第 4 回 TRIZ シンポジウム 2008 発表論文

#27 鈴木 博之 (日立製作所)

磁気記録媒体の解決しようとした課題と技術の進化
鈴木博之 (株式会社 日立製作所 中央研究所)
概要
金属薄膜を用いた磁気記録媒体は湿式めっき法と乾式めっき法で性能向上が検討されてきた。
本報告では乾式めっき法に着目し、特に物理蒸着法で形成した磁気記録媒体ついて述べる。
1970 年代に入って金属下地層と組み合わせた初期の面内磁気記録用スパッタディスクが開発された。開発の初期から終わりまでの進化をカバーする５件の面内記録媒体の特許は、媒体ノイズと熱揺らぎを低減するために、単層から多層の磁性膜への変換を提案している。この変換は、分割、もう一つの次元、複合材料の利用といった少なくとも 3 つの発明原理を含んでいる。

1. はじめに

２. 面内磁気記録媒体の構成例
2. 1 特許 3,033,577 号
単体の Co を記録層として用いた場合、耐食性の改善が望まれ、Co-X 二元系合金の検討も行なわれた。例えば添加元素 X として Pt[7], Ni[8], Cr[9]等が検討された。このような背景の下、さらに３元合金系へ展開することにより、磁気特性と耐食信頼性の両立を図った Co-Cr-X 合金の例を紹介する。特許 3,033,577 号[10]の発明が解決しようとした課題は、「高記録密度化、高信頼化に関する要求が増々高まって来ている。特に金属磁性薄膜の場合には耐蝕性の向上が最大の課題であり、耐蝕性を向上するために、特開昭 57-15406,57-196508 で述べられているように、磁性金属に Cr, Nb などの第３元素を添加する提案がなされている。しかしこれ等の発明は、ほとんど磁気記録用テープに関するものであり、コンピュータ用ハードディスクなどの様に、信頼性に関してより厳しい仕様を満たすには至っていない。本発明の目的は、金属磁性薄膜の優れた磁気特性を実質的に維持しつつ、改良された耐蝕性を有する Co-Cr 系磁性薄膜から成る磁気ディスク装置用面内磁気記録媒体を与えること」にあった。

遷移金属のコバルト(Co)は飽和磁束密度が大きく、かつ磁気異方性も大きな工業材料であり、金属薄膜の磁気記録材料として注目されてきた。クロム(Cr)下地層上にCo 膜を形成した薄膜は、まず真空蒸着法により研究された[1, 2]。さらに RF スパッタ法により形成されたタングステン(W)下地層と Co 膜を組み合わせた多層膜[3]や、クロム(Cr)下地層上にCo膜が形成された初期の面内磁気記録媒体が検討された[4, 5]。一連の検討から、良好な磁気記録が可能な合金薄膜には耐食性の問題があり、良好な耐食性を有する合金薄膜の記録特性は優れないという技術矛盾が指摘された[6]。このような背景から、Co を主成分とする記録層を合金化して技術矛盾の解決を試みた。
ハードディスク装置に用いられてきた面内磁気記録用スパッタディスクの開発初期から末期までの進化の例を紹介する。1986 年から 2005 年に提案された 5 つの媒体の断面模式図を表１に示す。以下、表 1 に示す構成を有する面内磁気記録媒体の解決しようとした課題とその解決策について技術の進化ならびに発明原理との関連を述べる。

表１. 1986 年から 2005 年に提案された 5 つの媒体の断面模式図 （媒体 B～E の矢印は磁化の方向を示している）
媒体Ａに示す特許3,033,577 号は基板上にCr 下地膜をUS 5,587,235
JP 3,390,957

JP 3,033,577
C

C なる保護膜を形成した磁気記録媒体である。
C
C

C
→

CoCrPtB(14-12-11)

CoCrPt(15-8)→

CoCrPtB(14-12-11)

Cr

Cr-(Ti, Si, W)

←

基板

基板

媒体 A

媒体 B

CoCrPt(15-8)
常磁性 CoCr→

US 2006/0292401A1

特開2004-355716
特開 2007-4907
形成後、単層のCoCrX
合金からなる記録膜とC(炭素)から→CoCrX alloy
X = Zr, V, Ti, Ru, Ni, Rh,Ta, Pd, W, Pt, Nb, Mo,
6 wt.%以上

US 7,273,667

US 6,773,834→

Co Alloy→

Co Alloy

Ru

Ru
CoCr11
CrTi10
RuAl
CrTi
基板
媒体 C

Ru

←

Ru
CoCrPt(14-6)
CrTiB(15-5)
加熱, 表面調整
Ta
NiTa35基板
媒体 D→

CoCrPtB(12-13-10)

Ru→ CoCrPtB(12-13-12)→ CoCrPtBTa(23-13-5-2)←Ru
CoCrPt(16-9)
CrTiB(10-3)
加熱, 表面調整
WCo30
TiCoNi(40-10)
基板
媒体 E

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#27 鈴木 博之 (日立製作所)

上記の解決しようとした課題に対して、例えば「基板の結晶性が低下し、静磁気特性が劣化するという欠点がと、該基板上に形成された中間層と、該中間層上に形成あった。また高記録密度における媒体ノイズの低減に限された磁性層と、該磁性層上に形成された非磁性被覆膜界があり、それらの媒体を用いた磁気記憶装置は、単位と、該非磁性被覆膜上に形成された表面潤滑層とを有し、体積あたりの大容量化に制約があった。
」

前記磁性層は、Cr の含有量が Co に対して１ａｔ％以上

上記課題に対して、例えば図１に示すような「基板 1122ａｔ％以下であるCo とCr を主成分とする合金に、Zr、上に、非磁性下地層 12、コバルト Co を主成分とする薄膜

V、Ti、Ru、Ni、Rh、Ta、Pd、W、Pt、Nb、Mo から選ばれ合金磁性層13-15が順次積層され、該薄膜合金磁性層は、る少なくとも１種類の元素の含有量が６ｗｔ％以上とな

Co 濃度の高い磁性層 13, 15 間に、Co 濃度が低くかつ Crる様に添加した合金で構成されたことを特徴とする磁気濃度が高く主として常磁性体である中間領域 14 を、膜厚記録媒体」が登録された[10]。

方向に一領域有してなることを特徴とする面内磁気記録媒体」が登録された[13]。

2. 2 特許 3,390,957 号 US5,587,235
表 1 の媒体Ａで面記録密度を更に高めるため、媒体に起因するノイズ低減が必要になった。ノイズを低減するために、記録層の厚さ方向の磁気的相互作用を低減することが有効である。しかしながら、W や Cr のような体心立方構造をとる中間層と稠密六方充填構造をとるCo記録層を積層した多層膜では以下の課題があった。Co と W を積層した多層膜[3]の検討では、多層膜形成時の基板温度を 500℃から低下することが隘路になっていた。また、Coと Cr を積層した多層膜[11]では、Cr 中間層を薄くすると保磁力 Hc が低下することが明らかになっていた。
これらの課題を解決するため、記録層の厚さ方向の磁気的相互作用を低減し、併せて記録層の結晶配向性を向上することにより、強磁性ではなく記録層と同じ結晶構造をとる「中間領域」を挟んだ構成の表１に示す媒体Ｂが提案された[12, 13]。

2. 3 US 6,773,834
表１の媒体Ｂの熱揺らぎを低減するため、
US 6,773,834[14]に記載の下部磁性層を備えた磁気記録媒体Ｃ(表１)も提案された。この媒体Ｃの特徴は、記録時に下部磁性層の記録磁化が CoCrPtB 記録層と同じ方向であるにもかかわらず、信号を再生する際には図２の矢印で示すように記録磁化が反平行になることにある[15, 16]。後述する AFC 構造を採用することにより、記録された情報を再生する際に再生信号出力に寄与せず反平行になった最下層CoCr11 の記録磁化の2 倍の磁化に相当する熱安定性が追加された媒体が提案された[17]。

図１． 媒体Ｂの概念図の一例 [13].

図２．媒体Ｃの概念図の一例 [14].

特許 3,390,957 号が解決しようとした課題は、以下の通図２に示す媒体として、例えば「基板とこの基板上にりである。
「従来技術による媒体では、非磁性の金属中間形成した反強磁性結合(AFC)層 132、強磁性層 134 と AFC層を形成する必要が生じるために、非磁性下地層と磁性層を分離する非磁性スペーサ層 136 からなる磁気記録層層を形成後、さらに少なくとも一層のＣｒ系薄膜非磁性130 において、該 AFC 層 132 は第 1 の強磁性層 142 と、第中間層と磁性層を形成しなければならない。従って、結2 の強磁性層 144 と、第 1 と第 2 の強磁性層の間に設けら晶構造の異なった非磁性中間層の形成により上部磁性層れ反強磁性結合する膜 146 からなり、第 1 と第 2 の強磁第 4 回 TRIZ シンポジウム 2008 発表論文

#27 鈴木 博之 (日立製作所)性層が反強磁性交換結合する厚さと組成を有し、AFC 層の磁性層 16 に含有される白金濃度は第３の磁性層 18 に含第 2 の強磁性層 144 と強磁性層 134 間に形成される非強有される白金の濃度以下であり、かつ第３の磁性層 18 に磁性のスペーサ層 136 が、強磁性層 134 と AFC 層の第 2含有される白金が１５原子％以下であり、第３の磁性層の強磁性層 144 間で交換結合しない厚さと組成を有する

18 に含有されるクロムの濃度が１５原子％以上１８原ことを特徴とする磁気記録媒体」が登録された[14]。

子％以下であり、第３の磁性層に含有されるホウ素の濃度が７原子％以上１０原子％以下であることを特徴とす

2. 4 US 7,273,667 特開 2004-355716 号
表１に示す媒体Ｃに比べ更に高 S/N で、オーバーライト特性に優れ、熱揺らぎに対しても安定な媒体として媒体Ｄが提案された。US 7,273,667 [18]と 特開 2004355716 [19]の解決しようとする課題は以下の通りである。
従来の「技術を組み合わせても、１平方ミリメートル当たり 100 メガビット以上の面記録密度を実現するには不十分であり、更に再生出力を向上させ、媒体Ｓ/Ｎを向上する必要がある。 本発明の目的は、高い媒体Ｓ/Ｎを有し、オーバーライト特性に優れ、かつ熱揺らぎに対しても十分に安定な面内磁気記録媒体を提供することである。
」

る磁気記録媒体」が登録された[18]。

2. 5 US 2006/0292401A1 特開 2007-4907 号
さらにこの媒体のビットエラーレートを改善し、同時に熱揺らぎによる経時変化を低減するため、中央の記録層を厚さ方向に 2 分割し、ヘッドから遠い側の磁気モーメントを低下させて書き込み性能を高めた、表１の媒体
Ｅに示す特開 2007-4907[20]と米国特許出願公開 2006/0292401A1[21]も提案された。

図４．媒体Ｅの一実施例 [20].
特開 2007-4907 では図４に示すように、「基板 10 と、該基板の上部に形成された下地膜 11,12,13 と、該下地膜の上部に第１の磁性層 14 と第１の非磁性中間層 15 と第２の磁性層 16 と第３の磁性層 17 と第２の非磁性中間層18 と第４の磁性層 19 が積層された磁性膜と、該磁性膜の上部に形成された保護膜 20 とを有し、前記第２の磁性層16 の残留磁束密度と膜厚の積（Brt２）は前記第３の磁性層 17 の残留磁束密度と膜厚の積（Brt３）より小さく、前記第２の磁性層16 は前記第３の磁性層17 よりも厚く、前記第２の磁性層 16 は前記第１の磁性層 14 と前記第１の非磁性中間層 15 を介して反強磁性結合しており、前記第４の磁性層 19 は前記第２の非磁性中間層 18 を介して図３．媒体Ｄの一実施例 [19].

前記第３の磁性層 17 上に形成され、外部磁界を取り去った残留磁化状態で前記第４の磁性層19の残留磁束密度とこの課題に対して US 7,273,667 では、「基板 10 上に下膜厚の積（Brt４）が前記磁性層全体の残留磁束密度と膜地層 11～13、第１の磁性層 14、第１の中間層 15、第２の厚の積（Brt_total）の４７％から５２％であることを特磁性層 16、第２の中間層 17、第３の磁性層 18、保護層徴とする磁気記録媒体」を提案している。

19、
潤滑層20をこの順に形成した磁気記録媒体において、表１の媒体Ｅの矢印で示すように、信号を再生する場

前記第３の磁性層 18 と第２の磁性層 16 は少なくとも白合、第 1 の磁性層の残留磁化方向に対して、第 2 から第 4金とクロムを含有するコバルト基合金からなり、第２のの磁性層の残留磁化方向は反平行である。また、Brt２が

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Brt３より小さくすることにより、磁気モーメントの大きな記録層 17 を相対的に磁気モーメントの小さな記録層#27 鈴木 博之 (日立製作所)

４. 結 論16 よりも書き込みヘッドに近づけて信号書き込み時にヘ表１に示す特許の比較から、面内磁気記録用スパッタッドから遠い側の記録層に対して書き込み易くするようディスクの技術進化は「単一 - 二重 - 多重」あるいはにしている。

「自由度の増大」則による。これらの技術進化は、以下

３. 面内磁気記録媒体の技術進化と発明原理
3. 1 記録層の技術進化と発明原理
開発初期の記録層では、下地層あるいは中間層を形成して Co 合金記録層の結晶磁気異方性を利用し、同時に記録層の膜厚方向の磁気的結合の低減により磁気特性を最適化できることが見出された。すなわち、二層以上の複数層化を図り発明原理(以下＃で示す)の「もう一つの次元(＃17)」を導入することにより特性向上を実現した。
金属薄膜を用いた磁気記録媒体の実用化に当たり、磁気特性だけでなく耐食信頼性を向上する必要に迫られ、記録層の合金化を検討した(媒体Ａ)。その後、多層化と組み合わせ、種々の合金を積層した＃40 の「複合材料」へ展開した(媒体Ｂ～Ｅ)。
媒体Ｃ～Ｅで利用しているＡＦＣ結合[22]は、物理的矛盾の解決策として「時間で分割する」ことを考えた場
合、「一つのシステムを分割して、相互に相対的に運動可能とするダイナミックス(＃15)」や「先取り作用(＃10)」、「事前保護(＃11)」、「釣り合いの適用(＃46)」、「作用の延期(＃58)」の実施例であり、部分的な「非対称性の強化」に相当する技術進化とも考えられる[23, 24]。
媒体Ｅの記録層で書き込みヘッドから遠い記録層の磁気モーメントを低減したのは、「システムの変更/代替(＃68)」や「有害な効果の局所化、および/または部分弱体化(＃71)」にも関連していると考えることもできる。の発明原理も関係している。
(1) 記録層或いは下地層の「分割(＃1)」。
(2) 記録層や下地層の多層化による「もう一つの次元（＃17）
」への展開。
(3) 種々の合金を積層した「複合材料（＃40）
」の利用。
これらの発明原理の他に、「37 個の追加の発明原理[24]」の中にも該当する原理がある。例えば、「物体のミクロな構造の変換(＃63)」、「システムの変更/代替(＃68)」や「有害な効果の局所化、および/または部分弱体化(＃71)」などである。
2005 年に製品化された垂直磁気記録媒体も面内磁気記録媒体と同様の進化をしている。今後開発する磁気記録媒体も似た進化を遂げると考えられる。

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媒体ＡとＢで単層の下地層を利用していたのに対し、媒体ＣからＥで多層の下地層を利用し、各下地層の機能が分割されている。この機能の分割は記録層と同様に「複合材料(＃40)」の利用に相当する。更に、媒体ＤとＥでは Cr-Ti 合金に B を添加することにより結晶粒を微細化して性能向上を図っている[27, 28]。この解決策は「物体のミクロな構造の変換(＃63)」に対応する。
これらの技術進化のトレンドは「単一 - 二重 - 多重」あるいは「自由度の増大」に相当する[23]。

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