强取向磁薄膜、由其制造的记录介质、传感器、设备及其制造方法

专利名称：强取向磁薄膜、由其制造的记录介质、传感器、设备及其制造方法
背景技术：
本发明一般来说涉及薄膜、包括薄膜的磁记录介质、传感器、和设备，具体来说涉及用在磁记录介质和磁传感器中的促进强取向钴或钴合金磁层的薄膜。
对于高存储容量、低噪声、低成本的磁记录介质的要求日益迫切。为满足这个要求，已经开发的记录介质都具有增大的记录密度和边界更加清晰的晶粒结构，这样的结构能够显著地增加存储容量，同时还要降低记录介质的相关噪声。然而，在近20年来记录密度的飞快增加，再加上个人计算机的迅速发展，只起到加大对具有低噪声和低成本的高存储容量记录介质的需求的作用。
在数量猛增的应用领域中都在使用计算和数据操作设备。这些设备的例子包括超级计算机、个人台式和便携式膝上型计算机、文件服务器、个人数据助手、数据收集设备、物品跟踪系统、视频记录设备、数字音频记录设备、甚至于还有电话应答机。这些设备的一个共同的结构特征就是它们都有一个中央处理器、输入-输出接口、各种水平的临时存储器、并且通常还有某种形式的永久性数据存储设备。永久性数据存储设备的显著特征是；即使电能丢失或除去，信息还保持完整。数据以光或磁的方式存储在永久性数据存储设备上。更加通用的数据存储设备是基于一种可擦除的和可重新记录的磁材料。对于所有的磁数据存储设备共同的是记录和读出传感器、用于存储数据的磁介质、和彼此相对地定位介质或传感器的机构。
某些更加通用的永久性数据存储设备包括；软盘驱动设备、硬盘驱动设备、和磁光盘驱动设备，其中在分段的圆形轨道中存储数据磁比特。转动磁介质，并且使传感器静止不动或径向移动以便在介质上的一个位置读出或写入数据。
类似地，有时将磁介质作成磁带或磁片，并且线性地输送磁介质，同时传感器可以保持静止、可以横向穿过移动的磁介质、或者甚至于可以相对于磁介质作螺旋弧形的运动。还有，在未来，可以想像，可以按物理上极小的格式存储数量极大的数据，在这里介质或传感器按两维笛卡儿坐标或弧形彼此相对地移动以访问数据。
从历史上看，对于许多非光磁数据存储系统的传感器一直就是感应磁头，感应磁头用来通过在一个特定方向磁化所说的介质记录数据并且通过检测磁化的介质的方向来读取数据。最近，使用感应磁头记录数据图形，并且使用磁阻传感器读出数据。在许多磁光存储设备中，记录传感器的整体部分是一个部件，这个部件在介质表面产生磁场，同时使用一个光源加热这个表面。当介质冷却时，介质的磁化作用使得由；记录传感器产生的磁场有一个磁的取向。在某些系统中，通过邻近的磁材料提供这个取向的磁场。
由于记录和读出传感器的物理尺寸、效率、和取向方面的原因，磁介质一般是在一个优选的取向方向磁化的。因此，在几乎所有的磁数据存储介质中，都期望磁介质的取向方向和记录及回放传感器的运行方向一致。此外，磁性材料的磁化一般来说在一个优选的方向或者沿着称之为容易磁化轴(一个或多个)的方向是更加容易的。
介质的磁性，如矫顽力(Hc)、剩磁(Mr)、和矫顽垂直度(S*)，对于介质的记录性能是至关重要的。对于一个固定的组分，这些磁性主要取决于膜的微观结构。对于薄膜的纵向磁记录介质，磁化层最好具有单轴结晶各向异性度，并且具有沿指向c轴方向的和主要在膜的平面内(即，平面内)的所说的容易磁化轴。一个层的主要结晶取向方向称之为结晶结构，或如这里使用的称之为结构，但和用来描述一个表面的机械粗糙度的术语“结构“是不相同的。即，具有一个表面和平行于这个平面的一个结晶平面的晶体被称之为具有一个结构，这个结构用垂直于这个表面的一个方向矢量来表示。通常，平面内c轴取向越好，用来纵向记录的磁层的矫顽力越大。实现大的剩磁需要大的矫顽力。类似地，对于垂直的磁记录介质，钴合金的期望结晶结构是六角密堆积结构(“hcp“)，具有单轴的各向异性和垂直于膜平面的结晶c轴。
一般来说，总是期望使介质的容易磁化轴取向与传感器的取向排齐。通过排齐介质和传感器的取向，就能用一个较低能量的传感器场记录数据位，并且更加容易磁化所说的介质的能力可以为介质提供一个更强磁化的部分。组合这两种效果，可以使数据位要记录和要读出的介质部分更加集中、磁化得更加强烈。换言之，通过排齐传感器和磁介质的相对磁取向，可以实现记录密度和存储容量的提高。通过使较多的数据存储在介质的较小的区域这将导致较高性能的数据存储设备。这还将导致每个数据位的一个较低的成本并且还可能导致较低成本的存储设备，这是因为制造一个相等的或更大容量的设备需要较少的元件的缘故。在许多情况下，因为存储系统的物理尺寸较小，所以还可能导致达到存储的数据的一个特定块的访问时间的减小。
在旋转式存储设备中，期望介质的取向或者随机地平行于介质平面的圆周方向，或者相对于这个圆周方向恒定不变，或者期望介质的取向垂直于介质的表面。对于每一个这样的取向，当介质相对于传感器转动时，磁介质和传感器的相对取向都不改变。介质和传感器的相对取向的改变，将导致信号的记录和读出的变化，这就是所谓的信号调制。
对于软盘和大多数硬盘，取向在介质平面内几乎是随机的。然而，旋转式介质沿记录道方向经常有某种程度的小的取向，这是由于基片表面的机械粗糙度引起的。对于垂直的磁介质，取向必须严格垂直于介质平面，才能和记录和读出传感器的磁场取向一致。在磁-光记录中，磁-光法拉弟效应，或克尔效应，远大于光平行于磁化方向传播时的情况。因为光通常是垂直地传递到介质表面，所以期望介质的磁取向是相同的。类似地，对于带形和片形的磁记录系统，介质的优选磁取向是平行于传感器的磁场取向方向。
现代的高性能磁介质一般由支撑在一个基片上的一个或多个磁薄膜组成。磁薄膜一般是通过各种技术真空淀积在基片上的，例如热或电子束蒸发、RF或DC二极管或磁控管溅射、离子束淀积、激光烧蚀、或化学汽相淀积。然而，薄膜也是用电化学淀积法制备的。在大多数的磁记录介质中，如用在硬盘中的磁记录介质中，磁薄膜层是多晶的。在大多数市场上的磁-光记录介质中，磁薄膜层由非结晶的稀土过渡金属合金组成，但还要使用多晶的超晶格。
在硬盘应用中，基片可由玻璃、玻璃陶瓷、或陶瓷制成，但更加通用的是带有NiP层的AlMg合金，NiP层是采用无电化学镀的方法镀到表面上的。一般来说，在淀积磁性层之前，在基片上要淀积一个或多个非磁的底层，如Cr、带有附加的合金元素X(X=C、Mg、Al、Si、Ti、V、Co、Ni、Cu、Zr、Nb、Mo、La、Ce、Mn、Nd、Gd、Tb、Dy、Er、Ta、W)的Cr、Ti、W、Mo、NiP、和B2顺序的晶格结构，例如NiAl和FeAl，以便可以促进特定的取向和/或控制磁性层(一般由Co合金组成)的晶粒的大小。
影响记录性能的另一个因素是磁性层中的晶粒大小和晶粒间隔。各个晶粒的大小和间隔不仅影响介质的噪声和在磁性层上可以实现的记录密度，而且晶粒间隔还影响记录数据的转变(或信号)的可实现的间隔，或信号间隔的重叠程度在信号中引起附加的介质噪声。
和纯钴完全不同的钴基合金在纵向方向的和垂直方向的磁介质中都广泛采用，其理由是多方面的。例如，非磁性元素例如Cr一般来说都大量地掺入磁薄膜中以降低磁化程度。这在垂直介质中尤其重要，在这种介质中，和合金的磁矩相关的退磁能量必须小于磁结晶各向异性能量，以使磁化的取向垂直于磁介质膜的平面。同样的技术也用在纵向磁介质中，以减小通量转变退磁能量，导致较短的通量转变能量，因而可以得到较高的记录密度。然而，甚至于更加重要的是，还在将非磁元素引入Co合金中，以便经过非铁磁材料的扩散限制钴晶粒之间的磁交换耦合提供晶粒之间的隔离。
一般来说，对于极小的晶粒尺寸，矫顽力随晶粒大小的增加而增加。然而，大的晶粒导致较大的噪声。因此，需要实现较大的矫顽力但又不会增加有大的晶粒相关的噪声。为了实现低噪声的磁介质，Co合金薄膜应该具有大小均匀的小的晶粒，晶粒的边界应该和相邻的晶粒相互间磁隔离。一般来说，通过操纵淀积过程、在基片表面开槽、改变钴合金的组分、或适当利用底层，就可以实现这种微观结构、取向、和结晶结构。
通过诱导磁性层晶粒的外延结晶生长，可以促进磁性层的晶粒的分离和记录到的信号的信噪比的最终改善。磁薄膜层的晶粒大小和取向质量在很大程度上由在此磁薄膜层上正在淀积的层的晶粒大小和结晶结构的质量决定。从前一层诱发出第二层中的结晶结构的程度部分地取决于在每一层中材料的相对的晶粒大小，或晶格间距和晶体结构。如可以期望的，如果晶体大小和层的结构有明显的变化，那么就不能复制出这种结晶结构，并且所淀积的各个层按照材料或者是一个非结晶结构，和/或是和这个底层无关的并且表示最低能态的晶体结构的一个取向，即最紧密包装的结构。
对于Co基的磁介质，已经发现，Cr可以为Co合金提供一个好的结晶结构，因为Co晶粒趋向于复制Cr的晶粒大小并且取向似乎是由Cr微晶上Co的底层准外延生长确定。根据用作磁性层的这种特定的Co合金，可以对底层合金组分进行选择，以改变原子结晶晶格参数，较好地匹配Co合金的晶格间距。例如，美国专利第4652499号公开了改善纵向磁介质的底层的成果，向Cr中添加钒(V)以改变它的晶格常数，因而促进在hcp Co合金(如CoPt或CoPtCr)和体心立方的(“bcc“)CrV底层之间的良好的晶格匹配。其它一些人也讨论了类似的结果，即在Cr的bcc结构中添加其它类似的可溶性的大原子半径材料，如Ti和Mo。晶格的匹配促进在hcp结构中Co合金的生长，这和面心立方的(“fcc“)结构是不同的。
所说的hcp Co合金沿hcp c轴方向有一个大的单轴各向异性常数，这个大的常数是在磁介质中实现大的矫顽力所必须的。在旋转式介质应用中，Co合金在bcc Cr微晶的平面取向内是随机地外延生长的，从而可以防止出现信号调制。这就是说，Co的取向应该是使优选的一组晶体平面平行于基片表面的平面。几个Cr结晶结构适合于生长Co，它的容易磁化轴在膜的平面内或靠近膜的平面。例如，K.Hono，B.Wong，和D.E.Laughlin的“Co/Cr双层磁薄膜的结晶“(应用物理期刊68(9)，4734页(1990))描述了bcc Cr底层，它促进了在这些底层上淀积的hcp Cr合金薄膜的晶粒间的外延生长和Co合金c轴取向，因此容易磁化轴和Cr合金底层的结晶结构直接相关。在Cr合金和Co合金之间的最常用的这些结晶结构关系总结如下四晶体Co(1011)[1210]‖ Cr(110)[110]或Co(1011)[1210]‖Cr(110)[110]双晶体Co(1020)‖ Cr(002)[110]或Co(1120)‖ Cr(002)[110]单晶体Co(1010)‖ Cr(112)[110]虽然Cr(001)(双晶)和Cr(112)(单晶)结晶结构使Co合金c轴进入薄膜平面，但最容易形成的Cr(110)结晶结构却导致c轴相对于表面倾斜±28度。因此，在(110)Cr结晶结构上生长的Co产生较小的矫顽力，这是c轴不平行记录平面造成的结果。还有，在Cr(002)和Cr(110)结晶结构上存在可以设置c轴的多个方向。因此，在单个(002)结晶结构的Cr晶粒上可以生长2个可能的c轴取向(双晶体)，在单个(110)结晶结构的Cr晶粒上可以生长4个可能的c轴取向(四晶体)。如果这些变量同时存在在单个Cr合金晶粒上，那么，双晶体和四晶体决不可能使所有的c轴都同时平行于所加的磁场，晶粒的矫顽力将要下降。另一方面，极不普通的单晶体Co(1010)‖Cr(112)结晶结构关系只允许在一个Cr晶粒上有单个取向，并且不管Cr晶粒在膜平面内是随机取向还是平行于记录场方向取向，都将导致一个大的矫顽力。
在室温下，或者，如果在溅射淀积期间向基片施加一个负压偏置，通过实验已经发现，Cr(110)趋向于发展，并且若假定在Cr合金和Co合金之间存在合理的晶格匹配，则四晶体hcp Co有生长的趋势。类似地还发现，当在一个升高的温度淀积Cr时，通过x射线衍射可以在Co双晶体趋于生长的情况下观察到Cr(002)的受到限制的程度。然而，在这些情况中的每一种情况下，在Cr的结晶结构中，以及在Co磁性层的这些容易磁化轴的最终取向中，都存在相当大的弥散和变化。为获得单晶体所必须的期望的Cr(112)结晶结构通常是看不见的，除非是把Cr对于磁介质来说作得不适当的厚、Cr微晶在所有方向生长、并且薄膜通常表现出类似于多晶粉末的多结晶结构才可以看见。
本申请人先前曾经发现，使用多晶MgO籽晶层可以产生具有(002)取向的结晶结构很好的Cr层，在美国专利序列号第08/553893号中已经描述过，在这里用作参考。此外，本申请人还指出，如果Cr是在一个(112)取向的B2体心立方衍生材料(如NiAl和FeAl)上外延生长的，就可以产生Cr(112)，(112)取向的B2体心立方衍生材料在美国专利申请第08/315096号中已经描述过，在这里用作参考。还要注意，在对单晶MgO、NaCl结构进行晶体研究期间，中村等人已经制造出(002)和(112)Cr(Jpn.J.Applied Physics，Vol.32，pat2，No.10A，L1410(1993年10月)和Jpn.J.Applied Physics，Vol.34，(1995)pp2307-2311)。
通过在底层和磁性层之间加入中间层，可在磁性层中得到附加的改进。还有，可以在底层和基片之间加进籽晶层，以提供底层结构的附加控制，控制膜的粗糙度，并可防止底层被基片污染物污染。多个籽晶层、多个底层、和中间层加在一起在这里统称之为底层结构。此外，多个磁性层可以由一个非铁性内层(如Cr或Cr合金)，或者不由这样的内层分开；有时可利用这些磁性层来使最终的膜的磁性产生变化。磁性层和插入其间的内层在一起在这里叫作磁性层结构。使用多层的底层和磁性层结构就可以对晶粒大小、晶粒间隔、随后层的外延生长、和磁性层的表面粗糙度加强控制。然而，使用附加层将要提高总成本和制造过程的复杂性。
对于垂直记录，期望Co合金的c轴垂直于基片平面。这就意味着，Co合金有一个(0002)结晶结构，并且晶体方向垂直于膜平面。已经发现，如果Co生长得相当厚，这个结晶结构本来就要发展，因为原子的(0002)平面是密堆积的。然而，这对于介质是不适当的，因为在这个方向将产生大的弥散，并且这些膜的第一部分具有随机的或者极差的取向。
通过将hcp Co合金薄膜晶粒间准外延生长到(0002)结晶结构的一个经过取向的hcp底层或者一个fcc底层，已经获得Co的c轴相对于膜平面的某种程度的垂直取向。通常引用Ti和Ti90％Cr10％作为为此目的的最好的籽晶层或底层，当然还可以使用其它的籽晶层(如Pt、CoO、和厚的非磁性hcp CoCr35％)来产生这种结构。见“用于纵向记录的CoCrPt/Cr膜和用于垂直记录的CoCr/Ti膜的组分分离“，IEEETrans.Magn.，Vol.27，no6，part2，pp.4718-4720(1991)；和IEEE Trans.Magn.Vol.30，no.6，pp4020-4022(1994年11月)。
对于垂直记录，取向的程度必须异常地好，因为垂直磁头的磁场特性曲线具有低的场梯度，对于场的通量没有返回通路。时至今日，和纵向薄膜记录产品相比较，仍旧没有在市场上可以行得通的使用垂直薄膜记录介质的产品。
已经进行了许多尝试来解决垂直磁头磁场的梯度很差的问题，为此要产生具有软磁“保持层“的介质，如在记录介质下方淀积坡莫合金，或CoZr合金。软磁层用来提供一个高磁导率的磁通返回通路，以使垂直极-磁头场梯度更尖锐，这又使在记录的特性曲线中的数据的过渡更加尖锐。然而，软磁层使介质增加了复杂性，并且通常由于存在缺陷或质量较差以及最终的畴壁移动巴克豪森现象还要增加介质的噪声。
磁记录和回放传感器由软磁材料组成，如CoZr、FeNx、FeAlNx、FeTaNx、FeSi合金、NiFe合金、FeCo合金。和介质类似，为了产生高性能的传感器，必须控制结晶取向、磁各向异性的数值和取向、晶粒大小、磁致伸缩性质和磁致弹性性质、和在材料中的局部应力。如果不控制这些属性和因素，传感器就可能有不期望那么大的磁滞性质，即使驱动信号撤去还在磁化，展示出巴克豪森现象或时间延迟的噪声尖峰，或者对于场信号表现出非线性的响应。
为了在fcc Ni合金软磁材料中产生比较一致的响应，有时要使用真空淀积的籽晶层来产生具有(111)结晶结构的fcc Ni合金。对于诸如NiFe合金之类的材料，容易磁化轴的位置沿着&#60111&#62的方向，所以，如果产生了(111)结晶结构，则容易磁化轴的位置距膜平面只有19度。这个取向的质量在确定这些层中磁自旋转动或磁畴壁移动的均匀性当中起重要的作用。
类似地，在磁致伸缩或自旋阀传感器中，通用的作法是使用硬磁材料，和在磁记录介质中使用的材料极其类似，从而可以向软磁材料提供磁偏置。例如，美国专利第4902583号描述了为此目的而使用CoPt。就磁介质而论，期望能控制结晶结构的质量以改善这些设备元件的各向异性和矫顽力。为了改善磁数据存储传感器的性能，显然需要开发能够产生高度取向的和磁薄膜性质高度一致的方法、材料、和薄膜设备结构。
从以上讨论显然可以看出，一直在需要重量轻、体积小、性能好、成本低的存储设备。为以满足这一要求，底层必须表现出不同寻常的高度的结晶取向，这种结晶取向随后将导致高度的磁取向。这些设备对于在今天的硬盘设备中的应用、对于与其它磁存储设备一起使用的传感器、以及其它一些应用，必须提供较大的存储密度，较高的记录和读出质量和效率。
发明的概述本发明涉及薄膜、磁和磁光记录介质、加入这种薄膜的传感器和设备。薄膜材料结构一般来说包括一个基片、一个底层结构、和一个磁性层结构，所说的底层结构包括一个底层并且可能包括一个或多个附加的底层、籽晶和/或湿润层、和中间层，所说的磁性层结构包括一个磁性层并且可能包括一个或多个附加的磁性层和设在磁性层之间的非磁内层。
本发明的一个方面，记录介质包括一个磁记录层、一个基片、和一个第一底层；所说磁记录层由Co基材料组成，如Co或一种或多种具有(1010)晶体结晶结构的Co合金；所说的第一底层具有设置在基片和磁记录层之间的一个fcc结构和一个(110)晶体结晶结构。在磁记录层和第一底层之间还设置一个第二底层，所说第二底层具有一个bcc结构和一个(112)晶体结晶结构。在一个优选实施例中，第一和第二底层分别都由Ag和Cr组成，基片是一个有(110)取向的单晶硅基片。还有，可以使用具有多晶fcc结构的籽晶层或底层的常规的基片，在此基片上淀积一个(110)晶体结晶结构。
本申请人发现，通过使用硅的单晶基片，可以在原子排序极其良好的基片上和在它们相互之间外延生长多个材料层结构，以产生具有大范围的原子有序排列的强取向磁微晶。这种高度的有序排列和膜的单个结晶结构使磁薄膜具有优秀的取向性质。在长的距离的这种取向程度和一致性可以改善磁性质，如剩磁、矫顽力、S、S*。
尤其是，已经发现，在非氧化的硅表面上可以外延生长具有fcc结构的某些金属(如Ag、Cu、Al、Au)和fcc的衍生结构(如L10和L12)。虽然一个晶胞到一个晶胞的晶格在fcc Ag和A4(金刚石)Si之间接合得十分差，但多个Ag晶胞距离在硅表面上接合得很好。因此，因为Si的单晶表面的极长距离的有序排列，所以产生了Ag的外延生长。因而，可以在fcc结构上外延生长bcc结构，如Cr，或bcc衍生物，如NiAl、FeAl(B2)、或Fe3Al、AlNi2Ta、AlNi2Nb(DO3)、AlNi2Ti(DO3+B2)、或L21结构。
按本发明的另一个方面，记录介质包括一个磁记录层、一个基片、和一个第一底层；所说磁记录层由Co基材料组成，如Co或一种或多种具有(1020)晶体结晶结构的Co合金；所说的第一底层具有设置在基片和磁记录层之间的一个fcc结构和一个(001)晶体结晶结构。在磁记录层和第一底层之间还设置一个第二底层，所说第二底层具有一个bcc结构和一个(001)晶体结晶结构。在一个优选实施例中，第一和第二底层分别都由Ag和Cr组成，基片是一个有(001)晶体结晶结构的单晶硅基片，或者是晶体结晶结构为(110)的并具有籽晶层例如MgO的常规基片。
按本发明的另一个方面，记录介质包括一个磁记录层、一个基片、和一个第一底层；所说磁记录层由Co基材料组成，如Co或一种或多种具有(1010)晶体结晶结构的Co合金；所说的第一底层具有设置在基片和磁记录层之间的一个fcc结构和一个(111)晶体结晶结构。在磁记录层和第一底层之间还设置一个第二底层，所说第二底层具有一个bcc结构和一个(110)晶体结晶结构。在一个优选实施例中，第一和第二底层分别都由Ag和Cr组成，基片是一个有(111)取向的单晶硅基片，或者是淀积有晶体结晶结构为(110)的并具有多晶bcc结构籽晶层的常规基片。
按本发明的下一方面，垂直记录介质和传感器包括一个硬磁层，例如Co基材料，它具有淀积在hcp(0002)样板(如Ti)上的(0002)晶体结晶结构，或者具有一个相容匹配的fcc(111)结构(如Cu)，在一个Ag(111)层上可以淀积这种结构。可以使用Si(111)基片来提供生长fcc(111)结构或具有多晶bcc结构籽晶层或底层的常规结构的样板，在所说的基片上淀积(110)晶体结晶结构。
此外，可以使用在一个或多个fcc(111)结构上淀积一个(111)(优选的是在Ag(111)上的Cu(111))的软磁材料(如NiFe合金)构成垂直介质和传感器。依据特定的应用场合，在存在或者不存在硬磁层的情况下，可以在传感器和记录介质内加入经过取向的软磁层。
因此，本发明提供用在硬盘设备和其它应用场合中的强取向磁记录介质、加入这种记录介质的传感器和数据存储设备、以及具有大矫顽力、低噪声、和低成本的传感器。从以下的详细描述中，这些优点和其它优点都将变成显而易见。
附图简述通过参照以下附图，可以更好地理解本发明的优点，其中

图1表示包括一个传感器和一个记录介质的数据存储设备；图2(a-c)表示本发明的薄膜材料结构；图3表示在一个六角密集结构中的4个结晶平面；图4表示在一个面心立方结构中的3个结晶平面；图5表示在一个金刚石立方结构中的3个结晶平面；图6表示在一个体心立方结构中的4个外结晶平面；图7表示在Si(001)、Ag(001)、Cr(001)、和双晶CoCrTa(1120)晶格之间的取向和原子内距离的关系；图8(a-c)表示(a)两个Ag/HF-Si膜的XRD光谱，(b)Ag(500埃)/HF-Si膜的Si
区域轴电子衍射图案，(c)Ag(001)[110]‖Cr(001)[110]的模拟Si
区域轴电子衍射图案；
图9(a-b)表示(a)两个CoCrTa/Cr/Ag/HF-Si膜的XRD光谱，(b)矫顽力沿CoCrTa/Cr膜的Si[110]和Si[100]方向依赖于Ag样板厚度的关系；CoCrTa和Cr的厚度分别固定在200埃和300埃；图10(a-d)表示Ag/HF-Si膜的表面的AFM图像，其中Ag的厚度为(a)50埃，(b)125埃，500埃，(d)Ag表面粗糙度相对于Ag膜厚度的曲线，其中在0埃厚度的实心圆指的是裸HF-Si；图11(a-c)表示(a)在一个500埃Ag样板上生长的CoCrTa/Cr膜的Cr[100]晶带轴向电子衍射图案，(b)双晶体Co/Cr双层的模拟Co/Cr
晶带轴向电子衍射图案，(c)磁性质的平面内角度变化，(d)CoCrTa(200埃)/Cr(300埃)/Ag(500埃)/HF-Si膜的平面内转矩曲线；图12表示Si(110)、Ag(110)、Cr(112)、Co(1010)的结晶平面；图13表示在H、Ms和容易磁化轴之间的相对位置和角度；图14(a-c)表示(a)Ag/Si、(b)Cr/Ag/Si、(c)Co/Cr/Ag/Si膜的XRD光谱；图15(a-d)和(a′-d′)分别表示对于Si、Ag、Cr、Co的Φ扫描结果和立体投影；图16表示(112)取向的两个孪畴；图17表示用于Co(1010)磁性层的转矩曲线；图18(a-b)分别表示Co(1010)磁性层的容易磁化轴和难以磁化轴磁滞曲线；图19表示CoCrTa磁性层的转矩曲线；图20(a-b)分别表示CoCrTa磁性层的软和硬磁轴的磁滞曲线；图21(a-b)表示(a)CoCrPt/Ti/玻璃、和(b)CoCrPt/Ti/氧化硅的XRD光谱；图22表示Si(111)、Ag(111)、Ti(0001)、Co(0001)的结晶平面；图23(a-c)表示(a)CoCrPt(50纳米)/Ag(12纳米)/HF-Si、(b)CoCrPt(50纳米)/Ti(50纳米)//HF-Si、和CoCrPt(50纳米)/Ag(12纳米)/HF-Si的XRD光谱；图24(a-d)和(a′-d′)分别表示对于Si、Ag、Ti、Co的Φ扫描结果和立体投影；图25(a-e)(a′-e′)分别表示在表Ⅱ中样品A-E的容易磁化轴和难以磁化轴滞曲线；图26(a-b)表示(a)Co(1000埃)/Cu(500埃)/Ag(300埃)/HF-Si(111)、(b)Co(1000埃)/Cu(500埃)/HF-Si(111)的XRD光谱；图27(a-f)表示在表Ⅲ中的样品A-F的XRD光谱；图28(a-b)表示(a)Ag(500埃)/玻璃、(b)Ag(500埃)/CrMn(500埃)/玻璃的XRD光谱；图29(a-b)表示(a)NiFe(500埃)/玻璃、(b)NiFe(500埃)/Cu(1000埃)/玻璃、(b)Cu(1000埃)/Cr(300埃)/玻璃、和Cu(1000埃)/Ag(1000埃)/Cr(300埃)/玻璃的XRD光谱；图30表示通过在玻璃基片上进行RF二极管溅射制备的各种厚度的典型的Cr膜的XRD扫描。
发明的详细描述本发明的材料结构可以在记录介质以及在记录介质中记录和读出数据的传感器中实施。记录介质可以用在转动、平动、或静止的数据存储设备中，如包含在一个计算机(未示出)的盘驱动器中的刚性的磁硬盘。
一般来说，如图1所示，数据存储设备8包括一个记录介质10和在一个磁头或滑触头中的传感器11，传感器11或者静止不动，或者支撑在用来在介质10的表面上移动磁头的一个悬浮装置的活动臂上。在正常操作期间，传感器11相对于介质10的表面维持在一个靠近的平行关系。在磁头和介质之间的典型的距离是10微米或更小。见Mee，C.D.T和Daniel，E.D.，的“磁记录“，Ⅰ-Ⅲ卷(McGraw-HillPub.1987)；F.Jorgenson的"磁记录全书"第16章(第3版，1988)；和美国专利第5062021，这里参照引用了它们的相关公开内容。
为了更加全面地描述本发明，记录介质10和传感器11的材料结构使用了下述的术语。现在参照图2(a)，本发明的记录介质10和传感器11的材料结构由基片12、底层14、和磁性层16组成。该材料结构可以包括多个底层和/或磁性层，它们分别确定了一个底层结构和一个磁性层结构。如图2(b)所示，底层结构还可以包括一个晶种层和/或湿润层18、附加底层20、和中间层22，所说的籽晶层和/或湿润层18布在基片12上或在底层结构中的其他位置，所说的中间层22布在底层14上靠近磁性层结构的位置。磁性层16可以由一个表层结构覆盖，表层结构包括一个表层24，接着是外层26和有机润滑剂28。湿润层18可以是一种非结晶材料、或者是一种很薄因此不能发展成结晶结构的膜、或者是其结构对于随后的层提供总晶格失配的一种膜。
在另一个实施例中，如图2(c)所示，磁性层结构可以包括附加磁性层16′和16″，它们可以由一个或多个内层30分开。在垂直记录应用中，附加磁性层16′和16″可以是包围磁性层16的软磁保磁层，而磁性层16可以是硬磁材料。在传感器应用中，图2(a)中的磁性层16可以是硬磁材料或者是软磁材料，这取决于用于在介质10上读出或记录数据的传感器11中的这个磁性层16的功能。
一般来说，基片12由一种非磁性材料形成，如玻璃、硅、或涂有NiP的铝合金、玻璃陶瓷、陶瓷、或SiC。然而，在本发明中，可以期望使用具有优选晶体取向或结晶结构的单晶体，例如Si，这取决于介质10中的期望特性。
对于纵向介质，所淀积的磁性层16、16′、16″的纵向容易磁化轴基本上平行于这个磁性层的平面。在本发明的磁性层16中使用的硬磁材料优选的是一种Co或Co合金膜，例如CoCr、CoSm、CoPr、CoP、CoNi、CoPt、CoNiCr、CoNiZr、CoPtNi、CoCrTa、CoCrPt、CoCrP、CoCrTaSi、CoCrPtSi、CoCrPtB、CoCrPtTa、CoCrPtTaB、CoCrPtTaNb，或者其它的Co合金磁薄膜。对于纵向记录介质应用，磁性层16每层的厚度约为2.5-60纳米(25-600埃)。磁性层16还可以包括软磁材料，如NiFe合金，尤其是在下面将要进一步讨论的垂直记录应用中更是如此。
湿润和/或籽晶层18可安排在介质10的各层之间，以便破坏现有膜的结构或提供不同的结构，此后的层在此结构上外延生长，分别取决于是后采用湿层还是籽晶层。底层14和20一股包括适于生产外延生长磁性层16的材料，以下将作进一步讨论。
表层24可以设于接近，最好接触磁性层16或16”处。表层24最好为1～10纳米(10～100埃)厚，可由W、Ta、Zr、Ti、Y、Pt、Cr、Mn、Mu合金或其组合物来构成。
可以在表层24的外部提供外层26，以使表层24定位在磁性层16或16′和外层26之间，如图2(b)(c)所示。外层26提供一个抗机械磨损层，其厚度为2.5-30纳米(25-300埃)。它最好由陶瓷材料或金刚石状碳制成，如SiO2、SiC、CHx、或CNx(其中X＜1)、ZrO2、或C。有机润滑剂28可以设在外层26上。有机润滑剂28的厚度为1纳米到10纳米(10到100埃)，并且最好是氟-氯烃或全氟乙醚。例如包括CCI2FCCIF2、CF3(CF2)4CF3、CF3(CF2)5CF3、CF3(CF2)10CF3、CF3(CF2)16CF3。
在Cr基底层上形成在膜平面上随机磁取向的Co基合金多晶薄膜磁性层是薄膜纵向记录介质中当前最为流行的结构。这些结构具有足够大的矫顽力来满足当前工业的记录密度要求。评价一种材料的可达到的矫顽力的一个重要的参数是各向异性场常数HK，它定义为2K1/MS，其中K1是单轴各向异性常数，MS是饱和磁化强度，这两者都是材料的固有性质。
在一个理想的非取向的多晶Co薄膜中，这个薄膜由具有平面内2维随机容易磁化轴分布的孤立的非相互作用的单畴磁粒组成，在理论上可以实现的最大矫顽力HC是0.51 HK，它是由旋转磁化的Stoner-Wohlfarth模型确定的。然而，如果单畴晶粒是3维随机取向的，则最大可达到的矫顽力大大小于0.51 HK。对于两维的随机多晶Co膜，当前在工业上的努力正在致力于接近这个理想的HK。
虽然具有随机平面取向的多晶Co结构已证实适用于今天的标准，但这些结构可以达到的最大矫顽力很快变为不能满足工业和消费者的日益提高的面积记录密度要求。因此，必须预见到未来高密度记录所需要的提高的矫顽力，并超越当前工业努力更加深入地理解的磁结晶各向异性磁性材料(尤其是Co基材料)。例如，在具有单个单轴容易磁化轴取向的磁性材料中，例如在垂直介质中，HC在理论上可以达到1.0HK，这就意味着，磁介质的潜在的可以达到的矫顽力可增加一倍。
在这种开发的推动下，本发明人已经发现，具有六角密集(hcp)结构的材料可在一个第一底层上与一个(1120)晶体结晶结构(图3)一起生长，所说第一底层应具有一个面心立方结构和一个(001)晶体结晶结构(图4)以及相容的原子晶格间隔。如已经使用过的和这里要进一步说明的，一个相容的原子晶格结构代表具有沿可以比较的或相差整数倍的各个结晶方向的原子间隔的结构，从而可以允许一个接一个晶胞地进行排列，或者在晶胞的可重复的网格上进行排列。
本领域的普通技术人员可以理解，图4所示的面心立方结构包含具有fcc结构的纯元素，以及这些纯元素的固溶体，和具有衍生结构(如L10和L12)的合金，衍生结构的晶胞类似于fcc晶胞。据此，除非另有说明，这里使用术语“fcc“和“fcc结构“应理解为包括具有面心立方结构或面心立方衍生结构的成分。其它的成分具有不同的基于fcc布喇菲晶格的晶胞结构，如金刚石(图5)和NaCl。虽然这些成分不是fcc结构，但据说这些成分都有一个布喇菲晶格，而布喇菲晶格是fcc，可以按照fcc布喇菲晶格成分来引用这些结构。
在本发明中，作为fcc结构的底层，Ag或Ag合金一般来说是优选的，但也可以用具有fcc结构的其它适宜的材料，包括Ag、Cu、Al、Au及其固溶体和合金组合物。还可以看出，fcc结构底层的准确选择取决于磁性层的期望成分和取向，对此下面将变得更加清楚明白。
此外，可以使用第一底层诱导第二底层的外延生长，第二底层又可诱导在(1120)晶体取向有一个hcp结构的材料的生长；所说的第一底层有一个面心立方晶体结构和(001)的取向，所说的第二底层有一个体心立方结构(图6)和一个(001)晶体结晶结构以及一个相容的原子间隔。
进一步可以看出，图6所示的体心立方结构包含具有bcc结构的纯元素，以及具有衍生结构的这些纯元素和合金的固溶体，如B2、D03、和L21，这些衍生结构的晶胞类似于bcc晶胞。照这样，这里使用的术语“bcc结构”和“bcc”应理解为包括具有体心立方结构和体心立方衍生结构。
具有bcc结构的适宜的底层材料Cr、具有A2结构的Cr合金(如CrV、CrTi、CrMo、CrW、CrMn、B2序的结构材料(如NiAl和FeAl)。具有B2序结构的并且具有可以与NiAl(a=0.2887纳米)、FeAl(a=0.291纳米)、和Cr(a=0.2884纳米)的晶格常数相比拟的晶格常数的其它位相也被认为是本发明的bcc底层的优秀候选对象。这些材料是AlCo(a=0.286nm)、FeTi(a=0.298nm、CoFe(a=0.285nm)、CoTi(a=0.299nm)、CoHf(a=0.316nm)、CoZr(a=0.319nm)、NiTi(a=0.301nm)、CuBe(a=0.270nm)、CuZn(a=0.295nm)、AlMn(a=0，297nm)、AlRe(a=0.288nm)、AgMg(a=0.328nm)、Al2FeMn2(a=0.296nm)、Fe3Al、AlNi2Ta、AlNi2Nb、AlNi2Ti、和它们的组合物。底层还可以由上述列出的材料内的两种或更多种不同的材料层组成。可以使用材料的各种组合来产生多个层，其中的每一层都是以上讨论的前述底层材料之一。
在Co基合金的情况下，(1120)结晶结构有一个双晶体的微观结构，其中的Co晶粒的两个结晶垂直变量的容易磁化轴(即，c轴，或方向)或者沿底层的[110]方向，或者沿底层的[110]方向。如果两个变量的体积部分相等，则在磁性质和转矩曲线的平面内角度依赖性中，期望得到一个4重的对称性。两个有效的容易磁化轴沿[100]方向和
方向出现，产生较高的矫顽力(Hc)、剩磁(S)、和矫顽力垂直度(s*)的数值，同时[110][110]方向变为具有较低的Hc、S、和s*的有效硬轴。
尤其是，本申请人已经发现，在(001)晶体取向的一个fcc Ag底层将直接引发一个hcp Co基磁记录层的生长，或者，具有(001)晶体取向的一个bcc Cr底层将进一步诱发一个hcp Co基磁记录层生长，其晶体取向为(1120)。这些层的结晶结构和晶格常数为Ag(fcc，a=4.09埃)Cr(bcc，a=2.88埃)、和Co(hcp，a=2.507埃，c=4.07；fcc，a=3.544埃)。当使用Ag(001)底层结构作为样板进行淀积时，Co的晶胞趋向于以一个(1120)结晶结构外延生长，因为Ag(001)和Co(1120)的原子间隔是相容的，并且每个结构中的原子都按照类似的方式定位在对应的晶体平面内。
对比之下，Cr的晶胞的晶格常数与Ag的晶格常数没有匹配得很好。然而，当Cr处在(001)取向时，晶胞可能转动，并且Cr(001)晶面的对角晶格尺寸是4.08，这与Ag的晶格常数匹配得极好。照这样，当使用Ag(001)取向结构作为样板进行淀积时，(001)Cr趋向于在一个转动的(001)取向外延生长。类似地，当使用转动的Cr(001)取向结构作为样板进行淀积时，Co的晶胞趋向于在一个(1120)取向外延生长。应该注意的是，Co晶胞将从Cr晶胞开始转动，并与Ag晶胞排齐。
本领域的普通技术人员可以体会到，通过形成固溶体或合金可以改变Ag、Cr、和Co层的晶格间隔。例如，通常使用Cr在具有Co的固溶体中减小Co层的磁化强度，并且在Co基的层中提供晶粒的良好分开。还有，Ta和Pt通常与Co一起形成合金，从而形成Co合金磁性层，这个合金磁性层具有比纯Co大的原子晶格间隔。类似地，可以将V加到Cr中，以改变Cr/V固溶体的原子晶格间隔。
本申请人还发现，在金刚石结构(001)取向的硅单晶片上，可以生长fcc(001)取向的Ag层的接近理想状态的晶体。
Ag的接近理想状态的(001)取向fcc结构的存在和原子晶格间隔的失配以及Ag和Si的晶胞结构无关。在Ag(fcc，a=4.09埃)和Si(金刚石立方结构，a=5.43埃)之间的失配是-24.7％。然而，Ag晶胞的一个4×4网格的几何位置和Si晶胞的一个3×3网格的几何位置排齐，失配只有0.4％。使用Si基片是有益的，因为这籽晶片容易获得而且价格便宜，这使这籽晶片成为磁介质应用的理想基片材料。
进行试验，其中；通过在一个Leybold-heraeus Z-400溅射系统中在一个Si(001)单晶片上进行射频二极管溅射依次淀积Ag、Cr、Co84Cr13Ta3(hcp，a=2.5埃，c=4.16埃)薄膜。可以从原子内间隔计算出在每个这样的界面的晶格失配Cr到Ag=-0.2％，Co84Cr13Ta3到Cr=7.8％(垂直于Co的c轴)和2.0％(沿着Co的c轴)。根据以上的讨论，期望的取向是在Cr(001)[100]‖ Ag(001)[110](1120)上的双晶体CoCrTa，如图7所示，其中Si[110]和Si[110]为有效硬轴方向，Si[100]和Si
是有效的容易磁化轴．在淀积膜之前将Si基片放在氢氟酸中腐蚀，以便剥离通常覆盖基片表面的二氧化硅膜并呈现出氢端的表面而不需要重构，见D.B.Fenner，D.K.Biegelsn和R.D.Bringan在J.Appl.Phys.66，419(1989)中所讨论的。具体来说，首先在有机溶剂中进行超声清洗并在去离子水中进行漂洗，从而制备出Si(001)晶片。然后将干净的晶片浸入49％的HF中3分钟以清除本来就有的二氧化硅，获得氢端表面，然后用氮气吹干。按另一种方式，为了在一个(001)取向的Si层上淀积(001)取向的Ag，二氧化硅膜还可以通过退火、在真空中煮沸、或其它方法除去，如由P.Xu，P.Miller，和J.Silcox等人在Mater.Res.SocSynp.Proc.202，19(1991)中所描述的。在(001)晶向的Si层上淀积(001)晶向的Ag。
然后，将经过HF腐蚀的硅晶片放入溅射系统，在淀积之前在真空中将其加热到250℃。基压约为5×10-7乇。Ar溅射气体压力固定在10毫乇，溅射的功率密度约为2.3瓦/厘米2。在Ag或Cr淀积期间不加任何偏压，但在淀积CoCrTa膜期间要加上-170伏的基片偏压，这是按照由Y.Deng，D.N.Lambeth，X.Sui，L.-L.Lee和D.E.Laughlin在J.Appl.Phys.73，5557(1993)中描述的方法所规定的。
通过具有Cu Ka辐射的Riguku x射线衍射仪和一个Philips EM420T透射式电子显微镜研究这些膜的微观结构。X射线衍射仪的扫描全都是在一个Rigaku θ/θ衍射仪上进行的，这个衍射仪是在35千伏和20毫安条件下工作的，并具有Cu的Kα辐射。扫描的步长是0.05度，每步2秒。一系列狭缝用来产生一个平行光束；所用的发散和散射狭缝是1度，接收狭缝是0.3毫米。使用一个弯曲石墨单色仪(曲率半径224毫米)，从(002)平面开始衍射。一个碘化钠闪烁探测器在760伏的偏压下工作，脉冲高度分析器对于基线设置在54伏，对于窗口设置在102伏。X射线束的横截面积约为32平方毫米。在这里称这种方法为薄膜XRD方法。
用一个尺寸3000的原子力显微镜(AFM)检查Ag薄膜的表面。在一个数字测量系统的振动取样/转矩磁力计上完成磁测量。
在图8a中表示两个有代表性的Ag/HF-Si(001)样品的x射线衍射(XRD)光谱。对于Ag膜，只能观察到强的(002)衍射峰。在Si
晶带轴电子衍射图案中(图8(b))，确认有在XRD谱中含有的外延生长，这与图8(c)中表示的模拟图案符合得很好。由于在Ag和Si晶格常数之间存在接近25％的晶格失配，所以图8(b)中的低强度双衍射光点的复杂的但是常规的分布最可能是由于Ag和Si晶格常数间近于25％的晶格失配，而且这种分布的特征是具有固定取向关系的重叠的双层结构。x射线衍射还表明，在所研究的整个50-1500埃厚度范围内，Ag膜只表现出强的(002)峰，由此可以相信，在极薄的膜中确实产生了Si(001)的良好外延，并且随着膜的厚度变大，这种外延继续产生。
在Si(00)上Ag的生长是由Xu等人建议的，这种生长是Stranski-Krastanov方式，或层加岛方式，其中在一个或几个2维的单层初始形成后，开始岛的3维生长；或者，在一个不完美的Si表面上的一个特定的位置Ag为形成晶核，然后随着附加材料的淀积Ag岛在不断生长，直到这些岛会合时为止。如图9(a)所示，一个50埃的Ag膜的表面形状清楚地显示出一个岛的结构。在这些小的厚度Ag膜是不连续的事实的最大可能的原因是二氧化硅的去除不完全。更加完全地去除氧化物，可能使厚度小于50埃时产生连续的Ag膜。当膜的厚度增加，相邻的岛开始结合，在125埃时形成网状网络，如图9(b)所示。当Ag膜的厚度增加到250埃，形成一个更加连续形状的膜。进一步增加厚度，导致几乎连续的Ag表面，保持和500埃的膜的表面形状类似的表面形状(图9(c))，只是表面的特征尺寸稳定扩展。
在图9(d)中也反映了Ag表面形状的演变过程，图9(d)表示的是表面的平方根粗糙度(Rrms)和膜的厚度的关系，经HF腐蚀的裸Si表面的Rrms约为4埃。对于50埃的Ag膜，发现57埃的Rrms，大于标称的膜厚度。表面粗糙度一直到104埃都是增加的，当膜的厚度增加到125埃Ag膜时，粗糙度变小。当膜的厚度增加到250埃时，粗糙度急骤下降(Rrms=17埃)，这与连续的Ag层的形成是相附的，然后，当Ag膜厚度进一步增加时，粗糙度几乎保持不变。
和在没有Ag底层样板时一般观察到的情况相比，在不同厚度的Ag样板上生长相同厚度的CoCrTa/Cr薄膜表现出大得多的Cr(002)和CoCrTa(1120)衍射峰。虽然对于所有的Ag厚度都实现了良好的Ag/Si(001)外延生长，但在图10(a-b)中，在具有足够大的厚度提供连续的Ag样板的Ag底层上淀积的CoCrTa膜表现出较大的矫顽力。
此外，一个125埃厚的Ag样板的表面粗糙度大于50埃的Ag膜的表面粗糙度(但50埃的Ag膜的Rrms和膜厚度之比较小)，但连接成的网状的表面结构似乎是强化了外延生长，并且和岛状结构相比加大了CoCrTa(200埃)/Cr(300埃)膜的矫顽力。在极厚的Ag样板上矫顽力的减小还伴有Ag特征的明显加大。在不同厚度和不同表面形状的Ag样板上Cr膜的生长似乎是对CoCrTa膜的磁性质起一定的作用的。显然，通过改变工艺的条件，例如Ag膜的基片清洁度和粗糙度、淀积速率、和基片偏压和温度，可以使网状结构或多或少是连续的，对于不同的膜厚度导致Co/Cr结晶结构的相应变化。
图11(a)表示一个CoCrTa/Cr膜的Cr
晶带轴电子衍射图，它与图11(b)的模拟图样符合得很好。图11(c)所示的磁性质的周期性变化是CoCrTa膜的双晶体本质的进一步证明。还有，在Cr[100]和Si[110]方向之间似乎是存在一种平行关系。在平面内转矩曲线(图11(d))中的90度的周期性不仅表明双晶体结构，而且表明两个CoCrTa取向变量的体积部分是几乎相等的。使用当前的方法，使矫顽力最大并且使表面粗糙度最小所需的Ag样板的厚度约为500-1000埃。
继续进行研究，试图产生Co基材料的结构，这种材料是hcp结构并且是4晶体取向。即，Co(1011)[1210]‖Cr(110)[110]或[110]。于是通过以上讨论的方法制备出一种单晶体(110)取向的Si。再有，因为在(110)取向的晶格间隔的长程可相容性，所以当使用Si(110)取向作为样板进行淀积时，Ag也能外延生长。在Ag(110)取向层上依次淀积Cr和Co层。
最终的Cr和Co层分别不是预期的(110)和(1011)。当使用Ag层的(110)取向作为样板进行淀积时，Cr在(112)取向外延生长。然后，当使用Cr(112)取向作为样板进行淀积以产生具有单晶体(1010)取向的一个Co层时，Co层外延生长。
考察fcc(110)Ag层和bcc(110)的如以前所述的晶体取向表明，Cr的对角晶格面间隔接近等同于Ag的对角晶格面间隔(4.08埃到4.09埃)，Ag的对角晶格面间隔是Cr的原子间隔(5.76埃到4.09埃)的两倍。鉴于针对Si和Ag观察到的网格配合，因此期望，bcc(110)层可能会从fcc(110)层样板按照2个网格到1个网格的大小外延生长出来。
此外，在一个bcc结构中，具有最低能态的取向是(110)，因为它是密集的原子结构。然而，在bcc(110)取向，存在一个中心原子(图6)；而在相应的(110)fcc取向，并不存在所说的中心原子(图4)。人们相信，在(110)fcc中缺少中心原子将增加(110)bcc的能态，因此当在(110)Ag上淀积时更为不利。
一个bcc晶格的原子结构应是这样的类似于fcc(110)取向的一个原子排列在(112)平面是可能的，如图6所示。在(112)平面中的一个量纲是对角晶格面间隔，另一个量纲是在该bcc结构中所说的中心原子和一个角部原子之间的最密集的距离，它是原子半径的两倍。
在(112)取向的Cr中，对角晶格面间隔和最密集堆积的尺寸分别是4.08埃和2.50埃。因此，Cr(112)取向也可能沿Ag[110]‖Cr[111]方向与Ag层的7-3个网格在约1％之内是晶格匹配的。具有Ag(110)结晶结构的Cr(112)结晶结构中的原子间隔不如Cr(110)晶胞量纲匹配地那些好。然而，可以相信，在(112)取向中不存在中心原子，将减小与(110)fcc样板交界的界面处的它的晶格能态，使其低于(110)取向。因此，bcc将在(112)取向外延生长。
据此，我们相信，可以使用bcc(112)或fcc(110)在一个Co基的膜中诱发(1010)结晶结构，其条件就是原子间隔是相容的。例如，鉴于(112)Cr和(1010)Co的原子间隔的相似性，(1010)Co基材料应该直接在(110)fccAg上生长。进而有，由于bcc(110)膜在多晶膜中是优选的，可以使用大的晶格常数bcc(110)膜在fcc膜中诱发一个(110)结晶结构，其条件是设计了原子间隔的可相容性，另一个条件是bcc(110)原子间隔应该是不存在诱发fcc(111)结晶结构的任何一个中心原子。因此，在fcc(110)结晶结构上可能生长较小晶格常数的bcc(112)。最终的膜层和结晶结构可能是Co(1010)/bcc(112)/fcc(110)/bcc(110)/湿润层。
本发明和另一方面是使用本发明的材料结构能够开发一种新的记录介质设计。使用一个单晶体基片(如硅)可以产生一种可控取向的记录介质和传感器。可以使用单晶体基片外延生长接近理想的底层，这个底层最终成为具有选定的取向的一个磁性层。
在一个实施例中，通过使用这里描述的技术产生一个接近理想的(112)bcc层，这个层将要诱发(1010)单晶的外延生长，从而可以产生一个线性寻址的单晶体记录介质。单晶基片通过底层结构向磁性层结构扩大繁殖单晶结构。这种情况再加上磁性层结构的单方向取向，就可以形成一个记录介质或传感器，其中的每个微晶的磁轴都是平行的。容易磁化轴的平行排列可以提供一个线性寻址的记录介质，几乎没有或根本没有信号调制。此外，线性寻址的记录介质的取向和排列结构有可能降低介质噪声并且提高矫顽力，在理论上矫顽力可以达到HK。
使用Co/Cr/Ag/Si层进行一系列试验，其目的在于评价在一个(110)fcc结构上从(112)bcc生长的(1010)hcp晶体的特性。在图12中表示出Co(1010)‖Cr(112)[1010]‖Ag(110)
‖Si(110)
。如先前所述，当Ag和Si具有一个公共的晶体取向时，在Ag/Si界面实现4-3的晶格匹配，只有一个0.4％的小的失配。从原子间间隔可以计算出来在Cr/Ag和Co/Cr界面的晶格失配Cr到Ag=-0.2％(沿Ag
方向)和13.5％(垂直于Ag
方向)(一一对应)，纯Co到Cr=-0.5％(沿Co的c轴)和0.4％(垂直于Co的c轴)。如先前曾经说明过的，当Cr和Ag以7/3的比例(或者重复的单元)结成网格时，垂直于Ag
方向的Cr到Ag的失配约为1％。
制备(110)Si单晶基片，然后通过如以前曾经讨论过的在一个Leybold-Heraeus Z-400溅射系统中的射频二极管溅射，依次淀积Ag、Cr、Co(纯的以及合金的)薄膜。
用带有Cu Kα辐射的Rigaku x射线衍射仪利用θ/θ和φ扫描XRD研究各个层的外延取向关系。利用数字测量系统的振动取样/转矩曲线磁力计测量Co膜的磁性质和转矩曲线。从单晶体Co膜的转矩曲线，可以确定材料的单轴各向异性常数。
当在一个足够大的场H下转动单晶体样品时，施加在样品上的转矩(H)可以由下式表示 同时，当T=-MsHsinφ，(2)还可以计算出转矩T。
图13表示出用在公式(1)中的矢量和角度量的相对关系。图14(a-c)分别表示在HF-Si(110)上生长的有代表性的Ag、Cr/Ag、Co/Cr/Ag膜的θ/θXRD谱。在这些谱中只观察到强大的Ag(220)、Cr(112)、Co(1010)衍射峰，这强烈地显示了这些膜的外延性质。在图15中表示的是Co/Cr/Ag/HF-Si样品的φ扫描光谱，以及立体晶体(110)、(112)、和Co(1010)立体投影，它们是解释这个光谱所必要的。如从立体晶体(110)的立体投影所期望的，图15(a′)，在单晶体Si(110)基片的Si{004}极扫描光谱中发现相隔180度的两个衍射峰(图15(a))。对应于Ag{004}极的两个峰也相隔180度，这与图15(b′)的立体投影符合得很好，并且它们似乎是和Si{004}-极光谱中的两个峰处在相同的φ位置，这就确认了在Si
和Ag
之间的平行关系。
Cr{110}的极光谱(图15(c))包含两个峰，这两峰还是分开180度，与图15(c′)符合。它们的峰位置和Ag{110}的极扫描中的两个位置相比移动了90度，这表明Cr[110]方向平行于Ag[110]方向。
在图15(c′)中的晶体的(112)立体投影只表示一个(001)极。但在Cr{002}极扫描中观察到两个衍射峰，这表示有一个额外的极，在图15(c′)中将其记为(001)′。这就可以建议在Cr(112)膜中存在两个Cr晶粒畴，如图16所示的(结晶平面和结晶方向都参照畴Ⅰ标记)。当Cr开始和两个彼此镜像的原子结构一起生长时，这两个畴可能从Cr/Ag外延界面上出现。这两个畴也可能是Cr生长孪生的结果。在bcc金属中，(112)平面是最通用的孪生平面，孪生方向是[111]，如图16所示的。Cr晶粒的最终的两个畴具有平行于基片平面的(112)平面，而它的原子结构围绕垂直于孪生方向的平面是镜像的。
还有，在Co{1010}极扫描(图15(d))和Co晶体(1010)投影(图15(d′))之间存在良好的符合。Co‖Cr[110]的取向关系也是从观察中确定的，在Co谱中的两个峰似乎是和Cr谱中的峰处于相同的位置。小的峰宽度表示Co晶粒的容易磁化轴一般具有单一方向。
在图17中表示纯Co样品的转矩曲线。它类似于具有180度周期的一个非对称的正弦曲线。从这个曲线确定的各向异性常数小于对于大批的Co单晶体所报导的值(4.2-4.5×106尔格/厘米3)。转矩测量的幅度表示Co晶粒的磁化轴良好排列。如表Ⅰ所示，在提高基片偏压的情况下制备的纯Co中，已经发现K1是增加的，这可能表示在某个其他hcp Co结晶结构中存在层积缺陷。
用外加场或者沿容易磁化轴方向或者沿硬轴方向测量样品的磁滞回线(见图18)。对于纯Co膜，沿容易磁化轴观察到一个方形回路，矫顽力在200奥斯特左右，这表示和畴壁移动有关的一个矫顽力机制。硬轴回路表示实际上为零开口度的一个曲线，剩磁垂直度S=0.02。这确认了在φ扫描中表现出来的良好的容易磁化轴的排列。硬轴回路几乎完美地落在开放的圆上，这表明与使用从转矩测量确定的各向异性常数计算出来的点符合得极好。
还制备出单晶体Co84Cr13Ta3/Cr/Ag/HF-Si(110)膜。在CoCrTa膜淀积期间，加上-170伏的基片偏压。在表Ⅰ中还列出了从转矩曲线(见图19)确定的各向异性常数。在图20中，表示出这个样品的磁滞回线。对于这个极方的容易磁化轴磁滞回线，获得的矫顽力是1080奥斯特，而硬轴回路的线性性质意味着K2的减小，这与转矩分析是相符的。
表Ⅰ从转矩曲线测量的单轴各向异性常数 单晶体Co、Cr(112)、和Ag(110)层的生长类似于上述对于Ag(001)、Cr(001)、Co(1120)层的生长。因此，期望一个连续的Ag样板以使矫顽力最大并使表面粗糙度最小。
对于使用(111)取向的Si作为基片也进行了研究。使用Ag作为一个fcc样板作进一步的测试，并且还发现，(111)取向的Ag能在(111)取向的Si上外延生长。
(111)fcc提供的晶面具有一个三角形的原子结构，在这个原子结构上此后的层可以外延生长。如图6所示，bcc层的(111)取向也提供一个三角形的原子结构。然而，当在(111)fcc层上淀积时，bcc层没有产生(111)取向，而是代之以产生一个(110)结晶结构。(110)bcc晶面具有一个长方形形状的并具有一个中心原子的原子结构。如先前讨论过的，(110)取向代表bcc层的最低能态。因此，根据fcc和bcc层的相对原子晶格间隔，bcc层采取(110)取向而不采取(111)取向在能量方面更有利。因为(111)fcc结晶结构的三角形形状有3重对称性，所以bcc的&#60110&#62方向是对称排列的。
在(110)取向的Cr上淀积Co将产生一个具有(1011)四晶体取向的Co层。在一个几乎是理想的晶体上产生晶粒的hcp四晶体取向将提供一个磁层，这个磁层的容易磁化轴相对于在单晶体Si上外延生长的Ag有四个方向。结果，这个结构有12个可能的容易磁化方向。此外，虽然薄膜层的去磁化场趋向于略微提及矫顽力，但这个去磁化场也趋向于使容易磁化轴进入膜的平面。在这个结构中，虽然介质的磁取向在12个可能的方向是分立的，但介质的这个磁取向已经限制了周边的变化。照这样，有可能产生纵向取向的Co基磁介质，这种磁介质可以用在旋转存储设备应用中，例如硬盘和软盘，这种磁介质可能提高可达到的矫顽力，这个可达到的矫顽力高于当前正在使用的两维的似乎随机取向的Co基介质的受到限制的矫顽力。
垂直记录对于未来的高密度磁数据存储器是一个大有前途的候选对象，并且Co基合金薄膜至今仍是研究得最广泛的用于未来的硬盘的垂直(磁场型磁共振成像设备)介质。Co晶粒的垂直c轴取向和高矫顽力是在高密度下实现单晶体和低噪声记录性能的两个关键因素。因为大多数垂直记录传感器具有受到极大限制的、不陡峭的、磁头磁场梯度，所以记录的转变过程趋向于不陡峭。然而，如果垂直介质极强地取向，在Co微晶的c轴实际上没有任何弥散，那么，这就可以对小于理想的记录磁头磁场梯度进行补偿。因此，期望生产一个强取向(0002)垂直Co层，用在垂直记录介质中。
(0002)取向提供一个密集堆积的原子结构，并且对于hcp结构来说是最低能态。因此，如果没有任何外延的界面在材料上诱发不同的取向(结晶结构)的话，Co基材料趋向于以一个微弱的(0002)结晶结构自然生长。先前的一些研究也企图使用Ti在Co层中诱发较高质量的(0002)结晶结构。然而，如分别在CoCrPt/Ti/玻璃和CoCrPt/Ti/氧化硅的x射线衍射图样所示的(图21(a)和21(b))，Ti层一般来说不能很好地定向。于是，可以得出结论，Ti不能用作籽晶层，但从本质上看，可以用作湿润层，湿润层可以消除基片或先前在Co基层下淀积的层的取向的影响。
还有，在一个fcc结构上直接淀积Co基的材料，一般来说将导致具有先前的一个fcc层的一个fcc结构和取向的一种Co基材料。在一个(111)取向，fcc结构是在最低的能态，因此，Co基的层很可能产生一个强的fcc(111)结晶结构，这个结晶结构因为是立方结构，所以将产生低的矫顽力磁薄膜。
本申请人已经发现，使用(111)fcc作为样板，并使用一个中间hcp样板，就能够外延生长取向极好的(0002)Co基的层。具体来说，如果在(111)Ag上淀积Ti，则Ti将取(0002)取向，这个取向有类似于fcc(111)取向的原子面晶格，如图22所示。Ti的(0002)取向明显改善了在(0002)取向外延生长的Co基的层，从而可以产生接近理想的垂直取向的记录介质。Ti的晶格常数(a=2.9512，c=4.6845)和Co的晶格常数(a=2.507，c=4.070)的比较结果表明在晶格之间的一个失配；然而，Ag和最终的Ti层的长程取向给出了6×6网格的Co晶胞与5×5网格的Ti晶胞的排列。
本领域的普通技术人员将会注意到，在fcc和hcp样板层中使用的特定的成分必然要依赖于期望的磁性层的晶格间隔。例如，hcp样板层必须有与fcc层相容的晶格间隔，并且在淀积温度和处理条件的范围内不应该有稳定的fcc位相。例如，当在磁性层中使用不同的Co合金时，可以使用不同的成分作为hcp样板底层，以便改变hcp样板的晶格大小。
还可以使用接近理想的(11)fcc样板诱发其它的fcc结构的外延生长，这和fcc Co层的生长类似。具体来说，在fcc样板上可以外延生长软磁材料，如Ni和NiFe坡莫合金。在这些fcc结构中，容易磁化轴位于(111)平面附近；因此，软磁层将为垂直记录期间垂直于这个软磁层产生的磁场的平面内返回通路提供一个闭合回路。软磁材料可能繁殖扩大用于(0002)hcp样板和(0002)hcp Co基的层的(111)取向。
此外，一个(0002)Co基的层可以提供一个样板，这个样板将进一步诱发软磁材料在一个(111)取向外延生长，为垂直介质形成一个薄的顶部保磁层。值得注意的是，这个保磁层也具有主要在这些层的平面内的容易磁化轴。
进行一系列测试以评价(0002)Co基的磁性层的特征。按照先前讨论过的方式，制备Si并淀积Ag、Ti、Co68Cr20Pt12薄膜。如先前讨论过的，用带有Cu Kα辐射的Rigaku x射线衍射仪利用θ/θ和φ扫描两种方法研究外延取向关系。利用数字测量系统的振动取样磁力计测量CoCrPt膜的磁性质。在Co合金中的Cr和Pt含量有效地减小了饱和磁化强度，因此更适合于垂直记录。(即，Ku＞πMs2)在图23(a)中，表示出在HF-Si(111)上生长的有代表性的CoCrPt(50纳米)/Ti(50纳米)/Ag(12纳米)膜的x射线衍射光谱。在这些光谱中，只能观察到对应于CoCrPt(0002)、Ti(0002)、Ag(111)平面的那些峰，这表明这些膜有一个良好的取向。作为比较，CoCrPt(50纳米)/Ti(50纳米)膜也是直接在HF-Si(111)上生长的，没有薄的Ag样板，并且在图23(b)中的x射线光谱表示一个良好的但较弱的Ti(0002)峰。薄Ag层的存在能加强Ti的外延生长，这导致一个加强的CoCrPt(0002)峰。要注意，Ag(111)的衍射峰和Ti(0002)峰有相同的角度；但因为使用了一个12纳米的Ag膜，所以Ag峰对于峰的高度不应有明显的贡献。图23(c)表示CoCrPt/Ag(111)/HF-Si(111)的衍射峰，这个衍射峰展示出一个极强的结晶结构，对此下面将作进一步地考虑。
图24表示CoCrPt/Mi/Ag/HF-Si样品和具有较少层的样品的φ扫描光谱，以及立方晶体(111)和Co(0001)立体投影，这个立体投影是解释光谱必不可少的。如从(111)立体投影所期望的(图24(a′))，在单晶Si(111)基片的Si{220}极扫描光谱中发现相隔120度的3个衍射峰(图24(a))。
在图24(b′)中的立方晶体(Ag/HF-Si)的(111)立体投影只表示出3个(110)极点。但在Ag{220}极扫描中观察到6个衍射峰，这表示有额外的极点，在图24(b′)中用十字交叉线表示之。这样我们就可以假定，在Ag(111)膜中，存在Ag晶粒的两个结晶畴。当Ag以两个不同的但彼此成镜像的原子结构开始生长时，这两个畴从Ag/Si外延界面出现的可能性最大。这两个畴也可以是Ag孪晶生长的结果。在fcc金属中，(111)平面是最有可能成为共用的孪晶平面，孪晶方向是[112]。Ag晶粒的最终的两个畴的(111)平面与基片平面平行，还有，原子结构相对于和孪晶方向垂直的平面呈镜像关系。在Ag{220｝极扫描光谱中的第一、第三、和第五峰和Si{220}扫描中的3个峰处在相同的位置，这就确认了在Si[112]方向和Ag[112]方向之间的平行关系。
在图24(c)所示的对于(Ti/Ag/HF-Si)膜的Ti{1011}极扫描光谱中观察到6个峰，这与立体投影(图24(c′))符合得很好。还确认了在Ti[1010]方向和Ag[112]方向之间的平行关系。还在CoCrPt{1011}极扫描[图24(d)](Co/Ti/Ag/HF-Si)和Co晶体(0001)投影[图24(d′)]之间发现良好的符合。CoCrPt{1011}‖Ti[1010]的取向关系也是从观察确定的，在Co光谱中的6个峰和Ti光谱中的峰是处在相同的φ位置。
将CoCrPt/Ti/Ag/HF-Si(111)样品的的磁性质和其它4个样品的磁性质进行比较的结果在表Ⅱ中列出。让外加磁场垂直于膜平面，测量矫顽力(Hcl) 图25(a1-e1)和(a2-e2)分别表示样品A-E的垂直(容易磁化轴)和平面内(硬轴)磁滞回线。由于存在去磁化场，所以沿垂直方向观察到一个弯曲的方形回路。在硬轴平面内回路中的开放性和非零矫顽力可能来源于晶粒间的相互作用，或者简直就是最大外加磁场强度不足以使这些样品饱和。硬轴回路的曲率最可能来源于先前针对Co(1010)膜讨论过的各向异性常数K2的非零值。
在表Ⅱ中，样品A和B是分别淀积在一个玻璃基片和一个由天然氧化物覆盖的Si(111)晶片上的CoCrPt/Ti膜。样品的XRD光谱(图21(a)和21(b))在两个样品中都没有表现出有一个Ti晶体结晶结构，如先前讨论过的。还有，样品A和B的矫顽力很低，可能是因为Co层没有在(0002)取向外延生长，但在膜逐渐变厚时自发地缓慢产生某种(0002)结晶结构，这将在c轴取向引起弥散。图25(a1-b1)和(a2-b2)中表示的磁滞回线的形状也表明这个较差的取向。在样品C和D中获得了较高的矫顽力和较理想形状的磁滞回线(图25(c1-d1)和(c2-d2))，其中在经HF腐蚀的Si(111)上生长取向的膜，这与图23(a-b)所示的样品C和D的XRD光谱是一致的。
如先前讨论过的，在样品D中淀积Ti层之前引入一个12纳米的薄的Ag层，将改善Ti和Co合金的取向。XRD光谱(图23(a))表示Ti(0002)峰，和样品C的光谱(图23(b))相比，得以极大的加强。对于具有薄达10纳米的Ag的样品，可以清晰地看见经过改进的Co膜的取向，而对于所有较大厚度来说，这种改进的取向仍旧是有效的。人们相信，使用一个Ag层改进的Co(0002)取向保持在10纳米厚度以下，其可能的条件只是维持一个连续的层。然而，由于测试设备的局限性，这个范围的下限是不可能更加明确地定义的。
磁滞曲线表明，样品A-D的矫顽力随着膜的取向的质量的提高而增加。和高度取向一样，对于较厚的Ag层获得了类似的矫顽力结果。
通过在HF-Si(111)上的一个50纳米Ag底层上直接淀积一个50纳米的CoCrPt膜制备样品E，并对其进行测试，以便与CoCrPt/Ti/Ag/Si膜进行比较。在图25(e1和e2)中表示样品E的磁滞曲线。XRD谱(图23(c))表示CoCrPt膜的一个极强的晶体结晶结构。然而，和在Ti上生长的或者有Ag或者没有Ag的样品相比，样品E的矫顽力较低，这表明，Co位相作为一个fcc结构存在可能性是最大的。
使用一个纯Co靶进行附加的测试，以便测试具有高4πMs2的材料的外延生长的生命力。已经发现，高度外延生长的纯Co膜，CO/Ag(111)/HF-Si(111)可在Ag膜上生长；然而，由于纯Co的高4πMs2，2πMs2＞Ku，所以磁化发生在基片平面内。强磁化可能导致具有一个大的K2值的纯Co垂直膜，类似于先前讨论过的纵向单晶体纯Co的K2值。在Co膜中包括Cr或其它磁稀释剂对于在磁场检测设备中使用的层的产生可能是必要的。如果发现矫顽力充分地低，则甚于可能产生磁泡膜。
其它的fcc样板和底层也可来改善膜的晶格的匹配。Cu的原子晶格间隔可以和Co的原子晶格间隔相比拟，并且和Ag的原子晶格间隔相比拟的程度较差。制备并测试一个Co(1000埃)/Cu(500埃)/Ag(300埃)/Si(111)膜。如图26(a)所示，Cu(111)和Co(0002)层这两者都表现出从Ag(111)样板的异常强烈的外延生长。对比之下，Cu的原子晶格间隔一般来说不太和Si的原子晶格间隔相容。因此，一个Co(1000埃)/Cu(500埃)/SI(111)膜在Cu层或者在Co层都不会产生强的结晶结构，如图26(b)所示。
在磁场传感器中，如磁记录头和回放磁阻和旋转阀磁头，一般期望产生具有(111)结晶结构的NiFe，以便允许提供极软的磁性。理想的情况是，在(111)取向能够产生坡莫合金和其它软磁材料，这将导致靠近基片平面的3重取向的容易磁化轴(111)。
对于传感器设备，除了有益地使用了经过取向的软磁材料外，我们相信，还可以产生具有软磁底层和/或甚于软磁表层(保磁介质)的垂直介质。例如， CoCrPtTa(0002)/Ti(0002)/Ag(111)/NiFe(111)/Cu(111)/Ag(111)/HF-Si(111)可能给一个经过取向的软底层提供强取向的垂直硬磁层。
使用先前描述过的技术，在经过HF清洗的Si(111)基片的不同底层上溅射淀积坡莫合金(按重量计Ni79％，Fe21％)膜，只是在淀积之前要将膜加热到260℃。在下面的表Ⅲ中表示出坡莫合金膜的组成表Ⅲ 在图27(a-f)中表示的是每个膜的XRD光谱。如图27(a)所示，当在(111)Si上淀积时，NiFe只产生很弱的(111)结晶结构。然而，在淀积坡莫合金之前在(111)Si上淀积一个fcc(111)Ag样板底层，将在NiFe层中产生强的(111)结晶结构，这由在XRD测试期间检测到的计数增加了20倍予以证明。
此外，通过使用一个(111)fcc，例如Cu(a=3.61埃)，它具有比Ag(a=4.08埃)好的晶格匹配，可以进一步增加NiFe的(111)结晶结构(Ni(fcc)，a=3.52埃；Fe(fcc)，a=3.65埃)。如图27(c-e)所示，Cu底层进一步增加了NiFe的(111)结晶结构。
类似地，为了与NiFe的(111)结晶结构进行比效，在Cu/Ag/Si(100)-HF样板上还要淀积NiFe(100)。磁性质的用BH回线指示器特征化。确定样品E和F的平面内矫顽力，并且表示如下* 沿Cu/Ag/Si(111)样板的容易磁化轴的NiFe(111)的矫顽力小于3奥斯特，而在Cu/Ag/Si(100)样板上的NiFe(100)膜的平面内矫顽力接近30奥斯特。这表明，这个NiFe合金的容易磁化轴在&#60111&#62方向，并且材料的各向异性常数K1是负的，这进一步证实在这些强取向(111)NiFe膜中可以实现极软的磁性。进而，通过在存在外加磁场的情况下进行这种淀积，可以进一步减小矫顽力。
对于具有软磁底层的垂直介质总是存在的问题之一是和软底层有关的介质噪声。对于传统的非取向的NiFe软磁膜，巴克豪森噪声一直是一个问题，所说的巴克豪森噪声和粘结在晶粒边界的NiFe畴壁有关。我们相信，来源于在(111)单晶体Si上外延生长的3重平面内取向有助于减小这种噪声源。类似地，还可能把一个软磁保磁层放在Co合金的顶部，例如NiFe(111)/Cu(111)/Ag(111)/CoCrPtTa(0002)/Ti(0002)/Ag(111)/NiFe(111)/Cu(111)/Ag(111)/HF-Si(111)。
此外，对于在常规的基片上制备的Co/Pt和Co/Pd的超晶格状的多层已经研究了好几年了。通过使用对于单晶体Si(111)基片描述过的结构，有可能生长这些类型的更加强烈取向的膜。例如Ag(111)/Si(111)、Ti(0002)/Ag(111)/Si(111)、或Ti(0002)/Si(111)之类的底层/基片可能是适当的。可以相信，还可以对Al(111)/Ag(111)/HF-Si(111)进行阳极化处理，以产生自身高度定序的多孔结构，在此多孔结构中可以电镀Co合金，以形成自身组合定序的磁阵列(SOMA)。
按本发明的另一个方面，本申请人已经发现，还可以利用晶格匹配的(110)bcc结构来产生(111)fcc结构，而不用接近理想的(111)单晶体Si。在没有单晶体的情况下，(111)结晶结构的强度取决于(110)结晶结构的强度。因此，Ag(111)可能以一个强的(111)结晶结构在一个(110)结晶结构的Cr或CrMn上生长，又可能依次利用于生长先前描述过的具有强的结晶结构的(111)NiFe或(110)bcc、(0002)或(0001)Co基的层。进而，因为由于具有原子密集的表面结构获得了质量合格的(110)bcc结晶结构，所以在这些层上可以获得几个高质量的结晶结构。例如，经过Co(1010)/bcc(112)/fcc(110)/bcc(100)层、 或者甚于Co(1010)/bcc(112)/bcc(112)层的适当的晶格相容性，可以诱发多晶的单晶钴。具体来说，具有晶胞晶格常数a≈5.0(Ba、BaCa、等)、a≈3.5(La、β-Zr)、a≈3.75(LaZn、LaAg、NdAl、CeAg)的(110)bcc和bcc衍生物对于fcc(110)结构(如Ni、Co、和Cu)是合适的匹配物，并且具有a≈5.7(Rb)的(110)bcc结构能与Ag(110)合理匹配以产生Co(1010)/Cr(112)[111]/Ag(110)[110]Rb(110)[100]；Co(1010)/Cr(112)[111]/Ba(110)[100]；和Co(1010)/Cr(112)[111]/Ni(110)[110]/Ba(110)[100]。
图28(a-b)表示在玻璃基片上生长的各种Ag(111)底层膜在有和没有(110)CrMn底层的条件下的x射线衍射光谱。在图28(a)中，fcc结构的低能(111)取向是主要的取向，但(111)结晶结构是弱的，并且在这个光谱中还观察到其它的取向。对比之下，图28(b)表示在CrMn层上将要强烈地展开的Ag(111)结晶结构，其强度接近7倍于没有bcc层时的(111)结晶结构的强度。
图29(a)和(b)表示直接淀积在一个玻璃基片上的以及淀积在一个Cu膜上、所说的Cu膜在260℃下又淀积在一个玻璃基片上的一个50纳米NiFe膜的XRD光谱。如所期望的，两膜均不产生强的结晶结构，并且对于NiFe/玻璃膜，观察到(111)和(200)NiFe取向的弱峰。对比之下，图29(c-d)表示在室温下淀积的Cu(100纳米)/Ag(100纳米)/Cr(30纳米)/玻璃和Cu(100纳米)/Cr(30纳米)/玻璃的XRD光谱，这个光谱展示出强大的峰，这些峰表明在膜中有一个强大的(111)结晶结构。
如可以期望的，在Cr/玻璃层上的Ag层中，(111)结晶结构的强度小于在单晶Si(111)上的这个(111)结晶结构强度。然而，使用晶格匹配的bcc层可提高基片选择的灵活性，并且可以提供一个多晶层，用来诱发极强的(111)结晶结构。例如，可以在一个常规的旋转记录介质上产生具有一个四方晶体(1011)或(0002)垂直取向的Co基层，其中晶体在介质平面是随机的，并且在晶体内部具有四方晶体的或垂直的定序。
图30表示通过向玻璃基片上射频二极管溅射制备的各种厚度的典型Cr膜的XRD扫描图形。(110)的峰值随膜的厚度近似线性地增加，这是因为从较厚的膜上将衍射较多的x射线，这和透射是不同的。另一方面，本底信号的峰-峰涨落或噪声是相对平缓的。比较50纳米厚的膜的(110)信号峰值高度与噪声的峰-峰值，人们可以看见，这个比值小于10。类似地，如果取较厚膜的信号峰值并用膜厚度和50纳米的比值去除，则可以得到大致相同的峰值信噪比。因此，我们可以看见，50纳米膜的x射线衍射峰值的典型的信噪比是小于1的。但在一般情况下，通过以低淀积速率的偏置进行处理或在湿润层上进行淀积，可以使这些信噪比有所改善。然而，这些改进的峰值远不如本发明的膜中表现出来的那么强。向(110)Cr淀积fccAg，然后向Ag淀积Cr，导致由图28和29的结果展现出来的强大得多的结晶结构，这里通过Cr(110)层使Ag的结晶结构得到明显的改进。
本发明的强取向层的性能随着膜的晶体结晶结构性能的提高而提高。因此，优选的作法是，本发明的膜的XRD信噪比为每个50纳米膜厚度至少10∶1，这个信噪比是通过这里描述的薄膜XRD方法确定的。虽然使用信噪比较低的膜能实施本发明，但很可能不像具有较高信噪比的膜那样体现出本发明的优点。
使用bcc(110)层诱发(111)fcc层，可以提供具有强的(0002)取向的Co基的磁性层，这个磁性层可以包含在常规的磁介质中，用在使用简单的底层和磁结构的垂直记录应用中，例如CoCrPtTa(0002)/Ti(00022)/Ag(111)/Cr(110)/玻璃。这些层在带有和不带有软磁底层和保磁介质表层的磁-光介质和垂直磁介质这两者当中都是有用的。
具有(110)结晶结构的Cr合金膜一般来说是容易实现的，这是因为(110)结晶结构的表面是bcc晶体的最低能量的、密集的表面。已经表明，通过淀积极厚的层，并在室温下淀积，其中使用低的淀积速率，并且最好使用溅射淀积期间的基片偏压，从而可以制备出Cr(110)。
本领域的普通技术人员将会认识到，在不偏离本发明的范围的条件下可以对本发明的方法和设备的特定方面进行一系列的改进和变化。期望这些改进和变化都由上述的说明书和下面的权利要求书所覆盖。
权利要求
1.一种记录介质，包括一个基片；一个具有(1010)晶体结晶结构的Co或Co合金膜，它形成一个磁记录层；一个底层结构，它具有(1)至少一个第一底层，第一底层具有一个面心立方结构和一个(110)晶体结晶结构，这个晶体结晶结构位于所说基片和所说磁性层之间，和(2)至少一个第二底层，第二底层具有一个体心立方结构和一个(112)晶体结晶结构，这个晶体结晶结构位于所说第一底层和所说磁性层之间。
2.权利要求1的记录介质，其特征在于所说第二底层包括Cr合金固溶体。
3.权利要求1的记录介质，其特征在于所说的第二底层包括从以下组中选出来的一种材料B2、D03、和L21体心立方衍生结构。
4.权利要求1的记录介质，其特征在于所说的第二底层包括从以下组中选出来的一种材料Cr、Cr合金、和具有B2定序结构的并且晶格常数基本上可以和Cr比拟的一种材料。
5.权利要求1的记录介质，其特征在于所说的第二底层包括从以下组中选出来的一种材料Cr、CrV、CrMo、CrW、CrTi、CrMn、NiAl、AlCo、FeAl、FeTi、CoFe、CoTi、CoHf、CoZr、NiTi、CuBe、CuZn、AlMn、AlMn、AlRe、AgMg、Al2FeMn2、AlNi2Ta、AlNi2Nb、AlNi2Ti、Fe3Al、和它们的组合物。
6.权利要求1的记录介质，其特征在于所说的第一底层包括L10和L12面心立方衍生结构。
7.权利要求1的记录介质，其特征在于所说的第一底层包括从以下组中选出来的一种材料Ag、Au、Cu、Al、及其组合物。
8.权利要求1的记录介质，其特征在于所说的第一底层由Ag构成。
9.权利要求1的记录介质，其特征在于所说的第一底层由Ag构成；所说第二底层由Cr构成；并且所说基片包括一个Si(110)单晶。
10.权利要求1的记录介质，其特征在于进一步包括一个籽晶层，它位于所说的基片和所说的磁记录层之间。
11.权利要求1的记录介质，其特征在于进一步包括一个湿润层，它位于所说的基片和所说的磁记录层之间。
12.权利要求1的记录介质，其特征在于；所说的基片是在上边淀积有湿润层的多晶基片，所说的记录介质进一步包括第三底层，第三底层具有体心立方结构和一个(110)晶体结晶结构，所说的晶体结晶结构位于所说湿润层和所说第一底层之间。
13.权利要求1的记录介质，其特征在于所说基片包括一个非氧化的Si(110)单晶体。
14.权利要求13的记录介质，其特征在于所说的第一底层包括从以下组中选出来的一种材料Ag、Au、Cu、Al、及其组合物。
15.权利要求1的记录介质，其特征在于所说的磁性层包括从以下组中选出来的一种Co合金CoCr CoSm CoPr CoP CoNi CoPtCoNiCr CoNiZr CoPtNi CoCrTa CoCrPt CoCrP CoCrTaSiCoCrPtSi CoCrPtB CoCrPtTa CoCrPtTaB CoCrPtTaNb及其组合物。
16.权利要求1的记录介质，其特征在于所说的底层结构进一步包括一个中间层，所说的中间层位于所说第二底层和所说磁记录层之间。
17.权利要求1的记录介质，其特征在于进一步包括一个第二磁记录层和一个内层，所说第二磁记录层由Co或Co合金构成，所说内层位于所说第一和第二磁记录层之间。
18.权利要求1的记录介质，其特征在于所说介质的晶体结晶结构的每50纳米厚的XRD信噪比至少为10∶1，这个比值是由薄膜XRD方法确定的。
19.一种记录介质，包括一个基片；一个具有(1010)晶体结晶结构的Co或Co合金膜，它形成一个磁记录层；一个底层结构，它具有(1)至少一个第一底层，第一底层具有一个体心立方结构和一个(110)晶体结晶结构，这个晶体结晶结构位于所说基片和所说磁性层之间，和(2)至少一个第二底层，第二底层具有一个体心立方结构和一个(112)晶体结晶结构，这个晶体结晶结构位于所说第一底层和所说磁性层之间。
20.一种数据存储设备，包括权利要求1-19中任何一个所述的记录介质；和一个磁传感器，它距所说介质极近地定位以便向所说介质记录数据和自所说介质读出数据。
21.一种数据存储设备，包括一个记录介质，所说记录介质包括一个基片；一个具有(1010)晶体结晶结构的Co或Co合金膜，它形成一个磁记录层；一个底层结构，它具有(1)至少一个第一底层，第一底层具有一个面心立方结构和一个(110)晶体结晶结构，这个晶体结晶结构位于所说基片和所说磁性层之间，和(2)至少一个第二底层，第二底层具有一个体心立方结构和一个(112)晶体结晶结构，这个晶体结晶结构位于所说第一底层和所说磁性层之间；和一个磁传感器，它距所说介质极近地定位以便向所说介质记录数据和自所说介质读出数据。
22.一种在基片上产生一个具有(1010)晶体结晶结构的Co或Co合金磁性层的方法，所说方法包括如下步骤提供一个底层结构，其特征在于它在一个基片上提供至少一个第一底层，第一底层具有一个面心立方结构和一个(110)晶体结晶结构，并且从第一底层生长至少一个第二底层，第二底层具有一个体心立方结构和一个(112)晶体结晶结构；在第二底层上淀积一个Co或Co合金磁性层。
23.权利要求22的方法，其特征在于所说方法进一步包括提供一个具有(110)晶体结晶结构的基片；和所说提供第一底层的步骤包括在基片上生长具有(110)晶体结晶结构的第一底层。
24.权利要求22的方法，其特征在于所说方法进一步包括提供一个具有(110)晶体结晶结构的非氧化单晶体Si基片；所说提供第一底层的步骤包括在基片上生长具有(110)晶体结晶结构的由Ag构成的第一底层；和所说提供第二底层的步骤包括在基片上生长具有(112)晶体结晶结构的第二底层，所说第二底层由Cr、Cr合金、或具有B2定序结构并且晶格常数基本上和Cr相比拟的材料构成。
25.一种记录介质，包括一个基片；一个具有(0002)晶体结晶结构的Co或Co合金膜，它形成一个磁记录层；一个第一底层结构，它具有(1)至少一个第一底层，第一底层具有一个面心立方结构和一个(111)晶体结晶结构，这个晶体结晶结构位于所说基片和所说磁性层之间，和(2)至少一个第二底层，第二底层位于所说第一底层和所说磁性层之间，以便在所说磁记录层中诱发(0002)晶体结晶结构。
26.权利要求25的记录介质，其特征在于；进一步包括一个第三底层，第三底层具有体心立方结构和一个(110)晶体结晶结构，位于所说第一和第二底层之间。
27.权利要求25的记录介质，其特征在于所说第二底层包括一个六角密集结构和一个(0002)晶体结晶结构。
28.权利要求25的记录介质，其特征在于所说第一底层由Ag构成；并且，所说基片由Si(111)单晶体构成。
29.权利要求29的任何一个的记录介质，其特征在于所说的第二底层由Ti构成。
30.权利要求25的记录介质，其特征在于所说的第二底层包括一个面心立方结构，它具有(111)晶体结晶结构和可与所说磁记录层相比拟的原子间隔。
31.权利要求25-30的记录介质，进一步包括一个软磁层，并且具有一个面心立方结构和一个(111)晶体结晶结构，所说的晶体结晶结构位于所说磁记录层和所说第一底层之间。
32.权利要求31的记录介质，其特征在于所说的软磁层由NiFe构成。
33.权利要求25的记录介质，其特征在于所说的基片包括一种从以下的组中选出来的基片材料玻璃、涂敷NiP的Al、玻璃陶瓷、陶瓷、和SiC；和第三底层具有体心立方结构和一个(110)晶体结晶结构，位于所说基片材料上。
34.权利要求33的记录介质，其特征在于所说第三底层由Cr、Cr合金、或具有B2定序结构的材料构成。
35.权利要求25的记录介质，其特征在于进一步包括第二底层结构，它位于所说磁性层和所说第一底层结构之间；和一个软磁层，它具有面心立方结构和一个(111)晶体结晶结构，位于所说第一和第二底层结构之间。
36.权利要求35的记录介质，其特征在于所说第二底层结构具有(1)具有面心立方结构和一个(111)晶体结晶结构的第一底层，和(2)具有六角密集结构和一个(0002)晶体结晶结构的第二底层；并且所说第一底层结构的所说第二底层是一个具有(111)晶体结晶结构的面心立方结构。
37.权利要求36的记录介质，其特征在于所说软磁层由NiFe构成；所说第一和第二底层结构中的每一个的所说第一底层是Ag；所说第一底层结构的所说第二底层是Cu；所说第二底层结构的所说第二底层是Ti；并且，所说基片包括Si(111)单晶体。
38.一种磁光数据存储设备，包括权利要求25-37中任何一个所述的记录介质。
39.一种数据存储设备，包括权利要求25-37中任何一个所述的记录介质。
40.一种传感器，包括一个基片；一个软磁层，具有面心立方结构和一个(111)晶体结晶结构；一个第一底层，第一底层具有一个体心立方结构和一个(111)晶体结晶结构；这个晶体结晶结构位于所说基片和所说软磁层之间，和一个第二底层，第二底层具有一个面心立方结构和一个(111)晶体结晶结构，这个晶体结晶结构位于所说第一底层和所说软磁层之间。
41.权利要求40的传感器，其特征在于所说第一底层由Cr构成；所说第二底层由Ag或Cu构成；所说软磁层由Ni、NiFe合金、面心立方结构的Co、或面心立方结构的Co合金构成。
42.权利要求40-41的传感器，其特征在于所说基片是Si(111)单晶体。
43.一种记录介质，包括一个基片；一个具有(1011)或(1010)晶体结晶结构的Co或Co合金膜，它形成一个磁记录层；一个底层结构，它具有(1)至少一个第一底层，第一底层具有一个面心立方结构和一个(111)晶体结晶结构，这个晶体结晶结构位于所说基片和所说磁性记录层之间，和(2)至少一个第二底层，第二底层具有一个体心立方结构和一个(110)晶体结晶结构，这个晶体结晶结构位于所说第一底层和所说磁性记录层之间。
44.权利要求43的记录介质，其特征在于所说基片是一个Si(111)单晶。
45.权利要求43的记录介质，其特征在于所说第一底层是Ag；所说第二底层是Cr；所说基片是Si(111)单晶体。
46.权利要求43的记录介质，其特征在于进一步包括一个第三底层，第三底层具有多晶体心立方结构和一个(110)晶体结晶结构，位于所说基片上。
47.一种数据存储设备，包括权利要求43-46中任何一个所述的记录介质；和一个磁传感器，它距所说介质极近地定位以便向所说介质记录数据和自所说介质读出数据。
48.一种记录介质，包括一个底层结构；一个磁性层结构，磁性层位于底层结构上；和一个基片，基片位于底层结构的下方，该记录介质的特征在于基片是具有(111)晶体结晶结构或(110)晶体结晶结构之一的一个单晶Si。
49.权利要求48的记录介质，其特征在于所说磁性层结构由定序的磁阵列构成。
50.权利要求48的记录介质，其特征在于基片是Si(111)，并且底层结构的特征是至少一个第一底层具有面心立方结构和(111)晶体结晶结构，位于所说基片和所说磁性层之间；以及至少一个第二底层位于所说第一底层和所说磁性层结构之间。
51.权利要求50的记录介质，其特征在于进一步包括一个软磁层，它位于所说第一和第二底层之间。
52.权利要求48的记录介质，其特征在于基片是Si(111)，并且底层结构的特征是第一底层具有面心立方结构和(111)晶体结晶结构，位于所说基片和所说磁性层之间；第二底层具有体心立方结构和(110)晶体结晶结构，位于所说第一底层和所说磁性层结构之间。
53.权利要求48的记录介质，其特征在于所说磁性层结构包括具有(0002)晶体结晶结构的一种Co或Co合金基的材料。
54.权利要求53的记录介质，其特征在于进一步包括一个第三底层，第三底层由具有(0002)晶体结晶结构的一个六角密集结构构成，位于所说第二底层和所说磁性层结构之间。
55.权利要求48的记录介质，其特征在于所说磁性层结构包括具有(1011)晶体结晶结构的一种Co或Co合金基的材料。
56.权利要求48的记录介质，其特征在于基片是Si(110)，并且底层结构的特征是至少一个第一底层具有面心立方结构和(110)晶体结晶结构，位于所说基片和所说磁性层之间；至少一个第二底层具有体心立方结构和(112)晶体结晶结构，位于所说第一底层和所说磁性层结构之间。
57.权利要求48的记录介质，其特征在于所说磁性层结构包括具有(1011)晶体结晶结构的一种Co或Co合金基的材料。
58.权利要求48的记录介质，其特征在于基片是Si(111)，并且底层结构的特征是Co或Co合金膜具有(1011)晶体结晶结构，形成一个磁记录层；第一底层具有面心立方结构和(111)晶体结晶结构，位于所说基片和所说磁性记录层之间；第二底层具有体心立方结构和(110)晶体结晶结构，位于所说第一底层和所说磁记录层之间。
59.权利要求48-58中任何一个所述的记录介质，其特征在于进一步包括一个软磁保磁层，位于所说磁性层结构上。
60.一种数据存储设备，包括权利要求48-59中任何一个所述的记录介质；和一个磁传感器，它距所说介质极近地定位以便向所说介质记录数据和自所说介质读出数据。
61.一种传感器，包括一个底层结构；一个磁性层结构，磁性层位于底层结构上；和一个基片，基片位于底层结构的下方，其特征在于基片是具有(111)晶体结晶结构或(110)晶体结晶结构之一的一个单晶Si。
62.一种记录介质，包括一个底层结构；一个超晶格多层的磁性层结构，该磁性层位于底层结构上；和一个基片，基片位于底层结构的下方，该记录介质的特征在于基片是具有(111)晶体结晶结构或(110)晶体结晶结构之一的一个单晶Si。
63.权利要求62的记录介质，其特征在于底层结构的特征是(1)至少一个第一底层具有面心立方结构和(111)晶体结晶结构；(2)至少一个第二底层位于所说第一底层上，并且具有面心立方结构和(111)晶体结晶结构；(3)一个软磁层位于所说第二底层上；和(4)至少一个第三底层位于所说软磁层上，并且第三底层具有六角密集结构和(0002)晶体结晶结构，或者具有面心立方结构和(111)晶体结晶结构。
64.权利要求63的记录介质，其特征在于所说第一底层是Ag；所说第二底层是Cu；所说软磁层是NiFe；所说第三底层是Ti、非磁性CoCr合金、或Ag，所说基片是Si(111)。
65.权利要求62的记录介质，其特征在于所说磁性层是从以下组中选择出的Co和Pt的多层、Co和Pd的多层、及其组合物。
全文摘要
本发明提供磁和磁光记录介质和由其构成的传感器和数据存储设备,具有强取向的膜,在膜的晶体结构中有长程的定序。该记录介质包括:一个由具有(1010)晶体结晶结构的例如Co或一种或多种Co合金的Co基材料构成的磁记录层;一个基片;一个第一底层,第一底层具有一个fcc结构和一个(110)晶体结晶结构,这个晶体结晶结构位于所说基片和所说磁性记录层之间;和一个第二底层,第二底层具有一个bcc结构和一个(112)晶体结晶结构,这个晶体结晶结构位于所说磁记录层和所说第一底层之间。具体来说,如果一个(110)Si单晶基片是非氧化的具有fcc结构的某种金属(如Ag、Cu、Al、Au)和fcc衍生结构(如L文档编号G11B5/65GK1285948SQ98813018
公开日2001年2月28日 申请日期1998年11月9日 优先权日1997年11月10日
发明者D·N·兰贝思, D·E·劳林, 龚恒, 杨巍, 周捷 申请人:卡内基梅隆大学