专利名称：颗粒薄膜、使用该薄膜的垂直磁记录介质和磁记录设备的制作方法
技术领域：
本发明涉及颗粒薄膜(granular film)，具有颗粒层的垂直磁记录介质和使用垂直磁记录介质的磁记录和再生设备。
背景技术：
硬盘驱动器(HDD)因其在数据存储方面的低成本，高数据访问速度和高可靠性，已经成为各种领域中的主要记录设备，这些领域包含家庭视频系统，音频装置和汽车导航系统，而不限于例如计算机存储器的普通应用领域。随着HDD应用领域的扩充，实现更大记录容量的HDD的要求不断增加。为满足这些要求，人们以非常高的速度开发出具有更大记录密度的磁记录盘。
对于具有更高记录密度的HDD的磁记录介质，人们寻求更小的磁颗粒尺寸以获得更小的记录位尺寸。随着磁层的平均磁颗粒尺寸变得更小，由于磁颗粒的更小颗粒尺寸成分，我们遇到了热波动耐久性退化的问题。我们遇到的另一个问题是相对大尺寸的磁颗粒成分导致出现介质噪声升高和记录缺陷，而相对大尺寸的磁颗粒成分是不令人满意的颗粒尺寸分布控制的结果。当前，由于对磁颗粒的结晶取向(crystallographic orientation)和排列顺序控制仍然不足，在降低介质噪声方面没有多少余地。
在专利文献1(日本专利申请公开说明书No.2003-36525)中，公开了具有衬底/(Ta，CoZrNb)/(NiFe合金-Cr2O3，Ru-SiO2)/RuW/CoCrPt的结构的磁记录介质，以作为该问题的解决方案。这种介质结构旨在因铬金属隔离效果对于垂直磁记录介质不显著，而利用底层获得晶粒之间磁相互作用得到减少的分立的精细晶粒结构。尽管在这种磁记录介质中的磁颗粒非常小，然而由于以溅射方法简单形成具有颗粒构造的底层，对磁颗粒的结晶取向，排列规则性和颗粒直径分布的控制是不充分的。
在专利文献2(日本专利申请公开说明书No.2003-77122)中，公开了具有例如衬底/(Ni-P，CoZr)/(Pt，Pd，NiFe/(Ru，Re)/CoCrPt-SiO2的构造的磁记录介质。在这些磁记录介质中，通过面心立方结构(fccface centered cubic)种子层上的六方最密堆积(hephexagonal close packed)晶体结构底层改进磁晶体微粒的结晶取向度。尽管在这些构造中获得良好的颗粒晶体取向，然而由于通过控制纯金属或合金的溅射条件而简单形成各层，对晶体尺寸和晶体排列的控制不充分。
在专利文献3(日本专利申请公开说明书No.2000-327491)中公开的薄膜是携带具有晶体取向的颗粒的无机薄膜，和具有表现出对其自身的相似性的几何分形结构的规则二维蜂巢结构。在这个专利参考文献中，也公开了例如衬底/CoO-SiO2/(CrTi)/CoCrPt的分层结构。这种具有降低的晶体尺寸分布的介质结构被用于通过获得有序颗粒排列结构而减少热波动，降低介质噪声，以及用于改进磁薄膜的耐蚀性。通过结合氧化物薄膜，无机薄膜得到有序颗粒排列和小颗粒尺寸分布。然而，由于CoO颗粒的结晶取向沿着(220)方向，层中磁颗粒的取向沿着共面(102)方向，而不是垂直取向。此外，由于没有公开用于控制结晶取向和取向度分布，例如CoO-SiO2底层和部分进入底层的晶粒的形成的任何有效过程，因此不能控制结晶取向和取向度分布。
此外，在专利文献4(日本专利申请公开说明书No.2002-163819)中，公开了具有衬底/CoTaZr/(Hf)/CoO-SiO2/(Hf)/TbFeCo的分层结构。在这种结构中，形成用于抑制记录层中的畴壁运动的形状规则的不均匀部分或结晶耦合部分的钉扎位置(pinning sites)。软磁层被用于有效地向记录层施加磁头场。此公开的分层结构被设计成用于获得垂直双层介质，其包括软磁层，磁记录层和具有颗粒尺寸散布良好的有序无机颗粒排列的磁记录层。然而由于Hf，Ru，Ti Ta，Nb，Cr，Mo，W，C，Si3O4，Al2O3，Cr2O3，SiO2和NiP期望作为此公开的底层，公开的分层结构不适于得到垂直颗粒取向，颗粒尺寸分布抑制和有序颗粒排列。这些底层材料被用于其中不需要结晶取向的连续记录层。
发明内容
由于上述原因，需要获得一种超过现有技术的新技术，用于在具有小颗粒尺寸散布的磁层中得到小磁颗粒，尤其是针对垂直方向的高结晶颗粒取向，和高颗粒排列规则性，以实现适于具有小介质噪声和针对热波动的足够耐久性的高密度磁记录的垂直磁记录介质。
本发明旨在满足此需求。本发明的颗粒薄膜包括衬底，衬底上的金属底层和金属底层上的颗粒层。颗粒层包括部分穿过体(volume)以进入金属底层的金属颗粒和分隔金属颗粒的颗粒间材料。
此外，颗粒间材料包括从包括氧化物，氮化物和碳化物的组中选择的至少一种。本发明的垂直磁记录介质包括衬底，衬底上的软磁层，软磁层上的金属底层，软磁层上的颗粒层，和颗粒薄膜层上的垂直磁记录层。颗粒层包括部分穿过体以进入金属底层的金属颗粒和分隔金属颗粒的颗粒间材料。此外，颗粒间材料包括从包括氧化物，氮化物和碳化物的组中选择的至少一种。
本发明的磁记录和再生设备包括上述垂直磁记录介质，驱动垂直磁记录介质的驱动机构，向垂直磁记录介质记录信息和从垂直磁记录介质再生信息的记录和再生头，驱动记录和再生头的头驱动机构，和处理记录和再生信号的记录和再生信号处理系统。
本发明的垂直记录介质被制造如下。首先，利用能够形成小尺寸颗粒的规则排列的材料形成颗粒构造的底层，尽管这些颗粒的晶体取向度不是那么高。接着，从该层清除这些具有足够取向的颗粒，并且打孔，直到孔的底部达到该层的端部。最终，用具有根据底层的结晶度的良好晶体取向的金属填充这些孔。通过这种方式，能够同时获得具有规则排列，良好晶体取向和小颗粒尺寸的颗粒层。
通过在软磁底层上形成这个颗粒层和在颗粒层上形成磁层，能够同时获得包括具有规则排列，良好晶体取向和小颗粒尺寸的磁颗粒的垂直磁记录介质。此外，减少了记录头和软磁层之间的磁间隔(magnetic spacing)。
根据本发明，在垂直磁记录介质中能够达到规则颗粒排列，良好晶体取向和具有小颗粒尺寸散布的精细颗粒尺寸的并存。此外，能够减少记录和再生头和垂直磁性介质之间的磁间隔。
图1示出了根据本发明的颗粒薄膜的实施例的剖视图。
图2示出了根据本发明的垂直磁记录介质的实施例的剖视图。
图3针对根据本发明的垂直磁记录介质的实施例示出了垂直磁性层的共面示意剖视图。
图4示出了根据本发明的垂直磁记录和再生设备的实施例的斜视图。
具体实施例方式
下面参照附图描述本发明的优选实施例。
图1示意性示出了本发明的颗粒薄膜的实施例的剖视图。在图1中，颗粒薄膜11由衬底12，衬底12上的金属底层13，和颗粒层16组成，颗粒层16包括金属颗粒14和由例如氧化物的材料组成的颗粒间材料15。
图2示意性示出了根据本发明的垂直磁记录介质的实施例的剖视图，其中使用图1示出的颗粒薄膜。在图2中，在衬底21上形成软磁层22，在软磁层22上形成颗粒薄膜23。类似于图1的颗粒薄膜，颗粒薄膜23由金属底层13，金属颗粒14和具有例如氧化物或其它类似材料的颗粒间材料15组成。在颗粒薄膜层23至中间层24之上形成垂直磁记录层25，并且在垂直磁记录层25上形成保护层26。垂直磁记录层25能够形成颗粒结构，其中磁颗粒27通过颗粒间材料28彼此分隔。
能够对垂直磁记录层25的磁颗粒27进行规则排列。如图3中示意性示出的，被颗粒间材料28分隔的磁颗粒27能够排列成例如在平面中具有六边形对称性的结构。
于是，期望本发明的垂直磁记录介质的垂直磁记录层25具有包括磁颗粒27和非磁性颗粒间材料28的颗粒薄膜结构，并且磁颗粒27被规则排列在层平面内。
已知现有技术介质的具有较小颗粒直径的磁颗粒27具有对热波动的耐久性较差的问题，尽管较小颗粒直径对于获得高记录密度是期望的。根据本发明，即使磁颗粒27的平均直径为20nm或更小，也能够获得对热波动的良好耐久性。对于本发明的垂直磁记录层，更加期望具有6nm或更小的平均颗粒直径的磁颗粒27。
颗粒薄膜层23的期望金属颗粒14是具有六方最密堆积或面心立方结构晶体结构的颗粒，并且期望的非磁性颗粒间材料15是具有非晶体结构的氧化物材料。从包括Ru，Rh，Re，pd，Pt和Ni的组中选择的至少一种金属的颗粒适合作为颗粒薄膜层的金属颗粒14。
以从包括氧化硅，氧化钛，氧化铝，氧化锌和氧化钽的组中选择的至少一种的氧化物材料作为主要成分的氧化物材料适用于颗粒薄膜层的颗粒间材料15。
以从包括Pd，pt，Fe，Co和Ni的组中选择的至少一种作为主要成分的金属底层适用于金属底层13。
在本发明的垂直磁记录介质中，中间层24能够被放置在颗粒层23和垂直磁记录层25之间。以从包括Ru，Rh和Re的组中选择的至少一种作为主要成分的材料能够被用作中间层24的材料。
当金属底层13为非磁性的时，带有金属底层13的颗粒层23和中间层24的期望总厚度为20nm或更小。当金属底层13为磁性的时，颗粒层23和中间层24的期望总厚度为20nm或更小。
实施例1(衬底)可用于本发明的衬底包含玻璃，Al合金，陶瓷，碳，具有氧化物表面的硅单晶和具有Ni-P镀层的硅单晶的衬底。
玻璃衬底包含非晶体玻璃和晶体玻璃。非晶体玻璃包含碱石灰玻璃或铝硅酸盐玻璃。晶体玻璃包含锂晶体玻璃。陶瓷衬底包含例如通常使用的氧化铝，氮化铝和氮化硅的烧结陶瓷衬底，和这些陶瓷的纤维强化陶瓷衬底。
期望使用具有通过在其表面进行溅射或电镀而形成的Ni-P层的衬底。
实施例2(软磁层)通过将高磁导率的软磁层22布置为垂直磁记录层的底层，形成垂直双层介质。在垂直双层记录介质中，高磁导率软磁层的作用是提高记录头的记录和再生效率，该记录头形成例如通过单极磁记录头产生的磁通量的水平回路。
包含Fe，Ni或Co的材料能够被用作软磁层22。软磁层包含例如包含FeCo和FeCoV的FeCo合金，包含FeNi，FeNiMo，FeNiCr和FeNiSi的FeNi合金，包含FeAl，FeAlSi，FeAlSiCr，FeAlSiTiRu和FeAlO的FeAl和FeSi合金，包含FeTa，FeTaC和FeTaN的FeTa合金，和包含FeZrN的FeZr合金。
具有精细晶粒结构或颗粒结构(在其包含60原子％或更多的Fe的基质相中具有分散精细晶体颗粒)的FeAlO，FeMnO，FeTaN和FeZrN薄膜适用于软磁层22。
其它适用于软磁层22的材料是包含Co和从Zr，Hf，Nb，Ta，Ti和Y中选择的至少一种元素的Co合金。层的期望Co含量为80at％(原子百分数)或更多。这些合金合成物容易通过溅射形成非晶体构造层。由于非晶体结构没有晶体各向异性的限制，晶体缺陷和晶体颗粒边界，非晶体软磁材料显示出极好的软磁特性。通过使用非晶体磁层作为软磁底层，能够获得低介质噪声特性。
CoZr，CoZrNb和CoZrTa合金能够作为适合于软磁层22的非晶体软磁材料。
期望在垂直磁记录介质的非磁性衬底21和软磁层22之间布置具有共面磁化的硬磁层。包含硬磁材料的Co适用于该层的材料。
软磁层形成磁畴结构，并且由畴结构的畴壁运动产生尖峰噪声。通过使用经由在层平面径向施加磁场而磁化的硬磁层向软磁层施加偏置磁场，能够抑制畴壁的出现。
例如CoCrPt合金和CoSm合金薄膜适合作为共面硬磁层。共面硬磁层的期望矫顽力值为39.5kA/m(0.5kOe)或更多，更加期望的矫顽力值为79kA/m(1kOe)或更多。共面硬磁层的期望厚度值为5到150nm，更加期望的厚度值为10到70nm。为了控制共面硬磁层的结晶取向，能够在非磁性衬底和共面硬磁层之间形成Cr合金或B2结构的材料。
能够在软磁层22和金属底层13之间形成氧化层。由于氧化层不具有结晶取向，对在初始生长阶段在层上进行晶体颗粒生长提供了困难的结晶取向获得条件。
通过在沉积之后向软磁层22引入氧气或在形成软磁层的最终阶段向该层引入氧气，能够形成氧化层。通过将软磁层的表面暴露于氧气或被例如氩或氮的惰性气体减弱的氧气0.3到20秒，能够实际形成氧化层。通过将软磁层表面暴露于环境空气，也能够形成氧化层。
实施例3(垂直磁记录层)以Co作为主要成分，Pt作为必要成分并且氧化物材料作为附加成分的材料合成物适用于垂直磁记录层25。氧化硅或氧化钛适用于氧化物材料。
在垂直磁记录层25中，期望磁颗粒27，即具有磁化的晶体颗粒以分散状态存在。此外，期望层中的磁颗粒27形成从层的底端穿过垂直磁记录层25到达层的顶端的柱形结构。柱形结构的形成意味着良好的颗粒取向度和良好的颗粒结晶度，并且导致适于达到高记录密度的极好介质信噪比。
为获得柱形结构，层中包含的氧化物含量的控制是非常重要的。期望的氧化物含量在Co，Cr和Pt的总量的3到12mol％的范围内，更加期望的含量在5到10mol％的范围内。这些氧化物含量范围是期望的，因为氧化物沉淀在磁颗粒27周围，并且在产生该层的过程中形成非常小和隔离的磁颗粒27。
超过这些范围的氧化物含量是不期望的，因为氧化物会保留在磁颗粒27中，并且阻止颗粒达到良好晶体取向和颗粒结晶度。此外，沉淀在磁颗粒27的顶面和底面的过多氧化物阻止形成穿过该层的柱形结构。低于上述范围的氧化物含量是不期望的，因为邻近磁颗粒之间的隔离效果不足，并且将颗粒尺寸控制到小尺寸的效果也不足，导致大介质噪声和低信噪比(S/N比)。
垂直磁性层的期望Cr含量为0到16at％，更加期望的含量为10到14at％。Cr含量范围是期望的，因为磁颗粒27会具有适当的单轴各向异性常数Ku值和高磁化值以获得足够用于达到高记录密度的记录和再生特性和热波动稳定性。超过上述范围的Cr含量是不期望的，因为颗粒的Ku值不足以获得热波动稳定性和颗粒结晶度和取向度，从而导致较低的记录和再生特性。
期望使垂直磁记录层的Pt含量处于10到25at％的范围。该范围的Pt含量适于获得垂直磁记录层所需的Ku值，以及良好的颗粒结晶度和取向度，从而导致适于达到高记录密度的期望热波动稳定性和记录和再生特性。
超过该范围的Pt含量是不期望的，因为颗粒27中会出现fcc相(fcc phase)，并且颗粒的结晶度和取向会下降。小于该范围的Pt含量是不期望的，因为颗粒的Ku值会不足以获得实现高密度记录所需的热波动稳定性。
除了Co，Cr，Pt和上述氧化物之外，垂直磁记录层25能够包含从包括B，Ta，Mo，Cu，ND，W，Nb，Sm，Tb，Ru和Re的组中选择的至少一种元素。通过包含这些元素能够获得非常小的颗粒尺寸，极好的结晶度和良好的颗粒取向度，从而导致适于实现高密度记录的期望记录和再生特性和热波动稳定性。
期望这些元素的总含量为8原子％或更少。超过8原子％的含量是不期望的，因为会出现不同于hcp相(hcp phase)的晶相，并且此晶相扰乱磁颗粒的结晶度和结晶取向，从而导致不足以实现高密度记录的记录和再生特性和热波动稳定性。
CoPt合金，CoCr合金，CoPtCr合金，CoPtO，CoPtCrO，CoPtSi和CoPtCrSi能够被用作垂直磁记录层25。Co和包含从Pt，Pd，Rh和Ru中选择的至少一个作为主要成分的合金的多层结构也可以被用作垂直磁记录层。此外，被加入到CoCr/PtCr，CoB/PdB，CoO/RhO等等的这些多层中的Cr，B或O能够被用作垂直磁记录层。
垂直磁记录层25的期望厚度值为5到60nm，更加期望的厚度值为10到40nm。当厚度处于这些范围时，垂直记录介质能够作为用于高密度磁记录的介质。当厚度小于5nm时，介质的再生输出与噪声相比过低，并且往往获得噪声分量以作为主要输出。当厚度超过40nm时，介质的再生输出过高，并且往往带来波形畸变。
期望垂直磁记录层25的矫顽力为237kA/m(3kOe)或更多。当矫顽力小于237kA/m(3kOe)时，热波动耐久性往往降低。垂直磁记录层的垂直方向的期望矩形比为0.8或更多。当矩形比小于0.8时，该层的热波动耐久性往往降低。
实施例4(保护层)通常在垂直磁记录层25上形成保护层26。形成保护层26以避免侵蚀垂直磁记录层25，并且保护介质表面免受损害，即使磁头与介质表面接触。包含例如C，SiO2或ZrO2的保护材料能够被用作保护层。
期望保护层26的厚度处于1到10nm的范围内。该厚度能够使头和介质之间的距离保持足够短，以实现高密度记录。
润滑层能够被设置在保护层26上。例如现有技术已知的perfluoropolyether，alcohol fluorides或carbonic acid fluorides能够被用作润滑层的润滑剂。
实施例5(磁记录和再生设备)图4示意性示出了根据本发明的磁记录和再生设备(以后简称为磁盘驱动器)的实施例的斜视图。磁盘驱动器在外壳41中具有磁盘42，磁头43，磁头悬挂组件(悬挂和臂)44，传动装置45和电路板46。
安装到主轴马达47上的磁盘42被转动，并且通过垂直磁记录方法记录各种数字数据。磁头43是混合头，其中具有单极结构的写头和具有GMR或TMR薄膜传感器的读头被装载在公共滑动机构上。读头通常使用屏蔽型MR头。
磁头悬挂组件44支持挂起在磁盘42的表面上方并且面对该表面的磁头43。由音圈马达(VCM)驱动的传动装置45通过悬挂组件44将磁头43传递到磁盘42的任意径向位置。电路板46中的头IC产生和输出用于驱动传动装置45的驱动信号和用于控制磁头的读写功能的控制信号。
(例子1)1)颗粒薄膜的制造在这个例子中，净化碟形玻璃衬底(由OHARA公司制造，外直径为2.5英寸)被用于非磁性玻璃衬底。玻璃衬底被放到DC磁电管溅射设备(ANERVA公司)的室中，并且真空室被抽空到1×10-5Pa或更低，接着根据如下所述的过程在0.6PaAr气中执行磁电管溅射。
首先形成具有5nm的厚度的Pd底层。接着通过使用添加20mol％SiO2的CoO的烧结复合靶(composite target)进行RF溅射来形成10nm厚的CoO-SiO2层，并且接着衬底被取出到环境空气中。
通过CoO-SiO2层的共面TEM观察发现，该层具有包括以大约1nm的非晶颗粒边界彼此分隔的直径大约为6nm的晶体颗粒的结构，并且识别出六边形对称的晶体颗粒排列。通过使用具有大约1nm直径的探针进行的nano-EDX分析发现，晶体颗粒内部的主要成分是Co和O，并且边界处的主要成分是Si和O。没有估测氧化钴和氧化硅的化合价，并且薄膜结构被认为是通过化合物的共晶反应而形成的，或是颗粒聚集的分形特性所导致的。针对使用二元靶(binarytargets)而不是复合靶同时溅射CoO和SiO2形成的薄膜，发现具有类似结构的薄膜。
通过将薄膜与衬底沉浸在HCl溶液中，对制造的薄膜执行蚀刻。CoO被化学蚀刻。对于这个蚀刻处理，能够应用包含例如反应离子蚀刻的物理处理，有选择地清除CoO的任何其他蚀刻处理。在这个阶段，SiO2层具有直径几乎相等的规则排列的孔，并且在孔的每个底部，肯定出现Pd底层。
衬底被再次放入溅射室，并且执行相反溅射(reverse sputtering)，即在0.6PA Ar气中对薄膜侧进行溅射。这个处理被有效地用于净化薄膜，和当薄膜被暴露于环境空气时薄膜表面上形成和附着的原子。这个通过溅射进行的清洗处理对于导电Pd更加有效，因为偏置电压被提供到衬底侧。于是获得位于SiO2层的孔的底部处的干净Pd表面。
通过使用Ru靶在衬底上溅射沉积物并且对衬底施加偏置电压，用Ru填充SiO2孔。施加到衬底的偏置电压在这个步骤似乎不必要，因为溅射的Ru是中性原子颗粒，并且作为SiO2-Ru和Pd-Ru之间的键能差的结果，Ru能够沉积在孔中。然而由于Ar离子对凸起部分的混合和选择性溅射，对衬底施加偏置电压似乎对于获得选择性沉积和表面平滑有效。
2)颗粒薄膜分析对通过上述方法制造的颗粒薄膜进行颗粒薄膜层的截面TEM观察。结果发现其结构与图1示出的结构几乎相同。在颗粒层16中，在垂直于衬底12的平面的方向生长出金属颗粒14的Ru晶体颗粒，并且每个Ru晶体颗粒被颗粒间材料15的非晶体SiO2分开。颗粒层16中的Ru晶体颗粒被形成为超出颗粒层16和底层13之间的边界并且穿入底层13。Ru晶体颗粒14穿入底层13的估计深度为大约1到2nm。深度测量精度由TEM分辨率决定。此外，通过高放大倍率的颗粒薄膜的网格图像观察发现，对于Pd底层和Ru微粒发现了取向结晶网格平面，这表明Pd底层和Ru之间外延附生关系的存在。由于实际也在氧化物颗粒边界上形成Ru层，通常通过在Ru形成之后执行的相反溅射而进行的蚀刻处理对于获得具有进一步的Ru颗粒分隔结构和更平滑薄膜的薄膜是有效的。
作为X射线衍射θ-2θ扫描的结果，分别从Pd(111)和Ru(00.2)平面发现接近2θ＝40.1°和42.2°的衍射峰，并且除了衬底反射之外没有其它峰。通过针对Ru(00.2)峰的摇摆曲线测量(rockingcurve measurement)，获得6.3°的完全半宽度(full half width)Δθ50，表明达到极好的结晶取向。
(对比例子1)除了无需在HCl溶液蚀刻之后执行相反溅射处理而形成Ru层之外，使用例子1中描述的相同处理制造颗粒薄膜。
通过薄膜的截面TEM观察发现，颗粒层中Ru晶体颗粒的一侧端部处于颗粒层和底层之间的边界处。Ru晶体颗粒不超出边界。作为使用X射线衍射的θ-2θ扫描的结果，观察到不同于Ru(00.2)平面的衍射峰。通过针对Ru(00.2)峰的摇摆曲线测量，发现完全半宽度Δθ50为9.7°，表明结晶取向度次于例子1中制造的样本的取向度。
这些结果意味着没有清除当薄膜被暴露于环境空气时在薄膜表面上形成的污染物。在这个对比例子中，Pd和Ru之间的键合不足以使Ru结晶取向，即使已知Pd表面不形成氧化物。
(对比例子2)除了形成CoO-SiO2层并且在沉积Pd底层之后接着处理该层的步骤被通过使用Ru-SiO2复合靶的溅射沉积处理形成10nm厚的Ru-SiO2颗粒层的步骤所替代之外，使用例子1中描述的相同处理制造颗粒薄膜。
通过Ru-SiO2颗粒层的平面TEM观察发现，层中的颗粒具有大颗粒尺寸分布，尽管平均颗粒直径为大约6nm。形成非晶体颗粒边界，但是边界的厚度不均匀。此外，晶体颗粒的位置随机，并且没有识别出颗粒排列的规则性。通过薄膜的截面TEM观察发现，颗粒层中Ru晶体颗粒的一侧端部处于颗粒层和底层之间的边界处，并且不超过边界。
认为这些结果是这样事实所导致的，即Ru和SiO2的组合未表现出共晶反应和分形特性，并且即使在Pd底层的干净表面上形成Ru层，从Pd表面穿入和扩散到Pd层的Ru颗粒的深度小于1nm。
(例子2)通过将氧化钴分别替代为例子1中的氧化铁和氧化镍，获得与例子1类似的结果。此外，通过将氧化硅分别替代为例子1中的氧化钛，氧化铝，氧化铬，氧化锆，氧化锌和氧化钽，获得类似于例子1的结果。
(例子3)1)垂直磁记录介质的制造在这个例子中，净化碟形玻璃衬底(由OHARA公司制造，外直径为2.5英寸)被用作非磁性玻璃衬底。玻璃衬底为放入DC磁电管溅射设备(ANERVA公司C-3010)室中，并且将真空室抽空到2×10-5Pa或更低。每个衬底被加热到200℃，并且接着如下所述在Ar气中执行磁电管溅射。
首先将40nm厚CrMo底层形成到每个衬底，并且接着在底层上形成40nm厚硬磁CoCrPt层以作为共面硬磁层。在硬磁层上形成200nm厚CoZrNb合金软磁层22，并且接着衬底取出一次到环境空气中。
在环境空气中冷却的每个衬底再次被放到溅射室中，并且在软磁CoZrNb层上形成类似于例子1中描述的颗粒层的颗粒层。接着在室中接连执行以下溅射薄膜形成处理。
通过使用(Co-16at％Pt-10at％Cr)-8MO1％SiO2复合靶RF溅射沉积物，在CoZrNb软磁层上形成15nm厚CoPtCr-SiO2垂直磁记录层。接着形成5nm厚碳保护层。
从室中取出具有溅射沉积层的每个衬底，并且通过使用浸渍方法在保护层上形成1.3nm厚的perfluoropolyether润滑层，获得垂直磁记录介质。
通过使用特别设计的电磁体磁化装置施加15kOe的径向指向磁场，CoCrPt共面硬磁层被磁化到盘的径向。如下所述的垂直磁记录盘显然是上述磁化盘。
2)垂直磁记录介质的评估通过针对制造的垂直磁记录介质的截面TEM观察结果发现，该结构与图2中示意性示出的结构几乎相同。对应于垂直磁记录介质的软磁层22的CoZrNb层是均匀的，并且在层中没有发现颗粒(颗粒)边界。通过也考虑到适合形成非晶体结构的层的合金成分，层的结构能够被认为是非晶体的。在软磁层22而不是例子1中的非磁性金属底层13上形成对应于介质的底层13的Pd层。发现Ru晶体颗粒14被非晶体SiO2颗粒间材料15彼此分隔，并且如图2所示向垂直方向生长。也发现晶体Ru颗粒14生长出其底部超出颗粒间材料15的边界从而到达底层13的晶体Ru颗粒14，并且Ru颗粒14的底部被穿入到底层13。此外，发现Pd和Ru之间的外延附生关系。在垂直磁记录层中，也发现被颗粒间材料28分隔的晶体颗粒27从Ru颗粒连续外延生长，并且在颗粒间材料15上生长出颗粒间材料28。
执行垂直磁记录层的TEM观察，并且在层平面中，根据以下过程执行颗粒直径分布表征。首先，具有至少100或更多颗粒图像的共面0.5×106到2×106放大倍率的TEM照片被任意选择，并且输入到计算机以作为图像数据，并且使用图像数据处理提取出其轮廓。计算每个颗粒占用的面积，以计出每个轮廓中的像素数量。接着计算每个颗粒直径，其中假定每个颗粒轮廓为圆形的。通过统计处理计算的颗粒直径的频率分布来获得颗粒的标准偏差，其中假定正态分布。获得的磁颗粒的平均直径为5.3nm，标准偏差为0.8nm。
通过处理输入到计算机的平面TEM照片图像数据并且执行2维快速傅里叶变换，估计颗粒排列的周期。在变换之前的实空间图像中清楚地识别出六边形颗粒排列规则性。通过在变换的频谱图像中发现的4个清楚的峰确认出六边形对称颗粒排列。
作为使用X射线衍射的θ-2θ扫描的结果，通过CoPtCr-SiO2记录层的(00.2)平面观察到接近2θ＝43.5°的衍射峰，并且除了衬底衍射之外没有观察到其它清楚的峰。通过衍射峰的摇摆曲线测量获得6.6°的完全半宽度Δθ50。这个结果表明获得极好的颗粒结晶取向。
使用读写分析仪1632(ReadWrite公司，美国)和自旋支架(spinstand)S1701MP评估制造的垂直记录介质的记录和再生特性。使用在记录部分处具有传递2T的饱和磁通密度的单极头的记录和再生头，和作为再生传感器的GMR元件。为评估记录介质的再生信号输出和噪声，测量50kFCI的线性记录密度时的再生输出幅度S，和400kFCI的线性记录密度时的噪声的噪声平方平均值Nm。结果，在盘表面上没有观察到尖峰形式噪声，并且获得21.4的极好S/Nm值。此外，具有100kFCI的线性记录密度的信号被记录到记录介质上，并且评估热波动造成的输出信号退化。在完成记录操作之后100,000秒内定期测量输出信号。输出信号降低在测量误差内，所以信号衰减率被评估为-0dB/10(decade)。
(对比例子3)(晶体取向的效果)除了在再次将衬底放入溅射室之后在每个衬底的CoZrNb软磁层上形成类似于对比例子1中描述的颗粒层的颗粒层之外，通过例子3中描述的处理制造磁记录介质样本。
通过对制造的介质的截面TEM观察发现，颗粒薄膜中Ru颗粒的底部位于底层的边界处，并且不穿入到底层。针对垂直记录层中的晶体生长观察到类似于例子3的特征。
进行共面TEM观察，并且通过处理共面TEM照片图像数据评估颗粒直径分布和颗粒排列规则性。通过评估的结果发现，直径的标准偏差和颗粒排列的规则性和对称性类似于例子3的结果。
作为使用X射线衍射的θ-2θ扫描的结果，观察到不同于通过CoPtCr-SiO2记录层的(00.2)平面观察到的峰的衍射峰。通过用(00.2)平面观察的峰的摇摆曲线测量，获得10.2°的完全半宽度Δθ50。结果表明颗粒结晶取向度低于例子3的取向度。
使用与例子3相同的条件评估制造的垂直记录介质的记录和再生特性。结果获得19.3的S/Nm值。对于输出信号的热波动降低，发现相对对数调整标度的线性输出降低，并且信号衰减率为-0.04dB/10。
这个对比例子的较低S/Nm值和较次热波动耐久性起因于较低的结晶取向散布，并且较低结晶取向散布被认为是由不完整的Pd-Ru外延附生关系导致的。
(对比例子4)(颗粒排列的效果)除了针对每个样本在再次将衬底放入溅射室之后在CoZrNb软磁层上的颗粒层被类似于对比例子2中描述的层的颗粒层所替代之外，通过例子3中描述的处理制造磁记录介质样本。
通过对制造的介质的截面TEM观察发现，颗粒薄膜中Ru颗粒的底部位于底层的边界处，并且不穿入到底层。针对垂直记录层中的晶体生长观察到类似于例子3的特征。
通过使用共面TEM观察并且处理颗粒图像数据，进行共面颗粒直径分布表征。获得的平均直径为5.7nm，标准偏差为1.5nm。实际上TEM图像的磁颗粒27的分布是随机的，并且显然不同于例子3中发现的颗粒排列。在快速富立叶变换的图像中，没有发现因颗粒排列的周期性而导致的清楚的峰。结果表明在层中几乎没有发现颗粒排列规则性。
作为使用X射线衍射的θ-2θ扫描的结果，观察到不同于通过CoPtCr-SiO2记录层的(00.2)平面得到的衍射峰的衍射峰。通过峰的摇摆曲线测量获得6.2°的完全半宽度Δθ50。结果表明颗粒结晶取向度与例子3的颗粒结晶取向度具有几乎相同的水平。
使用与例子3相同的条件评估制造的垂直磁记录介质的记录和再生特性。结果获得19.0的S/Nm值。评估热波动造成的输出信号的降低。获得具有对数时间标度的输出降低线性和-0.12dB/10的信号衰减率。
S/Nm和热波动耐久性的退化被认为是颗粒排列的不规则性造成的。不规则性起因于Ru和SiO2的组合，此组合没有显示出一致(congruent)反应和分形特性。
(例子4)
(中间层)除了Ru金属分别被具有类似于Ru金属的晶体结构和晶格常数的Rh金属和Re金属替代之外，使用例子3中描述的处理制造磁记录介质。于是获得类似于例子3的结果。
此外，除了底层的Pd被具有面心立方结构结构的Pt金属和NiFe金属合金替代之外，使用例子3中描述的处理制造磁记录介质。于是获得类似于例子3的结果。
(例子5)(插入中间层)使用与例子3中描述的相同的处理将沉积的衬底取出到环境空气中冷却。每个衬底被取回到环境空气中，并且再次沉积作为颗粒薄膜层的底层的20nm厚CoZrNb层，形成5nm厚Co-SiO2层以作为颗粒层，接着再次将衬底从室中取出到环境空气中。这里，附加CoZrNb层形成对于获得干净表面是有效的。附加CoZrNb层没有在记录磁头和软磁层之间产生附加磁间隔。在通过使用例子1中描述的类似方法进行蚀刻而清除CoO之后，衬底被放回到室中并且进行相反溅射。接着使用Pd靶的偏置溅射形成Pd-SiO2层。接连使用Ru-5mol％SiO2复合靶形成10nm厚Ru-SiO2中间层，并且使用例子1中描述的相同过程形成CoPtCr-SiO2记录层和碳保护层。接着在通过浸渍方法形成润滑层之后获得垂直磁记录介质。
通过针对制造的垂直磁记录介质的截面TEM观察发现，该结构与图2中示意性示出的结构几乎相同。嵌入非晶体SiO2颗粒间材料15中的Pd颗粒14被形成为超出边界并且穿入到CoZrNb底层13中。发现Pd，Ru组成的复合颗粒和磁颗粒27形成接连外延生长的柱形结构。此外，发现在颗粒层的SiO2材料上形成中间层的颗粒边界材料，并且在中间层的颗粒边界材料上形成磁层的中间材料。
通过在介质的垂直磁记录层处的共面TEM观察图像的图像处理结果评估颗粒直径分布。在平均直径，颗粒直径的标准偏差，颗粒排列的规则性和排列对称性方面获得类似于例子3的几乎相同的良好结果。
使用X射线衍射方法评估的结晶取向度也是令人满意的。包含S/Nm和信号衰减率的记录和再生特性与例子3的结果几乎相同，并且是令人满意的。
这些结果与为和类似于对比例子3和4的条件相对比而得到的结果相比较。发现可通过使晶体颗粒穿入到底层中来降低介质噪声和提高热波动耐久性以增加结晶取向度，并且使用CoO-SiO2组合使晶体颗粒排列规则化。
Pd颗粒生长没有外延到底层，因为类似于底层下面的软磁层，CoZrNb底层是非晶体的。然而干净表面上的颗粒生长似乎对于改进结晶取向是有效的。
(例子6)除了每个样本的Ru中间层分别被Rh层和Re层替代之外，使用如例子3中描述的相同条件制造垂直磁记录介质样本，并且获得类似于例子3的结果。
除了颗粒层中的晶体Nd颗粒分别被Pt金属和NiFe合金替代之外，使用如例子3中描述的相同条件制造垂直磁记录介质，并且获得类似于例子3的结果。
此外，除了颗粒层的底层CoZrNb分别被非磁性Pd金属和非磁性Pt替代之外，使用如例子3中描述的相同条件制造垂直磁记录介质。在这种情况下，通过将CoZrNb层的厚度降低到3mm而不是10nm，获得类似于例子3的情况的结果，因为这些底层是非磁性的，并且充当磁头和软磁层之间磁路的磁间隔。
当晶体颗粒和底层由Pd，Pt或NiFe的相同材料组成时，非常难以确定颗粒层的晶体颗粒是否穿入到底层中。通过根据其它材料的结果判断，晶体颗粒能够被认为是穿入到底层中。
(例子7)1)分开Ru层(1)应用例子3中描述的相同处理直至在环境空气中冷却的步骤。每个衬底被放回到室中，并且被形成5nm厚Nd底层和5nm厚CoO-SiO2层，接着再次将衬底从室中取出到环境空气中。在使用如例子1中描述的相同蚀刻步骤进行CoO蚀刻处理之后，衬底被再次放到室中，并且通过相反溅射和对Ru靶提供偏置电压的偏置溅射，形成Ru-SiO2层。接着使用Ru-5mol％SiO2复合靶进行5nm厚Ru-SiO2中间层的溅射沉积。在这个层上，使用例子3中描述的过程形成CoPtCr-SiO2记录层和碳保护层，并且接着使用浸渍方法形成润滑层。于是制造垂直磁记录介质。
通过制造的垂直记录介质的截面TEM观察发现，嵌入非晶体SiO2颗粒边界材料层中的Ru颗粒延伸通过颗粒层和底层之间的边界并穿入到Pd底层中。此外发现，在各层中形成由颗粒层Ru颗粒，中间层Ru颗粒和磁颗粒组合组成的外延生长复合柱形颗粒。此外，在颗粒层的SiO2之上形成中间层的颗粒间材料，并且在中间层的颗粒间材料之上形成垂直磁记录层的颗粒间材料。
通过在介质的垂直磁记录层处的共面TEM观察图像的图像处理结果评估颗粒直径分布。在平均直径，颗粒直径的标准偏差，颗粒排列的规则性和排列对称性方面获得几乎类似于例子3的结果的令人满意的结果。
使用X射线衍射方法评估的结晶取向度也是令人满意的，并且包含S/Nm和信号衰减率的记录和再生特性良好，几乎与例子3的结果相同。
进行调节类似于对比例子3和4的条件的试验。通过结果发现，通过将晶体颗粒延伸和穿入到底层而获得的结晶取向度提高和使用CoO-SiO2组合的晶体颗粒排列规则化对于降低介质噪声和提高热波动耐久性是有效的。当例子3中的上Ru-SiO2层被使用复合靶形成的层替代时，预计增加了处理步骤导致的结晶度退化效果。然而发现清洁和平滑Ru-SiO2层的效果充分补偿了退化效果。
2)分开Ru层(2)应用例子3中描述的相同处理直至在环境空气中冷却衬底的步骤。每个衬底被放回到室中，并且被形成5nm厚Nd层，作为颗粒层的底层的5nm厚Ru层，和作为颗粒层的5nm厚CoO-SiO2层。接着再次将衬底从室中取出到环境空气中。在使用如例子1中描述的相同蚀刻步骤进行CoO蚀刻处理之后，衬底被再次放到室中，并且在通过对Ru靶提供偏置电压的偏置溅射而进行相反溅射之后，形成Ru-SiO2层。在这个层上，使用例子3中描述的过程形成CoPtCr-SiO2记录层和碳保护层，并且接着使用浸渍方法形成润滑层。于是制造垂直磁记录介质。
颗粒层中的Ru颗粒和Ru底层由相同元素组成。所以，通过制造的垂直记录介质的截面TEM观察难以清楚颗粒层中的Ru颗粒延伸和穿入到底层中。然而通过针对具有不同材料的其它颗粒的情况的结果能够容易地认为颗粒层中的Ru颗粒延伸到底层。此外发现，记录层中的磁颗粒27在Ru颗粒上外延生长并且具有复合柱形颗粒结构，在颗粒SiO2层上形成颗粒间材料层。
通过在介质的垂直磁记录层处的共面TEM观察图像的图像处理结果评估颗粒直径分布。在平均直径，颗粒直径的标准偏差，颗粒排列的规则性和排列对称性方面获得与例子3几乎相同的令人满意的结果。
使用X射线衍射方法评估的结晶取向度也是令人满意的，并且包含S/Nm和信号衰减率的记录和再生特性也是令人满意的，几乎与例子3的结果相同。
这些结果与为和类似于对比例子3和4的条件相对比而得到的结果相比较。通过结果发现，由于将晶体颗粒延伸和穿入到底层而获得的结晶取向度提高和由于CoO-SiO2组合而导致的晶体颗粒排列规则化对于降低介质噪声和提高热波动耐久性是有效的。
当例子3中的下Ru-SiO2层被没有颗粒或颗粒边界的Ru层替代时，需要至少一个附加步骤，并且预期处理步骤造成的颗粒直径分布和颗粒排列规则性退化效果增加。然而发现，通过增加颗粒结晶度提高的效果，可一定程度上补偿退化效果。
3)附加结果除了Ru金属分别被具有类似晶体结构和晶格常数的Rh金属和Re金属替代之外，使用例子7中描述的处理制造垂直磁记录介质。于是获得类似于例子7的结果。
(例子8)(间隔的效果)除了磁性CoZrNb合金层分别被非磁性Pd和非磁性Pt金属替代，并且厚度分别提高到5，10或15nm之外，通过例子6的方法制造垂直磁记录介质。发现Pd和Pt层厚度的提高对于结晶取向和例如矫顽力的磁性质没有显著效果，并且对记录层的微观结构的效果也较小。因此，这个记录介质系统适于调查磁头和软磁层之间间隔的效果。
通过例子3中描述的方法评估制造的介质的磁记录和再生特性。尤其是在这个例子中进行改写(OW)测量，即显示写入到记录层的程度的指标(先前记录信号在改写之后保留的量)，记录分辨率dPW50测量，即显示位之间磁性转变层的清晰度的指标。发现随着厚度从5nm提高到10和15nm，OW值从42.1dB退化到36.5和32.7dB，并且dPW50值从7.2ns退化到8.0和8.4ns。
根据非磁层厚度提高，即磁记录头和软磁层之间间隔的提高所导致的头记录场的扩充效果，可预计到这些结果。当Pd和Pt厚度为10nm或更多时，与厚度为5nm时的情况相比，记录和再生特性不足。当Pd或Pt厚度为5nm时，磁间隔为大约20nm。当记录介质具有20nm厚或更低的磁间隔时，获得良好的记录和再生特性。
在这种情况下，Pd或Pt厚度被选作用于改变间隔的参数。间隔对记录和再生特性的影响可认为与改变任何非磁层厚度的影响几乎相同。当颗粒层的底层为非磁性时，间隔是颗粒层(包含底层)厚度和中间层厚度的总和。当颗粒层的底层为磁性时，间隔是颗粒层(不包含底层)厚度和中间层厚度的总和。
尽管针对本发明的最优实施方式说明和描述了本发明，然而本领域技术人员应当理解，在不偏离本发明的宗旨和范围的前提下，可在形式和细节方面进行上述和各种其它改变。
权利要求
1.一种颗粒薄膜，包括衬底；衬底上的金属底层；和金属底层上的颗粒层，其中颗粒层包括部分穿过体而进入金属底层的金属颗粒，和分隔金属颗粒的颗粒间材料，颗粒间材料包括从包括氧化物，氮化物和碳化物的组中选择的至少一种。
2.一种垂直磁记录介质，包括衬底；衬底上的软磁层；软磁层上的金属底层；金属底层上的颗粒层；和颗粒薄膜层上的垂直磁记录层，其中颗粒层包括部分穿过体而进入金属底层的金属颗粒，和分隔金属颗粒的颗粒间材料，颗粒间材料包括从包括氧化物，氮化物和碳化物的组中选择的至少一种。
3.如权利要求2所述的垂直磁记录介质，其中垂直磁记录层包括具有平均颗粒直径d的磁颗粒，d≤6nm。
4.如权利要求2所述的垂直磁记录介质，其中垂直磁记录层包括在垂直磁记录层平面规则排列的磁颗粒的颗粒结构，和分隔每个磁颗粒的非磁性颗粒间材料。
5.如权利要求2所述的垂直磁记录介质，其中颗粒层的金属颗粒具有从包括六方最密堆积结构和面心立方结构结构的组中选择的晶体结构，并且颗粒层的非磁性颗粒间材料是具有非晶体结构的氧化物材料。
6.如权利要求2所述的垂直磁记录介质，其中颗粒层的金属颗粒包含从包括Ru，Rh，Re，Pd，Pt和Ni的组中选择的至少一种，以作为主要成分。
7.如权利要求2所述的垂直磁记录介质，其中颗粒层的非磁性颗粒间材料是包含从包括氧化硅，氧化钛，氧化铝，氧化锌和氧化钽的组中选择的至少一种以作为主要成分的氧化物材料。
8.如权利要求2所述的垂直磁记录介质，其中金属底层包含从包括Pd，Pt，Fe，Co和Ni的组中选择的至少一种，以作为主要成分。
9.如权利要求2所述的垂直磁记录介质，其中垂直磁记录介质还包括布置在颗粒层和垂直磁记录层之间的中间层。
10.如权利要求9所述的垂直磁记录介质，其中中间层包含从包括Ru，Rh和Re的组中选择的至少一种，以作为主要成分。
11.如权利要求9所述的垂直磁记录介质，其中垂直磁记录介质的金属底层为非磁性的，并且包含颗粒薄膜，金属底层和中间层的总厚度ttn为ttn≤20。
12.如权利要求9所述的垂直磁记录介质，其中金属底层为磁性的，并且颗粒薄膜和中间层的总厚度ttm为ttm≤20nm。
13.如权利要求2所述的垂直磁记录介质，其中垂直磁记录层包括Co以作为主要成分，并且还包括Pt和O。
14.一种垂直磁记录和再生设备，包括垂直磁记录介质，包括衬底，衬底上的软磁层，软磁层上的金属底层，金属底层上的颗粒层，和颗粒薄膜层上的垂直磁记录层，其中颗粒层包括部分穿过体而进入金属底层的金属颗粒，和分隔金属颗粒的颗粒间材料，该颗粒间材料包括从包括氧化物材料，氮化物材料和碳化物材料的组中选择的至少一种；驱动机构，用于驱动垂直磁记录介质；记录和再生头机构，用于向垂直磁记录介质记录信息和从垂直磁记录介质再生信息；头驱动机构，用于驱动记录和再生头；和记录和再生信号处理系统，用于处理记录和再生信号。
15.如权利要求14所述的垂直磁记录和再生设备，其中记录和再生头机构包括单极型记录头。
全文摘要
获得适于达到低噪声高磁记录密度的垂直磁记录介质。该介质具有小平均磁颗粒直径，小磁颗粒直径分布，高垂直结晶磁颗粒取向和高规则性磁颗粒排列。垂直磁记录介质包括衬底上的软磁层，颗粒底层和垂直磁记录层。在金属底层上形成颗粒底层。颗粒层中的金属颗粒被非磁性颗粒间材料分隔，并且部分穿入到金属底层中。在颗粒层上形成垂直磁记录层。于是垂直磁记录介质表现出高信噪比和极好的高密度记录特性。
文档编号G11B5/64GK1674104SQ20051005947
公开日2005年9月28日 申请日期2005年3月25日 优先权日2004年3月25日
发明者及川壮一, 岩崎刚之, 前田知幸, 喜喜津哲 申请人:株式会社东芝