磁记录头和磁记录装置的制作方法

专利名称：磁记录头和磁记录装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及设置有自旋扭矩振荡器的磁记录头和磁记录装置，其 适用于使用高频辅助磁场来实现具有高记录密度、高记录容量和高数 据传输率的数据存储。
背景技术：
在20世纪90年代，磁阻效应(MR)头以及巨磁阻效应(GMR) 头的实际应用引发了硬盘驱动器(HDD)的记录密度和记录容量的急 剧增加。然而，在21世纪的头几年，磁记录介质中的热涨落(thermal fluctuation)问题变得突出，因而记录密度的增加暂时放慢。无论如何， 对于高密度记录而言在原理上比纵向磁记录更有优势的垂直磁记录在 2005年投入实际使用。垂直磁记录促进了 HDD记录密度在近年来以 大约40%的年增长率在增加。
而且，最新的演示试验己经获得超过400G比特/平方英寸的记录 密度。如果该发展稳定地持续下去，到2012年前后，记录密度有望达 到lT比特/平方英寸。然而，由于热涨落问题再次变得突出，即使使 用了垂直磁记录，也不容易获得这样高的记录密度。
作为可能解决上述问题的一种记录方案，提出了 "微波辅助磁记 录方案"。在该微波辅助磁记录方案中，在磁记录介质的共振频率附近 局部施加高频磁场，该高频磁场的频率充分高于记录信号频率。这在 磁记录介质中产生共振，将处于该高频磁场中的磁记录介质的矫顽力 (Hc)降低到原始矫顽力的一半以下。因而，将高频磁场叠加到记录
磁场实现了在具有更高的矫顽力(He)和更高的磁各向异性能量(Ku) 的磁记录介质上的磁记录(例如专利号为6,011，664的美国专利，以下 将其称为专利文献l)。然而，专利文献1中公开的技术使用线圈产生 高频磁场，并且在高密度记录期间难以有效地施加高频磁场。
还提出了基于自旋扭矩振荡器的技术以作为用于产生高频磁场的 手段(例如公开号为2005/0023938的美国专利申请，以下将其称为专 利文献2;公开号为2005/0219771的美国专利申请，以下将其称为专 利文献3)。在专利文献2和专利文献3中公开的技术中，自旋扭矩振 荡器包括自旋注入层、中间层、磁层和电极。当DC电流经由电极通 过自旋扭矩振荡器时，由自旋注入层产生的自旋扭矩在磁层的磁化中 产生铁磁共振。结果，由该自旋扭矩振荡器产生高频磁场。
由于该自旋扭矩振荡器具有大致几十纳米的尺寸，所以产生的高 频磁场局限于自旋扭矩振荡器周围大致几十纳米的范围内。而且，通 过该高频磁场的纵向分量可以使垂直磁化的磁记录介质有效地共振， 这使得磁记录介质的矫顽力明显降低。结果，只在主磁极的记录磁场 叠加在自旋扭矩振荡器的高频磁场上的部分中执行高密度磁记录，这 实现了具有高矫顽力(Hc)和高磁各向异性能量(Ku)的磁记录介质 的利用。因此可以避免高密度记录期间热涨落的问题。

发明内容
根据本发明的一方面，提供一种磁记录头，其包括主磁极；包 括第一磁层、第二磁层和中间层的层叠体，该第一磁层具有低于由所述主 磁极施加的磁场的矫顽力，该第二磁层具有低于由所述主磁极施加的磁场 的矫顽力，并且该中间层设置在所述第一磁层和第二磁层之间；以及一对 电极，用于使电流通过所述层叠体。
根据本发明的另一方面，提供一种磁记录装置，其包括磁记录介质； 磁记录头；移动机构，其配置为允许彼此相对的所述磁记录介质和所述磁 记录头之间的相对运动，该磁记录介质和磁记录头之间相互间隔分开或者 彼此接触；控制器，其配置为将所述磁记录头定位在所述磁记录介质的指 定记录位置处；以及信号处理单元，其配置为通过使用所述磁记录头在所
述磁记录介质上执行信号的写入和读取，所述磁记录头包括主磁极；包 括第一磁层、第二磁层和中间层的层叠体，该第一磁层具有低于由所述主 磁极施加的磁场的矫顽力，该第二磁层具有低于由戶A述主磁极施加的磁场 的矫顽力，并且该中间层设置在所述第一磁层和第二磁层之间；以及一对 电极，用于使电流通过所述层叠体。


图1是示出根据本发明实施例的磁记录头的示意性结构的透视
图2是示出其上安装有磁记录头的头滑块(head slider)的透视图； 图3是示出设置在该磁记录头中的自旋扭矩振荡器10的结构示意
图4A到图4D是示出设置有图3所示的自旋扭矩振荡器10的磁 记录头的写入操作的曲线图5A到图5D是示出根据比较例的微波辅助磁头的写入操作的曲 线图6是用于解释本实施例的磁记录头操作的概念图； 图7是用于解释本实施例的磁记录头操作的概念图； 图8是用于解释自旋扭矩振荡器中的电流方向与磁记录头的操作
之间关系的概念图9是用于解释自旋扭矩振荡器中的电流方向与磁记录头的操作
之间关系的概念图10是示出根据本发明第二实施例的磁记录头的示意性结构的
透视图11是用于解释第二实施例的磁记录头操作的概念图12A到图12D是示出设置有图11所示的自旋扭矩振荡器10的
磁记录头的写入操作的曲线图13是示出根据本发明第三实施例的磁记录头的示意性结构的
透视图14是示出第三实施例的磁记录头操作的概念图15是示出根据本发明第四实施例的磁记录头的示意性结构的 透视图16是表明磁化反演(magnetization inversion)时间与阻尼常数 之间关系的曲线图17是示出根据本发明第五实施例的磁记录头的示意性结构的 透视图18是示出根据本发明第五实施例的磁记录头中自旋扭矩特性 的概念图19是示出根据本发明第六实施例的磁记录头的示意性结构的 透视图20是示出根据本发明第六实施例的磁记录头的特性的曲线图； 图21是示出根据本发明第七实施例的磁记录头的示意性结构的 透视图22是示出根据本发明第八实施例的磁记录头的示意性结构的 透视图23是示出根据本发明第九实施例的磁记录头的示意性结构的 透视图24是示出根据本发明第十实施例的磁记录/再生装置的示意性 结构的原理性透视图25是示出从磁盘侧观察的位于致动器臂155前面的磁头组件的 放大透视图26是示出可以用于本实施例的磁记录介质的示意图；以及 图27是表示可以用于本实施例的磁记录介质的另一示意图。
具体实施例方式
下面将参照附图描述本发明的实施例。
第一实施例
在用于垂直磁记录的多粒子介质上进行记录的情况下对本发明的 微波辅助磁头的第一实施例进行描述。
图1是示出根据本发明实施例的磁记录头5的示意性结构的透视图。
图2是示出其上安装有磁记录头5的头滑块的透视本实施例的磁记录头5包括再生头部分70和写入头部分60。再 生头部分70包括磁屏蔽层72a、磁屏蔽层72b和设置在磁屏蔽层72a 和磁屏蔽层72b之间的磁再生装置71。
写入头部分60包括主磁极61、返回路径(屏蔽)62、励磁线圈 63和自旋扭矩振荡器10。再生头部分70的组件和写入头部分60的组 件通过氧化铝或其它绝缘体(未示出)彼此分隔开。磁再生装置71 可以是GMR装置或者TMR (隧道磁阻效应)装置。为了增强再生分 辨率，将磁再生装置71放置在两个磁屏蔽层72a和72b之间。
如图2所示，磁记录头5安装在头滑块3上。设计和驱动例如由 Al203/TiC制成的头滑块3以使其能够相对于诸如磁盘的磁记录介质 (介质)80移动，同时该头滑块3浮置在该磁记录介质上方或者与其 接触。头滑块3具有空气流入侧3A和空气流出侧3B，并且磁记录头 5示例性地设置在空气流出侧3B的侧表面上。
磁记录介质80具有介质基板82和设置在其上的磁记录层81。通 过由写入头部分60施加的磁场将磁记录层81的磁化控制到指定的方 向，从而执行写入。再生头部分70读取磁记录层81该磁化的方向。
图3是示出设置在该磁记录头5中的自旋扭矩振荡器10的结构示 意图。
自旋扭矩振荡器IO具有按照下述顺序层叠的结构第一电极41、 自旋注入层30 (第二磁层)、具有高自旋透过率的中间层22、振荡层 10a (第一磁层)和第二电极42。通过将驱动电子流52从该电极42 传输到电极41，可以由振荡层10a产生高频磁场。优选地，驱动电流 密度为5Xl()7A/cm2到lX109A/cm2之间，并且可以对其进行适当调 节以获得所需的振荡。即，磁记录头5包括层叠体，该层叠体包括自 旋注入层30、中间层22和振荡层10a以及用于使电流通过该层叠体 的一对电极(电极41和电极42)。
电极41和电极42可以由具有低电阻并且抗氧化的材料制成，诸
如Ti禾卩Cu。
中间层22可以由具有高自旋透过率的材料制成，诸如Cu、 Au和 Ag。中间层22的厚度优选地为一个原子层到3nm之间。这可以减少 振荡层10a和自旋注入层30之间的交换耦合。
振荡层10a由在振荡期间产生磁场的高Bs的软磁材料(FeCo/NiFe 层叠膜)制成。该振荡层10a的厚度优选地为5nm到20nm之间。自 旋注入层30由其磁化取向垂直于膜平面的CoPt合金制成。该自旋注 入层30的厚度优选地为2nm到60nm之间。
自旋注入层30和振荡层10a可以是具有相对高饱和磁通密度并且 在纵向于膜平面的方向上具有磁各向异性的CoFe、 CoNiFe、 NiFe、 CoZrNb、 FeN、 FeSi或者FeAlSi的软磁层，或者可以是其磁化取向为 纵向于该膜平面的方向的CoCr基磁合金膜。也可以适当地使用其磁 化取向垂直于膜表面并且具有良好垂直取向的材料层，诸如CoCrPt、 CoCrTa、 CoCrTaPt、 CoCrTaNb或者其它CoCr基磁层，TbFeCo或者 其它RE-TM基合金磁层，Co/Pd、 Co/Pt、 CoCrTa/Pd或者其它Co人 工晶格磁层，CoPt基或者FePt基合金磁层，或者SmCo基合金磁层。 可以将上述材料中的一种以上进行层叠。这是意欲调节振荡层10a和 自旋注入层30的饱和磁通密度(Bs)和各向异性磁场(Hk)。
由上述材料制成的振荡层10a和自旋注入层30可以经由中间层 22层叠为其中上述材料具有反平行磁化的层叠含铁结构，或者层叠为 其中上述材料具有平行磁化的结构。这是意欲增加振荡层10a的振荡 频率，并且有效地磁化该自旋注入层30。在这种情况下，中间层22 优选地由诸如Cu、 Pt、 Au、 Ag、 Pd或者Ru的贵金属制成，或者可 以由诸如Cr、 Rh、 Mo或者W的非磁过渡金属制成。
由主磁极61施加到自旋扭矩振荡器10的磁场、自旋注入层30 的矫顽力以及振荡层10a的矫顽力依次降低。通过以此方式控制施加 到自旋扭矩振荡器10的磁场、自旋注入层30的矫顽力以及振荡层10a 的矫顽力，自旋注入层30的磁化方向以及振荡层10a的磁化方向可以 总是保持平行而与写入磁场的方向无关，从而振荡层10a可以稳定振 荡。
作为示例，由主磁极61施加到自旋扭矩振荡器10a的磁场为5 kOe 到10 kOe，而自旋注入层30的矫顽力可以设置为例如大致3000 Oe， 并且振荡层10a的矫顽力可以设置为例如大致5 Oe。
如下所述，为了获得通过围绕磁化方向的旋进(precession)驱动 的稳定振荡，振荡层10a优选地在朝向相邻磁道的方向上和垂直于气 垫面(air bearing surface) (ABS) 100的方向上具有相等的尺寸。
在图3中，进行层叠设置以使振荡层10a临近主磁极61。或者， 为了有效地将来自主磁极61的磁场施加到自旋注入层30，可进行层 叠设置以使自旋注入层30临近主磁极61。
在仅由主磁极61组成的写入头中，由主磁极61产生的磁场主要 在主磁极61和介质80之间产生并且没有充分地施加到自旋扭矩振荡 器10。因而，由主磁极61产生的磁场会低于自旋注入层30的矫顽力。 因此，优选地提供屏蔽62以吸收由主磁极61产生的磁场。gp，优选 地设置屏蔽62以使自旋扭矩振荡器10位于主磁极61和屏蔽62之间。 在这种情况下，来自主磁极61的磁场有效地流入屏蔽62，这使得磁 场也充分地施加到自旋注入层30。应该注意，可以通过调节主磁极61 和屏蔽62之间的距离以及主磁极61的形状来优化施加到自旋扭矩振 荡器10的磁场。在主磁极61和屏蔽62之间具有较大距离的情况下， 来自主磁极61的磁场在介质中具有垂直方向。然而，减小该距离可使 得磁场在介质中偏离垂直方向而倾斜。该倾斜的磁场具有如下优点-可以通过较低的磁场反演介质的磁化。
接下来，将描述根据本发明第一实施例的微波辅助磁头的操作。
图4示出设置有图3所示的自旋扭矩振荡器10的磁记录头5的写 入操作的曲线图。图4A示出由主磁极61施加到自旋扭矩振荡器10 的磁场与时间变化的关系图；图4B示出自旋注入层30的磁化方向与 时间变化的关系图；图4C示出自旋扭矩振荡器10的振荡层10a的振 荡频率与时间变化的关系图；以及图4D示出产生的磁场强度与时间 变化的关系图。振荡频率与施加到振荡层10a的静态磁场的强度成比 例。
如图4B所示，自旋注入层30的磁化方向随着来自主磁极61的
磁场而变化。因而，自旋注入层30在每个写入时间被磁化，避免了由 于自旋注入层30的老化导致的去磁。而且，无论写入方向如何，由主 磁极61施加到自旋扭矩振荡器10的磁场方向、振荡层10a的磁化方 向以及自旋注入层30的磁化方向相互平行，因而振荡条件不依赖于写 入方向。
应该注意，通过施加垂直于气垫面IOO且具有适当强度(lkOe到 10kOe)的外部DC磁场，可以将自旋扭矩振荡器10的振荡频率和振 荡强度测量为由该自旋扭矩振荡器10的磁阻效应产生的电阻变化。结 果，可以获得类似于图4C的振荡频率与时间变化的关系以及类似于 图4D的振荡强度与时间变化的关系。
比较例
图5示出根据比较例的微波辅助磁头的写入操作的曲线图。具体 而言，图5A示出由主磁极61施加到自旋扭矩振荡器10的磁场与时 间变化的关系图；图5B示出自旋注入层30的磁化方向与时间变化的 关系图；图5C示出自旋扭矩振荡器10的振荡层10a的振荡频率与时 间变化的关系图；并且图5D示出产生的磁场强度与时间变化的关系 图。
在该比较例中，如图5B所示，无论写入方向如何，该自旋注入 层30的磁化被固定(pin)。因而，由主磁极61施加到自旋扭矩振荡 器10的磁场方向、振荡层10a的磁化方向以及自旋注入层30的磁化 方向根据写入方向为平行或者反平行。结果，如图5C和5D所示，自 旋扭矩振荡器10的振荡频率和产生的磁场强度随着写入方向而变化。 下面详细描述自旋扭矩振荡器10的上述振荡的原因。 图6是表示本实施例的磁记录头5的操作概念图。 具体而言，图6示出在从主磁极61到自旋扭矩振荡器10的正方 向上产生磁场的情况。来自主磁极61的磁场高于自旋注入层30的矫 顽力。因此，自旋注入层30沿该正方向被磁化。结果，使用来自振荡 层10a中的自旋注入层30的自旋扭矩来平衡"来自主磁极61的磁场 与自旋注入层30的去磁磁场之和"，从而在振荡层10a中产生振荡。
更具体地，在已经从主磁极61侧通过振荡层10a的电子中，与自旋注 入层30具有相同自旋方向的电子通过该自旋注入层30，而与自旋注 入层30具有相反自旋方向的电子在中间层22和自旋注入层30之间的 界面处被反射。因而，与自旋注入层30具有相反自旋方向的电子流入 振荡层10a。随着自旋扭矩作用在其上，这些电子的自旋角动量被传 输到振荡层10a的磁化，并且自旋扭矩朝向与自旋注入层30相反的方 向。结果，在振荡层10a中发生旋进，并且其磁化振荡。
图7是表示本实施例的磁记录头5的操作概念图。
具体而言，图7表示在从主磁极61的负方向上产生磁场的情况。 而且在该情况下，与图6相似，来自主磁极61的磁场高于自旋注入层 30的矫顽力。因而，自旋注入层30沿该负方向被磁化。结果，使用 来自振荡层10a中的自旋注入层30的自旋扭矩来平衡"来自主磁极 61的磁场与自旋注入层30的去磁磁场之和"，从而在振荡层10a中产 生振荡。而且在该情况下，与图6相似，来自自旋注入层30的自旋扭 矩作用于振荡层10a，并且其磁化振荡。
如上所述，根据该实施例，由于自旋注入层30的磁化方向与振荡 层10a的磁化方向相对于来自主磁极61的磁场方向对称，与施加到振 荡层10a的磁场成比例的振荡频率以及产生的磁场保持恒定而与写入 方向无关，从而获得稳定的振荡特性。
而且，在每个写入时间，自旋注入层30被来自主磁极61的磁场 磁化。这显著地降低了由于老化导致的振荡层10a的去磁效应并且能 够制造具有稳定振荡的自旋扭矩振荡器10。因此，本实施例可以用于 提供具有高可靠性的高密度磁记录装置。
在该实施例中，通过使驱动龟子流52从振荡层10a侧通过自旋注 入层30侧而由自旋扭矩振荡器10产生高频磁场。
图8和图9示出在从主磁极61到自旋扭矩振荡器10的磁场分别 在正方向和反方向的情况下，驱动电子流52从自旋注入层30侧通过 振荡层10a侧的操作概念图。在这些情况下，来自振荡层10a中的自 旋注入层30的自旋扭矩方向与该自旋注入层30的磁化方向相同。该 自旋扭矩的方向平行于"来自主磁极61的磁场与自旋注入层30的去
磁磁场之和"但是没有由该"来自主磁极61的磁场与自旋注入层30 的去磁磁场之和"平衡。因而，振荡层10a的磁化不会经历旋进，并 且因此不会发生振荡。
在通过磁记录头5向介质80进行磁记录中，当磁记录头5的气垫 面100保持与介质80的磁记录层81的指定浮置量时，气垫面100和 磁记录层81的厚度中心之间的距离(磁间距)通常保持为例如10nm。 该气垫面100和磁记录层81的表面之间的间隙通常为5nm。
自旋扭矩振荡器IO可以设置在主磁极61的后侧(trailing side) 或者前侧(leading side)上。这是因为介质磁化不会仅通过主磁极61 的记录磁场而反演，而只会在自旋扭矩振荡器10的高频磁场叠加在主 磁极61的记录磁场上的区域中被反演。
振荡层10a可以具有第一磁层、中间层和第二磁层依次层叠的结 构。在这种情况下，第一磁层和第二磁层形成反铁磁耦合或者静态磁 场耦合，并且发生振荡，其中该振荡的磁化保持反平行。这能够使纵 向磁场有效地施加到介质80。优选地，中间层由诸如Cu、 Pt、 Au、 Ag、 Pd或者Ru的贵金属形成，并且可以由诸如Cr、 Rh、 Mo或者W 的非磁过渡金属制成。
第二实施例
接下来描述本发明的第二实施例。
图10是示出根据本发明第二实施例的设置有自旋扭转振荡器10 的磁记录头5的示意性结构的透视图。
在该实施例中，屏蔽62设置在主磁极61的前侧上，并且自旋扭 矩振荡器10的层叠体设置在主磁极61和屏蔽62之间。主磁极61和 与该层叠体相对的屏蔽62的表面垂直于该层叠体的层叠方向(该层厚 方向)。自旋注入层30和振荡层10a平行于该层叠方向被磁化，艮P， 沿着从主磁极61到屏蔽62的方向或者相反的方向。
振荡层10a包括在振荡期间产生磁场的高Bs软磁材料(FeCo/NiFe 层叠膜)。偏置层20 (第五磁层，在该情况下为CoPt合金层)设置在 主磁极61和振荡层10a之间以通过交换耦合力而偏置该高Bs软磁材料层。
高Bs软磁材料的厚度优选地为5nm到20nm，并且该偏置层20 的厚度优选地为10nm到60nm。自旋注入层30由CoPt合金制成，其 磁化取向垂直于该膜表面。自旋注入层30的厚度优选地为10nm到 60nm。可以适当地调节高Bs软磁材料的厚度、偏置层20的厚度以及 自旋注入层30的厚度以获得期望的振荡。
主磁极61和屏蔽62也用作电极以注入用于驱动自旋扭矩振荡器 10的驱动电子流52。显然，主磁极61和屏蔽62的背间隙部分彼此电 绝缘。优选地，驱动电流密度为5Xl()7A/cm2到lX109A/cm2之间， 并且可以对其进行适当调节以获得期望的振荡。此外，在该实施例中， 尽管主磁极61和屏蔽62直接临近层叠体，但是可以将金属体插入在 该主磁极61或者屏蔽62与层叠体之间以调节从主磁极61和屏蔽62 到层叠体之间的距离。
更具体而言，层叠体还包括设置在振荡层10a相对于电极中间层 22的相对侧处的电极(这里为主磁极61)与振荡层10a之间的偏置层 20 (第五磁层)，其具有低于由主磁极61施加的磁场的矫顽力。
下面描述该实施例的磁记录头5的操作。
偏置层20的矫顽力和自旋注入层30的矫顽力低于来自主磁极61 的磁场。因此，在写入操作时，偏置层20和自旋注入层30沿与来自 主磁极61的磁场方向相同的方向被磁化。与第一实施例相似，由于自 旋注入层30的磁化方向与振荡层10a的磁化方向相对于来自主磁极 61的磁场方向对称，所以振荡特性不依赖于来自主磁极61的磁场的 极性。因而，在来自主磁极61的磁场为正极性的情况下示例性描述该 振荡原理。
图11是表示由主磁极61产生的磁场在正方向的情况下的操作概 念图。
通过来自主磁极61的磁场，自旋注入层30和偏置层20沿正方向 被磁化。施加到振荡层10a的磁场由"来自主磁极61的磁场与自旋注 入层30的去磁磁场之和"以及"来自偏置层20的交换耦合磁场"组 成。使用来自自旋注入层30的自旋扭矩来平衡这些磁场的总和，从而
导致振荡层10a振荡。
更具体而言，在己经从主磁极61侧通过振荡层10a的电子中，与 自旋注入层30具有相同自旋方向的电子通过该自旋注入层30，而与 自旋注入层30具有相反自旋方向的电子在中间层22与自旋注入层30 之间的界面处被反射。因而，来自自旋注入层30的自旋扭矩作用于振 荡层10a，在该振荡层10a处发生旋进并且其磁化振荡。
而且，在该实施例中，在每个写入时间，自旋注入层30和偏置层 20由来自主磁极61的磁场磁化。这显著降低了由于老化导致的振荡 层10a的去磁效应并且能够制造具有稳定振荡的自旋扭矩振荡器10。 因此，本实施例可以用于提供具有高可靠性的高密度磁记录装置。
图12所示为设置有图11所示的自旋扭矩振荡器10的磁记录头5 的写入操作的曲线图。具体而言，图12A所示为由主磁极61施加到 自旋扭矩振荡器10的磁场与时间变化的关系图；图12B所示为自旋 注入层30的磁化方向与时间变化的关系图；图12C所示为自旋扭矩 振荡器10的振荡层10a的振荡频率与时间变化的关系图；并且图12D 所示为产生的磁场强度与时间变化的关系图。
振荡频率与施加到振荡层10a的磁场强度成比例。因而，通过提 供具有偏置层20的振荡层10a，振荡层10a可以以更高的频率操作。 如图12C所示，自旋扭矩振荡器10的振荡频率达到30GHz。
为了实现超高密度记录，关键是防止介质的热涨落。这需要提高 介质矫顽力(Hc)，而这将同时增加介质的共振频率和自旋扭矩振荡 器10所需的振荡频率。相比而言，与具有图11所示结构的自旋扭矩 振荡器10的组合也能够向具有超高密度记录的高Hc介质进行写入。
应该注意，为了优化振荡频率，可以在偏置层20和振荡层10a之 间插入非磁层。该非磁层优选由诸如Cu、 Pt、 Au、 Ag、 Pd或者Ru 的贵金属制成，或者可以由诸如Cr、 Rh、 Mo或者W的非磁过渡金属 制成。
而且，上述参照第一实施例描述的材料及其层叠膜也可以用于该 自旋注入层30和振荡层10a以获得类似的效果。
第三实施例
接下来，描述本发明的第三实施例。
图13所示为设置有根据本发明第三实施例的自旋扭矩振荡器10 的磁记录头5的示意性结构透视图。
在该实施例中，将屏蔽62放置在主磁极61的后侧上，并且将自 旋扭矩振荡器10设置在主磁极61和屏蔽62之间。主磁极61和与层 叠体相对的屏蔽62的表面平行于自旋扭矩振荡器10的层叠方向(层 厚方向)。以垂直于层叠方向的方向磁化该自旋注入层30和振荡层 10a，即，沿从主磁极61到屏蔽62的方向或者沿相反方向。尽管图 13中没有示出自旋扭矩振荡器10的电极，但是能够沿与自旋注入层 30、中间层22和振荡层10a的层叠方向平行的方向传输电流的电极连 接到自旋扭矩振荡器IO。而且，自旋扭矩振荡器10与主磁极61和屏 蔽62绝缘。因而，在写入操作时，可以防止由主磁极61产生的涡电 流效应。在图13所示的示例中，自旋扭矩振荡器10的层叠方向垂直 于介质移动方向85，然而，本发明并不局限于该具体实施例。自旋扭 矩振荡器10的层叠方向可以平行于介质移动方向85。
磁通聚焦层40a (第三磁层)设置在自旋扭矩振荡器IO和主磁极 61之间。该磁通聚焦层40a可以由具有相对高饱和磁通密度并且在纵 向于膜平面的方向上具有磁各向异性的CoFe、CoNiFe、NiFe、CoZrNb、 FeN、 FeSi或者FeAlSi的软磁材料制成。而且，磁通聚焦层40b (第 四磁层)设置在自旋扭矩振荡器10和屏蔽62之间。该磁通聚焦层40b 可以由具有相对高饱和磁通密度并且在纵向于膜平面的方向上具有磁 各向异性的CoFe、 CoNiFe、 NiFe、 CoZrNb、 FeN、 FeSi或者FeAlSi
的软磁材料制成。
随着频率的增加，从磁记录介质80到主磁极61和屏蔽62的距离 减小。因而，由主磁极61产生的磁场倾向于指向磁记录介质80。因 而，设置作为软磁的磁通聚焦层40a和40b以将来自主磁极61的磁场 聚焦到自旋扭矩振荡器10上。该磁通聚焦层40a和40b用于将由主磁 极61产生的磁场导向自旋扭矩振荡器10。
设置Bsa和Bsb为磁通聚焦层40a和40b中的饱和磁通密度，并
且设置Qa和Qb为由自旋扭矩振荡器10所对的磁通聚焦层40a和40b 的立体角。当磁通聚焦层饱和时，施加到自旋扭矩振荡器10的磁场为
H = BsaxQa + BsbxQb (1)
因而，为了有效地向自旋扭矩振荡器IO施加磁场，优选尽可能增 加磁通聚焦层的饱和磁化强度(Ms)。此外，可以通过縮小主磁极61 与屏蔽62之间的距离和/或增加磁通聚焦层40a和40b的尺寸而增大 该磁通聚焦层的立体角Q。
而且，为了有效地将磁通聚焦到自旋扭矩振荡层10，主磁极61 可以与磁通聚焦层40a层叠和/或屏蔽62可以与磁通聚焦层40b层叠。 另一方面，为了有效地将来自主磁极61的磁场施加到介质，可以在主 磁极61和磁通聚焦层40a之间或者在屏蔽62和磁通聚焦层40b之间 层叠非磁材料，即非磁金属或者绝缘体。
接下来描述根据该实施例的磁记录头5的操作。
自旋注入层30的矫顽力低于来自主磁极61的磁场。因而，在写 入操作时，自旋注入层30沿与来自主磁极61的磁场方向相同的方向 磁化。与第一实施例类似，由于自旋注入层30的磁化方向与振荡层 10a的磁化方向相对于来自主磁极61的磁场方向对称，故该振荡特性 不依赖于来自主磁极61的磁场的极性。因而，在来自主磁极61的磁 场为正极性的情况下示例性描述该振荡原理。
图14是在从主磁极61朝向自旋扭矩振荡器10的正方向上产生磁 场的情况下的操作概念图。
通过来自主磁极61的磁场，自旋注入层30沿正方向磁化。施加 到振荡层10a的磁场由"来自主磁极61的磁场与来自磁通聚焦层的磁 场之和"组成。使用来自自旋注入层30的自旋扭矩来平衡该磁场，从 而导致振荡层10a产生振荡。
具体而言，在已经通过振荡层10a的电子中，与自旋注入层30具 有相同自旋方向的电子通过该自旋注入层30，而与该自旋注入层30 '具有相反自旋方向的电子在中间层22和自旋注入层30之间的界面处
被反射。因而，来自自旋注入层30的自旋扭矩作用于振荡层10a，由 此发生旋进，产生振荡。
而且，在每个写入时间，自旋注入层30被来自主磁极61的磁场 磁化。这显著地降低了振荡层10a由于老化而产生的去磁效应并且能 够制造具有稳定振荡的自旋扭矩振荡器10。因而，本实施例可以用于 提供具有高可靠性的高密度磁记录装置。
而且，为了获得稳定振荡，振荡层10a优选在垂直于气垫面(ABS) 100的方向上和在其层叠方向上具有相同的尺寸。
为了获得适合的振荡频率，振荡层10a可以由在第一实施例中描 述的材料及其层叠膜制成。为了使自旋注入层30的矫顽力适应来自主 磁极61的磁场强度，自旋注入层30可以由在第一实施例中描述的材 料及其层叠膜制成。
为了增加频率，如本发明第二实施例所述，可以临近振荡层10a 设置偏置层20。
本实施例中剩余的头配置、操作原理以及效果与在第一实施例中 描述的相同。
自旋扭矩振荡层10的各磁层在图10中的层叠方向上以及在图13 中的共平面方向上可以具有易磁化轴。该易磁化轴可以通过生长晶体 而固定，从而对于例如CoPt基材料，c轴沿着该易磁化轴导向。
第四实施例
接下来描述本发明的第四实施例。
图15是根据本发明第四实施例的磁记录头5的示意性结构的透 视图。
如图15所示，根据本发明第四实施例的磁记录头5设置有放置 于主磁极61的后侧上的屏蔽62，并且自旋扭矩振荡器IO的层叠体设 置在主磁极61和屏蔽62之间。从主磁极61到屏蔽62的方向基本上 平行于自旋扭矩振荡层10的层叠方向(该层厚方向)。自旋注入层30 和振荡层10a以基本上平行于层叠方向的方向被磁化，即，以从主磁 极61到屏蔽62的方向或者相反的方向。
应该注意，在根据本实施例的磁记录头5中，屏蔽62用作在自 旋注入层30侧上的电极41并且主磁极61用作在振荡层10a侧上的电 极42。也就是说， 一对电极示例性地为主磁极61和屏蔽62。显然， 主磁极61和屏蔽61的背间隙部分彼此电绝缘。此外，在该实施例中， 尽管主磁极61和屏蔽62直接相邻层叠体，但是可以在主磁极61或屏 蔽62与层叠体之间插入金属体，以调节从主磁极61和屏蔽62到层叠 体的距离。
振荡层10a可以例如由厚度为10埃的CoFe和厚度为60埃的NiFe 的层叠体制成。中间体22可以例如由厚度为20埃的Cu制成。而且， 注入层30和偏置层20可以由例如添加有5 at% Os的厚度为400埃的 CoCr合金制成。
应该注意，振荡层10a和中间层22可以由参照第一实施例描述 的材料以及具有层叠结构的材料制成。
而且，自旋注入层30和偏置层20可以示例性地由诸如CoPt合 金等，而非CoCr合金，的Co基硬磁金属制成。更具体地，自旋注入 层30和偏置层20可以由具有以垂直方向磁化的各种材料制成。而且， 对于具有以垂直方向磁化的各种材料，诸如Co基硬磁合金等的添加 元素，可以由诸如Ru、 W、 Re、 Ir、 Sm、 Eu、 Tb、 Gd、 Dy、 Ho、 Rh、 Pd，而非Os，的元素制成。更具体地，自旋注入层30和偏置层20的 至少之一可以包含从由Ru、 W、 Re、 Os、 Ir、 Sm、 Eu、 Tb、 Gd、 Dy、 Ho、 Rh和Pd组成的组中选择的至少一种。
这些元素增强了 s-d相互作用或自旋-轨道相互作用，因此阻尼常 数可以从正常的0.02增加到0.05-0.5。
图16所示为在根据本发明第四实施例的磁记录头中磁化反演时 间与阻尼常数之间关系的曲线图。
具体而言，图16示出在从主磁极61到自旋扭矩振荡器10的磁 场方向从正方向变化为负方向时，自旋注入层30或偏置层20的磁化 反演时间与阻尼常数之间的关系。
磁化反演时间是指在从主磁极61施加到自旋注入层30的磁场从 +5kOe瞬时反演到-60kOe时，用于自旋注入层30的磁化从正方向到
负方向的反演的时间。
自旋注入层30或偏置层20正常的阻尼常数约为0.02，如图16 所示磁化反演时间为0.64ns。另一方面，用于来自主磁极61的磁场从 正方向反演到负方向的反演时间为0.3ns。即，该情况下磁化反演时间 大约是用于该磁场的反演的时间的两倍，因而在来自主磁极61的磁场 反演时，自旋注入层30和偏置层20的磁化反演滞后而造成振荡不稳 定。结果，在磁化反演区域中的介质上难以实现0/1的记录，特别是 难以实现满意的重写特性。
另一方面，在根据本实施例的磁记录头5中，自旋注入层30和 偏置层20的阻尼系数为0.1，并且如图16所示，磁化反演时间为 0.29ns。用于将来自主磁极61的磁场从正方向反演到负方向的时间为 0.3ns，并且基本上等于磁化反演时间。因此，自旋注入层30和偏置 层20的磁化以与来自主磁极61的磁场的反演速度基本上相同的速度 反演。结果，根据本实施例的磁记录头5能够削弱射频磁场产生以在 来自主磁极61的磁场反演处最小化，从而允许稳定的磁记录。
而且，自旋注入层30和偏置层20的阻尼系数的增加允许通过改 善振荡层10a的振荡效率而更加有效地对介质执行磁记录。这将在下
面描述o
磁层开始由自旋扭矩振荡的临界驱动电流密度Jc可以由用下式
表不
^=(^+服—5認)^^ (2)
其中Hext为来自外部磁场的交换耦合磁场与临近磁材料之和， Hk为各向异性磁场，Bs为饱和磁通密度(即，4ITMs)、 Nd为去磁场 常数，a为阻尼常数，e为元电荷(elementary electric charge), 5为膜 厚，po为极性并且h为普朗克常数。
如公式2所示，由于临界驱动电流密度Jc与阻尼常数成比例，自 旋注入层30的临界驱动电流密度Jc由于自旋注入层30的阻尼常数的 增加而增加，并且该自旋注入层30变得难于旋转。结果，自旋扭矩的 能量到振荡层10a的有效注入成为可能。而且，振荡层10a的驱动电 流密度和振荡层10a的MW可以与自旋注入层30的临界驱动电流密度 Jc的增加而成比例地增加。此时，由于振荡层10a的MW与射频磁场 强度成比例，故作用于介质的射频磁场强度增加。该射频磁场强度需 要介质的Hk的大约10。/。，该射频磁场强度的增加允许更高的Hk介质， 即，要进行记录的更高Ku介质，并且可以进一步实现更高密度的记 录。
而且，由于振荡层10a和偏置层20直接层叠，经由从偏置层20 到振荡层10a的交换耦合力和实质的交换耦合磁场，在偏置层20的界 面处的部分磁化在振荡层10a的振荡影响下而振荡。这里，通过增加 偏置层20的阻尼常数，在偏置层20的界面处很难发生振荡，并且允 许从偏置层20到振荡层10a的交换耦合磁场实质地增加。随着交换耦 合磁场增加，振荡频率也增加。而且，在微波辅助磁记录中，需要使 振荡频率与介质的共振频率一致。由于磁材料的共振频率与各向异性 磁场(Hk)强度成比例，该振荡层10a振荡频率的增加允许较高的 Hk介质，g卩，使用高Ku介质。结果，可以进一步实现高密度的记录。
应该注意，为了优化偏置层20和自旋注入层30的振荡特性和临 界驱动电流密度Jc，添加到偏置层20和自旋注入层30的元素(Ru、 W、 Re、 Os、 Ir、 Sm、 Eu、 Tb、 Gd、 Dy、 Ho、 Rh、 Pd等)以及添加 的量可以分别不同。
第五实施例
接下来描述本发明的第五实施例。
图17所示为根据本发明第五实施例的磁记录头5的示意性结构 的透视图。
如图17所示，根据本发明第五实施例的磁记录头5设置有放置 在主磁极61的后侧上的屏蔽62，并且在主磁极61和屏蔽62之间设 置自旋扭矩振荡器10。从主磁极61到屏蔽62的方向基本上垂直于自 旋扭矩振荡器10的层叠方向(层厚方向)。自旋注入层30和振荡层 10a以基本上垂直于层叠方向的方向被磁化，即，以从主磁极61到屏
蔽62的方向或者以相反的方向。
应该注意，简化了位于自旋注入层30侧上的电极41和位于振荡 层10a侧上的电极42。
振荡层10a可以由例如厚度为10埃的CoFe与厚度为60埃的NiFe 的层叠体制成。中间层22可以由例如厚度为20埃的Cu制成。而且， 注入层30可以由例如厚度为400埃的CoCr合金制成。临近自旋注入 层30的电极41可以由例如厚度为40埃的Pt与厚度为40埃的Ru的 层叠体制成。
临近自旋注入层30的电极41可以由包含从如下组中选择的至少 一种的材料制成由具有短自旋散射距离的Ru、 Rh、 Pd、 Ir和Pt组 成的组。而且，电极41可以由包含合金的材料制成，该合金由从如下 组中选择的至少两种组成由Ru、 Rh、 Ir和Pt组成的组。
电极41可以由具有第一层和第二层的层叠膜制成，该第一层包 含从如下组中选择的至少一种的材料制成由具有长自旋散射距离的 Cu、 Au、 Ag和Al组成的组，并且第二层包含从如下组中选择的至少 一种的材料制成由具有短自旋散射距离的Ru、 Rh、 Pd、 Ir和Pt组 成的组。
而且，电极41可以由具有层和合金的层叠膜制成，该层包含从 如下组中选择的至少一种的材料制成由具有长自旋散射距离的Cu、 Au、 Ag和Al组成的组，并且该合金包含从如下组中选择的至少两种 由具有短自旋散射距离的Ru、 Rh、 Pd、 Ir和Pt组成的组。
而且，电极41可以由合金和膜的层叠膜制成，该合金包含从如 下组中选择的至少两种由具有长自旋散射距离的Cu、 Au、 Ag和Al 组成的组，并且该膜包含从如下组中选择的至少一种由具有短自旋 散射距离的Ru、 Rh、 Pd、 Ir和Pt组成的组。
而且，电极41可以由具有第一合金和第二合金的层叠膜制成， 该第一合金包含从如下组中选择的至少两种由具有长自旋散射距离 的Cu、 Au、 Ag和Al组成的组，并且该第二合金包含从如下组中选择 的至少两种由具有短自旋散射距离的Ru、 Rh、 Pd、 Ir和Pt组成的 组。
使用上述材料作为用于电极41的材料可以使自旋注入层30的阻 尼常数增加。这允许通过在本发明第四实施例中描述的增加自旋注入 层30的阻尼常数而实现稳定的磁记录并且执行更高密度的记录。
图18为示出根据本发明第五实施例的磁记录头5中自旋扭矩特 性的概念图。
具体而言，图18是表明位于自旋注入层30侧的电极41使用具 有短自旋散射距离的材料以增加自旋注入层30的阻尼常数的原因的 概念图。
如图18所示，当磁化由于自旋注入层30的磁化涨落而旋转时， 自旋流31从自旋注入层30流入电极41。该自旋流31从自旋注入层 30的磁化获得角动量。由于电极41的自旋散射距离较短，到达电极 41的自旋流在与自旋注入层30的交界处附近被完全吸收，几乎没有 自旋流从电极41返回到自旋注入层30。因而，自旋流31的几乎所有 角动量在电极41处被散射。更具体而言，当由具有短自旋散射距离的 材料制成的电极41临近具有旋转磁化的自旋注入层30时，这等效于 以减弱旋转的方向从电极41施加自旋扭矩32，并且对应于阻尼常数 的有效增加。
应该注意，层叠膜中的阻尼常数类似地降低，在该层叠膜中自旋 注入层30，具有长自旋散射距离的材料与具有短自旋散射距离的材料 依次层叠，并且具有长自旋散射距离的材料的厚度小于该自旋散射距 离。正是由于这个原因，在自旋注入层30中产生的自旋流在通过具有 长自旋散射距离的材料期间没有阻碍地到达具有短自旋散射距离的材 料处。
当提供偏置层20时，临近偏置层20的电极42可以由包含从如 下组中选择的至少一种的材料制成由具有短自旋散射距离的Ru、Rh、 Pd、 Ir和Pt组成的组，而且，临近偏置层20的电极42可以由包含从 如下组中选择的至少两种的合金制成由Ru、 Rh、 Pd、 Ir和Pt组成的组。
与上述电极41类似，电极42可以由具有第一膜或者第一合金以 及第二膜或者第二合金的层叠膜制成，该第一膜包含从如下组中选择 的至少一种的材料制成由具有长自旋散射距离的Cu、 Au、 Ag和Al
组成的组，该第一合金包含从如下组中选择的至少两种由具有长自
旋散射距离的Cu、 Au、 Ag和Al组成的组，该第二膜包含从如下组中
选择的至少一种的材料制成由具有短自旋散射距离的Ru、 Rh、 Pd、
Ir和Pt组成的组，并且该第二合金包含从如下组中选择的至少两种 由具有短自旋散射距离的Ru、 Rh、 Pd、 Ir和Pt组成的组。
使用上述材料作为电极41的材料可以使偏置层20的阻尼常数增 加。允许阻尼常数增加的原因与上述自旋注入层30的阻尼常数增加的 原因相同。与第四实施例类似，使用上述这些电极材料增加偏置层20 的阻尼常数使根据该实施例的磁记录头5能够执行更高密度的记录。
应该注意，在不提供偏置层20时，电极42可以包含从如下组中 选择的至少一种由Ru、 Rh、 Pd、 Ir和Pt组成的组。
而且，电极41和电极42可以均包含从如下组中选择的至少一种 由Ru、 Rh、 Pd、 Ir和Pt组成的组。
而且，如在第四实施例中所述，自旋注入层30和偏置层20的至 少之一可以包含从如下组中选择的至少一种由Ru、 W、 Re、 Os、 Ir、 Eu、 Tb、 Gd、 Dy、 Ho、 Rh和Pd组成的组，并且电极41和电极42 的至少之一可以同时包含从如下组中选择的至少一种由Ru、 Rh、 Pd、 Ir和Pt组成的组。
第六实施例
接下来描述本发明的第六实施例。
图19所示为根据本发明第六实施例的磁记录头5的示意性结构 的透视图。
如图19所示，根据本发明第六实施例的磁记录头5设置有放置 在主磁极61的后侧的屏蔽62，并且在主磁极61和屏蔽62之间设置 自旋扭矩振荡器10的层叠体。从主磁极61到屏蔽62的方向基本上平 行于自旋扭矩振荡器IO的层叠方向(层厚方向)。自旋注入层30和振 荡层10a以基本上平行于层叠方向的方向被磁化，即，以从主磁极61 到屏蔽62的方向或者以相反的方向。
进一步提供临近自旋注入层30的第二偏置层(第六磁层)91和 临近偏置层20的第三偏置层(第七磁层)92。这些第二偏置层91和 第三偏置层92以基本上平行于自旋扭矩振荡器10的层叠方向被磁化， 即，以从主磁极61到屏蔽62的方向或者以稍微垂直于层叠方向的相 反的方向。
更具体地，第二偏置层(第六磁层)91的易磁化轴基本上垂直于 与层叠体相对的主磁极61的表面的法线方向。第三偏置层(第七磁层) 92的易磁化轴也基本上垂直于与层叠体相对的主磁极61的表面的法 线方向。
而且，第二偏置层(第六磁层)91的晶体各向异性磁场的绝对值 大于或者等于该第二偏置层(第六磁层)91的饱和通量密度的一半。 第三偏置层(第七磁层)92的晶体各向异性磁场的绝对值大于或者等 于该第三偏置层(第七磁层)92的饱和通量密度的一半。
应该注意，在根据该实施例的磁记录头5中，屏蔽62用作位于 自旋注入层30侧上的电极41，并且主磁极61用作位于振荡层10a侧 上的电极42。 g卩，这种情况下， 一对电极为主磁极61和屏蔽62。主 磁极61和屏蔽62的背间隙部分彼此电绝缘。尽管在该实施例中，主 磁极61和屏蔽62直接临近层叠体，但是可以在该主磁极61或者屏蔽 62与层叠体之间插入金属体以调节从主磁极61和屏蔽62与层叠体之 间的距离。
在与电流方向垂直的方向上，自旋扭矩振荡器的尺寸为例如600 埃X600埃。临近偏置层20的第三偏置层92可以由例如具有100埃 膜厚的Colr制成。偏置层20可以由例如具有400埃膜厚的CoCr合金 制成。振荡层10a可以由例如具有30埃膜厚的FeCo、具有30埃膜厚 的NiFe、具有30埃膜厚的FeCo以及具有30埃膜厚的NiFe依次层叠 的层叠体制成。中间层可以由例如具有30埃膜厚的Cu制成。自旋注 入层30可以由例如具有200埃膜厚的CoPt合金制成。临近自旋注入 层30的第二偏置层91可以由例如具有50埃膜厚的FeCo制成。
应该注意，振荡层10a和中间层22可以基于在第一实施例中描 述的材料和层叠结构。
而且，偏置层20和自旋注入层30可以由诸如CoCr合金等的Co 基硬磁合金制成。为了将偏置层20和自旋注入层30设置为单个磁畴 或者在记录间隙的范围内，可以将这些膜厚适当地调节在IOO埃和SOO 埃之间。
此外，在第四实施例中描述的添加元素也可以添加到自旋注入层30。
第二偏置层91和第三偏置层92可以基于在第一实施例中描述的 高Bs软磁材料和诸如Cok等具有负单轴晶体各向异性的材料及其层 叠结构。当改变第二偏置层91和第三偏置层92的材料或者层叠结构 时，可以调节第二偏置层91和第三偏置层92的饱和通量密度和晶体 各向异性磁场并且可以调节磁化反演时间。
图20所示为根据本发明第六实施例的磁记录头5的特性的曲线图。
具体而言，图20表明紧邻自旋注入层30的第二偏置层91的饱 和通量密度与自旋注入层30的磁化反演时间之间的关系。
在图20中，通过将第二偏置层91作为NiFe和FeCo的层叠体并 且改变NiFe和FeCo的膜厚比，第二偏置层91的饱和通量密度从 800emu/cc变化为1950emu/cc。以与第四实施例描述的相同方式定义 磁化反演时间。
如图20所示，在不设置第二偏置层91 (纵向偏置层)时，磁化 反演时间为0.65ns，但是将第二偏置层91 (纵向偏置层)层叠在自旋 注入层30上将磁化反演时间縮短到0.56-0.29ns。
按照这种方式，磁化反演时间的縮短能够削弱射频磁场产生以在 来自主磁极的磁场反演处最小化，这允许稳定的磁记录。特别是，第 二偏置层91的饱和通量密度越高，磁化反演时间就变得越短。这是因 为，随着第二偏置层91的饱和通量密度的增加，形状各向异性的影响 变得更大，并且第二偏置层91的纵向磁化分量变得更大。通过交换耦 合力，与第二偏置层91的纵向磁化分量成比例的纵向扭矩施加到自旋 注入层30，该扭矩越大，越有可能实现高速磁化反演。
应该注意，上述临近自旋注入层的第二偏置层91的特性也可以
应用于临近偏置层20的第三偏置层92。
另一方面，当自旋注入层30与第二偏置层91之间的交换耦合力 太强时，由于来自自旋注入层的垂直扭矩，第二偏置层91会被垂直磁 化。在这种情况下，由于第二偏置层90中没有纵向磁化分量，所以没 有纵向扭矩分量施加到自旋注入层30，并且磁化反演时间变得不可能 减少。为了避免类似这种情形，可以通过插入非磁层但不与自旋注入 层30和第二偏置层91直接重叠来调节自旋注入层30与第二偏置层 91之间的交换耦合力。
可以类似地通过在偏置层20与临近偏置层20的第三偏置层92 之间插入非磁层而调节这些层之间的交换耦合力。
而且，在磁化反演处会有过沖电流(overshoot current)经过主磁 极线圈。该过冲电流使磁化反演时间降低。这是因为，过冲电流增加 了从主磁极61到自旋扭矩振荡器10的磁场和扭矩。可以调节过冲电 流的幅值、上升时间、保持时间和下降时间以优化记录的比特误码。
而且，为了较早地反演振荡层10a的振荡状态，可以在磁化反演 处向驱动电流叠加电流脉冲。也可以在对应于偏置层20和自旋注入层 30的磁化反演的磁化反演处反演振荡层10a的振荡方向。向驱动电流 叠加电流脉冲增加了可以通过该脉冲电流增加到振荡层10a的扭矩。 结果，允许振荡层10a以快速响应偏置层20和自旋注入层30的磁化 反演来反演其振荡方向。可以调节脉冲电流的强度、上升时间、保持 时间、下降时间以及脉冲开始时间对磁化反演的拖延和延迟以优化记
录的重写和比特错误率。
应该注意，根据上述本实施例的磁记录头5既设置有临近自旋注 入层30的第二偏置层91又设置有临近偏置层20的第三偏置层92， 然而本发明并不局限于此，可以设置临近自旋注入层30的第二偏置层 91和临近偏置层20的第三偏置层92的任意其中之一。这可以减少磁 化反演时间并且能够进行稳定的磁记录。
第七实施例
接下来描述本发明的第七实施例。
图21是根据本发明第七实施例的磁记录头5的示意性结构的透 视图。
如图21所示，根据本发明第七实施例的磁记录头5设置有放置 在主磁极61的后侧上的屏蔽62，并且在主磁极61和屏蔽62之间设 置自旋扭矩振荡器10的层叠体。从主磁极61到屏蔽62的方向基本上 平行于自旋扭矩振荡器10的层叠方向(层厚方向)。自旋注入层30 和振荡层10a以基本上平行于层叠方向的方向被磁化，即，以从主磁 极61到屏蔽62的方向或者以相反的方向。
设置临近自旋注入层30的第二偏置层(第六磁层)91。第二偏 置层91以平行于从主磁极61到屏蔽62的方向或者稍微倾斜地垂直于 层叠方向的相反方向被磁化。
自旋扭矩振荡器10的振荡层10a可以由例如具有30埃膜厚的 FeCo和具有90埃厚度的CoFeB的层叠体制成。中间层22可以由例 如具有30埃膜厚的Cu制成。自旋注入层30可以由例如具有200埃 厚度的CoPt合金制成。
而且，临近自旋注入层30的第二偏置层91可以由例如具有100 埃膜厚的CoIr制成。
而且，在振荡层10a和主磁极61之间设置有包括具有30埃膜厚 的Ta、具有30埃膜厚的Ru以及具有30埃膜厚的Cu的层叠结构体 25。层叠结构体25和主磁极61用作位于振荡层10a侧上的电极42， 而屏蔽62用作位于自旋注入层30侧上的电极41。主磁极61和屏蔽 62的背间隙部分彼此电绝缘。层叠结构体25允许调节主磁极61与振 荡层10a之间的距离，并且允许将记录磁场有效施加到介质上的射频 磁场。可以根据振荡层10a和自旋注入层30的膜厚，在自旋注入层 30和屏蔽之间插入金属体。
应该注意，振荡层10a和中间层22可以基于在第一实施例中描 述的材料和结构。
而且，自旋注入层30可以由诸如CoCr等的Co基硬磁合金制成。 可以将自旋注入层30的膜厚适当地调节在100埃和800埃之间。
此外，在第四实施例中描述的添加元素也可以添加到自旋注入层30.
而且，第二偏置层91可以基于在第一实施例中描述的高Bs软磁 材料和具有负单轴晶体各向异性的材料及其层叠结构。
此时，可以观察到，根据本实施例的磁记录头5的自旋扭矩振荡 器10的磁化反演时间为0.35ns，是快速反演。下面描述其原因。如在 第六实施例中所述，第二偏置层91沿纵向方向被磁化，这对于更快的 磁化反演是关键的。在纵向方向上考虑晶体各向异性和形状各向异性 的有效各向异性磁场可以通常表示为如下公式，并且该值越大，纵向 磁化就越容易
<formula>formula see original document page 31</formula> (3)
其中，Hk为第二偏置层91沿纵向方向的晶体各向异性磁场，Bs 为第二偏置层91的饱和通量密度(即，4nMs，将第二偏置层91的 饱和磁化表示为Ms)， Ndsi为第二偏置层91在垂直方向上的去磁场 系数，Nd關为第二偏置层91在纵向方向上的磁场系数。
Nd^-Nd^通常等于0.5或者更多。由于用于第二偏置层91的 CoIr的饱禾口磁4七为1000emu/cc，可以f寻至U Bs (Nd垂直-Nd纵向)=6.3kOe。 由于第二偏置层91的Coir在垂直方向上的晶体各向异性磁场为 -10kOe，在该公式中，可以有效地认为纵向各向异性磁场为 Hk=+10kOe。结果，第二偏置层91的有效各向异性磁场非常高，Hk有 a=16.3kOe，在纵向上容易被磁化。结果，允许磁化反演时间的速度提 咼°
有效各向异性磁场变大的原因在于，与Bs (Ndgi-Nd,)相比， Colr的晶体各向异性磁场非常大，为10kOe。如上所述，当晶体各向 异性磁场等于Bs (Nd垂直-Nd纵向)或者更大时，晶体各向异性磁场变 得非常大，从而允许第二偏置层91在纵向方向上容易磁化并且可以縮 短磁化反演时间。结果，这可以应用到具有更高传输率的磁记录装置。
应该注意，根据上述本实施例的磁记录头是临近自旋注入层30 设置第二偏置层91的示例，然而本发明并不局限于此，可以设置偏置
层20和临近偏置层20的第三偏置层92。结果，与上述第二偏置层91 相同的机制能够使磁化反演时间的速度提高。
第八实施例
接下来描述本发明的第八实施例。
图22为根据本发明第八实施例的磁记录头5的示意性结构的透视图。
如图22所示，根据本发明第八实施例的磁记录头5设置有放置 在主磁极61的后侧上的屏蔽62，并且在主磁极61和屏蔽62之间设 置自旋扭矩振荡器10。从主磁极61到屏蔽62的方向基本上垂直于自 旋扭矩振荡器10的层叠方向(层厚方向)。自旋注入层30和振荡层 10a以基本上垂直于层叠方向的方向被磁化，即，以从主磁极61到屏 蔽62的方向或者以相反的方向。
在与电流方向垂直的方向上，自旋扭矩振荡器10的尺寸为例如 300埃X500埃。振荡层10a可以由例如具有60埃膜厚的FeCo和具有 90埃膜厚的CoFeB的层叠体制成。中间层22可以由例如具有30埃膜 厚的Cu制成。自旋注入层30可以由例如具有300埃厚度的CoPt合 金制成。第二偏置层91可以由具有50埃膜厚的CoPt制成。
应该注意，振荡层10a和中间层22可以基于在第一实施例中描 述的材料和层叠结构。
为了将自旋注入层30设置为单磁畴或者在记录间隙内，可以将 自旋注入层30的膜厚适当地调节在100埃和800埃之间。
应该注意，在第四实施例中描述的添加元素也可以添加到自旋注 入层30。
第二偏置层91可以由诸如CoCr合金等的Co基硬磁合金制成。 而且，自旋注入层30和第二偏置层91可以不直接层叠。可以通 过插入非磁层来调节这些层之间的交换耦合力。
通过插入偏置层91，根据本实施例的磁记录头5的自旋注入层 30的磁化反演时间变为0.25ns，这可提高磁化反演的速度。这是第二 偏置层91被垂直磁化并且该磁化使垂直方向上的扭矩通过静态磁耦
合和交换耦合施加到自旋注入层30的磁化的原因。
第二偏置层91被垂直磁化的条件通过如下公式表示
Hk — Bs(Nd垂直一Nd纵向)〉0 (4)
其中，Hk为第二偏置层91在纵向方向上的晶体各向异性磁场， Bs为第二偏置层91的饱和通量密度(4nMs，将第二偏置层91的饱 和磁化表示为Ms)， Ndas为第二偏置层91在垂直方向上的去磁场系 数，Nd纵向为第二偏置层91在纵向方向上的磁场系数。由于Nd垂直-Nd ^通常等于0.5或更大，需要晶体各向异性磁场为饱和通量密度 (Bs=4nnMs)的一半或者更多，从而使第二偏置层91被垂直磁化。 类似这样条件的饱和可以提高磁化反演时间的速度并且以更高传输率 应用。
应该注意，根据上述本实施例的磁记录头5为临近自旋注入层30 设置第二偏置层91的示例，然而本发明并不局限于此，可以设置偏置 层20和临近偏置层20的第三偏置层92。结果，上述关于第二偏置层 91的描述可以用于说明第三偏置层92的特性。
第九实施例
接下来描述本发明的第九实施例。
图23是根据本发明第九实施例的磁记录头5的示意性结构的透 视图。
如图23所示，根据本实施例的磁记录头5与图15所示的磁记录 头的不同之处在于自旋扭矩振荡器10的结构。即，用作第二偏置层 91和第三偏置层92的类似层具有分别在自旋注入层30和偏置层20 中层叠的结构。
具体而言，自旋注入层30具有第八磁层(磁层96和磁层98)以 及层叠在第八磁层上的第九磁层(磁层97)。第九磁层(磁层97)具 有高于第八磁层(磁层96和磁层98)的磁通密度。
而且，偏置层20具有第十磁层(磁层93和磁层95)以及层叠在
第十磁层上的第十一磁层(磁层94)。第H^—磁层(磁层94)具有高 于第十磁层(磁层93和磁层95)的饱和磁通密度。
更具体而言，第九磁层用作上述的第二偏置层91，而第十一磁层 用作上述的第三偏置层92。结果，与上述第二偏置层91和第三偏置 层92相同的效果可以提高磁化反演时间的速度并且以更高的传输率 应用。
图23所示的磁记录头5示例为自旋注入层30和偏置层20分别 具有第八磁层和第九磁层的层叠结构，以及第十磁层和第H^ —磁层的 层叠结构。然而，自旋注入层30和偏置层20其中任意一个可具有第 八磁层和第九磁层的层叠结构或第十磁层和第十一磁层的层叠结构。
图23所示的磁记录头5具有自旋注入层30，该自旋注入层30具 有由两个第八磁层(磁层96和98)夹着的第九磁层(磁层97)的结 构。然而，第八磁层也可以是单层，第九磁层层叠在该单个第八磁层 上。类似地，第十磁层可以是单层，第H^ —磁层层叠在该第十磁层上。
而且，自旋注入层30和偏置层20其中至少任意之一可以设置有 该实施例中描述的第八磁层和第九磁层的层叠结构或者第十磁层和第 十一磁层的层叠结构，并且可以同时设置在第六实施例中描述的第二 偏置层91和第三偏置层92的任意之一。
而且，可以同时使用本实施例中描述的具有第八、第九、第十和 第十一磁层的结构，具有第二、第三偏置层的结构以及在第四、第五 实施例中描述的材料。
第十实施例
接下来描述根据本发明第十实施例的磁记录装置。更具体地，将 参照图1到4、6到7和10到23描述的本发明的磁记录头5示例性地 结合到集成记录-再生磁头组件中，该磁头组件可以安装在磁记录/再 生装置上。
图24为该磁记录/再生装置的示意性结构的原理性透视图。 具体而言，本发明的磁记录/再生装置150为基于旋转式致动器的 装置。在该图中，记录介质盘(介质盘)180安装在轴152上并且响
应于来自驱动控制器(未示出)的控制信号，通过电机(未示出)沿
箭头A的方向旋转。本发明的磁记录/再生装置150可以包括多个介质 盘180。
用于记录/再生存储在介质盘180上的信息的头滑块3具有上述参 照图2描述的结构并且附接到薄膜悬梁154的顶端。这里，根据上述 任一实施例的磁记录头被示例性地安装在头滑块3的顶端附近。
当介质盘180旋转时，头滑块3的气垫面(ABS) IOO与介质盘 180的表面保持指定的浮置量。可选地，也可以使用所谓的"接触-移 动类型"的头滑块，该头滑块与介质盘180接触。
悬梁154连接到包括用于保持驱动线圈(未示出)的线轴的致动 器臂155的一端。作为一种线性电机的音圈电机156设置在致动器臂 155的另一端上。音圈电机156由缠绕在致动器臂155的线轴周围的 驱动线圈(未示出)以及包括永久磁体和相对磁轭以将线圈夹在其间 的磁电路组成。
致动器臂155由滚珠轴承(未示出)保持，该滚珠轴承设置在轴 157的上面和下面的两个位置处并且可以通过音圈电机156滑动地旋 转。
图25为从介质盘侧观看的位于致动器臂155前面的磁头组件160 的放大透视图。具体而言，磁头组件160具有致动器臂155，该致动 器臂155示例性地包括用于保持驱动线圈的线轴，并且悬梁154连接 到致动器臂155的一端。
悬梁154的顶部附接到包括上面参照图1到4、图6到23描述的 磁记录头5的任意之一的头滑块3上。悬梁154具有用于写入和读取 信号的引头164。引头164电连接到结合在头滑块3中的磁头的每个 电极。在图中，附图标记165表示磁头组件160的电极焊盘。
根据本发明，通过使用上面参照图1到4和图6到23描述的磁 记录头，可以以比现有技术更高的记录密度在垂直磁记录介质盘180 上可靠地记录信息。这里，为了有效的微波辅助磁记录，优选地，所 使用的介质盘180的共振频率几乎等于自旋扭矩振荡器10的振荡频 率。
图26为可以用于本实施例的磁记录介质的示意图。 具体而言，本实施例的磁记录介质1包括通过非磁材料(或者空 气)87分隔开的垂直取向的多粒子离散磁道(记录磁道)86。当通过 轴电机4旋转该介质1并且将其朝向介质移动方向85移动时，可以通 过上面参照图1到4和图6到23描述的磁记录头5产生记录磁化84。 通过在记录磁道的宽度方向上将自旋扭矩振荡器10的宽度(TS) 设置为不低于记录磁道86的宽度(TW)并且不高于记录磁道间距 (TP)，可以显著地防止由于来自自旋扭矩振荡器10的泄露的高频磁 场导致的相邻记录磁道中矫顽力的降低。因而，在该示例的磁记录介 质1中，只有要被记录的记录磁道86有效地受到微波辅助磁记录的影 响。
根据本实施例，与使用由所谓的"覆盖膜(blanket film)"制成 的多粒子垂直介质相比，可以更容易地实现具有窄磁道，即高磁道密 度，的微波辅助磁记录装置。而且，通过使用微波辅助磁记录方案并 且使用不能由传统磁记录头写入的诸如FePt或者SmCo等具有高磁各 向异性能量(Ku)的磁介质材料，磁介质颗粒可以进一步减小到纳米 级的尺寸。因而，可以也沿记录磁道方向(比特方向)上实现具有比 传统更高的线性记录密度。
图27为可以用于本实施例的另一磁记录介质的示意图。
具体而言，该示例的磁记录介质1包括通过非磁材料87彼此分 隔开的离散磁比特88。当通过轴电机4旋转该介质1并且将其朝向介 质移动方向85移动时，可以通过上面参照图l到4和图6到23描述 的磁记录头5产生记录磁化84。
根据本发明，如图17和18所示，也可以在离散类型的磁记录介 质1中具有高矫顽力的记录层上可靠地执行记录，这允许高密度和高 速度的磁记录。
而且在该示例中，通过在记录磁道的宽度方向上将自旋扭矩振荡 器10的宽度(TS)设置为不低于记录磁道86的宽度(TW)并且不 高于记录磁道间距(TP)，可以有效地防止由于来自自旋扭矩振荡器 10的泄露的高频磁场导致的相邻记录磁道中矫顽力的降低。因而，只有要被记录的记录磁道86有效地受到微波辅助磁记录的影响。根据该 示例，通过减小磁离散比特88的尺寸并且增加其磁各向异性能量 (Ku)，只要可以维持在工作环境下的热涨落电阻，就可能实现具有 10T比特/平方英寸或更高记录密度的微波辅助磁记录装置。
已经参照示例描述了本发明的实施例。然而，本发明并不局限于 上述示例。例如，只要技术上可行，可以将上面参照图1到4、图6 到7和图10到27描述的两个或者多个示例进行组合，并且该组合也 落入本发明的范围内。
艮P，本发明并不局限于这些示例，而是在不偏离本发明的原理的 情况下可以对其进行各种修改，并且这些修改均落入本发明的范围内。
权利要求
1.一种磁记录头，包括主磁极；包括第一磁层、第二磁层和中间层的层叠体，该第一磁层具有低于由所述主磁极施加的磁场的矫顽力，该第二磁层具有低于由所述主磁极施加的磁场的矫顽力，并且该中间层设置在所述第一磁层和第二磁层之间；以及一对电极，用于使电流通过所述层叠体。
2、 根据权利要求1所述的磁记录头，其特征在于，所述第一磁层、中间 层和第二磁层层叠为基本上垂直于介质移动方向。
3、 根据权利要求1所述的磁记录头，其特征在于，所述第一磁层、中间 层和第二磁层层叠为基本上平行于介质移动方向。
4、 根据权利要求1所述的磁记录头，其特征在于， 所述第一磁层的矫顽力低于所述第二磁层的矫顽力，以及 所述电流经由所述一对电极从所述第二磁层传输到所述第一磁层。
5、 根据权利要求1所述的磁记录头，其特征在于，还包括 设置在所述主磁极和所述层叠体之间的第三磁层， 其中所述第三磁层具有高于所述第一磁层的饱和磁通密度。
6、 根据权利要求1所述的磁记录头，其特征在于，还包括屏蔽， 其中所述层叠体夹置在所述屏蔽和所述主磁极之间。
7、 根据权利要求6所述的磁记录头，其特征在于，还包括 设置在所述屏蔽和所述层叠体之间的第四磁层， 其中所述第四磁层具有高于所述第一磁层的饱和磁通密度。
8、 根据权利要求1所述的磁记录头，其特征在于，还包括 设置在所述电极其中之一与所述第一磁层之间的第五磁层， 其中所述第五磁层具有低于由所述主磁极施加的磁场的矫顽力。
9、 根据权利要求8所述的磁记录头，其特征在于，所述第五磁层包含从以下组中选择的至少一种材料该组由RU、 W、Re、 Os、 Ir、 Sm、 Eu、 Tb、 Gd、 Dy、 Ho、 Rh和Pd组成。
10、 根据权利要求l所述的磁记录头，其特征在于，所述第二磁层包含从以下组中选择的至少一种材料该组由RU、 W、Re、 Os、 Ir、 Sm、 Eu、 Tb、 Gd、 Dy、 Ho、 Rh和Pd组成。
11、 根据权利要求l所述的磁记录头，其特征在于， 所述一对电极中比另一电极更靠近所述第二磁层的电极包含从以下组中选择的至少一种材料由Ru、 Rh、 Pd、 Ir和Pt组成的组。
12、 根据权利要求8所述的磁记录头，其特征在于，所述一对电极中比另一电极更靠近所述第五磁层的电极包含从以下组中 选择的至少一种材料由Ru、 Rh、 Pd、 Ir和Pt组成的组。
13、 根据权利要求l所述的磁记录头，其特征在于， 所述层叠体还包括临近所述第二磁层的第六磁层，所述第二磁层设置在所述第六磁层和所述一对电极其中之一之间，并且 所述第六磁层具有高于所述第二磁层的饱和磁通密度。
14、 根据权利要求13所述的磁记录头，其特征在于， 所述第六磁层的易磁化轴基本上垂直于面对所述层叠体的主磁极表面的法线，并且所述第六磁层的晶体各向异性磁场的绝对值大于或者等于所述第六磁层 的饱和磁通密度的一半。
15、 根据权利要求8所述的磁记录头，其特征在于， 所述层叠体还包括临近所述第五磁层的第七磁层， 所述第五磁层设置在所述第七磁层和所述第一磁层之间，并且 所述第七磁层具有高于所述第五磁层的饱和磁通密度。
16、 根据权利要求15所述的磁记录头，其特征在于， 所述第七磁层的易磁化轴基本上垂直于面对所述层叠体的主磁极表面的法线，并且所述第七磁层的晶体各向异性磁场的绝对值大于或者等于所述第七磁层 的饱和磁通密度的一半。
17、 根据权利要求1所述的磁记录头，其特征在于， 所述第二磁层包括第八磁层和层叠在该第八磁层上的第九磁层，并且 所述第九磁层具有高于所述第八磁层的饱和磁通密度。
18、 根据权利要求8所述的磁记录头，其特征在于， 所述第五磁层包括第十磁层和层叠在该第十磁层上的第十一磁层，并且 所述第十一磁层具有高于所述第十磁层的饱和磁通密度。
19、 一种磁记录装置，包括 磁记录介质；磁记录头，该磁记录头包括 主磁极；包括第一磁层、第二磁层和中间层的层叠体，该第一磁层具有低于 由所述主磁极施加的磁场的矫顽力，该第二磁层具有低于由所述主磁极 施加的磁场的矫顽力，并且该中间层设置在所述第一磁层和第二磁层之 间；以及一对电极，用于使电流通过所述层叠体； 移动机构，其配置为允许彼此相对的所述磁记录介质和所述磁记录头之 间的相对运动，该磁记录介质和磁记录头之间相互间隔开或者彼此接触； 控制器，其配置为将所述磁记录头定位在所述磁记录介质的指定记录位置处；以及信号处理单元，其配置为通过使用所述磁记录头在所述磁记录介质上执 行信号的写入和读取。
20、 根据权利要求19所述的磁记录装置，其特征在于，所述层叠体设 置在所述主磁极的后侧上。
21、 根据权利要求19所述的磁记录装置，其特征在于，所述层叠体设 置在所述主磁极的前侧上。
22、 根据权利要求19所述的磁记录装置，其特征在于，所述磁记录介 质为离散磁道介质，其中相邻的记录磁道经由非磁部件形成。
23、 根据权利要求19所述的磁记录装置，其特征在于，所述磁记录介 质为离散比特介质，其中规则地设置有通过非磁部件隔离的磁记录点。
全文摘要
本发明公开了一种磁记录头，其包括主磁极、层叠体和一对电极。所述层叠体第一磁层、第二磁层和中间层，该第一磁层具有低于由所述主磁极施加的磁场的矫顽力，该第二磁层具有低于由所述主磁极施加的磁场的矫顽力，并且该中间层设置在所述第一磁层和第二磁层之间。所述一对电极可操作地使电流通过所述层叠体。
文档编号G11B5/31GK101373597SQ20081021000
公开日2009年2月25日 申请日期2008年8月22日 优先权日2007年8月22日
发明者山田健一郎, 岩崎仁志, 村上修一, 清水真理子, 甲斐正, 秋山纯一, 船山知己, 高下雅弘, 高岸雅幸 申请人:株式会社东芝