具有用于记录层的多层底层的热辅助磁记录(HAMR)介质的制作方法

具有用于记录层的多层底层的热辅助磁记录(hamr)介质
技术领域
1.本发明大体上涉及一种用作热辅助磁记录(hamr)介质的垂直磁记录介质，且更具体来说，涉及一种用于记录层的改进底层。


背景技术：

2.在常规的连续粒状磁记录介质中，磁记录层是在磁盘的整个表面上的粒状磁性材料的连续层。在磁记录磁盘驱动器中，选择用于磁盘上的记录层的磁性材料(或介质)以具有足够矫顽性，使得定义数据“位”的磁化数据区域被精确地写入且保持其磁化状态，直到由新数据位覆写为止。随着面积数据密度(可以记录在磁盘的单位表面积上的位数目)增加，构成数据位的磁性颗粒可能很小，使得它们可以简单地从磁化位内的热不稳定性或搅动中消磁(所谓的“超顺磁”效应)。为了避免所存储磁化的热不稳定性，需要具有高磁晶各向异性(ku)的介质。磁性颗粒的热稳定性在很大程度上由kuv确定，其中v是磁性颗粒的体积。因此，具有高ku的记录层对于热稳定性非常重要。然而，增加ku还会增加介质的矫顽性，这可能会超出写磁头的写入场能力。
3.由于已知记录层的磁性材料的矫顽性是温度相关的，因此热稳定性问题的一个所提出解决方案是热辅助磁记录(hamr)，其中在写入期间局部加热磁记录材料以将矫顽性降低成足以发生写入，但是其中矫顽性/各向异性高到足以使所记录位在磁盘驱动器的环境温度下(即，约15℃到60℃的正常工作温度范围)具有热稳定性。在一些所提出的hamr系统中，将磁记录材料加热至接近或高于其居里温度。然后，通过常规的磁阻读磁头在环境温度下读回所记录数据。
4.最常见类型的所提出hamr磁盘驱动器使用激光源以及具有近场换能器(nft)的光波导。“近场”换能器指代“近场光学器件”，其中光的通路穿过具有子波长特征的元件且光耦合到距第一元件子波长距离定位的第二元件，例如类似于磁记录介质的衬底。nft通常位于气体轴承滑块的气体轴承表面(gbs)处，所述气体轴承滑块还支撑读/写磁头并且在磁盘表面上方滑动或“飞行”。
5.一种类型的具有垂直磁各向异性的所提出高k
u hamr介质是在l10相中化学有序的fept(或copt)合金的合金。呈块状的化学有序的fept合金称为面心四方(fct)l10有序的相位材料(也称为cuau材料)。l10相的c轴是易磁化轴且垂直于磁盘衬底定向。fept合金需要在高温或后续高温退火下沉积以实现到l10相所需的化学有序。
6.fept合金磁性层还通常包含在fept颗粒之间形成并减小粒度的分离子，例如c、sio2、tio2、tao
x
、zro2、sic、sin、tic、tin、b、bc或bn。为了获得所需的微观结构和磁特性，需要用维持在高温(例如，约500℃到700℃)下的衬底沉积fept。在hamr介质中，mgo底层用作晶种层以引发fept磁性颗粒的所需(001)纹理并影响其几何微观结构，并且还充当热障层，使得不会从fept记录层太快地耗散来自nft的热量。


技术实现要素：

7.然而，与hamr磁盘相关联的问题是对fept记录层的热量的优化。如果mgo热障/晶种层的导热率过高，则来自nft的热量将太快地分布，这将需要更多激光功率来加热fept材料。这是不合需要的，因为增加的激光功率可能潜在地缩短hamr驱动器使用寿命。如果mgo热障/晶种层的导热率过低(高热阻率)，则来自nft的热量将限制于fept记录层并且将通过记录层横向地扩散。这是不合需要的，因为热量的横向扩展可引起覆写相邻数据磁道中的所记录数据。因此，需要记录层具有高热梯度，这意味着在所记录的位的边缘处存在急剧的温度下降。为了优化到记录层的热量，散热层位于mgo热障/晶种层下方以促进热量远离fept记录层的传递。散热层通常是单层或多层材料，所述材料为良好热导体，例如cu、au、ag、cr、mo或w或其它合适的金属或金属合金。然而，即使使用散热层，也难以将激光功率最小化，同时仍向记录层提供高热梯度。
8.本发明的实施例涉及一种在散热层与记录层之间具有多层底层的hamr介质。在一个实施例中，多层底层是主要由mgo和tio组成的热障层，以及含有mgo和氮(n)且直接位于热障层上的晶种层，其中记录层在晶种层上并与晶种层接触。热障层与晶种层之间的界面含有ti和n，其中一些可以作为tin存在以充当扩散屏障来防止ti扩散到记录层中。含钛热障层具有比mgo高的热阻率，且因此使得激光功率减小，同时仍实现高热梯度。
9.为了更全面地理解本发明的本质和优点，应参考以下详细描述以及附图。
附图说明
10.图1是根据现有技术的热辅助磁记录(hamr)磁盘驱动器的俯视图。
11.图2描绘根据现有技术的用于hamr磁盘驱动器的气体轴承滑块以及hamr磁盘的部分的截面图，所述截面图由于展示极小特征的困难而未按比例绘制。
12.图3是根据现有技术的示出具有单个散热层的hamr磁盘的截面图。
13.图4是根据本发明的实施例的示出在记录层下方具有多层底层的hamr磁盘的截面图。
14.图5a是针对各种厚度的上部mgo和mgo-n晶种层比较具有多层mgtiox(仅ar)/mgo(仅ar)的hamr介质与具有多层mgtiox(仅ar)/mgo-n(ar+n2)的hamr介质的snr的图形。
15.图5b是针对各种厚度的上部mgo和mgo-n晶种层比较具有多层mgtiox(仅ar)/mgo(仅ar)的hamr介质与具有多层mgtiox(仅ar)/mgo-n(ar+n2)的hamr介质的跃迁抖动的图形。
16.图6是针对各种厚度的上部mgo和mgo-n晶种层比较具有mgtiox(仅ar)/mgo(仅ar)多层的hamr介质与具有多层mgtiox(仅ar)/mgo-n(ar+n2)的hamr介质的fept记录层颗粒间距的条形图。
具体实施方式
17.图1是根据现有技术的热辅助磁记录(hamr)磁盘驱动器100的俯视图。在图1中，描绘具有磁盘200的hamr磁盘驱动器100，所述磁盘具有带同心圆形数据磁道118的连续磁记录层31。仅示出接近磁盘200的内径和外径的若干代表性磁道118的部分。
18.驱动器100具有外壳或底座112，所述外壳或底座支撑致动器130以及用于旋转磁
记录磁盘200的驱动电机。致动器130可以是音圈电机(vcm)旋转致动器，所述vcm旋转致动器具有刚性臂131且围绕枢轴132旋转，如通过箭头133所示。磁头悬架组合件包含悬架135，所述悬架具有附接到致动器臂131的端部的一端，以及附接到悬架135的另一端的磁头载体，例如气体轴承滑块120。悬架135允许滑块120保持非常靠近磁盘200的表面，并且使滑块能够在磁盘200沿箭头20的方向旋转时在由磁盘200产生的气体轴承(通常空气或氦气)上“俯仰”和“滚动”。滑块120支撑hamr磁头(未示出)，所述hamr磁头包含磁阻读磁头、电感写磁头、近场换能器(nft)以及光波导。例如具有780nm到980nm波长的半导体激光器90可以用作hamr光源，并且被描绘为支撑在滑块120的顶部上。或者，激光器可以位于悬架135上并且通过光学通道耦合到滑块120。当磁盘200沿箭头20的方向旋转时，致动器130的移动允许滑块120上的hamr磁头访问磁盘200上的不同数据磁道118。滑块120通常由复合物氧化铝/碳化钛(al2o3/tic)等复合材料形成。图1中仅示出具有相关联滑块和读/写磁头的一个磁盘表面，但通常有多个磁盘堆叠在由主轴电机旋转的毂上，其中单独滑块和hamr磁头与每个磁盘的每个表面相关联。
19.在图2中，x方向表示垂直于滑块的气体轴承表面(gbs)的方向，y方向表示磁道宽度或跨磁道(cross-track)方向，并且z方向表示沿着磁道的方向。图2是说明根据现有技术的hamr磁头的配置实例的示意性截面图，所述hamr磁头也能够充当本发明的实施例中的hamr磁头。在图2中，磁盘200被描绘为常规磁盘，其中hamr记录层31是具有磁化区域或“位”34的可磁化材料的连续非图案化磁记录层。位34在物理上彼此相邻，并且相邻位的边界称为磁性跃迁37。将位记录在个别数据扇区中。记录层31通常由具有垂直磁各向异性的高各向异性(ku)基本化学有序的fept合金(或copt合金)形成。磁盘包含通常由非晶体类金刚石碳(dlc)形成的外涂层36，以及通常为键合的全氟聚醚(pfpe)的液体润滑剂层38。
20.气体轴承滑块120由悬架135支撑。滑块120具有面向记录层的表面122，外涂层124沉积在所述面向记录层的表面上。外涂层124通常是厚度在约10到的范围内的dlc外涂层，并且所述外涂层的外表面形成滑块120的gbs。在沉积外涂层124之前，可以在表面122上沉积任选的粘附膜或底涂层(未示出)，例如1到的氮化硅(sin
x
)膜。滑块120支撑写磁头50、磁阻(mr)读磁头60以及磁导性读磁头护罩s1和s2。记录磁场通过写磁头50产生，所述写磁头由线圈56、用于传输由线圈56产生的通量的主磁极53、具有端部52的写极55以及返回极54组成。由线圈56产生的磁场通过磁极53传输到位于光学近场换能器(nft)74附近的写极端部52。写磁头50通常能够以不同时钟速率操作，以便能够在不同频率下写入数据。nft 74也称为等离子天线，它通常使用低损耗金属(例如，au、ag、al或cu)，所述低损耗金属以某种方式成形，以便当来自波导73的光入射时，将表面电荷运动集中在位于滑块gbs处的尖端处。振荡尖端电荷产生强烈的近场图案，从而加热记录层31。nft的金属结构有时可以产生共振电荷运动(表面等离子体)以进一步增加记录层的强度和加热。在记录时，通过由nft 74产生的光学近场加热磁盘200的记录层31，同时通过应用由写极端部52产生的记录磁场将区域或“位”34磁化并因此写入到记录层31上。重要的是，来自nft 74的热量正好聚焦在所记录的位处，使得记录层的相邻区域不被记录或覆写。因此，在记录层处的热量应具有高热梯度，这意味着在所记录的位的边缘处存在急剧的热量减少。
21.半导体激光器90安装到滑块120的顶表面。用于将光从激光器90引导到nft 74的光波导73在滑块120内形成。激光器90通常能够在不同功率电平下操作。确保波导73核心材
料的折射率大于包层材料的折射率的材料可以用于波导73。例如，al2o3可以用作包层材料并且tio2、ta2o5和sio
x
ny用作核心材料。或者，sio2可以用作包层材料并且ta2o5、tio2、sio
x
ny或ge掺杂的sio2用作核心材料。将光传递到nft 74的波导73优选地是单模波导。
22.图3是根据现有技术的示出具有连续粒状记录层(rl)31的hamr磁盘200的截面图。记录层31可以由如在现有技术中提出的基本上化学有序的fept合金(或copt合金)组成。磁盘200是具有基本上平面表面的衬底201，代表性层通常通过溅镀依序沉积在所述平面表面上。硬盘衬底201可以是任何可商购的高温玻璃衬底，但还可以是替代衬底，例如硅或碳化硅。粘附层202(通常约10到200nm的非晶体粘附层材料，例如crta或nita合金)沉积在衬底201上。
23.导磁材料的任选软底层(sul)204可以形成于粘附层202上，所述导磁材料充当用于来自写磁头的磁通量的通量返回路径。sul 204可以由还与fept(例如，cofezr和cozr的某些合金)的高温沉积工艺兼容的导磁材料形成。sul 204还可以是由通过非磁性膜(例如，al或cocr的导电膜)隔开的多个软磁性膜形成的层压或多层sul。sul 204还可以是由通过调节反铁磁耦合的层间膜(例如，ru、ir或cr或其合金)隔开的多个软磁性膜构成的层压或多层sul。sul 204可以具有在约5nm到100nm的范围内的厚度。
24.例如rual或nial层的晶种层205沉积在sul 204上，或在不使用sul的情况下沉积在粘附层202上。散热层206随后沉积在晶种层205上。散热层206有助于远离rl传递热量，以防止热量扩散到与希望写入数据的位置相邻的rl的区域，由此防止覆写相邻数据磁道中的数据。散热层206可以是由具有高导热率的材料，例如cu、au、ag、cr、mo或w或其它合适的金属或金属合金形成的一个或多个层，其具有在约5nm到200nm之间的典型厚度。
25.底层210形成于散热层206上，并且充当用于rl 31的晶种层以及热障层两者。底层通常是沉积在纯氩(ar)中的单层mgo射频(rf)溅镀，其充当晶种层和热障层两者。还提出单层mgtio
x
的底层，如在转让给与本技术相同的受让人的us 8,993,134 b2中所描述。因为mgtiox底层是导电的，所以其可以通过比rf溅镀提供更快沉积速率的直流(dc)溅镀沉积。mgtio
x
底层是沉积在ar中的dc溅镀并且具有比mgo高的热电阻，因此mgtio
x
底层充当更佳热障层，这允许减少用于加热记录层的激光功率。
26.形成rl 31的垂直介质是具有垂直磁各向异性的高各向异性(ku)基本上化学有序的fept合金(或copt合金)。基本上化学有序意味着fept合金具有fe
(y)
pt
(100-y)
形式的组合物，其中y在约45原子％与55原子％之间。在l10中有序的此种fept(和copt)合金以其高的磁晶各向异性和磁化而著称，这些特性是高密度磁记录材料所希望的。呈块状的基本上化学有序的fept合金称为面心四方(fct)l10有序的相位材料(也称为cuau材料)。l10相的c轴是易磁化轴且垂直于磁盘衬底定向。基本上化学有序的fept合金还可以是基于fept l10相的伪二元合金，例如(fe
(y)
pt
(100-y)
)-x，其中y在约45原子％与55原子％之间，并且元素x可以是ni、au、cu、pd、mn和ag中的一个或多个且存在于约0％原子百分比与约20％原子百分比之间的范围内。尽管伪二元合金一般来说具有与二元合金fept类似的高各向异性，但是其允许对rl的磁性和其它特性的额外控制。例如，ag改进l10相的形成并且cu降低居里温度。尽管将针对具有fept rl的介质描述实施例，但是介质还可以包含由copt(或基于copt l10相的伪二元copt-x合金)形成的记录层。
27.基于fept l10相的粒状薄膜展示很强的垂直各向异性，这对于超高密度磁记录有
可能产生较小的热稳定颗粒。为了制造较小颗粒fept l10介质，用于分离颗粒的某种形式的分离子可以用作磁记录层的组成部分。因此，在hamr中，rl 31还通常包含在fept颗粒之间形成并减小粒度的分离子，例如c、sio2、tio2、tao
x
、zro2、sic、sin、tic、tin、b、bc或bn中的一个或多个。尽管图3将rl 31描绘为单个磁性层，但是记录层可以是多层，例如多个堆叠的fept子层，每一个具有不同的分离子，如在转让给与本技术相同的受让人的us 9,406,329 b1中所描述。
28.通常将fept rl溅镀沉积到约4nm到15nm之间的厚度，同时将磁盘衬底201维持在高温下，例如在约300℃与700℃之间。可以从具有通常相等的fe和pt原子量以及所需量的x添加剂和分离子的单个复合靶材溅镀沉积fept rl，或者从单独的靶材共溅镀fept rl。
29.任选罩盖层212(例如，co的薄膜)可以形成于rl 31上。保护性外涂层(oc)36在rl 31上(或在任选罩盖层212上)通常沉积到在约1nm到5nm之间的厚度。oc 36优选地为一层非晶体类金刚石碳(dlc)。如在本领域中众所周知，dlc也可以被氢化和/或氮化。在完整的磁盘上，类似于全氟聚醚(pfpe)的液体润滑剂38涂覆在oc 36上。
30.图4是示出根据本发明的实施例的hamr磁盘的截面图，所述hamr磁盘具有在rl下方具有多层底层250的连续粒状记录层(rl)31。在散热层206与rl 31之间的多层底层包含：热障层252，其主要由mgo和tio(可以称为mgtio
x
或mto)组成；晶种层254，其包括用于rl 31的mgo和氮(n)；以及扩散屏障256，其包括ti和n且在热障层252与晶种层254之间。rl 31形成于mgo-n晶种层254上并且与mgo-n晶种层254接触。下部热障层252是仅在ar(无n2)中溅镀沉积到优选地在2nm到6nm的范围内的厚度的mgtio
x dc。其可以从mgo-tio靶材沉积，其中tio为所得层的至少40原子％。在沉积晶种层254之前，可以例如通过使用ar或kr气体的物理等离子蚀刻任选地蚀刻mgtiox层252以减小其表面粗糙度。上部晶种层254是mgo-n，其由在存在ar+n2的情况下沉积的mgo rf溅镀产生，其中n2在气体的9％至66％的范围内。晶种层254可以具有优选地在1nm到5nm的范围内的厚度。在加热衬底以形成fept rl 31期间，ti和n迁移到热障层252与晶种层254之间的边界以形成扩散屏障256。
31.作为本发明的实施例的发展的一部分，发现在存在ar(图3中的层210)的情况下沉积的单层mgtiox热屏障/晶种层dc溅镀导致记录性能下降，例如读回信号的信噪比(snr)减小且介质跃迁抖动(读回脉冲从其理想位置的所测量位置偏差)增加。这被认为归因于当在fept的沉积期间加热衬底时钛(ti)扩散到记录层中。为了减少ti的扩散，单层mgtiox是沉积在ar+n2中的dc溅镀，从而产生作为晶种层和热障层两者的单层mgtio
x-n。在us 9,672,854 b2中描述具有此底层的hamr介质。与具有常规mgo底层的介质相比，具有mgtio
x-n底层的此介质具有显著更差的矫顽性(hc)和成核场(hn)。因此，据相信氮气基本上不阻止ti的扩散。此外，氮气增加mgtio
x
底层的晶格，这不利地影响其在散热层(例如，cr)上的增长以及随后沉积的fept的纹理。n2注入引起的晶格变化是由于tin和tion的形成，两者都比tio具有更大的晶格。因此，在本发明的某些实施例中，mgtio
x
热障层252溅镀沉积在纯ar中，以将底层散热层206与上部晶种层254之间的晶格失配最小化。
32.已发现在根据本发明的实施例的底层250的多层结构中，如在图4中示出和描述，如果上层是沉积在ar+n2中的mgo溅镀，而不是仅沉积在ar中的常规mgo溅镀，则引起磁记录的显著改进。这通过图5a到5b和6说明。
33.图5a比较snr，并且图5b针对各种厚度的上部mgo和mgo-n晶种层比较多层mgtio
x
(仅ar)/mgo(仅ar)与多层mgtio
x
(仅ar)/mgo-n(ar+n2)的跃迁抖动。在mgo的最厚值处，对于具有mgo(仅ar)的多层，snr变差至少0.95db且跃迁抖动变差至少0.27nm，并且这些增量尤其在减小的mgo厚度处更大。这是由于对于用mgo(仅ar)晶种层制造的介质，fept的颗粒间距增加，如图6中三种不同晶种层厚度的数据所示。据相信，来自mgtio
x
下层的不稳定ti具有通过上部mgo层扩散到记录层的趋势。在fept记录层受热沉积后，hamr介质的截面的透射电子显微镜(tem)图像显示在mgtio
x
和mgo-n层的界面处存在氮和ti。据相信，在mgo的溅镀沉积期间存在的一些氮与一些ti反应以形成稳定的tin相。这在图4中描绘为扩散屏障256。
34.如图4中具有多层底层的hamr介质用各种厚度(2.5nm至5.6nm)的mto(50％tio)热障层和2.3nm厚的mgo-n(在ar-28％n2中溅镀)晶种层制造。用相等的激光功率值写入介质，然后测量snr、跃迁抖动和热梯度(tg)。与具有常规的单个mgo热屏障/晶种层(如在图3中)的参考介质相比，具有带mto(4nm)热障层/mgo-n晶种层的底层的介质展现+0.44db snr、-0.13nm跃迁抖动、+12.2％沿磁道(down-track)tg和+21.8％跨磁道tg。因此，通过根据本发明的实施例的hamr介质，可以减小激光功率以实现与现有技术介质相同的性能。这是由于常规的单个mgo层上的mto层的热阻率增加。
35.与具有单个mgo屏障/晶种层的hamr介质相比，具有mto/mgo-n底层的hamr介质还展现显著更佳的抗腐蚀性。由于mgo对空气中的水分具有反应性，因此mgo对hamr介质中的腐蚀具有最显著影响。记录层和外涂层中的空隙和微孔是水分到达mgo层的路径。磁盘腐蚀会导致表面缺陷，从而可能导致严重的磁头-磁盘接口问题。热屏障mto的使用需要相对较薄的mgo晶种层，这可以有助于减少磁盘腐蚀。对于如图4中具有mto(4.0nm)/mgo-n(2.3nm)底层的磁盘以及如图3中具有单个mgo(4.6nm)屏障/晶种层的参考磁盘，执行加速腐蚀(ac)测试。在60℃和70％相对湿度(rh)下执行ac测试达12小时。然后在ac测试之前和之后对介质的整个表面进行光学扫描，以检测和计数表面缺陷(计数/每平方厘米)。具有单个mgo(4.6nm)层的磁盘的计数为4531，而具有mto屏障层/mgo-n晶种层的磁盘的计数仅为375。
36.虽然已经参考优选实施例具体地示出并描述本发明，但是本领域技术人员将理解，可以在不脱离本发明的精神和范围的情况下进行形式和细节的各种改变。因此，所公开的本发明仅被视为说明性的且限制在仅如在所附权利要求书中指定的范围内。