具有已調晶粒尺寸的薄膜的制作方法
【專利摘要】本申請公開具有已調晶粒尺寸的薄膜。一種設備及相關的方法提供磁性寫入元件，其可具有在低溫襯底溫度下被調整到預定的第一晶粒尺寸的至少一個寫入磁極。可以形成具有在低溫襯底溫度下調整的預定的第二晶粒尺寸的磁性屏蔽。
【專利說明】具有已調晶粒尺寸的薄膜
【發明內容】
[0001]本公開的多個實施例一般涉及能夠進行增強的數據記錄的磁性元件。
[0002]根據多個實施例，磁性寫入元件可具有在低溫襯底溫度下被調整到預定的第一晶粒尺寸的至少一個寫入磁極。可形成具有在低溫襯底溫度下被調整的預定的第二晶粒尺寸的磁性屏蔽。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0003]圖1是數據存儲設備的一示例部分的框圖表示。
[0004]圖2大體闡釋了可用于圖1中顯示的數據存儲設備的該部分中的一示例磁性元件的橫截面圖。
[0005]圖3展示一示例磁性寫入元件的一示例框圖表示。
[0006]圖4顯示一示例磁性元件的一部分的剖面結構。
[0007]圖5繪制總體上相關于依據多個實施例所構建并操作的磁性元件的性能數據。
[0008]圖6圖解依據于多個實施例所構建并操作的一磁性元件的多種操作特性。
[0009]圖7提供依據本發明的多個實施例所進行的一磁性元件制造例程的流程圖。
【具體實施方式】
[0010]隨著行業向具有更高數據容量、傳輸速率以及可靠性的數據存儲設備前進，產品設計聚焦于減少數據位的尺寸同時增大來自數據存儲介質的數據存取速率。與精確定時窗口結合的這些小操作環境可額外強調多種數據讀取和寫入元件的磁性質。例如，當數據位編程之后存在剩余的磁通量時，可能出現寫后擦除(EAW)情形，因為未上電磁寫入器發射誤擦除數據位的磁通。
[0011]簡化的操作環境可進一步對應于對數據感測元件的多個磁性層使用高溫退火，其可在下層屏蔽層中產生異常晶粒生長并且惡化磁性屏蔽材料的軟磁性質。因此，對于具有受控的EAW的數據寫入元件以及相對于退火具有增強的熱穩定性的磁性屏蔽層存在不斷增長的行業需求。
[0012]因此，磁性寫入元件可配置有在低溫襯底溫度下被調整到預定的第一晶粒尺寸的至少一個寫入磁極。通過控制襯底溫度調整寫入磁極的晶粒尺寸的能力可允許構造展示與簡化形狀因子數據存儲設備相稱的性能的寫入元件，例如大約8奧斯特的低易磁化軸矯頑力，小于I奧斯特的難磁化軸矯頑力，以及大約23奧斯特的單軸各向異性。此外，通過使寫入磁極配置有預定的晶粒尺寸，EAff可通過寫入磁極尖端處的更快的磁化松弛而改善。
[0013]根據多個實施例的磁性元件的構造可改進寫入磁極材料的磁性質以減少EAW同時增加屏蔽材料的熱穩定性。在冷卻至低溫(例如50K)的襯底上沉積薄膜允許適應濺射工藝，在其中沉積原子的移動性顯著降低。這種適應可抑制表面及體擴散并防止小晶粒聚結以形成較大的晶粒。與高濺射速率相結合，通過在沉積原子可遷移并幫助晶粒生長之前掩埋沉積原子可進一步抑制沉積原子的表面擴散。結果，可被表征為毫微晶體晶粒的小晶粒可有助于減少層之間的表面/干擾粗糙度并改進磁性薄膜的軟磁性質。小晶粒及快速沉積也可引入更多的晶粒邊界及不完整性，這些可以阻止晶粒生長并改進高溫退火過程中的薄膜的熱穩定性。
[0014]盡管EAW情況可能發生于多種數據存儲環境中，圖1 一般地闡釋數據存儲設備中的示例數據轉換部分100。在可有利地實踐本發明的多個實施例的環境中示出轉換部分100。但是，可理解的是，本公開的多個實施例不由這種環境所限制，并且可實現為減少多種誤磁通量產生狀況。
[0015]轉換部分100具有致動部件102，其將轉換頭104置于存在于磁性存儲介質108上的編程數據位106之上。存儲介質108附連于主軸馬達110，主軸馬達110在使用期間旋轉以產生空氣軸承表面(ABS) 112，致動部件102的滑塊音分114在空氣軸承表面(ABS) 112上飛行以將頭萬向接頭部件(HGA) 116 (其包括轉換頭104)置于介質108的所期望部分之上。
[0016]轉換頭104可包括一個或多個轉換元件，例如分別用于編程以及讀取來自存儲介質108的數據的磁性寫入器以及磁性響應讀取器。在此方式下，致動部件102的受控移動導致轉換器與在存儲介質表面上限定的數據磁道(未示出)對準以寫入、讀取及重寫數據。
[0017]圖2顯示轉換頭120的實施例的橫截面框圖表示，轉換頭120可以被用于圖1中的致動部件。該頭120可具有一個或多個磁性元件，例如磁性讀取器122及寫入器124，它們可單獨操作，或同時操作，以向鄰近存儲介質(例如圖1中的介質108)寫入數據或從該鄰近存儲介質檢索數據。每個磁性元件122及124由多種屏蔽構成，這些屏蔽用于限定相應數據介質的預定數據磁道126，預定數據磁道126上的數據位由相應的磁性元件122及124感測和編程。
[0018]如圖所示，磁性讀取元件122具有設置在底端屏蔽132和頂端屏蔽134之間的磁阻層130。同時，寫入元件124具有寫入磁極136以及至少一個返回磁極138，其創建寫入電路以給予臨近存儲介質所期望的磁性方向。不局限于此，一些實施例使用寫入元件124垂直寫入數據至陔鄰近數據介質。這種垂直記錄技術可以允許更密集壓縮的數據位，但也可以增加EAW的影響，因為剩余磁通量可同時影響多個數據位。
[0019]在另--個非限制性實施例中，寫入元件124可包括至少兩個返回磁極138，返回
磁極138被放置為與非磁性間隔層140及空氣軸承表面(ABS)屏蔽142接觸地鄰近。寫入元件124可進一步包括線圈144和軛146，線圈144可以是一個或多個獨立線，軛146附連至寫入磁極136并與線圈144操作以給予從寫入磁極136行進通過導電通路148到達返回磁極138的磁通量。應注意，取決于頭的移動，頭120的多個方面可表征為沿Y軸的上磁道或下磁道。
[0020]圖3展示了數據存儲設備的數據寫入部分160的框圖表示，其通常闡釋了寫入及返回磁極162和164通過數據存儲介質166的交互。在操作中，可相對于數據存儲介質166定位數據寫入部分160以允許磁性路徑168從寫入磁極162通過介質166流向返回磁極164，或反之亦然。寫入磁極162可構造為有磁極尖端170，磁極尖端170對應于磁極寬度從本體距離172減小至在ABS處的尖端距離174。如此形狀的磁極尖端170可集中磁通量的發射以及介質166上的磁性路徑168的尺寸。非常類似于寫入磁極162的錐形寬度尖端170，返回磁極164可配置有可變寬度，或均勻的返回寬度176，如圖所示。[0021]不論寫入磁極162及返回磁極164如何配置，可調整數據寫入部分160以使磁性路徑168接合數據存儲介質166的多個層。數據存儲介質166的多個層的數量、類型及配置是不受限制的，圖3顯示堆疊在第一及第二夾層180和182以及一記錄層184下面的軟磁底層178。圖3中顯示的層配置可允許數據位的垂直記錄，因為磁性路徑168完成從寫入磁極162橫跨ABS通過軟磁底層178至返回磁極164的電路，反之亦然。
[0022]寫入及返回磁極162及164接合數據存儲介質166的多個層的速度及精確性可對應于介質166的最大數據位密度。隨著在現代數據存儲設備中數據位被推至更小尺寸并且介質166旋轉的速度越來越快，寫入和返回磁極162及164改變磁化的能力成為至更高面位密度的阻塞點。因此，調整寫入及返回磁極162和164至預定晶粒尺寸可允許更容易改變磁化及增加數據寫入速度。
[0023]圖4提供根據多個實施例的在構造期間調整的寫入或讀取元件190的部分。寫入或讀取元件190可被構造成具有任意數量和類型的層并且以多種非限制方式來構造，例如濺射以及氣相沉積。在圖4所示的實施例中，襯底192提供基底，在基底上形成底部磁性屏蔽194、磁活性結構196以及頂端磁性屏蔽層198。活性磁結構196在多個實施例中可以是磁阻式讀取器棧或寫入磁極。
[0024]由于在數據存儲介質上有更大量的數據磁道，將寫入磁極196形成為對于磁場有高滲透性并且具有帶軟磁性質的減小寬度的能力，可允許在面密度日益增大的數據設備中的精確數據寫入。進一步地，通過控制寫入磁極196的晶粒尺寸來調整寬度及磁性性質的能力允許寫入磁極196成為沒有分層或不摻雜進核心結構的固體部件，其簡化制造并提供更多的精確結構。
[0025]在多個實施例中，通過在沉積期間控制襯底192的溫度將在活性磁結構196之下的底端屏蔽層194調整為預定的晶粒尺寸。也就是說，當襯底192維持在第一溫度(例如50K)時，可沉積磁性屏蔽194，并且當襯底維持在第二溫度(例如50K)時，隨后沉積活性磁結構。這種襯底溫度操縱提供控制晶粒尺寸以及影響磁阻讀取棧、寫入磁極、及屏蔽材料的磁性的能力。
[0026]此外，在一些實施例中，襯底溫度的操縱可用于形成對于多個數據寫入或讀取元件190層的不同晶粒尺寸。例如，磁性屏蔽194及198以及磁活性結構196可具有各自不同的晶粒尺寸，這至少部分由于當襯底192維持在不同的低溫溫度時發生沉積，這些低溫溫度低于室溫。但是，當襯底192維持在低于室溫時，不是必須沉積數據元件190的所有層。也就是說，襯底溫度可變化，并且對于一些層處于或高于室溫以及對于其他層則處于低溫溫度。應注意多個數據元件190層不局限于圖4中所示出的尺寸和方向，并且每一個層可由獨特或常見材料構成，例如，但不限于，對于磁性屏蔽194和198用NiFe以及對于寫入磁極的磁活性結構196用FeCo。
[0027]在數據元件190制造過程中低溫襯底溫度的應用可對應于減小的晶粒尺寸以及至少對于磁活性結構196的軟磁性質，其通過從低溫襯底溫度至室溫退火多個數據元件190層。可以認識到磁活性結構196升至室溫可在無需數據元件190的移動或加熱元件的應用的情況下提供簡單且有效的結晶。但是，一些實施例允許數據元件190自然升至室溫，然后在溫度提升至高于室溫時提供進一步的退火，磁性屏蔽的預定的晶粒尺寸可在沒有異常晶粒增長的情況下承受該溫度。[0028]在多個實施例中，低溫沉積底端磁性屏蔽層194被人工退火至大約400C達大約2小時，其可產生大約1.0奧斯特的易磁化軸矯頑力以及大約0.12奧斯特的難磁化軸矯頑力。相比之下，電鍍屏蔽，例如NiFe，將受到400C，2小時退火以產生2.7奧斯特的易磁化軸矯頑力及0.38奧斯特的難磁化軸矯頑力。
[0029]可認識到晶粒尺寸關聯于表面的粗糙程度。調整晶粒尺寸可產生各種各樣不同的預定表面粗糙程度，其可相應于更軟的磁性質、對高退火溫度下晶粒生長的更高抗性。
[0030]圖5和6分別展示了通過低溫襯底溫度下調整寫入磁極的示例可能磁特性。在圖5中，FeCo薄膜沉積于維持在大約50K的襯底上，其可產生具有提供如圖所示磁滯回線的晶粒尺寸的2.4T固體膜。特別的，分段回線210闡釋低于I奧斯特的難磁化軸矯頑力，而固體回線212展示了低于8奧斯特的易磁化軸矯頑力。這種磁性能支持調整具有較小晶粒尺寸的寫入磁極同時不喪失膜的磁矩(與當將材料摻雜到寫入磁極中以減小晶粒尺寸時發生磁矩的喪失是相反的)的能力。
[0031]與薄膜磁性屏蔽構成相對應的磁滯回線也支持通過在低溫襯底溫度下減小晶粒尺寸產生具有高滲透性、低矯頑磁場以及盡管高溫退火而仍然是低磁漏的磁性屏蔽層的能力。
[0032]圖6圖不出不例FeCo與入磁極材料的易磁化軸矯頑力(線220)和具有襯底的夾頭溫度(chuck temperature)的晶粒尺寸(線222)的相互關系。可認識到的是，夾頭溫度的降低對應于減小的晶粒尺寸及減小的矯頑力，其闡釋通過在低溫襯底溫度下(例如50K)沉積而提供的軟磁性質和小晶粒尺寸。在一些實施例中，寫入磁極及返回磁極被調整為不同的預定晶粒尺寸，其展示了通過根據圖6中的線220及222的襯底溫度的修正的不同的磁性質和晶粒尺寸。
[0033]盡管對于構成具有已調寫入磁極的寫入元件不要求或限制特定方式，圖7提供了根據多個實施例實施的一示例寫入元件制造例程230。在決策232中該例程230最初評價磁性屏蔽配置，其可確定屏蔽的厚度、材料以及晶粒尺寸。隨著將磁性屏蔽設計固化，步驟234調整襯底至與在決策232中確定的晶粒尺寸和磁性質相對應的溫度。
[0034]決策236于是以對于磁極尖端(例如圖3中的磁極尖端170)處的晶粒尺寸和磁性質的特定考慮而設計寫入磁極。晶粒尺寸以及磁性質的確定可例如經由圖6的操作圖關聯于襯底溫度，，該溫度隨后在寫入磁極沉積的步驟238中被轉化為現實。當決策240評價附加層是否沉積于寫入磁極之上時可維持或改變襯底溫度。如果選擇了附加層，則在步驟中調整襯底至為至少一個附加層提供所設計的晶粒尺寸及磁特性的一個或多個溫度。
[0035]通過所控制的操作，例程230可制造具有任意數量層的寫入元件，這些層連同寫入磁極可通過設定襯底到低溫溫度而單獨地或共同地調整到預定晶粒尺寸及磁性質。但是，例程230不局限于圖7中所示出的過程，因為多個決策及步驟可被省略、改變以及添加。例如，決策232、236及240可在沉積任何寫入元件層之前共同地進行。在另一個示例實施例中，寫入磁極被沉積在具有種子材料(例如Ru及Ta)的已調襯底之上，而不是設置在寫入磁極和襯底之間的磁性屏蔽。
[0036]可認識到本公開描述的磁性元件的配置及材料性質允許通過提供具有減小的晶粒尺于及軟磁性質的寫入磁極而增強磁性編程，其可對應于在寫入高面密度數據存儲設備之后減少擦除。此外，調整及優化數據寫入元件的多個層的能力允許在數據存儲介質中進行數據寫入期間的磁性操作的精確匹配。另外，盡管諸實施例涉及磁性編程，但是將認識到所要求保護的技術易被用于任意數量的其他應用中，例如數據感測及固態數據存儲應用。
[0037]可以理解即使本公開的多個實施例的很多特性及優勢已在前述描述中所闡述，結合多個實施例的結構和功能的細節，這些細節描述僅用作說明，并且可在細節上做出改進，尤其是在由所附權利要求書表述的術語的寬泛一般含義所指示的最大范圍的本公開的原理內的部件結構及安排方面例如，特定元件可依賴于不脫離本發明技術的精神和范圍的特定應用而改變。
【權利要求】
1.一種數據存儲設備，包括在低溫襯底溫度下被調整到預定晶粒尺寸的寫入磁極。
2.如權利要求1所述的數據存儲設備，其中所述襯底溫度低于室溫。
3.如權利要求1所述的數據存儲設備，其中所述襯底溫度大約是50開爾文。
4.如權利要求1所述的數據存儲設備，其中所述寫入磁極是單一的連續層。
5.如權利要求1所述的數據存儲設備，其中所述寫入磁極是FeCo。
6.如權利要求1所述的數據存儲設備，其中所述預定晶粒尺寸對應于2.4特斯拉FeCo材料或FeCoNi材料。
7.如權利要求1所述的數據存儲設備，其中所述襯底溫度對于其上沉積所述寫入磁極的襯底層而被維持。
8.如權利要求7所述的數據存儲設備，其中所述襯底層是下組中的一個:NiFe，CoFe,CoNiFe, Ru, Co, Au,以及 Pd。
9.如權利要求1所述的數據存儲設備，其中所述晶粒尺寸相應于對于所述寫入磁極大約80e的易磁化軸矯頑力。
10.如權利要求1所述的數據存儲設備，其中所述晶粒尺寸相應于對于所述寫入磁極小于IOe的難磁化軸矯頑力。
11.如權利要求1所述的數據存儲設備，其中所述晶粒尺寸相應于對于所述寫入磁極大約230e的單軸各向異性。
12.一種磁性寫入元件，包括臨近磁性屏蔽的寫入磁極，所述寫入磁極和磁性屏蔽在低溫襯底溫度下形成以提供第一和第二預定晶粒尺寸。
13.如權利要求12所述的磁性寫入元件，其中所述磁性屏蔽相較于所述寫入磁極由不同材料形成。
14.如權利要求12所述的磁性寫入元件，其中所述磁性屏蔽和寫入磁極單獨地形成。
15.如權利要求12所述的磁性寫入元件，其中所述磁性屏蔽包括選自下組的材料:NiFE, CoNiFe, NiFeO, NiFeNb,以及晶體材料。
16.如權利要求12所述的磁性寫入元件，其中所述第一和第二預定晶粒尺寸大約是200 埃。
17.一種方法，包括: 調整襯底至低溫襯底溫度；以及 在所述襯底上沉積寫入磁極，所述寫入磁極具有對應于所述低溫襯底溫度的預定晶粒尺寸。
18.如權利要求17所述的方法，其中臨近所述寫入磁極構成的磁性屏蔽加熱至室溫并隨后在大約400°C退火大約2小時以減少磁性屏蔽的缺陷。
19.如權利要求17所述的方法，進一步包括利用高速率濺射在所述襯底上沉積具有所述預定晶粒尺寸的磁性屏蔽，所述高速率濺射的濺射幾何形狀具有正入射磁通以減少所濺射的磁性屏蔽材料的橫向移動。
20.如權利要求17所述的方法，進一步包括對于電鍍、外延生長或真空沉積而沉積帶有精細晶粒尺寸的種子層。
【文檔編號】G11B5/39GK103531209SQ201310313416
【公開日】2014年1月22日 申請日期:2013年5月7日 優先權日:2012年6月29日
【發明者】V·R·印圖瑞, 田偉, H·殷, M·C·考茨基, M·T·凱夫, M·朱, E·L·C·埃斯特瑞恩 申請人:希捷科技有限公司