CN1265356C - 带有热凸出补偿的多层磁屏蔽 - Google Patents

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Abstract

一种包括基片和位于基片上方的数据转换器的磁头。数据转换器包括由顶端屏蔽和底端屏蔽组成的读出器，其特征在于至少一个屏蔽包括用于补偿读出器由于热引起的膨胀的层面。

Description

带有热凸出补偿的多层磁屏蔽
参照相关申请
本申请要求由Ladislav RudolfPust，Mark Thomas Kief，Ibro Tabakovic，JamesF. Dolejsi，和Vee Sochivy Kong申请的，申请日为2002年7月22日，申请号为60/397634，名称为“带有热凸出补偿的多层磁屏蔽”的临时申请的优先权。
背景技术
本发明通常涉及磁数据存储和再现系统领域。具体的，本发明涉及一种由于减小热极尖突出而得到性能提升的薄膜转换头。
在磁数据存储和再现系统中，薄膜转换头典型的包括转换器、其上构建转换器的基片、和转换器上的覆盖套层。转换器典型的包括将编码的磁信息记录到磁介质上的写部和从磁介质中再现编码的磁信息的读部，它是由多个层面在基片上连续层叠形成的。转换器的体积典型的要比基片的体积和覆盖套层的体积都要小的多。
包括金属层和绝缘层的转换器上的多个层面，，都和基片有不同的机械和化学属性。属性上的不同影响着转换器的几个方面。首先，转换头上的层面将以不同的速度研磨。这样，在它的制作中研磨转换头的空气轴承面(ABS)时，不同数目的层面的磨去量不同就导致了转换头的ABS不平整。通常在研磨过程中，转换器金属层的磨损量要大于基片的磨损量。这样，研磨过程导致产生转换器的金属层面相对于基片的极尖凹进(PTR)。某一层面的PTR定义为基片的空气轴承面到该层的空气轴承面的距离。
基片和转换器层面之间不同的机械和化学属性在转换头运行的过程中影响了空气轴承面。当磁数据存储和再现系统运行时，转换头在磁数据存储和再现系统中将会受到温度上升的影响。另外，由于转换器中电流产生的散热，转换头本身或者其中的一部分的温度也可能会显著高于磁数据存储和再现系统中的温度。
用来形成基片的材料的热膨胀系数(CTE)典型的比用来形成转换器的金属层面的材料的CTE要小的多。由于转换器的金属层面具有大的CTE，这些层面对于高温的反应将会比基片有更大的膨胀量。这样，当转换头处于高温的运行环境时，金属层将会比基片更凸近磁盘，因此影响了转换器的PTR。这种由温度引起的PTR的改变称之为熟PTR(TPTR)。
在磁数据存储和再现系统的运行中，转换头处在接近磁介质的位置上。转换器和介质之间的距离最好足够小到能够以一个大的区间密度从磁介质中写入和读出，并且其距离足够大到防止磁介质和转换头之间出现接触。转换器的性能主要取决于介质和转换头之间的距离。
为了保持转换头和磁介质之间的距离不变，PIR应该不随着温度显著变化。如果TPTR大，转换器和介质之间的距离就会随温度显著变化，因此需要低温悬浮量足以适应较高的运行温度。另一方面，如果TPTR接近零，低温悬浮量可以减小。
在典型的转换头中，磁屏蔽由坡莫合金制成，尤其是组成大概为20％Fe-80％Ni的镍铁合金。坡莫合金具有很高的和几乎为零的磁伸缩性，几乎是理想的屏蔽材料。然而，坡莫合金具有大的CTE，介于12至13×10-6/℃。与AlTiC基片相比，屏蔽层较大的热膨胀是TPTR的主要因素。如果TPTR不明显的减小，使用这种转换头运转的磁盘不能以100Gb/inch2左右或者更高的区间密度运行。其他用于减少由于屏蔽引起的TPTR的现有技术方案包括(a)使用较小的屏蔽，(b)使用较薄的屏蔽，或(c)用其他具有低CTE的磁材料，例如45/55NiFe来制造屏蔽。这些已知的方案只是部分的减少了TPTR，并且经常会导致转换头的磁性能有所下降。
本发明为一个转换头结构，当转换头在高温下运行时，可以减小磁屏蔽的TPTR。
发明概述
本发明涉及一种具有一个基片和一个位于基片上的数据转换头的磁头。数据转换头包括一个具有顶端屏蔽和底端屏蔽的读出器，其特征在于至少其中一个屏蔽包括一个用于补偿读出器的热膨胀的层面。
附图概述
图1是根据本发明的转换头的部分截面视图。
图2是根据本发明的转换头的示意截面视图。
图3是根据本发明另一实施例的示意截面视图。
图4是根据本发明另一实施例的示意截面视图。
发明详述
图1是根据本发明的转换头10的部分截面视图。图1中的截面主要取自转换头10的空气轴承面的常规视图。转换头10包括基片12，覆盖基层14，读出器16，写入器18，绝缘层20和覆盖套层22。读出器16包括底端屏蔽结构24，读出元件26，读出间隙28和顶端屏蔽结构30。写入器18包括底端磁极32，共同磁极延伸34，后通道36，导电线圈38、线圈绝缘部40，和顶端磁极42。共同磁极44由顶端屏蔽结构30和底端磁极32共同形成。
覆盖基层14位于基片12上。读出器16和写入器18都是通过在临近转换头10的ABS的覆盖基层14上层叠成的多层器件。如图1所示，在覆盖基层14上形成读出器16，写入器18按照背载结构(两个元件的层面不共面)叠在读出器16上。在其他实施例中没有示出，读出器16和写入器18可以按照合并的结构(两个元件的层面共面)布置，和/或写入器18可以形成在覆盖基层14上(读出器16形成在写入器18上)。位置与读出器16和写入器18共面，并与转换头10的ABS相对的是绝缘层20。覆盖套层22在写入器18和绝缘层20上形成。
基片12典型的是由例如AlTiC，TiC，Si，SiC，Al2O3的材料，或这些材料复合形成的合成材料形成的。这些材料中，AlTiC和TiC具有相对较大的热膨胀系数(CTE)，范围典型的为大约6.6×10-6/℃到8.3×10-6/℃，然而硅具有较小的CIE，范围大约为2.0×10-6/℃到3.0×10-6/℃。
覆盖基层14形成于转换头10中的基片12上，如图1所示，但是其他的实施例中的覆盖基层14可以在一个可替换的位置形成。覆盖基层14通常是由绝缘材料制成，例如Al2O3，AlN，SiO2，Si3N4，或SiO0-2N0-15。通常，用于覆盖基层14的绝缘材料的选择要使其与基片12使用的材料的化学与机械属性最相近。例如，Al2O3的覆盖基层常常与AlTiC的基片结合使用，因为这两种材料具有相似的CTE。
读出器16形成在覆盖基层14上，包括底端屏蔽结构24，读出元件26，读出间隙28和顶端屏蔽结构30。底端屏蔽结构24是一个包括补偿层46，非磁性间隔物48，和底端屏蔽50的多层结构。补偿层46形成在覆盖基层14上面，底端屏蔽50与读出间隙28相邻形成。非磁性间隔物48位于补偿层46和底端屏蔽50之间。多层底端屏蔽结构24通过一步电镀或者溅射过程制成的。
顶端屏蔽结构30通过读出间隙28与底端屏蔽结构24相隔开。顶端屏蔽结构30是一个包括补偿层52，非磁性间隔物54，和顶端屏蔽56的多层结构。顶端屏蔽56与读出间隙28相邻，非磁性间隔物54将顶端屏蔽56和补偿层52隔开。补偿层52形成在顶端屏蔽结构30的非磁性间隔物54上面。多层顶端屏蔽结构30通过一步电镀或者溅射过程制成的。
底端和顶端屏蔽50和56用坡莫合金形成，尤其是补偿接近为20％Fe-80％Ni的镍铁合金。这样的合金典型的具有大的CTE。例如，Ni79Fe21的CTE大约为12.2×10-6/℃。坡莫合金具有屏蔽所需要的大的导磁率和低的矫顽力。
补偿层46和52由具有低CTE的材料形成，例如不胀钢，一种组成约为35％Fe-65％Ni的镍铁合金。优选的，补偿层46和52由具有低CTE，其CTE在大约1×10-6/℃到2.5×10-6/℃之间的材料制成，最重要的是要低于屏蔽的CTE。
非磁性间隔物48和54的功能是将每一屏蔽(50和56)分别与其相应的补偿层(46和52)从磁性上隔开，以确保屏蔽50和56有更好的磁性能。虽然形成补偿层46,52的材料具有低的CTE，但它同样是磁材料。于是，非磁性间隔物48，54将屏蔽50，56和补偿层46，52隔开，从而保护了屏蔽50，56不会受到磁噪声。第一间隔物48位于底端屏蔽50和第一补偿层46之间，第二间隔物54位于顶端屏蔽56和第二补偿层52之间。而且间隔物48，54与ABS相邻。间隔物48，54由非磁性材料形成，例如NiPd，CuNi，NiP，Cr，或氧化铝。
在ABS上介于底端屏蔽50和顶端屏蔽56终端之间为读出间隙28。读出元件26位于读出间隙28中，与ABS相邻。读出间隙28将读出元件26与底端屏蔽50和顶端屏蔽56隔离。读出元件26可以是各种不同类型的读出元件，例如各向异性的磁阻(MR)读出元件或巨磁阻(GMR)元件。运行中，磁介质表面的磁通量让MR读出元件26的磁化强度向量产生转动，它又继续导致MR读出元件26的电阻率的改变。读出元件26的电阻率的改变可以通过在电阻元件26中通过的电流和测量通过元件26的电压来检测。
写入器18形成在读出器16上，并且包括底端磁极32，共同磁极延伸34，后通道36，导电线圈38、线圈绝缘部40，和顶端磁极42。底端磁极32形成在顶端屏蔽结构30的上面。共同磁极延伸34和后通道36形成在底端磁极32的上面，并且共同磁极延伸34邻近ABS，后通道36与ABS隔开。在ABS上介于共同磁极延伸34和顶端磁极42之间为写入间隙58。顶端磁极42形成在共同磁极延伸34的上方，并从ABS向后通道36延伸。导电线圈38位于底端磁极32和顶端磁极42之间的线圈绝缘部40之中，将后通道36环绕，这样通过导电线圈38的电流就产生一个穿过写入间隙58的磁场。
转换头10是一个背载结构，其中读出器16的顶端屏蔽结构30和写入器18的底端磁极32是由分开的层面形成。尽管没有举例说明，转换头10也可以安置成合并磁头结构，其中共同磁极44用作读出器16的顶端屏蔽结构30和写入器18的底端磁极32，或是读出器16建于写入器18上的合并磁头结构。
底端屏蔽50，顶端屏蔽56，底端磁极32，共同磁极延伸34，后通道36和顶端磁极42都是由金属材料形成。优选的，每一组件是由主要成份为Fe，Ni，和/或Co的合金形成。底端和顶端屏蔽50，56优选的由坡莫合金，组成大概为20％Fe-80％Ni的镍铁合金形成。这种合金典型的具有大的CTE。例如，Ni79Fe21的CTE大约为12.2×10-6/℃。
读出间隙28通常是由诸如Al2O3的绝缘材料形成的。线圈38通常是由诸如铜，金，或银之类的导电材料形成的。最通常使用的是铜，它的CTE大约为16.5×10-6/℃。线圈绝缘部40通常是由具有较大CTE的曲形光刻胶形成，或者由其他诸如AlN，SiO2和Si3N4之类的绝缘材料形成。
图1中没有示出到读出元件26和线圈38的电导轨和触点。电导轨和触点典型的是由诸如金，钛或合金之类的金属形成的。
转换头10的读出器16和写入器18的层面位于绝缘层20的面内，与ABS相对。绝缘层20最好是由诸如Al2O3，AIN，SiO2，Si3N4和SiO0-2N0-15之类的绝缘材料形成。
在图1所示的实施例中，覆盖套层22在顶部磁极42的上方形成，通常也形成在写入器18的上方。覆盖套层22典型的是由诸如Al2O3，AlN，SiO2，Si3N4和SiO0-2N0-15之类的绝缘材料形成。
在图1中本发明的实施例中，使用了两个补偿层。补偿层46位于覆盖基层14的顶部和第一非磁性间隔物48的下方，补偿层52位于第二非磁性间隔物54的顶部和底端磁极32的下方。补偿层46，52的厚度不超过相应的底端或顶端屏蔽的厚度的90％。底端和顶端屏蔽50，56的厚度介于大约0.2微米和2.5微米之间。
补偿层46形成在覆盖基层14和非磁性间隔物48之间。补偿层52形成在第二间隔物54和写入器18之间。补偿层46，52是由低CTE的补偿材料形成，它的CTE在大约1.0×10-6/℃到大约2.5×10-6/℃之间。优选的，补偿层46，52是由组成为35％Fe-65％Ni的镍铁合金形成。然而，其他许多具有低CIE的材料，例如CTE介于大约1.0×10-6/℃到大约2.5×10-6/℃之间的元素或合金金属，电介质，和半导体材料，也可以用作补偿层46，52，但不仅限于此。可能会使用的这些材料的实例为W，Mo，Cr，Si，Ta，Zr，Hf，Os，Ge，Re，Ru，Ce，B，Ir，NiFe，TiW，氧化硅，氮化硅和氧氮化硅。
在转换头10的生产过程中，底端屏蔽结构24和顶端屏蔽结构30分别是在单步和掩膜中形成的，例如通过电镀或溅射。
转换头10的层面都有不同的机械和化学属性，尤其是底端屏蔽结构24和顶端屏蔽结构30。由于这些不同的属性，转换头10的层面将被以不同的速率抛光。于是，制作过程中对转换头10的ABS进行抛光就会导致转换头10得到一个不平整ABS，如图1中所看到的。通常在研磨过程中，转换头10除去的的金属层要比从基片12上除去的层数多，就会导致产生金属层相对于基片12的极尖凹进(PTR)。某一层面的PTR定义为基片12的ABS和该层的ABS之间的距离。本发明的转换头10的间隙60定义为基片12的ABS和屏蔽结构24和30的ABS 62之间的距离
在运行中，转换头10的层面不同的机械和化学属性进一步影响转换头10的ABS。形成基片12所使用的材料的CTE典型的要比形成转换头10的金属层所使用的材料的CTE小许多，尤其是底端屏蔽50和顶端屏蔽56。由于金属层较大的CTE，这些层面的膨胀量会比基片12的大。于是，当转换头10处于高温运行中时，金属层将会比基片12更凸近磁盘，因此影响了转换头10的金属层的PTR。这种由温度引起的PTR的改变称之为热PTR(TPTR)。
本发明通过使用多层底端屏蔽结构24和多层顶端屏蔽结构30来解决TPTR这一问题。每一屏蔽结构的补偿层46和52对转换头10的金属层的高CTE进行补偿。通常，补偿层46，52处于与高CTE材料靠近的位置，它们是屏蔽50，56的TPTR大的主要因素。补偿层46，52基本上沿与转换头10的ABS垂直并向后方延伸，并沿与转换头10的屏蔽50，56平行的方向平展。相对于基片12，补偿层46，52的低CTE材料在运行温度上升时凹进，当运行温度下降时则凸出，正好与磁屏蔽结构24，30中TPTR来源的高CTE材料相反。本发明的多层屏蔽结构24，30在高温运行中保持间隙60的大小，并通过消除和补偿屏蔽50，56产生的TPTR来防止屏蔽结构24，30的TPTR。而且，在磁屏蔽中使用低CTE层46，52并不损害转换头10的性能。
图2是根据本发明的转换头的示意截面视图。图2中所示是读出器16和写入器18的一部分，特别是底端磁极32和共同磁极延伸34。底端屏蔽结构24包括第一补偿层46，第一非磁性间隔物48，和底端屏蔽50。在图2所示的实施例中，第一补偿层46形成于底端屏蔽根层64上。底端屏蔽根层64是一个用于电镀底端屏蔽50的导体面。底端屏蔽根层64并不必要能够减少TPTR，并且依据制作底端屏蔽结构24的过程，该层可以省掉。
第一非磁性间隔物48将补偿层46和底端屏蔽50隔开，以确保底端屏蔽50有更好的磁性能。并且，第一非磁性间隔物48将底端屏蔽50从来自第一补偿层46中的磁噪声屏蔽起来。当在底端屏蔽结构24中没有隔离层时也可以取得相似的减小的TPTR。
顶端屏蔽结构30通过读出间隙28与底端屏蔽结构24隔离开。顶端屏蔽结构30包括顶端屏蔽56，第二非磁性间隔物54，和第二补偿层52。底端磁极32形成在顶端屏蔽结构30上方。底端屏蔽结构24的底端屏蔽50和顶端屏蔽结构30的顶端屏蔽56都相邻着读出间隙28平展。第二间隔物54将顶端屏蔽56和第二补偿层52隔开，以确保读出器16有更好的磁性能。例如，通常用作补偿层46，52的材料具有低的CTE，但也是磁材料。屏蔽50，56和相应的补偿层46，52之间的非磁性间隔物48，54保护屏蔽50，56不受来自补偿层48，54的磁噪声的影响。
通常，补偿层46，52的位置处于与磁屏蔽结构24，30的高CTE层面靠近的位置，它们是转换头10的TPTR的主要特征。通过适当选择补偿层的材料和尺寸，补偿层将会均衡和补偿屏蔽结构24，30的金属层的较大的CTE。补偿层46，52保持TPT接近零，从而可以使转换头10与可读/可写介质之间的悬浮量保持较低，和提高了转换头10的性能。在高温运行下，补偿层46，52相对于基片12凹进，在附近将屏蔽50，56凸出的金属层拉回。当运行温度下降时，补偿层46，52相对于高CTE材料凸出，和减少凹进。
图3是根据本发明的转换头10的读出器16的另一实施例的示意截面视图。在图3所示的实施例中，底端屏蔽结构24包括减少TPTR的补偿层66，而顶端屏蔽结构30只包括顶端屏蔽68。底端屏蔽结构24包括补偿层66，非磁性间隔物70和底端屏蔽72。转换头10的写入器18，和尤其是底端磁极32和共同磁极延伸34形成于读出器16的顶端屏蔽68之上。
图4是根据本发明的转换头10的另一实施例的示意截面视图。在图4所示的实施例中，顶端屏蔽结构30包括减少TPTR的补偿层74，但是底端屏蔽结构24只包括底端屏蔽76。顶端屏蔽结构30包括顶端屏蔽78，非磁性间隔物80和补偿层74。转换头10的写入器18，和尤其是底端磁极32和共同磁极延伸34形成于读出器16的顶端屏蔽68之上。
如图3和4所示的实施例所述，在读出器16中低CTE的补偿层既可以与底端屏蔽也可以与顶端屏蔽相邻使用，仍可以得到大的TPTR减少。
本发明减小了转换头中，尤其是转换头中的读出器的磁屏蔽的热极尖凸出和凹进。本发明是转换头的读出器中用作底端屏蔽和/或顶端屏蔽的多层的磁屏蔽。每一磁屏蔽结构包括磁屏蔽和补偿层。优选的，屏蔽和补偿层通过非磁性间隔物隔开。补偿层是由低CTE材料形成，例如不胀钢，它相对于转换头的基片当温度上升时凹进，当温度下降时凸出。低TPTR可以使磁头和盘面的距离不断的减小，这一点对于高记录区间密度是很重要的。补偿层均衡了磁屏蔽的金属层的热凸出效果，防止转换头的TPTR的增加，并保持悬浮量稳定。
虽然参照优选的实施例对本发明进行了描述，但是本领域的熟练技术人员意识到不脱离本发明的精神范围，可以在形式上和细节作一些改变。

Claims (20)

1.一种在数据转换器中形成的读出器，用于从磁盘读出数据，该读出器包括：
第一屏蔽，由包括第一材料层面的多个层面形成；
读出间隙；
第二屏蔽，通过读出间隙与顶端屏蔽隔开；和
磁性补偿层，形成在第一屏蔽中，所述磁性补偿层的热膨胀系数小于8.3×10-6/℃。
2.如权利要求1所述的读出器，其中第一屏蔽是底端屏蔽。
3.一种在数据转换器中形成的读出器，该读出器包括：
第一屏蔽，由包括第一材料层面的多个层面形成；
读出间隙；
第二屏蔽，通过读出间隙与顶端屏蔽隔开；和
磁性补偿层，形成在第一屏蔽中，所述磁性补偿层的热膨胀系数小于第一材料的热膨胀系数；以及
非磁性衬垫层，将第一屏蔽的第一材料层和第一屏蔽的补偿层隔开。
4.如权利要求3所述的读出器，其中非磁性衬垫的厚度介于大约0.1微米和大约0.5微米之间。
5.如权利要求2所述的读出器，其中所述补偿层的厚度不大于底端屏蔽的第一材料层的厚度的90％。
6.如权利要求2所述的读出器，其中所述第一材料层面的厚度介于大约0.2微米和大约2.5微米之间。
7.如权利要求1所述的读出器，其中第二屏蔽是顶端屏蔽。
8.如权利要求7所述的读出器，其中所述补偿层的厚度不大于顶端屏蔽的第一材料层的厚度的90％。
9.如权利要求1所述的读出器，其中补偿层由组成大约为65％Ni-35％Fe的镍铁合金组成。
10.如权利要求1所述的读出器，其中第一材料由组成大约为80％Ni-20％Fe的镍铁合金组成。
11.如权利要求1所述的读出器，其中第一屏蔽是通过单一处理步骤形成的。
12.一种薄膜转换器，其具有一基片和一敏感部分，所述敏感部分包括一敏感元件、一第一屏蔽、和一第二屏蔽、所述的敏感部分包括：
一磁层，其用于补偿所述的转换器的热所引起的延长，其中用于补偿的磁层具有一小于基片的热延系数的热延系数。
13.如权利要求12所述的转换器，其中所述补偿层包括形成于第一屏蔽上的层。
14.如权利要求13所述的转换器，其中所述的补偿层包括形成于第二屏蔽上的层。
15.如权利要求12所述的转换器，其中所述补偿层的热延系数小于8.3×10-6/℃。
16.如权利要求12所述的转换器，其中所述补偿层的热延系数小于6.6×10-6/℃。
17.如权利要求12所述的转换器，其中所述的补偿层的热延系数在大约1×10-6/℃至2.5×10-6/℃之间。
18.如权利要求18所述的转换器，其中所述的补偿层由铁镍合金所组成，所述混合物具有约65％的Ni和35％的Fe。
19.一种转换器，其包括：
具有一第一屏蔽的敏感部分，所述的第一屏蔽具有一第一磁层，其用于补偿因转换器的热所引起的扩延；以及
读取间隙；
其中第一磁层的热延系数在约1×10-6/℃至2.5×10-6/℃之间。
20.如权利要求19所述的转换器，其中第一补偿层更进一步包含一第二层和非磁性衬垫层，所述非磁性衬垫层用于分离第一屏蔽的第一层和第一屏蔽的第二层。
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