JP5509208B2 - 三次元磁気記録再生装置 - Google Patents

Description

本発明は、微小磁性発振素子を読み出しヘッドおよびアシスト型記録ヘッドに用いた多層磁気記録媒体を含む三次元磁気記録再生装置に関する。

巨大磁気抵抗効果（ＧＭＲ効果）を利用したＧＭＲヘッドの登場以来、磁気記録の記録密度は目覚しい速度で向上している。ＧＭＲ素子は、強磁性層／非磁性層／強磁性層のサンドイッチ構造の積層膜からなる。ＧＭＲ素子は、一方の強磁性層に交換バイアスを及ぼして磁化を固定し、他方の強磁性層の磁化方向を外部磁界により変化させ、２つの強磁性層の磁化方向の相対角度の変化を抵抗値の変化として検出する、いわゆるスピンバルブ膜の磁気抵抗効果を利用した素子である。スピンバルブ膜の膜面に電流を流し、抵抗変化を検出するＣＩＰ−ＧＭＲ素子と、スピンバルブ膜の膜面に垂直に電流を流し抵抗変化を検出するＣＰＰ−ＧＭＲ素子が開発されている。その磁気抵抗比（ＭＲ比）はＣＩＰ−ＧＭＲ素子、ＣＰＰ−ＧＭＲ素子とも数％程度であり、２００Ｇｂｉｔ／ｉｎｃｈ^２程度の記録密度まで対応可能であろうと考えられる。
より高密度な磁気記録に対応するため、トンネル磁気抵抗効果（ＴＭＲ効果）を利用したＴＭＲ素子の開発が進められている。ＴＭＲ素子は強磁性層／絶縁体／強磁性層の積層膜からなり、強磁性層間に電圧を印加しトンネル電流を流す。ＴＭＲ素子は、トンネル電流の大きさが上下の強磁性層の磁化の向きによって変化することを利用し、磁化の相対的角度の変化をトンネル抵抗値の変化として検出する素子である。ＭＲ比は最大で１００％程度の素子が得られる。ＴＭＲ素子は、ＧＭＲ素子よりもＭＲ比が大きいため、信号電圧も大きくなる。しかし、純粋な信号成分だけでなく、ショットノイズによる雑音成分も大きくなり、Ｓ／Ｎ比（信号対雑音比）がよくならないという問題がある。ショットノイズは、電子がトンネル障壁を不規則に通過することによって発生する電流の揺らぎに起因しており、トンネル抵抗の平方根に比例して増大する。従ってショットノイズを抑え、必要な信号電圧を得るには、トンネル絶縁層を薄くし、トンネル抵抗を低抵抗化する必要がある。記録密度が高密度化するほど素子サイズは記録ビットと同程度のサイズに小さくする必要があるため、高密度になるほどトンネル絶縁層の接合抵抗を小さく、つまり、絶縁層を薄くする必要がある。３００Ｇｂｉｔ／ｉｎｃｈ^２の記録密度では１Ω・ｃｍ^２以下の接合抵抗が必要とされ、Ａｌ−Ｏ（アルミニウム酸化膜）トンネル絶縁層の膜厚に換算して原子２層分の厚さのトンネル絶縁層を形成しなければならない。トンネル絶縁層を薄くするほど上下電極間の短絡が生じやすくＭＲ比の低下を招くため、素子の作製は飛躍的に困難となる。以上の理由によってＴＭＲ素子の限界は３００Ｇｂｉｔ／ｉｎｃｈ^２程度であろうと見積もられる。上述した素子はいずれも広い意味での磁気抵抗効果（ＭＲ効果）を利用しているが、これらのＭＲ素子に共通した磁気的白色雑音（ホワイトノイズ）やスピントランスファー雑音の問題がある。これらの雑音は上に述べたショットノイズなどの電気的ノイズとは異なり、微小磁化のゆらぎに起因して生じるためＭＲ素子の微細化に伴いより支配的となり、２００Ｇｂｐｓｉから３００Ｇｂｐｓｉ対応の素子では電気的雑音を凌駕すると考えられる。最近では磁気的白色雑音やスピントランスファー雑音を回避し、磁気記録の記録密度をさらに高めるために従来のＧＭＲ型素子に比較してより高い感度をもつ微小磁性発振素子を用いた磁気ヘッドの提案がある（例えば、特許文献１参照）。

特開２００５−２８５２４２号公報

さらに、記録密度を飛躍的に高める方策として媒体に情報が記録された記録層を多層化した三次元記録媒体が考えられているが、これを実現するためには各層ごとに書き込みと読み出しを行う技術が必要となる。

本発明は、上述の課題を解決するためになされたものであり、磁気記録密度の飛躍的増大を可能とする三次元磁気記録再生装置を提供することを目的とする。

上述の課題を解決するため、本発明に係る三次元磁気記録再生装置は、磁化の向きが回転可能なフリー層、該フリー層に積層される第１非磁性層、および該第１非磁性層に積層され、磁化の向きが固定される固定層、により形成される磁性発振素子を含む磁気ヘッドと、互いに共鳴周波数が異なる磁性体により形成され積層される複数の第１磁性層を含み、それぞれの第１磁性層が面内磁化膜で形成される記録トラックを含む磁気記録媒体と、を具備することを特徴とする。

本発明の三次元磁気記録再生装置によれば、磁気記録密度の飛躍的増大を可能とする。

本実施形態における三次元磁気記録再生装置を示すブロック図。 磁気共鳴を利用した記録媒体からの情報の読み出し方法を説明する図。 発振出力と電流との関係を示す図。 面内磁気記録方式による三次元記録媒体の（ａ）上面および（ｂ）断面を示す図。 面内磁気記録方式にパターンドメディアを用いた三次元記録媒体の（ａ）上面および（ｂ）断面を示す図。 三次元記録媒体からの情報の読み出し方法を説明する図。 三次元記録媒体における高周波磁場の強度分布を示す図。 リング型磁極を用いた三次元記録媒体からの情報の読み出し方法に関するトラック方向と平行の断面図。 リング型磁極を用いた三次元記録媒体からの情報の読み出し方法に関するトラック方向と垂直の断面図。 フリー層の磁化が記録媒体の磁化に垂直に設置される微小磁性発振素子の一例を説明する図。 高周波磁場アシストによる磁化反転の一例を示す図。 記録媒体からの読み出しおよび記録媒体への書き込みの際に共用されるリング型磁極を説明する図。 微小磁性発振素子の構成の変形例を示す図。 微小磁性発振素子の周波数の磁化角度依存性を説明する図。 面内磁化膜を付加した微小磁性発振素子の一例を示す図。 面内磁化膜による双極子磁場を説明する図。 人工反強磁性体を説明する図。 第１の実施例で用いられる積層構造を示す図。 第１の実施例における微小磁性発振素子の出力電圧の磁場依存性の実験結果を示す図。 微小磁性発振素子の出力電圧の電流依存性の実験結果を示す図。 第２の実施例で用いられる積層構造を示す図。 第２の実施例における微小磁性発振素子の出力電圧の磁場依存性の実験結果を示す図。 第２の実施例における共鳴周波数と外部磁場との関係を示す図。 従来のアシスト用磁性発振素子の一例を示す図。

以下、図面を参照しながら本発明の実施形態に係る三次元磁気記録再生装置について詳細に説明する。なお、以下の実施形態では、同一の番号を付した部分については同様の動作を行うものとして、重ねての説明を省略する。
本実施形態に係る三次元磁気記録再生装置の構成について図１を参照して詳細に説明する。
本実施形態に係る三次元磁気記録再生装置１００は、微小磁性発振素子１０１と、ＤＣ電流源１０５と、負荷１０６とを含む。
微小磁性発振素子１０１は、固定層１０２、トンネル絶縁膜１０３、および、フリー層１０４の順番から構成される３層構造であり、数十ナノメートルサイズの素子である。微小磁性発振素子１０１は、記録媒体から情報を読み出すときは読み出し用発振素子として、記録媒体に情報を書き込むときはアシスト用発振素子として使用される。

固定層１０２は、磁化膜として、ＣｏあるいはＣｏ／非磁性体積層膜あるいはＣｏＣｒＴａ、ＣｏＣｒＴａＰｔ、ＣｏＴａＮｂなどのＣｏＣｒ系合金が使用されるが、これに限らず、Ｃｏ／Ｐｄ，Ｃｏ／Ｐｔ、Ｃｏ−Ｃｒ−Ｔａ／ＰｄなどのＣｏ多層膜、ＣｏＣｒＰｔ系合金、ＦｅＰｔ系合金、さらに希土類を含むＳｍＣｏ系合金やＴｂＦｅＣｏ合金を使用してもよい。また、固定層１０２は、磁化の向きが固定されている。

トンネル絶縁膜１０３は、絶縁膜としてＡｌ−０（アルミニウム酸化膜）などが用いられる。

フリー層１０４は、Ｆｅ、ＦｅＣｏ合金などの大きな飽和磁化をもつ磁性材料が使用される。これは、強い高周波磁場を得るには、飽和磁化Ｍが大きいことが必要だからである。また、フリー層１０４は、磁化の向きが自由に回転する。

ＤＣ電流源１０５は、微小磁性発振素子１０１に直流電流を流す。
負荷１０６は、歳差運動するフリー層１０４の磁化と固定層１０２の磁化との間のＴＭＲ効果により、発生する数ＧＨｚから数十ＧＨｚの高周波電圧の値を読み取るために使用される。

次に、記録媒体からの読み出し、および記録媒体への書き込みの際の微小磁性発振素子１０１の動作について図１を参照して詳細に説明する。
まず、ＤＣ電流源１０５から微小磁性発振素子１０１へ直流電流を流す。この直流電流の値が閾値以上の値である場合、微小磁性発振素子１０１に含まれるフリー層１０４の磁化Ｍが歳差運動を開始する。フリー層１０４の磁化Ｍが歳差運動する状態を図１右下に示す。このように電流ゼロの場合の磁化の向きを基準とした歳差運動が起こる。
歳差運動するフリー層１０４の磁化と固定層１０２の磁化との間には、ＴＭＲ効果により数ＧＨｚ〜数十ＧＨｚの高周波電圧が発生し、負荷１０６に出力される。加えて、この微小磁性発振素子１０１の近傍には、フリー層磁化の歳差運動に伴う高周波（回転）磁場（数ＧＨｚ〜数十ＧＨｚ）も発生し、本実施形態では電圧（電力）出力および高周波磁場の両方を利用して記録の書き込みおよび読み出しを行う。なお、高周波磁場は、マイクロ波磁場または近接場ともいう。

ここで、磁気共鳴現象を利用した、記録媒体に記録された情報の読み出し方法について図２（ａ）および図２（ｂ）を参照して詳細に説明する。なお、ここでは簡単のため記録媒体の記録層を単層として説明する。
本実施形態の磁気ヘッドとしては、媒体の磁気共鳴を検知するためのセンサとして磁気シールド２０１内に納められた微小磁性発振素子１０１が用いられる。上述したように、微小磁性発振素子１０１に含まれるフリー層１０４の磁化が歳差運動を行うことで発生する高周波磁場２０２が微小磁性発振素子１０１の直下にある記録媒体２０３の磁化に作用する。
予め微小磁性発振素子１０１の発振周波数を記録媒体２０３の磁化の共鳴周波数に一致させておくと、図２（ａ）に示す微小磁性発振素子１０１の直下にある記録媒体２０３の磁化の向きがフリー層磁化の向きと平行な場合には、高周波磁場２０２の影響により記録媒体２０３は磁気共鳴現象を示す。磁気共鳴現象が起こると、記録媒体２０３は高周波磁場２０２のエネルギーを吸収する。この現象は微小磁性発振素子１０１側からみれば、共鳴吸収により微小磁性発振素子１０１のエネルギーが記録媒体２０３に吸収され、微小磁性発振素子１０１のエネルギー損失が増大することを意味している。

微小磁性発振素子１０１の発振出力（出力電圧ともいう）とＤＣ電流源１０５により供給される電流との関係について図３を参照して詳細に説明する。
曲線３０１は、微小磁性発振素子１０１と記録媒体２０３とが共鳴していない状態を示し、曲線３０２は微小磁性発振素子１０１と記録媒体２０３とが共鳴した状態を示す。微小磁性発振素子１０１の発振状態は、電流により供給されるエネルギーと損失が釣り合った状態であるが、図３に示したように共鳴吸収に伴う新たな損失が発生すると発振の閾値電流が増大する。つまり言い換えると、一定電流の下では、曲線３０１における出力電圧の値と曲線３０２における出力電圧の値とを比較すると、曲線３０２の出力電圧の値が曲線３０１の出力電圧の値よりも低くなる。

一方、図２（ｂ）に戻ると、微小磁性発振素子１０１の直下にある記録媒体２０３の磁化の向きがフリー層１０４の磁化の向きと反平行な場合には、記録媒体２０３の磁化の歳差運動の向きとフリー層１０４の磁化により発生する高周波磁場２０２の回転方向が逆であるため記録媒体２０３は磁気共鳴を示さない。この場合には、微小磁性発振素子１０１には新たな損失が発生せず、出力電圧の低下は生じない。すなわち、微小磁性発振素子１０１の発振出力の大小により記録媒体２０３に記録された磁化の向きを検出することができるので、情報を読み出すことが可能となる。なお、出力電圧の変化に伴って電圧の位相も変化するので、電圧変化に代えて位相変化を検知することにより記録媒体２０３に記録された情報を読み出すことも可能である。

ここで、本実施形態で用いる面内磁気記録方式のよる三次元磁気記録媒体の一例について図４（ａ）および図４（ｂ）を参照して詳細に説明する。図４（ａ）および図４（ｂ）に示すように、各ビット４０１の磁化の向きが矢印で示されている。ビットは、１つの磁化の向きを示す領域で表せる。各ビット４０１の磁化は、同一平面内かつトラック方向に垂直な方向を向いている。つまり、ビット４０１同士の磁束が面内に閉じこめられ、記録媒体２０３からの磁束漏洩がほとんどない。このような構造は、記録媒体２０３からの漏洩磁場を検知することで読み出しを行う従来の磁気記録方式では用いることができないが、磁気共鳴現象を利用した本実施形態の磁気記録方式では読み出すことが可能である。
さらに、図４（ａ）の記録媒体２０３は、ビット４０１間の静磁結合が弱いため記録媒体３０３の高密度化が可能であり、また磁性層４０２からの磁束漏洩がほとんどないため記録層を多層にして情報を記録する三次元記録化が可能である。ここでは、記録媒体２０３が４層からなる場合の断面図を図４（ｂ）に示す。
三次元記録化された記録媒体２０３は、情報が記録された磁性層４０２と、非磁性層４０３とを交互に積層することにより構成される。非磁性層４０３で分離された各磁性層４０２は、それぞれ異なる共鳴周波数ｆ_１からｆ_４までの磁性体で構成されており、記録媒体２０３のうち磁気ヘッドに最も近い磁性層４０２から最も遠い磁性層４０２へ向かって（図４（ｂ）では下側）順次共鳴周波数の高い磁性層４０２が配置される。つまり、共鳴周波数は、ｆ_１＜ｆ_２＜ｆ_３＜ｆ_４の順に大きくなる。この理由については、図７を参照して後述する。
なお、図４に示した記録媒体２０３に替えてパターンドメディアを用いてもよい。記録媒体２０３をパターンドメディアを用いて構成した一例を図５に示す。図５（ａ）および図５（ｂ）に示すように、各ビット４０１は、非磁性体５０１により分離される異方性の強い磁性材料を用いており、トラック方向に対して各ビット４０１が非磁性体５０１によって囲まれ、トラック方向に対し基板方向（磁性層の積層方向）にも各ビット４０１が非磁性体５０１によって囲まれる。この非磁性体５０１の周りに軟磁性体５０２を配置することにより、各ビット４０１を規則正しく整列させることができ、よって記録密度および記録の安定性を高めることが可能となる。さらに、図４および図５に示したような面内磁気記録方式に限らず、垂直磁気記録方式を用いてもよい。

つぎに、三次元記録化された記録媒体、つまり記録層が多層化されている記録媒体からの情報の読み出し方法について、図６（ａ）および図６（ｂ）を参照して詳細に説明する。ここでは簡単のために、記録層が２層からなる記録媒体であり、ユーザが情報を読み出したい記録層が第２層にあり、第１層の記録層には異なる情報が記録されている場合を考える。
上述したように、記録媒体２０３の第１層および第２層は、共鳴周波数が互いに異なる磁性体で構成される。第１層の記録層の共鳴周波数がｆ_１、第２層の記録層の共鳴周波数がｆ_２の場合、第２層に記録された情報を読み出す場合には、発振周波数がｆ_２の微小磁性発振素子１０１を用いればよい。微小磁性発振素子１０１の発振周波数ｆ_２と第１層の共鳴周波数ｆ_１とは周波数が異なるため、磁化の向きにかかわらず第１層の磁性体は共鳴吸収を示さない。

一方、図６（ａ）に示すように、微小磁性発振素子１０１の直下にある第２層のビット４０１の磁化がフリー層１０４の磁化と平行な場合、この磁化は共鳴吸収を示す。その結果、微小磁性発振素子１０１の出力電圧が低下する。この出力電圧の変化により記録媒体の第２層から情報を読み取ることができる。

また、図６（ｂ）の場合は、微小磁性発振素子１０１の直下にある第２層のビット４０１の磁化は、共鳴周波数ｆ_２は同一であるが、フリー層磁化と反平行であり、磁化の歳差運動の向きが逆になるため共鳴吸収を示さない。その結果、出力電圧の低下は起こらない。すなわち、図６（ａ）および図６（ｂ）に示したように、微小磁性発振素子１０１の出力電圧は第１層の磁化の向きに影響されず、第２層の磁化の向きのみにより変化するので第２層に記録された情報を読み出すことができる。なお、第１層に記録された情報を読み出すには、共鳴周波数がｆ_１の微小磁性発振素子１０１を用いればよい。同様に、記録媒体２０３にｎ個の記録層がある場合でも、ｆ_１からｆ_ｎまでのｎ個の異なる共鳴周波数を用いることにより三次元記録媒体の任意の層を選択的に読み出すことができる。ｎ個の発振周波数は、１個の微小磁性発振素子１０１の周波数を変えることによって得てもよいし、周波数の異なる複数の微小磁性発振素子１０１を用いてもよい。

ここで、記録媒体の表面層から下層に向かって記録層の共鳴周波数を順次高くする理由を図７を参照して詳細に説明する。
図７は、各記録層（磁性層）における高周波磁場の強度分布を示す。記録媒体２０３が三次元記録化される場合には、記録媒体２０３の表面から下層に向かって、微小磁性発振素子１０１による高周波磁場の強度分布が点線で示したように広がり、記録の読み出しの分解能が劣化することが考えられる。しかし、磁性体の透磁率は、共鳴周波数より周波数が大きくなると急速に減少する。よって、表面層から下層に向かって記録層の共鳴周波数を順次高くなるように記録層を配置すると、読み出したい記録層（磁性層４０２）に共鳴する高周波磁場は、その記録層の共鳴周波数よりも表面に近い記録層の共鳴周波数のほうが周波数は低いため、影響をほとんど受けずに読み出したい記録層に到達することができる。よって、図７の実線で示したように高周波磁場強度の広がりと減衰を抑制し、読み出しの分解能の劣化を防ぐことができる。

さらに、高周波磁場強度の広がりによる読み出し分解能の劣化をさらに抑制するには読み出し用発振素子として微小磁性発振素子１０１を用いることに加え、補助磁極を用いることが有効である。補助磁極としてリング型磁極を用いた場合の読み出しヘッドの断面図を図８および図９を参照して詳細に説明する。図８はトラック方向の断面図であり、図９はトラックに垂直方向の断面図である。
読み出しヘッドの構造は、リング型磁極８０１（以下、補助磁極ともいう）と微小磁性発振素子１０１で構成される。補助磁極は記録層内の所望のビットを選択するために使用され、補助磁極により印加される磁場はビットの磁化を反転させない程度に弱いことが必要である。選択されたビットの磁気共鳴現象は、微小磁性発振素子１０１の出力電圧の低下として検知されるのでの読み出しがなされる。

補助磁極の直下にある第４層の記録層にあるビットを読み出す場合を考える。このビットは補助磁極により他の第４層のビットに比較してより強い磁場が印加され、共鳴周波数がｆ_４からｆ_４ ^＊に変化する。よって微小磁性発振素子１０１の周波数をｆ_４ ^＊に設定することにより第４層の補助磁極の直下のビットにのみ選択的に共鳴吸収を生じさせることができる。なお、補助磁極を用いる場合には、微小磁性発振素子１０１を読み出したいビットの直上に設置することが難しい場合がある。しかし、公知であるように共鳴状態にある磁性体は、その高周波透磁率が非共鳴状態のものに比べて１桁以上大きい。その結果、微小磁性発振素子１０１が読み出したいビットの直上に設置されていない場合でも、高周波磁場の磁束が読み出したいビットに集中し、このビットに十分強い高周波磁場が印加される。なお、図８および図９に示す補助磁極は微小磁性発振素子１０１に近接させているが、これに限らず、補助磁極および微小磁性発振素子１０１の位置関係は、微小磁性発振素子１０１が射出する電磁波が読み出しを行うビットに届く位置にあればよい。

補助磁極を用いた場合の微小磁性発振素子の設置例について図１０（ａ）および図１０（ｂ）を参照して詳細に説明する。図１０（ａ）に示すように、微小磁性発振素子１０１のフリー層１０４が記録媒体３０３に垂直に設置された場合や、あるいは図１０（ｂ）に示すように、フリー層１０４が垂直磁化膜の場合でも記録の読み出しが可能である。図１０（ａ）および図１０（ｂ）の場合は、図２（ａ）および図２（ｂ）に示す場合と異なり、微小磁性発振素子１０１により発生する高周波磁場は、記録媒体２０３の磁化の向きにかかわらず磁気共鳴吸収を生じさせてしまう。しかし、補助磁極を用いることにより一方の向きにのみ磁気共鳴吸収を生じさせることができる。すなわち、補助磁極の発生する磁場が記録媒体２０３の磁化に作用すると磁場に平行な磁化の共鳴周波数はｆからｆ＋Δｆへ、反平行な磁化の共鳴周波数はｆからｆ−Δｆへ変化する。微小磁性発振素子１０１の発振周波数をｆ＋Δｆに設定すれば平行な磁化のみに、ｆ−Δｆに設定すれば反平行な磁化のみに、それぞれ磁気共鳴を誘起することができる。よって、所望のビットのみ選択的に読み出すことが可能となる。

次に、磁気共鳴現象を利用した、本実施形態のアシスト型記録ヘッドの構造を用いた記録媒体への書き込み方法について詳細に説明する。アシスト型記録ヘッドの構造は、図８および図９に示した補助磁極を用いた読み出しヘッドの構造と同じであり、補助磁極を記録磁極として用い、微小磁性発振素子１０１をアシスト用発振素子として用いることができる。
記録を行う場合と読み出しを行う場合との違いは、磁化反転を生じさせるために記録磁極による磁場および発振素子による高周波磁場をともに読み出しの場合よりも強く印加することである。なお、図１０（ａ）に示すフリー層１０４が記録媒体２０３に垂直な配置である微小磁性発振素子１００１や、図１０（ｂ）に示すフリー層１０４が垂直磁化膜である微小磁性発振素子１００２を、図８に示す微小磁性発振素子１０１に替えて用いてもよい。

記録磁極の直下にある第ｎ層のビットの磁化を反転する場合の一例を説明する。高周波磁場によるアシスト作用（高周波アシスト法ともいう）は２つの原理に基づいて発生する。第１の原理は、高周波磁場による磁化の共鳴反転によるものであり、第２の原理は、高周波磁場による磁性体の共鳴吸収加熱によるものである。前者は減衰定数αの小さな磁性体で形成された媒体において主要な原理となり、後者は減衰定数αの大きな磁性体で形成された媒体において主要な原理となる。
第１の原理について図１１を参照して詳細に説明する。第ｎ層にある磁性体の異方性磁場Ｈ_ｋ１１０１より小さな記録ヘッド磁場Ｈ_ｎ１１０２を、所望のビットの磁化Ｍと逆向きに印加する。Ｈ_ｎはＨ_ｋより小さいのでこの状態では磁化反転は生じないが、同時に式（１）で表される共鳴周波数の高周波磁場ｈを、微小磁性発振素子により印加すると磁化Ｍは歳差運動を始める。

ｆ_ｎ＝(γ／２π)(Ｈ_Ｋ−Ｈ_ｎ) （１）
高周波磁場ｈが十分大きく
(γ／２π)ｈ＞αｆ_ｎ （２）
の関係が満たされれば歳差運動の振幅は時間とともに増大し、最後には磁化Ｍが反転する。ただしγは磁気回転比である。記録ヘッドの直下にないビットの磁化や他の記録層のビットの磁化は、式（１）の条件を満たしていないので高周波磁場に共鳴せず磁化反転は生じない。第１の原理に基づいた磁化反転は、磁化の歳差運動に伴うスピン系のエネルギーが格子系に緩和する程度の時間内で生じるため格子系の温度（記録媒体のビットの温度）はほとんど上昇しない。
一方、減衰定数αが大きい媒体に関しては上で述べた第２の原理、すなわち高周波磁場による記録媒体のビットの共鳴吸収加熱による磁化反転が生じる。記録媒体に吸収される高周波パワーＰは記録媒体の帯磁率の虚数部χ″に依存し、高周波磁場をｈとすると下記の式（３）と表される。

χ″（ω）は周波数に強く依存し、媒体の共鳴周波数から離れた周波数では小さく１程度であるが、共鳴周波数近くでは１０から１００程度に増大する。記録媒体の加熱効率は吸収パワーに依存するので、共鳴周波数近くの高周波磁場により記録媒体は強く加熱される。すなわち記録磁極の直下にある第ｎ層のビットのみが選択的に加熱され他のビットはほとんど加熱されない。媒体温度が上昇するとレーザーアシストと同様に異方性定数Ｋ_ｕ１が減少し、記録ヘッドの磁場により選択的に磁化を反転させることにより書き込みが行われる。

上述した第１の原理および第２の原理は典型的な場合であり、多くの現実の系では第１の原理及び第２の原理が共存する状態で磁化反転が生じ、上の説明から明らかなように高周波アシスト法により三次元記録媒体の所望のビット磁化のみを反転させることにより記録媒体に書き込みを行うことができる。

ここで、読み出しおよび記録兼用の磁気ヘッドの構成例を図１２に示す。このリング型磁極は、三次元記録媒体の各記録層に記録するための記録磁極と、三次元記録媒体の各記録層からの読み出しを行うための補助磁極とを兼用できるため、磁気シールド内に、リング型磁極８０１と、２つの微小磁性発振素子１０１とを用意し、１つはアシスト用発振素子として、残りの１つは読み出し用発振素子として使用することで、記録および読み出し兼用の磁気ヘッドを構成することも可能である。

以上に示した実施形態によれば、微小磁性発振素子と記録磁極とを用いることにより、各層ごとに磁気共鳴周波数が異なる記録媒体に対して、磁気共鳴現象を利用した各層への選択的書き込みと、各層からの選択的読み出しを行うことができ、磁気記録密度の飛躍的増大が可能となる。

（変形例）
アシスト用発振素子として用いられる微小磁性発振素子は、強い高周波磁場を発生させるために、フリー層の飽和磁化が大きいことに加えて、磁化の歳差運動の振幅が大きいこと、すなわち磁化の大振幅運動を起こすことが必要となる。さらに、微小磁性発振素子は、共鳴周波数の異なる層の読み出しに対応するための広い周波数可変性と良好なＳ／Ｎ比を得るための大きな出力電圧とが求められる。

微小磁性発振素子の構成の変形例について図１３を参照して詳細に説明する。
まず、図１３に示す素子構成が磁化の大振幅運動に適する理由を説明する。この微小磁性発振素子１３００は、フリー層１３０１は面内磁化膜、固定層１３０３は垂直磁化膜で構成し、フリー層１３０１と固定層１３０３の間には非磁性層１３０２が挟まれている。さらに、フリー層の上層には上部電極１３０４、固定層１３０３の下層には下部電極１３０５が積層され、両電極に微小磁性発振素子１３００が挟まれた状態となる。

フリー層１３０１の磁化は、上述のように臨界電流密度Ｊｃ以上で固定層１３０３の垂直磁化膜の垂直軸周りで歳差運動を開始する。図１３に示す素子構成では、磁化の大振幅状態での磁気エネルギーが小さい状態で磁化の大振幅運動を起こすことができる。これは、フリー層１３０１の面内磁化膜の磁化が、少しでも立ち上がった状態で固定層１３０３の垂直軸周りで歳差運動が起これば、垂直磁化膜方向に大きい振幅運動を得ることができるからである。また、図１３に示す素子構成においてフリー層の磁化は、単一磁区として振舞うことが実験的にも確かめられている。

次に、図１３に示す素子構成が広い周波数可変性を有することについて説明する。三次元記録された記録媒体の各記録層への書き込みおよび読み出しには、周波数の異なる高周波磁場が必要となる。異なる高周波磁場を発生させるには、発振周波数の異なる複数の素子を用いることにより対応が可能ではあるが、１つの素子で広い周波数範囲の高周波磁場が得られることがより望ましい。
図１３に示す素子構成の微小磁性発振素子１３００はその発振周波数が式（４）で与えられ、きわめて広い範囲で周波数が可変である。

ただし、γは磁気回転比、Ｍｚは磁化Ｍのｚ成分で素子に流す直流電流に比例する。例としてフリー層にＦｅを用いた場合のＭｚ／Ｍ（＝ｓｉｎθ）と発振周波数との関係について図１４を参照して詳細に説明する。
例えば、電流の値を大きくすることによって、ｓｉｎθを０．１６（θ＝９．２°）から０．５（θ＝３０°）まで変化させると、磁性発振素子の発振周波数は１０ＧＨｚから３０ＧＨｚまで大きく変化する。よって、図１３に示す発振素子の構成は、１個の発振素子で広い周波数範囲の高周波磁場を得ることができ、三次元記録媒体への書き込みに対応することができる。微小磁性発振素子１３００の非磁性層には非磁性金属あるいはトンネル絶縁膜を採用することができるが、素子の発熱を抑制するためには、より発熱の少ないＣｕなどの非磁性金属を用いることが好ましい。

高周波（電圧）出力をモニターする場合の磁性発振素子の構成例について、図１５、図１６、および図１７を参照して詳細に説明する。
図１５に示すように、本変形例の構成では、電圧をモニターするにはフリー層を構成する面内磁化膜１３０１の上方に、非磁性層１５０２を挿入し、さらに非磁性層１５０２の上方に面内磁化膜１５０１を挿入することが必要である。出力電圧はフリー層１３０１と面内磁化膜１５０１との間のＭＲ効果により生じるが、素子の発熱を抑制するためには、非磁性層１３０２と同様に非磁性層１５０２に非磁性金属を用いることが好ましい。しかし、図１６に示すように、面内磁化膜１５０１は模式的に示したようにフリー層１３０１との双極子相互作用により発振周波数を低下させる。この発振周波数の低下を抑制するためには、面内磁化膜１５０１を図１７に示した人工反強磁性体１７０１とし、双極子相互作用を低減することが好ましい。
最後に、大きな出力電圧を得るための構成を説明する。出力電力は、フリー層１３０１の歳差運動の振幅とＭＲ比の積に比例するが、一般にトンネル接合のＭＲ比は、非磁性金属を介した接合のＭＲ比に比較して大きいので、大きな出力電圧を得るためには図１５の非磁性層１５０２としてトンネル絶縁膜を用いればよい。

以上に示した実施形態によれば、フリー層を面内磁化膜、固定層を垂直磁化膜で構成した微小磁性発振素子と、記録磁極とを用いることにより、各層ごとに磁気共鳴周波数が異なる記録媒体に対して、広い範囲で周波数可変な微小磁性発振素子による磁気共鳴現象を利用した各層への選択的書き込みと、各層からの選択的読み出しを効率的に行うことができる。

次に本実施形態に係る実施例について説明する。
（第１の実施例）
微小磁性発振素子とコプレナーガイドとの積層構造の一例について図１８を参照して詳細に説明する。
図１８に示す積層構造１８００は、スパッタ法によりガラス基板１８０５上に成膜した磁性積層膜を電子線および光リソグラフィーを用いて作製する。コプレナーガイド１８０１の中心導体はＣｏＦｅ１／Ｒｕ／ＣｏＦｅ２積層膜１８０２とＣｕ１８０３との積層構造になっており微小磁性発振素子１０１の上部電極を兼ねている。
ＣｏＦｅ１膜およびＣｏＦｅ２膜の保磁力Ｈｃはそれぞれ５２０ Ｏｅおよび６４０ Ｏｅであり、４５０ Ｏｅの外部磁場の下でのＣｏＦｅ１層およびＣｏＦｅ２層の共鳴周波数は、磁化と平行な場合はそれぞれ８．１ＧＨｚおよび９．７ＧＨｚであり、反平行な場合はそれぞれ４．３ＧＨｚおよび６．４ＧＨｚである。微小磁性発振素子１０１のフリー層１０４にはＦｅＣｏＢ膜、固定層１０２にはＦｅＣｏＢ／Ｒｕ／ＦｅＣｏ積層膜、トンネル絶縁膜１０３にはＭｇＯが用いられる。微小磁性発振素子１０１の下部電極（Ｃｕ）１８０４は、固定層１３０３の下層に配置され、コプレナーガイド１８０１のグランドプレーン（図示せず）に接続されている。つまり、下部電極１８０４は、グランド（ＧＮＤ）に接続される。フリー層１０４および固定層１０２は共にＩｒＭｎにより交換バイアスが印加されているが、フリー層１０４の交換バイアスを、４５０ Ｏｅの外部磁場の下での発振周波数が８．１ＧＨｚになるように微小磁性発振素子１０１に流す直流電流を調整する。

＜磁化の向きの読み出し＞
微小磁性発振素子１０１の出力電圧の磁場依存性について図１９を参照して詳細に説明する。微小磁性発振素子１０１に２ｍＡの電流を流し磁場を逐次減少させることにより微小磁性発振素子１０１の出力電圧の磁場依存性を測定した。図１９中の黒丸は、フリー層磁化の向きに６００ Ｏｅの磁場を印加し、ＣｏＦｅ１層の磁化の向きをフリー層１０４の磁化の向きと平行にした場合の出力電力の磁場依存性を示す。図１９中の白丸は、フリー層１０４の磁化と逆向きに６００ Ｏｅの磁場を印加し、ＣｏＦｅ１層の磁化をフリー層１０４の磁化の向きと反平行にした場合の磁場依存性を示す。

図１９において、外部磁場が約４５０ Ｏｅにおいて、平行の場合は、黒丸でしめす微小磁性発振素子の出力電圧が急激に低下し、ＣｏＦｅ１層に磁気共鳴が生じていることが分かる。一方、反平行の場合には磁気共鳴が生じず、白丸で示す出力電圧が低下しないことが分かる。すなわち、磁気共鳴を観測することによりＣｏＦｅ１層の磁化の向きを読み出すことができる。

＜磁化反転による書込み＞
微小磁性発振素子１０１の周波数が４．３ＧＨｚである以外は上記と同様な構造を作製し、始めに、ＣｏＦｅ１層の磁化と反平行に４５０ Ｏｅの外部磁場を印加する。次に、微小磁性発振素子１０１に２ｍＡの電流を流して、微小磁性発振素子１０１の出力電圧の磁場依存性を測定したところ図１９の黒丸と同様に４５０ Ｏｅで磁気共鳴による電圧の低下が観測される。そして、外部磁場を４５０ Ｏｅに固定したまま電流を増加させた場合の出力電力の電流依存性を図２０に示す。約２．５ｍＡにおいて電圧の急激な上昇がみられる。この結果はすなわち、高周波磁場によりＣｏＦｅ１層の磁化が反転したことを示す。

（第２の実施例）
微小磁性発振素子として変形例で用いた図１５に示す構造を用いて面内磁化膜１５０１を人工反強磁性体１７０１で構成した場合を図２１を参照して詳細に説明する。図２１に示す積層構造２１００は、図１８と同様の方法で製作可能な微小磁性発振素子１５００とコプレナーガイド１８０１の積層構造の断面図である。ＣｏＦｅ１膜およびＣｏＦｅ２膜の磁化は、ＩｒＭｎ膜（図示せず）の交換バイアスによりそれぞれ図２１に示す矢印の向きに固定される。

微小磁性発振素子１５００のフリー層１３０１にはＦｅ膜、固定層１３０３にはＦｅＰｔ垂直磁化膜、面内磁化膜１５０１にはＣｏＦｅ／Ｒｕ／ＣｏＦｅＢ人工反強磁性膜を用い、フリー層１３０１および面内磁化膜１５０１の磁化の容易軸はコプレナーガイド１８０１と平行となるように設定する。非磁性層１３０２にはＭｇＯトンネル絶縁膜、非磁性層１５０２および非磁性層１５０３にはＣｕ膜を用いる。微小磁性発振素子１５００の下部電極（Ｃｕ）１８０４は、固定層１３０３の下層に配置され、コプレナーガイド１８０１のグランドプレーン（図示せず）に接続される。微小磁性発振素子１５００の発振周波数は、微小磁性発振素子１５００に流す直流電流により可変であるが、２．３ｍＡの電流を流すことにより１０．０ＧＨｚに設定した。

＜磁化の向きの読み出し＞
微小磁性発振素子１５００の出力電圧の磁場依存性を測定した結果を図２２に示す。
（ａ）で示される曲線は、外部磁場がＣｏＦｅ１膜の磁化に平行に印加された場合であり、（ｂ）で示される曲線は、外部磁場がＣｏＦｅ２膜の磁化に平行に印加された場合を示す。外部磁場の向きがＣｏＦｅ１膜の磁化と平行な場合、図２２の（ａ）に示したように４９０ Ｏｅで出力電圧の低下が観測され、外部磁場の向きがＣｏＦｅ１膜の磁化と反平行の場合（ＣｏＦｅ２膜の磁化とは平行の向き）、図２２の（ｂ）に示したように５５０ Ｏｅで出力電圧の低下が観測される。ここで、共鳴周波数と外部磁場との関係を図２３に示す。図２３を参照すると、微小磁性発振素子１０１の発振周波数が１０ＧＨｚに設定してあり、（ａ）ＣｏＦｅ１膜の場合は共鳴周波数が１０ＧＨｚのときに外部磁場が４９０ Ｏｅであり、（ｂ）ＣｏＦｅ２膜の場合は共鳴周波数が１０ＧＨｚのときに外部磁場が５５０ Ｏｅである。よって、これらの電圧減少はそれぞれＣｏＦｅ１膜およびＣｏＦｅ２膜の磁気共鳴吸収により生じたことが分かる。また、ＣｏＦｅ１膜およびＣｏＦｅ２膜の磁化が外部磁場と逆向きの場合には出力電圧の低下は観測されない、すなわち磁気共鳴吸収が生じないことが分かる。

＜磁化反転による書込み＞
ＣｏＦｅ１膜およびＣｏＦｅ２膜の磁化が交換バイアスされていないこと以外、上述した方法により、図２１の構造と同様の構造を作成する。この構造におけるＣｏＦｅ１膜およびＣｏＦｅ２膜の保磁力は、それぞれ３２０ Ｏｅおよび３５０ Ｏｅであった。初めに５００ Ｏｅの外部磁場を印加した後、外部磁場を１００ Ｏｅに減少させ上述の方法でＣｏＦｅ１膜およびＣｏＦｅ２膜の磁気共鳴を測定したところ、それぞれ６．４ＧＨｚおよび６．８ＧＨｚで共鳴吸収が生じる。続いて、磁場方向を逆転し−１００ Ｏｅの外部磁場を印加した状態で、微小磁性発振素子１５００により高周波磁場を印加したところＣｏＦｅ１膜は４．６ＧＨｚ、ＣｏＦｅ２膜は５．０ＧＨｚにおいてそれぞれ磁化の反転が観測され高周波磁場によるアシスト効果を確認することができる。

以下比較例として、従来の磁気記録に用いられているアシスト用発振素子の例を図２４（ａ）および図２４（ｂ）に示す。図２４（ａ）はフリー層１３０１、固定層１３０３ともに垂直磁化膜を用いた素子で、図２４（ｂ）はフリー層１３０１、固定層１３０３ともに面内磁化膜を用いた素子である。単磁区構造を仮定したシミュレーションによると、いずれの素子においても大振幅運動ではフリー層１３０１の磁化の向きは熱平衡状態のものから大きく変化している。すなわち、図２４に示すような構造において、磁化の大振幅運動を発生させるために角度θの値が大きくするには、大きな磁気エネルギーが必要となる。なお、実験的には、図２４に示すような構造で磁化の大振幅運動は観測されておらず、磁気エネルギーの大きな状態、つまり角度θの値の大きな状態では、フリー層１０４は単磁区構造になっておらず、より複雑で不安定な運動をしていると考えられる。

なお、本発明は上記実施形態そのままに限定されるものではなく、実施段階ではその要旨を逸脱しない範囲で構成要素を変形して具体化できる。また、上記実施形態に開示されている複数の構成要素の適宜な組み合わせにより、種々の発明を形成できる。例えば、実施形態に示される全構成要素から幾つかの構成要素を削除してもよい。さらに、異なる実施形態にわたる構成要素を適宜組み合わせてもよい。

本発明に係る三次元磁気記録再生装置は、例えば、ＨＤＤ（Ｈａｒｄ Ｄｉｓｋ Ｄｒｉｖｅ）などの磁気記録媒体への情報の書き込みおよび情報の読み出しを行うのに有効である。

１００・・・三次元磁気記録再生装置、１０１，１００１，１００２，１３００，１５００・・・微小磁性発振素子、１０２，１３０３・・・固定層、１０３・・・トンネル絶縁膜、１０４，１３０１・・・フリー層、１０５・・・電流源、１０６・・・負荷、２０１・・・磁気シールド、２０２・・・高周波磁場、２０３・・・記録媒体、３０１，３０２・・・曲線、３０３・・・記録媒体、４０１・・・ビット、４０２・・・磁性層、４０３，１３０２，１５０２，１５０３・・・非磁性層、５０１・・・非磁性体、５０２・・・軟磁性体、８０１・・・リング型磁極、１３０４・・・上部電極、１３０５，１８０４・・・下部電極、１５０１・・・面内磁化膜、１７０１・・・人工反強磁性体、１８００、２１００・・・積層構造、１８０１・・・コプレナーガイド、１８０２・・・積層膜、１８０３・・・Ｃｕ、１８０５・・・ガラス基板。

Claims (12)

1. 磁化の向きが回転可能なフリー層、該フリー層に積層される第１非磁性層、および該第１非磁性層に積層され、磁化の向きが固定される固定層、により形成される磁性発振素子を含む磁気ヘッドと、
   互いに共鳴周波数が異なる磁性体により形成され積層される複数の第１磁性層を含み、それぞれの第１磁性層が面内磁化膜で形成される記録トラックを含む磁気記録媒体と、を具備することを特徴とする三次元磁気記録再生装置。
2. 前記記録トラックは、それぞれ１つの磁化の向きを示す複数の第１領域からなり、該複数の第１領域の磁化の向きが該記録トラックのトラック面と同一平面上かつトラック方向に垂直であることを特徴とする請求項１に記載の三次元磁気記録再生装置。
3. 前記磁気記録媒体は、前記複数の第１領域の間に非磁性体を含み、さらに、非磁性体を挟んで各第１領域と接続する軟磁性体の第２領域を含むことを特徴とする請求項２に記載の三次元磁気記録再生装置。
4. 前記磁気記録媒体は、該磁気記録媒体のうち、前記磁気ヘッドに最も近い第１磁性層から最も遠い第１磁性層に向かって順次共鳴周波数が高くなることを特徴とする請求項１に記載の三次元磁気記録再生装置。
5. 前記磁気ヘッドにより前記記録トラックから情報の読み出しを行う場合、前記磁性発振素子から出力される電磁波の電力変化および位相変化の少なくとも１つを検出して該情報の読み出しを行うことを特徴とする請求項１に記載の三次元磁気記録再生装置。
6. 前記記録トラックから情報の読み出しを行う場合、前記磁性発振素子の発振周波数を読み出しを行う第１磁性層の共鳴周波数に一致させることを特徴とする請求項５に記載の三次元磁気記録再生装置。
7. 前記記録トラックから情報の読み出しを行う場合、共鳴周波数を調整する補助磁極をさらに具備し、
   前記磁性発振素子により生成される高周波磁場が読み出しを行う第１領域に到達するように、前記補助磁極と前記磁性発振素子との距離が設定されることを特徴とする請求項６に記載の三次元磁気記録再生装置。
8. 前記補助磁極は、リング型磁極であることを特徴とする請求項７に記載の三次元磁気記録再生装置。
9. 前記磁性発振素子は、前記フリー層が面内磁化膜で形成され、前記固定層が垂直磁化膜で形成されることを特徴とする請求項５に記載の三次元磁気記録再生装置。
10. 前記磁性発振素子は、前記フリー層を挟んで前記第１非磁性層の反対側に、第２非磁性層が設置され、さらに、面内磁化膜で形成される第２磁性層が該第２非磁性層を挟んで前記フリー層の反対側に設置されることを特徴とする請求項５に記載の三次元磁気記録再生装置。
11. 前記第２磁性層が人工反強磁性体で形成されることを特徴とする請求項１０に記載の三次元磁気記録再生装置。
12. 前記第２非磁性層がトンネル絶縁膜で形成されることを特徴とする請求項１０に記載の三次元磁気記録再生装置。

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