Perpendicular magnetic recording has a potential to achieve recording densities well beyond 1 $Tb/in^2$ areal density. For ultra high density perpendicular recording, the media requires high coercivity, smaller and uniform grain size, thermally stable and exchange de-coupled grains, and highly c-axis textured growth perpendicular to the film plane. The crystallographic orientation and microstructure of a recording layer is inherited from the underlayer and these can play a significant role in controlling the magnetic and recording characteristics of perpendicular thin film media.
For $CoCrPt-SiO_2$ perpendicular media, Ru is commonly used as an underlayer to promote a good c-axis alignment. However, since there is around 4.5% lattice parameter mismatch in lattice parameter \"a\" between Ru underlayer and CoCrPt recording layer, the mismatch strain can induce bad c-axis alignments of CoCrPt grains and lattice defects such as higher stacking faults density and interface dislocation. These can serve as the cause of deterioration of magnetic and recording properties.
In the present study, Co and Cr atoms, whose atomic sizes are smaller than that of Ru was introduced as an additive to the Ru underlayer to reduce the lattice mismatch. Pt whose atomic size is larger than Ru was also introduced as an antithesis. The recording layer with a double underlayer with structure of CoCrPt-$SiO_2(15nm)/Ru_{1-x}A_x(10nm)/Ru(10nm)/Ta(3nm)$ (A=Co, Cr, Pt, x=0~40at%) were deposited on oxidized Si wafer substrates at room temperature.
The lattice parameter "c" of RuA almost follows Vegard's law only small % of Co and Pt addition. However, the concentration exceeds a certain limit it did not follows the Vegard's law. For the farther analysis $Ru_{85}Pt_{15}$, Ru, $Ru_{92}Co_8$, $Ru_{59}Cr_{41}$ layers were used. When "a" parameters of CoCrPt grains and these underlayers are measured, lattice mismatch decreased a little from 4.51% of Ru to 4.49% for $Ru_{92}Co_8$ and 4.38% for $Ru_{59}Cr_{41}$ and increased to 5.79% with $Ru_{85}Pt_{15}$.
The global stresses of the films were measured by a laser scanning technique (LST). The stress difference between RuA/Ru/Ta and $CoCrPt-SiO_2/RuA/Ru/Ta$ films were assumed to the residual stress on $CoCrPt-SiO_2$ layer. In this case, residual stress linearly increased with increasing the misfit strain of \"a\" from 4.4 to 4.51% range but stress greatly relaxed with further increase of misfit strain. It is thought some kind of stress relaxation mechanism such as information of misfit dislocation may have operated.
The difference between $Δθ_{50}$ of RuA layer and CoCrPt layer were measured almost linearly with increasing misfit percentage between CoCrPt and RuA layer. However, finally magnetic properties of $CoCrPt-SiO_2$ layer could not explained by the above-mentioned misfit strain. The reason of this can be explained by difference of surface topology and physical separation of Ru and RuA layer. In the case of Ru, Ru layer showed well physically isolated grains but RuCo case showed narrow physical isolation and some grains are interconnected. The interconnection among grains were more pronounced in RuPt case. The connected underlayer grains introduces connected CoCrPt grains and this will reduce coercivity by domain wall motion during reversal. It was found that underlayer morphology is more important than the misfit when a double layer Ru was used.
Finally, the study of introducing the oxygen to Ru underlayer was conducted for more segregated grains and thicker grain boundary of Ru underlayer. In VSM results, inserting RuCo-O layer to Ru/Ru underlayer cause exchange slope to decrease rapidly with increasing oxygen amount. From XRD and TEM analyses, it is shown that the decrased exchange slope is due to increased grain boundary thickness, broader grain size distribution, and worse c-axis alignment of $CoCrPt-SiO_2$ media when oxygen concentration increases.
자기기록매체에서 수직기록방식은 수평기록방식이 갖는 물리적 한계를 뛰어넘어 $1Tb/in^2$ 의 높은 기록밀도를 실현시킬 수 있다. 초고기록밀도의 수직기록방식을 위한 자기기록매체는 높은 보자력, 크기가 작고 일정한 결정립, 우수한 열적 안정성, 결정립 간의 자기적 분리, 우수한 c-축 배향성 등으로부터 얻어진다. 기록층 아래의 하지층은 이러한 기록층의 결정 방향과 미세구조에 크게 영향을 주어 수직 박막 매체의 자기 및 기록 특성을 변화시키는 매우 중요한 역할을 담당하고 있다.
$CoCrPt-SiO_2$ 수직기록매체에서는 주로 HCP 구조인 Ru이 하지층으로 이용되고 있다. 그러나 Ru 하지층과 $CoCrPt-SiO_2$ 기록층 사이에는 약 4.5%의 "a" 격자상수 불일치를 보인다. 격자상수 불일치에 따른 변형률은 CoCrPt 결정립들의 c-축 배향성 및 stacking faults나 계면 전위와 같은 격자 결함 등으로 이어지기 때문에 미디어의 자기 및 기록 특성 감소의 원인으로 작용할 수 있다. 본 연구에서는 Ru보다 원자 크기가 작은 Co와 Cr 을 Ru 하지층에 첨가하여 하지층과 기록층 간의 격자 불일치를 줄이고자 하였다. 또한 원자 크기가 Ru보다 큰 Pt은 Co와 Cr의 비교군으로 선택하여 하지층에 첨가하였다. 실험에서 이용된 미디어는 이중 하지층의 $CoCrPt-SiO_2(15nm)/Ru_{1-x}A_x(10nm)/Ru(10nm)/Ta(3nm)$ (A=Co, Cr, Pt, x=0~40at%) 구조로 상온에서 산화된 Si 기판 위에 형성시켰다. RuA 하지층의 격자상수 “c”는 Co와 Pt의 경우에는 소량이 첨가되었을 때에는 Vegard 법칙을 매우 잘 따랐지만, 일정량 이상이 첨가되면 Vegard 법칙에서 벗어났다. 더 정밀한 분석을 위해 $Ru_{85}Pt_{15}$, Ru, $Ru_{92}Co_8$, $Ru_{59}Cr_{41}$ 층을 이용하였고, CoCrPt 결정립과 하지층들의 격자상수 “a"가 측정되었는데, 격자불일치는 Ru 하지층의 경우 4.51%에서 $Ru_{92}Co_8$ 4.49% $Ru_{59}Cr_{41}$ 4.38% 로 감소폭이 매우 작았으나, $Ru_{85}Pt_{15}$ 의 경우에는 5.79%로 증가하였다.
Laser scanning technique(LST) 를 이용하여 박막의 전체 응력이 측정되었다. RuA/ Ru/Ta 과 $CoCrPt-SiO_2/RuA/Ru/Ta$ 박막의 응력의 차이가 $CoCrPt-SiO_2$ 기록층에 인가된 잔류응력이라 가정하였는데, 이 경우 격자상수 “a"의 격자 변형률의 증가에 따라 잔류응력이 선형적으로 4.4%에서 4.51%로 증가하다가 격자 변형률이 크게 증가하자 급격히 완화되었다. 이것은 격자 불일치에 의한 전위와 같은 응력 완화기구들이 작용한 것으로 보여진다. RuA 하지층과 CoCrPt 기록층 사이의 $Δθ_{50}$ 차이는 격자 불일치의 정도가 커짐에 따라 거의 선형적으로 증가하는 경향을 보였다. 그러나 $CoCrPt-SiO_2$ 기록층의 최종 자기적 특성은 위에서 언급한 격자 변형률에 의해 설명되기는 어렵다. 이는 Ru과 RuA 하지층의 표면 형상의 차이와 물리적 분리에 의해 기록층이 크게 영향을 받기 때문이다. 즉, TEM image로부터 확인된 Ru 하지층의 결정립 미세구조는 물리적 분리가 매우 잘 되어 있는 반면, RuCo는 다소 분리가 잘 안되어 있고 몇몇 결정립들은 서로 연결된 것을 알 수 있었다. 특히 RuPt의 경우에 있어서는 결정립 간의 상호연결 형상이 더욱 잘 확인될 수 있었고 이러한 하지층의 연결된 결정립 미세구조는 기록층의 결정립 형상에 영향을 주어 자구벽 이동기구에 의한 자화반전이 일어나 낮은 보자력을 야기한다. 즉, 이중 Ru 하지층이 이용될 때에는 격자 불일치 보다는 하지층의 표면 형상이 더욱 중요하다는 것을 확인할 수 있었다.
마지막으로는 Ru 하지층에 산소를 첨가하여 Ru 하지층이 물리적으로 더 잘 분리되고 결정립계가 두꺼워질 수 있는지 확인하였다. VSM 결과에서, Ru/Ru 하지층에 RuCo-O 층이 삽입된 경우 산소함량 증가에 따라 exchange slope이 급격히 감소한 것을 알 수 있었다. XRD와 TEM 분석으로부터 exchange slope의 감소는 $CoCrPt-SiO_2$ 기록층의 결정립계 두께 증가, 보다 넓은 결정립 분포도, c-축 배향성의 감소가 원인임을 확인하였다.
