CN103544964A - 具有近场天线和复合极的记录头 - Google Patents

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Abstract

本申请公开了具有近场天线和复合极的记录头。近场换能器天线具有毗邻于介质写表面的第一端以及毗邻于将光传递至天线的波导的第二端。天线包括沿从第一端延伸至第二端的传播轴设置的孔腔。凹口在孔腔内突出。凹口面向沿传播轴延伸的孔腔的开口。磁极邻近天线，并包括磁性材料的第一部分和天线材料的第二部分。第二部分被设置在孔的开口之上并面向天线的凹槽。

Description

具有近场天线和复合极的记录头
发明内容
本公开总地涉及一种可用于热辅助磁记录的光学近场天线。在一个实施例中，装置包括近场换能器天线，该近场换能器天线具有毗邻介质写表面的第一端和毗邻将光传递至天线的波导的第二端。天线包括沿从第一端延伸至第二端的传播轴设置的孔腔。凹口在孔腔内突出。凹口面向沿传播轴延伸的孔腔的开口。磁极毗邻于天线，并包括第一磁性材料部分和第二天线材料部分。第二部分被设置在孔腔的开口之上并面向天线的凹口。
根据以下详细讨论和附图，将理解各个实施例的这些和其他特征和方面。
附图简述
下面的讨论参考以下附图，其中相同的附图标记可用于标识多个附图中的类似/相同部件。
图1是根据一示例性实施例用于热辅助磁记录的记录头的横截面图；
图2是以沿图1的剖切线2-2得到的具有E形状孔腔的天线形式的波导和近场换能器的一部分的侧视图；
图3是沿图2剖切线3-3所取的图3的天线的横截面图；
图4是根据一示例性实施例包括具有E形状孔腔的天线的记录头的一部分的放大图；
图5是根据一示例性实施例沿剖切线5-5取的图4的记录头的一部分的横截面图；
图6是根据一示例性实施例沿剖切线6-6取的图4的记录头的一部分的横截面图；
图7是根据一示例性实施例的耦合效率相对于波长的曲线图；
图8是根据一示例性实施例的热分布的示意图；
图9是根据一示例性实施例对于多个极斜率的耦合效率相对于波长的曲线图；
图10是根据一示例性实施例具有E形状孔腔的另一记录头的空气承载表面的一部分的平面图；
图11是根据一示例性实施例的耦合效率相对于波长的曲线图；
图12和图13是根据一示例性实施例的热分布的示意图；
图14是根据一示例性实施例的另一记录头的空气承载表面的一部分的平面图；
图15是根据一示例性实施例的耦合效率相对于波长的曲线图；
图16是根据一示例性实施例的热分布的示意图；以及
图17是对可包括根据一示例性实施例的记录头的盘驱动器形式的数据存储设备的图示。
具体实施方式
热辅助的磁记录(HAMR)通常所指的概念是：对记录介质进行局部加热来减小介质的矫顽力，以使所施加的磁写入场能在由加热源造成的介质的暂时磁软化期间更容易引导介质的磁化。使用紧约束、高功率的激光点来加热记录介质的一部分以显著减小被加热部分的矫顽力。然后使被加热部分受磁场作用，该磁场设定被加热部分的磁化方向。如此，介质在环境温度下的矫顽力可能远高于记录期间的矫顽力，由此使处于高得多的存储密度下并具有小得多的位单元的记录位实现稳定性。
一种将光引导至记录介质上的方法使用平面的固体浸没镜(PSIM)或透镜。PSIM/透镜可制造在平面波导上/具有平面波导，并通常可包括近场换能器(NFT)。例如，NFT可以设置在PSIM焦点附近的隔离的金属纳米结构的形式出现。NFT被设计成在指定的光波长下到达局部表面等离子体激元(LSP)状态。在LSP下，由于金属中电子的集体振荡，在NFT周围出现高场。该场的一部分将隧穿入相邻的介质并被吸收，这局部地提高了该介质的温度以供记录。
HAMR记录介质中的功率吸收可尤其依赖于头到介质的间距(HMS)以及来自NFT或激光器的功率输出。在这一系统中，由于光学近场的逐渐衰减，功率输出需求可指数地反比于HMS。这种变化可导致热斑尺寸的变化。随着面密度增加，需要更严格地控制介质被加热部分的尺寸。
现在参见图1，其示出可用于热辅助的磁记录的示例性记录头的横截面图。记录头30包括衬底32、衬底上的底涂层34、底涂层上的底部极36、以及通过轭或基架40磁耦合至底部极的顶部极38。波导42位于顶部极与底部极之间。波导包括芯层44以及在芯层的相对两侧上的包覆层46、48。镜50与包覆层之一毗邻地定位。在一个示例中，衬底32可以是AlTiC，芯层可以是Ta2O5，而包覆层46、48可由AlO或SiO2形成。
顶部极38是两件式的极，其包括具有与空气承载表面56隔开的第一端54的第一部分或极体52，以及从第一部分伸出并在朝向底部极的方向上倾斜的第二部分或倾斜极件58。第二部分58被构造成包括毗邻于记录头的空气承载表面(ABS)56的端部，其中该端部比顶部极的第一部分更靠近波导。绝缘材料63的顶层可形成在顶部极38上。散热器64毗邻于倾斜极件58地定位。该散热器64可包括非磁性材料，例如Au、Ag、Cu等。
平面线圈60也在顶部极与底部极之间延伸并围绕基架。虽然此示例包括平面线圈，但也可使用诸如螺旋线圈之类的其他类型线圈。螺旋线圈缠绕在绕底部/返回极的周围。在该示例中，顶部极充当写入极而底部极充当返回极。绝缘材料62将线圈匝分隔开。
如图1中示出的，记录头30包括用于在写入极58向存储介质16施加磁写入场H的地方附近加热磁存储介质16的结构。介质16包括衬底68、散热层70、磁记录层72和保护层74。由线圈60中的电流产生的磁场H被用来控制介质记录层中的位76的磁化方向。
数据存储介质16毗邻于记录头30地设置或位于记录头30之下。波导42传导来自可以是例如紫外光、红外光或可见光之类的电磁辐射的源78的光。该源78可以例如是用于将光束80引向波导42的激光二极管或其他合适的激光源。波导42可被配置为矩形电介质波导。波导42包括芯层44，该芯层44例如可以是Ta2O5。包覆层46，例如可以是SiO2，图示为位于芯层44的相对两侧上。
可使用已知用于将光束80耦合到波导42中的各种技术。例如，光源78可结合光纤和用于将光束80从光纤朝向波导42上的衍射光栅准直的外部光学器件而工作。替换地，可将激光器安装在波导42上，并且光束80可直接耦合至波导42中而无需外部光学配置。
一旦光束80被耦合到波导42中，光就通过波导42朝向波导42毗邻于记录头30的ABS56形成的一端传播。当介质如箭头82所示相对于记录头移动时，光离开波导的端部并加热介质的一部分。近场换能器91位于波导内或毗邻于波导定位以进一步使光聚集在空气承载表面的附近。尽管图1的示例示出了垂直的磁记录头和垂直的磁存储介质，但是应当领会，本发明还可结合其中可望采用热辅助记录的其他类型记录头和/或存储介质来使用。
在下面描述的各实施例中，NFT91可包括天线92，该天线92具有毗邻于介质读/写表面(例如ABS56)的第一端93以及毗邻于将光传递至天线92的波导42的第二端95。在图2中，侧视图示出NFT91和波导42的一部分。光沿z轴传播通过波导42，该z轴大致垂直于介质读/写表面(例如空气承载表面56)。
光经由在NFT天线92附近的焦点106经由波导42传递至NFT91。可设计波导42的芯层44的形状以将光传递至焦点106。天线92位于数据存储介质108附近，并可与存储介质隔开一间隙110。在硬驱动器场合中，该间隙110可对应于空气承载间隙，它将介质表面与读/写头的空气承载表面56隔开。
在图3中示出天线92的横截面图，其对应于图2的剖切线3-3。该横截面大致在与光通过波导44和NFT91的传播轴正交的平面上，并示出NFT天线92的E形状。孔腔96沿传播轴延伸，该传播轴如图2所示从第一端93延伸至第二端95。凹口94在孔腔96中突出，并且该凹口94可在天线92的两端93、95之间延伸部分或全部路径。凹口94面向沿传播轴延伸的孔腔96的开口97。凹口给予天线92其E形的横截面形状。天线92的孔腔96可用类似于包覆层46、48中使用的介电材料或任何其它介电材料(例如TaO、AlO、SiON等)填充。
对如图3所示的天线几何形状进行性能的数值模拟。天线92被建模成300nm宽(沿x方向)和600nm高(沿y方向)，并且凹口94分别沿x方向和y方向被建模为36nm×24nm。焦点间隙106(见图2)被设定为36nm，而介质间隙110是6nm。这些模拟也假设被传递至天线92的入射光具有830nm的波长并沿x方向偏振。线模拟方法使用具有15nm间隔的100条线，并进一步假设下列折射率：对于Ta2O5芯层，n=2.1，对于SiO2包覆层，n=1.5，对于金制天线92，n=0.1856+i(5.3884)，而对于记录介质108的Co层，n=2.53+i(4.94)。介质108的Co层为50nm厚。要理解，这些模拟参数是为了解说而非限定目的给出的。
在这种情形下，线方法揭示了1.77842的有效折射率以及对波导42达340nm×407nm的半高宽(FWHM)光斑尺寸。人们发现，气隙内的场强在2300和2900之间并且气隙内的光斑尺寸为34nm×29nm。然而，气隙110内的场强可一直是NFT性能的可靠测量，并因此记录介质中心内的场强也被计算。在这种情形下，位于低于表面6nm的介质108的平面内的场强被估计为在0.72和1.2之间的范围内。在该介质深度下的光斑尺寸增至99nmx57nm，并且在48x48nm正方形内的总功率散发是波导中的入射功率的相对低2.3％。
在一些实施例中，可在最低耦合效率损失下将钴记录极横靠NFT波导地插入。这种配置示出于图3A。钴记录极100位于开孔的金制NFT天线102附近，该金制NFT天线102包括凹口106和类似于图2和图3所示实施例的孔腔104内的电介质填充物。组合的极100和天线102的尺寸接近图3中单独天线92的尺寸(例如300nm x600nm)。极100为126nm厚(沿x方向)，它将天线102的总宽度(沿x方向)从300nm减小至174nm，并将孔腔104的深度减小至60nm。在这种情形下，模拟导致介质内54nm x44nm的热点，这小于图2-3所示配置的结果。另外，功率的2.1%被转换成48nmx48nm的热点，仅略小于无记录极100获得的尺寸。
在下面描述的实施例中，同质磁极100被复合磁极取代以提高NFT的耦合效率。例如，复合磁极可包括磁性材料的第一部分和天线材料的第二部分。第二部分位于面向天线凹口(例如天线102的凹口106)的孔腔开口之上。磁性材料可包括例如FeCo、FeCoNi、NiFe等。用于第二部分的天线材料可包括与用于NFT相同的非磁性等离子体激元材料，例如Au、Ag、Al及其合金。
现在参见图4，放大图表示根据示例性实施例的具有复合NFT的记录头120的一部分。NFT122位于空气承载表面124附近。介电芯层(例如由TaO或其它介电材料形成)透过天线122的孔腔129向下延伸。NFT122包括围住孔腔129的天线128。天线材料的一部分130也围住孔腔129。这些组件128、130可由金或其它NFT天线材料(例如Au合金、Cu、Ag、Al等)构成。
天线材料部分130是毗邻NFT122设置的复合记录极133的一部分。极133包括可由铁氧体材料(例如FeCo、FeCoNi、NiFe等)构成的磁性部分134。记录极133包括尖端132，该尖端132在空气承载表面124处紧靠NFT天线122的孔腔129。如对角线131所示，磁性部分134通过在愈加远离空气承载表面124的距离上逐渐变宽的天线130与孔腔129隔开。磁性材料134与天线材料130的这种组合提供了良好的磁性质(例如由于极尖端132非常靠近由NFT形成的热点)与光效率(例如周围的材料130提高了NFT的耦合效率)两者的平衡。
图5示出了图4的记录头沿截面5-5的图。该图可对应于从空气承载表面124之下向上看到的情景。在该图中，可观察到凹口126，它造就了天线122的E形状。图6示出了图4的记录头沿剖切线6-6取得的横截面图。在该横截面，可观察到NFT天线122的部分130将孔腔129与磁性部分134分开。如图4-6所示，由区域130、134形成的复合结构在其多数长度或全部长度上完成了波导孔腔129的一个边缘，以实现更高的耦合效率。同时，锥形的极尖端132件可靠近数据存储介质140中的光热点地设置。
在写操作中，数据被存储在介质140上的轨道中。数据轨道的大约位置如图5中的项142所示。近场换能器和写极132的端部沿平行于轨道方向的方向对准在同一直线144上。尽管图1和图4-6示出一示例性记录头结构，然而应当理解本发明不仅限于图1和图4-6示出的特定结构。例如，孔腔129、凹口126和其它特征不需要沿NFT122的整个传播长度出现，和/或可根据离ABS124的距离改变尺寸。同样，过渡曲线131不一定是直线，它可以是任何函数，例如阶梯函数、抛物线函数、指数函数、对数函数等。
图7和图8示出图4-7的记录头和NFT结构的计算机建模的结果。在图7中，如图4-6所示的E形状孔腔129与线性倾斜的复合极133的耦合效率被图示为波长的函数。作为本文中使用的术语，“耦合效率”指耦合入介质的功率除以入射到介质上的功率。尽管入射功率可分布在相当宽的区域上，这里计算出的效率可指向具体感兴趣的区域。例如，48nm x48nm内的耦合效率在这里被表示为CE48。
图7中的曲线150代表24nm宽凹口的耦合效率，而曲线152代表8nm宽凹口的耦合效率。在这两种情形下，凹口“宽度”表示如图3所示沿y方向的尺寸。在谐振时，24nm凹口的峰值效率大约为5％，并且是图3和图3A所示配置的两倍以上。图8的光场强曲线表示具有24nm凹口的线性变化的复合配置也分别在x方向和y方向保持可接受的斑点尺寸44nm x52nm，同时使其最大场强也比图3和图3A的NFT配置大将近一倍。
图7和图8的数据是针对复合极45°的倾斜角θ计算出的，如图4所示。然而，该角不一定是45°。图9示出复合极的倾斜角θ对耦合效率的影响。该角从垂直方向测得(所述垂直是与数据存储介质的表面垂直)。在这种情形下较小的角意味着极的天线材料(例如金)的量增加，例如通过其顶边缘旋转线131。如图9所示，随着倾斜角减小，耦合效率增加。
现在参见图10，横截面图示出根据另一示例性实施例的复合NFT/记录头配置。E形状天线168(例如金或其它NFT天线材料)可包括如前所述伸入孔腔162的凹口166。孔腔162可用介电材料填充。记录极164(例如铁氧体)覆盖孔腔162的开口，除了塞子160位于凹口166对面的位置。塞子160可由与天线168中使用的相似材料形成，例如金。在该实施例中，记录极164包裹在塞子160周围，并可产生有助于记录直接过渡的具有轮廓的磁场。
图10实施例的数值建模得出图11-13所示的结果。在图11中，曲线图将图10中的配置的CE48耦合效率(曲线170)与没有金塞子(例如类似于图3A)的相同设计(曲线172)进行比较。对于这些设计170、172中的两者，凹口是24nm宽，并包括在介质中的Cu散热器。如这些曲线图170、172中可见的，金塞子在谐振时使耦合效率提高将近20％。对于具有和不具有塞子的相应设计的记录介质中的光斑示出于图12和图13中。如图12中可以看出的，相比图13没有塞子的结果，光斑更强烈并与塞子具有类似的尺寸。
现在参见图14，横截面图示出复合NFT记录头配置的另一示例性实施例。与其它示图相同，该视图落在与光通过NFT传播的方向正交的平面内。NFT天线182如前述示例那样包括凹口180。记录极184(例如铁氧体、钴)横跨天线182的孔腔设置。该极184可以是如之前描述实施例中的复合极(例如沿传播方向的变化材料部分、在凹口对面设置的塞子)。
介电材料186填充孔腔，并在记录极184和天线182之间形成介电层。这种设计相比之前的E天线设计更容易制造，因为凹口180和记录极184之间的间距借助薄膜沉积工艺而非其它配置中可能使用的化学-机械抛光/平整化(CMP)研磨工艺而更容易控制。
图14的头的耦合效率与波长的相关性示出于图15中。图15示出具有介电间隔物的E形状天线相比没有介电间隔物情形的耦合效率(CE48)。记录介质中由图14的头产生的光斑示出于图16中。相比图13，可以看出光斑尺寸因为较高的峰值强度而稍小于标准E形状天线设计的光斑尺寸，即使计算出的耦合效率略小。这种矛盾可能是由于介质中用来计算耦合效率的48nm x48nm光斑对于图16中的光斑不完美地居中所致。无论如何，看上去小介电间隔物的插入不会以不利的方式显著地影响耦合效率。
在图17中，可利用根据本发明的一个方面构造的记录头的盘驱动器10的形式表征数据存储设备。该盘驱动器10包括外壳12（在该视图中其上部被去除，而下部是可见的），该外壳12被定尺寸并配置成容纳盘驱动器的各个组件。盘驱动器10包括用于使至少一个磁记录介质16在外壳内旋转的主轴电机14。至少一个臂18被包含在外壳12内，其中每个臂18具有带记录头或滑块22的第一端20以及通过轴承26可枢转地安装在轴上的第二端24。致动电机28位于臂的第二端24，用于使臂18枢转以便将记录头22定位在盘16的期望轨道27上。通过本视图中未示出但本领域公知的控制器来调节致动电机28。
滑块22可包括如前所述的复合写极和NFT。复合写极和NFT可与滑块22的其它集成的光学和电气组件通过接口连接。那些其它组件可包括但不限于，读头、激光光源(例如激光二极管)、波导、镜、棱镜、光栅、模式转换器以及电信号/功率导体。
虽然前文已描述了若干示例性实施例，但是对于本领域技术人员而言将是显而易见的是，可对所描述的示例作出各种改变而不偏离如以下权利要求中所述的本发明的范围。上述实现以及其它实现在所附权利要求的范围内。

Claims (20)

1.一种装置，包括：
近场换能器天线，所述近场换能器天线具有毗邻于介质写表面的第一端以及毗邻于将光传递至所述天线的波导的第二端，其中所述天线包括：
沿从所述第一端至延伸所述第二端的传播轴设置的孔腔；以及
在所述孔腔内突出的凹口，其中所述凹口面对沿所述传播轴延伸的孔腔的开口；
毗邻于所述天线的磁极，所述磁极包括磁性材料的第一部分和天线材料的第二部分，所述第二部分被设置在所述孔腔开口上并面向所述天线的所述凹口。
2.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述磁极的第一和第二部分的横截面积沿所述传播轴相对于彼此变化。
3.如权利要求2所述的装置，其特征在于，所述磁极的第一部分包括毗邻于所述介质读表面附近的横截面处的孔腔开口的尖端，而所述第二部分位于所述第一部分与远离所述介质读表面的横截面处的所述孔腔开口之间。
4.如权利要求2所述的装置，其特征在于，所述磁极的第一部分和第二部分沿所述传播轴相对于彼此线性地变化。
5.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述磁极的第二部分包括沿所述传播轴至少部分地设置的天线材料的塞子。
6.如权利要求5所述的装置，其特征在于，所述塞子覆盖所述孔腔开口的一部分，并且所述磁性材料的第一部分覆盖所述孔腔开口的其余部分。
7.如权利要求5所述的装置，其特征在于，还包括在所述磁极和所述天线之间的介电层。
8.如权利要求1所述的装置，其特征在于，还包括在所述磁极和所述天线之间的介电层。
9.如权利要求8所述的装置，其特征在于，所述介电层填充所述天线的孔腔。
10.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述磁极的第二部分的天线材料包括非磁性材料。
11.一种装置，包括：
波导，所述波导具有毗邻于空气承载表面的端部；
毗邻于所述波导的焦点定位的近场换能器，其中所述近场换能器包括沿平行于所述空气承载表面的横截面的E形状横截面，所述近场换能器的传播方向正交于所述空气承载表面；以及
沿所述传播方向磁性地毗邻于所述近场换能器的一侧的写极，其中所述写极包括非磁性部分和磁性部分，其中所述非磁性部分沿所述传播方向的至少一部分覆盖所述近场换能器的E形状横截面的至少一部分。
12.如权利要求11所述的装置，其特征在于，所述写极的磁性部分和非磁性部分的横截面积沿所述传播轴相对于彼此变化。
13.如权利要求12所述的装置，其特征在于，所述写极的磁性部分包括在所述空气承载表面附近毗邻于所述近场换能器的尖端，其中所述非磁性部分位于所述磁性部分和远离所述空气承载表面的横截面处的所述近场换能器之间。
14.如权利要求12所述的装置，其特征在于，所述写极的磁性部分和非磁性部分沿所述传播方向相对于彼此线性地变化。
15.如权利要求11所述的装置，其特征在于，所述写极的非磁性部分包括沿所述传播方向至少部分地设置的天线材料的塞子。
16.如权利要求15所述的装置，其特征在于，所述塞子覆盖所述E形状横截面的开口的一部分，而所述磁性材料覆盖所述开口的剩余部分。
17.如权利要求15所述的装置，其特征在于，还包括在所述写极和所述近场天线之间的介电层。
18.如权利要求11所述的装置，其特征在于，还包括在所述磁极和所述天线之间的介电层。
19.如权利要求18所述的装置，其特征在于，所述介电层填充所述近场换能器的孔腔。
20.一种装置，包括：
用于响应于由光能激励的局部表面等离子体激元条件在介质写表面处产生聚集的电场的装置，其中所述用于产生聚集的电场的装置包括从所述介质写表面延伸至第二端的传播轴设置的孔腔以及在所述孔腔内突出的凹口，其中所述凹口面向沿所述传播轴延伸的所述孔腔的开口；
用于产生可变磁场的装置，所述装置包括磁性材料的第一部分和天线材料的第二部分，其中所述第二部分位于所述孔腔开口之上并面向所述凹口。
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