JP2007109378A - 高モーメントで高耐食性な軟磁性下地層を有する垂直磁気記録媒体及び垂直磁気記録装置 - Google Patents

Abstract

【課題】高モーメントであるのと同時に耐食性にも優れた軟磁性下地層を有する垂直磁気記録媒体を提供する。
【解決手段】軟磁性下地層の材料としてCo、Fe、TaとNbから選ばれる元素 X、及びZrとHfから選ばれる元素 Yを含む合金を用い、元素Xと元素Yの合金中の合計の含有量を好ましくは約10原子パーセント以上20原子パーセント以下とする。合金に含まれるCoのFeに対する原子比は好ましくは約90:10〜10:90、より好ましくは25:75〜35:65であり、軟磁性下地層は単層構造でもよく、複数の軟磁性層が中間層により隔てられてなる複層構造であってもよい。
【選択図】図４

Description

本発明は広く垂直磁気記録媒体に関し、特に、軟磁性の或いは保磁力の比較的小さな磁気透過性下地層（軟磁性下地層）上に記録層が設けられた二層構造の垂直磁気記録ディスクに関する。

記録ビットが記録層の垂直或いは面外方向に蓄えられた垂直磁気記録媒体は、磁気記録ハードディスクドライブにおける高記録密度を達成するために有望な手段だと考えられている。垂直磁気記録装置の一般的な例としては二層媒体を用いたものがあげられ、そのような垂直磁気記録装置としては、図１に示されるように単磁極書き込み型の記録ヘッドを有しているものが知られている。二層媒体は、軟磁性の或いは保磁力の比較的小さな磁気透過性下地層（SUL:軟磁性下地層）上に設けられた垂直磁気データ記録層（RL:記録層）を有し、軟磁性下地層は磁界において、記録ヘッドの書き込み磁極からリターン磁極への磁束帰還路として機能する。図１では、記録層が矢印にて示されるように、垂直方向に記録或いは磁化された領域と、それに隣接した磁化方向が反対である領域とから成る例が示されている。磁化方向が反対である隣り合う領域間での磁化転移は、再生素子或いはヘッドにより記録ビットとして検知される。

図２は従来の垂直磁気記録ディスクの断面の概略図であり、記録層に作用する書き込み磁界Hwを示している。図２に示された従来の垂直磁気記録ディスクはハードディスク基板、軟磁性下地層を設けるための接着或いはオンセット層(OL)、軟磁性下地層と記録層との間の磁気交換結合を妨げ記録層のエピタキシャル成長を引き起こす非磁性交換ブレーク層(EBL)、及び保護上塗り層(OC)を含む。図２に示されているように、記録層は長手記録や面内記録と比較して著しく大きな書き込み磁界を生むことが可能な「見掛け上の」記録ヘッド(ARH)の隙間の中に設けられている。前記見掛け上の記録ヘッドは垂直磁気記録ディスクの上方に設けられた実際の書き込みヘッド(RWH)である図１に示された書き込み磁極、及び記録層の下方に設けられた効力のある第二の書き込み磁極(SWP)から構成されている。交換ブレーク層により記録層から切り離されており、磁気透過性が高いことにより書き込み時に前記実際の書き込みヘッドの磁気鏡像を作り出す軟磁性下地層によって前記第二の書き込み磁極は存在している。この第二の書き込み磁極の存在より、記録層は見掛け上の記録ヘッドの隙間の中に設けられているということとなり、その結果、記録層内部には大きな書き込み磁界Hwが生じることとなる。

記録層に用いることのできる材料としては、c軸が記録層に対して実質的に面外或いは垂直方向に配向された六方最密(hcp)結晶構造を有する、CoPtCr合金等のグラニュラ強磁性コバルト合金があげられる。グラニュラコバルト合金から成る記録層は、保磁力(Hc)の高い媒体を得るため、高固有媒体ノイズの原因となる粒間交換結合を減らすために、十分に単離された微粒子構造を有することが好ましい。そのため、粒界に堆積しコバルト合金から成る記録層における粒子分離を促進させる効果のあるSi, Ta, Nbの酸化物等の酸化物を記録層に含有させることが好ましい。例えば、非特許文献１にはSiO₂をCoPtCrグラニュラ合金に加えた記録層を有する垂直磁気記録媒体が開示されている。又、非特許文献２にはTa₂O₅をCoPtグラニュラ合金に加えた記録層を有する垂直磁気記録媒体が開示されている。

IEEE Transactions on Magnetics, Vol. 39, No.4, July 2003, pp. 1914-1918, "CoPtCr-SiO2 Granular Media for High-Density Perpendicular Recording"（H. Uwazumi, et al.） Journal of Magnetism and Magnetic Materials, Vol. 287, February 2005, pp. 161-171, "Structure and magnetic properties of Co-Pt-Ta2O5 film for perpendicular magnetic recording medium" (T. Chiba et al.) 米国特許第6,686,070号明細書 米国特許第6,835,475号明細書

軟磁性下地層は通常はモーメント(Ms)の大きな材料により構成され、50〜400nmの厚さを有する。軟磁性下地層のモーメントの大きさと厚みは、記録性能の劣化を招く軟磁性下地層の飽和状態を避けるように設定する必要がある。そのような要件を満たす軟磁性下地層の厚みの臨界値（t(SUL)）は下記の式により表すことができる。
t(SUL) = （書き込みヘッドのモーメント）/(2×（軟磁性下地層のモーメント）)×LW/(L + W)
上記式において、Lは書き込み磁極の長さを表し、Wは書き込み磁極の幅を表す。磁気記録ディスクにおける記録密度を高めるためには、書き込み磁極を小型化し軟磁性下地層の厚さを薄くすることが有効である。書き込み磁界や書き込み磁界の勾配の劣化による記録性能の低下を防ぐために、軟磁性下地層は大きなモーメントを有することが要求される。しかしながら、上記の式からもわかるように、軟磁性下地層を形成する材料のモーメントが大きいということは、軟磁性下地層の厚さをより薄くすることが要求されることとなる。軟磁性下地層は通常はCo, Fe, 及び/又はNiを含む非晶質の磁気透過性材料により形成されるが、そのような材料は反応性が高く空気や水に触れると酸化物や窒化物を容易に形成してしまうので、そのような材料により形成された軟磁性下地層は腐食されやすい。即ち、軟磁性下地層は大きなモーメントを有するだけではなく、特に厚さの薄い軟磁性下地層は、高い耐食性を有することが重要である。
CoTaZr合金及びCoNbZr合金は軟磁性下地層を形成する材料として知られている。しかしながら、これらの合金は大きなモーメントを有するものの、耐食性が不十分である。
そこで、耐食性に優れ、モーメントが大きい軟磁性下地層を有し、記録特性の劣化がない垂直磁気記録媒体が必要とされている。

本発明は、耐食性に優れ、モーメントの高い軟磁性下地層を有する垂直磁気記録ディスク及び、そのようなディスクを搭載した垂直磁気記録装置を提供する。軟磁性下地層の材料としてはCo, Fe, X, Y（XはTa又はNbを表し、YはZr又はHfを表す）を含む合金が用いられ、XとYの合金中の含有量の合計が約10〜20原子パーセントであることが好ましい。合金中のCoとFeの原子比は90:10〜10:90であることが好ましく、25:75〜35:65であることが更に好ましい。軟磁性下地層は単層構造でもよく、複数の軟磁性層が中間層により隔てられてなる複層構造であってもよい。
本発明の本質や効果を理解するために、以下に図面を参照しながら本発明を詳細に説明する。

本発明によれば、耐食性に優れ、モーメントの高い軟磁性下地層を有する垂直磁気記録媒体及び、そのような媒体を搭載した垂直磁気記録装置を提供することができる。

従来の垂直磁気記録ディスクを図３に示すが、ディスクを構成する各層がハードディスク基板上に設けられている。基板としては公知のガラス基板を用いることができるが、公知のアルミニウム合金の表面にNiP等の公知の表面被覆を施した基板を用いてもよく、或いは、シリコン、カナサイト、炭化ケイ素からなる基板を用いてもよい。基板上には直接、或いは接着層又はオンセット層(OL)を介して軟磁性下地層が設けられる。オンセット層を設けることにより軟磁性下地層を容易に形成することができる。オンセット層はAlTi合金やそれに類した材料により約2〜5 nmの厚さで形成することができる。

軟磁性下地層は軟磁性透過性材料により形成された単層であってもよい。軟磁性下地層は磁気的に軟質であり、磁壁が存在しないことが好ましい。ここで磁気的に「軟質」とは、軟磁性下地層が磁束を生じさせる面内磁場に比例して磁束を持つ能力に関することである。磁壁が存在せず磁気的に軟性であるためには、静穏状態、即ち、記録変化及び/又は書き込み磁界がない状態において軟磁性下地層が事実上、「単磁区状態」であり、軟磁性下地層内のすべての磁化がほぼ同一方向に揃えられていることが好ましい。一方、軟磁性下地層に多磁区があると媒体ノイズの原因となり、記録層に記録された情報の熱減磁が局所的に促進されてしまう可能性がある。この問題に対処するために、積層された多層構造の軟磁性下地層を用いることが好ましい。図３に描かれた軟磁性下地層は軟磁性層aと軟磁性層bの間の反強磁性交換結合を仲立ちする反強磁性カップリング層として機能する中間層（Ru, Ir, Cr等）により隔てられた複数の軟磁性層(軟磁性層a, 軟磁性層b)が積層化或いは重層化されて形成されている。図３において軟磁性層aと軟磁性層bに描かれている矢印は静穏状態において互いに逆平行な磁化方向を示している。このような軟磁性下地層は特許文献１（米国特許第6,686,070号明細書）や特許文献２（米国特許第6,835,475号明細書）に示されている。軟磁性下地層は炭素やSiNから成る非磁性フィルムやAlやCoCrから成る導電性フィルムにより隔てられた複数の軟磁性層が積層化或いは重層化されて形成されたものであってもよい。単層構造の軟磁性下地層や積層（重層）構造の軟磁性下地層における個々の軟磁性層は通常はCoTaZrやCoNbZr等のCo, Fe, Niの少なくともいずれかを含んだ非晶質の磁気透過性合金により形成される。軟磁性下地層の厚さは通常は約50nm以上400nm以下であるが、製品改良に伴い書き込み磁極の寸法が小さくなり続けており、軟磁性下地層の厚さは近い将来、50nmよりも薄くなると予想されている。

軟磁性下地層上に設けられた非磁性交換ブレーク層は、グラニュラ記録層の六方最密結晶方位を制御するために、六方最密(hcp)結晶構造を有する非磁性金属或いは合金から形成されるのが好ましい。そのような非磁性交換ブレーク層は六方最密(hcp)グラニュラ記録層の成長を引き起こし、c軸が層平面に実質的に垂直な方向に配向され、その結果、垂直磁気異方性を有することとなる。非磁性交換ブレーク層の材料としてはルテニウム(Ru)を好適に用いることができるが、Ti, Re, Osから選ばれる金属やTi, Re, Ru, Osから選ばれる少なくとも一種の元素を含む合金（例えば、Ru合金）等の他の材料も用いることができる。非磁性交換ブレーク層の材料としてルテニウムを用いた場合、非磁性交換ブレーク層は軟磁性下地層の上に例えばシード層(SL)を設けその上に直接設けることができる。

記録層はグラニュラ強磁性コバルト合金及び一種以上の酸化物から成る粒間材料により形成されているのが好ましい。粒間材料における酸化物としては一種の元素の酸化物、即ち、例えばSi-Ox, Ti-Ox, Ta-Ox が好ましく用いられる。記録層は更にCrの一種以上の酸化物を粒間材料として含有してもよい。代表的な記録層の組成としてはCoPtCr-SiO₂, CoPtCr-TiO₂, CoPt-Ta₂O₅等をあげることができる。
記録層上に設けられる上塗り層は非晶質のダイヤモンド状炭素或いは窒化ケイ素等の公知の保護上塗り材料により形成することができる。

前記したように軟磁性下地層の材料として広く用いられるCoTaZr合金やCoNbZr合金は非常に腐食されやすい物質である。このことはCo₉₂Ta₃Zr₅（下付き文字は原子パーセントを表す）から形成された軟磁性下地層を有する垂直磁気記録ディスクを光学顕微鏡法と透過電子顕微鏡法（TEM）を用いて観察することにより実証された。軟磁性下地層をツァイス光学顕微鏡にて500倍で観察したところ、軟磁性下地層を露出させている塗膜欠陥の周囲に棒状のシュウ酸コバルトが均一に分布していることが確認された。垂直磁気記録ディスクにおいてシュウ酸コバルト（CoC₂O₄）は棒状又は針状でしばしば存在する腐食生成物であり、通常、長さが約１μm〜２μmで直径が約0.1μmである。軟磁性下地層を不働態化しておらず、又、コバルトイオンの機動性が高いため、炭素から成る上塗り層のようなコバルトイオンよりも貴な物質による流電結合が生じるような場合は特に、コバルトイオンが上方へ移動し周囲に存在するシュウ酸と反応し棒状のシュウ酸コバルトを形成することとなる。更に、断面透過電子顕微鏡法によれば、欠陥中心から軟磁性下地層の酸化が起こっていることが明確に示された。これらの観察結果は、Co₉₂Ta₃Zr₅合金におけるTaとZrの量が軟磁性下地層を不働態化し腐食を防ぐには不十分であることを示している。

次に、CoTaZr合金から成る軟磁性下地層におけるTaとZrの量を増やし、軟磁性下地層を不働態化し腐食を防ぐことができるかどうか調べた。その結果、Co₈₅Ta₁₀Zr₅合金から成る軟磁性下地層が十分な耐食性を有することが確かめられた。しかしながら、Co₈₅Ta₁₀Zr₅合金は十分な耐食性を有するものの、モーメントがCo₉₂Ta₃Zr₅合金よりも約25パーセント小さかった。モーメントの減少は書き込み磁界や書き込み磁界の勾配の低下を招き、記録性能の劣化を引き起こす可能性がある。

本発明はモーメントが大きく、更に耐食性が高い、単層又は複層構造の軟磁性下地層を有する垂直磁気記録ディスクを提供するものである。軟磁性下地層の材料としてはCo, Fe, X, Y（XはTa又はNbを表し、YはZr又はHfを表す）を含む合金が用いられるが、XとYの合金中の含有量の合計が約10〜20原子パーセントであることが好ましい。又、合金中のCoとFeの原子比は90:10〜10:90であることが好ましく、25:75〜35:65であることが更に好ましい。

耐食性とモーメントの両方に関して、異なった組成のCoFeTaZr合金から成る軟磁性下地層を用いて実験を行った。図４は複数種のCoFeTaZr合金及びCo₉₂Ta₃Zr₅合金に関する電気化学的分極曲線を比較したものである。図４に示された曲線は、軟磁性下地層をガラス基板上に電極として設けた実験装置を用いて得られた実験データに基づき作成したものである。当該実験においては、白金（Pt）電極を軟磁性下地層の1mm上に設けて水滴を白金電極と軟磁性下地層の間に堆積させ、印加電圧を-1.0 Vから+1.0 Vまで走査して印加電圧の関数として電流を測定した。図４において横軸に示された電圧が-0.4 Vの付近で縦軸に示された電流が急降下しているが、これは陰極領域から陽極領域への遷移、即ち、軟磁性下地層が陽極になったことを示すものである。電圧が正方向に大きくなるにつれて電子は軟磁性下地層から引き出される。陽極領域における電流の測定値は軟磁性下地層の腐食の可能性の目安となるものである。図４に示されているように、Co₉₂Ta₃Zr₅合金を用いた場合が最も大きな交換電流を示した。
Co₉₂Ta₃Zr₅合金を用いた場合の分極曲線は急激に上昇し、Co₉₂Ta₃Zr₅合金が大きく腐食し試験電極が激しく腐食されるのに伴いようやく下降し始める。他の３種類の合金（Co₃₄Fe₅₁Ta₁₀Zr₅合金、Co₅₁Fe₃₄Ta₁₀Zr₅合金、Co₅₉Fe₂₆Ta₁₀Zr₅合金）を用いた場合の交換電流はいずれもCo₉₂Ta₃Zr₅合金を用いた場合と比べて実質的に低い値を示した。電位が0の場合は、Co₉₂Ta₃Zr₅合金を用いた場合の交換電流は約50×10^-6 Aであり、Co₃₄Fe₅₁Ta₁₀Zr₅合金、Co₅₁Fe₃₄Ta₁₀Zr₅合金、Co₅₉Fe₂₆Ta₁₀Zr₅合金を用いた場合はそれぞれ約2×10^-6 A、約3×10^-6 A、約1×10^-6 Aであった。即ち、本発明の合金を用いた場合は従来用いられていた合金を用いた場合と比較して、約15〜50倍の耐食性を有するということになる。

それぞれの腐食されやすさを調べるために、Co₉₂Ta₃Zr₅合金から成る比較用の膜及び様々な(CoFe)Ta₁₀Zr₅合金から成る膜に対し、高温（65°Ｃ）かつ多湿（99％）な環境に４日間さらすという過酷な凝縮試験を施した。その結果、比較用の膜（Co₉₂Ta₃Zr₅）には棒状のシュウ酸コバルトによるものと考えられる腐食跡が観察されたが、(CoFe)Ta₁₀Zr₅合金から成る膜にはいずれも腐食跡が観察されなかった。この結果は上記した電気化学的分極曲線の測定結果からの考察を実証するものであり、本発明の合金を含んだ軟磁性下地層の耐食性が従来に比べて著しく改良されていることを示すものである。

二種類の(CoFe)Ta₁₀Zr₅合金のモーメントを比較用のCo₉₂Ta₃Zr₅合金の13 kOeよりもわずかに小さな11 kOeと12 kOeにてそれぞれ測定した。(CoFe)Ta₁₀Zr₅合金中のCoのFeに対する原子比は所望のモーメントを得るために好ましくは約90:10〜10:90である。Co：Feの原子比を周知のSlater-Pauling曲線によればモーメントが最大となるほぼ30:70（25:75と35:65の間）に最適化することにより、(CoFe)Ta₁₀Zr₅合金のモーメントをより好適な値とすることができる。更に、腐食試験により(CoFe)Ta₁₀Zr₅合金の耐腐食性が製品規格を超えると示された場合には、(CoFe)Ta₁₀Zr₅合金のモーメントはTa及び/又はZrの量を減らすことにより更に最適化される。(CoFe)Ta₁₀Zr₅合金中のTaとZrの合計の含有量は好ましくは10原子パーセント以上20原子パーセント以下である。

本発明の軟磁性下地層を形成するCoFeXY合金（XはTa又はNbを表し、YはZr又はHfを表す）においてXがTa、YがZrである場合の実証試験を上記のように行ったが、TaをNbに置き換えた及び/又はZrをHfにおきかえた場合でも同様の試験結果が得られる。

以上のように、本発明を好ましい態様に即して部分的に記載したが、当業者であればこの発明の精神と範囲から逸脱しない範囲内で発明の形態や詳細を変更することが可能である。従って、本明細書に開示された発明は単なる実例として理解し、本発明は添付の特許請求の範囲に記された範囲にのみ限定されると理解すべきものである。

垂直磁気記録装置の概略図である。 書き込み磁界を描いた、垂直磁気記録ディスクの断面の概略図である。 反強磁性結合により積層された軟磁性下地層を有する垂直磁気記録ディスクの断面の概略図である。 複数種のCoFeTaZr合金及びCo₉₂Ta₃Zr₅合金に関する電気化学的分極曲線を示す図である。

Claims (17)

1. 基板と、
   垂直磁気記録層と、
   前記基板と前記記録層との間に設けられ、Co、Fe、TaとNbから選ばれる元素 X、及びZrとHfから選ばれる元素 Yを含む合金である磁気透過性材料を含有する下地層とを備えることを特徴とする垂直磁気記録媒体。
2. 元素Xと元素Yの前記合金中の合計の含有量が約10原子パーセント以上20原子パーセント以下であることを特徴とする請求項１記載の媒体。
3. 前記合金に含まれるCoのFeに対する原子比が約90:10〜10:90であることを特徴とする請求項１記載の媒体。
4. 前記合金に含まれるCoのFeに対する原子比が約25:75〜35:65であることを特徴とする請求項３記載の媒体。
5. 前記下地層と前記記録層との間に、前記記録層と前記下地層とを磁気的に切り離すための交換ブレーク層をさらに含むことを特徴とする請求項１記載の媒体。
6. 前記記録層がグラニュラ強磁性コバルト合金を含有していることを特徴とする請求項１記載の媒体。
7. 前記記録層がSi、Ta、Ti、Nbから選ばれる元素を一種以上含有する少なくとも一種の酸化物を含有していることを特徴とする請求項６記載の媒体。
8. 前記下地層が非磁性層により隔てられた前記磁気透過性材料から成る二層を含んでいることを特徴とする請求項１記載の媒体。
9. 前記非磁性層が前記磁気透過性材料から成る二層間の強磁性結合を引き起こすことを特徴とする請求項８記載の媒体。
10. 請求項１記載の媒体と、
    前記媒体の記録層中の領域を磁化するための記録ヘッドと、
    前記磁化された領域間の遷移を検出するための再生ヘッドと、
    を有することを特徴とする垂直磁気記録装置。
11. 基板と、
    Co、Fe、TaとNbから選ばれる元素 X、及びZrとHfから選ばれる元素 Yを含む合金を含有し、元素Xと元素Yの前記合金中の合計の含有量が約10原子パーセント以上20原子パーセント以下である、前記基板上に設けられた磁気透過性下地層と、
    記録層に実質的に垂直に配向されたc軸を備えた六方最密(hcp)結晶構造を有するコバルト強磁性合金の粒子を含有する垂直磁気記録層と、
    前記下地層と前記記録層との間に設けられた前記記録層と前記下地層とを磁気的に切り離すための交換ブレーク層とを備えることを特徴とする垂直磁気記録ディスク。
12. 前記元素XがTaであり、前記元素YがZrであることを特徴とする請求項１１記載のディスク。
13. 前記合金に含まれるCoのFeに対する原子比が約90:10〜10:90であることを特徴とする請求項１１記載のディスク。
14. 前記合金に含まれるCoのFeに対する原子比が約25:75〜35:65であることを特徴とする請求項１３記載のディスク。
15. 前記垂直磁気記録層が更にSi、Ta、Nbから選ばれる元素を一種以上含有する少なくとも一種の酸化物を含有していることを特徴とする請求項１１記載のディスク。
16. 前記下地層がCo、Fe、TaとNbから選ばれる元素 X、及びZrとHfから選ばれる元素 Yを含む前記合金から成る二層と、さらに当該二層を隔てている非磁性層を含んでいることを特徴とする請求項１１記載のディスク。
17. 前記非磁性層が前記二層間の強磁性結合を引き起こすことを特徴とする請求項１６記載のディスク。

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