JP2005347688A

JP2005347688A - 磁気デバイス用磁性膜

Info

Publication number: JP2005347688A
Application number: JP2004168502A
Authority: JP
Inventors: Kenji Noma; 賢二野間; Masaaki Matsuoka; 正昭松岡
Original assignee: Fujitsu Ltd
Current assignee: Fujitsu Ltd
Priority date: 2004-06-07
Filing date: 2004-06-07
Publication date: 2005-12-15
Also published as: DE602004028104D1; KR20050116346A; CN1707614A; DE602004028182D1; EP1605475A1; EP1605475B1; US7564648B2; CN100431006C; KR100688141B1; EP1918946B1; EP1918946A1; US20050271901A1

Abstract

【課題】飽和磁化が2.45Ｔ以上の高飽和磁化を備える磁極材料を提供する。これによって磁気ヘッドによる記録媒体への記録密度を向上させ、各種固体デバイスへの応用利用を可能とする。
【解決手段】磁気デバイス用磁性膜であって、強磁性膜１１と，パラジウム膜１２またはパラジウムを含む合金膜とが交互に積層され、前記パラジウム膜１２またはパラジウムを含む合金膜の各層の層厚が0.05nm乃至0.28nmに設定された多層膜であって、該多層膜がスパッタ法または蒸着法により形成されてなることを特徴とする。
【選択図】図２

Description

本発明は、高い飽和磁化を備えた磁気デバイス用磁性膜、並びにこれを用いたハードディスクドライブ用磁気ヘッドおよび固体デバイスに関する。

ハードディスクドライブの記録密度を向上させるためには、記録ヘッドが発生する磁界をより強くする必要がある。現在使用されている記録ヘッドは、そのほとんどが強磁性体を磁極（コア）とし、それを取り巻くように巻かれたコイルに電流を流して誘導磁界を発生させ、この誘導磁界を前記磁極内に収束させることで強い書き込み磁界を一方向に放出させるように構成されている。
コイルが発生できる誘導磁界の強さを一定とすると、書き込み磁界を強めるには前記磁極の飽和磁化を高めるか、前記誘導磁界を効率的に収束させるようなヘッド構造を実現する以外に方法はない。

このような目的に合う高飽和磁化材料としてこれまで提案されていたのはニッケル−鉄合金（パーマロイ）、鉄−アルミニウム−シリコン合金（センダスト）、Fe-Co-Si-Bなどのアモルファス合金、コバルト−ニッケル−鉄合金、コバルト−鉄合金などである。

ハードディスクドライブ用の記録ヘッドが実用化された当初は、磁極材料としてNi-Znフェライトが用いられた。これは磁気記録媒体と言えば磁気テープしかなかった時代のことで、耐摩耗性や耐食性が良く、抵抗率が高いので渦電流損が発生しないなどの利点があることから使用されていた。しかしながら、Ni-Znフェライトは磁極材料としては、飽和磁化が0．4Tと小さいという欠点があった。

一方、当時は機械加工により磁極を製作していたが、ヘッドのサイズが小さくなるにつれ機械加工が困難になり、フォトリソグラフィの技術が使えるパーマロイなどの金属材料に取って代わられることになった。パーマロイは19世紀から使われていた軟磁性材料で、比較的耐食性が良くフェライトよりも飽和磁化が大きかったためフェライトに続く磁極材料として使用されたが、飽和磁化が1．0Tであり、やがて書き込み磁界が足りなくなり、より高飽和磁化の材料に徐々にシフトしていった。

現在、磁極材料としては、単体として最大の飽和磁化2．45Tを有することで知られるFe₇₀Co₃₀合金が主として用いられている。これまでFe₇₀Co₃₀合金を超える飽和磁化を有する材料は見つかっていない。例外として、鉄−窒素化合物のFe₁₆N₂膜が2．8〜3．0Tの飽和磁化を有するとの実験データが報告された例はあるが（非特許文献１）、現在のところ、この値は疑問視されており、大きくても2．4Tが妥当な値であるとされている（非特許文献２）。この値はFe₇₀Co₃₀合金の飽和磁化2．45Tよりも小さい。

なお、本発明に係る磁気デバイス用磁性膜によるものと類似した実験データとして、Pd中にFeを分散した希薄合金、Fe/Pd多層膜、FeCo/Pd多層膜において、FeまたはFeCoの一原子当りの飽和磁気モーメントが最大10μBにまで増大しているとの報告がある（単体のFeの一原子当りの飽和磁気モーメントは2.2μB、Fe₇₀Co₃₀は2．46μB）。これはFe原子とPd原子の間の界面で磁気モーメントが増大する現象によると説明されている。しかし、これまで報告された実験データでは全体をFe-Pd合金（またはFe-Co-Pd合金）と見なした場合にPdの含有率がFeの含有率よりもはるかに多く設定されているため、全体としては飽和磁化の値が非常に小さくなってしまい、磁極材料に用いるには実用性に乏しかった。また、いずれの場合も高い飽和磁化が観測されたのは液体ヘリウムの気化温度である4．2K前後であり、室温で飽和磁気モーメントが増大したとの報告例はない。

M．Komuro et al．、Journal of Applied Physics、 vol．67、 No．9、 pp．5126(1990) M．Takahashi et al．、 Journal of Applied Physics、 vol．79、 No．8、 pp．5546(1996) Physical Review、 vol．125、No．2、pp．541 (1962) Journal of Applied Physics、vol．77、No．8、pp．3965 (1995) IEEE Transactions on Magnetism、vol．28、No．5、pp．2766 (1992) Journal of Applied Physics、vol．92、No．5、 pp．2634 (2002)

ハードディスクドライブの記録密度の向上には、記録ヘッドに高飽和磁極材料を使用することが有効である。しかしながら、上述したように、従来実用されている最高の飽和磁化を有する磁極材料は、飽和磁化2．45Tを有するFe₇₀Co₃₀合金であって、これ以上の飽和磁化を有する材料はない。
本発明者は、Fe-Co-Pd膜についての組成を検討し、また、Fe-Co/Pd多層膜の膜構造を検討することにより本発明をなしたものであり、本発明は、飽和磁化が2．5T以上という、従来のFe₇₀Co₃₀合金が有する飽和磁化を超えるとともに、実用に耐える磁極材料を提供するものである。

本発明は上記目的を達成するため、次の構成を備える。
すなわち、本発明に係る第一の磁気デバイス用磁性膜は、鉄とコバルトとパラジウムとからなり、前記パラジウムのモル含有率が１％乃至７％に設定された合金膜であって、該合金膜が、スパッタ法により形成されてなることを特徴とするものである。
また、前記モル含有率に設定された鉄とコバルトとパラジウムとからなる合金をターゲットとし、スパッタ法により形成することにより、合金膜中におけるパラジウムのモル含有率を上記比率に正確に調製することができ、2.45Ｔを超える高飽和磁化Bsを有する磁気デバイス用磁性膜を確実に得ることが可能となる。

また、本発明に係る第二の磁気デバイス用磁性膜は、強磁性膜と，パラジウム膜またはパラジウムを含む合金膜とが交互に積層され、前記パラジウム膜またはパラジウムを含む合金膜の各層の層厚が0.05nm乃至0.28nmに設定された多層膜であって、該多層膜がスパッタ法または蒸着法により形成されてなることを特徴とするものである。
また、前記多層膜に前記強磁性膜が少なくとも２層以上含まれていることを特徴とし、前記強磁性膜は、鉄−コバルトまたは鉄−コバルトを含む合金からなり，鉄とコバルトの含有モル量の比(C_Fe/C_Co)が0.667乃至9.0であることを特徴とする。
また、前記強磁性膜の一層当りの層厚が、2.3nm以下であることにより、2.45Ｔ以上の飽和磁化を有する磁気デバイス用磁性膜が得られる。

本発明に係る磁気デバイス用磁性膜は、磁極材料として従来最も大きな飽和磁化として2.45Ｔを有するFe₇₀Co₃₀合金よりもさらに大きな飽和磁化を有する磁性膜として提供することができる。これにより、高密度記録を可能にするハードディスクドライブ用磁気ヘッド、また高密度記録が可能な固体デバイスに応用利用することが可能になる。

以下、本発明に係る磁気デバイス用磁性膜およびこれを用いたハードディスクドライブ用磁気ヘッド、磁気デバイス用磁性膜を利用した固体デバイスの実施の形態について説明する。
図１は、本発明に係る第一の磁気デバイス用磁性膜の例として、Fe₇₀Co₃₀へのPdの添加量を変えたターゲットを用意し、スパッタ条件１０００Ｗ、０．４Ｐａ、スパッタ膜厚５０ｎｍとして成膜したスパッタ膜について飽和磁化Bsを測定した結果を示す。図１に示す測定結果は、Pdが含有されていない場合のスパッタ膜の飽和磁化Bsが2．45Tであるのに対し、Pdを3%添加したスパッタ膜では2．55Tを示し、Pdが7%以上のスパッタ膜については飽和磁化Bsは2．45Tを下回ることを示す。

この実験結果は、Fe₇₀Co₃₀にPdを添加した合金をターゲットとして形成したスパッタ膜の飽和磁化Bsが2．45Tを上回るようにするには、添加するPdの量は7%以下であることが望ましいこと、また、Pdの組成制御を精密にする上で、添加するPdの量は1%以上であることが望ましいことを示している。

ここで提示した第一の磁気デバイス用磁性膜におけるPdの組成は、前述したPd中にFeを分散した希薄合金の組成とは全く異なる範囲となっている。そのため第一の磁気デバイス用磁性膜であるFeCoPd膜におけるこのような飽和磁化Bsの増大は、Pd中にFeを分散した希薄合金で起きているような飽和磁気モーメントμBの増大だけでは説明できない。第一の磁気デバイス用磁性膜においては、PdがFeCo結晶の格子点を置換または格子間に侵入してFeCoの結晶格子を押し広げていることにより電子状態が変化している結果であると推定される。

なお、ハードディスクドライブ用記録ヘッドの磁極に使われる磁性膜の作成には、現在スパッタ法またはめっき法が使用されているが、上記第一の磁性膜の形成法として適しているのはスパッタ法である。スパッタ法によれば、母材となるターゲットの組成を適正なものにすることにより、膜中のパラジウムのモル含有率を1%乃至7%の範囲に制御することは容易である。鉄とコバルトとパラジウムとからなるターゲットを、パラジウムが所定のモル含有率となる合金としてあらかじめ形成しておけば、スパッタ膜中におけるパラジウムの組成はターゲットにおけるパラジウムの組成によって規定されるから、所定のモル含有率に正確に制御することができる。また、スパッタ処理操作を通じてスパッタ膜中のパラジウムのモル含有率が変動することがないという利点もある。

なお、めっき法は磁極にパーマロイが使われていた時期から最も良く使用されたが、本発明のようなFeCoPd膜を形成する方法としてはめっき法は不向きである。磁極に使われる磁性膜は数100nmから数μmの厚さがあるが、めっき法ではFeCoPd膜のつき始めとつき終わりで組成の変調が起こりやすい。なぜならば、PdはFe>Co>>Pd>Au>Ptの順にイオン化傾向が小さくなることから、FeやCoとの合金を作製しようとするとPdが先に析出しやすく、このため膜のつき始めとつき終わりでめっき浴中のFe、CoとPdのイオンの量の比が変わってしまうからである。これを抑制する為にはサッカリンなどの添加剤をめっき浴に混合する必要があるが、出来上がった膜の飽和磁化が下がってしまう。2．45Tを超える高飽和磁化を得るためにはPdの含有率の厳密な制御が必要となるが、めっき法はそのような制御には適していないと言える。

図２に、本発明に係る第二の磁気デバイス用磁性膜の例として、強磁性膜として鉄−コバルトからなる強磁性膜１１とパラジウム膜１２とを交互に積層した磁気デバイス用磁性膜１０の構成を示す。
図３は、鉄−コバルトからなる強磁性膜１１とパラジウム膜１２とを交互に２５層ずつ積層した磁気デバイス用磁性膜１０について、パラジウム膜１２の厚さを変えた多層膜についてその飽和磁化Bsを測定した結果を示す。この測定結果から、パラジウム膜１２の厚さが0．05nm乃至0．28nmの場合に飽和磁化Bsが2.45Ｔを超えることがわかる。

なお、図３は、強磁性膜１１とパラジウム膜１２とを交互に、各々２５層積層した場合であるが、強磁性膜１１とパラジウム膜１２とを各々１０層積層した場合、各々５０層積層した場合についても同様の測定を行い、図３とほぼ同一の測定結果が得られることを確かめた。すなわち、強磁性膜１１とパラジウム膜１２とを交互に積層してなる第二の磁気デバイス用磁性膜においては、強磁性膜１１とパラジウム膜１２との積層数が磁性膜の飽和磁化値にほとんど影響を与えず、多層膜を形成する際のパラジウム膜１２の膜厚が多層膜の飽和磁化値に影響を与えている。

また、多層膜の飽和磁化を大きくするため、強磁性膜１１として使用している鉄−コバルト磁性膜中における鉄とコバルトとの含有モル量の比(C_Fe/C_Co)を0.667乃至9.0としている。

図４は、強磁性膜１１とパラジウム膜１２とを交互に積層してなる磁気デバイス用磁性膜１０で、強磁性膜１１の膜厚を変えたときの多層膜の飽和磁化Bsを測定した結果を示す。図４に示す測定結果は、強磁性膜１１の膜厚が2．3nm以下の場合に飽和磁化Bsが2.45Ｔ以上となって有効であること、とくに強磁性膜１１の膜厚が1.0nm〜2.3nmの範囲で有効であることを示している。

なお、第二の磁気デバイス用磁性膜１０としては、パラジウム膜１２にかえてパラジウムを含む合金膜を使用することができる。このパラジウムを含む合金膜としては、MoPdや
RhPd合金などが使用できる。FeCo層をこれらの合金膜と多層化した場合でも、パラジウムを含む合金膜の膜厚を0．05nm乃至0．28nmとすることで高飽和磁化が得られる。

なお、第二の磁気デバイス用磁性膜として説明した多層膜を形成する方法としては、スパッタ法または蒸着法(MBE法)が優れている。これは、パラジウム膜あるいはパラジウム合金膜、または強磁性膜を繰り返して積層する際に、0．05nm乃至0．28nm、または2．3nm以下といった非常に薄い膜厚でも精度よく制御することが可能だからである。
とくに、本発明に係る多層膜に形成する磁気デバイス用磁性膜では、原理的にパラジウム膜あるいはパラジウム合金膜と強磁性膜との界面が非常に急峻に形成されることが求められるが、スパッタ法または蒸着法はこのような界面を形成するのに適している。

一方、めっき法は膜の成長速度が速く、かつ湿式であるためこのような非常に薄い層同士を繰り返し積層することは不向きである。とくに、膜材料の切り替えでめっき浴を入れ替える際に、すでに膜として析出していた金属が再び浴中に溶け出すなどして、界面で本来あってはならない混合層を形成してしまうため、本発明で得られている飽和磁化の増大効果が弱められる。

以上説明した磁気デバイス用磁性膜は、高飽和磁化を有することから、ハードディスクドライブ用磁気ヘッドあるいは固体デバイス等に好適に利用することができる。
図５は、ハードディスクドライブ用磁気ヘッド３０の構成例を示す。図示した磁気ヘッド３０は面内記録用として構成された例で、記録ヘッド部２０として下部磁極２１と上部磁極２２とを備え、コア部２２ａに鎖交するようにコイル２４が配置されている。
本発明に係る磁気デバイス用磁性膜は、この記録ヘッド部２０を構成する下部磁極２１を、上述した鉄−コバルトからなる強磁性膜１１とパラジウム膜１２とを交互に積層した多層膜によって形成することができる。

本発明に係る磁気デバイス用磁性膜は、コア磁極材料として従来、主流として使用されているFe₇₀Co₃₀合金よりも優れた2.45Ｔ以上の飽和磁化を有するから、下部磁極２１に使用することで効果的に書き込み磁界強度を向上させることができ、記録媒体２６に対する書き込み密度を向上させることが可能となる。
多層膜によって形成した磁気デバイス用磁性膜の場合は、下部磁極２１として所要の厚さとなるように強磁性膜１１とパラジウム膜１２あるいはパラジウム合金膜の積層数を設定すればよい。

もちろん、本発明に係る磁気デバイス用磁性膜は磁気ヘッド３０の下部磁極２１として使用する他、上部磁極２２を構成する磁極材料として使用することができる。また、下部磁極２１および上部磁極２２を構成する磁気デバイス用磁性膜としては、上述した多層膜にかえて、第一の磁気デバイス用磁性膜として説明した、Fe₇₀Co₃₀にPdをモル含有率として１％乃至７％添加してスパッタ法によって形成した合金膜を使用してもよい。この合金膜の場合も、2.45Ｔを超える大きな飽和磁化を有することから、記録媒体２６への高密度記録が可能となる。

図６、７は、多層膜構造の磁気デバイス用磁性膜を固体デバイスとして使用した例を示す。すなわち、図６はパラジウムからなる基体部４２に細線状に形成した鉄−コバルトからなる量子細線４３を所定間隔をあけて整列させて配置した固体デバイス４０である。図７は、パラジウムからなる基体部４２にドット状に形成した鉄−コバルトからなる量子ドット４５を互いに所定間隔をあけて配列した固体デバイス４１を示す。これらの固体デバイス４０、４１は、パラジウム層と鉄−コバルトからなる強磁性層とを交互に、マスクを用いてスパッタあるいは蒸着することによって作製することができる。

図６、７に示す固体デバイス４０、４１は磁気記録用のデバイスとして利用することが可能であり、とくに上述した多層膜として形成した磁気デバイス用磁性膜と類似した構成を備え、きわめて大きな飽和磁化を備えることから、情報の高密度記録用として有効に利用することが可能となる。とくに、図７に示す固体デバイス４１のようなドット構造になるほど、磁性体単位体積あたりの飽和磁化が増大するものと考えられる。

なお、本発明者は、前記のFeCoPd膜とPd合金膜を多層化することにより、FeCoPd層当たりの飽和磁化が2．9Tまで増大していることを確認している。この値はこれまで報告された飽和磁化の値としては最大のものである。

Fe₇₀Co₃₀へのPdの添加量を変えたスパッタ膜について飽和磁化を測定した結果を示すグラフである。多層膜として形成した磁気デバイス用磁性膜の膜構成を示す説明図である。強磁性膜パラジウム膜とを交互に積層した磁気デバイス用磁性膜について、パラジウム膜の厚さを変えて多層膜の飽和磁化を測定した結果を示すグラフである。強磁性膜とパラジウム膜とを交互に積層した磁気デバイス用磁性膜について、強磁性膜の膜厚を変えて飽和磁化を測定した結果を示すグラフである。磁気デバイス用磁性膜を使用する磁気ヘッドの構成を示す説明図である。固体デバイスの構成例を示す説明図である。固体デバイスの他の構成例を示す説明図である。

符号の説明

１０磁気デバイス用磁性膜
１１強磁性膜
１２パラジウム膜
２０記録ヘッド部
２１下部磁極
２２上部磁極
２２ａコア部
２４コイル
２６記録媒体
３０磁気ヘッド
４０、４１固体デバイス
４３量子細線
４５量子ドット

Claims

鉄とコバルトとパラジウムとからなり、前記パラジウムのモル含有率が１％乃至７％に設定された合金膜であって、
該合金膜が、スパッタ法により形成されてなることを特徴とする磁気デバイス用磁性膜。
前記モル含有率に設定された鉄とコバルトとパラジウムとからなる合金をターゲットとし、スパッタ法により形成されたことを特徴とする請求項１記載の磁気デバイス用磁性膜。
強磁性膜と，パラジウム膜またはパラジウムを含む合金膜とが交互に積層され、前記パラジウム膜またはパラジウムを含む合金膜の各層の層厚が0.05nm乃至0.28nmに設定された多層膜であって、
該多層膜がスパッタ法または蒸着法により形成されてなることを特徴とする磁気デバイス用磁性膜。
前記多層膜に前記強磁性膜が少なくとも２層以上含まれていることを特徴とする請求項３記載の磁気デバイス用磁性膜。
前記強磁性膜は、鉄−コバルトまたは鉄−コバルトを含む合金からなり，鉄とコバルトの含有モル量の比(C_Fe/C_Co)が0.667乃至9.0であることを特徴とする請求項３または４記載の磁気デバイス用磁性膜。
前記強磁性膜の一層当りの層厚が、2.3nm以下であることを特徴とする請求項５記載の磁気デバイス用磁性膜。
請求項１〜６のいずれか一項記載の磁気デバイス用磁性膜を用いたハードディスクドライブ用磁気ヘッド。
請求項１〜６のいずれか一項記載の磁気デバイス用磁性膜を用いた固体デバイス。