CN113228171B - 具有锥形主极和邻近该极的热沉材料的热辅助磁记录(hamr)头 - Google Patents

具有锥形主极和邻近该极的热沉材料的热辅助磁记录(hamr)头 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种用于将数据记录在HAMR盘的数据磁道中的热辅助磁记录(HAMR)头，该HAMR头具有支撑近场换能器(NFT)的气体轴承滑块和由两层形成的主磁极。第一主极层在该滑块的气体轴承表面(GBS)处具有跨磁道宽度，该跨磁道宽度在朝向形成光点的该NFT的方向上逐渐减小。第二主极层远离该NFT定位，并且具有比该第一主极层显著更宽的跨磁道宽度，以便提供足够的磁场以用于写入。热沉材料层位于锥形第一主极层的倾斜跨磁道侧上，以降低温度并因此降低该主极层氧化的可能性。

Description

具有锥形主极和邻近该极的热沉材料的热辅助磁记录(HAMR)头
相关申请的交叉引用
本申请要求2019年7月23日提交的美国申请16/520250的优先权，该申请据此全文以引用方式并入。
技术领域
本发明整体涉及热辅助磁记录(HAMR)盘驱动器，其中在盘上的磁记录层处于升高的温度时写入数据，并且更具体地，涉及改进的HAMR头。
背景技术
在常规磁记录中，在记录介质中所存储的磁化的热不稳定性可导致记录数据的丢失。为避免这种情况，需要具有高磁晶各向异性(Ku)的介质。然而，增大Ku也增大介质的矫顽磁性，这可超出写入头的写入字段能力。由于已知记录层的磁性材料的矫顽磁性依赖于温度，因此对于热稳定问题的一种建议解决方案是热辅助磁记录(HAMR)，其中高Ku磁记录材料在通过主磁极写入期间被局部加热以降低足以进行写入的矫顽磁性，但其中矫顽磁性/各向异性足够高，以在盘驱动器的环境温度(即，约15℃-30℃的正常操作温度或“室温”)下实现所记录位元的热稳定性。在一些提出的HAMR系统中，磁记录材料被加热至接近或高于其居里温度。然后，通过常规磁阻读取头在环境温度下回读所记录的数据。已经针对常规连续介质提出了HAMR盘驱动器，其中磁记录材料是盘上的连续层，并且针对位元图案介质(BPM)提出了HAMR盘驱动器，其中磁记录材料被图案化成离散数据岛或“位元”。
一种类型的提出的HAMR盘驱动器使用激光源和耦合到近场换能器(NFT)的光学波导，用于加热盘上的记录材料。“近场”换能器是指“近场光学器件”，其中光通过具有亚波长特征的元件，并且光耦合到位于距第一元件亚波长距离的第二元件，诸如磁记录介质之类的衬底。NFT通常位于气体轴承滑块的气体轴承表面(GBS)处，该气体轴承滑块还支撑读/写头并且骑跨或“归档”在盘表面上方。
具有大致三角形输出端的NFT在美国公布的申请20110096639和20110170381中有所描述，这两个申请均转让给与本申请相同的受让人。在该NFT中，在波导的表面处产生的消散波耦合到在NFT 74的表面上激发的表面等离子激元，并且在三角形输出端的顶点处产生强光学近场。
发明内容
在常规HAMR头中，用于生成用于写入的磁场的主磁极具有相对宽的跨磁道宽度，以在由NFT生成的光点处施加高磁场。然而，宽的主极增加了写入期间磁场的上升时间，从而降低了数据速率。因此，期望减小主极的宽度，但基本上不减小在光点处施加的磁场。另外，由于温度上升和头上的保护外覆层的磨损，主极在GBS处容易被氧化。因此，期望使主极的氧化最小化。
在本发明的实施方案中，主极由两层形成，其中第一层具有在朝向形成光点的NFT的方向上逐渐减小的宽度，并且远离NFT定位的第二层具有比第一层显著更宽的宽度以便提供足够的磁场。热沉材料层位于锥形主极第一层的倾斜跨磁道侧上，以降低温度并因此降低氧化的可能性。
为了更全面地理解本发明的实质和优点，应当参考结合附图所作的以下具体描述。
附图说明
图1是根据本发明的实施方案的热辅助磁记录(HAMR)盘驱动器的顶视图。
图2描绘了根据现有技术的在HAMR盘驱动器中使用的气体轴承滑块和HAMR盘的一部分的剖视图，该剖视图由于难以显示非常小的特征部而未按比例绘制。
图3A是根据现有技术并且相对于盘上的记录层示出的构成主极和初级极、近场换能器(NFT)和波导的材料层的侧剖视图。
图3B是根据现有技术的构成主极和初级极、NFT和波导的材料层的透视图。
图3C是滑块气体轴承表面(GBS)的一部分的视图，示出了波导、NFT输出尖端和主极尖端的相对取向。
图4A是根据本发明的实施方案的HAMR头的侧剖视图，并且示出了构成初级极、第一主极和第二主极(MP1和MP2)、NFT和波导的材料层。
图4B是根据本发明的实施方案的HAMR头的GBS的一部分的视图，示出了波导端、NFT输出尖端、MP1端和MP2端的相对取向。
图5A是滑块GBS的一部分的视图，示出了在沿磁道方向上延伸超过MP1端和NFT输出尖端之间的区域的热沉材料(HSM)。
图5B是滑块GBS的一部分的视图，示出了在沿磁道方向上远离MP1端和NFT输出尖端之间的区域凹陷的HSM。
图5C是根据本发明的实施方案的具有三个主极层的HAMR头的GBS的一部分的视图。
图5D是根据本发明的实施方案的HAMR头的GBS的一部分的视图，其中MP1和MP2均为锥形。
图6A是根据本发明的实施方案的HAMR头的侧剖视图，并且示出了从GBS完全凹陷的MP2端。
图6B是根据本发明的实施方案的HAMR头的侧剖视图，并且示出了MP2端，其中仅一部分从GBS凹陷。
图7是示出本发明的实施方案的滑块GBS的一部分的视图，其中MP1形成有两个锥形端。
图8是示出本发明的实施方案的滑块GBS的一部分的视图，其中NFT为E形天线。
具体实施方式
图1是根据本发明的实施方案的热辅助记录(HAMR)盘驱动器100的顶视图。在图1中，HAMR盘驱动器100被描绘为具有盘150，该盘具有布置在径向间隔开的圆形磁道118中的常规连续磁记录材料的磁记录层31。仅示出了靠近盘150的内径和外径的若干代表性磁道118。然而，记录层可以是具有离散数据岛的位元图案化介质(BPM)层，而不是常规的连续磁记录层。
驱动器100具有支撑致动器130的外壳或基部112和用于使磁记录盘150旋转的驱动马达。致动器130可为具有刚性臂131并围绕枢轴132旋转(如箭头133所示)的音圈马达(VCM)旋转致动器。头悬架组件包括悬架135和头载体诸如气体轴承滑块120，该悬架具有附接到致动器臂131的端部的一端，该头载体附接到悬架135的另一端。悬架135允许滑块120保持非常接近盘150的表面，并且使其能够在盘150沿箭头20的方向旋转时在由该盘生成的气体(通常为空气或氦气)轴承上“倾斜”和“滚动”。滑块120支撑HAMR头(未示出)，该HAMR头包括磁阻读取头、感应式写入头、近场换能器(NFT)和光学波导。具有780nm至980nm波长的半导体激光器90可用作HAMR光源，并且被描述为支撑在滑块120的顶部上。作为另外一种选择，激光器可位于悬架135上并通过光学通道耦合到滑块120。当盘150沿箭头20的方向旋转时，致动器130的移动允许滑块120上的HAMR头访问盘150上的不同数据磁道118。滑块120通常由复合材料形成，诸如氧化铝/碳化钛(Al2O3/TiC)的复合材料。图1中仅示出了具有相关联的滑块和读写头的一个盘表面，但通常在由主轴马达旋转的轮毂上堆叠有多个盘，其中单独的滑块和HAMR头与每个盘的每个表面相关联。
在以下附图中，X轴表示垂直于滑块的气体轴承表面(GBS)的轴线，Y轴表示磁道宽度或跨磁道轴线，并且Z轴表示沿磁道轴线。图2是示出根据现有技术的HAMR头的构型示例的示意性剖视图。在图2中，盘150被描绘为具有记录层31，该记录层为具有磁化区域或“位元”34的可磁化材料的常规连续磁记录层。气体轴承滑块120由悬架135支撑并且具有面向盘150并支撑磁写入头50、读取头60以及磁可渗透读取头屏蔽件S1和S2的GBS。记录磁场由写入头50生成，该写入头由线圈56、用于传输由线圈56产生的通量的初级磁极53、连接到初级极的主极52、以及返回磁极54组成。由线圈56产生的磁场通过初级极53传输到布置在光学近场换能器(NFT)74附近的主极52。图2示出了具有公知的“扁平”线圈56的写入头50，其中线圈段位于基本上相同的平面中。然而，作为另外一种选择，线圈可为公知的“螺旋”线圈，其中线圈缠绕在初级磁极53周围。在记录的时刻，盘150的记录层31被由NFT 74产生的光学近场加热，并且同时，通过施加由主极52产生的记录磁场将区域或“位元”34磁化并因此写入到记录层31上。
半导体激光器90安装到滑块120的顶部表面。用于将来自激光器90的光引导至NFT74的光学波导73形成于滑块120内。确保波导73芯材料的折射率大于包覆材料的折射率的材料可用于波导73。例如，Al2O3可用作包覆材料，并且TiO2、T2O5和SiOxNy可用作芯材料。作为另外一种选择，SiO2可用作包覆材料，并且Ta2O5、TiO2、SiOxNy或Ge掺杂的SiO2用作芯材料。将光传送至NFT 74的波导73优选地为单模波导。
图3A为现有技术HAMR头的侧剖视图，并且示出构成主极52、NFT74和波导73的材料层，并且相对于具有记录层31的盘150示出。主极52通常为一层高磁矩材料如FeCo，并且在GBS处具有极尖端52a。波导73是大致平行于主极52层的芯材料层，其长度正交于GBS，并且可具有从GBS延伸到从GBS凹陷的区域73b的锥形区域73a。波导73具有面向且平行于NFT 74层的大致平面的表面73c和GBS处的端部73d。NFT 74层为导电低损耗金属(优选Au，但是还有Ag、Al或Cu)，大致平行于波导73层和主极52层，并且位于波导73层和主极52层之间并与它们间隔开。NFT 74层具有面向波导表面73c并与该波导表面间隔开的表面74a。NFT 74层在GBS处具有输出尖端80。当光被引入波导73中时，消散波在表面73c处产生并且耦合到在NFT 74的表面74a上激发的表面等离子激元。箭头23示出了光在波导73中的传播方向，并且箭头24示出了光的偏振方向。表面等离子激元传播到输出尖端80。输出尖端80具有面向主极尖端52a的顶点80a和面向波导表面73c的后边缘80b。在顶点80a处，在GBS处在输出尖端顶点80a和主极尖端52a之间的空间中产生光学近场点。主极尖端52a在光点处施加磁场。图3B为现有技术HAMR头的透视图，并且示出初极53、主极52、NFT 74和波导73。图3C是GBS的一部分的视图，示出了波导端73d、NFT输出尖端80和主极尖端52a的相对取向。输出尖端80在GBS处具有大致三角形形状，其具有面向主极尖端52a的顶点80a和面向波导表面73c并且在跨磁道方向上宽于顶点80a的后边缘80b。因此，输出尖端80在GBS处具有垂直于通过波导传输的入射光的偏振方向(图3A中的箭头24)的后边缘80b，该后边缘朝向产生光学近场的顶点80a逐渐变小。小线80c表示在输出尖端顶点80a处产生的光点。图3B-图3C示出了波导73的锥形区域73a以及其如何从从GBS凹陷的区域处的宽度逐渐减小至较小宽度，该较小宽度通常是至少与NFT输出尖端80的后边缘80b相同的跨磁道宽度。
主极52a(图3C)具有相对宽的跨磁道宽度以在光点80C处施加高磁场。然而，宽的主极增加了写入期间磁场的上升时间，从而降低了数据速率。因此，期望减小主极的宽度，但基本上不减小在光点处施加的磁场。另外，由于温度上升和头上的保护外覆层的磨损，主极在GBS处容易被氧化。因此，期望使主极的氧化最小化。
在本发明的实施方案中，主极由两层形成，其中第一层具有在朝向形成光点的NFT的方向上逐渐减小的宽度，并且远离NFT定位的第二层具有比第一层显著更宽的宽度以便提供足够的磁场。热沉材料层位于锥形主极第一层的倾斜跨磁道侧上，以降低温度并因此降低氧化的可能性。热沉材料可以在GBS处略微延伸超过主极，因此有助于防止主极上的滑块外覆层被磨损掉，这也可能导致主极的氧化。
图4A是根据本发明的实施方案的HAMR头的侧剖视图，并且示出了构成初级磁极253、第一主磁极251和第二主磁极252(MP1和MP2)、NFT 274和波导273的材料层。图4B是根据本发明的实施方案的HAMR头的GBS的一部分的视图，示出了波导端273d、NFT输出尖端280、MP1端251a和MP2端252a的相对取向。
MP1层与MP2层接触并且具有在沿磁道方向上从MP2层朝向NFT渐缩的大致梯形形状。锥角可为至多约60度。如图4B所示，MP1端251a具有锥形或大致梯形的形状，其中其窄部分面向NFT尖端280并且在沿磁道方向上与该NFT尖端对准。MP2端252a在跨磁道方向上宽于MP1端251a的较宽部分。例如，MP2可具有约200nm的跨磁道宽度，并且MP1的较宽部分可具有约50nm的跨磁道宽度。MP1的宽度可小于50nm以减少写入电流的上升时间。作为另外一种选择，其可宽于50nm，只要其窄于MP2的宽度即可，以增加NFT和MP1之间的对准公差。MP1可具有介于约50nm-500nm之间的沿磁道长度。MP1和MP2可由相同或不同的铁磁材料如NiFe、CiFe和CoFeNi形成。例如，MP2可由NiFe形成，并且MP1由较高磁矩材料如CoFeNi形成。
热沉材料(HSM)260位于MP1端251a上的倾斜侧上。HSM是热导率大于MP1材料的热导率的材料。这些材料包括Au、Cu、Ag、Al、Mg、In、Ir、Rh、Ru、Cr、Be、Mo、Co、W、Ti、Ni和Pt，或包含这些元素中的两者或更多者的合金，诸如AuAg、AuCu、AuRh、AuNi、AuPt、WCu、MoCu和CuMoW。
如果HSM包括可扩散到MP1的磁性材料中的元素如Au或Cu，则扩散层262位于MP1和HSM之间。扩散层262的材料可以是Rh、Ru、In、Co、W、Rh氧化物、Ru氧化物、氧化铟或TiN，其厚度优选地在5nm-10nm的范围内。HSM的跨磁道宽度至少与MP2的跨磁道宽度一样宽，并且优选地更宽，如图4B所示。如果HSM选自不可能扩散到MP1中的材料，如Ru或Rh，则不需要扩散层262。MP1的温度可通过将HSM在沿磁道方向上延伸超过MP1端251a而进一步降低，如图5A所示。作为另外一种选择，如果需要较小的温度降低，则HSM可在沿磁道方向上远离MP1端251a凹陷，如图5B所示。计算机建模已表明，在锥形MP1端251a的两个倾斜侧上使用HSM可导致NFT的温度降低4％-8％并且MP1的温度降低9％-15％。
图4A还示出了在MP1和NFT 274之间并与MP1和NFT 274接触的任选导电热分流层275。热分流层275在被转让给与本申请相同的受让人的US8，619，516B1中有所描述，并且允许热量从NFT 274流到HSM 260。
主极可由多于两个层形成。图5C是根据实施方案的具有三个主极层的HAMR头的GBS的一部分的视图，其中MP3具有比MP2更宽的跨磁道宽度。MP2也可为锥形的。图5D是根据本发明的实施方案的HAMR头的GBS的一部分的视图，其中MP1和MP2均为锥形，其中MP2的锥形端与MP1接触。
MP2可使其端部252a至少部分地从GBS凹陷以避免MP2的氧化。如图6A所示，MP2端252a从GBS完全凹陷。作为另外一种选择，如图6B所示，MP2端252a的仅一部分可从GBS凹陷，并且在其凹陷部分处具有倾斜表面，以增加施加在GBS处的磁场。
MP1也可被形成为具有两个锥形端MP1a和MP1b，其中NFT在沿磁道方向上与每个锥形端的一部分对准，如图7所示。MP1的中心(两个锥形端之间的区域)将具有最高的温度，因为其最靠近NFT。因为该区域由非磁性HSM形成，所以两个锥形端中的任一个的氧化可能性较小。
已用NFT示出和描述了本发明的实施方案，该NFT在GBS处具有大致三角形或大致梯形的端部。然而，本发明完全适用于其他类型的公知NFT，如图8所示的E形天线。
虽然已参考优选的实施方案具体示出并描述了本发明，但本领域的技术人员将理解，在不脱离本发明的实质和范围的情况下可在形式和细节上作出各种更改。因此，所公开的本发明被认为仅是示例性的，并且在范围上仅限于所附权利要求书中指定的范围。

Claims (17)

1.一种用于写入磁记录层的热辅助磁记录头即HAMR头，所述HAMR头包括：
头载体，所述头载体具有面向记录层的表面，所述面向记录层的表面具有沿磁道轴线和基本上正交于所述沿磁道轴线的跨磁道轴线；
主极，所述主极位于基本上正交于所述面向记录层的表面的表面上，所述主极包括主极第一层和与所述主极第一层接触的主极第二层，所述主极第一层从所述主极第二层在沿磁道方向上渐缩，所述主极第一层在所述面向记录层的表面处具有锥形端；
所述头载体上的近场换能器层即NFT层，所述NFT层基本上平行于所述主极第一层取向，所述NFT层在所述面向记录层的表面处具有输出尖端，所述输出尖端与所述主极第一层的所述锥形端在所述沿磁道方向上对准；和
热沉材料，所述热沉材料邻近所述主极第一层的跨磁道侧，
其中所述主极第二层具有从所述面向记录层的表面至少部分地凹陷的端部，并且在其凹陷部分处形成有倾斜表面，
其中所述主极第一层在所述面向记录层的表面处具有两个锥形端，所述两个锥形端在跨磁道方向上通过热沉材料彼此间隔开，并且其中所述NFT层 输出尖端与所述两个锥形端中的每个锥形端的一部分对准。
2.根据权利要求1所述的HAMR头，其中所述热沉材料选自Au、Cu、Ag、Al、Mg、In、Ir、Rh、Ru、Cr、Be、Mo、Co、W、Ti、Ni、Pt，以及Au、Cu、Ag、Al、Mg、In、Ir、Rh、Ru、Cr、Be、Mo、Co、W、Ti、Ni、Pt中的两者或更多者的合金。
3.根据权利要求1所述的HAMR头，所述HAMR头还包括在所述热沉材料和所述主极第一层的所述跨磁道侧之间的扩散层。
4.根据权利要求1所述的HAMR头，其中所述热沉材料在跨磁道方向上延伸得比所述主极第二层的跨磁道宽度更宽。
5.根据权利要求1所述的HAMR头，其中所述热沉材料在所述沿磁道方向上延伸超过所述主极第一层的所述锥形端。
6.根据权利要求1所述的HAMR头，其中所述热沉材料在所述沿磁道方向上从所述主极第一层的所述锥形端凹陷。
7.根据权利要求1所述的HAMR头，其中所述NFT层 输出尖端具有大致三角形形状。
8.根据权利要求1所述的HAMR头，其中所述NFT层 输出尖端是大致E形的。
9.根据权利要求1所述的HAMR头，其中所述主极第二层在所述沿磁道方向上渐缩，其中其锥形端与所述主极第一层接触。
10.根据权利要求1所述的HAMR头，其中所述主极第一层由铁磁材料形成，所述铁磁材料的磁矩大于所述主极第二层的所述铁磁材料的所述磁矩。
11.根据权利要求1所述的HAMR头，所述HAMR头还包括在所述头载体上的磁阻读取头。
12.一种热辅助记录盘驱动器即HAMR盘驱动器，所述HAMR盘驱动器包括：
根据权利要求11所述的HAMR头；
光学波导，所述光学波导耦合到所述NFT；
用于将光引导至所述波导的激光器；以及
具有磁记录层的磁记录盘。
13.一种用于写入磁记录盘上的磁记录层的热辅助磁记录头即HAMR头，所述HAMR头包括：
气体轴承滑块，所述气体轴承滑块具有用于面向所述盘上的所述磁记录层的气体轴承表面即GBS，所述GBS具有沿磁道轴线和正交于所述沿磁道轴线的跨磁道轴线；
光学波导，所述光学波导位于所述滑块上；
近场换能器即NFT，所述NFT位于所述滑块上并且光学耦合到所述波导，所述NFT在所述GBS处具有大致三角形形状的输出尖端；
第一主磁极，所述第一主磁极位于所述滑块上并且在所述GBS处具有大致梯形形状的输出端，所述梯形输出端的较窄边缘与所述三角形形状的NFT输出尖端的顶点间隔开并且在所述沿磁道轴线中与所述三角形形状的NFT输出尖端的顶点对准；
第二主磁极，所述第二主磁极连接到所述第一主磁极，所述第二主磁极的跨磁道宽度大于所述第一主磁极的输出端的所述跨磁道宽度；
初级磁极，所述初级磁极连接到所述第二主磁极并且具有从所述GBS凹陷的端部；和
热沉材料，所述热沉材料邻近所述第一主磁极的所述梯形输出端的跨磁道倾斜侧，
其中所述第二主磁极具有从所述GBS至少部分地凹陷的端部，并且在其凹陷部分处形成有倾斜表面，
其中所述第一主磁极在所述GBS处具有两个锥形端，所述两个锥形端在跨磁道方向上通过热沉材料彼此间隔开，并且其中所述NFT输出尖端与所述两个锥形端中的每个锥形端的一部分对准。
14.根据权利要求13所述的HAMR头，其中所述第二主磁极在沿磁道方向上渐缩，其中其锥形端与所述第一主磁极接触。
15.根据权利要求13所述的HAMR头，其中所述第一主磁极由铁磁材料形成，所述铁磁材料的磁矩大于所述第二主磁极的所述铁磁材料的所述磁矩。
16.根据权利要求13所述的HAMR头，所述HAMR头还包括在所述热沉材料和所述第一主磁极的所述梯形输出端的所述跨磁道倾斜侧之间的扩散层。
17.一种热辅助磁记录盘驱动器即HAMR盘驱动器，所述HAMR盘驱动器包括：
根据权利要求16所述的HAMR头；
位于所述滑块上的磁阻读取头；
用于将光引导至所述波导的激光器；以及
具有磁记录层的磁记录盘。
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