JP5451096B2 - 磁気ヘッド - Google Patents

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Description

本発明は磁気ヘッドに関し、マイクロ波アシスト記録機構を備えた磁気記録ヘッドに関する。
近年、磁気ディスク装置の高記録密度化が著しく進展し、これに伴って、磁気記録ヘッドに含まれる磁極の狭小化も著しく進んでいる。しかしながら、磁気記録ヘッドが発生する記録磁界強度は磁極の体積と相関があることから、磁極の狭小化が進むにつれて記録磁界強度の確保が困難になる、という問題が存在する。
この問題への対策の一つとして、熱アシスト記録方式がある。熱アシスト記録は、記録時に磁気記録媒体を加熱して保磁力を低下させることにより、書き込みに必要な磁界強度を低下させる方式である。近年、1Tb/in2以上の記録密度を実現する他のアシスト記録方式としてマイクロ波アシスト記録が提案されている。例えば、特許文献1、非特許文献1,2には、スピントルク発振を利用したマイクロ波アシスト記録方式が提案されている。これは、垂直磁気記録ヘッドの主磁極に隣接して、磁化がスピントルクによって高速回転する磁化高速回転体を配置して、磁気記録媒体にマイクロ波を照射し、磁気異方性の大きな磁気記録媒体に情報を記録する方式である。発振器から発生したマイクロ波が媒体に印加されることで、媒体の磁化反転に必要な磁界が減少する。そのため磁気記録ヘッドの主磁極から発生させる記録磁界強度が、従来よりも小さくてすむことが示されている。
WO03/010758A1
TMRC2007-B7講演予稿 Jian-Gang Zhu, Xiaochun Zhu and Yuhui Tang, IEEE Transaction Magnetics, Vol.44, No.1, 125-131 (2008)
マイクロ波アシスト記録では、強力なマイクロ波を磁気記録媒体のナノメートルオーダーの領域に照射して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できる。マイクロ波と主磁極からの磁界の両方を利用して磁化ビットを記録することから、マイクロ波(高周波磁界)発生器は、主磁極近傍に配置されることになり、主磁極からの大きな磁界を受けることになる。マイクロ波発生器が大きな磁界を受けると、マイクロ波発生器内の磁性体の磁化が一方向に向き、磁化が上手く回転しないなど、性能・信頼性の観点から問題である。
本発明は、上記実情に鑑みてなされたものであり、マイクロ波磁界・主磁極からの記録磁界強度を確保しつつも、信頼性の高い磁気記録ヘッドを提供することを主な目的とする。
本発明の磁気ヘッドは、主磁極のヘッド浮上面側に設けられたマイクロ波発生器を有する。マイクロ波発生器は、磁性膜を備え、スピントルクを用いて磁性膜の磁化の向きを回転させることでマイクロ波を発生させる。
本発明の磁気ヘッドでは、マイクロ波発生器を構成する磁性膜と主磁極との間の膜面間距離は、ヘッド浮上面よりマイクロ波発生器の素子高さ方向上端部の方が大きい。あるいは、主磁極は、ヘッド浮上面から絞り位置まではほぼ一定の幅で、前記絞り位置から素子高さ方向に向かって次第に幅が広がる形状を有し、マイクロ波発生器を構成する磁性膜と主磁極との膜面間距離は、ヘッド浮上面より主磁極の絞り位置での方が大きい。
本発明によれば、記録磁界強度を大きく減少させずに、主磁極からマイクロ波発生器に印加される磁界を減少させることができる。
磁気ディスク装置の斜視図である。 ヘッドアッセンブリの先端部を表す図である。 本発明の一実施形態に係る磁気ヘッドの断面図である。 本発明の一実施形態に係る磁気ヘッドの主磁極とマイクロ波発生器の構成例を示す図である。 主磁極のポール部の説明図。 マイクロ波発生器に印加される磁界強度を示す図である。 本発明の一実施形態に係る磁気ヘッドの主磁極とマイクロ波発生器の構成例を示す図である。 マイクロ波発生器に印加される磁界強度を示す図である。 本発明の一実施形態に係る磁気ヘッドの主磁極とマイクロ波発生器の構成例を示す図である。 本発明の一実施形態に係る磁気ヘッドの断面図である。 本発明による主磁極の製造工程を示す図である。 本発明の効果を示す図である。 本発明の効果を示す図である。
本発明の磁気記録ヘッドを搭載したヘッドスライダ、ヘッドアッセンブリ及び磁気ディスク装置の実施形態について、図面を参照しながら説明する。
図1は、磁気ディスク装置1の斜視図である。図1では、トップカバーの図示を省略している。磁気ディスク装置1の筐体には、磁気記録媒体2及びヘッドアッセンブリ4が収納されている。磁気記録媒体2は、筐体の底部に設けられたスピンドルモータ3に取り付けられている。ヘッドアッセンブリ4は、磁気記録媒体2の隣で旋回可能に支承されている。このヘッドアッセンブリ4の先端側には、サスペンションアーム5が設けられ、その先端部にヘッドスライダ10が支持されている。他方、ヘッドアッセンブリ4の後端部には、ボイスコイルモータ7が設けられている。ボイスコイルモータ7は、ヘッドアッセンブリ4を旋回駆動することで、ヘッドスライダ10を磁気記録媒体2上で略半径方向に移動させる。
図2は、ヘッドアッセンブリ4の先端部を表す摸式図である。同図において、X,Y,Z方向は、ヘッドスライダ10の長手方向,幅方向,厚さ方向をそれぞれ表す。このうち、Z方向は、ヘッドスライダ10の浮上方向に対応する。また、X,Y方向は、実質的に、磁気記録媒体2の回転方向,径方向(すなわち、トラックの伸長方向,幅方向)にそれぞれ対応する。また、矢印DRは磁気記録媒体2の回転方向を表し、矢印TRはヘッドスライダ10のトレーリング方向を表し、矢印LDはヘッドスライダ10のリーディング方向を表す。
ヘッドスライダ10は、サスペンションアーム5の先端部に支持されている。このヘッドスライダ10は、ディスク状媒体2と対向するヘッド浮上面10aがABS(Air Bearing Surface)とされ、回転するディスク状媒体2上に空気等の気体のくさび膜効果によって浮上する。このヘッドスライダ10は、アルミナとチタンカーバイトの焼結体(いわゆるアルチック)からなる扁平直方体状のスライダ基板12と、このスライダ基板12のトレーリング側の端面に薄膜形成技術により形成された薄膜部14とを有している。
図3は、ヘッドスライダ10のトレーリング部に設けられた薄膜部14の要部を表す断面摸式図である。記録ヘッド32は、主磁極321と補助磁極325の間に、磁性体からなるピラー323と絶縁体324が配置されている。主磁極321、補助磁極325、ピラー323はパーマロイ、CoFe合金などの軟磁性材料からなる。絶縁体324は、主磁極321、補助磁極325、ピラー323が磁気的につながる程度に薄くすることが望ましい。絶縁体324は、1μm程度としても記録媒体に印加される磁界強度の劣化はほとんどない。主磁極321は、ヨーク部326に接してポール部327が取り付けられている。ポール部327は、ヘッド浮上面10aまで延び、その端面327aがヘッド浮上面10aに現れている。ポール部327のトレーリング側には、磁界勾配を急峻にするための磁性体38が設けられている。磁性体38は、ポール部327のトレーリング側だけに設けてもよいし、ポール部327のトレーリング側とトラック幅方向の両側に三方からポール部327を包囲するように設けてもよい。再生ヘッド34は、磁気抵抗効果素子からなる再生素子341と、これを挟み込む一対の磁気シールド343,344とを含んでいる。また、記録磁界が磁気シールド344に流入することを低減を目的に磁性体からなるシールド37が配置されている。
薄膜部14内には、さらに、スピントルクを用いたマイクロ波発生器45を構成する磁性膜が設けられている。このマイクロ波発生器45を構成する磁性膜は、ポール部327の先端部のトレーリング側に取り付けられている。マイクロ波発生器45を構成する磁性膜は、磁気記録媒体2に局所的にマイクロ波を照射することで、その照射箇所に磁気共鳴を励起し、磁化方向の反転しやすさを高める。マイクロ波励起電流は、ヨーク部326もしくはポール部327から、マイクロ波発生器45を通して補助磁極325に流される。例えば矢印33a,33bのように流される。
主磁極321は、主磁極321と補助磁極325を含む磁気回路に巻回されたコイル329、図の例ではヨーク部326を囲んで巻回されたコイル329により励磁され、ポール部327の端面327aから記録磁界を発する。ポール部327から発生された記録磁界は、磁気ディスク2の磁気記録層21及び中間層22を垂直に貫き、軟磁性裏打ち層23で折り返されて、補助磁極325に吸収される。磁気記録層21には、ポール部327から発生されて記録磁界の印加と共に、マイクロ波発生器45から発生されたマイクロ波が照射され、記録磁化が書き込まれる。記録時にマイクロ波と記録磁界を照射してもよいし、マイクロ波を照射し続けて記録時に所望の記録磁界を照射しても良いし、その逆でも良い。マイクロ波アシスト記録においては、主磁極のポール部327からの記録磁界とマイクロ波発生器45から放射されるマイクロ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。
図4は、本発明の磁気記録ヘッドの主磁極とマイクロ波発生器の構成例を示す拡大断面図である。図5(a)は主磁極の先端に設けられたポール部327の平面図、図5(b)はその斜視図である。
主磁極のポール部327と磁性体38の間には、垂直磁気異方性体451、磁化高速回転体452、非磁性金属層(スピン伝導層)453、垂直磁気異方性体454(スピン注入層)、非磁性金属層(スピン伝導層)455を積層したマイクロ波発生器45が設けられている。マイクロ波発生器45には、主磁極のポール部327及び磁性体38と電気的に接触する手段が備わっており、主磁極327側から磁性体38側、あるいはその逆の方向にマイクロ波励起電流が流せるように構成されている。主磁極のポール部327及び磁性体38とマイクロ波発生器45との間に電極となる層を設けても良い。
垂直磁気異方性体451としては、六方晶CoCrPtなどが用いられる。磁化高速回転体452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にしたCoFe合金などが使われる。厚さとしては例えば20nm程度である。非磁性金属スピン伝導層455及び非磁性金属スピン伝導層453には、Ruやスピン伝導性の高い金属非磁性体であるCu等を用いることができる。垂直磁気異方性体(スピン注入層)454には、CoPtなどが用いられる。磁化高速回転体452では、層に沿った面内で磁化が高速回転し、浮上面に出現する磁極からの漏れ磁界が、マイクロ波(高周波磁界)として作用する。磁化高速回転体452の磁化回転駆動力源は、金属非磁性スピン伝導層453を介して垂直磁気異方性体(スピン注入層)454より流入するスピントルクである。また、非磁性金属スピン伝導層455を介して主磁極のポール部327より流入するスピントルクは、主磁極からの漏洩磁界の影響を減じる向きに作用する。これらのスピントルクの作用を得るには、主磁極327側から磁性体38側へマイクロ波励起電流を流す必要がある。スピントルク作用は、マイクロ波励起電流(電子流)が大きくなるほど大きくなる。
本実施例では、主磁極のポール部327を、端面327aから絞り位置までは浮上面に垂直(マイクロ波発生器45の垂直磁気異方性体451と平行)に形成し、絞り位置より素子高さ方向上部は、マイクロ波発生器45から遠ざかる方向に、浮上面に垂直な面(マイクロ波発生器45の垂直磁気異方性体451の膜面に平行な面)から角度θをなして形成している。そのため、ヘッド浮上面10aにおけるマイクロ波発生器45を構成する磁性膜451と主磁極327のトレーリング端との膜面間距離D1より、マイクロ波発生器45の素子高さ方向上端においてマイクロ波発生器45を構成する磁性膜451と主磁極327のトレーリング端との膜面間距離D2の方が大きい構造となっている。このようにすることにより、媒体に印加される磁界強度を大きく落とさずに、マイクロ波発生器45を構成する磁性膜に主磁極から印加される磁界を低減することができる。
図6は、マイクロ波発生器45を構成する磁性膜の位置に印加される磁界強度を計算した3次元磁界計算結果の図である。
計算条件は、以下の通りである。ポール部327を含む主磁極321から発せられる磁界を3次元磁界計算により計算した。主磁極321のポール部327とトレーリング側の磁性体38との間隔は35nmである。計算では主磁極321のポール部327の幅方向の両側にも磁性体を想定し、その間隔は120nmとした。主磁極321の端面327aのトレーリング側端部の幅は75nmである。主磁極321の端面327aにベベル角αを11度設けて、トレーリング側端部の幅よりもリーディング側端部の幅が狭まった逆台形形状とした。主磁極321の端面327aのX方向の長さは100nmである。主磁極321のポール部327の材料はCoNiFeを想定し、飽和磁束密度を2.4T、比透磁率を500とした。主磁極321のヨーク部326は、飽和磁束密度が1.0Tの80at%Ni−20at%Feを想定した。補助磁極325は、飽和磁束密度が1.0Tの材料を想定し、Y方向の幅を30μm、Z方向の長さを16μm、X方向の長さを2μmとした。主磁極327の絞り位置からの曲がり角度θは45度とした。角度41が大きいとマイクロ波発生器45の磁性膜に印加される磁界は減るが、記録媒体に印加される磁極からの記録磁界も減る傾向になる。
また、再生ヘッドの磁気シールド343,344及びシールド37は、飽和磁束密度が1.0Tの80at%Ni−20at%Feを想定し、Y方向の幅を32μm、Z方向の長さを16μm、X方向の長さを1.5μmとした。磁性体38の磁性材料は、45at%Ni−55at%Feを想定して、飽和磁束密度を1.7T、比透磁率を1000とした。磁性体38の厚さは150nmである。コイル329の巻き数は4ターンで、記録電流値は35mAを仮定した。
磁気ディスク2の軟磁性裏打ち層23は、飽和磁束密度1.1Tの材料からなり、厚さは30nmを想定した。磁気記録層21の厚さは19nmである。中間層22の厚さは20nmである。ヘッドスライダ10の浮上量は11nmと仮定した。従って、ヘッドスライダ10と裏打ち層23の表面までの距離は50nmである。記録磁界は、ヘッド浮上面10aから20.5nmの深さの磁気記録層21の中心位置での値を算出した。また、マイクロ波発生器45に印加される磁界は、主磁極から20nm離れた位置で算出した。
図6の横軸はヘッド素子高さ方向の距離で、原点0がヘッド浮上面とした。縦軸がマイクロ波発生器を構成する磁性膜位置に印加される磁界強度である。マイクロ波発生器を構成する磁性膜と主磁極との間の距離がヘッド浮上面よりマイクロ波発生器の素子高さ方向上端部と等しい従来構造に比べ、本実施例の構造の磁界が減少している事がわかる。この時、磁気記録層中心位置での記録磁界強度は、従来構造が8.8×10(×1000/4π[A/m])、本実施例では8.4×103(×1000/4π[A/m])であり、磁界強度の減少は4.5%である。マイクロ波発生器45を構成する磁性膜に印加される磁界強度の最大値は、従来構造が16.3×103(×1000/4π[A/m])に対して、本実施例は13.9×103(×1000/4π[A/m])と14.5%減少している。このように本実施例は、従来構造に比べて、記録磁界強度の減少量よりマイクロ波発生器45を構成する磁性膜に印加される磁界強度の減少量が大きく、本発明の効果が伺える。
図12に、従来構造に対する本発明の構造のマイクロ波発生位置及び記録層位置の磁界の減少量[%]のD1とD2を異ならせたことによる主磁極の角度θ依存性を示した。θが30〜45度以上になると、マイクロ波発生位置及び記録層位置の磁界の減少量の変化の割合は等しくなる。マイクロ波発生位置及び記録層位置の磁界の減少量の改善割合から考えると、θが30〜45度程度となるようにD1とD2の差を設けるのが良い。
なお、特開2008−277586号公報には、磁極が湾曲した図が示されているが、絞り位置との規定はなされておらず、また、本発明の課題についても触れられていない。従って、特開2008−277586号公報では、本発明の効果を得られない。
図7は、本発明の磁気記録ヘッドの主磁極とマイクロ波発生器の別の実施例を示す拡大断面図である。本実施例では、主磁極のポール部を、端面327aから絞り位置より上方の位置まで、浮上面に垂直な面(マイクロ波発生器45の垂直磁気異方性体451の膜面に平行な面)に対して角度θをなして斜めに形成している。本発明では、図7に示すように、ヘッド浮上面におけるマイクロ波発生器45を構成する磁性膜と主磁極の膜面間距離D1より、主磁極の絞り位置におけるマイクロ波発生器45を構成する磁性膜と主磁極327トレーリング端との膜面間距離D3の方が大きい配置でもよい。このような配置により、絞り部分から漏洩されてマイクロ波発生器45を構成する磁性膜に印加される磁界を低減することができる。
図8に、図7の構成の場合の磁界計算結果を示す。図8の横軸はヘッド素子高さ方向の位置であり、原点0がヘッド浮上面に対応する。縦軸は、面内方向の磁界強度である。主磁極のポール部327の浮上面327aからの曲がり角度θは45度とした。計算に用いた各膜の磁気特性や膜厚など他の条件は、図6の場合と同様である。
図8から、図7の配置においても、マイクロ波発生器45を構成する磁性膜に印加される磁界が従来構造より減少していることがわかる。この時、磁気記録層中心位置での記録磁界強度は、従来構造で8.8×103(×1000/4π[A/m])、本実施例では6.7×103(×1000/4π[A/m])であって、磁界強度の減少は24%である。マイクロ波発生器45を構成する磁性膜に印加される磁界の最大値は、従来構造では16.3×103(×1000/4π[A/m])、本実施例では8.8×103(×1000/4π[A/m])と46%減少している。このように本実施例によると、マイクロ波発生器45を構成する磁性膜に印加される磁界の減少量が記録磁界強度の減少量より大きく、本発明の効果が伺える。
図13に従来構造に対する本発明の構造のマイクロ波発生位置及び記録層位置の磁界の減少量[%]のD1とD3を異ならせたことによる主磁極の角度θ依存性を示した。θが30度以上になると、マイクロ波発生位置及び記録層位置の磁界の減少量の変化の割合は等しくなる。マイクロ波発生位置及び記録層位置の磁界の減少量の改善割合から考えると、θが30度程度となるようにD1とD3の差を設けるのが良い。
図9は、本発明の磁気記録ヘッドの主磁極とマイクロ波発生器の別の実施例を示す拡大断面図である。本実施例では、マイクロ波発生器45を構成する磁性膜は主磁極321のリーディング側に配置されている。このとき、マイクロ波発生器45を構成する磁性膜のリーディング側には電極39が配置され、マイクロ波励起電流が流される。
図10は、マイクロ波発生器45が主磁極321のリーディング側に配置された場合のヘッド全体図を示す断面模式図である。主磁極のトレーリング側には磁界勾配を向上するための磁性体40を配置してもよい。マイクロ波発生器45を構成する磁性膜を主磁極327のリーディング側に配置した場合、主磁極のトレーリング側に配置される磁性体40は磁界勾配向上のみを目的に設計できる利点がある。また、マイクロ波励起電流はリーディング側の電極39を介して流されるので、図3に示したような絶縁体324はなくてもよく、磁気抵抗を低くでき効率を高められる。
また、本発明で採用した主磁極の製造には、傾斜のある主磁極の磁性膜を製膜後に非磁性層を形成し、その後、その非磁性層を平坦化する工程が含まれる。平坦化の手法にはケミカルメカニカルポリッシングなどを用いることができる。
図11に、本発明による主磁極の製造工程例を示す。図の左の列はヘッド走行方向断面を示し、右側の図は浮上面図を示している。図11には、図3及び図4に示した主磁極のポール部の製造工程のみを示す。
図11(a)は、コイルを形成後にもしくはさらに主磁極ヨーク形成後に無機絶縁膜51を形成し、その上にレジストパターン50を形成したところを示す。次に、図11(b)に示すように、このレジストパターン50をマスクとして用いて、無機絶縁膜51のエッチングを行う。無機絶縁膜51としてAl23を用いた場合は、エッチングガスとしてBCl3又はBCl3とCl2の混合ガスを用いればよい。他にAlNを用いた場合は、上記の塩素系ガスを用いればよいが、無機絶縁膜51としてエッチングしやすいTa25,TiC,TiC2,SiO2,SiO等を用いた場合は、エッチングガスとしてフッ素系のCHF3,CF4,SF6,C48等を用いることができる。図11(c)は、エッチング後、レジストを除去したところを示す。
次に、図11(d)に示すように、主磁極ポール部形状形成用のレジストパターンを形成する。次に図11(e)に示すように、磁性膜52をめっきする。図11(f)はレジストを除去したところを示した。図11(f’)はトレーリング側からみた平面図である。この後、所望の寸法の金属非磁性形成と無機絶縁膜355を形成する。その後、図11(g)に示すように、ケミカルメカニカルポリッシングなどで平坦化した後、マイクロ波発生器45の残りの層を形成する。この製造方法により、本発明の磁気ヘッドを製造できる。
なお、図11(e)に示した磁性膜の形成工程はフォトレジストをマスクとしてマグネトロンスパッタ法を用いた工程でも良い。
以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、種々の変形実施が当業者にとって可能であるのはもちろんである。
1…磁気ディスク装置、2…磁気記録媒体、3…スピンドルモータ、4…ヘッドアッセンブリ、5…サスペンションアーム、7…ボイスコイルモータ、10…ヘッドスライダ、10a…ヘッド浮上面、12…スライダ基板、14…薄膜部、21…磁気記録層、22…中間層、23…軟磁性裏打ち層、32…記録ヘッド、33a,33b…マイクロ波励起電流流入・流出、321…主磁極、323…ピラー、324…絶縁膜、325…補助磁極、326…ヨーク部、327…ポール部、327a…ポール部ヘッド浮上面、329…コイル、34…再生ヘッド、341…再生素子、343…下部再生シールド、344…上部再生シールド、37…磁気シールド、38…磁性体、39…電極、40…磁性体、41…角度、45…マイクロ波発生器、451…垂直磁気異方性体、452…磁化高速回転体、453…金属非磁性(スピン伝導層)、454…垂直磁気異方性体(スピン注入層)、455…金属非磁性(スピン伝導層)

Claims (5)

  1. 主磁極と、
    補助磁極と、
    前記主磁極と前記補助磁極を含む磁気回路に巻回されたコイルと、
    前記主磁極のヘッド浮上面側に設けられた、磁性膜を備えるマイクロ波発生器とを有し、
    ヘッド浮上面における前記マイクロ波発生器を構成する磁性膜と前記主磁極との膜面間距離より、前記マイクロ波発生器の素子高さ方向上端部における当該磁性膜と前記主磁極との膜面間距離の方が大きく、
    前記主磁極は、前記浮上面から前記磁性膜高さよりも低い位置までは、前記磁性膜と平行に形成されていることを特徴とする磁気ヘッド。
  2. 主磁極と、
    補助磁極と、
    前記主磁極と前記補助磁極を含む磁気回路に巻回されたコイルと、
    前記主磁極のヘッド浮上面側に設けられた、磁性膜を備えるマイクロ波発生器とを有し、
    前記主磁極は、ヘッド浮上面から絞り位置まではほぼ一定の幅で、前記絞り位置から素子高さ方向に向かって次第に幅が広がる形状を有し、ここで、前記絞り位置は、前記マイクロ波発生器の素子高さ方向上端部よりも低い位置にあり、
    ヘッド浮上面における前記マイクロ波発生器を構成する磁性膜と前記主磁極との膜面間距離より、前記マイクロ波発生器の素子高さ方向上端部における当該磁性膜と前記主磁極との膜面間距離の方が大きく、
    前記主磁極は、前記浮上面から前記絞り位置までは、前記磁性膜と平行に形成されていることを特徴とする磁気ヘッド。
  3. 前記主磁極の前記磁性膜対向面は、前記磁性膜高さよりも低い前記位置から前記マイクロ波発生器の素子高さ方向上端部において前記磁性膜の前記主磁極対向面と30〜45度の角度を形成する請求項1記載の磁気ヘッド。
  4. 前記マイクロ波発生器は前記主磁極のトレーリング側に配置されている請求項1又は2記載の磁気ヘッド。
  5. 前記マイクロ波発生器は前記主磁極のリーディング側に配置されている請求項1又は2記載の磁気ヘッド。
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