T. Magn. Soc. Jpn. (Special Issues)., 3, 7-11 (2019)<Paper>

コラム状微細組織を有する L10 FePt グラニュラ媒体用
粒界拡散を利用した網目状隆起下地層の提案
Proposal of network-shaped upheaval structureusing grain boundary diffusion in underlayer
for L10 FePt-based granular media with columnar nanostructure
清水章弘†・日向慎太朗・徐晨・斉藤伸
東北大学大学院工学研究科電子工学専攻，仙台市青葉区荒巻字青葉 6−6−05（〒980−8579）

A. Shimizu†, S. Hinata, S. Jo, and S. Saito

Department of Electronic Engineering, Graduate School of Engineering, Tohoku Univ.,

6−6−05, Aza−Aoba, Aramaki, Aoba−ku, Sendai 980−8579, JapanIn this study, we analyzed the surface morphology for the samples with thermal insulation layer (fcc(002)-MgO) /orientation control layer (bcc(002)-CrMn) / orientation inducing layer (amorphous CoW, NiTa, CrTi), especially
focusing on atomic diffusion during the high-temperature process used to create the samples. Furthermore, weproposed a new design to realize a granular medium with the columnar nanostructure. Observation of the surface
morphology of the MgO layer revealed that only when CrMn was used, a topological surface structure like a network(inverse opal structure) with a period of 10 - 20 nm and a height of about 2 nm was formed. Regarding this structure,1) a CrMn grain boundary existed below where an upheaval structure was formed on the surface, 2) the elements
constituting the amorphous layer exist in the grain boundary of the CrMn layer. These results suggest that thenetwork-shaped upheaval structure on the surface of the MgO layer is brought by boundary diffusion of the elements
constituting the amorphous layer from the amorphous layer into grain boundaries of the CrMn layer. Based on theabove results, we have newly proposed a schematic model of HAMR media. First, to form isolated nuclei, a pure-FePt
island-like layer with L10 ordered structure is deposited on the network-shaped upheaval structure of the MgO layer.
Next, to realize a columnar nanostructure, a two-phase precipitated FePt-oxide layer is sputtered.
Key words: HAMR media, columnar nanostructure, MgO layer, grain boundary diffusion㻌 はじめにめ，c 面配向 Ru 下地層の表面に凹凸構造を付与して磁性結

磁気記録媒体は 2025 年までに 10 Tbit/in2 もの高記録密晶粒の初期核形成サイトを規制し，粒界に非磁性酸化物を度化が求められており 1)，これを実現する次世代の記録方式として熱アシスト磁気記録 (Heat Assisted MagneticRecording, HAMR) が注目されている．HAMR では記録
時に熱を与えて磁化反転させるため，グラニュラ磁性層中の孤立磁性結晶粒のキュリー温度および反転磁界の分散を析出させている 12-14)．磁性結晶粒のヘテロエピタキシャル成長を促進しつつ磁気的孤立化した柱状結晶の集合組織を形成するためには，下地層の結晶配向，結晶粒界，表面形態が極めて重要な役割を担っている．
以上を踏まえ本研究では，一般的な積層構成の HAMR 媒抑制することが求められている 2)．この課題を解決するた

体用の下地のヘテロエピタキシャル成長の実状を調査する

めには，FePt 磁性結晶粒の規則度を向上させること 3) や必要があると考え，下地層の結晶配向，表面形態，組成分規則化した磁性結晶粒の c 軸の角度分散を抑制することが布を詳細に評価した．

不可欠である．
このうち c 軸の角度分散に注目すると，FePt磁性結晶粒は下地上にヘテロエピタキシャル成長するため，下地層から磁性層に至る積層構成が極めて重要である．現状検討されている HAMR 媒体の一般的な積層構成は，基板側から，配向を誘導するためのアモルファス層 (Textureinducing layer, TIL)，ヘテロエピタキシャル成長を誘導す
る た め の (002) 配 向 体 心 立 方 晶 (bcc)−Cr 基 シ ー ド 層(Seed layer, SL)，記録時の断熱も担う (002) 配向面心立方晶 (fcc)−MgO 層，そしてグラニュラ磁性層である．した
がって MgO 層および Cr 基 bcc 層における (002) 結晶軸の配向分散 4, 5) ならびにこれらの層の粒界での非ヘテロエピタキシャル成長の抑制が求められることとなる 6-11)．
一方で現行実用化されている CoPt−酸化物グラニュラ型垂直磁気記録媒体では，隣接磁性結晶粒同士の接触を防ぐた

 実験方法

㻌

試料は量産で用いられるインラインスパッタ装置とほぼ同型機であるキヤノンアネルバ製 C3010 (7 チャンバ構成，片面成膜) で作製した．
試料の層構成は MgO(Ar ガス圧 4.0Pa，膜厚 5 nm)/ SL(bcc−Cr80Mn20) (0.6 Pa，30 nm)/ TIL(アモルファス−Co60W40, Ni60Ta40, Cr50Ti50) (0.6 Pa, 50 nm)/基板とした．ここで組成比は原子パーセントで示した．なお以下ではアモルファス−を a−と略記し，特に断らない限
りは a−TIL として CoW を用いている．MgO は RF マグネ
トロンスパッタリング法，SL および TIL は DC マグネト
ロンスパッタリング法を用いて成膜した．基板には厚さ 0.8mm の 2.5 インチ耐熱ガラスディスクを用いた．Fig. 1 に縦軸に基板温度，横軸に時間をとった試料作製フローを示す．

Transaction of the Magnetics Society of Japan (Special Issues) Vol.3, No.1, 20197

+1 nm

100 nm-1 nm

Fig. 3 AFM topography image of MgO/CrMn/CoW film atTsubCrMn of 305 °C.

Fig. 1 Process flow of MgO/CrMn/TIL films.

配向制御のため TIL の成膜後 620 °C へ加熱し，その後 20

ラングミュア相当の酸素暴露を施し 15), TsubCrMn (25 −305 °C) から SL を成膜した．その後室温に冷め切ってから MgO 層を成膜した後，試料に 630 °C への加熱を行った．
最後の加熱は磁性層の成膜直前の加熱を想定したものである．結晶構造は Cu K線を用いた Out−of−plane およびIn−plane X 線 回 折 (XRD) な ら び に 透 過 電 子 顕 微 鏡(TEM)，表面形態は原子間力顕微鏡 (AFM)，各層の組成分
布は走査型透過電子顕微鏡 (STEM) の高角環状検出器による暗視野法 (HAADF) ならびにエネルギー分散型 X 線分析 (EDX) をそれぞれ用いて解析した．

粉末回折プロファイルを参照するとこれらの回折線は，
Out−of−plane では MgO (002)，CrMn (002)，In−plane では MgO (200)，CrMn (110) および (200) からの回折線であることがわかる．したがって本試料では，bcc−CrMn が(002) 配向した上層に fcc−MgO 層が (002) 配向していることが確認できる．
次に MgO 層の表面形態を観察した．Fig. 3 に CrMn の成膜温度を 305°C とした場合の MgO/ CrMn/ CoW 薄膜の500 nm×500 nm 視野の AFM 像を示す．一瞥して特徴的な 2 つの表面構造が存在していることが確認できる．1 つは視野内に散見される高さ 3 nm，幅数 10 nm の突起構造であり，もう 1 つは試料全体にわたって観測される高さ 2nm，間隔 10−20 nm の網目状隆起構造である．後者に注目

 実験結果および考察

し作製条件を様々に変化させたところ，CrMn 層の成膜温アモルファス 7,/ および EFF&U0Q が度と強い相関があることがわかった．Fig. 4 には CrMn 成

0J2 層の表面形態に及ぼす影響
まず試料の形成相と結晶配向を確認した ．Fig. 2 に
MgO/ CrMn/ CoW 薄膜の (a) Out−of−plane および (b)In−plane XRD プロファイルを示す．参考のため上部にはfcc−MgO および bcc−Cr の粉末回折プロファイルも示した．
Out−of−plane プロファイルでは 42.8°，64.7°近辺に，膜開始温度 (TsubCrMn) を (a) 350°C，(b) 305°C，(c) 200°C，(d) 25°C としたときの MgO 層表面形態を示す．網目状隆起構造の平均網目寸法はそれぞれ，60, 48, 30, 15 nm であった．
このように MgO 層表面の網目状隆起構造は CrMn層の構造と相関があることが強く示唆される．

In−plane プロファイルでは 43.0°，44.2°，62.5°，64.4° 近辺に回折線が観測されている．

200Intensity (a.u.)

+1 nm

48 nm

60 nm

(b)

(a)

(b)

305(a)

220

200
110002

fcc-MgO
bcc-Cr111

220002110111

TsubCrMn (oC): 35040 nm
200405060

70405060

70

(c)
30 nm

(d)

2515 nmDiffraction angle, 2q (deg) Diffraction angle, 2qc (deg)Fig. 2 (a) Out−of−plane and (b) in−plane XRD profiles forMgO/CrMn/CoW film. Upper profiles show powder
diffraction patterns of fcc-MgO and bcc-Cr,respectively.

8-1 nmFig. 4 AFM topography images of MgO/CrMn/CoW film
at TsubCrMn (oC) of (a) 350, (b) 305, (c) 200,and (d) 25, respectively.

Transaction of the Magnetics Society of Japan (Special Issues) Vol.3, No.1, 2019

網目状隆起構造の形成要因を調べるため，断面 TEM 分

また Mn に関しては，a−TIL 層とは相互拡散，MgO 層へは析を用いて隆起構造付近の膜厚方向構造解析を行った．Fig.

粒界拡散 (白丸囲い部) していることが示唆される． TEM

5 に CrMn の成膜温度を 305°C とした場合の MgO/ CrMn/

試料には電子線の入射方向に 10 nm 程度の試料厚があるこ

CoW 薄膜の断面 TEM 像を示す．MgO 層表面の隆起構造とを考慮すると，Fig. 5 の MgO 層隆起部直下において結は AFM 像中に見られた網目状隆起構造の寸法と対応して晶格子が不明瞭に観測されていた結果は，TEM 像の奥行方いる．隆起部位の下部には CrMn 層に筋状にコントラスト向に (002) 配向結晶部と拡散した Mn が存在するアモルが異なる部位が存在していることがわかる．また，MgO 層ファス粒界部が重畳していること示唆している．すなわちにおいては隆起部直下で (002) 格子縞が不明瞭となって

MgO 層における隆起部直下では，Mg, O, Mn 原子が混在いることがわかる (白丸囲い部 )．次に同様の視野のするアモルファス粒界が形成されていると考えられる．

STEM−HAADF 像を Fig. 6 (a) に，Co, W, Mn の特性 X 線

CrMn 層の結晶粒界での MgO 層の表面隆起ならびにアによる EDX 像をそれぞれ(b), (c), (d) に示す．なお図中のモルファス層構成元素の CrMn 層粒界への拡散に注目し，K, L はそれぞれ K 線，L 線からの特性 X 線を用いて評価

これが Co,W に特有の現象なのか確かめるため，他のしたことを意味する．HAADF 像によると CrMn 層においa−TIL 材料について同様の解析を行った．Fig. 7 には TILて白いコントラスト部分が膜厚方向に筋状に観測されていとして (a) CoW, (b) NiTa, (c) CrTi 層を用い，CrMn の成る．EDX 像によると， HAADF 像の白い部位に対応して膜温度をそれぞれ 305°C, 190°C, 300°C とした場合の MgOCo, W が存在していることがわかる．
この Co と W は CrMn

層表面の 500 nm×500 nm 視野の AFM 像を，Fig. 8 (a),層の最上部にも層状に存在していることが確認できる．一(b), (c) にはそれらの一部を拡大して 200 nm×200 nm 視方，筋状部位の直上の MgO 層および a−TIL 層との界面付野とした AFM 像を示す．(a) CoW と比較して不明瞭では近には Mn が存在していることも確認された．Fig. 5 およあるものの，TIL として(b) NiTa, (c) CrTi を用いた場合でび Fig. 6 より，MgO 層表面の網目状隆起部位は，CrMn 層も MgO 層表面には網目状隆起構造が観測されていること

内に膜厚方向筋状に見られる部位と対応していることからがわかる．

CrMn 層の結晶粒界であると考えられ，TIL を構成する元素である Co と W が CrMn 粒界を拡散していることが示唆される．

TIL: CoW+1 nm

(a)

MgO
100 nm0.205 nm
~ d002MgO

CrMn

(b)

NiTa-1 nm

(c)

CrTi

10 nm

CoWFig. 5 Cross-sectional TEM images ofMgO/CrMn/CoW film.

(a)

MgO

(b)
Mn

CrMn

Fig. 7 AFM topography images of (a) MgO/CrMn/CoW film,(b) MgO/CrMn/NiTa film, and (c) MgO/CrMn/CrTifilm.

TIL: CoW+1 nm(a)

TsubCrMn (oC): 305

CoW(c)
Co(d)
W

40 nm
NiTa
190(b)-1 nm

CrTi300(c)6Fig. 6 (a) Cross sectional STEM-HAADF image and(b), (c), (d) STEM-EDX images by mapping ofcharacteristic X-ray intensity of Mn K line, Co Kline, and W L line.

Fig. 8 Enlarged AFM topography images of(a) MgO/CrMn/CoW film, (b) MgO/CrMn/NiTa film,and (c) MgO/CrMn/CrTi film.

Transaction of the Magnetics Society of Japan (Special Issues) Vol.3, No.1, 20199

Fig. 9，Fig. 10 には Fig. 7, Fig. 8 に示した試料の断面(a)TEM 像と STEM による EDX 像を示す．Fig. 10 の EDX像については，上段が Mn，下段が TIL を構成する元素でCrMnある (a) W, (b) Ta, (c) Ti である．a−TIL として NiTa, CrTiを用いた場合でも，隆起構造下部の CrMn 層に筋状にコン

Sub.

造も CoW 下地層を用いた場合と同様に観測された．したは，Co や W をアモルファス材料として用いた場合の特有

CrMn

CrMn素の存在が確認された．また隆起構造直下における粒界構ならびにアモルファス層構成元素の CrMn 層粒界への拡散~2 nm

CrTi

トラストが異なる部位が観測され，その部位に TIL 構成元

がって CrMn 層の結晶粒界部位での MgO 層の表面隆起，(b)Fig. 11 (a) Cross-sectional TEM image and (b) enlarged imagearound film surface for CrMn/CrTi film.の現象ではなく，他のアモルファス材料でも生じる現象で(b)(a)あることがわかる．
Fig. 10 によると，CrMn の表層部にアモルファス構成元CrMn素が層上に存在していることも確認できる．この形成起源

OKについて知見を得るため，MgO 層を成膜しない試料についての断面 TEM 像を Fig. 11 (a) に，CrMn 層の表面部分を拡大したものを (b) にそれぞれ示す．Fig. 10 (a) より
CrMn 層表面には電子密度の低い層が観測され，(b) よりその層の厚みは 2 nm であることが判明した．さらにこの試料について，Fig. 12 (a) に STEM−HAADF 像を, (b) にO についての EDX 像を示す．

CrTi
Fig. 12 (a) STEM-HAADF image and (b) STEM-EDX map of
O of CrMn/CrTi film.
(a), (b) の対応により，CrMn 層表面において O が層状に存在していることがわかる．これらの結果からアモルファス層構成元素は CrMn 成膜時の加熱によって CrMn 粒界を拡散し，さらに酸化物として CrMn 表層を覆う性質があMgOることが示唆される．
 0J2 層表面における網目状隆起構造の形成起源

CrMn
CoW

(a)
10 nm(b)NiTa(c)造の形成模式図を示す．まず bcc−CrMn 層の加熱成膜時にCrTi

アモルファス層構成元素が CrMn 表層に極薄酸化層を形成

Fig. 9 Cross-sectional TEM images of(a) MgO/CrMn/CoW film, (b) MgO/CrMn/NiTa film,and (c) MgO/CrMn/CrTi film.

TIL: CoW
MgO
CrMn(a)NiTaするために CrMn 層の粒界を拡散する．酸素は加熱時に脱離により極僅かに発生してしまう不純物ガス (H2O 等) から供給されているのではないかと推察している．さらにその上に MgO 層を成膜すると CrMn 粒界部からさらにアモCrTi(b)以上の結果から網目状隆起構造の形成起源を考察する．
Fig. 13 に TIL 構成元素の粒界拡散ならびに網目状隆起構(c)ルファス層構成元素や Mn が拡散し，MgO 層表面が隆起する．

Mn
Upheavalstructure

Mn-oxide
Mg

CoW
MgO
MnX, YWTaTiX, YMnFig. 10 Cross-sectional STEM-EDX images by mapping ofcharacteristic X-ray intensity of (upper) Mn K line,(lower) W L line, Ta L line, and Ti K line for
MgO/CrMn/TIL [(a) CoW, (b) NiTa, (c) CrTi] films,
respectively.

10Oxides (X, Y)

OMn

bcc-CrMn

Cra-XY(CoW, NiTa, CrTi)

Fig. 13 Schematic of grain boundary diffusion of
amorphous elements and network-shaped
upheaval structure.

Transaction of the Magnetics Society of Japan (Special Issues) Vol.3, No.1, 2019

YX

CrMn 結晶粒の粒界全てでこの現象が生じるため，全体とニュラ化の材料知見を踏襲できると考えた．この考えに基しては網目状に隆起した構造が形成されるものと考えられづくと，酸化物には可能な限り低融点の材料を用いた方がる ． な お MgO 層 の 結 晶 配 向 に つ い て は ， 成 膜 時 に分離性がよいと考えられる 16)．以上の着想をまとめて，Fig.

bcc−CrMn 層表層に形成される極薄酸化物層がヘテロエ

14 に新たに提案する HAMR 用柱状孤立化グラニュラ媒体

ピタキシャル成長を阻害し c 軸配向性を乱している可能性の積層構成の模式図を示す．
下層から網目状隆起 MgO 下地上に，規則化しやすい純がある．
 網目状隆起下地層を活用したコラム状孤立化グラニュラ媒体の提案
これまでの知見をもとに L10 FePt 結晶粒を柱状孤立化グラニュラ組織に成長させる HAMR 媒体形成法を考察す

FePt 島状初期核層，FePt−酸化物グラニュラ層を積層することを想定した．網目寸法すなわち bcc-Cr 基合金粒径のシングルナノメートルへの微細化，FePt−酸化物グラニュラ層中の磁性結晶粒の規則度の向上が残される課題であり，今後取り組みたい．

る．CoPt−酸化物グラニュラ型垂直磁気記録媒体では粒界
 まとめが凹んだ下地層の上に磁性グラニュラ層を成膜している．
一方で今回の検討では，粒界が隆起した下地層が形成されていることが興味深い．この点に注目して下地層表面形態を孤立化組織形成に活用することを念頭に考察する．
まず隣合う磁性結晶粒との接触の抑制については，初期核発生サイト間の距離を適度に離すことが重要である．そこで本研究で見出した網目状隆起構造を活用することを着想した．これは，L10 FePt 結晶粒は MgO (002) 層上にヘテロエピタキシャル成長しやすいという事実を鑑みると，Mg, O, Mn 原子が共存するアモルファス部分と MgO (002)配向部分とが共存する下地上では，スパッタ成膜の極初期段階の液滴 FePt エンブリオが MgO 層の (002) 配向部分において安定初期核を形成するものという推察に基づく．
次に柱状成長については，現行の垂直磁気記録媒体で得た知見から，金属−酸化物層を相析出させることで実現を試みる．すなわち結晶部と粒界部の表面凹凸が現行媒体の下地と逆転していても，FePt 島状初期核を形成できれば，凹凸形状を反転できるため，現行媒体磁性層のコラム状グラHAMR 媒体用下地を想定して，MgO/ SL(bcc−Cr80Mn20)/
TIL(a−Co60W40, Ni60Ta40, Cr50Ti50) / glass sub. の層構成からなる試料を作製し，結晶配向，表面形態，組成分布を詳細に解析した．その結果，(002)面配向 MgO 層表面に(002)面配向 CrMn 結晶粒の粒径に相当する網目状隆起構造が形成されることを見出した．これは CrMn 層の成膜時にアモルファス TIL 層構成元素が CrMn 結晶粒の粒界を拡散しており，その上に MgO 層を成膜すると CrMn 粒界部からアモルファス層構成元素や Mn が MgO 層へと拡散することによりもたらされると考えられる．このような下地層の表面凹凸を活かせば，積層構成を FePt−酸化物グラ
ニュラ層/ 純 FePt 島状初期核層/ 網目状隆起下地層とすることにより HAMR 用柱状孤立化グラニュラ媒体の実現を期待できる．
謝辞 本研究の一部は情報ストレージ研究推進機構(ASRC) の助成によって実施された．
References

Pure FePt
island layer

c-axisFePt – oxidelayerc-axis

1)

MgO layer
SLTIL
Sub.
Fig. 14 Schematic of proposed structure of HAMR media
for L10 FePt-based granular media with columnar
nanostructure using network-shaped upheavalstructure.

2)
3)
4)
5)
6)
7)
8)
9)
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年月日受理，年月日採録

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