JP2010040060A - 高周波アシスト記録用磁気ヘッドおよびそれを用いた磁気記録装置 - Google Patents

Abstract

【課題】スピントルク発振子の反転時間を可及的に短くすることのできる高周波アシスト記録用磁気ヘッドを提供することを可能にする。
【解決手段】主磁極２２と、主磁極と磁気回路を形成する磁気シールド２４と、主磁極と磁気シールドとの間に設けられ、第１および第２磁性層１０ｄ、１０ｂと、第１磁性層１０ｄと第２磁性層１０ｂとの間に設けられる中間層１０ｃとを有する積層体からなり、第１および第２磁性層間に電流を通電して第２磁性層１０ｂから高周波磁界を発生するスピントルク発振子１０と、を備え、第１磁性層１０ｄは、保持力が２００Ｏｅ以下の磁性材料で形成されており、第１磁性層の積層面に略面直方向の断面積が、第２磁性層の積層面に略面直方向の断面積の４倍以上である。
【選択図】図１０

Description

本発明は高記録密度、高記録容量、高データ転送レートのデータストレージの実現に好適な高周波アシスト記録用磁気ヘッドおよび高周波アシスト磁気記録装置に関する。

１９９０年代においては、ＭＲ（Magneto-Resistive effect）ヘッドとＧＭＲ（Giant Magneto-Resistive effect）ヘッドの実用化が引き金となって、ＨＤＤ（Hard Disk Drive）の記録密度と記録容量が飛躍的な増加を示した。しかし、２０００年代に入ってから磁気記録媒体の熱揺らぎの問題が顕在化してきたために、記録密度増加のスピードが一時的に鈍化した。それでも、水平磁気記録方式よりも原理的に高密度記録に有利である垂直磁気記録方式が２００５年に実用化されたことが牽引力となって、昨今、ＨＤＤの記録密度は年率約４０％の伸びを示している。

また、最新の記録密度実証実験では４００Ｇｂｉｔｓ／ｉｎｃｈ^２を超えるレベルが達成されており、このまま堅調に進展すれば、２０１２年頃には記録密度１Ｔｂｉｔｓ／ｉｎｃｈ^２が実現されると予想されている。しかしながら、このような高い記録密度の実現は、垂直磁気記録方式を用いても、再び熱揺らぎの問題が顕在化するために容易ではないと考えられる。

この問題を解消し得る記録方式として「高周波磁界アシスト記録方式」が提案されている。高周波磁界アシスト記録方式では、記録信号周波数より十分に高い、磁気記録媒体の共鳴周波数付近の高周波磁界を局所的に印加する。この結果、磁気記録媒体が共鳴し、高周波磁界を印加された磁気記録媒体の保磁力Ｈｃは、元々の保磁力の半分以下となる。このため、記録磁界に高周波磁界を重畳することにより、より高い保磁力Ｈｃかつ高い磁気異方性エネルギーＫｕの磁気記録媒体への磁気記録が可能となる（例えば、特許文献１）。しかし、この特許文献１に開示された手法ではコイルにより高周波磁界を発生させており、高密度記録時に効率的に高周波磁界を印加することが困難であった。

そこで高周波磁界の発生手段として、スピントルク発振子を用いる方式が提案されている（例えば、特許文献２および３）。この特許文献２および３に開示された技術においては、スピントルク発振子は、スピン注入層と、非磁性層と、磁性層とを、一対の電極層で挟んだ構造を有している。一対の電極層を通じてスピントルク発振子に直流電流を通電すると、スピン注入層によって生じたスピントルクにより、磁性層の磁化が強磁性共鳴を生じる。その結果、スピントルク発振子から高周波磁界が発生することになる。

スピントルク発振子のサイズは数十ナノメートル程度であるため、発生する高周波磁界はスピントルク発振子の近傍の数十ナノメートル程度に局在する。さらに高周波磁界の面内成分（水平成分）により、垂直磁化した磁気記録媒体を効率的に共鳴させることが可能となり、磁気記録媒体の保磁力を大幅に低下させることが可能となる。この結果、主磁極による記録磁界と、スピントルク発振子による高周波磁界とが重畳した部分のみで高密度磁気記録が行われ、高保磁力Ｈｃかつ高磁気異方性エネルギーＫｕの磁気記録媒体を利用することが可能となる。このため、高密度記録時の熱揺らぎの問題を回避できる。
米国特許第６０１１６６４号明細書 米国特許出願公開第２００５／００２３９３８号明細書 米国特許出願公開第２００５／０２１９７７１号明細書

一般に、スピントルク発振子は、主磁極と磁気シールドで挟まれた位置に配置される。このような、主磁極と磁気シールドで挟まれた位置にスピントルク発振子が配置されるスピン反転タイプのスピントルク発振子においては、後述するように、スピントルク発振子の反転に０．３ナノ秒〜０．５ナノ秒の時間がかかる。いま３．５インチのハードディスクでは最高使用周波数が１ギガヘルツ程度であり、スピン反転に消費される時間は使用上大きな問題になる。

本発明は、上記事情を考慮してなされたものであって、スピントルク発振子の反転時間を可及的に短くすることのできる高周波アシスト記録用磁気ヘッドおよびこの磁気ヘッドを用いた磁気記録装置を提供することを目的とする。

本発明の第１の態様による高周波アシスト記録用磁気ヘッドは、主磁極と、前記主磁極と磁気回路を形成する磁気シールドと、前記主磁極と前記磁気シールドとの間に設けられ、第１および第２磁性層と、前記第１磁性層と前記第２磁性層との間に設けられる中間層とを有する積層体からなり、前記第１および第２磁性層間に電流を通電して前記第２磁性層から高周波磁界を発生するスピントルク発振子と、を備え、前記第１磁性層は、保持力が２００Ｏｅ以下の磁性材料で形成されており、前記第１磁性層の積層面に略面直方向の断面積が、前記第２磁性層の積層面に略面直方向の断面積の４倍以上であることを特徴とする。

また、本発明の第２の態様による高周波アシスト記録用磁気ヘッドは、主磁極と、前記主磁極と磁気回路を形成する磁気シールドと、前記主磁極と前記磁気シールドとの間に設けられ、第１および第２磁性層と、前記第１磁性層と前記第２磁性層との間に設けられる中間層とを有する積層体からなり、前記第１および第２磁性層間に電流を通電して前記第２磁性層から高周波磁界を発生するスピントルク発振子と、を備え、前記第１磁性層は、Ｃｏ、Ｎｉ、Ｆｅの内、少なくとも１つの元素を主成分とした磁性材料で形成されており、前記第１磁性層の積層面に略面直方向の断面積が、前記第２磁性層の積層面に略面直方向の断面積の４倍以上であることを特徴とする。

また、本発明の第３の態様による磁気記録装置は、磁気記録媒体と、第１または第２の態様による高周波アシスト記録用磁気ヘッドと、前記磁気記録媒体と前記磁気ヘッドとが浮上または接触の状態で対峙しながら相対的に移動するように制御する移動制御部と、前記磁気ヘッドを前記磁気記録媒体の所定記録位置に位置するように制御する位置制御部と、前記磁気ヘッドを用いて前記磁気記録媒体への書き込み信号および前記磁気記録媒体からの読み出し信号を処理する信号処理手段と、を備えることを特徴とする。

本発明によれば、スピントルク発振子の反転時間を可及的に短くすることができる。

本発明の実施形態を説明する前に、本発明に至った経緯について説明する。

一般に、スピントルク発振子を有する磁気ヘッドは媒体に対向する面に垂直に切断した断面で見た場合、例えば図１に示すような形態で実装される。すなわち、磁気ヘッド１は、基板５上に形成された再生部３０と、この再生部３０上に形成された記録部２０とを有し、基板５の面に垂直な方向の表面が、磁気記録媒体１００に対向する媒体対向面（以下、ＡＢＳ面ともいう）となっている。また、磁気記録媒体１００は、裏打ち層１０１上に垂直磁気記録層１０２が設けられた構成となっている。なお、図１は、磁気記録媒体１００の表面に略垂直な面で切断した磁気ヘッドの断面図である。

再生部３０は、再生素子３２と、この再生素子３２を挟みかつ再生素子３２と電気的に接続されて基板５に平行となるように形成された一対の電極３４ａ、３４ｂとを備えている。この一対の電極３４ａ、３４ｂには、再生素子２２に電流を流すための電源３８が接続される。

記録部２０は、主磁極（記録磁極）２２と、磁気シールド２４と、絶縁層２６と、主磁極２２を励磁する励磁コイル２８とを備えている。主磁極２２および磁気シールド２４は、ＡＢＳ面側においてはライトギャップｇ_ｗを空けて配置され、このライトギャップｇ_ｗにスピントルク発振子１０が設けられている。このスピントルク発振子１０は、主磁極２２および磁気シールド２４と電気的に接続されている。そして、ＡＢＳ面と反対側の端部には絶縁層２６が設けられており、この端部においては、主磁極２２と磁気シールド２４は電気的に絶縁されが、磁気的には接続されている。そして、主磁極２２と磁気シールド２４は、スピントルク発振子１０に電流を流すために、電源２９に電気的に接続される。

一般的に垂直磁気記録方式の磁気ヘッドにおいては、主磁極２２のトレーリング側（磁気記録媒体１００の進行方向側）に磁気シールド２４を配置するのが一般的である。しかし、後述するようにスピントルク発振子１０は主磁極２２の近傍に配置する必要がある。したがって、図１に示すように、スピントルク発振子１０は、主磁極２２と磁気シールド２４で挟まれたギャップｇ_ｗに挿入される。

次に、スピントルク発振子１０を主磁極２２の近傍に配置する必要性を述べる。まず、高周波磁界でアシストしない通常の垂直記録方式を、図２（ａ）乃至図２（ｅ）を参照して説明する。図２（ａ）、２（ｂ）は、磁気記録媒体１００の表面に略垂直な面で切断した磁気ヘッドの断面図である。図２（ａ）は図１のスピントルク発振素子１０を除いた記録部２０のみを模式的に示している。励磁コイル２８に電流を流すと、主磁極２２の磁化２３は例えば下向き(主磁極２２から磁気記録媒体１００に向かう方向)となる。また、このとき、主磁極２２からギャップｇ_ｗを通って磁気シールド２４に向かうギャップ磁界２５が生じる。そして、主磁極２２の直下の磁気記録媒体１００に、下向きに磁界の大きい部位が発生する。この内、磁気記録媒体１００の磁化１１０を反転させる、より大きな磁界部分１１２をライトバブルと呼ぶことにする。主磁極２２の媒体１００の移動方向の長さはおおよそ２００ｎｍ程度なので、ライトバブル１１２もほぼ２００ｎｍの大きさを持つ。励磁コイル２８の電流の流れる方向（極性）が変わらない間は、磁気記録媒体１００が移動していくと、磁気記録媒体１００のライトバブル１１２を通過した部分が主磁極２２の磁化２３と同じ方向に磁化される(図２（ｂ））。励磁コイル２８の極性が逆になると、ライトバブル１１２中の磁化１１０がそれ以前とは逆方向に磁化され、このとき始めてライトバブル１１２のトレーリング側に一つの記録パターン１１４が形成される（図２（ｃ））。励磁コイル２８の極性を反転させることで、ライトバブル１１２のトレーリング側に次々に記録パターン１１４が形成されていく（図２（ｄ）、２（ｅ））。

これに対して、スピントルク発振子１０をライトギャップｇ_ｗに挿入した磁気ヘッドの模式図を図３に示す。図３は、磁気記録媒体１００の表面に略垂直な面で切断した磁気ヘッドの断面図である。この図３では、説明を簡単にするために、スピントルク発振子１０は発振層１０ｂしか表示していない。発振層１０ｂの厚みは５ｎｍから３０ｎｍ程度がよく、そのために高周波アシスト磁界の広がりは２０ｎｍ程度に限られる。この大きさは主磁極２２の長さ２００ｎｍ程度に比べ一桁小さな大きさである。高周波アシスト記録は主磁極２２の磁界とアシスト磁界が重なった部分がライトバブル１１６になるため、１００ｎｍ〜３００ｎｍの長さの主磁極２２や５０ｎｍ〜１００ｎｍのライトギャップｇ_ｗの長さに比べ、ずっと近傍に配置する必要がある。高周波アシスト記録用のライトバブルができれば、後はライトバブルの大きさが異なるだけで記録の方式は前述の通常の垂直磁気記録方式と同様である。

図４にスピントルク発振子１０の詳細な構成を示す。図４は、媒体対向面から磁気ヘッドをみた平面図である。スピントルク発振子１０は、少なくとも発振層１０ｂ、非磁性層（中間層）１０ｃ、スピン注入層１０ｄを備えており、これらの層を挟むように電極１０ａ、１０ｅが設けられる。発振層１０ｂとスピン注入層１０ｄは磁性体である。通常、両磁性層１０ｂ、１０ｄに一軸異方性磁界Ｈｋを導入し、互いに磁化が平行、あるいは反平行になるように調整する。発振層１０ｂとスピン注入層１０ｄの磁化が平行な場合、電子１４を発振層１０ｂからスピン注入層１０ｄに向けて流す。そうすると、中間層１０ｃとスピン注入層１０ｄとの界面で、スピン注入層１０ｄの磁化と反対方向のスピンをもった電子が高い確率で反射される。この反射された電子１４は発振層１０ｂの磁化とも反対方向のスピンを持つため、発振層１０ｂの磁化と干渉し、発振層１０ｂの磁化を発振させる。この場合、スピン注入層１０ｄの磁化が動けば発振層１０ｂの発振が阻害されるため、通常、スピン注入層１０ｄの異方性磁界Ｈｋを大きくする等によって、スピン注入層１０ｄの磁化を安定化させる。

発振層１０ｂの発振周波数は有効磁界Ｈｅｆｆにγ（ジャイロ定数）を乗じた値に等しい。そして、有効磁界は下記の式で表される。
Ｈ_ｅｆｆ＝Ｈ_ｋ−Ｈｄ_ｏｓ＋Ｈｄ_ｉｎｊ±Ｈ_ｇａｐ （１）
ここで、Ｈｋは発振層１０ｂの異方性磁界の値、Ｈｄ_ｏｓとＨｄ_ｉｎｊはそれぞれ発振層１０ｂとスピン注入層１０ｄの反磁界の値、Ｈｇａｐはギャップ磁界２５の値である。図２で説明した記録過程からわかるように、主磁極２２の磁化２３の向き（すなわち、主磁極２２からの磁界２２ａの向き）が反転するに従い、ギャップ磁界２５も反転する（図５（ａ）、５（ｂ））。したがって、記録過程で２×Ｈｇａｐだけ有効磁界が変動することになる。Ｈｇａｐは５ｋＯｅ〜２０ｋＯｅ程度であり、Ｈｇａｐ以外の項の磁界の合計が４０ｋＯｅ〜５０ｋＯｅ程度になるため、２０％〜１００％程度、有効磁界が変動する。これは、高周波アシスト磁界の周波数が同程度、変動することになるので、発振層１０ｂの周波数を磁気記録媒体１００の共鳴周波数に合わせる高周波アシスト記録には致命的な変動となる。なお、図５（ａ）、５（ｂ）は、磁気記録媒体の表面に略垂直な面で切断した磁気ヘッドの断面図である。

これを回避する手段として、ピンフリップタイプのスピントルク発振子が知られている。このピンフリップタイプのスピントルク発振子１０は、スピン注入層１０ｄの保持力をギャップ磁界２５より小さく設定することで、ギャップ磁界２５が反転するとスピン注入層１０ｄも同時に反転するよう制御したスピントルク発振子である。このとき、発振層１０ｂの保持力をスピン注入層１０ｄより小さくすれば、発振層１０ｂが回転しやすくなる。このようにすると、図６（ａ）、６（ｂ）に示すように、ギャップ磁界２５の方向と、発振層１０ｂおよびスピン注入層１０ｄの磁化方向との相対関係は常に一定に保たれ、したがって有効磁界、つまり発振層１０ｂの共鳴周波数も保たれる。なお、図６（ａ）、６（ｂ）は、磁気記録媒体の表面に略垂直な面で切断した磁気ヘッドの断面図である。

しかし、ピンフリップタイプのスピントルク発振子１０には発振層１０ｂのスピンの反転時間の問題がある。図７（ａ）乃至図８（ｂ）に主磁極２２からの磁界２２ａが反転する前後の模式図を示す。なお、図７（ａ）乃至図８（ｂ）は、磁気記録媒体の表面に略垂直な面で切断した磁気ヘッドの断面図である。媒体にデータを記録するために記録ヘッドに印加する電流の極性が反転すると、まず、図７（ａ）から図７（ｂ）に示すように、主磁極２２の磁化２３が反転する。それと同時にスピントルク発振子１０に印加されるギャップ磁場２５が反転する。この反転には通常０．２ナノ秒〜０．５ナノ秒程度の時間がかかる。

次に、スピントルク発振子の反転が始まってこれにより図８（ａ）に示す状態になり、初めてスピントルク発振子１０は正常動作を始める（図８（ｂ））。図７（ｂ）に示す状態から図８（ａ）に示す状態になるまでに要する時間は０．５ナノ秒程度である。現在、３．５インチのハードディスクでは最高使用周波数が１ギガヘルツ程度であり、主磁極２２の反転のみでも問題になりつつある。したがって、高密度ハードディスクで使用する場合、スピン反転に消費される時間は使用上大きな問題になる。

そこで、本発明者達は、鋭意研究に努めた結果、下記のように考えた。

まず、スピン注入層１０ｄが硬磁性であること、すなわち保持力が高いことが反転時間の増加の一因であると考え、スピン注入層１０ｄの保持力を低くするために、スピン注入層１０ｄを実質的に軟磁性となるようする。この場合、シールドの軟磁性材料がスピン注入層より速やかに反転することから、シールド層程度の軟磁性性があること、すなわちシールド材料の保持力として２００Oe程度以下の材料が使われているので、実質的に軟磁性とは２００Oe程度以下の保持力を有することを意味する。また、シールド材料と同様の、Ｃｏ、Ｎｉ、Ｆｅの内、少なくともひとつの元素を主成分とする磁性体でスピン注入層を形成すると良い。

しかし、前述したようにスピン注入層１０ｄが安定していない場合、発振層１０ｂの発振が阻害されるので、スピン注入層１０ｄが実質的に軟磁性であってもスピン注入層１０ｄを安定化する方策が必要となる。スピン注入層１０ｄを反強磁性体や強磁性体等と強磁性結合させる方策は、スピン注入層１０ｄ自身の保持力を大きくすることと本質的に変わりなく、反転時間問題を解決することはできない。

一つの方策はスピン注入層１０ｄの断面積を発振層１０ｂに比べ大きくすることである。スピン注入層１０ｄが安定化しない原因の一つに、発振層１０ｂでスピン偏極した電子がスピン注入層１０ｄに流れ込み、この偏極した電子とスピン注入層１０ｄが相互作用することでスピン注入層１０ｄが発振することが挙げられる。スピン注入層１０ｄにおけるスピントルクに対する磁化の安定性は臨界電流密度Ｊｃで決まり、この臨界電流密度Ｊｃは次式で表せる。
Ｊｃ＝（Ｈｅｘ＋Ｈｋ−Ｈｄ）×α×ｅ×Ｍｓ×δ／（ｐ_ｏ×ｈ／（２π）） （２）
ここでＨｅｘは外部磁界、Ｈｋはスピン注入層１０ｄの一軸異方性磁界、Ｈｄはスピン注入層１０ｄの反磁界、Ｍｓはスピン注入層１０ｄの飽和磁化、αはダンピング定数、δはスピン注入層１０ｄの膜厚、ｅは素電荷、ｐ_ｏはポラリティ（(アップスピン電子密度-ダウンスピン電子密度）÷（トータル電子密度））、ｈはプランク定数である。臨界電流は２．０×１０^７〜１０．０×１０^７（Ａ・ｃｍ^２）であり、典型的な、Ｆｅ、Ｃｏを含む軟磁性体では２．５×１０^７（Ａ・ｃｍ^２）程度の値になる。

一方、発振層１０ｂが安定した発振を行うためには、より大きな電流密度が必要であって、５．０×１０^７〜３０．０×１０^７（Ａ・ｃｍ^２）程度の値になる。発振層１０ｂに使用する典型的な値として１０．０×１０^７（Ａ・ｃｍ^２）程度である。発振層１０ｂが安定に発振し、スピン注入層１０ｄの電流密度を臨界電流密度Ｊｃ以下に抑えるためには通常、一軸異方性磁界Ｈｋ、外部磁界Ｈｅｘを調整してスピン注入層１０ｄの臨界電流密度Ｊｃを大きくしている。今、発振層１０ｂとスピン注入層１０ｄの一軸異方性磁界Ｈｋ、外部磁界Ｈｅｘが同じ値の場合は、発振層１０ｂに比べてスピン注入層１０ｄの電流密度そのものを、前述の典型例では４倍以上小さくすれば良い。通常、発振層１０ｂとスピン注入層１０ｄは、図９（ａ）に示すように電流が流れる断面積が同じであるが、それを図９（ｂ）に示すようにスピン注入層１０ｄの断面積を発振層１０ｂの４倍以上にすれば良い。なお、図９（ａ）、９（ｂ）は、媒体対向面からみたスピントルク発振子の平面図である。

また、前述したように、スピン注入層１０ｄを硬磁性層（例えば、反強磁性層）等と強磁性結合させると反転時間が改善されないので、主磁極２２が反転した図７（ｂ）に示す状態ですでに反転が完了している、軟磁性材料からなる磁気シールド層２４と強磁性結合させれば、スピン注入層１０ｄの反転時間のロスは実質的に無視できる程度となり、スピントルク発振子１０の反転時間の大幅な改善となる。

以下に図面を参照して本発明の実施形態を詳細に説明する。

（第１実施形態）
本発明の第１実施形態による磁気ヘッドの概略の構成を図１０に示す。図１０は、本実施形態の磁気ヘッドを媒体対向面から見た平面図である。本実施形態の磁気ヘッドは、図１に示す磁気ヘッドのスピントルク発振子１０を図１０に示すスピントルク発振子１０Ａに置き換えた構成となっている。

このスピントルク発振子１０Ａは、電極１０ａと、発振層１０ｂと、中間層１０ｃと、スピン注入層１０ｄとがこの順序で積層された積層構造を備えている。電極１０ａは、発振層１０ｂと反対側の面が主磁極２２と接触している。スピン注入層１０ｄは、磁気シールド２４と強磁性結合をしている。本実施形態においては、電極１０ａ、発振層１０ｂ、および中間層１０ｃは、膜面が同じサイズを有しているが、スピン注入層１０ｄは、電極１０ａ、発振層１０ｂ、および中間層１０ｃよりも大きな膜面を有している。すなわち、スピン注入層１０ｄは、電極１０ａ、発振層１０ｂ、および中間層１０ｃの各層の膜面の面積よりも４倍以上広い面積の膜面を有している。例えば、スピン注入層１０ｄの幅Ｗｉｎｊは、発振層１０ｂの幅Ｗｏｓよりも、４倍以上広いように構成されている。なお、図１０の紙面に垂直な方向における、スピントルク発振子１０Ａの各層の長さは同じとする。

本実施形態に磁気ヘッドは、図１に示す場合と同様に、主磁極２２から磁気シールド２４に向かう方向がトレーリング方向となっている。そして、図１０中には示していないが、図１０において、上方にスライダ基板が設けられている。したがって、本実施形態の磁気ヘッドにおける成膜順序は、主磁極２２→電極１０ａ→発振層１０ｂ→中間層１０ｃ→スピン注入層１０ｄ→磁気シールド２４となる。

発振層１０ｂはＦｅ、Ｃｏ、Ｎｉ等の典型的な軟磁性金属元素の内の少なくとも１つの元素を含む層、または２つ以上の元素を含む合金の層、あるいはこれらの層の積層体とすると良い。膜厚は５ｎｍから２０ｎｍの範囲であることが好ましい。主磁極２２と発振層１０ｂとの間には電極１０ａとして導電率の良い金属材料が用いられる。この金属材料としては、主磁極２２からのスピントルク伝達を抑制するため、スピントルクが伝達しにくいＲｕ、Ｒｈ、Ｐｄ、ＩｒおよびＰｔ等の材料を用いても良い。また、発振層１０ｂとスピン注入層１０ｄとの間に設けられる中間層１０ｃとしては、逆にスピントルクの透過率が良い、Ｃｕ、Ａｇ、Ａｕ等の材料を用いることが好ましい。

スピン注入層１０ｄとしては、電流が広がり易いように低抵抗の高Ｂｓ材料が望ましい。前述したように電流密度が発振層１０ｂの２５％程度以下になるように幅方向のサイズＷｉｎｊが発振層１０ｂの幅Ｗｏｓの４倍以上にする。ただし、電流が広がって等価的に電流密度が発振層１０ｂのそれより小さくなるためには、電流が広がっているエリアの磁化が実質一体となって振動していることが好ましい。このため、スピン注入層１０ｄの交換結合長Ｌｅｘが長い材料を用いることが好ましいく、Ｃｏ、Ｎｉ、Ｆｅ等の軟磁性材料の合金が用いられる。交換結合長Ｌｅｘは材料の交換スティフネス定数の平方根に比例する量である。これらの軟磁性体の場合、交換結合長Ｌｅｘは５ｎｍ〜１５ｎｍ程度となり、この２倍程度の範囲で磁化が一体で振動していると考えられる。

磁化が一体となって振動するために、もう一つの施策として、スピントルクの受け渡しがなるべく長い距離で行われる材料を用いることが挙げられる。これはスピン拡散長λsとして知られる量で数ｎｍから１０ｎｍの値である。ＣｏＦｅにＢ等の元素を混入した合金（ＣｏＦｅＢ）においては、スピン拡散長λsは１０ｎｍ以上にもなる。

交換結合長Ｌｅｘが７ｎｍ程度、スピン拡散長λｓが１２ｎｍ程度として、スピン注入層１０ｄの磁化が一体で動くエリアの、発振層１０ｂの端からの長さは、Ｌｅｘ×２＋λs（＝２６ｎｍ）で見積もられる。発振層１０ｂの形状を一辺Ｗの正方形とすると、磁化が一体で動くスピン注入層１０ｄの断面積は（２６×２＋Ｗ）^２となり、前述のようにこの値がＷ^２の４倍より大きい必要がある。つまり、Ｗは５２ｎｍ以下という発振層１０ｂの大きさに制限がつく。この発振層１０ｂの幅はおおよそ５００Ｇｂｐｓｉ以上の記録密度に相当する。

更に本実施形態では、スピン注入層１０ｄと磁気シールド２４を直接接触させて、これらを強磁性的に結合させることで、さらにスピン注入層１０ｄの反転時間を改善している。このように軟磁性のスピン注入層１０ｄと、磁気シールド２４との強磁性結合により、スピン注入層１０ｄの反転時間のロスはほとんど無くなる。

また本実施形態では、スピン注入層１０ｄが磁気シールド２４の役割も兼用するようになり、ライトギャップｇ_ｗを２０ｎｍ以下にすることも可能となる。通常、スピン注入層１０ｄと、発振層１０ｂと、中間層１０ｃの合計の厚みを主磁極２２、磁気シールド２４間のライトギャップｇ_ｗに挿入するために４０ｎｍ程度以上のライトギャップが好まれるが、線記録密度の増加とともにライトンギャップも短くする必要があり、２０ｎｍ以下のギャップが可能になれば高密度化への可能性がさらに高くなる。

以上説明したように、本実施形態によれば、スピントルク発振子の反転時間を可及的に短くすることができる。

（第２実施形態）
次に、本発明の第２実施形態による磁気ヘッドの概略の構成を図１１に示す。図１１は、本実施形態の磁気ヘッドを媒体対向面から見た平面図である。

本実施形態の磁気ヘッドは、図１０に示す第１実施形態の磁気ヘッドにおいて、スピントルク発振子１０Ａをスピントルク発振子１０Ｂに置き換えた構成となっている。図１０に示す第１実施形態の磁気ヘッドにおいては、スピン注入層１０ｄと磁気シールド２４とは異なる材料で形成されていた。しかし、第２実施形態の磁気ヘッドにおいては、スピントルク発振子１０Ｂのスピン注入層１０ｄは、磁気シールド２４を同じ材料で形成されて、磁気シールド２４と一体となった構成となっている。すなわち、磁気シールド２４がスピン注入層１０ｄと兼用した構成となっている。この場合、交換結合長Ｌｅｘとスピン拡散長λsを考慮して、磁気シールド２４として、Ｃｏ、Ｆｅ、Ｎｉ等の軟磁性材料の合金、あるいはこれらの合金にＢ等の元素を添加した材料を用いることができる。

また、スピン注入層１０ｄを安定化するためにはスピン注入層１０ｄの断面積（磁化が一体で動いている領域の断面積）は発振層１０ｂの断面積の４倍以上必要である。しかし、本実施形態では、磁気シールド２４がスピン注入層１０ｄを兼用しているため、磁気シールド２４における、磁化が一体で動いている領域の断面積としては、図１１に示すように、中間層１０ｃから２０ｎｍ程度の深さの断面積を用いて設計すると良い。

本実施形態も、第１実施形態と同様に、スピントルク発振子の反転時間を可及的に短くすることができる。

（第３実施形態）
次に、本発明の第３実施形態による磁気ヘッドの概略の構成を図１２に示す。図１２は、本実施形態の磁気ヘッドを媒体対向面から見た平面図である。

本実施形態の磁気ヘッドは、図１０に示す第１実施形態の磁気ヘッドにおいて、スピントルク発振子１０Ａをスピントルク発振子１０Ｃに置き換えた構成となっている。このスピントルク発振子１０Ｃは、スピン注入層１０ｄおよび主磁極２２が同じ材料で、一体となって形成され、この主磁極２２と磁気シールド２４との間に、中間層１０ｃ、発振層１０ｂ、電極１０ａが、この順序で積層された構成となっている。この場合も、交換結合長Ｌｅｘとスピン拡散長λsを考慮して、主磁極２２として、Ｃｏ、Ｆｅ、Ｎｉ等の軟磁性材料の合金、あるいはこれらの合金にＢ等の元素を添加した材料を用いることができる。

また、スピン注入層１０ｄを安定化するためにはスピン注入層１０ｄの断面積（磁化が一体で動いている領域の断面積）は発振層１０ｂの断面積の４倍以上必要である。しかし、本実施形態では、主磁極２２がスピン注入層１０ｄを兼用しているため、主磁極２２における、磁化が一体で動いている領域の断面積としては、図１２に示すように、中間層１０ｃから２０ｎｍ程度の深さの断面積を用いて設計すると良い。

なお、本実施形態においては、主磁極２２からのスピントルク透過率を高め、磁気シールド２４からのスピントルク透過率を抑制するために、第１および第２実施形態と異なり、中間層１０ｃは発振層１０ｂに対して主磁極２２の側に配置され、電極１０ａは、発振層１０ｂに対して磁気ジールド２４側に配置されている。

本実施形態も、第１実施形態と同様に、スピントルク発振子の反転時間を可及的に短くすることができる。

なお、本実施形態においては、スピン注入層１０ｄおよび主磁極２２が同じ材料で、一体となって形成されているが、別の材料で形成されてもよい。この場合、スピン注入層１０ｄと主磁極２２とは強磁性結合することが好ましい。

（第４実施形態）
次に、本発明の第４実施形態による磁気記録装置について説明する。

上述した第１乃至第３実施形態のいずれかに記載の磁気ヘッドは、例えば、記録再生一体型の磁気ヘッドアセンブリに組み込まれ、磁気記録装置に搭載することができる。なお、本実施形態による磁気記録装置は、記録機能のみを有することもできるし、記録機能と再生機能の両方を有することもできる。

図１３は、本発明の第４実施形態による磁気記録装置の構成を例示する模式的斜視図である。図１３に示すように、本実施形態による磁気記録装置１５０は、ロータリーアクチュエータを用いた形式の装置である。同図において、記録用媒体ディスク１８０は、スピンドルモータ１５２に装着され、図示しない駆動装置制御部からの制御信号に応答する図示しないモータにより矢印Ａの方向に回転する。本実施形態に係る磁気記録装置１５０は、複数の記録用媒体ディスク１８０を備えたものとしても良い。

記録用媒体ディスク１８０に格納する情報の記録再生を行うヘッドスライダー１５３は、薄膜状のサスペンション１５４の先端に取り付けられている。ここで、ヘッドスライダー１５３は、例えば、前述した実施形態のいずれかによる磁気ヘッドをその先端付近に搭載している。

記録用媒体ディスク１８０が回転すると、ヘッドスライダー１５３の媒体対向面（ＡＢＳ）は、記録用媒体ディスク１８０の表面から所定の浮上量をもって保持される。なお、ヘッドスライダー１５３が記録用媒体ディスク１８０と接触するいわゆる「接触走行型」としても良い。

サスペンション１５４は、図示しない駆動コイルを保持するボビン部などを有するアクチュエータアーム１５５の一端に接続されている。アクチュエータアーム１５５の他端には、リニアモータの一種であるボイスコイルモータ１５６が設けられている。ボイスコイルモータ１５６は、アクチュエータアーム１５５のボビン部に巻き上げられた図示しない駆動コイルと、このコイルを挟み込むように対向して配置された永久磁石及び対向ヨークからなる磁気回路とから構成することができる。

アクチュエータアーム１５５は、軸受部１５７の上下２箇所に設けられた図示しないボールベアリングによって保持され、ボイスコイルモータ１５６により回転摺動が自在にできるようになっている。

図１４は、本実施形態に係る磁気記録装置の一部の構成を例示しており、アクチュエータアーム１５５から先の磁気ヘッドアセンブリ１６０をディスク側から眺めた拡大斜視図である。図１４に示したように、磁気ヘッドアセンブリ１６０は、軸受部１５７と、この軸受部１５７から延出したヘッドジンバルアセンブリ（以下、ＨＧＡと称する）１５８と、軸受部１５７からＨＧＡと反対方向に延出しているとともにボイスコイルモータのコイル１４７を支持した支持フレーム１４６を有している。ＨＧＡは、軸受部１５７から延出したアクチュエータアーム１５５と、アクチュエータアーム１５５から延出したサスペンション１５４と、を有する。

サスペンション１５４の先端には、既に説明した第１乃至第３実施形態のいずれかによる磁気ヘッドを具備するヘッドスライダー１５３が取り付けられている。

すなわち、本実施形態に係る磁気ヘッドアセンブリ１６０は、第１乃至第３実施形態のいずれかによる磁気ヘッドと、磁気ヘッドを一端に搭載するサスペンション１５４と、サスペンション１５４の他端に接続されたアクチュエータアーム１５５と、を備えている。

サスペンション１５４は信号の書き込み及び読み取り用のリード線（図示しない）を有し、このリード線とヘッドスライダー１５３に組み込まれた磁気記録ヘッドの各電極とが電気的に接続されている。また、図示しない電極パッドが、磁気ヘッドアセンブリ１６０に設けられる。本具体例においては、電極パッドは８個設けられる。すなわち、主磁極６１のコイル用の電極パッドが２つ、磁気再生素子７１用の電極パッドが２つ、ＤＦＨ（ダイナミックフライングハイト）用の電極パッドが２つ、スピントルク発振子１０用の電極パッドが２つ、設けられる。

そして、磁気記録ヘッドを用いて磁気記録媒体への信号の書き込みと読み出しを行う、図示しない信号処理部１９０が設けられる。信号処理部１９０は、例えば、図１３に示した磁気記録装置１５０の図面中の背面側に設けられる。信号処理部１９０の入出力線は、電極パッドに接続され、磁気記録ヘッドと電気的に結合される。

このように、本実施形態に係る磁気記録装置１５０は、磁気記録媒体と、第１乃至第３実施形態のいずれかによる磁気ヘッドと、磁気記録媒体と磁気ヘッドとを離間させ、または、接触させた状態で対峙させながら相対的に移動可能とした可動部と、磁気ヘッドを磁気記録媒体の所定記録位置に位置合せする位置制御部と、磁気ヘッドを用いて磁気記録媒体への信号の書き込みと読み出しを行う信号処理部と、を備える。すなわち、上記の磁気記録媒体として、記録用媒体ディスク１８０が用いられる。上記の可動部は、ヘッドスライダー１５３を含むことができる。また、上記の位置制御部は、磁気ヘッドアセンブリ１６０を含むことができる。

以上説明したように、本実施形態の磁気記録装置も、第１乃至第３実施形態のいずれかによる磁気ヘッドを備えているので、スピントルク発振子の反転時間を可及的に短くすることができる。

本発明の各実施形態による磁気ヘッドに用いることができる磁気記録媒体の第１具体例を図１５に示す。

本具体例の磁気記録媒体２０１は、非磁性体（あるいは空気）２８７により互いに分離された垂直配向した多粒子系の磁性ディスクリートトラック２８６を有する。この磁気記録媒体２０１がスピンドルモータ２０４により回転され、媒体走行方向に向けて移動する際に、ヘッドスライダー２０３に搭載された磁気ヘッド２０５により、記録磁化２８４を形成することができる。なお、ヘッドスライダー２０３はサスペンション２０２の先端に取り付けられている。このサスペンション２０２には、信号の書き込みおよび読み取り用のリード線を有し、これらのリード線とヘッドスライダー２０３に組み込まれた磁気ヘッド２０５の各電極とが電気的に接続される。

スピントルク発振子の記録トラック幅方向の幅（ＴＳ）を記録トラックの幅（ＴＷ）以上で、且つ記録トラックピッチ（ＴＰ）以下とすることによって、スピントルク発振子から発生する漏れ高周波磁界による隣接記録トラックの保磁力の低下を大幅に抑制することができる。このため、本具体例の磁気記録媒体２０１では、記録したい記録トラックのみを効果的に高周波磁界アシスト記録することができる。特に、高周波磁界は周波数が高くシールド効果がないため、トラック幅方向に設けたシールドで隣接記録トラックへの記録滲みを低減することが困難である。本発明の各実施形態による磁気ヘッドでは、図１５で示した磁気記録媒体２０１を用いた磁気記録再生装置により、隣接記録トラックのイレーズ問題を解決することができる。また、本具体例によれば、従来の磁気ヘッドでは書き込み不可能なＦｅＰｔやＳｍＣｏ等の高磁気異方性エネルギーＫ_ｕの媒体磁性材料を用いることによって、媒体磁性粒子のさらなる微細化（ナノメーター級のサイズ）が可能となり、記録トラック方向（ビット方向）においても、従来よりも遥かに線記録密度の高い磁気記録装置を実現することができる。

図１６に、本発明の各実施形態の磁気ヘッドに用いることができる磁気記録媒体の第２具体例を示す。すなわち、本具体例の磁気記録媒体２０１は、非磁性体２８７により分離された磁性ディスクリートビット２８８を有する。この磁気記録媒体２０１がスピンドルモータ２０４により回転され、媒体走行方向に向けて移動する際に、ヘッドスライダー２０３に搭載された磁気記録ヘッド２０５により、記録磁化を形成することができる。

この具体例においても、スピントルク発振子の記録トラック幅方向の幅（ＴＳ）を記録トラックの幅（ＴＷ）以上で、且つ記録トラックピッチ（ＴＰ）以下とすることによって、スピントルク発振子から発生する漏れ高周波磁界による隣接記録トラックの保磁力の低下を大幅に抑制することができるため、記録したい記録トラックのみを効果的に高周波磁界アシスト記録することができる。

スピントルク発振子を有する磁気ヘッドの断面図。 高周波磁界でアシストしない垂直記録方式を説明する断面図。 高周波磁界でアシストする垂直記録方式を説明する断面図。 スピントルク発振子の構成を示す平面図。 スピントルク発振子を用いて高周波アシスト記録する場合の問題点を説明する図。 ピンフリップタイプのスピントルク発振子を用いた高周波アシスト記録を説明する図。 ピンフリップタイプのスピントルク発振子を用いて高周波アシスト記録する場合の問題点を説明する図。 ピンフリップタイプのスピントルク発振子を用いて高周波アシスト記録する場合の問題点を説明する図。 本発明の一実施形態に係るスピントルク発振子を示す平面図。 第１実施形態による磁気ヘッドの概略の構成を示す平面図。 第２実施形態による磁気ヘッドの概略の構成を示す平面図。 第３実施形態による磁気ヘッドの概略の構成を示す平面図。 第４実施形態による磁気記録装置の概略の構成を示す斜視図。 ヘッドスライダーが搭載されるヘッドスタックアセンブリを示す斜視図。 磁気記録媒体の第１具体例を示す図。 磁気記録媒体の第２具体例を示す図。

符号の説明

１ 磁気ヘッド
５ 基板
１０ スピントルク発振子
１０ａ 電極
１０ｂ 発振層
１０ｃ 中間層（非磁性層）
１０ｄ スピン注入層
１０ｅ 電極
１０Ａ スピントルク発振子
１０Ｂ スピントルク発振子
１０Ｃ スピントルク発振子
２０ 記録部
２２ 主磁極（記録磁極）
２４ 磁気シールド
２６ 絶縁層
２８ 励磁コイル
３０ 再生部
３２ 再生素子
３４ａ 電極
３４ｂ 電極
１００ 磁気記録媒体
１０１ 裏打ち層
１０２ 磁気記録層

Claims (11)

1. 主磁極と、
   前記主磁極と磁気回路を形成する磁気シールドと、
   前記主磁極と前記磁気シールドとの間に設けられ、第１および第２磁性層と、前記第１磁性層と前記第２磁性層との間に設けられる中間層とを有する積層体からなり、前記第１および第２磁性層間に電流を通電して前記第２磁性層から高周波磁界を発生するスピントルク発振子と、
   を備え、
   前記第１磁性層は、保持力が２００Ｏｅ以下の磁性材料で形成されており、
   前記第１磁性層の積層面に略面直方向の断面積が、前記第２磁性層の積層面に略面直方向の断面積の４倍以上であることを特徴とする高周波アシスト記録用磁気ヘッド。
2. 主磁極と、
   前記主磁極と磁気回路を形成する磁気シールドと、
   前記主磁極と前記磁気シールドとの間に設けられ、第１および第２磁性層と、前記第１磁性層と前記第２磁性層との間に設けられる中間層とを有する積層体からなり、前記第１および第２磁性層間に電流を通電して前記第２磁性層から高周波磁界を発生するスピントルク発振子と、
   を備え、
   前記第１磁性層は、Ｃｏ、Ｎｉ、Ｆｅの内、少なくとも１つの元素を主成分とした磁性材料で形成されており、
   前記第１磁性層の積層面に略面直方向の断面積が、前記第２磁性層の積層面に略面直方向の断面積の４倍以上であることを特徴とする高周波アシスト記録用磁気ヘッド。
3. 前記第２磁性層は、前記第１磁性層に対して前記主磁極側に位置していることを特徴とする請求項１または２記載の高周波アシスト記録用磁気ヘッド。
4. 前記第２磁性層は、前記第１磁性層に対して前記磁気シールド側に位置していることを特徴とする請求項１または２記載の高周波アシスト記録用磁気ヘッド。
5. 前記第１磁性層は、前記磁気シールドと強磁性結合していることを特徴とする請求項１乃至３のいずれかに記載の高周波アシスト記録用磁気ヘッド。
6. 前記第１磁性層は、前記磁気シールドと同じ材料から形成されることを特徴とする請求項１乃至３のいずれかに記載の高周波アシスト記録用磁気ヘッド。
7. 前記第１磁性層は、前記主磁極と強磁性結合していることを特徴とする請求項１、２、または４のいずれかに記載の高周波アシスト記録用磁気ヘッド。
8. 前記第１磁性層は、前記主磁極と同じ材料から形成されることを特徴とする請求項１、２、または４のいずれかに記載の高周波アシスト記録用磁気ヘッド。
9. 磁気記録媒体と、
   請求項１乃至８いずれかに記載の高周波アシスト記録用磁気ヘッドと、
   前記磁気記録媒体と前記磁気ヘッドとが浮上または接触の状態で対峙しながら相対的に移動するように制御する移動制御部と、
   前記磁気ヘッドを前記磁気記録媒体の所定記録位置に位置するように制御する位置制御部と、
   前記磁気ヘッドを用いて前記磁気記録媒体への書き込み信号および前記磁気記録媒体からの読み出し信号を処理する信号処理手段と、
   を備えることを特徴とする磁気記録装置。
10. 前記磁気記録媒体は、隣接し合う記録トラック同士が非磁性部材を介して形成されたディスクリートトラック媒体であることを特徴とする請求項９記載の磁気記録装置。
11. 前記磁気記録媒体は、非磁性部材を介して孤立した記録磁性パターン部が規則的に配列形成されたディスクリートビット媒体であることを特徴とする請求項９記載の磁気記録装置。

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