DE60102474T2

DE60102474T2 - Mehrschichtige magnetische aufzeichnungsmittel

Info

Publication number: DE60102474T2
Application number: DE60102474T
Authority: DE
Inventors: Hoa Van Do; Edward Eric FULLERTON; Thomas David MARGULIES; Jervis Hal ROSEN
Original assignee: Hitachi Global Storage Technologies Netherlands BV
Current assignee: HGST Netherlands BV
Priority date: 2000-07-26
Filing date: 2001-07-06
Publication date: 2005-02-24
Anticipated expiration: 2021-07-07
Also published as: CN1444762A; US6372330B1; MY122799A; JP2004505397A; AU2001269299A1; EP1305796B1; CN1242382C; KR100611087B1; JP3924532B2; EP1305796A1; TW584841B; WO2002009098A1; KR20030024794A; DE60102474D1

Description

GEBIET DER ERFINDUNG
Die vorliegende Erfindung bezieht sich im Allgemeinen auf Magnetaufzeichnungsmedien und insbesondere auf thermisch stabile Medien hoher Dichte.
HINTERGRUND DER ERFINDUNG
Herkömmliche Magnetaufzeichnungsmedien, wie Magnetaufzeichnungsplatten in Festplattenlaufwerken, verwenden üblicherweise eine körnige ferromagnetische Schicht, wie eine durch Sputtern aufgebrachte Kobalt-Platin(CoPt)-Legierung, als Aufzeichnungsmedium. Jede magnetisierte Domäne der magnetischen Schicht besteht aus zahlreichen kleinen Magnetkörnern. Die Übergänge zwischen magnetisierten Domänen stellen die „Bits" der aufgezeichneten Daten dar. Die US-A-4.789.598 und 5.523.173 von IBM beschreiben diese Art von herkömmlichen Festplatten.
Da die Speicherdichte von Magnetaufzeichnungsplatten zugenommen hat, ist das Produkt aus der Remanenzmagnetisierung Mr (das Magnetmoment pro Einheitsvolumen an ferromagnetischem Material) und der Magnetschichtdicke t kleiner geworden. Ebenso ist auch die Koerzitivfeldstärke oder Koerzitivkraft (H_c) der Magnetschicht größer geworden. Dies hat zu einer Abnahme im Verhältnis Mrt/H_c geführt. Um eine Verringerung von Mrt zu erreichen, kann die Dicke t der Magnetschicht gesenkt werden, jedoch nur bis zu einem gewissen Ausmaß, da die Schicht einen erhöhten magnetischen Zerfall aufweisen wird, was einer thermischen Aktivierung der kleinen Magnetkörner zugeschrieben worden ist (superparamagnetischer Effekt). Die thermische Stabilität eines Magnetkorns wird zu einem Großteil von K_uV bestimmt, worin K_u die magnetische Anisotropiekonstante der Schicht ist und V das Volumen des Magnetkorns. Da die Schichtdicke geringer ist, sinkt auch V. Wenn die Schichtdicke zu dünn ist, wird die gespeicherte Magnetinformation bei normalen Laufwerk-Betriebsbedingungen nicht mehr stabil sein.
Ein Ansatz zur Lösung dieses Problems ist es, ein Material mit höherer Anisotropie (höhere K_u) zu verwenden. Die Vergrößerung der K_u ist jedoch durch den Punkt begrenzt, in dem die Koerzitivkraft H_c, die etwa gleich K_u/Mr ist, zu groß wird, um von einem herkömmlichen Aufzeichnungskopf geschrieben werden zu können. Ein ähnlicher Ansatz ist es, Mr der Magnetschicht für eine fixe Schichtdicke zu reduzieren, was jedoch auch durch die Koerzitivkraft, die geschrieben werden kann, begrenzt ist. Eine weitere Lösung ist es, den Korngrenzenaustausch zu steigern, so dass das effektive magnetische Volumen V der Magnetkörner erhöht ist. Dieser Ansatz hat sich jedoch als nachteilig für den inneren Rauschabstand (SNR, signalto-noise ratio) der Magnetschicht erwiesen.
Die GB-A-2355018 offenbart ein Magnetaufzeichnungsmedium mit antiferromagnetisch gekoppelten ferromagnetischen Filmen als Aufzeichnungsschicht.
Magnetaufzeichnungsmedien mit hoher innerer SNR (niedrigem intrinsischen Medienrauschen) sind erwünscht, da bei Metalllegierungsmedien, wie CoPt-Legierungen, weithin bekannt ist, dass das intrinsische Medienrauschen mit zunehmender linearer Aufzeichnungsdichte steigt. Medienrauschen entsteht durch Unregelmäßigkeiten in den Magnetübergängen und führt zu Zufallsverschiebungen bei den Auslesesignalspitzen. Diese Zufallsverschiebungen werden als Spitzen-Jitter oder Zeit-Jitter bezeichnet. Höheres Medienrauschen führt somit zu höheren Bitfehlerraten. Es ist daher wünschenswert, ein Dünnfilm-Metalllegierungsmagnetmedium zu entwickeln, das Rauschen unterhalb eines maximal annehmbaren Werts erzeugt, so dass Daten mit maximaler linearer Dichte aufgezeichnet werden können. Es ist bekannt, dass eine wesentlich verbesserte SNR erzielt werden kann, indem eine Einzelmagnetschicht durch eine zusammengesetzte Magnetschicht aus zwei (oder mehr) getrennten Magnetschichten, die durch eine nichtmagnetische Abstandshalterschicht voneinander beabstandet sind, ersetzt wird. Diese Entdeckung wurde von S. E. Lambert et al. gemacht („Reduction of Media Noise in Thin Film Metal Media by Lamination", IEEE Transactions on Magnetics, Vol. 26, Nr. 5, 2706-2709 (September 1990) und anschließend in der US-A-5.051.288 (IBM) patentiert. Es wird angenommen, dass die Verringerung des Medienrauschens durch Lamination auf einer Entkopplung der magnetischen Interaktion oder einer Austauschkopplung zwischen den Magnetschichten im Laminat beruht. Die Verwendung von Lamination zur Rauschreduktion wurde umfassend untersucht, um die am besten geeigneten Abstandhalterschichtrnaterialien, einschließlich Cr, CrV, Mo und Ru, sowie die Abstandhalterschichtdicken, von 5 bis 400 CF, zu finden, die in der besten Entkopplung der Magnetschichten und somit im geringsten Medienrauschen resultieren. Über diese Arbeit wurde in Artikeln von E. S. Murdock et al., „Noise Properties of Multilayered Co-Alloy Magnetic Recording Media", IEEE Transactions on Magnetics, Vol. 26, Nr. 5, 2700-2705 (September 1990); A. Murayama et al., „Interlayer Exchange Coupling in Co/Cr/Co Double-Layered Recording Films Studied by Spin-Wave Brillouin Scattering", IEEE Transactions on Magnetics, Vol. 27, Nr. 6, 5064-5066 (September 1991); und S. E. Lambert et al., „Laminated Media Noise for High Density Recording", IEEE Transactions on Magnetics, Vol. 29, Nr. 1, 223-229 (Jänner 1993) berichtet. Die US-A-5.462.796 und der darauf bezogene Artikel von E. Teng et al., „Flash Chromium Interlayer for High Performance Disks with Superior Noise and Coercivity Squareness", IEEE Transactions on Magnetics, Vol. 29, Nr. 6, 3679-3681 (November 1993) beschreiben eine geschichtete rauscharme Platte, die einen unterbrochenen Cr-Film verwendet, der dick genug ist, um die Austauschkopplung zwischen zwei Magnetschichten im Laminat zu verringern, jedoch auch dünn genug, damit die zwei Magnetschichten nicht physisch voneinander getrennt sind.
Es besteht Bedarf an Magnetaufzeichnungsmedien, die ein Aufzeichnen mit sehr hoher Dichte unterstützen während sie eine gute thermische Stabilität und SNR aufrechterhalten.
OFFENBARUNG DER ERFINDUNG
Die Erfindung besteht in einem Magnetaufzeichnungsmedium, worin die Magnetaufzeichnungsschicht zumindest zwei ferromagnetische Filme aufweist, die über einen nicht ferromagnetischen Abstandhalterfilm antiferromagnetisch aneinander gekoppelt sind. Da die Magnetmomente der zwei antiferromagnetisch gekoppelte Filme antiparallel ausgerichtet sind, ist das Nettoprodukt aus der Remanenzmagnetisierung und der Dicke (Mrt) der Aufzeichnungsschicht der Unterschied in den Mrt-Werten der zwei ferromagnetischen Filme. Diese Verringerung von Mrt wird ohne eine Verringerung der thermischen Stabilität des Aufzeichnungsmediums erzielt, da die Volumina der Körner in den antiferromagnetisch gekoppelten Filmen sich konstruktiv addieren. Das Medium ermöglicht zudem das Erreichen schärferer Magnetübergänge bei reduzierten Entmagnetisierungsfeldern, was in einer höheren linearen Bitdichte des Mediums resultiert. In einer Ausführungsform umfasst das Magnetaufzeichnungsmedium zwei ferromagnetische Filme, die beide in einem körnigen Film aus einer durch Sputtern aufgebrachten CoPtCrB-Legierung bestehen und durch einen Ru-Abstandhalterfilm voneinander getrennt sind, der eine solche Dicke aufweist, dass die antiferromagnetische Austauschkopplung zwischen den zwei CoPtCrB-Filmen maximiert ist. Einer der ferromagnetischen Filme ist dicker als der andere ausgebildet, wobei die Dicken jedoch so gewählt sind, dass das Nettomoment, wenn kein Magnetfeld angelegt ist, gering ist, jedoch nicht Null ist.
Die AF-gekoppelte Magnetaufzeichnungsschicht der vorliegenden Erfindung, d.h. zumindest zwei ferromagnetische Filme, die über einen nicht ferromagnetischen Abstandhalterfilm antiferromagnetisch aneinander gekoppelt sind, können als einzelne Magnetschichten im Schichtmedium, das in dem obenstehend angeführten Patent '288 beschrieben ist, verwendet werden, um ein Medium mit thermischer Stabilität sowie geringem intrinsischem Medienrauschen herzustellen.
Um die Beschaffenheit und Vorteile der vorliegenden Erfindung besser verstehen zu können, sollte auf die folgende detaillierte Beschreibung in Verbindung mit den begleitenden Figuren verwiesen werden.
KURZBESCHREIBUNG DER ABBILDUNGEN
1 ist eine schematische Schnittansicht der antiferromagnetisch (AF) gekoppelten Magnetaufzeichnungsschicht in einem Aufzeichnungsmedium;
2A ist eine schematische Darstellung der AF-gekoppelten Schicht, die die Ausrichtungen der Momente der ferromagnetischen Filme bei einem aufgezeichneten Magnetübergang veranschaulicht;
2B ist eine graphische Darstellung des berechneten Magnetfelds über der AFgekoppelten Schicht und einem Einzelschicht(SL)-Medium als eine Funktion der Downtrack-Position von einem Übergang;
3 ist eine schematische Schnittansicht einer Plattenstruktur, die das Substrat, die Unterschicht, die Filme in der AF-gekoppelten Schicht und den Schutzüberzug veranschaulicht;
4 ist eine magnetische Hystereseschleife für die Struktur mit der AF-gekoppelten Schicht aus 3;
5 ist eine schematische Schnittansicht einer Schichtplattenstruktur nach dem Stand der Technik mit herkömmlichen individuellen Einzelschichten als Magnetschichten im Laminat; und
6 ist eine schematische Schnittansicht einer Schichtplattenstruktur mit AFgekoppelten Schichten als einzelne Magnetschichten im Laminat.
DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
Ein Magnetaufzeichnungsmedium besitzt eine Aufzeichnungsschicht aus zwei oder mehreren ferromagnetischen Filmen, die durch einen oder mehrere nicht ferromagnetische Abstandhalterfilme an ihre benachbarten ferromagnetischen Filme antiferromagnetisch (AF) Austausch-gekoppelt sind. Dies ist in 1 schematisch für eine Aufzeichnungsschicht 10 aus zwei ferromagnetischen Filmen 12, 14, die durch einen nicht ferromagnetischen Abstandhaltertilm 16 getrennt sind, dargestellt. Die Dicke und die Zusammensetzung des nicht-ferromagnetischen Abstandhalterfilms 16 sind so gewählt, dass die magnetischen Momente 22, 24 der angrenzenden Filme 12 bzw. 14 durch den nicht ferromagnetischen Abstandhalterfilm 16 AF-gekoppelt sind und antiparallel sind, wenn kein Feld angelegt ist.
Die AF-Kopplung ferromagnetischer Filme über einen nicht ferromagnetischen Übergangsmetall-Abstandhaltertilm ist umfassend untersucht und in der Literatur beschrieben worden. Im Allgemeinen oszilliert die Austauschkopplung mit zunehmender Abstandshaltertilmdicke von ferromagnetisch zu antiferromagnetisch. Diese oszillatorische Kopplungsbeziehung für ausgewählte Materialkombinationen wird von Parkin et al. in „Oscillations in Exchange Coupling and Magnetoresistance in Metallic Superlattice Structures: Co/Ru, Co/Cr und Fe/Cr", Phys. Rev. Lett. Vol. 64, 2034 (1990) beschrieben. Die Materialkombinationen schließen ferromagnetische Filme aus Co, Fe, Ni und deren Legierungen wie Ni-Fe, Ni-Co und Fe-Co sowie nicht-ferromagnetische Abstandhaltertilme wie Ruthenium (Ru), Chrom (Cr), Rhodium (Rh), Iridium (Ir), Kupfer (Cu) und deren Legierungen ein. Für jede dieser Materialkombinationen muss die oszillatorische Austauschkopplungsbeziehung ermittelt werden, wenn diese noch nicht bekannt ist, so dass die Dicke des nicht ferromagnetischen Abstandhaltertilms so gewählt wird, dass eine antiferromagnetische Kopplung zwischen den beiden ferromagnetischen Filmen sichergestellt ist. Die Oszillationsperiode hängt vom nicht ferromagnetischen Abstandhaltermaterial ab, wobei die Stärke und Phase der oszillatorischen Kopplung auch vom ferromagnetischen Material und der Grenzflächenqualität abhängig sind. Die oszillatorische antiferromagnetische Kopplung der ferromagnetischen Filme ist bei Giant-Magnetowiderstand(GMR)-Aufzeichnungsköpfen des Spin-Ventil-Typs verwendet worden, um kontinuierliche magnetisierte antiferromagnetisch gekoppelte Filme auszubilden, deren Magnetmomente während dem Betreiben des Kopfs starr antiparallel aneinander gekoppelt sind. Diese Art von Spinventil-Strukturen ist z.B. in den US-A-5.408.377 und 5.465.185 (IBM) beschrieben. Die Patentanmeldung '185 beschreibt eine Struktur, die in zahlreichen im Handel erhältlichen Spinventil-GMR-Köpfen verwendet wird, und zwar eine laminierte antiparallel zusammengepresste ferromagnetische Schicht mit ferromagnetischen Filmen, deren Momente starr aneinander gekoppelt sind und während dem Betreiben des Kopfs feststehend bleiben.
Die Filme 12, 14 weisen Magnetmomentwerte Mr₁t₁ bzw. Mr₂t₂ auf. (Da die Remanenzmagnetisierung Mr als das Magnetmoment pro Einheitsvolumen an ferromagnetischem Material ausgedrückt wird, ist das Produkt Mrt das Magnetmoment pro Einheitsfläche für eine Magnetschicht mit der Dicke t). Bei dieser AF-gekoppelten Struktur erfolgt die Ausrichtung der Magnetmomente 22, 24 der angrenzenden Filme 12 bzw. 14 jeweils antiparallel, was sich nachteilig auswirkt, so dass das Magnetmoment der Verbundschicht 10 verringert wird. Die Pfeile 22, 24 stellen die Momentausrichtungen der einzelnen magnetischen Domänen dar, die quer über den AF-Kopplungsfilm 16 direkt über- und untereinander liegen. Wenn kein Magnetfeld angelegt ist, wird der ferromagnetische Film 14 bei seiner Aufbringung auf das Mediensubstrat eine körnige Struktur mit zahlreichen aneinander angrenzenden Körnern aufweisen, die aneinander gekoppelt sind, um einzelne magnetische Domänen auszubilden. In Abwesenheit eines angelegten Magnetfelds werden die Momente dieser Domänen in Film 14 im Wesentlichen zufällig ausgerichtet. Der Abstandhalterfilm oder AF-Kopplungsfilm 16 wird dann direkt mit der entsprechenden Dicke auf den ferromagnetischen Film 14 abgelagert. Als nächstes wird ein zweiter ferromagnetischer Film 12 direkt auf dem AF-Kopplungsfilm 16 abgeschieden. Wenn die Körner des ferromagnetischen Films 12 wachsen, bilden sie Magnetdomänen mit Momentausrichtungen, die antiparallel zu den Momentausrichtungen des ferromagnetischen Films 14 sind, die direkt über den AF-Kopplungsfilm 16 verteilt sind.
Die Art des ferromagnetischen Materials und die Dicken t₁, t₂ der ferromagnetischen Filme 12 und 14 sind so gewählt, dass das Nettomoment ohne einem angelegten Feld gering ist, jedoch nicht Null ist. Für den in 1 dargestellten Fall ist Mrt für die Struktur durch Mr₁t₁ – Mr₂t₂ gegeben. Mr₁t₁ sollte > Mr₂t₂ sein. Dies kann dadurch erreicht werden, indem für die zwei Filme 12, 14 dieselben ferromagnetischen Materialien verwendet werden und t₁ größer ist als t₂, oder die Magnetisierung (das Magnetmoment pro Einheitsvolumen des Materials) der zwei ferromagnetischen Filme kann abgeändert werden, indem unterschiedliche ferromagnetische Materialien für die zwei Filme verwendet werden. Obwohl 1 für eine Zwei-Film-Struktur mit einem einzelnen Abstandhalterfilm 16 dargestellt ist, können auch Strukturen mit mehreren Abstandhalterfilmen und mehreren ferromagnetischen Filmen verwendet werden.
Die oben beschriebene Magnetschicht besitzt eine Anzahl von Vorteilen gegenüber einer Magnetschicht, die als eine einzelne Schicht aus ferromagnetischem Material ausgebildet ist. Eine geringe Remanenzmagnetisierung kann erhalten werden, ohne dass ultradünne Magnetschichten oder Niedrigmagnetisierungslegierungen verwendet werden müssen. Dies verhindert das Problem der thermischen Instabilität und der Schwierigkeit beim Beschreiben, wie sie oben erläutert wurden. Wenn die Magnetschicht in 1 mit einer Einzelschicht, die lediglich aus Film 12 besteht, verglichen wird, verringert z.B. die Zugabe des AF-gekoppelten ferromagnetischen Films 14 das Nettomagnetmoment der Verbundstruktur, ohne dass weder die Dicke noch die Magnetisierung des Films 12 verringert wird.
Die verstärkte thermische Stabilität der Verbundstruktur im Vergleich zu einer Einzelmagnetschicht entsteht dadurch, dass die Anisotropie der Körner in beiden Filmen 12 und 14 im Wesentlichen uniaxial ist und somit einen konstruktiven Beitrag leisten kann, selbst wenn die Magnetmomente der Filme 12 und 14 antiparallel sind. Der resultierende Stabilitätsparameter des gekoppelten Systems K_uV ist durch Ku₁V₁\ K_uV \ (Ku₁V₁ + Ku₂V₂) gegeben, worin Ku₁V₁ und Ku₂V₂ die Anisotropieenergien typischer Körner in den Filmen 12 bzw. 14 sind. Die obere Grenze des Verbundstabilitätsparameters KuV = Ku₁V₁ + Ku₂V₂ wird in dem Fall erreicht, wenn die Magnetkörner im Film 12 und 14 stark gekoppelt sind und eine gemeinsame Anisotropie-Achsenrichtung teilen. Das Magnetvolumen V der Verbundstruktur (Schicht 10), das die thermische Stabilität bestimmt, ist etwa die Summe der Volumina der Austausch-gekoppelten Körner in den Filmen 12 und 14, während das Magnetmoment der Schicht 10 die Differenz aus den einzelnen Momenten der Filme 12 und 14 ist. Die antiferromagnetische Kopplung zwischen den zwei ferromagnetischen Filmen stellt einen Mechanismus bereit, um die effektive Filmdicke zu erhöhen, während der Netto-Mrt-Wert der Verbundstruktur verringert wird. Somit kann der ferromagnetische Film Körner mit sehr kleinem Durchmesser enthalten und die thermische Stabilität aufrechterhalten.
Ein AF-gekoppeltes Medium ist in 2A mit einem aufgezeichneten oder beschriebenen Magnetübergang schematisch dargestellt. Die Plus(+)- und Minus(–)-Symbole stellen die magnetischen Pole dar, die aus dem Übergang hervorgehen. Das berechnete Längsfeld (H_x) 10 nm über der Oberfläche des AF-gekoppelten Mediums ist in 2B als eine Funktion der X-Richtung oder Downtrack-Position vom Übergang gezeigt. Die Werte für das Moment und die Dicke der zwei Filme 12 und 14 und das berechnete Mrt-Produkt für die AF-gekoppelte Schicht sind in 2B angeführt. 2B zeigt z.B. auch Modellberechnungen des longitudinalen Magnetfelds, das aus Übergängen in einem Einzelschicht(SL)-Medium hervorgeht, das ein ähnliches Mrt-Produkt aufweist. Die Dicken (t₁ und t₂) wurden so ausgewählt, dass das Spitzen-Längsfeld für das AF-gekoppelte Medium dasselbe war wie beim SL-Medium. Die Gesamtdicke des ferromagnetischen Materials im AF-gekoppelten Medium ist 2,7mal dicker. Das AF-gekoppelte Medium sollte daher thermisch stabiler sein, als das SL-Medium. Das Längsfeldprofil fällt in der Downtrack-Richtung beim AF-gekoppelten Medium schneller ab, was zu einem schärferen Übergang führt. Dies deutet darauf hin, dass die Übergänge enger beieinander liegen können als beim SL-Medium, was in einer höheren linearen Bitdichte für das Medium resultiert. Obwohl es in 2B nicht dargestellt ist, haben Berechnungen auch gezeigt, dass das Entmagnetisierungsfeld eines Übergangs innerhalb des AF-gekoppelten Mediums ebenfalls schneller abfällt als im SL-Medium. Zudem hängt die Größenordnung und das Vorzeichen des Entmagnetisierungsfelds von der Y-Position innerhalb des Mediums ab (siehe 2A). Für gewisse Y-Positionen innerhalb des Mediums ist das Entmagnetisierungsfeld daher auf Null reduziert. Niedrige Entmagnetisierungsfelder sind erwünscht, da sie andere Übergänge bewirken können und den Übergang dazu veranlassen, sich selbst zu entmagnetisieren.
3 zeigt eine Beispielsstruktur herkömmlicher CoPtCrB-Längsaufzeichnungsmedien-Legierungen, die für die ferromagnetischen Filme verwendet werden, Die Struktur wurde mittels herkömmlicher Sputter-Beschichtungsvorrichtungen und – verfahren hergestellt. Die die Struktur bildende Filme wurde auf einer Cr-Unterschicht gezüchtet, die auf ein Substrat einer AlMg-Leerplatte mit einer Nickel-Phosphor(NiP)-Oberflächenbeschichtet aufgebracht worden war, wobei die Substrattemperatur bei etwa 200 âC lag. Die ferromagnetischen Filme bestehen aus CoPtCrB, wobei der oberste Film dem Film 12 in 1 entspricht und dicker ist als der unterste, dem Film 14 in 1 entsprechende ferromagnetische Film ist (12 nm vs. 7 nm). Der nicht ferromagnetische Abstandshalterfilm ist ein 0,6 nm Ru-Film. Wie bei Einzelschichtmedien ist es vorteilhaft, ein körniges ferromagnetisches Material mit isolierten Magnetkörnern zu verwenden, um das Medienrauschen zu senken. Die Ru-Filmdicke wurde so gewählt, dass sie bei der ersten antiferromagnetischen Spitze in der oszillatorischen Kopplungsbeziehung liegt. Bei diesem Beispiel schloss jeder ferromagnetische CoPtCrB-Film einen Grenzflächenfilm ein, der im Wesentlichen aus 0,5 nm Co an der Grenzfläche des Ru-Films bestand. Diese ultradünnen Co-Filme erhöhen das Grenzflächenmoment zwischen den ferromagnetischen Filmen und dem Ru-Film, was in einer erhöhten antiferromagnetischen Kopplung resultiert. Die antiferromagnetische Austauschkopplung wurde jedoch ohne Integration der Co-Grenzflächenfilme in die ferromagnetischen CoPtCrB-Filme veranschaulicht.
4 zeigt die Haupthystereseschleife (durchgezogene Linie) und die Resthystereseschleife (strichlierte Linie), gemessen bei T = 350 âK für die Struktur aus 3. Bezugnehmend auf die Resthystereseschleife wird diese durch Sättigen des AF-gekoppelten Schicht in einem positiven Feld und anschließendes Anlegen eines zunehmenden umgekehrten Negativfelds und Messen des Restmoments in der Schicht, nachdem das negative Feld angelegt worden ist, erhalten. Die Remanenzschleife ist eine graphische Darstellung des Restmoments gegenüber der Größe des umgekehrten Felds. Bei diesem Beispiel zeigt die Remanenztschleife Mrt = 0,21, das Remanenzkoerzitivfeld H_cr = 3,2 kOe (1 Oe = 79,58 A/m) und S' = 0,92 bei Raumtemperatur, wobei S' ein Maß der Steigung der Restschleife bei H_cr ist. Im Vergleich dazu besitzt eine ähnlich gezüchtete 15 nm Einzelschicht aus derselben CoPtCrB-Legierung folgende Eigenschaften: Mrt = 0,38, H_cr = 2,4 kOe und S' = 0,76 bei Raumtemperatur. Durch ein AF-gekoppeltes Medium kann daher ein wesentlich niedrigeres Mrt-Produkt mit einer größeren Gesamtmagnetschichtdicke erreicht werden.
Bezugnehmend auf die Haupthystereseschleife aus 4 zeigen die Paare horizontaler Pfeile die Ausrichtung der ferromagnetischen Filme in der AFgekoppelten Schicht an unterschiedlichen Punkten in der Hystereseschleife an. Das angelegte Feld ist in der positiven Richtung (Pfeile 30, 32) erhöht. Bei großen angelegten Feldern (>3000 Oe) wird die antiferromagnetische Kopplung überwunden und die Momente der zwei ferromagnetischen Filme sind beide parallel zum angelegten Feld (Pfeile 42, 44). Wenn das angelegte Feld verkleinert wird (Pfeil 34) dreht sich das Moment des dünneren unteren ferromagnetischen Films um und wird antiparallel zum Moment des dickeren obersten ferromagnetischen Films (Pfeile 52, 54) und zum angelegten Feld, wobei das Nettomoment abfällt. Diese Umschaltung tritt ungefähr beim Austauschfeld auf, das vom untersten Film (H_ex2 = 2000 Oe) gespürt wird und durch die Kopplung entlang des Ru-Films entsteht. Der Wert von N_ex2 = J_ex/M₂t₂, wobei Je_x die antiferromagnetische Grenzflächenaustauschenergiedichte entlang der Ru-Abstandhalterschicht ist und M₂ und t₂ für die Magnetisierung bzw. Dicke des untersten ferromagnetischen Films stehen. Um eine antiparallele Ausrichtung der ferromagnetischen Filme zu erreichen, muss H_ex2 das zur Umkehr des untersten ferromagnetischen Films (H_c2) notwendige Koerzitivfeld übersteigen. H_c2 ist das Koerzitivfeld des untersten Films, wobei angenommen wird, dass keine Austauschinteraktion mit dem obersten ferromagnetischen Film stattfindet. Die magnetischen Eigenschaften und die Dicke des untersten Films sowie der AFkoppelnde Film müssen so gestaltet sein, dass N_ex2 > H_c2 aufrechterhalten bleibt.
Der Remanenzzustand nach der Sättigung in einem positiven Feld ist durch das Moment des obersten ferromagnetischen Films parallel zur Feldrichtung und das Moment des untersten ferromagnetischen Films antiparallel zu positiven Feldrichtung (Pfeile 52, 54) gegeben. Bei einem umgekehrt angelegten Feld (Pfeil 36) ist der Magnetzustand stabil, bis sich das Moment des obersten ferromagnetischen Films umkehrt und die Momente beider Filme sind parallel und im negativen Sättigungszustand ausgerichtet (Pfeile 62, 64). Das Umschalten des Moments des obersten ferromagnetischen Films bestimmt das Koerzitivfeld der AF-gekoppelten Schicht und ist durch H_c = N_ex1 + H_c1 gegeben, wobei H_ex1 das auf den obersten ferromagnetischen Film wirkende Austauschfeld (H_ex1 = J_ex/M₁t₁) und H_c1 das Koerzitivfeld des obersten ferromagnetischen Films ist, wobei angenommen wird, dass keine Interaktion mit dem untersten ferromagnetischen Film stattfindet. Die Eigenschaften des obersten ferromagnetischen Films und des AF-koppelnden Films müssen daher so gestaltet sein, dass H_c der Verbundstruktur unter dem erwarteten Schreibfeld des Kopfs gehalten wird. Bei diesem Beispiel führt der Weg von einem Remanenzzustand (Pfeile 52, 54) zum nächsten Remanenzzustand (Pfeile 72, 74) über einen Zwischenzustand, in dem die Momente der beiden Filme parallel sind (Pfeile 62, 64). Im Gegensatz zu AF-gekoppelten Strukturen, die in Spinventil-GMR-Aufzeichnungsköpfen verwendet werden, sind die Momente der ferromagnetischen Filme im Medium gemäß der vorliegenden Erfindung über den AF-koppelnden Film nicht starr aneinander gekoppelt, da die Kopplung überwunden werden muss, um auf dem Medium zu schreiben. Die Hystereseschleife aus 4 zeigt das erwünschte Merkmal einer AF-gekoppelten Schicht, d.h. eine geringe Restmagnetisierung in Bezug auf die Sättigungsmagnetisierung.
Auf der AF-gekoppelten Schicht wurden Aufzeichnungsleistungstests mittels einem herkömmlichen Längsaufzeichnungskopf durchgeführt. Rauschabstandmessungen ergaben einen Medien-S₀NR von 31,9 dB bei 9500 Flusswechsel pro Millimeter (fc/mm), wobei So die isolierte Pulsamplitude und N das integrierte Medienrauschen bei einer Aufzeichnungsdichte von 9500 fc/mm ist. Die Ergebnisse demonstrieren die Brauchbarkeit von AF-gekoppelten Magnetschichten für die Datenspeicherung.
Die AF-gekoppelten Medien gemäß der vorliegenden Erfindung wurden auch für Strukturen mit und ohne einem oder beiden Co-Grenzflächenfilmen, mit und ohne einem oder beiden CoCr-Grenzflächenfilmen und mit ferromagnetischen CoCrPtTa-Filmen veranschaulicht.
SCHICHTMEDIEN MIT AF-GEKOPPELTEN SCHICHTEN
Geschichtete Magnetaufzeichnungsmedien auf Basis der im vorhergehend angeführten Patent '288 beschriebenen Erfindung wurden auch mit den oben beschriebenen AF-gekoppelten (AFC) Schichten als Einzelmagnetschichten im Laminat hergestellt. 5 ist eine schematische Darstellung eines herkömmlichen geschichteten Magnetaufzeichnungsmediums, worin die Magnetaufzeichnungsschicht 30 zumindest zwei Einzelmagnetschichten 32, 34 umfasst, die jeweils ein Magnetmoment (pro Einheitsfläche) von Mrt₁ aufweisen, wobei zwei benachbarte Schichten durch eine nicht ferromagnetische Abstandhalterschicht 36 getrennt sind. Diese Verbundstruktur besitzt ein gesamtes Mrt von 2Mrt₁ für ein Laminat mit zwei Schichten. (Der einfacheren Erklärung halber wird angenommen, dass alle ferromagnetischen Schichten dieselbe Zusammensetzung aufweisen, so dass sie dieselbe Mr aufweisen. Der Schutzumfang der Erfindung umfasst jedoch auch die Verwendung unterschiedlicher ferromagnetischer Materialien, so dass das Gesamtmagnetmoment für die Struktur aus 5 durch Mr₁t₁ + Mr₂t₂ gegeben wäre.).
Das neuartige Schichtmedium, das die AFC-Schichten verwendet, ist in 6 schematisch für eine Struktur mit zwei AFC-Schichten und einer nicht ferromagnetischen Abstandhalterschicht dargestellt. Beim geschichteten AFC- Magnetmedium aus 6 umfasst die Magnetaufzeichnungsschicht 30' die AFC-Schichten 32', 34', die durch die nicht ferromagnetische Abstandhalterschicht 36' getrennt sind. Die einzelnen AFC-Schichten 32', 34' ersetzen die entsprechenden Magnetschichten 32, 34 (5). Jede AFC-Schicht 32', 34' besteht aus bis zu zwei Filmen (42, 44 bzw. 52, 54), die durch antiferromagnetisch koppelnde Filme (46 bzw. 56) antiferromagnetisch gekoppelt sind, so dass das Netto-Mrt-Produkt jeder AFC-Schicht durch Mrt₁ – Mrt₂ gegeben ist. Dies ermöglicht die Steuerung von Mrt unabhängig von Mr sowie t. Wie oben für das nicht geschichtete AFC-Medium erläutert wurde, können thermisch stabile Magnetmedien mit geringem Mrt erhalten werden. Bei der neuartigen in 6 dargestellten Schichtstruktur ist Mrt des Verbunds 2 * (Mrt₁ – Mrt₂). Durch Verändern der relativen Größe von Mrt und Mrt₂ kann Mrt der Verbundschichtstruktur abgestimmt werden, ohne dass thermische Instabilitäten auftreten. Es können daher thermisch stabile Schichtmedien mit geringem Mrt erhalten werden. Obwohl in 6 nur zwei AFC-Schichten dargestellt sind, können die geschichteten AFC-Medien der vorliegenden Erfindung drei oder mehr AFG-Schichten aufweisen, wobei zwischen benachbarten AFC-Schichten nicht ferromagnetische Abstandhalterschichten angeordnet sind.
Eine Reihe herkömmlicher einschichtiger Medien, nicht geschichteter AFC-Medien und geschichteter AFC-Medienstrukturen wurde auf zwei Arten im Handel erhältlicher Plattensubstrate – Glas und NiP/AlMg-Metall – ausgebildet, um den intrinsischen Medien-SNR zu vergleichen. Die Strukturen auf den Glassubstraten wurden auf einer NiAl/Cr/Co₆₃Cr₃₇-Unterschichtstruktur gezüchtet. Die Strukturen auf den NiP/AlMg-Substraten wurden auf einer Cr/Co₆₃Cr₃₇-Unterschichtstraktor gezüchtet.
Die Magnetschichtzusammensetzung für alle Magnetfilme bei diesen Tests war Co₆₂Pt₁₀Cr₂₂B₆. Die antiferromagnetisch koppelnden Filme 46, 56, die in den AFC-Schichten 32' bzw. 34' verwendet wurden, waren 6 Å (1 Å = 10 pm) Ru-Schichten. Die nicht ferromagnetische Abstandhalterschicht 36' bestand ebenfalls aus Ru, wobei die Dicke jedoch von 12 bis 48 Å reichte. Beim geschichteten AFC-Medium ist die nicht ferrromagnetische Abstandhalterschicht 36' zwischen den beiden AFC- Schichten 32' und 34' so gewählt, dass sie eine solche Zusammensetzung und Dicke aufweist, dass keine wesentliche ferromagnetische oder antiferromagnetische Kopplung zwischen den zwei angrenzenden ferromagnetischen Filmen 44 und 52 auftritt. Bei bekannten Materialien kann die Dicke der Abstandhalterschicht 36' problemlos bestimmt werden, da von der oszillatorischen Kopplungskurve bekannt ist, wie die Austauschkopplung mit zunehmender Abstandhalterschichtdicke von ferromagnetisch zu antiferromagnetisch oszilliert. Im angeführten Patent '288 wies der Cr-Abstandhalterfilm zwischen zwei Co-Legierungsfilmen eine Dicke von 40 Å oder mehr auf, was weit über jeglicher detektierbaren ferromagnetischen oder antiferromagnetischen Austauschkopplungsspitze auf der oszillatorischen Kopplungskurve liegt. Bei ferromagnetischen Co₆₂Pt₁₀Cr₂₂B₆-Legierungsfilmen und Ru reicht eine Ru-Dicke von mehr als etwa 10 Å, was über der ersten antiferromagnetischen Spitze auf der oszillatorischen Kopplungskurve liegt, aus, um sicherzustellen, dass keine wesentliche ferromagnetische oder antiferromagnetische Kopplung auftritt. Diese Anforderung an die Abstandhalterschicht steht in direktem Gegensatz zu der Anforderung an die antiferromagnetischen Kopplungsfilme 46; 56, von denen jeder so gewählt ist, dass er eine Dicke und Zusammensetzung aufweist, die der ersten antiferromagnetischen Spitze der oszillatorischen Kopplungskurve entspricht.
Die AFC-Schichten bei geschichteten sowie nicht geschichteten AFC-Medienstrukturen wurden so gestaltet, dass Mrt = Mrt1 – Mrt2 = 0,20 memu/cm^² war. Die laminierten AFG-Medien mit zwei individuellen AFC-Schichten (6) hatten somit ein Gesamt Mrt = 0,40 memu/cm² (1 emu = 10^–3 A·m^²). Die konventionellen Medien mit einer einfachen CoPtCrB-Schicht werden mit einem Mrt = 0,38 memu/cm^² hergestellt. Der für diese Strukturen gemessene Rauschabstand ist in Tabelle 1 (Glassubstrate) und Tabelle 2 (Metallsubstrate) angeführt: Tabelle 1 (Glassubstrate)
Tabelle 2 (Metallsubstrate)
Bei beiden Sätzen an Platten wird bei den geschichteten Medien im Vergleich zu den nicht geschichteten AFC-Medien und dem herkömmlichen Einschichtmedium eine Verbesserung des Rauschabstands von 1 – 2 dB erzielt.

Claims

Magnetaufzeichnungsmedium, umfassend: ein Substrat; eine Magnetaufzeichnungsschicht (30') auf dem Substrat, die eine erste (34') und eine zweite (32') antiferromagnetisch gekoppelte (AFC) Schicht und eine nicht ferromagnetische Abstandshalterschicht (36') umfasst, die die beiden AFC-Schichten voneinander trennt, wobei jede AFG-Schicht einen ersten ferromagnetischen Film (44, 54), einen zweiten ferromagnetischen Film (42, 52) und einen antiferromagnetisch koppelnden Film (46, 56) umfasst, der zwischen dem ersten und dem zweiten Film angeordnet ist und eine Dicke und eine Zusammensetzung aufweist, die ausreichen, um für antiferromagnetische Kopplung des ersten und des zweiten Films zu sorgen, wobei die nicht ferromagnetische Abstandshalterschicht zwischen dem zweiten Film der ersten AFC-Schicht und dem ersten Film der zweiten AFC-Schicht angeordnet ist und eine Dicke und eine Zusammensetzung aufweist, die ausreichen, um jegliche wesentliche Kopplung zwischen dem zweiten Film der ersten AFG-Schicht und dem ersten Film der zweiten AFC-Schicht zu verhindern.
Medium nach Anspruch 1, das weiters eine dritte AFC-Schicht und eine zweite nicht ferromagnetische Abstandshalterschicht umfasst, die zwischen dem zweiten Film (54) der zweiten AFC-Schicht (32') und dem ersten Film der dritten AFC-Schicht angeordnet ist und eine Dicke und eine Zusammensetzung aufweist, die ausreicht, um jegliche wesentliche Kopplung zwischen dem zweiten Film der zweiten AFC-Schicht und dem ersten Film der dritten AFC-Schicht zu verhindern.
Medium nach Anspruch 1, worin der erste ferromagnetische Film (44) der ersten AFC-Schicht (34') eine Dicke t1 und eine Magnetisierung M1 aufweist, der zweite ferromagntische Film (42) der ersten AFC-Schicht eine Dicke t2 und eine Magnetisierung M2 aufweist, und worin sich die Magnetmomente pro Einheitsfläche (M1 x t1) und (M2 x t2) des ersten und des zwieiten ferromagnetischen Films der ersten AFG-Schicht jeweils voneinander unterscheiden.
Medium nach Anspruch 3, worin der erste (44) und der zweite (42) ferromagnetische Film der ersten AFC-Schicht (32') aus dem gleichen Material bestehen und worin sich t1 von t2 unterscheidet.
Medium nach Anspruch 3, worin der erste (44) und der zweite (42) ferromagnetische Film der ersten AFC-Schicht (32') aus unterschiedlichen Materialien gebildet sind und worin t1 und t2 im Wesentlichen die gleiche Dicke sind.
Medium nach Anspruch 1, worin der antiferromagnetisch koppelnde Film (46, 56) einer der AFC-Schichten aus einem Material gebildet ist, das aus der aus Ruthenium (Ru), Chrom (Cr), Rhodium (Rh), Iridium (Ir), Kupfer (Cu) und ihren Legierungen bestehenden Gruppe ausgewählt ist.
Medium nach Anspruch 1, worin der erste (44) und der zweite (42) ferromagnetische Film einer jeden der AFC-Schichten (34', 32') aus einem Material bestehen, das aus der aus Co, Fe, Ni und ihren Legierungen bestehenden Gruppe ausgewählt ist.
Medium nach Anspruch 1, worin der erste ferromagnetische Film (44, 54) einer der AFC-Schichten (34', 32') einen Grenzflächenfilm umfasst, der im Wesentlichen aus Kobalt besteht und an der Grenzfläche des ersten ferromagnetischen Films und des antiferromagnetisch koppelnden Films (46, 56) angeordnet ist.
Medium nach Anspruch 1, worin der zweite ferromagnetische Film (42, 52) einer der AFC-Schichten (34', 32') einen Grenzflächenfilm umfasst, der im Wesentlichen aus Kobalt besteht und an der Grenzfläche des zweiten ferromagnetischen Films und des antiferromagnetisch koppelnden Films (46, 56) angeordnet ist.
Medium nach Anspruch 1, das weiters eine Unterschicht umfasst, die auf dem Substrat zwischen dem Substrat und der Magnetaufzeichnungsschicht (30') angeordnet ist.
Medium nach Anspruch 1, das weiters einen Schutzüberzug umfasst, der über der Magnetaufzeichnungsschicht (30') ausgebildet ist.
Medium nach Anspruch 1, weiters umfassend: eine Unterschicht, die zwischen dem Substrat und der Magnetaufzeichnungsschicht (30') angeordnet ist; und worin der erste (44, 54) und der zweite (42, 52) ferromagnetische Film aus einer Kobaltlegierung bestehen; und der antiferromagnetische Kopplungsfilm (36') aus einem Material besteht, das aus der Ruthenium (Ru), Chrom (Cr), Rhodium (Rh), Iridium (Ir), Kupfer (Cu) und ihre Legierungen umfassenden Gruppe ausgewählt ist.
Medium nach Anspruch 12, das weiters eine dritte AFC-Schicht und eine zweite nicht ferromagnetische Abstandshalterschicht umfasst, die zwischen dem zweiten Film (42) der zweiten AFC-Schicht und dem ersten Film der dritten AFC-Schicht (32') angeordnet ist und eine Dicke und eine Zusammensetzung aufweist, die ausreichen, um jegliche wesentliche Kopplung zwischen dem zweiten Film der zweiten AFC-Schicht und dem ersten Film der dritten AFC-Schicht zu verhindern.
Medium nach Anspruch 12, worin der erste ferromagnetische Film (54) der ersten AFC-Schicht (34') eine Dicke t1 und eine Magnetisierung M1 aufweist, der zweite ferromagnetische Film (52) der ersten AFC-Schicht eine Dicke t2 und eine Magnetisierung M2 aufweist und worin sich die Magnetmomente pro Einheitsfläche (M1 x t1) und (M2 x t2) des ersten und des zweiten ferromagnetischen Films der ersten AFC-Schicht jeweils voneinander unterscheiden.
Medium nach Anspruch 14, worin der erste (54) und der zweite (52) ferromagnetische Film der ersten AFC-Schicht (34') aus dem gleichen Material gebildet sind und worin sich t1 von t2 unterscheidet.
Medium nach Anspruch 14, worin der erste (54) und der zweite (52) ferromagnetische Film der ersten AFC-Schicht (34') aus unterschiedlichen Materialien gebildet sind und worin t1 und t2 im Wesentlichen die gleiche Dicke sind.
Medium nach Anspruch 12, worin der erste ferromagnetische Film (54, 44) einer der AFC-Schichten (34', 32') einen Grenzflächenfilm umfasst, der im Wesentlichen aus Kobalt besteht und an der Grenzfläche des ersten ferromagnetischen Films und des antiferromagnetisch koppelnden Films (36') angeordnet ist.
Medium nach Anspruch 12, worin der zweite ferromagnetische Film (52, 42) einer der AFC-Schichten (34', 32') einen Grenzflächenfilm umfasst, der im Wesentlichen aus Kobalt besteht und an der Grenzfläche des zweiten ferromagnetischen Films und des antiferromagnetisch koppelnden Films (36') angeordnet ist.