JP2018049676A - 高周波アシスト磁気記録ヘッド、磁気ヘッドアセンブリ、及び磁気記録再生装置 - Google Patents

Abstract

【課題】低駆動電流で安定して発振が可能なスピントルク発振子を有する高周波アシスト磁気記録ヘッドを得る。【解決手段】実施形態にかかる高周波アシスト磁気記録ヘッドは、主磁極及び補助磁極間に、主磁極または補助磁極と交換結合された熱スピン注入層と、熱スピン注入層と補助磁極または主磁極との間に設けられたスピントルク発振子とを含む。スピントルク発振子は熱スピン注入層上に設けられた発振層、第一非磁性層、及びスピン注入層を含み、熱スピン注入層は、スピン依存ゼーベック係数が負の材料で構成され、発振層との間の温度勾配によって発振層に熱スピン注入する。【選択図】図１

Description

本発明の実施形態は、高周波アシスト磁気記録ヘッド、磁気ヘッドアセンブリ、及び磁気記録再生装置に関する。

高周波磁界アシスト記録ヘッドを実現するためには、低駆動電流で安定して発振が可能であり、かつ、媒体磁化を十分に共鳴させる面内高周波磁界の発生が可能な、スピントルク発振子を設計・作製することが重要になる。

スピントルク発振子に通電可能な最大電流密度は、例えば素子サイズが７０ｎｍ程度のとき、２×１０^８Ａ／ｃｍ^２である。これ以上の電流密度では、例えばスピントルク発振子の発熱及びマイグレーションにより、特性が劣化する。このため、なるべく低電流密度で発振可能なスピントルク発振子を設計することが重要となる。

従来のスピントルク発振子のスピン注入層にはＣｏ／Ｎｉ人工格子などの強磁性体のスピン分極を用いている。例えば４０ｎｍ角サイズの素子では、磁極との相互作用がない状態で、２５ｎｍＴ程度の発振層を０．５×１０^８Ａ／ｃｍ^２程度で発振開始させることができる。しかしながら、実際の磁気ヘッドにおいては、発振層の磁化が、それに近接する補助磁極の磁化と静磁気的に相互作用するため、発振に必要な電流密度が２倍以上に増大してしまうという問題がある。

特開２００８−１７６９０８号公報

本発明の実施形態は、低駆動電流で安定して発振が可能なスピントルク発振子を有する高周波アシスト磁気記録ヘッドを得ることを目的とする。

実施形態によれば、磁気記録媒体に記録磁界を印加する主磁極と、
該主磁極と磁気回路を構成する補助磁極と、
前記主磁極の一表面上に形成され、前記主磁極と交換結合された熱スピン注入層と、
該熱スピン注入層の一表面及び前記補助磁極間に設けられ、該熱スピン注入層上に形成された第二非磁性層と、
前記第二非磁性層上に形成された発振層、前記発振層上に形成された第一非磁性層、及び前記第一非磁性層上に形成されたスピン注入層を含むスピントルク発振子とを含み、
前記熱スピン注入層は、スピン依存ゼーベック係数が負の材料で構成され、前記発振層との間の温度勾配によって前記発振層に熱スピン注入することを特徴とする高周波アシスト磁気記録ヘッドが提供される。

第１の実施形態にかかる高周波アシスト磁気記録ヘッドを表す断面図である。 実施形態にかかる高周波アシスト磁気記録ヘッドの動作原理の一例を表す図である。 実施形態にかかる高周波アシスト磁気記録ヘッドの動作原理の他の一例を表す図である。 第２の実施形態にかかる高周波アシスト磁気記録ヘッドを表す断面図である。 第３の実施形態にかかる高周波アシスト磁気記録ヘッドを表す断面図である。 第４の実施形態にかかる磁気ヘッドアセンブリの構成の一例を表す図である。 第５の実施形態にかかる磁気記録再生装置の構成を表す図である。

実施形態にかかる高周波アシスト磁気記録ヘッドは、記録コイルに電流を流した際に記録磁界を発生し、磁気記録媒体に対して記録磁界を印加する主磁極、主磁極のトレーリング方向側に設けられた補助磁極、主磁極と補助磁極の間に設けられた、（１）スピントルク発振子、及び補助磁極と交換結合された熱スピン注入層の積層、あるいは（２）主磁極と交換結合された熱スピン注入層、及びスピントルク発振子の積層を含む。

実施形態に用いられるスピントルク発振子は、スピン注入層と第一非磁性層と発振層との積層構造を有する。また、スピントルク発振子と熱スピン注入層の積層順に関しては、スピン注入層、第一非磁性層、発振層、第二非磁性層、熱スピン注入層とする。例えば、（１）の組合せに関しては、主磁極、非磁性下地層、スピン注入層、第一非磁性層、発振層、第二非磁性層、熱スピン注入層、及び補助磁極の順に積層することができる。また、例えば、（２）の組合せに関しては、主磁極、熱スピン注入層、第二非磁性層、発振層、第一非磁性層、スピン注入層、非磁性キャップ層、及び補助磁極の順に積層することができる。

上記非磁性下地層及び非磁性キャップ層は任意に設けられる。

熱スピン注入層と発振層は非磁性体からなる第二非磁性層を介して積層されている。第二非磁性層は、熱スピン注入層の磁化と発振層の磁化とが交換結合しないように用いられる。２つの層の磁化が交換結合すると、熱スピン注入層は機能的に発振層の一部となってしまい、好ましくない。

また、主磁極とスピン注入層との間の非磁性下地層は、スピン注入層よりも上の層の結晶性を制御する役目があり、例えばスピン注入層の垂直磁気異方性が得られるように選択することができる。

スピン注入層と補助磁極との間に非磁性キャップ層があると、スピントルク発振子を形成する段階で、スピン注入層へ加わる加工ダメージを低減することができる。

実施形態に用いられる熱スピン注入層は、スピン依存ゼーベック係数が負の材料で構成され、発振層との間の温度勾配によって発振層に熱スピン注入する。

実施形態にかかる磁気ヘッドアセンブリは、上記高周波アシスト磁気記録ヘッドと、高周波アシスト磁気記録ヘッドが搭載されたヘッドスライダーと、ヘッドスライダーを一端に搭載するサスペンションと、サスペンションの他端に接続されたアクチュエータアームとを備える。

実施形態にかかる磁気記録再生装置は、磁気ヘッドアセンブリと、磁気ヘッドアセンブリに搭載された前記高周波アシスト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信号処理部とを備える。

実施形態によれば、主磁極の界面層に熱スピン注入材料を用い、さらに主磁極に近接設置した例えばダイナミックフライングハイト（ＤＦＨ）制御用ヒーターおよび記録コイルによって主磁極と発振層との間に温度勾配をつけて、スピントルク発振子の発振層の磁化発振をアシストすることにより、高周波アシスト磁気記録ヘッドを低電流密度で駆動することができる。

以下、実施の形態について、図面を参照して説明する。

図１は、第１の実施形態にかかる高周波アシスト磁気記録ヘッドを表す断面図を示す。

図示するように、この磁気記録ヘッド１０は、記録コイル８に電流を流した際に書込み磁界を発生する主磁極１と、主磁極１に対向して設けられた補助磁極２と、主磁極１のトレーリング方向側の表面に設けられ、主磁極１と交換結合している熱スピン注入層３と、熱スピン注入層３と補助磁極２との間に設けられたスピントルク発振子７とから構成される。スピントルク発振子７は、熱スピン注入層３上に第二非磁性層１６を介して設けられた発振層４と発振層４上に設けられた第一非磁性層５と、第一非磁性層５上に設けられたスピン注入層６との積層構造を持つ。また、熱スピン注入層３は、スピン依存ゼーベック係数が負の材料で構成され、発振層４との間の温度勾配によって発振層４に熱スピン注入することを特徴とする。

以下、図１の磁気記録ヘッドの各層をより詳細に説明する。

熱スピン注入層は、スピン依存ゼーベック係数が負の材料で構成される。ここで、スピン依存ゼーベック係数は、アップスピンに対するゼーベック係数とダウンスピンに対するゼーベック係数の差で定義される。スピン依存ゼーベック係数が負の材料として、例えばＣｏ_２ＦｅＡｌ，Ｃｏ_２ＦｅＳｉ，Ｃｏ_２ＭｎＡｌ，Ｃｏ_２ＭｎＳｉ，及びＣｏ_２ＴｉＡｌホイスラー合金などがあげられる。さらに、熱スピン注入層として正の垂直磁気異方性を有する材料を使用することができる。

高周波磁界アシスト記録に必要な高周波磁界を発生するために、発振層の飽和磁化Ｍｓと膜厚ｔとの積は２０〜３０ｎｍＴ程度であることが望ましい。

発振層としては、ＦｅＣｏ合金やＮｉＦｅ合金、またはＦｅＣｏ合金にＡｌ，Ｓｉ，Ｇａ，Ｇｅ，Ｃｕ，Ａｇ，Ａｕ，Ｃｒ，Ｔａ，Ｗ，Ｉｒ，Ｐｔ，Ｐｄから選ばれる少なくとも一種類以上の元素を添加した合金、ＦｅＣｏ／Ｎｉ人工格子やＦｅ／Ｃｏ人工格子などが用いられる。発振層のサイズは７０ｎｍ角程度以下が望ましい。

第一非磁性層としては、例えば、スピン拡散長の長いＣｕ，Ａｇ，Ａｕを用いることができる。

第二非磁性層としては、例えば、スピン拡散長の長いＣｕ，Ａｇ，Ａｕを用いることができる。

スピン注入層としては、例えば、ＦｅＣｏ／Ｎｉ人工格子やＣｏ／Ｐｔ人工格子、ＦｅＰｔ合金やＣｏＰｔ合金などの垂直磁化膜を用いることができる。また、中間層側の界面に、ＦｅＣｏ合金やＣｏ基ホイスラー合金などスピン分極率の大きな材料をさらに積層することができる。

図２に、実施形態にかかる高周波アシスト磁気記録ヘッドの動作原理の一例を表す図を示す。

発振層４は主磁極１と補助磁極２との間におかれている。矢印１１で表されるように、主磁極１から、主磁極１の膜面に対し垂直方向に、補助磁極２に向けてギャップ磁界が印加されるので、発振層４とスピン注入層６の磁化は矢印１３，１４に示すように略平行状態にある。この状態で、熱スピン注入層３から発振層４およびスピン注入層６へと矢印１２の方向に電子が流れる向きに電流を流すと、発振層４はスピン注入層６から矢印１５のように回転する方向に作用するスピントルクを受け取って発振する。さらに、発振層４と主磁極１の間に温度勾配をつけると、熱スピン注入層３から発振層４へとスピントルクが注入され、発振層４の磁化発振をアシストすることができる。熱スピン注入層３に負のスピン依存ゼーベック係数の材料を用いると、高温側の主磁極１から低温側の発振層４へは、ダウンスピンすなわち磁化反平行方向のスピンが注入される。そのために、スピントルクが効率よくかかると考えられる。

図３に、実施形態にかかる高周波アシスト磁気記録ヘッドの動作原理の他の例を表す図を示す。

図示するように、矢印１１’に示すように、補助磁極２から主磁極１に向けて補助磁極２の膜面に対し垂直方向に、ギャップ磁界が印加される。発振層４とスピン注入層６の磁化は矢印１３’，１４’に示すように略平行状態にある。この状態で、スピン注入層６から発振層４および熱スピン注入層３へと矢印１２’の方向に電子が流れる向きに電流を流すと、スピン注入層６および熱スピン注入層３からのスピントルクは、ギャップ磁界の向きが反転しても、発振層４の磁化発振をアシストする方向にかかる。発振層４はスピン注入層６から矢印１５’のように回転する方向に作用するスピントルクを受け取って発振する。

図４は、第２の実施形態にかかる高周波アシスト磁気記録ヘッドを表す断面図を示す。

図示するように、この高周波アシスト磁気記録ヘッド２０は、主磁極１の近傍にヒーター９を備えたこと以外は、図１と同様の構成を有する。

このヒーターによって、発振層４と主磁極１との間に、数Ｋ程度の温度勾配をつけることができる。

図５は、第３の実施形態にかかる高周波アシスト磁気記録ヘッドを表す断面図を示す。

図示するように、この高周波アシスト磁気記録ヘッド３０は、記録コイル８に電流を流した際に書込み磁界を発生する主磁極１と、主磁極１に対向して設けられた補助磁極２と、主磁極１と補助磁極２の間に設けられたスピントルク発振子７と、スピントルク発振子７と補助磁極２との間に設けられ、補助磁極２と交換結合している熱スピン注入層２３とを有する。

スピントルク発振子７は、主磁極１のトレーリング方向側に形成された非磁性下地層１７を介して設けられたスピン注入層６と、スピン注入層６上に設けられた第１中間層５と、第１中間層５上に設けられた発振層４とを有する。また、発振層４と熱スピン注入層１３との間には第２中間層１６が設けられている。熱スピン注入層２３は、スピン依存ゼーベック係数が負の材料で構成され、発振層４との間の温度勾配によって発振層４に熱スピン注入することができる。

熱スピン注入層２３から発振層４およびスピン注入層６へと矢印１４で表される方向に電子が流れる向きに電流を流すと、発振層４はスピン注入層６からスピントルクを受け取って発振する。さらに、発振層４と補助磁極２の間に温度勾配をつけると、熱スピン注入層２３から発振層４へとスピントルクが注入され、発振層４の磁化発振をアシストすることができた。

非磁性下地層としては、例えば、Ｔａなどのアモルファス材料と、Ｃｕ，Ｔｉ，Ｐｔ，Ｗのいずれかを含む非磁性材料層との積層構造を用いることができる。

図６は、第４の実施形態にかかる磁気ヘッドアセンブリの構成の一例を表す図を示す。

図７は、第５の実施形態にかかる磁気記録再生装置の構成を表す図を示す。

図７は、実施形態にかかる磁気ヘッドを搭載可能な磁気記録再生装置の概略構成を例示する要部斜視図である。

すなわち、磁気記録再生装置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１５３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。磁気記録再生装置１５０は、複数の媒体ディスク１８０を備えたものとしてもよい。

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１０３は、磁気ヘッドアッセンブリ１６０における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１０３は、例えば、実施の形態にかかる磁気ヘッドをその先端付近に搭載している。

媒体ディスク１８０が回転すると、ヘッドスライダー１０３の媒体対向面（ＡＢＳ）は媒体ディスク１８０の表面から所定の浮上量をもって保持される。あるいはスライダが媒体ディスク１８０と接触するいわゆる「接触走行型」であってもよい。

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および対向ヨークからなる磁気回路とから構成される。

アクチュエータアーム１５５は、スピンドル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６に、実施形態にかかる磁気ヘッドアッセンブリの一例を表す概略図を示す。

図６は、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をディスク側から眺めた拡大斜視図である。すなわち、磁気ヘッドアッセンブリ１６０は、例えば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を有し、アクチュエータアーム１５５の一端にはサスペンション１５４が接続されている。

サスペンション１５４の先端には、図１に示す磁気ヘッド１０を搭載するヘッドスライダー１０３が取り付けられている。サスペンション１５４は信号の書き込みおよび読み取り用のリード線１６４を有し、このリード線１６４とヘッドスライダー１０３に組み込まれた磁気ヘッドの各電極とが電気的に接続されている。図中１６５は磁気ヘッドアッセンブリ１６０の電極パッドである。

［実施例１］
図１と同様の構造を有し、第１の実施形態にかかる高周波アシスト磁気記録ヘッドの製造方法を以下に示す。

まず、主磁極上に、下記の材料及び厚さを有する層を、それぞれＤＣマグネトロンスパッタ法を用いて、順に積層した。

熱スピン注入層 Ｃｏ_２ＦｅＡｌ ２ｎｍ
第二非磁性層 Ｃｕ ２ｎｍ
発振層 ＦｅＣｏ １３ｎｍ
第一非磁性層 Ｃｕ ３ｎｍ
スピン注入層 ＦｅＣｏ ０．４ｎｍ／［Ｃｏ ０．２ｎｍ／Ｎｉ ０．６ｎｍ］ｘ１５
非磁性キャップ層 Ｃｕ １ｎｍ／Ｔａ ２ｎｍ／Ｒｕ １５ｎｍ
スピントルク発振子のストライプ高さ方向のサイズを規定するためのマスク層を形成し、その後、ＩＢＥ（イオンビームエッチング）法でスピントルク発振子の第二非磁性層までエッチングした。素子周辺部分は絶縁膜のＳｉＯｘを成膜し、その後マスク層を除去した。また、トラック幅方向のサイズを規定するためのマスク層をたて、同様に加工した。

次に、非磁性キャップ層上に、補助磁極としてＴａ ２ｎｍ／ＦｅＣｏＮｉを形成した。

［比較例１］
比較例１として、主磁極上に下記の材料及び厚さを有する層をＤＣマグネトロンスパッタ法を用いて順に積層した。

下地層 Ｔａ ２ｎｍ
下地層 Ｃｕ ２ｎｍ
発振層 ＦｅＣｏ １３ｎｍ
中間層 Ｃｕ ３ｎｍ
スピン注入層 ＦｅＣｏ ０．４ｎｍ／［Ｃｏ ０．２ｎｍ／Ｎｉ ０．６ｎｍ］ｘ１５
非磁性キャップ層 Ｃｕ １ｎｍ／Ｔａ ２ｎｍ／Ｒｕ １５ｎｍ
そして、同様の工程で加工し、補助磁極を形成した。発振に必要な電流密度を調べて、両者を比較したところ、実施例１では、０．８×１０^８Ａ／ｃｍ^２、比較例では、０．７５×１０^８Ａ／ｃｍ^２であった。

比較例の構成においては、主磁極から発振層へと、発振を抑制する方向へのスピントルクＮ１がかかる。

一方、本実施形態では、熱勾配によって生じるスピントルクＮ２が、発振をアシストする方向へかかる。前者のスピントルクＮ１に対する後者のスピントルクＮ２の比は、下記式（１）で表されると考えられる。

Ｎ２／Ｎ１＝Ｐ’ＳΔＴ／ＰΔＶ …（１）
式中、ΔＴは温度差、ΔＶは電圧差であり、Ｐは伝導電子のスピン分極率と定義される。比較例においては、ＰΔＶは１ｍＶ程度と考えられる。一方、Ｐ’はゼーベック係数のスピン偏極率、Ｓはゼーベック係数と定義されている。Ｃｏ_２ＦｅＡｌにおいては、Ｐ’Ｓは３５μＶ／Ｋ程度という報告がある。このように、数Ｋ程度の温度勾配があるとき、実施例１にかかる磁気記録ヘッドを使用すると、比較例１にかかる磁気記録ヘッドを使用するよりも低い電流密度で、発振層を磁化発振させることが可能となる。

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。

１…主磁極、２…補助磁極、３…熱スピン注入層、４…発振層、５…第一非磁性層、６…スピン注入層、７…スピントルク発振子、８…記録コイル、９…ヒーター、１０，２０，３０…磁気記録ヘッド、１１，１２，１３，１４…矢印、１６…第二非磁性層、１７…非磁性下地層

Claims (9)

1. 磁気記録媒体に記録磁界を印加する主磁極と、
   該主磁極と磁気回路を構成する補助磁極と、
   前記主磁極の一表面上に形成され、前記主磁極と交換結合された熱スピン注入層と、
   該熱スピン注入層の一表面及び前記補助磁極間に設けられ、該熱スピン注入層上に形成された第二非磁性層と、
   前記第二非磁性層上に形成された発振層、前記発振層上に形成された第一非磁性層、及び前記第一非磁性層上に形成されたスピン注入層とを含むスピントルク発振子と
   を含み、
   前記熱スピン注入層は、スピン依存ゼーベック係数が負の材料で構成され、前記発振層との間の温度勾配によって前記発振層に熱スピン注入することを特徴とする高周波アシスト磁気記録ヘッド。
2. 磁気記録媒体に記録磁界を印加する主磁極と、
   該主磁極と磁気回路を構成する補助磁極と、
   前記補助磁極の一表面上に形成され、前記補助磁極と交換結合された熱スピン注入層と、
   該前記主磁極及び熱スピン注入層の一表面間に設けられ、該主磁極上に形成されたスピン注入層、前記スピン注入層上に形成された第一非磁性層、及び前記第一非磁性層上に形成された発振層を含むスピントルク発振子と、
   前記発振層上に形成された第二非磁性層とを含み、
   前記熱スピン注入層は、スピン依存ゼーベック係数が負の材料で構成され、前記発振層との間の温度勾配によって前記発振層に熱スピン注入することを特徴とする高周波アシスト磁気記録ヘッド。
3. 前記スピン注入層と前記補助磁極との間に非磁性キャップ層をさらに含むことを特徴とする請求項１に記載の高周波アシスト磁気記録ヘッド。
4. 前記主磁極と前記スピン注入層との間に非磁性下地層をさらに含むことを特徴とする請求項２に記載の高周波アシスト磁気記録ヘッド。
5. 前記熱スピン注入層は、コバルト基ホイスラー合金で構成されることを特徴とする請求項１ないし４のいずれか１項に記載の高周波アシスト磁気記録ヘッド。
6. 前記熱スピン注入層は、正の垂直磁気異方性を有することを特徴とする請求項１ないし５のいずれか１項に記載の高周波アシスト磁気記録ヘッド。
7. 前記主磁極と前記熱スピン注入層を加熱するヒーターをさらに含む請求項１ないし６のいずれか１項に記載の高周波アシスト磁気記録ヘッド。
8. 請求項１ないし７のいずれか１項に記載の高周波アシスト磁気記録ヘッドと、
   前記高周波アシスト磁気記録ヘッドが搭載されたヘッドスライダーと、
   前記ヘッドスライダーを一端に搭載するサスペンションと、
   前記サスペンションの他端に接続されたアクチュエータアームと
   を備えたことを特徴とする磁気ヘッドアセンブリ。
9. 磁気記録媒体と、
   請求項８に記載の磁気ヘッドアセンブリと、
   前記磁気ヘッドアセンブリに搭載された前記高周波アシスト磁気記録ヘッドを用いて前記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、
   を備えたことを特徴とする磁気記録再生装置。

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