JP5581980B2 - 磁気記録ヘッドおよび磁気記録装置 - Google Patents

Description

本発明は、磁性記録媒体に対して高周波磁界を照射して磁気共鳴を駆動し、その記録媒体の磁化反転を誘導して、情報を記録する磁気記録ヘッドおよび磁気記録装置に関するものである。

近年のコンピュータの能力向上およびネットワークの高速化，大容量化にともない，ディジタル・データの形で流通する情報の量は飛躍的に増加してきている。こうした大容量の情報を効率的に受配信・抽出するためには，大容量の情報を高速に入出力できるストレージ・デバイスが必要である。磁気ディスクでは，高密度化にともなって，一旦記録した信号が熱揺らぎによって徐々に減少していくという問題が顕在化している。これは磁気記録媒体が磁性体微結晶の集合であり，この微結晶の体積が減少してきていることが原因である。十分な耐熱揺らぎ安定性を得るには，よく用いられる熱揺らぎ指標Ｋβ（＝ＫｕＶ／ｋＴ；Ｋｕ：磁気異方性，Ｖ：粒子体積，Ｔ：温度，ｋ：Ｂｏｌｔｚｍａｎｎ定数）が７０以上ある必要があると考えられている。Ｋｕ，Ｔ（材料，環境）を一定とすれば，Ｖの小さな粒子ほど熱揺らぎによる磁化反転が起こりやすい。高密度化が進み１ビットの占める記録膜体積が減少するにつれて，Ｖを低下させなければならず，熱揺らぎが無視できない。この熱揺らぎを抑えるためにＫｕを高めると，磁気記録に必要な磁化反転磁界が記録ヘッドで発生できる記録磁界を越えることになり，記録不能となる。

この問題を回避するために，マイクロ波アシスト記録技術（Microwave Assisted Magnetic Recording、以下ＭＡＭＲと略記）がＣＭＵのＺｈｕらによって、ＵＳ２００８／００１９０４０（下記特許文献１）に開示されている。ＭＡＭＲは，垂直磁気ヘッドの主磁極からの磁界に加えて，隣接したスピントルクオシレータ（Spin Torque Oscillator、以下ＳＴＯと略記）からのマイクロ波磁界を磁気異方性の大きな磁気記録媒体に印加することにより，記録対象領域を磁気共鳴状態として磁化を揺さぶり，磁化反転磁界を低下させて記録を行うものである（図１）。従来の磁気ヘッドでは記録磁界が不足して記録が困難であった１Ｔｂｉｔ／ｉｎ^２を超える高記録密度対応の磁気記録媒体に対し，マイクロ波照射領域への記録が可能となる。ＳＴＯは、固定層からのスピントルクをＣｕを介して隣接する磁界創生層（Field Generation Layer、以下、ＦＧＬと略記）に伝え、ＦＧＬの磁化を面内で高速回転せしめることによってマイクロ波（高周波磁界）を発生せしめている。ＭＡＭＲは磁気共鳴現象を利用するため，有効なマイクロ波磁界成分は，記録媒体磁化の歳差運動と同じ回転方向となる，反時計回りの回転磁界成分である。一方，ＳＴＯのマイクロ波磁界発生源であるField Generation Layer（ＦＧＬ）からのマイクロ波磁界は，回転方向がＦＧＬの磁化回転方向に依存する楕円回転磁界で，ＦＧＬの前後で逆周りである。したがって，ＭＡＭＲに有効な反時計回り回転磁界は，ＦＧＬの前後片側だけに創生されることになる（図１ｂ）。このため，主磁極極性が反転する度にＦＧＬの磁化の回転方向を反転させる必要がある。特開２００９−０７０５４１（下記特許文献２）および、ＷＯ２００９／１３３７８６（下記特許文献３）に開示された、ＳＴＯ駆動電流を一定のままスピントルクの供給源となる固定層の磁化を主磁極磁界に従って反転させる方法が現実的である（図２ａ，ｂ）。この場合、固定層の磁化反転中，ＦＧＬ駆動に必要なスピントルクが得られないと考えられるため，固定層磁化反転を高速化する必要がある。第２の従来技術では、前記第１の従来技術のＳＴＯの固定層の保磁力を低下させて主磁極磁界によって固定層磁化を反転させる技術、および、固定層に近接して磁束密度の高い磁性体を設置し反転速度を高める技術が開示されている。また、第３の従来技術では、主磁極または、補助磁極の一部を実質的に固定層とする技術が開示されている。主磁極に突起（リップ）部を設け、スピン散乱層を介して高周波磁界発生器が配置され、さらに、ＦＧＬへの主磁極からの磁界の影響を抑制する向きにスピントルクが働くように電流を流す構成とする。この構成により、主磁極から当該高周波磁界発生器への流入磁界が膜面に垂直に入るようにすることが可能となる。そして、主磁極をスピン源として用いる為、主磁極の極性に依存せずに最大高周波磁界が得られる高周波磁界発生器駆動電流が所望の周波数に応じて設定が可能である。

ＵＳ２００８／００１９０４０ 特開２００９−０７０５４１ ＷＯ２００９／１３３７８６

１平方インチあたり１Ｔビットを超える記録密度を有するＭＡＭＲでは、主磁極からの書き込み磁界が印加されているナノメートルオーダーの領域に、強力な高周波磁界を照射して磁性記録媒体を局所的に磁気共鳴状態にし、磁化反転磁界を低減して情報を記録する。ＳＴＯの発振時に固定層磁化が十分に固定され、安定なスピントルクがＦＧＬに供給される必要がある。さらに、主磁極極性が反転する際には、ＦＧＬの磁化の回転方向が反転する必要がある。主磁極極性が反転する度にＦＧＬの磁化の回転方向が反転しない場合，媒体磁化の反転位置がＦＧＬの前後でずれることになり，線記録密度を高めることができない。

特許文献１記載の技術においては、強力な高周波磁界をナノメートルオーダーの領域に照射して記録媒体を局所的に磁気共鳴状態にし、磁化反転磁界を低減して情報を記録することが可能である。固定層には、（Ｃｏ／Ｐｄ）ｎ，（Ｃｏ／Ｐｔ）ｎなどの高磁気異方性（かつ比較的、飽和磁束密度低い）多層膜を用いているため、安定なスピントルクがＦＧＬに供給されると考えられる。しかし、主磁極極性の反転に伴って固定層磁化が反転しないので、ＦＧＬ磁化の回転方向を反転させるには，ＳＴＯ駆動電流を反転させることになる。この場合、ａ）電流の正負でスピントルクの効率が変化する，ｂ）ＦＧＬに印加される外部磁界が等しくない，ｃ）ＦＧＬ磁化の立ち上がり角度が異なる，ｄ）ＳＴＯ駆動電流を主磁極磁界に同期させる必要がある，といった問題を解決する必要があり，実現が困難である。

特許文献２記載の技術では、スピントルク源となる固定層に主磁極からの磁界より保磁力の低い（Ｃｏ／Ｐｄ）ｎ，（Ｃｏ／Ｐｔ）ｎなどの多層膜を用いており、ＳＴＯ駆動電流を一定のまま、主磁極極性に同期して固定層の磁化を反転、続いてＦＧＬの磁化の回転方向を反転に至らしめている。保磁力の低い（Ｃｏ／Ｐｄ）ｎ，（Ｃｏ／Ｐｔ）ｎなどの多層膜は、磁気異方性エネルギーが小さく、飽和磁束密度Ｂｓが更に低くなる傾向があり、高Ｂｓ材料を積層しても、十分な固定層の磁化反転速度が得られない。また、固定層の保磁力が低いため、電流を強くして大きなスピントルクをＦＧＬに供給しようとすると、その反作用で固定層磁化が不安定になるといった問題がある。さらに、これらの多層膜はαが０．０７−０．３と大きいため、スピンポンピング作用によってスピン流が消費されるので、同じ周波数の高周波磁界を得るための電流を多く流す必要があることも問題である。

特許文献３記載の技術では、主磁極に設けた突起（リップ）部をスピントルク源とすることにより、ＳＴＯ駆動電流を一定のまま、主磁極極性に同期してスピントルク源の磁化を反転、続いてＦＧＬの磁化の回転方向を反転に至らしめている。主磁極または、補助磁極の一部を実質的に固定層とするため、磁化反転速度は十分速いと考えられる。しかし、スピントルク源の磁化が主磁極の磁化状態の影響やＦＧＬからのスピントルクの反作用の影響で変動しやすく、大きなＳＴＯ駆動電流を流し、発振周波数を増大させることが困難である。

本発明の目的は、１）ＳＴＯの固定層の磁化反転速度を十分早くすること、２）ＳＴＯの発振時に固定層磁化が十分安定していることを両立させることにより、信頼性が高く結果としてコストを低減する超高密度かつ高速情報転送速度記録に好適な情報記録装置を提供することにある。

以上の問題を解決する目的で、まず、以下のＬＬＧ（Landau Lifschitz Gilbert）方程式（第１式）に基づく計算機シミュレーションで磁化反転挙動を解析した。

ここで，γはジャイロ磁気定数，αはダンピング定数である。有効磁界Ｈは，セル間交換磁界Ｈｅｘ，磁気異方性磁界Ｈａ（＝Ｈｋ×ｃｏｓθｍ，θｍは磁化と磁化容易軸のなす角），静磁界Ｈｄ，および，外部磁界Ｈｅｘｔの４成分の和で構成される。Ｈｅｘは，交換スティフネス定数が１μｅｒｇ／ｍで，セル間の磁化方向のずれの２乗に比例する交換エネルギーポテンシャルを仮定して算出した。

固定層の磁化反転の解析には、４０ｎｍ×４０ｎｍ×９ｎｍの固定層を径２．５ｎｍ，高さ３ｎｍのセルで分割し，１６×１６×３個のセルの集合体とみなした（図３）。各々のセル内の磁化は一様で，一斉回転モデルにしたがって反転するものとする。各セルはほぼ等しい一軸磁気異方性を持っており（分散±１０％），磁化容易軸分散はｚ軸を中心としてΔθ５０＝３ｄｅｇ．の分布を仮定した。外部磁界Ｈｅｘｔ，磁気異方性磁界Ｈｋ，飽和磁束密度Ｂｓ，ダンピング定数αを表１の範囲で変化させ，各組合せ条件における磁化反転過程を計算した。

計算は，まず，ｚ方向に予定強度の外部磁界を印加して十分時間を置いた後，−ｚ方向に１００ｐｓで所定の外部磁界を印加して放置し，磁化の挙動を観察する（図４ａ、図４ｂ）。磁化の反転時間は，所定の外部磁界が印加された時点を原点とし、飽和磁化Ｂｓｏの９０％の磁化が反転する（磁化のｚ成分Ｂｓｚが−０．９Ｂｓｏに達する）時刻までの時間をもって求めた。

まず，ある固定層について，外部磁界強度に対する磁化反転挙動の概要を示す。図５は，磁化のｚ成分Ｂｓｚを縦軸とし、Ｂｓ＝１．２Ｔ，Ｈｋ＝０．８２ＭＡ／ｍ（９ｋＯｅ）の固定層磁化の反転の様子について外部印加磁界強度を変えて調べたものである。外部磁界はほぼ−ｚ軸方向に印加している。反転時間が最も長いのは，外部印加磁界Ｈｅｘｔが０．６ＭＡ／ｍ（７．５ｋＯｅ）で，２３０ｐｓ，最も短いのがＨｅｘｔ＝１．２ＭＡ／ｍ（１５ｋＯｅ）で１２０ｐｓである。Ｈｅｘｔが大きいほど反転時間が短くなっていることが分かる。

次に，外部磁界強度を固定した場合の磁気異方性磁界強度に対する磁化反転挙動の概要を示す。図６ａは，Ｂｓ＝１．２Ｔの固定層に０．６ＭＡ／ｍ（７．５ｋＯｅ）の外部磁界を印加した場合の磁化反転の様子について磁気異方性磁界Ｈｋを変えて調べたものである。Ｈｋ＝１．６８ＭＡ／ｍ（２１ｋＯｅ）では磁気異方性が大きすぎて磁化が固定されるため，計算時間の範囲で磁化の反転は見られなかった。Ｈｋ＝１．２ＭＡ／ｍ（１５ｋＯｅ）では１００ｐｓを過ぎたあたりから磁化反転の兆候が見られ，約３００ｐｓで完了した。一旦反転が始まると，磁化のｚ成分の変化の割合は，Ｈｋ＝０．７２ＭＡ／ｍ（９ｋＯｅ）の場合と比べても大きな差にはなっていない。より大きな磁気異方性により，磁化容易軸近くに固定層磁化が拘束されたため，反転の開始が遅れたものと考えられる。Ｈｋ＝０．２４ＭＡ／ｍ（３ｋＯｅ）では，ｔ＝０においてＢｓｚ＝０であり，固定層磁化がこの時点ですでに半分近く反転している現象が見られている。これは，磁気異方性磁界の影響よりも，反磁界の影響が大きいため，外部印加磁界が弱まる際に固定層磁化が面内に倒れるためと考えられる。反磁界の影響を大きくして反転開始タイミングを早めることが，固定層の短時間磁化反転のポイントの１つとなる。ただし，図６のＨｋ＝０．２４ＭＡ／ｍ（３ｋＯｅ）の磁性膜の場合には，反転開始が早いとしてもＳＴＯの固定層には不向きである。反磁界が強すぎるため，いつまでたっても磁化が反転しきらず，飽和状態に至っていない。固定層の磁化が飽和していない場合，面内磁化成分が残ることになり，不必要な方向のスピントルクをＦＧＬに与えることになる。また，固定層自体の磁化の安定性が悪いので，ＦＧＬが受取るスピントルクの反作用によって固定層が不安定となり，発振が乱れる結果となる。Ｈｋ＝０．２４ＭＡ／ｍ（３ｋＯｅ）に観られる，反転開始時間は早いが完全に反転しきらない（ここでは、磁化のｚ成分Ｂｓｚが−０．９Ｂｓｏに達することがない）現象は，Ｈｋ＝０．７２ＭＡ／ｍ（９ｋＯｅ）においても，反磁界が強くなるＢｓ＝１．８Ｔとすると観測された（図６ｂ）。

以上のように，ＭＡＭＲ用ＳＴＯに供する固定層は，１）磁化反転速度が十分速いこと，２）磁化が完全に反転して飽和に達することを両立させる必要があることが分かった。

そこで，磁化反転計算で得られた結果を整理するため，速度因子Ｖと飽和因子Ｓを導入する（図７）。図７ａは、固定層の磁化反転開始時の固定層に印加される有効磁界を示したものである。ここで、速度因子Ｖとして、固定層に作用する有効磁場の和を定義する。外部印加磁界Ｈｅｘｔと実効反磁界Ｈｄ−ｅｆｆは、磁化反転を促進し、速度因子Ｖに正の作用となる。ただし、膜面に垂直方向の実効反磁界Ｈｄ−ｅｆｆは、固定層の形状を考慮して、層に垂直な方向の反磁界係数をＮ_ｐ、層方向の反磁界係数をＮ_ｉｎとして、膜面に垂直方向の反磁界Ｎ_ｐＢ_ｓと，膜面内の反磁界Ｎ_ｉｎＢ_ｓとの差で与えられるものとする。

磁気異方性磁界Ｈｋは磁化方向を向くため磁化反転を抑制する作用をすることを考慮すると、速度因子Ｖは

と表される。図５においては，Ｈｅｘｔの増加に伴って，速度因子Ｖが大きくなり，磁化反転時間が短くなっている。また，図６ａにおいては，Ｈｋ＝１．６８ＭＡ／ｍ（２１ｋＯｅ）の場合には，速度因子Ｖが負値となり，磁化反転が起こっていない。Ｈｋが１．２ＭＡ／ｍ（１５ｋＯｅ）より小さいと，Ｈｋの減少に伴って速度因子Ｖが大きくなり，磁化反転開始のタイミングが早くなっていると考えられる。磁化反転時間が短くなることと，反転開始のタイミングが早くなることとは，厳密には等しい現象とは言えないが，ここでは，どちらも反転を速くするため，同じ速度因子Ｖで議論することにする。

図７ｂは、固定層の磁化反転終了時に固定層に印加される有効磁界を示したものである。ここで、飽和因子Ｓとして、固定層に作用する有効磁場の和を定義する。飽和因子Ｓは固定層の磁化を飽和に至らしめる際に作用する有効磁場で，外部印加磁界Ｈｅｘｔと磁気異方性磁界Ｈｋが正の作用をする。実効反磁界Ｈｄ−ｅｆｆは磁化と反対方向を向くため，飽和因子Ｓには負の作用となる。

図５においては，最も飽和因子Ｓが小さいＨｅｘｔ＝０．６ ＭＡ／ｍ（７．５ｋＯｅ）の場合でさえ固定層磁化が磁化飽和に至っているため，Ｈｅｘｔの増加に伴って飽和因子Ｓが大きくなっても，磁化飽和する状況に変化は見られない。一方，図６においては，Ｈｋの減少に伴って飽和因子Ｓが小さくなっている。Ｈｋ＝０．２４（３ｋＯｅ）の場合には飽和因子Ｓが負値となるため，固定層磁化が飽和に至らないと解釈できる。Ｂｓ＝１．８Ｔの場合には，実効反磁界Ｈｄ−ｅｆｆが大きいため，Ｈｋ＝０．７２ＭＡ／ｍ（９ｋＯｅ）でも飽和因子Ｓが負値となり，固定層磁化が飽和に至らない。なお，実効反磁界Ｈｄ−ｅｆｆは，膜面に垂直方向の反磁界ＮｐＢｓ＝（Ｎｐは，膜面に垂直方向の反磁界係数）と，膜面内の反磁界ＮｉｎＢｓ（Ｎｉｎは，膜面内の反磁界係数）との差で与えられるものとする。従来固定層候補の（Ｃｏ／Ｐｄ）ｎ，（Ｃｏ／Ｐｔ）ｎなどの多層膜では、磁化飽和に関する外部磁界の効果が考慮されておらず、一般には、Ｈ_ｋ＞Ｈ_{ｄ−ｅｆｆ}を固定層の要件としていたと考えられる。

図８は，縦軸に飽和因子Ｓ，横軸に速度因子Ｖを取って，Ｈｅｘｔ（０．４−１．２ＭＡ／ｍ（５−１５ｋＯｅ）），Ｈｋ＝（０．２４−１．６８ＭＡ／ｍ（３−２１ｋＯｅ）），Ｂｓ＝（０．６−２．４Ｔ）の各組み合わせについて，計算された磁化反転状況をまとめたものである。ダイヤモンドは固定層磁化が磁化飽和に至った条件，四角は固定層磁化が反転を始めたものの磁化飽和に至らない条件，三角は固定層磁化が回転しなかった条件である。速度因子Ｖが負の場合には，固定層磁化が回転していない（三角）。また，飽和因子Ｓが負の場合には，固定層磁化が磁化飽和に至っていない（四角）。速度因子Ｖが大きいほど反転時間が短くなると予想されるが，図８によれば，外部印加磁界Ｈｅｘｔが一定の元，速度因子Ｖが大きいほど飽和因子Ｓが小さくなることがわかる。飽和因子Ｓを確保しつつ速度因子Ｖを大きくするには，Ｈｅｘｔを大きくすることが必要であることがわかる。

反転時間の速度因子Ｖ依存性を図９に示す。反転時間は，ほぼ速度因子Ｖに反比例しており，０．２ｎｓ以下の反転時間を得るには，Ｖが０．７（ＭＡ／ｍ（８．５ｋＯｅ））以上必要であることが分かる。ただし，これまでの計算は，ダンピング定数αが０．１の場合であったことに注意する必要がある。αが小さいほどエネルギーの散逸が小さく，磁化反転時間が長くなることが知られている。反転時間のα依存性については，次節で詳述するが，これまで固定層候補として考えられてきた（Ｃｏ／Ｐｄ）ｎや（Ｃｏ／Ｐｔ）ｎなどの固定層材料のαは０．０７−０．３である。また、これまで、Ｈｋが小さくて固定力が弱いためＳＴＯの固定層材料候補となっていない（Ｃｏ／Ｎｉ）ｎ多層膜のαは、０．０３−０．０５が報告されている。αが異なる固定層材料を用いる場合、必要なＶが変わってくることを考慮する必要がある。

図１０は，Ｈｅｘｔ＝０．８ＭＡ／ｍ（１０ｋＯｅ），Ｈｋ＝０．６３ＭＡ／ｍ（９ｋＯe），Ｂｓ＝１．２Ｔにて求めた磁化反転時間のダンピング定数α依存性である。図には，単磁区粒子の反転時間もあわせて示してある。固定層の磁化反転時間は，αの減少に伴って長くなるが，単磁区粒子に比べると比較的穏やかである。固定層の磁化反転時間は，他の多くの条件にても概ね，α＝０．１の場合の磁化反転時間ｔｓｗ（０．１）を用いて，

と表すことが出来た。例えば、αが０．０２５の固定層材料を用いた場合，他が全く同じ条件でも、磁化反転時間はα＝０．１の場合のほぼ２倍となると考えられる。一方，単磁区粒子の場合には，αの減少に伴ってαの逆数に比例して急激に磁化反転時間が大きくなっている。ダンピングの原理から考えると，単磁区粒子の磁化反転時間のα依存性がむしろリーズナブルである。αが小さい場合に固定層の磁化反転には別のダンピング機構が働いていると推定される。

以上より、任意のαを有する固定層において、必要な固定層磁化反転時間（必要ｔ_ｓｗ）を実現する速度因子を「必要Ｖ（α）」とすると、

のように表される。図１０ｂは、これを図示したものである。

図１１ａ、ｂは，α＝０．２，０．０３の場合について磁化反転の様子をｘ，ｙ，ｚの各磁化成分で示したものである。αが大きい場合には，磁化のｚ成分が減少するとともに，直交するｘとｙ成分が交互に大きくなっており，固定層の磁化がほぼ一体となってｚ 軸の周りを回転しながら反転している状態である。単磁区粒子と同様の振る舞いを示している。これに対して，αが小さい場合には，Ｂｓｚが０になるまで，直交するｘとｙ成分がほとんど観られていない。これは，固定層の磁化反転の初期において，各セルの磁化がほぼ独立に回転している状態と推定される。各セルの磁化がほぼ独立に回転している場合には，隣接セルからの有効磁界が大きく変動し，セル磁化の回転が変調を受けるため，全体が一体となって回転する場合よりダンピングが大きくなると考えられる。Ｂｓｚが０になるまでのＢｓｚの変化が急峻である。隣接セル間のフラストレーションが解消し，全体が一体となって回転するようになると，磁化のｘとｙ成分が交互に大きくなると供にｚ成分の変化が小さくなっている。Ｂｓｚが０になると全体が一体となって回転する理由は、図１１ｃ、ｄに示すように、隣接セルからの有効磁界が、反転初期（図１１ｃ）と反転中期（図１１ｄ）とで変わっているためと考えられる。反転初期には、交換結合磁界Ｈｅｘと静磁界Ｈｄとが逆方向で打ち消しあっているので、比較的独立状態を保って磁化が回転する。一方反転中期には、交換結合磁界Ｈｅｘと平均的な静磁界Ｈｄが磁化方向を向くため、全体が一体となって回転するようになるものと考えられる。固定層をＣｏ系記録媒体と同様の、膜成長方向に伸びる柱状のグラニュラー構造とし、非磁性物質の析出により粒子境界の交換相互作用を低減させることにより、反転後半での全体が一体となった磁化回転を抑制でき、磁化反転時間の短縮が図られる。固定層のダンピング定数αは大きいほうが，磁化反転時間が短くなり望ましいと考えられるが，αが大きいとスピンポンピング作用によってスピンが消費されるため、必要な周波数の高周波磁界を得るための電流値まで電流を流せないことも想定され、好ましくない。むしろ，磁化反転初期の各セルの磁化がほぼ独立に回転している状態を維持し，固定層磁化の一体化を遅らせることも，有効な固定層磁化反転の短時間化方法である。

最後に，固定層の設計指針について考察する。固定層には，磁化の高速反転性や飽和特性が要求されることは，上記に述べた通りである。しかしながら，ＳＴＯの固定層に要求される最も重要な機能は「磁化が固定され，安定なスピントルクをＦＧＬに供給する」ことである。「磁化反転し易い」ことと，「磁化が十分固定される」こと，一見矛盾する特性を併せ持つ固定層の設計には，明確な設計指針が必要である。ここでは，「磁化が十分固定される」因子として，飽和因子Ｓを用いて，固定因子Ｆを次のように導入する。

ここで，Ｖｏｌは固定層の体積である。したがって固定因子Ｆは，飽和因子Ｓの有効磁界下にある固定層の磁気エネルギーに相当する量と考えられる。

図１２ａは，Ｈｅｘｔ＝０．８ＭＡ／ｍ（１０ｋＯｅ），Ｈｋ＝０．６４ＭＡ／ｍ（８ｋＯｅ）の場合の固定層のＢｓに対する速度因子Ｖと固定因子Ｆとを併せて示したものである。実効反磁界係数Ｎｐ−Ｎｉｎは，固定層の形状（４０ｎｍ×４０ｎｍ×１０ｎｍ）を考慮して，０．６７１とした。左縦軸が速度因子Ｖ，右縦軸が固定因子Ｆを示している。速度因子Ｖは，Ｂｓの増加に伴って直線的に増加しており，Ｂｓが大きいほど磁化反転が早くなることを示している。一方，固定因子ＦはＢｓに対して上に凸の形状となっている。中間的なＢｓ値において固定層が最も安定となる。Ｂｓが大きすぎると，ＭＡＭＲ用ＳＴＯに用いる板状の固定層は実効反磁界係数が正であり，反磁界が強くなり，飽和因子Ｓが小さくて磁化が不安定になるためと考えられる。

必要な磁化反転時間を得るための速度因子Ｖの値が１．３６ＭＡ／ｍ（１７ｋＯｅ）だとすると，本例の固定層に必要なＢｓは，１．７Ｔ以上となる。ここで，Ｂｓが少しだけ１．７Ｔより大きい状況を考えると，速度因子Ｖは大きくなるが，固定因子Ｆは逆に小さくなってしまう。固定因子Ｆの値が十分であれば，さらにＢｓを大きくすることも考えられる。固定層の安定性は，ＦＧＬに供給するスピントルクの反作用に抗する上で極めて重要である。

ここで、固定層に印加する磁界を面直方向から少し傾ける場合について考察する（図１２ｂ）。反転時には、磁化と磁界が反対方向を向いているため、ストーナ・ウォルファス則に従い、有効磁気異方性磁界Ｈ_{ｋ−ｅｆｆ}が磁界印加角度の増加と共に大きく減少する（Ｈ_{ｋ−ｅｆｆ−ｓｗ}）。一方、固定時には、磁化と磁界とがほぼ同じ方向を向くため、Ｈ_{ｋ−ｅｆｆ}は、ｃｏｓ側に従って緩やかに減少する（Ｈ_{ｋ−ｅｆｆ−ｏｓｃ}）。例えば、磁界印加角度が１０−２０度の場合、固定層の磁化固定作用にはほとんど支障が無く、反転時の磁気異方性磁界だけを低下させることが可能となる。このことは、固定層に印加する磁界を面直方向から少し傾けることにより、飽和因子Ｓ、固定因子Ｆを保ったまま、速度因子Ｖを高めることができることを意味している。あるいは、速度因子Ｖが変わらないようにＨｋを高めると、飽和因子Ｓ、固定因子Ｆが４割増加させることができる可能性もある。

以上より、固定層に印加する磁界を面直方向からθ傾けた場合の速度因子と飽和因子は、数式３、及び数式４より、

のように、表されると考えられる。ここで、固定層に印加される磁界が、固定層内で分布を持つ場合には、その平均値を用いるものとする。θを変えて、反転状態や反転速度を求めたところ、θが２５度まで、図８および図９の速度因子Ｖと飽和因子ＳをそれぞれＶ’とＳ’に置き換えても同等の結果となることが分かった。

ただし、ＦＧＬに印加される磁界が面直から傾くと、その方向にＦＧＬ磁化が拘束されやすくなるため、発振（ＦＧＬ磁化の回転）が阻害されて好ましくない。ＦＧＬに近い方の磁極幅に対して、固定層に近い方の磁極幅を狭くすることにより、固定層に印加される磁界を平均的に傾けることが可能となる。

固定層磁化の反転時には磁化が中間にあるため、ＦＧＬに不要なスピントルクを与える可能性がある。ＳＴＯ励磁電流を、主磁極極性の切り替え時に同期して一時的に弱めることにより、この影響を抑えることができ、安定したＳＴＯ発振特性が得られる。

ＨＤＤでは、面記録密度の増加に伴って、トラック方向のビット長を短くしている。１Ｔｂｉｔ／ｉｎ^２を超える磁気記録においては、トラック方向のビット長が１０ｎｍ以下となることが予想される。この場合、現在のＨＤＤに標準的に用いられているヘッド−媒体相対速度である２０ｍ／ｓを適用すると、１ビット当たり１０／２０＝０．５ｎｓ以下で記録を行うことになる。この場合、情報転送速度は、２Ｇｂｉｔ／ｓとなる。前述の第１、第２、第３の従来技術においては、ヘッド磁界を記録媒体に垂直に印加している為、記録媒体の反転時間を０．４ｎｓ以下とするのが困難である。このため、１Ｇｂｉｔ／ｓを超える情報転送速度を実現するのは困難である。

ここで、主磁極の極性反転時間を０．１ｎｓとすれば、記録媒体の反転時間を０．２ｎｓ以下、固定層の反転時間を、０．２ｎｓ以下とする必要がある。本発明における所定の条件下では、固定層磁化反転速度を０．２ｎｓ以下、記録媒体反転速度を０．２ｎｓ以下とすることができるので、１ビット書込み時間＝０．５ｎｓを達成できる。その結果、記録密度が１平方インチあたり１Ｔビットを超えるマイクロ波アシスト記録を適用した情報記録装置がおいて、２Ｇｂｉｔ／ｓを超える情報転送速度を実現する高密度情報記録方法と装置とを提供することが可能となる。

上記構成により、固定層の磁化反転速度が十分早く、かつスピントルクオシレータの発振時の固定層磁化安定化を両立させることにより、信頼性が高く結果としてコストを低減する超高密度かつ高速情報転送速度記録に好適な磁気ヘッド及び磁気記録装置を提供することが可能となる。

ＭＡＭＲの原理を示す図 ＦＧＬから創生される磁界を示す図 ＳＴＯ、外部磁界とＳＴＯ駆動電流の方向の関係を示す図 ＳＴＯ、外部磁界とＳＴＯ駆動電流の方向の関係を示す図 固定層の計算モデルを示す図 計算に用いた外部磁界の時間変化を示す図 磁化の時間変化と反転時間の定義を示す図 磁化の時間変化を示す図 磁化の時間変化を示す図 磁化の時間変化を示す図 固定層反転開始時の有効磁界の関係を示す図 固定層反転終了時の有効磁界の関係を示す図 反転の状態を示すダイアグラム 反転時間の速度因子依存性を示す図 反転時間のダンピング定数依存性を示す図 必要Ｖとダンピング定数との関係を示す図 固定層磁化反転時の磁化の各成分の変化を示す図（α＝０．２） 固定層磁化反転時の磁化の各成分の変化を示す図（α＝０．０３） 固定層磁化反転開始時における、ある磁化要素に印加される有効磁界の様子を示す図 固定層磁化がほぼ面内を向く時における、ある磁化要素に印加される有効磁界の様子を示す図 ＭＡＭＲ向けＳＴＯ用固定層の設計指針を示す図 外部磁界を固定層面直から傾けた場合の有効異方性磁界の変化を示す図 磁気ヘッド部の拡大図 磁極間に発生する磁界のアスペクト比依存性を示す図 （Ｃｏ／Ｎｉ）ｎの磁気特性を示す図 試作磁性体の磁気特性を示す図 試作磁性体のパラメータを用いて計算した固定層の反転状態を示す図 試作磁性体のパラメータを用いて計算した固定層の反転時間を示す図 磁気ヘッドの磁気ヘッドスライダへの載置形態 磁気ヘッドの磁気ヘッドスライダへの載置形態 磁気ヘッド部の断面拡大図 ＡＢＳ面から見た磁気ヘッド部の拡大図 ＡＢＳ面から見た磁気ヘッド部の拡大図 ギャップ磁界分布を示す図 ギャップ磁界分布を示す図 ギャップ磁界分布を示す図 ギャップ磁界分布を考慮した磁化反転特性を示す図 磁気ヘッド部の拡大図 固定層における機能分割を構成する例を示す図 磁気ヘッド部の拡大図 面内磁界によるアシスト反転の原理を示す図 面内磁界によるアシスト反転の効果を示す図 磁気ディスク装置の全体構成図。

以下、図面を用いて本発明の具体的な実施形態について詳細に説明する。

図１３は記録ヘッドおよび記録媒体を、記録媒体面に垂直（図中の上下方向）かつヘッド走行方向（図中の左または右方向であるトラック方向）に平行な面で切断した場合における記録機構周辺の断面構造を表している。記録ヘッド２００においては、主磁極５と対向磁極６との間で、図面上方にて磁気的な回路を構成している。ただし、図面上方においては電気的にはほぼ絶縁されているものとする。磁気的な回路は、磁力線が閉路を形成するものであり、磁性体のみで形成されている必要はない。また、主磁極５の対向磁極６と反対側に補助磁極等を配置し、磁気回路を形成してもよい。この場合には、主磁極５と補助磁極との間は電気的に絶縁されている必要はない。更に、記録ヘッド２００は、これらの磁気回路を励磁する為のコイル、銅線等が具備されているものとする。主磁極５と対向磁極６には、電極または電極に電気的に接触する手段が備わっており、主磁極５側から対向磁極６側、あるいはその逆のＳＴＯ駆動電流がＦＧＬ２を通して流せるように構成されている。主磁極５と対向磁極６の材料は、飽和磁化が大きく、結晶磁気異方性がほとんどないＣｏＦｅ合金とした。記録媒体１５には、基板１９上に、下地層２０として３０ｎｍ−ＣｏＦｅ上に１０ｎｍ−Ｒｕ層を形成した積層膜、記録層１６として磁気異方性磁界が２．４ＭＡ／ｍ（３０ｋＯｅ）のｌＯｎｍＣｏＣｒＰｔ−ＳｉＯｘ層を用いた。

主磁極５に隣接して層状に、磁束整流層８，非磁性スピン散乱体１２、ＦＧＬ（磁化高速回転体）２，非磁性スピン伝導層３，固定層１を経て対向磁極６にいたる。尚、磁束整流層８から固定層１までは、図面左右方向に伸びる柱状構造で、断面がＡＢＳ面に沿った方向が長い長方形をしている。当該長方形形状とすることにより、トラック幅方向に形状異方性が生じる為、主磁極からの漏れ磁界のＦＧＬ２の面内成分があってもＦＧＬ２の面内磁化回転を円滑に行わせることが可能となり、主磁極５とＦＧＬ２を近づけることができる。この長方形のＡＢＳ面に沿った辺の長さｗは、記録トラック幅を決定する重要な因子であり、本実施例では３５ｎｍとした。マイクロ波アシスト記録においては、主磁極５からの記録磁界とＦＧＬ２からの高周波磁界とが揃わないと記録できないような磁気異方性の大きい記録媒体を用いることになる為、主磁極５の幅と厚さ（ヘッド走行方向の長さ）は、記録磁界が大きく取れるよう大きめに設定することが可能である。本実施例では、幅８０ｎｍと厚さ１００ｎｍとすることで、約０．９ＭＡ／ｍの記録磁界が得られている。磁束整流層８は、主磁極５と飽和磁化が同じまたは大きな材料を用い、主磁極５からの磁界がＦＧＬ２の層方向にできるだけ垂直となるよう３Ｄ磁界解析ソフトを用いて磁束整流層８の厚さ設計を行った。本実施例における磁束整流層８の厚さは、１０ｎｍであったが、この値は、前述の長方形の形状、対向磁極までの距離と状況、用いる媒体の状況、図面上方における磁気回路の状況に依存する。ＦＧＬ２は、飽和磁化が大きく、結晶磁気異方性がほとんどない厚さ１５ｎｍのＣｏＦｅ合金とした。ＦＧＬ２では、層に沿った面内で磁化が高速回転し、ＡＢＳ面および、側面に出現する磁極からの漏れ磁界が、高周波磁界として作用する。ＦＧＬ２に（Ｃｏ／Ｆｅ）ｎ多層膜等の負の垂直磁気異方性を有する飽和磁化が大きな材料を用いても良い。この場合、ＦＧＬ磁化の面内回転が安定化し、より高い周波数の高周波磁界が得られる。ＦＧＬ２の磁化回転駆動力は、非磁性スピン伝導層３を介して固定層１に反射されたスピンによるスピントルクである。このスピントルクは、主に、主磁極５、磁束整流層８、および対向磁極６から創生される磁界の和となるギャップ磁界の影響をＦＧＬ２において打ち消すように作用させるのが良い。このスピントルクの作用を得るには、対向磁極６側から主磁極５側へＳＴＯ駆動（直流）電流を流す必要がある。主磁極５側から磁束が流入する場合に、ＦＧＬ２の磁化の回転方向はＳＴＯ駆動（直流）電流の上流側から見て反時計周りとなっており、主磁極５からの磁界で反転する記録媒体の磁化の歳差運動方向と同じ向きの回転磁界を印加することができる。主磁極５へ磁界が流入する場合には、ＦＧＬ２の磁化の回転方向は高周波駆動（直流）電流の上流側から見て時計周りとなり、主磁極５への磁界で反転する記録媒体の磁化の歳差運動方向と同じ向きの回転磁界を印加することができる。したがって、ＦＧＬ２から生じる回転高周波磁界は、主磁極５の極性に依らず、主磁極５による磁化反転をアシストする効果がある。本効果は、主磁極５の極性に寄ってスピントルクの向きが変わらない従来技術１の高周波磁界発生器では得られない。スピントルク作用は、ＳＴＯ駆動電流（電子流）が大きくなるほど大きくなり、また、非磁性スピン伝導層３と隣接する層との間に分極率の大きなＣｏＦｅＢ層を１ｎｍ程度挿入すると大きくなる。非磁性スピン伝導層３には、２ｎｍ−Ｃｕを用いた。非磁性スピン散乱体１２には、３ｎｍ−Ｒｕを用いた。ＰｄやＰｔを用いても同様な作用がある。固定層１には、ｌ２ｎｍ（Ｃｏ／Ｎｉ）_ｎ多層膜を用いた。固定層に印加される磁界は、磁束整流層８端面から対向磁極６端面までの長さが４０ｎｍ、ＦＧＬ２の高さが３２ｎｍとしたので、３Ｄ磁界解析ソフトを用いて解析したところ、約０．８ＭＡ／ｍ（１０ｋＯｅ）である（図１４）。試作した（Ｃｏ／Ｎｉ）_ｎ多層膜の磁気特性を図１５に示す。また、比較に用いた（Ｃｏ／Ｐｄ）_ｎ多層膜、Ｃｏ膜の磁気特性を図１６に示す。これらの磁気パラメータを用いて再度、計算機シミュレーションにより、外部磁界０．８ＭＡ／ｍ（１０ｋＯｅ）を仮定して磁化反転特性を求めたところ、（Ｃｏ／Ｎｉ）_ｎ、特にＣｏ組成がＮｉ組成と同じか大きい場合、即ち、Ｃｏ層の合計膜厚が、Ｎｉ層の合計膜厚以上である場合に、良好な高速磁化反転が得られることが予想された（図１７ａ）。図は、縦軸にＨ_ｅｘｔ、横軸にＨ_{ｄ−ｅｆｆ}−Ｈ_ｋをとり、各領域での磁化反転特性を計算結果から予想したものである。従来、外部磁界の効果が考慮されていないため、固定層の要件はＨ_ｋ＞Ｈ_{ｄ−ｅｆｆ}を採用していたと考えられる。この場合、図１７ｂの第２象限にある物質だけが対象となるため、（Ｃｏ／Ｐｄ）ｎ，（Ｃｏ／Ｐｔ）ｎなどの多層膜が固定層の候補に挙がっていた。しかし、第２象限では、Ｈ_ｅｘｔを超える大きな速度因子Ｖ（＝Ｈ_ｅｘｔ＋Ｈ_{ｄ−ｅｆｆ}−Ｈ_ｋ）が得られない。そこで、本発明は、Ｈ_ｋ＜Ｈ_{ｄ−ｅｆｆ}領域（第一象限）に着目し、飽和因子Ｓ（＝Ｈ_ｅｘｔ−Ｈ_{ｄ−ｅｆｆ}＋Ｈ_ｋ）及び固定因子Ｆ（＝ＢｓＶｏｌ×Ｓ）を念頭に置くことにより、発振時に安定でかつ、より高速な磁化反転を実現することに成功した。（Ｃｏ／Ｎｉ）_ｎ多層膜は、大きな磁気異方性エネルギーを保ちつつ、Ｂｓを１．０−１．７Ｔの広範囲で制御できるため、必要な固定因子Ｆを確保しつつ、速度因子Ｖを大きくすることが可能であるため、ＭＡＭＲ用ＳＴＯに用いる固定層材料として有望である。特に、Ｃｏ組成がＮｉ組成と等しいか大きい場合には、Ｂｓが１．５Ｔを超えるため、高速反転に好ましい。図１７ｂは、種々の固定層候補磁性膜の膜厚を変えることにより、（Ｈ_{ｄ−ｅｆｆ}−Ｈ_{ｋ−ｅｆｆ−ｓｗ}）／Ｈ_ｅｘｔに対する磁化反転時間の逆数をプロットしたものである。固定層候補磁性膜の膜厚を薄くすると、４πＭｓに向かってＨ_{ｄ−ｅｆｆ}が増加し、速度因子Ｖが大きくなる。したがって、図はそれぞれの固定層候補磁性膜に対して右上がりの曲線となる。これは、磁性膜が薄いほど（Ｈ_{ｄ−ｅｆｆ}−Ｈ_{ｋ−ｅｆｆ−ｓｗ}）／Ｈ_ｅｘｔが大きくなり、磁化反転が早くなることを意味している。黒丸は、従来候補であった（Ｃｏ／Ｐｄ）ｎ多層膜に対する曲線で、Ｈ_ｋ＞Ｈ_{ｄ−ｅｆｆ}であるため、図の第一象限に達することがなく、磁化反転が早くならない。三角や四角は、（Ｃｏ／Ｎｉ）ｎ多層膜に対する曲線で、Ｈ_{ｄ−ｅｆｆ}−Ｈ_{ｋ−ｅｆｆ−ｓｗ}＝Ｈ_ｅｘｔとなって不飽和な反転なるまで、磁化反転を早くすることが可能である。×、＋は、（Ｃｏ／Ｎｉ）ｎ多層膜に外部磁界を１０度傾けた場合の曲線で、傾けない場合に比べてさらに高速の磁化反転が得られている。

本発明の高周波磁界発生源２０１を組み込んだ記録再生部１０９搭載のスライダ１０２をサスペンション１０６に取り付け（図１８）、スピンスタンドを用いて記録再生特性を調べた。ヘッド媒体相対速度２０ｍ／ｓ、磁気スペーシング７ｎｍ、トラックピッチ４０ｎｍとして磁気記録を行い、さらにこれをシールド間隔１５ｎｍのＧＭＲヘッドにより再生した。高周波駆動電流を変化させて、３１５ＭＨｚで８００ｋＦＣＩの信号を記録した場合は信号／ノイズ比は最大１３．１ｄＢが得られ、６３０ＭＨｚで１６００ｋＦＣＩの信号を記録した場合は信号／ノイズ比は最大８．０ｄＢであった。このことから、１平方インチあたり１Ｔビットを超える記録密度において、１．２Ｇｂｉｔ／ｓを超える情報転送速度を実現することが可能であることがわかった。このときの高周波磁界の周波数は、３５ＧＨｚであった。

一方、固定層に（Ｃｏ／Ｐｄ）ｎを用いた場合には、３１５ＭＨｚで８００ｋＦＣＩの信号を記録した場合に信号／ノイズ比は最大１３．０ｄＢが得られたものの、６３０ＭＨｚで１６００ｋＦＣＩの信号を記録した場合は信号／ノイズ比は最大２．０ｄＢと大幅に劣化した。また、最大パフォーマンスが得られる３５ＧＨｚの高周波磁界を得るのに必要な電流は、固定層に（Ｃｏ／Ｎｉ）_ｎ多層膜を用いた場合の約１．３倍必要であった。（Ｃｏ／Ｐｄ）ｎを用いると、Ｈｋが大きくて、Ｂｓが小さいため、速度因子Ｖ（＝Ｈ_ｅｘｔ＋Ｈ_{ｄ−ｅｆｆ}−Ｈ_ｋ）が小さくなり、高速反転特性が得られないと考えられる。また、（Ｃｏ／Ｐｄ）_ｎは、（Ｃｏ／Ｎｉ）_ｎに比べてダンピングコンスタントが大きいため、スピンポンピングによるスピン消費分を補う必要があった。

固定層にＣｏＦｅ合金を用いた場合には、６３０ＭＨｚで１６００ｋＦＣＩの信号を記録した場合は、信号／ノイズ比は最大７．０ｄＢとそれほど悪くないが、３１５ＭＨｚで８００ｋＦＣＩの信号を記録した場合に信号／ノイズ比は最大１１．０ｄＢで、十分なエラーレートが得られないことが分かった。ＣｏＦｅ合金は、飽和磁化が大きいため、飽和因子Ｓ（＝Ｈ_ｅｘｔ−Ｈ_{ｄ−ｅｆｆ}＋Ｈ_ｋ）が負となり、飽和しないため、固定層磁化が揺らいで安定なスピントルクがＦＧＬに供給されないものと考えられる。

図１９（Ａ）（Ｂ）を用いて磁気ヘッド走行方向と記録媒体との配置関係について説明する。磁気ヘッドの磁気ヘッドスライダへの載置形態は２種類あり、１つは図１９（Ａ）に示すトレーリング側への配置、もう１つが図１９（Ｂ）に示すリーディング側への配置である。ここで、トレーリング側、リーディング側は、記録媒体に対する磁気ヘッドスライダの相対的な移動方向によって決まり、記録媒体の回転方向が図１９（Ａ）ないし図１９（Ｂ）に示した向き（図中の矢印の方向）とは逆であれば、図１９（Ａ）がリーディング側への載置、図１９（Ｂ）がトレーリング側への載置となる。なお原理的には、スピンドルモータの極性を逆にして記録媒体を逆向きに回転させれば、トレーリング側とリーディング側の関係を逆にすることが可能であるが、回転数を正確に制御する必要上、スピンドルモータの極性を変えるのは非現実的である。本発明の固定層に（Ｃｏ／Ｎｉ）ｎを用いたマイクロ波アシスト記録用ヘッドを用いた場合には、図１９（Ａ）（Ｂ）のどちらの配置を用いても、１平方インチあたり１Ｔビットを超える記録密度の記録再生に十分な信号／ノイズ比とオーバーライト特性が得られた。

図２０は本発明による記録ヘッドおよび記録媒体の第２の構成例を示す図である。図２０ａは記録ヘッドを、記録媒体面に垂直（図中の上下方向）かつヘッド走行方向（図中の左または右方向であるトラック方向）に平行な面で切断した場合における記録機構周辺の断面構造を表している。主磁極５と対向磁極６との間で、図面上方にて磁気的な回路を構成していること、図面上方においては電気的にはほぼ絶縁されていること、これらの磁気回路を励磁する為のコイル、銅線等が具備されていること、主磁極５と対向磁極６に電極または電極に電気的に接触する手段が備わりＳＴＯ駆動電流がＦＧＬ２を通して流せるように構成されていることは、実施例１と同様である。主磁極５と対向磁極６の材料は、飽和磁化が大きく、結晶磁気異方性がほとんどないＣｏＦｅ合金とした。記録媒体１５には、基板１９上に、下地層２０として３０ｎｍ−ＣｏＦｅ上に１０ｎｍ−Ｒｕ層を形成した積層膜、記録層１６として磁気異方性磁界が２．４ＭＡ／ｍ（３０ｋＯｅ）のｌＯｎｍ−ＦｅＰｔパタン層を用いた。

主磁極５に隣接して層状に、磁束整流層８，非磁性スピン散乱体１２、ＦＧＬ（磁化高速回転体）２，非磁性スピン伝導層３，固定層１、第２の磁束整流層１３を経て対向磁極６にいたる。尚、ＦＧＬ２から固定層１までは、図面左右方向に伸びる柱状構造で、断面がＡＢＳ面に沿った方向が長い長方形をしている。この長方形のＡＢＳ面に沿った辺の長さｗは、記録トラック幅を決定する重要な因子であり、本実施例では４０ｎｍとした。マイクロ波アシスト記録においては、主磁極５からの記録磁界とＦＧＬ２からの高周波磁界とが揃わないと記録できないような磁気異方性の大きい記録媒体を用いることになる為、主磁極５の幅と厚さ（ヘッド走行方向の長さ）は、記録磁界が大きく取れるよう大きめに設定することが可能である。本実施例では、幅８０ｎｍと厚さ１００ｎｍとすることで、約０．９ＭＡ／ｍの記録磁界が得られている。磁束整流層８は、主磁極５と飽和磁化が同じまたは大きな材料を用い、主磁極５からの磁界がＦＧＬ２の層方向にできるだけ垂直となるよう３Ｄ磁界解析ソフトを用いて磁束整流層８の厚さ設計を行った。本実施例における磁束整流層８の厚さは、１０ｎｍであったが、この値は、前述の長方形の形状、対向磁極までの距離と状況、用いる媒体の状況、図面上方における磁気回路の状況に依存する。ＦＧＬ２は、飽和磁化が大きく、結晶磁気異方性が層面内にある（負の垂直磁気異方性を有する）厚さ１５ｎｍの（Ｃｏ／Ｆｅ）ｎ多層膜とした。ＦＧＬ２では、層に沿った面内で磁化が高速回転し、ＡＢＳ面および、側面に出現する磁極からの漏れ磁界が、高周波磁界として作用する。ＦＧＬ２の磁化回転駆動力は、非磁性スピン伝導層３を介して固定層１に反射されたスピンによるスピントルクである。このスピントルクは、主に、主磁極５、磁束整流層８、および対向磁極６から創生される磁界の和となるギャップ磁界の影響をＦＧＬ２において打ち消すように作用させるのが良い。このスピントルクの作用を得るには、対向磁極６側から主磁極５側へＳＴＯ駆動（直流）電流を流す必要がある。主磁極５側から磁束が流入する場合に、ＦＧＬ２の磁化の回転方向はＳＴＯ駆動（直流）電流の上流側から見て反時計周りとなっており、主磁極５からの磁界で反転する記録媒体の磁化の歳差運動方向と同じ向きの回転磁界を印加することができる。主磁極５へ磁界が流入する場合には、ＦＧＬ２の磁化の回転方向は高周波駆動（直流）電流の上流側から見て時計周りとなり、主磁極５への磁界で反転する記録媒体の磁化の歳差運動方向と同じ向きの回転磁界を印加することができる。したがって、ＦＧＬ２から生じる回転高周波磁界は、主磁極５の極性に依らず、主磁極５による磁化反転をアシストする効果がある。非磁性スピン伝導層３には、２ｎｍ−Ｃｕを用いた。非磁性スピン散乱体１２には、３ｎｍ−Ｐｔを用いた。固定層１には、ｌ２ｎｍ（Ｃｏ／Ｎｉ）_ｎ多層膜を用いた。固定層に印加される磁界は、磁束整流層８端面から第２の磁束整流層１３端面までの長さが４０ｎｍ、ＦＧＬ２の高さが３８ｎｍとしたので、３Ｄ磁界解析ソフトを用いて解析したところ、約０．８ＭＡ／ｍ（１０ｋＯｅ）である。

本実施例の記録ヘッドは、固定層１に印加される磁界が面直から傾いた角度となるように構成されている。図２０ｂは、図２０ａの記録ヘッドをＡＢＳ面から見た図である。磁束整流層８のクロストラック方向の幅に比べて、第２の磁束整流層１３の幅が狭くなっている。３Ｄ磁界解析ソフトを用いて、切断面Ａ−Ａ‘、切断面Ｂ−Ｂ‘の磁界分布（磁界の角度）を求めた結果を図２０ｄ、図２０ｅにそれぞれ示す。また、図２０ｆは、比較として計算した磁束整流層８の幅と第２の磁束整流層１３の幅が等しい場合（図２０ｆ）の切断面Ｃ−Ｃ‘における磁界分布である。切断面Ａ−Ａ’は、狭くなった第２の磁束整流層１３近くの磁界分布で、最大３０度、平均１１．５度の傾いた磁界分布が見られる。固定層１の磁化反転の高速化に有効であることが期待される。切断面Ｂ−Ｂ’は、狭くなった第２の磁束整流層１３から離れた位置の磁界分布で、最大１０度、平均２．３度の磁界分布が見られる。磁界の面内方向成分が少ないため、ＦＧＬ２の設置場所に適していると考えられる。切断面Ｃ−Ｃ’は、磁束整流層８の幅と第２の磁束整流層１３の幅が等しい場合について、第２の磁束整流層１３近くの磁界分布を示したものである。最大１０度、平均２．３度の磁界分布が見られる。最大２５度、平均６．５度の磁界分布は、固定層１の磁化反転の高速化には、不十分であると思われる。図２０ｇは、Ｈｋ＝１．２ＭＡ／ｍ（１５ｋＯｅ）、Ｂｓ＝１．２Ｔの磁性体をそれぞれの磁界分布の中に置いたときの磁化反転の様子を示したものである。それぞれの磁界分布の中で、最大となる磁界の大きさを０．９６ＭＡ／ｍ（１２ｋＯｅ）とした。得られた磁化反転の時間は、数式７の速度因子を用いて推定した反転時間とそれぞれ、ほぼ一致している。図２０ｂに示される記録ヘッドにおいて、狭くなった第２の磁束整流層１３近くに固定層を設置するのが良いと推察される。

図２０ｂに示される記録ヘッドの高周波磁界発生源２０１を組み込んだ記録再生部１０９搭載のスライダ１０２をサスペンション１０６に取り付け（図１８）、スピンスタンドを用いて記録再生特性を調べた。ヘッド媒体相対速度２０ｍ／ｓ、磁気スペーシング７ｎｍ、トラックピッチ５０ｎｍとして磁気記録を行い、さらにこれをシールド間隔１４ｎｍのＧＭＲヘッドにより再生した。高周波駆動電流を変化させて、３５４ＭＨｚで９００ｋＦＣＩの信号を記録した場合は信号／ノイズ比は最大１３．０ｄＢが得られ、７０９ＭＨｚで１８００ｋＦＣＩの信号を記録した場合は信号／ノイズ比は最大８．１ｄＢであった。このことから、１平方インチあたり１Ｔビットを超える記録密度において、１．４Ｇｂｉｔ／ｓを超える情報転送速度を実現することが可能であることがわかった。このときの高周波磁界の周波数は、３５ＧＨｚであった。図２０ｃに示される記録ヘッドを用いた場合には、３５４ＭＨｚで９００ｋＦＣＩの信号を記録した場合に信号／ノイズ比は最大１３．２ｄＢが得られたものの、７０９ＭＨｚで１８００ｋＦＣＩの信号を記録した場合は信号／ノイズ比は最大４．０ｄＢと大幅に劣化した。

図２１は本発明による記録ヘッドおよび記録媒体の第３の構成例を示す図である。本実施例は、実施例２の記録ヘッドにおいて、固定層１を分割し各部分をその機能に応じて最適化したものである。図２１ａに示すように、固定層１のＦＧＬ２側の部分（高磁気異方性領域１０）は、ＦＧＬ２にスピントルクを供給するためより強固に固定されていることが望ましい。一方、固定層１の第２の磁束整流層１３側は、第２の磁束整流層１３からの磁界分布が大きく、固定層１の磁化反転を起動する部分（磁化反転起動領域９）であるので、反転磁界が低いことが望ましい。磁化反転起動領域９は、Ｈｋが低いことが好ましいが、大きすぎるＢｓは固定層１の発振時の安定性を著しく妨げるため好ましくない。磁化反転起動領域９は、高磁気異方性領域１０に対して、はみ出している部分があると、当該はみだし部分が高磁気異方性領域１０からの交換相互作用を受けないため、固定層磁化反転の起点となり好ましい。磁化反転起動領域９と高磁気異方性領域１０とは、適度な交換相互作用で結合していることが好ましい。さらに、ＦＧＬ２を高磁気異方性領域１０や非磁性スピン伝導層３に比べて小さくすると、１）固定層１よりＦＧＬ２に注入されるスピンが増加しＳＴＯ駆動電流が下がって好ましい、２）固定層１の体積が大きくなり発振時の磁化安定性が増して好ましい。固定層１を分割し各部分をその機能に応じて最適化する場合には、速度因子および飽和因子は磁化反転起動領域９で見積もるのが良い。また、固定因子は固定層１の各部分からの効果を足し合わせるのが良い。

図２１ｂは、（Ｃｏ／Ｎｉ）ｎ多層膜において、前記特性を得る構成を示したものである。（Ｃｏ／Ｎｉ）ｎ多層膜では、Ｃｏ４とＮｉ７の積層厚みによって、磁気異方性や飽和磁化を制御可能である。磁化反転起動領域９では、Ｃｏ４の厚みをＮｉ７に比べて厚く、高磁気異方性領域１０ではＣｏ４の厚みをＮｉ７に比べて薄く構成することによって所望の積層構造が得られる。本構造は、磁化反転起動領域９と高磁気異方性領域１０とを連続的に構成できるため、境界部分での交換相互作用の劣化がない特徴がある。

図２１に示される記録ヘッドを用いて、実施例２と同様のスピンスタンドによる記録再生特性を調べた。ヘッド媒体相対速度２０ｍ／ｓ、磁気スペーシング７ｎｍ、トラックピッチ３５ｎｍとして、トラックを重ね書きしながら磁気記録を行い、さらにこれをシールド間隔１４ｎｍのＧＭＲヘッドにより再生した。高周波駆動電流を変化させて、３８５ＭＨｚで９８０ｋＦＣＩの信号を記録した場合は信号／ノイズ比は最大１３．３ｄＢが得られ、７７２ＭＨｚで１９６０ｋＦＣＩの信号を記録した場合は信号／ノイズ比は最大８．２ｄＢであった。このことから、１平方インチあたり１．４Ｔビットを超える記録密度において、１．５Ｇｂｉｔ／ｓを超える情報転送速度を実現することが可能であることがわかった。高周波磁界発生に必要な電流は、実施例２の場合の８０％であった。

図２２は本発明による記録ヘッドおよび記録媒体の第４の構成例を示す図である。本実施例においては、ヘッド磁界が記録媒体面に略平行になったところでアシスト記録を行っている。記録媒体は、記録ヘッドからの磁界を吸わないようにＳＵＬを設けていない。図２３に本実施例の原理を示す。従来技術である垂直ＭＡＭＳ（Micro assist magnetic switching）では、反転前の磁化が、略記録磁界と逆方向にあるため、媒体磁化の反転に歳差運動の時間が必要である（図２３ａ）。一方、本発明の面内ＭＡＭＳでは、あらかじめ磁化が反転側に傾けられているので、反転時間が殆ど必要ない。このことを検証するため、計算機シミュレーションにより、短時間パルスによる反転実験を行った結果が図２３ｂである。垂直ＭＡＭＳでは、パルス時間が１ｎｓを切るあたりから、パルス時間の短縮とともに急激に反転に必要な磁界が増加している。これに対して、面内ＭＡＭＳでは、パルス時間が０．２ｎｓでも、必要な磁界の急激な増加が見られず、極めて迅速な磁化反転が行われているものと思われる。

図２１に示される固定層構造を図２２の面内ヘッド磁界印加方式に組み込んだヘッドを作製し、実施例２と同様のスピンスタンドによる記録再生特性を調べた。ヘッド媒体相対速度２０ｍ／ｓ、磁気スペーシング７ｎｍ、トラックピッチ３０ｎｍとして、トラックを重ね書きしながら磁気記録を行い、さらにこれをシールド間隔１２ｎｍのＧＭＲヘッドにより再生した。高周波駆動電流を変化させて、４９３ＭＨｚで１２５０ｋＦＣＩの信号を記録した場合は信号／ノイズ比は最大１３．０ｄＢが得られ、９８４ＭＨｚで２５００ｋＦＣＩの信号を記録した場合は信号／ノイズ比は最大７．９ｄＢであった。このことから、１平方インチあたり２．１Ｔビットを超える記録密度において、２．０Ｇｂｉｔ／ｓを超える情報転送速度を実現することが可能であることがわかった。また、ＳＴＯ励磁電流を主磁極極性の切り替え時に同期して一時的に弱めることが可能なＳＴＯ励磁ドライバを用いることにより、ヘッド媒体相対速度２０ｍ／ｓ、１４７６ＭＨｚで２５００ｋＦＣＩの信号を記録が可能となり、３．０Ｇｂｉｔ／ｓの情報転送速度が実現できた。

本発明による第１から第４の各実施例に示された記録ヘッドおよび記録媒体を磁気ディスク装置に組み込んで、性能評価を行った。図２４は本実施例の情報記録装置の全体構成を示す模式図である。磁気ディスク装置の基本構成を示す図であり、（Ａ）は上面図、（Ｂ）はそのＡ−Ａ′での断面図である。記録媒体１０１は回転軸受け１０４に固定され、モータ１００により回転する。図２４では３枚２．５インチの磁気ディスク、６本の磁気ヘッドを搭載した例について示したが、磁気ディスクは１枚以上、磁気ヘッドは１本以上あれば良い。記録媒体１０１は、円盤状をしており、その両面に記録層を形成している。スライダ１０２は、回転する記録媒体面上を略半径方向移動し、先端部に磁気ヘッドを有する。サスペンション１０６は、アーム１０５を介してロータリアクチユエータ１０３に支持される。サスペンション１０６は、スライダ１０２を記録媒体１０１に所定の荷重で押しつける又は引き離そうとする機能を有する。磁気ヘッドの各構成要素を駆動するための電流はＩＣアンプ１１３から配線１０８を介して供給される。記録ヘッド部に供給される記録信号や再生ヘッド部から検出される再生信号の処理は、図２４（Ｂ）に示されたリードライト用のチャネルＩＣ１１２により実行される。また、情報処理装置全体の制御動作は、メモリ１１１に格納されたディスクコントロール用プログラムをプロセッサ１１０が実行することにより実現される。従って、本実施例の場合には、プロセッサ１１０とメモリ１１１とがいわゆるディスクコントローラを構成する。

第１から第３の各実施例に示された記録ヘッドに連続媒体を組み込んだ磁気ディスク装置の場合、１平方インチあたり１．０Ｔビット、合計記録容量４Ｔバイト、情報転送速度１．２Ｇｂｉｔ／ｓ、ビットパタン媒体を組み込んだ磁気ディスク装置の場合１平方インチあたり１．５Ｔビット、合計記録容量６Ｔバイト、情報転送速度１．２Ｇｂｉｔ／ｓの情報記録再生装置が得られた。第４各実施例に示された記録ヘッドと構成に連続媒体を組み込んだ磁気ディスク装置の場合、１平方インチあたり２．０Ｔビット、合計記録容量８Ｔバイト、情報転送速度２．１Ｇｂｉｔ／ｓ、ビットパタン媒体を組み込んだ磁気ディスク装置の場合１平方インチあたり３．０Ｔビット、合計記録容量１２Ｔバイト、情報転送速度２．０Ｇｂｉｔ／ｓの情報記録再生装置が得られた。

ｌ…固定層、２…ＦＧＬ（磁化高速回転体）、３…非磁性スピン伝導層、４…Ｃｏ層、５…主磁極、６…対向磁極、７…Ｎｉ層８、…磁束整流層，１２…非磁性スピン散乱体、１３…第２の磁束整流層、１５…記録媒体、１６…記録層、２０…下地層、１９…基板、２００…記録ヘッド、２０１…高周波磁界発生源、
１００…モータ、１０１…記録媒体、１０２…スライダ、１０３…ロータリアクチユエータ、１０４…回転軸受け、１０５…アーム、１０６…サスペンション、１０８…配線、１１０…プロセッサ、１１１…メモリ、１１２…チャネルＩＣ、１１３…ＩＣアンプ。

Claims (6)

1. 主磁極と、
   高周波磁界を発生させる磁界創生層と、
   前記磁界創生層にスピントルクを供給する固定層とを有し、
   前記固定層への外部印加磁界をＨ _ｅｘｔ 、前記固定層の磁気異方性磁界をＨ _ｋ 、前記固定層の膜面の垂直方向の実効反磁界をＨ _{ｄ−ｅｆｆ} としたとき、
   Ｈ _ｅｘｔ −Ｈ _ｋ ＋Ｈ _{ｄ−ｅｆｆ} ＞０、かつ、Ｈ _ｅｘｔ ＋Ｈ _ｋ −Ｈ _{ｄ−ｅｆｆ} ＞０
   を満たし、
   前記固定層は、積層方向に柱状のグラニュラー構造を有することを特徴とする磁気記録ヘッド。
2. 主磁極と、
   高周波磁界を発生させる磁界創生層と、
   前記磁界創生層にスピントルクを供給する固定層とを有し、
   前記固定層への外部印加磁界をＨ _ｅｘｔ 、前記固定層の磁気異方性磁界をＨ _ｋ 、前記固定層の膜面の垂直方向の実効反磁界をＨ _{ｄ−ｅｆｆ} としたとき、
   Ｈ _ｅｘｔ −Ｈ _ｋ ＋Ｈ _{ｄ−ｅｆｆ} ＞０、かつ、Ｈ _ｅｘｔ ＋Ｈ _ｋ −Ｈ _{ｄ−ｅｆｆ} ＞０
   を満たし、
   前記固定層と前記主磁極との間には、第１の磁束整流層が設けられ、
   前記固定層に対して前記主磁極側とは反対側に、第２の磁束整流層が設けられ、
   ＡＢＳ面における前記第２の磁束整流層のクロストラック方向の幅は、前記第１の磁束整流層のクロストラック方向の幅よりも小さいことを特徴とする磁気記録ヘッド。
3. 主磁極と、
   高周波磁界を発生させる磁界創生層と、
   前記磁界創生層にスピントルクを供給する固定層とを有し、
   前記固定層への外部印加磁界をＨ _ｅｘｔ 、前記固定層の磁気異方性磁界をＨ _ｋ 、前記固定層の膜面の垂直方向の実効反磁界をＨ _{ｄ−ｅｆｆ} としたとき、
   Ｈ _ｅｘｔ −Ｈ _ｋ ＋Ｈ _{ｄ−ｅｆｆ} ＞０、かつ、Ｈ _ｅｘｔ ＋Ｈ _ｋ −Ｈ _{ｄ−ｅｆｆ} ＞０
   を満たし、
   前記固定層は、高磁気異方性領域と磁化反転起動領域とに分割されて形成されていることを特徴とする磁気記録ヘッド。
4. 前記磁化反転起動領域は、前記高磁気異方性領域に対して、ヘッドの進行方向から見て、はみ出した領域があることを特徴とする請求項３記載の磁気記録ヘッド。
5. 主磁極と、
   高周波磁界を発生させる磁界創生層と、
   前記磁界創生層にスピントルクを供給する（Ｃｏ／Ｎｉ）多層膜からなる固定層とを有し、
   前記（Ｃｏ／Ｎｉ）多層膜におけるＣｏ層の合計膜厚は、Ｎｉ層の合計膜厚以上であることを特徴とする磁気記録ヘッド。
6. 主磁極と、
   高周波磁界を発生させる磁界創生層と、
   前記磁界創生層にスピントルクを供給する（Ｃｏ／Ｎｉ）多層膜からなる固定層とを有し、
   前記固定層は、第１の領域と第２の領域とに分割されて形成され
   前記第１の領域では、Ｃｏ層の合計膜厚はＮｉ層の合計膜厚より厚く、
   前記第２の領域では、Ｃｏ層の合計膜厚はＮｉ層の合計膜厚より薄いことを特徴とする磁気記録ヘッド。