早稲田大学大学院 先進理工学研究科
博 士 論 文 概 要
論 文 題 目 微細加工技術応用による 高密度磁気記録に関する研究
Development of high density magnetic recording with nano-fabrication
申 請 者
萩野谷 千積 Chiseki Haginoya
応用化学専攻 応用電気化学研究
2010 年 12 月
近 年 、 情 報 化 社 会 の 進 展 に 伴 い 情 報 の デ ジ タ ル 化 が 急 速 に 進 展 し て い る 。 デ ジ タ ル 情 報 を 蓄 積 す る た め に 目 的 や 用 途 に 応 じ て 多 種 多 様 な 記 録 デ バ イ ス が 使 用 さ れ て い る 。 特 に 磁 気 記 録 方 式 の 一 つ で あ る ハ ー ド デ ィ ス ク ド ラ イ ブ( H D D )は 他 の 方 式 と 比 べ 比 較 的 低 価 格 で か つ 大 容 量 化 が 可 能 と い う 特 徴 を 有 す る 。 今 後 も 引 き 続 き 情 報 の 増 大 が 予 想 さ れ て お り 、H D D は そ の 特 徴 を 活 か し て 一 層 の 大 容 量 化 、高 速 化 、 低 価 格 化 な ど が 求 め ら れ て い る 。 本 研 究 に お い て は H D D の 高 密 度 化 を 進 め る た め に 必 要 と な る 媒 体 、 ヘ ッ ド の 各 技 術 に 関 し て 検 討 を 行 っ た 。 本 論 文 は ５ 章 よ り 構 成 さ れ て い る 。 以 下 に 各 章 の 概 要 を 示 す 。
第 １ 章 で は 研 究 の 目 的 お よ び 背 景 に つ い て 概 観 し た 。 磁 気 記 録 の 記 録 密 度 の 向 上 の た め に は 、 各 種 の ノ イ ズ を 低 減 し 信 号 雑 音 比( s i g n a l - t o - n o i s e R a t i o , S N R )を 一 定 値 以 上 に 大 き く 保 つ こ と が 必 要 で あ る 。 磁 気 記 録 シ ス テ ム に お け る ノ イ ズ 源 と し て は 記 録 媒 体 、 再 生 ヘ ッ ド 、 ア ン プ な ど が 挙 げ ら れ る 。 こ れ ら の 要 素 技 術 を 概 観 し 、 現 状 採 用 さ れ て い る 技 術 お よ び 課 題 を 明 確 化 し た 。
第 ２ 章 で は 媒 体 遷 移 ノ イ ズ お よ び そ の 低 減 に 伴 っ て 発 生 す る 熱 揺 ら ぎ の 問 題 を 説 明 し 、 こ の 問 題 を 回 避 す る 一 手 法 で あ る ビ ッ ト パ タ ー ン 媒 体 に つ い て 述 べ た 。 磁 気 記 録 媒 体 に お い て 記 録 情 報 （ す な わ ち 媒 体 の 磁 化 ） が 長 期 間 に 渡 っ て 安 定 的 に 保 持 さ れ る た め に は 各 粒 子 の 磁 化 を 反 転 さ せ る の に 必 要 な エ ネ ル ギ ーE b が 熱 エ ネ ル ギ ーk T ( k :ボ ル ツ マ ン 常 数 、T: 絶 対 温 度) に 対 し て 十 分 大 き な 値 で あ る 必 要 が あ る 。 通 常 、 磁 気 記 録 に お い て は E b / k T > 4 0 程 度 が そ の 目 安 と さ れ て い る 。 従 っ て 遷 移 ノ イ ズ は 磁 性 粒 子 の 体 積 に よ る 制 限 を 受 け て お り 、 こ れ が 高 密 度 化 を 律 則 し て い る 。
こ の 問 題 を 解 決 す る た め に 、 従 来 の 連 続 膜 に 代 え て 磁 性 体 を 人 工 的 に パ タ ー ニ ン グ し 、 各 孤 立 磁 性 粒 子 を 記 録 ビ ッ ト と し て す る 方 式 が 提 案 さ れ て い る 。 本 提 案 の ビ ッ ト パ タ ー ン 媒 体 で は 各 記 録 ビ ッ ト は 人 工 的 に 加 工 さ れ た 単 一 の 磁 性 粒 子 で 形 成 さ れ る こ と と な る 。 即 ち 、 従 来 の 磁 性 グ レ イ ン に 代 え て 、 人 工 的 に パ タ ー ニ ン グ し た 磁 性 粒 子 を 記 録 ビ ッ ト と し て 利 用 す る こ と に よ り 、 実 効 的 に 磁 性 粒 子 の 体 積 を 大 き く す る こ と が 可 能 で あ る 。 こ の 結 果 、 異 方 性 定 数 を 大 き く す る こ と な く 体 積 v を 大 き く す る こ と に よ り 熱 的 な 安 定 性 を 保 つ こ と が 可 能 と な る 。
本 手 法 で 高 密 度 化 を 実 現 す る た め に は 各 磁 性 微 粒 子 は 単 磁 区 構 造 で な け れ ば な ら な い 。 孤 立 磁 性 粒 子 が 単 磁 区 構 造 と な る た め に は 、 粒 子 の 反 磁 界 エ ネ ル ギ ー が 磁 壁 の エ ネ ル ギ ー を 上 回 っ て い る こ と が 必 要 で あ る 。 例 え ば C o の 球 形 粒 子 に つ い て 計 算 を 行 っ て み る と 、 粒 子 の 反 磁 界 エ ネ ル ギ ーE d は
E d = 1 / 2 μ0 N d M s ^ 2 ・ 4 / 3 πr ^ 3 - - - (式 1 )
で 表 わ さ れ る 。 但 し r は 半 径 、N d は 反 磁 界 係 数 で 球 の 場 合 は 1 / 3、 μ0 は 真 空 の 透 磁 率 、M s は 飽 和 磁 束 密 度 で あ る 。 一 方 、 二 磁 区 と な っ た 場 合 の 粒 子 の 磁 気 的 エ ネ ル ギ ーE w は
E w = γ πr ^ 2 - - - (式 2 )
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但 し γ は 磁 壁 の エ ネ ル ギ ー で C o の 場 合 約 0 . 0 1 J / m ^ 2 で あ る 。 こ の 粒 子 が 単 磁 区 構 造 と な る た め に は E d = E w と な る 必 要 が こ と か ら 臨 界 半 径 r c を 求 め る と
r c = 3γ/ ( 2μ0 N d M s ^ 2 ) = 9γ/ ( 2μ0 M s ^ 2 ) 〜 1 8 n m
と な る こ と が 分 か る 。 こ れ よ り も 小 さ な 半 径 値 を 有 す る 粒 子 は 多 磁 区 構 造 よ り も 単 磁 区 構 造 を 取 る ほ う が エ ネ ル ギ ー 的 に 安 定 と な る た め 、単 磁 区 構 造 が 形 成 さ れ 、 ビ ッ ト パ タ ー ン 媒 体 と し て 利 用 す る こ と が 可 能 と な る 。
本 研 究 に お い て は 磁 性 膜 を 人 工 的 に パ タ ー ニ ン グ す る こ と よ り 上 記 条 件 を 満 た し て 単 磁 区 と な る 微 粒 子 構 造 を 作 製 し 、 そ の 特 性 を 検 討 し た 。 本 検 討 で は 媒 体 材 料 と し て 垂 直 異 方 性 を 有 す る C o C r P t 系 連 続 膜 を 選 択 し 、 加 工 手 法 と し て は 電 子 線 リ ソ グ ラ フ ィ ー 及 び A r イ オ ン ミ リ ン グ を 採 用 し た 。 作 製 し た 磁 性 微 粒 子 を 磁 気 力 顕 微 鏡( M F M )に よ り 観 察 を 行 っ た 結 果 、 各 磁 性 粒 子 内 の コ ン ト ラ ス ト が 一 定 で あ る 様 子 が 確 認 さ れ た 。 即 ち 各 磁 性 微 粒 子 内 で は 単 磁 区 構 造 と な っ て い る と 考 え ら れ る 。 従 っ て 本 検 討 に 採 用 し た C o C r P t 合 金 で は 直 径 8 0 n m、 高 さ 4 4 n m の 粒 子 は 単 磁 区 と し て 存 在 で き る こ と が 確 認 さ れ た 。 ま た 、 試 料 を 直 流( D C )消 磁 し 、 残 留 磁 化 状 態 で 観 察 を 行 っ た 結 果 、 全 て の 粒 子 の 磁 化 が 同 一 方 向 を 向 い て い る こ と が 確 認 さ れ た 。 静 磁 エ ネ ル ギ ー の 最 も 高 い D C 消 磁 状 態 が 維 持 さ れ て い る こ と か ら 、 隣 接 す る 微 粒 子 の 磁 化 を 反 転 さ せ る ほ ど の 大 き な 静 磁 相 互 作 用 は な い と 考 え ら れ る 。 以 上 に よ り 、 本 微 粒 子 ア レ イ は 角 型 比 が 1 で あ り 磁 気 記 録 媒 体 と し て 安 定 に 情 報 を 記 録 す る こ と が 可 能 で あ る こ と が 確 認 さ れ た 。 試 料 と し て 用 い た 連 続 膜 の 角 型 比 が 0 . 2 で あ っ た こ と を 考 え る と 、 角 型 比 の 増 加 は パ タ ー ニ ン グ の 効 果 で あ る と 考 え ら れ る 。
次 に 永 久 磁 石 に よ り 静 磁 場 を 印 加 し 各 粒 子 の 磁 化 反 転 の 様 子 を M F M に よ り 観 察 し た 。 印 加 磁 場 の 大 き さ を 変 化 さ せ て 、 試 料 を 残 留 磁 化 状 態 で 観 察 す る こ と に よ り 、 孤 立 粒 子 の 磁 化 が 反 転 し て い く 様 子 を 追 う こ と が 可 能 で あ る 。 実 験 の 結 果 、 磁 化 は 単 磁 区 の ま ま 反 転 す る が 、 各 磁 化 を 反 転 さ せ る た め に 必 要 な 磁 場 の 大 き さ の ば ら つ き( S F D , S w i t c h i n g f i e l d D i s t r i b u t i o n )は 大 き い こ と が 見 出 さ れ た 。 こ の 問 題 に 対 し 、 熱 磁 気 記 録 の 原 理 を 応 用 し て 磁 化 反 転 制 御 の 検 討 を 行 っ た 。 磁 性 微 粒 子 ア レ イ に 磁 気 力 顕 微 鏡 探 針 か ら 局 所 通 電 加 熱 を 行 っ た と こ ろ 、 探 針 自 身 の 発 生 す る 磁 場 お よ び 周 辺 の 磁 性 粒 子 か ら の 磁 場 に よ り 、 狙 っ た 各 微 粒 子 の 磁 化 方 向 の 反 転 に 成 功 し た 。 一 方 で 加 熱 時 の 電 流 量 が 不 適 切 で あ る と 周 辺 の 数 個 の 磁 化 を 同 時 に 反 転 さ せ て し ま う こ と を 見 出 し た 。 こ の 問 題 に 対 応 す る た め 適 切 な 通 電 加 熱 が 行 え る よ う 制 御 回 路 を 設 計 し 、 隣 接 す る 5 個 の 粒 子 の 磁 化 を 順 次 反 転 さ せ る こ と に 成 功 し た 。 以 上 に よ り ビ ッ ト パ タ ー ン 媒 体 は 磁 気 記 録 媒 体 と し て 基 本 的 な 特 性 を 備 え て お り 将 来 の 高 密 度 磁 気 記 録 媒 体 と し て 可 能 性 が あ る こ と が 示 さ れ た 。
第 ３ 章 で は 微 細 化 プ ロ セ ス 時 に 問 題 と な る コ ス ト に 関 し て 、 自 己 組 織 化 を 用 い た 手 法 の 検 討 を 行 っ た 結 果 を 述 べ た 。 一 般 に 微 細 加 工 プ ロ セ ス 、 特 に 光 の 波 長 限 界
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を 超 え る 1 0 0 n m 以 下 の 構 造 を 作 製 す る プ ロ セ ス は 困 難 で あ る 。1 0 0 n m 以 下 の 構 造 を 作 製 す る 技 術 の 例 と し て 電 子 線( E B )描 画 法 が 知 ら れ て い る が 、E B 法 は 基 板 に 塗 布 し た レ ジ ス ト に 細 く 絞 っ た 電 子 線 で 描 画 し て い く た め 、 任 意 の 微 細 パ タ ー ン が 形 成 で き る 反 面 、 非 常 に コ ス ト が 高 く な る と い う 欠 点 を 有 す る 。 こ の た め 微 細 構 造 を 低 コ ス ト で 試 作 す る た め の 方 法 が 求 め ら れ て お り 、 本 研 究 に お い て は 自 己 組 織 化 を 用 い て 作 製 す る 方 法 の 検 討 を 行 っ た 。ポ リ ス チ レ ン( P S )製 の 球(ラ テ ッ ク ス 球)を 基 板 上 に 配 列 さ せ 、 酸 素 に よ る 反 応 性 イ オ ン エ ッ チ ン グ( R I E )、 金 属 マ ス ク の リ フ ト オ フ を 行 う こ と に よ り 、 微 細 加 工 が 可 能 で あ る こ と が 示 さ れ た 。 本 方 式 に お け る 酸 素 に よ る R I E で は P S の 直 径 の み が 変 化 し 、 基 板 及 び 配 置 さ れ た P S 球 の 中 心 間 距 離 は 変 化 し な い こ と か ら 、 構 造 の 直 径/周 期 比 を 変 更 す る こ と が 可 能 で あ る こ と を 見 出 し た 。 本 検 討 で は 加 工 前 の 球 の 直 径 は 2 0 0 n m 及 び 1 5 0 n m の 材 料 を 使 用 し 、 高 価 な 電 子 線 リ ソ グ ラ フ ィ ー を 使 用 す る こ と な く 1 0 0 n m 以 下 の 構 造 を 作 製 す る こ と に 成 功 し た 。ま た 本 プ ロ セ ス に お け る R I E 時 の モ デ ル を 構 築 し 、R I E 時 間 と 穴 径 の 関 係 を 明 ら か に す る と と も に 、 初 期 粒 径 の 分 散 が 加 工 後 の 穴 径 に 大 き な 影 響 を 与 え る こ と 、 即 ち 加 工 後 の 穴 径 の 分 散 を 小 さ く す る た め に
は R I E 前 の 初 期 粒 径 の 分 散 を 低 減 さ せ る 必 要 が あ る こ と を 示 し た 。
第 ４ 章 で は 微 小 な 記 録 ビ ッ ト を 再 生 す る た め に 必 要 と な る 再 生 ヘ ッ ド に 関 し て 述 べ る 。 磁 気 記 録 装 置 高 密 度 化 の た め に は 媒 体 の 改 良 と 合 わ せ て ヘ ッ ド の 改 良 が 必 要 で あ る 。 再 生 ヘ ッ ド に お い て は 隣 接 ト ラ ッ ク の 情 報 を 読 ん で し ま い ノ イ ズ の 原 因 と な る こ と が 知 ら れ て い る 。 こ の 問 題 の 解 決 の た め に は サ イ ド シ ー ル ド 構 造 が 有 効 で あ る が 、 従 来 の 巨 大 磁 気 抵 抗 効 果( G M R )再 生 ヘ ッ ド で は 、 セ ン サ 素 子 の 両 側 に セ ン ス 電 流 を 流 す た め の 電 極 お よ び 自 由 層 の 磁 化 を 安 定 化 さ せ る た め の バ イ ア ス 磁 場 を 与 え る た め に 硬 磁 性 体 を 配 置 す る 必 要 が あ っ た た め 実 現 は 困 難 で あ っ た 。 本 研 究 で は 従 来 の G M R ヘ ッ ド に 代 え て ト ン ネ ル 磁 気 抵 抗 効 果( T M R )再 生 ヘ ッ ド を 利 用 し 、 ま た バ イ ア ス 磁 場 を 与 え る 方 法 と し て イ ン ス タ ッ ク バ イ ア ス 方 式 を 採 用 す る こ と に よ り セ ン サ 素 子 両 側 に 軟 磁 性 体 を 配 置 さ せ る こ と を 試 み た 。 サ イ ド シ ー ル ド 効 果 を 最 大 化 さ せ る た め 本 検 討 に お い て は セ ン ス 電 流 の 漏 れ が 発 生 し な い 範 囲 で 最 も 素 子 と 軟 磁 性 体 が 近 く な る よ う 検 討 を 行 っ た 。 試 作 し た サ イ ド シ ー ル ド 型 ヘ ッ ド を 従 来 構 造 の ヘ ッ ド と 比 較 す る こ と に よ り 、 サ イ ド シ ー ル ド 型 ヘ ッ ド の ほ う が 実 効 ト ラ ッ ク 幅 が 狭 く な る こ と を 確 認 し た 。 即 ち サ イ ド シ ー ル ド に よ り 隣 接 ト ラ ッ ク か ら の ノ イ ズ を 低 減 さ せ る こ と が 可 能 で あ る こ と が 示 さ れ た 。 第 ５ 章 で は 第 2 章 か ら 第 4 章 で 得 ら れ た 研 究 結 果 に つ い て 纏 め た 。 媒 体 及 び ヘ ッ ド の 検 討 を 行 う こ と に よ り 磁 気 記 録 装 置 の 高 密 度 化 へ の 指 針 を 得 た こ と を 述 べ 、 総 括 と し た 。
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Ｎｏ.1
早稲田大学 博士（工学） 学位申請 研究業績書
氏 名 萩野谷千積 印
（２０１０年１２月 現在）
種 類 別 題名、 発表・発行掲載誌名、 発表・発行年月、 連名者（申請者含む）
○論文
○論文
○論文
○論文
○論文 講演 講演 講演 講演 講演
Side-Shielded Tunneling Magnetoresistive Read Head for High-Density Recording, IEEE Trans. Magn., 40 (2004) p.2221, Chiseki Haginoya, Masahiko Hatatani, Kenichi Meguro, Chiaki Ishikawa, Nobuo Yoshida, Kikuo Kusukawa, Katsuro Watanabe
Thermomagnetic writing on 29 Gbit/in.2 patterned magnetic media,
Applied Physics Letters, 75 (1999) p.3159, Chiseki Haginoya, Kazuyuki Koike, Yoshiyuki Hirayama, Jiro Yamamoto, Masayoshi Ishibashi, Osamu Kitakami and Yutaka Shimada
Magnetic nanoparticle array with perpendicular crystal magnetic anisotropy, Journal of Applied Physics, 85 (1999) p.8327, Chiseki Haginoya, Seiji Heike, Masayoshi Ishibashi, Kimio Nakamura, Kazuyuki Koike, Toshiyuki Yoshimura, Jiro Yamamoto, Yoshiyuki Hirayama
Size-controllable nanostructure array fabrication with self-assembly,
ECS Proceedings 98-19 (1998) p.336, Chiseki Haginoya, Masayoshi Ishibashi, Kazuyuki Koike
Nanostructure array fabrication with a size-controllable natural lithography, Applied Physics Letters, 71 (1997) p.2934, Chiseki Haginoya, Masayoshi Ishibashi, and Kazuyuki Koike
Nanoimprint Technology for Magnetic Recording Media,
American Vacuum Society (2005), Chiseki Haginoya, Takashi Ando, Kosuke Kuwabara, Masahiko Ogino, Kenya Ohhashi, Akihiko Miyauch
Side shilded TMR reading head for high density recording,
IEEE Intermag, (2004), Chiseki Haginoya, Masahiko Hatatani, Kenichi Meguro, Chiaki Ishikawa, Nobuo Yoshida
磁性微粒子アレイの磁気特性と熱磁気効果による個々の微粒子の磁化反転、
日本応用磁気学会 第 67 回マイクロ磁区専門研究会 (2000 年 2 月)
萩野谷千積、平山義幸、山本治朗、小池和幸、石橋雅義、北上修、島田寛
Fabrication and characterization of magnetic nanoparticle array with perpendicular crystal magnetic anisotropy,
Conference on Magnetism and Magnetic Materials, (1999), Chiseki Haginoya, Kazuyuki Koike, Jiro Yamamoto, Toshiyuki Yoshimura
Size-controllable nanostructure array fabrication with self-assembly,
Electro Chemical Society, (1998), Chiseki Haginoya, Masashi Ishibashi, Kazuyuki Koike
Ｎｏ.2
早稲田大学 博士（工学） 学位申請 研究業績書
種 類 別 題名、 発表・発行掲載誌名、 発表・発行年月、 連名者（申請者含む）
その他 (論文) その他 (論文) その他 (論文) その他 (論文) その他 (論文) その他 (論文) その他 (論文)
Fabrication Process for a Trapezoidal Main Pole for Single-Pole-Type Heads, IEEE Trans. Magn., 38 (2002) p.2249, Tomohiro Okada, Yoshiaki Kawato, Chiseki Haginoya, Isao Nunokawa, Kimitoshi Etoh, and Moriaki Fuyama
Thermally Assisted Magnetic Recording on Flux-Detectable RE-TM Media,
IEEE Trans. Magn., 37 (2001) p.1234, Hirofumi Sukeda, Hideki Saga, Hiroaki Nemoto, Yasuhiro Itou, Chiseki Haginoya, and Takuya Matsumoto
Morphology and photonic band structure modification of polystyrene particle layers by reactive ion etching,
Applied Physics Letters, 78 (2001) p.1478, Toru Fujimura, Tsuyoshi Tamura, and Tadashi Itoh, Chiseki Haginoya, Yuri Komori and Takao Koda
Microscopic Imaging of Fe Magnetic Domains Exchange Coupled with Those in a NiO(001) Surface,
Physical Review Letters, 85 (2000) p.646, H. Matsuyama, C. Haginoya, and K. Koike
Mark observation of TbFeCo recorded on land/groove substrate by spin-polarized scanning electron microscopy,
Applied Physics Letters, 68 (1996) p.3350, Teruo Kohashi, Hideo Matsuyama, Chiseki Haginoya, Kazuyuki Koike, Harukazu Miyamoto and Junko Ushiyama
Electro- and thermomigration of metallic islands on Si(100) surface,
Japanese Journal of Applied Physics, 32 (1993) p.1379, Takeo Ichinokawa, Chiseki Haginoya, Dai Inoue, Hiroshi Itoh, Jingen Kirschner
Electromigration of metallic islands on the Si(100) surface,
Physical Review B, 47 (1993) p.9654, T. Ichinokawa, H. Izumi, C. Haginoya, H. Ithoh
Ｎｏ.3
早稲田大学 博士（工学） 学位申請 研究業績書
種 類 別 題名、 発表・発行掲載誌名、 発表・発行年月、 連名者（申請者含む）
その他 (特許) その他 (特許) その他 (特許) その他 (特許) その他 (特許)
磁気記録装置、特許第 3895082 号、(2006 年 12 月登録) 萩野谷千積、小池和幸、松山秀生、鈴木寛
磁気ディスク媒体及びその製造方法並びに磁気記録装置、特許第 4006400 号 (2007 年 8 月登録)、萩野谷千積、川戸良昭
Magnetic recording media and method of forming them United States Patent 7097924, (2006 年 8 月登録)
Haginoya Chiseki, Suzuki Kaori, Kimura Hisashi, Futamoto Masaaki, Matsuyama Hideo
Magnetic recording media and method of forming them United States Patent 7351445, (2008 年 4 月登録)
Haginoya Chiseki, Suzuki Kaori, Kimura Hisashi, Futamoto Masaaki, Matsuyama Hideo
Magnetic head with side shield and manufacturing method thereof United States Patent 7505232, (2009 年 3 月登録)
Haginoya Chiseki, Hatatani Masahiko, Ishakawa Chiaki, Meguro Kenichi, Nakamoto Kazuhiro, Watanabe Katsuro
