KR100754393B1 - 연자성 하지층의 댐핑 특성이 조절된 수직 자기 기록 매체 - Google Patents

연자성 하지층의 댐핑 특성이 조절된 수직 자기 기록 매체 Download PDF

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Abstract

본 발명은 연자성 하지층의 댐핑 특성이 조절된 수직 자기 기록 매체에 관한 것이다. 연자성 하지층 및 상기 연자성 하지층 상에 형성된 기록층을 포함하는 수직 자기 기록 매체에 있어서, 상기 연자성 하지층의 일면에 Os, Nb, Ru, Rh, Ta, Pt, Tb 또는 Zr이 1 내지 10 at%의 조성으로 형성된 댐핑 제어층;을 포함하는 연자성 하지층의 댐핑 특성이 조절된 수직 자기 기록 매체를 제공한다. 따라서, 수직 자기 기록 장치의 기록 필드 값을 최적화 할 수 있으며, 기록 헤드의 폭을 감소시킨 경우, 기록 필드의 값이 크게 감소하는 단점을 보완할 수 있다.

Description

연자성 하지층의 댐핑 특성이 조절된 수직 자기 기록 매체{Perpendicular magnetic recording media with controlled damping property of soft magnetic underlayer}
도 1a는 종래 기술에 의한 수직 자기 기록 매체를 개략적으로 나타낸 도면이다.
도 1b는 연자성 하지층의 댐핑 상수가 다를 경우 시간에 따른 기록 필드의 변화 양상 비교한 그래프이다.
도 2a는 본 발명의 제 1실시예에 의한 연자성 하지층의 댐핑 특성이 조절된 수직 자기 기록 매체 구조를 나타낸 도면이다.
도 2b는 본 발명의 제 2실시예에 의한 연자성 하지층의 댐핑 특성이 조절된 수직 자기 기록 매체 구조를 나타낸 도면이다.
도 2c는 도 2b에 나타낸 연자성 하지층에 대해 도핑 공정을 실시하여 댐핑 제어층을 형성하는 도핑 공정을 나타낸 그래프이다.
도 3a 및 도 3b는 자기 헤드에서 기록 필드를 인가한 경우(실선) 연자성 하지층에 생성되는 기록 필드를 시뮬레이션으로 예측한 결과를 나타낸 그래프이다.
도 4a는 상기 도 3a에서 댐핑 제어층의 댐핑 상수가 0.05인 경우를 별도로 나타낸 그래프로서, 필드 방향이 반전되는데 소요되는 시간의 척도인 반전 시간 (transition time)의 정의도 함께 나타낸 것이다.
도 4b는 댐핑 제어층의 댐핑 상수를 변화시키면서 측정한 전이 시간을 나타낸 그래프이다.
도 5는 연자성 하지층 및 댐핑 제어층의 두께를 조절하면서 시간에 따른 연자성 하지층의 필드 값을 측정한 그래프이다.
< 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 >
10... 수직 자기 기록 매체 11... 연자성 하지층
13... 중간층 15... 기록층
20... 자기 헤드 21... 메인 폴
25... 리턴 폴 31... 기판
32... 연자성 하지층 32', 33... 댐핑 제어층
34... 중간층 35... 기록층
본 발명은 수직 자기 기록 매체에 관한 것으로, 보다 상세하게는 연자성 하지층의 댐핑 특성이 조절된 수직 자기 기록 매체에 관한 것이다.
최근 높은 정보 기록 밀도를 지니며 소형의 대용량 기록 밀도를 지닌 자기 기록 장치의 수요가 증가하면서, 디스크 장치(magnetic disk device)의 높은 기록 밀도(recording density)를 지닌 자기 기록 매체(magnetic recording media)에 대 한 수요가 증가하고 있다. 종래의 수평 자기 기록 매체의 경우와는 달리 최근에는 자기 기록 매체의 면기록 밀도를 증가시키기 위해 수직자기기록 방식이 제시되고 있다. 수직 자기 기록 방식은 기록층에 대해 수직 방향으로 자화시켜 기록 밀도를 증가시키고 있다. 이와 같은 수직 자기 기록 매체의 기록층은 상대적으로 높은 자기 이방성(magnetic anisotropy) 및 높은 보자력(coercivity)을 나타낼 수 있는 자성 물질로 형성시키고 있다.
도 1a는 종래 기술에 의한 수직 자기 기록 장치, 즉 자기 기록 헤드 및 수직 자기 기록 매체를 나타낸 단면도이다.
도 1a를 참조하면, 수직 자기 기록 매체(10)는 연자성 하지층(soft magnetic underlayer)(11), 중간층(intermediate layer)(13) 및 기록층(recording layer)(15)이 순차적으로 형성된 구조를 지니고 있다. 기록층(15) 상에는 보호층 및/또는 윤활층 등이 더 형성될 수 있다. 그리고, 수직 자기 기록 매체(10) 상에 자기 헤드(20)가 위치하어 기록층(15)을 자화시킴으로써 정보의 기록이 행해진다.
도 1a에 나타낸 수직 자기 기록 매체에 정보를 기록하는 동작에 대해 설명하면 다음과 같다. 정보의 기록, 즉 쓰기 동작 시에는 메인 폴(main pole)(21)에서 방출된 자속(magnetic flux)이 기록층(15)을 비트 영역(bit region) 단위로 자화시키고, 기록층(15) 하부의 연자성 하지층(12)에 입사되어 흐른 뒤, 메인 폴(21)에 수반되는 리턴 폴(25)로 회수된다. 도 1a에 나타낸 바와 같이 연자성 하지층(12)에는 자기 헤드(20)의 미러 이미지가 존재하는 것과 같으며 이를 헤드 이미지(head image)라 한다. 메인 폴(21)로부터 방출된 자속에 의해 기록층(15)의 수직 방향으 로 자화시킴으로써 평면 방향으로 자화시키는 경우에 비해, 단위 정보가 차지하는 면적이 작다. 결과적으로 수평 자기 기록 방식에 비해, 수직 자기 기록 방식의 경우 기록 밀도가 더 높게 된다.
현재 단위 기록 밀도를 증가시키기 위하여 자기 헤드(20)의 메인 폴(21)의 폭을 좁게 형성함에 따라, 결과적으로 기록 필드(writing field)의 값은 매우 감소하였다. 현재 기록 필드의 최대 값(4πMs)은 거의 한계에 도달하고 있으며, 높은 포화 자화(Ms : saturation magnetization) 값을 지닌 물질의 경우 그 값은 2.4 T(Tesla) 이다. 도 1a와 같은 수직 자기 기록 장치의 장점은 연자성 하지층(12)에서의 필드가 수직 자기 기록 매체의 기록 필드에 기여를 하게 되어 실질적으로 기록 필드를 증가시키는 역할을 한다. 즉, 기록 필드는 자기 헤드(20)로부터 방출되는 필드 및 연자성 하지층(12)에서 생성된 필드의 총합이 된다. 이와 같은 연자성 하지층(12)에서 생성된 필드는 연자성 하지층(12)의 구성 물질의 특성 및 그 두께에 따라 영향을 받게 되며, 구체적으로 댐핑 상수(damping constant)에 의해 영향을 받게 된다.
댐핑 상수는 란다우-리프시츠(Landau-Liftshitz) 식에 의해 α로 정의된다.
∂M/∂t = -γM×Heff + (α/Ms)M×∂M/∂τ
M : magnetization,
Heff : effective magnetic field,
γ : gyromagnetic ratio,
α : damping constant,
τ : time
여기서 댐핑 상수(α)는 자기 헤드(20) 필드에 의해 축적된 에너지가 연자성 하지층(12)에서 얼마나 빨리 상쇄(dissipation)되는가를 나타낸다.
도 1b는 자기 헤드(20)에서 필드를 인가한 경우, 연자성 하지층(12)에서의 댐핑 상수 크기에 따라 시간에 따라 변화하는 연자성 하지층의 필드의 양상을 따라 개략적으로 나타낸 그래프이다. 도 1b를 참조하면, 연자성 하지층(12)이 작은 댐핑 상수를 지닌 경우에는 매우 빨리 포화되나 포화된 후의 필드 값이 다소 작다는 것을 알 수 있다. 그리고, 큰 댐핑 상수를 지닌 경우에는 천천히 포화됨을 알 수 있다. 연자성 하지층(12) 물질로 사용되는 대표적인 강자성 물질인 Co, CoFe 또는 NiFe의 경우에는 댐핑 상수가 0.01 내지 0.02로서 작은 댐핑 상수 값을 나타낸다. 따라서, 자기 헤드(20)의 필드 값과 유사한 거동을 나타낼 수 있도록 연자성 하지층(12)이 최적의 댐핑 상수(optimum α) 값을 지니도록 제어하는 것이 매우 중요하다.
본 발명은 상기 종래 기술의 문제점을 해결하기 위한 것으로, 연자성 하지층의 댐핑 특성을 조절하여, 높은 기록 필드를 지니며, 그 정보 기록 특성을 향상시킨 수직 자기 기록 매체를 제공하는 것을 목적으로 한다.
또한, 본 발명에서는 수직 자기 기록 매체의 연자성 하지층의 댐핑 특성을 제어하는 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.
상기의 기술적 과제를 달성하기 위한 본 발명에서는,
연자성 하지층 및 상기 연자성 하지층 상에 형성된 기록층을 포함하는 수직 자기 기록 매체에 있어서,
상기 연자성 하지층의 일면에 Os, Nb, Ru, Rh, Ta, Pt, Tb 또는 Zr이 1 내지 10 at%의 조성으로 형성된 댐핑 제어층;을 포함하는 연자성 하지층의 댐핑 특성이 조절된 수직 자기 기록 매체를 제공한다.
본 발명에 있어서, 상기 댐핑 제어층은 상기 연자성 하지층 및 상기 기록층 사이에 형성된 것을 특징으로 한다.
본 발명에 있어서, 상기 댐핑 제어층의 댐핑 상수는 0.03 내지 0.08인 것을 특징으로 한다.
본 발명에 있어서, 상기 댐핑 제어층의 두께는 5 내지 30nm인 것을 특징으로 한다.
본 발명에 있어서, 상기 연자성 하지층은, 기판 및 상기 기판 상에 형성된 시드층 상에 형성된 것을 특징으로 한다.
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이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예에 의한 연자성 하지층의 댐핑 특성이 조절된 수직 자기 기록 매체 및 연자성 하지층의 댐핑 특성 조절 방법에 대해 상세히 설명하고자 한다.
도 2a는 본 발명의 제 1실시예에 의한 연자성 하지층의 댐핑 특성이 조절된 수직 자기 기록 매체의 구조를 나타낸 단면도이다.
먼저, 도 2a를 참조하면 본 발명의 제 1실시예에 의한 수직 자기 기록 매체는 기판(31), 기판 상부에 순차적으로 형성된 연자성 하지층(32)(soft magnetic underlayer), 댐핑 제어층(33)(damping control layer), 중간층(34)(intermediate layer) 및 기록층(35)(recording layer)을 포함한다. 여기서 중간층(34)은 선택적인 것이며, 기타 기판(31) 및 연자성 하지층(32) 사이에 시드층(seed layer)이 더 형성될 수 있으며, 기록층(35) 상에 보호층(protecting layer)이 더 형성될 수 있다.
기판(31), 시드층, 중간층(34) 및 기록층(35)은 통상 사용되는 물질이면 제한 없이 사용될 수 있다. 예를 들면, 예를 들어 기판(31)은 글래스 기판을 이용할 수 있고, 시드층은 Ta, Ta 합금, Ta/Ru 화합물 또는 NiFeCr로 형성될 수 있으며, 중간층은 Cu, Ru, Pd 또는 Pt 등으로 형성될 수 있다. 기록층은 FePt, CoPt 또는 CoPd 등이 합금 타겟 또는 코스퍼터링으로 합금으로 형성될 수 있으며, Fe/Pt, Co/Pt 또는 Co/Pd의 다층 구조로 형성될 수 있다. 선택적으로 부가물(additive materials)과 매트릭스 물질(matrix materials)을 포함할 수 있다. 구체적으로 첨 가물은 C, Ag, W, Ti, B, Ta, Ru, Cr, Mn, Y, N, O, Pt, Cu, Mn3Si, Si, Cu, Nb, Ni, Fe, Au, Co 또는 Zn 등이 있다. 그리고, 매트릭스 물질은 Al2O3, SiO2, B2O3, C4F8, Si3N4, SiN, BN, ZrO, TaN 또는 기타 산화물을 포함한다.
연자성 하지층(32)은 보자력(coercive field)이 작은 강자성 물질로 형성될 수 있으며, Co, CoZrNb, CoNiZr, NiFe, CoFeB, CoTaZr, Co90Fe10 또는 Co35Fe65와 같은 합금 물질로 형성될 수 있다. 댐핑 제어층(33)은 연자성 하지층(32)의 댐핑 특성을 개선하기 위해 형성한 것으로 구체적으로 Os, Nb, Ru, Rh, Ta, Pt, Tb, Zr 또는 이들을 포함하는 합금 물질로 형성될 수 있다. 그리고, 댐핑 제어층(33)의 두께는 5 내지 30nm인 것이 바람직하다.
도 2b를 참조하면 본 발명의 제 2실시예에 의한 수직 자기 기록 매체는 기판(31), 기판 상부에 순차적으로 형성된 연자성 하지층(32)(soft magnetic underlayer), 댐핑 제어층(32')(damping control layer), 중간층(34)(intermediate layer) 및 기록층(35)(recording layer)을 포함한다. 상술한 바와 같이 중간층(34)은 선택적인 것이며, 기타 기판(31) 및 연자성 하지층(32) 사이에 시드층(seed layer)이 더 형성될 수 있으며, 기록층(35) 상에 보호층(protecting layer)이 더 형성될 수 있다.
도 2a와 마찬가지로 연자성 하지층(32)은 자성 물질로 형성될 수 있으며, Co, CoZrNb, CoNiZr, NiFe, CoFeB, CoTaZr, Co90Fe10 또는 Co35Fe65와 같은 합금 물질 로 형성될 수 있다. 도 2b의 댐핑 제어층(32')은 연자성 하지층(32)의 댐핑 특성을 개선하기 위해 형성한 것이다. 다만, 도 2a의 댐핑 제어층(33)과는 달리, 도핑 제어층(32')은 도 2c에 나타낸 바와 같이 연자성 하지층(32)에 대해 히토류 또는 천이 금속인 Os, Nb, Ru, Rh, Ta, Pt, Tb 또는 Zr을 도핑 공정을 실시하여 연자성 하지층(32) 내에 형성시킨 것이다. 또한, 선택적으로 댐핑 제어층(32')은 연자성 하지층(32)을 형성시키면서, 연자성 하지층(32)의 상부에 Os, Nb, Ru, Rh, Ta, Pt, Tb 또는 Zr을 코스퍼터링을 실시하여 형성시킬 수 있다.
댐핑 제어층(32', 33)은 연자성 하지층(32) 물질에 Os, Nb, Ru, Rh, Ta, Pt, Tb 또는 Zr 중 적어도 어느 하나를 1 내지 10at%의 조성비로 포함시켜 형성할 수 있으며, 그 두께 범위는 5 내지 30nm인 것이 바람직하다. 댐핑 제어층(32', 33)의 Os, Nb, Ru, Rh, Ta, Pt, Tb 또는 Zr 등의 물질의 조성비가 증가할수록 댐핑 상수 값은 커지는 경향을 지닌다.
도 3a 및 도 3b는 연자성 하지층(32)을 85nm 두께로 일반적인 Co, CoFe 또는 NiFe(α = 0.02)로 형성시켰으며, 그 상부에 댐핑 제어층(32', 33)을 약 15nm의 두께로 댐핑 상수를 0.005 내지 0.3로 조절한 자기 기록 매체에 대한 것으로, 자기 헤드에서 기록 필드를 인가한 경우 연자성 하지층(32) 및 댐핑 제어층(32', 33)의 필드를 시뮬레이션으로 예측한 결과를 나타낸 그래프이다. 여기서, 도 3a의 경우 연자성 하지층(32)의 포화 자장 값이 2.4T 인 경우이며, 도 3b의 경우 연자성 하지층(32)의 포화 자장 값이 1.0T인 경우를 나타내었다.
도 3a를 참조하면, 댐핑 제어층(32', 33)의 댐핑 상수(α)가 0.005, 0.01, 0.05 및 0.1인 경우의 결과를 나타내었는데, 자기 헤드 필드의 값이 크게 증가하거나 감소하는 경우, 이와 연동하여 연자성 하지층(32) 및 댐핑 제어층(32', 33)의 필드로 유사한 경향을 지니며 SUL 필드 값을 나타내는 것을 알 수 있다. 여기서, 약 2ns에서 필드가 크게 증가할 때, 연동하여 SUL 필드 값이 증가하는 정도, 즉 전이 기울기(transition gradient)는 댐핑 제어층(32', 33)의 댐핑 상수가 0.05인 경우가 가장 큰 것을 확인할 수 있다. 이는 도 3b의 그래프에서도 동일하게 확인 가능하며, 연자성 하지층의 포화 자장 값이 1.0T인 경우에도 댐핑 제어층(32', 33)의 댐핑 상수가 0.05인 경우 전이 기울기가 가장 큰 것을 알 수 있다. 결과적으로 댐핑 제어층(32', 33)의 최적의 댐핑 상수는 0.05인 것을 확인할 수 있다.
도 4a는 도 3a에서 댐핑 제어층(32', 33)의 댐핑 상수가 0.05인 경우를 나타낸 그래프이다. 최적의 댐핑 상수인 0.05를 기준으로 바람직한 댐핑 상수의 범위를 나타내기 위하여, 연자성 하지층(32)의 필드(Hz) 최고값에서 최저값으로 변하는 시간을 전이 시간(transition time)으로 정의하였다. 댐핑 제어층(32', 33)의 댐핑 상수가 0.05인 경우 약 0.7ns를 나타내었다. 그리고, 댐핑 제어층(32', 33)의 댐핑 상수를 변화시키면서 전이 시간을 예측 및 비교하였다. 그 결과를 도 4b에 나타내었다.
도 4b를 참조하면, 전이 시간은 댐핑 제어층(32', 33)의 댐핑 상수가 0.05인 경우 가장 작은 값을 나타내었으며, 댐핑 상수가 0.05 보다 작은 경우 및 큰 경우 모두 전이 시간은 각각 증가하는 것을 알 수 있다. 전이 시간이 작을수록 고밀도 기록이 가능하며 1ns이하인 경우 우수한 특성의 연자성 하지층 특성을 나타내 것으로 판단할 수 있으므로, 결과적으로 댐핑 상수 범위는 0.03 내지 0.08인 것이 바람직하다.
대표적인 연자성 재료인 NiFe의 경우, Tb 및 Gd와 같은 히토류 금속을 도핑 시키는 경우 도핑 조건에 따라 차이는 있으나, NiFe의 댐핑 상수를 0.03 내지 0.8가지 큰폭으로 변화시킬 수 있으며, 또한, Os와 같은 천이 금속을 도핑할 경우에도 도핑 농도가 높아짐에 따라 댐핑 상수가 0.01 내지 0.1 범위로 조절할 수 있다. 다만 도핑 농도가 증가할수록 연자성체의 자화 값은 감소하는 현상이 관찰된다.
도 5는 연자성 하지층(32) 및 댐핑 제어층(32' 33)의 두께를 조절하면서 시간에 따른 연자성 하지층(32)의 필드 값을 측정한 그래프이다.
도 5에서는, 연자성 하지층(32) 상에 댐핑 제어층(32' 33)을 각각 15nm인 경우 30nm인 및 50nm의 두께로 형성시켰으며, 이 때 연자성 하지층(32)의 댐핑 상수는 0.02이며 두께는 각각 85, 70 및 50nm 이었다. 도 5를 참조하면 댐핑 제어층(32, 33)의 두께가 30nm보다 큰 경우에는 연자성 하지층(32)의 필드가 바람직하지 못한 구조가 됨을 알 수 있다. 따라서, 연자상 하지층(32) 상에 댐핑 제어층(32', 33)을 형성시키는 경우에는 댐핑 제어층(32', 33)의 두께는 5 내지 30nm 이하로 형성시킨다. 바람직하게는 댐핑 제어층(32', 33)의 두께는 5 내지 20nm이다.
상기한 설명에서 많은 사항이 구체적으로 기재되어 있으나, 그들은 발명의 범위를 한정하는 것이라기보다, 바람직한 실시예의 예시로서 해석되어야 한다. 따라서, 본 발명의 범위는 설명된 실시예에 의하여 정하여 질 것이 아니고 특허 청구범위에 기재된 기술적 사상에 의해 정하여져야 한다.
상술한 바와 같은 본 발명에 따르면, 수직 자기 기록 매체의 연자성 하지층 에 댐핑 상수를 제어할 수 있도록 댐핑 제어층을 형성시킴으로써 수직 자기 기록 장치의 기록 필드 값을 최적화 할 수 있다. 또한, 기록 헤드의 폭을 감소시킨 경우, 기록 필드의 값이 크게 감소하는 단점을 보완할 수 있다.

Claims (9)

  1. 연자성 하지층 및 상기 연자성 하지층 상에 형성된 기록층을 포함하는 수직 자기 기록 매체에 있어서,
    상기 연자성 하지층의 일면에 Os, Nb, Ru, Rh, Ta, Pt, Tb 또는 Zr이 1 내지 10 at%의 조성으로 형성된 댐핑 제어층;을 포함하는 것을 특징으로 하는 연자성 하지층의 댐핑 특성이 조절된 수직 자기 기록 매체.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 댐핑 제어층은 상기 연자성 하지층 및 상기 기록층 사이에 형성된 것을 특징으로 하는 연자성 하지층의 댐핑 특성이 조절된 수직 자기 기록 매체.
  3. 삭제
  4. 제 2항에 있어서,
    상기 댐핑 제어층의 댐핑 상수는 0.03 내지 0.08인 것을 특징으로 하는 연자성 하지층의 댐핑 특성이 조절된 수직 자기 기록 매체.
  5. 제 2항에 있어서,
    상기 댐핑 제어층의 두께는 5 내지 30nm인 것을 특징으로 하는 연자성 하지층의 댐핑 특성이 조절된 수직 자기 기록 매체.
  6. 삭제
  7. 삭제
  8. 삭제
  9. 제 1항에 있어서,
    상기 연자성 하지층은,
    기판 및 상기 기판 상에 형성된 시드층 상에 형성된 것을 특징으로 하는 연자성 하지층의 댐핑 특성이 조절된 수직 자기 기록 매체.
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