JP2012256413A - 粒子サイズ制御用の複数の磁気層および中間二重核形成膜を有する垂直磁気記録ディスク - Google Patents
粒子サイズ制御用の複数の磁気層および中間二重核形成膜を有する垂直磁気記録ディスク Download PDFInfo
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Abstract
【課題】粒子サイズ制御用の複数の磁気層および中間二重核形成膜を有する垂直磁気記録ディスクを提供する。
【解決手段】垂直磁気記録ディスクは、磁気層間に2つの核形成膜(NF1およびNF2)を有する、少なくとも2つの強磁性交換結合されたCoPtCr酸化物磁気層(MAG1およびMAG2)で形成された段階的異方性を持つ記録層(RL)を有する。NF1は、好ましくはRuまたはRuCrの様なRu基合金である金属膜である。NF2は、約0.2〜1.0nmの厚さにNF1上に堆積される、好ましくはTa酸化物の金属酸化物膜である。MAG2は、NF2上に堆積される。NF1およびNF2により、MAG1およびMAG2間に核形成膜を持たない段階的異方性を持つRLと比較して、RLにおける平均粒子サイズの大幅な縮小が提供されると同時に、MAG1およびMAG2の強固な交換結合も保証される。
【選択図】図2
【解決手段】垂直磁気記録ディスクは、磁気層間に2つの核形成膜(NF1およびNF2)を有する、少なくとも2つの強磁性交換結合されたCoPtCr酸化物磁気層(MAG1およびMAG2)で形成された段階的異方性を持つ記録層(RL)を有する。NF1は、好ましくはRuまたはRuCrの様なRu基合金である金属膜である。NF2は、約0.2〜1.0nmの厚さにNF1上に堆積される、好ましくはTa酸化物の金属酸化物膜である。MAG2は、NF2上に堆積される。NF1およびNF2により、MAG1およびMAG2間に核形成膜を持たない段階的異方性を持つRLと比較して、RLにおける平均粒子サイズの大幅な縮小が提供されると同時に、MAG1およびMAG2の強固な交換結合も保証される。
【選択図】図2
Description
本発明は、全般的には、垂直磁気記録媒体に関し、特に、磁気記録ハードディスクドライブで使用するための垂直磁気記録層を備えるディスクに関する。
記録ビットがディスク上の記録層(RL)において垂直または面外配向(out-of-plane orientation)で保存される垂直磁気記録(PMR)ディスクは、磁気記録ハードディスクドライブにおいて使用される。RLの材料の種類の1つは、CoPtCr合金等の粒状強磁性コバルト合金であり、この粒状強磁性コバルト合金は、六方最密(hcp)結晶構造が、実質的に面外配向した、またはRLに垂直に配向したc軸を有する。hcpCoPtCr合金のRLのこの成長を引き起こすためには、RLがその上に形成される中間層(IL)もまた、hcp材料である。ルテニウム(Ru)およびRuCr等の特定のRu合金は、通常、ILに使用される非磁性hcp材料である。
粒状CoPtCr合金のRLは、高い固有媒体雑音の原因である粒間交換結合を低減するために、十分に分離した微粒子構造も有するべきである。コバルト合金のRLにおける粒子偏析の向上は、Co、Cr、Si、Ta、Ti、NbおよびBの酸化物を含む酸化物の添加によって達成される。これらの酸化物は、粒界に沈殿する傾向があり、コバルト合金の元素と共に非磁性粒間材料を形成する。添加酸化物によるRLにおける磁性粒子の偏析の向上により、高い面密度および記録性能の達成に重要な磁性粒子のサイズおよび分布も制御される。
従って、将来のPMRディスクは、微小な粒子を有するCoPtCr酸化物合金のRLを有することが重要である。しかしながら、微小な磁性粒子は、単に熱的不安定性または磁化ビット内での撹拌によって消磁され得る(いわゆる「超常磁性」効果)。磁性粒子の熱的安定性は、かなりの程度までKuVによって決定される(但し、Kuは、CoPtCr合金の磁気結晶異方性であり、Vは、磁性粒子の体積である)。従って、保存された磁化の熱的不安定性を回避するためには、高いKuを有するCoPtCr合金が、特に粒子が小さくなるにつれて必要となる。しかしながら、Kuが高くなると、磁化方向を逆にするために必要な磁場である媒体の短期スイッチング磁場H0も高くなる。ほとんどの磁気材料に関して、H0は、ずっと長い時間尺度で測定した保磁場または保磁力Hcよりかなり大きく、例えば約1.5〜2倍大きい。当然、スイッチング磁場は、垂直記録の場合、現在約12kOeに限定される記録ヘッドの書き込み磁場の能力を超えることはできない。
さらに、RLの書き込み性能を向上させるためには、異なる異方性を持つ少なくとも2つの強磁性交換結合磁気層でRLを形成し、それによって、RLの厚みにわたって段階的異方性を与えることが望ましい。この種の段階的異方性を持つRLは、RLの厚みにわたる書き込み磁場の変動および書き込み磁場勾配の不均一性を補償する。CoPtCr合金において、Pt含有量を約22〜30原子百分率(at%)にまで増加させ、Cr含有量を約15at%を下回るまで減少させることによって、高い異方性が得られる。しかしながら、CoPtCr酸化物合金においてCr含有量を減少させることは、酸化物の偏析境界の範囲に悪影響を及ぼすことが知られており、粒子サイズの縮小を抑制する。
したがって、磁性粒子サイズおよび個々の層間の強磁性交換結合を制御できる少なくとも2つのCoPtCr酸化物層で形成された段階的異方性を持つRLを備えるPMRディスクが必要となる。
本発明は、段階的異方性を持つ記録層(RL)を備える垂直磁気記録ディスクに関し、ここで、段階的異方性を持つ記録層(RL)は、磁気層間に2つの核形成膜(NF1およびNF2)を有する、少なくとも2つの強磁性交換結合されたCoPtCr酸化物磁気層(MAG1およびMAG2)で形成されている。NF1およびNF2は共に、MAG2における磁性粒子サイズ、およびMAG2とMAG1との間の強磁性交換結合を制御する。NF1は、好ましくはRuまたはRuCrのようなRu基合金である金属膜であり、低圧でMAG1上に約0.1〜1.5nmの厚さにスパッタリング堆積される。NF2は、約0.2〜1.0nmの厚さに高圧でNF1上にスパッタリング堆積される金属酸化物膜であり、好ましくはTa酸化物の金属酸化膜である。NF1は、MAG1上で概ね共形(conformal)の膜として形を成すのに十分な厚さがあればよい。しかしながら、極薄の厚さの形態では、NF1およびNF2の各々の厚さは、NF1およびNF2の材料が不連続クラスターとして形成される場合には、不連続膜の「平均」厚さであり得る。MAG2は、NF2上にスパッタリング堆積される。従って、NF1が概ね共形(conformal)で、且つNF2が不連続である場合には、MAG2は、NF2クラスター上、並びに下層のNF1の一部の上にも成長される。MAG2が、比較的低い堆積または成長速度、例えば、約7mTorrより低いスパッタリング圧でNF2上に堆積される場合には、MAG2における磁性粒子の偏析が向上する。
NF1およびNF2により、MAG1およびMAG2間に核形成膜を持たない段階的異方性を持つRLと比較して、RLにおける平均粒子サイズの大幅な縮小が得られると同時に、MAG1およびMAG2の強固な交換結合も保証される。
本発明の本質および利点をより理解するためには、添付図面と合わせて以下の詳細な説明を参照すればよい。
図1は、先行技術の垂直磁気記録ディスクの断面の概略図であり、先行技術の垂直磁気記録ディスクは、2つの強磁性交換結合した粒状CoPtCr合金磁気層(MAG1およびMAG2)で形成される記録層(RL)を備える。RLおよびディスクを構成する他の様々な層は、ハードディスク基板上に位置する。基板は、市販のどのようなガラス基板でもよいが、NiPまたは他の公知の表面コーティングを有する従来のアルミニウム合金、またはシリコン、カナサイトまたは炭化ケイ素等の別の基板であってもよい。保護膜(OC)は、RL上に形成され、アモルファス「ダイヤモンド状」炭素膜または窒化ケイ素(SiNx)等の他の公知の保護膜でもよい。
軟磁性下地層(SUL)は、基板上に形成され、ディスクドライブの書き込みヘッドからの書き込み磁場の磁束リターンパスとして機能する。SULを成長させるための接着層またはオンセット層(OL)は、基板上に約2〜10nmの厚さで堆積したAlTi合金または類似の材料でもよい。SULは、CoNiFe、FeCoB、CoCuFe、NiFe、FeAlSi、FeTaN、FeN、FeTaC、CoTaZr、CoFeTaZr、CoFeB、およびCoZrNb合金等の磁気透過材料で形成されていてもよい。SULは、AlまたはCoCrの導電性膜等の非磁性膜によって分離される複数の軟磁性膜で形成された積層または多層SULでもよい。SULは、Ru、Ir、またはCr、あるいはそれらの合金等の反強磁性結合を仲介する中間層膜によって分離される複数の軟磁性膜で形成された積層または多層SULでもよい。SULは、約5〜100nmの範囲の厚さを有し得る。
非磁性中間層(IL)は、SUL上に積層する。ILは、粒状RLにおいてhcp結晶配向を制御するための六方最密(hcp)結晶構造を有する非磁性金属または合金である。ILによって、c軸が実質的に垂直に配向されるようにhcp粒状RLの成長が促進され、その結果、垂直磁気異方性が生じる。ルテニウム(Ru)がILの材料として一般的に使用されるが、他の材料例には、Ti、Re、およびOsから選択される金属と、RuCr合金等のRu基合金を含む、Ti、Re、Ru、およびOsから選択した少なくとも1つの元素を含む合金とが含まれる。ILは、例えば約6mTorrを下回る比較的低圧(LP)でスパッタリング堆積した第1のRu層(5〜15nm)と、その第1のRu層に続いて、例えば約20mTorrを上回る比較的高圧(HP)でスパッタリング堆積した第2のRu層(5〜15nm)との二重層でもよい。LPでの第1のRu層のスパッタリングは、RLに適切な成長方位を与えるためのものである。HPでの第2のRu層のスパッタリングは、RLにおいて、酸化物偏析を促進するためのものである。
RLにおいては、MAG1およびMAG2の各々は、1つまたは複数の酸化物を含む粒界材料を備える粒状強磁性CoPtCr合金である。複数の酸化物は、通常、Si、Ta、Ti、NbおよびBのうちの1つ以上の酸化物である。段階的異方性を持つRLを得るために、MAG1およびMAG2は、通常、異なる量のPtおよびCrを有する。例えば、MAG2は、MAG1と比較して、Ptが多く、且つCrが少なく、従って、より高い異方性を有し得る。段階的異方性を持つRLは、RLの厚みにわたる書き込み磁場の変動および書き込み磁場勾配の不均一性を補償する。MAG1上において直接MAG2を成長させることにより、2つの磁気層の強い強磁性交換結合が保証される。しかしながら、直接接触したMAG2およびMAG1を有する段階的異方性を持つRLにおいて、磁性粒子サイズの制御は困難である。下層のIL上でのMAG1の成長中にMAG1の厚さが増加するにつれて、MAG1の個々のCoPtCr粒子のサイズは、増大する傾向にある。次に、MAG2の個々の粒子が、MAG1粒子と基本的に同じサイズで成長を開始し、MAG2の厚さがMAG1上での成長中に増加するにつれて、そのサイズが増大し続ける。
本発明による垂直磁気記録ディスクにおいては、小さい粒子の段階的異方性を持つRLが、個々の磁気層の交換結合に大きな悪影響を与えることなく得られる。図2は、本発明による垂直磁気記録ディスクの一部の断面図の概略図である。本発明によるディスクの構造は、図1に示すディスク構造に類似するが、二重核形成膜(NF1およびNF2)がMAG1とMAG2との間に位置している。
NF1は、約0.1〜1.5nmの厚さを有する、好ましくはRuまたはRuCrのようなRu基合金の金属膜である。NF1は、RuxCo(100−x)合金(但し、xは、30〜70at%である)でもよい。NF1は、低圧(約10mTorrより低い圧力)でMAG1上にスパッタリング堆積される。NF2は、好ましくはTa酸化物であるが、Ti、Nb、Si、MnまたはHfの酸化物でもよい、約0.2〜1.0nmの厚さを有する金属酸化物膜である。NF2は、高圧(約20mTorrより高い圧力)でNF1上にスパッタリング堆積される。MAG2は、NF2上に直接スパッタリング堆積される。NF1は、MAG1上で概ね共形(conformal)の膜として形を成すのに十分な厚さがあればよい。しかしながら、極薄の厚さの形態では、NF1およびNF2の各々の厚さは、NF1およびNF2の材料が不連続クラスターとして形成される場合には、不連続膜の「平均」厚さであり得る。従って、NF1が概ね共形(conformal)で、且つNF2が不連続な場合には、MAG2は、NF2クラスター上、並びに下層のNF1の一部の上にも成長される。NF1が比較的低いスパッタリング圧(約10mTorrより低い圧力)で堆積されることにより、MAG1上での共形Ru膜(conformal Ru film)またはRu基合金クラスターの形成が促進される。NF2が高いスパッタリング圧で堆積されることにより、金属酸化物クラスターの形成が促進される。従って、MAG2の材料は、MAG2の偏析および微細構造を共同で制御するNF2材料およびNF1材料のクラスターと接触している。また、MAG2が、比較的低い堆積または成長速度(例えば、約5mTorrより低いスパッタリング圧)でNF2上に堆積される場合には、MAG2における磁性粒子の偏析が向上する。
図3は、NF1およびNF2の異なる厚さに関して、MAG1およびMAG2で形成された複合RLの平均粒子サイズを示す表である。このデータに関して、ILは、LPで堆積した13nmの厚さの下側のRu層と、HPで堆積した13nmの厚さの上側のRu層との二重層であった。MAG1は、6.5nmの厚さの[Co66Pt22.1Cr9.8Ta2.1](B2O3)3.0(CoO)3.0の層であり、MAG2は、6.5nmの厚さの[Co67.1Pt26Cr4.8Ta2.1](B2O3)3.0(CoO)3.0の層であった(但し、CoPtCr合金における下付きの数字は原子百分率を表す)。Ptがより高くCrがより低いMAG2は、MAG1よりも高い異方性を持つ。図3は、MAG2がMAG1と直接接触する先行技術の構造(核形成膜を持たない)の場合は、粒子サイズが83.4Åであることを示している。最小の粒子サイズ(68.4Å)は、1nmのRuのNF1および0.6nmのTaOxのNF2で得られた。RuのNF1を用いずに、0.6nmのTaOxのNF2のみを用いた場合には、80.5Åの粒子サイズが得られた。TaOxのNF2を用いずに、1nmのRuのNF1のみを用いた場合には、かなり大きな粒子サイズ(86.6Å)が得られた。従って、図3は、最小の粒子サイズを達成するためには、RuのNF1およびTaOxのNF2の両方が共に必要であることを証明している。RuのNF1は、MAG1の成長を止め、MAG1の粒子の延長で成長する粒子としてというよりはむしろ、新しく形成される粒子を持つMAG2の成長を開始させる。TaOxのNF2は、MAG2におけるさらなる粒子の偏析をもたらす。
図3のデータに使用したのと同じディスク構造を用いて、RuのNF1の様々な厚さに関して、0.6nmのTaOxのNF2を有するMAG1およびMAG2から形成された複合RLの保磁力(Hc)を測定した。0.1nmの厚さのRuのNF1の場合には、6.12kOeのHcが達成され、1nmの厚さのRuのNF1の場合には、4.56kOeのHcが達成された。2.5nmよりもかなり大きい厚さのRuのNF1の場合には、Hcは、許容不可能な低さであった。また、そこからHcの値を導き出した、測定されたM−Hループは、RuのNF1の厚さが1.0nm以下の場合には、MAG1およびMAG2が強固に交換結合し、単一のスイッチング挙動を示すことを示している。
従って、好適な実施形態においては、NF1は、約0.1nm以上で約1.5nm以下の厚さを有し、好ましくは、約0.5nm以上で約1.2nm以下の厚さを有するべきである。NF2は、約0.2nm以上で約1.0nm以下の厚さを有し、好ましくは、約0.4nm以上で約0.8nm以下の厚さを有するべきである。これにより、MAG1およびMAG2間に核形成膜を持たない段階的異方性を持つRLと比較して、本段階的異方性を持つRLにおいて平均粒子サイズの大幅な縮小が保証されると同時に、MAG1およびMAG2の強固な交換結合も保証される。
NF1およびNF2の成長特性の独立制御を保証するためには、RuのNF1をまず堆積し、低いスパッタリング圧で成長させ、金属酸化物のNF2を高いスパッタリング圧でNF1上に堆積させることが重要である。NF1は、MAG2のテクスチャ制御をもたらし、NF2は、MAG2の粒子の偏析制御をもたらす。金属酸化物のNF2を最初に堆積し、次にRuを堆積すると、RLにおいて所望の結果が与えられないことが判明している。また、複合ターゲットによるスパッタリング堆積を行う等の、単一のRu−TaOx膜の堆積では、RuおよびTaOx膜の成長特性の独立制御が存在しないので、RLにおいて所望の結果が与えられない。
RLにおいて2つのみの磁気層を有した本発明による垂直磁気記録ディスクを示したが、RLは、3つ以上の磁気層を有していてもよく、この磁気層は、追加の磁気層間に二重核形成膜を有する。
本発明を好適な実施形態を参照して具体的に示し、説明したが、本発明の精神および範囲から逸脱することなく、形態および詳細に関して様々な変更が行われ得ることが当業者には明らかであろう。従って、開示された発明は、単なる例示としてみなされるものであり、添付の請求項に規定される範囲によってのみ限定されるものである。
OC 保護膜
MAG2 第2の磁気層
NF2 第2の核形成膜
NF1 第1の核形成膜
MAG1 第1の磁気層
HP 高圧
RL 記録層
IL 中間層
MAG2 第2の磁気層
NF2 第2の核形成膜
NF1 第1の核形成膜
MAG1 第1の磁気層
HP 高圧
RL 記録層
IL 中間層
Claims (17)
- 基板と、
前記基板上の磁気透過材料の下地層と、
RuおよびRu合金から選択される材料を含む、前記下地層上の非磁性中間層(IL)と、
垂直磁気記録層と、
を備え、
前記垂直磁気記録層が、
Co、PtおよびCrを備える粒状強磁性合金を前記IL上に備える第1の磁気層(MAG1)であって、前記粒状強磁性合金は、Si、Ta、Ti、NbおよびBのうちの1つ以上の酸化物を1つ以上含む、第1の磁気層(MAG1)と、
前記MAG1上に、RuおよびRu基合金から選択される材料を有し、0.1nm以上で1.5nm以下の厚さを有する第1の核形成膜(NF1)と、
前記NF1上に、Ta、Nb、Ti、Si、Mn、およびHfからなる群から選択される元素の1つ以上の酸化物を含み、0.2nm以上で1.0nm以下の厚さを有する第2の核形成膜(NF2)と、
Co、PtおよびCrを備える粒状強磁性合金からなる、前記NF2上の第2の磁気層(MAG2)であって、前記粒状強磁性合金は、Si、Ta、Ti、NbおよびBのうちの1つ以上の酸化物を1つ以上含む、第2の磁気層(MAG2)と、
を備え、
前記MAG2が、前記MAG1の異方性磁場よりも大きい異方性磁場を有する、垂直磁気記録ディスク。 - 前記NF2が、前記NF1上の酸化物クラスターの不連続膜であり、前記MAG2が、前記NF1および前記NF2の前記酸化物クラスターと接触する、請求項1に記載の垂直磁気記録ディスク。
- 前記NF1が、前記MAG1上の前記NF1材料の共形膜である、請求項1に記載の垂直磁気記録ディスク。
- 前記NF1が、前記MAG1上の前記NF1材料の不連続膜である、請求項1に記載の垂直磁気記録ディスク。
- 前記NF1が、0.5nm以上で1.2nm以下の厚さを有する、請求項1に記載の垂直磁気記録ディスク。
- 前記NF2が、0.4nm以上で0.8nm以下の厚さを有する、請求項1に記載の垂直磁気記録ディスク。
- 前記NF1が、実質的にRu基合金からなる、請求項1に記載の垂直磁気記録ディスク。
- 前記NF1が、実質的にRuCr合金からなる、請求項7に記載の垂直磁気記録ディスク。
- 前記NF1が、実質的にRuxCo(100−x)からなり、ここで、xは、原子百分率で表され、30以上70以下である、請求項1に記載の垂直磁気記録ディスク。
- 前記NF2が、実質的にTa酸化物からなる、請求項1に記載の垂直磁気記録ディスク。
- 前記NF2が、実質的に、Ti、Nb、Si、MnまたはHfの酸化物から選択される酸化物からなる、請求項1に記載の垂直磁気記録ディスク。
- 前記磁気透過材料の下地層は、CoFe、CoNiFe、NiFe、FeCoB、CoCuFe、FeAlSi、FeTaN、FeN、FeTaC、CoTaZr、およびCoZrNbの合金からなる群から選択される材料で形成される、請求項1に記載の垂直磁気記録ディスク。
- 前記磁気透過材料の前記下地層は、非磁性膜によって分離される複数の磁気透過膜の積層である、請求項1に記載の垂直磁気記録ディスク。
- 前記積層における前記非磁性膜が、前記積層において前記磁気透過膜の反強磁性結合をもたらすものである、請求項13に記載の垂直磁気記録ディスク。
- 基板と、
前記基板上の磁気透過材料の下地層と、
RuおよびRu合金から選択される材料を有する、前記下地層上の非磁性中間層(IL)と、
垂直磁気記録層と、
を備え、
前記垂直磁気記録層が、
Co、PtおよびCrを備える粒状強磁性合金を前記IL上に備える第1の磁気層(MAG1)であって、前記粒状強磁性合金は、Si、Ta、Ti、NbおよびBのうちの1つ以上の酸化物を1つ以上含む、第1の磁気層(MAG1)と、
前記MAG1上において実質的にRuからなり、0.1nm以上で1.5nm以下の厚さを有する第1の核形成膜(NF1)と、
前記NF1上の第2の核形成膜(NF2)であって、実質的にTa酸化物からなるクラスターの不連続膜である第2の核形成膜(NF2)と、
Co、PtおよびCrを備える粒状強磁性合金からなる、前記NF2上の第2の磁気層(MAG2)であって、前記粒状強磁性合金は、Si、Ta、Ti、NbおよびBのうちの1つ以上の酸化物を1つ以上含む、第2の磁気層(MAG2)と、
を備え、
前記MAG2は、前記MAG1の異方性磁場よりも大きい異方性磁場を有する、垂直磁気記録ディスク。 - 前記NF1が、前記MAG1上の前記NF1材料の共形膜である、請求項15に記載の垂直磁気記録ディスク。
- 前記NF1が、前記MAG1上の前記NF1材料のクラスターの不連続膜である、請求項15に記載の垂直磁気記録ディスク。
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