CN101359714B - 具有有多个自由层的薄叠层与厚偏磁层的磁场探测元件 - Google Patents

具有有多个自由层的薄叠层与厚偏磁层的磁场探测元件 Download PDF

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Abstract

一种磁场探测元件包括：上磁层、下磁层和夹在上、下磁层之间的非磁中间层的叠层，上磁层和下磁层的磁化方向根据外部磁场改变；以下述方式设置的上屏蔽电极层和下屏蔽电极层：它们在所述叠层的堆叠方向上将所述叠层夹在其间，上屏蔽电极层和下屏蔽电极层提供堆叠方向上的传感电流并磁性屏蔽所述叠层；设置在所述叠层表面上的偏磁层，所述表面与所述叠层的气浮表面相反，偏磁层在垂直气浮表面的方向施加偏磁场到所述上、下磁层；和设置在所述叠层的关于其磁道宽度方向的两侧上都设置的绝缘膜。该偏磁层具有大于所述叠层的厚度，且所述上屏蔽电极层和/或所述下屏蔽电极层包括填充阶形部分，该阶形部分由所述叠层和所述偏磁层形成。

Description

具有有多个自由层的薄叠层与厚偏磁层的磁场探测元件
技术领域
本发明涉及磁场探测元件及其制造方法，尤其涉及一种具有多个自由层的磁场探测元件的结构。
背景技术
作为薄膜磁头的重放元件，GMR(巨磁致阻抗)元件是已知的。迄今为止，主要使用CIP(面内电流(Current In Plane))-GMR元件，其中传感电流(sense current)在水平于元件的薄膜表面的方向上流动。不过，近年来，为了应付更高密度的记录，已经开发这样的元件，其中传感电流在垂直于元件的薄膜表面的方向上流动。利用TMR(隧道磁阻(TunnelMagneto-Resistance))效应的TMR元件和利用GMR效应的CPP(垂直于平面的电流)元件是已知的属于这种类型的元件。特别地，CPP元件具有高电势，因为与TMR元件相比它具有低阻抗且因为与CIP元件相比即使是对于窄磁道宽度它也表现出高输出。
CPP元件包括叠层，该叠层具有磁化方向根据外部磁场而改变的磁层(自由层)，其磁化方向相对于外部磁场固定不变的磁层(固定层(pinnedlayer))，以及夹在固定层和自由层之间的非磁中间层。该叠层也称为自旋阀(spin-valve)薄膜。在自旋阀薄膜的关于磁道宽度方向的两侧上，都设置了用于施加偏磁场至自由层的偏磁层。自由层通过从偏磁层发射的偏磁场磁化成单磁态。这提供了阻抗的改变相对于外部磁场的变化的线性度的改善以及Barkhausen噪声的有效减小。自由层的磁化方向与固定层的磁化方向之间的相对角度根据外部磁场而改变，结果，在垂直于自旋阀薄膜的薄膜表面的方向上流动的传感电流的阻抗被改变。通过利用该特性，检测外部磁化。自旋阀薄膜通过其关于堆叠方向的两侧的屏蔽层(shieldlayer)被磁屏蔽。当薄膜磁头结合到硬盘驱动器中时，自旋阀薄膜的堆叠方向对应于记录介质的圆周方向。因此，屏蔽层具有屏蔽从记录介质的相同轨道上的相邻比特(bit)发射的磁场的功能。
近年来，想要更高的磁道记录密度。不过，磁道记录密度的提高需要减小上下屏蔽层之间的间距(屏蔽之间的间隔)。为了实现此要求，需要减少自旋阀薄膜的厚度。不过，存在由常规CPP元件中的层结构造成的很大限制。具体而言，由于固定层要求将磁化方向牢牢地固定而不受到外部磁场的影响，因此通常使用所谓合成固定层。该合成固定层包括外固定层，内固定层和由Ru或Rh构成并夹在外固定层和内固定层之间的非磁中间层。此外，反铁磁层设置成与外固定层相接触以便固定外固定层的磁化方向。反铁磁层通常由IrMn构成。在合成固定层中，反铁磁层经由交换-耦合而耦合到外固定层从而固定外固定层的磁化方向。内固定层经由非磁中间层反铁磁性地耦合到外固定层从而固定内固定层的磁化方向。由于内固定层与外固定层的磁化方向彼此反平行(anti-parallel)，因此固定层的磁化被限制为一个整体。不过，尽管合成固定层有这种优点，但需要大量的层来构成包括合成固定层的CPP元件。这对减小自旋阀薄膜的厚度造成了限制。
其间，近年来已经提出了完全不同于上述传统自旋阀薄膜的新的层结构。在“Current-in-Plane GMR Trilayer Head Design for Hard-Disk Drives”(IEEE TRANSACTIONS ON MAGNETICS，Vol.43，No.2，2007年2月)中，披露了一种用于CIP元件的叠层，包括两个自由层和夹在自由层之间的非磁中间层。自由层的每一个磁化方向根据外部磁场而改变。在叠层的与气浮表面(air bearing surface)相反的一侧上设有偏磁层，且在垂直于气浮表面的方向上施加偏磁场。由于从偏磁层施加的磁场的原因，两个自由层的磁化方向上采取某个相对角度。如果在这种情况下施加外部磁场，那么就改变了两个自由层的磁化方向。结果，改变了两个自由层的磁化方向之间的相对角度，并且由此，改变了传感电流的阻抗。通过利用这种特性，有可能检测外部磁场。此外，在美国专利No.7035062中，披露了一个例子，其中这种层结构应用到CPP元件。这种利用两个自由层的层结构具有有助于减小屏蔽层之间的间隔的潜力，因为它不需要传统的合成固定层和反铁磁层，能够实现简化的层结构。
不过，这种使用两个自由层的叠层具有以下所述的问题。首先，当叠层厚度减少时，偏磁层的厚度根据叠层厚度的减少而一起减少。其次，因为偏磁层仅面向叠层的一个表面设置，这不同于常规技术，因此磁场自身易于分散，且难以将磁场有效地施加到自由层。为此，难以确保用于将自由层磁化为单个磁畴(magnetic domain)所必需的偏磁层的磁场密度。为解决该问题，必须确保偏磁层的厚度。不过，如果以这样的方式来确定叠层厚度，使其对应于偏磁层的厚度，则不能指望屏蔽部分之间的间隔有很大的减小。
发明内容
本发明涉及一种具有层结构的CPP型磁场探测元件，该层结构包括具有多于一个的自由层的叠层，并且当从气浮表面看时，该层结构在所述叠层的背面上具有偏磁层。本发明的一个目的是提供一种具有上述层结构的磁场探测元件，该层结构能够施加充分的偏磁场到自由层上，并能够减小屏蔽部分之间的间隔。本发明的另一个目的是提供一种制造这种磁场探测元件的方法。
根据本发明的一个实施例，一种磁场探测元件包括：包括上磁层、下磁层和夹在所述上磁层与所述下磁层之间的非磁中间层的叠层，其中所述上磁层和所述下磁层的磁化方向根据外部磁场而改变；上屏蔽电极层和下屏蔽电极层，它们被设置为在所述叠层的堆叠方向上将所述叠层夹在其间，其中所述上屏蔽电极层和所述下屏蔽电极层提供堆叠方向上的传感电流并磁性地屏蔽所述叠层；设置在所述叠层表面上的偏磁层，所述表面与所述叠层的气浮表面相反，其中所述偏磁层在垂直于气浮表面的方向上施加偏磁场到所述上磁层和到所述下磁层；和设置在所述叠层的关于其磁道宽度方向的两侧上的绝缘膜。该偏磁层具有大于所述叠层的厚度，且所述上屏蔽电极层和/或所述下屏蔽电极层包括填充阶形部分的辅助屏蔽层，该阶形部分由所述叠层和所述偏磁层形成。
根据该结构，可以排除在叠层中设置反铁磁层和合成固定层的需求，并有助于减小叠层的厚度。另一方面，偏磁层的厚度能够独立于叠层厚度设定成对于施加所需的偏磁场所必需的厚度。结果，偏磁层的厚度大于叠层厚度，且阶形部分可形成在偏磁层与叠层之间。不过，由于辅助屏蔽层在阶梯部分处形成，因此从记录介质的同一磁道上的相邻比特发射的磁场可被有效地屏蔽。这样，有可能在减小屏蔽部分之间的间隔的同时施加充分的偏磁场至自由层，从而提供易于应付高磁道记录密度的磁场探测元件。
根据本发明的另一个实施例，一种制造磁场探测元件的方法，包括：形成叠层的步骤，该步骤包括在下屏蔽电极层上形成叠层，其中所述叠层包括其磁化方向根据外部磁场而改变的下磁层、非磁中间层和其磁化方向根据外部磁场而变化的上磁层，所述下磁层、所述非磁中间层和所述上磁层依次堆叠；绝缘膜形成步骤，该步骤包括除了垂直于将作为气浮表面的平面延伸的第一部分以外，除去所述叠层，并以绝缘膜填充被除去的所述叠层部分；在所述绝缘膜上和所述第一部分上形成辅助屏蔽层的步骤；偏磁层形成步骤，该步骤包括除去所述辅助屏蔽层、所述叠层和除了平行于将作为气浮表面的平面延伸的第二部分以外的至少一部分所述下屏蔽电极层，以及用偏磁层填充一部分被除去部分；以及在所述上辅助屏蔽层上和在所述偏磁层上形成上屏蔽电极层以使所述上屏蔽电极层与所述辅助屏蔽层结合。
通过关于图解说明本发明例子的下列描述，本发明的以上和其他目标、特征和优点将变得清晰。
附图说明
图1是根据本发明实施例的磁场探测元件的概念性透视图；
图2A是从图1的2A-2A方向看时磁场探测元件的横截面图；
图2B是沿图1所示的2B-2B线剖开得到的磁场探测元件的横截面图；
图2C是沿图2A所示的线2C-2C剖开得到的横截面图；
图3是表示图1中所示的磁场探测元件的工作原理的概念图；
图4是解释制造图1中所示的磁场探测元件的方法的流程图；
图5A至13C是解释制造图1中所示的磁场探测元件的方法的步骤图；
图14是具有底切(undercut)的抗蚀剂的横截面图；
图15是表示偏磁层的厚度/屏蔽部分之间的间隔的比例与输出之间的关系的图表；
图16A和16B是比较例的横截面图，其中偏磁层关于堆叠方向以不同的位置(elevation)定位；
图17是表示偏磁层的位置与输出之间的关系的图表；
图18是用来制造本发明的磁场探测元件的晶片的平面图；
图19是本发明的滑触头(slider)的透视图；
图20是包括结合了本发明的滑触头的磁头平衡架组件的磁头臂组件的透视图；
图21是结合了本发明的滑触头的磁头臂组件的侧视图；以及
图22是结合了本发明的滑触头的硬盘驱动器的平面图。
具体实施方式
现在将参考附图说明本发明的实施例。本实施例的磁场探测元件尤其适于用作硬盘驱动器的薄膜磁头的读出磁头部分。图1是根据本发明实施例的磁场探测元件的概念性透视图。图2A是从图1的2A-2A方向看，即从气浮表面看时磁场探测元件的横截面图。图2B是沿图1所示的2B-2B线剖开得到的磁场探测元件的横截面图。图2C是沿图2A所示的线2C一2C剖开得到的横截面图。气浮表面是指磁场探测元件1的面向记录介质21的表面。
磁场探测元件1包括：叠层2、上屏蔽电极层3和下屏蔽电极层4，它们这样设置，以使得它们在堆叠方向上夹住叠层2；设置在叠层2的与气浮表面S相反的表面上的偏磁层13，以及关于磁道宽度方向T设置在叠层2的两侧上的绝缘膜15。
叠层2夹在上屏蔽电极层3和下屏蔽电极层4之间，其中叠层的顶端暴露于气浮表面S。叠层2这样来调整，使得当在上屏蔽电极层3与下屏蔽电极层4之间施加电压时引起传感电流22在垂直于膜表面的方向P上流动。记录介质21的在面向叠层2的位置处的磁场根据记录介质21在运动方向23上的运动而改变。磁场的改变作为阻抗的变化来检测，该变化是由磁阻效应引起的。基于该原理，磁场探测元件1读取记录在记录介质21的每一个磁畴中的磁信息。
叠层2的层结构的例子如表1所示。在该表中，层以堆叠的顺序表示，从底栏中的缓冲层5开始，其在下屏蔽电极层4的一侧上，向着顶栏中的保护层9，其在上屏蔽电极层3的一侧上。在表1中，“成分”列中的数字表示元素的原子分数。叠层2具有包括缓冲层5、下磁层6、导电非磁中间层7、上磁层8和保护层9的层结构，这些层依次堆叠在下屏蔽电极层4上，该层由具有大约1μm的厚度的80Ni20Fe层构成。
表1
Figure GSB00000170431900061
缓冲层5设置为用于下磁层6的基础层(seed layer)。下磁层6和上磁层8是磁化方向根据外部磁场而改变的磁层，其具有这样的层结构，其中NiFe层被CoFe层夹住。非磁中间层7由Cu制成。非磁中间层7的Cu层的厚度为1.3nm。在该厚度Cu呈现最大的结合能(binding energy)，使得下磁层6和上磁层8通过反铁磁耦合强有力地磁耦合。通过在下磁层6和上磁层8中设置CoFe层，与其中Cu层和NiFe层直接接触的层结构相比，在Cu层的界面处自旋偏振因子增大，从而提高了磁阻效应。代替表1中所示的层结构，由Co70Fe30层组成的单层结构可用于下磁层6和/或上磁层8。保护层9设置用来防止形成在下面的层劣化。在保护层9上，形成了由具有大约1μm厚度的80Ni20Fe层构成的上屏蔽电极层3。
上屏蔽电极层3和下屏蔽电极层4起到在堆叠方向P上提供传感电流至叠层2的电极的作用并且还起到屏蔽从记录介质21的同一磁道上的相邻比特发射的磁场的屏蔽层的作用，如上所述。
当从气浮表面看时位于叠层2的背面上的部分的层结构的例子如表2所示。在表中，层按堆叠顺序表示，从底栏中底绝缘层11向着顶栏的保护层14堆叠。在表2中，“成分”列中的数字表示元素的原子分数。偏磁层13这样设置，以使得它面向叠层2的与气浮表面S相反的表面。偏磁层13在垂直于气浮表面S的方向上施加偏磁场至叠层2，特别是上磁层8和下磁层6。偏磁层13形成在基础层12上以便确保作为偏磁层的良好的磁性(高矫顽力和矩形比例)。由Al2O3层构成的绝缘层11形成在基础层12与叠层2之间。如图2B所示，绝缘层11也形成在叠层2的侧表面上以便防止传感电流22在偏磁层13中流动。由Cr层、Al2O3层和Ti层组成的保护层14设置在偏磁层13上。类似于基础层12，Cr层设置来确保良好的磁性。Al2O3层设置来防止传感电流22在偏磁层13中流动。Ti层设置来确保上屏蔽电极层3的充分接触。
表2
Figure GSB00000170431900071
由Al2O3层构成的绝缘层15关于磁道宽度方向T设置在叠层2的两侧上。绝缘层15还用来防止传感电流22在偏磁层13中流动。
图3是表示本实施例的磁场探测元件的工作原理的概念图。横坐标表示外部磁场的大小，而纵坐标表示信号输出。在图中，上磁层8的磁化方向和下磁层6的磁化方向分别由FL1和FL2表示。当从偏磁层13发射的偏磁场和从记录介质21发射的外部磁场都不存在时，上磁层8的磁化方向和下磁层6的磁化方向由于上述的反铁磁耦合(图中的A)的原因彼此反平行。不过，由于实际上施加了偏磁场，因此上磁层8的磁化方向和下磁层6的磁化方向从反平行状态向着平行状态旋转，达到反平行状态与初始磁化状态(仅施加偏磁场的状态)(图中的B)下的平行状态之间的中间状态。当在该状态下从记录介质21施加外部磁场时，上磁层8的磁化方向与下磁层6的磁化方向之间的相对角度根据磁场的方向增大(接近反平行状态的状态)或减小(接近平行状态的状态)。如果状态变得接近于反平行状态，那么从电极发射的电子易于扩散，导致传感电流的阻抗增大。如果状态接近于平行状态，那么从电极发射的电子不易扩散，导致传感电流的阻抗减小。这样，通过利用上磁层8的磁化方向与下磁层6的磁化方向之间的相对角度的变化，能够探测外部磁场。
在本实施例中，作为调整偏磁层13的厚度、结构等的结果，在初始磁化状态(图3中的B)下，上磁层8的磁化方向与下磁层6的磁化方向大致彼此垂直。因为磁化方向在初始磁化状态下彼此垂直，可获得相对于外部磁场变化的输出的大的变化，以及由此引起的磁阻的大的变化，并可获得良好的不对称性。如果偏磁场不足，那么初始磁化状态变得接近于反平行状态(图3中的A)，导致低输出和大的不对称性。类似地，如果偏磁场过大，那么初始磁化状态变得接近于平行状态(图3中的C)，导致低输出和大的不对称性。
如表1和2所示，偏磁层13具有30nm的厚度，叠层2具有17.3nm的厚度。换句话说，偏磁层13具有大于叠层2的厚度。这是大大不同于传统CPP元件的特征。在传统CPP元件中，设置在自旋阀膜的关于磁道宽度方向的两侧上的偏磁层的厚度被确定，以使得它对应于自旋阀膜的厚度。当必需的层被布置以使得它们具有必要的厚度时，对应于本实施例的叠层2的传统的自旋阀膜，具有30至40nm的厚度。由于为确保预定偏磁场所必需的偏磁层的最小厚度为大约30nm，因此确保了偏磁层的最小必需厚度。但是，在本实施例中，由于叠层2的结构大大简化了，因此厚度可以很大程度地减少。为此，在本实施例中，偏磁层13的厚度独立于叠层2来设定，以使得确保必需的偏磁场。
结果，如图2B所示，上阶形部分16a和下阶形部分16b分别由叠层2和在叠层2的上下部分处的偏磁层13形成。在本实施例中，上辅助屏蔽层3b和下辅助屏蔽层4b设置来分别填充这些阶形部分16a、16b。换句话说，上屏蔽电极层3包括基本部分3a和从基本部分3a关于堆叠方向向下突出的上辅助屏蔽层3b，而下屏蔽电极层4包括基本部分4a和从基本部分4a关于堆叠方向向上突出的下辅助屏蔽层4b。上辅助屏蔽层3b与基本部分3a相结合，并且磁耦合到基本部分3a。下辅助屏蔽层4b也与基本部分4a相结合，并磁耦合到基本部分4a。基本部分3a在叠层2和偏磁层13之上在垂直于气浮表面S的方向上延伸。上辅助屏蔽层3b的长度基本上对应于叠层2的高度H(在垂直于气浮表面S的方向上测量的长度)，上辅助屏蔽层3b终止在与偏磁层13相接触的位置处。对于下辅助屏蔽层4b也一样。
由于上辅助屏蔽层3b和下辅助屏蔽层4b分别构成了上屏蔽电极层3与下屏蔽电极层4的一部分，因此它们起到施加传感电流的电极的作用，以及起到用于屏蔽从记录介质21的同一磁道上的相邻比特发射的磁场的屏蔽层的作用。即，当从记录介质看磁场探测元件1时，叠层2被上辅助屏蔽层3b和下辅助屏蔽层4b包围，如图2A所示。这样，上辅助屏蔽层3b和下辅助屏蔽层4b确定了磁场探测元件1的屏蔽部分之间的实际间隔G。
参考图2B，偏磁层13的位置h2对应于位置h1，该位置h2是在堆叠方向上测量的偏磁层13的中点的位置，该位置h1与上磁层8的位置h8和下磁层6的位置h6等距，该位置h8是在堆叠方向上测量的上磁层8的中点的位置，该位置h6是在堆叠方向上测量的下磁层6的中点的位置。即，由于上磁层8和下磁层6这样布置，使得它们关于偏磁层13的中点互相对称，因此基本上相同大小的偏磁场施加到上磁层8和下磁层6，导致磁场探测元件的线性度的改善。
上辅助屏蔽层3b以平面形状在绝缘膜15上延伸。因此，防止在上辅助屏蔽层3b中形成磁极以及不必要的磁场施加。此外，因为上辅助屏蔽层3b的平面结构，所以由于形状各向异性效应的原因上辅助屏蔽层3b的磁化方向倾向于指向磁道宽度方向。这使得易于确保渗透性，以及提高上辅助屏蔽层3b作为屏蔽层的功能。
应该指出，在一个实施例中，仅上屏蔽电极层或仅下屏蔽电极层包括上辅助屏蔽层3b或下辅助屏蔽层4b。即，上屏蔽电极层或下屏蔽电极层可具有平面形状。
在本发明的磁场探测元件中，叠层2仅由功能上要求具有必要的厚度的各堆叠层组成，如上所述。结果，反铁磁层和外固定层是不必要的，使得与传统CPP元件的自旋阀膜相比，其厚度显著减少。另一方面，能够独立于叠层2来确定功能上要求的偏磁层13的厚度。此外，由于上辅助屏蔽层3b和下辅助屏蔽层4b在阶形部分处形成，所述阶形部分来自于这样的结构：其中叠层2的厚度小于偏磁层13的厚度，叠层2的厚度的减少直接反映在屏蔽部分之间的间隔的减少。这样，有可能在确保必要的偏磁场的同时实现屏蔽部分之间的间隔减少。此外，在传统CPP元件中，仅合成固定层的内固定层直接对磁阻的改变作出贡献。外固定层和反铁磁层不对磁阻的改变作贡献，而是造成妨碍磁阻比例的改善的原因。但是，在本实施例中，由于外固定层和反铁磁层是不必要的，因此，减小了寄生电阻，有很大的潜力进一步改善磁阻比例。
现在参考图4和图5A至13C的流程图说明以上提及的磁场探测元件的制造方法。图5A，6A...13A表示沿将作为气浮表面的平面剖开得到的横截面图，图5B，6B...13B表示沿垂直于气浮表面的平面剖开得到的横截面图，而图5C，6C...，13C是晶片的顶视图。图5B，6B，...，13B中的横截面的位置分别表示在图5A，6A，...，13A中。
(步骤S1)首先，通过电镀工艺制备下屏蔽电极层4。其次，如图5A至5C所示，叠层2通过溅射形成在下屏蔽电极层4上(叠层形成步骤)。如上所述，叠层2包括其磁化方向根据外部磁场而改变的下磁层6，导电的非磁中间层7和其磁化方向根据外部磁场而改变的上磁层8。关于堆叠方向处在下侧上的下磁层6、非磁中间层7和关于堆叠方向处在上侧上的上磁层8依次包括在叠层2中。当实施沉积时，包括由Ru层构成的保护层9的叠层2还包括Ta层18(厚度2nm)。Ta层18形成在Ru层上，作为保护层9的一部分。Ta层18起到在后续步骤中平面化绝缘膜15时作为叠层2的保护层的作用。
(步骤S2)下一步，除了具有垂直于将作为气浮表面的平面延伸的轴线的第一部分以外，除去叠层2，且被除去的部分以绝缘层来填充(绝缘层形成步骤)。具体而言，如图6A至6C所示，抗蚀剂19在Ta层18上沉积，然后以预定形状形成。然后，利用抗蚀剂19作为掩膜，除了垂直于将作为气浮表面的平面S’延伸的细长的第一部分20以外，除去叠层2。抗蚀剂19优选地不具有底切(undercut)。图14表示包括底切的抗蚀剂的横截面图。如果包括底切19a，那么很难通过研磨使叠层2形成峭壁的形状。结果，易于形成具有下侧相对于上侧的比例增大的横截面的第一部分20’，如图中的虚线所示。传统上，考虑到有助于提升(lift-off)，可形成具有底切的抗蚀剂。不过，在本实施例中，使用不包括这种底切的抗蚀剂形状以使得尽可能以相同的形状形成下磁层6和上磁层8。如果它们以相同的形状形成，那么能获得相同的磁性。这对于用作磁场探测元件的性能是理想的。
之后，如图7A至7C所示，由Al2O3构成的绝缘膜15沉积在抗蚀剂19上和下屏蔽电极层4上。此外，如图8A至8C所示，抗蚀剂19和绝缘膜15通过提升(lift-off)工艺除去。优选的是绝缘膜15被平面化从而绝缘膜15的上表面与叠层2(第一部分20)的上表面齐平。平面化的一个原因是为了在后续步骤以平面形态形成上辅助屏蔽层3b。另一个原因是除去提升工艺中抗蚀剂19与第一部分20的上表面之间可能出现的毛刺。如上所述，与设置了底切19a的结构相比，毛刺易于在提升工艺中出现，因为在抗蚀剂19中没有设置底切19a。平面化可以通过例如化学机械抛光工艺(CMP工艺)来实现。由于绝缘膜15中使用的Al2O3很好地匹配于CMP工艺，因此绝缘膜15被抛光成平面形态。Ta层18为硬的材料，用来在抛光工艺中保护叠层2。
(步骤3)下一步，如图9A至9C所示，通过溅射工艺在绝缘膜15上和第一部分20上形成上辅助屏蔽层3b。上辅助屏蔽层3b的厚度取决于偏磁层13的厚度。应该指出的是在形成上辅助屏蔽层3b之前通过溅射工艺除去Ta层18。
(步骤4)下一步，除了具有平行于将作为气浮表面的平面延伸的轴线的第二部分以外，除去上辅助屏蔽层3b、叠层2和一部分、下屏蔽电极层4，且被除去部分的一部分以偏磁层13来填充(偏磁层形成步骤)。首先，如图10A至10C所示，在上辅助屏蔽层3b上形成抗蚀剂31，且然后使抗蚀剂31形成为预定形状。抗蚀剂31优选地不包括底切，类似于抗蚀剂19。原因与抗蚀剂19的情况相同。结果，叠层2的三个侧面形成峭壁的形状，这三个侧面为叠层2的关于磁道宽度方向的两侧和与气浮表面S相反的表面。然后，如图11A至11C所示，利用抗蚀剂31作为掩膜，除了具有平行于作为气浮表面的平面S’延伸的轴线的第二部分22以外，通过研磨除去上辅助屏蔽层3b、叠层2和下屏蔽电极层4。下屏蔽电极层4的研磨深度取决于偏磁层13的厚度。研磨的结果是，形成包括基本部分4a和下辅助屏蔽层4b的下屏蔽电极层4。如果需要，可以执行研磨直至下屏蔽电极层4的底表面。
之后，如图12A至12C所示，沉积绝缘层11、基础层12、偏磁层13和保护层14(基础层12没有示出)。绝缘层11和基础层12通过离子束溅射(ion-beam sputtering)工艺形成。绝缘层11以大约40度的相对低的角度沉积以使得它牢固地附着到叠层2的侧壁上以确保电绝缘。代替离子束溅射工艺，也可以使用低温CVD(化学汽相沉积)。绝缘层11的厚度可以为大约5nm，但优选地为大约7nm以便确保绝缘性能。
在本实施例中，偏磁层13这样形成，以使得其中点的位置对应于从上磁层的中点和下磁层的中点等距的位置。如图12B所示，形成在上辅助屏蔽层3b的侧表面上的偏磁层13的高度优选地限定为近似上辅助屏蔽层3b的高度。如后所述，偏磁层3必须形成为确保预定的厚度。但是，如果偏磁层13形成为高度超过上辅助屏蔽层3b，那么在偏磁层13与上辅助屏蔽层3b之间会出现阶形部分。这使得难以平面化，导致偏磁层13出现非常不稳定的形状。
在沉积直到保护层14的层之后，通过提升工艺除去抗蚀剂31。除去抗蚀剂31之后，通过极轻的CMP除去毛刺以使表面平面化。
(步骤S5)下一步，如图13A至13C所示，上屏蔽电极层3的基本部分3a形成在上辅助屏蔽层3b和保护层14之上。具体而言，用来通过电镀形成基本部分3a的、具有大约50nm厚度的电极膜(未示出)通过溅射工艺形成，然后基本部分3a通过电镀工艺形成在其上。于是，形成了包括基本部分3a和辅助屏蔽层3b的上屏蔽电极层3。
之后，形成写入磁头部分，然后晶片被切成条状，且通过抛光形成气浮层。此外，每一条都分成滑触头，且在经受处理比如清洁和检验后滑触头完成。
下面，将说明传统CPP元件与作为实施例的根据本发明的磁场探测元件之间的比较。使用如上面提到的实施例中的表1和表2中所示的相同层结构作为示例实施例，且元件尺寸设定为在磁道宽度方向上和在MR高度方向上都设定为0.05μm。在表3中，表示了比较例的CPP元件的层结构。尽管自由层是单一层，但层结构中的其他部分形成为尽可能相似。为了提高界面处的由自旋而定的散射效应，Cu中间层被插入固定层。内固定层具有4.4nm的厚度，其基本上与自由层的厚度相等。作为反铁磁层，使用具有7nm厚度的IrMn层。由于使用合成固定层，所以外固定层和反铁磁层增大了总厚度。在自旋阀膜的关于磁道宽度方向上的两侧上，经由具有7nm厚度的Al2O3层和具有3nm厚度的Cr基础层形成具有30nm的厚度的CoPt层作为偏磁层。
表3
Figure GSB00000170431900141
比较例的自旋阀膜的总厚度为39.7nm，其为比示例实施例的磁场探测元件的厚度大两倍或两倍以上。因此，屏蔽部分之间的间隔也比示例实施例的磁场探测元件大两倍或两倍以上。另一方面，实施例与比较例的磁阻比例都被发现为大约5％。在比较例中，使用具有很大的体散射效应(bulkscattering effect)的50Co50Fe，并且在CoFe层中插入Cu层以便提高边界散射效应，而反铁磁层与外固定层的寄生阻抗增加。因此，认为两者的效果互相抵偿，由此获得了相似大小的磁阻比例。
下一步，比较上述实施例和比较例的电磁转换特性。当实施测量时施加100mV的电压。实施例的元件阻抗(MRR)和比较例的元件阻抗被发现分别为17Ω和22Ω。因此，实施例的传感电流与比较例的传感电流分别为5.88mA和4.55mA。对于单独的读出脉冲的输出与PW50的值如表4所示。PW50是再现波形的中值宽度，其定义为当比较例的值设定为1时的相对值。PW50的小值意味着屏蔽部分之间的窄的间隔。因此，发现本实施例在确保输出等于比较例的同时有助于实现大的磁道记录密度。
表4
  MRR(Ω)   输出(mV)   PW50(相对值)
  实施例   17   1.1   0.6
  比较例   22   1.1   1
下面，研究偏磁层的厚度与输出之间的关系。在实施例中所述的层结构中的偏磁层的厚度在10nm至40nm之间的范围内变化以检验对于输出的影响。结果表示在表5和图5中。如上所述，如果偏磁场不足，那么初始磁化状态接近于反平行状态且仅获得低的输出。另一方面，如果偏磁场过大，那么初始磁场状态接近于平行状态，仅获得低的输出。在本实施例中，偏磁层的优化厚度为大约30nm，且偏磁层的厚度相对于屏蔽部分之间的间隔(叠层的厚度)的比例的优选范围为1.5至2。
表5
 偏磁层的厚度(nm)X   10   15   20   25   30   35   40
 屏蔽层之间的间隔Y   18.3   18.3   18.3   18.3   18.3   18.3   18.3
 X/Y   0.55   0.82   1.09   1.37   1.64   1.91   2.19
 输出(mV)   0.25   0.4   0.55   0.85   1.1   1   0.9
下面，研究偏磁层与叠层之间尤其是偏磁层与上下磁层之间的位置关系。图2B中的偏磁层13的中点的位置h2关于叠层2相对变化。典型的比较例分别表示在图16A中和图16B中，在图16A中上磁层8的上端与偏磁层13的上端齐平，在图16B中下磁层6的下端与偏磁层13的下端齐平。假设偏磁层13的厚度的半值为X，位置差(h1-h2)为Y，其中位置h1与上磁层8的中点的位置h8和下磁层6的中点的位置h6等距(参见图2B)，而位置h2是偏磁层13的中点的位置。Y/X是表示上磁层8与下磁层6有多靠近偏磁层13的中点的指数。如果上磁层8和下磁层6的厚度彼此相等，那么当作为非磁中间层7的Cu层的中点对应于偏磁层13的中点时，Y/X等于零。如果Cu层的中点对应于偏磁层13的端面，Y/X等于1或-1。在图16A，16B的情况下，Y/X等于((30nm-4.5nm-0.65nm)-15nm)/15nm＝0.66(或-0.66)。
然后，改变Y/X以确定不对称性的标准偏差(standard deviation)(再现输出波形的不对称性的偏差)。使用不对称性标准偏差的原因是：在本发明中，重要的是将偏磁场均匀地从偏磁层13施加到上磁层8和下磁层6。大的不对称性偏差表示在元件之中存在对于磁场的响应的非线性度方面的大的波动。图17表示通过施加23850A/m(300Oe)的外部磁场测得的输出波形的波形不对称性的变化(标准偏差)。波形不对称性定义为|在负磁场的输出-在正磁场的输出之间的差|/输出×100.与Cu层的中点位于偏磁层13的上端的情况(图16A的情况)相比，在Cu层的中点位于偏磁层13的下端附近的情况(图16B的情况)下标准偏差较大。因此，与具有上屏蔽电极层3的厚的上辅助屏蔽层3b的结构相比，具有下屏蔽电极层4的厚的下辅助屏蔽层4b的结构(通过下屏蔽电极层4的深研磨获得)提供了相对较好的结果。不过，在两种情况下，Cu层的中点远离偏磁层13的中点的结构从对称的观点来看是不理想的，因为偏磁场不会均匀地施加到两个磁层6和8上。理想的是偏磁层13的中点的位置h2对应于位置h1，该位置h1与上磁层8的中点的位置h8和下磁层6的中点的位置h6等距，即Y/X＝0，如上面提及的实施例所述。不过，如果满足-0.5≤Y/X≤0.5，那么能提供相对满意的结果。认为这是因为Y/X＝±0.5对应于拐点D，E。
尽管以上详细地阐述了本发明的磁场探测元件，但本发明不限于上述的实施方式和实施例。作为一个例子，每一磁层都包括两个磁层和夹在其间的非磁中间层的层结构也包括在本发明的范围内。表6表示这种实施方式的叠层的示例性层结构。上下磁层的每一个都包括磁化方向根据外部磁场而变化的第一和第二磁层，以及夹在第一和第二磁层之间的非磁中间层。总叠层厚度为21.5nm。尽管从屏蔽部分之间的间隔的观点来看，与上面提到的实施例相比稍微不利，但本发明的叠层充分优于常规技术。因为界面处的增大的原因，这种多层结构提供了磁阻比例的增大。在该层结构中的磁阻比例被发现为6％。利用该层结构测试制造的磁头呈现出1.6mV的输出。这种实施方式的磁场检测元件也可根据磁头所要求的规格来使用。
下面，将要说明关于用于制造上述磁场探测元件的晶片。图18是晶片的示意性平面图。晶片100具有沉积在其上的叠层以形成至少磁场探测元件。晶片100被切成条101，条101用作形成气浮表面ABS的工艺中的工作单元。研磨(lapping)以后，条101被切成包括薄膜磁头的滑触头210。未示出的切开部设置在晶片100上以便将晶片100切成条101和滑触头210。
表6
Figure GSB00000170431900171
参考图19，滑触头210具有基本上六面体形状。滑触头210的六个表面中的一个形成了气浮表面ABS，其在与硬盘相对的位置。
参考图20，磁头平衡架组件220具有滑触头210和用于弹性支撑滑触头210的悬架221。悬架221具有以片簧的形状且由例如不锈钢制成的负载梁222、连接到负载梁222的一端的弯曲部分223和设置在负载梁222的另一端的基板224。滑触头210固定到弯曲部分223以向滑触头210提供恰当的自由度。滑触头210所连接到的弯曲部分223的那部分具有用于保持滑触头210为固定取向的平衡架部分。
滑触头210布置成与硬盘驱动器中的硬盘相对，所述硬盘是被旋转地驱动的盘形存储介质。当硬盘在图20所示的z方向上旋转时，通过硬盘与滑触头210之间的气流产生动态升力，其在y方向上向下施加到滑触头210。滑触头210构造成由于该动态升力作用从硬盘表面升起。磁场探测元件1形成在滑触头210的后缘(图19中的左下处的端部)附近，这是气流的出口一侧。
磁头平衡架组件220连接到臂230的布置称为磁头臂组件221。臂230驱动滑触头210在关于硬盘262的磁道的横向x上运动。臂230的一端连接到基板224。线圈231构成了音圈电动机的一部分，并连接到臂230的另一端。在臂230的中间部分设置支承部233。臂230由连接到支承部的轴234可旋转地支撑。臂230和驱动臂230的音圈电动机组成了致动器。
参考图21和图22，下面将解释磁头叠层组件和结合了上面提及的滑触头的硬盘驱动器。磁头平衡架组件220连接到具有多个臂的支撑架的相应臂的装置被称为磁头叠层组件。图21是磁头叠层组件250的侧视图，图22是硬盘驱动器的平面图。磁头叠层组件250具有设有多个臂252的支撑架251。磁头平衡架组件220连接到臂252以使得磁头平衡架组件220在垂直方向上彼此远离地布置。线圈253构成了音圈电动机的一部分，在与臂252相反的一侧连接到支撑架251。音圈电动机具有永磁体263，永磁体263布置在彼此相对的位置上，其间插入线圈253。
参考图22，磁头叠层组件250安装在硬盘驱动器中。硬盘驱动器具有连接到主轴电动机261的多个硬盘。每一个硬盘262在彼此相对的位置处设置两个滑触头210，且将硬盘262插入两者之间。磁头叠层组件250和致动器，除了滑触头210以外，在本发明中起到定位装置的作用。它们支撑滑触头210并起到使滑触头210相对于硬盘262定位的作用。滑触头210通过致动器关于磁盘262的磁道在横向方向上运动，并关于硬盘262定位。包括在滑触头210中的磁场探测元件1通过写入磁头部分将信息写入硬盘262，并通过读出磁头部分读取被记录在硬盘262上的信息。
尽管已经表示和详细说明了本发明的特定优选实施例，但应该理解的是可以实施各种变化和修改而不会脱离所附的权利要求的主旨或范围。

Claims (18)

1.一种磁场探测元件，包括：
包括上磁层、下磁层和夹在所述上磁层与所述下磁层之间的非磁中间层的叠层，其中所述上磁层和所述下磁层的磁化方向根据外部磁场而改变；
上屏蔽电极层和下屏蔽电极层，所述上屏蔽电极层和下屏蔽电极层以下述方式设置：它们在所述叠层的堆叠方向上将所述叠层夹在其间，其中所述上屏蔽电极层和所述下屏蔽电极层提供在堆叠方向上的传感电流并磁性屏蔽所述叠层；
设置在所述叠层表面上的偏磁层，所述表面与所述叠层的气浮表面相反，其中所述偏磁层在垂直于气浮表面的方向上施加偏磁场到所述上磁层和到所述下磁层；和
绝缘膜，其设置在所述叠层的两侧上，夹在上屏蔽电极层和下屏蔽电极层之间，其中
所述偏磁层具有大于所述叠层的厚度，且
所述上屏蔽电极层和/或所述下屏蔽电极层包括填充阶形部分的辅助屏蔽层，该阶形部分由所述叠层和所述偏磁层形成。
2.根据权利要求1的磁场探测元件，满足-0.5≤Y/X≤0.5，其中X为所述偏磁层的厚度的半值，且其中Y为位置差(h1-h2)，其中位置h1是与所述上磁层的中点和所述下磁层的中点等距的位置，而位置h2是所述偏磁层的中点的位置，h1和h2在堆叠方向上测量。
3.根据权利要求1的磁场探测元件，
其中所述偏磁层的中点的位置等于与所述上磁层的中点和所述下磁层的中点等距的位置。
4.根据权利要求1的磁场探测元件，
其中所述辅助屏蔽层以平面的形式在所述绝缘膜上延伸。
5.根据权利要求1的磁场探测元件，
其中当没有施加外部磁场时，所述上磁层的磁化方向与所述下磁层的磁化方向互相大致垂直。
6.根据权利要求1的磁场探测元件，
其中所述非磁中间层由铜构成并具有大致1.3nm的厚度。
7.根据权利要求1的磁场探测元件，
其中绝缘层设置在所述叠层与所述偏磁层之间。
8.根据权利要求1的磁场探测元件，
其中所述上磁层和所述下磁层的每一个都包括第一磁层、第二磁层和夹在两者之间的非磁中间层，其中第一和第二磁层的磁化方向根据外部磁场而改变。
9.一种包括根据权利要求1的磁场探测元件的滑触头。
10.一种磁头平衡架组件，包括根据权利要求9的滑触头，以及用于弹性地支撑滑触头的悬架。
11.一种硬盘驱动器，包括根据权利要求9的滑触头，以及用于支撑滑触头和用于关于记录介质定位滑触头的装置。
12.一种制造磁场探测元件的方法，包括：
叠层形成步骤，该步骤包括在下屏蔽电极层上形成叠层，其中所述叠层包括磁化方向根据外部磁场而改变的下磁层、非磁中间层和磁化方向根据外部磁场而变化的上磁层，所述下磁层、所述非磁中间层和所述上磁层依次堆叠；
绝缘膜形成步骤，该步骤包括：除了垂直于将作为气浮表面的平面延伸的第一部分以外，除去所述叠层，并以绝缘膜填充所述叠层被除去的部分；
在所述绝缘膜上和所述第一部分上形成辅助屏蔽层的步骤；
偏磁层形成步骤，该步骤包括除去除了平行于将作为气浮表面的平面延伸的第二部分以外的所述辅助屏蔽层、所述叠层和至少一部分所述下屏蔽电极层，以及用偏磁层填充一部分被除去部分，以使得所述偏磁层具有比所述叠层大的厚度；以及
在所述上辅助屏蔽层上和在所述偏磁层上形成上屏蔽电极层，使得所述上屏蔽电极层与所述辅助屏蔽层结合。
13.根据权利要求12的制造磁场探测元件的方法，
其中偏磁层形成步骤包括形成所述偏磁层以满足-0.5≤Y/X≤0.5，
其中X为所述偏磁层的厚度的半值，且
其中Y为位置差(h1-h2)，其中位置h1是与所述上磁层的中点和所述下磁层的中点等距的位置，而位置h2是所述偏磁层的中点的位置，h1和h2在堆叠方向上测量。
14.根据权利要求12的制造磁场探测元件的方法，
其中偏磁层形成步骤包括形成所述偏磁层，以使得所述偏磁层的中点的位置等于与所述上磁层的中点和所述下磁层的中点等距的位置。
15.根据权利要求12的制造磁场探测元件的方法，
其中绝缘膜形成步骤包括：
在所述叠层上提供抗蚀剂，其中所述抗蚀剂不包括底切；
利用所述抗蚀剂作为掩膜除去除了所述第一部分以外的所述叠层；以及
在除了所述第一部分以外除去所述叠层以后，除去所述抗蚀剂。
16.根据权利要求12的制造磁场探测元件的方法，
其中偏磁层形成步骤包括：
在所述辅助屏蔽层上提供抗蚀剂，其中所述抗蚀剂不包括底切；
利用所述抗蚀剂作为掩膜除去所述辅助屏蔽层、所述叠层和除了所述第二部分以外的至少一部分所述下屏蔽电极层；以及
在除去除了所述第二部分以外的所述辅助屏蔽层、所述叠层和至少一部分所述下屏蔽电极层以后，除去所述抗蚀剂。
17.根据权利要求12的制造磁场探测元件的方法，
其中叠层形成步骤包括平面化所述绝缘膜，以使得被填充的所述绝缘膜的上表面与所述叠层的上表面齐平。
18.根据权利要求17的制造磁场探测元件的方法，
其中叠层形成步骤包括在所述上磁层之上提供Ta层。
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