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Diese
Erfindung bezieht sich im Allgemeinen auf ein Magnetaufzeichnungsmedium
und insbesondere auf strukturierte Magnetaufzeichnungsfestplatten
mit diskreten Magnetbereichen.
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Herkömmliche
Magnetaufzeichnungsmedien wie Magnetaufzeichnungsfestplatten in
Festplattenlaufwerken verwenden gewöhnlich eine körnige ferromagnetische
Schicht, so etwa eine durch Sputtern aufgebrachte Cobalt-Platin-Legierung
(CoPt), als Aufzeichnungsmedium. Jede magnetisierte Domäne in der
Magnetschicht besteht aus vielen kleinen Magnetkörnern. Die Übergänge zwischen den magnetisierten
Domänen
stellen die "Bits" der aufgezeichneten
Daten dar. Die IBM-Patente 4.789.598 und 5.523.173 beschreiben diese
Art von herkömmlichen
steifen Magnetaufzeichnungsfestplatten.
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Die
Herausforderung, kontinuierliche körnige Filme als Magnetmedien
herzustellen, nimmt mit dem Trend hin zu höheren Flächenspeicherdichten zu. Verringert
man die Größe der Magnet-Bits,
während ein
zufriedenstellendes Signal-Störungs-Verhältnis gewahrt
wird, so ist es z.B. erforderlich, die Größe der Körner zu verringern. Unglücklicherweise
wird durch die beträchtliche
Verkleinerung der Größe der schwach
magnetisch gekoppelten Magnetkörner
deren Magnetisierung bei normalen Betriebstemperaturen instabil.
Um zu verhindern, dass man diese grundlegende "superparamagnetische" Grenze erreicht, und auch um andere
mit ausdehnenden, kontinuierlichen körnigen Medien in Zusammenhang
stehende Schwierigkeiten zu umgehen, wurde das Interesse an strukturierten
Magnetmedien erneuert.
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Bei
strukturierten Medien wird der kontinuierliche körnige Magnetfilm, der das Festplattensubstrat bedeckt,
durch eine Anordnung von räumlich
getrennten, diskreten Magnetbereichen oder -inseln ersetzt, wobei
jeder/jede dieser als einzelnes Magnet-Bit wirkt. Der primäre Ansatz zur Erzeugung von strukturierten
Medien bestand immer in der Verwendung von lithographischen Verfahren,
um selektiv Magnetmaterial auf einer Magnetschicht auf dem Substrat
aufzubringen oder von dieser zu entfernen, so dass die Magnetbereiche
voneinander isoliert und von Flächen
aus nichtmagnetischem Material umgeben sind. Beispiele für strukturierte
Magnetmedien, die mithilfe dieser Arten von lithographischen Verfahren
hergestellt werden, sind in den US-Patenten Nr. 5.587.223, 5.768.075
und 5.820.769 beschrieben.
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In
Hinblick auf die Herstellung besteht ein unerwünschter Aspekt des Verfahrens
zum Strukturieren von Medien, wofür das Aufbringen oder Entfernen
von Material erforderlich ist, darin, dass eine möglicherweise
zerstörende
Verarbeitung des Magnetmediums vor Ort erforderlich ist. Verfahren,
die für das
effektive Entfernen der Resists und für das zuverlässige Ablösen von
Feinmetall-Bereichen über großen Flächen erforderlich
sind, können
das zurückbleibende
Material beschädigen
und somit die Produktionsausbeute senken. Auch müssen diese Verfahren eine Oberfläche bereitstellen,
die rein genug ist, so dass der auf dem luftgelagerten Gleiter getragene
magnetische Lese-Schreib-Kopf des Festplattenlaufwerks mit sehr
geringen Gleithöhen,
gewöhnlich
unter 30 Nanometern (nm), über
die Oberfläche
der Festplatte gleiten kann.
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Eine
Strukturierungstechnik mittels Ionenbestrahlung, bei der das selektive
Aufbringen oder Entfernen von Magnetmaterial zwar umgangen wird,
für welche
aber eine spezielle Art von orthogonalen Magnetaufzeichnungsmedien
verwendet wird, ist bei Chappert et al. in "Planar patterned magnetic media obtained
by ion irradiation",
Science 280, 19. Juni 1998, 1919–1922, beschrieben. Bei dieser
Technik werden vielschichtige Pt-Co-Pt-Sandwich-Lagen, die eine
orthogonale magnetkristalline Anisotropie zeigen, mit Ionen durch
eine lithographische Abdeckmaske bestrahlt. Die Ionen mischen die
Co- und Pt-Atome an den Schichtgrenzflächen und richten die Vorzugsachse
der Magnetisierung so aus, dass sie in der Ebene liegt, so dass
die bestrahlten Bereiche nicht länger
eine orthogonale magnetkristalline Anisotropie aufweisen.
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Die
anhängige
Anmeldung von IBM Nr. US-B-633 1 364, eingereicht am 9. Juli 1999,
beschreibt eine ionenbestrahlte strukturierte Festplatte, die einen
kontinuierlichen Magnetfilm aus einer chemisch-geordneten Co (oder
Fe) und Pt (oder Pd) Legierung mit einer tetragonalen Kristallstruktur
verwendet. Die Ionen bewirken im Film eine Fehlordnung und erzeugen
im Film Bereiche, die nur geringe Koerzitivkraft aufweisen oder
magnetisch "weich" sind und keine magnetkristalline
Anisotropie zeigen.
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Ein
möglicher
Nachteil der ionenbestrahlten strukturierten Festplatten nach Chappert
et al. und IBM besteht darin, dass die Bereiche, welche die diskreten
Magnetbereiche voneinander trennen, nicht vollständig nichtmagnetisch sind,
sondern immer noch gewisse magnetische Eigenschaften aufweisen.
Somit detektiert der magnetresistive Lesekopf im Festplattenlaufwerk
von diesen Bereichen Störungen
und/oder eine gewisse Art von Signal. Zusätzlich dazu ist für diese
Ionenbestrahlungstechniken die Verwendung einer Maske erforderlich,
die schwierig herzustellen ist, da die Löcher in der Maske verwendet
werden, um entsprechende nichtmagnetische Bereiche auf der Festplatte
zu erzeugen, während
es erwünscht
ist, eine Maske zu verwenden, die dieselbe Lochstruktur wie die
resultierenden Magnet-Bits auf der Festplatte aufweist.
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Die
vorliegende Erfindung zielt darauf ab, eine strukturierte Magnetaufzeichnungsfestplatte
bereitzustellen, die diskrete Magnetbereiche aufweist, die durch
vollständig
nichtmagnetische Bereiche so getrennt sind, dass nur die Magnetbereiche
zum Lesesignal beitragen, und die mithilfe einer Strukturierungstechnik
hergestellt wird, wobei die Maskenstruktur der Löcher mit der Struktur der diskreten
Magnetbereiche der Festplatte übereinstimmt.
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Gemäß eines
ersten Aspekts der vorliegenden Erfindung wird ein Magnetaufzeichnungsmedium
(10) bereitgestellt, umfassend:
ein Substrat (11);
und
eine Magnetschicht (20) auf dem Substrat (11),
umfassend einen ersten ferromagnetischen Film (22), einen
zweiten ferromagnetischen Film (24) und einen nichtferromagnetischen
Film (26) zwischen dem ersten und dem zweiten ferromagnetischen
Film (22, 24);
gekennzeichnet durch:
eine
Durchbrechung des nichtferromagnetischen Films (26), die
durch das Muster einer Ionenbestrahlung des Aufzeichnungsmediums
erzeugt wird, wobei das Muster erste Bereiche (52, 54)
der Schicht (20), an denen der nichtferromagnetische Film
(26) nicht durchbrochen ist, und zweite Bereiche der Schicht (20),
an denen der nichtferromagnetische Film (26) durchbrochen
ist, erzeugt, so dass
der erste und der zweite ferromagnetische
Film (22, 24) in den ersten Bereichen (52, 54)
durch den nichtferromagnetischen Film (26) antiferromagnetisch
gekoppelt sind und ihre magnetischen Momente antiparallel sind;
und
der erste und der zweite ferromagnetische Film (22, 24)
in den zweiten Bereichen (55) ferromagnetisch gekoppelt
sind und ihre magnetischen Momente parallel sind.
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Vorzugsweise
weist der erste ferromagnetische Film in den ersten Bereichen eine
Dicke t1 und eine Magnetisierung M1 auf, und der zweite ferromagnetische
Film in den ersten Bereichen weist eine Dicke t2 und eine Magnetisierung
M2 auf, worin das magnetische Moment pro Flächeneinheit (M2 × t2) größer als
das magnetische Moment pro Flächeneinheit
(M1 × t1)
ist, wodurch das Magnetfeld der ersten Bereiche in einem vorbestimmten
Abstand oberhalb der Magnetschicht im Wesentlichen null ist. Der
erste und der zweite ferromagnetische Film können aus im Wesentlichen demselben
Material gebildet sein, und t2 kann größer als t1 sein.
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Der
nichtferromagnetische Film kann aus einem aus der aus Ruthenium
(Ru), Chrom (Cr), Rhodium (Rh), Iridium (Ir), Kupfer (Cu) und deren
Legierungen bestehenden Gruppe ausgewählten Material gebildet sein.
Der erste und der zweite ferromagnetische Film können aus einem aus der aus
Co, Fe, Ni und deren Legierungen bestehenden Gruppe ausgewählten Material
gebildet sein.
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Der
erste ferromagnetische Film kann einen Grenzflächenfilm umfassen, der im Wesentlichen
aus Cobalt besteht und an der Grenzfläche zwischen dem ersten ferromagnetischen
Film und dem Abstandsfilm angeordnet ist.
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Der
zweite ferromagnetische Film kann einen Grenzflächenfilm umfassen, der im Wesentlichen
aus Cobalt besteht und an der Grenzfläche zwischen dem zweiten ferromagnetischen
Film und dem Abstandsfilm angeordnet ist.
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Das
Magnetmedium kann eine nichtferromagnetische Unterschicht aufweisen,
die auf dem Substrat zwischen dem Substrat und der Magnetschicht angeordnet
ist. Das Magnetmedium kann auch einen über der Magnetschicht ausgebildeten
Schutzüberzug
aufweisen.
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Gemäß eines
zweiten Aspekts der vorliegenden Erfindung ist ein Verfahren zur
Herstellung eines strukturierten Magnetaufzeichnungsmediums bereitgestellt,
umfassend: das Bereitstellen eines Substrats; das Aufbringen eines
ersten ferromagnetischen Films auf dem Substrat; das Aufbringen
eines nichtferromagnetischen Abstandsfilms, der eine vorbestimmte
Dicke aufweist und aus einem aus der aus Ruthenium (Ru), Chrom (Cr),
Rhodium (Rh), Iridium (Ir), Kupfer (Cu) und deren Legierungen bestehenden
Gruppe ausgewählten
Material gebildet ist, auf dem ersten ferromagnetischen Film; das
Aufbringen eines zweiten ferromagnetischen Films auf dem Abstandsfilm
wobei der zweite ferromagnetische Film mit dem ersten ferromagnetischen
Film dadurch antiferromagnetisch austauschgekoppelt ist, dass der Abstandsfilm
aus dem gewählten
Material besteht und die genannte Dicke aufweist; und das Bestrahlen der
ferromagnetischen Filme und des Abstandsfilms mit Ionen, die durch
eine Abdeckmaske gerichtet werden, wobei die Ionen im Wesentlichen
den Abstandsfilm und dadurch auch die antiferromagnetische Kopplung
zwischen dem ersten und dem zweiten ferromagnetischen Film durchbrechen,
wodurch der erste und der zweite ferromagnetische Film in den genannten
ionenbestrahlten Bereichen ferromagnetisch gekoppelt sind.
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Die
Bestrahlung mit Ionen durch eine Abdeckmaske kann das Bestrahlen
mit Ionen durch eine berührungslose
Abdeckmaske umfassen.
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Die
Bestrahlung mit Ionen durch eine Abdeckmaske kann das Aufbringen
einer Schicht aus einem Photoresist-Material auf dem Magnetfilm
umfassen, das Strukturieren der Photoresistschicht zur Definierung
von Öffnungen
in der Photoresistschicht und das Bestrahlen des Magnetfilms mit
Ionen durch die Öffnungen
in der Photoresistschicht.
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Die
Bestrahlung mit Ionen kann die Bestrahlung mit Ionen umfassen, die
aus der aus N-, He-, Ar-, Ne-, Kr- und Xe-Ionen bestehenden Gruppe
ausgewählt
sind.
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Gemäß eines
dritten Aspekts der vorliegenden Erfindung wird eine Magnetaufzeichnungsfestplatte
bereitgestellt, umfassend: ein Substrat; eine nichtferromagnetische
Unterschicht auf dem Substrat; eine Magnetaufzeichnungsschicht auf
der Unterschicht und umfassend einen ersten ferromagnetischen Film
aus einer Cobalt-Legierung,
einen nicht-ferromagnetischen Abstandsfilm aus einem aus der aus
Ruthenium (Ru), Chrom (Cr), Rhodium (Rh), Iridium (Ir), Kupfer (Cu)
und deren Legierungen bestehenden Gruppe ausgewählten Material, das darauf
und in Kontakt mit dem ersten ferromagnetischen Film ausgebildet
ist, und einen zweiten ferromagnetischen Film aus einer Cobalt-Legierung,
der darauf und in Kontakt mit dem Abstandsfilm ausgebildet ist, wobei
die Magnetaufzeichnungsschicht in erste Bereiche strukturiert ist,
worin der Abstandsfilm eine Dicke aufweist, die ausreichend ist,
um zu induzieren, dass der zweite ferromagnetische Film antiferromagnetisch
mit dem ersten ferromagnetischen Film durch den Abstandsfilm austauschgekoppelt
ist, sowie in zweite Bereiche, worin der erste und der zweite ferromagnetische
Film nicht antiferromagnetisch gekoppelt sind, wodurch die zweiten
Bereiche in einem vorbestimmten Abstand oberhalb der Magnetschicht
ein Magnetfeld erzeugen, das im Wesentlichen größer als das Magnetfeld der
ersten Bereiche ist; sowie einen auf der Magnetaufzeichnungsschicht
ausgebildeten Schutzüberzug.
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Der
erste und der zweite ferromagnetische Film der Magnetaufzeichnungsschicht
können
im Wesentlichen aus demselben Material gebildet sein. Der erste
und der zweite ferromagnetische Film der Magnetaufzeichnungsschicht
können
aus einem aus der aus Co, Fe, Ni und deren Legierungen bestehenden
Gruppe ausgewählten
Material gebildet sein.
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Der
erste ferromagnetische Film der Host-Schicht kann einen Grenzflächenfilm
umfassen, der im Wesentlichen aus Cobalt besteht und an der Grenzfläche zwischen
dem ersten ferromagnetischen Film und dem Abstandsfilm angeordnet
ist.
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Der
zweite ferromagnetische Film der Host-Schicht kann einen Grenzflächenfilm
umfassen, der im Wesentlichen aus Cobalt besteht und an der Grenzfläche zwischen
dem zweiten ferromagnetischen Film und der Abstandsfilm angeordnet
ist.
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Die
vorliegende Erfindung ist eine Magnetaufzeichnungsfestplatte, die
in diskrete magnetische und nichtmagnetische Bereiche strukturiert
ist, wobei die Magnetbereiche als Magnetaufzeichnungs-Daten-Bits
fungieren. Die Magnetaufzeichnungsschicht umfasst zwei ferromagnetische
Filme, die durch einen nichtferromagnetischen Abstandsfilm getrennt sind.
Die Zusammensetzung und Dicke des Materials für den Abstandsfilm sind so
gewählt,
dass der erste und der zweite ferromagnetische Film antiferromagnetisch
durch den Abstandsfilm gekoppelt sind. Nachdem diese Magnetaufzeichnungsschicht
auf dem Festplattensubstrat ausgebildet wurde, werden Ionen durch
eine Abdeckmaske darauf gestrahlt. Die Ionen durchbrechen den Abstandsfilm
und zerstören dadurch
die antiferromagnetische Kopplung zwischen den zwei ferromagnetischen
Filmen. Daraus ergibt sich, dass in den Bereichen der Magnetaufzeichnungsschicht,
die bestrahlt werden, der erste und der zweite ferromagnetische
Film im Wesentlichen ferromagnetisch gekoppelt sind, so dass die magnetischen
Momente der ferromagnetischen Filme parallel sind und ein magnetisches
Moment erzeugen, das im Wesentlichen die Summe der Momente der zwei
Filme darstellt. In den nicht bestrahlten Bereichen der Magnetaufzeichnungsschicht
bleiben der erste und der zweite ferromagnetische Film antiferromagnetisch
gekoppelt, so dass ihre magnetischen Momente antiparallel gerichtet
sind. Die Zu sammensetzung und die Dicken des ersten und des zweiten
ferromagnetischen Films werden so gewählt, dass im Wesentlichen kein
Magnetfeld in einem vorbestimmten Abstand oberhalb der Magnetaufzeichnungsschicht,
welcher der Höhe
entspricht, in welcher der magnetische Aufzeichnungskopf angeordnet
wäre, detektiert
werden kann.
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Für ein besseres
Verständnis
der Natur und Vorteile der vorliegenden Erfindung sollte ein Bezug zur
folgenden detaillierten Beschreibung in Verbindung mit den begleitenden
Figuren hergestellt werden.
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Eine
Ausführungsform
der vorliegenden Anmeldung wird nunmehr nur anhand eines Beispiels mit
Bezug auf die begleitenden Zeichnungen beschrieben, worin:
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1 eine
schematische Schnittansicht der Magnetaufzeichnungsfestplatte ist,
welche die antiferromagnetisch (AF) gekoppelte Schicht gemäß der vorliegenden
Erfindung vor der Strukturierung veranschaulicht;
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2 eine
schematische Darstellung des Verfahrens zum Strukturieren der AF-gekoppelten Schicht
mittels Ionenbestrahlung durch eine Matrizenmaske gemäß der vorliegenden
Erfindung ist;
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3 ein
Magnetkraftmikroskopbild (MFM-Bild) der strukturierten, AF-gekoppelten Schicht
gemäß der vorliegenden
Erfindung ist, das die diskreten, länglich geformten Magnetbereiche zeigt;
und
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die 4A und 4B schematische
Darstellungen der Festplattenstruktur der vorliegenden Erfindung
sind, welche die unterschiedlichen Magnet-Bit-Zustände mit
ihren entsprechenden Signalprofilen darstellen.
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Das
Magnetaufzeichnungsmedium der vorliegenden Erfindung wird hergestellt,
indem zuerst eine kontinuierliche (nicht-strukturierte) Magnetschicht
aus zwei oder mehr ferromagnetischen Filmen, die antiferromagnetisch
(AF) mit ihren benachbar ten ferromagnetischen Filmen durch eine
oder mehr nichtferromagnetische Abstandsfilme austauschgekoppelt
sind, ausgebildet wird. 1 veranschaulicht die Schichtstruktur
der Festplatte 10 mit der AF-gekoppelten Magnetschicht 20 vor
der Strukturierung im Querschnitt.
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Das
Festplattensubstrat 11 kann aus jedem geeigneten Material
wie Glas, SiC/Si, Keramik, Quarz oder einer AlMg-Legierungsbasis
mit einer NiP-Oberflächenbeschichtung
gebildet sein. Die Zucht-Keimschicht 12 ist eine optionale
Schicht, die zur Verbesserung des Wachstums der Unterschicht 13 verwendet
werden kann. Die Zucht-Keimschicht 12 wird am häufigsten
verwendet, wenn das Substrat 11 nichtmetallisch ist, so
z.B. Glas. Die Zucht-Keimschicht 12 weist eine Dicke im
Bereich von etwa 0,5 bis 5 nm auf und besteht aus einem der Materialien, so
etwa Ta, CrTi oder NiAl, die im Stand der Technik dafür bekannt
sind, dass sie als Keimmaterialien zur Förderung des Wachstums der nachfolgend
aufgebrachten Schichten in gewissen bevorzugten Kristallausrichtungen
nützlich
sind. Die Unterschicht 13 wird auf die Keimschicht, falls
diese vorhanden ist, aufgebracht, oder ansonsten wird sie direkt
auf dem Substrat 11 aufgebracht, und sie ist ein nichtmagnetisches
Material wie Chrom oder eine Chromlegierung wie CrV oder CrTi. Die
Unterschicht 13 weist eine Dicke im Bereich von 5 bis 1.000
nm auf, wobei der typische Wert dafür etwa 50 nm beträgt.
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Die
AF-gekoppelte Magnetschicht 20 besteht aus zwei ferromagnetischen
Filmen 22, 24, die durch einen nichtferromagnetischen
Abstandsfilm 26 getrennt sind. Die Dicke und die Zusammensetzung des
nichtferromagnetischen Abstandsfilm 26 sind so gewählt, dass
die magnetischen Momente 32, 34 der benachbarten
Filme 22 bzw. 24 durch den nichtferromagnetischen
Abstandsfilm 26 AF-gekoppelt und im angelegten Null-Feld
antiparallel sind. In der beschriebenen Ausführungsform weisen die zwei AF-gekoppelten
Filme 22, 24 der Schicht 20 magnetische
Momente auf, die mit dem unteren Film 24, der ein größeres Moment
besitzt, antiparallel ausgerichtet sind, so dass das Netto-Magnetfeld
der AF-gekoppelten Schicht 20 beim oberhalb der Festplatte
befindlichen Aufzeichnungskopf nahe null ist. Jeder der ferromagnetischen
Filme 22, 24 ist vorzugsweise eine Co-Legierung,
so etwa eine CoPtCrB-Legierung mit 4 bis 20 Atom-% Platin, 10–23 Atom-%
Chrom und 2 bis 20 Atom-% Bor, und der nichtferromagnetische Abstandsfilm
besteht vorzugsweise aus Ruthenium (Ru).
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Vor
dem Aufbringen des ersten ferromagnetischen Films 24 der
AF-gekoppelten Magnetschicht 20 wird gewöhnlich eine
sehr dünne
(gewöhnlich
1 bis 5 nm) Co-Legierungs-Einsetz-
oder Keimbildungsschicht 14 auf der Unterschicht 13 aufgebracht.
Die Keimbildungsschicht 14 weist eine Zusammensetzung auf,
die so gewählt
ist, dass sie das Wachstum der hexagonalen, eng-gepackten (HCP) CO-Legierung
des Films 24 verstärkt,
so dass deren C-Achse in der Ebene der Schicht ausgerichtet wird. Die
Keimbildungsschicht 14 kann eine CoCr-Legierung mit einer
Cr-Zusammensetzung
sein, die so gewählt
ist, dass die Schicht 14 nichtferromagnetisch oder nur
sehr geringfügig
ferromagnetisch gemacht wird. Alternativ dazu kann die Keimbildungsschicht 14 eine
ferromagnetische Co-Legierung sein, in welchem Fall die Keimbildungsschicht 14 Einfluss
auf die Magneteigenschaften des Films 24 nimmt. Ist der Film 24 CoPtCrB,
so kann die Keimbildungsschicht 14 CoPtCr oder CoPtCrB
sein, wobei B weniger als 6 Atom.-% ausmacht. Alle oben von der
Zucht-Keimschicht 12 bis
zum obersten ferromagnetischen Film 22 beschriebenen Schichten
können
in einem kontinuierlichen Vorgang entweder in einem In-Line-Sputter-System oder einem
Single-Disk-System, so etwa die im Handel erhältlichen Single-Disk-Systeme mit zahlreichen
Sputter-Zielkapazitäten,
gesputtert werden. Die Sputter-Aufbringung jeder der Schichten kann
unter Verwendung von standardisierten Zielen und Techniken erfolgen,
die Fachleuten auf dem Gebiet der oben beschriebenen Modifikationen
bekannt sind.
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Die
AF-Kopplung der ferromagnetischen Filme durch einen nichtferromagnetischen Übergangsmetall-Abstandsfilm,
wie jenem der Struktur der Schicht 20 in 1,
wurde intensiv untersucht und in der Literatur beschrieben. Im Allgemeinen
oszilliert die Austauschkopplung mit zunehmender Dicke des Abstandsfilms
von ferromagnetisch zu antiferromagnetisch. Diese oszillierende
Kopplungsbeziehung für ausgewählte Materialkombinationen
ist von Parkin et al. in "Oscillation
in Exchange Coupling and Magnetoresistance in Metallic Superlattice
Structures: Co/Ru, Co/Cr and Fe/Cr", Phys. Rev. Lett., Band 64, 2034 (1990),
beschrieben. Die Materialkombinationen um fassen ferromagnetische
Filme aus Co, Fe, Ni und deren Legierungen wie Ni-Fe, Ni-Co und Fe-Co, sowie
nichtferromagnetische Abstandsfilme wie Ru, Chrom (Cr), Rhodium
(Rh), Iridium (Ir), Kupfer (Cu) und deren Legierungen. Für jede solche
Materialkombination muss die oszillierende Kopplungsbeziehung bestimmt
werden, wenn sie noch nicht bekannt ist, so dass die Dicke des nichtferromagnetischen Abstandsfilms
so gewählt
wird, dass eine antiferromagnetische Kopplung zwischen den zwei
ferromagnetischen Filmen sichergestellt ist. Die Schwingungsperiode
hängt vom
nichtferromagnetischen Abstandsmaterial ab, aber die Festigkeit
und die Phase der oszillierenden Kopplung hängen auch vom ferromagnetischen
Material und der Grenzflächenqualität ab. Die
oszillierende antiferromagnetische Kopplung der ferromagnetischen
Filme wurde in Riesenaufzeichnungsköpfen (GMR-Köpfen) vom Spin-Valve-Typ verwendet,
um kontinuierliche, magnetisierte, antiferromagnetisch gekoppelte
Filme zu entwerfen, deren magnetischen Momente während des Betriebs der Köpfe fest
antiparallel aneinander gekoppelt sind. Diese Art von Spin-Valve-Strukturen wurde
z.B. in den IBM-Patenten Nr. 5.408.377 und 5.465.185 beschrieben.
Das '185 Patent
beschreibt eine Struktur, die in vielen im Handel erhältlichen
GMR-Köpfen
vom Spin-Valve-Typ verwendet wird, nämlich eine laminierte, antiparallele,
gepinnte ferromagnetische Schicht, deren Momente fest aneinander
gekoppelt sind und während
des Betriebs des Kopfes stationär bleiben.
Diese Art der Magnetstruktur der zwei ferromagnetischen Filme, die
antiferromagnetisch durch einen sehr dünnen nichtferromagnetischen
Abstandsfilm gekoppelt sind, wie sie etwa in Spin-Valve-Köpfen und
in der in 1 dargestellten AF-gekoppelten
Magnetschicht 20 verwendet wird, wird auch als "synthetischer Antiferromagnet" bezeichnet. In dem
Fall, dass die Struktur kein magnetisches Netto-Moment aufweist,
weil die Momente der einzelnen ferromagnetischen Filme sich aufheben,
kann die Struktur auch als "kompensierter" synthetischer Antiferromagnet
bezeichnet werden.
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Für diese
AF-gekoppelte Struktur der Schicht 20 sind die Ausrichtungen
der magnetischen Momente 32, 34 der benachbarten
Filme 22 bzw. 24 antiparallel ausgerichtet und
summieren sich somit zerstörend.
Die Pfeile 32, 34 stellen die Moment-Ausrichtungen der
einzelnen magnetischen Domänen dar,
die sich direkt oberhalb und unterhalb einander über dem AF-Kopplungsfilm 26 befinden.
Bei fehlendem an gelegten Magnetfeld, wenn der unterste ferromagnetische
Film 24 auf der kernbildenden Schicht 14 aufgebracht
ist, gibt es eine körnchenförmige Struktur
mit zahlreichen benachbarten Körnern,
die zusammen gekoppelt sind, um einzelne magnetische Domänen zu bilden.
Bei Fehlen eines angelegten Magnetfelds sind die Momente dieser
Domänen
im Film 24 im Wesentlichen zufällig ausgerichtet. Der Abstandsfilm
oder der AF-Kopplungsfilm 26 wird daraufhin aufgebracht,
um direkt die Dicke auf dem ferromagnetischen Film 24 zu
korrigieren. Als nächster Schritt
wird der zweite oder oberste ferromagnetische Film 22 direkt
auf dem AF-Kopplungsfilm 26 aufgebracht. Da die Körner des
ferromagnetischen Films 22 wachsen, bilden sie magnetische
Domänen, deren
Moment-Ausrichtungen antiparallel zu den Moment-Ausrichtungen des ferromagnetischen
Films 24 sind, die sich direkt über den AF-gekoppelten Film 26 erstrecken.
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Die
Art des ferromagnetischen Materials sowie die Dickenwerte t1, t2 der ferromagnetischen
Filme 22, 24 sind so gewählt, dass die Feldstärke oberhalb
der Festplatte in einer Höhe,
in welcher der Aufzeichnungskopf angeordnet ist, im Wesentlichen
für die
zwei Filme gleich ist. Der Wert Mrt für die Schicht 20 ergibt
sich durch Mr1t1-Mr2t2. In der beschriebenen Ausführungsform
sollte Mr1t1 kleiner
als Mr2t2 sein,
da sich der Film 22 näher
am Kopf befindet. Dies kann dadurch erreicht werden, dass dieselben
ferromagnetischen Materialzusammensetzungen in den zwei Filmen 22, 24 verwendet
und t1 und t2 angepasst
werden. Werden unterschiedliche ferromagnetische Materialzusammensetzungen
in den zwei Filmen 22, 24 verwendet, so dass die
Magnetisierung (das magnetische Moment pro Volumeneinheit des Materials)
der zwei ferromagnetischen Filme unterschiedlich wird, dann werden
die Dicken entsprechend angepasst. In einer alternativen Ausführungsform
können
die zwei Filme 22, 24 Mr1t1 = M2t2 erfüllen, so
dass die Schicht 20 im Wesentlichen ein magnetisches Netto-Moment von null aufweist.
In diesem Fall gibt es ein kleines Feld, das am Kopf detektiert
wird, da sich der obere Film 24 näher am Kopf befindet.
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Während 1 für eine AF-gekoppelte
Magnetschicht 20 mit einer Zwei-Film-Struktur und einem einzelnen Abstandsfilm
dargestellt ist, kann die Erfindung auch auf Strukturen mit zahlreichen
Abstandsfilmen und zahlreichen ferromagnetischen Filmen ausgedehnt
werden.
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Der
nichtferromagnetische Abstandsfilm 26 in 1 ist
ein 0,6 nm Ru-Film. Die Dicke des Ru-Abstandsfilm wurde so gewählt, dass
sie am ersten antiferromagnetischen Maximum in der oszillierenden Kopplungsbeziehung
liegt. Es kann auch erwünscht sein,
dass jeder der ferromagnetischen CoPtCrB-Filme 22, 24 einen
Grenzflächenfilm
umfasst, der im Wesentlichen aus 0,5 nm Co an der Grenzfläche mit dem
Ru-Abstandsfilm 26 besteht. Diese ultradünnen Co-Filme
erhöhen
das Grenzflächenmoment
zwischen den ferromagnetischen Filmen und dem Abstandsfilm, was
zu einer verstärkten
antiferromagnetischen Kopplung führt.
Eine antiferromagnetische Austauschkopplung erfolgt aber, ohne dass
dabei die Co-Grenzflächenfilme
in den ferromagnetischen CoPtCrB-Filmen 22, 24 aufgenommen
sind.
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Nachdem
die AF-gekoppelte Magnetschicht 20 ausgebildet wurde, wird
sie strukturiert, um diskrete isolierte Magnetbereiche zu bilden,
die voneinander durch "nichtmagnetische" Bereiche getrennt
sind, die im Wesentlichen kein Magnetfeld am Kopf erzeugen. Die
diskreten Magnetbereiche weisen eine solche Größe auf, dass sie als diskrete
magnetische Domänen
oder Bits wirken. Diese Strukturierung erfolgt, ohne dass dafür ein selektives
Aufbringen oder Entfernen des Magnetmaterials erforderlich ist.
Bereiche der AF-gekoppelten Schicht 20 werden mittels Ionenbestrahlung
von zwei ferromagnetischen Filmen, die durch den Ru-Abstandsfilm 26 AF-gekoppelt
sind, in zwei ferromagnetische Filme transformiert, die ferromagnetisch
gekoppelt sind, so dass ihre magnetischen Momente parallel sind.
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Im
beschriebenen Strukturierungsverfahren wird eine Matrizenmaske mit
einer Dosis Stickstoffionen (N+) bestrahlt, und die Ionen werden
selektiv durch die Löcher
in der Maske übertragen.
Die Ionen gehen durch die Löcher
in der Maske durch und prallen auf die AF-gekoppelte Schicht 20 in
ausgewählten
Bereichen auf, die dem Muster der Löcher in der Maske entsprechen.
Die Ionen durchbrechen die Grenzfläche zwischen dem Ru-Abstandsfilm 26 und den
ferromagnetischen Filmen 22, 24 und zerstören die
AF-Kopplung der ferromagnetischen Filme 22, 24.
Dies geschieht im We sentlichen, ohne dass dabei die Magneteigenschaften
der ferromagnetischen Filme 22, 24 gestört werden,
und dadurch werden Bereiche erzeugt, in welchen die zwei ferromagnetischen
Filme gemeinsam durch ihre magnetischen Momente, die parallel ausgerichtet
sind, zusammen gekoppelt sind. Die Bereiche, auf welche die N+-Ionen
nicht aufprallen, bleiben AF-gekoppelt und weisen somit im Wesentlichen
kein magnetisches, am Kopf gemessenes Netto-Moment auf. Als Ergebnis davon
werden die Magnetbereiche voneinander durch die "nichtmagnetischen" Bereiche, die keine Magnetisierung
erfahren, getrennt. Auf diese Weise entsprechen die Muster der Löcher in
der Maske dem Muster der magnetischen Bit-Bereiche auf der Festplatte.
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2 veranschaulicht
schematisch das Strukturierungsverfahren. Die Schicht 20 bleibt
durch den Abstandsfilm (dargestellt durch die Schraffierung des
Films 26) in den Bereichen 52, 54, die
nicht mit einem Loch 56 in der Silizium-Matrizenmaske ausgerichtet
sind, AF-gekoppelt. Im Bereich 55 der Schicht 20,
der mit einem Loch 56 in der Maske 60 ausgerichtet
ist, kam es zu einer Fehlordnung der Grenzfläche zwischen dem Ru-Abstandsfilm
und den ferromagnetischen Filmen 22, 24 (wie dies
durch die gepunktete Fläche
des Films 26 dargestellt ist), kommen, und die magnetischen
Momente der zwei Filme 22, 24 werden ferromagnetisch
gekoppelt.
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Die
Matrizenmaske 60 ist eine berührungslose Maske, die einen
Wafer wie Silizium mit eingeätzten
Löchern
umfasst. Die Ionen, die durch die Pfeile 62 dargestellt
sind, werden durch die Löcher
im Wafer übertragen.
Die Silzium-Matrizenmaske wurde aus einem herkömmlichen Wafer aus Silizium
auf Isolator (SOI) mit einer 10 μm
dicken obersten Siliziumschicht, 0,5 μm SOI-Oxid und einem 500 μm dicken
Silizium-Trägersubstrat
hergestellt. Die Matrizenlöcher
wurden zuerst mittels optischer Lithographie strukturiert und danach
in die 10 μm
dicke Si-Schicht mittels reaktivem Ionenätzen (RIE) auf SF6-Basis
und hohem Aspektverhältnis
transferiert, wobei das SOI-Oxid
als zuverlässiger Ätz-Stopper wirkte.
Daraufhin wurden Fenster von der Rückseite durch das Trägersubstrat
geätzt,
wobei ein ähnliches RIE-Verfahren
eingesetzt wurde, und das übrige SOI-Oxid
wurde mit einer Nass-HF-Ätzung
entfernt. Die resultierende Siliziummembran ist etwa 10 μm dick und
bedeckt eine Fläche
von 1 × 1
mm. Die Löcher
in der Membran weisen einen nominellen Durchmesser von 1 μm auf, obwohl
sie in ihrer Form ein wenig unregelmäßig sind, und sie werden durch
ihre Fläche
mit einem regelmäßigen Abstand
von 1 bis 10 μm
repliziert. Bei der Herstellung der strukturierten Medien können die
zwei Matrizenmasken so ausgerichtet werden, dass ihre Löcher überlappen,
so dass Löcher
mit effektiven Durchmessern im Bereich von 100 nm erzeugt werden.
Es ist auch möglich,
eine einzelne Matrizenmaske auf diese Weise zu erzeugen, mit viel
kleineren Löchern
in einem Bereich von weniger als 100 nm, um strukturierte Medien
mit der erwünschten
Flächendichte
zu erzeugen. Eine detaillierte Beschreibung der Verwendung von Matrizenmasken
für die
Strukturierung von Magnetfilmen ist von B. D. Terris et al., "Ion-beam patterning
of magnetic films using stencil masks", Appl. Phys. Lett., Band 75, Nr. 3,
19. Juli 1999, beschrieben. In der beschriebenen Ausführungsform
weist die Maske Löcher
auf, die in einem Muster ausgebildet sind, um eine magnetische Aufzeichnungsfestplatte
mit konzentrischen kreisförmigen
Spuren zu erzeugen, wobei jede Spur diskrete Magnetbereiche aufweist,
die dieser entlang beabstandet sind, um als einzelne magnetische
Bits zu dienen, die eine Aufzeichnung durchführen können.
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Wurden
Stickstoffionen verwendet, so umfassen andere Ionenarten, die verwendet
werden können,
He-, Ar-, Ne-, Kr- und Xe-Ionen. Die Spannung und Dosierung der
Ionenbestrahlung, die erforderlich ist, um die erwünschte Durchbrechung
der Grenzfläche
zwischen dem Ru-Abstandsfilm 26 und den ferromagnetischen
Filmen 22, 24 zu erzeugen, kann in Versuchen bestimmt
werden.
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Das
beschriebene Verfahren zur Strukturierung der Medien mittels Ionenbestrahlung
ist eine berührungslose
Maske, so etwa eine Silizium-Matrizenmaske, wie sie oben beschrieben
ist. Es ist aber auch möglich,
ein herkömmliche
Lithographieverfahren zu verwenden, worin ein Photoresist auf der
AF-gekoppelten Schicht ausgebildet und danach strukturiert wird,
um Öffnungen,
die mit den Abschnitten der Schicht fluchtend ausgerichtet sind,
die magnetische Bit-Bereiche werden sollen, die von den "nichtmagnetischen" Bereichen getrennt
oder isoliert sind, freizulegen.
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Nachdem
die AF-gekoppelte Schicht strukturiert wurde, kann ein herkömmlicher
Schutzüberzug (nicht
in 1 dargestellt) darüber ausgebildet werden, um
die Her stellung der gemusterten magnetischen Festplatte abzuschließen. Der
Schutzüberzug kann
ein gewöhnlicher Überzug sein,
der mittels Sputtern von im Wesentlichen amorphem Kohlenstoff, der
gegebenenfalls mit Wasserstoff und/oder Stickstoff dotiert ist,
aufgebracht wird. Der Schutzüberzug
ist gewöhnlich
weniger als 15 nm dick.
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Versuchsergebnisse
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Es
wurde eine AF-gekoppelte Struktur aus CoPtCrB/Co/Ru/Co/CoPtCrB auf
einem 50 nm Cr-Metallsubstrat hergestellt. Die ferromagnetischen Filme
aus CoPtCrB waren eine Co68Pt12Cr20-Legierung, die mit 5 Atom-% B dotiert
war. Der untere CoPtCrB-Film war 10 nm dick, und der obere CoPtCrB-Film
war 5 nm dick. Die zwei ferromagnetischen Filme wurden mit einer
Dreifachschicht aus Co(0,5 nm)/Ru(0,6 nm)/Co(0,5 nm) überlappt,
welche die CoPtCrB-Filme antiferromagnetisch koppelte, so dass ihre
Momente antiparallel ausgerichtet waren. Die Dicke der CoPtCrB-Filme
wurde so gewählt,
dass es im Wesentlichen ein magnetisches Feld von null in einem
vorbestimmten Abstand oberhalb der Magnetschicht gibt. Dieser Abstand
ist die Höhe
oberhalb der Festplatte, wo der Lesekopf angeordnet ist (d.h. die
nominale Gleithöhe
des Lesekopfs). Da der obere Film 22 (siehe 1)
sich näher am
Lesekopf befindet, wird das Feld stärker als jenes des unteren
Films 24. Somit wird die Dicke des unteren Films 24 dicker
ausgeführt,
um auszugleichen und das Nettofeld am Kopf im Wesentlichen gleich null
zu machen.
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Die
Magnetisierung dieser Struktur wurde daraufhin mit einem Kerr-Looper über einem
Bereich von extern angelegten Magnetfeldern gemessen. Es wurde zuerst
ein sehr starkes Magnetfeld (z.B. 8 kOe), das ausreicht, um die
antiferromagnetische Kopplung der zwei ferromagnetischen Filme zu überwinden,
in die negative Richtung angelegt, und die Kerr-Daten zeigten, dass
die ferromagnetischen Filme Momente aufwiesen, die parallel zur
Ausrichtung des angelegten Felds verliefen. Das Feld wurde daraufhin
reduziert, und die Kerr-Daten zeigten nahe der Feldstärke eine
oszillierende Magnetisierungsausrichtung eines der ferromagnetischen
Filme, die dem antiferromagnetischen Kopplungsfeld entspricht, so dass
die ferromagnetischen Filme somit antiparallel ausgerichtete Momente
aufwiesen. Wenn sich das Feld durch Null hindurch zu einem positiv
angelegten Feld bewegte, blieben die Momente des ferromagnetischen
Films antiparallel, bis das positive Feld das antiferromagnetische
Kopplungsfeld überschritt,
zu welchem Punkt die Momente des ferromagnetischen Films zueinander
parallel und mit der Ausrichtung des positiven angelegten Felds
fluchtend ausgerichtet wurden. Somit zeigten die Kerr-Daten, dass
diese Filmstruktur ein synthetischer Antiferromagnet ist.
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Als
nächstes
wurde diese Struktur mit N+-Ionen mit einer Dosis von 2 × 1016 Ionen/cm2 mit
einer Energie von 700 keV bombardiert. Wurde die Struktur erneut
demselben Bereich eines externen angelegten Felds ausgesetzt, so
zeigten die Kerr-Daten keine
Kopplung der ferromagnetischen Filme. Stattdessen verhielt sich
die Struktur wie eine einzelne ferromagnetische Schicht, was anzeigt,
dass die Bombardierung mit Ionen die Grenzfläche zwischen dem Ru-Abstandsfilm
und den ferromagnetischen Filmen durchbrochen hatte und das Ru mit
den benachbarten ferromagnetischen Filmen durchmischt hatte. Die
Struktur wies vollständige
Remanenz und eine Koerzitivkraft von etwa 1500 Oe auf.
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Die
Strukturierung dieser selben Art der AF-gekoppelten Struktur wurde
daraufhin unter Verwendung von N+-Ionen gezeigt. Es wurde eine 10 μm × 10 μm große Fläche dieser
Struktur einer Dosis von 6 × 1015 N+ Ionen/cm2 durch
eine Si-Matrizenmaske
mit länglichen
Löchern
im μm-Bereich
ausgesetzt. Nach der Strukturierung wurde die Struktur zuerst mit
einem großen
Magnetfeld (20 kOe) in eine Richtung magnetisiert. Diese Feldstärke reicht
aus, um die Magnetisierung der nicht bestrahlten Bereiche auszurichten
und das AF-gekoppelte Feld in den nicht bestrahlten Bereichen so
zu überwinden,
so dass die Magnetisierungen der ferromagnetischen Filme in den
nicht bestrahlten Bereichen parallel zueinander und zum angelegten
Feld ausgerichtet waren. Dieses Feld wurde daraufhin entfernt, was
dazu führte,
dass die zwei ferromagnetischen Filme in den nicht bestrahlten Bereichen
AF-gekoppelt wurden. Danach
wurde ein Feld von 2 kOe in die Gegenrichtung angelegt. Dieses 2
kOe große
Feld ist geringer als das AF-gekoppelte Feld der nicht bestrahlten
Bereiche, aber groß genug,
um die Magnetisierungsrichtung der ferromagnetisch gekoppelten Filme
nur in den bestrahlten Bereichen umzukehren. 3 ist ein
MFM- Bild (Magnetkraftmikroskopie)
der gemusterten Struktur, wobei die länglich geformten Bereiche die
bestrahlten Bereiche sind, wo der Ru-Abstandsfilm in der Struktur
durchbrochen war, so dass die ferromagnetischen Filme in diesen
länglichen
Bereichen ferromagnetisch gekoppelt sind. Die hellen und dunklen
Kontrastlinien auf den langen Kanten der länglichen Bereiche stammen aus
den magnetischen Übergängen zwischen
dem obersten (oder dem untersten) ferromagnetischen Film in den
nicht bestrahlten, AF-gekoppelten Bereichen und den ferromagnetisch
gekoppelten Filmen in den länglichen bestrahlten
Bereichen.
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Die
zwei Bit-Zustände
im Aufzeichnungsmedium gemäß der vorliegenden
Erfindung, worin die Magnetfeldstärke oberhalb der Festplatte
in einer Höhe,
in welcher sich der Aufzeichnungskopf befindet, im Wesentlichen
für die
zwei Filme 24, 22 gleich ist, sind schematisch
in den 4A–4B dargestellt.
Die magnetischen Übergangsbereiche
werden als 80, 82 bezeichnet. In 4A tragen
nur die Übergänge zwischen
den Magnetzuständen
der obersten Filme, 70-72 und 72-74,
zum Signal S1 bei, da die Magnetzustände der untersten Filme, 71-73 und 73-75,
in den Bereichen 80, 82 keine magnetischen Übergänge aufweisen.
In 4B tragen nur die Übergänge zwischen den Magnetzuständen der
untersten Filme, 71-73 und 73-75,
zum Signal S2 bei, da die Magnetzustände der obersten Filme, 70-72 und 72-74,
keine magnetischen Übergänge in den Bereichen 80, 82 aufweisen.
In 4A ist die Magnetisierung des obersten ferromagnetischen
Films 22 der AF-gekoppelten, nicht bestrahlten Bereiche 70, 74 in
die Gegenrichtung zur Magnetisierung im ferromagnetischen, bestrahlten
Bereich 72-73 ausgerichtet, was zu einem typischen
Magnetfeldprofil führt, wie
es durch S2 dargestellt ist. Dies stellt einen geschriebenen Zustand,
ein "1", dar. Im Gegensatz dazu
wird der andere geschriebene Zustand, ein "0", dadurch
erreicht, dass ein größeres Feld
als die Koerzitivkraft des ferromagnetischen Bereichs 72–75 aber
ein kleineres Feld als das AF-gekoppelte Feld zwischen dem obersten
und dem untersten Film 70-71 und 74-75 in
den AF-gekoppelten Bereichen angelegt wird. Auf diese Weise oszilliert
nur der ferromagnetische Bereich 72-73 seine Magnetisierung und
richtet sie parallel zu den obersten Filmen 70, 74 aus.
Das Ergebnis ist ein umgekehrtes Signal S2. Die Signale S1 (4A)
und S2 (4B), die oberhalb der Übergangsbereiche 80, 82 dargestellt
sind, zeigen, dass die Amplituden dieselben sind, ungeachtet der
Ausrichtungen der Übergänge, wenn
die Vorzeichen der Signale anders als die Übergänge sind. Dies geht darauf
zurück,
dass jeder der ferromagnetischen Filme 22, 24 so
konzipiert ist, dass er ein magnetisches Moment aufweist, so dass
die Bilder von den Filmen, wie am Kopf detektiert werden kann, dieselben
sind, obwohl sich der Film 22 weiter vom Kopf entfernt
befindet.
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Wird
die alternative Ausführungsform
verwendet, worin Mr1t1 = Mr2t2, so dass die Schicht 20 im
Wesentlichen ein magnetisches Netto-Moment von null aufweist, dann
besitzen S1 und S2 unterschiedliche Amplituden. Dies geht darauf
zurück, dass
die zwei Filme 22, 24 dann dieselben magnetischen
Momente aufweisen, aber der Film 24 weiter vom Kopf entfernt
ist. Somit weist das Signal S2 von den Übergängen im unteren Film 24 eine
kleinere Amplitude als das Signal S1 auf.
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Während die
vorliegende Erfindung insbesondere in Bezug auf die Ausführungsformen
gezeigt und beschrieben wurde, ist für Fachleute auf dem Gebiet
der Technik verständlich,
dass verschiedene Änderungen
in Form und Detail sowie Verbesserungen und Modifikationen durchgeführt werden
können,
ohne dabei vom Schutzumfang und der Beschreibung der Erfindung abzuweichen.
Demgemäß kann die
offenbarte Erfindung als einfach veranschaulichend und in ihrem
Umfang nur durch die angehängten
Ansprüche
beschränkt
angesehen werden.