KR100601938B1

KR100601938B1 - Ｃｏ계 수직자기기록매체

Info

Publication number: KR100601938B1
Application number: KR1020040001409A
Authority: KR
Inventors: 오훈상; 이태효
Original assignee: 삼성전자주식회사
Priority date: 2004-01-09
Filing date: 2004-01-09
Publication date: 2006-07-14
Anticipated expiration: 2024-01-09
Also published as: US20050153168A1; CN1655242A; CN100538826C; JP2005196959A; KR20050073175A; SG113535A1

Abstract

본 발명은 Co계 자기기록층, 상기 자기기록층을 지지하는 기판 및 상기 자기기록층과 상기 기판 사이에 수직배향 바닥층을 구비하는 자기기록매체에 있어서, 상기 수직배향 바닥층이 Co 함량이 1 내지 65원자%인 Ru-Co 합금으로 이루어진 것을 특징으로 하는 수직자기기록매체에 관한 것이며, 상기 수직자기기록매체는 기록층과 격자 불일치도가 작은 수직배향 바닥층을 가짐으로써 우수한 결정성 및 자기적 특성을 나타낸다.

Description

Ｃｏ계 수직자기기록매체{Co-based perpendicular magnetic recording media}

도 1a 및 도 1b는 각각 종래의 단일자성층 수직자기기록매체(Single Magnetic Layered perpendicular magnetic recording media) 및 이중자성층 수직자기기록매체(Double Magnetic Layered perpendicular magnetic recording media)의 적층 구조를 도시한 개략도이다.

도 2는 Ru-Co 합금 시스템의 상태도이다.

도 3은 다양한 재료의 수직배향 바닥층 위에 성장한 Co계 수직자기기록매체의 X선 회절 패턴을 도시한 그래프이다.

도 4는 다양한 재료의 수직배향 바닥층 위에 성장한 Co계 수직자기기록매체의 수직자기 히스테리시스 곡선을 도시한 그래프이다.

도 5는 다양한 재료의 수직배향 바닥층 위에 성장한 Co계 수직자기기록매체의 자기 파라미터를 도시한 그래프이다.

*도면의 주요부에 대한 부호의 설명

101, 111: 기판 112: 연자성 바닥층

102, 113: 수직배향 바닥층 103, 114: 수직자기기록층

104, 115: 보호막 105, 116: 윤활막

본 발명은 고밀도의 정보 기록이 가능한 Co계 수직자기기록매체에 관한 것으로서, 얇은 기록층 두께에서도 우수한 결정성 및 자기적 특성을 확보할 수 있고 기록밀도를 증가시킬 수 있는 Co계 수직자기기록매체에 관한 것이다.

현재 가파른 기록 밀도 상승을 주도하고 있는 대표적인 자기정보 저장매체인 HDD(hard disk drive)의 경우 수평자기기록방식을 채택하고 있으며, 열적안정성 문제로 인하여 기록밀도 상승률의 한계에 봉착하고 있다. 이러한 한계는 수직자기기록 방식이 적용됨으로써 획기적인 기록밀도의 증가를 이어갈 수 있을 것으로 생각되어 지고 있으며 이 때문에 연구가 활발히 진행되고 있다.

수직자기기록 방식은 기존의 수평자기기록 방식과는 달리 매체에 기록되는 단위 비트(bit)가 기판에 수직인 방향으로 자화되는 것이다. 보다 증대된 기록밀도 향상을 위해서는 아래와 같은 특성을 지닌 수직자기기록 매체가 요구된다:

(1) 기록층의 우수한 결정성 확보를 통한 높은 수직자기이방성 에너지 상수(Ku > 1x10⁶ erg/cc) 및 높은 보자력;

(2) 작은 결정립 크기; 및

(3) 자기입자 간의 작은 교환결합력(exchange coupling).

일반적으로 수직자기기록매체는 도 1에 도시한 바와 같이, 단일자성층(Single Magnetic Layered)과 이중자성층(Double Magnetic Layered) 구조의 자기기록매체로 대별될 수 있는데, 단일자성층 구조의 기록매체의 경우 자기정보를 저장하는 기록층과, 기록층의 자기적/결정학적 특성을 향상시키기 위해 기록층을 증착하기 이전에 기판 위에 형성되는 수직배향 바닥층(underlayer)을 포함한다. 한편 이중자성층 구조의 기록매체의 경우 상기 기록층 및 수직배향 바닥층 이외에 자기기록시 유도 코일을 포함하는 폴 형상(Pole type)의 기록헤드로부터의 자기장 세기와 자기장의 공간적 변화율을 증가시키기 위해 연자성 바닥층(soft magnetic underlayer)이 추가된 구조를 갖는다.

상기와 같은 구조를 갖는 기록매체의 각 기록층의 결정성 및 미세구조는 기록층 하부에 존재하는 수직배향 바닥층의 결정 구조 및 격자 상수에 크게 영향을 받는다.

기록층의 결정 구조와 수직배향 바닥층의 결정 구조가 상이하거나, 결정 구조가 유사하더라도 격자상수 차이가 너무 커서 격자 불일치도(lattice mismatch)가 클 경우, 기록층이 성장할 때 결정학적으로 불안정한 초기 성장층(initial growth layer)을 형성하여 기록층의 특성을 열화시키게 된다.

반대로, 바닥층과 기록층의 결정 구조가 동일하고 격자 상수가 거의 일치해서 격자 불일치도가 매우 작을 경우에는 기록층이 성장 초기부터 우수한 결정성을 가지고 성장할 수 있기 때문에, 얇은 두께에서도 우수한 결정성을 가질 수 있고 따라서 우수한 자기적 특성을 얻을 수 있다.

일반적으로 진공 기술에 의해 박막을 증착할 때 박막의 두께가 증가할수록 결정립 크기가 증가하는 것으로 알려져 있으며 고기록 밀도를 달성하기 위해서는 결정립 크기를 줄여야 하므로, 얇은 두께에서도 우수한 결정성 및 자기적 특성을 나타내는 기록층을 제작하는 방법의 개발은 기록매체 개발에 있어서 핵심적인 부분이라 할 수 있다.

종래 Co계 수직자기기록매체의 수직배향 바닥층으로 많이 사용된 물질로는 Ti, Pt, Ru 등이 있다. 이들 물질과 Co계 기록층의 일종인 CoCrPtB와의 격자 불일치도는 하기 표 1에 나타낸 바와 같이 Ti, Pt, Ru 순으로 작아진다.

바닥층 재료	결정 구조	a(Å)	b(Å)	c(Å)	d-간격	CP평면(최조밀면)상에서의 원자간 거리	CoCrPtB와의 격자불일치도(%)
NiFe	FCC	3.560	3.560		2.055	2.517	-2.7
Pd	FCC	3.891	3.891		2.246	2.751	6.4
Pt	FCC	3.924	3.924		2.266	2.775	7.3
Au	FCC	4.078	4.078		2.355	2.884	11.5
Ag	FCC	4.085	4.085		2.359	2.889	11.7
Co	HCP	2.507	2.507	4.070	2.035	2.507	-3.1
CoCr₁₆Pt₁₈B₄	HCP	기록층			2.099	2.586	0.0
Ru	HCP	2.706	2.706	4.282	2.141	2.706	4.6
Ti	HCP	2.951	2.951	1.686	2.343	2.951	14.1

Co와 NiFe의 경우 Ru 보다 CoCrPtB와의 격자 불일치도가 더 작지만 강자성의 특성을 나타내기 때문에 기록층의 바닥층으로 사용하기에는 부적합하며, 이는 바닥층과 기록층간 자기적 상호작용에 의해 기록/재생 특성에 예기치 못한 영향을 줄 수 있기 때문이다.

바닥층 물질로서의 Ti는 수직자기 기록층인 Co계 합금박막과의 큰 결정격자상수 차이에 의해 수직자기 기록층과 수직배향 바닥층 사이에 두꺼운 초기 성장막을 형성하여 수직자기 기록층의 배향특성을 악화시키는 단점이 있다.

Pt는 수직자기 기록층과의 격자상수차가 비교적 작아 기록층의 우수한 수직배향특성을 보장해주지만 Co계 합금 수직자기 기록층(특히 Pt 함량이 10원자% 이상인 Co계 합금)의 결정립의 크기를 증가시키고 동시에 자기입자 간의 교환결합력(exchange coupling)을 현저히 증가시켜 SNR(signal to noise ratio)을 감소시키는 단점이 있다. Pt 바닥층의 사용에 의해 기록층의 결정립 크기 및 자기입자 간의 교환결합력이 증가하는 정도는 Pt 바닥층의 두께와 밀접한 관련이 있다. 두꺼운 Pt 바닥층을 사용하는 경우, 전술한 바와 같이 기록층의 결정학적 수직 배향성이 매우 우수하여 큰 수직자기 이방성(Ku)과 보자력을 나타내지만, 바닥층의 결정립 크기 증가에 의해 수직자기 기록층의 결정립 역시 증가하며 동시에 자기입자 간의 교환결합력을 증가시킨다. 한편 얇은 Pt 바닥층을 사용하는 경우, 수직자기기록층의 결정립 크기와 자기입자 간의 교환결합력 증가 정도가 크지 않지만 두꺼운 Pt 바닥층을 사용하는 경우에 비해 수직배향성의 정도가 감소하여 낮은 수직자기이방성 에너지 상수(Ku) 및 낮은 보자력을 나타내는 단점이 있다.

Ru의 경우 비자성체중 Co계 합금과 격자 불일치도가 매우 작아 현재 Co계 수직자기기록 매체의 바닥층으로 널리 사용되고 있으나 여전히 Co계 합금과 약 4-5%가량의 격자 불일치도를 가지고 있으므로 이러한 격자 불일치도를 더욱 줄일 수 있는 바닥층에 대한 요구가 계속 있어왔다.

따라서 본 발명은 기록층과 격자 불일치도가 작은 수직배향 바닥층을 사용하여 얇은 두께에서도 우수한 결정성 및 자기적 특성을 나타내는 수직 자기기록매체 를 제공하는 것을 목적으로 한다.

상기 목적을 달성하기 위하여 본 발명에서는 Co계 자기기록층, 상기 자기기록층을 지지하는 기판, 및 상기 자기 기록층과 기판 사이에 위치하는 수직배향 바닥층을 구비하는 수직자기기록매체에 있어서, 상기 수직배향 바닥층이 Co 함량이 1 내지 65원자%인 Ru-Co 합금으로 이루어진 것을 특징으로 하는 수직자기기록매체가 제공된다.

본 발명의 수직자기기록매체는 상기 수직배향 바닥층과 상기 기판 사이에 연자성 바닥층을 더 포함할 수도 있다.

본 발명의 수직자기기록매체에 있어서, 상기 바닥층의 총 두께는 30nm 이하로 조절하는 것이 바람직하다.

본 발명에서는 Co계 기록층과 격자 불일치도가 작은 RuCo 합금 바닥층을 사용함으로써 고기록밀도에 적합한 수직자기기록매체를 얻을 수 있다.

이하, 첨부된 도면을 참고로 하여 본 발명에 대하여 더욱 상세히 설명한다.

본 발명의 수직자기기록매체의 적층 구조는 기존의 수직자기기록매체의 구조와 다르지 않으며, 다만 수직배향 바닥층을 구성하는 물질로 종래에 많이 사용되어 왔던 Ti, Pt, Ru 대신 Ru에 Co를 첨가한 Ru-Co 합금을 사용한다는데 그 특징이 있다.

따라서 본 발명의 수직자기기록매체는 도 1a 및 도 1b에 도시한 바와 같이, 기판(101, 111) 위에 수직자기기록층(103, 114)이 위치하며, 상기 수직자기기록층(103, 114)과 기판(101, 111) 사이에 수직배향 바닥층(102, 113)이 위치하며, 이중 자성층 구조의 경우에는 상기 수직배향 바닥층(113)과 상기 기판(111) 사이에 연자성 바닥층(112)이 더 위치할 수 있다. 수직자기기록층(103, 114) 위에는 외부로부터 기록층을 보호하기 위한 보호막(104, 115)이 위치할 수도 있으며, 상기 보호막(104, 115) 위에는 HDD의 자기 헤드와의 충돌 및 습동에 의한 헤드 및 보호막의 마모를 감소시키기 위한 윤활막(105, 116)이 더 존재할 수 있다.

본 발명의 수직자기기록매체에서 Co계 합금 수직자기기록층은 하기 화학식 1의 합금으로 이루어지는데, 여기서 x는 5 내지 25 원자%, y는 10 내지 25 원자%, z는 0 내지 10 원자%이며, X는 Nb, B, Ta, O 및 SiO₂로 이루어지는 군으로부터 선택된 어느 하나이다:

Co_100-(x+y+z)Cr_xPt_yX_z

상기 기록층 하부에 Ru-Co의 수직배향바닥층이 위치한다. Ru와 Co는 결정학적으로 HCP(Hexagonal Close Packed)라는 동일한 격자구조를 가지는 것으로 알려져 있으며, 또한 도 2의 Ru-Co 합금 시스템의 상태도에서 알 수 있는 바와 같이 전 조성 영역에 걸쳐 고용체(solid solution)를 형성하는 전율 고용체 시스템이므로 Ru에 Co를 균일하게 첨가하는 것이 가능하다. 이러한 Co의 첨가를 통해 Ru의 격자 상수를 Co에 가까운 쪽으로 변화시킬 수 있다. 즉 Co를 첨가함으로써 Ru의 격자 상수를 감소시킬 수 있으므로 기록층으로 채택한 CoCrPtX의 조성 및 격자 상수에 따라 Co함량을 적절히 조절함으로써 기록층의 격자상수와 거의 동일한 격자 상수를 갖는 Ru-Co합금을 제작하는 것이 가능하며, 이를 바닥층으로 사용함으로써 기록층과 거의 동일한 격자 상수를 갖게됨으로써 기록층이 성장 초기부터 우수한 결정성을 가지며 성장할 수 있다.

Ru에 첨가되는 Co의 양은 1 내지 66원자%인 것이 바람직하다. 1원자%보다 적게되면 Ru의 격자불일치도를 줄이는 효과가 미미하며, 66원자%를 초과하면 Ru-Co의 퀴리온도가 상온 이상으로 상승하여 상온에서 강자성을 나타내게 된다. 바닥층이 강자성을 띠게 되면 기록층과 바닥층이 상호작용을 일으켜 기록/재생 특성에 예기치 못한 영향을 미칠 수 있다.

상기와 같이 Ru-Co 합금내 Co의 함량을 적절히 조절함으로써 Ru-Co 바닥층과 CoCrPtX 기록층간의 격자상수 차이가 ±4% 이내로 되는 것이 바람직하다.

단일 자성층 수직자기기록매체의 경우 Ru-Co 합금 바닥층 아래에 기판의 평탄화를 위해 Ta, Pt, Pd, Ti, Cr 또는 이들의 합금으로 된 바닥층을 더 포함할 수도 있다. 즉 기판의 표면 결함을 덮어줌으로써 이후 증착될 박막이 안정적으로 성장할 수 있도록 평탄한 표면을 제공해주는 평활층으로서의 역할을 한다.

이중 자성층 수직자기기록매체의 경우 Ru-Co합금으로 된 수직배향 바닥층 아래에 연자성 바닥층을 더 포함할 수 있다. 상기 연자성 바닥층은 싱글 폴 헤드를 이용하여 수직자기기록을 행할 때 헤드에서 나오는 수직 자기필드의 자로(Magnetic Path)를 형성하여 수직자기기록층에 정보의 기록이 가능하도록 하는 역할을 한다. 연자성 바닥층의 재료로는 예를 들면 NiFe, NiFeNb, NiFeCr, FeTaC, FeC, FeTaN, FeAlSi 등을 포함하는 Fe계 합금과 CoZrNb, CoTaZr, CoFe을 포함하는 Co 합금 등을 들 수 있다.

본 발명에 따른 수직자기기록매체는 기록층을 보호하기 위한 보호막과 상기 보호막 위에 윤활막을 더 포함할 수 있다.

상기 수직자기기록매체에 있어, 특히 연자성 바닥층을 포함하는 이중구조의 수직자기기록매체에 있어 수직배향바닥층의 두께는 30nm이하인 것이 바람직하다. 이중구조의 수직자기기록매체에서 기록층과 연자성 바닥층 사이에 존재하는 수직배향바닥층이 너무 두꺼우면 폴 형상의 기록헤드와 연자성 바닥층 간의 거리가 너무 멀어지게 되어 기록 자기장의 세기(field strength) 및 기록 자기장의 공간 변화율(field gradient)을 향상시켜주는 연자성 바닥층의 기능을 충분히 활용할 수 없게 되기 때문에 초고밀도기록을 달성하는 측면에 있어서 바람직하지 못하다.

이하 실시예를 통하여 본 발명을 더욱 상세히 설명한다. 하기 실시예는 설명하기 위한 것이며, 본 발명의 범위가 이에 제한되는 것은 아니다.

실시예 1

상용화된 직경 2.5인치 유리기판 위에 기판평탄화용 바닥층으로 Ta를 5nm로 증착시킨 다음 Co의 함량이 14원자%인 Ru-Co 바닥층을 15nm로 적층한 후 그 위에 Co₆₂Cr₁₆Pt₁₈B₄의 합금 자성층을 17nm 두께로 증착하여 수직자기기록매체를 제조하였다.

실시예 2

상용화된 직경 2.5인치 유리기판 위에 기판평탄화용 바닥층으로 Ta를 5nm로 증착시킨 다음 Co의 함량이 25원자%인 Ru-Co 바닥층을 15nm로 적층한 후 그 위에 Co₆₂Cr₁₆Pt₁₈B₄의 합금 자성층을 17nm 두께로 증착하여 수직자기기록매체를 제조하였다.

비교예 1

상용화된 직경 2.5인치 유리기판 위에 Ti 바닥층을 70nm로 적층한 후 그 위에 그 위에 Co₆₂Cr₁₆Pt₁₈B₄의 합금 자성층을 30nm 두께로 증착하여 수직자기기록매체를 제조하였다.

비교예 2

Pt 바닥층을 40nm로 적층하는 것을 제외하고는 비교예 1과 동일한 방법으로 수직자기기록매체를 제조하였다.

비교예 3

기판 평탄화를 위해 바닥층으로 Ta를 5nm 두께로 증착한 다음 Ru 바닥층을 15nm로 적층한 후 그 위에 Co₆₂Cr₁₆Pt₁₈B₄의 합금 자성층을 17nm 두께로 증착하였다.

상기에서 제조한 수직자기기록매체에 대하여 X선 회절분석을 행하였으며, 그 결과를 도 3에 도시하였다.

도 3에서 보듯이, 바닥층의 격자상수가 CoCrPtB의 격자 상수에 가까와질수록 바닥층의 X선 회절선이 CoCrPtB의 회절선에 접근함을 알 수 있으며, Ru-Co바닥층을 사용한 실시예 1 및 2의 경우 바닥층과 기록층의 격자상수 차이가 너무 작기 때문 에 두 개의 회절선이 중첩되어 마치 하나의 회절선인 것처럼 나타남을 알 수 있다. 또한 Ru에 첨가된 Co양이 14원자%에서 25원자%로 증가함에 따라 Ru-Co의 격자상수가 기록층의 격자상수에 더욱 더 가까이 증가함을 알 수 있다.

또한 상기 실시예 및 비교예에서 제조한 수직자기기록매체의 자기적 특성을 알아보기 위하여 자기 히스테리 곡선을 도 4에 나타내었다. 도 4에서 보듯이, 기록층과 격자상수 차이가 가장 큰 Ti 바닥층을 사용한 경우(비교예 1) 0.7정도의 낮은 각형비와 2.9kOe 정도의 작은 보자력을 나타내지만, 바닥층의 격자상수가 기록층의 격자상수에 가까와질수록 각형비와 보자력이 증가하여 Co함량이 25원자%인 Ru-Co를 바닥층으로 사용한 경우(실시예 1) 0.99의 우수한 각형비와 4.4kOe의 큰 보자력을 나타내었다.

도 5에는 상기 실시예 및 비교예에서 제조한 수직자기기록매체의 자기적 특성 파라미터를 비교하여 나타내었다. 도 5a는 보자력을 도시한 그래프이며, 도 5b는 각형비를 나타낸 그래프이다. 도 5에서 보듯이, 바닥층의 격자상수가 기록층의 격자상수에 가까와질수록 보자력 및 각형비(squareness) 뿐 아니라 기록층의 포화자화값 역시 일방적으로 증가함을 알 수 있다. 이는 바닥층과 기록층간 격자 불일치도가 감소함에 따라 초기성장층의 두께가 감소 또는 소멸함으로써 기록층 전체 두께중에서 자기적으로 불안정한 층의 비율이 감소하였기 때문으로 볼 수 있다. 이처럼 바닥층의 격자상수를 조절하여 기록층의 격자상수에 근접시킴으로써 기존에 비해 얇은 두께로 기록층을 형성하더라도 더욱 우수한 결정학적/자기적 특성을 획득할 수 있음을 알 수 있다.

본 발명에 따라 Ru-Co 합금 바닥층을 적용함으로써 기록층과의 격자 불일치도를 줄여 작은 결정립 크기와 작은 교환결합력을 갖는 수직자기 기록층을 제작할 수 있다. 따라서, 수직기록층의 높은 열적 안정성과 고밀도 기록특성, 우수한 SNR특성 등을 모두 확보할 수 있다.

몇몇의 모범적인 실시예가 설명되고 첨부된 도면에 도시되었으나, 이러한 실시예들은 단지 넓은 발명을 예시하고 이를 제한하지 않는다는 점이 이해되어야 할 것이며, 그리고 본 발명은 도시되고 설명된 구조와 배열에 국한되지 않는다는 점이 이해되어야 할 것이며, 이는 다양한 다른 수정이 당 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 일어날 수 있기 때문이다.

Claims

Co계 수직자기기록층, 상기 수직자기기록층을 지지하는 기판 및 상기 수직자기기록층과 상기 기판 사이에 수직배향 바닥층을 구비하는 수직자기기록매체에 있어서,

상기 수직배향 바닥층이 Co 함량이 1 내지 65원자% 인 Ru-Co 합금으로 이루어진 것을 특징으로 하는 수직자기기록매체.
제 1 항에 있어서, 상기 Co계 수직자기기록층이 하기 화학식 1의 합금으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 수직자기기록매체:

[화학식 1]

Co_100-(x+y+z)Cr_xPt_yX_z

상기 식에서 x는 5 내지 25 원자%, y는 10 내지 25 원자%, z는 0 내지 10 원자%이며, X는 Nb, B, Ta, O 및 SiO₂로 이루어지는 군으로부터 선택된 어느 하나이다.
제 2 항에 있어서, 상기 Co계 수직자기기록층과 상기 Ru-Co 합금 바닥층간 격자상수간 차이가 ±4% 이내인 것을 특징으로 하는 수직자기기록매체.
제 1 항에 있어서, 상기 수직배향 바닥층과 상기 기판 사이에 Ta, Pt, Pd, Ti, Cr 또는 이들의 합금으로 이루어지는 비자성체 바닥층이 추가적으로 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 수직자기기록매체.
제 1 항에 있어서, 상기 수직배향 바닥층과 상기 기판 사이에 연자성 바닥층이 더 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 수직자기기록매체.
제 1 항 내지 제 5항중 어느 한 항에 있어서, 상기 수직배향바닥층의 두께가 30nm이하인 것을 특징으로 하는 수직자기기록매체.