TW201912410A - 具有石墨烯保護層的磁性紀錄元件及其製作方法 - Google Patents

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Abstract

一種磁性紀錄元件，包含有：一基底；一中間層，設於該基底上；一磁性紀錄層，設於該中間層上；一石墨烯保護層，設於該磁性紀錄層上，其中所述石墨烯保護層包含至少一層的石墨烯單原子層，其係以sp2鍵合的碳原子的片狀單原子層；以及一過渡層，介於所述石墨烯保護層與所述磁性紀錄層之間，其中所述過渡層包含碳以及所述磁性紀錄層中的至少一金屬。

Description

具有石墨烯保護層的磁性紀錄元件及其製作方法
本發明係有關於磁性紀錄（magnetic recording）技術領域，特別是有關於一種具有石墨烯保護層(graphene overcoat)的磁性紀錄元件(magnetic recording device)及其製作方法。
硬碟機(hard disk drive)是電腦上以磁性紀錄資訊的非揮發性儲存裝置，其通常包括數片高速轉動的碟片(platter)及放在致動器懸臂上的磁頭(read/write head)。通過離磁性表面很近的磁頭，可以利用電磁流改變極性方式將資訊寫到碟片上，而以相反的方式，例如磁頭經過紀錄資料的上方時磁場導致線圈中電氣訊號的改變，可以讀取資訊。
已知，要改善磁頭/碟片讀寫效能，除了碟片中的磁性紀錄層的合金設計以外，進一步降低磁頭/碟片的讀寫間距或磁頭飛行高度(head flying height)是硬碟機達到超高磁錄密度的關鍵技術之一。磁頭飛行高度是指磁頭到磁性紀錄層上表面的距離，這中間通常還包括一層類鑽碳膜(diamond-like carbon film)的厚度。此類鑽碳膜是以電漿輔助氣相沉積法(PECVD)形成的高硬度非晶碳（amorphous carbon，α-C）層，用來保護碟片中的磁性紀錄層，並提供耐腐蝕及磨潤(tribology)等特性。
過去已有許多研究透過改善類鑽碳膜保護層的特性來降低其厚度，以增進讀寫特性及記錄密度。然而，當類鑽碳膜保護層的厚度降低到小於或等於2奈米(nm)以下時，將嚴重考驗其磨潤及腐蝕耐久性。因此，目前該技術領域仍需要一種改良的磁性紀錄元件及製作方法，以解決先前技藝的不足與缺點。
本發明的主要目的即在提供一種改良的磁性紀錄元件，具有單原子厚度的石墨烯保護層，能夠有效保護碟片中的磁性紀錄層並降低硬碟機中的磁頭/碟片的讀寫間距或磁頭飛行高度。
本發明的另一目的在提供一種具有石墨烯保護層磁性紀錄元件的製作方法，僅需在原本磁性紀錄元件的製程中加入一道雷射製程，具有低成本、可工業級生產及應用等優點。
根據本發明一實施例，披露了一種磁性紀錄元件，包含有：一基底；一中間層，設於該基底上；一磁性紀錄層，設於該中間層上；一石墨烯保護層，設於該磁性紀錄層上，其中所述石墨烯保護層包含至少一層的石墨烯單原子層，其係以sp2鍵合的碳原子的片狀單原子層；以及一過渡層，介於所述石墨烯保護層與所述磁性紀錄層之間，其中所述過渡層包含碳以及所述磁性紀錄層中的至少一金屬。
本發明另一方面披露了一種製作磁性紀錄元件的方法，包含有：提供一層疊結構，包括一基底、一中間層、一磁性紀錄層以及一類鑽碳膜；將所述層疊結構置於一密閉的真空腔中，並且將所述真空腔抽至真空；將一雷射光束照射並加熱所述類鑽碳膜的一預定區域；以及將所述雷射光束移離所述預定區域，於所述磁性紀錄層上表面析出一石墨烯保護層。最後將所述層疊結構從所述真空腔中取出，再於所述石墨烯保護層的上表面形成一潤滑層。其中所述雷射光束提供一足夠的能量，超過一能量轉化屏障，將被所述雷射光束照射到的區域內的所述類鑽碳膜的碳原子暫時地溶入到所述磁性紀錄層的表層中。
根據本發明實施例，所述真空腔內的真空度小於10-4 mbar。所述雷射光束是一連續波雷射，其波長是808nm。所述雷射光束的強度小於或等於0.1W/mm2 。
為讓本發明之上述目的、特徵及優點能更明顯易懂，下文特舉較佳實施方式，並配合所附圖式，作詳細說明如下。然而如下之較佳實施方式與圖式僅供參考與說明用，並非用來對本發明加以限制者。
在本發明的以下詳細描述中，所參考的圖式亦構成說明書的一部分，其例示出可具體實踐本發明的實施例。這些實施例已描述足夠的細節以使本領域的技術人員能夠實踐本發明。其它實施例可以被利用，並且可以做出結構，邏輯和電性上的變化而不脫離本發明的範圍。因此下面的詳細說明不應被視為具有限制意義，並且本發明的範圍是由所附申請專利範圍而定。
本發明係有關於一種改良的磁性紀錄元件，具有單原子厚度的石墨烯保護層，其連續且完整的覆蓋碟片中的磁性紀錄層的全部上表面，能有效保護碟片中的磁性紀錄層並降低硬碟機中的磁頭/碟片的讀寫間距（或磁頭飛行高度）。本發明另一方面提供了一種具有石墨烯保護層磁性紀錄元件的製作方法，僅需在原本磁性紀錄元件的製程中加入一道雷射照射製程，即可直接在磁性紀錄層的表面上形成石墨烯保護層，故本發明實施例所揭露的方法能與磁性紀錄元件的製程相容且不會影響到磁性紀錄層的特性，具有低成本及可工業級大量生產及應用等優點。
目前硬碟所採用的磁記錄技術，主要分為垂直磁紀錄（Perpendicular Magnetic Recording，PMR）與疊瓦式磁記錄（Shingled Magnetic Recording，SMR）兩種類型，面對磁記錄密度提升這項物理極限挑戰，較常被提及的下一代技術是熱輔助磁記錄技術（Heat Assisted Magnetic Recording，HAMR）。HARM技術是利用雷射加熱，讓碟片可以產生磁性的單位面積變得更小，因為提高溫度可以縮小磁性顆粒產生超順磁性（superparamagnetism）的臨界大小，藉以提升碟片在單位面積中的讀寫密度。HARM技術是在2006年由Fujitsu率先提出，其通常使用到鉑鐵合金之類的高磁性穩定材質。
磁頭是磁碟機的重要部件，它在碟片上方移動並將磁場轉換為電流（進行讀取），或反之，將電流轉換為磁場（進行寫入）。以下，用語“磁頭飛行高度”、“懸浮高度”或“磁頭/碟片的讀寫間距”係指硬碟上的磁頭到碟片中的磁性紀錄層表面的距離。以下，用語＂石墨烯(graphene)＂係指由碳原子以sp2鍵合形成的蜂窩狀晶格平面結構，其厚度僅有一個碳原子大小厚。用語＂多層石墨烯（multilayer graphen e）＂是由單層以上的石墨烯堆疊而成的層狀結構，層與層間透過凡得瓦力鍵結。
傳統上，可以利用機械剝離法(exfoliation)或化學氣相沉積法(CVD)來製造石墨烯，但是機械剝離法難以控制石墨烯的大小及厚度，而化學氣相沉積法需要攝氏1000度以上的高溫，且轉移石墨烯時易遭汙染。由此可知，習知製作的石墨烯的方法並不適合用於磁性紀錄元件的量產，且成本太高。本發明可以解決先前技藝的不足與缺點。
請參閱第1圖，其為依據本發明實施例所繪示的磁性紀錄元件的剖面示意圖。如第1圖所示，磁性紀錄元件1包含一基底100，例如，玻璃基底、鋁、鋁合金或鋁鎂合金基底，但不限於此。在基底100上依序設置一中間層101、一磁性紀錄層106以及一石墨烯保護層108。在某些實施例中，還可以包含一潤滑層110，在石墨烯保護層108上。在某些實施例中，中間層101還可以被區分成一底層102以及一界面層104，但不限於此。例如，底層102可以由一軟磁性材料（soft magnetic material）所構成，但不限於此。界面層104可以包括，但不限於，Co、Pt、Cr、Ru、Ti、TiN、Ni、Ag、其任何組合或其合金。在某些實施例中，中間層101還可以包含一晶種層（seed layer）。
根據本發明一實施例，中間層101係用於使磁性紀錄層106成為c軸取向的柱狀晶體的層，可以由Ru或Ru合金所構成，其中Ru合金可以例如是RuCo、RuAl、RuMn、RuMo、RuFe合金，但不限於此。例如，Ru合金中的Ru含量可以為50原子百分比以上，且90原子百分比以下。例如，中間層101的膜厚約為30nm以下。磁性紀錄層106可以是由易磁化軸朝向垂直於基底100的主表面方向的磁性膜所構成（垂直磁性記錄層）。例如，磁性紀錄層106可以包含Co、Pt或其合金，但不限於此。此外，磁性紀錄層106中可以添加Cr、B、Cu、Ta、Zr、Ru、氧化物等，其中所述氧化物可以例如是SiO2 、SiO、Cr2 O3 、CoO、Co3 O4 、Ta2 O3 、TiO2 、B2 O3 等。
根據本發明另一實施例，中間層101可以包括Cr、Ru或其合金。磁性紀錄層106可以包含Fe、Pt、Ni或其合金，但不限於此。例如，磁性紀錄層106可以是磁性晶粒被SiO2 的晶界分隔了的粒狀結構。除了SiO2 之外，可以使用TiO2 、Al2 O3 、Ta2 O5 、ZrO2 、MnO、TiO、ZnO或其組合，作為晶界相（grain boundary phase）。
根據本發明實施例，石墨烯保護層108可以包含至少一層的石墨烯單原子層，其係以sp2鍵合的碳原子的片狀單原子層。例如，石墨烯保護層108可以包含1~10層的石墨烯單原子層。例如，較佳，石墨烯保護層108可以包含1~5層的石墨烯單原子層，較佳為1~2層的石墨烯單原子層。根據本發明實施例，以單一層的石墨烯單原子層為例，其表面摩擦係數（coefficient of friction）可以小於約0.2。
根據本發明一實施例，單一層的石墨烯單原子層的厚度約為0.345nm。根據本發明一實施例，若石墨烯保護層108是由兩層或兩層以上的石墨烯單原子層所構成，其中石墨烯單原子層之間的層距可以約為0.345nm，但不限於此。根據本發明一實施例，石墨烯保護層108的厚度小於或等於2nm。根據本發明另一實施例，石墨烯保護層108的厚度小於或等於1.5nm。根據本發明又另一實施例，石墨烯保護層108的厚度小於或等於1.0nm。
根據本發明實施例，石墨烯保護層108連續且完整的覆蓋住磁性紀錄層106的上表面。根據本發明一實施例，如第1圖中右側的放大圖所示，石墨烯保護層108與磁性紀錄層106之間可以有一過渡層107，例如，摻雜少量碳原子的合金層，例如，Co/Pt/Cr/C的混合層，其中碳原子的含量小於0.6原子百分比，過渡層107能增強石墨烯保護層與磁性紀錄層之間的黏著力。根據本發明一實施例，過渡層107的厚度小於或等於1.0nm。根據本發明一實施例，過渡層107的厚度小於或等於0.5nm。值得注意的是，根據本發明實施例，在石墨烯保護層108與磁性紀錄層106之間，不需要另外形成任何的成核層（nucleation layer）或蓋層（capping layer），這使得磁頭飛行高度可以更小。
根據本發明一實施例，潤滑層110可以形成在石墨烯保護層108。例如，潤滑層110可以包含全氟聚醚（perfluoropolyether）或其類似物。根據本發明一實施例，潤滑層110的厚度約為1nm。根據本發明另一實施例，潤滑層110的厚度小於1nm。
請參閱第2圖至第5圖，其為依據本發明實施例所繪示的製作磁性紀錄元件的方法剖面示意圖，其中相同的區域、層或元件仍沿用相同的符號來表示。如第2圖所示，提供一層疊結構10，包括一基底100、一中間層101、一磁性紀錄層106以及一類鑽碳膜202。根據本發明一實施例，基底100可以是，例如，玻璃基底、鋁、鋁合金或鋁鎂合金基底，但不限於此。
根據本發明一實施例，中間層101係用於使磁性紀錄層106成為c軸取向的柱狀晶體的層，可以由Ru或Ru合金所構成，其中Ru合金可以例如是RuCo、RuAl、RuMn、RuMo、RuFe合金，但不限於此。例如，Ru合金中的Ru含量可以為50原子百分比以上，且90原子百分比以下。例如，中間層101的膜厚約為30nm以下。磁性紀錄層106可以是由易磁化軸朝向垂直於基底100的主表面方向的磁性膜所構成（垂直磁性記錄層）。例如，磁性紀錄層106可以包含Co、Pt或其合金，但不限於此。此外，磁性紀錄層106中可以添加Cr、B、Cu、Ta、Zr、Ru、氧化物等，其中所述氧化物可以例如是SiO2 、SiO、Cr2 O3 、CoO、Co3 O4 、Ta2 O3 、TiO2 、B2 O3 等。
根據本發明另一實施例，中間層101可以包括Cr、Ru或其合金。磁性紀錄層106可以包含Fe、Pt、Ni或其合金，但不限於此。例如，磁性紀錄層106可以是磁性晶粒被SiO2 的晶界分隔了的粒狀結構。除了SiO2之外，可以使用TiO2 、Al2 O3 、Ta2 O5 、ZrO2 、MnO、TiO、ZnO或其組合，作為晶界相（grain boundary phase）。
根據本發明一實施例，類鑽碳膜202可以是利用電漿輔助氣相沉積法(PECVD)形成，但不限於此。在其它實施例中，類鑽碳膜202可以是利用不同方法形成，例如，濺鍍法。根據本發明一實施例，類鑽碳膜202具有一厚度d1 ，其中厚度d1 可以介於0.5nm至5.0nm之間。根據本發明另一實施例，厚度d1 可以介於1.0nm至3.0nm之間。根據本發明一實施例，類鑽碳膜202直接接觸磁性紀錄層106的上表面。
如第3圖所示，接著將層疊結構10置於一密閉的真空腔20中，並且將真空腔20抽至真空，例如，真空度小於10-4 mbar。然後，在上述真空環境下，經由一雷射光源300將一雷射光束310打至類鑽碳膜202上。根據本發明一實施例，雷射光束310可以是一連續波（continuous wave）雷射，其波長可以是例如808nm，但不限於此。在其它實施例中，亦可以採用脈衝雷射。
根據本發明一實施例，雷射光束310的強度可以小於或等於0.1W/mm2 。在此條件下，雷射光束310可以提供足夠的能量，超過一能量轉化屏障，將被雷射光束310照射到的區域內的類鑽碳膜202的碳原子暫時地溶入到磁性紀錄層106表層中，後續將雷射光束310移至其他區域照射時，此原本被照射的區域將冷卻下來，使得溶入到磁性紀錄層106表層中的碳原子在磁性紀錄層106上表面被析出，形成一局部石墨烯保護層108a，其包含一層或多層的石墨烯單原子層。
根據本發明一實施例，局部石墨烯保護層108a具有一厚度d2 ，其中厚度d2 小於類鑽碳膜202的厚度d1 。根據本發明一實施例，厚度d2 小於或等於2nm。
如第4圖所示，藉由循序的將雷射光束310掃瞄照射類鑽碳膜202，如此於磁性紀錄層106上表面形成一大面積且高品質的石墨烯保護層108，其連續且完整的覆蓋住磁性紀錄層106的上表面。根據本發明一實施例，如第1圖中右側的放大圖所示，石墨烯保護層108與磁性紀錄層106之間可以有一過渡層107，例如，摻雜少量碳原子的合金層，例如，Co/Pt/Cr/C的混合層，其中碳原子的含量小於0.6原子百分比，過渡層107能增強石墨烯保護層與磁性紀錄層之間的黏著力。前述的雷射誘發石墨烯成長過程，可以包括雷射加熱-碳溶入-冷卻-碳析出-形成sp2鍵結等不同階段。
由於磁性紀錄層106的表層中的Co或者Fe等金屬可以一起扮演催化劑的角色，降低能量轉化屏障，因此，本發明可以採用低強度（小於或等於0.1W/mm2 ）的雷射光束，即可將被雷射光束310照射到的區域內的類鑽碳膜202的碳原子溶入磁性紀錄層106表層中，其中被雷射光束310照射到的區域內的局部溫度可以被控制在500℃以下，或者200℃以下，故不會影響到磁性紀錄層106的磁特性。此外，真空環境也起了關鍵的作用，因為透過實驗結果發現，若不抽真空，則不會有石墨烯保護層108形成在磁性紀錄層106的上表面。
從實驗結果顯示，即使在10- ２ mbar的氮氣氣氛下進行上述相同的步驟，透過拉曼光譜分析仍沒有發現石墨烯的訊號，因此申請人判斷壓力應該是重要的因素。
如第5圖所示，在以雷射光束310完整掃瞄完磁性紀錄層106的上表面之後，即形成大面積的高品質石墨烯保護層108，其連續且完整的覆蓋住磁性紀錄層106的上表面。
石墨烯保護層108可以包含至少一層的石墨烯單原子層，其係以sp2鍵合的碳原子的片狀單原子層。例如，石墨烯保護層108可以包含1~10層的石墨烯單原子層。例如，較佳，石墨烯保護層108可以包含1~5層的石墨烯單原子層，較佳為1~2層的石墨烯單原子層。根據本發明實施例，以單一層的石墨烯單原子層為例，其摩擦係數可以小於約0.2。
根據本發明一實施例，單一層的石墨烯單原子層的厚度約為0.345nm。根據本發明一實施例，若石墨烯保護層108是由兩層或兩層以上的石墨烯單原子層所構成，其中石墨烯單原子層之間的層距可以約為0.345nm，但不限於此。根據本發明一實施例，石墨烯保護層108的厚度小於或等於2nm。根據本發明另一實施例，石墨烯保護層108的厚度小於或等於1.5nm。根據本發明又另一實施例，石墨烯保護層108的厚度小於或等於1.0nm。
隨後將層疊結構10從真空腔20中取出，再於石墨烯保護層108的上表面形成一潤滑層110，例如，全氟聚醚（perfluoropolyether）或其類似物，即完成磁性紀錄元件1的製作。
在結構上，如第1圖所示，磁性紀錄元件1，包含有一基底100、一中間層101，設於基底100上、一磁性紀錄層106，設於中間層101上、一石墨烯保護層108，設於磁性紀錄層106上，以及一過渡層107，介於石墨烯保護層108與磁性紀錄層106之間，其中過渡層107包含碳以及磁性紀錄層108中的至少一金屬。
以上所述僅為本發明之較佳實施例，凡依本發明申請專利範圍所做之均等變化與修飾，皆應屬本發明之涵蓋範圍。
1‧‧‧磁性紀錄元件
10‧‧‧層疊結構
20‧‧‧真空腔
100‧‧‧基底
101‧‧‧中間層
102‧‧‧底層
104‧‧‧界面層
106‧‧‧磁性紀錄層
107‧‧‧過渡層
108‧‧‧石墨烯保護層
108a‧‧‧局部石墨烯保護層
110‧‧‧潤滑層
202‧‧‧類鑽碳膜
300‧‧‧雷射光源
310‧‧‧雷射光束
d1、d2‧‧‧厚度
第1圖為依據本發明實施例所繪示的磁性紀錄元件的剖面示意圖。
第2圖至第5圖為依據本發明實施例所繪示的製作磁性紀錄元件的方法剖面示意圖。

Claims (20)

  1. 一種磁性紀錄元件，包含有： 一基底； 一中間層，設於該基底上； 一磁性紀錄層，設於該中間層上； 一石墨烯保護層，設於該磁性紀錄層上，其中所述石墨烯保護層包含至少一層的石墨烯單原子層，其係以sp2鍵合的碳原子的片狀單原子層；以及 一過渡層，介於所述石墨烯保護層與所述磁性紀錄層之間，其中所述過渡層包含碳以及所述磁性紀錄層中的至少一金屬，其中所述過渡層直接接觸所述石墨烯保護層，且所述過渡層直接接觸所述磁性紀錄層。
  2. 如請求項1所述的磁性紀錄元件，其中所述中間層包含一底層以及一界面層。
  3. 如請求項2所述的磁性紀錄元件，其中所述底層由一軟磁性材料所構成。
  4. 如請求項2所述的磁性紀錄元件，其中所述界面層包含Co、Pt、Cr、Ru、Ti、TiN、Ni、Ag、其任何組合或其合金。
  5. 如請求項1所述的磁性紀錄元件，其中所述中間層包含Ru或Ru合金，磁性紀錄層包含Co、Pt或其合金。
  6. 如請求項1所述的磁性紀錄元件，其中所述中間層包含Cr、Ru或其合金，磁性紀錄層包含Fe、Pt、Ni或其合金。
  7. 如請求項1所述的磁性紀錄元件，其中所述石墨烯保護層包含1~5層的所述石墨烯單原子層。
  8. 如請求項7所述的磁性紀錄元件，其中所述石墨烯單原子層之間的層距約為0.353nm。
  9. 如請求項1所述的磁性紀錄元件，其中所述石墨烯保護層的厚度小於或等於2nm。
  10. 如請求項1所述的磁性紀錄元件，其中另包含： 一潤滑層，在所述石墨烯保護層上。
  11. 一種製作磁性紀錄元件的方法，包含有： 提供一層疊結構，包括一基底、一中間層、一磁性紀錄層以及一類鑽碳膜； 將所述層疊結構置於一密閉的真空腔中，並且將所述真空腔抽至真空； 將一雷射光束照射並加熱所述類鑽碳膜的一預定區域；以及 將所述雷射光束移離所述預定區域，於所述磁性紀錄層上表面析出一石墨烯保護層。
  12. 如請求項11所述的製作磁性紀錄元件的方法，其中所述類鑽碳膜是利用一電漿輔助氣相沉積法(PECVD)形成。
  13. 如請求項11所述的製作磁性紀錄元件的方法，其中所述類鑽碳膜具有一第一厚度，其中所述第一厚度介於0.5nm至5nm之間。
  14. 如請求項13所述的製作磁性紀錄元件的方法，其中所述石墨烯保護層具有一第二厚度，其中所述第二厚度小於所述第一厚度。
  15. 如請求項14所述的製作磁性紀錄元件的方法，其中所述第二厚度小於或等於2nm。
  16. 如請求項11所述的製作磁性紀錄元件的方法，其中所述真空腔內的真空度小於10-4 mbar。
  17. 如請求項11所述的製作磁性紀錄元件的方法，其中所述雷射光束是一連續波雷射，其波長是808nm。
  18. 如請求項17所述的製作磁性紀錄元件的方法，其中所述雷射光束的強度小於或等於0.1W/mm2 。
  19. 如請求項11所述的製作磁性紀錄元件的方法，其中所述雷射光束提供一足夠的能量，超過一能量轉化屏障，將被所述雷射光束照射到的區域內的所述類鑽碳膜的碳原子暫時地溶入到所述磁性紀錄層的表層中。
  20. 如請求項11所述的製作磁性紀錄元件的方法，其中另包含： 將所述層疊結構從所述真空腔中取出，再於所述石墨烯保護層的上表面形成一潤滑層。
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