JP2015130223A - 磁気スタックおよびその製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】分離体によって分離された磁性粒状体を含む柱状構造の磁気記録層を含むスタックを提供する。
【解決手段】スタックは、基板と、柱状構造を有する磁気記録層と、基板と磁気記録層の間に配置された中間層とを含む。柱状構造は、結晶性分離体によってまたは結晶性分離体と非晶質分離体を組合わせたものによって分離された磁性粒状体を含む。
【選択図】図１Ｃ

Description

関連出願
本願は、米国特許法第１１９条（ｅ）に従い、２０１４年１月３日に出願された仮特許出願第６１／９２３，５６１号に基づく優先権を主張し、その全体を本明細書に引用により援用する。

概要
本明細書に記載の実施の形態は、基板と、磁気記録層と、基板と磁気記録層の間に配置された中間層とを含むスタックに関する。磁気記録層は、結晶性分離体によって分離された磁性粒状体を含む柱状構造を有する。

他の実施の形態は、基板と、柱状構造を有する磁気記録層と、基板と磁気記録層の間に配置された中間層とを含むスタックに向けられている。磁気記録層は、結晶性分離体と非晶質分離体によって互いに分離された磁性粒状体を含む。

さらに他の実施の形態は、基板の上に中間層を形成することと、中間層の上に磁性層を成膜することとを含む方法に向けられている。磁性層は、磁性材料および分離体材料をスパッタリングすることによって成膜され、このスパッタリングにより、結晶性分離体によって分離された柱状の磁性粒状体を形成する。

本明細書に記載の実施の形態に従う磁気スタックの断面図である。 本明細書に記載の実施の形態に従う磁気スタックの断面図である。 本明細書に記載の実施の形態に従う磁気スタックの代替磁気記録層のうちの１つの断面図である。 本明細書に記載の実施の形態に従う磁気スタックの代替磁気記録層のうちの１つの断面図である。 異なるスパッタリング温度でＴｉＯＮ層上に成長された２つのＦｅＰｔ膜のＸＲＤスペクトルを示す。 図２のＦｅＰｔ膜のＴＥＭ平面画像である。 図２のＦｅＰｔ膜のＴＥＭ平面画像である。 図２のＦｅＰｔ膜のＴＥＭ断面画像である。 図２のＦｅＰｔ膜のＴＥＭ断面画像である。 図２のＦｅＰｔ膜のＴＥＭ断面画像である。 図４ＢのＦｅＰｔ膜のＥＤＸマッピング解析である。 ５００℃でＴｉＯＮ層上に成長されたＦｅＰｔ膜の高解像度ＴＥＭ断面画像である。 図６の各層の制限視野電子回折パターンである。 図６の各層の制限視野電子回折パターンである。 スパッタリング温度を変えてＴｉＯＮ層上に成長された１０ｎｍのＦｅＰｔ−ＺｒＯ_２３５％膜の面内および面外のＭ−Ｈループを示す。 スパッタリング温度を変えてＴｉＯＮ層上に成長された１０ｎｍのＦｅＰｔ−ＺｒＯ_２３５％膜の面内および面外のＭ−Ｈループを示す。 Ｃ分離体の濃度を変えてＴｉＯＮ層上に成長されたＦｅＰｔ膜のＸＲＤスペクトルを示す。 図９のＦｅＰｔ膜のＴＥＭ平面画像である。 図９のＦｅＰｔ膜のＴＥＭ平面画像である。 図９のＦｅＰｔ膜のＴＥＭ平面画像である。 図９のＦｅＰｔ膜のＴＥＭ平面画像である。 図９のＦｅＰｔ膜のＴＥＭ断面画像である。 図９のＦｅＰｔ膜のＴＥＭ断面画像である。 図９のＦｅＰｔ膜のＴＥＭ断面画像である。 図９のＦｅＰｔ膜のＴＥＭ断面画像である。 Ｃ分離体の濃度を変えてＴｉＯＮ層上に成長された８ｎｍのＦｅＰｔ−ＺｒＯ_２３５％−Ｃ膜の面内および面外のＭ−Ｈループを示す。 Ｃ分離体の濃度を変えてＴｉＯＮ層上に成長された８ｎｍのＦｅＰｔ−ＺｒＯ_２３５％−Ｃ膜の面内および面外のＭ−Ｈループを示す。 さまざまな実施の形態に従う柱状の磁性層を成膜するためのプロセスを例示するフロー図である。

詳細な説明
熱アシスト型磁気記録（heat assisted magnetic recording）（ＨＡＭＲ）媒体は、たとえばＦｅＰｔの高い結晶磁気異方性を利用して理論上は面密度を５Ｔｂ／ｉｎ^２まで高めることが可能という点で、注目を集めてきた。ＦｅＰｔ薄膜を熱アシスト磁気記録に適用するには、小さな柱状粒状体を有する微細構造によって熱安定性とより高い残留磁化（Ｍｒｔ）を得ることが必要である。これら微細構造を用いることによって得られるＦｅＰｔ膜は、良好なテクスチャを示し、結晶磁気異方性が大きく、小粒径で粒径分布が狭く、十分に分離された柱状構造を有する。これらの性質を有する微細構造を得るために、結晶磁気異方性が大きく粒径が小さいＦｅＰｔ−Ｃ、ＦｅＰｔ−ＳｉＮ_Ｘ−Ｃ、ＦｅＰｔ−ＳｉＯ_Ｘ−Ｃ、ＦｅＰｔ−Ａｇ−Ｃ等の膜が作製されてきた。非晶質材料（たとえばＣ、ＳｉＯ_２、ＴｉＯ_２等）でドーピングすると、必要な小粒径は得られるものの、ドープされた非晶質材料は、磁気記録層の表面に拡散し易いものでもある。Ｍｒｔをより高くしようとして所望の媒体の厚さを大きくする（たとえば約４〜５ｎｍ）と、上昇されたスパッタリング温度でドーパント材料が拡散することにより、結果として磁性粒状体の第２の核生成が生じ二重層構造が形成される。このため、磁気記録層の磁性粒状体は、より高いアスペクト比で柱状に成長する。

本明細書に記載の実施の形態は、磁気記録層における結晶性ドーピングまたは分離体材料の使用を含む。結晶性分離体は、温度によって変化しない粒界における結晶構造を維持する材料である。これに対し、非晶質分離体は、定められた結晶構造がなく、その代わりに非晶質分離体材料とたとえば磁性粒界と間の表面エネルギーによって定められる材料である。（００１）テクスチャを有する分離された柱状構造のＦｅＰｔ膜を作製しようとする以前の試みによって得られたＦｅＰｔ膜は、垂直異方性が不十分であった。一方、結晶性分離体材料は、非晶質分離体材料よりも拡散速度が遅い。たとえば、結晶化されたＺｒＯ_２を用いてＦｅＰｔ粒状体を分離させると、結晶化された材料の拡散速度が遅いので、柱状構造を有するＦｅＰｔ（００１）膜を得ることができる。ある実施の形態では、ＴｉＯ_２、ＴｉＣ、およびＭｇＯ等の他の結晶化されたドーピング材料を、中間層の上にエピタキシャル成長させて、記録層内のＦｅＰｔ粒状体の柱状成長における分離体として機能させることができる。さらに他の実施の形態では、Ｃ、ＳｉＯ_２、ＢＮ、Ａｇ等のその他の分離体材料によって、磁性粒状体の分離および安定化を促進することができる。

図１Ａは、上記のような磁気記録層１３０を含む磁気スタック１００を示す。磁気記録層１３０は、スタック１００における中間層１２０の上にある。示されるように、中間層は、基板１１０と磁気記録層１３０の間に配置されている。基板１１０は、たとえばシリコンまたはガラスを含む各種材料を含み得る。

さまざまな実施例によれば、中間層１２０はＴｉＮ−Ｘ（００２）層を含む。ＴｉＮ−Ｘ層は、ＴｉＮと少なくとも１つのドーピング材料Ｘとを含み得る。このＸは、ＭｇＯ、ＴｉＯ、ＴｉＯ_２、ＴｉＣ、ＺｒＮ、ＺｒＯ、ＺｒＯ_２、ＺｒＣ、ＨｆＮ、ＨｆＣ、ＨｆＯ、およびＨｆＯ_２のうちの１つ以上を含み得る。場合によっては、ドーパントＸは、対応する金属窒化物を２９８Ｋで形成するときの熱が、ＴｉＮの場合１グラム原子金属当たり３３８ｋＪ以上である材料であってもよい。これに代わる実施例では、中間層１２０はＭｇＯ−Ｙ（００２）層を含む。ＭｇＯ−Ｙ層は、ＭｇＯと少なくとも１つのドーピング材料Ｙとを含み得る。このＹは、Ｎｉ、Ｔｉ、Ｚｒ等のうちの１つ以上を含み得る。磁気記録層１３０の非磁性分離体材料は、中間層１２０の上にエピタキシャル成長させることができる。なぜなら、中間層１２０は、磁気記録層１３０の粒径を配向しおよび／または制御する役割を果たすからである。たとえば、１つ以上の中間層１２０は、磁性層のエピタキシャル成長（たとえばＦｅＰｔ Ｌ１０（００１）エピタキシャル成長）の配向を促進し、磁気記録層１３０の粒状２相成長を支援し、特定量の熱伝導度を提供し、および／または磁気記録層１３０と、中間層１２０の反対側にある磁気スタック１００のその他の層との間の相互拡散を阻止するという役割を、果たし得る。

中間層１２０の上には１つ以上の磁気記録層１３０が配置されている。磁気記録層１３０は、粒状２相層である。磁気記録層１３０の第１相は磁性粒状体を含み、第２相は磁性粒状体の粒界間に配置された非磁性分離体を含む。非磁性分離体は、結晶化されたＺｒＯ_２、および、Ｃ、ＳｉＯ_２、Ａｌ_２Ｏ_３、Ｓｉ_３Ｎ_４、ＴｉＯ_２、ＷＯ_３、Ｔａ_２Ｏ_５、ＢＮ、または別のこれに代わる酸化物、窒化物、ホウ化物、もしくは炭化物材料のような非晶質分離体のうちの、１つ以上を含み得る。磁性粒状体として適切な材料は、たとえば、ＦｅＰｔ、ＦｅＸＰｔ合金、ＦｅＸＰｄ合金、およびＣｏ_３Ｐｔを含む。磁性層１３０にはこれら材料のうちのいずれかを多様な組合せで使用し得るが、本明細書で提供する例は、磁気記録層の磁性粒状体材料としてＦｅＰｔに注目する。磁気記録層１３０の厚さは、約５ナノメートルから約３０ナノメートルの範囲であればよい。磁気記録層１３０の微細構造の例は、図１Ｃ〜図１Ｄにおいてさらに示されている。

図１Ｂは、図１Ａの層に加えて任意の層を含む磁気スタック１００を示す。たとえば、中間層１２０と基板１１０の間において、この磁気スタックはヒートシンク層１１６を含み得る。ヒートシンク層１１６は、多様な材料、たとえばＡｇ、Ｃｕ、Ａｕ、Ａｌ、Ｃｒ、Ｍｏ、Ｗ等のうちの１つ以上を含み得る。磁気スタック１００はまた、中間層１２０と基板１１０の間において、１つ以上の下地層１１４を含み得る。１つ以上の下地層１１４は、多様な材料、たとえばＣｒＲｕおよびＭｇＯのうちの１つ以上を含み得るものであり、軟質下地層および／またはシード層として機能し得る。接着層１１２を基板１１０の上に配置してもよく、保護オーバーコート層または潤滑層１４０を磁気記録層１３０の上に配置してもよい。磁気記録層１３０の微細構造については以下でさらに説明する。

図１Ｃは、本明細書でさらに説明する実施の形態に従う磁気記録層１３０を示す。磁気記録層１３０は、非磁性分離体材料１６０によって分離された磁性粒状体１５０を含む。磁性粒状体１５０は、非晶質の形態ではなく結晶化された形態の非磁性分離体材料１６０の影響を受ける柱状構造を有する。さまざまな実施の形態において、結晶性分離体は、５０％以上の、ドーピング材料からなる結晶構造を含む。ある実施の形態において、磁性粒状体１５０はＦｅＰｔであり分離体材料１６０はＺｒＯ_２である。磁気記録層の組成は、ある範囲の分離体濃度、たとえば５体積％〜約５０体積％を有し得る。分離体材料１６０は、磁性粒状体１５０と同様に中間層１２０の上にエピタキシャル成長されたものであり、結晶性分離体材料１６０はＦｅＰｔ粒状体１５０を分離する。温度を高くすると、これら結晶性分離体材料の拡散速度は（非晶質材料の拡散速度と比較して）遅くなるので、成膜中、分離体材料１６０は、磁気記録層１３０の表面に拡散しない。このため、結晶性分離体材料１６０がＦｅＰｔ粒状体の第２の核生成を生じさせることはない。よって、柱状ＦｅＰｔ粒状体微細構造を得ることができる。

ある実施の形態において、ＺｒＯ_２でドープされたＦｅＰｔ膜を、ＴｉＯＮ（００２）層の上に成長させる。ＦｅＰｔ−ＺｒＯ_２膜は、ＴｉＯＮ層上に、ＦｅＰｔターゲットおよびＺｒＯ_２ターゲットを同時にスパッタリングすることにより、または、高められた基板温度（たとえば４００℃以上）でマグネトロンスパッタリングを用いて複合ＦｅＰｔ−ＺｒＯ_２ターゲットをスパッタリングすることにより、作製することができる。結晶化されたＦｅＰｔおよびＺｒＯ_２は、相互に分離可能であり、よって、結晶化されたＺｒＯ_２によってＦｅＰｔ粒界で分離された（００１）テクスチャを有する柱状構造のＦｅＰｔ膜が得られる。

図１Ｃに示される第１の媒体構造において、ＦｅＰｔ粒状体１５０は、ＺｒＯ_２の結晶化された分離体１６０によって分離されている。ＦｅＰｔ−ＺｒＯ_２ベースの磁気記録層１３０は、厚さおよそ１５ｎｍであり、（００１）配向ｆｃｃのＴｉＮ−Ｘ層１２０の上に成長させる。磁気記録層１３０は、エピタキシャル成長により垂直異方性を有する。ＴｉＮ−Ｘ中間層１２０は、ＣｒＲｕまたはＭｇＯベースの下地層１１４の上に形成される。ＴｉＮ−Ｘ中間層１２０の役割は、下地層１１４とＦｅＰｔ磁気記録層１３０の間の相互拡散を阻止すること、および、さらにＦｅＰｔ磁気記録層１３０の微細構造を終端することである。

図１Ｄは、本明細書でさらに説明する他の実施の形態に従う磁気記録層１３０を示す。磁気記録層１３０は、非磁性分離体材料１６０によって分離された磁性粒状体１５０を含む。磁性粒状体１５０は、非晶質の形態ではなく結晶化された形態の非磁性分離体材料１６０の影響を受ける柱状構造を有する。ある実施の形態において、磁性粒状体１５０はＦｅＰｔであり分離体材料１６０はＺｒＯ_２である。分離体材料１６０は磁性粒状体１５０と同様に中間層１２０の上にエピタキシャル成長されたものであり、結晶性分離体材料１６０はＦｅＰｔ粒状体１５０を分離する。磁気記録層の組成は、ある範囲の分離体濃度、たとえば５体積％〜約５０体積％を有し得る。磁気記録層１３０の垂直異方性を高めるとともにＦｅＰｔ−ＺｒＯ_２膜の分離を促進するために、ＺｒＯ_２と一緒に、Ｃ、ＳｉＯ_２、ＢＮ、Ａｇ等の追加の分離体材料１７０がドープされてもよい。追加の分離体１７０は、結晶性分離体材料１６０と磁性粒状体１５０の間に柱状構造を形成することにより、材料１６０と粒状体１５０を互いに分離する。この第３の材料は、結晶性分離体材料１６０からのずれを緩和することによって磁気記録層１３０内の磁性粒状体１５０をさらに安定化させる非晶質材料である。また、磁気記録層の組成は、ある範囲の非晶質分離体濃度、たとえば５体積％〜約５０体積％を有し得る。たとえば、実施の形態は、約２０〜４５体積％のＺｒＯ_２と、約５〜２０体積％のＣとを含み得る。第３の非晶質材料で追加のドーピングを行うことを除いて、磁気記録層１３０たとえばＦｅＰｔ−ＺｒＯ_２−Ｃは、ＦｅＰｔ−ＺｒＯ_２磁気記録層１３０について先に述べたのと同じ材料で作製することができる。

図１Ｃおよび図１Ｄ双方における上記柱状構造を有する磁気記録層について以下でさらに説明する。

最初に、図１Ｃに示されるものに従った微細構造を有する磁気記録層の膜に関する実施の形態について説明する。たとえば、各ＴｉＮ−４０体積％ＴｉＯ_２層上に成長させる厚さ１０ナノメートルのＦｅＰｔ−３５体積％ＺｒＯ_２膜は、ＣｒＲｕを含む厚さ３０ナノメートルの各下地層および各ガラス基板上に、ベース圧力を３×１０^−９Ｔｏｒｒとし、ＦｅＰｔターゲットおよびＺｒＯ_２ターゲットをそれぞれ同時にスパッタリングすることにより、成膜された。ＴｉＯＮ（ＴｉＯ_２でドープされたＴｉＮ）層は、Ａｒ圧力を１０ｍＴｏｒｒとし、超高真空チャンバ内において無酸素環境でＴｉＮターゲットおよびＴｉＯ_２ターゲットを同時にスパッタリングすることにより、作製した。スパッタリング中はその場での（in-situ）基板加熱を用いた。ＣｒＲｕ下地層およびＴｉＯＮ層についての基板温度はそれぞれ２８０℃および４００℃であった。しかしながら、ＦｅＰｔ−ＺｒＯ_２層については基板温度として４００℃および５００℃を選択した。

膜の組成分析は、エネルギー分散型Ｘ線（ＥＤＸ）によって判断した。本明細書において述べる膜の結晶学的構造および微細構造は、Ｘ線回折（ＸＲＤ）、走査型電子顕微鏡法（ＳＥＭ）、および透過型電子顕微鏡法（ＴＥＭ）によって測定した。最大印加磁場６テスラの超伝導量子干渉計（ＳＱＵＩＤ）により、磁気特性が室温で明らかにされた。

図２は、異なるスパッタリング温度でＴｉＯＮ層上に作製された２つのＦｅＰｔ−ＺｒＯ_２膜に関するＸＲＤスペクトル結果を示す。２１０で示されるデータは温度４００℃でスパッタされた膜を表わし、２２０で示されるデータは温度５００℃でスパッタされた膜を表わす。ＦｅＰｔ（１０ｎｍ）−３５体積％ＺｒＯ_２膜２１０、２２０の両者はいずれも良好なＬ１０（００１）テクスチャを示したことがわかる。加えて、３４．７°の位置にＺｒＯ_２（００２）のピークが現われており、このことは、これらの高いスパッタリング温度いずれにおいてもＺｒＯ_２が結晶化されたことを示唆している。しかしながら、スパッタリング温度を高くすると、非常に明確なＦｅＰｔ（２００）ピークが２２０に現われており、２２０では、ＦｅＰｔ（００１）ピークが、より大きい角度の方向にわずかにシフトしている。このことは、５００℃でスパッタされると、格子定数が小さくなりしたがってＴｉＮ−Ｘ／ＦｅＰｔ（００１）の格子不整合が小さくなることを示している。

上記のようにＴｉＯＮ層の上に異なるスパッタリング温度で作製されたそれぞれのＦｅＰｔ−ＺｒＯ_２膜の粒状微細構造が、図３Ａ〜図３Ｂおよび図４Ａ〜図４Ｃに示される。これら微細構造は、結晶化された分離体材料を用いてスパッタされたＦｅＰｔ−ＺｒＯ_２系において観察される微細構造の典型である。図３Ａは、４００℃でＴｉＯＮ層上に成長されたＦｅＰｔ１０ｎｍ−ＺｒＯ_２３５％膜の微細構造の平面図を示し、図３Ｂは、５００℃でスパッタされたＦｅＰｔ−ＺｒＯ_２微細構造の平面図を示す。図３Ａおよび図３Ｂいずれにおいても、ＦｅＰｔ粒状体は平面方向において何らかの相互接続を示している。図４Ａ〜図４Ｂはこれら膜の断面図を示しており、図４Ａは４００℃でスパッタされた膜のＴＥＭ断面図であり、図４Ｂは５００℃でスパッタされた膜のＴＥＭ断面図である。図４Ｃは、図４Ｂに示す断面部分を拡大したものを提供している。図４Ａおよび図４Ｂはいずれも、滑らかな表面を有する均一な柱状構造を示しているが、これらの特性は、スパッタリング温度が５００℃のＦｅＰｔ膜（図４Ｂ）でより顕著である。

図５は、ＴｉＯＮ層およびＣｒＲｕ下地層の上に成長されたＦｅＰｔ膜の中のＣｒ、Ｔｉ、Ｆｅ、Ｚｒ、およびＰｔ原子をＥＤＸマッピング解析したものを示す。示されているように、Ｃｒ原子はＴｉＮ層によって効果的に遮断され、Ｔｉ原子はＦｅＰｔ−ＺｒＯ_２磁気記録層の中に拡散していない。さらに、Ｚｒ原子は柱状構造のＦｅＰｔ粒状体の粒界で概ね分散している。

温度５００℃でＴｉＯＮ層上に成長された柱状ＦｅＰｔ粒状体の配向および寸法のさらなる詳細が、図６の高解像度ＴＥＭ画像に示される。（００１）配向の柱状ＦｅＰｔ粒状体は、アスペクト比（高さ／直径）およそ２．６で（２００）テクスチャのＴｉＯＮ層の上にエピタキシャル成長されたものである。楕円の輪郭で示される領域は、ＦｅＰｔ粒状体の柱状の粒界に位置する結晶化されたＺｒＯ_２を示す。よって、正方格子の（００２）テクスチャのＺｒＯ_２は、（２００）テクスチャのＴｉＯＮ層の上に形成され、ＦｅＰｔ粒状体の粒界に分布していた。示されているように、ＦｅＰｔ柱状粒状体は、高さ６〜２０ｎｍおよび幅４〜１２ｎｍで形成された。

エピタキシャル成長されたＦｅＰｔ柱状粒状体および結晶化されたＺｒＯ_２分離体の配向をさらに示すために、図６は２つの挿入図を含む。左側の挿入図はＴｉＯＮ上のＦｅＰｔの単位セルを示し、右側の挿入図はＴｉＯＮ上のＺｒＯ_２の単位セルを示す。左側の挿入図は、ＴｉＯＮ（００２）上に、立方体の上に立方体が載るように配置されたＦｅＰｔ（００１）面を示し、ＦｅＰｔ（００１）＜１００＞／／ＴｉＯＮ（００１）＜１００＞である。右側の挿入図は、［００１］軸を中心として約４５°回転されたＺｒＯ_２単位セルを示し、ＺｒＯ_２（００１）面は、ＴｉＯＮ（００２）上に、立方体の上に立方体が載るように配置されており、ＺｒＯ_２（００１）＜１００＞／／ＴｉＯＮ（００１）＜１１０＞である。この結晶配向は、ＦｅＰｔ粒状体の柱状成長をもたらす。これら結晶配向／関係を満たす材料によって、より高い柱状の粒状体を良好に成長させることが可能になる。

図６に示されるように、中間層は、ＣｒＲｕ下地層上に配置されたＴｉＮ層上に配置されたＴｉＯＮ層を含む。ある実施の形態において、磁気スタックは、ドープされたＴｉＮ−Ｘ層（たとえばＴｉＯＮ）およびドープされていないＴｉＮ層を含み得る。ドープされていないＴｉＮ層は、下地層とＴｉＮ−Ｘ層との間に配置される。ＴｉＮ層およびＴｉＮ−Ｘ層を用いるいくつかの構成において、ＴｉＮ層の厚さは約２ｎｍであってもよくＴｉＮ−Ｘ層の厚さは約３ｎｍであってもよい。ＴｉＮ−Ｘ層は、ＴｉＮ−Ｘ粒状体および／またはＴｉＮ粒状体を有する２相粒状層を含み得るものであり、Ｘ材料のうちの少なくとも一部がＴｉＮ−Ｘ粒状体および／またはＴｉＮ粒状体の粒界に配置されている。

図７Ａ〜図７Ｂは、ＦｅＰｔ−ＺｒＯ_２磁気記録層およびその下にある中間層の制限視野電子回折（ＳＡＥＤ）パターンである。図７Ａに示されるＦｅＰｔ−ＺｒＯ_２のＳＡＥＤパターンは、二組のスポットからなる。一方の組は、（００２）と（１１１）のようにＦｅＰｔに属する。他方の組は、（００２）と（１０１）のようにＺｒＯ_２に属する。二組のスポットの外観は、ＦｅＰｔとＺｒＯ_２の間の、相分離と、格子定数の相違との結果である。図７Ｂにおいて、ＴｉＯＮはｆｃｃ（００２）および（１１１）スポットを示す。Ｌ１０ＦｅＰｔの（００２）軸とＺｒＯ_２の（００２）軸がＴｉＮ（００２）軸に沿って非常に良く整列しており、Ｌ１０ＦｅＰｔの（１１１）軸とＺｒＯ_２の（１０１）軸がＴｉＮ（１１１）軸に沿って整列しており、このため、ＦｅＰｔ（００１）＜１００＞／／ＴｉＮ（００１）＜２００＞およびＺｒＯ_２（００１）＜１００＞／／ＴｉＮ（００１）＜１１０＞というエピタキシャル関係が確立されることがわかる。したがって、ＴｉＯＮ層上のＦｅＰｔ単位セルおよびＺｒＯ_２単位セルは、図６の左側の挿入図と右側の挿入図に示される、異なる配置を有する。

図８Ａ〜図８Ｂは、異なるスパッタリング温度でＴｉＯＮ層上に成長された１０ｎｍのＦｅＰｔ−ＺｒＯ_２３５％膜の面内および面外のＭ−Ｈループを示す。図８Ａは４００℃で成膜された膜に関するＭ−Ｈループを示し、図８Ｂは５００℃で成膜された膜に関するＭ−Ｈループを示す。いずれの図面でもループは垂直異方性を示しているが、面内ループは非常に大きく開いた部分を示しており、その原因は、いくつかのＦｅＰｔ（２００）相の存在にある。これらの結果は図２のＸＲＤ結果と一致する。スパッタリング温度が４００℃および５００℃であるＦｅＰｔ−ＺｒＯ_２に関する面外保磁力および面内保磁力は、それぞれ、１３．５ｋＯｅおよび５．４ｋＯｅと、１４．２ｋＯｅおよび８．１ｋＯｅであった。一般的に、結晶化された分離体とともに成膜された膜の保磁力は１２ｋＯｅの範囲にある。

次に、図１Ｄに示されるものに従った微細構造を有する磁気記録層に関する実施の形態について説明する。たとえば、Ｃドーピング濃度が異なる（０、５、１０、および１５体積％）厚さ８ｎｍのＦｅＰｔ−３５体積％ＺｒＯ_２−Ｃ膜が、厚さ３０ｎｍのＣｒＲｕ下地層／ガラス基板上に成膜されたＴｉＮ−４０体積％ＴｉＯ_２層上に、成長された。ＦｅＰｔ−ＺｒＯ_２−Ｃ膜は、ベース圧力を３×１０^−９Ｔｏｒｒとし、ＦｅＰｔターゲット、ＺｒＯ_２ターゲット、およびＣターゲットを同時にスパッタリングすることにより、成膜された。ＴｉＯＮ（ＴｉＯ_２でドープされたＴｉＮ）中間層は、Ａｒ圧力を１０ｍＴｏｒｒとし、超高真空チャンバ内において無酸素環境でＴｉＮターゲットおよびＴｉＯ_２ターゲットを同時にスパッタリングすることにより、作製された。スパッタリング中はその場での（in-situ）基板加熱を用いた。ＣｒＲｕ、ＴｉＯＮ，およびＦｅＰｔ−ＺｒＯ_２−Ｃについての基板温度はそれぞれ２８０℃、４００℃、および５００℃であった、したがって、ＦｅＰｔ−ＺｒＯ_２−Ｃ膜の微細構造および磁気特性は、５００℃で成膜されたＦｅＰｔ−ＺｒＯ_２膜に関して先に述べたものに匹敵する。

図９は、ＴｉＯＮ層上に異なるＣ分離体濃度で作製された各ＦｅＰｔ−ＺｒＯ_２−Ｃ膜のＸＲＤスペクトル結果を示す。９１０で示されるデータはＣ濃度０体積％の膜を表わし、９２０で示されるデータはＣ濃度５体積％の膜を表わし、９３０で示されるデータはＣ濃度１０体積％の膜を表わし、９４０で示されるデータはＣ濃度１５体積％の膜を表わす。磁気膜内にＣ分離体がない場合（データ９１０）、非常に明確なＦｅＰｔ（２００）ピークが示される。しかしながら、ＦｅＰｔ−ＺｒＯ_２膜に５体積％および１０体積％のＣをドーピングすると（それぞれデータ９２０および９３０）、ＦｅＰｔ（２００）ピークは消失し、このことは、ＦｅＰｔ（００１）テクスチャの質が高まることを示している。加えて、Ｃ分離体濃度の増加に伴い、ＦｅＰｔ（００１）ピークの位置は、より小さい角度の方向にシフトしている。このことは、Ｃ濃度が増すと格子定数が大きくなることを示している。この位置のシフトに伴ってＦｅＰｔ（００１）および（００２）ピークの強度が高くなり、ＺｒＯ_２（００２）ピークは依然として存在していた（たとえば９２０、９３０参照）。Ｃ濃度をさらに増して１５体積％にすると、ＦｅＰｔ（００１）および（００２）ピークの強度が低下するとともにこれらピークが広くなる。

上記のようにＴｉＯＮ層上にＣ濃度を変えて作製された各ＦｅＰｔ−ＺｒＯ_２−Ｃ膜の粒状微細構造が、図１０Ａ〜図１０Ｄおよび図１１Ａ〜図１１Ｄに示される。図１０Ａ〜図１０Ｄは、Ｃ分離体の濃度を変えてＴｉＯＮ層上に成長された８ｎｍのＦｅＰｔ−ＺｒＯ_２３５％−Ｃ膜のＴＥＭ平面画像である。図１０Ａの膜のＣは０体積％であり、図１０Ｂの膜のＣは５体積％であり、図１０Ｃの膜のＣは１０体積％であり、図１０Ｄの膜のＣは１５体積％である。図１０Ａ〜図１０Ｄは各々、２０ｎｍの目盛りを含む。同様に、図１１Ａ〜図１１Ｄはそれぞれ図１０Ａ〜図１０Ｄの膜のＴＥＭ断面画像である。したがって、図１１Ａの膜のＣは０体積％であり、図１１Ｂの膜のＣは５体積％であり、図１１Ｃの膜のＣは１０体積％であり、図１１Ｄの膜のＣは１５体積％である。図１１Ａ〜図１１Ｄは各々２０ｎｍの目盛りを含む。図１０Ａ〜図１０Ｄおよび図１１Ａ〜図１１Ｄの画像は各々、ＦｅＰｔ−ＺｒＯ_２−Ｃ膜が、ＴｉＯＮ層上に成長された柱状構造のＦｅＰｔ粒状体を示すことを示している。しかしながら、図１０Ａ〜図１０Ｄでは、ＦｅＰｔ粒状体が平面方向に相互接続されている。Ｃでドーピングすると、ＦｅＰｔの柱状構造の質が高まる。図１０Ｂおよび図１１Ｂは特に、５体積％のＣでドープされたＦｅＰｔ−ＺｒＯ_２−Ｃ膜の場合、非常に良好な柱状構造が得られることを示している。成長されたＦｅＰｔ粒状体の柱状アスペクト比ｈ／Ｄ（高さ／直径）は、１〜２．６の範囲にあり、一般的にはおよそ２である。

図１２Ａ〜図１２Ｂは、異なるＣ濃度でＴｉＯＮ層上に成長された８ｎｍのＦｅＰｔ−ＺｒＯ_２３５％−Ｃ膜の面内および面外のＭ−Ｈループを示す。図１２ＡはＣが５体積％の膜に関するＭ−Ｈループを示し、図１２ＢはＣが１０体積％で成膜された膜に関するＭ−Ｈループを示す。ＦｅＰｔ−ＺｒＯ_２膜にＣドーピングが追加されると、図１２Ａおよび図１２Ｂ双方のＦｅＰｔ−ＺｒＯ_２−Ｃ膜は、非常に良好な垂直異方性を示す。Ｃ分離体を追加しない場合、ＦｅＰｔ−ＺｒＯ_２膜の垂直異方性は劣っていた（たとえば図８Ａ〜図８Ｂに示される）。５体積％のＣをドーピングすると、垂直異方性が向上し、それとともに、面外保磁力が２３．２ｋＯｅに増加し、面内保磁力が４．３ｋＯｅに低下する。Ｃ濃度をさらに高めて１０体積％にすると、面外保磁力が（１４．９ｋＯｅに）低下し、面内保磁力も（２．９ｋＯｅに）低下する。一般的に、結晶化された分離体とそれに加えて非晶質のＣ分離体を用いて成膜された膜の保磁力は、１５ｋＯｅの範囲にある。

さまざまな実施の形態に従い、この結晶化されたＺｒＯ_２のドーピングによって誘起された柱状構造のＦｅＰｔに基づく材料を、非常に良好な柱状構造を有し垂直異方性が増したＦｅＰｔ Ｌ１_０（００１）テクスチャの膜を有する磁気記録媒体として、使用することができる。たとえば、追加された５体積％のＣ分離体を含むＦｅＰｔ−ＺｒＯ_２膜の場合、面外保磁力は約２３．２ｋＯｅに達し得るのに対し、面内保磁力は小さく約４．２ｋＯｅである。このようなＦｅＰｔ粒状体の柱状アスペクト比Ｄ／ｈはおよそ２である。加えて、ＨＡＭＲ媒体の熱処理は、たとえば、結晶化されたドープされたＦｅＰｔ−ＺｒＯ_２膜に関連するＴｉＮ−Ｘ下地層／中間層の熱伝導度の恩恵を受ける。

上記結晶化されたドープされたＦｅＰｔ−ＺｒＯ_２膜に対して、さまざまな中間層組成物を使用してもよいが、ＴｉＮ−Ｘ下地層／中間層の上に成長されたＦｅＰｔ−ＺｒＯ_２を含む実施の形態には、柱状構造のＭｇＯ下地層／中間層の上に成長されたＦｅＰｔ−Ｘ（Ｘ＝ＳｉＯ_２またはＴｉＯ_２）よりも、優れた利点がある。このような利点は、より大きな垂直異方性、良好な柱状構造、質が高められた粒状微細構造、および伝導度を含む。たとえば、濡れ性がないＭｇＯと比較すると、ＴｉＮはＦｅＰｔに対して濡れ性を有することから、ＴｉＮ−Ｘ層は、ＦｅＰｔのエピタキシャル成長および配向制御を向上させる。また、結晶化されたＦｅＰｔおよびＺｒＯ_２は、相互に完全に分離可能であり、ＦｅＰｔとＺｒＯ_２の間の駆動力によって明確な相分離が生じる。したがって、結晶化されたＺｒＯ_２によってＦｅＰｔ粒界で分離された（００１）テクスチャを有する柱状構造のＦｅＰｔ膜が得られる。加えて、結晶化プロセスは、ＺｒＯ_２原子を集めＺｒＯ_２原子がＦｅＰｔの表面に拡散することを阻止することによって、非晶質材料でドーピングした場合と比較して、二重層構造が形成される可能性を下げる。さらに、ＴｉＮ−Ｘは、絶縁性ＭｇＯのＲＦスパッタリングよりも成膜速度（スループット率）が高くチャンバ汚染が少ないＤＣスパッタリングを用いて作製することができる。

上記実施の形態で説明した少なくとも中間層と磁気記録層とを含む磁気スタックは、図１３のフローチャートに開示されているように製造される。中間層を形成する前に、基板を処理し、接着層、下地層、および／または１つ以上のヒートシンク層等の任意の下地層が施される。これらは、当該技術では周知の標準的な技術を用いて作製されるものであり、これ以上詳細には説明しない。次に基板上に中間層を形成する１３１０。中間層は、ＭｇＯ−ＹおよびＴｉＮ−Ｘ等の多様な材料を含み得る。ＸおよびＹはドーパント材料である。

さまざまな実施の形態において、ＴｉＮ−Ｘ層は、複合ターゲットのＤＣスパッタリングによって、または、高められた基板温度（４００℃以上）で、マグネトロンスパッタリングを用いて、ＴｉＮと、ＭｇＯ、ＴｉＯ、ＴｉＯ_２、ＺｒＮ、ＺｒＯ、ＺｒＯ_２、ＨｆＮ、ＨｆＯ、ＨｆＯ_２、ＡｌＮ、およびＡｌ_２Ｏ_３から選択された少なくとも１つのドーピング材料とを同時に成膜することによって、作製され得る。ドーピング濃度は、０〜４０体積％まで変化させることができる。４０体積％を超えるドーパントを加えた場合、層配向の悪化が生じやすい。３つのＩＶ族元素Ｔｉ、Ｚｒ、およびＨｆの窒化物、炭化物、および一酸化物は、化学的および物理的性質が類似し相互に完全に溶解可能な異種同形体であるので、最終的なＴｉＮ−Ｘは、ＴｉＮと、ＭｇＯ、ＴｉＯ、ＺｒＮ、ＺｒＯ、ＨｆＮ、ＨｆＯ、ＡｌＮ、およびＡｌ_２Ｏ_３のうちの少なくとも１つとの固溶体である。ＴｉＮ−Ｘの（００１）配向ｆｃｃ構造が維持されることによって、磁気記録層におけるＦｅＰｔ（００１）のエピタキシャル成長が可能になる。ドーピングによって変化されたＴｉＮ−Ｘの表面特性は、ＦｅＰｔ粒状成長にとってより好ましく、したがって、粒径の減少を促進する。ドーピングに酸素が含まれる場合、ＴｉＯ_２、ＺｒＯ_２、Ａｌ_２Ｏ_３、および／またはＨｆＯ_２等の少量の酸化物が、柱状ＴｉＮ−Ｘ層の粒界で形成されて、粒状体の分離を促進し、したがって、ＦｅＰｔ粒状体の交換減結合を促進する。

ＦｅＰｔ薄膜の微細構造制御について、磁気記録媒体で使用される結晶磁気異方性が高いＦｅＰｔ合金との関連で、検討する。熱力学的観点から、磁気記録層の下にある層の本質的特性、すなわち表面特性および格子構造は、たとえば非磁性材料による磁性材料のドーピングおよび／または成膜パラメータの調整といった非本質的な方法と組合わせたときのエピタキシャル成長により作製されたＦｅＰｔ薄膜の、粒径、テクスチャ、および表面形態等の微細構造特性を求めるにあたり、重要な役割を果たす。しかしながら、下にある層に使用される材料によっては、粒状ＦｅＰｔ薄膜の成長の微細構造条件間の最適なバランス、すなわち、エピタキシャル成長（大きな表面エネルギーと小さな不整合）と島状成長（小さな表面エネルギーと大きな不整合）とのバランスが得られない場合がある。したがって、下にある層の特性を本質的に修正できるのであればそれは有用となり得る。たとえば、ＴｉＮ−Ｘ層の本質的特性の修正は、ＴｉＮ−Ｘ層内のドーパントＸを変えることによって可能である。たとえば、ＸをＴｉＯ_２またはＺｒＯ_２にすれば、Ｘを変えることによって、それぞれ、ＴｉＯ_ｘＮ_ｙまたはＺｒＴｉＯ_ｘＮ_ｙを含むＴｉＮ−Ｘが得られることになる。なお、ｘおよびｙはＴｉＮ−Ｘ層全体において一定でもよく、または、ＴｉＮ−Ｘ層の少なくとも一部において距離とともに変化してもよい。

次に、結晶性分離体によって分離された柱状磁性粒状体が形成されるように、中間層の上に磁性材料と分離体材料をスパッタリングすることにより、磁性層を成膜する１３２０。さまざまな実施の形態において、磁性粒状体はＦｅＰｔを含み、結晶性分離体材料はＺｒＯ_２を含む。磁性層は、複合ターゲット（たとえばＦｅＰｔ−ＺｒＯ_２）のＤＣもしくはＲＦスパッタリングによって、または、高められた基板温度（４００℃以上）で、マグネトロンスパッタリングを用いて、ＦｅＰｔと、ＺｒＯ_２、ＴｉＯ_２、ＴｉＣ、およびＭｇＯから選択された少なくとも１つの結晶性ドーピング材料とを同時に堆積させることによって、作製され得る。さまざまなスパッタリング技術を使用することもできるが、ＤＣスパッタリングは、たとえばＲＦスパッタリングと比較して、達成できる成膜速度（スループット率）がより高いので、好ましい。また、ＤＣスパッタリングの場合はチャンバ汚染が少ない。開示されている実施の形態の場合、ＲＦスパッタリングは不要である。複合ターゲットの中の結晶性分離体の量は、媒体の設計および目標とする粒径に応じて変更して決定すればよい。たとえば、複合ターゲットは、５０体積％以下のＺｒＯ_２を含む。スパッタリングは、Ａｒ環境においてベース圧力を３×１０^−９Ｔｏｒｒとして行う。さまざまな実施の形態において、磁性層の成膜はさらに、その他非晶質分離体を堆積させることを含む。その他の分離体は、Ｃ、ＳｉＯ_２、ＴｉＯ_２、ＷＯ_３、Ｔａ_２Ｏ_５、ＢＮ、Ａｇ等のうちの１つ以上を含み得る。

これまでの説明ではさまざまな実施の形態の数多くの特徴をさまざまな実施の形態の構造および機能の詳細とともに述べてきたが、この詳細な説明は例示のためのものにすぎないのであって、以下の請求項を表現する用語の広い一般的な意味によって示されるさまざまな実施の形態によって十分に例示されている要素の詳細について、特にその構造および配置について、変更がなされ得ることが、理解されるはずである。

Claims (25)

1. 基板と、
   結晶性分離体によって分離された磁性粒状体を含む柱状構造を有する磁気記録層と、
   前記基板と前記磁気記録層の間に配置された中間層とを備える、スタック。
2. 前記磁性粒状体はＦｅＰｔを含む、請求項１に記載のスタック。
3. 前記結晶性分離体は、ＭｇＯ、ＴｉＯ_２、ＺｒＯ_２、およびＴｉＣのうちの少なくとも１つである、請求項１に記載のスタック。
4. 前記結晶性分離体はＺｒＯ_２である、請求項１に記載のスタック。
5. 前記磁気記録層は、約５体積％と約５０体積％の間の量のＺｒＯ_２を含む、請求項４に記載のスタック。
6. 前記結晶性分離体は５０％以上の結晶構造を含む、請求項１に記載のスタック。
7. 前記磁気記録層は、前記磁性粒状体と前記結晶性分離体の間に配置された非晶質分離体をさらに含む、請求項１に記載のスタック。
8. 前記非晶質分離体は、酸化物および窒化物のうちの少なくとも１つである、請求項７に記載のスタック。
9. 前記非晶質分離体は、Ｃ、ＳｉＯ_２、ＴｉＯ_２、ＷＯ_３、Ｔａ_２Ｏ_５、およびＢＮのうちの少なくとも１つである、請求項７に記載のスタック。
10. 前記中間層はＴｉＮ−Ｘ層であり、Ｘは、ＭｇＯ、ＴｉＣ、ＴｉＯ、ＴｉＯ_２、ＺｒＮ、ＺｒＣ、ＺｒＯ、ＺｒＯ_２、ＨｆＮ、ＨｆＣ、ＨｆＯ、およびＨｆＯ_２のうちの少なくとも１つを含むドーパントである、請求項１に記載のスタック。
11. 前記中間層はＭｇＯ−Ｙ層であり、Ｙは、Ｎｉ、Ｔｉ、およびＺｒのうちの少なくとも１つを含むドーパントである、請求項１に記載のスタック。
12. 前記磁気記録層の厚さは、約５ｎｍと約３０ｎｍの間である、請求項１に記載のスタック。
13. 前記ＦｅＰｔの粒状体は、約１以上の高さ／直径のアスペクト比を有する、請求項２に記載のスタック。
14. Ａｇ、Ａｕ、Ｃｕ、Ａｌ、Ｃｒ、Ｍｏ、およびＷのうちの少なくとも１つを含む合金を含むヒートシンク層をさらに備え、前記ヒートシンク層は前記中間層と前記基板の間に配置される、請求項１に記載のスタック。
15. ＣｒＲｕおよびＭｇＯのうちの１つ以上を含む下地層をさらに備え、前記下地層は前記中間層と前記基板の間に配置される、請求項１に記載のスタック。
16. 基板と、
    結晶性分離体と非晶質分離体によって互いに分離された磁性粒状体を含む柱状構造を有する磁気記録層と、
    前記基板と前記磁気記録層の間に配置された中間層とを備える、スタック。
17. 前記磁性粒状体はＦｅＰｔを含み、前記結晶性分離体はＺｒＯ_２を含み、前記非晶質分離体はＣを含む、請求項１６に記載のスタック。
18. 前記磁性層は、約５体積％と約５０体積％の間の量のＺｒＯ_２と、約５〜５０体積％の量のＣとを含む、請求項１６に記載のスタック。
19. 前記結晶性分離体はＺｒＯ_２を含み、前記非晶質分離体はＣを含み、前記磁性層は、約２０体積％と約４５体積％の間の量のＺｒＯ_２と、約５〜２０体積％の量のＣとを含む、請求項１６に記載のスタック。
20. 前記磁性粒状体は、高さ／直径のアスペクト比が１以上のＦｅＰｔを含む、請求項１６に記載のスタック。
21. 基板の上に中間層を形成することと、
    前記中間層の上に磁性材料と分離体材料をスパッタリングすることによって磁性層を成膜することとを含み、前記スパッタリングにより、結晶性分離体によって分離された柱状の磁性粒状体を形成する、方法。
22. 前記スパッタリングは、ＦｅＰｔターゲットとＺｒＯ_２ターゲットを同時にスパッタリングすることを含む、請求項２１に記載の方法。
23. 前記スパッタリングは、ＦｅＰｔ−ＺｒＯ_２複合体ターゲットをスパッタリングすることを含む、請求項２１に記載の方法。
24. 前記磁性層を成膜することは、非晶質材料をスパッタリングすることをさらに含む、請求項２１に記載の方法。
25. 前記磁性層を成膜することは、前記基板を４００℃以上の温度に加熱することを含む、請求項２１に記載の方法。