JP2000348326A - 垂直磁気記録媒体及び磁気記録再生装置 - Google Patents

垂直磁気記録媒体及び磁気記録再生装置

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JP2000348326A
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Abstract

(57)【要約】 【課題】 高速で高密度磁気記録に適するように改良さ
れた垂直磁気記録媒体及びこれを用いた記録再生装置を
提供する。 【解決手段】 2層垂直媒体の裏打磁性膜を3層以上の
多層膜(12〜15)とすることにより、垂直磁気記録
媒体の表面平坦性、媒体S/N、高周波記録特性を改善
する。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】本発明は、高密度磁気記録に
適する垂直磁気記録媒体及びこれを用いた磁気記録再生
装置に関する。
【0002】
【従来の技術】現在実用化されている磁気ディスク装置
は面内磁気記録方式を採用しており、ディスク基板面と
平行な方向に磁化し易い面内磁気記録媒体に基板と平行
な面内磁区を高密度に形成することが技術課題となって
いる。この方式で面記録密度、特に線記録密度を伸ばす
ためには、面内磁気記録媒体の保磁力を向上するととも
に記録磁性膜の厚さを低減することが必要である。磁性
膜の保磁力が4kOeを超えると、磁気ヘッドによる記
録が困難になり、また磁性膜の厚さがCo合金系磁性膜
では15nm以下になると、熱揺らぎのために記録磁化
強度が時間の経過につれて減少する問題が発生する。面
内記録方式は、隣接する記録ビットの磁化が互いに向あ
っており境界に幅をもった磁化遷移領域が形成されると
いう本質的な問題があるため、主として前記の理由が原
因で30Gb/in2以上の面記録密度を実現するため
には、技術的な困難が予想されている。
【0003】垂直磁気記録方式は、薄膜媒体の膜面に垂
直に磁化を形成する方式であり、記録原理や媒体ノイズ
の発現機構が従来の面内磁気記録媒体の場合とは異な
る。垂直磁気記録方式は、隣接する磁化が逆平行になる
ために、本質的に高密度磁気記録に適した方式として注
目され、垂直磁気記録に適した媒体の構造などが提案さ
れている。垂直磁気記録方式には、単層の垂直磁化膜を
用いる方式と垂直磁化膜に裏打磁性膜を設ける方式があ
る。裏打磁性膜を持つ2層垂直磁気記録媒体を用いる技
術は、例えばIEEE Transaction on Magnetics, Vol.MAG
-20, No.5, September 1984, pp.657-662, "Perpendicu
lar Magnetic Recording-Evolution and Future"に記述
されている。この方式の垂直磁気記録媒体としてはパー
マロイなどの軟磁性膜層からなる裏打層上にCo−Cr
合金からなる垂直磁化膜を設けた媒体が検討されてい
る。
【0004】
【発明が解決しようとする課題】2層垂直磁気記録媒体
を用いる垂直磁気記録方式により30Gb/in2以上
の高密度磁気記録が可能な磁気記録再生装置を実用化す
るためには、媒体ノイズの低下と媒体表面の平坦化が不
可欠である。媒体ノイズは、垂直磁化膜と裏打磁性膜の
双方から発生しており、特に裏打磁性膜から発生するス
パイク状のノイズが問題となっていた。このようなノイ
ズの例は、例えばIEEE Transaction on Magnetics, Vo
l.MAG-20, No.5, September 1984, pp.663-668, "Cruci
al Points in Perpendicular Recording"に記述されて
いる。
【0005】このような問題に対して、裏打磁性膜の下
部に面内磁化膜を形成する方法が、例えば日本応用磁気
学会誌,Vol.21, Supplement No.S1, pp.104-108, "3
層垂直媒体の高S/N化及び記録信号の安定性" に見ら
れるように提案されているが、30Gb/in2以上の
高密度磁気記録が可能な磁気記録再生装置を実用化する
ためには必ずしも十分ではなかった。さらに高密度記録
のために必要な媒体としての条件である、表面の平坦化
に関しては有効な方法は殆ど提案されていない。本発明
の目的は、30Gb/in2以上の高密度記録密度を実
現するための低ノイズ特性、表面の平坦性を持つ垂直磁
気記録媒体を提供し、高密度記録再生装置の実現を容易
ならしめることにある。
【0006】
【課題を解決するための手段】低ノイズ特性と表面の平
坦性を持つ垂直磁気記録媒体を実現するために、本発明
では非磁性基板上に裏打磁性膜層を介して垂直磁化膜、
保護潤滑膜が設けられた垂直磁気記録媒体において、裏
打磁性膜層を少なくとも1種の軟磁性膜と少なくとも1
種のL10型結晶の磁性材料を含むグラニュラー構造を
持つ硬磁性膜からなる2層以上の多層膜から構成する。
軟磁性膜は、例えば保磁力で定義するとき、数十Oe以
下の膜であり、硬磁性膜は数百Oe以上の膜である。
【0007】裏打磁性膜に起因するノイズを低減するた
めには、磁性膜の磁区構造を微細化するとともに磁性膜
中に存在する磁壁が容易に動かないように固定すること
が必要である。これは、裏打磁性膜を少なくとも1種の
軟磁性膜と少なくとも1種の硬磁性膜からなる2層以上
の多層膜とし、軟磁性膜を非晶質膜、硬磁性膜をグラニ
ュラー構造を持つ膜から構成することにより可能とな
る。
【0008】裏打磁性膜を構成する非晶質軟磁性膜と硬
磁性膜を、接触もしくは極薄の非磁性膜を介して形成す
ると、2種類の磁性膜間には磁気的相互作用が存在す
る。このため、軟磁性膜中に磁壁が存在しても相互作用
のために外部磁界中でも磁壁の移動が抑制される。ま
た、L10構造を持つ強磁性材料と酸化物等の非磁性材
料から構成されるグラニュラー型の硬磁性膜上に軟磁性
膜を形成すると、軟磁性膜中に入る磁区構造が微細化さ
れる傾向がある。さらにグラニュラー型の膜の表面平坦
性は、膜厚が同様のCo−Cr−Pt合金等の多結晶型
の磁性膜の平坦性よりも優れている。また、L10構造
を持つ強磁性材料と酸化物等の非磁性材料から構成され
るグラニュラー型の硬磁性膜の磁気異方性エネルギーは
Co−Cr−PtなどのCo基合金膜の磁気異方性エネ
ルギーよりも10倍程度大きいためより薄い膜厚でも高
い保磁力を実現することができる。一般に、膜厚が大き
くなるほど膜の表面平坦性は劣化するため、上記グラニ
ュラー型の硬磁性膜は一定の保磁力を達成してしかも膜
厚を薄くするのに有効である。この硬磁性膜の上に直接
もしくは極薄の非磁性膜を介して非晶質構造を持つ軟磁
性膜を形成すると、表面平坦性にも優れた裏打磁性膜を
実現することができる。
【0009】L10構造を持つ強磁性材料としては、C
o−PtxもしくはFe−Pty合金、もしくはこれらの
合金に他の元素を添加して得られる材料が適当である。
ここで、L10構造を持つ強磁性材料の化学量論組成は
いずれもx及びyの値は50at%であるが、一般にあ
る程度の固溶範囲を持つため、20at%<x<60a
t%,20at%<y<60at%の範囲が可能であ
る。また、添加元素として数at%程度のB,Si,
C,Nd,Sm,Crなどを添加することも可能であ
る。グラニュラー構造を形成するための非磁性材料とし
ては、SiO2,ZrO2,Al23などの酸化物やこれ
らの混晶酸化物が適当である。
【0010】また軟磁性膜としては、Fe−Niパーマ
ロイ膜等よりも電気抵抗の高い非晶質材料のCo−Nb
−X(X=Zr,Ti,Hf,Mo,W),Ni−Co
−Y(Y=Zr,Ti,Hf,Mo,W),Fe−Si
−Z(Z=B,Al)合金膜が望ましい。これらの磁性
膜は一般に微細構造が非晶質であるため、平坦な表面を
持つ膜を得る点で適当である。
【0011】媒体表面を平坦化するためには、裏打磁性
膜の表面を平坦化することが必要不可欠である。一般
に、垂直磁気記録においてヘッドの記録効率を上げるた
めには、裏打磁性膜の厚さは1μm以上と厚いことが望
ましいとされている。同一材料でこのような厚い膜を形
成すると、膜形成の過程で膜の構造的な揺らぎが膜厚の
増大につれて拡大するため、表面の起伏Raが増大す
る。この傾向は、特に多結晶構造を持つ膜の場合顕著で
ある。この問題に対しては、前述のように非晶質膜及び
グラニュラー型の磁性膜を用いることである程度対応で
きるが、これらの膜を多層化することにより更に平坦な
膜を得ることができる。
【0012】30Gb/in2以上の面記録密度を実現
するためには、磁気記録装置における磁気ヘッドと磁気
記録媒体表面の距離を15nm以下にすることが必要で
ある。このためには、媒体表面の起伏Raをクリアラン
スを考慮すると3nm以下としなければならず、このた
めには裏打磁性膜の表面起伏Raはこの値以下にしなけ
ればならない。裏打磁性膜の全膜厚として10μm以上
も原理的には可能であるが、媒体表面の起伏Raを3n
m以下とするためには裏打磁性膜の全膜厚は最大でも1
μm、望ましくは200nm以下とすることが必要であ
る。また。表面平坦化のためには膜厚は小さいほど良
い。裏打磁性膜を構成する硬磁性膜の厚さは上記グラニ
ュラー型の膜を用いると、膜配向制御用の非磁性膜を含
んだ場合でも20nm程度に低減することができる。ま
た軟磁性膜の厚さは、垂直磁気記録における裏打磁性膜
のメリットを出すためには少なくとも10nmは必要で
ある。したがって本発明の場合、裏打磁性膜厚の範囲は
30nm以上1μm以下が可能となる。膜形成の時間等
のプロセス条件等を考慮すると、より望ましい膜厚範囲
は30nm以上200nm以下である。
【0013】このような構造を持つ裏打磁性膜の上に形
成する垂直磁化膜としては、Co−Cr,Co−Cr−
Ta,Co−Cr−Pt,Co−Cr−Pt−Taなど
のCo基合金垂直磁化膜、Pt/Co,Pd/Co,P
t/Co合金,Pd/Co合金などの多層膜垂直磁化
膜、Tb−Fe−Co,Fe−Ptなどの非晶質もしく
は微結晶垂直磁化膜のいずれも可能である。また、裏打
磁性膜と垂直磁化膜の間に必要に応じて膜構造制御用の
中間層を導入することも可能である。さらに、30Gb
/in2以上の面記録密度を実現するためには、使用す
る最大線記録密度は300kFCI以上とすることが望
ましく、この場合、最短ビット長は80nmとなる。こ
れ以下の長さのビット長を実現するための垂直磁化膜の
厚さは、ビット長さの半分以下であること、すなわち4
0nm以下であることが必要である。しかし、膜厚が1
0nm以下になると熱揺らぎのために記録磁化強度が時
間の経過につれて減少する問題が発生するため、膜厚は
少なくとも10nm以上とすることが望まれる。
【0014】
【発明の実施の形態】以下、図面を参照して本発明の実
施の形態を説明する。 [実施の形態1]直径2.5インチのガラス基板を用い
て、マグネトロンスパッタ法によって、図1に示す断面
構造を持つ垂直磁気記録媒体を作製した。基板11上
に、膜厚3nmのシード層12、膜厚10nmの下地層
13、膜厚10nmの硬磁性膜層14、膜厚200nm
の軟磁性膜層15からなる裏打磁性膜を形成し、その上
に垂直磁化膜16を25nm、保護膜17を5nmの厚
さこの順序で形成した。シード用にはMgOターゲッ
ト、下地層用にはCrターゲット、硬磁性膜層用にはC
o−35at%Ptターゲット上にSiO2ペレットを
表面積比で7:3とした複合ターゲット、軟磁性膜用に
はCo−5at%Zr−6at%Nbターゲット、垂直
磁化膜用にCo−20at%Cr−8at%Pt−4a
t%Taターゲット,保護膜用にカーボンターゲットを
用いた。スパッタのArガス圧力を3mTorr、スパ
ッターパワー10W/cm2、基板温度300℃の条件
で形成した。MgOターゲット及び複合ターゲットを用
いた膜形成では高周波マグネトロンスパッター法を、そ
の他のターゲットではDCマグネトロンスパッター法を
採用した。
【0015】同様な条件で、硬磁性膜用にCo−35a
t%Ptターゲット上に、ZrO2ペレット、Al23
ペレット、Si34ペレットをそれぞれ表面積比で7:
3とした複合ターゲットを用いた以外は前記と同様な垂
直磁気記録媒体を作製した。また、同様な条件で、硬磁
性膜用にFe−45at%Ptターゲット上に、SiO
2ペレット、ZrO2ペレット、Al23ペレット、Si
34ペレットをそれぞれ表面積比で7:3とした複合タ
ーゲットを用いた以外は前記と同様な垂直媒体を作製し
た。
【0016】X線回折法及び電子顕微鏡法で各々の硬磁
性膜とCo−5at%Zr−6at%Nb膜の構造を調
べた結果、前者は結晶粒径が8nmから25nmの磁性
金属相と酸化物相が混在したグラニュラー構造を持ち、
後者は非晶質であることを確認した。
【0017】比較試料1として、ガラス基板上に厚さ2
00nmのCo−5at%Zr−6at%Nb膜の単層
からなる裏打磁性膜を形成し、その上に厚さ25nmの
Co−20at%Cr−8at%Pt−4at%Taか
らなる垂直磁化膜、厚さ5nmのカーボンからなる保護
膜を形成した試料を、同様のスパッタ条件で作成した。
比較試料2として、ガラス基板上に厚さ15nmのCr
下地膜、厚さ30nmのCo−20at%Cr−10a
t%Pt硬磁性膜、厚さ200nmのCo−5at%Z
r−6at%Nb膜からなる裏打磁性膜を形成し、その
上に厚さ25nm厚のCo−20at%Cr−8at%
Pt−4at%Taからなる垂直磁化膜、厚さ5nmの
カーボンからなる保護膜を形成した試料を、同様のスパ
ッタ条件で作成した。
【0018】これらの試料の表面起伏Raを原子間力顕
微鏡、記録再生特性を記録再生分離型の磁気ヘッドを用
いて測定した。記録ヘッドは単磁極型の薄膜ヘッドであ
り、トラック幅は0.5μm,磁極厚さは0.2μm、
再生用ヘッドは巨大磁気抵抗効果型(GMR)ヘッドで
そのシールド間隔は0.15μm、再生素子のトラック
幅は0.45μm、測定時のスペーシングは0.015
μmとした。300kFCIの磁気記録を行なった場合
の媒体のS/Nは、比較試料のS/Nに対する相対値と
して、記録分解能は低線記録密度の再生出力が半減する
記録密度(D50kFCI)として測定した。これらの結
果を表1に示す。
【0019】
【表1】
【0020】表1から分かるように、本実施の形態の垂
直磁気記録媒体は、比較例に比べて表面起伏Raが大幅
に改善し、しかも媒体S/Nが向上しており、高密度磁
気記録媒体として望ましい。本実施の形態で作製した磁
気記録媒体を用いて、ディスク直径2.5インチの磁気
記録再生装置を作製した。磁気記録再生装置は、図3
(a)に概略平面図を、図3(b)にそのA−A断面図
を示すように、磁気記録媒体51、これを回転駆動する
磁気記録媒体駆動部52、記録ヘッド及び再生ヘッドを
備える磁気ヘッド53、磁気ヘッド駆動部54、磁気ヘ
ッドの記録再生信号を処理する信号処理部55等を有し
てなる周知の構成を持つ磁気記録再生装置である。再生
ヘッドの再生素子としてGMRヘッドを用いるとき、面
記録密度35Gb/in2の条件でエラーレート10-9
がいずれの試料でも確保でき、超高密度記録再生装置と
して動作することを確認した。
【0021】[実施の形態2]直径2.5インチのシリ
コン基板を用いて、マグネトロンスパッタ法によって、
図2に示す断面構造を持つ垂直磁気記録媒体を作製し
た。基板21上に、シード層22を5nm厚、下地層2
3を5nm厚、硬磁性膜層24を10nm厚形成した。
その上に、1nm厚の非磁性膜25と50nm厚の軟磁
性膜26の積層膜を4組形成した。さらに、垂直磁化膜
27を25nm厚、カーボン保護膜28を6nm厚形成
した。シード層用にMgOターゲット、下地層用にCr
ターゲット、硬磁性膜層用にFe−50at%Ptター
ゲットとその上に置いたZrO2ペレットの面積比が
8:2である複合ターゲット、非磁性膜用にHfターゲ
ット、軟磁性膜用にCo−6at%Zr−3at%Ti
ターゲット、垂直磁化膜用にCo−20at%Cr−1
2at%Pt−2at%Ta−1at%Nbターゲッ
ト、保護膜用にカーボンターゲットを用いた。スパッタ
のArガス圧力を2.5mTorr、スパッターパワー
10W/cm2、基板温度310℃の条件で形成した。
X線回折及び電子顕微鏡観察で調べた硬磁性膜の構造は
磁性材料と非磁性材料が混在するグラニュラー構造であ
った。
【0022】ここで、軟磁性層の材料をCo−6at%
Nb−3at%Hf,Co−5at%Nb−4at%T
i,Co−5at%Nb−4at%Hf,Co−5at
%Nb−2at%W,Ni−10at%Co−3at%
Zr,Ni−29at%Co−3at%Ti,Ni−5
at%Co−6at%Hf,Ni−9at%Co−2a
t%Mo,Ni−12at%Co−2at%W,Fe−
4at%Si−2at%B,Fe−4at%Si−3a
t%Alとした以外は同様の垂直磁気記録媒体を前記と
同様の条件で作製した。
【0023】また、比較試料として、裏打磁性膜が厚さ
200nmの単独のCo−6at%Zr−3at%T
i,Co−6at%Nb−3at%Hf,Co−5at
%Nb−4at%Ti,Co−5at%Nb−4at%
Hf,Co−5at%Nb−2at%W,Ni−10a
t%Co−3at%Zr,Ni−29at%Co−3a
t%Ti,Ni−5at%Co−6at%Hf,Ni−
9at%Co−2at%Mo,Ni−12at%Co−
2at%W,Fe−4at%Si−2at%B,Fe−
4at%Si−3at%Alである他は上記と同様の垂
直磁気記録媒体を作製した。
【0024】これらの磁気記録媒体の表面平坦性Ra、
媒体S/N、記録分解能(D50kFCI)を実施の形態
1と同様の条件で測定した。それぞれの軟磁性膜材料に
対して、本発明の垂直磁気記録媒体と比較例について、
上記特性の比較をした。なお、媒体S/Nに関しては、
本発明の垂直磁気記録媒体のS/Nを各々の比較試料の
S/Nに対する相対値として表示した。結果を表2に示
す。
【0025】
【表2】
【0026】表2に示されているように、本実施の形態
の垂直磁気記録媒体は、それぞれの比較例に比べて表面
平坦性Ra、媒体S/N及び記録分解能(D50kFC
I)が総合的に見て大幅に改善されており、高密度磁気
記録媒体として望ましいことがわかった。
【0027】
【発明の効果】本発明によれば、垂直磁気記録媒体の表
面平坦性、媒体S/N及び記録分解能を改善することが
でき、この結果、高密度磁気記録が可能な磁気ディスク
装置を得ることができる。特に、30Gb/in2以上
の高密度磁気記録が可能となり、装置の小型化や大容量
化が容易になる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明による垂直磁気記録媒体の一例の断面
図。
【図2】本発明による垂直磁気記録媒体の他の例の断面
図。
【図3】磁気記録再生装置の概略図。
【符号の説明】
11…基板、12…シード層、13…下地層、14…硬
磁性膜、15…軟磁性膜、16…垂直磁化膜、17…保
護膜、21…基板、22…シード層、23…下地膜、2
4…硬磁性膜、25…非磁性膜、26…軟磁性膜、27
…垂直磁化膜、28…保護膜、51…磁気記録媒体、5
2…磁気記録媒体駆動部、53…磁気ヘッド、54…磁
気ヘッド駆動部、55…信号処理部
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 平山 義幸 東京都国分寺市東恋ヶ窪一丁目280番地 株式会社日立製作所中央研究所内 (72)発明者 菊川 敦 東京都国分寺市東恋ヶ窪一丁目280番地 株式会社日立製作所中央研究所内 Fターム(参考) 5D006 BB02 CA01 CA03 CA05 CA06 DA03 DA04 DA08 FA09 5E049 AA01 AA04 AA07 AA09 AC00 AC05 BA08 BA12

Claims (5)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 非磁性基板上に裏打磁性膜層を介して設
    けられた垂直磁化膜を有する垂直磁気記録媒体におい
    て、 前記裏打磁性膜層が少なくとも1種の軟磁性膜と少なく
    とも1種のL10型結晶の磁性材料を含むグラニュラー
    構造を持つ硬磁性膜とを含む2層以上の多層膜から構成
    されていることを特徴とする垂直磁気記録媒体。
  2. 【請求項2】 請求項1記載の垂直磁気記録媒体におい
    て、前記L10型結晶構造を持つ材料がFe−Pt合金
    又はCo−Pt合金であることを特徴とする垂直磁気記
    録媒体。
  3. 【請求項3】 請求項1又は2記載の垂直磁気記録媒体
    において、前記軟磁性膜がCo−Nb−X(X=Zr,
    Ti,Hf,Mo,W),Ni−Co−Y(Y=Zr,
    Ti,Hf,Mo,W)又はFe−Si−Z(Z=B,
    Al)であることを特徴とする垂直磁気記録媒体。
  4. 【請求項4】 請求項1〜3のいずれか1項記載の垂直
    磁気記録媒体において、前記裏打磁性膜層の厚さが30
    nm以上500nm以下、前記垂直磁化膜の厚さが10
    nm以上40nm以下、前記垂直磁化膜の表面で測定し
    た起伏Raが3nm以下であることを特徴とする垂直磁
    気記録媒体。
  5. 【請求項5】 磁気記録媒体と、前記磁気記録媒体を回
    転駆動する磁気記録媒体駆動部と、記録ヘッド及び再生
    ヘッドを備える磁気ヘッドと、前記磁気ヘッドを駆動す
    る磁気ヘッド駆動部と、磁気ヘッドの記録再生信号を処
    理する信号処理部とを含む磁気記録再生装置において、 前記磁気記録媒体として請求項1〜4のいずれか1項記
    載の垂直磁気記録媒体を用い、前記記録ヘッドは薄膜ヘ
    ッド、前記再生ヘッドはGMR効果を利用するヘッドで
    あり、磁気ヘッドと前記垂直磁気記録媒体の距離が20
    nm以下になるように調整された条件で面記録密度30
    Gb/in2以上を達成することを特徴とする磁気記録
    再生装置。
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