JP2006221774A - 磁性構造体 - Google Patents

Abstract

【課題】 記録保持能力や残留磁化が向上した磁性構造体を提供する。
【解決手段】 第１は、ナノ構造体の細孔内に強磁性体が充填された強磁性体セル１２を有し、前記強磁性体セル１２が上面部１４および下面部１５の径に対して中央部１６の径が大きい形状を有する磁気構造体。第２は、ナノ構造体の細孔内に強磁性体が充填された強磁性体セルを有し、前記強磁性体セルが上面部あるいは下面部のいずれか一方または両方が、中央部の側面よりも隆起した形状を有する磁気構造体。第３は、ナノ構造体の細孔内に強磁性体が充填された強磁性体セルを有し、前記強磁性体セルが上面部、下面部および中央部の側面が隆起した形状を有する磁気構造体。
【選択図】 図１

Description

本発明は磁性構造体に関し、特に高密度磁気記録を可能にするための磁気記録媒体やその他の磁性体製品に関するものである。

近年の情報化により、磁気テープやハードディスクなどといった磁性記録媒体の重要性が飛躍的に増してきた。そして、大量の情報を蓄積するために磁気記録媒体は大容量化・高密度化が進められ、それとともに磁気記録媒体の記録ビットは微細化の一途をたどっている。現在の磁気記録方式は長手方式と呼ばれ、基板上に磁性薄膜を形成した媒体に、面内方向に記録磁化を配向させることによって記録する方式である。この方式での記録密度の向上は、主に記録層（面内磁化膜）の薄膜化と結晶粒の微細化によって行われてきた。しかし、結晶粒の微細化が進むに従い、各結晶粒のもつ磁気的なエネルギーと室温での熱エネルギーの差が少なくなり、熱揺らぎの影響で粒子の磁化が不安定となる。

一般に、熱揺らぎはＫｕ・Ｖ／ｋ・Ｔ（Ｋｕ：一軸磁気異方性定数、Ｖ：記録セル体積、ｋ：ボルツマン定数、Ｔ：絶対温度）の値が小さいほど影響が大きくなり、経験的にＫｕ・Ｖ／ｋ・Ｔ＜７０で熱揺らぎによる磁化反転が生じると言われている。そのため、熱揺らぎに対するために、粒子の体積を増やすことが最も単純で有効な方法である。そこで、新しい記録方式として垂直磁気記録方式が有力視されている。この記録方式は記録磁化が膜厚方向に向いており、記録層（垂直磁化膜）を厚くして磁気粒子の体積を増やすことにより熱揺らぎに強くしても記録密度を落とす必要がないという利点がある。

現在ではどちらの方式においても記録層には連続薄膜を用いており、薄膜の結晶粒子に記録を行っている。しかし、このような結晶粒子は大きさや形状が不均一であるため、複数の結晶粒子をもって最小記録単位を構成している。そのため、更なる高密度記録を行うためには結晶粒子の大きさ・形状を均一に揃える高度な技術が必要となる。また、連続媒体であるため、記録磁化間には遷移領域が形成され、この遷移領域が記録密度の壁となる。理想状態ではこの遷移領域の幅は磁壁厚と等しく、そのため高密度記録のためにはこの磁壁厚の狭い磁性材料を用いなくてはならず、材料選択の幅が狭くなる。

このような連続膜を用いる媒体の限界を克服する方法としてパターンドメディアが提案されている。パターンドメディアはあらかじめ記録層に微細加工を施すことにより精度良く記録磁性材料を分離独立させ、記録セルを構成した垂直磁気記録媒体である。このような記録媒体では遷移領域幅も考慮する必要がなく、また、記録セルが精度良く作成されているため、記録最小単位が１記録セルそのもののサイズになるため、記録密度を限界にまで高めることが可能となる。また、記録セルのアスペクト比を高くすることにより、形状異方性の効果が加わり、より熱揺らぎに強くすることが可能であると考えられる。

パターンドメディアにおける磁気記録を効率的に行うためには記録セル内部は単磁区であることが望ましく、膜厚方向のセル長も磁区ができない程度の長さにする必要がある。これらの要因のため、セル自体の大きさはナノサイズ（概ね１ｎｍから３００ｎｍのサイズ）に限られてしまい、その制約の中でセルごとに十分な記録保磁性能を確保することが求められる。また、セルサイズが小さくなることにより、読み取り時の信号が弱くなってしまうため、なるべく大きな残留磁化の値を確保することも併せて求められる。これらの要求を満たすために、磁気異方性および飽和磁化が大きい強磁性材料を用いる必要があるが、実際の生産におけるコストや加工性の面から考えると、材料選択の余地は少しでも残しておくほうが有利である。

従来のパターンドメディアは非磁性体層表面にマスク処理を施し、表面からエッチングすることによりホールを形成し、そこに磁性材料を埋設する方法（特許文献１参照）や磁性体層表面にマスク処理を施し、活性な反応ガスや反応液にさらすことにより、マスクされていない部分を非磁性化させる方法（特許文献２参照）で作成されている。これらのパターンドメディアにおいてはマスク処理により各セルの配置を制御したり、セルの表面形状を円形や楕円形、あるいは四角形などの多角形に加工しているが、セルの膜厚方向の断面形状に関しては直線的で膜厚方向に平行な形状をしている（図６参照）。
特開２０００−２７７３３０号公報 特開２００２−３５９１３８号公報

本発明は、この様な背景技術に鑑みてなされたものであり、単純な円柱や多角柱に比べて、同じ記録密度でありながら記録保持能力や残留磁化を向上させた磁性構造体を提供するものである。

本発明の磁気構造体は、各強磁性体セルのセル自体の膜厚方向の形状に特徴を有する構造体からなるものである。
すなわち、本発明の第１は、ナノ構造体の細孔内に強磁性体が充填された強磁性体セルを有し、前記強磁性体セルが上面部および下面部の径に対して中央部の径が大きい形状を有することを特徴とする磁気構造体である。

本発明の第２は、ナノ構造体の細孔内に強磁性体が充填された強磁性体セルを有し、前記強磁性体セルが上面部あるいは下面部のいずれか一方または両方が、中央部の側面よりも隆起した形状を有することを特徴とする磁気構造体である。

本発明の第３は、ナノ構造体の細孔内に強磁性体が充填された強磁性体セルを有し、前記強磁性体セルが上面部、下面部および中央部の側面が隆起した形状を有することを特徴とする磁気構造体である。

本発明の第４は、ナノ構造体の細孔内に強磁性体が充填された強磁性体セルを有し、前記強磁性体セルがアスペクト比１以上の回転楕円体の形状を有することを特徴とする磁気構造体である。

前記強磁性体セルが分離独立して設けられていることが好ましい。
前記強磁性体セルの磁気異方性方向が磁化方向と平行であることが好ましい。
前記強磁性体セルの軸方向および磁気異方性方向がともに磁化方向と平行であることが好ましい。

前記強磁性体セルに充填されている強磁性体が、Ｆｅ、ＣｏあるいはＮｉの少なくとも一種の元素を含むことが好ましい。
前記強磁性体セルの体積が０．００１立方μｍ以下であることが好ましい。

前記強磁性体セルが非強磁性体層に配列されていることが好ましい。
前記強磁性体セルが、アルミナを含む層あるいはこの層を含む複数層に亘って設けられていることが好ましい。

このような強磁性体セルの形状による保持能力あるいは残留磁化の向上の要因として自己減磁界が考えられる。自己減磁界とは磁気モーメントを持つ有限の大きさの物体には両端に磁極があり、この磁極が物体の内部に磁化とは逆方向に作り出す磁界のことを指す。この自己反磁界は磁化の大きさ・向きあるいは磁性体形状によって決定され、形状が不規則な場合は自己反磁界の分布は一様ではなく、その強さや方向は内部の場所によって異なってしまう。このために外部磁界の大きさの変化に対して影響を受けやすくなり、記録保持能力が低下すると考えられる。また、形状に関しては回転楕円体の場合には自己反磁界は内部で一様となる事が知られているが、形状異方性の効果を考えるとアスペクト比が高い回転楕円体の方が望ましい。

本発明の磁気構造体は、強磁性体セルの形状を特定することにより、従来のセル形状のものに比べ、記録保持能力あるいは残留磁化の向上が図られる効果がある。

まず、本発明のような形状を持つナノ構造体の作製方法の一例を説明した後、各形状での効果について代表的な実施例を挙げて更に詳細に述べていくが、本発明の実施の形態に関してはここに挙げた実施例に限定されるものではない。

（ナノ構造磁気構造体の作成方法）
まずＳｉ基板上に下地電極層を配置し、その上にアルミニウムを配置する。その後、モールドでプレスすることによりナノホール（細孔）のパターンの開始点となる窪みを形成し、これをシュウ酸水溶液中で陽極酸化することによりナノホールを形成する。この後、リン酸水溶液中に浸すことでポアワイド処理を行う。このとき、基板上に配置するアルミニウムの代わりにアルミニウムとアルミニウム合金（例えばアルミニウムハフニウム合金や膜アルミニウムタングステン合金膜）を使用して組成、或いは組成比が基板に対して垂直方向に変調した基体を用いることで基板に垂直方向に膨らんだようなホールを形成する。また、下地電極層にＴｉ、ＷやＣｕを用いることにより、下地層への貫通性を制御し、ホール下底部の形状をコントロールする。このようにして作製するナノホールに電着法により磁性体を埋め込むことにより磁気構造体が得られる。

以下、実施例を示し本発明をさらに具体的に説明する。
実施例１
本発明の第１の実施形態の磁気構造体として、図１に本発明における磁気構造体の概略図を示す。図１（ａ）は磁気構造体の部分平面図、図１（ｂ）はその部分断面図を示す。同図において、１１は基板、１２が強磁性体セル、１３が非磁性体である。本実施形態の特徴は図２（ｂ）に示すように、セル部分の側面中央部１６の径が、端部の上面部１４および下面部１５の径より大きいような形状を有することである。

ここで断面（上面部、下面部、中央部のいずれか）の径を断面径と言う。断面径は、は円形の場合は直径、楕円の場合は長径、多角形の場合は２頂点間の最大距離を指すものとする。また、磁性体としては強磁性、フェリ磁性はもちろん、軟磁性体でも良い。軟磁性体はナノサイズの構造体になると形状異方性、交換結合異方性の影響が大きく、強磁性材料的に用いることが可能である。磁性体の外部形状により磁化の安定性に影響を与える要因としては、自己減磁界が考えられる。自己減磁界とは有限の大きさの物体が磁気モーメントを持つ場合に物体の両端に磁極が誘起され、この磁極が物体の内部に磁化とは逆方向に作り出す磁界のことであり、磁化の大きさ・向きあるいは磁性体形状によって大きく変化する。そこで、この自己減磁界を均一にすることにより、磁性体の磁化の安定性つまりＨｃを変化させることが出来る。とくに本発明の形状においては自己減磁界のゆがみが小さく、これにより磁化反転磁界Ｈｃが上がるため好ましい。

セルの配列は空間的に分離独立していれば不規則的でも構わないが、応用上は規則化されているほうがより好ましい。もちろん、セルの表面に平行な断面形状は円形に限らず、楕円形、多角形等々であっても良い。また、セルは磁気異方性の強い強磁性体が好ましく、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｎｉあるいはこれらの少なくとも一つを含むような材料が挙げられる。ここで、非磁性体とは少なくとも強磁性体としての磁気特性を失っている領域であり、非磁性体、反磁性体あるいは常磁性体的な特性をもつ領域をいう。

また、磁性体セルの磁化方向に垂直な端面の断面径（中央部の径等）がＤｃ＝２．０８×Ａ＾｛１／２｝／Ｍｓ以下であることが好ましい。ここで、Ａは交換スティフネス定数、Ｍｓは飽和磁化を表わす。単磁区磁性体の磁化反転モードにはいくつかのモードが知られているが、これらのモードによりＨｃは大きく変わる。とくに一斉回転モードが現れるように断面径を小さくすることは望ましい。

もちろん、基板が存在する場合はこの非磁性体領域は必ずしも必要ではなく、不活性なガスや液体でも構わない。また、このような非磁性体領域が存在する場合は、基板は必ずしも必要ではなく、基板のない構造体でも良い。

このようなセル構造をもつ磁気構造体の強磁性体セルの形状による性能の向上の比較を以下行うが、実際に作製した媒体を用いると、今回のような微小なセル１つ１つの性能評価は現実では困難であるため、ここではモデル化した磁性体セルに関してシミュレーションを行った。

今回行ったシミュレーションはＬＬＧ（Ｌａｎｄａｕ−Ｌｉｆｓｈｉｔｓ−Ｇｉｌｂｅｒｔ）方程式に基づくマイクロマグネティクスシミュレーションである。磁性体は７０００程度の計算セルに分割し、各計算セルの磁化の挙動をＬＬＧ方程式に従って計算している。ここでの計算セルは各辺が１ｎｍの立方体であり、各々の計算セル内の磁化が一様とみなせるようなサイズである。

また、Ｈｃの決定方法としては、まず容易軸方向に十分に磁化が飽和する程度の外部磁界を加え、磁化の挙動が安定化させる。その後、磁界をあるステップ幅で掃引していき、磁化反転が起こったときの外部磁界の値をＨｃとした。このとき、各磁界の値ごとに磁化の挙動を安定化させており、安定化したことを確認してから、次のステップの磁界に移っている。磁性体の材料物性値としては飽和磁化１４２３［ｅｕｍ／ｃｃ］、交換スティフネス定数１．３ｅ−６［ｅｒｇ／ｃｍ］、一軸磁気異方性定数４．６ｅ６［ｅｒｇ／ｃｃ］を用いた。また、容易軸は磁化方向に一様に向いているとした。

比較のための基準となる磁性体セルとして、直径１５ｎｍ、高さ２０ｎｍのＣｏ円柱を採用した。また、一軸磁気異方性が円柱軸方向に向いている事を想定した。
基準円柱磁性体に対して、中央部の径を１０％増やし、体積と高さが基準円柱と等しくなるように両端部の径を減らしたセルについて計算したところ、残留磁化で０．５％、保持力で４％の増加が認められた（図５（ａ））。

このように、磁性体セル側面部分の中央部を端部に対して大きくすることによって、保持力および残留磁化が向上する。
実施例２
本発明の第２の実施形態の磁気構造体として、図３に本発明における磁気構造体の概略図を示す。図３（ａ）は磁気構造体の部分平面図、図３（ｂ）はその部分断面図を示す。本実施形態の特徴は図２（ｃ）に示すように、セル部分の上面部１４および下面部１５の中央が隆起した形状を有することである。第１の実施形態と異なるのは各セル部分の形状であり、その他は同様である。

これも第１の実施例と同様にシミュレーションによって比較を行った。基準円柱磁性体に対して、上面部および下面部の面中央部の高さを１８％増やし、体積と径が基準円柱と等しくなるように面周辺部の高さを減らした図のようなセルについて計算したところ、残留磁化で０．４％、保持力で９％の増加が認められた（図５（ｂ））。

このように、磁性体セル両面部分の中央部を端部に対して隆起させることによって、保持力および残留磁化が向上する。
実施例３
本発明の第３の実施形態の磁気構造体として、図４に本発明における磁気構造体の概略図を示す。図４（ａ）は磁気構造体の部分平面図、図４（ｂ）はその部分断面図を示す。本実施形態の特徴は図２（ｄ）に示すように、セル部分の上面部１４の中央が陥没し、下面部１５の中央が隆起した形状を有することである。これも第１の実施形態と異なるのは各セル部分の形状であり、その他は同様である。

これも同様にシミュレーションによって比較を行った。基準円柱磁性体に対して、下面部の面中央部の高さを１８％増やし、上面部の面中央部の高さを１５％減らし、体積と径が基準円柱と等しくなるように面周辺部の高さを減らしたセルについて計算すると、保磁力は７％の減少であったが、残留磁化では０．０６％の増加が認められた（図５（ｂ））。

このように、磁性体セル下面部分の中央部を端部に対して隆起させることによって、残留磁化が向上する。

本発明の磁気構造体は、強磁性体セルの形状を特定することにより、従来のセル形状のものに比べ、記録保持能力あるいは残留磁化が向上するので、磁気メモリや磁気センサや磁気記録媒体に利用することができる。

本発明における磁気構造体の第１の実施形態を示す概略図である。 本発明における強磁性体セルの厚さ方向を示す断面図である。 本発明における磁気構造体の第２の実施形態を示す概略図である。 本発明における磁気構造体の第３の実施形態を示す概略図である。 本発明における磁気構造体の磁化曲線を示す図である。 従来におけるパターンドメディアの斜視図である。

符号の説明

１１ 基板
１２ 強磁性体セル
１３ 非磁性体
１４ 上面部
１５ 下面部
１６ 中央部

Claims (11)

1. ナノ構造体の細孔内に強磁性体が充填された強磁性体セルを有し、前記強磁性体セルが上面部および下面部の径に対して中央部の径が大きい形状を有することを特徴とする磁気構造体。
2. ナノ構造体の細孔内に強磁性体が充填された強磁性体セルを有し、前記強磁性体セルが上面部あるいは下面部のいずれか一方または両方が、中央部の側面よりも隆起した形状を有することを特徴とする磁気構造体。
3. ナノ構造体の細孔内に強磁性体が充填された強磁性体セルを有し、前記強磁性体セルが上面部、下面部および中央部の側面が隆起した形状を有することを特徴とする磁気構造体。
4. ナノ構造体の細孔内に強磁性体が充填された強磁性体セルを有し、前記強磁性体セルがアスペクト比１以上の回転楕円体の形状を有することを特徴とする磁気構造体。
5. 前記強磁性体セルが分離独立して設けられていることを特徴とする請求項１乃至４のいずれかの項に記載の磁気構造体。
6. 前記強磁性体セルの磁気異方性方向が磁化方向と平行であることを特徴とする請求項１乃至４のいずれかの項に記載の磁気構造体。
7. 前記強磁性体セルの軸方向および磁気異方性方向がともに磁化方向と平行であることを特徴とする請求項１乃至６のいずれかの項に記載の磁気構造体。
8. 前記強磁性体セルに充填されている強磁性体が、Ｆｅ、ＣｏあるいはＮｉの少なくとも一種の元素を含むことを特徴とする請求項１乃至４のいずれかの項に記載の磁気構造体。
9. 前記強磁性体セルの体積が０．００１立方μｍ以下であることを特徴とする請求項１乃至８のいずれかの項に記載の磁気構造体。
10. 前記強磁性体セルが非強磁性体層に配列されていることを特徴とする請求項１乃至８のいずれかの項に記載の磁気構造体。
11. 前記強磁性体セルが、アルミナを含む層あるいはこの層を含む複数層に亘って設けられていることを特徴とする請求項１乃至１０のいずれかの項に記載の磁気構造体。

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