新しい高密度記録技術──高K u 磁性材料──

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ようたおいもり
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1 特新しい高密度記録技術高 K u 磁性材料 New High Density Recording Technology: High K u Magnetic Materials 片岡弘康 Hiroyasu Kataoka 小宮山和弥 Kazuya Komiyama 高橋伸幸 Nobuyuki Takahashi 高い磁気異方性定数 K u を持った L1 1 型 CoPt 規則合金膜のスパッタ法での合成に, 東北大学と共同で初めて成功した本材料の K u 値は, 最大で erg/cm 3 に達している加えて, 低い規則度から高い K u を持つ点で, ほかの規則合金と比較して優れているまた,Ni を添加した三元合金にすると, 広い組成域で構造および高い K u を維持したまま, 飽和磁化 M s の制御が可能である例えば, 二元合金で, 希少な Pt が 75 at% のとき得られる磁気特性が, 三元合金では, 同じ磁気特性を得るのに,Pt 量を 25 at% まで削減することができる In collaboration with Tohoku University, Fuji Electric has realized the first successful synthesis of a L1 1 type CoPt ordered alloy film having a high magnetic anisotropy constant K u using sputter technique. The K u value of this material reached a maximum value of erg/ cm 3. Moreover, this material is superior to other ordered alloys even if the order is low and the K u value is high. Also, a ternary alloy formed by adding Ni to this material is capable of maintaining a crystalline structure and a high K u value over a wide compositional range while controlling the saturation magnetization M s. For example, with a ternary alloy having the same magnetic characteristics as a binary alloy of rare Pt at 75 at%, the amount of Pt can be decreased to 25 at%. 1 まえがき垂直磁気記録媒体の記録密度は日進月歩で向上している富士電機では,2.5 インチディスク一枚当たり 3 GB( 記録密度約 Gbits/in 2 ) 容量の製品を生産中である今後も, この高記録密度化をさらに進展させるためには, 幾つかの技術的な課題がある中でも最大の課題は, 記録ビットが微小化しても熱安定性が劣化しないようにすることである熱安定性を表す指標として,K u V/k B T(K u : 磁気異方性定数,V: 体積,k B : ボルツマン定数,T: 絶対温度 ) がある磁気記録媒体を設計するには, 記録ビットの微小化に伴う磁性粒子の体積 V の減少を K u の増加で補償する必要があるが, 垂直磁気記録媒体の記録層材料として現在広く使用されている hcp 六方最密充塡( じゅうてん ) 構造を持つ Co - Pt 系磁性材料の K u 値の大きさには限界があるそのため今後の高密度化を実現するためには, 7 erg/cm 3 台の極めて高い K u を持つ新規磁性材料を開発する必要があるといわれている 111 Co Pt 1 1 このような高い K u を持つ磁性材料の代表的なものとして,L1 構造を持つ Co - Pt 二元合金があるほかに ⑴ ⑶ ⑷ ⑹ m - D 19 型と呼ばれる規則合金膜や型の Co -Pt 規則合金膜が報告されている図 1に, これらの規則合金の構造模式図を示す前述の m - D 19 型と L1 1 型規則合金膜は, 4 の基板温度で形成できることが報告されている ⑴ ⑹ これは, 高 K u 薄膜の一つである L1 型 Fe - Pt 規則合金膜の一般的な形成温度よりも低く, 磁気記録媒体への適用において製造プロセス温度を低く抑える上で非常に有利な材料であるただし, これら m - D 19 型および L1 1 型の規則構造はいずれも準安定相であり, 主な報告例は,MBE(Molecular Beam Epitaxy) 法により, 超高真空中で単結晶基板上にエピタキシャル成長したものであったこれらの準安定である規則合金の成膜に, 量産には適用しにくい MBE 法ではなく, 現在, 磁気記録媒体の量産に使用されているスパッタリングプロセスが適用できれば,L1 型 Fe - Pt 規則合金膜と並ぶ高 K u 材料として有望である富士電機では, 東北大学と共同で UHV(Ultra High Vacuum) スパッタリングプロセスにより, これらの m - D 19 型および L1 1 型の準安定な規則合金膜を形成し, ⑺,⑻ 3 7 erg/cm 3 を超える K u 値を得ることに成功している本稿では, 特に L1 1 型 Co - Pt 規則合金膜に関して得られた薄膜の構造および磁気特性の概要を紹介した上で, 実用を見据えた第三元素での置換結果について紹介する 2 構造と磁気特性 m D 19 型 Co 75 Pt 25 L1 1 型 Co Pt L1 型 Co Pt 図 ₁ m-d 19 型,L1 1 型および L1 型の結晶構造 ₂.₁ L1 1 型 Co Pt 規則合金膜の構造図 ₂に, スパッタ法によって MgO(111) 基板およびガ 252( )

8 1 規則度 S ガラスディスク図 ₄ L1 1 型 Co Pt 規則合金膜および m-d 19 型 Co 8 Pt 規則合金膜の K u と S の関係 4 6 8 1 2 ( egrees) 図 ₂ MgO(111) 基板およびガラスディスク基板上に Pt シード層を介して形成した Co Pt 規則合金膜の X 線回折パターン Pt CoPt Pt 図 ₃ L1 1 型 Co Pt

2 度 ( ogsca e) 型 CoPt(111) Pt(111) 型 CoPt(222) 型 CoPt(333) Pt(222) 型 CoPt(444) MgO(111) 磁気異方性定数 K u( 6 erg/cm 3 ) L1 型 e Pt ( 4 7 ) 特4 L1 1 型 Co Pt ( ) m D 19 型 Co 8 Pt ( ) 規則度 S ガラスディスク図 ₄ L1 1 型 Co Pt 規則合金膜および m-d 19 型 Co 8 Pt 規則合金膜の K u と S の関係 ( egrees) 図 ₂ MgO(111) 基板およびガラスディスク基板上に Pt シード層を介して形成した Co Pt 規則合金膜の X 線回折パターン Pt CoPt Pt 図 ₃ L1 1 型 Co Pt 規則合金膜の断面を電子顕微鏡により観察した明視野像と同領域の電子線回折像 4 m の Pt 層から Co Pt 膜まで原子面が連続的に成長しており, 回折像から単結晶膜となっていることが分かる ₂.₂ L1 1 型 Co Pt 規則合金膜の磁気特性図 ₄ に,L1 1 型 Co Pt 規則合金膜および m - D 19 型 Co 8 Pt 規則合金膜の K u と規則度 S( 規則構造の形成割合 ) の関係をそれぞれ示す図中には参考として L1 型 Fe Pt 規則合金膜の結果も示した L1 1 型 Co Pt 規則合金膜の S 値は L1 型 Fe Pt 規則合金膜よりも小さいにもかかわらず,K u 値は L1 型 Fe Pt 規則合金膜と同程度の 7 erg/cm 3 台を持っているまた,K u は S の増加に伴い急激に増加する傾向を示しており,L1 1 型 Co Pt 規則合金膜が,L1 型 Fe Pt 規則合金膜を超える大きな K u を持つ可能性があることを示唆している S 値が 1 に近い理想的な L1 1 型 Co Pt 規則合金膜が形成できれば, その K u は非常に大きくなることは理論的に予測されていて ⑼, 実験結果はこれを裏付けている以上の検討から L1 1 型 Co Pt 規則合金膜は, 高密度化に要求される高い K u 値を実現可能な有望な材料であることが確認できた 3 第三元素での置換による磁気特性制御ラスディスク上に Pt シード層を介して形成した Co Pt 規則合金膜の X 線回折パターンを示す両者とも最密面からの回折線のみが観察され, 最密面が膜面に平行に配向する L1 1 型の利点が確保できているさらに, L1 1 型の規則構造に起因した L1 1 (111) 面および L1 1 (333) 面の回折線が観察されており, 作成した薄膜が L1 1 型の結晶構造を持っていることが確認できた図 ₃に,MgO(111) 基板上に Pt シード層を介して形成した L1 1 型 Co Pt 規則合金膜の断面を電子顕微鏡によって観察した明視野像と同領域の電子線回折像を示す下地 ₃.₁ L1 1 型 (Co 1-X Ni X ) Pt 規則合金膜実際の磁気記録媒体への応用を見据えた場合, 記録層の構造として, 磁気異方性が大きな層 ( ハード層 ) と小さな層 ( ソフト層 ) を積層化させたスタック構造をとる場合が多いと思われるこのとき, ハード層の飽和磁化 M s が 7 emu/cm 3 の領域で, 実用的な熱安定性が確保できることが示されている ⑽ そのため,L1 1 型 Co - Pt 規則合金膜を将来, ハード / ソフトスタック構造のハード層として用いることを考えると,L1 1 型 Co Pt 規則合金膜の M s は, 約 1, emu/cm 3 であるこれを 7 emu/ 253( 11 )

3 特cm 3 程度の実用レベルの値に制御するには, 高い K u 値を維持しつつ M s を制御する手法を開発する必要がある本章では上記特性を実現するために,L1 1 型 Co - Pt 規則合金膜の Co の一部を Ni に置換した L1 1 型 (Co - Ni) - Pt 規則合金膜について解説する ⑾ 基礎実験として,MgO(111) 単結晶基板上に Pt シード層を成膜した後に (Co - Ni) - Pt 層を成膜し, 保護層として Pt を成膜した単結晶膜を形成した (Co - Ni) - Pt 層の成膜時の基板温度は,L1 1 型 Co Pt 規則合金膜の S と K u が最大となる 36 に固定した図 ₅ に,Pt 組成を化学量論組成である at% に固定して,Co を Ni 量 X で置換していった場合の (Co 1 -XNi X ) Pt の X 線回折パターンを示す L1 1 型 Co Pt 規則合金膜と同様に, いずれの Ni 組成においても最密面からの回折線だけが観察されることから, 膜面平行に最密面が配向していることが分かるまた,L1 1 型 Co Pt 規則合金膜と同様に,2θ=21 付近に L1 1 型の規則構造を形成していることを示す L1 1 (111) 面からの回折線が観察されており,L1 1 型 (Co - Ni) - Pt 規則合金膜が形成されていることが分かる図 ₆ にはこれら薄膜の M s と S を Ni 量 X に対して示した Ni 量 X の増加に伴い M s は単調に減少しており, Ni Pt 組成では,M s の値はとなっている一方,S の値は Ni 量 X によらずほぼ一定の.5 であった ₃.₂ L1 1 型 Co-Ni-Pt 規則合金膜 ₃.₁ 節では,Co の一部を Ni に置換することによって M s の制御が可能であることを示したしかしながら,Pt 量によっても M s の制御が可能であるため,Co,Ni,Pt の種種の組成域で薄膜を作製し, 各種特性がどのように度 ( ogsca e) (Co Ni) Pt(111) Pt(111) (Co Ni) Pt(222) (Co 1 XNi X) Pt m (Co Ni) Pt(333) X ( egrees) Pt(222) (Co Ni) Pt(444) X 1 X.8 X.6 X.4 X.2 変化するか検討を実施した結果,Co 約 65 at% 以下の広い領域で L1 1 型規則合金が形成可能であることが分かった図 ₇ は, 作成した薄膜の S を三元組成図上に示したものである三角形底辺のラインが L1 1 型 Co - Pt 規則合金の Pt 組成量依存を示すことになる S の等値線を見ると, 先ほど示した化学量論組成である (Co 1 -XNi X ) Pt 組成 (Co Pt の点から Ni Pt の点へ向かうライン ) の近傍で, 規則度が最大を示していることが分かるさらに, S の等値線が Pt 組成の等値線と平行になっていることから,S の値はほぼ Pt 組成により決定されていることが見て取れる Co 約 65 at% 以上では m - D 19 が形成され, 図中点線は L1 1 と m - D 19 の相境界を表している図 ₈に, 先に示した S と同様の形式で M s の値を示したものである M s は Co 組成の減少 (Ni 組成の増加 ) に伴い単調に減少しており, 組成によって M s を制御可能であることが分かる図 ₉は, 同様に K u の値を示したものである図中には合わせて M s の等値線も示した K u の絶対値は S の場合と同様に,(Co 1 -XNi X ) Pt 組成上において最大となる組成がある一方, 化学量論組成からずれた領域では,Pt 組成が高いところより, 低い組成の方が K u の絶対値が緩やかに減少していることが分かるこれは,S の結果と定性的に一致した結果になっている表 1は, 実用域の M s である約 6 emu/cm 3 を実現可能な L1 1 型の Co - Pt 二元合金と Co - Ni - Pt 三元合金の代表的な組成について示した M s を約 6 emu/cm 3 とした場合, 二元合金の K u は erg/cm 3 に低下している一方,Ni で置換して M s を低下させた場合,1.8 7 erg/ cm 3 程度の非常に高い K u 値を維持していることが分かるまた,M s を約 emu/cm 3 とした場合の磁気特性は, 二元合金, 三元合金ともに同程度であるが,Pt 量を比較すると, 二元合金では 75 at% 必要であったのが三元合金では 25 at% となり, 必要量が 1/3 に減少していることが分かるすなわち,Co - Ni - Pt 三元合金では,Pt 組成が少量で,Co - Pt 二元合金と同等以上の磁気特性を実現可能であることが分かる飽和磁化 s(emu/cm M (Co 1 X Ni X ) Pt 膜 m M S Ni X S 規則度 S 図 ₅ L1 1 型 (Co 1-X Ni X ) Pt 規則合金膜の X 線回折パターン図 ₆ L1 1 型 (Co 1-X Ni X ) Pt 規則合金膜の M s と S 254( 12 )

4 規則度 S L Co (at ) Pt (at ) 図 ₇ L1 1 型 Co-Ni-Pt 規則合金膜の S Ni (at ) 飽和磁化 M s(emu/cm 3 ) L Co (at ) Pt (at ) 図 ₈ L1 1 型 Co-Ni-Pt 規則合金膜の M s Ni (at ) 表 ₁ L1 1 型の Co-Pt 二元合金と Co-Ni-Pt 三元合金の代表的な組成の M s,k u,s 組成 (at%) 飽和磁化 M s 磁気異方性定数 K u K u /M s 規則度特Co Ni Pt (emu/cm 3 ) ( 7 erg/cm 3 ) (koe) S 本章では, 高い K u 値を維持しつつ M s をコントロールすることができる,L1 1 型 Co - Ni - Pt 規則合金膜について述べた Co - Ni - Pt 三元合金は, 広い組成範囲で L1 1 型規則合金を形成し, 希少な Pt 量を少なく抑えた組成で,L1 1 型 Co - Pt 規則合金と同等以上の磁気特性を実現させることができるこのことは, 本材料が, 将来のハード / ソフト積層型媒体のハード層として有望であることを示している 4 あとがき現在の記録密度向上ペースが継続した場合, 本材料が示した 7 erg/cm 3 台の K u を要求する磁気記録媒体は 13 年ごろ量産となる見込みであるそのために今後もスピード感を持って諸課題の解決に邁進 ( まいしん ) していく所存である本研究は, 東北大学電気通信研究所 21 世紀情報通信研究開発センター殿との共同研究結果である紙面をお借りし, 日ごろより貴重なディスカッションを賜っている同センター島津武仁准教授に深謝するなお, 本研究の一部は, 文部科学省次世代 IT 基盤構築のための研究開発 ( 高機能超低消費電力スピンデバイスストレージ基盤技術の開発 ) の支援により行われたここに謝意を表する磁気異方性定数 K u ( 7 erg/cm 3 ) M s L Pt (at ) Co (at ) 図 ₉ L1 1 型 Co-Ni-Pt 規則合金膜の K u Ni (at ) 参考文献 ⑴ G. R. Harp. et al. Magneto - Optical Kerr Spectroscopy of a New Chemically Ordered Alloy:Co 3 Pt. Physical Review Letters. 1993, vol.71, p ⑵ 山田芳靖, 鈴木孝雄. 日本応用磁気学会誌. Co 3 Pt 合金薄膜における垂直磁気異方性の起源. 1999, vol.23, no.7, p ⑶ M. Maret. et al. Enhanced perpendicular magnetic anisotropy in chemically long - range ordered( 1)Co x Pt 1-x films, Journal of magnetism and magnetic materials. 1999, vol.191, p ⑷ Iwata, S. et al. Perpendicular Magnetic Anisotropy and Magneto - Optical Kerr Spectra of MBE - Grown PtCo Alloy Films. IEEE Transactions on Magnetics. 1997, vol.33, p.367. ⑸ 山下哲ほか. 日本応用磁気学会誌. MBE 成膜したPtCo 合金膜の磁気異方性と磁気光学効果. 1997, vol.21, no.4_2, p ( 13 )

特436. ⑹ J. C. A. Huang. et al. Influence of crystal structure on the perpendicular magnetic anisotropy of an epitaxial CoPt alloy, Journal of Applied Physics. 1999, vol.85, p.5977-5979.

スパッタリング法によるL1 1 型 Co - Pt 規則化合金膜の作製とその磁気特性. 8, vol.3, no.6, p.271-276. ⑼ S. S. A. Bazee. et al.

日本応用磁気学会誌. 高飽和磁化の薄いソフト層を有するHard/Softスタック垂直媒体の磁気特性と記録再生特性. 7, vol.31, no.3, p.178-183. ⑾ Sato, H. et al.

5 特436. ⑹ J. C. A. Huang. et al. Influence of crystal structure on the perpendicular magnetic anisotropy of an epitaxial CoPt alloy, Journal of Applied Physics. 1999, vol.85, p ⑺ Sato, H. et al. Fabrication of L1 1 type Co - Pt ordered alloy films by sputter deposition, Journal of Physics. 8, vol.3, no.7, 7E114-7E ⑻ 島津武仁ほか. 日本磁気学会誌まぐね. スパッタリング法によるL1 1 型 Co - Pt 規則化合金膜の作製とその磁気特性. 8, vol.3, no.6, p ⑼ S. S. A. Bazee. et al. Ab Initio Theoretical Description of the Interrelation between Magnetocrystalline Anisotropy and Atomic Short - Range Order. Physical Review Letters. 1999, vol.82, p ⑽ 稲葉祐樹ほか. 日本応用磁気学会誌. 高飽和磁化の薄いソフト層を有するHard/Softスタック垂直媒体の磁気特性と記録再生特性. 7, vol.31, no.3, p ⑾ Sato, H. et al. Fabrication of L1 1 -type(co - Ni) - Pt ordered alloy films by sputter deposition. Journal of Applied Physics. 9, vol.5, 7B726-7B 片岡弘康磁気記録媒体の研究開発に従事現在, 富士電機ホールディングス株式会社技術開発本部デバイス技術開発センター次世代媒体開発部日本磁気学会会員小宮山和弥磁気記録媒体の研究開発に従事現在, 富士電機ホールディングス株式会社技術開発本部デバイス技術開発センター次世代媒体開発部日本磁気学会会員高橋伸幸磁気記録媒体の研究開発に従事現在, 富士電機ホールディングス株式会社技術開発本部デバイス技術研究センター次世代媒体開発部長 IEEE 会員 256( 14 )

6 * にされているおよびは, それぞれのがするまたはであるがあります