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みりあつちかね
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1 J. Magn. Soc. Jpn., 34, (2) <Paper> Influence of a Master Pattern Shape on Magnetic Printing Characteristi stics K. Tanabe, T. Saito, N. Sheeda, T. Komine, and R. Sugita Ibaraki University, 4-2- Nakanarusawa-cho, Hitachi, Ibaraki 36-85, Japan A master pattern with the a line-and-space (L/S) part and a checker part in the servo signals was made by using an FeCo film, and the edge printing characteristics of both parts were compared. The MFM output in the checker part was equal to the L/S part for a bit length of 2 nm, while for a bit length of nm, the MFM output in the checker part decreased by about 3% compared with that in the, because of the MFM s low resolution. However, for a bit length of nm, simulation results showed that the edge-printed magnetization of the checker part was equal to that of the. When the TMR head reproduced both parts, the output in the checker part was equal to that in the. The optimum printing field for the checker part was the same as that for the. Moreover, the rate of decrease in the MFM output did not depend on the printing field. Key words: magnetic printing, perpendicular magnetic recording media, servo signals マスターパターン形状形状が磁気転写特性磁気転写特性に及ぼすぼす影響田辺和博齋藤俊明 Nurul Sheeda 小峰啓史杉田龍二茨城大学工学部, 茨城県日立市中成沢町 4-2- ( 36-85). はじめに近年, ハードディスクドライブ (HDD) の高記録密化に伴い, サーボトラックライター記録によるサーボ書き込み時間の増大が問題となっている. 磁気転写法は, HDD にサーボ信号を高速, 高精度かつ安価に書き込む方法として注目されている )~5). 磁気転写法にはビット転写 ( 膜面垂直方向に転写磁場を印加 ) と, エッジ転写 ( 膜面内方向に転写磁場を印加 ) の 2 通りの方法がある 4), 5). エッジ転写はビット転写よりも S/N が優れており, 将来の高密度 HDD への適応が期待されている 5). 我々はこれまで, サーボパターンにおける AGC(Automatic gain control) 部を念頭におき, 磁性膜をライン状に形成したマスター媒体を用いて, エッジ転写特性を実験的に評価してきた 6). しかし, バースト部におけるエッジ転写特性の実験的評価は十分に行われていない. 本研究では, AGC 部及び NULL バースト部の両方を含むマスター媒体を用いて, 両者のエッジ転写特性を実験的に検討した. 2. 実験方法本研究では, サーボパターンにおける AGC 部及び NULL バースト部を念頭に置き, FeCo 膜をライン状 (L/S 状 ) 及びチェッカー状に形成したマスター媒体を用いて, 両者のエッジ転写特性を比較した. 実験に用いたマスター媒体及びスレーブ媒体の模式図を Fig. に示す. マスター媒体は, 基板上に FeCo 膜 (Co 3 at.%, 飽和磁化 Ms = 9 emu/cm 3, 保磁力 Hc = 7 Oe, 透磁率 μ= ) をライン状及びチェッカー状に形成したもので, Fig. に示すように両者は隣接している. マスター媒体は, パターン幅 L 及び隣接パターン間隔 S の和が 4 及び 2 nm の2 種類を用いた. L 及び S, チェッカー部のトラック幅 W, 及び磁性膜厚 δm を Table に示す. スレーブ媒体として, CGC(Coupled Granular and Continuous) 構造を有する垂直磁気記録ハードディスクを用いた. 保磁力は 4.5 koe である. なお, ハードディスク表面には保護膜及び潤滑膜が形成されているため, nm 程度の磁気的スペーシングが存在する. 転写されたスレーブ媒体の磁化状態は, MFM(PNI 社製 Nano R) を用いて評価した. MFM 測定には位相検出方式を用い, 探針は, Si に Co 合金が被膜されている NanoWorld 社製 MFMR(Co 合金膜厚 = 4 nm, 保磁力 Hc = 3 Oe, 先端曲率半径 6 nm 以下 ) を用いた. また, 探針 - 試料間距離は nm とし, タッピングモードで測定した. Fig. を用いてエッジ転写過程について説明する. AC 消磁状態のスレーブ媒体にマスター媒体を密着させ, ダウントラック方向 (x 方向 ) に転写磁場 Ha を 4~2 koe 印加した. このとき, 転写磁場により磁化したマスター磁性膜の作る磁場と, 転写磁場を重ね合わせた記録磁場が記録層部分に発生する. マスター磁性膜両側エッジ近傍において生じる記録磁場の垂直成分によって, 記録層を垂直上下方向に磁化させる. Pattern interval S Recording SUL Substrate z y x (Down-track direction) Printing field H a Line/space part Pattern width L Magnetization Track width W Thickness δ m Master Slave Fig. Schematic diagram of master and slave media in the edge printing process. This master has both a line-and -space (L/S) part and a checker part. Table Dimensions of patterned of masters. Part L [nm] S [nm] W [nm] δm [nm] L + S = 4 nm L/S Checker L + S = 2 nm L/S - 3 Checker 3 Journal of the Magnetics Society of Japan Vol. 34, No. 3, 2 73

2 3. 実験結果 3. MFM 像及び MFM 出力波形 L + S = 4 及び 2 nm のときのライン部 (L/S) 及びチェッカー部における MFM 像及び MFM 出力波形を Fig. 2 及び Fig. 3 に示す. 各図の MFM 出力波形は, MFM 像におけるダウントラック方向 (x 方向 ) 及びチェッカー部のクロストラック方向 (y 方向 ) に対応する図中の白線部を抽出した. 転写磁場は 8 koe である. Fig. 2, Fig. 3 に示すように, L + S = 4 及び 2 nm のとき, ライン部及びチェッカー部ともにマスターパターン形状を反映し, ライン状及びチェッカー状の磁化状態となっている. また, Fig. 2(b), Fig. 3(b) から, ライン部及びチェッカー部におけるダウントラック方向 (x 方向 ) の MFM 出力波形は, L + S = 4 nm のとき単峰性波形, L + S = 2 nm のときはほぼ正弦波となり, ともにマスター磁性膜エッジ部で上向き及び下向きに磁化されていることがわかる. Fig. 2(c), Fig. 3(c) に示すように, チェッカー部における y 方向の MFM 出力波形はいずれもほぼ正弦波となり, マスター磁性膜接触部及び非接触部の中央部でピークをもつことから, クロストラック方向においても垂直上下方向に磁化されていることがわかる. ここで, Fig. 2(b) に示すように, x 方向における MFM 出力波形の p-p 値を Ap-p とし, チェッカー部とライン部を比較すると, L + S = 4 nm のとき, チェッカー部の Ap-p はライン部と同等であることがわかる. 一方, Fig.3(b) に示すように, L + S = 2 nm のときは, チェッカー部の Ap-p はライン部に対して 3% 程度減少した. 4 nm 2 (b) Down-track direction Ap-p V p-p Position x [μm] 9 (c) Cross-track direction Position y [μm] Fig. 2 MFM image in the L/S and checker parts of an edge -printed with L + S = 4 nm. (b) MFM output waveform in the down-track direction in the L/S and checker parts. (c) MFM output waveform in the cross-track direction in 2 nm Position x [μm] 4 5 (c) Cross-track direction Position y [μm] Fig. 3 MFM image in the L/S and checker parts of an edge -printed with L + S = 2 nm. (b) MFM output waveform in the down-track direction in the L/S and checker parts. (c) MFM output waveform in the cross-track direction in 3.2 転写磁場依存性 (b) Down-track direction L + S = 4 及び 2 nm のときの, ライン部及びチェッカー部における Ap-p の転写磁場依存性を Fig. 4 に示す. Fig. 4 から, L + S = 4 及び 2 nm のとき, チェッカー部の Ap-p はライン部と同様に転写磁場 8 koe 付近で最大となり, ライン部と同様の傾向を示すことがわかる. L + S = 2 nm のときの, ライン部に対するチェッカー部の Ap-p の減少率を Fig. 5 に示す. Fig. 5 からチェッカー部 L + S = 4 nm Fig. 4 Printing field dependence of the peak-to-peak value of the MFM output in the L/S and checker parts of edge printed media with L + S = 4 nm and (b) L + S = 2 nm (b) L + S = 2 nm 74 Journal of the Magnetics Society of Japan Vol. 34, No. 3, 2

3 Decrease rate [%] Fig. 5 Printing field dependence of the decrease rate, which is defined as the ratio of Ap-p in the checker part to Ap-p in the L/S part (L + S = 2 nm). のライン部に対する MFM 出力の減少率は, 転写磁場に依存せず一定であることがわかる. 4. 計算方法 L=2 nm シミュレーションによるによる考察 L + S = 2 nm において, チェッカー部の MFM 出力がライン部に対して 3% 程度減少する原因を明らかにするために, シミュレーションによる解析を行った. 計算モデルを Fig. 6 に示す. まず, 転写磁場印加中におけるマスター媒体近傍の記録磁場分布を有限要素法により求めた 7). マスター磁性膜の飽和磁化を 9 emu/cm 3 とし, ビット長 L 及びチェッカー部のトラック幅 W を nm, 磁性膜厚を 3 nm, マスター媒体とスレーブ媒体の磁気的スペーシングは, 記録層上に存在する保護膜及び潤滑膜を考慮し, nm とした. 次に, 計算により得られた記録磁場分布を用いて, マイクロマグネッティックシミュレーションによりスレーブ記録層の磁化分布を計算した. 記録層は CGC 構造であるとして, 飽和磁化 Ms を 6 emu/cm 3, 膜厚を 2 nm( 連続膜 5nm, グラニュラ膜 5 nm), 連続膜及びグラニュラ膜内の粒子間交換スティフネス定数 A 及び A2 をそれぞれ.7-6, erg/cm とし, 層間交換スティフネス定数 A3 を. -6 erg/cm とした. このときのスレーブ媒体は, 保磁力 4.5 koe, 核生成磁場 2.5 koe となり, 実験で用いたスレーブ媒体の MH 曲線とほぼ一致した. さらに, MFM 出力と対応させるため, 得られたスレーブ媒体磁化からの漏れ磁 Master Slave y z 3 nm nm 2 nm Substrate x (Down-track - direction) nm 5 nm A A 3 Recording Continuous Granular 場の垂直成分を計算した 7). 漏れ磁場の垂直成分は, MFM プローブと媒体との距離 nm を想定して, スレーブ媒体表面の保護膜 + 潤滑膜厚 nm を考慮し, 記録層から 2 nm 離れた位置を計算した. 4.2 計算結果ライン部及びチェッカー部におけるダウントラック方向 (x 方向 ), 及びチェッカー部のクロストラック方向 (y 方向 ) における記録磁場分布を Fig. 7 に示す. 転写磁場は 8 koe である. Fig. 7 から, ダウントラック方向における記録磁場の垂直成分 Hz は, マスター磁性膜エッジ部においてピークを持ち, 記録磁場の面内成分 (x 成分と y 成分のベクトル和 )Hin-plane は, 磁性膜の接触部 (L 部 ) で減少し, 非接触部 (S 部 ) で増加することがわかる. Fig. 7(b) から, チェッカー部のクロストラック方向における記録磁場の垂直成分 Hz は, マスター磁性膜中央部でピークを持ち, L 部で増加し, S 部で減少 Recording field [koe] H z [koe] Fig. 7 Calculated recording field distributions in the down-track direction in the L/S and checker parts with L = nm. (b) Calculated perpendicular component of the recording field Hz distributions in the cross-track direction in ΔH z H in-plane H z (b) Fig. 6 Calculation model. A 2 Fig. 8 Calculated magnetization distribution of patterned s in the checker part with L = nm. Journal of the Magnetics Society of Japan Vol. 34, No. 3, 2 75

4 することがわかる. ここで Fig. 7 のダウントラック方向の記録磁場分布における Hz の -p 値を ΔHz とし, ライン部とチェッカー部の ΔHz を比較すると, チェッカー部はライン部に対して 3% 程度減少していることがわかる. 次に, 転写磁場印加中のチェッカー部におけるマスター磁性膜内磁化分布を Fig. 8 に示す. Fig. 8 から, 隣接パターン接触部において, 磁性膜内磁化がダウントラック方向から最大 37 程度傾いていることがわかる. これにより, ダウントラック方向におけるマスター磁性膜端面に生じる磁荷が減少し, ΔHz も減少するものと推定される. 次に, ライン部及びチェッカー部におけるダウントラック方向, 及びチェッカー部のクロストラック方向における記録層の磁化分布 Mz/Ms, 及びスレーブからの漏れ磁場の垂直成分 Hz 分布を Fig. 9 に示す. Fig.9 (b)~(e) は, Fig. 9 の磁化分布 ( 上面図 ) 中における, M z / M s [a.u.] Perpendicular component of stray field H z a.u.] M z / M s [a.u.] Perpendicular component of stray field H z a.u.] (b) (c) (d) (e) Fig. 9 Calculated magnetization distribution (plan view), (b) magnetization distribution and (c) perpendicular component of the stray field Hz in the down-track direction in L/S and checker parts from an edge-printed with L = nm. (d) Calculated magnetization distribution and (e) perpendicular component of the stray field Hz in the cross-track direction in checker part. ダウントラック方向 (x 方向 ), 及びチェッカー部の, クロストラック方向 (y 方向 ) に対応する白線部の磁化分布及び Hz 分布である. Fig. 9 から, ライン部及びチェッカー部は, 実験結果と同様にマスターパターンを反映した磁化状態になっていることがわかる. Fig. 9(b) から, ライン部及びチェッカー部における磁化分布 Mz/Ms は矩形波状となり, マスター磁性膜エッジ部において, 磁化が上向き及び下向きに飽和していることがわかる. ここで, Fig. 9(b) のダウントラック方向の磁化分布 Mz/Ms において, ライン部及びチェッカー部における磁化遷移領域に着目すると, チェッカー部はライン部よりも磁化分布が乱れていることがわかる. これは, Fig. 7 の記録磁場分布に示すように, マスター磁性膜エッジ部近傍における記録磁場の垂直成分 Hz の勾配が, チェッカー部はライン部よりも小さいため, 磁化反転にばらつきが生じたためと推定される. Fig. 9(d) から, チェッカー部のクロストラック方向における磁化分布は, ダウントラック方向と同様に矩形波状であり, L 部及び S 部において, 垂直上下方向に磁化されていることがわかる. 一方, Fig.9(c), (e) から, ライン部及びチェッカー部におけるダウントラック方向及びクロストラック方向の Hz 分布は, いずれも矩形波状から正弦波に近付いている. 以上から, 実験結果 Fig. 3(b), (c) が示すように, ライン部及びチェッカー部における, ダウントラック方向及びクロストラック方向の MFM 出力波形がともに正弦波となったのは, スレーブ媒体と MFM プローブとのスペーシングの影響によるものと考えられる. ここで, Fig. 9(c) において, ライン部とチェッカー部における Hz のp-p 値を比較すると, チェッカー部の Hz は, ライン部と同等であることがわかる. Saito らは以前, スレーブ媒体における磁化反転が Stoner-Wohlfarth モデルに従うと仮定し, 記録磁場の面内成分及び垂直成分のベクトル和 Heff, 及び膜面垂直方向と磁場の成す角 φ を求めることで, エッジ転写における面内磁場の影響を定量的に検討した 8). ここでも同様に, Fig. 7 の記録磁場分布において, ライン部及びチェッカー部におけるマスター磁性膜エッジ部の Heff 及びφ を求めると, Stoner-Wohlfarth モデルから, 磁化反転に十分な磁場強度が得られていることが確認できた. したがって, Fig. 7 に示すように, チェッカー部における ΔHz がライン部に対して約 3% 減少しているが, マスター磁性膜エッジ部の強い面内磁場成分 Hin-plane が磁化反転を促すため, Fig. 9(c) に示されるように, 転写されたスレーブ媒体において, チェッカー部の漏れ磁場の垂直成分 Hz がライン部と同等になったと考えられる. しかし, Fig. 9(c) の Hz 分布は, 実験結果である Fig. 3(b) のMFM 出力と一致しない. 以上から, チェッカー部における MFM 出力の減少は, 転写磁化によるものではなく, MFM 測定による影響であると推定される. 4.3 MFM プローブ及び TMR ヘッドによるによる再生再生出力出力の推定以前の研究から, MFM 出力がスレーブ媒体からの漏れ磁場の垂直成分 Hz に比例することが明らかになっている 7). また, TMR ヘッド出力も Hzに比例することが知られている. そこで, MFM 測定による影響を考慮するために, Fig. 9(c) のHz 分布において, 実験で用いた MFM プローブ及び実際に用いられる TMR ヘッドの形状及び大きさに相当する領域で, Hz を平均化することで, 簡易的 76 Journal of the Magnetics Society of Japan Vol. 34, No. 3, 2

5 Fig. Calculated MFM output and TMR head output waveforms in L/S and checker parts from an edge-printed with L = nm. に両者の再生出力を見積もった. MFM プローブの先端曲率半径を 55 nm とし, TMR ヘッドのフリー層膜厚を 5 nm, トラック幅を 55 nm と仮定した. なお, TMR ヘッドの浮上量は, MFM プローブと同様にスレーブ媒体表面から nm とした. MFM プローブ及び TMR ヘッドによる再生出力の計算結果を Fig. に示す. Fig. に示すように, チェッカー部において, MFM プローブによる再生出力はライン部に対して 3% 程度減少し, Fig. 3(b) の実験結果と一致した. しかし, チェッカー部の TMR ヘッド出力は, ライン部と同等である. これは, MFM プローブの場合, クロストラック方向だけでなく, ダウントラック方向における隣接磁化の干渉も受けるためと考えられる. 以上から, ビット長が nm 程度と短い場合であっても, チェッカー部における転写磁化は, ライン部と同等であり, MFM プローブよりも再生分解能が高い TMR ヘッドで再生する場合, チェッカー部はライン部と同等の再生出力が得られると推察される. ここで, 参考として, MFM プローブの先端曲率半径 r を変えたときの, ライン部及びチェッカー部における MFM 出力の p-p 値 Ap-p を Fig. に示す. Fig. から, 曲率半径が 3 nm 程度以下であれば, ライン部及びチェッカー部の Ap-p はほぼ同等となるが, 曲率半径が増加すると, チェッカー部はライン部よりも MFM 出力が大きく減少することがわかる. これは, 再生時において, 曲率半径の増加に伴い, チェッカー部はダウントラック方向だけでなく, クロストラック方向の符号間干渉も起こるためと考えられる. なお, L + S = 4 nm(l = 5 nm, S = 25 nm) に対する計算も行ったが, MFM 出力波形及びライン部及びチェッカー部の出力の相対値ともに, Fig. 2(b) に示される実験結果と同様の結果が得られた. このことは, 本研究のシミュレーションの妥当性を示すものと言える. MFM output TMR head output TMR head output [a.u.] Pole tip radius of MFM probe r [nm] Fig. Dependence of MFM output on pole tip radius of MFM probe in the L/S and checker parts. 5. まとめサーボパターンにおける AGC 部及び NULL バースト部を念頭に置き, FeCo 膜をライン状及びチェッカー状に形成したマスター媒体を用いて, 両者のエッジ転写特性を比較した. その結果, 次のことが明らかになった. () 転写されたスレーブ媒体からの再生波形に, ライン部及びチェッカー部間の相違はなく, ビット長 nm 程度以下であれば, いずれのパターンにおいても正弦波となる. (2) ライン部及びチェッカー部における転写特性の転写磁場依存性は, ほぼ同様の傾向を示し, 両者の最適転写磁場 ( 最も優れた転写特性が得られる転写磁場 ) も, ほぼ同じ値である. (3) ビット長が nm 程度と短い場合であっても, チェッカー部における転写磁化は, ライン部と同等であり, TMR ヘッド再生の際には, 両パターンにおける再生出力の差は生じないことが推定される. 謝辞本研究の一部は, 日本学術振興会科学研究費補助金基盤研究 (B) No の支援により行われました. また, 富士フイルム ( 株 ) の皆様にご協力, ご議論を頂き, 東陽テクニカ ( 株 ) 様には測定方法に関してご指導を頂きました. ここに深謝致します. References ) R. Sugita, T. Kinoshita, O. Saito, T. Muranoi, M. Nishikawa, and M. Nagao: IEEE Trans. Magn., 36, 2285 (2). 2) R. Sugita, O. Saito, T. Muranoi, M. Nishikawa, and M. Nagao: J. Appl. Phys., 9, 8694 (22). 3) A. Saito, T. Hamada, T. Ishida, Y. Takano, and E. Yonezawa: IEEE Trans. Magn., 38, 295 (22). 4) A. Saito, T. Ono, and S. Takenoiri: IEEE Trans. Magn., 39, 2234 (23). 5) M. Nishikawa, S. Wakamatsu, K. Ichikawa, T. Usa, M. Nagao, T. Ishioka, T. Yasunaga, T. Komine, and R. Sugita: IEEE Trans. Magn., 42, 262 (26). 6) N. Sheeda, S. Okami, Y. Sakaguchi, T. Komine and R. Sugita: J. Magn. Soc. Jpn., 33, 59 (29). 7) K. Tanabe, S. Okami, T. Saito, T. Komine, and R. Sugita: J. Magn. Soc. Jpn., 33, 85 (29). 8) T. Saito, Y. Sakaguchi, S. Okami, T. Komine, and R. Sugita: J. Magn. Soc. Jpn., 33, 68 (29). 29 年月 4 日受理,2 年 2 月 24 日採録 Journal of the Magnetics Society of Japan Vol. 34, No. 3, 2 77

日立金属技報　Vol.34

日立金属技報　Vol.34 Influence of Misorientation Angle between Adjacent Grains on Magnetization Reversal in Nd-Fe-B Sintered Magnet Tomohito Maki Rintaro Ishii Mitsutoshi Natsumeda Takeshi Nishiuchi Ryo Uchikoshi Masaaki Takezawa