JP2009271982A

JP2009271982A - プレーナ型単磁極記録ヘッド

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Publication number: JP2009271982A
Application number: JP2008120054A
Authority: JP
Inventors: Hiroaki Muraoka; 裕明村岡; Kiyoshi Yamakawa; 清志山川
Original assignee: Tohoku University NUC
Current assignee: Tohoku University NUC
Priority date: 2008-05-02
Filing date: 2008-05-02
Publication date: 2009-11-19

Abstract

【課題】十分なヘッド磁界強度と磁界傾斜だけでなく良好な周辺の記録の抑圧も良好にする。
【解決手段】多段型テーパー主磁極によって従来提案のあるテンプレート法に比べて優れた隣接トラック消去特性が分かった。特に、３段テーパー型主磁極はよく抑圧されたフリンジ磁界でありながら、１５ｋＯｅのヘッド磁界強度と５００Ｏｅ/ｎｍの磁界傾斜を示した。このような形状を有する垂直磁気記録単磁極ヘッドは、イオンビームミリング法によって加工することが可能である。
【選択図】図２

Description

本発明は、垂直磁気記録方式に用いる記録ヘッドに関し、より詳細には単磁極型の記録ヘッドに関する。

記録密度の継続的な増加に熱緩和を避けて安定な記録を行うには高異方性記録媒体を用いる必要がある。この要求に応えるには記録ヘッドは極端に狭い強い記録磁界を発生する必要がある。磁極材料の飽和磁束密度は２．４５Ｔ（テスラ）で事実上の最大に達しているので、磁界を増加させるために磁極先端構造の設計が重要になっている。

すでに主磁極のテーパー構造は従来の磁極に比べて高磁界であることが示されている（非特許文献１）。テーパー面が１つだけの（ｓｉｎｇｌｅｔａｐｅｒｅｄ）多磁荷面型（Ｍｕｌｔｉ-ｃｈａｒｇｅｄｓｕｒｆａｃｅ：非特許文献３）とシールド磁極を組み合わせた構造が平面型単磁極ヘッドが提案されている（非特許文献２）。

記録シミュレーションによれば、このヘッドは１Ｔｂｉｔ/ｉｎ^２以上の記録能力があることが示されている。隣接トラック消去を防ぐにはテーパー角度は３５度から５５度程度が良い（非特許文献５）。

しかし、ここで用いられたメッキ成膜と引きはがし工程（Ｐｅｅｌｉｎｇｏｆｆ）による作製法では通常プロセスに比べて複雑で作りにくく、イオンミリングなどが使えればその方が望ましい。

図１１には従来のプレーナ型単磁極記録ヘッドの能力を示す。また、図１２には、メッキ法による工程を示す。
Ｍ．Ｍｏｃｈｉｚｕｋｉ，Ｙ．Ｎｉｓｈｉｄａ，Ｙ．Ｋａｗａｔｏ，Ｔ．Ｏｋａｄａ，Ｔ．Ｋａｗａｂｅ，ａｎｄＨ．Ｔａｋａｎｏ， "Ｓｔｕｄｙｏｎｔｈｅｗｒｉｔｅ−ｆｉｅｌｄｐｒｏｆｉｌｅａｎｄｉｎｔｅｎｓｉｔｙｏｆｎａｒｒｏｗ−ｔｒａｃｋ−ｗｉｄｔｈＳＰＴｈｅａｄ，" Ｊ．Ｍａｇｎ．Ｍａｇｎ．Ｍａｔ．，２３５，１９１−１９５， (２００１)．Ｋ．Ｉｓｅ，Ｓ．Ｔａｋａｈａｓｈｉ，Ｋ．Ｙａｍａｋａｗａ，ａｎｄＮ. Ｈｏｎｄａ， "ＮｅｗＳｈｉｅｌｄｅｄＳｉｎｇｌｅ−ＰｏｌｅＨｅａｄｗｉｔｈＰｌａｎａｒＳｔｒｕｃｔｕｒｅ，" ＩＥＥＥＴｒａｎｓ．Ｍａｇｎ．，４２，２４２２−２４２４， (２００６)．Ｓ．Ｔａｋａｈａｓｈｉ，Ｋ．Ｙａｍａｋａｗａ，ａｎｄＫ．Ｏｕｃｈｉ， "Ｓｉｎｇｌｅ−ｐｏｌｅｔｙｐｅｈｅａｄｗｉｔｈｍｕｌｔｉｃｈａｒｇｅｄｓｕｒｆａｃｅｓｆｏｒｕｌｔｒａｈｉｇｈｄｅｎｓｉｔｙｒｅｃｏｒｄｉｎｇ，" Ｊ．Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．，９１，６８３９−６８４１， (２００２)． ] Ｎ．Ｈｏｎｄａ，Ｋ．Ｙａｍａｋａｗａ，ａｎｄＫ．Ｏｕｃｈｉ， "ＲｅｃｏｒｄｉｎｇＳｉｍｕｌａｔｉｏｎｏｆＰａｔｔｅｒｎｅｄＭｅｄｉａＴｏｗａｒｄ２Ｔｂ/ｉｎ２，" ＩＥＥＥＴｒａｎｓ．Ｍａｇｎ．，４３，２１４２−２１４４， (２００７)． ] Ｋ．Ｙａｍａｋａｗａ，Ｋ．Ｉｓｅ，Ｓ．Ｔａｋａｈａｓｈｉ，Ｎ．Ｈｏｎｄａ，ａｎｄＫ．Ｏｕｃｈｉ， "ＳｈｉｅｌｄｅｄＰｌａｎａｒＷｒｉｔｅＨｅａｄ，" ＤｉｇｅｓｔｏｆＰＭＲＣ２００７，１５ｐＡ−０３，２０−２１， (２００７)

上記のようにメッキ成膜工程と引き剥がし工程とを有するメッキ法（Ｔｅｍｐｌａｔｅｐｒｏｃｅｓｓ）は、複雑で製造が容易でないという課題があった。しかし、イオンビームを用いる製造方法等のように製造は容易であっても、記録特性が劣化するのは望ましくない。

本発明は、従来用いられているメッキ法と比較して製造が容易なイオンビーム法を用いて作製できるヘッドであって、メッキ法よりもよい特性を有する垂直記録用単磁極ヘッドを得ることを目的とする。イオンビーム形成によるトラック幅２０ｎｍの主磁極は、十分なヘッド磁界強度と磁界傾斜だけでなく良好な周辺の記録の抑圧も良好になる。

本発明はより具体的に、
磁気記録媒体に対向する対向面に露出した先端を有するとともに上記対向面から離れる方向に伸びた磁性薄膜からなる主磁極と、前記主磁極の先端に磁場を印加するように配置された励磁コイルと、前記主磁極の先端に所定の間隙を介して前記対向面に形成された磁性薄膜からなるシールドを有する垂直磁気記録用単磁極ヘッドであって、前記主磁極は、先端の平坦部と前記平坦部に続く第１の傾斜部と前記第１の傾斜部に続く第２の傾斜部と、前記第２の傾斜部に続く第３の傾斜部とを、少なくても３つの主磁極側面に有する垂直磁気記録用単磁極ヘッドを提供する。

イオンビームエッチングで形成したＦｅＣｏ膜に基づく磁界シミュレーションによって２段もしくは３段テーパーの主磁極構造（これはイオンビームエッチングで特徴的な形状であるが）は従来に比べて記録性能と作りやすさの可能性を持っている。

特に３段テーパーは強磁界（１５ｋＯｅ）と大きな磁界傾斜（５００Ｏｅ/ｎｍ）であり、よく抑圧された周囲磁界を発生できる。このイオンミリングによって主磁極を形成したシールド型平面ヘッドはテラビット記録磁界のすぐれた候補である。

＜主磁極の断面テーパー構造＞
図１にイオンビームミリングで７５ｎｍほどエッチングしたＦｅＣｏ膜の断面プロファイルを示す。同図のプロファイルは電子顕微鏡で観察した画像から抽出したものであり、エッチングの際のマスクエッジを横軸の原点に取っている。

エッチングの際のマスクは電子ビーム（ＥＢ）レジストを２００ｎｍ厚さで用いている。側面傾斜のテーパー角度は電子ビームのレジストへの過少露光か適正露光かの露光量で制御できる。イオン加速電圧は２５０Ｖで、イオンビーム入射角は膜面に４５度である。

図１のプロファイル(ａ)で示される線はドットパターンのマスクにより得られた通常の側面形状である。ここでは５５度と２０度の２段テーパー形状が示されている。最初と２番目のテーパー角度の違いはマスクパターニング時点のエッジの内側か外側かによっている。

プロファイル(ｂ）とプロファイル（ｃ）は３段テーパー構造である。プロファイル（ｃ）は３つのテーパー角度が４０度、８０度、１５度である。プロファイル（ｂ）の角度はプロファイル(ｃ）より緩やかになっている。これらの違いは、線状とドット状のマスク形状による側壁傾斜角の違いによって生じる。

電子ビームレジストを用いた典型的なイオンビーム加工のＦｅＣｏ膜の加工断面プロファイルは多段型の構造で特徴付けることができる。したがって、イオンミリングで作製された主磁極は緩やかなテーパー部分に（マスク端から離れた領域）と狭窄されたＡＢＳ表面部分（マスク端近傍領域）からなる３段構成である。テーパー角度とそれぞれのテーパー部分の高さはマスクとイオンビーム条件で制御可能である。

＜記録性能＞
主磁極のＡＢＳ先端部分の狭窄構造と周囲の緩やかな傾斜の２つの特徴を持つ主磁極形状が記録性能に与える影響をシミュレーションにより検討した。

＜Ａヘッドの設計＞
プレーナ（平面）ヘッド構造について主磁極付近と媒体裏打ち層を図２（ａ）に示す。ＡＢＳ先端に見えている大きさは２０ｎｍ×５０ｎｍである。ここで２０ｎｍがトラック幅方向（ｃｒｏｓｓ−ｔｒａｃｋ）で５０ｎｍがヘッド走行方向の長さ（ｄｏｗｎ−ｔｒａｃｋ）である。それぞれの主磁極部分を図２（ｂ）と図２（ｃ）に２段テーパーあるいは３段テーパーの構成として示す。なお、同図ではトラック中心から片側のみ図示している。

飽和磁化は主磁極、シールド、リターンヨーク、媒体裏打ち層、いずれも２．４Ｔとしている。シールドギャップ長、シールド高さ、ヘッドと媒体裏打ち層（ＳＵＬ）の距離、コイル巻数はそれぞれ、１５ｎｍ、２５ｎｍ、１５ｎｍ、３ターンである。

＜Ｂ緩やかな傾斜の後端部を持つ主磁極幅＞
２段テーパー主磁極（図２ｂ）の垂直方向記録磁界（Ｈｙ）をトラック幅方向に示したのが図３である。主部テーパー角θ２は５５度で同じであり、底部テーパー角θ３が１５度と０度の２つについて比較した。

主磁極高さは１００ｎｍである。両者は同一の０．０６ＡＴに対してほぼ同一の最大磁界１５ｋＯｅである。しかし、主磁極の周囲を緩やかに傾斜させたものは下側に示すように周辺部の磁界がかなり低減されている。この底部の傾斜はトラック幅方向にもヘッド走行方向にも尾部が抑圧された磁界プロファイルとなる。

これら底部が平坦なものと浅く傾斜した２種類のヘッドについて、発生磁界の起磁力依存性を示すのが図４（ａ）である。傾斜底部のヘッドは、ほぼ起磁力の全領域に亘って平坦底部のヘッドと同等の最大磁界を発生できることが分かる。図４（ｂ）は発生磁界と起磁力の関係に及ぼす主磁極高さの影響を示したものである。主磁極高さが１００ｎｍから６０ｎｍに縮小することにより、１４ｋＯｅを超える磁界を発生する場合に、より小さな起磁力で良い。例えば、２０ｋＯｅで比べると主磁極高さ６０ｎｍでは０．０９ＡＴであり、主磁極高さ１００ｎｍでは０．１２５ＡＴである。

しかし、２段テーパー構造から発生する磁界強度は主部テーパー角（θ２）に敏感に影響される。この角度が５５度、６０度、６５度の場合の磁界分布を図５に示す。挿入図はθ２に対する最大磁界をプロットしたものである。

この角度が大きくなると周辺部磁界は小さくなるものの、最大磁界強度もだいぶ減少する。このため、２段テーパー構造では最大ヘッド磁界強度と周辺でのフリンジ磁界の双方を満たすには、主部テーパー角度を精密に加工することが求められる。

＜Ｃ主磁極の狭窄部分の先端形状＞
図１（プロファイル（ｂ）、(ｃ)）に示したように３段テーパーの主磁極はイオンビームミリング法で作製可能である。プロファイル（ｂ）の場合には、図２（ｃ）にあるようにＡＢＳ先端部に狭窄型の主磁極構造、即ち、先端部傾斜（ＴＯＰＳＬＯＰＥ）が形成され、これに続いて比較的急峻な主部傾斜（ＭＡＩＮＳＬＯＰＥ）、さらに、緩やかな底部傾斜（Ｂｏｔｔｏｍｓｌｏｐｅ）が形成される。

３段テーパー主磁極の磁界プロファイル（θ１／θ２／θ３＝４５/６５/１５度）を図６に示す。比較のために、傾斜底部（θ２／θ３＝５５/１５度）と平面底部（θ２／θ３＝５５/０度）の２段テーパー主磁極の磁界分布も示す。

これらのすべての主磁極構成は０．０６ＡＴの起磁力でほぼ同じ１５ｋＯｅの最大磁界強度と５００Ｏｅ/ｎｍの磁界傾斜である。しかし、周囲のフリンジ磁界は３段主磁極で最も小さくなることが示されている。図７は先端部テーパー角θ１に対する磁界分布および強度の変化である。図７（ｂ）から、最大磁界強度は４５度以下のθ１に対してほとんど変化がなく、加工時精度の許容が大きいことを示している。一方、図７（ａ）からトラック幅方向の磁界の幅はθ１の増大に連れて広がることがわかる。これらの結果より、θ１として４５度付近が望ましいといえる。

イオンビームミリング法で主磁極を加工すると、主部傾斜面のテーパー角度が５５度で固定されるテンプレート法（※メッキとシリコンの異方性エッチングによる）に比べて幅広い形状を作製できる。イオンビームミリングで加工された主磁極は主磁極周囲の底部での緩やかな傾斜の形成（ｂｏｔｔｏｍｓｌｏｐｅ：底部傾斜）が可能であり、このような加工はテンプレート法では難しく従って、テンプレート法では平面底部の主磁極形状となる。

傾斜底部は（すでに示したように）ヘッド磁界分布の周辺部での盛り上がりを抑圧できる点に利点がある。３段テーパー主磁極での底部テーパー角の影響を図１４に示す。２段テーパー主磁極の場合と同様にθ３の付与によりフリンジ磁界の抑制が可能であり、３０度以上の角度でその効果が著しい。シールドのデザインもヘッド磁界分布には重要であるが、この主磁極周辺部分をシールドからリセス（後退）させることでヘッド磁界プロファイルの裾野での磁界強度を抑圧することが可能になる。

しかし、２段テーパー主磁極では最大磁界強度がかなり主部テーパー角度に依存する。３段テーパー主磁極での主部テーパー角θ２の影響を図１３に示す。２段テーパー主磁極の場合と同様の傾向を示す。これは主磁極の磁気コンダクタンス（磁束伝導率）と面磁荷分布のためであり、主部傾斜部分の角度（θ２＝５５〜６５度）は断面形状を大きく変化させて面磁荷分布を変える。このためにヘッド磁界は主部テーパー角度の減少とともに急速に増大する。しかしながら、トラック幅方向の磁界の幅は主部テーパー角度の減少によって増し、５５度程度ではその程度が著しく高密度記録に不適といえる。したがって、θ２は６５度付近が適当である。

３段テーパーの主磁極（θ１＜θ２）では、狭窄された領域が主磁極先端部に近接しているためにｔｏｐｓｌｏｐｅにある磁荷がヘッド磁界強度に寄与する効果も大きい。さらに、（すでに示したように）ヘッド磁界強度はこの先端部テーパー角度（ｔｏｐｔａｐｅｒａｎｇｌｅ）に対して鈍感であり、広い加工マージンを生む。なお、第１、２、３の各傾斜部が交わる部分は、不連続（稜線状）のみならず連続（面取り状態）であっても良い。

本ヘッドによる最大磁界強度１５ｋＯｅと磁界傾斜５００Ｏｅ/ｎｍがよく抑圧された周囲フリンジ磁界で得られるので、先端部傾斜（ｔｏｐｓｌｏｐｅ）を含む多段テーパー型単磁極ヘッドはテラビット記録の記録磁極デザインとして有望な候補である。なお、上記の効果は、主磁極構造に起因するものであるため、ヘッド全体構造として図２に示すプレーナ（平面）ヘッドに限定されるものではない。

イオンミリング法で加工された主磁極を持つシールド型平面（プレーナ）ヘッドの記録性能を、透過型電子顕微鏡によるＦｅＣｏエッチング膜の断面形状をモデルとしたシミュレーション計算を用いて示した。

イオンビームミリング主磁極はテラビット記録に適したヘッド磁界強度と磁界傾斜の点から十分な記録性能を持つことを明らかにした。さらには、多段型テーパー主磁極によって従来提案のあるテンプレート法に比べて優れた隣接トラック消去特性（ｓｉｄｅｗｒｉｔｉｎｇ）が分かった。特に、３段テーパー型主磁極はよく抑圧されたフリンジ磁界でありながら、１５ｋＯｅのヘッド磁界強度と５００Ｏｅ/ｎｍの磁界傾斜を示した。イオンビームミリング法によって加工された主磁極を持つシールド型平面ヘッドはテラビット記録時代の記録ヘッドとして優れた候補である。

なお、図８にはシミュレーションの条件を示す。また図９には、図３乃至図６以外のシミュレーション結果を示す。（なお、図９（ａ）は図７（ａ）と同じグラフである。）また図１０には、本発明の単磁極ヘッドの作製方法の概略を示す。ダブルパターニング手法によりダウントラック幅方法のテーパー形状とトラック幅方向のテーパー形状を別々に形成することで、微細で高精度な多段テーパー形状が制御性良く形成可能である。なお、上記の方法では一般に４方向テーパーが形成されるが、いずれか一方のパターニングの際のマスクを主磁極先端寸法に対して十分広く設定することで３方向テーパーの形成も可能である。

本発明は、垂直型磁気記録方式の記録ヘッドとして好適に利用することができる。

ＦｅＣｏ膜をイオンミリングによって作製した主磁極の形状プロファイルを示す図である。プレーナヘッドの構成を示す図である。２段テーパー主磁極のトラック幅方向でのヘッド磁界分布を示す図である。記録起磁力とヘッド磁界強度の関係を示すグラフである。主部テーパー角度がヘッド磁界分布に与える影響を示すグラフである。単段、２段、３段のテーパー構造主磁極のヘッド磁界分布を示す図である。先端部テーパー角θ１の発生磁界におよぼす影響を示すグラフである。シミュレーションの条件を示す図である。シミュレーション結果を示す図である。本発明の単磁極ヘッドの製造方法を示す図である。プレーナ型ヘッドの性能を示す図である。メッキ法の工程を示す図である。主傾斜部テーパー角θ２の発生磁界におよぼす影響を示すグラフである。底部傾斜テーパー角θ３の発生磁界におよぼす影響を示すグラフである。

Claims

磁気記録媒体に対向する対向面に露出した先端を有するとともに上記対向面から離れる方向に伸びた磁性薄膜からなる主磁極と、前記主磁極の先端に磁場を印加するように配置された励磁コイルと、前記主磁極の先端に所定の間隙を介して前記対向面に形成された磁性薄膜からなるシールドを有する垂直磁気記録用単磁極ヘッドであって、前記主磁極は、先端の平坦部と前記平坦部に続く第１の傾斜部と前記第１の傾斜部に続く第２の傾斜部と、前記第２の傾斜部に続く第３の傾斜部とを、少なくても3つの主磁極側面に有する垂直磁気記録用単磁極ヘッド。
上記第２の傾斜部が、さらに２分割されてそれぞれ異なる傾斜部を有することを特徴とする請求項１に記載の垂直磁気記録用単磁極ヘッド。
上記第3の傾斜部が、さらに２分割されてそれぞれ異なる傾斜部を有することを特徴とする請求項１または２に記載の垂直磁気記録用単磁極ヘッド。
上記第1と第2の傾斜部の上記対向面から離れる方向の高さの合計が１００ｎｍ以下であることを特徴とする請求項１から３に記載の垂直磁気記録用単磁極ヘッド。