專利名稱：SmCo₅垂直磁化膜的雙層結(jié)構(gòu)底層材料及其制備方法
SmCo5垂直磁化膜的雙層結(jié)構(gòu)底層材料及其制備方法技術(shù)領(lǐng)域
本發(fā)明屬于信息存儲領(lǐng)域，具體涉及一種可用于提高SmCo5膜垂直磁性能的雙層結(jié)構(gòu)底層材料及其制備方法。
背景技術(shù)：
垂直磁記錄技術(shù)能克服縱向磁記錄的技術(shù)瓶頸，提高磁記錄面密度。所謂垂直磁記錄是指磁記錄薄膜的磁化方向垂直于磁盤表面的一種磁存儲方式。垂直磁記錄技術(shù)是 1970年日本東北大學(xué)的Sum-ichi Iwasaki教授首先發(fā)明的。相比于縱向磁記錄技術(shù)，垂直磁記錄有如下的優(yōu)勢。首先，理論上垂直磁記錄系統(tǒng)的記錄密度越大，其記錄位越穩(wěn)定， 因?yàn)橥舜艌霾⒉划a(chǎn)生于位與位之間的過渡區(qū)域，而且相鄰位的磁化矢量是互相支持的。除此之外，單極型記錄頭和由硬磁記錄層和軟磁底層所組成的雙層記錄介質(zhì)的結(jié)合產(chǎn)生強(qiáng)而陡峭的記錄場。垂直磁記錄系統(tǒng)的各種優(yōu)點(diǎn)使之成為目前大量使用的磁記錄技術(shù)。2005年 6月，第一個(gè)以垂直磁記錄技術(shù)為基礎(chǔ)的硬盤驅(qū)動(dòng)器(HDD)正式商業(yè)化，其記錄面密度達(dá)到 133Gbits/inch2。
為了得到更高的記錄密度，必須減小磁記錄介質(zhì)的晶粒大小。然而，晶粒的減小將導(dǎo)致其磁各向異性能的減小，磁各向異性能的減小致使這些細(xì)小晶粒所組成的磁記錄介質(zhì)中的記錄位磁化強(qiáng)度很容易被熱量的擾動(dòng)變化所影響。如公式(1-1)
熱穩(wěn)定系數(shù)=Ku/V/kBT(1-1)
其中Ku為各向異性常數(shù)，V為磁晶體積，T為溫度，kB為玻爾茲曼常數(shù)。如果要確保記錄介質(zhì)的熱穩(wěn)定系數(shù)，必須要減小磁晶體積V，或者要選用具有盡量大的Ku的材料。通過計(jì)算可以得到，為了得到lTbits/inch2的超高記錄面密度，必須采用各向異性常數(shù)1大于1. 2X107erg/cm3的材料。因此使用高磁晶各向異性的材料很有必要。
SmCo5合金是第一代永磁材料，自從1960年被發(fā)現(xiàn)以來一直被廣泛的研究。 SmCo5合金一個(gè)最主要的特點(diǎn)是具有很高的單軸磁晶各向異性，其各向異性常數(shù)Ku高達(dá) 1. l-20Xl(ferg/Cm3，理論上SmCo5薄膜的最小穩(wěn)定顆粒尺寸僅為2. 4nm，采用新型的磁存儲技術(shù)，有望實(shí)現(xiàn)lOTbits/in2的超高記錄密度。在高性能磁存儲領(lǐng)域，高垂直磁各向異性的SmCo5薄膜應(yīng)用潛力巨大，備受關(guān)注。
近年來，國際上已有研究者采用磁控濺射成功制備出具有垂直磁各向異性的 SmCo5薄膜。日本的Myama和Takei研究了底層對于SmCo5薄膜的易磁化軸垂直膜面生長的影響，他們嘗試了各種底層材料，比如Cr，W，Mo，Cu, Si，Pd等，最終在Cu底層上成功制得垂直磁各向異性的SmCo5薄膜，并提出Cu底層的作用機(jī)理是Cu(Ill)面與SmCo5(0001)面的晶格匹配，認(rèn)為Cu底層是SmCo5易磁化軸垂直膜面生長不可缺少的條件。Sayama同時(shí)提出使用交替濺射的方法即(Sm和Co原子層交替生長)濺射SmCo5，可以提高SmCo5薄膜的C軸垂直取向性，原因在于SmCo5的晶粒結(jié)構(gòu)可以看成是Sm和Co交替排列的。Sayama又報(bào)道了使用Cu/Ti雙層結(jié)構(gòu)底層可以提高SmCo5薄膜的垂直磁性能，所制備的SmCo5/Cu/Ti薄膜的矯頑力高達(dá)12k0e。Ti籽晶層的引入很大程度上減小了 Cu的表面粗糙度，提高了 Cu表面的致密程度，并且引導(dǎo)Cu往(111)方向生長。另外Ti籽晶層的引入使得Cu層的厚度可以在一定程度上減小而不影響SmCo5磁性層的晶粒取向和磁性能，Cu層厚度的減小使SmCo5/Cu 薄膜的總厚度減小，在磁記錄應(yīng)用上更具優(yōu)勢。Sayama研究小組還研究了 Cu摻雜對SmCo5 垂直磁各向異性的影響。他們指出，Cu摻雜能抑制Sm2Co17相的形成，促進(jìn)SmCo5相的形成， 在SmCo5中摻雜Cu可以在不影響SmCo5磁性層垂直磁性能的情況下有效降低Cu底層的厚度。通過Cu摻雜，他們在Cu (25nm) /Ti (25nm)的雙層結(jié)構(gòu)底層上制備的SmCo5的矯頑力仍不低于lOkOe。新加坡的丁軍教授小組報(bào)道了以Cu/Ta作為雙底層結(jié)構(gòu)，可使Cu底層表面均方根粗糙度減小到0. 53nm，搖擺曲線的半高寬僅為3. 3°，在此底層上共濺射得到的SmCo5 薄膜垂直方向的矯頑力接近20k0e，SmCo5的XRD圖中還可出現(xiàn)SmCo5 (0003)的特征衍射峰， 表明SmCo5薄膜的晶粒取向非常好。以Ta作為籽晶層能提高Cu底層的(111)取向的機(jī)理是Ta的表面能遠(yuǎn)大于Cu，表面能的差異促進(jìn)Cu按其能量最低面生長，即沿Cu (111)方向生長，同時(shí)Ta具有阻擋層作用，阻止Cu向基片的熱擴(kuò)散。另外，美國明尼蘇達(dá)大學(xué)王建平教授小組研究了 Cu在SmCo5中的摻雜、濺射溫度、SmCoCu厚度對SmCo5磁性能的影響，他們得到了面內(nèi)矯頑力幾乎為零、垂直矯頑力達(dá)到IlkOe的SmCo5垂直磁化膜。
可以看出，研究SmCo5垂直磁化膜的主要思路之一是對底層進(jìn)行優(yōu)化，通過底層對 SmCo5磁性層C軸的生長方向進(jìn)行引導(dǎo)和調(diào)控，使SmCo5垂直磁化膜具有更高的磁性能。發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種雙層結(jié)構(gòu)底層材料，來引導(dǎo)和調(diào)控沉積在上面的 SmCo5薄膜的易磁化軸沿(0001)方向生長，進(jìn)而顯著提高薄膜垂直磁性能；本發(fā)明還提供了該材料的制備方法。
本發(fā)明提供的一種SmCo5垂直磁化膜的雙層結(jié)構(gòu)底層材料，其特征在于，它包括依次設(shè)置在襯底上的Ti具層和Cu層，Ti具層的厚度是5 30nm，其優(yōu)選厚度是5nm，Cu層的厚度是50 500nm，其優(yōu)選的厚度是lOOnm。
本發(fā)明提供的一種SmCo5垂直磁化膜的雙層結(jié)構(gòu)底層材料的制備方法，其特征在于，在襯底上沉積厚度為5 30nm的Ti3W7層；然后在Ti具層上沉積厚度為50 500nm的 Cu層，從而制得Cu/Ti3W7雙層結(jié)構(gòu)底層材料。
所述沉積可以采用濺射法、化學(xué)氣相沉積法、蒸發(fā)法、原子層沉積法或激光輔助沉積法中的任意一種。
當(dāng)采用濺射法進(jìn)行沉積時(shí)以Ar作為濺射氣體對Ti3W7靶進(jìn)行濺射，在襯底上沉積 Ti3W7層；然后以Ar作為濺射氣體對Cu靶進(jìn)行濺射，進(jìn)而在Ti具層上沉積Cu層。
本發(fā)明提供的Cu/Ti具雙層結(jié)構(gòu)底層材料可以提高Cu底層晶粒沿(111)面擇優(yōu)取向生長并降低其表面粗糙度，從而可很好地引導(dǎo)和調(diào)控沉積在上面的SmCo5薄膜的 (0001)面沿垂直膜面方向生長，顯著地提高SmCo5薄膜的垂直磁性能，使SmCo5薄膜可更好用于高密度垂直磁記錄領(lǐng)域。


圖1是SiN/SmCo5/Cu/Ti3W7/襯底的膜層結(jié)構(gòu)示意圖。
圖2是Cu/Ti具雙層結(jié)構(gòu)示意圖。
圖3是不同厚度(a. 50nm,b. 100nm,c. 500nm) Cu單層底層的SmCo5薄膜樣品的XRD 圖。
圖4是Cu單層底層和具有不同厚度Ti3W7 (b. 5nm, c. IOnm, d. 30nm)籽晶層的Cu/ Ti3W7雙層底層的XRD圖譜。
圖 5 是 Cu(IOOnm) /Ti3W7 (a. Onm, b. 5nm, c. IOnm, d. 30nm)的原子力顯微鏡照片。
圖6是Cu單層底層和Cu/Ti3W7雙層結(jié)構(gòu)底層上生長的SmCo5薄膜的磁滯回線。
具體實(shí)施方式
圖2所示的是本發(fā)明提供的Cu/Ti3W7雙層結(jié)構(gòu)底層材料，它包括依次設(shè)置在襯底 3上的Ti具層2和Cu層1，Cu層1的厚度是50 500nm，Ti3W7層2的厚度是5 30nm。
襯底可以是硅、玻璃、陶瓷和金屬材料等。
制備上述的Cu/Ti3W7雙層結(jié)構(gòu)底層材料的方法，具體為
以Ar為濺射氣體對Ti3W7靶進(jìn)行濺射，在襯底上沉積厚度為5 30nm的Ti具層。 然后以Ar為濺射氣體對Cu靶進(jìn)行濺射，進(jìn)而在Ti3W7層上沉積厚度為50 500nm的Cu層， 從而制得Cu/Ti3W7雙層結(jié)構(gòu)底層材料。
Cu和Ti具層的濺射功率為40 150W，優(yōu)選濺射功率為IOOW ；濺射Ar氣壓為 0. 13 1. 33Pa,優(yōu)選 Ar 氣壓為 0. 48Pa。
本發(fā)明所述的Cu/Ti3W7雙層結(jié)構(gòu)底層材料的制備方法可采用濺射法、化學(xué)氣相沉積法、蒸發(fā)法、原子層沉積法、激光輔助沉積法等方法中任意一種制備方法。
下面通過具體實(shí)施例的闡述，以進(jìn)一步說明本發(fā)明實(shí)質(zhì)性特點(diǎn)和顯著的進(jìn)步，但本發(fā)明絕非僅局限于實(shí)施例。
實(shí)施例1
本實(shí)施例選用磁控濺射方法制備Cu單層底層薄膜。
采用直徑為100mm，厚度為5mm，純度為99. 99%的Cu靶材，以純度為99. 99%的Ar氣濺射Cu底層。
具體的工藝參數(shù)如下Cu靶采用直流功率電源，功率為100W，濺射Ar氣壓為 0. 48Pa,每次濺射前先把襯底清洗干凈。隨后開始對Cu靶進(jìn)行濺射，輔以臺階儀分析制得薄膜厚度分別為50nm，IOOnm, 500nm的樣品，并對其分為a，b，c三組。
實(shí)施例2
采用直徑為100mm，厚度為5mm，純度為99. 99%的Sm靶，并將8片純度為99. 99% 的Co片以30°間隔均勻地貼在Sm靶圓周的扇形范圍內(nèi)。然后以純度為99. 99%的 Ar氣在實(shí)例一中a，b，c三組樣品的Cu底層上濺射一層厚度為65nm的SmCo5膜。
具體的工藝參數(shù)如下貼有Co片的Sm靶采用射頻功率電源，功率為40W 100W， 濺射氣壓為0. 45Pa 0. 9Pa。
另外，在SmCo5膜上反應(yīng)濺射沉積一層厚度為20nm的SiN保護(hù)膜，反應(yīng)濺射采用直徑為100mm，厚度為5mm，純度為99. 99%的Si靶和純度為99. 99%的氮?dú)狻?br> 采用XRD(X射線衍射儀)進(jìn)行樣品的結(jié)構(gòu)分析，得到結(jié)果如圖3。輔以XRD配套軟件，從XRD圖中取Cu (111)峰和CiK200)峰所對應(yīng)的半高寬FWHM，通過謝樂(scherrer)公式
D = KA /Bcos ( θ )
(其中K為謝樂常數(shù)，當(dāng)B為衍射峰的半高寬時(shí)，K取0.9，θ為布拉格衍射角，λ 為使用的X射線波長)，計(jì)算得到晶粒尺寸(D)。由峰的位置O θ )和峰的強(qiáng)度計(jì)算可得兩峰的強(qiáng)度比值(Icu(m)/I Cu (200) )。結(jié)果如下表1
結(jié)合圖3和表1，可以發(fā)現(xiàn)Cu底層越厚，Cu的晶粒越大，而込仙)/^^)比值不發(fā)生大的變化，都在3左右。
實(shí)施例3
先在襯底上濺射Ti具層，接著在Ti具層上濺射沉積Cu層，Cu層膜厚固定為 IOOnm0
采用直徑為100mm，厚度為5mm，純度為99. 99%的Ti具靶材，以純度為99. 99%的Ar氣濺射Ti具。
具體的工藝參數(shù)如下=Ti3W7靶采用直流功率電源，功率為100W，濺射氣壓0. 48Pa, 每次濺射前先把襯底清洗干凈。隨后開始對Ti3W7靶進(jìn)行濺射，輔以臺階儀分析制Ti3W7膜厚度分別為5nm，IOnm, 30nm,對其分為B，C，D三組，另加Ti具膜厚為Onm的為A組。
接著，采用實(shí)例1中的Cu靶材和制備方法在Ti3W7膜上濺射一層厚度為IOOnm的 Cu膜，。此時(shí)得到Cu/Ti3W7雙層結(jié)構(gòu)，B、C、D三組Ti3W7層厚度分別為5nm、10nm、30nm，其上的Cu層厚度都為lOOnm，A組樣品為IOOnm厚的Cu單層底層，沒有Ti具層。
然后，采用實(shí)例2中Sm-Co復(fù)合靶和制備方法在A、B、C、D四組樣品上濺射一層厚度為65nm的SmCo5薄膜。
最后，采用實(shí)例2中SiN膜的制備方法在四組樣品的SmCo5薄膜上反應(yīng)濺射一層 SiN保護(hù)膜。
A、B、C、D四組樣品的XRD測試結(jié)果如圖4。參照實(shí)施例2中方法，得到表2。
從圖4和表2可看出Ti具層厚度對Cu層晶粒取向的影響。A組中未加入Ti具層，Icu(in)/Icu(200)僅為 5. 6，而 B，C，D 三組 Icu(111)/Icu(200)值均在 9 左右，說明 Cu/Ti具雙層底層優(yōu)化了 Cu層的晶粒取向。同時(shí)Ti3W7層厚度對其上生長的Cu層晶粒取向的影響不大。
對四組樣品進(jìn)行原子力顯微鏡測試，觀測Cu底層的表面形貌并測定其表面粗糙度。首先分別測定了 4組樣品的表面粗糙度Ra，每一組樣品的表面粗糙度分為兩種，分別是整個(gè)掃描區(qū)域的表面粗糙度平均值以及所選區(qū)域內(nèi)表面的粗糙度平均值， 所選區(qū)域均為掃描區(qū)域顯示圖像中較為平滑的區(qū)域。將Cu表面粗糙度數(shù)據(jù)Ra列于表3中進(jìn)行比較。
從表面粗糙度數(shù)據(jù)來看，B, D組獲得了較小的表面粗糙度，即Ti具為5nm，30nm 時(shí)，Ti3W7的表面粗糙度較小。而Ti具層為IOnm時(shí)表面粗糙度比B，D兩組有明顯的增加， 甚至大于未加Ti3W7籽晶層的A組樣品的表面粗糙度。圖5是A D組樣品的三維形貌圖， 從圖中可以看出，除了有少數(shù)很高的尖峰，大部分區(qū)域內(nèi)的Cu薄膜表面都是非常平整而致密的。觀察三維形貌圖的掃描區(qū)域邊緣處，可以定性地觀測和比較表面粗糙度。其中，C組樣品的掃描區(qū)域邊緣處起伏非常明顯，故Cu層表面粗糙度最大。A，B，D三組樣品的掃描區(qū)域的邊緣處的起伏情況大致相近，并且明顯好于C組樣品，故Cu層表面粗糙度相差不大，且小于C組Cu的表面粗糙度。這與定量測得的表面粗糙度結(jié)果相吻合。
采用振動(dòng)樣品磁強(qiáng)計(jì)(VSM)測量兩個(gè)SmCoj^膜垂直膜面方向的磁性能，一個(gè)為Cu (IOOnm)/Ti3W7 (5nm)雙層結(jié)構(gòu)底層上生長的SmCo5薄膜，另一個(gè)為Cu (IOOnm)單層底層上生長的SmCo5薄膜，兩個(gè)樣品的測量結(jié)果見圖6。從圖中可以看到，單底層結(jié)構(gòu)樣品的矯頑力只有10410e，而雙層結(jié)構(gòu)底層樣品的矯頑力高達(dá)37190e，兩個(gè)樣品的剩磁矩形比等磁參數(shù)沒有明顯區(qū)別，這說明了 Cu/Ti3W7雙層結(jié)構(gòu)底層可以顯著提高SmCo5薄膜的垂直磁性能。
綜上所述，從晶粒取向、晶粒尺寸與Cu底層表面粗糙度三個(gè)方面進(jìn)行分析，最佳 Ti具層的厚度為5nm，Cu(100nm)/Ti3W7(5nm)雙層結(jié)構(gòu)底層材料，其I Cu(Ill)/Icu (200)值約為9，晶粒直徑為11. 7nm，表面粗糙度Ra為0. 956nm,并可顯著提高SmCo5薄膜的垂直磁性能。
實(shí)施例4至6
各實(shí)施例按照表4給出的Ti3W7層厚度和Cu膜厚度，采用上述實(shí)例的制備方法，同樣制備獲得了 Cu/Ti3W7雙層結(jié)構(gòu)底層材料，并且所獲得的Cu/Ti3W7雙層結(jié)構(gòu)底層材料可以提高SmCo5薄膜的垂直磁性能。
本發(fā)明不僅局限于上述具體實(shí)施方式
，本領(lǐng)域一般技術(shù)人員根據(jù)本發(fā)明公開的內(nèi)容，可以采用其它多種具體實(shí)施方式
實(shí)施本發(fā)明，因此，凡是采用本發(fā)明的設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)和思路，做一些簡單的變化或更改的設(shè)計(jì)，都落入
本發(fā)明保護(hù)的范圍。
表1不同厚度Cu底層的晶粒尺寸(D)及主次強(qiáng)峰比值
權(quán)利要求
1.一種SmCo5垂直磁化膜的雙層結(jié)構(gòu)底層材料，其特征在于，它包括依次設(shè)置在襯底上的Ti具層和Cu層，Ti3W7層的厚度是5 30nm，Cu層的厚度是50 500nm。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的SmCo5垂直磁化膜的雙層結(jié)構(gòu)底層材料，其特征在于，Ti3W7 層的厚度是5nm，Cu層的厚度是lOOnm。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的SmCo5垂直磁化膜的雙層結(jié)構(gòu)底層材料，其特征在于，襯底是硅、玻璃、陶瓷或金屬材料等。
4.一種SmCo5垂直磁化膜的雙層結(jié)構(gòu)底層材料的制備方法，其特征在于，在襯底上沉積厚度為5 30nm的Ti具層；然后在Ti具層上沉積厚度為50 500nm的Cu層，從而制得 Cu/ Ti3W7雙層結(jié)構(gòu)底層材料。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的制備方法，其特征在于，所述沉積采用濺射法、化學(xué)氣相沉積法、蒸發(fā)法、原子層沉積法或激光輔助沉積法中的任意一種。
6.根據(jù)權(quán)利要求4所述的制備方法，其特征在于，采用濺射法進(jìn)行沉積以Ar作為濺射氣體對Ti具靶進(jìn)行濺射，在襯底上沉積Ti具層；然后以Ar作為濺射氣體對Cu靶進(jìn)行濺射，進(jìn)而在Ti具層上沉積Cu層。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的制備方法，其特征在于，Cu層和Ti3W7層的濺射功率為40 150W,濺射Ar氣壓為0. 13 1. 33Pa。
8.根據(jù)權(quán)利要求6所述的制備方法，其特征在于，Cu層和Ti3W7層的濺射功率為100W， 濺射Ar氣壓為0. 481^。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種SmCo5垂直磁化膜的雙層結(jié)構(gòu)底層材料，它包括依次設(shè)置在襯底上的Ti3W7層和Cu層，Ti3W7層厚度5～30nm，優(yōu)選5nm，Cu層厚度50～500nm，優(yōu)選100nm。制備方法為在襯底上沉積5～30nm的Ti3W7層；然后在Ti3W7層上沉積50～500nm的Cu層，制得Cu/Ti3W7雙層結(jié)構(gòu)底層材料。當(dāng)采用濺射法進(jìn)行沉積時(shí)以Ar作為濺射氣體對Ti3W7靶進(jìn)行濺射，在襯底上沉積Ti3W7層；然后以Ar為濺射氣體對Cu靶進(jìn)行濺射，在Ti3W7層上沉積Cu層。本發(fā)明可以提高Cu底層晶粒沿(111)面擇優(yōu)取向生長并降低其表面粗糙度，從而可很好地引導(dǎo)和調(diào)控沉積在上面的SmCo5薄膜的(0001)面沿垂直膜面方向生長，顯著地提高SmCo5薄膜的垂直磁性能，使SmCo5薄膜可更好用于高密度垂直磁記錄領(lǐng)域。
文檔編號G11B5/84GK102522094SQ20111040788
公開日2012年6月27日 申請日期2011年12月9日 優(yōu)先權(quán)日2011年12月9日
發(fā)明者劉文武, 戴亦凡, 王霄, 程偉明, 程曉敏, 繆向水 申請人:華中科技大學(xué)