DE3710477C2

DE3710477C2 - Dünne Schicht mit senkrechter Magnetisierungsisotropie

Info

Publication number: DE3710477C2
Application number: DE3710477A
Authority: DE
Inventors: Tadashi Mizoguchi; Nakao Akutsu
Original assignee: Research Development Corp of Japan
Current assignee: Japan Science and Technology Agency
Priority date: 1986-03-31
Filing date: 1987-03-30
Publication date: 1999-05-12
Anticipated expiration: 2007-03-31
Also published as: DE3710477A1; NL8700756A

Description

Die Erfindung betrifft eine dünne Schicht mit senkrechter Magnetisierungsanisotropie. Eine dünne Schicht mit senkrechter Magnetisierungsanisotropie, welche als Hauptbe standteile ein magnetisches Metall, wie z. B. Eisen oder Kobalt sowie Sauerstoff enthält, ist aus der EP 122 030 A1 bekannt.

Für das bekannte Aufzeichnungsmaterial mit magnetischer Anisotropie senkrecht zur Schichtoberfläche sind eine Legierung auf Co-Cr-Basis und Ba-Ferrite als Aufzeich nungsmedium hervorgehoben worden, da diese eine große, senkrechte, magnetische Anisotropieenergie aufweisen.

Bei den herkömmlichen, senkrechten Aufzeichnungsmedien liegen jedoch einige Schwierigkeiten vor, nämlich: Im Falle der vorgeschlagenen, dünnen Schicht mit einer Legierung auf Co-Cr-Basis ist der dynamische Reibungskoeffizient groß und der Abnut zungswiderstand gering, da das Medium Metall ist. Diese Probleme sind bei der prakti schen Verwendung schwerwiegend. Im Falle dünner Schichten mit einer Legierung auf Co-Cr-Basis sind die Elemente Co und Cr relativ kostspielig und bezüglich ihrer Liefe rung nicht stabil. Im Falle einer dünnen Schicht aus Ba-Ferrit ist es erforderlich, den Träger bis zu 500°C zu erwärmen, um Kristalle zu bilden, die eine starke, eng mit der senkrechten, magnetischen Anisotropie in Beziehung stehende Orientierung aufweisen und zusätzlich zunächst stark orientierte Kristalle auf dem Träger zu bilden, wodurch sich einige Schwierigkeiten im Hinblick auf die Herstellung und die Kosten ergeben. Ins besondere ist es bei der praktischen Verwendung eine schwerwiegende Schwierigkeit, daß eine kostengünstige, organische Schicht, wie z. B. PET, für den Träger unbrauchbar ist.

Ferner sind die magnetischen Eigenschaften dieser dünnen Schichten aus einer Legie rung auf Co-Cr-Basis und aus Ba-Ferrit noch nicht zufriedenstellend.

Deshalb besteht ein großes Bedürfnis nach einer neuen dünnen Aufzeichnungsschicht mit senkrechter Magnetisierungsanisotropie, bei der die bei den Medien nach dem Stand der Technik auftretenden Schwierigkeiten überwunden werden, um das senkrech te Aufzeichnungsverfahren für die praktische Verwendung besser nutzbar zu machen.

Im Hinblick auf diese Schwierigkeiten ist es deshalb Aufgabe der Er findung, eine magnetische, dünne Schicht bereitzustellen, die eine ausgezeichnete, senkrechte, magnetische Anisotropie, eine hohe Magnetisierung, ausgezeichnete Kor rosions- und Abnutzungsverhalten, einen kleinen, dynamischen Reibungskoeffizienten und leichte Herstellbarkeit aufweist.

Diese Aufgabe wird durch den Gegenstand des Anspruchs 1 gelöst.

Außer Fe, Si und O können als Bestandteile die folgenden Elemente enthalten sein: Bor (B), Aluminium (Al), Silicium (Si), Titan (Ti), Vanadium (V), Chrom (Cr), Mangan (Mn), Nickel (Ni), Kupfer (Cu), Zink (Zn), Germanium (Ge), Zirkonium (Zr), Niobium (Nb), Molybdän (Mo), Ruthenium (Ru), Palladium (Pd), Silber (Ag), Cadmium (Cd), Indium (In), Zinn (Sn), Antimon (Sb), Hafnium (Hf), Tantalum (Ta), Wolfram (W), Rhenium (Re), Osmium (Os), Platin (Pt), Gold (Au), Blei (Pb), Wismut (Bi) und wenigstens eines der seltenen Erdmetalle Nd, Sm, Gd, Td, Dy und Ho.

Fig. 1 bis 3 zeigen Magnetisierungskennlinien von anisotropischen, dünnen Schichten mit senkrechter Magnetisierung, die die folgenden Zusammensetzungen enthal ten, nämlich:

Fig. 1 Fe_56,2, O_43,8 (außerhalb der Erfindung)

Fig. 2 Fe_52,8, Si_5,8, O_41,4

Fig. 3 Fe_43,2, Si_58,9, O_47,9

in denen Kennlinien, die einer Magnetisierung in einer Ebene entsprechen, mit //, und jene, die einer senkrechten Magnetisierung entsprechen, mit ┴ be zeichnet sind, und

Fig. 4 zeigt eine graphische Darstellung der Beziehung zwischen der Magnetisierung (Ms) und dem senkrechten, magnetischen Anisotropiefeld (Hk), wenn die Sauerstoffkonzentration bei Proben dünner Schichten mit 5,5 bis 6,0 at % Si geändert wird.

Die anisotropische, dünne Schicht mit senkrechter Magnetisierung nach der Erfindung wird im folgenden im einzelnen näher beschrieben. Die dünne Schicht umfaßt Fe, Si und O als Hauptbestandteile und ist durch eine magnetische Anisotropie in einer zu der Schichtoberfläche senkrechten Richtung gekennzeichnet.

Eine anisotropische, dünne Schicht mit senkrechter Magnetisierung auf Fe-Si-O-Basis wurde bis heute nicht hergestellt.

Irgendwelche anderen, vorgegebenen Elemente können enthalten oder nicht enthalten sein, solange die dünne Schicht Eisen (Fe), Silicium (Si) und Sauerstoff (O) als Haupt bestandteile enthält. Die Zusammensetzungsverhältnisse der Elemente können in ge eigneter Weise ausgewählt werden. In Übereinstimmung mit den ausgewählten Zu sammensetzungsverhältnissen kann die magnetische, dünne Schicht nach der Erfin dung sowohl bei einem magnetischen Aufzeichnungsmedium mit der Magnetisierung innerhalb einer Ebene oder einer senkrechten Magnetisierung eingesetzt werden.

Als von Fe, Si und O verschiedene Bestandteile können die folgenden Elemente enthal ten sein: Bor (B), Aluminium (Al), Silicium (Si), Titan (Ti), Vanadium (V), Chrom (Cr), Mangan (Mn), Nickel (Ni), Kupfer (Cu), Zink (Zn), Germanium (Ge), Zirkonium (Zr), Nio bium (Nb), Molybdän (Mo), Ruthenium (Ru), Palladium (Pd), Silber (Ag), Cadmium (Cd), Indium (In), Zinn (Sn), Antimon (Sb), Hafnium (Hf), Tantal (Ta), Wolfram (W), Rhenium (Re), Osmium (Os), Platin (Pt), Gold (Au), Blei (Pb), Wismut (Bi), und wenigstens eines der Seltenerdmetalle Nd, Sm, Gd, Tb, Dy und Ho.

Die magnetische, dünne Schicht nach der Erfindung kann mittels üblichem Schichtbil dungsverfahren, wie z. B. der Aufstäubungstechnik, hergestellt werden. Beim Rufstäu ben können Fe, ein Blech aus anderen Metallen und ein Sauerstoffpellet als Targetma terial verwendet werden. Die Herstellungsbedingungen können in geeigneter Weise wie bei dem herkömmlichen Verfahren ausgewählt werden.

Die magnetische, dünne Schicht, die Fe und O als Hauptbestandteile enthält, weist eine ausgezeichnete magnetische Anisotropie in einer zu der Schichtoberfläche senkrechten Richtung auf, wie es noch unter Bezugnahme auf die Beispiele beschrieben werden wird. Diese ausgezeichnete, senkrechte, magnetische Anisotropie und die ausgezeich neten senkrechten Magnetisierungseigenschaften können wie folgt zusammengefaßt werden:

1. Ein großes Rechtecksverhältnis bei der senkrechten Magnetisierungskurve (z. B. beträgt das Rechtecksverhältnis 0,9 oder mehr).
2. Hohe Koerzitivkraft (z. B. beträgt die Koerzitivkraft 100 Oe oder mehr).
3. Hohe Magnetisierungssättigung und hohe senkrechte, magnetische Anisotropie (z. B. beträgt das magnetische Anisotropiefeld 6,8 kOe bei einer magnetischen, dünnen Schicht mit einer Sättigungsmagnetisierung von 560 emu/cm³).

Die obengenannten Eigenschaften zeigen an, daß die magnetische, dünne Schicht nach der Erfindung ein ideales, magnetisches Material darstellt.

Ferner weist die dünne Schicht einen ausgezeichneten Korrosions- und Abnutzungswi derstand und einen kleinen, dynamischen Reibungskoeffizienten auf, Eigenschaften, die wesentliche für magnetische Aufzeichnungsmedien geforderte Merkmale sind. Diese ausgezeichneten Eigenschaften sind bisher bei herkömmlichen anisotropischen, dün nen Schichten mit senkrechter Magnetisierung nicht bekanntgeworden.

Zur weiteren Erläuterung der Merkmale der dünnen Schichten nach der Erfindung wer den im folgenden einige Beispiele angegeben. Jedoch wird darauf hingewiesen, daß die Erfindung nicht auf nur diese Beispiele begrenzt ist.

BEISPIEL 1

Proben, die aus Eisen und Sauerstoff sowie Eisen, Sauerstoff und Silicium bestanden, wurden mit einem Hochfrequenzaufstäubungsverfahren mit zwei Elektroden hergestellt. Als zusammengesetzte Targets wurden solche aus einem flächigen Element mit einem oder zwei der Bestandteile Fe, Si und SiO₂ und auf einem Fe₂O₃- oder Fe-Target ange ordneten, gesinterten Fe₂O₃-Pellet verwendet. Die Zusammensetzung wurde durch die Kombination zusammengesetzter Targets eingestellt. Träger aus Pyrex-Glas wurden mit Wasser gekühlt, und das Aufstäuben wurde in einer Argonatmosphäre bei einem Druck von 2 Pa und einer Elektrodenspannung von 1,3 kV durchgeführt.

Die Zusammensetzungen der erhaltenen Proben ergaben:

Probe 1: Fe_56,2, O_43,8 (nicht erfindungsgemäß)
Probe 2: Fe_52,8, Si_5,8, O_41,4
Probe 3: Fe_43,2, Si_8,9, O_47,9

Die Fig. 1, 2 und 3 zeigen die Magnetisierungskurven, die beim Ausmessen dieser Proben mit einem Magnetometer vom Schwingungstyp erhalten wurden. Ferner gibt die Tabelle 1 die Sättigungsmagnetisierung (Ms), das Anisotropiefeld (Hk), die Koerzitivkraft (Hc//) in einer Ebene, die senkrechte Koerzitivkraft (Hc┴), das Verhältnis (Mr// / Mr┴) der restlichen Magnetisierung in einer Ebene zu der senkrechten restlichen Magnetisie rung und die Schichtdicke an. Ferner wurde die Zusammensetzung der dünnen Schicht quantitativ mittels eines EPMA bestimmt.

Die Fig. 1 und 3 zeigen deutlich, daß die magnetischen, dünnen Schichten eine große magnetische Anisotropie in einer Richtung senkrecht zu der Filmoberfläche auf weisen und die folgende notwendige Bedingung erfüllen, die allgemein bei einer senk recht magnetisierbaren Schicht erforderlich ist und lautet

Hk ≧ 4 π Ms,

wobei Hk das magnetische Anisotropiefeld und Ms die Sättigungsmagnetisierung be zeichnet.

Somit ermöglichen diese Proben ein Aufzeichnungsverfahren mit senkrechter Magneti sierung. Bei einem doppelschichtigen Aufzeichnungsmedium mit senkrechter Magneti sierung, welches aus einer weichen, magnetischen Schicht und einer senkrecht magne tisierbaren Schicht besteht, ist die Bedingung weniger starr, da die oben genannte not wendige Bedingung nicht unbedingt erfüllt werden muß.

TABELLE 1

Fig. 2 zeigt, obgleich HK < 4 π MS ist, daß das senkrechte, magnetische Anisotropiefeld 5,3 kOe ist und die Magnetisierung bis zu 540 emu/cm³ geht, was anzeigt, daß sich die Schicht ausgezeichnet für ein Aufzeichnungsmedium mit senkrechter Magnetisierung eignet.

Ferner ist die Koerzitivkraft in der senkrechten Richtung ausreichend groß, nämlich 920 Oe bei der Probe 2 und 960 Oe bei der Probe 3.

Auch geht die Sättigungsmagnetisierung bei der Vergleichsprobe 1 bis 240 emu/cm³, bei der Probe 2 bis 540 emu/cm³ und bei der Probe 3 bis 300 emu/cm³, was darauf hin weist, daß die Schichten eine ausgezeichnete, senkrechte, magnetische Anisotropie besitzen.

Fig. 4 zeigt die Beziehung zwischen der Magnetisierung und dem senkrechten, magne tischen Anisotropiefeld, wenn die Sauerstoffkonzentration bei den Proben geändert wird, bei denen das Atomverhältnis von Silicium innerhalb eines Bereiches von 5,5 bis 6,0% gehalten wird. Fig. 4 zeigt, daß das magnetische Anisotropiefeld monoton mit zuneh mender Magnetisierung bis zu Ms = 540 emu/cm³ ansteigt und dann im Gegensatz hier zu mit zunehmender Magnetisierung abfällt, wenn Ms 540 emu/cm³ überschreitet.

Wie bereits angegeben, werden die dünnen Schichten auf Fe-Si-O-Basis zu Schichten mit senkrechter, magnetischer Anisotropie, wobei das magnetische Anisotropiefeld 2 kOe oder mehr und die Sättigungsmagnetisierung 10 emu/cm³ oder mehr innerhalb der folgenden Bereiche beträgt:

Fe_x' Si_y' O_z'
30 ≦ x' ≦ 65
0 < y' ≦ 20
30 ≦ z' ≦ 57,2 (x' + y' + z' = 100)

BEISPIEL 2

Dünne, magnetische Schichten mit den Probennummern 1 bis 13 weisen eine Zusam mensetzung von Fe_x', O_y', Si_z auf, wie es Tabelle 2 zeigt und wurden mit einem Hochfre quenzaufstäubungsverfahren hergestellt. Die zusammengesetzten Targets bestanden aus Fe-Blechen (5 × 5 × 1 t) und flächigen Elementen aus Si oder SiO₂ (5 × 5 × 1 t), die auf einer Fe₂O₃-Scheibe (80 × 5 t-Einheit: mm) angeordnet wurden und aus gesinter ten Fe₂O₃-Pellets (80 × 5 t) und einem flächigen Element (5 × 5 × 1 t) aus SiO₂ auf einer Scheibe aus Eisen (80 × 5 t). Träger aus Pyrex-Glas wurden mit Wasser gekühlt, und das Aufstäuben wurde in einer Argonatmosphäre bei einem Druck von 2 Pa und einer Elektrodenspannung von 1,3 kV durchgeführt. Das angelegte Magnetfeld betrug 50 Oe und der Abstand zwischen den Elektroden war 40 mm.

Tabelle 2 gibt die magnetischen Eigenschaften der erhaltenen dünnen Schichten, die Schichtdicke und die Anodenspannung bei der Herstellung der Schicht im Vergleich mit jenen Werten von dünnen Co-Cr-Schichten nach dem Stand der Technik an, die unter den gleichen Bedingungen wie beim Beispiel 2 hergestellt worden sind.

Tabelle 2 zeigt, daß die magnetischen Schichten nach der Erfindung eine ausgezeich nete, senkrechte, magnetische Anisotropie aufweisen und magnetische Eigenschaften besitzen, die jenen bei dünnen Co-Cr-Schichten äquivalent oder überlegen sind. Die Elemente Fe, Si und O des Grundmaterials sind in stabiler Form erhältlich. Die Herstel lungskosten sind nicht beträchtlich, und der Abnützungswiderstand ist besser als bei ei ner herkömmlichen Co-Cr-Legierung. Andererseits ist es unmöglich, eine ausreichende senkrechte Anisotropie außerhalb des Bereiches zu erhalten, der durch die beschriebe ne Erfindung festgelegt ist.

Claims

1. Dünne Schicht mit senkrechter Magnetisierungsanisotropie, dadurch gekenn zeichnet, daß die Schicht als Hauptbestandteil Eisen (Fe), Silicium (Si) und Sauer stoff (O) enthält, um eine magnetische Anisotropie senkrecht zur Schichtoberfläche zu schaffen, wobei für das Atomverhältnis des Zusammensetzungsbereiches der dünnen Schicht gilt:
Fe_x, Si_y, O_z,
mit 30 ≦ x' ≦ 65
0 < y' ≦ 20
30 ≦ z' ≦ 57,2
x' + y' + z' = 100.

2. Dünne Schicht nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß sie ferner wenigstens eines der Elemente B, Al, Si, Ti, V, Cr, Mn, Ni, Cu, Zn, Ge, Zr, Nb, Mo, Ru, Pd, Ag, Cd, In, Sn, Sb, Hf, Ta, W, Re, Os, Pt, Au, Pb, Bi und der Seltenen Erden enthält.