CN101308667A - 磁各向异性增强的装置以及相关方法 - Google Patents
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Abstract
一种装置，包括绝热基底、在该绝热基底上的能量吸收层、以及在该能量吸收层上的闪光退火磁性层。闪光退火磁性层可以被配置用于数据存储。一种方法，包括提供绝热基底，在该绝热基底上沉积能量吸收层，在该能量吸收层上沉积磁性层，以及对该磁性层进行闪光退火。
Description
关于联邦政府所资助的研究或研发的声明
本发明是在由国家标准与技术研究院(NIST)所授予的第70NANB1H3056号协议下通过美国政府的支持而作出的。美国政府具有本发明的某些权利。
技术领域
本发明主要涉及一种磁各向异性增强的装置以及相关方法。
背景技术
对于例如需要不断增加存储密度的数据存储行业中应用之类的各种应用，需要磁各向异性增强的材料。可以保持接近1Tbit/in2密度的数据存储介质要求材料的磁各向异性大于常规介质材料。存在公知的具有磁晶各向异性的晶相的永磁性体材料，其理论上可以保持大于1Tbit/in2的密度。对于永磁性体材料，通常使用特殊的热处理来控制相形成和微结构，以优化材料特性。为了将这些材料结合到数据存储介质中，必须在精细、纳米晶体、交换去耦或部分交换去耦颗粒的微结构内获得正确的晶相。
可以形成纳米晶体颗粒的薄膜制造技术本身并不产生正确的相。例如，FePt族通常被沉积为面心立方体(fcc)相，并且需要后续退火来将材料转换(即，化学排列)成高各向异性的L10相。包括例如Nb2Fe14B、SmCo5和Sm2Co17的稀土族通常被沉积为无定形相，并且需要后续退火来转换成高各向异性相。虽然需要退火步骤来产生高各向异性相，但是诸如快速热退火和炉内退火的技术导致了颗粒结构的粗糙化，从而得不到所需的纳米晶体结构。所期望的是，校正所需相转换的反应与微结构的有害粗糙化之间的竞争，以提供增强的磁各向异性。
因此，认识到需要具有增强的磁各向异性的改进材料。同时还认识到，需要克服了公知数据存储介质的限制、不足和/或缺点的改进数据存储介质。
发明内容
在查看本说明书和附图之后会更全面地理解，本发明满足所认识到的需求和其它需求。
本发明的一方面在于提供一种装置，包括绝热基底、在该绝热基底上的能量吸收层、以及在该能量吸收层上的闪光退火(flash anneal)磁性层。该闪光退火磁性层可以具有在约0.5×107ergs/cc到约30×107ergs/cc范围内的磁各向异性。
本发明的另一方面在于提供一种数据存储介质，包括绝热基底、在该绝热基底上的能量吸收层、以及在该能量吸收层上的闪光退火磁记录层。该闪光退火磁性层可以具有在约0.5×107ergs/cc到约30×107ergs/cc范围内的磁各向异性。
本发明的又一方面在于提供一种方法，包括提供绝热基底，在该绝热基底上沉积能量吸收层，在该能量吸收层上沉积磁性层，以及对该磁性层进行闪光退火。闪光退火可以包括将该磁性层在光脉冲下曝光约0.05毫秒到约1000毫秒范围内的时间。光脉冲可以具有在约200nm到约1000nm范围内的波长。另外，闪光退火可以在约300℃到约2200℃范围内的温度下执行。
本发明的这些和其它方面从下面的描述中变得更加显而易见。
附图说明
图1是可以使用根据本发明所构造的薄膜结构的数据存储系统的图示。
图2是根据本发明所构造的薄膜结构的示意图。
图3a、3b和3c示出了对于具有变化导热率的基底的温度与时间的曲线图。
图4是根据本发明所构造的薄膜结构的示意图。
图5是示出了对于图4所示结构的层厚与热特性的表格。
图6a和6b示出了对于图4所述结构的温度变化的曲线图。
图7是根据本发明所构造的薄膜结构的示意图。
具体实施方式
图1是可以包括本发明诸方面的数据存储系统10的图示。数据存储系统10包括被调整和配置成容纳数据存储系统10的各种部件的外壳12(在这个视图中，上部被移走，使下部可见)。数据存储系统10包括用于在外壳12内旋转例如磁记录介质16的至少一个存储介质的主轴马达14，存储介质可以是垂直、纵向和/或倾斜磁记录的介质。至少一个臂18被容纳于外壳12之内，每个臂18都包括具有记录头或滑块22的第一末端20，以及由轴承26枢轴地安装在轴上的第二末端24。致动马达28位于臂的第二末端24上，用于枢转臂18，以将记录头22定位到盘16的期望扇区或轨道27上。致动马达28由控制器进行调节，在这个视图中没有示出控制器，它是本领域中公知的。
参考图2，示出了根据本发明构造的薄膜结构30。结构30可以是例如数据存储介质。结构30包括具有底面33的绝热基底32、在该基底32上的能量吸收层34、和在该能量吸收层34上的磁性层36。磁性层36包括顶面37。根据本发明，磁性层36被闪光退火，以将该磁性层36的晶体结构从实质上的面心立方体相(fcc)相变成实质上的L10相。这导致磁性层36具有增强的磁各向异性。例如，被闪光退火的磁性层36可以具有在约0.5×107erg/cc到约30×107erg/cc范围内的磁各向异性。磁各向异性增强的磁性层36可以被有利地用作例如，用于记录信息的数据存储层，其中高磁各向异性材料允许增加数据存储介质的存储密度。
绝热基底32可以包括玻璃、陶瓷或其组合。基底32可以具有在约0.7W/mK到约2W/mK范围内的导热率k。另外，基底32可以具有在约0.1mm到约5.0mm范围内的厚度。
能量吸收层34可以包括Ta、Ti、Re、Be、Nb、Ni-Cr、或任何这些金属与氧化物的结合。另外，能量吸收层34可以具有约2nm到约5000nm范围内的厚度。该层34需要能够经受从约300℃到约2200℃的闪光退火温度范围，并且需要能够从闪光退火吸收在光源照射波长下的光能。这个波长可以是例如在约200nm到约1000nm范围内。能量吸收层对来自闪光退火的光能的吸收有助于结构30中的热量保持，以促进磁性层36中期望相变。
磁性层36可以包括FePt、CoPt、N2dFe14B4、SmCo5、YCo3、Sm2Co17、FePd、MnAl、CrPt3、RE2Fe14B4、RECo5、RE2Co17，其中RE表示可以包括例如Sm、Y、Pr、Ce、La、Nd或Tb的稀土元素。磁性层36可以具有约1nm到约100nm范围内的厚度。
图2中所示的薄膜结构30被设计成在磁性层36中相变发生之处提供快速加热和冷却。绝热基底32的使用有助于实现磁性层36的快速加热和冷却。当使用绝热基底32时，磁性层36快速冷却，并且基底32的底面33被轻微加热(例如参见图3a-3c)。快速冷却有助于获得所期望的相变。然而作为比较，如果使用不被认为是绝热基底的基底，例如硅(Si)基底，那么膜结构和基底在极高温下彼此快速达到热平衡。在这种情况下，基底和膜结构将通过常规的冷却方法(例如辐射、对流和/或传导)与外部环境一起冷却，并且不允许所期望的相变。
图3a、3b和3c通过对于具有不同导热率k的基底，绘出在由FePt所构成的磁性层36的顶面37(在图3a3c中示为“顶部”)处和在基底32的底面33(在图3a-3c中示为“底部”)处的温度与时间的模拟来图示使用绝热基底32的优点。特别地，图3a、3b和3c示出了最大温度Tmax随着导热率k的减小而明显地增加。在图3a-3c中用于获得数据的闪光退火灯的“能量(POWER)”也在图3a、3b和3c中示出。
参考图4，这里示出了根据本发明所构造的薄膜结构130，其中能量吸收层134包括多个层。结构130包括绝热基底132、在基底132上的能量吸收层13、以及在能量吸收层134上的磁性层136。能量吸收层134可以包括例如Ru层134a，Pt层134b和Ta层134c。应当意识到，根据本发明，可以使用其它材料来形成层134。例如，层134a可以由：RuCu、OsCu、RuC、RuB、或RuCoCr来形成；层134b可以由RuCu来形成；并且层134c可以由Cu来形成。因此，应当意识到，可以设置由例如这里为层134a、134b或134c所列出的示例材料所形成的两个或更多层，以形成根据本发明的具有多个层的能量吸收层134。
磁性层136被闪光退火，以将该磁性层136的晶体结构从实质上的面心立方体(fcc)相转变成实质上的L10相。这导致磁性层136的磁各向异性增强。
提供图5、6a和6b，以示出利用结构130的本发明的能量吸收层的优点。特别地，图5示出了用于提供如图6a和6b中所示模拟结果的、结构130的层厚和热学特性。在这些模拟中，在闪光退火灯150和结构130的磁性层136的顶面137之间存在约4.44mm的空隙，其中如箭头152所指示，灯150向层136施加光脉冲。在模拟中的这个空隙假设在灯150和结构130之间流通氩(Ar)气。该模拟考虑到了热能在闪光退火过程中的相变期间、在向基底扩散期间、以及通过辐射向环境扩散期间(例如在闪光退火中通过氩气和石英棒)的消耗。
图6a和6b图示了对于以约2毫秒、14毫秒和50毫秒的离散时间周期施加光脉冲的温度变化。在图6a和6b中，温度变化相对于距离“z”绘出，其中距离“z”是距闪光退火灯150的距离，由虚线“z”表示。例如，“z”是在顶面137处约4.44mm。图6a示出了没有能量吸收层134，即层134被移除的结果，而图6b示出了具有能量吸收层134的结果。如图6b中所示，，当使用能量吸收层134时，磁性层136中的相变发生之处可以获得明显更高的温度。
参考图7，示出了根据本发明所构造的薄膜结构230，其中基底232包括多个层。该结构230包括基底232、在基底232上的能量吸收层234、以及在能量吸收层234上的磁性层236。基底232可以包括(i)由例如硅(Si)或被认为不绝热(即，导热率高于用于形成如本文所述的绝热基底的期望范围)的其它适当材料形成的层232a，以及(ii)由例如SiO2、SiN或具有如本文所述的合适导热率的任何其它绝热材料形成的绝热层232b。对层232a和232b进行组合，以提供对本发明而言充分绝热的基底232。层232b可以具有约1μm到约1mm范围内的厚度，以便基底232提供充分绝热。应当意识到，其它材料和/或层也可以用于形成基底232，只要该基底232总体上提供根据本发明的充分绝热。
本发明涵盖用于形成本文所述的薄膜结构的方法。具体而言，该方法包括：设置绝热基底(例如基底32)，在该绝热基底上沉积能量吸收层(例如层34)，在该能量吸收层上沉积磁性层(例如磁性层36)，以及闪光退火该磁性层。闪光退火可以包括将该磁性层在光脉冲下曝光约0.05毫秒到约1000毫秒范围内的时间。闪光退火可以在例如真空或N、Ar、Ne或Kr环境的非氧化环境中进行。
例如由Nanoparc/FHR所生产的FLA-100的闪光退火工具可以用于提供本发明所期望的闪光退火。
虽然出于解释而非限制本发明的目的，本文描述了特定方面，但是本领域普通技术人员应当意识到，在不离背如所附权利要求书中所描述的本发明的情况下，在本发明的原理和范围内可以对细节、材料和部件排列作出许多变化。例如，应当意识到，仅仅出于说明目的，本文中将本发明描述为用于数据存储应用，但是本发明也可以应用于数据存储之外的其它应用，其中期望使用闪光退火而在更短的时间内具有增加的磁各向异性和相变。
Claims (20)
1.一种装置，包括：
绝热基底；
在所述基底上的能量吸收层；以及
在所述能量吸收层上的闪光退火磁性层。
2.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述绝热基底具有约0.1mm到约5mm范围内的厚度。
3.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述绝热基底包括多个层。
4.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述能量吸收层包括Ta、Ti、Re、Be、Nb、Ni-Cr、或任何这些金属与氧化物的组合。
5.如权利要求4所述的装置，其特征在于，所述能量吸收层具有约2nm到约5000nm范围内的厚度。
6.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述能量吸收层包括多个层。
7.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述闪光退火磁性层包括FePt、CoPt、N2dFe14B4、SmCo5、YCo3、Sm2Co17、FePd、MnAl、CrPt3、RE2Fe14B4、RECo5、RE2Co17，其中RE表示可以包括Sm、Y、Pr、Ce、La、Nd或Tb的稀土元素。
8.如权利要求7所述的装置，其特征在于，所述闪光退火磁性层具有约1nm到约100nm范围内的厚度。
9.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述闪光退火磁性层具有约0.5×107erg/cc到约30×107erg/cc范围内的磁各向异性。
10.一种数据存储介质，包括
绝热基底；
在所述基底上的能量吸收层；以及
在所述能量吸收层上的闪光退火磁记录层。
11.如权利要求10所述的数据存储介质，其特征在于，所述闪光退火磁记录层包括FePt、CoPt、N2dFe14B4、SmCo5、YCo3、Sm2Co17、FePd、MnAl、CrPt3、RE2Fe14B4、RECo5、RE2Co17，其特征在于，RE表示可以包括Sm、Y、Pr、Ce、La、Nd或Tb的稀土元素。
12.如权利要求10所述的数据存储介质，其特征在于，所述闪光退火磁记录层具有约1nm到约100nm范围内的厚度。
13.如权利要求10所述的数据存储介质，其特征在于，所述闪光退火磁记录层具有约0.5×107erg/cc到约30×107erg/cc范围内的磁各向异性。
14.一种方法，包括：
设置绝热基底；
在所述基底上沉积能量吸收层；
在所述能量吸收层上沉积磁性层；以及
对所述磁性层进行闪光退火。
15.如权利要求14所述的方法，其特征在于，所述闪光退火包括将所述磁性层在光脉冲下曝光约0.05毫秒到约1000毫秒范围内的时间。
16.如权利要求15所述的方法，其特征在于，所述光脉冲具有约200nm到约1000nm范围内的波长。
17.如权利要求14所述的方法，其特征在于，所述闪光退火在约300℃到约2200℃范围内的温度下执行。
18.如权利要求14所述的方法，其特征在于，所述闪光退火磁性层具有约0.5×107erg/cc到约30×107erg/cc范围内的磁各向异性。
19.如权利要求14所述的方法，其特征在于，还包括将所述磁性层配置成用于数据存储。
20.一种根据权利要求14所述的方法构造的薄膜结构。
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