（凝聚态物理专业论文）smco薄膜的制备与性能研究.pdf

摘要 在当今信息社会中，磁存储获得越来越广泛的应用。而且随着磁存储密度的不 断提高，对于磁记录薄膜介质的结构和性能提出了越来越高的要求。由于室温下磁 控溅射法制备的s m c o 薄膜具有高的矫顽力、很好的单轴磁晶各向异性，使得它成 为一种很具有开发潜力的高密度磁记录介质。 本文在总结了国内外有关s m c o 系磁性薄膜材料研究的基础上，采用磁控溅射 的方法制备了非晶态的s m c o 磁性薄膜，研究了制膜工艺对s m c o 薄膜结构、矫顽 力的影响。首先用磁控共溅射方法制备了非晶态的s m c o c r 磁性薄膜，并通过原位 后退火处理研究了其磁学性能。结果表明，当c o 靶溅射功率参数取2 2 0 w ，s m 靶 功率取5 4 w ，样品薄膜中s m 的含量为1 7 2 8 时，溅射的薄膜成分非常接近于 s m c 0 5 ，在6 0 0 下退火3 0 分钟，s m c o c r 薄膜样品的矫顽力升高。并且磁化取 向有从面内转向垂直方向的趋势。 还采用磁控溅射法在玻璃基片上用复合靶制备了s m c o c u 磁记录薄膜，并用振 动样品磁强计( v s m ) 测量了薄膜的基本磁特性。研究发现s m c o 磁性层的溅射工艺 如溅射功率、溅射时间和溅射气压等对薄膜矫顽力的大小都有很大的影响，从实验 结果得出s m c o c u 薄膜获得最大矫顽力的工艺参数如下：s m c o 复合靶磁性层的溅 射功率6 0 w ，溅射时间4 8 0 s ，溅射气压0 。s p a ，此时薄膜面夜方向鹩矫顽力达虱 3 4 0 0 0 c 。上述研究结果对s m c o 薄膜在磁记录方面的应用具有一定的参考价值。 关键词：s m c o 薄膜磁记录共溅射退欠矫顽力 额士学位论文 m a s t e r st h e s i s a b s t r a c t i nt h ei n f o r m a t i o nt e c h n o l o g ye r a , m a g n e t i cr e c o r d i n gh a sb e e nw i d e l yu s e d a n d w i t ht h em a g n e t i cr e c o r d i n gd e n s i t yc o n t i n u o u s l yi n c r e a s i n g ，m o r ea n dm o r er e q u i r e m e n t s a b o u tm e d i as t r u c t u r ea n dp r o p e r t yh a v e b e e np r o p o s e df o rm a g n e t i cr e c o r d i n gt h i nf i l m s a st h es m c ot h i nf i l m s ，w h i c hp r e p a r e d 稍t hi f - s p u t t e r i n gi ni o o mt e m p e r a t u r e ，p o s s e s s l l i g hc o e r c i v i t ya n dl a r g eu n i a x i s - c r y s t a la n i s o t r o p y , m a k e si t a sag o o dk i n do fl l i g h d e n s r ym a g n e t i cr e c o r d i n gm e d i a b a s e do nt h es u m m a r i z i n go ft h ei n v e s t i g a t i o no ns m c of i l mi nd o m e s t i ca n da b r o a d ， t h ea m o r p h o u ss m c om a g n e t i ct h i nf i l m sa r ep r e p a r e da n dt h ei n f l u e n c eo nt h es l r u c t u r e a n dc o e r c i v i t ys i n c em a g n e t i ct h i nf i l m sa r ei n v e s t i g a t e di nt h i st h e s i s f i r s to fa l l ，t h e a m o r p h o u ss m c o c rm a g n e t i ct h i nf i l m sa r ep r e p a r e db yc o - s p u t t e r i n ga n d t h em a g n e t i c p r o p e r t i e sa r es t u d i e dt h r o u g hi n - s i t up o s t - a n n e a l i n g t h er e s u l t ss h o wt h a tw h e nt h ec o t a r g e ts p u t t e r i n gp o w 盯i s2 2 0 w , t h es ml a r g e ts p u t t e r i n gp o w e ri s5 4 w , t h es m c o n c e n l r a t i o ni s1 7 2 8 t h ec o m p o s i t i o no fs i n c et h i nf i l mi sv e r yc l o s et os m c 0 5 a f t e r 6 0 0 c ，3 0 m i na n n e a l i n g , t h ec o e r e i v i t yo fs m c o f i l e l l sw i l lb ei n c r e a s e da n dt h em a g n e t i c a n i s o t r o p yw i l lb ec h a n g e d 丘咖i n - p l a n et on o r m a l - p l a n e t h es m c o c uf i l m sa r ep r e p a r e do nt h eg l a s ss u b s t t a t ew i t hi f - s p u t t e r i n gs y s t e r m a n dc o m p o s i t et a r g e t t h em a g n e t i cp r o p e r t i e sa r ee v a l u a t e db yv i b r a t i n gs a m p l e m a g n e t o m e t e r ( v s d a n dw ef i n dt h a tt h es p u t t e r i n gp a r a m e t e r s ，s u c ha ss p u t t e r i n g p o w e r , t i m ea n dp r e s s u r ec a ng r e a t l ya f f e c tt h ec o e r c i v i t yo fs m c o c uf l l m s w h e nt h e s p u t t e r i n gp o w e r , t i m ea n dp r e s s u r ei s6 0 w , 4 8 0 sa n d0 5 p a , r e s p e c t i v e l y t h ei np l a n e c o e r c i v i t ya sh i g ha s3 4 0 0 0 ea r er e a c h e d 。t h e s er e s e a r c hr e s u l t sw i l lb u i l do ns o m eb a s i s f o rs m c ot h i nf i l m sa p p l i c a t i o ni nm a g n e t i cr e c o r d i n g k e yw o r d s ：s m c of i l m ；m a g n e t i cr e c o r d i n g ；c o - s p u t t e r i n g ；a n n e a l i n g ；c o e r c i v i t y 硕士学位论文 m a s t f , r s 3 - h f s 1 s 1 1 研究背景与意义 第一章绪论 随着计算机和因特网技术的飞速发展，人类已经全面进入数字化信息时代，这 对数据存诸设备的要求也越来越高，要求信息存储向着高密度、大容量、高速度 及低成本的方向发展，相关的产品也在不断更新换代。 目前作为大容量信息存储方式主要有光存储和磁存储。其中磁记录介质具有性 能可靠、使用方便、成本低廉、易于保存和重复使用等特点，从而成为当今信息社 会必不可少的信息记录材料。磁存储介质主要有软盘( f d ) 和硬盘( h d d ) 。其中 硬盘( h d d ) 因具有容量大、记录密度高、读写速率快( 可随机存取) 、传输速率 高、保存寿命较长、工作稳定可靠等一系列优点，而被广泛应用于文件数据库、网 络服务器的海量信息存储，以及印刷和制版业等领域中。而且磁记录也是当今世界 极富生命力的一个产业，包括计算机系统和消费用的全部产品在内的年销售额已超 过9 0 0 亿美元，并且增长趋势不减。这其中硬盘驱动器的年销售额大约为5 0 0 亿美 元，据估计，到2 0 0 7 年硬盘驱动器的年销售额已达到7 0 0 亿美元。硬盘盘片是硬 盘驱动器中存储信息的核心部件，占硬盘制造成本的2 0 到3 0 。因此，进行与硬 盘盘片有关的磁记录薄膜的研究有着很重要的现实意义和巨大的经济价值。本文将 在对s m c o 磁记录介质的相关研究历程进行回顾和总结的基础上，对磁记录介质 s m c o 系薄膜的结构设计、样品制备、特性测试与微结构分析，以及性能的提高和 应用前景的分析等方面，从理论和实验上进行深入、系统的研究。 1 2 磁记录薄膜材料概述 1 2 1 磁记录原理 如图1 1 为磁记录系统的基本框图。信号的写入是由电磁感应线圈磁头完成的， 信号的读出采用的则是g m r 磁头。数字信息在一定间隔的时钟信号下发生变化， 当数字信息为“1 ”时使记录电流反向，为“0 ”时记录电流不反向。这个变化的电 流加到磁头线圈中，使记录磁头的软磁磁芯被磁化到饱和状态。在磁头的软磁芯闭 合磁路中，有一条数微米以下的极窄的气隙。磁头线圈中的电流一旦发生变化，气 隙所产生的漏磁场极性也随之改变。若使记录介质以一定速度移动，记录介质上的 磁性层就将被磁化。若将磁化状态用磁化矢量直观地加以表示，在记录介质中被磁 顿士学位论文 m a s t e r st h e s i s 化后的磁化矢量方向与介质移动方向就会一致或反向。磁化的极性翻转即反映被记 录的信息。不同的磁化方向之间存在一过渡区间。过渡区间越窄其记录密度越高。 t t i t e r e a d c l o c k d 砒 l 一l _ j l j 图1 1 磁记录原理简图 1 2 2 磁记录特点及其对介质的要求 与其它记录方式相比磁记录具有如下优点：记录密度高、存储容量大；信息存 取速度快，能立即重放或再现；记录的信息可长期保存，不易丢失；可多次重复使 用；失真小；可多通道记录；记录动态范围宽；成本低，适用于大规模生产。 磁记录技术的主要参数如下：( 1 ) 记录面密度：即单位面积上的存储位数。 它等于位密度与道密度的乘积，所用单位为g b i t i n 2 。( 2 ) 存储容量：存储器所 能记录的二进制数码的总量。目前市场上硬盘容量已经超过1 0 0g b i t ；( 3 ) 数据 传输率：单位时间内外存储器向主存储器传送数码的位数或字节数( b i t s ) ；( 4 ) 存 取时间：磁头从起始位置移到指定位置，并完成写入或读出所需的全部时间；( 5 ) 误码率：有错误的二进制数码位数与存储容量之比。一般来说，信噪比越高，误码 率越低。 对磁记录方式来说，在保证信噪比的前提下提高其记录密度，一直是人们所追 求的目标。要提高记录密度，必须使减小过渡区宽度a 。介质的过渡区展宽a 为【1 】： 。f 丝越堕塑弘 ( 1 1 、“_ i i 一、1 i 丑。 。 2 硕士学位论文 m a s t e r st h e s i s 上式中m r 为薄膜的剩磁，6 为磁性膜厚度，h c 为薄膜矫顽力，d 为磁头与盘 片之间的距离。由于输出信号的幅度决定于介质的剩磁膜厚积m r6 ，虽然减薄磁性 层厚度可以减小过渡区展，但当薄膜厚度很薄时，每位信息占有面积中的磁性原子 很少，使薄膜剩余磁化强度减小，从而会降低读出信号，加之介质中缺陷、不均匀 性影响愈加突出，介质的抗热扰动能力低，信噪比随之会降低。所以提高磁记录密 度的最佳方式是：在磁头能够写入的范围内将介质的矫顽力尽量加以提高。 因此，高密度磁记录方式对制备磁记录介质薄膜的总的要求是：适当减薄磁性 层厚度：提高矫顽力并保持高的剩磁；保持介质的磁性能和热性能的稳定。 另外，按照磁盘内代表记录信号的磁化矢量与磁头运动方向和盘面表面是平行 还是垂直，可将其分为纵向或垂直两种不同的记录方式。目前，虽然市面上也有垂 直记录方式的硬盘产品但常用的硬盘磁记录方式仍为纵向1 记录方式，各种硬盘、软 盘、磁带都仍然采用这种记录方式。 1 _ 3s m c o 磁记录薄膜的研究概况 1 3 1s m c o 纵向磁记录介质 随着g m r 磁头的采用以及记录面密度的不断提高，对介质的结构与性能等方面 也提出了越来越高的要求。目前，硬盘用纵向磁记录介质发展所面临的挑战是由磁 弛豫现象或超顺磁现象所带来的记录密度的限制问题。按照a r r h e n i u s - n e e l 法则 闭，记录位原子的弛豫时间为： f - 1 0 4 e x p ( k u v + k 丁) ( 1 2 ) 由上式可估算出，当能量势垒k u v * k b t 的为比值为2 5 时，弛豫时间t = 1 分钟：当 c u p k b t 的比值为4 0 时，弛豫时间t = 7 5 年；当k u v * k s t 的比值上升到6 0 时， 弛豫时间t = 1 0 9 年。因此，提高能量势垒k u v * k 口t 的比值，是提高介质的热稳定 性，从而提高记录密度的关键。显然，采用磁各向异性常数k u 较大的介质，可以 提高纵向磁记录密度。由于s m c o s 较c o c r p t 有更大的k u 值【3 】，因此科学家们对 s m c o 纵向磁介质进行了一系列的研究。 早在1 9 6 9 年，t e u e r 等人曾报道了s m c o 面内磁化膜。白1 9 9 1 年开始，美国 c a r n e g i em e l l o n 大学数据存储系统研究中心的v e l ue m t 等人就s m c o 纵向磁 记录膜进行了研究。他们【4 垤射频溅射法在7 0 5 9 康宁玻璃基片和n i p 涂层的a l 基 片上，采用复合靶溅射制备了c o s m c r 膜，并对溅射功率、溅射气压、膜层厚度、 衬底温度等进行了优化，并指出在优化条件下，当c o s m 膜厚为1 4 r i m 时，c r 层膜 3 硕士学经论文 m a s t e r st h e s i s 厚1 1 0 n m 时，矫顽力达2 4 1 k o e ，m r6 = 0 9 e m u c m 2 ，矩形比m 小氨= 0 9 1 。随后，v e l u e m t 等人1 5 】用射频二极溅射法，在康宁玻璃基盘上溅射制作了s i 0 2 c d s m c o c r 膜，其矫顽力高达3 0 0 0 0 e 。他们还对c r 底层、s m c o 层和c r 顶层的厚度对介质噪 声性能的影响进行了研究，并对s m c o c r 介质中晶粒之间的交换耦合相互作用和静 磁相互作用进行了研究。发现c f 过渡层( l o o n m ) 越薄，信噪比就越高。c r ( 1 1 0 ) 底层有助于磁记录层形成柱状微晶结构，减弱晶粒之间的交换作用，降低噪音。另 外，v e l ue 。m t 等人【6 】还在基片不加温、s m c o 层溅射气压为2 0 r e t o r t 、溅射速率 为1 4 r i m r a i n 、c r 底层溅射气压为l o m t o r r 、溅射速率为3 5 n m m i n 的情况下，采用 复合靶溅射制各了高矫顽力的s m c o c r 薄膜。并采用原子力显微镜( a i m ) 研究 了s m c o 及c r 薄膜的形貌。结果发现，s m c o 膜与c r 膜的结构特征不同。没有c r 底层的s m c o 膜为圆颗粒状，丽c r 膜为拉长的米粒状。s m c o 薄膜是在c r 底层孤 立的柱状结构上外延生长的，因此，磁记录层颗粒间的交换作用减小，相应地 s m c o c r 的矫顽力h c 增大，薄膜的噪音减小。他们同时还发现，随着c r 膜厚度的 减小，颗粒间的交换作用和介质的噪音均下降。 t a k e is 7 1 等人也用磁控溅射法在玻璃基片上制各了s m c o c r 薄膜，并主要研 究了溅射气压对c r 底层形貌影响。在他们的实验中，q 底层的制备条件是：用 9 9 9 c r 靶，a r 气压在0 1 3 1 0 6 p a 之同；s m c o 层的制各采用的是复合靶材，将 5 m m 边长的s i n 小方块放在c o 靶上，调整s m 片使s m 所占比例为2 0 a t ，经e d x 证实该膜的成分为s m c 0 4 。c r 层和s m c o 层厚度分别为1 0 0 和4 0 r i m 。实验结果表 明：在基片温度为5 0 0 c 的情况下，当c r 的溅射气压从1 0 6 p a 降低到0 1 3 p a 时， q 表面的形貌逐渐变得光滑平整，而。的( 1 1 0 ) x 射线衍射峰强度逐步升高，表 明c r 的( 1 1 0 ) 取向度增强了，s m c o 层的矫顽力以及矫顽力矩形度s 也都逐步升； 当p a r 降低到0 1 3 p a 时，在1 0 0 n m 厚的c r 层上外延生长的4 0 n m 厚的s m c o 膜的 矫顽力为1 5 5 k a m ( 约1 9 4 7 0 e ) 、矩形比为0 9 2 、矫顽力矩形比为0 9 2 ，膜层表面 粗糙度为l n m 。后来，t a k ds s l 还研究了磁性层厚度对s m c o c r 膜磁性能的影响， 就s m c o 膜的厚度对其晶粒大小、膜面粗糙度、膜的矫顽力及磁性层的开关体积 ( s w i t c h i n gv o l u m e ) 的影响进行了研究。 s i n g l e t o ne w _ 等【9 】也用d c 磁控溅射法，制各了c o s m ( 3 0 n m ) c r ( 0 - - 7 9 n m ) 薄 膜( 本底真空度2 x1 0 - t t o r r ，p a r = 5 1 0t o r r ) 。他们发现，对于高密度记录介质， 当考虑噪声和热稳定性时，磁介质的开关体积十分重要。开关体积随c r 层的厚度 的增加而迅速减小，但当c r 层的厚度的增加到一定值时，开关体积又接近于常数。 为了研究不同衬底对s r n c o 磁记录层的影响，o k u m u r a y 等人1 1 0 】用射频溅射法 4 硕士学往论文 m a s t e r st h e s i s 制备了s i 0 2 ( 1 5 n m ) c o s m ( 5 0 m ) x 伍= t i ，、c ua n dc o ( 1 0 0 r i m ) 基片多层膜。制各 方法为在c o s s m 靶上加c o 、s m 片来调节c o s t a 的组分。当s m c o 组分为s m l 5 c o s 5 ， 溅射气压为3 5 m t , c r 底层溅射气压为2 0 m t 时，c r 层厚度为1 0 0 r i m 时，矫顽力达 3 6 0 0 0 e ，比无c r 层时高3 3 倍。底层为t i ，、c u 层时，矫顽力分别为2 6 0 0 、2 2 0 0 、 1 8 0 0 0 e 。 为了研究s m c o c r 膜的微观结构，l i uy 【1 1 】等用d c 溅射法，制备了 g l a s s f o 2 2 m m ) c r ( 9 5 n m ) c _ o s m 2 l ( 2 4 m ) 膜，并采用高分辨率电镜( h r e m ) 进行了 分析，还把观察到的薄膜结构的与计算机模拟的结果进行了比较，发现两者并非完 全相同，但可以证明h r e m 衍射花样与密排( h c p ) 结构相近。研究发现s m 是随 机地分布在c o 晶格中。由h r e m 观察知，c o s m 沉积薄膜具有密堆结构，局部存 在随机堆积的堆积模式，有两层a b ( h e p 结构) 型、三层a b c ( f c c 结构) 型、四层 a b c d ( 双六角形结构1 型堆积单元。 m a l h o 仃as s 等人【1 2 】用直流磁控溅射法制备了有无c r 底层的s m 2 c 0 7 膜，并 进行了真空退火。结果表明，退火前的矫顽力磁为5 0 0 - - 2 8 0 0 0 e ，经5 0 0o c 退火 后风为2 1 - - 2 9 k o e ，提高十多倍；其它条件不变，c r 缓冲层为2 0 r i m 时，矫顽力 战为3 1 k o e ；无缓冲层且s m c o 层为3 0 0 a m 时，矫顽力i i c 达2 9 k o e 。退火使s m c o 薄膜晶化和晶粒长大，相应地使膜的矫顽力凰提高。 p r a d a sc 等人【廿】采用直流溅射方法制备了s m ( c o ，n i ，c u ) c r 双层膜，并对样 品进行了3 0 r a i n 的真空退火。结果发现，s m c o s 晶化起始温度为5 1 5 。经过退火 后，薄膜矫顽力从1 0 0 0 c 提高到了4 0 k o e 。退火使得s m c o 薄膜内纳米晶粒不断 长大，膜内晶化比例不断提高，晶化程度的提高，导致局部偶极子相互作用的加强。 文中分析了能够反映晶粒闻相互作用的6m i h 关系曲线，发现颗粒的相互作用力与 矫顽力的大小无关，由于在高的磁各向异性的s m c o 薄膜中有畴璧钉扎作用存在， 矫顽力的提高也许与磁化反转的强大阻力有关。h a d j i p a n a y i sgc 【i 4 j 进行了相同 的研究，他也认为畴璧钉扎作用是退火样品矫顽力升高的主要原因。 中科院磁学室的7 _ h a n gs y 等人【1 5 】采用溅射s m f c c ( s i ) 多层膜的方法，在s i 基片上制备了s i t a s m f e s i c 薄膜，并对样品进行了7 0 0 ，5 分钟退火处理。结果 发现，当s i 由0 增加到0 1 2 5 时，磁滞回线由软磁转变为宽型硬磁状态( s i 为0 1 2 5 时h c 值为7 7 k 0 0 。而且这一阶段h c 与s i 呈线性递增关系，达到s i 等于0 0 8 6 时，则呈线性递减关系，这种磁化线形关系的物理解释还有待研究。m 。与s i 之间 则近似呈抛物线下降关系，当s i 接近0 0 8 6 后，变化趋于平缓。 北京钢铁研究总院非晶及纳米材料工程中心的刘湘华【1 司等人采用d c 磁控溅射 5 硕士学位论文 m a s t e r st h e s i s 制备了s m c o c r 薄膜，研究了c r 底层的溅射气压对薄膜性能的影响。发现在s m c o 层的溅射气压均为0 6 p a 时，当底层溅射气压为0 4 p a 时，h c _ 4 2 k o e ，p a l o = o 0 8 p a 时，h c = i 6 k o e ；两种条件下的起始磁化曲线都表明，畴壁订扎机制决定了矫顽力的 大小，通过剩磁曲线测量得到了6m h 曲线，结果表明在p _ a 。c i ：= o 4 p a 时，晶粒闻 既有正的又有负的交换耦合相互作用，在p k c | = 0 0 8 p a 时，只有负的交换耦合相互 作用。 z a n ai 也就c 0 s m 面内磁化膜的磁相互作用和热稳定性问题进行了研究，发 现当c o s m 层的厚度为6 到1 4 n m 时，h c 3 8 k o ，剩磁厚度积m f6 p 。磁阻效应与h a l l 效应有 关，垂直s m c o 膜的横磁阻效应较大；非晶s m c o 垂直磁化膜具有较大的h a l l 效应， 可望在传感器中获得应用。垂直磁化膜h a l l 效应大于面内膜的h a l l 效应；h a l l 效应与 光磁效应的测量结果具有一致性。 文献p 1 - 3 3 用透射电子显微镜t e m 和扫描电子显微镜s e m 研究了双源共蒸发制 各的s m c o 磁性薄膜的显微结构特征及其与成分、温度的关系。讨论了非晶态 s m c o 薄膜的形成过程及显微结构对薄膜磁光性能的影响。文中指出：非晶态s m c o 薄膜的典型结构是直径为3 r i m 的高密度柱状区和一个低密度网络构成。s m 岱c 吣薄 膜是非晶和多晶( 微晶) 的临界态，非晶态s m c o 薄膜微晶化温度约3 0 0 0 c ，微晶大 小为1 0 6 0 r i m 。当薄膜结构由非晶态转变为微晶态时。薄膜的磁光特性发生突变。 n u m a t a 驯等人也发现s m x c 0 1 0 嘛( 1 8 x 2 6 ) 溅射非晶薄膜的磁各向异性取 决于基片的温度。在9 0 _ 一1 4 0 0 c 时，得到负垂直磁各向异性膜。由于面内的一些组 织使得负垂直各向异性并不是来自易轴单向异性。这种强的负各向异性退火后就消 失了。另一方面，在6 0 - 9 0 0 c 沉积时，正各向异性就诱发了，它能克服退磁场能。这 一正各向异性膜具有相当强的电阻和强的霍尔电阻效应。测量显示膜与基片间自匀_ 应 力对正负各向异性的产生未起太大的作用。负各向异性可能是内应力引起的，而正 各向异性可能是基片温度在6 0 - 9 0 0 c 时膜的组织产生的。 文削j 研究了s m c o 非晶垂直磁化膜的温度特性。文献1 3 6 - 3 7 1 用射频磁控溅射法， 基片水冷，加负偏压，制备t s m 3 2 d y 2 c 0 6 6 非晶垂直磁化磁光薄膜，研究了其温度 特性，且记录畴尺寸约0 6 3 pm ，比h r e - - t m 膜的小。表明了此膜具有很高磁光记 录密度。 戴道生等【3 8 】研究了s m c o 薄膜在温度为1 5 3 0 0 k 时的磁性。指出s m c o 薄膜 为共线铁磁性结构。s m 的原子磁矩近似为零。同时研究了矫顽力与成分和温度的 依赖关系。发现矫顽力r 在s m 含量为4 3 a t 时有极大值，并以指数形式随温度升 高而减小；还发现低温范围磁化强度随温度变化与自旋波激发和s t o n e r 激发都有关 系。虽然s m 原予基本不显示磁矩，但它有很强的单离子各向异性，从而对非晶合 金的磁结构，磁化强度与温度关系，矫顽力大小及其随温度的变化都有很大的影响。 s m c o 薄膜合金中c o 的3 d 电子有很强的巡游性，但在低温下其具有b l o c h 自旋波 集体激发特征。稀土原子4 f 电子完全局域在核附近，它对s 电子有强烈的激化作用。 综合看来，存在s t o n e r 激发也很自然，同时存在两种磁化激发过程是可以理解的。 除了对c o 合金垂直磁化膜的研究，研究工作者还开展了f c p t 合金垂直磁化膜的研 7 硕士学值论文 m a s t e r 。st h e s i s 究。 总之，对于垂直磁记录薄膜，目前研究的发展趋势在于：( 1 ) 介质膜层组分和 结构的优化设计，磁畴的良好控制。( 2 ) 采用具有高k u 值的s i n - c o 合金或f e p t 合金膜，提高介质的热稳定性。( 3 ) 寻找合适的底层，改善工艺条件，获得晶粒粒 度大小及分布合适的薄膜，以进一步降低介质的噪声并提高其信噪比。( 4 ) 采用类 似于磁光记录介质构造中的，加入交换耦合层的方法，在适用于单极磁头的双层磁 介质中加入交换耦合层，将可以改善介质的磁记录性能，更进一步的提高其存储密 度。 1 4 本论文的研究内容与工作安排 本文以s m c o 系记录薄膜作为硕士学位的研究内容，从理论以及实验方面研究 了s m c o 系记录薄膜的微观结构、物理特性及其相关机理，对s m c o 薄膜在高密度 磁记录介质方面的应用奠定了一定的实验基础。 本文各章的主要内容如下： 第一章概述了磁记录的发展历程，磁记录的原理，系统论述了s m c o 系硬盘磁 记录介质的研究状况及其所面临的困难。 第二章详细介绍了磁控溅射装置的工作原理，以及制备磁性薄膜材料的实验室 工艺流程，对磁性能的测量等也进行了说明。 第三章、第四章采用了控制变量法系统地研究薄膜的化学成分、磁性层厚度、 底层厚度、退火、溅射气压等对s m c o c r 和s m c o c u 磁化膜磁性能的影响。并从 薄膜微观结构和理论方面对这一影响进行了简单的分析。 第五章对全文进行了总结并概述了主要实验研究结果。 8 硕士学位论文 m a s t e r st h e s i s 第二章薄膜样品的制备与分析测试 2 1 磁控溅射装置 本文研究采用的磁控溅射装置是中科院沈阳高真空应用技术研究所研制的 j g p 5 6 0 c c 型多层膜合金膜超高真空多功能磁控溅射系统，如图2 1 所示。这套系 统具有三个真空室：进样室、溅射室、多层膜室。在溅射室和多层膜室各有一个机 械泵和分子泵，系统极限真空优于2 0 1 0 4p a 。其中进样室一次可放入八个基片， 具有一个射频反溅靶，并且这个射频反溅靶能够进行6 0 0 摄氏度的加温退火处理。 在溅射室有二个直流靶和一个射频靶。多层膜室有四个直流靶和两个射频靶，并且 都能进行6 0 0 摄氏度的加温退火处理。制膜过程可由计算机控制，因此可以有效地 控制薄膜的厚度和制膜的时间。 图2 i j g p 5 6 0 c c 型多层膜合金膜超高真空多功能磁控溅射系统结构示意图 9 硕士学位论文 m a s t e r st h e s i s 2 2 磁控溅射原理 2 2 1 溅射现象和溅射参数 用带有几百e v 动能的粒子或离子柬轰击固体表面，从而使靠近固体表面的原 子获得入射粒子所带能量的一部分而脱离固体进入到真空，这种现象称为溅射。1 3 9 j 在溅射过程中，入射粒子在靶中经历复杂的散射过程，和靶原子碰撞，把部分能量 传递给靶原子，此靶原子又和其它靶原子碰撞，形成级联过程，在这种级联过程中 某些表面附近的靶原子获得向外运动的足够能量，离开靶被溅射出来。 溅射参数主要有以下三个： 1 、溅射阚 溅射阈是指入射离子使阴极靶产生溅射所需的最小能量。溅射阈主要取决于靶 材料，与入射离子种类和能量无明显依赖关系。对处于元素周期表中相同周期的元 素，溅射阈随原子序数的增加而减小。对于大多数金属元素来说，溅射阈为1 0 一 3 0 e v ，相当于升华热的4 倍。 2 、溅射率 溅射率( 又称为溅射产额) 表示正离子撞击阴极时，平均每个正离子能从阴极 上打出的原子数。溅射率与入射离子的能量、类型、角度及靶材原子序数的增大而 增大，六方晶格结构的金属比面心立方晶格结构金属的溅射率低，污染表面( 如氧 化层) 比清洁表面的金属溅射率低，升化热大的金属要比升华热小的溅射率低。入 射离子的能量对溅射率有显著的影响，当入射离子能量高于某一临界值时，才会发 生溅射。溅射率最初随轰击离子能量的增加而指数上升，其后出现一个线性增大区， 并还渐出现一个平坦的最大值并里饱和状态。如果此时再增加能量，则因产生离子 注入效应而使溅射离下降。入射离子的种类不同对溅射率的影响也比较明显。入射 离子的原子量越大，溅射率越高。同一周期中惰性气体的溅射率最高。惰性气体的 优点是可以避免和靶材起化学反应。考虑到经济的原因，通常选用氩为工作气体。 另外溅射率还与入射离子的入射角，靶材温度等有关。 3 、溅射原子的能量、速度和角度分布 在溅射过程中，由于溅射原子是与高能量( 几百到几千e v ) 入射离子交换动 量习溅出的，所以溅射原子具有较大的能量，一般来说溅射原子的能量约为1 0 一 2 0 e v 。溅射原子的能量和速度与靶材料、入射离子种类和能量以及溅射原子的方向 性有关。溅射原子的角度分布并不符合k n u d s e n 余弦定律，尤其是垂直于靶面的逸 出原子，明显少于按余弦分布时应逸出的原子数。溅射原子的角度分布与轰击离子 1 0 硕士学位论文 m a s t e r s t h e s i s 的入射角、靶村晶体结构等有关。 2 2 2 磁控溅射工作原理 溅射法制膜是指在真空中，利用荷能离子轰击靶表面，使靶表面的原子溅射出 来并沉积在基片上的技术。根据电极的结构、电极的相对位置以及溅射制膜的过程 可以分为二级溅射、三级溅射、磁控溅射、对靶溅射和离子束溅射等。按溅射方式 的不同又可以分为直流溅射、射频溅射、偏压溅射和反应溅射等。【柏】 通常的溅射方法，溅射效率并不高。为了提高溅射效率，需要增加气体的离化 效率。【4 1 j 为了说明这一点，下面先来讨论一下溅射过程。 当经过加速的入射离子轰击靶材( 阴极) 表面时，会引起初始电子( p r i m a r y e l e c t r o n s ) 发射，在阴极表面产生的这些电子在电场的作用下开始向阳极加速后进 入负辉光区，并在运动过程中与中性的气体原子碰撞，产生自持的辉光放电所需的 离子。这些所谓的初始电子的平均自由程随电子能量的增大而增大，但随气压的增 大而减小。在低气压下，离子是在远离阴极的地方产生。同时，有很多初始电子可 以以较大的能量碰撞阳极，所引起的损失又不能被碰撞引起的次级发射电子抵消， 这时离化效率很低，以至于不能达到自持的辉光放电所需的离子。通过增大加速电 压的方法也同时增加了电子的平均自由程，从而也不能有效地增加离化效率。虽然 增加气压可以提高离化效率，但在较高的气压下，溅射出的粒子与气体分子的碰撞 机会也增大，实际的溅射率也很难有大的提高。 一t 7,一t | i 蛔 ，7f | | f 。 l l 卜illii 刘毫i 囊隧 f | tfll | |i 图2 2 平面磁控溅射靶的工作原理示意图 1 1 射靶 硕士学位论文 m a s t e r st h e s i s 如果加上一平行于阴极表面的磁场，那么电子将作回旋运动1 4 2 】，初始电子的运 动将被限制在邻近阴极的区域，从而增加气体原子的离化效率。如图2 2 是平面磁 控溅射靶的工作原理图。平面圆形磁控靶在靶表面附近形成环状磁场，初始电子在 环状磁场的控制下，运动路径很长，而且被束缚在靠近靶表面附近的等离子体区域 内，在该区中电离出大量的a r + 离子用来轰击靶材，从而实现了磁控溅射沉积速率 高的特点。随着碰撞次数的增多，电子的能量耗散殆尽，逐步远离靶表面，并在电 场的作用下最终沉积在基片上。由于这种电子能量很低，电子对薄膜的轰击作用减 小，减轻了对薄膜的损伤，并且降低了基片的额外温度，有利于提高薄膜的质量和 表面光滑度。这对使用单晶、塑料和玻璃基片都具有重要意义。 综上所述，磁控溅射的基本原理就是用磁场改变电子的运动方向，并束缚和延 长电子的运动轨迹，提高了电子对工作气体的电离几率，有效的利用了电子的能量。 从而使正离子对靶材轰击所引起的溅射更加有效，同时受磁场束缚的电子又只能在 其能量耗尽时才能沉积在基片上，这就使磁控溅射具有“低温、高速”两大特点。 同溅射一样，磁控溅射又分为直流( d c ) 磁控溅射和射频删控溅射。射频 磁控溅射中，射频电源的频率通常在5 3 0 m i - l z 。射频磁控溅射相对于直流磁控溅 射的主要优点是，它不要求作为电极的靶材是导电的。因此，在理论上利用射频磁 控溅射可以溅射沉积任何材料。由于磁性材料对磁场的屏蔽作用，溅射沉积时它们 会减弱或改变靶表面的磁场分布，影响溅射效率。因此，磁性材料的靶材需要特别 加工成薄片，以尽量减少对磁场的影响。 2 3 基片的清洗 随着硬盘磁记录密度的不但提高，磁头与盘片之间的距离不断减小，相应地对 硬盘的平整度以及薄膜厚度都提出了很高的要求i 叫，磁记录薄膜的厚度一般不超过 几百纳米降】。对于厚度只有几百纳米的薄膜样品而言，基片表面的平整度、清洁度 都会影响到其生长状况，从而影响到薄膜的性能【4 5 j 。因此，基片必须经过严格的清 洗。本实验中所使用的基片o 2 m m 厚的普通的载玻片，可以在5 0 0 以下使用，由 于在生产加工的过程中，其表面不可避免的会沾染各种污染物【辄4 7 1 ，为了保证成膜 的质量，制膜用的玻璃基片都经过了严格的清洗。清洗过程如图2 3 所示，先采用 化学方法清洗，装入真空室后，成膜前再用反溅射( 物理方法) 对基片表面进行清洁。 1 、将载玻片置于清洗架上，浸泡在电子清洗剂和蒸馏水和混合溶液中，加热 煮沸3 0 分钟。其中，电子清洗剂与水的比例为1 ：2 0 ，这样可以有效地去除表面的 油污。 2 、用蒸馏水反复冲洗基片至表面无电子清洗剂，再倒入干净的蒸馏水进行超 声波清洗，时间约为3 0 分钟。超声清洗可有效地去除基片表面的物理附着物。 3 、将经过超声处理后的基片置于无水乙醇( 分析纯) 中进行超声处理，时间 大约为柏分钟。这一过程的目的是脱去基片表面附着的水分。 4 、将清洗过的基片烘干后备用。 2 4 薄膜样品的制备 所制各的s m c o c r 薄膜样品的结构包括玻璃基片、c r 底层或缓冲层 ( u n d e f l a y e r ) 、s m c o 磁性层( m a g n e t i cl a y e r ) 及表面的c r 保护层( o v e r l a y e o 。其 结构如图2 3 所示。 图2 3s m c o c r 薄膜结构示意图 采用磁控共溅射方法制膜，溅射用靶分别为纯c f 靶、纯c o 靶和纯s m 靶以及 s i 0 2 靶。 采用的工艺条件如下： 本底真空度 退火真空度 基片温度 溅射氩气压 反溅射功率 反溅射时间 优于3 0 1 0 5 p a 优于5 0 1 酽p a 水冷( 制冷循环水) 1 o p a 5 0 w 3 0 0 s 顽士学侄论文 m a s t e r st h e s i s 2 5 样品结构和组成的分析测试 2 。5 ，1 薄膜厚度的测量 薄膜的制备，除了选择适当的材料和制备工艺外，薄膜的厚度也是一个重要的 参数。一般而言，厚度有三种概念，即几何厚度、光学厚度和质量厚度。几何厚度 指膜层的物理厚度，本文所指是几何厚度。 在测量薄膜厚度时，本研究采用x p i 表面形貌仪( 美国a m b i o u s 公司生产) 。 x p i 表面仪采用的是光学偏转测量高度的机理，控制系统采用的是静磁力控制系 统。该仪器可以测量的台阶高度范围很大，在1 0 0 埃到1 0 0 微米范围之间。因为该 仪器采用的是静磁力控制系统，所以在测量过程中，探针旌加在样品表面的力小( 最 小时为0 0 5 m g ) ，不会对样品的表面造成破坏。x p - i 表面仪不仅可以用来测定薄膜 的厚度，而且还可以同时得到薄膜表面粗糙度、薄膜面刻蚀情况，以及薄膜的表面 应力的大小。x p i 探针表面仪的工作原理是当金刚石探针与样品表面接触时，由于 样品表面形貌的变化，照射到与探针相连的架子上的激光束在遇到架子之后反射到 光探测器当它收集到信号的变化，就可以得到样品表面形貌的信息。 要测膜厚度，首先要制各出有台阶的薄膜。本文中制备台阶的方法为掩膜镀膜 法，即将基片的一部分用掩膜遮盖后镀膜，去掉掩膜后形成台阶。当探针扫过台阶 时，就能显示出台阶两侧的高度差，从而得到厚度值。通过测量膜厚可以确定各种 薄膜的沉积速率。因此，精确测量膜厚就显得尤为重要。 2 5 2 磁参数测试系统 本文中所研究的各种磁性薄膜的磁特性：如饱和磁化强度、矫顽力、磁滞回线 的矩形度都是在v t 阴一1 型高感度振动样品磁强计系统上进行的。图2 4 为该系统 示意图。整个系统由振动及振动控制系统、加热系统、温度测量系统、电磁铁、磁 场电源及电源控制系统、磁场检测系统、磁化强度检测系统、计算机及接口电路以 及数据处理软件所组成。该系统还采取了在激振器支承架与地基之间施加减振装置 等措施，可以有效地抑制因振动而造成的影响，提高了测量精度。除了可以测量不 同磁化方向相关的磁参数以外还可以测量它们与温度变化的关系，变温测量时，必 须将加热炉或杜瓦瓶的支架与激振器的支架隔离，以防止加热炉或杜瓦瓶的振动而 影响测量精度。利用该振动样品磁强计的部分装置，还可用来测量薄膜的磁转矩及 磁电阻效应。j 1 4 2 5 3 磁 曩举怒鬻慧糍勰甏裟鬻 图2 5 磁记录介质磁滞回线及基本磁性能参数 硕士学位论文 m a s t e r st h e s i s 图中标明了其基本性能参数如矫顽力h c 、剩磁m r 、饱和磁化强度m s ，其它反映 介质磁记录性能指标参数除了( 1 1 ) 式以外，还有： 矫顽力极大值： 剩磁矩形比： 曩一一o - 加x 刎，t a n 1 岛争 s ：丝 m ， ( 2 1 ) ( 2 2 ) 矫顽力矩形比s + 一鲁： s 一1 一历万历m i , 西h