KR100876540B1 - Heat-Assisted Magnetic Recording Head Using Diffraction Grating Thin Film Pattern - Google Patents

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Abstract

본 발명은 회절격자 박막패턴을 이용한 열 보조 자기기록 헤드에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 나노 슬릿과 회절 격자 구조에 의한 표면 플라즈몬이라는 물리적 현상을 이용하여 근접장광의 투과효율을 향상시켜 열 보조자기기록의 열원으로 사용하기 위해 필요한 광량의 한계를 극복할 수 있도록 한 회절격자 박막패턴을 이용한 열 보조 자기기록 헤드에 관한 것이다.The present invention relates to a heat assisted magnetic recording head using a diffraction grating thin film pattern, and more particularly, to improve the transmission efficiency of near field light by using a physical phenomenon called surface plasmon by a nano slit and a diffraction grating structure. The present invention relates to a heat assisted magnetic recording head using a diffraction grating thin film pattern to overcome the limitation of the amount of light required for use as a heat source.

이를 위해, 본 발명은 자기헤드 기판과 재생헤드 사이 또는 재생헤드와 기록헤드 사이에 반도체 공정을 포함하는 미세가공공정을 이용하여 설치된 회절 격자 구조를 포함하는 것을 특징으로 하는 회절격자 박막패턴을 이용한 열 보조 자기기록 헤드를 제공한다.To this end, the present invention includes a diffraction grating thin film pattern characterized in that it comprises a diffraction grating structure installed using a micromachining process including a semiconductor process between the magnetic head substrate and the reproduction head or between the reproduction head and the recording head. Provide an auxiliary magnetic recording head.

Description

회절격자 박막패턴을 이용한 열 보조 자기기록 헤드{Heat Assisted Magnetic Recording Head using Grating Structure}Heat Assisted Magnetic Recording Head using Grating Structure

도 1은 본 발명에 따른 회절격자 박막패턴을 이용한 자기기록헤드의 일실시예를 나타내는 도면이고,1 is a view showing an embodiment of a magnetic recording head using a diffraction grating thin film pattern according to the present invention,

도 2는 본 발명에 따른 이중 회절 격자 및 단일 회절 격자 구조의 실시 예에 따른 회절 격자 구조의 정면, 윗면 및 아랫면의 단면도이고,2 is a cross-sectional view of the front, top and bottom of the diffraction grating structure according to the embodiment of the dual diffraction grating and the single diffraction grating structure according to the present invention,

도 3는 본 발명에 따른 실시예의 공정 방법을 고려한 열 보조 자기기록 헤드를 나타내는 분리 사시도이고,3 is an exploded perspective view showing a heat assisted magnetic recording head in consideration of the processing method of the embodiment according to the present invention;

도 4는 본 발명의 실험예로서 나노 슬릿 크기의 최적화 및 그에 따른 입사광의 편광효과를 설명하기 위한 도면이고,4 is a view for explaining the optimization of the nano slit size and the polarization effect of the incident light according to the experimental example of the present invention,

도 5는 도 4에서 최적화된 나노 슬릿에 실제 재료를 적용하여 재료에 의한 광손실 영향을 통해 최적의 재료 및 재료의 두께를 얻었으며,FIG. 5 shows the optimum material and thickness of the material through the effect of light loss by applying the actual material to the nano slit optimized in FIG.

도 6a 및 도 6b는 본 발명의 회절 격자 패턴을 적용하였을 경우 Au 박막과 Ag박막 각각에 대한 입사빔에 따른 회절 패턴의 최적화 및 증가되는 높은 광투과 효과와 스팟크기의 감소를 보여주고,6a and 6b show the optimization of the diffraction pattern according to the incident beam for the Au thin film and the Ag thin film and the increase of the high light transmission effect and the decrease in the spot size when the diffraction grating pattern of the present invention is applied,

도 7는 이중 회절 격자 패턴을 적용하였을 경우에 대한 광투과 효과 및 본 실험 예에 따른 전체 결과값을 비교하여 보여주는 표로 구성된다.FIG. 7 is a table showing comparison results of light transmission effects and total results according to the present experimental example when the dual diffraction grating pattern is applied.

<도면의 주요한 부분에 대한 부호의 설명><Description of the symbols for the main parts of the drawings>

101 : ABS 기판 102 : 실드 1101: ABS substrate 102: Shield 1

103 : 실드 2 104 : 쓰기코일103: shield 2 104: writing coil

105 : 서브 요크 106 : 재생 헤드105: sub yoke 106: play head

107 : 광전달시스템 108 : 메인 폴 107: light transmission system 108: main pole

109 : 리턴 요크 110 : SiO2 보호층109: return yoke 110: SiO 2 protective layer

111 : 광 전송로 112 : 입사광111: light transmission path 112: incident light

113 : 회절격자패턴 202 : 회절 격자 구조113: diffraction grating pattern 202: diffraction grating structure

203 : 출사광 114,204,206 : 나노 슬릿203: emitting light 114,204,206: nano slit

205,207 : 회절 패턴 301 : Al2O3-TiC 기판205,207 Diffraction pattern 301 Al 2 O 3 -TiC substrate

302 : SiO2 303 : 회절 격자302: SiO 2 303: diffraction grating

304 : 광 도파로 시스템 305 : 기존 자기헤드 시스템304: optical waveguide system 305: conventional magnetic head system

401 : y방향(높이)에 따른 피크 강도의 변화401: change in peak intensity along the y direction (height)

402 : x방향(폭)에 따른 피크 강도의 변화402: change in peak intensity along the x direction (width)

403 : 최적화된 슬릿(50nm x 300nm)에서의 근접장 분포 및 피크 강도와403: Near field distribution and peak intensity in the optimized slit (50 nm x 300 nm)

스팟크기 Spot size

501 : Au와 Ag 재료 각각의 두께에 따른 피크 강도의 영향501: Effect of peak intensity on the thickness of Au and Ag materials

502 : 최적화된 두께에서의 근접장 분포 및 피크 강도와 스팟크기502: Near field distribution and peak intensity and spot size at optimized thickness

601 : Au 재료에서의 회절 패턴의 피치에 따른 피크 강도 변화601: change of peak intensity according to pitch of diffraction pattern in Au material

602 : Au 재료에서의 회절 패턴의 폭에 따른 피크 강도 변화602: Change of peak intensity with width of diffraction pattern in Au material

603 : Au 재료에서의 회절 패턴의 깊이에 따른 피크 강도 변화603: Change of Peak Intensity with Depth of Diffraction Pattern in Au Material

604 : Au 재료에서 최적화된 회절 패턴 모식도와 피크 강도와 스팟크기604: Optimized diffraction pattern schematic and peak intensity and spot size in Au materials

605 : Ag 재료에서의 회절 패턴의 피치에 따른 피크 강도 변화605: Change of Peak Intensity with Pitch of Diffraction Pattern in Ag Material

606 : Ag 재료에서의 회절 패턴의 폭에 따른 피크 강도 변화606: Change of Peak Intensity with Width of Diffraction Pattern in Ag Material

607 : Ag 재료에서의 회절 패턴의 깊이에 따른 피크 강도 변화607: Peak Intensity Variation with Depth of Diffraction Pattern in Ag Material

608 : Ag 재료에서 최적화된 회절 패턴 모식도와 피크 강도와 스팟크기608: Optimized Diffraction Pattern Schematic, Peak Intensity, and Spot Size in Ag Materials

701 : 이중 회절 격자 패턴구조의 1차 예시 구조도701: first exemplary structural diagram of a dual diffraction grating pattern structure

702 : Au, Ag각각의 양면 사이의 간격에 따른 피크 강도 변화702: change in peak intensity according to the distance between both sides of Au and Ag

본 발명은 회절격자 박막패턴을 이용한 열 보조 자기기록 헤드에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 나노 슬릿과 회절 격자 구조에 의한 표면 플라즈몬이라는 물리적 현상을 이용하여 근접장광의 투과효율을 향상시켜 열원으로 사용하기 위해 필요한 광량의 한계를 극복할 수 있도록 한 회절격자 박막패턴을 이용한 열 보조 자기기록 헤드에 관한 것이다.The present invention relates to a heat-assisted magnetic recording head using a diffraction grating thin film pattern, and more particularly, to improve the transmission efficiency of near-field light using a physical phenomenon called surface plasmon by a nano slit and a diffraction grating structure to use as a heat source. The present invention relates to a heat assisted magnetic recording head using a diffraction grating thin film pattern capable of overcoming the limitation of the amount of light required for the purpose.

종래 자기기록방식은 미세한 자성체로 도포된 자기기록매체 상에 음성이나 화상 등의 정보를 신호 파형에 대응한 길이와 강도의 미소 자석을 정렬하여 기록하고, 이 기록된 매체로부터 신호를 읽어내어 음성이나 화상 등의 정보를 재생하는 기술을 말한다. In the conventional magnetic recording method, information such as voice or image is recorded on a magnetic recording medium coated with a fine magnetic material by aligning micro magnets having a length and intensity corresponding to a signal waveform, and reading a signal from the recorded medium. Refers to a technique for reproducing information such as an image.

상기 자기기록에서 신호의 세기는 자화의 세기이고, 신호의 극성은 자석의 방향으로서, 주파수는 자석의 길이로서 기록하게 된다. In the magnetic recording, the strength of the signal is the strength of magnetization, the polarity of the signal is recorded as the direction of the magnet, and the frequency is recorded as the length of the magnet.

현재 자기기록 장치는 초상자성 한계라는 물리적 한계에 이르렀다고 할 수 있으며, 이에 대한 방안으로 수직 자기 기록 방식이 출현하였다. The current magnetic recording apparatus has reached the physical limit of the superparamagnetic limit, and a vertical magnetic recording method has emerged as a solution.

수직 자기 기록 기술은 하드디스크의 미디어에 자기 정보를 수직으로 배치하는 것으로, 수평면 내 기록방식과 비교할 때 같은 면적으로 보다 많은 정보를 기록하는 것을 가능하게 하는 기술이다. The vertical magnetic recording technique is a technique in which magnetic information is arranged vertically on the media of a hard disk, and it is a technique that makes it possible to record more information in the same area as compared with a recording method in a horizontal plane.

현재 미국의 시게이트사에서 이 기술을 이용하여 750기가바이트급 하드디스크를 출시하였다. Currently, Seagate Corp. has released 750GB hard disk using this technology.

그러나 수직자기기록 방식은 초상자성 한계를 연장했을 뿐이지, 근본적으로 이를 극복하는 방안은 아니다. 따라서, 초상자성 한계를 극복하고 테라바이트급의 기록저장용량을 갖는 하드디스크를 제작하기 위해서는 새로운 기술이 필요하다. However, the vertical magnetic recording method has only extended the superparamagnetism limit and is not a way to overcome it fundamentally. Therefore, new technologies are needed to overcome the superparamagnetism limitation and to produce a hard disk having a terabyte recording storage capacity.

초 고밀도의 기록용량을 달성하기 위해서 여러 기술들이 필요하겠지만 근본적인 기술 쟁점은 단위 기록 밀도를 증가시키는 것이다. Several technologies will be required to achieve ultra-high density recording capacity, but the fundamental technical issue is to increase the unit recording density.

이를 위해서는 초 미세 결정입자를 통한 부피의 감소와 동시에 극히 높은 자기 이방성 상수(ku, magnetic anisotropy constant: 자성체 결정에서 결정축에 대한 자화의 방향에 따라 열역학적 양이 변하는 양)를 갖는 물질을 미디어 재료로 사 용해야만 한다.For this purpose, materials with extremely high magnetic anisotropy constants (ku, which vary in the thermodynamic amount in accordance with the direction of magnetization to the crystal axis in magnetic crystals) are used as the media material. Must be available.

결정입자의 부피만을 작게 한다면 ΔE = kuV에서 알 수 있듯이 입자가 반전을 하기 위해 극복해야 될 에너지 장벽인 ΔE 가 작아지므로 열에너지의 요동 현상 때문에 외부 자장이 없어도 열적 요동이 이방성 에너지를 극복하여 자발적으로 자화 반전이 일어나는 초상자성한계(superparamagnetic limit)에 부딪힌다. If only the volume of crystal grains is small, as ΔE = kuV, the energy barrier ΔE, which must be overcome in order for the particle to be reversed, becomes smaller. Therefore, thermal fluctuations overcome anisotropic energy spontaneously magnetization without an external magnetic field due to thermal energy fluctuations. The superparamagnetic limit is encountered when reversal occurs.

즉, 초상자성 한계란 테라바이트급 정보저장 용량을 달성하기 위해 초 미세 결정립 미디어의 데이터 보존 안정성 확보 및 SNR(signal to noise ratio)을 고려하면 저장매체의 결정의 크기는 5nm이하여야 하는데, 이러한 매우 작은 마그네틱 도메인에서는 N극과 S극 사이에 존재하는 위치 에너지 장벽(자성을 유지하려는 에너지)의 크기와 상온의 열에너지가 같아 기억된 정보가 지워지는 시점을 말한다. In other words, the ultraparamagnetic limit means that the crystal size of the storage medium should be 5 nm or less in consideration of securing the data retention stability and signal to noise ratio (SNR) of the ultra fine grain media to achieve the terabyte information storage capacity. In the small magnetic domain, the magnitude of the potential energy barrier (energy to maintain magnetism) between the north pole and the south pole is the same as the thermal energy at room temperature.

그러므로 초고밀도의 기록용량을 달성하기 위해서는 결정입자의 부피 감소뿐만 아니라 높은 자기 이방성 상수를 갖는 물질이 필요하다. Therefore, in order to achieve an ultra-high density recording capacity, a material having a high magnetic anisotropy constant as well as a volume reduction of crystal grains is required.

이때 높은 자기 이방성 상수는 다음 식에서 볼 수 있듯이 자기 이방성 에너지의 증가뿐만 아니라 동시에 보자력(Hc, coercivity: 자화된 자성체에 역자기장을 걸어 그 자성체의 자화가 0이 되게 하는 자기장의 세기)의 증가를 유발하게 된다.At this time, the high magnetic anisotropy constant not only increases the magnetic anisotropy energy but also increases the coercive force (Hc, coercivity: the strength of the magnetic field that causes the magnetization of the magnetic body to become zero by applying an inverse magnetic field to the magnetized magnetic body). Done.

Figure 112007009033804-pat00001
Figure 112007009033804-pat00001

이 값이 자기 헤드가 기록할 수 있는 수준을 넘어서게 되면 (자기헤드가 낼 수 있는 최대 flux=2.5T) 자기헤드만으로 결정입자의 자화반전을 발생시킬 수 없게 되므로 미디어에 기록이 불가능하다.If this value exceeds the magnetic head can record (the maximum flux = 2.5T that the magnetic head can produce), the magnetic head alone cannot generate the magnetization reversal of the crystal grains, making it impossible to record on the media.

이 문제점을 극복하는 기술이 열 보조 자기기록(HAMR, Heat Assisted Magnetic Recording)으로 근접장광과 자기를 융합한 하이브리드 방식으로 광에 의해 열 도움을 받아 기록에 사용하는 방식이다. A technique that overcomes this problem is a heat assisted magnetic recording (HAMR), which is a hybrid method in which near field light and magnet are fused to be used for recording by heat assisted by light.

즉 헤드가 미디어에 정보를 저장하는 동안 빛을 열원으로 사용하여 일시적으로 미디어의 온도를 충분히 높여서 미디어의 ku를 낮추어 보자력을 0에 가깝게 만들어 기록이 가능하도록 하는 기술이다.In other words, the head uses light as a heat source while the information is stored in the media, temporarily raising the temperature of the media sufficiently to lower the ku of the media, making the coercivity close to zero, and enabling recording.

상기 HAMR 방식에서는 여러 기술적 쟁점들이 있는데, 그 중에서 가장 중요한 쟁점은 작은 분해능을 갖고 있는 자기장을 따라서 작은 기록 영역에 부분적인 열을 전달하는 것이다. There are several technical issues in the HAMR method, the most important of which is the partial heat transfer to a small recording area along a magnetic field having a small resolution.

이때 테라바이트급 기록밀도를 위해서는 빛의 스폿(spot)이 비트 크기(bit size)보다 크지 않게 해야 하므로, 수 나노 미터의 빔 크기에서 1mW에 가까운 높은 광 출력이 필요하다. In this case, for terabyte recording densities, the spot of light should not be larger than the bit size, so a high light output close to 1 mW is required at a beam size of several nanometers.

이러한 반파장 이하의 매우 작은 사이즈의 빔은 빛의 회절한계에 의하여 근접장 영역으로 들어서는데, 이때 근접장 광의 특성상 방출 시간이 매우 짧고 빛의 세기가 급격히 감소하므로 높은 광 출력을 얻을 수 없다. The very small sized beam below this half wavelength enters the near field region by the diffraction limit of the light. At this time, high light output cannot be obtained because the emission time is very short and the intensity of the light decreases rapidly due to the characteristics of the near field light.

이를 극복하는 방법으로 표면 플라즈몬 효과를 들 수 있다. 표면 플라즈몬 (surface plasmon)은 외부에서 전자기파가 금속 표면에 입사될 때 금속 표면에 여기된 하전입자들이 진동하는 현상으로써, 이 플라즈몬의 집단적 진동현상으로 인해 표면 플라즈몬파(plasmon wave)가 형성된다. One way to overcome this is surface plasmon effect. Surface plasmon is a phenomenon in which charged particles excited on a metal surface vibrate when electromagnetic waves are incident on the metal surface from the outside, and a surface plasmon wave is formed due to the collective vibration of the plasmon.

플라즈몬파는 금속 표면으로부터 내부 또는 외부로 전파하지 않고 표면상으로 진행하는 특성을 가진다. 이러한 현상을 나타내는 금속은 금(gold), 은(silver), 구리(copper), 알루미늄(aluminium) 등과 같은 외부 자극에 의해 전자의 방출이 쉽고 음의 유전상수를 갖는 금속들이 주로 사용되는데, 그 중에서 가장 예리한 SPR 공명 피크를 보이는 실버(silver)와 우수한 표면 안정성을 나타내는 금(gold)이 보편적으로 이용되고 있다. Plasmon waves have the property of propagating onto a surface without propagating from inside or outside the metal surface. Metals exhibiting this phenomenon are mainly used for metals that have a negative dielectric constant and are easy to emit electrons by external stimuli such as gold, silver, copper, aluminum, and the like. Silver with the sharpest SPR resonance peaks and gold with excellent surface stability are commonly used.

표면 플라즈몬의 여기(excitation)는 외부에서 서로 다른 유전함수를 갖는 두 매질 경계면 즉, 금속과 유전체의 경계면에 전기장을 인가하면 두 매질 경계면에서 전기장 수직성분의 불연속성 때문에 표면전하가 유도되고 이러한 표면전하들의 진동이 표면 플라즈몬 파로 나타난다. Excitation of surface plasmons is caused by the application of an electric field to two medium interfaces with different dielectric functions from the outside, that is, the interface between metal and dielectric, which induces surface charges due to the discontinuity of the electric component perpendicular to the two medium interfaces. Oscillations appear as surface plasmon waves.

여기서 회절 격자를 이용하면 더욱 강한 표면 플라즈몬 여기현상을 나타낼 수 있으며, 이러한 표면 플라즈몬 현상은 다양한 분야에서 연구되고 있다. 그 중에서 특히 회절한계를 극복한 고분해능과 함께 다양한 광학적 정보를 동시에 얻을 수 있는 유일한 방법인 근접장광의 낮은 광효율 특성이라는 문제점을 해결하는 중요한 방법으로 연구되고 있다. In this case, the use of the diffraction grating may exhibit stronger surface plasmon excitation, which has been studied in various fields. Among them, in particular, it has been studied as an important method to solve the problem of low light efficiency characteristic of near field light, which is the only method that can simultaneously obtain various optical information with high resolution that overcomes the diffraction limit.

표면 플라즈몬 효과를 이용한 하나의 수단으로 초상자성 한계를 극복하고 수나노미터의 작은 빔 사이즈에 높은 근접장 광 출력을 얻을 수 있는 열 보조 자기기록 장치의 광 전달 시스템을 들 수 있다.One means of utilizing the surface plasmon effect is a light transmission system of a heat assisted magnetic recording apparatus that can overcome the superparamagnetic limit and obtain high near field light output at a small beam size of several nanometers.

상기 열 보조 자기기록 헤드는 광 전달 시스템과 자기 기록 헤드가 필요하며, 현재 열 보조 자기기록방식의 구현에 있어 대표적인 문제점은 열원으로서 나노 사이즈의 빔에서 1mW에 가까운 높은 광량이 필요하다는 점과, 기록헤드와 광 전달부의 결합 시스템이 어렵다는 점이다. The heat-assisted magnetic recording head requires a light transmission system and a magnetic recording head, and a representative problem in the implementation of the heat-assisted magnetic recording method is that a high amount of light close to 1 mW in a nano-sized beam as a heat source is required. The coupling system of the head and the light transmission is difficult.

현재 빔사이즈를 회절한계(λ/2) 이하로 형성하기 위하여 메탈 프로브에 작은 구멍을 만들어 빛을 투과 시키는 개구형의 광소자 연구 및 개구의 형상에 따른 투과효율 연구가 많이 이루어지고 있다. In order to form the beam size below the diffraction limit (λ / 2), many researches have been conducted on the optical element of the aperture type through which small holes are made in the metal probe to transmit light and the transmission efficiency according to the shape of the aperture.

그러나 이와 같은 구조의 광소자는 투과효율 즉 투과 광량이 아주 작아 실제 기록에 필요한 양의 에너지를 얻기 힘들거나 개구의 형상에 따른 높은 투과효율을 보이는 경우 열 보조 자기기록 헤드로서의 제작이 어렵다. However, the optical element of such a structure is difficult to manufacture as a heat assisted magnetic recording head when the transmission efficiency, i.e. the amount of transmitted light is so small, that it is difficult to obtain the amount of energy required for actual recording or high transmission efficiency according to the shape of the opening.

본 발명은 상기와 같은 점을 감안하여 안출한 것으로서, 나노 슬릿을 사용하여 출사빔의 크기를 최소화함과 동시에, 나노슬릿의 폭과 높이를 최적화하여 입사빔과의 편광효과를 이용하여 1차적으로 근접장광의 출사광 효율을 향상시키고, 회절 격자에 의한 표면 플라즈몬 효과를 이용하여 나노슬릿을 통해 출사되는 근접장 광의 투과효율을 향상시켜 높은 광 투과효율을 갖는 초미세 사이즈의 빛을 구현할 수 있고, 공기윤활표면(Air-Bearing Surface;이하,ABS)에 수직방향으로 제작되고, 수평자기기록 방식과 수직자기기록방식 모두 적용할 수 있으며, 기존의 반도체 공정을 사용함으로 제작이 용이하고 현 자기헤드 구조에 적용할 수 있는 회절격자 박막패턴을 이용한 열 보조 자기기록 헤드를 제공하는데 그 목적이 있다.The present invention has been made in view of the above, and minimizes the size of the exit beam using the nano slit, and optimizes the width and height of the nano slit primarily by using the polarization effect with the incident beam By improving the output light efficiency of near-field light and improving the transmission efficiency of near-field light emitted through the nanoslit by using the surface plasmon effect by the diffraction grating, ultra-sized light having high light transmission efficiency can be realized and air It is manufactured in the vertical direction on the lubricating surface (hereinafter referred to as ABS), and can be applied to both the horizontal magnetic recording method and the vertical magnetic recording method, and it is easy to manufacture by using the existing semiconductor process, and to the current magnetic head structure. It is an object of the present invention to provide a heat assisted magnetic recording head using an applicable diffraction grating thin film pattern.

상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명은 열 보조 자기기록 헤드에 있어서,The present invention for achieving the above object is a heat assisted magnetic recording head,

자기헤드 기판과 재생헤드 사이 또는 재생헤드와 기록헤드 사이에 반도체 공정을 포함하는 미세가공공정을 이용하여 제작되는 회절 격자 구조를 포함하는 것을 특징으로 한다.And a diffraction grating structure fabricated using a micromachining process including a semiconductor process between the magnetic head substrate and the reproduction head or between the reproduction head and the recording head.

바람직한 구현예로서, 상기 회절 격자의 깊이, 폭, 격자 간의 간격, 격자(패턴)의 갯수 및 길이는 입사광의 조건에 따른 함수로 표현되고, 유한차분요소법으로 해석하여 각 조건에 따른 최적의 회절 패턴을 구현하는 것을 특징으로 한다.In a preferred embodiment, the depth, width, distance between gratings, the number and length of gratings (patterns) of the diffraction gratings are expressed as a function of the conditions of the incident light, and are interpreted by the finite difference element method to determine the optimal diffraction pattern for each condition. Characterized in that implements.

더욱 바람직한 구현예로서, 상기 회절 격자는 일면에 형성되어 입사 표면에서의 표면 플라즈몬 효과를 증대시키는 것을 특징으로 한다.In a more preferred embodiment, the diffraction grating is formed on one surface to increase the surface plasmon effect at the incident surface.

또한, 상기 회절 격자는 양면에 형성되어 입사 표면에서의 표면 플라즈몬 효과를 증대시키는 것을 특징으로 한다.In addition, the diffraction grating is formed on both sides to increase the surface plasmon effect on the incident surface.

또한, 상기 회절 격자에 입사광의 진행방향으로 나노 슬릿이 관통 형성되거나 패턴의 중앙부분에 홀 형태로 가공되며, 상기 슬릿 형태는 입사광의 편광효과 및 입사광의 특성을 고려하여 설계 및 제작되는 것을 특징으로 한다.In addition, the nano slit is formed through the diffraction grating in the advancing direction of the incident light or processed in the form of a hole in the center portion of the pattern, the slit shape is designed and manufactured in consideration of the polarization effect of the incident light and the characteristics of the incident light do.

또한, 상기 나노 슬릿은 최대 광효율을 위한 최적의 구조로 설계되며, 직사각형, 직사각형 이외의 다각형, 원형, 타원형 및 비원형 중 선택된 어느하나의 형태를 가지며, 박막 패턴의 전체 두께 또는 중앙 일부분을 관통하여 형성되는 것을 특징으로 한다.In addition, the nano slit is designed with an optimal structure for maximum light efficiency, and has any one of rectangular, non-rectangular polygonal, circular, oval, and non-circular shape, and penetrates the entire thickness or the central portion of the thin film pattern. It is characterized by being formed.

또한, 상기 회절 격자 구조의 재료는 표면 플라즈몬의 여기를 위해 금속에 금 또는 은을 포함하는 귀금속으로 증착된 것을 특징으로 한다.In addition, the diffraction grating structure material is characterized by being deposited with a precious metal containing gold or silver in the metal for the excitation of the surface plasmon.

또한, 상기 회절 격자의 상부에 입사광이 회절 격자에 이르기까지의 광 손실을 없애기 위해 광전송로가 적층형성되는 것을 특징으로 한다.In addition, in order to eliminate the light loss from the incident light to the diffraction grating on the top of the diffraction grating is characterized in that the light transmission path is laminated.

또한, 상기 광전송로는 굴절률이 높은 재료의 양측면에 굴절률이 낮은 재료가 설치되고, 상기 굴절률의 차이로 인한 전반사 효과를 이용한 것을 특징으로 한다.In addition, the optical transmission path is characterized in that the low refractive index material is installed on both sides of the material having a high refractive index, and the total reflection effect due to the difference in the refractive index is used.

또한, 상기 회절 격자 구조의 재료는 입사파장에 따라 최적의 두께가 정해지는 것을 특징으로 한다.In addition, the material of the diffraction grating structure is characterized in that the optimum thickness is determined according to the incident wavelength.

이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부도면을 참조로 상세하게 설명한다.Hereinafter, preferred embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.

도 1은 본 발명에 따른 회절격자 박막패턴을 이용한 자기기록헤드의 일실시예를 나타내는 도면이다.1 is a view showing an embodiment of a magnetic recording head using a diffraction grating thin film pattern according to the present invention.

윗쪽 도면은 기존의 자기기록헤드에 본 발명을 적용한 도면이고, 아래쪽 도면은 본 발명에 대한 구조도이다. The upper figure shows the present invention applied to the existing magnetic recording head, and the lower figure shows the structure of the present invention.

기존 자기기록헤드는 쓰기 코일(104)에서 나온 전류를 리턴 요크(109)와 메인 폴(108)이 받아 N극과 S극을 형성하여 기록하고, 서브요크(105)는 금속에 의한 자계를 유도하기 위하여 사용된다. The existing magnetic recording head receives the current from the write coil 104 by the return yoke 109 and the main pole 108 to form the N pole and the S pole, and records the subpole. The sub yoke 105 induces a magnetic field by metal. To be used.

실드1(102)과 실드2(103)의 경우는 재생시 외부영향을 고려하여 보호를 위해 제작되며, 전자유도 현상에 의해 자기저항을 사용한다. Shield 1 102 and shield 2 103 are manufactured for protection in consideration of external influences during regeneration, and use magnetoresistance due to electromagnetic induction.

수직자기 기록방식의 경우 재생헤드 이후의 헤드형상이 수직 미디어에 맞게 변형하는 것이므로, 본 발명은 수평자기기록 및 수직자기기록 방식 모두에 적용할 수 있다. In the case of the vertical magnetic recording method, since the head shape after the playhead is deformed to fit the vertical media, the present invention can be applied to both the horizontal magnetic recording and the vertical magnetic recording methods.

본 발명의 회절 격자는 자기기록 헤드의 ABS 기판(101)에 수직한 방향으로 SiO2 보호층(110)을 산화공정으로 입히고, 그 위에 반도체 공정을 이용하여 회절 격자 패턴을 패터닝하는 과정을 통해 제작된다. The diffraction grating of the present invention is fabricated by coating an SiO 2 protective layer 110 in an oxidation process in a direction perpendicular to the ABS substrate 101 of the magnetic recording head, and patterning the diffraction grating pattern using the semiconductor process thereon. do.

상기 회절 격자(113)는 입사광(112)의 파장, 크기 등 입사조건에 따라 공명 구조가 다르며, 이에 회절 격자(113)의 깊이, 폭, 패턴간의 간격, 패턴의 갯수 및 길이가 입사조건에 따라 최적화 된다.The diffraction grating 113 has a resonance structure different according to incident conditions such as the wavelength and the size of the incident light 112, and thus the depth, width, spacing between patterns, the number and length of the patterns vary depending on the incident conditions. Is optimized.

즉, 입사광을 평행광으로 실시하였을 때 뿐만 아니라, 실제 적용시에는 가우시안 빔(레이저빔)이 입사되므로, 가우시안 빔의 입사각과 집속 초점 정도에 따라 최적화되는 회절 격작 패턴이 달라질 수 있다.That is, since the Gaussian beam (laser beam) is incident not only when the incident light is performed as parallel light but also in actual application, the diffraction gap pattern optimized according to the incident angle of the Gaussian beam and the degree of focusing focus may vary.

회절 격자의 재료는 표면 플라즈몬의 효과적인 여기를 위해 금과 은으로 하는 것이 바람직하고, 최고 피크를 나타내는 재료는 은이라는 것이 실험으로 판명되었다. 회절 격자(113)를 제작하고 그 위에 입사광(112)의 광전송로(111)를 제작한다. The material of the diffraction grating is preferably made of gold and silver for effective excitation of the surface plasmon, and it has been experimentally found that the material showing the highest peak is silver. A diffraction grating 113 is fabricated and a light transmission path 111 of incident light 112 is fabricated thereon.

상기 광전송로(111)는 입사광(112)이 회절 격자 구조에 이르기까지의 광 손실을 없애기 위함이다. 방식은 굴절률의 차이로 인한 전반사 효과를 이용한다. 굴절률이 높은 재료 양 측면에 굴절률이 낮은 재료를 박막 두께를 고려하여 제작한다. 그 위에 다시 SiO2 층을 도포하고, CMP공정을 통해 평탄화 작업을 진행한다. The optical transmission path 111 is to eliminate the light loss until the incident light 112 reaches the diffraction grating structure. The method uses the total reflection effect due to the difference in refractive index. Materials having a low refractive index on both sides of the material having a high refractive index are manufactured in consideration of the thickness of the thin film. The SiO 2 layer is again applied thereon, and the planarization operation is performed through the CMP process.

이렇게 제작된 본 발명의 구조 위에 기존의 자기헤드 공정을 실시하여, 기존 의 자기 헤드 구조에 광전달 시스템을 삽입한다. The conventional magnetic head process is performed on the structure of the present invention thus fabricated to insert a light transmission system into the existing magnetic head structure.

기록 방식은 나노슬릿(114)을 투과해서 나오는 빔이 먼저 기록 영역을 가열하여 일시적으로 미디어의 온도를 충분히 높여서 미디어의 Ku을 작게 한 후, 기록영역을 최소화하기 위해서 자기헤드의 자기장과 빔이 수직으로 교차하는 부분에 해당하는 자성 영역에 대해 정보를 기록하고, 이를 재생 헤드가 재생하는 방식이다.In the recording method, the beam passing through the nano slit 114 first heats the recording area to temporarily increase the temperature of the media sufficiently to reduce the Ku of the media, and then the magnetic field of the magnetic head and the beam are perpendicular to minimize the recording area. Information is recorded on a magnetic region corresponding to a portion intersecting with and the reproduction head reproduces the information.

도 2는 회절 격자(202)의 단면도이다. 회절 격자의 폭과 높이, 격자들 사이의 간격은 위에서 설명한 바와 같이 입사광(201)의 조건에 따른 함수로 표현될 수 있으며, 유한차분요소법으로 해석하여 각 파장에 따른 최적의 회절 패턴(205, 207)을 구현할 수 있다. 2 is a cross-sectional view of the diffraction grating 202. As described above, the width and height of the diffraction grating and the distance between the gratings can be expressed as a function according to the conditions of the incident light 201. The optimal diffraction pattern for each wavelength is analyzed by the finite difference element method. ) Can be implemented.

본 발명의 회절 격자는(202)는 회절 격자 패턴을 전면과 후면에 모두, 또는 전면에만 가질 수 있으며, 특히 회전 격자 패턴을 전면과 후면에 두어 입사 표면에서의 표면 플라즈몬 효과 뿐만 아니라 내부에서의 광 터널링 및 회절 격자에 의한 효율을 최대화하였다.
여기서, 입사광의 진행방향을 기준하여 빛이 먼저 도달하는 쪽을 전면, 빛이 투과하여 나오는 쪽을 후면으로 정의한다.
The diffraction grating 202 of the present invention may have a diffraction grating pattern on both the front and the back, or only on the front side, in particular by placing the rotating grating pattern on the front and back, as well as the surface plasmon effect at the incident surface as well as the light in the interior. Efficiency by tunneling and diffraction gratings was maximized.
Here, the front of the light reaches the front side, the side through which the light is transmitted is defined as the rear with respect to the traveling direction of the incident light.

상기 회절 격자가 갖는 회절 격자 패턴의 형상은 요철형태의 사각형 단면으로 도시되어 있으나, 입사광의 조건에 따라 상면과 하면의 형상, 회절 격자 패턴의 대칭 또는 비대칭, 양면 사이의 간격, 하부 패턴의 형상변화를 포함할 수 있다.Although the shape of the diffraction grating pattern of the diffraction grating is shown as a rectangular cross section of irregularities, the shape of the upper and lower surfaces, the symmetry or asymmetry of the diffraction grating pattern, the gap between both sides, and the shape of the lower pattern according to the incident light conditions It may include.

나노 슬릿(204,206)은 입사파장과 입사광(201)의 편광방향을 고려하여 입사광(201)의 편광방향에 수직으로 제작하였으며, 정사각형 및 원형 개구에서 갖는 광손실을 줄일 수 있다.The nano slits 204 and 206 are manufactured perpendicular to the polarization direction of the incident light 201 in consideration of the incident wavelength and the polarization direction of the incident light 201, and may reduce light loss in the square and circular openings.

도 3은 이중 회절 격자 및 단일 회절 격자의 분리 사시도이다. Al2O3-TiC 기판(301)위에 SiO2(302)층을 두고 그 위에 본 발명의 구조인 이중 회절 격자(303)를 패터닝 한다.3 is an exploded perspective view of a dual diffraction grating and a single diffraction grating. The SiO 2 302 layer is placed on the Al 2 O 3 -TiC substrate 301 and the double diffraction grating 303 which is the structure of the present invention is patterned thereon.

그 후 입사광의 효과적인 전달을 위해 박막 적층 구조인 광도파로 시스템(304)를 이용하여 제작이 간단하고 스폿 지름의 제어도 용이한 구조를 제작한다. CMP공정을 한 후 최종적으로 기존의 자기헤드 프로세스를 진행한다.Thereafter, the optical waveguide system 304, which is a thin film stack structure, is manufactured to effectively transmit incident light, thereby fabricating a simple structure and easy control of the spot diameter. After the CMP process, the existing magnetic head process is finally performed.

실험예Experimental Example

도 4, 도5, 도6은 본 발명에 대한 실험예로서 순서대로 회절격자가 없는 단일 나노슬릿의 경우, 실제 재료에 의한 영향, 회절격자를 포함했을 경우에 대한 내용이다. 도 4와 도 5는 본 발명인 도 6의 결과와 비교 가능하도록 진행되었다.4, 5, and 6 are experimental examples of the present invention, in the case of a single nanoslit without a diffraction grating in order, the effect of the actual material, including the diffraction grating. 4 and 5 proceeded to be comparable with the result of FIG. 6.

실험은 유한차분시간요소법(FDTD)의 상용화 프로그램인 Remcom사의 XFDTD 프로그램을 사용하였고 본 프로그램은 많은 논문들에서 신뢰성이 입증되었다. The experiment used Remcom's XFDTD program, a commercialization program of the finite-difference time element method (FDTD), which has been proven reliable in many papers.

입사광은 He-Ne 레이저의 파장인 632.8nm 파장을 가지는 x-편광된 평행광으로 z방향으로 진행하도록 가정하였으며, 계산 영역 크기는 Δx=Δy=Δz=5nm로 하였다. 측정면은 출사면으로부터 50nm 떨어진 곳에서 측정하였다. 실제 금속 필름은 전도율이 무한대인 PEC(Perfect Magnetic Conductor)로 가정할 수 없기 때문에 변경된(modified) Debye모델을 사용하였다.The incident light was assumed to travel in the z direction as x-polarized parallel light having a wavelength of 632.8 nm, which is the wavelength of the He-Ne laser, and the calculation area size was Δx = Δy = Δz = 5nm. The measurement surface was measured at 50 nm away from the emission surface. Since the actual metal film cannot be assumed to be a PEC (Perfect Magnetic Conductor) whose conductivity is infinite, a modified Debye model is used.

도 4는 나노슬릿의 가로(폭)와 세로(높이)길이에 따른 입사빔의 편광효과를 알아보기 위해 실험하였다. 이상적인 재료인 PEC를 사용하여 재료에 의한 영향을 배제하고 나노 슬릿 크기의 영향만을 고려하였다.4 is an experiment to examine the polarization effect of the incident beam according to the width (width) and length (height) length of the nanoslit. The ideal material, PEC, was used to exclude the effect of the material and only consider the effect of nano slit size.

실험은 첫번째로 가로(폭)을 100nm로 고정시킨 후 세로(높이)를 변화시켜 피크값을 찾았고(401), 이때의 세로(높이)값을 기준으로 가로(폭)을 변화시켜 최종적으로 나노 슬릿의 가로(폭)와 세로(높이) 크기를 최적화하였다(402). In the experiment, first, the width (width) was fixed to 100 nm, and then the peak value was found by changing the height (height) (401). The width (width) was finally changed based on the height (height) value at this time, and finally the nano slit. The horizontal (width) and vertical (height) sizes of were optimized (402).

피크 강도(Peak intensity)(E2)는 폭 50nm, 길이 300nm에서 최고 피크값을 보였으며, 근접장 분포를 통해 스팟의 형상을 알 수 있고, FWHM 계산에 의해 이때의 x방향과 y방향의 스팟 크기는 110nm x 135nm을 얻을 수 있다(403).Peak intensity (E2) showed the highest peak at 50 nm in width and 300 nm in length, and the shape of the spot can be known from the near field distribution, and the spot size in the x and y directions is determined by FWHM calculation. 110 nm x 135 nm can be obtained (403).

그래프에서 알 수 있듯이 입사광의 편광방향과 수평한 방향의 크기 영향보다는 수직방향에 대한 영향이 훨씬 크다는 것을 알 수 있고, 이로서 나노슬릿에 의한 편광 효과를 확인할 수 있다. As can be seen from the graph, it can be seen that the influence of the incident light on the vertical direction is much greater than the size of the polarization direction and the horizontal direction, thereby confirming the polarization effect by the nanoslit.

도 5는 실제 금속의 두께와 재료의 영향을 보기 위해 도 4에서 최적화된 슬릿 크기에 금(Au)과 은(Ag) 필름을 적용하여 시뮬레이션을 진행하였다. Au의 경우 190nm두께에서 최적화 되었으며, Ag 두께가 210nm 일 때 최적화 되었다(501). 5 is a simulation of applying the gold (Au) and silver (Ag) film to the slit size optimized in Figure 4 to see the effect of the thickness and material of the actual metal. Au was optimized at 190nm thickness and Ag at 210nm (501).

결과값은 Au 필름의 경우 피크 강도(peak intensity)는 3.83, 스팟의 크기는 x방향 130nm, y방향 195nm을 얻었다. Ag 필름의 경우 피크 강도는 4.49, 스팟의 크기는 x방향 130nm, y방향 185nm을 얻었다(502). In the case of the Au film, the peak intensity was 3.83, and the spot size was 130 nm in the x direction and 195 nm in the y direction. In the case of Ag film, the peak intensity was 4.49, and the spot size was 130 nm in the x direction and 185 nm in the y direction (502).

본 실험을 통해 실제 금속을 사용할 경우 금속 자체의 손실 때문에 출사광의 광량이 매우 작아짐을 알 수 있고, Ag의 경우 표면 플라즈몬 효과가 더 좋다는 것을 확인할 수 있다.Through this experiment, it can be seen that when the actual metal is used, the amount of emitted light is very small due to the loss of the metal itself, and Ag has a better surface plasmon effect.

도 6a 및 도 6b는 도 4와 도 5에서 실험한 모델에 회절격자 패턴을 적용한 것이다. 6A and 6B apply a diffraction grating pattern to the models tested in FIGS. 4 and 5.

도 6a는 Au 필름의 경우 단일 회절 격자를 사용하여 회절 패턴을 최적화 시켰을 때의 결과이며, 회절 패턴은 피치(pitch) 450nm(601), 폭(width) 190nm, 높이(depth) 80nm에서 최적화 되었고, 결과값은 피크 강도는 18.24, 스팟의 크기는 x방향 105nm, y방향 135nm을 얻었다. FIG. 6A shows a result of optimizing a diffraction pattern using a single diffraction grating for an Au film, and the diffraction pattern was optimized at a pitch of 450 nm (601), a width of 190 nm, and a depth of 80 nm. As a result, the peak intensity was 18.24 and the spot size was 105 nm in the x direction and 135 nm in the y direction.

도 6b는 Ag 필름의 회절 패턴을 최적화 시켰을 때의 결과이며, 회절 패턴은 피치(pitch) 450nm, 폭 210nm, 높이 90nm에서 최적화 되었고, 결과값은 피크 강도는 20.26, 스팟의 크기는 x방향 105nm, y방향 120nm을 얻었다. Figure 6b is the result of optimizing the diffraction pattern of the Ag film, the diffraction pattern is optimized at a pitch of 450nm, 210nm width, 90nm height, the resulting value is 20.26 peak intensity, 105nm spot size, 120 nm of y-directions were obtained.

두 경우 모두 회절 격자가 존재하는 경우 약 5배의 광량 증가 및 30%의 빔 스폿 사이즈 감소 결과를 얻었다.In both cases, an increase in light quantity of about 5 times and beam spot size reduction of 30% were obtained when a diffraction grating was present.

도 7은 이중 회절 격자를 적용하였을 때의 예이다. 본 실험은 1차적인 실험예시로서 양면의 패턴 형상은 같게 유지하되 교차 배열하였으며 양면 사이의 간격만 변화시킨 실험이다. 이중 회절 격자의 경우 아직 회절 패턴등이 최적화 되지는 않았으므로 최적의 결과값은 아니지만 본 실험 결과를 통해 이중 회절 패턴의 영향에 대한 가능성을 볼 수 있으며, 상기 내용을 정리하면 다음 표 1과 같다.7 is an example when a dual diffraction grating is applied. This experiment is the first experimental example, but the pattern shape of both sides is kept the same but intersected and only the distance between the two sides is changed. In the case of the dual diffraction grating, the diffraction pattern is not yet optimized, but it is not an optimal result. However, the results of this experiment show the possibility of the influence of the dual diffraction pattern.

Figure 112007009033804-pat00002
Figure 112007009033804-pat00002

이상에서는 본 발명을 특정의 바람직한 실시예에 대하여 도시하고 설명하였으나, 본 발명은 이러한 실시예에 한정되지 않으며, 당해 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 특허청구범위에서 청구하는 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위내에서 실시할 수 있는 다양한 형태의 실시예들을 모두 포함한다.While the invention has been shown and described with respect to certain preferred embodiments thereof, the invention is not limited to these embodiments, and has been claimed by those of ordinary skill in the art to which the invention pertains. It includes all the various forms of embodiments that can be carried out without departing from the spirit.

이상에서 본 바와 같이, 본 발명에 따른 회절격자 박막패턴을 이용한 열 보조 자기기록 헤드에 의하면, 높은 광 투과 효율을 갖고, 회절한계 이하의 미세 초점을 구현할 수 있는 회절 격자 패턴을 사용하여 열 보조 자기기록 방식의 충분한 열원을 제공할 수 있으며, 제작 및 적용이 용이한 열 보조 자기 기록 장치의 구현을 이룰 수 있다.As described above, according to the heat-assisted magnetic recording head using the diffraction grating thin film pattern according to the present invention, the heat-assisted magnetism is obtained by using a diffraction grating pattern which has high light transmission efficiency and can realize fine focus below the diffraction limit. It is possible to provide a sufficient heat source of the recording method, and to achieve a heat assisted magnetic recording apparatus that is easy to manufacture and apply.

Claims (10)

삭제delete 삭제delete 삭제delete 삭제delete 열 보조 자기기록 헤드에 있어서,A heat assisted magnetic recording head, 자기헤드 기판과 재생헤드 사이 또는 재생헤드와 기록헤드 사이에 반도체 공정을 이용하여 회절 격자 패턴을 패터닝하는 과정을 통해 제작된 회절 격자를 포함하되, 상기 회절 격자의 전면에 회절 격자 패턴이 형성되어 입사 표면에서의 표면 플라즈몬 효과를 증대시키며, 상기 회절 격자에는 입사광 진행방향으로 나노 슬릿이 관통 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 회절격자 박막패턴을 이용한 열 보조 자기기록 헤드.A diffraction grating manufactured by patterning a diffraction grating pattern by using a semiconductor process between the magnetic head substrate and the playhead or between the playhead and the recording head, wherein a diffraction grating pattern is formed on the front surface of the diffraction grating to be incident A heat-assisted magnetic recording head using a diffraction grating thin film pattern, which enhances the surface plasmon effect on the surface, and wherein the diffraction grating is formed with nano slits penetrating in the direction of incident light. 청구항 5에 있어서,The method according to claim 5, 상기 나노 슬릿은 직사각형, 다각형, 원형, 타원형 중 선택된 어느 하나의 형태를 갖는 것을 특징으로 하는 회절격자 박막패턴을 이용한 열 보조 자기기록 헤드.The nano-slit has a heat-assisted magnetic recording head using a diffraction grating thin film pattern, characterized in that having a shape of any one of rectangular, polygonal, circular, oval. 삭제delete 삭제delete 삭제delete 삭제delete
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