JP2005310369A - 磁気記録媒体および磁気記録装置 - Google Patents

磁気記録媒体および磁気記録装置 Download PDF

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Satoru Kikitsu
哲 喜々津
Junichi Akiyama
純一 秋山
Katsutaro Ichihara
勝太郎 市原
Tadashi Kai
正 甲斐
Toshihiko Nagase
俊彦 永瀬
Tomoyuki Maeda
知幸 前田
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Abstract

【課題】熱揺らぎ限界を超える高密度記録を実現できる磁気記録媒体および磁気記録装置を提供する。
【解決手段】基板と、該基板上に形成された、反強磁性体またはフェリ磁性体を含む機能層と、該機能層上に形成された、複数の磁性粒子及びそれら磁性粒子間を埋める非磁性体壁を有する構造を有する記録層とを具備し、前記機能層と記録層とは使用環境下で交換結合相互作用を及ぼすように積層されており、前記記録層のキュリー温度をＴcR、前記機能層と記録層との交換結合相互作用が消失する温度をＴcEとするとき、下記条件ＴcR＞ＴcE
を満たすことを特徴とする磁気記録媒体。
【選択図】 図９

Description

本発明は磁気記録媒体および磁気記録装置に関する。
近年のコンピュータの処理速度向上に伴って、情報・データの記憶・再生機能を担う磁気記憶装置（ＨＤＤ）には、高速・高密度化が常に要求されている。しかし、高密度化には物理的な限界があると言われており、この要求を満たし続けて行けるかどうか問題視されている。
ＨＤＤ装置の場合、情報が記録される磁気記録媒体は、微細な磁性粒子の集合体を含む磁性層を有する。高密度記録を行うには、磁性層に記録される磁区を小さくする必要がある。小さな記録磁区を分別できるためには磁区の境界が滑らかであることが必要であり、そのためには磁性層に含まれる磁性粒子を微小化する必要がある。また、隣接する磁性粒子まで磁化反転が連鎖すると、磁区の境界の乱れとなるので、磁性粒子間に交換結合相互作用が働かないように、磁性粒子間は非磁性体によって磁気的に分断されている必要がある。また、ヘッド−媒体間の磁気的相互作用の観点から、高密度の記録を行うには磁性層の膜厚も小さくする必要がある。以上の要請から、磁性層における磁化反転ユニット（磁性粒子とほぼ等しい）の体積をさらに小さくする必要がある。ところが、磁化反転ユニットを微小化すると、そのユニットが持つ磁気異方性エネルギー（磁気異方性エネルギー密度Ｋu×磁化反転ユニットの体積Ｖa）が熱揺らぎエネルギーよりも小さくなり、もはや磁区を保持することができなくなる。これが熱揺らぎ現象であり、記録密度の物理的限界（熱揺らぎ限界と呼ばれる）の主因となっている。
熱揺らぎによる磁化の反転を防ぐには、Ｋuを大きくすることが考えられる。しかし、上記のようなＨＤＤ媒体の場合、高速で磁化反転動作を行う（記録する）ときの保磁力ＨcwはＫuにほぼ比例するので、現状の記録ヘッドが発生しうる磁界では記録ができなくなってしまう。
以上の問題を解決するために熱アシスト磁気記録というアイデアが提案されている。これは、記録時に記録層を加熱してＫuを局所的に小さくすることにより磁気記録を行うものである。この方式では、媒体の使用環境下（通常は室温）において記録層のＫuが大きくても、現状のヘッドで発生可能な記録磁界で磁化反転が可能になる。
しかし、記録時には隣接トラックが多少なりとも加熱されるので、隣接トラックで熱揺らぎが加速されて記録磁区が消去される現象（クロスイレーズ）が起こり得る。また、記録直後にヘッド磁界がなくなった時点でも媒体がある程度加熱されていることから、やはり熱揺らぎが加速されて、いったん形成された磁区の消失が起こり得る。
これらの問題を解決するには、記録温度近傍においてＫuの温度に対する変化ができるだけ急峻な材料を用いる必要がある。しかし、現在開発が進んでいるＣｏＣｒ系、ＣｏＰｔ系磁性薄膜のＫuの温度変化は概ねリニアなので、上記の条件を満たすことができない。したがって、従来の磁気記録媒体ではトラック密度の向上または線記録密度の向上はそれほど期待できない。
熱揺らぎによる磁化の反転を防ぐためにＶaを大きくすることも考えられる。しかし、媒体面内での磁性粒子のサイズを大きくすることによりＶaを大きくすると、高密度記録を達成できない。また、記録層の膜厚を厚くすることによりＶaを大きくすると、ヘッド磁界が記録層の下部まで十分に到達せずに磁化反転が起こらなくなり、やはり高密度記録を達成できない。
本発明の目的は、熱揺らぎ限界を超える高密度記録を実現できる磁気記録媒体および磁気記録装置を提供することにある。
本発明の第１の態様に係る磁気記録媒体は、基板と、該基板上に形成された、磁性体を含むベース層と、該ベース層上に形成された、非磁性体を含むスイッチング層と、該スイッチング層上に形成された、複数の磁性粒子及びそれら磁性粒子間を埋める非磁性体壁を有する構造を有する記録層とを具備し、前記ベース層のキュリー温度をＴcB、前記記録層とベース層とが交換結合相互作用を及ぼし始める温度をＴswとするとき、下記条件
ＴcB＞Ｔsw
を満たすことを特徴とする。
第１の態様に係る磁気記録媒体を用いた磁気記録装置は、第１の磁気記録媒体と、前記磁気記録媒体を加熱する手段と、前記磁気記録媒体に磁界を印加する手段とを具備したことを特徴とする。
第１の態様に係る装置を用い、前記記録層への記録温度をＴw、前記ベース層のキュリー温度をＴcB、前記記録層とベース層とが交換結合相互作用を及ぼし始める温度をＴswとするとき、下記条件
Ｔw＞Ｔsw、かつＴcB＞Ｔsw
を満たすように、加熱および磁界印加を行うことが好ましい。
本発明の第２の態様に係る磁気記録媒体は、基板と、該基板上に形成された、使用環境下で非磁性であり強磁性への転移を示す材料を含むベース層と、該ベース層上に形成された、複数の磁性粒子及びそれら磁性粒子間を埋める非磁性体壁を有する構造を有する記録層とを具備し、前記ベース層の非磁性から強磁性への転移温度Ｔfが再生温度より高くなるように、前記ベース層の構造が設定されていることを特徴とする。
第２の態様に係る磁気記録媒体を用いた磁気記録装置は、第２の磁気記録媒体と、前記磁気記録媒体を加熱する手段と、前記磁気記録媒体に磁界を印加する手段とを具備したことを特徴とする。
第２の態様に係る装置を用い、前記記録層への記録温度をＴw、前記ベース層の非磁性から強磁性への転移温度をＴfとするとき、下記条件
Ｔw＞Ｔf
を満たすように、加熱および磁界印加を行うことが好ましい。
本発明の第３の態様に係る磁気記録媒体は、基板と、該基板上に形成された磁性体を含むベース層と、該ベース層上に形成された、複数の磁性粒子及びそれら磁性粒子間を埋める非磁性体壁を有する構造を有する記録層とを具備し、前記ベース層と記録層とが交換結合相互作用を及ぼすように積層されており、前記記録層への記録温度をＴw、前記ベース層のキュリー温度をＴcBとするとき、下記条件
｜ＴcB−Ｔw｜＜１００Ｋ
を満たすように前記ベース層および前記記録層の構造が設定されていることを特徴とする。
第３の態様に係る磁気記録媒体を用いた磁気記録装置は、第３の磁気記録媒体と、前記磁気記録媒体を加熱する手段と、前記磁気記録媒体に磁界を印加する手段とを具備したことを特徴とする。
第３の態様に係る装置を用い、前記記録層への記録温度をＴw、前記ベース層のキュリー温度をＴcBとするとき、下記条件
｜ＴcB−Ｔw｜＜１００Ｋ
を満たすように、加熱および磁界印加を行うことが好ましい。
本発明の第４の態様に係る磁気記録媒体は、基板と、該基板上に形成された、磁性体を含むベース層と、該ベース層上に形成された、磁性体を含むスイッチング層と、該スイッチング層上に形成された、複数の磁性粒子及びそれら磁性粒子間を埋める非磁性体壁を有する構造を有する記録層とを具備し、前記ベース層とスイッチング層と記録層とが交換結合相互作用を及ぼすように積層されており、前記スイッチング層のキュリー温度をＴcS、前記ベース層のキュリー温度をＴcBとするとき、下記条件
ＴcS＜ＴcB
を満たすように前記ベース層、前記スイッチング層および前記記録層の構造が設定されていることを特徴とする。
第４の態様に係る磁気記録媒体を用いた磁気記録装置は、第４の磁気記録媒体と、前記磁気記録媒体を加熱する手段と、前記磁気記録媒体に磁界を印加する手段とを具備したことを特徴とする。
第４の態様に係る装置を用い、前記記録層への記録温度をＴw、前記スイッチング層のキュリー温度をＴcS、前記ベース層のキュリー温度をＴcBとするとき、下記条件
ＴcS＜ＴcB、かつ０＜Ｔw−ＴcS＜１００Ｋ
を満たすように、加熱および磁界印加を行うことが好ましい。
本発明の第５の態様に係る磁気記録媒体は、基板と、該基板上に形成された、反強磁性体またはフェリ磁性体を含む機能層と、該機能層上に形成された、複数の磁性粒子及びそれら磁性粒子間を埋める非磁性体壁を有する構造を有する記録層とを具備し、前記機能層と記録層とは使用環境下で交換結合相互作用を及ぼすように積層されており、前記記録層のキュリー温度をＴcR、前記機能層と記録層との交換結合相互作用が消失する温度をＴcEとするとき、下記条件
ＴcR＞ＴcE
を満たすことを特徴とする
第５の態様に係る磁気記録媒体を用いた磁気記録装置は、第５の磁気記録媒体と、前記磁気記録媒体を加熱する手段と、前記磁気記録媒体に磁界を印加する手段とを具備したことを特徴とする。
第５の態様に係る装置を用い、前記記録層への記録温度をＴw、前記記録層のキュリー温度をＴcR、前記機能層と記録層との交換結合相互作用が消失する温度をＴcEとするとき、下記条件
ＴcR＞ＴcE、かつ｜ＴcE−Ｔw｜＜１００Ｋ
を満たすように、加熱および磁界印加を行うことが好ましい。
本発明の第６の態様に係る磁気記録媒体は、基板と、該基板上に形成された、反強磁性体またはフェリ磁性体を含む機能層と、該機能層上に形成された、複数の磁性粒子及びそれら磁性粒子間を埋める非磁性体壁を有する構造を有する記録層とを具備し、前記機能層と記録層とは使用環境下で交換結合相互作用を及ぼすように積層されており、前記記録層のキュリー温度をＴcR、前記機能層と記録層との交換結合相互作用が消失する温度をＴcEとするとき、下記条件
ＴcR＜ＴcE
を満たすことを特徴とする。
第６の態様に係る磁気記録媒体を用いた磁気記録装置は、第６の磁気記録媒体と、前記磁気記録媒体を加熱する手段と、前記磁気記録媒体に磁界を印加する手段とを具備したことを特徴とする。
本発明の第７の態様に係る磁気記録媒体は、基板と、該基板上に形成された、反強磁性体またはフェリ磁性体を含む機能層と、該機能層上に形成された、磁性体を含むスイッチング層と、該スイッチング層上に形成された、複数の磁性粒子及びそれら磁性粒子間を埋める非磁性体壁を有する構造を有する記録層とを具備し、前記機能層とスイッチング層と記録層とは使用環境下で交換結合相互作用を及ぼすように積層されており、前記記録層のキュリー温度をＴcR、前記スイッチング層と記録層との交換結合相互作用が消失する温度をＴcEとするとき、下記条件
ＴcR＞ＴcE
を満たすことを特徴とする。
第７の態様に係る磁気記録媒体を用いた磁気記録装置は、第７の磁気記録媒体と、前記磁気記録媒体を加熱する手段と、前記磁気記録媒体に磁界を印加する手段とを具備したことを特徴とする。
第７の態様に係る装置を用い、前記記録層への記録温度をＴw、前記記録層のキュリー温度をＴcR、前記スイッチング層と記録層との交換結合相互作用が消失する温度をＴcEとするとき、下記条件
ＴcR＞ＴcE、かつ｜ＴcE−Ｔw｜＜１００Ｋ
を満たすように、加熱および磁界印加を行うことが好ましい。
本発明の第８の態様に係る磁気記録媒体は、基板と、該基板上に形成された、磁性体を含む機能層と、該機能層上に形成された、複数の磁性粒子及びそれら磁性粒子間を埋める非磁性体壁を有する構造を有する記録層とを具備し、前記機能層と前記記録層とは使用環境下で強磁性交換相互作用を及ぼすように積層されており、前記記録層の磁気異方性エネルギー密度ＫuRLが５×１０6ｅｒｇ／ｃｃ以上であって前記機能層の磁気異方性エネルギー密度ＫuFLよりも大きいことを特徴とする。
第８の態様に係る磁気記録媒体では、記録層として、磁性層とＰｔおよびＰｄからなる群より選択される少なくとも１種の元素を含む厚さ２ｎｍ以下の非磁性層とを交互に積層した多層構造を有するものを用いてもよい。
第８の態様に係る磁気記録媒体を用いた磁気記録装置は、第８の態様の磁気記録媒体と、前記磁気記録媒体に磁界を印加する手段とを具備したことを特徴とする。この磁気記録装置は、熱アシスト磁気記録を行うものではない。
本発明によれば、磁気異方性エネルギーの大きい材料系を用い、かつ熱揺らぎ限界を超える高密度の磁気記録を実現できる。
以下、本発明についてより詳細に説明する。最初に、本発明の各態様に共通する、磁気記録媒体および磁気記録装置の構成について説明する。
本発明に係る磁気記録媒体の概略的な構造を説明する。本発明の各態様に係る磁気記録媒体は、非磁性基板と磁気記録層との間に、各種のベース層および／またはスイッチング層および／または機能層を設けた構造を有する。熱アシスト磁気記録を行う場合には、温度によって磁気特性が変化する、ベース層、スイッチング層または機能層が用いられる。なお、必要に応じて、記録層などの性能を制御するための下地層を設けてもよい。また、必要に応じて、記録層上にカーボン、ＳｉＯ2などからなる保護層を設けてもよい。
基板は通常円形（ディスク）で硬質の材料からなる。基板の材料としては、金属、ガラス、セラミックスなどを用いることができる。
記録層としては、例えば磁性粒子が非磁性体中に分散された構造を有するものが用いられる。記録層に用いられる磁性粒子の材料は、飽和磁化Ｉｓが大きくかつ磁気異方性が大きいものが適している。この観点から、磁性金属材料として、Ｃｏ、ＦｅおよびＮｉからなる群より選択される磁性元素と、Ｐｔ、Ｓｍ、Ｃｒ、Ｍｎ、ＢｉおよびＡｌからなる群より選択される金属との合金を用いることが好ましい。結晶磁気異方性の大きいＣｏ基合金、特にＣｏＰｔ、ＳｍＣｏ、ＣｏＣｒをベースとしたものや、ＦｅＰｔ、ＣｏＰｔなどの規則合金がより好ましい。具体的には、Ｃｏ−Ｃｒ、Ｃｏ−Ｐｔ、Ｃｏ−Ｃｒ−Ｔa、Ｃｏ−Ｃｒ−Ｐｔ、Ｃｏ−Ｃｒ−Ｔa−Ｐｔ、Ｆｅ50Ｐｔ50、Ｆｅ50Ｐｄ50、Ｃｏ3Ｐｔ1などが挙げられる。また、磁性材料として、Ｔｂ−Ｆｅ、Ｔｂ−Ｆｅ−Ｃｏ、Ｔｂ−Ｃｏ、Ｇｄ−Ｔｂ−Ｆｅ−Ｃｏ、Ｇｄ−Ｄｙ−Ｆｅ−Ｃｏ、Ｎｄ−Ｆｅ−Ｃｏ、Ｎｄ−Ｔｂ−Ｆｅ−Ｃｏなどの希土類（ＲＥ）−遷移金属（ＴＭ）合金、磁性層と貴金属層との多層膜（Ｃｏ／Ｐｔ、Ｃｏ／Ｐｄなど）、ＰｔＭｎＳｂなどの半金属、Ｃｏフェライト、Ｂａフェライトなどの磁性酸化物などを用いることもできる。さらに、上述した磁性材料の磁気磁性を向上させるために、例えばＣｒ、Ｎｂ、Ｖ、Ｔa、Ｔｉ、Ｗ、Ｈｆ、Ｖ、Ｉｎ、Ｓｉ、Ｂなど、またはこれらの元素と、酸素、窒素、炭素、水素の中から選ばれる少なくとも１種の元素との化合物を添加してもよい。磁性粒子の磁気異方性に関しては、従来のＨＤＤで用いられてきた面内磁気異方性でも、光磁気記録で用いられてきた垂直磁気異方性でも、両者が混合されたものでも構わない。
磁性粒子を非磁性体で分断する方法は特に限定されない。例えば、磁性材料に非磁性元素を添加して成膜し、磁性粒子の粒間にＣｒ，Ｔa，Ｂ，酸化物（ＳｉＯ2など）、窒化物などの非磁性体を析出させる方法を用いてもよい。また、リソグラフィー技術を利用して非磁性体に微細な孔を形成し、孔に磁性粒子を埋め込む方法を用いてもよい。ＰＳ−ＰＭＭＡなどのジブロックコポリマーを自己組織化させて一方のポリマーを除去し、他方のポリマーをマスクとして非磁性体に微細な孔を形成し、孔に磁性粒子を埋め込む方法を用いてもよい。また、粒子線照射によって加工する方法を用いてもよい。
記録層の厚さは特に制限されないが、高密度記録を考慮すると１００ｎｍ以下が好ましく、５０ｎｍ以下がより好ましく、２０ｎｍ以下がさらに好ましい。ただし、記録層の厚さを０．１ｎｍ以下にしようとすると膜を形成するのが困難になるので好ましくない。
必要に応じて設けられる下地層は、磁性体でも非磁性体でもよい。下地層の厚さは特に限定されないが、５００ｎｍよりも厚いと製造コストが増加するので好ましくない。
磁性体からなる下地層は、記録層における記録／再生を効率的に行えるように、記録層中の磁区や記録／再生ヘッドと交換相互作用・静磁気相互作用を介して磁気的に結合されることが好ましい。例えば、記録層として垂直磁化膜を用いる場合、下地層として軟磁性膜を用い、単磁極ヘッドで記録することにより、高密度記録が可能になる。また、記録層として面内磁化膜を用いる場合、記録層の上または下に軟磁性層を設け、再生時に軟磁性層を飽和させる強度の磁界を印加することによって、高密度の記録が可能となり、また熱揺らぎ耐性も向上する。
非磁性体からなる下地層は、記録層の磁性体または非磁性体の結晶構造を制御する目的、または基板からの不純物の混入を防ぐ目的で設けられる。例えば、磁性体の所望の結晶配向の格子間隔に近い格子間隔を持つ下地層を用いれば、磁性体の結晶配向を制御することができる。また、適切な表面エネルギーを有するアモルファス下地層を用いることにより、記録層の磁性体または非磁性体の結晶性またはアモルファス性を制御することもできる。下地層の下にさらに別の機能を有する下地層を設けてもよい。この場合、２つの下地層で機能を分担できるので、所望の効果の制御が容易になる。たとえば、記録層の結晶粒を小さくする目的で、基板上に粒径の小さいシード層を設け、その上に記録層の結晶性を制御する下地層を設ける手法が知られている。基板からの不純物の混入を防ぐためには、下地層として格子間隔が小さいかまたは緻密な薄膜を用いることが好ましい。
さらに、下地層は上述した機能を兼ね備えていてもよい。例えば、磁性下地層が記録層の磁性体の結晶性を制御する機能を有していてもよい。この場合、記録／再生特性上の効果と結晶性上の効果とが相乗されるので、単独の機能のみを有する下地層の場合よりも好ましい。また、下地層として、イオンプレーティング、雰囲気ガス中でのドープ、中性子線照射などによって生じた基板の表面改質層を用いてもよい。この場合、薄膜を堆積するプロセスを省略できるので、媒体作製上好ましい。
本発明に係る、熱アシスト磁気記録を行う磁気記録装置は、磁気記録媒体を加熱する手段と、磁気記録媒体に磁界を印加する手段とを有する。一方、本発明に係る、熱アシスト磁気記録を行わない磁気記録装置は、磁気記録媒体に磁界を印加する手段を有するが、磁気記録媒体を加熱する手段を有していない。
磁気記録媒体を加熱する手段は、記録温度に達する部分が局所的であれば、ディスク全面を均一に加熱するものでもよいし、局所的に加熱するものでもよい。一般に、記録保持特性（アーカイブ特性）や使用電力を考慮すると、媒体の一部を局所的に加熱し、媒体の大部分を室温以下の温度に保つことが好ましい。高速かつ局所的な加熱が可能な加熱手段としては、レーザー、誘導加熱手段、媒体面との距離が可変に保持された、電熱線などで加熱されるプローブ、または電子線放出プローブなどが考えられる。また、より局所的な加熱を行うためには、レーザー光をレンズなどにより媒体面状で絞りこむ方式、レーザー光を微小開口やソリッドイマージョンレンズ（ＳＩＬ）を用いて近接場光とする方式、プローブ先端に微細なアンテナを形成して誘導加熱を行う方式、加熱プローブの媒体対向部の形状をできる限り先鋭化するか媒体面との距離を短くする方法、電子線放出プローブの媒体対向部の形状をできる限り先鋭化する方法などが挙げられる。加熱手段は媒体の記録層側に設置してもいいし、その反対側に設置してもよい。
磁気記録媒体に磁界を印加する手段は、通常のＨＤＤで用いられているような浮上スライダーの端面に誘導コイルと磁極からなる磁気回路を有するものでもよいし、永久磁石を設置してもよいし、媒体に磁性層を追加して温度分布または光照射によって磁化分布を生じさせ瞬間的・局所的な磁界を発生させてもよいし、情報の記録を行う磁性層自身から発生する漏洩磁界を利用してもよい。永久磁石を設置する場合には、媒体との距離を可変にするか、磁石を微細化するなどの工夫によって、高速・高密度の磁界印加ができるようになる。
次に、本発明の第１の態様に係る磁気記録媒体、この媒体を用いる磁気記録装置、およびこの媒体に対する磁気記録方法について説明する。第１の態様に係る磁気記録媒体は、少なくとも、非磁性基板と、磁性体からなるベース層と、非磁性体からなるスイッチング層と、複数の磁性粒子及びそれら磁性粒子間を埋める非磁性体壁を有する構造を有する記録層とを有する。
図１に、第１の態様に係る磁気記録媒体と磁界印加手段と加熱手段を示す。図１の磁気記録媒体は、基板１１上に、下地層１２、磁性体を含むベース層１３、非磁性体を含むスイッチング層１４、記録層１５、および保護層１６を形成した構造を有する。この磁気記録媒体の基板１１としてはガラスなどの透明基板が用いられており、基板１１側に加熱手段としてレーザー２１が設けられている。なお、レーザー２１と基板１１との間にレンズ（図示せず）を設けてもよい。この磁気記録媒体上に磁界印加手段としての記録ヘッド２２が設置されている。媒体は回転されて、例えば矢印で示すように右から左へ移動する。レーザー２１による局所的な加熱と、記録ヘッド２２による局所的な磁界印加により記録層１５に微細な磁化反転を形成することができる。図示されていない残りの部分は概ね従来のＨＤＤ装置と同様である。なお、レーザー２１は記録ヘッド２２と一体化して磁気記録媒体上に設置してもよい。
スイッチング層１４は非磁性体であり、室温において記録層１５とベース層１３との交換結合相互作用を切断する機能を有する。この層は後述するように温度に応じて記録層−ベース層間に交換結合相互作用が働かない状態と働く状態とを切り換えられるという意味でスイッチング層と呼んでいる。スイッチング層１４の形態は特に限定されない。たとえば連続薄膜の形態でなくとも、界面の物質混合や界面効果などによって交換結合相互作用を切断する効果が得られる場合もある。スイッチング層１４の膜厚はたとえば５ｎｍ以下に設定される。その厚さの下限は特に限定されないが、０．３ｎｍ以下では実質的に界面を形成することができないので好ましくない。スイッチング層１４は、下地層の機能を併せ持ち、記録層１５の磁気特性を制御できるものであってもよい。
ベース層１３は、磁性体であれば特に限定されない。その厚さも特に制限されないが、１０００ｎｍ以上では作製に時間がかかり、また膜応力による特性劣化や剥離が発生しやすくなるので好ましくない。１ｎｍ以下になると膜を形成するのが困難になるので好ましくない。
本発明者らは、薄い非磁性体で分断されたベース層と記録層との間に作用する交換結合の温度依存性を詳細に調べた。その結果、温度によりベース層−記録層間の交換結合の有無を調整できることを見出した。そこで、上記の非磁性層をスイッチング層と呼んでいる。
図２に、記録層とベース層との間に作用する交換結合相互作用の強度（磁界換算）Ｈexgおよび記録層界面からベース層に向かって交換結合が及ぶ距離Ｌexgの温度依存性を模式的に示す。この図において、ｔswはスイッチング層の厚さ、Ｔswはｔsw＝Ｌexgとなり、記録層とベース層とが交換結合相互作用を及ぼし始める温度、Ｔaは室温、Ｔwは記録温度（すなわち局所的に加熱された記録層への記録温度）、ＴcBはベース層のキュリー温度である。なお、車載用のＨＤＤを考慮して、８０℃程度の温度になることがあり得る自動車室内でも記録磁化が再反転することがないように、Ｔwは１００℃以上に設定される。図２に示されるように、記録層の温度がＴswより高温になると、交換結合が及ぶ距離Ｌexgがスイッチング層の厚さｔswより大きくなり、ベース層−記録層間に交換結合相互作用が働くようになる。本発明者らは、このことを利用して、熱揺らぎのために困難であった磁気記録の高密度化を実現できることを見出した。その詳細を以下に説明する。
上述したように、熱揺らぎ限界を打破するために磁性粒子の持つ磁気異方性エネルギーＫuを大きくすると記録保磁力Ｈcwが増加する。しかし、磁気異方性エネルギーは温度とともに減少する特性があるので、記録時に媒体を加熱すれば、現行のヘッドでも記録できる程度にＨcwを下げることができる。これが、熱アシスト磁気記録の基本的な考え方である。しかし、従来から検討されていた熱アシスト磁気記録では、記録直後の熱揺らぎ劣化およびクロスイレーズの問題があった。これは、記録直後は媒体が加熱された状態であるため熱揺らぎ劣化がより起こりやすいためである。すなわち、ヘッド磁界で反転磁区を形成できても、ヘッドが通り過ぎて磁界が印加されなくなった直後に、熱揺らぎにより磁区が崩壊すると記録ができない。また、加熱手段によって必ず温度分布が生じるので、記録動作時には隣接するトラックも同時に加熱され、室温では熱揺らぎを起こさないようにＫu、Ｖaが調整されていても、昇温によって熱揺らぎ現象が加速されて劣化が起こる。
以下、第１の態様によれば、これらの問題を解決できることを説明する。熱揺らぎの程度は磁気異方性エネルギーの大きさ（＝Ｋu×Ｖa）と熱揺らぎエネルギーとの比によって決まり、ＫuＶaが小さいほど上記の磁区の再反転が起こりやすくなる。本発明者らは、新たに記録時磁気異方性エネルギー密度Ｋuwという量を導入しその温度依存性に着目した。Ｋuの値自体は磁性体の本質的な物理量であり、磁界の変化の仕方で変わる量ではない。一般的に、Ｋuを見積もるには、ＶＳＭなどによる磁化反転過程を利用することが多く、そのときに見積もられるＨcなどの物理量より算出される。この見積りには熱揺らぎの影響が加わっており、特にＫuＶaが小さい材料ではその影響が大きい。しかし、この影響を正確に見積もることは困難である。そこで、熱揺らぎがないとして見積もったＨcを用いてＫuを導く方法がよく取られる。この方法を用いると、Ｋuの値は磁界の反転速度によって変化することになる。ここでの説明は便宜上、こうして見積もったＫuをＫuwとする。このＫuwは、記録動作時の高速な磁界変化に対抗する記録保磁力Ｈcwと概ね比例関係にある。
第１の態様では、図２に示すＬexgとＨexgの温度依存性を満足するように、磁気記録媒体の構造が調整され、加熱および磁界印加が行われる。図３に、磁気記録媒体のＫuw、ＶaおよびＫuwＶaの温度依存性を示す。
図３に示されるように、媒体温度がＴswを超えると、記録層とベース層が交換結合するので磁化反転ユニットの大きさＶaが急峻に増大し、これに伴ってＫuwＶaが増大する。したがって、記録温度Ｔw近傍でもＫuwＶaは磁化再反転を起こさない程度に十分に大きな値を持つことができる。一方、この時の保磁力Ｈcwは小さいままであり、容易に記録できる。したがって、熱アシスト磁気記録を行っても熱揺らぎによる磁化再反転が起こらず、高密度の磁気記録が達成できる。また、クロスイレーズも抑制できる。すなわち、隣接トラックにおいて、温度上昇が小さいときにはＫuＶaの低下が小さいため熱揺らぎ劣化は起こらず、温度上昇が大きいときにはＶa増加の効果でやはり熱揺らぎ劣化は起こらない。
上記の説明はベース層のキュリー温度ＴcBが記録温度Ｔwよりも高いことを前提としているが、ＴcBはＴwより低くても構わない。図４に、ＴcB＜Ｔwの場合について、磁気記録媒体のＫuw、ＶaおよびＫuwＶaの温度依存性を示す。図４に示されるように、Ｔswより高温でＶaの増加によりＫuwＶaはいったん増加するが、ＴcBよりも高温で再びＫuwＶaは小さくなる。記録は、ＫuwＶaが非常に小さくなっている状態で行なわれるが、記録直後の冷却過程においてＶaが大きくなるために磁化再反転は抑制される。クロスイレーズを抑制する作用は上記と同じである。この場合、記録時のＶaが小さいことから記録分解能を向上させることができ、より高密度の記録ができるという利点がある。ただし、ＴcBに対して記録温度を調整するマージンが狭いという欠点がある。したがって、ＴcBとＴwの関係は、その媒体を用いるシステムの要求に応じて設定すればよい。
第１の態様の磁気記録媒体においては、ベース層としてフェリ磁性体を好適に用いることができる。ベース層がフェリ磁性体であれば室温または任意の温度で磁化をほぼセロにすることができ、再生時にベース層からの信号がノイズとして検出されることがないため好ましい。また、フェリ磁性体としてアモルファスの希土類−遷移金属（ＲＥ−ＴＭ）合金を用いれば、アモルファスであるために記録層の磁性粒子サイズのばらつきに依存せずに、記録層とベース層が交換結合できるため好ましい。また、ＲＥ−ＴＭ合金では、希土類と遷移金属の比率によって室温での磁化の値を容易に制御でき、設計・製造が容易になるため好ましい。また、光磁気記録媒体に用いられているＲＥ−ＴＭ合金、例えばＴｂＦｅＣｏ、ＧｄＴｂＦｅＣｏ、ＤｙＴｂＦｅＣｏなどは、ＦｅとＣｏの比率によってキュリー温度を容易に制御できる点でも好ましい。
第１の態様においては、記録層の磁性粒子間を分断する非磁性体の部分の長さｄ［ｎｍ］が、スイッチング層の厚さｔswの１／２よりも大きいことが好ましい。この場合、媒体温度がＴswより高温になりＬexgが大きくなったときに、磁性粒子間では交換結合が働かないため転移ノイズの少ない磁化転移を作ることができる。ただし、磁性粒子間の距離が大きくなりすぎると磁化量が減り、信号が小さくなる欠点がある。磁性粒子間距離とスイッチング層厚との関係は、磁気記録装置のシステムの要求に応じて設定することが好ましい。
次に、本発明の第２の態様に係る磁気記録媒体、この媒体を用いる磁気記録装置、およびこの媒体に対する磁気記録方法について説明する。第２の態様に係る磁気記録媒体は、少なくとも非磁性基板と、使用環境下で非磁性であり強磁性への転移を示す材料を含むベース層と、複数の磁性粒子及びそれら磁性粒子間を埋める非磁性体壁を有する構造を有する記録層とを有する。
図５に、本発明の第２の態様に係る磁気記録媒体と磁界印加手段と加熱手段を模式的に示す。図５の磁気記録媒体は、基板１１上に、下地層１２、使用環境下（通常は室温）で非磁性であり加熱されたときに強磁性への転移を示す材料を含むベース層１３、記録層１５、および保護層１６を形成した構造を有する。この磁気記録媒体の基板側に加熱手段としてのレーザー２１が、磁気記録媒体上に磁界印加手段としての記録ヘッド２２がそれぞれ設置されている。なお、レーザー２１は記録ヘッド２２と一体化して磁気記録媒体上に設置してもよい。
第２の態様に係る磁気記録媒体において、ベース層１３以外の各層の満たすべき条件は、第１の態様に係る磁気記録媒体と同様である。
第２の態様に係る磁気記録媒体において、ベース層１３の材料は、室温で非磁性であり、かつ加熱されたときに強磁性への転移を示す材料であれば特に限定されない。ベース層１３の膜厚は特に限定されないが、１０００ｎｍ以上であると作製に時間がかかり、また膜応力による特性劣化や剥離が発生しやすくなるので好ましくない。一方、１ｎｍ以下になると膜を形成するのが困難になるので好ましくない。
本発明者らの調査した範囲では、室温で非磁性でありかつ加熱されたときに強磁性への転移を示す単独の材料は見出せなかったが、鋭意研究の結果、複合材料であればこの特性を発現できることを見出した。例えば、室温で超常磁性を示す大きさの複数の磁性粒子及びそれら磁性粒子間を埋める非磁性体壁を有する構造を有する薄膜が挙げられる。このような薄膜では、高温下（ただしキュリー温度よりも低い温度）において、強磁性粒子間の間隔が、図２に示したようにＬexgよりも小さくなるように設定されていれば、Ｌexgが温度とともに大きくなることを利用できる。このような薄膜からなるベース層は、室温では強磁性粒子が小さいために磁気異方性エネルギーが完全に熱揺らぎエネルギーよりも小さくなって全体として常磁性であるが、温度が上がりＬexgが磁性粒子間隔よりも大きくなると活性化体積（Ｖa）が大きくなる効果によって強磁性が発現する。
このようなベース層を用いた磁気記録媒体の作用は、ベース層／スイッチング層／記録層の積層構造を有する第１の態様の磁気記録媒体の場合と同様に説明できる。すなわち、図２〜図４において、ＴswをＴf（ベース層の常磁性から強磁性への転移温度）に置き換えれば、記述した説明を適用できる。記録方法などの他の条件も、第１の態様に係る方法と同じである。
第２の態様に係る磁気記録媒体では、記録層への記録温度をＴw、ベース層の非磁性から強磁性への転移温度をＴfとするとき、Ｔw＞Ｔfを満たすように、ベース層および記録層の構造が調整されている。この場合も、車載用のＨＤＤを考慮して、Ｔwを１００℃以上に設定することが好ましい。ベース層を形成する磁性粒子間の平均間隔は５ｎｍ以下であることが好ましい。上記の間隔が５ｎｍよりも大きいと、キュリー温度以下の温度において十分な交換結合が生じるほどＬexgが増加しないため好ましくない。一方、上記の間隔が０．５ｎｍより小さいと実質的に連続膜となるため好ましくない。
第２の態様に係る磁気記録媒体においてベース層に用いられる材料についてより具体的に説明する。磁性粒子の材料は特に限定されないが、作製の容易さを考慮すれば、記録層に使用される強磁性材料を用いることが好ましい。非磁性材料も特に限定されないが、磁性粒子を取り囲む母材構造を形成しやすいアモルファス材料が好ましい。このような非磁性材料としては、例えば一般式Ｍ−Ｇで表される物質が挙げられる。ここで、ＭはＳｉ、Ａｌ、Ｚｒ、Ｔｉ、Ｉｎ、ＳｎおよびＢからなる群より選択される少なくとも１種、Ｇは酸素、窒素および炭素からなる群より選択される少なくとも１種である。具体的には、Ｓｉ−Ｏ、Ａｌ−Ｏ、Ｚｒ−Ｏ、Ｔｉ−Ｏ、Ｓｉ−Ｎ、Ａｌ−Ｎ、Ｚｒ−Ｎ、Ｔｉ−Ｎ、Ｂ−Ｎ、Ｓｉ−Ｃ、Ｔｉ−Ｃ、Ｂ−Ｃ、ＳｉＡｌ−ＯＮ、Ｓｉ−ＯＮ、ＡｌＴｉ−ＯＣ、Ｉｎ−Ｓｎ−Ｏなどが好ましい。また、炭素の同素体、具体的にはダイヤモンド、アモルファスカーボン、ダイヤモンドライクカーボンも適している。
なお、ベース層／スイッチング層／記録層の積層構造を有する第１の態様の磁気記録媒体におけるスイッチング層として、第２の磁気記録媒体におけるベース層に相当する材料を用いることもできる。
次に、本発明の第３の態様に係る磁気記録媒体、この媒体を用いる磁気記録装置、およびこの媒体に対する磁気記録方法について説明する。第３の態様に係る磁気記録媒体は、少なくとも非磁性基板と、磁性体を含むベース層と、複数の磁性粒子及びそれら磁性粒子間を埋める非磁性体壁を有する構造を有する記録層とを有し、ベース層と記録層とが交換結合相互作用を及ぼすように積層されている。
第３の態様に係る磁気記録媒体は、図５に示した第２の態様に係る磁気記録媒体と同様な積層構造を有する。
記録層の磁気異方性は、膜面に対して垂直方向でも面内方向でもよい。記録層の厚さに関しては、第１の態様の磁気記録媒体に関連して説明したのと同様である。
ベース層は磁性体であれば特に限定されない。ベース層の磁気異方性は面内方向でも垂直方向でもよい。ただし、垂直磁気異方性を示すベース層は、Ｋuの大きな変化が得られやすいので好ましい。ベース層の厚さに関しては、第１の態様の磁気記録媒体に関連して説明したのと同様である。
ベース層と記録層とが交換結合相互作用を及ぼすようにするには、真空を破ることなくこれらの層を連続的に成膜する方法が用いられる。理論的には、１ｎｍ程度の間隔があっても交換相互作用が及ぶので、ベース層と記録層との間に非磁性層や表面改質層が存在していてもよい。また、ベース層と記録層との間に別の磁性層を入れることによっても交換結合力を制御できるので、ベース層と記録層との間に複数の磁性層が存在していてもよい。
第３の態様に係る磁気記録媒体では、ベース層のキュリー温度に着目しているので、この点について説明する。磁性体のキュリー温度Ｔcは、磁化Ｍまたは保磁力Ｈcの温度依存性によって調べることができる。ただし、ＶＳＭなどによって磁気特性を測定する場合には測定に時間がかかり、短くても１０分程度は加熱状態を保つ必要がある。これに加えて昇温のための時間を短くすることもできないので、測定の際には概ね１時間程度は加熱状態に保持されることになる。薄膜磁性体の場合、長時間にわたる高温保持によって、不可逆な微細構造変化が起こり、磁気特性を正確に評価できない可能性がある。光磁気記録媒体として用いられているアモルファス希土類−遷移金属合金の場合には、このような変化は比較的起こりにくい。しかし、ＨＤＤ媒体として用いられているＣｏＣｒＰｔ系磁性合金では、微細構造の変化が２００℃程度で起こる場合もある。ただし、この場合でも、室温またはそれ以下の温度から構造変化が起こる温度までの磁気特性の変化を高温側へ外挿すれば、Ｔcの推定は可能である。第３の態様に係る磁気記録媒体におけるベース層のＴcは、実質的にＫuが小さくなっている温度であればよく、その温度でたとえばＭやＨcの値が室温の値の１／５程度以下、好ましくは１／２０程度以下であればよい。
図６に、第３の態様に係る磁気記録媒体における記録層の磁気異方性ＫuRおよびベース層の磁気異方性ＫuBの温度依存性を示す。記録層とベース層は交換結合しているので、全体としての磁気異方性は図中Ｋutotalとして示したように変化する（図示したＫuの大きさに定量性はない）。すなわち、記録層およびベース層が熱揺らぎを受けない大きさの磁化反転ユニットの体積を有しているのであれば、Ｋutotalは両者の磁気特性に応じて加重平均された値を示す。また、たとえば記録層の磁性粒子が小さく、ある程度の熱揺らぎを受けている場合には、磁化反転ユニット体積の増加のためにＫutotalは加重平均値よりも大きな値となる。温度が上昇し、ベース層のキュリー温度ＴcBに達するとベース層は磁性を失い、上記の交換結合の効果はなくなる。この時点でＫutotalは急減に低下する。この温度においてもなお記録層が熱揺らぎの影響を受けない大きさの磁化反転ユニットの体積を有しているのであれば、Ｋutotalは本来の記録層単層でのＫu値に減少する。記録層が熱揺らぎの影響を受けているのであれば、Ｋutotalはより一層減少する。いずれの場合でもＴcB近傍において、記録層単層では得られない、Ｋuの急激な変化が得られる。また、ＴcBよりも少し低温においては交換結合の作用によりＫutotalは大きな値を持つ。
上記のＫutotalの変化の仕方を利用し、ベース層のキュリー温度ＴcBと記録温度Ｔwの差を小さく設定することにより、熱アシスト磁気記録における課題であったクロスイレーズと記録直後の磁区消滅の問題を解決できる。すなわち、記録トラックに隣接するトラックにおいて、例えば図６にＴnextで示した程度の温度上昇があっても、Ｋutotalは十分に大きいので熱揺らぎによる記録の劣化は起こらない。また、比較的高温においてもＫutotalが大きいため、記録直後のＫutotalの回復速度が速い。このため、記録後の熱揺らぎ劣化も抑えられる。
本発明者らは、種々の条件で第３の態様に係る磁気記録媒体への記録実験を行った結果、｜ＴcB−Ｔw｜＜１００Ｋという条件を満たす場合に上記の作用および効果が生じることを確認した。また、マージンを広く取り、媒体や装置の製造条件に余裕を持たせ、より高密度の記録を行うためには、｜ＴcB−Ｔw｜＜５０Ｋがより好ましく、｜ＴcB−Ｔw｜＜２０Ｋがさらに好ましい。
上記の説明はベース層のキュリー温度ＴcBが記録温度Ｔwよりも低いことを前提としているが、ＴcBはＴwより高くても構わない。これは、キュリー温度近傍ではＫuBが非常に小さいため、上記の説明と同じ作用・効果が得られるためである。また、図６では記録層のキュリー温度ＴcRがＴwより高くなっているが、ＴcR＜Ｔwであっても構わない。これは、記録層が磁化を失っている状態であっても、ヘッドからの記録磁界印加中に磁化が立ち上がるため、記録（磁化反転）が可能になるからである。ＴcR、ＴcBおよびＴwは、システムの要求および使用される媒体材料などに応じて適宜設定される。
次に、本発明の第４の態様に係る磁気記録媒体、この媒体を用いる磁気記録装置、およびこの媒体に対する磁気記録方法について説明する。第４の態様に係る磁気記録媒体は、少なくとも基板と、磁性体を含むベース層と、磁性体を含むスイッチング層と、複数の磁性粒子及びそれら磁性粒子間を埋める非磁性体壁を有する構造を有する記録層とを有し、ベース層とスイッチング層と記録層とが交換結合相互作用を及ぼすように積層されている。
第４の態様に係る磁気記録媒体は、図１に示した第１の態様に係る磁気記録媒体と同様な積層構造を有する。ただし、第４の態様に係る磁気記録媒体においては記録層として室温で実質的に垂直に磁化するものが用いられ、ベース層およびスイッチング層の機能も第１の態様に係る磁気記録媒体のものとは異なる。また、第４の態様に係る磁気記録媒体は、第３の態様に係る磁気記録媒体のベース層と記録層との間に、スイッチング層を介在させた構造を有する。スイッチング層のキュリー温度ＴcSはベース層のキュリー温度ＴcBよりも低く設定されている。記録層とスイッチング層とベース層とが交換結合相互作用を及ぼすための要件は、第３の態様に係る磁気記録媒体に関連して説明したのと同様である。
図７に、第４の態様に係る磁気記録媒体における記録層の磁気異方性ＫuR、スイッチング層の磁気異方性ＫuS、およびベース層の磁気異方性ＫuBの温度依存性を示す。記録層とスイッチング層とベース層は交換結合しているので、全体としての磁気異方性は図中Ｋutotalとして示したように変化する（図示したＫuの大きさに定量性はない）。すなわち、記録層、スイッチング層、ベース層が熱揺らぎを受けない大きさの磁化反転ユニットの体積を有しているのであれば、Ｋutotalは３層の磁気特性に応じて加重平均された値を示す。また、たとえば記録層の磁性粒子が小さく、ある程度の熱揺らぎを受けている場合には、磁化反転ユニット体積の増加のためにＫutotalは加重平均値よりも大きな値となる。温度が上昇し、スイッチング層のキュリー温度ＴcSに達するとスイッチング層は磁性を失い、記録層とベース層との交換結合はなくなる。この時点でＫutotalは急減に低下する。この温度においても、記録層が熱揺らぎの影響を受けない大きさの磁化反転ユニットの体積を有しているのであれば、Ｋutotalは本来の記録層単層でのＫu値に減少する。記録層が熱揺らぎの影響を受けているのであれば、Ｋutotalはより一層減少する。いずれの場合でもＴcS近傍において、記録層単層では得られない、急激なＫuの変化が得られる。また、ＴcSよりも少し低温においては交換結合の作用によりＫutotalは大きな値を持つ。
第４の態様の磁気記録媒体においては、スイッチング層のキュリー温度ＴcSと記録温度Ｔwの差を小さく設定することにより、熱アシスト磁気記録における課題であったクロスイレーズと記録直後の磁区消滅の問題を解決できる。その作用は、第３の態様の磁気記録媒体に関連して図６を参照して説明したのと同様である。ただし、Ｔw＞ＴcSを満たす必要がある。これは、スイッチング層の磁性が残っている限り、記録層−ベース層の交換結合が存在し、Ｋuの急激な低下が得られないためである。また、ＴcB＞ＴcSを満たしていないと、媒体温度がＴcSに到達したときにＫuの急激な変化は得られない。ＴcBとＴcRの関係は任意であるが、媒体の製造マージンを上げるか、記録条件のマージンを確保するには、ＴcB＞ＴcRである方が好ましい。
本発明者らは、種々の条件で第４の態様の磁気記録媒体への記録実験を行った結果、０＜Ｔw−ＴcS＜１００Ｋという条件を満たす場合に上記の作用および効果が生じることを確認した。また、マージンを広く取り、媒体や装置の製造条件に余裕を持たせ、より高密度の記録を行うためには、０＜Ｔw−ＴcS＜５０Ｋがより好ましく、０＜Ｔw−ＴcS＜２０Ｋがさらに好ましい。
第４の態様に係る磁気記録媒体においては、スイッチング層がアモルファス希土類（ＲＥ）−遷移金属（ＴＭ）合金薄膜であることが好ましい。ＲＥとしてはＴｂ，Ｇｄ，Ｈｏ，Ｎｄ，Ｄｙからなる群より選択される少なくとも１種、ＴＭとしてはＦｅ，Ｃｏ，Ｎｉからなる群より選択される少なくとも１種が用いられる。アモルファス希土類−遷移金属合金薄膜は光磁気記録媒体に広く用いられており、角形比１の垂直磁化膜を容易に得られるという利点がある。また、ＲＥとＴＭの比で飽和磁化Ｍsと保磁力Ｈcの温度依存性を制御でき、ベース層と記録層の交換結合の状態（ある温度における各層の反転磁界など）の制御が容易である。また、ＴＭとして少なくともＦｅとＣｏを含む合金では、Ｃｏに対するＦｅの量によってキュリー温度を任意に設定でき、スイッチング温度の制御が容易になるという利点がある。
第３および第４の態様に係る磁気記録媒体においては、ベース層がアモルファス希土類（ＲＥ）−遷移金属（ＴＭ）合金薄膜であることが好ましい。この場合も上記と同様な効果が得られる。
第３の態様に係る磁気記録媒体においては、ベース層は複数の磁性粒子及びそれら磁性粒子間を埋める非磁性体壁を有する構造を有することが好ましい。このようなベース層は記録層と同様の微細構造を有するため、記録層の結晶性の向上、モフォロジーの制御の容易さという利点が得られる。また、製造方法によっては、ベース層と記録層の結晶粒サイズをほぼ同じにすることができる。この場合、磁化転移位置でのベース層からの交換結合力のＯＮ／ＯＦＦを、１〜数個分の粒子に相当する分解能で切り替えることができるようになり、より高密度の記録が可能になる。
図８に上記の構造を有する磁気記録媒体における記録動作を示す。この図は、記録層１５とベース層１３における磁化の反転を模式的に示したものである。５１は磁性粒子であり、その中の矢印は磁化の向きを表わし、矢印の大きさは磁化の大きさを模式的に表わす。５２は磁性粒子間の非磁性体である。図４８に記録層１５の平面図を示す。この図に示されるように、記録層１５の表面においては、磁性粒子５１が非磁性体５２中に分散されている。初期状態としてすべての磁性粒子５１の磁化が下向きに設定されている。この媒体に熱アシスト磁気記録を行って、矢印５３で示した位置に磁化転移を形成する。媒体は図の右から左へ移動している。したがって、矢印５３よりも右側の磁性粒子が反転する。図８の（ａ）→（ｆ）の順に時間が進行し、記録が行われる。
（ａ）は媒体温度Ｔが室温Ｔaである状態を示す。ここでは、例えば粒子２個分に集光したレーザー光を連続照射し、レーザー光の照射位置に対応して配置された磁気ヘッドに上向きの磁界を発生させて記録を行う場合について説明する。（ｂ）は加熱部分の媒体温度Ｔがベース層１３のキュリー温度ＴcBを超えているが、記録温度Ｔwよりはわずかに低い状態である。ベース層１３では磁化が消失している。記録層１５ではＫuの低下により磁化および記録保磁力が低下しているが磁化は消失しておらず、まだ記録はできない。（ｃ）は媒体温度Ｔが記録温度Ｔwに達し、ヘッド磁界が印加された直後の状態である。記録層１５のＫuはさらに小さくなってヘッド磁界で記録できる程度まで記録保磁力が低下しているため、記録層１５の磁化が上向きに反転する。この時点で矢印５３の位置に磁化転移が形成される。もしベース層１３がなければ、レーザー光が通り過ぎた後の徐冷過程で熱揺らぎが起こり、一度反転した磁化が再反転するか磁化転移が揺らぐことになる。ところが、（ｄ）に示すように、記録直後で加熱部分の媒体温度ＴがＴcBより低くなった時点でベース層１３の磁化が発生する。このとき、記録層１５からの交換磁界により、ベース層１３の磁化は上に向く。また、同時にＫutotalおよび、膜全体としての活性化体積Ｖaが急激に増加するため、この時点で熱揺らぎ現象は起こらない。（ｅ）はさらに冷却が進み、媒体温度ＴがＴcBよりかなり低くなった状態である。ベース層１３の磁性結晶粒子の大きさが記録層１５と同程度であるため、磁化転移位置はほとんど動かず、磁化はそのまま室温で安定した状態になる。（ｆ）は記録後の状態である。以上のように、記録層１５およびベース層１３における磁性粒子の大きさ程度の分解能で、磁化転移が形成される。
なお、上記では便宜上ＴcB＜Ｔw＜ＴcRとして説明しているが、既に述べたようにこの関係に限定されるものではない。また、記録層１５およびベース層１３の磁性粒子の大きさおよび配列も、図８に示したような関係である必要はない。
第４の態様に係る磁気記録媒体においては、ベース層に加えて、スイッチング層も複数の磁性粒子及びそれら磁性粒子間を埋める非磁性体壁を有する構造を有することが好ましい。この場合も上記のような作用・効果が得られる。
次に、本発明の第５の態様に係る磁気記録媒体、この媒体を用いる磁気記録装置、およびこの媒体に対する磁気記録方法について説明する。第５の態様に係る磁気記録媒体は、少なくとも非磁性基板と、反強磁性体またはフェリ磁性体を含む機能層と、複数の磁性粒子及びそれら磁性粒子間を埋める非磁性体壁を有する構造を有する記録層とを具備し、機能層と記録層とは使用環境下（通常は室温）で交換結合相互作用を及ぼすように積層されている。
図９に、本発明の第５の態様に係る磁気記録媒体と磁界印加手段と加熱手段を模式的に示す。図９の磁気記録媒体は、基板６１上に、下地層６２、反強磁性体またはフェリ磁性体を含む機能層６３、記録層６４、および保護層６５を形成した構造を有する。この磁気記録媒体の基板側に加熱手段としてのレーザー２１が、磁気記録媒体上に磁界印加手段としての記録ヘッド２２がそれぞれ設置されている。なお、レーザー２１は記録ヘッド２２と一体化して磁気記録媒体上に設置してもよい。
機能層６３は、反強磁性またはフェリ磁性を示すものであれば特に限定されない。機能層６３の磁気異方性は、面内磁気異方性でも、垂直磁気異方性でも、両者が混合されたものでも構わない。機能層６３の厚さは特に制限されないが、１０００ｎｍを超えると作製に時間がかかり、また膜応力による特性劣化や剥離が発生しやすくなるので好ましくない。機能層６３の厚さを０．１ｎｍ未満に使用とすると実質的に膜を形成できないので好ましくない。
反強磁性を示す機能層としては、ネール温度が室温よりも高い反強磁性体の薄膜を用いることができる。具体的には、Ｍｎ−Ｎｉ、Ｍｎ−Ｐｄ、Ｍｎ−Ｐｔ、Ｃｒ−Ｐｄ、Ｃｕ−Ｍｎ、Ａｕ−Ｍｎ、Ａｕ−Ｃｒ、Ｃｒ−Ｍｎ、Ｃｒ−Ｒｅ、Ｃｒ−Ｒｕ、Ｆｅ−Ｍｎ、Ｃｏ−Ｍｎ、Ｆｅ−Ｎｉ−Ｍｎ、Ｃｏ−Ｍｎ−Ｆｅ、Ｉｒ−Ｍｎなどが挙げられる。また、規則合金、具体的には、ＡｕＭｎ、ＺｎＭｎ、ＦｅＲｈ、ＦｅＲｈＩｒ、Ａｕ2Ｍｎ、Ａｕ5Ｍｎ12、Ａｕ4Ｃｒ、ＮｉＭｎ、ＰｄＭｎ、ＰｔＭｎ、ＰｔＣｒ、ＰｔＭｎ3、ＲｈＭｎ3などを用いることができる。これらのほかにも、Ｍｎ3Ｐｔ−Ｎ、ＣｒＭｎＰｔ、ＰｄＰｔＭｎ、ＮｉＯ、ＣｏＯなどを用いることもできる。
フェリ磁性を示す機能層としては、フェリ磁性体の薄膜を用いることができる。具体的には、Ｔｂ−Ｆｅ、Ｔｂ−Ｆｅ−Ｃｏ、Ｔｂ−Ｃｏ、Ｇｄ−Ｔｂ−Ｆｅ−Ｃｏ、Ｇｄ−Ｄｙ−Ｆｅ−Ｃｏ、Ｎｄ−Ｆｅ−Ｃｏ、Ｎｄ−Ｔｂ−Ｆｅ−Ｃｏなどのアモルファス希土類（ＲＥ）−遷移金属（ＴＭ）合金薄膜や、ＣｒＰｔ3のような規則合金が挙げられる。
また、後に詳細に説明するように、機能層として反強磁性またはフェリ磁性を示す多層膜を用いることもできる。例えば、磁性層（Ｃｏ、Ｎｉ、Ｆｅまたはこれらの合金）と非磁性層（例えば、Ｒｕ、Ｒｅ、Ｒｈ、Ｉｒ、Ｔｃ、Ａｕ、Ａｇ、Ｃｕ、Ｍｎ、Ｓｉ、Ｃｒもしくはこれらの合金、またはこれらの酸化物）との多層膜であって、非磁性層の厚さが５ｎｍより薄く、好ましくは１ｎｍより薄いものが挙げられる。このような多層膜は、磁性体間に反強磁性方向に交換結合相互作用が働き、全体として反強磁性体として振舞うことが知られている。また、このような多層膜は、各磁性層の厚さやモーメントが異なる場合には、フェリ磁性体として振舞うことが知られている。
機能層６３と記録層６４とが交換結合相互作用を及ぼすようにするには、スパッタリングなどによる一般的な媒体製造工程において、真空を破ることなくこれらの層を連続的に成膜する方法が用いられる。理論的には、機能層６３と記録層６４とが数ｎｍはなれていても交換相互作用が及ぶので、機能層６３と記録層６４との間に非磁性層や表面改質層が存在していてもよい。また、機能層６３と記録層６４との間に別の磁性層を入れることによっても交換結合力を制御できるので、機能層６３と記録層６４との間に複数の磁性層が存在していてもよい。
機能層６３と記録層６４との交換結合相互作用がなくなる温度ＴcEは、ＶＳＭなどを用いたヒステリシスループの温度依存性により調べることができる。
機能層６３がフェリ磁性を示す場合には、機能層６３からの磁化をＶＳＭにより検出できる。ＴcEよりも低い温度では、ヒステリシスループは、見かけ上単層磁性層の磁気特性のように一段のループを示すか、多段のループを示す。多段のループを示した場合には、各段でマイナーループを調べると、マイナーループは印加磁界Ｈ＝０の点からＨ軸の方向へシフトする。このシフトは機能層６３と記録層６４との交換結合によるものであり、シフト量は交換磁界Ｈexgである。ＴcEよりも高い温度では、機能層６３と記録層６４の保磁力が同じ場合を除き、ヒステリシスループは多段になる。しかし、ＴcE以下の温度の場合と異なり、マイナーループを調べてもＨ軸方向へのシフトは観察されない。これは、ループが各層の単純な重ね合わせになるためである。したがって、保磁力の温度依存性を調べると、ＴcEの前後で不連続な変化を示すので、ＴcEを見積もることができる。
機能層６３が反強磁性を示す場合には、多段のヒステリシスループは現れない。機能層６３が比較的大きな磁気異方性を有する場合には、ＴcEより低い温度で上記の多段の場合と同様なヒステリシスループのＨ軸方向へのシフトが起こり、Ｈexgを見積もることができる。Ｈexgを温度に対してプロットすれば、Ｈexg＝０になる温度の実測または外挿によりＴcEを見積もることができる。機能層６３の磁気異方性が小さい場合には、ＴcE以下の温度では機能層６３は記録層６４と同時に磁化反転を起こし、特徴的なヒステリシスループは得られない。しかし、機能層６３の存在により、ＴcE以下の温度では記録層６４が本来持っている保磁力よりも小さい磁界で磁化反転し、ＴcEより高い温度では記録層６４単層の保磁力に等しい磁界で磁化反転する。したがって、保磁力の温度依存性を調べると、ＴcEの前後で不連続な変化を示すので、ＴcEを見積もることができる。
ただし、必ずしもＴcEの値を正確に知る必要はない。第５の態様に係る磁気記録媒体では、Ｈexgの値が室温の値の１／２０程度であれば、実効的にＴcEを超えているとみなすことができる。また、記録層６４のキュリー温度Ｔcの評価と同様に、低温測定の結果を高温側へ外挿してＴcEを見積もってもよい。
図１０に第５の態様に係る磁気記録媒体における記録動作を示す。この図は、機能層６３と記録層６４における磁化の反転を模式的に示したものである。記録層６４中の７１は磁性粒子であり、その中の矢印は磁化の向きを表わし、矢印の大きさは磁化の大きさを模式的に表わす。７２は磁性粒子間の非磁性体である。この図では機能層６３も記録層６４と同様に磁性粒子とそれを分断する非磁性体とからなる構造を有しているが、これは説明の便宜を考慮したためである。したがって、機能層６３は他の形態、例えば連続膜や（３次元）グラニュラー構造などの形態を有するものであってもよい。また、この図では簡単のために垂直磁気記録媒体を例として説明する。ただし、ここでの説明は、面内媒体、または垂直媒体と面内媒体との中間の媒体にもそのまま適用できる。
初期状態では記録層６４の磁性粒子７１の磁化は全て下向きに設定されている。一方、機能層６３の磁化は記録層６４とは逆向きに設定されている。これらは、機能層６３のスピンのうち、記録層６４のスピンと反強磁性結合する部分を示している。例えば、機能層６３と記録層６４とが強磁性結合していて機能層６３がフェリ磁性を示す場合、機能層６３の矢印はマイナーなスピンの向き（例えば機能層６３がアモルファス希土類−遷移金属合金の場合には希土類元素のスピンの向き）である。また、機能層６３と記録層６４とが反強磁性結合していて機能層６３が反強磁性を示し、膜厚方向に各原子レイヤー毎にスピンの向きが逆転する構造を持つ物質の場合、記録層６４に最も近い原子レイヤーのスピンの向きである。
この媒体に熱アシスト磁気記録を行う。すなわち、図１０の７４で示される範囲を加熱した状態で記録ヘッドより上向きの磁界を印加して、上向きスピンを持つ記録磁区を形成する。磁化転移は７３で示した位置に形成される。媒体は図の右から左へ移動している。したがって、矢印７３よりも右側の磁性粒子が反転する。図１０の（ａ）→（ｆ）の順に時間が進行し、記録が行われる。
（ａ）は媒体温度Ｔが室温Ｔaである状態を示す。（ｂ）は加熱部分の媒体温度Ｔが室温より高いが、交換結合がなくなる温度ＴcEより低い状態である。この状態では、機能層６３も記録層６４もＫuの低下により磁化が減少する。（ｃ）は加熱部分の媒体温度ＴがＴcEに達した状態である。機能層６３と記録層６４との交換結合が消失したことを示すために、機能層６３の磁化がなくなったように図示しているが、機能層６３の磁気モーメントは必ずしも消失する必要はない。例えば、機能層６３と記録層６４との間隙が、機能層６３の原子間距離（または反強磁性結合しているモーメント間の距離）よりも長い場合、機能層６３内のモーメント間の結合が切れるよりも低い温度で、機能層６３と記録層６４との層間結合が切れる。この場合には、機能層６３も記録層６４も磁化（モーメント）を持っているが、両者に交換結合相互作用は生じない。また、多少の交換結合相互作用があるが、実用上は相互作用がないとみなせる状態もある。例えば、記録磁界や記録層６４の保磁力が１００Ｏｅのオーダーにある場合、交換結合力Ｈexgが０．１Ｏｅのオーダーであるならば、この程度の交換結合力は無視できる。（ｄ）は加熱部分の媒体温度Ｔが記録温度Ｔwに達し、かつ記録ヘッドによって上向きの磁界が印加された状態である。記録層６４の記録保磁力（概ねＫuに比例する）が低下し、その結果、記録層６４の磁化が上向きに反転する。この時点で図１０の７３の位置に磁化転移が形成される。もし機能層６３がなければ、レーザー光が通り過ぎた後の徐冷過程で熱揺らぎが起こり、一度反転した磁化が再反転するか磁化転移が揺らぐことになる。ところが、（ｅ）に示すように、記録直後に加熱部分の媒体温度ＴがＴcEより低くなった時点で、機能層６３と記録層６４との交換結合相互作用が復活する。このとき、記録層６４からの交換磁界により、機能層６３の磁化は下向きになる。この時点で、磁化反転ユニットの体積Ｖaが記録層６４と機能層６３との合計体積になるので、熱揺らぎ安定指数ＫuＶ／ｋBＴが急激に増加し、熱揺らぎ現象を低く抑えることができる。さらに冷却が進んでも磁化転移位置はほとんど動かない。（ｆ）は記録後の状態である。以上のように、記録層６４の磁性粒子の大きさ程度の分解能で磁化転移が形成される。
図１１に上記の記録過程における、磁気異方性エネルギー密度Ｋuと磁化反転ユニットの体積Ｖaの温度に対する変化を模式的に示す。この図において、ＫuRは記録層の磁気異方性エネルギー密度、ＫuFは機能層の磁気異方性エネルギー密度、ＫuＶa｜totalは媒体全体の見かけ上のＫuＶaの大きさである。この図に示されるように、ＴcE前後でのＶaの不連続かつ急激な変化のために、ＫuＶa｜totalも急激な変化を示す。
以上の作用により、熱アシスト磁気記録における課題であったクロスイレーズと記録直後の磁区消滅の問題を解決できる。すなわち、記録トラックに隣接するトラックにおいて、例えば図１１にＴnextで示した程度の温度上昇があっても、ＫuＶa｜totalは十分に大きいので熱揺らぎによる記録の劣化は起こらない。また、記録直後にＫuＶa｜totalが急増するため、記録後の熱揺らぎ劣化も抑えられる。
本発明者らは、交換結合二層膜に対して種々の条件で記録実験を行った結果、｜ＴcE−Ｔw｜＜１００Ｋという条件を満たして入れば、上記の作用・効果が得られることを確認した。また、マージンを広く取り、媒体や装置の製造条件に余裕を持たせ、より高密度の記録を行うためには、｜ＴcB−Ｔw｜＜５０Ｋがより好ましく、｜ＴcB−Ｔw｜＜２０Ｋがさらに好ましい。
なお、図１０を参照して説明した磁気記録過程は機能層が強磁性を示す場合にも起こり得る。しかし、機能層のトータルの磁化が大きいと大きな漏洩磁界が発生して記録密度の向上を妨げるため、好ましくない。例えば、面内磁気記録の場合には、磁化転移で大きな反磁界が発生し、転移の拡大が起こる。また、垂直磁気記録の場合には、記録磁区中央部での反磁界が大きくなって逆磁区が発生し、媒体ノイズが増加する。
次に、本発明の第６の態様に係る磁気記録媒体、この媒体を用いる磁気記録装置、およびこの媒体に対する磁気記録方法について説明する。第６の態様に係る磁気記録媒体は、少なくとも非磁性基板と、反強磁性体またはフェリ磁性体を含む機能層と、複数の磁性粒子及びそれら磁性粒子間を埋める非磁性体壁を有する構造を有する記録層とを具備し、機能層と記録層とは使用環境下（通常は室温）で交換結合相互作用を及ぼすように積層されている。したがって、第６の態様に係る磁気記録媒体の構造は、図９を参照して説明した第５の態様に係る磁気記録媒体と同様であるが、記録層のキュリー温度ＴcRがＴcEより小さい点で、第５の態様に係る磁気記録媒体とは異なる。
図１２に第６の態様に係る磁気記録媒体における記録動作を示す。図１２中の符号は、図１０の符号と同一の意味を表わす。
（ａ）は媒体温度Ｔが室温Ｔaである状態を示す。（ｂ）は加熱部分の媒体温度Ｔが室温より高いが、記録温度Ｔwより低い状態である。この状態では、機能層６３も記録層６４もＫuの低下により磁化が減少する。（ｃ）は加熱部分の媒体温度ＴがＴwよりわずかに低い温度にある状態である。記録層６４のＫuの低下が大きく、ヘッド磁界で記録できる程度の大きさになっている。この時点でも機能層６３と記録層６４の交換結合は存在している。（ｄ）は加熱部分の媒体温度Ｔが記録温度Ｔwに達し、かつ記録ヘッドによって上向きの磁界が印加された状態である。記録層６４の磁化は上向きに反転し、交換結合している機能層６３の磁化も同時に反転する。この時点で図１２の７３の位置に磁化転移が形成される。もし機能層６３がなければ、レーザー光が通り過ぎた後の徐冷過程で熱揺らぎが起こり、一度反転した磁化が再反転するか磁化転移が揺らぐことになる。ところが、磁化反転ユニットの体積Ｖaは記録層６４と機能層６３との合計体積になるので、熱揺らぎ安定指数ＫuＶ／ｋBＴは十分に大きく、熱揺らぎ現象を低く抑えることができる。さらに冷却が進んでも磁化転移位置はほとんど動かない。（ｅ）は記録後の状態である。以上のように、記録層６４の磁性粒子の大きさ程度の分解能で磁化転移が形成される。
以上の作用により、第５の態様の磁気記録装置と同様に、熱アシスト磁気記録における課題であったクロスイレーズと記録直後の磁区消滅の問題を解決できる。
以上の作用・効果はＴcR＜ＴcEという条件を満たすだけで得られる。したがって、記録温度Ｔwに関する制限は特になく、記録ヘッドの能力に応じてＴwを設定すればよい。例えば、ヘッドの書き込み能力が劣る場合には、ＴcR近傍（例えば３０Ｋ以内）にＴwを設定すればよいが、熱揺らぎは大きくなる。逆にヘッドの書き込み能力が高いか、または室温でのＫuをそれほど大きくしなくてよい比較的低密度の磁気記録装置の場合には、ＴwをＴcRよりも数百Ｋ低い温度に設定しても記録できる場合がある。そのような場合には、熱揺らぎ加速の影響が小さくなるので好ましい。
次に、本発明の第７の態様に係る磁気記録媒体、この媒体を用いる磁気記録装置、およびこの媒体に対する磁気記録方法について説明する。第７の態様に係る磁気記録媒体は、少なくとも、非磁性基板と、反強磁性体またはフェリ磁性体を含む機能層と、磁性体を含むスイッチング層と、複数の磁性粒子及びそれら磁性粒子間を埋める非磁性体壁を有する構造を有する記録層とを有し、機能層とスイッチング層と記録層とは使用環境下（通常は室温）で交換結合相互作用を及ぼすように積層されている。
図１３に、本発明の第７の態様に係る磁気記録媒体と磁界印加手段と加熱手段を模式的に示す。図１３の磁気記録媒体は、基板６１上に、下地層６２、反強磁性体またはフェリ磁性体を含む機能層６３、磁性体を含むスイッチング層６６、記録層６４、および保護層６５を形成した構造を有する。この磁気記録媒体の基板側に加熱手段としてのレーザー２１が、磁気記録媒体上に磁界印加手段としての記録ヘッド２２がそれぞれ設置されている。なお、レーザー２１は記録ヘッド２２と一体化して磁気記録媒体上に設置してもよい。
スイッチング層６６以外の部材が満たすべき要件は上述したのと同様である。スイッチング層６６は、機能層６３と記録層６４との交換結合のＯＮ／ＯＦＦのみに関与する。スイッチング層６６の厚さは特に制限されないが、機能層６３と記録層６４との交換結合を確実に切るには、１ｎｍ以上であればよい。厚さの上限は特にないが、コストの面から薄い方が好ましく、５０ｎｍ以下、好ましくは１０ｎｍ以下、より好ましくは５ｎｍ以下である。
図１４に第７の態様に係る磁気記録媒体における記録動作を示す。図１４に示されるように、機能層６３と記録層６４との間にはスイッチング層６６が挟まれている。その他の図１４中の符号は、図１０の符号と同一の意味を表わす。
（ａ）は媒体温度Ｔが室温Ｔaである状態を示す。この図ではスイッチング層６６のモーメントは記録層６４と強磁性結合し、機能層６３と反強磁性結合しているが、結合の組み合わせはどのようなものであっても構わない。機能層６３と記録層６４との交換結合が保たれるのであれば、スイッチング層６６の磁気異方性の向きも任意である。（ｂ）は加熱部分の媒体温度Ｔが室温より高いが、スイッチング層６６と記録層６４との交換結合がなくなる温度ＴcEより低い状態である。この状態では、機能層６３、スイッチング層６６および記録層６４のいずれもＫuの低下により磁化が減少する。（ｃ）は加熱部分の媒体温度ＴがＴcEに達した状態である。スイッチング層６６と記録層６４との交換結合が消失したことを示すために、スイッチング層６６の磁化がなくなったように図示しているが、スイッチング層６６の磁気モーメントは必ずしも消失する必要はない。例えば、スイッチング層６６と記録層６４との間隙が、スイッチング層６６の原子間距離（または反強磁性結合しているモーメント間の距離）よりも長い場合、スイッチング層６６内のモーメント間の結合が切れるよりも低い温度で、スイッチング層６６と記録層６４との層間結合が切れる。この場合には、スイッチング層６６も記録層６４も磁化（モーメント）を持っているが、両者に交換結合相互作用は生じない。また、多少の交換結合相互作用があるが、実用上は相互作用がないとみなせる状態もある。例えば、記録磁界や記録層６４の保磁力が１００Ｏｅのオーダーにある場合、交換結合力Ｈexgが０．１Ｏｅのオーダーであるならば、この程度の交換結合力は無視できる。（ｄ）は加熱部分の媒体温度Ｔが記録温度Ｔwに達し、かつ記録ヘッドによって上向きの磁界が印加された状態である。記録層６４の記録保磁力（概ねＫuに比例する）が低下し、その結果、記録層６４の磁化が上向きに反転する。この時点で図１２の７３の位置に磁化転移が形成される。もしスイッチング層６６および機能層６３がなければ、レーザー光が通り過ぎた後の徐冷過程で熱揺らぎが起こり、一度反転した磁化が再反転するか磁化転移が揺らぐことになる。ところが、（ｅ）に示すように、記録直後に加熱部分の媒体温度ＴがＴcEより低くなった時点で、記録層６４とスイッチング層６６、さらには機能層６３との交換結合相互作用が復活する。このとき、記録層６４からの交換磁界により、スイッチング層６６の磁化は上向きに、機能層６３の磁化は下向きになる。この時点で、磁化反転ユニットの体積Ｖaが記録層６４、スイッチング層６６および機能層６３の合計体積になるので、熱揺らぎ安定指数ＫuＶ／ｋBＴが急激に増加し、熱揺らぎ現象を低く抑えることができる。さらに冷却が進んでも磁化転移位置はほとんど動かない。（ｆ）は記録後の状態である。以上のように、記録層６４の磁性粒子の大きさ程度の分解能で磁化転移が形成される。
図１５に上記の記録過程における、磁気異方性エネルギー密度Ｋuと磁化反転ユニットの体積Ｖaの温度に対する変化を模式的に示す。この図において、ＫuSはスイッチング層の磁気異方性エネルギー密度であり、その他の符号は図１１と同一である。この図に示されるように、ＴcE前後でのＶaの不連続かつ急激な変化のために、ＫuＶa｜totalも急激な変化を示す。
図１３では図９よりも層構造が複雑になるが、機能層６３の磁気特性を任意に設定でき材料選択の自由度が増加するので好ましい。また、Ｖaの変化すなわちＫuＶa｜totalの変化幅を大きくすることもでき、より安定度の高い熱アシスト磁気記録が可能になる。
以上の作用により、熱アシスト磁気記録における課題であったクロスイレーズと記録直後の磁区消滅の問題を解決できる。すなわち、記録トラックに隣接するトラックにおいて、例えば図１５にＴnextで示した程度の温度上昇があっても、ＫuＶa｜totalは十分に大きいので熱揺らぎによる記録の劣化は起こらない。また、記録直後にＫuＶa｜totalが急増するため、記録後の熱揺らぎ劣化も抑えられる。
本発明者らは、交換結合二層膜に対して種々の条件で記録実験を行った結果、｜ＴcE−Ｔw｜＜１００Ｋという条件を満たして入れば、上記の作用・効果が得られることを確認した。また、マージンを広く取り、媒体や装置の製造条件に余裕を持たせ、より高密度の記録を行うためには、｜ＴcB−Ｔw｜＜５０Ｋがより好ましく、｜ＴcB−Ｔw｜＜２０Ｋがさらに好ましい。
なお、図１４を参照して説明した磁気記録過程は機能層が強磁性を示す場合にも起こり得る。しかし、機能層のトータルの磁化が大きいと大きな漏洩磁界が発生して記録密度の向上を妨げるため、好ましくない。例えば、面内磁気記録の場合には、磁化転移で大きな反磁界が発生し、転移の拡大が起こる。また、垂直磁気記録の場合には、記録磁区中央部での反磁界が大きくなって逆磁区が発生し、媒体ノイズが増加する。
上述したように、磁性層どうしを数ｎｍ以下の間隔を隔てて積層した多層膜では磁性層間に反強磁性結合が起こることが知られており、第５〜第７の態様の磁気記録媒体において機能層としてこのような多層膜を採用することができる。磁性層は磁性体の連続膜でもよいし、磁性体とそれ以外の材料との複合膜でもよい。磁気異方性の大きい磁性層を用いると異方性の大きい反強磁性膜が得られ、磁気異方性の小さい磁性層を用いると異方性の小さい反強磁性膜が得られる。
図１０、図１２および図１４を参照して説明した記録過程においては、記録層が反転した後、機能層もそれに応じて反転する。したがって、機能層の反転磁界（保磁力）は小さい方が好ましいといえる。しかし、磁気異方性が大きく、異方性磁界Ｈk（保磁力Ｈcに概ね比例する）が大きい機能層でも、以下に述べる理由により、用いることができる。
いま、Ａ層およびＢ層の２層が交換結合していると仮定する。ここで、ｔA：Ａ層の膜厚、ＭsA：Ａ層の飽和磁化、ＨcA：Ａ層の保磁力、ｔB：Ｂ層の膜厚、ＭsB：Ｂ層の飽和磁化、ＨcB：Ｂ層の保磁力、σw：界面磁壁エネルギー密度とする。また、ＨcA＞ＨcB、すなわちＡ層の方がＢ層よりも磁気異方性が大きいものとする。このとき、Ａ層およびＢ層の反転磁界ＨrAおよびＨrBは、それぞれ、以下の式で表される。
ＨrA＝ＨcA−σw／２／ＭsA／ｔA
ＨrB＝ＨcB＋σw／２／ＭsB／ｔB
ＨrA＝ＨrB（界面磁壁ができない場合）。
すなわち、上記反転磁界は、ＨcAとＨcBの間で、ＭsAｔAとＭsBｔBの大小関係で決まる比率で分配された値となる。したがって、異方性の大きい機能膜であっても、記録層との兼ね合いでＭsｔの値を調整すれば所望の性質を示すことができる。
多層膜に含まれる磁性層はＣｏ、Ｎｉ、Ｆｅまたはこれらの合金からなり、同一でも異なっていてもよい。磁化の値が異なる磁性層を含む多層膜は、全体として差分の磁化を有しフェリ磁性を示す。磁性層の厚さは特に限定されないが、０．２ｎｍよりも薄くしようとすると膜を形成することが困難になるため好ましくない。一方、磁性層の厚さが１００ｎｍを超えると媒体コストが上昇するため好ましくない。
多層膜に含まれる非磁性層は特に限定されないが、Ｒｕ、Ｒｅ、Ｒｈ、Ｉｒ、Ｔｃ、Ａｕ、Ａｇ、Ｃｕ、Ｍｎ、Ｓｉ、Ｃｒもしくはこれらの合金、またはこれらの酸化物から選択される少なくとも１種を用いることが好ましい。非磁性層の厚さは、多層膜が反強磁性結合を起こすか否か、および結合の強さに強く関わる重要なパラメータである。しかし、多層膜における反強磁性結合は、材料、微細構造、成膜状態、強磁性層の状態によっても影響を受けるので、非磁性層の好適な厚さを明確に規定することはできない。なお、非磁性層の厚さが５ｎｍより厚いと、磁性層間の結合が極めて弱くなるので実用的ではない。非磁性層の厚さは１ｎｍより薄いことが好ましい。
図１６〜図２０を参照して、多層構造を有する機能層の例を説明する。
図１６に示す機能層８３は磁性層８１と非磁性層８２の１つのユニットからなっており、この機能層８３上に記録層６４が形成されている。図１６の場合、非磁性層８２を適切に設計することにより、磁性層８１と記録層６４とを反強磁性結合させることができる。この場合、機能層８３は記録層６４の一部と結合してフェリ磁性を示す。
図１７に示す機能層８４は磁性層８１と非磁性層８２のユニット（図１６の機能層８３に相当する）が複数回繰り返して積層されたものであり、この機能層８４上に記録層６４が形成されている。図１７の場合、磁性層８１と非磁性層８２のユニットが複数回積層された機能層８４自体を反強磁性体またはフェリ磁性体とみなすことができる。磁性層８１と非磁性層８２のユニットの積層回数は特に制限されないが、３０回を超えると製造コストが高くなるだけである。
図１８に示す機能層８３は磁性層８１と非磁性層８２の１つのユニットからなっている。この機能層８５上にユニットを形成するのと同じ磁性層８１を挟んで非磁性層８２なしに記録層６４が形成されている。図１８の場合、記録層６４とこれに接している磁性層８１は強磁性結合するので、この磁性層８１は記録層６４の一部とみなすことができる。この場合、機能層８３と記録層６４との結合は、積層ユニットを形成する磁性層８１間の結合となる。したがって、図１６の場合と比較して層数が増加するが、図１６よりも設計や製造条件が容易になるという利点がある。
図１９に示す機能層８４は磁性層８１と非磁性層８２のユニットが複数回繰り返して積層されたものであり、この機能層８４上に磁性層８１を挟んで記録層６４が形成されている。図１９の場合、機能層８４が満たすべき要件は図１７の場合と同様である。
図２０に示す機能層は、磁性層８１と非磁性層８２の積層ユニットが複数回繰り返して積層された第１機能層８４と、反強磁性体またはフェリ磁性体を含む第２機能層９１を有し、第１機能層８４と第２機能層９１が室温で交換結合を及ぼすように積層されている。図２０では、第２機能層９１、第１機能層８４および記録層６４がこの順に形成されているが、第１機能層８４、第２機能層９１および記録層６４の順に形成してもよい。
上述したように、多層構造を有する機能層において磁気異方性エネルギーを大きくしたい場合には異方性の大きい磁性層を用いることが考えられるが、図２０に示したように反強磁性体を含む第２機能層９１との交換結合を利用してもよい。第２機能層９１を形成する反強磁性体の満たすべき要件は、機能層に関連して説明した要件と同様である。例えば、ＮｉＯなどの反強磁性体はある結晶軸方向に異方性を持つ。したがって、その結晶軸を任意の方向に配向できれば、その方向に異方性軸を持つ機能層を得ることができる。
上記の各態様に係る熱アシスト磁気記録を行う磁気記録装置では、磁気記録媒体と磁気記録媒体に磁界を印加する手段との距離が１００ｎｍより小さい条件で磁界が印加される。本発明による磁気記録装置が従来にＨＤＤ装置に比べて優位性を示すのは、線密度の大きな例えば１００Ｇｂ／ｉｎ2の記録密度を担う場合である。そのような密度の分解能を得るには、記録媒体との距離が１００ｎｍよりも小さいことが好ましい。より好ましくは、上記距離が５０ｎｍ以下、さらに好ましくは３０ｎｍ以下である。
次に、本発明の第８の態様に係る磁気記録媒体、およびこの媒体を用いる磁気記録装置について説明する。
第８の態様に係る磁気記録媒体は、少なくとも、非磁性基板と、磁性体を含む機能層と、該機能層上に形成された、複数の磁性粒子及びそれら磁性粒子間を埋める非磁性体壁を有する構造を有する記録層とを有する。
なお、記録層は、磁性層と非磁性層（ＰｔおよびＰｄからなる群より選択される少なくとも１種の元素を含み、厚さが２ｎｍ以下である）とを交互に積層した多層構造を有するものでもよい。
図２１に、第８の態様に係る磁気記録媒体と磁界印加手段を示す。図２１の磁気記録媒体は、基板１０１上に、下地層１０２、磁性体を含む機能層１０３、記録層１０４、および保護層１０５を形成した構造を有する。この磁気記録媒体上に磁界印加手段としての記録ヘッド２２が設置されている。
機能層１０３と記録層１０４とは使用環境下で強磁性交換相互作用を及ぼすように積層されている。また、記録層１０４の磁気異方性エネルギー密度ＫuRLは５×１０6ｅｒｇ／ｃｃ以上であり、機能層１０３の磁気異方性エネルギー密度ＫuFLよりも大きい。
機能層１０３は、強磁性、反強磁性、フェリ磁性のいずれであってもよい。機能層６３の磁気異方性は、面内磁気異方性でも、垂直磁気異方性でも、両者が混合されたものでも構わない。機能層１０３の厚さは特に制限されないが、１０００ｎｍを超えると作製に時間がかかり、また膜応力による特性劣化や剥離が発生しやすくなるので好ましくない。機能層１０３の厚さを０．１ｎｍ未満にしようとすると実質的に膜を形成できないので好ましくない。
強磁性を示す機能層としては、記録層と同様のものを用いることができる。ただし、機能層を情報の記録に利用しない場合には、磁気異方性および磁化の大きさは記録層より小さくてよく、材料の選択の幅が大きい。また、強磁性を示す機能層は、磁性粒子とそれを取り囲む非磁性体からなる構造になっていなくてもよい。
反強磁性を示す機能層としては、ネール温度が室温よりも高い反強磁性体の薄膜を用いることができる。フェリ磁性を示す機能層としては、フェリ磁性体の薄膜を用いることができる。また、機能層として反強磁性またはフェリ磁性を示す多層膜を用いることもできる。これらの反強磁性またはフェリ磁性を示す機能層の材料としては、図９に示した第５の態様に係る磁気記録媒体の機能層６３に関連して説明したものと同様のものが挙げられる。
第８の態様の磁気記録媒体では、機能層１０３と記録層１０４とは使用環境下で強磁性交換相互作用を及ぼすように積層されている。機能層１０３と記録層１０４とが交換結合相互作用を及ぼすようにするには、スパッタリングなどによる一般的な媒体製造工程において、真空を破ることなくこれらの層を連続的に成膜する方法が用いられる。
機能層と記録層との間には、厚さが５ｎｍ以下であれば、実質的な非磁性層が存在していてもよい。実質的な非磁性体とは、単独で存在する場合には非磁性であるが磁性体と積層すると界面または膜中に磁性が誘起されるような性質も示す材料（例えば、Ｃｒ、Ｍｎ、Ｐｄ、Ｐｔなど）でもないことを意味する。実質的な非磁性体でない場合には、その間隙は、強磁性交換相互作用が本発明における作用をもたらす範囲であれば、特に限定されない。また、機能層と記録層との間に別の磁性層を入れることによっても交換結合力を制御できる。したがって、機能層と記録層との間に複数の磁性層および非磁性層が存在していてもよい。機能層と記録層との間隙は膜の形態である必要はなく、欠陥、ボイド、部分的な酸化膜／粒子、または表面改質部分であってもよい。
以下、第８の態様の磁気記録媒体についてより詳細に説明する。
図２２は図２１の機能層１０３と記録層１０４の部分のみを取り出し、モーメント（スピン）Ｓの向きを模式的に示したものである。ここでは、理解を容易にするために、機能層１０３および記録層１０４が垂直磁化膜である場合を示す。強磁性交換結合相互作用とは、この図に示すようにスピンの向きが同じであるときに最もエネルギーが低く安定となるような交換結合相互作用を意味する。
図２２のような交換結合二層膜の磁化反転（ヒステリシスループ）についてはすでに多数の研究がなされている。例えば、 Japanese Journal of Applied Physics, Vol.20, No.11, 1981, ｐｐ．2089-2095 においては、交換結合した二層の垂直磁化膜について磁化反転の解析がなされている。この文献には、交換結合エネルギー面密度σと各層の磁気特性に応じてヒステリシスループの形が変わることが開示されている。
ここで、図２３に示す２つの層（層１および層２）からなる交換結合二層膜を考える。この図に示すように、各層の磁気異方性エネルギー密度、飽和磁化および膜厚を、それぞれ、層１についてＫu1、Ｍs1、ｔ1、層２についてＫu2、Ｍs2、ｔ2と表す。第８の態様の磁気記録媒体では、Ｋu1＞Ｋu2となっている。
いま、各層のＭsが同じであるとすれば、理想的な系では、保磁力Ｈc＝２Ｋu・Ｍsは、層１の方が層２よりも大きくなる。このとき、交換結合エネルギーは各層のスピンを揃える作用を示す。その作用は、各層に交換磁界Ｈw＝σ／２Ｍsｔが印加されたのと等価である。ここで、各層のＨcがＨwよりも大きければ、両層のスピンが対向してエネルギー的に安定となる状態（準安定状態）が生じる。
このような媒体は、図２４のようなヒステリシスループを示す。図２４のようなヒステリシスループが得られる場合、上記で開示した交換結合二層膜の理論によれば、磁化の変化点ＨR1、ＨR2を以下の（１）式および（２）式に従って解析的に求めることができる。
ＨR1＝Ｈc1−Ｈw1＝Ｈc1−σ／２Ｍs1ｔ1 （１）
ＨR2＝Ｈc2＋Ｈw2＝Ｈc2＋σ／２Ｍs2ｔ2 （２）
すなわち、σを介して、保磁力の大きい層１は保磁力の小さい層２より保磁力を下げる作用を受け、逆に層２は層１より保磁力を増加させる作用を受ける。
一方、Ｈc1＜Ｈw1である場合、図２４のＨR2に相当する磁界で層２が磁化反転しようとするときに、交換力が大きいため、層２と同時に層１も反転する。このような媒体は、図２５のような通常の単層膜と同様なヒステリシスループを示す。この場合の、反転磁界ＨR3は下記（３）式で求められる。
ＨR3＝（Ｍs2ｔ2Ｈc2＋Ｍs1ｔ1Ｈc1）／（Ｍs2ｔ2＋Ｍs1ｔ1） （３）
この反転磁界ＨR3は、Ｈc1とＨc2の中間の値を有する。つまり、高Ｋuの層と低Ｋuの層が強磁性交換結合した二層膜の保磁力は、高Ｋuの単独膜の保磁力よりも低くなる。
本発明者らは、上記の理論を利用し、熱揺らぎ耐性の強い高Ｋuの層を低Ｋuの層と強磁性交換結合させることにより、現状の磁気ヘッドで記録できる程度の保磁力にまで下げられる可能性があることを見出した。なお、上記の理論自体は公知であるが、この理論を磁気記録媒体の熱揺らぎ問題に適用するという着想はこれまで知られていない。ただし、従来の磁気記録媒体の常識から考えると、交換結合二層膜のトータルの保磁力が下がると、熱揺らぎに対抗する磁気異方性エネルギーも低下することが予想された。
これに対して、本発明者らは検討を重ねた結果、交換結合二層膜においては、熱揺らぎ耐性としての磁気異方性エネルギーすなわち単層の磁性膜におけるＫuＶで表される物理量が低下せず、むしろ増加することを見出した。さらに、その効果は特に層１と層２が同時に反転するような状況下でより大きくなることを見出し、本発明を完成させた。以下、この点について、より詳細に説明する。
ここで、図２３に示した交換結合二層膜中の層１におけるエネルギーポテンシャルを考える。ここでは、垂直磁化膜を想定している。このエネルギーポテンシャルの深さは、層１を記録層とする磁気記録媒体が熱揺らぎエネルギーｋBＴに対抗するエネルギーに相当する。エネルギーポテンシャルの谷の「頂上」では、層１が反転する直前で、そのエネルギーが最も高い状態にある。このとき、図２６に示すように、外力により層１のスピンのみを膜面方向に向けた状態である。層１のスピンが膜面方向に向いていると、交換結合によって層２のスピンも角度θだけ回転する。この角度θは以下のようにして求められる。
層２の全エネルギー（面密度）σ2は下記（４）式で表される。
σ2＝ｔ2Ｋu2ｓｉｎ2θ−σｃｏｓ（９０−θ） （４）
このσ2を最小にするθを求める。ｄσ2／ｄθ＝０を解くと、
ｓｉｎθ＝σ／（２ｔ2Ｋu2） σ／（２ｔ2Ｋu2）＜１の場合、または
θ＝９０° σ／（２ｔ2Ｋu2）＞１の場合
となる。したがって、層２の全エネルギーはσ／（２ｔ2Ｋu2）＜１の場合、
σ2＝−σ2／（４ｔ2Ｋu2） （５）
である。一方、図２２に示す最低エネルギー状態では層２の全エネルギーは（４）式にθ＝０を代入して
σ2＝−σ （６）
となる。（（５）−（６））の値が、図２２の状態から図２６の状態へ遷移するのに必要なポテンシャルである。したがって、層２のポテンシャルは
σ−σ2／（４ｔ2Ｋu2） （７）
となる。
二層膜全体のポテンシャルσECDLは、（７）式と、層１の磁気異方性エネルギーによるポテンシャルｔ1Ｋu1との和であるので、
σECDL＝ｔ1Ｋu1＋σ−σ2／（４ｔ2Ｋu2） （８）
となる。一方、σ／（２ｔ2Ｋu2）＞１の場合、二層膜全体のポテンシャルは、θ=９０°を代入して、
σECDL＝ｔ1Ｋu1＋ｔ2Ｋu2 （９）
となる。
磁気記録媒体では、磁性膜は膜厚方向に伸びた円柱状の磁性粒子から構成されている。この場合、上記のエネルギー面密度は磁性粒子の底面積ｓを乗じるとエネルギー量となる。つまりσECDL×ｓがＫuＶに相当する熱揺らぎエネルギーに対抗する物理量となる。
したがって、層１と層２とが同時に反転する場合には、（９）式で表されるようにＫu1Ｖ1＋Ｋu2Ｖ2、すなわち二層のＫuＶの和が熱揺らぎ耐性となる。また、図２４のように二段のヒステリシスループを示す媒体では、Ｋu1Ｖ1＋（σ−σ2／（４ｔ2Ｋu2））ｓが熱揺らぎ耐性となる。いずれの場合でも、エネルギー量はＫu1Ｖ1よりも大きく、交換結合二層膜では熱揺らぎ耐性が向上することがわかる。また、層１と層２とが同時反転する場合には熱揺らぎ耐性がより向上することがわかる。以上の知見は従来全く知られておらず、本発明者らが初めて明らかにしたものである。
本発明の第８の態様に係る磁気記録媒体では、磁気異方性エネルギー密度ＫuRLが５×１０6ｅｒｇ／ｃｃ以上である記録層を用い、ＫuRLより小さい磁気異方性エネルギー密度ＫuFLを有する機能層と強磁性交換結合させる。上記のような高い磁気異方性エネルギー密度ＫuRLを有する記録層は熱揺らぎ耐性が十分にあるが、記録層単独の場合には現状の磁気ヘッドでは記録が困難である。しかし、記録層と機能層を強磁性交換結合させた二層膜とすることにより、全体の保磁力を低下させることができ、現行の磁気ヘッドでも記録できる磁気記録媒体を得ることができる。ここで、機能層のＫuFLが記録層のＫuRLよりも大きいと全体の保磁力が低下しないので、現行の磁気ヘッドによる記録はできない。
ＫuFLとＫuRLの差は特に限定されない。両者の差が小さいと、全体のＨc低減効果は小さいが、機能層の厚さを薄くしても大きなＫuＶを得ることができる。一方、両者の差が大きいと、Ｈc低減効果は大きいが、機能層の厚さを厚くしないと同時反転の条件を得るのが困難になる。したがって、両者の差は媒体を用いるシステムに応じて決定される。一般的な使用においては、ＫuRL／ＫuFLの値は３以上であることが好ましく、５以上がより好ましく、１０以上がさらに好ましい。
本発明の第８の態様に係る磁気記録媒体では、記録層は微細な磁性粒子を非磁性体で分断した構造を有し、磁性粒子どうしが互いに交換結合を及ぼさないようにして高密度記録を可能にしている。一方、機能層の形態は特に限定されない。機能層が記録層と同じモフォロジーの多粒子構造を有する場合には、機能層を記録層の一部として用いて記録することもでき、大きな出力が得られる利点がある。また、下地層、機能層および記録層を成膜する際に、記録層の結晶性および微細構造の制御が容易になるという利点がある。
機能層が多粒子構造を有するが磁性粒子の大きさが記録層より小さい場合、機能層が多粒子構造を有するが磁性粒子間の間隙が交換結合を完全に遮断するほど大きくない場合、または機能層が面内で磁気的に連続した磁性薄膜となっている場合には、機能層に磁壁が形成されるか、機能層と記録層との界面に磁気的な不連続が生じるか、または機能層と記録層との界面に磁壁が生じる。この場合、磁気的安定性（熱揺らぎ耐性）が減少する。ただし、このときの熱揺らぎ耐性の減少度合は機能層のＫuに依存する。記録層のＫuは機能層のＫuに対して数倍〜１０倍程度であるので、磁気記録媒体全体では機能層のＫuの影響は小さい。逆に、機能層と記録層との構造的な連続性により、記録層の活性化体積Ｖを増加させる効果が大きくなる利点が得られることもある。したがって、機能層の微細構造は、その媒体を用いるシステムの要求に依存して決定される。
次に、交換結合二層膜の保磁力をシミュレーションにより検討した結果を説明する。上記の（１）〜（３）式は、各層におけるモーメントの傾きを考慮していない近似式である。また、（４）式は反転前後のエネルギーの差をとっただけの値であり、交換結合エネルギーが無限大である場合の近似式となっている。現実的な解は、記録層と機能層のモーメントを独立に少しずつ回転させ、エネルギーが最も安定になる条件を探す、いわゆる Energy Minimum の手法を採用するのが妥当である。
図２１に示す構造を有する磁気記録媒体をシミュレーションの対象とした。記録層と機能層は強磁性交換結合しており、例えば記録層および機能層が垂直磁化膜である場合、各層のスピンの向きは図２２に示すようなものとなる。図２６に示したように、強磁性交換結合した二層膜に反転方向の磁界を加え、エネルギーが最も小さくなる角度θを求める計算を行い反転磁界を計算した。図２７にその結果を示す。
図２７において、Ｈｃの上限はＨcRL−ＨwRLの破線で表され、Ｈｃの下限はＨcFL＋ＨwFLの破線で表される。また、ＫuRL：記録層のＫu、ＫuFL：機能層のＫu、ＨcRL：記録層のＨc、ＨcFL：機能層のＨc、ＨwRL：記録層の感じる交換磁界、ＨwFL：機能層の感じる交換磁界、σ：交換結合エネルギー（面密度次元）、ＨR3：（３）式で算出される反転磁界、ｔRL：記録層の膜厚、ｔFL：機能層の膜厚である。計算に用いたパラメータは、ＫuRL：１０7ｅｒｇ／ｃｃ、ＫuFL：１０6ｅｒｇ／ｃｃ、ｔRL：１０ｎｍ、記録層のＭs（ＭsRL）：５００ｅｍｕ／ｃｃ、機能層のＭs（ＭsFL）：５００ｅｍｕ／ｃｃ（したがって、ＨcRL：４０ｋＯｅ、ＨcFL：４ｋＯｅ）、σ：５ｅｒｇ／ｃｍ2である。白丸プロットは記録層部分の反転磁界、黒丸は機能層部分の反転磁界であり、両者が重なっている領域は二層が同時に反転していることを意味する。
図２７から明らかなように、交換結合二層膜は（３）式で得られる反転磁界ＨR3よりも小さな磁界で反転することがわかった。これは従来の理論からは予測できない効果である。従来の理論では、大きなｔFLにおいてはＨcRL−ＨwRLとＨcRL＋ＨwRLとに分かれた二段ループを示し、ｔFLを小さくして図中に縦実線で示したＨcRL＝ＨwRLとなる膜厚になったときに反転磁界ＨR3の曲線になると予想される。ところが、シミュレーションの結果は上記の予想とは異なり、ＨcRL＝ＨwRLとなる厚さよりもｔFLが薄い領域で同時反転に移行し、また、二段ループから同時反転への移行も緩やかである。これは、おそらく各層のモーメントのチルトによってエネルギーが緩和されることによるものと思われる。このような挙動は、シミュレーションによって初めて明らかになったことである。図２７から、記録層が１０7ｅｒｇ／ｃｃという高Ｋu（保磁力：４０ｋＯｅ）を有するにもかかわらず、交換結合二層膜全体の保磁力は１６ｋＯｅ程度まで低減できることがわかる。
さらに、各層の磁気特性を変化させて同様な計算を行った結果を示す図２８〜図３３に示す。これらの図においても、Ｈｃの上限はＨcRL−ＨwRLの破線で表され、Ｈｃの下限はＨcFL＋ＨwFLの破線で表される。
図２８に機能層の飽和磁化を変化させた場合の結果を示す。図２８から明らかなように、機能層の飽和磁化を増やすと、保磁力低減効果が得られる機能層の膜厚を薄くでき、かつ保磁力をさらに低減できることがわかる。ただし、飽和磁化が増えると反磁界が大きくなり、面内媒体の場合には記録分解能の低下、垂直媒体の場合には逆磁区の生成によるノイズの増加という問題点も生ずる。したがって、機能層の飽和磁化をどの程度の値にするかは、システムの要求によって決定される。
図２９に記録層の飽和磁化を変化させた場合の結果を示す。図２９から明らかなように、記録層の飽和磁化が大きいほど保磁力低減効果がより大きくなることがわかる。ただし、保磁力低減効果が得られる機能層の膜厚が増えるため、製造コストが高くなる問題点も生ずる。したがって、記録層の飽和磁化をどの程度の値にするかは、システムの要求によって決定される。
図３０に機能層の磁気異方性エネルギーを変化させた場合の結果を示す。図３０から明らかなように、機能層の磁気異方性エネルギー密度が小さいほど保磁力低減効果がより大きくなることがわかる。保磁力低減効果が得られる機能層の膜厚はあまり変化しないこともわかる。ただし、全体の熱揺らぎ耐性ＫuＶはあまり大きくならないため、熱揺らぎ耐性の向上度合が小さいという問題点も生ずる。したがって、機能層の磁気異方性エネルギーをどの程度の値にするかは、システムの要求によって決定される。
図３１に記録層の磁気異方性エネルギー密度を変化させた場合の結果を示す。図３１から明らかなように、記録層の磁気異方性エネルギーによらず保磁力が低減している。このため、システムの要求する仕様値に沿って最もＫuが大きく熱安定性の高い記録層を選定することができる。また、記録層の磁気異方性エネルギー密度が大きいほど、保磁力低減効果が得られる機能層の膜厚が小さくなる利点もある。ただし、全体の保磁力は大きくなってしまうため、無制限に記録層のＫuを大きくすることはできない。したがって、記録層の磁気異方性エネルギー密度をどの程度の値にするかは、システムの要求によって決定される。
図３２に交換結合エネルギー面密度を変化させた場合の結果を示す。図３２から明らかなように、交換結合エネルギー面密度が大きいほど保磁力低減効果がより大きくなることがわかる。ただし、保磁力低減効果が得られる機能層の膜厚が増えるために、製造コストが高くなる問題点も生ずる。したがって、交換結合エネルギー面密度をどの程度の値にするかは、システムの要求によって決定される。
図３３に記録層の膜厚を変化させた場合の結果を示す。図３３から明らかなように、記録層の膜厚が小さいほど保磁力低減効果がより大きくなることがわかる。ただし、保磁力低減効果が得られる機能層の膜厚が増えるために、製造コストが高くなる問題点も生ずる。したがって、記録層の膜厚をどの程度にするかは、システムの要求によって決定される。
以上の計算において、保磁力低減効果が得られたのは、記録層のＫuよりも機能層のＫuが小さい場合においてのみである。このように保磁力低減効果を得るためには、機能層の磁気異方性エネルギー密度ＫuFLが記録層の磁気異方性エネルギー密度ＫuRLよりも小さいことが必要である。
以上で得られた知見は、記録層のＫuと機能層のＫuが平均化されて、ｔRL＋ｔFLだけの膜厚を持った磁性層による結果と等価である可能性があるが、このことを検証するには詳細な解析が必要であり、現状では解析不可能である。ただし、この仮定の通りであったとしても、第８の態様の磁気記録媒体は以下に述べる利点を有する。
（１）任意のＫuを持つ材料を得るのは一般に困難である。これは、磁気記録媒体では粒径および結晶性の制御が必要になるが、これらの制御は材料に強く依存するからである。一方、第８の態様の磁気記録媒体では、磁気特性を確実に制御できる高Ｋu材料と低Ｋu材料を用い、各層の膜厚・交換結合エネルギー・飽和磁化（例えば材料の添加元素による希釈で制御できる）などのパラメータ調整によって任意のＫuＶと反転磁界を得ることができる。
（２）一般に、多粒子系磁気記録媒体において、同一材料の膜厚を増していくと粒径が粗大化する傾向がある。これは、膜厚増大による応力緩和または応力発生によるものと思われる。これに対して、第８の態様の磁気記録媒体では、機能層の膜成長に伴って粒が粗大化する前に記録層が成膜されるので、応力緩和または応力発生を抑えることができ、粒径の粗大化を防ぐことができる。機能層／記録層を複数回繰り返して積層し、各層の厚さを実効的に減らすことによって、この効果をより大きくすることもできる。
また、上記のシミュレーションにおいて反磁界は考慮していない。このことは、このシミュレーションが面内媒体を前提としていることを意味するが、このシミュレーションは垂直媒体にも適用できる。反磁界係数をＮとすると、反磁界はＮ×４Ｍsで表される。垂直媒体の場合、連続磁性膜であればＮ＝１であるが、実際的な多粒子媒体の場合にはＮの値を決定するのは困難である。しかし、いずれにしても反磁界はＫuを低減する方向に作用するので、反磁界を含めてＫuを考慮すれば、上記のシミュレーションは垂直媒体に対しても妥当である。また、一般的に媒体のＫuを評価する場合、Ｋuは媒体固有の反磁界を含んだ形で求まる。このため、上記のシミュレーションにおけるＫuとして、純粋なＫuではなく現実的に求められる実効的なＫuを用いれば同じ効果が得られる。
図２８〜図３３の結果から、各パラメータの好ましい範囲を次のような推測することができる。ここで、基本となるパラメータをＫuRL＝１０7ｅｒｇ／ｃｃ、ＫuFL＝１０6ｅｒｇ／ｃｃ、ｔRL＝１０ｎｍ、ＭsRL＝５００ｅｍｕ／ｃｃ、ＭsFL＝５００ｅｍｕ／ｃｃ、σFL＝５ｅｒｇ／ｃｍ2とする。そして、例えばＭsRL、ＫuRL、σFLまたはｔRLを調整する場合について考える。このとき、機能層の膜厚ｔFLを図３４（Ａ）〜（Ｄ）に示される白丸プロットと黒丸プロットとの間に設定すれば、良好な特性が得られる。これらの図に示されるｔFLの範囲は、従来の理論では予測できず、しかも大きな保磁力低減効果が得られる。このときのＫuは、上述したように、反磁界を考慮した実効的なＫuを用いればよいことはいうまでもない。もちろん、設計上またはシステム上、反磁界の影響が小さい場合には、本質的(intrinsic)なＫuの値を用いてもよい。
第８の態様に係る磁気記録媒体では、記録層が磁性人工格子からなっていてもよい。磁性人工格子は、Ｃｏなどの強磁性薄膜が非磁性層（ＰｄやＰｔ）を介して数回〜数十回積層されたものであり、１０7ｅｒｇ／ｃｃ以上の磁気異方性エネルギーが得られ、かつ異方性の軸が膜面に垂直であることが知られている。この材料を記録層として用いることにより、第８の態様に係る磁気記録媒体と同様な効果を得ることができる。１０7ｅｒｇ／ｃｃ以上の磁気異方性エネルギーが得られる条件は、非磁性層がＰｔ、Ｐｄまたはこれらの元素を主成分とする合金であり、かつその厚さが２ｎｍ以下である場合である。
第８の態様の磁気記録媒体において、機能層および記録層が垂直磁化膜どうしである場合、これらを交換結合相互作用が生じるように積層すると、異方性の軸が揃っているので交換結合エネルギーを大きくすることができる。第８の態様の磁気記録媒体では、交換結合エネルギーが大きいほど保磁力低減効果が大きいので、記録層としてよりＫuの高い材料を用いることができる。なお、記録層および機能層ともに面内にヒステリシスが出ない完全な垂直磁化膜である必要はない。もちろん、完全な垂直磁化膜が好ましいが、実質的には残留磁化が垂直成分にもあるような条件であれば、交換結合エネルギーを大きくする効果が得られる。
第８の態様の磁気記録媒体においては、記録層と機能層が交互に積層された多層膜を用いてもよい。特に、機能層／記録層／機能層となっている領域が存在すると、二層膜の場合と比較して、記録層に作用する交換磁界が２倍になる。これは交換結合エネルギーが２倍に増加したのと等価であり、高Ｋu材料のＨcを低減する効果を高めることができる。なお、このような領域は、磁気記録媒体中に複数存在していてもよい。
第８の態様の磁気記録媒体においては、機能層が複数の磁性層を含み、これらの複数の磁性層が反強磁性方向に交換結合するように積層されている部分を有する場合、その実効的な飽和磁化を小さくすることができ、場合によっては完全にゼロにすることができる。この場合、磁気記録媒体全体としての磁化量を小さくすることができる。このため、面内媒体の場合には反磁界による記録分解能低減を抑えることができる。また、垂直媒体の場合には逆磁区発生による媒体ノイズの増加を抑える効果が得られる。このような機能層としては、既述した材料および構造を有するものを用いることができる。
第８の態様の磁気記録媒体においては、記録層として５０ａｔ％以下のＣｕが添加された、Ｆｅ−Ｐｔ、Ｆｅ−Ｐｄ、Ｃｏ−ＰｔおよびＣｏ−Ｐｄからなる群より選択される磁性体を用い、機能層として無添加または５０ａｔ％以下のＡｇおよび／またはＡｌが添加された、Ｆｅ−Ｐｔ、Ｆｅ−Ｐｄ、Ｃｏ−ＰｔおよびＣｏ−Ｐｄからなる群より選択される磁性体を用いることが好ましい。
Ｆｅ−Ｐｔ、Ｆｅ−Ｐｄ、Ｃｏ−Ｐｔ、Ｃｏ−Ｐｄなどの規則相合金は高Ｋuの磁性体である。これらの規則相合金では、磁性金属と貴金属との組成比が概ね１：１である場合に最も大きなＫuが得られるが、１：３〜３：１の範囲でも高Ｋuが得られる。これらの規則相は、スパッタリングにより成膜したまま（as-deposited）では得られず、アニールすることにより形成される。一般に、このときのアニール温度は５００〜６００℃に設定されるが、適切な添加元素を用いることによりアニール温度を低減できることがわかった。アニール温度の低減に最も効果的な添加元素がＣｕであり、ＡｇやＡｌなどの添加元素ではアニール温度の低減効果は得られない。したがって、記録層として５０ａｔ％以下のＣｕを添加した規則相合金を用い、機能層として無添加または５０ａｔ％以下のＡｇおよび／またはＡｌを添加した規則相合金を用い、アニール温度を記録層は規則化するが機能層は規則化しない領域に設定すると、記録層のみのＫuを大きくすることができる。また、機能層および記録層が同系の材料であるので、下地層およびプロセスの調整により機能層だけでなく記録層についても結晶配向性および粒径を容易に制御できる。
（実施例１）
図１に示す構造を有する第１の態様に係る磁気記録媒体を作製した。２．５インチ径のガラス基板上に、厚さ５０ｎｍのＳｉＮからなる下地層、厚さ２５ｎｍのＴｂ0.19（Ｆｅ0.75Ｃｏ0.25）からなるベース層、厚さ２ｎｍのＳｉＮからなるスイッチング層、厚さ２０ｎｍのＣｏＰｔＣｒ−Ｏからなる記録層、厚さ３ｎｍのＣからなる保護層を順次スパッタ法にて積層し、その後潤滑剤を塗布した。
この際、ＳｉＮ下地層にＲＦ１００Ｗ、１分のスパッタエッチング処理を施した後、真空を破らずにベース層を積層した。このことによりＳｉＮ下地層およびベース層およびその界面における浮遊酸素を取り除くことができ、ベース層の耐候性を向上させることができる。ベース層単独の磁気特性は、室温での保磁力ＨcがＶＳＭの測定限界（１５ｋＯｅ）を超えており、いわゆる補償組成であることを示していた。ベース層のキュリー温度は３５０℃であった。
記録層の微細構造をＴＥＭにより調べたところ、ＣｏＰｔＣｒからなる柱状の磁性結晶粒子（直径約７ｎｍ）が、アモルファスのＣｏ−Ｏと微量のＣｒを含む非磁性体により２ｎｍ間隔で分断された構造となっていた。記録層単独の磁気特性は、垂直方向に磁化容易軸を有し、ＶＳＭで測定した室温での保磁力Ｈcは４．５ｋＯｅであった。ΔＭ法などの静的な評価と微細磁区のＭＦＭ測定の結果から、磁性粒子間の交換結合相互作用はほとんどないことが確認された。
ベース層／スイッチング層／記録層を積層した状態での磁気特性の温度依存性を調べた。室温から１５０℃までは図３５に模式的に示すような磁気特性を示した。すなわち、ベース層と記録層とは交換結合しておらず、それぞれ独立にヒステリシスを示し、ＨcBとＨcRで示したように、それぞれの層のＨcは異なった。しかし、１５０℃を超えたあたりから図３５のようなヒステリシスの分断は起こらなくなり、ＨcBとＨcRは一致した。これは、１５０℃から両層に交換結合相互作用が働き始めたためであると思われる。この積層膜の場合、層間に界面磁壁が形成されないと、ヒステリシスループから交換力Ｈexgを直接調べることはできない。また、Ｌexgの変化も直接知ることはできない。そこで、温度を変化させながらＶＳＭのｔｉｍｅ ｗａｉｔｉｎｇ測定を行うことにより、活性化モーメントＶIsBの温度変化を調べて、活性化体積（＝磁化反転ユニットの体積Ｖa）の温度依存性を推定することを試みた。その結果、Ｖaは図３に模式的に示したのと類似の温度変化を示し、ヒステリシスループの変化からの推定と同じく、交換結合が作用し始める温度Ｔswは１５０℃であると見積もれた。
上記の磁気記録媒体の動特性をＨＤＤの記録／再生評価装置により評価した。記録媒体の回転数は４５００ｒｐｍとした。記録ヘッドとして記録ギャップが２００ｎｍのものを用い、再生ヘッドとしてＧＭＲ素子を有し再生ギャップが１１０ｎｍのものを用いた。浮上量と潤滑剤の厚さから磁気スペーシングは１０ｎｍと推定された。一方、基板の裏面に波長６３３ｎｍのレーザーおよび外部低浮上レンズを配置した。外部低浮上レンズと基板の両方でＳＩＬレンズとなるように設計して、ベース層／スイッチング層／記録層の部分でレーザービームが焦点を結ぶようにした。レーザースポットの直径がＦＷＨＭで約５００ｎｍとなるように調節して局所加熱した。この際、精密なピエゾ素子によりヘッドを駆動させ、光の照射位置と記録ヘッドのギャップ位置とを一致させた。
まずレーザービームを照射しないで磁気記録を試みた。再生信号はノイズがほとんどであり、十分な記録ができていないことがわかった。このことは記録層の保磁力と記録ヘッドの記録能力から判断して当然の結果である。
次に、レーザーを照射しながら記録を行った。別の実験とシミュレーションにより、あらかじめ照射パワーと媒体の温度上昇の関係を求めておき、照射するレーザーパワーから再生信号のＣＮ比（ＣＮＲ）の媒体温度依存性を調べた。
４００ｋｆｃｉの単一周波数記録をおこなった結果を図３６に模式的に示す。媒体温度がＴsw以下の場合にも記録は可能であり、最初は媒体温度の上昇とともにＣＮＲが増加する結果が得られた。これは、媒体温度の上昇によりＨcが低下し、ヘッドの発生磁界でも記録ができるようになってきつつあるためである。しかし、ＳＮ比は低く、さらに媒体温度を上げていくと逆にＣＮＲは低下し始めた。これは、上述したように、保磁力が低下して媒体の磁化反転が容易になる一方で、媒体加熱による熱揺らぎの加速によって磁化が再反転しているためであると推測される。ところがＴswを超えたところから、ＣＮＲは再び増加し始め、ベース層のキュリー温度ＴcB＝２５０℃よりも低い温度で最大のＣＮＲを得ることができた。上述したように、ベース層と記録層との交換結合作用によりＶaが増加したため、磁化再反転が起こらなくなったためと思われる。このようにして得られた最適記録温度（パワー）で記録周波数依存性を調べた。周波数依存性曲線は通常の磁気記録システムと同様の特性を持っており、記録層の高Ｋu特性を反映して、１０００ｋｆｃｉまで記録できることが確認された。
（比較例１）
ＳｉＮスイッチング層の厚さを６ｎｍとした以外は実施例１と同様にして磁気記録媒体を作製した。実施例１と同様な動特性評価を行った結果を図３７に模式的に示す。図３７では図３６の場合のようなＣＮＲの増加がなく、ＣＮＲは媒体温度とともに低下した。これは、ベース層と記録層との間に交換結合が起こらなかったために、媒体加熱による熱揺らぎの加速によって磁化再反転しているためであると推測される。
（実施例２）
ＳｉＮスイッチング層の厚さｔswを０．５から６ｎｍまで変化させた以外は実施例１と同様にして磁気記録媒体を作製した。これらの磁気記録媒体のＴswを調べたところ、図３８に示す結果が得られた。ｔswが１ｎｍ以下では室温でも交換結合しＶaが大きい状態になるが、システムが要求する記録分解能を有するのであれば本発明による磁気記録媒体として用いることができる。このようにｔswの下限は磁気記録媒体のシステム設計・要求によって異なる。ｔsw＝６ｎｍ近傍ではＴswの評価は困難になる。これは、Ｔswが高温となり、ＶＳＭを用いた静的な評価では記録層が構造変化を起こしてうまく測定できないためである。そこで、記録特性からＴwを推定した。ｔswが６ｎｍを超えると、Ｔwとしては５００℃をはるかに超える温度が必要となる。このことは磁気記録装置の消費電力や発熱を考えると好ましくない。
（実施例３）
図１に模式的に示した構造を有する磁気記録媒体を作製した。２．５インチのガラス基板上に、５ｎｍのＮｉＡｌ／５０ｎｍのＣｒからなる下地層、７５ｎｍのＦｅＣｒからなるベース層、１．５ｎｍのＲｕからなるスイッチング層、２０ｎｍのＣｏＰｔ−ＳｉＯ2からなる記録層、３ｎｍのカーボンからなる保護層を順次スパッタ法にて積層し、その後潤滑剤を塗布して磁気記録媒体を作製した。ＣｏＰｔ−ＳｉＯ2はいわゆるグラニュラー媒体であって、ＣｏＰｔ磁性粒子がＳｉＯ2母材中に分散した微細構造を持つ。ＣｏＰｔのＳｉＯ2に対する体積比率は４５ｖｏｌ％であった。このような媒体は、たとえば、複合ターゲットを用いるか、またはＣｏＰｔとＳｉＯ2の同時スパッタで、基板にバイアスを印加しながら成膜すると作製できる。ＦｅＣｒベース層は、単層での磁気特性評価でフェロ磁性を示した。
記録層の微細構造をＴＥＭを用いて調べたところ、ＣｏＰｔからなる柱状の磁性結晶粒子（直径約６ｎｍ）がアモルファスのＳｉＯ2母材中で分断されている構造となっていた。磁気特性は、垂直方向に磁化容易軸を有し、室温でＶＳＭで測定した保磁力Ｈcは６ｋＯｅであった。磁性粒子間の距離（磁性粒子間に介在する非磁性体部分の長さ）は２ｎｍであった。ΔＭ法などの静的な評価と微細磁区のＭＦＭ測定の結果から、磁性粒子間の交換結合相互作用はほとんどないことが確認された。ベース層は、記録層と同様な多結晶構造を有している。ＮｉＡｌ／Ｃｒ下地層の効果で結晶粒径は７ｎｍと小さい。結晶粒子のモフォロジーはＲｕスイッチング層を介してほぼ記録層に保持されている。このベース層の室温での磁気特性は、Ｈcが１ｋＯｅ、キュリー温度が１５０℃であった。実施例１と同様の評価を行った結果、Ｔswは１２０℃であった。
上記の磁気記録媒体に対し実施例１と同様の記録／再生評価を行った。評価装置の諸元は実施例１と同じである。４００ｋｆｃｉの単一周波数記録を行った結果は図３６に模式的に示すものと類似していた。ただし、シミュレーションの結果から、ＴwがＴcBを超える２００℃においても十分大きなＣＮＲを得ることができた。これは、記録後の冷却過程中にベース層と記録層との交換結合作用によりＶaが増加する効果によって、磁化再反転が起こらなくなったためであると思われる。記録温度（パワー）を変えて、Ｔw＝２００℃と１４０℃とで記録周波数依存性を比較した。ＤＣに対して出力が１／２になる周波数の値は、Ｔw＝２００℃の条件の方が大きくなった。これは、記録時にＶaが小さくなっていることによって記録分解能が向上したためであると思われる。
（実施例４）
Ｒｕスイッチング層の厚さを変化させるとともに、記録層作製時にＣｏＰｔターゲットとＳｉＯ2ターゲットの投入電力の比を変えてＣｏＰｒとＳｉＯ2の体積比率の異なる記録層を形成した以外は実施例３と同様にして磁気記録媒体を作製した。ＣｏＰｔ磁性粒子を分断するＳｉＯ2非磁性部分の距離は各試料のＴＥＭ観察から求めた。このようにして、磁性粒子を磁気的に分断する非磁性部分の距離ｄ［ｎｍ］とｔswの比の異なる試料を作製し、最適レーザーパワーで記録した１００ｋｆｃｉの信号における媒体ノイズの比較を行った。その結果を模式的に図３９に示す。図３９において、縦軸は任意目盛りのノイズパワー、横軸はｔsw／ｄである。この図に示されるように、ｔsw／ｄ＝２を境にして、媒体ノイズの急激な増加が認められた。これは、媒体の加熱によってＬexgが増加して記録層とベース層とが交換結合する前に、記録層内の磁性粒子間が交換結合して大きな磁気クラスターを形成して磁化転移の乱れが大きくなり媒体ノイズとなったためであると思われる。
なお、ｔsw／ｄ＝１から媒体ノイズの増加が見られないのは、磁性粒子間の結合位置が平均すると「点」接触であるのに対して、記録層−ベース層間のそれは「面」接触であり、同じようなＬexgの増加に対しては記録層−ベース層間の方がより強く交換結合を起こすためであると思われる。また、上述のように、ベース層−スイッチング層−記録層とモフォロジーがほぼ保たれており、層間の界面は非常に急峻かつ面接触に近い条件が実現できていることも理由の一つとして挙げられる。
（実施例５）
図５に示す構造を有する第２の態様に係る磁気記録媒体を作製した。２．５インチのガラス基板上に、５ｎｍのＮｉＡｌ／５０ｎｍのＣｒからなる下地層、７５ｎｍのＣｏ−ＳｉＯ2グラニュラー膜からなるベース層、２０ｎｍのＣｏＰｔ−ＳｉＯ2からなる記録層、３ｎｍのカーボンからなる保護層を順次スパッタ法にて積層し、その後潤滑剤を塗布して磁気記録媒体を作製した。
記録層は実施例３と同様な構造となるように調整した。ベース層としてのＣｏ−ＳｉＯ2グラニュラー膜において、ＣｏのＳｉＯ2に対する体積比率は５０ｖｏｌ％とした。また、基板バイアス電力を調整することによって、Ｃｏ粒子の直径を平均で３．５ｎｍとした。このＣｏの体積では、室温で熱揺らぎによって超常磁性を示す。Ｃｏ−ＳｉＯ2単独の磁気特性の温度変化を調べた結果、１３０℃以上で強磁性となることがわかった（Ｔf＝１３０℃）。その理由は、Ｌexgが温度とともに増加し、Ｃｏ粒子の間隔よりも大きくなるとＣｏ粒子どうしが交換結合して活性化体積が増加し、磁気異方性エネルギーが熱揺らぎエネルギーよりも大きくなって強磁性へと転化するためである。
この場合、図３のｔsw＝Ｔf＝１３０℃とすれば、スイッチング層がなくとも実施例３と同様の効果を持つ磁気記録媒体を得ることができる。すなわち、媒体が加熱されてＴsw以上になるとベース層が強磁性となると同時に、交換結合している記録層の磁性粒子のＶaが図３に示すように増加する。このため、磁化再反転を抑えることができる。この場合のベース層の記録温度とＴwとの大小関係は既に述べたように、特に制限はない。
上記の磁気記録媒体に対し、実施例１と同様の記録／再生評価を行った。評価装置の諸元は実施例１と同じである。４００ｋｆｃｉの単一周波数記録をおこなった結果は図３６に模式的に示すものと類似のものになった。最適記録温度（パワー）で記録周波数依存性を調べたところ、１０００ｋｆｃｉまで記録できることが確認された。
（実施例６）
図５に示す構造を有する第３の態様に係る磁気記録媒体を作製した。２．５インチ径のガラス基板上に、５０ｎｍのＳｉＮからなる下地層、２５ｎｍのＴｂ0.18（Ｆｅ0.9Ｃｏ0.1）からなるベース層、２０ｎｍの（Ｃｏ0.75Ｐｔ0.2Ｃｒ0.05）−Ｏからなる記録層、３ｎｍのカーボンからなる保護層を順次スパッタ法にて積層し、その後潤滑剤を塗布した。
この際、ＳｉＮ下地層にＲＦ１００Ｗ、１分のスパッタエッチング処理を施した後、真空を破らずにベース層を積層した。このことによりＳｉＮ下地層およびベース層およびその界面における浮遊酸素を取り除くことができ、ベース層単独の耐候性を向上させることができる。ベース層単独の磁気特性は、室温での保磁力Ｈcが５ｋＯｅ、キュリー温度が２００℃であった。
記録層の微細構造をＴＥＭにより調べたところ、ＣｏＰｔＣｒからなる柱状の磁性結晶粒子（直径約７ｎｍ）が、アモルファスのＣｏ−Ｏと微量のＣｒを含む非磁性体により２ｎｍ間隔で分断された構造となっていた。記録層単独の磁気特性は、垂直方向に磁化容易軸を有し、ＶＳＭで測定した室温での保磁力Ｈcは４．５ｋＯｅと推定された。ΔＭ法などの静的な評価と微細磁区のＭＦＭ測定の結果から、磁性粒子間の交換結合相互作用はほとんどないことが確認された。キュリー温度は膜構造の変化のために同定できなかったが、２００℃までの温度変化から外挿して概ね２５０℃と推定された。この記録層は、磁性粒子の粒径が小さいため、熱揺らぎの影響が大きくなっているものと思われる。
上記の磁気記録媒体の動特性をＨＤＤの記録／再生評価装置により評価した。記録媒体の回転数は４５００ｒｐｍとした。記録ヘッドとして記録ギャップが２００ｎｍのものを用い、再生ヘッドとしてＧＭＲ素子を有し再生ギャップが１１０ｎｍのものを用いた。浮上量と潤滑剤の厚さから磁気スペーシングは１０ｎｍと推定された。一方、基板の裏面に波長６３３ｎｍのレーザーおよび外部低浮上レンズを配置した。外部低浮上レンズと基板の両方でＳＩＬレンズとなるように設計して、ベース層／スイッチング層／記録層の部分でレーザービームが焦点を結ぶようにした。レーザースポットの直径がＦＷＨＭで約５００ｎｍとなるように調節して局所加熱した。この際、精密なピエゾ素子によりヘッドを駆動させ、光の照射位置と記録ヘッドのギャップ位置とを一致させた。
まずレーザービームを照射しないで磁気記録を試みた。再生信号はノイズがほとんどであり、十分な記録ができていないことがわかった。このことは記録層の保磁力と記録ヘッドの記録能力から判断して当然の結果である。
次に、レーザービームを照射しながら記録を行った。別の実験とシミュレーションにより、あらかじめ照射パワーと媒体の温度上昇の関係を求めておき、照射するレーザーパワーから再生信号のＣＮ比（ＣＮＲ）の媒体温度依存性を調べた。
図４０に４００ｋｆｃｉの単一周波数で記録した結果を示す。この図から、Ｔw＝１００〜３００℃の範囲で記録が可能であることがわかる。記録可能限界でのＣＮＲは約１０ｄＢと低く、実際のＨＤＤシステムに用いることはできないが、本発明による記録方法の原理を確認するには十分な値である。また、記録周波数を低くするか、記録層の磁気特性を調整することによって、ＣＮＲを改善することは十分に可能である。
同様な実験をベース層のＦｅ：Ｃｏの比を変化させた試料を用いて行った。その結果を図４１に示す。この図において、横軸はＴcB−Ｔwの絶対値（Ｋ）で、縦軸はその条件で得られた最大のＣＮＲである。この図より、｜ＴcB−Ｔw｜＜１００Ｋであれば２０ｄＢ程度のＣＮＲが期待でき、５０Ｋ未満であれば４０〜５０ｄＢ、３０Ｋ未満であれば５０〜６０ｄＢのＣＮＲが得られる。図４１から明らかなように、｜ＴcB−Ｔw｜＜１００Ｋであれば、ＴcB＞Ｔwの条件で同様な記録ができる。また、Ｔwを変化させた図４０の実験より、ＴcB＜Ｔwとなっても同様に記録が可能であることもわかった。
ベース層の組成を変えてＴｂ0.22（Ｆｅ0.9Ｃｏ0.1）とした。このベース層はキュリー温度は上記と同じであるが、いわゆるＲＥリッチの組成を有し補償温度が１００℃近傍になる。このベース層を用いても図４０と同様な記録特性が得られた。
下地層を５０ｎｍのバナジウム、ベース層を３０ｎｍの（Ｃｏ0.8Ｐｔ0.2）−ＳｉＯ2とした媒体を作製し、同様な記録試験を行った。断面ＴＥＭ観察を行ったところ、ベース層はＣｏＰｔからなる柱状の磁性結晶粒子（直径約１０ｎｍ）がアモルファスのＳｉＯ2からなる非磁性部分で分断されている構造となっていた。また、記録層の磁性粒子は概ねＣｏＰｔの粒子の上に成長していた。この媒体での結果は図４０と同様であったが、媒体ノイズが低下した結果、ＣＮＲは３〜５ｄＢ増加した。これは、記録後の磁化転移の変化が小さいため、ジッタが少なくなったことに起因するものと思われる。
下地層を５０ｎｍのＺｎＯ、ベース層を１０ｎｍの（Ｃｏ0.75Ｐｔ0.2Ｃｒ0.05）−ＳｉＯ2／１ｎｍのＲｈ／１０ｎｍの（Ｃｏ0.75Ｐｔ0.2Ｃｒ0.05）−ＳｉＯ2の多層膜とし媒体を作製し、同様な記録試験を行った。断面ＴＥＭ観察を行ったところ、ベース層はＣｏＰｔＣｒからなる柱状の磁性結晶粒子（直径約７ｎｍ）がアモルファスのＳｉＯ2からなる非磁性部分で分断されている構造となっていた。また、磁性粒子は記録層までほぼ連続した柱状構造をとっていた。この媒体での結果は図４０と同様であったが、媒体ノイズが低下した結果、ＣＮＲは５〜７ｄＢ増加した。これは、記録後の磁化転移の変化が小さいため、ジッタが少なくなったことに起因するものと思われる。
（実施例７）
図１に示す構造を有する第４の態様に係る磁気記録媒体を作製した。２．５インチ径のガラス基板上に、５０ｎｍのＳｉＮからなる下地層、２５ｎｍのＴｂ0.18（Ｆｅ0.75Ｃｏ0.25）からなるベース層、１０ｎｍの（Ｇｄ0.5Ｔｂ0.5）0.18（Ｆｅ0.98Ｃｏ0.02）からなるスイッチング層、２０ｎｍの（Ｆｅ0.49Ｐｔ0.49Ｔａ0.02）−ＳｉＮからなる記録層、３ｎｍのカーボンからなる保護層を順次スパッタ法にて積層し、その後潤滑剤を塗布した。
この際、ＳｉＮ下地層にＲＦ１００Ｗ、１分のスパッタエッチング処理を施した後、真空を破らずにベース層を積層した。このことによりＳｉＮ下地層およびベース層およびその界面における浮遊酸素を取り除くことができ、ベース層単独の耐候性を向上させることができる。ベース層単独の磁気特性は、室温での保磁力Ｈcが５．５ｋＯｅ、キュリー温度が４００℃であった。スイッチング層単独の磁気特性は、室温での保磁力Ｈcが３ｋＯｅ、キュリー温度が１５０℃であった。
記録層の微細構造をＴＥＭにより調べたところ、大部分がＦｅＰｔ規則相からなる磁性結晶粒子（直径約６ｎｍ）が、アモルファスのＳｉＮからなる非磁性体により２ｎｍ間隔で分断された構造となっていた。記録層単独の磁気特性は、垂直方向に磁化容易軸を有し、ＶＳＭで測定した室温での保磁力Ｈcは８ｋＯｅと推定された。ΔＭ法などの静的な評価と微細磁区のＭＦＭ測定の結果から、磁性粒子間の交換結合相互作用はほとんどないことが確認された。キュリー温度は膜構造の変化のために同定できなかったが、２００℃までの温度変化から外挿して概ね３００℃と推定された。
この媒体に対して実施例６と同様な動特性評価を行った。レーザーの照射パワーを変えてＴwとＣＮＲとの関係を調べた結果を図４２に示す。図４０と同様な結果が得られているが、Ｔw＜ＴcSではノイズの大幅な増加のためにＣＮＲは低い値を示した。その理由は、記録層／スイッチング層／ベース層の３層が交換結合し、かつ、全体のＫuまたは記録保磁力が十分な記録を行える状態にないためであると思われる。図４２から、Ｔw＝１５０〜２５０℃の範囲で記録が可能であることがわかる。記録可能限界でのＣＮＲは約１０ｄＢと低く、実際のＨＤＤシステムに用いることはできないが、本発明による記録方法の原理を確認するには十分な値である。また、記録周波数を低くするか、記録層の磁気特性を調整することによって、ＣＮＲを改善することは十分に可能である。
同様な実験をベース層のＦｅ：Ｃｏの比を変化させた試料を用いて行った。その結果を図４３に示す。この図において、横軸はＴw−ＴcSの値（Ｋ）で、縦軸はその条件で得られた最大のＣＮＲである。Ｔw＜ＴcSの場合については調べていない。この図より、Ｔw−ＴcS＜１００Ｋであれば２０ｄＢ程度のＣＮＲが期待でき、５０Ｋ未満であれば４０〜５０ｄＢ、３０Ｋ未満であれば５０〜６０ｄＢのＣＮＲが得られる。
ベース層の組成を変えてＴｂ0.22（Ｆｅ0.9Ｃｏ0.1）とした。このベース層はキュリー温度は上記と同じであるが、いわゆるＲＥリッチの組成を有し補償温度が１００℃近傍になる。このベース層を用いても図４２と同様な記録特性が得られた。
スイッチング層の組成を変えて（Ｇｄ0.5Ｔｂ0.5）0.22（Ｆｅ0.98Ｃｏ0.02）とした。このスイッチング層はキュリー温度は上記と同じであるが、いわゆるＲＥリッチの組成を有し補償温度が１００℃近傍になる。このスイッチング層を用いても図４２と同様な記録特性が得られた。
これらの結果は、本実施例の磁気記録媒体の作用がスイッチング層を介したベース層−記録層の交換結合によるので、原理的にベース層やスイッチング層のＲＥ組成が無関係であることによる。
下地層を５０ｎｍのＣｒ、ベース層を３０ｎｍの（Ｃｏ0.8Ｐｔ0.2）−ＳｉＯ2とした媒体を作製し、同様な記録試験を行った。ベース層を成膜する際に、基板に２００ＷのＲＦパワーを印加し、ＲＦバイアススパッタリングを行った。断面ＴＥＭ観察を行ったところ、ベース層はＣｏＰｔからなる柱状の磁性結晶粒子（直径約１０ｎｍ）がアモルファスのＳｉＯ2からなる非磁性部分で分断されている構造となっていた。スイッチング層がアモルファスＲＥ−ＴＭなので、ベース層と記録層の結晶性の連続性は見られなかった。この媒体でも図４２と同様の結果が得られた。
スイッチング層を１０ｎｍの（（Ｃｏ0.8Ｐｔ0.2）Ｃｒ0.14）−ＳｉＯ2とした。このスイッチング層はベース層と同様の組成を有するが、Ｃｒの添加によりキュリー温度は低下して１３０℃となった。ベース層の成膜の際にＲＦバイアス印加は行わなかった。断面ＴＥＭ観察を行ったところ、下地層の一部−ベース層−スイッチング層−記録層と結晶粒界（直径約５ｎｍ）が連続していることが確認された。この媒体を用いても図４２と同様の記録特性が得られたが、媒体ノイズが低下した結果、ＣＮＲは約５ｄＢ増加した。これは、記録後の磁化転移の変化が小さいため、ジッタが少なくなったことに起因するものと思われる。この媒体に関しては、６００ｋｆｃｉによるＣＮＲ評価も行った。その結果、約５ｄＢのＣＮＲの低下があったものの、図４２と同様な結果が得られた。これは、ベース層の多粒子化により、記録層の転移位置が記録動作中に変動せず、高密度の記録が達成できたためであると思われる。
本実施例においては、（ベース層、スイッチング層）の組み合わせが（ＲＥ−ＴＭ、ＲＥ−ＴＭ）、（多粒子膜−ＲＥ−ＴＭ）、および（多粒子膜、多粒子膜）であったが、本実施例の磁気記録媒体の動作原理、作用から考えて、（ＲＥ−ＴＭ、多粒子膜）の組み合わせでも同様の効果が得られることは自明である。
（実施例８）
図９に示す構造を有する第５の態様に係る磁気記録媒体を作製した。２．５インチのガラス基板上に、５０ｎｍのＣｒからなる下地層、２５ｎｍのＩｒＭｎ反強磁性体からなる機能層、２０ｎｍのＣｏＰｔＣｒ−Ｏからなる記録層、３ｎｍのカーボンからなる保護層を順次スパッタ法にて積層し、その後潤滑剤を塗布して磁気記録媒体を作製した。
記録層の微細構造をＴＥＭにより調べたところ、ＣｏＰｔＣｒからなる柱状の磁性結晶粒子（直径約７ｎｍ）が、アモルファスのＣｏ−Ｏと微量のＣｒからなる非磁性体により分断された構造となっていた。記録層単独の磁気特性は、面内方向に磁化容易軸を有し、ＶＳＭで測定した室温での保磁力Ｈcは約５ｋＯｅであると推定される。膜構造の塑性変化のため、キュリー温度の正確な同定はできなかったが、２００℃までの温度依存性から外挿すると、概ね３００℃と推定された。磁性粒子の粒径が小さいため、熱揺らぎの影響が大きくなっているものと思われる。機能層と記録層とを積層した試料のＭＨループをＶＳＭで測定した結果、ＴcEは約２００℃であった。
上記の磁気記録媒体の動特性をＨＤＤの記録／再生評価装置により評価した。記録媒体の回転数は４５００ｒｐｍとした。記録ヘッドとして記録ギャップが２００ｎｍのものを用い、再生ヘッドとしてＧＭＲ素子を有し再生ギャップが１１０ｎｍのものを用いた。浮上量と潤滑剤の厚さから磁気スペーシングは３０ｎｍと推定された。一方、基板の裏面に波長６３３ｎｍのレーザーおよび外部低浮上レンズを配置した。外部低浮上レンズと基板の両方でＳＩＬレンズとなるように設計して、機能層／記録層の部分でレーザービームが焦点を結ぶようにした。レーザースポットの直径がＦＷＨＭで約５００ｎｍとなるように調節して局所加熱した。この際、精密なピエゾ素子によりヘッドを駆動させ、光の照射位置と記録ヘッドのギャップ位置とを一致させた。
まずレーザービームを照射しないで磁気記録を試みた。再生信号はノイズがほとんどであり、十分な記録ができていないことがわかった。このことは記録層の保磁力と記録ヘッドの記録能力から判断して当然の結果である。
次に、レーザーを照射しながら記録を行った。別の実験とシミュレーションにより、あらかじめレーザーパワーを変化させて媒体の温度上昇を求め、レーザーパワーと記録温度Ｔwとの関係を調べた。レーザーパワーを変化させて記録を行った後に再生することにより、記録温度Ｔwと再生信号のＣＮ比（ＣＮＲ）との関係を調べた。
４００ｋｆｃｉの単一周波数記録をおこなった結果を図４４に模式的に示す。図４４に示されるように、Ｔw＝１００℃〜３００℃の範囲で記録が可能であることがわかった。記録可能な限界条件でのＣＮＲはほぼ１０ｄＢと低すぎるので、実際のＨＤＤシステムで用いることはできないが、第５の態様に係る磁気記録の原理を確認するには十分である。また、記録周波数を低くするか、または媒体の磁気特性を調整することにより、ＣＮＲを改善することは可能である。
次に、種々の成膜条件で成膜された種々の材料からなる機能層を用いて図９と同様な構造を有する磁気記録媒体を作製した。具体的には、機能層材料としてＦｅＭｎ（ＴcE：１３０〜１８０℃）、ＩｒＭｎ（ＴcE：１５０〜２５０℃）、ＣｒＭｎＰｔ（ＴcE：２３０〜４２０℃）を用いた。これらの磁気記録媒体を用いて上記と同様な実験を行った。その結果をまとめて図４５に示す。図４５の横軸はＴcE−Ｔwの絶対値（Ｋ）、縦軸はその条件で得られた最大のＣＮＲである。この図から、｜ＴcE−Ｔw｜の値が１００Ｋ未満ではＣＮＲ約２０ｄＢ、５０Ｋ未満では約３０ｄＢ、３０Ｋ未満では約４０ｄＢが得られることがわかる。図４５から明らかなように、｜ＴcE−Ｔw｜＜１００Ｋであれば、ＴcE＞Ｔwの条件で記録可能である。また、図４４から、ＴcE＜Ｔwの条件でも記録可能である。
（実施例９）
図９に概略的に示した構造を有する第６の態様に係る磁気記録媒体を作製した。２．５インチのガラス基板上に、５０ｎｍのＦｅＴａＣからなる軟磁性下地層、５ｎｍのＴｉ遮断層、１０ｎｍのＰｔ下地層、１８．８ｎｍの積層機能層、１５ｎｍの積層記録層、３ｎｍのカーボンからなる保護層を順次スパッタ法にて積層し、その後潤滑剤を塗布して磁気記録媒体を作製した。
積層機能層は、図１７に概略的に示したように、［Ｃｏ２ｎｍ／Ｒｕ０．８ｎｍ］のユニットを７回繰り返した構造を有する。この積層機能層の各Ｃｏ層は反強磁性結合している。機能層単独ではＣｏ１層分の磁化を持つフェリ磁性を示す。また、機能層と記録層とは反強磁性結合を示す。
積層記録層は、［Ｃｏ０．３ｎｍ／Ｐｄ１．８ｎｍ］のユニットを７回繰り返した構造を有する。記録層の微細構造をＴＥＭにより調べたところ、Ｃｏ磁性結晶粒子（直径約７ｎｍ）が、ＣｏＯと想定されるアモルファス非磁性体により分断された構造となっていた。記録層単独の磁気特性は、垂直方向に磁化容易軸を有し、ＶＳＭで測定した室温での保磁力Ｈcは約８ｋＯｅであった。ＶＳＭによる測定から、記録層のキュリー温度ＴcRは概ね３００℃と推定された。
機能層と記録層とを積層した試料のＭＨループをＶＳＭで測定した結果、ＴcEは記録層のキュリー温度より高いことがわかった。
上記の磁気記録媒体に対し実施例８と同様の記録／再生評価を行った。レーザーパワーを変化させて記録を行った後に再生することにより、記録温度Ｔwと再生信号のＣＮ比（ＣＮＲ）との関係を調べた。その結果、図３９と類似した傾向を示した。しかし、ＣＮＲがピークを示す記録温度ＴwとＴcRまたはＴcEとの関連性は認められなかった。この結果は、単純に次の組み合わせによるものと考えられる。［Ａ］温度を上げるほど記録層の保磁力が下がることによって相対的に記録能力が高まり、ＣＮＲが増加する。［Ｂ］温度を上げるほど熱揺らぎが加速されてＣＮＲが低下する。
（実施例１０）
図１３に概略的に示した構造を有する第７の態様に係る磁気記録媒体を作製した。２．５インチ径のガラス基板上に、５０ｎｍのＣｒからなる下地層、１５ｎｍのＦｅＭｎ反強磁性体からなる第２機能層、１８．８ｎｍの積層構造を有する第１機能層、１０ｎｍの（Ｇｄ0.5Ｄｙ0.5）0.22（Ｆｅ0.98Ｃｏ0.02）からなるスイッチング層、１７ｎｍのＣｏＣｒＰｔＴａＢからなる記録層、厚さ３ｎｍのＣからなる保護層を順次スパッタ法にて積層し、その後潤滑剤を塗布した。
第１機能層は、図１７に概略的に示したように、［Ｃｏ２ｎｍ／Ｒｕ０．８ｎｍ］のユニットを７回繰り返した構造を有する。この第１機能層の各Ｃｏ層は反強磁性結合している。第１機能層単独ではＣｏ１層分の磁化を持つフェリ磁性を示す。また、第１機能層と記録層とは反強磁性結合を示す。第１機能層は第２機能層と交換結合しているので、異方性は面内方向にある。この試料においてヒステリシスループのシフト量は３００Ｏｅであった。
スイッチング層はアモルファスの面内磁化膜である。この層単独のキュリー温度は１５０℃であった。
記録層の微細構造をＴＥＭにより調べたところ、ＣｏＰｔＣｒからなる柱状の磁性結晶粒子（直径約７ｎｍ）が、アモルファスのＣｏ、Ｂ、Ｃｒを含むと想定される非磁性体により分断された構造となっていた。記録層単独の磁気特性は、面内方向に磁化容易軸を有し、ＶＳＭで測定した室温での保磁力Ｈcは約６ｋＯｅであると推定される。膜構造の塑性変化のため、キュリー温度の正確な同定はできなかったが、２００℃までの温度依存性から外挿すると、概ね３５０℃と推定された。
機能層とスイッチング層と記録層とを積層した試料のＭＨループをＶＳＭで測定した結果、ＴcEは約１５０℃であった。
上記の磁気記録媒体に対し実施例８と同様の記録／再生評価を行った。レーザーパワーを変化させて記録を行った後に再生することにより、記録温度Ｔwと再生信号のＣＮ比（ＣＮＲ）との関係を調べた。その結果を図４６に示す。概ねＴ＞ＴcEを満たす領域で大きなＣＮＲが得られた。この理由は、スイッチング層のキュリー温度を越えた領域で、機能層と記録層との交換結合が効果的に切れたためであると考えられる。しかし、ＴcEよりも１００Ｋ低い温度でもＣＮＲは１０ｄＢ程度であるが記録は可能であった。したがって、Ｔw＝１５０℃〜２５０℃の範囲で記録可能であることがわかった。記録可能な限界条件でのＣＮＲはほぼ１０ｄＢと低すぎるので、実際のＨＤＤシステムで用いることはできないが、第７の態様に係る磁気記録の原理を確認するには十分である。また、記録周波数を低くするか、または媒体の磁気特性を調整することにより、ＣＮＲを改善することは可能である。特に、Ｔw＜ＴcEの領域では熱揺らぎの影響が少ないので、低ＣＮＲを許容できるシステムまたは環境条件の厳しいシステムに適した条件であると考えられる。
次に、種々のＦｅ：Ｃｏの組成比を有するスイッチング層を用いて図１３と様な構造を有する磁気記録媒体を作製した。これらのスイッチング層はキュリー温度が異なるのでＴcEを変化させることができる。これらの磁気記録媒体を用いて上記と同様な実験を行った。その結果をまとめて図４７に示す。図４７の横軸はＴw−ＴcEの値（Ｋ）、縦軸はその条件で得られた最大のＣＮＲである。Ｔw＜ＴcEの場合については調べていない。この図から、Ｔw−ＴcEの値が１００Ｋ未満ではＣＮＲ約２０ｄＢ、５０Ｋ未満では約４０〜５０ｄＢ、３０Ｋ未満では約５０〜６０ｄＢが得られることがわかる。
（実施例１１）
図２１に示す構造を有する磁気記録媒体を作製した。３．５インチのガラス基板上に、厚さ５ｎｍのＴｉからなるシード層および厚さ５０ｎｍのＲｕからなる下地層を堆積した後、厚さ１５ｎｍのＣｏ78Ｃｒ19Ｐｔ3からなる機能層、厚さ１０ｎｍの（Ｆｅ55Ｐｔ45）Ｃｕ10からなる記録層、厚さ３ｎｍのカーボンからなる保護層をスパッタリングにより積層し、さらに潤滑剤を塗布した。スパッタリング時には基板を２５０℃に加熱した。
記録層は、垂直成分にも残留磁化があるが、３次元的にランダムな方向に磁気異方性の分布を持つ磁気特性を示した。ＦｅＰｔＣｕ記録層のＫuRLは３×１０7ｅｒｇ／ｃｃであった。これは、スパッタリング時の基板加熱により記録層中にＦｅ50Ｐｔ50規則相が形成されたためである。ＣｏＣｒＰｔ機能層のＫuFLは２×１０6ｅｒｇ／ｃｃであった。
ＦｅＰｔＣｕ記録層単独では保磁力が１５ｋＯｅを超えるため、記録を行うことは困難である。しかし、本実施例の媒体では、ＣｏＣｒＰｔ機能層とＦｅＰｔＣｕ記録層とが強磁性交換結合しているため、全体の保磁力は８ｋＯｅとなり、通常の磁気ヘッドでも十分に記録が可能であった。この媒体は、図２５のような１段のヒステリシスループを示した。記録層中の磁性粒子の直径は約６ｎｍであった。この媒体のＫuＶ／ｋBＴは約２００であり、熱安定性も十分であった。
上記の保磁力の値は、計算から求められた値よりも小さかった。この理由として、反磁界の影響、磁気異方性のランダムな分布、初期層の形成、粒間相互作用、膜中の不純物の影響などが考えられる。しかし、計算に基づき、高Ｋuを有する記録層材料を用いて、熱安定性が高く、かつ保磁力の小さい磁気記録媒体を得ることができた。
（実施例１２）
図２１に示す構造を有する面内磁気記録媒体を作製した。３．５インチのガラス基板上に、厚さ５ｎｍのＮｉＡｌからなるシード層および厚さ５０ｎｍのＣｒＭｏからなる下地層を堆積した後、厚さ１０ｎｍのＣｏ83Ｃｒ12Ｔａ8からなる機能層、厚さ１５ｎｍのＣｏ74Ｃｒ22Ｔａ4からなる記録層、厚さ３ｎｍのカーボンからなる保護層をスパッタリングにより積層し、さらに潤滑剤を塗布した。機能層および記録層はいずれも面内磁化膜であり、長手記録媒体が得られた。
Ｃｏ74Ｃｒ22Ｔａ4記録層のＫuRLは３×１０7ｅｒｇ／ｃｃであり、Ｃｏ83Ｃｒ12Ｔａ8機能層のＫuFLは１×１０6ｅｒｇ／ｃｃであった。
Ｃｏ74Ｃｒ22Ｔａ4記録層単独では保磁力が８ｋＯｅと大きく、通常の長手用磁気ヘッドで記録ができない。しかし、本実施例の媒体では、Ｃｏ74Ｃｒ22Ｔａ4記録層とＣｏ83Ｃｒ12Ｔａ8機能層とが強磁性交換結合しているため、全体の保磁力は４ｋＯｅとなり、通常の磁気ヘッドでも十分に記録が可能であった。この媒体は、図２５のような１段のヒステリシスループを示した。記録層中の磁性粒子の直径は約８ｎｍであった。この媒体のＫuＶ／ｋBＴは約１５０であり、熱安定性も十分であった。
（実施例１３）
図２１に示す構造を有する垂直磁気記録媒体を作製した。２．５インチのガラス基板上に、厚さ５０ｎｍのＣｒからなる下地層を堆積した後、厚さ１５ｎｍのＣｏ77Ｃｒ20Ｔａ3からなる機能層、厚さ１５ｎｍの（Ｃｏ80Ｐｔ20）−（ＳｉＯ2）からなる記録層、厚さ３ｎｍのカーボンからなる保護層をスパッタリングにより積層し、さらに潤滑剤を塗布した。記録層の成膜時には基板にＲＦバイアスを印加した。
記録層はＳｉＯ2母材中に高ＫuのＣｏＰｔ磁性粒子が分散した、いわゆるグラニュラー媒体であり、ＣｏＰｔとＳｉＯ2の体積比は５０：５０であった。記録層および機能層のいずれも垂直方向に大きな残留磁化を示す垂直磁化膜であった。
（Ｃｏ80Ｐｔ20）−（ＳｉＯ2）記録層のＫuRLは７×１０6ｅｒｇ／ｃｃであり、Ｃｏ77Ｃｒ20Ｔａ3機能層のＫuFLは６×１０5ｅｒｇ／ｃｃであった。
（Ｃｏ80Ｐｔ20）−（ＳｉＯ2）記録層単独では保磁力が６ｋＯｅと大きく、記録が困難であった。しかし、本実施例の媒体では、（Ｃｏ80Ｐｔ20）−（ＳｉＯ2）記録層とＣｏ77Ｃｒ20Ｔａ3機能層とが強磁性交換結合しているため、全体の保磁力は３ｋＯｅとなり、通常の磁気ヘッドでも十分に記録が可能であった。垂直磁化膜どうしの交換結合であるために、交換結合エネルギーが大きく、より大きな保磁力低減効果が得られた。この媒体は、図２５のような１段のヒステリシスループを示した。記録層中の磁性粒子の直径は約１０ｎｍであった。この媒体のＫuＶ／ｋBＴは約２００であり、熱安定性も十分であった。
（実施例１４）
実施例１１と同様にして、厚さ８ｎｍのＣｏ78Ｃｒ19Ｐｔ3機能層、厚さ１０ｎｍの（Ｆｅ55Ｐｔ45）Ｃｕ10記録層、および厚さ７ｎｍのＣｏ78Ｃｒ19Ｐｔ3機能層の三層構造を有する磁気記録媒体を作製した。
この磁気記録媒体では全体の保磁力が５ｋＯｅとなり、実施例１１と比較して保磁力をさらに低減することができた。
（実施例１５）
図２１に示す構造を有し、磁性人工格子からなる記録層を有する磁気記録媒体を作製した。２．５インチのガラス基板上に、厚さ５０ｎｍのＣｒからなる下地層を堆積した後、厚さ１５ｎｍのＣｏ77Ｃｒ20Ｔａ3からなる機能層、厚さ１０ｎｍの［Ｃｏ（０．３ｎｍ）／Ｐｄ（０．７ｎｍ）］10からなる機能層、厚さ３ｎｍのカーボンからなる保護層３ｎｍをスパッタリングにより積層し、さらに潤滑剤を塗布した。
記録層および機能層のいずれも垂直方向に大きな残留磁化を示す垂直磁化膜であった。記録層はＣｏ（０．３ｎｍ）／Ｐｄ（０．７ｎｍ）の周期を１０回繰り返した磁性人工格子であり、ＫuRLは１×１０7ｅｒｇ／ｃｃであった。また、Ｃｏ77Ｃｒ20Ｔａ3機能層のＫuFLは６×１０5ｅｒｇ／ｃｃであった。
磁性人工格子記録層単独では保磁力が９ｋＯｅと大きく、記録が困難であった。しかし、本実施例の媒体では、磁性人工格子記録層とＣｏ77Ｃｒ20Ｔａ3機能層とが強磁性交換結合しているため、全体の保磁力は４ｋＯｅとなり、通常の磁気ヘッドでも十分に記録が可能であった。この媒体は、図２５のような１段のヒステリシスループを示した。
次に、厚さ３０ｎｍのＰｔからなる下地層および［Ｃｏ（０．７ｎｍ）／Ｐｄ（０．７ｎｍ）］8という磁性人工格子からなる機能層を用いた以外は上記と同様な構造を有する磁気記録媒体を作製した。
この磁気記録媒体は、上記の磁気記録媒体と比較して、垂直配向性が高く、磁化転移の乱れが少なく、より高密度の記録が可能であった。この理由は、機能層と記録層が同様のモフォロジーを有するため、Ｐｔ下地層による結晶性制御および粒径制御が機能層だけでなく記録層にまで及んだためであると思われる。また、機能層および記録層のいずれもＣｏターゲットおよびＰｄターゲットを用いて形成できるので、製造コストを低減することができた。
この磁気記録媒体では全体の保磁力が３ｋＯｅとなり、上記の媒体よりも大きな保磁力低減効果が得られた。
（実施例１６）
機能層としてＣｏ78Ｃｒ19Ｐｔ3（８ｎｍ）／Ｒｕ（０．８ｎｍ）／Ｃｏ78Ｃｒ19Ｐｔ3（３ｎｍ）を用いた以外は、実施例１１と同様な磁気記録媒体を作製した。この機能層は、Ｒｕ層を挟む２つの磁性層が反強磁性結合した、いわゆる積層フェリ膜である。機能層のうち記録層側のＣｏ78Ｃｒ19Ｐｔ3層と記録層とが強磁性交換結合している。
この磁気記録媒体では全体の保磁力が６ｋＯｅとなり、実施例１１よりも保磁力低減効果が増大した。この結果は、図２８の計算結果とも定性的に一致する。この磁気記録媒体を用いると、実施例１１の場合に比べて、より高分解能（高密度）の磁気記録ができるようになった。これは、機能層の磁気モーメント量が実効的に減少したためであると考えられる。
（実施例１７）
図２１に示す構造を有する磁気記録媒体を作製した。２．５インチのガラス基板上に、厚さ５０ｎｍのＭｇＯからなる下地層を堆積した後、厚さ８ｎｍの（Ｆｅ55Ｐｔ45）Ａｌ10からなる機能層、厚さ１０ｎｍの（Ｆｅ55Ｐｔ45）Ｃｕ10からなる記録層、厚さ３ｎｍのカーボンからなる保護層をスパッタリングにより積層し、さらに潤滑剤を塗布した。スパッタリング時には基板を２５０℃に加熱した。
下地層をＭｇＯとし、かつスパッタリング時に基板を加熱したことにより、実施例１１の場合と異なり、記録層および機能層のいずれも垂直方向に大きな残留磁化を示す垂直磁化膜となった。記録層中にはＦｅ50Ｐｔ50規則相が形成されるが、機能層には規則相が形成されない。これは、記録層への添加元素がＣｕであり、機能層への添加元素がＡｌであるという違いによる。記録層のＫuRLは３×１０7ｅｒｇ／ｃｃ、機能層のＫuFLは５×１０5ｅｒｇ／ｃｃであった。
ＦｅＰｔＣｕ記録層単独では保磁力が１５ｋＯｅを超えるため、記録を行うことは困難である。しかし、本実施例の媒体では、ＦｅＰｔＡｌ機能層とＦｅＰｔＣｕ記録層とが強磁性交換結合しているため、全体の保磁力は５ｋＯｅとなり、通常の磁気ヘッドでも十分に記録が可能であった。垂直磁化膜どうしの交換結合であるために、交換結合エネルギーが大きく、より大きな保磁力低減効果が得られた。この媒体は、図２５のような１段のヒステリシスループを示した。
本発明の一実施形態に係る磁気記録装置の模式図。 第１の態様に係る磁気記録媒体における、交換結合相互作用の及ぶ距離Ｌexgと交換力Ｈexgの温度依存性を示す図。 第１の態様に係る磁気記録媒体における、記録時の磁気異方性エネルギーＫuwと活性化体積ＶaとＫuwＶaの温度に対する変化を示す図。 第１の態様に係る磁気記録媒体における、記録時の磁気異方性エネルギーＫuwと活性化体積ＶaとＫuwＶaの温度に対する変化を示す図。 本発明の他の態様に係る磁気記録装置の模式図。 第３の態様に係る磁気記録媒体における、各層の磁気異方性エネルギー密度Ｋuの温度依存性を示す図。 第４の態様に係る磁気記録媒体における、各層の磁気異方性エネルギー密度Ｋuの温度依存性を示す図。 第４の態様に係る磁気記録媒体を形成する記録層およびベース層の磁化が、媒体温度に応じて変化する様子を示す図。 本発明のさらに他の態様に係る磁気記録装置の模式図。 第５の態様に係る磁気記録媒体を形成する機能層および記録層の磁化が、媒体温度に応じて変化する様子を示す図。 第５の態様に係る磁気記録媒体における、記録時の磁気異方性エネルギーＫuと活性化体積ＶaとＫuＶaの温度に対する変化を示す図。 第６の態様に係る磁気記録媒体を形成する機能層および記録層の磁化が、媒体温度に応じて変化する様子を示す図。 本発明のさらに他の態様に係る磁気記録装置の模式図。 第７の態様に係る磁気記録媒体を形成する機能層、スイッチング層および記録層の磁化が、媒体温度に応じて変化する様子を示す図。 第７の態様に係る磁気記録媒体における、記録時の磁気異方性エネルギーＫuと活性化体積ＶaとＫuＶaの温度に対する変化を示す図。 本発明の一実施形態に係る機能層の構造を示す断面図。 本発明の他の実施形態に係る機能層の構造を示す断面図。 本発明の他の実施形態に係る機能層の構造を示す断面図。 本発明の他の実施形態に係る機能層の構造を示す断面図。 本発明の他の実施形態に係る機能層の構造を示す断面図。 本発明のさらに他の態様に係る磁気記録装置の模式図。 図２１の磁気記録媒体の機能層および記録層を示す図。 交換結合二層膜の模式図。 交換結合二層膜のヒステリシスループの一例を示す図。 交換結合二層膜のヒステリシスループの他の例を示す図。 交換結合二層膜の各層のエネルギー計算に用いられる物理量を示す図。 交換結合二層膜の反転磁界の計算結果を示す図。 交換結合二層膜の反転磁界の計算結果を示す図。 交換結合二層膜の反転磁界の計算結果を示す図。 交換結合二層膜の反転磁界の計算結果を示す図。 交換結合二層膜の反転磁界の計算結果を示す図。 交換結合二層膜の反転磁界の計算結果を示す図。 交換結合二層膜の反転磁界の計算結果を示す図。 本発明に係る磁気記録媒体を構成する磁性層の磁気特性の好ましい範囲を示す図。 実施例１の磁気記録媒体について、室温における磁気特性を示す図。 実施例１の磁気記録媒体について、ＣＮＲの記録温度依存性を示す図。 比較例１の磁気記録媒体について、ＣＮＲの記録温度依存性を示す図。 実施例２の磁気記録媒体について、ベース層と記録層の交換結合が始まる温度Ｔswとスイッチング層の厚さｔswとの関係を示す図。 実施例４の磁気記録媒体について、ｔsw／ｄに対する媒体ノイズパワーの変化を示す図。 実施例６の磁気記録媒体について、ＣＮＲの記録温度依存性を示す図。 実施例６の磁気記録媒体について、ＣＮＲの｜ＴcB−Ｔw｜に対する変化を示す図。 実施例７の磁気記録媒体について、ＣＮＲの記録温度依存性を示す図。 実施例７の磁気記録媒体について、ＣＮＲのＴw−ＴcSに対する変化を示す図。 実施例８の磁気記録媒体について、ＣＮＲの記録温度依存性を示す図。 実施例８の磁気記録媒体について、ＣＮＲの｜ＴcE−Ｔw｜に対する変化を示す図。 実施例１０の磁気記録媒体について、ＣＮＲの記録温度依存性を示す図。 実施例１０の磁気記録媒体について、ＣＮＲのＴw−ＴcEに対する変化を示す図。 本発明の一実施形態に係る磁気記録媒体の記録層の平面図。
符号の説明
１１…基板、１２…下地層、１３…ベース層、１４…スイッチング層、１５…記録層、１６…保護層、２１…レーザー、２２…記録ヘッド、３１…磁性粒子、３２…非磁性体、６１…基板、６２…下地層、６３…機能層、６４…記録層、６５…保護層、６６…スイッチング層、７１…磁性粒子、７２…非磁性体、８１…磁性層、８２…非磁性層、８３、８４…機能層、９１…第２機能層、１０１…基板、１０２…下地層、１０３…機能層、１０４…記録層、１０５…保護層。

Claims (10)

  1. 基板と、該基板上に形成された、反強磁性体またはフェリ磁性体を含む機能層と、該機能層上に形成された、複数の磁性粒子及びそれら磁性粒子間を埋める非磁性体壁を有する構造を有する記録層とを具備し、前記機能層と記録層とは使用環境下で交換結合相互作用を及ぼすように積層されており、
    前記記録層のキュリー温度をＴcR、前記機能層と記録層との交換結合相互作用が消失する温度をＴcEとするとき、下記条件
    ＴcR＞ＴcE
    を満たすことを特徴とする磁気記録媒体。
  2. 磁気記録媒体と、前記磁気記録媒体を加熱する手段と、前記磁気記録媒体に磁界を印加する手段とを具備し、
    前記磁気記録媒体が、基板と、該基板上に形成された、反強磁性体またはフェリ磁性体を含む機能層と、該機能層上に形成された、複数の磁性粒子及びそれら磁性粒子間を埋める非磁性体壁を有する構造を有する記録層とを具備し、前記機能層と記録層とは使用環境下で交換結合相互作用を及ぼすように積層されており、前記記録層のキュリー温度をＴcR、前記機能層と記録層との交換結合相互作用が消失する温度をＴcEとするとき、下記条件
    ＴcR＞ＴcE
    を満たすことを特徴とする磁気記録装置。
  3. 前記記録層への記録温度をＴw、前記記録層のキュリー温度をＴcR、前記機能層と記録層との交換結合相互作用が消失する温度をＴcEとするとき、下記条件
    ＴcR＞ＴcE、かつ｜ＴcE−Ｔw｜＜１００Ｋ
    を満たすことを特徴とする請求項２記載の磁気記録装置。
  4. さらに、前記機能層と前記記録層との間に磁性体を含むスイッチング層を有し、前記機能層とスイッチング層と記録層とは使用環境下で交換結合相互作用を及ぼすように積層されており、前記記録層のキュリー温度をＴcR、前記スイッチング層と記録層との交換結合相互作用が消失する温度をＴcEとするとき、下記条件
    ＴcR＞ＴcE
    を満たすことを特徴とする請求項１記載の磁気記録媒体。
  5. さらに、前記機能層と前記記録層との間に磁性体を含むスイッチング層を有し、前記機能層とスイッチング層と記録層とは使用環境下で交換結合相互作用を及ぼすように積層されており、前記記録層のキュリー温度をＴcR、前記スイッチング層と記録層との交換結合相互作用が消失する温度をＴcEとするとき、下記条件
    ＴcR＞ＴcE
    を満たすことを特徴とする請求項２記載の磁気記録装置。
  6. 前記記録層への記録温度をＴwとするとき、下記条件
    ｜ＴcE−Ｔw｜＜１００Ｋ
    を満たすことを特徴とする請求項５記載の磁気記録装置。
  7. 前記機能層が、磁性層および膜厚５ｎｍ以下の非磁性層を含むユニットを１以上含む多層構造を有することを特徴とする請求項１または４記載の磁気記録媒体。
  8. 前記機能層が、磁性層および膜厚５ｎｍ以下の非磁性層を含むユニットを１以上含む多層構造を有する第１機能層と、反強磁性体またはフェリ磁性体を含む第２機能層とを含み、前記第１機能層と第２機能層とが使用環境下で交換結合相互作用を及ぼすように積層されていることを特徴とする請求項１または４記載の磁気記録媒体。
  9. 前記機能層を形成する非磁性層が、Ｒｕ、Ｒｅ、Ｒｈ、Ｉｒ、Ｔｃ、Ａｕ、Ａｇ、Ｃｕ、Ｍｎ、ＳｉおよびＣｒからなる群より選択される少なくとも１種の元素を含有することを特徴とする請求項７または８記載の磁気記録媒体。
  10. 前記磁気記録媒体と、前記磁気記録媒体に磁界を印加する手段との距離が１００ｎｍより小さくなるように設定されていることを特徴とする請求項２、３、５または６記載の磁気記録装置。
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