Schritt des Lösungsmittel-Ausheilens.
Die Schablonenschicht (SS) für die erfindungsgemäße Platte wurde für Fe₃O₄-Nanopartikel beschrieben, die zum Teil in ein Polymermaterial aus Polystyrol mit einer funktionellen COOH-Endgruppe eingebettet sind. Allerdings schließen Beispiele für andere Nanopartikel ein, aber ohne darauf beschränkt zu sein: Zinkoxid (ZnO), Silber (Ag), Gold (Au), Cadmiumselenid (CdSe), Cobalt (Co), Eisen-Platin (FePt), Kupfer (Cu) und Vanadiumoxid (VOx) (z. B. VO₂, V₂O₃, V₂O₅). Beispiele für andere Polymere schließen ein, aber ohne darauf beschränkt zu sein: Polydimethylsiloxan, Polysiloxan, Polyisopren, Polybutadien, Polyisobutylen, Polypropylenglykol und Polyethylenglykol. Beispiele für ändere funktionelle Endgruppen für die Polymere schließen ein, aber ohne darauf beschränkt zu sein: Carbocylgruppe (COOH), Hydroxylgruppe (OH), Aminogruppe (NH(CH₂)₂NH₂) und Thiolgruppe (CSH).
Während die vorliegende Erfindung insbesondere mit Bezug auf die bevorzugten Ausführungsformen gezeigt und beschrieben wurde, werden Fachleute verstehen, dass verschiedene Änderungen von Formen und Einzelheiten vorgenommen werden können, ohne vom Wesensgehalt und Schutzumfang der Erfindung abzuweichen. Demzufolge ist die offenbarte Erfindung lediglich als veranschaulichend und in ihrem Schutzbereich nur wie in den angefügten Ansprüchen angegeben eingeschränkt anzusehen.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Nicht-Patentliteratur

Laut Wang et al, „Understanding Noise Mechanism in Small Grain Size Perpendicular Thin Film Media”, IEEE Trans Mag 46, 2391 (2010) [0008]
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Green, „Solution routes to III–V semiconductor quantum dots”, Current Opinion in Solid State and Materials Science 6, Seiten 355–363 (2002) [0031]
Fischer et al. in „Completely Miscible Nanocomposites”, Angew. Chem. Int. Ed. 2011, 50, 7811–7814 [0032]

Claims

Platte zur magnetischen Senkrechtaufzeichnung, die umfasst: eine Trägerschicht, eine Schablonenschicht auf der Trägerschicht, wobei die Schablonenschicht Nanopartikel umfasst, die beabstandet sind durch ein und in einem Polymermaterial eingebettet sind, wobei die Nanopartikel Vorspringsmerkmale an der Oberfläche des Polymermaterials bereitstellen; eine Keimschicht, die das Polymermaterial und die Nanopartikel bedeckt; eine aus Ru und einer Ru-Legierung ausgewählte Unterlageschicht auf der Keimschicht und eine Schicht zur magnetischen Senkrechtaufzeichnung auf der Unterlageschicht, wobei die Schicht eine Schicht aus granularer ferromagnetischer Co-Legierung und einem oder mehreren Oxiden von einem oder mehreren aus Si, Ta, Ti, Nb, B, C und W umfasst.
Platte nach Anspruch 1, wobei die Nanopartikel Fe₃O₄-Nanopartikel sind und das Polymermaterial Polystyrol mit einer funktionellen Endgruppe umfassen kann.
Platte nach Anspruch 1, wobei die Keimschicht aus einer amorphen NiTa-Legierung und einer amorphen CoFeTaZr-Legierung ausgewählt wird.
Platte nach Anspruch 1, wobei die Nanopartikel zum Teil in dem Polymermaterial eingebettet sind, wobei die Nanopartikel über die Oberfläche des Polymermaterials hinaus vorspringen und Oberflächen aufweisen, die nicht von dem Polymermaterial bedeckt sind.
Platte zur magnetischen Senkrechtaufzeichnung, die umfasst: eine Trägerschicht, eine Schablonenschicht auf der Trägerschicht, wobei die Schablonenschicht Fe₃O₄-Nanopartikel umfasst, die durch ein Polymermaterial beabstandet und zum Teil in diesem eingebettet sind, das Polystyrol mit einer funktionellen Endgruppe umfasst, wobei die Nanopartikel über die Oberfläche des Polymermaterials hinaus vorspringen und Oberflächen aufweisen, die nicht von dem Polymermaterial bedeckt sind; eine Keimschicht, die aus einer amorphen NiTa-Legierung und einer amorphen CoFeTaZr-Legierung ausgewählt wird und die Oberfläche des Polymermaterials und die Oberflächen der Nanopartikel bedeckt; eine aus Ru und einer Ru-Legierung ausgewählte Unterlageschicht auf der Keimschicht und eine Schicht zur magnetischen Senkrechtaufzeichnung auf der Unterlageschicht, wobei die Schicht eine Schicht aus granularer ferromagnetischer Co-Legierung und einem oder mehreren Oxiden von einem oder mehreren aus Si, Ta, Ti, Nb, B, C und W umfasst.
Platte nach Anspruch 1 oder 5, wobei die Keimschicht eine Dicke von größer als oder gleich 1 nm und kleiner als oder gleich 5 nm aufweist.
Platte nach Anspruch 1 oder 5, wobei die Keimschicht eine erste Keimschicht ist, die vorzugsweise eine NiTa-Legierung umfasst, und die Platte außerdem eine zweite Keimschicht, die vorzugsweise eine NiW-Legierung umfasst, auf und in Kontakt mit der ersten Keimschicht umfasst, und wobei die Unterlageschicht sich auf und in Kontakt mit der zweiten Keimschicht befindet.
Platte nach Anspruch 4 oder 5, wobei sich zwischen 35 und 75 Prozent des Durchmessers der Nanopartikel oberhalb der Oberfläche des Polymermaterials befinden.
Platte nach Anspruch 1 oder 5, wobei die Nanopartikel in einem im Allgemeinen gleichförmigen Muster mit Nahordnung angeordnet sind.
Platte nach Anspruch 1 oder 5, wobei die Verteilung des Abstands von Nanopartikel zu Nanopartikel entweder größer als oder gleich 5% und kleiner als oder gleich 10% ist oder größer als oder gleich 10% und kleiner als oder gleich 15% ist.
Platte nach Anspruch 1 oder 5, wobei die granulare ferromagnetische Co-Legierung Körner mit einer Korndurchmesserverteilung von größer als oder gleich 10% und kleiner als oder gleich 15% umfasst.
Platte nach Anspruch 1 oder 5, die außerdem eine weiche, magnetisch durchlässige Unterlageschicht (WUS) zwischen der Trägerschicht und der Schablonenschicht umfasst.