JP5067744B2 - 垂直磁気記録媒体 - Google Patents

Description

この発明は、磁気記録媒体、特にコンピュータの外部記憶装置を初めとする各種磁気記録装置に使用される垂直磁気記録媒体に関する。

磁気記録の高密度化を実現する技術として、従来の長手磁気記録方式に代えて、垂直磁気記録方式が注目されつつある。垂直磁気記録方式は、従来の長手磁気記録方式に比べて、高密度で高い熱安定性を有するとともに、高い保磁力の記録媒体にも十分書き込みが可能であるという利点があり、長手磁気記録方式の記録密度の限界を超えることが可能となるからである。

垂直磁気記録媒体は、情報を磁気記録層の膜面垂直方向の磁化の向きとして記録するため、磁化が膜面垂直方向に安定に保持される必要がある。そのため、垂直磁気記録媒体に用いられる磁気記録層では、垂直磁気異方性定数（K_u値）が高いことが要求される。現在検討されている垂直磁気記録媒体の磁気記録層のK_u値は概ね1×10⁶ erg/cm³以上である。

一軸的な磁気異方性をもつ磁性粒子において、磁化反転をさせるために必要な磁場の大きさは異方性磁界H_kと呼ばれ、一般にH_kは飽和磁化M_sとK_u値とからH_k=2K_u/M_sと表される。したがって磁化反転を起こさせるためには、H_k以上の磁場が必要であり、その値はK_u値に比例する。磁気記録媒体においては、H_kが高すぎると磁気ヘッドによる書きこみ時に磁化反転が不充分となり、正常な動作ができなくなるため、適度なH_k値が必要とされる。

磁性粒子の集合体である磁気記録媒体においては、個々の磁性粒子のH_k値と磁化容易軸の分布、及び磁性粒子間の磁気的な相互作用の強さ等によって平均的な磁化反転磁界が決定され、その値は保磁力H_cと呼ばれる。磁性粒子間の磁気的な相互作用が小さい場合にはH_c値はH_k値に近づく。

また、磁化反転に必要なエネルギー障壁Eは、磁化容易軸方向に印加された磁場をH、粒子の体積をVとして、E=K_uV(1-H/H_k)²と表される。このエネルギー障壁Eが、熱エネルギーk_BT (k_Bはボルツマン定数、Tは絶対温度)に対して十分に高くない場合、磁化は熱エネルギーの影響で反転してしまう。これは磁化の熱揺らぎ（もしくは熱擾乱）とよばれ、磁気記録媒体では情報の消失を意味することから、エネルギー障壁Eを決めるK_uV値は比較的高い値を保持する必要がある。また磁化の熱揺らぎは、情報の消失には至らなくとも、記録されたビットが部分的に反転することによる逆磁区ノイズと呼ばれる媒体ノイズとしても表面化する。

なお、前記熱揺らぎの指標として、通常、K_uV/k_BT が用いられるが、この場合には、外部から磁場が印加されていないことが前提であり、磁場Hが印加された状態での熱揺らぎの指標は、前述のエネルギー障壁Eを用いた、K_uV(1-H/H_k)²/k_BTとなる。

さらに、媒体ノイズを低減し記録された情報信号の品質を向上する、すなわち信号対雑音比（SNR）を向上するためには、活性化粒径D=V/δ値(ここでδは磁気記録層の膜厚)を低下させる、すなわち磁化反転単位を小さくすることが必要である。磁化反転単位が小さい場合には微小な記録ビットを正しく書きこむことができ、SNRが向上する。そのため、垂直磁気記録媒体では、D値を小さくするための検討が数多くなされている。D値の低下のためには、磁気記録層の結晶粒径を小さくし、かつ結晶粒間の磁気的な相互作用を低減することが有効である。

以上のことから、SNRを向上させるためにD値を低下させた場合、V値が低下するため、磁化を安定に保持するために必要なエネルギー障壁Eの値を維持するためには高いK_u値が必要となる。一方高いK_u値を保持した場合、H_k値が増加、すなわち磁化反転に必要な磁場が増加するため、磁気ヘッドでの情報の書きこみが困難になっていく。すなわち、磁気記録媒体においては、1)SNRの向上、2)磁化の熱的安定化(逆磁区ノイズの低下)、3)磁気ヘッドでの書きこみの容易さの３つの要因を全て満足することは非常に困難であり、お互いにトレードオフの関係にある。

前記３要因のうち、SNRの向上と、磁化の熱的安定化とを両立させることを目的とした垂直磁気記録媒体として、異なるK_u値を有する複数の磁気記録層を積層した、いわゆる機能分離型の磁気記録層を有する垂直磁気記録媒体が提案されている（例えば、特許文献１または２参照）。

特許文献１には、K_u値が高く磁化の熱的安定性が高い領域の層（上層）と、K_u値は少し低いが結晶粒間の磁気的な相互作用が小さくSNRの高い領域の層（下層）とを積層することで、磁化の熱的安定性が高くSNRが良好な媒体が作製できることが開示されている。なお、実施態様として、前記上層のK_u値は2.5×10⁶ erg/cm³〜5×10⁶ erg/cm³とし、前記下層のK_u値は1×10⁶ erg/cm³〜2.5×10⁶ erg/cm³とすることを開示している。

また、特許文献２にも、類似の技術思想が開示され、K_u値及び結晶配向性の異なる磁気記録層を積層し、同様な効果が得られることが開示されている。

特開平１１−２９６８３３号公報 特開２０００−７６６３６号公報

ところで、前記特許文献１および特許文献２における前記開示事項は、SNRの向上と、磁化の熱的安定化との両立に関するものであり、磁気ヘッドでの書きこみの容易さに関しては、考慮されていない。

記録密度の増大に伴い、小さな記録ビットを安定に保持するためのD値の低下及び高いK_u値の維持の要求は益々強くなっており、そのような媒体において磁気ヘッドでの書込みの容易さを確保することは非常に重要である。

この発明は、上記の点に鑑みてなされたもので、本発明の課題は、磁化の熱的安定化と磁気ヘッドでの書きこみの容易さの両立を図り、さらに、SNRの向上も図った垂直磁気記録媒体を提供することにある。

上記課題は、以下により達成される。即ち、請求項１の発明によれば、非磁性基体上に、少なくとも非磁性下地層、磁気記録層、保護層を順次形成してなる垂直磁気記録媒体において、前記磁気記録層は、垂直磁気異方性定数（K_u値）を1×10⁵erg/cm³以下とした低K_u層と、前記K_u値を1×10⁶erg/cm³以上とした高K_u層とからなり、前記非磁性基体側から前記低Ku層、前記高Ku層の順に積層され、前記磁気記録層全体の膜厚は３０ｎｍ未満であることを特徴とする。

前記構成によれば、磁化の熱的安定化と磁気ヘッドでの書きこみの容易さの両立を図ることができる。その作用に関して以下に述べる。低K_u層と高K_u層とからなる前記２層構造の磁気記録層において、磁化は膜厚方向に磁気的に結合し一斉磁化反転を起こすと仮定する。近似的にK_u値の低い層のK_u値を無視すると、積層した膜全体のK_u値は膜厚が増加した分低下するが、K_u値の低い領域もM_s値を保持していることから膜全体のM_s値は大きくは変化せず、したがって、前記H_k=2K_u/M_sから明らかなように、実効的にH_k値は低下して磁化反転は容易になる。

一方、エネルギー障壁E=K_uV(1-H/H_k)²を考えると、V値は膜全体の体積とみなすことができるため、積層した膜全体のK_uV値は、K_uの高い領域のみのときのK_uV値より大きくなる。ここで上述の通りH_k値が低下することから、外部印加磁場Hが比較的低い場合に限られるものの、エネルギー障壁の低下の度合いを小さく抑えることが可能になる。すなわち、磁化の安定性と磁気ヘッドでの書きこみ易さを両立させた媒体が作製しやすくなる。なお、定量的な詳細説明は後述する。

また、前記請求項１の発明の実施態様としては、下記請求項２ないし７の発明が好ましい。即ち、前記請求項１に記載の垂直磁気記録媒体において、前記磁気記録層全体の膜厚は１５ｎｍ以下であることを特徴とする（請求項２）。また、前記請求項１または２に記載の垂直磁気記録媒体において、前記高K_u層は、Coを主成分とし、少なくともPtを添加し、かつ六方最密充填（hcp）の結晶構造を有する合金薄膜からなり、この膜面に平行な優先結晶配向面を(002)面としたことを特徴とする（請求項３）。あるいは、前記請求項１または２に記載の垂直磁気記録媒体において、前記高K_u層は、それぞれ膜厚が2nm以下のCo合金とPtまたはPdを主成分とする合金とを交互に積層した積層膜からなり、かつこの膜面に平行な優先結晶配向面を(111)面としたことを特徴とする（請求項４）。

上記請求項３あるいは請求項４に記載の磁気記録層は、その組成や層構成を適切に調整することで高いK_uが得られるので、前記高K_u層を形成するのに好適である。

さらに、結晶粒間の磁気的な相互作用を有効に低減させてSNR向上を図る観点から、下記請求項５の発明が好ましい。即ち、前記請求項１ないし４のいずれか１項に記載の垂直磁気記録媒体において、前記高K_u層は、強磁性金属からなる結晶粒と、この結晶粒を磁気的に分離する非磁性粒界とからなり、前記非磁性粒界は主成分として非磁性酸化物を含むことを特徴とする（請求項５）。なお、SNR向上のためには、前記請求項２の発明に係るhcp構造を有するCoPt系磁気記録層において、CrやTa、B等の非磁性金属を添加し非磁性粒界の形成を促進する方法もある。

また、前記低K_u層に関わる実施態様としては、下記請求項６ないし７の発明が好ましい。即ち、前記請求項１ないし５のいずれか１項に記載の垂直磁気記録媒体において、前記低K_u層は、面心立方格子（fcc）の結晶構造を有する金属または合金薄膜からなり、この膜面に平行な優先結晶配向面を(111)面としたことを特徴とする（請求項６）。前記fcc構造の(111)面を膜面に平行に配向させることで、その上にK_u値の高い層として上述の磁気記録層を成膜する際の結晶配向を適切に制御することができる。

さらに、前記請求項１ないし６のいずれか１項に記載の垂直磁気記録媒体において、前記低K_u層は、強磁性金属からなる結晶粒と、この結晶粒を磁気的に分離する非磁性粒界とからなり、前記非磁性粒界は主成分として非磁性酸化物を含むことを特徴とする（請求項７）。この発明は、SNR向上の観点から好ましい。

なお、前述の本発明は、K_u値の異なる複数の磁気記録層を積層して一斉磁化反転を生じさせるものであるが、各々の磁気記録層の飽和磁化M_s値が大幅に異なっている場合、界面において漏洩磁場が生じ反磁場として作用することで、必要以上に磁化反転し易くなる。これを防ぐ観点から、前記低K_u層の飽和磁化（M_s値）と前記高K_u層のM_s値との比を、0.8〜1.2とすることが好ましい。

この発明によれば、磁化の熱的安定化と、磁気ヘッドでの書きこみの容易さ、特に後述するオーバーライト特性の向上を図り、さらに、SNRの向上を図った垂直磁気記録媒体が提供できる。

なお、前記オーバーライト（overwrite）とは、もともと記録されていた信号を消去せずに、新たな信号により重ねがきすることである。磁気記録装置は、データの重ね書きにおいて、元のデータの消し残りがあると誤りの原因となる。オーバーライト特性とは、一般的には、元信号に後信号を重ね書きした際の元信号の減衰の割合で重ね書きの性能を表す。詳細は後述する。

次に、この発明の実施形態に関して、図１に基いて説明する。図１は本発明の実施形態に係る垂直磁気記録媒体の模式的断面図である。

図１に示す本発明の垂直磁気記録媒体は、非磁性基体１上に少なくとも非磁性下地層２、磁気記録層３及び保護層としての保護膜４が順に形成された構造を有する。なお、非磁性下地層２と非磁性基体１との間に、非磁性下地層２の結晶配向性や結晶粒径の制御の目的でシード層等を付与しても、本発明の効果は変わらず発揮される。また、非磁性下地層２と非磁性基体１との間に、一般に裏打層と呼ばれる、記録再生感度を向上させるための比較的厚い（数100nm程度の）軟磁性層を付与した場合でも、同様である。さらに、保護膜４の上にパーフルオロポリエーテルなどの液体潤滑剤を塗布してもよい。

前記非磁性基体１としては、通常の磁気記録媒体用に用いられる、NiPメッキを施したAl合金や化学強化ガラス、結晶化ガラス等を用いることができる。

非磁性下地層２は、その上に形成される磁気記録層３の結晶粒径、粒界偏析構造及び結晶配向性を適切に制御するために用いられるものであり、その材料や膜厚に特に制限はない。例えば、Crを30at％程度以上含むCo合金や、Ti、Ru、Pt、などの金属、または、それらを含む合金からなる、膜厚3nmから30nm程度の薄膜を使用することができる。

保護膜４としては、例えばカーボンを主体とする薄膜が用いられる。

次に、磁気記録層３について述べる。磁気記録層３は、前述のように、垂直磁気異方性定数（K_u値）を1×10⁵erg/cm³以下とした低K_u領域３１の層と、前記K_u値を1×10⁶erg/cm³以上とした高K_u領域３２の層とからなる。低K_u領域３１と高K_u領域３２の積層順番に制限はないが、磁気ヘッドから発生する磁場を高K_u領域３２に効率的に印加するためには、図１に示すように、非磁性下地層２上に低K_u領域３１、高K_u領域３２の順に積層することが望ましい。

また、それぞれの領域の膜厚についても特に制限はないが、磁気記録層全体の膜厚が30nm以上の場合、膜厚方向に一斉磁化反転が生じにくくなるため適当ではない。さらに、磁気ヘッドから発生する磁場を効率的に印加するためには、磁気記録層全体の膜厚は15nm以下と薄いことが望ましい。低K_u領域３１と高K_u領域３２の膜厚比を変化させることで、磁化反転のし易さと磁化の熱的安定性の度合いを制御することができるため、使用する磁気ヘッドや温度に応じて両者の膜厚比を決定することが望ましい。

上記のような層構成で高密度化に適した垂直磁気記録媒体を得るためには、高K_u領域３２として、前述のように、Coを主成分とし、少なくともPtを添加し、かつ六方最密充填（hcp）の結晶構造を有する合金薄膜を用い、この膜面に平行な優先結晶配向面を(002)面とするか、あるいは、それぞれ膜厚が2nm程度以下のCo合金とPtまたはPdを主成分とする合金とを交互に積層した積層膜を用い、この膜面に平行な優先結晶配向面を(111)面とすることが望ましい。

また、SNRを向上させるためには、hcp構造を有するCoPt系磁気記録層において、CrやTa、B等の非磁性金属を添加し非磁性粒界の形成を促進する方法もあるが、前述のように、酸化物を主体とする非磁性粒界を形成することが、結晶粒間の磁気的な相互作用を有効に低減させてSNR向上を図るために望ましい。前記非磁性酸化物としては、例えば、公知のSiO₂や、その他Cr₂O₃, MgO, ZrO₂などを用いることができる。

さらに、低K_u領域３１としては、面心立方格子(fcc)の結晶構造を有する金属または合金を用い、この膜面に平行な優先結晶配向面を(111)面とすることが好ましい。fcc構造の(111)面を膜面に平行に配向させることで、その上に高K_u領域３２として上述の磁気記録層を成膜する際の結晶配向を適切に制御することができる。用いられる材料に特に制限はないが、Niを40at%〜90at%含むNiFe合金か、あるいはNiFe合金に10at%以下のNb, Mo, Cu等を添加した薄膜などが好適である。

ここで、低K_u領域３１についても、結晶粒間の相互作用を低下させることはSNRの向上のために必要であり、酸化物を主体とする非磁性粒界を形成することが望ましい。

さらにまた、本発明はK_uの異なる複数の磁気記録層を積層して一斉磁化反転を生じさせるものであるが、各々の磁気記録層の飽和磁化M_s値が大幅に異なっている場合、界面において漏洩磁束が生じるため、これを防ぐためにはM_sの比を0.8から1.2の間とすることが望ましい。

次に、図２〜４に基づき、本発明の実施例について述べる。
（実施例１）
非磁性基体として、2.5インチディスク形状の化学強化ガラス基板を用い、これを洗浄後スパッタ装置内に導入し、Arガス圧2.66Pa(20mTorr)下で、膜厚20nmのRuからなる非磁性下地層をDCマグネトロンスパッタ法により形成した。次に、Arガス圧を0.67Pa(5mTorr)とし、90モル%(78Ni-18Fe-4Mo)-10モル%SiO₂(括弧内の数字はat%, 以下同じ)ターゲットを用いて、RFマグネトロンスパッタ法により低K_u領域を形成した。膜厚は0から10nmの間で変化させた。

引き続いて、Arガス圧0.67Pa(5mTorr)下で、90モル%(85Co-15Pt)-10モル%SiO₂ターゲットを用いて、RFマグネトロンスパッタ法により高K_u領域を形成した。膜厚は5から20nmの間で変化させた。ついで、DCマグネトロンスパッタ法によりカーボン保護層10nmを積層した後、真空中から取り出し、図１に示すような構成の磁気記録媒体を作製した。

なお、上述の非磁性下地層上に作製した膜厚10nmのNiFeMo-SiO₂単層膜とCoPt-SiO₂単層膜について、磁気トルクメータを用いて反磁界エネルギーを補正して求めたK_u値はそれぞれ、2×10⁴erg/cc及び4×10⁶erg/ccであった。

図２は、作製した磁気記録媒体の膜面に対して、垂直方向に磁場を印加しながら、振動試料型磁力計により測定した保磁力H_c値の、低K_u領域の膜厚に対する変化を示す図である。また、図３は、作製した垂直磁気記録媒体を膜面に対して、垂直方向に20kOeの磁場を印加して磁気飽和させた後、磁場を0にした状態での残留磁化M_rの時間の対数に対する減衰率の、低K_u領域の膜厚に対する変化を示す図である。なお、測定継続時間は30分である。また、図２および図３においては、高K_u領域膜厚に関し、5nm, 10nm, 20nmの３種類について、それぞれ、プロットして示す。

図２から明らかなように、保磁力H_cの値は、低K_u領域の膜厚（nm）の増加に伴い低下している。すなわち低K_u領域の占める割合を高くすることで、磁気記録層全体のH_cが低下して磁気ヘッドにより書きこみ易くなっていくことを示している。

一方、図３から明らかなように、残留磁化の減衰率（%/decade）は、高K_u領域の膜厚にもよるが、概ね、低K_u領域の膜厚が0〜5nm程度までは、低K_u領域の膜厚増加に伴い一旦減少する。これは、低K_u領域の膜厚が増加した分だけ膜全体のK_uVが増加し、熱的安定性が向上したことと対応する。さらに低K_u領域の膜厚を増加させると、低K_u領域の寄与が大きくなるため、再び減衰率は増加するが、図２の結果と合わせると、低K_u領域と高K_u領域のそれぞれの膜厚を適切に制御することによって、H_cが低いため磁気ヘッドによる書きこみが容易で、かつ磁化の熱的安定性が高く磁化の減衰率の小さい媒体を作製できることがわかる。これについては、後述の実施例２により検証している。

なお、詳細説明は省略するが、本実施例の磁気記録層は、SiO₂を主体とする非磁性粒界が形成されており、良好なSNRが得られる。
（実施例２）
本実施例は、本発明の磁気記録媒体のオーバーライト特性の検証に関わる。

低K_u領域の膜厚を2.5nm、高K_u領域の膜厚を10nmに固定し、低K_u領域を作製する際に使用するターゲットの組成を、下記表１のとおりの５種類（Ａ〜Ｅ）とした以外は、実施例１と同様にして、図１に示すような構成の磁気記録媒体を作製した。さらに、真空中から取り出した媒体に、スピンコート法によりパーフルオロポリエーテルからなる液体潤滑剤2nmを塗布した。なお、表１には、実施例１に記載の非磁性下地層上に作成した膜厚10nmの低K_u領域単層膜について磁気トルクメータを用いて反磁界エネルギーを補正して求めたK_u値も示してある。

図４に、作製した磁気記録媒体（表１に対応するＡ〜Ｅの５種類の媒体）のオーバーライト特性値の、低K_u領域のK_u値に対する依存性を示す。オーバーライト特性はスピンスタンドテスターと垂直磁気記録用のシングルポールタイプヘッド(書込みトラック幅0.25μm)を用い、最初に300kFCIの信号を書き込み、その信号に40kFCIの信号を上書きした後に、スペクトラムアナライザーで測定した再生信号の周波数成分のうち、40kFCIの信号成分と、300kFCIの消し残り信号成分の比(単位はdB)として求めている。数値が大きいほど消し残りが少ないことを意味する。

なお、前記FCIは、Flux Change per Inchの略で、１インチ当たりの磁束変化の数、即ち、トラック方向に書かれたビットの記録密度を示す量である。例えば、前記300kFCIは、１インチ当たりに300×1000ビット＝３０万ビット書かれていることを示す。また、図４において、横軸の1.E+05は、1×10⁵を示す。

図４から明らかなように、低K_u領域のK_u値が1×10⁵erg/cc以下の場合には、オーバーライト特性が40dB以上と実用的に支障のないレベルに達するのに対し、K_u値がそれ以上の場合にはオーバーライト特性が劣化しており、書込み特性上不具合が生じていることがわかる。なお、これらの媒体すべてにおいて、媒体を膜面に垂直方向に20kOeの磁場を印加して磁気飽和させた後、磁場を0にした状態での残留磁化M_rの時間の対数に対する減衰率は1%以下であった。

この発明の実施形態に係る垂直磁気記録媒体の模式的断面図。 この発明の実施例に関わり、保磁力H_c値の、低K_u領域の膜厚に対する変化を示す図。 この発明の実施例に関わり、残留磁化M_rの時間の対数に対する減衰率の、低K_u領域の膜厚に対する変化を示す図。 この発明の実施例に関わり、オーバーライト特性値の、低K_u領域のK_u値に対する依存性を示す図。

１ 非磁性基体
２ 非磁性下地層
３ 磁気記録層
４ 保護膜
３１ 低K_u領域
３２ 高K_u領域

Claims (7)

1. 非磁性基体上に、少なくとも非磁性下地層、磁気記録層、保護層を順次形成してなる垂直磁気記録媒体において、前記磁気記録層は、垂直磁気異方性定数（Ku値）を1×10⁵erg/cm³ 以下とした低Ku層と、前記Ku値を1×10⁶erg/cm³以上とした高Ku層とからなり、前記非磁性基体側から前記低Ku層、前記高Ku層の順に積層され、前記磁気記録層全体の膜厚は３０ｎｍ未満であることを特徴とする垂直磁気記録媒体。
2. 請求項１に記載の垂直磁気記録媒体において、前記磁気記録層全体の膜厚は１５ｎｍ以下であることを特徴とする垂直磁気記録媒体。
3. 請求項１または２に記載の垂直磁気記録媒体において、前記高Ku層は、Coを主成分とし、少なくともPtを添加し、かつ六方最密充填の結晶構造を有する合金薄膜からなり、この膜面に平行な優先結晶配向面を(002)面としたことを特徴とする垂直磁気記録媒体。
4. 請求項１または２に記載の垂直磁気記録媒体において、前記高Ku層は、それぞれ膜厚が2nm以下のCo合金とPtまたはPdを主成分とする合金とを交互に積層した積層膜からなり、かつこの膜面に平行な優先結晶配向面を(111)面としたことを特徴とする垂直磁気記録媒体。
5. 請求項１ないし４のいずれか１項に記載の垂直磁気記録媒体において、前記高Ku層は、強磁性金属からなる結晶粒と、この結晶粒を磁気的に分離する非磁性粒界とからなり、前記非磁性粒界は主成分として非磁性酸化物を含むことを特徴とする垂直磁気記録媒体。
6. 請求項１ないし５のいずれか１項に記載の垂直磁気記録媒体において、前記低Ku層は、面心立方格子の結晶構造を有する金属または合金薄膜からなり、この膜面に平行な優先結晶配向面を(111)面としたことを特徴とする垂直磁気記録媒体。
7. 請求項１ないし６のいずれか１項に記載の垂直磁気記録媒体において、前記低Ku層は、強磁性金属からなる結晶粒と、この結晶粒を磁気的に分離する非磁性粒界とからなり、前記非磁性粒界は主成分として非磁性酸化物を含むことを特徴とする垂直磁気記録媒体。

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