有钴铬铁第一铁磁膜的反铁磁耦合磁记录介质 相关申请
本申请涉及2000年8月4日提交的题为“以无硼第一铁磁膜为晶核形成层的反铁磁耦合磁记录介质”的未决申请09/631,908，在这里作为参考文献。
技术领域
本发明涉及磁记录介质，尤其涉及带反铁磁耦合(AFC)磁记录薄膜的磁记录盘。
背景技术
传统的磁记录介质，例如硬盘驱动器里的磁记录盘，通常利用粒状铁磁层，如溅射沉积的钴铂(CoPt)合金作为记录介质。磁层中的每个磁化区域均包括很多个小磁粒。磁化区域间的切换代表记录数据的“比特”。IBM公司的美国专利4,789,598和5,523,173描述了这种传统的硬盘。
随着磁记录盘的存储密度的提高，剩余磁化强度Mr(这里，Mr以单位体积铁磁材料的磁矩为单位进行测量)和磁层厚度t的乘积降低。类似地，磁层的矫顽磁场或矫顽力(Hc)也跟着增强。这导致Mrt/Hc比的降低。这种降低的原因在于参数Mrt/Hc与记录头以高密度解析磁比特地能力有关。降低Mrt/Hc会增加这种能力。要使Mrt减小，可以减小磁层的厚度t，但是厚度减小也有一定的限度，因为厚度过小，则存储在磁层的磁信息会衰减。磁化的衰减归因于小磁粒的热激发(超磁效应)。磁粒的热稳定性很大程度上取决于KuV的值，其中Ku是层的磁各向异性常数，V是磁粒的体积。V的值随着薄膜厚度的减小而减小。如果层厚度太薄，那么在正常的盘驱动器操作条件下，磁盘上存储的磁信息就不再稳定。
解决这个问题的一个方法就是转而采用具有更高各向异性的材料(即Ku值更高)。但是Ku的增大也有一个限制，即如果矫顽力Hc过大，则无法用传统记录磁头写出，这里Hc近似等于Ku/Ms(Ms为饱和磁化强度)。类似的方法是把固定层厚的磁层的Ms值减小，这使得由于Mr与Ms相关而使Mr减小，然而这同样受到能够写出的矫顽力的限制。另外一个方法就增强粒间交换能力，以增加磁粒的有效磁体积(magneticvolume)V。然而，事实证明这样做对磁层的固有信噪比(SNR)不利。
美国专利6,280,813描述了一种磁记录介质，其中磁记录层是至少两个铁磁膜，这两个铁磁膜通过非铁磁间隔膜反铁磁耦合在一起。在这种被称为AFC介质的磁介质中，两个反铁磁耦合膜的磁矩的取向是反平行的，结果记录层的净剩余磁化强度-厚度积(Mrt)就是两个铁磁薄膜的Mrt值的差。在无需减少体积V的情况下实现了Mrt的降低。因此记录介质的热稳定性没有降低。使其中的一个铁磁薄膜比另外一个更厚，然而如此选择厚度，使得零施加磁场中的净磁矩较低，然而非零。在AFC介质的一个实施例中，两个铁磁薄膜是溅射沉积的CoPtCrB合金薄膜，其被Ru间隔薄膜隔开，Ru间隔薄膜的厚度使得两个CoptCrB薄膜之间的反铁磁耦合最大。
将类似CoPtCrBAFC的含硼合金用作AFC介质中的铁磁膜成分的方式需要使用一个特殊的启动或者晶核形成层(onset or necleationlayer)，以增强CoPtCrB膜的生长，使得这些膜的C轴处于膜的平面上。晶核形成层通常是非铁磁CoCr合金，它在生产线上仍需要另一个溅射工位。在前面提到的未决申请中，AFC介质中的下部铁磁膜是无硼铁磁CoCr合金，在它和Cr或Cr合金底层之间不需要晶核形成层。这种铁磁CoCr合金具有足够的饱和磁化强度(Ms)和颗粒结构，以产生AFC记录层的优良磁记录性能，这种合金还可以作为晶核形成层，以通过间隔层诱导上部CoPtCrB铁磁膜的平面内C轴生长。
磁记录介质中另一个仍然存在的问题是固有的介质噪声，它是决定硬盘驱动器中总体信噪比的重要因素。所以我们需要一种降低介质噪声的AFC介质。
发明内容
本发明是一种AFC磁记录介质，它具有通过非铁磁间隔膜反铁磁交换耦合在一起的至少两层铁磁膜。在这种反铁磁耦合(AFC)的记录层中，两个铁磁膜的磁矩的取向是反平行的，这样，AFC记录层的净剩余磁化强度-厚度积(Mrt)是两层铁磁膜的Mrt值的差值。Mrt值的减小并不减小记录介质的热稳定性。AFC记录层的下部铁磁膜是铁磁CoCrFe合金，在它和Cr合金底层之间不需要晶核形成层。以CoCrFe合金作为第一或下部铁磁膜的AFC介质减少了介质的固有噪声。
为了更全面地理解本发明的本质和优点，参照下面结合附图所进行的详细说明。
附图说明
图1是前面提到的未决申请中描述的AFC磁记录盘的现有技术示意截面图。
图2是根据本发明的AFC磁记录盘的示意截面图。
图3的图表针对具有CoCrFe下部AFC膜的几种磁盘，示出了不同密度(千磁通变化/英寸或kfci)下记录的转变的隔离信号脉冲与测量噪声(S0NR)的测量比值。
具体实施方式
AFC盘的总体结构
本发明的磁记录盘具有磁记录层，磁记录层由两个或更多的铁磁膜构成，所述铁磁膜通过一个或多个非铁磁间隔膜与其相邻铁磁膜反铁磁(AF)耦合。图1图解了具有反铁磁耦合(AFC)磁层20的盘10的截面结构。
盘基底11是具有NiP表面涂层的任何适合的材料，例如玻璃，SiC/Si，陶瓷，石英或AlMg合金。种子层12是可以用来改进底层13的生长的可选层。在基底11为非金属材材料，如玻璃时，通常使用种子层12。种子层12的厚度大约在1到50nm的范围内，并且是诸如Ta，CrTi，NiAl或RuAl的材料中的一种，这些材料可被用作种子材料，以促进后续沉积的层在某些优选晶体取向上的生长。玻璃基底11和种子层12之间也可以使用预种子层(未示出)。底层13被沉积在种子层(如果存在)上，或直接沉积在基底11上，并且是一种非磁性材料，如铬或铬合金，例如CrV或CrTi。底层13的厚度在5到100nm的范围内，通常为接近10nm。
AFC磁层20由两层铁磁膜22，24组成，这两层膜被非铁磁间隔膜26隔开。选择非铁磁间隔膜26的厚度和组成，使得邻近的膜22，24的磁矩32，34通过非铁磁间隔膜26反铁磁耦合，并且在零施加场中为反平行。层20的两个反铁磁耦合膜22，24的磁矩的取向为反平行，其中上部的膜22的磁矩更大。铁磁膜22，24由具有4-20at.％(原子百分数)的铂，10-23at.％的铬以及2-20at.％的硼的CoPtCrB合金构成。非铁磁间隔膜26的材料为钌(Ru)。
因为AFC磁层20的第一铁磁膜24是含硼的CoPtCrB合金，一层很薄(厚度通常为1-5nm)的Co合金启动或晶核形成层14沉积在底层13上。选择晶核形成层14的组成以增强膜24的六角形密集(HCP)CoPtCrB合金的生长，使得其C轴的取向在膜的平面中。第一CoPtCrB膜24的合适晶体结构则通过Ru间隔膜26增强第二CoptCrB膜22的生长，使其C轴也在平面内。如果CoPtCrB膜24直接生长在没有晶核形成层的Cr合金底层13上，则不会以其C轴在膜的平面内的方式生长，这样就会产生很弱的磁记录性能。众所周知，硼的存在对在记录层上形成微小颗粒是很重要的，而微小颗粒的形成对高性能介质是必要的。因此晶核形成层14允许使用含硼合金作为记录层。晶核形成层14通常为非铁磁Co合金，例如Cr＞＝31at.％的CoCr合金。这种CoCr合金的组成产生非铁磁性或轻微铁磁性的相(phase)。
如图1的层20的结构所示，经由非铁磁转变金属间隔膜的铁磁膜反铁磁耦合在本文中已经进行了广泛研究和说明。通常，随着间隔膜厚度的增加，交换耦合从铁磁性摆动到非铁磁性。这种所选材料组成的摆动耦合关系在Parkin等人的“金属超晶格结构：Co/Ru，Co/Cr和Fe/Cr中交换耦合和磁电阻的摆动”(Phys.Rev.Lett.Vol.64，p.2034(1990))一文中进行过详细的介绍。材料组成包括Co，Fe，Ni及其合金，例如Ni-Fe，Ni-Co，Fe-Co组成的铁磁膜，和非铁磁间隔膜，例如Ru，铬(Cr)，铑(Rh)，铱(Ir)，铜(Cu)及其合金。对于每种这样的材料组成，必须确定摆动交换耦合关系(如果还不知道)，以便选择非铁磁间隔膜的厚度，以保证两层铁磁膜之间的反铁磁耦合。摆动周期取决于非铁磁间隔膜的材料，摆动耦合的强度和相位同样取决于铁磁材料和界面质量。
对于层20的AFC结构，邻近的层22，24的磁矩32，34的取向反平行对齐，于是破坏性相加。箭头32，34分别代表通过AF耦合膜26直接在彼此上面和下面的磁域的磁矩取向。
虽然图1示出的是具有双膜结构和单一间隔膜的AFC磁层20，然而AFC磁盘可以具有额外的铁磁膜，其间存在AF耦合间隔膜。
具有CoCrFe下部铁磁膜的AFC磁盘的结构
使用玻璃基底和CoPtCrB单层磁层的高性能市售磁盘可能需要多达六层。这些层分别是玻璃基底上的预种子层(pre-seed layer)(没有在图1中示出)，种子层，底层，非铁磁(或轻微铁磁)CoCr晶核形成层，CoPtCrB磁层和保护外涂层。诸如Circulus M12的通用制造飞溅工具当前只有七个工位(station)可用于实际的溅射沉积，假设使用两个加热工位和一个冷却工位。由于AFC磁层用三个层取代单磁层，产生AFC磁盘所需的飞溅阴极的总数为八个。这个数字大于上述配置的CirculusM12中当前可用的飞溅阴极数。其它类型的制造飞溅工具也会具有有限数目的飞溅阴极，这造成了AFC介质实现的难度。
某些材料可具有双重目的：在AFC层中作为下部铁磁膜，和通过Ru间隔层促进第二CoPtCrB膜的平面内C轴生长。这允许将AFC层的晶核形成层和下部铁磁膜组合成一个层，因此只需要一个飞溅阴极。这样便减少了AFC磁盘结构中的溅射层的总数，从而克服了潜在的可制造性问题。前面列举的未决申请已经证明，铁磁性Co78Cr22(它的饱和磁化强度(Ms)为425emu/cc)在AFC结构中既作为启动或晶核形成层，又作为下部的膜。
在本发明中，CoCrFe合金在AFC记录中既作为启动或晶核形成层，又作为下部的膜，并且还显著提高了AFC介质的信噪比。这是一个出人意料的结果，因为已知把Fe加到Co合金中会增加颗粒间交换耦合，这通常被认为对记录性能有害。如在前面列举的美国专利6,280,813中所解释的，使用具有孤立磁粒，即没有颗粒间交换耦合的颗粒铁磁材料对于降低介质噪声是有利的，因为上面已经说明颗粒间交换耦合会增加介质噪声。因此没有预料到使用CoCrFe下部薄膜会降低AFC介质中的介质噪声。
图2示出了根据发明的AFC磁盘10’的优选结构。优选实施例中各种层的厚度和组成如下所述：
预种子层：Cr50Ti50(20-50nm)
种子层12：Ru50Al50(8-20nm)
底层13：Cr80Ti20(6-20nm)
直接在底层13上的下部AFC薄膜24’
Co(100-x-y)CrxFey，其中2＜x＜25并且2＜y＜30
间隔层26：Ru或Cr(0.4-1.0nm)
上部AFC薄膜22：
C0(100-y-x-z)PtyCrxBz，其中6＜y＜25，10＜x＜25并且6＜z＜15。
在优选实施例中，作为不需要特殊晶核形成层的底部AFC膜的CoCrFe合金具有大约2-30at.％的Fe和大约2-25at.％的Cr成分。Fe的浓度主要由厚度和底部AFC膜的Mrt决定。对于指定厚度，Fe和Cr的at.％决定CoCrFe膜的Mrt。Fe的上限是这样的值，即在该值附近CoCrFe合金的hcp结构会消失，于是破坏上部CoPtCrB膜的后续平面内C轴生长。Cr的大约为25at.％的上限是这样的值，即在该值附近CoCrFe合金变为非铁磁性。CoCrFe合金的期望厚度由最优膜生长和记录性能来决定，一般在大约0.5和3.5nm之间。
图3针对几种磁盘示出了不同密度(千磁通变化/英寸或kfci)下记录的转变的隔离信号脉冲和测量噪声(S0NR)的测量比。这些介质全部在相同的生长条件下生长，底层和上部AFC膜具有相同的厚度和合金。上部AFC膜的Mrt＝0.39emu/cm2。合成的Mrt值以图符形式列出，并且通过从上部AFC膜的Mrt中减去下部AFC膜的Mrt来得到。图3表明，相比于使用前面提到的待决申请所述的CoCr合金作为下部膜的AFC介质，使用CoCrFe合金作为下部膜的AFC介质具有明显更高的S0NR。图3还表明，即使与使用具有不同Mrt值的CoCr下部膜的AFC介质相比，在具有CoCrFe下部膜的AFC介质中也可以提高S0NR。
虽然上面参照优选实施例具体示出和说明了本发明，然而本领域技术人员应当理解，在不偏离本发明的实质、范围和教导的前提下可以在形式和细节方面进行各种改变。因此，所公开的发明仅仅被认为是说明性的，其范围应当由所附权利要求来限定。