具有带多重下层的反铁磁耦合磁性层的磁记录盘

摘要

一种磁记录层，具有反铁磁耦合(AFC)结构，其具有三层下铁磁层(LL1、LL2、LL3)和上铁磁层(UL)，所有的四层铁磁层跨过相应的反铁磁耦合层反铁磁耦合在一起。UL具有比三层下层LL1、LL2、LL3每一个的剩磁厚度积(Mrt)大且比LL1和LL3的Mrt值之和大的Mrt。中间下层LL2的Mrt小于其它下层LL1和LL3中每一个的Mrt，结果该AFC结构的合成Mrt的结果小于仅具有单个下层的传统AFC结构的合成Mrt。该AFC结构实现了这种合成Mrt的减小而不增大三层下层中任何一个的Mrt超过传统AFC结构中单个下层的最大Mrt。

说明书

技术领域

本发明总体上涉及磁记录硬盘驱动器中使用的磁记录盘，更具体地涉及一种磁记录盘，其具有反铁磁耦合(AFC)磁性层。

背景技术

随着磁记录硬盘的存储密度增大，存在磁记录层的剩磁厚度积(Mrt：magnetization-remanence-thickness product)的相应减少和矫顽力(H_c)的相应增大。Mrt为记录层的记录层厚度t和剩余(零外加磁场)磁化强度Mr(其中Mr以每单位体积铁磁材料的磁矩为单位测量)的乘积。H_c涉及磁盘驱动器写入头在记录层上写入数据所需的瞬时反转磁场(short-time switching field)或内禀矫顽力(H₀)。Mrt和H_c的趋势导致比率Mrt/H_c的减小。

为实现Mrt的减小，磁性层的厚度t可以减小，但仅能到一定的限度，因为该层中存储的磁信息更易于衰退。这种磁化强度的衰退归因于小磁晶的热活化(超顺磁效应)。磁晶(magnetic grain)的热稳定性在很大程度上由K_uV确定，其中K_u为该层的磁各向异性常数，V为磁晶的体积。随着层厚度减小，V减小。若层厚度过薄，则K_uV变得过小，且存储的磁信息在正常的磁盘驱动器操作条件下将不再稳定。

解决此问题的一种途径转向更高各向异性的材料(更高的K_u)。然而，K_u的增大受到矫顽力H_c变得过大以致无法通过传统的记录头写入的限定，H_c近似等于K_u/M_s(M_s＝饱和磁化强度)。类似的方式为对于固定的层厚度减小磁性层的M_s，由于Mr涉及M_s所以这将减小Mr，但这也受到可以写入的矫顽力的限制。

转让给与本申请相同的受让人的美国专利第6,280,813号介绍了一种磁记录介质，其中磁记录层为经非铁磁间隔层反铁磁耦合在一起的至少两层铁磁层。在被称作AFC介质的这种磁性介质中，在剩磁上，两层反铁磁耦合层的磁矩反平行取向，结果记录层的净或合成Mrt为上和下铁磁层的Mrt之间的差。上铁磁层通常具有比下铁磁层更高的Mrt，使得合成Mrt由Mrt_UL-Mrt_LL给出。Mrt的这一减小是在不减小体积V的情况下实现的。由此，记录介质的热稳定性不减小。

由此，AFC介质明显改善了磁记录盘的性能。低合成Mrt意味着低的PW50值，PW50是以低记录密度测量的记录信号的孤立读回脉冲的半高脉宽(half-amplitude pulse-width)。PW50值确定了可实现的线密度，且低的PW50值是所期望的。因此，AFC介质的可扩展性主要由该结构可用于将PW50降低多少来确定，并且这由可以在下铁磁层中实现多大的Mrt值来确定，因为Mrt_COMPOSITE＝(Mrt_UL-Mrt_LL)。

然而，对于当前的AFC介质，存在可用于下铁磁层的最大Mrt值，在该最大Mrt值以上介质的本征信噪比(S₀NR)将变差，即使PW50依然被降低且合成(composite)Mrt依然下降。例如，AFC结构可用更厚的下铁磁层制造(在该最大值以上将下层Mrt提高0.05memu/cm²)，从而实现PW50值由使用最大下层Mrt的参考AFC结构减小3.5％。然而，这导致了近3.5db的S₀NR的无法接受的下降。

下层变得过厚时AFC介质发生S₀NR的减小有两种可能的原因。首先，随着下铁磁层制造得更厚，其各向异性体积积(K_UV)增大。K_UV确定了该层对热波动如何易受影响，K_UV越高该层越不易受影响。已经确定，是热活化反向允许AFC介质的小层间交换场将下层的磁化强度反向并由此产生所需的反平行剩磁构造。因此，下层的K_UV越高(下层Mrt越高)，对于相对小的交换场更难以完全反向下层的磁化强度。其次，交换场的大小与下层Mrt成反比，还使得随着下层变得更厚对于反铁磁相互作用将更难以反向下层的磁化强度。因此，随着下层Mrt增大，发生了两种影响使得难以反向下层磁化强度来形成反平行剩磁构造。这些因素可以使得某些下层晶粒不与其各自的上层晶粒反平行，这可能在记录信号中产生额外噪音，其使得测得的S₀NR下降。通过在Ru层附近增加高磁矩层来增大交换场是延缓这一问题的可能方式，但此高磁矩层的加入降低了S₀NR，使得实际上非常难以明显改变交换场而不减小S₀NR。因此，无法将AFC介质中下铁磁层的厚度增大超过某些最大值的问题对于这些结构是普遍的问题。

所需要的是一种具有AFC结构的磁记录盘，其可以利用合成Mrt和PW50的减小，而不会导致S₀NR降低。

发明内容

本发明是一种具有AFC结构的磁记录盘，该结构具有三个下铁磁层(LL1、LL2、LL3)和一上铁磁层(UL)，所有四层铁磁层穿过相应的反铁磁耦合层反铁磁耦合在一起。UL具有比三个下层LL1、LL2、LL3中的每一个的Mrt更大且比LL1和LL3的Mrt值之和更大的Mrt。中间的下层LL2的Mrt小于其它下层LL1和LL3中每一个的Mrt，结果该AFC结构的合成Mrt的结果小于传统AFC结构的合成Mrt。本发明的AFC结构能够实现这种合成Mrt的减小而不增大三个下层中任何一个的Mrt超过传统AFC结构中单个下层的最大Mrt，由此避免了由于下层中Mrt过大导致的S₀NR的下降。

为更全面地理解本发明的实质和优点，说明书将结合附图进行以下详细介绍。

附图说明

图1为根据现有技术的AFC磁记录盘的示意截面图；

图2为根据本发明的AFC磁记录盘的示意截面图；

图3示出了本发明AFC结构的合成Mrt与中间下层的Mrt的函数关系；

图4示出了本发明AFC结构的PW50与中间下层的Mrt的函数关系；以及

图5A至5D示出了四种不同记录密度下本发明AFC结构的S₀NR与参考AFC结构的比较。

具体实施方式

现有技术

图1示出了根据现有技术的具有反铁磁耦合(AFC)磁性层20的磁盘的截面结构。磁盘基板11为任何适合的材料，诸如玻璃、SiC/Si、陶瓷、石英、或具有NiP表面涂层的AlMg合金基体。籽层12为可选层，其可以用于改善底层(underlayer)13的生长。在基板11为非金属(诸如玻璃)时，籽层12最为常用。籽层12具有范围约在1至50nm的厚度，并且为诸如Ta、CrTi、NiAl或RuAl的材料中的一种，这些材料作为促进后续沉积层沿特定优选晶体取向的生长的晶种材料是有益的。还可以在玻璃基板11与籽层12之间使用预先籽层(pre-seed layer)(未示出)。若籽层存在，则底层13沉积在籽层上，否则底层13直接沉积在基板11上，并且为非磁性材料，诸如铬或铬合金，例如CrV、CrTi或CrMo。底层13具有在5至100nm范围内的厚度，其典型值为约10nm。在AFC层20上形成诸如无定形碳的保护覆层(未示出)作为顶层。

AFC磁性层20由下铁磁层(LL)22和上铁磁层(UL)24构成，其通过充当反铁磁耦合层的非铁磁间隔层23隔开。非铁磁间隔层23的厚度和组分被选择为使得邻近层22和24的磁矩32和34分别通过非铁磁间隔层23AF耦合，并在零外加场(zero applied field)时(即剩磁态下)反平行。层20的两层AF耦合层22和24具有反平行取向的磁矩，且上层24具有更大的磁矩。由此Mrt_UL大于Mrt_LL，且AFC层20的合成Mrt为(Mrt_UL-Mrt_LL)。

铁磁层的经非铁磁过渡金属间隔层的AF耦合(如图1的层20的AFC结构)已得到广泛研究，并且在文献中介绍。通常，随着间隔层厚度增大，交换耦合由铁磁至反铁磁振荡。对于选定材料组合的这种振荡耦合关系(oscillatory coupling relationship)由Parkin等人在“Oscillations in ExchangeCoupling and Magnetoresistance in Metallic Superlattice Structure：Co/Ru，Co/Crand Fe/Cr”，Phys.Rev.Lett.，Vol.64，p.2034(1990)中介绍。该材料组合包括Co、Fe、Ni及它们的如Ni-Fe、Ni-Co和Fe-Co的合金制成的铁磁层和诸如Ru、铬(Cr)、铑(Rh)、铱(Ir)、铜(Cu)及其合金的非铁磁间隔层。对于每一种这样的材料组合，如果振荡交换耦合关系尚未已知，则其必须被确定，使得非铁磁间隔层的厚度被选择来确保两铁磁层之间的反铁磁耦合。振荡的周期依赖于非铁磁间隔材料，但振荡耦合的强度和相位还依赖于铁磁材料和界面质量。

对于这种AFC结构20，相邻铁磁层22和24的磁矩32和34的取向分别反平行排列，于是相消叠加。由于AFC结构中的两铁磁层对于记录起不同的作用，所以其材料性质非常不同。上层24通常具有几乎没有晶粒间交换耦合的小磁晶，并具有高内禀矫顽力(H₀约8KOe)。上层24的这些性质被调整以获得最佳S₀NR。上层22通常为CoPtCrB合金，诸如Co₆₈Pt₁₃Cr₁₉B₁₀。下层22通常为具有大量晶粒间交换耦合和低内禀矫顽力(H₀约1KOe)的材料。这些性质促进PW50减小，并且该材料通常为具有低Cr含量([Cr]＜15at.％)的CoCr合金，诸如Co₈₉Cr₁₁。对于高性能介质，用于下层的材料不能用作上层。非铁磁间隔层23通常为钌(Ru)。

图1示出了具有两层结构和单个间隔层的AFC磁性层20。已经提出了具有多于两层的铁磁层和额外的AF耦合间隔层的AFC介质，但仍没有一个这样的介质能够同时实现合成Mrt的减小和S₀NR。

本发明

本发明是一种AFC介质，其克服了当前的AFC介质的限制，并且能够实现更低的Mrt和PW50而不危害S₀NR。这种结构在图2中示出，并且包括形成在基板111上的传统底层113和籽层112之上的AFC层120。

AFC层120包括三层下铁磁层(LL1、LL2、LL3)(分别是图2中的122、124、126)和上铁磁层(UL)(图2中的140)。铁磁层140被称作上铁磁层，因为它是AFC结构120中的最上层。这四层铁磁层通过三层反铁磁耦合层123、125、127隔开。所有的四层铁磁层122、124、126、140反铁磁耦合在一起。AFC层120具有两种剩磁状态(零外加磁场)。这些状态之一中每层的磁化方向由箭头132、134、136、142示出。在另一状态下，所有箭头的方向反向。

UL具有的Mrt大于三层下层LL1、LL2、LL3中每一层的Mrt，并大于LL1和LL3的Mrt值之和。中间下层LL2具有的Mrt小于其它下层LL1和LL3中的每一层的Mrt。(这些相关的Mrt值由箭头132、134、136、142的对应长度表示)。AFC结构120的合成Mrt由下式给出：

Mrt_COMPOSITE＝(Mrt_UL-Mrt_LL1)+Mrt_LL2-Mrt_LL3(等式1)为将图2的AFC介质的记录性质与传统AFC介质(图1)的相比较，上层UL140和第一下铁磁层LL1 122在组分和厚度上可以与图1的现有技术AFC结构中的两个对应层(层22和24)相同，使得其对应的Mrt值相同。两层中间下铁磁层LL2和LL3可以由与标准AFC结构的下层(图1的层22)相同的材料形成，但LL2更薄。只要LL2保持为规定的磁性层(大于约0.2nm)，其被形成为基本上尽可能薄。由于Mrt_LL2＜Mrt_LL3，所以由上述等式1可见，AFC结构120的合成Mrt将小于传统AFC结构的合成Mrt(Mrt_UL-Mrt_LL1)。重要地，这种AFC结构能够实现此合成Mrt的减小而不增大三层下层中任何一层的Mrt超出传统AFC结构中单个下层的最大Mrt，并且由此避免了由下层的过大Mrt导致的S₀NR降低。本发明的AFC结构可以被制造，而不需要相对于传统AFC结构中单个下层的成分和厚度改变该三层下层中任何一层的成分或增大其厚度。由于AFC结构120中所有铁磁层反铁磁耦合，且底部三层铁磁层LL1、LL2、LL3由具有低内禀矫顽力H₀的薄合金制成，类似传统AFC结构中所用的合金，因此记录在上铁磁层UL中的磁化图形将确定其它铁磁层的磁化取向。

本发明的AFC结构将PW50改善为超过传统AFC结构，且不减小S₀NR。介质信噪比(S₀NR)为特定记录密度(磁通翻转数/所记录的磁性转变的直线距离)下孤立信号脉冲与噪音的比。所研究的结构仅变化了LL2的Mrt，同时保持UL厚度恒定，并固定Mrt_LL1＝Mrt_LL3＝0.13memu/cm²。将这些结构与Mrt_LL＝0.13memu/cm²(其近似为Mrt_LL的最大值，超过该值S₀NR下降)且UL对于所有结构均相同的参考AFC结构相比。

图3示出了一系列这些结构的合成Mrt，其作为仅改变Mrt_LL2的函数。Mrt_LL2越小，合成Mrt越小。通过减小Mrt_LL2，合成Mrt可以比参考AFC结构降低0.11memu/cm²(0.24memu/cm²与0.35memu/cm²相比)。图4示出随着合成Mrt降低，PW50减小。测得了PW50的5％的减小。

图5A至5D在四种不同记录密度下比较了本发明AFC结构的S₀NR与参考AFC结构，该密度以千位每英寸(kbpi)测量。对于测得相对于参考AFC结构PW50减小的层，对于重要的中间记录密度区域(图5B和5C)测得了S₀NR的明显改善。由此，本发明的AFC结构对于给定的UL厚度实现了PW50的减小，而不损害S₀NR，并且克服了传统AFC介质的基本限制之一。

用于UL的优选材料为CoPtCrB合金，其具有约16与22原子百分比(at.％)之间的Cr、约12与20at.％之间的Pt、以及约7与20at.％之间的B。诸如Ta的其它元素可以添加至这种CoPtCrB合金中。下层LL1、LL2、LL3中每一层的优选材料为CoCr合金，其具有约5与24at.％之间的Cr。其它元素可以添加至这种CoCr合金中，诸如B(小于6at.％)、Ta(小于5at.％)和Pt(小于10at.％)。Ta尤其有益于CoCr合金中Cr的偏析，并促进后续沉积层的外延生长。UL还可以是叠在彼此之上并彼此直接交换耦合的两层或更多层CoPtCrB合金的复合UL。若UL为复合UL，则此处对UL成分范围的提及意味着多重合金的平均成分。

上述AFC结构不限于仅以三层下层实施。例如，AFC结构可以包括一个或更多个额外的次结构。次结构将包括一对下铁磁层(例如分别相应于图2中的LL2和LL3的下层LL4和LL5)和LL4与LL5之间的反铁磁耦合层(相应于图2中LL2与LL3之间的层125)。于是这种结构设置在图2中反铁磁耦合层127上方，并且在次结构与上层UL之间设置额外的反铁磁耦合层。在此示例中，AFC结构的合成Mrt将表示为：

Mrt_COMPOSITE＝(Mrt_UL-Mrt_LL1)+Mrt_LL2-Mrt_LL3+Mrt_LL4-Mrt_LL5  (等式2)

此AFC结构中UL的Mrt大于LL1、LL3、LL5的Mrt值之和。

虽然已参照优选实施例具体示出并介绍了本发明，但是本领域技术人员应理解，可以在不脱离本发明的实质和范围的基础上进行各种形式和细节的改动。因此，所公开的本发明应仅视作是说明性的，且仅由所附权利要求指定的范围限定。