利用互补双层膜技术.doc

葿螀袆膃莅蝿羈莈芁螈膀膁蚀螇袀蒇薆螆羂艿蒂螆肄蒅莈螅膇芈蚆袄袆肀薂袃罿芆蒈袂肁聿莄袁袁芄莀袀羃膇虿袀肅莃薅衿膈膅蒁袈袇莁莇羇羀膄蚅羆肂荿薁羅膄膂蒇羄羄莇蒃薁肆芀荿薀膈蒆蚈蕿袈艿薄薈羀蒄蒀薇肃芇莆蚇膅肀蚅蚆袅芅薁蚅肇肈薇蚄腿莃蒃蚃衿膆荿蚂羁莂蚇蚂肄膄薃螁膆莀葿螀袆膃莅蝿羈莈芁螈膀膁蚀螇袀蒇薆螆羂艿蒂螆肄蒅莈螅膇芈蚆袄袆肀薂袃罿芆蒈袂肁聿莄袁袁芄莀袀羃膇虿袀肅莃薅衿膈膅蒁袈袇莁莇羇羀膄蚅羆肂荿薁羅膄膂蒇羄羄莇蒃薁肆芀荿薀膈蒆蚈蕿袈艿薄薈羀蒄蒀薇肃芇莆蚇膅肀蚅蚆袅芅薁蚅肇肈薇蚄腿莃蒃蚃衿膆荿蚂羁莂蚇蚂肄膄薃螁膆莀葿螀袆膃莅蝿羈莈芁螈膀膁蚀螇袀蒇薆螆羂艿蒂螆肄蒅莈螅膇芈蚆袄袆肀薂袃罿芆蒈袂肁聿莄袁袁芄莀袀羃膇虿袀肅莃薅衿膈膅蒁袈袇莁莇羇羀膄蚅羆肂荿薁羅膄膂蒇羄羄莇蒃薁肆芀荿薀膈蒆蚈蕿袈艿薄薈羀蒄蒀薇肃芇莆蚇膅肀蚅蚆袅芅薁蚅肇肈薇蚄腿莃蒃蚃衿膆荿蚂羁莂蚇蚂肄膄薃螁膆莀葿螀袆膃莅蝿羈莈芁螈膀膁蚀螇袀蒇薆螆羂艿蒂螆肄蒅莈螅膇芈蚆袄袆肀薂袃罿芆蒈袂肁聿莄袁袁芄莀袀羃膇虿袀肅莃薅衿膈膅蒁袈袇莁莇羇羀膄蚅 Excellent利用互補雙層膜技術製造高密度磁光儲存裝置的磁性記錄介質工材學期報告(樣本)學號：B90611002姓名：洪悅慈日期：2003.1.16(Format can be improved)一專利研發目的研發一種具發展高密度磁光儲存裝置潛力的磁光紀錄介質材料；這種材料必須擁有當讀取頭入射光波長為紫外光範圍時，仍具高度磁光效應的能力。二研發背景（一）理論方面：(1)簡述磁光儲存裝置的工作原理磁光儲存裝置的讀取原理是利用物理學上的磁光柯爾效應 (Magnetooptic Kerr effect)當一線性偏振光入射至磁性材料表面後， 其反射回來的光束將產生偏轉形成橢圓偏振光，此偏轉角度稱為柯爾旋 轉角(Kerr rotation angle)。當入射光遇到不同的磁化方向，會產生不同的 柯爾旋轉角藉由判定不同的柯爾旋轉角，便可讀取記錄於儲存裝置上 的資料。下圖為柯爾旋轉角之示意圖(上半圖)以及光讀取時磁光儲存裝 置的工作情形簡圖(下半圖)。(2)發展高密度的磁光儲存裝置的磁性材料條件欲發展高密度的磁光儲存裝置時，讀取時的入射光波長必須隨著記錄位元的縮小，而配合縮短到400nm以下約為紫外線的範圍但由於磁光柯爾效應現象會因為入射光波長越短，柯爾旋轉角也隨之減小，而導致讀取時所接收的訊號也會跟著減弱，而降低磁光儲存裝置的工作效率。此頁下方為一些磁性材料的柯爾訊號與入射光波長之關係圖。 目前傳統的磁光紀錄介質的材料，多為錳鉍合金(Mn-Bi)、鋱鐵鈷非晶形合金 (Tb-Fe-Co)與鈷鉑多層膜(Co-Pt)這三種磁性材料之一這些磁光紀錄介質的磁光柯爾效應，只有當入射於磁性材料表面的光波長範圍在400860nm約為可見光的範圍時，所產生的柯爾旋轉角才可被探測器分辨出來。 這種訊號減弱的現象在上述三種磁性材料中，又以Tb-Fe-Co非晶形薄膜在柯爾旋轉角大於0.3度時，入射光波長必須在760nm附近為最長，故不能用作高密度磁光儲存裝置的磁性材料。另外兩種磁性材料：Mn-Bi合金和Co-Pt多層膜，雖然當柯爾旋轉角大於0.3度時，兩者的入射光波長均在400nm左右，已約為紫外光的範圍，可是由於這兩種材料都是結晶結構，其結晶晶粒會產生大量的雜訊(noise)，影響到資料訊號的接收，故亦不適宜。(3)重稀土與輕稀土元素和過渡金屬(RE-TM)組成的介金屬化合物特性差異在一些由稀土元素與過渡金屬(RE-TM)組成的介金屬化合物 (intermetallic compound)及非晶形合金(amorphous alloy)中，因為RE晶格和 TM晶格的磁矩互為反向(antiparallel)，所以整體晶格的磁化強度為兩者的 磁矩差，即Mnet = MRE MTM；這種鐵磁性(ferromagnetic) 現象僅發生在重 稀土元素(heavy rare earth elements)，即從元素Gd到Lu的化合物及合金上。但是由輕稀土元素(light rare earth element)，即從元素Ce到Eu所組 成的相類似RE-TM化合物及合金，卻觀察到陶磁鐵性現象，即Mnet = MRE + MTM。這兩種行為的差異表現在重及輕稀土金屬化合物上，主要是因為 RE-TM化合物及合金中電子根據罕德定理(Hunds rule)交互作用所致。首先，輕稀土元素和重稀土元素的差別在於輕稀土元素含有少於半 填滿4f殼層的電子數，而重稀土元素則含有多於半填滿4f殼層的電子數。 罕德定理中提到：對未達到半填滿殼層的狀態而言，J值越低，其能量 也越低越穩定；而當超過半填滿殼層的狀態時，J值越高，其能量越低越 穩定；其中J值為軌道磁矩(orbital moment)L和電子自旋磁矩(spin moment)S 的向量和。所以根據罕德定理，可推得重稀土元素的總角動量J= L + S，表示J和S的方向相同。又因為S和TM的磁矩反向，所以可知重稀土元素的總磁矩J會和TM的磁矩反向；故在形成合金時，會因為這種磁矩的反向性而呈現出磁鐵性。而在輕稀土元素中，J = L S；且因為在輕稀土元素中，L值通常大 於S值，所以J和S互為反向，意即輕稀土元素的總磁矩J和TM的磁矩 為同向；故在形成合金時，會因為磁矩的同向性而呈現出陶鐵磁性(paramagentism)；這種陶鐵磁性使其異向性磁場減小，造成磁滯曲線非正方形而為狹長的蛇形(“Snake” curve)，會影響到其作為紀錄位元的穩定度。下圖為(a)重稀土元素(b)為輕稀土元素的簡易磁矩向量示意圖。（二）實用方面：欲發展高密度的磁光儲存裝置時，需發展一磁性材料，理論上它須具備在讀取頭入射光為短波長時，仍具有柯爾旋轉角度大的良好磁光效應性質。此外，這種材料還必須可提供體積小垂直且穩定的磁域，以避免寫入時的雜訊過大。其中所謂的磁域穩定，必須符合以下幾個條件：(1)此材料的居禮溫度須高於室溫(2)此材料須具備一垂直軸(perpendicular easy axis)(3)高度的異向性磁場(anisotropy field)(4)高度的保磁性(coercivity)(5)方形磁滯曲線此外，在實際應用上，此材料還需具有抗腐蝕、熱穩定以及易於製備的特性。然而，目前所使用的大部分磁性材料性質，至少都有一項缺陷。一些具高密度儲存能力（即入射光為短波長時柯爾旋轉角度大）的材料，可能：(1)其居禮溫度太低（如EuO）(2)垂直異向性不足（如PtMnSb）(3)磁壁構造不規則（如PtMnSb）(4)晶粒雜訊問題（如MnGaGe和MnBi）而在目前使用的磁性材料中，又以RE-TM非晶形合金具備了大部分發展高密度磁光儲存裝置時所需的特性。可是，重稀土元素的RE-TM非晶形合金的致命缺點，在於當入射光為短波長時，柯爾旋轉角度不夠大；至於輕稀土元素的RE-TM非晶形合金，雖然柯爾旋轉角度夠大，但卻又因為具陶鐵磁性使其異向性磁場減小，造成磁滯曲線非正方形，容易產生寫入時的雜訊。此外，重稀土元素如Gd、Tb、Dy等元素，由於不易在地表取得，且還需經過複雜的分離純化過程，使得這些金屬非常昂貴，造成產品商業化時的瓶頸；若能以地表含量豐富的輕稀土元素如Nd、Pr等元素來取代重稀土元素，則可望降低生產成本。有鑒於以上單一磁性材料的缺失，互補雙層膜(exchange coupled layers)的概念，成為目前發展高密度磁光儲存裝置的磁性材料之一嶄新方向。這種雙層膜包含一記錄層(the storage layer, ST) 和一讀出層(the read-out layer, RO)。記錄層的材料特性必須具有高度保磁性，以及磁滯曲線形狀接近正方形的特性；但在入射光為短波長時，其柯爾旋轉角度並不需要大到可供讀取偵測。另外一層讀出層的材料特性，則須具備當讀取頭入射光為短波長時，仍具有良好的磁光效應性質，以作為能量轉換器(transducer)之用，讀取存放在記錄層的資料。三專利內容主體（一）概要：研發出的磁光記錄介質，為在玻璃基板上依序長成由Tb-Fe-Co層和Pt或Nd-Co層所形成的金屬多層薄膜(multiplayer thin film)結構。這種材料因為其垂直磁異向常數(vertical magnetic anisotropic constant)Ku大於消磁能(demagnetizing energy)=2Ms2 （Ms為飽和磁強度），所以磁滯曲線之長方形比率(rectangular ratio)可達到1，亦即其殘磁強度(remanent magnetization) Mr和飽和磁強度Ms約略相等，意味著在讀取資料時，其記錄磁域可穩定維持在飽和磁強度而呈現訊號最大值，改善了輕稀土金屬的RE-TM非晶形合金原本特性；故可用輕稀土元素來取代原組成成分中Tb、Dy、Gd等難以取得的重稀土元素，進而減低生產成本。此外，當讀取頭的入射光波長為紫外光範圍，即波長在400nm附近或以下時，這種材料的優異值(FOM，Figure of Merit)為一評斷磁光儲存裝置工作效率的數值，越大越佳；FOM=R*square root (k2 +k2 )；其中k為柯爾旋轉角，k為柯爾橢圓度)為0.05甚或更高。（二）詳細構成：磁光紀錄介質金屬多層膜的構成有三：(1)可由以下兩種合金構成：一種為(R-TM)合金；R為重稀土元素，至少約佔組成比例的1550，TM則為鐵族的過渡金屬。至少需要70%的R為Tb或是Dy，而剩餘的R成分則須為Y、La、Ce、Sm、Gd、Tb、Dy、Ho、Er、Yb之其中一種元素。TM可以是Fe或是Co，Fe的含量比例可由0100%。另一種則為(R-TM-M)合金；R為重稀土元素，至少約佔組成比例的1550，TM則為鐵族的過渡金屬。至少需要有70%的R為Tb或是Dy，而剩餘的R成分則須為Y、La、Ce、Sm、Gd、Tb、Dy、Ho、Er、Yb之其中一種元素。TM可以是Fe或是Co，Fe的含量比例可由0100%。M至少須為Pt、Ta、Pd、Zr、Nb、Mo、Ru、Rh、Cu、Ag、Au、W之其中一種元素。(2)由(R-TM)合金薄膜和M金屬薄膜，或是(R-TM-N)合金薄膜和 M金屬薄膜組成；M至少須為Pt、Ta、Pd、Zr、Nb、Mo、Ru、 Rh、Cu、Ag、Au、W之其中一種元素。(3)由(R-TM)合金薄膜和(R-TM)合金薄膜，或是由(R-TM-M)合金薄膜和(R-TM)合金薄膜所構成。其中R為稀土元素Nd或Pr約佔總成分2080%，而剩餘的R成分則須為Y、La、Ce、Sm、Gd、Tb、Dy、Ho、Er、Yb之其中一種元素。TM可以是Fe或是Co。四心得 (重要，應強化) 在這份專利資料上看到這種利用兩種單一磁性材料的特性，分別構成記錄層和讀取層，再將兩層加以結合而形成所謂互補雙層膜，以改善目前單一磁性材料缺失之技術，其實有點接近所謂複合(式)材料(composite)的概念；即透過組成比例的調控及特殊處理之後，使得複合材料兼具原本兩種材料的特性。此種複合材料之優點，不僅可改善自然材料的缺點，製造出具有理想特性的材質，甚或可以挑選組成元件，以降低商業化的生產成本（例如此項專利中研發出以輕稀土元素取代難以取得的重稀土金屬），實為材料工程今後的研究重點。五參考資料(1)專利資料：US6096446 / 2000-08-01(JP11110838 / 1999-04-23)Magneto-optical recording medium and method of producing the same(2)書籍資料：1.The physical principles of magneto-optical recordingMasud Mansuripur Cambridge ; New York : Cambridge University Press, 1995 2.Materials science and engineering / an introduction William D.Callister,Jr.New York : John Wiley & Sons,Inc., 2003 , 6th ed3.The physics of optical recording Kurt Schwartz Berlin : New York : Springer-Verlag, c1993 4.Materials for magneto-optic data storageC.J. Robinson, T. Suzuki, C.M. FalcoPittsburgh, Pa. : Materials Research Society, c1989 5.高科技產業技術實務（上）課程講義曲建仲,2002.9.1 6.Magneto-optical recording materials Richard J. Gambino, Takao SuzukiNew York : IEEE Pre