JP3648450B2

JP3648450B2 - 垂直磁気記録媒体および磁気記憶装置

Info

Publication number: JP3648450B2
Application number: JP2000401913A
Authority: JP
Inventors: 究棚橋; 敦菊川; 幸雄本多
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 2000-12-28
Filing date: 2000-12-28
Publication date: 2005-05-18
Anticipated expiration: 2020-12-28
Also published as: JP2002203307A; US20020122958A1; US6858330B2

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、磁気記録媒体および磁気記憶装置に係り、特に１平方インチあたり５０ギガビット以上の記録密度を有する磁気記録媒体と、その磁気記録媒体を組み込んだ磁気記憶装置に関する。
【０００２】
【従来技術】
近年、コンピュータの扱う情報量は増加の一途をたどっており、外部記憶装置である磁気ディスク装置にはますますの大容量化と高速化とが求められている。ところが、記録密度が高まるにつれていわゆる熱揺らぎの影響が顕著になってきており、従来の面内記録方式では、１平方インチあたり４０ギガビットを超える面記録密度を達成することは困難と考えられている。
【０００３】
一方、垂直記録方式は、面内記録方式と異なりビット境界の反磁界が小さく、高密度記録ほど磁化が安定に保たれる特性があるため、現行の面内記録方式の熱揺らぎ限界を超える有力な手段の一つと考えられている。
垂直記録方式で用いられる媒体には、軟磁性下地層を有する二層垂直記録媒体と軟磁性下地層を有さない単層垂直記録媒体とがあるが、強い垂直記録磁界と急峻な磁界勾配が得られる単磁極型ヘッドを利用でき、単層垂直媒体に比べ記録分解能が伸びる利点があるという理由から、実用化の点で二層垂直記録媒体と単磁極型ヘッドとの組合わせが有効と考えられている。
【０００４】
二層垂直記録媒体の場合、高い記録分解能が得られる反面、単層垂直記録媒体でも見られる記録層に起因するノイズに加え、軟磁性下地層に起因するノイズが問題となる。このノイズは、軟磁性下地層の磁壁から発生するスパイク状のノイズと、軟磁性下地層の磁化状態により記録層の磁化遷移が揺らぐ、いわゆる遷移性ノイズに大別される。
【０００５】
スパイクノイズを低減する技術に関しては、例えば特開平７−１２９９４６号公報、特開平１１−１９１２１７号公報に開示されているように、軟磁性下地層と基板の間に硬磁性ピニング層を設け、軟磁性下地層の磁区構造を制御し、スパイクノイズを低減する方法がある。しかしながら、従来の技術はスパイクノイズと遷移性ノイズの双方を低減するものでは無かったため、従来の垂直磁気記録媒体は、軟磁性下地層に起因する媒体ノイズが十分低減されたものではなかった。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
面内記録方式の熱揺らぎ限界を超える記録密度で、二層垂直媒体と単磁極ヘッドとの組合わせによる垂直記録方式が適用されることを考慮すると、記録層起因の媒体ノイズ低減に加え、軟磁性下地層起因の媒体ノイズを大幅に低減することが必要である。
【０００７】
本発明は、上記課題を解決するためになされたものである。より具体的には、１平方インチあたり５０ギガビット以上の記録密度で高い媒体Ｓ／Ｎを有し、媒体ノイズの低減された垂直磁気記録媒体を提供し、高密度磁気記憶装置の実現を容易ならしめることを目的とする。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
従来、軟磁性下地層の材料としては、ＮｉＦｅ、ＦｅＡｌＳｉ等の多結晶材料やＣｏＮｉＺｒ、ＣｏＴａＺｒ等の非晶質材料が提案されている。本発明者らは、膜形成時には実質的に非晶質であり、飽和磁束が小さいが、熱処理を施すことで強磁性のα−Ｆｅ微結晶が析出し、高い飽和磁束密度が得られる材料を軟磁性下地層に用いることで、従来の軟磁性下地層材料で見られるスパイク状のノイズを低減でき、さらに、軟磁性下地層起因の遷移性ノイズも低減できることを見出した。
【０００９】
軟磁性下地層起因の媒体ノイズを低減し、かつ良好な軟磁気特性を得るためには、先述したα−Ｆｅ微結晶を均一に析出させることが重要である。このためには、軟磁性下地層の材料として主成分がＦｅとＴａとＣである合金を用い、Ｔａ濃度を８ａｔ％以上１５ａｔ％以下とすることが好ましい。Ｔａ濃度を８ａｔ％より少なくすると膜形成時に結晶化し、媒体ノイズが大幅に増大するため望ましくない。一方、Ｔａ濃度を１５ａｔ％より大きくすると飽和磁束密度が低下し、ヘッドを補助する機能が損なわれ、高保磁力の媒体への書込みが不十分になるため望ましくない。
【００１０】
更に、Ｔａ濃度とＣ濃度の比（Ｔａ濃度／Ｃ濃度）を０．５以上０．９以下とすることが望ましい。Ｔａ濃度および、Ｔａ濃度とＣ濃度の比（Ｔａ濃度／Ｃ濃度）を上記範囲とした上で適切な熱処理を施すことにより強磁性のα−Ｆｅ微結晶をより均一に析出させることができる。Ｔａ濃度とＣ濃度の比が上記範囲外であると、熱処理によるα−ＦｅおよびＴａＣの分離が不十分となり、軟磁気特性が劣化するため望ましくない。
【００１１】
前記ＦｅとＴａとＣとを主成分とする軟磁性下地層は基板の上に直接形成しても良いが、基板の上に形成された非磁性のプリコート層を介して軟磁性下地層を形成することにより、基板材料や熱処理時の温度分布に起因する軟磁気特性の不均一性を抑制することができる。プリコート材料としては基板との密着性が良く、表面が平坦であり、熱処理による軟磁性下地層と反応が少ないものが望ましい。具体的にはＮｉＺｒ合金、ＮｉＴａ合金、ＮｉＮｂ合金、ＮｉＴａＺｒ合金、ＮｉＮｂＺｒ合金、ＣｏＣｒＺｒ合金、ＮｉＣｒＺｒ合金等の非晶質もしくは微結晶材料を用いることができる。ここで、非晶質もしくは微結晶材料とは、粉末Ｘ線回折のθ−２θスキャンおよび薄膜Ｘ線回折の２θスキャンで明瞭な回折ピークが観察されない材料を指す。
【００１２】
本発明の垂直磁気記録媒体に用いる中間層としては非磁性の非晶質もしくはｈｃｐ構造の合金を、垂直記録層としてはＣｏＣｒＰｔ合金やＣｏ／Ｐｄ多層膜もしくはＣｏ／Ｐｔ多層膜等を用いることができる。特にＣｏ／Ｐｄ多層膜やＣｏ／Ｐｔ多層膜は、薄い膜厚で５ｋＯｅ以上の高い保磁力が得られるため、本発明の軟磁性下地層と組み合わせることで記録密度の向上が可能となる。
【００１３】
垂直記録層の保護層として、カーボンを主成分とする厚さ３ｎｍ以上、１０ｎｍ以下の膜を形成し、更にパーフルオロアルキルポリエーテル等の潤滑層を１ｎｍ以上、１０ｎｍ以下の厚さで形成することにより、信頼性の高い垂直磁気記録媒体が得られる。
【００１４】
本発明の磁気記憶装置は、前述した垂直磁気記録媒体と、これを記録方向に駆動する駆動部と、記録部と再生部からなる磁気ヘッドと、磁気ヘッドを垂直磁気記録媒体に対して相対運動させる手段と、磁気ヘッドの信号入力と磁気ヘッドからの出力信号再生を行なうための記録再生処理手段を有する磁気記憶装置において、磁気ヘッドの再生部を巨大磁気抵抗効果もしくは磁気トンネル効果を利用した高感度素子で構成する。これにより、１平方インチあたり５０ギガビット以上の記録密度で高い信頼性を有する磁気記憶装置を実現することができる。
【００１５】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照して本発明の実施の形態を説明する。
〔実施例１〕
図１に、本実施例の垂直磁気記録媒体の層構成を示す。基板１１にはアルカリ洗浄した２．５インチ型のガラス基板を用い、プリコート層１２、軟磁性下地層１３、中間層１４、垂直記録層１５、保護層１６をＤＣマグネトロンスパッタリング法により順次積層した。軟磁性下地層１３の組成のみを変化させ他は同一条件にして、Ａ〜Ｇの７種類の試料（試料Ｆ、Ｇは比較例）を作製した。各層の作製に用いたターゲットを表１に示す。
【００１６】
【表１】

【００１７】
製膜条件はＡｒガス圧を０．５Ｐａとし、軟磁性下地層１３を形成後、赤外線ランプヒーターにより１６００Ｗで１２秒の熱処理（基板到達温度：４５０−５００℃）を行った。垂直記録層１５形成時の基板温度は約２７０℃であった。各層の膜厚はプリコート層１２が３０ｎｍ、軟磁性下地層１３が４７４ｎｍ、中間層１４が５ｎｍ、垂直記録層１５が２０ｎｍ、保護層１６が５ｎｍである。潤滑層１７は、パーフルオロアルキルポリエーテル系の材料をフルオロカーボン材料で希釈し塗布した。また、軟磁性下地層１３の磁気特性および微細構造を評価するため、中間層１４および垂直記録層１５を形成しない試料を同様な製膜条件で作製した。
【００１８】
本実施例および比較例の媒体のノイズ特性を、記録再生分離型の磁気ヘッドを用いて評価した。記録用のリングヘッドのギャップ長は０．３μｍ、記録トラック幅は１．７μｍ、再生用のＧＭＲヘッドのシールド間隔は０．１６μｍ、再生トラック幅は１．３μｍ、浮上量は２０ｎｍとした。ここでは媒体ノイズの指標として、２００ｋＦＣＩの媒体ノイズ（Ｎｄ）を２０ｋＦＣＩの再生出力（Ｓｌｆ）で規格化した値を用いた。結果を表２に示す。
【００１９】
【表２】

【００２０】
媒体ノイズは軟磁性下地層の組成に大きく依存し、Ｔａ濃度が８ａｔ％以上で、かつ、Ｔａ濃度とＣ濃度の比が０．５以上０．９以下にある場合（図９参照）に低いノイズ特性が得られた。表２に併せて示したように、本実施例と比較例の媒体の垂直保磁力と角形比にはそれほど大きな差が見られないことから、本実施例と比較例の媒体で見られる媒体ノイズの大きな差は軟磁性下地層に起因すると考えられる。そこで、各媒体の軟磁性下地層の微細構造をＸ線回折法および透過型電子顕微鏡（ＴＥＭ）により調べた。
【００２１】
図２に、熱処理後の軟磁性下地層のＸ線回折パターンを示す。比較例の媒体Ｆに用いたＦｅ−６ａｔ％Ｔａ−１２ａｔ％Ｃ膜では非常に強いα−Ｆｅ１１０回折ピークが観察されたが、その他の組成（図２には、一例としてＦｅ−８ａｔ％Ｔａ−１６ａｔ％Ｃ膜の回折パターンを示す）では弱いα−Ｆｅ１１０回折ピークが観察された。これは図３に示すように、Ｆｅ−６ａｔ％Ｔａ−１２ａｔ％Ｃ膜では膜形成時（熱処理前）に結晶化しているのに対し、その他の組成では膜形成時には概ね非晶質であるためである。その結果、図４のＴＥＭ明視野像および電子線回折パターンに示すように、熱処理後のＦｅ−６ａｔ％Ｔａ−１２ａｔ％Ｃ膜は、結晶方位が概ね揃った２０−３０ｎｍの結晶粒が複数合体した粒子（粒径：約１００ｎｍ）から構成されているのに対し、その他の組成の膜（図４には、一例としてＦｅ−８ａｔ％Ｔａ−１６ａｔ％Ｃ膜に対する観察結果を示す）では、粒径１０ｎｍ程度の微細な結晶粒で構成されていた。したがって、Ｆｅ−Ｔａ−Ｃ合金を軟磁性下地層として用いる場合、膜形成時に非晶質であることが重要であり、そのためにはＴａ濃度を８ａｔ％以上とすることが有効であることがわかる。ただし、Ｔａ濃度を８ａｔ％とした場合でもＣ濃度が低い場合（比較例の媒体Ｇ）は媒体ノイズが大きいことから、Ｔａ濃度を８ａｔ％以上にすることに加え、Ｔａ濃度とＣ濃度の比（Ｔａ濃度／Ｃ濃度）を０．５以上０．９以下にすることが必要となる。
【００２２】
次に、振動試料型磁力計を用い軟磁性下地層の磁気特性を調べた。その結果を表３に示す。ここで、磁界の印加方向はヘッド走行方向とし、飽和磁束密度Ｂｓの値は２９８Ｋで印加磁界を１３ｋＯｅとした時の磁化の値から求めた。本実施例の軟磁性下地層はいずれもＢｓは約１．５Ｔ以上、２９８Ｋで測定した保磁力Ｈｃ（２９８Ｋ）は１Ｏｅ以下と優れた軟磁気特性を示した。なお、これらの磁気特性は、基板上にプリコート層と軟磁性下地層を形成し、熱処理を施した試料で測定した。
【００２３】
【表３】

【００２４】
図５に、２９８Ｋおよび１７３Ｋで測定した軟磁性下地層の磁化曲線を示す。図５（ａ）に示されるように、本実施例の軟磁性下地層の場合、１７３Ｋで測定した保磁力Ｈｃ（１７３Ｋ）は２９８Ｋで測定した保磁力Ｈｃ（２９８Ｋ）にくらべ増加している。熱揺らぎの影響は結晶粒径が小さいほど大きくなることから、本実施例の軟磁性層ではα−Ｆｅ微結晶の粒径が１０ｎｍ程度と小さいことに起因してこのような低い保磁力が得られていると考えられる。一方、比較例１のＦｅ−６ａｔ％Ｔａ−１２ａｔ％Ｃ膜は、Ｈｃ（２９８Ｋ）が８．７Ｏｅと大きな値を示したが、これはα−Ｆｅ結晶粒のサイズが肥大化し、結晶磁気異方性の寄与が増大したためと考えられる。また、比較例１のＦｅ−８ａｔ％Ｔａ−８ａｔ％Ｃ膜では、図５（ｂ）に示されるように１７３Ｋで測定した磁化曲線が特性の異なる磁化曲線を足し合わせたような形状を示し、Ｂｓも１．３Ｔと低いことから、熱処理によるα−ＦｅとＴａＣの分離がうまくいっていないと考えられる。
【００２５】
以上述べたように、軟磁性下地層起因の媒体ノイズを低く抑えるためには、粒径が１０ｎｍ程度のα−Ｆｅ微結晶を均一に析出させることが重要である。このような微細構造を持つ軟磁性下地層は、常温での保磁力Ｈｃ（２９８Ｋ）が１Ｏｅ以下と低く、低温でＨｃが増加する特性を有する。本実施例では、低温での保磁力Ｈｃ（１７３Ｋ）はいずれも３Ｏｅ以上の値を示しており、したがって、軟磁性下地層の保磁力としては、常温（２９８Ｋ）での値が１Ｏｅ以下、低温（１７３Ｋ）での値が３Ｏｅ程度以上であることが必要と考えられる。なお、本実施例では軟磁性下地層材料としてＦｅ−Ｔａ−Ｃ合金膜を例にとって説明したが、Ｈｃ（２９８Ｋ）が１Ｏｅ以下でＨｃ（１７３Ｋ）が３Ｏｅ以上であれば特に材料を限定するものではない。
【００２６】
本実施例の媒体Ｂと、記録用にトラック幅が０．２５μｍの単磁極ヘッド、再生用にシールド間隔が０．０８μｍでトラック幅が０．２２μｍのＧＭＲヘッドを用いて、ヘッド浮上量が１０ｎｍの条件で記録再生を行なった。信号の再生波形をＥＥＰＲ４系の信号処理回路を通してエラーレート評価を行なったところ、面記録密度５０Ｇｂ／ｉｎ^２の条件で１０^−６以下のエラーレート値が得られた。なお、この評価に用いた記録再生分離型ヘッドは、図６に示すように主磁極６１、記録コイル６２、補助磁極兼上部シールド６３、ＧＭＲ素子６４および下部シールド６５を有してなる構成を持つものである。
【００２７】
〔実施例２〕
本発明による磁気記憶装置を図７により説明する。この装置は、垂直磁気記録媒体７１と、これを回転駆動する駆動部７２と、磁気ヘッド７３およびその駆動手段７４と、前記磁気ヘッドの記録再生信号処理手段７５を有してなる周知の構成を持つ磁気記憶装置である。前記磁気ヘッドは磁気ヘッドスライダの上に形成された記録再生分離型の磁気ヘッドである。単磁極型の記録ヘッドのトラック幅は０．２５μｍ、再生用のＧＭＲヘッドのシールド間隔は０．０８μｍ、トラック幅は０．２２μｍである。
【００２８】
実施例１の媒体Ｂを上記磁気記憶装置に組み込んでヘッド浮上量１０ｎｍ、線記録密度５９０ｋＢＰＩ、トラック密度８９ｋＴＰＩの条件で記録再生特性を評価したところ、１０℃から５０℃の温度範囲において、５２．５Ｇｂ／ｉｎ^２の面記録密度の記録再生特性仕様を十分満たした。
【００２９】
〔実施例３〕
実施例２の磁気記憶装置と同様な構成で、再生ヘッドに磁気トンネル効果を利用した高感度素子を用いた磁気記憶装置に、実施例１の媒体Ｅを組み込んでヘッド浮上量１０ｎｍ、線記録密度６７４ｋＢＰＩ、トラック密度８９ｋＴＰＩの条件で記録再生特性を評価したところ、１０℃から５０℃の温度範囲において、６０Ｇｂ／ｉｎ^２の面記録密度の記録再生特性仕様を十分満たした。なお、この評価に用いた磁気トンネル効果を利用した高感度素子は、図８に示すように上部電極８１、反強磁性層８２、磁化固定層８３、絶縁層８４、磁化自由層８５および下部電極８６を有してなる周知の構成を持つものである。
【００３０】
【発明の効果】
本発明により、１平方インチあたり５０ギガビット以上の記録密度でエラーレートの低い信頼性に優れた磁気記憶装置が実現できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施例の垂直磁気記録媒体の層構成を示す図。
【図２】熱処理後の軟磁性下地層のＸ線回折パターンを示す図。
【図３】熱処理前の軟磁性下地層のＸ線回折パターンを示す図。
【図４】熱処理後の軟磁性下地層の平面ＴＥＭ像と電子線回折パターンを示す図。
【図５】２９８Ｋおよび１７３Ｋで測定した軟磁性下地層の磁化曲線を示す図。
【図６】記録再生分離型ヘッドの断面模式図。
【図７】（ａ）は本発明による磁気記憶装置の平面模式図、（ｂ）はそのＡ−Ａ’縦断面図。
【図８】磁気トンネル効果を利用した高感度素子の層構成を示す図。
【図９】低ノイズ特性が得られたＦｅＴａＣ合金の組成領域を示す図。
【符号の説明】
１１…基板、１２…プリコート層、１３…軟磁性下地層、１４…中間層、１５…垂直記録層、１６…保護層、１７…潤滑層、６１…主磁極、６２…記録コイル、６３…補助磁極兼上部シールド、６４…ＧＭＲ素子、６５…下部シールド、７１…垂直磁気記録媒体、７２…磁気記録媒体駆動部、７３…磁気ヘッド、７４…磁気ヘッド駆動部、７５…記録再生処理系、８１…上部電極、８２…反強磁性層、８３…磁化固定層、８４…絶縁層、８５…磁化自由層、８６…下部電極。

Claims

基板上に形成された軟磁性下地層と、該軟磁性下地層上に形成された非磁性の中間層と、該中間層上に形成された垂直記録層とを有し、前記軟磁性下地層はＦｅとＴａとＣとからなり、Ｔａ濃度が８ａｔ％以上１５ａｔ％以下、Ｃ濃度が１２ａｔ％以上であることを特徴とする垂直磁気記録媒体。
請求項１に記載の垂直磁気記録媒体において、前記Ｔａ濃度とＣ濃度の比（Ｔａ濃度／Ｃ濃度）が０．５以上０．９以下であることを特徴とする垂直磁気記録媒体。
請求項１又は２に記載の垂直磁気記録媒体において、前記基板と前記軟磁性下地層の間に非磁性の非晶質もしくは微結晶プリコート層を有することを特徴とする垂直磁気記録媒体。
請求項２に記載の垂直磁気記録媒体において、前記Ｔａ濃度とＣ濃度の比（Ｔａ濃度／Ｃ濃度）が０．８３以下であることを特徴とする垂直磁気記録媒体。
請求項１〜４のいずれか１項に記載の垂直磁気記録媒体と、該垂直磁気記録媒体を記録方向に駆動する駆動部と、記録部と再生部とを備えた磁気ヘッドと、前記磁気ヘッドを前記垂直磁気記録媒体に対して相対運動させる手段と、前記磁気ヘッドの信号入力と該磁気ヘッドからの出力信号再生を行なうための記録再生処理手段を有し、前記磁気ヘッド再生部が磁気抵抗効果もしくは磁気トンネル効果を利用した高感度素子で構成されることを特徴とする磁気記憶装置。