垂直磁気記録の最新技術

Advanced Technologies of Perpendicular Magnetic Recording

［コードNo.2007T568］

■監修／	中村慶久（東北大学　名誉教授）
■体裁／	Ｂ５判　３１０ページ
■発行／	２００７年　７月　(株)シーエムシー出版
■定価／	６８,２５０円（税込価格）

★	30年にわたる研究開発を経て、ついに実用化された垂直磁気記録！
★	従来の面内記録方式はもはや記録密度の限界に到達。時代はいよいよ垂直記録方式へ！
★	記録・再生、媒体材料、信号処理、ストレージへの応用、さらには次世代の高密度化技術について、日本を代表する研究者たちが徹底解説した垂直磁気記録技術初の成書！

※　本書籍はご試読頂けません　※

刊行にあたって
垂直磁気記録が、2005年にHDDとして製品化されてから、早3年目を迎えた。当初危惧された問題点もほとんどなく、むしろ従来方式より安定に動作し、その後の開発も順調以上に進んでいる、とも聞いている。当初はモバイル型に比べて少し遅れると云われた3.5型についても、すでに製品化され、テラバイト容量級のものが市場に出ている。2008年には、ほとんどのHDDが垂直磁化方式に変わるとさえ云われている。 　ここに至るまでには、岩崎俊一東北大学名誉教授（現東北工業大学理事長兼学長）が提案されてから、ほぼ30年の歳月を要した。この間に、多くの方々のご支援ご協力を頂き、感謝に堪えない。中には、心を残しながらも、諸般の事情で垂直磁気記録の研究開発から去らなければならなかった方々も少なからずおられた。そういう方々にも報いることができたのではないかと思っている。「良かったですね」と云って下さる方々も多い。 　そういったいろいろな方々のご努力で、今日の垂直磁気記録技術が出来上がったわけである。しかし当然ながら、現在は、そういった経緯を全く知らないで製品化に当たっておられる研究開発エンジニアがほとんどであろう。その数は益々増える一方である。本書は、こういった、これからの垂直磁気記録技術を支え、さらに練り上げていって下さるはずの方々に大いに役立てて頂ければ何よりである。 　本書には、これまで垂直磁気記録の開発にご苦労いただいた方々に、ご多忙の中を、無理を承知でご執筆をお願いし、その中でご快諾いただいた方々の貴重な玉稿がつまっている。岩崎名誉教授が、よく「温故知新」という言葉をつかわれていたが、本書の中には、垂直磁気記録技術をさらに前進させる多くのヒントが隠されているはずである。 　磁気記録は、これから物性とナノテクという技術的狭間の中で、開発に益々困難さが増すテラビット記録の壁に立ち向かわなければならない。一方で、情報爆発とさえ云われるこれからの社会で、情報ストレージ技術の最前線にいるHDDの進展に期待する声も増すばかりである。言い換えれば、HDD産業は益々成長が期待され、現実に着実に成長している分野である。これがなくして、これからの情報技術は成り立たない。もし本書に愛読者ができるとすれば（多数できることを願っているのだが）、そういった期待を背負って奮闘される方々を心から応援し、本書がそのご活躍の支えになることを願っている。
（「はじめに」より抜粋） 2007年7月　中村慶久

執筆者一覧
中村慶久	(独)科学技術振興機構 JSTイノベーションプラザ宮城 館長、東北大学 名誉教授
村岡裕明	東北大学 電気通信研究所 教授
田中陽一郎	(株)東芝 デジタルメディアネットワーク社 ストレージデバイス事業部 HDD商品企画部 部長
山川清志	秋田県産業技術総合研究センター 高度技術研究所 主席研究員
押木満雅	情報ストレージ研究推進機構 常務理事
伊勢和幸	秋田県産業技術総合研究センター 高度技術研究所 主任研究員
逢坂哲彌	早稲田大学 理工学術院 教授
杉山敦史	早稲田大学高等研究所 客員准教授
安藤康夫	東北大学 大学院工学研究科 応用物理学専攻 教授
湯浅新治	(独)産業技術総合研究所 エレクトロニクス研究部門 スピントロニクス研究グループ 研究グループ長
佐橋政司	東北大学 大学院工学研究科 電子工学専攻 教授
大内一弘	秋田県産業技術総合研究センター 高度技術研究所 名誉所長
島津武仁	東北大学 電気通信研究所 IT21センター 准教授
有明順	秋田県産業技術総合研究センター 高度技術研究所 主席研究員
園部義明	HOYA(株) MD事業部 開発センター チーフ・テクノロジスト
鈴木淑男	秋田県産業技術総合研究センター 高度技術研究所 先端技術開発グループ 上席研究員
石尾俊二	秋田大学 副学長・教授
棚橋究	(株)日立製作所 中央研究所 ストレージ・テクノロジー研究センタ 主任研究員
細江譲	(株)日立製作所 中央研究所 ストレージ・テクノロジー研究センタ 主管研究員
荒井礼子	(株)日立製作所 中央研究所 ストレージ・テクノロジー研究センタ 主任研究員
二本正昭	中央大学 理工学部 教授
大沢寿	愛媛大学 大学院理工学研究科 電子情報工学専攻 教授
岡本好弘	愛媛大学 大学院理工学研究科 電子情報工学専攻 准教授
仲村泰明	愛媛大学 大学院理工学研究科 電子情報工学専攻 助教
高野公史	(株)日立グローバルストレージテクノロジーズ 技術開発本部 本部長
沼澤潤二	東北大学 電気通信研究所 教授
田上勝通	TDK(株) SQ研究所 所長
本多直樹	秋田県産業技術総合研究センター 高度技術研究所 副所長
喜々津哲	(株)東芝 研究開発センター 記憶材料・デバイスラボラトリー 室長
松本幸治	(株)富士通研究所 ストレージテクノロジ研究部 主任研究員
中川活二	日本大学 理工学部 電子情報工学科 教授

構成および内容
第1章	序論―研究開発の発端・経緯・将来展望―（中村慶久）
1	はじめに
2	なぜ垂直磁気記録だったのか
2.1	それは記録減磁の研究から始まった
2.2	回転磁化から垂直磁化へ
3	どのようにして垂直磁気記録を可能にしたか
3.1	最初の実験はこうして始まった
3.2	垂直磁気記録の原型はこう決まった
3.3	垂直磁気記録の春から冬
3.4	冬からの脱出、そして開花
4	これからの垂直磁気記録
4.1	高密度化の課題
4.2	さらに高密度化のために
5	むすび
第2章	垂直磁気記録の原理と特徴
1	記録・再生原理（村岡裕明）
1.1	はじめに
1.2	長手記録における減磁界と記録分解能
1.3	記録媒体ノイズとナノ微細構造
1.3.1	ノイズと微細磁気構造
1.3.2	熱磁気緩和
1.4	微粒子構造を持つ記録媒体における面記録密度限界
1.4.1	飽和記録可能な条件
1.4.2	熱的に安定な条件
1.4.3	粒子サイズとジッタの関係
1.5	次世代の垂直磁気記録方式への展望
2	記録特性評価技術（田中陽一郎）
2.1	記録性能評価
2.1.1	記録分解能
2.1.2	オーバーライト性能
2.1.3	トラックエッジ
2.1.4	記録歪と非線形性
2.2	再生性能評価
2.2.1	再生分解能
2.2.2	再生感度
2.2.3	ビット間干渉
2.2.4	再生非線形性
2.3	記録密度性能評価
2.3.1	線記録密度
2.3.2	トラック密度
2.3.3	ノイズ
第3章	磁気記録ヘッド技術
1	単磁極記録ヘッドの原理と構造設計（山川清志）
1.1	単磁極ヘッドの基本構造と動作
1.2	先端励磁型単磁極ヘッド
1.2.1	先端励磁型単磁極ヘッドの種類と特徴
1.2.2	カスプコイル型単磁極ヘッドの特性
1.3	単磁極ヘッドの高密度化設計
1.3.1	高分解能化
1.3.2	高記録磁界化
1.3.3	高密度記録用ヘッドの具体的設計
2	単磁極ヘッドの技術課題と対策（押木満雅）
2.1	大記録磁場
2.1.1	高飽和磁束密度軟強磁性材料
2.1.2	最適形状（配置）
（1）	先端駆動（励磁）
（2）	磁極形状の最適化
2.2	時間的に忠実な記録磁場
2.2.1	低インダクタンス
2.2.2	残留磁化および磁気余効の抑制
2.3	空間的に忠実な記録磁場
2.3.1	ダウントラック（記録媒体円周）方向の急峻化
2.3.2	オフトラック（記録媒体半径）方向の急峻化
2.4	超精密製造技術
2.4.1	薄膜パターンファブリケーションプロセス
（1）	薄膜成膜
（2）	パターン形成プロセス
2.4.2	超精密機械加工
3	シールドプレーナ型ヘッド（伊勢和幸）
4	磁気ヘッドコア用高Bs材料（逢坂哲彌、杉山敦史）
4.1	はじめに
4.2	磁気ヘッドコア材料の変遷
4.3	ナノ結晶による軟磁気特性の改善
4.4	電気めっき法によるナノ結晶の作製
4.4.1	CoFeNi薄膜
4.4.2	CoFe薄膜
4.5	ナノグラニュラーによる軟磁気特性の向上
第4章	再生磁気ヘッド技術
1	磁気抵抗効果再生磁気ヘッドの基本原理（安藤康夫）
1.1	はじめに
1.2	異方性磁気抵抗効果
1.3	巨大磁気抵抗効果
1.4	トンネル磁気抵抗効果
1.5	磁気抵抗効果を利用した再生磁気ヘッド
1.6	おわりに
2	各種MR効果の進展と将来展望（湯浅新治）
2.1	磁気抵抗効果（MR効果）とは
2.2	巨大磁気抵抗効果（GMR効果）
2.2.1	Fe/Cr多層膜のGMR効果
2.2.2	Co/Cu多層膜のGMR効果
2.2.3	CIP、CPP、スピンバルブ構造
2.2.4	GMR効果の工業応用
2.3	アモルファスAl-Oトンネル障壁のトンネル磁気抵抗効果
2.3.1	トンネル磁気抵抗効果（TMR効果）とは
2.3.2	TMR効果とスピン分極率
2.3.3	Al-Oトンネル障壁MTJ素子の性能限界と打開策
2.3.4	Al-Oトンネル障壁MTJ素子の工業応用
2.4	酸化マグネシウム（MgO）トンネル障壁の巨大TMR効果
2.4.1	コヒーレント・トンネルの理論予測
2.4.2	結晶MgO（001）障壁の作製と巨大TMR効果の実現
2.4.3	量産プロセスに適合したCoFeB/MgO/CoFeB構造のMTJ素子
2.4.4	MgO（001）トンネル障壁MTJ素子の工業応用
3	磁気抵抗効果型再生ヘッド素子の技術課題と対策（佐橋政司）
3.1	はじめに
3.2	磁気抵抗効果型再生ヘッドの構造とスピンバルブ効果
3.3	磁気抵抗効果型再生ヘッドの技術課題
3.4	技術課題の克服に向けて
3.4.1	磁気抵抗効果の原理
（1）	CPPGMRとCCP-CPPGMRについて
（2）	DWMRとBMRについて
3.4.2	再生ヘッドの素子構造について
3.5	おわりに
第5章	垂直磁気記録媒体技術
1	垂直磁気記録材料総論（大内一弘）
1.1	はじめに
1.2	垂直記録方式と高密度化
1.2.1	垂直記録の特徴と記録媒体
1.2.2	記録ヘッドと媒体の構成
1.3	垂直記録媒体の要件
1.3.1	微粒子性
1.3.2	垂直磁気異方性
1.3.3	粒子の磁気的孤立性
1.3.4	M-H曲線
1.3.5	マクロな均質性
1.4	垂直記録媒体の種類と製法
1.4.1	添加元素種の選択
1.4.2	高磁気異方性記録材料
1.4.3	Fe-Pt垂直記録媒体
1.4.4	Co/Pd、Co/Pt人工格子型多層膜
1.4.5	そのほかの材料
1.5	垂直記録媒体の今後の課題
1.5.1	大きな飽和磁化材料の重要性
1.5.2	メタル・酸化物混合系薄膜微粒子材料
1.5.3	次世代型高密度媒体
1.5.4	熱補助記録（HAMR）とその媒体
1.6	むすび
2	Co-Pt-Cr-SiO2系記録層材料（島津武仁）
2.1	CoCr系媒体からCoPtCr-SiO2系媒体へ
2.2	CoPtCr-SiO2媒体の磁気異方性
2.3	SiO2の添加と構造および磁気特性
2.4	グラニュラ媒体の性能向上
3	Co-Pt-TiO2系記録層材料（有明順、大内一弘）
3.1	はじめに
3.2	Co-Pt薄膜
3.2.1	これまでのCo-Pt系高異方性薄膜の研究
3.2.2	Co-Pt高異方性薄膜の諸特性
3.3	CoPt-TiO2薄膜
3.3.1	添加酸化物の選択指標
3.3.2	Co-Pt-oxide膜の磁気特性、薄膜微細構造
3.3.3	Co-Pt-oxide膜中の化学結合状態
3.3.4	Co-Pt-oxide膜厚方向の化学結合状態
3.4	まとめ
4	複合記録層材料（園部義明）
4.1	はじめに
4.2	CGC媒体
4.2.1	CGC媒体（積層）構造
4.2.2	CGC構造を有する具体的な媒体
4.2.3	磁気特性の制御
4.2.4	微細構造
4.2.5	記録再生特性と熱安定性
4.2.6	CGC媒体に関する解析
（1）	スイッチング磁界分布
（2）	熱安定性の解析
（3）	MFMによる解析
（4）	磁化機構解析
4.3	ECC媒体
4.4	今後の展望
4.5	まとめ
5	Fe-Pt系記録層材料（鈴木淑男）
5.1	はじめに
5.2	FePt垂直磁気異方性薄膜の作製
5.2.1	C軸結晶配向技術
5.2.2	低温規則化
5.2.3	膜微細構造形成
（1）	磁壁ピンニング型
（2）	ナノグラニュラー型
5.3	FePt垂直記録媒体の現状とピンニング型媒体の可能性
5.4	むすび
6	記録層磁化反転評価技術（石尾俊二）
6.1	はじめに
6.2	磁気力顕微鏡
6.3	反転磁場マッピング
6.4	反転磁場マップとビット境界や媒体ノイズ画像の重ね合わせ
6.5	反転磁化過程ならびに活性化体積
6.6	まとめ
7	軟磁性下地層材料（棚橋究、細江譲、荒井礼子）
8	中間非磁性層の役割と課題（二本正昭）
8.1	結晶配向性
8.2	結晶粒径
8.3	結晶欠陥
8.4	結晶粒界組成、結晶粒内組成
8.5	表面平坦性
8.6	軟磁性裏打ち層と記録磁性層の磁気的相互作用
8.7	Co合金系記録磁性膜以外の磁性膜に対する中間非磁性層材料
8.8	中間非磁性層の今後の課題
第6章	垂直磁気記録用信号処理技術（大沢寿、岡本好弘、仲村泰明）
1	はじめに
2	垂直磁気記録再生系
3	PRML方式の基礎
4	雑音予測型PRML方式
5	PRML方式の性能比較
6	ポストプロセッサ
7	繰り返し復号
8	低域補償
9	おわりに
第7章	情報ストレージへの応用
1	HDDへの応用（高野公史）
1.1	はじめに
1.2	HDDの歴史
1.3	HDDの主要技術
1.4	製品化に向けた基礎検討
1.5	実用化に向けた技術開発
1.6	今後の展望
2	超高精細映像記録への応用（沼澤潤二）
2.1	映像記録の歴史
2.2	ディジタル映像信号の性質
2.3	超高精細ディジタル映像信号規格とストレージ
2.4	超高精細ディジタル映像信号用ストレージの要件
第8章	次世代高密度化技術
1	ディスクリートトラックメディア（田上勝通）
1.1	高密度での課題
1.2	ディスクリートトラックメディア（DTM）の構造
1.3	DTMの垂直磁気異方性
1.4	DTMの作製法
1.5	磁気ヘッドの浮上特性
1.6	サーボトラックフォロイング
1.7	DTMの記録再生特性
1.8	今後の展開
2	パターンドメディア
2.1	ビットパターンド磁気記録メディアの設計（本多直樹）
2.1.1	はじめに
2.1.2	ビットパターンドメディアの熱磁気設計
2.1.3	メディアのシミュレーションモデル
2.1.4	記録シミュレーション
2.1.5	シフトマージンの決定要因
（1）	シミュレーションモデル
（2）	長手方向シフトマージン
（3）	トラック幅方向シフトマージン
2.1.6	面記録密度2Tbit/in²記録への指針
（1）	磁性ドット形状と残留磁化曲線
（2）	記録シミュレーション
2.2	製造方法（喜々津哲）
2.2.1	はじめに
2.2.2	パターンドメディアの加工形態
2.2.3	マスク形成方法
2.2.4	パターン描画方法
2.2.5	エッチング方法
2.2.6	埋め込み平坦化
2.2.7	パターンドメディアの製造法イメージ
3	熱補助記録方式
3.1	ワイドビーム加熱（松本幸治）
3.1.1	まえがき
3.1.2	熱アシスト記録方式による面記録密度
（1）	面記録密度と磁気特性
（2）	磁気ドミナントによる面記録密度
（3）	光ドミナントによる記録密度
3.1.3	原理実験
（1）	記録媒体
（2）	記録再生装置
（3）	オーバーライト特性
（4）	書き込み時の熱の効果
（5）	信号対雑音比
3.1.4	まとめ
3.2	狭域加熱（中川活二）
3.2.1	Solid Immersion Lens,Solid Immersion Mirror
3.2.2	ナノサイズ開口
3.2.3	表面プラズモン利用の近接場光
3.2.4	導波路タイプ
3.2.5	磁場発生型プラズモンアンテナ

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