TWI383886B - 具垂直磁異向性之不連續島狀鐵磁性合金薄膜 - Google Patents
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Description
本案係關於一種不連續島狀鐵磁性合金薄膜，尤指一種具垂直磁異向性之不連續島狀鐵磁性合金薄膜。
由於磁記錄媒體的記錄密度必須不斷提升以滿足消費大眾的需求，而提升記錄密度最直接的方式即是將磁性記錄粒子尺寸大幅縮小，但是當磁性粒子縮小到一定程度時，磁性粒子的磁矩會因受到環境中的熱擾動而翻轉，使記錄的資料喪失，此現象即為超順磁現象，此時的磁性粒子尺寸即為超順磁尺寸。為了讓資料可以長期保存，維持磁區的熱穩定性是非常重要的課題。
在下一個世代超高磁記錄密度硬碟的發展中，圖案化記錄媒體(patterned media)被認為是能有效克服此物理超順磁極限(super paramagnetic limit)的方法之一。根據Stoner-Wohlfarth模型，磁晶異向性常數(Ku)、磁性粒子體積(V)、絕對溫度(T)及波茲曼常數(KB
)之間必須滿足下列關係式，其磁性粒子之磁化量(magnetization)在常溫下才不致因熱擾動而衰減。
KuV/KB
T＞60
由於圖案化記錄媒體主要的構造是將每個記錄位元以單磁區圖案的形式儲存於硬碟中，此單磁區圖案內的晶粒尺寸(V值)並不需要刻意被縮小，故可避免超順磁現象。L10
FePt及CoPt之Ku值分別高達7×107
erg/cm3
及5×107
erg/cm3
，其最小穩定晶粒尺寸可分別進一步降至3及3.6nm，因而有希望取代現行CoCrPt系合金薄膜而成為下一代超高密度記錄媒體材料。此外，記錄媒體必須選擇具有較強之交換耦合(exchange coupling)效應的材料，才能維持每一磁性圖案內皆為磁化均勻的單磁區。
然而奈米級之L10
FePt與CoPt顆粒狀薄膜通常須藉由Pt、Cr或Ru底層以及適當的多孔陽極氧化鋁模板(porous anodic alumina,PAA)來達成，且目前製作圖案化記錄媒體的方法如雷射干涉微影(laser interference lithography,LIL)、聚焦式離子束(focused ion beam,FIB)、電子束微影(Electron beam lithography)等方法，在商業化須提高生產速度與降低生產成本的考量下，大部分的方法並不容易在目前工業界實行。因此需要一種膜層結構簡化、製程簡單、生產成本低廉且容易大規模生產的技術以發展下一世代具超高磁記錄密度之記錄媒體。
爰是之故，申請人有鑑於習知技術之缺失，發明出本案「具垂直磁異向性之不連續島狀鐵磁性合金薄膜」，用以改善上述習用手段之缺失。
因此，本發明之一目的係提供一種具垂直磁異向性之不連續島狀鐵磁性合金薄膜，其包含一基板以及一鐵磁性層。該鐵磁性層係直接形成於該基板上，其中該鐵磁性層經由一高溫真空熱退火處理後與該基板間存在一表面能差異，該表面能差異使該鐵磁性層形成分布均勻之不連續島狀鐵磁性顆粒，每一該島狀鐵磁性顆粒為一單磁區(single domain)，藉以獲得一具有垂直磁異向性之不連續島狀鐵磁性合金薄膜。
關於本發明之優點與精神，可以藉由以下的實施方式及所附圖式得到進一步的瞭解。
本發明係提供一種具垂直磁異向性之不連續島狀鐵磁性合金薄膜，其包含一基板以及一鐵磁性層，其中該基板係為玻璃基板或表面能小於該鐵磁性層之基板，且該基板之結構係為非晶質。該鐵磁性層係利用直流磁控濺鍍(direct current magnetron sputtering)形成於該基板上。該鐵磁性層係為一鐵基合金(Fe-based alloy)，較佳為一鐵鉑(Fe/Pt)多層合金，其厚度係小於5nm。初鍍之鐵鉑多層合金係於溫度700℃、持溫時間10分鐘及真空度1mTorr下進行一高溫真空熱退火處理。其中該高溫真空熱退火處理係於氬氣(Ar)之保護氣氛中進行。經由該高溫真空熱退火處理後，鐵鉑多層合金與該基板間存在一表面能差異，該表面能差異使該鐵鉑多層合金形成分布均勻之不連續島狀鐵磁性顆粒。且經由該高溫真空熱退火處理後之具垂直磁異向性之不連續島狀鐵磁性合金薄膜之垂直方向頑磁力值(perpendicular coercivity,Hc⊥
)大於20000Oe，具備應用於高密度垂直磁記錄媒體的潛力。
請參閱第1圖，其係本發明一較佳實施例之具垂直磁異向性之不連續島狀鐵磁性合金薄膜之膜層結構示意圖。根據第1圖，本發明之具垂直磁異向性之不連續島狀鐵磁性合金薄膜1包含一基板10以及一鐵磁性層12。該基板10係以玻璃或具非晶質結構之材質製成，而該鐵磁性層12係利用直流磁控濺鍍形成於該基板10上，其中該鐵磁性層12之材料係選自鐵基合金，較佳為鐵鉑多層合金，且其厚度小於5nm。該鐵基合金中之鐵含量係為40~60at%，較佳為Fe50
Pt50
。
根據第1圖，本發明一較佳實施例之具垂直磁異向性之不連續島狀鐵磁性合金薄膜1包含一玻璃基板10及一Fe/Pt多層合金薄膜12，Fe/Pt多層合金薄膜12之濺鍍功率控制在Fe為25watt及Pt為5watt，玻璃基板10溫度為室溫，濺鍍腔體氬氣壓力固定在6mTorr，基板轉速固定在5rpm，初鍍膜放入溫度700℃、持溫時間10分鐘、真空度1mTorr、具氬氣氣氛保護之高溫真空熱退火爐中退火後水冷，Fe/Pt多層合金薄膜12在高溫真空熱退火後會形成分布均勻之複數個不連續島狀鐵磁性顆粒14，該些不連續島狀鐵磁性顆粒14具有垂直磁異向性之L10
FePt硬磁相，藉以獲得一高垂直磁性質之磁記錄合金薄膜。
本發明之不連續島狀鐵磁性合金薄膜之磁性質係利用超導量子干涉儀(Superconducting Quantum Interference Device，SQUID)量測，微結構是以場發射穿透式電子顯微鏡(Field Emission Gun Transmission Electron Microscope，FEG-TEM)觀察。
初鍍1nm之Fe/Pt多層合金薄膜放入溫度700℃、持溫時間10分鐘、具氬氣氣氛保護之高溫真空熱退火爐中退火後水冷。
初鍍1nm之Fe/Pt多層合金薄膜放入溫度700℃、持溫時間30分鐘、具氬氣氣氛保護之高溫真空熱退火爐中退火後水冷。
初鍍5nm之Fe/Pt多層合金薄膜放入溫度700℃、持溫時間30分鐘、具氬氣氣氛保護之高溫真空熱退火爐中退火後水冷。
初鍍15nm之Fe/Pt多層合金薄膜放入溫度700℃、持溫時間30分鐘、具氬氣氣氛保護之高溫真空熱退火爐中退火後水冷。
請參閱第2A~2D圖，其係本發明實施例與比較例一、二、三之場發射穿透式電子顯微鏡明視野影像圖。根據第2A圖，由於Fe/Pt多層合金薄膜與基板間之表面能差異係介於1500~2500erg/cm2
，而為使該表面能差異減小，Fe/Pt多層合金薄膜在高溫真空熱退火後會形成分布均勻之不連續島狀鐵磁性顆粒。Fe/Pt多層合金薄膜之島狀鐵磁性顆粒粒徑係介於2.5~5nm且分布均勻，島狀鐵磁性顆粒之密度係大於1.5×1013
個/inch2
。當薄膜厚度為1nm時，薄膜之磁區將縮小為孤立且不連通之單磁區，即每一島狀鐵磁性顆粒為一個磁記錄點，此有助於減弱磁性粒子間的磁交互作用力，因而可降低媒體雜訊，進一步提升磁記錄媒體之記錄密度。
根據第2B圖，當持溫時間增加至30分鐘時將造成晶粒成長(grain growth)的現象，即Fe/Pt多層合金薄膜之島狀鐵磁性顆粒產生相連，而使部分晶粒粗大化。故持溫時間之增加將使Fe/Pt多層合金薄膜之島狀鐵磁性顆粒的粒徑及分布較不均勻，其中較大的島狀鐵磁性顆粒之粒徑約為30nm，而較小的島狀鐵磁性顆粒之粒徑約為5nm。根據第2C圖，當薄膜厚度增加至5nm、持溫時間為30分鐘時，晶粒成長與晶粒聚集粗大化之現象將持續發生，此時較大的島狀鐵磁性顆粒之粒徑約為100nm。根據第2D圖，進一步將Fe/Pt多層合金薄膜之厚度增加至15nm時，晶粒成長與晶粒聚集粗大化的現象使薄膜的島狀鐵磁性顆粒明顯變大且較為連通。因此，隨著Fe/Pt多層合金薄膜厚度的增加，島狀鐵磁性顆粒之粒徑亦隨之增加。
根據第2A~2D圖，持溫時間與薄膜厚度的增加顯然不利於縮小薄膜之島狀鐵磁性顆粒，且容易因晶粒成長與晶粒聚集而形成連通的島狀鐵磁性顆粒，使磁性粒子間的磁交互作用力增加，無法提升磁記錄媒體之記錄密度。
請參閱第3A~3D圖，其係分別為本發明實施例與比較例一、二、三之超導量子干涉儀磁滯曲線(hysteresis loop)。由第3A~3D圖中可以發現，Fe/Pt多層合金薄膜垂直方向之磁滯曲線之角形比皆大於水平方向，此時薄膜傾向垂直磁異向性。根據第3A圖，本發明之不連續島狀鐵磁性合金薄膜之飽和磁化量(saturation magnetization,Ms
)為450emu/cm3
、垂直方向頑磁力(Hc⊥
)為21500Oe、垂直方向角形比(S⊥
)為0.8，有機會應用於垂直磁記錄媒體。根據第3A、3B圖，由於薄膜內可能有部分未形成L10
FePt硬磁相之FCC(face-centered cubic)軟磁相，或者因部分不連續島狀鐵磁性顆粒之粒徑小於超順磁尺寸，故磁滯曲線圖中有階梯狀出現。
依據本發明之利用高溫真空熱退火處理之具垂直磁異向性之不連續島狀鐵磁性合金薄膜，將1nm厚之Fe/Pt多層合金薄膜經加熱至700℃、持溫10分鐘後，其垂直方向頑磁力(Hc⊥
)大於20000Oe、飽和磁化量(Ms)大於400emu/cm3
、垂直方向角形比(S⊥
)大於0.7、島狀鐵磁性顆粒之粒徑介於2.5~5nm、島狀鐵磁性顆粒之密度大於1.5×1013
個/inch2
，且每一島狀鐵磁性顆粒傾向形成孤立不連通之單磁區，此有助於提升磁記錄密度及降低媒體雜訊，具備應用於超高密度垂直磁記錄媒體之潛力。
雖然本發明已以較佳實施例揭露如上，然其並非用以限定本發明之範圍，任何熟習此技藝者，在不脫離本發明之精神和範圍內，當可作各種之更動與潤飾，因此本發明之保護範圍當視後附之申請專利範圍所界定者為準。
1．．．具垂直磁異向性之不連續島狀鐵磁性合金薄膜
10．．．基板
12．．．鐵磁性層
14．．．不連續島狀鐵磁性顆粒
第1圖：本發明一較佳實施例之具垂直磁異向性之不連續島狀鐵磁性合金薄膜之膜層結構示意圖。
第2A~2D圖：本發明實施例與比較例一、二、三之場發射穿透式電子顯微鏡明視野影像圖。
第3A~3D圖：本發明實施例與比較例一、二、三之超導量子干涉儀磁滯曲線。
Claims (16)
- 一種具垂直磁異向性之不連續島狀鐵磁性合金薄膜，其包含：一基板；及一鐵磁性層，形成於該基板上，其中該鐵磁性層經由一高溫真空熱退火處理後與該基板間存在一表面能差異，該表面能差異使該鐵磁性層形成分布均勻之不連續島狀鐵磁性顆粒，每一該島狀鐵磁性顆粒為一單磁區(single domain)，藉以獲得一具有垂直磁異向性之不連續島狀鐵磁性合金薄膜。
- 如申請專利範圍第1項所述之不連續島狀鐵磁性合金薄膜，其中該基板係為玻璃基板。
- 如申請專利範圍第1項所述之不連續島狀鐵磁性合金薄膜，其中該基板之表面能係小於該鐵磁性層。
- 如申請專利範圍第1項所述之不連續島狀鐵磁性合金薄膜，其中該基板係為非晶質結構。
- 如申請專利範圍第1項所述之不連續島狀鐵磁性合金薄膜，其中該鐵磁性層之材質係為鐵基合金(Fe-based alloy)。
- 如申請專利範圍第5項所述之不連續島狀鐵磁性合金薄膜，其中該鐵基合金係為鐵鉑多層(Fe/Pt)合金。
- 如申請專利範圍第1項所述之不連續島狀鐵磁性合金薄膜，其中該鐵磁性層係利用磁控濺鍍(magnetron sputtering)形成於該基板上。
- 如申請專利範圍第1項所述之不連續島狀鐵磁性合金薄膜，其中該鐵磁性層之厚度係小於5nm。
- 如申請專利範圍第1項所述之不連續島狀鐵磁性合金薄膜，其中該鐵磁性層係於溫度700℃、持溫時間10分鐘及真空度1mTorr下進行該高溫真空熱退火處理。
- 如申請專利範圍第1項所述之不連續島狀鐵磁性合金薄膜，其中該高溫真空熱退火處理係於氬氣(Ar)之保護氣氛中進行。
- 如申請專利範圍第1項所述之不連續島狀鐵磁性合金薄膜，其中該表面能差異係介於1500~2500erg/cm2 。
- 如申請專利範圍第1項所述之不連續島狀鐵磁性合金薄膜，其中該島狀鐵磁性顆粒之粒徑係介於2.5~5nm。
- 如申請專利範圍第1項所述之不連續島狀鐵磁性合金薄膜，其中該不連續島狀鐵磁性合金薄膜之垂直方向頑磁力(perpendicular coercivity,Hc⊥ )係大於20000Oe。
- 如申請專利範圍第1項所述之不連續島狀鐵磁性合金薄膜，其中該不連續島狀鐵磁性合金薄膜之飽和磁化量(saturation magnetization,Ms )係大於400emu/cm3 。
- 如申請專利範圍第1項所述之不連續島狀鐵磁性合金薄膜，其中該不連續島狀鐵磁性合金薄膜之垂直方向角形比(perpendicular squareness,S⊥ )係大於0.7。
- 如申請專利範圍第1項所述之不連續島狀鐵磁性合金薄膜，其中該島狀鐵磁性顆粒之密度係大於1.5×1013 個/inch2 。
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2010
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- 2010-06-07 EP EP10165132A patent/EP2343701A1/en not_active Withdrawn
Patent Citations (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| WO2006030961A1 (en) * | 2004-09-17 | 2006-03-23 | Showa Denko K.K. | Method for manufacturing perpedicular magnetic recording medium, perpendicular magnetic recording medium, and magnetic recording/ reproducing apparatus |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| US20110171494A1 (en) | 2011-07-14 |
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