專利名稱：CoPt/Ta垂直磁化膜的雙層結構材料及其制備方法
技術領域：
本發(fā)明屬于信息存儲領域，具體涉及一種可用于提高CoPt膜垂直磁性能的CoPt/Ta雙層結構材料及其制備方法。
背景技術：
在計算機的外部存儲器中，磁存儲技術發(fā)展迅速，并形成了巨大的產業(yè)。近年來磁存儲介質的存儲密度以每5年增加10倍的速度迅速發(fā)展。隨著磁記錄密度的進一步提高，記錄單元的尺寸減小，從而單位記錄單元內的磁性晶粒尺寸迅速減小，水平磁記錄(磁化方向與記錄介質的運行方向平行)遇到超順磁效應的限制。超順磁效應會導致記錄信息在外界熱擾動的影響下變得不穩(wěn)定，甚至丟失，從而限制了介質記錄密度的提高。為了進一步·提高存儲密度，垂直磁記錄技術(記錄位的磁化方向與記錄介質的表面垂直)獲得廣泛關注。垂直記錄的思想于1975年由日本的Iwasaki博士第一次提出。在垂直記錄介質中，磁性顆粒的易磁化方向垂直于記錄介質薄膜表面。垂直記錄技術相比于水平記錄技術具有以下兩點優(yōu)勢首先，垂直記錄使用單極磁頭與軟磁底層配合進行讀寫。與水平記錄使用的環(huán)狀磁頭相比，垂直記錄技術可以在雙倍矯頑力的記錄介質上進行讀寫。這使得在垂直記錄介質中可以采用更高磁晶各向異性的材料。在相同信噪比(Signal to Noise Ratio, SNR)和熱穩(wěn)定性情況下，記錄介質中的磁性顆粒的體積可以更小，因而，垂直磁記錄介質可以支持更高的記錄密度。其次，垂直記錄中的磁性顆粒具有垂直于薄膜表面的強單軸各向異性。這使得磁性顆粒的翻轉場分布更小，記錄單元之間的過渡區(qū)間更窄。更窄的過渡區(qū)間有利于提高信噪比，有利于記錄密度的進一步提高。世界上首個基于垂直記錄技術的商用硬盤模型由美國希捷公司于2006年做出。2007年，美國西部數據公司報道了基于CoCrPt記錄介質、密度為520G/in2的演示產品，Wood等的模擬結果顯示垂直記錄可以支持超過IT/in2的記錄密度。在垂直磁記錄硬盤中，隨著記錄密度的進一步提高，當磁記錄位及其顆粒尺寸減小到一定程度時，存儲的信息仍將由于超順磁效應而變得不穩(wěn)定。為了使得記錄位內多數磁性顆粒的磁矩在足夠長的時間內保持其磁化方向，磁記錄介質的各向異性能必須足夠高。在常溫條件下，要想穩(wěn)定記錄信息至10年以上，記錄介質的熱穩(wěn)定性因子(ThermalStability Factor = KuV/kBT)必須要大于60。同時滿足高信噪比和熱穩(wěn)定性這兩個相互競爭的要求是進一步提高硬盤磁記錄密度的關鍵。垂直磁記錄材料因有較好的熱穩(wěn)定性及較高的記錄密度，為實現超高密度信息存儲提供了有利條件。垂直磁記錄要求在熱穩(wěn)定前提下磁性顆粒尺寸盡量小，為了提高熱穩(wěn)定性，必須采用具有較高磁各向異性能(Ku)的材料作為磁記錄介質。具有Lltl結構的等原子比CoPt是一種有序的正四方相，沿c軸方向Co和Pt原子層交替排列，c軸比a軸略短，c軸為易磁化方向，這種沿c軸壓縮變形的四方結構使CoPt合金具有高達(106-107J/m3)的垂直磁各向異性能和高矯頑力和較好的抗腐蝕性能，可以有效提高比特位的熱穩(wěn)定性，降低介質噪聲，并且可以大幅度提高磁記錄密度，因而在超高記錄密度磁記錄介質方面有很大的應用潛力，很適合作為超高密度垂直磁記錄材料。在高密度垂直記錄介質的工業(yè)運用中，存在為了獲得LI。相，需要300°C以上的基片溫度或500°C以上的熱處理溫度。高溫會使得顆粒尺寸難以控制，也會延長產品的生產周期，最終增加工業(yè)生產的成本的問題。目前，研究者們都致力于選用合適的底層(如Ag，C，BN)，誘導CoPt合金薄膜的磁晶顆粒向(001)垂直取向生長。或者通過摻入第三種非磁性雜質(如Ag，Si3N4, Al2O3, SiO2, B2O3, BN, TiO2, B)，不僅降低退火溫度，還可以大大減弱晶粒間的磁交換耦合作用。

發(fā)明內容
本發(fā)明針對在生產工藝中遇到的高退火溫度、被外界環(huán)境影響，容易被氧化、腐蝕、磁性顆粒難以向Lltl(OOl)垂直取向生長的問題，提供一種CoPt/Ta垂直磁化膜的雙層·結構材料及其制備方法。本發(fā)明沒有采用底層材料和材料摻雜的方法，而是在CoPt薄膜上沉積保護層材料Ta，以解決CoPt磁性薄膜在制備生產工藝過程中容易被氧化而引起的磁各向異性能降低的問題，并促進Lltl(OOl)垂直取向的生長。本發(fā)明提供的一種CoPt/Ta垂直磁化膜的雙層結構材料，它依次包括基片，CoPt磁性層，Ta保護層，其中，CoPt的厚度為IOnm IOOnm, Ta保護層的厚度為Inm 20nm。所述的CoPt/Ta垂直磁化膜的雙層結構材料有兩種制備方法，CoPt復合靶法和CoPt合金I巴法。CoPt復合靶法的步驟包括第I步制備Co金屬革巴和Ta金屬革巴；第2步在Co靶上貼置Pt片；第3步以Ar2作為濺射氣體，先對貼置Pt片后的Co靶進行濺射，再在CoPt上濺射一層Ta層，制備得到具有Ta保護層的CoPt磁性薄膜材料；第4步將制備好的CoPt單層磁性薄膜和CoPt/Ta雙層結構磁性薄膜放置于真空退火爐中高溫下退火。CoPt合金靶法的步驟包括第I步制備CoPt合金靶和Ta金屬靶；第2步以Ar2作為濺射氣體，先對CoPt合金靶進行濺射，再在CoPt上對Ta靶進行濺射，制備得到具有Ta保護層的CoPt磁性薄膜材料；第3步將制備好的CoPt/Ta雙層結構磁性薄膜放置于真空退火爐中高溫下退火。本發(fā)明的技術效果體現在與沒有加Ta保護層的CoPt材料相比，本發(fā)明提供的CoPt/Ta結構的磁性材料，具有高磁晶各向異性以及大的垂直矯頑力?？刂仆嘶鸬臏囟仍?500C，即可以促進CoPt的磁性顆粒沿c磁化軸方向生長。本發(fā)明考慮Ta具有非常出色的化學性質以及極高的抗腐蝕性，將可對磁性材料在濺射、退火、測試過程中遇到的氧化及腐蝕起到很好的保護作用。在制備CoPt磁性材料，再在上面加入Ta保護層之后，CoPt/Ta相對于沒有加保護層的CoPt，磁性能提高很多。主要原因有①Ta非磁性元素在濺射沉積過程中，向晶界偏聚，使晶界區(qū)成為非磁性區(qū)域，從而改變磁化反轉機制，提高薄膜介質矯頑力。②在合適的退火溫度下，由于熱擴散作用，Ta原子向CoPt磁性層擴散，減弱了相鄰磁性顆粒間的交換耦合作用，減小介質翻轉的噪聲，提高了記錄位密度的提高。


圖I是CoPt/Ta垂直磁化膜的膜層結構示意圖。圖2是CoPt薄膜的垂直磁滯回線。圖3是CoPt垂直磁化膜的差示掃描量熱圖。圖4是不同厚度的CoPt薄膜加Inm的Ta保護層的磁滯回線。圖5是不同厚度的CoPt薄膜加IOnm的Ta保護層的磁滯回線。
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圖6是不同厚度的CoPt薄膜加20nm的Ta保護層的磁滯回線。圖7是沒有加Ta保護層和加過Ta保護層的CoPt薄膜的磁滯回線。圖8是沒有加Ta保護層和加過Ta保護層的CoPt薄膜的XRD圖。圖9是沒有加Ta保護層和加過Ta保護層的CoPt薄膜的Co原子的XPS光電子譜線圖。圖10是CoPt/Ta薄膜在65(TC下退火不同時間的磁滯回線。圖11是CoPt/Ta薄膜在650°C下退火IOmin的所測得的三維表面形貌圖。圖12是CoPt/Ta薄膜在650°C下退火30min的所測得的三維表面形貌圖。圖13是CoPt/Ta薄膜在650°C下退火Ih的所測得的三維表面形貌圖。
具體實施例方式下面通過借助實施例更加詳細地說明本發(fā)明，但以下實施例僅是說明性的，本發(fā)明的保護范圍并不受這些實施例的限制。本實施例所述的一種以Ta作為保護層的CoPt/Ta雙層結構的磁性材料，如圖I所示，它依次包括基片3，CoPt磁性層2，Ta保護層I，其中，CoPt的厚度為IOnm IOOnm(優(yōu)選值為50nm), Ta保護層的厚度為Inm 20nm(優(yōu)選值為IOnm)。本發(fā)明提供的以Ta作為保護層的CoPt/Ta雙層結構的磁性材料，具有高磁晶各向異性能以及大的磁性矯頑力。在濺射沉積過程中，Ta作為非磁性元素向CoPt與Ta晶界偏聚，使晶界區(qū)成為非磁性區(qū)域，從而改變磁化反轉機制，提高薄膜介質矯頑力。以及在熱處理過程下，由于熱擴散作用，Ta原子向CoPt磁性層擴散，減弱了相鄰磁性顆粒間的交換耦合作用，減小介質的噪聲，提高了記錄位密度。所述的CoPt/Ta垂直磁化膜的雙層結構材料可以采用CoPt復合靶法和CoPt合金靶法進行制備，也可以采用濺射法、化學氣相沉積法、蒸發(fā)法、原子層沉積法、金屬有機物熱分解法或激光輔助沉積法等方法中任意一種制備方法。在本發(fā)明提供的制備方法中，可以采用下述優(yōu)選的工藝參數 濺射Co靶和CoPt合金靶功率為15W 200W (進一步優(yōu)選值為20W)，濺射Ar氣壓為O. 45Pa I. OPa (進一步優(yōu)選值為O. 5Pa)。濺射Ta靶功率為15W 200W(進一步優(yōu)選值為25W)，濺射Ar氣壓為O. 45Pa I. OPa (進一步優(yōu)選值為O. 5Pa)。退火溫度為600°C 850°C，進一步地，CoPt/Ta和CoPt的退火時間為IOmin Ih。
本發(fā)明所述的CoPt/Ta結構及使用Ta作為CoPt保護層的制備方法可采用濺射法、化學氣相沉積法、蒸發(fā)法、原子層沉積法、金屬有機物熱分解法或激光輔助沉積法等方法中任意一種制備方法。實施例I本文實施例選用磁控濺射方法制備CoPt/Ta以及CoPt磁性薄膜?；子肧i (100),制備好直徑為100mm、厚 度為5mm的CoPt合金祀材(原子比Co : Pt = I : I)，靶的純度為99. 999% (原子百分比)。用磁控濺射的方法，濺射時通入純度為99. 999%的Ar氣。具體的工藝參數如下=CoPt合金靶采用直流功率電源，濺射功率為120W ;灘射Ar氣壓為IPa ;每次濺射前預濺射I小時以保證CoPt合金靶表面的氧化層被去除干凈。通過臺階儀測量薄膜的厚度，制備50nm的CoPt磁性薄膜。利用VSM測試CoPt (50nm)薄膜的垂直磁特性。圖2所示的CoPt的垂直磁化曲線可以看出，CoPt薄膜的垂直矯頑力為2544. 60e。CoPt薄膜在經過優(yōu)化的派射功率和退火溫度下退火lh, CoPt的磁性晶粒趨于向Lltl(OOl)方向生長。實施例2對CoPt薄膜的相轉變溫度進行考察。基片采用Si (100),制備好直徑為100mm、厚度為5mm的Co祀材，IE的純度為99. 999% (原子百分比)，大小為2*10mm的Pt片均勻地貼在Co靶上，通過改變Pt片的數量來調節(jié)Co與Pt的原子比為I : I。然后用磁控濺射的方法，濺射時通入純度為99. 999%的Ar氣。具體的工藝參數如下Co靶采用直流功率電源，濺射功率為20W ;灘射Ar氣壓為
O.5Pa ;每次濺射前預濺射I小時以保證Co靶表面的氧化層被去除干凈。每次改變貼在Co靶上的Pt片數量就可以得到不同原子比的CoPt磁性薄膜。通過用掃描電子顯微鏡附帶的能譜儀分析，可以得到薄膜中各個元素所占的原子百分比。最后測試結果發(fā)現在Co靶上貼8片Pt片可以達到Co Pt = I I的比例。通過臺階儀分析得到薄膜的厚度，分別制備IOnm, 50nm, IOOnm 的 CoPt 磁性薄膜。用DSC(差示掃描量熱儀)進行差熱分析，得到結果如圖3。在560°C處出現一個CoPt的放熱峰，說明CoPt在560°C處發(fā)生了一次相轉變。因此只有退火溫度高于560°C，CoPt才會發(fā)生相轉變。派射態(tài)的CoPt合金薄膜是fee結構,只有在高溫退火條件下,薄膜才能發(fā)生相轉變。然而，隨著退火溫度的升高，CoPt晶粒的尺寸會不斷的長大，晶粒的過分長大導致磁交換稱合作用，從而影響CoPt介質的磁性能和噪聲的磁性能。因此確定CoPt的相轉變溫度可以對退火工藝進行優(yōu)化，防止CoPt晶粒的過分生長。將CoPt薄膜置于高溫退火爐中，設置退火溫度為600°C 850°C都可以發(fā)生相轉變，然而當退火溫度為650°C時，既能保證薄膜中的顆粒都發(fā)生相轉變，又能保證磁晶顆粒不過分長大，導致晶粒間的磁晶耦合作用致使CoPt薄膜的磁性能降低。實施例3制備好直徑為IOOmm,厚度為5mm的Ta祀材,祀的純度為99. 99% (原子百分比)，然后用磁控濺射的方法，濺射時通入純度為99. 999%的Ar氣。在實施例一中樣品10nm，50nm, IOOnmCoPt磁性層上分別鍍一層Ta薄膜，Ta薄膜的厚度為lnm, IOnm, 20nm。
具體的工藝參數如下Ta靶采用直流功率電源，濺射功率為25W，濺射Ar氣壓為
O.5Pa ;每次濺射前預濺射I小時以保證Ta靶表面的氧化層被去除干凈。用VSM 分別測試 IOnm, 50nm, IOOnmCoPt 薄膜上分別鍍 lnm, IOnm, 20nm 的 Ta 保護層的垂直磁性能。IOnm, 50nm, IOOnmCoPt薄膜上加InmTa保護層的對比磁滯回線如圖4所示。外加IOnm的Ta保護層的三個不同厚度的CoPt薄膜樣品的M-H垂直磁化曲線如圖5所示。三個厚度的CoPt樣品加20nm的Ta保護層的對比磁滯回線如圖6所示。從圖4，圖5，圖6的對比垂直磁化曲線可以看出，當CoPt薄膜的厚度為50nm，Ta保護層的厚度為IOnm時，所測的垂直矯頑力最大，其值為1289. 40e。用VSM，XRD以及XPS分別測CoPt薄膜和CoPt (50nm)/Ta (IOnm)(兩個樣品都在真空度為1X10_4的退火爐中退火溫度為650°C下退火Ih)雙層結構磁性薄膜垂直磁性能、晶化程度、以及成鍵情況。測量兩個樣品的磁滯回線、晶化峰、成鍵峰見圖7，圖8，圖9。從圖7中可以看到，兩個樣品的飽和磁化強度相差不大，都為600emu/cm3左右，沒有加Ta保護層的CoPt磁化膜垂直磁矯頑力只有110. 50e,而加了 Ta保護層的CoPt磁化膜垂直磁矯頑力高達1289. 40e。圖8中對比了 CoPt薄膜和CoPt (50nm)/Ta (IOnm)磁性膜的晶化程度，CoPt薄膜退火足夠的時間后，出現了(111)、(200)、(002)布拉格衍射峰，而CoPt (50nm)/Ta (IOnm)薄膜除了出現上面3個基本峰之外，Ll0(OOl)的峰也出現了。通過謝樂(scherrer)公式D = KA /Bcos ( Θ )(其中K為謝樂常數，當B為衍射峰的半高寬時，K取O.9，Θ為布拉格衍射角，λ為使用的X射線波長)，計算得到形成的Lltl(OOl)晶粒尺寸(D) =42nm。圖9是兩個樣品的Co原子2p區(qū)域的光電子能譜圖。Co2p區(qū)域的光電子峰表現的結合能分別是780. 5ev和796. 9ev的雙峰。雙峰的出現源于Co原子的2p能級軌道自旋分裂，并分別對應于Co2pl/2，Co2p3/2，光電子峰峰型為Doniach-Sunjic非對稱型。對于CoPt/Ta而言，2p區(qū)域的高結合能端780. 5ev處基本呈現對稱型的峰，在距離Co2pl/2峰高結合能5. 3ev處出現一攜上伴峰(shake-up satellite),伴峰的出現是源于02p能帶電子向Co2p能帶空軌道躍遷造成的。

圖7、圖8、圖9的對比分析說明，650°C退火Ih后，CoPt/Ta薄膜中Ll0(OOl)方向的晶粒出現，Ta蓋帽層中Ta原子向磁性層的擴散有效促進了 CoPt磁性顆粒向c易磁化軸生長。并且CoPt/Ta薄膜中的Ta蓋帽層有效地遏制了退火過程中O原子擴散到CoPt磁性層對其磁性能的不利影響。在650°C的熱退火中，Ta原子擴散到CoPt層中，有效地隔離了CoPt顆粒間的相互作用，減弱了 CoPt磁顆粒由于高溫退火導致的晶粒過分長大而形成的交換耦合作用，從而大大的提高的CoPt薄膜的磁各向異性。實施例4對實施例3 中的樣品 CoPt (50nm)/Ta(IOnm)在 650°C 下分別退火 IOmin, 30min,lh，進行磁特性分析以及原子力顯微鏡測試。測試不同退火溫度下的薄膜的垂直矯頑力以及觀測表面形貌并測定表面粗糙度。如圖10所示，CoPt (50nm) /Ta(IOnm)在650°C下退火IOmin, 30min, Ih的M-H丄磁滯回線。退火IOmin的垂直矯頑力只有949. 70e,退火30min的垂直矯頑力737. 70e，退火Ih的矯頑力為1289. 40e。圖11，圖12，圖13為CoPt (50nm) /Ta(IOnm)在650°C下分別退火lOmin，30min，Ih的原子力顯微鏡(AFM)三維形貌圖，從圖上很直觀的反映薄膜的表面平整度，薄膜樣品的表面顆粒較密集，凹凸波動較小，顆粒排列較整齊。從這三張3D圖中可以看出，隨著退火時間的加長，晶粒在不斷地長大。從粗糙度分析的結果中，讀出在650°C下退火IOmin的CoPt (50nm)/Ta(IOnm)薄膜的表面粗糙度為
I.705nm，退火30min的薄膜表面粗糙度為3. 181nm，退火Ih的表面粗糙度為5. 627nm(其中硅片表面的粗糙度并沒有扣除)。退火Ih的表面粗糙度比退火IOmin的表面粗糙度要大很多，表明隨著退火時間的不斷加長，薄膜的晶粒在持續(xù)增大。與此同時，退火Ih的矯頑力比退火IOmin的垂直膜面的矯頑力也要大很多，說明雖然CoPt薄膜導結晶性增強，致晶粒一直在長大，取向性增強，磁矩排列方向趨于一致，但是，CoPt晶粒的尺寸沒有達到磁單疇的尺寸。 以上所述為本發(fā)明的較佳實施例而已，但本發(fā)明不應該局限于該實施例和附圖所公開的內容。所以凡是不脫離本發(fā)明所公開的精神下完成的等效或修改，都落入本發(fā)明保護的范圍?！?br> 權利要求
1.一種CoPt/Ta垂直磁化膜的雙層結構材料，它依次包括基片，CoPt磁性層，Ta保護層，其中，CoPt的厚度為IOnm IOOnm, Ta保護層的厚度為Inm 20nm。
2.根據權利要求I所述的CoPt/Ta垂直磁化膜的雙層結構材料，其特征在于，CoPt的 厚度為50nm，Ta保護層的厚度為10nm。
3.一種權利要求I所述的CoPt/Ta垂直磁化膜的雙層結構材料的制備方法，其步驟包括 第I步制備Co金屬祀和Ta金屬革巴； 第2步在Co靶上貼置Pt片； 第3步以Ar2作為濺射氣體，先對貼置Pt片后的Co靶進行濺射，再在對Ta靶進行濺射，制備得到具有Ta保護層的CoPt磁性薄膜材料； 第4步將制備好的CoPt/Ta雙層結構磁性薄膜放置于真空退火爐中高溫下退火。
4.一種權利要求I所述的CoPt/Ta垂直磁化膜的雙層結構材料的制備方法，其步驟包括 第I步制備CoPt合金靶和Ta金屬靶； 第2步以Ar2作為濺射氣體，先對CoPt合金靶進行濺射，再在CoPt上對Ta靶進行濺射，制備得到具有Ta保護層的CoPt磁性薄膜材料； 第3步將制備好的CoPt/Ta雙層結構磁性薄膜放置于真空退火爐中高溫下退火。
5.根據權利要求3所述的制備方法，其特征在于，第3步中，濺射Co靶功率為15W 200W,濺射 Ar 氣壓為 0. 45Pa I. OPa0
6.根據權利要求3或4所述的制備方法，其特征在于，第3步中，濺射Ta靶功率為25W，濺射Ar氣壓為0. 5Pa。
7.根據權利要求3或4所述的制備方法，其特征在于，第3步中，濺射Ta靶功率為15W 200W，濺射 Ar 氣壓為 0. 45Pa I. OPa。
8.根據權利要求3或4所述的制備方法，其特征在于，第4步中，退火溫度為600°C 850°C, Ta和CoPt的退火時間為IOmin Ih。
9.根據權利要求3或5所述的制備方法，其特征在于，第4步中，退火溫度為650°C。
10.一種權利要求I所述的CoPt/Ta垂直磁化膜的雙層結構材料的制備方法，采用包括濺射法、化學氣相沉積法、蒸發(fā)法、原子層沉積法、金屬有機物熱分解法或激光輔助沉積法在內的任意一種制備方法。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種CoPt/Ta垂直磁化膜的雙層結構及其制備方法。材料依次包括基片，CoPt磁性層，Ta保護層，其中，CoPt的厚度為10nm～100nm，Ta保護層的厚度為1nm～20nm。Ta用于CoPt垂直磁化膜的保護層，作用在于①Ta元素在濺射沉積及退火中，向CoPt層擴散并向CoPt晶界偏聚，使晶界區(qū)成為非磁性區(qū)域，改變CoPt磁化反轉機制，提高薄膜介質矯頑力。②在熱處理過程中，Ta原子向CoPt磁性層擴散，減弱了相鄰磁性顆粒間的交換耦合作用，減小介質翻轉的噪聲，提高了記錄位密度。
文檔編號C23C14/34GK102789786SQ20121024527
公開日2012年11月21日 申請日期2012年7月16日 優(yōu)先權日2012年7月16日
發(fā)明者關夏威, 劉臨利, 劉輝, 洪瑋, 程曉敏, 繆向水 申請人:華中科技大學