CN101667427B

CN101667427B - 具有一对由屏蔽层控制其磁化的磁性层的薄膜磁头

Info

Publication number: CN101667427B
Application number: CN2009101390719A
Authority: CN
Inventors: 长勤; 土屋芳弘; 原晋治; 宫内大助; 町田贵彦
Original assignee: TDK Corp
Current assignee: TDK Corp
Priority date: 2008-07-29
Filing date: 2009-05-15
Publication date: 2012-02-29
Anticipated expiration: 2029-05-15
Also published as: US8477461B2; JP2010033689A; JP4735872B2; US20100027168A1; CN101667427A

Abstract

本发明提供了具有一对由屏蔽层控制其磁化的磁性层的薄膜磁头。薄膜磁头包含由第一和第二MR磁性层组成的MR层压体、第一和第二屏蔽层以及偏磁场施加层，所述偏磁场施加层被设置在MR层压体的气垫表面(ABS)的相对侧上，以施加垂直于ABS的偏磁场。第一屏蔽层包含第一交换耦合磁场施加层和第一反铁磁性层，并且第二屏蔽层包含第二交换耦合磁场施加层和第二反铁磁性层。将第一反铁磁性层设置为在第一交换耦合磁场施加层的背面与第一交换耦合磁场施加层接触，并且所述第一反铁磁性层与第一交换耦合磁场施加层反磁性地耦合。第二屏蔽层具有与第一屏蔽层相同的构造。

Description

具有一对由屏蔽层控制其磁化的磁性层的薄膜磁头

技术领域

本发明涉及薄膜磁头。具体地，本发明涉及配置有一对磁性层的薄膜磁头的器件结构，所述一对磁性层响应外部磁场而改变磁化方向。

背景技术

随着硬盘驱动器(HDD)的高密度记录的开发，需要高灵敏性和高输出的磁头。作为满足上述要求的磁头，发明了一种自旋阀磁头(spin valvehead)。自旋阀磁头在非磁性中间层的两侧配置有一对铁磁性层。设置反铁磁性层与一个铁磁性层接触，并且通过与反铁磁性层的交换耦合将铁磁性层中的磁化方向固定在一个方向上。另外一个铁磁性层中的磁化方向响应外部磁场而自由地旋转。这种铁磁性层被称为自由层。在自旋阀磁头中，这两个铁磁性层内自旋相对角的变化引起磁阻的变化。将一对上述铁磁性层安置在一对屏蔽层之间，从而屏蔽从记录介质的同一磁轨上的相邻比特(bit)施加的外部磁场。

反铁磁性层和铁磁性层之间的交换耦合是自旋阀磁头中的一个重要特征。然而，随着高密度记录的进一步发展，如果读取间隔(read gap)(即，当磁头读取信号的时候，介质信号在介质中的传播方向上的宽度，其与安置在屏蔽体之间的膜的厚度相关)接近约20nm，则不能将反铁磁性层容纳在读取间隔内。因此，我们需要这样的技术，其通过以某些方式控制铁磁性层中的磁化方向，使两个铁磁性层中磁化方向之间的相对角响应外部磁场变化。美国专利7,035,062公开了包含两个自由层和非磁性中间层的薄膜磁头，所述两个自由层响应外部磁场改变磁化方向，所述非磁性中间层安置在上述两个自由层之间。两个自由层经由非磁性中间层通过RKKY(Rudermann，Kittel，Kasuya，Yoshida)相互作用交换耦合，并且在没有施加磁场的时候(即，如在本文中所使用的，无磁场状态)，在彼此反平行的方向上被磁化。在从记录介质的相对面(或气垫表面，下面表示为 ABS)看的两个自由层和非磁性中间层的背面设置偏磁性层，并且在垂直于ABS的方向上施加偏磁场。

从偏磁性层施加的磁场导致在两个自由层中的磁化方向具有特定的相对角。如果在垂直于ABS的方向上从记录介质施加外部磁场，则此时两个自由层中的磁化方向之间的相对角将改变，这导致感应电流(sensecurrent)的电阻的变化。从而可以检测外部磁场。因此，在膜构造中使用两个自由层消除了反铁磁性层，从而简化了膜构造并且容易地减小了读取间隔。如在此使用的，术语“平行”表示磁化方向在相同的方向上彼此平行的状态，而术语“反平行”表示磁化方向在相反的方向上彼此平行的状态。

然而，在使用通过RKKY相互作用将两个自由层磁性连接的方法的薄膜磁头中，可以用作非磁性中间层的材料类型是有限的。也不能预期磁阻变化率的任何改善。因此，需要另一种技术，用于使两个自由层在彼此反平行的方向上磁化。

发明内容

本发明涉及薄膜磁头，所述薄膜磁头包含：MR(磁阻)层压体和为MR层压体设置的偏磁场施加层，所述MR层压体由依次相互接触的其磁化方向响应外部磁场而变化的第一MR磁性层(自由层)、非磁性中间层和其磁化方向响应外部磁场而变化的第二MR磁性层(自由层)组成，所述偏磁场施加层被设置在ABS的相对侧上，以施加垂直于ABS的偏磁场。本发明的目的是提供这样的薄膜磁头，该薄膜磁头不仅允许在不依赖于MR磁性层之间的磁性相互作用的情况下，通过将无磁场状态下的两个MR磁性层中的磁化方向控制成彼此反平行方向，从而产生高的磁阻变化率，还允许容易地减小读取间隔。

根据本发明的一个实施方案的薄膜磁头包含MR层压体，所述MR层压体由其磁化方向响应外部磁场而变化的第一MR磁性层、非磁性中间层和其磁化方向响应外部磁场而变化的第二MR磁性层组成，其中第一MR磁性层、非磁性中间层和第二MR磁性层依次互相接触，设置分别面向第一MR磁性层和第二MR磁性层的第一和第二屏蔽层，并且它们被设置为在垂直于MR层压体的膜表面的方向上将MR层压体夹在中间，并且它们还起到电极的作用，用于使感应电流在垂直于MR层压体的膜表面的方向上流动，在MR层压体的气垫表面(ABS)的相对侧上设置偏磁场施加层，以施加垂直于ABS的偏磁场。

第一屏蔽层包含第一交换耦合磁场施加层和第一反铁磁性层，将所述第一交换耦合磁场施加层设置为面向第一MR磁性层，并且允许在平行于ABS的方向上向第一MR磁性层施加交换耦合磁场，所述第一反铁磁性层被设置成在从第一MR磁性层看的第一交换耦合磁场施加层的背面上与第一交换耦合磁场施加层接触，并且与第一交换耦合磁场施加层反磁性地耦合。第二屏蔽层包含第二交换耦合磁场施加层和第二反铁磁性层，所述第二交换耦合磁场施加层被设置为面向第二MR磁性层，并且允许在与ABS平行并且与从第一交换耦合磁场施加层向第一MR磁性层施加的交换耦合磁场反平行的方向上向第二MR磁性层施加交换耦合磁场，所述第二反铁磁性层被设置为在从第二MR磁性层看的第二交换耦合磁场施加层的背面上与第二交换耦合磁场施加层接触，并且与第二交换耦合磁场施加层反铁磁性地耦合。

在具有上述构造的薄膜磁头中，第一和第二MR磁性层接收从第一和第二交换耦合磁场施加层施加的磁场，通过分别与第一和第二反铁磁性层反铁磁性地耦合，所述第一和第二交换耦合磁场施加层的磁化方向被牢固固定。由于从第一交换耦合磁场施加层施加的磁场和从第二交换耦合磁场施加层施加的磁场是彼此反平行的，所以在无磁场状态下，第一和第二MR磁性层是在反平行的方向上被磁化的。然而，第一和第二MR磁性层在垂直于ABS的方向上接收来自偏磁场施加层的偏磁场，因此，它们在介于平行与反平行之间的中间状态下被磁化，这是初始磁化状态。当向记录介质施加外部磁场时，在第一和第二MR磁性层中的磁化方向之间的相对角依赖于外部磁场的大小和取向而波动。因此，能够利用磁阻效应检测外部磁场。

此外，第一和第二反铁磁性层与第一和第二交换耦合磁场施加层还起到屏蔽层的作用，因此有助于读取间隔的减小。本发明的主要特征在于屏蔽层与MR磁性层磁性地耦合，而不像常规方式那样，没有屏蔽层与MR磁性层磁性地耦合。

因此，本发明可以提供薄膜磁头，其不仅允许提供高的磁阻变化率，而且允许容易地减小读取间隔。

下面将参照说明本发明的附图，更详细地描述本发明的上述目的、其它目的、特征和优点。

附图说明

图1是根据本发明的一个实施方案的薄膜磁头的侧面截面图。

图2A是从图1中的2A-2A方向看到的薄膜磁头的读取部的侧视图。

图2B是从图1中的方向看到的薄膜磁头的读取部的截面图。

图3A-图3D是显示图1中的薄膜磁头的工作原理的示意图。

图4是显示施加到第一和第二MR磁性层的磁场强度与信号输入之间关系的示意图。

图5是显示根据本发明的一个备选方案的薄膜磁头构造和工作原理的示意图。

图6A是显示交换耦合磁场施加层的厚度与交换耦合磁场之间关系的曲线图。

图6B是显示交换耦合磁场施加层的厚度与MR中的变化率之间关系的曲线图。

图6C是显示交换耦合磁场施加层的厚度与MR中的变化率的变化之间关系的曲线图。

图7是与根据本发明的薄膜磁头的制备有关的晶片的平面图。

图8是根据本发明的滑橇(slider)的透视图。

图9是磁头臂组件的透视图，该磁头臂组件具有与根据本发明的滑橇一体化的磁头悬挂组件(head gimbal assembly)。

图10是与根据本发明的滑橇一体化的磁头臂组件的侧视图。

图11是与根据本发明的滑橇一体化的硬盘器件的平面图。

具体实施方式

下面参照附图给出根据本发明的一个实施方案的薄膜磁头的说明。图1是根据本发明的一个实施方案的薄膜磁头的侧视截面图。图2A是从图1 中的2A-2A方向(即，ABS S)看到的薄膜磁头的读取部的侧视图。图2B是从图1中的方向所看到的薄膜磁头的读取部的截面图。ABS S是薄膜磁头1在面向记录介质M的一侧上的面。

薄膜磁头1包含MR层压体2以及在垂直于MR层压体2的膜表面的方向P上被设置于MR层压体的两侧的第一和第二屏蔽层。表1显示MR层压体2以及第一和第二屏蔽层3和4的膜构造。该表从下至上显示从第一屏蔽层3至第二屏蔽层4的层压层。表中的磁化方向对应于图3A中的磁化方向。

表1

如图2A和表1中所示，MR层压体2包含第一MR磁性层6、非磁性中间层7和第二MR磁性层8，所述第一MR磁性层6的磁化方向响应外部磁场而变化，所述第二MR磁性层8的磁化方向响应外部磁场而变化，其中第一MR磁性层6、非磁性中间层7和第二MR磁性层8依次互相接触。设置与第一MR磁性层6接触的第一交换耦合传输层5。设置与第二MR磁性层8接触的第二交换耦合传输层9。

第一MR磁性层6和第二MR磁性层8各自都由CoFe层制成。非磁性中间层7由ZnO层制成。第一MR磁性层6和第二MR磁性层8可以由NiFe或CoFeB制成。第一MR磁性层6可以由NiFe/CoFe的双层制成。第二MR磁性层8可以由CoFe/NiFe的双层制成。如在本文中所使用的，A/B/C...表示膜A、B、C...依次被层压。如果第一MR磁性层6和第二MR磁性层8各自由双层组成，则优选使CoFe层与ZnO层接触。非磁性中间层7可以由MgO、Al₂O₃、AlN、TiO₂或NiO制成。如果将金属或半导体如ZnO用于非磁性中间层7，则薄膜磁头1起到CPP(CurrentPerpendicular to the Plane，电流垂直平面)-GMR(Giant Magneto-Resistance，巨磁阻)器件的作用。如果使用绝缘材料如MgO，则薄膜磁头1起到TMR(Tunneling Magneto-Resistance，隧道磁阻)器件的作用。

将第一交换耦合传输层5设置在第一MR磁性层6和第一屏蔽层3的第一交换耦合磁场施加层13之间，并且如下面详细描述的，所述第一交换耦合传输层5具有将从第一交换耦合磁场施加层13所施加的交换耦合磁场输送到第一MR磁性层6的功能。在本实施方案中，第一交换耦合传输层5由Ru层/CoFe层/Ru层/CoFe层/Ru层这五层组成。

同样地，将第二交换耦合传输层9设置在第二MR磁性层8和第二屏蔽层4的第二交换耦合磁场施加层14之间，并且如下面详细描述的，所述第二交换耦合传输层9具有将从第二交换耦合磁场施加层14所施加的交换耦合磁场输送到第二MR磁性层8的功能。在本实施方案中，第二交换耦合传输层9由Ru层/CoFe层/Ru层这三层组成。

第一屏蔽层3起到电极的作用，用于在垂直于MR层压体的膜表面的方向P上流动感应电流。对于第二屏蔽层4也是这样。将第一屏蔽层3设置为经由第一交换耦合传输层5面向MR磁性层6。第一屏蔽层3包含第一交换耦合磁场施加层13、第一反铁磁性层12和第一主屏蔽层11，所述第一反铁磁性层12被设置为在从第一MR磁性层6看的第一交换耦合磁场施加层13的背面上与第一交换耦合磁场施加层13接触，所述第一主屏蔽层11被设置在从第一MR磁性层6看的第一反铁磁性层12的背面上。第一交换耦合磁场施加层13由双层即CoFe层13a和NiFe层13b制成，所述CoFe层13a被设置为与第一反铁磁性层12接触，所述NiFe层13b被设置为同时与CoFe层13a和第一交换耦合传输层5接触。如下面所述，第一交换耦合磁场施加层13的厚度优选在5～80nm的范围内。第一反铁磁性层12由IrMn制成，并且与相邻的CoFe层13a反铁磁性地结合。第一反铁磁性层12可以由合金，比如Fe-Mn、Ni-Mn、Pt-Mn或Pd-Pt-Mn，或包括IrMn的这些的组合制成。第一主屏蔽层11由NiFe层制成，并且阻挡从记录介质M的同一磁轨(track)上的相邻比特施加的外部磁场。第一主屏蔽层11的构造与常规公知的主屏蔽层的构造相同，并且厚度通常在1～2μm的范围内。第一主屏蔽层11比第一交换耦合磁场施加层13和第一反铁磁性层12厚。通常，由于其多磁畴结构，第一主屏蔽层11是高渗透性的。因此，第一主屏蔽层11起到具有高效率的屏蔽的作用。

第二屏蔽层4的构造与第一屏蔽层3的构造相同。即，第二屏蔽层4被设置为经由第二交换耦合传输层9面向MR磁性层8。第二屏蔽层4包括第二交换耦合磁场施加层14、第二反铁磁性层15和第二主屏蔽层16，所述第二反铁磁性层15被设置为在从第二MR磁性层8看的第二交换耦合磁场施加层14的背面上与第二交换耦合磁场施加层14接触，所述第二主屏蔽层16被设置在从第二MR磁性层8看的第二反铁磁性层15的背面上。第二交换耦合磁场施加层14由双层即CoFe层14b和NiFe层14a制成，所述CoFe层14b被设置为与第二反铁磁性层15接触，所述NiFe层14a被设置为与CoFe层14b和第二交换耦合传输层9这两者都接触。

第二交换耦合磁场施加层14的厚度在5～80nm的范围内。第二反铁磁性层15由IrMn制成，并且与相邻的CoFe层14b反铁磁性地耦合。第二反铁磁性层15可以由合金，比如Fe-Mn、Ni-Mn、Pt-Mn或Pd-Pt-Mn制成。第二主屏蔽层16由NiFe层制成，并且阻挡从记录介质M的同一磁轨上的相邻比特施加的外部磁场。第二主屏蔽层16的构造与常规公知的主屏蔽层的构造相同，并且厚度通常在1～2μm的范围内。第二主屏蔽层16比第二交换耦合磁场施加层14和第二反铁磁性层15厚。通常，由于其多磁畴结构，第二主屏蔽层16是高渗透性的。因此，第二主屏蔽层16起到具有高效率的屏蔽的作用。

为了确保与第一和第二反铁磁性层12和15的高交换耦合强度，第一和第二屏蔽层3和4的第一和第二反铁磁性层12和15分别与第一和第二交换耦合磁场施加层13和14的CoFe 13a和14b接触。如果第一和第二反铁磁性层12和15分别与NiFe层13b和14a接触，则交换耦合强度变得小到难以通过分别使用第一和第二反铁磁性层12和15牢固地固定在第一和第二交换耦合磁场施加层13和14中的磁化方向。设置NiFe层13b和14a，用于改善屏蔽层的软磁性质，从而允许有效地起到屏蔽层的作用。

可以将非磁性层(此处未显示)如Cu插入到第二反铁磁性层15和第二主屏蔽层16之间的空间中。在Cu的情况下，非磁性层的厚度为约1nm就足够了。通过插入非磁性层，主屏蔽层16趋于具有多磁畴。因此，主屏蔽层16的屏蔽外部磁场的性能被提高。另一方面，如果不设置非磁性层，则几乎不会出现由主屏蔽层16中的磁畴运动所导致的任何噪声。因此，在设计中选择是否插入非磁性层是有关系的。

如图2A中所示，在磁轨宽度的方向T上，在MR层压体的两侧均形成由Al₂O₃制成的绝缘层17。绝缘层17的设置允许在MR层压体2上聚集感应电流，所述感应电流在垂直于MR层压体2的膜表面的方向P上流动。在MR层压体的侧面上的绝缘层17的任何厚度都是允许的，只要其足以绝缘即可。在绝缘层17的外面可以具有导电层。然而，在这种情况下，第一屏蔽层3和第二屏蔽层4也需要被绝缘。

如图2B中所示，经由Al₂O₃所制成的绝缘层19，在ABS S的相反侧上，为MR层压体2设置偏磁场施加层18。偏磁场施加层18是由CoPt或CoCrPt制成的硬磁膜，并且允许在垂直于ABS S的方向Q上向MR层压体施加偏磁场。绝缘层19防止感应电流流入到偏磁场施加层18内。

如图1中所示，在第二屏蔽层4上方，经由通过溅射法等形成的器件间屏蔽层(inter-device shield layer)31设置写入部20。写入部20具有垂直磁记录的构造。用于写入的磁极层由主磁极层21和辅助磁极层22组成。磁极层21和22是通过框架镀敷(frame plating)法等形成的。主磁极层21由FeCo制成，并且在基本上垂直于ABS S的方向上暴露在ABS S上。主磁极21被线圈层(coil layer)23卷绕，延伸到由绝缘材料制成的间隔层(gaplayer)24上方。通过线圈层23在主磁极层21内引起磁通。线圈层23通过框架镀敷法等形成。将磁通导向主磁极层21内部并且向ABS S处的记录介质释放。不仅在垂直于膜表面的方向P上，还在磁轨宽度的方向T(即，垂直于纸表面的方向；参见图2A)上，都使主磁极层21在ABS S的附近收缩，因此产生与高密度记录匹配的微小并且强大的写入磁场。

辅助磁极层22是与主磁极层21磁性地耦合的磁极层。辅助磁极层22是膜厚度约0.01μm～约0.5μm的磁极层，由选自Ni、Fe和Co的组中的两种或三种金属构成的合金制成。辅助磁极层22从主磁极层21分支出来，并且在ABS S处经由间隔层24和线圈绝缘层25面向主磁极层21。在辅助磁极层22在ABS S处的边缘部分上，形成拖尾屏蔽部(trailing shieldsection)，其横截面比辅助磁极层22的其它部分的横截面宽。设置具有上述构造的辅助磁极层22允许辅助磁极层22和主磁极层21之间的磁场梯度在ABS S的附近变得更陡。因此，使信号输出抖动小，由此导致读取时的出错率降低。

下面，如图3A～3D和图4中所示，本发明人将解释，使用根据本发明的薄膜磁场磁头将记录在记录介质上的磁信息读取出来的工作原理。首先，假定无磁场状态，即，其中既没有施加外部磁场也没有施加来自偏磁长施加层18的偏磁场。图3A是说明在这种虚态下，MR层压体和屏蔽层的磁化状态的示意图。为了显示没有施加偏磁场，用虚线显示偏磁场施加层18。图4是显示施加于第一和第二MR磁性层的磁场强度和信号输入之间关系的示意图。X-轴和Y-轴分别显示磁场强度和信号输出。在图3A～3D中，各个空心箭头显示各个磁性层中的磁化方向。

预先将第一屏蔽层3的第一反铁磁性层12和第二屏蔽层4的第二反铁磁性层15在同一方向(左手方向)上磁化。因此，通过与第一反铁磁性层12反铁磁性地耦合，第一交换耦合磁场施加层13在图中右手方向上被磁化。同样地，通过与第二反铁磁性层15反铁磁性地耦合，第二交换耦合磁场施加层14在图中右手方向上被磁化。

第一交换耦合传输层5具有由Ru层5a、CoFe层5b、Ru层5c、CoFe层5d和Ru层5e组成的层压结构。CoFe层5b和第一反铁磁性层13经由Ru层5a交换耦合。已知Ru的交换耦合强度依赖于膜厚度而具有正值或负值。例如，如果膜厚度为例如0.4nm、0.8nm或1.7nm，则产生高的负交换耦合强度，例如，其中的负交换耦合表示这样的状态，即，在Ru层的两侧的磁性层上，磁化方向变得彼此反平行。因此，通过将Ru层5a的膜厚度设定为上述值，使CoFe层5b在图中左手方向上被磁化。同样地，CoFe层5b和CoFe层5d经由Ru层5c交换耦合。

此外，CoFe层5d和第一MR磁性层6经由Ru层5e交换耦合。例如，通过将Ru层5c和5e的膜厚度设定为0.4nm、0.8nm或1.7nm，使第一MR磁性层6在左手方向上磁化。对于第二反铁磁性层15、第二交换耦合磁场施加层14、第二交换耦合传输层9和第二MR磁性层8中的磁化方向也是这样。因此，如图3A中所示，第二MR磁性层8在图中右手方向上被磁化。

图4中的状态A显示图3A中的状态。因为既没有从偏磁场层18施加的任何偏磁场，也没有从记录介质M施加的任何外部磁场，所以第一MR磁性层6中的磁化方向FL1和第二MR磁性层8中的磁化方向FL2彼此反平行通过。然而，如下所述，第一MR磁性层6中的磁化方向FL1和第二MR磁性层8中的磁化方向FL2不一定是精确地彼此反平行的，只要当施加偏磁场时磁化方向在彼此相反的方向上旋转即可。

因此，第一交换耦合传输层5将第一交换耦合磁场施加层13与第一MR磁性层6磁性地连接(tie)。第一交换耦合磁场施加层13起到经由第一交换耦合传输层5向第一MR磁性层6施加平行于ABS S的方向上的交换耦合磁场的作用。类似地，第二交换耦合传输层9将第二交换耦合磁场施加层14与第二MR磁性层8磁性地连接。第二交换耦合磁场施加层14起到经由第二交换耦合传输层9向第二MR磁性层8施加平行于ABS S的方向上的交换耦合磁场的作用。因此，在无磁场状态下，第一MR磁性层6和第二MR磁性层8彼此反平行地磁化。

下面，如图3B中所示，假定其中仅施加偏磁场(即，没有施加外部磁场)的状态，因为实际上向第一MR磁性层6和第二MR磁性层8施加偏磁场。在此，在朝向ABS S的方向上施加偏磁场。在偏磁场的影响下，第一MR磁性层6和第二MR磁性层8内的磁化方向在朝ABS S的方向上旋转。因此，第一MR磁性层6和第二MR磁性层8内的磁化方向在从反平行状态向平行状态的方向上旋转，这导致如图4中显示为状态B的初始磁化状态(即，仅施加偏磁场的状态)。在图4中，偏磁场和外部磁场的正向为向下。

如果从记录介质M施加外部磁场，此时，第一MR磁性层6内的磁化方向和第二MR磁性层8内的磁化方向之间的相对角根据外部磁场的方向而增加或减小。具体地，如图3C中所示，如果从记录介质M施加从ABS S指向记录介质M的磁场MF1，则第一MR磁性层6和第二MR磁性层8内的磁化方向继续朝ABS S旋转。因此，第一MR磁性层6和第二MR磁性层8内的磁化方向更接近平行状态(即，图4中的状态D)。它们越接近平行状态，则从电极(即，第一和第二屏蔽层3和4)供给的电子越不容易被散射。因此，感应电流的电阻值减小。换言之，信号输出减小。相反，如图3D中所示，如果施加从记录介质M指向ABS S的磁场MF2，则第一MR磁性层6和第二MR磁性层8内的磁化方向在远离ABS S的方向上旋转。因此，第一MR磁性层6和第二MR磁性层8内的磁化方向更接近反平行状态(即，图4中的状态E)。它们越接近反平行状态，则从电极供给的电子越容易被散射。因此，感应电流的电阻值增加。换言之，信号输出增加。因此，利用第一MR磁性层6和第二MR磁性层8内的磁化方向之间的相对角的变化，可以检测外部磁场。

第一和第二交换耦合传输层5和9几乎不被外部磁场影响，因为在其内部的磁性层内的磁化方向被交换耦合牢固地固定。由于这个原因，第一MR磁性层6和第二MR磁性层8内的磁化方向几乎不受第一和第二交换耦合传输层5和9内磁化方向变化的影响；磁化方向主要随外部磁场变化。

在本实施方案中，控制偏磁场施加层18的膜厚度和形状，使得第一MR磁性层6和第二MR磁性层8内的磁化方向在状态B(即，初始磁化状态)下基本上彼此垂直。如图4中所示，如果磁化方向在初始磁化状态下彼此垂直，则输出变化(即，信号输出的交角(inclination))随外部磁场的变化而变大，导致高磁阻变化率和良好的输出对称性。

如上所述，第一和第二交换耦合传输层5和9具有向第一和第二MR磁性层6和8传输关于第一和第二交换耦合磁场施加层13和14内磁化方向，特别是磁化方向的各向异性的信息的功能。然而，应当指出，第一和第二交换耦合传输层5和9还具有调节读取间隔的功能。读取间隔的目标值是基于通过薄膜磁头所获得的线性记录密度所确定的。然而，由于第一和第二MR磁性层6和8以及非磁性中间层7的厚度是基于各种其它因素确定的，所以第一和第二交换耦合传输层5和9具有将读取间隔调节到所需大小的功能。

如上所述，对于构成第一和第二交换耦合传输层5和9的Ru层的厚度，仅有小的自由度。为了相对于外部磁场固定CoFe层内的磁化方向，也不能将CoFe层制作得很厚。如果第一和第二交换耦合传输层5和9需要大的厚度，则因而需要增加层压的Ru和CoFe层的数目。在本实施方案中，第一和第二交换耦合传输层5和9使用Ru层/CoFe层/Ru层的三层构造或Ru层/CoFe层/Ru层/CoFe层/Ru层的五层构造。然而，允许使用其它的构造，包括例如Ru层/CoFe层/Ru层/CoFe层/Ru层/CoFe层/Ru层的七层构造。

当设定第一和第二交换耦合传输层5和9的构造时，需要考虑以下几点。为了稳定磁化状态，从磁化过程考虑，第一和第二反铁磁性层12和15的磁化方向应当相同。由于这一原因，在本实施方案中，第一和第二反铁磁性层12和15在图3A中左手方向上被磁化。不必说，第一和第二反铁磁性层12和15均可以在右手方向上被磁化。还需要使第一MR磁性层6和第二MR磁性层8在初始磁化状态下在非磁性中间层7两侧上彼此反平行地被磁化。在本实施方案中，调节起到反铁磁耦合作用的Ru层/CoFe层的组合的数目。通过为第一交换耦合传输层5制备Ru层/CoFe层/Ru层/CoFe层/Ru层的五层构造，以及为第二交换耦合传输层9制备Ru层/CoFe层/Ru层的三层构造，使第一MR磁性层6和第二MR磁性层8彼此反平行地磁化。还允许为第一交换耦合传输层5制备Ru层/CoFe层/Ru层的三层构造，以及为第二交换耦合传输层9制备Ru层/CoFe层/Ru层/CoFe层/Ru层的五层构造。

如果需要小的读取间隔，则第一交换耦合传输层5或第二交换耦合传输层9可以具有由Ru层组成的单层构造。表2显示了一种膜构造，其中第二交换耦合传输层9具有由Ru层组成的单层构造。第一交换耦合传输层5具有Ru层/CoFe层/Ru层的三层构造，因而第一和第二反铁磁性层12和15可以具有相同的磁化方向，并且第一MR磁性层6和第二MR磁性层8可以彼此反平行地被磁化。不必说，允许第一交换耦合传输层5具有由Ru层组成的单层构造，以及第二交换耦合传输层9具有由Ru层/CoFe层/Ru层组成的三层构造。此外，如果第一和第二反铁磁性层12和15具有相反的磁化方向，则第一和第二交换耦合传输层5和9均可以分别具有由Ru层组成的单层构造。

表2

因此，根据本发明的薄膜磁头可以具有包括磁性层的构造，所述磁性层在第一MR磁性层6和第一交换耦合磁场施加层13之间的空间内和/或在第二MR磁性层8和第二交换耦合磁场施加层14之间的空间内，并且由至少一个Ru层组成的磁性层(交换耦合传输层)。根据本发明的薄膜磁头还可以具有包括交换耦合传输层的结构，所述交换耦合传输层在第一MR磁性层6和第一交换耦合磁场施加层13之间的空间内和/或在第二MR磁性层8和第二交换耦合磁场施加层14之间的空间内，并且由Ru层组成。

此外，如图5中所示，可以使用综合交换耦合磁场施加层41代替第一交换耦合磁场施加层13，所述综合交换耦合磁场施加层41包含一对在由Ru等制成的非磁性导电层41b的两侧上的反铁磁性地耦合铁磁性层41a和41c。铁磁性层41a和41c可以各自具有CoFe层、NiFe层、CoFe层和NiFe层的层压结构。如果非磁性导电层41b由Ru层组成，则膜厚度优选为约0.8nm。综合交换耦合磁场施加层41的总膜厚度优选在约5～100nm的范围内。

在此构造中，磁化方向在第一屏蔽层3内部反转一次；从而，第一交换耦合传输层5可以被制成Ru层/CoFe层/Ru层的三层构造。因此，第一交换耦合传输层5以及第二交换耦合传输层9的膜构造和厚度可以被制成相同的。此外，如通过图3A和图5之间的对比所示，可以将第一交换耦合磁场施加层5的厚度减小，这样导致读取间隔的减小，因此进一步有助于高密度记录。

代替第一交换耦合磁场施加层13，第二交换耦合磁场施加层14可以具有铁磁性层/非磁性导电层/铁磁性层的综合结构。简言之，在本发明中，可以适当地设置第一交换耦合传输层5、第二交换耦合传输层9、第一交换耦合磁场施加层13和第二交换耦合磁场施加层14，以这样的方式可以使得第一反铁磁性层12和第二反铁磁性层15之间磁化方向相同，并且可以使第一MR磁性层6和第二MR磁性层8彼此反平行地被磁化。

在使用多个CoFe层的情况下，CoFe层的厚度优选应当为相同的。CoFe层被外部磁场磁化，并且磁化方向易于朝外部磁场旋转。如果CoFe层的厚度不同，则大的膜厚度的CoFe层变得更易于被旋转，克制交换耦合，从而抑制向第一和第二MR磁性层6和8传输关于第一和第二交换耦合磁场施加层13和14内的磁化方向的信息的功能。

可以通过以下方法制备根据本实施方案的薄膜磁头。首先，在基底91(见图1)上形成第一屏蔽层3。然后，通过溅射在第一屏蔽层3上形成构成MR层压体2的各个层。然后，将各层图案化，并且将在磁轨宽度方向T上的部分都用绝缘膜17填充。之后，进行滚轧，保留器件的ABS S与高度h(见图1)之间的部分完整，以经由绝缘层19形成偏磁场施加层18。因此，在MR层压体2的两个侧面上，于磁轨宽度方向T上形成绝缘层17，并且于从ABS S看的MR层压体的背侧上形成偏磁场施加层18。随后，形成第二屏蔽层4。然后，通过本领域的公知方法形成前述写入部20。

(示例性实施方案)

本发明人通过在ALTiC(Al₂O₃-TiC)基底上形成1μm厚的第一屏蔽层3，然后使用DC磁控管溅射设备在其上堆积5nm厚的IrMn合金，从而制备出第一反铁磁性层12。然后，本发明人利用厚度作为参数的情况下，将CoFe合金和NiFe合金依次堆积，形成第一交换耦合磁场施加层13。然后，本发明人通过堆积由0.8nm厚的Ru层、1nm厚的CoFe合金和0.8nm厚的Ru层组成的多层膜，形成第一交换耦合传输层5。

本发明人在第一交换耦合传输层5上依次堆积4nm厚的第一MR磁性层6、由ZnO制成的2nm厚的非磁性中间层7和4nm厚的第二MR磁性层8。然后，本发明人堆积构造与第一交换耦合传输层5的构造相同的第二交换耦合传输层9，以通过滚轧形成重放磁头形状。之后，本发明人利用厚度作为参数，依次堆积NiFe合金和CoFe合金，以形成第二交换耦合磁场施加层14。本发明人通过在其上堆积5nm厚的IrMn合金，形成第二反铁磁性层15。在其上堆积1nm厚的Cu层之后，本发明人堆积1μm厚的NiFe合金，以形成第二屏蔽层4。然后，本发明人通过在250℃进行3小时磁性退火，制备出重放磁头测试样品。本发明人还制备了没有第一和第二交换耦合磁场施加层13和14的样品作为参比。对于每个样品，NiFe合金和CoFe合金在第一交换耦合磁场施加层13和第二交换耦合磁场施加层14中的膜厚度都相同。

图6A～6C和表3显示这样制备的测试样品的交换耦合磁场、磁阻变化率(MR变化率)和磁阻变化率的COV值(通过用平均值除方差所得到的值)。如果交换耦合磁场太大，则将抑制屏蔽层的功能。如果交换耦合磁场太小，则将难以固定第一和第二MR磁性层6和8中的磁化方向。从这些角度考虑，本发明人设定不小于4[kA/m](50[Oe])并且不大于159[kA/m](2000[Oe])的容许范围。磁阻变化率越高，则越优选。然而，在本例中，当其超过14％时，这是在所述参比情况下的磁阻变化率，本发明人证明了本发明的效果。COV值越小，则越优选。然而，从实际应用考虑，本发明人将容许范围设定为不大于5％。

如这些图和表3中所示，当第一和第二交换耦合磁场施加层13和14的厚度在4～80nm的范围内时，交换耦合磁场在容许范围内；当所述厚度在5～200nm的范围内时，磁阻变化率在容许范围内；而当所述厚度在5～80nm的范围内时，磁阻变化率的变化(COV值)在容许范围内。在表3中，在容许范围内的全部实例均以半色调点网(half-tone dot meshing)显示。因此，优选第一和第二交换耦合磁场施加层13和14的厚度在5～80nm的范围内。在表3中，满足全部判断标准的实例被称为优选例，相应的总膜厚度用粗线包围。总膜厚度均相等的优选例1和2之间与优选例3和4之间的对比显示出，当将CoFe层设置在第一和第二交换耦合磁场施加层13和14中并且其中CoFe层与第一和第二反铁磁性层12和15接触时，能够产生大的交换耦合磁场。

表3

Figure DEST_PATH_GA20186343200910139071901D00011

如上所述，在根据本实施方案和本示例性实施方案的薄膜磁头中，在无磁场状态下，磁化方向响应外部磁场而变化的第一和第二MR磁性层6和8通过从第一和第二交换耦合磁场施加层13和14经由第一和第二交换耦合传输层5和9所施加的交换耦合磁场而彼此反平行地被磁化。这消除了使用对于非磁性中间层7具有交换耦合作用的材料的必要性。因此，可以使用能够发挥最大磁阻效应的任何材料，这样产生高的磁阻变化率。由于第一和第二交换耦合磁场施加层13和14被第一和第二反铁磁性层12和15强烈地磁化，所以将导致高的磁阻变化率的第一和第二MR磁性层6和8的磁性状态控制得显示出较小的变化是容易的。此外，第一和第二交换耦合磁场施加层13和14以及第一和第二反铁磁性层12和15起到屏蔽层3和4的作用，这样有助于读取间隔的减小。换言之，在根据本实施方案和本示例性实施方案的薄膜磁头中，第一和第二交换耦合磁场施加层13和14以及第一和第二反铁磁性层12和15具有作为用于控制第一和第二 MR磁性层6和8的磁性状态的磁性控制层和作为屏蔽层的两种功能。

接下来，以下描述用于制备上述薄膜磁头的晶片。如图7中所示，在晶片100上至少形成构成上述薄膜磁头的层压体。将晶片100分成多个条101，它们是用于磨光(polish)ABS S的工作单元。在磨光后，将条101切割成各自包含薄膜磁头的滑橇210。晶片100配置有切割边缘(在此未显示)，用于将晶片100切割成条101和将条101切割成滑橇210。

如图8中所示，滑橇210近似为六面体形状。其一面是面向硬盘的ABS S。

如图9中所示，磁头悬挂组件220包含滑橇210和用于弹性支撑滑橇210的悬架221。悬架221包含由不锈钢制成的弹簧组件承载梁(spring-setload beam)222、安置在承载梁222一边的弯曲部223、以及安置在承载梁222另一边的底板224。弯曲部223与滑橇210安置在一起，提供适当的自由度。在滑橇210被安装到弯曲部223的这部分上，安置用于将滑橇210的位置保持恒定的悬挂部分。

滑橇210被安置在硬盘设备内，面向硬盘，该硬盘为被旋转的盘形记录介质。当硬盘在如图9中的z方向上旋转时，在硬盘和滑橇210之间的空间通过的空气流为y方向上向下的滑橇210提供上升力。该上升力使滑橇210远离从硬盘表面移动。薄膜磁头1在滑橇210的空气出口侧的边缘部分(即，图8中左下侧的边缘部分)附近形成。

磁头悬挂组件220安装到臂230上的这部分被称为磁头臂组件221。臂230允许在x方向上横穿硬盘262的磁轨移动滑橇210。臂230的一边安装到底板224上。在臂230的另一边安装组成音圈电机的一部分的线圈231。在臂230的中间部分安置轴承部分233。臂230被安装在轴承部分233上的轴234转动地支撑。臂230和用于驱动臂230的音圈电机组成传动装置。

下面参照图10和图11，对与前述滑橇一体化的磁头堆叠组件和硬盘装置进行解释。磁头堆叠组件包含具有多个臂的支架，其中磁头悬挂组件220被安装在各个臂上。图10是磁头堆叠组件的侧视图，图11是硬盘设备的平面图。磁头堆叠组件250包含具有多个臂252的支架251。在每个臂252上，在垂直方向上间隔地安装磁头悬挂组件。组成音圈电机的一部分的线圈253被安装在支架251的与臂252相反的一侧上。音圈电机具有永久磁铁263，其彼此面对地安置在线圈253的两侧上。

如图11中所示，将磁头堆叠组件250结合到硬盘设备中。硬盘设备具有多个安装在主轴电机261上的硬盘262。对于每个硬盘262，在硬盘262的两侧安置彼此相对的两个滑橇210。对应于根据本发明的定位装置的磁头堆叠组件250(不包括滑橇210)和传动装置，不仅支撑滑橇210，而且将滑橇210相对于硬盘262定位。滑橇210通过相对于硬盘262定位的传动装置在横穿硬盘262的磁轨的方向上移动。滑橇210的薄膜磁头1通过记录头在硬盘262上记录信息，并且通过重放头将记录在硬盘262上的信息重放。

上面详细地提供了对根据本发明的优选实施方案的说明。然而，应当理解只要它们不偏离后附权利要求的精神或范围，多种变化和修改都是可能的。

Claims

1.一种薄膜磁头，所述薄膜磁头包含：

MR层压体，所述MR层压体由其磁化方向响应外部磁场而变化的第一MR磁性层、非磁性中间层和其磁化方向响应外部磁场而变化的第二MR磁性层组成，其中所述第一MR磁性层、所述非磁性中间层和所述第二MR磁性层依次相互接触；

第一和第二屏蔽层，所述第一和第二屏蔽层分别面向所述第一MR磁性层和所述第二MR磁性层设置，并且所述第一和第二屏蔽层以在垂直于所述MR层压体的膜表面的方向上将所述MR层压体夹在中间的状态排列，并且所述第一和第二屏蔽层还起到电极的作用，用于使感应电流在垂直于所述MR层压体的膜表面的方向上流动，在磁轨宽度方向和与气垫表面垂直的方向两个方向上所述第一和第二屏蔽层均比所述MR层压体长；以及

偏磁场施加层，所述偏磁场施加层被设置在所述MR层压体的所述气垫表面(ABS)的相对侧上，以施加垂直于所述ABS气垫表面的偏磁场，其中

所述第一屏蔽层包含：

第一交换耦合磁场施加层，所述第一交换耦合磁场施加层被设置为面向所述第一MR磁性层，并且在平行于所述ABS气垫表面的方向上向所述第一MR磁性层施加交换耦合磁场；和

第一反铁磁性层，所述第一反铁磁性层被设置为在从所述第一MR磁性层看的所述第一交换耦合磁场施加层的背面上与所述第一交换耦合磁场施加层接触，并且所述第一反铁磁性层与所述第一交换耦合磁场施加层交换耦合，并且

所述第二屏蔽层包含：

第二交换耦合磁场施加层，所述第二交换耦合磁场施加层被设置为面向所述第二MR磁性层，并且向所述第二MR磁性层施加交换耦合磁场，所述交换耦合磁场在与所述ABS气垫表面平行的方向上，并且在与由所述第一交换耦合磁场施加层向所述第一MR磁性层所施加的交换耦合磁场反平行的方向上，和

第二反铁磁性层，所述第二反铁磁性层被设置为在从所述第二MR磁性层看的所述第二交换耦合磁场施加层的背面上与所述第二交换耦合磁场施加层接触，并且所述第二反铁磁性层与所述第二交换耦合磁场施加层交换耦合。

2.根据权利要求1所述的薄膜磁头，其中所述第一和第二反铁磁性层分别包含选自Fe-Mn、Ni-Mn、Ir-Mn、Pt-Mn和Pd-Pt-Mn中的至少一种。

3.根据权利要求2所述的薄膜磁头，其中所述第一和第二交换耦合磁场施加层分别包含CoFe合金层，所述CoFe合金层被设置为分别与所述第一和第二反铁磁性层接触。

4.根据权利要求2所述的薄膜磁头，其中所述第一和第二交换耦合磁场施加层中仅有一个包含一对铁磁性层和非磁性导电层，所述一对铁磁性层在所述非磁性导电层的两侧上彼此反铁磁性地耦合。

5.根据权利要求1所述的薄膜磁头，其中所述第一和第二交换耦合磁场施加层的厚度各自在5～80nm的范围内。

6.根据权利要求1所述的薄膜磁头，其中所述MR层压体包括第一交换耦合传输层，所述第一交换耦合传输层由包括至少一个钌(Ru)层的磁性层组成，并且在所述第一MR磁性层和所述第一交换耦合磁场施加层之间和/或在所述第二MR磁性层和所述第二交换耦合磁场施加层之间。

7.根据权利要求1所述的薄膜磁头，其中所述MR层压体包括第一交换耦合传输层，所述第一交换耦合传输层由钌(Ru)层组成，并且在所述第一MR磁性层和所述第一交换耦合磁场施加层之间以及在所述第二MR磁性层和所述第二交换耦合磁场施加层之间中的至少一处。

8.一种滑橇，所述滑橇配置有根据权利要求1所述的薄膜磁头。

9.一种晶片，在所述晶片上形成层压体，所述层压体被构造为根据权利要求1所述的薄膜磁头。

10.一种磁头悬挂组件，所述磁头悬挂组件包含根据权利要求8所述的滑橇和用于弹性支撑所述滑橇的悬架。

11.一种硬盘设备，所述硬盘设备包含根据权利要求8所述的滑橇和用于支撑所述滑橇并且使所述滑橇相对于记录介质定位的设备。