专利名称：具有与垂直记录层耦合的磁转矩层的垂直磁记录介质的制作方法
技术领域：
本发明总体涉及垂直磁记录介质，更具体地，涉及在磁记录硬盘驱动器中使用的具有垂直磁记录层的磁盘。
背景技术：
垂直磁记录，其中记录位以垂直或离面(out-of-plane)的方向被存储在记录层中，是磁记录硬盘驱动器中通向超高记录密度的希望之路。垂直磁记录系统的最普通的类型使用“探针”或单极记录头同时“双层”介质作为记录磁盘。双层介质包括形成在“软磁(soft)”的或相对小矫顽力的导磁衬层(magnetically permeable underlayer)(SUL)上的垂直磁数据记录层(RL)，SUL作用为用于来自极记录头的磁场的磁通返回路径。此类型的系统也称为“类型1”垂直磁记录。这样的具有用于读取记录数据的读元件的现有技术的系统显示在图1中。
图2是现有技术的垂直磁记录盘的横截面的示意图，示出作用在记录层RL上的写磁场H。该磁盘还包括硬盘衬底、用于生长SUL的籽层(seedlayer)或起始层(onset layer)、用以中断导磁膜SUL和RL之间的磁交换耦合并且便于RL的外延生长的交换中断层(exchange break layer)(EBL)、以及保护性外涂层(OC)。如图2所示，RL位于“表象(apparent)”记录头(ARH)的缝隙内，其允许与纵向或面内(in-plane)记录相比明显更高的写磁场。ARH包括磁盘之上的真实写头(RWH)的写磁极(图1)、以及RL下面的次级写磁极(secondary write pole)(SWP)。SWP由SUL促成，SUL通过EBL自RL去耦，并且在写过程期间产生RWH的磁镜像。这有效地使RL在ARH的缝隙中且允许RL内的大的写磁场。然而，该几何构型还导致RL内的写磁场H几乎平行于表面法线取向，即，沿着RL颗粒(grain)的垂直易轴，如具有易轴12的普通的颗粒10所示。写场H和RL的易轴的平行排列具有的缺点是因为没有转矩施加在颗粒的磁化上，需要相对高的写磁场来反转该磁化。此外，写磁场/易轴直线排列增加了RL颗粒的磁化反转时间(M.Benakli等，IEEE Trans.MAG 37，1564(2001))。因为这些原因，理论上已经提出了“倾斜”介质，其中RL的易磁轴相对于表面法线倾斜约45度角，从而可以用更低的写磁场实现磁化反转而没有增加反转时间(K.-Z.Gao and H.N.Bertram，IEEE Trans.MAG 39，704(2003))。然而，没有已知的制造工艺来制造高质量的具有倾斜易轴的记录介质。
需要的是表现出类似于倾斜介质的磁化反转行为且完全兼容传统制造工艺的垂直磁记录介质。
发明内容
本发明涉及具有磁“转矩”层(MTL)的垂直磁记录介质，例如垂直磁记录盘，该MTL在存在外加垂直写磁场时施加磁转矩在垂直磁记录层(RL)上。该MTL因此在反转该RL的磁化方面作用为写辅助层。耦合层(CL)位于该MTL和该RL之间且提供该MTL和该RL之间的适当的铁磁耦合强度。该MTL具有基本上在面内的磁化分量和与RL的易磁化轴不共线的易磁化轴。在一实施例中该MTL位于该磁盘的该软磁衬层(SUL)和该RL之间，该CL位于该MTL和该RL之间。此实施例中该MTL和CL由能够使高性能的RL在该MTL/CL结构上生长的材料形成。第二实施例中该CL位于该RL上面，该MTL位于该CL上面。
虽然该MTL的主要目的是写过程期间施加转矩，其辅助总体写过程，但是该MTL还可具有增加总体介质信号的磁化模式(magnetic pattern)，甚至在没有外加磁场时。
为了更完整地理解本发明的本质和优点，请结合附图参考下面的详细说明。
图1是现有技术垂直磁记录系统的示意图。
图2是现有技术垂直磁记录盘的横截面的示意图，示出作用在记录层(RL)上的写磁场H。
图3是根据本发明第一实施例的垂直磁记录盘的横截面的示意图，示出作用在记录层(RL)上的写磁场H和通过铁磁耦合层(CL)与该RL耦合的磁转矩层(MTL)，该CL和该MTL位于该RL下面。
图4是具有各自易磁化轴的本发明的磁转矩层(MTL)和记录层(RL)的磁颗粒的磁模型的示意图。
图5是对于耦合强度J的不同值计算出的以HK为单位的翻转场HS作为颗粒取向角θ的函数的曲线图。
图6示出当颗粒取向角θ为高斯分布，中心约为θ＝0且半高宽(FWHM)为3.3度时，对于具有耦合到RL的MTL(J＝0.05)的本发明磁盘结构和没有MTL的现有技术磁盘结构(J＝0)，翻转磁场HS的值的分布。
图7是根据本发明第二实施例的垂直磁记录盘的横截面的示意图，示出作用在记录层(RL)上和通过铁磁耦合层(CL)与该RL耦合的磁转矩层(MTL)上的写磁场H，该CL和MTL位于该RL之上。
具体实施例方式
本发明涉及具有薄磁“转矩”层(MTL)和在MTL和RL之间的铁磁耦合层(CL)的垂直磁记录介质，MTL具有基本在面内的磁化分量和与RL易磁化轴不共线的易磁化轴，CL提供MTL和RL之间的适当的铁磁耦合强度。具有面内易磁化轴的MTL是本发明的一个特殊实现。磁盘形式的介质和写磁场H显示在图3中的截面视图中。在图3的实施例中，CL和MTL位于RL下面。如图3的分解部分所示，RL中的普通颗粒10沿着易轴12具有垂直的或离面的磁化，而MTL中正好在RL颗粒10下面的普通颗粒20沿着易轴22具有基本水平的或面内的磁化。MTL的磁化不需要完全在面内但是应具有基本在面内的分量，例如如果MTL的磁化离面小于45度时将提供的。存在外加垂直写磁场H时，MTL通过在RL上施加辅助反转RL的磁化的磁转矩而作用为写辅助层。虽然MTL的主要目的是写过程期间施加转矩，其辅助总体写过程，但是MTL还可以表现出增加总体介质信号的磁化模式，甚至在没有外加磁场时。
本发明的介质的优点通过磁模型计算来评估。图4示意性显示的模型中，MTL-RL颗粒被模型化为两个耦合的Stoner-Wohlfarth微粒，每个具有单轴磁各向异性但是取向彼此正交。有各向异性常数K的铁磁层的单轴磁各向异性本质上意味着全部磁矩趋向于沿着称作易轴的相同轴排列，这是最低能量状态。具有单轴磁各向异性K的铁磁层的各向异性场HK是需要沿易轴方向施加以翻转磁化方向的磁场。
模型化的示例中，RL颗粒通过磁化M1、各向异性常数K1和体积V1表征，同时MTL颗粒通过磁化M1、各向异性常数-K1和体积0.2V1表征。各向异性常数的相反的符号表示正交的磁各向异性。MTL假定薄为RL的五分之一，以实现用于介质结构的实际几何构型。对于更厚的MTL，可以预期更大的转矩和写辅助效应，但是如果MTL太厚那么其它的记录特性可能会下降。MTL和RL通过强度为J的铁磁耦合经过CL耦合，强度J的大小给定为RL颗粒的各向异性能的部分，即J＝x·K1·V1。模型化计算中，该耦合颗粒系统暴露在关于颗粒轴以θ角施加的静磁场H中，计算出磁翻转场HS。
图5示出对于耦合强度J的不同值，作为颗粒取向角θ的函数的以HK(＝2·K1/M1)为单位的计算出的翻转场HS。七条曲线代表步长为0.01时耦合值J＝0到0.06。J＝0的模型计算相当于RL没有MTL的情况。如从图5可见的，RL到MTJ的耦合降低翻转场HS，特别是对于θ＝0附近的良好取向的颗粒。例如，对于J＝0.06，在θ＝0时翻转场HS仅是HK的约75％，HK是没有MTL时需要的翻转场。
因为不可能制造一种磁盘，其中在该磁盘上的所有位置颗粒取向θ是恒定值，所以对θ的分布也模型化本发明是重要的。图6作为示例示出当θ为高斯分布，中心约为θ＝0且半高宽(FWHM)为3.3度时，对于本发明的具有耦合到RL(J＝0.05)的MTL的磁盘结构和对于没有MTL(J＝0)的现有技术的磁盘结构，翻转磁场HS的值的分布。明显的是耦合到MTL显著降低了平均翻转场<HS>和翻转场分布宽度ΔHS。因此，预期MTL型介质不仅显示出改善的可写性而且降低了本征介质噪音，因为已知大的翻转场分布是对介质不稳定的重要贡献者。模型化还显示，对相同的θ分布(例如对中心约为0及FWHM为3.3度的θ，如对图6)，随着J增加平均翻转场<HS>和相对翻转场分布宽度ΔHS/<HS>两者都减小。观察到高达20％的<HS>减小和45％的ΔHS/<HS>减小的显著改进。该模型化还确定对具有更佳颗粒取向的介质该改进更大，即预期MTL型结构对于极高质量的RL尤其有效。
计算出的该改进归因于在高外加写磁场时记录介质的减小的激活势垒(activation barrier)，其通过耦合到RL的MTL的转矩实现。然而，计算未考虑在这样的几何构型中产生的真实动转矩(dynamic torque)和它们对翻转速度的影响。那些影响可能比计算出的影响更大，对于MTL型介质其将对应甚至更大的改进潜力。
现在将说明显示在图3中的用于本发明的代表性磁盘结构。硬盘衬底可以是任何可商业购买的玻璃衬底，但是也可以是传统的带NiP表面涂层的铝合金，或者替代衬底，诸如硅、硅碱钙石(canasite)或者碳化硅。
用于SUL的生长的粘合层或OL可以是具有约2-5nm的厚度的AlTi合金或类似材料。SUL可以由导磁材料例如合金CoNiFe、FeCoB、CoCuFe、NiFe、FeAlSi、FeTaN、FeN、FeTaC、CoTaZr、CoFeB、以及CoZrNb形成。SUL还可以是由被非磁膜分开的多个软磁膜形成的层压或多层SUL，该非磁膜例如为Al或CoCr的导电膜。SUL还可以是由被层间膜分开的多个软磁膜形成的层压或多层SUL，该层间膜作为引起反铁磁耦合的媒介，例如为Ru、Ir或者Cr。
EBL位于SUL上面。它作用来中断导磁膜SUL和RL之间的磁交换耦合，并且用以促进RL的外延生长。EBL可以不需要，但是如果使用的话它可以为5nm的非磁钛(Ti)层、例如Si、Ge和SiGe合金的非导电材料、例如Cr、Ru、W、Zr、Nb、Mo、V和Al的金属、例如非晶CrTi和NiP的金属合金、例如CNX、CHX和C的非晶碳、或者选自包括Si、Al、Zr、Ti、以及B的组的元素的氧化物、氮化物或碳化物。如果使用EBL，可以在EBL的沉积之前在SUL上面使用籽层。例如，如果Ru被用来作为EBL，2-4nm厚的NiFe籽层可以被沉积在SUL上面，接着是5-20nm厚的Ru EBL。
该RL可以是表现出垂直磁各向异性的任何已知非晶或晶体材料和结构。因此，该RL可以是一层具有或不具有氧化物的颗粒状多晶钴合金，该钴合金例如为CoPt或CoPtCr合金，该氧化物例如为Si、Ta、Ti或者B的氧化物。另外，该RL可以由具有垂直磁各向异性的多层构成，例如Co/Pt、Co/Pd、Fe/Pt和Fe/Pd多层。另外，含有稀土元素的垂直磁层对RL来说是有用的，其例如为CoSm、TbFe、TbFeCo、GdFe合金。该RL通常具有10-25nm的厚度。形成在该RL上面的OC可以是非晶“类钻石”碳膜或其它已知保护性外涂层，例如氮化硅。
图3的实施例中，MTL和CL在RL下面，MTL应该由能够使高性能的RL在MTL/CL结构上生长的材料形成。例如，该MTL可以是具有基面(basal plane)易磁轴的六角密堆积(hexagonal-close-packed)(hcp)材料。该MTL的c轴是垂直或离面的，从而促进CL和RL的一致外延生长，它们的c轴也是垂直的。此材料应该和EBL材料是兼容的，它在EBL材料上面生长且为CL和RL提供良好的模板(template)。MTL的基平面中的易磁轴不一定是单独归因于MTL材料的磁晶各向异性，因为MTL暴露在可观的静磁影响中。因此，只要静磁影响大于磁晶各向异性K，即2p·MS2＞K，MTL将表现出具有基本在面内(即离面小于45度)的磁化的剩磁状态(remanentmagnetic state)，因为有效各向异性Keff是两者贡献的差Keff＝K-(2p·MS2)。此处正的K值表示具有沿着离面的c轴的磁晶易轴的材料。因此，适于MTL的材料是Co、CoCr、CoCrB、CoRu、CoRuCr、CoRuCrB、CoTa、以及具有低的Pt含量(小于约12个原子百分比)的CoPtCrB。硅的氧化物或其它氧化物如Ta、Ti、以及B的氧化物可以以高约15个原子百分比的量被添加到这些合金中。MTL是具有低于约2000Oe的矫顽力的相对软的铁磁材料。MTL具有约1-10nm之间的厚度，优选约1-5nm之间。
图3的实施例中，MTL和CL在RL下面，CL也必须支持RL的生长，同时在MTL和RL之间作为引起弱的铁磁耦合的媒介。因此，例如hcp材料是好的候选，其可以作为引起弱的铁磁耦合的媒介，良好生长在可能的MTL材料上，且为RL提供良好的模板。因此CL可以由具有低Co含量(小于约40个原子百分比)的RuCo合金和RuCoCr合金、或者具有高Cr和/或B含量(Cr+B大于约30个原子百分比)的CoCr合金和CoCrB合金形成。硅的氧化物或其它氧化物如Ta、Ti和B可以以高达约15个原子百分比的量添加到这些合金中。CL具有约0.5-10nm之间的厚度，优选约0.5-3nm之间。CL必须能够实现适当的耦合强度。因此，它需要是非磁或者弱铁磁。适当的耦合强度J，必须对翻转场(和翻转场分布)有可观的效果，但是也必须足够小从而它不会将该两层严格地耦合到一起。因此，有用的J的范围的上估计是K1*V1，优选实施为0.03至0.4之间。
图7示出本发明的第二实施例，其中CL和MTL位于RL上面。CL和MTL以与上述相同的方式起作用。图3的实施例提供的优点是RL接近于磁盘表面设置，因此接近于读/写头。然而，如果CL和MTL位于RL上面，如图7所示，则更少需要CL和MTL为RL的生长提供良好的模板。
虽然参考优选实施例特定显示和描述了本发明，但是本领域技术人员应该明白的是在不脱离本发明思想和范围的前提下，可以发生形式和细节上的各种变化。因此，公开的本发明将仅是示例性的，其仅被限制在如后附权利要求所说明的范围内。
权利要求
1.一种垂直磁记录介质，包括衬底；在该衬底上的导磁材料衬层；铁磁写辅助层，其具有离面小于约45度的磁化和易磁化轴；铁磁记录层，其具有基本垂直于该记录层平面且和该写辅助层的易磁化轴不共线的离面易磁化轴；以及耦合层，其在该写辅助层和该记录层之间，允许该写辅助层与该记录层的铁磁耦合。
2.如权利要求1所述的介质，其中该写辅助层是其c轴取向为基本垂直于该写辅助层的六角密堆积材料，该耦合层是其c轴取向为基本垂直于该耦合层的六角密堆积材料。
3.如权利要求1所述的介质，其中该写辅助层是矫顽力小于约2000Oe的导磁材料。
4.如权利要求1所述的介质，其中该写辅助层由选自包括(a)包括Co以及Cr、B、Ru和Ta中的一种或多种的合金以及(b)包括Co、Pt、Cr和B且Pt含量小于约12个原子百分比的合金的组的材料形成。
5.如权利要求4所述的介质，其中该写辅助层还包括一种或多种Si、Ta、Ti和B的氧化物。
6.如权利要求1所述的介质，其中该耦合层由选自包括(a)Co小于约40个原子百分比的RuCo合金、(b)Co小于约40个原子百分比的RuCoCr合金、以及(c)Co以及Cr和B中的一种或多种且Cr和B的组合含量大于约30个原子百分比的合金的组的材料形成。
7.如权利要求6所述的介质，其中该耦合层还包括一种或多种Si、Ta、Ti和B的氧化物。
8.如权利要求1所述的介质，其中该写辅助层在该衬层上，该耦合层在该写辅助层上，该记录层在该耦合层上。
9.如权利要求1所述的介质，其中该耦合层在该记录层上，该写辅助层在该耦合层上。
10.如权利要求1所述的介质，还包括该衬层和该写辅助层之间的用于防止该衬层和该记录层之间的磁交换耦合的交换中断层。
11.如权利要求10所述的介质，其中该交换中断层基本由Ru构成，且所述介质还包括该衬层和该Ru交换中断层之间的基本由NiFe构成的籽层。
12.如权利要求10所述的介质，其中该交换中断层基本由Ti构成。
13.如权利要求10所述的介质，其中该交换中断层由选自包括Si、Ge、SiGe合金、Cr、Ru、W、Zr、Nb、Mo、V、Al、CrTi、NiP、CNX、CHX、C、以及选自包括Si、Al、Zr、Ti和B的组的元素的氧化物、氮化物和碳化物的组的材料形成。
14.如权利要求1所述的介质，其中该记录层是颗粒状多晶钴合金。
15.如权利要求14所述的介质，其中该记录层还包括Si、Ta、Ti和B中的一种或多种的氧化物。
16.如权利要求1所述的介质，其中该记录层是选自包括Co/Pt、Co/Pd、Fe/Pt和Fe/Pd多层的组的多层。
17.如权利要求1所述的介质，其中该衬层由选自包括合金CoFe、CoNiFe、NiFe、FeCoB、CoCuFe、FeAlSi、FeTaN、FeN、FeTaC、CoTaZr和CoZrNb的组的材料形成。
18.如权利要求1所述的介质，其中该衬层是被非磁膜分开的多个导磁膜的叠层。
19.如权利要求18所述的介质，其中该叠层中的非磁膜提供该叠层中导磁膜的反铁磁耦合。
20.一种垂直磁记录盘，包括衬底；在该衬底上的导磁材料衬层；铁磁写辅助层，其在该衬层上且具有离面小于45度的磁化和磁化易轴；铁磁记录层，其具有基本垂直于该记录层的平面且和该写辅助层的易磁化轴不共线的离面易磁化轴；以及耦合层，其在该写辅助层和该记录层之间，允许该写辅助层与该记录层的铁磁耦合。
21.如权利要求20所述的盘，其中该写辅助层是其c轴取向为基本垂直于该写辅助层的六角密堆积材料，该耦合层是其c轴取向为基本垂直于该耦合层的六角密堆积材料。
22.如权利要求20所述的盘，其中该写辅助层是矫顽力小于约2000Oe的导磁材料。
23.如权利要求20所述的盘，其中该写辅助层由选自包括(a)包括Co以及Cr、B、Ru和Ta中的一种或多种的合金和(b)包括Co、Pt、Cr和B且Pt含量小于约12个原子百分比的合金的组的材料形成。
24.如权利要求23所述的盘，其中该写辅助层还包括一种或多种Si、Ta、Ti和B的氧化物。
25.如权利要求20所述的盘，其中该耦合层由选自包括(a)Co小于约40个原子百分比的RuCo合金、(b)Co小于约40个原子百分比的RuCoCr合金、以及(c)Co以及Cr和B中的一种或多种且Cr和B的组合含量大于约30个原子百分比的合金的组的材料形成。
26.如权利要求25所述的盘，其中该耦合层还包括一种或多种Si、Ta、Ti和B的氧化物。
27.如权利要求20所述的盘，还包括该衬层和该写辅助层之间的用于防止该衬层和该记录层之间的磁交换耦合的交换中断层。
28.如权利要求27所述的盘，其中该交换中断层基本由Ru构成，且所述盘还包括该衬层和该Ru交换中断层之间的基本由NiFe构成的籽层。
29.如权利要求27所述的盘，其中该交换中断层基本由钛构成。
30.如权利要求27所述的盘，其中该交换中断层由选自包括Si、Ge、SiGe台金、Cr、Ru、W、Zr、Nb、Mo、V、Al、CrTi、NiP、CNX、CHX、C、以及选自包括Si、Al、Zr、Ti和B的组的元素的氧化物、氮化物和碳化物的组的材料形成。
31.如权利要求20所述的盘，其中该记录层是颗粒状多晶钴合金。
32.如权利要求31所述的盘，其中该记录层还包括Si、Ta、Ti和B中的一种或多种的氧化物。
33.如权利要求20所述的盘，其中该记录层是选自包括Co/Pt、Co/Pd、Fe/Pt和Fe/Pd多层的组的多层。
34.如权利要求20所述的盘，其中该衬层由选自包括合金CoFe、CoNiFe、NiFe、FeCoB、CoCuFe、FeAlSi、FeTaN、FeN、FeTaC、CoTaZr和CoZrNb的组的材料形成。
35.如权利要求20所述的盘，其中该衬层是被非磁膜分开的多个导磁膜的叠层。
36.如权利要求35所述的盘，其中该叠层中的非磁膜提供该叠层中导磁膜的反铁磁耦合。
全文摘要
本发明提供垂直磁记录介质。该垂直磁记录介质，例如垂直磁记录盘，具有磁“转矩”层(MTL)，在有外加垂直写磁场存在时该MTL施加磁转矩到垂直磁记录层(RL)上。该MTL因此在反转该RL的磁化方面作用为写辅助层。耦合层位于该MTL和该RL之间，其提供该MTL和该RL之间的适当的铁磁耦合强度。
文档编号G11B5/82GK1811927SQ200510108819
公开日2006年8月2日 申请日期2005年9月30日 优先权日2005年1月26日
发明者安德烈亚斯·K·伯格, 霍亚·V·多 申请人:日立环球储存科技荷兰有限公司