磁记录与磁记录相关的材料课件

磁记录与磁记录材料什么是磁记录一种利用电和磁的方法将可转换为电信号的信息输入、记录和存储于强磁性介质内，并又能从其中取出和重现该信息的过程。此种信息可以是声音、图像、数字或其他可转换为电信号的信息，故磁记录技术可应用于录音、录像、记录数字和其他信息等最早的磁录音开始于19世纪末，到20世纪40年代磁录音技术才逐渐成熟，有了较广的实际应用。50年代以后磁记录又应用到电子计算机和电视技术，以及人造卫星和宇宙飞船的信息记录和传送，应用领域不断扩大。

模拟记录和数字记录按照信息记录的方式，磁记录可以分为连续的模拟式记录（如录音和录像）和分立的数字式记录（如计算机记录数字）两种。模拟磁记录是将信息转化为连续的电信号，在将电信号对应为磁信号，存入记录介质中。主要要求磁记录材料的剩余磁化强度和输入信号成正比，以保证被记录信号和输入信号之间有较好的线性关系数字磁记录将信息数字化，转化为二进制数字信号而被存入介质中。记录后，磁记录材料只有+Mr和−Mr两个剩磁状态，这时记录信号和输入信号的线性关系并不重要。目前，多用数字记录。磁记录的发展过去二十年内,硬盘的存储密度飞速提高,每个比特的价格不断下降。?Toshiba硬盘的结构磁头臂组合磁头臂读写头主轴拼盘磁道硬盘中的磁性材料:1)磁记录介质(盘片)2)写头(高磁极化率的软磁材料）3)读头(包括GMR器件以及辅助器件)磁记录介质材料的要求对于磁记录介质的主要要求是：高的矫顽力Hc，以提高存储信息的密度和抗干扰性；适当高的饱和磁化强度4πMs,以提高输出信息强度;高的剩磁比Mr/Ms(Mr为剩余磁化强度),以提高信息记录效率和减小自退磁效应;陡直的磁滞回线,以提高记存信息分辨率；低的磁性温度系数和老化效应，以提高稳定性；对于垂直磁记录材料，还需要高的垂直膜面的单轴磁各向异性ku。磁记录介质磁记录介质为晶化了的薄膜，最小的记录单元叫比特,一个比特由几十个纳米颗粒组成。硬盘片的基本结构信息高密度地存储在硬盘片内并非连续,有很多磁轨,每个磁轨上又分有许多的区域。同一区域内，晶粒的磁矩同向排列形成一个记录比特(bit).磁记录密度：

磁轨密度

线密度或记录密度

面密度=轨道密度×线密度磁记录介质的读写每个比特的数据被转化为矩形波形的电流-写入电流,输入写头,从而产生在介质与磁头的间隙间产生相应磁场。通过改变电流的方向，可以把数据写入介质。在读的时候，读头感受不同比特的附近的磁场，将其转化为电信号，从而将相应的数据读出。平行磁记录每个磁矩平行于介质表面。环形感应写头，靠芯的缝隙处的磁通来写入数据平行磁记录介质介质材料CoPtCrB两层结构，通过ＲＲＫＹ交换耦合来提高稳定性垂直磁记录每个比特的磁矩都是垂直于介质表面。介质下有个软铁磁底层。写头为单极头FePt的晶体结构PtatomFeatom无序的FCC结构有序的FCT结构FCC结构只出现基本的衍射峰(111),(200),...FCT结构基本的衍射峰

和

超晶格衍射峰

(111),(200),(002),...;(001),(110),...退火c-axisXRDKu:~7x107erg/ccFePt薄膜的磁特性无序态为软铁磁，易轴在平面内。有序态的FePt薄膜为硬磁材料，且具有非常大的磁晶各向异性，易轴沿[001]方向。如果能够制备(001)取向的FePt薄膜则可以得到非常大的垂直各向异性，可用于垂直磁记录。(001)取向的获得

(001)织构、外延薄膜(001)FePt薄膜的制备基片处理：在溅射前对基片进行加热去气处理。外延生长基片的选取：考虑晶格匹配

FePt：a=b=3.85ÅMgO:a=b=4.212Å减小晶格失配种子层的选取：Cr：a=b=c=4.115ÅPt：a=b=c=3.92保护层防止氧化FePtPtCrMgOPt5nm50nm5nm3nmFePt薄膜的结构、取向与有序度分析(111)面

四度对称,且与MgO的(111)峰出现在同样的角度,说明很好的外延生长(001)(002)FePt有很好的（001）取向常温下制备的FePt为无序的FCC700ºC下制备的为FCT有序相FePt薄膜的结构与磁性与基片

温度的关系随基片温度的升高(001)峰强度增大,经过分析,发现薄膜的有序度随基片温度升高而增大,薄膜的晶格常数c则随基片温度的升高而减小。相应的，薄膜的磁性能也随基片温度的改变而发生很大改变，易轴的方向随着温度的升高从膜面内转到垂直膜面。软铁磁底层垂直磁记录介质中的软铁磁底层

作用：1)使单极写头的磁通形成回路

2)使写头形成镜像，从而加大了写入的磁场。

3)提高了信号强度。材料的选取

要求：高的饱和磁化强度，底的矫顽力。软铁磁底层的单畴化glasssubstrateFeCoCuIrMnIrMnFeCo}repeat4timesradialanisotropy软铁磁底层的单畴化可以通过设计底层的结构，加入耦合作用来实现。磁记录的困难达到足够的热稳定性：

大晶粒或高的磁各向异性提高可写性的要求：大的晶粒要达到足够的信噪比：需要颗粒小从而改善比特间的边界。磁记录介质的设计要求：

同时考虑热稳定性和可写性提高热稳定性可以采用具有大的磁各向异性能材料减小写入场的方法：

1)双层乃至多层介质，利用交换弹簧作用－交换耦合复合介质2)利用凑壁辅佐反转机制－磁各向异性梯度介质

3)局域加热-热辅助磁记录交换耦合复合介质的制备Si(2nm)/FeSiO(6.5nm)/PdSi(tnm)/[Co(0.26nm)/PdSiO(0.87nm)]/PdSiO(4nm)/Ru(4nm)/Cu(2nm)/Glass矫顽场可以大大缩小，且和两个磁层间的耦合强弱有关。耦合的强弱可以由插入的非磁性层的厚度来调制。热辅助磁记录原理磁性材料在加热到居里点附近轿顽力大大下降。对写入的比特进行局域加热，使写入场下降激光加热FePt薄膜居里点高，需加热到600ºC，需要降低其加热的温度。FeRh/FePt双层膜FeRh具有特殊的性能

常温下为反铁磁性，随温度升高，会经历反铁磁-铁磁相变。铁磁相的FeRh合金为软铁磁体。FeRh/FePt双层膜

当温度加到150ºC以上，FeRh成为软铁磁体，容易反转，通过交换耦合作用，带动FePt层的反转，大大降低FePt的反转场。FeRh/FePt双层膜的制备FePt需要在有（001）取向

基片选取：MgOFeRh为BCC结构，其晶格常数与FePt的a相近，因此，FeRh也可以在MgO基片上外延生长，而FePt容易在FeRh上外延生长。选取适当的种子层以减小晶格失配

种子层的选取可以参照FePt单层膜的制备中。位元规则介质特点：通过光刻将连续膜变成分离的点阵。一个点一个比特。材料本身与普通的材料无异。然每个点需由大磁性颗粒组成，最好是单晶。热稳定性由大的磁性颗粒或柱子本身决定。由于体积大，所以可以达到很高的热稳定性。存储密度受刻蚀技术的分辨率制约。利用位元规则介质可以存储的面密度大大提高。与普通垂直记录介质相比在相同密度下，可写性大大改善。磁各向异性梯度介质沿膜厚方向，磁各向异性能呈梯度变化。在保持热稳定性的同时，可以大大降低写入需要的磁场。最佳的各向异性分布为抛物线分布：

目前还只是概念，实际的实现很困难，主要是因为磁各向异性能很难严格控制。最硬端最软端磁各向异性逐步增强特点：反转为畴壁移动辅助反转。写入的基本过程：畴壁在软磁端形成、畴壁在晶粒中运动和畴壁从硬磁端溢出。要求：介质厚度不能太小，需大于畴壁的宽度。写头的基本结构写头包括激磁线圈和铁芯铁心材料的要求：对激磁次线圈产生的磁通有大的放大作用，因而需有高的饱和磁化强度和搞的磁导率。

比较：激磁线圈产生的磁通一般在200Oe左右。而写头端的磁通可以达到2.4T.写头铁心材料FeCoAlO饱和磁化强度接近2.4T

Fe65Co35

饱和磁化强度达2.4TFe/Co多层膜

Fe层为0.1-4nm,Co层为0.1-2nm.总厚度100nm。

可以比Fe65Co35高５%.读头的基本结构磁阻传感器绝缘层屏蔽层ＮＳ核心为磁阻传感器，可以灵敏的感受微弱的磁场变化。永磁体用来确定自由层的激化方向。屏蔽层用来屏蔽来自相邻比特的杂散场，提高磁头的灵敏度。永磁体软磁屏蔽层，需用高磁导率的软磁材料，目前所用的为坡镆合金Ni80Fe20，制备方法为电镀。用非晶软磁合金用作软磁屏蔽也在考虑中。读写头的结构Permalloyshields~2mmCu线圈读头传感器写头RF磁场Airbearingsurface2mm在实际的中,写头和读头被集成在一起。写头的产生的磁场被屏蔽层限制在写入的比特范围内，从而避免误写相邻的比特。自旋电子学及相关磁性器件巨磁阻效应(GMR)1986年,德国人P1Grunberg在Fe/Cr/Fe三明治结构中发现,当Cr层厚度合适时,两Fe层之间存在反铁磁耦合作用.根据这一结果,几十年来一直致力于研究薄膜中磁致电阻现象的法国巴黎大学的物理学家A.Fert设计了图1所示的(Fe/Cr)n

多层膜,成功地使磁电阻效应得到放大,使之成为巨磁电阻.随后,大量的工作表明,GMR效应广泛存在于过渡金属多层膜，自旋阀，以及颗粒膜。GMR(%)=(RAP-RP)/RPRAP:磁矩反平行时的电阻RP:磁矩平行时的电阻巨磁阻效应原理两种自旋状态的传导电子都在穿过磁矩取向与其自旋方向相同的一个磁层后,遇到另一个磁矩取向与其自旋方向相反的磁层,并在那里受到强烈的散射作用,也就是说,没有哪种自旋状态的电子可以穿越两个或两个以上的磁层．当相邻磁性层的磁矩平行排列时，在传导电子中,自旋方向与磁矩取向相同的那一半电子可以很容易地穿过许多磁层而只受到很弱的散射作用,而另一半自旋方向与磁矩取向相反的电子则在每一磁层都受到强烈的散射作用.二流体模型电子导电有并联的两个通道，当磁矩反平行的的时候，两个通道的电阻都很高，因而，系统处于高阻态。而当磁矩平行的时候，有一个低阻通道，因而，总电阻小，系统处于低阻态。不同类型的GMR效应多层膜GMR:

磁性层间的分磁性隔离层很薄。磁性层间存在RKKY(Ruderman-Kittel-Kasuya-Yosida)耦合。特点：ＧＭＲ值大，一般有几十％，但饱和场也大。自旋阀GMR:非磁性层约为３纳米,磁性层间无RKKY耦合。ＧＭＲ值一般小于１０％，饱和场小。颗粒膜GMR磁性颗粒在非磁性的基体中，通过颗粒间的耦合作用达到反平行状态。如CoCu颗粒膜实现平行与反平行的方法耦合

RKKY耦合交换偏置

利用铁磁与反铁磁交换耦合作用不同的矫顽力

两磁性层的矫顽力不同，当较软的磁性层在磁场中反转，较硬的磁性层并没有反转。JThickness(D)交换偏置自旋阀被钉扎层的回线由于交换偏置作用而发生偏移，自由层与被钉扎层无耦合作用，从而使得平行与反平行状态得以实现。特点：具有极高的灵敏度，灵敏度由自由层的磁特性决定。自由层非磁性隔离层被钉扎层反铁磁钉扎层CIP和CPP巨磁电阻CIP－电流平行于膜面CPP－电流垂直于膜面CPP预测有更高的GMR,然而，电阻过小，实现起来比较困难，需要更多更复杂的工艺。CPP有可能被用于下一代读头中。巨磁阻器件的应用巨磁阻器件的功能

存储：高阻和低阻两个状态可以对应数字记录中的“0”和“1”---MRAM

响应微弱磁场-各种巨磁阻传感器巨磁阻传感器的特点：可以很灵敏的探测微弱的磁场变化。

应用1）磁记录的读头2）各种传感器

转速，位角，生物医学举例：巨磁阻生物阵列巨磁阻传感器的制备要求传感器的设计

不同类型的巨磁阻传感器，不同的应用领域，侧重点不同。一般所关系的参数：灵敏度、饱和场、信噪比、稳定性。如：多层膜的制备，对膜厚特别是非磁性层的膜后又较严格的要求。交换偏置自旋阀传感器：非磁性层厚度不能太小，也不可太大；两磁性层间磁矩需要相互垂直以得到良好的线性关系；自由层需要用足够软的磁性材料以提高灵敏度同时材料的导电性能要好；磁性层的磁畴结构-单畴；交换偏置效应要强…对于应用于高频的传感器要求磁性材料的磁化强度高，各向异性能大。

隧道磁电阻效应隧道效应-1.5-1-0.500.511.5-2-1.5-1-0.500.511.522.53Energy,WaveFunctionxTunnelingThroughSimpleBarrierEnergyVB根据量子力学理论，电子具有波动性，当遇到势垒，波呈衰减趋势，当势垒宽度不大的时候，穿过势垒后，波幅并不为零，也就是说，有部分电子可以穿过势垒，从而形成一定的电流。隧道磁电阻器件隧道磁电阻效应与自旋阀磁电阻有相似之处，磁滞回线的及磁电阻回线的有相似的形状形状和特点。然而一般来说然隧道磁电阻效应的电阻变化率比自旋阀大很多。对于中间的绝缘层，一般用开始用Al2O3现在普遍采用MgO.。用MgO为绝缘层的隧道结MgO层要求(001)织构，可以通过才有非晶态的CoFeB合金膜为磁性层达到，这样的隧道结有巨大的磁电阻效应，电阻变化率室温下可达几百％自旋阀磁阻与隧道磁阻相似处：

都有自旋激化，在费米面以下，两种自旋态的态密度不同。如果没有自旋激化，则两种磁电阻效应都不会发生。应用的方面基本相同。不同处：起源不同：自旋阀起源于界面处的自旋相关散射，而隧道磁电阻则由于量子隧道效应导致。磁阻式随即存取存储器(MRAM)每个存储单元都是一个隧道磁电阻器件，写入时，有两个电流，任何一个电流产生的磁场都不足以写入信号，只有当二者相交的那个点才有足够大的磁场将信号写入。此为MRAM的定位与写入机制。新的写入机制新的写入过程：Toggle写入采用旋转的电流来改变自由层的磁化方向只需要一个电流热辅助写入加热要写入的单元，从而使其对磁场响应更灵敏－减小写入场。自旋矩

转移用自旋激化的电流来使自由层反转。能够得到更高的存储密度和更快的写入速度。薄膜器件的制备方法

刻蚀的工艺流程沉积薄膜涂光刻胶暴光刻蚀去胶

等离子体辅助加工过程工艺等离子刻蚀补充惰性气体吸收与表面物质反应表面物质的扩散Subsequentsurfacereactionsdesorption去掉的物质电场ionsCathodeRFPower消耗13.56MHzStraightSidewalls光刻胶又名光致抗蚀剂是一种光敏感材料，在曝光前后对特定的溶剂(光刻胶冲洗液）具有不同的溶解性。分为正光刻胶与负光刻胶。负光刻胶:曝光前，可溶于冲洗液，曝光后不溶于冲洗液。用负光刻胶可以把掩模版上的图案互补地印下来。正光刻胶: 曝光前，不溶于冲洗液；曝光后，溶于冲洗液。用正光刻胶可以把模版上的图案直接印下来。光刻胶NegativeLithographyIslandsiliconsubstrateoxidephotoresistWindow曝光过的区域聚合化对冲洗液有抵抗作用光刻胶冲洗后得到的形状photoresistoxidesiliconsubstrateUltravioletLight曝光的区域被遮挡的区域掩模版负光刻siliconsubstrateoxidephotoresistPositiveLithographyIslandWindow曝光过的区域变得可溶冲洗后得到的图案未曝光区曝光区掩模版photoresistsiliconsubstrateoxideUltravioletLight正光刻同样的模版产生不同的图案掩模版上图形传递到光刻胶上，然后通过刻蚀，传递到薄膜上。涂光刻胶工艺基片被真空吸附在底座上，在基片上滴入约5ml光刻胶让底座亦较低的速度旋转~500rpm逐步加快转速至3000-5000rpm对涂光刻胶工艺进行分析优化考虑的主要参数有:所需时间转速厚度均匀性颗粒和缺陷vacuumchuckspindletovacuumpumpphotoresistdispenser光刻胶的厚度Ｔ取决于:转速溶液的浓度分子的重量(由内粘滞系数来衡量)在公式中,K常数,、C是聚合物的浓度是克每100毫升溶液、h代表内粘滞系数,、w为每分钟转的圈数(rpm)当指数因数a、b和g确定后，该公式可以用来预测不同浓度、不同分子重量的溶液可形成膜厚。

2. PhotoresistApplication 软烘烤在涂完光刻胶后，须将基片放到一百度左右的温度下作短时间烘烤。烘烤时间为１～几分钟。低温烘烤，部分蒸发光刻胶溶剂提高附着力改善均匀性提高对刻蚀的抵御能力改善线宽的控制优化光刻胶对光的吸收特性。效准与曝光将掩膜上的图案的像传递到涂有光刻胶的底片上曝光将激活光刻胶里面的光敏成分.质量分析主要考虑:线宽分辨率图形的准确度缺陷UVLightSourceMaskResistl 源的种类刻蚀的源有很多种，不同的源波长不同从而分辨率不同。根据源的类型，刻蚀分为：光刻、电子束刻蚀、Ｘ射线刻蚀、离子刻蚀可见光光源为高压汞灯，产生以上所示的可见光谱。可见光的吸收不应太强。曝光时，光刻胶需透明。几种不同的印刷方式接触准直接触式邻近式投影式接触式：掩模版与所涂得光刻胶层接触压紧，可以得到最平整的图形和最好的分辨率，但容易损坏掩模版。比邻式：掩模版与光刻胶层很接近但并不接触，掩模版的寿命增长，但牺牲了分辨率。投影式：在投影式印刷中,用镜头和反光镜使得像聚焦到硅平面上,其硅片和掩模版分得很开.已经开发了不少投影印刷技术不同印刷方式的比较冲洗可溶性的光刻胶被冲洗液溶解可见的图形显现在基片上窗岛图形质量检测:线分辨率均匀性检查表面是否有颗粒和缺陷tovacuumpumpvacuumchuckspindledeveloperdispenser 硬烘烤挥发剩余的光刻胶进一步提高附着力相对软烘烤，硬烘需用较高的温度7. DevelopmentInspectionOpticalorSEMmetrologyQualityissues:particlesdefectscriticaldimensionslinewidthresolutionoverlayaccuracy 等离子体刻蚀与加附加层通过由光刻胶组成的图案对所加工的表面进行选择性的去主要有两类方法:湿的酸性刻蚀干的等离子刻蚀质量评估:粒子与缺陷台阶的高度选择性的强弱最小能到达尺寸加入另一种材料(additive)主要的方法:溅射蒸发PlasmaCF