具有用于改进热稳定性的铁磁覆盖材料的磁性媒体

摘要

一种磁记录盘,其磁性记录层包括铁磁主层、和直接沉积在主层上的有效覆盖层厚度为1—40埃的铁磁覆盖层。用在覆盖层中的铁磁材料包含Co、Fe和/或Ni并且具有明显大于铁磁主层中的材料的磁矩。通过经桥接磁耦合晶粒,铁磁覆盖层提高了包含在主层内的超顺磁晶粒的热稳定性。媒体的热稳定性增加,允许使用更薄的铁磁主层,并且导致更低的剩磁—厚度积(Mrt)和更高的记录密度。

说明书

本发明一般涉及用于磁记录媒体尤其是磁记录盘的磁性分层结构。

传统的磁记录盘具有通常由诸如钴(Co)合金的铁磁合金组成的磁记录层，其被溅射沉积为具有晶体磁性材料的晶粒的连续的薄膜。众所周知，为在磁记录盘中获得高密度记录，必须降低磁记录层的晶粒尺寸、提高其矫顽力(H_c)，并且降低其剩磁-厚度积(M_rt)。因此，大部分试图提高磁性媒体的记录密度的努力都集中在这三个参数上，即通过改变磁性层中的磁性材料的成分和微结构或降低磁性层的厚度来实现低的M_rt。不幸的是，具有小晶粒的很薄的磁记录层变得热不稳定，其中小晶粒的磁矩可自发地改换它们的磁化方向，导致记录数据的丢失。这一点尤其是在盘驱动器的升高的操作温度下是应考虑的。晶粒尺寸足够小的热不稳定的晶粒通常称为超顺磁晶粒。

这些超顺磁晶粒对进一步提高磁记录密度而言是一个严重的阻碍。传统媒体的这种限制从下面的事实看是显然的：例如，晶粒体积仅减小一半，会导致热稳定性从几年的数量级变化到小于1分钟。

传统媒体可表现出强度损失、噪音增加、数据错误率提高、分辨率损失等，简言之，甚至是在超顺磁极限处设置的大幅度的快速热退磁之前，由于热驱动退磁过程而产生磁性记录性能的普遍丧失。这种缓慢而稳定的磁化衰退经由若干实验测量而表现出来，包括磁“粘滞性”(磁性衰退速率)测量。传统的磁记录媒体可表现出明显的磁性衰退速率，其严重限制了可达到的磁记录密度。

稳定热激活的磁化过程的传统机制是通过提高媒体的磁晶各向异性和矫顽力。但是这种途径受到磁写入头仅产生最大场强的限制，该最大场强由写入头的磁极件的材料磁矩密度限定。为提高磁记录密度，高性能媒体的可写入性能是关键的。

J.Chen等在IEEE Trans.Mag.第34卷第4期1624-1626页中描述了在媒体中使用“保持层”来热稳定磁记录层。铬(Cr)隔断层被层叠在保持层与磁性层之间。例如，在沉积较厚(50到150nm)的保持层之前，把约25埃厚的Cr隔断层沉积在磁性层上。Cr隔断层被用来控制保持层的生长并防止磁性层内的晶粒之间的交换耦合。直接在磁记录层上沉积这种厚的软磁性保持层将引起磁性层中强烈的磁性晶粒间耦合，并阻碍它应用于高密度记录中。保持层/隔断层结构的作用是降低相邻磁性转变的退磁场。已知保持层是记录噪音的一大来源。而且，报导的保持层结构是50到150nm厚。优选地是，使构成媒体的层和一些覆盖层和保护盖层的总厚度很薄来优化记录性能。

需要的是一种具有薄磁性层的磁记录媒体，该磁性层具有高的矫顽力、大的矫顽力方形度(S*)、低的剩磁-厚度积(M_rt)，并且它是热稳定的、可写入的能够支持很高的记录密度的磁性层。优选地，这种媒体可用传统膜沉积方法制造。

因此，本发明的一个主要目的是提供一种热稳定性提高的磁记录媒体。由于本发明的这种磁性媒体表现出改进的热稳定性，可使用包含更小的晶粒尺寸的更薄的磁记录层，结果导致更高的磁性数据记录密度。

本发明的第二个目的是通过提供沉积在这些磁性层上的铁磁覆盖层或盖顶层来改进很薄的磁性层的记录特性。铁磁覆盖层增加磁性层中的热不稳定小晶粒的有效体积，从而提高热稳定性。

本发明的第三个目的是提供可写入性提高的磁性记录媒体。

最后，本发明的一个目的是提供具有尖锐的磁性转变、高S*和低M_rt的磁性媒体。

本发明的目的和优点可通过提供具有磁性记录层的磁性媒体来获得，该磁性记录层包括铁磁“主”层和沉积在主层上的薄的铁磁材料的覆盖层或盖顶层。铁磁主层是具有弱耦合或不耦合的晶粒的颗粒层，其中晶粒能够在写入磁头产生的局部磁场存在时独立地改变磁化方向。铁磁覆盖层提高了主层中的铁磁材料的热稳定性和可写入性，并且基本上比主层薄，与主层发生交换耦合。铁磁“覆盖层”意思指的是铁磁材料，其或者是铁磁材料的连续层，或者是以岛状或粒状铁磁材料形式分布的不连续层，后者是包含由第二非铁磁材料分开的岛状或粒状的第一铁磁材料的多相层。因为铁磁覆盖层可以是材料的不连续膜或材料的分布，可方便地把用与形成表现出连续的覆盖度的膜的沉积装置的粒子流量相同的流量得到的厚度称为“有效厚度”。另外，由于多相材料也被视为铁磁覆盖层，可方便地把描述覆盖层中的材料的平均浓度的材料浓度称为材料的有效浓度。当把铁磁覆盖层或铁磁主层称为连续层时，其意在区分连续层与不连续层或者材料分布，并非意在暗示该层是单一相层。

本发明的磁性媒体具有至少一个Co基磁性层，其最好是1到30nm厚，并且被沉积在已经制备的衬底上。衬底是任何适当的盘片衬底，如涂覆有镍磷(NiP)的铝盘空白片、涂覆有NiAl的玻璃、硅、陶瓷、石英、MgO和碳化硅。衬底上覆盖底层，以得到要求的依次沉积的铁磁主层的晶粒取向。纯Cr是常用的底层，但是底层也可包括包含Co、V、Ti和O元素的Cr合金。根据要被沉积的铁磁主层和媒体的期望用途来选择衬底和底层。

铁磁主层最好是连续的磁性记录层，但是也可是被本领域公知的任何方法图案化以形成不连续铁磁和非铁磁区的图案化的铁磁主层。在优选的实施例中，铁磁主层是CoCr三元或四元合金，Co的范围约在20-85原子百分比(at％)，并且Cr为不大于约30at％。在优选的实施例中，铁磁主层也可包含1-20at％的范围内的Pt、Ta或Pd和有效浓度为3-25at％的偏析元素硼(B)。其它的偏析材料包括Si和Co的氧化物，以及包括Ti、Zr、Hf、Ag、Nb、W和Au在内的弱耦合或者不耦合磁性晶粒的几个过渡金属。用来形成铁磁主层的材料具有约50到1000emu/cm³的饱和磁化值(M_s)。

包含从Co、Fe和Ni中选出的至少一种元素的薄铁磁覆盖层和盖顶层被沉积在铁磁主层上。盖顶层最好是具有约50到1900emu/cm³之间的饱和磁化值(M_s)的高磁矩铁磁材料。铁磁覆盖层最好是具有比铁磁主层材料的磁矩明显更高的磁矩(例如大1.5倍)的材料。铁磁覆盖层最好是在铁磁主层的表面上的有效厚度约1-40埃的铁磁岛状体分布。在另一个实施例中，铁磁岛状体，也称为晶粒，包含约1-75at％的Pt和Pd元素或者1-35at％的Cr。在本发明的特定实施例中，铁磁覆盖层晶粒被包括CoO、SiO₂或B的二元或三元化合物的非晶第二相分开。

本发明的底层、铁磁主层和铁磁覆盖层通过包括溅射、离子束沉积和激光沉积的任一或几个方法沉积。还要求在沉积铁磁覆盖层之后沉积一个保护盖层，如传统的非晶碳盖层，以防止覆盖层和铁磁主层的氧化和退化。本发明的磁性媒体具有2-20kOe的矫顽力值。

通常，包括磁性层中的铁磁合金的多个晶粒的一起形成磁性位的磁性体积元，越靠近磁读出头，越有利于读取信号。在本发明中，具有高磁矩密度的磁性材料，即覆盖层中的材料被放置在最靠近读出头。例如Co的磁矩密度近似5倍于传统三元或四元Co合金的磁矩密度，其具有约300emu/cm³的磁矩密度。所以，0.5nm的很薄的Co层具有5倍于传统三元或四元Co合金的磁矩密度。这样0.5nm的很薄的Co层不仅具有等于2.5nm的传统Co合金的层的M_rt，而且它可把磁通源放置得更靠近读出头。因为高磁矩密度覆盖层材料被放置在靠近写入头，由于写入期间写入头的磁场在最靠近磁头的表面处最强而使可写入性能得到提高。而且，写入头施加的场作用的磁扭矩被铁磁覆盖层的增加的磁矩密度放大。因此本发明通过在媒体中的磁记录层的表面处结合最大写入场强度与最大磁扭矩而使写入得到改进。

为更全面理解本发明的核心和优点，下面参考附图详细描述本发明。

图1是根据已有技术制作的具有沉积在磁性记录层上的隔断层和软保持层的磁盘的截面图；

图2是表示根据本发明制造的磁记录盘的截面图；

图3是本发明的由铁磁覆盖层部分覆盖的铁磁主层的磁盘的俯视图；

图4是图3所示的盘的部分的截面图，表示经岛状铁磁覆盖层材料耦合的主铁磁层的小晶粒，并且还表示两个磁性位；

图5是列出用于由CoPtCr合金铁磁主层和不同厚度的铁磁Co覆盖层材料构成的三种磁性结构的磁性数据的表；

图6是对于用于其数据被列出在图5中的表中的磁性结构的磁化衰退速率对应于所施加的反向磁场的曲线；

图7是对于具有CoPtCrB铁磁主层和各种厚度的坡莫合金(NiFe)铁磁覆盖层的磁性结构的剩磁对应于所施加的磁场的曲线；

图8是对于其数据在图7中被画出曲线的相同的磁性结构的磁化衰退速率对应于所施加的反向磁场的曲线。

尽管下面的详细说明包含多种特定情况，本领域的普通技术人员应理解对下面的细节的改变和变化仍落在本发明的范围内。因此，下面的优选实施例的提出不丧失其一般性，并且不对本发明构成限制。

图1是已有技术的具有保持层9的磁性媒体5的截面图。磁性记录层2被沉积在衬底3上。在磁性记录层2的上面，沉积薄的Cr隔断层7直到厚度为约25埃。在隔断层7的顶上，沉积保持层9。隔断层7被沉积在磁性记录层2上以防止或降低磁性层2中的晶间耦合。软磁保持层9降低从记录在磁性层2中的磁性转变产生的退磁场。

图2表示根据本发明的优选实施例制造的磁记录盘10的截面图。盘10使用衬底11，其最好是涂覆有镍磷(NiP)的铝衬底，但也可是玻璃、硅、陶瓷石英、MgO和碳化硅衬底。Cr基底层13被沉积在衬底11上。铁磁主层15最好是沉积在底层13上的连续的铁磁层。铁磁主层也可采用具有叠层型记录层的磁记录盘，例如在IBM的美国专利US5,051,288中所述的那样，中的一个或多个铁磁膜。底层13被沉积在衬底11上以促进主层15的随后的沉积和生长。公知沉积特定的Cr基底层可增强随后沉积的铁磁层的生长过程。纯Cr通常被用作底层，但是在本发明中也可使用具有元素Co、V、Ti和O的底层。

铁磁主层15是1-30nm厚的CoCr合金，其具有50-1000emu/cm³之间的饱和磁化强度(M_s)值。在优选的实施例中，铁磁主层15还包含1-25at％的Pd、Ta或Pt元素，并且也可以包括有效浓度为1-20at％的用作CoCr合金晶粒的偏析材料的B。其它的偏析材料包括CoO和SiO₂。

包含Co、Fe和Ni中的至少一种元素的、并且有效厚度在1-40埃之间的薄的铁磁覆盖层17被沉积在铁磁主层15上。覆盖层材料具有50-1900emu/cm³的M_s值。覆盖层材料具有基本上高于铁磁主层材料的M_s值。在本发明的另一个实施例中，铁磁覆盖层还包含1-75at％的Pt或Pd。铁磁覆盖层还包含约1-35at％的Cr。铁磁覆盖层也可以是被非铁磁偏析材料偏析的岛状或粒状铁磁材料的分布。可用于本发明的铁磁覆盖层的偏析材料优选包括B、CoO和SiO₂。在沉积铁磁覆盖层后，沉积传统的碳盖层19对防止底层的表面氧化是有益的。

图3表示本发明的磁盘的俯视图，表示出铁磁主层被铁磁盖顶层或覆盖层部分覆盖。空白的圆圈表示晶粒31和33或铁磁主层的晶粒的集合，阴影的圆圈表示沉积在铁磁主层材料的表面上的岛状或粒状的铁磁覆盖层材料34。较大的空白的圆圈表示较大的晶粒31，其具有足够大的用来保持热稳定的体积，而较小的空白的圆圈表示较小的晶粒33，其在铁磁覆盖层材料不存在时是热不稳定的。通过在铁磁主层晶粒31和33的表面上提供铁磁覆盖层晶粒34，较小的晶粒33经把主层晶粒连接在一起的覆盖层晶粒34被磁耦合，而较大的热稳定的晶粒31保持与其它大晶粒相当程度地不耦合。从而小晶粒33的有效磁体积被提高了，从而改进了它们的热稳定性。

图4是图3中描述的铁磁主层和盖顶层的一部分的截面视图，并表示包括铁磁主层15和盖顶层17的磁记录层的微结构。铁磁主层15包含晶粒31、33或优选地被非磁性偏析材料21物理分开的晶粒的集合。晶粒的偏析通过在沉积铁磁主层15期间一种或多种元素的夹杂来完成。优选的偏析材料是B，但是不强烈耦合磁性晶粒的SiO₂、CoO和过渡金属Ti、Zr、Hf、Ag、Nb、W和Au也可用作晶粒偏析材料。在优选的实施例中，铁磁主层15由CoPtCrB形成，具有一些添加的B和Cr用作偏析材料21。使用的偏析材料最好被添加到有效主层浓度为1-20at％的的铁磁主层中。偏析材料21用作隔离体来降低晶间耦合并允许各个晶粒独立发生作用。图4还表示盖顶层17的晶粒34如何把小晶粒33磁耦合于相邻的晶粒，结果导致它们的有效磁体积增加。用于覆盖层的包括导致偏析的非铁磁材料的优选材料是CoCr，其可通过从CoCr靶的溅射沉积沉积在主层15上。在铁磁CoCr覆盖层具有足以形成为连续膜的有效厚度的实施例中，与图4中描述的不连续覆盖层17不同，相信富Co的岛状或粒状区34会被晶粒34之间的富Cr区分开。

在图4中，两个磁性位以箭头代表，其中面向右的箭头表示一个方向上的这些晶粒的磁化，面向左的箭头表示相反方向上的这些晶粒的磁化。在本发明的优选实施例中，形成铁磁主层的材料的磁矩等于或大于1.5倍的铁磁主层中的材料的磁矩。

图5中的表列出用于三种磁结构的磁性能。行1列出用于具有CoPtCrB铁磁层而没有铁磁覆盖层的磁性结构的磁性数据，行2列出用于由CoPtCrB主层和具有3埃的有效厚度的Co铁磁覆盖层构成的结构的磁性数据，行3列出用于具有CoPtCrB铁磁主层和有效厚度6埃的Co铁磁覆盖层的第二种结构的磁性数据。行2和3中的样品表现出改进的矫顽力方形度(S*)，并且具有3埃的Co铁磁覆盖层的样品表现出SNR的提高。

图6表示从根据本发明制造的样品所观测到的最有意义的改进，即改进的热稳定性。在图6中，对图5的表中的三个样品画出了作为所施加的反向场的函数的磁化衰退速率(也称为粘滞性)。线41是制备的没有铁磁覆盖层的样品的磁化衰退曲线，线42是具有有效厚度为3埃的Co铁磁覆盖层的样品的磁化衰退曲线，并且线43是具有有效厚度为6埃的Co铁磁覆盖层的样品的磁化衰退曲线。对于具有继续提高铁磁覆盖层厚度的Co覆盖层的样品，这些退磁曲线表现出热稳定性的明显改进。

图7表示使用坡莫(NiFe)铁磁覆盖层来实现改进的热稳定性和磁性转变方形度的效果。图7是对于包含CoPtCrB合金铁磁主层的三种磁性结构的剩磁M_r相对于所施加的场的曲线。第一样品(线51)没有铁磁覆盖层，第二样品(线52)在CoPtCrB合金铁磁主层上有有效厚度为10埃的NiFe铁磁覆盖层，第三样品(线53)在CoPtCrB合金铁磁主层上有25埃的有效厚度的NiFe铁磁覆盖层。曲线表现出夹有NiFe铁磁覆盖层时剩磁M_r降低和矫顽力方形度S*增加。而且，随具有不大于25埃的有效厚度的NiFe铁磁覆盖层的厚度增加，可观察到H_c的连续降低和S*的连续升高。注意S*与M-H曲线的斜率满足下面的关系式：

dM_r/dH_-H＝Hc＝M_r/(H_c(1-S*))

与具有图5的表中的Co覆盖层的结构不同，其数据在图7的线53中表示出来的25埃厚的NiFe覆盖层，是覆盖下面的主铁磁层全体的连续层。

在图8中，上面图7描述的样品的磁化衰退曲线被画出来。线61相应于没有NiFe铁磁覆盖层的样品，线62相应于具有10埃的有效厚度的NiFe铁磁覆盖层的样品，线63相应于具有25埃的有效厚度的NiFe铁磁覆盖层的样品。具有NiFe铁磁覆盖层的样品表现出比没有铁磁盖顶层的样品更高的热稳定性。

尽管参考优选实施例对本发明进行了具体描述，本领域技术人员应理解在不脱离本发明的精神和范围的情况下，可进行形式和细节上的各种改变。例如，尽管在本发明的优选实施例中，铁磁主层是连续的颗粒磁性层，上述的盖顶层还可被沉积在，已经被图案化以提供不连续的磁性位区或不连续的磁道的图案化的磁性层上。