JP4286792B2

JP4286792B2 - 磁気ヘッド

Info

Publication number: JP4286792B2
Application number: JP2004571318A
Authority: JP
Inventors: 正二池田; 敬幸久保宮; 正昭松岡
Original assignee: Fujitsu Ltd
Current assignee: Fujitsu Ltd
Priority date: 2003-04-30
Filing date: 2003-04-30
Publication date: 2009-07-01
Anticipated expiration: 2023-04-30
Also published as: JPWO2004097806A1; US7372666B2; US20050185341A1; WO2004097806A1

Description

本発明は磁気ヘッドに関し、より詳細には、高保磁力を有する高密度媒体へのデータの書き込みを可能にし、磁気応答性のすぐれたライト磁極を備えた磁気ヘッドに関する。

磁気ディスク装置に用いられる媒体の面記録密度の増大にともない、記録ビットは数百ｎｍサイズ以下となっており、今後、さらに記録ビットが縮小することが予想される。このようなサイズ領域では、磁性微粒子の熱擾乱の問題が現実化してくるため、媒体の保磁力（Ｈｃ）を増大させてこの問題を解決することが考えられている。一方、ライト磁極については、媒体の保磁力が増大すると、狭幅の磁極で媒体の保磁力以上の強いライト磁界を発生させる必要があり、ライト磁極の先端部の磁性材料にはより高いＢｓ値（飽和磁束密度）を持つものが求められる。

FeCo合金は、２．４５Ｔという高いＢｓ値を示すことが知られているが、磁歪定数がλ＝３０〜７０×１０^-6と大きく、FeCo合金の単層膜のみで軟磁性とすることが難しく、そのままではライト磁極の磁極材料として使用することができない。また、軟磁性の指標として透磁率が挙げられ、ライトヘッドの磁極の透磁率が低いと記録ビットの波形に対応するコイルの誘導磁界に磁極の磁化が応答し難くなり、記録ビットの分解能が悪化し、所望のライト特性を得ることができなくなる。

このような問題を解消する方法として、FeCo合金膜の直下にバッファとして下地層を設ける方法や、合金系に添加元素を少量含有させるなどの手法による材料開発がなされている。たとえば、IEEE．Trans．Magn． vol．36、pp．2506-2508、(2000)では、FeCoN組成による２.４Ｔ程度の高Ｂｓを有する軟磁性膜が報告されている。しかしながら、FeCoNの単層膜では磁気異方性の制御が難しいため、FeCoN層を、パーマロイ（Ni80Fe20）の下地層上に成膜し、あるいはパーマロイ層でサンドイッチ構造とすることで軟磁性を改善することが図られている。なお、この報告例は、FeCoN層の膜厚が０．１μｍでの実施例であり、膜厚が０．１μｍ以上で軟磁性が得られるかは不明である。また、ライト磁界を増大させるためには、磁極先端部に用いる高Ｂｓ膜を０．１μｍ以上に厚く形成しなければならない。

また、特開平１０−２７０２４６号公報では、FeCoに添加元素を加えたグラニュラー合金膜として、異方性磁界Ｈｋ＞２０（Ｏｅ）の軟磁性、比抵抗ρ＞５０（μΩcm）、Ｂｓ＞１．６Ｔを有するものが報告されている。しかしながら、比抵抗を５０（μΩcm）以上に高めるためには、磁性元素以外の非磁性元素の含有量を増やす必要があり、その場合には飽和磁束密度が減少してしまい、２．１Ｔ以上の高Ｂｓ値を得ることは難しい。

このように、磁気ヘッドのライト磁極の磁性材料として実用できる程度に十分に高いＢｓ値を備えた軟磁性の材料についてはいまだ提供されていないのが現状である。本発明は、これらの問題に鑑みてなされたものであり、膜厚０．１μｍ以上で、Ｂｓ値２．２Ｔ以上の軟磁性を示す磁性材料を提供するものであり、この磁性材料をライト磁極の磁性材料に使用することによって、高保磁力を有する高密度媒体へのデータの書き込みに好適に使用することができる磁気ヘッドを提供することを目的としている。

上記目的を達成するために、本発明は次の構成を備える。
すなわち、磁性膜を成膜して形成したライト磁極を備えた磁気ヘッドにおいて、前記磁性膜が、鉄FeとコバルトCoを主成分とする磁性層と、絶縁層とが交互に積層して形成されたものであって、前記絶縁層が、前記磁性層の表面粗さと同等以下の平均の厚さに形成されることにより、前記絶縁層が不連続膜として形成され、前記磁性層が前記絶縁層で分断されないことを特徴とする。

また、前記各々の磁性層の下地層として、磁性膜の異方性分散を抑制する非磁性層が形成されていること、前記各々の磁性層の下地層として、磁性層の結晶面の(110)配向を誘導する非磁性層が形成されていることを特徴とする。非磁性層の下地層として非磁性層を設けることによって、さらに異方性分散を抑制して軟磁性をさらに高めることができる。
また、前記絶縁層として、アルミナ（Al₂O₃）が好適に用いられ、前記非磁性層には、ニッケルNi、鉄Fe、クロムCrからなる合金が好適に用いられる。
また、前記磁性層と絶縁層の膜厚および積層数を調整して、磁性膜全体としての飽和磁束密度が2.2T以上に設けることができ、高保磁力を有する高密度媒体への記録用として十分に実用可能な磁気ヘッドとして提供することが可能となる。

本発明に係る磁気ヘッドは、磁性層と、磁性層が分断されない不連続膜として形成れた絶縁層とを交互に積層した磁性材料をライト磁極に使用することにより、高保磁力を有する媒体へのデータの書き込みに好適に使用することができる磁気ヘッドとして提供される。

以下、本発明の好適な実施の形態について、図面とともに詳細に説明する。
図１Ａ及びBは、磁気ヘッドのライト磁極の構成を示す断面図である。図１Ａは平面記録方式によるライト磁極、図１Ｂは垂直記録方式によるライト磁極を示す。１０が下部磁極、１２が上部磁極、１４がコイルである。下部磁極１０および上部磁極１２はＮｉＦｅ等の強磁性体材からなる。

平面記録方式のライト磁極は下部磁極１０の先端部と上部磁極１２の先端部とがライトギャップ間隔をあけて対向して配置されている。本発明に係る磁気ヘッドは、この下部磁極１０と上部磁極１２の媒体の表面に対向して配置される磁極の先端部（Ｐ部分）が、後述する高Ｂｓ磁性膜によって形成されている。また、垂直記録方式のライト磁極は上部磁極１２から垂直記録用の磁極１６が媒体の表面に向けて延出して設けられたものであり、磁極１６の先端部（Ｑ部分）が後述する高Ｂｓ磁性膜によって形成されている。

ライト磁極を形成する磁性膜はスパッタリング等によって所定の膜厚に成膜して形成される。図２Ａ〜Ｄは磁気ヘッドのライト磁極に用いる磁性膜の特性を試験した磁性膜の断面構成を模式的に示す説明図である。
図２Ａに示す磁性膜は、基板上にFe70Co30からなる磁性膜２０を単層で形成したものである。磁性膜２０全体の厚さは１μｍである。

図２Ｂは、Fe70Co30からなる磁性層２２と、アルミナ（Al₂O₃）からなる絶縁層２４を交互に積層して形成した磁性膜を示す。各々の磁性層２２の厚さは１００ｎｍであり、絶縁層２４の厚さは１ｎｍである。磁性層２２は全体として１０層積層され、磁性層２２の全体を合わせた厚さは図２Ａに示す磁性膜２０と同じ１μｍとなっている。

図２Ｃは、Ni61Fe14Cr25からなる非磁性層２６と、Fe70Co30からなる磁性層２２を交互に積層して形成した磁性膜である。各々の磁性層２２の厚さは１００ｎｍであり、非磁性層２６の厚さは２ｎｍである。磁性層２２は１０層積層され、磁性層２２の全体を合わせた厚さは１μｍである。

図２Ｄに示す磁性膜は、Ni61Fe14Cr25からなる非磁性層２６と、Fe70Co30からなる磁性層２２とAl₂O₃からなる絶縁層２４を、この順に基材上で繰り返して積層したものである。非磁性層２６の厚さは２ｎｍ、磁性層２２の厚さは１００ｎｍ、絶縁層２４の厚さは１ｎｍである。磁性層２２は１０層積層され、磁性層２２の全体を合わせた厚さは１μｍである。なお、NiFeCr、FeCoの組成はat％表記で示した。

これらの各試料はスパッタリングにより成膜して形成した。スパッタ時の圧力は０．１〜３Ｐａ、スパッタ投入電力密度は１〜１０×１０^-4Ｗ／ｍ²、アルゴン（Ａｒ）の流量は５０〜１００sccmである。ターゲットと基板間の間隔は９０〜１８０ｍｍである。磁性膜を成膜する基板にはAl₂O₃−TiCを使用し、バイアスの印加は行っていない。なお、酸化物ターゲットとしてはAl₂O₃以外のＳｉＯ₂、ＭｇＯなど他の絶縁材料でも同様の結果が得られている。また、本実施の形態では、同一真空容器中でAl₂O₃ターゲットを用いて成膜を行ったが、Alを成膜後に別の真空容器中で酸化を行った場合、あるいは、Al₂O₃をクラスター状態で堆積させた場合にも同様の結果が得られている。

図３は、図２Ａ〜Ｄに示す各磁性膜についてのＢ−Ｈ曲線を示す。このＢ−Ｈ曲線は、Ｂ−Ｈループトレーサーにおいて磁化容易軸と困難軸で±70 Oeの磁界を印加して測定したものである。これらのＢ−Ｈ曲線について、Fe70Co30の単層膜による場合（図３Ａ）と、Fe70Co30とAl₂O₃の積層膜におよる場合（図３Ｂ）とを比較すると、Al₂O₃層を付加したFe70Co30とAl₂O₃の積層膜の方がFe70Co30の単層膜にくらべて困難軸での保磁力Hcｈが低下し、異方性分散が抑制されている。

また、下地としてNiFeCrを用いたNiFeCr/Fe70Co30積層膜（図３Ｃ）とNiFeCr/Fe70Co30/Al₂O₃積層膜（図３Ｄ）とを比較すると、Al₂O₃層を付加したNiFeCr/Fe70Co30/Al₂O₃積層膜の方が困難軸での保磁力Hcｈが低下している。このことは、Al₂O₃層を付加することによって困難軸での保磁力Hcｈが低下し、ライト磁極に適用する磁性膜として好適に使用可能であることを示している。

表１は、図２Ａ〜Ｄの4種の磁性膜についてのBs値及び比透磁率を示す。Bs値はSQUIDにて磁場を10kOe印加して測定した値である。比透磁率の測定はshielded loop coil法により測定した。表１でAl₂O₃層を付加したFe70Co30/Al₂O₃積層膜、およびNiFeCr/Fe70Co30/Al₂O₃積層膜について見ると、Ｂｓ値はBs＞2．3 Tとなり、Fe70Co30の単層膜のＢｓ値と同等の値が得られ、比透磁率はFe70Co30単層膜にくらべて大幅に上回っている。また、Al₂O₃層を付加した積層膜は、Fe70Co30／Al₂O₃積層膜の場合も、NiFeCr/Fe70Co30/Al₂O₃積層膜の場合も比透磁率が大きく改善されている。

図４はNiFeCr/Fe70Co30/Al₂O₃積層膜における比透磁率μrの周波数依存性を示す。通常、Al₂O₃層で磁性層を分断すると渦電流損失が抑制され高周波での透磁率の落ち込みが抑制されるはずである。しかしながら、図４に示すように膜厚1μmのFe70Co30単層膜の理論計算曲線とNiFeCr/Fe70Co30/Al₂O₃積層膜の実測曲線がほぼ一致しており、渦電流損失の抑制が見られない（高周波側で透磁率が低下している）。このことは、Al₂O₃からなる絶縁層が磁性層を分断する2次元的な連続膜として形成されているのではなく、不連続に分布して、隣接する磁性層間の電気的・磁気的分断がなされていないものと考えられる。すなわち、本実施形態におけるAl₂O₃層は、Al₂O₃の平均膜厚が薄い、あるいはFeCoからなる磁性層２２の表面粗さによりAl₂O₃が均一に成長しないなどの理由によって、図５に示すように、不連続的に存在しているものと考えられる。図５で、２２ａがFeCoの結晶粒、２４ａがAl₂O₃の不連続層である。

なお、図４に示すように、高周波側で比透磁率が低下する場合には、膜厚が数μｍもある現状のヨーク部分に本発明に係る積層膜を使用すると、高記録周波数でのライト特性が悪化することが予想される。しかしながら、サブミクロンサイズ化したヨーク部や磁極の先端部、垂直ヘッドの単磁極部に用いる場合には、表皮厚さ以下となるためサイズ効果で渦電流損失は抑制されるので、このような用途においてはFeCo単層膜よりも本発明に係る積層膜は優位性を発揮する。

図６ＡはFe70Co30/単層膜、図６ＢはFe70Co30/Al₂O₃積層膜、図６ＣはNiFeCr/Fe70Co30/Al₂O₃積層膜についてのX線回折パターンを測定した結果を示す。これらの試料で、比透磁率の大小関係は、(c)＞(ｂ)＞(a)となっており、回折線の(110)ピークが(c)＞(ｂ)＞(a)となっていることがわかる。このことは、Al₂O₃層を挿入することで、比透磁率が高くなり、(110)配向が強まる傾向を有することを示している。

図７は、Fe70Co30/Al₂O₃積層膜について、Al₂O₃からなる絶縁層の膜厚を１ｎｍとして積層した場合（図７Ａ）と、Al₂O₃からなる絶縁層の膜厚を２０ｎｍとして積層した場合（図７Ｂ）について、それぞれＢ−H曲線を示したものである。このグラフを見ると、Al₂O₃からなる絶縁層の膜厚を厚くしても軟磁性の改善が見られないことがわかる。

表２はAl₂O₃からなる絶縁層の膜厚を変えた際のＢｓ値と比透磁率を示す。Al₂O₃からなる絶縁層の膜厚を厚くするとＢｓ値は２．０４Ｔと減少し、比透磁率も小さくなっている。すなわち、Al₂O₃からなる絶縁層を厚く形成するとAl₂O₃層が連続的に形成され比透磁率が低下すると考えられ、Al₂O₃からなる絶縁層は、不連続的に形成されている積層膜の方が軟磁性的に優れているものと考えられる。

磁気ヘッドのライト磁極の構成を示す断面図である。 Fe70Co30単層膜の膜構成（図２Ａ）、Fe70Co30／Al₂O₃積層膜の膜構成（図２Ｂ）、NiFeCr／Fe70Co30積層膜の膜構成（図２Ｃ）、NiFeCr／Fe70Co30／Al₂O₃積層膜の膜構成（図２Ｄ）を示す説明図である。図２Ａ〜Ｄの各磁性膜についてのＢ−Ｈ曲線である。 NiFeCr／Fe70Co30／Al₂O₃積層膜についての比透磁率の周波数特性を示すグラフである。 Fe70Co30等と不連続Al₂O₃層が交互に積層された状態を示す説明図である。 Fe70Co30単層膜のＸ線回折パターン（図６Ａ）、Fe70Co30／Al₂O₃積層膜のＸ線回折パターン（図６Ｂ）、NiFeCr／Fe70Co30／Al₂O₃積層膜のＸ線回折パターン（図６Ｃ）である。 Al₂O₃層の膜厚を変えた場合のＢ−Ｈ曲線である。

符号の説明

１０下部磁極
１２上部磁極
１６磁極
２０磁性膜
２２磁性層
２４絶縁層
２６非磁性層

Claims

磁性膜を成膜して形成したライト磁極を備えた磁気ヘッドにおいて、
前記磁性膜が、鉄FeとコバルトCoを主成分とする磁性層と、絶縁層とが交互に積層して形成されたものであって、
前記絶縁層が、前記磁性層の表面粗さと同等以下の平均の厚さに形成されることにより、前記絶縁層が不連続膜として形成され、前記磁性層が前記絶縁層で分断されないことを特徴とする磁気ヘッド。
前記各々の磁性層の下地層として、磁性膜の異方性分散を抑制する非磁性層が形成されていることを特徴とする請求項１記載の磁気ヘッド。
前記各々の磁性層の下地層として、磁性層の結晶面の(110)配向を誘導する非磁性層が形成されていることを特徴とする請求項１または２記載の磁気ヘッド。
絶縁層として、アルミナ（Al₂O₃）が用いられていることを特徴とする請求項１〜３のいずれか一項記載の磁気ヘッド。
非磁性層として、ニッケルNi、鉄Fe、クロムCrからなる合金が用いられていることを特徴とする請求項２または３記載の磁気ヘッド。
磁性層と絶縁層の膜厚および積層数を調整して、磁性膜全体としての飽和磁束密度が2.2T以上に設けられていることを特徴とする請求項１記載の磁気ヘッド。