Результат интеллектуальной деятельности: УЛУЧШЕНИЕ ХАРАКТЕРИСТИК МАГНИТНЫХ НОСИТЕЛЕЙ ИНФОРМАЦИИ, СОСТОЯЩИХ ИЗ ДВУХ ИЛИ БОЛЕЕ ФЕРРОМАГНИТНЫХ СЛОЕВ, РАЗДЕЛЕННЫХ НЕМАГНИТНОЙ ПРОСЛОЙКОЙ

Область техники

Изобретение относится к электронной технике, в частности к магнитным носителям информации, и предназначено для улучшения магнитных свойств носителей информации, состоящих из двух или более ферромагнитных слоев, разделенных немагнитной(ыми) прослойкой(ами).

Уровень техники

Известен способ получения в магнитном материале замкнутых 360°-ых доменных стенок, которые образуют изотропную доменную структуру со средним размером доменов 100 нм, который описан в работе J. Unguris et al., Magnetic depth profiling Co/Cu multilayers to investigate magnetoresistance, Journal of Applied Physics, 2000, v.87, 9, p.6639-6643. Согласно данному известному способу для получения замкнутых доменов формируют многослойную пленку, состоящую из 20 пар чередующихся слоев кобальта и меди толщиной по 6,0 нм каждый [Co(6 нм)/Cu(6 нм)]₂₀.

Недостатком описанного выше известного способа является образование доменной структуры с достаточно крупными доменами. При этом толстая немагнитная прослойка приводит к ослаблению косвенного взаимодействия между ферромагнитными слоями и уменьшению величины перемагничивающих полей. Вышеуказанные причины затрудняют использование данных структур в качестве носителей для записи информации.

Для оптимизации свойств многослойных носителей для записи информации применяют также внедрение примесных атомов как в магнитный слой, так и в немагнитную прослойку (см., например, публикацию заявки на патент США №20030054204 А1 от 20.03.2003). В настоящем же изобретении предложен другой подход к изменению магнитных свойств, в частности - размера магнитных доменов и коэрцитивной силы в многослойных носителях информации, посредством усовершенствованных способа получения и способа термической обработки.

Из уровня техники известен также способ, описанный в работе Acharya B.R. et al., Synthetic ferrimagnetic media for over 100 Gb/in² longitudinal magnetic recording, Journal of Magnetism and Magnetic Materials, 260 (2003) 261-272, согласно которому осаждение многослойных сред для записи информации производят при температуре подложки 250°С. В этом известном способе в качестве материала для ферромагнитных слоев используют сплав CoCrPtB с различным процентным содержанием Pt.

Недостатком описанного выше способа является сильная зависимость магнитных свойств (полей перемагничивания, величины магнитной анизотропии) от состава осаждаемого материала, что может приводить к значительным отклонениям этих свойств в получаемых образцах. Кроме того, осаждение образцов на нагретые до температуры 250°С подложки приводит к более сильному перемешиванию слоев различных материалов на границах их раздела, чем при осаждение на подложки с комнатной температурой (˜20°C). При достаточно тонких немагнитных прослойках это перемешивание может приводить к образованию прямого ферромагнитного обменного взаимодействия между ферромагнитными слоями и формированию доменной структуры, характерной для однослойных ферромагнитных пленок.

Наиболее близким по технической сущности аналогом настоящего изобретения является способ получения трехслойных магнитных пленок Co/Cu/Co, описанный в следующей статье: Л.А.Чеботкевич, А.В.Огнев, Б.Н.Грудин, «Структура и магнитная анизотропия пленок Co/Cu/Co», опубликованной в журнале Физика твердого тела, 2004, том 46, вып.8, стр.1449-1454. Согласно этому известному способу пленки получали методом магнетронного распыления на постоянном токе в атмосфере рабочего газа Ar (при давлении Р_Ar=5·10^-3 торр, т.е. ≈0,6666 Па) при комнатной температуре со скоростями осаждения Co и Cu, составляющими соответственно 0,1 и 0,08 нм/сек. При этом были получены пленки с толщиной ферромагнитных слоев Co в диапазоне от 0,5 до 3 нм и толщиной немагнитной прослойки Cu, равной 0,7 нм, 1,0 нм или 1,6 нм.

Недостатком этого известного способа являются неудовлетворительные магнитные свойства полученных с его помощью носителей информации из-за слишком высокого давления рабочего газа при осаждении слоев, что приводит к повышенному количеству примесей (например, остаточных газов) и дефектов (например, кристаллографических дефектов, межзеренных границ) в полученных пленках, а также вследствие малой толщины ферромагнитных слоев Co.

Раскрытие изобретения

Задача настоящего изобретения заключается в уменьшении размера магнитных доменов и увеличении величины полей перемагничивания магнитных носителей информации, состоящих из подложки и двух или более осажденных на нее ферромагнитных слоев, разделенных немагнитной(ыми) прослойкой(ами).

В частности, настоящее изобретение направлено на решение задач, заключающихся в уменьшении среднего размера магнитного домена, соответствующего одному биту информации и повышении величины полей перемагничивания такого носителя информации.

Еще одна задача настоящего изобретения заключается в снижении соотношения сигнал/шум таких носителей информации.

Вышеупомянутые и другие задачи решаются в настоящем изобретении с помощью следующих вариантов его воплощения.

Первым вариантом воплощения настоящего изобретения является способ изготовления магнитного носителя информации, включающий в себя осаждение двух или более ферромагнитных слоев Co с немагнитной(ыми) прослойкой(ами) Cu между ними на подложку в вакуумной камере путем магнетронного распыления, отличающийся тем, что осаждение осуществляют при давлении рабочего газа в вакуумной камере от 2,2·10^-7 до 3,4·10^-7 Па, при давлении остаточных газов от 3,7·10^-8 до 7,5·10^-13 Па и при температуре подложки от комнатной температуры до 120°С.

В предпочтительном варианте воплощения данного способа осаждение осуществляют при давлении рабочего газа от 2,2·10^-7 до 3,0·10^-7 Па, более предпочтительно - от 2,4·10^-7 до 2,8·10^-7 Па, а еще более предпочтительно - примерно 2,6·10^-7 Па.

В другом предпочтительном варианте воплощения данного способа в качестве рабочего газа используют аргон (Ar) или ксенон (Xn).

В еще одном предпочтительном варианте воплощения данного способа осаждение осуществляют при давлении остаточных газов в вакуумной камере от 1·10^-10 до 1·10^-12 Па.

В еще одном предпочтительном варианте воплощения данного способа осаждение осуществляют при температуре подложки от 18 до 100°С, более предпочтительно - от 18 до 50°С, а еще более предпочтительно - примерно 20°С.

В еще одном предпочтительном варианте воплощения данного способа скорость осаждения упомянутых слоев составляет от 0,08 до 0,12 нм/сек, более предпочтительно - примерно 0,1 нм/сек.

Вторым вариантом воплощения настоящего изобретения является способ термической обработки магнитного носителя информации, состоящего из подложки и двух или более осажденных на нее ферромагнитных слоев Co, разделенных немагнитной(ыми) прослойкой(ами) Cu, отличающийся тем, что термическую обработку осуществляют при температуре от 120 до 260°С в вакууме от 3·10^-8 до 3·10^-10 Па в течение времени обработки от 1500 до 2100 сек.

В одном предпочтительном варианте воплощения данного способа термическую обработку осуществляют после изготовления носителя информации согласно способу, предложенному в настоящем изобретении.

В еще одном предпочтительном варианте воплощения данного способа термическую обработку осуществляют после изготовления носителя информации с вынесением его на воздух или без такого вынесения.

В еще одном предпочтительном варианте воплощения данного способа термическую обработку носителя информации осуществляют без приложения внешнего магнитного поля.

В еще одном предпочтительном варианте воплощения данного способа температуру термической обработки поддерживают на уровне от 240 до 260°С, более предпочтительно - примерно 250°С.

В еще одном предпочтительном варианте воплощения данного способа термическую обработку осуществляют в вакууме от 5·10^-8 до 5·10^-10 Па, более предпочтительно - примерно 1·10^-9 Па.

В еще одном предпочтительном варианте воплощения данного способа термическую обработку осуществляют в течение от 1620 до 1980 сек, более предпочтительно - примерно 1800 сек.

Третьим вариантом воплощения настоящего изобретения является магнитный носитель информации, состоящий из подложки и двух или более осажденных на нее ферромагнитных слоев Co, разделенных немагнитной(ыми) прослойкой(ами) Cu, отличающийся тем, что средняя толщина немагнитной прослойки составляет от 0,9 до 1,1 нм или от 2,0 до 2,2 нм, а средняя толщина ферромагнитного слоя составляет от 3,0 до 10,0 нм.

В одном предпочтительном варианте воплощения такого носителя информации толщина немагнитной прослойки составляет примерно 1,0 нм.

В еще одном предпочтительном варианте воплощения такого носителя информации толщина немагнитной прослойки составляет примерно 2,1 нм.

В еще одном предпочтительном варианте воплощения такого носителя информации толщина ферромагнитного слоя составляет от 5,0 до 7,0 нм, более предпочтительно - примерно 6,0 нм.

В еще одном предпочтительном варианте воплощения такой носитель информации имеет средний размер магнитных доменов менее 200 нм, более предпочтительно - менее 100 нм, а еще более предпочтительно - менее 50 нм.

В еще одном предпочтительном варианте воплощения такой носитель информации имеет величину поля перемагничивания (H_c) более 6 кА/м, предпочтительнее - более 10 кА/м, а еще предпочтительнее - более 25 кА/м.

В еще одном предпочтительном варианте воплощения такой носитель информации имеет средний размер кристаллических зерен от 3,0 до 6,0 нм, более предпочтительно - от 4,0 до 5,0 нм.

В еще одном предпочтительном варианте воплощения такой носитель информации изготовлен способом, предложенным в настоящем изобретении, и подвергнут термической обработке способом, также предложенным в настоящем изобретении.

На размер магнитных доменов и величину поля перемагничивания в носителях информации влияет множество факторов. В их число входят средний размер кристаллического зерна и количество примесей (например, остаточных газов) в многослойной пленке носителя, а также дефекты этой пленки (например, кристаллографические дефекты, межзеренные границы) и т.д. Управляя этими параметрами, можно изменять магнитную структуру носителя и его магнитные свойства.

В случае, если носитель представляет собой тонкую пленку, то на его свойства влияет также и толщина этой пленки, причем с изменением толщины могут меняться и магнитные свойства, и параметры кристаллической структуры (например, пленка может быть «вымощена» кристаллитами в один слой, а может и в два или более слоя). Если структура носителя является многослойной, то влияет толщина каждого слоя.

Особым случаем является тот, когда ферромагнитные слои разделены немагнитной прослойкой. В этом случае магнитные свойства носителя с такой структурой сильно зависят от толщины этой прослойки. Так, например, наиболее драматические изменения в трехслойной пленке Co/Cu/Co происходят при толщине немагнитной прослойки меди (Cu), составляющей от 0,9 до 1,1 нм или от 2,0 до 2,2 нм, предпочтительно - примерно 1,0 нм или примерно 2,1 нм. При этом между слоями кобальта (Co) возникает косвенная антиферромагнитная связь, которая приводит к антипараллельному выстраиванию магнитных моментов в слоях Со, при этом значительно уменьшается размер доменов и увеличивается величина поля перемагничивания.

Таким образом, одним из существенных признаков настоящего изобретения является получение магнитного носителя информации с толщиной немагнитной прослойки от 0,9 до 1,1 нм или от 2,0 до 2,2 нм, а предпочтительно - примерно 1,0 или примерно 2,1 нм (термин «примерно» в настоящем изобретении означает, что могут иметь место отклонения характеризуемой физической величины, округляемые до указанных значений с учетом количества представленных значащих цифр или разрядов с применением обычных методов округления).

Кроме того, для улучшения магнитных свойств носителей, в частности - для снижения так называемого «шума» при перемагничивании, который возникает вследствие взаимодействия доменных стенок с магнитными неоднородностями на межкристаллитных границах, размер кристаллического зерна (кристаллита) стремятся уменьшить. При магнетроном способе получения многослойных пленок обычно получают слои с маленькими кристаллитами, но при этом размер кристаллитов зависит от скорости осаждения слоев, от давления рабочего газа, от температуры подложки и других факторов. В настоящем изобретении описаны оптимальные параметры магнетронного распыления для получения носителей, включающих в себя многослойные пленки ([Со/Cu/Со]_n) с минимальным размером зерна. Эти параметры являются вторым существенным признаком настоящего изобретения.

Третьим существенным признаком настоящего изобретения является термическая обработка (или отжиг). Как уже было отмечено выше, причиной уменьшения магнитных доменов и увеличения полей перемагничивания является косвенная антиферромагнитная связь. Поэтому для получения носителей с улучшенными параметрами эту связь необходимо увеличить. С этой целью в настоящем изобретении предлагается отжигать многослойные пленки и приводятся наиболее оптимальные параметры отжига для получения носителей с минимальным размером магнитных доменов и большими полями перемагничивания. Более того, если после осаждения толщина слоев (именно она наиболее критична) немного отличается от вышеуказанных диапазонов толщин, и при этом параметры близки к наилучшим, но немного хуже желаемых, то после отжига эти параметры улучшаются.

Таким образом, все указанные выше существенные признаки направлены на решение главной задачи, а именно - улучшения характеристик магнитных носителей информации, состоящих из подложки и двух и более осажденных на нее магнитных слоев, разделенных немагнитной(ыми) прослойкой(ами), путем уменьшения размера магнитных доменов, соответствующих одному биту информации, и повышения величины полей перемагничивания.

При этом прочие существенные признаки настоящего изобретения еще более улучшают получаемые характеристики или позволяют достичь других, дополнительных результатов, которые станут очевидны из приведенного ниже подробного описания настоящего изобретения.

Следует также отметь, что в рамках настоящего изобретения любой из вышеописанных вариантов воплощения может быть использован в сочетании с любым другим(и) вышеописанным(и) вариантом(ами) воплощения.

Подробное описание изобретения

Изготовление носителей

Для изготовления носителей информации с наименьшим размером магнитных доменов и максимальной величиной полей перемагничивания (коэрцитивной силой) необходимо соблюдение следующих технологических условий при получении многослойных пленок. Базовое давление остаточных газов в вакуумной камере должно быть в диапазоне от 3,7·10^-8 до 7,5·10^-13 Па, предпочтительно - от 1·10^-10 до 1·10^-12 Па, что позволяет уменьшить количество примесей (таких как остаточные газы) в получаемых многослойных пленках. Давление рабочего газа (Ar или Xn, в оптимальном случае - Ar) в вакуумной камере при магнетронном распылении составляет от 2,2·10^-7 до 3,4·10^-7 Па, причем оптимальная величина этого давления составляет от 2,2·10^-7 до 3,0·10^-7 Па, более предпочтительно - от 2,4·10^-7 до 2,8·10^-7 Па, а еще более предпочтительно - примерно 2,6·10^-7 Па, что позволяет уменьшить размер кристаллитов и количество дефектов в получаемых многослойных пленках. Скорости осаждения Cu и Co предпочтительно равны и составляют от 0,08 до 0,12 нм/сек, более предпочтительно - примерно 0,1 нм/сек, что обеспечивает получение равномерных поликристаллических пленок с желательным размером кристаллитов. Температура подложки лежит в диапазоне от комнатной температуры до 120°С, причем оптимальные значения температуры подложки составляют от 18 до 100°С, а предпочтительно - от 18 до 50°С, еще предпочтительнее - примерно 20°С. При температуре подложки, принадлежащей указанному диапазону, получают носители информации с размером кристаллического зерна от 3,0 до 6,0 нм, что необходимо для снижения соотношения сигнал/шум, причем оптимальный размер кристаллического зерна составляет 4,0-5,0 нм. Следует отметить, что дальнейшее уменьшение размера кристаллического зерна до примерно 2,6 нм приводит к нестабильности магнитного момента, обусловленной термическими флуктуациями.

Ферромагнитные слои

Согласно настоящему изобретению необходимо, чтобы средняя толщина ферромагнитных слоев лежала в диапазоне от 3,0 до 10,0 нм. Вместе с тем, наилучшие результаты могут быть получены при толщине ферромагнитных слоев, равной 5,0-7,0 нм, а предпочтительнее - примерно 6,0 нм. Материалом ферромагнитных слоев согласно настоящему изобретению (называемых также просто магнитными слоями) является кобальт (Со).

Немагнитные прослойки

Согласно настоящему изобретению необходимо, чтобы средняя толщина немагнитных прослоек лежала в диапазоне от 0,9 до 1,1 нм или в диапазоне от 2,0 до 2,2 нм. Вместе с тем, наилучшие результаты могут быть получены при толщине немагнитной прослойки, равной примерно 1,0 нм или примерно 2,1 нм. При данной толщине немагнитной прослойки наблюдается максимум косвенного антиферромагнитного взаимодействия, которое приводит к антипараллельному выстраиванию магнитных моментов в смежных (через прослойку) ферромагнитных слоях. Материалом немагнитной прослойки согласно изобретению является медь (Cu).

При такой конфигурации магнитных моментов в смежных ферромагнитных слоях образуются замкнутые 360°-ые доменные стенки, и при этом размер магнитных доменов становится значительно меньшим, чем в однослойных ферромагнитных пленках и в многослойных пленках с толщиной немагнитной прослойки, лежащей в диапазонах 1,2-1,9 нм и 2,3-3,0 нм, то есть толщиной, соответствующей ферромагнитному косвенному обменному взаимодействию.

Рассмотрим более подробно влияние толщины немагнитной прослойки на доменную структуру носителей информации, состоящих из двух или более ферромагнитных слоев.

В случае однослойных ферромагнитных пленок из Со толщиной от 6 до 20 нм и размером кристаллического зерна от 2 до 12 нм доменная структура является анизотропной, т.е. доменные границы вытянуты вдоль направления оси легкого намагничивания, а средний размер магнитных доменов равен 10-15 мкм.

Конфигурация доменных границ в многослойной пленке, состоящей из двух ферромагнитных слоев, разделенных немагнитной прослойкой с толщиной в диапазонах 1,2-1,9 нм и 2,3-3,0 нм, а в частности - 1,6 нм, является аналогичной той конфигурации, которая наблюдается в однослойных ферромагнитных пленках Со, при этом средний размер магнитных доменов также равен 10-15 мкм.

Конфигурация доменных границ в многослойной пленке согласно настоящему изобретению, состоящей из двух ферромагнитных слоев, разделенных немагнитной прослойкой с толщиной в диапазоне от 0,9 до 1,1 нм, а в частности - примерно 1,0 нм, существенно отличается от той конфигурации, которая наблюдается в однослойных ферромагнитных пленках. В этом случае доменная структура образована замкнутыми доменными границами. При этом доменная структура является изотропной. Средний размер магнитных доменов равен примерно 43 нм.

Конфигурация доменных границ в многослойной пленке согласно настоящему изобретению, состоящей из двух ферромагнитных слоев, разделенных немагнитной прослойкой с толщиной в диапазоне от 2,0 до 2,2 нм, а в частности - примерно 2,1 нм, также отличается от наблюдаемой в однослойных ферромагнитных пленках. В этом случае доменная структура образована извилистыми и замкнутыми доменными границами. Доменная структура характеризуется слабо выраженным преимущественным направлением ориентации магнитных доменов. Средний размер магнитных доменов равен примерно 3 мкм.

Величина коэрцитивной силы (Н_с) также сильно зависит от толщины немагнитной прослойки следующим образом.

В многослойной пленке согласно настоящему изобретению, состоящей из двух ферромагнитных слоев, разделенных немагнитной прослойкой с толщиной в диапазоне от 0,9 до 1,1 нм, величина Н_с лежит в диапазоне от 12 кА/м до 14,3 кА/м.

В многослойной пленке, состоящей из двух ферромагнитных слоев, разделенных немагнитной прослойкой с толщиной в диапазоне от 1,2 до 1,9 нм, величина Н_с лежит в диапазоне от 3,5 кА/м до 4,5 кА/м.

В многослойной пленке согласно настоящему изобретению, состоящей из двух ферромагнитных слоев, разделенных немагнитной прослойкой с толщиной в диапазоне от 2,0 до 2,2 нм, величина Н_с лежит в диапазоне от 6 кА/м до 6,4 кА/м.

Для увеличения плотности записи информации на носителе необходимо, чтобы размер магнитных доменов был как можно меньше, а стабильность конфигурации магнитной структуры будет увеличиваться с ростом полей перемагничивания (величины коэрцитивной силы).

Таким образом, из приведенных выше данных очевидно, что многослойные пленки согласно настоящему изобретению обеспечивают увеличение плотности записи информации благодаря снижению среднего размера магнитных доменов. Кроме того, многослойные пленки согласно настоящему изобретению обеспечивают стабильность хранения информации, записанной на полученном с использованием этих пленок магнитном носителе информации, благодаря увеличению полей перемагничивания.

Термическая обработка

Для осуществления оптимизации полученных носителей информации, состоящих из подложки и двух или более осажденных на нее ферромагнитных слоев, разделенных немагнитной прослойкой, в настоящем изобретении предполагается использование термической обработки (отжига) в вакууме. После предложенной в изобретении термической обработки значительно увеличивается величина полей перемагничивания, а также уменьшается размер магнитных доменов.

Оптимальная величина базового давления остаточных газов в камере отжига должна быть в диапазоне от 3·10^-8 до 3·10^-10 Па. Одним из главных факторов отжига, определяющих магнитные свойства носителей информации, является температура. Для получения наиболее оптимальных магнитных свойств, температура отжига (Т_отж) должна лежать в диапазоне от 120 до 260°С, предпочтительно - от 240 до 260°С, а в наиболее предпочтительном случае Т_отж составляет примерно 250°С.

Вторым важным для магнитных свойств фактором является время отжига (t_отж). Для получения наибольшего эффекта по оптимизации магнитных свойств, время отжига должно быть в диапазоне от 1500 до 2100 сек, предпочтительно - от 1620 до 1980 сек, а в наиболее предпочтительном случае t_отж составляет примерно 1800 сек.

После проведения термической обработки при указанных выше технологических параметрах в носителях информации, состоящих из двух или более ферромагнитных слоев Со (толщиной примерно 6,0 нм) и немагнитной прослойки Cu (толщиной примерно 1,0 нм), величина полей перемагничивания (Н_с) существенно возрастает и составляет примерно 22,3 кА/м. В этом случае доменная структура образована замкнутыми доменными границами. Доменная структура является изотропной. Средний размер магнитных доменов равен примерно 83 нм.

В случае носителей информации с ферромагнитными слоями Со толщиной примерно 6,0 нм и немагнитной прослойкой Cu толщиной примерно 2,1 нм, после проведения термической обработки при указанных выше технологических параметрах величина Н_с возрастает и составляет примерно 8 кА/м. При этом доменные стенки теряют преимущественную геометрическую ориентацию, становятся более «закрученными» (т.е. извилистыми или неровными) и образуют замкнутые структуры, а средний размер магнитных доменов уменьшается до уровня примерно 180 нм.

Данные трансформации обусловлены ростом косвенного обменного взаимодействия вследствие сглаживания шероховатостей поверхности раздела слоев в носителях информации, состоящих из двух или более ферромагнитных слоев, разделенных немагнитной прослойкой.