JP5941331B2

JP5941331B2 - 磁気記録媒体および磁気記憶装置

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Publication number: JP5941331B2
Application number: JP2012102100A
Authority: JP
Inventors: 福田　宏; 宏福田; 芳博城石
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Filing date: 2012-04-27
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Description

本発明は、磁気記録媒体およびそれを備えた磁気記憶装置に関する。

インタネット環境の進化、クラウドコンピューティングの浸透などによるデータセンタの増設などにより、生成される情報量が近年急増している。記録密度が最も高く、ビットコストに優れた磁気ディスク装置（ＨＤＤ）などの磁気記憶装置が”ビッグデータ時代”のストレージの主役であることは間違いない。このためには、磁気記憶装置の大容量化、それを支える高密度化が必須である。現在、磁気記憶装置は、主磁極・シールド磁極型の磁気記録ヘッドと磁性層表面層（キャップ層とも呼ばれる）における結晶磁気異方性エネルギーを小さくして記録し易さを飛躍的に改善したＥＣＣ（Exchange Coupled Composite）媒体と呼ばれる磁気記録媒体による垂直磁気記録方式の性能向上により、高密度化を達成してきた。高密度化の基本はスケーリング則で、磁気ヘッドのトラック幅、ヘッド・磁気記録媒体間のスペーシング、磁気記録媒体の結晶粒などを小さくすることが必須である。しかし磁気記録媒体の結晶粒を小さくすると、磁化状態を保とうとする上記異方性エネルギーが小さくなり、熱擾乱により、記録された磁化状態が乱されやすくなる。この現象は超常磁性効果と呼ばれ、非特許文献１に記載されているように、１Ｔｂ／ｉｎ^２程度の時代になると現状方式の単なる延長では実用限界の壁があるとされる。高密度化のためにはこれを越える技術を開発することが最大の課題となっている。

これに対して特許文献１では、外部に設けた高周波源を磁気ヘッドの動きに追従させることで、磁気共鳴条件を満たす高周波磁界を磁気記録媒体に供給し、磁気記録媒体のスピンが高周波磁界のエネルギーを吸収して保磁力が実効的に低下することを利用して、磁気記録媒体の温度を事実上上昇させることなく高保磁力磁気記録媒体にも低磁界で書き込みが行えるスピン加熱記録方法が提案されていた。

近年、スピントルクによって高速回転し高周波磁界を発生する、高周波磁界発生層ＦＧＬ（Field Generation Layer）を利用した微小構造の実用的なスピントルク型高周波発振素子（ＳＴＯ：Spin Torque Oscillator）が非特許文献２で提案され、次いで非特許文献３では、同種の構造の高周波発振素子ＳＴＯを垂直磁気ヘッドの主磁極に隣接して配置し、ＳＴＯからのマイクロ波帯域の高周波磁界で媒体磁化の才差運動を励起しスウィッチング磁界を下げながら磁気異方性の大きな磁気記録媒体に情報を磁気記録し高密度化を図るマイクロ波アシスト記録方式（ＭＡＭＲ）が開示された。

さらに、非特許文献４並びに５には、マイクロ波アシスト記録方式の各種設計条件とその効果の関係について記載されている。これらにより、マイクロ波アシスト記録方式の実用化に向けた研究開発が近年急速に加速されるようになった。

一方、垂直磁気記録の記録密度を上げる方法として既に実用化されている方式として、ＥＣＣ（Exchange Coupled Composite）媒体、ＣＡＰ媒体等の多層媒体がある。多層媒体に関しては、例えば非特許文献６に記載されている。さらに、上記文献記載のＥＣＣ効果とは別効果を狙った多層媒体に関して、例えば記録膜表面又は下地界面の局所的な低Ｋｕ領域から生成される逆磁区によるノイズを抑制するため記録膜表面又は下地界面に高Ｋｕ層を設けることが、特許文献２、３に記載されている。

特開平７−２４４８０１号公報特開平１１−２９６８３３号公報特開２０００−１１３４４２号公報

Y. Shiroishi,et al,"Future Options for HDD Storage", IEEE Trans. Magn., Vol.45, no.10, pp3816−3822 (2009). X.Zhu and J.−G.Zhu, "Bias−Field−Free Microwave Oscillator Driven by Perpendicularly Polarized Spin Current" IEEE Trans. Magn., vol.42, pp.2670−2672, 2006. J−G.Zhu, X.Zhu, and Y.Tang, "Microwave Assisted Magnetic Recording", IEEE Trans. Magn., Vol. 44, no.1, pp125−131 (2008). S.Batra and W.Scholz, "Role of Media Parameters in Switching Granular Perpendicular Media Using Microwave Assisted Magnetic Recording", IEEE Trans. Magn., Vol. 45, pp889−892 (2009). S.Batra and W.Scholz, "Micromagnetic modeling of ferromagnetic resonance assisted Switching", J. App. Phys., 103, 07F539(2008). R. H. Victora and X. Shen, "Composite Media for Perpendicular Magnetic Recording", IEEE. Trans. Magn. vol.41, pp.537−542 (2005).

高周波磁気発生素子（ＳＴＯ）を用いたマイクロ波アシスト記録方式（ＭＡＭＲ）は従来の熱アシスト方式に比べて磁気ヘッドの小型化が可能であり、高記録密度化に有望と思われる。そこで本発明者らは、高周波発生素子を搭載した磁気記憶装置を従来装置と同様の種々の環境条件で鋭意検討、試験をしたところ、実用化に向けて以下の大きな課題があることが判明した。

前述のように記録密度を上げるには磁気記録媒体の結晶粒を小さくする必要があるが、このとき長期間にわたって記録安定性を得るためには、結晶粒当たりの磁気異方性エネルギー（Ｋｕ×Ｖ）が熱擾乱エネルギー（ｋ×Ｔ）より十分大きい必要がある。ここで、Ｋｕは磁気記録媒体の磁気異方性エネルギー（単位体積当たりの磁化方向を反転させるためのエネルギー＝飽和磁化Ｍｓ×異方性磁界Ｈｋ／２）、Ｖは結晶粒の体積、ｋはボルツマン定数、Ｔは絶対温度である。前記ＥＣＣ媒体は、一定の（又はより小さな）ヘッド磁界により、より大きなＫｕを持つ磁気記録媒体の磁化を反転させることで記録密度を増大することを主眼とする。一方、ＭＡＭＲもこれと同様の効果を目的とするものである。しかしながら、発明者等が検討した結果、従来ＥＣＣ媒体にＭＡＭＲを適用しても両者の相乗効果を得ることは困難であることが明らかになった。即ち、前記ＭＡＭＲの前記ＥＣＣ媒体に対する優位性や両者の相乗効果により、ＭＡＭＲが従来垂直磁気記録の密度限界をさらに向上する可能性があるかということは必ずしも自明ではない。

又、上記最適磁気記録媒体は単独で存在するものではなく、その性能を引き出すためには、記録装置全体の最適設計が必要であるが、その構成・条件は必ずしも明らかでなかった。特に、ＭＡＭＲの特徴を活かすには、主磁極からの記録磁界だけでは磁気記録媒体に情報が記録されず、上記記録磁界に高周波磁界発生層ＦＧＬからの高周波磁界が加えられた領域でのみ磁気記録媒体の磁化が反転すること（マイクロ波による選択的反転）により情報が記録されることが望ましい。この場合、記録幅がＦＧＬの幅により規定されるので、広い幅の主磁極を用いることにより磁極狭幅化により記録磁界を減少することなく、十分に大きな記録磁化が得られるからである。さらに、上記条件は入手可能な材料物性・構成において実現可能なものである必要がある。例えば、高周波発振素子の発振周波数はその構成（磁気物性、構造）に依存し、現実的な構成において発振可能な周波数が限定される。

しかしながら、上記先行技術文献にはこれら課題については何ら記載されておらず、特に、非特許文献２〜５では、スピン注入によるスピントルク効果を用いたマイクロ波アシスト記録方式によって実際に記録密度がどこまで向上するかについては、定量的に検討されておらず、問題点含め開示もされていない。

本発明の目的は、マイクロ波アシスト記録方式（ＭＡＭＲ）を用いる場合において、高記録密度の実現が可能な磁気記録媒体および磁気記憶装置を提供することにある。

上記課題を解決するために、例えば特許請求の範囲に記載の構成を採用する。
本願は上記課題を解決する手段を複数含んでいるが、その一例を挙げるならば、情報を記録する３層以上の記録膜を有する磁気記録媒体と、前記磁気記録媒体に情報を書き込むための記録磁界を発生する記録磁極と前記記録磁極に対向して設けられた対向磁極と前記記録磁極および前記対向磁極の間に設けられた高周波磁界発生素子と前記磁気記録媒体から情報を読み取る磁気再生素子とを備える磁気ヘッドを含み、前記磁気記録媒体の前記記録膜における前記磁気ヘッドに最も近い第１の層の異方性磁界は、２０ｋＯｅより大きいことを特徴とする磁気記憶装置とする。

又、マイクロ波アシスト磁気記録方式の磁気記憶装置で用いる磁気記録媒体であって、情報を記録する３層以上の記録膜を有し、前記磁気記憶装置の磁気ヘッドに前記記録膜として最も近くに配置される前記記録膜の第１の層の異方性磁界は、２０ｋＯｅより大きいことを特徴とする磁気記録媒体とする。

以上、本発明によれば、マイクロ波アシスト記録方式（ＭＡＭＲ）を用いる場合において、高記録密度の実現が可能な磁気記録媒体および磁気記憶装置を提供することができる。

本発明の実施の形態に係る磁気記録媒体（ｔｙｐｅ−１、３層）の典型的な異方性磁界の構成を示す特性図である。本発明の実施の形態に係る他の磁気記録媒体（ｔｙｐｅ−２、３層）の典型的な異方性磁界の構成を示す特性図である。本発明の原理を説明するための特性図で、磁気記録媒体を構成する磁性結晶粒の磁化反転指標と熱安定性指標の関係を示す図である。本発明の原理を説明するための特性図で、ダンピング係数と異方性磁界の関係を示す図である。本発明の原理を説明するための特性図（ｔｙｐｅ−１）で、磁化反転前後におけるＡＣ磁界及び媒体磁化の時間変化を示す図である。本発明の原理を説明するための特性図（ｔｙｐｅ−２）で、磁化反転前後におけるＡＣ磁界及び媒体磁化の時間変化を示す図である。本発明の実施の形態に係る磁気記憶装置の性能を示す特性図で、磁化反転指標と熱安定性指標の関係を示す図である。本発明の実施の形態に係る磁気記録媒体（３層）の平均的な異方性磁界の構成を示す特性図である。本発明の原理を説明するための特性図である。本発明の実施の形態に係る磁気記憶装置の性能を示す特性図である。本発明の第１の実施例に係る磁気記憶装置の主要部の構成を示す模式図である。本発明の第１の実施例に係る磁気記憶装置の全体構成を示す模式図である。本発明の第１の実施例に係る磁気記憶装置を用いた記録方法を説明するための模式図である。本発明の第１の実施例に係る磁気記憶装置の動作原理を説明するための模式図であり、（a）は上向きの磁化を下向きに書き換える場合、（ｂ）は下向きの磁化を上向きに書き換える場合を示す。

発明者等は、上記目的を達成するための手段について検討した結果、
磁気記録媒体やそれを備えた磁気記憶装置としては、多層記録媒体において、磁気ヘッドに最も近い第１層目の異方性磁界（Ｈｋ）が２０ｋＯｅを超える層にすればよいこと、
特に、磁気記憶装置としては、磁気記録媒体（特に、多層記録層）に情報を記録する位置における、記録磁界の強度をＨｄｃ、記録磁界が媒体磁気異方性の容易軸と成す角度をφ、高周波磁界の強度をＨａｃ、その周波数をｆａｃ、磁気記録媒体（特に、多層記録層）の各層のダンピング係数をα、磁気記録媒体の異方性磁界の平均値をＨｋとした場合、

α＞０．１、ｆａｃ＜４０ＧＨｚ、でかつ
φ＜３０°又はφ＞６０°のとき、Ｈｋ＜３・Ｈｄｃ、
３０°＜φ＜６０°のとき、２・Ｈｄｃ＜Ｈｋ＜３・Ｈｄｃ

とすればよいことを見出した。本発明はこの新たな知見に基づいて生まれたものである。

一実施形態を以下に示す。情報を記録する３層以上の磁性体膜を有する磁気記録媒体と、上記磁気記録媒体に情報を書き込むための記録磁界を発生する記録磁極と、上記記録磁極と対向して設けられた対向磁極と、前記記録磁極と上記対向磁極との間に設けられた高周波磁界発生素子と、前記磁気記録媒体から情報を読み取る磁気再生素子を少なくとも備える磁気ヘッドを含み、前記３層以上の磁性体膜の上記ヘッドに最も近い第１層の異方性磁界は、２０ｋＯｅより大きいことを特徴とする。ここで、前記磁気記録媒体は、前記記録磁極からの記録磁界だけでは十分な記録ができないことが望ましい。又、上記３層以上の磁性体膜の上記第１層の異方性磁界が、上記第１層と隣接して前記ヘッド側と反対側にある第２層の異方性磁界よりも大きいことが望ましい。

後に説明するように、ＭＡＭＲではまずＡＣ磁界が磁気記録媒体の磁化を強制振動させることにより、磁化方向を磁気記録媒体面内方向に近付け、しかる後に、磁化がこれと直交する有効磁界の磁気記録媒体面内成分より磁化反転方向のトルクを受けて反転する。これにより、比較的異方性磁界Ｈｋの大きな（即ち熱安定性の高い）磁気記録媒体でも磁化反転が可能となる。ＡＣ磁界は磁気記録媒体膜厚方向に比較的速やかに減衰するので、これにより反転可能なＨｋも膜厚方向に減少する。従って、磁気記録媒体膜厚方向のＡＣ磁界減衰に伴い膜厚方向にＨｋを下げることにより、異方性の高い（即ち熱安定性の高い）磁気記録媒体を磁化反転させるためにＡＣ磁界の作用を最大限に活用することができる。即ち、ヘッド側にＨｋの大きな第１層を、磁気記録媒体基板側にＨｋの小さな第２層を配置することが望ましい。

さらに、上記磁気記録媒体の上記第２の層と隣接して前記ヘッド側と反対側にある第３の層の異方性磁界を上記第２の層の異方性磁界より大きくすることが望ましい。又、上記第２の層の異方性磁界が比較的大きい場合には、上記第３の層の異方性磁界を上記第２の層の異方性磁界より小さくしてもよい。

これは、前記第１層の異方性磁界Ｈｋが第２層の異方性磁界Ｈｋより大きな構造に、公知のＥＣＣ媒体もしくはＣＡＰ媒体構造と組み合わせることが有効であり、この場合、上記ＭＡＭＲメカニズムを最大限活用するためには、ＡＣ磁界の大きな磁気記録媒体の表面側構造に関して、第１層のＨｋが第２層のＨｋより大きな構造を用い、ＥＣＣ又はＣＡＰ媒体構造は磁気記録媒体基板側に適用することが望ましいためである。即ち、前記第２層のさらに基板側に、上記第２層と異なるＨｋを持つ第３層を設ける。このとき、第２層のＨｋが比較的小さい場合には第３層のＨｋを第２層より大きく設定し、第２層のＨｋが比較的大きい場合には第３層のＨｋを第２層より小さく設定する。いずれにせよ、膜全体の熱安定性（層毎のＫｕ×粒子体積／（ｋＴ）の和、Ｋｕ：磁気異方性エネルギー、ｋ：ボルツマン定数、Ｔ温度）が大きくなるように設定することが望ましい。

なお、特許文献２、３には、第１層の磁気異方性が２．５〜５ｘ１０^６ｅｒｇ／ｃｃ、第２層の磁気異方性が１〜２．５ｘ１０^６ｅｒｇ／ｃｃの多層媒体の記載があるが、これらはＭＡＭＲを前提にしたものでなく、マイクロ波によるアシストなしで磁化反転可能なものであり、本発明と異なる。又、通常の多層媒体において、第１層及び第２層の飽和磁化Ｍｓはおよそ５００ｅｍｕ／ｃｃ程度であり、上記第１層の磁気異方性２．５〜５ｘ１０^６ｅｒｇ／ｃｃを与える異方性磁界は１０〜２０ｋＯｅとなるため、本発明における第１層の異方性磁界の好ましい範囲と異なる。

次に、記録磁極からの記録磁界と高周波磁界発生素子からの高周波磁界により磁気記録媒体（特に、多層記録層）に情報を記録する位置における、上記記録磁界の強度をＨｄｃ、記録磁界が媒体磁気異方性の容易軸と成す角度をφ、上記高周波磁界の強度をＨａｃ、その周波数をｆａｃ、上記磁気記録媒体（特に、多層記録層）の各層のダンピング係数をα、異方性磁界の平均値をＨｋとした場合、

α＞０．１、ｆａｃ＜４０ＧＨｚ、でかつ
φ＜３０°又はφ＞６０°のとき、Ｈｋ＜３・Ｈｄｃ、
３０°＜φ＜６０°のとき、２・Ｈｄｃ＜Ｈｋ＜３・Ｈｄｃ

とする理由について説明する。

これは、ＡＣ磁界が磁気記録媒体の磁化を強制振動するためには、磁気記録媒体のダンピング係数が比較的大きいことが望ましく、より具体的にはダンピング係数が０．１又は０．１５以上であることが望ましいからである。また、反転の過程において、磁気記録媒体に作用する上記ＡＣ磁界以外のＤＣ成分（有効磁界）が媒体磁化に及ぼすトルクが十分に小さいことが望ましい。これらの条件が満たされた時、媒体磁化は外部磁界に追随する。さらに、ＭＡＭＲにより選択的反転が生じるためには、ＡＣ磁界が存在せずＤＣ成分のみの時、媒体磁化が略上向きの状態と下向きの状態の間に磁気的なエネルギー障壁が存在することが望ましい。このような、エネルギー障壁が存在して、かつＤＣ成分（有効磁界）が磁化に及ぼすトルクが十分に小さい条件は、磁気記録媒体のＨｋに応じて、外部ヘッド磁界の大きさと角度を上記の範囲に設定することにより達成されるからである。

以下、若干詳細に説明する。
まず、第１層の異方性磁界Ｈｋを２０ｋＯｅ以上と大きくすること、さらに、第１層の異方性磁界Ｈｋを第２層の異方性磁界Ｈｋより大きくすることの有効性について述べる。まず、ＡＣ磁界と媒体磁化の相互作用についてわかり易く説明するため、単層媒体を例に説明する。図３に様々な設計の磁気記録媒体において、磁気記録媒体を構成する磁性結晶粒に選択的反転が生じる場合の磁化反転指標と熱安定性指標の関係を調べたシミュレーション結果を示す。ここで、磁化反転指標は、規格化した記録信号磁界の時間変化Ｈ（ｔ）と、規格化した媒体磁化ｍのｚ成分の時間変化ｍｚ（ｔ）の差の絶対値の時間平均で定義されるもので、小さいほど良好な記録ができることを示す。又、熱安定性指標は前述の磁気異方性エネルギー（Ｋｕ×Ｖ）と熱擾乱エネルギー（ｋ×Ｔ）の比（多層媒体の場合は各層に対するＫｕＶ／ｋＴの和）で定義され、大きいほど熱安定性、熱擾乱に対する耐力が高いことを示す。磁化反転性能と熱安定性はトレードオフの関係にある。ここで、磁化反転性能が高く熱安定性が低い解（ｔｙｐｅ−１、図３の黒丸）と磁化反転性能が低く熱安定性高い解（ｔｙｐｅ−２、図３の白丸）に対して、磁化反転前後におけるＡＣ磁界及び媒体磁化の時間変化の様子（シミュレーション結果）を各々図５Ａ及び図５Ｂに示す。又、図４に上記ｔｙｐｅ−１及びｔｙｐｅ−２に対してダンピング係数αと異方性磁界Ｈｋの関係を示す。

磁化反転性能が高く熱安定性が低いｔｙｐｅ−１の反転解はαが大きく、比較的ダンピングの大きいため磁化は外部磁界の変化に追随するとともに、強制振動によりＡＣ周波数で振動し、磁化が磁気記録媒体面と略平行となり、運動周波数がＡＣ周波数とほぼ整合して反転する。そこで、磁化反転が、（１）ｚ方向を向いた磁化ｍが、主磁極からのＤＣ磁界に追随すると同時にＡＣ磁界のｙ成分（Ｈａｃ）からトルクを受けて、（ＡＣ周期の半分以下の）時間Δｔ内に角度θまで変化するステップＩと、（２）面内磁界からのトルクにより反転するステップＩＩ、からなると考える。ＤＣ磁界とｚ軸の成す角をθ１、ＡＣ磁界による角度変化分をθ２とすると、θ＝θ１＋θ２。

一方、磁化反転性能が低く熱安定性は高いｔｙｐｅ−２の反転解はαが小さく、磁化は磁気記録媒体面と略平行状態で才差運動を行うが、ＡＣ磁界により才差運動の周波数がシフトしてＡＣ周波数とほぼ整合し、かつ両者の位相差が反転促進方向にマッチングすると反転する。即ち、磁化反転は、ｚ方向を軸にある角度で才差運動する磁化ｍが、ＡＣ磁界のｙ成分及びｘ成分（Ｈａｃ）からトルクを受けて、時間Δｔ内に角度θまで変化するステップＩと、上記同様のステップＩＩからなると考える。このとき、才差運動による磁化とｚ軸のなす角をθ１、ＡＣ磁界による角度変化分をθ２とすると、上記と同様にθ＝θ１＋θ２。

ここで、θが有効磁界のｚ成分がほぼ０となる角度とすると、このとき面内方向回転トルクがほぼ０となるため反転時間が十分に確保されてステップＩＩがほぼ自動的に進むと考えられる。以上より、

Δｍ＝γ・Ｈａｃ・ｍ・Δｔ＞ｍｓｉｎθ２、
かつ、
Ｈｅｆｆ＝−Ｈｋ・ｃｏｓθ＋Ｈｅｘｔ＿ｚ＋Ｈｄ＿ｚ＋Ｈｅｘｃｈ＿ｚ＝０、

従って、反転可能な異方性磁界Ｈｋの最大値は、以下の式で表される。なお、Ｈｅｘｔ＿ｚは外部磁界、Ｈｄ＿ｚは反磁界、Ｈｅｘｃｈ＿ｚは交換磁界の各々のｚ成分を示す。

Ｈｋ〜（Ｈｅｘｔ＿ｚ＋Ｈｄ＿ｚ＋Ｈｅｘｃｈ＿ｚ）／ｃｏｓ（θ１＋θ２）。

ここで簡単のため、θ１を公知のＳｔｏｎｅｒ−Ｗｏｈｌｆａｒｔｈモデルにおける有効磁界が最大となる４５度と仮定すると、

Ｈｋ〜２^０．５・（Ｈｅｘｔ＿ｚ＋Ｈｄ＿ｚ＋Ｈｅｘｃｈ＿ｚ）／（ｃｏｓθ２−ｓｉｎθ２）
＝２^０．５・（Ｈｅｘｔ＿ｚ＋Ｈｄ＿ｚ＋Ｈｅｘｃｈ＿ｚ）／｛（１−（γ・Ｈａｃ・Δｔ）^２）^０．５−γ・Ｈａｃ・Δｔ｝。

上式から、ＡＣ磁界（Ｈａｃ）の存在により、反転可能なＨｋの最大値は、
１／｛（１−（γ・Ｈａｃ・Δｔ）^２）^０．５−γ・Ｈａｃ・Δｔ｝
倍に増大する。発明者等の検討によれば、Ｈａｃが１０００ｋＯｅ、ＡＣ周波数が３０ＧＨｚ程度のとき、効率的なアシスト効果が得られ、このとき、反転可能なＨｋは、上式より、約１．５倍程度増大する。従って、従来垂直磁気記録媒体の上層部のＨｋ、１０ｋＯｅ〜２０ｋＯｅに対して、ＭＡＭＲにおいては多層媒体の上層部の異方性磁界Ｈｋが２０ｋＯｅを超え、更に３０ｋＯｅ以上とすることにより効率的なアシスト効果が得られる。

ここで、主磁極の寸法は高周波磁界発生層ＦＧＬの寸法より大きいので、主磁極の作る記録磁界の分布はＦＧＬの作る高周波磁界の分布より均一である。即ち、Ｈａｃ＿ｙはＨｅｘｔ＿ｚに比べて膜厚方向に速やかに減衰する。そこで、反磁界Ｈｄ＿ｚと交換磁界Ｈｅｘｃｈ＿ｚが膜厚方向に大きく変化しないとすると、マイクロ波によって反転可能なＨｋも膜厚方向に速やかに減少する。従って、膜厚方向のＨｋの分布を、膜厚方向の各位置でマイクロ波によって反転可能な最大のＨｋに設定することにより、マイクロ波による反転選択性と熱安定性を最大化することができる。

そこで次に、様々な層構成の多層媒体に対してアシスト効果による選択的反転の可能性を調べた。図６の各点は、選択的反転が可能な場合の磁化反転指標と熱安定性指標の関係で、単層媒体の場合と同様に両者はトレードオフ関係にある。これらのうち、磁化反転性能が高く熱安定性が低いグループ（ｔｙｐｅ−１、図６の黒丸）と、磁化反転性能が低く熱安定性が高いグループ（ｔｙｐｅ−２、図６の白丸）の各々に属する各種磁気記録媒体のＨｋ及びαの膜厚方向分布の平均を図７の実線と破線に示す。比較のためにアシストを用いない場合の同様の結果を図７中点線で示す。

アシストを用いない場合、熱安定性を最大化する反転解は、第１層の異方性磁界Ｈｋが２０ｋＯｅ以下で、膜厚方向に増大するＨｋ分布を持つ。これに対して、アシスト効果を用いる場合、第１層のＨｋを、２０ｋＯｅを超え３０ｋＯｅ以上とすることにより、熱安定性を最大化しつつ選択的反転が可能となる。又、アシスト効果による磁化反転性能を重視する場合（ｔｙｐｅ−１）、第２層のＨｋを第１層のＨｋより小さくすることが効果的である。Ｔｙｐｅ−２においても、ＡＣ磁界強度やヘッド磁界強度を強くしてアシスト効果を強めた場合、熱安定性を最大化するには、第２層のＨｋを第１層のＨｋより小さくすることが有効である。図１に、ｔｙｐｅ−１に属しアシスト効果により高い選択反転性能が得られる典型的なＨｋ分布を示す。図２に、ｔｙｐｅ−２に属しアシスト効果により高い熱安定性が得られる典型的なＨｋ分布を示す。

なお、多層膜の製造工程においては必ずしも材料組成を不連続的に切り替えるとは限らず連続的に変化させることもありうる。この場合、磁気記録媒体膜表面付近及び膜内部各々の異方性磁界Ｈｋの平均値を上記第１層及び第２層のＨｋと考える。又、膜厚方向に局所的に表面側のＨｋと内部側のＨｋの大小関係が逆転しても、本発明作用の趣旨を逸脱しない限りにおいて、膜表面側の平均値と内部側の平均値の間に上記関係が満たされればよい。例えば、図１及び図２において、第１層Ｈｋより第２層Ｈｋが大きい分布が存在するが、両者の平均値は第３層のＨｋより大きい。このため、実質的に上記本発明の作用が生じる。

以上、アシスト効果を最大限効率的に活用して熱安定性、記録密度を向上できる磁気記録媒体特性の分布について述べた。一方、アシスト効果はＡＣ磁界、ヘッド磁界等に依存する。例えば、上式では簡単のため省略したが、通常ヘッド磁界は媒体磁気異方性容易軸から傾いているので、ＡＣ磁界による強制振動で必要な上記θの値は減少すると期待される。又、上式より最適な異方性磁界Ｈｋの構成は反磁界や交換磁界、従って各層の飽和磁化や層間の結合に依存する。そこで次に、ヘッド磁界の強度と角度、ＡＣ磁界の強度と周波数、磁気記録媒体のダンピング係数、異方性磁界、飽和磁化を前記所定の範囲に設定することの有効性について述べる。媒体磁化の運動は、磁気記録媒体に作用する有効磁界のＡＣ磁界以外のＤＣ成分を軸とする才差運動と、ＡＣ磁界による強制振動の組み合わせで近似される。磁化は、媒体磁化の磁気記録媒体面内方向回転運動の周波数と位相がＡＣ磁界の周波数と位相とほぼ整合したとき反転する。ここで、ＡＣ磁界は高周波磁界発生層ＦＧＬの磁化の才差運動により発生されるが、実際のＦＧＬの材料物性及び構成上の制約から、４０ＧＨｚ以上の周波数を発生することは現実的に困難と考えられる。一方、上記ＤＣ成分が磁化に及ぼすトルクが増大すると、これによる才差運動の周波数が増大する。従って、媒体磁化の運動をＡＣ磁界と整合させるには、上記ＤＣ成分が磁化に及ぼすトルクを抑えることが望ましい。また、一般に、ＭＡＭＲでは高周波磁界による磁気記録媒体の回転運動を促進するためにダンピングは小さいほうが好ましいとされているが、低ダンピングは上記ＤＣ成分による才差運動を促進するためＡＣ磁界による強制振動が困難になる。このため、比較的長期間にわたってＡＣ磁界と才差運動の正確な同期を取ることが必要となり、磁化反転に時間を要する等の問題が生じる。発明者の検討によれば、ＡＣ磁界による強制振動は磁気記録媒体のダンピング係数が０．１以上のとき効率よく生じ、このとき速やかに磁化反転が達成される。

磁化反転の過程において、上記有効磁界のＤＣ成分は、まず磁気記録媒体にかかるヘッド磁界が反転し、これに引き続き媒体磁化の方向が変化して有効磁界の磁気異方性起因成分が変化するのに伴って変化する。これに伴い媒体磁化の才差運動周波数も変化する。そこで、磁化反転の過程を通じて、系の磁気的エネルギーと磁化がＤＣ成分から受けるトルクがどのように変化するかを、公知のＳｔｏｒｎｅｒ−Ｗｏｈｌｆａｒｔｈのモデルにより説明する。磁気記録媒体の磁気異方性容易軸と磁化ｍの成す角をθ、容易軸とヘッド磁界Ｈｄｃの成す角をφ、ヘッド磁界とＨｋの比をｈとすると、無次元化した系のエネルギーＥと磁化の受けるトルクＴは、θ、φ、ｈの関数として以下のように表わされる。

Ｅ＝−ｃｏｓ（２θ）／４−ｈ・ｃｏｓ（φ−θ）
Ｔ＝｜ｍ×Ｈｅｆｆ｜、

ここで、第１に、選択的反転が生じるためには、あるφとｈに対して、θが１８０度から０度に変化する過程でエネルギー障壁が存在する必要がある。第２に、ＡＣ磁界によるアシストが生じるためには、ＡＣ磁界による強制振動により磁化の運動周波数がＡＣ磁界と整合する必要がある。このためには、あるφとｈに対して、θが１８０度から０度に変化する過程で上記エネルギー障壁を上る過程に対応するθの範囲で、上記ＤＣ成分による才差運動トルクが十分に小さい必要がある。
ここでｈ＝０．６５、０．４５及び０．２５のときのＥ（θ，φ）とＴ（θ，φ）の分布を図８に示す。まず、ｈ＝０．６５の場合、φの値によらずエネルギー障壁が存在しないのでＡＣアシスト無しでも磁化反転が生じてしまう。即ち、選択的反転条件は得られない。次に、ｈ＝０．４５のとき、φが４５度近辺の場合には、エネルギー障壁が存在しないのでＡＣアシスト無しでも磁化反転が生じてしまう。一方、φが０度又は９０度に近い場合、エネルギー障壁が存在し、さらに、１８０度側から０度側へ向けてエネルギー障壁を上る過程に対応するθの範囲で対応するトルクの値が小さい。従って、才差運動が抑制されるため、ＡＣアシスト効果による選択的反転が生じうる。ｈ＝０．２５のとき、φの値によらずエネルギー障壁が存在する。しかし、１８０度側から０度側へ向けてエネルギー障壁を上る過程に対応する範囲のθに対するトルクの値がｈ＝０．５の場合と比べて大きい。このため、磁化は才差運動を行う。従って、ＡＣ磁界はその周波数と位相をこれと整合させる必要がある。この場合でも、αが比較的大きく、外部ＡＣ磁界の周波数が有効磁界による才差運動周波数に近くかつその磁界強度が十分であれば、才差運動周波数がシフトしてＡＣ磁界周波数に同期して磁化反転することが可能である。

ここで、記録磁界の強度Ｈｄｃと角度φ、高周波磁界の強度Ｈａｃと周波数ｆａｃ、記録媒体の各層のダンピング係数α、異方性磁界の平均値Ｈｋ、飽和磁化の平均値Ｍｓを様々に変えて、媒体磁化反転に対するＡＣアシストの有効性を計算した。まず、ヘッド磁界を立ち上がり時間０．１ｎｓｅｃで下向き（負）から上向き（正）に変化させた場合、アシストがある場合／ない場合の各々に対する媒体磁化（最大値で規格化）ｍｚ＿ｏｎ、ｍｚ＿ｏｆｆ（それぞれ最大値、最小値は１、−１）に対して、

（１−ｍｚ＿ｏｆｆ）＊（１＋ｍｚ＿ｏｎ）／４；

を一定時間積分した値をアシスト効果指標と定義する。アシスト効果指標は１以下の正の値を持つが、１に近いほどアシスト効果が高いことを示す。アシストなしでも磁化反転してしまう場合やアシストしても磁化反転しない場合上記指標は小さく、アシスト無では反転せずアシストにより反転する場合のみ１に近づく。図９は、アシスト効果指標のＡＣ磁界周波数ｆａｃ、媒体ダンピング係数α依存性の２次元マップを、異なるヘッド磁界強度Ｈｄｃ及び角度φに対して２次元的に並べたマトリクスについて、さらに様々な媒体異方性磁界Ｈｋに対して計算した結果である。図９は、色が薄くなるほど（白い領域）アシスト効果が高いことを表わしている。この結果から、４０ＧＨｚ以下のＡＣ周波数に対して所望のアシスト効果が得られるのは

α＞０．１、ｆａｃ＜４０ＧＨｚ、でかつ
φ＜３０°又はφ＞６０°のとき、Ｈｋ＜３・Ｈｄｃ、
３０°＜φ＜６０°のとき、２・Ｈｄｃ＜Ｈｋ＜３・Ｈｄｃ
である。

以上示したように、マイクロ波アシスト磁気記録方式（ＭＡＭＲ）において、磁気記録媒体の表面側（ヘッド側）におけるマイクロ波アシスト効果と、磁気記録媒体の基板側におけるＥＣＣ効果の両方により、小さなヘッド磁界でマイクロ波アシスト効果なしでは反転困難なよりＫｕの大きな磁気記録媒体の磁化を反転させることが可能となる。又、主磁極からの記録磁界だけでは磁気記録媒体に情報が記録されず、上記記録磁界に高周波磁界発生層ＦＧＬからの高周波磁界が加えられた領域でのみ磁気記録媒体の磁化が反転するので、記録幅を比較的微細加工の容易なＦＧＬの幅により規定することができるとともに、広い幅の主磁極を用いることにより磁極狭幅化により記録磁界を減少することなく、十分に大きな記録磁化が得られる。これによっても、よりＫｕの大きな磁気記録媒体の磁化を反転させることが可能となる。又、比較的低い周波数の高周波磁界によりマイクロ波アシスト効果なしでは反転困難なよりＫｕの大きな磁気記録媒体の磁化を反転させることが可能となる。以上により、本実施の形態における磁気記憶装置および磁気記録媒体により、従来垂直磁気記録方式の超常磁性限界の壁を越えて記録密度を増大することができる。

以下、実施例について図面を用いて説明する。

第１の実施例について図１０〜図１３を用いて説明する。図１０に本実施例に係る磁気記憶装置（磁気記録再生装置）の構成例の一部である磁気記録再生ヘッドの概略図を示す。なお、各図において同一符号は同一構成要素を示す。磁気記録再生ヘッドは、磁気記録媒体１３０上をクリアランス１０１をもって相対的に１００方向に走行するスライダ１５０上に形成された、再生ヘッド部１１０、記録ヘッド部１２０を有する。符号１５１はＣＶＤ−Ｃ、ＦＣＡＣ（Filtered Cathodic Arc Carbon）などからなるヘッド保護層で、符号１５２は磁気記録再生ヘッドの浮上面（ＡＢＳ：Air Bearing Surface）である。スライダ１５０は、磁気ヘッド磁極部の浮上量が磁気記録媒体全周に亘って１０ｎｍ程度になるように、Ａｌ_２Ｏ_３−ＴｉＣセラミックスのＡＢＳ面を負圧が発生するようにエッチング加工を施したもので、大きさはフェムト型で０．８５×０．７×０．２３ｍｍ程度である。本実施例では、磁気記録再生ヘッドは再生ヘッド部１１０が先頭で記録ヘッド部１２０が後方になる向きに磁気記録媒体１３０が相対的に移動する構成としているが、逆構成であったとしても良く、またヘッド保護層１５１はなくても良い。

再生ヘッド部１１０は、シールド層１１１、再生センサ素子（磁気再生素子）１１２、上部磁気シールド１１３と下部磁気シールド１１４を有する。再生センサ素子１１２は磁気記録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効果、ないしはＥＭＲ（Extraordinary Magneto−Resistive）効果を有するもの、更にはＳＴＯ（Spin Torque Oscillator）効果を応用したものや、いわゆる差動型であっても良い。その素子幅Ｔ_ｒｗは、目標とする記録磁界、記録密度に応じて設計、加工され、その大きさは８０ｎｍないし５ｎｍ程度である。なお同図で出力の取り出し端子は省略して記載してある。

記録ヘッド部１２０は高周波磁界１４５を発生するための高周波磁界発生素子１４０、記録ヘッド磁界１２１を発生するための第１の記録磁極１２２、高周波磁界発生素子１４０の磁化回転方向などを制御するための第２の記録磁極１２４、記録磁極を励磁するためのＣｕなどからなるコイル１２３で構成される。第１の記録磁極と第２の記録磁極の役割を変えても良い。なお、図面上ではコイル１２３が第１の記録磁極１２２の左右に分かれて記載されているが、実際は第１の記録磁極１２２を取り巻くように配置されている。符号１２５は、記録磁極（第１の記録磁極）１２２と補助磁極（第２の記録磁極）１２４との間の磁気ギャップ部を示す。ここで記録磁極１２２は、ＦｅＣｏＮｉ、ＣｏＦｅ合金などの高飽和磁束軟磁性膜をメッキ法もしくはスパッタ法などで製膜、ベベル角が１０ないし２０度の台形状で、ＡＢＳ面に近づくにつれその断面積が小さくなるように形成される。なお台形状の記録磁極１２２の広い側の記録素子の幅Ｔ_ｗｗは、目標とする記録磁界、記録密度に応じて設計、加工され、その大きさは１６０ｎｍないし１０ｎｍ程度である。また本記録磁極１２２は、補助磁極１２４も兼ねてＣｏＮｉＦｅ合金、ＮｉＦｅ合金などの軟磁性合金薄膜で非磁性層を介してその周囲を囲った、いわゆるＷＡＳ構造（Wrap Around Structure）としても良い。

高周波磁界発生素子１４０は、ＦｅＣｏ、ＮｉＦｅなどの軟磁性合金、ＣｏＰｔ、ＣｏＣｒなどの硬磁性合金、Ｆｅ_０．４Ｃｏ_０．６、Ｆｅ_０．０１Ｃｏ_０．９９、Ｃｏ_０．８Ｉｒ_０．２などの負の垂直磁気異方性を有する磁性合金、またＣｏＦｅＧｅ、ＣｏＭｎＧｅ、ＣｏＦｅＡｌ、ＣｏＦｅＳｉ、ＣｏＭｎＳｉなどのホイスラー合金、ＴｂＦｅＣｏなどのＲｅ−ＴＭ系アルモファス系合金、Ｃｏ／Ｆｅ、Ｃｏ／Ｉｒなどの磁性人工格子などからなる高周波磁界発生層（ＦＧＬ）１４１、Ａｕ、Ａｇ、Ｐｔ、Ｔａ、Ｉｒ、Ａｌ、Ｓｉ、Ｇｅ、Ｔｉ、Ｃｕなどの非磁性伝導材料などからなる中間層１４２、更に高周波磁界発生層ＦＧＬにスピントルクを与えるためのスピン注入固定層１４３などから構成される。ここでＦＧＬ１４１の幅Ｗ_ＦＧＬは、目標とする記録磁界、記録密度に応じて設計、加工され、その大きさは１５０ｎｍないし５ｎｍ程度である。また非磁性中間層１４２の膜厚は、高いスピン注入効率を得るために、その膜厚を０．２ないし４ｎｍの程度とすることが好ましく、スピン注入固定層１４３としては、垂直異方性を持った材料を用いることによりＦＧＬ１４１の発振を安定させることが出来るので、Ｃｏ／Ｐｔ、Ｃｏ／Ｎｉ、Ｃｏ／Ｐｄ、ＣｏＣｒＴａ／Ｐｄなどの人工磁性材料を用いることが好ましい。更にＦＧＬの高周波磁化回転を安定化させるため、スピン注入固定層１４３と同様の構成の回転ガイド強磁性層をＦＧＬ１４１に隣接して設けても良い。またスピン注入固定層１４３とＦＧＬ１４１の積層順は逆にしても良い。なお、スピンは直流電源１４４からＦＧＬ１４１などに供給されるが、図１０ではその構造を示す為に電流の供給端子は省略して簡略化して記載してある。

本実施例の磁気記録媒体１３０は、ガラスやＮｉＰメッキＡｌなどから構成される非磁性基板１３６上に、ＦｅＣｏＴａＺｒなどからなる軟磁性下地層１３５、Ｒｕなどからなる非磁性中間層１３４、多層構造を有する記録層１３３、Ｃなどからなる保護層１３２、及び潤滑層１３１を順次積層することにより構成する。また軟磁性下地層１３５と基板１３６との間に少なくとも一層の非磁性層を、また軟磁性下地層１３５と磁性層（記録層１３３）との間に非磁性中間層１３４に加えて磁性中間層を設けても良い。更に軟磁性下地層１３５を、Ｒｕなどを介した２層構造としてもよい。ここで、上記記録層１３３は、ＣｏＣｒＰｔ、Ｌ１_２−Ｃｏ_３Ｐｔ基合金、Ｌ１_２−（ＣｏＣｒ）_３Ｐｔ基合金、Ｌ１_１−Ｃｏ_５０Ｐｔ_５０基合金、ＣｏＣｒＢ／Ｐｔ、ＣｏＢ／Ｐｄ磁性人工格子、Ｌ１_０型ＦｅＰｔ、などを主な構成要素とする磁性膜の組み合わせからなり、上記非磁性中間層１３４を最適化することにより各磁性膜が垂直磁気異方性を有する平均粒径５ｎｍ程度の結晶構造を持たせた。例えば、ここでは、記録層１３３を組成比の異なる３種のＬ１_１−Ｃｏ_ｘＮｉ_ｙＰｔ_{１００−ｘ−ｙ}の積層膜（表面側から順に第１層、第２層、第３層とする）とし、組成ｘ、ｙを調節することにより、第１層、第２層、第３層のＨｋが、各々、３５ｋＯｅ、２５ｋＯｅ、４５ｋＯｅ程度となるようにした。上記結晶粒の平均粒径は必要記録密度に応じて変更することが望ましい。また、さらに、上記記録層１３３はターゲット材料にＴｉ、Ｎｂ、Ｚｒ、Ａｇ、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、非磁性材料を結晶粒界に０．５ないし２ｎｍ適宜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。なお本実施例では、基板１３６の片面に磁性層（記録層１３３）などを設けた例を示したが、これらを非磁性基板１３６の両面に設けても良い。本実施例では磁気記録媒体１３０は各ビットが連続して存在する連続媒体の例を示したが、基板上に１０ｎｍ程度の磁性パターンを設けたパターン媒体でもよい。

図１１には、本実施例に係る磁気記憶装置（磁気記録再生装置）の構成例を示す。上位システムからの記録、再生の命令に従い、磁気記録媒体２０１は所定の回転数でスピンドルモータ２００により回転、再生ヘッドにより、予め装置製造工程で磁気記録媒体２０１に記録されたサーボ情報からの信号を用いて磁気記録媒体上の位置を検出し、再生ヘッド部と記録ヘッド部とを含むヘッドスライダ２０３及びサスペンション２０４とからなる、磁気ヘッドＨＧＡ（Head Gimbal Assembly）２０５を、アーム２０２を介してアクチュエータ２０６で制御することで磁気記録媒体２０１の所定の記録トラック上に移動（シーク動作）、その位置でフォローイング動作をする。次いでそのトラック上で、情報記録時には、記録信号は、サスペンション２０４に予め設けられた配線を通じて、Ｒ／Ｗ−ＩＣ、信号処理系などを含む回路系２０７によって制御されつつ、記録ヘッド部によって磁気記録媒体上の該記録トラックにマイクロ波アシスト方式（ＭＡＭＲ）で記録される。また情報再生時には、再生ヘッド部により信号が再生され、信号処理系での再生、復調信号処理などを経て情報が読み出される。アクチュエータ２０６がロータリー型のアクチュエータであれば、装置の小型軽量化の点で好ましい。本実施例では、磁気記録媒体２０１が１個、磁気ヘッドスライダが２個の場合を示したが、磁気記録媒体１個に対し磁気ヘッドスライダが１個でも良く、また磁気記録媒体、磁気ヘッドを目的に応じて複数個に適宜増やしても良い。

図１２を用いて、本実施例に係る磁気記憶装置における第１の記録磁極１２２からの磁界で磁化反転が決まる場合の情報記録動作を模式的に説明する。両極性の記録信号電流をコイル１２３に流すことにより、第１の記録磁極１２２、磁気記録媒体１３０の軟磁性下地層１３５、第２の記録磁極１２４を含む磁気回路に磁束を発生する。これにより、媒体記録層１３３及び高周波磁界発生素子１４０の位置に、記録信号電流の向きに応じた磁界が生じる。また同時に、高周波磁界発生素子１４０に直流のＳＴＯ通電電流１４９を流す。これにより高周波磁界発生層（ＦＧＬ）１４１の磁化が才差運動を行い、高周波磁界１４５が発生する。磁気記録媒体内において一定強度以上の記録ヘッド磁界（記録磁界）１２１と高周波磁界１４５が重畳した記録領域で、上記高周波磁界のアシスト効果により上記記録磁界方向に応じて記録層１３３が磁化される。記録層１３３内の矢印は磁化方向を示す。磁気記録媒体１３０を、第１の記録磁極等を含む記録ヘッド部１２０に対してトラック方向１００に移動させることにより、記録情報に応じた磁化情報がトラック方向に順次記録される。ここで、上記第１の記録磁極１２２、第２の記録磁極１２４、軟磁性下地層１３５の形状と磁気特性を最適設計することにより、上記記録領域における記録ヘッド磁界（記録磁界）１２１の絶対強度と磁気記録媒体面法線と成す角度が各々、１０ｋＯｅ以上、２０度〜７０度となるようにした。又、高周波磁界発生素子１４０を最適設計することにより、上記マイクロ波の磁界強度（振幅）と発振周波数が各々、１ｋＯｅ以上、２０〜４０ＧＨｚとなるようにした。

図１３に、磁気記録媒体１３０に図１２で示した記録を行う時の高周波磁界発生素子１４０の各層の磁化状態を模式的に示す。ここで符号１４６はスピン注入固定層１４３の磁化、符号１４７は高周波磁界発生層（ＦＧＬ）１４１の磁化、符号１４８は高周波磁界発生層（ＦＧＬ）の磁化１４７の回転方向、符号１４９は高周波発生素子に電源１４４から供給される直流のＳＴＯ通電電流である。磁気記録媒体１３０の記録層１３３に記録された上向きの磁化１３７を下向きに書き換える場合の概念図を図１３（ａ）に示す。この場合には、第１の記録磁極１２２から、図で下向きの記録磁界１２１が発生するように記録ヘッドのコイル１２３に記録信号電流を通電する。このとき、第１の記録磁極１２２からの磁界の一部が第２の記録磁極１２４に向けてギャップ部１２５にも発生する。同図に示すように、スピン注入固定層１４３、高周波磁界発生層（ＦＧＬ）１４１の磁化を図１１上で右向きに配向させるのに十分強い発振制御磁界１２６が発生するように、予め第１の記録磁極１２２、第２の記録磁極１２４、磁気ギャップ部１２５などの構造、材料、更には高周波磁界発生素子１４０の構造、材料などを設計しておく。同時に、ＳＴＯ通電電流１４９により、電子がＦＧＬ１４１から中間層を経てスピン注入固定層１４３へ流れるが、スピン注入固定層内において同固定層磁化と同じ向きのスピンを持った電子の伝導度が、これと逆向きのスピンを持った電子の伝導度より大きいため、固定層磁化と逆向きのスピンを持った電子が中間層で反射され、中間層／ＦＧＬ界面付近に蓄積する。ＦＧＬ磁化１４７は、発振制御磁界１２６からＦＧＬ層面内方向に、上記電子スピンより磁化をＦＧＬ面に近付ける方向に、又、ＦＧＬ１４１の異方性磁界の符号に応じてＦＧＬ面と垂直な方向に、各々トルクを受けることにより、減衰することなく発振制御磁界１２６を回転軸として才差運動を行う。これにより、磁気記録媒体位置に媒体面内で回転もしくは直線振動する高周波磁界を発生し、この高周波磁界１４５が下向きの記録磁界１２１をアシストすることにより磁気記録媒体の上向き磁化１３７は下向き磁化１３８に反転、情報の書き換えが行われることになる。なおここで、上記の発振周波数は発振制御磁界とＦＧＬの異方性磁界の和によって決まる。このため例えば軟磁性材料や負の垂直磁気異方性材料でＦＧＬを構成した場合には、その異方性磁界は小さいので、ＦＧＬの発振周波数は発振制御磁界１２６の強さに応じて決まることになる。

次に上記と反対に、記録層１３３に記録された下向きの磁化１３８を上向きに書き換える場合について、図１３（ｂ）の概念図を用いて説明する。まずスピン注入固定層１４３及びＦＧＬ１４１に、図１３（ａ）と逆向き（左向き）の強い発振制御磁界１２６を印加し、スピン注入固定層１４３及びＦＧＬ１４１の磁化の向きを、図中左向きになるように高速でスウィッチさせる。ＳＴＯ通電電流１４９の方向は変わらず、先ほどとは逆向きのスピンを持つ電子が中間層／ＦＧＬ界面付近に蓄積するので、ＦＧＬ１４１における発振制御磁界、電子スピン、磁気異方性による実効磁界の向きが図１３（ａ）の場合と全て反対向きとなり、逆方向に才差運動を行う。これにより発生する高周波磁界１４５が上向きの記録磁界１２１をアシストすることにより磁気記録媒体の下向き磁化１３７は上向きに反転、情報の書き換えが行われることになる。なお上記で適正な調整を行えば、第１の磁極と第２の磁極の役割を変えることもできる。

公知のＬＬＧシミュレーションによれば、ＦＧＬは、その膜厚を１ないし１００ｎｍ、より好ましくは５ないし３０ｎｍとし、その幅と高さを４０〜２０ｎｍ程度以下の範囲で最適化して、強い磁界を印加することにより、軟磁性材料、硬磁性材料、負の垂直磁気異方性材料のいずれの材料でも、磁区構造をつくることなく、安定して発振することが確認された。このことから、マイクロ波アシスト記録方式は特に高密度記録に適しているといえる。
以上、本実施例によれば、マイクロ波アシスト記録方式（ＭＡＭＲ）を用いる場合において、高記録密度の実現が可能な磁気記録媒体および磁気記憶装置を提供することができる。

本発明の第２の実施例について説明する。なお、実施例１に記載され本実施例に未記載の事項は特段の事情が無い限り本実施例にも適用することができる。

本実施例では、ＭＡＭＲ方式において、熱安定性に優れるだけでなく、磁気記録再生過程におけるＳＮ比も向上できる磁気記憶装置、および磁気記録媒体の例を説明する。

本実施例では、磁気記録媒体の構造を除いて実施例１とほぼ同様の装置構成を用いるので、以下、磁気記録媒体の構造についてのみ説明する。実施例１では、記録層の各層の結晶粒界に酸化物を偏析させることにより結晶粒間の磁気交換相互作用を抑制した。これに対して、本実施例では、上記記録層の第１層については、結晶粒界偏析による磁気記録媒体表面の面荒れを抑制するために上記酸化物の導入を抑制した。このため、第１層では磁気交換相互作用が優勢となるため、第１層、第２層、第３層のＨｋを、各々、３０ｋＯｅ、２０ｋＯｅ、４０ｋＯｅ程度となるように調整すると同時に、各層の飽和磁化を増大することにより、熱安定性を確保した。これらは従来の製造プロセスで実現可能である。

以上、本実施例によれば、マイクロ波アシスト記録方式（ＭＡＭＲ）を用いる場合において、高記録密度の実現が可能な磁気記録媒体および磁気記憶装置を提供することができる。また、磁気記憶媒体の第１層における結晶粒界への酸化物の偏析を抑制することにより、表面の面荒れが抑制され飽和磁化が増大し熱安定性が向上した。

本発明の第３の実施例について説明する。なお、実施例１又は２に記載され本実施例に未記載の事項は特段の事情が無い限り本実施例にも適用することができる。

本実施例では、さらに熱安定性を向上した磁気記録媒体および磁気記憶装置の例を説明する。本実施例の装置構成は実施例１とほぼ同様のものを用いるので、装置構成については説明を省略する。以下、本実施例の磁気記録媒体の構造について説明する。

本実施例３において、記録層を組成比の異なる３種のＬ１_０−Ｆｅ_ｘＮｉ_ｙＰｔ_{１００−ｘ−ｙ}の積層膜（表面側から順に第１層、第２層、第３層とする）とし、ｘ、ｙを調節することにより、第１層、第２層、第３層のＨｋが、各々、６０ｋＯｅ、５０ｋＯｅ、３０ｋＯｅ程度となるようにした。また、上記記録層はターゲット材料にＴｉＯ_２、ＳｉＯ_２、ＺｒＯ_２、ＮｂＯ_２，ＡｇＯなどを含む酸化物、ＴｉＣ、ＳｉＣなど含む炭化物を適宜混入し、製膜プロセスを最適化してこれらの酸化成分、炭化成分、もしくはそれらの混合成分を結晶粒界に０．８ないし１．２ｎｍ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。これらは従来の製造プロセスで実現可能である。

又、上記結晶粒の粒径が平均４ｎｍ程度磁気となるように磁気記録媒体の中間層を設計した。さらに、上記第１の記録磁極１２２、第２の記録磁極１２４、軟磁性下地層１３５の形状と磁気特性を最適設計した。特に、第１の記録磁極の幅を１００ｎｍ以上とすることにより、上記記録領域における記録ヘッド磁界１２１の絶対強度と磁気記録媒体面法線と成す角度が各々、１２ｋＯｅ以上、約４０度となるようにした。又、高周波磁界発生素子１４０は、高周波発生層の幅を２０ｎｍとし、形状と材料構成を最適設計することにより、上記マイクロ波の磁界強度（振幅）と発振周波数が各々、１ｋＯｅ以上、約６０ＧＨｚとなるようにした。本実施例では、４ｎｍ程度の微細粒径を持つ磁気記録媒体においても十分な熱安定性が得られ、また記録ビットの幅が、幅２０ｎｍのＦＧＬからのＡＣ磁界による選択的反転で決まるため２０−２５ｎｍ程度となった。

従って、本実施例によれば、４Ｔｂ／ｉｎ^２程度の記録密度を得ることができる見通しが得られた。
以上、本実施例によれば、マイクロ波アシスト記録方式（ＭＡＭＲ）を用いる場合において、高記録密度の実現が可能な磁気記録媒体および磁気記憶装置を提供することができる。

本発明の第４の実施例について説明する。なお、実施例１乃至３の何れかに記載され本実施例に未記載の事項は特段の事情が無い限り本実施例にも適用することができる。

本実施例では、さらに従来垂直磁気記録用媒体との連続性を重視した磁気記録媒体および磁気記憶装置の例を説明する。本実施例の装置構成は実施例１とほぼ同様のものを用いるので、装置構成については説明を省略する。以下、本実施例の磁気記録媒体の構造について説明する。

磁気記録媒体の記録層１３３をｈｃｐ構造を有し組成比の異なる３種のＣｏＰｔ系の積層膜（表面側から順に第１層、第２層、第３層とする）とし、第１層、第２層、第３層のＨｋを、各々、およそ２５ｋＯｅ、１５ｋＯｅ、２０ｋＯｅ程度、膜厚を各々約５ｎｍとなるようにした。また、上記記録層はターゲット材料にＴｉＯ_２、ＳｉＯ_２、ＺｒＯ_２、ＮｂＯ_２，ＡｇＯなどを含む酸化物、ＴｉＣ、ＳｉＣなど含む炭化物を適宜混入し、製膜プロセスを最適化してこれらの酸化成分、炭化成分、もしくはそれらの混合成分を結晶粒界に０．８ないし１．２ｎｍ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。又、上記結晶粒の粒径が平均６ｎｍ程度となるように磁気記録媒体の中間層を設計した。さらに、上記第１層の上に、Ｈｋが１０ｋＯｅで膜厚が２ｎｍ以下のＣＡＰ（キャップ）層を設けた。ＣＡＰ層の結晶粒間では上記偏析を極力抑制し、その表面を平滑化した。上記ＣＡＰ層はＨｋが記録層を構成するどの層よりも小さく、記録層として情報を保持することを目的とするものではなく、記録表面平滑化のためのものであり、マイクロ波アシスト効果を得るためにはその膜厚は極力薄くすることが望ましい。即ち、ＣＡＰ層Ｈｋと第１層Ｈｋの各層膜厚で重みをつけた平均値は、第２層と第３層の膜厚平均Ｈｋより大きいことが望ましい。これらは従来の製造プロセスで実現可能である。

上記第１の記録磁極１２２、第２の記録磁極１２４、軟磁性下地層１３５の形状と磁気特性を最適設計した。特に、第１の磁極の幅を１００ｎｍ以上とすることにより、上記記録領域における記録ヘッド磁界１２１の絶対強度と磁気記録媒体面法線と成す角度が各々、１２ｋＯｅ以上、約４０度となるようにした。又、高周波磁界発生素子１４０は、高周波発生層の幅を３０ｎｍとし、形状と材料構成を最適設計することにより、上記マイクロ波の磁界強度（振幅）と発振周波数が各々、１ｋＯｅ以上、約３０ＧＨｚとなるようにした。本実施例では、６ｎｍ程度の微細粒径を持つ磁気記録媒体においても十分な熱安定性が得られ、また記録ビットの幅が、幅３０ｎｍのＦＧＬからのＡＣ磁界による選択的反転で決まるため３０−４０ｎｍ程度となった。従って、本実施例によれば、２Ｔｂ／ｉｎ^２程度の記録密度を得ることができる見通しが得られた。

以上、本実施例によれば、マイクロ波アシスト記録方式（ＭＡＭＲ）を用いる場合において、高記録密度の実現が可能な磁気記録媒体および磁気記憶装置を提供することができる。

なお、本発明は上記した実施例に限定されるものではなく、様々な変形例が含まれる。例えば、上記した実施例は本発明を分かりやすく説明するために詳細に説明したものであり、必ずしも説明した全ての構成を備えるものに限定されるものではない。また、ある実施例の構成の一部を他の実施例の構成に置き換えることも可能であり、また、ある実施例の構成に他の実施例の構成を加えることも可能である。また、各実施例の構成の一部について、他の構成の追加・削除・置換をすることが可能である。

１００：磁気ヘッドの走行方向、
１０１：磁気ヘッドと磁気記録媒体のクリアランス、
１１０：再生ヘッド部、
１１１：シールド層、
１１２：再生センサ素子（磁気再生素子）、
１１３：上部磁気シールド、
１１４：下部磁気シールド、
１２０：記録ヘッド部、
１２１：記録ヘッド磁界、
１２２：第１の記録磁極、
１２３：コイル、
１２４：第２の記録磁極、
１２５：磁気ギャップ部、
１２６：発振制御磁界、
１３０：磁気記録媒体、
１３１：潤滑層、
１３２：保護層、
１３３：多層構造を有する記録層、
１３４：非磁性中間層、
１３５：軟磁性下地層、
１３６：非磁性基板、
１３７：上向きの磁化、
１３８：下向きの磁化、
１４０：高周波磁界発生素子、
１４１：高周波磁界発生層（ＦＧＬ）、
１４２：非磁性中間層、
１４３：スピン注入固定層、
１４４：直流電源、
１４５：高周波磁界、
１４６：スピン注入固定層の磁化、
１４７：高周波磁界発生層（ＦＧＬ）の磁化、
１４８：高周波磁界発生層（ＦＧＬ）の磁化の回転方向、
１４９：ＳＴＯ通電電流、
１５０：スライダ、
１５１：ヘッド保護層
１５２：磁気記録再生ヘッド浮上面（ＡＢＳ）、
２００：スピンドルモータ、
２０１：磁気記録媒体、
２０２：アーム、
２０３：磁気記録再生素子搭載スライダ（ヘッドスライダ）、
２０４：サスペンション、
２０５：ＨＧＡ（磁気ヘッド）、
２０６：アクチュエータ、
２０７：回路系。

Claims

情報を記録する第１、第２及び第３の３層以上の層を含む記録膜を有する磁気記録媒体と、
前記磁気記録媒体に情報を書き込むための記録磁界を発生する記録磁極と、前記記録磁極に対向して設けられた対向磁極と、前記記録磁極および前記対向磁極の間に設けられた高周波磁界発生素子と、前記磁気記録媒体から情報を読み取る磁気再生素子とを備える磁気ヘッドを含み、
前記磁気記録媒体の前記記録膜における前記磁気ヘッドに最も近い第１の層の異方性磁界は、２０ｋＯｅより大きく、
前記記録膜における膜内部の平均の異方性磁界は、前記第１の層の表面付近の平均の異方性磁界よりも小さく、
前記記録磁極から生じる記録磁界の強度は、前記磁気記録媒体に記録するには不十分であり、
前記記録膜の前記第１の層の異方性磁界は、前記第１の層と隣接して前記磁気ヘッド側と反対側にある前記第２の層の異方性磁界よりも大きく、
前記記録膜の前記第２の層と隣接して前記磁気ヘッド側と反対側にある前記記録膜の第３の層の異方性磁界は、前記第２の層の異方性磁界より小さいことを特徴とする磁気記憶装置。
情報を記録する第１、第２及び第３の３層以上の層を含む記録膜を有する磁気記録媒体と、
前記磁気記録媒体に情報を書き込むための記録磁界を発生する記録磁極と、前記記録磁極に対向して設けられた対向磁極と、前記記録磁極および前記対向磁極の間に設けられた高周波磁界発生素子と、前記磁気記録媒体から情報を読み取る磁気再生素子とを備える磁気ヘッドを含み、
前記磁気記録媒体の前記記録膜における前記磁気ヘッドに最も近い第１の層の異方性磁界は、２０ｋＯｅより大きく、
前記記録膜における膜内部の平均の異方性磁界は、前記第１の層の表面付近の平均の異方性磁界よりも小さく、
前記記録磁極から生じる記録磁界の強度は、前記磁気記録媒体に記録するには不十分であり、
前記記録磁極から生じる記録磁界と前記高周波磁界発生素子から生じる高周波磁界により前記磁気記録媒体に情報を記録する位置における、前記記録磁界の強度Ｈｄｃと、前記記録磁界が前記磁気記録媒体の磁気異方性の容易軸と成す角度φ、前記高周波磁界の周波数ｆａｃ、前記磁気記録媒体の各層のダンピング係数α、前記磁気記録媒体の異方性磁界の平均値Ｈｋが
α＞０．１、ｆａｃ＜４０ＧＨｚ、でかつ
φ＜３０°又はφ＞６０°のとき、Ｈｋ＜３・Ｈｄｃ、
３０°＜φ＜６０°のとき、２・Ｈｄｃ＜Ｈｋ＜３・Ｈｄｃ
であることを特徴とする磁気記憶装置。
前記記録膜の前記第１の層の前記磁気ヘッド側に前記記録膜の表面を平滑化するためのキャップ層が形成されていることを特徴とする請求項１記載の磁気記憶装置。
マイクロ波アシスト磁気記録方式の磁気記憶装置で用いる磁気記録媒体であって、情報を記録する第１、第２、および第３の３層以上の層を含む記録膜を有し、
前記磁気記憶装置の記録磁極を備えた磁気ヘッドに、前記記録膜として最も近くに配置される前記記録膜の第１の層の異方性磁界は、２０ｋＯｅより大きく、
前記記録膜における膜内部の平均の異方性磁界は、前記第１の層の表面付近の平均の異方性磁界よりも小さく、
前記記録磁極から生じる記録磁界の強度だけでは記録できない記録媒体であり、
前記記録膜の前記第１の層の異方性磁界が、前記第１の層と隣接して前記磁気ヘッド側と反対側にある前記記録膜の第２の層の異方性磁界よりも大きく、
前記記録膜の前記第２の層と隣接し、前記第１の層と反対側にある前記記録膜の第３の層の異方性磁界は、前記第２の層の異方性磁界より小さいことを特徴とする磁気記録媒体。
前記記録膜は、前記磁気記憶装置の記録磁極からの記録磁界とマイクロ波アシスト磁界の両者を用いて記録されることを特徴とする請求項４記載の磁気記録媒体。
マイクロ波アシスト磁気記録方式の磁気記憶装置で用いる磁気記録媒体であって、情報を記録する第１、第２、および第３の３層以上の層を含む記録膜を有し、
前記磁気記憶装置の記録磁極を備えた磁気ヘッドに、前記記録膜として最も近くに配置される前記記録膜の第１の層の異方性磁界は、２０ｋＯｅより大きく、
前記記録膜における膜内部の平均の異方性磁界は、前記第１の層の表面付近の平均の異方性磁界よりも小さく、
前記記録磁極から生じる記録磁界の強度だけでは記録できない記録媒体であり、
前記磁気記憶装置のマイクロ波磁気記録方式の記録磁極から生じる記録磁界と高周波磁界発生素子から生じる高周波磁界により前記記録膜に情報を記録する位置における、前記記録磁界の強度をＨｄｃ、前記記録磁界が前記記録膜の磁気異方性の容易軸と成す角度をφ、前記高周波磁界の周波数をｆａｃ、前記記録膜の各層のダンピング係数をα、前記記録膜の異方性磁界の平均値をＨｋとした場合、
α＞０．１、ｆａｃ＜４０ＧＨｚ、でかつ
φ＜３０°又はφ＞６０°のとき、Ｈｋ＜３・Ｈｄｃ、
３０°＜φ＜６０°のとき、２・Ｈｄｃ＜Ｈｋ＜３・Ｈｄｃ
で使用されるものであることを特徴とする磁気記録媒体。
前記記録膜の前記第１の層の前記磁気ヘッド側に前記記録膜表面を平滑化するためのキャップ層が形成されていることを特徴とする請求項４記載の磁気記録媒体。
マイクロ波アシスト磁気記録方式の磁気記憶装置で用いる磁気記録媒体であって、情報を記録する第１、第２、および第３の３層以上の層を含む記録膜を有し、
前記磁気記憶装置の記録磁極を備えた磁気ヘッドに、前記記録膜として最も近くに配置される前記記録膜の第１の層の異方性磁界は、２０ｋＯｅより大きく、
前記記録膜における膜内部の平均の異方性磁界は、前記第１の層の表面付近の平均の異方性磁界よりも小さく、
前記記録磁極から生じる記録磁界の強度だけでは記録できない記録媒体であり、
前記記録膜の前記第１の層の前記磁気ヘッド側に前記記録膜表面を平滑化するためのキャップ層が形成され、
前記第１の層と隣接して前記磁気ヘッド側と反対側にある前記記録膜の第２の層と、
前記第２の層と隣接し、前記第１の層と反対側にある前記記録膜の第３の層を備え、
前記キャップ層の異方性磁界は前記第２の層及び前記第３の層の何れの異方性磁界よりも小さく、
前記キャップ層と前記第１の層の膜厚で重みを付けた異方性磁界の平均値は、前記第２の層と前記第３の層の膜厚で重みを付けた異方性磁界の平均値よりも大きいことを特徴とする磁気記録媒体。