JP2012014791A - 磁気記録ヘッド及び磁気記録装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 低いバイアス電圧で高いスピントルク発振を得ることができる磁気記録ヘッド及びそれを用いた磁気記録再生装置を提供する。
【解決手段】 実施形態に係る磁気記録ヘッドは、磁気記録媒体に記録磁界を発生させるための主磁極と、前記主磁極と対を成すリターンヨークと、前記主磁極と前記リターンヨークとの間に設けられ、スピン注入層、発振層、非磁性金属層およびスピンアシスト層がこの順に積層されたスピントルク発振子とを有し、前記非磁性金属層は、Ｃｕ、Ａｕ、Ａｇ、Ａｌ、Ｐｄ、Ｐｔ、ＯｓおよびＩｒから成る群から選択され、前記スピンアシスト層は、飽和磁束密度（Ｂｓ）、反磁界係数（Ｎ）およびギャップ磁界（Ｈｇ）が次式：Ｂｓ×Ｎ＞Ｈｇに示される関係を示す軟磁性層である。
【選択図】図１

Description

本発明の実施形態は、スピントルク発振子を用いた磁気記録ヘッドおよび磁気記録装置に関する。

従来の磁気記録ヘッドでは、発振層と、スペーサと、垂直磁気異方性層であるスピン注入層と、発振層に積層された垂直磁気異方性層とを有するスピントルク発振子が用いられている。このような磁気記録ヘッドでは、発振層を発振させるためのスピン注入が単層のスピン注入層のみによって行われるため、高周波磁界強度を高めようと発振層の磁気体積を大きくした場合、発振に必要なスピントルクが十分に得られない。

米国特許出願公開第２００８／０１３７２２４号 米国特許出願公開第２００８／００１９０４０号

従来のスピントルク発振子を用いた磁気記録ヘッドは、低いバイアス電圧では高いスピントルク発振を得ることができないという課題があった。

本発明の目的は、低いバイアス電圧で高いスピントルク発振を得ることができる磁気記録ヘッド及びそれを用いた磁気記録再生装置を提供することにある。

実施形態に係る磁気記録ヘッドは、磁気記録媒体に記録磁界を発生させるための主磁極と、前記主磁極と対を成すリターンヨークと、前記主磁極と前記リターンヨークとの間に設けられ、スピン注入層、発振層、非磁性金属層およびスピンアシスト層がこの順に積層されたスピントルク発振子とを有し、前記非磁性金属層は、Ｃｕ、Ａｕ、Ａｇ、Ａｌ、Ｐｄ、Ｐｔ、ＯｓおよびＩｒから成る群から選択され、前記スピンアシスト層は、飽和磁束密度（Ｂｓ）、反磁界係数（Ｎ）およびギャップ磁界（Ｈｇ）が次式に示される関係を示す軟磁性層である
Ｂｓ×Ｎ＞Ｈｇ
ことを特徴とする。

実施形態に係る磁気記録ヘッドを媒体対向面から見た図。 実施形態に係る磁気記録ヘッドを示す断面図。 別の実施形態に係る磁気記録ヘッドを媒体対向面から見た図。 実施形態に係る磁気記録装置を示す分解斜視図。 スペクトラムアナライザを用いた発振スペクトルの測定方法を示す図。 実施例および比較例の発振強度を示す図。

以下、実施の形態について図面を参照して説明する。

＜第１の実施形態＞
図１は、第１の実施形態に係る磁気記録ヘッド１００を媒体対向面から見た図である。主磁極１とリターンヨーク２との間にスピントルク発振子３が設けられている。スピントルク発振子３は、金属下地層３１、スピンアシスト層３２、非磁性金属層３３、発振層３４、中間層３５、スピン注入層３６および金属キャップ層３７がこの順に積層された構造となっている。金属下地層３１が主磁極１と接し、金属キャップ層３７がリターンヨーク２と接している。

図２は、第１の実施形態に係る磁気記録ヘッド１００を側面から見た図である。主磁極１とリターンヨーク２との間にスピントルク発振子３が設けられ、スピントルク発振子３は、図１と同様に各層が積層した構造となっている。磁気記録ヘッド１００の上部にはコイル４が巻きつけられている。磁気記録ヘッド１００は、磁気記録媒体２００上に配置されている。

磁気記録ヘッド１００において、コイル４は記録コイル電源に連結されている。記録コイル電源からコイル４に電流が流されると、主磁極１およびリターンヨーク２を磁路とする記録磁界が発生する。この記録磁界によって、磁気記録媒体２００における磁気記録の書き換えが行われる。また、主磁極１およびリターンヨーク２はスピントルク発振子電源に接続されており、主磁極１およびリターンヨーク２はそれぞれ電極としても機能する。スピントルク発振子電源から主磁極１およびリターンヨーク２に電流が流されると、図２に示されるようにスピントルク発振子３において膜面垂直方向に電流が流れ、発振層３４の磁化がスピントルクにより発振する。この発振によって、磁気記録媒体２００の保磁力が低下し、磁気記録の書き換えに必要な記録磁界強度が下がる。この発振周波数は、主磁極１とリターンヨーク２との間に生じるギャップ磁界が大きいほど高くなる。

スピンアシスト層３２は軟磁性層であり、膜面内方向に磁化されている。このため、スピンアシスト層３２は、発振層３４に対して膜面内方向の磁気モーメントを与える。これにより発振層３４における磁化の回転が促進され、高い発振強度が得られる。そのため、一定の発振強度を得るために要する電圧は下がる。

スピンアシスト層３２内における磁化の方向は、前記主磁極１とリターンヨーク２との間に生じる磁界（ギャップ磁界）の影響を受けても、膜面垂直方向に変化しない必要がある。したがって、スピンアシスト層３２において、膜面垂直方向の反磁界がギャップ磁界より大きい必要がある。すなわち、スピンアシスト層３２において、飽和磁束密度（Ｂｓ）、反磁界係数（Ｎ）およびギャップ磁界（Ｈｇ）について、次式に示される関係が成り立つ。
Ｂｓ×Ｎ＞Ｈｇ。

上記式に示されるとおり、スピンアシスト層３２において、飽和磁束密度Ｂｓが大きいことが好ましい。好ましくは、スピンアシスト層３２の材料として飽和磁束密度Ｂｓが大きいものが選択される。ギャップ磁界は最大で２０ｋＯｅに達するため、スピンアシスト層の飽和磁束密度Ｂｓは２Ｔ以上であることが好ましい。スピンアシスト層３２の材料としては強磁性金属を使用することができ、例えば、Ｆｅ、ＣｏもしくはＮｉ、またはＦｅ、ＣｏおよびＮｉの何れかを組み合わせた合金を使用することができる。好ましくは、Ｆｅ_ｘＣｏ_１−ｘ合金（ｘは０．２５以上）が使用される。

上記式に示されるとおり、スピンアシスト層３２において、反磁界係数Ｎが大きいことが好ましい。反磁界係数Ｎは、スピンアシスト層３２の膜厚と逆相関し、膜面サイズと相関する。したがって、スピンアシスト層３２の形状を適宜設定して、反磁界係数Ｎを大きくすることができる。大きな反磁界係数Ｎを達成するためには、スピンアシスト層３２の膜厚が可能な限り薄いほうがよい。しかし、薄くなりすぎると結晶性が乱れて磁化が低下し、スピントルクの効果も低下する。結晶性を保つためには、厚さを０．５ｎｍ以上とすることが好ましく、１ｎｍ以上とすることがより好ましい。一方、膜厚が厚すぎると、発振層３４から発生する高周波磁界が打ち消される。したがって、スピンアシスト層３２の膜厚は、発振層３４の膜厚よりも薄いことが好ましい。例えば、スピンアシスト層３２の膜面サイズに対する膜厚の割合を１０分の１以下にすると、反磁界係数Ｎは近似的に１になる。この場合、ギャップ磁界Ｈｇよりも大きい飽和磁束密度Ｂｓを示す材料を選択することで、上記式の関係を達成することができる。

非磁性金属層３３は、発振層３４にスピントルクを伝達する役割を担う。そのためスピン伝達に適した金属が使用される。具体的には、Ｃｕ、Ａｕ、Ａｇ、Ａｌ、Ｐｄ、Ｐｔ、ＯｓおよびＩｒから成る群から選択される少なくとも１つの金属が使用される。非磁性金属層３３は２から１０ｎｍの膜厚とされる。

主磁極１は、Ｆｅ、ＣｏおよびＮｉから成る群から選択される金属の合金とすることができる。主磁極１は、磁気記録媒体側に位置する部分がデータトラック幅程度の幅にパターニングされていてもよい。これによって、データトラック幅に応じた領域に磁界を集中できる。

リターンヨーク２は、主磁極２に対向して配置される。リターンヨーク２は、主磁極２から磁気記録媒体へと向かった磁界を磁気記録ヘッドに戻すことで、磁路を閉じる役割を有する。

発振層３４は、スピントルクによる磁化の回転によって、高周波磁界を発生する。大きな高周波磁界を発生するためには、発振層３４の磁化と膜厚との積（磁気体積）が大きいことが好ましい。発振層３４としては、Ｆｅ、ＣｏおよびＮｉから成る群から選択される金属磁性体またはそれらの何れかを組み合わせた合金を使用することができる。特に、Ｆｅ−Ｃｏ合金を１０−２０ｎｍの厚さで使用することが好ましい。また、Ｆｅ、ＣｏおよびＮｉ等の合金に非磁性元素を添加したものを使用してもよい。非磁性元素が添加されている発振層３１の材料としては、ＦｅＣｏＭｎＳｉ、ＦｅＣｏＡｌＳｉ等のホイスラー合金を用いることが出来る。ホイスラー合金はスピン分極率が非常に高く、スピントルク発振の駆動電流を低減するのに有効である。発振層３１は２層以上の磁性層から構成されていてもよい。具体的には、ホイスラー合金を中間層３３側界面に形成し、さらにＦｅＣｏ合金を中間層３３とは反対側に形成することで、十分な磁気体積と良好なスピントルク駆動電圧の低減を両立できる。

スピン注入層３６は、垂直磁気異方性を持つ金属磁性体から成る。具体的には、ＣｏＰｔ合金、ＣｏＰｄ合金、Ｃｏ／Ｐｔ人工格子、Ｃｏ／Ｐｄ人工格子、Ｃｏ／Ｎｉ人工格子、Ｃｏ／Ｆｅ人工格子等を用いることができる。また、スピン注入層３２は、垂直磁気異方性膜のみで形成されていなくてもよい。具体的には、最終的に垂直磁気異方性が保たれる範囲内であれば、軟磁性層との積層により構成されてもよい。前記垂直磁気異方性膜はスピン分極率の点では、軟磁性ＦｅＣｏ合金や、ホイスラー合金と比べて不利であるため、スピン注入層３２の中間層３３側界面に軟磁性ＦｅＣｏ合金や、ホイスラー合金を形成することで、垂直磁気方性と良好なスピントルク駆動電圧の低減を両立できる。磁気記録ヘッド１００を駆動する際、ギャップ磁界の方向が記録磁界の方向と連動して切り替わる。したがって、スピン注入層３６が安定したスピン注入効果を発揮するために、スピン注入層３６は、ギャップ磁化の方向に追随して磁界の向きを変える必要がある。そのため、スピン注入層３６の磁気異方性は、ギャップ磁界よりも小さい必要がある。

金属下地層３１はスピンアシスト層３２の下地として形成される。金属下地層３１としては、Ｔａ／Ｒｕ、Ｔａ／Ｃｕなどの積層構造、またはＮｉ−Ｆｅ−Ｃｒ合金等を用いることができる。主磁極１が下部電極としての機能する場合、金属下地層３１はスピンアシスト層３２と主磁極１とを電気的に接続する役割を担う。金属下地層３１は省略してもよい。

中間層３５としては、非磁性金属層３３と同様の材料を使用することができる。中間層３５は省略してもよい。

金属キャップ層３７は、スピン注入層３６と上部電極とを電気的に接続する役割を担う。金属キャップ層３７としては、金属材料を使用することができる。リターンヨーク２が上部電極を兼ねる場合、スピン注入層３６とリターンヨーク２とを電気的に接続する役割を担う。金属キャップ層３７は省略してもよい。

コイル４は、主磁極２およびリターンヨーク３を通る磁路の一部に巻きつけられる。コイルとしては導電性の高い金属材料を用いることができる。

＜第２の実施形態＞
図３は、第２の実施形態に係る磁気記録ヘッド１００を媒体対向面から見た図である。第２の実施形態は、スピントルク発振子３の積層の順番が第１の実施形態と異なる。すなわち、第２の実施形態では、スピントルク発振子３が、金属下地層３１、スピン注入層３６、中間層３５、発振層３４、非磁性金属層３３、スピンアシスト層３２および金属キャップ層３７がこの順に積層された構造となっている。第１の実施形態と同様に、スピンアシスト層３２が発振層３４における磁化の回転を促進するため、高い発振強度が得られる。第２の実施形態における各構成要素の材料および条件は、第１の実施形態のそれらと共通する。

＜磁気記録媒体について＞
実施形態に係る磁気記録装置において使用される磁気記録媒体に特別な限定はなく、任意のものを使用できる。例えば、基板の上に、軟磁性層、非磁性層、記録層および保護膜層が順に積層された磁気記録媒体を使用することができる。この場合、良好な垂直磁気記録が達成できる。また、特に記録層を面方向に特定のパターンを形成したパターンドメディア（ＤＴＲ媒体、ＢＰＭ等）を使用することもできる。

＜磁気記録装置について＞
図４は、実施形態に係る磁気記録ヘッドを搭載した磁気記録装置１５０を示す斜視図である。

図４に示すように、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。磁気記録媒体２００は、スピンドルモータ１４０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。磁気記録装置１５０は、複数の磁気記録媒体２００を備えたものでもよい。

磁気記録媒体２００に対して情報の記録再生を行うヘッドスライダー１３０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。ヘッドスライダー１３０の先端付近には実施形態に係る磁気記録ヘッドが設けられている。磁気記録媒体２００が回転すると、サスペンション１５４による押付け圧力とヘッドスライダー１３０の媒体対向面（ＡＢＳ）で発生する浮力とがつりあい、ヘッドスライダー１３０の媒体対向面は、磁気記録媒体２００の表面から所定の浮上量をもって保持される。

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、ピボット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。その結果、磁気ヘッドを磁気記録媒体２００の任意の位置にアクセスできる。

実施形態に係る磁気記録ヘッドおよび従来の磁気記録ヘッドを作製し、それらの発振スペクトルを測定した。

実施例として、第１の実施形態に係る磁気記録ヘッド（図１）を作製した。主磁極１に対して、以下の層を順に積層した。
金属下地層３１ ３ｎｍ Ｔａ／５ｎｍ Ｒｕ
スピンアシスト層３２ ２ｎｍ Ｆｅ_５０Ｃｏ_５０
非磁性金属層３３ ２ｎｍ Ｃｕ
発振層３４ １５ｎｍ Ｆｅ_５０Ｃｏ_５０
中間層３５ ２ｎｍ Ｃｕ
スピン注入層３６ （０．２ｎｍ Ｃｏ／０．６ｎｍ Ｎｉ）１５回積層
金属キャップ層３７ ２ｎｍ Ｔａ
積層後、膜面が５０ｎｍ角の大きさとなるようにパターニングすることで、スピントルク発振子３を形成した。さらに、主磁極１の幅とスピントルク発振子３の幅とが同一の５０ｎｍとなるように加工した。

比較例として、スピンアシスト層３２および非磁性金属層３３を設けない磁気記録ヘッドを作製した。主磁極１に対して、以下の層を順に積層した。
金属下地層３１ ３ｎｍ Ｔａ／５ｎｍ Ｒｕ
発振層３４ １５ｎｍ Ｆｅ_５０Ｃｏ_５０
中間層３５ ２ｎｍ Ｃｕ
スピン注入層３６ （０．２ｎｍ Ｃｏ／０．６ｎｍ Ｎｉ）１５回積層
金属キャップ層３７ ２ｎｍ Ｔａ
スピンアシスト層３２および非磁性金属層３３を設けないこと以外は、実施例と同様に作製した。したがって、主磁極１の幅とスピントルク発振子３の幅とは同一の５０ｎｍとした。

その後、図５に示されるように、これらの磁気記録ヘッドの発振スペクトルを、スペクトラムアナライザ３００を用いて測定した。図５ａには、スペクトラムアナライザ３００による測定の概念図が示される。磁気記録ヘッド１００に対してスピントルク発振子電源４００および記録コイル電源５００が接続されている。スピントルク発振子電源４００はスピントルク発振子３を発振させるための電流を供給し、記録コイル電源５００は記録磁界を発生させるための電流を供給する。スペクトラムアナライザ３００は、スピントルク発振子電源４００および磁気記録ヘッド１００を含む回路に接続されている。スピントルク発振子３における発振によって、磁気記録ヘッド１００とスピントルク発振子電源４００とを含む回路において抵抗の変化が生じ、その変化がスペクトルアナライザ３００によって記録される。図５ｂには、より具体的な構成が示される。スピントルク発振子電源４００の両極はそれぞれ主磁極１およびリターンヨーク２に接続されている。記録コイル電源５００はコイル４の両端部に接続されている。スペクトラムアナライザ３００の両極は、一方がスピントルク発振子電源４００と主磁極１とのラインに接続され、他方がスピントルク発振子電源４００とリターンヨーク２とのラインに接続されている。

それぞれの磁気記録ヘッドのコイル４に対して４０ｍＡの電流を流し、同時にスピントルク発振子３に対してバイアス電圧を印加した。スピントルク発振子３の磁気抵抗効果に起因する出力を増幅して、スペクトラムアナライザ３００により発振スペクトルを観察した。

図６ａは、実施例についての測定結果である。スピントルク発振子３に対するバイアス電圧を増大させるにつれて、２０ＧＨｚ近傍に鋭いピークが観察できた。必要となる発振周波数は、磁気記録媒体の磁気特性に依存するが、磁気異方性が１３ｋＯｅである磁気記録媒体を使用する場合、２０ＧＨｚ程度の周波数が好ましい。実施例に係る磁気記録ヘッド１００は、これに適した周波数を示した。この周波数が得られる最適な印加電圧は８０ｍＶであり、発振ピークの最大値もこの電圧にて得られた。

図６ｂは、比較例についての測定結果である。実施例と同様に２０ＧＨｚ近傍にピークが観察されたが、最大の振幅を得るためのバイアス電圧が非常に大きくなった。これは、長期の信頼性を悪化させるほどの負荷であった。

本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。

１…主磁極、２…リターンヨーク、３…スピントルク発振子、３１…金属下地層、３２…スピンアシスト層、３３…非磁性金属層、３４…発振層、３５…中間層、３６…スピン注入層、３７…金属キャップ層、４…コイル、１３０…ヘッドスライダー、１４０…スピンドルモータ、１５０…磁気記録装置、１５４…サスペンション、１５５…アクチュエータアーム、１５６…ボイスコイルモータ、１５７…ピボット、２００…磁気記録媒体、３００…スペクトラムアナライザ、４００…スピントルク発振子電源、５００…記録コイル電源。

Claims (4)

1. 磁気記録媒体に記録磁界を発生させるための主磁極と、
   前記主磁極と対を成すリターンヨークと、
   前記主磁極と前記リターンヨークとの間に設けられ、スピン注入層、発振層、非磁性金属層およびスピンアシスト層がこの順に積層されたスピントルク発振子と
   を有する磁気記録ヘッドであって、
   前記非磁性金属層は、Ｃｕ、Ａｕ、Ａｇ、Ａｌ、Ｐｄ、Ｐｔ、ＯｓおよびＩｒから成る群から選択され、
   前記スピンアシスト層は、飽和磁束密度（Ｂｓ）、反磁界係数（Ｎ）およびギャップ磁界（Ｈｇ）が次式に示される関係を示す軟磁性層である
   Ｂｓ×Ｎ＞Ｈｇ
   磁気記録ヘッド。
2. 前記スピンアシスト層が、０．５ｎｍ以上であり且つ前記発振層よりも薄い厚さを有する請求項１に記載の磁気記録ヘッド。
3. 前記スピンアシスト層が、Ｆｅ、ＣｏもしくはＮｉまたはそれらの何れかの組み合わせから成る合金が９０％以上を占める組成を有する請求項１に記載の磁気記録ヘッド。
4. 垂直磁気記録媒体と、請求項１に記載の磁気記録ヘッドとを含む磁気記録再生装置。

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