CN101587714B

CN101587714B - 热辅助记录头

Info

Publication number: CN101587714B
Application number: CN2009101411128A
Authority: CN
Inventors: 小罗伯特·E·方塔纳; 詹姆斯·T·奥尔森; 巴里·C·斯蒂普; 蒂莫西·C·斯特兰德
Original assignee: Hitachi Global Storage Technologies Netherlands BV
Current assignee: Western Digital Technologies Inc
Priority date: 2008-05-22
Filing date: 2009-05-22
Publication date: 2011-03-23
Anticipated expiration: 2029-05-22
Also published as: US20090290454A1; CN101587714A; US7652954B2

Abstract

本发明涉及热辅助记录头，公开了用于垂直记录的写头结构，具有集成在围绕C孔近场光源的金属膜中的极尖。通过使用双梯度热辅助记录，极尖接近光源能够实现写入磁介质中的数据单元的更精确定位。在双梯度记录中，数据通过影响磁介质的矫顽力的热梯度以及极尖施加的磁场梯度二者的作用被固定。

Description

热辅助记录头

技术领域

本发明涉及薄膜磁写头结构。更具体而言，本发明涉及用于热辅助双梯度记录(dual gradient recording)的薄膜写头结构，其中部分磁写极集成到光学孔(optical aperture)的结构中，该孔用作脊波导近场光源。

背景技术

对用于例如硬盘驱动器的磁介质中的更高存储位密度的不断追求已经使数据单元的尺寸(体积)减小到单元尺度受磁材料晶粒尺寸限制的程度。尽管晶粒尺寸可进一步减小，但是存在存储于单元中的数据不再热稳定的担忧，因为环境温度的随机热波动足以擦除数据。该状态描述为超顺磁极限，这决定了给定磁介质的理论最大存储密度。该极限可通过增加磁介质的矫顽力或降低温度而提高。当设计硬盘驱动器以用于商业和消费者用途时，降低温度不是实际可行的选择。提高矫顽力是实际可行的方案，但要求采用更高磁矩材料的写头或者诸如垂直记录的技术(或两者)。

已经提出了另一解决方案，其采用热来降低磁介质表面上局部区域的有效矫顽力；用宽泛的磁场在该被加热区域内写数据；以及通过冷却介质到环境温度“固定”数据状态。该技术广泛地称为“热辅助(磁)记录”、TAR或TAMR。该技术可应用到纵向和垂直记录系统两者，尽管当前技术水平的最高密度存储系统更可能是垂直记录系统。介质表面的加热通过各种技术实现，例如聚焦激光束或近场光源。

图6(现有技术)是对于常规热辅助记录，作为介质上的位置的函数的场强H的曲线图600。光源投射到介质表面上，产生加热区域608。在该区域内，介质的矫顽力H_k根据曲线602改变，其中最低矫顽力出现在加热区域608内最热的点。围绕加热区域是所施加的磁场，即强度H_eff曲线604。尽管宽泛的场H_eff决定正被写入的数据位的值，但是该数据直到介质温度降低到特定值(在该值处H_k＝H_eff，即记录点606)之下才“固定”到介质上。对于现有技术水平的高密度记录应用，必须尽可能精确地知道该记录点的位置。这可部分地通过尽可能减小加热区域的尺寸来实现，但每个磁晶粒(或团簇)的磁和热属性的变化仍可能导致预期磁转变位置与实际位置之间的差异。该位置“跳动”在以后会产生数据误差。

因此，需要用于热辅助记录的改进方法。

发明内容

本发明的一个目的是提供一种具有集成光源的薄膜磁头，该薄膜磁头包括：写极，该写极包括上极层、上极尖和上极唇(lip)；近场光源，包括导电金属膜，C孔形成在该导电金属膜中，该C孔包括具有脊的矩形孔，该脊从该导电金属膜的第一部分延伸到该矩形孔中，该导电金属膜的第二部分包含所述上极唇，所述上极唇构成该矩形孔的与脊相反的边界的至少一部分；以及光波导，用于近场光源的光照。

本发明的另一目的是提供一种具有集成光源的薄膜磁头，该薄膜磁头包括：写极，该写极包括上极层、上极尖、上极唇和磁阶梯层，该磁阶梯层接触该上极尖和该上极唇；近场光源，包括导电金属膜，C孔形成在该导电金属膜中，该C孔包括具有脊的矩形孔，该脊从该导电金属膜的第一部分延伸到该矩形孔中，该导电金属膜的第二部分包含该上极唇，该上极唇构成该矩形孔的与脊相反的边界的至少一部分；以及光波导，用于近场光源的光照。

附图说明

当考虑下面对本发明的详细说明时，本发明将得到更好理解。参照附图进行这样的说明，附图中：

图1a是根据本发明一实施例的包括集成C孔近场光源的薄膜垂直写头设计的部分剖视图；

图1b是根据本发明一实施例的图1a中的细节101的部分放大剖视图；

图2是根据本发明一实施例的图1a的垂直写头设计的部分平面图；

图3是根据本发明一实施例的图1a的垂直写头设计的部分气垫面视图；

图4是根据本发明一实施例的具有窄的写极唇116的集成C孔118的部分放大气垫面视图；

图5是根据本发明一实施例的具有宽的写极唇116的集成C孔118的部分放大气垫面视图；

图6(现有技术)是对于常规热辅助记录，作为介质上位置的函数的场强H的曲线图；以及

图7是对于根据本发明一实施例的双梯度热辅助记录，作为介质上位置的函数的场强H的曲线图。

具体实施方式

在常规热辅助记录系统中，如图6(现有技术)所示，宽泛成形的磁场加在光学装置产生的亚100nm尺寸的加热区域上。加热区域的受限尺寸防止数据的跨道写入，但是在磁介质上正被写入的数据的沿道位置方面留下一些不确定性。这部分地是由于盘中光学吸收分布的形状和盘中横向及纵向的热传导导致的有限热梯度。热梯度的幅度越大，“固定”数据的位置被越精确地确定，如图6所示。随着存储密度持续增大且数据单元变得更小，需要减小“固定”数据的位置上的任何“跳动(jitter)”。本发明的一个目的是通过实现双梯度热辅助记录来提供改善数据记录的实施方式。例如图6中的曲线604表示的宽泛成形的磁场被在记录点具有更陡峭的梯度的磁场代替，从而更精确地定位介质上数据单元变成“固定”的点。这一概念示于图7。图7是对于根据本发明一实施例的双梯度热辅助记录，作为介质上位置的函数的场强H的曲线图700。曲线702表示加热区域708内的介质的矫顽力H_k。曲线704表示所施加的由写极产生的磁场H_eff。该极设计为在记录点706的位置附近产生陡峭下降的场梯度，在沿道方向上曲线702和704在记录点706处交叉。增大的磁场梯度减小了热和磁变量对记录点位置的影响，因而改善了数据单元位置的精度。

然而，在现有技术装置中还没有实现这样的磁场梯度，因为这要求热源和写极尖之间非常接近的定位。通常，这难以实现，原因在于，由于磁结构的尺寸和形状以及这些结构对光功率的吸收，所以与孔近场光源非常接近地构建极尖减小了孔的光效率。通过以不显著降低C孔的效率的方式将部分磁写极尖集成到C孔近场光源的结构中，本发明克服了这些困难。

图1a是根据本发明一实施例的包括集成C孔近场光源的薄膜垂直写头设计的部分剖视图100。为了简化和明了所呈现的结构，省略了间隔层、绝缘层和写线圈层。写头包括下返回极层102、背间隙层104、上返回极层106、上极尖层108。下返回极层102也可在ABS处具有下极尖(未示出)。层110是光波导芯，由包层(cladding layer)112围绕。层110和112延伸通过至少一部分背间隙层104。细节101示于图1b的放大图中。线圈层(未示出)以及各种绝缘和间隔层(未示出)将存在于由ABS、背间隙104、下返回极102和上边界层106、108和112界定的空间中，如本领域技术人员所了解的那样。层102、104、106和108由合适的磁合金或磁材料构成，包括Co、Ni和Fe。层110由合适的光传导材料构成，优选地为Ta₂O₅和/或TiO₂。如图所示，芯层110沿其长度具有近似一致的横截面。如本领域公知的，光波导可具有多种其它可行设计，包括沿波导长度具有非一致的芯横截面的平面固态浸没透镜(planar solid immersion lens)或平面固态浸没反射镜(planarsolid immersion mirror)。

图1b是根据本发明一实施例的图1a中的细节101的部分放大剖视图。极唇116磁耦合到上极尖层108，并磁耦合到可选的磁阶梯层114。近场孔光源包括C孔118(也称为脊孔)、周围的金属层120和极唇116，近场孔光源通过光波导芯110被提供光能。极唇116和可选的磁阶梯层114由合适的磁合金构成，包括Co、Fe和Ni。金属层120由Cu、Au或Cu/Au合金制成。包层112的厚度标称为约200nm，但可以根据结构中其它层的尺度而更厚或更薄。可选的磁阶梯层114具有约150nm的标称厚度(层108和110之间的尺寸)，以及约180nm的标称深度(从层116到层112测量)。极唇116具有与层120大约相等的标称深度(从ABS测量)，该值由近场光源的性能和特性决定(见下面的例子)。极唇116的厚度可从约150nm(具有可选的阶梯层114)到约1微米改变，优选地在250nm到350nm之间。光波导芯层110的厚度标称地在200和400nm之间，足以覆盖C孔118的宽度408(见下面的图5)。

图2是根据本发明一实施例的图1a的垂直写头设计的部分平面图200。与图1a一样，为了清晰起见，省略了线圈和间隔层。该视图是图1a的俯视图。上返回极层106和上极尖层108成锥形以减小它们在ABS附近的宽度。

图3是根据本发明一实施例的图1a的垂直写头设计的部分气垫面视图300。区域108’表示上极尖108的终止于ABS的区域。在该ABS视图中清楚可见包括周围金属层120、极唇116、C孔118和脊302的近场光源结构。通常，C孔近场光源由置于导电金属膜中的矩形孔构成。适当频率的光被引导到孔和周围金属膜上。在本发明中，光通过光波导芯110引导到C孔。延伸到孔的中心部分的是导电脊302，一般是周围金属膜的延伸。沿平行于脊的方向极化的入射辐射产生近场光源，其出现在脊的端部处或附近，在脊的端部与孔的相反边界之间的间隙中。在本发明中，极唇116位于该相反边界处，使近场光源位于很接近极唇116。

注意，极唇116构成围绕C孔的金属性区域的不可缺的部件。在常规构造的近场光源中，围绕C孔的整个金属性区域由高度导电的金属例如Cu、Ag或Au构成。常规C孔的现有技术模拟研究表明需要高度导电的金属来优化近场源的光输出，并且已假定围绕C孔的整个金属区域需要由高度导电的材料构成。这通常要求任何极材料置于围绕孔的导电区域之外，限制了光学热源对极尖的接近，排除了双梯度记录的使用。在本发明的研发中进行的模拟研究揭示了出乎意料的进展，即，如果极唇116邻接孔118，且位于脊302端部的对面，则具有与导电层120(也见于图1b)大约相同厚度的极唇层116可替代围绕C孔118的一部分高导电层120，且对光效率具有很小的影响。这使写头的有效极尖定位得非常接近近场光源产生的热区域，该近场光源位于脊302的端部与极唇116的边缘之间。回到图7，垂直虚线710表示极边缘的位置，其将是极唇116与C孔118的边界。极唇116产生的有效磁场704能够在记录点706处实现双梯度记录。返回图3，孔118填充以光学透明材料例如SiO₂或Al₂O₃，如本领域技术人员所公知的。

作为选项，可以考虑用磁性的Co、Ni、Fe极材料(未示出)代替脊302，有效地重定位极尖到脊302的位置。然而，模拟研究已经表明该配置的光学效率与高导电脊材料如Cu或Au相比严重降低，显著减少了所产生的热。而且，限制极宽度至脊302的宽度也会损害磁场特性。

图4是根据本发明一实施例的具有窄的写极唇116的集成C孔118的部分放大气垫面视图。在该实施例中，极唇116的宽度402小于孔118的长度410。孔118的宽度由尺寸408表示。脊302具有宽度404和一长度(延伸到孔118中)，该长度等于孔宽度408减去间隙长度406。极唇116的宽度402可从最小的脊302的宽度404变化到最大的ABS处上极尖108的宽度(区域108’)。通常，上极尖108的宽度(ABS处)大于孔118的长度410。由于图4是从ABS观察的视图，所以光波导芯层110的尺寸是不可见的。然而，应注意，终止于孔118后面的光波导芯层110的投影(foot print)优选地至少覆盖孔118的宽度408和长度410。

图5是根据本发明一实施例的具有宽的写极唇116的集成C孔118的部分放大气垫面视图。在该例中，极唇116的宽度502延伸至大约等于孔118的长度410。

示例：

下面的说明用于提供本发明的代表性实施例，但绝不意味着限制本发明的范围、广度和功能。在这些例子中，辐射的真空波长是780nm，盘(介质)建模为20nm厚的Co层，孔和盘之间的间隙为8nm。

例1a：

(1)孔尺寸：宽度408＝58nm；长度410＝280nm；

脊宽度404＝16nm；间隙406＝28nm

(2)极唇116宽度402：～20nm

(3)近场加热效率＞90％，与没有极的孔(100％)相比

例2a：

(1)孔尺度：宽度408＝58nm；长度410＝280nm；

脊宽度404＝16nm；间隙406＝28nm

(2)极唇116宽度402：～100nm

(3)近场加热效率＞85％，与没有极的孔(100％)相比

例3a：

(1)孔尺度：宽度408＝58nm；长度410＝280nm；

脊宽度404＝16nm；间隙406＝28nm

(2)极唇116宽度402：～200nm

(3)近场加热效率＞80％，与没有极的孔(100％)相比

例4a：

(1)孔尺度：宽度408＝58nm；长度410＝280nm；

脊宽度404＝16nm；间隙406＝28nm

(2)极唇116宽度402：～280nm

(3)近场加热效率＞75％，与没有极的孔(100％)相比

例1b：

(1)孔尺度：宽度408＝58nm；长度410＝280nm；

脊宽度404＝16nm；间隙406＝20nm

(2)极唇116宽度402：～20nm

(3)近场加热效率～75％，与没有极的孔(100％)相比

例2b：

(1)孔尺度：宽度408＝58nm；长度410＝280nm；

脊宽度404＝16nm；间隙406＝20nm

(2)极唇116宽度402：～100nm

(3)近场加热效率～70％，与没有极的孔(100％)相比

例3b：

(1)孔尺度：宽度408＝58nm；长度410＝280nm；

脊宽度404＝16nm；间隙406＝20nm

(2)极唇116宽度402：～200nm

(3)近场加热效率～65％，与没有极的孔(100％)相比

例4b：

(1)孔尺度：宽度408＝58nm；长度410＝280nm；

脊宽度404＝16nm；间隙406＝20nm

(2)极唇116宽度402：～280nm

(3)近场加热效率～61％，与没有极的孔(100％)相比

在上述例子1a-4a中，间隙宽度406固定在28nm。在例子1b-4b中，间隙宽度406固定在20nm。当间隙从28nm到20nm时，光源加热效率减小约15％。上述数据还显示出光学效率随极唇宽度402增大而减小，且该趋势对于任一间隙尺寸都是明显的。当更高损耗的材料例如Co、Ni、Fe合金替代围绕C孔的金属膜中的金或铜时，这些趋势是预期的。然而，减小的光学效率，特别是对于28nm的间隙，对于功能TAR系统而言在可接受的限制内。

尽管上述实施例揭露了薄膜垂直写头，本领域技术人员将意识到，这样的设计也可以微小的修改等同地应用于薄膜纵向写头。

本发明不局限于前述实施例。相反，本发明的范围由这些说明以及所附权利要求和其等价物限定。

Claims

1.一种具有集成光源的薄膜磁头，该薄膜磁头包括：

写极，所述写极包括上极层、上极尖和上极唇；

近场光源，包括导电金属膜，C孔形成在所述导电金属膜中，所述C孔包括具有脊的矩形孔，所述脊从所述导电金属膜的第一部分延伸到所述矩形孔中，所述导电金属膜的第二部分包含所述上极唇，所述上极唇构成所述矩形孔的与所述脊相反的边界的至少一部分；以及

光波导，用于为所述近场光源提供光照。

2.如权利要求1所述的薄膜磁头，还包括磁耦合到所述写极的背间隙，所述光波导延伸穿过所述背间隙的至少一部分。

3.如权利要求1所述的薄膜磁头，其中所述光波导包括包封在包层中的光传导芯层。

4.如权利要求3所述的薄膜磁头，其中所述近场光源具有与气垫面共面的第一表面，所述近场光源具有与所述第一表面平行的第二表面，所述第二表面与所述第一表面相反，所述光传导芯层与所述第二表面的至少一部分接触。

5.如权利要求3所述的薄膜磁头，其中所述光传导芯层包括Ta₂O₅。

6.如权利要求3所述的薄膜磁头，其中所述光传导芯层包括钛氧化物。

7.如权利要求1所述的薄膜磁头，其中所述写极包括磁阶梯层，所述磁阶梯层接触所述上极尖和所述上极唇。

8.如权利要求1所述的薄膜磁头，其中所述导电金属膜的所述第一部分包括铜。

9.如权利要求1所述的薄膜磁头，其中所述导电金属膜的所述第一部分包括金。

10.如权利要求1所述的薄膜磁头，其中所述导电金属膜的所述第二部分包括磁合金。

11.如权利要求10所述的薄膜磁头，其中所述磁合金包括Co、Ni和Fe。

12.如权利要求11所述的薄膜磁头，其中所述C孔被填充以光学透明材料。

13.如权利要求1所述的薄膜磁头，其中所述上极唇具有在气垫面处测量的第一宽度，所述C孔的所述脊具有在气垫面处测量的第二宽度，所述第一宽度大于或等于所述第二宽度。

14.如权利要求13所述的薄膜磁头，其中所述上极尖具有在气垫面测量的第三宽度，所述第一宽度小于或等于所述第三宽度。

15.如权利要求14所述的薄膜磁头，其中所述第二宽度为约16纳米，所述第一宽度在20nm和280nm之间变化。

16.如权利要求15所述的薄膜磁头，其中当与包括具有金制成的所述导电金属膜的所述第二部分的C孔的磁头相比时，近场加热效率在75％和90％之间变化。

17.如权利要求7所述的薄膜磁头，其中所述导电金属膜的所述第一部分包括铜。

18.如权利要求7所述的薄膜磁头，其中所述导电金属膜的所述第一部分包括金。

19.如权利要求7所述的薄膜磁头，其中所述导电金属膜的所述第二部分包括磁合金。