行政院國家科學委員會專題研究計畫 成果報告
CoTbAg 薄膜之研製及其應用於單層近場光學寫入磁通量讀
取之記錄媒體的可行性探討
計畫類別： 個別型計畫 計畫編號： NSC93-2216-E-002-023- 執行期間： 93 年 08 月 01 日至 94 年 07 月 31 日 執行單位： 國立臺灣大學材料科學與工程學系暨研究所 計畫主持人： 郭博成 報告類型： 精簡報告 報告附件： 出席國際會議研究心得報告及發表論文 處理方式： 本計畫可公開查詢中 華 民 國 94 年 8 月 17 日
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CoTbAg 薄膜之研製及其應用於單層近場光學寫入磁通量讀
取之記錄媒體的可行性探討
計畫編號 ： NSC 93-2216-E-002 -023 執行期限 ： 93/8/1 - 94/7/31 主持人 ： 郭博成 台灣大學材料研究所 教授 計畫參與人員：陳勝吉 孫安正 馬世憲 沈智隆 台灣大學材料研究所 一.中文摘要 此研究係研製單層 CoTbAg 薄膜以應 用於近場光學寫入與磁通量讀取的記錄媒 體。採用直流磁控濺鍍，在玻璃基板及表 面 自 然 氧 化 之 Si 基 板 上 鍍 製 Co68.48-XTb30.52AgX合金薄膜，其中 X= 0~25 at.%；並以射頻磁控濺鍍在薄膜上下各濺鍍 一層 SiNx 保護層，避免其氧化。探討非磁 性元素 Ag 之含量對 Co68.48-XTb30.52AgX薄 膜之微結構及磁性質的影響。X-ray 繞射及 TEM 電子繞射結果顯示所有的薄膜均為非 晶質。其中 Co67.23Tb30.52Ag2.25薄膜在室溫 的 Ms 值約為 310 emu/cm3 , Hc⊥值為 3100 Oe，當溫度由室溫上升至 200 °C 時，其 Ms 及 Hc⊥值急速下降。此薄膜之補償溫度 Tcomp約為 225 °C，具有應用於近場光學寫 入與磁通量讀取的記錄媒體之潛力。 關鍵詞：磁控濺鍍、CoTbAg 薄膜、非晶 質薄膜、磁性質 AbstractThis work fabricates a single-layer CoTbAg film for near-field optical write and magnetic flux detection recording medium application. Co68.48-XTb30.52AgX films with X=
0~25 at.% are deposited on glass and naturally oxidized silicon wafer substrate by dc magnetron sputtering. The magnetic film is sandwiched between SiNx protective layers to prevent oxidization. The effects of
non-magnetic element Ag content on the magnetic properties and microstructure of the film are investigated. X-ray diffraction and transmission electron microscope diffraction patterns revealed that all the films are amorphous. The saturation magnetization of the Co67.23Tb30.52Ag2.25 film is about 310
emu/cm3; perpendicular remanence is about 255 emu/cm3, and the perpendicular coercivity is about 3100 Oe at room temperature. The saturation magnetization and perpendicular coercivity decrease rapidly as temperature increases from room temperature to 200 °C. The compensation temperature Tcomp of this
film is about 225 °C. This film is a promising candidate for near-field optical write and magnetic flux detection recording media applications.
Keyword：magnetron sputtering, CoTbAg film、 amorphous thin films, magnetic properties 二、計畫緣由與目的 最近有一種結合熱磁寫入和磁通量讀取 的新型記錄方式被提出來，以提升磁碟片的記 錄密度，稱為”混合記錄” (hybrid recording) [1-3]。這種方法是以類似磁光記錄的熱磁記錄 方 式 ， 將 資 料 儲 存 在 非 晶 質 薄 膜 的 垂 直 domains，然後用很敏感的 GMR 或 TMR 磁頭 來讀取其 flux。在”混合記錄”，如果要進一步 提 升 磁 碟 片 的 記 錄 密 度 ， 必 須 將 recording domain 的尺寸縮小，而”近場光學”的方法則 可用來縮小雷射光點，因此，若將”近場光學”
2 和”混合記錄”結合起來成為” 近場光學寫入與 磁通量讀取”，將可進一步大幅提升磁碟片的 記錄密度。本研究將尋找一種可應用於這種” 近場光學寫入與磁通量讀取”的單層記錄薄 膜，以取代目前應用於”混合記錄” 的雙層薄 膜。因為雙層薄膜經過不斷的熱磁寫入後，須 考慮到二層薄膜之間的 interdiffusion 及熱穩 定性，而單層薄膜則無這方面的問題。 三、實驗方法 本實驗採用直流磁控濺鍍方式，在純 Co 靶上貼上 5 x 5 mm 大小的高純度 Tb 片及 Ag 片 形 成 複 合 靶 ， 於 常 溫 下 鍍 製 Co68.48-XTb30.52AgX薄膜( X = 0 ~25 at.% )在玻 璃基板及表面自然氧化的(100)指向矽晶圓基 板上，其膜厚為 75 nm。實驗中背景真空控制 在 5 × 10-7 Torr 以下的高真空，濺鍍氣體為高 純度氬氣(99.999%)，濺鍍時氬氣流量為 80 cc/min，其分壓固定在 8 × 10-3 Torr。另外， 為避免 CoTbAg 薄膜氧化，採用 Si3N4靶，以 射頻磁控濺鍍方式在 CoTbAg 薄膜上下各鍍 製 30 nm 厚度的 SiNx 保護層。 薄膜厚度是以原子力顯微鏡(AFM)及α -step 測量，薄膜的組成是以能量散佈光譜儀 (SEM/EDX)和感應偶合電漿質譜儀(ICP-MS) 來分析，磁性質則以試片振動測磁儀(VSM)量 測，外加磁場是垂直膜面的方向，其最大外加 磁場為 13 kOe。 四、結果與討論 1. Ag 含量對垂直膜面磁性質的影響 圖一為 Co68.48-XTb30.52AgX薄膜( x = 0 ~ 25 at.% ) 之飽和磁化量 Ms 及殘留磁化量 Mr⊥ 和 Ag 含 量 的 關 係 。 由 圖 可 看 出 ， 純 的 Co69.48Tb30.52 薄膜之 Ms 及 Mr⊥分別為 120 emu/cm3 及 115 emu/cm3。在 Ag 含量小於 2.25 at.% 時，Ms 及 Mr⊥是隨著 Ag 含量的增 加而增加，當 Ag 含量為 2.25 at.% 時，Ms 及 Mr⊥值 分 別 增 加 至 310 emu/cm3 及 255 emu/cm3。當 Ag 含量大於 2.25at.%時，Ms 及 Mr⊥ 則隨 Ag 含量的增加而下降。當 Ag 含量增 加至 25at.%時，薄膜之 Ms 及 Mr⊥ 值則分別下 降至 90 emu/cm3及 75 emu/cm3，如圖一所示。 圖一、Co68.48-XTb30.52AgX薄膜之 Ms 及 Mr⊥ 和 Ag 含量的關係。 過去有關 Co/Pd[7,8]與 Fe/Ag[9]等磁性/ 非磁性多層膜的研究結果顯示，這些多層薄膜 之 Ms 值的增加主要是因為薄膜中，磁性原子 與非磁性原子產生 ferromagnetic 極化效應，導 致薄膜之淨磁矩上升。推論本實驗中加入少量 Ag 之 CoTbAg 薄膜，其 Ms 值會高於純 CoTb 薄膜是因為 CoTb 原子和相鄰的 Ag 原子產生 了 ferromagnetic 極化效應，而其極化方向為 CoTb 淨磁矩的方向，因此導致薄膜之淨磁矩 變大。故當薄膜之 Ag 含量小於 2.25 at.﹪時， Ms 值會隨著 Ag 含量的增加而迅速上升，如 圖一所示。另一方面，此極化效應對薄膜 Ms 值的影響並非隨 Ag 含量的增加成直線的上 升，當 Ag 含量較多時( x >2.25 at.%)，薄膜的 0 5 10 15 20 25 30 0 50 100 150 200 250 300 350 400 x (at.%) M ag n et iz ation ( em u/cm 3 ) Ms Mr
3 Ms 值則隨 Ag 含量的增加而急速下降。這是 因 為 距 離 CoTb 較 遠 的 Ag 原 子 產 生 了 antiferromagnetic polarization[10,11]效應的關 係。 圖二為 Co68.48-XTb30.52AgX薄膜( x = 0 ~ 25 at.% )之 Hc⊥和 Ag 含量的關係。由圖可看出， Hc⊥和 Ag 含量的關係與 Ms 及 Mr⊥和 Ag 含量 的關係相似。純的 Co69.48Tb30.52薄膜之 Hc⊥為 2500 Oe，當 Ag 含量小於 10 at.%時，Hc⊥是隨 著 Ag 含量的增加而增加，當 Ag 含量為 10 at.% 時，Hc⊥增加到 7200 Oe。當 Ag 含量繼續增加 時，Hc⊥則隨 Ag 含量的增加而下降。在 Ag 含 量為 25 at.%時，Hc⊥則下降到約 1500 Oe。 圖二、Co68.48-XTb30.52AgX薄膜之 Hc⊥ 和 Ag 含 量的關係。 Hc 值的增加是因為磁性材料中 domain wall 會被 inclusions 吸附，以降低系統的能量， 使得 domain wall 的移動受到阻止，所以薄膜 的 Hc 值會增加[12,13]。我們推論 CoTbAg 薄 膜中，Ag 原子會形成 cluster，它對 domain wall 有 pinning 的效果，使得 domain wall 不易移 動。隨著 Ag 含量的增加，此一 pinning 效應 更為明顯，薄膜的 Hc⊥值亦隨之增加。而由圖 二可看出， Hc⊥值並非無限制的上升，當 Ag 含量大於 10 at.%時，Hc⊥值將隨 Ag 含量的增 加而下降。這是因為 inclusion 厚度與 domain wall 厚度之間大小的關係會影響到 domain wall pinning 的緣故，在 inclusion 厚度約等於 domain wall 厚度時，pinning 效果達到最大 [13]。因此，在 Ag 含量大於 10 at.%時，Ag 原子形成的 cluster 厚度可能已經超過 domain wall 厚度，故 Hc⊥值將隨 Ag 含量的增加而下 降，如圖二所示。 圖三為室溫下 Co67.23Tb30.52Ag2.25 薄膜之 垂 直 膜 面 磁 滯 曲 線 。 由 圖 可 看 出 Co67.23Tb30.52Ag2.25 薄 膜 之 室 溫 磁 性 質 為 ： Ms=310 emu/cm3、 Hc⊥=3100 Oe 、 Mr⊥=255 emu/cm3，S⊥=0.82。由於此單層合金薄膜之室 溫磁性質符合混合記錄媒體之要求，因此以下 將進一步分析此薄膜的熱磁性質。 圖三、室溫下 Co67.23Tb30.52Ag2.25薄膜之垂直膜 面磁滯曲線。 圖四為 Co67.23Tb30.52Ag2.25 薄膜之 Ms 及 0 5 10 15 20 25 30 0 1000 2000 3000 4000 5000 6000 7000 8000 Coer ci vi ty ( O e ) x (at.%) -10000 -5000 0 5000 10000 -400 -300 -200 -100 0 100 200 300 400 M ( emu/cm3 ) H(Oe)
4 Hc⊥和溫度的關係。從圖中可看出，室溫時薄 膜的 Ms 為 310 emu/cm3，其 Ms 值則隨著溫度 的增加而急速下降，當溫度升高至 225 ℃左 右時，Ms 值已下降至 25 emu/cm3；而當溫度 大於 225℃後，Ms 值又隨著溫度的增加而 圖四、Co67.23Tb30.52Ag2.25薄膜之 Ms 及 Hc⊥和 溫度的關係。 緩慢上升，因此，此薄膜的補償溫度約為 225 ℃。此薄膜的 Hc⊥值則由室溫的 3100 Oe，隨 著溫度的增加急速下降至 100℃的 260 Oe，然 後隨著溫度的增加又緩慢上升，在接近補償溫 度(225℃)時，Hc⊥值則急速上升，趨近於無限 大。當溫度大於 225 ℃後，Hc⊥值又急速下降， 在溫度 300℃時，薄膜的 Hc⊥值已下降至 100 Oe，如圖四所示。混合記錄媒體在寫入的過 程中，是使用雷射光將記錄媒體照射點升溫至 接近其 Tc 溫度附近，以降低其 Hc 值。再利 用具有高 Ms 值之寫入磁頭的磁場，來改變照 射點的磁矩方向，完成資料的寫入動作。當溫 度降回室溫時，薄膜之 Ms 值及 Hc⊥值又急速 上升，此時可利用 GMR 磁頭讀取記錄位元的 磁矩方向，完成資料讀取的動作。由圖三的 Co67.22Tb30.52Ag2.25 合金薄膜在室溫之磁性質 看來，它在室溫下具有高的 Ms 值可供 GMR 磁頭讀取訊號，也且有高的 Hc⊥值可穩定記錄 位元；配合圖四的熱磁分析結果，顯示此薄膜 具有應用於混合記錄媒體的潛力。 2. Ag 含量與 CoTbAg 薄膜之補償溫度的 關係 RE-TM 合金薄膜的居里溫度(Tc)及補償 溫度此 Tcomp)會隨薄膜的組成改變 [14]。圖五 為 Co69.48-XTb30.52AgX薄膜之補償溫度(Tcomp ) 和 Ag 含量的關係。由圖可看出，Tcomp是隨著 Ag 含量之增加，先上升後下降。其 Tcomp由純 Co69.48Tb30.52薄膜的 225℃，緩慢上升至 Ag 含 量為 5.26 at.% 時的 250℃。當 Ag 含量大於 5.26 at.%後，Tcomp則隨 Ag 含量的增加而逐漸 下降，當 Ag 含量為 19.09 at.% 時，薄膜的 Tcomp 已降至 188℃。這是由於 Co69.48-XTb30.52AgX薄 膜中 Ag 含量的增加，將使 Co 含量變少，導 致薄膜中 Co 和 Tb 原子比例產生改變，以致 薄膜 Tcomp的改變。 圖五、Co69.48-XTb30.52AgX薄膜之 Tcomp 和 Ag 含量的關係。 50 100 150 200 250 300 0 50 100 150 200 250 300 350 400 Hc (Oe) Ms (e m u /cm 3 ) Temperature ( C) Ms 0 1000 2000 3000 4000 5000 6000 0 Hc 0 5 10 15 20 0 50 100 150 200 250 300 Co (at.%) Tcom p ( o C ) Ag (at.%) 66 63 60 57 54 51
5 五、結論 以 上 我 們 探 討 了 Ag 含 量 對 Co69.48-XTb30.52AgX 薄膜垂直膜面磁性質的影 響以及單層 CoTbAg 合金薄膜應用於混合記 錄媒體的可行性。由實驗結果得知，CoTb 合 金薄膜中加入微量 Ag，可提高其 Ms 及 Mr⊥ 值，且 S⊥ 均大於 0.8。Ag 含量為 10 at.%時， 薄膜之 Hc⊥達到最大值(7200Oe) 。其中，單層 的 Co67.23Tb30.52Ag2.25 薄膜在室溫下具有高的 Ms 值(310 emu/cm3)及高的 Hc⊥值(3100 Oe)， 又由熱磁性質的分析結果顯示，其 Hc⊥值是隨 著溫度的增加而急速下降，該薄膜的補償溫度 約為 225 ℃，顯示此單層合金薄膜具有應用 於 混 合 記 錄 媒 體 之 潛 力 。 此 外 ， Co69.48-XTb30.52AgX合金薄膜之 Tcomp是隨著 Ag 含量的增加，先上升後下降。 六、參考文獻
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