Технология изготовления тонкопленочных сплавов на основе кобальта для магнитной записи тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 01.04.01, кандидат технических наук Юшков, Василий Иванович

• Юшков, Василий Иванович
• кандидат технических наук
• 2005

Оглавление диссертации кандидат технических наук Юшков, Василий Иванович

ВВЕДЕНИЕ.

ГЛАВА

СИНТЕЗ, ОСОБЕННОСТИ СТРУКТУРЫ И МАГНИТНЫХ СВОЙСТВ ТОНКИХ ПЛЕНОК - СРЕД ДЛЯ МАГНИТНОЙ ЗАПИСИ ИНФОРМАЦИИ.

1.1 Физические принципы и проблемы, лежащие в основе магнитной записи информации.

1.2 Технологии получения сред для жестких магнитных дисков.

1.3 Магнитные сплавы как среды для жестких магнитных дисков для продольной записи информации.

1.4 Наноструктурированные ферромагнитные сплавы как среды для жестких магнитных дисков.

1.4.1. Монодиснерсные наночастицы FePt и нанокристаллические сверхрешетки.

1.4.2. Наноструктурированные ферромагнитные сплавы.

1.5 Среды для перпендикулярной магнитной записи.

1.6 Особенности структуры и магнитных свойств твердых растворов CoPt.

Постановка задачи.

ГЛАВА

ПОЛУЧЕНИЕ ТОНКИХ МАГНИТНЫХ ПЛЕНОК НА ОСНОВЕ Со МЕТОДОМ МАГНЕТРОННОГО НАПЫЛЕНИЯ НА УСТАНОВКЕ 01НИ-7-006.

2.1 Технология изготовления нанокристаллических магнитных сред на вакуумной установке полунепрерывного действия 01НИ-7-006.

2.2 Получение монокристаллических пленок Co/Cu, Co/Pt на вакуумной установке полунепрерывного действия 01НИ-7-006.

2.3 Рентгенофазовый анализ.

2.4 Изучение структуры монокристаллическнх мультислойных пленок

Co(dco)/Cu(dcu)]*N.

ГЛАВА 3.

ФАЗОВЫЕ ПРЕВРАЩЕНИЯ И МАГНИТНЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ НАНОКРИСТАЛЛИЧЕСКИХ ПЛЕНОК (Co8oNi2o)i-xNx, ПОЛУЧЕННЫХ МЕТОДОМ МАГНЕТРОННОГО НАПЫЛЕНИЯ.

3.1 Исследования структурных превращений в нанокристаллических пленках (Co8oNi2o)i-xNx.

3.2 Исследование магнитных свойств.

3.3 Последовательность структурных превращений в нанокристаллических пленках

Co8oNi2o)i-xNx.

ГЛАВА

ПЕРПЕНДИКУЛЯРНАЯ АНИЗОТРОПИЯ В МОНОКРИСТАЛЛИЧЕСКИХ ПЛЕНКАХ CosoPt5o/MgO(100).

4.1 Рентгеновские интерференционные эффекты в тонких монокристаллических пленках Co/Pt.

4.2 Структурные исследования.

4.3 Исследования магнитных свойств.

4.4 Обсуждение результатов.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Технология изготовления тонкопленочных сплавов на основе кобальта для магнитной записи»

В настоящее время большинство систем хранения информации основано на принципе продольной магнитной записи. Ежегодное увеличение плотности записи более чем на 50% связано с использованием в качестве записывающих сред композиционных нанокристаллических материалов, представляющих собой слабо обменносвязанные ферромагнитные зерна помещенные в диэлектрическую или металлическую матрицу [1]. В связи с этим интенсивное исследование пленок сплавов переходной металл (ПМ) (Fe, Со, Ni) - металлоид М (С, N, В), актуально [2], по следующим причинам: во-первых, данные сплавы являются наиболее дешевыми материалами, во-вторых, метастабильные фазовые диаграммы сплавов ПМ-М характеризуются как широким концентрационным интервалом существования перенасыщенных твердых растворов на основе, например в случае Со, ГПУ, ГЦК модификаций, так и наличием стехиометрических соединений. Основные магнитные характеристики пересыщенных твердых растворов и стехиометрических соединений существенно различаются, (например С02С, С03С [3], C02N, C03N [4], №зС [5] при комнатной температуре парамагнитны). Поэтому, целенаправленное изменение микроструктуры композиционных сплавов ПМ (Fe, Со, Ni)-M(C,N,B) позволяет создавать среды с магнитными характеристиками, необходимые для современных устройств, продольной магнитной записи.

Уплотнение магнитной записи (до~4(ЮЬМп2) на тонкопленочных средах, связанное с уменьшением размера зерна и ослабления обменного взаимодействия между монокристаллическими зернами, так или иначе приведет к суперпарамагнитной нестабильности, влияющей на характеристики систем записи, поэтому в настоящее время наряду со средами для продольной записи, серьезное внимание начинает уделяться средам с перпендикулярным способом магнитной записи информации. Современные среды для перпендикулярно записывающего слоя четко разделяются на два основных класса: 1-мультислойные структуры Co/Pt, Co/Pd, Fe/Pt [6] [7], [8]; 2- среды на основе сплавов Со/Сг [6]. Основные требования к перпендикулярно записывающему слою - малый размер зерна, узкое распределение по размеру зерна, текстура, оптимизация обменного взаимодействия между нанокристаллическими зернами - аналогичны требованиям, предъявляемым к средам для продольного принципа записи.

Выполнение перечисленных требований к перпендикулярно записывающему слою возможно, в случае приготовления данного слоя в виде гетерофазного, текстурированного нанокристаллического сплава. Использование различных легирующих добавок может лишь замедлить неизбежные процессы рекристаллизации, фазовых превращений и т.д., изменяющие магнитные характеристики записывающего слоя. Поэтому третьим альтернативным (мультислойным пленкам Co/Pt, Co/Pd и сплавам на основе СоСг) классом сред для перпендикулярной магнитной записи являются высокоанизотроиные сплошные (с сильным обменным взаимодействием) магнитные среды. В качестве таких сред рассматриваются эквиатомные упорядоченные сплавы CoPt, CoPd, FePt, FePd, характеризующиеся тетрагональной сверхструктурой Llo [9] [10]. При изготовлении монокристаллического записывающего слоя с текстурой (001) размер битов будет определяться шириной доменной стенки, которая в перечисленных эквиатомных сплавах составляет ~10А.

Перечисленные научно-обоснованные критерии, предъявляемые к записывающим средам (для продольной магнитной записи и перпендикулярной магнитной записи) требуют поиска новых или модернизации уже имеющихся методов нанесения тонких магнитных пленок, понимание процессов, обуславливающих формирование различных типов микроструктур магнитных пленок с необходимыми эксплуатационными магнитными характеристиками.

Цель работы. Целью настоящей диссертационной работы являлось разработка различных вариантов технологии получения пленок сплавов на основе Со с магнитными характеристиками, необходимыми для сред продольной магнитной записи (сплавы (CosoNi2o)i-xNx) и перпендикулярной магнитной записи (сплавы Co50Pt50), выявление физико-химических процессов, происходящих в синтезируемых пленках, как в процессе получения, так и в результате последующей термообработки.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, 4 глав с выводами, заключения, списка цитированной литературы из 70 наименований источников. Работа изложена на 98 страницах, включая в себя 33 рисунка и 5 таблиц.

Заключение диссертации по теме «Приборы и методы экспериментальной физики», Юшков, Василий Иванович

Основные результаты и выводы

1. Разработан технологический процесс получения пленок ианокристаллического сплава (CogoNi2o)i-xNx методом магнетронного напыления. Установлено, что свежеприготовленные пленки сплавов во всем исследуемом концентрационном диапазоне (Co8oNi2o)i.xN х, 0.2<х<0.6 немагнитные и представляют собой механическую смесь из пересыщенного твердого раствора Co(Ni)-N и метастабильных нитридов на основе кобальта Co(Ni)3N, Co(Ni)2N. Анализ исследования данных пленок методом электронной микроскопии и зависимостей М(Т0Тж-)> Нс(Т0ХЖ.) совместно с рассмотрением фазовой диаграммы сплавов (CogoNi2o)i-xNx, позволил установить последовательности структурных превращений в пленках данных сплавов.

2. Установлено, что стабилизация метастабильной ГПУ фазы Со в пленках (CogoNi2o)i-xNx; х>0,25 обусловлена химическим расслоением сплава и формированием стехиометрического соединения Co(Ni)3N, обогащенного атомами Ni.

3. Показано, что разработанная технология изготовления пленок на основе (CogoNi2o)i-xNx, позволяет получить среды для продольной магнитной записи.

4. Использование нескольких магнетронов позволило получить мультислойные монокристаллические пленки Co/Cu, Co/Pt с различными толщинами индивидуальных слоев. В монокристаллических пленках Со/Си методом рентгеновской дифракции обнаружены осцилляции Кизиха. В монокристаллических свежеприготовленных пленках мультислойных структур Co/Pt и образующихся в результате термообработки эквиатомных сплавов CoPt обнаружены осцилляции толщинного интерференционного контраста.

5. В монокристаллических пленках эквиатомных сплавов CoPt установлена корреляция между величиной константы эффективной анизотропии и степенью порядка упорядоченной по типу Ll0 сверхструктуры.

6. Выяснено влияние монокристаллической подложки MgO на формирование структуры и магнитных свойств пленок эквиатомных сплавов CoPt. Установлена критическая толщина d*=160A, ниже которой в монокристаллических эквиатомных пленках CojoPtso/MgO, реализуется перпендикулярная магнитная анизотропия. Степень прямоугольности петли гистерезиса S=l. Показана возможность высокоплотной перпендикулярной магнитной записи на изученных монокристаллических пленках.

93

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Юшков, Василий Иванович, 2005 год

1. O Grady К., Laidler Н. The limits to magnetic recording - media considerations // JMMM -1999. V.200. - P.616-633.

2. Фролов Г.И. Пленочные носители для устройств памяти со сверхплотной магнитной записью // ЖТФ. Т. 71. Вып. 12.2001. - С.50-57.

3. Исхаков Р.С., Столяр С.В., Чеканова JI.A., Артемьев Е.М., Жигалов B.C. Фазы высокого давления в нанокристаллических пленках сплава СоС, полученного методом импульсно-плазменного испарения // Письма в ЖЭТФ 2000. - Т.72, В.6, - С.457-462.

4. Ким П.Д., Исхаков Р.С., Турпанов И.А., Столяр С.В., Бетенькова А.Я., Юшков В.И. Особенности структуры и магнитных свойств нанокристаллических пленок (CogoNi2o)i-xNx, полученных методом магнетронного напыления // ФММ 2002. -Т.94, №2, - С. 193-198.

5. Жарков С.В., Жигалов И.С., Фролов Г.И. ГПУ фаза в пленках никеля // ФММ, 1996, - Т.81, В.З, - С.170-173.

6. Dmitri Litvinov, Mark Н. Kryder, Sakhrat Khizroev. Recording physics of perpendicular media: hard layers // JMMM 2002. - V.241. - P.453-465.

7. Lin J.P., Luo C.P., Lin Y„ Sellmyer D.J. High energy products in rapidly annealed nanoscale Fe/Pt multilayers // Appl. Phys. Lett. 1998. - V. 72(4). - P.483-485.

8. Hashimoto S., Ochiai Y., Aso K. Film thickness dependence of magneto-optical and magnetic properties in Co/Pt and Co/Pd multilayers // J. Appl. Phys. 1990. - V. 67(9). -P.4429-4431.

9. Вол A.E. Строение и свойства двойных металлических систем // М.: Физматгиз, -1962, С.833.

10. Lin J.P., Lin Y., Luo C.P., Shan Z.S., Sellmyer D.L. Magnetic hardening in FePt nanostructural films // J. Appl. Phys. 1997. - V. 81(8). - P.5644-5646.

11. M.L. Williams, R.L. Comstock. An analytical models of the write process in digital magnetic recording // AIP Conf. Proc. 1971. - 5, - P.735-742.

12. Weller D., Moser A. Thermal effect limits in ultrahigh-density magnetic recording // IEEE Transaction 1999. - V.35,1.6, - P.4423-4439.

13. Jamagisawa M., Shiota N., Yamaguchi H., Suganuma Y. Corrosion-resisting Co-Pt thin film medium for high density recording // IEEE Trans, magn, 1983. - V.MAG-19, №5, -P.1638-1640.

14. Данилин Б.С., Сырчин В.К. Магнетронные распылительные системы, Москва.: Радио и связь, 1982

15. Maloney William, Lustig Claude D. Influence of Temperature on magnetic Properties Beam Sputter-Depositied perpendicular magnetic media // IEEE Trans, mag. 1984. -V.20, №4, - P.521-522.

16. Hattori S., Ishii Y., Shinohara M. and Nakagawa T. Magnetic recording characteristic of sputtered y-Fe203 thin film discs // IEEE Trans, mag. 1979. - V. 15, №6, - P. 1549-1551.

17. Бессо Ж. Ж. Методы распыления с использованием магнетронного эффекта: Семинар фирмы «Сит Алкатель» Новая технология вакуумных покрытий. Орг. Г.К.Н.Т. Москва 16- 17апр. 1980. -4.2.-21с.

18. Fujiwara Tatsuo, and KOHZO Komiyama, Distortion Fluctuation Phenomena in audio magnetic heads // IEEE Trans, mag. 1980. - V.16, №1, - P.l 11-114.

19. Coughlin Thomas M., Judy Jack H., and Wuori Edward R. CoCr Films with perpendicular magnetic anisotropy // IEEE Trans, mag. 1981. -V.17, №6, - P.3169-3171.

20. Wielinga Т., and Lodder J.C. Co-Cr Film for perpendicular recording // IEEE Trans, mag. -1981. V. 17, №6, - P.3178-3180.

21. Lodder J.C., and Wielinga T. Influence of R.F. sputter parameters on the magnetic orientation of Co-Cr layers // IEEE Trans, mag. 1984. - V.20, №1, - P.57-59.

22. Maeda H. Effect of magnetic field in rf sputtering on the crystal orientation and magnetic properties of Co-Cr perpendicular anisotropy films // J. Appl. Phys. 1983. - V.54, №5, -P.2429-2433.

23. Бессо Ж. Ж.: Методы вакуумного нанесения покрытий и их сравнительный анализ: Семинар фирмы «Сит Алкатель» Новая технология вакуумных покрытий. Орг. Г.К.Н.Т. Москва 16- 17 апр. 1980. - 4.1. - 21 с.

24. Chen Tu, Yamashita Т., and Sinclair R. The effect of Orientation, Grain Size and Polymorphism on magnetic Properties of sputtered Co-Re thin film media // IEEE Trans, mag. 1981. - V. 17, №6, - P.3187-3189.

25. Breed D.J., Voermans A.B., Nederpel P.Q.J., and B.A.H. van Bakel Magnetic properties and growth conditions of manganese-containing iron garnet films for magnetic bubbles // J. Appl. Phys. 1983. - V.54, №3, - P.1519-1527.

26. Maeda H. High coercitivity and Co and Co-Ni alloy films // J. Appl. Phys. 1982. -V.53, №5, - P.3735-3739.

27. Fisher R.D., Herte L., Lang A. Recording Performance and magnetic characteristics of sputtered Cobalt-Nicel-Tungsten films // IEEE Trans, mag. ■ 1981. - V.17, №6, - P.3190-3192.

28. Rossi E.M., McDonough G., Tietze A., Arnoldussen Т., Brunsch A., Doss S., Henneberg M., Lin F., Lyn R., Ting A., and Trippel G. Vacuum-deposited thin-metal-film disk // J. Appl. Phys. 1984. - V.55, №6, - P.2254-2256.

29. Sun A.C., Kuo P.C., Yao Y.D., Chen S.C., Chiang C.C. and Huang H.L. Coercivity and microstructure of nano-scale FePtCr-SiN thin films // Rev. Adv. Mater. Sci. 2003. - №5. - P.82-84.

30. Zeng H., Sabirianov R., Mryasov O., Yan M. L., Cho K., and Sellmyer D. J. Curie temperature of FePt:B203 nanocomposite films // Phys. Rev. 2002. - В 66. - P. 184425184431.

31. Suzuki Т., Kasuhira O. Sputter deposited (Fe-Pt)-MgO composite films for perpendicular recording media// IEEE Trans. Magn. 2001, - V.37, №4-1, - P. 1283-1285.

32. Sun S., Fullerton E. E., Weller D., Murray С. B. Compositionally controlled FePt nanoparticle materials // IEEE Trans. Magn. 2001, - V.37, - P. 123 9.

33. Weller D., Sun S., Murray С. В., Folks L., Moser A. MOKE spectra and ultrahigh density data storage perspective of FePt nanomagnet arrays // IEEE Trans. Magn. 2001, - V.37, P.2185.

34. Sun S., Murray С. В., Weller D., Folks L., Moser A. Monodisperse FePt nanoparticles and ferromagnetic FePt nanocrystal superlattices // Science 2000. - №.287. - P. 1989.

35. Endo J., Murakami S., Fujii S., Harada H., and Maeda H. Co-Ni Alloy Thin Film for Rigid Disk//J. Magn. Mat, 1986. - V.54-57, - P. 1583-1584.

36. Бозорт, Ферромагнетизм M.: Иностр. лит. - 1956. - С.783.

37. Lodder J.C., Wielinga Т., and Worst J. RF-sputtered Co-Cr layers for perpendicular magnetic recording I: structural properties // Thin Solid Films 1983. - V.101, №1, - P.61-73.

38. Onoue Т., Asahi Т., Kuramochi. CoCrPtTa and Co/Pd perpendicular magnetic recording media with amorphous underlayers // IEEE Trans. Magn., 2001. - V.37, №4-1 - P. 1592

39. Ouchi К., Honda N., Kiya Т., Wu L. Medium noise properties of Co/Pd multilayer films for perpendicular magnetic recording // Journal of Magnetism and Magnetic Materials -1999. 193. - P.89-92.

40. Tutovan V., and Georgescu V., Sur le comportement magnetique des couches minces electrolytiques de Co-Pt // Thin Solid Films. 1979. - V.61. - P.133-140.

41. Georgescu V., and Tutovan V. Magnetic behaviour of thin of Co-Pt alloys with 33 at.% Co and 60 at.% Co //Thin Solid Films. -1981. V.75. - P. L15-L16.

42. Ермаков A.E., Майков B.B. Температурная зависимость магнитной кристаллографической анизотропии и спонтанной намагниченности монокристаллов сплавов FePd и CoPt // ФММ.- 1990. Т.69, вып.5, - С. 198.

43. Tutovan V., and Georgescu V. On the order-disorder phenomena in CoPt thin films deposited by r.f. sputtering // Thin Solid Films. 1983. - V.103, №3, - P.253.

44. Власова Н.И., Кандаурова Г.С., Щеголева H.H. Влияние параметров двойниковой микроструктуры на доменную структуру и гистерезисные свойства сплавов типа CoPt (обзор). // ФММ 2000. - Т.90, №3, - С.31-50.

45. Шур Я.С., Магат JI.M., Иванова Г.В., Мицек А.И., Ермоленко А.С., Иванов О.А. Природа коэрцитивной силы сплава кобальт-платина в упорядоченном состоянии // ФММ 1968. - Т.26, вып.2, - С.241-249.

46. Yanagisawa М., Shiota N., Yamaguchi Н., Suganuta Y. Corrosion resisting CO-Pt thin film medium for high density recording // IEEE Trans. Magn., - 1983. - V.MAG-19, №5 -P.1638.

47. Aboaf J.A., Herd S.R., Klokholm E. Magnetic properties and structure of Cobalt-Platinum thin films // JEEE Magn. 1983. - V.19, №4, - P.1514-1520.

48. Ким П.Д., Турпанов И.А., Ли Л.А., Бетенькова А.Я., Исаева Т.Н., Юшков В.И. Мультислойные Co/Pt пленки как среды магнитной записи // НМММ Сборник трудов XVII международной школы-семинара 20-23 июня. Москва - 2000г.- С.537-539.

49. Ким П.Д., Турпанов И.А., Ли Л.А., Бетенькова А.Я., Исаева Т.Н., Юшков В.И., Халяпин Д.Л., Бондарева Е.В., Быкова Л.Е. Среды для магнитной записи // International Baikal scientific conference "Magnetic materials".- Irkutsk-2001. C.24

50. Федосюк В.М., Шелег М.У., Касютич О.И. Многослойные магнитные структуры // Зарубежная радиоэлектроника.- 1990.- № 5.- С. 88 97.

51. Пинскер З.Г., Каверин С.В. Электронографическое исследование нитридов и карбидов переходных металлов // Кристаллография. 1957. - Т.2, вып.З, - С.386-392.

52. Вонсовский С.В. Магнетизм // М.: Наука. - 1971. - С. 1032.

53. Чеканова Л.А. Спин-волновой резонанс и структурные превращения в аморфных CoPt пленках: Дис. канд. физ.-мат. наук. Красноярск 1979 - С. 122.

54. Попов Г.В. Исследование стохастических характеристик локальной анизотропии аморфных Со-Р сплавов: Дис. канд. физ.-мат. наук. Красноярск 1983 - С. 132.

55. Термические константы веществ, вып. 6 (Наука, Москва, 1972).

56. Юшков В.И., Столяр С.В. Магнитные свойства метастабильных пленок нанокристаллических гетерофазных сплавов (CogoNi2o)i-xNx // Вестник Красноярского государственного университета. Физико-математические науки. 2002. - Вып.1. -С.64-70.

57. Дроздов Ю.Н., Молдавская Л.Д., Парафин А.Е. Рентгеновская дифрактометрия 10 нм пленок УВа2Саз07-х. П Поверхность. - 1998. - № 10. - С.13-19.

58. Иверонова В.И., Ревкевич Г.П. Теория рассеяния рентгеновских лучей. // М.: Изд-во МГУ, 1987. - 278 С.

59. Уманский М.М., Золина З.К. // Сборник задач по рентгеноструктур-ному анализу. МГУ, 1975.-232с.

60. Саланский Н.М., Ерухимов М.Ш. // Физические свойства и применение магнитных пленок. Новосибирск, 1975. - 322 с.

61. От Красноярского государственного Университета

62. От Красноярского государственного технического университета

63. Декан физ. факультета, д.ф.-м.н., профессор Баранов A.M.екана физ. факультета, к.ф.-м.н.д доцент Турчин П.П.

64. Декан ИФФ, д.ф.-м.н., профессор Ветров С.Я.r-v Зам. декана ИФФ, к.ф.-м.н.-*>11рофессор Тимофеев В.П.

65. Зав. кафедрой радиофизики, д.ф.-м.н., ■'//^Y профессор, Петраковский Г.А.

66. Зав. кафедрой ВЭПОМ, д.ф.-м.н., профессор. Слабко В.В.т

67. РОССИЙСКАЯ АКАДЕМИЯ НАУК СИБИРСКОЕ ОТДЕЛЕНИЕ

68. Научно-исследовательское учреждение ИНСТИТУТ ФИЗИКИ им. Л.В.Киренского 660036 г. Красноярск 36. Академгородок, д. 50 стр.

69. Для телеграмм: Красноярск 36 ФИЗИК E-mail: dir@.iph.krasn.ru [e-mail]

70. Факс +[phone] Телефон:+(3912) 43-26-351. Утверждаю

71. РОССИЙСКАЯ АКАДЕМИЯ НАУК СИБИРСКОЕ ОТДЕЛЕНИЕ

72. Научно-исследовательское учреждение ИНСТИТУТ ФИЗИКИ им. Л.В.Киренского 660036 г. Красноярск 36, Академгородок, д. 50 стр. Для телеграмм: Красноярск 36 ФИЗИ E-mail: [e-mail] [e-mail]

73. Зав. лаб. Магнитодинамики, д.ф.-м.н., профессор1. Патрин Г.С.с.н.с.,д.ф.-м.н., профессорс.н.с., к.ф.-м.н.1. Турпанов И.А.