JP2004531087A - 低減された磁気ひずみを有する磁気多層フィルム - Google Patents
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Abstract
【解決手段】この材料は、テープおよびディスク・ドライブの記録ヘッドで使用される。この材料は3層の繰返し配列である。1つの層はFeX(N)である。ただし(N)は窒素化されたフィルムを指示する。追加の元素XはTaであることが好ましいが、一群の元素のなかから選択することができる。もう1つの層はNiFe合金から作られる。FeX(N)層とNiFe層の間に配置される第3の層はタンタルである。この3層の配列を繰り返して、最終的な材料に必要な厚さを構築する。
Description
【0001】
本発明は、ディスク・ドライブおよびテープ・ドライブの記録ヘッドで使用する磁性材料に関し、詳細には、この磁性材料の磁気ひずみの低減に関する。
【背景技術】
【0002】
記録ヘッドは、ディスク・ドライブおよびテープ・ドライブ内において、ディジタル情報の記憶および取出しに広く使用されている。記録ヘッドは通常、書込み要素(エレメント)と読取り要素を別個に有する。書込み要素の極および読取り要素のシールドには、低保持力、高飽和磁気モーメントの軟質磁性材料が使用される。テープ・ドライブではテープが記録ヘッドと頻繁に接触する。したがって、耐摩耗性は、テープ・ドライブにおける追加的な重要考慮事項である。
【0003】
シールド層および書込みヘッド極は読取りセンサのすぐ近くにある。そのため、これらの層が磁気的に安定であることが重要である。応力や磁気ひずみによって磁気的に不安定になることがあるので、軟質磁性材料の応力および磁気ひずみが比較的に小さいことがドライブの性能にとって重要である。書込みヘッドからの磁場、回転している磁気ディスクからの磁場などの外部磁場にさらされたときにシールドおよび極の磁区が移動した場合(より正確には、異なる磁区と磁区の間の磁区壁が移動し、その結果、磁区が成長または縮小すると)、バルクハウゼン雑音が発生し、これが読取り要素で感知される。この雑音は、リードバック信号の品質をひどく劣化させる。さらに、移動後、磁区が元の位置に戻らないとき、シールドまたは極は、読取り要素のセンサ層に異なった向きの磁場を作用させる。これによって、読取り要素にかかる磁気バイアスが変化し、信号の非対称および誤り率の増大につながる。最後に、磁区のこの繰返し不能な挙動またはヒステリシス挙動によってシールドまたは極層の透磁率は低減する可能性があり、これは、読取り要素の性能に対して不利な影響をさらに与える。
【0004】
シールドおよび極に使用される一般的な材料セットはニッケルと鉄の合金である。例えば、Ni(80%)Fe(20%)は良好な磁気ひずみを有するが、やや限定された飽和モーメント(Ms@10kG)しか持たない。Fe含量を増大させると飽和モーメントは増大するが、磁気ひずみも大きくなる。例えばNi(45%)Fe(55%)は、より良好なモーメント(Ms@16kG)を有するが、約25×10−6とかなり大きな磁気ひずみを有する。過去に、正負の磁気ひずみを有する材料の互層を使用して材料を積層することが試みられた。これらのフィルムは、層と層の界面に大きな局所応力を生じやすい。磁気安定性が向上した材料を開発する別のアプローチでは、磁性層と非磁性層の互層が開発された。相当量の非磁性材料を加えると、積層物全体のモーメントは大幅に低下する。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【0005】
記録ヘッドを構築するための材料であって、非常に小さな磁気ひずみを示し、その一方で、保持力が小さく磁気モーメントが大きい良好な磁気特性を犠牲にしない材料が求められている。
【課題を解決するための手段】
【0006】
本発明の一実施形態では、記録ヘッドの形成において使用される、低減された磁気ひずみおよび良好な磁気特性を有する材料が提供される。本発明の他の実施形態では、低減された磁気ひずみおよび良好な磁気特性を有する材料から形成された記録ヘッドを有するディスク・ドライブおよびテープ・ドライブが提供される。本発明の一実施形態に基づく材料の低減された磁気ひずみによって、記録ヘッドの性能は大幅に向上する。
【0007】
好ましい一実施形態では、本発明に基づく材料が3層の繰返し配列である。1つの層はNiFe合金から作られる。もう1つの層はFeX(N)を含む。ただし(N)は窒素化されたフィルムを指示する。追加の元素XはTaであることが好ましいが、一群の他の元素のなかから選択することができる。FeX(N)層とNiFe層の間に配置される第3の層はタンタルである。この3層の配列を繰り返して、最終的な材料に必要な厚さを構築する。
【0008】
この材料は、本来的に小さい磁気ひずみ値を有し、アニールすると通常は磁気ひずみが低減し、その結果、処理が単純になる。この材料はさらに、パーマロイに比べて大きな磁気モーメントを有する。本発明の他の態様および利点は、図面とともに検討したときに本発明の原理を例として説明する以下の詳細な説明から明らかとなろう。
【発明を実施するための最良の形態】
【0009】
次に、添付図面を参照して本発明を例示的に説明する。
【0010】
図1および2を参照する。本発明は、全体を100で表すディスク・ドライブに組み込むことができる。ディスク・ドライブ100は、少なくとも1枚の記録ディスク102を含む。ディスク102は、モータ106に接続されたスピンドル104に装着されている。ディスク・ドライブ100の動作時、モータ106はスピンドル106を回転させ、それによってディスク102が回転する。記録ヘッドが取り付けられたスライダ108がサスペンション110に接続されている。サスペンション110はアーム112に取り付けられている。アーム112は、サスペンション110から遠いほうの端に装着されたコイル114を有する。通常動作時、スライダ108、サスペンション110、アーム112およびコイル114を含むアクチュエータ・アセンブリが、アクチュエータ柱118の位置によって定められるピボット点116を中心に回転する。
【0011】
スライダに装着された記録ヘッドの詳細図を図3に示す。スライダ200は、記録ディスクのすぐ近くに置かれる表面202を有する。この表面202は一般に空気軸受面(air bearing surface:ABS)と呼ばれている。スライダ200はさらに、後に詳細に説明する記録ヘッド201が構築されたトレーリング面(trailingsurface)204を有する。記録ヘッド201は、読取り要素214および図6を参照して後に詳細に説明する書込み要素500(図6)を含む。スライダ200のトレーリング面204には、記録ヘッド201への接続を実施するための金属パッド206、書込み要素に通電するためのコイル208、および書込み要素500の上部極210が見られる。空気軸受(ベアリング)面202には通常、書込み要素500の上部極210の一部、書込み要素500の下部極212の一部、読取りセンサ214、および読取りセンサ214を囲んで配置された2つのシールド216が見られる。書込み要素500は、上部極210、下部極212およびコイル208からなる。
【0012】
テープ・ドライブは、ディジタル情報の記憶および取出し、ならびに音声またはビデオ情報の記録および再生に使用することができる。記録ヘッド302。一般に、一列に並んだいくつかの記録ヘッドがあり、ヘッド・アセンブリは、テープ位置のずれを補償するある限られた側方移動能力を有する。テープ・ドライブ300は記録ヘッド302の他に、第1リール306から第2リール308へテープ304を前進させるテープ駆動機構を有する。リール306、308(スプールと呼ばれることもある)は別個の装置とすることができ、または1つのカセット・ハウジングに収容することができる。テープ駆動機構は一般に、テープ304を適当な位置に配置し、記録ヘッド302を横切ってテープ304が移動するのを助ける1つまたは複数のローラ310を含む。
【0013】
図5に示す別の型のテープ・ドライブ400は一般に、音声およびビデオ情報を記録するのに使用される。図5のテープ・ドライブは一般に、回転ドラム404に装着された2つ以上の記録ヘッド402を有する。テープ406は回転ドラム404を通過する。一般に、独立した、または1つのカセット・ハウジングに収容された2つのリール408、410がある。テープ駆動機構は一般に、テープ406を適当な位置に配置し、回転ドラム404上の記録ヘッド402をテープ406が横切って移動するのを助ける1つまたは複数のローラ412を含む。
【0014】
図6を参照して、ディスク・ドライブおよびテープ・ドライブ用の記録ヘッドの書込み要素500の基本的特徴を説明する。書込み要素500は、上部極要素502、下部極要素504、および上部極502と下部極504の間に配置されたいくつかのコイル506からなる。2つの極502と504の間には、記録媒体の近くに、一般に書込みギャップと呼ばれるすき間508がある。極502と504は、書込みギャップ508から遠いほうの極の端部510で磁気的に接触している。図6では上部極502および下部極504が、本発明に基づく一連の薄い積層512を有するように示されている。書込み要素500は、図3のスライダ200に関して説明されるが、同様の書込み要素を、図4のテープ・ヘッド302または図5のテープ・ヘッド402とともに使用できることを当業者は理解されたい。
【0015】
本発明が組み込まれたテープ・ヘッドを図7に示す。図7は、移動しているテープに提示された記録ヘッド600を示している。通常の構成では、いくつかのテープ・ヘッドが横一列に装着される。図7には、その中の1つの記録ヘッド600が示されている。一般に、左横616に1つのヘッド、n−1ヘッドがあり、右横618には1つのヘッド、n+1ヘッドがある。記録ヘッドはそれぞれ書込み要素および読取り要素を備えている。書込み要素は、P1と呼ばれる下部極602とP2と呼ばれる上部極604とを備えている。書込みギャップ610は、P1 602とP2 604の間の空間である。読取り要素は、下部シールド606と上部シールド608の間に配置されたセンサ612を備えている。本発明では、書込み要素のP1 602またはP2 604、あるいはその両方が、NiFe/Ta/FeX(N)を含む積層材料から形成される。さらに、下部シールド606または上部シールド608、あるいはその両方を、NiFe/Ta/FeX(N)を含む積層材料から形成することができる。記録ヘッドを横切るテープの移動方向が614に示されている。
【0016】
図8に、ディスク・ドライブ100(図1、2)内で使用する本発明の一実施形態に基づくヘッド700を示す。この記録ヘッドは、通常は堅いセラミック材料から形成される基板702上に構築されている。読取り要素は、下部シールド704と上部シールド708の間に配置されたセンサ706を備える。書込み要素は、P1と呼ばれる下部極710とP2と呼ばれる上部極712とからなる。書込みギャップ714は、P1 710とP2 712の間の空間である。書込みヘッドおよび読取りヘッドの構成要素は通常、アルミナなどの絶縁材料のマトリックス718の中に埋め込まれる。本発明では、書込み要素のP1 710またはP2 712、あるいはその両方が、NiFe/Ta/FeX(N)を含む積層材料から形成される。記録ヘッドを横切るディスクの移動方向が716に示されている。
【0017】
ここでは、NiFe合金804とともに積層された高モーメント高鉄含量層802を開示し、これを図9に示す。上記層の層間の界面にはひとつおきに薄いTa層806が介在する。その薄さのため、介在Ta層806の存在は磁気モーメントをあまり低下させない。さらに、鉄の耐腐食性を向上させるため、高鉄含量層802は、10重量%までの他の元素または元素の組合せで合金化される。耐摩耗性を向上させるため鉄はさらに窒素化される。その結果、Ni(80%)Fe(20%)よりも大きなモーメント、良好な磁気ひずみ、良好な耐腐食性を有する積層構造が得られる。機能上、この基本配列がNiFe/Ta/FeX(N)なのか、またはFeX(N)/Ta/NiFeなのかは重要ではない。
【0018】
優れた磁気ひずみおよび良好な磁気特性を有する積層材料の好ましい実施形態は、NiFe/Ta/FeX(N)の繰返し配列である。その最初の配列が808として図9に示されている。さらに2番目の配列が810として示されている。この配列は、最終的な所望の厚さが得られるまで繰り返される812。
【0019】
この好ましい実施形態では、FeX(N)層中の鉄と合金化される元素XがTaである。しかし他の元素または元素の組合せも適当である。適当な他の元素の非網羅的なリストには、Ru、Al、Cr、Nb、Ti、Zr、Mo、V、W、Hf、Ga、Ge、Si、B、Mg、Ca、Sr、Ba、MnおよびZnが含まれる。これらの元素は一般に、純鉄の軟磁性材料としての特性を向上させ、さらに鉄の耐腐食性を一般に向上させる。実質的に純粋な鉄を使用することもできるが、実質的に純粋な鉄は腐食を受けやすい。FeX(N)中のXの量は約10重量%までとすることができる。かっこ内のNは窒素化を指示している。これは、フィルムが構造に組み込まれた窒素を有することを意図したものであり、特定の窒化物相が存在することを意図したものではない。窒化物相が存在すると通常、磁化の低下ならびに軟磁性材料としての特性の喪失、例えばHcおよび異方性磁場(Hk)の望ましくない増大が生じる。後に記載するスパッタリング条件を使用すると、FeX(N)中の窒素の量は一般に5から7原子%となる。
【0020】
高周波ダイオード・スパッタリングを使用してフィルムを試験的に付着させることによって本発明を実施した。構築されたフィルムを図10、11、12および13に示す。高周波マグネトロン・スパッタリング、直流ダイオード/マグネトロン・スパッタリング、RFスパッタリングと直流スパッタリングの任意の組合せ、イオン・ビーム蒸着を含む他の技法も適当である。付着中は、基板に負電圧バイアスを印加した。本発明のフィルムの付着の間、一軸磁気異方性を提供するために、基板の平面内に小さな外部磁場(≦70Oe)を適用した。この磁場は、基板ホルダまたはパレットに埋め込まれ、基板の近くに置かれた捧磁石を使用して供給した。この磁場は、基板の背面の一連の平行電線など、他の手段によって適用することもできる。
【0021】
一般に、Ta層の厚さは、極薄から約10nm(100Å)とすることができる。試験フィルムのTa層904の厚さは3.5nm(35Å)であった。FeX(N)層906およびNiFe層902の厚さは、約10〜100nm(100から1000Å)とすることができる。
【0022】
図10、11、12および13に記載したフィルムの厚さは全て約38μmである。使用したターゲットは、FeTa(Ta2原子%)、NiFe(Ni86%Fe14%およびNi93%Fe7%)、および実質的に純粋なTaである。NiFeターゲットから作られたフィルムの組成はターゲットの組成と一致した。しかし、FeTaフィルムのTa含量はターゲットに比べていくぶん高かった。FeTa(N)およびNiFe層の付着速度は約7nm/分(70Å/分)であり、Ta層の付着速度はこれよりもいくぶん小さかった。プロセス圧力は約2Pa(2×10−2ミリバール)とした。アルゴン流量は、全ての層に対して60sccm(standard cubic centimeters per second)とした。窒素は、FeTa層の付着の間だけ導入した。流量は、全ての層に対して60sccm(standardcubic centimeters per second)とした。フィルムの完成直後のパレットおよびウェーハ表面の温度は85℃から90℃であった。アニールは、粗い減圧の下、外部磁場中で250℃、6時間実施した。この磁場は、フィルムの蒸着中に使用した磁場の向きと一致させた。磁気ひずみはシリコン・ストリップ上で測定し、磁気特性および応力値はシリコン・ウェーハ上で測定した。負の応力は圧縮であり(フィルムは基板を離れて膨張しようとする)、正の応力は引張りである(フィルムは引き締まってウェーハが凹形になる)。
【0023】
図10、11、12および13は、本発明のフィルムと比較のためのフィルムについて、構築された積層フィルムの構造を示している。図10は、層の基本配列が、厚さ50nm(500Å)のNi(86%)Fe(14%)902、厚さ3.5nm(35Å)のTa904、および厚さ30nm(300Å)のFeTa(N)906であるフィルム#1を示している。この基本層配列908を19回繰り返して所望の最終厚さ約38nmを得た。図9bは、Ta層904がないことを除けばフィルム#1と同じフィルム#2の層配列を示している。フィルム#2を構築したのは、フィルム#1と比較してTa層906の利点を示すためである。FeTa層904の付着時の窒素流量は、フィルム#1、#2とも3.0sccmとした。図9cおよびdに示すフィルム#3および#4は、FeTa層906およびNiFe層902の厚さが40nm(400Å)であることを除いてフィルム#1および#2と同様である。FeTa層付着時の窒素流量は4.0sccmとした。
【0024】
(図10、11、12および13に示した)フィルム#1、#2、#3および#4の評価データを図14の表に示す。完成したフィルムの飽和モーメント(Ms)は平均約13kGであった。これは、積層していないNi(80%)Fe(20%)の値約10kGよりもかなり大きい。挟み込まれたTa層を有する積層フィルムでは、アニールは一般に、このように付着させたフィルムの磁気ひずみを低減させる。Ta層904を持たないフィルムでは、アニールすると磁気ひずみは一般に増大する。最終フィルムの応力は向きが逆転する。しかし応力は付着条件に敏感であり、いくぶん変化することがある。本発明のフィルム#1および#3の低い磁気ひずみ値(≦|2×10−6|)は、フィルム応力を管理する負担を大幅に低減する。
【0025】
同様の窒素含量を有するFeTa(N)フィルムとFe(N)フィルムの単一の層の腐食測定によれば、塩素ベースの腐食環境にさらしたときに、FeTa(N)フィルムは、Fe(N)層と同じかまたはこれよりも良好な耐腐食性を有する。
【0026】
図15に、このように付着させたFeTa(N)層906の下に厚さ3.5nm(35Å)のTa層904を持つ積層フィルム、またはこれを持たない積層フィルムのシータ−2シータX線回折走査を示す。具体的なフィルムは、Ni(93%)Fe(7%)(40nm(400Å))/Ta3.5nm(35Å)/FeTa(N)(40nm(400Å)(この配列を19回繰り返した)フィルムと、これに対応する3.5nm(35Å)のTa層のないフィルムである。FeTa(N)付着時の窒素流量は2.0sccmであった。Ta層を有する積層フィルムのFeTa(N)およびNiFe層ではともに、NiFe(111)、Fe(110)およびNiFe(220)結晶構造を犠牲にして、(200)結晶構造が好ましい。Feベースのピークよりも高いNiFeピークのピーク強度は、FeTa(N)層のより高い欠陥密度またはより小さい結晶粒度を明らかにしている。FeTaフィルム中の間隙部位の窒素の存在が、これらの結晶欠陥の源であり、窒素の存在はさらに結晶粒を小さくする。
【0027】
Ta層は、積層フィルムのFeTa(N)層とNiFe層の両方の結晶構造に影響を及ぼす。この影響は以下の機構によって説明することができる。単結晶Ni[100]の磁気ひずみは、[110]または[111]Ni単結晶よりも負である。単結晶Fe[100]の磁気ひずみは、[110]または[111]Fe単結晶よりも正である。積層フィルム全体の磁気ひずみに対する影響が、FeTa(N)層によるものよりもNiFe層によるもののほうが支配的である場合、Ta層の存在によるNiFe[200]結晶構造の増強は、磁気ひずみを低下させる(負の方向に増大させる)であろう。しかし、通常、異なる磁気モーメントを有する磁性材料からなるフィルムの磁気ひずみは、最も高い磁気モーメントを有する構成要素によって支配されるであろう。NiFe層は、FeTaよりも低い磁気モーメントを有するが、FeTa層に窒素を追加すると、磁気ひずみが増大するにつれてその磁気モーメントは低下し、軟磁性材料としての特性は強化される。さらに、タンタル層自体が窒素のゲッタとして作用する。したがって、窒素含量が同程度であっても、タンタル層を有する積層フィルムの磁気ひずみは、タンタル層のない積層フィルムの磁気ひずみほどには正にならないであろう。
【図面の簡単な説明】
【0028】
【図1】従来技術のディスク・ドライブの上面図である。
【図2】図1の線1b−1bで切ったディスク・ドライブの側断面図である。
【図3】図1に示したものなどのスライダに取り付けられた従来技術の記録ヘッドの詳細透視図である。
【図4】主としてディジタル情報の記憶および取出しに使用される従来技術のテープ・ドライブを示す図である。
【図5】主として音声およびビデオ情報の記憶および取出しに使用される従来技術のテープ・ドライブを示す図である。
【図6】図1のディスク・ドライブおよび図4、5のテープ・ドライブで使用されるものなどの書込み要素を示す図である。
【図7】図4および5のテープ・ドライブなどのテープ・ドライブで使用される記録ヘッド内における本発明の一実施形態を示す図である。
【図8】図1のディスク・ドライブなどのディスク・ドライブで使用される記録ヘッド内における本発明の一実施形態を示す図である。
【図9】本発明の記録ヘッド内で使用される積層の基本配列を示す図である。
【図10】Ni(86%)Fe(14%)(500Å)/Ta(35Å)/FeTa(N)(300Å)を図9の基本配列として有する、層の繰返し配列を示す図である。
【図11】Ni(86%)Fe(14%)(500A)/FeTa(N)(300A)を図9の基本配列として有する、層の繰返し配列を示す図である。
【図12】Ni(86%)Fe(14%)(400A)/Ta(35A)/FeTa(N)(400A)を図9の基本配列として有する、層の繰返し配列を示す図である。
【図13】Ni(86%)Fe(14%)(400Å)/FeTa(N)(400Å)を図9の基本配列として有する、層の繰返し配列を示す図である。
【図14】図10、11、12および13に示した多層フィルムから得られた結果を示す表である。
【図15】図10、11、12および13に示したフィルムなどの、介在Ta層を有するフィルムおよび介在Ta層を持たないフィルムのシータ−2シータ・プロットを示す図である。
Claims (10)
- 磁気記録ヘッド内で使用するための積層材料であって、
NiFe層(804、902)と、
鉄合金層(802、906)と、
前記NiFe層と前記鉄合金層の間に配置された実質的に純粋なTaの層(806、904)
の繰返し配列を含む積層材料。 - 前記鉄合金層(802、906)が窒素化されている、請求項1に記載の積層材料。
- 前記鉄合金層(802、906)が鉄を少なくとも90%含み、その残りがタンタルを含む、請求項1に記載の積層材料。
- 前記鉄合金層(802、906)が鉄を少なくとも90%含み、その実質的な残りが、Ru、Al、Cr、Nb、Ti、Zr、Mo、V、W、Hf、Ga、Ge、Si、B、Mg、Ca、Sr、Ba、MnおよびZnから選択された、請求項1に記載の積層材料。
- 前記NiFe層(804、902)が、Niを80重量%から93重量%含み、
前記鉄合金層(802、906)がFeTa(N)層を含む、
請求項1に記載の積層材料。 - 前記NiFe層(804、902)の厚さが10nmから100nmであり、
実質的に純粋な前記Ta層(806、904)の厚さが最大10nmであり、
前記鉄合金層が、厚さ10nmから100nmのFeTa層(802、906)を含む、
請求項1に記載の積層材料。 - テープ・ドライブまたはディスク・ドライブ内で使用するための記録ヘッドであって、
コイルと、前記コイルの周囲に配置された1つまたは複数の極要素とを含む書込み元素を備え、前記極要素が、請求項1ないし請求項3のいずれか一項に記載の積層材料を含む
記録ヘッド。 - テープ・ドライブまたはディスク・ドライブ内で使用するための記録ヘッドであって、
読取りセンサと、下部シールドと、上部シールドとを含む読取り要素を備え、前記読取りセンサが、前記下部シールドと前記上部シールドの間に挟まれており、前記下部および上部シールドが、請求項1ないし請求項3のいずれかに記載の積層材料を含む
記録ヘッド。 - 記録ヘッドを備え、前記記録ヘッドが書込み要素を有し、前記書込み要素が少なくとも1つの極要素を含み、前記極要素が、請求項1ないし請求項3のいずれか一項に記載の積層材料を含むテープ・ドライブ。
- 少なくとも1枚のディスクと、
前記ディスクに記録するための記録ヘッドが取り付けられた少なくとも1つのスライダと
を備え、
前記記録ヘッドが、コイルと、前記コイルの周囲に配置された上部および下部極要素とを含む書込み要素を有し、前記極要素が、請求項1ないし請求項3のいずれか一項に記載の積層材料を含む
ディスク・ドライブ。
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