带有写入辅助层的磁记录介质 【技术领域】
本发明一般性地涉及磁记录介质，尤其涉及改善写入能力但不降低热稳定性的介质结构。
背景技术
硬盘驱动器的磁记录介质结构通常包含一个刚性衬底，例如带有表面涂层(例如NiP)的玻璃或铝-镁盘像，一个或多个底层或种子层，磁层和保护性盘外涂层。具有四元CoPtCrB单一磁层的典型磁盘结构在美国专利6,187,408中已有描述。除常规单一磁层的磁层之外，最近较新的磁层结构类型是反铁磁耦合(AFC)磁层(如美国专利6,280,813中所述)。同样众所周知的是通过使磁层层叠起来，以减少固有的介质噪声，即改善信噪比(SNR)。在“低噪声”层叠磁层中，两层或更多层的磁薄膜通过非磁的隔离层去耦。在美国专利5,051,288中已经对具有两个磁薄膜的常规层叠磁层进行过描述。在已公开的美国专利申请US2002/0098390 A1中描述了具有由非磁性隔离层隔离单磁薄膜和AFC磁层的层叠AFC磁层。美国专利6,007,924则描述了具有在磁薄膜之间使用顺磁隔离层并且与磁薄膜接触地层叠磁层的磁记录磁盘。
磁记录介质，例如在硬盘驱动器中所使用的磁记录介质，正面临这样一个基础性的挑战：表面密度的进一步增加并不能通过简单地对所有尺寸进行小型化，即减少介质粒度来获得，因为即使在产品密度近似为35 Gbit/in2的条件下，粒度将会接近稳定极限(“超顺磁”极限)，其中当处理此极限时，会出现写入比特模式的热擦除。通过增大各向异性Ku，可以补偿晶粒体积(grain volumn)V的减少所导致的磁稳定性下降，因为支配热稳定性的总能量势垒是由乘积KuV给定的。然而，将所希望的信息写入到磁介质中所需的、来自磁记录头的写入场H0也与Ku成比例，因此限制了高Ku材料的使用。因此，超高密度介质稳定性的基础性问题与写入能力问题密切相关，因为这二者的数值都由同一介质参数Ku所决定。为了可靠地进行比特模式的写入，写入能力要求Ku低于某个阈值，而记录信息的长期稳定性则要求Ku在另一个阈值之上。因此，会因为写入能力和稳定性对磁各向异性Ku的矛盾性要求而产生一个未来超高密度介质的基础性问题，因为二者的性质都同等程度地取决于Ku。
因此，需要一种磁记录介质，其打破对源于磁各向异性的写入场的相关性，并且使所有其它的关键磁性质和记录性质基本保持不变。
【发明内容】
本发明是一种磁记录盘，其具有铁磁记录层，和与铁磁记录层接触并且交换耦合的“顺磁”写入辅助层。写入辅助层是一种铁磁材料，其居里温度低于磁盘驱动器的工作温度，使得在处于工作温度并且没有写入场的条件下，写入辅助层处于顺磁状态并且没有剩余磁化。因此在已经写入数据并且不再存在写入场之后，由于它的顺磁特性，写入辅助层的磁化受到抑制，盘的磁状态和写入比特模式的稳定性基本上只由铁磁记录层的性质所决定。然而，当写入场的方向与铁磁记录层的先前写入区域的磁化方向相反时，写入辅助层表现出与写入场对齐的磁化。因为写入辅助层与铁磁记录层交换耦合，所以写入层的磁化帮助写入场来反转铁磁记录层的磁化。写入辅助层允许较高各向异性的材料在铁磁记录层使用，这将导致介质热稳定性的改善，因为在写入期间减少了铁磁记录层的有效各向异性。
为了较完整地理解本发明的特性和优点，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步的详细说明。
【附图说明】
图1A示出的是在没有施加写入场时本发明的介质结构以及相关磁化方向或磁矩。
图1B示出的是在有施加写入场时本发明的介质结构以及相关磁化方向或磁矩。
图2示出的是在有或没有施加写入场时，在整个结构厚度上本发明的介质结构的MAG层和p-WAL层的磁化。
图3A针对所施加的场相对于易磁化轴的不同取向，示出了矫顽场HC与剩磁厚度积Mrt的乘积，该乘积是介质结构中p-WAL层的居里温度TC的函数。
图3B针对所施加的场相对于易磁化轴的不同取向示出了切换场H0，它是介质结构中p-WAL层的居里温度TC的函数。
图4A示出了CoCr块体合金(bulk alloy)的磁相图，它是以原子百分数(at.％)为单位的Cr成分和温度的函数。
图4B针对生长在常规磁盘介质的底层结构上的CoCr薄膜(31at.％的Cr)，示出了在不同温度下的几种磁滞回线。
图5A是本发明的AFC实施例的截面示意图，其中p-WAL层在AFC磁层的第二磁膜之上。
图5B是本发明的AFC实施例的截面示意图，其中p-WAL层在AFC磁层的第二磁膜之下。
图6A是切换场H0的图表，它是图5A的结构中p-WAL厚度的函数。
图6B是磁各向异性与晶粒体积的乘积(KuV)的图表，它是图5A的结构中p-WAL厚度的函数。
图7A是以dB为单位的改写能力(overwrite)的图表，它是CoCr p-WAL材料的两种成分的p-WAL厚度的函数。
图7B的图表比较了常规介质和本发明的p-WAL介质结构的以dB为单位的改写能力，它是改写电流的函数。
图8A是本发明的低噪声层叠介质实施例的截面示意图，其中p-WAL层在隔离层之下，并且在层叠磁层的下部磁膜之上。
图8B是本发明的层叠AFC实施例的截面示意图，其中p-WAL层在隔离层之下，并且在AFC磁膜的上部磁膜之上。
【具体实施方式】
纯顺磁材料是一种其原子具有永久偶极矩的材料，但是其铁磁性是不活跃的。如果将磁场作用在这样的材料上，偶极矩试图顺着磁场排列，但由于它们的随机热运动，妨碍它们变得完好对齐。因为偶极试图顺着所施加的磁场排列，这种材料的磁化系数是正的，但在缺乏强铁磁作用的情况下，磁化系数相当小。当顺磁材料被放置在很强的外加磁场中时，只要作用的磁场存在，就会出现磁矩。该磁矩与磁场平行且与磁场的尺寸成比例，但是比在铁磁材料中弱得多。当作用的磁场被去掉时，就丢失了净顺磁对齐，因为偶极释放回到正常的随机运动状态，而顺磁材料没有剩余磁矩。Pt和Al是已知的常规纯顺磁材料的例子。
除纯顺磁材料外，铁磁材料也存在顺磁状态。在一定的温度上，即在所谓的居里温度上，铁磁材料就具有顺磁特性，也就是说，即使在成序力(ordering force)，即铁磁交换耦合仍然存在，但不足以使磁偶极对齐时，该材料仍然呈现出磁力混乱状态。因此在顺磁状态下，该材料没有剩余磁矩，即在零作用磁场下无磁矩存在。这样的顺磁体(铁磁物质的顺磁状态)表现出所有上述提到的常规顺磁体的特性，尤其是当存在施加的磁场时磁化的线性场相关性。然而，由于仍然有活跃的成序力，这种磁化的场相关性比在常规顺磁体中要强得多。而且，一旦直接接触，这样的“非常规”顺磁体能够强耦合(通过直接交换耦合力)到常规铁磁体，使得各个层间彼此相互影响。图1A-1B给出的是本发明的介质结构的示意图，其中将这种非常规顺磁体作为写入辅助层(p-WAL)，该层被铁磁交换耦合到常规铁磁层(MAG)。
该结构基本上包括两层：铁磁或磁记录层(MAG)和p-WAL层。图1A-1B没有示出众所周知的常规硬盘衬底(通常为具有表面涂层或玻璃的Al-Mg、底层(UL)和/或用于MAG层的种子层)和保护层(OC)(通常为钻石状的非晶碳)。在这种结构中，p-WAL和MAG层直接相互接触，这使得层间有非常强的铁磁交换耦合。p-WAL层的材料是这样的铁磁材料，其能够与MAG层进行铁磁交换耦合，但在磁盘驱动器的工作温度下具有顺磁特性，即它具有低于磁盘驱动器的工作温度的居里温度。
在存储状态下，即在已经写入数据之后，如图1A中的左边所示，所施加的磁写入场Happl为0(或很小)，并且由于它的顺磁特性，p-WAL中的磁矩或磁化受到抑制。因此，在存储状态下，该介质的磁状态基本上仅由MAG层确定，如图1A中先前曝露于写入场的MAG层的区域中剩余磁矩的方向所示，并且写入比特模式的稳定性仅由MAG层的Ku值决定。
为了反转MAG层的磁化，即进行写入处理，当写入场Happl以和MAG层的先前写入区域中的磁化方向相反的方向施加时，p-WAL层所建立的磁矩为
MWAL＝X·Happl (1)
它与p-WAL的磁化系数X成比例，并按写入场的方向对齐，如图1B中p-WAL层的箭头所示。在这种状态中，即在MAG层区域的磁矩的磁性反转之前，铁磁MAG层的磁化与p-WAL的磁化反平行，如图1B中的箭头所示。然而，这种状态是非常不利的，因为它增加了铁磁层间交换能：
Eex＝-JI·MWAL·MMAG (2)
其由p-WAL和MAG层之间的界面交换耦合JI传递。因此，存在有效的负交换场，其量级为
Hex=-|JI·MWAL|tMAG----(3)]]>
除外加的磁场Happl之外，还取决于MAG层的厚度tMAG。因此，MAG层切换场不再仅由下面的MAG层各向异性和磁化之比所决定：
H0=2KuMMAG----(4)]]>
但包含与交换场成比例的项，这能够解释为有效高场各向异性Keff(H)的归约：
Keff(H)=Ku-|Eex(H)|2·tMAG----(5)]]>
因此，借助于p-WAL，决定介质稳定性的各向异性Ku和决定所需要的写入场的各向异性Keff已经被去耦。
图2针对有或没有施加的磁写入场的情况示出了p-WAL介质的整个厚度上出现的磁化分布的详细结构。这些分布理论上可以用热动力学平均场方法来确定，其结果完全证实了上述讨论的基本物理状况。对于写入场的情形(见图2的右边)在p-WAL中建立相对强的负磁化，这有助于反转处理。对于无磁场的情形(见图2的左边)，除非在一非常薄的界面区域内(其中铁磁MAG层使p-WAL发生极化)，p-WAL中的磁化趋于零。这种在零作用场中p-WAL的非零磁化是p-WAL层和MAG层之间的铁磁交换耦合引起的。这个薄界面区域中的磁化值随着相距界面的距离的加大而呈指数性地消失，并且没有显著地增加剩余磁化。这具有根本的重要性，因为已经发现，剩余磁化的大量增加会造成例如信噪比(SNR)和孤立回读脉冲的半最大幅度(PW50)处的脉冲宽度的其它重要记录特性的恶化。
理论计算使得能够对p-WAL的有效性进行定量估计，并有助于找出合适材料的选择处理。p-WAL中建立的场感应磁化的范围，和相关的写入辅助效果随着p-WAL材料的磁化系数的增加而显著地增加。这一点可在图3B中见到，其中所计算出的p-WAL介质结构的切换场H0根据居里温度TC的函数给出。对于所有相对于易磁化轴的场取向角，切换场随着TC的增加而减少，如图3B所示，因此表明对于写入辅助效果来说，最好是选择居里温度TC低于磁盘工作温度T0的非常规顺磁体。详细的理论计算还表明，最好使用TC温度近似为0.95T0的p-WAL材料。上限和下限磁盘驱动器工作温度由磁盘制造商预先选定或规定。磁盘驱动器的常见工作温度范围近似为280-340K，因此TC应当大约低于280K，或最低预先指定磁盘驱动器工作温度。对于有更较高居里温度的p-WAL材料，写入辅助效果也会更大，但这个优点会由于剩余磁化更强的增加而得到过补偿，这样将最终导致象SNR和PW50这样的介质性能的恶化。作为对p-WAL性能的定量估计，图3A给出的是矫顽场HC与剩磁厚度积Mrt的乘积。对于给定的MAG层性质来说，这两个参数都应当尽可能的小，这意味着HC*Mrt的最小值为选择高性能p-WAL材料提供了良好的指导。从图3A可以看出，当TC＝0.90-0.98T0，H0*Mrt是最优的，这取决于作用场的角度，即对于一个顺磁性的，但近似为铁磁性的p-WAL材料而言。图3A-图3B中的数据也表明，p-WAL材料所产生的写入辅助作用对于沿写入场方向对齐的磁晶粒影响较大，其方向通常更难以切换。因此，该计算表明，p-WAL不仅有助于整个写入过程，而且通过锐化切换场分布和增加改写能力值，也改善了其它重要的写入特性。
从上面的讨论中，显然可以得出这样的结论：任何居里温度低于最低磁盘工作温度的铁磁材料在原理上都适合作为p-WAL。然而，如图1所示用CoCr合金作为p-WAL的介质结构已经被制备出来并经过测试，因为所有目前使用的高性能MAG层都是基于四元合金(通常是CoptCrB或CoptCrTa)的，而对实际沉积和制备过程的潜在复杂化--可能源于晶格失配、生长和化学分离问题--应当很小。图4A给出的是CoCr块体合金的磁相图，它是Cr成分和温度的函数。见F.Bolzoni等人的论文，磁学和磁性材料学刊31-34，845-846(1983)；J.E.Snyder和M.H.Kryder的论文，应用物理学刊73，5551-5553(1993)。
对于Cr浓度大于24at.％的情况，居里温度低于T0。然而由于薄膜沉积期间的晶粒分离处理，优选的Cr浓度为大于这个值，更适宜为28at.％，以产生顺磁晶粒。Cr浓度近似超出40at.％时，CoCr就不能生长出六边形的晶体结构。因此，Cr的浓度在近似28～40at.％范围内的CoCr合金被认为适合用作p-WAL材料。图4B给出了生长在常规磁盘介质底层结构上的CoCr薄膜(Cr浓度为31at.％)的几种磁滞回线。数据表明了这样的CoCr合金的顺磁性质，即存在低场磁化系数的强温度相关性，并且实际上没有剩余磁矩。此外，希望以在低磁盘驱动器温度下产生最大效果的方式来调整p-WAL合金的TC。数据还表明，Cr浓度为31at.％的CoCr恰好接近于实现此目的。
图5给出的是已经实现的p-WAL介质结构。两种结构都使用反铁磁耦合(AFC)结构作为磁层，并辅以与AFC结构中的第二磁薄膜(MAG2)直接接触的p-WAL。AFC介质在美国专利6,280,813中进行过描述，它包括被通常由钌(Ru)形成的反铁磁耦合薄膜或隔层隔离的两个磁薄膜(MAG1和MAG2)。在图5A的结构中，p-WAL被溅射法沉积在MAG2薄膜上面，而在图5B的结构中，p-WAL位于MAG2薄膜之下，并且被溅射法沉积在Ru隔层的上面。对于这两种几何结构，基本AFC结构和介质功能的AFC模式都不受干扰，而且已经得到了实验验证。
对于以图5A结构为基础的测试结构，切换场H0(图6A)与各向异性晶粒体积乘积KuV(图6B)的相关性作为p-WAL覆盖层厚度的函数示出。对于大于接近1至1.5nm的p-WAL覆盖层厚度，实际上会实质性减少所需的写入场H0而不会危害零场稳定性，这个结论可以从相应的KuV数据中推断出来。KuV作为关键的稳定性指标，实际上会由于p-WAL的加入而增加。由于没有显示出因加入p-WAL而导致的介质稳定性退化，信号衰减测量证实了这些发现。
图7A给出的是改写能力(OW)与p-WAL厚度的相关性，这与图6A中H0与p-WAL厚度的相关性基本类似。对于厚度大于1.5nm的p-WAL，可以看出OW的根本改善，这表明p-WAL介质结构改善了尤其难以写入的磁晶粒的写入能力。从图7B中也能够看出，不仅改善了绝对OW值，而且改善了OW-电流特性。与不带p-WAL(空心三角形)的参考样本相比，p-WAL介质结构(实心三角形)在写入电流的开始就表现出远为尖锐的OW，并呈现出高原型的行为特性。
对磁盘介质性能的总体改善的一个基本要求是p-WAL介质写入能力的增强不受到其它记录特性恶化的危害。已经进行的测试表明，对所有记录频率而言，直到接近4-6nm的p-WAL厚度，SNR均没有变化。对于甚至更厚的p-WAL，可以观察到略微的、可控的SNR下降。然而，如此大的p-WAL厚度对于实质的写入能力和OW的改善是不必要的。已经进行的测试同时也表明，根据合金成分，直到大约2-4nm的厚度，PW50与p-WAL覆盖层的厚度相关性会呈现也高原式的行为特性，而在此厚度之上，PW50开始增加，即开始恶化。然而，对于具有大H0的，即使用目前技术水平的写入头也难以写入的材料，例如CoPt16Cr18B8这样的材料，可以看到在SNR和PW50方面都有重大的改善。这允许将具有可能非常优良的记录特性的高各向异性MAG层与p-WAL组合使用，以制造本发明的p-WAL介质结构。
与不带p-WAL的参考介质结构相比，通过具有覆盖层结构(图5A)的p-WAL介质也得到了作为记录密度的函数的比特差错率(BER)数据。对于p-WAL介质结构，已经发现可在整个密度范围内使BER得到实质性改善。对于中间密度，BER的改善大于一个量级，即使对于所测试的最高密度，也始终可得到半个量级的改善。
所测试的p-WAL材料是CoCr31和CoCr34。然而，适合作为p-WAL的CoCr成分为Cr的含量在接近28至40at.％之间。此外，也对Co62Cr18Ru20合金进行过测试，显示出类似于CoCr31和CoCr34的改写能力的改善。适合作为p-WAL的CoCrRu合金成分是(Co100-xCrx)100-yRuy，其中x在接近20和35之间，y在接近10和30之间。p-WAL材料应当具有低于磁盘驱动器的最低工作温度的居里温度，而且与MAG层的铁磁耦合，其中p-WAL材料与MAG层接触。因此，也可以选择其它基于CoCr的三元和四元合金材料，只要其居里温度低于最低磁盘驱动器的工作温度。实际上，如果MAG层是Co、Ni和Fe中一个或多个的铁磁合金，则p-WAL可以是Co、Ni和Fe中的一个或多个的任何铁磁合金，但是具有所选的特定组分，以确保其居里温度低于磁盘驱动器的最低工作温度。
如图5A-5B所示，除将AFC结构用作为磁层(MAG)之外，本发明的介质结构也完全可以用于基本上如图1A-1B所示的磁层(MAG)是常规单层的那些结构中。如美国专利5,051,288所述，本发明具有与磁层交换耦合的写入辅助层的介质结构也完全可以应用到具有两个或多个磁薄膜(磁薄膜之间具有隔离层)的层叠磁层上，并且如公开的美国专利申请US 2002/0098390 A1所述，也可以用于层叠AFC磁层。在层叠结构为MAG层的情况下，p-WAL可以与上部薄膜或下部薄膜接触。图8A描述了在位于隔离层下面的下部磁薄膜(MAG1)上具有p-WAL的层叠磁层的优选实施例，因为MAG1距离写入头比MAG2距离写入头更远，因此它更难以写入。在层叠AFC结构作为磁层的情况下，其中AFC结构被隔离层(不提供反铁磁耦合(图8B))与上部磁薄膜(MAG3)相分隔，p-WAL可以与上部AFC薄膜(中间磁薄膜MAG2)或上部磁薄膜MAG3接触，因此它位于MAG2之上或之下，或者位于MAG3之上或之下。图8B描述了在MAG2上有p-WAL的层叠AFC磁层的优选实施例，其中因为MAG2比MAG3距离写入头更远，因此更难以写入。
虽然本发明参照优选实施例已经进行了特殊的示范和描述，但本领域技术人员应当理解的是，可以在不违背本发明的宗旨和范围的情况下对本发明进行各种形式上和细节的修改。因此，所公开的发明仅认为是示例性的，其范围仅受所附权利要求的限制。