KR101124085B1

KR101124085B1 - 자기기록매체 및 그 제조방법

Info

Publication number: KR101124085B1
Application number: KR1020100044465A
Authority: KR
Inventors: 이성래; 정준호
Original assignee: 고려대학교 산학협력단
Priority date: 2010-05-12
Filing date: 2010-05-12
Publication date: 2012-03-20
Also published as: KR20110124970A

Abstract

본 발명은 저장밀도를 현저하게 향상시킬 수 있는 새로운 자성체층을 구비한 자기기록매체 및 이를 제조할 수 있는 제조방법의 제공을 목적으로 한다. 본 발명의 일측면에 따르면, 하지층을 포함하는 기판 및 상기 하지층 상에 형성된 자성체층을 포함하고, 상기 자성체층은 Fe, Pt, Zr 및 Cu를 포함하는 자기기록매체가 제공된다. 이때 상기 자기기록매체의 또 다른 특징에 의하면, 상기 자성체층은 Zr 및 Cu가 함유된 FePt를 포함하고, 상기 FePt는 단위격자가 L1₀형 FCT 결정구조를 가질 수 있다. 이때 상기 Cu는 상기 단위격자를 이루는 Fe 자리의 일부를 치환하며 배열될 수 있으며, 이때 상기 Cu의 함량은 원자분률로 5 내지 15% 범위일 수 있다.

Description

자기기록매체 및 그 제조방법{Magnetic recording media and fabrication method thereof}

본 발명은 정보를 저장하는 자기기록매체 및 그 제조방법에 관한 것으로서, 더욱 구체적으로는 수직방향으로 자기이방성을 가지는 수직자기기록매체 및 그 제조방법에 관한 것이다.

멀티미디어 산업의 급격한 발달로 인해 보조기억매체의 대용량화가 요구됨에 따라 더 높은 기록밀도를 갖는 기록매체의 필요성이 부각 되었다. 기록밀도의 향상은 하드 디스크의 메모리, 소비자 가전제품들과 비디오카메라, 대용량 휴대전화, 홈 서버 등과 같은 다양한 어플리케이션 확장을 가져 올 수 있다. 그러나 현재의 미디어 재료와 수평기록기술로는 더 이상의 저장 밀도의 증가를 기대하기 힘들게 되었다. 즉, 수평자기기록매체는 비트(bit)의 크기를 감소시키는 데 있어서, 탈자장의 영향으로 인한 한계를 가지고 있다. 따라서 자성체의 면에 수직한 방향으로 정보를 저장하는 수직 자기기록방식이 대두되었으며, 이에 대한 연구개발이 진행되고 있다.

본 발명은 저장밀도를 현저하게 향상시킬 수 있는 새로운 자성체층을 구비한 자기기록매체 및 이를 제조할 수 있는 제조방법의 제공을 목적으로 한다. 이러한 본 발명의 과제는 이상에서 언급한 것으로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 과제들은 아래의 기재로부터 본 발명이 속하는 기술분야의 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.

본 발명의 일측면에 따르면, 하지층을 포함하는 기판 및 상기 하지층 상에 형성된 자성체층을 포함하고, 상기 자성체층은 Fe, Pt, Zr 및 Cu를 포함하는 자기기록매체가 제공된다.

본 발명의 일측면에 따르는 자기기록매체의 특징에 의하면, 상기 하지층은 MgO 층을 포함할 수 있다.

본 발명의 일측면에 따르는 자기기록매체의 다른 특징에 의하면, 상기 MgO층을 포함하는 하지층 상에 형성된 자성체층은 수직한 방향으로 자기이방성을 가지는 수직자기이방성을 가질 수 있다.

본 발명의 일측면에 따르는 자기기록매체의 또 다른 특징에 의하면, 상기 자성체층은 Zr 및 Cu가 함유된 FePt를 포함하고, 상기 FePt는 단위격자가 L1₀형 FCT 결정구조를 가질 수 있다. 이때 상기 Cu는 상기 단위격자를 이루는 Fe 자리의 일부를 치환하며 배열될 수 있으며, 이때 상기 Cu의 함량은 원자분률로 5 내지 15% 범위일 수 있다.

본 발명의 일측면에 따르는 자기기록매체의 또 다른 특징에 의하면, 하지층인 MgO층은 NaCl 구조로서 (200) 우선방위를 가질 수 있으며, MgO층 상에 형성된 FePt층은 (001) 우선방위를 가질 수 있다. 이때 상기 (001) 우선방위의 우선방위계수는 0.9 이상일 수 있다.

본 발명의 일측면에 따르는 자기기록매체의 또 다른 특징에 의하면, 상기 F자성체층은 복수의 FePt 결정립들로 구성되며, 상기 FePt 결정립들은 MgO로 둘러싸인 형태일 수 있다. 이때 상기 결정립들의 평균 크기는 12.5 nm 이상 20nm 이하의 범위일 수 있으며, 상기 자성체층의 수직방향으로의 보자력이 500 Oe 이상 3000 Oe 이하의 범위일 수 있다. 또한, 상기 자성체층의 큐리온도가 605K 이하일 수 있다.

본 발명의 다른 일측면에 따르면, 기판을 제공하는 단계, 상기 기판 상에 하지층을 형성하는 단계, 상기 하지층 상에 Fe, Pt, Zr 및 Cu를 포함하는 자성체층을 형성하는 단계 및 열처리를 수행하는 단계를 포함하는 자기기록매체 제조방법이 제공된다.

본 발명의 다른 일측면을 따르는 자기기록매체 제조방법의 특징에 의하면, 상기 하지층은 MgO층을 포함할 수 있다.

본 발명의 다른 일측면을 따르는 자기기록매체 제조방법의 다른 특징에 의하면, 상기 자성체층을 형성하는 단계는 Fe, Pt, Zr 및 Cu를 포함하는 타겟을 이용한 스터퍼링법으로 형성할 수 있다.

본 발명의 다른 일측면을 따르는 자기기록매체 제조방법의 또 다른 특징에 의하면, 상기 열처리는 500℃ 이상 650℃ 이하의 온도범위에서 수행될 수 있으며, 상기 열처리의 수행시간은 5분 이상 30분 미만일 수 있다.

본 발명에 따른 자기기록매체는 FePt층에 Zr의 첨가됨으로써 결정립이 미세화되고 규칙화 속도가 증가되는 효과를 얻을 수 있고, Cu의 첨가로 해 FCT 결정구조의 (001) 우선방위가 현저하게 발달하며 화학적 규칙도가 증가되는 효과를 얻을 수 있다. 또한 종래의 FePt층에 비해 더 낮은 큐리 온도를 가짐에 따라 HAMR(heat assisted magnetic recording) 기술을 적용하기 용이하다. 따라서 이러한 특성으로 본 발명에 따른 자기기록매체는 1 T bit/in² 의 고밀도 기록저장매체의 구현을 가능하게 할 수 있다.

본 발명의 효과는 이상에서 언급한 것으로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 효과들은 아래의 기재로부터 본 발명이 속하는 기술분야의 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.

도 1은 본 발명의 일실시예를 따르는 자기기록매체를 도시한 것이다.
도 2a 및 도 2b는 각각 L1₀형 FCT 결정구조의 FePt 및 FePt-Cu의 단위격자를 도시한 것이다.
도 3a 및 도 3b는 본 발명의 일실시예를 따르는 자기기록매체를 제조하기 위한 스퍼터링법에 이용되는 타겟의 형태를 도시한 것이다.
도 4는 열처리 시간에 따른 시편 3 및 시편 4의 보자력 크기의 변화를 관찰할 결과이다.
도 5a 내지 도 5h는 열처리 시간에 따른 시편 3 및 시편 4의 미세조직을 TEM으로 관찰한 결과이다.
도 6은 시편 1의 열처리 시간에 따른 XRD 패턴 결과이다.
도 7은 시편 1의 열처리 시간에 따른 M-H 자기이력곡선 결과이다.
도 8은 시편 1의 열처리 시간에 따른 미세조직을 TEM으로 관찰한 결과이다.
도 9는 시편 1 내지 시편 3의 열처리 시간에 따른 FePt 결정립 크기의 변화를 나타낸 그래프이다.
도 10a 및 도 10b는 각각 시편 1 및 시편 4의 10분간 열처리 후의 미세조직을 TEM으로 관찰한 결과이다.
도 11은 시편 2의 열처리 시간에 따른 XRD 패턴 결과이다.
도 12는 시편 2의 열처리 시간에 따른 M-H 자기이력곡선 결과이다.
도 13은 시편 1의 열처리 시간에 따른 미세조직을 TEM으로 관찰한 결과이다.
도 14a 내지 도 14c 및 도 15a 내지 도 15c는 시편 1 및 시편 2의 자기적 특성 및 구조적 특성을 비교한 그래프이다.
도 16은 시편 2의 온도에 따른 포화자화(Ms)의 변화를 관찰한 그래프이다.
도 17은 Bethe-Slater 곡선을 나타낸 것이다.

이하, 첨부된 도면들을 참조하여 본 발명의 실시예를 상세히 설명하면 다음과 같다. 그러나 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 수 있는 것으로, 이하의 실시예는 본 발명의 개시가 완전하도록 하며, 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이다. 또한 설명의 편의를 위하여 도면에서는 구성 요소들이 그 크기가 과장 또는 축소될 수 있다.

본 발명의 실시예들에서, 수직방향은 기판의 일면상에 일정한 두께로 성장한 자성체층에 있어서, 그 자성체층의 평면에 수직한 방향(즉 자성체층의 두께방향)을 의미하며, 수평방향은 이 수직방향에 수직한 방향을 의미한다.

본 발명의 실시예들에서, 자성체층은 집합조직(texture)을 가질 수 있으며, 이러한 집합조직은 다결정 재료의 각 결정립들(crystalline grains)이 일정한 방향으로 정렬된 상태를 나타낼 수 있으며 이때 이러한 일정한 방향을 우선방위(preferred orientation)로 표현할 수 있다. 본 발명의 실시예들에서, 재료가 갖는 집합조직은 절대적인 개념보다는 상대적인 개념으로 사용된다. 즉, 한 재료가 소정 방향의 집합조직을 갖는다는 것은 그 재료의 상당부분의 결정립들이 그 방향의 집합조직을 갖는다는 것을 의미할 뿐, 그 재료의 모든 결정립들이 그 방향의 집합조직을 갖는다는 것을 의미하지는 않는다.

또한 자성체가 집합조직을 가질 때, 그 집합조직의 특정 결정면의 법석방향이 상술한 수직방향과 평행할 경우, 그 집합조직의 우선방위는 상기 특정 결정면의 면지수로 나타낼 수 있다.

도 1에는 본 발명의 일실시예에 따른 자기기록매체(100)의 단면도가 도시되어 있다. 도 1을 참조하면, 본 발명의 일실시예에 따른 자기기록매체는 하지층(101)을 포함하는 기판(103) 및 이 하지층(101) 상에 형성된 자성체층(102)을 구비한다.

이때 기판은 단결정 Si 기판을 열산화 하여 Si 기판의 표면이 비정질 SiO₂로 이루어진 기판, 또는 비정질 SiO₂로 이루어진 유리판 등을 포함할 수 있으나, 반드시 이에 한정되지 않는다.

하지층(101)은 기판(103)의 일면상에 형성된 것으로서 자성체층(102)를 형성하기 전에 그 하부에 먼저 형성되는 층이다. 이때 하지층(101)으로는 MgO층일 수 있다.

자성체층(102)은 수직방향으로 자화용이축을 가질 수 있으며, 따라서 외부의 자장에 대해서 수평방향에 비해 수직방향으로 용이하게 자화되는 자기적 특성을 보일 수 있다. 이러한 자성체층(102)의 방향에 따른 자화특성의 이방성은 자기이방성으로 표현될 수 있다. 경우에 따라 자기이방성은 자기결정이방성, 자기이방성에너지로 표현될 수 있다. 따라서 자성체층(102)이 외부의 자장에 대해 수직방향으로의 자화되는 경향이 클수록 수직방향의 자기이방성, 즉 수직자기이방성은 더 높은 값을 나타내게 된다.

본 발명의 일실시예를 따른 자기기록매체의 자성체층(102)은 Fe, Pt, Zr 및 Cu를 포함한다. 예를 들어, 자성체층(102)은 단위격자가 L1₀형 FCT(face centered tetragonal) 결정구조인 FePt층으로 이루어지며, 이때 이 FePt층 내에 첨가원소로서 Zr과 Cu가 함유될 수 있다. 이하 FePt층 내에 Zr 및/또는 Cu가 함유되는 경우 FePt-X의 형태로 표현할 수 있다. 예를 들어, Zr를 포함하는 FePt는 FePt-Zr로, Zr 및 Cu를 포함하는 FePt는 FePt-Zr-Cu로 표현할 수 있다.

도 2a에는 L1₀형 FCT 결정구조를 보이는 FePt의 단위격자가 도시되어 있다. 이러한 FePt층은 높은 수직자기이방성을 가지고 있으므로 수직방향으로 자장을 이용하여 정보를 기록 및 저장하는 수직자기기록매체용 자성체로서 유리하다.

최근 자기기록매체의 저장밀도가 증가함에 따라 우선적으로 해결해야 될 특성으로 열적안정성이 있다. 열적안정성은 자기에너지와 열에너지의 비로서 가늠할 수 있으며, 이때 안정적인 정보의 저장을 위해서는 높은 자기에너지를 가져야 한다. 수직자기기록매체의 경우, 높은 자기에너지는 높은 수직자기이방성을 의미하므로 고밀도 수직자기기록매체의 경우에는 높은 수직자기이방성을 가지는 물질을 자성체로 이용하는 것이 바람직하다.

FePt는 도 2a에 도시된 바와 같이 규칙화된 구조인 L1₀형 FCT 결정구조를 가지는 경우 높은 수직자기이방성을 가지므로 수직자기기록매체를 위한 자성체로서 유리하다. FCT 결정구조의 FePt를 수직자기기록매체의 자성체층에 응용하기 위해서는 높은 수직자기이방성을 가지는 (001)면이 우선방위를 갖는 것이 바람직하다. 그러나 FePt는 최조밀면인 (111)면을 우선방위로 성장하려는 경향이 강하며, 이러한 경우 기록자화의 방향이 자성체(102)의 수직방향에 대해 약 36.5도 기울어지는 문제점이 발생한다.

이러한 문제를 해결하기 위해 본 발명의 일실시예를 따른 자기기록매체(100)에서는 기판(103) 상에 하지층(101)으로 MgO층을 형성하고, 그 위에 자성체층(102)으로 FePt층을 성장시킨다. 이러한 MgO층은 그 위에 성장된 FePt층이 정합성장에 통해 (200) 우선방위를 가지는 FCC 결정구조를 갖도록 유도하며, 추후 이러한 FCC 결정구조를 가지는 FePt층은 열처리를 통해 (001) 우선방위를 가지는 L1₀형 FCT 결정구조로 용이하게 상천이 하게 된다. 이렇게 (001) 우선방위를 가지는 L1₀형 FCT 결정구조의 FePt층은 수직방향으로 높은 수직자기이방성을 가지므로 수직자기기록매체로의 응용이 용이하다.

더 나아가 MgO층을 하지층(101)으로 사용하는 경우, FePt층의 두께가 증가되더라도 (001) 우선방위를 가지는 집합조직이 저하되니 않으므로 전 두께 범위에 걸쳐 안정적인 수직자기이방성을 유지할 수 있다.

이상에서는 하지층(101)으로 MgO층을 제시하였으나, 본 발명은 이에 한정되지 않고 상술한 목적을 달성하기 위해 자성체층(101) 하부에 형성되는 층이라면 모두 하지층(101)에 포함될 수 있다.

본 발명의 일실시예에 따른 자기기록매체(100)의 자성체층(102)을 이루는 FePt층은 첨가원소로서 Zr을 포함한다. FePt층은 미세한 결정립(혹은 입자로서 지칭될 수도 있다)이 복수개로 이루어진 미세조직을 갖는다. 이때 Zr은 FePt층에 고용체를 이루지 않고 그 자체 또는 화합물 형태로 FePt의 입계에 편석되어 결정립의 성장을 억제하면서 열처리에 따른 FePt층의 L1₀ 형 FCT 결정구조로의 상천이, 즉 규칙화 반응의 속도를 촉진시킬 수 있다.

이는 Zr의 원자반경(0.16nm)이 Fe의 원자반경(0.126nm)이나 Pt의 원자반경(0.139nm)에 비해 더 크며, 따라서 이러한 Zr이 입계에 편석되는 경우 FePt층에 격자 스트레인과 점결함을 유발함으로써 FePt층의 L1₀형 FCT 결정구조로의 상천이를 위한 핵생성 자리를 제공하기 때문으로 생각된다.

또한 이러한 Zr 또는 Zr을 포함하는 화합물이 입계에 편석됨으로써 외부에서 인가되는 열에너지에 의한 결정립계의 이동을 억제하여 결정립의 크기를 미세하게 제어할 수 있다.

본 발명의 일실시예에 따른 자기기록매체(100)의 자성체층(102)을 이루는 FePt층은 Zr과 함께 Cu를 첨가원소로써 함유할 수 있다. 이때 Cu의 함량은 원자분률로 5 내지 15% 범위일 수 있다. Cu의 경우, 도 2b에 도시된 바와 같이, Fe와 Pt로 구성된 FePt의 L1₀형 FCT 결정구조의 단위격자 중 Fe 자리의 일부를 치환하며 고용될 수 있다. 이때 Cu의 원자반경(0.128nm)이 Fe(0.126nm)의 원자반경에 비해 더 크므로, Cu의 치환으로 인해 Fe를 포함하는 평면에서의 격자거리(lattice parameter) a는 다소 증가하고 이에 수직한 격자거리 c는 다소 감소한다. 따라서 c를 a 값으로 나눈 값, 즉 FePt의 L1₀형 FCT 결정구조의 c/a 비는 Cu의 치환으로 인해 감소하게 된다.

본 발명의 일실시예를 따르는 자기기록매체(100)의 제조하기 위하여, 하지층(101)으로 MgO층을 포함하는 기판(103)을 제공하고, 이 하지층(101)상에 Fe, Pt, Zr 및 Cu를 포함하는 자성체층(102)을 형성한 후 열처리를 수행하는 단계로 진행될 수 있다.

Fe, Pt, Zr 및 Cu를 포함하는 자성체층을 형성하는 단계는 Fe, Pt, Zr 및 Cu를 포함하는 타겟을 이용한 스터퍼링법으로 형성할 수 있다. 이때 Fe, Pt, Zr 및 Cu를 포함하는 타겟으로서 FePt 타겟 위에 Zr 칩 및 Cu 칩을 배치시킨 형태일 수 있다. 이때 Zr 칩 및 Cu 칩 중 어느 하나만을 FePt 타겟 위에 배치시킴으로써, Fe, Pt, Zr을 포함하는 층 또는 Fe, Pt, Cu를 포함하는 층을 선택적으로 제조할 수 있다. 일례로서 도 3a는 Fe와 Pt의 원자조성비가 50:50인 FePt 타겟(301) 위에 Zr 칩(302)을 배치시킨 형태의 타겟(300)이 도시되어 있다.

다른 형태로서, Fe 타겟 위에 Pt 칩, Cu 칩 및/또는 Zr 칩을 배치시킨 형태일 수 있다. 일례로서 도 3b에는 Fe 타겟(304) 위에 Pt 칩(305), Zr 칩(306) 및 Cu 칩(307)을 배치시킨 형태의 타겟(303)이 도시되어 있다.

이러한 방식을 이용하는 경우 칩들의 개수나 크기 또는 배열형태 등을 적절하게 조절함으로써 각 성분의 성분비를 조절할 수 있다.

한편, MgO층은 유리판을 포함하는 기판상의 일면에 스퍼터링법 또는 진공증발법 등과 같은 박막형성공정에 의해 형성될 수 있다. 유리판 같은 비정질 기판 상에 MgO가 증착되는 경우, NaCl형의 결정구조를 가지며 최저 에너지면인 (200)면이 우선방위로 성장될 수 있다. 따라서 그 위에 형성된 FePt층은 헤테로 에피택시 성장(hetero-epitaxy growth) 형태로서 (200) 우선방위를 가지는 FCC 구조로 성장하게 된다. 이러한 FCC 구조의 FePt층은 비규칙상으로서 연자성 특성을 보이며, 수직이방성을 나타내지 않는다.

따라서 열처리를 통해 비규칙상을 규칙상으로 상천이 시키는 규칙화 반응을 일으켜야 한다. 이때 이러한 규칙화 반응을 위한 열처리 온도는 500℃ 이상 650℃ 이하의 온도범위에서 수행될 수 있다.

본 발명의 일실시예를 따르는 자기기록매체(100)의 특성을 관찰하기 위한 시편의 제작조건을 표 1에 나타내었다.

시편	기판	자성체층	열처리 온도
시편 1	MgO/Si 기판	FePt-Zr	600℃
시편 2	MgO/Si 기판	FePt-Zr-Cu	600℃
시편 3	유리판	FePt	600℃
시편 4	유리판	FePt-Zr	600℃

시편 1 및 시편 2의 경우에는 기판인 표면이 비정질 SiO₂로 이루어진 Si 기판에 하지층으로 MgO층 형성하였으며, 시편 3 및 시편 4는 MgO을 형성하지 않았다. MgO층은 스퍼터링법으로 형성하였다. 다음, 기판상에 표 1에 나타낸 조성을 가지는 자성체층을 형성하였다. 시편 1 및 시편 4는 도 3a에 도시된 타겟을, 시편 2는 도 3b 에 도시된 타겟을 이용한 스퍼터링법으로 형성하였다. 시편 3은 도 3a의 타겟 중 Zr 칩(302)를 제거한 후 FePt 타겟(301)을 이용한 스퍼터링법으로 형성하였다.

형성된 자성체층의 조성은 ICP-AES를 이용하여 측정하였다. 측정결과, 시편 1 및 시편 4의 FePt-Zr층은 Fe, Pt 및 Zr의 조성비가 원자분율로 각각 63.6%, 33.8% 및 2.7% 이었으며, 시편 2의 FePt-Zr-Cu층은 Fe, Pt, Zr 및 Cu의 조성비가 각각 47.8%, 34.8%, 3% 및 10% 였다. 두 시편의 Pt의 조성비는 각각 35.5 %와 34.8 %로 거의 차이가 나지 않았으나, Fe의 경우에는 63.6%와 47.8%로 상당한 차이를 보였다. 이로부터 FePt-Zr-Cu층의 경우에는 Cu가 Fe 격자자리를 치환하며 10% 정도까지 고용된 것으로 판단되었다.

모든 시편은 600 ℃ 온도에서 5분 내지 60분 범위 내에서 열처리 되었다. 이때 열처리 장치는 5 x 10^-6 Torr 이하의 진공 분위기를 유지하였다.

이렇게 열처리가 완료된 시편들의 자기적 특성은 VSM을 이용하여 측정하였으며, 구조적 특성은 XRD와 TEM을 이용하여 관찰하였다.

도 4에는 시편 3 및 시편 4의 열처리 온도에 따른 보자력(Hc)의 변화가 나타나 있다. 도 4를 참조하면, Zr이 첨가된 시편 4의 경우 규칙화 반응에 따른 보자력의 증가가 더 빨리 나타났음을 알 수 있다. 이로부터 Zr의 첨가는 FePt층의 규칙화 반응속도를 향상시키는 것을 알 수 있다.

도 5a 내지 도 5d 및 도 5e 내지 도 5h에는 각각 시편 3 및 시편 4의 열처리 온도에 따른 미세조직의 변화를 TEM으로 관찰한 결과가 나타나 있다. 도 5a 내지 도 5h로부터 알 수 있듯이, FePt-Zr층이 FePt층에 비해 미세한 결정립 구조를 가지고 있음을 알 수 있으며, 열처리를 수행한 경우에도 FePt 층에 비해 결정립의 성장이 억제되고 있음을 알 수 있다.

이로부터 FePt층 내에 Zr이 첨가된 경우, FePt층의 규칙화 반응속도를 향상시키며 결정립성장을 억제시키는 것을 확인할 수 있다. 이는 Zr의 원자반경(0.16nm)이 Fe의 원자반경(0.126nm)나 Pt의 원자반경(0.139nm)에 비해 더 크며, 따라서 이러한 Zr이 입계에 편석되는 경우 상천이를 촉진하는 격자 스트레인과 점결함을 유발하기 때문으로 판단된다. 또한 이러한 Zr 또는 Zr을 포함하는 화합물이 입계에 편석됨으로써 입계의 이동을 억제하여 결정립의 크기를 미세하게 제어할 수 있다.

일반적으로 자기기록매체에 있어, 저장되는 정보의 밀도를 향상시키기 위해서는 결정립의 크기가 작아야 한다. 1개의 비트(bit)에 안정적인 정보저장을 위해서는 특정한 개수의 결정립을 필요로 한다. 이때 결정립의 크기가 작아지게 되면 비트의 크기도 작아지므로, 단위면적당 비트의 수가 증가하게 되어 기록밀도가 증가하게 된다.

그러나 결정립의 크기가 작아질수록 상온(25℃)에서 초상자성 거동(superparamagnetic limit)으로 인해 자성체가 기록을 유지하지 못할 수 있다. 따라서 이러한 문제점을 해결하기 위하여 고밀도 기록매체를 구현하기 위한 자성체는 높은 자기이방성을 가져야 한다. FePt는 높은 수직자기이방성을 가지고 있으므로 결정립 크기를 미세화를 통해 기록밀도를 증가시키기 위해 물질로서 바람직하다.

다만, 상술한 바와 같이 FePt층의 경우에는 스퍼터링법에 의해 형성한 후 열처리를 통해 규칙상인 FCT로 변화시켜야 하며, 이러한 열처리 과정에서 결정립이 조대하게 성장할 수 있다.

따라서 시편 4에서와 같이 FePt에 Zr을 첨가함으로써 열처리 과정 중에 결정립이 조대하게 성장되는 것을 억제함으로써 고밀도 기록에 유리한 자성체층을 제조할 수 있다.

도 6에는 시편 1의 열처리 시간에 따른 XRD 결과가 도시되어 있다. 도 6을 참조하면, 기판 상에 증착된 상태(as-deposited state)에는 하지층인 MgO의 (200)면과 FCC 결정구조의 FePt의 (200) 피크만이 관찰된다. 스퍼터링법에 의해 형성된 MgO층은 (200)면을 우선방위로 가지게 되며, 이렇게 (200) 우선방위를 가지는 MgO층을 하지층으로 하고 그 상부에 FePt층을 스퍼터링법으로 증착하는 경우, FCC 결정구조의 (200) 면을 우선방위로 하는 헤테로 에피택시 성장(hetero epitaxy growth)이 일어나게 된다. 이렇게 FCC 결정구조의 FePt층이 (200) 우선방위를 가지는 경우, 열처리를 통해 (001) 우선방위를 가지는 FCT 결정구조로 상천이 시킬 수 있다.

즉, 도 6에 나타낸 바와 같이, 5분 이상 열처리된 시편에서는 모두 FCT 결정구조의 (001) 및 (002) 피크가 현저하게 발달되는 것을 알 수 있다. 이러한 FCC 결정구조에서 FCT 결정구조로의 상천이는 열처리를 통해 규칙화 반응이 일어났음을 의미한다.

한편, 열처리 시간이 5분 이상으로 증가하여도 FCT 결정구조의 FePt (001) 및 (002) 피크의 위치가 변하지 않고, FCC 결정구조의 FePt (111) 피크가 나타나지 않는 것으로 보아 규칙화된 상은 구조적으로 매우 안정하며 열처리 과정이 화학적 규칙도(chemical ordering)의 정도를 감소시키지 않는다는 것을 알 수 있다.

도 7에는 시편 1의 열처리 시간에 따른 M-H 자기이력곡선이 나타나 있다. 도 7을 참조하면, 시편 1은 단 5분의 열처리만으로도 거의 완벽한 수직이방성을 나타내고 있음을 알 수 있다. 이는 이미 위에서 설명한 것과 같이, 비가용성인 Zr이 FePt층에 첨가되면서 상천이를 위한 핵생성 자리를 제공하기 때문으로 판단된다.

도 8a 내지 도 8d에는 시편 1의 열처리 시간에 따른 미세조직을 TEM 및 SAD로 관찰한 결과가 나타나 있다. EDX(energy dispersive X-ray spectrometer) 측정 결과 도 8a 내지 도 8d의 TEM 결과에서 밝은 부분은 MgO, 어두운 부분은 FePt 입자(즉, 결정립)을 나타내었다. TEM 결과를 이용하여 FePt 결정립의 크기를 측정할 수 있었으며, 도 9에는 시편 1의 열처리 시간에 따른 FePt 결정립 크기의 변화가 도시되어 있다. 시편 2 및 시편 3의 경우에도 같은 방법으로 FePt 결정립 크기를 측정하였으며, 도 9에 이를 같이 나타내었다.

도 9를 참조하면, 시편 1의 경우, 5분간의 열처리 후에 FePt의 평균 입자크기는 약 8nm이며, 열처리 시간이 증가할수록 평균입자의 크기는 점점 증가하여 60분 열처리 하였을 경우 약 18nm 이었다. SAD 패턴의 결과로부터 (110) 초격자 회절패턴(superlattice diffraction pattern)이 나타난 것을 확인 할 수 있으며, 이는 열처리가 진행된 시편 모두에서 규칙상이 형성되었음을 나타낸다.

도 10a 및 도 10b에는 각각 시편 1과 시편 4를 10분간 열처리하였을 경우의 미세조직을 비교한 결과가 나타나 있다. 도 10a에서 확인할 수 있듯이, 시편 1의 경우에는 시편 4와 달리 FePt 입자(어두운 부분)를 MgO 매트릭스(밝은 부분)가 둘러싸고 있음을 알 수 있다.

FePt를 실제 고밀도 자기기록매체에 응용하기 위해서는 FePt 입자 각각이 비자성 물질에 의해 둘러싸인 구조(decoupled structure)를 가져야 한다. 시편 1의 경우에는 FePt 입자가 비자성체인 MgO에 의해 둘러싸여 상호 분리되는 구조를 보이고 있으며, 따라서 고밀도 자기기록매체를 구현하기에 적합함을 알 수 있다. 이러한 시편 1의 미세조직은 열처리 과정에서 MgO층과 FePt층이 순차적으로 적층된 다층구조가 무너지면서 발현되는 것으로 판단된다.

도 11에는 시편 2의 열처리 시간에 따른 XRD 결과가 도시되어 있다. 기판 상에 증착된 상태(as-deposited state)에서는 도 6과 마찬가지로 MgO의 (200) 피크와 FCC 결정구조를 가지는 FePt의 (200) 피크만이 관찰된다. 그러나 5분간 열처리를 수행한 경우, FCT 결정구조를 가지는 FePt의 (001) 및 (002) 피크가 명백하게 나타남을 알 수 있다. 이로부터 시편 2의 경우에도 5분간의 열처리만으로도 (001) 우선방위가 현저하게 발달된 FCT 결정구조를 얻을 수 있음을 알 수 있다. 이렇게 열처리를 통해 얻은 FCT 결정구조는 0.9 이상의 규칙화 상수(ordering parameter)값을 얻을 수 있었다.

한편, 도 11에 나타난 바와 같이, 열처리 시간이 경과할수록 FCT 결정구조의 FePt의 (001) 피크가 다소 오른쪽으로 이동하여 더 큰 2-theta 값을 보임을 알 수 있다. 이는 Cu 원자가 FePt 단위격자 중 Fe 원자를 치환하며 고용됨에 따라 FePt 단위격자의 c-축 격자상수가 감소하게 되어 c/a비가 약 0.93으로서 순수한 FePt에 비해 더 작아지기 때문으로 판단된다.

한편, 열처리 시간인 30분이 경우에는 FCC 결정구조의 (111) 피크가 나타나는 현상을 관찰할 수 있었으며, 이로 인해 도 12에 도시된 것과 같이 M-H 자기이력곡선에서 약 0.89 kOe의 수평방향 보자력이 나타났다. 이로부터 시편 2의 경우에는 30분 이상 열처리하는 경우에는 FCT 결정구조의 (001) 우선방위 발달에 유리하지 않을 것으로 판단되었다.

도 13a 내지 도 13d에는 열처리 시간에 따른 시편 2의 미세조직을 TEM 및 SAD로 관찰한 결과가 나타나 있다. 시편 2 역시 시편 1과 마찬가지로 FePt 결정립(어두운 부분)이 MgO(밝은 부분)으로 둘러싸여 있음을 알 수 있다. 도 9에 나타낸 바와 같이, FePt의 결정립 크기는 5분간의 열처리 후에 FePt의 평균 입자크기는 약 12.5nm이며, 열처리 시간이 증가할수록 평균입자의 크기는 점점 증가하여 60분 열처리 하였을 경우 약 20nm 이었다. 또한 SAD 패턴 결과로부터 열처리된 모든 경우에 (110) 초격자 회절패턴을 보임에 따라 규칙상으로 천이되었음과 FePt와 MgO 간에 집합조직 성장방향의 관계가 FePt(001)[110]//MgO(001)[001]임을 나타내고 있다.

도 9에 나타나 있듯이, 시편 2의 경우도 순수한 FePt에 비해 결정립의 크기가 미세하였으며, 열처리 시간에 경과함에 따라 결정립의 성장이 억제되는 현상을 나타내었다.

도 14a 내지 도 14c 및 도 15a 내지 도 15c에는 시편 1 및 시편 2의 자기적 특성을 비교한 그래프가 나타나 있다.

도 14a 내지 도 14c를 참조하면, 시편 1 및 시편 2 모두 열처리 시간이 5분에 불과한 경우라도 모두 수직이방성이 나타남에 따라 빠른 규칙화 반응속도를 나타내었다.

시편 2의 경우 도 14c에 나타낸 바와 같이, Cu가 Fe와 치환고용되면서 비교적 높은 포화자화 값을 나타내는 Fe의 함량을 감소시키기 때문에, 포화자화(Ms) 값은 감소하는 경향을 나타내었다. 또한 도 14b에 나타낸 바와 같이, Cu의 첨가는 Fe를 치환하면서 FePt의 자기이방성을 감소시키기 때문에, 시편 2의 자기이방성에너지(Ku)가 시편 1에 비해 약 30% 감소한 모습을 보이고 있다.

이러한 자기이방성에너지의 감소는 일반적으로 보자력의 감소를 유발하게 된다. 그럼에도 도 14a에서 확인할 수 있듯이 시편 2는 수직방향 보자력이 500 Oe 이상 3000 Oe 이하의 범위로서 시편 1과 유사한 수준의 수직방향 보자력을 나타냄을 알 수 있다. 이는 시편 2가 우수한 (001) 우선방위의 집합조직 및 높은 화학적 규칙도를 가지기 때문으로 판단된다.

도 15a에는 시편 1과 시편 2의 c/a 비가 나타나있다. 도 15a를 참조하면, Cu가 첨가된 시편 2의 c/a 비가 시편 1에 비해 더 작은 값을 나타내며, 이는 이미 위에서 설명한 바와 같이 격자상수 a가 Cu의 첨가로 인해 증가되고 반면 격자상수 c는 감소하기 때문이다.

이러한 격자상수 a의 증가는 하지층인 MgO와 격자불합치(lattice mismatch)를 약 8.5%에서 7.37%로 감소시키게 된다. 이러한 격자불합치의 감소는 이종물질간의 계면에서의 헤테로 에피택시 성장에 유리하다. 따라서 도 15b에서와 같이, Cu가 첨가된 시편 2가 시편 1에 비해 월등한 (001) 우선방위 계수(texture coefficient)를 나타내게 된다.

또한 c/a 비가 감소함에 따라 FePt는 비규칙상을 갖는 FCC 구조에서 규칙상을 갖는 FCT 구조로의 규칙화 반응이 더 잘 일어나게 됨에 따라 시편 2는 시편 1에 비해 약 6% 정도 증가된 규칙화 상수(ordering parameter)를 나타내게 된다.

이와 같이 시편 2의 경우는 하지층인 MgO의 영향과 FePt층에 치환고용된 Cu의 영향이 서로 결합함으로써 FCT 결정구조의 (001) 우선방위가 발달되고 화학적 규칙도가 증가되는 현상을 보이며, 따라서 자기이방성의 감소에도 불구하고 시편 1과 유사한 정도의 보자력을 그대로 유지하게 되는 것이다.

이로부터 시편 2의 경우에는 Zr의 첨가에 의해 기인한 미세 결정립 구조 및 빠른 규칙화 속도를 가지며, 여기에 Cu의 첨가에 따른 FCT 결정구조의 (001) 우선방위 발달과 화학적 규칙도의 증가효과까지 더해짐으로써 종래에 비해 월등한 기록밀도를 구현할 수 있는 고밀도 수직자기기록매체로서 응용될 수 있다.

도 16에는 시편 2의 온도에 따른 포화자화(Ms) 값의 변화를 나타내었다. 도 17를 참조하면, 시편 2의 큐리온도는 순수한 FePt의 큐리온도인 750K(477℃)에 비해 낮은 약 145K나 낮은 605K(332℃)를 가지고 있다. 이러한 현상 또한 Cu의 치환고용에 기인한 것으로 판단된다. 즉, 일반적으로 규칙화가 일어난 FePt는 Fe-Fe 모멘트가 강자성결합(ferromagnetic coupling)을 하게 된다. 이때 Cu가 Fe의 일부를 치환하는 경우 c축 값이 감소하면서 Fe-Fe 원자거리가 가까워짐에 따라 도 17의 Bethe-Slater 곡선으로부터 확인할 수 있듯이, Fe-Fe 간의 교환결합(exchange interaction)이 감소하게 된다. 따라서 외부로부터 가해지는 열에너지에 대해 모멘트 정렬이 용이하게 깨지게 되므로 큐리온도가 감소하게 된다.

이러한 큐리온도의 감소는 HAMR(heat assisted magnetic recording) 기술에 응용하기 유리한 특성이다. FePt는 높은 수직자기이방성을 가지므로 종래의 기록 헤드를 이용해서 정보를 저장하기 곤란하다. 따라서 정보를 기록하는 단계에서 자성체층에 국부적으로 열을 가하여 자기이방성을 감소시켜 보자력을 낮춘 후 정보를 기록하게 된다. 이때 자성체의 큐리온도가 지나치게 높을 경우 기록과정에 높은 열에너지가 필요한 문제점이 있다. 순수한 FePt의 큐리온도인 750K는 HAMR 기술을 적용하기에 매우 높은 값이므로 이를 적절한 값으로 낮추는 것이 필요하다.

시편 2의 경우에는 Cu의 첨가로 인해 큐리온도가 순수한 FePt에 비해 약 145K 낮은 큐리온도를 가지고 있으므로 이러한 HAMR 기술을 적용하기에 매우 유리하다.

이로부터 본 발명의 일실시예를 따르는 자기기록매체는 FePt에 Cu를 치환고용시킴으로써 고밀도 자기기록매체의 기록밀도를 증가시킬 뿐만 아니라, 이를 자성체에 기록하는 단계로 용이하게 수행하게 할 수 있는 특성을 지니고 있음을 알 수 있다.

발명의 특정 실시예들에 대한 이상의 설명은 예시 및 설명을 목적으로 제공되었다. 따라서 본 발명은 상기 실시예들에 한정되지 않으며, 본 발명의 기술적 사상 내에서 해당 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의하여 상기 실시예들을 조합하여 실시하는 등 여러 가지 많은 수정 및 변경이 가능함은 명백하다.

100: 자기기록매체
101: 하지층
102: 자성체층
103: 기판

Claims

기판 상에 형성된 MgO층을 포함하는 하지층; 및
상기 하지층 상에 형성된 자성체층을 포함하고,
상기 자성체층은 수직한 방향으로 자기이방성을 가지고, Zr 및 Cu가 함유된 단위격자가 L1₀형 FCT 결정구조를 가지는 복수의 FePt 결정립들로 구성되며, 상기 FePt 결정립들은 MgO로 둘러싸인 형태인, 자기기록매체.
삭제
삭제
삭제
제 1 항에 있어서,
상기 Cu는 상기 단위격자를 이루는 Fe 자리의 일부를 치환하며 배열되는, 자기기록매체.
제 5 항에 있어서,
상기 Cu의 함량은 원자분률로 5 내지 15% 범위인, 자기기록매체.
제 1 항에 있어서,
상기 MgO층은 NaCl 구조로서 (200) 우선방위를 가지는, 자기기록매체.
제 1 항에 있어서,
상기 자성체층은 (001) 우선방위를 가지는, 자기기록매체.
제 8 항에 있어서,
상기 (001) 우선방위의 우선방위계수는 0.9 이상인, 자기기록매체.
삭제
제 1 항에 있어서,
상기 FePt 결정립들의 평균 크기는 12.5 nm 이상 20nm 이하의 범위인, 자기기록매체.
제 1 항에 있어서,
상기 자성체층의 수직방향으로의 보자력이 500 Oe 이상 3000 Oe 이하의 범위인, 자기기록매체.
제 1 항에 있어서,
상기 자성체층의 큐리온도가 605K 이하인, 자기기록매체.
기판을 제공하는 단계;
상기 기판 상에 MgO층을 포함하는 하지층을 형성하는 단계;
상기 하지층 상에 Fe, Pt, Zr 및 Cu를 포함하는 자성체층을 형성하는 단계; 및
열처리를 수행하는 단계;
를 포함하며,
상기 열처리를 통해, 상기 자성체층은 수직한 방향으로 자기이방성을 가지고, Zr 및 Cu가 함유된 단위격자가 L1₀형 FCT 결정구조를 가지는 복수의 FePt 결정립들로 구성되며, 상기 FePt 결정립들은 MgO로 둘러싸인 형태를 가지는, 자기기록매체 제조방법.
삭제
제 14 항에 있어서,
상기 자성체층을 형성하는 단계는 Fe, Pt, Zr 및 Cu를 포함하는 타겟을 이용한 스터퍼링법으로 형성하는, 자기기록매체 제조방법.
제 14 항에 있어서,
상기 열처리는 500℃ 이상 650℃ 이하의 온도범위에서 수행되는, 자기기록매체 제조방법.
제 17 항에 있어서,
상기 열처리의 수행시간은 5분 이상 30분 미만인, 자기기록매체 제조방법.