TWI382408B

TWI382408B - 垂直記錄媒體

Info

Publication number: TWI382408B
Application number: TW098116868A
Authority: TW
Inventors: Chih Huang Lai; Jung Wei Liao; Hao Cheng Hou; Meng Shian Lin
Original assignee: Nat Univ Tsing Hua
Priority date: 2008-12-22
Filing date: 2009-05-21
Publication date: 2013-01-11
Also published as: US7989098B2; TW201025314A; US20100159280A1

Description

垂直記錄媒體

本發明是有關於一種記錄媒體，特別是指一種垂直記錄媒體(perpendicular magnetic recording medium；簡稱PRM)。

以資料儲存的需求量與日俱增的現階段而言，對於高密度記錄媒體的要求，不僅需縮小晶粒大小(grain size)以增加記錄密度；此外，亦需具備有足夠的磁異向性能(magnetic anisotropic energy，ku)以提供良好的熱穩定性(KuV/kT)。然而，磁性物質的體積太小時，磁性物質內的磁矩(magnetic moment)將呈現不穩定態，並造成此技術領域所不欲見的超順磁現象(superparamagnetism)的問題。

記錄位元體積小的垂直式記錄媒體因磁矩方向垂直於磁記錄層的層面方向，而使得其在更小的記錄位元體積下具有較穩定的磁矩及較優異的磁異向性能(ku)。因此，以現階段的技術而言，一般是藉由垂直式記錄之優異的磁異向性能(Ku)來突破超順磁現象的技術瓶頸。

參閱圖1，US 2008/0166596 A1公開一種傳統式的垂直記錄媒體1，包含：一基材11、一形成於該基材11上的附著層(adhesion layer)12、一形成於該附著層12上的軟磁底層(soft magnetic underlayer)13、一形成於該軟磁底層13上的Re基合金中間層(如，ReMn合金)14、一形成於該Re基合金中間層14上的垂直硬磁層(perpendicular hard magnetic layer)15、一形成於該垂直硬磁層15上的保護層16與一形成於該保護層16上的潤滑層17。

該Re基合金中間層14之主要目的是在於，細化該垂直硬磁層15的晶粒尺寸並輔助該垂直硬磁層15之磁性晶粒的定向織構(orientation texture)。由於Mn原子於具有六方密堆積(hexagonal close-packed，簡稱hcp)晶體結構之Re原子中的溶解度(solubility)是小於6at%；因此，Mn原子將析出於Re晶粒的晶界(grain boundary)處；藉此，可細化該Re基合金中間層14的晶粒，隨之亦致使該垂直硬磁層15內部的磁性晶粒產生細化，並增加垂直記錄媒體1的記錄密度。此外，該垂直硬磁層15的磁異向性(magnetic anisotropy)與矯頑場(coercive field，Hc值)可經由該垂直硬磁層15的定向織構來提昇。然而，對於該垂直硬磁層15而言，經由上述Re基合金中間層14所得之定向織構、磁異向性能(ku)與矯頑場(Hc值)的改善空間仍然有限。

參閱圖2，US 2008/0085426 A1公開一種交互耦合複合式(exchange coupled composite，簡稱ECC)垂直記錄媒體(ECCPRM)2，包含：一基材21、一形成於該基材21上的軟磁底層22、一形成於該軟磁底層22上的晶種層(seed layer)23、一形成於該晶種層23上的基層(foundation layer)24、一形成於該基層24上並具有一hcp晶體結構的Ru基合金中間層(如，RuMn合金)25、一形成於該Ru基合金中間層25上的記錄層26、一形成於該記錄層26上的保護層27與一形成於該保護層27上的潤滑層28。

該記錄層26由下而上依序具有一第一記錄膜261、一由Ru基合金(如，RuMn)所製成的交互耦合強度控制膜262、一輔助記錄膜263，及一第二記錄膜264；藉以形成鐵磁性(ferromagnetic)交互耦合並降低該交互耦合式垂直記錄媒體2的翻轉場(Hs)。

此處值得注意的是，該Ru基合金中間層25於該交互耦合式垂直記錄媒體2的功用是雷同於該Re基合金中間層14於該垂直記錄媒體1的功用。該記錄層26之磁性晶粒的定向織構雖然可經由該Ru基合金中間層25來改善，但對於定向織構、磁異向性能(ku)與矯頑場(Hc值)的改善仍嫌不足。

經上述說明可知，有效地增加垂直磁性記錄層的磁異向性與矯頑場，是垂直記錄媒體相關領域者當前所待突破的重要課題。

<發明概要>

為增加垂直磁性記錄層的矯頑場(Hc值)，本發明主要是利用相互接觸之鐵磁性(ferromagnetism)材料與反鐵磁性(antiferromagnetism)材料所產生的反鐵磁性交互耦合作用，來使得位於界面處的鐵磁性材料之磁性晶粒的磁矩得以同向地被反鐵磁性材料的磁矩所釘住(pinned)，進而增加記錄層的磁異向性能(ku)，並提升鐵磁性材料本身的矯頑磁場(Hc值)。

因此，本發明之垂直記錄媒體主要是在一呈鐵磁性的垂直磁性記錄層下方直接設置一反鐵磁性層，藉以使得該垂直磁性記錄層的Hc值得以因該反鐵磁性層的交互耦合作用而獲得提昇。

<發明目的>

因此，本發明之目的，即在提供一種垂直記錄媒體。

於是，本發明之垂直記錄媒體，包含：一基材、一設置於該基材上的反鐵磁性層，及一直接形成於該反鐵磁性層上並與該反鐵磁性層交互耦合的垂直磁性記錄層。本發明之功效在於，藉由相互接觸的該垂直磁性記錄層與該反鐵磁性層以有效地增加該垂直磁性記錄層的磁異向性能(Ku)與矯頑場(Hc值)。

<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、四個具體例與一個比較例的詳細說明中，將可清楚的呈現。

在本發明被詳細描述之前，要注意的是，在以下的說明內容中，類似的元件是以相同的編號來表示。

<較佳實施例>

參閱圖3與圖4，本發明垂直記錄媒體之一較佳實施例，包含：一基材3、一設置於該基材3上的反鐵磁性層4，及一直接形成於該反鐵磁性層4上並與該反鐵磁性層4交互耦合的垂直磁性記錄層5，藉此，位於該垂直磁性記錄層5之一表面52的複數磁矩51，得以同向地被位於與該表面52接觸之該反鐵磁性層4的表面42之複數磁矩41所釘住，因而致使該垂直磁性記錄層5的磁異向性能(ku)增加，並提升矯頑場(Hc)值。

較佳地，該反鐵磁性層4含有一錳基合金(Mn-based alloy)；該垂直磁性記錄層5是由一含有硬鐵磁性合金(hard ferromagnetic alloy)的材料所製成。

由於氧化矽(SiO₂ )不溶於Co，因此，SiO₂ 可偏析(segregate)於CoPt磁性晶粒的晶界處，進而細化CoPt磁性晶粒並降低磁性晶粒間的雜訊干擾。更佳地，該垂直磁性記錄層5是由一含有一硬鐵磁性合金與一氧化物之複合材料(complex material)所製成；該硬鐵磁性合金是鈷基合金(Co-based alloy)或鐵基合金(Fe-based alloy)；如，該複合材料可為CoPtCr-SiO₂ ，或FePt-SiO₂ 。更佳地，該錳基合金具有一Mn_x Z_100-x 之化學式。

此處值得注意的是，當x值過大時，將於CoPt磁性晶粒的晶界處析出過量的SiO₂ ，導致該垂直磁性記錄層5的粒間交互耦合受到不良的影響，因而降低該垂直磁性記錄層5的Hc值。因此，較佳地，x是介於50at%~68at%；且z是選自下列所構成之群組：Pt、Pd、Ir、Rh、Ru、Os、Ni、Fe、Cr、Co，及此等之組合。更佳地，x是介於60at%~68at%；且z是Ru。然而，當本發明該垂直磁性記錄層5不是由該複合材料(如，CoPtCr-SiO₂ )所製成時，x則不受限於68at%。

較佳地，該反鐵磁性層4是呈柱狀晶粒(cylindrical grain)的形狀；每一柱狀晶粒具有一實質垂直於該基材3的軸線。

較佳地，該反鐵磁性層4具有一帶有複數疊差(stacking faults，簡稱SFs)的晶體結構；該晶體結構是一面心立方(face-centered cubic，簡稱fcc)晶體結構、一六方密堆積(hcp)晶體結構，或此等之一組合。

較佳地，本發明該較佳實施例更包含一設置於該基材3與該反鐵磁性層4之間的非磁性膜6、一設置於該基材3與該反鐵磁性層4之間的軟磁層7，及一形成於該垂直磁性記錄層5上的保護層8。

該非磁性膜6具有一設置於該基材3與該反鐵磁性層4之間的第一中間層61、一設置於該基材3與該第一中間層61之間的第二中間層62，與一設置於該基材3與該第二中間層62之間的第三中間層63。

較佳地，該第一中間層61具有一六方密堆積(hcp)晶體結構或一立方晶體結構，且是由一選自下列所構成之群組的第一金屬材料所製成：Ru、Ti、Re、Os、Cr、Zn、Zr、Tc、Mg、Rh、W，及此等之組合。

較佳地，該第二中間層62具有一面心立方(fcc)晶體結構，且是由一選自於下列所構成之群組的第二金屬材料所製成：Pt、Pd、Cu、Au、Ag，及此等之組合。

此處值得注意的是，本發明該反鐵磁性層4之主要作用是在於，與該垂直磁性記錄層5產生反鐵磁性交互耦合並增加該垂直磁性記錄層5的Hc值；而該第一中間層61之主要作用是在於，配合下方的第二、三中間層62、63以使得該垂直磁性記錄層5之方正性(squareness，簡稱S值)得以因磁性晶粒的定向織構而獲得改善。

當該反鐵磁性層4的厚度不足時，將使得該垂直磁性記錄層5內部的磁性晶粒尺寸分布不均；另，當該第一中間層61的厚度不足時，亦將使得該垂直磁性記錄層5內部的磁性晶粒之c軸(即，<0002>)分布變大。反之，當該反鐵磁性層4與該第一中間層61的厚度過大時，將增加垂直記錄媒體外部的磁頭(圖未示)與該軟磁層7的距離，進而降低垂直記錄媒體的寫入效率。因此，較佳地，該反鐵磁性層4的厚度是介於2nm~15nm之間；該第一中間層61的厚度是介於2nm~15nm之間。更佳地，該反鐵磁性層4的厚度是介於5nm~10nm之間；該第一中間層的厚度是介於5nm~10nm之間。

適用於本發明之基材3可以是由矽(Si)、玻璃(glass)，或鋁鎂合金基板(AlMg alloy)所製成。

在本發明之較佳實施例中，該鐵磁性層4與該第一中間層61是經由一濺鍍系統(sputtering system，圖未示)所製得。此處值得一提的是，為使得該反鐵磁性層4具有適當的表面粗糙度以輔助其上方垂直磁性記錄層5內部的SiO₂ 偏析於CoPt晶粒間，並致使磁性晶粒產生細化；較佳地，該反鐵磁性層4的工作壓力宜介於15mTorr~100mTorr之間。另，為使得該第一中間層61之晶粒得以適當地沿著c軸定向成長；較佳地，該第一中間層61之工作壓力宜介於1mTorr~15mTorr之間。此外，本發明於鍍製該反鐵磁性層4時所使用的一Mn靶材與一Ru靶材之輸出功率分別是100W與100W~50W。

<具體例1(E1)>

再參閱圖3，在本發明垂直記錄媒體之一具體例1(E1)中，該基材3是由鋁鎂合金基板(AlMg)所製成；該軟磁層7是厚度約200nm~400nm的CoZrTa合金；該第三中間層63是厚度約3nm的Ta；該第二中間層62是厚度約7nm並具有一fcc結構的Pt；該第一中間層61是厚度約10nm並具有一hcp結構的Ru；該反鐵磁性層4是厚度約7nm之Mn₅₆ Ru₄₄ (見表1.)；該垂直磁性記錄層5是厚度約17.5nm的CoPtCr-SiO₂ ；該保護層8是厚度約3nm的Ta。在本發明該具體例1中，該具體例1之結構沿一由下而上的方向Y為AlMg/CoZrTa/(Ta/Pt)/(Ru/Mn₅₆ Ru₄₄ )/(CoPtCr-SiO₂ )/Ta。

本發明該具體例1之第一中間層61與該反鐵磁性層4是被放置於該濺鍍系統中，分別在3mTorr與30mTorr的工作壓力下所製得。

<具體例2~4(E2~E4)>

本發明垂直記錄媒體之一具體例2(E2)大致上是相同於該具體例1(E1)，其不同處是在於，該反鐵磁性層4是Mn₆₂ Ru₃₈ (見表1.)。

<具體例3(E3)>

本發明垂直記錄媒體之一具體例3(E3)大致上是相同於該具體例1(E1)，其不同處是在於，該反鐵磁性層4是Mn₆₇ Ru₃₃ (見表1.)。

<具體例4(E4)>

本發明垂直記錄媒體之一具體例4(E4)大致上是相同於該具體例1(E1)，其不同處是在於，該反鐵磁性層4是Mn₆₉ Ru₃₁ (見表1.)。

<比較例(CE)>

用來與本發明該等具體例比較的一比較例(CE)，大致上是相同於本發明該等具體例，其不同處是在於，該比較例是以7nm的Ru來取代該反鐵磁性層4。

<分析數據>

參閱圖5，經磁光柯爾效應儀(Magneto-optical kerr Effect magnetometer，簡稱MOKE)所測得之磁滯迴路(hysteresis loop)圖顯示可知，該比較例(CE)之Hc值僅3250Oe；反觀本發明該等具體例(E1~E3)之Hc值分別達3882Oe、4582Oe、4383Oe。此外，該等具體例(E1~E3)由顯示於圖5之磁滯迴路圖所計算取得的方正性(S值)皆是維持在1(見表1.)。此處值得注意的是，本發明該具體例4(E4)之Hc值與S值下降的原因，主要是因偏析於CoPt晶界處的過量SiO₂ 而影響粒間交互耦合所造成。

^& 是利用感應耦合電漿質譜分析儀(ICP/MS)所得。

參閱圖6，由穿透式電子顯微鏡(transmission electron microscope；以下簡稱TEM)表面(圖6a)與截面(圖6b)影像圖顯示可知，本發明該具體例3(E3)之反鐵磁性層是呈柱狀晶粒的形狀，且每一柱狀晶粒是由形成於其柱狀晶粒晶界處並可輔助適量的SiO₂ 析出於CoPt晶界處的Mn所包圍。

參閱圖7，由TEM截面影像(圖7a)與經電子繞射圖實施反向快速傅立葉轉換(inverse fast Fourier transformation，簡稱IFFT)後的高解析度穿透式電子顯微鏡(high resolution transmission electron microscope；以下簡稱HRTEM)影像(圖7b)圖顯示可知，本發明該具體例3(E3)之反鐵磁性層為帶有複數疊差(疊差的判斷方式容後說明於圖8)的hcp晶體結構與fcc晶體結構。顯示於圖7中的疊差之主要功效是雷同於前述的柱狀晶粒，其可輔助適量的SiO₂ 析出於CoPt晶界處，並降低該垂直磁性記錄層之粒間雜訊的干擾。

此處值得一提的是，一般ABCABC...是用來表示fcc晶體結構之最密堆積面的排列順序，而ABABAB...則是用來表示hcp晶體結構之最密堆積面的排列順序。

以圖8來說明，由上而下的排列順序是每一組ABC面之間夾置有一B面(即，ABCBABCBAB...)；因此，圖8說明了fcc晶體結構中帶有疊差。反過來說，圖8中由下而上的排列順序是每一組BAB面之間夾置有一C面(即，BABCBABCBA...)；因此，圖8也說明了hcp晶體結構中帶有疊差。

再參圖4，經上述說明可知，本發明主要是使用該反鐵磁性層4來與呈鐵磁性的垂直磁性記錄層5產生交互耦合，致使該垂直磁性記錄層5表面52處的磁矩51得以同向地被該反鐵磁性層4表面42處的磁矩41所釘住，藉以提昇該垂直磁性記錄層5的磁異向性(ku)，進而提升矯頑磁場(Hc值)並維持元件整體的方正性。

綜上所述，本發明之垂直記錄媒體的矯頑磁場可因反鐵磁性材料與垂直磁性記錄層的交互耦合作用而獲得提昇，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。

3‧‧‧基材

4‧‧‧反鐵磁性層

41‧‧‧磁矩

42‧‧‧表面

5‧‧‧垂直磁性記錄層

51‧‧‧磁矩

52‧‧‧表面

6‧‧‧非磁性膜

61‧‧‧第一中間層

62‧‧‧第二中間層

63‧‧‧第三中間層

7‧‧‧軟磁層

8‧‧‧保護層

Y‧‧‧方向

圖1是一正視示意圖，說明US 2008/0166596 A1所揭示的垂直記錄媒體；

圖2是一正視示意圖，說明US 2008/0085426 A1所揭示之交互耦合複合式的垂直記錄媒體；

圖3是一正視示意圖，說明本發明垂直記錄媒體的一較佳實施例；

圖4是圖3的局部放大示意圖，說明本發明該較佳實施例之一反鐵磁性層與一垂直磁性記錄層界面間的磁矩關係；

圖5是一磁滯迴路圖，說明與本發明比較之一比較例與本發明之具體例(E1~E4)的磁性質；

圖6是一TEM影像圖，說明本發明之垂直記錄媒體的具體例3(E3)之一反鐵磁性層(Mn₆₇ Ru₃₃ )的晶粒形狀；

圖7是一TEM截面影像與經IFFT處理後之HRTEM影像圖，說明該具體例3(E3)之反鐵磁性層的晶體結構與複數疊差；及

圖8是圖7之局部示意圖，說明顯示於圖7中的疊差。

3．．．基材

4．．．反鐵磁性層

5．．．垂直磁性記錄層

6．．．非磁性膜

61．．．第一中間層

62．．．第二中間層

63．．．第三中間層

7．．．軟磁層

8．．．保護層

Y．．．方向

Claims

一種垂直記錄媒體，包含：一基材；一設置於該基材上的反鐵磁性層；及一直接形成於該反鐵磁性層上並與該反鐵磁性層交互耦合的垂直磁性記錄層。
依據申請專利範圍第1項所述之垂直記錄媒體，其中，該反鐵磁性層含有一錳基合金。
依據申請專利範圍第2項所述之垂直記錄媒體，其中，該錳基合金具有一Mn_x Z_100-x 之化學式；x是介於50 at%~68 at%；z是選自下列所構成之群組：Pt、Pd、Ir、Rh、Ru、Os、Ni、Fe、Cr、Co，及此等之組合。
依據申請專利範圍第3項所述之垂直記錄媒體，其中是介於60 at%~68 at%。
依據申請專利範圍第3項所述之垂直記錄媒體，其中，z是Ru。
依據申請專利範圍第5項所述之垂直記錄媒體，其中，該垂直磁性記錄層是由一含有一硬鐵磁性合金與一氧化物之複合材料所製成；該硬鐵磁性合金是鈷基合金或鐵基合金。
依據申請專利範圍第6項所述之垂直記錄媒體，其中，該反鐵磁性層是呈柱狀晶粒的形狀；每一該些柱狀晶粒具有一垂直於該基材的軸線。
依據申請專利範圍第6項所述之垂直記錄媒體，其中，該反鐵磁性層具有一帶有複數疊差的晶體結構；該晶體結構是一面心立方晶體結構、一六方密堆積晶體結構，或此等之一組合。
依據申請專利範圍第5項所述之垂直記錄媒體，其中，該反鐵磁性層的厚度是介於2 nm~15 nm之間。
依據申請專利範圍第1項所述之垂直記錄媒體，更包含一設置於該基材與該反鐵磁性層之間的非磁性膜。
依據申請專利範圍第10項所述之垂直記錄媒體，其中，該非磁性膜具有一設置於該基材與該反鐵磁性層之間的第一中間層；該第一中間層具有一六方密堆積晶體結構或一立方晶體結構且是由一選自下列所構成之群組的第一金屬材料所製成：Ru、Ti、Re、Os、Cr、Zn、Zr、Tc、Mg、Rh、W，及此等之組合。
依據申請專利範圍第11項所述之垂直記錄媒體，其中，該第一中間層的厚度是介於2 nm~15 nm之間。
依據申請專利範圍第11項所述之垂直記錄媒體，其中，該非磁性膜更具有一設置於該基材與該第一中間層之間的第二中間層，與一設置於該基材與該第二中間層之間的第三中間層；該第二中間層具有一面心立方晶體結構且是由一選自於下列所構成之群組的第二金屬材料所製成：Pt、Pd、Cu、Au、Ag，及此等之組合。
依據申請專利範圍第1項所述之垂直記錄媒體，更包含一設置於該基材與該反鐵磁性層之間的軟磁層，及一形成於該垂直磁性記錄層上的保護層。