JP2014010880A - データ記憶装置、磁気書込要素、および方法 - Google Patents

Abstract

【課題】磁気プログラミングの向上が可能な磁気ヘッド構成を提供する。
【解決手段】書込磁極は極低温の基板温度にて所定の第１の粒径に調節される。また磁気シールド１９４は極低温の基板温度にて所定の第２の粒径に調節される。
【選択図】図４

Description

概要
本開示のさまざまな実施態様は一般的に、データ記録の向上が可能である磁気要素に向けられる。

さまざまな実施態様に従うと、磁気書込要素は少なくとも、極低温の基板温度にて所定の第１の粒径に調節される書込磁極を有し得る。極低温の基板温度にて調節される所定の第２の粒径を有する磁気シールドが形成され得る。

データ記憶装置の例示的な部分のブロック図である。 図１に示されるデータ記憶装置の部分において用いられることが可能である例示的な磁気要素の断面図を一般的に示す図である。 例示的な磁気書込要素の例示的なブロック図を示す図である。 例示的な磁気要素の部分のプロファイルを示す図である。 さまざまな実施態様に従って構成および動作される磁気要素に一般的に関連付けられる性能データをプロットした図である。 さまざまな実施態様に従って構成および動作される磁気要素のさまざまな動作特性をグラフにて示す図である。 本発明のさまざまな実施態様に従って実行される磁気要素作製ルーチンのフローチャートを提供する図である。

詳細な説明
データ容量がより多く、転送速度がより高く、かつ信頼度がより高いデータ記憶装置に向かって産業が進歩するに従って、製品設計は、データ記憶媒体からのデータアクセス速度を増加させつつデータビットのサイズを低減することに集中している。このような極めて小さい動作環境を正確なタイミングウィンドウと組み合わせると、さまざまなデータ読込および書込要素の磁気挙動がさらに重要視され得ることになる。たとえば、データビットがプログラムされた後で残余磁束が存在する場合、電力が与えられていない磁気書込機が、データビットを意図せず消去する束を発するので、書込後消去（erase after write；ＥＡＷ）状態が起こり得る。

低減された動作環境はさらに、データ感知要素のさまざまな磁気層のための高温アニールの使用に対応し得る。これは、下に存在するシールド層において異常な粒成長を作り出し得るとともに、磁気シールド材料の軟磁気特性を劣化し得る。したがって、ＥＡＷが制御されるデータ書込要素と、アニールに対する熱安定性が増加した磁気シールド層とに対して、産業上の要求が増加している。

したがって、磁気書込要素は少なくとも、極低温の基板温度にて所定の第１の粒径に調節される書込磁極を有するよう構成され得る。基板温度を制御することによって書込磁極の粒径を調節することができることにより、フォームファクタが低減したデータ記憶装置に相応する性能を示す書込要素の構造が可能になり得る。上記の性能としては、約８エルステッドの低い磁化容易軸保磁力、１エルステッド未満の磁化困難軸保磁力、および約２３エルステッドの一軸異方性がある。さらに、所定の粒径を有する書込磁極を構成することにより、書込磁極の先端での磁化のより早い緩和を通じてＥＡＷが改善され得る。

さまざまな実施態様に従った磁気要素の構成は、シールド材料の熱安定性を増加させつつＥＡＷを低減するよう書込磁極材料の磁気特性を改善し得る。５０Ｋといった極低温まで冷却された基板上に薄膜を配置することにより、配置された原子の移動度が大きく低減されるスパッタリングプロセスの適合が可能になる。このような適合は、表面およびバルク拡散を抑制し得るとともに、小さい粒が結合してより大きな粒を形成するのを防止し得る。高いスパッタリング速度と組み合わせると、配置された原子が移動して粒成長を補助し得る前に、配置された原子を埋めることにより、配置された原子の表面拡散がさらに抑制され得る。その結果、ナノ結晶粒として特徴づけられ得る小さな粒が、層同士の間の表面粗さ／干渉粗さ（surface/interference roughness）を低減するとともに磁気薄膜の軟磁気特性を向上させる助けとなり得る。さらに、当該小さい粒および早い配置によって、粒成長を妨げ得るとともに高温アニールの間の薄膜の熱安定性を向上させ得るより多くの結晶粒界および欠陥が導入され得る。

ＥＡＷ状態は様々なデータ記憶環境において発生し得るが、図１は一般的に、データ記憶装置の例示的なデータ変換部分１００を示す。変換部分１００は、本発明のさまざまな実施態様が有利に実施され得る環境にあるのが示される。しかしながら、この開示のさまざまな実施態様はこのような環境によって限定されず、さまざまな意図しない磁束発生条件を緩和するよう実施され得るということが理解されるであろう。

変換部分１００は、作動アセンブリ１０２を有する。作動アセンブリ１０２は、磁気記憶媒体１０８上に存在するプログラムされたデータビット１０６の上に変換ヘッド１０４を位置決めする。記憶媒体１０８は、スピンドルモータ１１０に取り付けられる。スピンドルモータ１１０は、使用時には回転して空気軸受面（ＡＢＳ）１１２を作り出す。空気軸受面（ＡＢＳ）１１２上では、作動アセンブリ１０２のスライダ部分１１４が、変換ヘッド１０４を含むヘッドジンバルアセンブリ（ＨＧＡ）１１６を媒体１０８の所望の部分上に位置決めするよう浮動する。

変換ヘッド１０４は、それぞれ記憶媒体１０８にデータをプログラムおよび記憶媒体１０８からデータを読み出すよう動作する、磁気書込機および磁気的に応答する読取機といった１つ以上の変換要素を含み得る。これにより、作動アセンブリ１０２の制御された運動により、当該変換器が、データを書き込み、読み込み、および再書き込みするよう、記憶媒体の表面上に規定されるデータトラック（図示せず）と整列する。

図２は、図１の作動アセンブリにおいて用いられることが可能である変換ヘッド１２０の実施態様の断面ブロック図を示す。ヘッド１２０は磁気読取機１２２および書込機１２４といった１つ以上の磁気要素を有し得る。当該磁気要素は、個々にまたは同時に動作して、データを図１の媒体１０８といった隣接する記憶媒体に書き込んだり、またはデータを上記記憶媒体から抽出したりし得る。磁気要素１２２および１２４の各々は、それぞれの磁気要素１２２および１２４によってデータビットが感知およびプログラムされる対応するデータ媒体の所定のデータトラック１２６を規定するよう作用するさまざまなシールドから構成される。

磁気読取要素１２２は、示されるように、底部シールド１３２および上部シールド１３４との間に位置する磁気抵抗層１３０を有する。また、書込要素１２４は、書込磁極１３６と、所望の磁気方位を上記隣接する記憶媒体に与えるよう書込回路を形成する少なくとも１つの戻り磁極１３８とを有する。いくつかの実施態様では、隣接するデータ媒体に垂直にデータを書き込む書込要素１２４が用いられるが、これに限定されない。このような垂直な記録によって、より密にパックされたデータビットが可能になり得るが、複数のデータビットが残余磁束によって同時に影響を受け得るのでＥＡＷの影響も増加し得る。

別の非限定的な実施態様では、書込要素１２４は、非磁性スペーサ層１４０に接触して隣接するよう位置決めされる少なくとも２つの戻り磁極１３８と、空気軸受面（ＡＢＳ）シールド１４２とを含み得る。書込要素１２４はさらに、１つまたは多くの個々のワイヤであり得るコイル１４４と、書込磁極１３６に取り付けられるヨーク１４６とを含んでもよい。ヨーク１４６は、コイル１４４と一緒に動作して、書込磁極１３６から伝導ビア１４８を通って進み戻り磁極１３８にて終息する磁束を与える。なおヘッド１２０のさまざまな局面は、ヘッドの運動に依存して、Ｙ軸に沿って、アップトラックまたはダウントラックのいずれかとして特徴づけられ得る。

図３は、データ記憶装置のデータ書込部分１６０のブロック図を示す図であって、データ記憶媒体１６６を介した書込磁極１６２と戻り磁極１６４との間の相互作用を一般的に示す図である。動作中において、データ書込部分１６０は、磁気経路１６８が書込磁極１６２から媒体１６６を通って戻り磁極１６４まで流れるかまたはその反対になるように、データ記憶媒体１６６に関連して位置決めされ得る。書込磁極１６２は、ＡＢＳでの本体距離１７２から先端距離１７４まで磁極幅の低減部に対応する磁極先端部１７０を有するよう構成され得る。このような形状の磁極先端部１７０は、磁束放射および磁気経路１６８のサイズを媒体１６６上に集中させ得る。書込磁極１６２のこのテーパされた幅先端部１７０に類似して、戻り磁極１６４は、変動する幅を有するよう構成され得るか、または示されるように均一の戻り幅１７６を有するよう構成され得る。

書込磁極１６２および戻り磁極１６４の構成にかかわらず、データ書込部分１６０は、磁気経路１６８がデータ記憶媒体１６６の複数の層に関与するように調節され得る。データ記憶媒体１６６の当該さまざまな層の数、タイプ、および構成は限定されないが、図３は、第１の中間層１８０および第２の中間層１８２ならびに記録層１８４の下に積層される軟磁気下層１７８を示す。磁気経路１６８が、書込磁極１６２からＡＢＳを横断して軟磁気下層１７８を通って戻り磁極１６４までまたはその反対の回路を完成するので、図３に示される層構成によってデータビットの垂直記録が可能になり得る。

書込磁極１６２および戻り磁極１６４がデータ記憶媒体１６６のさまざまな層に関与する速度および精度は、媒体１６６の最大データビット密度と一致し得る。データビットをより小さくするとともに媒体１６６が現代のデータ記憶装置における増加した速度でスピンするので、磁化を変化させる書込磁極１６２および戻り磁極１６４の能力はより高い面ビット密度への難所となる。したがって、書込磁極１６２および戻り磁極１６４を所定の粒径まで調節することにより、磁化がより容易に変更するとともにデータ書込速度が増加することを可能にし得る。

図４は、製造時にさまざまな実施態様に従って調節された際の書込または読取要素１９０の部分を提供する図である。書込または読取要素１９０は、任意の数および任意のタイプの層を有するよう、スパッタリングおよび蒸着といったさまざまな非限定的な態様で構成され得る。図４に示される実施態様では、基板１９２は、底部磁気シールド１９４と、磁気的活性構造１９６と、上部磁気シールド層１９８とが形成される基礎部を提供する。活性磁気構造１９６は、さまざまな実施態様において、磁気抵抗読取機スタックまたは書込磁極であってもよい。

データ記憶媒体上のデータトラックの数がより多ければ、磁界に対して透磁性が高くなるように書込磁極１９６を形成するとともに軟磁気特性を有する低減された幅を有することができることによって、増加した面密度のデータ装置において正確なデータ書込みが可能になる。さらに、書込磁極１９６の粒径を制御することによって幅および磁気特性を調節することができることにより、書込磁極１９６がコア構造へのラミネーションまたはドーピングのない純粋な機構となることが可能となり、これにより作製が簡素化されるとともにより正確な構成が提供される。

さまざまな実施態様では、基板１９２の温度を配置の間に制御することにより、活性磁気構造１９６の下の底部シールド層１９４が所定の粒径に調節される。すなわち、磁気シールド１９４は、基板１９２が５０Ｋといった第１の温度に維持された状態で配置され得、その後、活性磁気構造が、基板が５０Ｋといった第２の温度で維持された状態で配置される。このような基板温度の操作により、粒径を制御することができるとともに、磁気抵抗読取機スタック、書込機磁極、およびシールド材料における磁気に影響を与えることができる。

基板温度の操作はさらに、さまざまなデータ書込または読取要素１９０の層について異なる粒径を形成するよう、いくつかの実施態様において用いられてもよい。たとえば、磁気シールド１９４および１９８ならびに磁気的活性構造１９６は、基板１９２が室温よりも低い温度である異なる極低温に維持された状態で配置されたことに少なくとも部分的によって、それぞれ異なる粒径を有し得る。しかしながら、データ要素１９０のすべての層が、基板１９２が室温を下回る温度で維持された状態で配置されなければならないわけではない。すなわち、基板温度は、変動し得るとともに、いくつかの層については室温または室温を上回る温度であり得るとともに、他の層については極低温であり得る。なお、さまざまなデータ要素１９０の層は図４に示されるサイズおよび方位に限定されず、各層は、特有または共通の材料から形成され得る。この材料としては、磁気シールド１９４および１９８についてはＮｉＦｅ、書込磁極のための磁気的活性構造１９６についてはＦｅＣｏがあるが、これらに限定されない。

データ要素１９０の作製の間に極低温の基板温度を使用することは、さまざまなデータ要素１９０の層を極低温の基板温度から室温にアニールすることにより、少なくとも磁気的活性構造１９６について、粒径の低減および軟磁気特性に対応し得る。磁気的活性構造１９６を室温まで温めることにより、データ要素１９０の移動または加熱要素の使用なしで、粒形成を簡素かつ効率的に行うことができるということが理解され得る。しかしながら、いくつかの実施態様では、データ要素１９０が自然に室温へと上昇され、次いで、磁気シールドの所定の粒径が異常な粒成長なしに許容し得る、室温を上回るよう上昇した温度でさらに別のアニールを行う。

さまざまな実施態様では、極低温で配置された底部磁気シールド層１９４は、約４００℃に約２時間、人工的にアニールされ、これにより、約１．０エルステッドの磁化容易軸保磁力（easy axis coercivity）と、約０．１２エルステッドの磁化困難軸保磁力（hard axis coercivity）とが作り出され得る。対照的に、ＮｉＦｅのような電気めっきされたシールドは、４００℃で２時間アニールされると、磁化容易軸保磁力が２．７エルステッドとなり、磁化困難軸保磁力が０．３８エルステッドとなる。

粒径は表面粗さに相関し得るということが理解され得る。粒径の調節により、より軟磁気の特性、高いアニール温度での粒成長に対するより高い抵抗に一致し得るさまざまな異なる所定の表面粗さを作り出すことが可能である。

図５および図６はそれぞれ、極低温の基板温度にて書込磁極を調節することにより可能な例示的な磁気特性をプロットする図である。図５では、約５０Ｋに維持される基板上にＦｅＣｏ薄膜が配置され、これにより示されるようなヒステリシスループを与える粒径を有する２．４Ｔの固体膜が作り出され得る。具体的には、線分化されたループ２１０は１エルステッド未満の磁化困難軸保磁力を示し、実線のループ２１２は、８エルステッド未満の磁化容易軸保磁力を示す。このような磁気性能は、材料を書込磁極にドーピングして粒径を低減する際に発生する磁気モーメントのロスとは対照的に、膜の磁気モーメントを失うことなく、粒径がより小さくなるよう書込磁極を調節する能力をサポートする。

薄膜磁気シールド形成に対応するヒステリシスループはさらに、極低温の基板温度にて粒径を低減することによって、高温アニールにも関わらず、高い透磁性と、低い保磁磁界と、低い磁気分散とを有する磁気シールド層を作り出す能力をサポートする。

図６は、例示的なＦｅＣｏ書込磁極材料の磁化容易軸保磁力（線２２０）および粒径（線２２２）と基板のチャック温度との相関をグラフにて示す図である。理解され得るように、チャック温度が低減することは、粒径の低減および保磁力の低減に対応する。これは、５０Ｋといった極低温の基板温度での配置によって与えられた軟磁気特性および小さい粒径を示す。いくつかの実施態様では、書込磁極および戻り磁極は、図６の線２２０および２２２に従った基板温度の修正により、異なる磁気特性および粒径を示す異なる所定の粒径に調節される。

調節された書込磁極を有する書込要素を構成するために特定の手段が必須または特定の手段に限定されるわけではないが、図７は、さまざまな実施態様に従って実行される例示的な書込要素作製ルーチン２３０を提供する図である。ルーチン２３０はまず、決定２３２において、磁気シールド構成を評価し、これにより、シールドの厚さ、材料、および粒径を決定し得る。磁気シールド設計が固まった状態で、ステップ２３４は基板を、決定２３２において決定した粒径および磁気特性に対応する温度に調節する。

次いで、決定２３６は、粒径および図３の磁極先端部１７０のような磁極先端部での磁気挙動について特定の考慮をしたうえで、書込磁極を設計する。粒径および磁気特性の決定は、たとえば図６の動作グラフを介して、書込磁極の配置とともにその後ステップ２３８において現実となる基板温度に相関され得る。基板温度は、決定２４０が、付加的な層が書込磁極の上に配置されるべきかどうかを評価する間に、維持または変化され得る。付加的な層が選択される場合、基板は段階的に、少なくとも１つの付加的な層について、設計された粒径および磁気特性を提供する１つ以上の温度へと調節される。

制御された動作により、ルーチン２３０は、書込磁極とともに、基板を極低温に設定することにより所定の粒径および磁気挙動へ個々またはまとめて調節され得る任意の数の層を有する書込要素を作製することができる。しかしながら、ルーチン２３０は、図７に示されるプロセスに限定されず、さまざまな決定およびステップが省略、変更、および追加され得る。たとえば、決定２３２、２３６、および２４０は、任意の書込要素の層の配置の前にまとめて行われ得る。別の例示的な実施態様では、書込磁極は、ＲｕおよびＴａといったシード材料を有する調節された基板の上に配置され、磁気シールドは書込磁極と基板との間に配置されない。

本開示に記載された磁気要素の構成および材料特性により、低減された粒径と軟磁気特性を有する書込磁極を設けることにより、磁気プログラミングの向上が可能になり、これは、高面密度のデータ記憶装置における書込後消去の低減に対応し得るということが理解され得る。さらに、データ書込要素のさまざまな層を調節および最適化することが可能であるので、データ記憶媒体に対するデータ書込の間に、磁気動作の正確なマッチングが可能になる。さらに、上記実施態様は磁気プログラミングに向けられているが、特許請求される技術はデータ感知およびソリッドステートデータストレージ用途といった任意の数の他の用途において容易に用いられ得るということが理解されるであろう。

上記の説明において本開示のさまざまな実施態様の多くの特性および利点をさまざまな実施態様の構造および機能の詳細とともに記載してきたが、この詳細な説明は単に例示目的であって、特に部分の構造および構成において、添付の特許請求の範囲が表現される文言の広く一般的な意味によって示される全範囲に対する本開示の原理内で詳細が変更されてもよいということは理解されるべきである。たとえば、特定の要素は、本技術の精神および範囲から逸脱することなしに特定の用途によって変動し得る。

Claims (20)

1. 極低温の基板温度にて所定の粒径へ調節される書込磁極を含む、データ記憶装置。
2. 前記基板温度は室温を下回る、請求項１に記載のデータ記憶装置。
3. 前記基板温度は約５０ケルビンである、請求項１に記載のデータ記憶装置。
4. 前記書込磁極は、単一の連続層である、請求項１に記載のデータ記憶装置。
5. 前記書込磁極はＦｅＣｏである、請求項１に記載のデータ記憶装置。
6. 前記所定の粒径は、２．４テスラのＦｅＣｏ材料またはＦｅＣｏＮｉ材料に対応する、請求項１に記載のデータ記憶装置。
7. 前記基板温度は、前記書込磁極が配置される基板層について維持される、請求項１に記載のデータ記憶装置。
8. 前記基板層は、ＮｉＦｅ、ＣｏＦｅ、ＣｏＮｉＦｅ、Ｒｕ、Ｃｏ、Ａｕ、およびＰｄの群のうちの１つである、請求項７に記載のデータ記憶装置。
9. 前記粒径は、前記書込磁極についての約８Ｏｅの保磁力の磁化容易軸に一致する、請求項１に記載のデータ記憶装置。
10. 前記粒径は、前記書込磁極についての１Ｏｅ未満の保磁力の磁化困難軸に一致する、請求項１に記載のデータ記憶装置。
11. 前記粒径は、前記書込磁極についての約２３Ｏｅの一軸異方性に一致する、請求項１に記載のデータ記憶装置。
12. 磁気シールドに隣接する書込磁極を含み、前記書込磁極および磁気シールドは、極低温の基板温度にて形成されて第１および第２の所定の粒径を提供する、磁気書込要素。
13. 前記磁気シールドは、前記書込磁極とは異なる材料から形成される、請求項１２に記載の磁気書込要素。
14. 前記磁気シールドおよび書込磁極は別個に形成される、請求項１２に記載の磁気書込要素。
15. 前記磁気シールドは、ＮｉＦＥ、ＣｏＮｉＦｅ、ＮｉＦｅＯ、ＮｉＦｅＮｂ、および結晶材料の群から選択される材料を含む、請求項１２に記載の磁気書込要素。
16. 前記第１および第２の所定の粒径は約２００オングストロームである、請求項１２に記載の磁気書込要素。
17. 基板を極低温の基板温度に調節するステップと、
    書込磁極を前記基板上に配置するステップとを含み、前記書込磁極は前記極低温の基板温度と一致する所定の粒径を有する、方法。
18. 前記書込磁極に隣接して形成される磁気シールドは、室温まで温められ、その後、磁気シールド欠陥を低減するよう約４００℃で約２時間アニールされる、請求項１７に記載の方法。
19. スパッタリングされた磁気シールド材料の横方向の移動度を低減するよう通常の磁束の入射のスパッタリング構成を有する高速スパッタリングにより、所定の粒径を有する磁気シールドを前記基板上に配置するステップをさらに含む、請求項１７に記載の方法。
20. 電気めっき、エピタキシー、または真空蒸着のために、微小粒径を有するシード層を配置するステップをさらに含む、請求項１７に記載の方法。