JP2007049058A

JP2007049058A - 磁気デバイス用磁性膜、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

Info

Publication number: JP2007049058A
Application number: JP2005234069A
Authority: JP
Inventors: Kenji Noma; 賢二野間; Masaaki Matsuoka; 正昭松岡; Hitoshi Kanai; 均金井
Original assignee: Fujitsu Ltd
Current assignee: Fujitsu Ltd
Priority date: 2005-08-12
Filing date: 2005-08-12
Publication date: 2007-02-22
Also published as: EP1752995A1; CN1913002A

Abstract

【課題】飽和磁化が2.46テスラ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】鉄とコバルトとパラジウムとからなる合金膜であって、前記パラジウムのモル含有率が0.7％以上1.0％未満に設定され、ドライプロセス法により形成されてなる。
【選択図】図１

Description

本発明は、飽和磁化の高い磁気デバイス用磁性膜、なら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（Tはテスラ。以下同じ）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。

なお、本願出願人が2004年に出願した特許文献１には、FeとCoとPdを含む合金膜が、適切な組成範囲において、前記Fe₇₀Co₃₀を上回る飽和磁化を有することが示されている。これはPdがFeと合金化されることにより、Fe原子が有する磁気モーメントが励起され全体の飽和磁化を高めるためと説明されている。

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) 特願２００４−１６８５０２号

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するとともに、特許文献１に示された手法を発展させ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2.46T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。

本発明は上記課題を達成するため、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、飽和磁化が2.46テスラ以上となっている合金膜である。また、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0.7％以上1.0％未満に設定され、ドライプロセス法により形成されてなる合金膜である。また、前記合金膜中の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となっている合金膜である。また、鉄とコバルトとパラジウムとからなり、その主たる結晶構造が体心立方構造となるように設定された合金膜である。

また、前記合金膜が、体心立方構造の結晶構造を有する下地層の上に形成されている。
さらに、前記下地層が、体心立方構造を有するクロム、バナジウム、モリブデン、ニオブ、タングステン、ニッケル、または、これらのうち少なくとも二種を含む合金もしくは該合金にチタンまたはニッケルを添加した合金からなる。

また、前記合金膜はドライプロセス法、すなわちスパッタ法、真空蒸着法、化学気相成長法のうちいずれかを用いて形成される。

また、本発明に係るハードディスクドライブ用磁気ヘッドは、請求項１乃至１０のいずれか一項に記載された磁気デバイス用磁性膜を用いたことを特徴とする。
また、本発明に係る固体デバイスは、請求項１乃至１０のいずれか一項に記載された磁気デバイス用磁性膜を用いたことを特徴とする。

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、ならびに、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の実施の形態について説明する。
図１は、本実施の形態に係る磁気デバイス用磁性膜として、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としたスパッタ法によりスパッタ膜厚５０ｎｍに成膜したスパッタ膜について、飽和磁化B_s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B_sが2.45Tであるのに対し、Pdを0.8%添加したスパッタ膜では2.59Tであることを示す。本願発明者は、Pdのモル含有率が0.7％以上1.0％未満、特に0.8%の場合に、飽和磁化が非常に高くなることを見出した。

なお、前記Pdを過剰に添加すると飽和磁化B_sが下がってしまうため、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B_s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。

また、本実施の形態に係る磁気デバイス用磁性膜は、鉄とコバルトの含有モル量の比 (C_Fe/C_Co)を0.667乃至9.0としている。

さらに、本実施の形態に係る磁気デバイス用磁性膜は、膜中の主たる結晶構造が体心立方構造となっている。
本願発明者は、このことが、高飽和磁化を実現する上で非常に有効であることを見出した。なお、逆に、Pdを過剰に添加した膜、例えばPdのモル含有率が10%になった膜では、面心立方構造の結晶が形成されるため、飽和磁化が著しく減少してしまう。
この体心立方構造の結晶の成長をうながすため、適切な結晶構造を有する下地層の上にFeCoPdの膜を形成する。材料としては体心立方構造を有するクロム、バナジウム、モリブデン、ニオブ、タングステンおよびこれらの合金がFeCoPd膜の下地層として有効であることが判っている。またFeCoPd膜との結晶格子のミスマッチを緩和する目的で、これらの下地層にチタンやニッケルを添加するのも良く、適切な組成比のクロム−ニッケル合金が特に効果的であることが判っている。

本実施の形態に係る磁気デバイス用磁性膜であるFeCoPd膜における、図１に示すような飽和磁化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。本実施の形態に係る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、本発明にかかる磁気デバイス用磁性膜の形成法として適しているのはドライプロセス法である。これには、前記スパッタ法の他、真空蒸着法、化学気相成長法、またはこれらに相当する方法が含まれる。

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0.1%のオーダーで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。

また真空蒸着法では膜中におけるパラジウムの組成は蒸着源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。

また化学気相成長法では反応チャンバに輸送する有機金属の流量を制御することで膜中におけるパラジウムの組成を所定のモル含有率に正確に制御することができる。

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、現在主にめっき法が使用されているが、本発明にかかる磁性膜の形成法として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。

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２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。
この記録ヘッド部２０を構成する下部磁極２１を、上述したFe70Co30にPdをモル含有率として0.7％以上1.0％未満（より好適には0.8％程度）添加してスパッタ法によって形成した合金膜によって形成することで、磁気ヘッド３０を作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2.46Ｔ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。

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。

図３、４は、本発明に係る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３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４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、Fe70Co30にPdをモル含有率として0.7％以上1.0％未満（より好適には0.8％程度）添加してスパッタ法で合金膜を形成することによって作成することができる。

図３、４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、特に上述した磁気デバイス用磁性膜１０の構成を備え、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４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。

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。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

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る合金膜であって、ドライプロセス法により形成され、飽和磁化が2.46テスラ以上であることを特徴とする磁気デバイス用磁性膜。
鉄とコバルトとパラジウムとからなる合金膜であって、前記パラジウムのモル含有率が0.7％以上1.0％未満に設定され、ドライプロセス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。
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２に記載の磁気デバイス用磁性膜。
鉄とコバルトとパラジウムとからなる合金膜であって、主たる結晶構造が体心立方構造であり、ドライプロセス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。
前記合金膜の主たる結晶構造が体心立方構造となることを特徴とする請求項１乃至請求項３のいずれか一項に記載の磁気デバイス用磁性膜。
前記合金膜が、体心立方構造の結晶構造を有する下地層の上に形成されていることを特徴とする、請求項１乃至請求項５のいずれか一項に記載の磁気デバイス用磁性膜。
前記下地層が、体心立方構造を有するクロム、バナジウム、モリブデン、ニオブ、タングステン、ニッケル、または、これらのうち少なくとも二種を含む合金もしくは該合金にチタンまたはニッケルを添加した合金からなることを特徴とする請求項６に記載の磁気デバイス用磁性膜。
前記ドライプロセス法として、スパッタ法を用いていることを特徴とする請求項１乃至請求項７の何れか一項に記載の磁気デバイス用磁性膜。
前記ドライプロセス法として、真空蒸着法を用いていることを特徴とする請求項１乃至請求項７のいずれ一項に記載の磁気デバイス用磁性膜。
前記ドライプロセス法として、化学気相成長法を用いていることを特徴とする請求項１乃至請求項７のいずれか一項に記載の磁気デバイス用磁性膜。
請求項１乃至１０のいずれか一項に記載された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乃至１０のいずれか一項に記載された磁気デバイス用磁性膜を用いた固体デバイス。