CN101241706A - 用于隧道磁阻元件的测试方法和装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供了用于隧道磁阻元件的测试方法和装置。一种用于利用隧道磁阻效应的再现元件的再现元件测试方法，包括：测量步骤，用于针对不同电流来测量第一电阻值和第二电阻值；比较步骤，用于对电阻值微分曲线和电阻改变率进行比较，电阻值微分曲线是根据具有相同设计的没有缺陷的制品的再现元件的隧道磁阻和电压之间的理论方程式来计算得到的，而电阻改变率是根据所述测量步骤所测得的第一电阻值和第二电阻值来计算得到的；以及判断步骤，用于基于对所述电阻值微分曲线和电阻改变率的比较来判断所述再现元件是有缺陷的还是没有缺陷的。

Description

用于隧道磁阻元件的测试方法和装置

技术领域

本发明一般地涉及再现元件或读取器件的测试方法，更特别地涉及隧道磁阻(“TMR”)元件的测试方法。本发明例如适合用于硬盘驱动器(“HDD”)的TMR(磁头)元件的测试方法。

背景技术

随着因特网等的发展，对稳定再现大量信息的HDD的需求已经日益增大。由于盘的表面记录密度变得更高以满足对大容量的需求，所以信号磁场变得更弱。因此需要更小且更高灵敏度的再现元件来读取这种弱信号磁场。

这种再现元件的已知候选是具有TMR薄膜的TMR元件。TMR薄膜被配置成在两个磁性薄膜之间保持有绝缘薄膜，并且使隧道电流垂直于叠层表面(lamination surface)流动。但是，绝缘薄膜中的任何针孔和绝缘薄膜周围的任何短路都会降低TMR磁头的电阻，并恶化再现输出或灵敏度。因此，传统上已经通过测量TMR薄膜的电阻值来执行TMR磁头的性能测试。另外，另一个已知方法通过计算TMR磁头的电阻改变率ΔR/R来判断是否存在针孔(例如参考申请号为No.2006-66873的日本专利公布)。同时，即使当存在短路时，电阻也不会完全变为0，并且这个申请将具有短路的电阻称为“短路电阻”。具有高短路电阻时，绝缘薄膜在某种程度上可以工作。但是，当短路电阻很小时，TMR薄膜的灵敏度降低。

图1示出了TMR薄膜的电压与隧道磁阻之间的关系。W.F.Brinkman，R.C.Dynes，J.M.Rowell，J.Appl.Phys.41 1951(1970)。虽然根据欧姆定律，正常的电阻与电流是成线性的，但是TMR薄膜示出了电阻和电压之间的非线性关系(R-V曲线)。

但是，传统方法无法有效地判断具有短路的TMR元件是有缺陷还是没有缺陷。首先，因为TMR薄膜的电阻值因工艺而分散(scatter)，所以利用该电阻值的方法无法基于短路来精确地判断所述磁头是有缺陷还是没有缺陷。其次，利用所述电阻改变率的方法可以基于TMR薄膜中的针孔的存在性来判断镀膜质量，但是无法基于短路来判断所述磁头是有缺陷还是没有缺陷。

发明内容

本发明定位于能够有效地判断TMR元件是有缺陷还是没有缺陷的测试方法和装置。

根据本发明一个方面，用于利用隧道磁阻效应的再现元件的再现元件测试方法，包括：测量步骤，用于针对不同电流来测量第一电阻值和第二电阻值；比较步骤，用于对电阻值微分曲线和电阻改变率进行比较，电阻值微分曲线是根据具有相同设计的没有缺陷的制品的再现元件的隧道磁阻和电压之间的理论方程式来计算得到的，而电阻改变率是根据所述测量步骤所测得的第一电阻值和第二电阻值来计算得到的；以及判断步骤，用于基于对所述电阻值微分曲线和电阻改变率的比较来判断所述再现元件是有缺陷的还是没有缺陷的。该测试方法可以基于短路电阻来判断该再现元件是有缺陷的还是没有缺陷的。基于没有缺陷的制品的再现元件的隧道磁阻和电压之间的理论方程式，电阻值微分曲线可以通过将具有特定电阻值的电阻器与该没有缺陷的制品并联连接来获得，并且当电阻改变率的绝对值高于电阻值微分曲线时，判断步骤可以判定所述再现元件没有缺陷。所述特定电阻值例如是1000Ω。隧道磁阻和电压之间的理论方程式可以从Brinkman的理论方程式推导得到。当再现元件的电阻改变率接近于电阻值微分曲线时，判断步骤可以判定该再现元件没有缺陷。当在再现元件中流过0.1mA时可以获得第一电阻值，当在再现元件中流过0.4mA时可以获得第二电阻值，并且电阻改变率是通过以下方式来获得的值，即，从第二电阻值减去第一电阻值，将相减结果除以第一电阻值，并将相除结果乘以100。再现元件的可允许电阻范围例如在300Ω和400Ω之间。

根据本发明另一个方面的，用于具有隧道磁阻效应的再现元件的再现元件测试装置，包括：测量部分，该测量部分针对不同电流来测量第一电阻值和第二电阻值；比较部分，该比较部分对电阻值微分曲线和电阻改变率进行比较，电阻值微分曲线是根据具有相同设计的没有缺陷的制品的所述再现元件的隧道磁阻和电压之间的理论方程式来计算得到的，而电阻改变率是根据所述测量部分所测得的第一电阻值和第二电阻值来计算得到的；以及判断部分，该判断部分基于对所述电阻值微分曲线和电阻改变率的比较来判断所述再现元件是有缺陷的还是没有缺陷的。该测试装置可以判断具有短路的再现元件是有缺陷的还是没有缺陷的。

一种使得计算机能够执行上述再现元件测试方法的计算机实现程序也构成了本发明的另一个方面。

根据以下参考附图对优选实施例的说明，本发明的其它目的和其它特征将变得一目了然。

附图说明

图1是示出TMR薄膜的电压和电阻之间的关系的示图；

图2是根据本发明一个实施例的测试装置的平面图；

图3是用于说明根据本发明一个实施例的测试方法的流程图；

图4是用于图3所示的测试方法的示图；

图5是用于图3所示的测试方法的示图；

图6是其上安装了图1所示的磁头万向架组件(head gimbalassembly)的HDD的平面图；以及

图7是图6所示的磁头部分的示意性放大平面图。

具体实施方式

现在参考图2，将描述用于稍后将描述的HDD(存储器)100的磁头器件的测试装置1。测试装置1包括个人计算机(“PC”)10、安装构件20、检测器40和电流源单元50，安装构件20将与待测的磁头万向架组件(“HGA”)111安装在一起。HGA 111是与滑动件(slider)安装在一起的悬挂组件，并可以称为磁头悬挂组件。

测试装置1是在HGA 111安装到HDD 100上之前判断该HGA 111是缺陷制品还是非缺陷制品的测试装置。如稍后将描述的，HGA 111包括磁头部分120，而磁头部分120包括稍后将描述的、用于向磁盘104写入信息的记录元件(感应磁头器件130)，和用于从磁盘104读取信息的再现元件(TMR磁头器件140)。测试装置1对该记录元件和再现元件两者都进行测试，并与它们的ID相关联地输出关于它们各自是有缺陷还是没有缺陷的结果，但是本实施例将仅讨论再现元件的测试方法。

PC 10对测试装置1的操作模式进行控制，并输出和存储测试结果。本实施例的PC 10是测试装置1的一部分，但是在另一个实施例中，PC 10可以通过网络与测试装置1相连接。PC 10包括PC主体12、诸如键盘和鼠标之类的输入部分14、以及诸如显示器之类的输出部分16。PC主体12包括诸如CPU之类的控制器12a和存储器12b。控制器12a执行本测试方法所必需的各种操作和判断。存储器12b存储所述测试方法和该测试方法所必须的各种数据。测试装置1的一个操作模式被实现为软件程序并存储在存储器12b中，并且用户可以通过控制器12a和输入部分14来选择操作模式，从而查看输出部分16。

安装构件20与HGA 111安装在一起。当HGA 111被安装到安装构件20上时，电流源单元50向HGA 111中的再现元件提供电流。检测器40在电流源单元50向HGA 111供电时对TMR元件的电阻进行检测。检测器40所检测到的信息被发送给PC 10中的控制器12a。

现在参考图3，将描述测试装置1的操作。这里，图3是用于说明本实施例的测试方法的流程图。图3所示的测试方法被实现为由PC 10执行的程序。首先，假设电阻值为1000Ω的电阻器与TMR薄膜并联连接，控制器12a根据Brinkman的理论方程式来获得电阻和电阻改变率之间的关系(步骤1002)。这是获得稍后将描述的理论曲线(b)的步骤。

假设存储器12b预先存储了图1所示的TMR薄膜的电压和电阻之间的关系以及以下给出的、上面引用的Brinkman理论方程式，其中，Δ＝₂-₁，

₁和₂是各个界面的障高(barrier height)，而d是绝缘薄膜的厚度：

[方程式1]

存储器12还存储有用以下方程式2定义的电阻改变率ΔR/R：

[方程式2]

$\frac{\mathrm{\ΔR}}{R}=\frac{R\left(0.4\mathrm{mA}\right)-R\left(0.1\mathrm{mA}\right)}{R\left(0.1\mathrm{mA}\right)}\×100$

Brinkman的理论方程式被归一化，从而使得当电压为0时纵轴的电阻值变为1。另一方面，实际的TMR元件的电阻值范围在300Ω和400Ω之间。因此，用户输入在方程式1中的实际TMR元件所必须的参数值。控制器12a利用该输入值和方程式2，并获得图4所示的理论或理想曲线(a)。

0.1mA和0.4mA被用于计算电阻改变率，但是本发明并不限于这些电流值。这些电流值提供了很大的电阻改变率，落在不会破坏TMR薄膜的安全范围内，并且是由发明人凭经验获得的。当与TMR薄膜的电阻器并联连接的(短路)电阻器的电阻不确定时，理论曲线(a)是基于400Ω的电阻和-3％的电阻改变率的理想曲线。

接下来，通过输入部分14，用户输入当TMR薄膜短路时短路部分可允许的最小短路电阻值，并且控制器12a设置输入短路电阻值。直接发明人已经发现经验上其接近于1000Ω。接下来，控制器12b计算假设1000Ω的电阻器与理论曲线(a)所描绘的TMR薄膜并联连接的模型的理想曲线，作为理论曲线(b)。用于参考，图4还示出了假设500Ω的电阻器与理论曲线(a)所描绘的TMR薄膜并联连接的模型的理想曲线，作为理论曲线(c)。由于理论曲线(c)位于理论曲线(b)的上面，所以可以了解到，理想曲线(b)的上方与短路电阻值小于1000Ω的电阻值的一方相对应。存储器12b存储至少绘出理论曲线(b)的图4所示的图形。

接下来，控制器12a指示电流源单元50向磁头结构(或HGA)111中的TMR元件流过0.1mA和0.4mA的电流，并且指示检测器40针对每个电流值来检测TMR元件的电阻值(步骤1004)。

接下来，控制器12a从检测器40获得检测结果，并从而获得待测的TMR元件的电阻和电阻改变率之间的关系(步骤1006)。步骤1006是在图4中绘出检测器40的检测结果。横轴表示当在TMR元件中流过0.1mA的电流时的电阻值。纵轴表示通过以下方式来得到的值：从在TMR元件中流过0.4mA的电流时的电阻值减去在TMR元件中流过0.1mA的电流时的电阻值，将相减结果除以当流过0.1mA的电流时的电阻值，并且将相除的结果乘以100。图4绘出了检测器40的菱形检测结果。

接下来，控制器12a判断在步骤1006中获得的关系是否落在TMR元件的可允许电阻范围内(步骤1008)。根据直接发明人的经验，具有相同设计的、没有缺陷的TMR元件的可允许电阻范围落在300Ω和400Ω之间。

当控制器12a判定在步骤1006中获得的关系落在TMR元件的可允许电阻范围内时(步骤1008)，则控制器12a判断所检测到的电阻值是否位于相对于理论曲线(b)的较大短路电阻一方(步骤1010)。当所检测到的电阻值位于图4中的理论曲线(b)的下方时，其位于相对于理论曲线(b)的较大短路电阻一方。总之，满足步骤1008和1010这两个条件的通过域是图5所示的倾斜部分。

虽然本实施例测试利用具有可允许的最小短路电阻值的理论曲线(b)，但是该测试也可以将具有接近于理论曲线(a)的上方或下方的电阻改变值的TMR薄膜视为没有缺陷。

在步骤1008或1010中判定为否的TMR元件被确定为缺陷制品(步骤1012)。没有缺陷的制品接下来将经历读取性能测试，并且仅仅通过读取性能测试的那些才会被安装在HDD 100上(步骤1014)。传统上还没有执行过本实施例的测试，而所有产品都已经受过读取性能测试。另一方面，当仅仅通过本实施例的测试的那些才经历读取性能测试时，通过读取性能测试的产品的比率或产量提高了大约10％。

现在参考图6和7，将描述HGA 111安装到HDD 100上之后的HDD100。如图6所示，HDD 100在壳体102中包括各自充当记录介质的一个或多个磁盘104、主轴马达(spindle motor)106、和磁头组组件(“HSA”，head stack assembly)110。HGA 111构成了HSA 110的一部分。这里，图6是HDD 100的内部结构的示意平面图。

壳体102具有长方平行六面体形状，密封内部空间的顶盖(未示出)与壳体102接合。磁盘104具有例如100Gb/in²或更大的高记录密度。磁盘104通过其中心通孔来安装到主轴马达106的主轴(毂)上。

HSA 110包括磁头部分120、托架(carriage)170、基板178、和悬架(suspension)179。

磁头部分120包括滑动件、以及与该滑动件的空气流出端相连接的磁性读/写头。滑动件支持所述磁头，并漂浮在旋转磁盘表面之上。磁头将信息记录在磁盘104中，并从磁盘104再现信息。

图7是磁头的放大平面图。磁头例如是MR感应组合磁头，其包括感应写磁头器件(下文中称为“感应磁头器件”)130和具有磁阻(“MR”)磁头元件140的MR磁头，感应磁头器件130利用导电线圈图式生成的磁场在磁盘104中写入二进制信息，而MR磁头元件140基于根据磁盘104所施加的磁场而变化的电阻来读取二进制信息。

感应磁头器件130包括无磁性缝隙层132、上磁柱层134、Al₂O₃薄膜136、以及上端罩-上端电极层(upper shield-upper electrode layer)139。上端罩-上端电极层139还形成了MR磁头元件140的一部分。TMR磁头元件140包括上端罩层上端罩-上端电极层139、下端罩层142、上端缝隙层144、下端缝隙层146、TMR薄膜150、以及设置在TMR薄膜150的两侧的一对硬偏置薄膜160。以图7中从下向上的顺序，TMR薄膜150包括自由(铁磁)层152、(无磁性)绝缘层154、钉扎(磁性)层(pinnedlayer)156、以及反铁磁性层158。TMR薄膜具有铁磁性隧道接合处，该结合处在一对铁磁性层之间保持绝缘层154，并利用隧道现象，在所述隧道现象中，在负侧的铁磁性层中的电子逃离绝缘层并到达在正侧的铁磁性层。绝缘层154例如利用Al₂O₃薄膜。TMR磁头元件140具有CPP结构，该结构在TMR薄膜150中与叠层表面垂直地、或者与叠层方向平行地施加感应电流，如箭头CF所示。

返回到图6，托架170用于在图6所示的箭头方向上旋转或摆动磁头部分120，并且托架170包括机械轴(shaft)174和臂176。机械轴174与托架170中的空心圆柱相咬合，并且与纸平面相垂直地被设置在图6所示的壳体102中。臂176在其顶部具有穿孔。悬架179通过该穿孔和基板178而与臂176相附接。

基板178用于将悬架179与臂176相附接。悬架179用于支持磁头部分120，并向磁头部分120施加针对磁盘104的弹力。

在HDD 100的操作中，主轴马达106旋转磁盘104。与磁盘104的旋转相关联的空气流被引入在磁盘104和滑动件之间，从而形成很好的空气薄膜，并因此生成使得滑动件可以漂浮在磁盘表面之上的漂浮力。悬架179在与滑动件的漂浮力相反的方向上对滑动件施加弹性压力，从而形成漂浮力和弹力之间的平衡。

这种平衡将磁头部分120与磁盘104隔开一固定距离。接下来，托架170被使得绕机械轴174而旋转，以用于磁头122查找磁盘104上的目标磁道。在写入时，通过接口、从诸如PC之类的主机(未示出)接收数据，并对该数据进行调制，然后提供给感应磁头器件130，从而通过感应磁头器件130来将该数据写入目标磁道。在读取时，向TMR磁头器件140提供预定的感应电流，并从磁盘104上的期望磁道读取期望信息。本实施例分选具有高短路电阻的TMR磁头器件140，并可以稳定HDD 100的读出动作。

此外，本发明并不限于这些优选实施例，并且在不脱离本发明的精神和范围的情况下，可以进行各种修改和变化。

本发明要求申请日为2007年2月8日、申请号为No.2007-028686的日本专利申请的优先权，该申请的全部内容通过引用而结合于此，就如同在这里阐述一样。

Claims (8)

1.一种用于利用隧道磁阻效应的再现元件的再现元件测试方法，所述再现元件测试方法包括：

测量步骤，用于针对不同电流来测量第一电阻值和第二电阻值；

比较步骤，用于对电阻值微分曲线和电阻改变率进行比较，所述电阻值微分曲线是根据具有相同设计的没有缺陷的制品的再现元件的隧道磁阻和电压之间的理论方程式来计算得到的，而所述电阻改变率是根据所述测量步骤所测得的所述第一电阻值和第二电阻值来计算得到的；以及

判断步骤，用于基于对所述电阻值微分曲线和所述电阻改变率的比较来判断所述再现元件是有缺陷的还是没有缺陷的。

2.如权利要求1所述的再现元件测试方法，其中，所述电阻值微分曲线是通过将具有特定电阻值的电阻器与所述没有缺陷的制品并联连接、基于所述没有缺陷的制品的再现元件的隧道磁阻和电压之间的所述理论方程式来获得的，并且

其中，当所述电阻改变率的绝对值高于所述电阻值微分曲线时，所述判断步骤判定所述再现元件是没有缺陷的。

3.如权利要求2所述的再现元件测试方法，其中，所述特定电阻值是1000Ω。

4.如权利要求1所述的再现元件测试方法，其中，所述隧道磁阻和电压之间的理论方程式是从Brinkman理论方程式推导得到的。

5.如权利要求1所述的再现元件测试方法，其中，当所述再现元件的所述电阻改变率接近于所述电阻值微分曲线时，所述判断步骤判定所述再现元件是没有缺陷的。

6.如权利要求1所述的再现元件测试方法，其中，所述第一电阻值是当在所述再现元件中流过0.1mA时获得的，所述第二电阻值是当在所述再现元件中流过0.4mA时获得的，并且所述电阻改变率是通过以下方式来获得的值，即，从第二电阻值减去所述第一电阻值，将相减结果除以所述第一电阻值，并将相除结果乘以100。

7.如权利要求1所述的再现元件测试方法，其中，所述再现元件的可允许电阻范围在300Ω和400Ω之间。

8.一种用于具有隧道磁阻效应的再现元件的再现元件测试装置，所述再现元件测试装置包括：

测量部分，该测量部分针对不同电流来测量第一电阻值和第二电阻值；

比较部分，该比较部分对电阻值微分曲线和电阻改变率进行比较，所述电阻值微分曲线是根据具有相同设计的没有缺陷的制品的再现元件的隧道磁阻和电压之间的理论方程式来计算得到的，而所述电阻改变率是根据所述测量部分所测得的所述第一电阻值和第二电阻值来计算得到的；以及

判断部分，该判断部分基于对所述电阻值微分曲线和所述电阻改变率的比较来判断所述再现元件是有缺陷的还是没有缺陷的。

Images