TWI640644B - Sputtering target for DC sputtering and perpendicular magnetic recording medium having the same - Google Patents

Abstract

本發明提供一種直流濺鍍用的濺鍍靶材，包含一Mg_1-x A_x O_1-y D_y 之化學式(1)；其中，A是一選自由下列所構成之群組的金屬元素：Ti、Al、Ta、V、Sc、Y，及前述金屬元素的組合； D是N，或N與一選自由下列所構成之群組的非金屬元素的組合：C、B，及前述非金屬元素的組合；0.3≤x＜0.8，且0.1≤y≤0.51；該化學式(1)是一岩鹽結構，A於該岩鹽結構中是取代Mg的部分晶格位置，且D於該岩鹽結構中是取代O的部分晶格位置。本發明亦提供一種具有經直流濺鍍上述濺鍍靶材之鍍膜的垂直磁性記錄媒體，且該鍍膜具有(200)之織構。

Description

直流濺鍍用的濺鍍靶材及具有其鍍膜的垂直磁性記錄媒體

本發明是有關於一種濺鍍靶材(sputtering target)，特別是指一種直流濺鍍(dc sputtering)用的濺鍍靶材及具有其鍍膜的垂直磁性記錄(perpendicular magnetic recording；簡稱PMR)媒體。

近幾十年來，基於資訊更新的速度飛快，以致於PMR媒體的需求量是有增無減外，提升PMR媒體之儲存密度的技術更是此技術領域之相關技術人員所需持續關切的課題。在現有的磁性材料中，又以具備有正方晶相(face-centered tetragonal phase，簡稱FCT相)之鐵鉑(以下稱FePt)合金因具有高度的磁晶體各異向性(magnetocrystalline anisotropy)，而使得使用此FCT相之FePt合金做為PMR媒體之磁性記錄層可令其PMR媒體的熱穩定性提高。

然而，令FePt合金自面心立方(face-centered cubic，簡稱FCC)結構此一非序化相(disordered phase；簡稱L1₁ 相)轉變成序化相(ordered phase；簡稱L1₀ 相，即前述的FCT相)的序化溫度一般是高達500˚C以上，且呈L1₀ 相的FePt合金更需具備有(001)晶面的織構(texture)，才能同時呈現出垂直(out-of-plane)矯頑場(coercive field；簡稱Hc)高且水平(in-plane)矯頑場低等特性，以供垂直記錄技術使用。因此，令FePt合金在較低的序化溫度下轉變成L1₀ 相以整合至積體電路製程(ICs process)並使呈L1₀ 相的FePt合金具有(001)的織構，皆是廣受業界所重視的課題。關於提升L1₀ 相之FePt合金於(001)方位上的織構此一議題，有部分學者是在FePt合金下方引入中間層(intermediate layer)來達成。

B. S. D. Ch. S. Varaprasad等人曾於J. Appl. Phys.113 , 203907 (2013)公開有Electrically conductive (Mg_0.2 Ti_0.8 )O underlayer to grow FePt-based perpendicular recording media on glass substrates一文(以下稱前案1)。前案1是先於一玻璃基板上以直流磁控濺鍍法(dc magnetron sputtering)沉積一厚度約60 nm的非晶(amorphous)NiTa層；之後，於該非晶NiTa層上以170˚C的溫度沉積一厚度約10 nm的Cr緩衝層(buffer layer)；接著，於該Cr緩衝層上以室溫沉積一厚度約10 nm的導電性MTO底層；最後，於該導電性MTO底層上以600˚C的溫度沉積一厚度約6nm的FePt-C磁性記錄層；其中，該導電性MTO底層是經濺射一Mg_0.2 Ti_0.8 O靶材所沉積而成，該FePt-C磁性記錄層則是經共濺鍍(co-sputtering)一Fe靶材、一Pt靶材與一C靶材所沉積而成，且該FePt-C磁性記錄層中的含C量是經由各靶材的鍍率來控制，以令其含C量是介於0~40 vol.%間。

前案1主要是利用該導電性MTO底層來取代同樣具有一岩鹽結構(rock salt structure)的一MgO底層，其目的在於，因該導電性MTO與FePt合金間的晶格不匹配度(lattice mismatch)相對小於該MgO底層與FePt合金間的晶格不匹配度，而有利於降低導電性MTO底層與FePt合金界面間的應變(strain)並減少界面間的應變能，以藉此提升FePt合金晶粒的(001)晶面的織構。

雖然前案1透過該導電性MTO底層可提升FePt合金晶粒的(001)織構。然而，前案1之FePt-C磁性記錄層的成膜溫度卻高達600˚C，以致於其尚難以被整合至積體電路製程。

經上述說明可知，改良直流濺鍍用之濺鍍靶材材質以使其鍍膜在結合至PMR媒體後，可令磁性記錄層在較低的成膜溫度下具有L1₀ 相應有的(001)織構，以解決PMR被整合至積體電路製程的問題，是此技術領域的相關技術人員所待突破的難題。

因此，本發明的目的，即在提供一種解決上述問題的直流濺鍍用的濺鍍靶材。

本發明的另一目的，即在提供一種具有上述濺鍍靶材之鍍膜的垂直磁性記錄媒體。

於是，本發明直流濺鍍用的濺鍍靶材，包含一以下所述之化學式(1)，Mg_1-x A_x O_1-y D_y ……………化學式(1)。在本發明中，A是一選自由下列所構成之群組的金屬元素：Ti、Al、Ta、V、Sc、Y，及前述金屬元素的組合； D是N，或N與一選自由下列所構成之群組的非金屬元素的組合：C、B，及前述非金屬元素的組合；0.3≤x＜0.8，且0.1≤y≤0.51；該化學式(1)是一岩鹽結構，A於該岩鹽結構中是取代Mg的部分晶格位置(lattice site)，且D於該岩鹽結構中是取代O的部分晶格位置。

此外，本發明具有上述濺鍍靶材之鍍膜的垂直磁性記錄媒體，包含一基板、一形成於該基板之上的晶種層、一形成於該晶種層上的第一中間層，及一形成於該第一中間層之上的磁性記錄層。在本發明中，該第一中間層是經直流濺鍍上述濺鍍靶材所得的鍍膜，且該第一中間層具有(200)之織構。

本發明的功效在於：濺鍍靶材內的N可令其上方的磁性記錄層僅在較低溫的成膜條件下具有L1₀ 相之(001)織構，有利於整合至積體電路製程。

在本發明被詳細描述的前，應當注意在以下的說明內容中，類似的元件是以相同的編號來表示。

本發明直流濺鍍用的濺鍍靶材一實施例，包含一以下所述之化學式(1)。

Mg_1-x A_x O_1-y D_y …………………..…………化學式(1)。

在本發明中，A是一選自由下列所構成之群組的金屬元素：Ti、Al、Ta、V、Sc、Y，及前述金屬元素的組合； D是N，或N與一選自由下列所構成之群組的非金屬元素的組合：C、B，及前述非金屬元素的組合；0.3≤x＜0.8，且0.1≤y≤0.51；該化學式(1)是一岩鹽結構，A於該岩鹽結構中是取代Mg的部分晶格位置，且D於該岩鹽結構中是取代O的部分晶格位置。詳細地來說，岩鹽結構屬於FCC結構，Mg與O於FCC結構中的晶格位置是分別座落於八面體位置(octahedral site)與八面體的間隙位置。換句話說，A與D於FCC結構中是分別占據部分的八面體位置與部分八面體的間隙位置。

此處需先行補充說明的是，上面所提及的Ti、Al、Ta、V、Sc、Y等金屬元素是用來使本發明該實施例之濺鍍靶材具有電導性，以滿足直流濺鍍設備的需求。因此，較佳地，0.35≤x＜0.8；更佳地，0.45≤x＜0.8；又更佳地，0.5≤x＜0.8。關於上面所提及的非金屬元素之目的，則容後說明。

在該濺鍍靶材的一具體例中，A是Ti，D是N，x=0.5，且y=0.1。

參閱圖1，本發明具有上述濺鍍靶材之鍍膜的垂直磁性記錄(PMR)媒體的一第一實施例，包含一基板2、一形成於該基板2之上的晶種層3、一形成於該晶種層3上的第一中間層4，及一形成於該第一中間層4之上的磁性記錄層5。在本發明該第一實施例中，該第一中間層4是經直流濺鍍上述濺鍍靶材所得的鍍膜，且該第一中間層4具有(200)之織構。

較佳地，該晶種層3是由一具有(200)織構之CrRu合金所構成，並具有一介於10 nm至100 nm間的厚度。在本發明第一實施例中，該CrRu合金內的Ru含量是低於20 at%。

較佳地，該第一中間層4具有一介於5 nm至40 nm間的厚度。

適用於本發明該磁性記錄層5的材料是選自FePt合金、CoPt合金、FePd合金，或CoPd合金。較佳地，該磁性記錄層5具有一介於4 nm至20 nm間的厚度。此處需附帶說明的是，基於L1₀ 相的磁性記錄層5中的鐵磁性(ferromagnetic)金屬元素(如，Fe或Co)與貴金屬元素(如，Pt或Pd)的基本組成配比一般是趨近1比1。因此，為令該磁性記錄層5呈現出L1₀ 相，其鐵電性金屬元素對貴金屬元素的配比關係是介於45：55至55：45間。在本發明該第一實施例中，該磁性記錄層5是選自FePt合金。

參閱圖2，本發明具有上述濺鍍靶材之鍍膜的垂直磁性記錄媒體的一第二實施例，大致上是相同於該第一實施例，其不同處是在於，該第二實施例之PMR媒體還包含一第二中間層6。該第二中間層6是夾置於該第一中間層4與該磁性記錄層5間，且是由一具有(200)織構之MoC所構成。為使得該第二中間層6中的C得以在該磁性紀錄層5沉積的過程中偏析於該磁性紀錄層5之FePt合金晶粒間，以輔助FePt合金晶粒呈島狀晶結構(island-like structure)或呈柱狀晶(columnar grain)。因此，較佳地，該第二中間層6具有一介於0.5 nm至40 nm間的厚度。

此處需進一步補充說明的是，本發明於上面濺鍍靶材之化學式(1)所提及的非金屬元素中的N，其目的是在於，令本發明該實施例之濺鍍靶材經直流濺鍍後的鍍膜具有(200)的織構，以令該等實施例之PMR媒體中的磁性記錄層5的FePt合金具有(001)的織構，並提升其磁性記錄層5的垂直磁異向性(perpendicular anisotropic)。因此，當本發明該濺鍍靶材之化學式(1)中的D是N，且N含量不足時(即，y＜0.1時)或過高時(即，y＞0.51時)，將使得其該濺鍍靶材經直流濺鍍後所得到之鍍膜的(200)織構變弱，從而影響FePt合金(001)的織構。

此外，本發明在該濺鍍靶材之化學式(1)中所提及的C與B等非金屬元素之目的則是在於，使該經直流濺鍍該濺鍍靶材後的鍍膜在結合至該等實施例之PMR媒體以做為該第一中間層4後，令該第一中間層4中的C或B能在該磁性記錄層5沉積過程中朝上偏析於該磁性記錄層5的FePt合金晶粒間，以促成FePt合金的島狀晶結構或柱狀晶結構，並增加FePt合金晶粒的分隔性(isolation)。當本發明該濺鍍靶材之化學式(1)中的D是N與C的組合、N與B的組合，或N、C與B的組合時，則y是進一步地被定義成y₁ +y₂ ，且y₁ 代表N的原子百分比，而y₂ 代表C、B，或組合C與B的原子百分比。

此處需進一步補充說明的是，當N含量(即，y₁ )不足時或過高時，同樣將使得其該濺鍍靶材經直流濺鍍後所得到之鍍膜的(200)織構變弱，並影響FePt合金於(001)方位上的織構。此外，當C、B，或組合C與B的含量(即，y₂ )不足時，將使得FePt合金晶粒不易呈島狀晶(或呈柱狀晶)成長，並導致其分隔性不足；而當y₂ 過大時，則容易使C、B，或C與B之組合上沉積出一非序化的FePt合金層，以使該非序化的FePt合金層與該磁性記錄層5形成雙層結構，並破壞島狀晶(或柱狀晶)的結構。因此，較佳地，0.21≤ y₁ ≤0.28，0.30≤ y₂ ≤0.05；更佳地，0.22≤ y₁ ≤0.26，0.25≤ y₂ ≤0.10；又更佳地，0.24≤ y₁ ≤0.25，0.23≤ y₂ ≤0.17。

此外，此處亦需附帶補充說明的是，當本發明該濺鍍靶材之化學式(1)中的D是N與C的組合、N與B的組合，或N、C與B的組合時，基於C、B，或C與B的組合可以朝上偏析於該磁性記錄層5的FePt合金晶粒間。因此，當y₂ 值偏高時，則本發明該第二實施例中的第二中間層6的厚度是可相對被縮減，甚或是被省略，以利用該第一中間層4中的C、B，或C與B的組合來取代該第二中間層6之MoC中的C。 ＜具體例1(Example 1；E1)＞

本發明直流濺鍍用的濺鍍靶材的一具體例1(E1)之化學式(1)為Mg_1-x A_x O_1-y D_y ，A是Ti，D是N，x=0.5，且y=0.1。此外，本發明具有其鍍膜的PMR媒體之一膜層結構，大致上是相同於該第一實施例，並透過磁控直流濺鍍法來完成，且其製作方法是簡單地說明於下。

首先，在一約1×10^-3 Torr的工作壓力(working pressure)下濺射一位在一真空腔體(vacuum chamber)內的Cr₈₃ Ru₁₇ 合金靶，以在161˚C的條件下於一空白玻璃基板上沉積一厚度約80 nm的CrRu晶種層。接著，控制該真空腔體的工作壓力至10 mTorr並濺射其內部的該Mg_0.5 Ti_0.5 O_0.9 N_0.1 濺鍍靶材以在395˚C的條件下於該CrRu晶種層上沉積一厚度約30 nm的MgTiON第一中間層。最後，濺射一位在該真空腔體內的Fe₅₄ Pt₄₆ 合金靶，以在450˚C的條件下於該MgTiON第一中間層上沉積一厚度約10 nm的FePt合金磁性記錄層。 ＜具體例2-1(E2-1)＞

本發明之PMR媒體之一具體例2-1(E2-1)之一膜層結構大致上是相同於該第二實施例與該具體例1(E1)，其不同處是在於，該具體例2-1(E2-1)之一MgTiON第一中間層與一FePt合金磁性記錄層間還夾置有一厚度約3 nm的MoC第二中間層，且該具體例2-1(E2-1)之FePt合金磁性記錄層的厚度為4 nm。具體地來說，該具體例2-1(E2-1)之MoC第二中間層是濺射一Mo₄₀ C₆₀ 靶材以於該MgTiON第一中間層上沉積該MoC第二中間層。 ＜具體例2-2(E2-2)＞

本發明之PMR媒體之一具體例2-2(E2-2)大致上是相同於該具體例2-1(E2-1)，其不同處是在於，該具體例2-2(E2-2)的一FePt合金磁性記錄層的厚度為6 nm。 ＜具體例2-3(E2-3)＞

本發明之PMR媒體之一具體例2-3(E2-3)大致上是相同於該具體例2-1(E2-1)，其不同處是在於，該具體例2-3(E2-3)的一FePt合金磁性記錄層的厚度為8 nm。 ＜具體例2-4(E2-4)＞

本發明之PMR媒體之一具體例2-4(E2-4)大致上是相同於該具體例2-1(E2-1)，其不同處是在於，該具體例2-4(E2-4)的一FePt合金磁性記錄層的厚度為10 nm。

由圖3所顯示的XRD圖可知，本發明該具體例1(E1)除了於鄰近63˚處顯示有Cr(200)的繞射訊號峰外，更於鄰近43˚處顯示有MgTiON(200)的繞射訊號峰，且於趨近24˚與49˚處分別顯示有FePt合金磁性記錄層之L1₀ 相的(001)與(002)繞射訊號峰，證實本發明該具體例1(E1)之CrRu晶種層與MgTiON第一中間層皆具有(200)的織構外，該FePt合金磁性記錄層之L1₀ 相更因該MgTiON第一中間層的(200)織構而具有(001)的織構，初步可推本發明該具體例1(E1)之垂直磁異向性佳。

由圖4所顯示之磁滯迴路圖可知，本發明該具體例1(E1)除了其垂直矯頑場(Hc)已趨近3.75 kOe外，且垂直磁滯曲線與水平磁滯曲線彼此互不重疊，證實本發明該具體例1(E1)之垂直磁異向性佳。

由圖5所顯示的XRD圖可知，本發明該等具體例[(E2-1、(E2-2、(E2-3、(E2-4)]於鄰近63˚處皆顯示有Cr(200)的繞射訊號峰，於鄰近43˚處亦顯示有MgTiON(200)的繞射訊號，與訊號位置極近於43˚處且極為微弱的MoC(200)訊號，並於趨近24˚與49˚處分別顯示有FePt合金磁性記錄層之L1₀ 相的(001)與(002)繞射訊號峰；其中，隨著FePt合金磁性記錄層的厚度增加，其L1₀ 相的 (001)與(002)繞射訊號峰亦隨之提升。根據圖5分析數據顯示，證實本發明該等具體例[(E2-1、(E2-2、(E2-3、(E2-4)]之各CrRu晶種層與各MgTiON第一中間層皆具有(200)的織構外，各FePt合金磁性記錄層之L1₀ 相更因各自所對應的MgTiON第一中間層的(200)織構而具有(001)的織構，且隨著其FePt合金磁性記錄層的厚度增加，其L1₀ 相之(001)織構更為明顯，初步可推本發明該等具體例[(E2-1、(E2-2、(E2-3、(E2-4)]之垂直磁異向性佳。

進一步參閱圖6所顯示之磁滯迴路圖可知，本發明該等具體例[(E2-1、(E2-2、(E2-3、(E2-4)]之垂直矯頑場(Hc)已趨近12.5 kOe~15 kOe，證實於該等具體例[(E2-1、(E2-2、(E2-3、(E2-4)]內所分別引入的該等MoC第二中間層，是有利於提升各FePt合金磁性記錄層之L1₀ 相的(001)織構，以致於其垂直矯頑場(Hc)是自該具體例1(E1)的3.75 kOe左右提升至12.5 kOe~15 kOe。除此之外，該等具體例[(E2-1、(E2-2、(E2-3、(E2-4)]之各垂直磁滯曲線與其各自的水平磁滯曲線是彼此互不重疊，亦證實本發明該等具體例[(E2-1)、(E2-2)、(E2-3)、(E2-4)]之垂直磁異向性佳。

本發明該具體例1(E1)之濺鍍靶材內的N可在經直流濺鍍後所得的鍍膜(即，MgTiON第一中間層)具有(200)的織構，以令其上方的FePt合金磁性記錄層只需在450˚C的成膜條件下便可具有L1₀ 相之(001)織構，有利於被整合至積體電路製程。再者，本發明該等具體例[(E2-1、(E2-2、(E2-3、(E2-4)]在引入其MoC第二中間層後，更令其垂直矯頑場(Hc)增加至12.5 kOe~15 kOe左右，。

最後，由圖7所顯示之TEM截面影像可知，該具體例1(E1)之FePt合金磁性記錄層是呈現出連續膜的態樣，反觀該具體例2-4(E2-4)，其FePt合金磁性記錄層因在其與該MgTiON第一中間層間引入該MoC第二中間層而呈現出島狀結構的合金晶粒，初步證實該MoC第二中間層中的部份C是朝上偏析於FePt合金晶粒間。又，此處需進一步補充說明的是，設若本發明該具體例2-4(E2-4)於濺鍍該MoC第二中間層時是增加其厚度，或是同時於該MoC第二中間層中混入SiO₂ ，則該MoC第二中間層中的C(或經混入的SiO₂ )可令該具體例2-4(E2-4)之FePt合金磁性記錄層中的島狀結構合金晶粒內形成柱狀晶結構。

綜上所述，本發明直流濺鍍用的濺鍍靶材及具有其鍍膜的垂直磁性記錄媒體，其濺鍍靶材內的N可令其上方的FePt合金磁性記錄層僅在450˚C的成膜條件下便具有L1₀ 相之(001)織構，有利於整合至積體電路製程，且在引入MoC第二中間層後，更令其垂直矯頑磁場強度(Hc)提高至12.5 kOe~15 kOe左右，故確實能達成本發明的目的。

惟以上所述者，僅為本發明的實施例而已，當不能以此限定本發明實施的範圍，凡是依本發明申請專利範圍及專利說明書內容所作的簡單的等效變化與修飾，皆仍屬本發明專利涵蓋的範圍內。

2‧‧‧基板

5‧‧‧磁性記錄層

3‧‧‧晶種層

6‧‧‧第二中間層

4‧‧‧第一中間層

本發明的其他的特徵及功效，將於參照圖式的實施方式中清楚地呈現，其中： 　圖1是一正視示意圖，說明本發明具有上述濺鍍靶材之鍍膜的垂直磁性記錄媒體的一第一實施例； 　圖2是一正視示意圖，說明本發明具有上述濺鍍靶材之鍍膜的PMR媒體的一第二實施例； 　圖3是一X光射線繞射(X-ray diffraction，以下簡稱XRD)圖，說明本發PMR媒體之一具體例1(E1)的一晶種層、一第一中間層與一磁性記錄層間的磊晶關係； 　圖4是一磁滯迴路(magnetic hysteresis loop)圖，說明本發明該具體例1(E1)之磁性質； 　圖5是一XRD圖，說明本發明PMR媒體之一具體例2-1(E2-1)、一具體例2-2(E2-2)、一具體例2-3(E2-3)與一具體例2-4(E2-4)之各晶種層、各第一中間層、各第二中間層與各磁性記錄層間的磊晶關係； 　圖6是一磁滯迴路圖，說明本發明該等具體例(E2-1、E2-2、E2-3、E2-4)之磁性質；及 　圖7是一穿透式電子顯微鏡(transmission electron microscope；以下稱TEM)截面影像，說明本發明該具體例1(E1)與該具體例2-4(E2-4)之截面的膜層結構。

Claims (7)

1. 一種直流濺鍍用的濺鍍靶材，包含一以下所述之化學式(1)： Mg_1-xA_xO_1-yD_y……………化學式(1)； 其中，A是一選自由下列所構成之群組的金屬元素：Ti、Al、Ta、V、Sc、Y，及前述金屬元素的組合； 其中，D是N，或N與一選自由下列所構成之群組的非金屬元素的組合：C、B，及前述非金屬元素的組合； 其中，0.3≤x＜0.8，且0.1≤y≤0.51； 其中，該化學式(1)是一岩鹽結構，A於該岩鹽結構中是取代Mg的部分晶格位置，且D於該岩鹽結構中是取代O的部分晶格位置。
2. 如請求項1所述的直流濺鍍用的濺鍍靶材，其中，A是Ti，D是N，x=0.5，且y=0.1。
3. 一種具有如請求項1或2所述之濺鍍靶材之鍍膜的垂直磁性記錄媒體，包含： 一基板； 一晶種層，形成於該基板之上； 一第一中間層，形成於該晶種層上；及 一磁性記錄層，形成於該第一中間層之上； 其中，該第一中間層是經直流濺鍍載於請求項1或2之濺鍍靶材所得的鍍膜，且該第一中間層具有(200)之織構。
4. 如請求項3所述的垂直磁性記錄媒體，其中，該第一中間層具有一介於5 nm至40 nm間的厚度。
5. 如請求項3所述的垂直磁性記錄媒體，其中，該晶種層是由一具有(200)織構之CrRu合金所構成，並具有一介於10 nm至100 nm間的厚度。
6. 如請求項3所述的垂直磁性記錄媒體，其中，該磁性記錄層是選自FePt合金、CoPt合金、FePd合金，或CoPd合金，且該磁性記錄層具有一介於4 nm至20 nm間的厚度。
7. 如請求項3所述的垂直磁性記錄媒體，還包含一第二中間層，該第二中間層是夾置於該第一中間層與該磁性記錄層間，且是由一具有(200)織構之MoC所構成，該第二中間層具有一介於0.5 nm至40 nm間的厚度。