JP2005525663A - 高度異方性メディア用の書き込みヘッド - Google Patents

Abstract

情報ビットを磁気記録媒体９４に書き込む、書き込みヘッド６６は、第１の方向に第１の磁場を生成するための第１の書き込み磁極７２と、第２の磁場を生成して、その結果、２つの磁極からの結合磁場が、実質的に第１の方向に沿って、または第１の方向に実施的に直交する第２の方向で存在するようにするための第２の書き込み磁極７０とを含む。第２の書き込み磁極は、スピン伝達トルクによって磁化が制御される自由層７６と、自由層と第１の書き込み磁極との間に位置する第１のスペーサ８２とを含む。書き込みヘッドには、固着層７８と、固着層と自由層との間に配置された第２のスペーサ８０をさらに含むことができる。書き込みヘッドを含むディスク駆動１０、およびこの書き込みヘッドを使用する磁気記録媒体への書き込みの方法も含まれる。

Description

本発明は、２００１年７月２４日出願の米国特許仮出願第６０／３０７，７７４号の優先権を主張するものである。
本発明は、磁気デバイスに関し、より詳細にはディスク駆動に使用するための書き込みヘッドに関する。

磁気記憶媒体と共に使用する記録ヘッドは、通常、ヘッドの下で回転するディスク中の磁区をそれぞれ記録、検出する書き込み機構と読み出し機構を含む。従来型記録ヘッドにおける書き込み機構は、軟強磁性体ヨークの回りに１回または複数回巻いたコイルを含むことがある。書き込み機構の作動は、コイルに電流を通して、これによって磁場が生成され、この磁場がヨークの磁化を磁場方向に整列させることによって行われる。長手方向書き込み機構（ｌｏｎｇｉｔｕｄｉｎａｌ ｗｒｉｔｅｒ）については、磁場は主として磁極端（ｐｏｌｅ ｔｉｐ）間で広がるが、一部は媒体の中にも及ぶ。垂直書き込み機構については、通常、軟質の下層を記憶媒体中に用いて、書き込み磁場が磁極端と軟質下層との間で広がるようにする。書き込み磁場が、媒体の保磁力および消磁場を超えると、その磁化が書き込み磁場方向に整列した磁区が形成される。これらの磁区は、ディジタル・データのビットを形成し、このビットが読み出しヘッドによって検出される。

磁気記録において１Ｔビット／ｉｎ^２の面密度を達成するには、有意な物理的な課題が存在する。中でも最も著しいのは、媒体中に磁化ドメインまたはビットを生成する書き込みプロセスである。これらの密度において、書き込みプロセスが直面する２つの主要な障害は、媒体中で大きな磁気異方性を有する材料を使用すること、およびＢ_ｇ＞２．４Ｔの軟強磁性材料がないことである。第１の障害は、媒体の熱安定性を保証するために必要となる。同一の媒体信号対雑音比を維持するためには、ビット・セル内の結晶粒数によっておおまかに設定される、結晶粒の平均体積は、低減しなくてはならなくなる。しかしながら、超常磁性を避けるためには、磁気異方性を相応に増加し、それによって粒子が強磁性となり、数年単位の時間にわたって安定となるようにしなければならない。最終結果は、粒子を配向させて媒体中にビットを記録するために、非常に大きな磁場が必要となることである。書き込み磁場は、記録ヘッド内の磁極端材料の飽和モーメントに密接に関係するので、媒体磁化の向きの切り替えには、非常に大きなモーメントの材料が必要となる。研究者は、１００Ｇｂｉｔ／ｉｎ^２の記録に対して、Ｂ_ｓ２〜２．４Ｔの材料をすでに使用しており、１Ｔｂｉｔ／ｉｎ^２での従来式記録に対する飽和モーメント要件は、おそらくすべての既知材料を超えている。

これらの課題は、データ記憶業界においては周知であり、従来式磁気記録の代替、例えば熱アシスト方式書き込み（ｔｈｅｒｍａｌｌｙ ａｓｓｉｓｔｅｄ ｗｒｉｔｉｎｇ）が、すでに提案されている。しかしながら、１Ｔｂｉｔ／ｉｎ^２用の最良の書き込み機構技術は、まだ未定である。例えば、研究者はまた、熱アシスト・プロセスに依存しない薄膜媒体の磁化を切り替える方法について調査している。これらの技法が従来式記録と異なるのは、媒体磁化に対する磁場の整列が、０°または１８０°よりも大きく異なることである。最終目的は、異方性磁場Ｈ_ｋよりも小さな磁場を用いて媒体磁化を切り替えることである。

既存の書き込みヘッドの制約を克服して、磁気記録媒体の面積データ密度を増大させる、磁気書き込みヘッドに対するニーズがある。

本発明は、磁気記憶媒体に情報ビットを書き込むための書き込みヘッドを提供する。この書き込みヘッドは、第１の方向に第１の磁場を生成する第１の書き込み磁極と、第２の磁場を生成し、その結果、第１および第２の書き込み磁極からの結合磁場が実質的に第１の方向に沿って、または前記第１の方向と実質的に直交する第２の方向で存在する、第２の書き込み磁極とを備える。第２の書き込み磁極は、スピン伝達トルク（ｓｐｉｎ ｔｒａｎｓｆｅｒ ｔｏｒｑｕｅ）によって磁化が制御される自由層（ｆｒｅｅ ｌａｙｅｒ）と、この自由層と第１の書き込み磁極との間に位置する第１のスペーサとを含む。書き込みヘッドは、固着層（ｐｉｎｎｅｄ ｌａｙｅｒ）と、この固着層と自由層との間に配置された第２のスペーサとをさらに含む。

本発明はまた、磁気記憶媒体を回転させる手段と、この磁気記憶媒体の表面に隣接して書き込みヘッドを配置する手段とを備えるディスク駆動であって、前記書き込みヘッドは、第１の方向に第１の磁場を生成する第１の書き込み磁極と、第２の磁場を生成し、その結果、第１および第２の書き込み磁極からの結合磁場が実質的に第１の方向に沿って、または第１の方向と実質的に直交する第２の方向で存在する、第２の書き込み磁極を含む。第２の書き込み磁極は、スピン伝達トルクによって磁化が制御される自由層（ｆｒｅｅ ｌａｙｅｒ）と、自由層と第１の書き込み磁極との間に位置する第１のスペーサとを含む。書き込みヘッドは、固着層（ｐｉｎｎｅｄ ｌａｙｅｒ）と、固着層と自由層との間に配置された第２のスペーサとをさらに含むことが可能である。

本発明はさらに、磁気記憶媒体に書き込む方法であって、第１の書き込み磁極および第２の書き込み磁極を使用して、第１の方向に第１の磁場を生成し、磁気記憶媒体中の磁区の磁化方向で第１の変化を生成するステップと、この第１の磁場を取り除くステップと、前記第１の書き込み磁極および前記第２の書き込み磁極を使用して、前記第１の方向と実質的に直行する第２の方向に位置する第２の磁場を生成して、前記磁気記憶媒体中の磁区の磁化方向を切り替えるステップとを含み、前記第１および第２の書き込み磁極の１つが、スピン伝達によって制御される磁化を有する自由層を含む、方法を提供する。

第１の磁場は、ダウントラック（ｄｏｗｎ ｔｒａｃｋ）方向またはクロストラック（ｃｒｏｓｓ ｔｒａｃｋ）方向に配向することができる。第１および第２の磁場のそれぞれを、自由に小さくすることはできないが、これらの磁場を、磁気記憶媒体の磁気異方性よりも小さな大きさにすることはできる。

磁場は、第１および第２の書き込み磁極に電流パルスを流し、第１および第２の磁場パルスを生成することによって生成することが可能である。第１および第２の磁場パルスは、磁気記憶媒体の緩和時間よりも小さな期間だけ時間で分離することができる。別法として、一連の電流パルスを、第１または第２の書き込み磁極のいずれかに流すことも可能であり、この場合には電流パルスは、対応する書き込み磁極の、スピン歳差運動を抑制するように調時される。

本発明は、磁気記録媒体と共に使用する磁気書き込みヘッド、この書き込みヘッドを含むディスク駆動、および磁気記憶媒体にデータ・ビットを記録する書き込みヘッドの使用方法を包含する。図１は、本発明に従って構築された磁気書き込みヘッドを使用可能なディスク駆動１０の挿絵図である。ディスク駆動は、ディスク駆動の様々な構成要素を収容するように寸法が決められ、かつ構成された、ハウジング１２（この図では、上部を除去して、下部が見える）を含む。このディスク駆動は、ハウジング内の少なくとも１つの磁気記憶媒体１６、この場合には磁気ディスク、を回転させるためのスピンドル・モータ１４を含む。少なくとも１つのアーム１８が、ハウジング１２の内部に収容されており、各アーム１８は、記録および／または読み出しヘッドまたはスライダ２２を備える第１端２０と、ベアリング２６によってシャフト上に旋回可能に装着された第２端２４を有する。アクチュエータ・モータ２８は、ヘッド２２をディスク１６の所望のセクタ上に配置するためにアーム１８を旋回させるために、アームの第２端２４に配置されている。アクチュエータ・モータ２８は、この図には示していない、当該技術において周知のコントローラによって調節される。

本発明の書き込みヘッドは、２つの磁場パルスを使用して、記憶媒体内の磁区の磁化方向を切り替える。このプロセスは、図２から５に概念的に示してある。図２から５は、磁気記憶媒体硬質層の断面３０の概略図である。図２は、矢印３２から４４によって示すように磁化が上向きの媒体の初期状態を示している。図３は、局所磁場４６が、磁化と直交する媒体の面内に適用される場合の磁化を示す。磁場４６の振幅は、異方性場Ｈ_ｋよりも小さく、スピンは、垂直方向と面方向の間の、ある中間角度まで回転する。図４は、面内磁場が迅速に除去されて、その結果、初期スピン方向に対して逆平行に配列された第２の局所磁場をかける前に、スピンがその初期状態に緩和して戻ることができないときの、磁化を示す。第２の磁場は、媒体の面に垂直に向けられており、矢印４８、５０、５２で示してある。これによって、矢印３６、３８、４０で表される磁化は、矢印５４、５６、５８で示される方向に回転する。図５は、垂直磁場の除去後のスピン構成を示している。磁化方向は、記憶媒体の一部分６０で逆転して、データ・ビットを形成している。この例では、隣接する部分６２、６４の磁区の磁化方向は変化しない。図４に示す垂直磁場は、エネルギー・バリヤを超えて磁化を駆動して、初期状態に対して１８０°の磁化の切り替えを完了することができる。

図６は、２つの磁気書き込み機構６８、７０を含む、書き込みヘッド６６の横断面の概略図である。書き込み機構６８は、書き込み磁極（ＷＰ）とも呼ぶ、第１の磁極７２と、書き込み磁極を駆動するための電流Ｉ_ｙｏｋｅを流すためのワイヤ７４、またはコイルを含む。第２の書き込み機構７０は、自由層７６と固着層７８とも呼ばれる磁化が固定された磁気層７８との間に流れるスピン分極電子流（Ｉ_ｃｐｐ）によるトルクによって駆動される、自由層７６とも呼ばれる、自由回転可能な層を含む。非磁気スペーサ８０が、自由回転層と固着層との間に拡散する伝導電子のスピン分極を保存する。もう１つ別の非磁気スペーサ８２が、電子スピンのデポラライザ（ｄｅｐｏｌａｒｉｚｅｒ）として働き、その結果、磁極７２と自由回転層７６との間にはスピン伝達トルクは存在しない。導電体８４および８６は、ディスク駆動のプリアンプのような外部電流源から、自由回転層７６、固着層７８、およびスペーサ８０によって形成される書き込み機構７０に電流を伝える手段として働く。電流は、これらの構成要素の面に垂直な方向に流れる。電流はまた、書き込み磁極７２の一部を通過して流れる。絶縁８８、９０は、図示された書き込みヘッドの様々な構成要素の間に配置される。絶縁８８は、書き込み磁極７２および導電体８４が電気的に接続されているので、任意選択である。

作動に際しては、書き込みヘッドは、空気ベアリング９６によって分離されて、磁気記憶媒体９４の表面９２上に浮上する。この磁気記憶媒体は、磁気的に硬質層９８と、磁気的に軟質層１００とを含む。書き込み磁極の縁端は、書き込みヘッドの空気ベアリング表面１０２に隣接して配置されている。

図６の書き込みヘッドは、２つの独立に制御可能な強磁性磁極から発生する２つの主として直交する磁場をかけることができる。図６の書き込みヘッドは、従来式書き込み機構６８と書き込み機構７０の組合せを含み、書き込み機構７０は、面垂直電流（ＣＰＰ（ｃｕｒｒｅｎｔ−ｐｅｒｐｅｎｄｉｃｕｌａｒ−ｔｏ−ｔｈｅ−ｐｌａｎｅ））スピン分極電子流によるトルクによって駆動されている。従来式書き込み磁極７２は、金属強磁性材料を含み、その磁化は、前述の書き込み機構とほとんど同じ方法で、電流伝達ワイヤからの磁場によって駆動される。図６においては書き込み磁極を単一層として示してあるが、必要ならば、効率を向上させるために図１３に示すような完全ヨーク構造を使用することもできることに留意されたい。完全ヨークは、書き込み磁極７２に接続された復帰磁極（ｒｅｔｕｒｎ ｐｏｌｅ）を含むことになる。この復帰磁極は、書き込み磁極の空気ベアリング表面における横断面積よりも大きい、空気ベアリング表面における横断面積を有する。

この２つの磁極書き込み機構構造を小型化するために、書き込み磁極７２は、ＣＰＰスピン伝達書き込み機構構造におけるリード線の一部として一体化する（すなわち、電流が書き込み磁極７２を通過できるようにする）こともできる。第２の書き込み磁極は、磁性および非磁性材料の交互する層のピラーまたはスタックに組み込まれた自由層７６を含む。この自由層７６の磁化は、自由層７６と固定磁化を有する層（固着層７８）との間を流れる伝導電子（Ｉ_ｃｐｐ）のスピン伝達トルクによって制御される。

図６に示すように、書き込みヘッドは、第１の方向に整列された固定磁化を有する、固着層７８を有する。この磁化の方向は、磁気媒体の表面に対して垂直であり、磁気媒体に向かう方向、またはそれから遠ざかる方向に配向されている。自由層７６は、スタックを介して十分な大きさと適切な方向のＣＰＰ電流を流すことによって、固着層７８に対して平行または逆平行に整列させることができる。固着層７８は、原理的には、任意の固着層および／または硬質層組合せとすることができる。例えば、固着層は、交換結合を介して、反強磁性体または硬質磁性材料に固着された、合成反強磁性体（ＳＡＦ）で構成することができる。合成反磁性体は、Ｒｕなどの非常に強い反強磁性結合を誘起する非磁性遷移金属スペーサによって分離された２つの強磁性体層を含む。この反強磁性体の各強磁性体層の磁化は、層の１つを反強磁性または硬質磁性材料に交換結合することによって、１つの特定の方向に沿って固定される。使用することのできる固着層のその他の例としては、反強磁性体に交換結合された単一強磁性体層、ＣｏＰｔなどの硬質磁性材料の単一層、または硬質磁石に交換結合された単一強磁性体層が挙げられる。

非磁性層は、例えば、銅、銀または金で構築することができる。固着層の磁化にバイアスをかける手段は、例えば永久磁石または反強磁性磁石としてもよく、固着層に隣接して配置することができる。書き込みヘッドは、自由層の第１の縁端が、磁気記録媒体の表面に隣接して位置するように配置する。自由層の磁化は、磁気記録媒体内で情報ビットを記録するのに使用される磁束を、自由層の第１の縁端位置に生成する。

図６は、書き込みヘッドと磁気記録媒体の間の空気ベアリングを示している。しかしながら、本発明は、空気ベアリングのない接触記録に使用される実施例も包含する。したがって、上記においては、「〜隣接して」という表現は、「〜に近接して」と「〜に接触して」の両方を包含する。

図７は、本発明に従って構築された磁気書き込みヘッドの、選択された構成要素の概略図である。図７において、書き込み磁極７２、自由層７６、および固着層７８内の磁化方向を、矢印１０４、１０６、１０８でそれぞれ示してあり、面内磁場、すなわち磁気媒体の面内のフリンジ磁場を印加するときの、磁極構成の概略図を示す。書き込み磁極７２の書き込み電流およびＣＰＰ電流は、２つの磁極が、互いに逆平行で、かつ媒体に垂直になるようにされる。２つの磁極間のフリンジ磁場１１０は、面内磁場を提供する。図８において、書き込み磁極７２、自由層７６、および固着層７８内の磁化の方向は、矢印１１２、１１４、１１６によってそれぞれ示されている。図８は、垂直磁場１１８を印加する場合の、磁極内の磁場の方向を示している。この場合には、書き込み磁極電流（Ｉ_ｙｏｋｅ）は、図７と同様であるが、書き込み磁極７２と自由層７６磁化の平行配列を生成するために、ＣＰＰ電流が逆転されている。

図９は、図６に示す書き込みヘッドに対する、書き込み磁場Ｈ計算のグラフである。ヘッドの空気ベアリング表面と、記憶媒体の軟質下層との間の間隔は、１６ｎｍであると仮定した。両方の磁極は、均一に磁化されて、磁気飽和Ｂｓ＝２．が２Ｔであると仮定した。重ね合わせを使用し、軟質下層における完全像（ｐｅｒｆｅｃｔ ｉｍａｇｅｓ）を仮定することによって、トラックの中心で、書き込み機構から１０ｎｍ下方において、磁場を計算した。固着層７８磁化は、ディスク／媒体に対して垂直に配向されている。図９は、２つの磁極構成に対する磁場計算を示し、線１２０が面内磁場を、線１２２が垂直磁場を示している。分かり易くするために、面内磁場は、磁極が互いに逆平行に配列されている場合について示し、垂直磁場は磁極が互いに平行に配列されている場合について示してある。

図１０および１１は、それぞれの書き込み磁極ついての、垂直磁化対時間の概略プロットである。図１０は、０の列を記録するための磁化順序を示している。書き込み機構の磁極は、最初に面内磁場を生成するために逆平行に磁化される。線１２４で示す最終媒体磁化方向を設定する磁極は、媒体に対するヘッドの変位が１ビット長に等しくなるたびに、線１２６で示す他方の磁極が２回、１８０°切り替えられる間、固定される。図１１は、一連の１を記録するための磁化順序を示す。この順序において、線１２８で示す「設定」磁場を生成する磁極は、新しいビットを記録するとき、または遷移のときに１８０°切り替えられる。線１３０で示す他方の磁極を切り替える前に、わずかな遅れがあり、これによって面内磁場を印加することができる。図１０および１１における時間周期Δｔは、ビット長を媒体の線形速度で除したものを表す。

図１２は、図６に定義されたｙ軸正方向に沿って均一に磁化されるときの、書き込み磁極７２からの浮遊磁場（ｓｔｒａｙ ｆｉｅｌｄ）１３２を示す。書き込み磁極７２の縁端がｘ＝１０ｎｍに位置するとして、書き込み磁極７２の中心からｘ方向に沿っての位置の関数として、この磁場をプロットしてある。磁場は、ＡＢＳから１２．５ｎｍ戻った位置（ｙ＝１２．５ｎｍ）で評価されている。電流伝達ワイヤからの磁場は、この計算からは除外していることに留意されたい。矢印１３３は、自由層７６の位置と厚さを示している。

図１３は、本発明による、書き込みヘッドおよびコントローラのブロック図である。書き込みヘッド１３４は、書き込み磁極１３６が、同様に復帰磁極１４０を含むヨーク１３８の一部分であることを除いて、図６のものと類似している。コントローラ１４２は、Ｉ_ＣＰＰを生成する接点と、コイル１４４に、そのタイミングを図１０および１１に示すように制御して、電流パルスを供給する。

書き込みヘッドの一修正形態は、固着層７８を除去し、スペーサ８０を、書き込み磁極と自由層７６との間の電子スピン分極を保存するように製作し、次いで、自由層７６磁化をスピン伝達トルクによって制御するときに、書き込み磁極を基準層として使用することである。図１４は、この修正形態に従って構築された、代替磁気書き込みヘッドの側面図である。図１４の書き込みヘッド１５０は、固着層７８およびスペーサ８２のない図６の書き込みヘッドと類似している。この修正形態では、予測可能な自由層７６応答を得るために、その磁極端において、書き込み磁極は、明確に定義された、均一な磁化状態を（すなわち書き込み磁極を磁化することを）必要とする。

本発明は、１Ｔｂｉｔ／ｉｎ^２磁気記録を提供する可能性のある書き込み機構を提供する。書き込み磁場性能を評価するために、提案されている１Ｔｂｉｔ／ｉｎ^２記録システムにおけるパラメータのいくつかを参照する。Ｗｏｏｄ，Ｒ．、「Ｔｈｅ Ｆｅａｓｉｂｉｌｉｔｙ ｏｆ Ｍａｇｎｅｔｉｃ Ｒｅｃｏｒｄｉｎｇ ａｔ １ Ｔｅｒａｂｉｔ ｐｅｒ Ｓｑｕａｒｅ Ｉｎｃｈ」、ＩＥＥＥ Ｔｒａｎｓａｃｔｉｏｎｓ ｏｎ Ｍａｇｎｅｔｉｃｓ、Ｖｏｌ．３６、Ｎｏ．１、Ｊａｎｕａｒｙ ２０００．を参照のこと。以下に示す表１に、例示的な設計に対する重要なパラメータをまとめてある。書き込み磁極の電流効率の最適化に関するパラメータは省略し、その代わりに、書き込み磁場に影響与えるパラメータだけに焦点を当てる。さらに、電流による浮遊磁場を無視し、かつ固着層７８のモーメントおよび厚さは、この層による浮遊磁場が小さくなるようにされていると想定する。

磁極構成の図解は、図７および８に示してある。デバイスの休止状態において、書き込み電流Ｉ_ｙｏｋｅおよびＩ_ＣＰＰの両方が名目上、ゼロであり、磁化の垂直成分Ｍ_ｙ（図６に定義するＹ方向）は、対応する磁極の飽和磁化Ｍ_ｓよりもはるかに小さい。書き込み磁極は、Ｍ_ｙ＝０となる残余状態（ｒｅｍｎａｎｔ ｓｔａｔｅ）を有するように設計されている。自由層７６は、その磁化がディスクと平行になるようにバイアスがかけられており、これは様々な方法によって達成することができる。初期面内磁場は、適当なＩ_ｙｏｋｅおよびＩ_ＣＰＰを流して生成され、その結果、磁極が互いに逆平行に整列される。書き込み磁極７２は、電流伝達ワイヤによる磁場に沿って整列するのに対して、自由層７６は、Ｉ_ＣＰＰの方向に従って、固着層７８に平行または逆平行に整列する。媒体磁化は、この第１の磁場によって、ディスクの面に向かって駆動される。図７および８に示す例に対して、次いで、Ｉ_ＣＰＰを逆転させることによって自由層７６が、１８０°迅速に切り替えられて、磁極の平行整列が誘起される。自由層７６逆転の時間尺度は、媒体磁化ダイナミクスに対して速くして、それによって媒体が、その初期状態に緩和されて戻ることがない。ここで、垂直（または面内）磁場は、逆平行（または平行）磁極整列に対して図９から省略してあることに留意されたい。これらの磁場は、容易に＞１０００Ｏｅとなる。しかしながら、最大振幅は、ビットが記録された場所から離れた場所で発生する。一般に、ヘッドの設計は、これらの浮遊磁場（ｓｔｒａｙ ｆｉｅｌｄ）による媒体磁化の歪みに、現在従来式書き込み機構について行われているのと同様に、上書きが可能なようにするのが最善である。

図７および８は、従来式の書き込み磁極７２、自由層７６、および固着層７８における磁化の方向を示している。固着層磁化は、固定であり、空気ベアリングの表面に向かって、またはそこから遠ざかる方向に配向されている。デイバスの停止状態においては、自由層磁化は、空気ベアリング表面（ＡＢＳ）に平行になる。名目的には、浮遊磁場を除いて、自由層によって媒体の方向に向けられる、磁場成分はない。自由層を、固着層に対して、９０°変位した方向にバイアスをかけるには、形状異方性、磁場誘起単軸異方性、および永久磁石による静磁気磁場などの、いくつかの選択肢がある。ここで、一般に、自由層をＡＢＳに対して平行に維持するために、ゼロではない停止状態バイアス電流Ｉ_ｑを流す必要があることもある。図７は、第１の閾電流（Ｉ_Ｃ）より下でのデバイスのバイアス方式を示す。自由層磁化は、媒体の方向に配向されている。図８は、第２の閾電流（Ｉ_ｃ ^＋）より上でのデバイスのバイアス方式を示す。自由層磁化は、媒体から離れる方向に向けられている。

単一ビットの記録のための書き込みプロセスには、一連の逆平行および平行磁極整列を含む。図１０および１１は、ビットの列を記録するときの、磁極磁化の適切な切り替えを示している。ゼロの列を記録する（すなわち、遷移がない）ときに単に一定磁場を生成する、従来式の書き込み機構とは異なり、２磁極式書き込み機構は、ヘッドが媒体に対して１ビット長動く度に、１つの面内磁場を生成しなくてはならない。従来式書き込み機構と同様に、１つの磁極は、「設定」磁極と呼ばれ、図１０および１１において線１２４および１２８として示したように、目指す最終媒体磁化方向の方向に磁化される。しかしながら、「切り替え」磁極と呼び、図１０および１１において線１２６および１３０で示されている、他方の磁極は、すべてのビットに対して、一時的に逆平行整列に切り替えなくてはならない。１の列を記録するとき（すなわち、一連の遷移があるとき）、磁極磁化は交互に切り替えられる。第１のビットが記録された後に、短い時間、切り替え磁極が固定される間に、設定磁極を１８０°切り替えて、逆平行整列を生成する。この切り替え磁極が、次いで、平行整列に切り替えられて、ビットの記録が完了する。

上記の書き込みヘッドの性能を様々な面から最適化することができる。例えば、ダウントラック（ｄｏｗｎ ｔｒａｃｋ）方向における磁極の寸法は、磁場振幅および場所の両方について最適化することができる。所与のトラック幅に対して、磁極の下の垂直磁場成分は、ダウントラック方向に沿った磁極寸法の増加とともに、増大することになる。しかしながら、トレーリング磁極（ｔｒａｉｌｉｎｇ ｐｏｌｅ）のダウントラック寸法は、ビット長さよりも大幅に大きくすることはできない。そうしなければ、書き込みヘッドが、密集した磁束変化の列（すなわち、１の列）として、すでに記録されたビットの磁化を、破損する可能性がある。書き込み磁場の振幅は、書き込み機構の物理的な幅を、例示的設計において提案するものよりも大きくすれば、増大させることができる。計算によると、媒体内の磁場振幅は、トラックの中心から２５ｎｍ離れると（すなわち、書き込み機構の縁端の直下において）、その最大値の２分の１に減少する。

上記の例では、トラックを横切って均一な書き込み磁場を生成するために、ダウントラック方向に沿った面内磁場が加えられる。しかしながら、面内磁場がクロストラック方向に加えられるように、書き込みヘッドを修正することができる。

さらに、磁極を切り替える、迅速立ち上がり電流パルスは、単一パルスよりもより複雑になる可能性がある。例えば、適正なタイミングでパルスの列を流すことによって、自由層７６のスピン歳差運動を抑制して、自由層７６を、スピン歳差運動の周期よりもはるかに短時間に、平衡構成に設定することができる。

さらに、書き込み機構のリーディング・エッジおよびトレーリング・エッジに対する磁極の順序づけは、原理的に交換可能である。唯一の制約は、浮遊磁場が、（ダウントラックまたはクロストラックのいずれかで）記録されているビットを破損しないように設計を最適化することである。

電流伝達ワイヤに由来する磁場Ｉ_ｙｏｋｅは、自由層７６を通過する正味磁場を調整するのに使用することができる。例えば、自由層７６が位置する領域において、Ｉ_ｙｏｋｅに由来する磁場が、書き込み磁極７２に由来するフリンジ磁場と反対向きになる、形状を配設するのが直裁的である。これによって、自由層７６内の正味磁場を低減し、自由層７６を切り替えるのに必要なスピン伝達トルクを低減することもできる。

原理的に、この概念は、３つ以上の書き込み磁極を有する書き込み機構にも拡張することができる。しかしながら、書き込み機構を小型に製作することについての制約から、従来式の書き込み磁極を、別個の電流伝達ワイヤによって駆動する場合には、それらの磁極の間により重大な相互作用が発生することが予測される。さらに、追加のスピン伝達磁極は、書き込み機構の小型寸法を維持するために同一の電流で駆動されることが予想される。このために、それら相互の相対向きは、所定のＣＰＰ書き込み電流に対しては固定されることになる。

本発明は、面内磁場が最初に媒体の垂直磁化に実質的に直交して加えられて、これが磁化をその最初の状態から回転させる、磁気記憶媒体への書き込み方法をも包含するものである。第１の磁場が除去されて、第２の垂直磁場が、媒体緩和時間に対して速い、時間周期にわたって加えられる。面内磁場の下降時間および垂直磁場の立ち上がり時間は、磁化が歳差運動しないか、またはその初期状態に緩和して戻らないようにされる。次いで、第２の垂直磁場が、それは媒体保持力よりも小さいが、媒体磁化を逆転することができる。一般に、面内磁場および垂直磁場の間のタイミング、または遅れも、磁化逆転プロセスに影響を与える。

本発明は、Ｈ_ｋよりも小さな磁場を使用して高度異方性媒体を切り替えるように設計された、高面積密度磁気記録用の書き込みヘッドを提供する。この書き込み機構には、独立して制御可能な２つの強磁性磁極が含まれ、これらの磁極は、ヘッドの直下の同じ物理的場所から、数１０００Ｏｅの面内磁場または垂直磁場のいずれかを加えることができる。一方の磁極は、電流伝達ワイヤに由来する磁場で駆動され、他方はＣＰＰ電流のスピン伝達トルクによって駆動される。適切な高速書き込みパルスの列を流すことによって、書き込み機構は、主として面内磁場と垂直磁場とを迅速に切り替えることができる。その結果として、面内磁場の不在において、垂直磁場が通常の１８０°逆転磁場よりも小さい場合でも、媒体は、向きを切り替えることになる。これによって、Ｂ_Ｓ＝２．４Ｔ材料によって課せられる制約の範囲内で、媒体異方性をさらに増大させて、磁気記録を場合によっては１Ｔｂｉｔ／ｉｎ^２に拡張することが可能となる。

書き込みヘッドは、ヘッド上の同じ空間場所から、２つの主として直交する磁場成分を加えることができなくてはならない。このことは、媒体磁化ダイナミクスおよびヘッドに対する媒体の線形速度による当然の結果である。高度異方性媒体の歳差周波数は、１０から２０ＧＨｚ程度であることが多く、直交磁場間での切り替えは、せいぜい１００ｐｓで行わなければならない。これに対して、記憶媒体の線形速度は、（１５０００ｒｐｍで、半径２．５４ｃｍ（１インチ）に対して）４０ｍ／ｓである。これを表現する別の方法は、ヘッドは、１００ｐｓ毎に、媒体に対して４ｎｍ移動することになる。面内磁場および垂直磁場が空間的に重複しないヘッド設計は、磁場が同一の空間領域に加えられる設計よりも効率が低いことになる。

磁気粒子を、Ｈ_ｋより小さな磁場を用いて切り替えるのは可能であるが、高度異方性媒体を切り替えるには、非常に大きな磁場（数１０００のＯｅ）を生成することが必要となる。さらに、これらの磁場は、隣接するトラック内のデータへの影響を最小化するように、配置しなくてはならない。

書き込み機構では、従来から強磁性材料によるフリンジ磁場（ｆｒｉｎｇｅ ｆｉｅｌｄｓ）を使用して、書き込み磁場が生成されている。しかしながら、強磁性材料を使用して２つの直交磁場成分を同じ空間場所に生成することは、独立制御可能な２つの磁極端を必要とする。

２つの磁場の向きが重要である。これらの直交磁場に適用する、２つの可能な形状がある。第２の磁場は、最終媒体磁化と（垂直記録に対して垂直に）整列される。しかしながら、第１の磁場は、クロストラックまたはダウントラックのいずれかで加えることができる。ダウントラック方向に磁場を加えることは、ダウントラック磁場閉じ込めは、それが上書きされるので、クロストラック閉じ込めほど重要ではないことにおいて利点がある。

ヘッドと、十分にヒートシンクされた大きな熱貯蔵との間の熱伝導率を最大化するために、電気導線に良好な熱伝導体を使用する必要がある。熱による自由層磁気モーメントの減少は、すべて最小化しなくてはならない。固着層に起因する浮遊磁場を最小するのも好ましい。

本発明は、ＣＰＰスピン分極電子流により誘起されるトルクを使用して、書き込み機構磁化を回転させる。本発明は特に、磁気記憶媒体が、硬質磁性材料の上部層と、その硬質磁性材料の上部層に隣接する軟質磁性材料の底部層とを有するディスクを含む、垂直記録における使用に、適用可能である。

本発明はまた、書き込みヘッドを含むディスク駆動も包含するものである。図１に示すように、アーム１８が、書き込みヘッドを磁気記録媒体に隣接して配置するための手段となる。

本発明は、現時点でその好ましい実施例であると考えられるものについて記述したが、当業者なら、開示した実施例に対して、添付の請求の範囲に記載する本発明の範囲から逸脱することなく、様々な修正を加えることができることを理解するであろう。

本発明に従って構築された磁気書き込みヘッドを使用することのできる、ディスク駆動の挿絵図である。 磁気記録媒体の一部分を表す概略図である。 磁気記録媒体の一部分を表す概略図である。 磁気記録媒体の一部分を表す概略図である。 磁気記録媒体の一部分を表す概略図である。 本発明に従って構築された磁気書き込みヘッドの側面図である。 本発明に従って構築された磁気書き込みヘッドの、選択された要素を示す概略図である。 本発明に従って構築された磁気書き込みヘッドの、選択された要素を示す概略図である。 本発明に従って構築された磁気書き込みヘッドによって生成することのできる、磁場を示すグラフである。 本発明に従って構築された磁気書き込みヘッドの動作を示すスイッチング図である。 本発明に従って構築された磁気書き込みヘッドの動作を示すスイッチング図である。 本発明の書き込みヘッドによって生成することのできる、計算された磁場を示すグラフである。 書き込みヘッドおよび、それに関連するコントローラのブロック図である。 本発明に従って構築された、別の磁気書き込みヘッドの側面図である。

Claims (20)

1. 磁気記録媒体（９４）に情報ビットを書き込むための書き込みヘッド（６６）であって、
   第１の方向に第１の磁場を生成する第１の書き込み磁極（７２）と、
   第２の磁場を生成し、その結果、前記第１の書き込み磁極と第２の書き込み磁極からの結合磁場が実質的に前記第１の方向に沿って、または前記第１の方向と実質的に直交する第２の方向で存在する、第２の書き込み磁極（７０）とを備え、前記第２の書き込み磁極は、スピン伝達トルクによって磁化が制御される自由層（７６）と、前記自由層と前記第１の書き込み磁極との間に配置された第１のスペーサ（８２）とを含む、書き込みヘッド。
2. 固着層（７８）と、
   この固着層と前記自由層との間に配置された第２のスペーサ（８０）とをさらに備える、請求項１に記載の書き込みヘッド。
3. 前記第１の書き込み磁極における磁化方向を制御する手段（７４）と、
   前記自由層の磁化方向を制御するために、前記固着層、前記第２のスペーサ、および前記自由層を通過して電流を流す手段（８４、８６）とをさらに備える、請求項２に記載の書き込みヘッド。
4. 前記固着層が、
   １層が反強磁性体または硬磁性体のいずれかに交換結合された合成反強磁性体、反強磁性体に結合された強磁性体交換層、硬磁性材料の層、または硬磁性体に交換結合された強磁性体層の１つを含む、請求項２に記載の書き込みヘッド。
5. 前記第２のスペーサが、銅、銀または金の１つを含む、請求項２に記載の書き込みヘッド。
6. 前記第１の磁極が、
   前記第１の書き込み磁極、および復帰磁極を含むヨーク（１３８）と、
   前記ヨーク中に磁場を誘起するための第１のコイル（１４４）とを含む、請求項１に記載の書き込みヘッド。
7. 磁気記憶媒体（１６）を回転させる手段（１４）と、
   前記磁気記憶媒体の表面に隣接して書き込みヘッドを配置する手段（１８）とを備えるディスク駆動であって、
   前記書き込みヘッドが、第１の方向に第１の磁場を生成する第１の書き込み磁極（７２）と、第２の磁場を生成し、その結果、前記第１の書き込み磁極および第２の書き込み磁極からの結合磁場が実質的に第１の方向に沿って、または第１の方向と実質的に直交する第２の方向で存在する、第２の書き込み磁極（７０）とを含み、
   前記第２の書き込み磁極は、スピン伝達トルクによって磁化が制御される自由層（７６）と、前記自由層と前記第１の書き込み磁極との間に配置された第１のスペーサ（８２）とを含む、ディスク駆動。
8. 前記書き込みヘッドが、
   固着層（７８）と、
   この固着層と前記自由層との間に配置された第２のスペーサ（８０）とを備える、請求項７に記載のディスク駆動。
9. 第１の書き込み磁極における磁化方向を制御する手段（７４）と、
   前記自由層の磁化方向を制御するために、前記固着層、前記第２のスペーサ、および前記自由層を通過して電流を流す手段（８４、８６）とをさらに備える、請求項８に記載のディスク駆動。
10. 前記固着層が、
    １層が反強磁性体または硬磁性体のいずれかに交換結合された合成反強磁性体、反強磁性体に結合された強磁性体交換層、硬磁性材料の層、または硬磁性体に交換結合された強磁性体層の１つを含む、請求項８に記載のディスク駆動。
11. 前記第２のスペーサが、銅、銀または金の１つを含む、請求項８に記載のディスク駆動。
12. 前記第１の磁極が、
    前記第１の書き込み磁極、および復帰磁極を含むヨーク（１３８）と、
    前記ヨーク中に磁場を誘起するための第１のコイル（１４４）とを含む、請求項７に記載のディスク駆動。
13. 磁性記憶媒体に書き込む方法であって、
    第１の書き込み磁極（７２）および第２の書き込み磁極（７０）を使用して、第１の方向に第１の磁場を生成し、磁気記憶媒体中の磁区の磁化方向で第１の変化を生成するステップと、
    前記第１の磁場を取り除くステップと、
    前記第１の書き込み磁極および前記第２の書き込み磁極を使用して、前記第１の方向と実質的に直行して存在する第２の磁場を生成して、前記磁気記憶媒体中の磁区の磁化方向を切り替えるステップとを含み、前記第１および第２の書き込み磁極の１つが、スピン伝達トルクによって磁化が制御される自由層を含む方法。
14. 前記第１の磁場が、下りトラック方向または横トラック方向に１つに配向されている、請求項１３に記載の方法。
15. 前記第１および第２の磁場のそれぞれが、磁気記憶媒体の磁気異方性よりも小さい大きさを有する、請求項１３に記載の方法。
16. 磁気記憶媒体が、
    硬磁性体の上部層と、前記硬磁性体の上部層に隣接する軟磁性体の底部層とを有するディスク（９４）を含む、請求項１３に記載の方法。
17. 第１の書き込み磁極と第２の書き込み磁極を使用して、第１の方向に第１の磁場を生成する前記ステップが、前記第１の書き込み磁極に第１の電流パルスを流し、第２の書き込み磁極に第２の電流パルスを流すステップを含み、第１の書き込み磁極と第２の書き込み磁極を使用して第２の磁場を生成する前記ステップが、第２の書き込み磁極に第３の電流パルスを流すステップを含む、請求項１３に記載の方法。
18. 前記第２および第３の電流パルス間の遷移が、磁気記憶媒体の緩和時間よりも短い期間だけ時間で分離されている、請求項１７に記載の方法。
19. 第１の書き込み磁極を使用して、第１の方向に第１の磁場を生成する前記ステップが、前記第１の書き込み磁極に一連の電流パルスを流すステップを含み、前記電流パルスが、前記第１の書き込み磁極内の自由層のスピン歳差運動を抑制するように調時されている、請求項１３に記載の方法。
20. 前記第２の磁場を生成するステップが、前記第２の書き込み磁極に追加の電流パルスを流すステップを含む、請求項１９に記載の方法。

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