JP4590003B2

JP4590003B2 - 磁気記録ヘッド及び磁気記録装置

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Publication number: JP4590003B2
Application number: JP2009107830A
Authority: JP
Inventors: 万壽和五十嵐
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 2009-04-27
Filing date: 2009-04-27
Publication date: 2010-12-01
Anticipated expiration: 2029-04-27
Also published as: JP2010257539A

Description

本発明は、磁気記録媒体に対して記録磁界を印加するとともに、高周波磁界を照射して磁気共鳴を励起し磁気記録媒体の磁化反転を誘導する機能を有する磁気記録ヘッド、及びその磁気記録ヘッドを備える磁気記録装置に関するものである。

磁気記録において記録磁化状態を安定に維持するためには保磁力の大きな（すなわち磁気異方性の大きな）記録媒体を使用する必要があるが、保磁力の大きな記録媒体に記録を行うためには強い記録磁界が必要である。しかし実際には、磁気ヘッドとして利用可能な磁性材料は限られている。従って、記録媒体の保磁力は、記録ヘッドで発生可能な記録磁界の大きさによって制約される。このため、各種の補助手段を使って記録媒体の保磁力を記録時にのみ実効的に低くする記録手法が考案されており、磁気ヘッドとレーザなどの加熱手段を併用して記録を行う熱アシスト記録などがその代表である。

記録ヘッドからの記録磁界に高周波磁界を併用することにより記録媒体の保磁力を局所的に低減させて記録を行うアイディアも古くから存在する。例えば、特開平６−２４３５２７号公報には、高周波磁界により磁気記録媒体をジュール加熱あるいは磁気共鳴加熱し、媒体保磁力を局所的に低減せしめることにより、情報を記録する技術が開示されている。このような高周波磁界と磁気ヘッド磁界との磁気共鳴を利用する記録手法（以降、マイクロ波アシスト記録という）では、磁気共鳴を利用するため、媒体異方性磁界に比例する周波数の強い高周波磁界を用いないと、大きな磁化反転磁界の低減効果は得られない。このような強い高周波磁界を発生可能な磁界発生素子を、磁気ヘッドに実装できる程度の大きさで製造することは非常に困難であり、従って、マイクロ波アシスト記録は、実用化の困難さから長い間忘れられた技術となっていた。

ところが近年、スピントルクを用いた高周波磁界の発生原理が提案され、マイクロ波アシスト記録がにわかに脚光をあびるようになった。ＴＭＲＣ−Ｂ６（２００７）では、垂直磁気ヘッドの主磁極に隣接した磁気記録媒体近傍に、スピントルクによって高速回転する磁化高速回転体（Field Generation Layer：ＦＧＬ）を配置してマイクロ波（高周波磁界）を発生せしめ、磁気異方性の大きな磁気記録媒体に情報を記録する技術が発表された。さらに、ＭＭＭ−ＧＡ０２（２００８）では、ＦＧＬに近接する主磁極の磁界を利用してＦＧＬの回転方向を制御する高周波磁界発生装置が発表されており、これにより媒体の反転効率のよいマイクロ波アシスト反転が実現できるとされている。

特開平６−２４３５２７号公報

J. G. Zhu and X. Zhu, ‘Microwave Assisted Magnetic Recording,’ The Magnetic Recording Conference (TMRC) 2007 Paper B6 (2007). J. Zhu1 and Y. Wang, ‘Microwave Assisted Magnetic Recording with Circular AC Field Generated by Spin Torque Transfer,’ MMM Conference 2008 Paper GA-02 (2008).

マイクロ波アシスト記録において１平方インチ当たり１Ｔビットを超える記録密度を実現するためには、主磁極からの書き込み磁界が印加されているナノメートルオーダーの領域に、強力な高周波磁界を照射して磁気記録媒体を局所的に磁気共鳴状態にし、磁化反転磁界を低減して情報を記録する必要がある。

ＴＭＲＣ−Ｂ６（２００７）に開示された技術は、強力な高周波磁界をナノメートルオーダーの領域に照射して記録媒体を局所的に磁気共鳴状態にし、磁化反転磁界を低減して情報を記録することが可能であるが、ＦＧＬの磁化の制御について何も考慮していないという問題がある。ＦＧＬの磁化は回転軸に対して垂直でないと大きな高周波磁界が得られないため、ＴＭＲＣ−Ｂ６（２００７）に開示されるＦＧＬの構成のままでは実用的な強度の高周波磁界を得ることが困難である。

ＭＭＭ−ＧＡ０２（２００８）に開示された技術は、主磁極からＦＧＬに入射する磁界のうち垂直に入射する磁界成分を利用してＦＧＬの回転方向を制御する構造であるため、ＦＧＬが発生する高周波磁界の強度という問題点は解決される。しかし、ＦＧＬの回転面内に入射する主磁極からの漏洩磁界に対する対策が施されていない。従って、ＭＭＭ−ＧＡ０２（２００８）に開示された技術では、ＦＧＬの磁化が主磁極からの漏れ磁界方向に固定され、高周波発振が持続しないという問題がある。

本発明の目的は、ＦＧＬの回転面内に入射する主磁極からの漏洩磁界（以下、横磁界と呼ぶ）に対する対策を講じることにより、信頼性が高く、結果としてコストを低減できる超高密度磁気記録に好適な情報記録装置を提供することにある。

以上の問題を解決する目的で、まず、横磁界をどの程度まで抑制すればよいかを計算機シミュレーションで検討した。ＬＬＧ（Landau Lifschitz Gilbert）方程式にスピントルクの効果を考慮した次式(1)を用いて、図１に示すようなＦＧＬの磁化ｍの挙動を解析した。

ここで、γはジヤイロ磁気定数、α（＝０．０１を仮定）はダンピング定数、Ｉは電流、μ_Bはボーア磁子、ｅは素電荷、ＶはＦＧＬの体積、Ｍ_s（＝１．９Ｔを仮定）はＦＧＬの磁化である。有効磁界Ｈ_effは、磁気異方性磁界Ｈ_a（＝Ｈ_kcosθ、θは磁化と磁化容易軸のなす角）、反磁界Ｈ_d、及び外部磁界Ｈ_extの３成分の和で構成される。磁化容易軸をｘ軸方向とし、負の磁気異方性（Ｈ_k＝−８００ｋＡ／ｍ）を仮定した。ＦＧＬの磁化が面内（θ＝９０度）となるように磁気異方性磁界Ｈ_aが作用する。また、Polarization layerの磁化ｍ₁は、ｘ方向を向き、分極率Ｐを０．２４４とした。Ｈ_extは、ｘ方向からθ_h傾いた方向に印加した。

まず、簡単な定常解析解を求めておく。θ_h＝０度とおくと、式(1)がｄｍ_x／ｄｔ＝０を満たすのは、有効磁界Ｈ_effのｘ方向成分Ｈ_eff-xが

を満たすときで、このとき、磁化が周波数ｆでｘ軸の周りを回転運動する。

２πｆ＝γＨ_eff-x (3)

このことから、ＦＧＬの面に垂直に印加される磁界が大きいほど、Ｈ_eff-xが大きくなり高周波磁界の周波数が大きくなることがわかる。従って、主磁極からの漏洩磁界のうちＦＧＬの磁化回転面に垂直な成分は、ＦＧＬの周波数向上に有効に作用する。３０ＧＨｚの高周波磁界を得るには、約８００ｋＡ／ｍの磁界が必要である。

外部磁界が、ｘ軸から傾く場合には、直接式(1)を逐次的に解いて磁化の挙動を調べる必要がある。図２は、８００ｋＡ／ｍの外部磁界をｘ方向から１５度傾けた場合の、ＦＧＬ磁化の挙動を示したものである。図２（Ａ）は外部磁界印加時より０．５ｎｓ経過するまでの磁化の軌跡を３次元的に示したもので、軌道面が多少ｙ−ｚ面から傾いているが安定した回転が得られている。図２（Ｂ）は外部磁界印加時より２ｎｓ経過するまでの磁化の軌跡をｙ−ｚ面に投影して示したもので、安定した回転が得られている。

図３は、８００ｋＡ／ｍの外部磁界をｘ方向から２５度傾けた場合の、ＦＧＬ磁化の挙動を示したものである。図３（Ａ）は外部磁界印加時より０．５ｎｓ経過するまでの磁化の軌跡を３次元的に示したもので、軌道面が多少ｙ−ｚ面から大きく傾いており、傾きが時間経過とともに増している。図３（Ｂ）は外部磁界印加時より２ｎｓ経過するまでの磁化の軌跡をｙ−ｚ面に投影して示したもので、時間経過とともに軌道収縮していることがわかる。これは、ＦＧＬ磁化の軌道が横磁界の方向に拘束されるためと考えられる。以上のことから、外部磁界がｘ方向から２５度を超えて印加されるとＦＧＬの磁化が安定に回転しないことがわかる。

次に、主磁極近傍の磁界について３次元磁界シミュレータを用いて解析した。主磁極５、対向磁極６、軟磁性下地層２２からなる図４に示す条件において３次元磁界解析を行ったのが図５である。図４中のＳＬは、回転安定化層である。ＦＧＬを設置する部分には横磁界が印加されていることがわかる。図より、この横磁界の原因は、主磁極５の対向磁極側側面からの漏れ磁界が主因であることが推定される。このことから、主磁極５の対向磁極側側面の影響をＦＧＬ部分がなるべく受けないようにするため、（１）対向磁極の高さを磁化高速回転体（ＦＧＬ）高さより十分高くする、（２）主磁極側面を磁化高速回転体から遠ざけるように傾ける、（３）主磁極側面近傍から対向磁極にバイパス磁路を形成する、といった横磁界低減構成が有効であることがわかる。

図６は、図５より、ＦＧＬを設置する位置における磁界の向きと大きさをグラフ化したものである。図の横軸は位置であり、ＡＢＳ面の高さを原点として、記録媒体方向を正とした。図には、対向磁極を仮定した範囲をハッチングで示してある。図６（Ａ）より、ＡＢＳ面（位置＝０）から上方（位置＜０）に向かうと、磁界の角度は一旦極小値を取り、その後増加に転じており、対向磁極の端部（位置＝−６０ｎｍ）では、４０度にまで達している。また、図６（Ｂ）より、磁界強度は、ＡＢＳ面から上方に向かうと増加し、対向磁極の端部より少し手前で最大値１０００ｋＡ／ｍをとっている。

以上のことから、対向磁極の範囲と同じ高さのＦＧＬを用いると、大きな磁界の角度の悪影響を受け、安定な磁化回転が得られないと考えられる。ただし、ＡＢＳ面近傍においては、比較的磁界の角度が小さいので、ＦＧＬ高さが対向磁極の端部より十分低ければ、安定なＦＧＬの回転が得られると考えられる。本計算では、主磁極５と対向磁極６との間隔４０ｎｍを仮定していることを考えると、主磁極５と対向磁極６との間隔の半分以上の余裕（ＦＧＬ高さと対向磁極の端部の差）があれば、問題ない。ただし、対向磁極の端部がＦＧＬ高さよりも大きくなればなるほど、主磁極５先端部に磁束が達する前に対向磁極６に吸収されてしまうため、主磁極５からの記録磁界が小さくなってしまうので好ましくない。

図８は、図７に示す横磁界低減構成（２）の主磁極側面をＦＧＬから遠ざけるように傾けた構造を仮定した場合の、ＦＧＬを設置する位置における磁界の向きと大きさをグラフ化したものである。図８（Ａ）より、ＡＢＳ面から上方に向かうと、磁界の角度は一旦極小値を取り、その後増加に転じる点は、図６（Ａ）と共通である。しかし、対向磁極の範囲内において、磁界の角度が２５度以内に収まっている。また、図８（Ｂ）に示すように、磁界強度は、ＡＢＳ面から上方に向かうと増加し、対向磁極の中央で最大値の１０００ｋＡ／ｍをとっている。以上のことから、主磁極をＦＧＬから遠ざけるように傾けた構造では、主磁極からの漏洩磁界のうち、ＦＧＬ面内方向成分が減少するため、ＦＧＬの安定な磁化回転が得られるものと考えられる。

図９は、主磁極５の対向磁極側側面の影響をＦＧＬ部分がなるべく受けないようにする主磁極５、高周波磁界発生素子２０１、対向磁極６のいくつかの位置関係を示したものである。図中の矢印は磁化方向を表している。図９（Ａ）は、従来構造で、主磁極５の側面からの大きな漏洩磁界が高周波磁界発生素子２０１のＦＧＬ面内方向に印加されるため、安定な高周波磁界の発生が困難である。図９（Ｂ）は、上記（２）の主磁極５の高周波磁界発生素子２０１との接続部の素子高さ方向上方部分を高周波磁界発生素子２０１の反対側に傾けた横磁界低減構成で、図８に示すように、ＦＧＬ面内方向に印加される磁界が大きく軽減されている。なお、上記（２）の主磁極側面を磁化高速回転体から遠ざけるように傾ける方法は、主磁極５の高周波磁界発生素子側側面が高周波磁界発生素子２０１から離れる構造であれば有効であるので、図９（Ｇ）に示すような主磁極５を通る磁束の流れの角度が、主磁極５と高周波磁界発生素子２０１との接続部付近において素子高さ方向上方から高周波磁界発生素子２０１の反対側に傾けた横磁界低減構成としてもよい。

図９（Ｃ）、（Ｄ）は、上記（１）の対向磁極の素子高さ方向高さを磁化高速回転体（ＦＧＬ）高さより十分高くする横磁界低減構成で、対向磁極６の素子高さ方向高さと高周波磁界発生素子２０１の素子高さ方向高さの差Ｈｔを主磁極５と対向磁極６の間隔Ｌｆの０．５倍から２倍程度とするのがよい。

図９（Ｅ）、（Ｆ）は、上記（３）のバイパス磁路を形成する横磁界低減方法で、対向磁極６から主磁極５に向かって磁路を形成し、主磁極５の側面から漏洩磁界を逃がす働きがある。バイパス磁路が主磁極５に接してしまうと、主磁極５先端部に磁束が達する前に対向磁極６に吸収されてしまい、主磁極５からの記録磁界が小さくなるので好ましくない。

以上の構成を取ることにより、ＦＧＬ磁化回転面内に印加される主磁極からの漏れ磁界成分を低減することが可能となるため、記録動作中の安定なＦＧＬの回転が得られ、記録媒体上に良好な記録パタンが形成され、情報記録装置における記録密度を増大できると同時に信頼性をも向上でき、結果としてコストを低減することが可能となる。

記録密度が１平方インチ当たり１Ｔビットを超える情報記録装置が実現できると同時に信頼性をも向上でき、結果としてコストを低減することが可能となる。

ＦＧＬの磁化回転モデルを示す図。ＦＧＬの磁化回転挙動を示す図。ＦＧＬの磁化回転挙動を示す別の図。主磁極近傍の磁界分布解析に用いた従来ヘッドの構成図。主磁極近傍の磁界分布を示す図。主磁極近傍の磁界分布を示すグラフ。主磁極近傍の磁界分布解析に用いた本発明のヘッドの構成図。本発明の主磁極近傍の磁界分布を示すグラフ。本発明の主磁極からの漏洩磁界低減構造を示す図。磁気ヘッドスライダ及び磁気ヘッドの構成例を示す図。磁気ヘッド部の拡大図。記録ヘッド部の拡大図。試作した従来構造の磁気ヘッドを示す図。高周波磁界発生器構成例を示す図。磁気ヘッド部の拡大図。磁気ヘッドスライダ及び磁気ヘッドの構成例を示す図。磁気ヘッド部の拡大図。実施例２の記録ヘッド部の構成図（断面図）。磁気ディスク装置の全体構成図。主磁極近傍の磁界分布を示すグラフ。

以下、図１０から図１４を用いて、高周波磁界が発生する原理について説明する。この原理は、後段で説明する各実施例に共通である。

図１０及び図１１には、磁化回転体とスピン整流素子及び磁束整流膜を備えたマイクロ波アシスト記録用磁気ヘッドの基本構成を示す。

図１０は、磁気ヘッドスライダと磁気記録媒体の相対位置関係を模式的に示した図である。磁気ヘッドスライダ１０２は、サスペンション１０６により、記録媒体１０１に対向して支持される。図１０において、記録媒体１０１は紙面右方向に回転し、対向する磁気ヘッドスライダは、記録媒体に対して相対的に紙面左方向に移動しているものとする。従って、図１０においては、磁気ヘッド部１０９はスライダのトレーリング側に配置されていることになる。磁気ヘッド部１０９の各構成要素の駆動電流は配線１０８によって給電され、端子１１０によって各構成要素に供給される。

図１１は、図１０に示された磁気ヘッド部１０９の拡大図である。磁気ヘッド部１０９は、記録ヘッド部と再生ヘッド部により構成されており、記録ヘッド部は、補助磁極２０６、主磁極５と対向磁極６との間に配置された高周波磁界発生素子２０１、主磁極を励磁するコイル２０５等により構成される。再生ヘッド部は、下部シールド２０８と上部シールド２１０の間に配置された再生センサ２０７等により構成される。補助磁極２０６と上部シールド２１０は兼用される場合もある。図示されてはいないが、コイルの励磁電流や再生センサの駆動電流及び高周波磁界発生素子への印加電流は、各々の構成要素毎に設けられた電流供給端子により供給される。

図１１に示すように、対向磁極６は素子高さ方向上方にて主磁極５の方へ延び、互いに磁気的な回路を構成している。ただし、素子高さ方向上方においては電気的にはほぼ絶縁されているものとする。磁気的な回路は、磁力線が閉路を形成するものであり、磁性体のみで形成されている必要はない。図では、主磁極５の対向磁極６と反対側に補助磁極等を配置し、別の磁気回路を形成している。この別の磁気回路では、主磁極５と補助磁極との間は電気的に絶縁されている必要はない。主磁極５と対向磁極６には、電極又は電極に電気的に接触する手段が備わっており、主磁極５側から対向磁極６側、あるいはその逆方向の高周波励起電流が磁化回転体層を通して流せるように構成されている。

図１２は、図１１に示された記録ヘッド部を更に拡大した図である。主磁極５と対向磁極６との間に高周波磁界発生素子２０１が形成されている。主磁極５と対向磁極６の間には、黒い矢印の向きに定常電流が流れており、ヘッドの相対移動方向は白抜き矢印で示される方向である。磁気記録媒体７としては、基板１９上に下地層２０を介して垂直記録膜１６を積層した媒体を使用した。

高周波磁界発生素子２０１は、主磁極５の浮上面端部側面よりトレーリング側に向かって、磁束整流層８、非磁性スピン散乱体１２、磁化回転層（ＦＧＬ）２、回転安定化層（ＳＬ）１１としての負の垂直磁気異方性層、金属非磁性スピン導電層１５、対向磁極側磁束整流層１３と積層され、対向磁極６に至る構造を有している。回転安定化層（ＳＬ）１１の自発磁化は積層面内に安定であるため、これと接する磁化回転層２の自発磁化の向きも積層面内に留めようとする力が働き、回転が安定化する。金属非磁性スピン散乱体層１２は、金属非磁性スピン導電層１５を介して磁化回転体層２に流入するスピントルクの効果を打消す影響を及ぼす恐れのある磁束整流層８から磁化回転体層２に流入するスピンを散乱する作用がある。あるいは、磁化回転体層２側から磁束整流層８へのスピントルクの流出を防ぐ作用があるとも言える。したがって、金属非磁性スピン散乱体層１２を用いると必要なスピントルクを得るための電流を小さくすることができる。金属非磁性スピン散乱体層１２としてＲｕを用いるとこの効果は特に大きくなる。

このような構造の積層膜に対向磁極６から主磁極５の向きに電流を流した場合、電子は主磁極５から各層を経由して対向磁極６まで移動する。ここで、主磁極５が下向きに励磁されている場合には、磁束整流層８及び対向磁極側磁束整流層１３が概ね右向きに磁化されるので、右向きのスピンを持つ電子だけが非磁性スピン導電層１５を透過して対向磁極側磁束整流層１３に達する。左向きのスピンを持つ電子は、対向磁極側磁束整流層１３を透過できないため磁化回転層（ＦＧＬ）２や回転安定化層（ＳＬ）１１に残留し、磁化回転層２の磁化を左に向けようとするスピントルクとして作用する（作用１）。一方、主磁極５からの漏洩磁界は磁化回転層２の磁化を右に向けようと作用する（作用２）。さらに、負の垂直磁気異方性を有する回転安定化層（ＳＬ）１１は、磁化回転層２の磁化が層内に留まるよう作用する（作用３）。磁化回転層２の自発磁化の向きは、作用１、作用２、作用３のバランスで決定されるが、作用２と、作用３で決定される方向に復元するようにトルクが発生し、膜面内で高速回転する。その結果、直流電流（以下、高周波励起電流と呼ぶ）にて交流磁界が発生する。発生する交流磁界は、磁化回転層２の向きが膜面内にあるときに最大となる。

電流一定のまま、主磁極５の磁化が逆転した場合でも、磁化回転層２の磁化を主磁極５の磁化と逆向きに向けようとするスピントルクが作用する状況に変わりはない。このとき磁化回転層２の磁化の回転方向は、主磁極５の磁化方向が逆転する前の回転方向と逆向きとなっている。記録密度が高くなって磁化回転体層２の幅が狭い場合には、磁化回転体層２の側面から発生する磁界が無視できなくなり、記録媒体７に印加される高周波磁界の向きが時間とともに回転する（回転振動磁界）ようになる。図１２の構成の高周波磁界発生素子２０１を用いることにより、反転させようとする磁化に対して反時計回り振動磁界が印加されるようになり、効率の良いマイクロ波アシスト磁気記録が可能となる。

マイクロ波アシスト磁気記録においては、主磁極５からの記録磁界と磁化回転層２の高周波磁界をナノ領域に重ねる必要があるため、磁化回転層２は主磁極５からの漏洩磁界に曝されることになる。主磁極５からの漏洩磁界のうち、磁化回転層２の層面に垂直な成分は、式(3)より高周波磁界周波数を大きくするように作用する。一方、磁化回転層２の膜面に平行な漏洩磁界成分があると、磁化回転層２の自発磁化が当該方向に固定されてしまい、高周波発振が阻害される可能性がある。図１２に示すようなＡＢＳ面から離れるにしたがって高周波磁界発生素子２０１から遠ざかる構造を有する主磁極５を用いることにより、ＦＧＬ面内方向に印加される磁界を大きく軽減することが可能となり、ＦＧＬの面内磁化回転が安定化する。磁束整流層８（リップ）は、主磁極５からの漏洩磁界の向きを整え、磁化回転層２の膜面に垂直な磁界成分を大きくする作用及び、平行な磁界成分をできるだけ少なくする作用を有している。

比較のため、主磁極５が傾いていない従来構造のヘッドを試作し特性を調査した。試作した従来構造の磁気ヘッドを図１３に示す。３次元磁界解析ソフトを用いて計算すると、磁化回転層２の面内方向には、図１２及び図１３の構造で、最大２５６ｋＡ／ｍ及び５２０ｋＡ／ｍの磁界が印加されることが分かっている。スピンスタンドを用い、磁気スペーシング５ｎｍ、トラックピッチ２０ｎｍとして磁気記録を行い、さらにこれをシールド間隔２０ｎｍのＧＭＲヘッドにより再生した。主磁極励磁電流が弱い領域では、両者のヘッドに大きな差が見られなかったが、オーバーライト特性を向上させる目的で、主磁極励磁電流を強くすると、図１３の従来ヘッドを用いると、電流増加とともにＳＮＲが低下し、やがて再生出力が得られなくなるようになった。このとき、実際にマイクロ波磁界が発生しているかどうかを確認するため、高周波磁界発生素子２０１を挟んで記録媒体７の反対側に高周波磁界検出器を配置してマイクロ波磁界の強度をモニタしたが、高周波出力は得られなかった。これは、磁化回転体層２の磁化が主磁極５の漏れ磁界により、当該漏れ磁界方向に固定してしまった結果、高周波発振していないと考えられる。

図１４は、高周波磁界発生器の構成例を示す図である。図１２に示した記録ヘッド構造は、磁束整流層８及び対向磁極側磁束整流層１３を有するが、図１４（Ａ）に示すように磁束整流層８と対向磁極側磁束整流層１３は省略可能である。磁束整流層８を省略すると高周波磁界の発生源となる磁化回転層２を主磁極５に近づけることができるが、磁化回転層２の膜面に平行な主磁極５からの漏洩磁界成分が大きくなるというマイナス面もある。磁束整流層８を適当な厚さとするのがよい。本発明の磁化回転層２の膜面に平行な漏洩磁界成分が小さくなる構造を用いることにより、用いない場合に比べて、磁束整流層８の厚さを薄くすることができる。

また、図１４（Ａ）の磁化回転層（ＦＧＬ）２と、回転安定化層（ＳＬ）１１を入替えた図１４（Ｂ）に示す構造、図１４（Ａ）や図１４（Ｂ）の非磁性スピン散乱体１２と金属非磁性スピン導電層１５とを入れ替えた図１４（Ｃ）や図１４（Ｄ）に示す構造の高周波磁界発生素子２０１を用いても良い。図１４（Ｂ）の構造の場合には、磁化回転層（ＦＧＬ）２に比べて飽和磁化の小さな回転安定化層（ＳＬ）１１が主磁極５に近くなるため、膜面に平行な主磁極５からの漏洩磁界成分の悪影響が小さくなる。加えて、磁化回転層２に、対向磁極側磁束整流層１３（又は、対向磁極側磁束整流層１３省略時には対向磁極６）よりスピントルクが非磁性スピン導電層１５を介して伝えられるため、高周波磁界発生効率が向上する。金属非磁性スピン導電層１５が主磁極側にある場合（図１４（Ｃ）、図１４（Ｄ））には、スピントルク源が磁束整流層８となるため、磁束整流層８は省略できない。主磁極５と磁束整流層８との界面には、交換相互作用を低減する目的で、非常に薄い化合物層や金属層、弱い磁性層を用いることにより、高周波磁界発生効率が向上する。

図１４には、磁化回転層２と回転安定化層（ＳＬ）１１とがそれぞれ単層膜の構造を示したが、複数の積層膜で構成しても構わない。或いは、高周波磁界発生素子２０１の中に離間して配置された層の全体の作用として磁化回転層とスピン整流素子としての機能が実現されていても構わない。更に、上の説明では、磁束整整流層８は、主磁極とは別に設けられた層であるとして説明したが、主磁極に付随する突出部として構成されていても良い。

以上、本発明の構成により、安定的に発振が可能なマイクロ波アシスト記録用磁気ヘッドが実現可能となる。以下、本発明の具体的な実施形態について詳細に説明する。

図１２は、記録ヘッド及び記録媒体を、記録媒体面に垂直（図中の上下方向）かつヘッド走行方向（図中の左又は右方向であるトラック方向）に平行な面で切断した記録機構周辺の断面模式図である。主磁極５と対向磁極６の材料は、飽和磁化が大きく、結晶磁気異方性がほとんどないＣｏＦｅ合金とした。ＦＧＬ２への漏れ磁界（ＦＧＬ面内方向成分）を低減して高周波発振を安定化させる為に、主磁極５を高周波磁界発生素子２０１の反対側に傾けている。

主磁極５に隣接して層状に、磁束整流層８、金属非磁性スピン散乱体１２、ＦＧＬ（磁化高速回転体）２、負の垂直磁気異方性体（安定化層ＳＬ）１１、金属非磁性スピン伝導層１５、対向磁極側磁束整流層１３を経て対向磁極６にいたる。尚、磁束整流層８から対向磁極側磁束整流層１３までは、図面左右方向に伸びる柱状構造で、断面がＡＢＳ面に沿った辺が対向辺に比べて短い台形をしている。当該台形形状とすることにより、ＦＧＬ底面からの高周波磁界とＦＧＬ側面からの高周波磁界のバランスがとれ、マイクロ波アシスト反転効率の高い高周波回転磁界が得られる。この台形のＡＢＳ面に沿った辺の長さｗは、記録トラック幅を決定する重要な因子であり、本実施例では１５ｎｍとした。マイクロ波アシスト記録においては、主磁極５からの記録磁界とＦＧＬ２からの高周波磁界とが揃わないと記録できないような磁気異方性の大きい記録媒体を用いることになる為、主磁極５の幅と厚さ（ヘッド走行方向の長さ）は、記録磁界が大きく取れるよう大きめに設定することが可能である。本実施例では、幅８０ｍと厚さ１００ｎｍとすることで、約０．９ＭＡ／ｍの記録磁界が得られている。磁束整流層８は、主磁極５と飽和磁化が同じ又はそれより大きな材料を用い、主磁極５からの磁界がＦＧＬ２の層方向にできるだけ垂直となるよう３次元磁界解析ソフトを用いて磁束整流層８の厚さ設計を行った。本実施例における磁束整流層８の厚さは１０ｎｍであったが、この値は、前述の台形の形状、対向磁極までの距離と状況、用いる媒体の状況、図面上方における磁気回路の状況に依存する。

ＦＧＬ２は、飽和磁化が大きく、結晶磁気異方性がほとんどない厚さ２０ｎｍのＣｏＦｅ合金とした。ＦＧＬ２では、層に沿った面内で磁化が高速回転し、ＡＢＳ面及び、側面に出現する磁極からの漏れ磁界が、高周波磁界として作用する。ＦＧＬ２の磁化回転駆動力は、金属非磁性スピン伝導層１５を介して対向磁極側磁束整流層１３に反射されたスピンによるスピントルクである。このスピントルクは、主磁極５からの漏洩磁界によって発生するＦＧＬ２の磁化回転軸に平行な磁化成分が小さくなる方向に作用する。このスピントルクの作用を得るには、対向磁極６側から主磁極５側へ高周波励起（直流）電流を流す必要がある。主磁極５から磁界が流入する場合に、ＦＧＬ２の磁化の回転方向は高周波励起（直流）電流の上流側から見て反時計周りとなっており、主磁極５からの磁界で反転する記録媒体の磁化の歳差運動方向と同じ向きの回転磁界を印加することができる。主磁極５へ磁界が流入する場合には、ＦＧＬ２の磁化の回転方向は高周波励起（直流）電流の上流側から見て時計周りとなり、主磁極５への磁界で反転する記録媒体の磁化の歳差運動方向と同じ向きの回転磁界を印加することができる。したがって、ＦＧＬ２から長じる回転高周波磁界は、主磁極５の極性によらず、主磁極５による磁化反転をアシストする効果がある。本効果は、主磁極５の極性によってスピントルクの向きが変わらない従来の高周波磁界発生器では得られない。

スピントルク作用は、高周波励起電流（電子流）が大きくなるほど大きくなり、また、金属非磁性スピン伝導層１５と隣接する層との間に分極率の大きなＣｏＦｅＢ層を１ｎｍ程度挿入すると大きくなる。金属非磁性スピン伝導層１５には、２ｎｍ−Ｃｕを用いた。負の垂直磁気異方性体１１は、六方晶ＣｏＩｒのｃ軸方向が図中の左右方向となるようにし、磁気異方性の大きさは、６．０×１０⁵Ｊ／ｍ³ものを用いた。負の垂直磁気異方性を有する磁性体をＦＧＬ２と隣接させることにより、ＦＧＬ２の磁化方向を回転軸と垂直方向に留める作用が強化される。この作用により、比較的低い周波数で強い高周波磁界が得られる。この作用は、負の垂直磁気異方性を有する磁性体として知られているα’−ＦｅＣ、ｄｈｃｐＣｏＦｅ、ＮｉＡｓ型ＭｎＳｂ等でも同様に期待できる。ＦＧＬ２にＣｏＦｅ合金を用いているので、α’−ＦｅＣやｄｈｃｐＣｏＦｅを用いてもＣｏＩｒと同様大きな交換相互作用が働き、磁化方向を回転軸と垂直方向に留める作用が強くなる。金属非磁性スピン散乱体１２には、３ｎｍ−Ｒｕを用いた。ＰｄやＰｔを用いても同様な作用がある。対向磁極側磁束整流層１３には、ｌ５ｎｍＣｏＦｅ合金を用いた。記録媒体７には、基板１９上に、下地層２０として３０ｎｍ−ＣｏＦｅ上に１０ｎｍ−Ｒｕ層を形成した積層膜、記録層１６として磁気異方性磁界が２．４ＭＡ／ｍ（３０ｋＯｅ）で、膜厚が１０ｎｍのＣｏＣｒＰｔ−ＳｉＯｘ層を用いた。強磁性共鳴による吸収線幅の測定の結果、記録層１６のダンピングコンスタントαは、０．０２であった。

本発明の高周波磁界発生源２０１を組み込んだ記録再生部１０９搭載のスライダ１０２をサスペンション１０６に取り付け（図１０）、スピンスタンドを用いて記録再生特性を調べた。ヘッド媒体相対速度２０ｍ／ｓ、磁気スペーシング７ｎｍ、トラックピッチ２５ｎｍとして磁気記録を行い、さらにこれをシールド間隔１８ｎｍのＧＭＲヘッドにより再生した。高周波励起電流を変化させて１０００ｋＦＣＩでの信号／ノイズ比を測定したところ、最大１３．０ｄＢが得られ、１平方インチ当たり２Ｔビットを超える記録密度の記録再生が十分達成可能であることがわかった。このときの高周波周波数は３５．０ＧＨｚであった。また、１０００ｋＦＣＩパタン上に１２５ｋＦＣＩパタンを記録した場合のオーバーライト特性は３２ｄＢで、主磁極励磁電流を大きくすると更によくなった。これに対して主磁極５が傾いていない従来ヘッド（図１３）を用いるとオーバーライト特性は最大２５ｄＢにとどまり、主磁極励磁電流を大きくするとともに信号／ノイズ比が著しく劣化し、記録できなくなった。

図１５（Ａ）、図１５（Ｂ）に、磁極５の対向磁極側側面の影響をＦＧＬ部分がなるべく受けないようにする記録ヘッドの他の構成例を示す。比較のため、図１５（Ｃ）に、図１３に示す従来ヘッドの構成図を示した。図１５（Ａ）は、対向磁極６の高さを磁化高速回転体（ＦＧＬ）２の高さより十分高くする構成で、対向磁極６の高さと高周波磁界発生素子２０１の高さの差Ｈｔは、主磁極５と対向磁極６の間隔Ｌｆの０．５倍から２倍程度とするのがよい。

図２０は、図９（Ｃ）の構造パラメータ間隔Ｌｆと高さの差Ｈｔの大きさを表１のように設定し、３次元磁界解析ソフトを用いて主磁極の近傍の磁界解析結果を示したものである。最大磁界角度は、図６、図８と同様に、ＦＧＬ位置でのｘ方向からの角度を求め、各構造での最大値を求めたものである。通常素子高さ方向で、ＡＢＳ面から最も離れた位置が最大となる。

図２０より、最大磁界角度は、比Ｈｔ/Ｌｆが０．５近くで大きく減少している。最大磁界角度が３０度を超えると図３の検討から、安定なＦＧＬ磁化の回転が得られない。従って、比Ｈｔ/Ｌｆは０．５より大きな値を取ること必要となる。図２０に最大磁界角度とともに示したグラフは、主磁極５と高周波磁界発生素子２０１の接合面とＡＢＳ面の交わる直線から記録媒体側へ５ｎｍ下がった位置における磁界のｚ成分Ｈ_zの比Ｈｔ/Ｌｆに対する依存性を示している。Ｈ_zはＭＡＭＲにおける書込み磁界に相当する。Ｈ_zは、比Ｈｔ/Ｌｆが小さいときは、比Ｈｔ/Ｌｆの増加とともに僅かに増加する。対向磁極６が主磁極５より磁束を引っ張るように作用しているためと考えられる。比Ｈｔ/Ｌｆが大きくなり過ぎると、この磁束を引っ張る作用が大きくなり過ぎて、主磁極５から対向磁極６へ直接磁束が流れ込むようになる。比Ｈｔ/Ｌｆが２．０の近くで、Ｈ_zが大きく減少しており、必要な書込み磁界が得られない。以上の傾向は、Ｌｆの大きさを変えても同様に得られた。ただし、Ｌｆが小さいほどＨ_zが大きくなるので好ましい。

図１５（Ｂ）は、バイパス磁路を形成する構成例を示している。対向磁極６から主磁極５に向かってバイパス磁路２１１を形成し、主磁極５の側面からの漏洩磁界を、バイパス磁路２１１を通して対向磁極６に逃がす。バイパス磁路２１１が主磁極５に接してしまうと、主磁極５先端部に磁束が達する前に対向磁極６に吸収されてしまうため、主磁極５からの記録磁界が小さくなってしまい好ましくない。図１５（Ａ）、図１５（Ｂ）のヘッドによっても、ＦＧＬ磁化回転面内に印加される当該主磁極からの漏れ磁界成分を低減することが可能となり、記録動作中の安定なＦＧＬの回転が得られ、記録媒体上に良好な記録パタンが形成され、情報記録装置における記録密度が増大できると同時に信頼性をも向上でき、結果としてコストを低減が達成された。

図１６（Ａ）、図１６（Ｂ）を用いて、ヘッドスライダに対する磁気ヘッドの搭載位置と磁気ヘッド走行方向との関係について説明する。磁気ヘッドの磁気ヘッドスライダへの載置形態は２種類あり、１つは図１６（Ａ）に示すトレーリング側への配置、もう１つが図１６（Ｂ）に示すリーディング側への配置である。ここで、トレーリング側、リーディング側は、記録媒体に対する磁気ヘッドスライダの相対的な移動方向によって決まり、記録媒体の回転方向が図１６（Ａ）及び図１６（Ｂ）に示した向きと逆であれば、図１６（Ａ）がリーディング側への載置、図１６（Ｂ）がトレーリング側への載置となる。なお原理的には、スピンドルモータの極性を逆にして記録媒体を逆向きに回転させれば、トレーリング側とリーディング側の関係を逆にすることが可能であるが、回転数を正確に制御する必要上、スピンドルモータの極性を変えるのは非現実的である。図１５（Ａ）、図１５（Ｂ）のヘッドを用いた場合には、図１６（Ａ）（Ｂ）のどちらの配置を用いても、１平方インチ当たり２Ｔビットを超える記録密度の記録再生に十分な信号／ノイズ比とオーバーライト特性が得られた。

図１７、図１８は、本発明による記録ヘッド及び記録媒体の第２の構成例を示す図である。

図１７（Ａ）〜（Ｄ）は、主磁極５をＡＢＳ面から離れるに従い高周波磁界発生素子２０１から遠ざける記録ヘッドの第２の構成例を示す図である。図１７（Ａ）は、図１１と同じ構成で、図１７（Ｂ）〜（Ｄ）と比較できるように再度示した。図１７（Ｂ）には、本実施例の磁気ヘッドの別の構成例を示す。図１７（Ｂ）に示す磁気ヘッドにおいては、主磁極５の励磁用コイルが横向きでは無く上向きに巻かれている。本構成の磁気ヘッドの場合、図１７（Ａ）の構造に比べて励磁位置がより主磁極浮上面から離れるので、図１７（Ａ）に比べて主磁極５から発生する磁界は弱くなるが、コイル２０５の設置スペースに余裕があり、対向磁極６を素子高さ方向上部で主磁極５側に曲げて磁気的な回路を構成しないので、簡便な構造となり、安価なヘッドが生産可能となる。

図１７（Ｃ）には、記録ヘッド部をリーディング側に配置し、再生ヘッド部をトレーリング側に配置したマイクロ波アシスト記録用磁気ヘッドの構成例を示す。図１７（Ｃ）に示す構成の磁気ヘッドにおいては、主磁極５がリーディング側最端部に配置され、対向磁極６は主磁極５に対してトレーリング側に配置される。図１７（Ｃ）に示した例では対向磁極６と再生センサ用シールドを共用しているが、分離しても構わない。励磁コイル２０５の巻線方向は、図１７（Ｂ）と同様に上巻きであるが、図１７（Ｄ）に示すように横巻きにしても良い。高周波励起電流が高周波磁界発生素子２０１に流れるようにするために、主磁極５と対向磁極６とは電気的に絶縁されている必要がある。

なお、図１７（Ａ）〜（Ｄ）に示す構成の記録ヘッド部は、図１６（Ａ）（Ｂ）のいずれの構造の磁気ヘッドスライダに実装することも可能である。また、高周波発生器２０１の積層順序は、図１４（Ａ）〜（Ｄ）に示したどの積層順序としても良い。

図１７（Ａ）（Ｃ）（Ｄ）に示されたどの構造を用いてもほぼ同等の結果が得られたが、本実施例では、図１７（Ｃ）を一例として、説明する。図１８は、図１７（Ｃ）の書込みヘッド部と用いた媒体の拡大図である。

記録媒体７には、基板１９上に、下部記録層１８として磁気異方性磁界が２．４ＭＡ／ｍ（３０ｋＯｅ）、膜厚が１０ｎｍのＣｏＣｒＰｔ−ＳｉＯｘ層、上部記録層１７として磁気異方性磁界が１．４ｋＡ／ｍ（ｌ７ｋＯｅ）の６ｎｍ−（Ｃｏ／Ｐｔ）−ＳｉＯｘ人工格子層を用いた。強磁性共鳴による吸収線幅の測定の結果、上部記録層１７と下部記録層１８のダンピングコンスタントαは、それぞれ０．２０と０．０２であった。Ｐｔ層やＰｄ層があるとαを大きくでき、磁化反転速度を速めることができる。スパッタリングにより連続膜を形成した後、ナノインプリント技術により、トラック方向の長さが１５ｎｍでダウントラック方向が６ｎｍの磁性体パタンを、トラックピッチ２０．０ｎｍ、ビットピッチ８．０ｎｍで配置するように作製した。パタン間の間隙２１にはＳｉＯｘを埋包した。スピンスタンドを用い、ヘッド媒体相対速度２０ｍ／ｓ、磁気スペーシング５ｎｍ、トラックピッチ２０．０ｎｍで記録を行い、さらにこれをシールド間隔１２ｎｍのＧＭＲヘッドにより再生した。高周波励起電流を変化させて１５９０ｋＦＣＩでの信号／ノイズ比を測定したところ、最大１３．０ｄＢが得られ、１平方インチ当たり４Ｔビットを超える記録密度の記録再生が十分達成可能であることがわかった。このときの高周波周波数は２７．０ＧＨｚであった。比較の為に、パタン加工する前の媒体について、ヘッド媒体相対速度３０ｍ／ｓ、磁気スペーシング５ｎｍ、２７．０ＧＨｚで記録再生特性を測定したところ、１２５０ｋＦＣＩでの信号／ノイズ比が１３．０ｄＢより大きくなったのは、トラックピッチ４０ｎｍを超えた場合であり、連続媒体においても、１平方インチ当たり１．５Ｔビットを超える記録密度の記録再生が十分達成可能であることが分かった。

本発明による実施例１、実施例２の各構成例に示された記録ヘッド及び記録媒体を磁気ディスク装置に組み込んで、性能評価を行った。図１９は本実施例の情報記録装置の全体構成を示す模式図であり、（Ａ）は上面図、（Ｂ）はそのＡ−Ａ′での断面図である。記録媒体１０１は回転軸受け１０４に固定され、モータ１００により回転する。図１９では３枚の磁気ディスク、６本の磁気ヘッドを搭載した例について示したが、磁気ディスクは１枚以上、磁気ヘッドは１本以上あれば良い。記録媒体１０１は、円盤状をしており、その両面に記録層を形成している。スライダ１０２は、回転する記録媒体面上を略半径方向移動し、先端部に磁気ヘッドを有する。サスペンション１０６は、アーム１０５を介してロータリアクチユエータ１０３に支持される。サスペンション１０６は、スライダ１０２を記録媒体１０１に所定の荷重で押しつける又は引き離そうとする機能を有する。磁気ヘッドの各構成要素を駆動するための電流はＩＣアンプ１１３から配線１０８を介して供給される。記録ヘッド部に供給される記録信号や再生ヘッド部から検出される再生信号の処理は、リードライト用のチャネルＩＣ１１２により実行される。また、情報処理装置全体の制御動作は、メモリ１１１に格納されたディスクコントロール用プログラムをプロセッサ１１０が実行することにより実現される。従って、本実施例の場合には、プロセッサ１１０とメモリ１１１とがいわゆるディスクコントローラを構成する。

ｌ…垂直磁気異方性体、２…磁化高速回転体（ＦＧＬ）、５…主磁極、６…対向磁極、７…記録媒体、８…磁束整流層、１１…負の垂直磁気異方性体（ＳＬ）、１２…金属非磁性スピン散乱体、１３…対向磁極側磁束整流層、１５…金属非磁性スピン伝導層、１６…記録層、１７…上部記録層、１８…下部記録層、１９…基板、２０…下地層、１００…モータ、１０１…記録媒体、１０２…スライダ、１０３…ロータリアクチユエータ、１０４…回転軸受け、１０５…アーム、１０６…サスペンション、１０８…配線、１１０…プロセッサ、１１１…メモリ、１１２…チャネルＩＣ、１１３…ＩＣアンプ、２００…記録ヘッド、２０１…高周波磁界発生器、２０５…コイル、２０６…補助磁極、２０７…ＧＭＲ素子、２０８…シールド膜、２０９…絶縁膜、２１０…上部シールド、２１１…バイパス磁路

Claims

磁化反転磁界を発生させる主磁極と、補助磁極と、対向磁極と、前記主磁極と前記対向磁極の間に配置された磁化高速回転体と、前記磁化高速回転体に直流電流を供給する手段とを備え、前記磁化高速回転体より高周波磁界を発生させて磁気記録媒体を磁気共鳴状態にして前記主磁極からの磁化反転磁界によって磁化反転せしめて情報を記録する磁気記録ヘッドにおいて、
前記対向磁極の素子高さ方向の高さは、前記磁化高速回転体の素子高さ方向高さより、前記主磁極と前記対向磁極の間隔の０．５倍から２倍だけ高いことを特徴とする磁気記録ヘッド。
磁化反転磁界を発生させる主磁極と、補助磁極と、対向磁極と、前記主磁極と前記対向磁極の間に配置された磁化高速回転体と、前記磁化高速回転体に直流電流を供給する手段とを備え、前記磁化高速回転体より高周波磁界を発生させて磁気記録媒体を磁気共鳴状態にして前記主磁極からの磁化反転磁界によって磁化反転せしめて情報を記録する磁気記録ヘッドにおいて、
前記主磁極は、前記磁化高速回転体との接続部の素子高さ方向上方が前記磁化高速回転体から遠ざかるように傾いていることを特徴とする磁気記録ヘッド。
磁化反転磁界を発生させる主磁極と、補助磁極と、対向磁極と、前記主磁極と前記対向磁極の間に配置された磁化高速回転体と、前記磁化高速回転体に直流電流を供給する手段とを備え、前記磁化高速回転体より高周波磁界を発生させて磁気記録媒体を磁気共鳴状態にして前記主磁極からの磁化反転磁界によって磁化反転せしめて情報を記録する磁気記録ヘッドにおいて、
前記主磁極側面からの漏洩磁界を前記対向磁極に逃がすバイパス磁路を有し、
前記バイパス磁路は、前記磁化高速回転体より素子高さ方向上方に前記対向磁極から前記主磁極側面に向かって延び、かつ前記主磁極に接しないように形成されていることを特徴とする磁気記録ヘッド。
請求項２記載の磁気記録ヘッドにおいて、前記補助磁極が前記対向磁極を兼用していることを特徴とする磁気記録ヘッド。
磁気記録媒体と、前記磁気記録媒体を駆動する媒体駆動部と、磁気記録ヘッドと磁気再生ヘッドを備える磁気ヘッドと、前記磁気ヘッドを前記磁気記録媒体上に位置決めする磁気ヘッド駆動部とを有し、
前記磁気記録ヘッドは請求項１〜４のいずれか１項記載の磁気ヘッドであることを特徴とする磁気記録装置。