TWI601133B - 具有含高磁性飽和與異向性磁場特徵之薄穩定層的記錄媒體 - Google Patents
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Description
本發明之多項實施例一般係關於具有增強之磁穩定性的垂直記錄媒體。根據一些實施例，在底基板上形成多層記錄結構，且其適於磁性存儲實質上垂直於該等層之域中之磁性位元序列。在該多層記錄基板上形成薄磁性穩定層以磁性穩定該記錄結構的上部。
藉由以下詳細描述章節及附圖可瞭解多項實施例之此等及其他特徵及優點。
在垂直記錄系統中，將磁性序列寫到具有在一般垂直於媒體移動方向之方向(例如在垂直於一或多個「水平」記錄層之「垂直」方向)延伸之磁性域的媒體之記錄結構中。
高密度垂直記錄媒體需要小心控制及平衡若干磁性性質，例如足夠低的側向交換耦合以維持小群集尺寸；異向性磁場強度(Hk)及交換之粒間均一性以具有狹窄轉換磁場分佈(SFD)；足夠高的磁力異向性以確保熱穩定性及保證與高梯度記錄頭的相容性；足夠低的轉換磁場強度以確保藉由寫頭之可寫性。
一些垂直記錄媒體利用具有高Hk及低交換之基於氧化物之顆粒底部磁性層，及上方的連續磁性層以調整交換耦合、減少SFD及提高可寫性。為了保持低噪音及均一交換，可在頂部磁性層中應用相對高含量的分體，例如硼
(B)。雖然一般為可操作的，但更高含量的分體會引起缺陷，例如疊差，其繼而可降低Hk及Ms，且可減低Hk均一性及SFD。
隨著記錄密度持續增加，希望提供更小的晶粒結構以維持位元中之磁性顆粒的數量在類似值。更小的晶粒結構對於非均一性(例如晶粒內之異向性變化)趨於更敏感，且亦需要更高的異向性以維持熱穩定性，從而使可寫性更差。因此，在此項技術中需要具有改善之位元錯誤率(BER)、可寫性及熱穩定性的媒體。
因此，本文所揭示的多項實施例大致係關於資料記錄媒體，其具有含高磁性飽和(Ms)與異向性磁場(Hk)特徵之連續頂部磁性層以穩定相鄰記錄層。該頂部磁性層可為相對薄的硬磁性材料層。可操作該層以提高媒體的BER及熱穩定性能。
根據本發明格式化之一些類型的記錄媒體特別適宜用於熱輔助磁記錄(HAMR)記錄系統，但此僅為示例性而非限制性。在其他應用中，如本文所具體表述的記錄媒體可適用於非-HAMR記錄系統，諸如ECC+CGC垂直記錄媒體。可使用單磁碟設計或多磁碟設計。
首先觀察圖1可理解多項實施例之此等及其他特徵，圖1呈現示例性資料存儲系統100之態樣。系統100包括可旋轉資料記錄媒體102及相鄰的資料轉換器104。資料轉換器104之特徵為利用熱輔助磁記錄(HAMR)，但此僅為示例性而非限制性。
一般而言，可將媒體102及轉換器104併入硬碟驅動器(HDD)或其他資料存儲裝置中，其中使用多個軸向佈置的記錄媒體(磁碟)及HAMR資料轉換器以從主機裝置讀取及寫入用戶資料。
在一些實施例中，將資料沿多個沿媒體之表面106所界定的同心磁軌(未顯示)存儲在媒體102上。資料可以沿磁軌之固定大小之可定址用戶資料磁區的形式存儲。可在轉換器104之相對表面上提供流體動力特徵(例如空氣軸承表面108)，以使轉換器能藉由在媒體102旋轉期間所產生的大氣流被流體支撐於緊靠媒體表面106。
顯示資料轉換器104包括各自讀取(R)、寫入(W)及光源(L)元件110、112及114。讀取元件110可採取磁阻(MR)感測器之形式。寫入元件112可包括寫線圈及一或多個磁可穿透核心。光源114可採取雷射二極體或其他輻射束源之形式。
在讀取操作期間，讀取元件110操作以感測沿選定磁軌之部分寫入媒體102的磁化序列。在寫入操作期間，光源元件114在旋轉媒體102上投射高功率輻射「點」以局部增加媒體之溫度，及寫入元件112引導磁通量進入媒體之加熱部分中以寫入所需磁化序列。轉換器104係由致動器臂116支撐，其係響應於伺服控制系統(未顯示)及視需要放射狀地定位鄰接磁碟表面106之各自元件110、112及114。
應瞭解圖1所表示之系統可容易適用於非HAMR應用，其中省略雷射元件114。已發現，例如，如本文所揭示之
媒體之調配物適宜用於多種非HAMR媒體，諸如ECC+CGC垂直於記錄媒體。
圖2係適用於資料存儲系統(諸如以上圖1所描述者)之示例性記錄媒體200之多個層之示意圖描述。可容易使用其他媒體組態。應瞭解圖2本質上係功能性的，且非按比例繪製，以使顯示於圖2中之各自層中之各者可具有其各自之厚度。
底基板202為媒體200提供機械支撐。在底基板202上形成記錄結構204。記錄結構204操作以存儲來自轉換器(諸如圖1中之轉換器104)之資料。記錄結構204可包括多個層，其包括濺射至該基板上之柔軟磁性底層(SUL)、經組態以在垂直方向上建立磁性易軸之一或多個中間層(IL)及一或多個記錄層(RL)。該等中間層具有高表面粗糙度以在隨後沉積之記錄層中引起晶粒分離。可提供多個記錄層，其中較下層具有相對更高之磁化強度、異向性及交換耦合程度及較上層具有更柔性之磁化強度及異向性。記錄層將具有針對希望之位元密度而言足夠的晶粒分離。可按需要使用任何適宜的記錄結構組態。
在記錄結構204上形成薄硬連續磁性層206。此層206(有時在本文中係指穩定層)，在一些實施例中可顯著薄於記錄結構204之總厚度，例如該厚度之1/10或更薄。在一些實施例中，層206可在小於15埃(A)之數量級上，且可具有大於約600 eμ/cm2之磁性飽和(Ms)及大於約15,000奧斯特(Oe)之異向性磁場強度(Hk)之值。層206一般操作以藉由
提供與記錄層之頂部之高程度交換耦合來穩定記錄層之頂部。按需要，可在頂部磁性層206上形成用於磨損及腐蝕保護之碳外層(COC)208，且可將潤滑劑薄層210應用至COC層。
圖3顯示根據其他實施例之記錄媒體300的橫截面。層一般為代表性且不需要按比例繪製。層包括基板302、SUL 304、IL 306、RL 308、穩定層310、COC 312及潤滑劑314。穩定層(例如層208、310)可採取任何適宜之形式。在一些實施例中，提供具有低硼(B)含量及相對高之鉑(Pt)含量之穩定層。已發現此等組態可顯著增加Ms及Hk水平。
關於圖2及3中所示之示例性結構，基板可為任何適宜於磁性記錄媒體之基板(包括Al及玻璃)。可將柔軟磁性底層(SUL)濺射至該基板上。該(等)中間層(IL)建立結晶取向基礎以引起磁性層中之hcp(0002)的生長，其中磁性易軸垂直於膜平面。該(等)中間層亦建立高表面粗糙度以引起隨後沉積之磁性層中之晶粒分離。如上所述之磁性記錄層為了最佳記錄性能可包括三個或更多層(顆粒底部磁性層、顆粒中間層及頂部連續磁性層)。外層係碳層。
信噪比(SNR)可為高級垂直記錄媒體的重要參數。一般希望在非常薄的膜中具有高信號。可藉由增加磁性層之頂部處之材料的飽和磁化強度(Ms)及相應地增加提供信號之邊緣磁場，來獲得更高的信號。先前技術中之磁性記錄系統一般利用包括頂部磁性層合金(包括Co及Cr)之媒體，及其他元件通常包括Pt及B以隔離磁性層中之磁性晶粒、降
低噪音、提供一定的異向性磁場(Hk)及異向性能量(Ku)。
遺憾的係一些Cr及B殘留在磁性晶粒中，其將Ms降低至500 emu/cc以下，及相應地降低磁性層之信號輸出。Ms可藉由與保護性外層之相互作用進一步減低。為了補償，需要更厚的磁性層以提供足夠的信號。向磁性層添加Cr及B一般亦降低磁性異向性、Ku，其為了熱穩定性需要更厚之膜。因為Co-合金層生長方向係沿垂直媒體中之{0002}方向，故具有B添加之媒體與縱向媒體相比含有更多之缺陷及疊差，其使得難以生長高Ms及高Hk頂部磁性層。
本發明之發明者已發現降低連續頂部磁性層中之B含量可顯著增加具有相同頂部磁性層厚度之記錄媒體之高頻振幅(HFA)。圖4提供具有相對低之B含量及相對高之B含量之不同示例性媒體之HFA響應圖。
如圖4所示，HFA隨著低B含量之頂部磁化厚度而增加，而高含量者中係下降。據信其與此等兩種頂部磁性層之Ms之差異有關。因為此兩頂部磁性層中之Cr及Pt組成係相同的，故較低B含量之頂部磁性層具有較高之Ms。隨著頂部磁性層厚度增加，媒體之磁性矩心朝更接近磁頭移動，其降低磁頭媒體間距(HMS)。HFA隨著低B含量之頂部磁性厚度增加主要係由於低B含量之頂部磁性層之HMS減少及更高磁化強度所致。HMS之減少一般會增加磁頭場梯度及提高媒體信噪比(SNR)及BER。
關於垂直記錄媒體之另一重要參數係SFD。已發現硼係用於記錄噪音減少之良好隔離元素，但其趨於引起諸如疊
差之缺陷，其可增加固有異向性磁場(Hk)分佈及因此更高之SFD。因為低B頂部磁性層係更多交換耦合及含有更少之缺陷，諸如疊差之缺陷，故具有低B含量之頂部磁性層之媒體之SFD與具有更高B含量之頂部磁性層之媒體相比具有低約0.5至1%之SFD。
具有高及低B含量之兩種不同頂部磁性層之BER及正規化BER(BERn)響應係描繪於圖5中。經顯示具有更低B之頂部磁性層之媒體之BER好上大約0.4至0.6 dec。具有更低B之頂部磁性層之媒體之寫-加-消磁寬度(WPE)稍稍更寬，所以具有更低B之頂部磁性層之媒體之正規化BERn係好上0.2 dec。
圖6及7分別顯示在頂部磁性層中具有更低B，但具有不同Pt含量之媒體之Hc(磁矯頑性)及Mrt(磁共振構形)響應。二種媒體具有類似的Mrt響應，其指示此兩頂部磁性層之高Ms性質。具有更低B及更高Pt之媒體之Hc在40至60 Å之厚度範圍內係高約300至400 Oe。針對相同厚度範圍，具有更高Pt之頂部磁性層之媒體之Hn係高約200至300 Oe。
更高之Hc及Hn係與更低B及更高Pt之頂部磁性層之更高Hk有關。具更低B含量之頂部磁性合金顯著增加Ms，B含量降低約3%可導致Ms增加約15%及Hk下降約1%。
圖8描述去磁化磁場Hdemag之示意圖代表。寫入位元之穩定性係基於Nd=Hk/4πMs之比率。具有低3% B之頂部磁性層之媒體具有低約17%之Hk/4πMs比率，所以側軌消磁(STE)性能將大大降低。由此斷定，為了提高STE性能，需
要更高之Hk及高Ms頂部磁性層。
圖9及10顯示在頂部磁性層中具有更低B，但具有不同Pt含量之媒體之Hc及Mrt響應。圖8顯示僅具有更低B之媒體之響應，及圖9提供針對更低B及更高Pt之響應。兩種媒體具有類似的Mrt響應，其表示此等兩種頂部磁性層之高Ms性質。針對至少比底部記錄層(例如308)薄100倍之頂部磁性層(例如310)，具有更低B及更高Pt之媒體之Hc在40至60 Å之厚度範圍內係高約300至400 Oe。針對相同厚度範圍，具有更高Pt之頂部磁性層之媒體之成核場(Hm)係高約200至300 Oe。更高之Hc及Hn係與更低B及更高Pt之頂部磁性層之更高Hk有關。以下表1提供針對此等各自媒體組態之參數性能測量。
具有更低B及更高Pt含量之頂部磁性層之媒體之SFD與具有更低B含量之頂部磁性層之媒體之SFD相當。具有高Ms之更低B及更高Pt之頂部磁性層保持低HMS及SFD的優點，且其更高之Hk允許更多的空間用於交換耦合連續複合物(ECC)媒體調整，所以吾人可進一步優化製程及提高媒體可寫性(反向覆寫「Rev_OW」)、媒體信噪比(SNRme)及BER。如表1所顯示，具有更低B及更高Pt之媒體提高約0.3 dB之SNRme及約0.4 dec之BER。
具有更低B及更高Pt含量之媒體之Hk/4πMs比率可比具有更低B之頂部磁性層之媒體高約50%，其應有利於媒體之STE性能。圖9描繪在頂部磁性層中具有更低B含量之媒體的STE性能，及圖10相應地顯示在頂部磁性層中具有更低B及更高Pt含量之媒體的STE性能。可看出具有高Ms & Hk頂部磁性層之媒體的STE性能顯著更佳。
雖然可藉由增加Pt含量至最佳水平來提高頂部磁性層之Hk，但高於最佳之Pt含量實際上可由於在層中形成fcc相及疊差而開始降低Hk。該等缺陷水平及疊差密度在具有更高B及Pt含量之媒體中甚至更高。在頂部磁性層中降低B含量且同時增加Pt含量至最佳會增加Hk及相對高之Ms。
關於本文所體現之穩定層，應瞭解所謂的連續層實際上可非為無明顯微結構特徵之非晶形材料的傳統意義上的連續。此處諸多連續層包括多晶形顆粒材料，就如所謂之顆粒層。一個不同之處係連續層之晶粒邊界不具有如顆粒層之明顯的非晶形(通常含氧化物)第二相。
相反，彼等可特徵化為一般原子性突邊界，其導致連續層之更強的顆粒間交換耦合。連續層一般含有類似於先前技術中之縱向記錄合金之CoCrPtB，且以垂直幾何體生長之此等合金一般具有先前所需之中等Hk及Hex值，但其具有比垂直媒體之硬顆粒記錄層顯著更低之Hk及更高之Hex。
使用更高之鉑(Pt)百分比(Pt%)一般在Pt%之範圍內增加Hk。然而，對於具有高B%(~10至15%)之縱向型連續合
金，Hk拉平約10%之Pt以上，其限制最大Hk至~12K。在本發明中已發現此Hk限制對於將硼百分比(B%)下降至約6至8%係正確的。如上所討論，已發現更低之B%增加Ms，及亦增加Hex，發現後者一般對於全CGC層係不好的。其亦不會增加Hk來抵消由高Ms增加之demag，所以該材料變得太容易而不能消磁及太容易而不能寫入。
然而當B%減少，已發現在約6%處開始且隨著B%朝0%降低而越來越甚，Hk不逆轉過來直到在某些情況下，更高之Pt%迅速高達約20%至25%，及具有非常低或無B之連續層之Hk可自約12 kOe提高至最大14 kOe、16 kOe，甚至接近20 kOe。與高Ms組合之此更高的Hk為需要的組合，其獲得意想不到的窗口，其中非常薄的頂部連續層(通常小於2 nm)可用以增加媒體之頂部處之磁矩、增加一些但不是過多的Hex及不會因為demag對於Hk而言過大而導致堆疊結構中之不穩定性及消磁，正如在已嘗試之大多數高Ms連續合金中所觀察般。此薄頂部連續層亦可僅為更厚之連續層之小部分，該連續層包括更習知之更低Ms，及更少交換耦合，可能更高之B%及Cr%層。
100‧‧‧資料存儲系統
102‧‧‧媒體
104‧‧‧資料轉換器
106‧‧‧媒體表面
108‧‧‧空氣軸承表面
110‧‧‧讀取(R)元件
112‧‧‧寫入(W)元件
114‧‧‧光源(L)元件
116‧‧‧致動器臂
200‧‧‧記錄媒體
202‧‧‧基板
204‧‧‧記錄結構(SUL、IL、RL)
206‧‧‧薄硬連續磁性層
208‧‧‧碳外層(COC)
210‧‧‧潤滑劑層
300‧‧‧記錄媒體
302‧‧‧基板
304‧‧‧柔軟磁性底層
306‧‧‧中間層
308‧‧‧中間層
310‧‧‧穩定層
312‧‧‧碳外層(COC)
314‧‧‧潤滑劑層
圖1係根據一些實施例之資料存儲系統的示意圖。
圖2顯示根據一些實施例之圖1的資料存儲媒體。
圖3說明根據其他實施例之圖1的資料存儲媒體。
圖4係在頂部層中分別具有高及低硼(B)含量之媒體之高頻振幅(HFA)響應的圖示。
圖5係圖4之媒體組態之位元錯誤率(BER)及正規化位元錯誤率(BERn)的圖示。
圖6提供具有分別含相對低之硼(B)含量及相對低硼(B)及相對更高鉑(Pt)含量之薄頂部層之各自媒體之磁矯頑性(Hc)之圖示。
圖7係圖6之各自媒體的磁共振構形(Mrt)響應之圖示。
圖8係去磁化場之示意圖代表。
圖9提出具有相對低之硼(B)含量之媒體之側軌消磁(STE)性能之圖示。
圖10提供分別具有相對低硼(B)及相對更高之鉑(Pt)含量之媒體之STE性能的相應圖示。
100‧‧‧資料存儲系統
102‧‧‧媒體
104‧‧‧資料轉換器
106‧‧‧媒體表面
108‧‧‧空氣軸承表面
110‧‧‧讀取(R)元件
112‧‧‧寫入(W)元件
114‧‧‧光源(L)元件
116‧‧‧致動器臂
Claims (16)
- 一種垂直資料記錄媒體，其包括：一多層記錄結構，其形成在一底基板(base substrate)上且適於磁性儲存實質上垂直於該等層之域(domain)中之磁性位元序列；及一單層磁性穩定結構，其以接觸方式(contactingly)設置在該多層記錄結構上以磁性穩定該多層記錄結構之上部，該單層磁性穩定結構為一單層硬磁性材料，其具有小於約6%之非零(non-zero)硼(B)含量及約20至25%之鉑(Pt)含量；及一保護外層(protective overcoat layer)，其以接觸方式設置在該單層磁性穩定結構上。
- 如請求項1之媒體，其中該單層磁性穩定結構為厚度約40至60埃之一單層連續硬磁性材料。
- 如請求項1之媒體，其中該單層磁性穩定結構提供大於約600eμ/cm2之磁飽和度(magnetic saturation level)及大於約15,000奧斯特(Oe)之異向性場強度(anisotropic field strengths)(Hk)。
- 如請求項1之媒體，其中該多層記錄結構為ECC+CGC記錄結構。
- 如請求項1之媒體，其中該多層記錄結構包括柔軟底層、至少一中間層及至少一磁性記錄層，其中該單層磁性穩定結構係在該至少一磁性記錄層之一最頂部層上形成。
- 如請求項1之媒體，其中該單層磁性穩定結構為一單層硬磁性材料，其具有一整體厚度為該多層記錄結構之一整體厚度之10%或少於10%。
- 如請求項1之媒體，其中該保護外層係以接觸方式設置在該單層磁性穩定結構上的一碳外層(carbon overcoat layer)。
- 一種垂直資料記錄媒體，其包括：一多層記錄結構，其適於磁性儲存實質上垂直於該等層之域中之一磁性位元序列；以接觸方式設置在該多層記錄結構上之一薄硬磁性層，以磁性穩定該記錄結構之上部，該薄硬磁性層僅由一單層硬磁性材料所形成且具有一整體厚度為該多層記錄結構之一整體厚度之10%或少於10%，該單層硬磁性材料進一步具有一厚度小於該記錄結構之一最頂部記錄層(topmost recording layer)之厚度之1%；及一保護外層，其以接觸方式設置在該薄硬磁性層上。
- 如請求項8之媒體，其中該薄硬磁性層包括小於約6%之非零硼(B)含量。
- 如請求項9之媒體，其中該薄硬磁性層進一步包括約20至25%之鉑(Pt)含量。
- 如請求項8之媒體，其中該薄硬磁性層為該媒體提供大於約600eμ/cm2之磁飽和度及大於約15,000奧斯特(Oe)之異向性場強度(Hk)。
- 如請求項8之媒體，其中該多層記錄結構為ECC+CGC記 錄結構。
- 如請求項8之媒體，其中該多層記錄結構包括柔軟底層、至少一中間層及至少一磁性記錄層，其中該薄硬磁性層以接觸方式設置在該至少一磁性記錄層之一最頂部層上。
- 如請求項8之媒體，其中該保護外層係形成在該薄硬磁性層上的一碳外層，且該媒體進一步包括以接觸方式設置於該碳外層上之一潤滑劑層(layer of lubricant)。
- 一種垂直資料記錄媒體，其包括：一多層記錄結構，其適於磁性儲存實質上垂直於該等層之域中之一磁性位元序列，該多層記錄結構包括一最頂部磁性記錄層(topmost magnetic recording layer)；一單層磁性穩定結構，其以接觸方式設置在該多層記錄結構之該最頂部磁性記錄層上，該單層磁性穩定結構僅包括一單層硬磁性材料，該單層硬磁性材料具有小於約6%之非零硼(B)含量及約20至25%之鉑(Pt)含量，該單層硬磁性材料提供該媒體大於約600eμ/cm2之磁飽和度及大於約15,000奧斯特(Oe)之異向性場強度(Hk)；及一碳保護外層，其以接觸方式設置在該單層磁性穩定結構上。
- 如請求項15之媒體，其中該單層磁性穩定結構具有一整體厚度為該多層記錄結構之一整體厚度之約10%或少於10%。
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