CN101145347B - 热辅助垂直磁记录系统 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种热辅助垂直磁记录头和系统，其具有头承载器，头承载器支承用于传输辐射到记录层的光学通道，用于导向磁场到记录层的写极，以及用于从写极感应磁场的电线圈。光学通道在头承载器的面对记录层的表面处具有带开口的辐射引出面。写极具有带端面的极尖，端面从面对记录层的表面凹进。写极尖朝向所述端面呈楔形。极尖楔形和端面的凹进将写场集中在来自光学通道的辐射入射的垂直磁记录层的中间。开口的特征尺寸和开口与记录层之间的间距都小于辐射波长。辐射源可以是安装到头承载器的激光二极管。

Description

热辅助垂直磁记录系统
技术领域
本发明总地涉及热辅助磁记录(TAMR)系统，其中当磁记录层处于升高的温度时写数据，更具体而言，涉及用于垂直记录的TAMR系统和写头。
背景技术
垂直磁记录，其中所记录的位(bit)以基本垂直的或离面的(即不平行于记录层的表面)取向存储在基本平面的记录层中，是磁记录系统例如硬盘驱动器中实现超高记录密度的有前途的方式。通常类型的垂直磁记录盘驱动器使用“双层”盘。这种类型的盘驱动器示意性地示于图1中。写电流通过写头的线圈从而在写极产生磁场。双层盘包括位于形成在盘衬底上的“软(soft)”或相对低的矫顽力的导磁衬层(SUL)上的垂直磁数据记录层。SUL用作从写头的写极到返回极的磁场的磁通返回路径。记录层具有形成数据道的垂直记录的磁化或磁化区域，数据道中的相邻区域具有相反的磁化方向，如箭头所示。检测电流通过读头，读头通常为磁致电阻(MR)读头，例如其中检测电流垂直通过构成头的层的隧道MR(TMR)读头。相邻的相反指向磁化区域之间的磁转变(magnetic transition)引起电阻改变，该改变通过读头可被检测为数据位。导磁材料的屏蔽件防止来自被读取的磁化以外的磁化的磁场到达读头。
读头和写头通常形成为在头承载器例如具有气垫面(ABS)的滑块的尾表面上构图的集成的读/写头，该ABS允许滑块骑在旋转盘的表面之上的空气薄膜上，盘相对于写头的方向如箭头23所示。滑块通过悬臂连接到致动器臂并通过悬臂定位为非常接近盘表面。致动器移动滑块横越盘表面从而读写头可访问数据道。盘驱动器中通常存在盘的堆叠，滑块-悬臂组件与堆叠中的每个盘表面关联。
用于盘上记录层的磁材料(或介质)选择为具有足够的矫顽力，从而磁化的数据位被精确写入并保持其磁化状态直到被新的数据位重写。随着面数据密度(盘的单位表面积上能记录的位数目)增加，构成数据位的磁晶粒会变得如此小从而它们仅通过磁化的位内的热不稳定性或扰动就能退磁化(所谓的“超顺磁”效应)。为了避免所存储的磁化的热不稳定性，会需要具有高磁晶各向异性(Ku)的介质。然而，增加Ku也增加短时翻转场(short timeswitching field)H0，其是反转磁化方向所需要的场，对于大部分磁材料而言稍微大于在长得多的时间范围上测得的矫顽力或矫顽场。显然，H0不能超过记录头的写场能力，该写场能力对于垂直记录目前限制为大约15kOe。
公知记录层的磁材料的矫顽力是温度相关的，所以对热稳定性问题的一个建议方案是热辅助磁记录(TAMR)，其中在写入期间磁材料被局部加热到接近或高于其居里温度从而降低矫顽力以足以产生写入，但是对于在盘驱动器的环境温度(即正常操作温度或“室”温)的记录位的热稳定性而言矫顽力/各向异性足够高。已经提出了几种TAMR方法，主要用于更常规的纵向或水平记录，其中记录位基本在记录层面内取向。
已经提出了“宽区域”加热器来加热盘的比将要被记录的数据道更宽的区域。宽区域加热器较容易在常规记录头结构中实现并具有额外的优点，即非常有效地加热数据道并因而对于给定的所需介质温度最小化所需的加热器温度。具有宽区域加热器的TAMR系统包括使用激光或紫外灯进行加热的系统，如“Data Recording at Ultra High Density”(IBM Technical DisclosureBulletin，Vol.39，No.7，July 1996，p.237)、“Thermally-Assisted MagneticRecording”(IBM Technical Disclosure Bulletin，Vol.40，No.10，October 1997，p.65)、及美国专利5,583,727和5,986,978中所描述的。宽区域加热器的一个问题是相邻道干扰(ATI)。因为相邻道也被加热，来自写头的杂散磁场会擦除先前记录在相邻道中的数据。另外，即使在没有磁场的情况下，相邻道中的热衰减率(thermal decay rate)也被加速超过环境温度下的衰减率，并且因而会发生数据丢失。
用于ATI问题的一个建议方案是仅加热数据道的“小区域”加热器。美国专利6,493,183描述了也是用于纵向记录的TAMR盘驱动器，其中写头包括位于极尖之间的写间隙中的电阻加热器以用于仅局部加热数据道。小区域电阻加热器的缺点在于，由于相对不足的热传递，达到所期望的介质温度所需的加热器温度很高。美国专利6,982,844描述了也是用于纵向记录的TAMR盘驱动器，其使用具有开口的光学通道，开口发射激光辐射来仅加热数据道。
需要一种用于垂直磁记录的TAMR系统和写头。
发明内容
本发明是一种热辅助垂直磁记录头和系统。头承载器支承磁写极和用于传输辐射到记录层的光学通道，光学通道在头承载器的面对记录层的表面处具有辐射引出面。用于产生写电流脉冲的电线圈可以是环绕写极的螺旋(helical)线圈或围绕写极的扁平(flat)线圈。写极具有带端面的极尖，端面从面对记录层的表面凹进。写极尖朝向所述端面呈楔形。极尖楔形和端面的凹进将写场集中在来自光学通道的辐射入射的垂直磁记录层的中间。
光学通道的引出面具有开口，辐射通过该开口引出从而加热记录层。开口的特征尺寸小于辐射波长。具有开口的引出面用作近场变换器(near fieldtransducer)，开口和记录层之间的间距小于辐射波长。辐射源可以是安装到头承载器的激光二极管。包层位于光学通道和写极之间从而最小化从光学通道到写极的金属性材料的光功率损失。包层在极尖附近可以制得薄从而可以使极尖部分之间的间隙较小且使写场集中到极尖端面处的较小表面区域。来自光学通道的热被限制到单个数据道从而防止相邻道的意外擦除。
数据道中记录层的区域暴露于来自写极的写场和来自光学通道的热之后，该区域在其冷却至低于居里温度时成为被写入或被记录的。相对大的写极尖在记录层的相对广的区域之上提供取向磁场，同时数据位在被加热区域的尾(冷却)缘写入。
为了更全面理解本发明的本质和优点，应该参照下面结合附图的详细说明。
附图说明
图1是使用“双层”盘的现有技术类型的垂直磁记录盘驱动器的示意图；
图2是根据本发明的TAMR盘驱动器的一个实施例的经过头承载器和相关垂直磁记录盘的一部分的剖视图；
图3是对于图2所示的头承载器的一部分从盘观察时写头和光学通道的视图；
图4是图3的一部分的放大剖视图，示出了与盘协同的写极和光学通道的末端；
图5从盘观察时圆形开口的输出侧视图并且示出了变型，变型中形成光学通道的引出面的金属膜具有周期波纹或脊表面结构；
图6A-6C示出了用于光学通道的引出面上的开口的各种形状；具体为C形开口(图6A)、H形开口(图6B)和蝴蝶结形开口(图6C)；
图7是从盘观察时头承载器的一部分的写头和光学通道的视图，其中写极完全包围光学通道；
图8示出了根据本发明的双薄饼线圈形式的磁写头结构。
具体实施方式
图2是根据本发明一实施例的经过头承载器和相关垂直磁记录介质的一部分的剖视图。记录介质即盘40包括衬底42、SUL 44、以及垂直磁记录层46。SUL 44可以是适于作为导磁磁通返回路径的任何合金材料，例如NiFe、FeAlSi、FeTaN、FeN、CoFeB和CoZrNb。记录层46可以是具有垂直磁各向异性的任何介质，例如在特殊生长增强底层上生长的钴铬(CoCr)合金颗粒层、或交替的Co膜与铂(Pt)或钯(Pd)膜的多层。记录层46也可以是L10有序合金例如FePt或FeNiPt。盘40通常还将包括记录层46之上的保护覆层(未示出)。
头承载器(head carrier)10具有尾表面(trailing surface)11和基本垂直于尾表面11取向的面对记录层的表面12。头承载器通常由复合材料形成，如氧化铝/碳化钛(Al2O3/TiC)的复合材料，并支承通常由一系列薄膜和结构形成的读和写元件在其尾表面11上。表面11称为尾表面是因为盘40的相对于头承载器10的方向23。在盘驱动器实施例中头承载器是气垫(air-bearing)滑块(slider)，表面11是上面形成薄膜的滑块末端，表面12是滑块的气垫面(ABS)。ABS 12是滑块的面对记录层的表面，其面对盘并示出为没有通常存在于实际滑块中的薄保护覆层。面对记录层的表面应该表示覆盖以薄保护覆层的头承载器的表面、如果没有覆层则是头承载器的实际外表面、或覆层的外表面。图2不是按比例绘制的，因为难以示出非常小的特征。
头承载器10支承位于屏蔽件S1和S2之间的磁致电阻读头60；具有主或写极20、第一磁通返回路径26a、第二磁通返回路径26b和导电线圈25的垂直写头；以及波导或光学通道70。写极20具有端面21a，该端面21a面对表面12但出于下面说明的原因而从表面12凹进。端面21a优选地是形成写极20的窄化或楔形末端区域的极尖21的端面。写极由常规高磁矩材料形成，如FeCoNi合金。写线圈25示出为围绕写极20的螺旋线圈，电流方向通过标记以“X”的线圈截面示出为进入纸面并通过标记以实心圆的线圈截面示出为离开纸面。当写电流脉冲被引导通过线圈25时，写极尖21将箭头22a、22b表示的磁通引导向记录层46。具有箭头的虚线示出了经过SUL 44回到返回极26a、26b的磁通返回路径。
光学通道70穿过写极20延伸并基本被写极20包围。在图2的实施例中，写极20具有在光学通道70的相对两侧间隔开的两部分20a、20b。光学通道70具有基本位于表面12处的辐射引出面(exit face)71。光学通道70将波浪箭头71a表示的辐射导向到记录层46从而加热记录层至接近或高于构成记录层46的材料的居里温度。写入期间，记录层46沿箭头23所示的方向相对于头承载器10移动。记录区域(例如图2中的先前记录的区域26、27和28)之间的转变代表可通过读头60读出的所写数据“位”。图2中的无阴影的区域，除了光学通道70之外，表示绝缘材料，通常为氧化铝。
图3是从盘40观察时写头和光学通道的视图。光学通道70将辐射通过辐射引出面71中的开口75导向到记录层46，从而将记录层加热至高于构成记录层46的材料的居里温度。由通过开口75的近场光斑(optical spot)产生的盘上被加热区域的宽度基本定义记录层46中的数据道的道宽度TW。写极尖21通过极尖端面21a、21b垂直于(即在图3中“离开纸面”)记录层46地引导磁通(箭头端22a、22b)。磁场比TW宽得多，通常宽为许多道。方向23称为沿道方向(down-track direction)且垂直于沿道方向(且平行于道宽TW)的方向称为跨道方向(cross-track direction)。
在TAMR中，其中来自通过光学通道70的辐射的加热暂时降低记录层46的矫顽力Hc使得磁区域可通过来自写极20的写场被定向，热必须限制到单数据道从而防止相邻道的意外擦除。如果写场Hw大于Hc则磁区域变为通过写场被定向。数据道中记录层的区域暴露于来自写极20的写场和来自光学通道70的热之后，当它冷却到低于居里温度时成为被写入或被记录的。在常规垂直磁记录中，即没有记录层的加热，磁转变的锐度(sharpness)及因此的位密度由写场梯度dHw/dx决定，其中x是沿道的距离。然而，在TAMR中，由于记录层的Hc随着升高的温度T而降低，所以在被加热区域的尾边缘处磁转变的锐度根据dHeff/dx＝dHw/dx+dHc/dT*dT/dx由写场梯度dHw/dx和温度梯度dT/dx的组合决定。因而，有必要具有高的温度梯度从而定义道内位密度，但不必具有重叠的高写场梯度。较大的极尖21在记录层的较广区域之上提供取向磁场，同时数据位在被加热区域的尾(冷却)缘被写入。写极尖端面21a、21b和记录层46之间的较大凹进在写入中不是问题，因为写场梯度在写入过程中不被使用。
图4是放大剖视图，示出了与盘协同的写极和光学通道的末端。写极尖21从写极20a、20b向下至各端面21a、21b成楔形。端面21a、21b从表面12凹进。基于数学模拟选择楔角(taper angle)和缩进量，从而使来自写极尖21的最大磁场位于来自光学通道70的辐射入射到的记录层46的中心区域，并且最小化写场梯度。这允许温度梯度来定义磁转变的锐度。在一个示例中，对于由2.4特斯拉(Tesla)的材料制成的写极、约52度的楔角和大约300nm的凹进，可以在记录层46处获得大于10kOe的场。
如图4所示，薄膜波导或光学通道70引导沿箭头72表示的方向(进入和离开纸面)极化的辐射。替代地，极化方向可以在纸平面内。光学通道70由芯材料(core material)如玻璃、石英或传输激光波长的辐射的另一电介质材料(例如Ta2O3)形成，并被折射率比芯材料低的电介质包层(cladding layer)73(例如Al2O3或SiO2)包围。在一示例中，光学通道70在直径或横截面尺寸上可以为大约250nm，具有包围光学通道70且位于光学通道70和写极20a、20b之间的500nm厚的包层73。光学通道70末端附近，在光学通道70通过极尖21的区域中，可以使包层73变薄从而可以使两个极尖部分之间的间隙较小。这使写场集中到端面21a、21b处的较小表面区域。如图4所示，包层厚度从大约500nm较小到大约125nm。该减小的包层厚度可使得光功率消散到写极尖21的金属材料中，因此对应于写极尖21的长度的光学通道70的该末端部分保持较短，例如约1.5微米。在该末端部分中包层可完全去除从而使两极尖部分更加接近在一起，代价是额外的光功率消散。光功率消散可通过在围绕光学通道70的极尖部分上使用膜74例如金或铜而减小。这样的膜也可以用在光学通道70的上区域中从而减小光功率消散。光学通道70的辐射引出面71具有开口75，通过开口75辐射被引出从而加热记录层46。
如果辐射源是来自CD-RW型激光二极管的光，则波长为大约780nm。激光二极管可位于头承载器10上。替代地，激光辐射可以通过光纤或波导从离开滑块的源传送。在光学通道70的端部是用作近场光学变换器(transducer)的引出面71。引出面可以是脊槽(ridged slot)波导形式的具有开口75的辐射反射膜(radiation-reflective film)。该膜优选地是金属例如金、银、铬或其它合适的合金或多层结构。开口75可以利用聚焦离子束(FIB)或利用电子束(e-beam)光刻(lithography)通过蚀刻该膜来形成。
开口75为亚波长(subwavelength)尺寸，即，如果它是圆形的则其直径或者如果它是非圆形的则其最小特征的尺寸，小于入射激光辐射的波长并优选地小于激光辐射的波长的一半。在图4的示例中，如果辐射源是具有780nm波长的激光二极管，表面12和盘40的顶表面之间的间距为大约8nm，盘覆层(未示出)的厚度为约3nm，记录层46的厚度为约12nm，则开口75和记录层46中部之间的间距将为大约17nm。如果在该示例中写极尖21端面21a、21b凹进大约300nm，则极尖端面21a、21b将定位为距离记录层46的中部大约317nm。
图5是从盘观察时圆形开口75的输出侧的视图，并且示出了变型，变型中形成引出面71且围绕开口75的金属膜具有周期波纹或脊表面结构，如同心圆图案76所示。已知通过金属膜中亚波长开口的光传输在入射辐射与围绕开口的波纹金属表面处的表面等离激元(surface plasmon)谐振时得到增强。因此，金属膜中的诸如脊或沟槽的特征用作谐振结构从而进一步增加从开口发射的辐射输出以超过没有这些特征时的情况。该效应是从开口发射的辐射的特定频率谐振增强，该辐射然后导向到记录层上，记录层位于近场内。该谐振增强由Thio等人在“Enhanced light transmission through a singlesubwavelength aperture”(Optics Letter，Vol.26，Issue 24，pp.1972-1974(2001))中进行了描述，且在US 6,975,580中进行了描述。
图3所示的开口75是具有特征尺寸“d”的“C”形开口，如图6A的放大视图所示。近场斑点尺寸(spot size)由特征尺寸d决定，d是开口的最小特征的尺寸。谐振波长取决于开口的特征尺寸及围绕开口的薄膜的电特性和厚度。对于C形开口，这由J.A.Matteo等人在Applied Physics Letters，Volume 85(4)，pp 648-650(2004)中进行了讨论。图6B-6C示出了用于开口的其它形状，H形开口(图6B)和蝴蝶结形开口(图6C)。围绕这些类型开口的表面等离激元谐振激励增强了辐射传输。
图2和3的视图示出了一实施例，其中头结构具有“分裂”极，即写极部分20a、20b在光学通道70的相对两侧分开并基本包围光学通道70。图7示出了类似视图，不过是用于“环绕”极的实施例，其中写极完全包围光学通道70。在图3和7所示的两个实施例中，因为光学通道70中辐射的极化是沿跨道方向，所以沿该方向写极将保持远离光学通道70，这可以利用较厚的包层74实现。这是因为光将更强烈地与沿极化方向设置的写极的金属性材料相互作用。
图2的实施例示出了写极20具有两个返回极26a、26b。然而，写极可具有单个返回极，如图1的现有技术示意图所示。另外，线圈25是环绕写极20的螺旋线圈。然而，头结构可包括单个扁平或“薄饼”线圈或双扁平线圈，其中基本平的线圈制作在滑块的尾面上从而位于基本沿跨道方向。图8示出了具有线圈部分25a、25b的双薄饼线圈形式的这种类型的磁写头结构，电流方向在有“X”的线圈截面为进入纸面并且在有实心圆的线圈截面为离开纸面。
头承载器10和盘40已经示出为处于非接触关系，如在具有气垫滑块的盘驱动器中那样，其中该滑块被支承为完全不与盘接触。然而，写极和光学通道也可以在具有与盘物理接触部分的头承载器上制造，该部分例如为从头承载器突出的垫(pad)，仅该垫与盘接触。
尽管本发明参照其优选实施例进行了特定示出和描述，本领域技术人员能够理解，在不脱离本发明的权利要求所定义的精神和范围的情况下可以进行形式和细节上的各种改变。因此，所公开的发明仅认为是说明性的，并仅在权利要求所确定的范围内限定。

Claims (31)

1.一种头，用于垂直磁记录层中的热辅助记录，该头包括：
头承载器，具有面对记录层的表面；
光学通道，用于传输辐射到所述记录层，所述光学通道位于所述头承载器上并具有在所述面对记录层的表面处的辐射引出面；
写极，在所述磁头承载器上并具有从所述面对记录层的表面凹进的端面，所述光学通道延伸穿过所述写极的该端面；及
导电线圈，用于当电流通过所述线圈时在所述写极中产生磁通，所述磁通从所述写极端面导向到所述记录层。
2.如权利要求1的头，其中所述写极包括在所述光学通道的相对两侧间隔开的两个极片，每个极片具有从所述面对记录层的表面凹进的端面。
3.如权利要求1的头，其中所述写极基本包围所述光学通道。
4.如权利要求2的头，其中所述写极完全包围所述光学通道。
5.如权利要求1的头，其中所述写极具有极尖，所述写极的所述端面为所述极尖的端面。
6.如权利要求5的头，其中所述极尖从所述写极向所述端面呈楔形。
7.如权利要求1的头，其中所述光学通道的所述辐射引出面包括对所述辐射基本反射的材料的且其中具有开口的层，所述开口的尺寸小于所述辐射的波长。
8.如权利要求7的头，其中所述反射材料的层是具有周期波纹的金属性膜。
9.如权利要求7的头，其中所述开口具有选自C形、H形和蝴蝶结形构成的组的形状。
10.如权利要求1的头，还包括位于所述光学通道和所述写极之间的包层材料。
11.如权利要求10的头，其中所述包层材料在所述写极的所述端面处的厚度小于在所述写极的其它区域处的厚度。
12.如权利要求1的头，其中所述线圈是环绕所述写极的螺旋线圈。
13.如权利要求1的头，其中所述线圈是扁平线圈。
14.如权利要求1的头，还包括返回极，所述返回极位于所述头承载器上并具有基本位于所述面对记录层的表面处的端部，所述返回极磁耦合到所述写极以用于为来自所述记录层的磁通提供返回路径。
15.如权利要求14的头，其中所述返回极是第一返回极且还包括第二返回极，所述第二返回极位于所述头承载器上并具有基本位于所述面对记录层的表面处的端部，所述第一和第二返回极位于所述写极的相对两侧。
16.如权利要求1的头，还包括位于所述头承载器上的激光二极管以用于将辐射导向到所述光学通道。
17.如权利要求1的头，其中所述头承载器是具有作为所述面对记录层的表面的气垫面的气垫滑块。
18.如权利要求1的头，还包括所述头承载器上的磁致电阻读传感器。
19.一种热辅助垂直磁记录盘驱动器，包括：
垂直磁记录盘，包括衬底、所述衬底上的导磁衬层、以及所述衬层上的垂直磁记录层；以及
根据权利要求1的头，其中所述头承载器保持在所述盘附近，所述光学通道的辐射引出面与所述记录层之间的间距小于所述辐射的波长。
20.一种热辅助垂直磁记录盘驱动器，包括：
垂直磁记录盘，包括衬底、所述衬底上的导磁衬层、以及所述衬层上的垂直磁记录层；
头承载器，具有面对记录层的表面；
光学通道，用于传输辐射到所述记录层，所述光学通道位于所述头承载器上并具有带开口的辐射引出面，所述引出面基本位于所述面对记录层的表面处，并且所述开口的尺寸及所述记录层与所述引出面之间的间距都小于所述辐射的波长；
辐射源，用于将辐射导向到所述光学通道；
写极，在所述头承载器上并具有楔形极尖，所述极尖具有从所述面对记录层的表面凹进的端面，所述光学通道延伸穿过所述极尖端面；以及
导电线圈，用于当电流通过所述线圈时在所述写极中产生磁通，所述磁通从所述写极尖端面导向到所述记录层。
21.如权利要求20的盘驱动器，其中所述写极包括在所述光学通道的相对两侧间隔开的两个极片，每个极片具有极尖，所述极尖具有从所述面对记录层的表面凹进的端面。
22.如权利要求20的盘驱动器，其中所述写极基本包围所述光学通道。
23.如权利要求22的盘驱动器，其中所述写极完全包围所述光学通道。
24.如权利要求20的盘驱动器，其中所述开口具有选自C形、H形和蝴蝶结形构成的组的形状。
25.如权利要求20的盘驱动器，还包括位于所述光学通道和所述写极之间的包层材料。
26.如权利要求25的盘驱动器，其中所述包层材料在所述写极尖的所述端面处的厚度小于在所述写极的其它区域处的厚度。
27.如权利要求20的盘驱动器，其中所述线圈是环绕所述写极的螺旋线圈。
28.如权利要求20的盘驱动器，其中所述线圈是扁平线圈。
29.如权利要求20的盘驱动器，还包括返回极，所述返回极位于所述头承载器上并具有基本位于所述面对记录层的表面处的端部，所述返回极磁耦合到所述写极以用于为来自所述记录层的磁通提供返回路径。
30.如权利要求29的盘驱动器，其中所述返回极是第一返回极且还包括第二返回极，所述第二返回极位于所述头承载器上并具有基本位于所述面对记录层的表面处的端部，所述第一和第二返回极位于所述写极的相对两侧。
31.如权利要求20的盘驱动器，其中所述辐射源包括所述头承载器上的激光二极管。
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