CN102997939B - 三层磁传感器中的经调校的带角度单轴各向异性 - Google Patents

Abstract

各种实施方式可以被构建为具有被放置在空气轴承表面（ABS）上的三层层叠。该三层层叠可以配置有沿着与ABS正交的轴的条带高度且配置有第一磁自由层和第二磁自由层，第一磁自由层和第二磁自由层均具有相对于ABS的带角度单轴各向异性。

Description

三层磁传感器中的经调校的带角度单轴各向异性

发明内容

三层层叠可以被放置在空气轴承表面（ABS）上。该三层层叠可以配置有沿着与ABS正交的轴的条带高度且配置有第一磁自由层和第二磁自由层，第一磁自由层和第二磁自由层均具有相对于ABS的带角度单轴各向异性。

附图说明

图1是示例数据存储设备的立体图。

图2示出能够在各实施方式中使用的示例磁传感器的横截面视图和俯视图。

图3绘出根据本发明的各实施方式构建和操作的磁传感器的示例操作。

图4A-图4C一般地阐释根据各种实施方式能够用于磁传感器中的各种磁自由层的示例磁滞回线。

图5A-图5C提供根据各种实施方式能够用于磁传感器中的示例磁层叠。

图6A和图6B描绘能够用于各种实施方式中的示例磁自由层的各种实施方式的操作特性。

图7A-图7D显示根据本发明的各种实施方式的示例磁传感器配置。

图8提供根据本发明的各种实施方式执行的磁传感器制造例程的流程图。

具体实施方式

在此一般地公开通过经调校的各向异性具有增强的性能的磁传感器。随着本行业向形状因数减小的数据存储设备发展，对更大的数据容量和更快的数据传输率的需求增加，这可以与更小的诸如磁屏蔽和数据感知层等的磁传感器组件对应。减小的磁组件尺寸可能由于增加磁不稳定性同时降低感知的数据比特的精度而使数据存储设备的性能降级。因而，可以维持精确的屏蔽特性和增强的数据传输率的形状因数减小的磁传感器的构造是本行业中不断增加的需求。

因此，磁传感器可以被构建为具有磁响应三层层叠，其具有条带高度，且被放置在空气轴承表面（ABS）上。该三层层叠可以具有两个或更多个磁自由层，每一磁自由层具有相对于ABS的带角度单轴各向异性。这样的带角度单轴各向异性可以允许具有增加的信号幅度的更高的传感器精度，并降低对工艺和设计敏感度的感受性。可以进一步调校带角度的各向异性层，以得到增强的数据读性能，且具有最小的传感器厚度增加，这是由于将各向异性角度优化为适应各种环境和操作特性。

通过定向三层层叠的各层的各向异性，可以增强磁传感器的磁稳定性，在形状因数减小的数据存储设备中尤其如此。通过提高磁收率来改善回读性能，带角度的各向异性可以进一步增加三层读取元件的操作特性，提高磁收率可以对应于更大的所感知的磁场和信号幅度。

转到附图，图1提供本发明的各种实施方式可以在其中实践的非限制性环境中的示例数据存储设备100的实施方式。设备100包括从底板104和顶盖106形成的充分密封的机壳102。内部放置的主轴马达108被配置为使许多磁存储介质110旋转。介质110由相应的数据传感器（读/写头）的阵列访问，每一数据传感器均由头万向架组件（HGA）112支承。

每一HGA 112可以由包括柔性悬挂116的头层叠组件114（“执行器”）支承，柔性悬挂116又由刚性执行器臂118支承。通过将电流施加到音圈马达（VCM）122，执行器114可以绕匣式轴承组件120枢转。以此方式，VCM 122的受控操作引起传感器（数字指示为124）与在介质表面定义的磁道（未示出）对准，以向其存储数据或从其检索数据。

图2一般地阐释能够用于图1中的数据存储设备的磁传感器130的各种实施方式的框图表示的剖视图和俯视图。如图2A中所示出的，可以将传感器130构建为被放置在空气轴承表面（ABS）上且被置于ABS和后偏置磁体134之间的磁层叠132。尽管在结构配置和操作配置两方面不受限制，但层叠132可具有一对由非磁间隔138隔开的磁自由层136，非磁间隔138可以表征为三层读取元件，这是由于三个操作层且层叠132本身中不包括的任何钉扎磁性层。

使用三层读取元件配置可以提供减小的屏蔽到屏蔽间距140，在高线性密度数据存储设备中尤其如此，这是由于后偏置磁体134向自由层136提供设定的磁化，以便允许感知数据比特而无需增加层叠的大小。放置后偏置磁体134还允许调校大小和位置，以便优化层叠132的性能。例如，可以在离开层叠132的偏置距离142处形成偏置磁体134，且具有偏置厚度144，该偏置厚度144提供可以填充有绝缘材料的离开磁传感器130中包括的任何磁屏蔽的去耦合距离146。

磁传感器130中包含的磁屏蔽（未示出）可以借助于诸如帽层和籽晶层等的一个或多个去耦合层148与磁层叠132分离，可以用隔离层叠132和任何屏蔽之间的磁化传输的任何数量的层和材料来调校去耦合层148。可以通过调整层叠132和偏置磁体134的尺寸和磁化来进一步调校传感器130以得到优化性能，如图2B的俯视图中所显示的。

尽管围绕间隔层138聚焦的偏置磁体厚度144可以提供对层叠132的增强的磁影响，但可以将平行于ABS沿着Z轴测量的相应层叠和偏置磁体宽度150和152调校为相似或不相似，以便对应于相应的层叠和偏置磁体条带高度154和156。可以仔细调校层叠132和偏置磁体134的宽度和条带高度，以提供预先确定的强度和角度定向的M_PM磁化，其将层叠132的相应磁自由层136影响为预先确定设定的磁化M_FL1和M_FL2。

因而，层叠132和偏置磁体134的各种尺度、厚度和磁定向可以允许精确调校以便适应任何数量的预先确定操作条件和环境条件，同时维持减小的形状因数。然而，工艺和设计可变性可以增加危及精确数据感知的磁敏感度。

图3提供相对于磁层叠的条带高度的示例磁传感器的示例操作特性。实线160绘出数据信号幅度，其随着条带高度增加而增加，直到峰值点，然后快速减小。由对应于磁层叠不对称性的虚线162显示类似的但独特的行为，其增加到中间体条带高度且随后减小。

应明白，借助于仅仅调整诸如图2B的高度154等的层叠条带高度，可以将传感器层叠尤其是三层读取元件层叠的尺寸调校为多种多样的操作行为。尽管在某些情形中可以利用相对大的条带高度来提供经优化的数据感知，但线162阐释不对称性如何可以成为这样的磁传感器的潜在感受性。因此，各种实施方式在此用条带高度减小的层叠来调校磁传感器，条带高度减小的层叠降低工艺复杂性和对工艺参数的磁敏感度，同时增强数据回读信号幅度。

在一些实施方式中，相对短的层叠条带高度配置有变化的单轴各向异性，调校变化的单轴各向异性的定向和强度，以提供增强的数据感知性能。可以以允许精确设定并维持各向异性角度的各种不受限制的方式例如倾斜沉积来构建这样的变化的单轴各向异性。

图4A-图4C分别描绘具有用变化角度的倾斜沉积形成的不同的磁化各向异性的磁自由层的示例磁滞回线。图4A显示对应于至少部分地由以60°的倾斜沉积（这可以得到大约100Oe的各向异性强度）形成的磁自由层的回线170。作为比较，图4B的以70°角度沉积的回线172具有大约300Oe的各向异性强度以及在自由层磁饱和度之间的增加的过渡区域。

借助于75°的沉积角度，如图4C中的回线174所示出的，各向异性强度和过渡区域特性在磁饱和度之间增加到大约1000Oe和2000Oe过渡。当各向异性强度大致在600-1000Oe之间（这可以通过以接近75°的角度沉积至少一个自由层来获得）时，相对短的磁层叠条带高度（例如少于两倍的层叠宽度（图2B的150）高度）的构造，可以呈现出优化的性能。

尽管不作限制，但可以由受控入射溅射（CIS）形成这样的沉积角度，受控入射溅射中，磁通量经过快门窗口来到旋转样本上，同时快门和样本两者在平行平面中横向扫过。CIS可以用来以可以形成预先确定的单轴各向异性的平均入射角度精确地沉积粒子。

借助于可以通过以倾斜沉积形成至少一个自由层来提供的多种单轴各向异性强度，可以通过倾斜一个或多个单轴各向异性相对于ABS的角度来实现进一步调校和优化。图5A-图5C一般地阐释根据各种实施方式被调校为具有各种单轴各向异性的各种示例磁层叠的俯视图。图5A提供具有磁化各向异性H_KFL1和H_KFL2以及默认磁化M_FL1和M_FL2的磁层叠180，H_KFL1和H_KFL2都基本平行于ABS，M_FL1和M_FL2由偏置磁体（未示出）设定在预先确定的角度。

可以相对于预先确定的条带高度182（例如39nm）调校层叠180的自由层的单轴各向异性的角度，以便优化层叠180的工艺和设计敏感度，同时增强数据信号幅度。可以进一步调校单轴各向异性和层叠条带高度182的幅度和倾斜角度，以便精确控制层叠180的性能，同时维持减小的形状因数。

图5B阐释具有类似于图5A的磁化但相对于ABS以相应角度θ₁和θ₂倾斜每一单轴各向异性的磁层叠184。对层叠184中的单轴各向异性的角度定向不作要求或限制，且可以随意修改以便优化性能。例如，各向异性角度可以是余角或被设定为预先确定的类似的角度，例如10°。

图5C示出具有设定在唯一角度例如θ₃为10°且θ₄为15°的单轴各向异性的另一示例磁层叠186。通过选择单轴各向异性的角度来调整和调校磁层叠186的性能的能力可以对应于在层叠186的磁自由层之间的减少的操作不对称性。可以相对于后偏置磁体（例如图2A的磁体134）的厚度进一步选择和调校单轴各向异性角度的选择。即，单轴各向异性的角度和强度可以被选择为对应于可以允许各向异性完全增强回读信号幅度和设计敏感度的减少的偏置磁体厚度。

图6A和图6B绘出磁层叠的各种经调校配置的磁化不对称性和信号幅度。一种这样的配置由虚线190表示，虚线190绘制具有300Oe强度的单轴各向异性且没有相对于ABS的倾斜的磁自由层。这样的各向异性的配置可以得到各种条带高度的升高的磁化不对称性和信号幅度，同时在其他条带高度中提供降低的信号幅度。

由虚线192显示的更保守的磁自由层配置可以具有600Oe、没有倾斜并且具有对应于9nm厚度（类似于图2A的厚度144）偏置磁体（PM）的各向异性的强度。如所示出的，相比于线192的减少的各向异性的强度，磁化不对称性和信号幅度减少了。

实线194阐释对于大部分条带高度，1000Oe各向异性强度和15°倾斜如何增强磁化不对称性和信号幅度两者的性能。减少的不对称性和信号幅度易变性可以提供增强的数据感知，同时对设计和工艺可变性更加有弹性。多种操作特性可以允许用具有诸如各向异性的强度和倾斜角度等的不同的单轴各向异性的特性的自由层来调校和优化磁层叠。

图7A-图7D一般地显示能够在各种磁传感器中用来调校和优化数据感知性能的各种结构的配置的示例产品的等轴测视图。图7A示出具有去耦合籽晶层202的磁传感器200，通过以相对于Z轴的第一角度θ₁沉积诸如Ru和Ta等的籽晶层材料的倾斜沉积工艺将去耦合籽晶层202形成为具有第一厚度204和第一条带高度206。

随后，可以将去耦合籽晶层202作为衬底用来直接耦合到第一磁自由层208上，如图7B中所显示的。当由相对于Z轴成第二角度θ₂的倾斜沉积形成时，自由层208可以具有第二厚度210和不受限制的条带高度，该条带高度可以匹配或不匹配条带高度206。图7C示出然后可以在第一磁自由层208的顶部将非磁间隔层212形成为具有预先确定的厚度214、诸如MgO等的材料和条带高度。应注意，间隔层212的非磁性质可以对应于任何沉积技术，例如物理气相沉积、化学气相沉积和溅射。

图7D显示如何以第三角度θ₃的倾斜沉积将第二磁自由层216形成到间隔层212上，这得到预先确定的单轴各向异性、层厚度218和不受限制的条带高度距离。尽管可以进一步将附加层例如去耦合帽层包括到磁传感器200中，但图7A-图7D阐释可以个别地或共同地调校以提供预先确定的数据感知性能的多种材料、沉积技术、条带高度和厚度。

应注意，图7A-图7D中的各种磁传感器配置仅仅是示例，且绝非限制或限定。事实上，变化的磁自由层208和216的配置可以唯一调校到任何数量的单轴各向异性，如以上所描述的，这样的单轴各向异性可以对应于可以适应诸如形状因数减小且数据传输率增加的数据存储设备等的操作环境的减小的条带高度、薄的后偏置磁体和倾斜的各向异性。

图8提供根据本发明的各种实施方式实施的传感器制造例程250的示例流程图。最初，判断框252中，例程250判断各向异性层是否是磁传感器的底层。尽管不作要求或限制，但磁屏蔽或去耦合层例如图7A的籽晶层202可以被形成为具有或没有磁化各向异性，这取决于磁传感器的预先确定的操作。

如果要形成各向异性层，则判断框252进行到判断框254，其中评估倾斜沉积角度。如相对于图4A-图4C所讨论的，倾斜沉积角度可以直接对应于所得到的层的单轴各向异性。然而，应理解，倾斜沉积不是构建单轴各向异性的唯一方式。建立沉积角度后，然后，判断框256确定该层的条带高度，这可以影响相应的单轴各向异性的强度和操作行为，正如图6A和图6B中所阐释的。

在判断框254和判断框256中确定单轴磁化各向异性，或者在判断框252中没有选择各向异性，接下来，框258将该层沉积为符合预先确定的规范。通过改变各向异性相对于空气轴承表面（ABS）的角度（在判断框260评估该角度），单轴各向异性可以进一步经历调校和修改。尽管不作要求或限制，但在一些实施方式中，通过在框262中退火各向异性层来倾斜各向异性。

这样的退火可以在旋转各向异性的轴的同时增加该层的各向异性强度，这取决于退火相对于各向异性的方向。即，退火一个平行于或正交于与各向异性平行的易磁化轴的层可以产生最小化的旋转，而相对于易磁化轴退火大致45度可以旋转各向异性，这可以重复不受限制的次数，以提供倾斜在判断框260中所确定的角度的各向异性。

然后，从框258或框262形成的层进行到在判断框264中评估是否在磁传感器中形成另一层。如果是这样，则例程250返回到判断框252，其中形成可以具有或不具有单轴各向异性的另一层。如果判断框264确定磁层叠不包括其他层，则判断框266评估是否将偏置磁体安装到传感器中，然后，判断框268确定由框270形成的偏置磁体的厚度。

应明白，可以从例程250构建呈现出各种结构特性和操作特性（例如在磁自由层之间的缩短的条带高度和变化的单轴各向异性）的多种多样的磁传感器。然而，例程250不仅仅限于图8中提供的各框和判断框，这是由于可以增加、省略和修改任何数量的框和判断以便适应利用单轴各向异性来提供增强的磁感知且对设计和工艺可变性具有减少的敏感度的精确调校的磁传感器的制造。

由于在每一磁自由层中使用变化的单轴各向异性，在本公开内容中描述的磁传感器的各种配置和材料特性可以允许增强的数据读取性能，同时维持减小的形状因数。可以相对于彼此调校和优化每一自由层，以提供对应于增加的磁稳定性的不同的强度和定向的单轴各向异性，这是由于对设计和工艺可变性的敏感度减少了。此外，可以增加数据信号幅度，这是由于经调校的单轴磁化各向异性可以操作在呈现低的磁化不对称性的减少的条带高度层叠中。另外，尽管各实施方式已经涉及磁感知，但应明白，所要求保护的本发明可以容易地用于任何数量的其他应用，包括数据存储设备应用。

应理解，即使已经在前述的描述中陈述了本发明的各种实施方式的众多特性和配置以及本发明的各种实施方式的结构和功能的细节，但这一具体实施方式仅仅是说明性的，并且，在由表达所附权利要求的术语的宽泛一般意义所指示的完全程度上，可以在本发明的原理内在尤其是关于各部分的结构和布局的细节上做出改变。例如，取决于特定的应用，可以在不偏离本发明的精神和范围的前提下改变特定的元素。

Claims (20)

1.一种三层磁传感器，包括被放置在空气轴承表面上且配置有第一磁自由层和第二磁自由层的三层层叠，所述第一磁自由层和第二磁自由层均具有相对于所述空气轴承表面的带角度单轴各向异性，在最前的屏蔽和最后的屏蔽之间没有任何钉扎磁性层接触所述第一或第二磁自由层。

2.如权利要求1所述的三层磁传感器，进一步包括被放置为与所述三层层叠相邻且远离所述空气轴承表面的偏置磁体，所述偏置磁体配置有沿着与所述空气轴承表面正交的轴的偏置长度，所述偏置长度大于条带高度。

3.如权利要求1所述的三层磁传感器，其特征在于，每一磁自由层的带角度单轴各向异性具有不同的幅度。

4.如权利要求1所述的三层磁传感器，其特征在于，所述第一磁自由层的带角度单轴各向异性倾斜15度。

5.如权利要求1所述的三层磁传感器，其特征在于，所述第二磁自由层的带角度单轴各向异性倾斜15度。

6.如权利要求1所述的三层磁传感器，其特征在于，所述第一磁自由层的带角度单轴各向异性倾斜10度。

7.如权利要求1所述的三层磁传感器，其特征在于，每一磁自由层的带角度单轴各向异性相同。

8.如权利要求1所述的三层磁传感器，其特征在于，所述三层层叠具有沿着与所述空气轴承表面正交的轴的条带高度，所述条带高度大于在所述空气轴承表面处测量的所述三层层叠的层叠宽度，且小于两倍的所述层叠宽度。

9.如权利要求1所述的三层磁传感器，其特征在于，至少一个磁自由层的带角度单轴各向异性是1000Oe。

10.如权利要求1所述的三层磁传感器，其特征在于，所述带角度单轴各向异性基本上处于跨每一磁自由层的交轨方向。

11.如权利要求1所述的三层磁传感器，其特征在于，所述第一磁自由层和第二磁自由层由非磁间隔层隔开。

12.一种布置三层磁传感器的方法，包括：

将三层层叠定位在空气轴承表面上，所述三层层叠具有沿着与所述空气轴承表面正交的轴的条带高度；以及

用相对于所述空气轴承表面的带角度单轴各向异性配置所述三层层叠的第一磁自由层和第二磁自由层，在最前的屏蔽和最后的屏蔽之间没有任何钉扎磁性层接触所述第一或第二磁自由层。

13.如权利要求12所述的方法，其特征在于，每一自由层的带角度单轴各向异性分别以成第一角度和第二角度的静态倾斜沉积来形成。

14.如权利要求13所述的方法，其特征在于，相对于所述第一磁自由层的带角度单轴各向异性选择第二角度，以响应于外部的数据位提供预先确定的隧道磁阻比。

15.如权利要求12所述的方法，其特征在于，退火至少一个磁自由层，以便将带角度单轴各向异性偏移到预先确定的角度的定向。

16.一种传感器，包括由偏置磁体偏置到预先确定的默认磁化的三层层叠，所述三层层叠具有沿着与空气轴承表面正交的偏置轴的条带高度，所述条带高度小于所述偏置磁体沿着所述偏置轴的偏置长度，所述三层层叠配置有第一磁自由层和第二磁自由层，所述第一磁自由层和第二磁自由层均具有以相对于所述空气轴承表面的不同非正交的角度倾斜的单轴各向异性，在最前的屏蔽和最后的屏蔽之间没有任何钉扎磁性层接触所述第一或第二磁自由层。

17.如权利要求16所述的传感器，其特征在于，沿着空气轴承表面轴平行于所述空气轴承表面从所述第一磁自由层到所述第二磁自由层测量的第一厚度大于所述偏置磁体沿着所述空气轴承表面轴的第二厚度。

18.如权利要求17所述的传感器，其特征在于，所述偏置磁体与被放置在所述第一磁自由层和第二磁自由层之间的非磁间隔对准。

19.如权利要求16所述的传感器，其特征在于，所述偏置磁体被配置为将所述第一磁自由层和第二磁自由层设定为默认磁化。

20.如权利要求16所述的传感器，其特征在于，每一磁自由层的单轴各向异性的不同角度是余角。