具有正交各向异性增强或偏置层的磁记录介质

摘要

根据本发明的记录介质具有磁记录层、交换耦合层和具有正交于记录层的各向异性的增强或偏置层。增强层设计为不具有明显的剩磁且优选在写入磁头下方饱和。增强层建立正交于记录层的各向异性的交换场，且对旋转记录层的磁化和降低所需的翻转场，即矫顽力有影响。本发明可以实施于纵向记录介质或垂直记录介质。交换耦合可以是铁磁或反铁磁的。偏置层具有较高的KuV和各向异性，且设计为具有较高的热稳定性和最小化磁头场对磁化的旋转。

说明书

技术领域

本发明涉及用于磁记录的磁存储装置和磁记录介质，并且更加特别地涉及用于在记录期间控制介质中的磁场和保持长时间磁稳定性的装置。

背景技术

使用纵向记录的典型现有技术磁盘驱动系统10在图1中示出。在操作中，在磁换能器(磁头)20在旋转的盘16上方飞行时，其由悬臂(未示出)支撑。通常被称作“磁头”或“滑块”的磁换能器20由执行写入磁转变(写入磁头23)和读取磁转变(读取磁头12)的任务的元件构成。磁换能器20位于距盘16的中心各种径向距离的点的上方，从而读写圆形轨道(未示出)。盘16连接于由心轴马达(未示出)驱动从而旋转盘16的心轴(未示出)上。盘16包括其上沉积了多个薄膜21的基板26。薄膜21包括铁磁材料，写入磁头23在其中记录编码了信息的磁转变。

盘16上的薄膜21通常包括沉积在基板26上的铬或铬合金衬层。薄膜中的铁磁层是基于钴、镍和铁的各种合金。例如，常用的合金为CoPtCr。诸如钽和硼的额外元素经常用在磁性合金中。保护覆盖层用于改善耐磨性和耐腐蚀性。现有技术中已经介绍了各种籽层、多重衬层和叠层磁性膜。在使用垂直记录的磁盘驱动器中，记录磁头被设计为引导磁通量沿垂直于盘平面的方向通过记录层。通常，用于垂直记录的盘具有硬磁记录层和软磁衬层。在使用单极型磁头的记录操作期间，磁通量受引导从记录磁头的主极垂直通过硬磁记录层，随后进入软衬层(soft underlayer)的平面，并返回记录磁头中的返回极。

授予Litvinov等人的美国专利6531202是用于垂直或竖直记录的磁记录介质的示例。该介质包括沉积在基板上的软磁衬层。适用于衬层的软磁材料被认为包括CoFe及其合金、FeAlN、NiFe、CoZrNb和FeTaN，且CoFe和FeAlN为优选的软材料。硬磁记录层沉积在软衬层上。适用于记录层的硬磁材料被认为包括Co/Pd或Co/Pt的多层、L10相的CoPt、FePt、CoPd、以及FePd和hcp Co合金，这样的多层和L10相为优选的硬材料。

与垂直记录相比，纵向记录介质通常在铁磁记录层下使用非磁性衬层。通常的衬层材料为铬和铬的各种合金。为保持用于数据的长时间存储的热稳定性，磁记录层的矫顽力必须保持较高。较高的矫顽力又对写入磁头产生的场提出较大的要求，导致差的重写性(OW)和差的场梯度。写入磁头产生的场可成为增加记录密度的限制因素。

在授予Ga-Lane Chen的美国专利6,524,730中，一种用于垂直记录的软磁衬层被称作“保持层(keeper layer)”。该软衬层被认为通过将磁通量从磁记录介质的磁头的写入极向下牵引而带来更好的写入效率。给出的软磁材料的示例为NiFe、CoZrNb、FeAlNx。

在授予Richter等人的美国专利6495252中，介绍了一种具有超顺磁衬层的记录介质，并声称其解决了由采用例如NiFe(坡莫合金)的软磁衬层的磁记录介质中发生的巴克豪森噪声(Barkhausen noise)导致的问题。根据该说明书，基本没有巴克豪森噪声的垂直或纵向型高位密度磁记录、存储和再现介质通过用极细晶粒(例如多晶)的软磁材料的层或膜替代通常用作衬层的连续、软磁膜或层来制造。用于软磁衬层的铁磁或亚铁磁材料的晶粒尺寸足够小，使得其晶粒变为超顺磁性的，即其保留被磁排序但丧失其磁滞。尽管Richter等人声称所介绍的介质可用于纵向记录，但给出的每个示例都是用于垂直记录。未提及该介质应如何改变从而在纵向记录中发挥作用。

在授予Carey等人的美国专利6,280,813中，介绍了一种层结构，其包括跨过非铁磁耦合/间隔膜反铁磁耦合在一起的至少两个铁磁膜。一般认为，随着增加耦合/间隔膜厚度，交换耦合从铁磁到反铁磁振荡，且优选的6埃厚度的钌耦合/间隔层被选择，因为其对应于特定薄膜结构的振荡中的第一反铁磁峰值。适于用作非铁磁耦合/间隔膜的材料包括钌(Ru)、铬(Cr)、铑(Rh)、铱(Ir)、铜(Cu)、及其合金。因为两个反铁磁耦合的膜的磁矩反平行取向，所以记录层的净剩磁-厚度积(Mrt)为该两个铁磁膜的Mrt值之差。Mrt的这种减小在不减小记录介质的热稳定性的情况下实现，因为反铁磁耦合的膜中的晶粒的体积相长地增大。该结构的一个实施例包括由具有一厚度的Ru间隔膜分隔开的两个铁磁CoPtCrB膜，该厚度被选择从而使两个CoPtCrB膜之间的反铁磁交换耦合最大。顶部的铁磁层被设计为具有比底部的铁磁层更大的Mrt，使得零外加磁场下的净磁矩很低，但非零。Carey的′813号专利还表明，反铁磁耦合通过添加在耦合/间隔层与顶部和/或底部铁磁层之间的薄(5埃)铁磁钴界面层增强。

发明内容

根据本发明的记录介质具有交换耦合于具有正交于记录层的各向异性的增强层的磁记录层。本发明的实施例可以用于纵向或垂直记录。用于纵向记录的实施例具有带纵向各向异性的记录层、耦合层和带垂直各向异性的增强层。用于垂直记录的实施例具有带垂直各向异性的记录层、耦合层和带纵向各向异性的增强层。在垂直增强层饱和时，正交于记录层的交换场存在，且有降低所需纵向翻转场，即纵向矫顽力的作用。记录层和增强层跨耦合层交换耦合。交换耦合可以是铁磁或反铁磁的。正交各向异性增强层被设计为降低写入过程期间记录层所需的翻转场，同时对长时间热稳定性没有影响。增强层材料被设计为具有中等Hk、小晶粒体积、以及一KuV，该KuV导致材料在发生记录的时间尺度上是铁磁性的，但其它情形下为超顺磁性的，使得其不对对于翻转记录层的能垒产生明显影响。增强层被设计为不具有明显的剩磁，且优选在写入磁头下方的正交于写入场的磁场相对较高的区域中饱和。

本发明的介质可以用于产生垂直和纵向场分量的传统纵向写入磁头。对于纵向记录，正交磁场是P2写入磁头极周围较强的垂直场。在利用增强层与记录层之间的铁磁耦合的本发明一实施例中，P2附近磁头的倾斜场将在近似相同的时间翻转该两层。在使用增强层与记录层之间的反铁磁耦合的本发明的实施例中，本发明的介质沿着从P2至P1的方向移动，该方向与传统纵向记录相反。随着介质在P2下方移动，增强层将首先翻转，且随着介质朝向P1移动，垂直场减小，且纵向场增大，达到纵向场强到足以翻转记录层中的磁化(magnetization)的点。在长时间存储期间，介质不受垂直场影响，而增强层不对记录层产生明显影响。本发明的记录介质还可以与对称磁极的写入磁头使用，即其中磁极面对介质具有近似相同的表面积的磁头。

对于垂直记录，具有屏蔽极设计的单极写入磁头可用于本发明介质。

附图说明

图1为其中可实施本发明的现有技术磁盘驱动器的选定部件的图示；

图2为根据本发明实施例的薄膜盘的截面图，其垂直于包括正交各向异性增强层的薄膜的平面截取；

图3为实施本发明的磁盘驱动器的选定部件的图示，示出在磁盘的记录介质中写入纵向磁畴的写入磁头的磁极；

图4为写入磁头的磁极间区域的放大图，示出在根据本发明的记录介质中写入纵向磁畴期间的时间序列；

图5给出了帮助理解本发明原理的一系列等式；

图6为对于根据本发明的偏置记录层和传统记录层的能垒对翻转场的曲线图；

图7为对于根据本发明的偏置记录层的稳定性增加对偏置场的曲线图；

图8为根据本发明实施例的薄膜盘的截面图，其垂直于包括用于垂直记录的正交各向异性偏置层的薄膜的平面截取；

图9为具有偏置层中的径向、跨轨道各向异性的用于垂直记录的本发明实施例中，记录层和正交偏置层中磁畴的各磁化方向的示意图；以及

图10为根据本发明实施例的薄膜盘的截面图，其垂直于包括用于纵向记录的正交各向异性偏置层的薄膜的平面截取。

附图标记说明

16盘                    32软衬层

33间隔层                34正交各向异性增强层

35耦合层                36各向异性记录层

37覆盖层                34B偏置层

具体实施方式

首先将针对使用纵向记录的实施例详细介绍本发明。在根据本发明第一实施例的磁存储装置中，是纵向场而非垂直场分量在磁记录层中写入用于位畴(bit domain)的磁取向。因此，磁记录层被制造为具有纵向各向异性。由垂直各向异性增强层产生的垂直交换场起降低记录层的动态矫顽力的作用，从而允许较弱的纵向磁场写入位。本发明允许磁记录层的静态矫顽力充分高，从而保持热稳定性，尽管晶粒尺寸极小。

图2示出了根据本发明一实施例的用于纵向记录的盘16上的薄膜21的截面。薄膜的厚度并未按照比例。实际厚度可以根据现有技术确定。软衬层32由软磁材料制成。多种软磁材料已知，且可以作为衬层。基本上，不“硬”的任何磁性材料都是用于软衬层32的备选材料。优选的材料为广泛用于磁记录磁头的NiFe(坡莫合金)。软衬层32通过非磁性间隔层33与正交各向异性增强层34隔开。非磁性间隔层33的厚度用于根据现有技术原理和此处介绍的设计目的控制软衬层32的影响。增强层34通过非磁性耦合层35与各向异性记录层36分隔开。增强层34可以铁磁或反铁磁地耦合于记录层36。耦合层优选为钌(Ru)。记录层36可以是磁性材料的单层或形成层结构的多个层，其因在纵向或垂直记录中的使用而为人所知。保护覆盖层37一般是盘上的最后薄膜。图3和4中略去了覆盖层，从而增加图示的清晰性。

用于纵向记录的记录层36的磁性质被选择，从而提供在盘表面上的薄膜的平面内的易翻转轴(easy axis of switching)(各向异性)。增强层34的各向异性被选择为与记录层正交。因此，对于平面内记录的层(in-plane recordinglayer)，增强层可以具有垂直于薄膜平面的易轴(easy axis)。用于实现垂直各向异性的材料成分和沉积条件不在本发明的范围之内，可以使用现有技术确定。增强层34还被设计为在记录过程期间的选定阶段饱和。在施加垂直场时，使增强层34饱和，垂直交换场正交于记录层的纵向各向异性而存在。此垂直交换场用于减小翻转记录层中的畴所需的纵向场。例如，根据如图7的曲线中所示的一阶近似估算(first order estimate)，0.1Hk垂直场将所需的翻转场减小了差不多15％。增强层被设计为具有中等Ku和Hk、以及小晶粒尺寸和体积，导致较小的KuV。优化KuV，使得其在记录时间尺度(几个微秒及以下)上为铁磁的，但在任何长时间尺度上是超顺磁性的。增强层将具有较小的KuV/kT，且基本上不具有剩磁。增强层将不对涉及翻转记录层的磁畴的能垒产生明显作用，因此不对记录层中磁畴的长期稳定性产生影响。对于目前的磁盘驱动器，增强层的厚度应相对较薄，在约10nm或更小。

图3示出了存储装置10中写入磁头的极P1 41和P2 42与构成根据本发明一实施例的记录介质的薄膜21之间的关系。此实施例中的交换耦合为反铁磁性的。在此实施例中，写入磁头为现有技术的纵向写入磁头，但磁存储装置被设计为从最强垂直场区域向最强纵向场区域-即在从P2朝向P1的方向上-移动介质。记录过程期间增强层34的饱和被设计为在传统写入磁头的P2极下发生，而不在P1下发生。P2下方的垂直场比P1下方的强得多，因为对于纵向记录，P2的面对介质的表面区域被有意制造得比P1的表面区域小。纵向场在P2与P1之间的间隙中最大。因此，在使用传统写入磁头的具有反铁磁耦合的实施本发明的存储装置中，磁介质在从写入磁头的P2极至P1极的方向上移动，这与传统的操作相反。图4为记录过程期间P1与P2之间的区域的放大图，三对箭头示出了随着介质在写入磁头下方移动，在增强层和记录层中的一对交换耦合磁畴的场合在三个点处的翻转状态。在时刻T1，磁畴的翻转状态处于其初始状态。箭头的方向并非用于示出磁化的真实方向，更确切地是被象征性地使用以阐述所涉及的概念。用于记录层的箭头在写入过程之前的时刻T1被显示为指向左下方。用于增强层的箭头在时刻T1被显示为指向右上方。在此初始点处的增强层磁畴的实际磁化方向是没有关系的，且可以被假设为随机的。随着介质在图中从左向右移动，P2下方的垂直场增大，且将超出纵向场。在时刻T2附近，增强层磁畴将被设计为在由写入磁头在这一点产生的垂直场中翻转并饱和。这在图4中通过显示向下和向右指向的用于增强层的箭头而示出。记录层在时刻T2将不翻转，但与增强层交换耦合，因此记录层中的磁畴将在增强层的影响下旋转。时刻T2后的记录层磁畴的磁化的旋转由向上和向左指的箭头表示。在时刻T3，垂直场将减小，而纵向场增大，导致记录层磁畴翻转。于是，增强层被设计为在P2下方的垂直场中饱和，且随着介质向P1移动，纵向场增大，使得记录层磁畴的翻转在P1边缘附近发生。增强层的影响非常迅速地减小，因此记录层磁畴的稳定性在T3翻转点之后迅速增加。在没有垂直场的情况下，增强层不会对记录层产生明显影响，因此根据现有原理，记录层的热稳定性由记录层中材料的性质确定。

使用根据本发明的具有垂直增强层和反铁磁耦合的介质的纵向记录方法介绍如下。根据本发明的介质从具有初始高垂直场的区域至具有高纵向场的区域内跨过写入磁头场移动。翻转序列中的第一事件为增强层部分地由于其垂直各向异性、低KuV/kT和中等Hk而在垂直场中饱和。所得的对于记录层的垂直交换场以受控的方式旋转记录层磁畴的磁化，且降低了记录层的纵向矫顽力。介质继续在磁头场中移动至一点，在该点处纵向场足以翻转记录层磁畴的磁化。随着介质移动，垂直场迅速减小，增大了记录层磁畴的矫顽力和稳定性。

在利用记录层与增强层之间的铁磁耦合的本发明的一实施例中，介质在从P1朝向P2的传统方向上移动。记录层和增强层中磁畴的翻转约同时发生。所涉及的原理与上述相同，其中由写入磁头产生的倾斜场的垂直分量将作用于增强层上，并产生交换场从而旋转记录层的磁化。倾斜场的纵向分量将翻转记录层磁畴。

本发明还可以以具有对称磁极的写入磁头来实施，即具有近似相等的P1和P2的面对记录介质的面积的磁头。在此实施例中，将没有垂直占优的区域，且介质相对于写入磁头的移动方向无关紧要。增强层仍将在写入磁头产生的垂直场分量的影响下导致记录层中磁化的旋转，并用于降低记录层的动态矫顽力。

控制垂直场的一个因素为增强层的饱和点。增强层的饱和用于限制垂直场和防止纵向场的过分减小。非磁性间隔层33还用于将软衬层从磁记录层退耦，因此该间隔层的厚度为对垂直场起作用的设计因素之一。

以上详细示例介绍了其中增强层反铁磁耦合于记录层的实施例，但本发明还可以以铁磁耦合的层实施。反铁磁或铁磁耦合借以实现的原理与现有技术相应。例如已知，可以选择耦合层的厚度，从而实现反铁磁或铁磁耦合。使用铁磁耦合的实施例可以根据此处介绍的原理来实施。

用于垂直记录的本发明记录介质的实施例使用上述用于纵向记录的原理，但记录层和增强层的各向异性被颠倒。用于垂直记录的写入磁头通常为单极设计。垂直磁头设计可以具有各种类型的侧屏蔽、后屏蔽和开口屏蔽。用于本发明介质的屏蔽的形式必须被设计为允许磁场中足够的纵向分量，从而产生纵向交换场，从而导致垂直各向异性记录层内的磁化按照与上述相同的方式旋转。

偏置层实施例

记录层的正交偏置原理可以按照可选的方式实施。在前面的示例中，偏置仅在记录期间施加，但即使在偏置总是存在的情况下，记录性质的改善也是可以的。本发明采用了由图5中的等式描述的磁化动力学，其给出了具有正交偏置场的单轴各向异性的一阶近似估算。能垒E_b由等式51给出，翻转场H_sw由等式52给出。通过在磁头施加磁场时建立正交于记录层的易轴的交换场，本发明的增强层使用了此原理。结果是记录层磁畴的磁化的旋转，其降低了写入期间的动态矫顽力。静态偏置场将降低翻转场和能垒，如图6所示，图6为针对根据本发明的选定被偏置记录层61和传统记录层62的能垒对翻转场的曲线。然而，对于给定的翻转场，偏置介质仍将具有较高的能垒，如曲线所示。图7为对于根据本发明的被偏置记录层的稳定性增加对偏置场的曲线图。

根据这些原理的记录介质的实施例，例如，对于垂直记录可以具有与径向取向偏置层一起使用的垂直取向记录层。偏置层可将垂直取向记录层向跨轨方向(cross-track direction)旋转。如图8所示，该介质的层结构将与图2所示的相同，除了增强层将变为偏置层34B外。高KuV(比记录层高)和各向异性偏置层被设计为具有高热稳定性，并最小化因磁头场的磁化的旋转。上述增强层具有可以忽略的剩磁，而偏置层具有高的剩磁且不被读取磁头翻转。在这种类型的实施例中，偏置层可以是具有较低噪声的DC磁化的，或者是消磁的(具有对称轨道边缘)，因为随机磁化仍将具有旋转记录层内的磁化的作用。

图9为具有偏置层中的径向、跨轨道各向异性的用于垂直记录的本发明实施例中，记录层和正交偏置层中磁畴的各磁化方向的示意图。

对于纵向记录，根据这些原理的记录介质的实施例可以具有与径向取向偏置层一起使用的圆周取向记录层(易轴平行于轨道方向)。在此实施例中，交换场使记录层的磁化在膜平面内朝径向、跨轨道方向旋转。该介质的层结构将与图10所示的相同。在此实施例中，无需SUL或间隔层，因为偏置层具有跨轨道取向的平面内各向异性。

根据本发明的薄膜盘可以使用标准薄膜制造技术制得。本发明已相对于特定的实施例介绍，但对于根据本发明的方法和结构的其它使用和应用对于本领技术人员而言是显而易见的。