專(zhuān)利名稱(chēng)：一種橫向交換耦合的磁信息存儲(chǔ)介質(zhì)材料及其制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于電子材料技術(shù)領(lǐng)域，涉及應(yīng)用于超高密度磁信息存儲(chǔ)的磁介質(zhì)材料，特別是 涉及解決在高各向異性常數(shù)磁記錄介質(zhì)上信息的寫(xiě)入問(wèn)題。
背景技術(shù)：
隨著信息化社會(huì)的不斷發(fā)展，人類(lèi)對(duì)信息存儲(chǔ)的要求越來(lái)越高，追求更高密度的信息存 儲(chǔ)是人類(lèi)永遠(yuǎn)的目標(biāo)。磁信息存儲(chǔ)是信息存儲(chǔ)的一種主要手段，在其高密度化過(guò)程中，要求 記錄磁疇的尺寸越來(lái)越小。當(dāng)尺寸小到一定程度時(shí)磁疇的熱運(yùn)動(dòng)將不規(guī)則，即表現(xiàn)出超順磁 性，從而失去記錄信息。磁有序的弛豫時(shí)間是衡量磁疇熱穩(wěn)定性的一個(gè)重要參數(shù)，它的表達(dá)
式為i^^exp(尺r/^:r)，其中r。為常數(shù)，K為磁各向異性常數(shù)，v為晶粒的體積，^為玻爾 茲曼常數(shù)，T為測(cè)量溫度。由該式可見(jiàn)，T與〖K/^r成指數(shù)關(guān)系。當(dāng)記錄點(diǎn)的尺寸v減小時(shí)，
熱穩(wěn)定性將急劇降低，為在室溫下保持良好的熱穩(wěn)定性，必須使介質(zhì)的磁各向異性常數(shù)K增 大。根據(jù)Stoner-Wohlfarth理論，各向異性常數(shù)的增加必然會(huì)引起矯頑力Hc的增大。但對(duì) 于傳統(tǒng)的磁記錄方法，記錄介質(zhì)矯頑力Hc的增大是有一定限度的，它決定于寫(xiě)入磁頭在一定 溫度下的飽和磁化強(qiáng)度。即使使用目前飽和磁化強(qiáng)度較高的材料(Fe8ja,2N, Fe97Si3N等富Fe 合金)作為寫(xiě)入磁頭，介質(zhì)矯頑力也應(yīng)低于360kA/m(45000e)，否則難以寫(xiě)入。
針對(duì)一方面需要用矯頑力高的材料作為超高密度磁存儲(chǔ)介質(zhì)，而另一方面現(xiàn)有的寫(xiě)入磁 頭飽和磁化強(qiáng)度難以滿(mǎn)足要求的現(xiàn)實(shí)，國(guó)內(nèi)外的研究學(xué)者提出了一些解決辦法。(l).采用光 磁混合記錄(opto-magnetic hybrid recording)技術(shù)，有人也叫它熱輔助磁記錄
(Heat-assisted magnetic recording, HAMR )禾口光輔助磁記錄 (optically-assisted magnetic recording, OAMR)技術(shù)，該技術(shù)的寫(xiě)入原理與早期的磁光存儲(chǔ)技術(shù)一樣，通過(guò)激 光束等熱源加熱高矯頑力磁存儲(chǔ)介質(zhì)至居里溫度附近，矯頑力大幅度下降，在外磁場(chǎng)的作用 下，介質(zhì)被磁化寫(xiě)入信息。其信息的讀出方式可用現(xiàn)有的巨磁電阻磁頭讀出技術(shù)讀出。該技 術(shù)可望把記錄密度提高到100Gbit/in2以上，但其存在的問(wèn)題是為了實(shí)現(xiàn)高密度信息存儲(chǔ)，對(duì) 激光光路的要求很高，增加了設(shè)計(jì)難度，并且是驅(qū)動(dòng)器技術(shù)與現(xiàn)有技術(shù)不兼容。(2).采用縱 向交換耦合復(fù)合磁介質(zhì)技術(shù)，其原理是將高各向異性常數(shù)的硬磁層(作為信息記錄層)與低 各向異性常數(shù)的軟磁層通過(guò)層間交換耦合構(gòu)成雙層或多層薄膜(如圖1所示)，利用軟磁層輔 助翻轉(zhuǎn)，從而降低了翻轉(zhuǎn)場(chǎng)，并且保持了記錄信息位的穩(wěn)定。這種復(fù)合介質(zhì)優(yōu)點(diǎn)是可以通過(guò)
目前的薄膜技術(shù)工藝得到，其驅(qū)動(dòng)器與現(xiàn)有技術(shù)兼容。但是目前，能用于100Gbit/ir/存儲(chǔ)密 度以上的介質(zhì)是具有U,相的FePt、 CoPt合金以及稀土永磁合金薄膜如SmCo、 NdFeB等，這些材料都需要高溫(大于5(xrc)后退火處理，才能具有高矯頑力特性，應(yīng)用于超高密度磁
信息存儲(chǔ)。在高溫處理過(guò)程中，這種通過(guò)層間交換耦合的復(fù)合介質(zhì)，其界面將會(huì)發(fā)生擴(kuò)散， 大大惡化記錄層的特性，從而使記錄信息位的翻轉(zhuǎn)場(chǎng)分布增大，信息記錄位的穩(wěn)定性降低。
(3).全新的存儲(chǔ)介質(zhì)概念，如磁電復(fù)合記錄介質(zhì)技術(shù)，就是利用電場(chǎng)輔助磁信息記錄位的翻
轉(zhuǎn)，但這些概念是剛剛由科學(xué)家提出，其實(shí)用化過(guò)程還較遠(yuǎn)，有許多基礎(chǔ)性的工作需要去做。

發(fā)明內(nèi)容
為了克服目前提出的縱向(層間)交換耦合復(fù)合磁信息存儲(chǔ)介質(zhì)在高溫處理過(guò)程中由于 界面擴(kuò)散、記錄層惡化引起的信息存儲(chǔ)單元翻轉(zhuǎn)場(chǎng)分布增大和信息記錄穩(wěn)定性降低的不足， 本發(fā)明提供一種新型的橫向交換耦合結(jié)構(gòu)的磁信息存儲(chǔ)介質(zhì)材料及其制備方法。本發(fā)明在同 樣解決高密度磁信息高矯頑力材料上的寫(xiě)入問(wèn)題的前提下，能夠進(jìn)一步降低信息存儲(chǔ)單元翻 轉(zhuǎn)場(chǎng)，從而使信息記錄位更加穩(wěn)定，滿(mǎn)足超高密度磁信息存儲(chǔ)的要求。
本發(fā)明的技術(shù)方案為
一種橫向交換耦合的磁信息存儲(chǔ)介質(zhì)材料，由周期性密集分布的磁信息存儲(chǔ)單元(即存 儲(chǔ)位)構(gòu)成，如圖2所示，所述磁信息存儲(chǔ)單元包括襯底基片l、高各向異性常數(shù)磁性薄膜2 和低各向異性常數(shù)磁性薄膜3。其特征在于磁信息存儲(chǔ)單元是由高各向異性常數(shù)磁性薄膜2 與低各向異性常數(shù)磁性薄膜3是在橫向方向上交換耦合而構(gòu)成的，其中低各向異性常數(shù)磁性 薄膜3的面積占整個(gè)磁信息存儲(chǔ)單元面積的五分之一到三分之一。
所述磁信息存儲(chǔ)單元的面積大小以及高、低各向異性常數(shù)磁性薄膜2、 3的厚度由所用材 料與記錄密度決定。
上述方案中所述高、低各向異性常數(shù)磁性薄膜2、 3材料可以是FePt、 CoPt、 SmCo、 NdFeB 或MnAl合金永磁材料。
一種橫向交換耦合的磁信息存儲(chǔ)介質(zhì)材料的制備方法，包括以下步驟-
步驟l.采用常規(guī)薄膜工藝在基片1上制備高各向異性常數(shù)磁性薄膜2。高各向異性常數(shù) 磁性薄膜2材料可以是FePt、 CoPt、 SmCo、 NdFeB或MnAl合金永磁材料。
步驟2.對(duì)步驟1.所制備的高各向異性常數(shù)磁性薄膜2進(jìn)行退火處理，使高各向異性常 數(shù)磁性薄膜2具備高矯頑力，并且磁矩沿基片表面或垂直于基片表面取向。
步驟3.根據(jù)記錄磁道的要求，釆用離子注入或離子擴(kuò)散工藝對(duì)步驟2.所得的高各向異 性常數(shù)磁性薄膜2進(jìn)行部分改性，使得改性部分的高各向異性常數(shù)磁性薄膜2的各向異性降 低，降低其矯頑力，從而形成低各向異性常數(shù)磁性薄膜3;最終由高各向異性常數(shù)磁性薄膜2 和低各向異性常數(shù)磁性薄膜3構(gòu)成橫向交換耦合的磁信息存儲(chǔ)介質(zhì)材料。
本發(fā)明提出了一種新型的橫向交換耦合結(jié)構(gòu)磁信息存儲(chǔ)介質(zhì)材料，該材料磁信息存儲(chǔ)單
元的翻轉(zhuǎn)場(chǎng)比縱向交換耦合結(jié)構(gòu)磁信息存儲(chǔ)介質(zhì)材料的磁信息存儲(chǔ)單元的翻轉(zhuǎn)場(chǎng)更小，如圖 4所示。圖4是通過(guò)微磁學(xué)理論模擬計(jì)算出的橫向和縱向交換耦合介質(zhì)的翻轉(zhuǎn)場(chǎng)隨軟磁部分 寬度或厚度變化關(guān)系，從圖中可以看出交換耦合介質(zhì)的翻轉(zhuǎn)場(chǎng)均隨軟磁寬度或厚度的增加而 減小，但橫向交換耦合介質(zhì)可以在較小寬度就可以時(shí)翻轉(zhuǎn)場(chǎng)下降到磁頭可寫(xiě)入的程度。本發(fā) 明通過(guò)高、低各向異性常數(shù)磁性薄膜的橫向耦合解決了高密度磁信息高矯頑力材料上的寫(xiě)入 問(wèn)題；同時(shí)解決了縱向交換耦合復(fù)合磁信息存儲(chǔ)介質(zhì)在高溫處理過(guò)程中由于界面擴(kuò)散、記錄 層惡化引起的信息存儲(chǔ)單元翻轉(zhuǎn)場(chǎng)分布增大和信息記錄穩(wěn)定性降低的不足，從而使信息記錄 位更加穩(wěn)定，滿(mǎn)足超高密度磁信息存儲(chǔ)的要求。


圖1為現(xiàn)有縱向交換耦合的磁信息存儲(chǔ)介質(zhì)磁信息存儲(chǔ)單元界面示意圖。其中1是襯底
基片，2是高各向異性常數(shù)磁性薄膜，3是低各向異性常數(shù)磁性薄膜。
圖2為本發(fā)明提供的橫向交換耦合的磁信息存儲(chǔ)介質(zhì)磁信息存儲(chǔ)單元界面示意圖。
圖3為記錄面密度為360Gbit/ir^的縱/橫交換耦合磁信息存儲(chǔ)介質(zhì)中低各向異性常數(shù)磁
性薄膜3 (即軟磁層)的厚度/寬度對(duì)交換耦合介質(zhì)翻轉(zhuǎn)場(chǎng)的影響。
具體實(shí)施例方式
設(shè)計(jì)橫向耦合交換耦合磁介質(zhì)的關(guān)鍵是根據(jù)記錄密度的要求，確定磁性材料及磁信息存 儲(chǔ)單元的面積，從而決定用于離子注入或離子擴(kuò)散改性部分的面積(即磁信息存儲(chǔ)單元中低 各向異性常數(shù)磁性薄膜3的面積)。下面以360Gbit/in2的面存儲(chǔ)密度記錄介質(zhì)為例說(shuō)明實(shí)施 方式。
具體實(shí)施方式
1
(1) 根據(jù)面密度的要求，確定每個(gè)磁信息存儲(chǔ)單元面積為40nmX40nm，磁信息存儲(chǔ)材料選 用FePt合金，其厚度為10nm;
(2) 在記錄盤(pán)片上通過(guò)直流磁控濺射工藝制備厚度為10nm的FePt合金薄膜，其中濺射靶 材為Fe50Pt50 (原子比)，純度為99.9%，濺射工藝為背底真空〈2X l(Tmbar;氬氣濺 射氣壓5X10—3mbar，功率為250W。
(3) 將已鍍磁性薄膜的盤(pán)片放在真空退火爐中，抽真空至lXl(Tmbar以下，沖入氫氣至氣 壓2X10—5mbar，在58(TC退火1小時(shí)，使磁性薄膜成為具有U相結(jié)構(gòu)的磁各向易軸沿 垂直于基片方向取向的高各向異性常數(shù)磁性薄膜2。
(4) 將事先設(shè)計(jì)好鉬片掩膜放置在已退火處理的磁性薄膜盤(pán)片上，通過(guò)離子束注入(劑量 107cm2)對(duì)相應(yīng)區(qū)域(40nmX10nm)改性，使其各向異性常數(shù)減小，易軸沿平面取向， 從而形成低各向異性常數(shù)磁性薄膜3。
具體實(shí)施方式
2
與具體實(shí)施方式
1類(lèi)似，只是將離子束注入工藝改為離子擴(kuò)散工藝。
具體實(shí)施方式
3
與具體實(shí)施方式
1類(lèi)似，只是將FePt合金材料改為CoPt、 SmCo或NdFeB。
具體實(shí)施方式
4
與具體實(shí)施方式
3類(lèi)似，只是將離子束注入工藝改為離子擴(kuò)散工藝。
權(quán)利要求
1、一種橫向交換耦合的磁信息存儲(chǔ)介質(zhì)材料，由周期性密集分布的磁信息存儲(chǔ)單元構(gòu)成，所述磁信息存儲(chǔ)單元包括襯底基片(1)、高各向異性常數(shù)磁性薄膜(2)和低各向異性常數(shù)磁性薄膜(3)，其特征在于，磁信息存儲(chǔ)單元是由高各向異性常數(shù)磁性薄膜(2)與低各向異性常數(shù)磁性薄膜(3)是在橫向方向上交換耦合而構(gòu)成的，其中低各向異性常數(shù)磁性薄膜(3)的面積占整個(gè)磁信息存儲(chǔ)單元面積的五分之一到三分之一。
2、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的橫向交換耦合的磁信息存儲(chǔ)介質(zhì)材料，其特征在于，磁信息存 儲(chǔ)單元的面積大小以及所述高、低各向異性常數(shù)磁性薄膜(2、 3)的厚度由所用材料與記錄 密度決定。
3、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的橫向交換耦合的磁信息存儲(chǔ)介質(zhì)材料，其特征在于，所述磁性 薄膜2、 3材料是FePt、 CoPt、 SmCo、 NdFeB或MnAl合金永磁材料。
4、 一種橫向交換耦合的磁信息存儲(chǔ)介質(zhì)材料的制備方法，包括以下步驟步驟l.采用常規(guī)薄膜工藝在基片(1)上制備高各向異性常數(shù)磁性薄膜(2);步驟2.對(duì)步驟l.所制備的高各向異性常數(shù)磁性薄膜(2)進(jìn)行退火處理，使高各向異性 常數(shù)磁性薄膜(2)具備高矯頑力，并且磁矩沿基片表面或垂直于基片表面取向；步驟3.根據(jù)記錄磁道的要求，采用離子注入或離子擴(kuò)散工藝對(duì)步驟2.所得的高各向異 性常數(shù)磁性薄膜(2)進(jìn)行部分改性，使得改性部分的高各向異性常數(shù)磁性薄膜(2)的各向 異性降低，降低其矯頑力，從而形成低各向異性常數(shù)磁性薄膜(3);最終由高各向異性常數(shù) 磁性薄膜(2)和低各向異性常數(shù)磁性薄膜(3)構(gòu)成橫向交換耦合的磁信息存儲(chǔ)介質(zhì)材料。
5、 根據(jù)權(quán)利要求4所述的橫向交換耦合的磁信息存儲(chǔ)介質(zhì)材料的制備方法，其特征在于， 步驟l.中高各向異性常數(shù)磁性薄膜(2)材料是FePt、 CoPt、 SmCo、 NdFeB或MnAl合金永磁 材料。
全文摘要
本發(fā)明屬于電子材料技術(shù)領(lǐng)域，涉及超高密度磁信息存儲(chǔ)技術(shù)。本發(fā)明的磁信息存儲(chǔ)單元由高/低各向異性常數(shù)磁性薄膜在橫向方向上交換耦合而成。制備時(shí)，先制備高各向異性常數(shù)磁性薄膜，經(jīng)退火處理后，采用離子注入或離子擴(kuò)散工藝對(duì)其進(jìn)行部分改性，降低改性部分的各向異性和矯頑力，從而形成低各向異性常數(shù)磁性薄膜；最終由高/低各向異性常數(shù)磁性薄膜在橫向上耦合成橫向交換耦合的磁信息存儲(chǔ)介質(zhì)材料。本發(fā)明解決了縱向交換耦合復(fù)合磁信息存儲(chǔ)介質(zhì)在高溫處理過(guò)程中因界面擴(kuò)散、記錄層惡化引起的信息存儲(chǔ)單元翻轉(zhuǎn)場(chǎng)分布增大和信息記錄穩(wěn)定性降低的不足，能夠進(jìn)一步降低信息存儲(chǔ)單元翻轉(zhuǎn)場(chǎng)，使信息記錄更加穩(wěn)定，滿(mǎn)足超高密度磁信息存儲(chǔ)的要求。
文檔編號(hào)H01F10/12GK101202145SQ20071005034
公開(kāi)日2008年6月18日 申請(qǐng)日期2007年10月30日 優(yōu)先權(quán)日2007年10月30日
發(fā)明者爽 劉, 唐曉莉, 張懷武, 樺 蘇, 荊玉蘭, 賈利軍, 鐘智勇 申請(qǐng)人:電子科技大學(xué)