磁記錄與磁記錄相關(guān)的材料課件

磁記錄與磁記錄材料什么是磁記錄一種利用電和磁的方法將可轉(zhuǎn)換為電信號的信息輸入、記錄和存儲于強(qiáng)磁性介質(zhì)內(nèi)，并又能從其中取出和重現(xiàn)該信息的過程。此種信息可以是聲音、圖像、數(shù)字或其他可轉(zhuǎn)換為電信號的信息，故磁記錄技術(shù)可應(yīng)用于錄音、錄像、記錄數(shù)字和其他信息等最早的磁錄音開始于19世紀(jì)末，到20世紀(jì)40年代磁錄音技術(shù)才逐漸成熟，有了較廣的實際應(yīng)用。50年代以后磁記錄又應(yīng)用到電子計算機(jī)和電視技術(shù)，以及人造衛(wèi)星和宇宙飛船的信息記錄和傳送，應(yīng)用領(lǐng)域不斷擴(kuò)大。

模擬記錄和數(shù)字記錄按照信息記錄的方式，磁記錄可以分為連續(xù)的模擬式記錄（如錄音和錄像）和分立的數(shù)字式記錄（如計算機(jī)記錄數(shù)字）兩種。模擬磁記錄是將信息轉(zhuǎn)化為連續(xù)的電信號，在將電信號對應(yīng)為磁信號，存入記錄介質(zhì)中。主要要求磁記錄材料的剩余磁化強(qiáng)度和輸入信號成正比，以保證被記錄信號和輸入信號之間有較好的線性關(guān)系數(shù)字磁記錄將信息數(shù)字化，轉(zhuǎn)化為二進(jìn)制數(shù)字信號而被存入介質(zhì)中。記錄后，磁記錄材料只有+Mr和?Mr兩個剩磁狀態(tài)，這時記錄信號和輸入信號的線性關(guān)系并不重要。目前，多用數(shù)字記錄。磁記錄的發(fā)展過去二十年內(nèi),硬盤的存儲密度飛速提高,每個比特的價格不斷下降。?Toshiba硬盤的結(jié)構(gòu)磁頭臂組合磁頭臂讀寫頭主軸拼盤磁道硬盤中的磁性材料:1)磁記錄介質(zhì)(盤片)2)寫頭(高磁極化率的軟磁材料）3)讀頭(包括GMR器件以及輔助器件)磁記錄介質(zhì)材料的要求對于磁記錄介質(zhì)的主要要求是：高的矯頑力Hc，以提高存儲信息的密度和抗干擾性；適當(dāng)高的飽和磁化強(qiáng)度4πMs,以提高輸出信息強(qiáng)度;高的剩磁比Mr/Ms(Mr為剩余磁化強(qiáng)度),以提高信息記錄效率和減小自退磁效應(yīng);陡直的磁滯回線,以提高記存信息分辨率；低的磁性溫度系數(shù)和老化效應(yīng)，以提高穩(wěn)定性；對于垂直磁記錄材料，還需要高的垂直膜面的單軸磁各向異性ku。磁記錄介質(zhì)磁記錄介質(zhì)為晶化了的薄膜，最小的記錄單元叫比特,一個比特由幾十個納米顆粒組成。硬盤片的基本結(jié)構(gòu)信息高密度地存儲在硬盤片內(nèi)并非連續(xù),有很多磁軌,每個磁軌上又分有許多的區(qū)域。同一區(qū)域內(nèi)，晶粒的磁矩同向排列形成一個記錄比特(bit).磁記錄密度：

磁軌密度

線密度或記錄密度

面密度=軌道密度×線密度磁記錄介質(zhì)的讀寫每個比特的數(shù)據(jù)被轉(zhuǎn)化為矩形波形的電流-寫入電流,輸入寫頭,從而產(chǎn)生在介質(zhì)與磁頭的間隙間產(chǎn)生相應(yīng)磁場。通過改變電流的方向，可以把數(shù)據(jù)寫入介質(zhì)。在讀的時候，讀頭感受不同比特的附近的磁場，將其轉(zhuǎn)化為電信號，從而將相應(yīng)的數(shù)據(jù)讀出。平行磁記錄每個磁矩平行于介質(zhì)表面。環(huán)形感應(yīng)寫頭，靠芯的縫隙處的磁通來寫入數(shù)據(jù)平行磁記錄介質(zhì)介質(zhì)材料CoPtCrB兩層結(jié)構(gòu)，通過ＲＲＫＹ交換耦合來提高穩(wěn)定性垂直磁記錄每個比特的磁矩都是垂直于介質(zhì)表面。介質(zhì)下有個軟鐵磁底層。寫頭為單極頭FePt的晶體結(jié)構(gòu)PtatomFeatom無序的FCC結(jié)構(gòu)有序的FCT結(jié)構(gòu)FCC結(jié)構(gòu)只出現(xiàn)基本的衍射峰(111),(200),...FCT結(jié)構(gòu)基本的衍射峰

和

超晶格衍射峰

(111),(200),(002),...;(001),(110),...退火c-axisXRDKu:~7x107erg/ccFePt薄膜的磁特性無序態(tài)為軟鐵磁，易軸在平面內(nèi)。有序態(tài)的FePt薄膜為硬磁材料，且具有非常大的磁晶各向異性，易軸沿[001]方向。如果能夠制備(001)取向的FePt薄膜則可以得到非常大的垂直各向異性，可用于垂直磁記錄。(001)取向的獲得

(001)織構(gòu)、外延薄膜(001)FePt薄膜的制備基片處理：在濺射前對基片進(jìn)行加熱去氣處理。外延生長基片的選?。嚎紤]晶格匹配

FePt：a=b=3.85?MgO:a=b=4.212?減小晶格失配種子層的選取：Cr：a=b=c=4.115?Pt：a=b=c=3.92保護(hù)層防止氧化FePtPtCrMgOPt5nm50nm5nm3nmFePt薄膜的結(jié)構(gòu)、取向與有序度分析(111)面

四度對稱,且與MgO的(111)峰出現(xiàn)在同樣的角度,說明很好的外延生長(001)(002)FePt有很好的（001）取向常溫下制備的FePt為無序的FCC700oC下制備的為FCT有序相FePt薄膜的結(jié)構(gòu)與磁性與基片

溫度的關(guān)系隨基片溫度的升高(001)峰強(qiáng)度增大,經(jīng)過分析,發(fā)現(xiàn)薄膜的有序度隨基片溫度升高而增大,薄膜的晶格常數(shù)c則隨基片溫度的升高而減小。相應(yīng)的，薄膜的磁性能也隨基片溫度的改變而發(fā)生很大改變，易軸的方向隨著溫度的升高從膜面內(nèi)轉(zhuǎn)到垂直膜面。軟鐵磁底層垂直磁記錄介質(zhì)中的軟鐵磁底層

作用：1)使單極寫頭的磁通形成回路

2)使寫頭形成鏡像，從而加大了寫入的磁場。

3)提高了信號強(qiáng)度。材料的選取

要求：高的飽和磁化強(qiáng)度，底的矯頑力。軟鐵磁底層的單疇化glasssubstrateFeCoCuIrMnIrMnFeCo}repeat4timesradialanisotropy軟鐵磁底層的單疇化可以通過設(shè)計底層的結(jié)構(gòu)，加入耦合作用來實現(xiàn)。磁記錄的困難達(dá)到足夠的熱穩(wěn)定性：

大晶?；蚋叩拇鸥飨虍愋蕴岣呖蓪懶缘囊螅捍蟮木ЯＲ_(dá)到足夠的信噪比：需要顆粒小從而改善比特間的邊界。磁記錄介質(zhì)的設(shè)計要求：

同時考慮熱穩(wěn)定性和可寫性提高熱穩(wěn)定性可以采用具有大的磁各向異性能材料減小寫入場的方法：

1)雙層乃至多層介質(zhì)，利用交換彈簧作用－交換耦合復(fù)合介質(zhì)2)利用湊壁輔佐反轉(zhuǎn)機(jī)制－磁各向異性梯度介質(zhì)

3)局域加熱-熱輔助磁記錄交換耦合復(fù)合介質(zhì)的制備Si(2nm)/FeSiO(6.5nm)/PdSi(tnm)/[Co(0.26nm)/PdSiO(0.87nm)]/PdSiO(4nm)/Ru(4nm)/Cu(2nm)/Glass矯頑場可以大大縮小，且和兩個磁層間的耦合強(qiáng)弱有關(guān)。耦合的強(qiáng)弱可以由插入的非磁性層的厚度來調(diào)制。熱輔助磁記錄原理磁性材料在加熱到居里點附近轎頑力大大下降。對寫入的比特進(jìn)行局域加熱，使寫入場下降激光加熱FePt薄膜居里點高，需加熱到600oC，需要降低其加熱的溫度。FeRh/FePt雙層膜FeRh具有特殊的性能

常溫下為反鐵磁性，隨溫度升高，會經(jīng)歷反鐵磁-鐵磁相變。鐵磁相的FeRh合金為軟鐵磁體。FeRh/FePt雙層膜

當(dāng)溫度加到150oC以上，F(xiàn)eRh成為軟鐵磁體，容易反轉(zhuǎn)，通過交換耦合作用，帶動FePt層的反轉(zhuǎn)，大大降低FePt的反轉(zhuǎn)場。FeRh/FePt雙層膜的制備FePt需要在有（001）取向

基片選取：MgOFeRh為BCC結(jié)構(gòu)，其晶格常數(shù)與FePt的a相近，因此，F(xiàn)eRh也可以在MgO基片上外延生長，而FePt容易在FeRh上外延生長。選取適當(dāng)?shù)姆N子層以減小晶格失配

種子層的選取可以參照FePt單層膜的制備中。位元規(guī)則介質(zhì)特點：通過光刻將連續(xù)膜變成分離的點陣。一個點一個比特。材料本身與普通的材料無異。然每個點需由大磁性顆粒組成，最好是單晶。熱穩(wěn)定性由大的磁性顆粒或柱子本身決定。由于體積大，所以可以達(dá)到很高的熱穩(wěn)定性。存儲密度受刻蝕技術(shù)的分辨率制約。利用位元規(guī)則介質(zhì)可以存儲的面密度大大提高。與普通垂直記錄介質(zhì)相比在相同密度下，可寫性大大改善。磁各向異性梯度介質(zhì)沿膜厚方向，磁各向異性能呈梯度變化。在保持熱穩(wěn)定性的同時，可以大大降低寫入需要的磁場。最佳的各向異性分布為拋物線分布：

目前還只是概念，實際的實現(xiàn)很困難，主要是因為磁各向異性能很難嚴(yán)格控制。最硬端最軟端磁各向異性逐步增強(qiáng)特點：反轉(zhuǎn)為疇壁移動輔助反轉(zhuǎn)。寫入的基本過程：疇壁在軟磁端形成、疇壁在晶粒中運動和疇壁從硬磁端溢出。要求：介質(zhì)厚度不能太小，需大于疇壁的寬度。寫頭的基本結(jié)構(gòu)寫頭包括激磁線圈和鐵芯鐵心材料的要求：對激磁次線圈產(chǎn)生的磁通有大的放大作用，因而需有高的飽和磁化強(qiáng)度和搞的磁導(dǎo)率。

比較：激磁線圈產(chǎn)生的磁通一般在200Oe左右。而寫頭端的磁通可以達(dá)到2.4T.寫頭鐵心材料FeCoAlO飽和磁化強(qiáng)度接近2.4T

Fe65Co35

飽和磁化強(qiáng)度達(dá)2.4TFe/Co多層膜

Fe層為0.1-4nm,Co層為0.1-2nm.總厚度100nm。

可以比Fe65Co35高５%.讀頭的基本結(jié)構(gòu)磁阻傳感器絕緣層屏蔽層ＮＳ核心為磁阻傳感器，可以靈敏的感受微弱的磁場變化。永磁體用來確定自由層的激化方向。屏蔽層用來屏蔽來自相鄰比特的雜散場，提高磁頭的靈敏度。永磁體軟磁屏蔽層，需用高磁導(dǎo)率的軟磁材料，目前所用的為坡鏌合金Ni80Fe20，制備方法為電鍍。用非晶軟磁合金用作軟磁屏蔽也在考慮中。讀寫頭的結(jié)構(gòu)Permalloyshields~2mmCu線圈讀頭傳感器寫頭RF磁場Airbearingsurface2mm在實際的中,寫頭和讀頭被集成在一起。寫頭的產(chǎn)生的磁場被屏蔽層限制在寫入的比特范圍內(nèi)，從而避免誤寫相鄰的比特。自旋電子學(xué)及相關(guān)磁性器件巨磁阻效應(yīng)(GMR)1986年,德國人P1Grunberg在Fe/Cr/Fe三明治結(jié)構(gòu)中發(fā)現(xiàn),當(dāng)Cr層厚度合適時,兩Fe層之間存在反鐵磁耦合作用.根據(jù)這一結(jié)果,幾十年來一直致力于研究薄膜中磁致電阻現(xiàn)象的法國巴黎大學(xué)的物理學(xué)家A.Fert設(shè)計了圖1所示的(Fe/Cr)n

多層膜,成功地使磁電阻效應(yīng)得到放大,使之成為巨磁電阻.隨后,大量的工作表明,GMR效應(yīng)廣泛存在于過渡金屬多層膜，自旋閥，以及顆粒膜。GMR(%)=(RAP-RP)/RPRAP:磁矩反平行時的電阻RP:磁矩平行時的電阻巨磁阻效應(yīng)原理兩種自旋狀態(tài)的傳導(dǎo)電子都在穿過磁矩取向與其自旋方向相同的一個磁層后,遇到另一個磁矩取向與其自旋方向相反的磁層,并在那里受到強(qiáng)烈的散射作用,也就是說,沒有哪種自旋狀態(tài)的電子可以穿越兩個或兩個以上的磁層．當(dāng)相鄰磁性層的磁矩平行排列時，在傳導(dǎo)電子中,自旋方向與磁矩取向相同的那一半電子可以很容易地穿過許多磁層而只受到很弱的散射作用,而另一半自旋方向與磁矩取向相反的電子則在每一磁層都受到強(qiáng)烈的散射作用.二流體模型電子導(dǎo)電有并聯(lián)的兩個通道，當(dāng)磁矩反平行的的時候，兩個通道的電阻都很高，因而，系統(tǒng)處于高阻態(tài)。而當(dāng)磁矩平行的時候，有一個低阻通道，因而，總電阻小，系統(tǒng)處于低阻態(tài)。不同類型的GMR效應(yīng)多層膜GMR:

磁性層間的分磁性隔離層很薄。磁性層間存在RKKY(Ruderman-Kittel-Kasuya-Yosida)耦合。特點：ＧＭＲ值大，一般有幾十％，但飽和場也大。自旋閥GMR:非磁性層約為３納米,磁性層間無RKKY耦合。ＧＭＲ值一般小于１０％，飽和場小。顆粒膜GMR磁性顆粒在非磁性的基體中，通過顆粒間的耦合作用達(dá)到反平行狀態(tài)。如CoCu顆粒膜實現(xiàn)平行與反平行的方法耦合

RKKY耦合交換偏置

利用鐵磁與反鐵磁交換耦合作用不同的矯頑力

兩磁性層的矯頑力不同，當(dāng)較軟的磁性層在磁場中反轉(zhuǎn)，較硬的磁性層并沒有反轉(zhuǎn)。JThickness(D)交換偏置自旋閥被釘扎層的回線由于交換偏置作用而發(fā)生偏移，自由層與被釘扎層無耦合作用，從而使得平行與反平行狀態(tài)得以實現(xiàn)。特點：具有極高的靈敏度，靈敏度由自由層的磁特性決定。自由層非磁性隔離層被釘扎層反鐵磁釘扎層CIP和CPP巨磁電阻CIP－電流平行于膜面CPP－電流垂直于膜面CPP預(yù)測有更高的GMR,然而，電阻過小，實現(xiàn)起來比較困難，需要更多更復(fù)雜的工藝。CPP有可能被用于下一代讀頭中。巨磁阻器件的應(yīng)用巨磁阻器件的功能

存儲：高阻和低阻兩個狀態(tài)可以對應(yīng)數(shù)字記錄中的“0”和“1”---MRAM

響應(yīng)微弱磁場-各種巨磁阻傳感器巨磁阻傳感器的特點：可以很靈敏的探測微弱的磁場變化。

應(yīng)用1）磁記錄的讀頭2）各種傳感器

轉(zhuǎn)速，位角，生物醫(yī)學(xué)舉例：巨磁阻生物陣列巨磁阻傳感器的制備要求傳感器的設(shè)計

不同類型的巨磁阻傳感器，不同的應(yīng)用領(lǐng)域，側(cè)重點不同。一般所關(guān)系的參數(shù)：靈敏度、飽和場、信噪比、穩(wěn)定性。如：多層膜的制備，對膜厚特別是非磁性層的膜后又較嚴(yán)格的要求。交換偏置自旋閥傳感器：非磁性層厚度不能太小，也不可太大；兩磁性層間磁矩需要相互垂直以得到良好的線性關(guān)系；自由層需要用足夠軟的磁性材料以提高靈敏度同時材料的導(dǎo)電性能要好；磁性層的磁疇結(jié)構(gòu)-單疇；交換偏置效應(yīng)要強(qiáng)…對于應(yīng)用于高頻的傳感器要求磁性材料的磁化強(qiáng)度高，各向異性能大。

隧道磁電阻效應(yīng)隧道效應(yīng)-1.5-1-0.500.511.5-2-1.5-1-0.500.511.522.53Energy,WaveFunctionxTunnelingThroughSimpleBarrierEnergyVB根據(jù)量子力學(xué)理論，電子具有波動性，當(dāng)遇到勢壘，波呈衰減趨勢，當(dāng)勢壘寬度不大的時候，穿過勢壘后，波幅并不為零，也就是說，有部分電子可以穿過勢壘，從而形成一定的電流。隧道磁電阻器件隧道磁電阻效應(yīng)與自旋閥磁電阻有相似之處，磁滯回線的及磁電阻回線的有相似的形狀形狀和特點。然而一般來說然隧道磁電阻效應(yīng)的電阻變化率比自旋閥大很多。對于中間的絕緣層，一般用開始用Al2O3現(xiàn)在普遍采用MgO.。用MgO為絕緣層的隧道結(jié)MgO層要求(001)織構(gòu)，可以通過才有非晶態(tài)的CoFeB合金膜為磁性層達(dá)到，這樣的隧道結(jié)有巨大的磁電阻效應(yīng)，電阻變化率室溫下可達(dá)幾百％自旋閥磁阻與隧道磁阻相似處：

都有自旋激化，在費米面以下，兩種自旋態(tài)的態(tài)密度不同。如果沒有自旋激化，則兩種磁電阻效應(yīng)都不會發(fā)生。應(yīng)用的方面基本相同。不同處：起源不同：自旋閥起源于界面處的自旋相關(guān)散射，而隧道磁電阻則由于量子隧道效應(yīng)導(dǎo)致。磁阻式隨即存取存儲器(MRAM)每個存儲單元都是一個隧道磁電阻器件，寫入時，有兩個電流，任何一個電流產(chǎn)生的磁場都不足以寫入信號，只有當(dāng)二者相交的那個點才有足夠大的磁場將信號寫入。此為MRAM的定位與寫入機(jī)制。新的寫入機(jī)制新的寫入過程：Toggle寫入采用旋轉(zhuǎn)的電流來改變自由層的磁化方向只需要一個電流熱輔助寫入加熱要寫入的單元，從而使其對磁場響應(yīng)更靈敏－減小寫入場。自旋矩

轉(zhuǎn)移用自旋激化的電流來使自由層反轉(zhuǎn)。能夠得到更高的存儲密度和更快的寫入速度。薄膜器件的制備方法

刻蝕的工藝流程沉積薄膜涂光刻膠暴光刻蝕去膠

等離子體輔助加工過程工藝等離子刻蝕補(bǔ)充惰性氣體吸收與表面物質(zhì)反應(yīng)表面物質(zhì)的擴(kuò)散Subsequentsurfacereactionsdesorption去掉的物質(zhì)電場ionsCathodeRFPower消耗13.56MHzStraightSidewalls光刻膠又名光致抗蝕劑是一種光敏感材料，在曝光前后對特定的溶劑(光刻膠沖洗液）具有不同的溶解性。分為正光刻膠與負(fù)光刻膠。負(fù)光刻膠:曝光前，可溶于沖洗液，曝光后不溶于沖洗液。用負(fù)光刻膠可以把掩模版上的圖案互補(bǔ)地印下來。正光刻膠: 曝光前，不溶于沖洗液；曝光后，溶于沖洗液。用正光刻膠可以把模版上的圖案直接印下來。光刻膠NegativeLithographyIslandsiliconsubstrateoxidephotoresistWindow曝光過的區(qū)域聚合化對沖洗液有抵抗作用光刻膠沖洗后得到的形狀photoresistoxidesiliconsubstrateUltravioletLight曝光的區(qū)域被遮擋的區(qū)域掩模版負(fù)光刻siliconsubstrateoxidephotoresistPositiveLithographyIslandWindow曝光過的區(qū)域變得可溶沖洗后得到的圖案未曝光區(qū)曝光區(qū)掩模版photoresistsiliconsubstrateoxideUltravioletLight正光刻同樣的模版產(chǎn)生不同的圖案掩模版上圖形傳遞到光刻膠上，然后通過刻蝕，傳遞到薄膜上。涂光刻膠工藝基片被真空吸附在底座上，在基片上滴入約5ml光刻膠讓底座亦較低的速度旋轉(zhuǎn)~500rpm逐步加快轉(zhuǎn)速至3000-5000rpm對涂光刻膠工藝進(jìn)行分析優(yōu)化考慮的主要參數(shù)有:所需時間轉(zhuǎn)速厚度均勻性顆粒和缺陷vacuumchuckspindletovacuumpumpphotoresistdispenser光刻膠的厚度Ｔ取決于:轉(zhuǎn)速溶液的濃度分子的重量(由內(nèi)粘滯系數(shù)來衡量)在公式中,K常數(shù),、C是聚合物的濃度是克每100毫升溶液、h代表內(nèi)粘滯系數(shù),、w為每分鐘轉(zhuǎn)的圈數(shù)(rpm)當(dāng)指數(shù)因數(shù)a、b和g確定后，該公式可以用來預(yù)測不同濃度、不同分子重量的溶液可形成膜厚。

2. PhotoresistApplication 軟烘烤在涂完光刻膠后，須將基片放到一百度左右的溫度下作短時間烘烤。烘烤時間為１～幾分鐘。低溫烘烤，部分蒸發(fā)光刻膠溶劑提高附著力改善均勻性提高對刻蝕的抵御能力改善線寬的控制優(yōu)化光刻膠對光的吸收特性。效準(zhǔn)與曝光將掩膜上的圖案的像傳遞到涂有光刻膠的底片上曝光將激活光刻膠里面的光敏成分.質(zhì)量分析主要考慮:線寬分辨率圖形的準(zhǔn)確度缺陷UVLightSourceMaskResistl 源的種類刻蝕的源有很多種，不同的源波長不同從而分辨率不同。根據(jù)源的類型，刻蝕分為：光刻、電子束刻蝕、Ｘ射線刻蝕、離子刻蝕可見光光源為高壓汞燈，產(chǎn)生以上所示的可見光譜。可見光的吸收不應(yīng)太強(qiáng)。曝光時，光刻膠需透明。幾種不同的印刷方式接觸準(zhǔn)直接觸式鄰近式投影式接觸式：掩模版與所涂得光刻膠層接觸壓緊，可以得到最平整的圖形和最好的分辨率，但容易損壞掩模版。比鄰式：掩模版與光刻膠層很接近但并不接觸，掩模版的壽命增長，但犧牲了分辨率。投影式：在投影式印刷中,用鏡頭和反光鏡使得像聚焦到硅平面上,其硅片和掩模版分得很開.已經(jīng)開發(fā)了不少投影印刷技術(shù)不同印刷方式的比較沖洗可溶性的光刻膠被沖洗液溶解可見的圖形顯現(xiàn)在基片上窗島圖形質(zhì)量檢測:線分辨率均勻性檢查表面是否有顆粒和缺陷tovacuumpumpvacuumchuckspindledeveloperdispenser 硬烘烤揮發(fā)剩余的光刻膠進(jìn)一步提高附著力相對軟烘烤，硬烘需用較高的溫度7. DevelopmentInspectionOpticalorSEMmetrologyQualityissues:particlesdefectscriticaldimensionslinewidthresolutionoverlayaccuracy 等離子體刻蝕與加附加層通過由光刻膠組成的圖案對所加工的表面進(jìn)行選擇性的去主要有兩類方法:濕的酸性刻蝕干的等離子刻蝕質(zhì)量評估:粒子與缺陷臺階的高度選擇性的強(qiáng)弱最小能到達(dá)尺寸加入另一種材料(additive)主要的方法:濺射蒸發(fā)PlasmaCF