CN106205639A - 具有高自旋扭矩效率和可靠性的自旋扭矩振荡器 - Google Patents

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Abstract

一种在微波辅助磁记录(MAMR)中使用的磁振荡器。磁振荡器可以是自旋扭矩振荡器，并且包括磁自旋极化层、磁场产生层、以及夹在磁自旋极化层和磁场产生层之间的非磁性中间层。非磁性中间层由提供改进的性能、增加的寿命和热稳健性的材料来构造。磁性中间层由银(Ag)和元素X的合金来构造。更优选地，元素X可以为锡(Sn)或锌(Zn)。

Description

具有高自旋扭矩效率和可靠性的自旋扭矩振荡器
技术领域
本发明涉及磁性数据记录，且更具体的，涉及使用稳健的、高效率的磁振荡器的微波辅助磁记录(Microwave Assisted Magnetic Recording，MAMR)。
背景技术
计算机的核心是称为磁盘驱动器的组件。磁盘驱动器包括旋转磁盘，由邻近旋转磁盘的表面的悬架臂(suspension arm)悬挂的写磁头和读磁头，以及使悬架臂摆动以将读磁头和写磁头放置在旋转盘上的所选择的数据轨道上的致动器。读磁头和写磁头直接位于具有空气轴承表面(ABS)的滑块上。当盘不旋转时，悬架臂偏移滑块与盘的表面接触，但是当盘旋转时，空气由旋转盘打旋(swirled)，形成空气轴承。当滑块骑(ride)在空气轴承上时，写磁头和读磁头被用于将磁印(impression)写入旋转盘并从旋转盘读出磁印。读磁头和写磁头被连接到根据计算机程序运行的处理电路，以实现写入和读取功能。
写磁头包括至少一个线圈、写入极以及一个或多个返回极。当电流流过线圈时，产生的磁场引起磁通流过线圈，这导致从写入极的尖端发射的磁写入场。该磁场足够强，从而它局部地磁化相邻的磁介质的部分，由此记录数据位(bit of data)。然后写入场经过磁介质的软磁下层(magnetically soft under-layer)以返回到写磁头的返回极。
磁阻传感器(诸如巨磁阻(GMR)传感器或隧道结磁阻(TMR)传感器)可被用于从磁介质读取磁信号。磁阻传感器具有响应于外部磁场而变化的电阻。这种电阻的变化可由处理电路来检测，以便从磁介质读取磁数据。
随着不断增加的数据密度的需求，变得有必要将更小的数据位写入到磁介质上。这呈现了确保所记录的位是热、磁稳定的方面的挑战。可以通过构造具有更高的矫顽磁力和磁各向异性的磁介质来实现位的热稳定性，然而，这也要求较高的写入场来记录数据，其难以实现必要的较小的写入极。克服该挑战的一种方法是通过使用微波辅助磁记录(MAMR)，其中，振荡磁场产生在写入极附近。该振荡磁场磁激励磁介质，使它更容易被写入。然而，为了高效率，用于产生振荡磁场的磁振荡器必须是热稳健、具有长寿命，并且高效的，以便产生足够强的磁场。
发明内容
本发明提供一种磁振荡器，该磁振荡器包括磁自旋极化层、磁场产生层、以及夹在该磁自旋极化层和该磁场产生层之间的非磁性中间层。该非磁性中间层由银(Ag)和元素X的合金来构造。
元素X可以为锌(Zn)或锡(Sn)。如果由银-锌(Ag-Zn)构造，则中间层优选地具有5-50原子百分比的锌。如果由银-锡(Ag-Sn)构造，则中间层优选地具有3-13原子百分比的锡。
在银合金中的合金元素(诸如锌或锡)的存在提供关于性能和可靠性的显著的优点。这些合金元素防止在中间层和相邻的磁性层之间的元素的扩散，这大大增加了磁振荡器的热稳健性和可靠性。此外，合金元素大大降低了中间层的粗糙度，这降低了层间磁耦合，并增加了磁振荡器的效率。
本发明的这些以及其它特征和优点将通过阅读以下详细描述的实施例并结合附图而变得显而易见，在附图中，类似的附图标记表示贯穿全文的类似的元件。
附图说明
为了更全面地理解本发明的本质和优点、以及使用的优选模式，应参考结合附图来阅读下面的详细描述，附图不是按比例绘示的。
图1是磁盘驱动器系统的示意图，本发明可以实施在该磁盘驱动器系统中；
图2是根据实施例的磁写入元件的侧面、截面图。
图3是从介质面对表面看到的根据实施例的磁振荡器的放大图。
图4是示出了对于在其中间层使用银-锌合金的磁振荡器的作为锌含量的函数的电阻率的曲线图。
图5是示出了对于在其中间层使用银-锌合金的磁振荡器的作为锌含量的函数的粗糙度的曲线图。
图6是示出了随着对于在其中间层使用银-锌合金的磁振荡器的作为锌含量的函数的电压跳变(V jump)的曲线图。
图7是示出了在其中间层使用银-锌合金的磁振荡器的寿命与在其中间层使用铜(Cu)的磁振荡器的寿命相比较的曲线图。
图8是示出了对于具有银-锡中间层的磁振荡器的作为锡含量的函数的电阻率的曲线图。
图9是示出了对于具有银-锡中间层的磁振荡器的作为锡含量的函数的粗糙度的曲线图。
图10是示出了对于具有银-锡中间层的磁振荡器的作为锡含量的函数的电压跳变(V jump)的曲线图。
图11是示出了具有由银-锡合金形成的中间层的磁振荡器的寿命与具有由铜形成的中间层的磁振荡器的寿命相比较的差异的曲线图。
具体实施方式
下面的描述是用于实施本发明的当前设想的最佳实施例。该描述的目的是为了说明本发明的一般原理，且并不意味着限制本文所要求保护的发明概念。
现在参照图1，示出了磁盘驱动器100。磁盘驱动器100包括外壳101。至少一个可旋转的磁盘112被支承在主轴114上，且由磁盘驱动电机118旋转。在每个盘上的磁记录可以是在磁盘112上的同心数据轨道(未示出)的环形图案的形式。
至少一个滑块113设置在磁盘112附近，每个滑块113支承一个或多个磁头组件121。随着磁盘旋转，滑块113在磁盘表面122上移进移出，以使磁头组件121可以存取(access)磁盘的不同的轨道，所需数据被写入这些轨道。每个滑块113通过悬架115被附接到致动器臂119。悬架115提供偏移滑动件113抵靠磁盘表面122的轻微弹力。每个致动器臂119被附接到致动器机构127。如图1所示，致动器机构127可以是音圈电机(VCM)。VCM包括在固定的磁场内可移动的线圈，线圈移动的方向和速度由控制器129提供的电机电流信号来控制。
在磁盘存储系统运行期间，磁盘112的旋转在滑块113和盘表面122之间产生空气轴承，其在滑块上施加向上力或升力。从而，在正常运行期间，空气轴承抗衡(counter-balance)悬架115的轻微弹力，并且以小的、基本恒定的间距支承滑块113离开并稍微高于盘表面。
磁盘存储系统的各种组件的运行由控制单元129产生的控制信号(诸如存取控制信号和内部时钟信号)控制。典型地，控制单元129包括逻辑控制电路、存储装置和微处理器。控制单元129产生控制信号(诸如，在线路123上的驱动电机控制信号以及在线路128上的头位置和寻找控制信号)以控制各种系统运行。在线路128上的控制信号提供所需的电流分布以最佳地移动滑块113并将滑块113放置到在介质112上的所需的数据轨道。写入信号通过记录通道125被传达到写磁头，且读取信号通过记录通道125从读磁头121被传达。
图2是可以形成在滑块113(例如上文参考图1所描述的)上的磁写入元件200的侧面、侧截面图。写入元件200包括磁写入极202和磁返回极204，这两者延伸到介质面对表面(media facing surface，MFS)。磁返回极204在位于远离介质面对表面(MFS)的区域处与写入极202磁连接。可以使用各种其它中间磁结构将写入极202与返回极204磁连接，诸如磁成形层和/或磁后间隙层，为了清楚起见，这两者未在图2中示出。
写入元件200还可以包括尾部(trailing)磁屏蔽206。尾部磁屏蔽位于介质面对表面(MFS)，并且可以通过尾部返回极208在从介质面对表面MFS移除的区域中与写入极202和返回极204磁连接。
在图2中的截面图中示出的非磁性导电写入线圈210从写入极202的上方和下方穿过。写入线圈210可以由诸如铜的材料构造，并且可以嵌入在非导电、电绝缘材料212(诸如氧化铝)中。当电流流过写入线圈210时，产生磁场，导致流过写入极202和返回极204的磁通。这导致磁场从写入极202的尖端朝向相邻的磁介质214发射，从而将磁位(magneticbit)写入到磁介质214。然后，该磁写入场经过磁介质并返回到返回极204。因为返回极204在介质面对表面具有比写入极202大得多的区域，磁场返回到返回极204不擦除先前记录的数据位。
尾部屏蔽206位于相对于写入极202的尾部方向上，并以期望的间隔(尾部间隙)与写入极202的尾部边缘分离。尾部屏蔽的存在通过增加场梯度来促进数据到磁介质214的记录。
为了增加数据密度，记录的磁位的尺寸必须减小。然而，随着磁位变得更小，磁位也变得更不磁稳定。这些磁位的热稳定性可以通过增加磁介质的磁矫顽力和/或磁各向异性得到改进。然而，这使得位更难记录，需要增加的写入场来记录位。不幸的是，随着写入极202变得更小(以便产生较小的数据位)，变得更难产生足够强的写入场来记录到这样的高矫顽力介质。
克服这个问题的一种方法是通过使用微波辅助磁记录(MAMR)。为了实现这样的微波辅助磁记录，提供磁性微波振荡器(诸如自旋扭矩振荡器216)，优选地在写入极202和尾部磁屏蔽206之间的空间中。正如其名称所表示，磁性微波振荡器216具有产生振荡磁场的结构(如本文下面所描述)。该振荡磁场局部地、磁性地激励磁介质214，从而使得介质显著地更容易写入。电路218可以与尾部屏蔽206和写入极202连接，以便为磁振荡器216提供电流。还可以提供绝缘层220，以确保由电路218供应的电流流过磁振荡器216。磁振荡器216的功能将在下文详细地描述。
图3是示出了从图2的线3-3所见的磁振荡器216的示意图的放大图。可以看出，磁振荡器216夹在写入极202和尾部磁屏蔽206之间。磁振荡器216包括第一磁性层302和第二磁性层304，以及夹在第一磁性层302和第二磁性层304之间的非磁性导电中间层306。可以在磁振荡器216的底部设置底层308，以启动(initiate)在以上形成的层中所需的晶粒结构，并且可以在磁振荡器216的顶部设置盖层310。
一个磁性层(例如302)是自旋极化层(SPL)，且另一个磁性层(例如304)是磁场产生层(FGL)。当电流流过磁振荡器216时，电子经过自旋极化，在自旋极化中，由于自旋极化层302的磁化，它们的电子自旋变为对齐的。然后，这些自旋取向的电子流过非磁性中间层306并流进场产生层304。自旋取向的电子在场产生层304的磁化上施加自旋扭矩。该自旋扭矩导致如箭头312所表示的旋进(precessional)方式移动的振荡磁场。磁性层302、304可以具有各种成分，诸如钴铁(CoFe)或镍铁(NiFe)。盖层可以是诸如钽(Ta)或钌(Ru)或它们的组合的材料。
非磁性中间层306在磁振荡器216的性能和可靠性中起着重要的作用。为了提供高磁性振荡场，中间层306优选地具有低电阻。还希望中间层具有纹理，该纹理提供沉积在其上的磁场产生层304的改进的性能。另一方面，还希望中间层表现出良好的可靠性和稳健性，即使在高温下。此外，中间层的这些所需的性质经常彼此矛盾。具有满足一个要求的良好性能的材料往往很差地满足其他要求。例如，铜提供低电阻，但提供了差的热稳定性。当使用铜作为中间层306时，升高的温度可导致在中间层306和周围的磁性层302、304之间的元素的扩散。这导致热击穿(thermal breakdown)和不可靠性。另一方面，诸如银的材料可以提供良好的导电性，以及足够高的热稳健性，但表现出差的粗糙度，导致振荡器的性能降低。
本发明人已经发现了一类材料，当在中间层306中使用时，该类材料为所有的竞争参数提供最佳性质。这些材料的使用提供：高导电性、优秀的热稳定性和低粗糙度。为此，中间层306可以由银和元素X的合金构造。元素X可以是锌或锡。如果由银-锌合金构造，则中间层306优选地具有5-50原子百分比的锌。如果中间层306由银-锡合金构造，则其优选包含3-13原子百分比的锡。
图4至图7示出了具有由银-锌合金形成的中间层的磁振荡器的各种性能和可靠性的优点。图4示出了对于具有银-锌中间层306的磁振荡器，中间层306的电阻率如何随着锌含量而变化。如将回顾的，磁振荡器性能改进，具有减少的电阻率。理想的是，中间层306的电阻率不大于30uOhm-cm。如在图4中可以看出，对于范围为5-50原子百分比的锌含量，中间层的电阻率是足够低的。
图5示出了对于各种锌含量的中间层的粗糙度。可以看出，粗糙度随着锌含量的增加而降低，实现了在锌含量范围为5-50原子百分比的情况下的期望的粗糙度的目标。图6示出了作为锌含量的函数的电压跳变(V jump)。可以看出，对于宽范围的锌浓度，用于振荡器216的电压跳变保持在期望的水平，约14毫伏。
图7示出了具有银-锌中间层的磁振荡器的寿命与具有铜振荡器的磁振荡器的寿命的比较。可以看出，具有银-锌中间层的磁振荡器的寿命大于具有铜中间层的磁振荡器的寿命两个数量级的幅度。即在给定的电压处，具有银-锌中间层的磁振荡器的寿命约大于具有铜中间层的磁振荡器的寿命两个数量级的幅度，如图7中的垂直箭头所表示的。于是可以看出，在磁振荡器的中间层中使用银-锌合金提供了可靠性和稳健性的非常大的提高。
图8-11示出了通过在磁振荡器的中间层中使用银-锡合金所提供的性能和可靠性的优点。图8示出了对于各种锡浓度，磁振荡器中的中间层的电阻率。可以看出，在锡浓度高达约7原子百分比处，电阻率保持很低，约为10uOhm，并且在锡浓度高达约13原子百分比处，保持低于30uOhm的期望的水平。此外，如图9所示，对于约3-27原子百分比锡的锡范围，中间层的粗糙度仍是理想的，例如低于0.6nm。
另外，如图10所示，对于3-13原子百分比的锡范围，电压跳变(V jump)保持低于17mV的目标值。图11示出了具有银-锡中间层的磁振荡器的寿命(失效时间)与具有铜中间层的磁振荡器的寿命的比较。再次，银-锡的使用使磁振荡器的寿命增加了两个数量级。因此，从以上可以看出，对于微波辅助磁记录(MAMR)，使用具有3-13原子百分比的银-锡中间层提供了磁振荡器的优异的性能和可靠性的优点。
虽然已在上面描述各种实施例，但应当理解的是，它们仅通过示例的方式呈现而非限制。在本发明的范围内的其它实施例也可以对本领域的技术人员变得显而易见。因此，本发明的广度和范围也可以对本领域的技术人员变得显而易见。因此，本发明的广度和范围不应由任何上述的示例性实施例来限制，而应仅根据随附的权利要求及其等同物来限定。

Claims (20)

1.一种磁振荡器，包括:
磁自旋极化层；
磁场产生层；以及
在所述磁自旋极化层和所述磁场产生层之间的非磁性中间层，所述非磁性中间层包括银和元素X的合金。
2.如权利要求1所述的磁振荡器，其中所述元素X为锌。
3.如权利要求1所述的磁振荡器，其中所述元素X为锡。
4.如权利要求1所述的磁振荡器，其中所述中间层包括具有5-50原子百分比的锌的银-锌。
5.如权利要求1所述的磁振荡器，其中所述中间层包括具有3-13原子百分比的锡的银-锡。
6.如权利要求1所述的磁振荡器，其中所述磁振荡器形成在磁写入极上并与所述磁写入极电连接。
7.一种磁写入元件，包括:
磁写入极；
尾部磁屏蔽；以及
磁振荡器，所述磁振荡器位于所述磁写入极和所述尾部磁屏蔽之间，并与所述磁写入极和所述尾部磁屏蔽接触，所述磁振荡器还包括：
磁自旋极化层；
磁场产生层；以及
在所述磁自旋极化层和所述磁场产生层之间的非磁性中间层，所述非磁性中间层包括银和元素X的合金。
8.如权利要求7所述的磁写入元件，其中所述元素X为锌。
9.如权利要求7所述的磁写入元件，其中所述元素X为锡。
10.如权利要求7所述的磁写入元件，其中所述中间层包括具有5-50原子百分比的锌的银-锌。
11.如权利要求7所述的磁写入元件，其中所述中间层包括具有3-13原子百分比的锡的银-锡。
12.如权利要求7所述的磁写入元件，还包括磁返回极，所述磁返回极在从介质面对表面移除的区域中与所述磁写入极磁连接。
13.如权利要求7所述的磁写入元件，还包括与所述磁写入极和所述尾部磁屏蔽连接的电路，用于供应通过所述磁振荡器的电流。
14.如权利要求7所述的磁写入元件，其中所述磁振荡器是自旋扭矩振荡器。
15.一种磁数据记录系统，包括：
外壳；
保持在所述外壳内的磁介质；
保持在所述外壳内的致动器；
与所述致动器连接的滑块，用于邻近所述磁介质的表面的移动；以及
形成在所述滑块上的写入元件，所述写入元件还包括：
磁写入极；
尾部磁屏蔽；以及
磁振荡器，所述磁振荡器位于所述磁写入极和所述尾部磁屏蔽之间，并与所述磁写入极和所述尾部磁屏蔽接触，所述磁振荡器还包括：
磁自旋极化层；
磁场产生层；以及
非磁性中间层，在所述磁自旋极化层和所述磁场产生层之间，所述非磁性中间层包括银和元素X的合金。
16.如权利要求15所述的磁数据记录系统，其中所述元素X为锌。
17.如权利要求15所述的磁数据记录系统，其中所述元素X为锡。
18.如权利要求15所述的磁数据记录系统，其中所述中间层包括具有5-50原子百分比的锌的银-锌。
19.如权利要求15所述的磁数据记录系统，其中所述中间层包括具有3-13原子百分比的锡的银-锡。
20.如权利要求15所述的磁数据记录系统，其中所述写入元件还包括与所述磁写入极和所述尾部磁屏蔽连接的电路，用于供应通过所述磁振荡器的电流。
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