JP2001023140A - 垂直磁気記録媒体および磁気記憶装置 - Google Patents

垂直磁気記録媒体および磁気記憶装置

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Abstract

(57)【要約】 【課題】 高密度磁気記録に適するように改良された垂
直磁気記録媒体を提供する。 【解決手段】 非磁性基板11上に裏打磁性膜13を介
して垂直磁化膜15、保護膜16が設けられた垂直磁気
記録媒体において、裏打磁性膜13と垂直磁化膜15の
間に(100)面を基板とおおむね平行に持つ多結晶M
gO膜14を挿入する。

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
適する磁性膜を有する磁気記録媒体およびこれを用いた
磁気記憶装置に関する。
【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いる。この方式では、
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。面内記録では、磁化が互いに逆
向きで隣接するため、線記録密度を伸ばすためには、記
録膜の保磁力を増大させるとともに膜厚を減少していく
ことが必要である。記録膜の膜厚が小さくなると熱揺ら
ぎのために記録磁化強度が減少し、極端な場合には記録
情報が失われるという問題が発生する。面内記録方式の
場合は、従来から用いられているCo合金系の記録膜を
用いた場合、20Gb/in2以上の面記録密度の実現
が困難になる。
【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、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が、隣
接する磁化が向き合わないために、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。Co合金材料から
なる垂直磁化膜の垂直配向性を改善するために垂直磁化
膜と基板との間に非磁性材料下地を設ける方法が検討さ
れている。例えば、特開昭58−77025号公報、特
開昭58−141435号公報にはCo−Cr磁性膜の
下地層としてTi膜を形成する方法が、特開昭60−2
14417号公報には下地層としてGe,Si材料を用
いる方法が、特開昭60−064413号公報にはCo
O,NiO等の酸化物下地層材料が開示されている。こ
のような単層の垂直磁化膜からなる単層垂直磁気記録媒
体は、記録用に薄膜リングヘッドが用いられる。
【0004】垂直磁気記録の記録効率をあげるために
は、単磁極型の記録ヘッドと磁性膜が2層からなる2層
垂直磁気記録媒体を組み合わせるのが有効である。2垂
直磁気記録媒体の例としては、基板と垂直磁化膜の間に
パーマロイやCo合金系の軟磁性膜を設けた媒体が検討
されている。しかし、2層垂直磁気記録媒体は単層垂直
磁気記録媒体に比べて記録磁性膜の垂直磁気異方性強度
が不十分であった。
【0005】
【発明が解決しようとする課題】20Gb/in2以上
の高密度磁気記録が可能な垂直磁気記録媒体としては、
線記録密度分解能が大きいこと、媒体ノイズが小さいこ
と、さらに薄膜ヘッドによる記録が有効に行われること
が必要である。このためには、垂直磁化膜の磁性結晶粒
を微細化し、さらに垂直磁気異方性を増大させるととも
に磁気ヘッドの記録磁界が有効に媒体内部に侵入するこ
とが必要である。本発明は、30Gb/in2以上の高
記録密度を実現するための高分解能で低ノイズ特性をも
つ垂直磁気記録媒体を提供し、高密度磁気記憶装置の実
現を容易ならしめることを目的とする。
【0006】
【課題を解決するための手段】磁気ヘッドによる記録効
率が高い垂直磁気記録媒体は2層垂直磁気記録媒体であ
る。本発明では、上記の目的を達成するために基板に形
成された裏打磁性膜と六方稠密構造を持つCo合金系の
垂直磁化膜の間に極薄のMgO膜を導入することを特徴
とする。本発明の目的をより確実に達成するために、M
gO膜の下部もしくは上部に特定の材料からなる極薄の
非磁性膜を形成するものである。
【0007】2層垂直磁気記録媒体で用いられる裏打磁
性膜はパーマロイ等のNiを主成分とする多結晶膜、あ
るいはセンダストのようなFeを主成分とする多結晶
膜、Co−Nb−ZrようなCo合金膜が一般的であ
る。このような裏打磁性膜の上に直接Co合金系の垂直
磁化膜を形成すると、薄膜の成長初期には結晶成長が乱
れた垂直磁化膜として望ましくない初期成長層が含まれ
てしまう。このため垂直磁気異方性が低下したり、垂直
磁化膜を構成する磁性結晶粒間の磁気分離が不十分とな
り、保磁力の低下やノイズの増大を招いていた。
【0008】この問題に対し、本発明者らは裏打磁性膜
とCo合金からなる垂直磁化膜の間に極薄のMgO膜を
導入することが有効であることを見い出した。非晶質構
造を持つ裏打磁性膜の上にMgO膜を形成すると、(1
00)面が基板と平行なMgO微結晶粒が生成され、こ
の結果、おおむね(100)面を基板と平行にする多結
晶MgO配向膜が成長する。この配向膜上にCo合金系
の垂直磁化膜を形成すると磁化容易軸の[0001]軸
を基板と垂直に持つ六方稠密構造を持つ磁性結晶粒が成
長するため、垂直磁気異方性が増大する。
【0009】このような効果を生ぜしめるのに必要なM
gO膜の厚さは1nm以上である。MgO膜の厚さを大
きくしすぎると、裏打磁性膜と垂直磁化膜の間の距離が
増大するために、磁気ヘッドで記録する際の記録効率が
低下する。30Gb/in2以上の面記録密度を達成す
るために必要な線記録密度は300kFCI以上である
が、このような高い線記録密度で記録ヘッドの効率を上
げるためには両磁性膜の間隔を20nm以下とする必要
がある。また、MgO膜の結晶粒は膜厚が増大するほど
大きくなる。この結晶粒の上に成長する磁性結晶粒もM
gOの結晶粒径の影響を受けるため、高い線記録密度で
磁気記録を行う媒体としては磁性膜を構成する結晶粒の
直径を20nm以下、望ましくは15nm以下とする必
要があり、MgO膜の厚さは望ましくは13nm未満で
あるのが良い。
【0010】裏打磁性膜が多結晶構造を持つ場合、およ
び非晶質構造を持つ場合でもMgO多結晶膜の(10
0)配向性を向上するためには、裏打磁性膜とMgO膜
の間に極薄の非磁性膜を導入することが有効である。特
に非晶質構造を持つ非磁性膜が、この目的のためには望
ましい。膜厚が10nm以下の極薄領域でこのような望
ましい効果を発揮する材料は、Ti,Zr,Hf,C
r,Mo,Nb,V,W、Si,Ge,B,Cもしくは
これらの元素を主成分とする合金、SiO2,Al2O3
ZrO2の群からなる酸化物である。このような非磁性
材料の膜を介してMgO膜を形成すると、その(10
0)配向性が大幅に改善される。
【0011】(100)配向したMgO多結晶膜の上に
直接Co合金からなる垂直磁化膜を形成しても良いが、
磁気記録媒体の低ノイズ化を促進するためにはMgO配
向膜の上に数nm以下の六方稠密構造を持つ極薄の非磁
性膜を設けることが有効である。このような非磁性膜を
介在させることにより、特に初期成長領域のCo合金垂
直磁化膜の磁性結晶粒間の磁気分離を促進できる。両者
は同じ六方稠密構造を持つため結晶格子が連続して成長
する、いわゆるエピタキシャル成長が実現される。この
ようなエピタキシャル成長は磁性膜に入る結晶歪を制御
して望ましい保磁力を実現するのにも有効である。
【0012】このような効果を持つ六方稠密構造を持つ
非磁性材料としては、Coに添加する非磁性元素の添加
量が30at%を超えるCo−Cr,Co−Cr−X
(X=Mn,V,Zr,Hf,Nb,Mo,W,Si,
B,Ta,Cu)、あるいはRu,Ru−Y合金(Y=
Mn,Cr,Al,Cu),Ti,Ti−Z合金(Z=
Co,Ni,Mn,Cu,Al)などがある。
【0013】30Gb/in2以上の記録密度を実現す
るための磁気記録媒体としては、いずれにしても裏打磁
性膜とCo合金からなる垂直磁化膜の間の距離を20n
m以下とする必要がある。このときの可能なMgO膜の
厚さは1nm以上15nm以下、さらに望ましくは13
nm未満である。また、(100)配向した多結晶Mg
O膜の上に直接、もしくは六方稠密構造を持つ非磁性膜
を介してCo合金からなる垂直磁化膜を形成するが、必
要に応じて垂直磁化膜の上に他の結晶構造を持つ垂直磁
化膜を積層しても良い。
【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に断面構造
を示す垂直磁気記録媒体を作製した。基板11上に、接
着強化層12を形成した後、軟磁性膜(裏打磁性膜)1
3、MgO膜14、垂直磁化膜15、保護膜16を形成
した。接着強化層12用にはCrターゲット、軟性膜1
3用にはCo−8at%Nb−4at%Taターゲッ
ト、MgO膜14用にはMgOターゲット、垂直磁化膜
15用にはCo−20at%Cr−10at%Pt−
1.5at%Taターゲット、保護膜用にはカーボンタ
ーゲットを用いた。スパッタのArガス圧力を3mTo
rr、スパッターパワー10W/cm2、基板温度28
0℃の条件でCr膜を20nm、Co−Nb−Ta膜を
200nm、MgO膜を10nm、Co−Cr−Pt−
Ta垂直磁化膜を25nm、カーボン膜を5nmの厚さ
形成した。
【0015】この垂直磁気記録媒体の構造を透過型電子
顕微鏡とX線回折で調べた結果、MgO膜は平均結晶粒
径が8nmの(100)配向膜であり、またCo−Cr
−Pt−Ta垂直磁化膜はMgO結晶粒上にエピタキシ
ャル的に成長し、[0001]方位を優先成長方位に持
つことを確認した。比較試料1として、MgO膜を設け
ない垂直磁気記録媒体を、また比較試料2として軟磁性
膜を省略した単層垂直磁気記録媒体を作製した。2層垂
直磁気記録媒体の記録用には単磁極型の薄膜ヘッドを、
単層垂直磁気記録媒体用には記録ヘッドのギャップ長
0.2μmのヘッドを用いた。再生用にはヘッドのシー
ルド間隔が0.15μmの巨大磁気抵抗効果型(GM
R)ヘッドを用い、測定時のヘッドと媒体表面のスペー
シングは0.015μmとした。特性評価項目として、
記録分解能、低記録密度の再生出力、媒体S/N、飽和
記録に必要なヘッド起磁力を測定した。記録分解能は低
周波の再生出力の半分になる出力半減記録密度(D50
を測定し、再生出力は10kFCIの記録を行ったとき
の再生出力の比較試料2に対する相対値を、媒体S/N
は300kFCIの磁気記録を行なった場合のS/Nの
比較試料2に対する相対値を測定した。これらの結果を
表1に示す。
【0016】
【表1】
【0017】本実施の形態の磁気記録媒体は、比較試料
1に比べて記録分解能と媒体S/Nが大幅に改善されて
おり、また比較試料2に比べて低密度再生出力、ヘッド
起磁力が大きく改善されている。本実施の形態で作製し
た磁気記録媒体を用いて、記録用にトラック幅が0.4
μmの単磁極型薄膜ヘッドを再生素子としてトラック幅
0.32μmのGMRヘッドを用いた2.5インチの磁
気記憶装置を作製した。面記録密度30Gb/in2
条件でエラーレート10-9が確保でき、超高密度磁気記
憶装置として動作することを確認した。
【0018】[実施の形態2]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
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、接着強化層22を形成した後、軟磁性膜
(裏打磁性膜)23、シード層24、MgO膜25、垂
直磁化膜26、保護膜27を形成した。接着強化層22
用にはZrターゲット、軟性膜23用にはFe−8at
%Si−3at%Alターゲット、シード層24用には
Hfターゲット、MgO膜25用にはMgOターゲッ
ト、垂直磁化膜26用にはCo−21at%Cr−8a
t%Pt−2at%Nbターゲット、保護膜27用には
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Zr膜を20nm、Fe−Si
−Al膜を400nm,Hf膜を3nm、MgO膜を1
2nm、Co−Cr−Pt−Nb垂直磁化膜を25n
m、カーボン膜を5nmの厚さ形成した。
【0019】この垂直磁気記録媒体の構造を透過型電子
顕微鏡とX線回折で調べた結果、MgO膜は平均結晶粒
径が10nmの(100)配向膜であり、またCo−C
r−Pt−Nb垂直磁化膜はMgO結晶粒上にエピタキ
シャル的に成長し、[0001]方位を優先成長方位に
持つことを確認した。次に、シード層膜形成用にTi,
Zr,Cr,Mo,Nb,V,W,Si,Ge,B,
C,SiO2,Al23,ZrO2のターゲットを用いた
以外は同様の構成の垂直磁気記録媒体を作製した。
【0020】比較試料として、MgO膜を設けない垂直
磁気記録媒体を同様な条件で作製した。これらの垂直磁
気記録媒体の記録再生特性を以下の条件で測定した。記
録用には単磁極型の薄膜ヘッドを、再生用にはヘッドの
シールド間隔が0.15μmの巨大磁気抵抗効果型(G
MR)ヘッドを用い、測定時のヘッドと媒体表面のスペ
ーシングは0.015μmとした。特性評価項目とし
て、記録分解能、低記録密度の再生出力、媒体S/Nを
測定した。記録分解能は低周波の再生出力の半分になる
出力半減記録密度(D50)を測定し、再生出力は10k
FCIの記録を行ったときの再生出力の比較試料に対す
る相対値を、媒体S/Nは300kFCIの磁気記録を
行なった場合のS/Nの比較試料に対する相対値を測定
した。これらの結果を表2に示す。
【0021】
【表2】
【0022】本実施の形態の磁気記録媒体は、比較試料
に比べて記録分解能と媒体S/Nが大幅に改善されてい
る。 [実施の形態3]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3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31上
に、接着強化層32を形成した後、裏打磁性膜としての
硬磁性膜33及び軟磁性膜34、シード層35、MgO
膜36、非磁性六方稠密構造材料膜37、垂直磁化膜3
8、保護膜39を形成した。接着強化層32用にはCr
−10at%Zrターゲット、硬磁性膜33用にはFe
−35at%Ptターゲット、軟性膜34用にはNi−
16at%Fe−3at%Moターゲット、シード層3
5用にはGe−35at%Siターゲット、MgO膜3
6用にはMgOターゲット、非磁性六方稠密構造材料膜
37用にはCo−28at%Cr−8at%Mnターゲ
ット、垂直磁化膜38用にはCo−21at%Cr−8
at%Pt−2at%Nbターゲット、保護膜用にはカ
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Cr−Zr膜を20nm、Fe−
Pt膜を10nm、Ni−Fe−Mo膜を150nm、
Ge−Si膜を5nm、MgO膜を8nm、Co−Cr
−Mn膜を6nm、Co−Cr−Pt−Nb垂直磁化膜
を25nm、カーボン膜を5nmの厚さ形成した。
【0023】この垂直磁気記録媒体の構造を透過型電子
顕微鏡とX線回折で調べた結果、MgO膜は平均結晶粒
径が8.7nmの(100)配向膜であり、またCo−
Cr−Pt−Nb垂直磁化膜は非磁性六方稠密構造材料
膜37を介してMgO結晶粒上にエピタキシャル的に成
長し、[0001]方位を優先成長方位に持つことを確
認した。
【0024】次に、非磁性六方稠密構造材料膜用にCo
−33at%Cr,Co−30at%Cr−5at%M
n,Co−30at%Cr−4at%V,Co−30a
t%Cr−6at%Zr,Co−30at%Cr−4a
t%Hf,Co−30at%Cr−5at%Nb,Co
−30at%Cr−2at%Mo,Co−30at%C
r−2at%W,Co−30at%Cr−2at%S
i,Co−30at%Cr−3at%B,Co−30a
t%Cr−4at%Ta,Co−30at%Cr−6a
t%Cu,Ru,Ru−10at%Mn,Ru−4at
%Cr,Ru−3at%Al,Ru−5at%Cu,T
i,Ti−6at%Mnのターゲットを用いた以外は同
様の構成の垂直磁気記録媒体を作製した。また、比較試
料として、シード層35、MgO膜36、非磁性六方稠
密構造材料膜37を設けないで軟磁性膜34の上に直接
垂直磁化膜38を設けた垂直磁気記録媒体を同様な条件
で作製した。 これらの垂直磁気記録媒体の記録再生特
性を、以下の条件で測定した。記録用には単磁極型の薄
膜ヘッドを、再生用にはヘッドのシールド間隔が0.1
2μmの巨大磁気抵抗効果型(GMR)ヘッドを用い、
測定時のヘッドと媒体表面のスペーシングは0.014
μmとした。特性評価項目として、記録分解能、低記録
密度の再生出力、媒体S/Nを測定した。記録分解能は
低周波の再生出力の半分になる出力半減記録密度
(D50)を測定し、再生出力は10kFCIの記録を行
ったときの再生出力の比較試料に対する相対値を、媒体
S/Nは300kFCIの磁気記録を行なった場合のS
/Nの比較試料に対する相対値を測定した。これらの結
果を表3に示す。
【0025】
【表3】
【0026】本実施の形態の磁気記録媒体は、比較例に
比べて記録分解能と媒体S/Nが大幅に改善されてい
る。実施の形態3で試作した垂直磁気記録媒体とトンネ
ル型磁気抵抗効果(TMR)を利用する高感度再生素子
を持つ録再分離ヘッドを用いて図4に示す磁気記憶装置
を作製した。この磁気記憶装置は、図4(a)に概略平
面図を、図4(b)にそのAA′断面図を示すように、
磁気記録媒体駆動部42により回転駆動される磁気記録
媒体41、磁気ヘッド駆動部44により駆動されて磁気
記録媒体41に対して記録及び再生を行う磁気ヘッド4
3、磁気ヘッド43の記録信号及び再生信号を処理する
信号処理部45を備える周知の構成の装置である。
【0027】記録ヘッドのトラック幅0.3μm、再生
用のTMRヘッド素子のトラック幅0.26μm、ヘッ
ドと媒体のスペーシング15nmとした。信号処理とし
てEEPR4方式を採用し、55Gb/in2の面記録
密度の条件で装置を動作させたところ、10-8以下の誤
り率が得られた。
【0028】
【発明の効果】本発明によれば、垂直磁気記録媒体の分
解能の向上とノイズ低減が可能となり、高いS/N比が
得られるので、磁気ディスク装置の高密度化が可能とな
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模
式図。
【図2】本発明による垂直磁気記録媒体の他の例の断面
模式図。
【図3】本発明による垂直磁気記録媒体の他の例の断面
模式図。
【図4】磁気記憶装置の概略構成図。
【符号の説明】
11…基板、12…接着強化層、13…軟磁性膜、14
…MgO膜、15…垂直磁化膜、16…保護膜、21…
基板、22…接着強化層、23…軟磁性膜、24…シー
ド層、25…MgO膜、26…垂直磁化膜、27…保護
膜、31…基板、32…接着強化層、33…硬磁性膜、
34…軟磁性層、35…シード層、36…MgO膜、3
7…六方稠密構造材料膜、38…垂直磁化膜、39…保
護膜、41…磁気記録媒体、42…磁気記録媒体駆動
部、43…磁気ヘッド、44…磁気ヘッド駆動部、45
…信号処理部。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 本多 幸雄 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 BB07 CA01 CA05 CA06 DA03 FA09

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を介して垂直
    磁化膜が設けられた垂直磁気記録媒体において、前記裏
    打磁性膜と前記垂直磁化膜との間に(100)面を基板
    とおおむね平行に持つ多結晶MgO膜が挿入されてお
    り、前記多結晶MgO膜の上に形成される部分の垂直磁
    化膜が六方稠密構造を持つことを特徴とする垂直磁気記
    録媒体。
  2. 【請求項2】 非磁性基板上に裏打磁性膜を介して垂直
    磁化膜が設けられた垂直磁気記録媒体において、前記裏
    打磁性膜の上に(100)面を基板とおおむね平行に持
    つ多結晶MgO膜が設けられ、前記多結晶MgO膜の上
    に六方稠密構造を持つ非磁性膜が設けられ、前記非磁性
    膜の上に垂直磁化膜が設けられ、前記多結晶MgO膜の
    上に前記非磁性膜を介して形成される部分の垂直磁化膜
    が六方稠密構造を持つ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、前記裏打磁性膜と前記多結晶MgO膜との間
    にTi,Zr,Hf,Cr,Mo,Nb,V,W,S
    i,Ge,B,Cもしくはこれらの元素を主成分とする
    合金、SiO2,Al23,ZrO2の群からなる酸化
    物、の中から選ばれた非磁性膜が設けられていることを
    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、前記裏打磁性膜と前記垂直磁化
    膜の間に形成される非磁性膜の膜厚の総和が2nm以上
    20nm未満であり、しかも前記多結晶MgO膜の厚さ
    が1nm以上13nm未満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駆
    動する磁気記録媒体駆動部と、前記磁気記録媒体に対し
    て記録及び再生を行う磁気ヘッドと、前記磁気ヘッドを
    駆動する磁気ヘッド駆動部と、前記磁気ヘッドの記録信
    号及び再生信号を処理する記録再生信号処理系とを備え
    る磁気記憶装置において、 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、前記磁気ヘッドは薄膜型
    の記録用ヘッドと巨大磁気抵抗効果もしくは磁気トンネ
    ル効果を用いた再生用素子を備え、面記録密度30Gb
    /in2以上で磁気記録再生を行なうことを特徴とする
    磁気記憶装置。
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