The perpendicular recording films of CoCrPt ternary grains isolated by various oxides are the most widely used recording layer. Small grain size is a very critical requirement for high density recording. Grain core size of $CoCrPt-SiO_2$ media could be reduced by grain refinement in the Ru(Cr) underlayer with oxygen reactive sputtering. As grain size decreases, thermal stability of the present $CoCrPt-SiO_2$ media becomes a more critical issue because the energy barrier to the spontaneous magnetization reversal depends on particle volume and anisotropy constant. It can be relieved by using higher $K_u$ materials than conventional $CoCrPt-SiO_2$. However, considering the write field of the present writing heads, there are not many choices in media material selection. In this study, stacked structure of different magnetic materials in $K_u$ was proposed in order to overcome this dilemma.
In the first part, exchange decoupling of $CoCrPt-SiO_2$ film is discussed. $Al_2O_3$ and MgO were examined as grain boundary segregation materials besides $SiO_2$. $SiO_2$ incorporated CoCrPt layers had higher coercivity and squareness than those of MgO and $Al_2O_3$ cases. This would be attributed to the well-isolated CoCrPt grains by $SiO_2$. The different behaviors are thought to be associated with different kinetics of diffusion for the different oxide elements rather than thermodynamic energy.
The effect of Ru layer morphology on the physical grain separation in recording layer is investigated in order to lessen the intergranular exchange coupling. A two-step Ru underlayer was employed for both good texture development and better grain isolation. Narrow c-axis dispersion is attributed to the bottom Ru layer deposited at low pressure, and physically isolated top Ru grains are induced by high pressure deposition. When CoCrPt layers are deposited on the top of the well isolated Ru grains, there is one to one grain relationship between Ru and CoCrPt grains, therefore CoCrPt grains are well isolated from the initial growth region. High coercivity and low exchange coupling properties can be easily obtained by two-step Ru underlayer structure.
In the second part, a grain size reduction mechanism of the $CoCrPt-SiO_2$ magnetic layer was developed. Grain core size of $CoCrPt-SiO_2$ media can be reduced by grain refinement in the 2nd Ru(Cr) layers with oxygen reactive sputtering. The mechanism of grain core refinement is associated with Cr and Ru oxide formation at valleys (grain boundaries) and thereby preventing lateral grain growth. Therefore, the grain core size reduction is caused by both wider oxide channel and increased number of grains per unit area. CoCrPt grain size begins to decrease at the $PO_2$ range of 1.2% ~ 2.8% for RuCr, where the c-axis alignment and crystallinity are degraded by RuCr grain core oxidation.
In the third part, methodologies for thermal stability improvement in PMR media were studied. $K_u$ of Ru/$CoCrPt-SiO_2$ film can be increased by postannealing. Through annealing, Cr diffuses out of the core grains to form Cr oxides. However, annealing beyond 180˚C causes direct contacts among some Co grains and grain growth, resulting in highly exchange coupled CoCrPt grains.
A $CoPt-TiO_2/CoCrPt-SiO_2$ stacked structure is proposed for thermal stability improvement. The estimated Ku of $CoPt-TiO_2$ and $CoCrPt-SiO_2$ by VSM are $8.2 \times 10^6$, $3.6 \times 10^6$ erg/cc, respectively. The origin of thermal stability improvement is $K_u$ enhancement by $CoPt-TiO_2$ bottom layer. $CoPt-TiO_2$ bottom stack results in higher $H_c$ and $K_u$ than those of reversed stack. By controlling the thickness ratio between $CoPt-TiO_2$ bottom and $CoCrPt-SiO_2$ top stack, higher $H_c$ than $CoPt-TiO_2$ single layer could be achieved. A perpendicular media with a modification layer successfully showed possibility of $450 Gbit/in^2$. In $CoPt-TiO_2$ (16 nm) single layer, only hcp phase was observed by HRTEM. In $CoCrPt-SiO_2$ (16 nm) single layer, both hcp and fcc phases were observed. In $CoPt-TiO_2(8nm)/CoCrPt-SiO_2$ (8nm) film (stack A), it was observed that the bottom $CoPt-TiO_2$ has both hcp (48%) and fcc (52%) phases while top $CoCrPt-SiO_2$ is hcp. According to the analysis combined with XRD peak decomposition, trigonal deformation (reduction in d111) and hexagonal deformation (reduction in d0002) were observed at fcc and hcp bottom CoPt grains, respectively. CoCrPt grown on hexagonal-deformed hcp CoPt grain also undergoes hexagonal deformation. In $CoCrPt-SiO_2(8nm)/CoPt-TiO_2$ (8nm) stack (stack B), bottom $CoCrPt-SiO_2$ layer also has both hcp (92%) and fcc (8%) phases while top $CoPt-TiO_2$ is hcp. Neither hexagonal nor trigonal deformation is observed in stack B. High $K_u$ and $H_c$ properties in stack A may be partially caused by the hexagonal deformation (reduced c/a) at the bottom $CoPt-TiO_2$ and top $CoCrPt-SiO_2$ hcp phases. However, it is difficult to discuss about the effect of trigonal deformation of fcc $CoPt-TiO_2$ layer on the high $K_u$ property because $K_u$ increase is small in fcc Co.
$CoCrPt-SiO_2$ 는 수직자기기록매체의 기록층으로 널리 사용되고 있다. 결정립의 크기가 작을수록 자구의 크기가 작아지므로, 결정립 크기의 감소는 고밀도 기록을 위한 가장 중요한 요소 중 하나이다. 한 편, 결정립의 크기가 감소할 수록 CoCrPt 결정립의 열적안정성 문제를 고려해야 한다. 이는 비균일 핵생성에 의해 기록층 결정립 크기의 분포가 커지기 때문에 평균값보다 작은 결정립들이 존재하게 되고 이들은 thermal fluctuation 에너지에 의해 자발적으로 자화 반전이 일어나 기록된 정보를 잃어버릴 수 있기 때문이다. 기본적으로는 자기이방성이 큰 물질을 사용하면 열적안정성 문제를 해결할 수 있지만 현재 수준의 기록헤드의 자계를 고려할 때, 기록이 용이하면서 열적으로 안정한 물질에 대한 선택의 폭은 매우 좁다. 본 연구에서는 transition noise 개선을 위해 결정립의 크기를 감소시키는 한 편, 자기이방성상수가 다른 두 기록층 물질의 적층 구조를 도입함으로써 기록이 가능하면서도 열적으로 안정한 매체를 제작하였다.
첫 번째 부분에서는 $CoCrPt-SiO_2$ 매체의 상호교환자기장의 감소에 대한 연구를 진행하였다. 보편적인 $SiO_2$ 이외에 $Al_2O_3$, MgO 산화물로 결정립계에서의 편석을 시도하였다. $SiO_2$ 를 포함한 CoCrPt의 경우 가장 큰 보자력과 각형비를 얻을 수 있었다. 이는 $SiO_2$ 가 $Al_2O_3$ 와 MgO에 비해 비교적 CoCrPt 결정립계에서 편석이 잘 일어나기 때문이다. 이러한 차이는 각 산화물의 확산 kinetics 차이에 기인한다고 판단된다. 또한 Ru 하지층 형상이 기록층 결정립 분리에 미치는 영향을 알아보았다. 하지층의 결정 배향성 및 결정립 분리를 동시에 도모하기 위해 2단 Ru 구조를 도입하였다. 저압에서 증착된 하부 Ru층은 표면이 flat하고 좋은 c-축 배향성을 갖는 반면 고압에서 증착된 상부 Ru층은 보다 작고 표면이rough하며 잘 분리된 형태의 결정립 형상을 갖는다. 이 위에 증착된 $CoCrPt-SiO_2$ 의 결정립은 상부 Ru과 1대1 대응 관계를 갖기 때문에 결정립의 분리가 쉽게 이루어진다. 이러한 구조를 통해 큰 coercivity와 작은 exchange slope 특성을 얻을 수 있다.
두 번째 부분에서는 $CoCrPt-SiO_2$ 의 결정립 크기를 감소시키기 위한 공정에 대해 연구하였다. 상부 Ru 혹은 RuCr층을 산소분위기에서 스퍼터 함으로써 하지층 결정립을 미세화함으로써 기록층 결정립의 크기를 감소시킬 수 있다. 이는 Cr 과 Ru이 결정립계에서 산화되어 수평방향의 결정립 성장을 저해하는 것과 관련이 있다. 따라서, 결정립 크기의 감소는 단위 면적 당 결정립 개수의 증가와 동시에 산화물 결정립계의 의해 일어난다. 기록층 결정립의 크기는 산소분압이 1.2% ~ 2.8% 일 때 시작되고, 이 영역에서 이미Ru 결정립 코아의 산화로 c-축 배향성이 악화된다.
세 번째 부분에서는 수직기록매체의 열적안정성을 개선시키기 위한 방안을 연구하였다. $Ru/CoCrPt-SiO_2$ film의 $K_u$ 는 열처리에 의해 증가한다. 열처리를 통해 Cr이 결정립 코아로부터 확산되어 나와 결정립계에서 산화된다. 그러나 $180^\circ C$ 이상의 열처리 온도에서는 결정립 성장이 일어나고 따라서 결정립 간의 exchange coupling이 증가한다.
마지막으로, 열적안정성을 개선시키기 위해 $K_u$ 가 큰 $CoPt-TiO_2$ 를 도입하여 $CoPt-TiO_2/CoCrPt-SiO_2$ 적층 구조의 수직기록매체를 제안하였다. VSM으로 추정한 $CoPt-TiO_2$ 의 $K_u$ 는 $8.2 \times 10^6$ erg/cc로, $CoCrPt-SiO_2$ 보다 2배 이상 크다. $CoPt-TiO_2$ 가 하부층일 때, $CoCrPt-SiO_2$가 하부층일 경우보다 모든 두께 비율에서 큰 Ku 특성을 보여주었다. $CoPt-TiO_2/CoCrPt-SiO_2$ film에서는, 두 층의 두께 비율을 조절함으로써 $CoPt-TiO_2$ 단층의 경우보다 더 큰 coercivity값을 얻을 수 있다. HRTEM 관찰결과, $CoPt-TiO_2$ 단층 film에서는 hcp상이, $CoCrPt-SiO_2$ 단층 film에서는 hcp와 fcc상이 관찰되었다. 한 편, $CoPt-TiO_2 (8 nm)/CoCrPt-SiO_2$ (8 nm) film (stack A)의 하부층인 $CoPt-TiO_2$ 에서는 hcp (48%)와 fcc (52%)상이 모두 관찰되었고 상부층인 $CoCrPt-SiO_2$ 에서는 hcp상만 관찰되었다. $CoPt-TiO_2$ 하부층의 hcp와 fcc상에서는 hexagonal deformation ($d_{0002}$ 의 감소) 과 trigonal deformation ($d_{111}$ 의 감소)이 각각 관찰되었다. Hexagonal deformation이 일어난 $CoPt-TiO_2$ 결정립과 연속된 $CoCrPt-SiO_2$ 상부층에서도 역시 hexagonal deformation이 관찰되었다. 적층 순서가 반대인 $CoCrPt-SiO_2 (8 nm)/CoPt-TiO_2$ (8 nm) film (stack B)에서는 상부, 하부층 모두 hcp상으로 관찰되고 하부층의 일부 (8%)만 fcc상으로 분류된다. Stack B에서는 hexagonal deformation과 trigonal deformation을 관찰할 수 없었다. Stack A의 큰 $K_u$, $H_c$ 특성은 $CoPt-TiO_2$ , $CoCrPt-SiO_2$ 층에서 일어난 hexagonal lattice deformation에 일부 설명될 수 있다. 그러나 fcc상의 $K_u$ 는 trigonal deformation을 겪더라도 hcp 상의 $K_u$ 보다 크지 않으므로, $CoPt-TiO_2$ 하부층의 fcc영역에서 일어난 trigonal deformation과 $K_u$ 증가의 관련성을 찾기는 어렵다.
