JP5892767B2 - 磁気ヘッド、磁気センサ、および磁気記録再生装置 - Google Patents

Description

本発明の実施形態は、磁気ヘッド、磁気センサ、および磁気記録再生装置に関する。

磁気ハードディスクドライブ（以下、ＨＤＤともいう）は，記録媒体である回転磁気ディスクと、サスペンションアームによって支持された記録および再生ヘッドと、サスペンションアームを動作させるためのアクチュエータとを有している。磁気ディスクに記録された磁気情報は、再生ヘッド内の磁気センサによって読み取られる。再生ヘッド用磁気センサとして、従来から、ＧＭＲセンサあるいはＴＭＲセンサといった磁気抵抗効果センサが用いられている。

ＨＤＤにおける磁気記録密度は、年々増加している。現在、製品化されているＨＤＤの最大面記録密度は，約６００Ｇｂｉｔ／ｉｎ^２である。ＨＤＤの技術ロードマップによれば，面記録密度は，２０１３年頃に１Ｔｂｉｔ／ｉｎ^２、２０１５年頃に２Ｔｂｉｔ／ｉｎ^２に達するとされる。

面記録密度を大きくすることは、磁気ディスク内の記録ビットのサイズを小さくすることであり、磁気抵抗効果センサのサイズもそれに適合するように小さくすることが必要である。そのため、磁気抵抗効果センサのトラック幅やシールド間ギャップの狭小化がなされる。しかしながら、今後、磁気抵抗効果センサのサイズをますます小さくしていった場合、磁性体の磁化の熱による揺らぎに起因するノイズ、熱的マグノイズが増大し、再生信号の実用的なＳＮ比（Signal-to-Noise ratio）を確保できなくなると考えられている。
熱的マグノイズの問題を回避するべく、スピントルク発振素子を有する再生ヘッドが知られている。

スピントルク発振素子（Spin-Torque Oscillator（ＳＴＯ）ともいう）は、フリー層と、非磁性スペーサ層と、ピン層（磁化固着層）が積層された積層膜を基本構造に持つ。ＳＴＯに通電することで、フリー層の磁化はスピン偏極された電流による定常な振動状態を示す。上記の基本膜構造は、ＣＰＰ（Current Perpendicular to Plane）−ＧＭＲ(Giant Magneto-Resistive)ヘッド、ＴＭＲ(Tunnel Magneto-Resistive)ヘッドと同一であり、ＳＴＯの出力は磁気抵抗効果に由来する。そのため、ＳＴＯは、フリー層の磁化の振動に応じた高周波信号を出力する。すなわち、ＳＴＯはフリー層の磁化の振動に由来した振動電圧を出力する発振器である。このため、ＳＴＯのフリー層は発振層とも呼ばれる。

スピントルク発振素子を有する再生ヘッド（以下、ＳＴＯ再生ヘッドともいう）では，ＳＴＯを磁気センサとして用いる。ＳＴＯにおけるフリー層の磁化振動の振幅や周波数が、ＳＴＯに作用する外部磁場に依存することを利用し、媒体ビットからの媒体磁場による磁化振動の振幅、あるいは周波数または位相の変化を検出する方式であり、磁気情報の読み取りがなされる。ＳＴＯの磁化振動は通電によって励起される。このため、ＳＴＯの磁化振動エネルギーが熱的エネルギーよりも十分大きければ、磁化の熱による揺らぎが相対的に抑制され、従来の磁気抵抗効果センサを用いた再生方式よりも十分大きなＳＮ比が得られると考えられている。なお，振動振幅の変化を検出するよりも周波数または位相変化を検出する場合のほうが、高ＳＮ比、高速再生に向いているという技術が知られている。このように、ＳＴＯを磁気センサとして用いる場合、熱的マグノイズの問題を回避できると考えられている。

高記録密度化の課題は、上述の熱的マグノイズ以外に、高分解能化がある。情報を読み取りたいビット（ターゲットビット）に再生ヘッドがアクセスした際に、ターゲットビットからの磁場だけでなく、周囲の隣接媒体ビットからの磁場も再生ヘッドに作用してしまうと、情報を正確に読めなくなる。このため、磁気抵抗効果センサを用いた再生ヘッドでは、磁気シールド間のギャップを狭くすることで、ビット間の干渉を抑制し高分解能を実現している。この対策は、ＳＴＯ再生ヘッドにおいても有効であると考えられ、ＳＴＯを一対のシールド膜で挟んだ構造の再生ヘッドが知られている。

しかしながら、従来のＳＴＯ再生ヘッドでは、ＳＴＯの基本膜構成はＣＰＰ−ＧＭＲヘッドやＴＭＲヘッドと同一であり、ＳＴＯの膜厚の要請からシールド間ギャップを１５ｎｍ以下にすることが困難となる。このため、分解能の点で４Ｔｂｉｔ／ｉｎ^２以上の媒体には適用が困難であると考えられている。なお、ＳＴＯの膜厚の要請とは、例えば、膜厚の大部分を占める、ピン層の磁化を固着するための反強磁性層の膜厚が５ｎｍ以下になると一方向磁気異方性定数が急激に低下し、ピン層の磁化が固着されなくなるため、反強磁性層の膜厚を５ｎｍより厚くする必要があることである。

特許第４０９８７８６号公報

ＳＴＯを磁気センサとして用いる場合，従来のＣＰＰ−ＧＭＲヘッドやＴＭＲヘッドに比べ、素子の微細化に伴う熱的マグノイズの問題を回避できるが、高分解能の点では、従来のＣＰＰ−ＧＭＲヘッドやＴＭＲヘッドと同様の課題があり、高記録密度磁気記録再生に好適な、高出力、高Ｑ値で且つ、膜厚が薄いＳＴＯが求められている。

本実施形態は、高出力、高Ｑ値で且つ、膜厚が薄いＳＴＯを備えた磁気ヘッド、磁気センサ、および磁気記録再生装置を提供する。

本実施形態の磁気ヘッドは、スピントルク発振素子を備え、前記スピントルク発振素子は、第１強磁性層と、第２強磁性層と、前記第２強磁性層に対して前記第１強磁性層と反対側に設けられた第３強磁性層と、前記第１強磁性層と前記第２強磁性層との間に設けられた第１非磁性層と、前記第２強磁性層と前記第３強磁性層との間に設けられた第２非磁性層と、前記第１強磁性層に対して前記第１非磁性層と反対側の面に設けられた第１電極と、前記第３強磁性層に対して前記第２非磁性層と反対側の面に設けられた第２電極と、を備え、前記第２強磁性層と前記第３強磁性層は、前記第２非磁性層を介して反強磁性結合をし、前記第１および第２電極間に電流を流さない場合に前記第１強磁性層と前記第２強磁性層の磁化の向きが反平行配置であり、前記第１および第２電極間に電流を流すと、前記第１乃至第３強磁性層においてそれぞれ、磁化の歳差運動が誘起されることを特徴する。

第１実施形態に係るスピントルク発振素子を示す断面図。 第１実施形態のスピントルク発振素子に関する発振周波数の外部磁場依存特性を示す図。 第２実施形態に係るスピントルク発振素子を示す断面図。 第４実施形態に係るスピントルク発振素子を示す断面図。 第５実施形態に係るスピントルク発振素子を示す断面図。 第５実施形態のスピントルク発振素子に関する発振周波数の外部磁場依存特性を示す図。 第５実施形態のスピントルク発振素子に関する発振周波数の外部磁場依存特性を示す図。 第６実施形態による磁気センサを示すブロック図。 第７実施形態による磁気記録再生装置の概略を示す斜視図。 ヘッドスライダが搭載されるヘッドスタックアセンブリを示す斜視図。 実施例１によるスピントルク発振素子を示す断面図。 実施例１のスピントルク発振素子に磁場を印加した場合の抵抗磁場曲線を示す図。 スピントルク発振素子の発振パワースペクトルを測定する測定系を示すブロック図。 実施例１のスピントルク発振素子の発振パワースペクトルの測定結果を示す図。 実施例２によるスピントルク発振素子を示す断面図。

以下に、実施形態について、図面を参照しつつ説明する。なお、実施形態や実施例を通して共通の構成には同一符号を付すものとし、重複する説明は省略する。また、各図は発明の説明とその理解を促すための模式図であり、その形状や寸法、比などは実際と異なる箇所もあるが、それらは以下の説明と公知の技術を参酌して適宜、設計変更することができる。

（第１実施形態）
第１実施形態による磁気ヘッドは、スピントルク発振素子を有し、このスピントルク発振素子は磁気センサとして用いられる。図１に、第１実施形態に係るスピントルク発振素子１０を示す。

スピントルク発振素子１０は、第１強磁性層１１と、第２強磁性層１３と、第２強磁性層１３に対して第１強磁性層１１と反対側に設けられた第３強磁性層１５と、第１強磁性層１１と第２強磁性層１３との間に設けられた第１非磁性層１２と、第２強磁性層１３と第３強磁性層１５との間に設けられた第２非磁性層１４と、を有する積層膜を備えている。そして、スピントルク発振素子１０は、上記積層膜を挟むように設けられ膜面に対して垂直に電流を通電する一対の電極３１、３２を更に備えている。なお、膜面とは、積層膜の積層方向に垂直な面を意味する。第２強磁性層１３と第３強磁性層１５は第２非磁性層１４を介して反強磁性結合するように構成される。すなわち、第２強磁性層１３と、第２非磁性層１４と、第３強磁性層１５とは、反強磁性結合膜１７を構成する。なお、本実施形態においては、第１乃至第３強磁性層１１、１３、１５はそれぞれ、磁化の方向が膜面にほぼ平行となっている。また、図１においては、上記積層膜は、第１強磁性層１１が上に配置された構成、すなわち、第３強磁性層１５、第２非磁性層１４、第２強磁性層１３、第１非磁性層１２、第１強磁性層１１が、この順序で積層された構成となっている。しかし、上記積層膜の積層の順番は、上下逆でもよい。すなわち、上記積層膜は、第１強磁性層１１、第１非磁性層１２、第２強磁性層１３、第２非磁性層１４、第３強磁性層１５が、この順序で積層された構成であってもよい。

スピントルク発振素子１０は、電極３１、３２を介して上記積層膜に通電することにより、スピントルクトランスファー効果により、全ての強磁性層、すなわち第１乃至第３強磁性層においてそれぞれ、磁化の歳差運動が誘起される。そして、これらの歳差運動の周波数（磁気共鳴周波数）を有する回転磁場が各強磁性層から出力される。なお、この磁気共鳴周波数は、強磁性層に印加される外部磁場の大きさおよび向きによって変化する。そして、主に第１強磁性層１１と第２強磁性層１３との磁化の相対角度が変化することで抵抗が変化する。したがって、スピントルク発振素子１０を構成する第１乃至第３強磁性層１１、１３、１５は、それぞれフリー層となる。このスピントルク発振素子１０の厚さは、反強磁性層を有していないので、電極を除いて１３ｎｍ以下に設計することが可能となる。

電極３１、３２は、導電性材料から形成される。なお、導電材料として、磁気シールドとなる導電性材料、例えば軟磁性体を用いることも可能である。この場合、磁気記録媒体の再生しようとするビット以外のビットからの磁気情報を遮蔽することが可能となる。

第１乃至第３強磁性層１１、１３、１５はそれぞれ、例えば、Ｃｏ、Ｎｉ、またはＦｅを含む強磁性体、あるいはそれらを含む合金である。また、第１乃至第３強磁性層１１、１３、１５はそれぞれ、磁気特性の微調整や、ＭＲ効果の増大のために、複数の強磁性体の積層膜から構成されていても良い。

非磁性層１２はＣｕ、Ａｇ、またはＣｒの非磁性体、あるいはそれらを含んだ非磁性合金であってもよい。本実施形態では、非磁性層１２としてＣｕ層を用いた。また、ＭｇＯ、Ａl_２Ｏ₃（アルミニウム酸化膜）等からなる絶縁膜であってもよい。また、絶縁膜中に金属の電流パスが存在していてもよい。

反強磁性結合膜１７は、二つの強磁性層１３、１５の磁気モーメントが同じ人工反強磁性膜もしくは、どちらかの磁気モーメントが大きい人工フェリ膜にすることができる。この場合、結晶異方性や形状異方性による容易軸方向に磁場を印加した場合、単層膜に比べ広い磁場範囲で磁化反転しないため、第２強磁性層１３の磁化の向きと反平行方向の外部磁場をスピントルク発振素子１０に印加すると、第１強磁性層１１磁化の方向を外部磁場の方向に向かせることができ、広い磁場範囲で第１強磁性層１１と第２強磁性層１３の磁化の方向がほぼ反平行の状態（反平行配置）にすることができる。

第２強磁性層１３の磁化と反平行となる外部磁場をスピントルク発振素子１０に印加し、第１強磁性層１１と第２強磁性層１３の磁化の方向を反平行配置にする。この状態において、電流を流した場合における第１強磁性層１１および反強磁性結合膜１７の本来の磁気共鳴周波数（点線）ｆ_１およびｆ_２と、相互的なスピントルクやダイポール相互作用によって結合した振動モード（実線）の周波数の外部磁場依存特性を図２に示す。第１強磁性層１１の磁気共鳴周波数ｆ_１の外部磁場依存特性は、磁化と同じ方向に外部磁場が印加されているために、外部磁場の増加に伴い、磁気共鳴周波数は増加する。一方、反強磁性結合膜１７の磁気共鳴周波数ｆ_２の外部磁場依存特性は、反強磁性結合膜１７の第１強磁性層１１に最も近い強磁性層、すなわち第２強磁性層１３の磁化方向が、外部磁場と反対となるため、外部磁場の増加に伴い磁気共鳴周波数は減少する。このため、第１強磁性層１１と反強磁性結合膜１７を有するスピントルク発振素子１０は、ある外部磁場Ｈ_０の印加下で、磁気共鳴周波数ｆ_１、ｆ_２が交差するように構成することができる。

このように構成したスピントルク発振素子１０に、第１強磁性層１１と第２強磁性層１３の磁化方向が反平行配置となるように外部磁場を印加し、電流を流すと、相互的なスピントルクトランスファー効果およびダイポール相互作用により、第１強磁性層１１と反強磁性結合膜１７が結合することにより、第１乃至第３強磁性層１１、１３、１５の磁化がそれぞれ発振し、外部磁場に対して図２に示す実線で示したように、磁気共鳴周波数での発振が励起され、回転磁場が各強磁性層１１、１３、１５から発生される。ここで、反平行配置とは、第１強磁性層１１の磁化方向は、第２強磁性層の磁化方向に対して完全に１８０°である必要はなく、発振が励起できれば、数１０度以内のズレは許容する。ただし、従来の磁気抵抗効果素子のように、第１および第２強磁性層の磁化方向を９０度配置にすると、発振閾値電流が非常に高くなり、発振させることが非常に困難になる。

スピントルク発振素子１０の結合発振モードは、周波数の低い音響モードと周波数の高い光学モードがあり、電流の向きと外部磁場の大きさでどちらのモードが励起されるか決定される。フリー層と、ピン層と、それらの間に設けられた非磁性層とを有し、フリー層が発振する従来のスピントルク発振素子に比べ、本実施形態のスピントルク発振素子１０は、第１乃至第３強磁性層１１、１３、１５が発振に寄与するため、熱エネルギーに対する磁化の振動エネルギーが大きく周波数安定性が高い。また、全ての強磁性層１１、１３、１５が振動するために、高出力且つ高Ｑ値の発振を実現できる。したがって、本実施形態のスピントルク発振素子１０は、高出力、高Ｑ値の発振を得ることができる。

また、図２に示すように、発振周波数が交差する、外部磁場がＨ_０近傍の領域においては、２つのモードが同時に励起されやすく、安定な発振は得られず、発振出力が極端に低下する、但し、このＨ_０近傍の領域を除いた外部磁場下では、非常に強く発振し、外部磁場の大きさが値Ｈ_０を跨ぐと発振周波数に飛びが生じる。このような特徴を本実施形態のスピントルク発振素子は有しているので、設計次第で同じ磁場環境下においても、電流の向きを変えるだけで、異なる周波数の発振もしくは、異なる磁場環境下において電流の向きを変えることにより、同じ周波数の発振を得ることができる。また、本実施形態において特異的な外部磁場Ｈ_０を利用した、超高感度な磁気センサへの応用も可能である。

更に、本実施形態のスピントルク発振素子１０は、それぞれの発振モードにおいて、発振周波数が異なるだけなく、第１強磁性層１１および反強磁性結合膜１７の発振の位相差が１８０°異なっており、またスピントルク発振素子１０から発生されるダイポールによる高周波磁場の空間分布が異なっている。このため、本実施形態のスピントルク発振素子１０は、高周波磁場を発生して磁気記録アシストする素子にも適応できる。

このように、スピントルク発振素子１０は、厚さを薄くでき、且つ高出力、高Ｑ値の発振を得ることができる。

なお、スピントルク発振素子の膜厚を薄くするだけなら、非磁性体を２つの強磁性体で挟んだ３層構造にすることで達成可能である。しかし、この場合、外部磁場により反平行状態を維持できる範囲が狭いため、上述のような高出力、高Ｑ値の発振を得ることができない。

（第２実施形態）
次に、第２実施形態による磁気ヘッドについて説明する。第２実施形態の磁気ヘッドは、第１実施形態と同様に、スピントルク発振素子を備えている。第２実施形態に係るスピントルク発振素子を図３に示す。この第２実施形態に係るスピントルク発振素子１０Ａは、図１に示すスピントルク発振素子１０の第１強磁性層１１と電極３１との間、または第３強磁性層１５と電極３２との間の少なくとも一方に、調整層１６を設けた構成となっている。なお、図３においては、第３強磁性層１５と電極３２との間に設けられている。電極３１、３２は磁気シールドであり、電極３１、３２間がシールドギャップとなるので、調整層１６を設けることにより、スピントルク発振素子１０の積層膜の厚さと、独立にシールドギャップを調整することが可能となる。また、調整層１６は、シード層やキャップ層としての役割も果たすことも可能である。

調整層１６としては、非磁性材料例えばＴａ、Ｒｕ、Ｃｕ等の金属あるいはそれらを含んだ合金、及びそれらの積層構造が用いられる。調整層１６には、厚さを薄くすることで、ＩｒＭｎ等の反強磁性材料も用いることが可能である。この場合、反強磁性材料は、強磁性層の磁化を固着しない程度の厚さとすることが好ましく、具体的には、５ｎｍ以下であることが好ましく、２ｎｍ以下であることが更に好ましい。

この第２実施形態の磁気ヘッドも第１実施形態と同様に、膜厚を薄くでき、且つ高出力、高Ｑ値の発振を得ることができる。

（第３実施形態）
第３実施形態による磁気ヘッドについて説明する。第３実施形態の磁気ヘッドは、第１または第２実施形態の磁気ヘッドに係るスピントルク発振素子の非磁性層１２として、ＭｇＯやＡl_２Ｏ₃（アルミニウム酸化膜）等の絶縁体を用いた構成となっている。特に、非磁性層１２としてＭｇＯを用いたスピントルク発振素子は、ＭＲ比が大きいため、第１または第２実施形態に比べて出力が大きくすることができる。

この第３実施形態も第１または第２実施形態と同様に、膜厚を薄くでき、且つ高Ｑ値の発振を得ることができる。

（第４実施形態）
次に、第４実施形態による磁気ヘッドについて説明する。第４実施形態の磁気ヘッドは、スピントルク発振素子を有し、このスピントルク発振素子は磁気センサとして用いられる。図４に、第４実施形態に係るスピントルク発振素子１０Ｂを示す。このスピントルク発振素子１０Ｂは、図１に示す第１実施形態に係るスピントルク発振素子１０において、第１強磁性層１１、第１非磁性層１２、第２強磁性層１３、第２非磁性層１４、および第３強磁性層１５からなる積層膜を微細加工してピラー形状とした構成となっている。したがって、上記積層膜のサイズを第１実施形態のスピントルク発振素子の積層膜のサイズに比べて小さくした構成となっている。ここで、積層膜のサイズとは、積層膜を構成する各層のサイズの平均を意味し、層のサイズとは層の直径を意味する。層の直径とは、各層の積層方向に直交または略直交する平面の形状において周辺の２点間の最大距離を意味する。例えば、層の平面形状が長方形の場合には対角線の長さ、円形の場合には直径、楕円形状の場合は長軸の長さを意味する。

また、スピントルク発振素子１０Ｂは、ＡＢＳ(Air Bearing Surface)面となる側面を有している。すなわち、積層膜の積層方向に沿った一つ側面がＡＢＳ面となり、上記側面がほぼ平坦となっている。ＡＢＳ面は磁気記録媒体の上面に対向する。

スピントルク発振素子は、一般に積層膜を微細加工しないポイントコンタクト型と、積層膜を微細加工するピラー型がある。第１非磁性層１２に、ＭｇＯ等の絶縁体を用いた場合、高ＭＲ比を得られる利点を持つ。しかし、非磁性金属を用いた場合に比べ、流せる電流密度が低い上に、スピントルク効率の非対称性より、第１強磁性層１１と第２強磁性層１３との相互的なスピントルクによる結合が弱い。そこで、図４に示す第４実施形態のように、少なくとも第１強磁性層１１と第２強磁性層１３とを微細加工したピラー型のスピントルク発振素子にすることで第１強磁性層１１と第２強磁性層１３とのダイポール相互作用による結合が強くなり、第１強磁性層１１と反強磁性結合膜１７との結合発振モードを効率良く励起できる。なお、結合発振モードを効率良く励起するために、スピントルク発振素子１０Ｂの積層膜のサイズは２００ｎｍ以下であることが好ましく、５０ｎｍ以下であることがより好ましい。

なお、第２実施形態のスピントルク発振素子に対して第４実施形態のように、第１強磁性層１１、第１非磁性層１２、第２強磁性層１３、第２非磁性層１４、第３強磁性層１５および調整層１６からなる積層膜を微細加工してピラー形状とした構成としてもよい。

この第４実施形態も第１実施形態と同様に、膜厚を薄くでき、且つ高出力、高Ｑ値の発振を得ることができる。

（第５実施形態）
第５実施形態による磁気ヘッドについて説明する。第５実施形態の磁気ヘッドは、スピントルク発振素子を有し、このスピントルク発振素子は磁気センサとして用いられる。図５に、第５実施形態に係るスピントルク発振素子１０Ｃを示す。このスピントルク発振素子１０Ｃは、図１に示す第１実施形態に係るスピントルク発振素子１０において、第２強磁性層１３に外部磁場を印加するハードバイアス膜４１を設けた構成となっている。なお、図５に示す第５実施形態においては、電極３１と第１強磁性層１１との間に調整層１６ａが設けられ、電極３２と第３強磁性層１５との間に調整層１６ｂが設けられている。

スピントルク発振素子１０Ｃは、ＡＢＳ面となる側面を有している。すなわち、積層膜の積層方向に沿った一つ側面がＡＢＳ面となり、上記側面がほぼ平坦となっている。そして、図５に示す第５実施形態においては、ハードバイアス膜４１は、スピントルク発振素子１０Ｃの、ＡＢＳ面に対向する側面の近傍に設けられている。なお、ハードバイアス膜４１は、スピントルク発振素子１０Ｃの、ＡＢＳ面に対向する側面、図５の紙面の手前側の側面、または図５の紙面の奥行き側の側面のうちのいずれか一つの側面の近傍に設けてもよい。なお、ハードバイアス膜４１と第１乃至第３強磁性層との間、およびハードバイアス膜４１と電極３１，３２との間には図示しない絶縁体が設けられる。

ハードバイアス膜４１は、第２強磁性層１３の磁化と反平行となる方向に磁場を印加するように配置される。すなわち、ハードバイアス膜４１からの磁場は、ＡＢＳ面に対して垂直に印加され、その磁場の方向がＡＢＳ面に向かう方向またはその逆方向であっても良い。また、ハードバイアス膜４１からの磁場の大きさは、磁気記録媒体の磁場の大きさを考慮して、磁気共鳴周波数が交差する磁場Ｈ_０を跨がないように設計する。

なお、ハードバイアス膜４１としては、例えば、Ｃｏ、Ｃｒ、またはＰｔなどの合金膜、ＣｏＣｒＰｔからなる硬磁性膜が用いられる。なお、ＣｏＣｒＰｔ以外にも、必要な磁場が印加することが可能な硬磁性材料を用いることができる。

第５実施形態も第１実施形態と同様に、膜厚を薄くでき、且つ高出力、高Ｑ値の発振を得ることができる。

第５実施形態においては、第１強磁性層１１と第２強磁性層１３の磁化の方向が反平行となる配置で発振させることが重要である。そして、反強磁性結合膜１７において第２強磁性層１３の磁気モーメント（磁化の大きさ）より第３強磁性層１５の磁気モーメントを大きくする構成、すなわち、反強磁性結合膜１７を例えば人工フェリ膜とすることにより、第２強磁性層１３の磁化の向きが、外部磁場の向きと反対方向を向きやすくすることができる。

そして、第１強磁性層１１から第２強磁性層１３に向かう方向に電流を流す、すなわち電子を第２強磁性層１３から第１強磁性層１１に向かう方向へ流すと、図６に示すように、第１強磁性層１１が磁気共鳴周波数ｆ_１で主として振動する結合発振モードを励起できる。このモードの発振は、外部磁場による周波数依存性が大きい。この発振モードを用いることにより、磁場感度の高い磁気ヘッドを実現できる。

これに対して、第２強磁性層１３から第１強磁性層１１に向かう方向に電流を流すと、すなわち電子を第１強磁性層１１から第２強磁性層１３に向かう方向に流すと、図７に示すように、人工フェリ膜である反強磁性結合膜１７が磁気共鳴周波数ｆ_２で主として振動する結合発振モードを励起できる。このモードの発振は、外部磁場による周波数依存性が比較的小さく、非常に周波数安定な発振が得られる。この発振モードを用いることで、大きな磁場変化や磁場勾配のあるような磁場環境でも、安定性の高い再生が可能である。

なお、ハードバイアス膜は、第５実施形態のように、第２実施形態の磁気ヘッドに対しても設けても第５実施形態と同様の効果を得ることができる。

（第６実施形態）
第６実施形態による磁気センサについて説明する。この第６実施形態による磁気センサを図８に示す。この第６実施形態の磁気センサは、図１に示す第１実施形態の磁気ヘッドに用いられたスピントルク発振素子１０と、高周波フィルタ１１０と、遅延検波回路１２０と、遅延回路１２１と、ミキサー１２２と、ローパスフィルタ１３０と、電圧計１４０とを備えている。

次に、第６実施形態による磁気センサの動作を説明する。スピントルク発振素子１０に直流電流Ｉを流すことで、磁化の歳差運動が励起され、磁気抵抗効果により高周波磁場が発生する。この高周波成分が高周波フィルタ１１０において取り出され、この取り出した信号１１２が２つの信号に分波される。分波された信号１１２の一つは遅延回路１２１において位相が遅延された遅延信号となり、この遅延信号と、元の信号１１２がミキサー１２２において重ね合わせられる。この重ね合わされた信号は、ローパスフィルタ１３０において、余分な高周波成分がカットされる。そして、ローパスフィルタ１３０の出力を電圧計１４０においてモニターすることで、高周波信号の位相変化を知ることができる。

外部磁場の変化により、磁化の歳差運動の周波数は変化するため、スピントルク発振素子１０からの高周波磁場も周波数が変化する。この周波数の変化を第６実施形態の磁気センサにより位相の変化として検出することで、外部磁場の変化を検出できる。すなわち、第６実施形態の磁気センサは、磁気ヘッドに通電することによって誘起される第１および第２強磁性層１１、１２のうち少なくとも一方の磁化の歳差運動に起因して第１および第２電極３１、３２間に発生する高周波発振電圧の振幅または発振周波数の外部磁場による変化をモニターするモニター装置を備えている。本方式は、高速に磁気記録を読み出せる点で優れている。しかし、外部磁場の変化による高周波の周波数変化若しくは振幅変化をモニターできれば、モニター装置としては、上記方式に限らない。

以上説明したように、第６実施形態も第１実施形態と同様に、高出力、高Ｑ値の発振を得ることができる。

また、第６実施形態の磁気センサは、スピントルク発振素子として、第１実施形態に係るスピントルク発振素子を用いたが、第２乃至第５実施形態に係るスピントルク発振素子を用いても同様の効果を得ることができる。

（第７実施形態）
第７実施形態による磁気記録再生装置について説明する。

上述した第１乃至第５実施形態のいずれかに記載の磁気ヘッドは、例えば、記録再生一体型の磁気ヘッドアセンブリに組み込まれ、磁気記録再生装置に搭載することができる。なお、本実施形態による磁気記録再生装置は、再生機能を有することもできるし、記録機能と再生機能の両方を有することもできる。

図９は、第７実施形態による磁気記録再生装置の構成を例示する模式的斜視図である。図９に示すように、本実施形態による磁気記録装置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。同図において、記録用媒体ディスク１８０は、スピンドルモータ１５２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。本実施形態に係る磁気記録再生装置１５０は、複数の記録用媒体ディスク１８０を備えたものとしても良い。

記録用媒体ディスク１８０に格納する情報の記録再生を行うヘッドスライダ１５３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。ここで、ヘッドスライダ１５３は、例えば、前述した実施形態のいずれかによる磁気ヘッドを、磁気シールドとともに、その先端付近に搭載している。

記録用媒体ディスク１８０が回転すると、ヘッドスライダ１５３の媒体対向面（ＡＢＳ）は、記録用媒体ディスク１８０の表面から所定の浮上量をもって保持される。なお、ヘッドスライダ１５３が記録再生用媒体ディスク１８０と接触するいわゆる「接触走行型」としても良い。

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、軸受部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。

図１０は、本実施形態に係る磁気記録再生装置の一部の構成を例示しており、アクチュエータアーム１５５から先の磁気ヘッドアセンブリ１６０をディスク側から眺めた拡大斜視図である。図１０に示したように、磁気ヘッドアセンブリ１６０は、軸受部１５７と、この軸受部１５７から延出したヘッドジンバルアセンブリ（以下、ＨＧＡと称する）１５８と、軸受部１５７からＨＧＡと反対方向に延出しているとともにボイスコイルモータのコイルを支持した支持フレームを有している。ＨＧＡは、軸受部１５７から延出したアクチュエータアーム１５５と、アクチュエータアーム１５５から延出したサスペンション１５４と、を有する。

サスペンション１５４の先端には、既に説明した第１乃至第５実施形態のいずれかによる磁気ヘッドを具備するヘッドスライダ１５３が取り付けられている。

すなわち、本実施形態に係る磁気ヘッドアセンブリ１６０は、第１乃至第５実施形態のいずれかによる磁気ヘッドと、磁気ヘッドを一端に搭載するサスペンション１５４と、サスペンション１５４の他端に接続されたアクチュエータアーム１５５と、を備えている。

サスペンション１５４は信号の書き込み及び読み取り用のリード線（図示しない）を有し、このリード線とヘッドスライダ１５３に組み込まれた磁気記録ヘッドの各電極とが電気的に接続されている。また、図示しない電極パッドが、磁気ヘッドアセンブリ１６０に設けられる。本実施形態においては、電極パッドは６個設けられる。すなわち、主磁極のコイル用の電極パッドが２つ、磁気再生素子（即ち、スピントルク発振素子１０）用の電極パッドが２つ、ＤＦＨ（ダイナミックフライングハイト）用の電極パッドが２つ、設けられる。

そして、磁気記録ヘッドを用いて磁気記録媒体への信号の書き込みと読み出しを行う、図示しない信号処理部１９０が設けられる。信号処理部１９０は、例えば、図９に示した磁気記録装置１５０の図面中の背面側に設けられる。信号処理部１９０の入出力線は、電極パッドに接続され、磁気記録ヘッドと電気的に結合される。

このように、本実施形態に係る磁気記録再生装置１５０は、磁気記録媒体と、第１乃至第５実施形態のいずれかによる磁気ヘッドと、磁気記録媒体と磁気ヘッドとを離間させ、または、接触させた状態で対峙させながら相対的に移動可能とした可動部と、磁気ヘッドを磁気記録媒体の所定記録位置に位置合せする位置制御部と、磁気ヘッドを用いて磁気記録媒体への信号の書き込みと読み出しを行う信号処理部と、を備える。すなわち、上記の磁気記録媒体として、記録用媒体ディスク１８０が用いられる。上記の可動部は、ヘッドスライダ１５３を含むことができる。また、上記の位置制御部は、磁気ヘッドアセンブリ１６０を含むことができる。

磁気ディスク１８０を回転させ、ボイスコイルモータ１５６にアクチュエータアーム１５５を回転させてヘッドスライダ１５３を磁気ディスク１８０上にロードすると、磁気ヘッドに搭載したヘッドスライダ１５３の媒体対向面（ＡＢＳ）が磁気ディスク１８０の表面から所定の浮上量をもって保持される。この状態で、上述したような原理に基づいて、磁気ディスク１８０に記録された情報を読み出すことができる。

以上説明したように、第７実施形態も第１実施形態と同様に、高出力、高Ｑ値の発振を得ることができる。

（実施例１）
実施例１では、スピントルク発振素子を作製して、その発振特性を測定した結果について説明する。成膜は、スパッタリング装置を用いて行った。上部電極および下部電極は、フォトリソグラフィーとイオンミリングにより形成し、スピントルク発振素子の積層膜は、電子線リソグラフィーとイオンミリングにより加工した。

図１１に、作製したスピントルク発振素子１０Ｄの断面図を示す。このスピントルク発振素子１０Ｄは基板１上に形成される。そして、下部電極３２と、調整層１６ｂと、第３強磁性層１５と、第２非磁性層１４と、第２強磁性層１３と、第１非磁性層１２と、第１強磁性層１１と、調整層１６ａと、上部電極３１とが、この順序で基板１上に積層された積層構造を有している。また、調整層１６ｂ、第３強磁性層１５、第２非磁性層１４、第２強磁性層１３、第１非磁性層１２、第１強磁性層１１、および調整層１６ａは、一体で加工された柱状形状の積層膜を構成し、この積層膜の周囲には絶縁膜３４が設けられている。

第１強磁性層１１は厚さが２ｎｍのＣｏＦｅＢであり、第１非磁性体層１２は厚さが０．７ｎｍのＭｇＯであり、第２強磁性層１３は厚さが３ｎｍのＣｏＦｅＢであり、第２非磁性層１４は厚さが０．８５ｎｍのＲｕであり、第３強磁性層１５は厚さが２．５ｎｍのＣｏＦｅである。そして、第２強磁性層１１と第３強磁性層は、第２非磁性層１４を介して反強磁性結合した反強磁性結合膜（人工フェリ膜）１７を構成する。なお、調整層１６ａ、１６ｂはそれぞれ、厚さが２ｎｍのＴａである。スピントルク発振素子１０Ｄの上部電極３１、下部電極３２、および調整層１６ａ、１６ｂを除いた厚さは１１ｎｍ以下となる。

下部電極３２には、Ｔａ／Ｃｕ／Ｔａを用い、上部電極３１には、Ａｕ／Ｔａ／Ｃｕ／Ｔａを用いた。本明細書では、記号「Ｘ／Ｙ」は、Ｘが上層でＹが下層であることを意味する。絶縁膜３４としてＳｉＯ_２を用いた。電流を流すことで、第２磁性体層１３であるＣｏＦｅＢの磁化の歳差運動が誘起される。

スピントルク発振素子１０Ｄの積層膜の平面形状は楕円であって、短軸の長さが約７０ｎｍ、長軸の長さが１２０ｎｍである。このスピントルク発振素子１０Ｄには、形状異方性により一軸異方性を付与した。すなわち楕円の長軸が磁化容易軸で、短軸が磁化困難軸となっている。このスピントルク発振素子１０Ｄの素子抵抗は１７０Ωであり、ＭＲ比（ΔＲ／Ｒ）は約２６．５％であった。なお、スピントルク発振素子１０Ｄの上部電極３１のリードと下部電極３２のリードは特性インピーダンスが５０Ωのコプレナーガイド（導波路）になるように設計した。

図１２に、スピントルク発振素子１０Ｄの磁化容易軸方向に磁場を印加した場合と、磁化困難軸方向に磁場を印加した場合の抵抗磁場曲線を示す。グラフｇ_１が磁化容易軸方向に磁場を印加した場合の抵抗磁場曲線であり、グラフｇ_２が磁化困難軸方向に磁場を印加した場合の抵抗磁場曲線である。グラフｇ_１に示すように、磁化容易軸方向に磁場を印加した場合、磁場を２０００Ｏｅ以上印加しても、第２磁性体層であるＣｏＦｅＢの磁化の向きが反転しておらず、本構造では、広い磁場範囲で反平行状態を維持できることが分かる。

次に、実施例１のスピントルク発振素子１０Ｄの発振パワースペクトルを測定した。この発振パワースペクトルの測定は、図１３に示す測定系を用いた。この測定系は、スピントルク発振素子１０Ｄから発生された高周波発振信号を導波路１０１介して高周波プローブ１１１に伝送し、高周波発振信号を検出する。この検出された高周波発振信号は、バイアスティー１１２を介して増幅器１１４に送られ、増幅される。増幅された信号をスペクトルアナライザー１１５で検出する。なお、バイアスティー１１２には、直流電源１１３が接続されている。スピントルク発振素子１０Ｄには、外部磁場Ｈを膜面に平行な方向において磁化容易軸方向から数度傾けた方向に印加した。

実施例１のスピントルク発振素子１０Ｄに、第２強磁性層１３の磁化とほぼ逆向きの磁場を印加し、第１強磁性層１１と第２強磁性層１３の磁化の向きがほぼ反平行配置になるように外部磁化を印加する。そして、第１強磁性層１１から第２強磁性層１３に向かう方向に電流を流し、第１強磁性層１１を主に発振させた時のパワースペクトルを図１３に示す測定系で測定した結果を図１４（ａ）、１４（ｂ）に示す。第１強磁性層１１と人工フェリ層１７の磁気共鳴周波数が交差する外部磁場（約１４５０Ｏ、約９００Ｏｅ）の前後の磁場範囲で、高Ｑ値、出力で、高出力の発振が得られた。外部磁場の大きさＨが９００Ｏｅ、第１強磁性層１１と第２強磁性層１３の磁化がなす角度が１９０度、電流を０．８ｍＡ流した時、発振線幅が９ＭＨｚ、出力が３ｎＷの発振が得られた（図１４（ａ））。また、外部磁場の大きさＨが１５００Ｏｅ、第１強磁性層１１と第２強磁性層１３の磁化がなす角度が１８５度、電流を１．０ｍＡ流した時、発振線幅が４ＭＨｚ、出力が６ｎＷの発振が得られた（図１４（ｂ））。

（実施例２）
実施例２では、スピントルク発振素子を作製して、その発振特性を測定した結果について説明する。成膜はスパッタリング装置を用いて行った。上部電極および下部電極は、フォトリソグラフィーとイオンミリングにより形成し、スピントルク発振素子の積層膜は、電子線リソグラフィーとイオンミリングにより加工した。

図１５に、作製したスピントルク発振素子１０Ｅの断面図を示す。このスピントルク発振素子１０Ｅは基板１上に形成される。そして、下部電極３２と、反強磁性材料層１８と、第３強磁性層１５と、第２非磁性層１４と、第２強磁性層１３と、第１非磁性層１２と、第１強磁性層１１と、調整層１６ａと、上部電極３１とが、この順序で基板１上に積層された積層構造を有している。なお、第２強磁性層１１と第３強磁性層は、第２非磁性層１４を介して反強磁性結合した反強磁性結合膜（人工フェリ膜）１７を構成する。反強磁性材料層１８、第３強磁性層１５、第２非磁性層１４、第２強磁性層１３、第１非磁性層１２、第１強磁性層１１、および調整層１６ａは、一体で加工された柱状形状の積層膜を構成し、この積層膜の周囲には絶縁膜３４が設けられている。

第１強磁性層１１は厚さが２ｎｍのＣｏＦｅＢであり、第１非磁性体層１２は厚さが０．７ｎｍのＭｇＯであり、第２強磁性層１３は厚さが３ｎｍのＣｏＦｅＢであり、第２非磁性層１４は厚さが０．８５ｎｍのＲｕであり、第３強磁性層１５は厚さが２．５ｎｍのＣｏＦｅであり、反強磁性材料層１８は厚さが２ｎｍのＩｒＭｎである。なお、調整層１６ａは、厚さが２ｎｍのＴａである。スピントルク発振素子１０Ｅの上部電極３１、下部電極３２、および調整層１６ａを除いた膜厚は１３ｎｍ以下となる。

下部電極３２には、Ｔａ／Ｃｕ／Ｔａを用い、上部電極３１には、Ａｕ／Ｔａ／Ｃｕ／Ｔａを用いた。本明細書では、記号「Ｘ／Ｙ」は、Ｘが上層でＹが下層であることを意味する。絶縁膜３４としてＳｉＯ_２を用いた。電流を流すことで、第２磁性体層１３であるＣｏＦｅＢの磁化の歳差運動が誘起される。

スピントルク発振素子１０Ｅの積層膜の平面形状は楕円であって、短軸の長さが約７０ｎｍ、長軸の長さが１２０ｎｍである。このスピントルク発振素子１０Ｅには、形状異方性により一軸異方性を付与した。

このスピントルク発振素子１０Ｅの素子抵抗は１８０Ωであり、ＭＲ比（ΔＲ／Ｒ）は約２５％であった。

実施例２のスピントルク発振素子１０Ｅに、第２強磁性層１３の磁化とほぼ逆向きの磁場を印加し、第１強磁性層１１と第２強磁性層１３の磁化の向きがほぼ反平行配置になるように外部磁化を印加する。そして、第１強磁性層１１から第２強磁性層１３に向かう方向に電流を流し、第１強磁性層１１を主に発振させた時のパワースペクトルを図１３に示す測定系で測定した。第１強磁性層１１と人工フェリ層１７の磁気共鳴周波数が交差する外部磁場（約９００Ｏｅ）の前後の磁場範囲で、高Ｑ値、出力で、高出力の発振が得られた。外部磁場の大きさＨが９００Ｏｅ、第１強磁性層１１と第２強磁性層１３の磁化がなす角度が１９０度、電流を０．８ｍＡ流した時、発振線幅が１６ＭＨｚ、出力が４ｎＷの発振が得られた。

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。これらの実施形態は、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。これらの実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれると同様に、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ものである。

１ 基板
１０、１０Ａ〜１０Ｅ スピントルク発振素子
１１ 第１強磁性層
１２ 第１非磁性層
１３ 第２強磁性層
１４ 第２非磁性層
１５ 第３強磁性層
１６、１６ａ、１６ｂ 調整層
１７ 反強磁性結合膜（人工フェリ膜）
１８ 反強磁性材料層
３１ 上部電極
３２ 下部電極

Claims (10)

1. スピントルク発振素子を備え、
   前記スピントルク発振素子は、第１強磁性層と、第２強磁性層と、前記第２強磁性層に対して前記第１強磁性層と反対側に設けられた第３強磁性層と、前記第１強磁性層と前記第２強磁性層との間に設けられた第１非磁性層と、前記第２強磁性層と前記第３強磁性層との間に設けられた第２非磁性層と、前記第１強磁性層に対して前記第１非磁性層と反対側の面に設けられた第１電極と、前記第３強磁性層に対して前記第２非磁性層と反対側の面に設けられた第２電極と、を備え、
   前記第１乃至第３強磁性層は、フリー層であり、前記第２強磁性層と前記第３強磁性層は、前記第２非磁性層を介して反強磁性結合をし、前記第１および第２電極間に電流を流さない場合に前記第１強磁性層と前記第２強磁性層の磁化の向きが反平行配置であり、前記第１および第２電極間に電流を流すと、前記第１乃至第３強磁性層においてそれぞれ、磁化の歳差運動が誘起される磁気ヘッド。
2. 前記第１強磁性層および前記第２強磁性層のサイズが５０ｎｍ以下である請求項１記載の磁気ヘッド。
3. 前記第１強磁性層と前記第２強磁性層の磁化方向が反平行配置となるように磁場を印加するハードバイアス膜を更に備える請求項１または２記載の磁気ヘッド。
4. 前記第３強磁性層の磁気モーメントが前記第２強磁性層の磁気モーメントより大きい請求項１乃至３のいずれかに記載の磁気ヘッド。
5. 前記第１強磁性層から前記第２強磁性層へ電流を流す請求項１乃至４のいずれかに記載の磁気ヘッド。
6. 前記第２強磁性層から前記第１強磁性層へ電流を流す請求項１乃至４のいずれかに記載の磁気ヘッド。
7. 前記第１非磁性層は絶縁層である請求項１乃至６のいずれかに記載の磁気ヘッド。
8. 前記第１および第２電極は磁場を遮蔽するシールド材料から形成され、前記第１電極と前記第１強磁性層との間、および前記第２電極と前記第３強磁性層との間の少なくとも一方に調整層が設けられている請求項１乃至７のいずれかに記載の磁気ヘッド。
9. 前記請求項１乃至８のいずれかの磁気ヘッドと、前記磁気ヘッドに通電することによって誘起される前記第１乃至第３強磁性層の磁化の歳差運動に起因して前記第１および第２電極間に発生する高周波発振電圧の振幅または発振周波数の外部磁場による変化をモニターするモニター装置と、備える磁気センサ。
10. 磁気記録媒体と、
    請求項１乃至８のいずれかに記載の磁気ヘッドと、
    前記磁気記録媒体と前記磁気ヘッドとが浮上または接触の状態で対峙しながら相対的に移動するように制御する移動制御部と、
    前記磁気ヘッドを前記磁気記録媒体の所定記録位置に位置するように制御する位置制御部と、
    前記磁気ヘッドを用いて前記磁気記録媒体への書き込み信号および前記磁気記録媒体からの読み出し信号を処理する信号処理手段と、
    を備える磁気記録再生装置。

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