JP5153575B2 - 熱アシスト磁気記録媒体及び磁気記録装置 - Google Patents
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Description
本発明は、高記録密度を実現する熱アシスト磁気記録媒体に関する。また、熱アシスト磁気記録媒体に光を照射する近接場光プローブと磁気記録再生用ヘッドを備えた熱アシスト磁気記録装置に関する。
現代の情報化社会を支える情報記憶システムの１つとしてコンピュータ等に装着されている磁気ディスク装置は、高記録密度化と高速化及び小型化が急速に進んでいる。磁気ディスク装置の高記録密度化を実現するためには、磁気ディスクと磁気ヘッドの距離を狭めること、磁気記録媒体の磁性膜を構成する結晶粒径を微細化すること、磁気記録媒体の保磁力（異方性磁界）を増大させること、信号処理方法の高速化等が必要である。
磁気記録媒体においては、結晶粒径を微細化して、磁性粒子間に結晶粒界領域を設け、粒子間の磁気的結合を弱めることでノイズを低減することが図られてきた。しかし、記録磁化を保持するためのエネルギーは磁性粒子の体積に比例しているため、磁性粒子の体積が小さくなると熱エネルギーに対する耐性が低下する。
この問題を解決するための1つの方法は、異方性エネルギーKuを増加させることである。Kuは磁化方向を安定させるための物性値であり、磁性粒子の結晶構造やそれを構成する材料によって決まっている。環境温度をT、孤立した磁性粒子の体積をv、ボルツマン定数をkBとすると (Ku・v)/ (kB・T)が小さくなるほど熱揺らぎによる磁化反転が起こり易い。即ちKuが高くなれば熱揺らぎを抑制することができる。Kuが高い材料の検討は数多くなされている。例えば、異なる元素から成る原子層オーダーの薄膜を人工的に交互に積み重ねることにより得られる薄膜として人工格子膜が注目されている。例えば、強磁性元素(Co,Fe)と貴金属元素(Pd,Pt)を交互に積層したものが知られている。特許文献１には、Co/Pt人工格子膜を用いた垂直磁化膜の記載がある。また、特許文献２及び特許文献３にも人工格子膜を用いた垂直磁化膜の記載がある。これらの媒体は全て粒子間に粒界が無い、いわゆる連続膜である。また、強磁性元素(Co,Fe)と貴金属元素(Pd,Pt)を含む合金を記録層とする媒体、例えば、特許文献４及び特許文献５に示されている媒体もKuが高いが、これらも連続膜である。
一方、従来のハードディスクドライブ（HDD）の媒体では、磁性粒子を分離する技術として、磁性金属膜へ酸化物を添加し粒界を形成してきた。例えば、CoCrPt等の磁性金属合金とSiO2等の非金属材料を同時に蒸着すると、粒状の磁性金属合金をとり囲むように酸化物粒界が形成される。このような媒体を一般的にグラニュラー媒体と呼ぶ(非特許文献１)。グラニュラー媒体は、磁性粒子が非磁性酸化物層で分離されているため、磁性粒子間の磁気的相互作用が弱く磁性結晶粒が微細であるため、低ノイズ化が図れる。
上記背景に対して、特許文献６及び特許文献７では高Kuの人工格子膜をグラニュラー化する技術が記載されている。このようなグラニュラー化された人工格子膜を使えば高記録密度化が図れると考えられる。
しかし、異方性エネルギーの増加、即ち、異方性磁界（または保磁力）の増加は、記録に必要なヘッド磁界強度の増加も意味する。現状、記録用ヘッドに使われる磁極材料の制限及び、磁気ディスクと磁気ヘッドの距離を狭めること等の制限から、磁界強度は頭打ちになっており、CoCr系合金でさえも既に記録が困難となっている。従って人工格子膜や高異方性材料の合金膜では記録がいっそう難しくなる。この問題を解決するためにCoCr系合金では、磁性層を２層以上にした媒体が数多く提案されている。例えば２層の場合、一方の磁性層を磁化反転し易い軟磁性層もしくはそれに順ずる連続膜とし、もう一方の層を硬磁性材料で作成されたグラニュラー層とするExchange coupling media (ECC 媒体)が提案されている(例えば特許文献８)。軟磁性層もしくは連続膜は低磁界で反転するため、硬磁性層よりも先にスイッチングする（スイッチング層と呼ぶ）。スイッチング層が反転すると、上下層は層間に磁気的相互作用が働いているため、記録層の磁化反転が促進され記録が行われるのである。
人工格子膜や高異方性合金膜等のように更に高Kuが高記録密度化に必須となった場合、ヘッド磁界強度の頭打ちの問題を解決するためには、光記録技術と磁気記録技術を結合したハイブリッド記録技術が有効な手段と考えられている。例えば、非特許文献２に記載された技術がある。ここで用いられている記録再生ヘッドは、記録磁界が発生する部分に光を発生させる機構を付加したものである。記録時には、印加磁界とともに光を発生させることにより、媒体を加熱して異方性エネルギー（異方性磁界または保磁力）を低下させて記録を行う。この方法によれば、従来の磁気ヘッドでは記録磁界が不足して記録が困難であった超高記録密度用の高い保磁力を有する媒体にも記録が容易に行える。しかし、磁気ディスク装置の高記録密度化には、微小な加熱領域を速やかに加熱・冷却が必要であるため、従来、光記録で用いられているレーザ光をレンズにより絞りこむ方法では限界が生じる。これを解決する方法として、金属表面プラズモンで近接場光を発生させる方法が提案され、研究が行われてきた(非特許文献３、特許文献９)。再生は、従来の磁気記録で用いられているGMR（巨大磁気抵抗効果型）ヘッドまたはTMR（トンネル磁気抵抗効果型）ヘッドを用いる。以上の記録方法を熱アシスト磁気記録と呼ぶ。
熱アシスト磁気記録によく似た記録方式に光磁気記録方式がある（非特許文献４）。光磁気記録方式は、レーザ光の照射による媒体の温度上昇に基づく磁性の変化を利用して磁気記録している。記録方法には幾つか種類がある。１つは、TbFe、GdTbFe等を用いた媒体をキュリー温度まで加熱して記録する方式である。これは、自発磁化がキュリー温度付近で急激に減少し、キュリー点以上では、常磁性となるため、このとき、逆方向の磁界を与えておくと、冷却過程で磁化が反転することによりマークが記録される方法である。もう１つは、GdFeO,GdCoを材料とした媒体において、補償温度以上に加熱して記録する方式がある。これは、フェリ磁性体の２つの副格子磁化の温度依存性がある温度で打ち消しあって巨視的な磁化が０になるとき（これを補償温度という）、保磁力が最も高くなるため、補償温度が室温にあるような材料について、補償温度以上に加熱することにより、保磁力が小さくなり外部磁界の方向に磁化が向けられることを利用している。ただし、現在では、キュリー温度記録と補償点記録を組み合わせて用いている。いずれにせよ、媒体は、希土類と遷移金属のアモルファス合金薄膜である。従って、媒体には粒界がなく、記録マークは、円筒状の磁区の大きさがどのように形成されるかによる。磁区は媒体に働く磁気的なエネルギー（外部磁場のエネルギー、磁壁エネルギー等）のバランスで決まるのである。従って、これらの媒体は、ノイズレベルが従来磁気ディスク用に用いられているCoCr系グラニュラー媒体にくらべ低いというメリットをもつが、光のスポットが小さくなるに従い、磁気的なエネルギーのバランスが偏り、光のスポットよりも広がる可能性、もしくは、逆に消失する可能性があるので、高記録密度化には限界がある。
熱アシスト磁気記録は、上記したように、媒体を加熱することにより、媒体の異方性エネルギー（異方性磁界または保磁力）を低減させて記録を容易にすることを特徴とする。即ち、媒体の異方性エネルギーは温度依存性を持ち、媒体の温度が高温になるほど異方性エネルギーは低くなる(非特許文献５)。媒体の加熱温度については、例えば、非特許文献６または非特許文献７で示されているように、媒体のCurie温度以上に加熱しなければならないことが示されている。しかし、例えばFeNiPt媒体であればHkが高くなるほどCurie温度は増加し、Hkが80 kOeであればCuire温度は約750 Kとなるが(非特許文献８)、媒体を高温加熱すると、媒体が塑性変形をおこして磁気特性が劣化する可能性があるので、できるだけ加熱温度は低温にすることが望まれる。
このことから、熱アシスト磁気記録をできるだけ低温で行うための媒体材料及び構造を探索することが重要な課題である。例えば、特許文献１０、特許文献１１、特許文献１２、特許文献１３、特許文献１４では、２層以上の膜を積層して、記録温度は一方の膜（例えば下層とする）のCurie温度を越えるが他方の膜（例えば上層とする）のCurie温度を超えずに設定する技術が示されている。これらは、Curie温度を越えた方の膜の磁化を消失させて（もしくは極小化して）上下層の磁気的交換結合を切る。そして、Curie温度に達していない（磁化が残っている）上層に記録を行い、媒体が冷却される過程で磁気的交換結合が戻り上層の磁化が下層に転写されて記録が行われるという記録メカニズムである。上層を記録層、下層を転写層と呼ぶ。
上記特許文献１０−１４に記載される熱アシスト磁気記録技術では、記録温度がCurie温度に達していない方の膜のKu(HkまたはHc)を十分に小さくしなければヘッド磁界で記録することができない。即ち、熱アシスト磁気記録を使っているにもかかわらず、ヘッド磁界に制約を受けてしまうため、材料等が限定されてしまう。更に、磁化パターンの転写の過程では急速に冷却されるため、転写層のKuが急激に増加して、記録層の磁化が転写層に転写されないうちに室温に戻ってしまう可能性がある。また、同時に転写層のイレーズ状態の磁化情報を記録層に逆転写してしまうことがある。実際に実験においてこのような現象を確認している。
上記背景に鑑み、熱アシスト磁気記録の課題は以下となる。（１）媒体は磁性粒子が非磁性酸化物層で分離されているグラニュラー層であること、（２）低温で記録可能なこと、（３）記録温度では、媒体の記録層のKu(HkまたはHc)がヘッド磁界に制限されないこと、（４）一方の記録層に記録された後、他方の記録層に必ず転写が行われること、である。
本発明の目的は、記録層の異方性磁界強度がヘッド磁界に制限されないで、低温で記録ができる熱アシスト磁気記録媒体を提供することである。
本発明の他の目的は、超高密度熱アシスト磁気記録を可能とする熱アシスト磁気記録装置を提供することである。
本発明の他の目的は、超高密度熱アシスト磁気記録を可能とする熱アシスト磁気記録装置を提供することである。
本発明の代表的な熱アシスト磁気記録媒体は、基板上に形成された少なくとも２層の記録層を有し、前記記録層は硬磁性層であり、硬磁性層を構成する磁性粒子は、粒界において粒子間を磁気的に分離する非磁性物質を有する熱アシスト磁気記録媒体であって、
前記記録層の第一の磁性層の記録磁化を保持するためのエネルギー (Ku1・v1)（Ku1は異方性エネルギー、v1は粒子の体積)と熱的な揺らぎのエネルギー(kB・T)（kBはボルツマン定数、Ｔは絶対温度）の比(Ku1・v1)/(kB・T)と、第二の磁性層の (Ku2・v2)と熱的な揺らぎのエネルギーの比(Ku2・v2)/ (kB・T)において、
室温では、(Ku1・v1)/(kB・T)は(Ku2・v2)/(kB・T)よりも大きく、前記第一の磁性層のキュリー温度近傍では逆に(Ku2・v2)/(kB・T)が(Ku1・v1)/(kB・T)よりも大きいことを特徴とする。
前記記録層の第一の磁性層の記録磁化を保持するためのエネルギー (Ku1・v1)（Ku1は異方性エネルギー、v1は粒子の体積)と熱的な揺らぎのエネルギー(kB・T)（kBはボルツマン定数、Ｔは絶対温度）の比(Ku1・v1)/(kB・T)と、第二の磁性層の (Ku2・v2)と熱的な揺らぎのエネルギーの比(Ku2・v2)/ (kB・T)において、
室温では、(Ku1・v1)/(kB・T)は(Ku2・v2)/(kB・T)よりも大きく、前記第一の磁性層のキュリー温度近傍では逆に(Ku2・v2)/(kB・T)が(Ku1・v1)/(kB・T)よりも大きいことを特徴とする。
本発明の代表的な熱アシスト磁気記録装置は、基板と、前記基板上に形成された少なくとも２層の記録層を有し、前記記録層は硬磁性層であり、硬磁性層を構成する磁性粒子は、粒界において粒子間を磁気的に分離する非磁性物質を有する情報記録媒体と、前記情報記録媒体に磁界を印加する磁極と、前記情報記録媒体の所定の領域を加熱する手段とを有する熱アシスト磁気記録装置において、
前記情報記録媒体の第一の磁性層の記録磁化を保持するためのエネルギー (Ku1・v1)（Ku1は異方性エネルギー、v1は粒子の体積)と熱的な揺らぎのエネルギー(kB・T)（kBはボルツマン定数、Ｔは絶対温度）の比(Ku1・v1)/(kB・T)と、第二の磁性層の (Ku2・v2)と熱的な揺らぎのエネルギーの比(Ku2・v2)/ (kB・T)において、
室温では、(Ku1・v1)/(kB・T)は(Ku2・v2)/(kB・T)よりも大きく、第一の磁性層のキュリー温度近傍では逆に(Ku2・v2)/(kB・T)が(Ku1・v1)/(kB・T)よりも大きく、先に第一の磁性層が磁化反転して記録され、第二の磁性層は第一の磁化反転パターンが転写されることを特徴とする。
更に第一の磁性層のキュリー温度近傍では第二の磁性層の異方性磁界強度は前記磁極から印加される磁界強度よりも大きいことが望ましい。また、第一の磁性層のキュリー温度は第二の磁性層のキュリー温度よりも低く、記録温度は第一の磁性層のキュリー温度よりも低いことが望ましい。
前記情報記録媒体の第一の磁性層の記録磁化を保持するためのエネルギー (Ku1・v1)（Ku1は異方性エネルギー、v1は粒子の体積)と熱的な揺らぎのエネルギー(kB・T)（kBはボルツマン定数、Ｔは絶対温度）の比(Ku1・v1)/(kB・T)と、第二の磁性層の (Ku2・v2)と熱的な揺らぎのエネルギーの比(Ku2・v2)/ (kB・T)において、
室温では、(Ku1・v1)/(kB・T)は(Ku2・v2)/(kB・T)よりも大きく、第一の磁性層のキュリー温度近傍では逆に(Ku2・v2)/(kB・T)が(Ku1・v1)/(kB・T)よりも大きく、先に第一の磁性層が磁化反転して記録され、第二の磁性層は第一の磁化反転パターンが転写されることを特徴とする。
更に第一の磁性層のキュリー温度近傍では第二の磁性層の異方性磁界強度は前記磁極から印加される磁界強度よりも大きいことが望ましい。また、第一の磁性層のキュリー温度は第二の磁性層のキュリー温度よりも低く、記録温度は第一の磁性層のキュリー温度よりも低いことが望ましい。
本発明によれば、記録層のKu(HkまたはHc)がヘッド磁界に制限されないで、低温で記録ができる熱アシスト磁気記録媒体を提供することができる。この媒体は、少なくとも２層のグラニュラー記録層を持ち、各々の層について、(Ku・v)/(kB・T)の大小関係を、室温時とキュリー温度近傍で逆の関係にすることにより、キュリー温度以下の記録温度で、先に(Ku・v)/(kB・T)が小さい方の層に記録して、その磁化情報を他層に転写するというメカニズムで記録を行う。従って、媒体のKu(HkまたはHc)はヘッド磁界に制限されず、転写も必ず行われるという効果がある。その結果、超高密度熱アシスト磁気記録が可能となる。
以下、図面を参照して本発明の実施の形態について説明する。
＜実施例１＞
図２は、本発明に係る磁気ディスク装置の構造を示す模式図である。磁気ディスク装置のドライブ内には通常一枚ないし数枚の磁気ディスク（記録媒体）120が実装されている。本例の磁気ディスク120は、矢印10の方向に回転駆動される。拡大図（ａ）に示すように、キャリッジ13の先端に固定された磁気ヘッドスライダ11後端にある磁気ヘッド12は、ボイスコイルモータ14によって任意のトラックにアクセスし、磁気ディスク上で情報の記録再生を行っている。拡大図（ｂ）は、磁気ヘッド12について、記録を行う記録ヘッド102と再生を行う再生ヘッド16の構成を媒体対向面から見た概略図である。記録ヘッド102は主磁極100と磁気シールド17を兼ねる補助磁極103とを備える垂直磁気記録用の単磁極型記録ヘッドであり、主磁極100から漏れ出る磁界によって媒体120に磁気記録が行われる。再生ヘッド16は、磁気シールド17と磁気シールド20の間に配置される磁気抵抗効果素子からなる再生素子18を備え、再生素子18内に媒体120からの漏れ磁束が流入することで、再生出力が得られる。
＜実施例１＞
図２は、本発明に係る磁気ディスク装置の構造を示す模式図である。磁気ディスク装置のドライブ内には通常一枚ないし数枚の磁気ディスク（記録媒体）120が実装されている。本例の磁気ディスク120は、矢印10の方向に回転駆動される。拡大図（ａ）に示すように、キャリッジ13の先端に固定された磁気ヘッドスライダ11後端にある磁気ヘッド12は、ボイスコイルモータ14によって任意のトラックにアクセスし、磁気ディスク上で情報の記録再生を行っている。拡大図（ｂ）は、磁気ヘッド12について、記録を行う記録ヘッド102と再生を行う再生ヘッド16の構成を媒体対向面から見た概略図である。記録ヘッド102は主磁極100と磁気シールド17を兼ねる補助磁極103とを備える垂直磁気記録用の単磁極型記録ヘッドであり、主磁極100から漏れ出る磁界によって媒体120に磁気記録が行われる。再生ヘッド16は、磁気シールド17と磁気シールド20の間に配置される磁気抵抗効果素子からなる再生素子18を備え、再生素子18内に媒体120からの漏れ磁束が流入することで、再生出力が得られる。
図３は、本発明に係る記録ヘッドの構成例を示す図である。図は、記録ヘッドを、記録媒体面に垂直（図中の上下方向）かつトラック走行方向に平行な面で切断した場合における記録ヘッド周辺の断面構造を表している。
記録ヘッド102は主磁極100と補助磁極103を有し、平板状の補助磁極103は記録媒体120に略直交するように形成されている。更にこの補助磁極103には、導体パターン104が螺旋状に形成され、その両終端は外部に引き出されて磁気ヘッド駆動回路に接続されている。主磁極100は一端が補助磁極103に接続され、他端は記録ヘッド102底面に至り、記録媒体120に対向している。補助磁極103、主磁極100及び導体パターン104は全体として電磁石を構成しており、駆動電流によって主磁極100の先端部分近傍の磁性層111に記録磁界が印加される。また、記録ヘッド102は、主磁極100の記録媒体120対向面のトレーリング終端101に光散乱体106を有し、光散乱体106にレーザ光108を照射するための平面レーザ107及びホログラム・レンズ105を備える。以上の構造を有する記録ヘッドは、薄膜形成プロセスとリソグラフィ・プロセスによって作製することができる。
記録ヘッド102は主磁極100と補助磁極103を有し、平板状の補助磁極103は記録媒体120に略直交するように形成されている。更にこの補助磁極103には、導体パターン104が螺旋状に形成され、その両終端は外部に引き出されて磁気ヘッド駆動回路に接続されている。主磁極100は一端が補助磁極103に接続され、他端は記録ヘッド102底面に至り、記録媒体120に対向している。補助磁極103、主磁極100及び導体パターン104は全体として電磁石を構成しており、駆動電流によって主磁極100の先端部分近傍の磁性層111に記録磁界が印加される。また、記録ヘッド102は、主磁極100の記録媒体120対向面のトレーリング終端101に光散乱体106を有し、光散乱体106にレーザ光108を照射するための平面レーザ107及びホログラム・レンズ105を備える。以上の構造を有する記録ヘッドは、薄膜形成プロセスとリソグラフィ・プロセスによって作製することができる。
記録媒体120に対する情報の記録時には、記録磁界発生と同時に光源である平面レーザ107からレーザ光108が放射される。このレーザ光はホログラム・レンズ105によって収束され、金属散乱体106に照射される。金属散乱体106は、コヒーレントなレーザ光108の照射を受けると、内部の自由電子がレーザ光108の電場によって一様に振動させられる結果としてプラズモンが励起され、金属散乱体106の先端部分には強い近接場光が発生される。この図において、金属散乱体106は三角形の形状をしているが、例えばアパーチャー型の構造でもよい。こうして記録時に、第一の磁性層115及び第二の磁性層116は近接場光によって加熱され、第一の磁性層または第二の磁性層のKu(HkまたはHc)が低下するので主磁極100から印加される磁界が弱くても、記録すべき情報に対応した所望の記録磁化遷移を、第一の磁性層115及び第二の磁性層116に形成することができる。
記録媒体120に記録された情報の再生は、ＧＭＲ(巨大磁気抵抗効果)素子、又はＴＭＲ（トンネル磁気抵抗効果）素子等の磁束検出手段を搭載した再生ヘッドを用いて、磁性層からの漏洩磁束を検出することにより磁気的に情報の再生を行う。
図４に、第一の実施例である熱アシスト磁気記録媒体の基本的な層構造を媒体走行方向の断面図で模式的に示す。媒体は非磁性基板111、軟磁性裏打ち層112、シード層113、中間層114、第一の磁性層115、第二の磁性層116、保護層117、および液体潤滑膜118をこの順番で形成した構造である。
非磁性基板111には、表面が平滑なさまざまな基板を用いることができる。例えば、NiPメッキを施したアルミ合金基板や強化ガラス基板を用いることができる。
軟磁性裏打ち層112は微結晶構造のFeTaC、FeSiAl合金、アモルファス構造のCo合金であるCoNbZr、CoTaZr、CoFeTaZr合金等がある。ただし、軟磁性層は記録に必要なヘッド磁界強度を確保できる場合には不要である。
シード層113は、必要に応じて、軟磁性裏打ち層112と中間層114の間に配置される。シード層113の材料としては、面心立法格子(fcc)構造もしくは六方細密充填(hcp)構造を有する多結晶材料か、もしくは非晶質材料が選択される。例えば、Ta,Ni,Cr,Cu,Ti,Fe,W, Co, Ru,Pt,Pd,Cから選ばれる１種類以上の元素を含有する。シード層113は、中間層114の結晶配向性を高めたり、軟磁性裏打ち層112と中間層114の混合を防いだりするのに有効である。
中間層114には、CoとCrを主原料とする非磁性合金と金属酸化物とが混合された材料を用いる、このような材料で構成された中間層は、CoCr基合金からなる微結晶粒子が酸化物粒界によって取り囲まれたいわゆるグラニュラー構造を有する。この構造は中間層114の上に形成される磁気記録115と類似の構造であるため、磁性層の初期成長層における微細構造の形成を促進する働きがある。
第一の磁性層115は、室温では、大きな垂直磁気異方性を有する強磁性合金材料に酸化物等の非金属材料を添加して形成する。強磁性合金材料としては、Co-Pt、Fe-Pt 、Sm-Co合金の他、[Co/Pt]n多層膜、[Co/Pd]n多層膜（人工格子膜）などが考えられる。本実施例では多層膜について示す。第一の磁性層115は、例えば、Coを0.1 nmから1nm、PtまたはPdを0.1 nmから2nm積層して合計の膜厚を20 nm以下にする。第一の磁性層115は、中間層114と同様に、酸素元素を含有する。酸素元素の大部分は磁性層115中で金属酸化物として存在する。酸化物は磁性結晶粒子から偏析して結晶粒界を形成し、その結果、多数の微細な磁性結晶粒子によってグラニュラー構造が形成される。磁性層115は、酸化物形成のための添加材料として、B、Al、Cr、Hf、,Mg、Si、Ta、Ti、Zr等を含むことができる。酸素元素は6原子％以上20原子%以下の含有率にするのが好ましい。また、酸化物は、SiO2でも良い。
第二の磁性層116は第一の磁性層と同様に強磁性合金材料Coに酸化物等の非金属材料を添加して形成する。ただし、室温におけるKuは第一の磁性層よりも小さい材料を用いる必要がある。更に、第二の磁性層116と第一の磁性層115は互いに磁気的に結合していることが重要である。
第一の磁性層115及び第二の磁性層116の全体の厚さは5nm以上20nm以下とするのが好ましい。5nmより薄い場合、熱的安定性が悪く、20nmより厚い場合は粒子サイズが大きすぎてノイズの増大につながるからである。
グラニュラー構造を有する中間層114及び第一の磁性層115、及び第二の磁性層116は、多数の結晶粒子から構成されるが、これらの結晶粒子の粒径は4nm以上10nm以下にすることが好ましい。粒径が4nmより小さい場合は熱的安定性が悪く、10nmより大きい場合は、ノイズが増加してしまうからである。第一の磁性層115および第二の磁性層116の結晶粒子サイズは、例えば、透過型電子顕微鏡によって測定することができる。
図５は第一の磁性層と第二の磁性層のHkの温度特性の一例である。第一の磁性層は、0.2 nm厚さのCoと0.6 nm厚さのPdを15層積層した、Co/Pdの多層グラニュラー膜で、室温におけるHkは30 kOeと高く、キュリー温度は600Kと低い。第二の磁性層はCoCrPtグラニュラー膜で、室温におけるHkは１８ kOeと第一の磁性層に比べて低く、キュリー温度は1000Kと逆に第一の磁性層に比べて高い。
Hkの求め方は、例えば、VSMなどでMHループを測定して、飽和磁化Msの温度特性を測定する。次に、Kuの温度特性を、磁気異方性トルク計等で、電磁石を回転させることにより磁界の方向を変えて、媒体の各方向に働くトルクを測定して求める。Hkの温度特性は、Hk(T) = 2×Ku(T)/ Ms(T) の式から求める。
図１は、第一の磁性層と第二の磁性層のKu v/kBTの温度特性の一例である。これより、室温では第一の磁性層のKu v/kBTは４５で第二の磁性層は第一の磁性層よりも小さく２７である。しかし、キュリー温度近傍では逆に第一の磁性層のKu v/kBTは第二の磁性層よりも小さい。Ku v/kBTを実験的に求めるならば、例えば、スイープレートを幾つか変えた残留磁化ループからHcrを求め、シャーロックの式にフィッティングすることで求めることができる（IEEE Trans. Mag. Vol.30, No. 6 1994）。
以下に、マイクロマグネティクスを用いた計算機シミュレーション手段によって実施例１の効果を検証した結果を示す。
計算は、Landau-Lifshitz-Gilbert方程式に、熱エネルギーによる磁界h(t)を加えたLangevin方程式を用いた(J.Appl.Phys.75(2),15 Jan.1994)。
ヘッド磁界は市販の三次元磁界解析プログラムＪＭＡＧを用いた。媒体膜中心に印加される実効的なヘッド磁界(Hx 2/3+Hz 2/3)3/2はトレーリングエッジから20 nm離れた光照射位置で約11 kOeであった。ヘッド・媒体間スペーシングは9 nmとした。軟磁性層の影響は、鏡像効果を用いて計算した。温度プロファイルは半値幅50 nmのガウシアン分布を仮定した。
再生出力はMRヘッドの感度分布をリングヘッドの相反定理の式に代入して求めた(松本光功：磁気記録（共立出版、東京、1977）)。再生条件は、シールド間距離Gs = 30 nm、再生トラック幅Twr = 33 nmとした。
媒体の構造は、図６に示すように粒径が5.8 nmで粒間が0.6 nm、上層の膜厚が7.5 nm、下層の膜厚が12 nmのグラニュラー媒体を仮定した。また、磁気特性は図７のように仮定した。Hkの温度特性は図５と同じ特性を用いた。光の照射温度の最大値は600 K（第一の磁性層のキュリー温度）とした。図５より、第一の磁性層のキュリー温度における第二の磁性層のHkは15 kOeなので、図８に示す実効的なヘッド磁界強度の最大値11 kOeよりも大きい。図８に実効的なヘッド磁界と温度分布及びその温度の時のHk分布（磁化が反転するために必要な磁界をスイッチング磁界と呼び、ここではHk分布をスイッチング磁界に等しいと仮定した）を示した。Hkは第一の磁性層の値である。磁化遷移位置、即ち記録位置は実効的なヘッド磁界とHkの交点近傍で決まるので、この位置における温度が記録温度となる。従って、図より記録温度は530 Kとなる。この温度は第一の磁性層のキュリー点よりも低い。従って、光の照射温度の最大値を600 Kにしても、ヘッド磁界では、第二の磁性層は反転しないことが確認された。図９は記録密度1000 kfciにおける記録過程の磁化パターンを0.3 nsおきに表示した結果である。時間は左上図(a)から左下図(d)に進み、その後右上図(e)から右下図(h)に進む。これより、図(a)は負方向の磁界が印加され負方向に磁化が反転している様子（黒は負方向の磁化を表す）を表わしている。図(c)は正方向に磁界が反転した時の図である。第一の磁性層の負方向の磁化はこの磁界反転により磁化遷移が決まるが、第二の磁性層の磁化遷移は不明瞭である。第二の磁性層は図(e)から(g)にかけて徐々に転写され、図(h)で完全に転写が完了する。以上より、第一の磁性層が最初に記録されてその後、遅れて、第二の磁性層が第一の磁性層によって転写される様子がわかった。第一の磁性層が先に記録される理由は、記録温度では、第一の磁性層のKu1 v1/kBTが第二の磁性層のKu2v2/kBTよりも十分に低くなるため記録し易くなるためである。また、冷却過程では、第一の磁性層のKu1v1/kBTが急激に増大するため、記録磁化が速やかに安定するという優れた特徴を有する。本計算結果より、信号SとノイズNの比SNR（=20×log(S/N)）は約12 dBとなった。
更に、第一の磁性層と第二の磁性層の間に層間の磁気的な交換結合を強めるためにCoまたはCoRuを1 nmから2 nm程度挟むことによりSNRを高くすることができる。例えば、計算において層間の交換エネルギーを3erg/cm2にすることにより、SNRは14 dBとなった。
上記実施例１では、高い再生出力を得るために、Msが高い第二の磁性層をヘッドに近い側に置いたが、第一の磁性層と第二の磁性層の積層の順番は逆でもよい。例えば、先に第一の磁性層を記録することから、ヘッドに近い側に第一の磁性層を設ければ、より強い記録磁界で第一の磁性層の磁化を反転させることができる。その結果、第一の磁性層のKu(HkまたはHc)を更に高くすることが可能になったり、記録温度を低減できたりする。
＜実施例２＞
次に図１０に、本発明の第二の実施例の記録層の層構造を媒体走行方向の断面図で模式的に示す。
第一の磁性層131は強磁性合金材料に酸化物等の非金属材料を添加して形成する。強磁性合金材料としては、Co-Pt、Fe-Pt、Sm-Co合金の他、[Co/Pt]n多層膜、[Co/Pd]n多層膜（人工格子膜）などが考えられる。例えば、多層膜として、Coを0.1nmから1nm、PtまたはPdを1nmから2nm積層して合計の膜厚を20 nm以下にする。第二の磁性層132は、室温では、第一の磁性層と同様に大きな垂直磁気異方性を有する強磁性合金材料として、例えばL10 FePt膜が考えられる。グラニュラー化のために、例えばL10 FePtとは非固溶かつ非磁性な元素Ag, Sn, Pb, Sb, Bi等を第３元素として添加し、高Ar圧スパッタリング製膜による自己組織化的手法でグラニュラー化を行う。膜厚は例えば2 nm以上10 nm以下にする。ただし、第一の磁性層より必ず膜厚は薄くしなければならない。これは、第二の磁性層132を転写膜として使うために室温でのKuv/kBTを下げる必要があるからである。更に第一の磁性層と第二の磁性層の間にFeMnかMnIr等を挟むと第一の磁性層の非磁性酸化物が第二の磁性層へ固溶する影響を抑制することができる。第一の磁性層と第二の磁性層以外の構成は、実施例１と同じである。
次に図１０に、本発明の第二の実施例の記録層の層構造を媒体走行方向の断面図で模式的に示す。
第一の磁性層131は強磁性合金材料に酸化物等の非金属材料を添加して形成する。強磁性合金材料としては、Co-Pt、Fe-Pt、Sm-Co合金の他、[Co/Pt]n多層膜、[Co/Pd]n多層膜（人工格子膜）などが考えられる。例えば、多層膜として、Coを0.1nmから1nm、PtまたはPdを1nmから2nm積層して合計の膜厚を20 nm以下にする。第二の磁性層132は、室温では、第一の磁性層と同様に大きな垂直磁気異方性を有する強磁性合金材料として、例えばL10 FePt膜が考えられる。グラニュラー化のために、例えばL10 FePtとは非固溶かつ非磁性な元素Ag, Sn, Pb, Sb, Bi等を第３元素として添加し、高Ar圧スパッタリング製膜による自己組織化的手法でグラニュラー化を行う。膜厚は例えば2 nm以上10 nm以下にする。ただし、第一の磁性層より必ず膜厚は薄くしなければならない。これは、第二の磁性層132を転写膜として使うために室温でのKuv/kBTを下げる必要があるからである。更に第一の磁性層と第二の磁性層の間にFeMnかMnIr等を挟むと第一の磁性層の非磁性酸化物が第二の磁性層へ固溶する影響を抑制することができる。第一の磁性層と第二の磁性層以外の構成は、実施例１と同じである。
図１１と１２はHkとKuv/kBTの温度依存性である。第一の磁性層の室温におけるHkは30 kOe、膜厚は11 nm、キュリー温度は600 Kであり、第二の磁性層の室温におけるHkは40 kOe、膜厚は2 nm、キュリー温度は800 Kである。光の照射温度の最大値は600 K（第一の磁性層のキュリー温度）とした。図１１より、第一の磁性層のキュリー温度における第二の磁性層のHkは２５ kOeなので、図８に示す実効的なヘッド磁界強度の最大値11 kOeよりも大きい。従って、第一の実施例と同様に、光の照射温度の最大値を600 Kにしても、ヘッド磁界だけでは第二の磁性層は反転しないことが確認された。室温におけるHkとキュリー温度ともに第二の磁性層は第一の磁性層磁性層よりも大きいが、Kuv/kBTの温度特性については、室温では第二の磁性層は第一の磁性層よりも小さく、キュリー温度近傍では、逆に第二の磁性層は第一の磁性層よりも大きいことが特徴である。また、第一の磁性層と第二の磁性層は互いに磁気的に結合していることが重要である。
本実施例の効果について計算機シミュレーションにより確認した。粒径は5.8 nmで粒間が0.6 nm、磁気特性は図１３のように仮定した。Hkの温度特性は図１１と同じとした。光の照射温度の最大値は600 Kとした。実効的なヘッド磁界と温度分布及びその温度の時のHk分布は図８と同じである。従って、記録温度は、第一の磁性層のキュリー温度よりも低く530 Kである。図１４は比較に用いた媒体におけるKuv/kBTの温度特性である。これは、図１０の媒体において、第一の磁性層と第二の磁性層の膜厚をともに6.5 nmとした場合である。比較媒体の場合、第二の磁性層のKu2v2/kBTは全温度領域で第一の磁性層よりも高く、キュリー温度も第二の磁性層の方が第一の磁性層よりも高い。図１５は第二の実施例と比較媒体の記録磁化パターンを比較した結果である。これより、比較媒体は記録磁化パターンがまったく見られなかったが、第二の実施例は明瞭な磁化パターンが記録された。比較媒体は、先に第一の磁性層のKu1v1/kBTが下がるため磁化は一旦反転する。しかし、第二の磁性層は、Ku2v2/kBTが高いため転写されない。更に第一の磁性層と第二の磁性層の磁気的な交換相互作用が冷却過程で強まるため、第一の磁性層磁化パターンは第二の磁性層の記録パターンが逆転写されて結局両層とも記録されないのである。比較媒体の記録過程における磁化パターンを図１６に示した。
本計算結果より、第二の実施例による信号SとノイズNの比（=20×log(S/N)）は約13 dBとなった。
上記実施例２では、高い再生出力を得るために、Msが高い第二の磁性層をヘッドに近い側に置いたが、第一の磁性層と第二の磁性層の積層の順番は逆でもよい。これは、例えば、先に第一の磁性層を記録することから、ヘッドに近い側に第一の磁性層を設ければ、より強い記録磁界で第一の磁性層の磁化を反転させることができる。その結果、更に第一の磁性層のKu(HkまたはHc)を高くすることが可能になったり、記録温度を低減できたりする。
図１７は、信号処理回路の構成例を示すブロック図である。情報の記録時においては、記録すべきユーザ・データ600が外部機器とのインターフェース回路601を介してシステム・コントローラ602に送り込まれ、必要に応じてエラー検出、訂正情報等の付加後、符号器603に伝えられる。符号器603はユーザ・データ600に対して例えば（１，７）変調後、ＮＲＺＩ変換を施し、記録媒体上の記録磁化の配列を反映した信号を生成する。記録波形発生回路604はこの信号を参照し、記録バイアス磁界の制御信号及びレーザ発光強度の制御信号を発生する。更に、記録波形発生回路の後に遅延回路605，606を設けることにより、磁気コイル駆動回路607とレーザ駆動回路608の駆動タイミングのずれを補正することができ、記録バイアス磁界の制御信号に対し、所望のレーザ発光強度の制御信号が得られる。磁気コイル駆動回路607は、システム・コントローラ602からの指示を受け、記録バイアス磁界の制御信号に従って記録ヘッドの記録コイルを駆動し、金属散乱体によって強い近接場光が発生される部分に記録バイアス磁界を発生する。またレーザ駆動回路608もシステム・コントローラ602からの指示を受け、レーザ発光強度の制御信号に従って記録エネルギー源である半導体レーザを駆動する。このときレーザ駆動回路608は、レーザの光照射を行う間隔が熱アシスト磁気記録装置における最小磁化反転単位に一致するように半導体レーザを駆動する。
情報の再生時においては、磁気記録媒体の表面をＧＭＲ素子またはＴＭＲ素子によって走査し、記録磁化の配列を反映した信号を検出する。記録磁化の配列を反映したＧＭＲ素子の出力信号は増幅器610によって必要なレベルまで増幅された後に、復号器611に入力される。復号器611は符号器603の逆変換を施すことにより記録されていたデータを復元し、復元結果をシステム・コントローラ602に伝える。システム・コントローラ602は必要に応じてエラー検出、訂正等の処理を行い、インタ−フェ−ス回路601を介して再生されたユーザ・データ600を外部機器に送り出す。
１０…磁気ディスクの回転方向、
１１…磁気ヘッドスライダ、
１２…磁気ヘッド、
１３…キャリッジ、
１４…ボイスコイルモータ、
１６…再生ヘッド、
１７，１０３…下部シールド兼補助磁極
１８…再生素子、
１００…主磁極、
１０１…主磁極トレーリング側終端、
１０２…記録ヘッド、
１０４…コイル、
１０５…ホログラム・レンズ、
１０６…光散乱体、
１０７…平面レーザ、
１０８…レーザ光、
１１１…ガラス基板、
１１２…軟磁性裏打ち層、
１１３…シード層、
１１４…中間層、
１１５…第一の磁性層、
１１６…第二の磁性層、
１１７…保護層、
１１８…潤滑膜、
１２０…第一の実施例による磁気記録媒体、
１３０…第二の実施例による磁気記録媒体、
１３１…第二の磁性層、
１３２…第二の磁性層。
１１…磁気ヘッドスライダ、
１２…磁気ヘッド、
１３…キャリッジ、
１４…ボイスコイルモータ、
１６…再生ヘッド、
１７，１０３…下部シールド兼補助磁極
１８…再生素子、
１００…主磁極、
１０１…主磁極トレーリング側終端、
１０２…記録ヘッド、
１０４…コイル、
１０５…ホログラム・レンズ、
１０６…光散乱体、
１０７…平面レーザ、
１０８…レーザ光、
１１１…ガラス基板、
１１２…軟磁性裏打ち層、
１１３…シード層、
１１４…中間層、
１１５…第一の磁性層、
１１６…第二の磁性層、
１１７…保護層、
１１８…潤滑膜、
１２０…第一の実施例による磁気記録媒体、
１３０…第二の実施例による磁気記録媒体、
１３１…第二の磁性層、
１３２…第二の磁性層。
Claims (18)
- 基板上に形成された少なくとも２層の記録層を有し、前記記録層は硬磁性層であり、硬磁性層を構成する磁性粒子は、粒界において粒子間を磁気的に分離する非磁性物質を有する熱アシスト磁気記録媒体であって、
前記記録層の第一の磁性層の記録磁化を保持するためのエネルギー (Ku1・v1)（Ku1は異方性エネルギー、v1は粒子の体積)と熱的な揺らぎのエネルギー(kB・T)（kBはボルツマン定数、Ｔは絶対温度）の比(Ku1・v1)/(kB・T)と、第二の磁性層の (Ku2・v2)と熱的な揺らぎのエネルギーの比(Ku2・v2)/ (kB・T)において、
室温では、(Ku1・v1)/(kB・T)は(Ku2・v2)/(kB・T)よりも大きく、前記第一の磁性層のキュリー温度近傍では逆に(Ku2・v2)/(kB・T)が(Ku1・v1)/(kB・T)よりも大きいことを特徴とする熱アシスト磁気記録媒体。 - 請求項１に記載の熱アシスト磁気記録媒体において、前記第一の磁性層のキュリー温度は前記第二の磁性層のキュリー温度よりも低いことを特徴とする熱アシスト磁気記録媒体。
- 請求項１に記載の熱アシスト磁気記録媒体において、前記第一の磁性層は、Co-PtまたはFe-PtまたはSm-Coの合金層、またはCoとPtの多層膜またはCoとPdの多層膜であり、第二の磁性層はCoを主原料とする合金層であることを特徴とする熱アシスト磁気記録媒体。
- 請求項３に記載の熱アシスト磁気記録媒体において、前記磁性粒子間を磁気的に分離する非磁性物質は、Ｂ，Al，Cr，Hf，Mg，Si，Ta，Ti，Zrの群の中から選択される元素の酸化物、またはSiO2であることを特徴とする熱アシスト磁気記録媒体。
- 請求項１に記載の熱アシスト磁気記録媒体において、前記第一の記録層と第二の記録層との間にCo層またはCoRu層を有することを特徴とする熱アシスト磁気記録媒体。
- 請求項１に記載の熱アシスト磁気記録媒体において、前記第一の磁性層は、Co-PtまたはFe-PtまたはSm-Coの合金層、またはCoとPtの多層膜またはCoとPdの多層膜であり、前記第二の磁性層はL1 0 FePt膜であることを特徴とする熱アシスト磁気記録媒体。
- 請求項６に記載の熱アシスト磁気記録媒体において、前記磁性粒子間を磁気的に分離する非磁性物質は、Ag，Sn，Pb，Sb，Biの群の中から選択される少なくとも一種の元素であることを特徴とする熱アシスト磁気記録媒体。
- 請求項６に記載の熱アシスト磁気記録媒体において、前記第一の記録層と第二の記録層との間にFeMn層またはMnIr層を有することを特徴とする熱アシスト磁気記録媒体。
- 基板と、前記基板上に形成された少なくとも２層の記録層を有し、前記記録層は硬磁性層であり、硬磁性層を構成する磁性粒子は、粒界において粒子間を磁気的に分離する非磁性物質を有する情報記録媒体と、前記情報記録媒体に磁界を印加する磁極と、前記情報記録媒体の所定の領域を加熱する手段とを有する熱アシスト磁気記録装置において、
前記情報記録媒体の第一の磁性層の記録磁化を保持するためのエネルギー (K u1 ・v 1 )（K u1 は異方性エネルギー、v 1 は粒子の体積)と熱的な揺らぎのエネルギー(k B ・T)（k B はボルツマン定数、Ｔは絶対温度）の比(K u1 ・v 1 )/(k B ・T)と、第二の磁性層の (K u2 ・v 2 )と熱的な揺らぎのエネルギーの比(K u2 ・v 2 )/ (k B ・T)において、
室温では、(K u1 ・v 1 )/(k B ・T)は(K u2 ・v 2 )/(k B ・T)よりも大きく、前記第一の磁性層のキュリー温度近傍では逆に(K u2 ・v 2 )/(k B ・T)が(K u1 ・v 1 )/(k B ・T)よりも大きく、先に第一の磁性層が磁化反転して記録され、第二の磁性層は第一の磁化反転パターンが転写されることを特徴とする熱アシスト磁気記録装置。 - 請求項９に記載の熱アシスト磁気記録装置において、更に前記第一の磁性層のキュリー温度近傍では前記第二の磁性層の異方性磁界強度は前記磁極から印加される磁界強度よりも大きいことを特徴とする熱アシスト磁気記録装置。
- 請求項９に記載の熱アシスト磁気記録装置において、前記情報記録媒体の第一の磁性層のキュリー温度は第二の磁性層のキュリー温度よりも低いことを特徴とする熱アシスト磁気記録装置。
- 請求項９に記載の熱アシスト磁気記録装置において、記録温度は前記第一の磁性層のキュリー温度よりも低いことを特徴とする熱アシスト磁気記録装置。
- 請求項９に記載の熱アシスト磁気記録装置において、前記第一の磁性層は、Co-PtまたはFe-PtまたはSm-Coの合金層、またはCoとPtの多層膜またはCoとPdの多層膜であり、第二の磁性層はCoを主原料とする合金層であることを特徴とする熱アシスト磁気記録装置。
- 請求項１３に記載の熱アシスト磁気記録装置において、前記磁性粒子間を磁気的に分離する非磁性物質は、Ｂ，Al，Cr，Hf，Mg，Si，Ta，Ti，Zrの群の中から選択される元素の酸化物、またはSiO 2 であることを特徴とする熱アシスト磁気記録装置。
- 請求項９に記載の熱アシスト磁気記録装置において、前記第一の記録層と第二の記録層との間にCo層またはCoRu層を有することを特徴とする熱アシスト磁気記録装置。
- 請求項９に記載の熱アシスト磁気記録装置において、前記第一の磁性層は、Co-PtまたはFe-PtまたはSm-Coの合金層、またはCoとPtの多層膜またはCoとPdの多層膜であり、前記第二の磁性層はL1 0 FePt膜であることを特徴とする熱アシスト磁気記録装置。
- 請求項１６に記載の熱アシスト磁気記録装置において、前記磁性粒子間を磁気的に分離する非磁性物質は、Ag，Sn，Pb，Sb，Biの群の中から選択される少なくとも一種の元素であることを特徴とする熱アシスト磁気記録装置。
- 請求項１６に記載の熱アシスト磁気記録装置において、前記第一の記録層と第二の記録層との間にFeMn層またはMnIr層を有することを特徴とする熱アシスト磁気記録装置。
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