电镀薄膜材料未来发展方向

电镀是沉积镍铁合金的一种重要工艺，可以使磁性薄膜的图案化和定向更加精确。在薄膜记录磁头的制造中，电镀是一种重要的工艺。薄膜电感式磁头和后来的磁阻式磁头的高镍铁合金(Ni80Fe20)具有较高的磁头(MR)，在磁盘驱动器领域一直能够保持比其磁矩和电阻率更快的增长。如今，低铁磁头的磁盘驱动器越来越多地为个人用户所使用，其容量已超过1GB，而低铁磁头的磁盘驱动器的容量仅为10MB。

在本文中，我们将讨论从电感技术到磁共振技术的转变将对电镀材料的写头性能产生的影响。然后，我们总结了几位尝试将电镀技术扩展到磁共振技术的研究者所取得的成果。研究人员试图通过电镀层压材料来扩展电镀技术，以满足新材料的要求。尽管取得了这些进展最后，我们描述了电镀层压材料的沉积和性能。

材料需求和技术发展方向

电镀作为一种工艺具有以下优点：在高沉积速率下，具有优异的磁性能和低应力；电镀单元相对较小，但在高沉积速率下，具有优异的磁性能和低应力。电镀是一种价格低廉、安装量大的制造工艺。作为一种材料添加工艺，电镀可以更容易地定义和控制小特征，如轭状物。另一方面，由于缺乏对材料进行选择性蚀刻的方法，减法工艺的应用受到严重阻碍。

反应离子蚀刻是一种在半导体制造中非常流行的工艺，但由于这个原因，在薄膜封头制造中并不可行。因此只能采用离子铣削工艺，这种工艺需要很厚的光刻胶来保护确定的特征，从而增加了光刻图案的复杂性。通过掩膜电镀为这些图案问题提供了解决方案；因此、它被普遍认为是一种薄膜封头制造工艺。

在电感式读写磁头的设计中，扁平铜线圈与磁轭结构相连，磁轭结构由两半组成，每一半都由磁性软材料构成。在磁性介质上写入时，流经铜线圈的电流产生磁场，磁场又通过磁轭结构聚焦在介质上。在回读过程中，磁轭结构从介质中收集磁通量、在线圈中产生电流。

上图是这一过程的示意图，先进商用产品的比特尺寸为1.0Gb/in2。

极柱中的材料必须具有在介质上有效写入比特和读取这些信息的双重用途。电镀镍铁（标称成分为80:20）是这种应用的理想材料。如表1所示，其特性符合感应磁头的要求。它具有相对较高的饱和磁化，低矫顽力H以防止形成剩磁态，低各向异性场H以制造高磁导率设备。磁致伸缩系数X接近于零，从而使设备性能不受应力影响。

高含量的镍具有优异的耐腐蚀性。随着最近磁共振磁头的推出，磁头的回读功能现在由磁共振传感器执行。磁共振磁头技术使得磁盘驱动器的磁区密度以每年约60%的速度增长。磁头的感应部分现在仅用于数据记录操作的写入部分。磁头感应部分功能的这种变化，再加上磁带密度和数据传输率等性能参数的提高，产生了对磁头感应部分的需求。

与传统的Ni80Fe20体系相比，该材料具有更好的性能。区域密度是磁道密度和线性密度的组合，前者是指在磁盘的径向方向上磁道之间的距离，后者是指比特之间的距离。线性密度是由记录磁头和介质的特性、磁头和磁盘之间的间距以及信号处理电子设备共同决定的。关键特性是在介质中记录转换（或位）并将其保持在稳定状态的能力。在极限情况下，在给定介质中能够维持的最小比特长度a=Mrd/2兀HC

其中，M是介质的磁化率，d是介质的厚度，H是介质的矫顽力。获得更短转变的关键方法之一是提高介质的矫顽力。由于H是反转位的磁化方向所需的磁场，因此记录磁头必须产生更高的磁场才能在高矫顽力介质上有效写入。磁场由磁头几何形状、磁头与磁盘之间的间距以及磁头磁极中磁性材料的饱和磁化等参数决定。介质矫顽力的增加要求磁头材料的饱和磁化率超过传统Ni80Fe20系统的饱和磁化率。

更高的磁盘密度带来更高的数据传输率。结合磁盘旋转速度的提高，数据传输速率将大幅复合增长。在过去几年中，磁盘驱动器的数据传输速率不断提高。目前，市场上性能最好的磁盘驱动器的数据传输速率约为16MB/s。通过加快磁极中磁性材料的切换速度，对写入工艺提出了更高的要求。磁极材料中磁场的切换会导致涡流的形成，从而产生与外加磁场相反的磁场。涡流的形成是高频设备运行影响材料有效磁导率的最重要机制之一。表皮深度是指能够不受涡流阻碍地承载磁通的材料外芯厚度。表皮深度取决于材料的电阻率p、激励频率f(MHz)和磁导率μ。

对于工作频率为40MB/s(200MHz)的磁盘驱动器中的Ni80Fe20薄膜，fi为0.27μm。这表明，在200MHz频率下，3μm厚的磁极尖中只有10%的材料能够成功承载磁通量。因此，高频操作会显著降低磁头性能。提高写磁头材料的电阻率或使用具有高电阻率（磁性或非磁性）夹层的多层材料是抵消涡流影响的潜在方法之一。

通过上述对磁记录技术发展趋势的研究，我们可以得出结论，先进的写磁头材料应具备以下特性：高饱和磁化率，以便能够在高矫顽力介质上写磁；低矫顽力，以防止剩磁状态；最佳的各向异性场，以实现高磁导率；接近零的磁致伸缩，使设备运行不受应力影响；高电阻率（或能够在高矫顽力介质上写磁）；高磁导率（或能够在低矫顽力介质上写磁）。

这些对磁性材料的要求，尤其是与制造难易度等问题相结合时，构成了严峻的技术挑战。耐腐蚀性和制造复杂性与磁性同样重要。电沉积已经为这些要求提供了令人满意的解决方案；通过掩膜电镀实现了磁性薄膜的简易图案化，并且相对易于制造。该领域的许多研究人员自然而然地转向电沉积，以满足新的数据记录要求。

高饱和磁化电镀材料

最近的研究表明，将电镀镍铁合金中的铁含量从约20%增加到约55%，可提高合金的磁矩和电阻率，而不会明显影响其他要求，如耐腐蚀性或易于制造性。磁性能与NiFe合金基本相同，但磁致伸缩性除外。相对较大的正值。尽管较大的正磁致伸缩会导致读写功能的不稳定性，从而使该材料不适合用于读写磁头，但这并不妨碍其用于只写磁头。因此，在写磁头制造中，高Fe版本的NiFe正逐渐取代Ni80Fe20。

三元镍铁钴合金是研究最为广泛的高磁矩材料之一。除了通过添加钴来提高二元镍铁合金体系的饱和磁化率外，镍铁钴合金还很容易从电解液中电镀，电解液的成分与镍铁合金电镀液的成分不同，只需添加钴盐，通常是硫酸盐或氯化物。

在300°C及更高温度下进行了详细的退火研究，并将沉积物微观结构的变化与磁性能的变化联系起来。最值得注意的是，在几种情况下观察到的矫顽力大幅下降与薄膜中和晶面的混合有关。杂质分析显示存在S（560ppm）、C（850ppm）和H（20ppm）。这些杂质是由电解应力消除剂引起的。(糖精)和表面活性剂(十二烷基硫酸)。由于这些药剂似乎被普遍使用，在上述报告的所有电镀薄膜中可能存在类似的不纯物质。

我们研究了全氯化物电解液中的CoFe电镀，观察到矫顽力与合金成分有很大关系。在约11.5wt%时，最低矫顽力为3Oe。在此成分两侧增加1%的铁含量会使矫顽力增加一倍，低铁成分的依赖性稍强。测定显微结构和X射线分析表明，矫顽力最小值与fcc相和bcc相共存有关；晶粒尺寸等效应导致矫顽力的强烈成分差异。当时人们认识到，尽管电镀CoFe显示出良好的前景，但在提高矫顽力和耐腐蚀性方面仍有改进的余地。

电镀钴铁铜合金

在CoFe中添加Cu以及观察到这种添加导致三元体系矫顽力下降的现象，是我们试图制造层状CoFe/Cu薄膜的结果，因为层状薄膜的矫顽力通常低于母体磁性薄膜。由于体系的电化学特性，在同一镀液中电镀的层状CoFe/Cu膜实际上是CoFeCu/Cu膜；即电镀过程在磁性CoFe层中添加了少量的Cu。因此，在制备层叠CoFeCu/Cu薄膜之前，需要了解三元CoFeCu单层薄膜的磁学特性；这项研究发现，在三元系统中无需层叠即可获得低矫顽力。

为了解这些体系的电化学特性，有必要研究Cu2+、Co2+和Fe2+还原反应的平衡电位（表2）。电流通过含有未络合或弱络合的这些离子的电解质时，会产生一个平衡电位。态会导致铜的优先沉积，因为该反应的电位最高。正。但是，如果溶液中Cu'*离子浓度较低，则铜沉积反应变为超过用于铜沉积的扩散受限电流的电流将用于钴和铁的沉积。部分电流还用于H的演化；沉积过程的电流效率通常高于0.7。

CoFeCu电镀的电化学机理有几种结果：合金中的铜含量由镀液中Cu2+的浓度和搅拌程度（或镀液厚度）决定。因为纯铜具有生成层压薄膜的能力当施加的总电流低于铜沉积的扩散极限电流时，可镀铜；最后，薄膜成分对搅拌的依赖性转化为需要均匀搅拌的表面晶圆（宏观尺度）和设备形貌（微观尺度）。

我们最近研究了在二元CoFe体系中加入Cu以改善其磁性能的问题。我们发现三元CoFeCu特定成分的合金具有磁软性镀液中的含量。通过使用桨槽保持搅拌水平恒定。结果如上图所示，Cu会导致薄膜矫顽力下降。

要使共振频率小于一定量（例如1.5Oe），CoFeCu合金的成分必须位于上图中的阴影区域。

上图显示了CoFeCu薄膜的典型易轴和难轴磁滞环，并与同等厚度的NiFe薄膜的数据进行了比较。在此成分范围内对其他磁性能的测量表明，各向异性随铜含量的增加而增加，从4wt铜时的约13到15wt.无铜时的约18wt。Co85Fe10Cu10合金的饱和磁化率约为20kG，而Co85Fe10Cu10合金的饱和磁化率降至约18kG。只要铁含量约为10wt%，磁致伸缩接近零；当铁含量较高时，磁致伸缩变为正值，当铁含量较低时，磁致伸缩变为负值。

在较低的Fe含量下。微观结构调查显示铜的加入导致膜晶粒尺寸减小，这可能是矫顽力降低的原因。我发现同样的fcc相和bcc相的混合物是实现薄膜低矫顽力状态所必需的。

二元CoFe合金，对于三元合金也是必要的；矫顽力随合金主要为fcc（铁含量非常低）或主要为bcc（铁含量非常高）而增加。由于铜沉积反应的优先发生，当施加的电流小于铜沉积的扩散限制电流时，就会镀上纯铜。该过程的电流效率接近1。当施加的电流较大时，三元合金的电流效率约为0.75。层数显然等于施加的脉冲数。层压对域构型和微观磁学的影响已成为广泛研究的主题。

制造的记录磁头中，Co85Fe19Cu5取代了Ni80Fe20第二写入极。两极的厚度均为4μm，而间隙厚度为0.2μm。为了进行比较，还制作了相同的磁头，其中第二极的Ni80Fe20厚度为6μm。使用高矫顽力（3800Oe）的磁盘在低频下进行的测量显示，使用三元合金的覆盖性能明显优于镍铁合金，这表明了使用高磁矩材料提高记录性能的优势。腐蚀和电阻率测量结果表明，三元CoFeCu合金与NiFe相比没有改善。因此，要使这种材料能够满足未来写磁头的所有要求，还需要进行更多的研究。

迄今为止，已取得了多种材料，其优于镍铁合金的性能已得到证实。高镍铁合金具有更高的磁矩和电阻率，正越来越多地用于器件制造。4钴镍铁合金具有类似的性能。通过电镀方法在CoNiFe合金中可控添加杂质方面取得了重大进展。这是一种新的678电镀研究领域，有望改进电镀工艺控制镀层特性。以CoFe为基础的三元和四元合金的电镀已经产生了多种新材料，包括CoFeCu，其额外的优点是可以在一个电镀槽中与铜层压。然而，同时满足所有功能要求，包括在恶劣环境中的腐蚀性、稳定性和易制造性，还有待验证。