JP2006024732A

JP2006024732A - 磁性膜並びにハードディスクドライブ用記録再生ヘッドおよび固体デバイス

Info

Publication number: JP2006024732A
Application number: JP2004201355A
Authority: JP
Inventors: Kenji Noma; 賢二野間
Original assignee: Fujitsu Ltd
Current assignee: Fujitsu Ltd
Priority date: 2004-07-08
Filing date: 2004-07-08
Publication date: 2006-01-26
Also published as: CN101299374A; CN1719521A; US20060008679A1; CN100431005C; US20090053560A1; US7459221B2

Abstract

【課題】記録ヘッドが発熱した際の磁極の突き出しを抑え、かつ強い記録磁界を発生でき高密度記録が可能なハードディスクドライブの記録再生ヘッド等に利用できる磁性膜を提供する。
【解決手段】 Fe（鉄）とPt(白金)の合金、またはFeとPtを含む三元以上の合金からなる第一の合金膜と、Fe、Ni(ニッケル)、 Co(コバルト)のうちの少なくとも２種を含む合金からなる第二の合金膜とを直接接して積層した磁性膜であって、前記第一の合金膜におけるFeの含有モル量の割合が63%乃至74%の範囲にあることを特徴とする。
【選択図】図１

Description

本発明は磁気ヘッド等に利用することができる磁性膜、およびこれを用いたハードディスクドライブ用記録再生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面記録密度は現在も年率100%の増加を続けている。この傾向を今後も維持していくためには。ドライブに搭載されている記録ヘッドの線密度方向の分解能の向上およびトラック密度方向の素子幅の狭小化が必須である。現在実用されている記録ヘッドにおいては、前者は記録ヘッドと媒体間の間隔を狭くすること、後者は記録ヘッドの素子幅を狭くすることが重要となる。

図１０、１１に、ハードディスクドライブに用いられている記録ヘッドの構成を示す。図１は、面内記録用ヘッドであり、図２は垂直記録用ヘッドである。いずれの記録ヘッドの場合も、電気抵抗の低い金属膜(通常は銅薄膜) によって形成されたコイル５に電流を流すことにより、アンペアの法則によりコイル５内に磁界が誘導され、誘導磁界が磁極と呼ばれる高透磁率の磁性膜の中に収束され、高密度の記録磁界を発生させて媒体１０に磁化パターンを記録する。
面内記録用ヘッドの場合は、上部磁極６と下部磁極７が記録ギャップとともに閉磁路を形成し、垂直記録用ヘッドの場合は、主磁極８のみで開磁路を形成する。

なお、図１０に示す記録ヘッドでは、下部磁極７と下部シールド９とで挟まれた位置に、媒体１０に対向して再生ヘッド４が設けられ、図１１に示す記録ヘッドでは、リターンヨーク１１と下部シールド９とで挟まれた位置に、媒体１０に対向して再生ヘッド４が設けられている。これにより、ともに媒体１０への記録・再生が可能な記録再生ヘッドとして形成される。

記録ヘッドによる媒体１０への磁化パターンの記録は、高保磁力を有する磁性体からなる媒体１０に磁極を近づけ、任意の波形で電流をコイル５に流して記録磁界を磁極から媒体１０に向けて放射し、同時に媒体１０を回転させて、コイル５に流れる電流の極性に応じて媒体１０上に磁化のパターンを記録する方法によってなされる。
この記録方法において記録密度を増加させるには、磁化パターンの寸法がより小さくすることが要求されるが、磁化パターンを狭小化する際に問題となるのが記録ヘッドの磁極の突き出しである。

記録密度の増大にともない、最近のハードディスクドライブでは記録磁界として数100 kA/mの強度が要求されるようになっている。記録磁界を増加させるにはコイル５に流す電流値を増大することが有効であるが、この場合には同時にジュール熱による発熱も増大する。また、誘導磁界が磁極を通る際に、磁極内にうず電流が発生することによっても発熱する。記録ヘッドにおいて発生した熱は、上部磁極６あるいは主磁極８、および磁極周辺のアルミナを膨張させ、磁極の突き出しと呼ばれる現象を発生させる。図１２に、記録ヘッドの発熱によって磁極が媒体１０側に突き出る様子を示す。

このように、記録ヘッドの磁極が媒体１０に向けて突き出ると、記録磁界が歪んだり、媒体の磁化パターンが異常になったりし、はなはだしい場合は媒体１０とヘッドとが接触して双方に損傷が発生する。このため、磁極の突き出し量を想定して記録ヘッドと媒体１０との間隔を広げて設定することになるが、このようにすると、記録用の磁極と同一面に形成されている再生ヘッド４が媒体１０から遠ざかることになり、再生ヘッドの再生分解能が低下する。

以上のような理由から、狭小な磁化パターンを媒体に記録できた場合でも、再生分解能が不十分であるために、ハードディスクドライブ全体としての記録密度を増大することができないことが問題となっている。
最新の記録ヘッドでは、記録ヘッドの発熱による磁極の突き出し量は5 nm程度あり、一方で磁極と媒体との間隔は10〜15 nmにまで小さくなっている。この間隔をさらに小さくすることは記録密度を増大させるために必要不可欠であり、そのためにも磁極の突き出しを抑制することは最重要課題である。

一方、磁極用材料には、数100 kA/mの磁界を発生させる必要がある事から、通常、飽和磁化(Bs) の大きい材料や軟磁気特性の良い材料が選ばれる。例をあげると、飽和磁化(Bs)の大きい順に、Fe₇₀Co₃₀合金およびこれを用いた合金・化合物、CoNiFe合金、Ni₅₀Fe₅₀合金およびこれを用いた合金、Ni₈₁Fe₁₉合金などがある。しかし、これらの材料は正の熱膨張率を有するため、磁極の突き出しの原因となる。表１にこれらの材料の線膨張率を示す。

線膨張率は温度が１℃上がるごとにその材料が一方向に伸びる割合を示したものである。たとえば、Fe₇₀Co₃₀の線膨張率は28．2×10⁻⁶・K^-1であることから。10×10 mmのサイズのFe₇₀Co₃₀の温度が＋１℃上がると10．000282 mm×10．000282 mmの大きさになり、＋50℃上がると10．0141 mm×10．0141 mmの大きさに膨張することになる。最近の記録ヘッドの磁極の長さは10μm程度である。コイル電流などによる発熱で素子温度が＋50℃上昇した場合、磁極がFe₇₀Co₃₀であれば全体で14．1 nm伸長する。これは媒体側に約7 nm磁極が突き出すことを意味しており、前記の突き出しが5 nmあるという事実と符合する。逆に言えば、磁極に用いる材料の線膨張率を小さくすれば突き出し量を小さくできることを示唆している。

線膨張率の小さい材料としてインバー合金と呼ばれる材料がある。たとえば、Fe₆₄Ni₃₆、Fe₆₆Pd₃₄、Fe₇₃Pt₂₇などが良く知られている。これらの材料を記録ヘッドの磁極に用いることで突き出し量をFe₇₀Co₃₀よりも一桁小さくできると考えられるが、現在までインバー合金が磁極に使用されてこなかった理由として、飽和磁化が1．0T程度と小さいこと、軟磁気特性が悪いことなどが挙げられる。

本発明は、磁極に用いられる磁性膜の材料と構造を工夫することにより、記録ヘッドが発熱することによる磁極の突き出しを抑え、かつ強い記録磁界を発生できるハードディスクドライブの記録再生ヘッドを形成することを可能とし、また、これらハードディスクドライブの記録再生ヘッド等に好適に利用できる磁性膜を提供することを目的とする。

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、Fe（鉄）とPt(白金)の合金、またはFeとPtを含む三元以上の合金からなる第一の合金膜と、Fe、Ni(ニッケル)、 Co(コバルト)のうちの少なくとも２種を含む合金からなる第二の合金膜とを直接接して積層した磁性膜であって、前記第一の合金膜におけるFeの含有モル量の割合が63%乃至74%の範囲にあることを特徴とする。
この磁性膜は、大きな飽和磁化を備えた第二の合金膜と線膨張率の小さな第一の合金膜を組み合わせることにより、所要の飽和磁化を備え、かつ熱膨張を抑えた磁性膜として提供することができ、たとえば、ハードディスクドライブの記録再生ヘッドの磁極に使用することにより、磁極の突き出しを抑え、ハードディスクドライブの記録密度を増大させることができる。

また、FeとPtの合金、またはFeとPtを含む三元以上の合金からなる第一の合金膜と、非磁性の薄膜を層間に介在させて、Fe、 Ni、 Coのうちの少なくとも２種を含む第二の合金膜とを積層した磁性膜であって、前記第一の合金膜におけるFeの含有モル量の割合が63%乃至74%の範囲にある磁性膜が好適に使用できる。この磁性膜によれば、第一の合金膜と第二の合金膜との間に非磁性の薄膜を介在させることにより磁性膜の結晶性および磁気特性を改善することができる。

また、FeとPd(パラジウム)の合金、またはFeとPdを含む三元以上の合金からなる第一の合金膜と、Fe、Ni、 Coのうちの少なくとも２種を含む第二の合金膜とを直接接して積層した磁性膜であって、前記第一の合金膜におけるFeの含有モル量の割合が62%乃至70%の範囲にある磁性膜、また、FeとPdの合金、またはFeとPdを含む三元以上の合金からなる第一の合金膜と、非磁性の薄膜を層間に介在させて、Fe、 Ni、 Coのうちの少なくとも２種を含む第二の合金膜とを積層した磁性膜であって、前記第一の合金膜におけるFeの含有モル量の割合が62%乃至70%の範囲にある磁性膜が有効である。

また、前記非磁性の薄膜としては、Ta(タンタル)、 NiCr(ニッケル-クロム)合金、 NiFeCr(ニッケル-鉄-クロム)合金、 Cr(クロム)、 Ru(ルテニウム)、 Ir(イリジウム)、 Rh(ロジウム)、 Re(レニウム)、 Al₂O₃(アルミナ)、 NiP(ニッケル-燐)合金、 Ti(チタン)のうちから選択された非磁性材からなる少なくとも一つの層を備えるもの、また、前記第二の合金膜の飽和磁化が2.0T以上であるものが有効である。

また、Fe（鉄）とCo(コバルト)とPt(白金)の合金を含む三元以上の合金膜であって、前記合金膜におけるPtの含有モル量の割合が２％以上でありかつFeの含有モル量の割合が69%乃至70%の範囲にある磁性膜が有効である。
これらの磁性膜はハードディスクドライブの記録再生ヘッドの磁極を構成する磁極材料あるいは情報の記録に用いられる固体デバイス等に好適に利用できる。

本発明に係る磁性膜は、ハードディスクドライブの記録再生ヘッドの磁極等に使用するに十分な飽和磁化を備えるとともに、熱膨張量が抑えられたことにより、より高密度記録が可能なハードディスクドライブの記録再生ヘッドや熱的に安定な固体デバイス等に好適に利用することが可能となる。

以下では、本発明に係る磁性膜の具体例として、FeとPtの含有モル量の比(C_Fe／C_Pt) が1.6乃至2.8の範囲にあるFeとPtを主成分とする第一の合金膜と、飽和磁化の大きいFe₇₀Co₃₀膜からなる第二の合金膜とを積層した磁性膜についてその構成および作用について説明する。

図２は、記録ヘッドの磁極に使用されている従来の磁性膜の構成を示す。図２(a)は、最も一般的なFe₇₀Co₃₀とNi₈₁Fe₁₉からなる積層膜、図２(b)は、Fe₇₀Co₃₀／Co₃₃Ni₁₀Fe₅₇／Ni₈₁Fe₁₉からなる積層膜を示す。Fe₇₀Co₃₀は磁性材料の中でも最大の飽和磁化（Bs）を有することから書き込み磁界を強くするために用いられている。Ni₈₁Fe₁₉は耐食性と軟磁気特性が劣るFe₇₀Co₃₀の欠点を補うために用いられている。これらの材料は表１に示したとおり、いずれも10〜5×10⁻⁶程度の線膨張率を有する。

なお、本発明者はFe₇₀Co₃₀膜とFePt膜について、実際に磁性膜を製作し、各膜の線膨張率を下記の方法によって測定した。すなわち、100 nm厚のアルミナスパッタ膜付きシリコン基板に、線膨張率を測定する膜、たとえば、Fe₇₀Co₃₀ をスパッタで成膜（厚さ１μｍ）した後、まず、X線回折測定装置(XRD)を用いて20℃でFe₇₀Co₃₀のfcc結晶の回折像を測定し、その測定結果からFe₇₀Co₃₀の結晶格子定数d_20Cを求める。同じくXRDを用いて、40℃で回折像を測定し、そのときの結晶格子定数d_40Cを求める。これらの値から線膨張係数が、Δl／l= (d_40C−d_20C)／d_20Cとして求められる。

図３〜８に、にFe₇₀Co₃₀ と、組成を変えて作成したFePt膜のX線回折像と各々の線膨張率を示す。図３は、Fe₇₀Co₃₀膜（Δl／l＝23.6×10⁻⁶）、図４はFe₇₉Pt₂₁膜（Δl／l＝47.4×10⁻⁶）、図５はFe₇₇Pt₂₃膜（Δl／l＝24.2×10⁻⁶）、図６はFe₇₄Pt₂₆膜（Δl／l＝−3.4×10⁻⁶）、図７はFe₆₈Pt₃₂膜（Δl／l＝1.5×10⁻⁶）、図８はFe₆₃Pt₃₇膜（Δl／l＝−0.15×10⁻⁶）についての測定結果を示す。
これらの測定結果と表１の値とを比較すると、Fe₇₀Co₃₀については、表１の値に近い線膨張率（23.6×10⁻⁶）を示すのに対し、FePt膜は、Feの組成が77 at%以上ではΔl／l= 24.2〜47.4×10⁻⁶であるが、Feの組成が63〜74 at%ではΔl／l はほぼゼロになる。

図１は、FePt膜を用いた磁性膜の構成を示すものである。図１に示す磁性膜は、Feの含有モル量の割合が63%乃至74%の範囲にあり、線膨張率がほぼゼロとなるFePt膜とFe₇₀Co₃₀膜とを組み合わせて積層して形成されているものである。図１では、線膨張率がほぼゼロになるFePt膜のうち、代表的な組成としてFe₇₂Pt₂₈膜を例にとって示している。
図１(a)は、Fe₇₀Co₃₀膜の上にFe₇₂Pt₂₈膜を形成した磁性膜の構成を示し、図１(b)は、Fe₇₂Pt₂₈膜の上にFe₇₀Co₃₀膜を形成した構成を示す。
また、図１(c)、(d)に示すように、Fe₇₂Pt₂₈膜とFe₇₀Co₃₀膜の間に非磁性の配向制御膜を挿入しても良い。図１(c)、(d)は、非磁性の配向制御膜としてRu膜を挿入した例を示す。この非磁性層の厚さはFe₇₂Pt₂₈膜とFe₇₀Co₃₀膜の間の強磁性的な結合が保たれる厚さに設定される。非磁性層はその上に積層される膜の結晶性・磁気特性を改善させる作用がある。

図１に示すように、記録ヘッドの磁極に使用される磁性膜として、Fe₇₂Pt₂₈膜とFe₇₀Co₃₀膜の積層順が入れ替わることがあるのは、面内記録用ヘッドでは下部磁極と上部磁極があり、この場合は、下部磁極がFe₇₂Pt₂₈／Fe₇₀Co₃₀の積層順になっている方が発生する磁界が強くなり、上部磁極では、Fe₇₀Co₃₀／Fe₇₂Pt₂₈の積層順になっている方が発生する磁界が強くなることから、磁極として両方の積層構造が使用されるためである。

表２に、前記の各磁性膜の構成におけるΔl／l、および磁気特性のデータを示す。
表２中で、従来の磁性膜構造であるRu 5nm／Fe₇₀Co₃₀ 250 nm／Ni₈₁Fe₁₉1、400 nm／Ta 50 nm膜の場合は、Δl／lが14.8×10⁻⁶であるのに対し、Ru 5 nm／Fe₇₀Co₃₀250 nm／Fe₇₂Pt₂₈ 100 nm／Ni₈₁Fe₁₉1、400 nm／Ta 50 nm膜（図１(a)）ではΔl／lが-8.4×10⁻⁶となり、Ru 5 nm／Fe₇₂Pt₂₈100 nm／Fe₇₀Co₃₀ 250 nm／Ni₈₁Fe₁₉1、400 nm／Ta 50 nm膜（図１(b)）ではΔl／lが7.5×10⁻⁶となり、Ru 5 nm／Fe₇₂Pt₂₈100 nm／Ru 5 nm／Fe₇₀Co₃₀ 250 nm／Ni₈₁Fe₁₉1、400 nm／Ta 50 nm膜（図１(c)）ではΔl／lが3.7×10⁻⁶となる。本実施形態における磁性膜である図１(a)〜(c)のいずれの場合も、線膨張率Δl／lが従来の磁性膜にくらべて改善されていることがわかる。

ただし、図１(b)に示す磁性膜の場合は、図１(a)に示す磁性膜にくらべて、保磁力Hcが20.3 Oe → 54.5 Oeとなり軟磁気特性が悪化している。Fe₇₀Co₃₀層の軟磁気特性の改善のため、配向制御膜としてRuを挿入したRu 5 nm／Fe₇₂Pt₂₈ 100 nm／Ru 5 nm／Fe₇₀Co₃₀250 nm／Ta 50 nm膜（図１(c)）では、保磁力Hcが54.5 Oe → 37.2 Oeとなり軟磁気特性を改善できている。このように、配向制御層は磁性膜の磁気特性を改善させる作用を有する。このような磁性膜の軟磁気特性を改善させる効果は、Fe₇₀Co₃₀膜の下地層として従来使用されている非磁性材料、たとえば、Ta、 NiCr合金、 Cr、 Ru、 Ir、 Rh、アルミナ、 NiP合金、 Tiなどを使用した場合にも得ることができる。

以上説明したように、本実施形態の磁性膜は、ハードディスクドライブの記録再生ヘッドの磁極を形成する際に、上記磁性膜の構成を採用することにより、記録再生ヘッドが発熱した際に磁極が熱膨張して媒体側に磁極が突き出すことを抑えることができ、記録再生ヘッドの再生分解能が低下することを防止して、ハードディスクドライブの記録密度を増大させることが可能となる。また、本実施形態の磁性膜は十分に大きな飽和磁化を有するから、ハードディスクドライブの記録再生ヘッドの磁極材料として好適に使用することが可能となる。

なお、上記実施形態においては、磁性膜に使用する第一の合金膜としてFePt膜を使用したが、磁性膜に使用する第一の合金膜としてFePt膜にかえてFePd膜を使用することも可能である。FePt膜と同様にFePd膜を使用することによって、記録ヘッドの磁極の突き出しを抑えることが可能である。FePd膜の場合は、Feの含有モル量の割合を62%〜70%とすることによって、FePd膜の線膨張率をほぼゼロとすることができる。したがって、このFePd膜と、Fe₇₀Co₃₀膜等の飽和磁化の大きな材料を組み合わせて記録ヘッドの磁極を形成することにより、磁極の突き出しを抑え、ハードディスクドライブの記録密度を増大させることが可能になる。

また、本発明者は、FeとCoとPtの三元合金について、ある組成範囲において熱膨張率が小さくかつ飽和磁化が比較的大きくなることについても見出した。この磁性膜を使用する場合は、前述したFePt膜の場合に必要としていたFeCo膜を積層することなく、FeCoPt膜を単層で使用することで熱膨張を抑制することができ、所要の飽和磁化を得ることが可能になる。

表３に、FeCoPt膜の組成と飽和磁化、および線膨張率Δl／lを示す。FeCoPt膜の各組成の線膨張率は、図４〜８に示したFePt膜におけると同様の測定をFeCoPt膜について行って得たものである。FeCoPt膜の線膨張率Δl／lは、主にFeCoPt膜中のFeの含有量によって変化し、Feの含有モル量の割合が69%乃至70%の範囲であればΔl／lを減少させることができる。これらの組成における磁性膜は、飽和磁化が2.3〜2.4Tと大きいため飽和磁化の小さいFePt膜と異なり、単層で磁極材料として用いることができる。

図９は、本発明に係る磁性膜を固体デバイスに使用した例を示す。図９はパラジウムからなる基体部２１に、FePt膜とFe₇₀Co₃₀とを積層した磁性膜の構造からなる細線部２２を所定間隔をあけて整列させて形成した固体デバイス２０を示す。この固体デバイス２０は、基体部２１と細線部２２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形成することができる。
図９に示す固体デバイス２０は、細線部２２が大きな飽和磁化を備えることから、たとえば、磁気記録用のデバイスとして使用することが可能であり、細線部２２の熱膨張量が小さく抑えられていることにより、熱的に安定な記録用のデバイスとして利用することが可能となる。

本発明に係る磁性膜の構成を示す説明図である。従来の磁性膜の構成を示す説明図である。 Fe₇₀Co₃₀膜のＸ線回折像を示すグラフである。 Fe₇₉Pt₂₁膜のＸ線回折像を示すグラフである。 Fe₇₇Pt₂₃膜のＸ線回折像を示すグラフである。 Fe₇₄Pt₂₆膜のＸ線回折像を示すグラフである。 Fe₆₈Pt₃₂膜のＸ線回折像を示すグラフである。 Fe₆₃Pt₃₇膜のＸ線回折像を示すグラフである。本発明に係る磁性膜を用いた固体デバイスの構成を示す説明図である。面内記録用ヘッドの構成を示す説明図である。垂直記録用ヘッドの構成を示す説明図である。磁極が突き出す様子を示す説明図である。

符号の説明

４再生ヘッド
５コイル
６上部磁極
７下部磁極
８主磁極
９下部シールド
１０媒体
１１リターンヨーク
２０固体デバイス
２１基体部
２２細線部

Claims

Fe（鉄）とPt(白金)の合金、またはFeとPtを含む三元以上の合金からなる第一の合金膜と、
Fe、Ni(ニッケル)、 Co(コバルト)のうちの少なくとも２種を含む合金からなる第二の合金膜とを直接接して積層した磁性膜であって、
前記第一の合金膜におけるFeの含有モル量の割合が63%乃至74%の範囲にあることを特徴とする磁性膜。
FeとPtの合金、またはFeとPtを含む三元以上の合金からなる第一の合金膜と、
非磁性の薄膜を層間に介在させて、Fe、 Ni、 Coのうちの少なくとも２種を含む第二の合金膜とを積層した磁性膜であって、
前記第一の合金膜におけるFeの含有モル量の割合が63%乃至74%の範囲にあることを特徴とする磁性膜。
FeとPd(パラジウム)の合金、またはFeとPdを含む三元以上の合金からなる第一の合金膜と、
Fe、Ni、 Coのうちの少なくとも２種を含む第二の合金膜とを直接接して積層した磁性膜であって、
前記第一の合金膜におけるFeの含有モル量の割合が62%乃至70%の範囲にあることを特徴とする磁性膜。
FeとPdの合金、またはFeとPdを含む三元以上の合金からなる第一の合金膜と、
非磁性の薄膜を層間に介在させて、Fe、 Ni、 Coのうちの少なくとも２種を含む第二の合金膜とを積層した磁性膜であって、
前記第一の合金膜におけるFeの含有モル量の割合が62%乃至70%の範囲にあることを特徴とする磁性膜。
前記非磁性の薄膜が、Ta(タンタル)、 NiCr(ニッケル-クロム)合金、 NiFeCr(ニッケル-鉄-クロム)合金、 Cr(クロム)、 Ru(ルテニウム)、 Ir(イリジウム)、 Rh(ロジウム)、 Re(レニウム)、 Al₂O₃(アルミナ)、 NiP(ニッケル-燐)合金、 Ti(チタン)のうちから選択された非磁性材からなる少なくとも一つの層を備えることを特徴とする請求項２または４記載の磁性膜。
前記第二の合金膜の飽和磁化が2.0T以上であることを特徴とする請求項１〜５のいずれか一項記載の磁性膜。
Fe（鉄）とCo(コバルト)とPt(白金)の合金を含む三元以上の合金膜であって、
前記合金膜におけるPtの含有モル量の割合が２％以上でありかつFeの含有モル量の割合が69%乃至70%の範囲にあることを特徴とする磁性膜。
請求項１〜７のいずれか一項記載の磁性膜を含む、多層膜からなるハードディスクドライブ用記録再生ヘッド。
請求項１〜７のいずれか一項記載の磁性膜を備える固体デバイス。