JP2020061199A - マイクロ波センサ - Google Patents

Abstract

【課題】マイクロ波アシスト磁気ヘッド用のＳＴＯが発するマイクロ波磁界を検出するための小型のマイクロ波センサを提供する。【解決手段】本発明のマイクロ波センサ１０は、交差する非磁性体からなる２つの信号線１１、１２と、２つの信号線の交差点に接合し、各辺は略１００ｎｍ以下の長さを有し、幅ｗは長さｌよりも長い直方体形状の磁性体１３と、を備える。マイクロ波を発するＳＴＯ６の表面を直方体形状の磁性体の表面から略１０ｎｍ以下の間隔を空けて対向させた状態で、信号線の一方１１の長さｌ方向に電流ＩLを流した時に得られる信号線の他方１２の幅方向の電圧信号Ｖからマイクロ波磁界を検出する。【選択図】図２

Description

本発明は、マイクロ波センサに関し、より具体的には、スピントルクオシレータ（ＳＴＯ）が発するマイクロ波磁界を検出するためのマイクロ波センサに関する。

次世代のハードディスク用の磁気ヘッドには、マイクロ波アシスト書き込み方式が有望である。この方式は、記録媒体にマイクロ波を与え、磁性媒体上の記録ビットをより効率的に書き込むことを可能とする方法である（例えば、特許文献１）。このマイクロ波の発信源は、磁気ヘッドの中あるいはごく近傍に設置し、情報を書き込む記録ビットに局所的にマイクロ波を照射する必要がある。そのような要請から、マイクロ波アシスト書き込みに有望なマイクロ波発信源として、磁気抵抗素子におけるスピントルク発振を用いたスピントルクオシレータ（以下、ＳＴＯと記す）が注目されている。

ＳＴＯは有望なマイクロ波源として着目されているが、本当に局所的なマイクロ波（マイクロ波磁界）が出ているのかどうかを簡便に測定する手法が無いことが問題となっている。そのマイクロ波磁界を検出することの困難さは、ＳＴＯ素子自体の大きさが極小（せいぜい数１００ｎｍ径）であること、ＳＴＯから発生するマイクロ波磁界の空間的広がりも同程度の大きさであること、さらに、マイクロ波磁界は磁界発生源からの距離に対して距離の３乗で減衰することから生じている。このため、ＳＴＯから生成されるマイクロ波磁界を検出できる極小のセンサ、およびそのセンサに対応した測定方法が求められている。

特許文献２は、マイクロ波アシスト磁気ヘッドにより生成される面内高周波磁界の測定装置を開示する。その測定装置では、マイクロ波アシスト磁気ヘッド内に装備されたＳＴＯへバイアス電流を流すことにより発生する面内高周波磁界をトンネル磁気抵抗（ＴＭＲ）素子を有する磁気センサで測定する。しかし、特許文献２の測定装置は、ＳＴＯが発するマイクロ波（マイクロ波磁界）を直接的に検出するマイクロ波センサを提供するものでもない。

特開２０１７−２２４３７６号公報 米国特許出願公開ＵＳ２０１７／０３０１１６２

本発明の目的は、マイクロ波アシスト磁気ヘッド用のＳＴＯが発するマイクロ波（マイクロ波磁界）を検出するための小型のマイクロ波センサを提供することである。

本発明は、ＳＴＯが発するマイクロ波磁界を検出するマイクロ波センサを提供する。そのマイクロ波センサは、交差する非磁性体からなる２つの信号線と、２つの信号線の交差点に接合し、各辺は略１００ｎｍ以下の長さを有し、幅は長さよりも長い直方体形状の磁性体と、を備える。マイクロ波を発するＳＴＯの表面を直方体形状の磁性体の表面から略１０ｎｍ以下の間隔を空けて対向させた状態で、信号線の一方の長さ向に電流を流した時に得られる信号線の他方の幅方向の電圧信号からマイクロ波磁界を検出する。

本発明のマイクロ波センサによれば、ＳＴＯと同程度の小さなサイズを有し、ＳＴＯが発するマイクロ波と干渉することなく、ＳＴＯの近傍においてマイクロ波磁界（局所磁界）を検出することが可能となる。

本発明の一実施形態のマイクロ波センサの適用対象となるマイクロ波アシスト磁気記録を説明するための模式図である。 本発明の一実施形態のマイクロ波センサの基本構成を示す模式図である。 本発明の一実施形態のマイクロ波センサとＳＴＯの配置を示す模式図である。 本発明の一実施形態のＳＴＯの磁界発生動作を説明するための図である。 本発明の一実施例のマイクロ波センサの異常ホール電圧の変化を示す図である。 本発明の一実施例のマイクロ波センサの異常ホール電圧の変化を示す図である。 本発明の一実施形態のＳＴＯのマイクロ波磁界の周波数とマイクロ波センサの測定電圧の周波数との関係を示す図である。 本発明の一実施形態のＳＴＯのマイクロ波磁界の振幅とマイクロ波センサの測定電圧の振幅との関係を示す図である。 本発明の一実施形態のマイクロ波センサの長さと測定電圧の振幅の関係を示す図である。

図面を参照しながら本発明の実施の形態を説明する。図１は、本発明の一実施形態のマイクロ波センサの適用対象となるマイクロ波アシスト磁気記録を説明するための模式図である。マイクロ波アシスト磁気記録では、記録層１の各記録ビット２の磁化の向き３をライトポール４が発するスイッチング磁場５によって反転させて書き込みを行う。その際に、ＳＴＯ６が発するマイクロ波磁界（局所磁界）７を記録層１に印加して、記録ビット２の磁化の歳差運動を励起して、ライトポール４による垂直方向での磁化反転をアシストする。

この場合、記録ビットサイズＳは約１５ｎｍ以下であり、直径Ｒが約３０ｎｍ以下のＳＴＯを記録層１の表面から約１０ｎｍ以下の近傍に配置する必要がある。本発明のマイクロ波センサは、図１にイメージされるようなマイクロ波アシスト磁気記録において利用されるＳＴＯが発生するマイクロ波磁界（局所磁界）を検出する。

図２は、本発明の一実施形態のマイクロ波センサの基本構成を示す模式図である。マイクロ波センサ１０は、交差する非磁性体からなる２つの信号線１１、１２と、２つの信号線１１、１２の交差点に接合し、各辺Ｗ、l、ｄ_Fが約１００ｎｍ以下の長さを有し、幅Ｗは長さｌよりも長い直方体形状の磁性体１３とを備える。磁性体１３は、概ね１００ｎｍ角以下であり、測定対象のＳＴＯと同程度の小さいサイズを有する。

マイクロ波センサ１０は、平面構造を有し、磁性体１３の表面から約１０ｎｍ以下の近傍の位置までＳＴＯを接近させやすい構造となっている。磁性体１３の表面から伸びる矢印１４は磁化（磁化ベクトル）の向きを意味し、θは垂直方向からの磁化の最初の傾き角度を意味している。

非磁性体からなる２つの信号線１１、１２は、例えばＣｕ、Ｐｔ、Ｐｄ、Ｔａ、Ｗなどを含む金属や合金を用いることができる。磁性体１３は、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｎｉの何れか１つあるいは複数を含む強磁性の金属や合金、例えばＣｏ−Ｆｅ−Ｂ、Ｆｅ−Ｃｏ、Ｆｅ−Ｎｉ、Ｃｏ−Ｆｅ−Ｎｉ、あるいはそれらに他の元素を添加した合金や金属間化合物、例えばＦｅ−Ｐｔ、Ｆｅ−Ｐｄ、Ｃｏ−Ｐｔ、Ｃｏ−Ｐｄ、ホイスラー合金などを用いることができる。

図２のマイクロ波センサ１０において、信号線１１に電流Ｉ_Lを流した時に異常ホール効果によって直交する信号線１２に電圧Ｖが発生する。その異常ホール効果による異常ホール電圧信号（以下、単に電圧信号と呼ぶ）Ｖ（θ）は下記の式（１）で与えられる。

ただし、θ：磁性体１３の磁化の最初の傾き角度、θ_AHE：異常ホール角、ρ_N：信号線１１、１２の非磁性体の抵抗率、ρ_F：磁性体１３の抵抗率、ｄ_N：信号線１１、１２の厚さ、ｄ_F：磁性体１３の厚さ、Ｉ_L：信号線１１に流す電流である。

マイクロ波センサ１０の磁性体１３の表面にＳＴＯを近接させるとＳＴＯが発するマイクロ波磁界によって電圧信号Ｖ（θ）が変化する。式（１）で言うと、磁性体１３の磁化の傾き角度θが変化（振動）してＶ（θ）の振動状態が変化する。言い換えれば、ＳＴＯが発するマイクロ波磁界の振幅電圧と周波数に応じてマイクロ波センサ１０の電圧信号Ｖ（θ）の振幅電圧と周波数が変化する。マイクロ波センサ１０は、測定される電圧信号Ｖ（θ）の振幅電圧と周波数からＳＴＯが発するマイクロ波磁界の振幅電圧と周波数を推定する。

図３〜図１０を参照しながらマイクロ波センサ１０における式（１）の電圧信号Ｖ（θ）によってＳＴＯが発するマイクロ波磁界が検出できること、具体的には、電圧信号Ｖ（θ）の振幅電圧と周波数からＳＴＯが発するマイクロ波磁界の振幅電圧と周波数を推定する方法について説明する。まず、図３、図４に示すようにマイクロ波センサ１０とＳＴＯ６の各パラメータ値を設定する。すなわち、

・信号線１１、１２の厚さｄ_N：３ｎｍ、材料：Ｃｕ
・信号線１１に流す電流Ｉ_L：０．１５ｍＡ
・磁性体１３の幅Ｗ：１００ｎｍ、長さｌ：５０ｎｍ、厚さｄ_F：２０ｎｍ
・磁性体１３の材料：ＣｏＰｔ
・ＳＴＯ６の直径：２０ｎｍ、厚さｄ_STO：３ｎｍ
・ＳＴＯ６の磁化Ｍ：１５００ｅｍｕ／ｃ．ｃ．
・磁性体１３の上面とＳＴＯ６の下面の間隔ｚ：５ｎｍ

と設定する。

下記の式（２）、（３）によってＳＴＯ６がマイクロ波センサ１０の磁性体１３（計算例ではＣｏＰｔ）の直上（計算例ではＳＴＯ６の下面から５ｎｍ離れた位置）に作るダイポール磁場（マイクロ波磁界）が計算できる。

ここで、Ｍ_STOは図４のＭと同じであり、ｒはＳＴＯ６の半径（２０ｎｍ）を意味し、ψは歳差運動（回転運動）しているＳＴＯ６の傾き角度で、ここでは８５度、すなわちＳＴＯ６の磁化は面内（真横方向）から５度傾いて歳差運動していると仮定している。これらの値を式（２）、（３）に代入して計算すると、図４に示すＳＴＯ６によって作られるダイポール磁場のＨａｃ＝６０５Ｏｅ、Ｈｄｃ＝１０６Ｏｅという値が得られる。

また、ＳＴＯ６の磁化の歳差運動の周波数ｆは下記の式（４）で与えられる。

ここで、γは磁気回転比と呼ばれる量で、磁性体の材料にあまり依存せず約１．７６４×１０⁷ｒａｄ／（Ｏｅ ｓ）という値を持つ。またＮ_STO,zは反磁場係数と呼ばれる磁性体の形状を特徴付ける量で、ＳＴＯ６の形状で決まる。図３の半径ｒ＝２０ｎｍ、厚さｄ_STOが３ｎｍの円柱形状では約０．８３３という値を持つ。これらの値を式（４）に代入して計算すると図４に示すＳＴＯ６の磁化の歳差運動の周波数ｆ＝３．４６ＧＨｚが得られる。

上述したＳＴＯ６が作るダイポール磁場（マイクロ波磁界）を考慮した上でマイクロ波センサ１０の磁性体（ＣｏＰｔ）の磁化のダイナミクスを計算する。具体的には、下記の式（５）で表される磁化のランダウ・リフシッツ・ギルバート方程式（ＬＬＧ方程式）の数値シミュレーションを行う。

ここで、ｍは検出器の磁化方向の単位ベクトルである。αはダンピング定数と呼ばれ、磁性体では約０．０１程度の大きさである（シミュレーションでは０．０１としている）。

Ｈはマイクロ波センサ１０の磁性体（ＣｏＰｔ）の磁化に働く磁場で、下記の式（６）で与えられる。

ここで、ｍｘ、ｍｙ、ｍｚは、ｍ＝（ｍｘ、ｍｙ、ｍｚ）のようにベクトルｍの成分を表している。またＮｘ、Ｎｙ、Ｎｚは、マイクロ波センサ１０の磁性体の反磁場係数で、計算例（図３）で設定した長さｌ（ｘ方向５０ｎｍ）、幅Ｗ（ｙ方向１００ｎｍ）、厚さｄ_F（ｚ方向２０ｎｍ）の場合は、Ｎｘ＝０．２６、Ｎｙ＝０．１３、Ｎｚ＝０．６１となる。Ｈ_Kは垂直異方性磁場と呼ばれ、シミュレーションでは１．０×１０⁴Ｏｅとしている。

上記の磁場Ｈの式（６）中に上述したＳＴＯ６が作るダイポール磁場（マイクロ波磁界）のＨ_dc、Ｈ_acおよび周波数ｆが入っている点が重要である。これはＳＴＯ６の磁性体が外部に作る磁場がマイクロ波センサ１０の磁性体に届いているために発生することを示しているからである。この磁場Ｈ_dc、Ｈ_acおよび周波数ｆの存在下で起こるマイクロ波センサ１０の磁性体の磁化が運動するために、その運動を測定すればＳＴＯ６からの磁場と周波数（Ｈ_dc、Ｈ_ac、ｆ）を見積もる（推定する）ことができる。

本発明では、図２を参照しながら説明したように、マイクロ波センサ１０の異常ホール効果を利用してＳＴＯ６からの磁場を検出する。異常ホール効果は、ホール電圧がマイクロ波センサ１０の磁性体１３の磁化の向きに依存する現象で、具体的には上記した式（６）のｍ_zの値に依存する。ｍ_z＝ｃｏｓθと書き直して磁性体１３の磁化の垂直方向からの傾き角度θを定義すると、電圧信号Ｖ（θ）は上記した式（１）で与えられる。

式（１）のｃｏｓθ（＝ｍ_z）に、式（５）のＬＬＧ方程式をシミュレーションして得られた解を代入すると、図５に示す電圧信号Ｖ（μＶ）の振動のグラフを得ることができる。図５から電圧信号Ｖの振動の大きさ（振幅）は４０ｎＶ程度であり検出可能であることがわかる。図５の計算結果では４０ｎＶの電圧信号Ｖを得ることができる。

さらに、その電圧振動の大きさ（振幅）を大きくして感度を高めるには、異常ホール効果を高めるために磁性体１３により多くの電流が流れるようにする必要がある。そのために、非磁性体の信号線１１、１２にＣｕよりも抵抗率ρ_Nの大きいタンタル（Ｔａ）を用いることができる。その場合の電圧信号（θ）の計算結果を図６に示す。電圧信号Ｖは１０倍の４００ｎＶ程度まで大きくなり、検出感度を大幅に向上させることができる。なお、Ｔａは一例であって、他のＣｕよりも抵抗率ρ_Nの大きい例えばＰｔ、Ｐｄ等の非磁性材料を用いることもできる。

ＳＴＯ６の磁化Ｍを１０００Ｏｅから１５００Ｏｅに変えながら式（１）のｃｏｓθ（＝ｍ_z）に、式（５）のＬＬＧ方程式をシミュレーションして得られた解を代入して、図７のＳＴＯの発振周波数と電圧信号Ｖの周波数との関係を示すグラフと、図８のＳＴＯのマクロ波磁場Ｈ_acと電圧信号Ｖの振動幅との関係を示すグラフを求めた。図７のほぼ線形なグラフは、ＳＴＯ６の磁化１６が周波数ｆで振動する場合、マイクロ波センサ１０の磁性体１３の磁化１４は図中の三日月形の振動軌跡で約２倍の周波数２ｆで振動することを示している。したがって、マイクロ波センサ１０の電圧信号Ｖの周波数ｆ１を検出することにより、その約半分（０．５ｆ１）がＳＴＯ１３のマイクロ波磁界の周波数であると見積もることができる。

図８のグラフからマイクロ波センサ１０の電圧信号Ｖの振動幅（振幅）から対応するＳＴＯのマクロ波磁場Ｈ_acを得ることができる。したがって、マイクロ波センサ１０の電圧信号Ｖの振動幅（振幅）を検出することによりＳＴＯのマクロ波磁場Ｈ_acを見積もることができる。

図７のマイクロ波センサ１０の磁性体１３の磁化１４の三日月形の周波数２ｆの振動は、図３に示したように磁性体１３の幅Ｗと長さｌをそれぞれ１００ｎｍ、５０ｎｍというように違う値にしていることから生じている。すなわち、この幅Ｗと長さｌの差が図２の磁性体１３の磁化１４のθが一定でない運動（振動）を生じさせている。図９に磁性体１３の長さｌを１０〜１００ｎｍの範囲で変えた場合のマイクロ波センサ１０の電圧信号Ｖの振動幅（振幅）の変化を示す。

磁性体１３の長さｌを１０ｎｍから徐々に大きくすると、垂直方向の形状異方性磁場（半磁場）が大きくなって正味の垂直異方性が減ることで磁化１４が振動しやすくなる。その結果、電圧信号Ｖの振動幅（振幅）が上昇し、長さｌが約６０ｎｍで最大となる。６０ｎｍ以降では、長さｌ方向と幅ｗ方向の形状異方性が同じようになり、磁性体１３の磁化１４の歳差（回転）軌道が三日月形から円に近付く（磁化の傾き角度θが一定になる）ので、異常ホール効果による電圧から振動成分が消えてしまう。その結果、図のように電圧信号Ｖの振動幅（振幅）が小さくなっていく。したがって、磁性体１３の幅Ｗと長さｌの比（Ｗ：ｌ）が５：３の関係にある場合に電圧信号Ｖが最大となる。なお、磁性体１３の長さｌを１０〜１００ｎｍの範囲で変えた場合でも図７のＳＴＯの発振周波数と電圧信号Ｖの周波数との関係は変化せず、電圧信号の周波数はマイクロ波磁界の周波数の約２倍である。

本発明の実施形態について、図を参照しながら説明をした。しかし、本発明はこれらの実施形態に限られるものではない。さらに、本発明はその趣旨を逸脱しない範囲で当業者の知識に基づき種々なる改良、修正、変形を加えた態様で実施できるものである。

本発明のマイクロ波センサは、マイクロ波アシスト磁気ヘッド用のＳＴＯのようなマイクロ波磁界を発生する微小なデバイスの近傍においてそのマイクロ波磁界を検出できる小型のマイクロ波センサとして幅広く利用することができる。

１ 記録層
２ 記録ビット
３、１４、１６ 磁化（磁化ベクトル）の向き
４ ライトポール
５ スイッチング磁場
６ スピントルクオシレータ（ＳＴＯ）
７ マイクロ波磁界（局所磁界）
１０ マイクロ波センサ
１１、１２ 信号線
１３ 磁性体

Claims (6)

1. スピントルク発振器（ＳＴＯ）が発するマイクロ波磁界を検出するマイクロ波センサであって、
   交差する非磁性体からなる２つの信号線と、
   前記２つの信号線の交差点に接合し、各辺は略１００ｎｍ以下の長さを有し、幅は長さよりも長い直方体形状の磁性体と、を備え、
   マイクロ波を発する前記ＳＴＯの表面を前記直方体形状の磁性体の表面から略１０ｎｍ以下の間隔を空けて対向させた状態で、前記信号線の一方の前記長さ向に電流を流した時に得られる前記信号線の他方の前記幅方向の電圧信号から前記マイクロ波磁界を検出する、マイクロ波センサ。
2. 前記磁性体の幅ｗと長さｌの比（ｗ：ｌ）が５：３の関係にある、請求項１に記載のマイクロ波センサ。
3. 前記電圧信号の周波数は前記マイクロ波磁界の周波数の２倍である、請求項１に記載のマイクロ波センサ。
4. 前記電圧信号を表すＶ（θ）は、下記の式、
   

   

   ただし、θ：前記磁性体の磁化の最初の傾き角度、θ_AHE：異常ホール角、ρ_N：前記信号線の非磁性体の抵抗率、ρ_F：前記磁性体の抵抗率、ｄ_N：前記信号線の厚さ、ｄ_F：前記磁性体の厚さ、Ｉ_L：前記信号線の一方に流す電流、
   で与えられる、請求項１に記載のマイクロ波センサ。
5. 前記電圧信号Ｖの振動幅（μＶ）と前記ＳＴＯのマイクロ波磁場（Ｏｅ）は、図８のグラフに示される関係を有する、請求項４に記載のマイクロ波センサ。
6. 前記非磁性体はＣｕまたはＴａを含み、前記磁性体はＣｏＰｔを含む、請求項１〜５のいずれか１項に記載のマイクロ波センサ。
   
   

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