CN101261839A - 具有阶梯式展开结构的垂直写头及其制造方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种具有阶梯式展开结构的垂直写头及其制造方法。该写头具有磁写极，该磁写极具有定义第二展开点的阶梯式磁壳结构。与在主极结构上光刻的传统展开点相比，磁壳部分定义的第二展开点可关于其距写头的气垫面的距离更紧密地控制。与利用当前可得的设备和光刻技术另外可能达到的情况相比，这允许写头的有效展开点移动至更靠近ABS。写头还可包括围绕主极部分的磁尾屏蔽件。尾屏蔽件可具有定义尾屏蔽件喉高的背边缘，取决于设计需求，该背边缘可与第二展开点一致或在其之后。

Description

具有阶梯式展开结构的垂直写头及其制造方法
技术领域
本发明涉及垂直磁写头的构造，更具体而言，涉及电研磨终止标记(lapping guide)的使用以用于精确定义垂直磁写头的写极展开点(flarepoint)。
背景技术
计算机长期存储的核心是称为磁盘驱动器的组件。磁盘驱动器包括旋转磁盘、被与旋转磁盘的表面相邻的悬臂悬吊的写和读头、以及转动悬臂从而将读和写头置于旋转盘上选定环形磁道(track)之上的致动器。读和写头直接位于具有气垫面(ABS)的滑块上。悬臂偏置滑块朝向盘的表面，当盘旋转时，邻近盘的空气与盘表面一起移动。滑块在该移动空气的垫上飞行于盘表面之上。当滑块骑在气垫上时，采用写和读头来写磁转变到旋转盘且从旋转盘读取磁转变。读和写头连接到根据计算机程序运行的处理电路以实现写和读功能。
写头传统上包括嵌在一个或更多绝缘层(绝缘堆叠)中的线圈层，绝缘堆叠夹在第一和第二极片层(pole piece layer)之间。在写头的气垫面(ABS)处间隙(gap)通过间隙层形成在第一和第二极片层之间，且极片层在背间隙(back gap)处连接。传导到线圈层的电流在极片中感应磁通，其导致磁场在ABS处的写间隙弥散出来，用于在移动介质上的磁道中写上述磁转变，例如在上述旋转盘上的环形磁道中。
在近来的读头设计中，自旋阀传感器，也称为巨磁致电阻(GMR)传感器，已经被用于检测来自旋转磁盘的磁场。该传感器包括下文中称为间隔层(spacer layer)的非磁导电层，其被夹在称为被钉扎层和自由层的第一和第二铁磁层之间。第一和第二引线(lead)连接到自旋阀传感器以传导通过那里的检测电流。被钉扎层的磁化被钉扎为垂直于气垫面(ABS)，自由层的磁矩平行于ABS设置，但可以响应于外磁场而自由旋转。被钉扎层的磁化通常通过与反铁磁层的交换耦合来被钉扎。间隔层的厚度被选择为小于通过传感器的传导电子的平均自由程。采用此设置，部分传导电子被间隔层与被钉扎层和自由层每个的界面所散射。
当被钉扎层和自由层的磁化相对于彼此平行时，散射最小，当被钉扎层和自由层的磁化反平行时，散射最大。散射的变化与cosθ成比例地改变自旋阀传感器的电阻，其中θ是被钉扎层与自由层的磁化之间的角度。在读模式中，自旋阀传感器的电阻与来自旋转盘的磁场的大小成比例地改变。当检测电流传导通过自旋阀传感器时，电阻变化导致电势变化，其被检测并处理作为重放信号(playback signal)。
近来，为了增加记录系统的数据密度，研究者已经将它们的重点集中到垂直磁记录系统的开发。这些垂直记录系统在基本垂直于磁介质表面的方向上记录数据的磁位。用在这样的系统中的写头通常包括在气垫面(ABS)处具有较小横截面的写极和在ABS处具有较大横截面的返回极。磁写线圈诱发磁通沿基本垂直于磁介质平面的方向从该写极发出。该磁通在返回极处返回写头，在该返回极处磁通充分散开且微弱从而不擦除由写极写入的信号。
写极通常具有从ABS缩进所需距离的展开点。该展开点距离是必须仔细控制的重要尺寸。写头还可包括尾磁屏蔽件，其可用来增加场梯度及提高写入速度。尾屏蔽件具有从ABS测量的厚度，该厚度定义尾屏蔽件的喉高(throat height)。尾屏蔽件的喉高是另一重要尺寸，其也必须仔细控制。
然而，随着磁头尺寸减小，当前可获得的设备和光刻工艺的偏差使得不能以足够精度控制展开点和尾屏蔽件喉高。因此，不能精确控制展开点和尾屏蔽件喉高限制了进一步缩小写头尺寸的能力，且因而限制了数据容量的任何增加。
因此，强烈需要一种能非常精确地定义和控制写头的展开点及磁写头中的磁屏蔽件的喉高的结构或工艺。这样的结构或工艺还必须是可利用当前能获得的设备和工艺而制造的。
发明内容
本发明提供一种具有能够以非常小的尺寸紧密控制的第二展开点的磁写头。该磁写头包括具有磁芯部分、以及形成在其上的磁壳部分的磁写极。磁壳部分具有端表面，该端表面形成定义第二展开点的阶梯式特征。
与形成在磁芯部分上的展开点相比，该第二展开点可更接近气垫面ABS，且该第二展开点的位置可以相对于ABS非常精确地定义和控制。
磁写头可以通过在衬底上形成磁写极来构建。然后，可在部分写极之上形成诸如光致抗蚀剂掩模的掩模，该掩模具有在期望的第二展开点位置处的背边缘。然后磁金属可镀到磁写头上，利用延伸到ABS的芯部分以及从ABS缩进以定义第二展开点且形成阶梯式特征的磁壳部分(镀在芯部分之上)的磁壳部分形成磁写头。
磁写头还可包括尾磁屏蔽件，其可通过在写极之上沉积非磁间隙材料且然后沉积磁材料以形成尾屏蔽件而形成，具有通过非磁间隙材料与磁壳部分分隔开的背边缘。
本发明的这些和其它特征和优点将通过阅读结合附图的优选实施例的详细说明而明显，附图中相似的附图标记始终表示相似的元件。
附图说明
为了充分理解本发明的本质和优点以及应用的优选方式，应当参照下面结合附图阅读的详细说明，附图不是按比例的。附图中：
图1是其中可实施本发明的盘驱动系统的示意图；
图2是从图1的线2-2截取的滑块的ABS视图，示出了其上磁头的位置；
图3是从图2的线3-3截取、放大、并逆时针转动90度的磁头的横截面图，示出了结合到垂直磁写头中的本发明的实施例；
图4是从图3的线4-4截取的写头的ABS视图；
图5是从图4的线5-5截取的顶视图；
图6-14示出了在制造的各中间阶段的写头，图示了制造写头的方法；
图15是根据本发明一供选实施例的磁头的侧横截面图；
图16A是从图15的线16A-16A截取的ABS视图；
图16B是从图15的线16B-16B截取的横截面图；
图17-30是在制造的各中间阶段的写头的视图，图示了根据本发明一供选实施例制造磁写头的方法；
图31和31A是根据本发明又一实施例的磁头的侧横截面图；
图32是从图31的线32-32截取的横截面图；
图33-37是在制造的各中间阶段的磁头的视图，图示了制造磁头的方法；
图38-42是在制造的各中间阶段的磁头的视图，图示了根据本发明一供选实施例制造磁头的方法；及
图43-48是顶视图，示出了形成用于精确定义磁写头的气垫面(ABS)的电研磨终止标记的方法。
具体实施方式
下面的说明是关于目前想到的实施本发明的优选方式。进行该说明是用于说明本发明的一般原理，而不是意图限制这里提出的发明性构思。
现在参照图1，示出了体现本发明的盘驱动器100。如图1所示，至少一个可旋转的磁盘112支承在主轴(spindle)114上且通过盘驱动马达118旋转。每个盘上的磁记录是磁盘112上的同心数据道(未示出)的环形图案形式。
至少一个滑块113位于磁盘112附近，每个滑块113支持一个或更多磁头组件121。当磁盘旋转时，滑块113在盘表面122之上径向进出移动，从而磁头组件121可以存取写有所需数据的磁盘的不同的道。每个滑块113借助悬臂(suspension)115连接到致动器臂119。悬臂115提供轻微的弹力，该弹力偏置滑块113倚着盘表面122。每个致动器臂119连接到致动器装置127。如图1所示的致动器装置127可以是音圈马达(VCM)。VCM包括在固定磁场中可移动的线圈，线圈移动的方向和速度被控制器129提供的马达电流信号所控制。
盘存储系统运行期间，磁盘112的旋转在滑块113和盘表面122之间产生对滑块施加向上的力或举力的气垫(air bearing)。于是在正常运行期间该气垫平衡悬臂115的轻微的弹力，并且支持滑块113离开盘表面并且以小的基本恒定的距离稍微位于盘表面之上。
盘存储系统的各种组元在运行中由控制单元129产生的控制信号来控制，例如存取控制信号和内部时钟信号。通常，控制单元129包括逻辑控制电路、存储装置和微处理器。控制单元129产生控制信号从而控制各种系统操作，例如线123上的驱动马达控制信号以及线128上的头定位和寻道控制信号。线128上的控制信号提供所需的电流分布(current profile)，从而优化地移动并定位滑块113到盘112上的所需数据道。写和读信号借助记录通道125传达到和读出自写和读头121。
参照图2，可以更详细地观察滑块113中磁头121的取向。图2是滑块113的ABS视图，可以看出，包括感应写头和读传感器的磁头位于滑块209的尾缘(trailing edge)。滑块的ABS平面可包括相对于滑块的ABS平面的缩进(recession)202或焊盘(pad)。一般磁盘存储系统的上述说明及图1的附图示例仅用于说明。应显然的是，盘存储系统可包括大量的盘和致动器，每个致动器可支持多个滑块。
现在参照图3描述用于垂直磁记录系统中的磁头121。头121包括写元件302和读元件304。读元件304包括磁致电阻读传感器305。传感器305可以是例如面内电流巨磁致电阻传感器(CIP GMR)、电流垂直平面巨磁致电阻传感器(CPP GMR)、或隧道结传感器(TMR)。传感器305位于第一和第二磁屏蔽件306、308之间且嵌入在电介质材料307中。可以由例如CoFe、NiFe、或铁硅铝合金(sendust)构成的磁屏蔽件306、308吸收磁场，例如来自上道(up-track)或下道(down-track)数据信号的磁场，确保读传感器305仅检测位于屏蔽件306、308之间的所需数据道。非磁间隙层309可设置在屏蔽件308和写头302之间。如果传感器305是CIP GMR传感器，则该传感器将从屏蔽件306、308绝缘，如图3所示。然而，如果传感器305是CPP GMR传感器或TMR传感器，则传感器305的顶和底部可接触屏蔽件306、308，从而屏蔽件可用作向传感器305提供检测电流的导电引线。
继续参照图3，写元件302包括写极310，其与磁成形层312磁连接，且嵌入在非磁材料311中。写极310在气垫面处具有小横截面且由磁材料构成。写头302还包括返回极314，其由诸如CoFe、NiFe、或它们的合金的磁材料构成且具有比写极310显著更大的平行于ABS面的横截面。返回极314可通过背间隙部分316与成形层312和写极310磁连接，如图3所示。返回极314和背间隙316可由例如NiFe、CoFe、它们的合金、或某些其他磁材料构成。
如图3中的横截面所示，导电写线圈317在极层(pole layer)402和返回极314之间穿过写元件302。线圈317嵌入在绝缘层330中，绝缘层330可以是例如氧化铝且可以包括一种或更多材料的一个或更多层。
当电流经过线圈317时，所得磁场导致磁通流过极层402、返回极314、背间隙316、成形层312和写极310，且可能流过相邻介质333中的一些磁材料。该磁通导致写场朝向相邻磁介质333发射。从写极310发射的该磁场磁化磁介质333上的较高矫顽力的、薄的顶磁层。该磁场经磁介质的软磁衬层行进到返回极314，在那里它充分展开从而它不擦除不位于写极310正下方的介质333上的别处的数据。
参照图4，其示出了写元件302的ABS视图，可以看出，写极310优选地具有梯形形状。该形状有助于减小与歪斜有关的相邻道干扰。尽管未示出，但尾屏蔽件可以构建为围绕写极310的侧面，这种情况下尾屏蔽件的侧部分将通过非磁侧间隙材料与写极310的侧部分隔开。
参照图3、4和5，可以看出写极310具有阶梯式展开结构(stepped flarestructure)。更特别地，写极310包括磁芯(magnetic core)402，磁芯402优选由通过薄非磁层例如氧化铝分隔开的磁层例如NiFe或CoFe的叠层构建。可用在这样的层叠写极中的其它材料包括二氧化硅(silica)、Ta、Ti、NiP、Pd、Si、Cr、Mo、Rh、Ru和Al。写极310还包括围绕磁芯402的磁壳(magneticshell)部分404，其由电镀磁材料例如NiFe、CoFe、或它们的合金构建。参照图4可以看出，磁壳404关于芯402横向对称。通过横向对称，意味着壳404在道宽方向上左右对称，如图4所示。
参照图5，其示出了滑块的沉积端的视图，可以看出壳404形成从ABS缩进的阶梯式结构406。在图5中，芯402的隐藏在壳404中的部分以虚线示出，且可以看出，芯402具有从ABS缩进第一距离FP1的展开点408。然而，通过壳的最前缘(面对ABS的边缘410)形成的阶梯式结构406定义从ABS缩进距离FP2的第二展开点，FP2小于FP1。
随着写头变得越来越小，距ABS的展开点距离也必须变小。然而，可获得的制造工艺例如光刻具有分辨率和偏差限制，这限制了可定义展开点距离的大小和位置。例如，当前可得的光刻工艺具有很大的偏差，使得对于非常小的写极尺寸，一般写极中展开点的位置会在具有太大展开点的写极到根本没有展开点的写极之间变动。太大的展开点会阻滞磁通，显著降低写场。太小(或甚至不存在)的展开点导致写入到数个相邻道的非常宽的写信号。这两种情况当然都是不可接受的。磁壳404提供的第二展开点406允许利用当前可得的光刻设备和技术仔细控制展开点的位置FP2，如将在下面描述的那样。
电镀浴(electroplating bath)和工艺的细节也是有关的。电镀的材料优选应是铁磁的，但可以由一层以上构成，其中一层是铁磁的且另一层是非铁磁的。非磁层的例子可以是NiP合金或Pd合金。镀这样的合金在于浴成分、镀区域、电流密度和其它因素之间的平衡。其它因素包括阳极和阴极材料、电压或电流变化、浴成分、镀单元设计、浴温度、镀流速、晶片掩模设计和磁场，浴成分包括添加剂、表面活性剂、缓冲剂(buffering)、以及络合剂。
为了电镀薄磁层，控制镀工艺是重要的。因此，镀速率优选应小于100nm/min。薄的镀层应是共形的且不向表面引入增大的粗糙度或表面波度(morphology)。为了镀薄层的表面准备可包括预润湿表面或在浴中使用表面活性剂。也可以加入减缓镀工艺从而实现改善的厚度控制的添加剂。薄镀的另一重要因素是停顿时间(dwell time)，停顿时间是施加电势到晶片之前晶片放置在浴中的时间量。该停顿时间应最小化，因为浴实际上会蚀刻或腐蚀想要镀上的材料(即阳极)。
用于最小化在镀浴中的停顿时间的方法是在镀浴中放置之前施加电压到阴极或阳极。因此，一旦晶片进入镀浴，电路接通且立刻开始电镀。下面这称为“热启动”工艺，因为通过在镀浴外面施加电压到晶片上，晶片可以是“热”的，类似于通电的、未接地的电线。
镀方法也可以影响材料特性及其最终厚度。一种脉冲镀方法包括施加一系列电压或电流脉冲，以非连续方法镀材料。这将导致这样的最终结果，即与脉冲期间的镀速率相比，具有较慢的平均总体镀速率。减小脉冲频率或电压可减缓镀工艺。甚至可以短暂地反转晶片上的电势并短暂蚀刻(或去镀(de-plate))从而减缓或改变最终镀膜。
现在参考图6-14，将描述用于制造磁写头302例如上面的磁写头的方法。特别地，参照图6，提供衬底或衬层(under-layer)602。衬底602可以是例如参照图3描述的填充层330和成形层312。头中的其它结构或器件也可以在衬层602中或之下。填充层330可以由氧化铝构成。磁极材料604的层沉积在衬底602上。磁极材料604可以由若干材料构成，优选地是通过诸如氧化铝、二氧化硅或一些其它材料的薄非磁层分隔开的诸如CoFe、NiFe、或它们的合金的磁层的叠层。掩模结构606形成在磁层604之上。掩模结构可包括各种层，例如一个或更多硬掩模层、一个或更多图像转移层、及诸如光致抗蚀剂或热图像抗蚀剂的掩模材料。参照图7可以看出，掩模结构606配置为定义延伸超过气垫面(ABS)平面的写极结构。
现在参照图8，进行诸如离子研磨或一些其它工艺的材料去除工艺从而去除磁材料604的未被掩模结构606保护的部分以形成写极结构604。斜箭头802表示的材料去除工艺可以通过相对于法线以一角度或多个角度的组合引导离子束来进行，从而形成具有梯形形状的写极，如图8所示。参照图9，可以通过各种材料去除工艺中的一种或更多来去除残余的掩模材料606，所述各种材料去除工艺包括反应离子研磨、反应离子蚀刻等。这得到图9和10所示的结构，写极结构604形成在衬底602之上。还应注意的是，制作初始极的具体方法对于这里描述的结构或方法并不重要。供选地，极604可以通过电镀形成且可以形成为没有非磁叠层。
现在参照图11，可以利用顶离(liftoff)工艺在写极的一部分上产生镀种子(plating seed)。例如，可以形成双层光致抗蚀剂掩模1102从而覆盖写极结构604的大部分，留下写极的一部分未被覆盖。然后，导电的磁种子层1104例如NiFe或Ta和/或Ir、Rh等可以例如通过溅射沉积而被沉积。掩模1102然后可通过化学顶离工艺被顶离。双层掩模的悬垂结构通过允许顶离化学溶液到达掩模1102的边缘之下而促进了掩模顶离。覆盖写极604的一部分(优选地靠近写极604的背边缘)的所得种子层1104可以参照图12观察。在图12的交叉影线部分中，写极604的隐藏在种子层1104下面的部分以虚线示出。优选地种子层1104也将沉积在器件之间。
现在参照图13，掩模结构例如光致抗蚀剂掩模1302形成在写极604的前部分上。可以看出，掩模1302具有背边缘1304，其位于标明为ABS的ABS平面之后的预定距离。将看出，该背边缘1304的位置决定第二展开结构406(参照图5所描述的)从ABS缩进的量。换言之，背边缘1304的位置决定完成的写头的展开点(FP2)。
形成掩模1302之后，可以利用电镀工艺沉积导电磁材料例如NiFe、CoFe、或它们的合金。这导致磁材料镀到极的未被掩模1302覆盖的部分上。参照图14，写极604的一部分的横截面示出磁材料1402均匀地镀在写极604上。因此，电镀得到磁材料1402横向对称沉积到写极604的未被掩模1302(图13)覆盖的部分上。通过横向对称，意味着磁材料1402的沉积在道宽方向上对称(即左、右和上部，如图14所示)。
上述工艺得到例如上面参照图3-5描述的写极310的写极结构。本领域技术人员将意识到，固有工艺限制例如光刻偏差限制了利用常规写极结构和常规工艺的非常小的写头中展开点距离可以减小的量。上述工艺使得能够利用当前可得的制造工艺和当前可得的光刻设备构建具有非常小的有效展开点(即图5的展开点406)的写极。因此，对于当前和未来的写头制造，本发明允许写头尺寸的减小。
牺牲填充层
上述用于制造写头的方法包括形成具有第二展开点(FP2)的写极的方法，该第二展开点通过在写极上电镀阶梯式结构而形成。现在参照图15和16描述一写头，其具有与上述类似的阶梯式第二凹口(notch)结构，但是其还具有围绕式尾屏蔽件。特别参照图15，根据本发明一实施例的磁读/写头1502具有写头1504，写头1504具有尾屏蔽件1506，尾屏蔽件1506构建为围绕写极310的侧面且由磁材料例如NiFe、CoFe、或它们的合金构成。尾屏蔽件1506通过非磁间隙材料1508例如氧化铝(Al2O3)和/或Ta/Rh、Ta/Ir、或Au与写极310分隔开。尾屏蔽件具有从ABS到其与磁壳部分1510的端部相邻的背边缘测量的喉高(TH)。
写头1504包括与上述类似的写极310，其包括在从ABS缩进的位置围绕主极部分402的顶部和侧面的磁壳阶梯式结构404，如图16B所示。非磁间隔层1510围绕阶梯式磁结构404的顶部和侧面，如亦可从图16B看出的那样。非磁间隔层可以由可电镀的非磁材料例如NiP构成，且如从图16B可见，磁阶梯式结构404和非磁间隔层1510在主写极部分402的两侧横向对称。
现在参照图16A，可以看出尾屏蔽件围绕写极310的侧面，写极310的侧面通过非磁侧间隙层1512与尾屏蔽件1506分隔开，非磁侧间隙层1512可以是与尾间隙1508相同的材料(例如氧化铝和/或Ta/Rh、Ta/Ir、或Au)或者可以是一些其它材料。写极310的尾缘1514与尾屏蔽件1506分隔开一尾间隙距离(TG)，写极310的侧面与尾屏蔽件的围绕部分分隔开一侧间隙(SG)。SG和TG可以彼此不同，侧间隙SG优选地(但不是必须)大于尾间隙TG。
再参照图15，可以看出，尾屏蔽件1506可以磁连接到返回极314或者具有与返回极314相同的磁状态的另外的极。供选地，尾屏蔽件1506可以是未磁连接到写头1504的其它磁结构的浮置屏蔽件。
现在参照图17-30描述用于构建诸如上述写头1504的写头的可行方法。特别参照图17，提供衬底1702。衬底1702可包括下面的非磁电绝缘材料330例如氧化铝且可包括成形层312的全部或部分，两者都参照图15在上面进行了描述。可选地，非磁衬层材料1703例如TaOx可沉积在衬底1702上。衬层1703可有助于减少制造期间写极的底切(undercut)，这将在下面更详细地描述。磁写极材料1704沉积在衬底1702之上，且在衬层1703之上，如果衬层1703存在的话。写极层1704可由数种磁材料构成，例如NiFe、CoFe、或它们的合金，但优选地是包括通过薄非磁层例如氧化铝分隔开的诸如CoFe的磁材料层的叠层结构。
一个或更多掩模层1706沉积在写极材料层1704之上。尽管掩模1706可包括各种配置和材料组合，但掩模1706优选地包括形成在写极材料1704之上的硬掩模结构1707和抗蚀剂例如光致抗蚀剂或热图像抗蚀剂1714。硬掩模结构1707可以是三层第一硬掩模结构，具有第一层1705、第二层1708和第三层1709。第一层优选是抗化学机械抛光(CMP)去除的材料例如DLC(类金刚石碳)、Ta、Rh、Ir、Ru、Cr、或其组合。第二层1708优选是抗离子研磨的材料，例如氧化铝(Al2O3)，且可具有约20nm的厚度。第一硬掩模结构1707的第三层1709也优选抗离子研磨，且优选由AlTiO或含Al合金构成，并可具有约50nm的厚度。
用于制作极的方法可以是这样的方法，其中掩模1707成为部分非磁尾间隙(TG)1709且在部分地定义非磁侧间隙(SG)并去除转移掩模1710的离子研磨期间用作终点检测层。在此情况下，选择用于1708的抗研磨材料应当具有1709的体材料(bulk material)，1709带有小百分比的掺杂材料用于终点检测。例如，层1708可由Al2O3构成且间隙1709优选地具有掺杂Ti的Al2O3，其中检测端点的材料是Ti。然而，层1709可掺杂(小于10％重量)有能够利用端点检测信号清楚检测到的其它材料。
掩模结构1706还可包括形成在第一硬掩模结构1707之上的图像转移层1710。图像转移层可以是可溶聚酰亚胺材料例如DURAMIDE
Figure A20081008066700151
。第二硬掩模1712可设置在图像转移层1710之上且可以由具有约125nm厚度的SiO2构成。抗反射涂层1713可设置在第二硬掩模1712之上。抗反射涂层1713可由与图像转移层1710相同的材料构成(例如可溶的聚酰亚胺材料诸如DURAMIDE
Figure A20081008066700152
)，且可具有约120nm的厚度。抗蚀剂掩模层1714可具有约250nm的厚度且可沉积在抗反射涂层1713之上。
现在参照图18，抗蚀剂层1714被光刻构图且显影从而具有配置来定义写极的形状。然后，参照图19，进行一个或更多材料去除工艺1902从而转移光致抗蚀剂层的图像到下面的掩模层上。材料去除工艺优选包括反应离子蚀刻(RIE)和反应离子研磨(RIM)的组合，其去除掩模层1708、1709、1710、1712和1713的去除部分，同时留下第一硬掩模1707的第一子层1705基本完整从而保护磁写极层1704免于被材料去除工艺1902损伤。
然后，参照图20，通过相对于法线以一角度引导离子束来进行离子研磨工艺2002，从而去除磁写极材料1704的未被掩模结构1706保护的部分。可以看出，尽管一些掩模结构1706被离子研磨2002所消耗，但相当大的部分被保留。倾斜的离子研磨2002导致写极1704具有期望的梯形形状，如图20所示且其已在前面讨论过。
现在参照图21，沉积非磁侧间隙材料2202。侧间隙材料可以是氧化铝(Al2O3)且优选地通过共形工艺例如原子层沉积(ALD)或一些其它共形工艺来沉积。
侧间隙材料2202也可以是非磁金属。如果金属用作侧间隙材料2202，则其必须是可留在ABS中而不导致腐蚀问题的材料。然后，参照图22，沉积填充材料2204。该填充材料2204优选是能容易地去除而不损伤写极材料的材料。例如，在一优选实施例中，填充材料2204可以是诸如SiO2的材料，其以后可通过下面将描述的工艺去除。在另一优选实施例中，填充材料2204可以是诸如Cu或一些其它非磁材料的材料。
现在参照图23，进行化学机械抛光(CMP)工艺从而平坦化该结构并从极1704之上去除大部分掩模层1706。底层1705可用作CMP停止层，从而当到达层1705时可以停止CMP。留下的掩模材料(CMP停止层)1705(图22)可保持完整且成为部分TG或者可通过对构成层1705的材料适合的材料去除工艺来去除。例如，如果层1705是类金刚石碳(DLC)，其可通过使用含氧的反应离子蚀刻(RIE)等离子体来去除。然后，参照图24，可去除填充材料2204。如果填充层2204是诸如二氧化硅(SiO2)的材料，则填充层2204可通过含氟的反应离子蚀刻(RIE)等离子体或反应离子研磨(RIM)束来去除。供选地，填充和CMP工艺可被省略且可使用反应离子研磨(RIM)工艺来去除掩模结构1710。在此情况下，底掩模层1705(例如Ti或Rh)或1709可用作蚀刻停止指示器，利用二次离子质谱(SIMS)来检测何时到达层1705或1709。包括端点材料的层1705或层1709的选择实现了控制TG厚度的能力。还可以插入一个以上的端点层，例如层1705和层1709中的一个。这为头的制造提供了为具有不同的间隙目标的不同产品改变尾间隙(TG)的灵活性。这还能影响相关的侧间隙(SG)。此外，两层中的端点材料可由不同材料构成(例如对于一层是Ti且对于另一端点层是Ta)。
上述工艺得到具有非磁侧壁2204和形成在写极1704之上的非磁尾间隙层1705的写极。
如果填充材料2204是Cu，则可以在CMP之后进行不同工艺来将其去除。可用来去除Cu填充层2204的一个方法是在不易蚀刻CoFe极材料1704的碱式络合蚀刻浴(basic complexing etch bath)中脱出(emersion)。Cu填充层2204也可通过电蚀刻去除。
现在参照图5、25和26，形成光致抗蚀剂掩模2502。在图26中可见，掩模2502具有位于ABS平面之后在ABS平面和写头1704的展开点408之间的背边缘(back edge)2602。如图26所示，极1704和侧壁2202的隐藏在光致抗蚀剂掩模2602下面的部分以虚线示出。
然后，参照图27，进行材料去除工艺从而去除部分侧壁材料2202。如果侧壁材料2202是氧化铝，则其可通过用来去除氧化铝侧壁材料2202而不损伤或去除极材料(例如CoFe)的蚀刻工艺来去除。可行的蚀刻溶液包括诸如氢氧化四甲基铵(TMAH)的无金属离子显影溶液、KOH、或诸如CAFremont的Cyantek
Figure A20081008066700171
制造的CR-7的铬蚀刻剂。选择使用何种蚀刻剂取决于侧间隙材料2202。无论使用何种方法，其必须干净地去除全部侧壁材料，从而确保磁材料有效镀到极1704上，如下面将详细描述的那样。如果侧间隙材料2202是Zn合金，则其可以通过电蚀刻从掩模2502后面的区域去除。如果侧间隙2202由硅氧化物(SiOx)构成，则其可以通过利用缓冲的HF酸(BOE)的蚀刻去除。这得到如图27所示的结构。
现在参照图28，其示出了在超过掩模2502的背边缘2602(图27中所示)的区域中写极的横截面，磁材料2802可电镀到部分的极1704上。该磁材料2802可以是例如CoFe、NiFe、或它们的合金，且优选是CoFe。该磁材料在写极上形成阶梯式结构，类似于图4描述的阶梯406，且类似于图16B，其中镀的材料2802和2804可以与图16B中所见的404和1510相同。为了该阶梯式极结构最优地起作用，在极1704和磁材料2802之间必须没有留下非磁残余材料。这是上述用来去除侧壁材料2202的工艺必须非常有效地去除全部该材料的一个原因。可选地，然后可在镀的磁层2802之上沉积非磁间隙层2804。该非磁层可以是非磁金属，例如Cu或NiP，且可以直接电镀到磁层2802上。
然后可以顶离抗蚀剂掩模2502，留下如图29中的侧横截面视图所示的结构。然后，参照图30，可以沉积非磁尾间隙层3002。该层3002可以是非磁材料例如Ta和/或Rh、Au、及Ir，其可通过共形沉积法例如离子束沉积(IBD)来沉积。非磁尾间隙层3002沉积至一厚度以提供所需的尾间隙厚度TG和侧间隙厚度SG，如图16A所示。然后可通过电镀沉积磁材料3004从而提供磁尾屏蔽件，例如上面参照图15描述的尾屏蔽件1506。可以利用研磨工艺(未示出)来去除材料(从图30所示的左侧)直到到达ABS平面，由此形成具有气垫面(ABS)且具有尾屏蔽件1506的写头，尾屏蔽件1506具有从ABS测量的所需喉高。上述工艺可制造磁写头1504，例如参照图15、16A和16B描述的磁写头，其具有带有尾屏蔽件1506的所需的阶梯式极结构310。
具有步进阶梯式尾屏蔽件的写头
现在参照图31，描述具有步进阶梯式尾屏蔽件3104的磁写头3102。写头包括磁写极3106，其具有类似于上面参照图15、16A和16B描述的芯402的芯部分3108。极3106还具有类似于参照图15和16B描述的磁壳404的磁壳部分3110。尾屏蔽件3104也可用作返回极314，如图31A所示。
另外，写头3102包括非磁间隔层3112。非磁间隔层3112与参照图15和16B描述的间隔层1510的类似之处在于其围绕阶梯式磁壳结构3110的顶部和侧面，如图32所示。然而，在图31中可以看出，该非磁间隔结构从ABS阶梯式后退。换言之，磁壳具有从ABS缩进第一距离的前边缘3114，非磁间隔层3112具有与ABS间隔开第二距离的前边缘，第二距离大于第一距离。尾屏蔽件3104通过间隔层3112和非磁尾间隙材料3120与极3106分隔开，间隔层3112包括例如NiP，非磁尾间隙材料3120可由例如氧化铝和Ta和/或Rh、Au、及Ir构成。
非磁间隔层3112的该额外缩进允许磁屏蔽件3104形成锥形远离ABS的步进阶梯式背边缘3118。这得到具有背边缘3122的磁屏蔽件3104，背边缘3122与磁壳结构3110的前边缘3114定义的第二展开点一致或超过其缩进。尽管示出为单个步进阶梯式凹口，但是如果需要，步进阶梯的数目可以增加从而更接近地相似于光滑锥形(taper)。
现在参照图33-42描述用于构建诸如上述写头3102的磁写头的方法。特别参照图33A，磁写极芯部分3302形成在衬底3101上，非磁侧壁3304(优选氧化铝)围绕磁芯3302。光致抗蚀剂掩模3306形成在写极芯3302的前部分之上，该掩模具有位于ABS和芯部分的展开点3310之间的背边缘3308。然后可进行材料去除工艺从而去除侧壁材料3304的未被掩模3306覆盖(即超过掩模3306的背边缘3308)的部分。这可以通过诸如上面参照图17-24讨论的方法执行。
然后，参照图34，磁材料3402例如CoFe优选地通过电镀沉积在磁写极芯3302上。非磁金属3404例如NiP、ZnNi、Cu、Cr或Au然后优选地通过电镀沉积在磁层3402上。然后，顶离抗蚀剂掩模，留下如图35A中的侧横截面图所示的结构。类似地，在图36中，电镀的含有磁和非磁层的堆叠可在一层和另一层之间具有台阶，其中一镀层的第一边缘3604相对于第二镀层的边缘3602突出。
工艺流程的示例示于图33B中，其中已有的极3315将具有由掩模步骤3320定义的展开点。接着是步骤3602中极3302上的材料的蚀刻。然而，这仅在有非磁材料覆盖极时需要。然后，在步骤3340中在极3302的暴露部分上直接电镀磁层。可选地，在步骤3350中可在镀磁层之后使掩模层变形。在另外的步骤3360中，可选的非磁部分可镀在磁的镀的极部分上。在步骤3370将去除掩模且处理将在3380继续。
参照图33A、33B、35A和36，在镀之前进行材料去除工艺3602，从而去除部分非磁层3304。材料去除工艺3602是仔细选择来去除非磁材料3304而不影响磁层3402或3302的工艺。工艺3602可以是湿法蚀刻。例如，如果非磁层3304由ZnNi构成，则其可以通过电蚀刻去除。如果非磁层3304包括Cu，则其可通过用含过硫酸铵和氢氧化铵的碱式溶液的蚀刻来去除。如果非磁层3304是Cr，则其可利用Cr蚀刻剂例如Cyantek Corp制造的CR-7来蚀刻。如果非磁层3304是Au，则其可以利用碘化钾(potassiumiodine)来蚀刻。如图35B可见，部分非磁层3304的去除允许镀磁层3402和非磁层3404，定义前边缘3509。至少第一电镀层的前边缘3509将定义新的展开点3535。
然后，参照图37，可沉积非磁尾间隙层3702例如Ta和/或Rh、Au、和Ir，且可通过电镀沉积磁材料3704例如NiFe、CoFe、或它们的合金，从而形成具有步进阶梯式背边缘的尾屏蔽件。以此方式，可以构建具有背边缘3706的尾屏蔽件，背边缘3706与磁壳层3402的前边缘3604定义的展开点一致或在其后面。
现在参照图38描述用于构建步进阶梯式屏蔽件结构的可行方法。在衬层1703和衬底3101之上构建写极芯部分3302之后，形成光致抗蚀剂掩模3802。然后，沉积磁材料3804的层从而在磁芯3302之上形成磁壳。然后，参照图39，向该结构沉积(旋涂)可溶材料3902，例如SAFIER
Figure A20081008066700201
涂层。然后可加热迄今形成的结构。加热导致可溶涂层3902收缩，用它拉光致抗蚀剂掩模3802，得到图40所示的结构，掩模3802交叠磁壳3804。然后，参照图41A，可去除可收缩的涂层3902且非磁金属4102可镀到磁壳3804上。然后，参照图42，可沉积非磁间隙层4202例如Ta和/或Rh、Au、和Ir，且可通过电镀在间隙层4202之上沉积磁材料例如NiFe、CoFe、或它们的合金。可以看出，这得到了具有步进阶梯式背边缘4206的磁屏蔽件4204。供选地，可以制作多级结构，如图41B所示，其中在具有种子4101的某衬底上电镀多台阶结构，其包括一种以上材料。类似地，电镀特征可以如图41C所示地形成。这可以包括具有一个或更多阶梯的一种或更多材料，其中小于50nm的每个阶梯缩进使得该结构逐渐更窄，如图41D所示。取决于头设计，展开点到ABS的距离3737可以小于、等于或大于尾屏蔽件的背边缘到ABS的距离3747。
自对准电研磨终止标记(ELG)
如图37所见，磁写头的形成，诸如上面公开的实施例，要求仔细控制展开点(展开点和ABS之间的距离3737)和尾屏蔽件喉高(从ABS测量的尾屏蔽件的厚度3747)。写极展开点和尾屏蔽件喉高二者都从ABS位置测量，ABS又通过研磨操作来定义。该研磨操作发生在晶片切割成滑块行之后。研磨滑块行或单独滑块的侧面以去除材料，直到到达期望的ABS平面位置。在该点，滑块行可切割成各个滑块。然而，难以控制该研磨操作。
电研磨终止标记(ELG)可用来确定研磨应在何点终止。研磨终止标记是导电材料，具有位于距预期的ABS平面预定距离处或恰好在预期的ABS平面处的边缘。进行研磨时，研磨终止标记的电阻通过跨研磨终止标记施加电压来测量。当该电阻达到预定水平时，操作者可确定已到达ABS平面且研磨应终止。
然后，可意识到，定义研磨终止标记的边缘的位置必须关于预期的ABS且关于展开点和屏蔽件喉高仔细控制。然而，制造公差，例如对准多掩模光刻步骤使得该边缘位置控制十分困难。下面描述的方法提供精确的自对准工艺，用于精确且可靠地相对于ABS、展开点和屏蔽件喉高定位研磨终止标记的临界边缘。
现在参照图43和35B，示出了在与参照图26描述的那些类似的制造阶段的写极结构3302。该结构包括写极芯部分3302和围绕写极芯3302的非磁侧壁3304。导电ELG 4304形成在写极3302旁边的切口区域(kerf area)中。ELG材料可通过顶离工艺形成，例如通过形成双层光致抗蚀剂掩模(未示出)，沉积导电材料，然后顶离该掩模。也可以使用减方法(subtractivemethod)。掩模结构4302与图26描述的掩模2502类似地形成，除了该掩模结构4302具有相对于预期的ABS平面对准的背边缘4306。实际上，边缘4306可如图所示地位于ABS平面，或者可相对于ABS平面位于某些其它预定位置。掩模4302和边缘4306延伸于至少一部分ELG材料4304之上，如图43所示。
现在参照图44，可以进行材料去除工艺例如上面参照图27描述的那些来去除非磁侧壁3304的未被掩模4302覆盖的部分。这去除了侧壁3304的延伸超过掩模4302的背边缘2602的部分。可以使用相同或不同的材料去除工艺(例如反应离子蚀刻)来去除ELG 4304的延伸超过掩模4302的背边缘4306的部分。从上面的论述将想起，掩模4302的边缘2602的位置定义第二展开点的位置(例如图5中的FP2)以及尾屏蔽件喉高(例如图15和30中的TH)。因此，通过关于前述方法和实施例继续如上所述地进行处理，ELG研磨终止标记的背边缘4404与写头展开点和屏蔽件喉高及ABS自对准。也可以说，边缘4404被自对准从而掩模层4302的背边缘2602用来定义ELG和展开点(FP2)及其相关的屏蔽件喉高TH，不需要在多个光刻步骤中对准多个掩模。在研磨期间，电压可以跨ELG 4304施加从而测量跨ELG的电阻。随着研磨沿箭头3408所示的方向进行，将消耗ELG。随着ELG的越来越大的部分被消耗，跨ELG的电阻将增大，当达到预定电阻时，可以停止研磨。利用如图44所示的直接位于ABS的背边缘，通过将材料研磨掉，跨研磨终止标记4304的电阻能增大到无穷大(即当研磨终止标记4304被完全去除时)。
参照图43A，可被构图的供选器件是传感器4304。这可存在于并列式头中，其中写头与传感器结构共面。类似于写头ELG材料4304的构图，传感器4343的背边缘可利用掩模4302的边缘4306定义。传感器4343可在定义掩模4302的沉积之前沉积并可以部分地被构图。如图44A中所表示的，传感器4343可电连接到器件外部。这将得到这样的头，其使得传感器的背边缘4444与展开点FP及其相关的喉高(TH)自对准。
总的来说，利用掩模4302形状上的变化，可以连同共面传感器4343和写头ELG材料4304一起采用掩模4302的背边缘2602定义展开点FP及其相关的喉高TH。
现在参照图45，用于进行研磨的另一方法包括沉积导电研磨终止标记材料4304例如Au。然后，可以形成包括第一部分4404a的掩模结构，第一部分4404a具有定位来定义如上所述的展开点FP2及其相关的屏蔽件喉高TH的背边缘2602。该掩模还包括部分4404b，其具有定位来定义研磨终止标记的背边缘的前边缘4406，其可以与ABS平面共线或可以不与ABS平面共线。然后，参照图46，可蚀刻的材料4602例如CoFe可镀到与掩模4404b相邻的研磨终止标记材料4304上。尽管图46中可蚀刻材料4602示出为仅在研磨终止标记区域上，但这仅用于示例。可蚀刻材料4602实际上可全膜沉积，之后其将通过蚀刻被去除。然后，可去除掩模部分4404b，在研磨终止标记材料4304上留下非镀的部分4510。然后，蚀刻非镀的部分4510产生写头ELG的背边缘。电镀在ELG材料4304上的镀材料3404、以及ELG材料4304本身共同形成具有背边缘4702的ELG，如图47所示。由于掩模结构4404a和4404b在相同的光刻步骤中定义，所以边缘4702可以精确地与ABS平面、展开点FP2及通过边缘2602的设置定义的屏蔽件喉高TH对准。类似地，ELG 4304可电连接从而能够通过推断ELG 4304的电阻改变来监控ABS平面。这将建立使ABS平面与ELG 4304的背边缘4702相关的电阻测量。
另外，如图48所见，类似的加工艺可在传感器4848上具有镀材料3404，其中传感器的背边缘4802利用定义展开点FP及其相关喉高TH的相同掩模4302的一部分产生。
尽管上面描述了各种实施例，但是应理解，它们仅以示例的方式给出，而不是限制。落在本发明的范围内的其它实施例对本领域技术人员也会是显而易见的。因此，本发明的广度和范围不应被任何上述示例性实施例限制，而应仅根据权利要求及其等价物定义。

Claims (28)

1.一种磁写头，用于磁数据记录，包括：
磁写极芯部分，具有设置在气垫面处的末端；以及
磁壳，围绕部分所述写极芯部分，所述磁壳部分具有从所述气垫面缩进且定义所述写极的展开点的端表面。
2.如权利要求1所述的磁写头，其中所述写极芯部分具有顶表面且其中所述磁壳部分覆盖从所述气垫面缩进的区域中所述写极芯部分的顶表面。
3.如权利要求1所述的磁写头，其中所述写极芯部分具有侧面且其中所述磁壳部分覆盖从所述气垫面缩进的区域中所述写极芯部分的侧面。
4.如权利要求1所述的磁写头，其中所述写极芯部分具有顶部以及第一和第二侧面，且其中所述磁壳部分覆盖从所述气垫面缩进的区域中所述写极芯部分的所述第一和第二侧面以及顶部。
5.如权利要求1所述的磁写头，其中所述写极芯部分具有沿所述写极芯部分的长度的轴，且其中所述磁壳关于该轴对称。
6.如权利要求1所述的磁写头，其中所述写极芯部分是叠层结构，该叠层结构包括通过薄的非磁层分隔开的磁材料层，且其中所述磁壳部分是电镀在所述写极芯部分之上的磁金属。
7.如权利要求1所述的磁写头，其中所述磁壳部分形成阶梯式展开结构。
8.如权利要求1所述的磁写头，其中所述磁芯部分具有距气垫面一距离FP1定位的第一展开点，且其中所述磁壳部分的端表面定义位于距离FP2的第二展开点，FP2小于FP1。
9.如权利要求1所述的磁写头，其中所述磁芯部分是叠层结构，该叠层结构包括通过薄的非磁材料层分隔开的磁材料层，且其中所述壳部分包括电镀的CoFe。
10.如权利要求1所述的磁写头，其中所述磁芯部分是叠层结构，该叠层结构包括通过薄的非磁材料层分隔开的磁材料层，且其中所述壳部分包括电镀的NiFe。
11.一种磁写头，用于磁数据记录，包括：
磁写极，包括：
磁写极芯部分，具有终止于气垫面处的末端且具有尾缘及第一和第二横向相对的侧面；以及
磁壳部分，覆盖部分所述磁写极芯部分，所述磁壳部分具有从所述气垫面缩进的端表面；
磁屏蔽件，部分地围绕所述磁写极芯部分，所述磁屏蔽件通过非磁间隙与所述磁写极芯部分的所述尾缘分隔开且通过非磁间隙与所述磁写极芯部分和磁壳部分分隔开。
12.如权利要求11所述的磁写头，其中所述磁壳部分的所述端表面定义写极展开点。
13.如权利要求11所述的磁写头，还包括覆盖所述磁壳部分的非磁间隔层，所述磁壳部分具有从所述气垫面缩进第一距离的端表面，所述非磁间隔层具有从所述气垫面缩进第二距离的端表面，该第二距离大于该第一距离。
14.如权利要求11所述的磁写头，其中所述磁写极芯部分包括通过薄的非磁层分隔开的多个磁层，且其中所述磁壳部分包括磁金属。
15.如权利要求11所述的磁写头，其中所述磁写极芯部分包括通过薄的非磁层分隔开的多个磁层，且其中所述磁壳部分包括电镀的CoFe。
16.如权利要求11所述的磁写头，其中所述磁写极芯部分包括通过薄的非磁层分隔开的多个磁层，且其中所述磁壳部分包括电镀的NiFe。
17.如权利要求11所述的磁写头，其中所述壳部分的端表面定义写头展开点，且其中所述磁屏蔽件具有暴露在气垫面处的前表面和与该前表面相对的背表面，该前表面和该背表面之间的距离定义所述磁屏蔽件的喉高，其中所述尾屏蔽件的该背表面位于所述气垫面与所述展开点之间。
18.如权利要求11所述的磁写头，其中所述磁写极芯部分具有第一展开点，且所述磁写极壳部分的所述端表面定义位于该第一展开点和该气垫面之间的第二展开点。
19.如权利要求11所述的磁写头，还包括围绕所述磁写极壳部分的至少一部分的非磁间隔层。
20.如权利要求19所述的磁写头，还包括邻接所述磁尾屏蔽件且延伸于所述非磁间隔层之上的磁层。
21.如权利要求11所述的磁写头，其中所述磁写极壳部分横向对称。
22.如权利要求15所述的磁写头，其中所述磁写极壳部分和所述非磁间隔层两者都横向对称。
23.如权利要求15所述的磁写头，其中所述非磁间隔层具有朝向所述气垫面设置的端表面，该端表面与所述磁壳部分位于距该气垫面相同的距离处。
24.一种数据存储装置，包括：
外壳；
可旋转地安装在该外壳内的磁盘；
悬臂；
与该悬臂连接的滑块；
致动器，与该悬臂连接用于相对于该磁盘的表面定位该滑块；以及
形成在该滑块上的磁写头，该写头包括：
磁写极芯部分，具有终止于该气垫面处的末端；
磁写极壳部分，围绕部分所述磁写极芯部分且具有设置在距该气垫面第一距离处的端表面；
围绕部分所述磁写极壳部分的非磁间隔层，所述非磁间隔层具有设置在距该气垫面第二距离处的端表面，该第二距离大于该第一距离；以及
设置在该气垫面处的磁尾屏蔽件，该磁尾屏蔽件部分地围绕所述磁写极芯部分且通过非磁间隔层与所述磁写极芯部分和所述磁壳部分分隔开。
25.如权利要求24所述的数据存储装置，其中所述磁尾屏蔽件具有步进阶梯式结构，该步进阶梯式结构具有设置在距所述气垫面第一距离处的第一背边缘部分、以及设置在距该气垫面第二距离处的第二背边缘部分，该第二距离大于该第一距离。
26.如权利要求24所述的数据存储装置，其中所述尾屏蔽件的所述第一和第二背边缘通过共形的非磁间隙层与所述写极芯部分、写极壳部分和非磁间隔层分隔开。
27.如权利要求24所述的数据存储装置，其中所述写极尾屏蔽件的所述第一背边缘位于与所述磁壳部分相邻且所述第二背边缘部分位于与所述非磁间隔层相邻。
28.一种制造磁写头的方法，包括：
提供衬底；
在所述衬底之上形成写极；
在所述写极之上形成掩模结构，所述掩模结构具有定义展开点的背边缘；以及
电镀磁材料从而在所述写极结构之上形成磁壳，所述磁壳具有定义写极展开点的末端。
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