硬盘磁记录材料及其靶材制备技术.docx

范亮等t硬盘磁记录材料及其靶材制备技术硬盘磁记录材料及其靶材制备技术。范亮，王欣平，董亭义(北京有色金属研究总院有研亿金新材料股份有限公司，北京102200)摘要：分析了硬盘磁记录材料的现状，硬盘磁片的NY、Jujitsu等在硬盘领域也具有较强的研发能力。 结构和磁记录层的材料，在此基础之上介绍了薄膜化3磁记录材料技术对磁记录磁性靶材的要求及其制备技术。关键词：磁记录材料；磁记录靶材制备技术31硬盘磁片结构中图分类号：TQ58文献标识码：A硬盘片是多层膜结构，并且随着技术的发展，膜层越来越薄(可达几个纳米)。图1是硬盘薄膜介质的结1引言构模型。下面对各层予以简单说明。基片(substrate)随着IT和互联网的迅猛发展，信息的存储和读取 一般由玻璃或镁铝合金构成，要求表面光洁，且具有一 量成爆炸式增长，这对存储介质提出了更高的要求。 定的机械强度，其影响后续层的微观结构及性能；籽晶 信息存储系统因具有不同的市场和技术发展程度，目 层(seed layer)提供最初的织构，同时给缓冲层或底层 前商业化主流存储主要包括以硬盘为代表的磁信息存 (ufider layer)提供光滑的表面，使底层织构在生长时 储和以光盘为代表的光信息存储，以及以U盘为代表 较早地形成，一般为NiP或NiAl合金膜；底层(under 的半导体闪存3大信息存储系统。硬盘相对于后两者 layer)用来控制晶粒尺寸，使后来的膜层获得高质量的 而言，具有高密度、高稳定性、低价格等优点。而且在技 织构，一般为Ru、Cr等薄膜；中间介质层(intermediate 术上仍具有相当大的发展潜力和无可比拟的优势，成 layer)既能提供化学影响又能提供缓冲界面，使磁性层 为当代信息存储的主要技术得到了最广泛的应用。 能产生更有利的织构；磁性层(magnetic layer)用来起存储作用。为磁记录的核心层，下节将重点介绍；中间2磁记录简介层(interlayer)用来使磁性晶粒的数量增加，细化晶粒，21世界硬盘技术现状一般为Cr的合金层23；顶层(over layer)、表层(over Seagate(希捷)总部在美国明尼苏达州首府明尼coat)和润滑层(1ubricant)起保护作用一般由Si02和 阿波利斯，是世界上最大的计算机硬盘公司。希捷在C层等组成3。其制造和装配一般在类似半导体工艺 设计、制造和销售硬盘领域居全球领先地位，提供用于的超净间里完成，任何微小的污染都可能导致器件的企业、台式电脑、移动设备和消费电子的产品。最近失效。Seagate公司声称采用热辅助磁记录技术将显著提高overcoat、lubricant硬磁盘的面记录密度，预计可以比现行面密度提高约over layer两个数量级，达到50TBin21。West Digit(西部数据)magnetic layer亦是世界上杰出的硬盘研发制造商，总部位于加州intedayerLake Forest，全球约有50000名员工。公司的生产机构设在美国加州、马来西亚和泰国；设计机构分别位于magnetic layer intermediate layer加州南部和北部、科罗拉多州和泰国；而营业部门则遍under layer及全球。公司的存储产品以西数和WD品牌销售给seed layer顶级系统生产商、优秀转售商和零售商等。HGST(日substrate立环球存储技术)创立于2003年，它是基于IBM和日图1硬盘膜层结构示意图立就存储科技业务进行战略性整合而创建的，合并Fig 1 Magnetic disk of structureIBM的硬盘事业部使其成为该领域的旗舰之一。日32硬盘磁记录材料的要求立环球存储科技有限公司在美国、泰国、日本、墨西哥、高密度硬盘磁记录对磁介质的要求是磁性层要尽新加坡和中国等国家均设有分公司和生产基地。此外可能薄。高的矫顽力和高的剩磁，磁性能和其它性能韩国的三星公司亦能独立生产硬盘，日本的TDK，SO要求均匀、稳定。试验研究表明高的矫顽力和剩磁有-收到稿件日期：20100511通讯作者：范亮作者简介：范亮(1982一)男，湖北人。硕士。研究方向为功能材料及溅射靶材。能 财 舛2010年论文集 利于减少干扰从而提高信号的分辨率。而矫顽力不能 率和沉积速率高，膜层厚度和磁性能的均匀性好，可连 无限制地提高，太高可能造成磁头缝隙磁化场的记录 续生产，易于控制和产业化9。磁化翻转困难n5。高密度硬盘还要求记录介质表面4磁控溅射铁磁性靶材光洁度高，磁头与磁介质问具有很小的飞行高度(最小几个纳米)，因而要求硬盘片具有优良的表面质量。41铁磁性靶材溅射存在的问题 33磁记录材料种类磁控溅射沉积磁性薄膜必须要用到铁磁性靶材，硬盘中所用的磁性材料一般可以分为4类：在溅射时大部分磁场从铁磁性靶材内部通过，严重的 (1)Co-Cr基合金磁屏蔽使靶材表面的磁场过小，(见图2)，薄膜沉积 主要集中在CoCrTa，CoCrPt，CoCrNb，CoCrPt速度大大下降。基片急剧升温，这在工业生产上是无法 Ta，CoCrPtNb和CoCrPtB等体系6，其中Cr比较容接受的。铁磁性靶材通常难以正常溅射的特性阻碍了易从晶粒中析出，聚集在晶粒的边界形成富Cr边界，高性能磁性薄膜和器件的生产与应用Do。 从而可以降低晶粒之间耦合相互作用；Ta的存在有助 于Cr的析出；Pt的添加可以增高磁性各向异性；B比 Cr更容易在晶粒边界析出，可以有效降低晶粒之间的 耦合相互作用。详细的成分和性能可参见相关文献和其所引述的文献E73。 (2)CoCr基合金一氧化物颗粒介质(granularmedia)氧化物可以很好地分散Co-Cr磁性晶粒，有效抑制晶粒之间的耦合相互作用。在这类介质的研究中，Fig 2 Magnetic field pass through magnetic target报道比较好的结果是直接在制备过程中加氧气或者在42铁磁性靶材的特殊要求磁性层中加入氧化硅。除了一般靶材要求满足特定的化学成分、纯度外 (3)CoPd(Pt)系多层膜介质(multilayer media) (一般999以上)和晶粒细小均匀外。铁磁性靶材 这种多层膜介质的磁性各向异性来源于与界面垂 还有要求较高的透磁率和均匀性的特殊要求。透磁率直的界面各向异性。通过控制Co和Pd层的厚度比的定义和测量可参见ASTM标准1。 例以及多层膜的层数，可以对薄膜的磁性进行优化。 43提高PTF的措施 也正是因为CoPd多层膜的磁性，尤其是矫顽力对厚 431尽可能的减薄靶材厚度或在靶材上刻槽 度比例比较敏感的缘故，工业界对这种材料的应用在这样铁磁性靶材不能完全屏蔽磁场，一部分磁通 现阶段受到了较大的限制。 将靶材饱和，其余的磁通将从靶材表面通过，达到磁控(4)FePt系合金溅射的要求。这种方法的缺点是在较短的时间内靶材 FePt系合金报道的有效添加元素为Cu，Ag，Sn，就消耗完，靶材的利用率很低。B，Sb，Ir等。一般制备颗粒结构的FePt薄膜，可用氧 432增强溅射阴极磁场源 化物以及C等来制备FePt的颗粒结构薄膜。为了减采用高强磁体，通过强磁场饱和更厚的铁磁性靶 小晶粒尺寸以满足超高密度磁记录的要求，除了上面 材得到靶材表面需要的溅射磁场强度。但高强磁铁的 所谈到的颗粒结构可以有效减小晶粒尺寸外，采用具 价格昂贵，需要对设备进行改动，带来的成本很大，同 有极小晶粒的seed layer也是一个比较好的方法。关 时这种方法增厚的效果有限。 于FePt薄膜的研究工作非常多，目前希捷、西数、日立433降低靶材的导磁率 等公司均对FePt系开展了富有成效的研究，预计不久透磁率是随磁导率的降低而增加的。通过一定的 即将投入实际应用。 材料加工工艺降低靶材的导磁率，可以有效地提高靶34制备工艺材的利用率，溅射靶材的厚度可以达到610mm。采 通常采用溅射法来制备硬盘记录介质。溅射法有用这种方法对硬盘制造公司是极其有利的。这就对靶 射频(RF)磁控溅射法和直流(DC)磁控溅射法。溅射材制备提出了更高的要求，目前一些靶材公司已经开工艺是使惰性气体(通常为氩气)在强电场的作用下电发成功高透磁率靶材口纠驯。离成正离子Ar+，加速向金属或化合物制成的靶材表44磁记录靶材的制备工艺 面冲击碰撞，导致表面的原子或分子游离在基片表面磁记录磁性靶材的制备工艺通常有两种方法。粉 凝结薄膜。溅射法的优点是薄膜成分均匀，溅射效末冶金和熔铸工艺。难以塑性加工的合金和复合靶范 亮等：硬盘磁记录材料及其靶材制备技术 357材、一些特殊要求的靶材、熔点较高的靶材一般用前 对熔铸工艺来说，某些靶材是熔铸后热处理直接进入 者有些是采用熔炼的工艺制备的。图3显示了两种 机加工的，某些是熔铸后经过锻造而不进行轧制的，某 工艺路线。对于粉末冶金制备磁性靶来说常见的烧结 些是熔铸后轧制然后热处理的，根据材料和要求不同 工艺有热等静压，热压烧结，放电等离子烧结等D2。 采用不同的工艺is-is图3 铁磁性靶材制备工艺示意图Fig 3 Magnetic target preparation technology48125 结 语5Fang L，Lambeth D NJJ Appl Phya Lett。1994。65l3137随着信息量成爆炸式增长，硬盘磁记录技术有了迅猛发展，国际市场硬盘竞争激烈。硬盘片采用的是 6Judy J H，Ouchi K，1wasaki S口IEEE Trans Magn，2002，38：1615多层膜结构，其中的磁性层是磁记录硬盘的关键，其采7魏福林J磁性材料及器件，2008，6：1-7用磁控溅射的工艺制备，铁磁性靶材的磁控溅射是制8Handstein AKubis M，Gutfleisch OJJMMM，1999，备高性能磁性元器件的关键。不断涌现的新的设计和192，192 73先进材料技术的应用将会把磁记录技术推向超高记录 9 Mohamed B，Kannan K MJIEEE TMAG，1998，34密度。(4)：120410杨长胜程海峰J真空科学与技术学报，2005，9：372参考文献：373E1 McDaniel T W。et a1DIGEST Joint PMRC 2003 and 2“11 ASTM 176 1 Standard Test Fixture for Pass Through North American Perpendicular Magnetic Recording ConFlux of Circular Magnetic Sputtering TargetsfereneeC2003(No03EX650)6612日立金属株式会社P101161854AE23 Lambert S E，et a1JIEEE Trans Magn，1990，30： 13安泰科技股份有限公司PCN：l00571966C，200912-39510314 湖南中精伦金属材料有限公司PCNt 100445417C3 王翔J信息记录材料，2000，274 Lin J P，Lin Y，SKomski RJJAP，1999，85(8)： 15Hansen，et a1PUSP：US20070051623，20068-31Hard disk magnetic recording materials and target preparation technologyFAN Liang，WANG xinping，DONG tingyi(General Research Institute for NonFerrous Metals，GRlKIN Advanced Materials CoLtd，Beijing 102200，China)Abstract：Analysis of the status of hard disk magnetic recording materials，hard disk magnetic reco