CN100510190C

CN100510190C - c轴垂直取向的L10相FePt磁记录薄膜的制备方法

Info

Publication number: CN100510190C
Application number: CNB2006101189177A
Authority: CN
Inventors: 马斌; 查超麟; 金庆原
Original assignee: Fudan University
Current assignee: Fudan University
Priority date: 2006-11-30
Filing date: 2006-11-30
Publication date: 2009-07-08
Anticipated expiration: 2026-11-30
Also published as: CN1962951A

Abstract

本发明属磁记录技术领域，具体为一种制备c轴垂直于衬底取向的L1₀相FePt磁记录介质薄膜的新方法。该方法是在衬底与FePt薄膜之间引入一层超薄的氧化物层，以改善FePt薄膜的取向生长。首先在衬底上生长一层超薄的金属层，然后在氧气气氛或者氧氩混合气氛中用等离子体反溅射的方法氧化该金属层。氧化结束之后将真空恢复到本底真空，在室温下溅射FePt基合金薄膜。然后在真空环境中退火，用卤素灯进行辐照。由此制备得到的FePt样品有明显的c轴择优取向，同时具有很大的矫顽力(大于6000Oe)。本发明方法不同于单晶或取向缓冲层上外延生长，以及多层膜退火的非外延生长方式，为制备c轴取向的L1₀相FePt有序合金薄膜提供了一种快捷、高效的工艺条件。

Description

c轴垂直取向的L10相FePt磁记录薄膜的制备方法

技术领域

本发明属磁记录技术领域，具体涉及一种c轴垂直取向的L1₀相FePt垂直磁记录介质薄膜的制备方法。

技术背景

人们对信息存储的强大需求促进了磁存储技术的迅速发展，以满足人们对记录密度越来越高的要求。目前，磁存储技术已经从纵向记录方式转变到垂直磁记录方式，2006年2月，Seagate公司推出了记录密度超过100 Gbits/in²的垂直磁记录硬盘，使得2.5英寸笔记本硬盘的容量达到了160GB[1]；9月，它又发布了421 Gbits/in²的实验室记录密度[1]。磁存储技术发展的下一个目标是实现1 Tbits/in²的超高记录密度，这对存储技术和记录介质材料都提出了更高的要求。其中一个关键的问题是如何获得高磁各向异性的记录介质材料来克服由于信息记录位尺寸降低所引起的超顺磁效应的影响。

L1₀相FePt有序合金具有很高的磁晶各向异性能(K_u＝6～10×10⁷erg/cc)，可以获得很小的热稳定晶粒尺寸(以10年使用寿命的硬盘设计标准来计算，FePt有序合金的最小热稳定尺寸可降至2.8纳米[2])，是理想的超高密度磁记录介质材料。近年来，更成为下一代超高记录密度介质材料的研究重点[2]。由于FePt有序合金薄膜的易磁化轴沿面心四方结构的c轴方向，在没有外加磁场时，磁矩沿此方向排列；因此，为了能在垂直磁记录技术中应用，L1₀相FePt薄膜的c轴能否垂直取向成了应用的首要问题，c轴垂直取向的工艺研究也就成为了L1₀相FePt介质探索的前沿课题。

根据现有文献，c轴垂直取向L1₀相FePt有序合金薄膜可以通过外延、非外延织构生长两种方式来获得。外延织构生长是利用MgO(200)、SrTiO₃(200)，Cu(100)，GaAs(200)等单晶材料作为衬底，在其上制备FePt有序合金薄膜。这种方法可以获得对c轴取向的控制，但是对磁记录应用显得很不现实，因为大尺寸的单晶基片制备很困难，成本也很昂贵。一个改进的方法是用织构取向的底层来改善FePt薄膜的晶格取向，比如在玻璃或硅片上先制备具有良好织构取向的CrRu(200)、NiTa/Cr(200)、MgO(200)等缓冲层(underlayer)，然后制备c轴垂直取向的L1₀FePt膜[3]。以非外延生长方式生长L1₀相FePt有序合金薄膜是另一类制备c轴垂直取向薄膜的方法。目前报道的有在Si片上直接生长，或是添加BO_x形成多层膜结构等方法制备无序的A1相FePt薄膜，然后在一定条件下退火获得c轴垂直取向的FePt有序合金薄膜[4]。最近有人报道采用反应溅射的方式，在玻璃基底上通过反应溅射的方法先制备一层Fe-O缓冲层，其厚度为0.5和0.9纳米；然后在室温条件下先后沉积Fe和Pt薄膜；最后，用辐照的方式对样品进行快速热处理以实现FePt薄膜的混合和有序化[5]。这种方式也可以获得c轴垂直取向L1₀相FePt有序合金薄膜。上述这些制备方法，普遍存在的问题是制备过程复杂，技术要求高，难度大。

本发明提出了一种非外延式的生长工艺，通过射频偏压反溅射氧化的方法来改善FePt薄膜的取向生长过程，能够简便地解决L1₀相FePt基垂直磁记录介质的c轴垂直取向制备难度高的问题，为制备下一代磁存储介质提供了一个全新的方法。

参考文献：

[1]http://www.seagate.com/products/notebook/mementus.html；

http://www.seagate.com/cda/newsinfo/newsroom/releases/article/0，1121，3301＾，00.html

[2]Weller D.，Moser A.，Folks L.，et al.，IEEE Trans.Magn.，2001，36(1)：10；Farrow R.F.C.，Weller D.，MarksR.F.，et al.，Appl.Phys.Lett.，1996，69(8)：1166-1168；R.E.Rottmayer，S.Batra，D.Buechel et al.，IEEETrans.Magn.，2006，42(10)，2417-2421

[3]R.F.C.Farrow，D.Weller，R.F.Marks，et al.，J.Appl.Phys.，1996，79(8)，5967-5969；Chen J.S.，Lim B.C.，Wang J.P.，Appl.Phys.Lett.，81，2002，(10)：1848-1850；XuY.F.，Chen J.S.，Wang J.P.，Appl.Phys.Lett.，2002，80(18)：3325-3327；Z.G.Zhang，K.Kang and T.Suzuki，Appl.Phys.Lett.，2003，83(9)，1785-1787；Maeda T，IEEE Trans.on Magn.，2005，41(10)：3331-3333

[4]Luo C.P.，Liou S.H.，Gao L.，et al.，Appl.Phys.Lett.，2000，77(14)：2225-2227；Yan M.L.，Zeng H.，Powers N.，et al.，J Appl.Phys.，2002，91(10)：8471-8473；Zeng H.，Yan M.L.，Powers N.，et al.，Appl.Phys.Lett.，2002，80(13)：2350-2352

[5]Yano A.，KodaT.，Matsunuma S.，IEEE Trans.On Magn.，2005，41(10)：3211-3213

发明内容

本发明的目的是提出一种可简化制备过程，降低制备难度的c轴垂直取向的L1₀相FePt磁记录薄膜的制备方法。

本发明提出的制备方法，是通过在衬底与FePt薄膜之间引入一层超薄的金属氧化物层，这一层通过反溅射氧化的方法制备，以改善FePt薄膜的取向生长，获得c轴垂直于衬底表面的L1₀相FePt薄膜。本发明提出的制备L1₀相FePt介质的方法简化了制备过程，降低了制备难度。本发明在制备超高密度磁存储介质具有重大的潜在应用价值。

本发明的c轴垂直取向的L1₀相FePt磁记录薄膜的制备方法，其步骤如下：

(1)首先在真空溅射镀膜装置的本底真空度为5×10^-8Torr以下的环境中，在衬底上真空溅射生长一层厚度为0.5-5nm的金属层，再用反溅射来氧化这一金属层；

(2)然后在真空恢复到5×10^-8Torr以下后，溅射FePt基合金层，该合金层是单层膜，或者是由SiO₂薄膜隔开的多层膜，多层膜的层次数量为2-10；

(3)最后在真空环境中用碘钨灯辐照薄膜表面，进行热处理退火，使其有序化和择优取向。

本发明中，步骤(1)中，所述金属层的材料可以是Fe、Ni、Co、Ag或Cu等金属，或其中几种的合金。工作气体可选用氩气，溅射气压为2.5～5.0mTorr。反溅射氧化的工作气体为氧气和氩气，其中，氩气的分压在0～50％，溅射气压大于能启辉的气压，并尽量小；在衬底表面加射频偏压进行反溅射。溅射功率为10-50w，氧化时间50-100秒。

本发明中，步骤(2)中，所述FePt基合金层，可以是FePt薄膜，也可以是FePtCu薄膜，厚度为3-15nm。对于FePt薄膜，Fe和Pt的原子比例接近50：50，一般可为45：55-55：45；对于FePtCu薄膜，Fe和Pt的原子比例同FePt薄膜，FePt和Cu的的原子比例接近85：15，一般可为80：20-90：10。

对于多层膜，其中用于分隔的SiO₂薄膜，其厚度为2～5nm。

本发明中，步骤(3)中，所述真空环境的真空度小于1×10^-6Torr，热处理退火温度为500-600℃。其中，升温速率控制在25℃/min至30℃/min为宜。

L1₀相FePt有序合金薄膜的结构采用X射线衍射仪(XRD)来测量，FePt原子的化学有序度通过(001)峰和(002)峰的积分强度之比来表征；薄膜的磁性(磁滞回线)采用振动样品磁强计(VSM)来测量，矩形度定义为剩余磁化强度(磁场为零)和饱和磁化强度之比。实验测量表明，由本发明制备的L1₀相FePt薄膜或FePtCu薄膜的c轴垂直于衬底表面，薄膜的化学有序度接近于1，薄膜的矫顽力在8000Oe左右，矩形度接近1。

附图说明

图1：Si(100)/FeO_x[或NiO_x、CuO_x、AgO_x(1.8nm)]/FePt(8nm)的XRD衍射谱和磁滞回线。其中，(a)、(c)、(e)、(g)分别是FeO_x、NiO_x、CuO_x、AgO_x缓冲层上溅射的FePt有序合金薄膜的XRD衍射谱；(b)、(d)、(f)、(h)分别是(a)、(c)、(e)、(g)样品的磁滞回线，其中，实心和空心方块分别代表沿垂直和平行于衬底方向测得的磁滞回线。

图2：Si(100)/FeO_x[或NiO_x、CuO_x、AgO_x(1.8nm)]/(FePt)₈₅Cu₁₅(8nm)的XRD衍射谱和磁滞回线。其中，(a)、(c)、(e)、(g)分别是FeO_x、NiO_x、CuO_x、AgO_x缓冲层上溅射FePt有序合金薄膜的XRD衍射谱；(b)、(d)、(f)、(h)分别是(a)、(c)、(e)、(g)样品的磁滞回线，其中，实心和空心方块分别代表沿垂直和平行于衬底方向测得的磁滞回线。

图3Si(100)或玻璃/[SiO₂(2nm)-AgO_x(1.8nm)-(FePt)₈₅Cu₁₅(4nm)]₄-SiO₂(2nm)的XRD衍射谱和磁滞回线。其中，(a)、(b)分别对应于在Si衬底上制备的FePtCu薄膜的衍射谱和磁滞回线；而(c)、(d)分别对应于玻璃衬底上制备的FePtCu薄膜的衍射谱和磁滞回线。其中，实心和空心方块分别代表沿垂直和平行于衬底方向测得的磁滞回线。

具体实施方式

下面通过实施例进一步描述本发明，但不限于这些实施例。

本发明的具体操作步骤如下：

将衬底(如Si或玻璃)放入无水酒精和丙酮溶液中，用超声波清洗机进行清洗。将清洗好的衬底放进真空溅射镀膜装置的快进样品腔室内，抽真空；等腔的本底真空度降到5×10^-6Torr以下，再将衬底传送到溅射腔室。等溅射腔的本底气压降低到小于5×10^-8Torr之后开始制备薄膜。首先，将作为工作气体的氩气通入到腔体里，在2.5～5.0mTorr范围内选定一稳定的气压值作为溅射气压。接着，采用直流溅射的方式，在衬底上制备一层超薄(厚度为0.5～5nm)的金属薄膜作缓冲层，这层金属薄膜的材料可以是Fe、Ni、Co、Ag或Cu等金属，或者其中几种的合金。完成缓冲层的制备之后，停止通入氩气，并将氧气通入溅射腔中，或者将氧气和氩气按一定比例同时通入，氩气的分压在0～50％之间；溅射气压大于能启辉的气压，并尽量小，典型的溅射气压是7.5-8.5mTorr；在衬底表面加射频偏压(RF Bias)进行反溅射，溅射功率在10～50W之间。溅射过程会激发氧等离子体的产生，开始氧化金属缓冲层，氧化时间不小于50秒，确保金属表面被氧化，一般为50-100秒。

在制备超薄金属氧化层时，也可以在所选用的衬底上先溅射一层SiO₂缓冲层，然后再溅射相应的金属薄膜缓冲层。

接下来，停止通入气体，将溅射系统恢复至5×10^-8Torr的真空环境中。然后，再次通入氩气，同样在2.5～5.0mTorr范围内选定一稳定的气压值作为溅射气压，同时启辉Fe靶和Pt靶，利用共溅射的方式制备出一层3～15nm的FePt合金膜，此时，薄膜是Fe、Pt原子无序排列的A1相。通过调整两靶的溅射功率，使薄膜中Fe和Pt原子的比例接近50：50。若是制备FePtCu薄膜，则Fe、Pt和Cu靶共溅射，通过调节溅射功率，使薄膜中Fe和Pt原子的比例接近50：50，同时FePt和Cu的原子比接近85：15。

最后，将制备的A1相FePt薄膜面向碘钨灯，在小于1×10^-6Torr的真空环境中退火。其退火温度为500～600℃，温度上升速率在25℃/min到30℃/min之间；退火时间在5～60分钟之间，视薄膜厚度而定；加热结束后关掉电源，随炉冷却。

对于制备多层膜，超薄金属氧化缓冲层的制备方法和前述单层薄膜的制备方法相同。在制备多层膜时，以SiO₂层作为间隔层，采用[FePt/SiO₂]_N和[FePtCu/SiO₂]_N的结构，交替生长SiO₂层和FePt或FePtCu层。控制FePt或FePtCu的厚度小于15nm，一般为3-15nm。SiO₂层的厚度在2～5nm之间，并按照设计需求来决定重复制备[SiO₂/FePt(Cu)]的重复次数。制备好多层膜样品之后，采用同样的热处理过程使多层膜有序化，退火温度为500～600℃，时间为5-60分钟。

实施例1：Si(100)/FeO_x或NiO_x、CuO_x、AgO_x(1.8nm)/FePt(8nm)

用计算机控制的CMS-18多功能磁控溅射设备制备了Si(100)/FeO_x[或NiO_x、CuO_x、AgO_x(1.8nm)]/FePt(8nm)双层膜。采用Si(100)作为衬底，溅射好Fe、Ni、Cu、Ag金属薄膜之后，用反溅射的方法来氧化，氧化时间为100秒；然后，在氧化层上溅射FePt。最后在真空中用碘钨灯辐照膜面，在600℃下退火15分钟。如图1所示，(a)、(c)、(e)、(g)分别是FeO_x、NiO_x、CuO_x、AgO_x缓冲层上溅射FePt的XRD图谱，晶体取向以FePt的(001)和(002)峰为主，很明显地表明所制备的L1₀相FePt有序合金薄膜的c轴垂直于衬底表面；同时，薄膜的化学有序度接近1；(b)、(d)、(f)、(h)分别是(a)、(c)、(e)、(g)样品的磁滞回线图，薄膜的矫顽力都超过6000 Oe左右，矩形度接近1。

实施例2.Si(100)/FeO_x[或NiO_x、CuO_x、AgO_x(1.8nm)]/(FePt)₈₅Cu₁₅(8nm)

用计算机控制的CMS-18多功能磁控溅射设备制备了Si(100)/FeO_x[或NiO_x、CuO_x、AgO_x(1.8nm)]/(FePt)₈₅Cu₁₅(8nm)双层膜。采用Si(100)作为衬底，溅射好Fe、Ni、Cu、Ag金属薄膜之后，用反溅射的方法来氧化，氧化时间为60秒；然后，在氧化层上溅射FePt。最后在真空中用碘钨灯辐照膜面，在600℃下退火25分钟。如图2所示，(a)、(c)、(e)、(g)分别是FeO_x、NiO_x、CuO_x、AgO_x缓冲层上溅射FePtCu的XRD图谱，晶体取向以FePt的(001)和(002)峰为主，很明显地表明所制备的L1₀相FePt有序合金薄膜的c轴垂直于衬底表面；同时，薄膜的化学有序度接近1；(b)、(d)、(f)、(h)分别是(a)、(c)、(e)、(g)样品的VSM磁滞回线图，矫顽力都大于800 0Oe左右，矩形度接近1。

实施例3.Si(100)或玻璃/[SiO₂(2nm)-AgO_x(1.8nm)-(FePt)₈₅Cu₁₅(4nm)]₄-SiO₂(2nm)

用计算机控制的CMS-18多功能磁控溅射设备制备了Si(100)或玻璃/[SiO₂(2nm)-AgO_x(1.8nm)-(FePt)₈₅Cu₁₅(4nm)]₄-SiO₂(2nm)多层膜。采用Si(100)和玻璃作为衬底，SiO₂-AgO_x双层膜作为缓冲层，然后溅射FePtCu磁性层；按SiO₂(2nm)-AgO_x(1.8nm)-(FePt)₈₅Cu₁₅(4nm)三层结构重复四个周期。最后，在真空中用碘钨灯对多层薄膜进行热处理，在550℃下退火20分钟。如图3所示，(a)、(b)分别是溅射到Si(100)和玻璃上的FePtCu的XRD图谱，晶体取向以FePtCu的(001)和(002)峰为主，很明显地表明所制备的L1₀相FePt有序合金薄膜的c轴垂直于衬底表面；同时，薄膜的化学有序度接近1；(c)、(d)分别是(a)和(b)样品的VSM磁滞回线图，矫顽力在11000 Oe左右，矩形度接近1。

Claims

1、一种c轴垂直取向的L1₀相FePt磁记录薄膜的制备方法，其特征在于具体步骤如下：

(3)最后在真空环境中用碘钨灯辐照薄膜表面进行热处理退火，使其有序化和择优取向；

其中，步骤(1)中所述金属层的材料为Fe、Ni、Co、Ag或Cu，或其中几种的合金；工作气体采用氩气，溅射气压为2.5～5.0mTorr；反溅射氧化的工作气体为氧气和氩气，其中，氩气的分压在0～50％，溅射气压大于能启辉的气压，在衬底表面加射频偏压进行反溅射，溅射功率为10-50w，氧化时间50-100秒。

2、根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于步骤(2)中所述的FePt基合金层为FePt薄膜或FePtCu薄膜，厚度为3-15nm。

3、根据权利要求2所述的制备方法，其特征在于所述FePt薄膜，其Fe和Pt的原子比例为45：55-55：45；所述FePtCu薄膜，其Fe和Pt的原子比例为45：55-55：45，FePt和Cu的的原子比例为80∶20-90∶10。

4、根据权利要求2所述的制备方法，其特征在于在多层膜中，用于分隔的SiO₂薄膜厚度为2～5nm。

5、根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于步骤(3)中所述真空环境的真空度小于1×10^-6Torr，退火温度为500-600℃，其升温速率为25℃/min-30℃/min，退火时间为5-60分钟。