JP6219209B2 - 磁気ヘッド、磁気ヘッドアセンブリ、及び磁気記録再生装置 - Google Patents

磁気ヘッド、磁気ヘッドアセンブリ、及び磁気記録再生装置 Download PDF

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Description

本発明の実施形態は、磁気ヘッド、磁気ヘッドアセンブリ、及び磁気記録再生装置に関
する。
ハードディスク装置の磁気記録再生装置においては、磁気記録媒体(ハードディスク)
に記録された情報が、例えば磁気抵抗効果型の磁気ヘッドによって読み出される。
近年、磁気記録媒体への情報の記録密度は増大し、その記録ビットは小さくなっている
。このため、小さな記録ビットで記録された情報の読み出しのためには、できるだけ膜厚
の薄い磁気センサー(信号再生部)を用いた磁気ヘッドの出現が望まれていた。
米国特許出願公開第2013/0100724号明細書
Nature 493, (2013)509
膜厚が薄い磁気センサーを用いた磁気ヘッド、磁気ヘッドアセンブリ、及び磁気記録再
生装置の提供が望まれていた。
本実施形態に係る磁気ヘッドは、非磁性の第1金属層と、非磁性の第2金属層と、金属磁性層と、有機分子層と、無機層と、を含む。前記金属層は、前記第1金属層と前記第2金属層との間に設けられる。前記有機分子層は、前記金属磁性層と前記第2金属層との間に設けられフェナレニル(Phenalenyl)をベースとした構造を有し、磁化を有する。前記無機層は、前記有機分子層と前記第2金属層との間に設けられ、前記第2金属層と接する
第1の実施形態に係る、磁気ヘッドの磁気センサーの断面図。 実施形態に係る有機分子層のパイ共役電子構造を例示する模式図。 第2の実施形態に係る、磁気ヘッドの磁気センサーの断面図。 実施形態に係る無機層のバンドギャップまたは面積抵抗RAを示す図。 実施形態に係る磁気センサーにおいて、無機層を備える場合に発現するMR比と面積抵抗を示す図。 実施形態に係る磁気記録再生装置の構成を示す図。 実施形態に係る磁気ヘッドアセンブリの構成を示す図。
以下、図面を参照し、実施の形態を説明する。
図1は、この発明の第1の実施形態に係る磁気ヘッドの磁気センサーの断面図である。
(第1の実施の形態)
図1(a)、(b)は、この発明の第1の実施形態に係る磁気ヘッド3の磁気センサー
の断面図である。
図1(a)は、磁気記録媒体180の媒体面に対向する磁気ヘッド3の磁気センサーを
示している。
図1(b)は、図1(a)で示されるA1−A2の線断面図を示している。
この磁気センサーは、磁気記録媒体180に記録されたデータを読み出す。
磁気センサーの上部、または下部には、磁気記録媒体180にデータを記録する記録部
が積層されている(図示せず)。磁気ヘッド3は、磁気センサーと記録部を備える。
ここでは、第1の実施の形態に係る磁気センサーの構成と動作の概要について図1(a
)及び(b)を用いて説明する。
図1(a)及び、図1(b)に示すように、磁気ヘッド3の磁気センサーは、磁気抵抗
効果を発現する積層膜(MR膜と称する)10、および磁気シールド機能を兼用する磁性
金属電極層(磁気シールド)21および22を備える。
MR膜10は、下地層11、 金属磁性層12、有機分子層13、半導体や絶縁特性の
バンドギャップを有する無機非磁性層(無機層)14、及びキャップ層15を備える。
下地層11には、Ta、Ru、Cuなどの非磁性金属が用いられる。これらの下地層1
1の膜厚は、例えば、数nm程度である。
下地層11は、複数の材料を積層した積層膜を用いることができる。下地層11にはT
a/Cu等の積層膜を用いることができる。
金属磁性層12には、例えばCo、FeCo系合金、ホイスラー規則合金が用いられる
。ホイスラー規則合金は、例えば、CoFeMnSi, CoFeGaGe, CoMnS
i,又は CoFeAlSin等である。
金属磁性層12は、大きなスピン分極の特性を有する。金属磁性層12は、有機分子層
13と積層されたときにその界面で磁性を発現させることができる。
こ金属磁性層12の有機分子層13と金属磁性層12の界面には、膜厚が1nm前後の
Coの層を設け、金属磁性層12の下地層11との界面には、ホイスラー規則合金の層を
設けることができる。
金属磁性層12は、磁気記録媒体からの信号磁界に応じて磁化方向が変化するので再生
信号出力を得ることができる。
金属磁性層12は、高SN比での読み取りに望ましい線形な磁化応答を得るために、低
保磁力Hc、および低磁気歪を有することが望ましい。そのために、金属磁性層12をN
iFe合金と積層してもよい。
金属磁性層12の膜厚は、例えば、従来の磁気ヘッドの磁化自由層と同程度の厚みにし
ても良い。例えば、金属磁性層12の膜厚は、5nm程度とすることができる。
有機分子層13には、パイ共役電子構造を有する有機分子が用いられる。
図2に、パイ共役電子構造の一例を示す。
ここでは、例えば、有機分子層13に、米国特許公開番号:US2013/01007
24に示されるように、Zinc Methyl phenalenyl (ZMP、 C
l410Zn)が用いられる。
有機分子層13に、PhenalenylをベースとしてZnを他の金属で置換したパ
イ共役電子構造を用いることができる。
図2(a)に示すように、一般に、有機分子層13は、磁性金属層と積層していない場
合には非磁性である。
しかし、この実施形態のように、有機分子層13を金属磁性層12と積層すると、図2
(b)に示すように、有機分子層13と金属磁性層12の界面を通した電子交換により、
有機分子層13の一部がラジカル状態に変化して磁性が発現する。この現象を界面誘起磁
性と呼ぶ。
この有機分子層13の磁性による磁化は、大きな磁気異方性を有しており、モノレーヤ
(単分子層、Monomolecular Layer)級の超極薄層でも安定した磁化
を保持することができる。
膜厚が薄く、低抵抗の磁気センサー(20nm以下)を実現するために薄い膜厚の有機分子層13(10nm未満)を用いると、磁気抵抗効果が消失する。しかしながら、酸化物や窒化物からなる無機層14を、有機分子層13とメタル系キャップ層(キャップ層)15との間に設け、膜厚が数nmの有機分子層13を形成すれば、大きな磁気抵抗効果を得ることができる。
無機層14は、低電気抵抗を実現するために、無機層14の膜厚を極力薄くすることが
望ましい。無機層14の膜厚は、例えば、1nm程度である。無機層14の膜厚が2nm
を越えると、低電気抵抗を実現することが難しくなる。小さなバンドギャップエネルギー
、または、小さなバリアーハイトエネルギーの酸化物を無機層14に用いることができる
図4は、この実施形態に係る無機層14のバンドギャップまたは面積抵抗RAを示す図
である。
ここでは、従来の磁気センサーで用いられるMgOよりもバンドギャップエネルギー、
またはバリアーハイトエネルギーが小さな材料を用いることができる。
無機層14の材料は、例えば、GaO, ZnO, MgTiO, HfO, ZrO, MgA
lO,又はSrTiO等である。
これらの材料は、MgOの面積抵抗RAの限界値(0.4μΩm)よりも大幅に小さ
な面積抵抗値を有し、バンドキャップエネルギーが小さい。
従来の磁気センサーは、MgO酸化物のスピンフィルタリングにより、高MR比を発現
している。しかしながら、図4に示した酸化物では、一般に、スピンフィルタリング機能
が小さいので、高MR比の実現が難しい。
ここで、スピンフィルタリングとは、一般に、強磁性絶縁体のトンネリングを利用して
スピン分極電流を得ることである。
一方、この実施形態においては、金属磁性層12と有機分子層13との間で発現するス
ピンフィルタリング機能を利用する。このため、低抵抗の無機層14を用いても、原理的
に、高MR比を実現することができる。
有機分子層13の膜厚が薄い場合には、有機分子層13のバンドキャップエネルギーは
無機層14に比べて小さい。このため、主に無機層14が磁気センサーの抵抗値を増大さ
せる。無機層14を用いない場合に、安定なトンネル電流を得るためには、膜厚が30n
m程度の有機分子層13を用いる。
しかしながら、発明者らは、この実施形態のように無機層14を用いると、数モノレー
ヤの有機分子層13で、安定したトンネル電流、大きなMR比を実現できることを見出し
た。
今後、ハードディスクに高密度磁気記録された情報を再生するには、上下磁性シールド
電極(例えば、図1、図3の磁気シールド層21、22)を除いた厚さが、20nm未満
の、極薄の磁気センサーが必要となることが予想される。
しかし、このような極薄の磁気センサーを実現するには、例えば、この実施形態に示さ
れるような無機層14を用いることが必要となる。
例えば、上記した膜厚が20nm未満の磁気センサーにおいて、有機分子層13、及び
無機層14を用いると、MgOを用いた現行の磁気ヘッドの抵抗を下回る抵抗値(例えば
、面積抵抗値は0.5μΩm未満)を実現することができる。
ここでは、例えば、キャップ層15の膜厚は数nmである。キャップ層15の材料は、
例えば、Ta、Ru、又はCu等の非磁性金属を用いることができる。
また、上磁気シールド22は、図1(a)、(b)に示されるように、MR膜10の積
層方向及び積層方向に交わる方向において金属磁性層12を覆うように設ける。
このMR膜10のまわりには、磁気シールド22とMR膜10、および磁気シールド2
1と磁気シールド22を絶縁するために極薄酸化層30(アルミナ等)を設ける。
さらに、この実施形態においては、磁気シールド22の一部に、反強磁性バイアス層2
3(IrMn等)を設ける。
次に、このような構造の磁気抵抗効果素子の磁化方向を、所望の方向に配置する手段に
ついて説明する。
ここでは、所望の方向とは、図1(a)、(b)に示すように、有機分子層13の一部
で発生する界面誘起磁性の磁化方向が媒体信号磁化と同方向(ハイト方向、Z方向)であ
り、金属磁性層12の磁化方向が記録媒体からの信号磁界と交差する方向(トラック幅方
向、Y方向)である。
先ず、界面誘起磁性の消失温度が、反強磁性層23のブロッキング温度よりも低い温度
である場合について説明する。
第1の熱処理を、例えば、200〜300℃の温度(反強磁性層23のブロッキング温
度近傍またはそれ以上)で、トラック幅方向(Y方向)の磁界中にて行う。
その結果、MR膜10の側壁部を含む磁気シールド22の磁化はトラック幅方向に固定
され、有機分子層13の磁化は、磁気シールド22の側壁部からのバイアス磁界によりト
ラック幅方向に固定される。
次に、第2の熱処理を、第1熱処理よりも低温、且つ、界面誘起磁性の消失温度よりも
高い温度において、ハイト方向に磁界を加えて、熱処理を行う。
その結果、界面誘起磁性の磁化方向は、媒体信号磁界(磁気記録媒体180に信号が記
録された磁界)と同方向のハイト方向(Z方向)に固定される。
この実施形態においては、第1の熱処理を、界面誘起磁性が消失する温度よりも高い温
度で、トラック幅方向の磁界中で行う。さらに、金属磁性層12の磁化をシールドからの
バイアス磁界を利用してトラック幅方向に固定した状態で、第2の熱処理をシールドバイ
アス磁界方向が乱れず(反強磁性膜23の磁化が安定な熱処理温度)、且つ界面誘起磁性
が消失する温度にて行うことで、界面誘起磁性の磁化をハイト方向に固定する。
このような熱処理を施すことにより、有機分子層13の一部が変化した界面磁性層の磁
化は一方向に固定される。有機分子層13の磁化は媒体磁界の方向と同方向または反対方
向に固定されるので媒体磁界に感応しない。このとき、媒体磁界は、有機分子層12の保
磁力よりも小さい。金属磁性層12の磁化は、媒体磁界と交わる方向に固定されているの
で、媒体信号磁界に応じて回転することが可能となり変化する。これにより、磁気記録媒
体からの媒体磁界に応じた抵抗変化による再生出力が得られる。
図5は、実施形態に係る磁気センサーにおいて、無機層14を備える場合に発現するM
R効果と面積抵抗を示す図である(表2)。
ここでは、試作した図1(a)、図1(b)に対応するこの実施形態の、磁気抵抗効果
素子のMR比と面積抵抗RAの一例を示している。
比較例として、磁気センサーに無機層14が構成されない場合の例も示している。
磁気センサーに無機層14が用いられない場合には、例えば、3モノレーヤの有機分子
層13を用いてもMRは発現しない(MR比0%)。
しかし、図5に示すように、磁気センサーに無機層14が用いられると、MR効果が発
現することがわかる。
まず、下地層11にTa(2)/Cu(2)、金属磁性層12にCoFeMnSi(4
)/Co(1)、有機分子層13にZMP(3モノレーヤ)、キャップ層15にRu(2
)/Ta(2)を用いる例を説明する。括弧は、モノレーヤ数を示す。
無機層14がMgTiO(1)の場合は、MR比は66%、RAは0.22μΩm
ある。無機層14がHfO(1)の場合は、MR比は51%、RAは0.33μΩm
ある。無機層14がGaO(1)の場合は、MR比は55%、RAは0.16μΩm
ある。無機層14がMgTiO(1.3)の場合は、MR比は61%、RAは0.35μ
Ωmである。無機層14がMgTiO(2)の場合は、MR比は60%、RAは0.3
5μΩmである。
次に、下地層11にTa(2)/Cu(2)、有機分子層13にZMP(3モノレーヤ
)、キャップ層15にRu(2)/Ta(2)、金属磁性層12にCo(5)を用いる例
を説明する。
このとき、無機層14はMgTiO(1)であり、MR比は10%、RAは0.25μ
Ωmである。
また、下地層11にTa(2)/Cu(2)、有機層13にZMP(3モノレーヤ)、
キャップ層15にRu(2)/Ta(2)、金属磁性層12にCoFe(5)を用いた例
を説明する。このとき、無機層14はMgTiO(1)であり、MR比は20%、RAは
0.19μΩmである。
また、比較例として、無機層14は用いずに、下地層11にTa(2)/Cu(2)、
金属磁性層12にCoFeMnSi(4)/Co(1)、有機層13にZMP(3モノレ
ーヤ)、キャップ層15にRu(2)/Ta(2)を用いる例を説明する。
このとき、MR比は0%、RAは0.07μΩmである。
なお、ここでは、無機層14の膜厚は、例えば、2nm未満が望ましい。
例えば、無機層14がMgTiOの場合では、無機層14の膜厚が2nmになるとRA
は0.6μΩmとなる。このため、1Tb/inの記録密度の再生に必要な30nm
幅の磁気センサーでは、低RAの実施例に比べてSN比が低下してしまう。
上記のように第1の実施形態によれば、MR膜の膜厚が薄い磁気ヘッドを提供すること
ができる。
第1の実施形態では、磁気記録媒体からの信号磁界が無い状態で信号磁界と交差する方
向(磁気ヘッド3では、概ねトラック幅方向)に配列させて、金属磁性層12の磁化を信
号磁界により磁化が変化させる。ここでは、金属磁性層12は、磁化自由層として機能す
る。
図3(a)、(b)は、第2の実施形態に係る、磁気ヘッド3の磁気センサーの構成を
例示する断面図である。
(第2の実施例形態)
上記説明と同様な構成は、同一の符号を付し、説明を省略する。
この実施形態においては、金属磁性層12と下地層11の間に、金属磁性層12に交換結
合磁界(交換バイアス磁界)を付与するための反強磁性バイアス層26(IrMn等、膜
厚は5〜7nm程度)を設ける。
なお、この交換バイアス磁界の強度をアップするために、反強磁性バイアス層26と有
機分子層13の間に、磁性層261と反強磁性結合機能を有する非磁性層262(Ru等
、膜厚は1nm以下)を設けることができる。
この実施形態においては、金属磁性層12の磁化は、磁気記録媒体からの信号磁界によ
って変化しないように固定される。
なお、MR膜10のその他の構成は、図1(a)、図1(b)と基本的に同じである。
また、磁気シールド22、21の構成も同じである。
しかし、この実施形態においては、熱処理により制御される磁界方向が図1(a)、図1
(b)とは異なっている。
ここでは、金属磁性層12の磁化をハイト方向(Z)、有機分子層13の一部で発生す
る界面誘起磁性の磁化をトラック幅方向(Y)に規定する。
界面誘起磁性の消失温度が反強磁性バイアス層26のブロッキング温度よりも高い場合
には、有機分子層13をトラック幅方向に向ける熱処理を行う(第1の熱処理)。
次に、反強磁性バイアス層26のバイアス方向をハイト方向(Z)に向ける熱処理を行
なう(第2の熱処理)。
この場合、反強磁性膜23のブロッキング温度は、界面誘起磁性の消失温度よりも低い
温度が望ましい。
反対に、界面誘起磁性の消失温度が、反強磁性バイアス層26のブロッキング温度より
も低い場合には、第1の熱処理で反強磁性バイアス層26のバイアス方向をハイト方向(
Z)に向ける熱処理を行う。そして、第2の熱処理で第1の熱処理より低い温度にてトラ
ック幅方向(Y)に有機分子層13の磁化を向ける熱処理を行う。
この場合には、反強磁性膜23のブロッキング温度は、界面誘起磁性の消失温度よりも
高い温度が望ましい。
このような磁化配列により、金属磁性層12の磁化は媒体信号磁界によって変化せず、
有機分子層13の磁化が記録媒体からの信号磁界に応じて変化するように構成することが
できる。
このように構成することにより、この実施形態におけるセンサーにおいて、良好なSN
比の信号読み取りが実現可能になる。
このように、第2の実施形態においては、バイアス磁界を付与するバイアス付与手段を
備え、磁気記録媒体からの信号磁界が加わる方向に金属磁性層12の磁化を固定するよう
に構成している。また、バイアス付与手段は、金属磁性層12に反強磁性層23を積層し
て、金属磁性層12の磁化を固定するように構成することが望ましい。バイアス付与手段
とは、例えば反強磁性層23を示す。
このような構成することで、磁気センサーの膜厚を薄くすることができる。これにより
、MR膜の膜厚が薄い磁気ヘッドを提供することができる。
図6は、実施形態に係る磁気記録再生装置の構成を示す図である。
図6に示すように、この実施形態に係る磁気記録再生装置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(ハードディスク)180は、スピンドルモータ4に装着さ
れ、駆動装置制御部(図示せず)からの制御信号に応答するモータ(図示せず)により矢
印Aの方向に回転する。
なお、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(ハードディス
ク)180を備えたものとしても良い。
そして、記録用媒体(ハードディスク)180が回転すると、サスペンション154に
よる押付け圧力とヘッドスライダーの媒体対向面(ABSともいう)で発生する圧力とが
つりあい、ヘッドスライダーの媒体対向面は、記録用媒体(ハードディスク)180の表
面から所定の浮上量をもって保持される。
図7(a)、図7(b)は、この実施形態に係る磁気ヘッドアセンブリの構成の一例を
示す図である。
図に示すように、磁気ヘッド3は、サスペンション154に設けられる。
サスペンション154は、駆動コイル(図示せず)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
た駆動コイル(図示せず)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箇所に設けられたボールベアリ
ング(図示せず)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。
これらにより、磁気ヘッド3を記録用媒体(ハードディスク)180の任意の位置に移
動することが可能になる。
また、上記磁気ヘッドの有機分子層13は、フェナレニル(Phenalenyl)を
ベースとした構造を備えている。
また、上記磁気ヘッドの有機分子層13の膜厚は3モノレーヤ以下であることが望まし
い。
また、上記磁気ヘッドの無機層14はMgOよりも低いギャップエネルギの材料によって
構成されることが望ましい。
また、上記磁気ヘッドは、金属磁性層12に積層された反強磁性層を備えることでバイ
アス磁界を付与するようにしても良い。
また、上記磁気ヘッドの金属磁性層12はホイスラー合金とCoまたはCoFe合金の
積層構造を備える。金属磁性層12と有機分子層との界面付近側でホイスラー合金の他元
素成分(例えば、SiやMn)が除かれるので、界面誘起磁性の低下を抑えることができ
る。
上記のように構成することによって、この発明の実施形態においては、その膜厚が薄い
磁気センサーを用いた磁気ヘッド、磁気ヘッドアセンブリ及び磁気記録再生装置を提供す
ることができる。
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。これら新規な実施形態は、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。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や
要旨に含まれるとともに、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
3…磁気ヘッド、4…スピンドルモータ、10…MR膜、11…下地層、12…金属磁
性層、13…有機分子層、14…無機非磁性層(無機層)、15…キャップ層、21…磁
性金属電極層(下部)、22…磁性金属電極層(上部)、23…反強磁性バイアス層、1
50…磁気記録再生装置、154…サスペンション、155…アクチュエータアーム、1
56…ボイスコイルモータ、157…軸受部180…記録用媒体(ハードディスク)。

Claims (9)

  1. 非磁性の第1金属層と、
    非磁性の第2金属層と、
    前記第1金属層と前記第2金属層との間に設けられた金属磁性層と、
    前記金属磁性層と前記第2金属層との間に設けられフェナレニル(Phenalenyl)をベースとした構造を有し、磁化を有する有機分子層と、
    前記有機分子層と前記第2金属層との間に設けられ、前記第2金属層と接する無機層と、
    備え磁気ヘッド。
  2. 前記第1金属層と前記金属磁性層との間に設けられた反強磁性層を更に備え請求項1に記載の磁気ヘッド。
  3. 前記磁化は、前記有機分子層と前記金属磁性層との間の界面にある、請求項1または2に記載の磁気ヘッド。
  4. 前記有機分子層の膜厚は3モノレーヤ以下である請求項1または2に記載の磁気ヘッド。
  5. 前記無機層の膜厚は2nm未満である請求項1または2に記載の磁気ヘッド。
  6. 前記無機層に含まれる材料のバンドギャップエネルギーはMgOのバンドギャップエネルギーよりも低い請求項1または2に記載の磁気ヘッド。
  7. 前記金属磁性層は前記金属磁性層と前記有機分子層との界面付近にCoまたはCoFe合金を含む請求項1または2に記載の磁気ヘッド。
  8. 請求項1乃至7の何れか1項に記載の磁気ヘッドと、
    前記磁気ヘッドを支持するサスペンションと、
    前記サスペンションに接続されるアクチュエータアームと、
    を備え磁気ヘッドアセンブリ。
  9. 請求項8に記載の磁気ヘッドアセンブリと、
    前記磁気ヘッドによって磁気記録されたデータが読みだされるハードディスクと、
    を備え、
    磁気記録データの再生が行われる磁気記録再生装置。
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