vol.83 no.4 2010 新しい高密度記録技術 ──高ku 磁 …...富士時報 vol.83 no.4 2010...
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富士時報 Vol.83 No.4 2010
特集1
252（ 10 ）
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 320 GB（記録密度約 500 Gbits/in2）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，KuV/kBT（Ku：磁気異方性定数，V：体積，kB：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 Ku 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 Ku 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，
107erg/cm3 台の極めて高い Ku 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。
このような高い Ku を持つ磁性材料の代表的なものと
して，L10 構造を持つ Co-Pt 二元合金がある。ほかに
m-D019 型と呼ばれる規則合金膜⑴〜⑶
や L11 型⑷〜⑹
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-D019 型と L11 型規則合金膜は，300 〜 400 ℃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 Ku 薄膜の一つである L10 型 Fe-Pt 規則合金膜の一般的な形成温度より 200 〜 300 ℃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-D019 型および L11 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，L10 型 Fe-Pt 規則合金膜と並ぶ高 Ku 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-D019 型および L11 型の準安定な規則合金膜を形成し，
3×107erg/cm3 を超える Ku 値を得ることに成功している⑺，⑻
。
本稿では，特に L11 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
₂.₁ L11型 Co 50Pt50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
新しい高密度記録技術──高Ku 磁性材料──
片岡 弘康 Hiroyasu Kataoka 小宮山 和弥 Kazuya Komiyama 高橋 伸幸 Nobuyuki Takahashi
New High Density Recording Technology: High Ku Magnetic Materials
高い磁気異方性定数 Ku を持った L11 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 Ku 値は，最大で 3.6×107erg/cm3 に達している。加えて，低い規則度から高い Ku 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 Ku を維持したまま，飽和磁化Ms 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 L11 type CoPt ordered alloy film hav-ing a high magnetic anisotropy constant Ku using sputter technique. The Ku value of this material reached a maximum value of 3.6×107erg/cm3. Moreover, this material is superior to other ordered alloys even if the order is low and the Ku value is high. Also, a ternary alloy formed by adding Ni to this material is capable of maintaining a crystalline structure and a high Ku value over a wide compositional range while con-trolling the saturation magnetization Ms. 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%.
＜001＞＜001＞
＜111＞：Co
：Pt
型 Co50Pt50L11型 Co75Pt25Dm－ 019 型 Co50Pt50L10
図₁ m-D019 型，L11 型およびL10 型の結晶構造
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特集1
253（ 11 ）
ラスディスク上に Pt シード層を介して形成した Co50Pt50
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 L11型の利点が確保できている。さらに， L11型の規則構造に起因した L11（111）面および L11（333）面の回折線が観察されており，作成した薄膜が L11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 L11 型 Co50Pt50 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
の Pt 層から Co50Pt50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 L11型 Co 50Pt50規則合金膜の磁気特性図₄に，L11 型 Co50Pt50 規 則 合 金 膜および m-D019 型
Co80Pt20 規則合金膜の Ku 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 L10 型Fe50Pt50 規則合金膜の結果も示した。
L11 型 Co50Pt50 規 則 合 金 膜の S 値は L10 型 Fe50Pt50 規則合金膜よりも小さいにもかかわらず，Ku 値は L10 型Fe50Pt50 規則合金膜と同程度の 107erg/cm3 台を持ってい
る。また，Ku は S の増加に伴い急激に増加する傾向を示しており，L11 型 Co50Pt50 規則合金膜が，L10 型 Fe50Pt50
規則合金膜を超える大きな Ku 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 L11 型 Co50Pt50 規則合金膜が形成できれば，その Ku 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 L11 型 Co50Pt50 規則合金膜は，高密度化に要求される高い Ku 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
₃.₁ L11 型（Co1-XNiX）50Pt50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 Ms が
300 〜 700 emu/cm3 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，L11 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，L11 型 Co50Pt50 規則合金膜の
Ms は，約 1,000 emu/cm3 である。これを 300 〜 700 emu/
20 40 60 80 100 120
相対強度（log scale）
2θ （degrees）
MgO（111）
Pt（111）
Pt（222）
ガラスディスク
型CoPt（111）
L11
型CoPt（222）
L11
型CoPt（333）
L11
型CoPt（444）
L11
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Co50Pt50 規則合金膜のX線回折パ ターン
Pt
Pt
4nm
CoPt
図₃ L11 型 Co50Pt50 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
0 0.2 0.4 0.6 0.8 10
10
20
30
40
50
型 Co50Pt50（Tｓ=270～390℃）L11
型 Co80Pt20Dm－ 019
型 Fe50Pt50（Tｓ=400～700℃）L10
磁気異方性定数 u（×106 erg/cm3）
K
規則度S
（Tｓ=270～390℃）
図₄ L11 型 Co50Pt50 規則合金膜およびm-D019 型 Co80Pt20 規則合金膜のKu とS の関係
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254（ 12 ）
cm3 程度の実用レベルの値に制御するには，高い Ku 値を
維持しつつ Ms 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，L11 型 Co-Pt 規則合金膜の Co の一部を Ni に置換した L11 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，L11 型 Co50Pt50 規則合金膜の S と Ku
が最大となる 360 ℃に固定した。
図₅に，Pt 組成を化学量論組成である 50 at% に固定して，Co を Ni 量 X で置換していった場合の（Co1-XNiX）
50Pt50 の X 線回折パターンを示す。L11 型 Co50Pt50 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，L11 型 Co50Pt50 規則合金膜と同様に，2θ＝21°付近に L11 型の規則構造を形成して
いることを示す L11（111）面からの回折線が観察されて
おり，L11 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 Ms と S を Ni 量 X に対して示
した。Ni 量 X の増加に伴い Ms は単調に減少しており，
Ni50Pt50 組成では，Ms の値は 0 となっている。一方，S の
値は Ni 量 X によらずほぼ一定の 0.5 であった。
₃.₂ L11 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
Ms 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 Ms 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
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 L11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 L11 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（Co1-XNiX）50Pt50 組成（Co50Pt50 の点から Ni50Pt50 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-D019 が形成され，図中点線は L11 と m-D019 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 Ms の値を示した
ものである。Ms 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 Ms を制御可能であ
ることが分かる。
図₉は，同様に Ku の値を示したものである。図中には
合わせて Ms の等値線も示した。Ku の絶対値は S の場合と同様に，（Co1-XNiX）50Pt50 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 Ku 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 Ms である約 500 〜 600 emu/cm3 を実現可能な L11 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。Ms を約 600 emu/cm3 とし
た場合，二元合金の Ku は 1.2×107erg/cm3 に低下している。
一方，Ni で置換して Ms を低下させた場合，1.8×107erg/cm3 程度の非常に高い Ku 値を維持していることが分かる。
また，Ms を約 500 emu/cm3 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。
20 40 60 80 100 120
相対強度（log scale）
2θ （degrees）
Pt（111）
Pt（222）
（Co－Ni）－Pt（111）
L11 （Co－Ni）－Pt（222）
L11
（Co－Ni）－Pt（444）
L11
（Co1－ Ni ）50Pt50 ：10nm
（Co－Ni）－Pt（333）
L11
=0
=0.2
=0.4
=0.6
=0.8
=1
X X
X
X
X
X
X
X
図₅ L11 型（Co1-XNiX）50Pt50 規則合金膜のX線回折パターン
0 0.2 0.4 0.6 0.8 10
500
1,000
1,500
0
0.2
0.4
0.6
0.8
1
膜厚：10nm
飽和磁化 s（emu/cm
3)
M
Ni 量
規則度S
S
M S
（Co1－ Ni ）50Pt50X X
X
図₆ L11 型（Co1-XNiX）50Pt50 規則合金膜のMsとS
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本章では，高い Ku 値を維持しつつ Ms をコントロール
することができる，L11 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 L11 型規則合金を形成し，希少な Pt 量を少なく抑えた組成で，L11
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 107erg/cm3 台の Ku を要求する磁気記録媒体は 2013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。
参考文献⑴ G. R. Harp. et al. Magneto-Optical Kerr Spectroscopy of
a New Chemically Ordered Alloy：Co3Pt. Physical Review
Letters. 1993, vol.71, p.2493.
⑵ 山田芳靖, 鈴木孝雄. 日本応用磁気学会誌. Co3Pt合金薄膜に
おける垂直磁気異方性の起源. 1999, vol.23, no.7, p.1855-1860.
⑶ M. Maret. et al. Enhanced perpendicular magnetic anisot-
ropy in chemically long-range ordered（0 0 0 1）CoxPt1－x
films, Journal of magnetism and magnetic materials. 1999,
vol.191, p.61-71.
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.3670.
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.433-
0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100
0
10
20
30
40
50
60
70
80
90
1000
10
20
30
40
50
60
70
80
90
100
Co量（at％）
Ni量（at％）
Pt 量（at％）
磁気異方性定数 u（×107 erg/cm3）
K
1.7
0.9
1.1
0.2
0.7 1.72.12.31.82.73.7
0
0.9
1.8
2.5
2.7
3.23.51.22.33.1
1
2
3
400
600
800
1,000
s＝M
L11
0.8
0.9
図₉ L11 型 Co-Ni-Pt 規則合金膜のKu
規則度S
L11
0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100
0
10
20
30
40
50
60
70
80
90
1000
10
20
30
40
50
60
70
80
90
100
0.33
0.45
0.44
0.3
0.3
0.110.13 0.310.19
0.540.58
0.610.470.50
0.52
0.45
0.51
0.45
0.45
0.44
Co 量（at％）
Ni量（at％）
Pt 量（at％）
0.44
0.40.3
0.20.1
0.30.4
0.40
図₇ L11 型 Co-Ni-Pt 規則合金膜のS
0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100
0
10
20
30
40
50
60
70
80
90
1000
10
20
30
40
50
60
70
80
90
100
Co量（at％）
Ni量（at％）
Pt 量（at％） 400
600
800
1,000
0
520
1,120
720
390
850
260
7401,310
1,2501,2401,040940
320
570
710
830
860600
510 1,130800
1,000
L11
飽和磁化 s（emu/cm3）M
図₈ L11 型 Co-Ni-Pt 規則合金膜のMs
表₁ �L11 型の Co-Pt 二元合金とCo-Ni-Pt 三元合金の代表的な組成のMs，Ku，S
組成（at%） 飽和磁化�Ms
（emu/cm3）磁気異方性定数�Ku（× 107erg/cm3）
Ku�/Ms
（kOe）規則度SCo Ni Pt
50 0 50 940 3.7 39.4 0.5
30 0 70 600 1.2 20.0 0.19
25 0 75 500 0.7 14.0 0.13
20 30 50 570 1.8 31.6 0.45
15 60 25 520 0.8 15.4 0.3
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特集1
256（ 14 ）
436.
⑹ J. C. A. Huang. et al. Influence of crystal structure on the
perpendicular magnetic anisotropy of an epitaxial CoPt al-
loy, Journal of Applied Physics. 1999, vol.85, p.5977-5979.
⑺ Sato, H. et al. Fabrication of L11 type Co-Pt ordered alloy
films by sputter deposition, Journal of Physics. 2008, vol.103,
no.07, 07E114-07E114-3.
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L11型Co-Pt規則化合金膜の作製とその磁気特性. 2008,
vol.3, no.6, p.271-276.
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.5369.
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. 2007, vol.31, no.3, p.178-183.
⑾ Sato, H. et al. Fabrication of L11-type （Co-Ni）-Pt or-
dered alloy films by sputter deposition. Journal of Applied
Physics. 2009, vol.105, 07B726-07B726-3.
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。
＊ 本誌に記載されている会社名および製品名は，それぞれの会社が所有する
商標または登録商標である場合があります。