JP5161951B2 - スピントルク発振子および磁気記録装置 - Google Patents

Description

本発明の実施形態は、スピントルク発振子およびそれを用いた磁気記録装置に関する。

従来のスピントルク発振子として、発振層、中間層およびスピン注入層を含むスピントルク発振子が存在する。このようなスピントルク発振子において、スピントルク発振を開始するための駆動電流密度、すなわち臨界電流密度を下げることが重要である。

特開２０１０−８０６５０号公報

Nature Materials 6 (6), pp.447-453

本発明の目的は、発振のための臨界電流密度が低下したスピントルク発振子を提供することである。

実施形態によれば、発振層と、スピン注入層と、それらの間に設けられたＣｕ、ＡｕまたはＡｇから成る中間層とを含むスピントルク発振子であって、前記スピン注入層は前記中間層に接して設けられた第１層と前記第１層に接して設けられた第２層とを含み、前記第１層は（００１）面配向したホイスラー磁性合金または（００１）面配向した体心立方格子（ｂｃｃ）構造を有する磁性体を含むスピントルク発振子が提供される。

第１の実施形態に係るスピントルク発振子を示す図。 第２の実施形態に係るスピントルク発振子を示す図。 実施形態に係る磁気記録装置を示す分解斜視図。

以下、実施の形態について図面を参照して説明する。

（スピントルク発振子）
図１は、第１の実施形態に係るスピントルク発振子を含む磁気記録ヘッドを媒体対向面から見た図である。図１によれば、主磁極１０とトレーリングシールド１７との間に、第１の実施形態に係るスピントルク発振子１００が設けられている。スピントルク発振子１００は、主磁極１０側から、下地層１１、バッファ層１２、スピン注入層１３、中間層１４、発振層１５およびキャップ層１６がこの順に積層された構造となっている。さらに、スピン注入層１３は、中間層１４との界面側に第１層２を含み、第１層２とバッファ層１２との間に第２層１を含む。

図１に示される第１の実施形態に係るスピントルク発振子１００では、具体的には、主磁極１０の側から、厚さ１５ｎｍのＴａから成る下地層１１、厚さ５ｎｍの（００１）面配向したＡｌ−Ｎｉ合金から成るバッファ層１２、厚さ１０ｎｍの（００１）面配向したＦｅ−Ｐｔ合金から成るスピン注入層１３の第２層１、厚さ３ｎｍの（００１）面配向したＣｏ_２ＭｎＳｉ合金から成るスピン注入層１３の第１層２、厚さ２ｎｍのＣｕから成る中間層、厚さ１５ｎｍのＦｅ−Ｃｏ合金から成る発振層１５および厚さ２ｎｍのＴａから成るキャップ層１６が積層されている。図１によるスピントルク発振子１００では、スピン注入層１３の第１層２としてホイスラー磁性合金が使用されている。

図２は、第２の実施形態に係るスピントルク発振子１００を含む磁気記録ヘッドを媒体対向面から見た図である。図１と同様に、主磁極１０とトレーリングシールド１７との間に、第２の実施形態に係るスピントルク発振子１００が設けられている。第２の実施形態に係るスピントルク発振子１００では、主磁極１０の側から、厚さ１５ｎｍのＮｉ−Ｔａ合金から成る下地層１１、厚さ５ｎｍの（００１）面配向したＣｒから成るバッファ層１２、厚さ１０ｎｍの（００１）面配向したＦｅ−Ｐｔ合金から成るスピン注入層１３の第２層１、厚さ３ｎｍの（００１）面配向した体心立方格子（ｂｃｃ）構造を有するＦｅ−Ｃｏ合金から成るスピン注入層１３の第１層３、厚さ２ｎｍのＣｕから成る中間層、厚さ１５ｎｍのＦｅ−Ｃｏ合金から成る発振層１５および厚さ２ｎｍのＴａから成るキャップ層１６が積層されている。図２によるスピントルク発振子１００ではスピン注入層１３の第１層３が体心立方格子（ｂｃｃ）構造を有する磁性体であるＦｅ−Ｃｏ合金から成っている。

図１および図２には、スピン注入層１３においてスピンが膜面垂直方向に固定されている様子、および発振層１５においてスピンが歳差運動する様子が模式的に示される。主磁極１０およびトレーリングシールド１７は、スピントルク発振子１００に対してギャップ磁界を印加すると同時に、スピントルク発振子１００に対して電流を流す。この電流により、スピン注入層１３から発振層１５にスピンが注入され、これによってスピンが歳差運動し、高周波磁界が生じる。この高周波磁界を磁気記録媒体に印加することで、当該部位の保磁力が低下し、書き込みのために必要となる記録磁界の強度が低下する。

さらに、第１の実施形態または第２の実施形態に係るスピントルクの場合、スピン注入層１３の第１層が、それぞれ（００１）面配向したホイスラー磁性合金または（００１）面配向した体心立方格子（ｂｃｃ）構造を有する磁性体を含むため、スピン注入層１３の磁化が安定化し、偏極率が向上する。その結果、スピントルク発振の臨界電流密度を下げることができる。なお、本願における「（００１）面配向」という表現は、積層方向に垂直な面に対して結晶の（００１）面を向けていることを意味する。

スピン注入層１３の第１層は、（００１）面配向したホイスラー磁性合金または（００１）面配向した体心立方格子（ｂｃｃ）構造を有する磁性体である。ホイスラー磁性合金を用いる場合、Ｃｏ_２ＭｎＳｉ、Ｃｏ_２ＭｎＡｌ、Ｃｏ_２ＭｎＧｅ、ＣｏＣｒＦｅＡｌ等を使用できる。ｂｃｃ構造を有する磁性体を用いる場合、Ｆｅ、ＣｏおよびＮｉの少なくともどれか１つを含むｂｃｃ構造を有する磁性合金を使用でき、例えばＦｅ−Ｃｏ合金を使用できる。また、ｂｃｃ構造を有する磁性合金として、組成比でＦｅが２５ａｔ．％以上で含まれる合金を使用することが好ましい。良好に（００１）面配向した膜を形成するために、第１層の層厚は３ｎｍ以上であることが好ましい。

スピン注入層１３の第２層１は、垂直磁気異方性を有する磁性体で形成され、特に（００１）面配向した垂直磁気異方性を有する磁性体であることが好ましい。また、第２層１はＬ１_０規則化構造を有する磁性体であることが好ましい。第２層１を（００１）面配向した磁性体とすることで、その上に第１層を形成する際に、（００１）面配向させることが容易となる。第２層１として、Ｆｅ−Ｐｔ合金、Ｆｅ−Ｐｄ合金、Ｃｏ−Ｐｔ合金、Ｃｏ−Ｐｄ合金等を使用することができる。これらは５０：５０の合金であることが好ましい。第２層１は、安定した磁気特性を得るために５ｎｍ以上とすることが好ましい。

バッファ層１２として、金属から成る層を設けることができる。バッファ層１２は、下地層１１と第２層１との間に設けられる。バッファ層１２はｂｃｃ構造を有することが好ましい。また、バッファ層１２は、（００１）面配向したＣｒまたは（００１）面配向したＡｌ−Ｎｉ合金とすることが好ましい。（００１）面配向した材料から成るバッファ層１２を設けることで、その上に第２層１を形成する際に、（００１）面配向させることが容易となる。バッファ層１２の厚さは５〜３０ｎｍとすることが好ましい。

下地層１１として金属から成る層を設けることができる。下地層１１は主磁極１０とバッファ層１２の間に設けられる。下地層１１はアモルファス構造を有することが好ましい。また、下地層１１は、Ｔａとするか、またはＴａ、ＮｂもしくはＺｒとＮｉとを含む合金とすることが好ましい。下地層１１としてこのような材料を使用することで、その上に（００１）面配向したｂｃｃ構造を有するバッファ層１２を形成することが容易となる。下地層１１の厚さは１０〜３０ｎｍとすることが好ましい。

発振層１５は、磁性金属により形成され、好ましくは高Ｂｓ軟磁性材料により形成される。例えば、Ｆｅ、ＣｏおよびＮｉの少なくとも１つを含む金属磁性体を使用することができる。典型的な、発振層１５の例はＦｅ−Ｃｏ合金である。発振層１５では磁化が歳差運動を行い、その磁化のもたらす双極子磁場によって高周波磁界が発生する。発振層１５の厚さは５〜２０ｎｍとすることが好ましい。

中間層１４は、主としてスピン透過率の高い非磁性材料によって形成され、例えばＣｕ、ＡｕまたはＡｇ等によって形成される。中間層１４の厚さは２〜３ｎｍとすることが好ましい。

キャップ層１６として、金属材料から成る層を設けることができる。キャップ層１６は発振層１５とトレーリングシールド１７との間に設けられ、それらを電気的に接続する役割を担う。例えば、キャップ層１６として厚さ２〜２０ｎｍのＴａを用いることができる。

主磁極１０は磁性金属材料から成る。主磁極１０は、高透磁率金属材料とすることが好ましく、例えば、Ｆｅ、ＣｏおよびＮｉから成る群から選択される金属の合金から成る。主磁極１０は、磁気記録媒体に対して記録磁界を印加するとともに、スピントルク発振子１００に対して駆動電流を流すための電極となる。

トレーリングシールド１７は磁性金属材料から成る。トレーリングシールドは、主磁極１０を出て、磁気記録媒体を通った磁界を戻す役割を担う。同時に、主磁極１０とともにスピントルク発振子１００に対して駆動電流を流すための電極となる。

実施形態に係るスピントルク発振子１００は、少なくともスピン注入層１３、中間層１４および発振層１５を含み、任意に下地層１１、バッファ層１２およびキャップ層１６を含む。また、これら以外の層を適宜設けることができる。

（磁気記録装置）
図３は、実施形態に係るスピントルク発振子を含む磁気記録ヘッドを搭載した磁気記録装置１５０を示す斜視図である。

図３に示すように、磁気記録装置１５０は、ロータリーアクチュエータを用いた形式の装置である。磁気記録媒体２００は、スピンドルモータ１４０に装着され、図示しない駆動装置制御部からの制御信号に応答する図示しないモータにより矢印Ａの方向に回転する。磁気記録装置１５０は、複数の磁気記録媒体２００を備えたものでもよい。

磁気記録媒体２００に対して情報の記録再生を行うヘッドスライダー１３０は、薄膜状のサスペンション１５４の先端に取り付けられている。ヘッドスライダー１３０の先端付近には実施形態に係る磁気記録ヘッド１００が設けられている。磁気記録媒体２００が回転すると、サスペンション１５４による押付け圧力とヘッドスライダー１３０の媒体対向面（ＡＢＳ）で発生する浮力とがつりあい、ヘッドスライダー１３０の媒体対向面は、磁気記録媒体２００の表面から所定の浮上量をもって保持される。

サスペンション１５４は、図示しない駆動コイルを保持するボビン部などを有するアクチュエータアーム１５５の一端に接続されている。アクチュエータアーム１５５の他端には、リニアモータの一種であるボイスコイルモータ１５６が設けられている。ボイスコイルモータ１５６は、アクチュエータアーム１５５のボビン部に巻き上げられた図示しない駆動コイルと、このコイルを挟み込むように対向して配置された永久磁石及び対向ヨークからなる磁気回路とから構成することができる。アクチュエータアーム１５５は、ピボット１５７の上下２箇所に設けられた図示しないボールベアリングによって保持され、ボイスコイルモータ１５６により回転摺動が自在にできるようになっている。その結果、磁気ヘッドを磁気記録媒体２００の任意の位置にアクセスできる。

（実施例）
実施例として、図２に示すスピントルク発振子１００を作製し、スピントルク発振のための臨界電流密度を調べた。

主磁極１０に対して、厚さ１５ｎｍのＮｉ−Ｔａ合金から成る下地層１１、厚さ５ｎｍの（００１）面配向したＣｒから成るバッファ層１２、厚さ１０ｎｍの（００１）面配向したＦｅ−Ｐｔ合金から成るスピン注入層１３の第２層１、厚さ３ｎｍのＦｅ−Ｃｏ合金から成るスピン注入層１３の第１層３、厚さ２ｎｍのＣｕから成る中間層、厚さ１５ｎｍのＦｅ−Ｃｏ合金から成る発振層１５および厚さ２ｎｍのＴａから成るキャップ層１６を積層し、最後にトレーリングシールド１７を形成した。

製造したスピントルク発振子１００についてＸ線回折測定を行った結果、Ｆｅ−Ｃｏ合金から成る第１層３は（００１）面配向したｂｃｃ構造を有することが確認された。

さらに、製造したスピントルク発振子１００について、発振層を発振させる際の臨界電流密度を測定した。その結果、１０^７Ａ／ｃｍ^２オーダーの値が得られた。

（比較例）
比較例として、図２と同様な構造のスピントルク発振子を作製した。このスピントルク発振子では、スピン注入層１３の第２層１としてＣｏ_８０Ｐｔ_２０合金を用いた。

すなわち、主磁極１０に対して、厚さ１５ｎｍのＮｉ−Ｔａ合金から成る下地層１１、厚さ５ｎｍの（００１）面配向したＣｒから成るバッファ層１２、厚さ１０ｎｍのＣｏ_８０Ｐｔ_２０合金から成るスピン注入層１３の第２層１、厚さ３ｎｍのＦｅ−Ｃｏ合金から成るスピン注入層１３の第１層３、厚さ２ｎｍのＣｕから成る中間層、厚さ１５ｎｍのＦｅ−Ｃｏ合金から成る発振層１５および厚さ２ｎｍのＴａから成るキャップ層１６を積層し、最後にトレーリングシールド１７を形成した。

製造したスピントルク発振子１００についてＸ線回折測定を行った結果、Ｆｅ−Ｃｏ合金から成る第１層３は（１１０）面配向したｂｃｃ構造を有することが確認された。

さらに、製造したスピントルク発振子について発振層を発振させる際の臨界電流密度を測定した。その結果、１０^８Ａ／ｃｍ^２オーダーの値が必要となることがわかった。すなわち、実施例と比較して高い値となった。

本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。
以下に、当初の特許請求の範囲に記載していた発明を付記する。
［１］
発振層と、スピン注入層と、それらの間に設けられた中間層とを含むスピントルク発振子であって、前記スピン注入層は前記中間層に接して設けられた第１層と前記第１層に接して設けられた第２層とを含み、前記第１層は（００１）面配向したホイスラー磁性合金または（００１）面配向した体心立方格子（ｂｃｃ）構造を有する磁性体を含むスピントルク発振子。
［２］
前記スピン注入層の第２層は（００１）面配向した垂直磁気異方性を有する磁性体を含む［１］に記載のスピントルク発振子。
［３］
前記スピン注入層の第２層に接して設けられたバッファ層をさらに含み、前記バッファ層は（００１）面配向したＣｒまたは（００１）面配向したＡｌ−Ｎｉ合金を含む［２］に記載のスピントルク発振子。
［４］
前記バッファ層に接して設けられた下地層をさらに含み、前記下地層はアモルファス構造を有し、且つＴａを含むか、またはＴａ、ＮｂもしくはＺｒとＮｉとを含む合金を含む［３］に記載のスピントルク発振子。
［５］
［１］に記載のスピントルク発振子を含む磁気記録ヘッドを含む磁気記録装置。

１…第２層、２、３…第１層、１０…主磁極、１１…下地層、１２…バッファ層、１３…スピン注入層、１４…中間層、１５…発振層、１６…キャップ層、１７…トレーリングシールド、１００…スピントルク発振子、２００…磁気記録媒体、１３０…ヘッドスライダー、１４０…スピンドルモータ、１５０…磁気記録装置、１５４…サスペンション、１５５…アクチュエータアーム、１５６…ボイスコイルモータ、１５７…ピボット。

Claims (5)

1. 発振層と、スピン注入層と、それらの間に設けられたＣｕ、ＡｕまたはＡｇから成る中間層とを含むスピントルク発振子であって、前記スピン注入層は前記中間層に接して設けられた第１層と前記第１層に接して設けられた第２層とを含み、前記第１層は（００１）面配向したホイスラー磁性合金または（００１）面配向した体心立方格子（ｂｃｃ）構造を有する磁性体を含むスピントルク発振子。
2. 前記スピン注入層の第２層は（００１）面配向した垂直磁気異方性を有する磁性体を含む請求項１に記載のスピントルク発振子。
3. 前記スピン注入層の第２層に接して設けられたバッファ層をさらに含み、前記バッファ層は（００１）面配向したＣｒまたは（００１）面配向したＡｌ−Ｎｉ合金を含む請求項２に記載のスピントルク発振子。
4. 前記バッファ層に接して設けられた下地層をさらに含み、前記下地層はアモルファス構造を有し、且つＴａを含むか、またはＴａ、ＮｂもしくはＺｒとＮｉとを含む合金を含む請求項３に記載のスピントルク発振子。
5. 請求項１に記載のスピントルク発振子を含む磁気記録ヘッドを含む磁気記録装置。

Images