TWI546802B - 包含具有凸形磁異向性分佈的垂直磁記錄層的設備 - Google Patents
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Description
一般言之，本揭示與磁性裝置有關。
磁性記錄媒體儲存資訊如同在磁性記錄層內磁性地定向位元。磁性資料儲存裝置的進步，主要是提升裝置的儲存容量，即，經由增加磁性記錄媒體的面記錄密度(以十億位元/平方吋(Gb/in2)來表示)。磁性儲存媒體之平均晶粒直徑愈小，愈能增加磁性記錄媒體的面記錄密度。
按照某些實施，一設備包括n層磁性層及n-1層交換阻斷層，其在設備中與n層磁性層交替排列。在某些情況中，n可以大於或等於3。例如，n層磁性層可包含其各自的各向異性磁場，使得n層磁性層具有凸形異向性磁場梯度。
圖1說明包括按照本所揭示之態樣之磁性記錄媒體之磁碟機10例。部分以剖視顯示的磁碟機10包括基座12及頂蓋14。基座12與頂蓋14結合形成磁碟機10的外殼16。磁碟機10也包括一或多個可轉動的磁性記錄媒體18。磁性記錄媒體18係固定在轉軸24上，其操作以使媒體18關於中央軸轉動。磁記錄及讀取頭22毗鄰於磁性記錄媒體18。致動器臂20攜載磁記錄及讀取頭22以與磁性記錄媒體18通信。
磁性記錄媒體18儲存資訊如同在磁性記錄層內磁性地定向位元。磁讀/寫頭22包括記錄(寫)頭，其產生足以磁化磁性記錄媒體18之磁性記錄層上不連續磁域的磁場。磁性記錄層之磁域的這些樣式即代表資料的位元，磁方向的改變代表“1”。“0”係由包含長度約為位元長度兩倍之定磁化的區域來代表。磁記錄及讀取頭22也包括讀取頭，其具有偵測磁性記錄層之不連續磁域之磁場的能力。
垂直磁記錄媒體係磁性記錄層中具有垂直磁異向性場(H k )的磁性記錄媒體18，且磁化係形成在實質垂直於磁性記錄層之平面的方向。垂直磁記錄媒體可以使用在磁性記錄系統中。垂直磁記錄媒體可使用複晶CoCr或含鈷鉑氧化物的磁性記錄層來製造。複晶磁性記錄層中的富鈷區係鐵磁性，而非磁性的鉻或富鉻氧化物區在複晶磁性記錄層中緊貼著晶粒邊界形成。而毗鄰之鐵磁性晶粒之間的橫向磁交換耦合被晶粒間的非磁性區衰減。
諸如磁碟機10之磁性資料儲存裝置的進步，主要是裝置的儲存容量增加，即，經由增加磁性記錄媒體18的面記錄密度(以十億位元/平方吋(Gb/in2)來表示)。磁性儲存媒體18之平均晶粒直徑愈小，愈能提高磁性記錄媒體的面記錄密度。
高密度垂直磁記錄媒體的優點在於磁性記錄層中數項磁特性的平衡，包括高磁異向性的熱穩定性；以磁性記錄頭在記錄層上之可寫性的切換場低；磁性晶粒之間的橫向磁交換耦合夠低，以保持磁性晶粒或叢集之間小的關聯長度；磁性晶粒之間的橫向磁交換耦合夠高，足以保持窄的切換場分布(switching field distribution；SFD)；以及晶粒間具有足夠均勻的磁特性，以保持熱穩定性與最小的SFD。
隨著面記錄密度不斷提高，必須使用平均直徑更小的磁性晶粒，以便在一被記錄之位元中的磁性晶粒數量，能維持在相同值。不過，隨著平均晶粒直徑的縮小，磁性記錄媒體的磁穩定性變得更至關重要。
由於磁異向能使得磁性晶粒保持它們的磁化方向，其正比於晶粒體積(K u V；其中K u 為每單位體積的磁異向能，V為體積)。磁異向能與熱能變動相抗，熱能變動會使晶粒之磁化隨機地重新定向。熱能變動視磁性記錄層的溫度而定(k B T，其中k B 係波茲曼常數，T係溫度)。磁異向能與熱能變動的比(K u V/kT)稱為能障，能障係用來度量晶粒的磁穩定性，且正比於各個晶粒的體積。因此，對於每單位體積具有相同磁異向能K u 的晶粒而言，縮小晶粒的尺寸(晶粒體積)可提高面密度，但卻降低了熱穩定性，雖然K u 為每單位體積之磁異向能的符號，但為簡明故，下文中的磁異向能將以K u 來表示。
克服由於縮小平均晶粒尺寸所造成熱穩定性降低的方法，在於提高磁性晶粒的平均異向性場H k 。(H k =2K u /M s ，其中M s 為材料的飽合磁化強度)。具有較高磁異向性場的磁性晶粒，通常具有較高的磁異向能K u ，且因此比類似尺寸但磁異向性場較低的晶粒更為熱穩定。不過，提高晶粒的平均磁異向性場，用來改變晶粒之磁方向的磁場也要增強，因此，用來記錄資料的磁場也隨之提高。
本文描述用於磁性記錄層的交換耦合複合(exchange-coupled composite；ECC)結構，其可容易地將資料寫入磁性記錄層，同時使磁性記錄層的熱穩定性(即能障)保持在可接受的值或以上。在某些實施例中，相較於某些其它的磁性記錄層，本文所描述的ECC結構不但使資料容易寫入磁性記錄層，且提高記錄層的熱穩定性。
在某些已提出的ECC結構中，磁性記錄層係由連續漸變的材料所構成(例如，磁性記錄層之成分係實質上連續地改變，且沒有劃分出獨立的子層)。在這類連續漸變的ECC結構中，已進一步提出成分梯度應經過選擇，以使磁性記錄層之磁異向性的下降，正比於離最高異向性部分之距離的平方(H k αl/x 2 ，其中x為離最高異向性部分的距離)。換言之，其暗示磁性記錄層的磁異向性，在磁性記錄層之高磁異向性部分內及附近應更快速地下降，而隨著與高異向性部分之距離的增加而愈緩慢下降。如圖2之說明，此造成磁性記錄層中磁異向性對位置之曲線圖的凹形。在例中提出的磁異向性梯度為H k αl/x 2 ，磁性記錄層之最高異向性部分為熱穩定，不需要記錄層之其餘較低異向性部分的貢獻。
圖1中所示的磁性記錄媒體18包括按照本揭示的ECC記錄層結構。圖3說明按照本揭示之ECC記錄層之實施例的示意方塊圖。圖3中說明的磁性記錄媒體18包括基片32、軟質底層(SUL)34、第一中間層36、第二中間層38、垂直記錄層40、及保護被覆層54。
基片32可包括適合用於磁性記錄媒體的任何材料，例如包括鋁、鋁鍍NiP、玻璃、或陶瓷玻璃。
雖然圖3中未顯示，但在某些實施例中，會有一附加的底層直接覆於基片32的頂部上。附加的底層可以是非晶，並提供基片的附著力及降低表面粗度。
軟質底層(SUL)34形成在基片32(或如果有附加底層，則形成在附加底層上)。SUL 34可以是任何具有足夠飽合磁化強度(M s )及低磁異向性場(H k )的軟磁性材料。SUL 34可以是非晶的軟磁性材料，諸如Ni、Co、Fe；含鐵合金，諸如NiFe(高導磁合金)、FeSiAl、或FeSiAlN；含鈷合金，諸如CoZr、CoZrCr、或CoZrNb；或含鈷鐵合金，諸如CoFeZrNb、CoFe、FeCoB、或FeCoC。
第一中間層36與第二中間層38可用來建立六方最密堆積(hexagonal close packed；HCP)結晶順向，其包括第一磁性層42的HCP(0002)生長，其磁易軸垂直於膜平面。
在垂直記錄層40上可形成保護被覆層54(諸如鑽石類的碳)。在其它例中，保護被覆層54可包括例如非晶碳層，其可進一步包括氫或氮。雖然圖3中未說明，但在某些例中，在保護被覆層54上可形成潤滑層。
垂直記錄層40形成在第二中間層38上，且可包括第一磁性層42、第一交換阻斷層44、第二磁性層46、第二交換阻斷層48、第三磁性層50，及選用的CGC層52。第一磁性層42具有第一磁異向性場H k 1 ，第二磁性層46具有第二磁異向性場H k2 ，及第三磁性層50具有第三磁異向性場H k3 。第一磁性層42、第二磁性層46、第三磁性層50每一層的磁異向性都取向在實質垂直於記錄層40之平面的方向(例如，第一磁性層42、第二磁性層46、第三磁性層50每一層的磁易軸都實質垂直於記錄層40的平面)。第一交換阻斷層44可用來調整第一磁性層42與第二磁性層46間的垂直交換耦合，及第二交換阻斷層48可用來調整第二磁性層46與第三磁性層50間的垂直交換耦合。在某些例中，磁性記錄層40可包括額外的交換阻斷層及磁性層(例如n層磁性層與n-1層交換阻斷層)。
第一磁性層42、第二磁性層46、及第三磁性層50每一層都可以是組粒狀的，且可包括磁性晶粒，而每一磁性晶粒實質上與毗鄰之磁性晶粒被非磁性材料間隔開。在某些實施例中，第一磁性層42、第二磁性層46、第三磁性層50至少其中一層包括鈷合金，例如，鈷與鉻、鎳、鉑、鉭、硼、鈮、氧、鈦、矽、鉬、銅、銀、鍺、或鐵至少其中之一結合。在某些實施例中，第一磁性層42、第二磁性層46、及第三磁性層50至少其中一層可包括鐵-鉑合金或釤-鈷合金。在某些實施例中，第一磁性層42、第二磁性層46、及第三磁性層50至少其中一層可包括鈷合金與鉑合金或鈷合金與鈀合金交替的薄層。在某些實施例中，分隔第一磁性層42、第二磁性層46、及第三磁性層50至少其中一層中之晶粒的非磁性材料可包含氧化物，諸如SiO2、TiO2、CoO、Cr2O3、Ta2O5，這些材料分隔磁性晶粒。在其它實施例中，分隔第一磁性層42、第二磁性層46、及第三磁性層50至少其中一層中之晶粒的非磁性材料可包含鉻、硼、碳，或其它非鐵磁性元素。
在某些例中，第一磁性層42、第二磁性層46、及第三磁性層50至少其中一層可包含鈷-鉑合金。控制各層中鉑的含量係控制磁性層42、46、50之磁異向性場的方法之一。例如，包含較高鉑含量之磁性層的磁異向性場，會比鉑含量較低之磁性層來的高。在某些實施例中，高磁異向性場的層中，所包含的鉑高於大約18at.%。按照本揭示的某些例子，Hk梯度可由第一磁性層42、第二磁性層46、及第三磁性層50的鉑含量來定義。換言之，在某些例中，Pt 1 -Pt 2 <Pt 2 -Pt 3 ，其中，Pt 1 係第一磁性層42的鉑含量、Pt 2 係第二磁性層46的鉑含量、及Pt 3 係第三磁性層50的鉑含量。在一實施例中，Pt 1 在大約18at.%至大約22at.%之間，Pt 2 在大約14at.%至大約18at.%之間，及Pt 3 小於大約14at.%，且Pt 1 -Pt 2 <Pt 2 -Pt 3 。
第一交換阻斷層44與第二交換阻斷層48每一層都包含飽合磁化強度(M s )較低的材料。例如，第一交換阻斷層44與第二交換阻斷層48至少其中一層可包括Co x Ru 1-x 合金。如另一例，第一交換阻斷層44與第二交換阻斷層48至少其中一層可包括或本質上由釕所構成。如本文所使用的“本質上由x所構成”，意指該層由x所指定的材料構成，但可包與該指定材料一同沈積的雜質，或從毗鄰層擴散進入該層的其它元素或材料。在第一交換阻斷層44或第二交換阻斷層48中包含Co x Ru 1 - x 合金的各例中，交換阻斷層44或48的厚度可小於大約3奈米。在本質上由釕所構成的第一交換阻斷層44或第二交換阻斷層48的各例中，交換阻斷層44或48可以更薄，小於大約3埃。
除了釕或Co x Ru 1 - x 合金之外，第一交換阻斷層44及/或第二交換阻斷層48可選擇性地包含非磁性氧化物，諸如SiO2、TiO2、CoO2、Cr2O3、Ta2O5。非磁性氧化物的作用是使後續在第一交換阻斷層44上沈積粒狀的第二磁性層46或在第二交換阻斷層48上沈積粒狀的第三磁性層50變得容易。在某些實施例中，第一交換阻斷層44與第二交換阻斷層48可包含實質類似的成分，而在其它實施例中，第一交換阻斷層44與第二交換阻斷層48可包含不同的成分。
磁性記錄層40可選擇性地另包括CGC層52。CGC層52可包括例如CoCrPtB合金。在某些實施例中，CoCrPtB合金中可摻雜金屬或稀土族元素，例如釕、鎢、鈮。在某些實施例中，CGC層52可包括小量的氧化物，諸如SiOx、TiOx、TaOx、WOx、NbOx、CrOx、CoOx。在其它實施例中，CGC層52可不包括氧化物(即，可以沒有任何氧化物)。
第一磁性層42、第二磁性層46、及第三磁性層50可選擇特定的成分，為每一個別層42、46、50提供預先決定的磁異向性場H k 。特別是，可選擇第一磁性層42的成分來提供第一磁異向性場H k1 ，可選擇第二磁性層46的成分來提供第二磁異向性場H k2 ，以及可選擇第三磁性層50的成分來提供第三磁異向性場H k3 。在某些實施例中，最硬磁性層的磁異向性場(在某些實施中，其為第一磁性層42)可能被限制在大約30kOe的磁異向性場(例如，當是由鈷合金所形成時)。這是因為當磁性記錄層40的平均晶粒大小充分地小時，最硬的磁性層可能不夠穩定。為克服此，第一磁性層42、第二磁性層46、及第三磁性層50的平均異向性可以較高，以使3個磁性層42、46、50中至少有兩個能對磁性記錄層40之磁性定向的熱穩定性有貢獻。
為實現第一磁性層42、第二磁性層46、及第三磁性層50較高的平均磁異向性場，同時仍能得到ECC結構所提供之優點的途徑，在於選擇第一、第二、及第三磁性層42、46、50的成分，俾使H k1 與H k2 之間的差(即H k1 -H k2 )小於H k2 與H k3 之間的差(即H k2 -H k3 )。換言之，磁性記錄層40中各個層42、46、50的磁異向性，在第一磁性層42附近下降的很緩慢，或甚至增加，且隨著與第一磁性層42間的距離增加而快速下降。在磁性記錄層40中，磁異向性場的此種分布稱為凸形磁異向性場分布。凸形磁異向性場分布可提供磁性記錄層40之磁定向的熱穩定性及記錄層40之可顯性。在某些例中，凸形磁異向性場分布可使得較大比例的磁性記錄層40可用磁異向性場較高的材料來形成。
H k 1 、H k 2 與H k3 的特定值，例如視用來將資料寫到磁性記錄層40上的記錄頭、各層42、46、50中各個晶粒的尺寸、另兩層之各自的磁異向性場、各層的厚度、及各層的飽合磁化強度等而定。在某些實施例中，各個層42、46、50之H k 值的範圍，可能受每一層42、46、50之磁異向能K u V之貢獻的影響。例如，具有較低K u V值的第一磁性層42，比具有較高K u V值的第一磁性層42容易寫入(即，其允許施加較低的磁場來切換具有較低K u V值之層42中之晶粒的磁定向)。因此，具有較低K u V值的第一磁性層42允許使用具有較低H k 2 值的第二磁性層46及具有較低H k 3 值的第三磁性層50，以驅動ECC-輔助寫入法。不過，整體來看，較低值的K u V要使用來自第二磁性層46及第三磁性層50之較大的磁異向能貢獻(K u V)，以保持垂直記錄層40的熱穩定性。對於包含指定H k 值的層而言，例如第二磁性層46，K u V異向能的貢獻，可能受材料之飽合磁化強度M s 改變的影響，如K u V=2H k V/M s 。此外或另者，藉由改變磁性層內之晶粒間之橫向的磁交換，可改變有效體積V，其可改變有效磁叢集大小(一叢集的晶粒在實質相同的條件下改變磁定向)。
為了簡化，H k1 、H k2 、及H k3 之值可取的範圍可個別地定義，但最好瞭解，當相互結合在一起定義時，如H k1 與H k2 之間及H k2 與H k3 之間的差為定義預先決定之磁性記錄層結構的一方法。不需參考其它層的H k 值單獨考慮H k1 ，在某些實施例中，其值可在大約16kOe至大約24kOe之間。在其它實施例中，H k1 可大於大約24kOe或小於16kOe。H k1 值的某些例子包括大約20kOe或大約24kOe。
在某些實施例中，H k2 可在大約12kOe至大約24kOe之間，而在其它實施例中，H k2 可大於大約24kOe或小於12kOe。H k2 之值的某些例子包括在大約12kOe至大約15kOe之間，大約16kOe、大約19kOe、或大約24kOe。
在某些實施例中，H k3 可小於大約15kOe，而在其它實施例中，H k3 可大於15kOe。H k3 之值的某些例子包括在大約3kOe至大約9kOe之間，大約9kOe、大約6kOe、或大約1kOe。
綜合在一起考慮，在某些實施例中，H k1 可在大約16kOe至大約24kOe之間，H k2 可在大約12kOe至大約24kOe之間，及H k3 可小於H k2 ，以使H k1 、H k2 、及H k3 之值滿足H k1 -H k2 <H k2 -H k3 的關係。在某些實施例中，H k1 在大約20kOe至大約22kOe之間，H k2 在大約17kOe至大約20kOe之間，且H k3 在大約9kOe至大約14kOe之間。在其它實施例中，層1中的鉑濃度大約18-22at%，層2中的鉑濃度大約14-18at%，及層3中的鉑濃度小於大約14at%，H k2 大約17-20kOe，及H k3 大約9-14kOe。
在某些實施例中，H k1 、H k2 、及H k3 之間的關係可進一步由H k2 與H k1 之間的比值及/或H k3 與H k2 之間的比值來定義。例如，比值H k2 /H k 1 可大於比值H k3 /H k2 。在某些實施例中，H k2 /H k1 可大於大約0.6，而H k 3 /H k2 可小於大約0.6。在某些實施例中，H k2 /H k1 可大於大約0.7，而H k3 /H k2 可小於大約0.7。在某些實施例中，H k2 /H k1 可大於大約0.9，而H k 3/H k 2可小於大約0.9。在某些實施例中，H k 2/H k 1 可大於大約1.0，而H k 3/H k 2可小於大約1.0。在一實施例中，H k 2/H k 1 大約1.2。
在某些實施例中，無論是H k 2/H k 1 、H k 3/H k 2的值都可小於大約0.6。在某些實施例中，H k 3/H k 2可小於大約0.1。
第一磁性層42、第二磁性層46、及第三磁性層50的飽合磁化強度可以相同，也可不同。在某些實施例中，第一磁性層42、第二磁性層46、及第三磁性層50每一層的飽合磁化強度M s 可在大約350emu/cm3至大約700emu/cm3之間。在某些例中，第一磁性層42、第二磁性層46、及第三磁性層50至少其中一層的飽合磁化強度可在大約450emu/cm3至大約700emu/cm3之間。例如，第一磁性層42、第二磁性層46、及第三磁性層50至少其中一層的飽合磁化強度可在大約550emu/cm3。
第一磁性層42的厚度可在大約5奈米至大約10奈米之間。第二磁性層46的厚度可在大約3奈米至大約7奈米之間，而第三磁性層50的厚度可小於大約10奈米。如前文描述，各個磁性層42、46、50每一層的厚度對H k 值的選擇及/或各個層42、46、50的M s 值都有影響。在一實施例中，第二磁性層46的厚度可小於大約4奈米，且H k 1/H k 2 大於大約0.8及H k 2/H k 3 小於大約0.8。
圖4A-4E係說明第一磁性層42、第二磁性層46、及第三磁性層50之磁異向性場組態例之圖。在圖4A-4E之磁性記錄層40之組態的說明例中，第一磁性層42、第二磁性層46、及第三磁性層50的成分經過選擇，以使H k 1 -H k 2的差小於H k 2 -H k 3 的差。如前所述，H k l 、H k 2 、及H k 3 之間的關係，可進一步由第一比值H k 2 /H k 1 及/或第二比值H k 3 /H k 2 來定義。
例如，圖4A說明的磁性記錄層40中，H k 1 -H k 2小於H k 2-H k 3。此外，H k 2/H k 1 可大於大約0.6，且在某些實施例中，可大於大約0.9。在圖4A所說明之磁性記錄層40的組態中，比值H k 3/H k 2可小於大約0.6，且可小於0.1。例如，H k 1 可在大約16kOe至大約24kOe之間，H k 2可在大約12kOe至大約24kOe之間，及H k 3可小於大約15kOe。在一實施例中，H k 1 大約20kOe、H k 2 大約16kOe、及H k 3 大約9kOe。在另一實施例中，H k 1 大約20kOe、H k 2 大約19kOe、及H k 3 大約6kOe。在又一實施例中，H k 1 大約24kOe、H k 2 大約16kOe、及H k 3 大約1kOe。
如另一例，圖4B說明的磁性記錄層40中，H k 1 -H k 2小於H k 2-H k 3。此外，H k 1 -H k 2小於0，且H k 2/H k 1大於大約1.0，例如，大約1.2。在圖4B說明的實施例中，比值H k 3/H k 2可小於大約0.6，且在某些實施例中可小於大約0.1。在一實施例中，H k 1 大約20kOe、H k 2 大約24kOe、及H k 3 大約1kOe。
在圖4C-4E所說明的實施例中，磁性記錄層40中包括形成在第三磁性層50上的CGC層52。在實施例中，CGC層52係直接形成在第三磁性層50上，CGC層52與第三磁性層50可當成單一的複合層，其目的為第三磁性層50與CGC層52在第二磁性層46與第一磁性層42上的ECC效果。換言之，厚度加權平均磁異向性場H k3 4 可用H k3 的厚度加權平均及CGC層52的磁異向性場H k4 來近似。複合層(第三磁性層50與CGC層52)可一同考慮對磁異向能K u V的貢獻，並根據相加的厚度及第三磁性層50與CGC層52的磁矩為複合層計算K u V。包含第三磁性層50與CGC層52的複合層對第二磁性層46與第一磁性層42所施加的ECC效果，與包含磁異向性場H k34 的單一層實質上類似。與具有相同H k 但橫向交換耦合較低之層相較，CGC層52內晶粒間的橫向交換耦合會使為切換CGC層52內晶粒之磁定向而施加的磁場下降。因此，在某些實施例中，有效的H k34 可能會比H k3 與H k4 的厚度加權平均低。因此，在某些實施例中，當定義凸形磁異向性場等級時，僅考慮H k3 而不考慮H k4 。
在某些實施例中，如圖4C與4D所示，CGC層52可包含磁異向性場H k4 ，其小於或實質等於H k3 。在某些實施例中，如圖4C所示，CGC層52與第三磁性層50之磁異向性場間的差H k4 -H k3 可能大於H k3 -H k2 的差。換言之，凸形磁異向性場梯度可延伸到CGC層52內。
在其它實施例中，如圖4D所示，H k4 -H k3 不大於H k3 -H k2 的差。在此實施例中，凸形磁異向性場梯度不會延伸到CGC層52內，但可延伸實質穿過第一磁性層42、第二磁性層46、及第三磁性層50。
在其它實施例中，如圖4E所示，CGC層52可包含大於H k3 的磁異向性場H k4 。與H k4 -H k3 不大於H k3 -H k2 之差的實施例類似，當H k4 大於H k3 時，凸形磁異向性場梯度不會延伸進入CGC層52，但可延伸實質穿過第一磁性層42、第二磁性層46、及第三磁性層50。
雖然以上的實施例導向磁性記錄層包括3層磁性層及選用的CGC層，但在某些實施例中的磁性記錄層可包括3層以上的磁性層。一般言之，包括凸形磁異向性場梯度之磁性記錄層的概念是延伸到任何數量的磁性層。例如，如圖5A所示，磁性記錄層60可包括(2n-1)層，包括n層磁性層與n-1層交換阻斷層交替堆疊，其中n為大於或等於3的整數。此外及選擇性地，磁性記錄層61可包括形成在磁性層n上的CGC層71，如圖5B所示。特別是，圖5A說明第一磁性層62，其可以是粒狀磁性層，其成份導致較高的磁異向性場。第一磁性層62的磁異向性場係取向在實質垂直於記錄層60的平面(例如，第一磁性層62中晶粒的磁易軸可實質地垂直於記錄層60的平面)。第一磁性層62可包含鈷合金，例如鈷與鉻、鎳、鉑、鉭、硼、鈮、氧、鈦、矽、鉬、銅、銀、鍺、或鐵至少其中之一結合。在某些實施例中，第一磁性層62可包括例如鐵-鉑合金或釤-鈷合金。在某些實施例中，第一磁性層62可包括鈷合金與鉑合金交替的薄層或鈀合金。在某些實施例中，分隔第一磁性層62中之晶粒的非磁性材料可包含氧化物，諸如SiO2、TiO2、CoO、Cr2O3、Ta2O5，這些材料分隔磁性晶粒。在其它實施例中，分隔第一磁性層62中之晶粒的非磁性材料可包含鉻、硼、碳，或其它非鐵磁性元素。
第一交換阻斷層64係形成在第一磁性層62上。第一交換阻斷層64可包括CoxRu1-x合金。如另一例，第一交換阻斷層64可包括釕或本質上由釕所構成。在第一交換阻斷層64包含CoxRu1-x合金的例中，阻斷層64的厚度少於大約3奈米。在第一交換阻斷層64本質上為釕所構成的例中，阻斷層64的厚度可更薄，例如小於大約3埃。
第二磁性層66係形成在圖第一交換阻斷層64上，且可以是粒狀的磁性層，其成分致使磁異向性場相對較高。如前所述，第二磁性層66具有的磁異向性可小於、實質上等於、或大於第一磁性層62的磁異向性。第二磁性層66的磁異向性係取向於實質垂直於記錄層60之平面的方向(例如，第二磁性層66中晶粒的磁易軸可實質地垂直於記錄層60的平面)。第二磁性層66可包含鈷合金，例如鈷與鉻、鎳、鉑、鉭、硼、鈮、氧、鈦、矽、鉬、銅、銀、鍺、或鐵至少其中之一結合。在某些實施例中，第二磁性層66可包括例如鐵-鉑合金或釤-鈷合金。在某些實施例中，第二磁性層66可包括鈷合金與鉑合金交替的薄層或鈀合金。在某些實施例中，分隔第二磁性層66中之晶粒的非磁性材料可包含氧化物，諸如SiO2、TiO2、CoO、Cr2O3、Ta2O5，這些材料分隔磁性晶粒。在其它實施例中，分隔第二磁性層66中之晶粒的非磁性材料可包含鉻、硼、碳，或其它非鐵磁性元素。
磁性記錄層60可包括交替堆疊樣式之任意數量的磁性層與交換阻斷層。每一後續的磁性層可具有經過選擇的成分，以使磁性記錄層60在其複數個磁性層之間包括了凸形磁異向性場梯度。換言之，各個磁性層的成分可經過選擇，以使H k(n-2) -H k(n-1) 小於H k(n-1) -H k (n)，其中H ki 為第i層的磁異向性場。例如，第一磁性層62、第二磁性層66、第三磁性層(未顯示)的成分可經過選擇，以使H k1 -H k 2 小於H k2 -H k3 。交換阻斷層n-1 68係形成在磁性層n-1(未顯示)之上。交換阻斷層n-1 68可包含釕或釕合金，且可具有與第一交換阻斷層64類似的成分，或與第一交換阻斷層64不同的成分。在某些實施例中，交換阻斷層n-1 68可由本質上為釕或釕所構成，而在其它實施例中，交換阻斷層n-1 68可包含釕合金，例如CoxRu1-x。除了釕或CoxRu1-x合金之外，交換阻斷層n-1 68也可選擇性地包括非磁性氧化物，諸如SiO2、TiO2、CoO、Cr2O3、Ta2O5。
磁性層n 70係形成在交換阻斷層n-1 68上，且在某些實施例中可以是磁異向性相對較低的粒狀磁性層，例如，低於記錄層60中任何其它磁性層的磁異向性。磁性層n具有的磁異向性場係取向在實質垂直於記錄層60之平面的方向。磁性層n 70可包括例如鈷合金、鐵-鉑合金、或釤-鈷合金，且可包括或不包括非磁性氧化物，諸如SiO2、TiO2、CoO、Cr2O3、或Ta2O5，如前所述。磁性層n 70的成分可與第一磁性層62及/或第二磁性層66的成分不同，俾使磁性層n 70所具有的磁異向性場，連同磁性記錄層60中其它磁性層的磁異向性場，共同導致一凸形磁異向性場梯度。例如，磁性層n 70可包括與第一磁性層62及/或第二磁性層66類似的成分，但比例不同。
在某些實施例中，CGC層71(顯示於圖5B)與前文參考圖3所描述的CGC層52類似。
圖6說明形成垂直磁性記錄層的方法。此方法可形成具有磁異向性場H k1 的第一磁性層(72)，在第一磁性層上形成第一交換阻斷層(74)，以及在第一交換阻斷層上形成第二磁性層(76)。第二磁性層具有第二磁異向性場H k2 。在某些實施例中，此方法進一步包括在第二磁性層上形成第二交換阻斷層(78)，以及在第二交換阻斷層上形成第三磁性層(80)。第三磁性層具有第三磁異向性場H k3 。在某些實施例中，H k1 -H k 2小於H k 2-H k 3。
雖然本文所描述的磁性記錄層包括交替的阻斷層與磁性層，但在某些實施例中，磁性記錄層之每對毗鄰的磁性層之間可不包括阻斷層。例如，磁性記錄層可包括第二磁性層46與第三磁性層50(圖3)直接互相毗鄰而形成，其間沒有插入的第二交換阻斷層48。此構想可延伸到其它的磁性層對，諸如第一磁性層42與第二磁性層46。此外，在包括超過3層磁性層的實施例中(例如參考圖5所描述的實施例)，磁性記錄層60可包括多達2n-1層，包括n層磁性層與n-1層阻斷層。在此實施例中，某些毗鄰的磁性層對可包括中間插入層，而其它的毗鄰磁性層對可不包括中間插入層。
雖然前文的揭示主要針對包括磁性記錄媒體的設備，但本文所描述的磁性層結構也用用到其它應用。例如，本文所描述的磁性層結構也可應用到磁性感測器或磁電阻式隨機存取記憶體(MRAM)。
以下的例子係用來說明所揭示的實施例，但並非限制揭示的範圍。這些例子係基於使用理想化之磁性層所做的理論計算。每一磁性層具有相同值的M s 與H ex 。例中的磁性記錄層不包括CGC層。在以下的例中，參數定義如下。方程式1定義層i的有效磁性厚度，△ i ：
其中，M si 係層i的飽合磁化強度，δ i 係層i的厚度，M s1 係層1(即第一磁性層)的飽合磁化強度，及δ 1 係層1的厚度。
方程式2定義層i的有效異向性κ i ：
其中，M si 係層i的飽合磁化強度，H Ai 係層i的抗磁性，δ i 係層i的厚度，M s1 係層1的飽合磁化強度，H A1 係層1的抗磁性，及δ 1 係層1的厚度。
方程式3定義層i與層j之間的有效耦合，Xij：
方程式3
其中，J ij 係層i與層j之間的量子機械性耦合，K 1 係層1的磁異向能，δ 1 係層1的厚度。
關於以下的例子，某些參數保持固定。例如，△2=△3=0.5△1。換言之，層2與層3的有效厚度被設定成相等，且是層1之有效厚度的一半。
在以下的評估例1-3中，對個別的同調切換3層磁性記錄層做比較，其中，3層磁性層具有H A1 、H A2 =0.75H A1 、H A3 =0.5H A1 的磁異向性。此磁性異向性分布導致了0.8125H A1 的平均磁異向性<H A >。使這些例的<H A >保持固定，且κ2值經過選擇，其設定κ3的值。χ12與χ23為自由參數。
例1
在圖7A及7B說明的例中，磁性層1的磁異向性值H A1 為20kOe，磁性層2的磁異向性值H A2 為16kOe，磁性層3的磁異向性值H A3 為9kOe。按照本揭示，此磁異向性分布為凸形磁異向性場梯度。H A1 -H A2 為4kOe，其小於H A2 -H A3 的7kOe。此外，H A2 /H A1 為0.8，其大於H A3 /H A2 (0.5625)。在例1中，△2=△3=0.5，κ2=0.4，κ3=0.225。
例1的磁定向切換性能與用於參考之同調切換的3層磁性記錄層做比較，例如，其中的3磁性層被耦合，且被當成單一的磁性層，按照個別層之異向性的有效厚度加權平均來計算有效的異向性。第一磁性層具有H A1 =20kOe的異
向性，且相對有效厚度為1，第二磁性層具有H A2 =0.8H A1 =16kOe的異向性，且相對有效厚度為0.5，及第三磁性層具有H A3 =0.45H A1 =9kOe的異向性，且相對有效厚度為0.5。此磁異向性分布致使有效厚度加權平均磁異向性<H A >為0.8125H A1 =16.25kOe，及能障改變△E/△E1為1.625。能障改變係用來指示第二與第三磁性層對於磁性記錄層之熱穩定性相較於僅只有第一磁性層之磁性記錄層的效果。
比較例1之磁定向切換性能與參考之同調切換的磁性記錄層，在能障處所發現之最小的正常化H sw 值(磁性記錄層之有效的抗磁性；等於施加於磁性記錄層之定向要被切換處的磁場，其係為第一磁性層的抗磁性所正規化)，實質上等於參考磁性記錄層的能障(1.625)。參考圖7A及7B，圓圈82的大致座標為χ12=0.45及χ23=0.45。現回到圖7A，在χ12=0.45及χ23=0.45處之正常化的H sw 值為大約073，如圓圈84所示。用此與參考膜之正常化的H sw 值0.8125做比較，例1中之磁異向性梯度所提供的正常化H sw 大約降低11%。換言之，包含經過選擇以提供凸形磁異向性場梯度之3層磁性層的磁性記錄層，比經過選擇以提供線性磁異向性場梯度之3層磁性層的磁性記錄層更容易切換且具有相當的熱穩定性。
例2
在圖8A及8B說明的例中，磁性層1的磁異向性值H A1 為
20kOe，磁性層2的磁異向性值H A2 為19kOe，磁性層3的磁異向性值H A3 為6kOe。按照本揭示，此磁異向性分布為凸形磁異向性場梯度。H A1 -H A2 為1kOe，其小於H A2 -H A3 的13kOe。此外，H A2 /H A1 為0.95，其大於H A3 /H A2 (0.3158)。在例2中，△2=△3=0.5，κ2=0.475，κ3=0.15。
例2的磁定向切換性能與用於參考之同調切換的3層磁性記錄層做比較，例如，其中的3層磁性層被耦合，且被當成單一的磁性層，按照個別層之異向性的有效厚度加權平均來計算有效的異向性。第一磁性層具有H A1 =20kOe的異向性，且相對有效厚度為1，第二磁性層具有H A2 =0.95H A1 =19kOe的異向性，且相對有效厚度為0.5，及第三磁性層具有H A3 =0.3H A1 =6kOe的異向性，且相對有效厚度為0.5。此磁異向性分布致使磁異向性<H A >為0.8125H A1 =1625kOe，及能障改變△E/△E1為1.625。能障改變係用來指示第二與第三磁性層對於磁性記錄層之熱穩定性相較於僅只有第一磁性層之磁性記錄層的效果。
比較例2之磁定向切換性能與參考之同調切換的磁性記錄層，在能障處所發現之最小的正常化H sw 值，實質上等於參考磁性記錄層的能障(1.625)。參考圖8A及8B，圓圈86的大致座標為χ12=0.45及χ23=0.45。現回到圖8A，在χ12=0.45及χ23=0.45處之正常化的H sw 值為大約0.68，如圓圈88所示。用此與參考膜之正常化的H sw 值0.8125做比較，例2中之磁異向性梯度所提供的正常化H sw 大約降低20%。再次，包含經過選擇以提供凸形磁異向性場梯度之3層
磁性層的磁性記錄層，比經過選擇以提供線性磁異向性場梯度之3層磁性層的磁性記錄層更容易切換且具有相當的熱穩定性。
例3
在圖9A及9B說明的例中，磁性層1的磁異向性值H A1 為20kOe，磁性層2的磁異向性值H A2 為24kOe，磁性層3的磁異向性值H A3 為1kOe。按照本揭示，此磁異向性分布為凸形磁異向性場梯度。H A1 -H A2 為-4kOe，其小於H A2 -H A3 的23kOe。此外，H A2 /H A1 為1.2，其大於H A3 /H A2 (0.0417)。在例3中，△2=△3=0.5，κ2=0.6，κ3=0.025。
例3的磁定向切換性能與用於參考之同調切換的3層磁性記錄層做比較，例如，其中的3層磁性層被耦合，且被當成單一的磁性層，按照個別層之異向性的有效厚度加權平均來計算有效的異向性。第一磁性層具有H A1 =20kOe的異向性，且相對有效厚度為1，第二磁性層具有H A2 =1.2H A1 =24kOe的異向性，且相對有效厚度為0.5，及第三磁性層具有H A3 =0.05H A1 =1kOe的異向性，且相對有效厚度為0.5。此磁異向性分布致使磁異向性<H A >為0.8125H A1 =16.25kOe，及能障改變△E/△E1為1.625。能障改變係用來指示第二與第三磁性層對於磁性記錄層之熱穩定性相較於僅只有第一磁性層之磁性記錄層的效果。
比較例3之磁定向切換性能與參考之同調切換的磁性記錄層，在能障處所發現之最小的正常化H sw 值(磁性記
錄層之有效的抗磁性；等於施加於磁性記錄層之定向要被切換處的磁場，其係為第一磁性層的各向異性所正規化)，實質上等於參考磁性記錄層的能障(1.625)。參考圖9A及9B，圓圈90的大致座標為χ12=0.45及χ23=0.45。現回到圖9A，在χ12=0.45及χ23=0.45處之正常化的H sw 值為大約0.55，如圓圈92所示。用此與參考膜的正常化H sw 值0.8125做比較，例3中之磁異向性梯度所提供的正常化H sw 大約降低48%。此證實包含經過選擇以提供凸形磁異向性場梯度之3層磁性層的磁性記錄層，比經過選擇以提供線性磁異向性場梯度之3層磁性層的磁性記錄層更容易切換且具有相當的熱穩定性。
例4
在圖10A及10B說明的例中，磁性層1的磁異向性值H A1 為24kOe，磁性層2的磁異向性值H A2 為16kOe，磁性層3的磁異向性值H A3 為1kOe。按照本揭示，此磁異向性分布為凸形磁異向性場梯度。H A1 -H A2 為4kOe，其小於H A2 -H A3 的15kOe。此外，H A2 /H A1 為0.667，其大於H A3 /H A2 (0.0625)。在例4中，△2=△3=0.5，κ2=1/3，κ3=1/48。
例4的磁定向切換性能與用於參考之同調切換的3層磁性記錄層做比較，例如，其中的3磁性層被耦合，且被當成單一的磁性層，按照個別層之異向性的有效厚度加權平均來計算有效的異向性。第一磁性層具有H A1 =24kOe的異向性，且相對有效厚度為1，第二磁性層具有H A2 =
(2/3)H A1 =16kOe的異向性，且相對有效厚度為0.5，及第三磁性層具有H A3 =(1/24)H A1 =1kOe的異向性，且相對有效厚度為0.5。此磁異向性分布致使磁異向性<H A >為0.677H A1 =16.25kOe，及能障改變△E/△E1為1.345。能障改變係用來指示第二與第三磁性層對於磁性記錄層之熱穩定性相較於僅只有第一磁性層之磁性記錄層的效果。
比較例4之磁定向切換性能與參考之同調切換的磁性記錄層，在能障處所發現之最小的正常化H sw 值，實質上等於參考磁性記錄層的能障(1.354)。參考圖10A及10B，圓圈94的大致座標為χ12=0.35及χ23=0.4。現回到圖10A，在χ12=0.35及χ23=0.4處之正常化的H sw 值為大約0.42，如圓圈96所示。用此與參考膜的正常化H sw 值0.677做比較，例4中之磁異向性梯度所提供的正常化H sw 大約降低61%。此證實包含經過選擇以提供凸形磁異向性場梯度之3層磁性層的磁性記錄層，比經過選擇以提供線性磁異向性場梯度之3層磁性層的磁性記錄層更容易切換且具有相當的熱穩定性。
現已描述了本揭示的各不同實施例。以上所描述的實施及其它實施，都在以下專利申請範圍的範圍內。
10‧‧‧磁碟機
12‧‧‧基座
14‧‧‧頂蓋
16‧‧‧外殼
18‧‧‧磁性記錄媒體
20．．．致動器臂
22．．．磁記錄及讀取頭
24．．．轉軸
32．．．基片
34．．．軟質底層
36．．．第一中間層
38．．．第二中間層
40．．．垂直記錄層
54．．．保護被覆層
42．．．第一磁性層
44．．．第一交換阻斷層
46．．．第二磁性層
48．．．第二交換阻斷層
50．．．第三磁性層
52．．．CGC層
60．．．磁性記錄層
61．．．磁性記錄層
62．．．第一磁性層
71．．．CGC層
64．．．第一交換阻斷層
66．．．第二磁性層
68．．．交換阻斷層n-1
70．．．磁性層n
圖1係硬式磁碟機的示意圖。
圖2係磁異向性與離包含連續梯度成分之磁性記錄層之硬層之距離間之關係的曲線圖。
圖3的方塊圖係說明包括記錄層之記錄媒體堆疊的例子，其包含第一磁性層、第一交換阻斷層、第二磁性層、第二交換阻斷層、及第三磁性層。
圖4A-4E係例示磁異向性對按照本揭示之複數層記錄層之磁性層的曲線圖。
圖5的示意方塊圖說明包含n層磁性層與n-1層交換阻斷層交替堆疊之磁性記錄層的實例。
圖6的流程圖說明用來形成磁性記錄層之技術的例子。
圖7A及7B分別係按照本揭示所建構之磁性記錄層例之切換頑磁性等值線圖與能障降低之等值線圖。
圖8A及8B分別係按照本揭示所建構之磁性記錄層例之切換頑磁性等值線圖與能障降低之等值線圖。
圖9A及9B分別係按照本揭示所建構之磁性記錄層例之切換頑磁性等值線圖與能障降低之等值線圖。
圖10A及10B分別係按照本揭示所建構之磁性記錄層例之切換頑磁性等值線圖與能障降低之等值線圖。
32．．．基片
34．．．軟質底層
36．．．第一中間層
38．．．第二中間層
40．．．垂直記錄層
54．．．保護被覆層
42．．．第一磁性層
44．．．第一交換阻斷層
46．．．第二磁性層
48．．．第二交換阻斷層
50．．．第三磁性層
52．．．CGC層
Claims (21)
- 一種具有磁性記錄層之設備，包含：第一磁性層，具有第一磁異向性場H k1 ；第一交換阻斷層，形成在該第一磁性層上；第二磁性層，形成在該第一交換阻斷層上，其中，該第二磁性層具有第二磁異向性場H k2 ；第二交換阻斷層，形成在該第二磁性層上；第三磁性層，形成在該第二交換阻斷層上，其中，該第三磁性層具有第三磁異向性場H k3 ，且其中H k1 -H k2 小於H k2 -H k3 ；以及連續粒狀複合層形成在該第三磁性層之上，其中該連續粒狀複合層與該第三磁性層包含交換耦合複合結構，其被組態以對該第一與第二磁性層施加具有厚度加權平均磁異向性場H k34 的交換耦合複合效果，以及其中該連續粒狀複合層包含具有鉑含量Pt4的一層，該鉑含量Pt4係大於該第三磁性層的鉑含量Pt3。
- 如申請專利範圍第1項之設備，其中，第一比值H k2 /H k1 大於第二比值H k3 /H k2 。
- 如申請專利範圍第2項之設備，其中，該第一比值係大於大約0.6。
- 如申請專利範圍第2項之設備，其中，該第一比值係大於大約0.9。
- 如申請專利範圍第2項之設備，其中，該第一比值係大於大約1.0。
- 如申請專利範圍第1項之設備，其中，該第一磁性層包含鉑含量Pt 1 在大約18at.%至大約22at.%之間，該第二磁性層包含鉑含量Pt 2 在大約14at.%至大約18at%之間，以及該第三磁性層包含鉑含量Pt 3 小於大約14at.%，且其中Pt 1 -Pt 2 小於Pt 2 -Pt 3 。
- 如申請專利範圍第1項之設備，其中該第一磁性層包含第一粒狀磁性層，其包含第一磁性材料與第一氧化物，以及，其中該第二磁性層包含第二粒狀磁性層，其包含第二磁性材料與第二氧化物。
- 如申請專利範圍第1項之設備，其中該連續粒狀複合層具有磁異向性場H k4 ，其中該H k4 係大於H k3 。
- 如申請專利範圍第1項之設備，其中該連續粒狀複合層具有磁異向性場H k4 ，以及其中H k4 係小於或大約等於H k3 。
- 如申請專利第1項之設備，其中H k1 係於大約16kOe與大約24kOe之間。
- 如申請專利範圍第10項之設備，其中H k2 係於大約12kOe與大約24kOe之間。
- 如申請專利範圍第11項之設備，其中H k3 係小於大約15kOe。
- 如申請專利範圍第1項之設備，其中H k1 係於大約20kOe與大約22kOe之間，其中H k2 係於大約17kOe與大約20kOe之間，及其中H k3 係於大約9kOe與大約14kOe之間。
- 如申請專利範圍第1項之設備，其中，該第一磁 性層、該第二磁性層、及該第三磁性層的至少其中一層包含鈷合金、鈷合金與鉑合金之交替層、或鈷合金與鈀合金之交替層的至少其中之一。
- 如申請專利範圍第1項之設備，其中Pt4係大於大約14at.%。
- 如申請專利範圍第1項之設備，其中H k2 大於H k1 。
- 如申請專利範圍第16項之設備，其中該第二磁性層具有磁異向能Ku2，以及該第一磁性層具有磁異向能Ku1，其中Ku2小於Ku1。
- 如申請專利範圍第1項之設備，其中該連續粒狀複合層包含CoCrPtB合金。
- 如申請專利範圍第18項之設備，其中該CoCrPtB合金被摻雜以釕(Ru)、鎢(W)、或鈮(Nb)。
- 如申請專利範圍第1項之設備，其中該連續粒狀複合層並不包含大量的氧化物。
- 一種具有磁性記錄層之設備，包含：第一磁性層包含第一磁異向性場H k1 與第一磁異向能Ku1；第一交換阻斷層，形成在該第一磁性層上；第二磁性層，形成在該第一交換阻斷層上，其中該第二磁性層包含第二磁異向性場H k2 與第二磁異向能Ku2，其中H k2 係大於H k1 及Ku2係小於Ku1；第二交換阻斷層，形成在該第二磁性層上； 第三磁性層，形成在該第二交換阻斷層上，其中該第三磁性層包含第三磁異向性場H k3 ，及其中H k1 -H k2 係小於H k2 -H k3 ；以及連續粒狀複合層形成在該三磁性層之上，其中該連續粒狀複合層與該第三磁性層包含交換耦合複合結構，其被組態以對該第一與第二磁性層施加具有厚度加權平均磁異向性場H k34 的交換耦合複合效果。
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