JP2009080869A

JP2009080869A - 磁気記録方法

Info

Publication number: JP2009080869A
Application number: JP2007247358A
Authority: JP
Inventors: Satoshi Okamoto; 岡本　　聡; Osamu Kitagami; 北上　　修; Nobuaki Kikuchi; 伸明菊池; Takehito Shimazu; 武仁島津
Original assignee: Tohoku University NUC
Current assignee: Tohoku University NUC
Priority date: 2007-09-25
Filing date: 2007-09-25
Publication date: 2009-04-16

Abstract

【課題】交流磁場による磁気共鳴現象を利用することにより、ヘッド磁極幅に対して狭い信号トラック幅を形成し、高密度記録が可能な磁気記録を実現する磁気記録方法を提供することにある。
【解決手段】垂直磁場を発生させる単磁極型磁気ヘッドの磁極２の近傍に、絶縁体薄板３を介してマイクロ波線路１を配置し、そこに１GHz以上の周波数を持つ交流電流を流すことにより、垂直磁気記録媒体に磁気ヘッドの磁極２から印加される磁場に加えて、交流磁場を同時に印加する。交流電流の周波数を最適に設定することにより、ヘッド磁極幅に対して狭い信号トラック幅を形成する。
【選択図】図１

Description

本発明は、磁気記録装置に用いられる情報の磁気記録方法に関するものである。

高速かつランダムアクセスが可能な大容量情報記録装置として、ハードディスクドライブ（HDD）は、現在、コンピュータの外部記憶装置、音楽・映像のストレージサーバ等、様々な分野で広く用いられている。このような幅広い普及は、数々の研究開発の蓄積による記録密度の飛躍的な増大と、それに伴う半導体メモリ等の他の競合技術を遥かに凌ぐビット単価の低減が大きく寄与している。現在のHDDの記録媒体は、磁化の向きがディスク面に対して垂直となる垂直磁気記録方式をとっており、従来の面内磁気記録方式に比べて高密度化に有利とされている。垂直磁気記録においては、単磁極型と呼ばれる磁気ヘッド構造のものが用いられており、先端磁極幅は現行で100ナノメートル程度である。今後の更なる高密度化のためには、記録媒体に記録される信号トラックの狭幅化が必須であり、そのためには磁気ヘッドの磁極幅の更なる低減が不可欠である。

しかしながら、この磁極幅の減少は、次に述べる３つの深刻な問題を引き起こすことが知られている。１つは、磁気ヘッドが発生可能な磁場の大きさが減少することである。一方、媒体の方から超高密度記録の仕様を考えた場合、より大きな磁気異方性Kuを有する材料の使用が必須要件であるが、これは磁化反転を行うために大きなヘッド磁場が必要となることを意味する。つまり、超高密度記録を実現するための磁気ヘッド仕様として、発生できる磁場が減少する方向にあり、一方、媒体側からは現在以上のヘッド磁場強度が求められる、というジレンマに陥っている。この問題を解決するために、現在までに様々な記録方法や媒体構造が提案されているが、いずれも実用化には至っていない。

磁気ヘッドの磁極幅減少に伴う２つ目の問題として、磁極端部における磁場勾配の問題がある。磁極端部では、ディスク面に対して垂直な磁場成分だけでなく、ディスク面に平行な磁場成分が存在し、有限の磁場分布を与える。ディスク面に平行な磁場成分の存在は、磁化反転に必要な磁場を著しく低下させる。つまり、ヘッド磁極端部において磁化反転が起こり易いという状況となり、磁極幅に比べて反転領域に広がりを生じさせる。このことは、磁極幅を狭くしても、記録される信号トラック幅が磁極幅ほどには狭くならないことを意味し、磁極幅の減少に伴い、この磁場分布の影響が甚大となってきている。さらには、ディスク面に平行な磁場成分が隣接トラックに影響し、ノイズの増大、更には信号の消去に至ることも大きな問題となってきている。

更に、３つ目の問題点として、加工技術の問題が挙げられる。現在、ヘッド磁極の形成は、収束イオンビームによる微細加工技術が用いられており、先端幅を100nm程度にまで狭幅化が行われている。１テラビット／平方インチの記録密度を達成するためには、磁極幅50nmが要求されており、今後、微細加工自体の困難さも深刻となることが予測される。

したがって、何らかの手法により、磁気ヘッドの磁極幅に対して狭い信号トラック幅で記録が可能であれば、このようなヘッド磁場出力の低下、隣接トラック信号の消去、磁極の加工技術などの問題点が解消され、超高密度記録の実現に大きく寄与するものと期待できる。本発明では通常の磁気ヘッドからの磁場に加えて、弱い交流磁場を印加し、磁気共鳴を発生させることにより、上記の問題点の解決を図るものである。同様に磁気共鳴を磁気記録に応用するアイデアとして、Co微粒子に交流磁場パルスを印加し、その結果、磁化反転のための磁場が大幅に低減されることを実験結果として開示したもの（非特許文献１参照）や、理論計算結果として交流磁場だけを用いた場合の磁気共鳴による磁化反転を起こす条件を開示したもの（非特許文献２参照）、これまでの中で最も実際の磁気記録に近い条件での計算結果であり、同様に磁化反転のための磁場が大幅に減少できること、ならびに交流磁場の印加手法などを開示したもの（非特許文献３参照）がある。

C．Thirion et al．，"Switching of magnetization by nonlinear resonance studied in single nanoparticles"，Nature Mat．，2003，2，p.524-527 Z． Sun et al．，"Magnetization reversal through synchronization with a microwave"，Phys． Rev．，2006，B 74，p.132401-1-4 J-G． Zhu et al．，"Microwave assisted magnetic recording (MAMR)"，国際会議講演概要集(Digest of TMRC2007)，2007，p.34-35

前述のように非特許文献１、非特許文献２さらには非特許文献３において、交流磁場による磁気共鳴現象を利用した磁化反転に要する磁場の低減手法が開示されている。つまり、低いヘッド磁場で記録を可能とするための手法であるが、これだけでは高密度記録に必然なヘッド磁極幅減少に伴い生ずる諸問題の解決には至らない。上記の点を鑑みて、本発明の目的は、交流磁場による磁気共鳴現象を利用することにより、ヘッド磁極幅に対して狭い信号トラック幅を形成することを可能とするものであり、テラビット級の超高密度の磁気記録を実現する手法を提供することにある。

本発明の磁気記録方法は、垂直磁気記録媒体に、磁気ヘッドから印加される磁場に加えて、交流磁場を同時に印加する磁気記録方法であって、磁場を発生させる前記磁気ヘッドの磁極幅を１とした時、前記垂直磁気記録媒体に記録される信号トラック幅が、１以下であることを特徴とする。

本発明によれば、垂直磁気記録媒体に、通常の磁気ヘッドから印加される磁場に加えて、交流磁場を同時に印加し、その結果起こる磁気共鳴現象を利用することにより記録を行うことができ、この場合に使用される単磁極型磁気ヘッドの磁極幅を１とした場合に、記録媒体に記録される信号トラック幅が１以下、つまり磁極幅よりも狭い信号トラック形成が実現できる。

また、本発明によれば、前記磁気ヘッドの磁極幅を１とした場合の前記垂直磁気記録媒体に記録される信号トラック幅が０．２以上かつ１以下であることを特徴とする磁気記録方法が得られる。理論上は、大きな電力の高周波電流を用いれば０．２以下の狭い信号トラックの形成も可能であるが、この０．２以上というのは、実際の記録を行う上での限界の目安として与えるものである。

また、本発明によれば、前記交流磁場を、直流磁場を発生させる前記磁気ヘッドの磁極の近傍にマイクロ波線路として導線を配置し、前記マイクロ波線路に１GHz以上の周波数を持つ交流電流を流すことにより発生させることを特徴とする磁気記録方法が得られる。

また、本発明によれば、前記交流電流の周波数が１GHz以上４０GHz以下の範囲にあることを特徴とする磁気記録方法が得られる。理論上は、40GHz以上の交流電流を用いても本発明の効果は損なわれること無く実現されるが、この40GHz以下の範囲というのは、実際の記録を行う上での限界の目安として与えるものである。

本発明の特徴について説明する。磁性体の磁化の振る舞いは、ナノ秒オーダーの高速な時間スケールにおいて、以下のLandau-Lifschitz-Gilbert（LLG）方程式に従うことが知られている。

ここでｍは磁化の単位ベクトル、γはジャイロ磁気定数、ｔは時間、αはギルバートのダンピング定数である。また、有効磁場H_effは、以下で表される。
H_eff = H_k + H_d + H_D +h
H_kは異方性磁場、H_dは反磁場、H_Dはヘッド磁場、ｈは交流磁場である。LLG方程式の右辺第１項は、磁場により発生するトルクを表しており、磁化の歳差運動を与える。第２項は、ダンピング項であり、磁化が歳差運動している状態から平衡位置への緩和を与える。つまり、エネルギーの散逸に寄与する。この際に、歳差運動周期に同期させた交流磁場hを与えると、磁気共鳴が起こり、交流磁場のエネルギーを効率良く吸収することができる。従って、ダンピング項によるエネルギー散逸よりも大きなエネルギーを与えると、歳差運動の際に次第にエネルギーが蓄積されていき、ある臨界点で磁気異方性エネルギーK_uが与えるエネルギー障壁を越えると、磁化反転に至ることが出来る。したがって、磁気共鳴の条件において、このような磁化反転が実現されることが理解され、磁化反転に必要なヘッド磁場の値を大幅に低下させることが可能となる。

磁気共鳴の条件は、上記のLLG方程式から導かれるが、簡単に言えばH_effとhの周波数fの関数であり、fの値は、H_effの方位や大きさに強く依存する。従って、例えば大きな磁場分布の下で、ある特定のfを選択すると、そのfに対応した特定の方位かつ特定の大きさの磁場が印加されている領域のみで選択的に磁気共鳴を起こし、磁化反転に至らせることが可能であることを意味している。現実の単磁極型磁気ヘッドに対して考察すると、ディスク面に対して垂直な磁場成分のみが均一に印加されている領域は、磁極の中心部の狭い領域であり、磁極端部に近づくにつれてディスク面に対して平行な磁場成分の割合が増加する。通常の磁気記録においては、このようなヘッド磁場分布の存在は、反転領域の拡大や隣接トラック信号の消去の原因として、非常に大きな問題となっている。

しかしながら、本発明の手法によれば、このような大きなヘッド磁場分布を逆に利用することで、磁極幅に比べて狭い信号トラック幅が形成可能となる。上述のように、ディスク面に対して垂直な磁場成分の下で磁気共鳴を起こすfを選択してhを印加することにより、磁極中心下にある狭い領域のみを選択的に反転させることが可能となる。更には、この場合においても、磁化反転に必要な磁場の値を大幅に低下させることが可能であるので、交流磁場を用いない通常の磁気記録手法に比べて熱安定性に優れた大きなK_uを有する材料を媒体として用いることが出来る。従って、これらの特徴を用いることにより、低ノイズ性、書込み特性、ならびに熱安定性に優れた超高密度磁気記録の実現が図れる。

本発明によれば、垂直磁気記録において、磁気ヘッドの磁極幅よりも狭い信号トラックの形成が可能であり、磁極幅を極端に狭くすること無しに超高密度記録を実現できる。その結果、磁極幅の減少に伴うヘッド磁場出力の低下、隣接トラック信号の消去、磁極の加工技術などの問題点が解決され、低ノイズ性、熱安定性、ならびに書込み特性に優れた超高密度磁気記録の実現に寄与する。

以下、垂直磁気記録における本発明の実施の形態について図面を参照しながら説明する。
図１は、この発明の実施例として、マイクロ波線路１付き単磁極型磁気ヘッドの磁極２の模式図を示している。単磁極型磁気ヘッドの磁極２の片側に、SiO₂などの絶縁体からなる薄板状の絶縁体薄板３を形成し、その上にCuなどの導体のマイクロ波線路１を配置する。このような構造とすることで、ヘッド磁場に対して直交する方向に交流磁場を印加することが出来る。本発明では、大きな振幅の交流磁場が用いられれば、より一層の大きな効果が期待できる。実際の磁気メモリデバイスで交流磁場発生時に用いられる電力と同程度（１mW）を用いて、図１に示す磁気ヘッド構成の場合で試算したところ、約１kOeの磁場振幅が得られることが分かった。この磁場振幅は、本発明の効果を発現させるのには充分である。

次に、単磁極型磁気ヘッドの磁場分布を計算し、その磁場分布の下で形成される信号トラック幅を、交流磁場の無い通常の磁気記録の場合と、本発明に基づく交流磁場を印加して磁気共鳴を起こした場合とで比較した。周波数fの交流磁場の下で、あるヘッド磁場が印加された場合に磁化反転が起こるか否かは、上記のLLG方程式を計算することにより求めた。磁気ヘッドならびに媒体構成を、表１に示した。

現行の記録密度の約５倍に相当する１テラビット/平方インチで想定されている仕様をベースにしているが、簡単のため、磁気ヘッドは、図１に示したように、シールド無しで単磁極型ヘッドにマイクロ波線路１としての導線を配置した構造とした。図２は、図１において、非磁性基板４の上の裏打ち軟磁性層５の上に、中間層無しで磁性層である記録層６のみがある媒体の構造を示す。また、ヘッド磁場は、磁性層である記録層６の中央部（表面から半分の厚み）での値として計算した。

ヘッド磁場の最大値H_D ^maxは磁極中央部で与えられ、H_D ^max = 14kOeであった。このような条件で、交流磁場を印加しない通常の磁気記録の場合に形成される信号トラック幅を表２に示す。H_D ^max = 14kOeで記録可能な範囲として、媒体記録層の異方性磁界H_kが14〜9kOeの範囲の結果である。いずれのH_kの場合においても、ヘッド磁極幅50nmに比べて、記録される信号トラック幅は広がっており、H_kの小さい場合ほど広がりは顕著になる。

次に、交流磁場を印加した場合の結果について示す。
表３は、交流磁場振幅を1kOeとした場合の結果である。この場合に記録可能な媒体記録層のH_kの上限は、f = 10GHzでH_k = 20kOeであり、交流磁場無しの場合に比べて40%以上も高いH_kの材料が利用できる。更に、この場合、H_k = 20kOeにおいて、トラック幅が39nmであり、磁極幅に比べて０．８以下の狭いトラック幅の形成が可能となる。

次に、交流磁場振幅が2kOeの場合の結果を、表４に示す。この場合は、記録可能な媒体記録層のH_kの上限は、f = 25GHzでH_k = 24kOeであり、交流磁場無しの場合に比べて70%以上も高いH_kの材料が利用できる。このときのトラック幅は21nmであり、磁極幅に比べて０．４程度の狭いトラック幅の形成が可能となる。このように、fの値は、用いられる媒体記録層材料のH_kで変化し、fが１GHz以上の範囲のとき、単磁極型磁気ヘッドの磁極幅よりも狭い信号トラック幅を形成できることが計算により確認できる。

本発明の実施の形態の磁気記録方法の、マイクロ波線路付き単磁極型磁気ヘッドの磁極部を示す斜視図である。図１に示す磁気記録方法の、裏打ち軟磁性層の上に中間層無しで磁性層である記録層のみがある媒体の構造を示す側面図である。

符号の説明

１マイクロ波線路
２磁極
３絶縁体薄板
４非磁性基板
５裏打ち軟磁性層
６記録層

Claims

垂直磁気記録媒体に、磁気ヘッドから印加される磁場に加えて、交流磁場を同時に印加する磁気記録方法であって、磁場を発生させる前記磁気ヘッドの磁極幅を１とした時、前記垂直磁気記録媒体に記録される信号トラック幅が、１以下であることを特徴とする磁気記録方法。
前記磁気ヘッドの磁極幅を１とした場合の前記垂直磁気記録媒体に記録される信号トラック幅が０．２以上かつ１以下であることを特徴とする請求項１記載の磁気記録方法。
前記交流磁場を、直流磁場を発生させる前記磁気ヘッドの磁極の近傍にマイクロ波線路として導線を配置し、前記マイクロ波線路に１GHz以上の周波数を持つ交流電流を流すことにより発生させることを特徴とする請求項１または２記載の磁気記録方法。
前記交流電流の周波数が１GHz以上４０GHz以下の範囲にあることを特徴とする請求項３記載の磁気記録方法。