专利名称：多各向异性分层磁结构的制作方法
技术领域：
本发明总地涉及磁硬盘驱动器，更特别地，涉及具有多各向异性分层磁结构的系 统、方法和装置，该多各向异性分层磁结构用于紧缩位图案化介质中的磁翻转场分布且控 制反转机制。具体示例包括具有不同各向异性起源、各向异性幅度、各向异性方向或各向异 性梯度的三层或更多层，从而进一步增大位图案化介质中的可写性增益。
背景技术：
位图案化介质(BPM)是拓展磁记录密度超越基于颗粒记录介质的常规连续垂直 磁记录能实现的磁记录密度的优选方案。BPM的岛需要足够小且有足够的磁品质从而支持 高的位面密度(例如500Gb/in2或以上)。例如在lTb/in2的密度，岛具有约15至20nm的 直径(假定25. 4nm2的单位单元)，槽具有约10. 4至15. 4nm的宽度，位纵横比(BAR)为约 1或更大。此外，预期翻转场分布(SFD)需要小于1000-15000e，取决于磁头场梯度和其他 系统参数。例如参见 Μ·Ε· Schabes，"Micromagnetic Simulations for Terabit/in2Head/ Media Systems”，J. Magn. Mag. Mat.，(2008)。此外，由于写头的场随着写头尺寸降低而变 小，所以维持岛的可写性和热稳定性对于lTb/in2及以上密度的BPM而言是一个问题。发展BPM的另一重要问题是SFD (即位之间的矫顽场变化)需要足够窄以确保各 个预定位的准确寻址能力而不覆写相邻的位。SFD源自许多因素，例如图案化点的尺寸、形 状和间隔的变化，所使用的磁薄膜系统的本征磁各向异性分布以及位之间的偶极相互作用 (dipolar interaction)0还知晓的是，交换弹簧多层结构为大致固定的热障(thermal barrier)提供可写 性增益，且因此已被提出用于使用连续介质和位图案化介质的记录系统。例如见D. Suess, et al. , Appl. Phys. Lett. 87,012504 (2005) ；D. Suess, Appl. Phys. Lett. 89,113105 (2006)； D. Suess, et al. J. Magn. Magn Mater. 290-291, 551 (2005) ；D. Suess, et al. , Appl. Phys. Lett. 92,173111(2008)。已经提出了包括强交换耦合到较软成核主层(softer nucleation host)的硬磁存储层的多层交换弹簧记录介质，以降低存储层的翻转场(switching field)。该设计保持硬磁层的能垒(energy barrier)几乎不变，这允许维持良好的热稳 定性，同时降低反转场(reversal field)。例如见美国专利申请No. 2007/0292720，其通 过引用全部包含于此。在这样的双硬/软层结构中，在软磁层中在低磁场下成核垂直畴 壁。该垂直畴壁传播穿过软磁层且在与硬磁层的界面处被钉扎住，直到磁场幅度足够大从 而使畴壁传播到硬磁层(即实际存储层)中。在该情况下，介质翻转场定义为畴壁去钉扎 场(depirming field)。该场低于介质翻转场本身，因此交换弹簧结构允许介质翻转场的降 低。此外，去钉扎场作为相对于各向异性轴的外场角度θ的函数的关系由类Kondorsky定 律描述，Hswitehing = Ι/cos ( θ )。在该情况下，随着θ从0到45度，Hswitehing不变化很大，因 此交换弹簧介质允许减小源自磁介质中的各向异性易轴角分布的SFD。在本发明中，公开了 BPM岛的新颖结构，其增强了用于BPM的交换弹簧材料的增 益，由此为约0. 5至lOTb/in2面密度范围的BPM的前述问题提供了解决方案。
为使垂直畴壁传播所需的局部施加的场主要依赖于介质层在与软磁层的界面处 在等于交换长度(L(ex) = [Α/(2πΜ32)]1/2)的深度内的属性。交换长度对于Co/Pd多层而 言为约20nm，假定交换常数A = 4. liTerg/cm且饱和磁化Ms = 400emu/Cm3。这意味着介质 层内交换长度L(ex)内的任何本征或外来缺陷会引发传播场值的改变(多数是增大)。在 真实图案化点阵列中，介质层很少深度均一，且从一位到另一位具有大的本征各向异性变 化。例如见 T. Thomson，et al.，Phys. Rev. Lett. 96，257204 (2006)。由于大的介质体积控 制传播场，所以交换弹簧介质结构仍表现出大的翻转场分布。为了解决至少部分该问题，本发明的一个方面(超越更一般的不同各向异性多层 结构的介绍)在于通过在软磁成核主层和实际介质层之间增加薄(高各向异性)层来减小 控制畴壁钉扎的磁体积，该薄层用作畴壁传播的势垒。在该情况下，介质层不再是定义畴壁 钉扎特征的层，钉扎层和实际存储层的属性可独立地调节和优化。
发明内容
用于窄化位图案化介质中的磁翻转场分布和控制反转机制的具有多各向异性分 层磁结构的系统、方法和装置在这里得到公开。本发明将交换弹簧概念拓展到更多变量和 复杂的结构。示例包括三个或更多具有不同各向异性幅度、各向异性起源、各向异性方向或 各向异性梯度的层从而增大可写性增益，超越了简单的硬磁/软磁双层交换弹簧概念。在一些实施例中，结构具有薄的非常硬磁性(即高各向异性)的中间层，其用作穿 过整个介质结构的畴壁传播的阈值层(threshold layer)或钉扎层。此外或者替换地，一 般使用的软磁表面层和硬磁介质层之间的薄的非常软磁性(即低各向异性)的中间层允许 在介质界面处对畴壁的大的压缩。实现了可写性和热稳定性增益，超越了所述双层交换弹 簧概念。介质结构的各种属性可以更独立地调节以实现优化，如果使用更高级的多各向异 性层堆叠的话。此外，本发明通过引入传播障垒而改善了且更好地控制常规交换弹簧结构的反转 机制及进而的翻转场分布(SFD)。例如，传播障垒可包括在成核主层和实际介质层之间的薄 的非常硬磁性(或者非常软磁性，或者非常软磁/非常硬磁性)的磁层或多层(磁双层或 磁梯度双层)。薄的中间层或多层降低了定义传播场值的体积。因此，影响传播场的最终缺 陷的数量与介质层中起作用的那些(例如本征各向异性离散度、本征或外来缺陷)相比得 到限制。结果，增加钉扎层减小了位图案化介质中的SFD。结合附图和权利要求参考下面对本发明的详细描述，本发明的前述和其他目的和 优点将对本领域技术人员变得显然。
通过参考示于附图中的本发明的实施例，能得到获得并更详细地理解本发明的特 征和优点的方式以及对上面概述的本发明的更特定的描述。然而，附图仅示出本发明的一 些实施例，因此不应被视为对本发明的范围的限制，本发明可容许其他等效实施例。图1A-1E是根据本发明构造的三层交换弹簧 结构的各种实施例的示意图；图2A-2E是示出在根据本发明构造的三层交换弹簧结构实施例中的反转机制的 示意图3A-3D是根据本发明构造的三层交换弹簧结构的又一些实施例的示意图；以及图4是对于根据本发明构造的结构的一个实施例而言作为中间层各向异性的函数的翻转场的图。
具体实施例方式非常期望避免位图案介质的翻转场由介质本身中引发的反转过程定义。通过将软 磁层(也称为主成核层)耦合到介质，首先在低场下，外磁场下的翻转过程对应于软磁层中 垂直畴壁的成核，其通过软磁层传播且在软磁/硬磁层界面处被钉扎住。其次，对于场h(n, soft) < H < H(N,^ia),翻转经由畴壁传播到介质层中而继续进行，由此引发实际存储介质写 过程。通过在常规软磁/介质双层交换弹簧结构之间增加具有较高或较低各向异性的额外 层，可写性增益得到拓展，同时维持了热稳定性。这使得可以更好地控制能被独立调节的各 种介质参数，且因此设计有助于减小BPM中的SFD的反转机制。具体的各向异性示例分布 更详细地勾勒于下面对附图的描述中。参照图1-4，公开了用于控制反转机制和紧缩位图案化介质中的翻转场分布的多 各向异性分层磁结构的系统、方法和装置的实施例。在一些实施例中，本发明包括用于三层 交换弹簧的结构。图1示出用于三层交换弹簧结构的示例，具有中间畴壁传播控制层和相 应的得到调节的各向异性分布。每个子层中的各向异性基本恒定。图IA示出三层交换弹 簧，具有中间层的中度值K1。图IB示出三层交换弹簧，具有Kl-下陷(dip) 13。图IC示出 三层交换弹簧，具有Kl-障(barrier) 15。取决于实际介质属性和微结构，可以有利地使用 这些结构中的任一种来朝向期望的性能调节总体系统参数，例如矫顽力(即可写性)、回线 方度(loop squareness)、SFD、反转机制和热稳定性。图ID和图2示出图IC所示的各向异性结构及其反转来作为一个更详细的示例。 中间的高各向异性层用作用于畴壁的钉扎层21。这允许一旦钉扎层的阈值场被外场克服， 则畴壁迅速穿过介质层23。更详细地，该特定三层堆叠中的磁化构造如下。对于所施加的 场H<H(N,s。ft)，不同层中的磁化31均平行排列(图2A)。图IE示出不同各向异性磁层之间 的非磁中间层，以独立于磁层本身的磁属性调节不同各向异性的磁层之间的交换耦合。通 常，非磁中间层的厚度可用来精确调节两侧的磁层之间的交换耦合。在图2B中，畴壁33成核到软磁层中。在图2C中，对于H(N,s。ft) <H<Hp，畴壁35 被压到钉扎层。Hp为传播场值，即推动畴壁穿过中间层所需的场。H(N,s。ft)为软磁层的成核 场，即软磁层中使畴壁成核所需的场；H(N,hml)与此类似。在图2D中，在H = Hp，钉扎层磁化 开始反转且畴壁37穿过钉扎层被推进到介质层中。然后畴壁被推动快速穿过介质层，因为 其各向异性低于钉扎层的各向异性。一旦畴壁传播穿过更高各向异性的钉扎层，则介质层 中可能的缺陷不能钉扎畴壁。在图2E中，超过Hp，全部磁层又沿外磁场方向39指向。图3示出具有调节的各向异性分布的三层交换弹簧结构的另一些示例。至少一个 子层中的各向异性呈梯度。图3A示出三层交换弹簧，中间层具有中度值K1。图3B是三层 交换弹簧，具有Kl-下陷43。图3C是三层交换弹簧，具有Kl-障45，图3D是两层梯度结构 47。可写性和SFD的改善将取决于很多变量，包括例如材料选择、缺陷密度、层厚度 等。利用三层结构的微磁模拟，在用于本发明示范性实施例的图4中示出益处的证明。图4示出对于根据图1A-1C所示的结构的示范性实施例，作为中间层的各向异性的函数的翻转 场。在该图中，整个多层的翻转场的值示出为中间层各向异性场(HK,mid)和硬磁(底)层各 向异性场(HK,b。tt。m)之间的比的函数。通过使用中间层下陷53，三层结构的翻转场可减小到 梯度结构51的各向异性之下。SFD的计算进一步示出，与硬磁存储层(在以上示例中即为底 层)的SFD相比，三层结构基本具有显著降低的SFD。例如，当在示例计算中作为单层BPM的 硬磁存储层具有Hk的7. 6%的SFD时，图1的三层结构对于子层的无关联(imcorrelated) 的各向异性具有Hk的2. 6-3.7%范围内的SFD，且对于关联(correlated)的各向异性具有 Hk的4. 5-5. 7%范围内的SFD。
可用于制造这样的结构的材料的一些实施例包括以下内容。使用这里示出和描 述的各向异性分布结构，垂直各向异性材料例如合金(Co3Pt、CoPt, FePt, CoCrPt, TbFeCo, TbC0等)或多层可用于允许一个层内恒定的各向 异性(图1C)或者一个层内成梯度的各向异性(图3C)。在该基础上，可以例如使用软磁 Co/Ni多层或CoCrPt合金作为软磁成核主层，非常硬磁性的Co/Pd多层或者Co3Pt或FePt 层作为阈值钉扎层，然后中度各向异性的Co/Pd或者CoCrPt或Co3Pt层作为实际存储层。 这里，通过改变Co/Pd多层中单个层的厚度或者FePt或Co3Pt合金层中的成分可以精细地 调节特定的各向异性。在图ID和2所表示的三层结构及其对应的反转机制的实施例中，硬磁介质层具有 适度高的垂直各向异性。成核主层包括一个或更多铁磁层或铁磁耦合层。成核层中的各向 异性小于硬磁存储层中的各向异性。在一个实施例中，钉扎层厚度低于介质中的交换长度 且其各向异性高于介质层的各向异性。软磁层铁磁耦合到钉扎层，钉扎层本身铁磁耦合到 实际介质层。耦合层可以引入到软磁层和中间层之间以及中间层和介质层之间以调节和控制 这些层之间的交换耦合度。耦合层可包括单种元素或者合金(例如Ru、Pd、Pt、RuCo等)。采用该新的三组元结构，介质磁化翻转可如下发生(图2)。从完全饱和状态开始 (图2A)，在磁场Hn，垂直畴壁成核在软磁层中(图2B)。在Hn和Hp之间，在软磁层中畴壁 被压到结构中间的钉扎层(图2C)。在H = Hp，畴壁克服了势垒(即穿过结构中间的硬磁 钉扎薄层)。畴壁首先反转钉扎层磁化，然后反转介质层磁化(图2D)。对于高于Hp的磁 场幅度，所有堆叠层的磁化均一地与初始状态相反地指向(图2E)。传播势垒的特征属性(即零场势垒高度和传播场)可通过改变钉扎层磁属性例如 各向异性、饱和磁化、厚度、微结构等来调节。也可参见S. Mangin，et al. Phys. Rev. B 60， 1204(1999)。中间层可被调节以具有一传播场值例如HN(s。ft) < Hp < HN(ha,d)，即推动畴壁穿 过中间层所需的场应高于软磁层中使畴壁成核所需的场。插入钉扎层不抑制常规交换弹簧介质结构降低绝对翻转场的优点，同时保持了介 质层的热稳定性。另一方面，与以前的成核主层/介质层双层结构相比，钉扎层加强了介质 的零场热稳定性。在又一些实施例中，磁层可具有离面(out-of-plane)、面内或另一方向的各向异 性，且可以是或者可以不是彼此共线的。软磁层/钉扎层双层结构可用在介质层的两侧。在 该情况下，该系统将是软磁层/钉扎层/介质层/钉扎层/软磁层。层之间的耦合能通过 中间层直接或间接调节。耦合可以是铁磁的或反铁磁的。
温度可用来促进畴壁通过非常硬磁性的夹在中间的层的传播。畴壁克服障垒是热 促进过程，公知地在热辅助记录中用于改善性能。在一些实施例中，本发明是多各向异性分层磁结构，用于控制反转机制且紧缩位 图案化介质中的翻转场分布(SFD)。本发明可包括具有至少三层的交换弹簧以用于改善可 写性增益，所述至少三层具有不同的各向异性或具有各向异性梯度，该交换弹簧具有软磁 表面层；硬磁层；以及在该软磁表面层和该硬磁介质层之间包括非常硬磁性的高各向异性 中间薄层的传播障垒层，其用作位图案化介质内的畴壁的阈值层或钉扎层。在另一些实施例中，该结构还包括或者替代地包括在该软磁表面层和该硬磁介质 层之间的非常软磁性的低各向异性中间薄层，以允许稳定化非常软磁性的层和该介质层之 间的界面处的畴壁且允许畴壁最终传播到介质层中之前畴壁的较大压缩。软磁表面层可包 括成核主层，传播障垒可包括在磁成核主层和硬磁介质层之间的具有恒定各向异性或梯度 各向异性的磁层或双层。成核主层可包括一个或更多铁磁层或铁磁耦合层，成核主层中的 各向异性小于硬磁介质层中的各向异性，钉扎层的厚度小于介质中的交换长度且其各向异 性高于硬磁介质层的各向异性。在又一些实施例中，传播障垒降低介质层的临界传播体积，以产生较窄SFD。在低 外磁场中，翻转过程可对应于软磁层中垂直畴壁的成核。对于外磁场H(N,s。ft) < H < H(N,ffledia)， 翻转过程可对应于畴壁在硬磁介质层内的传播，因此引发介质写过程。本发明还可包括在软磁表面层和磁介质层的这些层之间的具有各向异性的额外 层，从而与热稳定性相关的可写性增益得到拓展。此外，每个子层内的各向异性可大致恒 定。至少一个子层内的各向异性也可以是成梯度的。传播障垒可提供(a)各向异性下陷和 (b)各向异性障垒(峰)之一。软磁表面层可包括C0/Ni、Co/Pd、Co/Pt多层，Co3PcU TbFeCo 或CoCrPt合金作为软磁成核主层，非常硬磁性的Co/Pd、Co/Pt多层或者Co3Pt、CoPt、FePt 合金层作为阈值钉扎层，以及中度各向异性的C0/Pd、C0/Pt、C0CrPt、C0Pt、FePt或Co3Pt层 作为实际存储层。这些磁层还可具有离面、面内或其他方向各向异性之一，且各向异性方向 可以彼此共线。虽然仅以一些形式显示和描述了 本发明，但是对于本领域技术人员而言显然的 是，本发明不限于此，而是可以有各种改变而不偏离本发明的范围。
权利要求
一种多各向异性分层磁结构，用于紧缩位图案化介质中的磁翻转场分布且控制反转机制，包括交换弹簧，具有不同各向异性或各向异性梯度的至少三层，用于改善可写性增益，该交换弹簧具有软磁表面层；硬磁介质层；以及传播障垒，包括在该软磁表面层和该硬磁介质层之间的薄的非常硬磁性的高各向异性中间层，该中间层用作用于穿过该位图案化介质的畴壁传播的阈值层或钉扎层。
2.如权利要求1所述的多各向异性分层磁结构，还包括在该软磁表面层和该硬磁介质 层之间的薄的、非常软磁性的低矫顽力中间层以允许在该非常软磁性的层和该介质层之间 的界面处稳定化畴壁且允许畴壁在传播到该硬磁层中之前在该非常软磁性的层内的较大 压缩。
3.如权利要求1所述的多各向异性分层磁结构，其中所述软磁表面层是成核主层，该 传播障垒包括在该磁成核主层和该硬磁介质层之间的具有恒定各向异性或成梯度的各向 异性的磁层或双层。
4.如权利要求3所述的多各向异性分层磁结构，其中所述成核主层包括一个或更多铁 磁层或铁磁耦合的层，该成核主层中的各向异性小于该硬磁介质层中的各向异性，该钉扎 层的厚度小于该介质中的交换长度且其各向异性高于该硬磁介质层的各向异性。
5.如权利要求1所述的多各向异性分层磁结构，其中该传播障垒降低该介质层的临界 传播体积从而窄化翻转场分布。
6.如权利要求1所述的多各向异性分层磁结构，其中在低的外磁场中，翻转过程对应 于该软磁层中垂直畴壁的成核。
7.如权利要求1所述的多各向异性分层磁结构，其中对于H(N,s。ft)< H < H(N,ffledia)的外 磁场，翻转过程对应于所述硬磁介质层内所述畴壁的传播，因此引发介质写入过程。
8.如权利要求1所述的多各向异性分层磁结构，还包括在该软磁表面层和该磁介质层 之间的额外的各向异性层，从而与热稳定性相关的可写性增益得到拓展。
9.如权利要求1所述的多各向异性分层磁结构，其中每个子层内的各向异性大致恒定。
10.如权利要求1所述的多各向异性分层磁结构，其中至少一个子层内的各向异性是 成梯度的。
11.如权利要求10所述的多各向异性分层磁结构，其中所述传播障垒提供(a)各向异 性下陷、(b)各向异性障垒(峰)和(c)双层梯度结构之一。
12.如权利要求1所述的多各向异性分层磁结构，其中所述软磁表面层包括作为软磁 成核主层的C0/Ni、Co/Pd、Co/Pt多层、Co3PcU TbFeCo或CoCrPt合金，作为阈值钉扎层的非 常硬磁性的Co/Pd、Co/Pt多层、Co3Pt、CoPt、或FePt合金层，以及作为实际存储层的中度各 向异性的 Co/Pd、Co/Pt、CoCrPt、CoPt、FePt 或 Co3Pt 层。
13.如权利要求1所述的多各向异性分层磁结构，其中磁层具有离面、面内或另一方向 的各向异性之一，且可以彼此共线。
14.如权利要求1所述的多各向异性分层磁结构，还包括在不同各向异性磁层之间的非磁中间层以用于独立于磁层本身的磁属性地来调节不同各向异性磁层之间的交换耦合。
15.一种多各向异性分层磁结构，用于紧缩位图案化介质中的磁翻转场分布且控制反 转机制，包括交换弹簧，具有不同各向异性或各向异性梯度的至少三层，用于改善可写性增益，该交 换弹簧具有软磁表面层；硬磁介质层；传播障垒，包括在该软磁表面层和该硬磁介质层之间的薄的非常硬磁性的高各向异性 中间层，该中间层用作用于穿过该位图案化介质的畴壁传播的阈值层或钉扎层；以及在该软磁表面层和该硬磁中间层之间的薄的、非常软磁性的低各向异性中间层，用于 允许在该非常软磁性的层和该介质层之间的界面处稳定化畴壁且允许畴壁在传播到该硬 磁层中之前在该非常软磁性的层中的较大压缩。
16.如权利要求15所述的多各向异性分层磁结构，其中所述软磁表面层是成核主层， 该传播障垒包括在该磁成核主层和该硬磁介质层之间的具有恒定各向异性或成梯度的各 向异性的磁层或双层，所述成核主层包括一个或更多铁磁层或铁磁耦合的层，该成核主层 中的各向异性小于该硬磁介质层中的各向异性，该钉扎层的厚度小于该介质中的交换长度 且其各向异性高于该硬磁介质层中的各向异性。
17.如权利要求15所述的多各向异性分层磁结构，其中该传播障垒降低该介质层的临 界传播体积从而产生更窄的翻转场分布。
18.如权利要求15所述的多各向异性分层磁结构，其中在低的外磁场中，翻转过程对 应于该软磁层中垂直畴壁的成核。
19.如权利要求15所述的多各向异性分层磁结构，其中对于H(N,s。ft)< H < H(N,ffledia)的 外磁场，翻转过程对应于所述硬磁介质层内所述畴壁的传播，因此引发介质写入过程。
20.如权利要求15所述的多各向异性分层磁结构，还包括在该软磁表面层和该磁介质 层之间的额外的各向异性层，从而与热稳定性相关的可写性增益得到拓展。
21.如权利要求15所述的多各向异性分层磁结构，其中每个子层内的各向异性大致恒定。
22.如权利要求15所述的多各向异性分层磁结构，其中至少一个子层内的各向异性是 成梯度的。
23.如权利要求22所述的多各向异性分层磁结构，其中所述传播障垒提供(a)各向异 性下陷、(b)各向异性障垒(峰)和(c)双层梯度结构之一。
24.如权利要求15所述的多各向异性分层磁结构，其中所述软磁表面层包括作为软磁 成核主层的C0/Ni、Co/Pd、Co/Pt多层、Co3PcU TbFeCo或CoCrPt合金，作为阈值钉扎层的非 常硬磁性的Co/Pd、Co/Pt多层、Co3Pt、CoPt、或FePt合金层，以及作为实际存储层的中度各 向异性的Co/Pd、Co/Pt、CoCrPt、CoPt、FePt或Co3Pt层，且磁层具有离面、面内或另一方向 的各向异性之一，且可以彼此共线。
25.如权利要求15所述的多各向异性分层磁结构，还包括在不同各向异性磁层之间的 非磁中间层以用于独立于磁层本身的磁属性调节不同各向异性磁层之间的交换耦合。
全文摘要
本发明提供一种多各向异性分层磁结构，用于紧缩位图案化介质中的磁翻转场分布且控制反转机制。本发明将交换弹簧概念拓展到更多变量和复杂的结构。不同各向异性或各向异性梯度的三层或更多层增大了可写性增益超越用于BPM的简单的硬磁/软磁双层交换弹簧概念。该结构具有薄的非常硬磁性的高各向异性中间层用作用于穿过整个介质结构的畴壁传播的阈值层或钉扎层。此外或替代地，一般使用的软磁表面层和硬磁介质层之间的薄的非常软磁性的低各向异性中间层允许畴壁快速开始传播到介质结构的中央。介质结构的各种属性可以更独立地被调节已用于优化，如果使用更高级的多各向异性层堆叠的话。
文档编号G11B5/667GK101847417SQ20091026251
公开日2010年9月29日 申请日期2009年12月29日 优先权日2009年3月27日
发明者奥拉夫·赫尔维格, 托马斯·豪特, 曼弗雷德·E·沙布斯 申请人:日立环球储存科技荷兰有限公司