磁记录与磁记录相关的材料课件.ppt

1、$3,200，相当于$160,000的销售价格。2019年,Toshiba 生产的0.85英寸的硬盘,能储存4G。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磁头臂组合磁头臂组合磁头臂磁头臂读写头读写头主轴主轴拼盘拼盘磁道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。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，

2、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。介质材料CoPtCrB两层结构，通过交换耦合来提高稳定性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。写头为单极头垂直磁记录比平行磁记录有更高的记录面密度上限。平行：100-200GB/in2垂直：理论预测：10TB/in2记录方法的优越性:1)由于退极化场小，垂直记录可以用更大的介质厚度.2)单极写头通过软铁磁底层的产生两倍于平行磁记录磁头产生磁场，因而可以用更高磁各向性的材料为介质。3)软铁磁底层使垂直记录介质中的信号强度高于同等的平行记录介质，因而垂直记录介质读取的信噪比相对较高。4)垂直记录介质的磁轨边界更

3、清晰，噪声更小。锐的磁轨边界可以得到更高的磁轨密度以及更小的比特尺寸，从而有利于进一步提高储存面密度。Pt atom Fe atom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/ccFePtPtCrMgOPt5nm50nm5nm3nm(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FCC700

4、C下制备的为FCT有序相随基片温度的升高(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。垂直记录优于平行磁记录的一个要素之一是它采用了软铁磁底层。然而，要软铁磁底层充分发挥其作用，需要解决噪声问题。软铁磁底层产生的噪声是因为在写入数据的过程中，随着写头的移动，其在软铁磁底层中的镜像也会移动，从而软铁磁底层的磁化强度发生改变，磁化强度的改变一般带来畴壁运动。畴壁运动会产生Barkhausen噪声。解决的方法：消除磁畴，使软铁磁底层

5、单畴化。glass substrateFeCoCuIrMnIrMnFeCorepeat 4 timesradial anisotropy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。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。Softhard由软磁层和硬磁层耦合而成，硬磁层有高的各向异性能，能够保持介质的热稳定性软磁层容易反转，通过耦合作用可以带动硬磁层的反转，从而大大减小所需的磁场Si(2 nm)/FeSiO(6.5 nm)/PdSi(t nm)/Co(0.26 nm)/PdSiO(0.87 nm)/

6、PdSiO(4 nm)/Ru(4 nm)/Cu(2 nm)/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。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。最硬端最软端磁各向异性逐步增强）为最软端的各向异性能020(KzKK特点：反转为畴壁移动辅助反转。写入的基本过程

7、：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。磁阻传感器绝缘层屏蔽层核心为磁阻传感器，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。Permalloy shields2m mmCu 线圈读头传感器写头RF 磁场磁场Air bearing surface2 m mm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

8、内，从而避免误写相邻的比特。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.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。JThicknes

9、s(D)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 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。隧道效应-1.5-1-0.500.511.5-2-1.5-1-0.500.511.522.53Energy,Wave FunctionxTunneling Through Simple BarrierEnergyVBikxikxereikxt

10、exe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

11、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。刻蚀的工艺流程沉积薄膜涂光刻胶暴光暴光刻蚀刻蚀去胶去胶 等离子体辅助加工过程工艺等离子体辅助加工过程工艺等离子刻蚀等离子刻蚀补充补充惰性惰性气体气体吸收与表面物质反应表面物质的扩散Subsequent surface reactionsdesorption去掉的物质去掉的物质电场电场ionsCathodeRFPower消耗消耗13.56 MHzStraight Sidewalls光刻胶Islandsilicon substrateoxidephotoresistWindow曝光过

12、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photoresistoxidesilicon substrateUltraviolet Light曝光的区域被遮挡的区域掩模版负光刻silicon substrateoxidephotoresistIslandWindow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photoresistsilicon substrateoxideUltraviolet Light正光刻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。vacuum chuckspindleto vacuum pumpphotoresist dispense

13、r2.Photoresist ApplicationUV Light SourceMaskl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、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。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to vacuum pumpvacuum chuckspindledeveloperdispenser硬烘烤w 挥发剩余的光刻胶w 进一步提高附着力w 相对软烘烤，硬烘需用较高的温度PlasmaCF4O2Plasma