用于高密度光磁混合记录的垂直磁化膜

技术领域

本发明属于存储介质技术领域，具体涉及一种用于高密度光磁混合记录的垂直磁化膜。

背景技术

随着信息时代的飞速发展，人们对具有大存储容量、高存储密度、低制造成本的信息存储介质的需求日益增加。这一需求推动着光存储、磁存储以及磁光存储向着高密度化方向发展。但光存储、磁存储以及磁光存储的发展都受到了一些因素的制约。在光存储以及磁光存储方面，由于受到光的衍射效应的限制，记录密度难以提高。(见Borg J.H.，Woudenberg R.V.“Trends in optical recording”，J.Magn.Magn.Mater.，1999，193：519-523)。这主要是因为在光的衍射效应影响下，记录光斑的直径为：

        D＝1.22λ/n sinθ

其中λ为记录激光的波长，nsinθ为光学头的数值孔径。显然，减小记录激光的波长或增大光学头的数值孔径，都可以减小记录点的尺寸，从而增加存储密度。但波长的减小会降低读出信号幅度，并降低性噪比(SNR)，而数值孔径的增加又是以焦深的减小为代价的。虽然采用近场光技术可以克服光的衍射效应的限制，但相关技术的实用化还比较困难。

近几年来，由于采用了具有巨磁阻效应的GMR磁头，加上磁记录介质材料磁性能的不断改善，使得纵向记录的面密度几乎在以100％的年增长速率快速增长。但这一增长势头将会受到超顺磁极限的限制。因为对于纵向磁记录来说，随着记录密度的不断提高，记录位的体积V相应减小，记录位的磁存储能K_uV随之也会降低，这使得记录位的热扰动能k_BT变得相对重要。这里Ku为磁各向异性能，k_B为Boltzman常数，T为绝对温度。Charp等认为当记录位的磁存储能与热扰动能的比值——K_uV/k_BT接近40的时候，热扰动将会影响记录位的稳定性，即表现出超顺磁性。(见Charp S.H.，LuP-L.and He Y.，“Thermal stability of recording information at highdensities，”IEEE Trans Magn.，1997，33(2)：978-983)。因此，为了提高介质的热稳定性，克服超顺磁极限，应采用K_u值较大的磁记录材料。但磁各向异性能Ku值的增大，将会使得介质的矫顽力随之增大。这将使得磁记录信号难以被写入到磁记录介质中。因此，对于纵向记录而言，磁畴热稳定性已成为制约记录高密度化的一个严重问题。虽然，垂直磁记录可在一定程度上缓解这一矛盾，但随着磁存储密度的提高，部分搽除和磁粘性增加，难以形成清晰的磁畴，而且噪声问题也是困扰垂直磁记录发展的一个主要问题。(见Ouchi.K et al.，“Overview of latest work onperpendicular recording media”IEEE Trans Magn V36，(2000)：16)

最近，围绕磁记录密度的提高和磁畴热稳定性能的改善，Cumpson SR等结合磁光记录以及磁记录的优点，提出了光磁混合记录的方法。(见Cumpson S R，Hidding P，Coehoorn R.，“A hybrid recording method usingthermally assited recording and flux sensitive detection，”IEEETrans Magn.，2000，36(6)：2271-2275)在这一新方法中，信号的写入类似于磁光记录的写入方式，采用的是热磁写入法，即采用聚焦激光束辅助加热方式，在室温下用激光束加热具有高矫顽力的介质，使其矫顽力迅速下降，然后用磁头写入；激光离开时，介质温度又很快下降，介质矫顽力又恢复到较高的值，这样使得介质具有较高的热稳定性。信号的读出采用的则是仿照硬磁盘的读出方法，也就是通过磁头检测漏磁场来读取信号。如果选用具有合适磁性能的材料作为存储介质，以灵敏度较高的GMR磁头来读取信号，将可以得到高的读出灵敏度和良好的分辨率。而且在光磁混合记录方法中，记录点的尺寸可以由激光光斑和磁头尺寸的大小进行优化减小，从而最大限度的提高记录密度。

目前，对于光磁混合记录来说，尽快找到合适的记录介质是这一技术得以大规模使用的关键所在。光磁混合记录方法对记录介质的总体要求是：室温下具有高的矫顽力和大的饱和或剩余磁化强度，矫顽力Hc大于40000e，饱和磁化强度Ms大于380emu/cm³。传统的磁光记录介质TbFeCo在室温下有较高的磁各向异性能，但它在室温时的剩磁很低，不适合用磁通检测读取信号。(见Lee Z.Y.，Miao X.S.，Zhu P.，et al，“The properties ofRE-TM magneto-optical films”，J.Magn.Magn.Mater.1992，115(1)：44)。而通常用的磁记录介质CoCrPtTa虽然具有较高的剩磁，但其磁各向异性能低，一般只有0.2×10⁷erg/cm³。虽然SmTbCo非晶垂直磁化膜具有较高的Ku值，但其矫顽力Hc小于40000e，满足不了光磁高密度混合记录的要求。(见发明专利：一种可用于高密度垂直磁记录的非晶垂直磁化膜，专利申请号02138727.3)因此，尽快研发出适合混合记录方式的最佳介质，是问题的关键所在。

发明内容

本发明的目的在于提供一种可用于高密度光磁混合磁记录的垂直磁化膜，该磁化膜的饱和磁化强度M_s大，磁各向异性常数K_u以及矫顽力H_c都比较高，而且磁滞回线矩形度高，能满足光磁混合磁记录介质所需的大的剩余磁化强度和高热稳定性的要求。

实现上述发明目的，我们发明了一种可用于高密度光磁混合磁记录的垂直磁化膜，它包括底层、磁性层和顶层，所述磁性层为轻稀土-重稀土-过渡金属双层耦合膜，该双层耦合膜是由读出层和写入层构成，读出层的元素组成为：轻稀土元素：12％-18％；重稀土元素：8％-15％；过渡金属元素：68％-80％；写入层的元素组成为：轻稀土元素：7％-17％；重稀土元素：25％-33％；过渡金属元素：50％-68％。

磁性层中的轻稀土元素(LRE)、重稀土(HRE)元素和过渡金属(TM)可以是其中的任意一种或几种。但轻稀土元素(LRE)为Nd、Sm、Pr元素，重稀土元素(HRE)为Gd、Tb、Dy元素、过渡金属(TR)元素为Co、Fe、或CoFe合金时技术效果更好。

溅射时为了避免因界面氧化而影响写入层和读出层的间的交换耦合性能，必须连续溅射写入层和读出层。

上述底层材料可选用AlN、SiN或Cr、Ti、Mo、W及Cr合金。

上述顶层材料可选用SiO₂、SiN、AlN或非晶C。

上述底层、写入层、读出层以及顶层的厚度可以由溅射功率和溅射时间加以控制，底层、写入层、读出层以及顶层的每一层的厚度不超过200nm。

上述基片为可以透光的玻璃或有机塑料薄膜基片。

由于重稀土元素的饱和磁化强度Ms较小，而轻稀土元素以及过渡金属元素的Ms较大，采用溅射法制备出的轻稀土(LRE)-重稀土(HRE)-过渡金属(TM)垂直磁化膜为亚铁磁结构，膜内重稀土元素(HRE)的磁矩方向与过渡金属元素(TM)的磁矩方向相反，轻稀土元素(LRE)的磁矩方向与过渡金属元素(TM)的磁矩方向相同。如果膜层为富过渡金属元素则可以得到大的饱和磁化强度，如果膜层为富稀土元素则可以得到大的磁各向异性常数Ku以及大的矫顽力Hc。因此，在溅射制膜的过程中，调节轻重稀土元素的比例(LRE/HRE)、稀土元素(RE)与过渡金属元素(TM)的比例(RE/TM)，可以获得饱和磁化强度M_s大，磁各向异性常数K_u以及矫顽力H_c都比较高的磁化膜，能满足光磁混合记录介质所需的大的剩余磁化强度和高的热稳定性的要求。

按照上述技术方案，我们制备了SiO₂/NdGdCo(TM-rich)/NdGdCo(RE-rich)/Cr/glass sub.垂直磁化薄膜。采用震动样品磁强计(VSM)测量了样品的磁性能(见附图3)，采用自动磁转矩仪测量了样品的磁各向异性常数。磁转矩仪的测量结果表明，底层的存在会增强NdGdGo薄膜的磁各向异性(见附图4)。磁性层组分由扫描电镜X射线能谱色散分析(EDXS)给出。部分样品的磁性能参数以及其性能分析结果由表1给出。

由表1可知这种膜的饱和磁化强度Ms值大于3.50×10²emu/cm³、矫顽力Hc大于4.6×10³Oe、磁各向异性常数Ku大于5.0×10⁶erg/cm³。而且磁滞回线矩形度Mr/Ms大于O.9，导致这种膜的剩磁高。因此，这种膜不但具有的良好的热稳定性，还具有漏磁场强，易于使磁头探测的优点，能够满足光磁混合记录的要求。

      表1：可用作光磁混合记录的部分样品的磁特性参数

附图说明

图1为可用于高密度光磁混合磁记录的垂直磁化膜的膜层结构；

图2为采用磁控溅射法制备磁光混合垂直磁化膜的工艺流程图；

图3为SiO₂/Nd_17.88Gd_10.12Co₇₂/Nd_9.78Gd_26.22Co₆₄/Cr双层耦合膜样品的磁滞回线；

图4为SiO₂/Nd_17.88Gd_10.12Co₇₂/Nd_9.78Gd_26.22Co₆₄/Cr和SiO₂/Nd_17.88Gd_10.12Co₇₂/Nd_9.78Gd_26.22Co₆₄样品的磁转矩曲线。

具体实施方式

所发明的磁光混合垂直磁化膜的制备方法是磁控溅射法，其工艺流程如图2所示。制膜所用的基片必须经过严格的化学及超声清洗。对于磁光混合记录用的垂直磁化膜，底层可以是AlN或SiN电介质膜，也可以是Cr、Ti、Mo、W或Cr合金膜。在溅射底层的过程中，溅射气压大小会影响膜的结构与性质，因此，必须选择合适的溅射气压。为了防止磁性薄膜被氧化，须溅射一定厚度的SiO₂层或AlN、SiN、非晶C层作保护层。

磁性层的组分、厚度以及溅射气压都会影响其磁性能，特别是溅射气压大小会影响磁性层的磁各向异性能的大小。磁性层厚度的控制可以通过溅射功率的大小以及溅射时间的长短来加以控制。其组分的调控是通过调整复合靶或合金靶的组分来实现的。复合靶组分的调控可以通过调整Co靶、Fe靶或FeCo合金靶上轻、重稀土元素的比例(如Nd、Gd片的数目)，以及稀土元素(NdGd整体的含量)与Co元素的比例来实现的。此外，由于在相同的溅射功率下不同元素的溅射速率也会有差别，因此溅射功率大小也可以影响磁性层的组分。为了避免界面杂质的影响，在溅射磁性层时，必须连续溅射富稀土层和富过渡金属层。

选择合适的溅射功率、溅射气压及溅射时间，优化溅射工艺参数，并适当调整磁性层组分，使得这类磁性膜的磁性能为：室温下矫顽力Hc在4×10³Oe至6×10³Oe，饱和磁化强度Ms大于350emu/cm³时，该类垂直磁化膜将可用作光磁混合磁记录介质。

按照前述技术方案，NdGdCo垂直磁化膜可以按以下方式制备：

实施例1：

(1)基片清洗以及溅射系统内部的严格清洁

(2)复合靶或合金靶的准备。复合靶或合金靶可以按以下方式准备：在两个Co靶上，分别放上数量合适的Nd片和Gd片，使NdGdCo读出层的组分大约为Nd：12％-18％、Gd：8％-14％、Co：68％-80％，或NdGdCo写入层的组分为Nd：7％17％、Gd：25％-33％、Co：50％-68％。也可以按这一元素比例分别制备富过渡金属和富稀土元素Co基合金靶。

(3)在溅射系统内分别安装好溅射靶和基片，然后对系统进行抽真空，使其本底真空度优于10^-6Torr。导入溅射气体Ar，使溅射腔体内的工作气压在1mT-8mT之间后，分别对靶和基片进行数分钟的预溅射，以清洁靶和基片表面。在溅射过程中，保持基板水冷。

(4)由于溅射气压对底层的表面形貌以及晶粒大小会有一定的影响，因此选择合适的溅射气压是必要的。可以选择合适的溅射气压、溅射功率以及溅射时间，先溅射上一定厚度的底层。例如：可以在溅射气压为4mT，溅射功率为300W，溅射时间为6min的情形下，溅射上厚度大约为180nm的Cr底层。

(5)由于溅射功率大小对于磁性层的组分会有一定的影响，而溅射气压以及溅射时间也会对磁性层的磁性能有一定的影响。因此需要选择合适的溅射气压、溅射功率以及溅射时间，溅射上一定厚度的磁性层。例如：可以在溅射气压为4mT，溅射功率为375W，溅射时间分别为4min的情形下，溅射上总厚度大约为160nm的/Nd_17.88Gd_10.12Co₇₂/Nd_9.78Gd_26.22Co₆₄/磁性层。

(6)溅射顶层。溅射上一定厚度的顶层，是为了防止磁性层的氧化。对于用作混合磁记录的样品，可以溅射上一定厚度的SiO₂层或AlN、SiN、非晶C层。例如：可以在溅射气压为4mT，溅射功率为300W、溅射时间为3min的情形下，溅射上厚度为120nm的SiO₂层。

按照实施例1，可以制备出其它不同组分的样品，以下列举几种不同组分样品的制备方案：

实施例2：膜层结构   膜层组分          溅射功率(W)   溅射气压(mTorr)   溅射时间(min)顶层       SiO₂                  300             3                  4磁性层     Nd_11.95Gd_8.05Co₈₀     350             5                  2

   /Nd_7.12Gd_24.88Co₆₈  350             5                2底层   Cr                   250             3                6

实施例3：膜层结构        膜层组分            溅射功率(W)   溅射气压(mTorr)   溅射时间(min)  顶层          SiO₂                  250              5                 3  磁性层        Nd_17.83Gd_14.17Co₆₈    375              4                 1.5

            /Nd_8.46Gd_29.54Co₆₂    375              4                 1.5  底层          Cr                     300              7                 4

实施例4：膜层结构        膜层组分            溅射功率(W)   溅射气压(mTorr)   溅射时间(min)  顶层          AlN                    350               4                 3  磁性层        Nd_16.46Gd_13..54Co₇₀   350               1                 3

            /Nd₁₇Gd₃₃Co₅₀       350               1                 3  底层          AlN                    300               4                 3

实施例5：膜层结构        膜层组分            溅射功率(W)   溅射气压(mTorr)   溅射时间(min)  顶层          SiN                    280                3                4  磁性层        Nd_12.03Gd_8..97Co₇₉    275                3                2

            /Nd_6.93Gd_33.07Co₆₀    275                3                2  底层          SiN                    225                5                3

实施例6：膜层结构       膜层组分             溅射功率(W)   溅射气压(mTorr)   溅射时间(min)  顶层          AlN                    250                4                5  磁性层        Nd_14.15Gd_13.85Co₇₂    300                8                1

     /Nd_11.54Gd_21.46Co₆₇         300             8                1底层     Ti                           260             4                4

实施例7：膜层结构    膜层组分             溅射功率(W)   溅射气压(mTorr)   溅射时间(min)  顶层      AlN                       350             2                4  磁性层    Nd_14.28Gd_13.72Fe₁₄Co₅₈  400             3                2

        /Nd_9.82Gd_23.18Fe₁₄Co₅₃ 400             3                2  底层      Cr₈₂W₁₈                 300             3                4

实施例8：膜层结构    膜层组分            溅射功率(W)   溅射气压(mTorr)   溅射时间(min)  顶层      SiN                      285             6                5  磁性层    Sm_17.52Dy_11.48Fe₇₁      320             1                3

        /Sm_19.67Dy_21.33Fe₅₉     320             1                3  底层      Cr₈₅Mo₁₅               250             4                4

实施例9：膜层结构    膜层组分            溅射功率(W)    溅射气压(mTorr)   溅射时间(min)  顶层      SiN                      350             4                5  磁性层    Pr_13.25Gd_14.75Co₇₂      350             4                3

        /Pr_16.28Gd_23.72Co₆₀     350             4                3  底层      Mo                       350             4                5

实施例10：膜层结构    膜层组分             溅射功率(W)    溅射气压(mTorr)   溅射时间(min)  顶层      SiO₂                   300              3                3磁性层    Sm_18.74Dy_13.26Fe₆₈       375         4           3

      /Sm_8.26Dy_26.74Fe₆₅       375         4           3底层      W                         300         3           5

按照上述具体实施办法所制备的SiO₂/Nd_17.88Gd_10.12Co₇₂/Nd_9.78Gd_26.22Co₆₄/Cr//glass sub.垂直磁化膜样品的磁性能的测试结果分别见图3和图4。图3为该样品垂直于磁场方向的磁滞回线。图4为该样品的磁转矩曲线。