JP3965277B2 - 磁気記録媒体及び磁気記憶装置 - Google Patents

Description

技術分野
本発明は磁気記録媒体及び磁気記憶装置に関するものであり、特に摺動耐久性が良好で高記録密度に適し、かつ記録再生出力が安定に得られる磁気記録媒体及びこの磁気記録媒体を搭載した信頼性の高い磁気記憶装置に関する。
背景技術
磁気ディスク装置はコンピュータなどの情報機器の主記憶装置としてなくてはならないものとなっており、画像や音声などの大量データ高速処理の必要性増大に伴って、益々大容量かつ記録再生の高速化が必要となっている。このためには記録密度を高めると共に高速な読み取り／書き込み動作が不可欠である。記録密度に関しては、記録再生ヘッドの素子から記録媒体である磁気ディスクの記録膜までの実質距離をできる限り縮め、トラック幅を狭くすること、高速動作に関しては、データ処理の高速化とともに高速回転、高速シークが必須である。これらの改良に伴って、従来は十分に余裕ある間隔をもって動作していた磁気ヘッドと磁気ディスクとがほとんど接しながら高速で運動する、いわゆる間欠接触の状態での動作を余儀なくされる。しかも、前記のように磁気ヘッド素子と磁気ディスク記録膜の実質距離を縮めるためには、その間にある保護層および潤滑層をできるだけ薄くする必要があり、具体的には、保護層が１０ｎｍあるいはそれ以下、潤滑層が２ｎｍあるいはそれ以下であり、ディスク表面とヘッドとの平均間隔が３０ｎｍあるいはそれ以下で、場合によっては接触も有り得る。この様に極めて厳しい条件下で実用に耐える磁気ディスクを得るためには、保護層、潤滑層およびヘッドの接触部の材質、形状を如何に設計するかがキーポイントであることは言うまでもない。
磁気ディスクの保護層および潤滑層については、従来から耐摩耗性、耐摺動性、耐食性などの向上の観点から改良が加えられてきている。保護層については、グラファイトをＡｒ雰囲気でスパッタリングすることにより形成するアモルファスカーボン膜や、同じくグラファイトをＡｒ＋Ｈ２あるいはＡｒ＋ＣＨ４雰囲気でスパッタリングすることにより形成する水素化アモルファスカーボン膜等が実用になっているが、このほか炭化水素ガスのプラズマＣＶＤでダイヤモンド状カーボンを形成したり、ＳｉやＴｉ，Ｗ，Ｆｅ，等種々の元素を添加したカーボン膜、ＢＮ，ＳｉＯ２等さまざまな保護膜が検討されている。また、特に機械強度の改良を目的として、特開昭６２−２８７４１５号には硬さの異なる２種のカーボン層を積層し、柔らかい下層を緩衝層として用いる例が開示されており、特開平９−９１６８７には、やはり保護層の膜厚方向に硬度を変えた例が開示されている。しかし、これらのいずれも１０ｎｍ以下の極薄膜では強度的にもたないか耐食性が不十分で使用に耐えないものであった。
一方潤滑層に関しては、末端に吸着性の官能基をもつパーフロロポリエーテル系潤滑油がもっぱら用いられており、保護層との結合性を改良した末端基を持つ潤滑剤が多数開示されている。
しかし、従来の使用環境では、保護層、潤滑層についてはまずディスク装置の起動・停止時のヘッドとの摺動、いわゆるコンタクト・スタート・ストップのみを考慮すればよく、実際の読み取り、書き込み動作時には、ヘッドとディスクが離れているため異物の混入以外は摺動上の問題点は発生しなかった。
これに対し本発明で目的とする高記録密度高速処理用磁気ディスク装置においては、高速回転しているディスクに対しヘッドが接触するか、あるいは接触しないまでも空気の流れなどを介して相互作用し、それによって保護膜の損傷が生じ、ひいてはディスク自体の損傷を生じるものであり、従来と違った性能をも併せ持つ保護層が求められるのである。従って前記した公知技術のいずれも本願発明者らの目的とするような低浮上かつ極薄膜での使用に耐えるものではなかった。
本発明の目的は、高速低浮上摺動における損傷が少なく耐久性の高い磁気記録媒体を提供することにあり、実質膜厚１０ｎｍ以下の極薄膜でもこのような過酷な条件で使用できる保護層を有する磁気記録媒体を実現することによって信頼性の高い磁気記憶装置を得ることにある。
発明の開示
上記の課題を解決するために、本発明では特定の材質の保護層を設けた。その詳細を以下に説明する．
本発明の磁気記録媒体の断面構造の１例を第１図に示す。基板１は、中央に穴の開いた円板状基板であり、通常ＮｉＰメッキされたアルミニウムーマグネシウム合金、あるいは強度を増すために強化処理を施したガラス基板が用いられる。本発明においては、その材質に特別の指定はないが、表面はできる限り平滑なものがよく、中心線平均粗さで数ｎｍ以下、好ましくは１ｎｍ以下とするのがよい。下地層２は、磁性層３の結晶性を良くするためのもので、例えばＣｒあるいはその合金を用いることができる。もちろん多層構造にすることも可能である。磁性層３は、信号を記録するためのもので、例えばＣｏ系合金材料等が用いられる。ＣｏＣｒＴａ，ＣｏＣｒＰｔ，ＣｏＣｒＶ，ＣｏＮｉＣｒ，ＣｏＮｉＶ，などの３元系合金がよく用いられるが、これらに第４の元素を加えたり酸化物を加えたりすることもできる。
保護層４は、本発明の特徴であって、特定の機械強度特性を有する層である。特定の機械強度特性とは、具体的には、ヘッドの押し付け方向と走行方向のそれぞれについて保護層４の厚みの半分以下の押し込み深さにおいて測定されたヤング率の比で表わされ、押し付け方向のヤング率をＥｄ、走行方向のヤング率をＥｃとした時、Ｅｃ／Ｅｄが０．５以下のものをさす。この測定には、例えば、先端の曲率Ｒが０．１ミクロン以下の円錐形あるいは角錐形圧子を微小荷重で前記深さまで押し込み、その位置でヘッド押し付け方向あるいはヘッド走行方向に微小振動を加えて塑性変形が起こらない範囲での変形量と血圧との関係からヤング率を求めればよい。
また、保護層が基板面に垂直な方向と平行した方向とで機械特性を大きく変えるには、異なる性質の層が積層されたラミネート構造とするのがよい。特に本発明で必要な、垂直方向にヤング率／硬度比が大きく水平方向にヤング率／硬度比の小さい膜を得るには、ヤング率の小さくなる層と大きくなる層を交互に重ねるのがよい。すなわち、第１図におけるＡ層５およびＢ層６の様にするのがよい。Ａ層５として硬度・ヤング率が大きな層、Ｂ層６として硬度・ヤング率が小さな層とし、これらが１体として作用をなすために各層の膜厚をできるだけ薄く、かつ多層に積層することが好ましい。但し、本発明で目的とするのは、合計膜厚１０ｎｍ以下の層であるので、各層の膜厚は３ｎｍ以下、好ましくは１ｎｍ以下とするのがよい。ここで、このための１つの優れた方法として、カーボンを主として硬度・ヤング率が共に大きくなる添加元素と、硬度・ヤング率が共に小さくなる添加元素を交互に添加して積層する方法がある。前者の硬度・ヤング率が共に大きくなる添加元素としては、窒素、２０％未満の水素、シリコン、ボロン等や窒素と２０％未満の水素の混合物等があり、後者の硬度・ヤング率が共に小さくなる添加元素としては、２０％以上の水素、酸素、フッ素等がある。
本発明の特徴を示す構成例として、シリコン基板上に窒素比率１０％の窒素化カーボン膜と水素比率４０％の水素化カーボンを膜厚２ｎｍづつ交互に５層積層した総膜厚１０ｎｍの層について、前記のナノインデンテーション評価（微小押し込みによる評価）を行った結果を第２図に示す。比較として、それぞれの膜の単層１０ｎｍの層を設けた場合の評価結果も示した。第２図から分かる様に膜に垂直方向（⊥）のヤング率は、それぞれの単層膜のヤング率の平均よりやや大きな値となっているのに対し、膜の水平方向（‖）のヤング率は、それぞれの単層膜のヤング率の平均より小さな値となり、本発明の効果を発揮することができる。第１図において、本発明の保護層４の上に潤滑層７を設けることができる。潤滑層７として、現在末端基を変性させたパーフロロポリエーテルがよく用いられており、例えば、パーフロロポリエーテルの主鎖をもち、末端に水酸基、アミド基、アミノ基、アミン塩、エステル基、ピペロニル基等の極性基を持つ分子量１，０００〜１０，０００のフッ素油を用いることができる。本発明においても、これらを用いることはヘッドとの接触時の摩擦係数を低減させ、ＣＳＳ時あるいは安定連続摺動時の長寿命化に効果がある。但し、本発明で目的とする様な、間欠的かつ衝撃的接触には効果がない。
次に、本発明の磁気ディスク円板の作製方法について述べる。
基板としては、２．５インチ、３．５インチ等所定の外径を持つ円板であって、スピンドルモータに取り付けるための穴を中心にあけたものを用いる。厚さ、端面形状等は、その用途に応じて決めればよく、本発明はこれにはよらない。通常用いられる非磁性ＮｉＰメッキを施したアルミニウムマグネシウム合金や表面を強化したガラス基板等はもちろん、その他の非磁性基板材料も同様に用いることができる。但し、その表面の平坦性は重要であり、出来得る限り平坦なものを用いるのがよい。
基板は、そのままあるいはテクスチャ加工と呼ばれる表面加工を行った後、欠陥低減のため洗浄を行う。洗剤を供給しながらブラシあるいはパッド等で表面についたごみや汚染物質を擦リ取る工程、純水スプレーに超音波を重畳させて微小異物を落とす工程、スピン乾燥や温風乾燥等の工程を組み合わせて行うのがよい。また、酸やアルカリ等で極表面層を溶かし出す工程やプラズマ処理等で表面を改質する工程を組み込むこともできる。本発明はこれらの工程の如何によらず行うことができる。
必要があれば、ヘッドの起動・停止領域いわゆるＣＳＳゾーンに粘着防止のための凹凸を形成することができ、例えば、レーザースポットを照射してその部分の基板材を溶かし、固化する時にできる凹凸を適当な間隔で並べてもよい。
次に磁性層の結晶性を制御するため真空中で基板を加熱し、スパッタリングにより適当な下地金属層を設けたのち強磁性材料層を形成する。加熱温度は、所望する磁気特性によって異なるが、大凡１５０℃から３００℃の間であり、下地層は磁性層との格子マッチングのよいＣｒあるいはＣｒの合金がよく用いられる。下地層、磁性層は、それぞれ１層でなく複数の層からなっていてもよい。
次に本発明のポイントである保護層を形成する。保護層は、磁性層と別工程で設けることもできるが、磁性層表面の酸化による劣化や密着力低下を防ぐためには、同一真空装置内で連続して形成するのがよい。このためには、後で解説する多層膜連続形成装置を用いる。
本発明の保護層は、スパッタリング法、プラズマＣＶＤ法、イオンビームデポジション法等の真空中での皮膜堆積法で形成することができる。
保護層４の上に潤滑層７を形成するには、潤滑油を溶媒に一定濃度で溶解した浴を設け、ディスク基板をこれに浸して静かに引き上げる方法やディスク表面に一定量の溶液を垂らしてディスク基板を回転し塗布するスピン塗布法等を用いることができる。潤滑油層の厚さは、厚過ぎるとヘッドとの接触面にたまり粘着するので薄い方がよいが、薄過ぎるとその効果が小さいので、５〜２０Å程度が好ましい。
上記の様な保護層が、本発明の目的に好適であるのは下記の理由からである。
本発明により磁気ディスクの耐久性が向上するのは次の理由による。すなわち、今般の磁気ディスクにおいては、回転による空気圧でヘッドがディスク表面から極僅かの距離を保って浮上しているが、この間隔が平均的には１０〜４０ｎｍであり、微小な振動や揺らぎによってヘッドの一部が接触したり、微小な塵埃等を噛み込んでディスク面を擦ったりすることが頻繁に起こり得る。このため、従来、起動停止時のいわゆるコンタクト・スタート・ストップにおける摺動に耐えるだけでなく、高速回転時の瞬間的な接触にも耐える系を作らなければならなくなっている。一方で記録幅が１ミクロンを切りトラック幅も非常に狭くなっているため磁気記録媒体とヘッド素子の間隔をできるだけ詰めなければ記録再生出力が確保できなくなっている。すなわち、保護層は可能な限り薄くしなければならないのである。このような互いに背反する要求を満たすためには、薄くても高速高荷重接触に耐えうる新しい保護層が必要となっているのである。
本発明では、上記の様な高速高荷重接触時に最も適した物性の保護層となっている。すなわち、保護層の面に水平方向のヤング率が低いために接触時の反力が小さく、弾性変形して逃げてくれると共に垂直方向にはヤング率が大きいために接触による異物の噛み込みやエッジ部による傷が生じ難く、結果として損傷の少ない接触モードとなるのである。単に膜全体のヤング率を下げただけでは、水平方向には柔らかな接触となるが、深さ方向に沈み込みが大きく、結果として変形部が大きくなるために接触力が増大し、ついには弾性限界を超え塑性変形から破壊に至る。反対に膜全体のヤング率を上げると沈み込みは小さくなるが、水平方向に当たった時の反力が大きく、結果として保護層全体や磁性膜に亀裂が入り破壊に至る。
保護膜の面方向の機械強度を調べるために、次の様な試験装置を用いた。すなわち、先端を球面研磨したダイヤモンド針を精密な平行板ばねの付いた保持具にセットして、水平方向および垂直方向に振動可能な様に固定した。この保持具に水平および垂直の２方向の誘導コイルを取り付け、このコイルにそれぞれ交流電流を流すことでダイヤモンド針に微小な振動を与えることができる様にした。更にこの保持具に取り付けた水平および垂直の金属箔と固定された金属箔の間の静電容量の変化を測定し、これにより、ダイヤモンド針を水平、垂直それぞれの方向に振動させた時の針先端に掛かる水平、垂直方向の荷重およびそれに対応した位置を測定できる様にした。
この装置の試料固定台に、前記の様にして作製した磁気ディスク円板を固定し、まず試料台を上方にゆっくりと動かして弾性変形範囲内でダイヤモンド針を押し込む。次に垂直方向に１Ｈｚの周期で振動させながら徐々に振幅を大きくし、その時の荷重と振幅の関係を採る。針が上に上がりきる前に荷重０になったら塑性変形したことになるので、振動を止め、針を引き上げる。次に場所を僅かにずらして同じ様に針を押し込み、今度は水平方向に徐々に振幅を大きくしながら振動させる。針が原点に戻る前に水平方向の荷重が０になったら塑性変形したということになるので、振動を止め針を引き上げる。
このようにして垂直方向、水平方向の塑性変形する直前の荷重および弾性変形領域でのある一定量の振幅の時の荷重を求め、これらから水平、垂直方向の弾性率、弾性限界応力を求めた。
さらに、本発明の磁気記憶装置は、磁気記録媒体と、該磁気記録媒体を駆動する駆動部と、該磁気記録媒体に情報を記録・再生する磁気ヘッドと該磁気ヘッドを上記磁気記録媒体に対して相対運動させる手段と、上記磁気ヘッドへの信号入力と上記ヘッドからの出力信号再生を行なうための記録再生信号処理手段とを有しており、磁気記録媒体として前述の磁気記録媒体を搭載するものである。
発明を実施するための最良の形態
以下、本発明の実施例を図を用いて詳細に説明する。
《実施例１》
外径３．５インチの非磁性ＮｉＰめっきを施したＡｌ−Ｍｇ合金製ディスク基板の表面を平滑研磨したものの両面に円周方向に微細な加工溝を設けた。加工後の表面粗さは、Ｒａで約０．５ｎｍであった。この基板を洗浄して異物や有機汚染を除去し乾燥させた後、多層膜連続形成装置を用いて成膜を行った。成膜工程においては、基板をロードロック室から真空中に導入し、赤外線ヒーターで２５０℃迄加熱した後、順次Ｃｒ下地層、ＣｏＣｒＰｔ磁性層、保護層を形成した。それぞれの厚さはＣｒが２０ｎｍ，ＣｏＣｒＰｔが２０ｎｍ、保護層が７．５ｎｍとなる様条件を調節した。ここでは５つの成膜室を使い、グラファイトターゲットをガス雰囲気を交互に変えてＤＣマグネトロンスパッタリングすることにより保護層を形成した。すなわち、成膜室１、３、５では、雰囲気にガス圧７ｍＴｏｒｒのアルゴン：水素：窒素＝６：１：３の混合ガスとして第１図Ａ層を形成し、成膜室２、４では、ガス圧１０ｍＴｏｒｒのアルゴン：水素＝６：４の混合ガスとして第１図Ｂ層を形成した。各室での成膜膜厚は、１．５ｎｍとした。この基板を真空槽から出した後、ディップ法によりパーフロロポリエーテル骨格の潤滑剤を約１．５ｎｍの平均厚さとなるように塗布した。
このようにして製造した磁気ディスクのヘッド押し付け方向およびヘッド走行方向のヤング率を測定したところ、ヘッド押し付け方向が１８０Ｇｐａ、ヘッド走行方向が７０ＧＰａであった。
上記のようにして作製した磁気ディスクをＡｌ２０３−ＴｉＣセラミックスでできた長さ２ｍｍ、幅１．５ｍｍ、厚さ０．４ｍｍのブロックの底面にイオンミリングにより幅２００ミクロンの２レールスライダ加工を行って作製したテスト用ヘッドを用いて荷重５ｇｆ回転速度５ｍ／ｓで連続摺動試験を行った。
このディスクの摺動部およびテスト用ヘッドのスライダ面を光学顕微鏡およびＡＦＭ（原子間顕微鏡）で観察したが、摩耗は検出されなかった。また、ディスク摺動部の潤滑剤量を測定したところ未摺動部の約９５％であり、ほとんど減少していないことがわかった。
次に実際の磁気ディスク装置に用いているいわゆるピコヘッドを用いて、ヘッド浮上量を１８ｎｍに調節し、７２００ｒｐｍで回転しているディスクにヘッドをロードオンした後、ディスク表面に直径１００ｎｍのＳｉＯ２粒子を噴霧してそのまま１０分間回転させ続けた。試験後ディスク表面の損傷を光学顕微鏡で観察したが、キズは見られなかった。
《比較例１》
実施例１において、保護層の成膜時に５つの成膜室の成膜条件を全て条件１（硬度・ヤング率を大きくする条件）として、他は実施例１と同じ様にして磁気ディスクを作製した。ヘッド押し付け方向とヘッド走行方向のヤング率は、それぞれ１９０ＧＰａＧＰａ，１６０ＧＰａであった。これを実施例１と同じ様に連続摺動試験を行ったところ、結果は摺動回数と共に摩擦係数が増加し、１０ｋ回直前で摩擦係数が１．０を超えてクラッシュした。また、ＳｉＯ_２噴霧試験では、周方向に長く引きずったキズが１００本／面以上発生し、ＳｉＯ_２粒子の埋め込みも見られた。
《比較例２》
実施例１において、保護層の成膜時に５つの成膜室の条件を全て条件２（硬度・ヤング率を小さくする条件）とし、他は実施例１と同じ様にして磁気ディスクを作製した。ヘッド押し付け方向とヘッド走行方向のヤング率は、それぞれ８５ＧＰａ，８１ＧＰａであった。これを実施例１と同じように摺動試験を行ったところ、結果は初期摩擦係数が０．１程度であり、３０ｋ回までは増加しなかったが、それ以降は回転数と共に増加し、１００ｋ回では７．５ｇｆに達した。また、停止後そのままスライダを接触させて１日置き、その後の回転立ち上がり摩擦力を測定したところ、約１５ｇｆであり、著しく粘着していることが分かった。このディスクの摺動部およびテスト用ヘッドのスライダ面を光学顕微鏡およびＡＦＭで観察したところ、ディスク面では保護膜が約５ｎｍ摩耗し、スライダ面にも傷が観られた。更にスライダ端部に潤滑剤の集まった部分が観られた。また、ディスク摺動部の潤滑剤量を測定したところ、未摺動部の約３０％であり、殆ど無くなっていることが分かった。
次にＳｉＯ_２噴霧試験を行ったところ、１分以内で保護層が削れて磁性層に達するキズが発生し、クラッシュした。
第３図は実施例１において、成膜室２、４の成膜条件を変えて同様の評価を行い、結果を表に纏めて示したものである。この表からヘッド押し付け方向のヤング率が、１５０ＧＰａ以上でかつこれに対しヘッド走行方向のヤング率の割合が０．５以下のものが優れた特性を示すことがわかる。
第４図は実施例１において、成膜室の数を１つずつ減らし、合計膜厚は６〜８ｎｍとなる様に調節して、後は実施例１と同様に磁気ディスクを作製し評価を行った結果を、表に纏めて示したものである。表に示す様に２層以下では最表面層の影響が強く、本発明で必要なヤング率の比は得られないことが分かった。
また、第５図は本発明の磁気記憶装置の平面模式図である。前述の実施例１で示された磁気ディスク２１を一枚又は複数枚と、磁気ディスク２１の情報記録面に対応した磁気ヘッド２３と、磁気ディスク２１を回転駆動する駆動部２２と、磁気ヘッド駆動手段２４と、信号処理部２５とを有する。磁気ヘッド２３として、電磁誘導型記録ヘッドと磁気抵抗効果型再生ヘッドの複合ヘッド（ＭＲヘッド（Ｍａｇｎｅｔｏｒｅｓｉｓｔｉｖｅ Ｈｅａｄ））、或いはＧＭＲヘッド（Ｇｉａｎｔ Ｍａｇｎｅｔｏｒｅｓｉｓｔｉｖｅ Ｈｅａｄ）を組み合わせて用いることが好ましい。
産業上の利用可能性
本発明により実質厚さ１０ｎｍあるいはそれ以下の膜厚の保護膜でも十分な強度および耐摺動性を有する磁気ディスクを得ることができ、潤滑剤の粘着耐性も向上させることができる。また、この磁気ディスクを搭載した磁気ディスク記憶装置は、記録再生特性が安定した信頼性の高い磁気ディスク記憶装置とすることができる。
【図面の簡単な説明】
第１図は本発明による磁気ディスクの構造を示す断面図である。
第２図は本発明による磁気ディスクのヤング率と従来技術のヤング率との比較を示すグラフである。
第３図は本発明の実施例の評価結果１を纏めた表である。
第４図は本発明の実施例の評価結果２を纏めた表である。
第５図は本発明による磁気記憶装置の平面模式図である。

Claims (7)

1. 少なくとも基板とその上に設けられた非磁性下地層と強磁性薄膜からなる記録層とその上の保護層および潤滑層とからなる磁気記録媒体において、最表面から５ｎｍ押し込んだときの記録媒体面に垂直方向のヤング率がヘッド走行方向のヤング率に比べ２倍以上大きいことを特徴とする磁気記録媒体。
2. ヘッド押し付け方向のヤング率が１５０ＧＰa以上であることを特徴とする請求の範囲第１項記載の磁気記録媒体。
3. 前記磁気記録媒体は磁気ディスクであることを特徴とする請求の範囲第２項記載の磁気記録媒体。
4. 前記基板はアルミニウム合金あるいはガラスからなり、非磁性下地層はＣｒあるいはその合金からなり、強磁性薄膜はＣｏ合金からなることを特徴とする請求の範囲第３項記載の磁気記録媒体。
5. 磁気記録媒体と、該磁気記録媒体を駆動する駆動部と、該磁気記録媒体に情報を記録・再生する磁気ヘッドと、該磁気ヘッドを前記磁気記録媒体に対して相対運動させる手段と、前記磁気ヘッドへの信号入力と当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信号再生を行なうための記録再生信号処理手段とを有する磁気記憶装置において、
   前記磁気記録媒体は、少なくとも基板とその上に設けられた非磁性下地層と強磁性薄膜からなる記録層とその上の保護層および潤滑層とからなり、最表面から５ｎｍ押し込んだときの記録媒体面に垂直方向のヤング率がヘッド走行方向のヤング率に比べ２倍以上大きいことを特徴とする磁気記憶装置。
6. 前記磁気ヘッドの再生部が磁気抵抗効果型磁気ヘッドで構成されていることを特徴とする請求の範囲第５項記載の磁気記憶装置。
7. 前記磁気ヘッドの再生部がＧＭＲヘッドで構成されていることを特徴とする請求の範囲第５項に記載の磁気記憶装置。

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