Recently, Ultrahigh density recording media demands high coercivity, high crystal anisotropy, small grain size and low media noise. To meet demands, FePt magnetic film has been intensively studied due to its potential as ultrahigh density recording media. $L1_0$ ordered FePt film with face-centered tetragonal(fct) structure exhibits large magnetocrystalline anisotropy energy with Ku larger than about $10^7 erg/cm^3$. The extremely high magnetic anisotropy energy allows for thermally stable grain size down to around 2.5nm. FePt film deposited at RT exhibits disordered fcc structure. To achieve a high coercivity, a high temperature process is generally required because of the requirements of ordering transformation. However, the high temperature treatment leads to large grains and is incompatible with the manufacturing process of media. So, two issues known to lower the ordering temperature and obtain the out-of-plane (0 0 1) preferred orientation of FePt film in perpendicular anisotropy represent the most important challenges in fabricating magnetic FePt film for recording media application. In this work, we found that the application of CrTi underlayer can be a potential solution not only of lowering the process ordering temperature but also of getting a perpendicular anisotropy.
Introduction of CrTi underlayer on Si(001) substrate to FePt film led to a great reduction of its ordering temperature to 250℃. A coercivity Hc as high as 6000Oe was achieved on sputter-depositing the FePt film(50nm) on CrTi underlayer at the Si substrate temperature of 250℃. The coercivity was further increased to 7500Oe at substrate temperature of 400℃. This was to be compared with the coercivity of 3424.0Oe, which was obtained on sputter-deposits the film directly on bare Si substrate. Lowering the ordering temperature led to a small grain size and narrow grain size distribution. Addtion of Ti to Cr was found to expand the Cr lattice. The coercivity first increased with the increasing lattice parameter of Cr and decreased with the lattice parameter above a critical value. So, CrTi underlayer increases ordering kinetics due to the misfit between CrTi underlayer and FePt film. The misfit between (111) FePt film and（110）CrTi underlayer can induce the misfit strain and this strain can accelerate the strain-induced fct ordering transformation. Various process parameters affected the properties of FePt film on CrTi underlayer. Some of important parameters were substrate temperature, CrTi underlayer thickness, FePt film thickness, Ti concentration of CrTi underlayer, and the state of Si substrate.
The coercivity of FePt film on CrTi underlayer on the Si(001) substrate was increased by the application of negative bias to the CrTi underlayer and also by the application of FeTi seedlayer. In case of bias application, the coercivity of FePt film was increased by 11% and in case of FeTi seedlayer application, the coercivity of FePt film was increased by 12%.
The enhanced perpendicular anisotropy was obtained at the two process conditions. The one is that CrTi underlayer was deposited at substrate temperature of 400℃ at comparatively high pressure of Ar 10mTorr. but the perpendicular coercivity anisotropy ratio ( out-of-plane/in-plane coercivity ) in this case was low about 1.5. The other is that very thin CrTi underlayer was comparatively high substrate temperature of 500℃. A large perpendicular coercivity anisotropy ratio of 5.5 was obtained in this process condition but there still appeared a significant amount of (111) texture.
The effect of Pt underlayer on the perpendicular anisotropy of FePt film was investigated by using Kinetic Monte Carlo simulation technique. Introducing Pt underlayer greatly enhances z axis long range order parameter and decreases x, y axis long range order parameter. This result allowed a strong possibility of Pt underlayer to enhance the perpendicular anisotropy of FePt film, which has to be confirmed by experiments.
최근 초고밀도 기록매체는 큰 보자력과 결정자기 이방성, 작은 결정립 그리고 작은 매체 노이지를 필요로 한다. FePt 자성박막은 초고밀도 기록매체의 대안으로써 집중적으로 연구되고 있다. $L1_0$ 규칙화된 FePt 자성박막은 fct 구조를 가지며, 높은 결정자기이방성 에너지를 가지는 성질을 나타낸다. 매우 높은 결정자기이방성 에너지는 열정으로 안정된 결정립의 크기가 2.5nm까지 가능하게 한다. 상온에서 증착된 FePt 자성박막은 불규칙 fcc 구조를 나타낸다. 그러므로 큰 보자력은 얻기 위해서는 규칙화된 상변화를 얻어야하며, 이는 고온 열처리를 통해서 가능하게 된다. 하지만 고온 열처리는 결정립 크기의 증가와 미디어 매체 제작 공정에 부적합하다. 그러므로 규칙화의 온도를 낮추고, 수직이방성을 얻는 것이 미디어 재료로서의 FePt 자성박막의 제조에서 가장 큰 이슈가 되고 있다. 이 연구에서 CrTi 하지막이 규칙화 공정 온도를 낮추고, 수직이방성을 얻을 수 있는 대안으로 사용될 수 있는 것을 발견하였다. Si(001) 기판 위에 CrTi 하지막을 도입함으로써 규칙화 온도를 250℃까지 낮출 수 있었다. 250℃의 저온에서 약 6000Oe에 달하는 보자력은 얻을 수 있었다. 이 구조에서의 보자력은 온도가 증가함에 따라 400℃에서 7500Oe까지 증가하였다. 이러한 높은 보자력은 CrTi 하지막인 없이 증착된 경우의 보자력 3424.0Oe와 비교하였을 때, 매우 높은 값임을 알 수 있다. 규칙화 온도를 낮추는 것은 작은 결정립 크기와 좁은 결정립의 분포의 특성을 가져왔다. Cr에 Ti을 첨가하는 것은 Cr의 격자를 팽창시킨다. 보자력은 처음에는 격자상수가 증가함에 따라 증가하다가 격자상수가 특정값 이상으로 증가하면, 보자력은 감소하게 된다. 그러므로 CrTi 하지막이 규칙화 속도를 증가시키는 것은 CrTi 하지막과 FePt 자성층 사이의 misfit에 의한 것이라 판단된다. (110) CrTi 하지막과 (111) FePt 자성층의 misfit은 strain을 유발하고 이 strain이 strain-induced fct ordering transformation을 가속시키는 것이라 판단된다. CrTi 하지막 위에 증착된 FePt 자성층의 성질에 여러 가지 공정변수가 영향을 미친다. 그 중, CrTi 하지막 증착 시에 가한 바이어스는 보자력은 11% 증가시켰으며, FeTi 씨앗층을 사용한 경우는 12% 보자력의 증가를 얻을 수 있었다. 수직 배향성을 향상시키는 것은 두 가지 공정조건에서 얻을 수 있었다. 첫째는 기판온도 400℃에서 비교적 Ar을 고압조건 10mTorr에서 CrTi 하지막을 증착하는 것이다. 그러나 수직배향성을 크게 얻을 수는 없었다. 둘째는 기판온도 500℃에서 CrTi 하지막을 매우 얇게 증착하는 방식이다. 이때는 수직배향성이 5.5배로 큰 값을 얻을 수 있었지만, (111) texture가 아직 강하게 남아있었다. FePt 자성층에 대한 수직배향성 향상에 대한 Pt 하지막의 영향을 kinetic Monte Carlo 방식으로 전산묘사를 하였다. Pt 하지층을 도입함으로써, 시간의 흐름에 따라 수직방향의 long range order parameter가 강하게 증가하는 것으로 나타났고, 수평방향의 x, y 방향의 long range order parameter는 낮게 나타났다. 이러한 결과는 Pt 하지막이 FePt 자성층의 수직배향성을 향상시키는 대안이 될 수 있다는 것을 나타내며, 이는 실험으로 확인되어야 한다.
