JP5902071B2 - 磁気ヘッド及び磁気記憶装置 - Google Patents
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Description
磁気再生素子として用いられるSTOに対しても、上記条件を適用する。
上記した以外の、課題、構成、手段及び効果は、以下の実施形態の説明により明らかにされる。
(マイクロ波アシスト磁気記録再生ヘッド)
本実施例のマイクロ波アシスト磁気記録再生ヘッドは、図2に示すように、垂直磁気記録媒体30上をクリアランス01で矢印100方向に走行するスライダ50上に形成された、再生ヘッド部10、記録ヘッド部20、及びクリアランス制御用の熱膨張素子部(TFC)02などから構成される。
記録ヘッド部20は、記録ギャップ25内に設けられた高周波磁界発振素子部(STO)40、記録ギャップ部25で記録磁界21及び強く均一なSTO発振制御磁界26(以下、発振制御磁界)を発生するため、STOよりも幅を広くした第1、第2の記録磁極22,24、記録磁極を励磁するためのコイル23、STO駆動用電源44などから構成される。ここで第1、第2の記録磁極22,24は、記録ギャップ部25近傍で体積を大きく、磁気的に略対称なリング型構造とした。STOの高周波磁界47の回転方向、発振周波数などは、発振制御磁界26などで制御される。本リング型磁極構造では、STO駆動磁界がSTO膜面に均一かつ垂直に入射するため、理想的な状態で滑らかに高周波磁界発生層(FGL)の磁化が回転し、従来の主磁極・シールド型磁極構造に比べ、10〜20%強い高周波発振磁界が安定して得られ、特に好ましい。なお本構造では記録磁界が記録ギャップ部に集中しているため、磁気記録は記録ギャップで決まり、垂直磁気記録媒体が記録可能であれば、それに静止記録するとその記録跡(フットプリント)は略記録ギャップの形状となる。なおコイル23は、Cu薄膜などを用いて第2の記録磁極24を巻くように形成した例を示したが、記録磁極の後端部27や第1の記録磁極22などを周回するように形成してもよく、またさらに多層巻き線としてもよい。また記録ギャップ25は、スパッタリング法やCVD法で製膜されるAl2O3,Al2O3−SiO2膜などの非磁性薄膜で形成される。
STO40は、CoFe,CoNiFeなどの軟磁性合金、CoPt,CoCrなどの硬磁性合金、Co0.6Fe0.4などの負の垂直磁気異方性を有する磁性合金、CoMnGeなどのホイスラー合金、あるいは[CoFe/Fe]、[CoNi/NiFe]などからなる磁性人工格子などからなる高周波磁界発生層(FGL)41、非磁性合金中間層42、FGLにスピントルクを与えるためのスピン注入層43、下地層45、及びキャップ層46などから構成される。STOの駆動電源や電極部を模式的に符号44で表したが、記録磁極22,24を、例えば記録ヘッド後端部27で磁気的には結合し、電気的には絶縁せしめ、さらにギャップ部ではそれぞれをSTO側面と電気的に接続することで、記録磁極22,24に電極を兼用させてもよい。特別な場合を除き、STOには駆動電源(電圧源もしくは電流源)44により、スピン注入層側から直流電流を流し、FGLのマイクロ波発振を駆動する。図では定電流駆動を例としたが、定電圧駆動であれば電流密度を一定とできるので信頼性を確保する上で好ましい。
非磁性中間層42については、STOに高い高周波発振効率、耐食性、耐マイグレーション特性を与えるべく、その材料、組成を適正化すると共に、その膜厚を0.2〜4nm程度とすることが好ましい。
マイクロ波アシスト磁気記録ヘッドの作成に当たり、上記材料を合金ターゲットとする必要があり、本実施例では溶解鋳造法、焼結法によって合金ターゲットを製造した。
STO40は、CoFeAlSi,CoFeGe,CoMnGe,CoFeAl,CoFeSi,CoMnSiなどのCo基ホイスラー合金、あるいは[CoFe/FeCo],[CoFeGe/CoMnGe]などの磁性人工格子などからなり、磁化が自由に回転する磁化自由層(フリー層)としての高周波磁界発生層(FGL)41と、Cu,Ag及びAuからなる第1の群から選ばれた少なくとも1種の元素を少なくとも50at%以上含む合金層を少なくとも一層含み、磁性層との格子定数のミスマッチを4%以下、より望ましくは1.5%以下として磁性膜の格子ひずみ、磁気異方性を制御する非磁性合金中間層42と、CoPt,CoCr,CoCrPt,L12−Co3Pt基合金,L12−(CoCr)3Pt基合金,L11−Co0.5Pt0.5基合金,m−D019型Co0.8Pt0.2基合金,L10型FePtなどの硬磁性合金や、[Co/Ir],[Co/Ni],[CoNiTa/Pd],[Co/Pt]など硬磁性の磁性人工格子などからなり、膜面に垂直方向に磁気異方性軸を持たせたスピン注入層43などから構成される。
非磁性下地層45に関しては、非磁性中間層42と同様に、スピン注入層43や高周波磁界発生層41の膜質・膜特性の制御や発振効率、信頼性、通電効率を高めるために、STOを構成する磁性層との格子整合性を確保することが好ましく、STOを構成する磁性層、非磁性合金中間層と格子定数のミスマッチを4%以下、より好ましくは1.5%以下とすることが好ましい。
非磁性下地層の膜厚は厚い方が好ましいが、記録ギャップ長との兼ね合いで適切な膜厚が設定され、1〜15nmとすれば良好な効果が得られた。
一方、STOの最上層として設けられているキャップ層46については、ダンピング定数などを抑制して高い高周波発振磁界を得るとともに、STOのエレクトロマイグレーションを抑制し高い通電信頼性を確保できる材料、構成などとする事が好ましい。すなわち本実施例のように記録磁極を電極と共用する場合には、記録磁極からのスピンが磁化回転層に影響を与えないように、そのスピン注入抵抗を大きくすることが好ましく、Cu,Ag,Auなどのスピン散乱長の長い材料や前記非磁性中間層材料を少なくとも一層有する積層膜とすることが好ましい。もしくは、耐エレクトロマイグレーション特性の高いNbなどの高融点金属をキャップ層としたり、強いスピン散乱効果によって臨界電流密度(Jc)を低下せしめることができる薄いRuなどをキャップ層に用いてもよい。また上記の効果を併用すべく、非磁性下地層と同様に前記第2の群からなる単層もしくは積層薄膜が適用可能である。なおこれらの少なくとも1元素を50at%以上含み、さらにこれと重複しない前記第2の添加物群からなる少なくとも1元素を少なくとも0.1at%以上含む非磁性合金薄膜、もしくはこれらの積層薄膜とすれば、下地層と同様に総合的により好ましかった。キャップ層の場合も、上記50at%以上の主要成分と重複しない第2の群の少なくとも1元素を25at%よりも多く添加すると、電気抵抗など電気特性の劣化が大きくなるので、25at%以下とすることが好ましかった。
該非磁性キャップ層の膜厚は厚い方が好ましいが、記録ギャップ長との兼ね合いで適切な膜厚が設定され、1〜15nmとすれば良好な効果が得られた。
再生ヘッド部10は、再生ヘッド部を記録ヘッドの記録磁界からシールドする磁気シールド層11、再生センサ素子12、再生分解能を高めるための上部、下部磁気シールド13,14などからなる。ここで上部、下部磁気シールド13,14の間隔Gsが再生ギャップ長となる。再生素子12は媒体からの信号を再生する役割を担うもので、その構成としては、TMR(Tunneling Magneto-Resistive)効果、CPP(Current Perpendicular to Plane)−GMR(Giant Magneto-Resistance)効果、ないしはEMR(Extraordinary Magneto-Resistive)効果を有するもの、さらにはスピン分極率の高いCo2MnGe,Co2FeAlなどのホイスラー合金膜を、Cu,Ag,Auもしくはこれらを主たる成分とする非磁性合金中間層で積層したCo2Fe(Al0.5Si0.5)/CuAu/Co2Fe(Al0.5Si0.5)もしくはCo2Mn(Ge0.75Ga0.25)/AgRh/Co2Mn(Ge0.75Ga0.25)などのシザーズ型や、差動型でもよい。
さらに、再生素子12にはSTO効果を応用したSTOセンサ素子を用いることもできる。STOセンサ素子においては、STO記録素子とは異なり、非磁性中間層を介して積層したスピン注入層の磁化と磁化回転層の相対角度が、磁化回転によって大きく変化するように磁化の配向状態を設定することで、磁気抵抗変化率(MR比)、すなわち出力を大きくした。すなわち、STO記録素子と同様の磁性材料を用い、スピン注入層63の磁化容易軸79を面内配向せしめ、さらに磁化回転層41の磁化容易軸を膜面に垂直とすることで、磁化回転層の磁化67を膜面に垂直な軸68の周りに回転させる(図16参照)、もしくはスピン注入層43の磁化容易軸68を膜面に垂直に配向せしめ、磁化回転層61の磁化容易軸を膜面内に配向せしめることで、磁化回転層の磁化77を膜面内の磁化容易軸78の周りに高速回転するようにせしめた(図15参照)。
図2に示した垂直磁気記録媒体30は、ガラス,Si,プラスチックスやNiPメッキAl合金などから構成される超平滑・耐熱非磁性基板36上に、軟磁性下地層35、第1、第2の磁性層33,34、保護層32、及び潤滑層31などを積層して構成される。軟磁性下地層35は、FeCoTaZrなどからなる。第1、第2の磁性層33,34は、CoCrPt、L12型Co3Pt基規則合金、L12型(CoCr)3Pt基規則合金、L11型Co0.5Pt0.5基規則合金、m−D019型Co0.8Pt0.2基規則合金、[CoCr−SiO2/Pt]や[CoB/Pd]などの磁性人工格子、L10型FePt規則合金などを主な構成要素とし、SiO2,TiO2,C,B,Ag,Cu,Au,Ni,Fe,Cr,Mn,Pdなどを数体積%〜35体積%添加物として適宜含有する、例えばCoCrPt−SiO2,L10FePt−Ag−C,L10FePt−SiO2などの高Hk磁性膜からなる。ここで、このような垂直磁気記録層においては、ターゲット材料に上記のTi,Nb,Zr,Hf,Cu,Cr,Co,Si,Alなどの適切な酸化物、炭化物、窒化物、硼化物もしくはそれらの混合物などを混入し、製膜条件を調整することで、これらからなる非磁性材料を結晶粒界に0.5〜2nm偏析させることにより、結晶粒間の磁気交換相互作用を制御した。保護層32は、C,FCACなどからなる。
・スライダ50:薄型ロングフェムト型(1×0.7×0.2mm3)
・ヘッド保護膜(FCAC):1.8nm
・再生ギャップ長Gs:18nm
・センサ素子12:CPP−GMR(Trw=30nm)
・第1の記録磁極22:FeCoNi(TWW=80nm)
・第2の記録磁極24:CoFe
・STO記録素子40:Cu0.99Au0.01(4nm)/Ru(6nm)/Co2Fe(Ga0.5Ge0.5)(10nm)/Ag1-x-yCuxXy(2nm)/[Co0.85Pt0.15/Ni0.8Fe0.2](10nm)/Ti0.8Cr0.2(10nm)
・FGL:WFGL=36nm、素子高さ=40nm
・媒体基板:3.5インチNiPメッキAl合金基板
・媒体構造:潤滑膜(1nm)/C(2nm)/(Co0.5Pt0.5)−(CrSiTi)O2(2nm)/CoCrPt−SiO2C(10nm)/Ru(10nm)/CoFeTaZr(10nm)/Ru(0.5nm)/CoFeTaZr(10nm)
また、垂直磁気記録媒体磁性層33,34の異方性磁界Hkは、それぞれ22kOe,18kOeであった。
上記いずれの添加元素組成x,yに対しても、Co2Fe(Ga0.5Ge0.5)ホイスラー合金層及び[CoPt/NiFe]磁性人工格子層と非磁性合金中間層の格子定数との整合性は、0.5%ないし1%であった。
本実施例では、強い高周波磁界の得られる磁性材料を用いたSTO構造と、図8に示す記録磁極構造としたマイクロ波アシスト磁気記録ヘッドについて説明する。
図8において、図2と同様に、40はSTO、10は再生ヘッド部、11はシールド層、12は再生センサ素子、13,14は上部、下部磁気シールド、02a,02bはTFC素子部などを示す。本実施例においては、記録磁極22,24を同じ磁性材料で構成したが、記録磁極22を周回する4ターンコイルを設けることで記録磁極22の励磁効率を高めた。またクリアランス制御用として、抵抗80ΩのNiCr薄膜によるTFC02aをシールド層11と上部磁気シールド層13の間に、またTFC02bをセンサ12の略直上に配置し、記録時のSTO40位置、再生時の再生センサ素子12の制御性を向上した。なお記録ギャップ長GLは45nm、磁極22先端からFGL表面までの距離は15nm、STO素子高さは60nm、FGL幅WFGLを50nmとした。
・スライダ50:薄型ロングフェムト型(1×0.7×0.2mm3)
・ヘッド保護膜(FCAC):1.8nm
・再生素子12:TMR(Trw=30nm)
・再生ギャップ長Gs:17nm
・第1の記録磁極22:FeCoNi(TWW=60nm)
・第2の記録磁極24:FeCoNi
・STO記録素子40:Ag0.95Au0.05(4nm)/Ru0.95Mo0.05(6nm)/[Co0.9Fe0.1/Fe0.8Co0.2](10nm)/Cu1-x-yAgxMy(2nm)/[Co0.9Nb0.1/Ni0.8Fe0.2](6nm)/Ru0.8Cu0.2(5nm)/Cr0.9Nb0.1(5nm)
・FGLの幅:WFGL=36nm
・媒体基板:3.5インチNiPメッキAl合金基板
・媒体構造:潤滑膜(1nm)/C(2nm)/CoPt−(SiTiCr)O2(3nm)/CoCrPt−SiO2C(10nm)/Ru(10nm)/CoFeTaZr(10nm)/Ru(0.5nm)/CoFeTaZr(10nm)
また垂直磁気記録媒体磁性層33,34の異方性磁界Hkはそれぞれ20kOe,19kOeとした。
非磁性合金中間層Cu1-x-yAgxMyは、いずれの添加元素M、組成x,yに対しても、[CoFe/FePt]及び[CoNb/NiFe]磁性人工格子磁性層の格子定数との整合性は1〜1.5%であった。さらに磁気記録再生特性評価設備でこれらのマイクロ波アシスト磁気記録再生ヘッドと垂直磁気記録媒体の特性を評価したところ、磁気ヘッドの非磁性中間層として従来技術のCuを用いた場合に比べ、Au,Pt,Ir,Os,Taを添加した場合に、いずれも約1.5dB程度高いS/Nが得られ、良好なマイクロ波アシスト効果が得られた。また下地にRuCu/CrNb合金下地を用いることで、[CoNb/NiFe]磁性人工格子との格子不整合性は2%となり、Ru/Ta,Ti/Ta下地を用いた従来技術の5%に比べ格子整合性が高く、Ru/Ta,Ti/Ta下地を用いた場合に比べ0.7dB高いS/Nが得られ、良好なアシスト効果が得られた。またキャップ層にAgAu/RuMo積層膜を用いる事で、従来技術のTa単層膜を用いた場合に比べ臨界電流を5%、平均通電寿命を10%改善できた。
本実施例では、膜面に垂直方向に磁気異方性軸を有する硬磁性材料で構成したスピン注入層43と、実効的に膜面内に磁化容易面を有するFGL41により、両層の磁化が記録ギャップ内の磁化反転に追従して瞬時に高速回転して高い周波数でもより安定に発振することが可能な、図10に示す構成のSTOを有し、記録磁極構造を図9に示すものとしたマイクロ波アシスト磁気記録再生ヘッドについて説明する。
図9に示したマイクロ波アシスト磁気記録再生ヘッドにおいて、図2と同様に40はSTO、10は再生ヘッド部、11はシールド層、12は再生センサ素子、13,14は上部、下部磁気シールド、02a,02bはTFC素子部などを示す。ただし本実施例では、記録磁極22を2層構造とし、記録ギャップ近傍を高磁束密度材料で構成することで、記録磁界強度、記録磁界勾配を高めるとともに、クリアランス制御用として、抵抗80ΩのNiCr薄膜によるTFC02aを再生素子12とSTO40の略中央に配置することを主な特徴とする。ここで記録ギャップ長GLは45nm、磁極22先端からFGL表面までの距離は15nm、STO素子高さは75nm、FGL幅WFGLを50nm、磁極コア後部を周回するコイルは4ターンとした。
・スライダ50:薄型ロングフェムト型(1×0.7×0.2mm3)
・FCAC51:1.8nm
・再生ギャップ長Gs:16nm
・再生素子12:Co2Fe(Ga0.5Ge0.5)/Ag0.79Cu0.2Au0.01/Co2Fe(Ga0.5Ge0.5)(Trw=30nm)
・第1の記録磁極22:CoFe(TWW=50nm)
・第2の記録磁極24:FeCoNi
・STO記録素子40:Cu0.99Pt0.01(2nm)/Cr0.9Ti0.1(2nm)/[Co0.80Fe0.19Pt0.01/Fe0.99Rh0.01](12nm)/Cu0.99-yAu0.01My(4nm)/[Co0.95Ta0.05/Ni0.95Ru0.05](4nm)/Cu0.95Hf0.05(2nm)/Ru0.9Ti0.1(2nm)
・FGLの幅:WFGL=50nm
・媒体基板:2.5インチNiPメッキAl合金基板
・媒体構造:潤滑層(1nm)/C(2nm)/((Co0.9Cr0.1)3Pt)−B(2nm)/(Co3Pt)−(SiCrTa)O2(8nm)/Ru(10nm)/CoFeTaZr(10nm)/Ru(0.5nm)/CoFeTaZr(10nm)
また、垂直磁気記録媒体磁性層33,34を規則化合金で形成し、その異方性磁界Hkをそれぞれ24kOe,22kOeとした。
上記の添加元素及び組成の非磁性中間層は、[CoFePt/FeRh]及び[CoTa/NiRu]磁性人工格子磁性層の格子定数との整合性は約1.5%であり、磁気ヘッドの非磁性中間層として従来技術のCuを用いた場合に比べて、約1dB高いS/Nが得られ、良好なマイクロ波アシスト効果が得られた。特に膜厚を4nmとしたことで[CoFePt/FeRh]と[CoTa/NiRu]とが反強磁性的に結合し、膜厚を2nmとした場合に比べ、10%程度小さな電流でも同じマイクロ波アシスト効果が得られ、高いスピン注入効率が得られた。本効果は、CuRu,AgRu,AuRuなど本発明の合金で同様に認められた。
本実施例では、図11に示す記録磁極構造とし、更に実施例1と基本的に同じ磁化配列とするが、図12の断面模式図に示すように非磁性中間層を2層としたSTO構成の例について説明する。
図11に示したマイクロ波アシスト磁気記録再生ヘッドにおいて、図2と同様に40はSTO、10は再生ヘッド部、11はシールド層、12は再生センサ素子、13,14は上部、下部磁気シールド、02a,02bはTFC素子部などを示す。ただし本実施例では、記録磁極22を磁極先端と後部のみで高飽和磁束密度材料とし、巻き線数を3ターンとして磁極のインダクタンスを小さくして高周波記録特性を高めるとともに、クリアランス制御用として、抵抗80ΩのNiCr薄膜によるTFC02aを再生素子12の略直上に配置し、02bをSTO40の略直上に配置することを主な特徴とする。
下地層45、キャップ層46については、実施例1ないし3と同様とした。
・スライダ50:薄型ロングフェムト型(1×0.7×0.2mm3)
・ヘッド保護膜(FCAC):1.8nm
・再生ギャップ長Gs:17nm
・センサ素子12:TMR(Trw=30nm)
・第1の記録磁極22:CoFe(TWW=100nm)
・第2の記録磁極24:FeCoNi
・STO記録素子40:Ag0.95Zr0.05(2nm)/Cu0.95Nb0.05(2nm)/Co2Mn(Ga0.5Ge0.5)(12nm)/Ag0.79Cu0.2Q0.01(1nm)/Cu0.79Ag0.20Au0.01(1nm)/[Co0.97Ir0.03/Ni0.98Pt0.02](4nm)/Cu0.80Pd0.20(4nm)
・FGLの幅:WFGL=36nm
・媒体基板:2.5インチガラス基板
・媒体構造:潤滑膜(1nm)/C(2nm)/[CoPt/PtSi](3nm)/CoCrPt−SiO2C(12nm)/Ru(10nm)/CoFeTaZr(10nm)/Ru(0.5nm)/CoFeTaZr(10nm)
また垂直磁気記録媒体磁性層33は異方性磁界Hkが21kOeの磁性人工格子[CoPt/PtSi]とした。磁性層34の異方性磁界Hkは15kOeであった。
上記いずれの添加元素Q、組成に対しても[CoIr/NiPt]磁性人工格子とCu0.79Ag0.20Au0.01非磁性合金中間層、Co2Mn(Ga0.5Ge0.5)ホイスラー合金とAg0.79Cu0.2X0.01非磁性中間層、Cu0.79Ag0.20Au0.01とAg0.79Cu0.2M0.01の両非磁性合金中間層の格子定数の整合性はいずれも0.5〜1%であり、磁気記録再生特性評価設備で上記のマイクロ波アシスト磁気記録ヘッドと垂直磁気記録媒体の特性を評価したところ、磁気ヘッドの非磁性中間層として従来技術のAgを用いた場合に比べ、添加元素Qとして、Zr,Hf,V,Nb,Rh、及びTaを添加した場合に、それぞれ1.2dB,1dB,1dB,1dB,0.8dB高いS/Nが得られ、良好なマイクロ波アシスト効果が得られた。
本実施例では、記録磁極を図2のマイクロ波アシスト磁気記録ヘッドとは別の構成である図13、図14に示す主磁極・補助磁極型の構造としたマイクロ波アシスト磁気記録ヘッドについて説明する。
図13は、本実施例のマイクロ波アシスト磁気記録ヘッドと垂直磁気記録媒体の例を示す概念図である。また、図14(a)は記録ヘッドのギャップ部近傍の下面模式図、図14(b)は図14(a)のAA’ 断面模式図である。本実施例のマイクロ波アシスト磁気記録ヘッドは、記録磁極以外の基本的な構成は実施例1〜4(図2)と同様であり、例えば、50はスライダ、51はヘッド保護層、52は浮上面、40はSTO、10は再生ヘッド部、11はシールド層、12は再生センサ素子、13,14は上部、下部磁気シールド、02a,02bはTFC素子部などである。STO40は図2に示した構造と同様(ただし41と43は積層順を変更)であり、図13では下地層45とキャップ層46を省略して示した。
・スライダ50:薄型ロングフェムト型(1×0.7×0.2mm3)
・FCAC51:1.8nm
・再生ギャップ長Gs:17nm
・再生素子12:TMR(Trw=29nm)
・第1の記録磁極122:FeCoFe(TWW=60nm)、d=15nm、θ=15°、β=15°
・第2の記録磁極124:FeCoNi
・STO記録素子40:Cu0.99Au0.01(2nm)/Rh(2nm)/[Co0.95Pt0.05/Ni0.95Pt0.05](3nm)/Cu0.98L0.01(2nm)/[Co0.85Fe0.10V0.05/Fe0.85Co0.10Ru0.05](13nm)/Ti0.95V0.05(4nm)
・FGLの幅:WFGL=35nm
・媒体基板:3.5インチNiPメッキAl合金基板
・媒体構造:潤滑層(1nm)/C(2nm)/CoCrPt−(SiTi)O2B(4nm)/CoCrPt−(SiTa)O2(4nm)/CoCrPt−SiO2C(4nm)/Ru(10nm)/CoFeTaZr(10nm)/Ru(0.5nm)/CoFeTaZr(10nm)
垂直磁気記録媒体において、磁性層最上層133、中間層139、最下層134の異方性磁界Hkは、それぞれ21kOe,16kOe,18kOeとした。
いずれの添加元素Lに対しても[CoFeV/FeCoRu],[CoPt/NiPt]磁性人工格子とCu0.98L0.01非磁性中間層との格子定数の整合性は、いずれも1.0〜1.5%であり、磁気記録再生特性評価設備で上記のマイクロ波アシスト磁気記録ヘッドと垂直磁気記録媒体の特性を評価したところ、磁気ヘッドの非磁性中間層として従来技術のCuを用いた場合に比べ、上記添加物を添加した場合に、いずれも実施例2と同様に、約1.5dB高いS/Nが得られ、良好なマイクロ波アシスト効果が得られた。
本実施例では、STOを再生センサとして用いた。図15の断面模式図に示すように、STOセンサ素子12を図13に示したマイクロ波アシスト磁気ヘッドの再生ヘッド部12に組み込み、その他は実施例5(図13)と同様としてマイクロ波アシスト磁気記録ヘッドを形成した。
図15に示した本実施例のSTOセンサは、非磁性合金中間層42、磁化回転層61と、回転層の磁化77にスピントルクを与えるためのスピン注入層43などから構成される。ここで矢印66はスピン注入層43において垂直配向した磁化、矢印77は磁化回転層61において面内の回転軸を中心に回転する磁化を表す。また下地層45、キャップ層46には、実施例1と同様に、スピン散乱長が長く、耐食性、耐エレクトロマイグレーション特性に優れた、Cu合金、Ag合金、Au合金などを用いた。
垂直磁気記録媒体130は、磁性層を133,139,134の3層とし、マイクロ波アシスト効果が最も強く働く最表面の異方性磁界Hkを大きくし、記録磁極からの記録磁界では十分な記録ができず、STO40を同時に動作させることで始めて充分な記録ができるように磁性膜の構成元素、膜厚などを調整した。
・スライダ50:薄型ロングフェムト型(1×0.7×0.2mm3)
・FCAC51:1.8nm
・再生トラック幅Trw:28nm
・再生ギャップ長Gs:14nm
・STOセンサ素子12:Cu0.95Ni0.05(1.5nm)/Co2Mn(Ga0.5Ge0.5)(4nm)/Cu1-a-bAuaRb(2nm)/MgO(1nm)/[Co1-x-yPtxQy/Ni0.8Fe0.15Ru0.05](4nm)/Cu0.85Nb0.15(1.5nm)(Trw=30nm、素子高さ=40nm)
・第1の記録磁極122:FeCoFe(TWW=60nm)、d=15nm、θ=15°
・第2の記録磁極124:FeCoNi
・STO記録素子40:Cu0.98Ni0.02(2nm)/Ru(2nm)/[Co0.99Ir0.01/Fe0.99Zr0.01](13nm)/Cu0.99Au0.01(2nm)/[Co0.96Pt0.03Cr0.01/Ni0.98Nb0.02](3nm)/Cr0.9Pt0.1(4nm)
・FGLの幅:WFGL=34nm
・媒体基板:3.5インチNiPメッキAl合金基板
・媒体構造:潤滑層(1nm)/C(2nm)/CoCrPt−(SiTi)O2B(4nm)/CoCrPt−(SiTa)O2(4nm)/CoCrPt−SiO2C(4nm)/Ru(10nm)/CoFeTaZr(10nm)/Ru(0.5nm)/CoFeTaZr(10nm)
なお垂直磁気記録媒体において、磁性層最上層133、中間層139、最下層134の異方性磁界Hkは、それぞれ20kOe,19kOe,18kOeであった。
添加元素Q、その組成y、及びPtの組成x、添加元素R、その組成b及びAu組成aに対しても、[Co1-x-yPtxQy/Ni0.8Fe0.19V0.01]磁性人工格子、Cu1-a-bAuaRbによる非磁性中間層、及びホイスラー合金CO2Mn(Ga0.5Ge0.5)との格子定数の整合性は1〜3.5%であり、組成(a,x)の組み合わせが(0.02,0.02)の時に1〜2%と特に良好であった。
本実施例では、スピン注入層を面内一軸磁気異方性磁性薄膜とし、実施例1のSTOと同様の構成の非磁性中間層、磁化回転層を用いたSTOセンサ素子について説明する。また、そのSTOセンサに適した再生ヘッド構造の実施例を示す。
図16に断面模式図を示す本実施例のSTOセンサにおいては、図15に示した実施例6のSTOセンサとはスピン注入層、回転磁化層の垂直、面内の磁化配列を変更し、スピン注入層63の磁化76を面内配向せしめ、磁化回転層41の磁化67が膜面に垂直な回転軸(磁化容易軸)68を中心に回転するようにせしめた。
(1)Coに0.1at%以上20at%以下のFeを添加したCoFe合金薄膜、もしくはこのCoFe合金を少なくとも50%以上と、Cuを除いた前記第2の群から選ばれた少なくとも1種の元素を合計で0.1at%以上、単独で25at%以下含む磁性合金薄膜、
(2)Feに0.1at%以上70at%以下のCoを添加したFeCo合金薄膜、もしくはこのFeCo合金を少なくとも50at%以上含み、Cuを除いた前記第2の群から選ばれた少なくとも1種の元素を合計で0.1at%以上、単独で25at%以下含む磁性合金薄膜。
次に図17を用いて、STOセンサ素子12を再生ヘッド10の後部(素子高さ方向奥側)に設けた引き込み型再生ヘッドの構造について説明する。
図2に示した垂直磁気記録媒体30においては、最表面側の磁性層33の異方性磁界Hkを大きくし、記録磁極22からの記録磁界では十分な記録ができず、STO40を同時に動作させることで始めて充分な記録ができるように磁性膜の構成元素や膜厚などを調整した。ここで磁性層33,34の異方性磁界Hkは、それぞれ18kOe,17kOeであった。
・スライダ50:薄型ロングフェムト型(1×0.7×0.2mm)
・ヘッド保護膜(FCAC):1.8nm
・再生トラック幅Trw:28nm
・再生ギャップ長Gs:10nm
・STOセンサ素子12:Ag0.99Au0.01(1nm)/[(Co0.8Fe0.2)1-aAa/(Fe0.9Co0.1)1-bBb](3nm)/Cu1-x-yAgxQy(2nm)/MgO(1nm)/Co0.9Fe0.1Rh0.02(2nm)/Ru(4nm)/Ni0.8Fe0.2Ta0.02(2nm)/Cu0.98Au0.02(2nm)
・第1の記録磁極22:FeCoNi(TWW=60nm)
・第2の記録磁極24:FeCoNi
・STO記録素子:Ag0.99Ni0.01(5nm)/Ta0.99Mo0.99(5nm)/[Co0.75Fe0.25/Fe0.99Pt0.01](8nm)/Cu1-x-yAgxLy(2nm)/[Co0.9Pt0.1/Ni0.8Fe0.2](7nm)/Ru0.9Cr0.1(10nm)
・FGLの幅:WFGL=34nm
・媒体基板:3.5インチNiPメッキAl合金基板
・媒体構造:潤滑膜(1nm)/C(2nm)/CoCrPt−(SiTi)O2(2nm)/CoCrPt−SiO2C(10nm)/Ru(10nm)/CoFeTaZr(10nm)/Ru(0.5nm)/CoFeTaZr(10nm)
いずれの添加元素、組成に対しても、Co0.88Fe0.1Rh0.02/Ru/Ni0.8Fe0.18Ta0.02積層スピン注入層、Cu1-x-yAgxQy中間層、及び[(Co0.8Fe0.2)1-aAa/(Fe0.9Co0.1)1-bBb]磁化回転層との格子定数の整合性は、1〜1.5%と特に良好であった。
実施例1〜7のマイクロ波アシスト磁気記録ヘッドを搭載した磁気記憶装置の実施例について図18を用いて説明する。
図18に示す磁気記憶装置は、スピンドルモータ500、垂直磁気記録媒体501、高剛性アーム502、HGA(以下、磁気ヘッドと略称することがある)505、HSA(Head Stack Assembly)506、ヘッド駆動制御装置(R/W−IC)508、R/Wチャネル509、マイクロプロセッサ(MPU)510、ディスクコントローラ(HDC)511、バッファメモリを制御するバッファメモリ制御部516、ホストインタフェース制御部517、RAMなどを用い制御プログラム及び制御データ(パラメータテーブル)を格納するメモリ部518、フラッシュメモリやFROMなどを用い制御プログラムや制御データ(パラメータテーブル)を格納する不揮発性メモリ部519、VCM(Voice Coil Motor)駆動制御部、SPM(Spindle Motor)駆動制御部などから構成されるコンボドライバ520、MPUのバス515などから構成される。
実施例1〜7で説明した磁気ヘッドにおいては、図2、図13、図14に示したように記録磁極幅とSTO幅が異なるが、記録はSTOの幅で決まるように磁気ヘッド、垂直磁気記録媒体の材料、所定のパラメータ、特性としてあるが、製造工程のばらつきによってパラメータが仕様を満たさない場合もあるので、以下のように選別した。すなわちまずクリアランスを1.5nmとしてマイクロ波アシスト磁気記録ヘッドにより、垂直磁気記録媒体に所定のゾーン、領域に磁気記憶装置と同じサーボ情報を記録した。次いでこのサーボ情報を用い、記録、再生時のクリアランスをそれぞれ1.5nm,1nmとして、磁気ヘッドの記録再生特性を評価し、以下のように選別を行なった。
上記選別試験に合格したマイクロ波アシスト磁気記録ヘッド4本及び垂直磁気記録媒体2枚を図18に示した2.5型もしくは3.5型のHDAもしくは磁気記憶装置に組み込み、サーボトラックライタもしくはセルフサーボライト方式により、所定のサーボ情報を記録した。
以下、上記データを用いて磁気記憶装置に記録再生を行う制御方法について説明する。パソコンなどのホスト、上位システムからの情報の記録や再生の命令に従い、磁気記憶装置のメイン制御装置であるMPU510による制御で、垂直磁気記録媒体501が所定の回転数でスピンドルモータ500により回転する。次いで、所定の情報の記録再生を行なう磁気ヘッドHkが磁気記録媒体上にロードされ、垂直磁気記録媒体のサーボ情報からの再生信号を用いて媒体上の位置を検出する。その位置信号を基に目標位置までの軌跡を計算し、駆動制御部520のVCM駆動制御部がVCM522を制御し、高剛性HSA506、磁気ヘッドHGA505を、垂直磁気記録媒体の所定のゾーンZpにおける所定記録トラック上に高速・高精度に移動(シーク動作)させ、そのトラック位置に磁気ヘッドを追従(フォローイング)させる。そして、そのトラック上の所定のセクタSjにおいて、MPUのファームウェアプログラムによって情報の記録再生を以下のように行なう。
本実施例の磁気記憶装置において、実施例1,2,4〜7のWFGLを34〜36nmとしたいずれの磁気ヘッド及び磁気記録媒体に対しても、従来の垂直磁気記録技術では達成し得なかった1.05MTPIと、500kTPI以上の高いトラック密度で装置が動作することを確認した。さらに本実施例の磁気記憶装置は、湿度95%、温度50℃の高温高湿試験によりその信頼性を2日間評価したところ、いずれも記録再生時のエラーレートの劣化は認められなかった。さらに実施例6と同様に、60℃、109A/cm2とした、STOセンサに対する通電加速信頼性試験においても、高い信頼性を有することが確認された。
本実施例では、幅広のFGLを有するマイクロ波アシスト磁気記録ヘッドを用いて、その略1/2〜1/3の大きさのピッチで重ね記録を行なう、いわゆる瓦記録方式の磁気記憶装置について説明する。
実施例3で説明したWFGL50nmのマイクロ波アシスト磁気記録ヘッドと、サーボ情報を記録していない消磁状態の垂直磁気記録媒体を、それぞれ2.5型、3.5型磁気記憶装置に組み込み、38nmのトラックピッチTPopで瓦記録方式によりサーボパターンを記録し、実施例8と同様の方法で瓦記録方式の磁気記憶装置を組み立て、実施例8と同様に調整して瓦記録方式の磁気記憶装置とした。
瓦記録方式により、幅広のFGLによる強いマイクロ波アシスト記録を行なうことにより、WFGLを36nmとして同じトラックピッチの装置を構成した場合に比べ、装置のエラーレートを1桁高くでき、同じ装置容量とした場合にその装置歩留りを10%程度高くできた。
12:センサ素子
22:第1の記録磁極
24:第2の記録磁極
26:STO発振制御磁界
30:磁気記録媒体
40:高周波発振素子部(STO)
41:高周波磁界発生層(FGL)
43:スピン注入層
47:高周波磁界
50:スライダ
100:ヘッド走行方向
130:磁気記録媒体
Claims (20)
- 垂直磁気記録媒体に情報を記録するための記録磁界を発生する記録磁極と、
前記記録磁極と隣接して設けられた高周波磁界発振素子とを備え、
前記高周波磁界発振素子は、下地層と、前記下地層の上に設けられた第1の磁性層と、前記第1の磁性層の上に設けられた非磁性中間層と、前記非磁性中間層の上に設けられた第2の磁性層とを有し、
前記非磁性中間層は、Cu,Ag及びAuからなる第1の群から選ばれた少なくとも1種の元素を50at%以上含み、Cu,Ag,Au,Cr,Ti,Zr,Hf,V,Nb,Ta,Ru,Os,Pd,Pt,Rh,Irからなる第2の群から選ばれ、前記第1の群の元素とは重複しない少なくとも1種の元素を合計で0.1at%以上含む結晶質の導電性である非磁性合金からなることを特徴とするマイクロ波アシスト磁気記録ヘッド。 - 請求項1記載のマイクロ波アシスト磁気記録ヘッドにおいて、
前記非磁性中間層は、前記第1の群から選ばれた元素を2種以上含むことを特徴とするマイクロ波アシスト磁気記録ヘッド。 - 請求項1記載のマイクロ波アシスト磁気記録ヘッドにおいて、
前記第1の磁性層と前記第2の磁性層の少なくとも一層がホイスラー合金からなることを特徴とするマイクロ波アシスト磁気記録ヘッド。 - 請求項1記載のマイクロ波アシスト磁気記録ヘッドにおいて、
前記第1の磁性層と前記第2の磁性層の少なくとも一層が、下記(a)の磁性薄膜と下記(b)の磁性薄膜を少なくともそれぞれ2層積層した磁性人工格子薄膜であることを特徴とするマイクロ波アシスト磁気記録ヘッド。
(a)Coに0.1at%以上20at%以下のFeを添加したCoFe磁性合金薄膜、もしくは当該CoFe磁性合金を少なくとも50%以上と、Cuを除いた前記第2の群から選ばれた少なくとも1種の元素を合計で0.1at%以上、単独で25at%以下含む磁性合金薄膜
(b)Feに0.1at%以上70at%以下のCoを添加したFeCo磁性合金薄膜、もしくは当該FeCo磁性合金を少なくとも50at%以上含み、Cuを除いた前記第2の群から選ばれた少なくとも1種の元素を合計で0.1at%以上、単独で25at%以下含む磁性合金薄膜 - 請求項1記載のマイクロ波アシスト磁気記録ヘッドにおいて、
前記下地層が、Cu,Ag,Au,Cr,Ti,Zr,Hf,V,Nb,Ta,Ru,Os,Pd,Pt,Rh,Irからなる第2の群から選ばれた少なくとも1種の元素を50at%以上含み、それと重複しない少なくとも1元素を0.1at%以上含むことを特徴とするマイクロ波アシスト磁気記録ヘッド。 - 請求項1記載のマイクロ波アシスト磁気記録ヘッドにおいて、
前記第2の磁性層に接し、非磁性中間層と反対側にキャップ層を有し、
前記キャップ層は、前記第2の群から選ばれた少なくとも1種の元素を50at%以上含み、それと重複しない少なくとも1元素を更に0.1at%以上含む薄膜であることを特徴とするマイクロ波アシスト磁気記録ヘッド。 - 請求項1記載のマイクロ波アシスト磁気記録ヘッドにおいて、
前記第1の磁性層と第2の磁性層の一方は膜面に垂直方向に磁気異方性軸を有するスピン注入層、他方は実効的に膜面内に磁化容易面を有する高周波磁界発生層であり、
前記高周波磁界発生層から前記スピン注入層側に電流を流すことを特徴とするマイクロ波アシスト磁気記録ヘッド。 - 請求項1記載のマイクロ波アシスト磁気記録ヘッドにおいて、
前記非磁性中間層は、それに隣接する前記第1の磁性層及び前記第2の磁性層との格子定数のミスマッチが4%以下であることを特徴とするマイクロ波アシスト磁気記録ヘッド。 - 請求項8記載のマイクロ波アシスト磁気記録ヘッドにおいて、
前記格子定数のミスマッチが1.5%以下であることを特徴とするマイクロ波アシスト磁気記録ヘッド。 - 請求項8記載のマイクロ波アシスト磁気記録ヘッドにおいて、
前記下地層と前記第1の磁性層との格子定数のミスマッチが4%以下であることを特徴とするマイクロ波アシスト磁気記録ヘッド。 - 垂直磁気記録媒体に情報を記録するための記録ヘッドと、一対の磁気シールド層の間に配置された磁気再生素子を備える再生ヘッドとを有し、
前記磁気再生素子は、下地層と、前記下地層の上に設けられた第1の磁性層と、前記第1の磁性層の上に設けられた非磁性中間層と、前記非磁性中間層の上に設けられた第2の磁性層とを有し、
前記非磁性中間層は、Cu,Ag及びAuからなる第1の群から選ばれた少なくとも1種の元素を50at%以上含み、Cu,Ag,Au,Cr,Ti,Zr,Hf,V,Nb,Ta,Ru,Os,Pd,Pt,Rh,Irからなる第2の群から選ばれ、前記第1の群の元素とは重複しない少なくとも1種の元素を合計で0.1at%以上含む結晶質の導電性である非磁性合金層を含むことを特徴とするマイクロ波アシスト磁気記録再生ヘッド。 - 請求項11記載のマイクロ波アシスト磁気記録再生ヘッドにおいて、
前記非磁性中間層は、前記第1の群から選ばれた元素を2種以上含むことを特徴とするマイクロ波アシスト磁気記録再生ヘッド。 - 請求項11記載のマイクロ波アシスト磁気記録再生ヘッドにおいて、
前記非磁性中間層は、それに隣接する前記第1の磁性層及び前記第2の磁性層との格子定数のミスマッチが4%以下であることを特徴とするマイクロ波アシスト磁気記録再生ヘッド。 - 請求項11記載のマイクロ波アシスト磁気記録再生ヘッドにおいて、
前記第1の磁性層及び第2の磁性層の少なくとも一層がホイスラー合金であること、又は下記(1)の磁性薄膜と下記(2)の磁性薄膜を少なくともそれぞれ2層積層した磁性人工格子薄膜であることを特徴とするマイクロ波アシスト磁気記録再生ヘッド。
(1)Coに0.1at%以上20at%以下のFeを添加したCoFe磁性合金薄膜、もしくは当該CoFe磁性合金を少なくとも50%以上とCuを除いた前記第2の群から選ばれた少なくとも1種の元素を合計で0.1at%以上、単独で25at%以下含む磁性合金薄膜
(2)Feに0.1at%以上70at%以下のCoを添加したFeCo磁性合金薄膜、もしくは当該FeCo磁性合金を少なくとも50at%以上含み、Cuを除いた前記第2の群から選ばれた少なくとも1種の元素を合計で0.1at%以上、単独で25at%以下含む磁性合金薄膜 - 請求項11記載のマイクロ波アシスト磁気記録再生ヘッドにおいて、
前記非磁性中間層が、トンネルバリア層と前記非磁性合金層とで構成されていることを特徴とするマイクロ波アシスト磁気記録再生ヘッド。 - 請求項11記載のマイクロ波アシスト磁気記録再生ヘッドにおいて、
前記磁気再生素子は、前記一対の磁気シールド層の素子高さ方向奥側に配置されていることを特徴とするマイクロ波アシスト磁気記録再生ヘッド。 - 垂直磁気記録媒体と、
前記垂直磁気記録媒体を駆動する媒体駆動部と、
前記垂直磁気記録媒体に対して情報の記録再生を行う磁気ヘッドと、
前記磁気ヘッドを前記垂直磁気記録媒体に対して位置決めするヘッド駆動部と、
前記磁気ヘッドの動作を制御・処理する処理部とを備え、
前記磁気ヘッドは、
記録磁界を発生する記録磁極と、
前記記録磁極と隣接して設けられた高周波磁界発振素子とを備え、
前記高周波磁界発振素子は、下地層と、前記下地層の上に設けられた第1の磁性層と、前記第1の磁性層の上に設けられた非磁性中間層と、前記非磁性中間層の上に設けられた第2の磁性層とを有し、
前記非磁性中間層は、Cu,Ag及びAuからなる第1の群から選ばれた少なくとも1種の元素を50at%以上含み、Cu,Ag,Au,Cr,Ti,Zr,Hf,V,Nb,Ta,Ru,Os,Pd,Pt,Rh,Irからなる第2の群から選ばれ、前記第1の群の元素とは重複しない少なくとも1種の元素を合計で0.1at%以上含む結晶質の導電性である非磁性合金からなる
ことを特徴とする磁気記憶装置。 - 請求項17記載の磁気記憶装置において、
前記下地層が、Cu,Ag,Au,Cr,Ti,Zr,Hf,V,Nb,Ta,Ru,Os,Pd,Pt,Rh,Irからなる第2の群から選ばれた少なくとも1種の元素を50at%以上含み、それと重複しない少なくとも1元素を0.1at%以上含むことを特徴とする磁気記憶装置。 - 請求項17記載の磁気記憶装置において、
前記非磁性中間層は、それに隣接する前記第1の磁性層及び前記第2の磁性層との格子定数のミスマッチが4%以下であることを特徴とする磁気記憶装置。 - 請求項17記載の磁気記憶装置において、
前記第1の磁性層及び第2の磁性層の少なくとも一層がホイスラー合金であること、又は下記(1)の磁性薄膜と下記(2)の磁性薄膜を少なくともそれぞれ2層積層した磁性人工格子薄膜であることを特徴とする磁気記憶装置。
(1)Coに0.1at%以上20at%以下のFeを添加したCoFe磁性合金薄膜、もしくは当該CoFe磁性合金を少なくとも50%以上とCuを除いた前記第2の群から選ばれた少なくとも1種の元素を合計で0.1at%以上、単独で25at%以下含む磁性合金薄膜
(2)Feに0.1at%以上70at%以下のCoを添加したFeCo磁性合金薄膜、もしくは当該FeCo磁性合金を少なくとも50at%以上含み、Cuを除いた前記第2の群から選ばれた少なくとも1種の元素を合計で0.1at%以上、単独で25at%以下含む磁性合金薄膜
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