专利名称：具有多个铁磁耦合下层的反铁磁耦合层的磁记录盘的制作方法
技术领域：
本发明通常涉及一种在磁记录硬盘驱动器中使用的磁记录盘，更具体
的，涉及一种具有反铁石兹耦合(AFC, antiferromagnetically-coupled)的》兹层 的/f兹记录盘。
本申请与2004年2月27日申请的题为"具有多下层的反铁磁耦合的磁 层的磁记录盘"的序列号为10/788687的待审理申请相关。
背景技术：
随着磁记录硬盘的存储容量的增加，剩磁-厚度积(Mrt, magnetization 一 remanents — thickness product)相应减小，并且》兹记录层的矫顽石兹性 (coercivity) Hc相应增加。Mrt是记录层厚度t和记录层的剩余(零外加磁 场)磁化Mr (其中Mr是以铁磁材料的每单位体积的磁矩为单位测量的)。 Hc相关于盘驱动写头在记录层上写数据所需的短时切换场(short-time switching field)或者内矫顽;兹性(Ho)。这种Mrt和Hc的趋势导致Mrt/Hc 比减小。
为了得到Mrt的减小，可减小磁层的厚度t，但是只能有限的减小，因 为层中存储的磁信息更可能衰减。这种磁化的衰减已经影响小磁粒(magnetic grain )的热激发(超顺磁性效应)。磁粒的热稳定性在很大程度上取决于KuV， 其中Ku是层的磁各向异性常数，V是磁粒的体积。随着层厚度减小，V减 小。如果层的厚度太薄，KuV变得太小，并且所存储的磁信息在正常的磁驱 动操作条件下将不稳定。
一种解决这种问题的方法是移动到较高的各向异性的材料(较高的 Ku)。然而，Ku的增加受到点的限制，即近似等于Ku/Ms (Ms-饱和磁化) 的Hc变得太大而不能由常规的记录头来写。相似的解决方法是磁层厚度固 定而减小磁层的Ms，因为Mr相关于Ms，所以将减小Mr，但是这也受限于 可写的矫顽磁性。美国专利第6280813号，授权给与本申请相同的受让人，说明了一种磁 记录介质，其中磁记录层为至少两个铁磁层跨过非铁磁间隔层而反铁》兹耦合 在一起。在这种类型的磁介质中，指AFC介质，两个反铁磁耦合的层的磁 矩剩磁取向平行，结果是磁层的净Mrt或合成(composite ) Mrt是上下铁^兹 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MrtuL-Mrtix得到。这种Mrt的减小不需要减小体积V。因此，记录 介质的热稳定性不会减小。
AFC介质因此极大的提高了磁记录盘的性能。低合成Mrt意味着PW50 的低值，其是低记录密度下测量的记录信号的分立回读脉冲(isolated read -back impulse )的半幅脉宽。PW50值决定了可获得的线性密度，而且优选 采用PW50的低值。因此，由于Mrtcompostie- ( MrtUL - MrtLL )， AFC介质的 可扩展性主要取决于该结构多大程度可用于减小PW50,并且取决于在下铁 磁层中可获得多大的Mrt值。
然而，现有AFC介质，可在下铁磁层中使用最大的Mrt值。在这个最 大的Mrt上，介质的内信噪比(S()NR，在特定记录密度下分立信号脉冲与噪 声的比值)将恶化，即使PW50仍然降低并且合成Mrt仍然下降。例如，AFC 结构可由更厚的下铁磁层(将下层的Mrt增加最大值上的 0,0005A(0.05memu/cm2))制得，以获得PW50值从使用最大下层Mrt的参考 AFC结构减小3.5。/。。然而，这使得SoNR降低大约3.5db,这是不可接受的。 如图1所示。
当下层变得过厚，有两种可能的解释AFC介质的SoNRP争低的原因。第 一，如果下铁磁层做的较厚，其各向异性体积乘积(KuV)增加。这个KuV 决定了层对热波动的易感性，KuV越高，层的易感性越^f氐。已确定的是热激 发反转(thermal-activated reversal)允许在AFC介质中的小的层间交换场 (interlayer exchange field)以反转下层的磁化并因而产生希望的反向平行 (antipamllel)剩磁结构。因此，下层的KuV越大(下层Mrt越大)，相对 小的交换场越难以完成下层的磁化反转。第二，交换场的大小是和下层Mrt 成反比的，也使得当它变得更厚时，反转下层的磁化的反4失磁交互作用更难。 因此，随着下层Mrt增加，发生两个效果，更难反转下层磁化以形成反向平 行剩磁结构。这些因素可使得一些下层粒无法与他们各自的上层粒相反向平 行，可在记录信号中增加额外的噪声使得被测的SoNR减小。通过在Ru层旁增加高矩层(high moment layer)来增加交换场是一种解决这个问题的可 能途径，但是增加高矩层降低了 SQNR，使得实际难于在不降低SoNR的情况 下极大的改变交换场。因此，不能在AFC介质中增加下铁磁层厚度高于某 最大值的问题是这种结构的普遍的问题.
所需要的是具有AFC结构的磁记录盘，其可利用合成Mrt和PW50的 减小，而不会引起SoNR减小。
发明内容
本发明是一种具有AFC结构的磁记录盘，该结构有一上铁磁层(UL) 和一下铁磁层结构，该下铁磁层结构由两个铁磁耦合的下层(LLl、 LL2) 形成。UL跨过一反铁磁耦合层，与下层结构反铁磁耦合在一起。LL1和LL2， 跨过一铁磁耦合层而铁磁耦合，使得LL1和LL2的磁化在每个剩磁状态保持 平行，但是与UL的磁化在每个状态反向平行。UL具有大于LL1和LL2的Mrt 值之和的Mrt。此AFC结构的合成Mrt小于常^见AFC结构的合成Mrt。此AFC 结构能够获得合成Mrt的减少，而不用将这里两个下层中任一层的Mrt增加 到常规AFC结构中的单个下层的最大Mrt之上，因而避免了由于在下层中过 大的Mrt而导致的SQNR降级。
为了大致理解本发明的原理和优势，将结合附图参考以下细节描述。
图1是常规AFC结构以及增加下层Mrt的AFC结构的SoNR对记录密 度(每英寸千通量变化)的图表。
图2是依据现有技术的AFC磁记录盘的截面示意图。
图3是依据本发明的AFC磁记录盘的截面示意图。
图4M现了本发明AFC结构的合成Mrt，用作下层Mrt。
具体实施例方式
图2展现了依据现有技术的磁盘结构的横截面，该磁盘带有一反铁磁耦 合(AFC)磁层20。该磁盘基片是任何适合的材料，例如玻璃，SiC/Si，陶瓷， 石英或覆有NiP表层的AlMg合金。该籽晶层(seedlayer) 12是一可选层， 该层可用于提高底层13的生长。籽晶层12通常是在基片11为非金属例如玻璃时使用。籽晶层12的厚度在大约1到50nm的范围内并且是这些材料中 之一，例如Ta, CrTi， NiAl或RuAl，它们作为籽晶材料有助于提高在某些 优选结晶取向的随后的沉积层的生长。 一预籽晶层(pre-seed layer )(未示出) 也可被用在玻璃基片11和籽晶层12之间。底层13被沉积到籽晶层上，如 果有籽晶层的话，或者直接地沉积到基片11上，并且底层13是一非磁性材 料，例如铬或者铬合金，如CrV， CrTi或CrMo。底层13的厚度在5到100nm 的范围内，并且通常值大约是10nm。 一保护覆层(未示出)，例如无定形碳， 作为顶层形成在AFC层20上。
该AFC磁层20由一下铁磁层(LL ) 22和一上铁磁层(UL ) 24组成， 该下铁磁层(LL) 22和上铁,兹层(UL) 24被作为反铁石兹耦合层的非铁磁间 隔层23隔开。选择该非铁磁间隔层23的厚度和复合，使得邻近层22、 24 的磁矩32、 34，分别地，通过非铁磁间隔层23而反铁,兹耦合，并且它们在 零外加场(即剩磁状态)中反向平行。层20的这两个反铁磁耦合层22、 24 有反向平行的》兹矩，并且上层24的i兹矩较大。因而MrtuL大于Mrtrx，并且 AFC层20的合成Mrt是(MrtuL - MrtLL )。
铁磁层通过一非铁磁过渡金属隔离层(例如图2中层20的AFC结构) 的反铁磁耦合已经在文献中被广泛地研究和描述了。通常，交换耦合从铁》兹 体到非铁磁体振动而隔离层厚度增加。选定材料复合物的这种振动的耦合关 系由Parkin等人在"交换耦合中的振动以及金属超晶格结构(Co/Ru、 Co/Cr 和Fe/Cr)中的磁致电阻"，/V^.及ev丄幼.，Vol.64，p.2034(1990)—文中描述。该 材料复合物包括铁磁层(由Co, Fe, Ni和其合金，例如Ni-Fe， Ni-Co,和 Fe-Co制成)和非铁磁隔离层(例如Ru、 4各(Cr)、铑(Rh)、铱(Ir)、铜(Cu)以 及其合金)。对于每一种这样的材料复合物，振动交换耦合关系是确定的， 如果不是已知，使得非铁磁隔离层的厚度被选定为确保两铁磁层之间的反铁 磁耦合。振动的周期取决于非铁磁隔离材料，但振动耦合的强度和相位也取 决于铁^磁材料和界面的质量。
对于该AFC20结构，相邻铁i兹层22、 24的；兹矩32、 34的取向分别反 向平行对齐并且因此叠加相抵消。因为在AFC结构中的这两个铁,兹层对于 记录起着不同的作用，所以它们的材料特性大致不同。上层24通常具有几 乎没有晶粒间交换耦合的小磁粒，并且有高的内矫顽磁性(Ho~8kOe)。上 层24的这些特性被调整以获得最好的SqNR。上层22通常地是CoPtCrB合金，例如Co68PtnCr。B^。下层22通常地是具有大量晶粒间交换耦合和低内 矫顽磁性(HQ~ lkOe)的材料。这些特性便于PW50的减小并且该材料通常 是CoCr合金，具有低Cr含量(CK15原子百分比)，例如(:089& 。对高性 能介质，下层所用的材料不能用于上层。非铁磁隔离层23通常是钌(Ru)。 图2用于展现一AFC石兹层20,该》兹层20有一两层结构和一单隔离层。 有两层以上铁磁层和额外的反铁磁耦合隔离层的AFC介质是优选的，但是 该材料不能同时降低合成Mrt和SoNR。 [本发明]
本发明是一AFC介质，该AFC介质克服了当前AFC介质的限制，并 且使得可获得更低Mrt和PW50，而不会损失SoNR。该结构如图3所示，并 且包括一形成在一常规底层113上的AFC层120和在基片111上的籽晶层 112。
AFC层120包括一下层结构121, —上铁石兹层(UL) 140,以及一反铁 磁耦合层127。铁磁层140被称为上铁磁层，因为它是AFC结构120中最高 的层。下层结构121包括两个铁磁层(LL1、 LL2)(分别是122和126),它 们跨过一铁磁耦合层125而铁磁耦合。AFC层120有两个剩磁状态(零外加 磁场)。在这些状态之一的每个层的磁化方向如箭头132、 136、 142所示。 在另一状态，这些箭头的方向将是相反的。
铁磁耦合层125是任一材料，该材料具有由层122、 126的铁磁交换耦 合而导致的复合和厚度。优选的是，层125应当有一六边形封闭包(hcp) 的水晶结构，用于提高hcp的Co合金铁磁层126的生长。铁磁耦合层125 的材料优选地是CoRu合金，并且Ru大于大约40个原子百分比(at. % )且 少于大约70at. % 。其它能够加入CoRu合金中的元素包括B (少于大约20at. % )和Cr (少于大约20at. % )。其他用于铁磁耦合层125的材料包括一 CoCr 合金(Cr大于大于27 at.%，小于大约45 at.% )和Pt以及Pd。这些铁磁 耦合层的厚度应当在大约0.5到5nm之间。表征跨过铁;兹耦合层而耦合的交 换常数(exchange constant) J应当大于大约0.00002J/m2 (0.02ergs/cm2)，但 小于大约0.0004J/m2 (0.40ergs/cm2)。例如Ru和Cr这样的材料，它们伴随着 厚度变化展现出振动耦合的行为，可潜在地用作铁,兹耦合层，如果当它们的 厚度^皮调整到纟失》兹状态(regime)时，J的值大于0.00002J/m2(0.02ergs/cm2)。
UL有一大于LL1和LL2的Mrt值之和的Mrt。这些相关的Mrt值通过
9箭头132、 136、 142的相对长度来表示。AFC结构120的合成Mrt为 MrtcoMPosiTE^MrtuL-(MrtLL1+MrtLL2)(等式1)
下层LL1、 LL2中的每一个能有一等于常规AFC结构中单下层的最大 Mrt值的Mrt。因为获得该合成Mrt的减小而不用将任一下层Mrt增加到常 规AFC结构中单下层的最大Mrt之上，所以这里不会有由下层Mrt过大引 起的S。NR降级。本发明的AFC结构能够被制得而不需改变常规AFC结构 中单下层的复合或增加下层的厚度。既然UL 140与下层结构121反铁磁耦 合，并且底部铁磁层LU 122和LL2 126是由具有低内矫顽磁性Ho的薄合 金制成，类似常规AFC结构中使用的合金，那么记录到上铁磁层UL中的磁 化模式将决定下铁磁层LL1 、 LL2的磁化取向。
图4展示了只改变MrtLu (假设Mrt山=MrtLL2)得到的一系列这些结 构的合成Mrt。 Mrtuj越大，合成Mrt越小。通过增加Mrtu^到大约0.0013A (0.13 memu/cm2)，合成Mrt可减少到低于参考AFC结构0.0013A (0.13 memu/cm2) (0.0022A(0.22 memu/cm2),与0.0035(0.35 memu/cm2)相比)。本 发明的AFC结构从而获得了给定UL厚度的PW50的减小，而无需牺牲 S0NR，并且克服了常规AFC介质的基本限制之一。
用于UL的优选的材料是CoPtCrB合金，并且Cr在大约16到22个原 子百分点(at % )之间，Pt在大约12到20at. %之间，以及B大约在7到20 at,。/。之间。其他元素，例如Ta,能被加到CoCrPtB合金中。对于每个下层 LLl、 LL2,优选的材料是CoCr合金，并且Cr在大约5到24 at. %之间。其 他元素能被加入到该CoCr合金中，例如B (少于6 at. % ), Ta (少于5 at. % )和Pt (少于10 at. % )。 Ta对于CoCr合金中Cr的分离(segregation)特 别有益，并且便于随后沉积层的外延生长。UL也可为两个或更多在每一个 顶部叠在一起且相互直接交换耦合的CoPtCrB合金的复合UL。这里引用的 UL的复合范围表示如果UL是一复合UL时的多合金的平均复合。
上述AFC结构不局限于仅仅两个下层的实现方式。例如，该下层结构 可包括一或更多额外的下层以及相应的铁》兹耦合层。参考图3，如果在下层 结构121中有三个下层，那么第二4先磁耦合层将位于LL2 126上，并且第三 下层LL3将位于第二铁磁耦合和反铁磁耦合层127之间。在这个例子中，该 AFC结构的合成Mrt表示为
MrtcoMPosiTE = MrtuL — (MrtLL1 + MrtLL2 + MrtLL3) (等式2)在此AFC结构中UL的Mrt大于LL1 、 LL2和LL3的Mrt值之和。在 此例中，如果三个下层中的每一个的Mrt是大约0.0013A(0.13 memu/cm2)(大 约是图2中参考的AFC结构的单下层的最大Mrt),那么合成Mrt将比参考 的AFC结构减少0.0026A(0.26 memu/cm2) ( 0.0009A(0.09 memu/cm2)，与 0.0035A(0.35 memu/cm2)相比)
当本发明参考优选的实施例被特别展现和描述时，技术人员将会明白形 式上和细节上的改变不会偏离本发明的精神和范围。因而，本公开的发明仅 考虑所附权利要求里列出的说明和范围限制。
权利要求
1. 一种磁记录盘，包括基片；在该基片上的第一下铁磁层，具有剩磁Mr，厚度t和剩磁-厚度积Mrt；在该第一下铁磁层上的铁磁耦合层；在该铁磁耦合层上的第二下铁磁层，有一Mrt；在该第二下铁磁层上的反铁磁耦合层；和在该反铁磁耦合层上的上铁磁层，并且其具有一大于该第一和第二下铁磁层Mrt之和的Mrt。
2. 如权利要求1中所述的磁记录盘，其中所述下铁磁层由大致相同的 材料形成。
3. 如权利要求1中所述的磁记录盘，其中所述下铁磁层有大致相同的Mrt。
4. 如权利要求1中所述的磁记录盘，其中所述铁磁耦合层是一包括Co 和Ru的合金，其中Ru在此合金中含量大于大约40原子百分比且小于大约 70原子百分比。
5. 如权利要求1中所述的磁记录盘，其中所述铁磁耦合层是一包括Co 和Cr的合金，其中Cr在此合金中含量大于大约27原子百分比且小于大约 45原子百分比。
6. 如权利要求1中所述的磁记录盘，其中所述铁磁耦合层主要由Pt或 Pd组成。
7. 如权利要求1中所述的磁记录盘，其中所述铁磁耦合层厚度在大约 0.5到5nm之间。
8. 如权利要求1中所述的磁记录盘，其中所述铁》兹耦合层主要由Ru 或Cr组成，其交换常数大于大约0.00002J/m2。
9. 如权利要求1中所述的磁记录盘，其中所述铁磁耦合层是一第一铁 ^磁耦合层，并且进一步包括第二铁磁耦合层，其在所述第二下铁磁上；和 第三下4失磁层，其在该第二铁^磁耦合层上；并且 其中所述反铁磁耦合层直接形成在该第三下铁y磁层上，并且所述上铁^兹层有一Mrt,其大于该第一、第二和第三下铁磁层Mrt之和。
10. 如权利要求1中所述的磁记录盘，其中所述上铁磁层是一包括Co、 Pt、 Cr和B的合金，并且其中每个所述下铁^磁层是一包括Co和Cr的合金。
11. 如权利要求10中所述的磁记录盘，其中每个所述下铁磁层是一还 包括Ta的合金。
12. 如权利要求1中所述的磁记录盘，其中所述反铁磁耦合层是一从包 括钌(Ru)、铬(Cr)、铑(Rh)、铱(Ir)、铜(Cu)和其合金的组中选出的 材料。
13. 如权利要求1中所述的磁记录盘，其中还包括一位于所述基片上并 且在所述基片和所述第一下铁磁层之间的底层。
14. 如权利要求1中所述的磁记录盘，其中还包括一形成在所述上铁磁 层上的保护覆层。
15. —种^兹记录盘，包括 基片；和在该基片上的反铁磁耦合结构，并且其在没有外加磁场时有两个剩磁状 态，该结构包括(a) 第一下铁磁层，其具有一剩磁Mr,厚度t和剩磁-厚度积Mrt;(b) 铁磁耦合层，其在该第一下铁石兹层上；(c) 第二下铁磁层，其在该铁磁耦合层上，并有一Mrt;(d) 反铁磁耦合层，其在该第二下铁磁层上；和(e) 上铁》兹层，其在该反铁磁耦合层上并有一 Mrt，其大于该第一和第 二下铁磁层的Mrt之和；其中，在每个剩磁状态，该第一和第二下铁磁层的磁化方向相互大致平 行，并与该上铁;兹层的磁化方向反向平行，并且在一剩/磁状态中，该上4失磁 层的磁化方向与其在另一剩磁状态中的磁化方向大致反向平行。
16. 如权利要求15中所述的磁记录盘，其中所述下铁磁层由大致相同 的材料形成。
17. 如权利要求15中所述的》兹记录盘，其中所述下铁/磁层有大致相同 的Mrt。
18. 如权利要求15中所述的磁记录盘，其中所述铁磁耦合层是一包括 Co和Ru的合金，其中Ru在此合金中含量大于大约40原子百分比且小于大约70原子百分比。
19. 如权利要求15中所述的磁记录盘，其中所述铁磁耦合层是一包括 Co和Cr的合金，其中Cr在此合金中含量大于大约27原子百分比且小于大 约45原子百分比。
20. 如权利要求15中所述的磁记录盘，其中所述铁磁耦合层主要由Pt 或Pd组成。
21. 如权利要求15中所述的磁记录盘，其中所述铁磁耦合层厚度在大 约0.5到5nm之间。
22. 如权利要求15中所述的磁记录盘，其中所述铁磁耦合层主要由Ru 或Cr组成，并有一交换常数，大于大约0.00002 J/m2。
23. 如权利要求15中所述的磁记录盘，其中所述上铁磁层是一包括Co、 Pt、 Cr和B的合金，并且其中，每个所述下铁磁层是一包括Co和Cr的合 金。
24. 如权利要求23中所述的磁记录盘，其中每个所述下铁磁层是一还 包括Ta的合金。
25. 如权利要求15中所述的磁记录盘，其中所述反铁磁耦合层是从包 括钌(Ru)、铬(Cr)、铑(Rh)、铱(Ir)、铜(Cu)和其合金的组中选出的 一材料。
26. 如权利要求15中所述的磁记录盘，其中还包括位于所述基片上并 且在所述基片和所述第一下铁磁层之间的底层。
27. 如权利要求15中所述的磁记录盘，其中还包括形成在所述上铁磁 层上的保护覆层。
全文摘要
一种磁记录盘，其具有一反铁磁耦合(AFC)结构，该结构有一上铁磁层(UL)，和一由两个铁磁耦合下层(LL1、LL2)形成的下铁磁层结构。UL与下层结构跨过一反铁磁耦合层而反铁磁耦合。LL1和LL2跨过一铁磁耦合层而铁磁耦合，因此LL1和LL2的磁化在每个剩磁状态保持平行，但与UL的磁化在每个剩磁状态反向平行。UL的Mrt大于LL1和LL2的Mrt值之和。
文档编号G11B5/66GK101447194SQ20081017107
公开日2009年6月3日 申请日期2004年12月7日 优先权日2004年3月23日
发明者埃里克·E·富勒顿, 安德烈亚斯·莫泽, 戴维·马古利斯, 霍亚·V·多 申请人:日立环球储存科技荷兰有限公司