CN1296895C

CN1296895C - 磁性记录/重放设备

Info

Publication number: CN1296895C
Application number: CNB2004100686830A
Authority: CN
Inventors: 高岸雅幸; 船山知己; 田中阳一郎
Original assignee: Toshiba Corp
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 2003-09-02
Filing date: 2004-09-02
Publication date: 2007-01-24
Anticipated expiration: 2024-09-02
Also published as: JP2005078750A; US20050063104A1; US7277262B2; SG109572A1; CN1591581A

Abstract

本发明公开了一种磁记录/重放设备，其具有：一磁阻磁头，磁头具有一磁阻薄膜(4、5、6)，电流在基本垂直于薄膜平面的方向上流经该磁阻薄膜，磁阻磁头还具有一对磁屏蔽体(1、8)，它们被布置成夹置着磁阻薄膜；以及一前置放大器(30)，其以恒流驱动模式向磁阻磁头输送检测电流。

Description

磁性记录/重放设备

技术领域

本发明涉及一种采用垂直平面电流式(电流正交平面式)磁阻磁头的磁性记录/重放设备。

背景技术

人们始终希望能提高磁性记录/重放设备的记录密度。因而，需要有高灵敏度的读取磁头。作为能满足上述需求的读取磁头中的一个元件，隧道结型磁阻元件(TMR元件)或垂直平面电流式巨磁阻元件(CPP-GMR元件)是公知的。

在采用这种元件的读取磁头中，用于对磁场进行检测的检测电流在大体上垂直于薄膜平面的方向上流经一TMR薄膜或GMR薄膜，其中的薄膜是一种叠层结构，其包括一磁化固定层、一间隔层、以及一自由磁化层。由于这一原因，该读取磁头可被称为垂直平面电流式磁阻磁头。其中公开了使用TMR元件的磁头的文件实例包括第5898548号美国专利文件。其中公开了使用CPP-GMR元件的磁头的文件实例包括属于KOKAI的平10-55512号日本专利公开文件、以及第5668688号美国专利文件。

当检测电流流经一读取磁头的元件时，根据各种情况而决定是采用恒流驱动还是采用恒压驱动。举例来讲，公知的是：对于采用TMR元件的读取磁头，为了能吸收元件电阻的波动，优选地是采用恒压驱动。

如上所述，TMR薄膜或GMR薄膜是由磁化固定层、间隔层、以及磁化自由层构成的叠层结构，薄膜中的间隔层具有这样的结构：在高电阻值的基体中散布着一些具有细微的导电区域(也被称为引线孔或金属孔)。为何采用具有这种结构的间隔层的原因在于可控制间隔层的电阻。考虑到TMR元件的实际应用是作为读取磁头，所以必须要限制元件中作为间隔层的高电阻隧道阻挡层的阻值。位于隧道阻挡层中的细微导电区域有助于降低电阻(例如可参见第5898548号美国专利、以及2002年第38卷IEEE学报中的笫73页)，在CPP-GMR元件中，很薄的高电阻氧化物薄膜中具有一些细微的金属孔，该薄膜被用作间隔层，以提高MR比。

但是，已经发现这种垂直平面电流式磁阻磁头的性能会恶化，其中主要的原因是由于检测电流集中在间隔层中分布的细微导电区中而产生了热量，导致磁头的工作寿命变短，这将为磁性记录/重放设备带来可靠性差的问题。

发明内容

根据本发明一个方面的磁记录/重放设备，其特征在于包括：一磁阻磁头，其具有一磁阻薄膜，在基本垂直于薄膜平面的方向上，电流流经所述的磁阻薄膜，磁阻磁头还具有一对磁屏蔽体，它们被布置成将磁阻薄膜夹置着，其中，磁阻薄膜为叠层结构，该叠层结构包括一磁化固定层，一高阻间隔层，以及一磁化自由层，高阻间隔层包括一种高阻值的基体以及制在高阻基体中导电区；以及一前置放大器，其以恒流驱动模式向磁阻磁头输送检测电流。

附图说明

图1中的视图表示了根据本发明一实施方式的磁阻薄膜、以及与磁阻薄膜相连接的恒流驱动的前置放大器；

图2中的轴测图示意性地表示了高电阻间隔层的一种示例，该间隔层被包含在上述的磁阻薄膜中；

图3中的轴测图示意性地表示了高电阻间隔层的另一种示例，该间隔层也被设置在磁阻薄膜中；

图4中的剖面图表示了一种结构实例，其由一固定层、一高阻间隔层、以及一自由层构成；

图5中的剖视图表示了由固定层、高阻间隔层、以及自由层构成的另一种实例；

图6A和图6B中的视图用于解释当检测电流流过垂直平面电流式磁阻磁头时所产生的问题；

图7中的图线表示了垂直平面电流式磁阻磁头工作在恒流驱动和恒压驱动模式下时输出量随时间的变化；

图8中的图线表示了当垂直平面电流式磁阻磁头工作在电流值不同的恒流驱动模式下时、输出量随时间的变化规律；

图9中的表示了一种根据本发明另一实施方式的磁阻薄膜，在该薄膜中设置了一个温度检测元件、一温差电动势检测器、以及一恒流驱动的前置放大器，前置放大器为恒流驱动模式，其与磁阻薄膜相连接；

图10中的图线表示了图9所示磁阻薄膜中温度与受控电流之间的关系；

图11中的轴测图表示了一种根据本发明一实施方式的磁头组件，该视图是从碟盘方向进行观察而得到的；以及

图12中的轴测图表示了一种磁性记录/重放设备的内部结构，图11所示的磁头被安装到该设备上。

具体实施方式

下文将参照附图对本发明的实施方式进行描述。

图1中的剖视图表示了用在本发明中的垂直平面电流式磁阻元件的一种示例。图1表示了磁阻元件的气浮承表面的一侧，这一侧正对着磁记录介质(图中未示)。如图1所示，一下部屏蔽体1、一底层2、一反铁磁性层3、一磁化固定层(栓固层)4、一高阻的间隔层5、一磁化自由层(自由层)6、一保护层7、以及一上部屏蔽体8被叠置到一起。抗抗铁磁层、固定层4、高阻间隔层5、自由层6构成一磁阻薄膜(TMR薄膜或CPP-GMR薄膜)。在该磁阻薄膜的两侧制出铁磁性的偏置层10，用于稳定自由层6中的磁畴，偏置层10介入到绝缘层9之间。

下屏蔽体1和上屏蔽体8还起到电极的作用，用于在基本垂直于磁阻薄膜表面的方向上输送检测电流。用来形成下屏蔽体1和上屏蔽体8的材料包括NiFe等铁磁性导电材料。用于反铁磁性层3的材料例如包括PtMn。自由层6起到检测区的作用。如果在垂直于磁阻元件薄膜表面的方向上存在检测电流，则可输出电信号，该电信号代表由自由层6检测到的磁信号。

在本发明中，在下屏蔽体1和上屏蔽体8上连接有一前置放大器30，用于输送检测电流。下面将对恒流驱动所能达到的效果进行描述。此处，由恒流驱动所带来的效果具体体现在磁阻薄膜中所含的高阻间隔层5上。由于这一原因，下面将首先对高阻间隔层5进行描述。

如图2或图3所示，高阻间隔层5具有这样的结构：在一种高阻值的基质11中形成细微的导电区12。这些导电区12的构造可以是图2所示的单维孔洞(被称为导电孔)、或图3所示的二维沟槽。如图4所示，在任一情况下，导电区的横截面结构都包括固定层4、高阻间隔层5、以及自由层6。

在TMR薄膜中，具有上述结构的高阻间隔层(隧道阻挡层)5的形成取决于制造方法。在CPP-GMR薄膜的情况下，特意制出上述结构的高阻间隔层5来增大输出量。在CPP-GMR薄膜中，导电区12被制成具有界限电流的效果。在此情况下，如果导电区12的面积约为薄膜面积(元件面积)的10％或更小，则这种对电流的界限效果就特别显著。

高阻基体11中的主要成分为如下一组元素的氧化物、氮化物或碳化物，所述的一组元素包括：硼(B)、硅(Si)、锗(Ge)、钽(Ta)、钨(W)、铌(Nb)、铝(Al)、钼(Mo)、磷(P)、钒(V)、砷(As)、锑(Sb)、锆(Zr)、钛(Ti)、锌(Zn)、铅(Pb)、钍(Th)、铍(Be)、镉(Cd)、钪(Sc)、镧(La)、钇(Y)、镨(Pr)、铬(Cr)、锡(Sn)、镓(Ga)、铟(In)、铑(Rh)、钯(Pd)、镁(Mg)、锂(Li)、钡(Ba)、钙(Ca)、锶(Sr)、锰(Mn)、铁(Fe)、钴(Co)、镍(Ni)、铷(Rb)、以及稀土金属，该主要成分的电阻值约为1×10E-3Ωcm或更大。用于形成导电区12的材料例如是如下的金属：铜(Cu)、金(Au)、银(Ag)、铂(Pt)、钯(Pd)、铱(Ir)、锇(Os)、铁(Fe)、钴(Co)、以及镍(Ni)。

如图2所示单维孔洞(导电孔)形式的导电区12的尺寸约为0.1nm到10nm，则就能实现CPP-GMR薄膜或TMR薄膜的功能，并能进一步地改善元件的功能，图3所示二维沟槽形式的导电区12的槽宽可为0.1nm到5nm。

高阻间隔层5并不一定带有从固定层4延伸到自由层6的导电区12。举例来讲，如图5所示，如果高阻间隔层5的表面是不平整的，在该表面上，凸起部分的厚度为0.2nm到4nm，凹陷部分的厚度为凸起部分厚度的一半或更小，则由于凸起部分与凹陷部分之间的电阻存在差异，所以会有一个隧道电流流过凹陷部分，或者电流集中在凹陷部分中，从而获得了对电流进行界限的效果。换言之，图5所示的凹陷部分与图4中孔洞(导电孔)形式的结构具有相同的作用。

下面将参照图6A和图6B对检测电流流过垂直平面电流式磁阻磁头时出现的问题进行描述。图6A和图6B表示了这样一种状态：在固定层4、高阻间隔层5、和自由层6的叠层结构中，检测电流只在高阻间隔层5中分布的细微导电区12中流动。如果检测电流以这样的方式集中在导电区12中，则由于电流的发热(焦耳热)，导电区12附近的高阻部分会发生变化，从而使导电区12的面积变为图6B所示的状态，大于图6A中的面积。在此情况下，TMR元件中并联的器件数目增多，或者，CPP-GMR元件中对电流的界限效果变弱，从而导致输出的下降。输出下降现象的出现会增大带有上述磁阻磁头的磁记录/重放设备的误差率，并缩短设备的工作寿命。

在本发明中，采用恒流驱动显著地抑制了磁记录/重放设备由于上述的输出下降现象而出现的寿命缩短。

图7表示了当垂直平面电流式磁阻磁头工作在恒流模式或恒压模式下时、输出量随时间的变化。该实验中所用磁头的电阻为50Ω。在零时刻，恒流驱动模式下的输出值基本上等于恒压驱动模式下的输出值。此条件下，将与采用该磁头的磁记录/重放设备的误差率限度相对应的输出下降量设定为10％。如图7所示，工作在恒流驱动模式下的磁头的工作寿命约为恒压驱动模式下寿命的两倍。

尽管该实验结果与恒压驱动的技术概念明显地不一致，但可以相信此结果受到了如下机制的影响，其中，在恒压驱动的技术思想中，即使电阻降低，总体电压也不会出现下降。上述的机制也就是说：当磁记录/重放设备工作在恒压驱动模式下时，导电区12所产生的焦耳热与导电区的电阻R成反比，二者之间的关系如下式表达：

W(恒压驱动模式下)∝V²/R。

在此情况下，如果导电区12的尺寸在经过长时间工作后增大了，则电阻R就会降低，从而发热W会增大。因而，当磁记录/重放设备工作在恒压驱动模式下时，导电区12会加速增大，磁记录/重放设备的工作寿命会变短。

在另一方面，当垂直平面电流式磁阻磁头工作在恒流驱动模式下时，如下面的公式所表达的那样，所产生的焦耳热W与导电区的电阻R成正比。因而，当磁记录/重放装置工作在恒流驱动模式下时，导电区12的扩大不会加速进行，从而可防止磁记录/重放设备的工作寿命缩短，公式如下：

W(恒流驱动模式下)∝I²×R

图8表示了在恒流驱动模式下、当驱动电流约增大20％时输出量随时间的变化曲线。在恒流驱动模式下，当电流增大20％时，磁记录/重放设备的工作寿命基本上等于其在图7所示恒压驱动模式下的寿命。因而，在上述条件下，通过采用恒流驱动可获得约20％的输出增益。

如上所述，在本发明中，当垂直平面电流式磁阻磁头工作在恒流驱动模式下时，可显著地延长工作寿命，或者可显著增大输出量。

在本发明中，可根据对电流界限部分(高阻间隔层)温度的检测结果，对前置放大器执行反馈控制，以便于在温度上升到能造成性能恶化的程度时降低电流值。在设置了这种控制机制的情况下，能比简单地采用恒流驱动模式获得更为优异的效果。

下面将参照图9对具有上述机制的磁记录/重放设备的组成结构进行描述。在该垂直平面电流式磁阻磁头元件中，在图1所示的叠层结构中，在高阻间隔层5与自由层6之间插置一铜层21。即使插置了铜层21，TMR效应或GMR效应也不会受到影响。在铜层21的一端上连接了一条铜引线22，并在另一端上连接一CuNi(康铜)引线23。此外，铜引线22和CuNi(康铜)23还与一处于室温下的基准结点24相连接。由于这种结构组成能在铜与康铜之间形成温差电动势，所以可利用一个连接在铜引线22中间的温差电动势检测器25来测量高阻间隔层5的温度。因而，可对工作在恒流驱动模式下的前置放大器30执行反馈控制，根据温差电动势检测器(控制器)25的测得的高阻间隔层5的温度，来降低检测电流的数值。

举例来讲，在图10中，当温差电动势检测器25测得高阻间隔层5的温度超过150℃时，对工作在恒流驱动模式下的前置放大器30执行控制来降低检测电流的数值。

顺便提及，位于Cu与CuNi(康铜)之间的结点起到热敏部分的作用，其可以与元件分开，可对工作在恒流驱动模式下的前置放大器30执行控制，以根据元件附近的环境温度来改变检测电流的数值。

下面将对采用根据本发明一实施方式的磁阻磁头的磁头组件和磁记录/重放设备进行介绍。

图11中的轴测图表示了一种磁头组件50，该视图是从碟盘方向进行观察来得到的，该组件采用了根据本发明一实施方式的垂直平面电流式磁阻磁头。动作臂51具有一个孔洞，其要被装配到磁盘装置中一枢轴上。在动作臂51的一端上固定着悬臂52。在悬臂52的远端上支撑着一个磁头浮动块53，垂直平面电流式磁阻磁头被安装在浮动块53上。在悬臂52上制出用于读写信号的导线54。导线54的一端连接到磁头的电极上，另一端则连接到电极极板55上。

图12中的轴测图表示了一磁记录装置(硬盘驱动器)100的内部结构，图11所示的磁头组件被安装在该装置中。磁盘101被固定在心轴102上，并响应于驱动控制器(图中未示出)输送来的控制信号而转动。图11所示的动作臂51被安装到枢轴103上，并由设置在枢轴103上部和下部的滚珠轴承(图中未示出)支撑着，动作臂51支撑着悬臂52、以及设置在悬臂52远端上的磁头浮动块53。属于线性电机的音圈马达104被设置在动作臂51的近端上。音圈马达104包括一由驱动线圈、一永磁体、以及一对置磁轭构成的磁路，其中，驱动线圈缠绕在一线轴体单元上，磁轭被设置成相互正对着，以夹置着线圈。可利用音圈马达104自由地促动着动作臂51。当磁盘101转动时，以一定的方式保持着磁头浮动块53，使其悬浮在磁盘101的上方、或与磁盘101的表面相接触，从而可利用磁头对信息执行读/写。顶盖105被安装在包封上述各个部件的壳体上。

本领域技术人员能明显地意识到其它的优点和改型。因而，在广义上，本发明并不仅限于文中表示和描述的具体细节和代表性的实施方式。因此，在不偏离本发明总体设计思想和保护范围的前提下，可作出多种形式的改动。其中，本发明的范围由后附的权利要求书及其等效表达来限定。

Claims

1.一种磁记录/重放设备，其特征在于包括：

一磁阻磁头，其具有一磁阻薄膜，在基本垂直于薄膜平面的方向上，电流流经所述的磁阻薄膜，磁阻磁头还具有一对磁屏蔽体，它们被布置成将磁阻薄膜夹置着，其中，磁阻薄膜为叠层结构，该叠层结构包括一磁化固定层，一高阻间隔层，以及一磁化自由层，高阻间隔层包括一种高阻值的基体以及制在高阻基体中的导电区；以及

一前置放大器，其以恒流驱动模式向磁阻磁头输送检测电流。

2.根据权利要求1所述的设备，其特征在于：高阻基体的材料是从一组金属氧化物、金属氮化物和金属碳化物中选出的，导电区中的金属是从由铜、金、银组成的材料组中选出的。

3.根据权利要求1所述的设备，其特征在于：导电区与间隔层的面积比小于等于10％。

4.根据权利要求1所述的设备，其特征在于：高阻间隔层为隧道阻挡层。

5.根据权利要求1所述的设备，其特征在于还包括：

一温度测量元件，其对磁阻薄膜中高阻间隔层的温度进行测量；以及

一控制器，其根据温度测量元件的数据对由前置放大器输送的检测电流值执行控制。

6.根据权利要求5所述的设备，其特征在于：温度测量单元包括一由第一金属构成的导电层、以及一由第二金属构成的引线，导电层叠压在磁阻薄膜中的高阻间隔层上，其与引线构成了一个温结，以便于产生温差电动势。