一种磁记录交换耦合复合膜的制备方法 【技术领域】
本发明涉及一种磁记录交换耦合复合膜的制备方法，属磁记录信息存储器件材料结构及制备方法的技术领域。
背景技术
磁记录是信息存储的核心技术，信息技术的发展对磁记录的要求越来越高，提高磁记录密度是信息存储的核心，垂直磁记录介质膜是实现1Tbit/in2超高记录密度的关键技术，要求垂直磁记录介质膜有更小的晶粒尺寸，但是磁性晶粒的极度微细化可能产生超顺磁效应，从而降低介质膜的热稳定性，要保持介质膜的热稳定性，必须提高磁晶各向异性常数Ku值，但是高Ku值产生的高矫顽力又带来新的困难，远远超过了当前写头的写入场，使写入困难，为解决这些问题，提出图形化磁记录、热辅助磁记录、倾斜磁记录，但这些介质膜在制备工艺上存在很大难度。
Suess和Victora曾提出磁记录介质膜可以是交换弹性和交换耦合的软/硬复合介质膜，该复合介质膜由软磁层和硬磁层通过界面交换耦合而成，其界面可以是直接耦合，也可在软/硬层之间插入中间层，形成间接耦合，即交换耦合，该交换耦合结构被认为是实现超高密度储存的最有效途径，介质膜中硬磁层要有高的热稳定性，软磁层可在低磁场下先反转，然后带动硬磁层实现反转，从而降低介质的矫顽力，因此磁记录介质膜的结构层组合及其制备方法已成了十分重要的研究课题。
【发明内容】
发明目的
本发明的目的就是针对背景技术的不足和实际情况，设计制备一种多层磁记录交换耦合复合介质膜，采用磁控溅射、真空退火等技术，制成纳米级交换耦合复合膜，降低娇顽力，保持高稳定性，以大幅度提高磁记录器件的记录密度和性能。
技术方案
本发明使用的化学物质材料为：银靶、铁靶、钌靶、铁铂合金靶、无水乙醇、去离子水、电子清洗剂、氩气、平面玻璃，其组合用量如下：以克、毫升、厘米3、毫米为计量单位
银靶：Ag Φ60×5mm 1块
铁靶：Fe Φ50.8×1.5mm 1块
钌靶：Ru Φ60×3mm 1块
铁铂合金靶：FePt Φ50.8×1.5mm 1块
无水乙醇：C2H6O 2000ml ±100ml
去离子水：H2O 10000ml±100ml
电子清洗剂：ZL-1 100ml ±10ml
电子清洗剂：ZL-2 100ml ±10ml
氩气：Ar 100000cm3±100cm3
平面玻璃： 50×25×1mm
交换耦合复合膜，为六层结构，由基层、底层、硬磁层、中间层、软磁层、保护层组成；基层为平面玻璃层，在基层上部为底层，即银层，在底层上部为硬磁层，即铁铂合金层，在硬磁层上部为中间层，即钌层，在中间层上部为软磁层，即铁层，在软磁层上部为保护层，即银层。
交换耦合复合膜制备方法如下：
(1)精选化学物质材料
对制备所需的化学物质材料要进行精选，并进行形状、尺寸、精度、质量纯度控制：
银靶：固态固体 99.9％
铁靶：固态固体 99.9％
钌靶：固态固体 99.9％
铁铂合金靶：固态固体 99.9％
无水乙醇：液态液体 99.5％
去离子水：液态液体 99.5％
电子清洗剂：2L-1液态液体 99.5％
电子清洗剂：2L-2液态液体 99.5％
氩气：气态气体 99.99％
平面玻璃：平面度100∶0.1
(2)超声清洗基层-平面玻璃基片
①用去离子水400ml浸泡，超声波清洗10min；
②用电子清洗剂超声清洗
配制清洗液，将电子清洗剂ZL-1、ZL-2、去离子水按6∶3∶500的比例配制清洗液；
将平面玻璃基片、清洗液置于烧杯中，将烧杯置于可加热的超声清洗器中；
加热温度为75℃，超声清洗时间40min；
然后，停止加热，自然冷却至20℃±1℃；
③去离子水超声清洗
将平面玻璃基片置于超声波清洗器中，加入去离子水400ml，超声清洗15min，超声清洗重复进行三次；
④无水乙醇超声清洗
将平面玻璃基片置于超声波清洗器中，加入无水乙醇400ml，超声清洗15min，超声清洗重复进行三次；
(3)真空干燥
将超声清洗后的平面玻璃基片置于真空干燥箱中进行干燥，干燥温度55℃±2℃，真空度10Pa，干燥时间10min；
(4)清洗磁控溅射炉
①打开磁控溅射炉，用吸尘器抽洗炉腔内污物及有害物质，使其清洁；
②用去离子水擦洗磁控溅射炉腔，使其洁净；
③无水乙醇擦洗磁控溅射炉炉口、炉腔、炉盖、密封盖，使其洁净；
(5)磁控溅射、制备交换耦合复合膜
①放置溅射靶
打开磁控溅射炉盖，在炉腔底部的水冷磁控工作台上部的靶位上，置放银靶、铁铂靶、钌靶、铁靶；
②置放平面玻璃基片
在密封盖下部的水冷转盘上置放平面玻璃基片，并放平固牢；
③关闭密封盖，使其密封；
④开启水冷工作台内的进水阀、出水阀，进行水循环冷却；
⑤开启炉盖上的水冷转盘的进水阀、出水阀，进行水循环冷却；
⑥开启真空泵，抽取炉腔内空气，使炉腔内真空度为2×10-4Pa；
⑦开启氩气瓶，输入氩气，输入速度40cm3/min，驱除炉腔内有害物质；
炉腔内真空度压强值持续保持在1.0Pa时，开启各靶电源，使氩离子对靶材进行轰击，开始预溅射；
⑧平面磁控溅射工作台上的布置为：银靶、铁铂靶、钌靶、铁靶，铁铂靶、钌靶、铁靶为直流电源，银靶为交流电源，即射频靶；
⑨开启水冷转盘，使其做顺时针匀速转动，转动速度5r/min；
⑩开启测厚探头，对准平面玻璃基片，按镀层顺序逐层测量镀层厚度；
镀层开始：
镀底层，即银层，开启交流射频靶，交流电压10V、功率10W，溅射速率0.141nm/s，底层厚度为30nm；
镀硬磁层，即铁铂合金层，开启直流铁铂合金靶，直流电压334V、功率20W、溅射速率为0.168nm/s，硬磁层厚度为20nm；
镀中间层，即钌层，开启直流钌靶，直流电压340V、功率10W、溅射速率为0.078nm/s，中间层厚度为1nm；
镀软磁层，即铁层，开启直流铁靶，直流电压282V、功率20W、溅射速率为0.147nm/s，软磁层厚度为3nm；
镀保护层，即银层，开启直流银靶，直流电压296V、功率10W、溅射速率为0.141nm/s，保护层厚度为1nm；
炉腔内温度持续恒定在20℃±1℃；
观察窗观察炉腔内溅射状况；
镀层完成后，关闭各水循环冷却进水阀、出水阀，关闭各溅射靶电源，关闭氩气瓶、关闭真空泵，关闭水冷转盘电机；
(6)开炉取膜
打开密封盖，取出平面玻璃及镀膜，即：交换耦合复合膜，膜层厚度为55nm；
(7)真空退火
将制备的复合膜置于钼产物舟中，然后置于真空退火炉中，密闭退火炉，抽取炉内真空，真空度为2×10-4Pa，然后开始升温，升温速度20℃/min，温度升至550℃±1℃，在此温度恒温保温60min±2min，然后关闭加热器，在真空状态下，随炉冷却至20℃±1℃；
(8)退火后取出复合膜
关闭退火炉真空泵，打开炉盖，取出钼舟及复合膜，即：银灰色交换耦合复合膜产物；
(9)检测、化验、分析、表征
对制备的交换耦合复合膜的形貌、结构、色泽、成分和磁学性能进行检测、化验、分析、表征；
用X射线衍射仪进行结构分析；
用振动样品磁强仪进行磁学性能分析；
用表面形貌仪进行厚度分析；
结论：交换耦合复合膜，呈银灰色，为纳米级六层结构，即：基层、平面玻璃层，底层、银层，硬磁层、铁铂合金层，中间层、钌层，软磁层、铁层，保护层、银层；
(10)储存
对制备的交换耦合复合膜产物置于无色透明的玻璃容器中，储存于阴凉、干燥、洁净环境，要防水、防潮、防晒、防酸碱盐侵蚀，储存温度20℃±1℃，相对湿度≤10％。
所述的真空磁控溅射炉制备的交换耦合复合膜，是以平面玻璃为基层基片、以银为底层溅射靶，以铁铂合金为硬磁层溅射靶，以钌为中间层溅射靶，以铁为软磁层溅射靶，以银为保护层溅射靶，以氩气为离子轰击气体，在20℃±1℃恒温下、在磁场条件下、在氩气气氛中、在水冷状态下、在真空度为1.0Pa的持续恒定下完成。
所述的制备交换耦合复合膜，银靶为交流电压10V、功率为10W，铁铂合金靶为直流电压334V、功率为20W，钌靶为直流电压340V、功率为10W，铁靶为直流电压282V、功率为20W。
所述的制备的交换耦合复合膜，为银灰色，膜层厚度为55nm。
所述的制备交换耦合复合膜是在真空磁控溅射炉中进行的，其制备状态为：在磁控溅射炉1的下部为控制台4、上部为密封盖3、内部为炉腔2；在炉腔2内的上部中间位置装有水冷转盘13，水冷转盘13上部通过密封盖3与电机7、进水阀14、出水阀15联接，水冷转盘13下部安装平面玻璃基片18，平面玻璃基片18上为复合膜19；在炉腔2的下部装有水冷工作台5、磁控工作台6，磁控工作台6上部装有银靶9、铁铂靶10、钌靶11、铁靶12，水冷工作台5两侧装有进水阀16、出水阀17；炉腔2的右侧上部装有测厚探头30；磁控溅射炉1左中部装有观察窗8；在磁控溅射炉1下部的控制台4上装有液晶显示屏27、指示灯28、控制开关29；在磁控溅射炉1的左部为氩气瓶23、并通过氩气管24、氩气阀25联通炉腔2；在磁控溅射炉1的右部为真空泵20、并通过真空管21、真空阀22与炉腔2联通；炉腔2内为氩气26；进水阀14、16、出水阀15、17与外接水源联接。
有益效果
本发明与背景技术相比具有明显的先进性，它是在磁控溅射炉中，在20℃±1℃常温下，在磁场条件下，在氩气气氛中，在水循环冷却状态下，在真空度为1.0Pa恒定下，以平面玻璃为基片，以银靶、铁靶、钌靶、铁铂合金靶为靶源，磁控溅射制备交换耦合复合膜，然后进行真空状态下高温退火，使铁铂发生相变，形成硬磁场，且相变后的硬磁层与软磁层界面间发生互扩散，使基片与介质膜紧密结合，降低了复合膜的矫顽力，解决了磁头对应写入场低的问题，提高了超高密度磁盘的性能，本制备方法工艺流程短，不污染环境，是十分理想的制备纳米级磁记录交换耦合复合膜的方法。
【附图说明】
图1为交换耦合复合膜结构图
图2为真空磁控溅射炉制备状态图
图3为交换耦合复合膜退火温度与时间坐标关系图
图4为交换耦合复合膜退火后膜层结构图
图5为交换耦合复合膜退火前后界面对比图
图6为交换耦合复合膜退火后垂直磁滞回线图
图7为交换耦合复合膜退火后垂直矫顽力与钌中间层厚度关系图
图8为交换耦合复合膜X射线衍射强度图谱
图中所示，附图标记清单如下：
1、磁控溅射炉，2、炉腔，3、密封盖，4、控制台，5、水冷工作台，6、磁控工作台，7、电机，8、观察窗，9、银靶，10、铁铂靶，11、钌靶，12、铁靶，13、水冷转盘，14、进水阀，15、出水阀，16、进水阀，17、出水阀，18、平面玻璃，19、复合膜，20、真空泵，21、真空管，22、真空阀，23、氩气瓶，24、氩气管，25、氩气阀，26、氩气，27、液晶显示屏，28、指示灯，29、控制开关，30、测厚探头。
【具体实施方式】
以下结合附图对本发明做进一步说明：
图1所示，为交换耦合复合介质膜结构图，介质膜共六层，各层紧密结合，致密性好。
图2所示，为磁控溅射制备交换耦合复合膜状态图，各部位置、联接关系要正确，安装牢固，操作方便。
本制备使用的材料、量值是按预先设置地范围确定的，以克、毫升、厘米3、毫米为计量单位。
制备是在严格的洁净状态下完成的，在炉腔内，在氩气气氛中，在磁场条件下，在水冷状态下，在真空度为1.0Pa条件下，完成整个镀膜过程，要严格按序操作。
磁控工作台为钕铁硼永久磁铁。
测厚探头可测量膜层厚度，并由信息传感器、计算机程序控制，并在线即时显示。
观察窗可在炉外观察镀膜过程。
控制台控制溅射炉，并由液晶显示各参数值。
图3所示，为真空退火温度与时间坐标关系图，退火炉由20℃开始升温，即A点，以20℃/min升至550℃±1℃，在此温度恒温保温60min±1min，即B-C区段，然后停止升温，随炉冷却至20℃±1℃，即D点。
图4所示，为交换耦合复合膜退火后膜层结构图，退后火界面间发生互扩散，使软磁层与硬磁层之间形成梯度界面，层面紧密，中间层的扩散可调节软/硬界面间及软磁层与硬磁层内的交换耦合作用。
图5所示，为交换耦合复合膜退火前后界面对比图，退火前膜层结合平直，退火后界面处互扩散，但结合致密。
图6所示，为交换耦合复合膜垂直磁滞回线图，从回线可知该复合膜磁学性能良好，具有较高的矩形和适当的矫顽力。
图7所示，为交换耦合复合膜退火后垂直矫顽力与钌中间层厚度关系图，钌中间层可调节软磁层与硬磁层之间的层间交换耦合作用，使复合膜的矫顽力降至更低。
图8所示，为交换耦合复合膜X射线衍射强度图谱，纵坐标为相对强度指数，横坐标为2倍衍射角，图中，复合膜的衍射图中出现强的压Pt(UU1)和(UU2)衍射峰，说明该复合膜具有良好垂直取间，满足超高密度垂直磁记录介质的要求。
发明原理：
通过磁控溅射制备六层结构的磁记录交换耦合复合膜，该复合膜由基层、底层、硬磁层、中间层、软磁层和顶层组成，Ag底层通过射频磁控溅射可获得Ag的取向，用来诱导FePt硬磁层的垂直生长，FePt硬磁层为磁记录复合膜提供高的热稳定性，Fe软磁层帮助硬磁层在低场下实现反转，从而降低磁记录复合膜的矫顽力，Ru中间层是为了调节软磁层与硬磁层之间的耦合作用体系的矫顽力降至更低，Ag顶层是为了保护磁记录复合膜不被氧化，此六层结构复合膜通过真空退火使FePt发生相变形，成L10结构硬磁层，此外还使软磁层与硬磁层之间的界面形成梯度界面，从而进一步降低磁记录复合介质膜的矫顽力。