TWI381403B - 非序化合金的序化方法及由其方法所製得之磁性材料 - Google Patents

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Description

非序化合金的序化方法及由其方法所製得之磁性材料
本發明是有關於一種相變化的方法，特別是指一種非序化合金(disordered alloy)的序化方法及由其方法所製得之磁性材料。
在垂直磁性記錄式(perpendicular magnetic recording，簡稱PMR)媒體的應用中，呈序化相(ordered phase，簡稱L10 相)的FePt合金因具備有優異的磁異向性能(magnetocrystalline anisotropy energy，Ku)，而使得其得以成為垂直記錄媒體之磁性記錄材料的最佳選擇。然而，一般FePt合金薄膜的序化溫度需高達550℃；因此，導致垂直記錄媒體被整合至積體電路(integrated circuit，簡稱IC)的製程受到了阻礙。
參圖1，TWI00312151揭示有一種傳統之垂直記錄媒體1，包含：一基材11、一形成於該基材11上且是由Cr、Ag、其合金或其化合物所構成之底層12、一形成於該底層12上且是由Pt所構成之厚度約2nm的緩衝層13，及一摻雜(doped)有Ag之FePt合金且厚度約20nm的磁性記錄層14。該傳統之垂直記錄媒體1的磁性記錄層14主要是在450℃的基材溫度下被序化，並藉由調整該底層12的厚度(介於0nm~110nm之間)來改變該磁性記錄層14之矯頑磁場(coercive field，簡稱Hc)。在不同厚度之底層12的條件下，該傳統之垂直記錄媒體1的矯頑磁場(Hc)是介於2.0kOe~4.5kOe之間。
該傳統之垂直記錄媒體1的磁性記錄層14之序化溫度仍需高達450℃，雖已自550℃下降約100℃。然而，對於被整合至積體電路而言，450℃的序化溫度仍存在有不利於積體電路之元件性能的問題。
經上述說明可知，降低垂直記錄媒體用之磁性合金的序化溫度以使其得以被整合至積體電路中，是此技術領域者所待突破的難題。
因此，本發明之目的，即在提供一種非序化合金的序化方法。
本發明之另一目的，即在提供一種由前面所述之方法所製得之磁性材料。
於是，本發明之非序化合金的序化方法，包含：
(a)於一基材上形成一(M2 /M1 M3 )n 之多層膜，其中，n≧1，且n為整數，該M1 M3 層的M1 是選自下列所構成之群組的第一金屬原子：Ag及Au，且該M1 M3 層具有一面心立方(face-centered cubic，簡稱FCC)晶體結構之介穩相；及
(b)於步驟(a)之後，退火(annealing)該多層膜迫使該M1 M3 層中的第一金屬原子離開該面心立方晶體結構的晶格位置(lattice sites)以於該面心立方晶體結構中留下空孔(vacancies)，並使該M2 層的原子擴散進入該面心立方晶體結構的空孔，進而與留下有空孔之M1 M3 層的剩餘原子產生交互擴散(interdiffusion)以構成一序化的M2 M3 合金。
另，本發明之磁性材料是由前述方法所製得，其包含：複數磁性晶粒，及一偏析(segregated)於該等磁性晶粒之晶界(grain boundary)間且是由Ag或Au所構成的基質(matrix)。每一磁性晶粒是由序化的M2 M3 合金所構成，M2 是Fe、Co、Ni，或前述元素之組合；該M3 是Pt、Pd，或前述元素之組合。
本發明之本發明之功效在於：降低垂直記錄媒體用之磁性合金的序化溫度以使其得以被整合至積體電路中。
 <發明詳細說明>
有關本發明之前述及其他技術內容、特點與功效，在以下配合參考圖式之一個較佳實施例與一個具體例的詳細說明中，將可清楚的呈現。
本發明之非序化合金的序化方法的一較佳實施例，包含：於一基材上形成一(M2 /M1 M3 )n 之多層膜，其中，n≧1，且n為整數，該M1 M3 層的M1 是選自下列所構成之群組的第一金屬原子：Ag及Au，且該M1 M3 層具有一面心立方晶體結構之介穩相；及於形成該(M2 /M1 M3 )n 之多層膜之後，退火該多層膜迫使該M1 M3 層中的第一金屬原子離開該面心立方晶體結構的晶格位置以於該面心立方晶體結構中留下空孔，並使該M2 層的原子擴散進入該面心立方晶體結構的空孔，進而與留下有空孔之M1 M3 層的剩餘原子產生交互擴散以構成一序化的M2 M3 合金。
較佳地，該(M2 /M1 M3 )n 之多層膜的M2 層的M2 與該M1 M3 層的M3 是第二金屬原子或第三金屬原子，該第二金屬原子是Fe、Co、Ni，或前述元素之組合，該第三金屬原子是Pt、Pd，或前述元素之組合；但有條件的是，當M2 為第二金屬原子時，則M3 為第三金屬原子，當M2 為第三金屬原子時，則M3 為第二金屬原子。更佳地，M2 為第二金屬原子，M3 為第三金屬原子。在本發明的一具體例中，該第一金屬原子(M1 )是Ag，該第二金屬原子(M2 )是Fe；該第三金屬原子(M3 )是Pt。
較佳地，n≦4，且該(M2 /M1 M3 )n 之多層膜的總厚度是介於5.0nm至21.0nm之間。更佳地，該(M2 /M1 M3 )n 之多層膜的第二金屬原子(M2 )對第三金屬原子(M3 )的比值是介於1至1.1之間，且第一金屬原子(M1 )對第三金屬原子(M3 )的比值是介於0.3至1之間。
較佳地，該退火程序之退火溫度是介於300℃至350℃之間。
另，參圖2，本發明該較佳實施例之序化方法所製得之磁性材料，包含：複數磁性晶粒4，及一偏析於該等磁性晶粒4的晶界間且是由Ag或Au所構成的基質5。每一磁性晶粒4是由序化的M2 M3 合金所構成，M2 是Fe、Co、Ni，或前述元素之組合；該M3 是Pt、Pd，或前述元素之組合。在本發明該具體例中，M1 是Ag，M2 是Fe，且M3 是Pt。
此處需說明的是，本發明該較佳實施例之序化方法主要是先設定出該(M2 /M1 M3 )n 之多層膜的總厚度，並依據該多層膜內之第二金屬原子(M2 )原子、第一金屬原子(M1 )原子與第三金屬原子(M3 )原子的特定配比來調整n值、每一M2 層與每一M1 M3 層的厚度，以使得具有FCC晶體結構的M1 M3 層之M1 原子(即，Ag)對M3 原子(即，Pt)的比值為0.3至1，且最終序化之M2 M3 合金內的M2 原子(即，Fe)對M3 原子(即，Pt)的比值亦趨近1。舉例來說，當該(M2 /M1 M3 )n 之多層膜的總厚度是被設定為趨近21nm，且該(M2 /M1 M3 )n 之多層膜的Fe原子對Pt原子的比值是介於1至1.1之間時，n最大可等於4，以使得每一Fe層與每一AgPt層的厚度分別約1.9nm與3.27nm，且該多層膜的總厚度約20.64nm。換句話說，在每一Fe層與每一AgPt層的厚度分別約1.9nm與3.27nm的條件下，n最小可等於1，且該多層膜的總厚度約5.17nm。
<具體例>
本發明之非序化合金的序化方法的一具體例，是根據上述之較佳實施例來實施。
首先，利用直流磁控濺鍍法(DC magnetron sputtering)在基材溫度為室溫(25℃)的條件下，於一形成有氧化矽(SiO2 )膜的矽基材上形成一厚度約6.53nm的AgPt層。進一步地，以相同條件在該AgPt層上形成一厚度約3.79nm的Fe層，以使得該(Fe/AgPt)n 之多層膜的總厚度是被設定為10.32nm，且n等於1。
最後，使用設有即時(in-situ)熱處理設備之X射線繞射(X-ray diffraction，簡稱XRD)儀來對該(Fe/AgPt)n 之多層膜施予退火處理，同時偵測該(Fe/AgPt)n 之多層膜的相變化(phase transformation)過程；其中，退火處理的升溫速度是被設定為100℃/min，且分別在100℃、200℃、300℃、350℃持溫20min。
參圖3(並配合參閱附件，即，圖3的彩色圖式)，本發明該具體例之(Fe/AgPt)n 之多層膜在室溫(25℃)與100℃的退火溫度下所測得之XRD曲線，於趨近39.2°處皆顯示有呈介穩相的FCC晶體結構之AgPt合金的繞射訊號峰。此外，本發明該具體例之(Fe/AgPt)n 之多層膜在200℃的退火溫度下所測得之XRD曲線，經卡號為43-1359與02-1167之JCPDF卡比對結果可知，於趨近40°處顯示有Pt(111)的繞射訊號峰，證明AgPt合金的介穩相已被破壞。又，本發明該具體例之(Fe/AgPt)n 之多層膜在300℃與350℃的退火溫度下所測得之XRD曲線，經卡號為43-1359與02-1167之JCPDF卡比對結果可知，於趨近41°與24°處分別顯示有FePt(111)與FePt(001)的繞射訊號峰，證明該Fe層的Fe原子已擴散進入該已被破壞的AgPt層內，並與剩餘的Pt原子產生交互擴散，進而轉變成面心正方(face-centered tetragonal，簡稱FCT)晶體結構的FePt合金，即，L10 相。
圖4顯示有本發明該具體例在350℃退火處理後之磁滯迴路(hysteresis loop)曲線圖。由圖4顯示可知，本發明該具體例在350℃的退火處理後所製得之磁性材料的垂直方向之矯頑磁場(Hc⊥ )已達6.6kOe。
此處值得說明的是，Ag與FePt合金因不互溶，而使得該具體例之(Fe/AgPt)n 之多層膜最終退火處理後，Ag原子是偏析於已序化之FePt合金磁性晶粒的晶界間。因此，當本發明之序化方法所製得之磁性材料被應用於垂直記錄媒體的記錄層時，可因具備有良好的隔離度(isolation)而減低晶粒間的雜訊(noise)干擾。此外，Ag是熱傳導率高的金屬材料；因此，本發明該具體例之序化方法所製得之磁性材料亦有利於熱輔助記錄媒體(heat-assisted recording media)的應用。
綜上所述，本發明非序化合金之序化方法可降低垂直記錄媒體用之磁性合金的序化溫度，以使得由其方法所製得之磁性材料得以被整合至積體電路中，故確實能達成本發明之目的。
惟以上所述者，僅為本發明之較佳實施例與具體例而已，當不能以此限定本發明實施之範圍，即大凡依本發明申請專利範圍及發明說明內容所作之簡單的等效變化與修飾，皆仍屬本發明專利涵蓋之範圍內。
4．．．磁性晶粒
5．．．基質
圖1是一正視示意圖，說明TWI00312151所揭示之一種傳統之垂直記錄媒體；
圖2是一俯視示意圖，說明本發明之非序化合金的序化方法之一較佳實施例所製得之磁性材料；
圖3是一XRD曲線圖，說明本發明之非序化合金的序化方法之一具體例所製得之磁性材料的晶體結構變化；及
圖4是一磁滯迴路圖，說明本發明該具體例之磁性材料的磁性質。

Claims (8)

  1. 一種非序化合金的序化方法，包含：(a)於一基材上形成一(M2 /M1 M3 )n 之多層膜，其中，n≧1，且n為整數，該M1 M3 層的M1 是選自下列所構成之群組的第一金屬原子：Ag及Au，且該M1 M3 層具有一面心立方晶體結構之介穩相；及(b)於步驟(a)之後，退火該多層膜迫使該M1 M3 層中的第一金屬原子離開該面心立方晶體結構的晶格位置以於該面心立方晶體結構中留下空孔，並使該M2 層的原子擴散進入該面心立方晶體結構的空孔，進而與留下有空孔之M1 M3 層的剩餘原子產生交互擴散以構成一序化的M2 M3 合金。
  2. 依據申請專利範圍第1項所述之非序化合金的序化方法，其中，該多層膜之M2 層的M2 與該M1 M3 層的M3 是第二金屬原子或第三金屬原子，該第二金屬原子是Fe、Co、Ni，或前述元素之組合所構成，該第三金屬原子是Pt、Pd，或前述元素之組合；但有條件的是，當M2 為第二金屬原子時，則M3 為第三金屬原子，當M2 為第三金屬原子時，則M3 為第二金屬原子。
  3. 依據申請專利範圍第2項所述之非序化合金的序化方法，其中，M2 為第二金屬原子，M3 為第三金屬原子。
  4. 依據申請專利範圍第3項所述之非序化合金的序化方法，其中，該第一金屬原子是Ag，該第二金屬原子是Fe；該第三金屬原子是Pt。
  5. 依據申請專利範圍第4項所述之非序化合金的序化方法，其中，n≦4，該多層膜的總厚度是介於5.0nm至21.0nm之間。
  6. 依據申請專利範圍第5項所述之非序化合金的序化方法，其中，該(M2 /M1 M3 )n 之多層膜的第二金屬原子對第三金屬原子的比值是介於1至1.1之間，且第一金屬原子對第三金屬原子的比值為介於0.3至1之間。
  7. 依據申請專利範圍第4項所述之非序化合金的序化方法，其中，該步驟(b)之退火溫度是介於300℃至350℃之間。
  8. 一種如申請專利範圍第2項至第7項其中任一項所述之序化方法所製得之磁性材料，包含：複數磁性晶粒，每一磁性晶粒是由序化的M2 M3 合金所構成，M2 是Fe、Co、Ni，或前述元素之組合；該M3 是Pt、Pd，或前述元素之組合；及一偏析於該等磁性晶粒的晶界間且是由Ag或Au所構成的基質。
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