JP2016029603A - 磁気記録ヘッド及び磁気記録装置 - Google Patents

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Abstract

【課題】 高記録密度化を可能とする磁気記録ヘッドを提供する。【解決手段】 一実施形態に係る磁気記録ヘッドは、主磁極及びスピントルク発振素子を備える。主磁極は、記録磁場を発生させる。スピントルク発振素子は、高周波磁場を発生させるものであって、膜面に垂直な方向に磁気異方性軸を有し、磁化が回転可能である第1垂直自由層と、膜面に垂直な方向に磁気異方性軸を有し、磁化が回転可能である第2垂直自由層と、前記第1垂直自由層と前記第2垂直自由層との間に設けられた第1スペーサ層と、1対の電極層と、を含み、前記第1垂直自由層の実効的な垂直磁気異方性磁場が前記第2垂直自由層の実効的な垂直磁気異方性磁場よりも小さく、前記1対の電極層を通じて前記第1垂直自由層側から前記第2垂直自由層側に電流を流す。【選択図】図1

Description

本発明の実施形態は、磁気記録ヘッド、及びこれを用いた磁気記録装置に関する。
HDD(Hard Disk Drive)の記録密度は、2014年現在、約1Tbit/inchである。記録密度は年々増加しており、その増加率は、数年前までは年率40%程度、近年では年率15%程度で推移している。記録密度の増加は、磁性体粒子のサイズを微細化することによって実現されている。磁性体粒子のサイズが小さくなると、磁性体粒子の磁化は熱的に不安定となり、記録した情報を長期間保持することができなくなる。これを防ぐために、磁性体粒子の磁化を反転させるのに必要な反転磁場強度を大きくする必要があり、すなわち、磁気的に硬い磁性材料を用いることが必要となる。しかしながら、あまり磁気的に硬い磁性体粒子を用いると、記録した情報を書き直すことが困難になる。記録密度を上げるためには、磁性体粒子の微細化、情報の長期間保持のために熱的に安定な磁性体粒子の使用、記録した情報の容易な書き換え、という3つの相反する技術的壁を同時に乗り越える必要がある。これら3つの壁は、HDD記録密度向上のトリレンマと呼ばれている。
記録した情報の容易な書き換えという観点からHDD記録密度向上のトリレンマを打ち破ることを目指した磁気記録技術として、高周波アシスト記録技術(マイクロ波アシスト記録技術[Microwave Assisted Magnetic Recording;MAMR]とも称する)が知られている。高周波アシスト記録技術は、磁気記録媒体にその共鳴周波数付近の高周波磁場を局所的に印加して磁気記録媒体を共鳴させ、保持力を一時的に低下させることによって、情報の書き込みを容易にする技術である(例えば、特許文献1参照)。この技術では、記録磁場に、なるべく大きな高周波磁場を効率的に重畳させる点がポイントとなる。
効率的に高周波磁場を発生させる手法として、スピントルクによる磁化振動素子を利用する手法が開示されている(例えば、特許文献2及び3参照)。スピントルクによる磁化振動素子は、2006年頃から、一般に、スピントルク発振素子(spin−torque oscillator;STO)と呼ばれている。STOは、直流電流を通電することによって素子近傍に磁化振動に起因した高周波磁場を発生することができるため、MAMRにおける効率的な高周波磁場発生源として期待されている。
STOを用いたMAMRに関して、その技術に関わる技術者らは、主に次の4点に留意して、設計・研究開発を行っている:(1)MAMRにとって有効なマイクロ波磁場の回転方向が存在する(有効なマイクロ波磁場成分は、記録媒体磁化の歳差運動方向と同じ回転方向である)ため、その向きを考慮した設計が望まれる。(2)主磁極からの磁場の向きに依らずにSTO駆動電流の向きが一定であることが望まれる。(3)主磁極からの磁場がなるべく大きくなるように、主磁極と書き込み点との間の距離をなるべく短く設計することが望まれる。(4)マイクロ波磁場強度がなるべく大きくなるようにSTO内の磁化振動を引き起こせるようにすることが望まれる。
MAMRにとって有効なマイクロ波磁場を発生し((1))、かつ、STO駆動電流の向きが一定である((2))高周波アシスト記録ヘッドとして、特許文献4には、「垂直自由層+面内自由層」型のSTOを備えたアシストヘッドが開示されている。特許文献4では、望ましい高周波アシストヘッドの形態として、主磁極と対向磁極の間に、「垂直自由層+面内自由層」型のSTOを、主磁極、垂直自由層、面内自由層、対向磁極の順になるように設置する(特許文献4の図15A)高周波アシストヘッドが説明されている。特許文献4には、このアシストヘッドを用いることで、記録密度が1Tbit/inchを超えるマイクロ波アシスト記録を適用した磁気記録において、2Gbit/s超の情報転送速度を実現することが可能となると記載されている。
しかしながら、特許文献4に開示されているアシストヘッドは、上記の留意点(3)及び(4)に関して不利な点がある。留意点(3)に関しては、(高周波アシスト磁場にはほとんど寄与しないと説明がなされている)垂直自由層が主磁極と面内自由層との間に設けられているため、主磁極と書き込み点との間の距離が少なくとも垂直自由層の膜厚の分だけ長くなってしまい、主磁極と書き込み点との間の距離に関する設計自由度が制限されるという問題がある。留意点(4)に関しては、垂直自由層及び面内自由層の2つの自由層磁化が位相を180°異にして回転するため、これら2つの自由層磁化からの高周波磁場がキャンセルしてしまうという問題がある。そのキャンセルの程度は、磁気記録媒体における高周波磁場印加点とSTOとの距離が離れるほど顕著になる。ところで、STOを用いた高周波アシスト記録ヘッドを3次元磁気記録に適用する技術(例えば、特許文献5参照)が開示されている。3次元磁気記録の場合には、高周波磁場印加点とSTOとの距離が媒体の厚み方向に離れる。このため、2つの磁化が位相差180°で回転するSTOは、高周波磁場がキャンセルしてしまう点で、3次元磁気記録への応用には不利である。
米国特許第6011664号 特許第4050245号 米国特許出願公開第2008/0019040号 特許第5172004号 国際公開第2011/030449号
本発明が解決しようとする課題は、高記録密度化を可能とする磁気記録ヘッド、及びこの磁気記録ヘッドを用いた磁気記録装置を提供することである。
一実施形態に係る磁気記録ヘッドは、主磁極及びスピントルク発振素子を備える。主磁極は、記録磁場を発生させる。スピントルク発振素子は、高周波磁場を発生させるものであって、膜面に垂直な方向に磁気異方性軸を有し、磁化が回転可能である第1垂直自由層と、膜面に垂直な方向に磁気異方性軸を有し、磁化が回転可能である第2垂直自由層と、前記第1垂直自由層と前記第2垂直自由層との間に設けられた第1スペーサ層と、1対の電極層と、を含み、前記第1垂直自由層の実効的な垂直磁気異方性磁場が前記第2垂直自由層の実効的な垂直磁気異方性磁場よりも小さく、前記1対の電極層を通じて前記第1垂直自由層側から前記第2垂直自由層側に電流を流す。
第1の実施形態に係る磁気記録ヘッドを示す断面図であって、磁気記録ヘッドがターゲットビットの磁化をアップからダウンに反転する様子を示す図。 第1の実施形態に係る磁気記録ヘッドを示す断面図であって、磁気記録ヘッドがターゲットビットの磁化をダウンからアップに反転する様子を示す図。 垂直自由層磁化のダイナミクスに関するシミュレーションのための磁気記録ヘッドの設計を示す断面図。 H=+8kOeの場合におけるシミュレーションの結果を示す図。 H=−8kOeの場合におけるシミュレーションの結果を示す図。 H=+8kOe、I=−7.0mAの場合において、L1磁化及びL2磁化の振動に伴って発生する高周波磁場を示す図。 第2の実施形態に係る磁気記録ヘッドを概略的に示す断面図。 H=+3kOeの場合におけるシミュレーションの結果を示す図。 第3の実施形態に係る磁気記録装置を概略的に示す断面図。 第3の実施形態に係る磁気記録装置の具体例を示す斜視図。 実施形態に係る3次元磁気記録媒体を概略的に示す図。
以下、図面を参照しながら実施形態を説明する。以下の実施形態では、同一の構成要素に同一の参照符号を付して、重ねての説明を適宜省略する。
(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を概略的に示している。磁気記録ヘッド100は、図1に示されるように、主磁極110、主磁極110と磁気回路を形成する補助磁極112、主磁極110に巻き付けられた励磁コイル114、及び主磁極110の先端部111と補助磁極112の先端部113との間に設けられたスピントルク発振素子120を備える。先端部111及び先端部113は、磁気記録ヘッド100が磁気記録媒体150に情報を記録するときの配置において磁気記録媒体150側に位置する部分である。磁気記録ヘッド100は、さらに、スピントルク発振素子120に電流131を供給する電源V1及び励磁コイル114に電流132を供給する電源V2を備える。
主磁極110は、磁気記録媒体150に情報を記録するための記録磁場136を発生させる。励磁コイル114に電源V2から電流132が供給されると、記録磁場136が発生する。記録磁場136は、電源V2のon−off及び極性変化によって制御される。図1に示される矢印の向きに電流132が流れる場合、記録磁場136は、点線矢印によって示されるように、主磁極110から流出して補助磁極112に流入する。図1に示される向きの記録磁場136は、磁気記録媒体150内のターゲットビット151の磁化をアップからダウンに反転するために使用される。一方、図2に示される矢印の向きに(すなわち図1に示される矢印の向きと反対の向きに)電流132が流れる場合、記録磁場136は、点線矢印によって示されるように、補助磁極112から流出して主磁極110に流入する。図2に示される向きの記録磁場136は、ターゲットビット151の磁化をダウンからアップに反転するために使用される。図1及び図2に示されるように、記録磁場136は、スピントルク発振素子120にも膜面に垂直な方向に作用する。図1及び図2において、スピントルク発振素子120に作用する磁場成分をHとして示している。
なお、磁気記録媒体150は、本実施形態では垂直磁気記録媒体であるが、面内磁気記録媒体であってもよい。
スピントルク発振素子120は、記録磁場136による磁化反転をアシストするために、高周波磁場を発生する。高周波磁場は、マイクロ波磁場などとも称される。スピントルク発振素子120は、高周波磁場を磁気記録媒体150に局所的に印加することによってターゲットビット151を磁気共鳴させ、それによりターゲットビット151の磁化が反転しやすい状態になる。この状態でターゲットビット151に記録磁場136が作用すると、ターゲットビット151の磁化が反転する。すなわち、記録磁場136及び高周波磁場を磁気記録媒体150に同時に印加することによって、ターゲットビット151の磁化を選択的に反転することができる。ここで、同時に印加するとは、記録磁場136を印加する期間と高周波磁場を印加する期間とが少なくとも一部重なることを示す。このようにして、記録磁場136による媒体磁化の反転がスピントルク発振素子120からの高周波磁場によってアシストされる。
スピントルク発振素子120は、磁性多層膜126と、磁性多層膜126に電流131を印加するための1対の電極層121及び125と、を含む。磁性多層膜126は、膜面に垂直な方向に磁気異方性軸を有し、磁化が回転可能である垂直自由層(第1垂直自由層)122と、スペーサ層123と、膜面に垂直な方向に磁気異方性軸を有し、磁化が回転可能である垂直自由層(第2垂直自由層)124と、を含む。
電極層121、垂直自由層122、スペーサ層123、垂直自由層124、及び電極層125は、この順番で互いに平行に配置されている。具体的には、垂直自由層122が電極層121上に積層され、スペーサ層123が垂直自由層122上に積層され、垂直自由層124がスペーサ層123上に積層され、電極層125が垂直自由層124上に積層されている。膜面は、これらの層121〜125が積層される積層方向に垂直な面である。電極層121は補助磁極112と垂直自由層122との間に設けられ、電極層125は垂直自由層124と主磁極110との間に設けられている。
垂直自由層122の実効的な垂直磁気異方性磁場は、垂直自由層124の実効的な垂直磁気異方性磁場よりも小さい。ここで、実効的な垂直磁気異方性磁場とは、下記の式(1)によって表される磁場H effである。
式(1)において、Kは垂直磁気異方性であり、Mは飽和磁化であり、Nは膜面に垂直な方向の反磁場係数である。
図1及び他のいくつかの図において、説明のために、互いに直交するy軸及びz軸を付している。y軸は磁気記録媒体150の記録層に垂直な軸であり、z軸はスピントルク発振素子120の積層方向に平行な軸である。y軸に沿って磁気記録媒体150から磁気記録ヘッド100に向かう方向を+y方向と呼び、これと反対の方向を−y方向と呼ぶ。z軸に沿って垂直自由層124から垂直自由層122に向かう方向を+z方向と呼び、これと反対の方向を−z方向と呼ぶ。
スピントルク発振素子120には、垂直自由層122側から垂直自由層124側に(−z方向に)電流131が流れる。電流131は、電源V1によって制御される。電流131による、垂直自由層122と垂直自由層124との間の相互スピントルク効果により、垂直自由層122の磁化及び垂直自由層124の磁化は回転する。垂直自由層122の実効的な垂直磁気異方性磁場が垂直自由層124の実効的な垂直磁気異方性磁場よりも小さいスピントルク発振素子120に垂直自由層122側から垂直自由層124側に電流131を流す本実施形態では、垂直自由層122の磁化及び垂直自由層124の磁化は、略同位相で回転する。
垂直自由層122の近傍には、垂直自由層122の磁化の回転に伴って高周波磁場(漏れ磁場)が発生する。さらに、垂直自由層124の近傍には、垂直自由層124の磁化の回転に伴って高周波磁場(漏れ磁場)が発生する。垂直自由層122の磁化及び垂直自由層124の磁化が略同位相で回転する場合、ターゲットビット151には、垂直自由層122からの高周波磁場及び垂直自由層124からの高周波磁場が重なり合って強め合った楕円偏向回転磁場が作用する。図1の場合には、ターゲットビット151に対して、媒体鉛直上方向(+y方向)に対して右ねじの方向の回転磁場が作用する。図2の場合には、ターゲットビット151に対して媒体鉛直下方向(−y方向)に対して右ねじの方向の回転磁場が作用する。各磁場の回転方向は、ターゲットビット151の磁化の歳差運動の方向と同じ方向となっており、MAMRにとって有効な高周波磁場がターゲットビット151に作用することになる。
本実施形態の磁気記録ヘッド100においては、電極層125の膜厚及びスペーサ層123の膜厚を適宜調整することにより、主磁極110とターゲットビット151との距離及びスピントルク発振素子120の高周波磁場発生部(垂直自由層122及び124)とターゲットビット151と間の距離を調整することが可能である。
垂直自由層122及び124の各々に対応する垂直自由層は、垂直異方性材料であるCoCr系材料、L10金属、Co3Pt、又はSmCoなどによって形成することができる。CoCr系材料の例には、CoCr、CoCrTa、CoCrPt、CoCrPtTa、CoCrPtBなどが含まれる。L10金属の例には、L10−FePt、L10−CoPtなどが含まれる。或いは、垂直自由層は、Co/Pd多層膜、Co/Ni多層膜、Co/Pt多層膜などの多層膜系によって形成することもできる。或いは、垂直自由層は、界面磁気異方性を利用して垂直自由層の磁化が実質的に垂直磁化となるように、CoFe/MgO界面、CoFeB/MgO界面、FeB/MgO界面などを利用して形成することもできる。また、垂直自由層は、上記した構造を組み合わせて利用することもできる。すなわち、垂直自由層は、CoCr系材料、Co/Pd多層膜、Co/Ni多層膜、Co/Pt多層膜、L10合金、CoPt、SmCo、CoFe/MgO界面、CoFeB/MgO界面、FeB/MgO界面の少なくとも1つを含むことができる。
材料選択に際しては、垂直自由層122の実効的な垂直磁気異方性磁場が垂直自由層124の実効的な垂直磁気異方性磁場よりも小さいという条件が満たされるように、材料の生来の垂直磁気異方性Kuの大きさ、飽和磁化Msの大きさ、及び反磁場係数Nzを調整するために、層の膜厚を考慮する必要がある。
次に、垂直自由層122の磁化及び垂直自由層124の磁化が略同位相で回転することについて説明する。発明者らは、垂直自由層122及び垂直自由層124の磁化のダイナミクスについて、相互スピントルク及びダイポール相互作用を取り入れたLandau−Lifshitz−Gilbert−Slonczewski(LLGS)方程式に基づいてシミュレーションを実施した。図3は、シミュレーションの設定を概略的に示している。図3に示されるように、シミュレーションに用いたスピントルク発振素子120は、直径Dが50nmの円柱状を有するとした。電流Iの正の向きを+z方向とする。スピントルク発振素子120に作用する磁場Hの正の向きを+z方向とする。ここでは、垂直自由層122及び124をそれぞれL1及びL2とラベルすることとし、垂直自由層122の磁化をL1磁化と記載し、垂直自由層124の磁化をL2磁化と記載する。
シミュレーションのパラメタ設定について説明する。垂直自由層L1に関しては、飽和磁化Msを0.7kemu/cm、膜厚を6nm、垂直磁気異方性Kuを4.0Merg/cm、ギルバート減衰係数αを0.03とし、垂直自由層L2に関しては、飽和磁化Msを0.7kemu/cm、膜厚を6nm、垂直磁気異方性Kuを4.6Merg/cm、ギルバート減衰係数αを0.03とした。また、スペーサ層123の膜厚は4nmとした。さらに、L1磁化とL2磁化が平行配置している場合のスピントルク発振素子120の抵抗値を50Ωとした。また、磁気抵抗効果膜としてのスピントルク発振素子120の磁気抵抗効果比は20%とした。
上記パラメタ設定では、垂直自由層L1の実効的な垂直磁気異方性磁場H effは約4.66kOeになり、垂直自由層L2の実効的な垂直磁気異方性磁場H effは約6.37kOeとなる。すなわち、垂直自由層L1の実効的な垂直磁気異方性磁場は、垂直自由層L2の実効的な垂直磁気異方性磁場よりも小さい。ここで、実効的な垂直磁気異方性磁場H effの評価には、直径D=50nm、膜厚6nmの円盤形状を考慮した反磁場係数の値Nz〜0.76961を用いた。
図4(a)〜(d)は、スピントルク発振素子120に作用する主磁極110からの磁場HがH=+8kOeである場合のL1磁化及びL2磁化のダイナミクスを示す。具体的には、図4(a)は、L1磁化のy成分のパワースペクトル密度(power spectral density;PSD)を示し、図4(b)は、スピントルク発振素子120の抵抗変化のパワースペクトル密度を示し、図4(c)は、I=−7.0mAの場合のL1磁化及びL2磁化の時系列データの一部を示し、図4(d)は、I=−7.0mAの場合のL1磁化及びL2磁化の軌道を示す。図5(a)〜(d)は、スピントルク発振素子120に作用する主磁極110からの磁場HがH=−8kOeである場合のL1磁化及びL2磁化のダイナミクスを示す。具体的には、図5(a)は、L1磁化のy成分のパワースペクトル密度を示し、図5(b)は、スピントルク発振素子120の抵抗変化のパワースペクトル密度を示し、図5(c)は、I=−7.0mAの場合のL1磁化及びL2磁化の時系列データの一部を示し、図5(d)は、I=−7.0mAの場合のL1磁化及びL2磁化の軌道を示す。パワースペクトル密度は、60ns間の磁化の時系列データを取得し、そのうちの50ns分の磁化の定常運動データをフーリエ変換することにより算出した。電流は、垂直自由層L1側から垂直自由層L2側に通電した(I<0)。
図4(a)〜(d)及び図5(a)〜(d)に示されるように、−3〜−8mAの電流Iの範囲では、L1磁化及びL2磁化は、略同位相で同期振動(Synchronization;SYNC)し、磁場Hの方向に対して右ねじの向きで回転する。図4(b)及び図5(b)を参照すると、L1磁化及びL2磁化の振動がSYNCであることを反映して、スピントルク発振素子120の抵抗変化のパワースペクトル密度はその状態で非常に小さい。なお、I>0、すなわち、電流を垂直自由層L2側から垂直自由層L1側に通電する場合には、L1磁化及びL2磁化の同期振動は現れず、L1磁化及びL2磁化が共にカオス的な振動を示す。
図6は、H=+8kOe、I=−7.0mAの場合のL1磁化及びL2磁化の振動に伴って発生する高周波磁場を示している。図6の高周波磁場は、スペーサ層123と垂直自由層L2との境界から−y方向に2nm離れた点でのものである。図6に示されるように、L1磁化による漏れ磁場とL2磁化による漏れ磁場が重なり合って強めあった楕円偏向回転磁場が現れる。
このように、垂直自由層122(L1)の実効的な垂直磁気異方性磁場を垂直自由層124(L2)の実効的な垂直磁気異方性磁場よりも小さくし、垂直自由層122側から垂直自由層124側に電流を流すことで、垂直自由層122の磁化と垂直自由層124の磁化が略同位相で回転する状態を発生させることができる。垂直自由層122の磁化と垂直自由層124の磁化が略同位相で振動するため、垂直自由層122の磁化による漏れ磁場と垂直自由層124の磁化による漏れ磁場が重なり合って強めあった楕円偏向回転磁場がターゲットビット151に作用する。
以上のように、第1の実施形態に係る磁気記録ヘッドは、第1垂直自由層及び第2垂直自由層を含み、第1垂直自由層の実効的な垂直磁気異方性磁場が第2垂直自由層の実効的な垂直磁気異方性磁場よりも小さいスピントルク発振素子を備え、このスピントルク発振素子に第1垂直自由層側から第2垂直自由層側に電流を流す。それにより、第1垂直自由層の磁化及び第2垂直自由層の磁化が略同位相で回転し、MAMRにとって有効な強い高周波磁場を発生させることができる。その結果、記録密度の向上が可能になる。
(第2の実施形態)
第2の実施形態は、スピントルク発振素子の構造が第1の実施形態と異なる。具体的には、第1の実施形態のスピントルク発振素子は2つの垂直自由層を含み、第2の実施形態のスピントルク発振素子は3つの垂直自由層を含む。第2の実施形態では、第1の実施形態と同様の部分についての説明を適宜省略する。
図7は、第2の実施形態に係る磁気記録ヘッド700を概略的に示している。磁気記録ヘッド700は、図7に示されるように、主磁極110、主磁極110と磁気回路を形成する補助磁極112、主磁極110に巻き付けられた励磁コイル114、及び主磁極110と補助磁極112との間に設けられたスピントルク発振素子120を備える。
本実施形態のスピントルク発振素子120は、磁性多層膜708と、磁性多層膜708に電流131を流すための1対の電極層701及び電極層707と、を含む。磁性多層膜708は、垂直自由層(第1垂直自由層)702、スペーサ層(第1スペーサ層)703、垂直自由層(第2垂直自由層)704、スペーサ層(第2スペーサ層)705及び垂直自由層(第3垂直自由層)706を含む。垂直自由層702、704、706は、膜面に垂直な方向に磁気異方性軸を有し、磁化が回転可能である。垂直自由層702の実効的な垂直磁気異方性磁場は、垂直自由層704の実効的な垂直磁気異方性磁場よりも小さい。さらに、垂直自由層704の実効的な垂直磁気異方性磁場は、垂直自由層706の実効的な垂直磁気異方性磁場よりも小さい。
本実施形態のスピントルク発振素子120では、電極層701、垂直自由層702、スペーサ層703、垂直自由層704、スペーサ層705、垂直自由層706、及び電極層707がこの順番で互いに平行に配置されている。具体的には、電極層701が補助磁極112上に設けられ、垂直自由層702が電極層701上に設けられ、スペーサ層703が垂直自由層702上に設けられ、垂直自由層704がスペーサ層703上に設けられ、スペーサ層705が垂直自由層704上に設けられ、垂直自由層706がスペーサ層705上に設けられ、電極層707が垂直自由層706上に設けられ、主磁極110が電極層707上に設けられている。
スピントルク発振素子120には、垂直自由層702側から垂直自由層706側に電流131が流れる。電流131による、垂直自由層702と垂直自由層704との間の相互スピントルク効果及び垂直自由層704と垂直自由層706との間の相互スピントルク効果によって、垂直自由層702の磁化と垂直自由層704の磁化と垂直自由層706の磁化が略同位相で回転する。それにより、ターゲットビット(図7には示されない)には、垂直自由層702の磁化による漏れ磁場と垂直自由層704の磁化による漏れ磁場と垂直自由層706の磁化による漏れ磁場が重なり合って強め合った楕円偏向楕円磁場が作用する。これらの磁化の回転方向は、主磁極110からスピントルク発振素子120に作用する磁場の向きに応じて変化する。そして、磁化の回転に伴う楕円偏向回転磁場の回転方向は、ターゲットビットの磁化の歳差運動と同じ方向となっており、MAMRにとって有効な高周波磁場がターゲットビットに作用することになる。
本実施形態の磁気記録ヘッド700においては、電極層707の膜厚、スペーサ層705、及びスペーサ層703の膜厚を適宜調整することにより、主磁極110とターゲットビットとの距離及びスピントルク発振素子120の高周波磁場発生部(垂直自由層702、704及び706)とターゲットビットと間の距離を調整することが可能である。
垂直自由層702、704及び706の各々に対応する垂直自由層は、垂直異方性材料であるCoCr系材料、L10金属、Co3Pt、又はSmCoなどによって形成することができる。CoCr系材料の例には、CoCr、CoCrTa、CoCrPt、CoCrPtTa、CoCrPtBなどが含まれる。L10金属の例には、L10−FePt、L10−CoPtなどが含まれる。或いは、垂直自由層は、Co/Pd多層膜、Co/Ni多層膜、Co/Pt多層膜などの多層膜系によって形成することもできる。或いは、垂直自由層は、界面磁気異方性を利用して垂直自由層の磁化が実質的に垂直磁化となるように、CoFe/MgO界面、CoFeB/MgO界面、FeB/MgO界面などを利用して形成することもできる。また、垂直自由層は、上記した構造を組み合わせて利用することもできる。すなわち、垂直自由層は、CoCr系材料、Co/Pd多層膜、Co/Ni多層膜、Co/Pt多層膜、L10合金、CoPt、SmCo、CoFe/MgO界面、CoFeB/MgO界面、FeB/MgO界面の少なくとも1つを含むことができる。
材料選択に際しては、垂直自由層702の実効的な垂直磁気異方性磁場が垂直自由層704の実効的な垂直磁気異方性磁場よりも小さい、かつ、垂直自由層704の実効的な垂直磁気異方性磁場が垂直自由層706の実効的な垂直磁気異方性磁場よりも小さいという条件が満たされるように、材料の生来の垂直磁気異方性Kuの大きさ、飽和磁化Msの大きさ、及び反磁場係数Nzを調整するために、層の膜厚を考慮する必要がある。
次に、垂直自由層702の磁化と垂直自由層704の磁化と垂直自由層706の磁化が略同位相で回転することについて説明する。発明者らは、垂直自由層702の磁化、垂直自由層704の磁化、及び垂直自由層706の磁化のダイナミクスについて、相互スピントルク及びダイポール相互作用を取り入れたLLGS方程式に基づいてシミュレーションを実施した。スピントルク発振素子120は、直径D=50nmの円形状を有するとした。電流Iの正の向きを+z方向とする。スピントルク発振素子120に作用する磁場Hの正の向きを+z方向とする。ここでは、垂直自由層702、垂直自由層704、垂直自由層706をそれぞれL1、L2、L3とラベルすることとし、垂直自由層702の磁化をL1磁化と記載し、垂直自由層704の磁化をL2磁化と記載し、垂直自由層706の磁化をL3磁化と記載する。
シミュレーションのパラメタ設定について説明する。垂直自由層L1に関しては、飽和磁化Msを0.7kemu/cm、膜厚を6nm、垂直磁気異方性Kuを3.0Merg/cm、ギルバート減衰係数αを0.03とした。垂直自由層L2に対しては、飽和磁化Msを0.7kemu/cm、膜厚を6nm、垂直磁気異方性Kuを3.2Merg/cm、ギルバート減衰係数αを0.03とした。垂直自由層L3に関しては、飽和磁化Msを0.7kemu/cm、膜厚を6nm、垂直磁気異方性Kuを3.41Merg/cm、ギルバート減衰係数αを0.03とした。また、スペーサ層703の膜厚は4nm、スペーサ層705の膜厚は4nmとした。さらに、L1磁化とL2磁化が平行配置している場合の抵抗値を50Ω、L2磁化とL3磁化が平行配置している場合の抵抗値を50Ωとした。また、磁気抵抗効果膜としての垂直自由層L1/スペーサ層703/垂直自由層L2のサンドウィッチ構造の磁気抵抗効果比は20%とした。さらに、磁気抵抗効果膜としての垂直自由層L2/スペーサ層705/垂直自由層L3のサンドウィッチ構造の磁気抵抗効果比は20%とした。
上記パラメタ設定では、垂直自由層L1の実効的な垂直磁気異方性磁場H effは約1.80kOeになり、垂直自由層L2の実効的な垂直磁気異方性磁場H effは約2.37kOeとなり、垂直自由層L2の実効的な垂直磁気異方性磁場H effは約2.97kOeとなる。すなわち、垂直自由層L1の実効的な垂直磁気異方性磁場が垂直自由層L2の実効的な垂直磁気異方性磁場よりも小さく、さらに、垂直自由層L2の実効的な垂直磁気異方性磁場が垂直自由層L3の実効的な垂直磁気異方性磁場よりも小さい。ここで、実効的な垂直磁気異方性磁場H effの評価には、直径D=50nm、膜厚6nmの円盤形状を考慮した反磁場係数の値Nz〜0.76961を用いた。
図8(a)〜(d)は、スピントルク発振素子120に作用する主磁極110からの磁場HがH=+3kOeの場合のL1磁化、L2磁化、L3磁化のダイナミクスを示す。具体的には、図8(a)は、L1磁化のy成分のパワースペクトル密度を示し、図8(b)は、スピントルク発振素子120の抵抗変化のパワースペクトル密度を示し、図8(c)は、I=−4.8mAの場合のL1磁化、L2磁化、L3磁化の時系列データの一部を示し、図8(d)は、I=−4.8mAの場合のL1磁化、L2磁化、L3磁化の軌道を示す。電流は、垂直自由層L1側から垂直自由層L3側に通電した(I<0)。
図8(a)〜(d)に示されるように、−4.2〜−5.0mAの電流Iの範囲では、L1磁化とL2磁化とL3磁化は略同位相でSYNCし、磁場Hの方向に対して右ねじの向きで回転する。図8(b)を参照すると、L1磁化、L2磁化、L3磁化の振動がSYNCであることを反映して、スピントルク発振素子120の抵抗変化のパワースペクトル密度はその状態で非常に小さい。なお、I>0、すなわち、電流を垂直自由層L3側から垂直自由層L1側に通電する場合には、L1磁化、L2磁化、L3磁化の同期振動は現れず、L1磁化、L2磁化、L3磁化が共にカオス的な振動を示す。
L1磁化、L2磁化、L3磁化が略同位相で同期振動することにより、垂直自由層702(L1)の磁化による漏れ磁場と垂直自由層704(L2)の磁化による漏れ磁場と垂直自由層706(L3)の磁化による漏れ磁場が重なり合って強めあった楕円偏向回転磁場が現れ、ターゲットビットに作用する。なお、H=−3kOeとした場合には、逆回転の楕円偏向回転磁場が現れる。
このように、垂直自由層702の実効的な垂直磁気異方性磁場を垂直自由層704の実効的な垂直磁気異方性磁場よりも小さくし、垂直自由層704の実効的な垂直磁気異方性磁場を垂直自由層706の実効的な垂直磁気異方性磁場よりも小さくし、垂直自由層702側から垂直自由層706側に電流を流すことで、垂直自由層702の磁化と垂直自由層704の磁化と垂直自由層706の磁化が略同位相で回転する状態を発生させることができる。垂直自由層702の磁化と垂直自由層704の磁化と垂直自由層706の磁化がほぼ同位相で振動するため、垂直自由層702の磁化による漏れ磁場と垂直自由層704の磁化による漏れ磁場と垂直自由層706の磁化による漏れ磁場が重なり合って強めあった楕円偏向回転磁場がターゲットビットに作用する。
以上のように、第2の実施形態に係る磁気記録ヘッドは、第1垂直自由層、第2垂直自由層及び第3垂直自由層を含み、第1垂直自由層の実効的な垂直磁気異方性磁場が前記第2垂直自由層の実効的な垂直磁気異方性磁場よりも小さくかつ第2垂直自由層の実効的な垂直磁気異方性磁場が第3垂直自由層の実効的な垂直磁気異方性磁場よりも小さいスピントルク発振素子を備え、このスピントルク発振素子に第1垂直自由層側から第3垂直自由層側に電流を流す。それにより、第1垂直自由層の磁化、第2垂直自由層の磁化及び第3垂直自由層の磁化が略同位相で回転し、MAMRにとって有効な強い高周波磁場を発生させることができる。その結果、記録密度の向上が可能になる。
(第3の実施形態)
第3の実施形態では、磁気記録装置について説明する。
図9は、第3の実施形態に係る磁気記録装置を概略的に示している。この磁気記録装置は、図9に示されるように、磁気記録媒体150及び磁気ヘッド900を備える。磁気ヘッド900は、磁気記録媒体150に磁気情報を記録するための磁気記録ヘッド901と、磁気記録媒体150の磁気情報を再生するための磁気再生ヘッド910と、を含む。磁気再生ヘッド910は磁気記録ヘッド901に隣接して配置されている。磁気記録装置は、図9には図示されないが、さらに、磁気記録媒体150と磁気ヘッド900とを相対的に移動させる駆動機構と、磁気ヘッド900を用いて磁気記録媒体150への信号の書き込み及び磁気記録媒体150からの信号の読み出しを行う信号処理部と、を備える。
磁気記録ヘッド901は、第1及び第2の実施形態において説明した磁気記録ヘッドのいずれか又はその変形であり得る。具体的には、図9に示されるスピントルク発振素子120は、図1に示されるような2つの垂直自由層を含むスピントルク発振素子であってもよく、図7に示されるような3つの垂直自由層を含むスピントルク発振素子であってもよい。
磁気再生ヘッド910は、磁気シールド層912及び913と、磁気シールド層912及び913間に設けられた磁気再生素子911と、磁気再生素子911に電流を供給する電源V3と、を含む。磁気再生素子911としては、いわゆるGMR(giant magnetoresistance)膜、又は現行のHDDで使用されているTMR(tunnel magnetoresistance)膜を用いることができる。或いは、磁気再生素子911は、磁気記録ヘッド901内のスピントルク発振素子120と異なる第2のスピントルク発振素子を用いてもよい。これは、磁気再生ヘッド910をいわゆる「スピントルク発振素子再生ヘッド」とすることに相当する。この場合、信号処理部は、再生用スピントルク発振素子である第2のスピントルク発振素子の高周波出力の振幅又は位相(周波数)の変化を検出することにより、磁気記録媒体150の磁気情報を再生する。第2のスピントルク発振素子は、磁化が回転可能である自由層を少なくとも1つ含む。
電源V1、V2、V3は、図示しない制御部に接続され、制御部によって動作が制御される。制御部は、アナログ回路及びデジタル回路の少なくとも一方を含む。制御部による電源V1、V2、V3の制御には、例えば、コンピュータプログラムに基づく制御が用いられる。
図10は、図9に示した磁気記録装置の具体例としてのHDD1000を概略的に示している。HDD1000は、図10に示されるように、磁気記録媒体(磁気ディスク)150を備えている。磁気記録媒体150は、スピンドル1002に装着され、スピンドルモータにより矢印Aの方向に回転される。磁気記録媒体150の近傍に設けられたピボット1003には、アクチュエータアーム1004が保持されている。アクチュエータアーム1004の先端には、サスペンション1005が取り付けられている。サスペンション1005の下面には、ヘッドスライダ1006が支持されている。ヘッドスライダ1006には、図9に示される磁気ヘッド900が搭載されている。アクチュエータアーム1004の基端部には、磁気記録媒体150の径方向の任意の位置にヘッドスライダ1006を移動させるためのボイスコイルモータ1007が設けられている。さらに、磁気ヘッド900を用いて磁気記録媒体150への信号の書き込み及び磁気記録媒体150からの信号の読み出しを行う信号処理部1008が設けられている。信号処理部1008の入出力線(図示せず)は、磁気ヘッド900に電気的に接続されている。
磁気記録媒体150を回転させ、ボイスコイルモータ1007によりアクチュエータアーム1004を回動させてヘッドスライダ1006を磁気記録媒体150上にロードすると、ヘッドスライダ1006の媒体対向面が磁気記録媒体150の表面から所定の浮上量をもって保持される。この状態で、磁気記録媒体150から情報を読み出す又は磁気記録媒体150に情報を書き込むことができる。
磁気記録ヘッド901では、2又は3つの垂直自由層の磁化が同位相で回転するので、これらの垂直自由層の磁化の回転に伴って発生する高周波磁場が互いにキャンセルすることがない。そのため、磁気記録媒体150を3次元磁気記録媒体とすることが可能である。
図11は、磁気記録媒体150が三次元記録媒体である例を概略的に示している。図11に示される磁気記録媒体150は、基板1104と、基板1104上に設けられた下地層1103と、下地層1103上に設けられた複数の記録層間層1102及び複数の記録層1101と、を含む。図11には、4つの記録層1101が設けられる例が示されているが、記録層1101の数は、2、3又は5以上であってもよい。記録層間層1102は、隣接した記録層1101が磁気的に分離するように設けられており、非磁性材料からなる。
複数の記録層1101に対する磁気情報の書き込みは、磁気記録ヘッド901によって層選択をすることによってなされる。具体的には、記録層1101それぞれの磁化の磁気共鳴周波数を互いに異なるように設定し、磁気記録ヘッド901からの高周波磁場の周波数をいずれかの記録層1101に合わせることで層選択がなされる。ここでは、4層の記録層1101がある場合を想定し、記録層1101の磁化の磁気共鳴周波数を磁気記録媒体150の上部から順にf、f、f、fと表すこととする。例えば、上から2層目の記録層1101に書き込みを行う場合、磁気記録ヘッド901からの高周波磁場の周波数をfに設定する。磁気記録ヘッド901からの高周波磁場の周波数の設定には、垂直自由層磁化の同期振動周波数の電流依存性を利用することができる。図5(a)の例では、−3〜−8mAの電流Iの範囲において周波数fが45〜35GHzに変化している。電流依存性は、略線形になっているから、f=51.0+2.0Iと近似的に表すことができる。従って、電源V1によってスピントルク発振素子120に通電する電流値を、例えば、−4mA、−5mA、−6mA、−7mAのように離散的に設定することにより、磁気記録ヘッド901からの高周波磁場の周波数をf=43GHz、f=41GHz、f=39GHz、f=37GHzと設定することができる。
以上のように、第3の実施形態によれば、前述した実施形態に係る磁気記録ヘッドを用いた磁気記録装置が提供される。
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。
100…磁気記録ヘッド、110…主磁極、112…補助磁極、114…励磁コイル、120…スピントルク発振素子、121…電極層、122…垂直自由層、123…スペーサ層、124…垂直自由層、125…電極層、126…磁性多層膜、131,132…電流、136…記録磁場、150…磁気記録媒体、151…ターゲットビット、700…磁気記録ヘッド、701…電極層、702…垂直自由層、703…スペーサ層、704…垂直自由層、705…スペーサ層、706…垂直自由層、707…電極層、708…磁性多層膜、900…磁気ヘッド、901…磁気記録ヘッド、910…磁気再生ヘッド、911…磁気再生素子、912,913…磁気シールド層、1002…スピンドル、1003…ピボット、1004…アクチュエータアーム、1005…サスペンション、1006…ヘッドスライダ、1007…ボイスコイルモータ、1008…信号処理部、1101…記録層、1102…記録層間層、1103…下地層、1104…基板。

Claims (8)

  1. 記録磁場を発生させる主磁極と、
    高周波磁場を発生させるスピントルク発振素子であって、膜面に垂直な方向に磁気異方性軸を有し、磁化が回転可能である第1垂直自由層と、膜面に垂直な方向に磁気異方性軸を有し、磁化が回転可能である第2垂直自由層と、前記第1垂直自由層と前記第2垂直自由層との間に設けられた第1スペーサ層と、1対の電極層と、を含み、前記第1垂直自由層の実効的な垂直磁気異方性磁場が前記第2垂直自由層の実効的な垂直磁気異方性磁場よりも小さく、前記1対の電極層を通じて前記第1垂直自由層側から前記第2垂直自由層側に電流を流す、スピントルク発振素子と、
    を具備する磁気記録ヘッド。
  2. 前記スピントルク発振素子は、膜面に垂直な方向に磁気異方性軸を有し磁化が回転可能である第3垂直自由層と、前記第2垂直自由層と前記第3垂直自由層との間に設けられた第2スペーサ層と、をさらに含み、前記第2垂直自由層は、前記第1垂直自由層と前記第3垂直自由層との間に設けられ、前記第2垂直自由層の実効的な垂直磁気異方性磁場が前記第3垂直自由層の実効的な垂直磁気異方性磁場よりも小さく、前記1対の電極層を通じて前記第1垂直自由層側から前記第3垂直自由層側に電流を流す、請求項1に記載の磁気記録ヘッド。
  3. 前記第3垂直自由層は、CoCr系材料、Co/Pd多層膜、Co/Ni多層膜、Co/Pt多層膜、L10合金、CoPt、SmCo、CoFe/MgO界面、CoFeB/MgO界面、FeB/MgO界面の少なくともいずれか1つを含む、請求項2に記載の磁気記録ヘッド。
  4. 前記第1垂直自由層は、CoCr系材料、Co/Pd多層膜、Co/Ni多層膜、Co/Pt多層膜、L10合金、CoPt、SmCo、CoFe/MgO界面、CoFeB/MgO界面、FeB/MgO界面の少なくともいずれか1つを含む、請求項1乃至3のいずれか1項に記載の磁気記録ヘッド。
  5. 前記第2垂直自由層は、CoCr系材料、Co/Pd多層膜、Co/Ni多層膜、Co/Pt多層膜、L10合金、CoPt、SmCo、CoFe/MgO界面、CoFeB/MgO界面、FeB/MgO界面の少なくともいずれか1つを含む、請求項1乃至4のいずれか1項に記載の磁気記録ヘッド。
  6. 磁気記録媒体と、
    前記磁気記録媒体の磁気情報を再生するための磁気再生ヘッド及び請求項1乃至5のいずれか1項に記載の磁気記録ヘッドを含む磁気ヘッドと、
    前記磁気ヘッドと前記磁気記録媒体とを相対的に移動させる移動手段と、
    前記磁気ヘッドを用いて前記磁気記録媒体への信号の書き込み及び前記磁気記録媒体からの信号の読み出しを行う信号処理手段と、
    を具備する磁気記録装置。
  7. 前記磁気再生ヘッドは、磁化が回転可能である自由層を少なくとも1つ含む他のスピントルク発振素子を備え、
    前記信号処理手段は、前記他のスピントルク発振素子の高周波出力の振幅又は位相の変化を検出することによって前記磁気記録媒体の磁気情報を再生する、請求項6に記載の磁気記録装置。
  8. 前記磁気記録媒体は、複数の記録層を含む3次元記録媒体である請求項6又は7に記載の磁気記録装置。
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